アルミ砂型鋳造：表面粗さから内部品質、そして匠の技まで

アルミ砂型鋳造品に対して、その表面が「ザラザラしている」と感じる方もいれば、「すべすべしている」と感じる方もいるのをご存知でしょうか。この表面品質の印象の違いは、単なる感覚ではなく、鋳造に使われる砂の種類と粒度に深く関係しています。砂型鋳造では、鋳型の砂粒の凹凸がそのまま製品表面に転写されるため、砂粒の大きさが鋳肌の粗さに直結するのです。

砂型鋳造は、型製作のコストが低く、試作期間が短いという経済的な利点から、多くの産業で広く使われています。少量生産や複雑な形状、大型部品の鋳造にも対応できる汎用性の高さも魅力です。しかし、鋳造メーカーが本当に重視するのは、見た目の表面品質だけではありません。製品の機能性や信頼性を左右する「内部品質」の確保こそが、彼らにとって最も重要な課題なのです。

「良い内部品質」とは、鋳造品内部に鋳造欠陥：鋳巣（ちゅうす）が極めて少なく、組織が緻密であることを指します。内部に空洞があると、製品の強度低下やエアーリーク、オイルリーク、さらには破損といった深刻な問題を引き起こしかねません。そのため、鋳造メーカーはこれらの内部欠陥を徹底的に排除するため、高度な技術と長年の経験に裏打ちされた「ノウハウの塊」を駆使しています。

表面の印象から始まり、内部品質の追求に至るこのプロセスは、アルミ砂型鋳造の奥深さと、それを支える匠の技の存在を浮き彫りにします。実は、表面の美観を追求することが、内部品質の維持を難しくする可能性もあり、このバランスをいかに管理し最適化するかが、鋳造の重要な側面となります。

砂粒が織りなす表面の表情：粒度と鋳肌の科学

砂型鋳造で製造された部品の表面は、使用する鋳物砂の粒度に大きく左右されます。鋳物砂の粒度は「号」という単位で表され、号数が小さいほど砂粒は粗く、号数が大きいほど細かくなります。

• 微細な砂（例：7号、8号）を使用すると、砂粒間の隙間が小さくなります。これにより、溶けたアルミニウムが砂粒間に深く浸透しにくくなり、鋳肌の凹凸が抑えられます。その結果、滑らかで見た目にも美しい「すべすべ」とした鋳物が得られます。これは、特に表面の美観が重視される製品に適しています。
• 一方、粒度が粗い砂を使用すると、砂粒間の隙間が大きくなるため、溶けた金属が砂粒間に物理的に侵入しやすくなります。この「金属の浸透」と呼ばれる現象が、鋳肌に「肌荒れ」を生じさせ、粗い仕上がりになります。

一松君

ただし、表面品質は砂の粒度だけでなく、砂型の緻密性（砂のつき固め強度）、溶けた金属の流動性、鋳型の強度（粘結剤や水分量）など、複合的な要因に影響されます。

滑らかな鋳肌とガス欠陥のトレードオフ

滑らかな鋳肌を実現するために微細な砂を使うことは有効ですが、微細な砂を使うと「通気度」が低くなるという課題が伴います。通気度とは、鋳型が鋳造時に発生するガスや水蒸気を外部に排出する能力のことです。砂粒が細かいほど通気性が悪くなる傾向にあります。

通気度が低い鋳型では、溶けた金属を注ぐ際に発生するガス（粘結剤の燃焼ガスや砂中の水分由来のガス）が鋳型外に排出されにくくなり、鋳物内部に閉じ込められて「ガス欠陥」（ブローホールやピンホール）が発生するリスクが高まります。

これはつまり、砂の粒度が細かいほど鋳肌は滑らかになる反面、通気性が悪化し、ガス欠陥のリスクが高まるということです。鋳造メーカーは、表面の美観と製品の機能的完全性の間で、いかに繊細なバランスを取るかが求められます。そのため、砂の粒度を慎重に選び、通気性不足を補うためのガス抜き設計や添加剤の使用といった工夫を凝らす必要があります。

内部品質の生命線：鋳巣欠陥との闘い

鋳巣は、鋳造品の内部や表面に空洞ができる現象で、鋳造プロセスで発生する代表的な欠陥です。鋳巣は製品の強度を著しく低下させ、エアーリークやオイルリーク、最終的な破損といった機能的な問題を引き起こすため、鋳造メーカーにとってその排除は最重要課題とされています。

