(57)【要約】【課題】有機材料由来の燃焼ガスに起因した鋳物のガス欠陥を低減させ、鋳物の表面平滑性に優れる鋳物製造用構造体を提供すること。【解決手段】本発明の鋳物製造用構造体は、無機繊維、層状粘土鉱物及び層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、有機成分の含有量が５質量％以下であるものである。また、本発明の鋳物製造用構造体は、無機繊維、層状粘土鉱物及び層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、１０００℃で３０分間加熱したときの質量減少率が５質量％以下であるものである。無機粒子が黒曜石、黒鉛及びムライトから選ばれる１種以上を含むことも好適である。無機繊維が炭素繊維を含むことも好適である。無機繊維の平均繊維長が０．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることも好適である。層状粘土鉱物がベントナイト及びモンモリロナイトから選ばれる１種以上を含むことも好適である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機繊維、層状粘土鉱物及び該層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、有機成分の含有量が５質量％以下である、鋳物製造用構造体。
【請求項２】
無機繊維、層状粘土鉱物及び該層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、１０００℃で３０分間加熱したときの質量減少率が５質量％以下である、鋳物製造用構造体。
【請求項３】
前記無機粒子が黒曜石、黒鉛及びムライトから選ばれる１種以上を含む、請求項１又は２に記載の鋳物製造用構造体。
【請求項４】
前記無機繊維が炭素繊維を含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の鋳物製造用構造体。
【請求項５】
前記無機繊維の平均繊維長が０．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の鋳物製造用構造体。
【請求項６】
前記層状粘土鉱物がベントナイト及びモンモリロナイトから選ばれる１種以上を含む、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の鋳物製造用構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳物製造用構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳物は、一般に木型や金型などをもとに鋳物砂で内部にキャビティを有する鋳型を形成するとともに、必要に応じて該キャビティ内に中子を配した後、該キャビティに溶湯を供給して製造されている。木型、金型の製造は、加工に熟練を要し、加工が困難であり、鋳型が重い等の欠点と共に廃棄処理の問題も生じ、鋳物を量産する以外の場合に使用することが困難である。また、鋳物砂を用いた砂型は、通常の砂にバインダーを添加することによって硬化させて形状を保持させているため、砂の再利用には再生処理工程が必須となり、再利用コストの増大につながっていた。また、再生処理の際にダストなどの廃棄物が更に発生するなどの問題も生じていた。
【０００３】
このような課題を解決する技術として、パルプ等の有機繊維と無機繊維との成形体（特許文献１）や、無機粒子を主成分とし、これに粘結剤として熱硬化性樹脂及び無機繊維等を添加した成形体（特許文献２及び３）に関する提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８１４７２号公報
【特許文献２】特開２００６−３４６７４７号公報
【特許文献３】特開２００９−１９５９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１ないし３に記載の成形体によれば、鋳型の加工性、軽量化及び廃棄処理の問題についてはある程度解決できた。しかし、これらの文献に記載の成形体は、鋳込み時において、成形体に含まれる有機材料由来の燃焼ガスに起因した鋳物のガス欠陥や、製造される鋳物の表面平滑性において改善の余地があった。
【０００６】
したがって、本発明の課題は、前述した従来技術が有する欠点を解消し得る鋳物製造用構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、無機繊維、層状粘土鉱物及び該層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、有機成分の含有量が５質量％以下である、鋳物製造用構造体を提供するものである。
【０００８】
また本発明は、無機繊維、層状粘土鉱物及び該層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、１０００℃で３０分間加熱したときの質量減少率が５質量％以下である、鋳物製造用構造体を提供するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、軽量で且つ鋳型等の成形性が良く、鋳込み時においても熱間強度及び形状保持性に優れる鋳物製造用構造体を提供できる。
また、本発明によれば、得られる鋳物の表面平滑性に優れるとともに、鋳物のガス欠陥の発生率低減に優れる鋳物製造用構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例及び比較例における鋳物製造用構造体の質量減少率のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づいて説明する。本発明の鋳物製造用構造体（以下、単に「構造体」ともいう。）は、無機粒子、無機繊維及び層状粘土鉱物を含有しているものである。本明細書において「鋳物製造用構造体」とは、文脈に応じて、鋳型の一部材を構成する部材、例えば割型と、鋳型そのものとを指す。本明細書中の「質量％」は、特に断りのない限り、鋳物製造用構造体の全体質量に対する質量割合を表す。
