(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨材粒子同士がバインダにより結合されてなる中子本体と、粉末状耐火物および有機バインダを含有するとともに、前記中子本体の表面を被覆するコーティング層とを備え、
前記粉末状耐火物として、平均粒径が互いに異なる粒子同士が配合され、
前記コーティング層の一部は、前記中子本体の気孔に埋没した状態で該中子本体と互いに結合していることを特徴とする鋳造用砂中子。
【請求項２】
請求項１記載の鋳造用砂中子において、前記中子本体の表面から前記コーティング層の上端面までの距離が０．１〜０．３ｍｍであることを特徴とする鋳造用砂中子。
【請求項３】
請求項１または２記載の鋳造用砂中子において、前記コーティング層上に設けられるとともに、潤滑性付与物質を含有する第２層を有することを特徴とする鋳造用砂中子。
【請求項４】
請求項３記載の鋳造用砂中子において、前記潤滑性付与物質が雲母であることを特徴とする鋳造用砂中子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋳造用砂中子において、前記中子本体は、酸化アルミニウムと酸化ケイ素の複合酸化物を構成材料として含有することを特徴とする鋳造用砂中子。
【請求項６】
平均粒径が互いに異なる粉末状耐火物および有機バインダを含有するコーティング層用スラリーを調製する第１工程と、
前記コーティング層用スラリーを、中子本体の気孔に浸透させるとともに前記中子本体の表面に積層する第２工程と、
前記コーティング層用スラリーを乾燥固化させてコーティング層とする第３工程と、
を有することを特徴とする鋳造用砂中子の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の製造方法において、前記コーティング層を、前記中子本体の表面から該コーティング層の上端面までの距離を０．１〜０．３ｍｍとして形成することを特徴とする鋳造用砂中子の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７記載の製造方法において、さらに、潤滑性付与物質を含有する第２層用スラリーを調製する第４工程と、
前記第２層用スラリーを前記コーティング層上に積層する第５工程と、
前記第２層用スラリーを乾燥固化させて第２層とする第６工程と、
を有することを特徴とする鋳造用砂中子の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の製造方法において、前記潤滑性付与物質として雲母を使用することを特徴とする鋳造用砂中子の製造方法。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載の製造方法において、前記コーティング層用スラリーおよび前記第２層用スラリーに、湿潤剤と消泡剤を配合することを特徴とする鋳造用砂中子の製造方法。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の製造方法において、前記コーティング層用スラリーおよび前記第２層用スラリーに、さらに、オクチルアルコールを配合することを特徴とする鋳造用砂中子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造用砂中子およびその製造方法に関し、一層詳細には、寸法精度に優れた鋳造品を得ることが可能であるとともに、鋳造品と分離させ易く、しかも、崩壊させることが容易な鋳造用砂中子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカスト法によるアルミニウム鋳造品の製造は、キャビティに砂中子を配置して金型を閉じ、次いで、前記キャビティにアルミニウム溶湯を高圧・高速で導入した後、該溶湯を冷却固化させることによって遂行されている。この際、鋳造品には、砂中子の形状に対応する形状の中空部が形成される。
【０００３】
