(57)【要約】【課題】  高温強度と、砂落しの容易性の目安となる水可溶性を併せ持つ水溶性中子を提供する。【解決手段】  鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダで被覆された水溶性中子において、該水溶性無機塩バインダに、珪砂（珪粉）、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸ジルコン、繊維状チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムから選択される無機フィラーの１種以上が添加されていることを特徴とする高強度水溶性中子。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダで被覆された水溶性中子において、該水溶性無機塩バインダに、珪砂（珪粉）、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸ジルコン、繊維状チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムから選択される無機フィラーの１種以上が添加されていることを特徴とする高強度水溶性中子。
【請求項２】
前記水溶性無機塩が、マグネシウムイオン（Ｍｇ2+）、ナトリウムイオン（Ｎａ+）、カルシウムイオン（Ｃａ2+）から選択されるカチオンと、ＳＯ42-、ＣＯ32-、ＨＣＯ32-、Ｂ4Ｏ7-から選択されるアニオンとの組み合わせからなる水溶性無機塩の１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の水溶性中子。
【請求項３】
前記水溶性無機塩が、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）であることを特徴とする請求項２に記載の水溶性中子。
【請求項４】
前記水溶性無機塩が、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）０〜１００重量％と、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）、４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）、硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）から選択される１種以上１００〜０重量％から成ることを特徴とする請求項２に記載の水溶性中子。
【請求項５】
鋳物砂に対する前記無機塩添加量が０．８〜１０重量％であり、前記無機フィラー添加量が０．２〜１０重量％であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水溶性中子。
【請求項６】
鋳物砂粒子と、無機塩バインダの水溶液とを配合・混練し、得られた混練物を中子型で造型する造型工程を含む水溶性中子の製造方法において、該水溶性無機塩バインダに、珪砂（珪粉）、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸ジルコン、繊維状チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムから選択される無機フィラーの１種以上が添加されていることを特徴とする高強度水溶性中子の製造方法。
【請求項７】
前記水溶性無機塩が、マグネシウムイオン（Ｍｇ2+）、ナトリウムイオン（Ｎａ+）、カルシウムイオン（Ｃａ2+）から選択されるカチオンと、ＳＯ42-、ＣＯ32-、ＨＣＯ32-、Ｂ4Ｏ7-から選択されるアニオンとの組み合わせからなる水溶性無機塩の１種以上であることを特徴とする請求項６に記載の水溶性中子の製造方法。
【請求項８】
前記水溶性無機塩が、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）であることを特徴とする請求項７に記載の水溶性中子の製造方法。
【請求項９】
前記水溶性無機塩が、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）０〜１００重量％と、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）、４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）、硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）から選択される１種以上１００〜０重量％から成ることを特徴とする請求項７に記載の水溶性中子の製造方法。
【請求項１０】
鋳物砂に対する前記無機塩添加量が０．８〜１０重量％であり、前記無機フィラー添加量が０．２〜１０重量％であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の水溶性中子の製造方法。
【請求項１１】
中子造型工程、鋳造工程、及び砂落し工程を含むアルミ合金鋳造方法において、中子造型工程で請求項１乃至５のいずれかに記載の水溶性中子を用いることを特徴とするアルミ合金鋳造方法。
