新しい塗型と砂添加剤のコンセプト ～欠陥や塗型残留物のない鋳込みのための全体設計
Reinhard Stötzel / Christian KochASK Chemicals
Reisholzstrasse 16-18
D-40721 Hilden, Germany

Vinayak Ghotge
ASK Chemicals India Pvt. Ltd.
72/76, Mundhwa
Nr. Bharat Forge, Pune - 411 036

Friedhelm Meyer
ASK Chemicals US
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1. はじめに鋳物生産量と鋳物品質は 、企業としての注目点です。なぜなら、優れた鋳物に対しての強い要求があるからです。
最適な鋳込み工程による、早くて持続可能な解決策という目標に合った利用できる新しいコンセプトを得ることは、非常に重要です。
特に中子や鋳型への塗型や砂添加剤においてです1 。
鋳物工場での製造工程についての深い知識とサービスレベル（コストダウン、生産性、柔軟性そして品質向上）を上げる可能性は、鋳物工場が業界に生き残るために重要です。
成功している鋳物工場は、"てこの原理"を利用しています。
つまり、小さな変化を探求し、大きな変化を引き起こします。
砂添加剤と塗型の正しい選択と使用は、これらのてこのアームとなります。中子製造工程や主型部門における砂添加剤と塗型は、鋳物製品における全体コストのうち、たった1%しか関与していません。その一方、塗型を間違えて選択したり、利用した時には、非常に大きな手直しの加工コストを引き起こし、全体コストの5-10%にもなることがあります。

2. 方法と結果
ベーニング (差し込みとしても知られています) は、化学的に結合した砂中子を使ったある種類の鋳鉄鋳物において、何年にも渡る課題となっています。
エンジンブロックやヘッドは、油や水が通る狭い道においてベーニングが発生します。これを除去することは難しく、流れを堰き止めたり、エンジンの不良につながります。
換気用のブレーキローターにおいては、"窓"にベーニングが発生し、やはり除去するすることは難しく、使用中にローターの不均一な加熱や反りを引き起こします。中子による通路を持った鋳物
または好ましくない形状や"サンドメタル比"を持つ鋳物の多くは、ベーニング欠陥で困っています。
ベーニングは"膨張による欠陥"と呼ばれていました。鋳込み中に溶湯によって加熱された時、シリカ砂の非線形膨張に関係して発生すると考えられています。

FOUNDRY

砂の結晶構造は、低温のアルファクォーツから高温のベータクォーツへの変化が生じます。その結果、急速な体積膨張、その後の収縮、さらには再度の膨張が起こります。クォーツがトリジマイトそしてクリストバライトへと変化するためです。この不均一な膨張と収縮は、他の鋳物に関連した材料のより均一で低熱膨張率とは対照的です（図１）
ベーニング欠陥と戦うためのたくさんの方法があります3。
高い純度のシリカ砂は、湖や土手から採取した砂、ジルコン、クロマイト、オリビン、溶融シリカまたは人口材料といった鋳物砂に関係する材料をすべてまたは部分的に置き換えることができます。より低くより均一な膨張率の材料は、ベーニング欠陥を最小化または除去することができます。しかしながら、これらの材料は、シリカサンドよりも高価で、主型や中子の製造において、固有の別問題を生じる可能性もあります。
砂添加剤は、ベーニングを制御する方法として広く利用されています。これらは、化学物質だったり手順起因だったり、状況に応じていくつかに分類されています。酸化鉄4 は化学物質に含まれる砂添加剤です。これらは、酸素を失ったり、砂粒子表面での"フラックス効果"や軟化効果によって、小さな体積の減少を作り出します。赤い酸化鉄(Fe2O3 )は、一般的には1-2%添加されます。しかし、とても細かいので、主型や中子の強度に影響するかもしれません。黒い酸化鉄(Fe3O4 ) は少し粗く、1-4%のレベルで添加されます。赤い酸化鉄は、他の砂添加剤と併用する際にも効果を発揮します 5 。しかしながら、酸化鉄は酸度のために特定のバインダーシステムと共存することが制限されます。

この論文は2012年3月にBengaluruで開催された第60回インド鋳造会議で発表されたものです。次の項目に対する科学的な試験方法や結果の評価方法において有益な情報が含まれています。 (i) 新しい化学結合を使った砂の主型や中子用の砂添加剤の開発(ii)新しい塗型 - 欠陥のない鋳物を作るため
FOUNDRY雑誌に掲載するにあたり、IIFより許可を得ています。
私たちは、論文を送ってくれた著者に感謝するとともに、第60回IFC (IIF)の方々にもFOUNDRYにおけるプレゼンテーションの許可をくださったことに感謝いたします。
– 編集者