砂中子は、一般的には、以下のようにして製造されている。すなわち、まず、ケイ砂（ＳｉＯ２が主成分）、ジルコンサンド（ケイ素とジルコニウムの複合酸化物）、クロマイトサンド（鉄とクロムの複合酸化物が主成分）、ハイアルミナサンド（Ａｌ２Ｏ３が主成分）等の粒子をフェノール樹脂等の有機バインダと混合し、所定の形状に成形して中子本体とする。この中子本体は、４〜６ＭＰａ程度の抗折力を有する。
【０００４】
次に、この中子本体の表面に、コーティング層を形成する。このコーティング層は、溶湯が中子本体に浸透することを防止するためのものである。コーティング層が存在することにより、鋳造物と中子本体とが分離し難くなることや、鋳造品に肌荒れが生じたりすることを回避することができる。
【０００５】
コーティング層の材質に関しては、様々な検討が行われている。例えば、特公昭５７−５９０１３号公報では、粉末状耐火物と水溶性熱硬化性樹脂を含有し、かつｐＨと粘度とが水ガラス水溶液によって調整された第１スラリーを乾燥固化させて得られた第１層と、雲母等を含有する第２スラリーを乾燥固化させて得られた第２層とをコーティング層とすることが提案されている（以下、従来技術１という）。
【０００６】
なお、コーティング層が過度に強固なものであると、砂中子を崩壊させることが容易ではなくなる。換言すれば、砂中子の崩壊性が低下する。そこで、従来技術１では、中子本体の有機バインダ量を２．９５重量％と一般的な量より少なくし、中子本体を崩壊させ易くしている。
【０００７】
また、特公平３−３６６１４号公報では、有機バインダを含有しない第１層をまず形成し、該第１層上に低温分解性樹脂を塗布した後、鱗片状黒鉛や雲母を含有する第２層を形成するようにして、砂中子の崩壊性を維持することが提案されている（以下、従来技術２という）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来技術１では、溶湯をキャビティに導入した際、前記の第２層が第１層から離脱してしまうことがある。このような事態が生じると、鋳造品における第２層が離脱した箇所に対応する箇所が突出してしまうので、寸法精度が低下してしまう。また、第１層に含有された水ガラスがアルミニウム溶湯と反応し、その結果、第１層とアルミニウムとの複合層が生成されるので、鋳造品と砂中子とを離脱させ難くなるという不具合を招く。
【０００９】
さらに、上記したように、従来技術１では、有機バインダ量が少ないので、中子本体にクラックが生じ易い。このため、第２層が離脱した箇所にクラックが存在すると、該クラックに溶湯が差し込んだ状態で冷却固化される際、鋳造品と砂中子とが離脱し難くなってしまう。
【００１０】
結局、従来技術１では、第２層が第１層から離脱すると、鋳造品の寸法精度が低くなるとともに、該鋳造品を砂中子から取り出すことが困難となる。
【００１１】
一方、従来技術２では、第１層に有機バインダが含有されていないため、該第１層と中子本体とが充分な力で結合されないことがある。このため、中子本体にクラックが発生し易いので、従来技術１と同様に、溶湯が差し込み易く、鋳造品と砂中子とが離脱し難くなってしまうという不具合がある。
【００１２】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、溶湯が差し込むことを回避することが可能であり、このために寸法精度に優れた鋳造品を得ることが可能な鋳造用砂中子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、骨材粒子同士がバインダにより結合されてなる中子本体と、粉末状耐火物および有機バインダを含有するとともに、前記中子本体の表面を被覆するコーティング層とを備え、
前記粉末状耐火物として、平均粒径が互いに異なる粒子同士が配合され、
前記コーティング層の一部は、前記中子本体の気孔に埋没した状態で該中子本体と互いに結合していることを特徴とする。
【００１４】
コーティング層が中子本体に埋没することに伴い、該中子本体の表面近傍に存在する気孔が閉塞される。このため、鋳造作業時に溶湯が中子本体に浸透することが著しく抑制される。換言すれば、溶湯が中子本体に差し込むことを回避することができるので、寸法精度が良好でかつ肌荒れの少ない鋳造品を得ることができる。
【００１５】
その上、溶湯が中子本体に差し込まないので、鋳造品を砂中子から容易に離脱させることができるようになる。
