3.5 鋳物砂(moulding sand)

3.5 鋳物砂(moulding sand)

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1. 概要

砂や粘土は、主として花崗岩などが風化により分解されてつくられます。しばしば、砂と粘土は同じ場所から産出されます。この場合、砂と粘土との混合物は採掘された状態で鋳物砂として使用されます。
この状態の砂を山砂といいます。山砂は、砂と粘土との混合物で、水と混合すれば鋳型に必要な強度と組成が得られます。粘土を含まない砂だけの鋳物用の砂は、通常珪砂と呼び、山砂と区別します。

通常、砂は自然に粘土分が洗い流されてしまい、粘土分を含んでいないことが多いです。従って、珪砂は鋳物工場で粘土や性質を改善する物質を添加して、混錬、調整をして、はじめて鋳型用の砂(型砂)として使用できます。このような型砂を、合成砂と呼びます。ここで注意しなければならないのは、合成砂といっても由来は天然に産出された砂と粘土との混合物で、決して工業的に生産されたものではありません。ただし、鋳物工場では通用語として使用されています。

天然砂と合成砂とを比較すると、明瞭な性質の差異があります。
天然砂は、採掘されたままで使用されます。有機物と、7~20%の粘土を含有しています。十分な強度を発揮するためには6~8%の水分添加が必要です。ただし、天然砂は合成砂より耐火性が低いと言われています。その理由は、有機物などの不純物の存在によるとされています。そのため、天然砂は非鉄金属や鋳鉄の鋳造に、主に使用されています。
合成砂は、洗浄してふるいかけをして砂の大きさ毎に等級別に分けられ、有機物や粘土は含まれていません。合成砂に3~5%のベイナイト粘土を混合する場合、水分は3~4%以内の添加で良好な鋳型の性質が得られます。そのため、通気度は比較的高く、成分の制御が簡単です。合成砂は天然砂と比較すると、通気度が大きく、かつ水分含有量が少量でよいので、鋳鋼の鋳造に主に使用されてきました。ただ最近では、合成砂の方が砂の性質を精密に制御できるために、他の金属の鋳造にも広く使用されています。

砂と粘土、水との混合物は、生あるいは乾燥した状態で使用されます。生型(green sand mould)は模型に鋳砂に型込めして、鋳型を製作して取り出した後、幾分かの乾燥の後、ただちに鋳込まれるのが通常です。この状態では砂の中には粘土の種類によって異なりますが、4~8%の水分を保持しています。

生型は、もっともよく使用されています。その理由は、経済的であることにつきます。型の乾燥に費用も時間も必要としません。水分は、精度よく制御できるので、鋳型表面の過剰な蒸気の発生を防止することができます。通気度は、十分高いレベルを維持できるので、蒸気やガスの発生は抜けやすく、いわゆる吹かれが防止できます。

乾燥型の場合、水分は乾燥炉中での加熱によりほぼ完全に除去されます。乾燥により硬く強い鋳型が得られます。鋳型中にガスはほとんど存在しないので、生型と比較してより寸法的に正確な鋳物の製作ができます。
生型と比較して、破壊および、き裂及びガスの吹かれの懸念が少ないです。

乾燥型には、乾燥の方法によってあぶり型(skin dried mould)および焼型(dry sand mould)があります。あぶり型は、鋳型内に温めた空気を導くか、トーチの熱により、鋳型表面の水分だけを蒸発させます。焼型は鋳型を焼いて完全に水分を取り去ります。

鋳物砂として必要な性質を列挙します。

(1)造形性

鋳型を製作するときに、模型の周囲に充填されやすい性質を持っていることが必要です。また、模型から取り外す際に砂が崩れない、しかも砂離れが良く、模型と同じ形状の空間をつくることができる成形性に富んでいることが必要です。この性質を造形性といいます。鋳物砂が優れた造形性をもつ場合は、特別に配合剤を入れないでも造形ができます。造形性は、鋳物砂の粘結性や、抗力性、流動性、水分量などにより大きく影響を受けます。通常は、れらの性質を与えるために、いろいろな配合剤を添加します。

(2)通気性(permeability)

鋳型内に含まれる水分や、その他のガス発生物質は、注湯と同時に多量のガスを発生します。これらは、鋳物の巣や、ガス吹かれなどの不良の原因となります。発生したガスを速やかに外部に放出し得る能力を鋳物砂の通気性といいます。通気性は、鋳物砂の粒度や、粒形、粘結剤、水分量、またつき固め状態などによります。造型上は、粘結剤をなるべく少なくして、水分量を適正にする必要があります。

(3)抗力性

抗力性は、鋳型が変形、破損、洗われなどに抵抗できる性質をいいます。一般に、抗力性を大きくすると通気性が悪くなります。また、歪み、き裂の原因になります。従って、鋳物砂の可縮性も当然必要となってきます。

