鋳物の表面が凝固して殻になる前に、砂型や砂中子などの鋳型材料が加熱されてガスが発生します。ガスは溶融金属に溶解しませんが、圧力を受けて溶融金属に侵入し、気泡と気孔を形成します。現在、我が国の湿式鋳型鋳造工場で発生する気孔欠陥のほとんどは、この種類の「侵入気孔」に属します。
砂型と砂中子から放出されるガスは、砂の細孔から排出されるのが最善です。しかし、砂型と砂中子の通気能力には限界があり、複雑な砂中子の場合は排気通路を作るのが特に困難です。発生するガス量が増えると、ガス源の界面ガス圧（「背圧」と呼ばれる）は増加し続けます。鋳込み速度が速い場合、そこにある溶湯の静圧がガス背圧を超え、ここのガスは溶湯に侵入できません。界面の溶湯がガス発生の背圧を超えるのに十分な静圧を時間内に確立できない場合、ガスは鋳物の未固化表面を貫通し、溶湯に浸透して泡を形成します。溶湯に穿孔された泡の加熱された体積は、膨張し続ける傾向があります。さらに、一部のガス源はガスを継続的に輸送し、溶湯に泡の列が現れます。侵入した気孔の形状は球形または洋ナシ形です。 先端が指している方向が、空気源の方向です。侵入する気孔の大きさはさまざまです。鋳物内のガス源からそれほど離れていないところに浮いて留まる場合もあれば、鋳物上面のスキンの下に集まって平らな形状になる場合もあります。鋳込み温度が高く、溶湯の粘度が低い場合、侵入した気泡は砂型上面から逃げるか、溶湯とともにオーバーフローライザーに流れ込む場合があります。気孔の発生源は、砂型や中子によって異なります。
1.気孔欠陥は、壁面の通気能力を高め、鋳物砂のガス発生を抑えることで防止できます。具体的な原因と予防策は次のとおりです。
1. 生砂鋳型には大量のガスがあります。鋳型砂の湿度が高すぎる場合、特に微粉炭の含有量が多すぎる場合は、溶融金属を鋳型のキャビティに注ぐときに大量のガスが突然放出される可能性があります。同時に排気がスムーズでない場合、ガス圧が溶融金属の局所静圧を超え、突然溶融金属に浸透して爆発的な飛沫を形成します。これは通常「窒息火災」と呼ばれ、鋳物に大きな泡を形成します。したがって、生砂鋳造中は、鋳物砂の圧縮率と水分含有量を厳密に制御する必要があり、ガス発生率が高すぎてはなりません。鋳物砂の有効微粉炭含有量は、主に鋳物の表面形態に基づいて制御する必要があります。鋳物の表面に砂がわずかに付着している場合は、微粉炭の量をわずかに増やすことができます。鋳物の表面が青くなっている場合は、微粉炭の有効量を減らして、過剰なガス発生を回避する必要があります。
2. 生砂中の不純物は加熱するとガスを放出します。鋳型砂に混入した小さな粘土玉、細断された紙玉、タバコの吸殻、吸湿性の砂中子破片などの有機物は、加熱するとガスを放出し、生砂中の水分を吸収した後に変化します。強力なガス生成性能を高めます。これらの不純物は鋳型のキャビティの表面に露出しており、必然的に集中したガス放出点になります。鋳造生産において、多くの原因不明の気孔欠陥は、ほとんどが鋳型砂に混入した不純物によって引き起こされます。時には泡が次々と生成され、鋳物の断面に一連の気孔になります。
3.湿式鋳型の砂中子と内部冷却鉄は湿気の影響を受けます。あるバルブ鋳造所では、造型後、すぐにコールドコアボックスの砂中子とバックルボックスを閉じ、翌日に鋳込みのために炉を開けます。鋳物の気孔欠陥の多くは、砂中子の吸湿が原因です。コールドコアボックスの砂中子は水分を吸収しやすいため、鋳込み時に砂中子に吸収された水分は加熱されるとすぐに水蒸気に蒸発し、溶融金属に入り込んで泡を形成します。当日に炉を開けられない工場では、中子を入れずにボックスを閉じ、開炉日まで待ってから砂型を開け、中子をセットし、型を閉じて鋳込み、砂型の過度の吸湿を避けることができます。熱い砂で造形するときは、より注意が必要です。造型後、一定時間待ってから鋳込みを行うと、熱い砂から継続的に放出される水蒸気が鋳型のキャビティ内で凝縮し、コールドサンドコア、コアサポート、または内部冷却鉄を取り付けます。 例えば、図 28 は、内径 4 インチ (ф101.6mm) の円筒形の鋳物を示しています。高温鋳物砂の水分含有量は 3.5%、温度は 58 度、室内および砂中子の温度は 18 度で、鋳物は鋳造後 80 分間放置されます。冷却、洗浄、機械加工後、鋳物の砂中子の上面付近には、砂中子の表面で水蒸気が凝縮して形成されたハニカム状の細孔欠陥が散在して見られます。
