1. 導入
砂は次のように機能します のバックボーン 砂型鋳物, すべての鋳造を直接形作るカビの空洞を形成します.
パターンの周りに砂を詰めることによって, ファウンドリーは、溶融金属が流れる否定的な印象を生み出します, 固化します, そして、その最終的なジオメトリを引き受けます.
砂の選択 極めて重要な役割を果たします: 表面仕上げに影響します, ガス透過性, 寸法精度, そして最終的には, 料金.
次のセクション, 主要な砂システム - グリーンを調べます, 化学的に結合, ケイ酸ナトリウム, 樹脂でコーティングされています, および特製砂 - その作曲を強調しています, プロパティ, 理想的なアプリケーション.
2. 緑の砂
緑の砂は次のように機能します ワークホース金型媒体 に 70% グローバルサンドキャスティングオペレーションの.
Foundriesは、低コストでそれを支持します, 再利用の容易さ, 広範囲のパーツサイズとジオメトリへの適応性.
構成
典型的な緑色の混合物が含まれています:
| 成分 | 典型的な割合 | 関数 |
| シリカ砂 | 85–90 wt % | 耐衝撃性のスケルトンと定義を提供します |
| ベントナイト粘土 | 5–10 wt % | 可塑性を与えます, 「緑の強さ,」と折りたたみ性 |
| 水 | 2–4 wt % | 粘土バインダーをアクティブにします; カビの可塑性を制御します |
| 添加剤 (海岸, 1–3 wt %) | 1–3 wt % | 表面仕上げを強化し、光沢のある炭素を促進します |
主要なプロパティ
- 水分含有量 (2–4 %)
パターンの刷り込みのための良好な砂の可塑性を保証します. 湿気が少なすぎると崩壊します; 多すぎると透過性が低下し、ガス欠陥が発生します. - 緑の強さ (30–50 psi)
崩壊せずに溶融金属をサポートする未焼き金型の能力を測定する. - 透過性 (200–400 pn)
気孔を避けるために、ガスがカビの虫歯を逃がす方法を示します。. - 折りたたみ性 (0.5–1.5 mm)
凝固に関するカビの制御された変形について説明します, ホットチャーの欠陥を減らす.
利点と用途
緑の砂 ツーリングコストが低い ($50 - 金型あたり200ドル) そして 5〜20サイクル以上の再利用性 大規模に理想的にしてください,
エンジンブロックなどの重い鋳物, ポンプハウジング, および農業機械コンポーネント.
Foundriesは、プロトタイプ部品に緑の砂を利用しています, 迅速な離職と最小限の前払い投資問題.
制限事項 & 緩和
- 寸法耐性 (±0.5–1.5 %)
緑の木型は、樹脂結合プロセスよりも緩やかな許容範囲を示します. エンジニアは、粘土と水分レベルを正確に制御することにより、許容耐性を引き締めます. - 薄いセクションでウォッシュアウト
溶融金属との拡張接触は、細かい詳細を侵食する可能性があります. 粘土の含有量の増加または壁の壁に耐衝撃性コーティングの塗布は、ウォッシュアウトを軽減します.
3. 化学的に結合した砂
化学的に結合した砂システムは、合成樹脂をバインダーとして使用することにより、単純なシリカ粒子を高性能カビとコアに変換します.
Foundriesは、フェノールの3つの主要な樹脂化学から選択します, フラン, およびエポキシ - 特定の強度に合わせて調整されています, 治す, およびガス生成プロファイル.
樹脂の種類と特性
- フェノール樹脂: 優れた熱安定性を提供します (まで 300 ℃) および低ガスの進化 (≤ 0.2 l/kg砂).
彼らは200〜300 psiのベンチの強さを達成します (1.4–2.1 MPA) 5〜10分以内. - フラン樹脂: 急速に治療します (1–3分) 適度なガスの進化を伴う (0.3–0.5 L/kg).
