多糖類系バインダ中子を用いた
砂型アルミニウム合金鋳物の差圧鋳造
谷内大世*

藤井要*

駒 井 公 一 ** 砂 山 昇 **荒 井 義 則 ***本報告では，小径中空部を形成する中子の除去作業効率向上のため，自己崩壊性に優れた多糖類系バインダ中子に着目し，アルミニウム合金鋳物への適用性検証と砂型差圧鋳造による鋳造欠陥の抑制効果について検討した。その結果，多糖類系バインダ中子は鋳造熱による自己崩壊性に優れており，除去時間の大幅な短縮が可能であった。また，差圧鋳造を適用することで鋳造欠陥を極小化することができた。多糖類系バインダ中子と差圧鋳造の適用は，複雑形状鋳物の製造に極めて有効であることが確認された。
キーワード: 多糖類系バインダ中子，崩壊性，差圧鋳造，ガスピンホール，複雑形状鋳物

Counter Pressure Casting of Sand Mold Al alloy Using Polysaccharide-based Binder Cores
Taisei YACHI, Kaname FUJII , Koichi KOMAI, Noboru SUNAYAMA and Yoshinori ARAIIn this study, the applicability of polysaccharide-based binder cores (excellent collapsibility) to aluminum alloy casting was verified,and the inhibitory effect of casting defects in sand-mold counter pressure casting was examined. As a result, polysaccharide-based bindercores showed high self-collapsibility due to casting heat. Therefore, removal time was significantly shortened. Furthermore, it waspossible to minimize casting defects by applying a counter pressure casting process. The application of a polysaccharide-based binder
core and the counter pressure casting process was very effective in the production of complex shape castings.
Keywords : polysaccharide-based binder core, collapsibility, counter pressure casting, pinhole, complex shape casting

１．緒言

困難で時間を要している。そのため，凝固後の焼着が航空機部品の一つであるギヤボックスは，高速回転するエンジンから動力を受け，燃料ポンプや発電機な少なく容易に除去可能な易崩壊性中子の開発が求められて いる。

ど補機の駆動に適切な回転速度へ減速するための多段

また，砂型鋳造は冷却速度が遅い欠点がある。そののギヤが納められている。ギヤボックスのハウジングため，冷却速度が遅い部位では溶湯中の溶存水素が凝には，ギヤを潤滑するための複数のオイル通路が張り固過程で凝集し，ガスピンホール欠陥を生成し易い。

巡らされており，複雑な形状を有した薄肉アルミニウ

このような欠陥は強度や気密性の低下を招くことから，ム合金鋳物である。このような複雑形状製品の製造は高い品質レベルが要求される航空機部品鋳物では，最内部まで加工工具が届かないため，ブロック材料から大許 容欠陥サイズ が決められて いる。

削りだす機械加工が不可能であり，砂型鋳造に頼るしかな いのが現状で ある 。

本研究では，上記２つの課題を解決するため，自己崩壊性に優れる多糖類系バインダ中子をアルミニウム鋳物の中空部位を形成するためには，中子と呼ばれる砂型が必要である。しかし，比熱が小さい薄肉アル合金鋳物に適用し，砂型差圧鋳造と組み合わせることで鋳 造欠陥の抑制 について検討 した。

ミニウム合金鋳物では，注湯後に中子の崩壊を促すだ

２．実験方法けの熱容量が得られず，凝固後の鋳物に中子が焼着して残り易く，特に複雑形状鋳物の場合は，砂の除去が２．１

中子の作製

易崩壊性中子には，環境負荷が少ない天然成分であ*機 械金属 部**谷田合 金 (株)***り，型ばらし性に優れる多糖類系バインダを使用した。

北陸鋳 材 (株 )- 15 –

実 験 に 用 い た 中 子 (以 下 ， 多 糖 類 系 バ イ ン ダ 中 子 )は ，位付近は，鋳型内において中子が保持されず中に浮い７ 号 の 人 工 砂 を 用 い て ， 新 東 工 業 (株 )製 ラ イ ト コ ア にている状態であり，注湯した際に中子が最も変位を生よ り 図 1に 示す L型 形 状 に焼成 造 形 した 。な お ， 多 糖類

じ や す い 。 そ こ で ， 図 中 の A部 お よ び B部 の 2ヶ 所 を 切系バインダ中子は，従来利用されているレジンコーテ断し，切断面から上下，内外と示した部分の肉厚を測ッドサンドを用いたシェル中子に比べてかさ密度が小定す ることで中子 の 変位方向と 変位量 を評価 した。

