著者: P. R. Carey & M. Swartzlander

サンドバインダーシステム

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第二部: レジン/砂の相互作用
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2部

砂と樹脂バインダーの間の物理的および化学的関係を調べる前に、鋳造骨材（砂）についての理解すべき事柄があります。何かが何かの97〜99％を占める場合、それは微量成分に重大な影響を及ぼします。したがって、ご想像のとおり、鋳物砂は、混合されるバインダーの1％または2％の特性に劇的な影響を及ぼし、それから作られた中子または主型の特性に大きな影響を与えます。

バインダーシステムと鋳造骨材（砂）の間の相互作用を調べ、次の質問に答えます。特定の骨材が、樹脂の反応性と接着性能の観点から、樹脂システムの性能低下は、どのようにして、なぜ起こるのでしょうか。どのような砂特性が、中子と主型の品質と生産にばらつきを引き起こしますか？使用する砂の「実際のコスト」はいくらですか？ジルコン、クロマイト、オリビン、カーボンサンドなどの代替骨材（表Iを参照）を検討
する理由は何ですか？

表 l - 鋳造で使用される砂の比較
シリカ
原産地
色
乾燥密度 (lb/ft3)
粒子形状
熱膨張 @ 1600° (in./in.)
融点 (°F)
化学反応
粒度分布 (スクリーン数)
AFS 粒度指数

ジルコン

USA

USA, オーストラリア,
北アフリカ

白ないし薄茶色85-100
角ばった/丸形状
0.018
2600 - 3200
酸性ー中性2-525-180

白ないし茶色160-185
丸い角がある形状
0.003
3700-4000
酸性ー中性
2-395-160

クロマイト

オリビン

カーボン

南アフリカ

ノルウェー
, USA*

USA

黒155-165
角ばった形状
0.005
3200-3600
アルカリ性ー中性
4-550-90

緑がかった灰
100-125
角ばった形状
0.008
2800-3200
アルカリ性
3-440-160

黒70
丸い形状
0.004
なし
酸性ー中性
465-90*Washington, N. Carolina

粒度分布鋳造骨材（砂）は、直径0.083〜0.002インチ(2.1〜0.05mm)のサイズの無数の粒子で構成されています。相対的に言えば、これらの粒子は「より大きく」、「平均的」、「より小さく」粒度分布を持ち、一部の粒子は非常に小さいため、粉状のシルト（砂より小さく粘土より大きい）以外の何物でもありません。
代表的なサンプルを開口が順に小さくなる篩の組合せを通して、粒子を8つのサイズセグメントに分離し、個々の篩上の粒子重量と粒子サイズをグラフにするとベルシェープ型曲線が得られます。これは、その砂の「粒度分布」（サイズ別）を表します。

粉末状の粒子は、化学的および物理的に大きな粒子とは非常に異なるため、粉末の含有量が最小の鋳物砂が最適です。細かい砂は、ガスが砂を通る通路を小さくする傾向があり、バインダーの分解から生成されたガスが粒子間を通過することを妨げます。小さい粒子は大きい粒子よりも早く軟化します。これは熱膨張を制御するには役立ちますが、安定性には悪影響を及ぼします。最も重要なことは、細かい砂は粗い粒子の20倍もの表面積を持っているため、表面を覆うためには不釣り合いに大量のバインダーを必要とします。

どのような粒子のサイズ分布を達成するかの重要な点は、サイズの比率が一定に保たれているということです。そうでなければ、それらの表面を均一にコーティングするために必要な樹脂の量は劇的に変化します。表IIは、「篩分布」内の砂セグメントの表面積とかさ密度を示し、砂粒子が小さいほど、それらを覆うためにより多くの樹脂が必要であることを示しています。

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隣接する粗い粒子でできた隙間にうまく小さな粒子をはめ込み、レジンでコーティングされた砂粒子の数が多くするほど（適切な粒子分布で）、中子または主型の強度が上がり、鋳肌がきれいに仕上がります。これは、精密砂型鋳造生産にとって重要な問題です。

表 lI - 丸いシリカ粒子を分けたセグメントの密度と表面積
通過メッシュサイズ
2030405070100140200270

留まったメッシュサイズ

cc/gm

ft3/lb3040507010014020027032550.16
70.95
100.31142.05200.09284.09
401.81568.18
742.12

24.48
34.63
48.96
69.33
98.05
138.65196.11
277.31362.20

砂の偏析
粒子の偏析防止機能がついていない装置において、砂粒子の塊が投げ出され、吹き飛ばされ、積み上げられ、または装置外に取り出されるたびに、同じような粒子サイズの粒子群が、分離または「非混合」となる傾向があります。この現象は砂の偏析として知られています。

