砂型鋳造において、引け巣とひけ巣は鋳物に最もよく見られる内部欠陥です。引け巣は、鋳物の厚肉部や熱中心部に不規則な大きな空洞として現れ、壁面が粗く、樹枝状結晶が見られます。一方、ひけ巣は、微細に分散した気孔の塊として現れ、主に鋳造軸方向または厚みの接合部に発生します。これらの欠陥は機械的特性と気密性を著しく損ない、ひけ巣や早期破損につながる可能性があります。鋳造ワークフローの中核プロセスである鋳型設計と中子製作は、引け巣と空洞の防止に決定的な役割を果たします。本稿では、鋳型製作手順の重要な側面に焦点を当て、これらの発生率を低減するための効果的な対策を体系的に概説します。
I. 鋳造剛性と充填圧力の設計を最適化する
1. 上部ボックスの高さを確保し、金属の静圧を高める
上部ボックスの高さが不十分だと、鋳物の最終凝固段階で金属の収縮圧力が大幅に低下し、冷却能力が低下して、熱接合部のひけつれ巣やひけ巣が発生しやすくなります。水平分割構造の鋳鋼ポンプ（鋳鋼分割ケースポンプケーシング）の場合、上部ボックスと下部ボックスの重量バランスに特別な注意を払う必要があります。上部ボックスが小さすぎると、収縮圧力が不十分になり、ポンプフランジ上部にひけ巣が集中する原因になります。上部ボックスの重量は、溶融金属の静的水力揚程の 1.5 倍以上にする必要があり、必要に応じて追加の重量を加える必要があります。生産慣行では、砂を節約したり鋳型コストを削減したりするために上部ボックスの高さを妥協することは厳禁です。浅い上部ボックスが必要な構造の場合、補償ソリューションには以下が含まれます。
断熱ライザースリーブまたは加熱ライザーを使用して、ライザー内の金属液体の凝固時間を延長します。
注ぎ口カップを使用して高温の金属液体をライザーに持ち上げたり、連続的に追加したりすることで、スムーズな充填チャネルと充填圧力を維持します。
2. 鋳物の全体的な剛性とコンパクト性を向上させる
金型の剛性が不十分だと、鋳造前の焼成時にキャビティが膨張したり、溶融金属の流動による静圧によって液体の充填が不十分になる可能性があります。スプリットケースポンプボディは、複雑なランナー面と多数のコアを備えているため、構造的な補強を強化する必要があります。
ポンプ本体フランジの厚い部分には、クロマイト砂などの高蓄熱材料を局部的に鋳造し、凝固を促進して収縮や緩みの傾向を軽減します。
流路コアに冷間鉄骨構造（Φ20mm鋼棒など）を埋め込み、コアの剛性を高めて浮き上がりを防止し、放熱を促進して流路壁厚の微小収縮の発生を防止します。
ボックスを閉じた後、パーティング面ボルトに予備締め付け力を加えます（≥0.2MPa）。
2、スプルーと冷鉄システムの科学的設計
1. 連続凝固と方向性収縮の強化
特殊鋳造設計：ミッドケーシングポンプ本体は、入口/出口フランジの上部に目に見えるライザーを備え、逆円錐状のネックデザイン（上部が広く、下部が狭い）により、収縮補正チャネルが妨げられることなく確保されます。インペラ通路の背後には、砂型コアの内部空洞を利用した隠しライザーが設置されており、この領域での放熱が遅いことに起因する軸方向収縮を防止します。
革新的な冷鉄の適用：ポンプ渦巻管の可変断面積部に、コンフォーマル湾曲冷鉄（壁厚の約0.8倍）を組み込みます。冷鉄間の間隔は壁厚の1.5倍に縮小され、局所的な冷却勾配を精密に制御できます。冷鉄と鋳物砂の間の隙間は0.5mm以下に抑えられており、溶融金属の浸入による熱橋（ひけつぼ）の発生を防止します。
注湯システム：溶融金属によるキャビティの過度な浸食を避けるため、底部注入式オープン注湯システムを推奨します。内部注湯路の位置は、ホットスポットを十分に冷却できる位置に配置することで、孤立した高温部や引け巣の発生を回避します。
2. 熱接合を避け、鋳物/成形品の構造を最適化する
加工公差と修正により鋳造組織を最適化します。断面サイズの急激な変化（過度な肉厚差）を避け、孤立した高温接合部を減らすよう努めます。厚肉部と薄肉部の接合部には、遷移設計を採用します。
適切なコーナー設計：凹型コーナーの半径（R）が不十分だと、砂の冷却効率が低下し、凝固が遅れ、空気収縮による気孔が増加します。半径（R）が大きすぎると、熱衝撃部が厚くなり、収縮による気孔の発生につながる可能性があります。理想的なコーナー半径は、隣接する壁厚の約3分の1です。