さく，鋳物内部にガス欠陥を発生しやすいといわれて２．３． ４いる 。

鋳造欠陥

作 製 し た L型 試 験 片 鋳 物 を 用 い て ， 鋳 物 内 部 の 鋳 造

２．２差圧鋳造による鋳物作製

欠 陥を 評価 する ため ，図 2中 の寸 法精 度評 価位 置 B断面

多糖類系バインダ中子を用いたアルミニウム合金のを エ メ リ ー 紙 #1500で 湿 式 研 磨 し ， 微 小 な 空 隙 欠 陥 を鋳 造 で は ， 谷 田 合 金 (株 )と 石 川 県 工 業 試 験 場 で 共 同 開明確にするカラーチェックによるマクロ観察を行った。

発 した砂 型差圧 鋳造装 置を用 いた1-2)。 この装 置は，下なお，この観察においては差圧鋳造による鋳造欠陥の部に溶湯保持炉室，上部に鋳型室を有した密閉構造で，抑制効果を比較するため，重力鋳造および低圧鋳造法

上下の室に圧力差を生じさせて鋳型に溶湯を層流充填

でも 図 3に示す鋳 造方案で L型試 験片鋳物を作 製した 。

し，かつ大気圧以上の圧力で凝固させて鋳造欠陥を抑制する特長がある。そのため，多糖類系バインダ中子で発生しやすいガス欠陥抑制に有効である。鋳造は，差 圧 鋳 造 装 置 と 図 1の L型 形 状 中 子 を 用 い て ， 図 1中 に示 し た 鋳 物 (以 下 ， L型 試 験 片 鋳 物 )を 作 製 し た 。 鋳 造
材 を ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 AC4Cと し ， 注 入 温 度 740℃ と した。

２．３

中子および鋳物の評価

多糖類系バインダ中子を用いて差圧鋳造した鋳物の品質 は，以下の４ 項目について 評価した。

２．３．１

熱分解特性

中子は，鋳造時に溶湯熱の影響により軟化や分解ガスを発生する。そこで，多糖類系バインダ中子の熱分
解 特 性 を 把 握 す る た め ， 熱 分 析 装 置 (( 株 ) リ ガ ク ・

図1

鋳造実験で 用いた中子形 状と鋳物の模 式図

Thermo Plus2 TG-8120)を 用 い て ， 10℃ /minで 室 温 から 750℃まで加熱 し，重量変化 と熱流量を測 定した。

２．３．２

崩壊性

図 1の L型 試 験 片 鋳 物を 鋳 造し ， 中 空部 に 残存 し た中子の除去にかかる時間を測定し，崩壊性の評価とした。
な お ， 比 較 対 象 と し て ， シ ェ ル 中 子 で 作 製 し た L型 試
験片 鋳物について も除去時間を 計測した。

２．３．３

鋳物の寸法精度

多糖類系バインダ中子の適用による鋳物寸法精度への 影 響 を 評 価 す る た め ， L型 試 験 片 鋳 物 を 用 い て ， 従来のシェル中子との精度比較を行った。寸法精度の評
価 位 置 は ， 図 2中 に 示 す Aお よ び B断 面 と し た 。 こ の 部- 16 –図2 L型試験片鋳物の寸法精度評価位置

３３．１

実験結果

熱分解特性

中 子 の 熱 分 解 特 性 を 評 価 し た 結 果 を 図 4に 示 す 。 横軸は加熱温度，縦軸は重量および熱流量である。重量減 少 を 生 じ る 温 度 は ， シ ェ ル 中 子 が 320℃ ， 多 糖 類 系
バ イ ン ダ 中 子 が 215℃ で あ り ， 両 中 子 の 重 量 減 少 は ，多 糖 類 系 バ イ ン ダ 中 子 が シ ェ ル 中 子 よ り も 約 105℃ 低かった。また，シェル中子より重量減少や熱流量の変化 は 小 さ く ， シ ェ ル 中 子 の 503℃ 近 傍 で 見 ら れ る よ う
な急激な変化はなかった。このことから，多糖類系バインダ中子は，鋳造時の熱影響による軟化や分解ガス
図3発生がシェル中子よりも早い段階で起こるが，重量減

各鋳造法の 方案

少量が小さいため，分解ガスの発生量は少ないと推察でき る。

３．２

崩壊性

多糖類系バインダ中子とシェル中子の崩壊性を評価
し た 結 果 を 表 1に 示 す 。 多 糖 類 系 バ イ ン ダ 中 子 は ， 溶
湯の凝固後に中子が自己崩壊しており，軽く振るだけで中子砂を容易に取り出すことができた。そのため，実質的な中子除去作業時間は無いに等しい。一方，シェル中子は，加振とエアブローによる除去など，30min程 度 の 作 業 時 間 が 必 要 で あ っ た 。 こ の 結 果 か ら
多糖類系バインダ中子は，崩壊性に優れていることがわか った。