4. 砂型の排気能力が不十分：生砂は通気性が高く、界面での背圧を逃がすのに役立ちます。ただし、機械的な砂の固着や鋳物の表面粗さを避けるために、通気性が高すぎてはなりません。砂型の緻密性が高いほど、砂粒間の隙間が小さくなり、鋳造中の砂型の換気能力が低下します。気孔欠陥を防ぐために、通常は砂型の通気性だけに頼るのではなく、排気チャネルを追加して排気能力を向上させる必要があります。手動成形や簡単な機械成形では、砂型の換気能力を高めるために、成形作業者は先の尖ったドリルを使用して砂型の背面から非貫通の換気穴を突き刺します。換気穴の深さはパターンから約4〜5 mm離れているため、パターンの損傷を回避でき、鋳物砂の水分凝集層を貫通または近接して排気抵抗を減らすことができます。 砂型に直接大気中に通気孔を開けることも一般的です。機械化度の高い成形機では、テンプレートに平らなシート状や丸穴状の排気路を使用し、金型の各ボスに大気に開放されていない排気針を装備しています。通気ピンの高さが砂型の厚さの半分しかない場合でも、その場所の通気性の値は2倍になります。一部のモデリング生産ラインには、直通または半貫通の通気孔を掘削するための専用の掘削機があります。海外の鋳造所では、高圧成形ラインを使用してディーゼルエンジンのシリンダーブロックを生産していました。上部の砂型が開いた後、作業員は長手電動ドリルを使用して、金型キャビティから複数の排気穴を掘削しました。垂直分割射出成形の金型キャビティには空気保持部分があり、シート排気溝を使用してガスを排出できます。
5. 溶鉄の圧力と温度が低い：上砂箱の鋳型キャビティの上面に食い込む砂の量は少なすぎてはいけません。一方では、溶鉄が砂型を壊すのを防ぎます。他方では、溶鉄の静圧を高めて、砂型と砂コアの発達を抑制します。空気の背圧。砂型にゲートリングとライザーリングを配置すると、金属の水圧も高まります。溶鉄の注ぎ温度を上げると、溶鉄の粘度が低下し、泡が浮いて溶鉄から排出されやすくなります。同じ注ぎ鍋の最後のタイプの溶鉄の実際の注ぎ温度に特に注意してください。注ぎ温度を適切に上げることは、気孔への侵入を防ぐのに役立つだけでなく、気孔やその他の気孔の閉じ込め、冷気の断熱、注ぎ不足などの欠陥を防ぐのにも役立ちます。 オーバーフローライザーを開くと、泡や介在物が混ざった溶融鉄を鋳型キャビティから排出することができます。
2. 砂コアからガスが放出される
砂中子の製造に使用されるバインダーに関係なく、鋳物の製造では侵入型の気孔欠陥が発生する可能性が高くなります。砂中子は溶融鉄に囲まれて激しく加熱されるため、バインダーが分解して大量のガスが発生します。砂中子はコアヘッドを介して砂中子シートに接続され、ガスはコアシートから鋳型の外に排出されます。排気システムをスムーズにすることは困難です。自動車エンジンのシリンダーブロックやシリンダーヘッドなどの多重砂中子鋳物を生産する鋳造所でよく遭遇する気孔欠陥の大部分は、砂中子のガス放出によって引き起こされます。日本のトヨタ株式会社中央研究所は、自動車鋳物のフェノール樹脂砂シェルコアに溶融鉄を注ぐ際の界面での背圧と気孔生成メカニズムを研究しました。気孔が発生しやすい場所にシリコンダイヤフラム圧力センサーを使用し、鋳造後のシェルコアのガス圧（cm Fe）の変化を測定します。 同時に、注湯液面の上昇に伴い、溶銑圧力（単位は cm Fe）も上昇することが測定されました。結果によると、砂中子ガス圧力には 3 つのピークがあります（図 29 の曲線を参照）。