(4)耐熱性

耐熱性の大きな砂は焼付きを起こしにくいです。また、耐熱性は、主に砂のけい素分が多いほど良好になります。また、形状からは丸みを帯びた砂粒の方が耐熱性に優れています。
手込めをする場合はやや結合剤を多く配合します。機械込めの場合は結合剤を少なめにして、代わりに黒鉛や石炭粉を配合します。
鋳鉄、鋳鋼の場合には適当の水分量は耐熱性に好影響を与えます。

(5)反復使用性

鋳物砂は、繰返し使用しても、その粒度構成や、粒型、粘土分、科学成分などが、一定で変化しない方が望ましいです。特に造型機により量産する場合は、反復使用性は必要な条件ですので、結合剤はなるべく良質のものを少量使用するのが望ましいです。

(6)流動性

造形する場合は、手込、機械込を問わず、鋳物砂が最少のエネルギーで模型周囲に充填されなければなりません。このためには、鋳物砂の粒度構成や、粒形が適切であり、水分、粘結剤はなるべく少ない方が望ましいです。流動性が良い程、鋳型硬度は硬く、かつ均一なものが得られます。従って、流動性は造型性に大きく影響を与えます。

(7)均一性

鋳物砂は、基本的には珪砂粒表面をゲル状の粒土微粒子が被覆したものです。もし、その組織が不均一であるならば、その性質は、部分部分によって当然局部的に変動し、欠陥の原因となりやすいです。

(8)ガスの発生

注湯時に、鋳型より発生するガスの量及び、発生速度は、鋳物の健全性に重要な性質です。特に有機系の粘結剤の配合量が影響します。

(9)高温強度

鋳物砂の高温時の強度管理も、鋳物の健全性に対して重要な因子です。最近の研究結果によれば、高温強度が要求されるのは、鋳込み後数秒程度で、溶湯が凝固した後はむしろ小さい方が良いといわれています。
高温強度不足による鋳物欠陥に対して、木粉や、石粉、石炭粉などの配合が良好な効果を得ることが導かれています。

2.鋳物砂の種類

いわゆる砂型用鋳物砂は、石英粒の集合である珪砂を主成分とする山砂や、珪砂にわずかにジルコンサンド(ZrSiO2)やダンかんらん岩(ダナイト;dunite)を破砕して作ったオリビンサンド、あるいは炭素粒のカーボンサンドなどがそれぞれ目的をもって含まれた砂が、各種砂型鋳物に型砂として使用されています。
鋳物砂は、JIS規格では山砂と珪砂に大別されます(表3.5.1)。この違いはJIS規格で規定された方法で、粘土分を測定して、粘土分の含有率が2%を超えるものを山砂、粘土分が2%以下のものは珪砂と定められています。また、珪砂は天然珪砂と人工珪砂と区別されて規定されていますが、人工的に粉砕加工を行ったものは全て人工珪砂と定められています。

[表3.5.1] 鋳物砂の分類

また、主粒度の大きさから、35メッシュ程度の砂を新粒、48、65、100メッシュの砂を中粒、それ以下を細粒砂という場合もあります。

(1)山砂

山砂は珪砂と粘土鉱物との混在したものです。一般的には、そのまま、あるいはわずかに粘結剤を調節する程度で鋳型用の砂として使用できます。従って、珪砂粒の粒度分布は一番重要な因子ですが、とくに含有粘土の量およびその性質が型砂として、耐火性や、復用性などの点で検討すべき項目です。

良質の山砂は採掘された状態のまま、もしくははわずかに処理を加えるだけで使用する事ができ、安価であり、鋳砂としての性質もすぐれています。均質で多量にある山砂は、その利用価値がきわめて大きいです。

(2)珪砂

JIS規格によれば、鋳物用珪砂は粘土分が2%以下で、SiO2の含有量が95%以上と決められています。しかし、現在流通している珪砂にはこれらの規格から外れたものも使用されており、その種類も多様です。
珪砂は、天然珪砂と人工珪砂に大別されます。JIS規格では、天然珪砂は天然の珪砂粒及びこれを水洗いやふるい分けなどの加工を行ったものと定義されています。一方、人工珪砂は、大きい粒子の天然珪砂や珪岩などを粉砕加工して製造したものと定義されています。

珪砂は、愛知県産、長野県産のものが概して、純度、粒形ともに優秀といわれています。ほかの地区の珪砂は、SiO2の純度は十分に高いが粒形が偏角型になり不十分といわれています。

(3)粘土

一般に、粘土は地殻の最表部に産出します。その存在状態は次のような3種類考えられます。
1)地層中に地層面とほぼ平行な層として存在する場合。
2)種々の岩石中に不規則に塊状となって存在する場合。
3)地表面を覆う土壌の成分として存在する場合。