鋳巣欠陥は、主に「ガス欠陥」と「引け巣」の二つに大別され、それぞれ異なるメカニズムで発生します。

1. ガス欠陥のメカニズムと対策

ガス欠陥は、溶けた金属中や鋳型内で発生したガスが鋳物内部に閉じ込められることで生じます。

主な原因

• 溶けた金属中の水素ガス: 大気中の水蒸気や、インゴット、ヒシャクなどに付着した水分が溶けたアルミニウム中に溶け込むことで水素ガスが発生します。特に梅雨時は湿度が高く、ピンホール欠陥が発生しやすくなります。
• 鋳型・中子からのガス発生: 砂型を固めるために使う粘結剤（樹脂）が、高温の溶けた金属に触れることで燃焼し、ガスを発生させます。砂中に含まれる水分も水蒸気となりガスを発生させます。これらが鋳物内部に閉じ込められると、ブローホールなどのガス欠陥となります。
• 空気の巻き込み: 溶けた金属を鋳型に流し込む際に、湯の流れが乱れることで空気を巻き込み、それが鋳巣となることがあります。
• 通気性不良: 通気性の悪い砂型は、鋳型内で発生したガスが外部に逃げにくいため、多孔性（微細なエアポケットや隙間）を生じさせます。

対策

多角的な対策が講じられます。

• 脱ガス処理: 溶けた金属中の水素ガスを除去する最も効果的な対策の一つです。窒素ガスやアルゴンガスをアルミ溶湯中に吹き込むことで水素ガスを放出し、除去します。脱ガス効果は減圧凝固試験（ピンホールテスター）で確認されます。
• 鋳型からのガス排出管理:
  • 砂型製作において、砂中の水分量を最小限に抑えることが求められます。水分が多いと内部に巣が発生しやすいため、自硬性設備などの導入により水分含有量を厳しく管理します。
  • ガス発生の少ない砂粘結剤を用いることも対策の一つです。
  • 砂の粒径や粘結剤の適正化により、鋳型の通気度を高く保ち、発生したガスがスムーズに外部へ逃げるようにすることも不可欠です。
  • さらに、鋳型にガス抜き穴を設けたり、トランスベクターを用いて強制的にガスを鋳型外に排出したりする工夫も重要です。ガス抜き穴の適切な位置、大きさ、数の設計には、3D CADやシミュレーション技術が活用されます。

2. 引け巣のメカニズムと対策

引け巣は、金属が溶融状態から凝固する際に体積が減少（凝固収縮）する特性に起因します。この体積減少を補う溶けた金属が十分に供給されないと、内部に空洞ができ、これが引け巣となります。特に、製品の肉厚部分は冷却速度が遅く、内部が液体のまま周囲が先に凝固収縮してしまうと、引け巣が発生しやすくなります。

対策

• 押湯の設計: 凝固収縮による体積減少を補うため、押湯を適切に配置し、溶けた金属を補給します。押湯は、凝固中の溶けた金属に静圧を与え、停滞ガスや溶けた金属から発生するガスを除去する役割も果たします。
• 凝固管理: 注湯温度や冷やし金（鋳物の特定部分の冷却を促進する金属片）の位置を最適化し、凝固速度と方向をコントロールすることで、引け巣の発生を抑制します。

一松君

近年は鋳巣欠陥を防ぎ、高品質な内部組織を実現するために、湯流れ・凝固解析シミュレーションが積極的に取り入れられています。

溶けた金属の充填状況や凝固過程を予測し、シミュレーションすることで最適な鋳造方案を設計することが出来るようになってきました。

シミュレーション技術の導入により、熟練技術者の長年の経験知を形式知化し、その知識をデータベースとして蓄積・活用することも行われています。これにより若手技術者への技術継承が加速され、より複雑な製品や新たな材料への挑戦が飛躍的に進むようになりました。

鋳物砂の種類と機能：匠が選ぶ素材の力

鋳物砂は単に「砂」と一括りにされがちですが、その種類は多岐にわたり、それぞれが異なる特性を持ち、鋳造品の品質に大きく影響します。鋳造メーカーは、製品の要求品質やコスト、生産性に応じて最適な砂を選定します。

主要な鋳物砂とその特性

鋳造メーカーは、製品の特定の要求品質（表面の滑らかさ、内部の健全性、機械的強度、コストなど）に応じて、これらの複数の特性を総合的に考慮して最適化しています。例えば、高精度で美しい鋳肌を求める場合は細かい砂を選びますが、それによって生じる通気性不足やガス欠陥のリスクを補うために、ガス抜き設計や特定の添加剤を組み合わせる必要がでてきます。この最適化プロセスこそが、鋳物メーカーの「ノウハウ」の核をなす部分であり、単なる材料知識に留まらず、プロセス全体を見通す深い理解と経験が求められます。

