砂型鋳造の基礎：定義、分類、湯湯給湯の原理

砂型の定義

砂型とは、溶湯を注ぎ込み凝固させるための予め成形された砂容器です。鋳造後は砂型から鋳物を取り出し、砂型は一般に破壊されます。溶湯は型上部の注湯口から注がれ、重力で全型腔へ流れるよう適切な流路が設けられます。

中小型鋳物はフラスク（上下開放の長方形箱）で造型。フラスクは2〜3分割、ダウェルピンで位置決め。注湯時の浮力でコープ浮き上がり防止のためクランプ固定必須。

砂型の分類

使用材料により以下5種に大別：

1. グリーンサンド型
2. スキンドライ型
3. ドライサンド型
4. セメントボンデッド型
5. 金属型

1. グリーンサンド型

注湯時に砂中に水分を含む型。湿潤粘土で砂粒結合。水分管理厳格。ほぼ全鉄系合金鋳造に使用。多種あり、小型〜大型まで対応。最も低コスト。床面効率良し。バッキング作業・設備不要。ドライサンドコア併用。ドライサンド型より柔らかく、凝固・冷却時の収縮自由度大。造型時間短。欠点：強度劣り搬送・溶湯侵食で損傷しやすい。水分起因欠陥（ブローホール、ガスホール）リスク。長期保管不可。鋳肌粗い。石炭粉等有機物添加でローム造型となることも。

グリーンサンド配合例（表3.5）：用途別配合比示す。

3つの一般的グリーンサンド造型法：

• オープンサンド法：床面または床上砂床に直接造型。平坦上面のシンプル中実鋳物向け。パターン押し付けで型腔形成。フラスク不要、上面開放。注湯バシンとオーバーフロー溝を端部に切削。
• ベッデッドイン法：コープ（砂蓋）必要。上面非平坦形状向け。パターンを床面砂またはドラグ砂に打ち込み型腔形成。ドラグ上面平坦化・パーティング砂撒布、コープ載せ締め固め。ランナー・ライザー切削後コープ持ち上げ、パターン引き抜き、ドラグ・コープ仕上げ、コープ戻しで完成。
• ターンオーバー法：中実・分割パターン両用の標準法。パターン半分を造型板平面に置きドラグ締め固め反転。残り半分にコープ載せ締め固め反転。両パターン半分を振動引き抜き、コープをドラグ上に載せ合型。

2. スキンドライ型

グリーンサンドを表層のみ乾燥・焼成（深さ約25mm、ヒーター/ガストーチ）。大型型で一般的。全鉄系・非鉄系合金対応。ドライサンド型より安価、グリーンサンド型より高価。設備少、材料安、準備時間短、床面省スペース。ドライサンド型より弱く、水分移行で長期保管不可。

3. ドライサンド型

水分不要で強度発現する砂使用。中小型配合：床砂13：新砂8：馬糞/おがくず1。重作業11:9:1、超重作業10:10:1。型表面に糖蜜水噴霧。全型パーツを150〜300℃炉で焼成（水分除去）、強度向上・耐侵食・表面改善。多合金対応だが鋼鋳物で最多用。中小規模作業向け。大型は分割焼成後組立。高強度で搬送損傷少、長期保管可。耐侵食、水分起因欠陥排除。欠点：材料費高、労務費高、追加工程・設備・スペース必要。

4. セメントボンデッド型

シリカ砂をポルトランドセメントで結合、自然乾燥。超大型鉄系・ピット造型・焼成不可能ケースで多用。高強度、ドライサンド型の利点全保有。空気乾燥スペース追加必要。材料再利用不可でコスト高。

5. 金属型

ダイカスト、金属型鋳造、遠心鋳造で使用。

砂型における湯給湯（フィーディング）

複雑形状・大型鋳物で健全鋳物を得る鍵は給湯問題の解決。大質量金属の熱放散遅れで温度勾配が小さく、方向性凝固（フィーダー方向へ）が困難。凝固温度範囲狭い合金は方向性凝固容易、広い合金は困難。フィーダー・ライザー位置で、凝固中に孤立する肉厚部へ熱湯供給、初期温度勾配形成が重要。チル、断熱パッド、テーパー部で人工的に温度勾配形成も可能。

T字、クロス部等、肉厚大・放熱面積小で凝固遅れ部に収縮キャビティ発生しやすい。対策：金属体積減らし放熱面積増やす形状変更。クロス部ならリブずらし、中心コア穴、薄肉円形ウェブ等で対応。最終凝固部がフィーダーから給湯される設計必須。フィーダー・ゲート・流路の設計・寸法・位置決定が最重要。

経験則が最良だが、科学的・経験的ルールも指針となる。

(i) 熱伝達アプローチ（√時間則）

（詳細式省略）

(ii) チボリノフの法則

均一凝固皮膜厚 δ ∝ √t。同一界面条件下で、凝固時間 t_s ∝ (V/A)²。つまり体積/表面積比の二乗に比例。

フィーダーを最後に凝固させる条件： (V/A)_feeder > (V/A)_casting

同一体積での凝固時間順（表面積小→大）：

1. 平板（最短）
2. 棒
3. 直方体
4. 短円柱
5. 球（最長）

球が理想だがフィーダー形状として非現実的。テーパー付き短円柱が最も現実的。