セラミック砂の化学組成は主に Al2O3 と SiO2 であり、セラミック砂の鉱物相は主にコランダム相とムライト相と少量の非晶質相です。セラミックサンドの耐火度は一般に1800℃以上であり、高硬度のアルミニウムシリコン系耐火物です。
セラミックサンドの特徴
● 高い耐火性。
●熱膨張係数が小さい。
●高い熱伝導率。
● 形状は球形に近く、角度係数が小さく、流動性が良く、コンパクトです。
● 表面は滑らかで、亀裂や凹凸はありません。
●中性の材質で、各種鋳物材料に適しています。
●粒子の強度が高く、壊れにくい。
●粒度範囲が広く、プロセス要件に応じて混合をカスタマイズできます。
エンジン鋳物へのセラミックサンドの適用
1. セラミックサンドを使用して、鋳鉄シリンダーヘッドのベーニング、砂の付着、コアの破損、およびサンドコアの変形を解決します。
●シリンダーブロックとシリンダーヘッドはエンジンの最も重要な鋳物です。
●内部キャビティの形状が複雑で、寸法精度と内部キャビティの清浄度に対する要求が高い
● 大ロット
生産効率と製品の品質を確保するために、
● 生砂（主に静水圧スタイリングライン）組立ライン生産が一般的です。
●サンド中子はコールドボックス法とレジンコートサンド（シェルコア）法が一般的ですが、一部のサンド中子にはホットボックス法が使用されます。
● シリンダーブロックやヘッド鋳物の砂中子の形状が複雑なため、砂中子の断面積が小さく、一部のシリンダーブロックやシリンダーヘッドのウォータージャケット中子の最薄部は3～3.5mmしかありません。砂の出口が狭い、鋳造後の砂中子が長時間高温の溶鉄に囲まれる、砂の洗浄が困難、特殊な洗浄装置が必要などなど。 以前は鋳造にはすべて珪砂が使用されていました。そのため、シリンダーブロックやシリンダーヘッドのウォータージャケット鋳物に脈や砂の付着の問題が発生しました。コアの変形やコアの破損の問題は非常に一般的ですが、解決するのが困難です。
このような問題を解決するために、2010年頃から、第一汽車、濰柴、上海、山西新科などの国内の有名エンジン鋳造会社は、シリンダーブロックの製造にセラミック砂を適用する研究と試験を開始しました。シリンダーヘッドのウォータージャケットやオイル通路など。均一な砂中子は、内部キャビティの焼結、砂の付着、砂中子の変形、中子の破損などの欠陥を効果的に排除または軽減します。
以下の写真はセラミックサンドをコールドボックスプロセスで製造したものです。
以来、コールドボックス、ホットボックス工程でセラミックサンド混合スクラビングサンドの使用が徐々に進められ、シリンダーヘッドのウォータージャケットコアにも適用されてきました。 6年以上安定して生産されています。コールドボックス砂中子の現在の使用法は次のとおりです。砂中子の形状とサイズに応じて、セラミック砂の添加量は30％〜50％、樹脂の総添加量は1.2％〜1.8％、引張強さは2.2～2.7MPaです。 (実験室サンプル試験データ)
まとめ
シリンダーブロックとヘッドの鋳鉄部品には狭い内部空洞構造が多く含まれており、注入温度は一般に 1440 ～ 1500°C の間です。砂中子の薄肉部分は、砂中子に溶融鉄が浸透するなど、高温の溶鉄の作用により容易に焼結したり、界面反応を起こして粘りのある砂を形成したりする。セラミック砂の耐火性は 1800°C 以上であり、一方、セラミック砂の真密度は比較的高く、砂を発射する際の同じ直径と速度の砂粒子の運動エネルギーは珪砂粒子の 1.28 倍です。砂コアの密度を高めます。
これらの利点により、セラミック砂の使用により、シリンダーヘッド鋳造品の内腔への砂の付着の問題が解決できるのです。
ウォーター ジャケット、シリンダー ブロック、シリンダー ヘッドの吸気および排気部分には、静脈欠陥が発生することがよくあります。多くの研究と鋳造実践により、鋳物表面の脈状欠陥の根本原因は珪砂の相変化膨張であり、これにより熱応力が発生し、砂中子の表面に亀裂が生じ、溶鉄が発生することが示されています。亀裂に侵入するため、特にコールドボックスプロセスでは静脈の傾向が大きくなります。実際、珪砂の熱膨張率は1.5％と高く、セラミック砂の熱膨張率はわずか0.13％（1000℃で10分間加熱）です。熱膨張応力により砂中子の表面に亀裂が生じる可能性は非常に低いです。シリンダーブロックとシリンダーヘッドの砂中子にセラミック砂を使用することは、現時点ではベーニングの問題に対する簡単かつ効果的な解決策です。