1)及び、3)の場合、母岩の風化作用によってできます。2)の場合は、火山性の熱水及びその熱気作用により生じます。

1)は珪砂と同じように、母岩が風化作用をうけて、これが流水により運ばれ、珪砂と分けられることにより、粘土だけが体積したもっとも一般的な成因によるもので、二次粘土と呼ばれるものです。蛙目粘土や木節粘土がこれに属しています。
2)に属する粘土は、いわゆるベントナイトです。石英租面岩、凝灰岩などが存在する地域で、熱気や、熱
水作用により、岩石が分解してモンモリロナイトを生じ、さらに引続いて地下水、地表水の作用で粘土化が進行したものと考えられています。
3)に属する粘土は、山砂がこれにあたります。先に示したように、粘土量より砂粒分のほうが多いこと
が特徴です。

3.天然砂と合成砂の特徴

天然砂及び合成砂にはそれぞれ特徴があります。

(1)天然砂の特徴

  1) 砂処理設備が簡易的なもので済ませられます。
  2) 粘土分や、微粒分が多いので、使用時の水分含有量の範囲が広くとれます。
  3) 鋳型の補修が容易です。
  4) 粒度分布が広いので、砂割れなどの欠陥を起こしにくいです。
  5) 型の膨張が少ない。理由は、SiO2の純度が低いため、合成砂のような特殊な添加物を必要としません。
  6) 水分の蒸発が少ない。
  7) 鋳型への塗型が容易にできます。
  8) 木型や砂型同士(肌砂と裏砂)のなじみが良好です。
  9) 合成砂と比較して安価です。

(2) 合成砂の特徴

  1) 砂粒子や、粘結剤、添加剤が自由に選択できます。
  2) 水分が少なくても使用できます。
  3) 天然砂と同一の通気度を得るために、細かい砂でよい。
  4) 砂の管理がしやすい。人為的に配合比率を決定できます。

4.原料砂の性質

鋳型用の砂としての性質を示します。

(1)天然砂

鋳型の製作に使用する天然砂を選択する場合、造形する鋳物製品の大きさに応じて、砂粒の大小と、その粒度分布、および粘度の含有量と性質が判断基準になります。粘土分が15~18%であれば、そのまま使用しても鋳物砂としての強度や通気度に優れています。鋳物の大きさによって通気度や粒度指数の範囲を表3.5.2に示します。

[表3.5.2] 天然砂の性質

天然砂は、そのままの状態で15~18%の粘土分を含有しています。混錬せずに使用しても生型の圧縮強さが300~400kgf/cm2ありますが、通常は、これを混錬して使用されることが多いです。その場合、水分が7%の場合で、圧縮強さが450~600kgf/cm2になります。
繰り返し使用する場合は、補給用に20~30%程度、新砂が添加され、古砂と混錬して上に示したのと同程度の圧縮強さを維持するのが普通です。

(2)珪砂

合成砂の場合、原料珪砂の選定は天然砂の場合と異なっています。すなわち珪砂の場合、粒度分布の他に粒形と不純物との種類と量が、その性質に大きく影響します。

合成砂の調整は、各号数の原料砂を配合計算によって求めることにより行います。合成砂の原料となる珪砂の性質は、合成砂の強度、通気度など、鋳型の諸性質に大きく影響します。特に粒形は、粘結剤の添加量に大きく影響するので注意が必要です。使用されることが多い人造珪砂は、その原鉱石の選択と製造方法が、経験的な要素が大きいので、粒形が変わりやすく、特に注意する必要があります。

研究によると、平均粒度が50メッシュの珪砂で、粒形が丸形と角形とでは、その性質が表3.5.3に示すよ
うな、顕著な差異があることが示されています(Dietert氏による)。

[表3.5.3] 粒形の差異による鋳型の性質の差異

珪砂のSiO2の含有率が高いことは、耐火性が増し、粘着性の点からは、鋳造に関しては望ましい性質ですが、一方型砂としての高温時の性質の面からは必ずしも好ましいばかりではありません。
図3.5.4に、各種砂の熱膨張率を示します。珪砂が熱膨張の割合が高いことがわかります。

[図3.5.4] 各種砂の熱膨張率

鋳肌面の改善を図るために有機系の添加剤として、木粉や、ピッチ粉、でんぷん等が添加されますが、その添加量等は、珪砂中のSiO2の純度や、粒度、粒形などによって適宜決定する必要があります。
浜砂や河砂には磁鉄鉱分が多いので、鋳型を製作して、注湯すると加熱されて急激に膨張し鋳型からとび出して、さしこみなど欠陥の原因となります。そのため塗型を厚くするような処置がとられてます。
チャート質の珪砂も成分は同じですが、耐火性に劣るのでその含有量に注意する必要があります。

一般に鋳物砂の化学成分は珪酸(SiO2)を主体として、これにアルミナ(Al2O3)や、酸化鉄(Fe2O3)、石灰(CaO)、マグネシア(MgO)などを含み、さらに微量のアルカリ(Na2O、K2O)から成り立っています。
これを鉱物学的に分類すると、石英、長石、粘土よりなり、化学組成との関係を、図化学分析3.5.5に示します。

[図3.5.5] 鋳物砂の成分と化学組成との関係

石英は、耐火性も良好で、強度も大きくで安定しているのに対して、長石は高熱や外力によって容易に微粉化しするので、鋳型用の砂としては、珪砂に長石が混在することは避けられます。

