JP2024066539A - 溶融砂の性質を改善する方法、及び、鋳造用金型の無機中子を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無機中子の強度を向上できる技術を提供する。
【解決手段】開示された方法は、鋳造用金型の無機中子の製造に用いられる溶融砂の性質を改善する方法であって、溶融砂を６５０～１２００℃の温度範囲で熱処理する工程を含む。
【選択図】図１

Description

本開示は、鋳造用金型の無機中子の製造に用いられる溶融砂の性質を改善する方法、及び、鋳造用金型の無機中子を製造する方法に関する。

従来から、鋳型の造型に用いられる耐火性粒子の性質を改善して、鋳型の強度を向上させる方法が求められている。特許文献１には、フラン樹脂をバインダーとする鋳型の造形に用いられる耐火性粒子を４００℃～１５００℃の温度で熱処理する方法が開示されている。

特開２０１４－１５９０３５号公報

鋳造用金型の中子としては、有機物のバインダーを使用する有機中子と、無機物のバインダーを使用する無機中子とがある。無機中子は、有機中子に比べてガス発生量や臭気が大幅に少ないので、環境に優しいという利点がある。しかし、従来は、無機中子の製造に用いられる溶融砂について、無機中子の強度を向上させるための処理方法が知られていなかった。

本開示の第１の形態によれば、鋳造用金型の無機中子の製造に用いられる溶融砂の性質を改善する方法が提供される。この方法は、前記溶融砂を６５０～１２００℃の温度範囲で熱処理する工程を含む。
この方法では、溶融砂を用いて製造する無機中子の強度を高めることができる。

本開示の第２の形態によれば、鋳造用金型の無機中子を製造する方法が提供される。この方法は、溶融砂を６５０～１２００℃の温度範囲で熱処理する工程と、前記熱処理後の前記溶融砂に水ガラスと発泡剤を加えて発泡混練することによって、発泡混練砂を生成する工程と、前記発泡混練砂を中子成形用金型に射出充填することによって、前記無機中子を形成する工程と、を含む。
この方法では、強度の高い無機中子を製造できる。

溶融砂で形成される部材の強度と熱処理温度の関係を示すグラフ。 熱処理時の温度変化を示すグラフ。 溶融砂の熱処理温度と強度及び動粘度との関係を示す説明図。 溶融砂を水酸化カリウムに浸漬したときのイオン溶出量と熱処理温度の関係を示すグラフ。 無機中子の製造工程を示すフローチャート。

溶融砂は、鋳造用金型の無機中子の製造に用いられる人工砂の一種である。鋳造用金型は、例えば、自動車用エンジンのアルミニウム鋳物を製造するための鋳型である。アルミニウム鋳物は、例えば、内燃機関のシリンダーヘッドであり、シリンダーヘッドの冷却水路などを形成するために中子が使用される。無機中子は、有機物のバインダーを使用せず、無機物のみで形成された中子である。無機中子は、製造時に臭気や煙が発生しないので、環境に優しいという特徴がある。

無機中子の強度が強ければ、それだけ形状自由度が上がり、高性能エンジンの設計が可能になるためより強度が高い骨材の要望がある。また、無機中子はある程度の強度がなければハンドリング性が悪く鋳込みの際に折れ等が発生しやすくなるため強度を高めたいという要求がある。中子強度を高めるためには無機バインダー濃度を濃くする方法もあるが、コストや砂の再生を考えるとマイナス面もあり、砂の特性向上による強度向上が好ましい。一般に、人工砂で形成される部材の強度を高める方法としては、人工砂を研磨する方法がある。しかし、溶融砂は、ガラス性状であるため衝撃に弱く、割れやすい特徴があり、研磨では強度を高める効果がないことが判明した。本開示の発明者は溶融砂を熱処理することによって、無機中子の強度が高められることを見出した。

図１は、溶融砂で形成される部材の強度と熱処理温度の関係を示すグラフである。横軸は熱処理温度［℃］、縦軸は抗折強度［kgf/cm²］である。抗折強度は、特開２０２０－８９９０９号公報に記載された測定方法で測定された値である。また、黒丸の点は実施例としての溶融砂の結果を示し、白丸は比較例としての焼結砂の結果を示す。

溶融砂は、溶融法によって製造された人工砂である。溶融法は、原料鉱石を溶解炉で溶融し、エア等により吹き飛ばすことによって急冷硬化する方法である。溶融砂は、急冷強化時に、表面張力によってほぼ真球状となる。溶融砂は、真球度が高く、また、表面が極めて滑らかなので、強度の高い部材を形成できるという特徴がある。