複雑で薄肉、細長いシリンダーヘッドウォータージャケット中子やシリンダーオイルチャンネル中子には、高い強度（高温強度を含む）と靭性が求められると同時に、中子砂のガス発生を抑制する必要があります。伝統的には、コーテッドサンドプロセスが主に使用されています。セラミックサンドの使用により樹脂量を削減し、高強度・低ガス発生の効果を実現しました。近年、レジンや生砂の性能向上に伴い、コーテッドサンドプロセスの一部をコールドボックスプロセスに置き換えるケースが増えており、生産効率が大幅に向上し、生産環境が改善されています。
2. セラミック砂の適用によるエキゾーストパイプの砂中子の変形問題の解決
エキゾーストマニホールドは高温交互条件下で長時間動作するため、高温での材料の耐酸化性はエキゾーストマニホールドの寿命に直接影響します。近年、国は自動車排気ガスの排出基準を継続的に改善しており、触媒技術とターボチャージャ技術の適用により、排気マニホールドの作動温度は大幅に上昇し、750℃以上に達しています。エンジン性能のさらなる向上に伴い、エキゾーストマニホールドの作動温度も上昇していきます。現在はZG 40Cr22Ni10Si2（JB/T 13044）などの耐熱温度が950℃～1100℃の耐熱鋳鋼が一般的に使用されています。
一般に、エキゾーストマニホールドの内部キャビティには、性能に影響を与える亀裂、コールドシャット、引け巣、スラグ介在物などが存在しないことが求められ、内部キャビティの粗さはRa25以下であることが要求されます。同時に、パイプ肉厚の偏差については厳格かつ明確な規制があります。長い間、排気マニホールドパイプ壁の不均一な肉厚と過度の偏向の問題が、多くの排気マニホールド鋳造工場を悩ませてきました。
ある鋳造工場では、最初に珪砂でコーティングされた砂中子を使用して、耐熱鋼製の排気マニホールドを製造しました。高い注入温度（1470～1550℃）により、砂中子は容易に変形し、パイプ肉厚の許容範囲外現象が発生しました。珪砂は高温相変化処理されていますが、さまざまな要因の影響により、高温での砂中子の変形を克服することができず、パイプ壁の厚さに広範囲の変動が生じます。 、ひどい場合は廃棄されてしまいます。砂中子の強度を向上させ、かつ砂中子のガス発生を抑制するために、セラミックサンドコーティング砂を使用することとした。珪砂コートサンドに比べ樹脂添加量を36％低減した場合、室温曲げ強度、熱曲げ強度が51％、67％向上し、ガス発生量が20％低減され、規格基準を満たします。高強度と低ガス発生というプロセス要件。
同工場では同時鋳造に珪砂被覆中子とセラミック砂被覆中子を使用しており、鋳物を洗浄した後、解剖学的検査を行っています。
中子がケイ砂コーティング砂で作られている場合、鋳物は不均一な肉厚と薄肉を持ち、肉厚は3.0〜6.2 mmです。中子がセラミックサンドコーティング砂で作られている場合、鋳物の壁の厚さは均一であり、壁の厚さは4.4〜4.6 mmです。次の写真のように
珪砂コーティング砂
セラミックサンドコーティングサンド
中子にはセラミックサンドコート砂を使用しており、中子の折れをなくし、中子の変形を軽減し、エキゾーストマニホールド内キャビティ流路の寸法精度を大幅に向上させ、内キャビティへの砂の付着を低減し、品質を向上させます。鋳物と完成品の生産性が向上し、大きな経済的利益を達成しました。
3. ターボチャージャーハウジングへのセラミックサンドの適用
ターボチャージャーシェルのタービン端の作動温度は一般に 600°C を超え、950 ～ 1050°C に達するものもあります。シェルの材質は高温に耐え、良好な鋳造性能を備えている必要があります。シェル構造がよりコンパクトであること、肉厚が薄く均一であること、内部空洞がきれいであることなど、非常に要求が厳しいものです。現在、ターボチャージャーのハウジングは耐熱鋼鋳物（ドイツ規格 DIN EN 10295 の 1.4837 や 1.4849 など）で作られているのが一般的ですが、耐熱ダクタイル鋳鉄（ドイツ規格 GGG SiMo、米国規格）も使用されています。標準的な高ニッケルオーステナイト球状鉄 D5S など）。
1.8 T エンジン ターボチャージャー ハウジング、材質: 1.4837、つまり GX40CrNiSi 25-12、主な化学組成 (%): C: 0.3-0.5、Si: 1-2.5、Cr: 24-27、Mo: Max 0.5、Ni: 11 -14、注湯温度1560℃。この合金は融点が高く、収縮率が大きく、高温割れ傾向が強く、鋳造が困難です。鋳物の金属組織には残留炭化物や非金属介在物に関する厳しい要件があり、鋳造欠陥についても特定の規制があります。鋳物の品質と生産効率を確保するため、成形プロセスにはフィルムコーティングされたサンドシェル中子（および一部のコールドボックスおよびホットボックス中子）を使用した中子鋳造が採用されています。当初はAFS50のたわし砂を使用し、その後焼き珪砂を使用しましたが、砂の固着、バリ、サーマルクラック、空洞内空孔などのトラブルが多かれ少なかれ発生していました。
