K COREMAKING

ドイツ、ヒルデンの ASKChemicals での産業用ロボットによる無機中子の作成（写真+グラフィック：
Authors: Jens Müller, Heinz Deters, Martin Oberleiter, Henning Zupan, Hannes Lincke, Ronja Resch, Jörg Körschgenand Axel Kasperowski, ASK Chemicals GmbH, Hilden

不可能はない–無機バインダーシス
テムの進歩
臭気のない中子の生産、臭気の少ない鋳造、 機械や金型工具の洗浄が減り、結果として生産性が向上します。また、鋳造金型の温度を下げることができるので、硬化時間の短縮など、鋳造に関する利点– INOTEC テクノロジーの利点はすでに明確になっています。 これらの利点にもかかわらず、無機バインダーシステムは、コールドボックスなどの既存技術と比較されます。 これは、過去に、有機バインダーよりも表面の滑らかさが劣ることと、鋳込み後の分解が悪かったことが理由です。

しかし、最近の開発成果により、無機バインダーの性能が大幅に改善され、一部のアプリケーション、特に軽金属鋳造では最適化の可能性が見えてきました。新しい世代の INOTEC を使用すると、ペネトレーション欠陥が発生しやすい堰前などでも、再現性良く、中子に塗型することなく使用できます。このシステムは100％無機物であり、鋳造で使うツールに凝縮した有機堆積物をまったく残しません。さらに、鋳造プロセス中には煙が発生しません。対照的に、コールドボックス法などの従来の方法を使用して製造された鋳造部品
では、むしろ表面が劣っていることがあり、INOTEC は単なる代替品ではありません。

過去において、無機バインダーを使用して製造された鋳造部品の排砂は、特に装置にわずかな余裕しかない場合、ウォータージャケットではかなりの課題でした。 INOTEC プロモーターWJ 4000 は、特に排砂特性を大幅に向上させるのに役立ち、その結果、複雑で細かい形状のウォータージャケット中子でも、鋳造後に安全に取りだすことができます。耐湿性の改善や軽金属鋳造の枠を超えた無機バインダーの使用など、さらなる機能強化により、従来の有機システムとの差を縮めています。システムの特性を調査するための最先端の機器分析とプロセスの理解の高まりにより、新しいバインダー配合レシピがより効率的になり、以前よりもはるかに速く課題が克服されました。無機バインダーと有機バインダーの両方に対して、将来的な課題はありますが、疑いの余地がない点が１つあります。無機バインダーは有機システムよりも環境に優しいです。
これは、ドイツ技術検査協会のテュフラインランドによって、明確な条件下でのコールドボックスとINOTEC のライフサイクルアセスメントを実施により、確認されました。

あなたはきっとそれを前に聞いたことがあるでしょう：不可能なことは何もない！との機器分析とプロセスの理解の高まりにより、新しいバインダー配合レシピがより効率的になり、以前よりもはるかに速く課題が克服されました。無機バインダーと有機バインダーの両方に対して、将来的な課題はありますが、疑いの余地がない点が１つあります。無機バインダーは有機システムよりも環境に優しいです。これは、ドイツ技術検査協会のテュフラインランドによって、明確な条件下でのコールドボックスとINOTEC のライフサイクルアセスメントを実施により、確認されました。

