Authors: P. R. Carey

サンドバインダーシステム

Technical Paper第一部：樹脂バインダープロセスの実践的側面
鋳型用バインダーシステムの便利で最新の情報が満載の全 13 部シリーズの第 1 部
バインダー関連の研修会が開催されるたびに、多くの議論や興味深い質問が出てきます。
以下は、よくある質問のリストです（順不同）。
タイトルは "バインダープロセスについての鋳造業界のトップ 10 の質問 "です。
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

どのくらいの引張強度があれば、良い中子や主型、そして良い鋳物を作ることができますか？
バインダープロセスや樹脂関連の欠陥で最も多いのは何ですか？
工程の中で管理が最も重要なのはどれですか？
どのバインダーシステムが最高の鋳物を作るのですか？
どのプロセスが最も実施しやすく、最も安価なのか？
環境面から見て、どのプロセスや樹脂システムが "ベスト "なのでしょうか？
樹脂コーティングされた砂のプロセスでは、どのような砂と品質管理テストを実施する必要がありますか？埋め立てによって、実施する必要のある試験は変わりますか？
8. 工場では複数のバインダーシステムを使用する必要がありますか？
生型造型システムは、異なる化学バインダーシステムを混合した場合、どのように反応しますか？
9. 樹脂バインダーシステムをリサイクル、再生、再利用する場合、どのような問題がありますか？ また、どのシステムを使用するのがベストなのでしょうか？
10. 再生砂を中子生産に使用したい場合、生型造型システムにはどのような調整が必要ですか？
以上、10 の秀逸な問題をご紹介しました。中には簡単な答えを持っているように見えるものもあるかもしれません。しかし、どれも簡単に答えられるものではありません。
このテクニカルペーパーの全体では、このシリーズにおいて、これらの質問および他のバインダーの質問に対する回答を提供します。最終回では、10 の質問にそれぞれ回答するか、場合によっては共著者の専門知識に基づいた意見を述べます。

バインダーシステムは本当にプロセスの一部です

奇妙に聞こえるかもしれませんが、鋳造者は砂や樹脂、機械、さらには人で中子や主型を作りません。
プロセスで作ります。鋳造工場におけるバインダーシステムの粘着性のある樹脂コーティングされた砂を前もって定義されたものに「魔法のように」変化させます。寸法的に正確な形状は、作業中の鋳造業者には非常に単純に見えるため、プロセスについてはほとんど考えていません。このプロセスは、何か問題が発生するまでほとんど考えられません。
鋳造の中子と主型は、独自の化学的性質を持つあらゆる種類の異なるバインダーを使用するさまざまなプロセスによって調製された樹脂コーティングされた砂を利用して作られています。さまざまな強度と物理的形態の触媒; さまざまな純度と化学組成、粒度分布、および粒子形状の砂。あらゆる種類の添加剤; 簡単なものから高度な機械。 そして、非常に異なる背景、経験、専門知識を持っている人々。

プロセスの理解がポジティブにつながる「壊れていなければ直さない」という古い格言は、1960 年代や 1970 年代にはメリットがあったかもしれません。しかし、1980 年代になると、その姿勢は製造業に大きな弊害をもたらすことが証明されました。1990 年代には、継続的な変化が主要な製造業の中で非常に明白になっており、それが普通であると期待されていました。