彼らのベンチの強さは250〜350 psiに達します (1.7–2.4 MPa), それらを中型鋼鋳物に理想的にします. - エポキシバインダー: 最高の強みを提供します (300–400 psi / 2.1–2.8 MPa) および最小ガス出力 (< 0.1 L/kg).
ただし、治療時間は15〜30分に及びます, エポキシサンドは、薄壁のアルミニウム部品のための非常にきれいな表面を生成します.
樹脂化学からプロセス選択への移行, Foundriesはいずれかを選択します NO -BAKE そして コールドボックス メソッド:
ベイクプロセスなし
- 機構: 砂を液体樹脂と触媒と混ぜます; カビを周囲温度で治療させます.
- 利点: 簡単なセットアップ, エネルギー効率 (外部加熱はありません), 大きな型に対応します (> 2 長さはm).
- 典型的な指標: 圧縮強度 > 10 2〜5分以内にMPA; 金型アセンブリの10〜15分のベンチ寿命.
コールドボックスプロセス
- 機構: フラスコに砂とレシンの混合物を詰めます, 次に、砂の中をガス状のアミン触媒を渡して、インスタントキュアをトリガーします.
- 利点: 同じくらい低いサイクル時間 30 秒, 大量生産と複雑なコアに最適です.
- 典型的な指標: アンダーに10〜15 MPaの圧縮強度 1 分; 低い残留触媒は欠陥を最小限に抑えます.
化学的に結合した砂が届きます ベンチの強さ まで 15 MPa そして 折りたたみ性 複雑なジオメトリに適しています, 彼らは厳格な要求を要求します ガス管理.
過度のガスの進化は、ピンホールとブローホールを引き起こす可能性があります; したがって, Foundriesは樹脂の投与量を規制します,
コアボックスベントを最適化します, そして、欠陥を軽減するために真空または低圧力の注入を採用します.
アプリケーション 大きな海洋エンジンブロックからの範囲 - 寸法許容範囲が±±まで締められます 0.2 mm—ra≤を必要とする航空宇宙タービンハウジングへ 2 µm仕上げ.
これらのシナリオで, 化学的に結合した砂は、緑の砂が達成できない寸法精度と表面品質の両方の基準を満たしています.
4. ケイ酸ナトリウム (ウォーターグラス) 砂
化学的に結合したシステムに基づいています, ケイ酸ナトリウム砂 - しばらく呼び出します ウォーターグラスの砂 - 速度のバランスをとる独特の共同硬化メカニズムをオフィーします, 強さ, および表面の品質.
ファウンドリは、主にコアメイキングとミディアムボリュームキャスティングのためにそれを採用しています。.
結合メカニズムと硬化
- 混合: オペレーターのブレンド シリカ砂 液体ナトリウム溶液を使用します (8–12 wt %).
- 金型アセンブリ: 技術者は、パターンまたはコアボックスの周りに濡れた砂を詰めたり撃ったりします.
- CO₂硬化: のストリーム 100% co₂ (流量4〜8m³/h) 型を通過します.
- 時間を設定します: ケイ酸塩ゲルが形成されます 10–30秒, すぐに組み立てる準備ができている剛性型を生成します.
この急速な硬化のおかげです, ケイ酸ナトリウムコアはフラスコに入り、中に注ぐことができます 1–2分 co₂暴露の, 樹脂システムと比較してサイクル時間を劇的に短縮します.
利点
- 速い治療: 下の完全なゲル化 30 秒は長いベンチの時間を排除します, スループットのブースト.
- 良い表面仕上げ: 硬化コアは、周囲に表面の粗さを示します RA 3-5 µm, 緑の砂より30〜50％細かい.
- 低い煙と臭い: CO₂硬化は、無視できる揮発性副産物を生成します, 鋳造工場の労働条件の改善.
- 再利用性: 適切に回収されたとき, ケイ酸ナトリウム砂は循環することができます 8–12 重大な強度損失の前に使用します.
欠点
- 埋め立ての課題: 高い炭酸ナトリウム含有量が必要です 湿潤または熱の再生 600〜800°Cでバインダーをストリップし、エネルギーコストを高めます.