鋳肌について鋳造の鋳肌品質への要件が高いことはよく知られています。鋳物メーカーは、増大する要求を満たすために多くの時間とお金を費やしています。場合によっては、これには、ブラストシステムなどの後処理設備への投資も含まれます。
もちろん、そのような多くの措置をやりたくはないのですが、技術的に実現可能なもの、求められるもの、およびコストの観点から考えると、実行可能なものとは乖離があります。有機バインダーの場合、鋳肌品質へのプラスの影響は、2 つの理由によります。1 つ目は、鋳物と中子の間に保護バリアを形成するアンスラサイト層（多孔質層）です。2 つ目は、溶湯静圧に対抗するガスクッションです。これにより、溶湯が砂構造を貫通することを防ぎます。 同様に無機バインダーの場合も、1 つ目は燃焼生成物がないため、2 つ目は生成されるガスの量（水+空気）が有機バインダーシステムの場合よりもはるかに少ないため鋳肌がきれいになります。ペネトレーションや砂の溶着に対抗するために、無機物について別のアプローチが必要です。 しかし、鋳造プロセスのどの要素が実際にペネトレーションに対してプラスまたはマイナスの影響を与えるでしょうか（図 1）明らかな要因の 1 つは、鋳造プロセスで中子に作用する注湯温度または熱エネルギーです。これは、「ホットスポット」、特に堰付近の場所でより多くのペネトレーシ ョンが発生するという事実があります。鋳造圧力も重要な影響を示します。たとえば、低圧鋳造では、鋳造圧力が少しでも変化すると、表面品質にかなりの影響が見られます。ここでは、湯境とペネトレーションの間に非常に細いスジが存在することがよくあります。鋳造工場での一連の生産プロセスのために、新しい解決策を開発できるようにするには、1 つ重要なことがあります。鋳造工場で遭遇する問題や疑問は、研究所や技術センターレベルまで細かく要因を分け、欠陥が改善できる鋳造条件になるよう再構築しなければなりません。ペネトレーションの最適化の場合、技術センターでの鋳造結果が鋳造工場の結果と一致するまで、鋳造圧力を徐々に上げながら実行されました。この時点で、システムの変更が開始され、図 2 に示す結果が得られるまで、鋳造結果と対応する最適化の繰り返し評価することにより、鋳肌面品質が徐々に改善されました。
図 3 は、好ましい鋳造の状況につながるアクションの進め方を視覚的に示しています。金属による砂の中子表面の濡れを低減する材料がバインダーシステムに組み込まれています。さらに、新しい成分を追加することで、中子の充填率が向上し、金属が砂中子表面の隙間に浸透しにくくなります。2 つの効果を合わせることにより、鋳造でのペネトレーションが目に見えて大幅に減少します。このアクションを考慮に入れることにより、以前は手直しが不可欠であった場所を、手直し処理せずに完了することができます（図 4）

図 1：注湯プロセスの間のペネトレーションに影響する主要因子

図 2：鋳造サンプル AL 226、720℃

図 3：新世代のプロモーターのメカニズム

図 4：新しい INOTEC TC 4000 プロモーターによる最適化鋳造の結果

中子の分解–排砂
かつて、無機バインダーを使用して製造された中子を取り出す際、遊びが小さい場合は、特にウォータージ
ャケットの分野においてかなりの困難でした。 同時に、鋳物の残留汚れ含有量に対する要件は、ますます厳しくなっています。 したがって、1 つの開発目標は、鋳造後の崩壊挙動に関して既存のシステムを最適化することです。 図 5 に示すように、鋳造プロセスまで、つまり熱エネルギーが伝わるまでは生成されない、バインダー結合点に所定の破壊点を導入すると、崩壊特性が大幅に向上します。 INOTEC WJ 4000 プロモーターを使用すると、複雑で細く細かい設計のウォータージャケット中子を鋳造後に鋳物から安全に取り出すことができます（図 5）

鋳造時の寸法精度
エンジン出力の増加と低燃費の両方を実現するための 1 つの重要な要件は、新しいシリンダーヘッドとブロックの効果的な冷却コンセプトです。その結果、ウォータージャケットの複雑さと薄い中子は、鋳造中に高い耐熱性を必要とします。さもなければ、鋳物の廃棄につながる変形のリスクがあります。特に変形が起こりやすいウォータージャケット中子に対しては、非常に耐熱性の高い有機系の熱硬化システムやシェルモールドシステムが使われます。無機バインダーは、アルミニウム溶湯の温度範囲で、塑性変形を示すことがあるため、中子が変形する傾向にあります。この挙動の大まかな説明は、ケイ酸塩が溶融ガラスのように軟化し、応力下で変形するようになることです。耐熱性に関して、最適化されたシステムと、されていないシステムの違いを図 6 の熱変形測定によって示します。最適化されていないシステムの曲げは非常に速いのに対し、最適化した熱安定システムは、はるかに「安定した」特性曲線を持っています。両方のシステムで鋳造テストを実施すると、状況も明確になります。熱的に不安定なシステムを使用すると、肉厚に明らかな違いが見られます。これは、鋳造中に大きな変形があることを示しています。対照的に、熱的に安定したバインダーは、寸法的に正確な鋳造が可能になります（図 7）。加熱顕微鏡は、バインダーシステムの耐熱性を調べる非常に適切な方法です。ここでは、材料の長方形の試験片が炉に入れられ、軟化と溶融の挙動がカメラでリアルタイムに記録されます。この測定方法では、システム間の違いも明確になります。熱的に最適化されていないサンプルの場合、軟化は 778℃で認識できますが、熱的に安定な混合物は 1,310℃で幾何学的な長方形からずれるだけです（図 8）。このようにして、バインダーシステムは、その熱間特性と変形防止における有効性の観点から評価できます。