【００１２】
本発明の鋳物製造用構造体は、無機粒子を含む。本発明における無機粒子は、目的とする鋳物製造用構造体の耐熱性を向上させるために用いられる。本発明の構造体に含まれる無機粒子は、特に断りのない限り、後述する層状粘土鉱物以外の無機粒子を指す。
【００１３】
本発明に用いられる無機粒子としては、例えば黒曜石、黒鉛、ムライト、シリカ、マグネシア、ジルコニア、アルミナ及びタルク等が挙げられる。これらのうち、耐焼着性の観点から、黒鉛、ムライト及び黒曜石を用いることが好ましく、中でも耐熱性の観点から、黒鉛及びムライトを用いることがより好ましい。一般的に、黒鉛は、鱗状黒鉛や土状黒鉛等のように天然に産出されるものと、石油コークス、カーボンブラック又はピッチ等を原料として人工的に製造される人造黒鉛とに分類される。これらの黒鉛のうち、構造体の成形性の向上の観点から、鱗状黒鉛を用いることが好ましい。これらの無機粒子は、単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。
【００１４】
本発明に用いられる無機粒子の平均粒子径は、構造体の通気性を向上させて鋳物のガス欠陥を抑制する観点から、１μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上がより好ましい。また、無機粒子の平均粒子径は、構造体が鋳込み時においても十分な熱間強度を維持する観点から、３０００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以下がより好ましい。より具体的には、無機粒子の平均粒子径は、１μｍ以上３０００μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上５００μｍ以下がより好ましい。無機粒子の平均粒子径を上述の範囲とするために、公知の粉砕装置を用いて更に粉砕処理を施してもよい。
【００１５】
粉砕処理の方法は特に限定されず、例えば乾式粉砕や湿式粉砕を行うことができる。乾式粉砕に用いられる粉砕装置としては例えばローラーミル、転動ボールミル、振動ボールミル、振動ロッドミル、振動チューブミル、遊星ボールミル又は遠心流動化ミル等の容器駆動媒体ミル、塔式粉砕機、攪拌槽式ミル、流通槽式ミル又はアニュラー式ミル等の媒体攪拌式ミル、高速遠心ローラーミルやオングミル等の圧密せん断ミル、乳鉢、石臼、マスコロイダー、フレットミル、エッジランナーミル、ナイフミル、ピンミル、カッターミル又はハンマーミル等が挙げられる。また、湿式粉砕に用いられる粉砕装置としては、例えば該装置内に、粉砕処理の対象となる無機粒子と、水などの液体媒体と、ボールやビーズ等の粉砕媒体とを入れ、スクリュー等の攪拌子を介して媒体に回転動力を与えて粉砕処理を行うメディア粉砕装置や、高圧ホモジナイザー又は超高圧ホモジナイザー等のメディアレス粉砕装置等が挙げられる。
【００１６】
無機粒子の平均粒子径は、例えばレーザ回折／散乱式粒子径分布測定装置（ＬＡ−９５０Ｖ２、株式会社堀場製作所製）を用いて粒子径分布を測定することで得ることができる。粒子径分布の測定は、アクセサリに乾式ユニットを用い、無機粒子が圧縮空気で分散された粉末状態の粒子径を測定する。測定条件は圧縮空気の圧力を０．２０ＭＰａ、流量を３２０Ｌ／ｍｉｎとし、試料はレーザーの吸光度が９５％〜９９％になる様に投入量を調整し測定を行うことができる。得られた体積基準の粒子径分布から粒子径の平均値を算出し、これを平均粒子径として定義する。
【００１７】
構造体の製造時及び鋳込み時における形状保持性、表面平滑性及び離型性を良好にする観点から、無機粒子の含有量は、４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることが更に好ましい。また、無機粒子の含有量は、９０質量％以下であることが好ましく、８５質量％以下であることが更に好ましい。具体的には、同様の観点から、無機粒子の含有量は、４０質量％以上９０質量％以下であることが好ましく、６０質量％以上８５質量％以下であることが更に好ましい。
【００１８】
本発明の鋳物製造用構造体は、無機繊維を含む。本発明において用いられる無機繊維は、主として鋳物製造用構造体の所望の形状を維持するためのものであり、特に鋳造時の溶融金属の熱によっても燃焼せずに該構造体の形状を維持するものであることが好ましい。本発明に用いられる無機繊維としては、例えば炭素繊維及びロックウール等の人造鉱物繊維、セラミック繊維、並びに天然鉱物繊維が挙げられる。これらの中でも、鋳込み時の高温環境下において構造体の形状及び強度を維持させる観点から、炭素繊維を用いることが好ましく、ピッチ系やポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系の炭素繊維を用いることがより好ましく、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系の炭素繊維を用いることが更に好ましい。これらの無機繊維は、単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。
【００１９】
