砂型鋳造で詰まるのは、注湯後の鋳巣と型の割れだ。脱ガス不足と砂の配合ミスがそれぞれの主因になる。湯口・押湯の配置と型の突き固め具合で結果が決まる。
砂型鋳造で最初に失敗するのは湯口の位置決めと注湯速度だ
砂型鋳造を教科書どおりに始めると、最初に引け巣を出しやすく、湯口と押湯の位置を図面から写し取り、注湯温度だけ調べて作業を始めた結果、型が固まるまで待って分解した段階で製品の最後に固まる部分へ空洞が残ることがある。これが引け巣だ。
よく「砂の配合が悪い」と言われるが、それは表面の鋳肌荒れやガス系の鋳巣の話であり、引け巣の原因は溶けた金属の凝固の順序にある。型の中で湯が固まる順番を考えずに湯口と押湯を配置すると、最後に固まる部分へ溶湯を補う道がなくなり、金属が固まるときの体積収縮を埋められないため、収縮穴が残る。
鋳造工が砂型の段取りで見るのは、まず製品の肉厚の分布である。厚い部分は最後に固まる。その部分に押湯からつながる湯道が届いているかを確認し、さらに湯口の位置と注湯速度は、型の中で溶湯が均等に回る条件で決める。砂の配合は鋳肌と鋳巣の対策であり、凝固の順序とは別の話となる。
砂型鋳造は金型より低コストで試作や多品種少量に向く一方で、型の崩れと鋳巣の管理は金型より難しく、単に手順を追うだけでは不良の再発を止めにくい。ここでは砂型の造型から注湯、型ばらしまでの手順を、失敗が出やすい箇所と対処法を含めて扱う。
前提条件・必要な道具
砂型鋳造に使う材料と型の構成
砂型は主型枠と中子、湯口・湯道・押湯から成る。主型を上型と下型に分け、中子を組み込んで製品の形状を構成する。中子は製品の中空部をつくるための砂の型で、主型の中に置く。
砂型の材料は、けい砂とベントナイト、水を混ぜた生型砂が基本であり、けい砂は鋳型の骨格、ベントナイトは粘結剤、水は粘結剤を活性化する役割を持つ。この配合は砂の種類と製品の材質、鋳肌の要求で調整し、自硬性の型には樹脂バインダを使う砂型もある。CO₂硬化法やフラン樹脂を用いる方式があり、造型後に常温で固まる。
使う道具は以下になる：
- 模型（木型・金属型）：製品の形状を砂に転写するための型。木製と金属製があり、量産品には金属製模型を使う。
- 型枠（フラスコ）：砂を入れて固める枠。上枠と下枠があり、合わせ面を「割り面」と呼ぶ。
- 突き棒・ランマー：砂を突き固める道具。手作業の型では突き棒、機械造型ではプレス・スクイズ機を使う。
- 通気針：型の中にガス抜き穴を開ける針。注湯時に型から発生するガスを逃がす。
- 鏝・スクレーパー：型の表面を整える道具。離型剤や黒鉛塗料を塗るときにも使う。
- 中子組立台：中子を主型に固定する治具。中子が浮かないよう支持ピンやチャプレットを併用する。
鋳造する材料の選定と注湯温度の目安
砂型鋳造で扱う材料は、ねずみ鋳鉄（JIS G 5501）、球状黒鉛鋳鉄（JIS G 5502）、鋳鋼、アルミニウム合金、銅合金が主になる。注湯温度は材質・製品の肉厚・型の種類に応じて調整する。
ねずみ鋳鉄は黒鉛が片状に析出し、減衰性と被削性が良い。球状黒鉛鋳鉄は黒鉛が球状で強度と靱性が高い。鋳鋼は溶接性が必要な部品に使う。アルミニウム合金は軽量で熱伝導が高く、自動車部品や電気機器に向く。銅合金は耐食性と導電性が求められる部品に選ばれる。
注湯温度が高すぎると型が焼けて鋳肌が荒れ、ガス系の鋳巣が出やすくなる一方で、低すぎると湯回り不良や冷し金の不足で引け巣が出るため、材質ごとの適正範囲は製品の肉厚と型の種類に応じて見直す必要がある。したがって、最終判断は試作で確認することになる。