また浜砂中には、NaClが含有されており、0.03%以上含有していると、油砂型や、シェルモードの場合に、不都合な結果を生ずることもあるので注意が必要です。

5.鋳物砂の性質に及ぼす各種要因

(1)水分の影響

後述するように、砂型の粘着剤には粘土とベントナイトが用いられることが多いです。油中子やCO2法、シェルモールド法に使用される珪砂には水分は含有しない方が良いが、粘土やベントナイト、セメントなどを粘着剤として用いられる砂型の場合は、必ず水分が添加されます。

砂型中の水分含有量は、粒度以外の砂型の性質全てに影響を及ぼします。水分の調整は鋳物砂を調製するうえで最も重要な因子になります。

一般に、合成砂では3~5%、天然砂では6.5~9%の範囲に水分量が調整されます。これは、実験室レベルでの最適値より少し多くなっています。これは、作業性を考慮しているためといわれています。
また乾燥型でも、水分量が多いほうが、乾燥後の鋳型強度が出やすいので、少し多めの8~10%程度に調整して用いられます。

型砂の流動性は型込に影響しますが、水分量にはあまり左右されません。
鋳型中の水分は、注湯によって一部が気化して、ガス化しますが、そのさいの容積変化は約1,600倍になります。鋳型内で発生するガスは、水分によるもののほかに、石炭粉とか中子油、樹脂あるいはその他有機材料によるものとがありますが、水分からの発生するガスが大半を占めます。鋳型の性質で、通気性が最も重要な要因の一つとされています。従って、鋳型の不良発生に大きく影響する水分含有量については、最大要素の一つとして、管理する必要があります。

(2)砂

型砂を調製する際、目的に応じた粒度配合と粒形が適合する鋳物砂を選択することが重要です。型砂の粒度の大体の大きさは粒度指数によりわかりますが、鋳型の性質は粒度指数のみで把握するのは困難です。粒度分布を見ながら経験的に決められます。

美しく滑らかな鋳肌の鋳物を得たい場合は、できるだけ細粒の砂を選択します。ただし、細粒になるほど表面積が大きくなり、水分量や粘結剤の比率が高くなりますので、耐熱性や流動性が低下します。一般的には砂粒が細かくなれば成形強度が大きくなりますが、行き過ぎて微粉程度になってしまうと水分が少ないと成形が困難になります。つき固め性と粒度分布及び粒形について検討すると、単一粒度のものの方がつき固めやすく、粒形は丸型より角ばったものの方が、強度は強くなります。ただし、丸型の砂の方が流動性があり、鋳型全体の強度を考えれば均一になります。

一方、単一粒度に近い鋳物砂は、流動性は良いが熱衝撃には弱いといわれています。
平面部の多い鋳物を造ろうとし注湯した場合、単一粒度に近い鋳物砂を用いると、鋳型表面が浮き上がり、湯の流れに沿って流れ、抵抗で止まるところまで移動して、鋳肌に脈状のしぼられを発生する傾向があります。このような場合の対策としては、粒形を大小取り混ぜた粒度分布の鋳物砂の使用が有効です。

逆に、凸凹の多い鋳物を製作する時には、単一粒度の鋳物砂で流動性がよく、木型のすみずみまでいきわたって固まる鋳物砂を用意すべきです。

(3)鋳物砂と粘土

鋳物砂中の粘土は、鋳型の造型強度を保つために必要ですが、鋳物砂の流動性をよくして、鋳型のすみずみまで鋳物砂を充填するために、また水分量を減らすためにも、粘土は少量の方が望ましいです。また、鋳物砂の老化を防ぐためには、鋳物砂中の粘土はできるだけ良質のものを少量添加するようにすべきです。

合成砂のほとんどには、粘結剤としてベントナイトが添加されます。従来の山粘土と比較すると少量の添加で強度が出せます。一方、造形性を悪くする、繰返し使用性、耐火度が低いなどの欠点があります。粘土分の増量は、鋳型強度を増大させますが、通気度や流動性は低下します。鋳型の水分量を低下させたいときは、粘土分をできるだけ減らすようにしなければなりません。

(4)鋳型砂の老化

鋳物砂が鋳型となり、注湯により高熱にさらされると、砂粒子は破壊されて微粉となります。粘土は粘結性を失い、通気性を害し、鋳物砂としての強度を発揮することができなくなります。これを鋳物砂の老化現象といいます。
型砂の主成分は石英(SiO2)で、熱影響のないものはα石英です。α石英は、575℃に加熱されると変態してβ石英になり、急に膨張して比重を2.65から2.32となり、その体積が増加し、1250℃以上では、わずかの外力で壊れやすく微粉になってしまいます。

粘土は、100℃を越すと付着した水が失われます。カオリナン系の木節粘土は、520~600℃で、モンモリナイト系のベントナイトは560~870℃で結晶水を失います。結合水を失うと粘結性も失われ、微粉として鋳物砂中に残るので、通気性や熱的性質も劣化します。

