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砂型鋳造（砂型鋳造とも呼ばれる）は、鋳型材料として砂（鋳造砂とも呼ばれる）を使用する金属鋳造プロセスです。「砂型鋳造」という用語は、砂型鋳造プロセスによって製造された物体を指す場合もあります。砂型鋳造品は、鋳造所と呼ばれる専門の工場で製造されます。2003年には、すべての金属鋳造品の60%以上が砂型鋳造によって製造されました。[ 1 ]
砂型は比較的安価で、製鋼所での使用にも十分な耐火性を備えています。砂に加えて、適切な結合剤（通常は粘土）が混合されるか、砂に含まれています。この混合物は、粘土の強度と可塑性を高め、成形に適した状態にするために、通常は水で、場合によっては他の物質で湿らせられます。砂は通常、フラスコと呼ばれる枠または鋳型箱のシステムに収容されます。鋳型の空洞とゲートシステムは、パターンと呼ばれるモデルの周りに砂を圧縮するか、砂に直接彫刻するか、または3Dプリンティングによって作成されます。
このプロセスには5つのステップがあります。
設計図に基づいて、型職人は木材、金属、または発泡ポリスチレンなどのプラスチックを使用して、製造する物体の型を作成します。砂は、研磨、掃き出し、または塗布して成形できます。鋳造される金属は凝固中に収縮しますが、冷却が不均一なため、この収縮は不均一になる場合があります。そのため、型は完成品よりもわずかに大きくする必要があります。この差は収縮代と呼ばれます。金属の種類によって収縮率が異なるため、異なる縮尺ルールが使用されます。型には、鋳型内に砂型を配置するための目盛りが付けられています。このような砂型は、ワイヤーで補強されることもあり、バルブの内部通路やエンジンブロックの冷却通路など、上型と下型では成形できないアンダーカット形状や空洞を作成するために使用されます。
鋳型キャビティへの金属の流入経路はランナーシステムを構成し、スプルー、良好な金属供給を維持する各種フィーダー、およびランナーシステムを鋳造キャビティに接続するインゲートが含まれます。鋳造中に発生したガスと蒸気は、透過性のある砂を通して、またはライザー[注1 ]を介して排出されます。ライザーは、パターン自体に追加されるか、別個の部品として追加されます。
砂型を作る職人は、型紙に加えて、道具を使って穴を開けることもできた。
鋳型（鋳造フラスコとも呼ばれ、上部と下部はそれぞれ上型と下型と呼ばれる）を鋳型にセットする準備が整えられます。鋳型は、互いに、また端部の留め具で連結できる複数のセグメントで構成されています。片面が平らな単純な形状の物体の場合、底部が閉じられた鋳型の下部に鋳型砂が充填されます。砂は、ラミングと呼ばれる振動プロセスで詰め込まれ、この場合は定期的に均されます。砂の表面は、サイジング剤で安定化されることがあります。鋳型を砂の上に置き、別の鋳型セグメントを追加します。鋳型の上と周囲にさらに砂を詰め込みます。最後に、鋳型に蓋をし、回転させて留め具を外し、鋳型の半分を分離して、スプルーとベントパターンが付いた鋳型を取り出します。必要に応じてサイジング剤を追加し、鋳型の取り外しによって生じた欠陥を修正します。最後に鋳型を再び閉じます。これにより「生型」が形成され、溶融金属を流し込むためには乾燥させる必要があります。型が十分に乾燥していないと、蒸気爆発が発生し、溶融金属が飛び散る可能性があります。場合によっては、砂を湿らせる代わりに油を塗布することで、砂が乾燥するのを待たずに鋳造が可能になります。また、砂はフラン樹脂やアミン硬化樹脂などの化学結合剤で結合させることもできます。
積層造形（AM）は砂型準備に使用でき、砂型をパターンの周りに砂を詰めて形成する代わりに、3Dプリントで砂型を作ることができます。これにより、パターン作成が不要になるため、鋳造のリードタイムを短縮できます。[ 3 ]積層造形は、従来の方法に取って代わるだけでなく、従来のパターンから派生したキャビティ用のさまざまなAMプリントコアを作成するなど、ハイブリッドモデルでそれらを補完することもできます。[ 3 ]
金属の凝固構造を制御するために、鋳型内に金属板（チル）を配置することが可能です。これにより局所的に急速な冷却が行われ、より微細な結晶構造が形成され、これらの箇所ではやや硬い金属が形成される場合があります。鉄系鋳造では、この効果は鍛造における金属の焼き入れに似ています。エンジンシリンダーの内径は、チリングコアによって硬化されます。他の金属では、チルを使用して鋳造品の方向性凝固を促進することができます。鋳造品の凝固方法を制御することで、鋳造品内部の空隙や多孔性を防ぐことが可能です。