鋳物製造用構造体の成形性及び均一性を向上させる観点から、無機繊維の平均繊維長は、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることがより好ましい。また、無機繊維の平均繊維長は、１５ｍｍ以下であることが好ましく、８ｍｍ以下であることがより好ましく、５ｍｍ以下であることが更に好ましい。具体的には、同様の観点から、無機繊維の平均繊維長は、０．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以上８ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが更に好ましい。無機繊維の平均繊維長は、例えば繊維長測定器（ＯｐＴｅｓｔ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｉｎｃ．社製、ＨｉＲｅｓ  Ｆｉｂｅｒ  Ｑｕａｌｉｔｙ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）等の装置を用いて測定することができる。
【００２０】
無機繊維として炭素繊維を含む場合、構造体の製造時における成形性及び鋳込み時における形状保持性の向上の観点から、炭素繊維の含有量は、１質量％以上であることが好ましく、２質量％以上であることがより好ましい。また、炭素繊維の含有量は、２０質量％以下であることが好ましく、１６質量％以下であることがより好ましい。具体的には、同様の観点から、炭素繊維の含有量は、１質量％以上２０質量％以下であることが好ましく、２質量％以上１６質量％以下であることがより好ましい。
【００２１】
構造体の製造時における成形性及び鋳込み時における形状保持性の向上の観点から、本発明における無機繊維の含有量は、１質量％以上であることが好ましく、２質量％以上であることがより好ましい。また、無機繊維の含有量は、２０質量％以下であることが好ましく、１６質量％以下であることがより好ましい。具体的には、同様の観点から、無機繊維の含有量は、１質量％以上２０質量％以下であることが好ましく、２質量％以上１６質量％以下であることがより好ましい。
【００２２】
ところで、上述した特許文献１ないし３の技術では、上述の無機粒子や無機繊維に加えて、パルプや熱硬化性樹脂等の有機材料を混合して鋳物製造用の構造体としていた。有機材料としてパルプを混合した場合、構造体の加工時には水を溶媒としたパルプスラリーとして流動性を維持し、抄紙後には乾燥固化できるという性質が、構造体の加工性や形状保持性を高める点で有利であった。また、有機材料として熱硬化性樹脂を混合した場合、該樹脂は無機粒子と無機繊維とを結合するバインダーとして機能するので、構造体の形状保持性を高める点で有利であった。しかしながら、これらのような有機材料は、鋳込み時における燃焼や溶融によってガスが発生しやすいので、該ガスが鋳物の鋳造欠陥（ホール、ひび割れ等のガス欠陥）を発生させる原因の一つとなっていた。一方で、鋳物のガス欠陥の低減を目的として、有機材料の含有量を低減させると、構造体の加工性や形状保持性が著しく低下してしまう。その結果、所望の寸法精度を有する鋳物の効率的な生産ができなくなってしまう。
【００２３】
このような問題点を解決すべく本発明者が鋭意検討した結果、パルプや樹脂等の有機材料に代えて、無機材料からなる層状粘土鉱物を用いることで、有機材料を実質的に非含有とした場合でも、構造体の加工性及び形状保持性が維持されるとともに、製造された鋳物の表面平滑性が高く、ガス欠陥の発生率を低減できることを見出した。
【００２４】
本発明の鋳物製造用構造体は、層状粘土鉱物を含む。本発明における層状粘土鉱物は、主として、層状粘土鉱物が無機粒子、無機繊維を含む材料の間に介在することによって、構造体に成形性を付与し、更に常温及び熱間強度を付与するためのものである。
【００２５】
本発明で用いられる層状粘土鉱物としては、層状ケイ酸塩鉱物に代表される層状の構造を有する結晶性の無機化合物を用いることができる。層状粘土鉱物は、天然のものでもよく、人工的に製造されたものでもよい。層状粘土鉱物の具体例としては、カオリナイト族、スメクタイト族及びマイカ族等に代表される粘土鉱物を挙げることができる。カオリナイト族の粘土鉱物としては、例えばカオリナイトが挙げられる。スメクタイト族の粘土鉱物としては、例えばモンモリロナイト、ベントナイト、サポナイト、ヘクトライト、パイデライト、スティブンサイト及びノントロナイト等が挙げられる。マイカ族の粘土鉱物としては、例えばバーミキュライト、ハロイサイト及びテトラシリシックマイカ等が挙げられる。この他に、層状複水酸化物であるハイドロタルサイト等を用いることもできる。特に、上述の層状粘土鉱物のうち、モンモリロナイトやベントナイトは、含水状態における各成分との粘結力が強く、成形時の形状付与性の観点から好適に用いられる。また、鋳込み時の耐熱性の観点からは、カオリナイトやモンモリロナイトが好適に用いられる。これら各種の層状粘土鉱物は、単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００２６】
層状粘土鉱物は、その平均粒子径が、０．１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましく、また５００μｍ以下であることが好ましく、２００μｍ以下であることがより好ましい。具体的には、層状粘土鉱物の平均粒子径は、０．１μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上２００μｍ以下であることがより好ましい。層状粘土鉱物の粒子が板状である場合、該鉱物の平均粒子径は、最も長い辺の長さを指す。この範囲の平均粒子径を有する層状粘土鉱物を用いることで、鋳物製造用構造体中での分散性を良好にすることができ、その結果、鋳物製造用構造体の成形性及び強度を一層高めることができる。層状粘土鉱物の平均粒子径は、上述した無機粒子の平均粒子径の測定方法と同様の方法で測定することができる。層状粘土鉱物の平均粒子径を上述の範囲とするために、無機粒子と同様の粉砕装置を用いて更に粉砕してもよい。
