鋳造用砂（モールディングサンド）の組成・用途・メリットを解説

鋳造用砂（モールディングサンド）は、砂型鋳造プロセスで型空洞を形成するために使用されます。通称「グリーンサンド」と呼ばれるものは、砂、ベントナイト粘土、石炭粉、水の混合物です。主用途は金属鋳造用型の製作です。混合物の大部分は常に砂で、多くの場合シリカ砂の均質混合物です。

粘土配合には多くのレシピがありますが、すべて成形性、表面仕上げ、溶湯の脱ガス性のバランスを取っています。石炭（海炭とも呼ばれる）は5%未満含有し、溶湯表面で部分的に燃焼して有機蒸気を脱ガスさせます。

砂型鋳造は、材料のシンプルさから最古の鋳造法の一つであり、同じ理由で現在も最も安価な金属鋳造法の一つです。金型鋳造（コキーユ）など他工法は表面品質が高い反面、コストが高くなります。グリーンサンド（他の鋳造砂も同様）は通常、鋳造工場で「フラスク」と呼ばれる底なし・蓋なしの箱に保管されます。箱は上下2半分（コープとドラッグ）に分かれ、積み重ねて使用します。

専用容器で溶湯をグリーンサンドの連続中空形状に注ぎ、下部に溶湯を充填して完成品を得ます。すべてのグリーンサンドが実際に緑色というわけではなく、「湿った状態で使用される」という意味で「グリーン」と呼ばれます（グリーンウッドと同じ感覚）。一部の情報源では、溶湯注湯前に成形砂を熱乾燥させるドライ鋳造法も紹介されており、より剛性の高い型が得られ、重量物鋳造に適しています。

モールディングサンドの歴史

最初の金属鋳造と鋳造砂使用の明確な歴史記録はありませんが、古代メソポタミアで紀元前3200年頃の遺物と文献が確認されています。鋳造砂の歴史研究は、文字以前の慣習が多いため困難です。古代中国で青銅鋳造に専用使用され、紀元前500年頃インドで坩堝鋼が生産されたのも重要な進歩です。1808年頃、ハンフリー・デービー卿が英国で初めてアルミニウム鋳造を行いました。

現在、米国の生産能力は鉄鋳造800万トン超、鋼鋳造140万トン、アルミニウム鋳造170万トン、銅鋳造32万1000トン以上です。現代の金属産業は、工具技術の向上、冶金学の進歩、金属特性の理解深化による砂質の大幅向上により革新されています。

モールディングサンドの供給源

一般的な供給源は海岸、河川、湖、砂漠、粒状岩石です。モールディングサンドは主に天然砂と合成砂に分類されます。天然砂は十分な結合剤を含みます。一方、合成砂は基本成分（珪砂85〜91%、結合剤6〜11%、水分2〜8%）と添加剤を適切な重量比で完全に混合・粉砕し、適切な設備で人工的に調製します。

モールディングサンドの成分

主成分は珪砂、結合剤、水分、添加剤です。粒状石英砂は鋳造砂の主成分で、耐火度が高く、型砂と中子砂に強度、安定性、透気性を付与します。シリカとともに、酸化鉄、アルミナ、石灰石（CaCO₃）、酸化マグネシウム、ソーダ、ポタッシュなどが不純物として微量含有します。石英砂の化学組成から、石灰、酸化マグネシウム、アルカリ等の不純物を把握できます。酸化鉄、アルカリ酸化物、石灰の過剰は融点を大幅に低下させ、望ましくありません。石英砂は粒度と形状（角張った、亜角張った、丸い）で特性が決まります。

モールディングサンドの結合剤

結合剤は無機質と有機質に分類されます。無機結合剤：ケイ酸ナトリウム粘土、ポートランドセメント等。鋳造現場では粘土が結合剤として働き、カオリナイト、ボールクレー、耐火粘土、リモナイト、フラーズアース、ベントナイト等があります。有機結合剤：デキストリン、糖蜜、穀物結合剤、亜麻仁油、フェノール・尿素ホルムアルデヒド樹脂等。有機結合剤は主に中子製作に使用されます。上記の中でベントナイト系粘土が最も一般的です。ただし、水分がないと砂粒間の結合は発生しません。

モールディングサンドの水分含有量

水分含有量は2〜8%です。粘土と石英砂の混合物に添加し、結合を誘発します。粘土粒子間の細孔を満たすのに必要な水量で、粘土粒子を分離しません。この水は粘土によって強固に保持され、主に砂の強度を高める役割を果たします。粘土含有量と水分増加に伴い透気性は低下します。生圧縮強度は粘土含有量増加とともに最初は上昇しますが、一定値を超えると低下し始めます。モールディングサンド特性向上のため、その他の添加剤（添加物）を基本成分に添加します。

添加剤と石炭粉

添加剤は、型砂と中子砂の混合物に添加して砂の特殊特性を得る材料です。代表的な添加剤：石炭粉、コーンミール、デキストリン、海炭、タール、木粉、石英粉。石炭粉は鋳造時に還元雰囲気を作るため主に添加されます。この還元雰囲気により、空洞内の酸素が化学的に結合し、金属の酸化を防ぎます。主に灰鋳鉄と可鍛鋳鉄の型製作用砂に添加されます。

その他のモールディングサンド添加剤

• コーンフラワー（トウモロコシ粉）：でんぷん質炭水化物系で、型砂と中子砂の崩壊性を向上。砂型内で熱により完全気化し、砂粒間に隙間を生じさせ、砂粒の自由な移動を可能にし、型壁の移動を促進、型膨張と鋳造欠陥を低減。型砂・中子砂の強度を大幅向上。
• 海炭（シーコール）：微粉末瀝青炭で、型砂・中子砂の石英砂粒子の細孔に入り込みます。加熱時にコークス化して細孔を埋め、耐水性を発揮。砂粒が微細化し密充填パターン形成を阻害、型壁移動と透気性を低減、型と中子の表面を清潔・滑らかに保ちます。
• タール：軟質炭の蒸留物。型砂・中子砂に0.02〜2%添加。高温強度、型表面仕上げを向上、海炭と同様の挙動を示します。