鋳物砂が繰返し使用されるためには、老化成分が混入するのを極力避ける措置が取られねばならず、また鋳物砂が老化して、性質が変化したならば新砂を補給して、鋳物砂の性質の保持を行われねばなりません。

(5)高温の性質

砂型の主成分である珪砂が熱を受けて575℃になりα石英からβ石英に変態すると熱膨張があり、体積
で約10%増加します。この熱膨張は、珪砂にくらべて浜砂、山砂は減少し、オリビン砂やジルコン砂ではきわめて小さくなります。珪砂ではSiO2の純度の高いものほど熱膨張が大きいことがわかっています。

6.鋳物砂の分類

(1)鋳物砂の用途による分類

鋳物砂は用途によって、以下のように分類されます。
1)生型砂用砂(green sand)
生型砂用砂は、ふるいによりきょう雑物を取り除いた山砂が適用されます。粘結力が不足する場合は、粘土を少し混入させて性質を改善します。
鋳造工場の床には、この砂が敷き詰められています。この砂に幾分水分を持たせて造型して、水分のある状態で注湯します。砂が老朽化すると新しい砂を少し加えて、砂の性能を若返りさせます。
鋳鉄用や、鋳鋼用、銅合金用などで砂には幾分差異があります。

2)焼型用砂(dry sand)
焼型用砂は、石英(SiO2)を主成分としたものですので、粘結力を与えるために粘土を添加します。造型した鋳型を炉で焼成することからいわれます。鋳物砂にコークス粉や木粉などの可燃性粉末を添加して炉で焼成して、可燃性粉末を燃焼させることにより、鋳物に小穴を作り、ガスを抜き出すのに好都合なようにすることもあります。

3)かき型及び回し型用砂(loam)
鋳物工場では、へなと称して水を添加して泥状にして、工場に床砂でおおよその形状をつくった上にふりかけて、かき型もしくは回し型の木型を使用して成型します。これを乾燥させて注湯します。

4)中子砂(core sand)
中子は、注湯する際に溶湯で包まれるので、中子砂には耐火性と通気性が特に要求されます。また、強く圧縮されるので耐圧力も要求されます。そのため、油や合成樹脂、水ガラスなどを粘結剤として使用します。焼成して強度を増すとともに通気性を向上させます。

5)肌砂(facing sand, skin sand)
鋳造品の鋳肌を滑らかにするために、鋳肌に接する部分に10~30mm位の厚さに、細粒を使用します。これを肌砂といいます。

6)仕切り砂(parting sand)
造型するとき、上型と下型を分かれやすくするために用いる砂で、粘土分の全然ない細粒の川砂、浜砂などが用いられます。

7.鋳物砂の粘結剤

鋳型砂用の粘結剤には色々な種類があります。これらをうまく選択することによって鋳型の強度を最適なものにできます。

(1)無機粘結剤

無機粘結剤としては、一般的に粘土類が多く用いられています。
1)粘土鉱物の性質
粘土は鉱物学的には次の3種類に大きくは分類されます。
 カオリナイト(K)、イライト(I)、モンモリナイト(M)

これらの粘土は、その種類によって鋳型砂に配合した場合の性質が異なります。定性的に比較したものが、表3.5.6です。この表に示される数値は、1が最良で、4が最低レベルを示しています。

[表3.5.6] 粘土鉱物の定性的性質

これらの性質を比較すると、
 湿態強さ/乾態強さ:(モンモリナイト)>(イライト)>(カオリナイト)
 鋳型表面の安定性:(カオリナイト)>(イライト)>(モンモリナイト)
 湿態強さの水分感度:(カオリナイト)>(イライト)>(モンモリナイト)
 高温強さの最高値温度:(カオリナイト)>(イライト)>(モンモリナイト)

2)粘土中の不純物の影響
粘土の中には、粘土鉱物以外に多くの不純物が含まれています。これらの影響を以下に示します。
a. 石英
  砂粒程度から、超微粒子までいろいろな大きさの石英粒が混入しています。石英は粘土の粘結力を弱めます。また、鋳型の熱膨張を大きくし、耐火度を低くします。

b. 長石
  粘土の粘結力を弱め、耐火度を低くします。

c. 雲母
  粗粒から細粒までいろいろなサイズが混入していますが、十分粘土化した場合は悪影響はありません。

d. 鉄塩
  多量に含まれる場合は、復用性を悪化させます。

e. 有機物
  比較的低温で燃焼しますが、粘結性を低下させます。

不純物のほとんどは、粘土の性質を劣化させます。少ない方が望ましいです。

(2)有機粘結剤

有機粘結剤は、油中子のように有機物が主粘結剤として使用される場合と、主たる粘結力は無機粘結剤として、有機粘結剤は補助粘結剤もしくは二次粘結剤として用いられる場合とがあります。現在鋳型用の有機粘結剤として使用されているものとしては、油分や、デンプン類、糖類、合成樹脂などいろいろあります。