- 砂の寿命を減らしました: リサイクルされた砂は最終的に炭酸塩と罰金を蓄積します, 最大で強度を低下させます 15% 後 10 サイクル.
- 水分感度: 上記の周囲の湿度 70% 混合前またはゆっくりと浸透することができます, 気候制御が必要です.
アプリケーション
ファウンドリは、速度と精度のバランスが必要なときにケイ酸ナトリウム砂を活用する:
- コアメイキング: ポンプインピーラー用のガス硬化コア, バルブ本体, そして、加熱交換の通路.
- 中型鋼鋳物: マニホールドとギアボックスハウジング (10–200 kgの範囲) 中程度の寸法公差が必要です (± 0.3 mm).
5. 樹脂で覆われた砂
樹脂でコーティングされた砂 - 一般的に使用されています シェルモールディング - コンビン大量生産の速度で化学的に結合したシステムの精度.
薄いものを適用します, 各砂粒に触媒前樹脂層, ファウンドリーは、細かい詳細をキャプチャし、例外的な寸法精度を維持する堅牢な「シェル」を作成します.
シェルモールディングプロセス
- 樹脂コーティング: メーカーは、高品質のシリカ砂を均一にコーティングします (AFS 50–70) と 1–2 wt % 熱硬化樹脂 (フェノールまたはエポキシ).
- シェルフォーメーション: 彼らはコーティングされた砂を転倒させます 事前に加熱されたパターン (175–200°C); 熱は樹脂を治します, 剛性のあるシェルをほぼ形成します 2–5 mm 厚い.
- コアアセンブリ: 技術者は、骨のない砂を取り除きます, シェルの半分をフラスコに組み立てます, そして、サポートのために、コーティングされていない砂でバックフィル.
- 鋳造: 急速なシェル生産により、注ぐ準備ができている金型が得られます 5 分 パターン除去の.
主な利点
- 例外的な表面仕上げ: シェルモールドキャストはra≤を達成します 2 µm — to 80% 緑の砂と対応物よりも滑らかです.
- 厳しい公差: 寸法精度は±に達します 0.1 mm, 後のマシンを減らす 30–40％.
- 薄壁機能: 壁は薄い 1 mm 最小限の熱い涙やウォッシュアウトで.
- 自動化フレンドリー: 連続したシェルラインは生成されます 100–200シェル1時間あたり, 高スループットをサポートします.
コストとサイクルタイムの考慮事項
| メトリック | シェルモールディング | 緑の砂 | ダイカスト |
| 金型コスト | $500 - 2,000ドル/シェル | $50 - $ 200/金型 | $10,000 - 100,000ドル/ダイ |
| サイクルタイム | 5–10分/シェル | 20–60分 | ショットごとに秒 |
| 部品ボリューム | 1,000–50,000/年 | 100–10,000/年 | 10,000–1,000,000/年 |
| 機械加工の削減 | 30–40 % | 0–10 % | 40–60 % |
シェルモールディングには、より高い前払いコストが必要です, その 急速なサイクル そして 仕上げの減少 それを経済的に説得力のあるものにします 中くらい 生産が実行されます (1,000–50,000ユニット).
ターゲット産業とアプリケーション
- 自動車ターボチャージャーハウジング: 薄壁, 高温成分は、シェルモールディングの精度の恩恵を受けます.
- 航空宇宙ギアボックスケース: 厳しい公差 (± 0.1 mm) そして、細かい仕上げは厳しい認証基準を満たしています.
- 精密医療機器: RAを使用した複雑なジオメトリ < 2 µM表面には、二次操作はほとんど必要ありません.
- エレクトロニクスエンクロージャー: 小さい, 複雑なダイカストの代替品は、シェル金型を使用して多孔性を回避し、EMIのパフォーマンスを向上させます.
6. 特殊砂と添加物
標準的なシリカミックスを超えて, Foundries Deploy 特製砂 そして 添加物 高温サービスに取り組む, 表面の品質を向上させます, そして、細かい金型の動作.
砂の化学と穀物の特性を調整する, エンジニアは、アプリケーションを要求するためにキャスティングを最適化します.
