鋳造用造型砂：特性、種類、製造
この記事では、造型砂とは何か、造型砂の特性、および造型砂の種類について解説します。
鋳造工場で造型に使用される主要材料は砂です。これは鋳造目的に不可欠な特性を備えているためです。
供給源
すべての砂は、霜、風、雨、熱、水流などの自然の力によって岩石が砕かれて形成されます。しかし、岩石の組成は非常に複雑であり、砂にはそれが由来する岩石のほとんどの元素が含まれています。そのため、造型砂は世界各地で大きく異なります。現在、砂はかつて河床や河岸、砂丘であった場所から採取されています。
インドでは、ダモダル川およびバラカール川流域、サンタル・パルガナ（ビハール州）、バタラ（パンジャーブ州グルダスプル）、バブナガル（サウラシュトラ）、ロンダ（マハラシュトラ州）、アヴァディおよびヴィーリヤンバッカム（マドラス）、カンプル、ジャバルプル、ラージコート、グントゥール、ガンジス川流域などで鋳造用砂が産出されます。
主要成分
造型砂の主要成分は以下の4つです。(1) シリカ砂粒、(2) 粘土、(3) 水分、(4) その他の材料。
粒状石英の形をしたシリカは、それ自体が砂であり、造型砂の主成分です。シリカ砂は80〜90%の二酸化ケイ素を含み、高い軟化温度と熱安定性を特徴とします。
これは石英岩の破砕または花崗岩の分解生成物であり、花崗岩は石英と長石で構成されています。長石が分解すると粘土（水酸化アルミニウムケイ酸塩）になります。しかし、シリカ砂粒は耐火性、化学的耐性、透気性を砂に付与します。これらは平均粒度と形状によって規格化されます。
粘土は、水に浮遊させたときに分速25mmの速度で沈降しない砂粒子（直径20ミクロン未満）と定義されます。粘土は微細シルトと真の粘土の2成分で構成されます。微細シルトは異物や鉱物堆積物の一種で、結合力はありません。
造型砂が締め固め後も形状を保持できる必要な結合強度を与えるのは真の粘土です。真の粘土は、通常薄片状の結晶性微小凝集体である粘土鉱物で構成されています。さまざまなグレードの作業用造型砂の多くは5〜20%の粘土を含み、適量の水分が粘土の結合作用を発揮させます。
水を粘土に加えると、混合物に浸透し、薄片状粘土粒子の表面を覆う微小膜を形成します。粘土の結合品質は、維持できる水膜の最大厚さに依存します。水の量が膜形成に必要な正確な量であれば結合作用は最良となり、過剰であれば結合作用が低下し型が弱くなります。水分量は2〜8%が適切です。
シリカと粘土以外に造型砂に含まれる雑多な材料には、酸化鉄、石灰石、マグネシア、ソーダ、カリなどがあります。不純物は2%以下に抑える必要があります。
分類
造型砂の種類：一般的に以下の3タイプに分類されます。(1) 天然造型砂、(2) 合成または高シリカ砂、(3) 特殊砂。
1. 天然造型砂
天然造型砂は「生砂」とも呼ばれ、河床から採取されるか、採掘坑から掘り出されます。砂粒間の結合剤として働く相当量の粘土を含み、水を加えてそのまま使用されます。粘土鉱物の量と種類が砂の強度、靭性、耐火度に影響します。
これらは軟質黄色砂岩、石炭紀岩石などを破砕・粉砕して得ることもできます。粉砕工程で粘土凝集体が分解し、粘土粒子が砂粒上に均一に分布します。これらの砂の粒形は亜角張〜丸みを帯びた形状が要求されます。
入手容易、低コスト、高い操作柔軟性のため、天然造型砂はほとんどの鉄系・非鉄系軽量鋳物に使用されます。これらの砂の要件はIS: 3343-1965で規定され、粘土含有量と焼結温度に基づきA、B、Cの3グレードに分類されます。
2. 合成砂
合成砂は基本的に高シリカ砂で、天然の結合剤（粘土）をほとんど（2%未満）含まないか、全く含みません。これらは海岸から内陸に吹き寄せられた砂丘や、河口・沿岸河川の堆積物として、緩いまたは不完全に固結した堆積起源の堆積物として産出します。
また、鋳造工場で石英岩砂岩をまず破砕し、その後洗浄・分級して、必要な形状と粒度分布の砂グレードを得ることでも製造されます。これらの砂の所望の強度と結合特性は、ベントナイト、水、その他の材料を別途添加することで発現させます。
