金属鋳造と砂型2.砂型実習教材の開発
柏 井 茂 雄兼 吉 高 宏
永 瀬 丈 嗣淺 野 和 典 北 村 一 浩

造技術が広められた(例えば，川口鋳物(埼玉県川口.

は じめに市)(9)(10)，大久保鋳物(新潟県柏崎市)(11)，佐野天明鋳物(栃木県佐野市)(12) ，高岡鋳物(富山県高岡市)(13)(14) など)．明金属鋳造は，古代から地域に根差し，最近では三次元積層

治維新以降は我が国の最先端鋳造技術が集まる大阪砲兵工廠造形技術(金属積層造形，砂型プリンター)といった最先端のが設置されるに至り，近年では産学官連携事業における社会技術を取り込みつつさらに発展する金属素形材生産の基礎基

人教育プログラムである「鋳造カレッジ｣(15)(16) の設立とそ盤技術である．金属鋳造の発展は，地域に根差し(ローカラの実施に中心的な役割を果たしてきた．最近では公設試験研イズし)，グローバルに発展できるかにかかっている(1)．地究機関・地方独立行政法人としては先駆的に兵庫県立工業技域に根差すという視点から，単に金属に触れ合うといった実術センターに砂型プリンターが設置されるなど，古代から現習教材を超えて，地域の歴史と地理を学び，いかに金属鋳造在にいたるまで，我が国の鋳造の発展と強い関連性がある地がその地に根差してきたのか，という事までを学習する教材域と言える．本論文では，「金属鋳造と砂型1. その歴史との開発は極めて重要であると言える．

最近の進展｣(1)の続編として，関西地区の中でも兵庫県立工第 1 部(1) では，金属鋳造の歴史は，金属だけではなく鋳業技術センター，(公財)新産業創造研究機構(NIRO)を中心型の歴史と表裏一体であり，鋳型の中でも砂型が，すなわちとして開発された砂型を用いた教育実習教材(17) について報「砂」が重要な役割を果たしてきたことを示した．砂は，地告する．

域偏在性が強い資源・戦略物質であり，この地理的特徴が，鋳造の歴史に大きな影響を及ぼしてきた(1)(2)．したがって，.

基本コンセプトと教材用の鋳物砂砂型を用いた教育実習教材の開発は，単に金属に触れ合う体験実習を可能とするという意味を超えて，その地で金属産業

砂型による金属鋳造の実習教材については次の 3 点を基が発展してきた歴史・地理を学ぶ実習型教材を開発すること

本コンセプトとして開発を行った(A)鋳物砂の調製から金につながる．特に，関西地区は，北部九州と並んで初期の鋳属の溶融，凝固まで鋳造の一連の作業を体験できる，(B)対造遺産(例えば大阪府茨木市・東奈良(3)(4)，兵庫県姫路市・

象は小学生・中学生で，家庭でも実施可能とする，(C)安全名古山(5)，兵庫県赤穂市・上高野(6)(7)，奈良県磯城郡田原本

で入手が容易な材料を利用する．

町(唐古・鍵遺跡)(8)など)が多く発見される地であり，明治今回開発した教材は，(B)の基本コンセプトに示すように維新以前には河内(現在の南大阪)が全国の鋳物師(鋳物を造小・中学生を対象としている．次世代を担う子供たちに対る職人，「いもじ」と読む，河内を本拠としていた鋳物師をし，ものづくりの楽しさ，素晴らしさなどを認識してもらう

特に「河内鋳物師」と呼ぶこともある)の発祥とも言われ河ための体験教育・学習の必要性は強く認識されており，日本内から多くの鋳物師が全国に散らばり日本各地に先進的な鋳鋳造工学会の「こども鋳物教室｣(18)や，子供向けのものづく公益財団法人 新産業創造研究機構技術コーディネーター(〒6540037 神戸市須磨区行平町 3112)
兵庫県立工業技術センター部長
兵庫県立大学教授
近畿大学教授愛知教育大学教授
Metal Casting and Sand Mold: (2) Education Materials for Sand Mold Castings; Shigeo Kashiwai, Takahiro Kaneyoshi, Takeshi
Nagase, Kazunori Asanoand Kazuhiro Kitamura(The New Industry Research Organization (NIRO), Kobe. Hyogo
Prefectural Institute of Technology, Kobe. University of Hyogo, Himeji. Kindai University, HigashiOsaka. Aichi
University of Education, Kariya)
Keywords: educational materials, casting, sand mold, history, geography
2022年 1 月 6 日受理[doi:10.2320/materia.61.437]