溶融砂としては、例えば、以下の組成を有するムライト系の人工砂を使用することが好ましい。
・Ａｌ_２Ｏ_３：７０～８５重量％
・ＳｉＯ_２：５～２０重量％
・ＴｉＯ_２：３～５重量％
・Ｆｅ_２Ｏ_３：２～４重量％
・その他：Balance
これらの組成は、熱処理前の状態で測定した値である。

焼結砂は、焼結法によって製造された人工砂である。焼結法は、原料スラリーを噴霧して造粒し、高温焼結する方法である。焼結砂は、溶融砂よりも衝撃に強い。但し、焼結砂は、真球度が溶融砂よりもやや低く、部材の強度が溶融砂よりも低い傾向にある。

抗折強度測定用の試験片は、特開２０２０－８９９０９号公報に記載されている以下の手順で作成した。まず、重量比で、人工砂１００、水ガラスの固形分０．５～２．５、発泡剤としての界面活性剤の有効成分０．０１～０．０５、及び、水２～４を、混練装置で３００秒間混練して発泡状混合物を作成した。この発泡状混合物を試験片造型装置の造型用金型に投入して、２００～３００℃、３０～１２０秒間焼成することによって、１０ｍｍ×３０ｍｍ×８５ｍｍの試験片を造型した。この試験片を、抗折強度試験機にセットして、抗折強度を測定した。

人工砂を用いて無機中子を製造する場合を想定すると、上述の方法で測定される抗折強度は、３０［kgf/cm²］以上であることが好ましい。図１において抗折強度が３０［kgf/cm²］以上となる条件を考慮すると、溶融砂の熱処理は、６５０～１２００℃の温度範囲で行うことが好ましい。この温度範囲を溶融砂を熱処理することによって、無機中子の強度を十分に高めることができる。この結果、無機中子の局所的な寸法を小さくすることができ、シリンダーヘッドの冷却水路をより細い形状とすることができる。冷却水路が細くなると流速が上昇するので、シリンダーヘッドの冷却能力を向上させることができる。

溶融砂の熱処理は、８００～１１００℃の温度範囲で行うことがより好ましく、９５０～１０５０℃の温度範囲で行うことが更に好ましい。これらの温度範囲で熱処理を行えば、無機中子の強度を更に高めることができる。また、強度を向上させる処理として研磨を行わないことが好ましい。この理由は、溶融砂はガラス性状であるため衝撃に弱く、割れやすい特徴があるからである。

図２は、熱処理時の温度変化を示すグラフである。図２の上側に示す第１の温度変化ＴＣ１では、目標温度に達した後に、予め設定された熱処理時間の期間は目標温度に維持されて、その後に冷却される。図２の「目標温度」は、図１の「熱処理温度」に相当する。熱処理時間は、１～５時間が好ましく、１～３時間が更に好ましい。図２の下側に示す第２の温度変化ＴＣ２では、目標温度に達したら直ちに冷却される。この第２の温度変化ＴＣ２では熱処理に要するエネルギーを低減できる。これらの２つの温度変化ＴＣ１，ＴＣ２のいずれを使用してもよい。但し、図１の結果は、第１の温度変化ＴＣ１を用いたものである。

本実施形態では、熱処理は大気雰囲気中で行った。但し、酸素濃度を大気と異なる条件に設定した雰囲気で熱処理を行っても良い。

図３は、溶融砂の熱処理温度と強度及び動粘度との関係を示す説明図である。抗折強度は、図１に示したものと同じである。熱処理を行わない未処理の溶融砂を用いて作成された試験片の抗折強度は２３．８［kgf/cm²］である。上述したように、抗折強度は３０［kgf/cm²］以上であることが好ましいので、未処理の溶融砂では十分な強度が得られない。一方、６５０～１２００℃の温度範囲で熱処理を行うことによって、十分な強度が得られることが理解できる。なお、溶融砂としては、熱処理前の状態において、抗折強度が２０［kgf/cm²］以上であるものを使用することが好ましい。

動粘度[sec]は、特開２０２０－８９９０９号公報に記載されている以下の手順で測定した。まず、重量比で、人工砂１００、水ガラスの固形分０．５～２．５、発泡剤としての界面活性剤の有効成分０．０１～０．０５、及び、水２～４を、混練装置で１２０秒間混練して発泡状混合物を作成した。この発泡状混合物を動粘度測定器に投入した。そして、１ｋｇの重りを発泡状混合物の上に乗せ、発泡状混合物が動粘度測定器の下端の孔から排出されて重りが５０ｍｍ下降する時間を動粘度[sec]として測定した。動粘度が２秒未満であれば、中子用の人工砂として十分な流動性がある。図３の結果によれば、熱処理の有無に拘わらず、溶融砂は十分な流動性を有する。