鋳型/鋳巣のメンテナンス: 摩耗した鋳型/鋳巣を定期的に点検および修理し、鋳物の壁の厚さが設計要件を満たしていることを確認し、再鋳造チャネルを妨げる局所的な薄化を回避します。
3. 砂の性能とコーティングプロセスの厳格な管理
1.鋳物砂の性能が基礎
• 通気性：通気性が悪いと、鋳型内の水蒸気やガスの排出が阻害され、ガス圧が未凝固金属液に浸透して収縮傾向を悪化させ、ガス収縮の複合欠陥を形成する可能性があります。定期的な検出と調整が必要です。
• 水分とガス放出：砂の水分を厳密に管理し、ガス放出を抑えます。水分が多すぎると強度が低下し、ガス放出が増加するだけでなく、局所的な冷却速度が遅くなり、収縮や緩みを引き起こします。
• 強度と熱安定性: 金型壁が早期に降伏したり、ひび割れが生じて補助冷却環境が破壊されるのを防ぐために、十分な湿潤/乾燥強度と熱安定性を確保します。
2.コーティングプロセスの最適化
• 厚い部分や高温のノードに急速冷却コーティング（ジルコニア粉体コーティングなど）を塗布して、その部分の凝固を促進します。
• 均一性を確保するため、コーティングの濃度と厚さを厳密に管理してください。コーティングが厚すぎる、または不均一な場合、断熱性が低下し、理想的な連続凝固勾配が損なわれます。
IV. コア掘削作業の詳細とプロセス制御に焦点を当てる
1. 微細な成形とコア作り
• 鋳型砂の水分蓄積と冷却の不均一化につながる、局所的な過度な水ブラッシングを回避するために、造型とトリミングの操作を標準化します。
• 砂コアが完全に乾燥していること（特にコアヘッド）と、通気チャネル（ワックスワイヤ、通気ニードル）が妨げられていないことを確認して、砂コアのガスが金属の凝固および収縮プロセスを妨げ、緩い収縮や空気収縮穴が発生するのを防ぎます。
• 砂コアの位置決めと安定性を確保し、コアの浮きやずれによる壁厚の不均一を回避し、予期しない高温接合部を生じないようにします。
2. 箱の密封と注入の準備
• ボックスは正確に配置されており、間違ったタイプによる局所的な厚みの増加によって生じる熱い接合部の形成を防止します。
• 注ぎ口カップとライザーリングが安定して配置され、しっかりと密閉されています。
• 大型で複雑な鋳造品の場合、鋳造品の全体的な精度と剛性を向上させるために、樹脂砂中子成形が推奨されます。
V. 操作特性と他のプロセスとの連携
中開度ポンプの特殊動作点
• 砂型コアの組み合わせ位置決め：3Dプリント位置決めカードプレートを使用して流路コアグループを組み立て、コアヘッド間の隙間を0.8mm未満にすることで、コアのドリフトによる壁厚の不均一や偶発的な熱収縮や緩みを防止します。
• ボックスの閉鎖圧力を維持します。パーティング面のシーリングストリップの厚さを元の 80% まで圧縮し、ボックスの閉鎖圧力を使用してシールを圧縮して、ボックスの持ち上がりによる充填の中断や収縮穴の形成を防ぎます。
• 製錬における情報共有：金属特性を正確にマッチングさせることで、製錬プロセスは溶鋼組成（例：CおよびSi含有量）に関するリアルタイムのフィードバックを成形工程に提供できます。高炭素鋼は収縮傾向が大きいため、鋳型設計では収縮に対するライザー容積の補正量を増やすとともに、厚肉部の凝固を促進し収縮巣の発生を防ぐためのチラーの追加が必要となります。
• 砂落下調整：500℃以上の絶縁時間は6時間以上（従来の部品では2〜3時間）、ゆっくりと冷却して応力を解放し、収縮域での派生的な亀裂を回避します。
エピローグ
中開度ポンプのポンプ本体の収縮と収縮穴を制御する実践は、複雑な構造の鋳物では従来のライザーレイアウト（ランナーの後ろに隠れたライザーなど）を打破する必要があり、薄肉領域の収縮を防ぐ鍵はコアの剛性（内蔵の冷鉄骨格）を強化することであり、差別化された冷却戦略（湾曲した冷鉄+局所コーティング）によって高温部分を正確に制御できることを示しています。
砂型鋳造における引け巣とポロシティの制御は、基本的に、成形プロセスを通じて三本柱の凝固環境を確立することにかかっています。すなわち、剛性鋳型の構築、精密チルアイアンの導入、そして収縮補正のための継続的な圧力維持です。鋳物の構造特性（ポンプ本体フランジの逆円錐状のライザーネックや、流路に合わせたチルアイアンなど）と中子成形技術を深く融合させることによってのみ、欠陥率を0.5%未満に低減し、圧力負荷鋳物の固有の安全要件を満たすことができます。