これにより、湿潤強度、乾燥強度、透気性などの特性を自由に調整できるため、より高い柔軟性が得られます。したがって、合成砂は天然砂よりも高価です。
IS: 1987-1974は鋳造用高シリカ砂の要件を規定し、シリカ含有量に基づき3グレードに分類しています。
3. 特殊砂
特殊砂は、他の砂では通常得られない特殊な特性を得るのに適しています。ジルコン、オリビン、シャモット、クロマイト、クロム・マグネサイトなどが特殊砂としてよく使用されます。ジルコン砂は黄銅・青銅鋳物のコアに適しています。一部の鋳造所では複雑な非鉄鋳物にオリビン砂を使用します。シャモットは大型鋼鋳物に貴重です。
クロマイトとクロム・マグネサイト砂は、凝固制御のためにチリング傾向を高める必要がある場合に特に有用です。また、鋼鋳物用型の面材としても適しています。
用途による造型砂の種類
造型砂は用途によってさらに多くの種類に分類されます。以下に説明します。
生砂造型
シリカ砂に18〜30%の粘土、総水分6〜8%を混合したものです。粘土と水が生砂の結合剤となります。微細で柔らかく、軽量、多孔質です。湿っているため、手で握ると形状を保持し、圧力下で与えられた印象を保ちます。この砂で作られた型を生砂型と呼びます。
乾燥砂造型
型製作後に乾燥または焼成した生砂を乾燥砂と呼びます。大型鋳物に適しています。この砂で作られた型を乾燥砂型と呼びます。
ローム砂
ローム砂は粘土含有量が高く、50%程度に達し、乾燥すると硬くなります。これは主にローム造型、特に大型鋳物に使用されます。
面砂
面砂は型の表面を形成します。パターン表面の直後に使用され、型に湯を注ぐときに溶融金属と接触します。したがって、最も厳しい条件にさらされ、高い強度と耐火度を備える必要があります。
シリカ砂と粘土からなり、再生砂は添加しません。金属が砂に焼き込むのを防ぐため、さまざまな形の炭素が使用されます。これらは細かい造型砂の6〜15倍量と混合して面材とすることもあります。
型内の面砂層は通常20〜30mmです。鋳造所で使用される造型砂全体の10〜15%が面砂です。鋳鉄用生砂造型の面砂配合例：特別に調製した新砂25%、古砂70%、海炭5%。
裏砂
裏砂または床砂は、面砂を支えフラスク全体を満たすために使用されます。主に繰り返し使用された古い造型砂が用いられます。
古い造型砂は石炭粉の添加と溶融金属との接触による焼き付けで黒色を呈するため、裏砂は「黒砂」と呼ばれることもあります。
システム砂
機械造型を行う機械鋳造所では、フラスク全体を満たすためにシステム砂と呼ばれる砂を使用します。機械砂処理・搬送ユニットでは面砂は使用しません。使用済み砂を洗浄し、水、結合剤、特殊添加剤を加えて再生します。これがシステム砂です。型全体がこの砂で作られるため、その強度、透気性、耐火度は裏砂よりも高くなければなりません。
離型砂
離型砂は、生砂がパターンに付着するのを防ぎ、コープとドラッグの分型面の砂が互いに付着せずに分離できるようにするために使用されます。これは清浄な無粘土シリカ砂で、離型粉と同じ目的を果たします。
コア砂
コア製作用の砂をコア砂と呼び、オイル砂とも呼ばれます。これは亜麻仁油、樹脂、軽質鉱油、その他の結合材で構成されるコアオイルと混合したシリカ砂です。大型コアでは経済性のためにピッチや小麦粉、水が使用されることもあります。
造型砂の特性
造型砂の特性とは？
適切な造型砂は6つの特性を備えていなければなりません。造型砂の特性は：透気性、流動性、崩壊性、付着性、凝集性（強度）、耐火性です。
- 透気性：造型砂の最も重要な特性で、浸透性とも呼ばれます。造型砂がガスを通す能力を指します。溶融金属を砂空洞に注ぐ際、ガスと蒸気が発生します。この特性は砂粒子の形状と大きさだけでなく、混合物中の粘土、結合材、水分の量にも影響されます。
- 流動性：パターンの小さな隙間を砂が埋める能力。高い流動性はより精密な型を生み、細部の鋳造に有用です。
- 崩壊性：砂混合物が力を受けて崩れる能力。型の崩壊性が高いと、金属鋳物が凝固時に自由に収縮でき、ホットティアや割れを防止できます。