【００２７】
本発明における層状粘土鉱物の含有量は、鋳物製造用構造体の成形性を良好にする観点から、１質量％以上であることが好ましく、３質量％以上であることがより好ましく、５質量％以上であることが一層好ましい。また、鋳造時における構造体からのガス発生量を抑制し、鋳物のガス欠陥の発生率を低減させる観点から、層状粘土鉱物の含有量は、その上限が５０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以下であることがより好ましく、２０質量％以下であることが更に好ましい。具体的には、層状粘土鉱物の含有量は、１質量％以上５０質量％以下であることが好ましく、３質量％以上３０質量％以下であることがより好ましく、５質量％以上２０質量％以下であることが更に好ましい。
【００２８】
層状粘土鉱物としてモンモリロナイトを含む場合、モンモリロナイトの含有量は、鋳物製造用構造体の成形性を良好にする観点から、１質量％以上であることが好ましく、３質量％以上であることがより好ましく、５質量％以上であることが一層好ましい。また、鋳造時における構造体からのガス発生量を抑制し、鋳物のガス欠陥の発生率を低減させる観点から、モンモリロナイトの含有量は、その上限が５０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以下であることがより好ましく、２０質量％以下であることが更に好ましい。具体的には、モンモリロナイトの含有量は、１質量％以上５０質量％以下であることが好ましく、３質量％以上３０質量％以下であることがより好ましく、５質量％以上２０質量％以下であることが更に好ましい。
【００２９】
本発明の鋳物製造用構造体は、層状粘土鉱物を含有していることによって、鋳造時などの高温環境下での質量減少率を低減させることができる。鋳物製造用構造体の質量減少率は、鋳造時における該構造体からのガス発生率と略同一視することができるので、質量減少率が少ないほど、構造体の成形性、形状保持性及び熱間強度をより安定的に維持できるとともに、製造された鋳物の寸法精度の維持やガス欠陥の低減に寄与できることを意味する。
【００３０】
具体的には、本発明の鋳物製造用構造体は、窒素雰囲気下、１０００℃で３０分間加熱したときの質量減少率が５質量％以下であることが好ましく、３質量％以下であることがより好ましく、またその下限は低ければ低いほど好ましいが、現実的には下限値は５質量％程度であれば、本発明の目的は十分に達成される。質量減少率の測定方法は、後述する実施例にて詳述する。
【００３１】
本発明の鋳物製造用構造体においては、上述の成分に加えて、本発明の効果を損なわない限り、有機成分を含む材料（以下、これを「有機材料」ともいう。）を配合してもよい。有機成分を含む材料としては、例えばパルプ、スターチ、熱硬化性樹脂、着色剤、熱膨張性粒子などの粘結剤や形状保持剤などの有機材料が挙げられる。鋳物のガス欠陥の発生を効果的に低減する観点から、有機成分を含む材料を使用する場合、鋳物製造用構造体全体に対する有機成分の含有量は、５質量％以下であることが好ましく、１質量％以下であることがより好ましく、実質的に非含有であることが一層好ましい。なお、無機粒子、無機繊維及び層状粘土鉱物に由来する有機成分や、後述する構造体の製造において使用される水に含まれる有機成分が不可避的に混入することは許容される。なお、有機成分とは、その構造に炭化水素を有する天然物又は化合物を指す。
【００３２】
本発明の鋳物製造用構造体においては、上述の成分に加えて、本発明の効果を損なわない限り、塗型剤をコーティングしてもよい。塗型剤は、焼着防止性、表面平滑性及び離型性の改善を目的とするものである。塗型剤としては、例えば、耐火粒子を主原料とし、且つ有機成分として熱硬化性樹脂やシリコーン等を含む材料等といった、砂型鋳造やシェルモールド鋳造等で汎用的に用いられるものが挙げられる。
【００３３】
以上は、本発明の鋳物製造用構造体に関する説明であったところ、以下に本発明の鋳物製造用構造体の製造方法を説明する。本製造方法は、無機繊維、層状粘土鉱物、層状粘土鉱物以外の無機粒子及び分散媒を混合して構造体前駆体を作製する工程と、前記構造体前駆体をプレス型で加熱押圧して、該構造体前駆体を乾燥固化させながら成形する工程に大別される。
【００３４】
まず、無機繊維、層状粘土鉱物、層状粘土鉱物以外の無機粒子及び分散媒を混合して構造体前駆体を作製する（混合工程）。具体的には、無機粒子、無機繊維及び層状粘土鉱物を均一に混合した後、更に水などの分散媒を添加して混練し、構造体前駆体を作製する。構造体前駆体は、例えば人手や、公知の混練装置を用いて混練して作製することができる。特に、ペーストやドウなど高粘度の攪拌に適した万能攪拌機、ニーダー又は加圧式ニーダー等が好ましい。混練装置を用いる場合、例えば卓上型ニーダー（株式会社入江商会製）を用いて、２０ｒｐｍ、１０分間混練することで行うことができる。水などの分散媒の添加量は、無機粒子、無機繊維及び層状粘土鉱物を含む混合物の合計１００質量部に対して、４０質量部以上６０質量部以下であることが好ましい。
【００３５】
層状粘土鉱物は、その乾燥状態では粒状又は粉状であるが、水と混合することによって、層状粘土鉱物の単位結晶層間に含まれる陽イオンと水和して、水分子が該層間に入り込む。湿潤状態の層状粘土鉱物は、層状粘土鉱物における単位結晶層間の距離が水分子によって増加して膨潤し、粘性を有する流動体となる。層状粘土鉱物の流動体は、流動性と粘性とを兼ね備えているので、無機粒子と無機繊維との間に容易に入り込むことができ、且つこれらを互いに結合するバインダのように機能することができる。構造体前駆体は、無機粒子、無機繊維、層状粘土鉱物及び水を含有しており、外力によって容易に変形可能なドウ状のものである。