コアとは、成形において、型だけでは形成できない中空の空洞や内部構造を作り出すために使用される装置であり、通常は砂を用いて作られるが、金属製の永久コアを使用する工程もある。
エンジンブロックやシリンダーヘッドの液冷用など、鋳造品内部に空洞を作るには、ネガティブ型を用いてコアを製作します。通常、砂型で成形されるコアは、型を取り外した後、鋳造ボックスに挿入されます。コアを使用すると、セットアップ時間、重量、ひいてはコストが増加するため、可能な限りコアを使用しない設計が採用されます。
適切な含水率で鋳型が完成したら、砂型が入った箱を溶融金属（通常は鉄、鋼、青銅、真鍮、アルミニウム、マグネシウム合金、または鉛、錫、亜鉛を含むことが多い様々な合金）を流し込む位置に置く。溶融金属を流し込んだ後、金属が十分に冷えて強度が出るまで箱を脇に置いておく。その後、砂を取り除くと、粗い鋳物が現れ、鉄や鋼の場合はまだ赤く光っていることがある。鉄や鉛のように鋳砂よりもかなり重い金属の場合は、鋳型が浮き上がるという問題を防ぐために、鋳型フラスコを厚い板で覆うことが多い。鋳型が浮き上がるとは、金属の圧力によって鋳型キャビティの上の砂が変形し、鋳物が失敗する現象である。
鋳造後、コアは棒やショットで砕かれ、鋳造品から取り除かれます。スプルーとライザーの金属は、粗鋳造品から切り取られます。初期冷却による応力を緩和し、硬度を高めるために、さまざまな熱処理が施されることがあります。鋼鉄や鉄の場合は、水または油で焼入れが行われます。鋳造品は、ショットピーニングなどの表面圧縮処理によってさらに強化され、引張割れに対する耐性が向上し、粗い表面が滑らかになります。また、高い精度が要求される場合は、鋳造品の重要な部分を仕上げるために、さまざまな機械加工（フライス加工やボーリング加工など）が行われます。その例としては、シリンダーのボーリング加工や、鋳造エンジンブロックのデッキのフライス加工などが挙げられます。
製造する部品とその型は、各工程に対応できるように設計する必要があります。型を鋳型砂を乱すことなく取り外せるようにし、中子を受け入れて配置するための適切な位置を確保する必要があります。型から型を取り外せるように、パーティングラインに垂直な面には、ドラフトと呼ばれるわずかなテーパーを付ける必要があります。この要件は中子にも適用され、中子は成形された中子ボックスから取り外す必要があります。スプルーとライザーは、鋳型内で金属とガスが適切に流れるように配置して、鋳造が不完全にならないようにする必要があります。中子または鋳型の一部が外れた場合、それが最終的な鋳造品に埋め込まれて砂穴を形成し、鋳造品が使用不能になる可能性があります。ガスポケットは内部空隙を引き起こす可能性があります。これらはすぐに目視できる場合もあれば、大規模な機械加工を行った後に初めて明らかになる場合もあります。重要な用途、または無駄な労力のコストが問題となる場合は、作業を進める前に非破壊検査法を適用することができます。
一般的に、砂型鋳造法は大きく2種類に分けられます。1つ目は生砂を用いる方法、2つ目は空気硬化法です。
これらの鋳造品は、水と有機結合化合物（一般的に粘土と呼ばれる）を含む「湿った」砂から作られた砂型を使用して製造されます。「グリーンサンド」という名前は、砂型が「固まっていない」、つまり金属を型に流し込んでもまだ「グリーン」または未硬化の状態であることに由来します。グリーンサンドは色が緑色なのではなく、湿った状態で使用されるという意味で「グリーン」なのです（生木に似ています）。名前が示唆するのとは異なり、「グリーンサンド」はそれ自体が砂の一種ではなく（つまり、地質学的な意味でのグリーンサンドではなく）、むしろ以下の混合物です。
粘土の割合に関するレシピは数多くありますが、いずれも成形性、表面仕上げ、溶融金属の脱ガス能力の間で異なるバランスを取っています。鋳造工場で一般的に海炭と呼ばれる石炭は、5%未満の割合で含まれており、溶融金属の存在下で部分的に燃焼し、有機蒸気の放出につながります。非鉄金属の生砂鋳造では、生成されるCOが酸化を防がないことから、石炭添加剤は使用されません。アルミニウム用の生砂には、通常、オリビン砂（ダナイト岩を粉砕して作られるフォルステライトとファヤライトの混合物）が使用されます。
