(57)【要約】      （修正有）【課題】砂粒子鋳造用鋳型部材の製造方法を開示する。【解決手段】砂粒子を、ゼラチンゲルのような適切なバインダー材料の水性分散物で被覆する。湿潤ゼラチン被覆粒子を、鋳型部材のための模型枠中に重力供給し、多軸振動にさらして模型枠中に砂を詰め込む。湿潤砂を次に無線周波エネルギーを用いて加熱して、粒子の隅へのバインダー流れを促進し、空気流を開始して、粒子の塊から水を輸送して、粒子の塊を鋳型部材へと硬化する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合した砂粒子鋳造用鋳型部材の製造方法であって：
砂粒子を型枠の空隙部中に導入して、その際、前記粒子と前記空隙部との衝突は前記粒子の重力充填による衝突を実質的に超えないようにし、前記空隙部は、前記鋳造用鋳型部材の形状を規定し、前記砂粒子は、液体の蒸発時に硬化可能な液体分散型バインダーで被覆されており、前記型枠は、無線周波電磁放射に対して透明な材料で形成されていることと；
前記型枠を振動させて、前記空隙部中の前記粒子を圧密化することと；
前記空隙部中の前記液体を、無線周波電磁放射を用いて加熱することと；
該加熱の最中に、前記空隙部中の前記粒子を通るガスを流して、前記粒子から加熱された液体を輸送して、前記バインダーを硬化し、前記粒子を結合して前記鋳造用鋳型部材にすることと；
を含む方法。
【請求項２】
前記バインダーは水中のゼラチンの分散物を含み、前記放射の周波数は１０〜１００メガヘルツの範囲内である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バインダーは本質的に水中のゼラチンのゾルからなり、該ゼラチンは約６５〜約１７５ブルームグラムの範囲内のブルーム等級を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ガスの流れは無線周波加熱の開始後に開始する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ガスは空気である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記粒子を前記空隙部中に導入することと、前記型枠を第１の作業ステーションで振動させ、その後、前記液体の前記加熱及び輸送のために前記型枠を第２の作業ステーションに移動させることとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記型枠を少なくとも２つの直交する方向に振動させて、前記粒子を圧密化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ゼラチンによって結合した砂粒子鋳造用鋳型部材の製造方法であって：
砂粒子を型枠の空隙部中に導入して、その際、前記粒子と前記空隙部との衝突は前記粒子の重力充填による衝突を実質的に超えないようにし、前記空隙部は、前記鋳造用鋳型部材の形状を規定し、前記砂粒子は、水分散型ゼラチンバインダーで被覆されており、前記型枠は、無線周波電磁放射に対して透明な材料で形成されていることと；
前記型枠を振動させて、前記空隙部中の前記粒子を圧密化することと；
前記空隙部中の前記水を、無線周波電磁放射を用いて加熱することと；
該加熱の最中に、前記空隙部中の前記粒子を通るガスを流して、前記粒子から加熱された水を輸送して、前記ゼラチンバインダーを硬化し、前記粒子を結合して前記鋳造用鋳型部材にすることと；
を含む方法。
【請求項９】
前記バインダーは本質的に水中のゼラチンのゾルからなり、該ゼラチンは約６５〜約１７５ブルームグラムの範囲内のブルーム等級を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記放射の周波数は１０〜１００メガヘルツの範囲内である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガスは空気である、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