【００３６】
構造体の成形性を高める観点から、ドウ状の構造体前駆体を外力付与手段に供給して延伸し、シート形状としてもよい（延伸工程）。外力付与手段としては、構造体前駆体をシート形状に延伸可能な構成であれば特に制限はなく、例えば、一対の延伸ロールとの間、又は延伸ロールと平板との間に構造体前駆体を供給して延伸することができる。この工程では、構造体前駆体は外力によって容易に変形可能な状態となっている。
【００３７】
続いて、ドウ状又はシート状の構造体前駆体をプレス型によって加熱押圧して、該構造体前駆体を乾燥固化させながら目的とする鋳型の形状を有する構造体に成形する（加熱押圧工程）。プレス型は、成形する鋳物製造用構造体の外形に対応した形状を有している。このプレス型で構造体前駆体を加熱押圧することによって、プレス型の形状を構造体前駆体に転写するとともに、構造体前駆体に含まれる水分を脱水して乾燥固化させながら、目的とする鋳型の形状を有する構造体に成形する。この工程を経た構造体は、外力によって容易に変形不能なものとなる。成形された構造体は、二個で一組の割型を組み合わせて鋳型となるように、外部に向けて開口するキャビティを有するように成形されてもよく、一体成形の構造体となっていてもよい。
【００３８】
加熱及び押圧によって構造体前駆体から水分を脱水することで、該前駆体に含まれる層状粘土鉱物は、その単位結晶層間に存在していた水分子を失う。水分子を失うことによって、層状粘土鉱物は、無機粒子及び無機繊維とともに構造体の内部で密な構造を形成しながら収縮して固化する。その結果、無機粒子、無機繊維及び層状粘土鉱物の間でせん断力が発生して、外力によって容易に変形しにくくなるとともに、構造体の形状保持性を効果的に発揮することができる。
【００３９】
加熱押圧における加熱温度は、構造体前駆体からの脱水を容易に行う観点から、７０℃以上であることが好ましく、１００℃以上であることがより好ましい。加熱押圧における加熱温度は、２５０℃以下であることが好ましく、２００℃以下であることがより好ましい。具体的には、７０℃以上２５０℃以下であることが好ましく、１００℃以上２００℃以下であることがより好ましい。また、その加熱時間は、製造効率の観点から、１分以上とすることが好ましい。また、同様の観点から、６０分以下とすることが好ましい。具体的には、１分以上６０分以下とすることが好ましい。また、加熱押圧における圧力は、構造体の成形性の向上の観点から、０．５ＭＰａ以上であることが好ましく、１ＭＰａ以上であることがより好ましい。また、同様の観点から、２０ＭＰａ以下であることが好ましく、１０ＭＰａ以下であることがより好ましい。具体的には、０．５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることが好ましく、１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下であることがより好ましい。
【００４０】
本発明の鋳物製造用構造体は、水蒸気に起因した鋳物のガス欠陥を低減させる観点から、その水分量を５質量％以下としておくことが好ましく、３質量％以下としておくことがより好ましい。鋳物製造用構造体における水分量は、上述の加熱押圧工程で調節してもよく、加熱押圧工程に加えて、更に乾燥工程を行うことによって調節してもよい。乾燥工程を行う場合、公知の恒温槽や熱風乾燥装置等を用いることができ、また加熱温度及び加熱時間は上述と同様に行うことができる。
【００４１】
二個で一組の割型からなる鋳物製造用構造体を組み合わせて鋳型とする場合、上述の方法に従って一組の割型となるように構造体を作製した後で、キャビティ側を内側となるように割型を更に接合させることによって目的とする鋳型を製造させることができる。割型の接合方法としては、例えばネジやクリップ等の接合部材や、汎用接着剤、一組の割型を覆うような砂型などを用いて接合することができる。
【００４２】
鋳物製造用構造体の厚さは、目的とする鋳物の形状に応じて適宜設定することができるが、少なくとも溶融金属と接する部分における厚さが、０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることがより好ましい。このような厚さを有していることで、鋳込み時における十分な熱間強度が得られ、且つ形状保持性が維持できるので好ましい。
【００４３】
以上の工程を経て製造された本発明の鋳物製造用構造体は、比較的軽量且つ耐熱性を有する無機成分から構成されているので、該構造体としても軽量で、高い耐熱性を有している。特に、本発明の鋳物製造用構造体は、無機粒子、無機繊維及び層状粘土鉱物を含んでいることによって、高い常温強度及び熱間強度と、高い形状保持性とを兼ね備えたものとなる。
【００４４】
本発明の鋳物製造用構造体を用いた鋳物の製造方法は、一般的な鋳造方法で行うことができる。すなわち、鋳物製造用構造体に形成した注湯口から溶融金属を注ぎ入れ、鋳込みを行う。そして、鋳込みを終えた後は、所定の温度まで冷却し、鋳物製造用構造体を取り除いて鋳物を露呈させる。その後、必要に応じて、鋳物にトリミング処理等の後処理を施してもよい。
【００４５】
特に、本発明の鋳物製造用構造体を鋳型として用いて鋳物を製造した場合、砂型や有機材料を含む構造体を鋳型として用いた場合と比較して、構造体の鋳物への焼着や、ガス欠陥等といった鋳物欠陥を効果的に低減させることができ、その結果、寸法精度や表面平滑性に優れた鋳物を製造することができる。寸法精度や表面平滑性に優れた鋳物を製造できることは、製造された鋳物を所望の形状や寸法精度にするための後処理を少なくすることができ、その結果、鋳物の製造コストを低減することができる。
【００４６】
以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。