ま て り あ 第61巻 第 7 号(2022)
Materia Japan



図1

鋳物砂の簡単な模式図．物をくっつけるためには「のり(バインダー)」が必要．砂型は，砂だけではなく，耐熱性などに優れた「のり(バインダー)」が重要．文献(22)を引用改変．

図2｢洗濯のり」を用いた砂型実習教材の外観図．左上から合成洗濯のり( PVA )，粉末洗濯のり( a デンプン)，珪
砂＋カップ，模型，砂型成型用の棒，カセットコン
ロ，耐熱コースターに貼り付けた模型，金属溶解用の器(ステンレス計量カップ)＋金属スズ，その他．

図3

インターネット通信販売で購入した珪砂(粒度 6 号と 8号)の写真．

り教室(19) など，様々な試みがなされてきている．本教材では金属の溶解・凝固を通して「ものづくりの楽しさ，素晴らしさ」などを学んでもらうことは勿論であるが，さらに一歩掘り下げて「金属鋳造がどのように地域に根差し，地域の歴史と地理とともに歩んできたのか」までをも学んでもらうという試みを含んでいる．そのため「金属」そのものだけではなく鋳造で大きな役割を担っている「砂」に注目した内容とした．
(C)安全で入手が容易な材料を利用について，砂は鋳物に適した砂があり，また地域偏在性があるため身の回りに存在する砂の利用が難しい．教材用の鋳物砂としてはオイルサンド(19)(21) が広く利用されているが，現在では入手が困難となっている．また生砂など工業用鋳物砂を利用する方法もあるが，一般には販売されておらず入手できない．オイルサンドなど調製済みの鋳物砂を使った場合，鋳物砂の調製といった砂型プロセスを含む鋳造プロセスを考察・学習することが困難である．第 1 部(1) の山砂の例にあるように，鋳物砂は単に砂(珪砂)だけで構成されているのではない．例えば，実際の鋳物砂は，砂と粘土(一般的にはベントナイト)を主原料とし，適当量の水と石炭粉，でんぷん等を加えて作られる．

ロである．砂はインターネット通信販売で購入可能な珪砂

要約すると，図に示すように，「砂(珪砂)」と「のり(バイ(粒度 6 号～8 号，粒径の平均はおよそ 0.3 mm～0.1 mm)をンダー)」が必要になる．「砂(珪砂)」は現在では建材用の砂用いた．図に教材として利用した珪砂の写真を示す．ななどがインターネット通販で簡単に入手することができるこ

お，珪砂は，ガーデニング用の砂としてホームセンターなどとから「のり(バインダー)」をどのようにするかが，教材用でも購入可能な場合がある．砂とバインダーを調合して鋳物鋳物砂の克服すべき課題であった．筆者らはこの問題に対砂を作ることにより，砂の粒径による鋳物砂の手触り，鋳込し，「のり」として広く利用されている PVA (ポリビニールんだ後の鋳肌の相違等を体験することが可能である．鋳込みアルコール)に着目し，PVA が成分である合成洗濯のりをバ

金属はスズを用いた．ピューター合金などの低融点合金が使インダーとして利用することで簡便に鋳物砂を得る手法(17)われる場合も多いが，安全性の点では食器などに使われていを考案した．その結果，(A)～(C)のコンセプトを満足しつるスズが好ましいと考えられる．もちろん，スズ以外でも融つ，さらに実際に手を動かして鋳物砂を調製し，砂について点が 500 °C 程度の金属であればカセットコンロで溶解がで考察・学習することの出来る教材が得られた．

き，教材として利用可能である．なお，洗濯のりを利用した砂型の安全性と汎用性については，Appendix に記載した．

.

PVA(洗濯のり)を利用した鋳造用教材

砂型教材を用いた実習の全体的な流れは 4 つの工程，すなわち，(1)バインダーの調合と砂の混錬による鋳物砂の調図に開発教材の全体像を示す．主な構成は，砂，バインダー(洗濯のり)，鋳込み用金属，金属溶解用のカセットコン整，( 2 )模型の形状に合わせた砂型造形，( 3 )砂型の乾燥固化，(4)溶解・鋳造，となる．以下にその概略を示す．

材 料 教 育

バインダーの調合と砂の混錬物砂を利用して砂型を作製する．具体的には，図に示すよバインダーは合成洗濯のり( PVA )を主成分に，粘度と強うに，模型を台に貼り付け枠で囲い，これに調合した鋳物砂度を付与するために粉末天然洗濯のり(a デンプン)を添加しを充填して模型に合わせた砂型を作製する．数回に分けて鋳たものを利用した．現時点では， 10 g の水に 1 g の a デン