図４は、溶融砂を水酸化カリウムに浸漬したときのイオン溶出量と熱処理温度の関係を示すグラフである。横軸は熱処理温度、縦軸はイオン溶出量[ppm]である。ここでは、溶融砂を９５℃のＫＯＨに浸漬したときのＡｌ（アルミニウム），Ｓｉ（シリコン），Ｎａ（ナトリウム）の溶出量を示している。熱処理温度が８００℃以上の場合には、Ａｌの溶出量が未処理に比べて大幅に低下している。前述した図１を参照すると、Ａｌの溶出量の低下と、抗折強度の向上には正の相関があるものと推定できる。この点を考慮すると、熱処理温度は８００℃以上とすることが好ましい。

図５は、無機中子の製造工程を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、溶融砂に熱処理を実行する。この熱処理は、図１で説明したように、６５０～１２００℃の温度範囲で実行することが好ましい。また、溶融砂の研磨は行わないことが好ましい。なお、熱処理の温度範囲は、後述する中子の射出成形時の金型温度よりも高い温度範囲である。

ステップＳ２０では、溶融砂に水ガラスと発泡剤を加えて発泡混練することによって、発泡混練砂を作成する。水ガラスはバインダーである。この際、必要に応じて水を追加してもよい。具体的には、例えば、重量比で、溶融砂１００、水ガラスの固形分０．５～２．５、発泡剤としての界面活性剤の有効成分０．０１～０．０５、及び、水２～４を、混練装置で混練することによって発泡混練砂を作成する。発泡剤としては、特開２０２０－８９９０９号公報に記載されている界面活性剤組成物を使用できる。

なお、溶融砂と焼結砂の両方を用いて発泡混練砂を作成してもよい。この場合には、無機中子の強度を十分なものとするために、溶融砂と焼結砂の合計重量のうち、溶融砂のかさ体積割合を１／２以上とすることが好ましい。

ステップＳ３０では、発泡混練砂を中子成形用金型に射出充填して、無機中子を形成する。この際、中子成形用金型は、２００～３００℃の温度範囲に加熱される。なお、発泡混練砂は、図３で説明したように十分に小さな動粘度を有するので、流動性が高く、細かい構造の無機中子を製造できる。

以上のように、上記実施形態では、溶融砂を６５０～１２００℃の温度範囲で熱処理を行うので、無機中子の強度を高めることができる。

・他の形態：
本開示は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態（aspect）によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、鋳造用金型の無機中子の製造に用いられる溶融砂の性質を改善する方法が提供される。この方法は、前記溶融砂を６５０～１２００℃の温度範囲で熱処理する工程を含む。
この方法では、溶融砂を用いて製造する無機中子の強度を高めることができる。

（２）本開示の第２の形態によれば、鋳造用金型の無機中子を製造する方法が提供される。この方法は、溶融砂を６５０～１２００℃の温度範囲で熱処理する工程と、前記熱処理後の前記溶融砂に水ガラスと発泡剤を加えて発泡混練することによって、発泡混練砂を生成する工程と、前記発泡混練砂を中子成形用金型に射出充填することによって、前記無機中子を形成する工程と、を含む。
この方法では、強度の高い無機中子を製造できる。

（３）上記方法において、前記温度範囲は８００～１１００℃であるものとしてもよい。
この方法では、無機中子の強度を更に高めることができる。

（４）上記方法において 前記温度範囲は９５０～１０５０℃であるものとしてもよい。
この方法では、無機中子の強度を更に高めることができる。

ＴＣ１…温度変化、ＴＣ２…温度変化

Claims (4)

1. 鋳造用金型の無機中子の製造に用いられる溶融砂の性質を改善する方法であって、
   前記溶融砂を６５０～１２００℃の温度範囲で熱処理する工程を含む、方法。
2. 鋳造用金型の無機中子を製造する方法であって、
   溶融砂を６５０～１２００℃の温度範囲で熱処理する工程と、
   前記熱処理後の前記溶融砂に水ガラスと発泡剤を加えて発泡混練することによって、発泡混練砂を生成する工程と、
   前記発泡混練砂を中子成形用金型に射出充填することによって、前記無機中子を形成する工程と、
   を含む方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、
   前記温度範囲は８００～１１００℃である、方法。
4. 請求項１又は２に記載の方法であって、
   前記温度範囲は９５０～１０５０℃である、方法。

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