【００１６】
ここで、粉末状耐火物として、平均粒径が互いに異なる粒子同士が配合されていることが好ましい。この場合、主に粒径が小さいものによって中子本体の表面近傍に存在する気孔を確実に充填することができるようになる。その一方で、主に粒径が大きいものによって中子本体の表面上にコーティング層を形成することができるようになる。
【００１７】
鋳造用砂中子としては、潤滑性付与物質を含有する第２層がコーティング層上に設けられているものであることが好ましい。この第２層が存在することによって、鋳造品を砂中子から離脱させることが一層容易となるからである。
【００１８】
なお、潤滑性付与物質の好適な例としては、雲母を挙げることができる。
【００１９】
さらに、中子本体は、酸化アルミニウムと酸化ケイ素の複合酸化物を構成材料として含有するものであることが好ましい。この複合酸化物は、熱膨張率が極めて小さい。このため、該中子本体は熱膨張を起こし難いので、熱膨張に伴って該中子本体に発生する内部応力も著しく小さくなる。したがって、中子本体にクラックが生じることを回避することができ、結局、鋳造品の寸法精度を一層向上させることができるからである。
【００２０】
また、本発明は、平均粒径が互いに異なる粉末状耐火物および有機バインダを含有するコーティング層用スラリーを調製する第１工程と、
前記コーティング層用スラリーを、中子本体の気孔に浸透させるとともに前記中子本体の表面に積層する第２工程と、
前記コーティング層用スラリーを乾燥固化させてコーティング層とする第３工程と、
を有することを特徴とする。
【００２１】
このような製造方法によれば、コーティング層用スラリーが中子本体に浸透して該中子本体の表面近傍に存在する気孔を充填した後、残余のコーティング層用スラリーが中子本体の表面に積層する。このため、一部が中子本体に埋没したコーティング層を確実に得ることができる。
【００２２】
この場合、平均粒径が互いに異なる粉末状耐火物が配合されたコーティング層用スラリーを調製してこれを使用することが好ましい。主に小粒径のものによって気孔を確実に閉塞することができるとともに、気孔に流入することが困難な大粒径のものを中子本体の表面に残留させることによって、コーティング層用スラリーからなる層を設けることができるからである。
【００２３】
鋳造品を離脱させ易くするための第２層を設ける場合、上記の第１〜第３工程に加え、潤滑性付与物質を含有する第２層用スラリーを調製する第４工程と、
前記第２層用スラリーを前記コーティング層上に積層する第５工程と、
前記第２層用スラリーを乾燥固化させて第２層とする第６工程と、
を行うようにすればよい。なお、潤滑性付与物質としては、雲母を使用することができる。
【００２４】
コーティング層用スラリーおよび第２層用スラリーには、湿潤剤と消泡剤を配合することが好ましい。湿潤剤が配合されたスラリーは、濡れ性が向上する。すなわち、例えば、コーティング層用スラリーは、中子本体の表面に拡がって付着する。このため、コーティング層用スラリーからなる層、ひいてはコーティング層を中子本体の表面に確実に形成することができる。第２層用スラリーにおいても同様である。なお、消泡剤は、湿潤剤を配合したことに起因して泡が生じることを抑制する。
【００２５】
コーティング層用スラリーおよび第２層用スラリーには、さらに、オクチルアルコールを配合することが好ましい。オクチルアルコールが存在する場合、最終的に形成された層の厚みが略均一となるからである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鋳造用砂中子およびその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
本実施の形態に係る鋳造用砂中子（以下、単に砂中子ともいう）の概略全体斜視図を図１に示す。この砂中子１０は、自動車車体に搭載される内燃機関を構成する図示しないシリンダブロックを鋳造品として製造する場合に使用されるものであり、該砂中子１０によってシリンダブロックに形成された中空部は、ウォータジャケット部として供される。
【００２８】
