流体輸送分野において、多段ポンプは高揚程・大流量という中核的な利点から、石油化学、水利、電力、鉱業などの重要な産業分野で広く利用されています。多段ポンプの中核となる受圧部品と流体通路キャリアであるポンプ本体の構造的完全性、寸法精度、材料性能は、ポンプセットの運転効率、信頼性、耐用年数を直接決定します。ポンプ本体製造の主流技術である鋳造プロセスは、材料選定、金型設計、溶解・鋳造、熱処理、そしてその後の検査に至るまで、全工程を精密に制御することで、複雑な作動条件下での多段ポンプの厳しい要求を満たす必要があります。
I. 多段ポンプのポンプ本体鋳造における材料選定：作業条件の要件を満たすための基本的前提
多段ポンプのポンプ本体は、高圧、高速流体による浸食、媒体腐食（酸・アルカリ溶液、固体粒子を含む流体など）、そして周期的な温度変化を伴う作業環境にさらされることが多い。そのため、材料選定においては、機械的特性、耐腐食性、プロセス適応性という3つの主要な指標を考慮する必要がある。不適切な材料選定によるポンプ本体の割れ、摩耗、漏れなどの不具合を回避するためである。
工業応用の実務の観点から見ると、ねずみ鋳鉄は、その優れた鋳造性能、衝撃吸収性、コスト上の優位性により、清水や低温低圧媒体を輸送する多段ポンプに最も広く使用されています。その中でも、引張強度がそれぞれ最大250MPaと300MPaに達するHT250とHT300は、ほとんどの民生および軽工業のシナリオの要求を満たすことができます。しかし、蒸気凝縮液や高温油などの高温（200℃以上）・高圧（10MPa以上）媒体を輸送する工業用多段ポンプの場合、ダクタイル鋳鉄がより適切な選択肢となります。QT450-10とQT500-7は、鋼鉄に近い強度を持つだけでなく、球状黒鉛構造により材料の靭性と耐疲労性が大幅に向上し、流体の脈動による周期的な負荷に効果的に耐えます。
腐食性作業環境では、特殊合金材料の適用が重要になります。塩化物イオンや硫化物などを含む強腐食性媒体を輸送する場合、304および316Lステンレス鋼は、クロムとニッケル元素によって形成される不動態皮膜により、優れた耐食性を実現します。中でも、モリブデンを添加した316Lは、304よりも孔食および隙間腐食に対する耐性が大幅に向上し、化学工業、海水淡水化などの用途に適しています。高濃度の酸・アルカリ環境では、フェライトとオーステナイトの二相構造を持つ二相ステンレス鋼（2205など）が、高い強度と耐食性を兼ね備え、過酷な条件下でのポンプ本体の長期安定運転要件を満たすことができます。
II. 鋳造金型設計：ポンプ本体の構造精度を確保するための基本ステップ
多段ポンプの構造は複雑で、複数の直列接続された流路、インペラキャビティ、そして内部のシール面を備えています。各段の流路は同軸度と垂直度を維持する必要があります。そうでないと、ポンプ本体内で渦が発生し、油圧損失が増加し、さらにはポンプ本体の振動につながる可能性があります。したがって、鋳型設計では、構造の正確な再現と充填プロセスの最適化を目標とし、以下の技術的課題の克服に重点を置く必要があります。
金型構造設計においては、まずポンプ本体の3次元モデルに基づいてパーティング面を計画し、パーティング面がシール面やフランジ接合面などの重要な精度領域を避けるようにすることで、バリ除去による寸法精度への影響を最小限に抑えます。ポンプ本体の複雑な内部流路には、砂型中子の組み合わせ工程を採用する必要があります。全体の流路を複数の別々に製造可能な砂型中子（例えば、第1段流路砂型中子、第2段流路砂型中子）に分割し、砂型中子に位置決めピンと位置決めスロットを設定することで、組み立て後の流路の同軸度誤差が0.1mm/m以内に制御されるようにします。同時に、鋳型はゲートとライザーシステムを適切に設計する必要があります。ゲート位置はポンプ本体の応力集中部（フランジルートなど）を避け、底部ゲートまたは段付きゲートを使用して溶融金属が鋳型にスムーズに充填されるようにし、砂型への衝撃による砂の混入や砂穴欠陥の発生を防ぎます。ライザーは、ポンプ本体壁の最も厚い部分（ポンプ本体フランジや流路の交差点など）に配置することで、鋳物の供給による引け巣や巣の発生を防ぎ、ポンプ本体の重要部品の密度を確保します。