砂の選択は、金属を注ぐ温度に大きく関係しています。銅や鉄を注ぐ温度では、粘土は熱によって不活性化され、モンモリロナイトは非膨張性粘土であるイライトに変化します。ほとんどの鋳造所は、燃え尽きた粘土を除去して新しい粘土と交換するための非常に高価な設備を備えていないため、鉄を注ぐ鋳造所では、他の砂に比べて安価なシリカ砂を使用するのが一般的です。粘土が燃え尽きると、新しい混合砂が追加され、古い砂の一部は廃棄されるか、他の用途にリサイクルされます。シリカは、鋳造時に熱衝撃を受けると、シリカ砂の変成粒子が爆発してサブミクロンサイズの粒子を形成する傾向があるため、砂の中で最も好ましくありません。これらの粒子は作業場の空気中に放出され、作業員に珪肺症を引き起こす可能性があります。鉄鋳造所では、この微細なシリカを捕集するために、強力な集塵装置に多大な労力を費やしています。鋳造所では、さまざまな種類の呼吸保護具も使用されています。[ 4 ] [ 5 ]
砂には、 680 °C (1250 °F)でアルファ石英からベータ石英に変化する石英に伴う寸法不安定性も存在します。多くの場合、木粉などの可燃性添加剤が加えられ、鋳型を変形させることなく粒子が膨張するための空間が作られます。そのため、オリビンやクロム鉄鉱などは、粒子の急速な膨張を引き起こす相転移がないため使用されます。オリビンやクロム鉄鉱は密度も高いため、金属の冷却が速くなり、金属の結晶粒構造がより微細になります。これらは変成鉱物ではないため、シリカに見られる多結晶構造を持たず、結果として危険なサブミクロンサイズの粒子を形成しません。
エアセット法は、粘土以外の材料で結合した乾燥砂を速硬化性接着剤で固める方法です。後者は、焼成不要の鋳型鋳造とも呼ばれます。これらを用いる場合、それらは「生砂」鋳造と区別するために、総称して「エアセット」砂型鋳造と呼ばれます。鋳型砂には、天然結合砂（河岸砂）と合成砂（湖砂）の2種類があり、後者は組成がより均一であるため、一般的に好まれます。
どちらの方法でも、砂の混合物をパターンの周りに詰めて、鋳型キャビティを形成します。必要に応じて、後で鋳造液を注ぐためのチャネルを形成するために、砂の中に一時的なプラグを置き、パターンに接触させます。エアセット鋳型は、コープとドラッグと呼ばれる上部と下部を持つ鋳造フラスコを使用して形成されることがよくあります。砂の混合物は、パターンの周りに追加されるときに突き固められ、最終的な鋳型アセンブリは、砂を圧縮して鋳型内の不要な空隙を埋めるために振動されることがあります。次に、パターンとチャネルプラグが取り除かれ、鋳型キャビティが残ります。次に、鋳造液（通常は溶融金属）が鋳型キャビティに注がれます。金属が凝固して冷却された後、鋳造品は砂型から分離されます。通常、離型剤は使用されず、鋳型は一般的に取り外しの過程で破壊されます。[ 6 ]
鋳造の精度は、砂の種類と成形プロセスによって制限されます。粗い生砂で作られた砂型鋳造品は表面に粗い質感を与え、識別しやすくなっています。細かい生砂で作られた鋳造品は鋳造直後は光沢がありますが、パターン内のポケットの深さと幅の比率によって制限されます。エアセット型は粗い生砂よりも滑らかな表面の鋳造品を作ることができますが、この方法は主に、プロセスで使用されるプラスチックのコストのため、パターンに深く狭いポケットが必要な場合に選択されます。エアセット鋳造品は通常、表面の焦げた色で簡単に識別できます。鋳造品は通常、その焦げた色を取り除くためにショットブラストされます。表面は、たとえば大きな鐘を作る場合、後で研磨することもできます。成形後、鋳造品は酸化物、ケイ酸塩、その他の化合物の残留物で覆われます。この残留物は、研磨やショットブラストなどのさまざまな方法で除去できます。
鋳造工程では、熱鋳造プロセスによって砂混合物の成分の一部が失われます。生砂は、失われた水分と添加物を補充するように組成を調整することで再利用できます。型自体は、新しい砂型を作るために何度でも再利用できます。砂型鋳造プロセスは、何世紀にもわたって手作業で鋳造品を製造するために使用されてきました。1950年以降、生産ライン向けに部分的に自動化された鋳造プロセスが開発されました。
コールドボックスは、有機および無機バインダーを用いて砂に化学的に結合させることで型を強化します。このタイプの型は、他の砂型のようにオーブンで焼かないことからその名が付けられました。このタイプの型は、生砂型よりも寸法精度が高い反面、高価です。そのため、必要な用途でのみ使用されます。
