小型・中型鋳鋼部品への高温サンドコーティングの適用

要約: 本論文では、フィルムサンドの特性に応じて、著者の会社が製造した鋼鋳物砂で発生した品質問題を提示し、その原因を分析し、さまざまな実際状況に合わせてさまざまな処方とプロセスを採用して、鋼鋳物の精密鋳造に特に適したフィルムサンドプロセスの要件を満たす鋼鋳物を製造できるようにします。

キーワード: フィルムサンド、鋼鋳造、精密鋳造、精密鋳造

鋳鋼部品は、炭素鋼、低合金鋼など、高強度、高靭性、良好な鋳造・溶接特性など、多くの優れた特性を備えています。また、特殊鋼は耐摩耗性、耐熱性、耐腐食性、耐寒性などの特殊な作業条件を満たすことができます。そのため、鋳鋼部品は重工業、鉱業、運輸、発電所、機械、航空宇宙など、多くの産業で広く使用されています。現在、鋳鋼部品の需要、あるいは主に中大型鋳物、そして大量生産の要求から見ると、中小型鋳物は比較的少量ですが、数量は多く、薄肉、精密、複雑な鋳物に属しているため、さまざまな産業分野で非常に重要な役割を果たしています。

現在、中小型鋼鋳物部品の生産において、非常に多くの、そして最も多様である技術的方法はそれぞれ独自の特徴を持ち、それぞれ独自の長所と短所を持っています。鋳鋼の高融点、溶鋼の酸化、鋼の流動性の悪さ、収縮などにより、鋳鋼部品は鋳残し、冷間偏析、収縮による強度低下、クラックや砂などの鋳造欠陥が発生しやすく、その特性上、最良の中小型鋳鋼部品の探索は、世界の鋳造労働者が緊急に解決しなければならない技術的な鍵です。中国の実際の鋳造生産では、生産プロセスに粘土湿式砂法、樹脂自硬性砂法、および溶融鋳造法の3種類の方法が適用されています。

(1) 粘土湿砂

粘土湿砂の最大の制約は、砂の強度が高くないことです。そのため、この成形方法では鋳物に欠陥が生じやすくなります。例えば、砂溜まり、砂穴、砂穴、気孔、引け巣、表面砂の堆積、ひび割れ、箱膨れなど、欠陥の数は比較的多く、溶接による処理が必要となるため、清掃コストも高くなります。そのため、世界情勢から判断すると、粘土湿砂による鋼材部品の生産量は多くなく、自動成形ラインでの生産量はさらに少ないため、現在、粘土湿砂は主に鋳鉄部品の製造に使用されています。

（２）自己硬化性樹脂砂

1973年以来、中国はフラン樹脂自己硬化砂の応用を模索し始めました。その理由は、鋳物の造形工程で寸法精度と表面品質が高い（寸法精度CT10〜12、表面粗さRa25〜50um）、中子ルーティングが良好、鋳物砂の洗浄が簡単、古い乾燥砂の再生が簡単、再利用率が高い（90％以上）などの利点があるためです。現在、中国の大中型鋼鋳物はより進歩しており、広く応用されています。しかし、砂樹脂の熱膨張係数が大きいため、高温降伏が悪く、鋳鋼部品に亀裂が生じやすいです。バインダーシステムにはS、Nなどの有害元素が含まれており、鋳鋼の表面浸炭、硫黄浸透、表面マイクロクラックを引き起こしやすいです。砂のガス放出が大きく、鋳物に気孔欠陥や皮下気孔によるNが発生しやすいです。砂の混合、造形、鋳込み、砂処理、洗浄工程ではSO、COなどの有害ガスが発生し、作業環境を汚染します。そのため、フラン樹脂を用いた砂処理は鋳鋼部品の製造に理想的な選択肢ではなく、特に薄肉で構造が複雑なポンプ、バルブ、機関車、小型・中型鋳鋼部品の製造には適していません。

