著者 クリスチャン・アペルト(ASK-Chemicals GmbH、ヒルデン)

材質特性とプロセス、無機中子の生産条件に関して
ASK ケミカルズの無機バインダー技術「INOTEC イノテック」は、過去 10 年以上にわたり鋳造品の大量生産向けの砂型製造工法として認められてきており、特にアルミ製シリンダーヘッド、クランクケースおよびサスペンションパーツの、低圧および重力金型鋳造分野で顕著です。
この無臭で有害物質を排出しない砂型製造法は装置や金型の清掃時間が非常に短くなるという特徴も併せ持っています。この環境的優位さは経済性や技術的利点に強く結びついており、金型の稼働時間の⾧さは生産性の向上につながり、金型の温度を下げられることにより鋳造品の強度の向上にも寄与しています。この技術の環境・経済的利点を展開するには、材料とプロセスに関する専門知識が必要です。
INOTEC は、低圧および重力金型鋳造法での鋳造品の大量生産向けの生産性が高い砂型生産技術として認められています、と ASK ケミカルズ GmbH Global Incubator Business
Manager の Chritian Appelt は解説しています。
鋳造業界に無機バインダーシステムを導入した最初の動機付けは有害廃棄物を排出しない鋳造プロセスであることで、これは有害な揮発性物質や廃棄物を砂型製造、その保管および鋳造工程で排出しないことであり、これは最終的に空気清浄設備を工場から排除できることにつながっています。金型の清掃とメンテナンス時間の劇的な削減は、INOTEC が無機バインダーであるという本質から鋳造工程で縮合物や熱分解物（ヤニ）を発生しないということに起因しています。縮合物やヤニが発生しないことにより金型の温度を低下させることができ、そのため凝固時間が短縮されて、このことは鋳造品の機械的強度の向上にも寄与します。

ASK ケミカルズにおける INOTEC 技術による無機中子の製造

INOTEC は 2 成分のバインダーシステムで、第一成分は液状のバインダーであり変性アルカリシリケート溶液であり、砂型製造時の特性（最終強度や流動性）に影響を与えます。第 2の成分は粉体の INOTEC プロモーターで、合成あるいは天然のすべて無機物の混合物です。プロモーターの使用により砂型製造のプロセスにおいては初期の強度や熱物理学的な因子に影響を与えますが、鋳造工程において特に鋳造部品の寸法安定性や鋳肌に影響を与えます。

固形分
水添加剤

成分１成分２

図 1：INOTEC バインダーシステムの代表的な組成

INOTEC の プロモーターを使用する事で、主に砂中子の機械的および熱物理学的パラメーターが生産プロセス (初期強度、流動性) 中に影響を受け、高い寸法精度と最高の鋳肌品質の鋳物が得られます。

INOTEC バインダーシステムのバランスよい粘度とプロモーター粒子構成
INOTEC バインダーはその水溶液のうち 35-55%の有効固形分を含みます。目に見える因子
である粘度は有効固形分や調節された反応性を反映しており、したがって粘度は砂型製造サイクルにおける濡れ性や砂粒表面の被覆性および混錬砂の流動性を示しています。INOTEC
プロモーターは粉体で 99.8%以上が固形分です。プロモーターは、ネットワーク(網目構造)を構成する成分の合体や混錬砂の流動性を向上させ、砂型の充填密度を向上させるフィラーとして重要です。砂型の製造工程は物理的、化学的な硬化機構からなっています。加温された金型から脱水、加熱された圧縮空気からの熱エネルギーにより、溶媒である水が蒸発し、同時に化学的重縮合が起こり砂型強度を発現する 3 次元のシリケート網目構造を形成します(図 2)。

図 2: 重縮合反応、ゾル-ゲル プロセスの概略説明、および Inotec プロモーターのネットワーク形成コンポーネントの組み込み

同時にプロモーター中の特定の成分は 3 次元のシリケート網目構造中の反応していない OH基と表面反応により結合し、砂型の機械的および熱特性に寄与します。砂型造型時に形成されたバインダー架橋構造はゲル構造を持ち、その断面積、砂型の大きさ及び砂型製造時の熱エネルギー導入量に応じた水分を含みます。さらに熱エネルギーを加え水分を除去すると架橋構造はそのゲル構造を失い、もろくなり表面がざらついた砂型になったり、砂型が損傷したりします。したがって INOTEC の材料特性はプロセスウインドウで管理でき、生産技術の前提条件です：安定的で生産性が高い製造フローは適切な制御と品質保証手法により確実となります(図 3)。

図 3: a) 成形混合物中の INOTEC バインダーシステムの均質な分布、
b) ゲル構造を持つバインダーブリッジ。
c) 脱水と脆化により破壊されたバインダーブリッジ

