鋳造におけるクラッド砂の応用

鋳造分野におけるクラッド砂型鋳造は比較的長い歴史を持ち、鋳造量もかなり多い。しかし、精密鋳鋼部品のクラッド砂型鋳造には、砂の付着（傷）、冷間偏析、気孔率など、多くの問題が伴う。これらの問題をどのように解決するかについては、今後さらに検討する必要がある。

 

コーテッドサンドに関する知識と理解（コーテッドサンドは有機バインダー型、コアサンドに属します）

 

（1）コーテッドサンドの特徴：適切な強度特性、良好な流動性、砂型および砂中の輪郭が明瞭、組織が緻密、複雑な砂中子の製造が可能、砂型（中子）の表面品質が良好、表面粗さが最大Ra=6.3〜12.5μm、寸法精度がCT7〜CT9レベル、ルーティングが良好、鋳物の清掃が容易。

 

（2）適用範囲：コーテッドサンドは鋳型と砂中子の両方に使用でき、コーテッドサンドの鋳型または中子は互いに併用でき、また他の砂型（中子）と組み合わせて使用することもできます。金属型の重力鋳造や低圧鋳造に使用できるだけでなく、熱間法の砂鉄鋳造や遠心鋳造にも使用できます。鋳鉄や非鉄合金鋳物の製造に使用できるだけでなく、鋳鋼部品の製造にも使用できます。

 

コーティング砂の準備

 

1. コーテッドサンドの組成

一般的には耐火物、結合剤、硬化剤、潤滑剤、特殊添加剤から構成されます。

 

（1）耐火物はフィルム砂の本体です。耐火物に対する要求は、耐火性が高く、揮発分が少なく、粒子が丸く、固体であることなどです。一般的には天然のスクラビングシリカ砂を使用します。シリカ砂に対する要求は、SiO2含有量が高い（鋳鉄および非鉄合金鋳物は90％以上、鋼鋳物は97％以上必要）。泥含有量は0.3％以下（スクラビング砂の場合）- [水洗砂泥含有量は規定以下]。粒子サイズは、隣接する3〜5のふるい番号に分布しています。粒子の形状は丸く、角度係数は1.3以下である必要があります。酸消費値は5ml以上である必要があります。

 

（２）バインダーとしてはフェノール樹脂が一般的に採用されている。

 

（3）硬化剤としては通常ウロトロピンが使用され、潤滑剤としては通常ステアリン酸カルシウムが使用され、その機能はコーテッドサンドの凝集を防止し、流動性を高めることです。添加剤の主な機能は、コーテッドサンドの性能を向上させることです。

 

（４）コーテッドサンドの基本配合成分配合率（質量分率、％）説明：原砂１００％スクラビングサンド、フェノール樹脂１．０〜３．０％（原砂重量に対し）、ウロリチオファミン（水溶液２）１０〜１５％（樹脂重量に対し）、ステアリン酸カルシウム５〜７％（樹脂重量に対し）、添加剤０．１〜０．５％（原砂重量に対し）。１：２）樹脂１０〜１５％（樹脂重量に対し）、ステアリン酸カルシウム５〜７％（樹脂重量に対し）、添加剤０．１〜０．５％（原砂重量に対し）。～添加剤０．１〜０．５％（原砂重量に対し）。

 

2. コーテッドサンドの製造工程

 

コーテッドサンドの製造工程は、主に冷間法コーティング、温間法コーティング、熱間法コーティングの3種類があり、現在、コーテッドサンドの製造ではほぼ常に熱間コーティング法が採用されています。熱間ラミネート工程は、原料砂を一定の温度に加熱し、樹脂、水性ウロトロピン、ステアリン酸カルシウムをそれぞれ混合・攪拌し、冷却後に粉砕・篩分します。配合の違いにより、混合工程が異なります。現在、国内のラミネートサンド生産ラインは多種多様で、手投入式の半自動生産ラインは約2,000～2,300本、コンピュータ制御の自動生産ラインは約50本あり、生産効率と製品安定性を効果的に向上させています。例えば、XX鋳造株式会社の自動化視覚生産ラインは、投入時間制御精度が0.1秒、加熱温度制御精度が1/10℃で、砂の混合状況をビデオで観察でき、生産効率は6トン/時間に達します。

 

3. コーテッドサンドの主な製品種類

 

（1）普通型コーテッドサンド 普通型コーテッドサンド、すなわち伝統的なコーテッドサンドは、通常、石英砂、熱可塑性フェノール樹脂、ウロリチオリン酸塩、およびステアリン酸カルシウムで構成され、関連する添加剤は含まれておらず、添加される樹脂の量は、通常、一定の強度要件の下では比較的高く、耐高温性、低膨張性、低ガス放出性などの特性を備えておらず、要求が厳しくない鋳造生産には適していません。

 