【請求項１２】
前記砂落し工程で、超音波処理を用いて前記水溶性中子を水に溶解することを特徴とする請求項１１に記載のアルミ合金鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砂落しの容易性の目安となる水溶性を低下させずに、高温強度を向上させた水溶性中子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳型に溶湯を圧入し、急冷凝固させて鋳物を製造することができる。このような、精密鋳造技術においては、機械部品等の精密鋳造品の内部に空間を設けるために、中子が広く利用されている。例えば、アルミ合金を使ったシリンダの内部空間、エグゾースト内部の冷却媒体通路の作製に中子は不可欠なものである。
【０００３】
中子の強度を増加させるためには、樹脂、無機塩等のバインダが使用されている。特に、中子バインダとして無機塩を用いることにより、鋳造時のガス発生量を低減させ、鋳造後は中子砂落しを水で行うことのできる水溶性中子が考えられている。しかしながら、実用化・量産化は困難であるとされている。その理由は、バインダの結合力がないため、必要な中子強度を得ることが困難なことによる。
【０００４】
即ち、中子用鋳物砂に無機塩等のバインダを添加する場合、
１）バインダ量を増加すれば、中子強度が向上する。
２）バインダは、水に溶かして（飽和濃度にして）鋳物砂に添加する。よって、バインダ量の増加は、水の量の増加となる。
３）水の増加は、鋳物砂の流動性低下となり、中子型への鋳物砂の充填性を阻害する。
【０００５】
このように、鋳物砂に、バインダだけの添加だと、中子強度と鋳物砂の流動性を両立させることができない。そこで、バインダ量を増加させずに、中子強度を向上させる技術が必要となっている。
【０００６】
下記特許文献１には、流動性、充填性、成形性の改善を目的として、無機粒子に黒鉛をバインダで被覆してなる無機複合粒子であって、黒鉛の被覆量が無機粒子１００重量部に対して０．１〜５０重量部であり、かつ黒鉛に対するバインダの重量比が０．００２〜２である無機複合粒子からなる鋳物用砂の発明が開示されている。しかし、用いられているバインダは、フェノール樹脂、フラン樹脂、ピッチであり、本発明のように、水溶性中子を得るものではない。
【０００７】
また、下記特許文献２には、鋳造時に有機バインダより分解ガスが発生することを解消することを目的として、鋳物砂に対して無機材料を成分とするバインダを用いることが開示されている。具体的には、バインダとして硫酸カルシウムと硫酸マグネシウムを成分とする構成とし、硫酸カルシウムと硫酸マグネシウムの混合比率は、硫酸カルシウムを３５〜９５％とし、残部を硫酸マグネシウムとしている。しかしながら、この方法では、中子強度、特に高温での強度が充分ではなく、造型後、鋳造までの間に、中子形状が崩れてしまい、設計通りの鋳物が得られないという問題がある。
【０００８】
一方、水溶性中子バインダとしては、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）が知られている。しかながら、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）水溶液は、以下の欠点を有している。
１）粘着力が弱く、中子強度が充分ではない。
２）バインダ必要量が多くなり（水の量も増加する）、鋳物砂の流動性が悪化し、中子造型時にブロー充填性が不十分である。
【０００９】
そこで、下記特許文献３には、塩化ナトリウムを基材とし、これに硫酸リチウム２〜４０％、硫酸マグネシウム２〜２０％等を加えた水溶性中子バインダが開示されている。又、下記特許文献４には、硫酸カルシウムと硫酸マグネシウムから成る水溶性中子バインダが開示されている。しかしながら、これら特許文献３及び４に開示された水溶性中子バインダを用いても強度は十分ではなかった。
【特許文献１】特開２００２−２６３７８２号公報
【特許文献２】特開平１１−２８５７７７号公報
【特許文献３】特公昭５２−１０８０３号公報
【特許文献４】特開平１１−２８５７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記問題に鑑み、本発明は、砂落しの容易性の目安となる水溶性を低下させずに、高温強度を向上させた水溶性中子及びその製造方法を提供し、水溶性中子を実用性のあるものとすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、多数の化合物について検討した結果、特定のフィラーのみがバインダとして水溶性無機塩と共存でき、砂落しの容易性の目安となる水溶性を有するとともに、中子強度、特に高温強度、充填性等を満たすことを見出し本発明に到達した。
【００１２】