【００４７】
上述した実施形態に関し、本発明は更に以下の鋳物製造用構造体を開示する。
＜１＞
無機繊維、層状粘土鉱物及び該層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、有機成分の含有量が５質量％以下である、鋳物製造用構造体。
【００４８】
＜２＞
無機繊維、層状粘土鉱物及び該層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、１０００℃で３０分間加熱したときの質量減少率が５質量％以下である、鋳物製造用構造体。
＜３＞
前記無機粒子が黒曜石、黒鉛及びムライトから選ばれる１種以上を含む、前記＜１＞又は＜２＞に記載の鋳物製造用構造体。
＜４＞
前記無機繊維が炭素繊維を含む、前記＜１＞ないし＜３＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
＜５＞
前記無機繊維の平均繊維長が０．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である、前記＜１＞ないし＜４＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
＜６＞
前記層状粘土鉱物がベントナイト及びモンモリロナイトから選ばれる１種以上を含む、前記＜１＞ないし＜５＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
【００４９】
＜７＞
窒素雰囲気下、１０００℃で３０分間加熱したときの質量減少率が５質量％以下であることが好ましく、３質量％以下であることがより好ましい、前記＜１＞ないし＜６＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
＜８＞
無機粒子の含有量は、４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることが更に好ましく、９０質量％以下であることが好ましく、８５質量％以下であることが更に好ましく、無機粒子の含有量は、４０質量％以上９０質量％以下であることが好ましく、６０質量％以上８５質量％以下であることが更に好ましい、前記＜１＞ないし＜７＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
＜９＞
無機粒子の平均粒子径は、１μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上がより好ましく、３０００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以下がより好ましく、１μｍ以上３０００μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上５００μｍ以下がより好ましい、前記＜１＞ないし＜８＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
【００５０】
＜１０＞
無機繊維の平均繊維長は、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることがより好ましく、１５ｍｍ以下であることが好ましく、８ｍｍ以下であることがより好ましく、５ｍｍ以下であることが更に好ましく、０．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以上８ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが更に好ましい、前記＜１＞ないし＜９＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
＜１１＞
無機繊維の含有量は、１質量％以上であることが好ましく、２質量％以上であることがより好ましく、２０質量％以下であることが好ましく、１６質量％以下であることがより好ましく、１質量％以上２０質量％以下であることが好ましく、２質量％以上１６質量％以下であることがより好ましい、前記＜１＞ないし＜１０＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
＜１２＞
無機繊維として炭素繊維を含む場合、炭素繊維の含有量は、１質量％以上であることが好ましく、２質量％以上であることがより好ましく、２０質量％以下であることが好ましく、１６質量％以下であることがより好ましく、１質量％以上２０質量％以下であることが好ましく、２質量％以上１６質量％以下であることがより好ましい、前記＜１＞ないし＜１１＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
＜１３＞
層状粘土鉱物の含有量は、１質量％以上であることが好ましく、３質量％以上であることがより好ましく、５質量％以上であることが一層好ましく、その上限が５０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以下であることがより好ましく、２０質量％以下であることが更に好ましく、１質量％以上５０質量％以下であることが好ましく、３質量％以上３０質量％以下であることがより好ましく、５質量％以上２０質量％以下であることが更に好ましい、前記＜１＞ないし＜１２＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
＜１４＞