- 付着性：砂粒子が造型箱の側面に付着する特性。砂の付着性により、砂とともにコープを適切に持ち上げることができます。
- 凝集性：砂粒子が互いに結合し続ける能力。造型砂の引張強度です。この特性は型の複雑な形状を保持する上で不可欠です。強度不足は、型の取り扱い、ひっくり返し、閉型時に砂粒子が崩壊する原因となります。粘土とベントナイトの添加で凝集性が向上します。
- 耐火性：溶融金属の高温に耐え、溶融や軟化しない砂の能力。耐火度の低い造型砂は溶融金属注湯時に発火する可能性があります。砂型は通常1650°Cまでの温度に耐えられる必要があります。
- 強度：乾燥または焼成された砂の強度を乾燥強度と呼びます。溶融金属の浸食力に耐え、形状を保持する強度が必要です。
砂造型プロセス
砂型鋳造は、砂型鋳造または砂造型プロセスとも呼ばれ、砂型を使用する鋳造ベースの製造プロセスです。さまざまなサイズと形状の金属製品や部品の製造に用いられます。その普及度を示すと、砂型鋳造は全金属鋳造の60%以上を占めています。砂型鋳造の6つの主要工程を以下に詳述します。
ステップ1：パターンを砂に配置
砂への造型パターンの配置は砂型鋳造の初期段階です。型は鋳物のサイズと形状に直接影響します。したがって、メーカーは指定されたサイズと形状の金属製品・部品を製造するために新しい型を作成する必要があります。
ステップ2：ゲーティングシステムの構築
ゲーティングシステムはほぼすべての鋳造プロセスで使用され、砂型鋳造も例外ではありません。注湯カップとトンネルまたは「ゲート」を通じて溶融金属を型空洞に導きます。メーカーは砂にパターン設計をセットした後、このようなゲーティングシステムを構築します。
ステップ3：パターンの除去
ゲーティングシステム設置後、メーカーは砂から造型パターンを取り除きます。この時点でパターンは不要です。パターンを砂に配置すると砂がパターンの形状を取るため、パターンを取り除くことが可能です。
ステップ4：溶融金属を型空洞に注湯
いよいよ溶融金属を型空洞に注ぎます。鉄、鋼、アルミニウム、青銅、マグネシウム、亜鉛、錫など、さまざまな金属・合金を砂で鋳造できます。使用する金属・合金によっては3000°F（約1650°C）まで加熱する必要があります。金属・合金が固体から液体状態に変化したら、型空洞に注湯します。
ステップ5：金属の冷却待ち
溶融金属を型穴に注いだ後、メーカーは冷却を待ちます。金属の種類によって必要な冷却時間は異なります。溶融金属は冷却され、液体から固体状態へ移行します。
ステップ6：型を破砕して鋳物を取り出し
新しく生成された金属鋳物を取り出すために型を破砕するのが、砂型鋳造の第6工程であり最終工程です。パターンは通常再利用可能ですが、型自体は再利用できません。したがって、メーカーが砂型鋳造で新しい金属製品・部品を作るたびに、新しい型を作成する必要があります。
造型砂の崩壊性
造型砂の崩壊性とは、鋳物が凝固した後に砂から容易に取り除ける能力を指します。崩壊性の低い砂は鋳物に頑固に付着します。崩壊性の悪い砂は、冷却時に大きく屈曲する鋳物や、長い凝固温度範囲を持つ鋳物に割れやホットティアを誘発します。崩壊性を改善するために特定の添加剤を導入できます。
MCQ
1. 透気性とは造型砂のどの特性か？
A. 砂粒を結合し保持する
B. ガスを型から容易に逃がす
C. 溶湯の熱に耐え、軟化の兆候を示さない
D. 上記のいずれでもない
解答：選択肢 B
2. なぜ造型砂は多孔質でなければならないか？
A. ガスを入れるため
B. 水を入れるため
C. ガスを逃がすため
D. 水を逃がすため
解答：選択肢 C
解説： 造型砂とは穴があり、一定量の水分を含む砂と定義されます。造型砂は気孔を持ち多孔質でなければならず、ガスが自由に逃げられるようにするためです。
以上、造型砂について、造型砂とは何か、造型砂の特性、生砂造型プロセス、乾燥砂、崩壊性、およびこれらのトピックに基づくMCQまで網羅しました。
産業技術