サイズや形状が異なる粒子は、飛び跳ね方、転がり方、移動の仕方が異なる傾向があるため、分離が発生します。排出オリフィスから吹き出されると、大きな粒子は質量と運動量が大きいため、移動距離が長くなります。次に、サイロから排出されると、大きくて丸い粒子は転がる傾向があり、小さくて角張った粒子は横滑りする傾向があります。
傾斜を形成してい砂の表面を流れ落ちて、砂粒が排出口に入ると、小さい粒子は軽いために、粒子はさらに移動します。

相対的な粒子形状の違いも、大きな粒子と小さな粒子を分離することに関係しています。例えば、大きな粒子はより丸みを帯び、小さな粒子はより角張ったりギザギザになる傾向があります。角のある粒子は流動性が小さく、丸い粒子とは異なり、横滑りも隙間を埋める充填もしません。
砂はまた、排出穴から出ていくときには独特の特性を持っており、穴の真上にある砂粒だけが下に移動して排出されます。これにより、穴の真上に「砂パイプ」が形成されます。砂の中から山の頂上まで伸びています。移動する砂粒のパイプに隣接する粒は、所定の位置に留まる傾向があります。
パイプの中がずっと空になっていると、パイプの最上部にある砂が直接流れ込み、パイプ内を満たします。砂のパイプの穴に砂が落ちると、山の上部に円錐状の砂の漏斗が形成されます。この漏斗は排出穴の真上中心に配置され、側面は30〜35°の安息角になっています。

砂が砂パイプから排出され続けてできた穴をラットホールと呼び、漏斗の表面の粒子が砂を転がり落ちて排出穴に流れ込みます。漏斗表面を転がる粒子は、さまざまな量で、さまざまな粒子サイズで排出口から噴出します。粗い粒子、中程度の粒子、細かい粒子が一緒になって転がり、小さな角のある粒子が表面に固定され、大きくて丸い粒子がより簡単に転がります。

表面積が絶えず変化するこの不均一な砂の排出状況によっては、バインダーのコーティング要件も変動していきます。一定量の樹脂と触媒が砂の表面に継続的に塗布されていますが、コーティングされる粒子の表面積に付着する樹脂が多すぎたり少なすぎたりするため、中子や主型が予想外に弱すぎたり強すぎたりします。
図1は、標準のAFS / GFN粒度分布の各部分における砂の典型的な表面積を示しています。

強度の変動に加えて、酸消費量に最大の影響を与える小さな粒子の化学的性質は、一般に大きな粒子の化学的性質とは全く異なるため、砂の分離によって触媒に求められる性能が変わることがよくあります。

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図1

1ポンドの丸い粒形珪砂の表面積(平方フィート)

粒子表面の形状
鋳造の粒に使う砂の形状は、「複合」（小さな粒子がくっついて大きな粒子になる）、「丸い」（ビー玉のよう）、「サブアングル」（丸くはないがギザギザではない）、「角張った」（ギザギザ）に分類されます。
バインダーは、粒子表面を均一な厚さに完全に覆うコーティングを達成する必要があります。丸い粒子は、コーティング性が良く、必要な樹脂が少なく、流動性が高く、中子や主型の密度が高くなる傾向がありますが、膨張してベーニング欠陥を引き起こす可能性もあります。
1トンあたり4.5面のフットボールフィールドに相当する表面積の砂に2〜3ガロン(7.57〜11.34リットル）の樹脂を塗布すると、人間の髪の毛の1/10の厚さの樹脂フィルムで数十億の粒子を一度に均一にコーティングできるのは驚くべきことです。 角のある粒子は粗くギザギザになっているため、適切なコーティングには、丸い粒子よりも約25％多くの樹脂が必要です（図2を参照）。
樹脂が多いほど、ガスが多くなり、コストが高くなり、コーティングされた砂の流動性が低下します。

図2a - 70 GFN の粗さのカーボンサンド (アメリカンコロイド社)

図2b - 80 GFNの日本の砂Technical Paper

図 2c - 80 GFN テキサスサンド

図 2d - 90 GFN オクラホマサンド

図 2e - 70 GFN カリフォルニアサンド図 2f - 65 GFN イリノイサンド

表面状態は砂の種類によって異なります（図2を参照）。丸くて滑らかな表面は、均一な膜厚で表面を覆うために最小限のバインダー量で砂を覆うことができます。粗く角張った表面には、かなり多くのバインダーが必要です。

化学的特性
オリビンサンドを除いて、より大きな鋳物砂粒子の表面化学は中性です。非常に強い酸性または塩基性は、大きな鋳物砂に現れることはほとんどありません。鋳造工場の基本的な砂の「珍しい元素」のほとんどは、140メッシュの篩を通過する非常に細かい粒子に存在します。