作業者の役割分担と安全保護具
砂型鋳造の作業者は、造型担当・注湯担当・型ばらし担当に分かれる。造型担当は型の突き固めと中子の組込みを行い、注湯担当は溶解炉から溶湯を取鍋で受けて型に注ぐ。型ばらし担当は冷却後の型を崩して製品を取り出す。
注湯作業では耐熱手袋・前掛け・脚絆・安全靴を着用し、取鍋の把持には専用のトングを使い、溶湯の飛散に備えて顔面シールドを併用する。さらに、型ばらし時は粉じんが出るため防じんマスクを着け、換気設備の稼働を確認してから作業を始める流れとなっている。
Step 1：模型の準備と抜き勾配の確認
模型は製品の形状を砂に転写する型であり、砂型から模型を抜くときに型が崩れないよう、抜き方向に勾配をつける必要がある。この勾配を「抜き勾配」と呼ぶ。
抜き勾配は一般に1～3度で設定する。深さが大きい形状や、砂の粘結力が弱い型では勾配を大きめにとる。勾配が不足すると、模型を抜く際に型の側面が崩れる。模型の表面粗さも型の崩れに影響する。表面が粗いと砂が引っかかり、抜き抵抗が増える。
模型の割り面は主型の割り面と一致させる必要があり、割り面が傾くと型合わせ時にずれが出て製品に段差（合わせ不良）が残るため、模型を型枠に置く向きを決める段階で湯口と押湯の位置も同時に考える。後から位置を変えると、湯道の配置が無理になりやすい。
Step 2：砂の配合と突き固め具合の調整
生型砂の配合は、けい砂・ベントナイト・水の比率で決まる。ベントナイトが多いと粘結力は上がるが、通気性が落ちてガス系の鋳巣が出やすい。水分が多すぎると砂がべたつき、型の表面に蒸気穴ができる。水分が少ないと粘結力が足りず、型が崩れる。
砂の配合の目安は、実際の鋳造現場では砂を手で握って固まり具合を見る方法が使われ、握った砂を指で押して崩れる程度が標準とされる。さらに、砂の再生回数が増えるとけい砂の粒度分布が変わり、ベントナイトの活性が落ちるため、定期的に新砂を補充し、粘土分を調整する必要がある。
突き固めは、型の強度と通気性を両立させる作業だ。突きが弱いと型が崩れ、突きすぎると通気性が落ちてガスが抜けない。型の表面近くは強めに突き、深い部分は軽めに突く。模型の周囲は特に丁寧に突き固める。隙間があると、注湯時に溶湯が砂を巻き込み、砂かみ不良が出る。
機械造型と手込め造型の違い
機械造型では、プレス機やスクイズ機で砂を均一に締め固める。締め圧と時間を調整して型の強度を管理する。手込め造型では、突き棒やランマーで砂を叩いて固める。作業者の力加減で型の硬さが変わるため、熟練を要する。
小ロット・試作品には手込めが向く一方で、型枠の準備が簡単で模型の変更にも柔軟に対応できるのに対し、量産品では機械造型を使って型の品質を安定させる運用が中心となる。
Step 3：中子の造型と組込み
中子は製品の中空部をつくるための砂の型で、主型の中に置く。中子の材料は、自硬性の樹脂砂が一般的だ。CO₂硬化法では、けい砂に水ガラスを混ぜ、CO₂ガスを吹き付けて硬化させる。フラン樹脂を使う方式では、けい砂に樹脂と硬化剤を混ぜ、常温で固める。
中子の強度は、注湯時の浮力と溶湯の圧力に耐える必要があり、中子が浮くと製品の肉厚が変わるため、中子を主型に固定するには中子の端部を主型の中子座に差し込む。中子座の形状と寸法は、中子がずれないよう設計する。