この砂中子１０の表面近傍における断面拡大図を図２に示す。この図２から諒解されるように、該砂中子１０は、中子本体１２の表面に第１コーティング層１４および第２コーティング層１６がこの順序で積層されてなる３層構造である。なお、図２中、参照符号１８は、第１コーティング層１４によって充填されることなく残留した閉気孔を示す。
【００２９】
この場合、中子本体１２は、セラビーズの粒子２０が図示しないフェノール樹脂で結合されることによって構成されている。ここで、セラビーズとは、伊藤忠セラテック社から販売されている人工砂の商品名であり、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３との複合酸化物が約９８％含まれているものである。
【００３０】
セラビーズは、他の一般的な中子用砂であるジルコンサンド、クロマイトサンド、ケイ砂等に比して熱膨張率が著しく小さい。換言すれば、中子本体１２は、溶湯が導入された場合であっても熱膨張を起こし難い。このため、該中子本体１２にクラックが発生することが抑制される。
【００３１】
なお、中子本体１２の抗折力は、約２０ＭＰａと比較的高い。
【００３２】
第１コーティング層１４の下部は、中子本体１２に埋没している。このような状態は、後述するように、第１コーティング層１４となる第１スラリーを中子本体１２の気孔に充填させた後、この第１スラリーを冷却固化させることにより達成することができる。なお、埋没深さＤは、０．５ｍｍ程度で充分である。
【００３３】
この第１コーティング層１４は、粉末状耐火物としてのジルコンフラワーがフェノール系樹脂（有機バインダ）で互いに結合されることによって構成されている。この場合、ジルコンフラワーとしては、平均粒径が互いに異なるものが配合されている。具体的には、平均粒径がおよそ１０μｍの大粒径ジルコンフラワーと、およそ１μｍの小粒径ジルコンフラワーである。なお、第１コーティング層１４には、水ガラスは含有されていない。
【００３４】
中子本体１２の表面から第１コーティング層１４の上端面までの距離Ｈは、溶湯が中子本体１２に差し込むことを防止でき、かつ砂中子１０の崩壊性を低下させない程度に設定される。具体的には、０．１〜０．３ｍｍの範囲内であることが好ましい。以下の説明においては、中子本体１２の表面から第１コーティング層１４の上端面までの距離Ｈを第１コーティング層１４の厚みＨという。
【００３５】
第２コーティング層１６は、潤滑性付与物質として雲母を含有している。後述するように、雲母が存在することにより、シリンダブロックを砂中子１０から容易に離脱させることができる。なお、第２コーティング層１６には、フェノール系樹脂等の有機バインダが含有されていることが好ましい。これにより、第２コーティング層１６が第１コーティング層１４と互いに強固に結合し、結局、第２コーティング層１６が剥離し難くなるからである。
【００３６】
第２コーティング層１６の厚みＴは、シリンダブロックを砂中子１０から離脱させることが容易となるのに充分な潤滑性を付与できる程度であればよく、例えば、約０．１ｍｍとすることができる。この場合、第１コーティング層１４には気孔がほとんど存在しないため、第２コーティング層１６は、第１コーティング層１４には埋没していない。
【００３７】
本実施の形態に係る砂中子１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００３８】
ダイカスト法にてシリンダブロックを製造する際、この砂中子１０をキャビティに配置した後、金型を閉じる。そして、約６００℃のアルミニウム溶湯を、例えば、圧力を約１００ＭＰａ、速度を約２．５ｍ／秒として前記キャビティに導入する。
【００３９】
上記したように、中子本体１２は、第１コーティング層１４および第２コーティング層１６によって被覆されている。このうち、第１コーティング層１４は、その下部が中子本体１２に埋没しているので、中子本体１２と互いに強固に結合している。このため、第１コーティング層１４が高圧・高速の溶湯によって第２コーティング層１６ごと流出してしまうことはない。
【００４０】
しかも、第１コーティング層１４の下部は、中子本体１２の表面近傍に存在する気孔を充填して埋没している。すなわち、中子本体１２の表面近傍の気孔は、第１コーティング層１４によって閉塞されている。このため、溶湯が中子本体１２に浸透することが抑制されるので、結局、中子本体１２の内部に存在する気孔に溶湯が流入することはない。