高温砂
溶融金属温度が上がると 1,300 °C-または熱衝撃耐性が重要な場合 - 耐火物の代替またはブレンドの根拠:
| 砂タイプ | 構成 | 融点 | 利点 | 典型的なユースケース |
| ジルコン砂 | ZARSIO₄ | > 2,200 ℃ | 例外的な耐摩耗性; 非常に低い熱膨張 (4.5 ×10⁻⁶/k); 最小限の金属浸透 | スーパーアロイタービンブレード; スチールインゴット型 |
| かんらん石の砂 | (マグネシウム,鉄)₂sio₄ | ～ 1,900 ℃ | 良好な熱安定性; 低速度; 中程度のコスト (10–20％上のシリカ) | 重いセクションスチールと鉄の鋳物 |
| クロマイト砂 | fecr₂o₄ | > 1,700 ℃ | 高い熱伝導率 (≈ 7 W/m・K); 砂質化学反応の減少 | 高温合金投資鋳造; ガラス型 |
表面品質添加剤
達成するために より滑らかな鋳造表面 そして ウォッシュアウトを最小限に抑えます, Foundriesは、細かい有機または炭素質添加物を導入します:
- 石炭ダスト (海岸)
-
- 投与量: 1–3 wt % 砂ミックスの
- 関数: キャスト温度で, 石炭揮発物堆積物は、金属の流れを改善し、砂の融合を減らす薄い炭素層を堆積させます, 表面は、未処理の砂よりも20〜30％良く終了します.
- 光沢のある炭素添加物
-
- 化学: コールタールピッチとグラファイトミクロスフェアのブレンド
- 利点: カビの空洞に光沢のあるカーボンフィルムを生産します, 詳細をさらに強化し、砂の毛穴への金属浸透を防ぐ - 高精度のアルミニウムと真鍮の鋳物のために批判的.
穀物のサイズと細かさ
の アメリカ鋳造協会 (afs) 穀物の細かさ数 砂の選択をガイドします:
| AFS番号 | 平均粒径 | カビの挙動への影響 |
| 30–40 | 0.6–0.8 mm | 高い透過性, 粗い仕上げ |
| 50–70 | 0.3–0.6 mm | 透過性と詳細のバランス |
| 80–100 | 0.2–0.3 mm | 細かい詳細 (ra≤ 3 μm), 透過性が低い |
- 粗い砂 (AFS 30–40): ガスエスケープが表面の要件を上回る重いセクションに最適.
- ミディアムサンド (AFS 50–70): 一般的なエンジニアリング鋳物のための主力, 充填可能性と詳細の間に妥協を提供します.
- 細かい砂 (AFS 80–100): 薄い壁に必要です, 鋭いエッジ, そして小さな機能, しかし、多くの場合、ガスの流れを維持するために粗い穀物と混ざり合っています.
7. 砂の鋳造用の砂の重要な特性
| 財産 | 重要性 | 典型的な範囲 |
| 水分含有量 | 可塑性と. 透過性 | 2–4％ |
| 緑の強さ | 注ぐ前のカビの安定性 | 30–50 psi (0.2–0.3 MPa) |
| 透過性 | 噴出中にガスエスケープ | 200–400 (透過性数) |
| 耐久性 | 溶融金属温度に対する耐性 | 1,200–1,400°C |
| 折りたたみ性 | 固化後の砂の除去の容易さ | 0.5–1.5 mmの変形 |
| 粒の細かさ | 表面仕上げvs. 透過性 | AFS 40–100 |
8. 特定の鋳造アプリケーション用の砂の選択
金属タイプに基づいています
金属が異なると、融点と反応性のために異なる砂の特性が必要です:
- 鉄合金 (鉄, 鋼鉄):
これらの金属は高温で注ぎます, 多くの場合 1,400 ℃, 優れた砂を要求します 耐久性, 金属浸透抵抗, そして 熱安定性.