第二次世界大戦後、中子や主型の製造工程では緩やかな変化が起きていましたが、1973 年の第一次石油禁輸、特に 1979 年の第二次石油禁輸では大きな変化が起きました。これらの出来事は、私たちの製造部門のプロセスで使用されるエネルギーの必要性を突然意識させることになりました。
「エネルギー効率が良い」という言葉が流行りました。そして、あらゆる製造システムのベンチマークとなります。
エネルギー効率への注目は 1980 年代に始まり、自硬性やコールドボックスの中子・主型製造プロセスの成熟と重なりました。その結果、小規模で柔軟性の高い鋳物工場は、技術的に洗練されたエネルギー効率の高いこれらのプロセスにすぐに切り替えました。大規模で資本集約型の事業はすぐには変更できませんでしたが、将来のすべてのプログラムにおいて省エネルギーを第一に考えて設計するようになりました。
北米における熱硬化バインダーの販売は、エネルギー効率の高い常温硬化型バインダーシステムへの転換が進むにつれて減少し始めました。1979 年、常温バインダーの売上が熱硬化材料を上回ったことを契機に、より効率的で技術的に高度な中子・主型造型システムへの転換を目指す新たな鋳造業界の幕開けとなりました。
エネルギー意識の時代に続き、1980 年代半ばから後半にかけては、環境意識と企業責任の時代となりました。鋳物工場の人々は、バインダーシステムを別の方法で見るようになりました。今では、「暴露限界」、「⻑期的影響」、「廃棄」が流行語になっています。鋳物業者にとって、バインダープロセスの主要な検討事項は、環境への影響、政府の規制、訴訟の恐れ、そして⻑期的な責任となりました。これらの問題は、効率やコスト、製品の品質よりも重要視されていました。
1990 年には、大気汚染防止法の改正が立法化されました。この法律は、製造業に課せられた最も高額な規制負担を生み出し、バインダープロセスの選択とプロセス部品の変更の最大の推進力となりました。
特に樹脂バインダーシステムは、新しい大気、水、固形物排出基準を満たすために、事実上すべての鋳造プロセスのすべてのコンポーネントが変更されました。ほとんどすべての変更は、コストの増加、効率の低下、大幅なプロセス変換コストの増加をもたらしました。
鋳造業界は、これらすべての変化に苦痛を伴いながらもうまく対処してきました。

プロセス変動の原因どのようなプロセスにおいても、確立するために最も重要なことは一貫性です。
一貫性が確立されれば、ばらつきを検知して測定することができます。
各樹脂バインダープロセスは、プロセスの一部とは思えないものによって、異なる影響を受けます。
これらのパラメータのいくつかには、周囲温度、パターン表面温度と清浄度、樹脂成分の温度と粘度、あらゆる原料ソースからの水分、汚染物質、予期せぬ温度変化、および樹脂結合砂中子と造型プロセスの目に見えない要素が含まれます。天候も重要な要素です。
プロセスを管理下で実行させるためには、そのプロセスの各構成要素を明確に識別する必要があります。
そして、これらの要素の微妙な変化や劇的な変化の影響を十分に理解しなければなりません。

私たちは、一見取るに足らないように見えるが、プロセスの内外で動作する重要な要素、つまり、プロセスを一貫して実行させるために識別し、監視し、制御する必要があるものを見ていきます。
いくつかは明白ですが、ほとんどはそうではありません。これらの要素は、システムによって劇的に異なる影響力を発揮します。

分散を管理するための実務上の検討事項
以下は、バインダープロセスのパフォーマンスに影響を与える、より重要な変数の一部です。これらの要素については、個々のシステムがカバーされているときに議論されますが、これらの要素は各システ
ムに共通しており、この時点でまとめておく必要があるほど重要なものです。
砂： 砂の重要な特性のいくつかは、粒子の形状、粒子表面の滑らかさ、粒度分布、砂の密度、汚染物質、および粒度指数（GFN）です。ほとんどの鋳物工場は、より細かい砂に注目していますか？
グレードの悪い砂を再生していますか？ もしそうなら、なぜですか？⻑い目で見れば安くないからです。

砂の偏析：砂は移動すると必ず偏析します。この現象が制御されない限り、中子や鋳型製作の他のどの側面よりも多くの「予期しない」工程のばらつきを引き起こす可能性があります。砂の偏析の原因と効果を説明する Martin Marietta の映画は強く推奨されます。