物砂を模型に加え，その都度，木の棒などを利用してスタンプンを加えて粘りが出るまで混ぜ合わせ，これを PVA10 gプして造型工程を体験する．この木の棒などを利用したスタに対して 3 g 添加した溶液をバインダーとしている．バインンプは，砂型鋳造の実操業における，砂の突き固め・型込めダーの添加量は珪砂の粒度に応じて調製している．8 号珪砂作業に対応する．の場合 5，7 号は 4，6 号は 3を添加量とした．図に示すように，プラスチック製の透明コップの中で，砂と洗濯

スタンプしただけの砂型はそのままでは強度がないため，のりを混ぜ合わせ十分に混錬する．珪砂の粒度による混ざり方の違いなどが体験できる．

鋳型の乾燥，抜型型を抜き取ること(抜型)ができない．抜型にはバインダーを固化し鋳型強度を上げる必要がある．工業的にはフラン樹脂



模型の形状に合わせた砂型造形
洗濯のりをバインダーとした鋳物砂の調整の次に，この鋳やフェノール樹脂がバインダーとして広く使われており，これらは樹脂に硬化剤を添加し樹脂が重合して強度が発現する．放置している間に硬化するため自硬性鋳型と呼ばれている．一方，洗濯のりではこのような添加剤による硬化反応が困難なため，乾燥により鋳型強度を付与する必要がある．実習では時短のために電子レンジで加熱乾燥している．図に示す 150 g 程度の砂型の場合，およそ 20 分程度( 500 W で 3分加熱＋ 3 分放冷を 3 回繰り返す程度)の乾燥作業が必要となる．乾燥後模型を抜型して鋳型が完成となる(図 6)．


溶解，鋳造
通常の鋳型は上型，下型，中子で構成されおり，また金属を流し込むための湯口，湯道や押し湯などの形状(方案)が鋳型に付け加えられている．開発教材では，下型のみの鋳型で方案は省略し，溶湯面が大気開放されたオープン鋳型としている．オープン鋳型は凝固過程を実際に観察でき，学習効果が高く，さらに簡単に鋳型が作製できることから自宅でも実習できるメリットがある．
図に鋳込み後の溶湯表面を示した．溶融金属が冷却にと

図4

混錬作業に対応する珪砂とバインダーをまぜて鋳物砂を調製(a)，混錬後の鋳物砂(b)．

図5

砂型の作製作業．台の上の模型の形に対応した砂型を作製するため，鋳物砂をスタンプしながら造型する．
( a )細い棒による模型周辺部の突き固め，( b )太い棒による模型上部の突き固め．

ま て り あ 第61巻 第 7 号(2022)
Materia Japan図6

兵庫県のマスコットである“はばタン”(23)をモデルとして作製した砂型．(a)“はばタン”のイラストイメー
ジ，(b)模型外観図，(c)6 号珪砂と 8 号珪砂を用いて作製した砂型．



図7

開発教材・開放型鋳型を利用した実習における金属凝固過程の観察の一例．( a )鋳込み直後，( b )凝固後．金属の凝固による体積収縮の様子が目視で分かる．

図9

実習風景の一例．( a )鋳物砂の調合と砂型造形．( b )砂型への注湯．

表1

図8

実習前アンケートと回答(抜粋)

作製した鋳造材の外観図．題材は兵庫県のマスコットである“はばタン”(23)．左は 6 号珪砂，右は 8 号珪砂を利用した砂型を用いて作製した鋳造材．砂の粒度が大きすぎると，目や口の造形が難しいことが良く分かる．

もない結晶が成長する様子，凝固収縮(引け)が発生する様子

教材開発のためのデータ収集と学習効果確認のため，実習が観察できる．また得られた鋳物では図に示したように砂前と実習後でアンケートを行っている．アンケートは 4 段の粒度による鋳肌，風合いの相違を体感できる．

階評価(4 件法)と記述式の両方を用いている．設問と回答の抜粋を以下に示す．

.

