鋳造用モールディング砂：種類、特性、鋳造現場での用途を徹底解説

モールディング砂（鋳造砂）とは

モールディング砂（別名：鋳造砂）は、湿潤・圧縮、オイル含浸、または加熱することでよく締まり、形状を保持する砂です。砂型鋳造において型空洞を形成するために使用されます。

鋳造の主要原料はモールディング砂であり、他の材料では得られない重要な特性を備えています。モールディング砂は、霜・風・雨・熱・水流などの自然力によって岩石が破砕されて生じた粒状粒子と定義されます。岩石は複雑な組成を持つため、砂には岩石の大半の元素が含まれます。

そのため、モールディング砂は産地によって大きく異なります。自然界では河川や湖底・湖岸に堆積しています。モールディング砂はその起源の性質によって分類されます。

モールディング砂の主成分は以下の通りです。

• 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、カルシウムの酸化物とアルカリ化合物を微量含む）

天然砂／グリーンサンド

天然資源から採取されるため「天然砂」または「グリーンサンド」と呼ばれ、水のみを結合剤とします。長期間水分を保持でき、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。

グリーンサンドは砂、ベントナイト粘土、粉砕石炭、水の混合物です。主用途は金属鋳造用の型製作です。最大構成要素は常に砂で、多くは均一なシリカ砂の混合物です。

粘土の配合比率には多くのレシピがあり、型作りやすさ、表面仕上げ、溶湯の脱ガス性のバランスをそれぞれ異なる形で取っています。海炭と呼ばれる石炭（5%未満）が含まれ、溶湯表面で部分燃焼して有機蒸気を発生させます。

砂型鋳造は材料の簡素さから最も古い鋳造法の一つであり、今なお最も安価な金属鋳造法の一つです。金型鋳造など他の方法は表面品質が高い反面、コストも高くなります。

グリーンサンド（他の鋳造砂も同様）は、鋳造現場では「フラスク」と呼ばれる底と蓋のない箱に収められます。箱は上下2半分（コープとドラッグ）に分割され、使用時に重ね合わせます。

すべてのグリーンサンドが緑色ではありません。「グリーン」は湿潤状態で使用されることを意味します（生木をグリーンウッドと呼ぶのと同様）。Cast Metals Federationによれば、鋳込み前に型砂を乾燥させるドライサンド鋳造法もあり、より剛性の高い型が得られるため重量鋳物に適しています。

合成砂

粘土分が少ない砂に結合剤（水とベントナイト）および必要な材料を混合して作る人工砂です。混合内容を変えることで特性を容易に制御できるため、モールディング砂として優れています。

鋼鋳物用グリーン合成砂の組成例

• 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%

鋼鋳物用ドライ合成砂の組成例

• 新砂 15%、古砂 84%、ベントナイト 0.5%、水分 0.5%

このほか、ジルコナイト、オリビンなどの特殊砂もあります。これらはシリカ砂より高価なため、その使用が正当化される場合に限られます。

モールディング砂の種類

用途によって、バッキング砂、コア砂、乾燥砂、フェイシング砂、グリーンサンド、ローム砂、パーティング砂、システム砂に分類されます。

1. バッキング砂（フロア砂）

フェイシング砂の裏打ち用として、モールディングフラスク全体を充填するのに使用されます。古くから繰り返し使用されたモールディング砂は石炭粉の混入と溶湯接触による焼けで黒色になるため、「黒砂」とも呼ばれます。

2. コア砂

中子（コア）製作用で、「オイル砂」とも呼ばれます。高純度シリカ砂に、亜麻仁油・樹脂・軽質鉱物油・結合材からなるコアオイルなどの油性結合剤を混合します。大型中子では経済性のためピッチ・フラワー・水も用いられます。

3. 乾燥砂

型・中子製作後に適切な炉で乾燥・焼成したグリーンサンドです。強度・剛性・熱安定性に優れ、主に大型鋳物に使用されます。この砂で作った型を乾燥砂型と呼びます。

4. フェイシング砂

型の表面層を形成し、パターン表面に接して溶湯と直接接触します。パターン周りの初期被膜、ひいては型表面を形成します。高強度・高耐火度を持ち、シリカ砂と粘土からなり、再生砂は使用しません。