金型材料の選定と加工精度管理の観点から、金型本体（砂箱や鋳型ベースプレートなど）は通常、Q235鋼板を溶接して製作されます。その平坦度は、フライス加工によって0.05mm/m以内に精密に制御する必要があります。砂中子の製造については、バッチ要件に基づいて適切なプロセスを選択する必要があります。小ロット生産の場合は樹脂砂を用いた手作業による中子製造を採用できますが、大ロット生産の場合はホットコアボックスやコールドコアボックスによる中子製造プロセスが推奨されます。砂中子の寸法公差は、自動化設備を用いて±0.1mm以内に抑える必要があります。さらに、鋳型内に排気路を設け、金属充填工程中にキャビティ内のガスを速やかに排出することで、ガスの閉じ込めや気孔欠陥の発生を防ぐ必要があります。一般的に、砂型表面100cm²ごとに直径2～3mmの排気孔を1つ設け、砂型表面まで延長することで、スムーズなガス排出を確保します。
3. 溶解・鋳造工程：ポンプ本体の本質的な品質を決定する重要な工程
製錬工程における溶融金属の品質は、鋳物の化学組成、純度、機械的特性に直接影響を及ぼします。一方、注湯工程は、溶融金属が鋳型キャビティを完全に充填できるかどうかを決定づけます。これらが一体となって、鋳造多段ポンプ本体の内部品質防御層を形成します。
製錬段階では、材料の種類に応じて差別化された製錬プロセスパラメータを策定する必要があります。鋳鋼材料の場合、製錬には通常中周波誘導炉が使用され、製錬温度は1600～1660℃の範囲で制御する必要があります。一方、鉄シリコンや鉄マンガンなどの合金元素を添加して化学組成を調整することで、組成変動による鋳物の脆性増加や強度低下を防止します。製錬工程では、スラグ除去と脱ガス処理も必要です。スラグ剤を添加することで、溶湯中の介在物を吸着することができます。
鋳造プロセスの核心は、鋳造温度と速度を制御し、溶湯のスムーズな充填を確保することです。ステンレス鋼は融点が高いため、鋳造温度を1550～1600℃に上げる必要があります。ポンプ本体の壁厚に応じて鋳造速度を動的に調整する必要があります。厚さ5～10mmの薄肉部では、充填プロセス中の溶湯の早期凝固を防ぐため、鋳造速度を速く（15～20kg/s）する必要があります。厚さ30mmを超える厚肉部では、ガスの巻き込みを最小限に抑えるため、速度を適切に下げ（5～10kg/s）、鋳造プロセス中は、溶湯の液面を安定して上昇させ、流動の中断を防ぎ、鋳型キャビティのすべての部分が完全に充填されるようにする必要があります。
IV. 熱処理プロセス：ポンプの機械的性能を最適化するために必要な手段
多段ポンプのポンプ本体は、鋳造後、内部応力の集中や構造の不均一性といった問題を抱えることがよくあります。熱処理を行わない場合、ポンプ本体の機械的特性に影響を与えるだけでなく、その後の加工や使用中に応力解放によって変形や割れが発生する可能性があります。したがって、材料の種類と性能要件に基づいて科学的な熱処理プロセスを策定し、「内部応力の除去、微細組織の最適化、機械的特性の向上」という目標を達成する必要があります。