酸消費量テスト（ADV）は、砂の塊に存在する酸性または塩基性物質の量を定量的に示す、業界標準の滴定方法です。
バインダーシステムの触媒成分は、一般に、予想できな化学現象を補償するために調整される成分です。炭酸カルシウムが石灰に変わるなど、熱再生温度にさらされると化学変化を受ける砂成分は、特に考えなければなりません。例えばレイクサンドを熱再生する時です。

砂のpHテスト
pHは、砂に含まれる不純物のもう1つの管理指標です。 ADVよりも実行は簡単ですが、砂の中に水溶性物質が存在することを示すだけであり、ADV値と常に相関があるとは限らないため、混乱する可能性があります。

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不純物
汚染物質または不純物は、基本骨材とは全く異なる物質です。不純物は砂を着色し、取り扱いを可能にする強度のために必要なバインダー添加量を増加させ、触媒量の調整を必要とします。
しかしながら、膨張に対するクッション、ラストラスカーボンの最小化、ガス欠陥の制御などの利点を提供する可能性があります。不思議なことに、酸化鉄や粘土などの不純物は、鋳造の観点から実際に有利である可能性がありますが、炭酸塩などの他の不純物は、熱再生で大きな問題を引き起こします。
表IIIは、比較的高純度な珪砂に見られる典型的な不純物を表にしたもので、それらを自動車鋳物メーカーがベースサンドとして利用しているレイクサンドに含まれる不純物を比較しています。砂の使用者が不純物の性質と量を知っている限り、バインダーシステムとプロセスを調整させることにより、不純物による影響を吸収できます。
表 lII - 選鉱されたレイクサンとドシリカサンの典型的な化学成分
レイクサンドシリカサンドSiO2
Fe2O3Al2O3K2O
Na2O
CaO
MgO
LOI

94.1220.483
2.370
0.110
0.760
0.522
0.240
0.343

99.800
0.011
0.050
0.003
0.007
0.010
0.003
0.036

融点 (°F)

2775

3125

砂の通気度
レジンの結合により作られた中子と主型から、欠陥のない鋳造品を製造するには2つの事実があります。樹脂でコーティングされた砂においては、十分にガスを逃がすこと、十分なガス透過性を持たせることはできません。また、不純物はガス透過性を低下させ、適切な取り扱い強度のためにより多くの樹脂を必要とします。
140メッシュより細かい篩に残る砂の量は、溶湯のヘッド圧によるガス透過性を制御するのに十分少ない量である必要があります。通常は1.0％未満です。過剰な微粉は、鋳造所内での積み込み、出荷、荷降ろし、または輸送中の取り扱いが不十分のために、生じる可能性があります。

ガス透過性が小さい状態にあるとき、鋳物表面の仕上げを改善するために、より高いAFS / GFN砂を利用することは最も良くありません。
透過性試験データは、試験の再現性がかなり低いため、品質管理の一環として、一般的に提供または試験されていないことは注目に値します。

水分
どんな量の水でも、樹脂の化学反応に悪影響を及ぼします。バインダー、触媒、添加剤、造型の型表面、高い相対湿度など、あらゆるソースから水分が入る可能性がある場合には、それに対処する必要があります。
砂に存在する水が最大の問題を引き起こします。あらゆるソースから水分が入ることを認識する必要があり、中子および主型製造プロセスで水分量を制御する必要がある場合があります。冬の砂に0.2％以上、夏の砂に0.1％以上の水分が含まれている場合(10°Cの法則のため）、反応が遅くなり、樹脂の結合強度が弱くなります。
高温で湿った空気が比較的冷たい砂の表面で冷やされて結露しても、通常はそれに気が付くことはありません。これは、春、夏、秋、または梅雨の時期に問題を引き起こす可能性があります。砂の上に結露が起こるとバインダー/触媒反応が妨げられ、冷たい中子または主型の表面や内部に結露した場合、強度低下を引き起こします。

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耐久性
珪砂が鋳造工場に運ばれたり、中子や主型を作ったり、砂の粒子が形を失ったりバラバラになったりすることなく再生できる能力が、耐久性です。
鋳造作業者が砂の耐久性を調べる方法は3つあります。
•熱衝撃耐久性 – これは、金属鋳造プロセスおよび熱再生において注目すべき項目です。それは主に砂粒子自体の内部組織に関連しています。不純物の存在により、熱膨張特性と膨張力が、砂粒子内部の平面および点に作用する方法が変わる可能性があります。砂がマグマから冷却されたときに形成される応力点と劈開面は、再び砂粒子が加熱されたときに、粒子を粉砕または分裂させます。
熱衝撃の耐久性は、光学顕微鏡で砂を観察し、その色を観察することで評価できます。着色された粒子は、砂の元となるマグマが冷却されて固化したときに含まれていたさまざまな化合物の存在を示しています。