ノーベーク型は、通常の砂型と同様に使い捨ての砂型ですが、速硬化性の液体樹脂と触媒も含まれています。砂型は、砂を詰め込むのではなく、フラスコに注ぎ込み、樹脂が固まるまで保持します。樹脂は室温で固まります。このタイプの成形は、他のタイプの砂型よりも優れた表面仕上げを実現します。[ 7 ]熱が関与しないため、冷間硬化プロセスと呼ばれます。一般的に使用されるフラスコ材料は、木材、金属、プラスチックです。ノーベーク型に鋳造される一般的な金属は、真鍮、鉄（鉄系）、アルミニウム合金です。
真空成形（Vプロセス）は、ほとんどの鉄系金属および非鉄金属の砂型鋳造プロセスの変形であり、[ 8 ]結合していない砂を真空でフラスコ内に保持します。パターンには真空を通すことができるように特別な通気口が設けられています。熱で軟化した薄いシート（0.003～0.008インチ（0.076～0.203 mm））のプラスチックフィルムをパターンに被せ、真空（200～400 mmHg（27～53 kPa））を引きます。特殊な真空成形フラスコをプラスチックパターンの上に置き、流動性の高い砂を充填します。砂を振動させて圧縮し、上型に湯口と注ぎ口を形成します。フラスコ内の砂の上に別のプラスチックシートを置き、特殊なフラスコを通して真空を引きます。これにより、結合していない砂が硬化して強化されます。次に、パターン上の真空を解除し、上型を取り外します。下型も同様に（湯口と注湯カップなしで）作ります。中子を所定の位置にセットし、型を閉じます。上型と下型がまだ真空状態にある間に溶融金属を注ぎます。これは、プラスチックが蒸発する一方で、真空によって金属が固まる間、砂の形状が維持されるためです。金属が固まったら、真空をオフにして砂を自由に流し出し、鋳造品を取り出します。[ 9 ] [ 10 ]
Vプロセスは、プラスチックフィルムにある程度の潤滑性があり、フラスコ内で真空引きをするとわずかに膨張するため、ドラフトを必要としないことで知られています。このプロセスは寸法精度が高く、 最初の1インチは±0.010インチ、それ以降は±0.002インチ/インチの公差となっています。0.090インチ（2.3 mm ） という小さな断面も可能です。表面仕上げは非常に良好で、通常150～125 rmsです。その他の利点としては、水分による欠陥がなく、バインダーのコストがかからず、砂の透過性に優れ、バインダーの燃焼による有毒ガスが発生しないことが挙げられます。また、砂がパターンに接触しないため、パターンが摩耗することもありません。主な欠点は、このプロセスが従来の砂型鋳造よりも遅いため、年間約10,000～15,000個程度の少量から中量の生産にしか適していないことです。しかし、パターンがプラスチック製であるため容易に修正でき、プロトタイプ製作には最適です。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
自動車および機械製造業の急速な発展に伴い、鋳造品の消費分野では、着実な生産性向上が求められるようになった。機械成形および鋳造プロセスの基本的な工程は、手動砂型鋳造プロセスで説明した工程と類似している。しかし、技術的および精神的な発展は非常に急速かつ深遠であったため、砂型鋳造プロセスの性質は根本的に変化した。
最初の機械化された成形ラインは、砂を鋳型内で圧縮する砂振り装置や衝撃圧縮装置で構成されていた。その後、鋳型の取り扱いはクレーン、ホイスト、ストラップを用いた機械式となった。コアセット後、上型と下型はガイドピンで連結され、より正確な位置決めのためにクランプで固定された。鋳型はローラーコンベア上で手動で押し出され、鋳造と冷却が行われた。
品質要求の高まりに伴い、金型の安定性を向上させるため、成形型内の砂に徐々に高い圧縮圧力と最新の圧縮方法を適用する必要が生じた。1950年代初頭には高圧成形が開発され、機械式、そして後に自動式の成形型ラインに採用された。初期のラインでは、成形型内の砂を事前に圧縮するために衝撃と振動を利用し、圧縮空気で駆動するピストンで金型を圧縮していた。
最初の自動水平フラスコラインでは、砂はフラスコ内のパターンにショットまたはスリングで落とされ、最大140バールの油圧で圧縮されました。その後の金型の取り扱い（反転、組み立て、コンベアでの押し出しなど）は、手動または自動で行われました。1950年代後半には、フラスコ内の砂の圧縮に油圧駆動ピストンまたはマルチピストンシステムが使用されました。この方法は、手動または空気圧で可能な方法よりもはるかに安定した正確な金型を製造しました。1960年代後半には、事前に圧縮された砂型に高速の空気圧またはガス圧降下による金型圧縮（砂インパルスおよびガスインパクト）が開発されました。ほとんどの水平フラスコラインシステムの一般的な動作原理は、下の図に示されています。