空気の流れは無線周波加熱の開始後に開始する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記粒子を前記空隙部中に導入することと、前記型枠を第１の作業ステーションで振動させ、その後、前記水の前記加熱及び輸送のために前記型枠を第２の作業ステーションに移動させることとを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記型枠を少なくとも２つの直交する方向に振動させて、前記粒子を圧密化することを含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
【０００２】
本発明は、鋳造において使用する砂中子または他の鋳型部品の製造に関する。特に、本発明は、液体（例えば、水）可溶かまたは水分散可能なバインダーを用いた砂中子の製造に関し、ここで、重力供給及び振動充填を使用して、湿潤バインダー被覆砂を再利用可能な中子型に充填し、無線周波電磁放射を使用して湿潤バインダー被覆砂を型中で加熱して、バインダーを乾燥及び／または硬化する。
【背景技術】
【０００３】
本発明の譲受人に譲渡されたSiak, et alの米国再発行特許第36,001号であるSand Mold Member and Methodは、鋳造用鋳型部材を製造する際の生分解性バインダー材料としてのゼラチンの水性ゾルの使用を説明する１群の特許の代表的なものである。このような水溶性バインダーは、中子及び他の鋳型体を製造するために使用する砂の回収及び再利用を可能にし、汚染物質の排出を低減する。鋳造分野において、こうしたゼラチンバインダーまたは他の水分散型樹脂バインダーを使用した成形済み砂型部材のより迅速でかつより高価でない製造方法に対する必要が存在する。本発明の目的は、このような方法を提供することにある。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、水分散型バインダーで被覆した砂粒子を金属鋳造のための鋳造用中子または他の鋳型部材へと成形する効果的な方法を提供する。本発明の実施を、一般的なケイ砂に関連して説明するが、溶湯のための鋳型において使用する他の砂及び他の粒子状耐火材の例えばジルコンまたはセラミック粒子は、本明細書において使用する“砂”という用語に含まれるものである。
【０００５】
本発明の好適な具体例においては、個別の砂粒子を水性ゼラチンゾルで被覆し、適切な活性化及び乾燥によって、ゼラチンは鋳造用の堅固で耐久性がある粒子状砂体のためのバインダー材料になる。しかし、本方法は、加熱され、湿潤バインダー被覆砂粒子の成形体から液体溶媒または分散剤が除去されることによって結合効果が成し遂げられるような任意のバインダー材料に適用可能である。
【０００６】
湿潤ゼラチンゲル被覆砂粒子を、指定された鋳造用中子または他の鋳造用鋳型部品の形状を規定する型枠中に注ぐ。型枠は、結合した砂中子の除去のために多数の部品による構成としてよい。型の材料は、砂粒子を乾燥し、結合して、上述の規定された形状を有する単位体にするために使用されるであろう無線周波放射に対して実質的に透明であるべきである。例えば、ＲＦに対して透明な多くの市販の有機ポリマー及びセラミック材料を、型枠を製造するために利用できる。好ましくは、型枠は再利用可能である。枠の磨耗を最小にするために、重力によって砂を適切なホッパから型枠の空隙部中に流すことが好ましい。充填の最中及びその後に、砂は型空隙部を充填し、この中で多軸振動によって圧密化（compact）される。最初に過剰に充填された中子枠を、強力な電磁バイブレータによって作動する振動台の上に置いて、適切に圧密化された砂を枠の空隙部に充填することができる。
【０００７】