図 5：INOTEC WJ 4000 プロモーターで鋳造した後の解枠性の最適化図 6：2 つの無機系の熱変形測定（オレンジ：最適化されていない、青：耐熱性が向上）

図 7：耐熱性の向上による寸法精度の最適化
図 8：熱顕微鏡測定（最適化されていない、より熱的に安定したシステム）

鋳造への新しい可能性
無機ばいいんだーシリーズによる中子製造が、鋳造プロセスにもたらす多くのプラスの影響はすでに説明しました。金型温度の低下により可能になる、より速い凝固などの利点は、無機バインダーのよく知られた利点です。特に、燃焼残留物がないことで、鋳物開発者は、有機ベースのバインダーではなかった、新しい自由を手に入れることができます。 1 つの印象的な例
は、ドイツのランツフートにある次世代のエンジンクランクケース[1、2]のために、BMW の工場で使用されている新しいセンター押湯法です。ここでは、無機中子がセンター押湯として使用されているため、低圧金型の排気ベントにたまる煤を最小限に抑えられます。これは、有機中子では実現できません。 3 つの概念の DAS 分布を図 9 に示します。

図 9：低圧ダイカストで無機中子を利用するセンター押湯の概念）

新しいセンター押湯のコンセプトは、すべての鋳物部位で DAS の利点をもたらします。最も高温のポイント（熱中心、押湯の結合）、したがってローカル DAS が最も高いポイントは、ピストンの下死点の領域にあります。このポイントは、過度の熱または機械的ストレスを受けないポイントです。テンションロッドの領域も非常に速く固化し、金型を介して外部から影響を受ける可能性があります。機械加工後は漏れる傾向にあり、シール性は劇的に低下します。

図 10：ステップコーンのテスト鋳造、GJL、1,458℃（左：添加剤を含むコールドボックス、右：INOTEC）

鉄系鋳物鋳鉄における最新の無機バインダーの使用（CO2 ではなく、高温の金型と熱風による中子の硬化）はまだ普及していません。これは、おそらく–軽合金の金型鋳造とは対照的に–プロセスの流れやシステムサンドがより複雑であると見なされ、鋳造温度が約 2 倍高くなるため、耐熱性の要件がはるかに高くなるためです。さらに、無機バインダーの場合、特に中子の形状が大きくてかさばる場合、コールドボックス法は、多くの領域で生産性の点でほとんど物理的な（乾燥）プロセスよりも優れています。それでも、無機バインダーは、特に鉄の鋳造において、かなりの可能性を秘めています。特殊な砂や添加剤を使用しなければ製造できない難しい部品において、特に、ベーニングに対する塗型との組み合わせは、使用候補となります。なぜなら、有機バインダーと比較して、ベーニングの傾向がはるかに低い、またはまったくないからです。図 10 は、GJL（片状黒鉛鋳鉄）、1,458℃での階段状中子でのテスト鋳造を示しています。添加剤を使用したコールドボックスシステムと、無機バインダーシステムでの鋳造を示します。各中子の半分が塗型されています。無機中子の塗型された側と塗型されていない側の完成度が高く、最終段階、つまり熱応力が最も高い状況までペネトレーションが少ないことは明らかです。この図は、鋳物工場で、ベーニング、ペネトレーション、ガスを減らすという最初の成功を示しています。今後、この適用分野からさらに有用なニュースが期待できることは間違いありません。

無機中子の耐湿性と耐塗型性への最適化高湿度下での安定性は、常に無機中子のアキレス腱です。これは化学的性質によるものです。バインダー
は、水ガラスとして知られている水に溶解したケイ酸塩をベースにしています。したがって、水は系内の溶媒です。さらに、硬化反応はほぼ可逆的です（合成と分解のバランス反応）。これは、大量のエネルギーとK COREMAKING
水が存在する場合（例えば、高い湿度と高温の場合）、逆反応が起こり、ケイ酸塩の架橋が分解し、中子の強度が低下します。これは、この反応系から水分を取り除くことによって、つまり乾燥した場所での保管によって防ぐことができます。適切な保管は、実際には簡単に実行できるとは限らないため、添加剤（プロモーターとして知られている）を使用して逆反応を大幅に遅延させ、「通常の」保管後でも、通常のプロセスで中子を製造できるようにします。ただし、無機中子は親水性のままです。さらに大きな課題は、水性塗型