鋳物砂を固める粘結剤（バインダー）の種類と役割

砂だけでは鋳型として形状を保てないため、鋳物砂には「粘結剤（バインダー）」と硬化剤が混ぜられ、混練されて鋳型が固められます。このバインダーの種類と硬化方法によって、鋳型の特性や製造プロセスが大きく異なります。

主なバインダーシステムには、熱硬化型（シェルモールド法）、自硬化型（フラン自硬性、フェノールウレタン、アルカリフェノール自硬性）、ガス硬化型（コールドボックス法）の3種類があります。例えば、フラン鋳型ではフラン樹脂を粘結剤とし、有機スルホン酸などの酸を硬化剤として使用します。バインダーの性質は、鋳型の強度、寸法安定性、貯蔵性、鋳肌品質、そして鋳物を取り出す際の崩壊性といった、鋳造品の品質と生産性に直結します。

鋳物砂に添加される各種添加剤とその効果

鋳物砂には、特定の鋳造欠陥を防止したり、鋳肌を改善したりするために、様々な添加剤が少量配合されます。これらは鋳造メーカーのノウハウの結晶とも言えます。

• ソルビット、グリセリン、コーンシロップ（湿潤剤）: 鋳型表面の安定度を向上させ、砂かみ（溶けた金属が鋳型に侵入して固着する欠陥）の防止や鋳肌の改善に効果があります。
• VEINO (スターチ粒子): 有機添加剤で、注湯中に溶けた金属の熱で燃焼し消失することで砂粒間に空隙を作り、鋳型のクッションとして作用します。これにより、ベーニング（鋳型表面の層状剥離）の抑止、鋳肌の向上、そして鋳仕上げ工数の削減に繋がります。
• ISOSEAL (無機添加剤): 特殊な鉱物質成分が砂の熱膨張を吸収し、高いクッション性を発揮します。これにより、塗型剤（鋳型表面に塗布する保護材）の使用を省くことが可能になり、コスト削減に貢献します。
• 澱粉: 鋳造欠陥である「すくわれ」（鋳型の一部が溶けた金属の勢いでめくれ上がる現象）や「しぼられ」（鋳型の熱膨張により鋳肌に線状の凹みが生じる現象）の防止、鋳型表面の安定剤、そして焼結した鋳型内でのクッション材としての役割を果たします。
• 石炭粉、木粉: 珪砂の熱膨張による「しぼられ」や「すくわれ」といった欠陥の防止に用いられます。ただし、これらは鋳込み時にガスを発生させるため、添加量の管理が重要です。
• 鉄粉: 溶けた金属と濡れにくい性質を持ち、鋳物の砂落ち・砂離れを改善します。また、注湯時に還元性雰囲気を作ることで、化学的焼着の防止が期待されます。

バインダーや様々な添加剤は、砂の基本的な物性（粒度、熱膨張など）を補完するだけでなく、鋳型の強度、崩壊性、ガス発生量、鋳肌安定性といった特性を積極的に「調整」し、鋳造プロセス全体の性能を向上させる役割を果たします。砂の選択だけでなく、その砂に何を「混ぜるか」が、鋳造品の最終的な品質に影響を与えます。特に、有機系バインダーの燃焼ガス発生や、一部添加剤のガス発生リスクを考慮しつつ、最適な組み合わせと量を選択するのが「匠の技」なのです。

持続可能なものづくり：再生砂の賢い活用術

砂型鋳造では大量の鋳物砂が使用されますが、鋳型に使用された砂は一度きりで廃棄されるのではなく、多くの場合、適切に処理されて「再生砂」として再利用されます。これは、環境負荷や経済的に非常に重要です。

鋳物砂の再生処理プロセスと、その環境的・経済的メリット

鋳造後、凝固した鋳物を取り出すために鋳型を壊す「解枠（バラシ）」作業が行われます。この際、鋳物と分離された砂は再生装置に回収されます。再生装置では、使用済み砂の表面に付着した樹脂の燃え残りや微粉などの残渣が研磨によって除去され、清浄な状態に戻されます。この研磨工程で発生した微粉は集塵機で回収され、再生された砂は冷却されて再び新しいバインダーや硬化剤と混練され、次の鋳型造型に利用されます。

砂の再生利用メリットは下記のようなものです。

• 環境負荷低減: 廃棄物の発生量を大幅に抑制し、埋め立て処分される産業廃棄物の量を減らすことで、環境負荷の低減に貢献します。日本の鋳物砂の再生利用率は91%と非常に高く、再資源化が進んでいる産業廃棄物の一つです。また、砂の採掘に伴う環境負荷も低減できます。
• コスト削減: 新砂の購入費用を削減できるため、製造コストの低減に直結します。
• 持続可能な生産体制: 砂の循環利用は、資源の有効活用と環境保護を両立させ、鋳造業界全体の持続可能な生産体制を支える重要な要素となっています。