•

破砕または割れに対する耐久性 – これは、取り扱い、レジンの被覆、再生、および鋳造において重要です。一部の砂は非常に砕けやすく、中子や主型を作る骨材が脆弱になります。偏光顕微鏡による粒子組織の検査により、応力がかかると裂けたり押しつぶされたりする傾向を示す劈開面と応力亀裂面が明らかになることがあります。

•表面耐久性 – これは、レジンの混練の前後に砂が吹き飛ばされたとき、またはその他の方法で動かされたときに、粒子がどのように摩耗するかまたは丸められるかに関係します。表面の耐久性は、機械的な再生を利用する場合、または砂を輸送または処理する場合に非常に重要になります。小さくて粉末状の粒子はさらに崩壊する可能性がありますが、ここで述べた砂の耐久性の特性は、砂の粒度分布における大中型の砂粒を指します。

密度
所定の体積に詰め込まれた樹脂でコーティングされた砂の粒子が多いほど、密度が高くなり、中子または主型の強度が高くなります。丸い粒子は圧縮されやすく、角ばった砂よりも約8〜10％高い密度になります。
密度を高くすると、取り扱いが容易になり、多くの鋳造の問題が解決されますが、膨張欠陥やガス透過性の低下につながり、ガス欠陥が発生する可能性があります。AFS / GFNが約50の珪砂を使って、中子または主型の密度が1.55gm / cc以上になった場合、鋳物表面の差し込み欠陥が問題になることはめったにありません。鋳物を作る中子または主型の密度が1.40 gm/cc未満の場合、鋳物はおそらくスクラップになるでしょう。

膨張特性
珪砂が鋳造用途で持っている唯一の欠点は、677℃の温度で、最大約0.018mm/mm膨張するという事実です。熱膨張は比較的スムーズですが、3つの急激なシリカ結晶相転移、結晶成長応力は中子と主型の亀裂を発生させます。

珪砂以外の鋳物砂は、複数の結晶相転移を受けず、熱膨張が大幅に少なくなります。
（かんらん石= 0.005、クロム鉄鉱= 0.004、ジルコン= 0.003mm/mm）

熱伝導
砂の骨材は、熱伝達と熱容量の点で注目に値する材料です。簡単に説明すると、熱伝導率と骨材の熱容量に基づく速度で、主に砂粒子の接触点を介して、熱は伝わります。粒子が持つ熱が熱容量に達すると、熱が粒子をどれだけ効率的に伝えるかに応じた速度で、より低い温度の粒子に熱を伝え始めます。

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珪砂は高い熱容量と適度な熱伝導率を持っています。大量の熱を吸収し、結晶粒の表面接触点を介して適度な速度で熱を伝達します。
「断熱」と見なされるかんらん石砂は、高い熱容量と低い熱伝導率を持ち、多くの熱を吸収し、そのアモルファス結晶構造を介してかなりゆっくりと熱を伝達します。ジルコンとクロマイトはどちらも熱容量が低く、熱伝達率が比較的高く、「冷却タイプ」の骨材と見なされます。

砂の温度
レジンシステムは、砂の温度制御なしでは高品質の中子または主型を製造できません。バインダーシステムはかなり狭い温度範囲内で効率的に動作し、多くのいわゆる「砂の問題」は実際には温度の問題です。 38℃を超える温度または10℃未満の温度は、無数のプロセス不整合を引き起こし、その結果、中子または主型の密度が低くなり、強度が弱くなります。図3は、フェノールウレタンのノーベイク強度の観点から砂の温度制御が強度にどのように影響するかを示す優れた例です。
図3

レジン結合した砂により作製した中子と主型から鋳造品を製造するための「実際のコスト」
一部の合金を除いて、1ポンドあたりの樹脂バインダーシステムは、単位原材料費で見ると、鋳造工場の中での最大の単価です。一部の鋳造メーカーは、安価な砂に高価な化学バインダーを適用すると、中子と主型のコストがどういうわけか下がると考えています。
間違いありません！
バインダーは中子または主型のわずか1〜2％の添加量ですが、バインダー削減の恩恵は、他のほとんどの材料よりもはるかに大きいと言えます。
中子や主型の原材料費を計算するだけでは、実際の総費用を見積もることはできません。鋳造全体のコストを決定する必要があります。安い砂よりも良い砂を使用すると、はるかに安価に優れた鋳物を製造することができます。良い砂は、はるかに少ないバインダー添加量で、一貫して優れた欠陥のない鋳物が製造でき、使用するバインダー、触媒、および洗浄の労力を減らすことで、コストを大幅に節約できます。

生産性、品質、評判の観点から、実際の中子と主型の生産コストはいくらですか？

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参考文献
図2: ASK所有の写真