３．３

鋳物の寸法精度

両中子を用いた鋳物の寸法精度を評価した結果を表2に 示 す 。 ど ち ら の 中 子 も 変 位 を 生 じ た が ， 多 糖 類 系
バインダ中子はシェル中子よりも変位が大きくなった。

図4

多糖類系バ インダ中子の 熱特性評価結 果

これは，多糖類系バインダ中子はシェル中子よりも熱表1分解する温度が低いことが関連していると考えられる。

加振[min]

エアブロー
[min]

合計
[min]

多糖類系
バインダ中子000

シェル中子

151530

さらに，多糖類系バインダ中子はかさ密度が小さいた
め，注湯の際に浮力の影響を大きく受け，上方向に変位し たものと考え られる。
本実験は，片持ち形状で過酷な条件下での実験であ中子の除去 時間るため，比較的大きな変位となった。実際の製品鋳造
では，幅木の適切な配置等で十分に変位を抑える対応
表2 中子の変位具合が必 要であると考 えられる 。

３．４

変位方向・量上・下内・外鋳造欠陥

多糖類系
バインダ中子A部

上 0.2mm

外 1.3mm

鋳物内部欠陥を評価するため，マクロ観察を行った

B部

上 1.6mm

外 0.8mm

結 果 を 図 5に 示 す 。 重 力 鋳 造 お よ び 低 圧 鋳 造 に お い て

シェル中子

A部
B部

下 0.3mm
下 0.3mm

外 0.8mm
外 0.8mm- 17 –

図5

各種 鋳造法による 鋳物断面 の マクロ観察 写真は，どちらの中子も着色されたピンホール欠陥が発生(3) 鋳 物 の 寸 法 精 度 に お い て ， 多 糖 類 系 バ イ ン ダ 中 子していた。しかしながら，差圧鋳造では，従来法で発は，注湯の際の浮力や溶湯熱の影響を受けやすく，生したピンホール欠陥が抑制されていることがわかる。

シェ ル中子よりも 変位が大き く なった。

この結果より，ピンホール欠陥の抑制に差圧鋳造が効果的 であることが 明確である。

(4) 重 力 鋳 造 や 低 圧 鋳 造 品 で は ， 中 子 付 近 の 断 面 全 体でピンホール欠陥が見られた。一方，差圧鋳造品

このように，従来法のシェル中子に比べて多糖類系

では，いずれの中子を用いた場合でも，ほとんどバインダ中子は崩壊性に優れており，さらに差圧鋳造ピンホール欠陥を生じず，差圧鋳造との組み合わと組み合わせることでピンホール欠陥を抑制できる。

せが 極めて有効で あることが 実 証された。

多糖類系バインダ中子は，中子除去性に優れ，複雑形状鋳物に対する生産性が高い手法であることが実証さ

本研究結果を踏まえて，航空機の複雑形状鋳物部品の実 用化を支援し て行きたい 。

れた 。

謝４．結言

辞

本 研 究 は ， 経 済 産 業 省 「 平 成 24年 度 戦 略 的 基 盤 技 術

自己崩壊性に優れる多糖類系バインダ中子をアルミ高度化支援事業」の一部であり，国立研究開発法人産ニウム合金鋳物に適用し，砂型差圧鋳造と組み合わせ業技術総合研究所，国立大学法人富山大学との共同研ることでガス欠陥の抑制について検討し，以下の結果究で 実施した。関 係諸氏に感謝 の意を表しま す。

を得 た。
(1) 中 子 の 崩 壊 性 で は ， シ ェ ル 中 子 は 加 振 し て も 崩 壊

参考文献

せず，砂の除去に時間を要したが，多糖類系バイ1) 藤井要, 谷内大世, 上村彰宏, 谷田由治, 駒井公一, 砂山

ンダ中子は加振する必要がなく，型ばらしの作業

昇. 差圧プロセスによる高品質鋳造品の製造に関する研性が 極めて優れて いた。

究. 石川県工業試験場研究報告. 2010, No. 59, p.11-14.

(2) 多 糖 類 系 バ イ ン ダ 中 子 は ， シ ェ ル 中 子 よ り も 約2) 藤井要，駒井公一，砂山昇，舟木克之，松田健二，池野

100℃ 低 い 215℃ で 重 量 減 少 が 起 こ る が ， 重 量 減 少進，差圧鋳造を用いたアルミニウム合金砂型鋳物中のピが小さく，分解ガスの発生量は少ないと推察されンホール欠陥低減と真空チャンバへの適用，鋳造工学,た。

2012, Vol.84, No.8, p.468-472.

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