再生砂の利用は、単なるコスト削減に留まらず、廃棄物削減、資源循環、そしてCO2排出量削減といった環境的に優しい取り組みです。ただし、使用済み砂の表面に付着する残渣やそれに伴う物性変化が鋳物品質に影響を与える可能性があるため、厳格な品質管理が不可欠です。

新品砂と再生砂の賢い使い分けと品質管理

再生砂は環境的・経済的に大きなメリットがある一方で、新砂とは異なる特性を持つため、その賢い使い分けと厳格な品質管理が、高品質な鋳物製造の鍵となります。新砂の表面がきれいなのに対し、再生砂の表面には樹脂が燃えた残渣が付着しており、これにより物性（例: 結合力、ガス発生量）がわずかに変化します。

鋳造メーカーは、「混ぜてはいけない、常に新品で使う砂」と「混ぜても良い、リサイクルした砂」を使い分けています。これは単なるコスト削減策ではありません。

• 新品砂の活用: 製品の表面品質や内部品質が特に厳しく要求される部分、すなわち鋳肌に直接影響する箇所や、高い気密性が求められる部分には、品質が安定し、ガス発生が少ない「新品砂」を優先的に使用します。これにより、最高の品質を確保します。
• 再生砂の活用: 製品の内部や、品質要求が比較的緩やかな空間を埋めるだけの部分には「再生砂」を使用します。これにより、コスト削減と環境負荷低減を両立させながら、製品全体の品質を維持します。

この使い分けは、製品の各部位に求められる品質要求を詳細に分析し、それに合わせて最適な砂を配置する「ゾーン管理」のアプローチです。品質が厳しく要求される部分には安定した新品砂を使い、それ以外の部分で再生砂を効率的に活用することで、品質とコストの最適なバランスを図る、高度な鋳造方案設計のノウハウです。

結論

アルミ砂型鋳造は、一見するとシンプルな製造プロセスに見えるかもしれませんが、その実態は、表面品質から内部品質、材料選定、プロセス管理、そして持続可能性に至るまで、多岐にわたる高度な技術と深いノウハウが凝縮された「ものづくりの極致」と言えます。製品の表面が「ザラザラ」か「すべすべ」かという印象の違いは、単に砂の粒度の違いだけでなく、通気性や溶湯浸透性といった砂の物理的特性と、それが引き起こすガス欠陥や引け巣といった内部品質の問題との間のトレードオフです。

鋳造メーカーは、溶けた金属中のガスを徹底的に除去する脱ガス処理、鋳型からのガス排出を最適化する水分管理やガス抜き設計、そして凝固収縮による引け巣を防ぐ押湯設計や凝固管理など、多角的なアプローチで内部品質の向上に努めています。これらの対策は、単一の技術に依存するものではなく、鋳物砂の種類（珪砂、山砂、特殊砂など）とその特性、さらに粘結剤や各種添加剤の選定と配合に関する深い知識と経験が不可欠です。特に、ソルビットやVEINO、ISOSEALといった添加剤は、鋳肌の改善や欠陥防止に顕著な効果を発揮し、鋳物砂の機能を拡張する役割を担っています。

また、現代の鋳造業界では、持続可能性への貢献も重要な課題となっています。鋳物砂の再生利用は、廃棄物削減とコスト削減を両立させるだけでなく、資源循環型社会の実現に貢献する重要な取り組みです。新品砂と再生砂を製品の品質要求に応じて戦略的に使い分ける「ゾーン管理」は、品質と環境負荷、経済性の最適なバランスを追求する鋳造メーカーの高度な知見の表れです。

さらに、湯流れ・凝固解析シミュレーション技術の導入は、従来の経験と勘に頼りがちだった鋳造プロセスに科学的な根拠と予測可能性をもたらし、試作回数の削減やコスト低減に大きく貢献しています。これは、熟練技術者の経験知を形式知化し、次世代への技術継承を加速させる上で極めて重要な役割を果たしています。

このように、アルミ砂型鋳造は、単なる製造技術の枠を超え、材料科学、プロセス工学、環境科学、そしてデジタル技術が融合した、常に進化し続ける分野です。鋳造メーカーの「ノウハウの塊」とは、これらの複雑な要素を統合し、高品質で信頼性の高い製品を効率的かつ持続可能な方法で生み出すための、長年にわたる試行錯誤と絶え間ない技術革新の結晶であると言えるでしょう。

一松

機械設計　一筋20年

某理工学部機械工学科　大学/大学院卒業後メーカーに設計者として勤務
少しでも設計者のみなさんにお役に立てる情報を発信していければと思っています。