一般的な選択肢が含まれます:
-
- クロマイト砂 - 優れた熱伝導率と融合に対する耐性
- 高純度のシリカ砂 - 経済的で広く利用可能, 中程度の不応性で
- 非鉄合金 (アルミニウム, 銅, 亜鉛):
これらは低温で鋳造されています (600–1,100°C) ガス欠陥や表面粗さにより敏感です. 理想的な砂システムには含まれます:
-
- ジルコン砂 - 低熱膨張と優れた表面仕上げ
- 細粒のシリカ砂 - 費用対効果が高く、詳細な解像度が高い
鋳造の複雑さに基づいています
- シンプルな形: 緑の砂はコストになる可能性があります - 成形のしやすさのために効果的な選択.
- 複雑な形状: 化学的に結合した砂 (特に寒い - 箱) または樹脂 - シェル成形用のコーティングされた砂がその精度と詳細に好まれます - 保持能力.
生産量に基づいています
- 低 - ボリューム生産: 緑の砂は低コストと再利用性のために人気があります.
- 高 - ボリューム生産: 化学的に結合した砂 (コールド - 箱) または樹脂 - コーティングされた砂は一貫した品質とより速いサイクル時間を提供します, より高い初期コストにもかかわらず.
9. 砂の鋳造における砂の再生とリサイクル
砂の埋め立ての重要性
- 環境: バージンサンドの需要を減らします, 天然資源の節約, 埋め立ての廃棄物を最小限に抑えます.
- 経済: 砂の調達と廃棄コストを削減します, ファウンドリーに大幅な節約を提供します.
再生技術
- 物理的な埋め立て: スクリーニングなどの機械的プロセス, 消耗, バインダーと汚染物質を除去するためのスクラブ. シンプルなバインダーの砂に適しています (例えば, 緑の砂).
- 熱再生: 熱を使用して、バインダーと有機汚染物質を燃やします. 複雑なバインダーの方が効果的ですが、より多くのエネルギーが必要で、費用がかかります.
再生された砂と. バージンサンド
再生された砂には、特性がわずかに異なる場合があります, 穀物のサイズやバインダーの内容など. しかし, 適切な品質管理を備えています, 多くの鋳造アプリケーションの要件を満たすことができます.
環境への影響とコスト - 利益分析
埋め立てにはいくつかの環境への影響があります (例えば, 熱再生におけるエネルギー使用), 全体的な環境上の利点は、バージンサンドのみを使用することの影響を上回ります.
経済的に, 埋め立てからの節約は通常、機器とプロセスへの投資を超えています.
10. 砂の鋳造のための砂の将来の傾向
新しい砂材料の開発
- 強化された特性を備えた新しいタイプの砂を開発するための研究努力, 改善された耐久性など, より低い熱膨張, より良い環境互換性.
- 伝統的な砂タイプへの代替材料の探索, 廃棄物に由来する合成砂や砂など.
バインダーテクノロジーの進歩
- 排出量が少なく、パフォーマンスが向上した、より環境に優しいバインダーの開発.
- 新しいバインダーテクノロジーが強度を改善する方法, 透過性, 砂型とコアの他の特性, より高い - 高品質のキャスティングにつながります.
砂の取り扱いと加工の自動化
- 砂鋳造プロセスでの自動化の増加, 砂の混合を含む, 成形, と埋め立て.
- 自動化が砂の取り扱いの一貫性と効率を改善する方法, 人件費を削減する, キャスティングプロセスの全体的な品質を向上させます.
11. 結論
適切な砂タイプを選択すると、 成功した砂鋳造の基礎.
汎用性の高い緑の砂から精密な樹脂で覆われたシェルまで, 各システムは、独自の利点とトレードオフを提供します.
砂の組成を理解すること, 主要なプロパティ, 埋め立て戦略, 鋳造エンジニアは、高品質の鋳物を確保します, 経済的生産, 環境管理.
砂技術が進むにつれて、環境に優しいバインダーを包み込みます, デジタルプロセス制御, 添加剤の製造 - サンドキャスティングは、多様な産業全体で革新的なアプリケーションを促進し続けます.