中子の内部には通気孔を設ける。注湯時に中子から発生するガスを逃がす道になる。通気孔がないと、中子の内部にガスが溜まり、製品に気泡が残る。通気孔は中子の高い位置に開け、主型の通気穴とつなげる。
チャプレットによる中子の支持
大きな中子や複雑な形状の中子は、浮力で浮きやすい。中子を固定するには、チャプレット（金属製の支持ピン）を中子と主型の間に挟む。チャプレットは注湯後に製品の一部に溶け込み、製品の中に残る。材質は製品と同系統の金属を使う。鋳鉄製品には鋳鉄製のチャプレット、アルミ製品にはアルミ製のチャプレットを選ぶ。
チャプレットの位置は、中子の重心と浮力の方向を考えて決める必要があり、数が少ないと中子が傾く一方で、多すぎると製品の内部に異物が残るため、支持点の配置は寸法維持と内部品質の両面から詰めることになる。
Step 4：湯口・湯道・押湯の配置と凝固の順序
湯口は溶湯を型に流し込む入口で、湯道は湯口から製品部へ溶湯を導く通路だ。押湯は凝固時の収縮を補うための溜まりになる。この3つの配置で、製品の品質が決まる。
凝固の順序は、製品の肉厚と型の熱伝導で決まり、薄い部分は早く固まり、厚い部分は遅く固まる。最後に固まる部分を「ホットスポット」と呼び、ホットスポットに押湯から溶湯を補う道がないと引け巣が出るため、配置検討では流れだけでなく固まり方まで同時に見る必要がある。
湯口と湯道の断面積は、製品の重量と注湯速度に応じて決める。断面積が小さいと湯回り不良が出る。大きすぎると溶湯の流速が落ち、型の中で温度が下がる。湯道の途中にせきを設けて、スラグや酸化物を堰き止める手法もある。
押湯の大きさと配置の考え方
押湯の体積は、製品の収縮量と凝固時間に応じて決める。鋳鉄は収縮率が小さく、鋳鋼は収縮率が大きい。アルミニウム合金も収縮率が大きい。押湯が小さいと、製品が固まる前に押湯が固まり、引け巣が出る。
押湯の位置はホットスポットの直上または直近に置き、押湯から製品への湯道は製品が固まる最後まで溶湯が流れる太さにする必要がある。さらに、押湯の形状は表面積を小さくして放熱を抑える工夫があり、球形や円柱形が基本で、保温材を巻く場合もある。
複数の押湯を配置するときは、各押湯が担当する製品の範囲を区切る。押湯同士がつながると、凝固の順序が乱れる。
Step 5：型の組立と通気穴の配置
下型を造型し、模型を抜いたら上型を載せる前に通気穴を開ける。通気針を型の表面から深さ方向に刺し、ガスの逃げ道をつくる。通気穴は製品の周囲と押湯の周囲に集中して配置する。
通気穴の数が少ないと、注湯時に型の中でガスが逃げず製品にガス系の鋳巣が出る一方で、多すぎると型の強度が落ちて型が崩れるため、通気穴の間隔は砂の通気度と製品の大きさを見ながら調整する。数を増やすだけでは収まらない不良もある。
上型を下型に載せるとき、合わせピンで位置を合わせる。型枠の四隅にピン穴があり、ピンを差し込んで上下の位置を固定する。合わせピンがずれると、上型と下型の割り面に段差が出る。製品に合わせ不良が残る。
型の締結と重しの配置
上型を載せたら、型枠をクランプで締結する。注湯時の浮力で上型が浮かないよう、重しを載せる場合もある。重しの重量は、製品の投影面積と注湯圧力から計算する。重しが軽いと、上型が浮いて溶湯が漏れる。「湯漏れ」と呼ばれる不良だ。
型の締結が終わったら、湯口の周囲に漏斗を置き、注湯時に取鍋から溢れた溶湯を受けるようにする。型の表面に離型剤や黒鉛塗料を塗る場合は組立の前に塗り、塗料が乾く前に上型を載せると型が汚れるため、工程の前後関係を崩さないことが求められる。