現在、自動水平フラスコ成形ラインのメーカーは数多く存在する。これらのシステムの主な欠点は、可動部品が多いためスペアパーツの消費量が多いこと、フラスコの保管、輸送、メンテナンスが必要なこと、そして生産性が 1時間あたり約90～120個の金型に限定されることである。
1962年、Dansk Industri Syndikat A/S (DISA- DISAMATIC ) は、垂直に分割して注湯する金型を使用することで、フラスコを使わない成形プロセスを発明しました。最初のラインでは、1時間に最大240個の砂型を製造できました。現在、成形ラインは1時間に550個の砂型を成形でき、監視オペレーターは1人だけで済みます。2つの金型の半分の最大ミスマッチは0.1 mm (0.0039インチ)です。垂直分割金型は非常に高速ですが、これらの機械で稼働させるには特殊な工具が必要なため、一般的には受託鋳造工場では使用されていません。コアは手作業ではなくコアマスクを使用してセットする必要があり、分割面に置くのではなく金型内に吊り下げる必要があります。
マッチプレートの原理、すなわち同一プレートの両面に2つのパターンを持つパターンプレートの原理は、1910年に開発され特許を取得しており、将来の砂型成形技術の改良への展望を切り開いた。しかし、マッチプレート技術を応用した初の自動フラスコレス水平成形ラインを最初に稼働させたのは、1960年代初頭のアメリカのハンター・オートメーテッド・マシナリー社であった。
DISA（DISAMATIC）の垂直成形と同様に、この方法はフラスコを用いない水平成形です。マッチプレート成形技術は現在広く用いられています。その大きな利点は、パターン金型が安価であること、成形金型の交換が容易であること、そして、請負鋳造工場に典型的な少量生産に適していることです。最新のマッチプレート成形機は、高い成形品質、機械と金型のミスマッチによる鋳造品のずれが少ないこと（場合によっては0.15 mm（0.0059インチ）未満）、研削作業が少なく、パーティングラインの明確性が向上する安定した金型を実現できます。さらに、機械は密閉されているため、作業環境がより清潔で静かになり、作業者が安全上のリスクやサービス関連の問題にさらされる可能性が低減されます。
金型製造の自動化に伴い、職場における安全要件がさらに強化された。機械が使用される地域や管轄区域によって、適用される自主的な技術基準は異なる。
カナダには、砂型製造機械に関する機械固有の自主的な技術規格はありません。この種の機械は、以下の規格の対象となります。
機械の安全対策、CSA Z432。カナダ規格協会。2016年。
さらに、電気安全要件は以下によってカバーされます。
産業用電気機械、CSA C22.2 No. 301. 2016.
EUにおける砂型製造装置の主要な規格は、 鋳造用鋳型および中子製造機械及び関連設備の安全要件、EN 710です。欧州標準化委員会（CEN）。
電気安全に関してはEN 710をEN 60204-1と併用する必要があり、機能安全に関してはEN ISO 13849-1およびEN ISO 13849-2またはEN 62061と併用する必要があります。金型製造装置の動作をサポートするために必要なコンベア、ロボット、その他の機器については、追加のタイプC規格が必要になる場合もあります。
砂型製造装置に関する機械固有の規格はありません。ANSI B11規格群には、この種の機械に適用できる汎用工作機械規格がいくつか含まれており、例えば以下のようなものがあります。
砂型を作るには、主に4つの構成要素があります。それは、ベースとなる砂、結合剤、添加剤、そして離型剤です。
鋳型砂（鋳造砂とも呼ばれる）は、耐火性、化学的不活性、透過性、表面仕上げ、凝集性、流動性、崩壊性、入手可能性/コストの8つの特性によって定義されます。[ 13 ]
耐火性— これは、鋳造される溶融金属の温度に耐え、崩壊しない砂の能力を指します。たとえば、アルミニウム合金を鋳造する場合、砂は650 °C (1,202 °F)に耐えるだけでよい場合もありますが、鋼の場合は1,500 °C (2,730 °F)に耐える砂が必要です。耐火性が低すぎる砂は溶けて鋳造物に付着します。[ 13 ]
化学的不活性性— 砂は鋳造される金属と反応してはならない。これはマグネシウムやチタンなどの反応性の高い金属の場合に特に重要である。[ 13 ]