即ち、第１に、本発明は、水溶性中子の発明であり、鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダで被覆された水溶性中子において、該水溶性無機塩バインダに、珪砂（珪粉）、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸ジルコン、繊維状チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムから選択される無機フィラーの１種以上が添加されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の水溶性中子は、流動性、充填性と水溶性が低下することなく、高温強度が向上している。水溶性中子の高温強度が向上することで、造型された中子のハンドリングに優れるという実用性が生じる。
【００１４】
本発明で用いられる水溶性無機塩としては、マグネシウムイオン（Ｍｇ2+）、ナトリウムイオン（Ｎａ+）、カルシウムイオン（Ｃａ2+）から選択されるカチオンと、ＳＯ42-、ＣＯ32-、ＨＣＯ32-、Ｂ4Ｏ7-から選択されるアニオンとの組み合わせからなる水溶性無機塩の１種以上であることが好ましい。その中でも、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）が好ましい。又、水溶性無機塩として、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）０〜１００重量％と、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）、４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）、硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）から選択される１種以上１００〜０重量％から混合系も好ましい。
【００１５】
無機塩バインダと特定の無機フィラーを併用することによって、中子の高温強度が向上する理由は以下のことと考えられる。水溶性中子の鋳物砂に無機塩バインダのみを添加した場合は、鋳物砂の表面に無機塩バインダが被覆され、鋳物砂間の結合力は、鋳物砂間の接点に存在する無機塩バインダ量に依存している。この場合、多量のバインダを添加しても、接点以外の表面に被覆されたバインダは結合に寄与しない。例えば、水溶性無機塩として、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）単味から成るバインダは、造型直後（約１００℃〜１６０℃）の温間強度及び鋳造時（約２００℃〜７００℃）での高温強度が低い。これは、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）結晶が、加熱により、粘性化して低強度化するためと考えられる。これに対して、本発明のように、水溶性無機塩に特定のフィラーを添加することによって、表面が水溶性無機塩バインダで被覆された鋳物砂粒子同士の接点において、これら特定のフィラーが存在することで、鋳物砂粒子同士の接点が破壊されることを防止するためと考えられる。
【００１６】
本発明の水溶性中子では、鋳物砂に対する前記無機塩バインダ添加量が０．８〜１０重量％であり、前記無機フィラー添加量が０．２〜１０重量％であることが好ましい。無機塩バインダ添加量と無機フィラー添加量がこの範囲を外れると、両者を併用する本発明の効果が減少する。
【００１７】
第２に、本発明は、高強度水溶性中子の製造方法の発明であり、鋳物砂粒子と、無機塩バインダの水溶液とを配合・混練し、得られた混練物を中子型で造型する造型工程を含む水溶性中子の製造方法において、水溶性無機塩バインダに、珪砂（珪粉）、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸ジルコン、繊維状チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムから選択される無機フィラーの１種以上が添加されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の方法により、高温強度と、砂落しの容易性の目安となる水溶性を兼ね備えた水溶性中子を製造することが出来る。
好ましい水溶性無機塩の種類、各成分の量比等は上記第１の発明と同様である。
【００１９】
本発明の方法において、無機フィラーを水に溶解する際には、即溶解性の無機フィラーや僅かな力を加える程度で溶解する無機フィラーの場合は、溶解自体は容易である。本発明で用いられる幾つかの無機フィラーについては、水への溶解時に、超音波処理することは溶解時間を短縮させる上で効果的であり、好ましい。
【００２０】
第３に、本発明は、アルミ合金の鋳造方法の発明であり、中子造型工程、鋳造工程、及び砂落し工程を含むアルミ合金鋳造方法において、中子造型工程で請求項１乃至４のいずれかに記載の水溶性中子を用いることを特徴とする。本発明により、例えば、アルミ合金シリンダ等の精密鋳造品を製造することが出来る。