Step 6：注湯作業と湯面の観察
注湯は取鍋を使い、溶湯を湯口に流し込む。注湯速度は、型の大きさと湯道の断面積に応じて調整する。速すぎると溶湯が跳ね、型が削られる。遅すぎると型の中で溶湯が冷え、湯回り不良が出る。
注湯中は押湯の湯面を観察し、押湯の湯面が上がって溢れる直前で注湯を止めるが、押湯が十分に満たされていないと凝固時に引け巣が出るため、注湯後に押湯へ溶湯を追加して湯面を維持する作業を行う場合もある。これを「さし湯」と呼ぶ。
注湯温度と湯流れの関係
注湯温度が低いと、湯道の途中で溶湯が固まり、製品に届かない。薄肉部や遠い部分で湯回り不良が出る。注湯温度が高すぎると、型が焼けて鋳肌が荒れ、ガスが多く発生する。砂の粘結剤が分解し、型が崩れることもある。
注湯温度の調整は、溶解炉での温度管理と取鍋の保温で行い、取鍋への移し替えと運搬の時間が長いほど溶湯の温度は下がるため、取鍋を予熱しておく、運搬距離を短くするといった工夫が必要になる。温度管理は炉前だけで完結しない。
Step 7：冷却と型ばらし
注湯後、製品が完全に固まるまで型を冷却する。冷却時間は製品の大きさと材質で変わる。鋳鉄は鋳鋼より凝固温度が低く、冷却時間が短い。アルミニウム合金はさらに早く固まる。
冷却が足りない状態で型をばらすと製品が変形し、冷却しすぎると型から製品を取り出しにくくなって砂が固着し、製品の表面に砂が残るため、型ばらしのタイミングは品質と作業性の両面から見極める必要がある。
型ばらしは、型枠を外して砂を崩す作業だ。手込め型では、型を叩いて砂を落とす。機械造型の型は、振動コンベアに載せて砂を振るい落とす。中子が残っている場合は、中子の通気孔から水や空気を吹き込んで砂を崩す。
製品の取り出しと湯口の切断
製品を砂から取り出したら、湯口・湯道・押湯を切断する。鋳鉄はノコギリやグラインダーで切る。アルミニウム合金は帯ノコで切断する。切断面にバリが残る場合は、グラインダーで研削する。
製品の表面に砂が焼き付いている場合は、ショットブラストで除去し、鋼球や砂を高速で吹き付けて表面を削る。さらに、鋳肌が荒れている部分はグラインダーやサンダーで仕上げるため、取り出し後の後処理も品質確保の工程に含まれる。
よくある失敗と対処法
引け巣が製品の厚肉部に出る
引け巣は凝固時の収縮が原因であり、製品の最後に固まる部分に押湯から溶湯を補う道がないと出るため、対処法は押湯の位置と大きさを見直すことになる。ホットスポットの直上に押湯を配置し、押湯が製品より遅く固まる大きさにする。
押湯と製品をつなぐ湯道の断面積も確認する。湯道が細いと、製品が固まる前に湯道が固まり、溶湯が補給されない。湯道の断面積を大きくするか、湯道に保温材を巻いて冷却を遅らせる。
鋳巣が製品の表面近くに出る
表面近くの鋳巣は、ガスが原因の場合が多い。砂の水分が多すぎると、注湯時に蒸気が発生し、型の中でガスが溜まる。対処法は、砂の水分を減らすことだ。砂を乾燥させるか、新砂の比率を上げる。
通気穴の数と配置も見直しが必要であり、通気穴が少ないとガスが逃げずに製品へ巻き込まれるため、通気針を増やし、製品の周囲と押湯の周囲に集中して配置する。原因を砂だけに絞ると手戻りになりやすい。
型が崩れて砂かみ不良が出る
型が崩れる原因は、砂の粘結力不足か突き固めの不足だ。ベントナイトの量を増やし、水分を調整する。突き固めは、模型の周囲を特に丁寧に行う。
