バルブ鋳造工程の導入

バルブ本体の鋳造はバルブ製造工程の重要な部分であり、バルブ鋳造の品質がバルブの品質を決定づけます。以下では、バルブ業界で一般的に使用されているいくつかの鋳造工程をご紹介します。

砂型鋳造：

バルブ業界で一般的に使用される砂型鋳造は、結合剤の違いにより、生砂、乾式砂、水ガラス砂、フラン樹脂自己硬化砂に分類されます。

（１）生砂はベントナイトを結合剤として用いる造型方法である。

その特徴は次のとおりです。完成した砂型は乾燥や硬化の必要がなく、砂型は一定の湿潤強度を有し、砂中子と鋳型殻の歩留まりも良好で、鋳物の洗浄や振り出しが容易です。鋳物の生産効率が高く、生産サイクルが短く、材料コストが低く、ライン生産の編成にも便利です。

欠点は次のとおりです。鋳物には気孔、砂の混入、砂の付着などの欠陥が生じやすく、鋳物の品質、特に本質的な品質は理想的ではありません。

鋳鋼用生砂の配合と性能表：

（2）乾式砂は粘土を結合剤として用いる成形法です。少量のベントナイトを加えることで、湿潤強度を向上させることができます。

その特徴は次のとおりです。砂型は乾燥する必要があり、通気性が良く、砂洗い、砂の固着、気孔などの欠陥が発生しにくく、鋳物の本来の品質が良好です。

欠点は次のとおりです。砂を乾燥させる設備が必要となり、生産サイクルが長くなります。

（3）水ガラス砂は、水ガラスを結合剤として用いる造形法です。水ガラスは二酸化炭素にさらされると自動的に硬化する性質があり、造形や中子作製においてガス硬化法の様々な利点を有する一方で、鋳型シェルの崩壊性が悪い、鋳物の砂洗浄が難しい、古い砂の再生・リサイクル率が低いなどの欠点があります。

水ガラスCO2硬化砂の配合と性能表：

（4）フラン樹脂自硬性砂型鋳造法は、フラン樹脂を結合剤として用いる鋳造法である。鋳型砂は、常温で硬化剤の作用により結合剤の化学反応により固化する。その特徴は、砂型を乾燥させる必要がないため、生産サイクルが短縮され、エネルギーを節約できることである。樹脂鋳型砂は圧縮しやすく、崩壊性が良い。鋳物の鋳型砂は洗浄が容易である。鋳物は寸法精度が高く、表面仕上げが良好で、鋳物の品質を大幅に向上させることができる。その欠点は、生砂に対する高い品質要求、生産現場でわずかに刺激臭があること、樹脂コストが高いことである。

フラン樹脂ノーベイクサンド混合物の割合と混合プロセス：

フラン樹脂自硬性砂の混合工程：樹脂自硬性砂の製造には、連続式砂混合機を使用するのが最適です。原料砂、樹脂、硬化剤などを順次投入し、迅速に混合します。いつでも混合して使用できます。

樹脂砂を混ぜる際に、各種原料を加える順序は次のとおりです。

生砂＋硬化剤（パラトルエンスルホン酸水溶液）－（120～180S）－樹脂＋シラン－（60～90S）－砂製造

（５）典型的な砂型鋳造製造プロセス：

精密鋳造：

近年、バルブメーカーは鋳物の外観品質と寸法精度にますます重点を置いています。良好な外観は市場の基本要件であるため、機械加工の第一段階における位置決めの基準にもなっています。

バルブ業界で一般的に使用されている精密鋳造はインベストメント鋳造であり、簡単に説明します。

（１）溶液鋳造法の２つのプロセス方法：

①低温ワックス系鋳型材料（ステアリン酸＋パラフィン）、低圧ワックス注入、水ガラスシェル、温水脱ワックス、常圧溶解注湯プロセスを採用し、主に一般品質要求の炭素鋼および低合金鋼鋳物に使用され、鋳物の寸法精度は国家標準CT7～9に達します。

