冶金鋳造用鋳型砂：種類、主成分、主要特性の完全ガイド

鋳型砂の定義

鋳造の主要原料である鋳型砂は、天然の岩石が霜・風・雨・熱・水流などの自然作用で破砕されて生じた粒状粒子です。岩石の複雑な組成を反映し、産地により大きく異なります。河川や湖底・岸辺に堆積し、起源により分類されます。

主成分組成（典型値）：

• シリカ（SiO₂）：86〜90%
• アルミナ（Al₂O₃）：4〜8%
• 酸化鉄（Fe₂O₃）：2〜5%（チタン、マンガン、カルシウム酸化物、アルカリ化合物を微量含む）

鋳型砂の分類

天然砂（グリーンサンド）

天然資源から採取し、水のみをバインダーとする。長期間水分保持可能、幅広い水分範囲で作業可能、型の補修・仕上げが容易という利点があります。

合成砂（シンセティックサンド）

粘土分を除いた砂にバインダー（水・ベントナイト）等を配合した人工砂。配合調整で特性を容易に制御可能で、優れた鋳型砂となります。鋼鋳物用グリーン合成砂配合例：新砂25%、古砂70%、ベントナイト1.5%、デキストリン0.25%、水分3〜3.5%。ドライ合成砂：新砂15%、古砂84%、ベントナイト0.5%、水分0.5%。

特殊砂としてジルコナイト、オリビン等があり、高価だが特定用途で威力を発揮します。

用途別鋳型砂の種類

1. グリーンサンド：自然湿潤状態の砂。シリカ砂に粘土18〜30%、水6〜8%を含む。粘土と水で結合強度を得る。微細・軟らか・多孔。締め固めで形状保持、ベントで透気性確保。鋭角は避ける（鋳湯で破損）。中小型鋳物に適し、乾燥不要で床面効率良し。石炭粉混入で欠陥防止。
2. ドライサンド：大型鋳物用。グリーンサンドを乾燥・焼成し水分除去。強度・緻密性向上、ベントは控えめ。大型重量型では牛糞・馬糞を粗粒砂に混入。
3. ロームサンド：粘土と砂を水で練った薄いペースト状。軟レンガ裏打ち上に積み上げ成型。粘土50%まで含み硬化。耐火粘土含有。垂直面保持のため粘着性必須。藁・糞で結合補強。水分18〜20%。徐々に完全乾燥させ使用。大型規則形状（薬缶、ドラム等）に適す。
4. フェイシングサンド：パターン直面、溶湯接触面に使用。高強度・高耐火度必須。シリカ砂と粘土のみ（古砂不使用）。カーボン系フェイシング材（プラムバゴ、セイロンリード、グラファイト）で金属浸透防止。6〜15倍の微細砂と混合しフェイシング材とすることも。層厚20〜30mm、全砂量の10〜15%。
5. バッキングサンド：繰り返し使用された古砂。石炭粉・溶湯接触で黒色化。フェイシング層背面の充填用。砂粒角が丸まり粘土焼損で結合力弱し。
6. システムサンド：機械造型でフラスク全体充填用。バッキングサンドより高強度・透気性・耐火度必要。
7. パーティングサンド：フラスク分離用の乾燥鋭利砂。パターンへのグリーンサンド付着防止にも使用。クリーンな粘土フリーシリカ砂。焼成コア砂も代用可。
8. コア砂：コア製作用。シリカ砂にコアオイル（亜麻仁油、ロジン、軽質鉱油等バインダー）。大型コアでは経済性でピッチ・小麦粉・水も使用。
9. CO₂砂：シリカ粒を粘土でなくケイ酸ナトリウムで被覆。パターン周りに充填後、CO₂ガス通気で約1分で硬化。高強度型が得られる。
10. シェル砂：フェノール/尿素-ホルムアルデヒド樹脂被覆合成砂。加熱パターンで薄肉高強度シェル化。バックアップ砂不要。合金凝固高温で樹脂分解せず、凝固熱で化学結合切れ型崩壊。
11. モールドウォッシュ：微細セラミック粒子スラリー。型面塗布でフェイシング砂融着抑制、隙間充填で鋳肌改善。

鋳型砂の三大主成分

シリカ、粘土（バインダー）、水分の3要素です。

シリカ（粒状石英）

主成分で、SiO₂ 80〜90%。高軟化温度・熱安定性を持ち、耐火性・化学的抵抗性・透気性を付与。粒度（細・中・粗）と粒形（球状・亜角張・角張・複合）で規定。細砂は精密小型鋳物向きだが透気性劣る。中砂は卓上・軽床作業。粗砂は大型鋳物のガス抜き用。粒度はふるい分けで測定。球状粒は接触少なく強度低いが透気性高。亜角張は中間。角張は強度高く透気性低。複合粒は硬い塊で不向き。石英岩或いは花崗岩（石英+長石）分解で得られる。長石分解で粘土となり、湿潤時に可塑性付与、乾燥後強度増大。シリカ砂中の粘土分は通常6〜10%。

粘土

微細シルト（無結合性）と微細粘土（結合性）からなる。湿潤時の結合作用と乾燥強度を担う。過剰なら乾燥時クラック原因。透気性低下も招く。

その他不純物

酸化鉄、マグネシア、ソーダ、ポタッシュ、石灰、水分等。優良鋳型砂は不純物2%以下。グリーン砂型は低水分（3〜5%）、ドライ砂型は造型時多水分（乾燥後結合強度向上）。石炭粉添加で砂を多孔化、溶湯熱吸収で砂粒過熱融着防止、CO₂発生で金属-砂分離保護膜形成。

砂粒形状4タイプ（図3.17）と、水分含有率が圧縮強度、透気性、変形、流動性、耐火度に及ぼす影響（図3.18）が鋳造成否を大きく左右します。