プロセス要件: 入荷品から鋳造プロセスにおける無機結合砂中子の展開まで鋳造品の面粗度の要件に加えて、無機中子の製造に一般的に使用されるケイ砂の品質は、特定の化学的および物理的特性を満たす必要があります。(表 1): > 99 % SiO2 の高い化学的純度の珪砂では高いバインダー適合性が保証されます。一方、粘土分や石灰分などの不純物が砂中子の強度特性の低下につながります。粒径と細粒分の割合は、砂中子のガス透過性を大幅に変化させるため、細かい珪砂とボリュームのある中子形状では、サイクル時間の延⾧または生産性の低下が発生します。とりわけ、pH 値が 6.5 未満の酸性シリカ砂は、一般に砂の可使時間が短くなります。このため、ベースとなる砂型材料の受入規格と、規格がない分
析データに対する良品範囲の定義、および統計的管理のための結果の保存（経験の深さ）が最も重要です。INOTEC のバインダーシステムと特定の砂の適合性は、所定の品質管理手順(サンプリングの場所と時間、テスト設備、再現性）に従って 3 点曲げ強度を測定することで検証します。混錬砂の調製において、バインダー添加装置の精度とバインダー成分の供給順序は、均質な混錬砂を調製するうえで重要な意味を持ちます。バッチサイズ、時間、回転速度、ミキサーの水平および垂直配置などの要因も、混錬砂の均一性に影響を与えます。
無機砂型製造の生産性を高めるためには、バインダー投入装置および混ミキサーを清浄に維持することが不可欠です。金型への充填プロセスは、技術的な前提条件 （ブローノズルの直径と配置、エアベントの配置、ブロー圧力) と、選択する特定の INOTEC システムによる混錬砂の流動性により決まります。INOTEC は物理的、化学的硬化機構であるので、砂型製造においては第三の要素である熱エネルギーを供給する設備は重要です。砂型の外殻の形成と混錬砂の完全な硬化に直接影響するため、金型の温度と、圧縮空気が金型に入気する際のパラメータ (圧力、温度) の継続的なプロセス制御が推奨されます。このプロセスではINOTEC テクノロジーの根本である硬化機構により、強度の発現は断面と体積に依存し、サイクルタイムは体積に依存します。無機砂型の貯蔵安定性は、高温および高絶対湿度下においてバインダー架橋形成反応の可逆性により制限があるため、通常、環境制御された中子貯蔵施設が配備されます。砂型と外気の温度と湿度（水分量）の平衡が吸湿の原動力となります。（図 4、図 5）

低湿度環境での INOTEC 中子の温度と水分量の時間による変化
強度

強度

中子水分量

中子温度

中子温度

中子水分量

図 4：低湿度での INOTEC バインダー中子の温度と水分含有量曲線

高湿度環境での INOTEC 中子の温度と水分量の時間による変化
強度

強度

中子水分量

中子温度

中子温度

図 5: 高湿度での INOTEC バインダー中子の温度と水分含有量曲線

骨材：珪砂（シリカ分 96～97％）
化学的純度：-混錬砂の可使時間短縮- 強度特性の低下（粘土、石灰）- 崩壊性の悪化（Al2O3、P2O5、ZrO2）

中子水分量粒度分布/微粒子含有量 (<0,125 mm)

-砂型強度
-面粗度
-ガス透過率(サイクル時間、ブローホール欠陥)

pH 値 - 理想的：pH = 6,5 - 7,5- pH＜6,5：混錬砂の可使時間短縮

バインダーシステム
3 点曲げ強度 - 規定の品質でテスト開始 手順（場所と時間のサンプリング、テスト装置、再現性)
表 1：シリカサンドの品質に関する化学的および物理的要件

ここでも、特定の INOTEC バインダーシステムを選択することで、絶対湿度が高い場合でも十分かつ安定した保存安定性を確保できます。アルミニウム合金溶湯は、無機砂型への熱エネルギーの投入であり、無機砂型中の 3 次元ケイ酸塩ネットワークの遊離残留溶媒水と遊離 Si-OH 基の化学結合水の放出を伴う化学平衡の移動を起します。したがって砂型のガス通気性、金型内の砂中子の形状と位置および砂型の巾木の向きにより、砂型の適切なガス抜きを確保します。 最後に、無機中子生産のプロセス ウィンドウの大きさは、有機中子生産プロセスと比較して大幅に小さなってしまいます。INOTEC の材料特性を考慮した適切な技術的対策、および品質管理により、無機中子の安定した生産プロセスを実現し、品質の保証が可能になります。