1)油類粘結剤
油類粘結剤としては、亜麻仁油、大豆油、菜種油などの植物性の乾性油が最も一般的に使用されます。
主に中子などに用いられています。植物油を用いた中子を170~190℃で乾燥させた場合、大きい乾燥強度が得られます。また、吸湿性が無いこと、砂落としが容易であることが長所です。ただし、湿態強度を得るために、少量のベントナイト(1~2%)及びデンプン系の補助粘結剤を添加します。また、油粘結剤は主型用の合成砂を成形放置による表面の乾燥防止にも使用されています。

2)デンプン類粘結剤
水分さえあれば強力な粘着力を発揮できるため、デンプンを加工したデキストリン及びαデンプン粉が使用されています。デキストリンは水分量が少なくても、粘着力が増加するので、主型の生型あるいは乾燥型の表面砂粒の安定剤として用いられます。αデンプン粉は、やや水分を多く必要とするから、一般的には水分を多くしても問題無い乾燥型や中子用に適用されます。

3)糖類粘結剤
パルプ製造時に生成される、サルファイト廃液が、オージンもしくはサンサルエキスなどの商品名で販売されています。乾燥強度が比較的弱い、吸湿性が大きいことなどから次第に油類やその他の粘結剤に置き換えられつつあります。

4)合成樹脂粘結剤
合成樹脂粘結剤で最も一般的に使用されているものとしては、シェルモールド用の石炭酸系樹脂があります。また、一部では尿素系の樹脂が使用されています。これらの樹脂は粉末状で供給され、珪砂にそのまま3~5%程度配合してシェルモールド用として使用されます。液状のものもありますが、これは珪砂を被覆してコーテットサンドとして使用されます。
合成樹脂粘結剤の中には、性質が良好でも、悪臭、刺激臭などが発生して作業環境上問題がある場合があります。

(3)特殊な粘結剤

1)ケイ酸ソーダ(水ガラス)
水ガラスは、ガス型法の粘結剤として広く使用されています。主成分はケイ酸ソーダです。砂落としの効果や成形強度を上げるために、糖蜜のような有機質の粘結剤を添加します。通常4~6%の水ガラスを、珪砂に添加して使用します。

2)エアーセットオイル
大物用の中子や主型用の粘結剤として使用されます。成分は植物油と合成樹脂とからなるといわれています。過ホウ酸ソーダなどの硬化促進剤を少量添加することにより硬化時間を短縮したり調整したりできます。常温放置で硬化させるものと、焼成するものとがあります。

3)セメント
ポルトランドセメントを使用します。大物の鋳鉄鋳造用に主型、中子とも、工作機械の製作工場で使用されます。ベントナイトの代わりにポルトランドセメントを7~10%を混錬して造型して、そのままある程度硬化するまで放置し、型抜き後または大気中で放置乾燥あるいは、乾燥炉で乾燥後使用されます。
また、鋳肌部分をエアーセットによる油砂、裏砂をセメント型とする組合せで使用されています。

(4)鋳物砂への添加剤(粘結剤を除く)

鋳型砂の中には粘結剤の他に、鋳肌面を良好にする、砂落としをよくする、すくわれなどを防止する、鋳型と溶湯との反応を防止するなど、いろいろな目的で、それぞれの要求に応じて各種の添加剤が添加されています。それらについて、順に見ていきましょう。

1)炭素質添加剤
炭素質添加剤には、石炭粉、ピッチ粉、コークス粉、黒鉛粉末などがあります。
 a. 石炭粉
   鋳肌をよくし、砂落しを容易にする効果があります。すくわれ防止などを目的として、普通鋳鉄の砂に1%前後(新砂には1~2%、反復して使用すれば0.5%程度)添加されます。これらの目的に使用される石炭粉は、一般には揮発分が高く、灰分の少ないのが良好とされています。

灰分の多いものは、古砂中の微粉分を増加させるので好ましくありません。粒子が細かいと、すくわれ系統の鋳物傷の防止には有効ですが、砂落しのさいに砂が焼付いてしまうことがあります。目的に応じて粒
度を選択することが重要です。

 b. ピッチ粉
   ピッチ粉は、石炭の乾留などから得られます。灰分がほとんどなく、しかも揮発分がある程度自由に選べ、しかも粒形を丸くすることができるので、石炭粉より高価ですが、一部では石炭粉の代わりに用いられます。揮発分の少ないものは、焼結しにくいので砂落としが容易です。一方、揮発性の高いものは合成砂に添加して鋳肌を良好にし、すくわれ防止に有効です。

 c. コークス粉
   揮発分がほとんど含まれないため、大物の中子などに使用されます。砂落としだけをよくし、できるだけガス発生を少なくしたい場合に使用されます。大物の中子には、3~10%添加して砂落としが良好に行われるようにしています。また、微粉にしたものは塗型剤として使用されます。

 d. 黒鉛粉末
   主として塗型用として用いられますが、良好な鋳肌を必要とする紡織機部品など薄物の山砂に添加されます。ヘラかけが容易になる、鋳肌がよくなる等の効果が期待できます。ただし、すくわれ防止などの効果はあまり期待できません。