砂の輸送： ⻑距離の砂を空気輸送しないようにあらゆる努力をすべきである。ほとんどの砂がバルク輸送で砂貯蔵サイロに吹き込まれるのは非常に良くないことですが、連続した屈曲部を通過して吹き込まれると、砂は本当にボコボコになってしまいます。図 1a と 1b は、高圧空気で閉回路のスチール配管を通って⻑距離輸送された後の角砂の⽐較です。図 1b では、砂粒同士がぶつかり合ってバラバラになった結果、細かい破片の粒子が出ていることに注意してください。砂表面の摩耗を最小限に抑えるためには、ベルト、バケットエレベータ、または低風量の空気輸送システムを利用する。
図１a

図１b

温度：温度はすべての樹脂プロセスに多大な影響を及ぼしますが、間違いなく、自硬性プロセスで最も重要な操作パラメーターです。温度は、事実上、自硬性プロセスの触媒であり、熱硬化プロセスの性能特性を決定することを忘れないでください。

温度範囲：熱硬化プロセスは、パターン表面全体で 10℃に制御する必要があります。自硬性は 21℃から 38℃の間で作業する必要があります。 38℃を超える温度では、バインダー中の溶剤が早期に蒸発し、樹脂皮膜がガム状になります。その結果、流動性の低下が発生します。 21℃より低い温度では、樹脂成分は非常に粘度が上がり、ポンプ輸送が困難になって、特に触媒や他の成分の化学物質との混合が困難になります。

10℃のルール：温度が 10℃上昇するたびに、樹脂は 2 倍の速さで反応します。10℃低下するたびに、樹脂の反応速度は半分になります。したがって、自硬性バインダーシステムの作業温度が 10℃変化する
たびに、自硬性の作業と抜型時間が 2 倍または半分になります。

樹脂と他の液体のブレンド

成分：ほとんどの鋳造業者は、砂のコーティングで最も難しいのは、砂粒の表面に樹脂をまぶすことだと思っています。しかし、私は違います。砂のコーティングで一番難しいのは、バインダーと触媒や共反応物などの液体成分を混ぜることです。
砂の表面が冷えているときには、成分の正確な混合と迅速な混合は特に難しく、10℃以下になるとほとんど不可能になります。

インライン樹脂ヒーター：インラインヒーターは、ポンプの直前にある流入樹脂ラインに組み込まれており、樹脂温度、樹脂粘度、および成分の混合を制御するのに役立ちます。この目的のために多くの商用ユニットが販売されていますが、電気式直接浸漬ヒーターで独自のヒーターを作るのは簡単です。

サンドヒーター：サンドヒーターを一年中同じ温度で運転していますか？ 年に 4 回調整する必要があります。 春、夏、秋には、ヒーターをその季節の予想される最高予想周囲温度に設定し、冬には、21℃から 27℃などの適切な温度に設定する必要があります。

サンドヒーターバイパス：サンドヒーターが不要なときに作動しないように、サンドヒーターに砂を通すバイパスがありますか？ 圧縮空気は砂を流動化して、砂をサンドヒーター/クーラーに運びます。
ただし、圧縮空気は単位馬力あたりの電気代の 8 倍であり、必要な場合にのみ利用されるべきです。
デイサイロに穴を開け、次のシャットダウン時にパイプを穴に溶接して、ヒーターをバイパスします。

しみつき：中子と主型の生産性は、他のどの要因よりもしみつきによって阻害されます。経験豊富な造型機作業者はこれをよく知っています。 しみつきはただ起こるだけではありません。それは、中子や主型と一緒に引き離される砂粒ほど硬化していないため、いくつかの粘着性の砂粒が残ったときに始まります。 しみつきが始まると、パターンの表面に砂が堆積するにつれて、徐々に悪化します。
最終的に、中子や主型の製造プロセスは、製造される表面が粗すぎて許容できないか、または破損するか、金型表面から簡単に分離できないために造型サイクルが遅くなります。これらのいずれかが発生した場合、「しみつき」が発生したと言われます。
自硬性の成形型へのベタつき対策としては、離型剤を染み込ませたペイントストアミトン（肌を保護するためのゴム手袋のインサート付き）を使って、ベタついた部分に離型剤を塗布するのが効果的です。
これは、必要な部分に離型剤を集中的に塗布し、最初に付着した数粒をこすり落とすという追加の利点があります。