透過性— これは砂のガスを排出する能力を指します。注湯工程では水素、窒素、二酸化炭素、水蒸気など多くのガスが発生し、これらが鋳型から排出されないと、ブローホールやガスホールなどの鋳造欠陥が発生するため、これは重要です。鋳型に加えた水1立方センチメートルあたり、1600ccの水蒸気が発生します。[ 13 ]
表面仕上げ— 砂粒子のサイズと形状によって達成可能な最高の表面仕上げが決まり、粒子が細かいほど仕上がりが良くなります。しかし、粒子が細かくなるほど（そして表面仕上げが良くなるにつれて）、透水性は悪くなります。[ 13 ]
凝集力（または結合力）—これは、型を取り除いた後も砂が特定の形状を保持する能力です。[ 14 ]
流動性– 特別な工程や設備なしに、砂が複雑なディテールや狭い角に流れ込む能力。[ 15 ]
崩壊性— これは、鋳造物が固まった後に砂が鋳造物から容易に剥がれる能力のことです。崩壊性の低い砂は鋳造物に強く付着します。冷却中に大きく収縮する金属や、凝固温度範囲が長い金属を鋳造する場合、崩壊性の低い砂は鋳造物にひび割れや熱間割れを引き起こします。崩壊性を向上させるために特殊な添加剤を使用できます。[ 15 ]
入手可能性/コスト— 砂の入手可能性とコストは非常に重要です。なぜなら、1トンの金属を流し込むごとに、3～6トンの砂が必要となるからです。[ 15 ]砂はふるいにかけて再利用できますが、粒子が細かくなりすぎるため、定期的に新しい砂と交換する必要があります。[ 16 ]
大型鋳造では、砂の大部分が鋳物と接触しないため、特別な特性を必要としないため、2種類の砂を使用する方が経済的です。鋳物と接触する砂は表面砂と呼ばれ、手元の鋳物用に設計されています。この砂は、パターンの周囲に30～100 mm（1.2～3.9インチ）の厚さに盛り上げられます。表面砂の周囲を埋める砂は裏砂と呼ばれます。この砂は、少量の結合剤のみを含むシリカ砂で、特別な添加剤は含まれていません。[ 17 ]
ベースサンドは、結合剤なしで型やコアを作るために使用されるタイプの砂です。結合剤がないため、互いに結合せず、この状態では使用できません。[ 15 ]
シリカ（SiO 2）砂は、海岸で見られる砂であり、最も一般的に使用されている砂でもあります。砂岩を粉砕して作られるか、海岸や川床などの自然発生場所から採取されます。純粋なシリカの融点は1,760 °C (3,200 °F)ですが、使用される砂は不純物のために融点が低くなります。鋼鉄などの高融点鋳造には、最低でも 98% の純度のシリカ砂を使用する必要がありますが、鋳鉄や非鉄金属などの低融点金属には、純度の低い砂 (94 ～ 98% の純度) を使用できます。[ 15 ]
シリカ砂は、豊富に入手でき、コストも低いため、最も一般的に使用されている砂です。欠点としては、熱膨張率が高く、融点の高い金属では鋳造欠陥を引き起こす可能性があり、熱伝導率が低いため、鋳造不良につながる可能性があります。また、特定の金属と化学的に反応して表面欠陥を形成するため、使用できません。さらに、注湯中にシリカ粒子を放出するため、鋳造作業員に珪肺症のリスクがあります。 [ 18 ]
オリビンは、ダナイトという鉱物から得られる鉄とマグネシウムのオルトケイ酸塩の混合物です。主な利点はシリカを含まないため、マンガン鋼などの塩基性金属と併用できることです。その他の利点としては、熱膨張率が低いこと、熱伝導率が高いこと、融点が高いことなどが挙げられます。[ 18 ]
クロマイト砂はスピネルの固溶体です。その利点は、シリカの含有量が少ないこと、非常に高い融点（1,850 °C (3,360 °F) ）、および非常に高い熱伝導率です。欠点はコストが高いことであり、そのため高価な合金鋼の鋳造や中子を作る際にのみ使用されます。 [ 18 ]
ジルコン砂は、約3分の2が酸化ジルコニウム（ZrO 2）で、3分の1がシリカからなる化合物です。すべてのベース砂の中で最も高い融点2,600 ℃（4,710 °F）を持ち、熱膨張率が非常に低く、熱伝導率が高いです。これらの特性から、合金鋼やその他の高価な合金の鋳造によく使用されます。また、表面仕上げを改善するために、モールドウォッシュ（成形キャビティに塗布するコーティング）としても使用されます。ただし、高価で入手が容易ではありません。[ 18 ]