層状粘土鉱物としてモンモリロナイトを含む場合、モンモリロナイトの含有量は、１質量％以上であることが好ましく、３質量％以上であることがより好ましく、５質量％以上であることが一層好ましく、その上限が５０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以下であることがより好ましく、２０質量％以下であることが更に好ましく、１質量％以上５０質量％以下であることが好ましく、３質量％以上３０質量％以下であることがより好ましく、５質量％以上２０質量％以下であることが更に好ましい、前記＜１＞ないし＜１３＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
＜１５＞
層状粘土鉱物は、その平均粒子径が、０．１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましく、また５００μｍ以下であることが好ましく、２００μｍ以下であることがより好ましく、層状粘土鉱物の平均粒子径は、０．１μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上２００μｍ以下であることがより好ましい、前記＜１＞ないし＜１４＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体。
【００５１】
＜１６＞
無機繊維、層状粘土鉱物、層状粘土鉱物以外の無機粒子及び分散媒を混合して構造体前駆体を作製する工程と、
前記構造体前駆体をプレス型で加熱押圧して、該構造体前駆体を乾燥固化させながら成形する工程とを備える、鋳物製造用構造体の製造方法。
＜１７＞
前記加熱押圧における加熱温度は、７０℃以上であることが好ましく、１００℃以上であることがより好ましく、２５０℃以下であることが好ましく、２００℃以下であることがより好ましく、７０℃以上２５０℃以下であることが好ましく、１００℃以上２００℃以下であることがより好ましい、前記＜１６＞に記載の鋳物製造用構造体の製造方法。
＜１８＞
前記加熱押圧における加熱時間は、１分以上とすることが好ましく、６０分以下とすることが好ましく、１分以上６０分以下とすることが好ましい、前記＜１６＞又は＜１７＞に記載の鋳物製造用構造体の製造方法。
【００５２】
＜１９＞
前記加熱押圧における圧力は、０．５ＭＰａ以上であることが好ましく、１ＭＰａ以上であることがより好ましく、２０ＭＰａ以下であることが好ましく、１０ＭＰａ以下であることがより好ましく、０．５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることが好ましく、１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下であることがより好ましい、前記＜１６＞ないし＜１８＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体の製造方法。
＜２０＞
前記加熱押圧において、前記構造体前駆体に含まれる水分を脱水して、水分量を５質量％以下としておくことが好ましく、３質量％以下としておくことがより好ましい、前記＜１６＞ないし＜１９＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体の製造方法。
＜２１＞
前記＜１＞ないし＜１５＞のいずれか１に記載の鋳物製造用構造体を用いて溶融金属を鋳込む、鋳物の製造方法。
【実施例】
【００５３】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。
【００５４】
〔実施例１〕
無機粒子として平均粒子径２７μｍの黒曜石（キンセイマテック株式会社製、ナイスキャッチフラワー＃３３０）を６２質量％を含み、無機繊維として平均繊維長３ｍｍのＰＡＮ系炭素繊維（三菱ケミカル株式会社製、パイロフィルＴＲ０３ＣＭ  Ａ４Ｍ）を８質量％含み、層状粘土鉱物として平均粒子径１４５μｍのモンモリロナイト（クニミネ工業株式会社製、クニピアＦ）を３０質量％含む混合物を用いて、上述の方法に従って鋳物製造用構造体を製造した。水の添加量は、混合物１００質量部に対して５０質量部とした。構造体前駆体の加熱温度及び加熱時間は１４０℃、１０分間とし、加熱押圧における圧力は５ＭＰａとした。
【００５５】
〔実施例２〕
無機粒子として、黒曜石に代えて、平均粒子径４８μｍの鱗状黒鉛（伊藤黒鉛工業株式会社製、ＳＲＰ−１５０）を７７質量％含み、モンモリロナイトの含有量を１５質量％とした他は、実施例１と同様に鋳物製造用構造体を製造した。
【００５６】
〔実施例３〕
無機粒子として、鱗状黒鉛に代えて、平均粒子径３０μｍのムライトを７７質量％使用した他は、実施例２と同様に鋳物製造用構造体を製造した。
【００５７】
〔実施例４ないし６〕
ムライト、炭素繊維及びモンモリロナイトを表１に示す割合で混合した他は、実施例３と同様に鋳物製造用構造体を製造した。
【００５８】
〔実施例７ないし９〕
有機材料としてフェノール樹脂と、モンモリロナイトとを表１に示す割合で混合した他は、実施例３と同様に鋳物製造用構造体を製造した。
【００５９】
〔比較例１〕
本比較例では、層状粘土鉱物の代わりに、有機材料として有機繊維及び熱硬化性樹脂を含む鋳物製造用構造体を製造した。有機材料は、有機繊維として、平均繊維長１ｍｍの新聞古紙パルプ（フリーネス（ＣＳＦ）１５０ｃｃ）を２６質量％含み、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂（エア・ウォータ・ベルパール株式会社製「ベルパール（登録商標）Ｓ−８９０」）を１８質量％含むものとした。無機粒子（黒曜石）及び無機繊維（東レ株式会社製、トレカチョップ）の含有量は表１のとおりとした。
【００６０】
＜原料スラリーの調製＞
以下の表１に示す原料にポリアクリルアミド系凝集剤（三井サイテック社製、Ａ１１０）を適量混合し、水に対して３質量％の割合で分散させた原料スラリーを調製した。
【００６１】
＜鋳物製造用構造体の抄造成形＞