（2）高強度低ガス性ラミネート砂特性：高強度、低膨張、低ガス性、低ガス性、酸化防止性はじめに：高強度低ガス性ラミネート砂は、通常のラミネート砂の新製品であり、「添加剤」の関連特性を追加し、新しい配合プロセスを採用することで、樹脂の量が大幅に減少し、強度が通常のラミネート砂よりも30％以上高くなっています。その強度は普通のコーティングされた砂よりも30％以上高く、ガス量が大幅に減少し、ガス発生速度を遅くすることができるため、鋳造生産のニーズによりよく適応できます。このタイプのコーティングされた砂は、主に鋳鉄部品、中小型鋳鋼、合金鋳鋼の生産に適しています。現在、この種類のコーティングされた砂には、GD-1高強度低ガスコーティングされた砂の3つのシリーズがあります。 GD-2 高強度、低膨張、低ガス放出のコーティング砂。GD-3 高強度、低膨張、低ガス放出の酸化防止剤コーティング砂。

 

（3）耐高温（型）コーティング砂（ND型） 特徴：耐高温、高強度、低膨張、低アウトガス、遅いアウトガス、崩壊しやすい、耐酸化性 概要：耐高温コーティング砂は、特殊なプロセス配合で製造された、優れた高温性能（高温での高い強度、長い耐熱性、低熱膨張、低アウトガス）と総合的な鋳造性能を備えた新しいタイプのコーティング砂です。 この種のコーティング砂は、複雑な薄肉精密鋳鉄部品（自動車のエンジンブロック、シリンダーヘッドなど）や鋳鋼部品（容器の角や列車ブレーキの遅延など、容器のシェル部品など）の製造に対する高い要件に特に適しており、砂の粘着、変形、熱割れ、気孔などの鋳造欠陥を効果的に排除できます。 現在、このフィルム砂には4つのシリーズがあります：VND-1耐高温フィルム砂。 ND-2 高温耐性、低膨張、低ガス放出のコーテッドサンド、ND-3 高温耐性、低膨張、低ガス放出の酸化防止コーテッドサンド、ND-4 高温耐性、高強度、低膨張、低ガス放出のコーテッドサンド。

 

（４）易崩壊型のコーテッドサンドは強度が良好であると同時に低温崩壊性に優れており、非鉄金属鋳物の製造に適している。

 

（5）コーテッドサンドのその他の特殊要件さまざまな製品のニーズを満たすために、遠心鋳造コーテッドサンド、コールドコーテッドサンド、ウェットコーテッドサンド、固着防止砂、脈状模様防止、オレンジピール防止コーテッドサンドなど、一連の特殊コーテッドサンドが開発されています。

 

コーティング砂中子製造の主な工程

 

加熱温度200～300℃、硬化時間30～150秒、砂圧0.15～0.60MPa。中子の形状がシンプルで、積層砂の流動性が良好であるため砂圧を低く抑えることができ、薄い砂中子を使用することで加熱温度を低く抑えることができ、低い加熱温度によって硬化時間を適切に長くすることができます。コーテッドサンドに使用される樹脂はフェノール樹脂です。中子製造プロセスの利点：適切な強度特性、良好な流動性、良好な砂中子表面品質（Ra = 6.3～12.5μm）、砂中子の吸湿性、良好なルーティング、鋳物の洗浄性。

 

1. 鋳造（鋳型）温度

 

鋳造温度は、シェル層の厚さと強度に影響を与える主な要因の1つであり、通常は220〜260℃に制御され、次の原則に従って選択されます。（1）樹脂が十分な熱で軟化および硬化することを確保する。

 

（１）積層砂上の樹脂を軟化・硬化させるのに十分な熱を確保する。

（２）必要な殻の厚さが形成され、殻（芯）の表面が焦げていないことを確認する。

（３）生産性を向上させるために、殻時間と硬化時間の短縮を図る。

 

2. 砂注入圧力と時間

 

砂の注入時間は通常3～10秒に制御されます。時間が短すぎると、砂型（コア）を造型できません。砂の注入圧力は通常0.6MPa程度ですが、圧力が低すぎると、ショット不足や緩み現象が発生しやすくなります。

 

3. 硬化時間：硬化時間の長さは、主に砂型（コア）の厚さと鋳物の温度に依存し、通常は60〜120秒です。時間が短すぎると、シェル層が完全に硬化せず強度が低下します。時間が長すぎると、砂（コア）表層が焦げやすく、鋳物の品質に影響を与えます。コーテッドサンド鋳型（コア）のプロセスパラメータの例：番号シェル厚さ（㎜）重量（kg）鋳物温度（℃）射出時間（秒）硬化時間（秒）1（ガイドスリーブ）DN80-05 8〜10 2.5〜2.6 220〜240 2〜3 60〜80 2（バルブボディ）DN05-01 10〜12 3.75〜3.8 240〜260 3〜5 80〜100

 

コーテッドサンドの適用における問題点と対策

 