研究とテストに基づいて、工場はセラミック砂を使用することを決定しました。最初に完成したコーティング砂（100％セラミックサンド）を購入し、次に再生およびコーティング設備を購入し、生産プロセス中にプロセスを継続的に最適化し、セラミックサンドとスクラビングサンドを使用して生砂を混合しました。現在、コーティングされた砂は次の表に従って大まかに実装されています。
| ターボチャージャーハウジングのセラミックサンドコーティングサンドプロセス | ||||
| 砂のサイズ | セラミックサンドの割合 % | 樹脂添加率（％） | 曲げ強さ MPa | ガス排出量 ml/g |
| AFS50 | 30-50 | 1.6～1.9 | 6.5-8 | ≤12 |
過去数年間、この工場の生産プロセスは安定して稼働しており、鋳物の品質は良好で、経済的および環境的利点は顕著です。要約は次のとおりです。
ａ．セラミック砂、またはセラミック砂とケイ砂の混合物を中子に使用することで、鋳物の砂固着、焼結、ベーニング、熱割れなどの欠陥を解消し、安定的かつ効率的な生産を実現します。
b.中子鋳造、高い生産効率、低い砂鉄比 (通常 2:1 以下)、原砂の消費量が少なく、コストが低い。
c.中子注入は廃砂の全体的なリサイクルと再生に役立ち、再生には一律にサーマル再生が採用されます。再生砂の性能は磨き砂用の新砂のレベルに達しており、原砂購入コストの削減と固形廃棄物の排出削減効果が得られています。
d.新たなセラミック砂の添加量を決定するには、再生砂中のセラミック砂の含有量を頻繁に確認する必要があります。
e.セラミックサンドは形状が丸く、流動性が良く、特異性が大きい。珪砂と混合すると偏析が起こりやすくなります。必要に応じて、サンドシューティングプロセスを調整する必要があります。
f.フィルムをカバーする際には、高品質のフェノール樹脂を使用するようにし、各種添加剤の使用には注意してください。
4. エンジンアルミニウム合金シリンダーヘッドへのセラミックサンドの適用
自動車の出力を向上させ、燃料消費量を削減し、排気ガス汚染を軽減し、環境を保護するために、自動車の軽量化は自動車業界の発展傾向です。現在、自動車エンジン（ディーゼルエンジンを含む）のシリンダーブロックやシリンダーヘッドなどの鋳物はアルミニウム合金で鋳造されるのが一般的であり、シリンダーブロックやシリンダーヘッドの鋳造工程では砂中子、金型重力鋳造、低圧鋳造が用いられています。鋳造（LPDC）が最も代表的です。
アルミニウム合金シリンダーブロックおよびヘッド鋳物の砂中子、コーティング砂、およびコールドボックスプロセスはより一般的であり、高精度および大規模生産特性に適しています。セラミック砂の使用方法は、鋳鉄シリンダーヘッドの製造方法に似ています。アルミニウム合金は注入温度が低く、比重が小さいため、一般に工場のコールドボックス中子などの低強度の中子砂が使用され、樹脂の添加量は0.5〜0.6％で、引張強さは30％です。 0.8～1.2MPa。中子砂が必要です。 崩壊性が良好です。セラミックサンドの使用により、レジンの添加量が低減され、サンドコアの崩れが大幅に改善されます。
近年、生産環境の改善や鋳物の品質向上を目的として、無機結合剤（変性水ガラスやリン酸塩結合剤などを含む）の研究・応用が進んでいます。下の写真はセラミック砂・無機バインダー中子砂・アルミニウム合金シリンダーヘッドを使用した工場の鋳造現場です。
工場では中子の製造にセラミックサンド無機バインダーを使用しており、バインダーの添加量は1.8〜2.2％です。セラミック砂の流動性が良いため、砂中子は緻密で、表面は完全で滑らかであり、同時にガス発生量が少なく、鋳物の歩留まりが大幅に向上し、中子砂の崩壊性が向上します。 、生産環境を改善し、グリーン生産のモデルとなります。
エンジン鋳造業界におけるセラミックサンドの適用により、生産効率が向上し、作業環境が改善され、鋳造欠陥が解決され、大きな経済的利益と良好な環境上の利益が達成されました。
エンジン鋳造業界は、引き続き中子砂の再生を増やし、セラミックサンドの利用効率をさらに向上させ、固形廃棄物の排出量を削減する必要があります。
使用効果と使用範囲の観点から、セラミック砂は現在、エンジン鋳造業界で最も総合的な性能が高く、最大の消費量を誇る鋳物特殊砂です。
投稿日時: 2023 年 3 月 27 日