金属が砂に焼き付くのを防ぐため、各種炭素材を配合します。鋳鉄用グリーンサンドのフェイシング砂例：新砂・特殊調整砂 25%、海炭 5%。これに6〜15倍の微細モールディング砂を混ぜてフェイシング砂とすることもあります。フェイシング砂層の厚さは通常20〜30mm、全モールディング砂の10〜15%を占めます。

5. グリーンサンド

「調整砂」または「天然砂」とも呼ばれ、シリカ砂に18〜30%の粘土、水分6〜8%を混合した調整直後の混合物です。粘土と水が結合力を発揮します。微細・柔軟・軽量・多孔質です。

手で握ると湿っており、形状と押し付けた跡を保持します。この砂で作った型はバッキング不要で「グリーンサンド型」と呼ばれます。入手容易で低コスト、鉄・非鉄鋳物の生産に広く採用されています。

6. ローム砂

砂と粘土を水で薄いペースト状に混合したものです。粘土分30〜50%、水分18%と高粘土です。パターンを使わず、スイープで型形状を作ります。大型灰鉄鋳物のローム鋳造に特に用いられます。

7. パーティング砂

結合剤と水分を含まない清浄な粘土フリーシリカ砂で、グリーンサンドがパターンに付着するのを防ぎ、コープとドラッグのパーティング面で砂が離れやすくするために使用します。パーティングダストと同目的です。

8. システム砂

機械造型を行う機械化鋳造所で、モールディングフラスク全体を充填するために使用されます。機械砂処理・搬送ユニットではフェイシング砂を使いません。使用済み砂を洗浄・水と特殊添加剤で再生したものがシステム砂です。型全体がこの砂で作られるため、強度・透気性・耐火度などの特性はバッキング砂より高くなければなりません。

モールディング砂の特性

モールディング砂およびコア砂に求められる基本特性は、付着性、凝集性、崩壊性、流動性、乾燥強度、湿潤強度、透気性、耐火度の8項目です。

1. 付着性

モールディング砂が異物（型箱内壁など）に付着・接着する性質です。

2. 凝集性

砂粒子同士が相互作用し引き合う性質で、モールディング砂の結合力を高め、湿潤・乾燥・高温強度を向上させます。

3. 崩壊性

溶湯凝固後、砂型が崩壊しやすく、金属の自由収縮を妨げない性質です。これがないと収縮が阻害され、鋳物に割れ・裂けが生じます。中子では特に重要です。

4. 乾燥強度

溶湯注入時、熱で隣接砂層の水分が蒸発し乾燥砂層となります。この層が十分な強度を保ち、溶湯流動による型壁浸食や、溶湯静圧による型空洞拡大を防ぎます。

5. 流動性（可塑性）

砂が締め固められて流体のように振る舞う能力です。締め付け時にパターンの隅々まで均一に流れ、締め圧力を全方向へ均等に分散します。一般に緑強度が低いほど流動性は高く、逆もまた然り。砂粒が細かいほど、また水分・粘土含有量によっても変化します。

6. 湿潤強度（グリーン強度）

水分混入後のグリーンサンドが、型の製作・取り扱いに耐える十分な強度・靭性を持つことです。砂粒が付着性（他物に付く力）と凝集性（互いにくっつく力）を持つ必要があります。これによりパターン抜き時に型が崩れず、溶湯流動時の型壁浸食も防げます。粒形・粒度、粘土量・種類、水分量に依存します。

7. 透気性

型内の空気・ガス・水分、注湯・凝固時に発生するガスを逃がすための多孔性です。これらが逃げないと鋳造欠陥の原因になります。粒度・粒形・水分・粘土含有量の関数であり、締め固め程度で直接変化します。ベントロッドで通気孔を設けてさらに高められます。

8. 耐火度

高温で分解・融解せず、健全な鋳物を得られる能力です。モールディング砂の極めて重要な特性です。耐火度は限度までしか高められません。耐火度が低いと砂が鋳肌に焼き付き、滑らかな表面が得られません。耐火度はSiO₂（石英）含有量、粒子形状・粒度に依存し、SiO₂含有量が高く粒子組成が粗いほど高くなります。耐火度は融点ではなく焼結点で測定されます。

9. その他の特性

上記に加え、鋳物に付着しない、金属と化学反応しない、安価で入手容易、経済性から再利用可能、熱膨張係数が十分低いことが求められます。