シャモットは、耐火粘土（Al 2 O 3 -SiO 2）を1,100 °C (2,010 °F)以上で焼成して 作られます。融点は1,750 °C (3,180 °F)で、熱膨張率が低いです。2 番目に安い砂ですが、シリカの 2 倍の価格です。欠点は、粒子が非常に粗いため表面仕上げが悪く、乾式砂型鋳造に限定されることです。表面仕上げの問題を克服するために、型洗浄が使用されます。この砂は通常、大型鋼製ワークピースの鋳造に使用されます。[ 18 ] [ 19 ]
結合剤は、砂の粒子同士を結合させるために、ベースとなる砂に添加されます（つまり、型を固定する接着剤のようなものです）。
粘土と水の混合物が最も一般的に使用される結合剤です。一般的に使用される粘土にはベントナイトとカオリナイトの2種類があり、前者が最も一般的です。[ 20 ]
亜麻仁油、その他の植物油、海洋油などの油はかつて結合剤として使用されていましたが、価格の上昇により、ほとんど使用されなくなりました。また、油は硬化させるために100～200 ℃（212～392 °F）で慎重に焼く必要がありました（加熱しすぎると油がもろくなり、型が無駄になります）。[ 21 ]
樹脂バインダーは、天然または合成の高融点ゴムです。一般的に使用されるのは、尿素ホルムアルデヒド（UF）樹脂とフェノールホルムアルデヒド（PF）樹脂の2種類です。PF樹脂はUF樹脂よりも耐熱性が高く、コストも低くなっています。また、熱ではなく触媒を使用してバインダーを硬化させる常温硬化型樹脂もあります。樹脂バインダーは、さまざまな添加剤と混合することでさまざまな特性が得られるため、非常に人気があります。その他の利点としては、良好な収縮性、低ガス発生、鋳造品の良好な表面仕上げなどが挙げられます。[ 21 ]
MDI（メチレンジフェニルジイソシアネート）は、鋳造コア製造工程で一般的に使用されるバインダー樹脂でもある。
水ガラス（ケイ酸ナトリウム[Na 2 SiO 3または (Na 2 O)(SiO 2 )]）は、中子と鋳型の両方にシリカ鋳型砂とともに使用される高強度バインダーです。[ 22 ]： 69-70細かく粉砕した砂（例えば、砂ミキサーを使用）と3～4%のケイ酸ナトリウムバインダーの混合物を硬化させるには、二酸化炭素（CO 2）ガスが使用されます。[ 22 ]： 69-70混合物は室温でガスに曝され、次のように反応します。[ 22 ]： 69-70
このバインダーの利点は、室温で使用でき、速乾性があることです。欠点は、強度が高いため、鋳造時に型から外すのが難しくなり、熱割れ（おそらく石英の反転によるもの）が発生する可能性があることです。 [ 21 ] [ 22 ]： 70混合したケイ酸ナトリウムと砂は、ヒートガンで加熱して剛性を高めることもできます。
成形部品には、表面仕上げ、乾燥強度、耐火性、および「クッション性」を向上させるための添加剤が加えられます。
石炭粉、ピッチ、クレオソート、燃料油などの還元剤を最大 5% まで鋳型材料に添加することで、濡れ防止 (溶融金属が砂粒子に付着して鋳造表面に残るのを防ぐ)、表面仕上げの改善、金属浸透の減少、および焼き付き欠陥の低減が実現されます。これらの添加剤は、鋳型キャビティの表面にガスを発生させることで、溶融金属が砂に付着するのを防ぎます。還元剤は、鋳造中に金属を浸炭する可能性があるため、鋼の鋳造には使用されません。 [ 23 ]
高温金属を鋳造する際に、スキャビング、ホットティア、ホットクラックなどの鋳造欠陥を減らすために、木粉、おがくず、粉状の殻、泥炭、わらなどの「緩衝材」を最大3%まで添加することができます。これらの材料は、金属を注ぐ際に燃焼して鋳型内に微細な空隙を作り、砂粒子が膨張できるようにするため有益です。また、崩壊性を高め、型から外す時間を短縮します。[ 23 ]
デキストリン、デンプン、亜硫酸塩、糖蜜などの穀物系バインダーを最大2%まで使用することで、乾燥強度（硬化後の鋳型の強度）を高め、表面仕上げを向上させることができます。穀物系バインダーは、金属を注ぐ際に燃焼するため、崩壊性を向上させ、型から外す時間を短縮します。穀物系バインダーの欠点は、高価であることです。[ 23 ]
酸化鉄粉末を最大2%まで添加することで、鋳型の割れや金属の浸透を防ぎ、耐火性を大幅に向上させることができます。シリカ粉（微細シリカ）やジルコン粉も、特に鉄鋳物において耐火性を向上させます。これらの添加剤の欠点は、透過性を大幅に低下させることです。[ 23 ]
鋳造前に型からパターンを取り出すために、パターンに離型剤を塗布して取り外しを容易にします。離型剤は液体または微粉末（粒子径75～150マイクロメートル（0.0030～0.0059インチ））です。一般的な粉末にはタルク、グラファイト、乾燥シリカがあり、一般的な液体には鉱物油や水性シリコン溶液があります。後者は金属や大型の木製パターンでより一般的に使用されます。[ 24 ]