実習の一例とアンケート結果

実習前アンケート

開発教材は，小・中学生を対象としたものであるが，高等表に実習前の設問と回答(抜粋)を示す．材料系の学生で学校，高等専門学校さらには大学生にも十分な教育効果のああるため半数は加工法としての鋳造を認識している( A 1,る教材となっている．兵庫県立大学の大学生(4 年生)を対象

A 2)．逆に半数は知らないことになる． A 3 の地域との関として行った実習の事例について紹介する．大学生を対象とわりにおいては，A1, A2 と同様に半数は素形材産業が多した実習の場合，アンケートで小中学生に向けた教材としてい地域産業の形態をある程度認識しているが，半数は知らなの意見を記入してもらうことで，砂型・鋳造に対する体験実い．

習だけではなく，教材開発に対する学習効果も期待できる．
図に工学部の機械・材料工学科(材料工学コース)の 4年生 4 名が参加した実習風景を示す．特別な実験室ではなくても実習が可能である．






実習後アンケート
表に実習後のアンケートと回答(抜粋)を示す．(a)は実習の感想であり，(b)では実習前アンケートと同じ内容を実材 料 教 育

表2

実習後のアンケートと回答(抜粋)．(a)実習の感想，(b)実習前と同じ内容を再度問い合わせた項目．

習後にも改めて問い直している．( a )の実習の感想につい対して B 4 では事前の回答と内容は大きな変化は見られなて，いずれのアンケート結果も，4 段階評価の平均値が 3 以

いが，理解は進んだことがわかる．大学生の目線から見た教上を示しているため，いずれの項目も学生は肯定的に捉えて材としての改善点の指摘は，教材開発にあたって極めて参考いる．表には記載していないが，( a ) B 1「実習の感想」のになる．また，大学生の実習であっても，開発した教材が，自由記述では「実際に砂型を作ってみて，工程を体験できと地域と砂あるいは産業とのかかわりについて考える機会を提ても面白みを感じることができた」，「鋳造が身近で役立って供することができることが確認できている．

いることが学べた」などの意見があり，砂型を扱うという教材のコンセプトがある程度達成できていると思われた．小学

.

おわりに

生用の教材としての感想では(a)B2 で「小学生でも思い通りに作れる」という意見と「そうとは思わない」意見があっ

金属鋳造の歴史は，金属だけではなく砂にも大きく支配さたが，一方で鋳造，砂の扱いの面白さや難しさが理解できた

れてきた．砂は空気や水のようにごくありふれた存在であるという意見が多くみられた．またいくつかの改良点などの指ためその重要性にはなかなか気が付かないが，産業利用する摘もあったことから，小中学生を対象とする場合はよりわかという観点からは利用できる価値ある砂は地域偏在性が著しりやすく手順や解説を工夫する必要があることが分かった．

い重要資源・戦略資源である．実際に砂に触れる体験実習を実習前アンケートと同じ内容を再度問い直した(b)に注目す

通して，砂という資源に注目してもらうとともに，砂と鋳造ると，B3 の鋳造に関する認識では，事前の回答に比べて鋳の関係，そして金属鋳造・金属産業と地域のかかわりについ造に関する理解が進んだことがわかる結果であった．これにて理解してもらえると考えている．

ま て り あ 第61巻 第 7 号(2022)
Materia Japan洗濯のりを使うことで，小・中学生でも簡単に実習できるだけではなく，「その地で金属鋳造・金属産業が発展してきAppendix

洗濯のりを利用した砂型の安全性・汎用性の確認た歴史・地理を学ぶ実習型教材｣(17)が，関西地区を中心とし洗濯のりを利用した砂型の安全性と鋳型としての汎用性をて開発されたことは，古代から金属鋳造において関西地区が確認するために，実習よりも複雑な形状の鋳型作製を試み，重要な役割を果たしてきた歴史とも関連があるようで興味深

さらにスズ(純スズの融点，232°C)よりも高融点であるアルいと考えている．

ミニウム合金(純アルミニウムの融点， 660 °C )，銅合金(純銅の融点，1085°C)の鋳込みをおこなった．鋳型は上型，下本解説論文の執筆に際し，日本鋳造工学会関西支部から全型の上下 2 分割で，湯口，湯道，押し湯を設けた．さらに面的なご協力をいただきました．学生の実習に際し，兵庫県中子を有する鋳型とした．図に珪砂の粒径を変えて作製し立大学金属新素材研究センターのご協力をいただきました．

た洗濯のりを利用した砂型(a)とアルミニウム合金，銅合金

株 栗本
洗濯のりを利用した砂型の安全性と汎用性評価には，の鋳造試作品(b)を示す．ここで，鋳型写真は下型のみで中鐵工所の山田浩士様，廣田修平様にご協力いただきました．

