Auszug aus „Casting Plant & Technology“ (2018), Heft 3, Seite 12-17.
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COREMAKING

実際の鋳物形状に関する、初期の実現可能性を模索した試験であり、顧客プロジェクトです。鋳鉄鋳物における INOTEC などの無機バインダーシステムの基本的な可能性をまとめています。（写真：Shutterstock）

Felix Mück and Christian Appelt, ASK Chemicals GmbH, Hilden

鋳鉄鋳物における無機粘結剤システム–開発の現状と展望
ASK ケミカルズの INOTEC 技術は、以前は軽金属鋳造における量産用に限定されていました[1]。 鋳鉄鋳造においても、無機粘結剤システムは、有機に代わる有機物のガスが出ないシステムとしても大きな可能性を秘めています。 しかしながら、多くの材料科学と技術のハードルをまずは克服する必要があります。 たとえば、システムサンドはより複雑になり、バインダーの耐熱性に対する要件は大幅に高くなります[2]。

12Casting Plant & Technology 3 / 2018

開発の動機
当初、アルミニウム合金などの軽金属鋳造用途での INOTEC テクノロジーの導入は、純粋に環境保護から始まりました。市場の立ち上げは、他の貴重な技術的、経済的、および健康の利点をもたらしました。導入から 10 年後の今日、軽金属鋳造の量産では、ドイツのヒルデンにある ASK ケミカルズにより、INOTEC テクノロジーは生産性の高いプロセスとして確立されました。この技術は、主に低圧金型鋳造および金型重力鋳造で使用され、アルミ合金製シリンダーヘッド、クランクケース、およびシャーシコンポーネントを製造します。また、鋳鉄用途では、無機バインダーシステムは、有機バインダーに代わる廃棄物のないシステムとして大きな可能性を秘めています。政治的および規制上の措置により、ドイツにおける TA Luft（大気質管理に関する技術的指示）の規定は、すでに強化されており、将来的にはさらに規制が強化される予定です。これにより、排出量の削減または排出のないプロセスの使用が進んでいます。ただし、軽金属から鋳鉄への適用は、いくつかの課題を含んでいるため、量産適用はまだありません。システムサンドと造型プロセスは大幅に複雑になり、注湯温度は約 2 倍になります。これは必然的にバインダーシステムの機械的および熱的ひずみの増加が予想されます。それにもかかわらず、無機バインダーシステムは、重要な利点があります。主に、中子の生産、保管、または鋳造プロセス中に、有害で揮発性の化合物は放出されません。その結果、複雑でコストのかかる空気処理システムは必要ありません。さらに、無機バインダーを使用することで、ガス欠陥やベーニングなどの従来の鋳造欠陥のリスクが軽減されます。これにより、鋳造品の手直しが不要になり、不良率が低下する可能性があります。経済的、環境的、技術的なメリットは、中子造型機と加熱可能な中子型への初期投資を打ち消すほどの効果があります。

鉄鋳物における無機結合システムの特別な要求特性
鋳鉄用途での無機バインダーシステムに関して、さまざまな可能性が、約 10 年間調査されてきました。
1 つの例は、このプロジェクトの複雑さを詳細に説明する、ベンチレーテッドブレーキディスク(片状黒鉛鋳鉄)の製造に関する研究です[3]。無機バインダーと水性塗型は両立しませんし、不十分な熱安定性、および不十分な排砂性を持つ無機バインダーの鋳鉄への使用を制限しており、無機バインダーシステムの弱点でした。さらに、量産適用前に明確にする必要があるプロセス関連の問題があります。これらには、生型砂の互換性、つまり、使用済みアルカリ性砂の取り扱い、コールドボックス技術に匹敵する生産性の確保などです。
塗型の安定性
鋳鉄における無機バインダーシステムの初期試験において、無機バインダーで作製した中子への塗型が最大の課題でした。繊細な中子を塗型するために数え切れないほど失敗しました。それらのほとんどすべてが中子の破損につながりました。 INOTEC 用塗型システムは、ウォータージャケットなどの最も複雑な中子形状でさえ、プロセスに信頼できる方法で塗型することを目的として体系的に開発されました。塗型の乾燥プロセスでは、中子は、水性塗型を適用した後、乾燥オーブンの過酷な高湿度環境にさらされ、さらに熱によりケイ酸塩の結合が分解する逆反応が起こりやすくなります。したがって、中子は、ますます強度を失います。また、最小強度になるときに、変形や中子の破損が発生しやすくなります。成形後の中子がこの段階を無事に通過できたならば、乾燥過程で強度レベルを特に冷間強度を増加します。バインダー塗型システムの最適化は、2 つの主なステップに分けることができます（図 1）。最初のステップでは、バインダーを化学的に改良することにより、塗型の安定性が向上しました。オーブン乾燥中は、乾燥プロセス全体を通じて、大幅に高い中子強度を確保できます。 2 番目の開発ステップ
では、無機中子の特性に合わせて特別に調整された新しい塗型が設計されました。無機バインダーシス
テムと水性塗型の両方の性質を最適に組み合わせることにより、乾燥プロセス中に中子がごくわずかに弱くなるだけです。塗型の配合は、基本的に、どぶづけやぶっかけなどの特定の塗布方法を対象としています。プロセス中に、不必要に応力をかけない塗型開発が求められています。最適な塗型乾燥プロセ
スの場合、中子にはわずかな応力しかかかりません。その結果、残留水分が低く、機械的安定性が高くなります。鋳造欠陥のリスク（すくわれ、気泡、浸透）を大幅に低減でき、塗型された中子のプロセスに信頼を確保できます。有機バインダーと互換性のある無機バインダーと塗型を使用することで、初めて、ウォータージャケットフレーム中子などの繊細な中子の形状でも、破損することなく塗型できました（図 2）。