2)デンプン質添加剤
代表的なものは、トウモロコシより造るコーンスターチがあります。砂型の熱膨張による、すくわれ防止に非常に効果的です。また、古砂に添加する場合補助粘結剤としての効果も期待できます。しかも流動性は阻害されません。また、コーンスターチを原料として造られたデンプンは、デキストリンと比較して、すくわれに対して効果が大きいです。
デンプン質添加剤は、すくわれを防止するばかりでなく、砂落としを容易にし鋳肌をよくする効果があります。

3)繊維素質添加剤
繊維素質添加剤には、モミガラ、和紙、スサなどがあります。最近は100メッシュ前後の鋳型用木粉が多く使用されています。砂型の熱応力を低下させる効果が大きく、すくわれ防止になり、また砂落しを容易にする効果があります。鋳物の熱間き裂の防止に、0.5~1.5%添加されます。しかし吸湿しやすいので強度を低下させます。さらに、砂型表面がボロツキやすくなる欠点があります。

9.鋳物砂の老化

(1)粘結剤の老化

砂粒の周曲が注湯により強熱せられると、砂粒の周囲の物質が乾燥したり、燃焼したり、あるいは固化したりします。ある温度以上では粘結剤はその粘結性を失い、添加物は燃焼するか、その特性を失なって、鋳型としての性質を維持できません。
粘結鉱物はその結晶水を失うと粘結力が激減します。結晶水を失う温度は、おおよそ500℃位で、加熱された粘土は、再び粉末に戻しても、粘結剤としての役割ははたさず、単に微粉として存在するだけす。
油脂類および合成樹脂などは、燃焼するか分解して炭化します。

(2)珪砂の老化

珪砂は、加熱されると575℃で、α石英からβ石英に変化する変態点があります。結晶構造も変化します。5757℃での変態は、容積が膨張して、比重が2.635から2.323に低下します。この温度での膨張による珪砂のき裂や崩壊が起こります。
鋳型砂は、珪砂に各種の粘結剤や添加剤を混合しており、これらが砂粒の周囲に皮膜を形成します。これらが熱影響を受けると、珪砂も皮膜成分もそれぞれ変質します。脱水したり、燃焼や焼付きを起こし、砂粒表面に皮膜を形成して、固着することが多いです。
砂も、鋳物表面で鉄の酸化物と反応しフエヤライト(ガラス状のケイ酸鉄;Fe2SiO4)を形成して、老化します。

10. 鋳物砂試験法

工場現場で、使用する鋳物砂の状況を管理して、鋳物砂に起因する不良品発生防止をはかる必要があります。一般的に行われている試験について概説します。

(1)通気度試験

鋳物砂を一定の程度につき固めて、その試験片に一定の空気圧を通じてその抵抗を測定する方法です。
図3.5.7に装置の例を示します。水槽AにドラムBを挿入して、水槽Aの中央部の規定位置まで水を注入します。砂を固めた試験片Tを円筒Hにしっくりした入れます。ドラムB中の空気は気密室Kに押されて、ある圧力で試験片Tを通過します。このときの圧力を圧力計Iで読み取ります。気密室Kの圧力とドラムBとの圧力はほぼ等しく、常に均一に保持されます。内管Rに連結された管Sには三方コックが取り付けられ、測定の際開閉されます。開のときはドラムB中の空気は外部と連絡しています。コックDを開の状態で、ドラムBを引上げて外部より空気をドラムBに吸い込まれます。規定位置までドラムを引上げると、コックDを測定の位置に切り換えます。ドラム内の空気を管Sから試験片Tに送ります。この空気が試験片Tの隙間を通って外部に放出されます。

[図3.5.7]通気度試験器

ここで

V: 試験片を通過する空気量(cm3
p: 気密室の圧力(cmH2O)
a: 試験への断面積(cm2
t: 空気の通過するのに必要な時間(min)
h: 試験片の高さ(cm)

この式で、Pは試験片の通気性の良否を表す定数です。この値が大きいほど通気性が良好です。このPを通気度と定義されます。ここでtはドラムBが自重により0から2,000cm3の線まで降下する時間を測定します。

(2)通気度試験の試験片

通気度試験の素見片は、図3.5.8に示すような、つき固め器(sand rammer)を使用して製作します。砂容器Hに試料の砂を入れ、受台B上で杵Pで押えてクランクCを回転させて重りW(6.5kg)を50mmの高さから3回落下させます。試験片の大きさは、直径50mm、高さ50mmとします。