本発明のアルミ合金鋳造方法において、砂落しを効率的に行うためには、砂落し工程で、超音波処理を用いて前記水溶性中子を水に溶解することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のように、水溶性無機塩バインダに、珪砂（珪粉）、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸ジルコン、繊維状チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムから選択される無機フィラーの１種以上を添加することで、高温強度と、砂落しの容易性の目安となる水可溶性を併せ持つ水溶性中子が得られる。
【００２２】
特に水溶性無機塩として、マグネシウムイオン（Ｍｇ2+）、ナトリウムイオン（Ｎａ+）、カルシウムイオン（Ｃａ2+）から選択されるカチオンと、ＳＯ42-、ＣＯ32-、ＨＣＯ32-、Ｂ4Ｏ7-から選択されるアニオンとの組み合わせからなる水溶性無機塩の１種以上を用いる水溶性中子バインダを用いることで、十分な中子強度と水可溶性を併せ持つ水溶性中子を得ることができる。また、この水溶性中子を用いることで、鋳造時に型崩れせず、鋳造後の砂落しが容易な鋳造を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明で用いられる鋳物砂粒子は、従来知られたものを用いることができる。具体的には、ＳｉＣ，アルミナ，ムライト，シリカ，ジルコン等を用いることが好ましい。これらは、優れた強度，低熱膨張率を有するとともに入手が比較的容易であり、強度，寸法精度等に優れた水溶性中子を製造することができる。
鋳物砂に対する無機塩バインダ添加量の合計量は０．８〜１０重量％であることが好ましく、４〜７重量％であることがより好ましい。
【００２４】
本発明で用いられる特定の無機フィラーは、表面が無機塩バインダで被覆された鋳物砂粒子の接点付近に存在して、鋳物砂粒子の結合力を高めるものである。その平均粒径は、数μｍ〜数１０μｍ程度が鋳物砂の接点付近に存在するのに好ましい。
これら、鋳物砂粒子：無機塩バインダ：無機フィラーの量比としては、１００：４〜７：１〜７であることが中子強度と鋳物砂の流動性（充填性）を両立させることから好ましい。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実施例及び比較例により説明する。
（実施例１〜１０）
［配合］
鋳物砂としてムライト系人工砂に、無機塩バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）を水に溶かした水溶液に、下記表１に記載の各種無機フィラーを添加し、１２０分間、混練して、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）含有量を２．５％とし、各種無機フィラーの含有量を０．１〜２．５％とした。なお、他の水溶性無機塩、例えばＮａ塩は併用しなかった。
［中子造型］
断面１０ｍｍ×１０ｍｍ（Ｈ）、長さ６０ｍｍの中子形状を有する金型に、上記配合物を手込めした。上記金型を、恒温炉にて、１５０℃で３０分間放置して乾燥した（ＪＩＳによる）。同様に丸棒を造型した。
［中子強度測定］
中子をｌ（５０ｍｍ）間の支点に置き、中心部へ上部よりＰ（ｋｇｆ）加圧した。下記式より、抗折強度σ（ｋｇｆ／ｍ2）を求めた。
σ  ＝  ３／２  ×  ｌ／ａ・Ｈ2  ×  Ｐ
表１に、上記ＪＩＳによって造型された中子、丸棒に造型された中子の抗折強度σ（冷間強度、ｋｇｆ／ｍ2）、ＪＩＳによって造型された中子を４００℃で１分間加熱した場合の抗折強度σ（高温強度、ｋｇｆ／ｍ2）の結果を示す。同時に、砂落しの容易性の目安となる、７００℃で１時間加熱した場合での水可溶性の結果と充填性の結果を示す。
【００２６】
（比較例１）
無機塩バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）のみを用いた他は、実施例１と同様の中子を成型し、強度等を測定した。
（比較例２〜９）
無機フィラーとして表１に記載のものを用いた他は、実施例１と同様の中子を成型し、強度等を測定した。
【００２７】
【表１】
2005059081.tif 000002
【００２８】
表１の結果より、無機バインダに特定の無機フィラーを併用する本発明の実施例１〜１０では、いずれも砂落しの容易性の目安となる水可溶性に優れているとともに、その多くは高温での中子の抗折強度σが向上していることが分かる。これに対して、無機バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）のみを用いた比較例１や、無機バインダに本発明以外の無機フィラーを併用する比較例２〜９では、高温での中子の抗折強度σに改善されたものが見られるもの、比較例１以外は水に不溶であり、砂落しが出来ないことが分かる。即ち、本発明の実施例１〜１０の中子はいずれも高温強度と水可溶性の両者に優れていることが分る。
【００２９】
（実施例１１〜１３）
鋳物砂としてムライト系人工砂に、無機塩バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）を併用して水に溶かした水溶液に、下記表２に記載の各種無機フィラーを添加し、１２０分間、混練して、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）含有量を２．０％又は２．５％とし、４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）含有量を２．０％とし、各種無機フィラーの含有量を２．４〜２．５％とした。