未結合の砂を型枠に適切に充填し、圧密化した後に、これを砂乾燥ステーションに移動させる。乾燥を好ましくは、適切な天井及び接地面電極を備えるＲＦ炉中で成し遂げる。中子乾燥用途全体において実際的な範囲内で、型枠の両側に接近させて電極を配置する。中子の形状によっては、電極が中子の外形にほぼ一致することが望ましいこともある。この実施は、電磁放射を湿潤砂中により効果的に指向して、これを乾燥する。放射は、中子型の壁（放射に対して透明である）を容易に通過し、粒子状砂体全体にわたってゲル中の水を均一に加熱する。一旦水被覆砂のＲＦ加熱が開始すると、空気または他の乾燥ガスの流れは中子枠を通って流れて、水蒸気を運び去る。中子枠は適切な穿孔またはベントを備えて、枠の壁を通りかつこの中に成形された被覆粒子状砂塊を均一に通る空気流に対処する。
【０００８】
湿潤ゼラチンゲル被覆の実施例においては、ゲルのＲＦ加熱はこれをゼラチン溶液またはゾルに転換し、砂粒子の接触表面へのゼラチンタンパク質の移動を促進する。この移動及びゼラチンの水分の低減は、砂粒子同士の間に強力なゼラチン結合を提供し、鋳造作業において使用するための堅固な中子または鋳型部品を形成する。
【０００９】
Siak, et alの特許において説明されているように、ゼラチンは天然源から得られる。これは水溶性であり、環境に対して有害ではない。中子粒子を鋳物の内部空隙部から容易に除去することができる、中子形状を維持するゼラチン結合の十分な分解が、典型的な溶湯鋳造作業の熱の下で生じる。再発行特許第36,001号においてさらに説明されているように、粒子状砂鋳造用鋳型部材においてバインダーとして使用するのに好ましいゼラチンは、約６５〜約１７５ブルームグラムの範囲内の“ブルーム”等級または数を有する。
【００１０】
ゼラチンは、本発明に従って製造する砂中子または鋳型構成要素にとって好ましいバインダーであるが、他の水分散型結合材料を、これがバインダー被覆耐火粒子の水分のＲＦ加熱時に中子造型結合を形成する場合には使用できる。このようなバインダー材料の例は、デンプン、糖、ガム及びセルロースエーテルである。
【００１１】
本発明の上述した目的及び利点並びに他の目的及び利点は、下記の発明の詳細な説明から明瞭になろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
エンジンブロック及びヘッドのような鋳物において使用する砂（または他の適切な耐火粒子）中子を形成する新規な方法を説明する。本方法は、多軸振動を使用して湿潤予備被覆砂を中子型中に充填しかつ詰め込み、無線周波（ＲＦ）加熱して中子を乾燥し、強化する。本方法の本質的な利点は、これは、熱または化学硬化のための中子模型枠中に砂を吹き込むために現在使用されている大型中子造型装置類を不要にし、こうした装置のための資本投資をかなり低減するということである。ＲＦに対して透明でかつより高価でないプラスチックまたはセラミック中子枠を使用して、並流方法で中子を製造することによって従来の中子造型方法を迅速化することが可能であり、広く使用されている中空砂型鋳造方法（cored sand casting method）の生産性を大きく向上する。
【００１３】
図１において、中子枠１０を多孔板１２の上に置き、多孔板１２を多軸圧密化台１４の上に置く。中子枠１０は、上型１６部材及び下型１８部材を備える２部式模型枠である。上型部材１０は、ホッパ２６からの重力流によってバインダー被覆砂粒子を入れるための充填開口部２０、２２、及び２４を有する。中子空隙部（２８で示し、耐火粒子３２を充填したところを示す）に適切に充填したら、適切なシャッター（図示せず）によってホッパの底部を閉じてよい。他に、中子枠に充填するのに適した予め定められた量の湿潤バインダー被覆耐火粒子を、各中子枠１０の充填のためにホッパ２６中に量り入れてよい。
【００１４】
中子枠１０を、適切な熱抵抗性（heat reluctant）で無線周波に対して透明な材料で製造する。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート及びポリスチレンのようなプラスチック樹脂は、多くのセラミックスまたはガラス組成物と同様に適切である。要件は、バインダー被覆砂粒子３２を重力充填するために、かつ、中子枠１０の空隙部２８に粒子を完全に充填し、空隙部２８中の粒子を多孔質であるがボイドの無い密度にまで圧密化するための多軸振動のために、中子枠１０の材料は十分に耐久性があるというものである。中子枠１０の材料は、周波数約１０〜１００メガヘルツの範囲内の無線周波放射に対して実質的に透明である。水分散型バインダー材料のＲＦ周波数乾燥及び／または硬化を、本明細書においてさらに説明するように使用する。