模型の抜き勾配が不足していると、模型を抜くときに型が崩れるため、抜き勾配を1～3度に設定し、模型の表面を滑らかに仕上げる。離型剤を塗ると模型の抜き抵抗が減り、型崩れの抑制につながる。
製品に合わせ不良（段差）が出る
合わせ不良は、上型と下型の位置ずれが原因だ。合わせピンのガタや、型枠の変形で起こる。合わせピンの摩耗を定期的に点検し、ガタが大きい場合はピンを交換する。
型の締結が弱いと、注湯時の浮力で上型がずれるため、クランプをしっかり締め、重しを載せて上型を押さえる。位置決めと締結は別管理にせず、同じ不良系統として扱うべきである。
安全上の注意点
溶湯の取扱いと飛散防止
注湯作業では、溶湯が1000℃を超える。溶湯が皮膚に触れると重度の火傷になる。耐熱手袋・前掛け・脚絆・安全靴を着用し、肌の露出を避ける。顔面シールドを併用すると、溶湯の飛散から顔を守れる。
取鍋の把持には専用のトングを使い、取鍋の柄が折れる、溶湯が溢れるなどの事故を防ぐため、取鍋の点検を作業前に行う。取鍋の内面にスラグや酸化物が固着している場合は、清掃してから使う。
床に水や油があると、溶湯が接触したときに水蒸気爆発や火災が起こるため、作業床は乾燥させて油を拭き取り、濡れた型や濡れた道具を使わないことが前提となる。足元管理を軽く見た結果、重大事故につながる工程上の見落としが重なることもある。
粉じん対策と換気
型ばらし時は、砂の粉じんが発生する。防じんマスク（区分RS2以上）を着用し、粉じんの吸入を防ぐ。換気設備を稼働させ、作業場の粉じん濃度を下げる。
砂の混練や型の突き固めでも粉じんが出るため、作業場全体を局所排気装置で換気し、粉じんを外部に排出する必要がある。粉じんが目に入った場合は、水で洗い流す。
高温物の取扱いと火傷防止
型ばらし後の製品は高温で、素手で触ると火傷する。製品が冷えるまで待つか、耐熱手袋を着用して取り扱う。製品の温度が見た目で判断できない場合は、非接触温度計で確認する。
型枠も注湯後は高温になるため、型枠を素手で触らず冷却を待つ。型枠の冷却には送風機を使う場合もあり、製品だけでなく周辺治具まで高温物として扱う必要がある。
次にやるべきこと
砂型鋳造の基本手順を習得したら、次は製品の形状と材質に応じた湯口・押湯の設計を深める。凝固シミュレーションソフトを使うと、凝固の順序を事前に確認できる。試作の回数を減らし、引け巣の発生を抑えられる。
砂の配合は、鋳肌の品質と型の強度に直結する。砂の粒度分布・粘土分・水分を定期的に測定し、配合を調整する技術を身につける。砂の再生率を上げると、材料費を抑えられる。
鋳造技能士（JIS に基づく国家資格）の取得を検討する。技能検定では、造型・注湯・型ばらしの実技と、材料・工程の知識が問われる。資格を持つと、品質管理や工程改善の役割を担いやすくなる。中央職業能力開発協会が試験を実施している。
砂型鋳造は金型鋳造と異なり、型の準備が柔軟で試作に向く一方で、型の管理と凝固の制御を誤ると不良が繰り返される。型の管理と凝固の制御を習得すれば、多品種少量の製品を安定して鋳造でき、現場の判断基準は湯口と押湯の配置、砂の突き固め具合、通気穴の配置にある。教科書の配合比や注湯温度は標準的な製品を前提にしているため、実際の製品では肉厚の分布と形状の複雑さに応じて条件を調整することになる。ベテランは「型の中で最後に固まる場所に、押湯の湯が届くかどうか」を見る。つまり、凝固の順序を制御することが砂型鋳造の本質である。
