亜鉛合金の鋳造技術とその鉱山機械市場での利用事例

鋳造用亜鉛合金の基礎知識

亜鉛合金とは

亜鉛合金は、亜鉛を主成分にアルミニウム、銅、マグネシウムなどを加え、鋳造に最適化した合金です。
低融点で流動性が高く、寸法精度に優れるため、精密部品の大量生産に適しています。
鉄やアルミ合金と比べて比重はやや高いものの、コスト面と加工性で優位に立ちます。

主な成分と分類

代表的な鋳造用亜鉛合金はZAMAK（ザマック）と呼ばれるAl4％、Cu1％前後を含む系統です。
ZAMAK3は汎用グレード、ZAMAK5は銅量を増やし強度を高めたグレードとして知られます。
その他、Mgを添加し鋳肌を改善したZA系列や、耐摩耗性を重視したZn-Cu系もあります。

亜鉛合金鋳造技術の種類と特徴

ダイカスト法

高圧で溶湯を金型に射出し、数秒で凝固させる方法です。
優れた表面品質と±0.05 mmレベルの公差を実現し、後加工を大幅に削減できます。
生産サイクルが短いため、鉱山機械向け大量ロット部品のコスト削減に寄与します。

重力鋳造法

溶湯を上から静かに型に流し込む方式です。
ダイカストと比べ金型コストが低く、肉厚や大型部品に適しています。
気泡欠陥が少なく、後工程で溶接や機械加工を行う際の信頼性が高まります。

連続鋳造と遠心鋳造

連続鋳造は長尺素材を高効率で成形し、切断してギアブランクや軸受素材に使用します。
遠心鋳造は遠心力で高密度化された組織を得られ、耐摩耗性が求められるブッシュやスリーブに適用されます。

鉱山機械市場における利用メリット

耐摩耗性と耐腐食性

亜鉛合金はもともと犠牲防食効果を持ち、鉱山で発生する湿気や硫黄分による腐食から部品を守ります。
またCu添加型ではブロンズに匹敵する摩擦特性を示し、摺動部品の寿命延長に貢献します。

精密部品への適用とコスト削減

ダイカストでは薄肉2 mm以下の一体成形が可能で、ギアハウジング内部のオイルチャンネルや取付ボスを同時に作り込めます。
機械加工工数が減るため、部品単価だけでなく総製造コストを30％以上削減した事例もあります。

具体的な利用事例

採掘ドリルのギアハウジング

従来の鋳鉄製ハウジングをZAMAK3ダイカストへ置換し、重量を15％削減しました。
軽量化によりドリル先端部の慣性が低減し、掘削精度が向上しています。

ベルトコンベヤアイドラーブッシュ

重力鋳造で成形したZn-Cu合金ブッシュは、ゴム粉塵が多い環境下でもグリースメンテ周期を2倍に延長しました。
摩耗粉が少なく、ライン停止時間の短縮に直結します。

ポンプインペラ

ダイカスト製インペラは鋳肌が滑らかで、スラリー搬送ポンプの揚程を2〜3％改善しました。
耐食性が高いため、酸性鉱液でもステンレス代替として使用されています。

ケーススタディ: 某鉱山会社の導入事例

南米の大規模銅鉱山では、300 kWクラススラリーポンプのケーシングに亜鉛合金を採用しました。
年産12 万個のダイカスト化で、部品コストが年間150万ドル削減されました。
さらに、組立時の合わせ面精度が向上し、ポンプ全体のエネルギー効率が1.8％改善しています。

設計時のポイントと品質管理

肉厚設計とリブ配置

亜鉛合金は流動性が高い一方、過度な肉薄は凝固収縮割れのリスクがあります。
一般に最小肉厚は1.5 mm、面積急変部にはフィレット2 mm以上を設けると良好です。
リブを配置して剛性を高め、内部空洞を避けることが鉱山機械の過酷荷重への対策となります。

後加工・表面処理

切削では高送りが可能で工具寿命も長く、全体コストの最適化が図れます。
表面処理としてはクロメート、三価クロム、粉体塗装、硬質クロムめっきが選択肢です。
特に遠隔地鉱山では塗装レスで済むクロメート処理が保守面で評価されています。

検査方法と規格

ISO 301:2022「亜鉛合金鋳物機械的性質」が参照規格になります。
内部欠陥はX線検査、表面欠陥は蛍光浸透探傷で確認します。
ダイカスト品ではポロシティを3 ％以下に管理し、水圧試験0.5 MPaで漏れがないことを保証するケースが一般的です。

サステナビリティとリサイクル性

亜鉛は融点420 ℃と低いため、再溶解エネルギーが少なくCO₂排出削減に寄与します。
リサイクル率は90％以上で、スクラップは合金元素調整後すぐに再利用可能です。
鉱山機械メーカーが自社ヤードで回収し、鋳造工場へ戻すクローズドループも実現しやすい資材です。

今後の技術動向

合金開発

ニッケル微量添加で高温強度を向上させた合金が開発され、油圧機器など120 ℃域での適用が進んでいます。
また、セラミック粒子を分散させた複合材で耐摩耗性を50％向上させる研究も報告されています。

スマートファウンドリ

IoTセンサーで鋳造条件をリアルタイム監視し、AIが金型温度や射出速度を最適制御する試みが始まっています。
鋳造欠陥を30％削減した事例もあり、鉱山機械向けの大量生産部品で特に効果が期待されます。

まとめ

亜鉛合金鋳造は、低融点・高流動性を生かして精密形状を一体成形できる技術です。
鉱山機械分野では耐摩耗性と耐腐食性を両立しつつ、コスト削減と軽量化を実現します。
ダイカスト、重力鋳造、遠心鋳造など多様なプロセスがあり、部品の形状・ロット・機能に応じて使い分けが可能です。
設計段階での肉厚管理や適切な表面処理、厳格な品質検査により、過酷な鉱山環境でも高い信頼性が得られます。
リサイクル性に優れ、カーボンニュートラル時代の材料としても注目が高まっています。
今後は新合金とスマートファウンドリの進化により、鉱山機械市場での採用がさらに拡大すると期待されます。