【００１５】
製造する予定の中子の形状によっては、上型１６部材及び下型１８部材の両方は、ＲＦ加熱の最中の水蒸気の輸送のための穏やかな圧力下での空気または他の乾燥ガスの流れに適したベント通路２９、３０を備える。
【００１６】
従って、本方法の重要な態様は、中子吹き込み装置ではなく重力及び多軸振動を使用することによって、予備被覆湿潤砂３２を中子枠１０中に充填しかつ詰め込むことである。中子造型のために使用する砂を、ゼラチンバインダー（または他の適切な水分散型バインダー）で被覆し、水を用いて予備湿潤化し、これは振動させると強粘液のように流れる。ゼラチンバインダーを使用する場合、好ましい材料の選択及び製造は再発行特許第36,001号において説明されており、この説明をリファレンスによって本明細書に組み込む。
【００１７】
圧密化台１４による適切な多軸振動は、非常に小さな通路中に迅速に砂を充填し、数秒間のうちに非常に緻密な詰め込みを行う。激しい３軸振動が、圧密化台１４の下または中子枠１０の側面に一時的に枠付けた強力な電磁バイブレータ（市販の振動機構１５中の）によって生じる。２つまたは３つの異なる軸（例えば、相互に直交する３軸系を指す）に沿った振動は、砂３２が任意の充填方向に活発に移動し、一旦空隙部２８が充填されると、砂が空隙部２８の側面に激しく衝突して、捕捉された空気の任意の空隙部中に詰め込まれかつ充填されることを確実にする。一旦充填しかつ詰め込んだら、中子枠１０を別のステーションに移動させ、さらなる中子枠に充填することができる。振動を使用するので、砂の高圧吹き込みを用いずにかつ型の内部表面に対する侵食を最小にして中子充填が成し遂げられる。
【００１８】
従来の中子造型においては、バインダー被覆砂中子はまた、熱または化学硬化剤の適用によって中子装置中で凝固または硬化する。この実施は、高価で複雑な砂吹き込み硬化装置をより何度も拘束する。本発明の方法においては、多数のより高価でないプラスチック中子枠が、より高価でない装置を使用して振動によって充填されかつ詰め込まれることが可能である。充填された枠は次に列をなし、迅速にかつ一度に幾つかずつＲＦ乾燥炉を通り抜ける。従って、中子造型の逐次バッチ式方法は今や、２つの主要な工程を分離した並列方法になった。
【００１９】
ゼラチンバインダー材料と混合した少量の水を加熱する周波数でエネルギーを供給するように調整された開放（扉の無い）ＲＦ炉中で、湿潤バインダー被覆砂中子の乾燥または硬化を成し遂げる。炉を図２に概略で表す。依然として多孔板１２の上に乗っておりかつ砂を充填された中子枠１０を、ここで接地ＲＦ電極またはアンテナ板３４と天井ＲＦ電極またはアンテナ３６との間に位置決めする。一般に、急速加熱の場合、アンテナ３４、３６を中子枠１０に接近させて配置することが好ましい。電磁エネルギーの周波数を、約１０〜１００MHzの範囲内の周波数で適用する。自動車エンジン用中子の場合、電位約６kv以上で周波数約１８MHzが、ゼラチンゲル被覆砂粒子の活性化及び乾燥に適している。
【００２０】
ＲＦエネルギーの入力を、天井電極３６からの矢印４６によって概略で示す。しかしながら、ＲＦ周波数のエネルギーは、炉内部の単数または複数の砂中子負荷中に入り、炉の外側及び作業域の周辺にまき散らされることがない。炉の扉は必要なく、複雑な電磁遮蔽も必要ない。負荷が炉中に存在しない場合、電流はほとんどＲＦ発生器中に引き込まれない。通常、こうした中子枠のような負荷は、低速で移動するコンベヤーベルト上を炉を通って進むと思われる。
【００２１】
ＲＦエネルギーは透明なプラスチック中子枠１０を加熱することなく透過し、砂３２を主にシリカなので透過し、砂粒子表面のゼラチン被覆を湿潤化するために使用した水を加熱するので、乾燥が成し遂げられる。温められたゼラチンゲルは溶液になり（時折、融解または活性化と呼ばれる）、これは、表面張力によって促され、砂粒子上を流れ、砂粒子の接触箇所で蓄積する。次に、さらなるＲＦエネルギーは水をバインダーから蒸発させ、これを砂粒子同士を結合させる硬質乾燥プラスチック様材料にする。
