内燃機関超基礎講座 | 砂型鋳造——手間はかかるが精密度はピカイチの製法

砂型鋳造の「砂」とは何を指しているのだろうか。砂をもって何をしているのだろうか。


TEXT：牧野茂雄（MAKINO Shigeo）

砂型を利用する鋳造は古代から存在した。お寺の「鐘」などは砂型鋳造で造られていた。脆い砂で型を作り、ゆっくりと母材を流し込む鋳造方法だった。その後、金型を使う高圧鋳造の技術が確立され大量生産分野で重宝されているが、近年は砂型を使う低圧（大気圧）鋳造、砂型に「押し湯」で溶湯を注入する重力鋳造も改良を加えられながら製法としての発展を続けている。




工業製品に使用される砂型は、加熱して焼き固める方法（シェルモールディング）と炭酸ガスなど触媒ガスを吹き付けて常温で固めるガス硬化法（CO2モールディングなど）がある。シェルモールディングは砂型の熱収縮を見込んで型作りを行なうが、ガス硬化では収縮がなく完全に1対1の成形になる。どちらを選択するかは作り手の考え方による。




　型を作り、そこに母材を投入するという製造手順はほかの鋳造と同じだ。近年は複雑な形状の中子を造れるようになり、製品精度は極めて高い。同時に、高圧鋳造では不可能な細かい鋳込みが出来る。半面、砂型は製品と1対1だから製品の完成と同時に破壊される。製品の数だけ砂型が要る。砂型鋳造を選択する条件は、エンジンの生産量とエンジンに求める性能や精度のバランスということになる。少量生産エンジンではいまだに砂型が主流であり、量産車ではマツダやBMWがこの方式である。ただし「砂型だからエンジンが優秀」なのではない。性能は設計で決まる。砂型鋳造は設計性能を得る手段のひとつなのである。

BMW：ランツフート工場

エンジンのような大物重量物の鋳造ではケイ砂が使われる。一般的なのは液体樹脂と硬化剤とに分かれた2液硬化性樹脂を混ぜた砂であり、これを金型に入れて成形する。

砂型は、製品の形状から遡り、無理がないよう何分割かの状態で造られる。それを重ね合わせて冷却水路や吸排気ポートなどの形状を造り込む。

中子もこのように砂で造られる。焼き固められた状態で静かに搬送しないと型が損傷を受けてしまう。写真は型を積み上げてエンジン全体のサンドパッケージにするときの様子。

すべての型を重ねたら溶湯を注入する。この写真は溶湯の重さで自由落下させる重力鋳造。溶湯を注ぎながらガス抜きが行なわれ湯を型の隅々までまわす。

砂型を使うと鋳物肌には砂つぶ状の細かい凹凸が形成されるが、エンジンでは問題にならない。このように細いリブの複雑な形状でも再現できる精密性が特徴。

MAZDA：本社工場

マツダはコスワース鋳造を導入していたが、研究を重ねて独自の砂型鋳造法を完成させた。スカイアクティブ系は全量が砂型である。

ガソリンは12、ディーゼルは13の中子を組み合わせて、このようなサンドパッケージにする。ここに溶湯を注いで硬化させる。

3階建てに12部屋並んだ冷却室。鋳込んで500°Cまで温度が下がったところで冷却プレートを外す。気泡を混ぜたシャワーの気化熱で冷却し、振動で砂をふるい落し、機械加工の工程へ送る。冷却時間も含め3時間の工程。