②中温樹脂ベースの鋳型材料、高圧ワックス注入、シリカゾル鋳型シェル、蒸気脱ワックス、急速大気圧または真空溶解鋳造プロセスを使用することで、鋳物の寸法精度はCT4-6精密鋳物に達します。

（２）精密鋳造の典型的なプロセスフロー：

（３）精密鋳造の特徴：

①鋳物は寸法精度が高く、表面が滑らかで外観品質が良好です。

②他工法では加工困難な複雑な構造・形状の部品の鋳造が可能です。

③ 鋳造材料は限定されず、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、アルミニウム合金、高温合金、貴金属などの各種合金材料、特に鍛造、溶接、切削が難しい合金材料。

④ 生産柔軟性が高く、適応力も強い。大量生産が可能で、単品生産や小ロット生産にも適しています。

⑤ インベストメント鋳造には、工程フローが煩雑で生産サイクルが長いなどの制約があります。使用できる鋳造技術が限られているため、圧力を受ける薄肉バルブ鋳物の鋳造にインベストメント鋳造を用いる場合、耐圧性能はそれほど高くありません。

鋳造欠陥の分析

いかなる鋳物にも内部欠陥は存在します。これらの欠陥の存在は、鋳物の内部品質に大きな潜在的リスクをもたらします。また、生産工程においてこれらの欠陥を除去するための溶接補修は、生産工程に大きな負担をもたらします。特に、バルブは圧力と温度に耐える薄肉鋳物であり、内部構造の緻密さが非常に重要です。そのため、鋳物の内部欠陥は、鋳物の品質を左右する決定的な要因となります。

バルブ鋳物の内部欠陥には、主に気孔、スラグ介在物、収縮気孔、ひび割れなどがあります。

（１）毛穴：気孔はガスによって生成され、気孔の表面は滑らかで、鋳物の内部または表面付近に生成され、形状は主に円形または楕円形です。

気孔を生成するガスの主な発生源は次のとおりです。

① 金属中に溶解した窒素と水素は、鋳物の凝固時に金属内に閉じ込められ、金属光沢のある閉じた円形または楕円形の内壁を形成します。

②成形材料中の水分や揮発性物質が加熱によりガス化し、内壁が黒褐色の気孔を形成します。

③ 金属を鋳込む工程で、流動が不安定なため、空気が巻き込まれ気孔が形成されます。

気孔欠損の予防方法：

① 製錬においては、錆びた金属原料を極力使用せず、また、道具や鍋などは焼成して乾燥させる。

②溶鋼の注湯は高温で行い、注湯後は低温で行うとともに、溶鋼を適度に鎮静化してガスの浮上を促進させる。

③注湯ライザーの工程設計では、溶鋼の圧力ヘッドを上げてガスの閉じ込めを防ぎ、人工ガス経路を設けて合理的な排出を図る。

④造型材は水分とガス量をコントロールし通気性を高め、砂型と砂中子はできるだけ焼成・乾燥させる。

（２）収縮空洞（緩い）：鋳物内部（特にホットスポット）に発生する、連続的または不連続的な円形または不規則な空洞（キャビティ）で、内面は粗く、色は黒っぽい。粗大な結晶粒（主に樹枝状結晶）が一箇所または複数箇所に集まり、水圧試験中に漏れが発生しやすい。

ひけ巣（緩み）の原因：体積収縮は、金属が液体から固体へと凝固する際に発生します。この際に溶鋼の補給が不十分であれば、必然的に引け巣が発生します。鋳鋼品の引け巣は、基本的に連続凝固プロセスの不適切な制御によって発生します。原因としては、押湯の設定ミス、溶鋼の注湯温度が高すぎること、金属収縮が大きいことなどが挙げられます。