SEPTEMBER/OCTOBER, 2012

図 1 : 様々な鋳物工場で利用される砂に対する熱膨張2有機材料 デキストリンやスターチ、 木屑のような物は、0.5 - 2 %といった低い添加量にて使用されることがあります。
上昇した温度において、これらの材料は燃えて体積の減少を作り出し、"クッション" となります。 酸化鉄のように、これらの材料は主型や中子の強度に悪影響をおよぼすかもしれません。
なぜなら、細かい材料は樹脂の必要量を増加させ、強度を減少させます。
設計された砂添加剤 (ESA’s) が開発されました。酸化鉄やスターチが持つマイナスの課題に対応するためです。砂に近い粒径を持っていて、主型や中子の強度への影響が小さくなっています。しかしながら、一般的にはベーニングに対処するためにはより多くの添加が必要になります。
ESAの種類の一つは、中空の粒子6 を使ったものです。これらは、圧縮力がかかった時に、砕けて、体積の減少とクッション性を付与できると考えられています。他のESAでは、低熱膨張の材料が使われていて、報告によると昇温中にフラックスとして機能するようです。

他にも次のような考え方が盛り込まれています。

– 主型や中子表面への塗型や"洗浄"は、低熱膨張率層の効果や周囲の砂への熱量の伝わりを遅くすることによる断熱効果により、ベーニングを抑制することができます。
– より粗い砂は、中子の密度を減らすことができ、発生する膨張を吸収する効果を示します。

– この低密度化においては、中子は通常よりも低い圧力で崩壊します。

3. ベーニングの評価方法
様々な砂やバインダーシステムを使って、ベーニング特性を評価するテスト鋳込みの方法が、長い間開発されてきました7 。2つの種類のテストピースが一般的には使われます:(i) ステップコーン または (ii) 2 x 2 インチ (50 mm x 50 mm)
ペネトレーション鋳込み
ステップコーンの中子、鋳物そして鋳物断面が図2に示されています。そして 2 x 2 インチ ペネトレーション主型と中子が図3に示されています。
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図2 : ステップコーンの中子 (左)鋳物(中央) そして鋳物断面(右)FOUNDRYSEPTEMBER/OCTOBER, 2012

図3 : 2 x 2 インチ 中子と主型( 左) そして鋳物断面 (右)ベーニング欠陥が確認できます。

ベーニングの程度は見た目によって判断され、1～5段階の数字で表現されます。レベル1はベーニングが確認されない、レベル5は非常に激しくベーニングしていることを示します。評価方法はいくぶん抽象的ですが、追加の定量作業により、ベーニングの深刻さや発生位置の同定や重みづけをした計算式によってベーニングの"スコア"を算出することが可能です。GieseとThiel8 による研究は、"欠陥の分析技術は、中子に関係した欠陥を防ぐ ために鋳物工場の材料を評価するツールとして利用できることを示しました。
2 x 2インチの鋳込み試験では、1個の型で4個の別々の中子を試験できることが特長です。通常は、(例えばペアとして）同じ形状で試験して精度を評価することが多いです。ステップコーンにおいて欠陥が発生しなかった場合であっても、2 x 2インチの試験では同じ成分や条件においてベーニングが発生することがあり、多少、厳しい結果となるようです。

• 無塗型中子を視野に入れたベーニング耐性とペネトレーション耐性を持った砂添加剤
鋳造工場において、塗型工程をなくすために多くの努力が最近の数年間でなされてきました。いくつかの分野においては、目標が達成されいます。例えば、要求が厳しくないダクタイル鋳鉄においてです。
ASKケミカルズでは、新しいタイプの砂添加剤を開発しました。
鋳造工場において明らかに鋳物欠陥が減少し、無塗型でより多くの中子を生産できるというものです。
Veino Ultra は その開発事例で、素晴らしいベーニング耐性を示します。
• ベーニング防止の塗型
鋳物品質の観点からの重要な要求は、中子型の分割線に沿ったベーニングが発生しないことです。
中子の製造の点からは、乾燥工程において、中子の変形が起こらないという強い要求があります。

表1
ペネトレーション、ベーニング、鋳肌に対する選択された砂添加剤の影響

FOUNDRYSEPTEMBER/OCTOBER, 2012

図 4 : ベーニングがあるブレーキディスク

MIRATEC BDは、塗型がベーニングを防ぐことができることを示します。そして、改善された製品特性によって、中子は表面の液だれを残すことなく、短いサイクルで浸漬塗布することができます。
• すくわれ欠陥に対抗する高ガス通気度の塗型