図 11：乾燥中の水性塗型された無機中子の水分（緑）と強度パターン（数値））を中子に塗布することで、水が中子に直接作用します。常温での中子への水性塗型の塗布は、最初は重要ではありませんが、オーブンで乾燥させるときに重要になります。そこで、図 11 に示すプロセスが実行されます。塗型前の常温中子の強度レベルは 460 N /cm²です。中子は塗型後、「乾燥炉への旅」を開始します。
温度が高く（150°C）、水が存在するため、相対湿度が急激に上昇し、中子が次第に弱まり、強度レベルが295 から 120 N /cm²に低下します。環境の変化点に達し、最大だった湿度が再び低下すると、塗膜の乾燥プロセスが継続し、中子はその最小強度、つまり炉の乾燥プロセスで最も重要なポイントに到達します。これで、中子が応力に耐えるか、変形したり、壊れたりするかが判断されます。この重要な段階を通過する場
合、乾燥炉の旅の終わりに、中子は高温の場合は 260 N /cm²程度、低温の場合は 360 N /cm²程度の非常に優れた最終強度を持ちます。したがって、塗型された中子の最終強度は非常に高くなる可能性があります。
主な重要な要素は、乾燥プロセスと、炉内の高温に関連する一時的な湿度レベルです。その結果、主な化学的課題は、水溶性システム（これは無機バインダーと同じです）を硬化後に可能な限り耐湿性の状態に移行させることです。この点で、図 12 は、最新の調査結果で、乾燥炉の滞留時間による、2 つのバインダーシステムの塗型中子の水分レベルを示しています。標準システムは、ここに描かれている強度パターンを示して、最小では約 90 N /cm²です。 最適化システムは、やや低い初期強度レベルではありますが、炉の乾燥中は 250 N /cm²までしか低下しません。これは、相対的に言えば、この最適化されたバインダーシステムで製造された中子は初期強度の最大 30％を失うのに対し、標準システムは約 80％を失うことを意味します。こ
こでも、中子が炉の乾燥に影響を受けない限り、どちらのバインダーにおいても、完全な乾燥と冷却の後では、最終的な強度が許容可能なレベルに上昇することもわかります。最適化されたバインダーシステムは、現在、鋳鉄のお客様によるテストを受けており、良好な結果が確認された場合、高湿度の環境下での無機バ

8Casting Plant & Technology 2/ 2015

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インダーシステムの使用は、適用範囲を広げられる可能性があります。また、水性塗型との組み合わせも考えられます。

図 12：乾燥中の水性中子の強度パターン（緑：標準システム、青：最適化されたシステム））

まとめ
無機バインダーは、鋳造作業の他のどの分野よりも多くの話題に上がっています。無機バインダーは、実際に何ができ、何ができないのですか？関心の高まりとユーザー数の増加は、この技術が現在少なくともアルミニウムの金型鋳造において確立していることを示しています。システムのメンテナンスと洗浄に関するコスト削減と、その結果としての鋳造プロセスにおける生産性の向上は、無機バインダー成功の重要な要素です。同時に、バインダーの新しい開発段階が有機システムとのギャップを縮めています。鋳肌の改善、熱安定性の向上、および鋳造後の崩壊性は、無機バインダーの最終世代の重要な要件です。また、性質的に、湿度に敏感な無機中子の保存安定性の向上においても、進展の兆しがあります。同時に、無機中子は軽合金の金型鋳造に限定する必要がないことは明らかです。したがって、「不可能なことは何もない」という言葉は、無機セクターの開発の中核に非常にふさわしい言葉です。これまで無機バインダーで達成されてきたことの多くは、過去の多くの人々にとって不可能であるように思われました。この分野での集中的な研究の結果として、現時点では制限的であると思われる非常に多くのハードルが将来的に解消されると考えられます。

References:
www.cpt-international.com

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21-24 JUNE 2017 VERONA-ITALYEXPO OF CUSTOMIZED TECHNOLOGYFOR THE ALUMINIUM & INNOVATIVE METALS INDUSTRY

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