実施例１と同様の中子を成型し、強度等を測定した。表２に、上記ＪＩＳによって造型された中子、丸棒に造型された中子の抗折強度σ（冷間強度、ｋｇｆ／ｍ2）、上記ＪＩＳによって造型された中子の温間抗折強度σ（ｋｇｆ／ｍ2）、ＪＩＳによって造型された中子を４００℃で１分間加熱した場合の抗折強度σ（高温強度、ｋｇｆ／ｍ2）の結果を示す。同時に、砂落しの容易性の目安となる、７００℃で１時間加熱した場合での水可溶性の結果と充填性の結果を示す。
【００３０】
（比較例１０、１１）
無機塩バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）を併用し、無機フィラーを添加しなかった他は、実施例１と同様の中子を成型し、強度等を測定した。
（比較例１２）
無機フィラーとして表２に記載の塩化ナトリウムを用いた他は、実施例１と同様の中子を成型し、強度等を測定した。
【００３１】
【表２】
2005059081.tif 000003
【００３２】
表２の結果より、無機塩バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）を併用する実施例１１〜１３は、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）のみを用いる比較例１と比べて、冷間強度及び高温強度が大幅に向上している。又、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）を併用する無機バインダに特定の無機フィラーを併用する本発明の実施例１１〜１３では、いずれも砂落しの容易性の目安となる水可溶性に優れているとともに、高温での中子の抗折強度σが向上していることが分かる。これに対して、無機バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）を併用するのみの比較例１０と１１や、無機バインダに本発明以外の無機フィラーを併用する比較例１２では、高温での中子の抗折強度σに改善が見られるもの、比較例１２は水に不溶であり、砂落しが出来ないことが分かる。即ち、本発明の実施例１１〜１３の中子はいずれも高温強度と水可溶性の両者に優れていることが分る。
【００３３】
（実施例１４〜１８）
鋳物砂としてムライト系人工砂に、無機塩バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を併用して水に溶かした水溶液に、下記表３に記載の各種無機フィラーを添加し、１２０分間、混練して、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）含有量を２．０％又は２．５％とし、炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）含有量を２．０％とし、各種無機フィラーの含有量を０．１〜２．５％とした。
【００３４】
実施例１と同様の中子を成型し、強度等を測定した。表３に、上記ＪＩＳによって造型された中子、丸棒に造型された中子の抗折強度σ（冷間強度、ｋｇｆ／ｍ2）、上記ＪＩＳによって造型された中子の温間抗折強度σ（ｋｇｆ／ｍ2）、ＪＩＳによって造型された中子を４００℃で１分間加熱した場合の抗折強度σ（高温強度、ｋｇｆ／ｍ2）の結果を示す。同時に、砂落しの容易性の目安となる、７００℃で１時間加熱した場合での水可溶性の結果と充填性の結果を示す。
【００３５】
（比較例１３、１４）
無機塩バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を併用し、無機フィラーを添加しなかった他は、実施例１と同様の中子を成型し、強度等を測定した。
【００３６】
【表３】
2005059081.tif 000004
【００３７】
表３の結果より、無機塩バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を併用する実施例１４〜１８は、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）のみを用いる比較例１と比べて、冷間強度及び高温強度が大幅に向上している。又、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を併用する無機バインダに特定の無機フィラーを併用する本発明の実施例１４〜１８では、いずれも砂落しの容易性の目安となる水可溶性に優れているとともに、高温での中子の抗折強度σが向上していることが分かる。これに対して、無機バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ4）と炭酸ナトリウム（Ｎａ2ＣＯ3）を併用するのみの比較例１３と１４では、高温での中子の抗折強度σの改善も見られないことが分かる。即ち、本発明の実施例１４〜１８の中子はいずれも高温強度と水可溶性の両者に優れていることが分る。