抄造型には、キャビティ形成面を有する一対の割型で、当該キャビティ形成面に所定の目開きのネットが配され、キャビティ形成面と外部とを連通する多数の連通孔が形成されたものを用いた。前記原料スラリーをモーノポンプで循環させ、前記抄造型内に所定量のスラリーを加圧注入しつつ、前記連通孔を通じて排水し、所定の繊維積層体を前記ネットの表面に堆積させた。所定量の原料スラリーを注入した後、該繊維積層体が堆積された抄造型内に０．２ＭＰａの加圧エアーを約３０秒間供給し、該繊維積層体を脱水した。得られた繊維積層体を抄造型から取り出し、２２０℃に加熱された乾燥型に移した。乾燥型には、キャビティ形成面を有する一対の割型で、該キャビティ形成面と外部とを連通する多数の連通孔が形成されたものを用いた。乾燥工程では、前記乾燥型の上方開口部から袋状の弾性中子を挿入し、密閉された該乾燥型内で該弾性中子内に加圧流体（圧縮空気、０．２ＭＰａ）を供給して該弾性中子を膨らませた。そして、前記繊維積層体を該乾燥型の内面に押しつけて、該乾燥型の内面形状を転写させつつ該繊維積層体を乾燥した。所定時間（９０秒）の加圧乾燥を行った後、前記弾性中子内の加圧流体を抜いて該弾性中子を収縮させて前記乾燥型内から退避させた。そして、得られた成形体を前記乾燥型から取り出して冷却し、比較例１の鋳物製造用構造体を得た。
【００６２】
〔比較例２〕
本比較例では、層状粘土鉱物の代わりに、有機材料として有機繊維と、熱硬化性樹脂と、熱膨張性粒子とを含む鋳物製造用構造体を製造した。有機材料は、有機繊維として、平均繊維長１ｍｍの新聞古紙パルプ（フリーネス（ＣＳＦ）１５０ｃｃ）を４質量％含み、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂（エア・ウォーター・ベルパール株式会社製、Ｓ８９０）を１２質量％含み、熱膨張性粒子として熱膨張性マイクロカプセル（松本油脂製薬株式会社製、マツモトマイクロスフェアーＦ−１０５Ｄ）を４質量％含むものとした。無機粒子（鱗状黒鉛）及び無機繊維（三菱レイヨン株式会社製、パイロフィル）の含有量は表１のとおりとした。この他は、比較例１と同様に鋳物製造用構造体を製造した。
【００６３】
〔質量減少率の評価〕
質量減少率の評価は、熱重量測定装置（セイコーインスツルメンツ株式会社製、ＳＴＡ７２００ＲＶ  ＴＧ／ＤＴＡ）を用いて、各実施例及び各比較例の鋳物製造用構造体を窒素雰囲気下で３０℃から１０００℃まで昇温速度２０℃／分で加熱し、その質量の変化を温度の関数として測定し、その質量減少率を求めた。結果を図１及び表１に示す。
【００６４】
〔鋳物の表面粗さ〕
各実施例及び各比較例の鋳物製造用構造体を鋳型として、この鋳型に鋳鉄を含む１３５０℃の溶融金属を流し込み、鋳物を製造した。製造した鋳物の表面粗さ（Ｒａ）（μｍ）を、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２０１３に従って測定した。表面粗さ（Ｒａ）の数値が低いほど、鋳物の表面平滑性が高いものである。結果を表１に示す。
【００６５】
【表１】
2019093448.tif 000003
【００６６】
図１及び表１に示すように、有機材料を含まないか、又は５質量％以下含む各実施例では、１０００℃加熱時における質量減少率が５質量％以下となっている。これに対して、５質量％超の有機材料を含む各比較例では質量減少率が５質量％超となり、ガスの発生が顕著であることが判る。このことから、層状粘土鉱物を含む各実施例の鋳物製造用構造体は、鋳造時における鋳物のガス欠陥の低減されうることが判る。
【００６７】
また表１に示すように、鋳物の表面粗さ（Ｒａ）は、各比較例と比較して、各実施例で低いことが判る。このことから、層状粘土鉱物を含む各実施例の鋳物製造用構造体は、鋳型の表面平滑性に優れていることが判る。 
【図１】
2019093448.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月7日(2019.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機繊維、層状粘土鉱物及び該層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、有機成分の含有量が５質量％以下であり、
窒素雰囲気下、１０００℃で３０分間加熱したときの質量減少率が５質量％以下である、鋳物製造用構造体。
【請求項２】
無機繊維、層状粘土鉱物及び該層状粘土鉱物以外の無機粒子を含有し、１０００℃で３０分間加熱したときの質量減少率が５質量％以下である、鋳物製造用構造体。
【請求項３】
前記無機粒子が黒曜石、黒鉛及びムライトから選ばれる１種以上を含む、請求項１又は２に記載の鋳物製造用構造体。
【請求項４】
前記無機繊維が炭素繊維を含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の鋳物製造用構造体。
【請求項５】
前記無機繊維の平均繊維長が０．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の鋳物製造用構造体。
【請求項６】
前記層状粘土鉱物がベントナイト及びモンモリロナイトから選ばれる１種以上を含む、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の鋳物製造用構造体。
【請求項７】
無機繊維、層状粘土鉱物、層状粘土鉱物以外の無機粒子及び分散媒を混合して構造体前駆体を作製する工程と、
前記構造体前駆体をプレス型で加熱押圧して、該構造体前駆体を乾燥固化させながら成形する工程とを備える、鋳物製造用構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の鋳物製造用構造体を用いて溶融金属を鋳込む、鋳物の製造方法。