（３）精密鋳造法

精密鋳造は、製品要件と製造プロセスに応じて、2つのカテゴリーに分けられます。1つ目は、高品質の鋳型材料、高圧鋳型、シリカゾルおよびケイ酸塩エチルアセテートシェル、蒸気脱蝋、急速大気圧または真空溶解注湯プロセスを採用する、いわゆる国際汎用溶解鋳造プロセスです。CT4～6レベルの精度、表面粗さRa0.8～6.3μmの鋳物を製造でき、主に航空機やガスタービンブレードなどの高品質精密鋳造部品、あるいは一般的なステンレス鋼、低合金鋼、炭素鋼などの精密鋳造部品の製造に使用されます。このタイプの鋳物は、より高い技術レベルと生産コストを必要としますが、中国では全体の割合は小さいです。2つ目は、低品質のパラフィンステアレート鋳型材料、低圧鋳型、水ガラスシェル、温水脱蝋、緩速大気圧溶解注湯プロセスを採用する、いわゆる国際汎用溶解鋳造プロセスです。CT7～9レベルの精度、表面粗さRa2.5～25μmの鋳物を製造でき、主に品質要件の低い炭素鋼および低合金鋼部品の製造に使用されます。生産サイクルが短く、原材料や副資材の価格が安く、設備投資も少ないことから、重機、トラクター、機械、冶金設備、工作機械、ポンプ、バルブなど、国内の様々な産業で広く利用されています。現在、中国では砂型鋳造の代替として利用されており、中国における小型精密・複雑な鋼鋳物の生産において、砂型鋳造に代わる主要な造形方法となっています。しかし、鋳造加工の許容誤差、エネルギー消費量と原材料消費量の増加、生産サイクルの長さ、環境汚染の深刻さ、生産効率の低さなどの問題があります。

現在の鋳造生産において、上記 3 種類の小型精密鋳造プロセス方法を生産する上で、いくつかの欠点があることから、本稿の著者は、ホット ボックス コア フラン樹脂砂箱の流動性が悪く、コールド ボックス コア 砂箱の流動性は良いが、箱出し強度が低いことを踏まえ、樹脂コーティング砂シェル鋳造プロセスを使用して、小型精密鋳造プロセス鋳物を生産することを提案しました。

シェル鋳造は1940年代にドイツで開発されましたが、国内では後期に研究が進められました。通常の砂型鋳造に比べ、シェル鋳造は設備投資が少なく、生産面積が小さく、生産が便利で、生産効率が高く、鋳造に必要な砂が少なく、生産現場での粉塵が少なく、騒音が少なく、環境汚染が少ない、鋳物の表面品質が高く、寸法精度が高いなどの特徴があり、我が国の自動車産業では鋳鉄部品に広く使用されています。中国では、砂型鋳造の耐熱性を高めるため、ジルコン砂、クロマイト砂などの特殊な原料砂を加工して特殊な砂型鋳造にすることで、生産ニーズに対応しています。しかし、ジルコン砂、クロマイト砂などの特殊な原料砂資源は不足し、高価であるため、輸入に頼っています。さらに、鋳鋼部品の表面、特に鋳物の穴（コアヘッド）の表面と角にフローマークやしわのある皮膚の鋳造欠陥が発生し、鋳物の表面品質に重大な影響を与え、生産への適用が制限されます。コーテッドサンドで製造した小型鋳鋼部品は、鋳込み温度が高く、金属の流動性が悪く、鋳造収縮率が大きいという問題があったため、当社はフェノール樹脂を改質して耐熱性を高め、同時に熱特性も向上させ、さらに特殊な補助材料を加えて樹脂の分解を遅らせ、砂の熱分解を抑制し、コーテッドサンドの流動性をさらに向上させ、高温強度と安定性を高め、ガスを低く維持することで、石英砂ベースの特殊な耐高温コーテッドサンドを開発しました。このコーテッドサンドは優れた高温性能とその他の総合的な鋳造性能を備えており、高価なジルコニウム砂コーテッドサンドに代わる、さまざまな複雑な小型精密鋼鋳物を製造でき、コストを大幅に削減して鋳物の歩留まりと品質を向上させることができます。耐高温コーティング砂の高温圧縮強度は0.1〜0.2MPaから0.8MPa以上に向上し、耐熱時間は60〜110秒から150秒以上に増加し、常温引張強度は3.5MPa以上、耐熱強度は2.0MPa以上、ガス発生量は18m1/g未満です（表1参照）。