【００２２】
少量の空気流を使用して砂及び中子枠から水蒸気を引き離す場合、本方法は強化される。これは、加熱によって水が蒸発し始めた後に、中子枠表面で部分的に真空引きすることによって、または、枠を通る少量の乾燥圧縮空気を押すことによって成し遂げることができる。図２に示すように、ＲＦ放射に対して透明な空気プレナム３８を、中子枠１０の頂部の上に配置する。プレナム３８は、砂充填開口部２０、２２、２４及び上型ベント２９を覆う。別の空気プレナム４０を接地アンテナ板３４の下に配置する。接地アンテナ板３４は、アンテナ３４を通る空気の流れを可能にする空気通路４２を有する。下部プレナム４０中の空気流の矢印は、乾燥ガスの流れは、水平に配置された中子空隙部２８を通って上向きまたは下向きとしてよいことを示す。しかしながら、一般に、空隙部２８中の砂塊３２を圧縮し続けるために、上型充填開口部２０及び２４において示すように流れは下向きであることが好ましい。
【００２３】
最終的に、中子４４が十分に強化され硬化した後に、上型１６部材及び下型１８部材を分離することによって、乾燥し結合した中子４４（図３）を中子枠１０から除去する。中子枠１０を再組立てし、湿潤ゼラチン被覆砂を再充填して、サイクルを再度開始する。
【００２４】
述べたように、型中の湿潤ゼラチン被覆砂中子を加熱する２つの理由が存在する。加熱は、砂粒子の接合部に流れることができる溶液にゲルを転換することによって、湿潤ゼラチンを活性化する。第２に、加熱は、被覆を蒸発乾固させる。乾燥バインダーはこの結果、最大強度になる。水分は、各砂粒子上に分散するバインダー中の水に由来するので、ＲＦ加熱は、熱を中子物体中深くに供給するための理想的な機構であり、外部加熱金属枠の内部表面からの伝導を使用する従来方法よりもはるかに良好である。
【００２５】
２．７５インチ厚さの中子の実例においては、６０秒のＲＦ中子加熱を使用し、中子枠表面での穏和な真空引きを、３０秒の加熱の後に開始した。被覆中の水がエネルギーを吸収し、周囲の砂を加熱するにつれて、温度は上昇する。３０秒後に、空気の流れは、砂のマトリックス中に捕捉され加熱された水を引き抜き、温度上昇は止まる。しかしながら、水からの熱は今や、大きな熱塊を有しかつ小さな空気流によってゆっくりと冷却するのみである砂に移動しているので、乾燥した砂は温かいままである。中子の引張強さは典型的には約２００〜３００psiの範囲内である。
【００２６】
本発明を、特定の中子形状の具体的な例に関して、またケイ砂及びゼラチンゲルバインダーを使用して説明してきた。述べたように、他の砂様材料を使用できる。水はバインダーのための好ましい溶媒または分散剤であるが、ＲＦエネルギーを用いて加熱可能な他の液体の例えばメチルまたはエチルアルコールが適切なことがある。従って、当業者であれば本発明の他の具体例を容易に変更することが可能なことは明瞭である。本発明の範囲は上述の説明に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】重力供給ホッパから湿潤バインダー被覆砂を受け入れるための２部式中子枠の断面図である。中子枠は、多方向振動による模型枠の空隙部中での耐火粒子の充填及び圧密化のために適合させた圧密化台の上に支持されている。
【図２】湿潤砂の無線周波加熱のための接地電極板と天井電極との間に位置決めされた、図１の砂を充填された中子枠の断面図である。砂中子が電磁エネルギーによって加熱される時に砂中子を通る空気を吹き込むかまたは引くための手段が提供される。
【図３】本発明に従って製造された、乾燥しゼラチンによって結合した砂中子の斜視図である。
【図１】
2004237362.tif 000002
【図２】
2004237362.tif 000003
【図３】
2004237362.tif 000004
【外国語明細書】
2004237362000001.pdf