【００４１】
さらに、本実施の形態では、中子本体１２の構成材料として、熱膨張率が極めて小さいセラビーズを使用している。換言すれば、中子本体１２の熱膨張量が著しく小さいので、熱膨張に伴って中子本体１２に発生する内部応力も極めて小さい。このため、中子本体１２や第１コーティング層１４および第２コーティング層１６にクラックが発生することを回避することができる。
【００４２】
すなわち、本実施の形態においては、流失し難い第１コーティング層１４が中子本体１２の表面近傍に存在する気孔を閉塞し、かつ中子本体１２にクラックが生じ難いので、溶湯が中子本体１２に差し込むことを確実に回避することができる。このため、鋳造品であるシリンダブロックを寸法精度よく得ることができるとともに、シリンダブロックに肌荒れが生じることを抑制することができる。
【００４３】
キャビティへの溶湯の導入が終了した後、所定時間放置して溶湯を冷却固化させる。そして、キャビティからシリンダブロックを砂中子１０ごと取り出し、次いで、シリンダブロックを砂中子１０から容易に離脱させる。具体的には、ウォータジェット法やブラスト法等の公知技術によって砂中子１０を崩壊させる。この際、第１コーティング層１４が適切な厚みＨで設けられているので、砂中子１０が崩壊することが妨げられることはない。
【００４４】
そして、上記したように、溶湯が砂中子１０に差し込むことが抑制されているので、必然的に、砂中子１０に差し込んだ部位がないシリンダブロックが得られる。また、第１コーティング層１４には水ガラスが含まれていないので、アルミニウムと水ガラスとが反応して複合層が形成されることもない。このため、シリンダブロックを砂中子１０から容易に離脱させることができる。
【００４５】
しかも、第２コーティング層１６には、潤滑性を付与する雲母が含有されている。このため、シリンダブロックを砂中子１０から離脱させる際、砂中子１０とシリンダブロックとの間の摩擦力が極めて小さくなる。すなわち、シリンダブロックを砂中子１０から一層容易に離脱させることができる。
【００４６】
この砂中子１０は、以下のようにして製造することができる。
【００４７】
本実施の形態に係る砂中子１０の製造方法のフローチャートを図３に示す。この製造方法は、第１コーティング層用スラリー（以下、第１スラリーという）を調製する第１工程Ｓ１と、この第１スラリーを中子本体１２に浸透・積層させる第２工程Ｓ２と、第１スラリーを乾燥固化させて第１コーティング層１４とする第３工程Ｓ３と、第２コーティング層用スラリー（以下、第２スラリーという）を調製する第４工程Ｓ４と、この第２スラリーを第１コーティング層１４上に積層する第５工程Ｓ５と、第２スラリーを乾燥固化させて第２コーティング層１６とする第６工程Ｓ６とを有する。
【００４８】
まず、第１工程Ｓ１において、第１スラリーを調製する。すなわち、平均粒径がおよそ１０μｍの大粒径ジルコンフラワー、およそ１μｍの小粒径ジルコンフラワー、フェノール系樹脂、湿潤剤、消泡剤およびオクチルアルコールを水とともに配合する。この配合の際、湿潤剤に起因して泡が発生することは、消泡剤の作用によって抑制される。
【００４９】
次いで、第２工程Ｓ２において、この第１スラリーを中子本体１２に浸透させるとともに該中子本体１２の表面上に積層させる。具体的には、中子本体１２を第１スラリー中に浸漬すればよい。この浸漬時間は、第１スラリーが中子本体１２に充分に浸透し、かつ第１コーティング層１４となったときの厚みＨが０．１〜０．３ｍｍ程度となるような厚みで第１スラリーが積層されるように、第１スラリーの粘度に応じて設定すればよい。
【００５０】
この際、中子本体１２の気孔には、第１スラリーに含有された小粒径ジルコンフラワーが主に流入する。このため、高い充填率で気孔を埋めることができる。一方、大粒径ジルコンフラワーの大部分は、気孔には流入されず、中子本体１２の表面上に積層される。そして、第１スラリーは、該第１スラリーに含有された湿潤剤によって良好な濡れ性を有しているので、砂中子１０の表面に良好に付着する。また、オクチルアルコールの作用により、積層厚みが略均一となる。すなわち、オクチルアルコールは、第１スラリーの積層厚み、ひいては第１コーティング層１４の厚みＨを略均一にする平坦化剤である。