[図3.5.8] 鋳物砂試験片のつき固め器

(3)水分含有量の測定

色々な方法がりますが、
①100grの試料を105~110℃に保持して1時間乾燥させ、デシケータ内で冷却して、その重さの減少量を測定して百分率で示す方法。
②50grの試料を110±5℃で1~2時間加熱乾燥させて、その重さの減少量を測定して百分率で示す方法。
③迅速に水分量を測定できる機器。50grの試料を約110℃の熱風で1~3分間乾燥させて、その重さの減少量を測定して百分率で示す。

通常の生型用鋳物砂に含有される水分は、11%前後で最大の通気度を示します。また、強度は水分が7%位のときに最大になるといわれています。

(4)粘土分の含有量を測定する方法

粘土分の含有量は適切に選択する必要があります。粘土分が少なければ成形性が悪くなる一方、多すぎる場合は通気性が悪くなります。
粘土分の測定方法を示します。乾燥した鋳物砂50grをガラス容器に入れて、3%の水酸化ナトリウム溶液を注ぎ、1時間撹拌します。その後、サイフォンで溶液を取り出して、水を加え更にサイフォンでその水を取り出すことを、数回繰り返して残留する砂を乾燥させて、その重さを計量して初期の50grとの差異を百分率で表わします。

(5)粒度試験法

粒度の粗い砂は、結合度が悪く、鋳肌も粗くなります。一方、細かすぎる砂は通気性が悪くなります。
測定方法は、粘土分を除去して乾燥させた鋳物砂の試料50grを、ふるいでふるい分けして各粒度の重量に対する百分率を求めます。

(6)砂の粒形検査

(5)項の粒度試験法により残された砂粒を、拡大鏡または顕微鏡で、その形状を観察します。メッシュが不揃いなものは通気性が悪いです。また、粒形が破壊しやすいものは砂の寿命の点で問題があります。

(7)耐火溶着試験

鋳物砂が、高温の溶湯に接して、鋳造品に溶着する場合、製品の見栄えを著しく悪くします。
溶融温度のわかっている窯業用に使用される、温度を測定するゼーゲルコーン(図3.5.9)を数種と、試験片とを同時に炉内で熱して、円すい形の頂点が溶融湾曲する温度を測定します。この他、リボン状に成形した白金に電流と通じて加熱し、それを鋳物砂に5分間押し当てて、砂の一部が溶融して、白金のリボンに焼け付くときの温度を測定する方法があります。
また、試験片を実際の溶湯に中に投入する方法や、試験片の上に溶湯を流す方法もあります。

[図3.5.9] ゼーゲルコーン

(8)粘結力試験(bond test)

溶湯を注入しているとき、砂型を押し広げようとする力が作用します。これに対抗する力が粘結力です。粘結力の程度を測定するために粘結力試験を行います。図3.5.10に、粘結力試験器を示します。
鋳物砂を所定の圧力を付加して、直方体に成形して製作された試験片を、試験器の滑り台上の帯状紙片にのせて、その紙片を150mm/minの速度で巻き取り、滑り台の端から試験片が突き出されます。このとき、試験片は自重によって折損します。この重量を粘結力とします。

[図3.5.10] 粘結力試験器

(9)鋳型のかたさ試験

生型の場合、砂の突き固めが過度過ぎると、通気度が悪くなります。そのため、造型された砂型のかたさを測定するために、図3.5.11に示す、鋳型かたさ試験器を使用します。使用方法は、底にある球を砂型に押し付けると、鋳型のかたさがかたいほど球の押込み量が小さくなり、数値が高くなります。焼型の場合は、珠の代わりに円すい形の圧子を用います。

[図3.5.11] 鋳型かたさ試験器

(10)圧縮試験

砂型を積み重ねる場合、砂型はその重さに耐える必要があります。また、注湯の際に溶湯の重量にも耐える必要があります。そのために、通気性を測定する試験片を圧縮してその耐圧力を測定することにより求めます。

 

 

 

引用文献
(株)岡本HP 鋳物データブック  https://www.nbk­okamoto.co.jp/DataBook/
機械工作法 上巻  養賢堂出版

 

 

引用図表
[表3.5.1] 鋳物砂の分類     (株)岡本HP 鋳物データブックHP
[表3.5.2] 天然砂の性質      (株)岡本HP 鋳物データブックHP
[表3.5.3] 粒形の差異による鋳型の性質の差異      (株)岡本HP 鋳物データブックHP
[図3.5.4] 各種砂の熱膨張率    鋳物技術者と機械設計技術者のための新版鋳鉄の性質
[図3.5.5] 鋳物砂の成分と化学組成との関係     (株)岡本HP 鋳物データブックHP
[表3.5.6] 粘土鉱物の定性的性質     (株)岡本HP 鋳物データブックHP
[図3.5.7]通気度試験器    機械工作法 上巻
[図3.5.8] 鋳物砂試験片のつき固め器    機械工作法 上巻
[図3.5.9] ゼーゲルコーン    https://www.sougengama.jp/yougo/03
[図3.5.10] 粘結力試験器    機械工作法 上巻
[図3.5.11] 鋳型かたさ試験器    https://nakayama­meps.co.jp/method/

 

org:2017/2/4
REV.:2017/5/17