鋳造現場における砂試験法完全ガイド

砂試験：本記事では、鋳造現場で非常に重要なさまざまな砂試験方法について解説します。

先進的な鋳造所では、鋳型砂が鋳造金属と同等の注意を払うに値することが認識されています。鋳型砂は完成鋳物コストの3分の1を占めることがあります。現代の砂型鋳造の大量生産において、主要鋳型材料である鋳型砂は、その組成と特性の管理を維持するために定期的に試験される必要があります。試験は化学的または機械的のいずれかです。

化学試験は砂中の望ましくない元素を特定するためにのみ使用され、ほとんどの場合機械試験が採用されます。表11.7に鋳型砂の平均要求値を示します。

粒度（グレインフィネス）

砂の粒度は、「粒度番号（グレインフィネスナンバー）」と呼ばれる数で指定され、平均粒径と混合物中のより小さな粒とより大きな粒の割合を示します。与えられた粒度番号は、同じメッシュ数を持つ直径280 mmの標準ふるいに対応します。粒度試験は、グレード分けされ番号付けされた標準ふるいセットを用いて砂粒を篩い分けることで実施します。ほとんどの鋳造実務では、以下の開口寸法を持つふるいバンクが最も便利です（下表参照）。

本質的な機械試験には、粒度、水分量、粘土量、透過性、圧縮強度、モールド硬度が含まれます。粒度番号は、上記のパーセンテージ数値に各ふるいに与えられた定数（乗数）を掛け合わせて計算します。この乗算の積を合計して総積を得ます。粒度番号は次の式で計算されます：

総積 / ふるい上に残った砂の総パーセンテージ

砂試験方法

さまざまな砂試験方法について説明します：

水分量試験

この試験は、湿った砂50 gを均一に加熱されたオーブンで105℃～1100℃の間で恒量になるまで乾燥し、デシケーター内で室温まで冷却してから乾燥試料を秤量することで実施します。試料の湿潤重量と乾燥重量の差（グラム）を50 gで割った値が、与えられた砂の水分量パーセンテージとなります。

モイスチャーテラーと呼ばれる装置が現代の鋳造所で広く使用されています。この装置は、底部が500メッシュの金属スクリーンでできたパンに薄く広げた砂試料に熱風を吹き付けます。約3分間、50 g試料に熱風を吹き付けると、水分が効果的に除去され、精密天秤で試料の重量減少を測定します。

モイストメーターと呼ばれる携帯用装置を使用すると、砂の水分量をほぼ瞬時に測定できます。装置の2本のアームを容器に入れた鋳型砂試料に挿入し、ハンドル内の乾電池から供給される微弱な電流を湿った砂に流します。砂が湿っているほど電流が流れやすく、指示計の偏転で水分量を測定します。

粘土量試験

鋳型砂の粘土量を決定するこの砂試験方法は、砂を水中で攪拌して粘土を砂粒から分離し、水中に懸濁したままの粘土を除去することで構成されます。室温の蒸留水中で5分以内に沈降しない物質を粘土物質と指定します。

鋳型砂の粘土パーセンテージを決定するために必要な装置は、乾燥オーブン、天秤と分銅、砂洗浄機です。試料50 gから十分に乾燥させた少量の砂を選び、洗浄瓶に入れます。次に、蒸留水47 ccと3%水酸化ナトリウム溶液25 ccをこの砂に加えます。

混合物を高速砂撹拌機で5分間、または回転式砂洗浄機を使用する場合は1時間攪拌し、砂粒の大きな粒子が沈降するため5分間放置します。次に、上部の大半の溶液をサイフォンで除去・廃棄し、沈降しなかった粘土を除去します。水が5分間の沈降期間後に透明になるまでこの操作を繰り返します。

最後に瓶をオーブンに入れ、砂が乾燥したら試料を秤量します。粘土のパーセンテージは、試料の初期重量と最終重量の差から求めます。

透過性試験

透過性は、規定圧力下で規定時間に標準試験片を通過する空気量によって測定されます。透過性装置は、標準突き固め5.08 cm径×5.08 cm高さの試験片を使用します。

図に示す透過性測定器では、円筒形水槽内に逆さまのベル（空気ホルダー）が適切にバランス調整されて浮いています。適切に三方弁を開くと、ベル下に閉じ込められた空気が砂試験片を通って流れます。試験片チューブ底部周囲の水銀が気密シールを提供します。この空気の圧力は水柱マノメーターとストレートスケールで得られ、10 cm水柱、すなわち10 g/cm²の圧力に近い値であるべきです。

透過性番号は、断面積1 cm²、深さ1 cmの試験片を、1 g/cm²の圧力下で1分間に通過する空気量（cc）として定義されます。透過性番号は次の式で計算されます：

透過性番号 = (v × h) / (p × a × t)

ここで、v = 空気体積 = 2,000 cc。
h = 砂試験片の高さ = 5.08 cm。
p = 空気圧力 = 10 g/cm²
a = 試験片の断面積 = 20.268 cm²
t = 2,000 ccの空気が通過する時間（秒）

v、h、p、aが定数であるため、この式は以下のように簡略化されます：
透過性 = 3,007.2 / 時間（秒）

圧縮強度試験

緑砂と乾燥砂におけるさまざまな結合材の保持力を試験するために、いくつかの試験が考案されています。圧縮試験が最も一般的ですが、引張、せん断、横断試験も時々使用されます。

鋳型砂の湿潤圧縮強度（kgf/cm²）は、湿潤状態で混合物が発揮できる最大圧縮強度です。高さ5.08 cm × 直径5.08 cmの突き固め砂試験片を試験片チューブから押し出し、突き固め時に上側だった端面を万能砂強度試験機の上部プレートに当てます。
この機械は、試験片が破壊されるまで連続的に増加する荷重を登録するように構成されています。荷重は約2 kgf/cm²の速度で加えられ、試験片が破壊されるまで続きます。圧縮値は試験機の湿潤圧縮スケールで直接読み取れます。

モールド・コア硬度試験

このタイプの砂試験は、モールド硬度試験機を使用して鋳造現場で実施され、モールドがどの程度硬く突き固められたかを判定します。試験機は懐中時計ほどのサイズで、硬度試験は数秒で完了します。ブリネル硬度と同じ原理で動作し、モールド表面への圧入深さが試験機のダイヤルで1/100 mm単位で示されます。硬度は別のスケールでkgf/cm²でも読み取れます。

結論

使用されるすべての砂試験方法タイプを網羅しました。これらの目的でさまざまな砂試験装置が使用されます。記事がお役に立てば幸いです。コメント欄でフィードバックをお寄せください。