【００５１】
このように、粒径が互いに異なる粉末状耐火物を含有する第１スラリーを使用することにより、中子本体１２の気孔を埋めることができるとともに、中子本体１２の表面に第１スラリーからなる層を形成することができる。
【００５２】
中子本体１２を第１スラリー中に浸漬して所定時間が経過した後、中子本体１２を取り出し、第３工程Ｓ３にて第１スラリーを乾燥固化させ、厚みＨが０．１〜０．３ｍｍ程度の第１コーティング層１４とする。この際、フェノール系樹脂によって粉末状耐火物が互いに結合されるとともに、中子本体１２と第１コーティング層１４とが互いに強固に結合される。
【００５３】
以上の第１〜第３工程Ｓ１〜Ｓ３を遂行する一方で、第４工程Ｓ４において、第２スラリーを調製する。すなわち、雲母、ルブリケート（潤滑剤）、湿潤剤、消泡剤およびオクチルアルコールを水とともに配合する。必要に応じて、フェノール系樹脂等の有機バインダをさらに配合するようにしてもよい。
【００５４】
次いで、第５工程Ｓ５において、この第２スラリーを第１コーティング層１４上に積層させる。この積層も、第１コーティング層１４が形成された中子本体１２を第２スラリー中に浸漬することによって遂行することができる。または、スプレー塗布法や刷毛塗り法等の各種塗布法によって、第２スラリーを積層するようにしてもよい。
【００５５】
次いで、第６工程Ｓ６において、第２スラリーを乾燥固化させれば、中子本体１２の表面に第１コーティング層１４と第２コーティング層１６とがこの順序で積層されてなる砂中子１０が得られるに至る。
【００５６】
なお、本実施の形態においては、第２コーティング層１６は、第１コーティング層１４の全表面に亘って設けられているが、必ずしも全表面に設ける必要はない。例えば、シリンダブロックから離脱させ難い部位のみに形成するようにしてもよい。このように、第２コーティング層１６を部分的に設けることにより、砂中子１０の製造コストを低廉化することができる。この場合、第５工程Ｓ５において、第２コーティング層１６を設ける箇所にのみ第２スラリーを塗布するようにすればよい。
【００５７】
また、第２コーティング層１６を形成しなくともシリンダブロックから容易に離脱させることができる場合には、第２コーティング層１６を設ける必要は特にない。
【００５８】
さらに、本実施の形態においては、鋳造品としてシリンダブロックを例示して説明したが、特にこれに限定されるものでないことはいうまでもない。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る鋳造用砂中子によれば、第１コーティング層が中子本体に埋没しており、これにより中子本体の表面近傍の気孔が閉塞されている。したがって、溶湯が中子本体に差し込むことを回避することができ、このため、寸法精度が良好でかつ肌荒れの少ない鋳造品を得ることができるという効果が達成される。
【００６０】
また、本発明に係る鋳造用砂中子の製造方法によれば、第１コーティング層となる第１スラリーが中子本体に浸透して表面近傍の気孔を充填し、かつ第１スラリーを中子本体の表面に積層させるようにしている。このため、一部が中子本体に埋没した第１コーティング層を確実に得ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る鋳造用砂中子の概略全体斜視図である。
【図２】図１の鋳造用砂中子における表面近傍の断面拡大図である。
【図３】本実施の形態に係る鋳造用砂中子のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…砂中子                      １２…中子本体
１４…第１コーティング層          １６…第２コーティング層
１８…閉気孔                      ２０…粒子
【図１】
0003581687.tif 000002
【図２】
0003581687.tif 000003
【図３】
0003581687.tif 000004