粘土型は、古代中国では殷王朝時代（紀元前1600年頃～1046年頃）から使用されていた。有名な后母武鼎（紀元前1300年頃）も粘土型を用いて作られた。
アッシリア王センナケリブ（紀元前704年～681年）は、最大30トンもの巨大な青銅器を鋳造し、「ロストワックス」法ではなく粘土型を使用した最初の人物であると主張している。[ 25 ]
かつて私の祖先の王たちは、神殿に飾るために実物の姿を模した青銅像を制作しましたが、その制作方法は技術不足と原理の理解不足から職人を疲弊させ、制作に大量の油、蝋、獣脂を必要としたため、自国で不足を引き起こしました。しかし、あらゆる仕事に精通した全王の長である私、センナケリブは、その制作にあたって多くの助言を受け、深く考えました。ニヌシュキが私に授けてくれた技術を駆使し、私の知性と心の願いに突き動かされ、私は青銅の技法を発明し、巧みに制作することで、私以前のどの王も作ったことのないような、巨大な青銅の柱や巨大な歩みのライオン像を作り上げました。私はまるで神の啓示を受けたかのように粘土の型を作り、12体の獰猛なライオンの巨像と12体の力強い雄牛の巨像を完璧な鋳造品として作りました。私は何度も何度も銅を流し込み、まるでそれぞれがわずか半シェケルの重さしかないかのように巧みに鋳造しました。
1206年、イスマイル・アル＝ジャザリは、砂を用いた密閉型鋳型箱での金属鋳造について初めて記述した。[ 26 ] [ 27 ]
1540年頃、砂型鋳造法はヴァンノッチョ・ビリングッチョの著書に記録されている。[ 28 ]
1702年から1707年の間に、アブラハム・ダービー1世はジョン・トーマスと共に、グリーンサンドと鋳造箱を組み合わせて薄壁の調理器具を大量生産する技術を改良し、その改良に対して特許を取得した。[ 29 ]
1924年、フォード・モーター・カンパニーは100万台の自動車を生産し、その過程で米国全体の鋳造生産量の3分の1を消費するという記録を打ち立てた。自動車産業が成長するにつれて、鋳造効率の向上に対するニーズが高まった。第一次世界大戦と第二次世界大戦中および戦後に、自動車および機械製造産業の成長に伴う鋳造品の需要増加は、砂型鋳造プロセスの機械化、そして後に自動化における新たな発明を刺激した。
鋳造生産の高速化には、1つのボトルネックではなく、複数のボトルネックがあった。成形速度、鋳型砂の準備、砂の混合、コア製造プロセス、キュポラ炉での金属の溶解速度の遅さに改善が加えられた。1912年、アメリカのビアズリー＆パイパー社が砂投げ機を発明した。1912年、シンプソン社が個別に回転するプラウを備えた最初の砂ミキサーを販売した。1915年、鋳型砂の結合添加剤として、単純な耐火粘土の代わりにベントナイト粘土を使用した最初の実験が始まった。これにより、鋳型の生強度と乾燥強度が飛躍的に向上した。1918年、アメリカ陸軍向けの手榴弾を製造する最初の完全自動化鋳造工場が稼働を開始した。1930年代には、アメリカで最初の高周波無芯電気炉が設置された。1943年、広く使用されていたねずみ鋳鉄にマグネシウムを添加することで、ダクタイル鋳鉄が発明された。 1940年、熱砂再生法が鋳型砂と中子砂に適用された。1952年には、微細なプレコート砂を用いたシェルモールド製造のための「Dプロセス」が開発された。1953年には、中子を熱硬化させるホットボックス中子砂法が発明された。1954年には、新しい中子バインダーである水ガラス（ケイ酸ナトリウム）が、周囲の空気中のCO₂で硬化して登場した。
2010年代には、積層造形技術が商業生産における砂型製造に応用され始めた。砂型は、型の周りに砂を詰め込んで作られるのではなく、3Dプリンターで製造されるようになった。
![{\displaystyle {{\text{Na2O(SiO2)}}{}+{}\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightleftharpoons } {}{\text{Na2CO3}}{}+{}{\text{2SiO2}}{}+{}\mathrm {Heat} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7e1c23769d30fe5dbdbaa4e0f6f2b5c0bd3083e9)