中子製造方法には多くの種類があり、熱硬化法と冷間硬化法の2つに分類されます。コーテッドサンド中子製造は熱硬化法のカテゴリーに属します。どのような中子製造方法にも独自の長所と短所があり、主に製品の品質要件、複雑さ、生産バッチ、生産コスト、製品価格などの要因によって、どの中子製造方法を選択するかが決まります。鋳造キャビティに対する高い表面品質要件、高い寸法精度要件、複雑な形状の砂中子には、コーテッドサンド中子が非常に効果的です。たとえば、自動車エンジンシリンダーヘッドの吸排気砂中子、水路砂中子、油路砂中子、シリンダーブロック水路砂中子、油路砂中子、吸気マニホールド、排気マニホールドシェルコア砂中子、油圧バルブランナー砂中子、自動車ターボチャージャーエアウェイ砂中子などです。しかし、コーテッドサンドの使用ではしばしばいくつかの問題に遭遇するため、ここでは経験に基づいた作業についてのみ説明します。

 

1. 層状砂の強度とガス発生量の測定方法

原料砂と樹脂の品質が一定であるという前提の下、積層砂の強度に影響を与える重要な要素は主にフェノール樹脂の添加量です。フェノール樹脂を多く添加すると強度は向上しますが、ガス発生量も増加し、崩壊性が低下します。そのため、製造用途においては、砂の強度を制御してガス発生量を減らし、崩壊性を向上させる必要があり、強度基準の開発においてはバランスを見つける必要があります。このバランスは、強度を前提として、砂中子の表面品質を確保し、鋳造時に変形や破損が発生しないようにするためです。これにより、鋳物の表面品質と寸法精度を確保するだけでなく、ガス発生量を減らし、鋳物の気孔欠陥を減らし、砂中子の性能を向上させることができます。砂中子の保管、取り扱い工程では、作業場設備、砂中子台車を使用し、その上に10mm～15mmの厚さのスポンジを敷くことで、砂中子の損失率を低減できます。

 

2. コーテッドサンド用砂コアの保管期間

砂コアは水分を吸収しますが、特に南部地域では空気中の相対湿度が高いため、砂コアの保管期間は工程文書に明記する必要があります。リーン生産方式（先入先出方式）を採用することで、砂コアの保管量と保管サイクルを削減できます。各企業は、自社の工場条件と現地の気象条件を考慮して、砂コアの保管期間を決定する必要があります。

 

3. コーテッドサンドの供給品質を管理する

工場に搬入される積層砂は、サプライヤーの品質保証情報を添付する必要があり、企業は入庫前にサンプル検査基準に従って検査を行い、合格と判断された後に入庫されます。企業のサンプル検査で不合格となった場合、品質保証部門と技術部門による処理結果に基づき、サプライヤーに返却するか、受け入れるかを決定します。

 

4. 適格なコーテッドサンドは、コア製造中に破損および変形していることが判明しました。

中子製造時の砂中子の破損や変形は、通常、砂層強度の低さに起因すると考えられています。しかし、実際には、砂中子の破損や変形は多くの製造工程で発生しています。問題を完全に解決するには、異常な状況を真の原因まで調査する必要があります。具体的な原因は以下のとおりです。

 

（1）中子製造時の鋳型温度と鋳型の滞留時間は、硬化砂中子層の厚さが工程要件を満たすかどうかに関係しています。工程で規定されるプロセスパラメータには範囲があり、その範囲は作業者の調整スキルに依存します。鋳型温度の上限は鋳型滞在時間の下限と等しく、鋳型温度の下限は鋳型滞在時間の上限と等しくなっています。作業者は、常に操作スキルを向上させるための訓練を受ける必要があります。

 

（２）中子を作る際、フェノール樹脂や砂粒が金型に付着しますが、これらは適時に除去し、離型剤を吹き付けなければなりません。そうしないと、どんどん蓄積してしまい、金型を開いたときに中子が外れたり変形したりしてしまいます。

 

（3）高温中子箱型固定型スプリングトップバーは、高温下で長時間作業すると、弾性劣化により中子が破損したり変形したりする可能性があるため、適時に交換する必要があります。

 

（4）動型と静型が平行でなかったり、同じ中心線上になかったりして、シリンダーやシリンダの圧力で型が閉じられると、位置決めピンの先端が傾斜し、型はしっかりと閉じますが、型が開くと、動型と静型は砂中子の破損や変形の元の状態に復元されます。この場合、砂を射出する際に砂が逃げてしまい、砂中子のサイズが大きくなってしまいます。解決策は、金型の平行度と同軸度を適時に調整することです。

 

（５）シェルコア製造機で中空砂コアを製造する場合、砂コアからまだ硬化していないコーテッドサンドを再利用する必要がある場合は、ふるいにかけ、未使用のコーテッドサンドを3:7の比率で使用中のコアと混合し、シェルコア砂コアの表面品質と砂コアの強度を確保する必要があります。