パターン温度: 金型が冷えていることが分かっている場合、経験豊富な作業者は、自硬性では「触媒を増やして」、コールドボックスでガッシング時間を⻑くして、あるいは最初の数個の中子を廃棄します。
加熱されたパターンプロセスでは、低温が考慮されることはほとんどありませんが、自硬性システムでは、パターン表面温度が低いことが深刻な問題となります。しみつきに対抗する最善の方法は、コールドボックスと自硬性パターンの表面を加熱することで、しみつきが始まる前に止めることです。

空気中の水分：水分は多くの樹脂バインダーの真の敵です。水分の影響は、高温の砂や高い周囲温度と相まって、特にバインダーの性能を壊滅的に低下させます。前述の 10℃ルールの影響は、水分が考慮されるようになると、さらに大きくなります。
湿気に関する納入業者の推奨事項は、22℃、相対湿度 36％で実行された実験室テストに基づいています。
彼らが公表している結果は、38℃および 100％相対湿度の鋳造条件に基づいていません。 実験室の結果を鋳造工場の条件に変換するには、実験室の耐湿性テストからの強度損失を適用し、温度の上昇に対して2 倍にし、湿度の上昇に対して 2 倍にします。 言い換えれば、32℃での雨の暑い夏の日に対する湿気の影響は、22℃で 37％の相対湿度の条件下で得られた実験値と⽐較して、強度の損失の 4 倍になる可能性があります。

湿度：すべてのバインダーシステムは、100％の相対湿度条件にさらされると強度を失います。

図 2 は、相対湿度 100％に 24 時間さらした後に発生する引張強さの低下量を示しています。
（通常、雨の日の状況）

図２
もう一つ気をつけなければならないのは、気温が低いと砂に水分が凝縮してしまうことです。
湿度が高く温度が下がると、冷たい砂に水分が凝縮してしまいます。

バインダーの分類とカテゴリー-樹脂システムの包括的な説明は、次の表がないと完全とは言えません。
表 I：大規模な商業生産でまだ使用されているバインダーシステムが市場に導入された年。
表 II：北米におけるバインダーシステムの過去、現在、および将来の売上高を示しています。
1960 年には、水ガラス(ケイ酸塩)、シェル、油中子のみが存在し、油中子が主要なシステムでした。
1980 年は、シェルがピークに達し、自硬性が確立され、コールドボックスが始まったことを示しています。この時点で、常温中子造型プロセスは熱硬化システムの販売量をちょうど越えました。
非常に広く小さな使用ベースで安定していたシェルを除いて、1990 年は常温硬化システムによる優位性とフェノールウレタンコールドボックスプロセスの真の出現を示しています。次世紀へのバインダーの予測は、コールドボックスと新しいバインダープロセスの市場の拡大を示しています。ただし、未知数はこれらの予測を混乱させる可能性があります。ホルムアルデヒド基準のさらに深刻な削減は、ホットボックスを排除する可能性があり、SO2 システムはコールドボックス市場のより大きなセグメントを獲得する可能性があり、または誰かが実際に有機物のように機能する無機物を開発する可能性があります。
表 IV：硬化メカニズム（酸、塩基、またはその他）によってシステムを分類します。表 III：それらを「熱硬化」、「コールドボックス」、および「自硬性」に分類します。

