粘土生砂の主な特徴は、成形が容易なことです。衝撃を与えて圧縮することで、希望の形状にすることができます。また、使用される原料、例えば、珪砂、粘土、石炭粉末、その他の添加剤は安価で豊富です。そのため、今日のさまざまな鋳造プロセスの急速な発展において、粘土生砂成形プロセスは依然として鋳造業界で絶対的な優位性を持っています。
粘土緑砂の基本成分は、珪砂、ベントナイト、水です。鋳鉄鋳物の製造に使用される粘土緑砂では、石炭粉末は欠かせない添加剤であり、鋳物の表面品質と寸法安定性の向上に非常に重要な役割を果たします。石炭粉末の品質が悪い、不適切な選択、または不適切な添加は、鋳物の表面欠陥（砂の付着、気孔、膨張欠陥など）の増加につながり、スクラップ率が上昇するだけでなく、鋳物の洗浄作業負荷も増加します。
過去 30 年間、石炭粉末の代替材料を見つけるための多くの研究が行われてきましたが、現在でも石炭粉末は最も広く使用されている添加剤であり、最も費用対効果の高い添加剤です。
1．石炭鉱床
石炭は、古代の植物が層状に堆積し、水中または十分な水分のある条件で埋もれた長い地質学的期間にわたる石炭化の産物です。石炭化の程度の違いにより、泥炭、亜炭、瀝青炭、無煙炭の4つのカテゴリに分類できます。形成条件の違いにより、さまざまな石炭の総炭素含有量は49％から97％の範囲になります。無煙炭は鉱化期間が最も長く、鋳造用の石炭粉末は瀝青炭から作られています。
瀝青炭は石炭化度の高い石炭で、粉砕すると灰黒色から黒色、茶色から黒色になります。揮発性物質とコロイド含有量の違いにより、瀝青炭は長炎炭、ガス炭、脂肪炭、粘結炭、赤身炭に分類されます。
揮発分の多い長炎炭とガス炭は、加熱するとまず不安定な低沸点の液相を多く形成し、その後急速に分解してガスとなって逃げます。残った液相は、残った粒子をくっつけるのに十分ではありません（コークス化できません）。揮発分が少ない希薄炭は、熱分解すると沸点の高い液相を形成できますが、量が多くなく、コークス化に十分ではありません。太炭と粘結炭は揮発分が中程度で、加熱するとより多くの液相を形成でき、残った粒子をくっつけやすくなります（コークス化）。鋳造用の石炭粉は、主に太炭と粘結炭から作られています。
瀝青炭を加熱すると起こるさまざまな変化
瀝青炭は加熱すると、まず水分が除去され、その後分解して揮発性物質を放出します。瀝青炭の分解は、大きく分けて4つの段階に分けられます。
第一段階は200度以下で、水が除去され、少量のCO2が放出されます。この段階での反応速度は低いです。
第2段階: 200-350度、水蒸気とCO2の放出が続くことに加えて、COが放出され始め、少量のタールが沈殿します。これは熱分解の初期段階とみなすことができます。
第三段階: 350-550 度、分解反応の速度が上昇し、分解生成物は主に低分子量炭化水素およびその他の有機化合物であり、この段階では基本的にタールが沈殿します。瀝青炭も軟化-溶融-凝固のプロセスと、体積収縮-膨張-収縮のプロセスを経ます。
350-390 度付近で、瀝青炭は徐々に軟化し、体積が収縮します。その後、瀝青炭は融解し始め、徐々に液相が増加し、固体、液体、ガスが混ざったコロイドを形成します。初期段階では、沈殿したガスの量が増えるため、コロイドの体積は急速に膨張します。ガスがある程度沈殿した後、沈殿量は急激に減少し、コロイドの体積はそれに応じて収縮します。最終的に、コロイドは半コークスと呼ばれる多孔質の固体に固まります。一般に、この段階での瀝青炭の体積変化は図 1 に示されています。図 1 加熱中の瀝青炭の体積変化
C－初期の体積収縮率
S－その後の体積拡大。
D－総容積の拡大。
第4段階では、550度以上で水蒸気、CO2、CO、H2、メタン、アセチレン、アンモニアなどのさまざまなガスが沈殿し続け、セミコークスがコークスに変換されます。
第 3 段階と第 4 段階で生成されたガスは、高温の固体表面で凝縮して、炭素含有量の高いグラファイトのような膜を形成します。これは通常、ブライトカーボンと呼ばれます。さまざまな炭化水素物質の中で、芳香族炭化水素は熱分解されてブライトカーボンを形成する可能性が最も高くなります。
3．鋼鉄鋳物の表面への砂付着の形成
溶融金属が金型に注入されると、金属と成形材料、金型内の雰囲気の間で、金属と金型の界面で一連の物理的、化学的、物理化学的反応が発生します。砂の固着は、これらの多くの反応の総合的な結果の 1 つです。その中で、FeO は極めて重要な役割を果たします。
FeOの融点は1370度程度で、一般鋳鉄の融点よりも高い。しかし、FeOが珪砂と接触すると、融点1205度のファヤライト（Fe2SiO4）を生成しやすい。ファヤライトはSiO2やFeOと共晶を生成し、融点は1130度程度。砂粒子の表面に粘土などのアルカリ酸化物がある場合は、より融点の低い珪酸塩も生成されることがある。
溶融金属自体には一定量の酸素が含まれているため、鋳鉄（鋼）および鋳込み工程中に液体の流れが大気中の酸素によって酸化されます。また、鋳型キャビティへの入湯当初は鋳型内の大気によっても酸化されます。溶融金属が鋳型に入った後、金属と鋳型の界面にFeOが存在し、金属の静圧ヘッドの作用により、FeOは砂粒の表面に付着し、砂粒と粘土とともに低融点の珪酸塩を形成し、砂粒の表面が溶融します。金属がまだ固化していない場合は、界面近くの低融点の珪酸塩が砂型の奥深くまで押し込まれます。砂粒間の隙間が広がり、砂粒表面には溶融金属に濡れやすい珪酸塩があるため、溶融金属は砂粒間の隙間に浸透し、溶けていない砂粒を包み込み、粘着性のある砂を形成します。 このプロセスは図2に大まかに示されています。
図2 鋳物砂付着物の形成過程の図
a)溶融金属が金型の表面と接触し、金属表面が酸化される。
b)FeOは珪砂や粘土と接触して溶融性珪酸塩を形成します。
