銅合金は、水中や海水中での耐食性が高いことから、水道バルブなどの給水設備に使用されています。水道用バルブの製造方法の一つに鋳造があり、これは溶かした金属を鋳型に流し込んで固める技術で、金属が冷えて固まるときに収縮します。この収縮が金型によって拘束されると、脆い金属塊に応力が発生し、割れなどの欠陥が発生することがあります。特に、近年開発された鉛フリーの銅合金や青銅では、このような鋳造割れが発生しやすく、適切な鋳造方法の工夫が困難です。

     このような鋳造欠陥を生じない鋳造法を考案するために、時間とコストがかかる鋳型の試作を何度も繰り返す必要がありました。 しかし、近年ではFEMを用いた鋳造シミュレーションによる予測が徐々に主流になってきています。

     そこで本グループは、鋳造シミュレーションにより銅合金の鋳造欠陥を予測することを目的としました。また、鋳造シミュレーションの結果と実際の鋳造結果を比較することで、シミュレーションの有効性を検証します。 対象合金は6種の広く使用されている黄銅と2種のビスマス系鉛フリー青銅のJIS CAC 902です。

     鋳造シミュレーションに必要な固液共存域での機械的性質は、当研究室が開発した半固体引張試験装置を用いて取得しました。 図.1に半凝固状態で得られる応力-ひずみ曲線の一例を示します。

     実際の鋳物形状と欠陥発生位置を図2に示します。このモデルはシミュレーションで使用されたモデルと同じであり、実験で得られた結果はシミュレーション結果を検証するために使用されます。 鋳造実験では、鋳物や金型の温度履歴も測定しました。

     1.で説明したように、実験で得られたC2800系黄銅の機械的性質から導出された弾塑性構成式を用いて鋳造シミュレーションを実施しました。解析の熱伝達係数は、C280系黄銅のダイカスト試験の冷却時の温度履歴に基づいて調整しました。 解析結果から、凝固時に発生する等価塑性ひずみ（Hot Tearing Indicator、HTI）を計算することで鋳造欠陥の発生位置を算出・予測し、 結果を図3に示します。

鋳造実験とシミュレーション結果を比較すると、欠陥の発生位置はほぼ一致していました。 シミュレーション結果の精度をさらに向上させるには、鋳物の粘性挙動を考慮する必要があります。