覚えておいてください-樹脂は単体の材料ではありません。それらはプロセスの一部であり、プロセス自体と同様にのみ機能します。
空気の循環量が少なすぎるオーブンは、樹脂で接着された中子や主型にとってスチームバスのように機能します。 乾燥空気は温度が低いほど良いです。 一部の鋳造工場では、非常に大量の空気を水の沸点未満に加熱したオーブンを使用して、水性の塗型剤を乾燥させています。 水性塗型した後、230℃で乾燥させた後の自硬性バインダーシステムの高温と低温の引張強度を⽐較すると、高温での強度が大幅に低下することがわかります。 コンベアライン上に設置された真空チャンバー乾燥ブースは、塗型剤の残留水分を図３

有害なスチームバスにさらすことなく、水に敏感な中子から除去するためのユニークで効果的な方法です。
急速硬化の「代償」：樹脂バインダーの硬化が遅いほど（常識的な範囲で）、樹脂結合砂の強度と耐湿性が高くなることに気付く鋳造業者はほとんどいません。遅い硬化速度を使用した特定のバインダーシステ強度の増加を図 3 に示します。これは、硬化反応が遅い場合に、一定量のバインダーと同じ砂を使用した自硬性フェノールウレタンが非常に強いことを示しています。
「速硬性」アミン触媒フェノールウレタンコールドボックスの⽐較的低い耐湿性は、おそらく、硬化速度の違いによるものです。
砂添加剤：これらには特別な検討が必要です。物理的性質とプロセスのために何をすべきかを理解してください。特定の添加剤をどのくらいの期間使用しましたか？ 購買は "すべて同じ "だと思っている材料のサプライヤーを変えてしまったのでしょうか？ 今、市場にはもっと良いものはないのか？
現在、市場にこれ以上良いものはありませんか？
塗型剤：塗型剤を誤って使用することにより、解決されるよりも多くの問題が発生します。
塗型剤をうまく適用を成功させるための 5 つの鍵があります。
•2〜3 個の砂粒の深さまでの中子または主型表面への塗型剤の浸透。
•砂の表面から 1〜10 mil の塗型の厚さで完全な表面被覆。
•対照的な色の複数の塗型剤を塗布。
•暖められた砂表面への塗型剤の塗布。
•できるだけ低い湿度と温度で、できるだけ多くの空気量で塗型剤を完全に乾燥。
砂の欠落部への十分な耐火物の浸透の欠如または表面上の塗型剤の過度に厚いと、しばしば、鋳物の上型部分に見られるスポーリング(剥離)欠陥をもたらす。
塗型をする前に、加温した砂の表面に適切な量の浸透が見られるように、湿潤剤の界面活性剤が調整されていることを確認してください。
正しいタイミングで塗型していますか？ コールドボックスの「適切な時期」は「すぐに」であり、他のプロセスの「適切な時期」は硬化が終了したときです。
図 4 に示すように、強制エアトンネルオーブン、単純な石英加熱管、または砂の表面上に吊るされた加熱体は、塗布前に表面を予熱する良い方法です。

図４
表面を「トーチ」する場合は、圧縮空気を混ぜた炎で行う必要があります。混合されていない天然ガスラインからの⻩色い炎で表面を加熱することは、遅く、効果がなく、高価です。
塗型剤に使用される溶媒の種類：環境規制により、すべての鋳造工場は最終的に水性塗型剤に移行することになりますが、これらには特別な硬化と取り扱いが必要です。水性塗型を冷たい表面に塗布すると、水分が加熱された⽐較的透過性のない塗型表面の背後にある砂の上で水分が凝縮し、後でガス欠陥の原因となるため、深刻な欠陥の問題を引き起こす可能性があります。中子と主型の強度は、塗型を着火乾燥すると高くなり、水性塗型剤を塗布して乾燥させた場合、表面を十分に予熱しないと強度低下します。

参考文献
Fig. 1, 2, 3: ASK owned pictures
Fig. 4: Updated picture taken at Ashland Foundry & Machine