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金属鋳造の起源: 7,000 年前の古代文明にまで遡ることができるのはなぜですか?
鋳造は、液体材料を所望の形状のキャビティを含む型に注入し、固化させる製造プロセスです。硬化した部品は鋳物と呼ばれ、このプロセスは型を取り出すか、または型を壊すことによって完了します。鋳造材料は通常、金属、または 2 つ以上の成分を混合した後に硬化するさまざまな老化材料であり、例にはエポキシ、コンクリート、石膏、粘土などがあります。鋳造は、他の方法では作成が困難で非経済的な複雑な形状を作成するために最もよく使用されます。工作機械のベッドや船舶のプロペラなどの大型機械の部品を、複数の小さな部品を接合して製造することなく、必要なサイズに簡単に鋳造することができます。鋳造の歴史は 7,000 年以上前に遡り、最古の鋳物は紀元前 3,200 年の青銅のカエルであることは注目に値します。
歴史
古代より、金属鋳造は道具、武器、宗教的な品物の作成に使用されてきました。金属鋳造の歴史と発展は南アジア（中国、インド、パキスタンなど）にまで遡ります。南アジアの伝統と宗教は、象徴的な彫像や遺物の鋳造に大きく依存しています。これらの製品は通常、鉛を混合した銅合金で作られています。冶金学の始まり以来、ほとんどの鋳物は石またはセラミックで作られた単純な 1 ピースまたは 2 ピースの型から作られてきました。しかし、ロストワックス鋳造の証拠は多くの古代文明に現れています。ロストワックス鋳造プロセスは古代メソポタミアで始まりました。ロストワックス鋳造に関する最も古い記録はバビロンのスパルタにあり、鍵を作るのに必要なワックスの量が明確に記録されています。
初期の鋳物は開放石型で作られました。
ロストワックス鋳造には、直接ロストワックス法と間接ロストワックス法の2つの方法があります。直接成形法はワックス素材を手や他の道具を使って鋳造するのと同じワックスの型を作る方法で、間接成形法は型を通してワックスの型を作る方法です。ダイレクトフォーミング製法は職人の高い技術力が要求され、鋳造品の品質を保証できません。しかし、手動による直接成形の限界は、その効率が低すぎて大量生産を達成できないことです。この点において、間接成形には利点があります。職人は通常、石、木、粘土、その他のプラスチック素材からモデルを作成します。初期の文明は、鉛が溶けた銅をより流動的にするのに役立ち、より精巧なデザインを鋳造できることを発見しました。たとえば、モヘンジョダロの踊り子は銅合金で鋳造されており、おそらくロストワックス技術が使用されています。ロストワックス鋳造の歴史は紀元前 4000 年、つまり銅石器時代にまで遡ります。この技術の最も初期の研究例は、6,000 年前のインダス文明のお守りです。
鋳造技術の進化
インドは、コインを大量生産するために鋳造方法を利用した最初の文明の一つと考えられています。紀元前 1 千年紀頃、使用されていたコインは銀で作られていましたが、千年紀が進むにつれて、コインの素材は徐々に鋳造された銅合金に移行しました。新技術の開発により、新しい銅貨の大量生産と、積み重ね可能な複数ピースの貨幣テンプレート金型の導入が可能になりました。複数の型を積み重ねて粘土の円柱の中に入れ、中心から溶けた金属を流し込み、空いた空間を満たして固めます。このプロセスにより、同時に 100 枚のコインを生産することが可能になりました。
中東と西アフリカでは、冶金の伝統においてロストワックス技術がかなり早い段階から使用されていましたが、中国では比較的遅くこの技術を採用しました。インダス文明と比較すると、西ヨーロッパでのロストワックス技術の使用は非常に限られていると考えられています。殷の時代（紀元前1600～1040年）の安陽では、実際のロストワックス鋳物は発見されなかったが、大量（10万個）の鋳型の破片が発見された。このことから、王朝の首都ではロストワックス鋳造は行われていなかったのではないかと推測されました。しかし、紀元前 1300 年頃のインベストメント鋳造で作られたマスクの発見は、ロストワックス技術が中国の他の地域に影響を与えた可能性があることを示唆しています。歴史家は大砲開発の起源について議論していますが、ほとんどの証拠は 18 世紀から 19 世紀のテュルキエと中央アジアを示しています。
鋳造技術の多様性
金属加工では、金属を液体状態まで加熱し、型に流し込みます。金型は、所望の形状を含む中空のキャビティであり、金属を金型に流し込むための供給チャネルと排出チャネルが含まれています。金型と金属が冷えると、金属は固まります。次に、固化した部品 (鋳造品) が金型から取り外され、その後の操作によって鋳造プロセス中に生じた余分な材料が除去されます。
銑鉄やアルミニウムなどの金属の鋳造プロセスは時代とともに進歩し続け、技術の進化が産業の発展を促してきました。
さらに、石膏、コンクリート、プラスチック樹脂などの材料も、使い捨てのスクラップ型や多目的の「シート」型を使用して鋳造することができます。鋳物の表面は通常平らで不透明であり、外観を向上させるために表面処理技術がよく使用されます。鋳造プロセス中に、特定の化学的に製造されたプラスチック樹脂を粉末石と混合して色を与えることができ、これにより多くの場合、天然大理石やトラバーチンの効果をシミュレートできます。技術の向上に伴い、鋳造プロセスは進化し続け、前例のない設計精度を達成しています。
今日の業界では、鋳造プロセスのシミュレーションでは数値的手法を使用して、金型の充填、凝固、冷却を考慮した鋳造部品の質量を計算することで、鋳物の機械的特性と熱応力を事前に定量化し、変形を予測することができます。この技術により、生産を開始する前に鋳物の品質を正確に評価することができます。技術の進歩に伴い、鋳造プロセスのシミュレーションは鋳造技術における最も重要な革新の 1 つとなり、鋳造製造プロセス全体を通じて時間とコストを節約します。
この手紙では、金属鋳造の歴史と技術について説明しており、古代の職人技から今日の高度な技術への進化は、将来の鋳造技術が私たちの生活と工業生産をどのように変えるのかについて私たちに疑問を抱かせます。