すくわれ欠陥やガス欠陥は、量産鋳物工場において歓迎されない欠陥の一つです。なぜならば、鋳物を廃棄しなければならない可能性があるためです。
ASKではこれらの欠陥を抑制しながら、極端にガスを透過させる塗型を作る特別なプロジェクトを発足しました。

中子への熱負荷が高い鋳造部品は、特殊な部位への金型充填量が極端に少なくなるため、すくわれが起こりやすい傾向があります。MIRATEC MB 501をベースにした、優れた

図5 : MIRATEC BDが分割線のベーニングを防いでいる。

ベーニングやペネトレーションを防ぐ特性（特に量産鋳物において）を持つ塗型を実現しました。将来はさらにガス透過性を向上させることも可能になるでしょう。さらに、塗型は速い液切れや短いグロスタイムがどぶ漬け工程においてのサイクルタイムを短縮するために求められます。
このような状況を全て満たす新し く開発された塗型が、MIRATEC AH 501です。この塗型剤の導入により、すくわれ欠陥は水性において中子部品（中子組：コールドボックス＋シェル）、さらには アクセルハウジング（コールドボックス中子）の両方において、効果を発揮するでしょう。

さらにどぶ漬け工程におけるサイクルタイムは、この塗型により、もとの塗型と比べて半分にすることができています。
• MIRATEC TSを使った残留物フリー鋳込みOEMにおいて、鋳物に付着している残留物が極端に少なくなるようにしてから納品するように鋳物工場が求められることがあります。
モーターブロックでは、これらの基準は、1つの鋳物に対して300mg以下です。ウォータージャケットやオイルギャラリーについては、ショットブラストがほとんど不可能なため、塗型には欠陥のない鋳物を作るだけではなく、鋳物表面に塗型剤が付着して残らないという要求があります。

図6 :MIRATEC TS (左) と一般的な塗型（右）FOUNDRY

図7 : MIRATEC TSを使った鋳物表面

SEPTEMBER/OCTOBER, 2012

優れたベーニング耐性やペネトレーション耐性を持つ特別な塗型が開発され、鋳込み後の塗型残りを最小にすることができました。SEM観察から、鋳込み後に塗型が自ら剥離するという性質が明らかになりました。

研究の結果、MIRA TEC TSを使うと鋳物からフレーク状になって剥がれ、非常にきれいな鋳肌を出現させます。
残留物は、通常の塗型と比較して半分または3分の1に減少します。

• ダクタイル鋳鉄と芋虫状鋳鉄でのグラファイト組織の劣化抑制
硫黄や酸素が溶湯内に入り込まないようにするための塗型が開発されました。
異なるメカニズムが目標とする性能を得るために利用されています。
一つ目は、硫黄と酸素が溶湯との界面に移動しないことです。砂に浸透しやすい特性を持つ塗型が使われています。例えば、SILICO IM 801が適してい ます。別のメカニズムは、硫黄または酸素を吸収するような化合物を使うことです。例えば、塗型にカルシウムを含んだ化合物を入れることが考えられます。

4. まとめ
新しい塗型と砂添加剤の開発により、鋳物工場は欠陥がなく塗型残留付着物もない鋳物を簡単な方法で、副作用なく製造することができるようになりました。無塗型での鋳物製造でさえ可能になります。
キーワード : 主型 、中子、塗型、砂添加剤、鋳物工場、性能、鋳物欠陥

参考文献
1. Stephan Rudolph, Gießerei-Praxis, No. 6-1993, page 105
2. Reinhard Stötzel, Diagram from Conference Transcript,
3rd Duisburg Moulding Material Day, 2000

図8 : MIRATEC TSコーティングにより達成した表面品質

4. R. W. Monroe, “Use of Iron Oxide in Mold and Core Mixes
for Ferrous Castings”, AFS Transactions 1988.
5. S. G. Baker, J. M. Werling, “Expansion Control Method
for Sand Cores”, AFS Transactions 2003
6. T. J. Gilbreath, P. L. Zajac, J. Bruce, “New Sand Additive
Alternative for Veining and Penetration Defects in ThinWalled Castings”, AFS Transactions 1999.
7. W. L. Tordoff, R. D. Tenaglia, “Test Casting Evaluation ofChemical Binder Systems”, AFS Transactions 1980.
8. S. R. Giese, J. Thiel, “Numeric Ranking of Step Cone TestCastings”, AFS Transactions 2007.

3. Showman, R., Horvath, L., Clifford, S., Harmon, S.,
Lawson, E., “A Systematic Approach to Veining Control”,
AFS Casting Congress Proceedings, 11-005.

FOUNDRYSEPTEMBER/OCTOBER, 2012