ひけ巣（緩み）を防ぐ方法：① 鋳物の注湯システムを科学的に設計し、溶鋼の逐次凝固を実現し、先に凝固する部分に溶鋼を補充する。② 押湯、補助湯、内外の冷銑を正しく合理的に設定し、逐次凝固を確保する。③ 溶鋼を注湯する際、押湯から上方への注入は、溶鋼の温度と供給を確保し、引け巣の発生を低減するのに有利である。④ 注湯速度の観点から、低速注湯は高速注湯よりも逐次凝固を促進する。⑸ 注湯温度は高すぎてはならず、溶鋼を高温で炉から取り出し、静置してから注湯するため、引け巣の低減に有利である。

（３）砂介在物（スラグ）砂介在物（スラグ）は、一般的にブリスターと呼ばれ、鋳物内部に現れる不連続な円形または不規則な穴です。これらの穴は鋳物砂または製鋼スラグと混ざり合い、不規則な大きさで凝集しています。1箇所または複数箇所に発生し、多くの場合、上部に多く見られます。

砂（スラグ）混入の原因：スラグかみ込みは、製鋼工程または鋳込み工程において、溶鋼とともに鋳物内に混入する鋼スラグの断片によって発生します。砂かみ込みは、造型時に鋳型キャビティの密閉性が不十分な場合に発生します。溶鋼を鋳型キャビティに注入すると、鋳物砂が溶鋼に巻き上げられ、鋳物内部に侵入します。また、トリミングや鋳枠締め時の不適切な操作、砂抜け現象なども砂かみ込みの原因となります。

砂混入（スラグ）を防ぐ方法：① 溶鋼を製錬する際は、排気ガスとスラグをできる限り徹底的に排出してください。② 溶鋼注湯袋はひっくり返さず、ティーポット袋や底注湯袋などを使用し、溶鋼上部のスラグが溶鋼とともに鋳巣内に入らないようにしてください。③ 溶鋼を注湯する際は、スラグが溶鋼とともに鋳巣内に入らないように対策を講じてください。④ 砂の巻き込みを防ぐため、造形時は砂型の密閉性を確保し、トリミング時には砂が落ちないように注意し、箱を閉じる前に鋳巣内を吹き飛ばしてください。

（4）ひび割れ：鋳物の亀裂のほとんどは熱間亀裂であり、形状が不規則で、貫通しているか貫通していないか、連続しているか断続的であり、亀裂部分の金属は黒ずんでいたり表面が酸化していたりします。

ひび割れの理由すなわち、高温応力と液膜変形です。

高温応力とは、高温下で溶鋼が収縮・変形することで生じる応力のことです。この応力が金属の強度限界または塑性変形限界を超えると、割れが発生します。液膜変形とは、溶鋼の凝固・結晶化過程において、結晶粒間に液膜が形成されることです。凝固・結晶化が進むにつれて、液膜は変形します。変形量と変形速度が一定限度を超えると、割れが発生します。熱割れが発生する温度範囲は約1200～1450℃です。

ひび割れに影響を与える要因:

① 鋼中のS、P元素は割れの有害因子であり、鉄との共晶により高温での鋳鋼の強度と塑性が低下し、割れが発生します。

②鋼中へのスラグの混入や偏析により応力集中が起こり、高温割れが発生しやすくなります。

③鋼種の線収縮係数が大きいほど高温割れが発生しやすくなります。

④鋼種の熱伝導率が大きいほど表面張力が大きく、高温機械的性質が良くなり、高温割れの傾向が小さくなります。

⑤ 鋳物の構造設計は、角の丸みが小さすぎる、肉厚の差が大きい、応力集中が激しいなど、製造性が悪く、ひび割れが発生します。

⑥砂型の密度が高すぎるため中子の歩留まりが悪いため、鋳物の収縮が妨げられ、割れが発生しやすくなります。

⑦その他、押湯の不適切な配置、鋳物の冷却が速すぎること、押湯の切断や熱処理による過度の応力なども割れの発生に影響します。

上記の亀裂の原因と影響要因に応じて、亀裂欠陥の発生を軽減および回避するための適切な対策を講じることができます。

上記の鋳造欠陥の原因分析に基づき、既存の問題を見つけ出し、対応する改善策を講じることで、鋳造欠陥の解決策を見つけることができ、鋳造品質の向上につながります。