子はセットしていない．アルミニウム合金としては AC4C

ここに感謝の意を表します．

を730°Cの温度で，銅合金としては CAC905を 1150°Cで，砂型にそれぞれ鋳込んだ．砂型の強度不足やガス発生による鋳文献型の崩壊などは観察されなかった．この結果は，開発した砂型は， 1000 °C を超える金属溶湯を鋳込むことができるとい( 1 ) 永瀬丈嗣，柏井茂雄，兼吉高宏，淺野和典，北村一浩まてりあ，61(2022), 340345.
( 2 ) 河 島 一 仁  立 命 館 文 学 ， 627 ( 2012 ) , 65 99., http: // www.
ritsumei.ac.jp/acd/cg/lt/rb/627.htm( 3 ) 大阪府茨木市，茨木市立文化財資料館， https: // www.city.
ibaraki.osaka.jp / kikou / kyoikuiinkaikyoikusoumu / rekibun /rekishibunkazai_jigyou/bunkazai_sihryoukan/index.html( 4 ) 文化庁・国指定文化財等データベース，摂津東奈良遺跡出土
鎔 笵 関 係 遺 物 ， https: // kunishitei.bunka.go.jp / heritage /detail/201/10010( 5 ) 兵 庫 県 姫 路 市 ， 名 古 山 弥 生 遺 跡 出 土 遺 物 ， https: // www.
city.himeji.lg.jp/kanko/0000002036.html( 6 ) 兵庫県赤穂市，兵庫県赤穂市の文化財，http://www.ako-hyg.
ed.jp/bunkazai/shitei/ken63.html( 7 ) 竹下邦彦工業教育資料，396(2021), 2932.
( 8 ) 奈 良 県 磯 城 郡 田 原 本 町 ， 遺 跡 ( 国 史 跡 ) 唐 古 ・ 鍵 遺 跡 ，
https: / / www.town.tawaramoto.nara.jp / kanko / bunkazai /iseki/5178.html( 9 ) 川 口 鋳 物 工 業 協 同 組 合 ， https: // www.kawaguchi-imono.
jp/?page_id＝7(10) 川 口 商 工 会 議 所 ， https: // www.kawaguchicci.or.jp / brand /mono/index.html(11) にいがた産業創造機構，大久保鋳物，https://www.nico.or.jp/
hyaku/products/manufacture_data/ohkubo-souemon/( 12 ) とちぎふるさと学習，佐野天命鋳物， https: // www.tochigiedu.ed.jp/furusato/detail.jsp?p＝61&r＝300( 13 ) 高 岡 市 鋳 物 資 料 館 ， https: // www.city.takaoka.toyama.jp /bunkazai/kanko/bunka/shisetsu/imono.html(14) 高岡銅器共同組合，http://www.doukikumiai.com/index.html( 15 ) 石原安興鋳造工学， 83 ( 2011 ) , 470 475., https: // doi.org /10.11279/jfes.83.470( 16) 角田悦啓素形材， 54( 2013 ) , 38 45., https:// sokeizai.or.jp/
japanese/publish/200706/201303contents.pdf(17) 柏井茂雄日本鋳造工学会関西支部通信，No. 8 (2021), 1013.
(18) 日本鋳造工学会 YFE 活動，https://jfs.or.jp/yfe/(19) たとえば，日本鋳造工学会東北支部会報，No. 44 (2009), 3
21．など( 20 ) 小松芳成，後藤正治，麻生節夫，内 裕，武藤 元秋田大学工学資源学部研究報告，No. 25 (2005), 17.
( 21 ) 永瀬丈嗣日本金属学会講演大会講演概要集， 165 ( 2019 ) ,201.
(22) 橋 本 建 次  粉 体 工 学 会 誌 ， 17 ( 1980 ) , 442 449., https: //doi.org/10.4164/sptj.17.442( 23 ) 兵庫県，兵庫県マスコット「はばタン」， https: // web.pref.
hyogo.lg.jp/ac02/ac02_3_000000011.html

う耐熱性・安全性があるとともに，アルミニウム合金や銅合金などの実習においても利用可能であることを示唆している．

図10★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

柏井茂雄複雑形状鋳物の砂型(a)と試作鋳造品(b)．
1979年 京都大学大学院工学研究科修士課程修了
2007年 工学博士(大阪大学)
1979年 4 月2013年 3 月，兵庫県立工業技術センター
2013 年 4 月2018 年 3 月，近畿高エネルギー加工技術研究所，兵庫ものづくり支援センター阪神・所長(兼務)2018年 4 月現職
専門分野金属，鋳造◎金属鋳造や砂型三次元積層造形技術の開発と応用に従事．小中学生向け実習教材の開発なども行っている．

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材 料 教 育