図 1：バインダー塗型システムの開発コンセプト：乾燥プロセスにおける強度プロファイル（バインダーシステムの塗型安定性）（グラフィック：ASK Chemicals）

図 2：バインダー塗型システムの 2 段階の最適化ステップにより、壊れやすい形状のウォータージャケットフレームの中子が破損することなく、信頼性が高い乾燥プロセスが容易になります熱変形
肉厚の薄い複雑な鋳物（ウォータージャケットなど）には、鋳造中にバインダーシステムの高い耐熱性と強度が必要です。 [2]無機バインダーシステムの熱可塑性の性質により、中子は、鋳造時の温度と圧力の影響下で変形し、その結果、解枠後の鋳造品の寸法に大きなずれが生じます。このため、バインダーシステムは、変形することなく、一定期間の熱ひずみに耐える能力が求められます。熱安定性は、バインダーシステムの軟化点によって定義されます。これは、熱顕微鏡を使用して経験的に決定されます（図 3a）。バインダーシステムを最適化すると、熱安定性が向上し、鋳物の寸法精度が保証されます（図 3b）。特殊な水性塗型を使用すると、熱変形に対抗する別の方法が提供されます。塗型の配合物において、熱伝導率は、適切な骨材成分によって、具体的に制御することができます。中子に塗型層を施すことで保護されたバインダーシステムは、鋳造中の熱的および機械的負荷に耐え、熱変形の度合いを大幅に低減し、仕上げ前の鋳造品の鋳肌品質も向上させます。

図 3：a）無機バインダーシステムの熱安定性の熱顕微鏡による調査。 b）INOTEC バインダーシステムの熱可塑性の特性を的確に調整することにより、鋳造の寸法精度を向上させる

型ばらしと排砂
鋳鉄品での無機中子の不十分な型ばらしは、水ガラスベースの化学的性質に起因します。鋳込み中に熱分解する有機バインダーシステムとは異なり、無機バインダーシステムは軟化し、ガラスが徐冷中に過冷却ガラス溶融物になります。さらにガラスの焼結および砂の膨張効果を考慮に入れると、これは、無機バインダーを使った中子の型ばらしを低下させます。これは、砂に対して鉄が多い場合に、繊細中子で特に顕著です。従来の水ガラスまたは CO2 システムでは有機添加剤（糖蜜など）が型ばらしを最適化するために使用されますが、継続的な開発の過程で、低エネルギーでも排砂性を向上する新しい無機材料が見つかりました（図 4）。塗型することは、排砂能力の向上にも大きく貢献します。塗型されていない場合、溶湯は中子に浸透し、それによって続いて起こる焼結プロセスが型ばらしに悪影響を及ぼします。塗膜は、溶着を防ぐことができます。鋳肌が滑らかになることにより、中子をより簡単に取り除くことができます。

図 4：鋳造後の INOTEC で結合させた中子の排砂研究（GJL：1420°C）–無機中子による排砂能力の向上。

工程設計への挑戦
すでに示したように、無機バインダーシステムへの技術的な変更には、工程設計の課題も含まれます。
生型砂への適合性、経済的なサイクルタイム、アルカリ性の回収砂の再生処理などがその例です。たとえば、使用済みの無機バインダー砂とベントナイト砂との適合性（生砂適合性）は、鋳造における一連の無機バインダーシステム対する重要な要素です。すべてのプロセスサイクルで、無機結合した回収砂は、ベントナイト砂に徐々に蓄積します。ただし、初期の調査では、中子砂の濃度が最大 25％までは影響しないと見なされています。ただし、これは各鋳物メーカーの砂システムについて、個別に検証する必要があります。中子生産プロセスを設計する場合、プロセス全体の経済的なサイクルタイムは非常に重要です。化学的および物理的な硬化メカニズムにより、中子の断面積が非常に大きい場合や中子の重量が大きい場合、中子製造にかかる全体のサイクルタイムが大幅に長くなります。さらに、「無機バインダー廃砂」は pH 値が高いため、コールドボックスバインダーを使用すると、砂混合物の処理時間が大幅に短くなります。したがって、無機バインダーの廃砂はコールドボックスの生産と互換性がありません。つまり、無機の砂をコールドボックスの砂循環から分離する必要があります。

まとめ
実際の鋳物形状において、初期の可能性調査と顧客プロジェクトは、鋳鉄用途における無機バインダーシステムとしての INOTEC 技術が有効であることを強く示しています。現在、適度に制御された熱応力を持つ大型の中子と主型の組み合わせは、コールドボックス中子のパッケージの一部において代替えできています。しかしながら、無機バインダーシステムから中子製造プロセスへの技術移転は、大きな挑戦です。最適化されたバインダーと塗型のシステムが段階的に開発されてきたことで、解決に向かってきています。鋳鉄における無機バインダーシステムの一連の準備のため、実験により得られた成果は、実際鋳造に移転されなければなりません。これが現在の開発が持つ全体の価値評価と見積もりにつながります。この目的のためには、業界と研究施設の間の強力なパートナーシップが不可欠です。環境の分野での規制の強化（市場プル）および無機バインダーシステムの漸進的な開発（市場プッシュ）は、開発プロジェクトの推進力となるはずです。