ステンレス鋼製ポンプ本体の熱処理は、耐食性と機械的特性のバランスを重視する必要があります。304や316Lなどのオーステナイト系ステンレス鋼の場合、溶体化処理が中心的な工程です。鋳物を1050～1100℃に加熱し、1～2時間保持した後、水中で急冷することで、炭素がオーステナイトマトリックスに完全に溶解し、粒界での炭化物の析出を防ぎ、材料の耐食性を維持します。2205二相ステンレス鋼の場合、「溶体化処理＋時効処理」の工程が必要です。溶体化処理により均一な二相組織が得られ、時効処理（450～550℃で2～3時間保持）により金属間化合物が析出することで強度がさらに向上し、高圧作業条件の要件を満たすことができます。
V. 品質検査と欠陥修理：工場出荷前にポンプ本体が基準を満たしていることを確認するための最後の防衛線
多段ポンプのポンプ本体は圧力を受ける部品であるため、運転中に媒体漏れが発生し、ひび割れ、気孔、ひけ巣などの品質欠陥により安全事故を引き起こす可能性があります。そのため、ポンプ本体の外観、寸法、内部品質を徹底的に検査し、検出された欠陥に対して標準化された修理を実施するための包括的な品質検査システムを構築する必要があります。
外観検査と寸法検査は品質管理の基本的なステップです。外観検査では、目視検査と浸透探傷試験（PT）を組み合わせ、ポンプ本体の表面に亀裂、砂穴、スラグ混入などの欠陥がないか確認することに重点を置きます。浸透探傷試験は、表面の開口部の欠陥を0.1mmまでの感度で検出できます。寸法検査では、三次元測定器を用いてポンプ本体のフランジ径、流路の同軸度、シール面の平坦度などの主要寸法を測定し、寸法公差が設計要件を満たしていることを確認する必要があります。
内部品質検査は、ポンプ本体の長期安定運転を確保するための核心です。超音波探傷検査（ユタ州）は、ポンプ本体内部のひけ巣や気孔などの体積欠陥を検出するために使用でき、深さ2mm以上の内部欠陥を識別でき、検出範囲はポンプ本体の厚さ方向全体をカバーできます。重要な領域（フランジの根元や流路の交差点など）では、放射線透過試験（RT）も必要です。放射線で鋳物を透過して画像を形成することで、内部の亀裂や介在物などの線状欠陥を正確に識別し、ポンプ本体の内部密度が標準要件を満たしていることを保証します。
検査中に見つかった軽微な欠陥（直径 ≤ 2 んん の気孔、長さ ≤ 5 んん の微小亀裂など）については、スポット溶接による補修プロセスを採用できますが、補修プロセスは厳密に管理する必要があります。スポット溶接の前に、欠陥部分を研磨して洗浄し、元の金属の色を露出させる必要があります。溶接材料はポンプ本体の材料と同じ組成のものにする必要があります（たとえば、ステンレス鋼製のポンプ本体には、同じ材料のステンレス鋼製電極を使用する必要があります）。スポット溶接後は、局部的な熱処理を行ってスポット溶接の応力を除去し、再検査を行って補修部分の品質が基準を満たしていることを確認する必要があります。
6. 結論
鋳造による多段ポンプ本体の製造は、材料科学、金型工学、熱処理技術、品質検査を統合した体系的なプロジェクトです。各リンクの精度管理は、ポンプセットの運転性能と安全性の信頼性に直接影響します。産業界における高揚程、高効率、長寿命といった特長を持つ多段ポンプの需要が継続的に高まる中、鋳造技術も高精度、高効率、そして環境への配慮を目指して進化を遂げる必要があります。例えば、数値シミュレーション技術を用いて溶解・鋳造パラメータを最適化し、試行錯誤のコストを削減すること、3Dプリント技術を用いて複雑な砂型中子を製造し、流路の精度を向上させること、そして低エネルギー消費の熱処理プロセスを推進し、製造工程におけるエネルギー消費を削減することなどが挙げられます。技術革新とプロセス改善を継続的に推進することによってのみ、鋳造多段ポンプ本体の品質レベルを継続的に向上させ、流体輸送分野における安定した運転を確固たる保証とすることができます。