I は、溶銑が砂中子をちょうど覆うときの背圧です。II は、10 ～ 30 秒後の背圧の最高ピークです。III はピーク値が低く、持続時間は砂中子の樹脂バインダー含有量によって異なります。注湯後の溶銑圧力 A がシェルコアのガス発生背圧よりも大きい場合、曲線は滑らかになり、気孔欠陥は発生しません。注湯時の溶銑圧力が B の場合、ガス圧 II ピークは大きく振動しますが、これは砂中子ガスが溶銑圧力を克服して溶銑に侵入するため、つまりバブル現象が発生するためです。 気泡吹き時間が短く、凝固前時間が長い場合、必ずしも気孔欠陥が発生するわけではありませんが、溶鉄圧力がAのときよりも気孔欠陥が多くなります。量産時には気孔欠陥が発生することがあります。有効溶鉄圧力がCのみの場合、砂中のガス背圧が溶鉄圧力を超え、溶鉄が砂中子を覆った直後に気泡が発生します。鋳物の表面が凝固し、曲線のI、II、IIIのピークが消えるまで続けます。これは、鋳物に気孔欠陥があることを示しています。時間圧力曲線から、注湯後の任意の時点で溶鉄圧力が界面の背圧を超えても、砂中子から溶鉄に気泡が入り込むことはないことがわかります。
3. 砂中子からの気孔の侵入を防ぐために一般的に使用される方法は次のとおりです。
1. 砂コアの排気能力を高める：可能であれば、砂コアの中央に滑らかな排気穴が必要です。コアヘッドとコアシートの隙間が大きい場合は、砂コアヘッドを耐火繊維フェルトパッド、マッドストリップ、アスベストロープなどのシール材で囲み、溶融金属が排気チャネルに浸透しないようにする必要があります。厚くて断面が大きい砂コアの場合は、くり抜いたり、半分に掘って格子状の内部キャビティにしてから接着する必要があります。樹脂自己硬化砂コアの最も一般的な排気方法は、砂コアの任意の形状に沿って砂コアに簡単に埋め込むことができるナイロン編組ホースを使用することです。内燃機関のシリンダーヘッドやエンジンブロックなどの複雑な鋳物の砂コアの場合は、砂コアの排気能力に特別な注意を払う必要があります。ホットコアボックス、コールドコアボックス、シェルコアはすべて一体型です。 排気管を事前に埋め込むことはできませんが、コア作成中に換気針またはロッドを配置して作成できます（一部はコア作成前に抽出する必要があります）。 多くの場合、砂コアが硬化した後、超硬ドリルビットを使用してコアヘッドを掘削し、排気を助けます。 かつて海外の量産自動車鋳造工場を見たことがあります。 多気筒シリンダーヘッドウォータージャケットサンドコアを製造する際に、特殊なマルチヘッド掘削機を使用して、ウォータージャケットサンドコアの各冷却水チャネルコアヘッドに下から上まで同時に止まり穴を掘削しました。 掘削深さは大きくありませんが、排気に非常に有利です。
2.樹脂砂コアのガス発生を可能な限り低減します。結合強度が高く、ガス発生が少なく、ガス発生が遅いバインダーを選択し、バインダーの添加量を減らし、砂コアを慎重に焼成するなどの対策により、砂コアのガス発生を低減できます。ガス量とガス発生速度。
3. 鋳込み速度と鋳込み温度を上げる：乱流が発生してガスが閉じ込められ、鋳型が侵食されないことを前提として、鋳込み速度を上げて金属液圧を素早く高め、ガスの侵入を防ぐ必要があります。また、鋳込み温度を上げて溶鉄の粘度を下げ、入ってきた泡が簡単に浮上し、金属の流れとともにオーバーフローライザーに排出されるようにすることも最善です。鋳物に閉じ込められたり侵入したりしている気孔欠陥がある場合、鋳込み温度を30〜50度上げることで気孔欠陥を排除できるのはそのためです。生産中は、各鋳込みパッケージの最後の溶鉄箱の実際の温度を制御する必要があります。最終的な溶鉄の温度が低下するため、気孔欠陥が発生しやすくなります。
4. コアヘッド点火：鋳込み中に、砂型上部の砂コア排気システムのガス出口に点火し、砂コアから逃げるガスに点火します。ガス出口の抽出力を高め、砂コアのガス排出速度を上げることができます。
