鋳造砂の種類、特性、砂型鋳造での役割を理解する

鋳造砂とは？

鋳造砂（ファウンドリサンド）は、湿潤・圧縮、オイル処理、または加熱するとよく締まり形状を保持する砂です。砂型鋳造プロセスで型空洞を準備するために使用されます。

鋳造における主要原料は鋳造砂です。他の材料では得られないいくつかの主要特性を提供するためです。鋳造砂は、霜、風、雨、熱、水流などの自然力の作用による岩石の崩壊から生じる粒状粒子と定義されます。岩石は複雑な組成を持ち、砂には岩石のほとんどの元素が含まれます。

この理由から、鋳造砂は世界の様々な地域でかなり異なります。自然界では、川や湖の底や岸辺に見られます。鋳造砂はその起源の性質に応じて異なるカテゴリに分類されます。

鋳造砂の主要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一部アルカリ化合物が少量含まれる。

天然砂／緑砂（グリーンサンド）

天然資源から採取されるため、グリーンサンドとも呼ばれます。水のみを結合剤として含みます。長期間水分を保持でき、幅広い水分範囲で作業可能、型の補修と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、水の骨材です。主用途は金属鋳造用型の製造。骨材の最大部分は常に砂で、しばしばシリカの一種の均一混合物です。

粘土の配合比には多くのレシピがありますが、全て型作りやすさ、表面仕上げ、高温溶融金属の脱ガス能力のバランスを取っています。海炭と呼ばれる石炭は通常5%未満の比率で存在し、溶融金属表面で部分燃焼して有機蒸気を放出します。

砂型鋳造は、関わる材料のシンプルさから最も古い鋳造形式の一つです。同じシンプルさゆえに、今でも金属鋳造の最も安価な方法の一つです。コキール鋳造など他の鋳造法は表面仕上げ品質が高いですが、コストも高くなります。

グリーンサンド（他の鋳造砂と同様）は、鋳造作業者が「フラスク」と呼ぶものに収められます。これは底と蓋のない箱に過ぎません。箱は使用時に上下2半分に分かれて積み重ねられます。これらはそれぞれコープフラスクとドラッグフラスクと呼ばれます。

全てのグリーンサンドが緑色ではありません。「生（グリーン）」と呼ばれるのは、湿潤状態で使用されるためです（グリーンウッドと同様）。鋳造金属連盟のウェブサイトによると、鋳造前に型砂を乾燥させる代替鋳造法もあります。このドライサンド鋳造プロセスは、より剛性の高い型を生み、重い鋳物に適しています。

合成砂

比較的粘土を含まない砂、バインダー（水とベントナイト）、必要に応じたその他材料を混合して得られる人工砂です。混合内容を変えることで特性を容易に制御できるため、より優れた鋳造砂となります。

鋼鋳物用グリーン合成砂の組成は以下の通り：

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は以下の通り：

新砂 — 15%、古砂 — 84%、ベントナイト — 0.5%、水分 — 0.5%。

これに加えて、ジルコナイト、オリビンなど特殊砂があります。これらはシリカより高価なため、使用が正当化される場合のみ使用されます。

鋳造砂の種類

鋳造砂は用途に応じて、バッキング砂、コア砂、ドライ砂、フェーシング砂、グリーン砂、ローム砂、パーティング砂、システム砂など様々な種類に分類できます。

1. バッキング砂または床砂

バッキング砂または床砂は、フェーシング砂を支え、鋳型フラスクの全体積を充填するために使用されます。古く繰り返し使用された鋳造砂は、石炭粉の添加と溶融金属との接触による燃焼で黒色になるため、バッキング砂はブラックサンドと呼ばれることもあります。

2. コア砂

コア砂はコア製作に使用され、オイルサンドとも呼ばれます。コアオイル（亜麻仁油、樹脂、軽質鉱油、その他結合材で構成）などのオイルバインダーと混合された高純度シリカ砂です。大型コアでは経済性のためピッチ、小麦粉、水も使用されます。

3. ドライ砂

型とコア製作後、適切なオーブンで乾燥・焼成されたグリーンサンドをドライ砂と呼びます。より高い強度、剛性、熱安定性を持ちます。ドライ砂は主に大型鋳物に使用されます。この砂で作られた型をドライサンド型と呼びます。

4. フェーシング砂

フェーシング砂は型の面を形成します。パターン表面のすぐ隣にあり、型に湯を注ぐとき溶融金属と接触します。パターン周りの初期コーティング、ひいては型表面はフェーシング砂によって与えられます。フェーシング砂は高強度と耐火度を持ちます。フェーシング砂はシリカ砂と粘土で作られ、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、フェーシング砂には様々な形の炭素が使用されます。鋳鉄用グリーンサンドのフェーシング砂混合物は、25%の新鮮・特殊調製砂と5%の海炭で構成されることがあります。

これらは時に、6〜15倍の微細鋳造砂と混合してフェーシングを作ります。型内のフェーシング砂層は通常20〜30mm。鋳造砂全量の10〜15%がフェーシング砂です。

5. グリーンサンド

グリーンサンドは、調整済みまたは天然砂としても知られ、18〜30%の粘土を含むシリカ砂の調製直後の混合物で、水分含有量は6〜8%。粘土と水がグリーンサンドの結合力を与えます。細かく、柔らかく、軽く、多孔質です。

手で握ると湿っており、圧力下で与えられた形状と印象を保持します。この砂で作られた型はバッキングを必要とせず、グリーンサンド型として知られます。

グリーンサンドは容易に入手でき、低コスト。鉄系・非鉄系鋳物の生産に一般的に使用されます。

6. ローム砂

ローム砂は、薄いプラスチックペースト状になるまで水で混合した砂と粘土の混合物です。粘土含有量が30〜50%、水分18%と高いです。ローム成型ではパターンを使用せず、スイープで型形状を与えます。大型グレー鉄鋳物のローム成型に特に使用されます。

7. パーティング砂

バインダーと水分を含まないパーティング砂は、グリーンサンドがパターンに付着しないようにし、コープとドラッグのパーティング面で砂が付着せずに分離できるようにします。パーティング砂は清浄な粘土フリーシリカ砂で、パーティングダストと同じ目的を果たします。

8. システム砂

機械成型が採用される機械化鋳造所では、システム砂を用いて鋳型フラスク全体を充填します。機械的砂処理・搬送ユニットではフェーシング砂は使用されません。使用済み砂は洗浄され、水と特殊添加剤の添加により再活性化されます。

これをシステム砂と呼びます。型全体がこのシステム砂で作られるため、強度、透過性、耐火度などの鋳造砂特性は、バッキング砂よりも高くなければなりません。

鋳造砂の特性

鋳造砂とコア砂に要求される基本特性は、付着性、凝集性、崩壊性、流動性、乾燥強度、湿潤強度、透過性、耐火度です。

1. 付着性

付着性は、鋳造砂が異物（鋳型箱の内壁への砂の付着など）に付着・接着する特性です。

2. 凝集性

凝集性は、鋳造砂の砂粒子が相互作用し互いに引き合う特性です。これにより鋳造砂の結合能力が高まり、鋳造砂とコア砂の湿潤、乾燥、高温強度特性が向上します。

3. 崩壊性

型内の溶融金属が凝固後、砂型は崩壊性を持たなければなりません。これにより金属の自由収縮が可能となり、収縮金属の裂け目や割れを自然に防止します。崩壊性がないと、金属収縮が型によって妨げられ、鋳物に裂け目と割れが生じます。この特性はコアで特に重要です。

4. 乾燥強度

溶融金属を型に注入すると、熱い金属に隣接する砂層の水分が蒸発し、この乾燥砂層は溶融金属流動中の型壁浸食を防ぐため十分な強度で形状を保持しなければなりません。乾燥強度は、溶融金属の金属静圧による型空洞拡大も防止します。

5. 流動性または可塑性

流動性または可塑性は、砂が締固められ流体のように振る舞う能力です。ラミング時にパターンの全部分に均一に流れ、ラミング圧力を全方向に均等に分散させます。

一般的に砂粒子はコーナーや突起部を回り込むことを抵抗します。一般に、流動性は湿潤強度の低下とともに増加し、逆もまた然り。砂粒径の減少とともに流動性は増加。水分と粘土含有量でも流動性は変化します。

6. 湿潤強度

水を混合したグリーンサンドは、型の製作と取り扱いを可能にする十分な強度と靭性を持たなければなりません。このため砂粒は付着性を持ち、他の物体に付着可能でなければならず、付着性の高い砂粒は鋳型箱の側面に付着します。

また、砂粒は凝集性、すなわち砂粒子同士がくっつく特性を持たなければなりません。この特性により、パターンを型から破損なく取り出せ、溶融金属流動中の型壁表面浸食も防止されます。

湿潤強度は粒子形状とサイズ、粘土量と種類、水分含有量にも依存します。

7. 透過性

透過性は、溶融金属を型に注入した際に型内に存在または生成される空気、ガス、水分を逃がすための鋳造砂の多孔性とも呼ばれます。注湯と凝固プロセスで生成されるこれら全てのガスが逃げなければ、鋳物は欠陥品になります。

透過性は粒径、粒形、鋳造砂の水分と粘土含有量の関数です。砂のラミング程度が直接型の透過性に影響します。ベントロッドを用いたベンティングで型透過性をさらに高められます。

8. 耐火度

耐火度は、鋳造砂が高温に耐え、分解や融着することなく健全な鋳物を得られる能力と定義されます。鋳造砂の極めて重要な特性です。耐火度は限られた程度でしか向上できません。

耐火度の低い鋳造砂は鋳物表面に焼き付き、滑らかな鋳肌が得られません。耐火度の程度はSiO₂（石英）含有量、粒子の形状と粒径に依存します。

SiO₂含有量が高く、粒子の体積組成が粗いほど、鋳造砂とコア砂の耐火度は高くなります。耐火度は砂の融点ではなく、焼結点で測定されます。

9. 鋳造砂のその他の特性

上記要件に加え、鋳造砂は鋳物に付着せず、金属と化学反応しないこと。経済的に安価で自然に容易に入手可能。経済的理由から再利用可能。熱膨張係数が十分に低いことが必要です。