(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳物砂、樹脂及びケイ酸アルミニウムの中空微小球を有してなる、冷却型またはコアを製造するための組成物であって、前記中空微小球は砂の全量に対して１〜３０重量％の量で組成物中に存在すること、及び前記中空微小球は該微小球の２０〜３５重量％のアルミニウム含量を有することを特徴とする組成物。
【請求項２】
ケイ酸アルミニウムの中空微小球が、該中空微小球の直径の３〜１０％の肉厚を有する請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
ケイ酸アルミニウムの中空微小球が、１０〜３５０μｍの粒子寸法を有する請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
砂の全量に対して５〜２５重量％の量でケイ酸アルミニウムの中空微小球を含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項５】
砂の全量に対して１０〜２０重量％の量でケイ酸アルミニウムの中空微小球を含む、請求項４に記載の組成物。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を含んでなる組成物を、鉄鋳造物用のコアまたは冷却型を製造するために使用する方法。
【請求項７】
冷法によりコアまたは冷却型を製造する方法であって、
（Ａ）請求項１〜５のいずれかに記載の、冷却型及びコアを製造するための組成物を型中に導入して、コアまたは非硬化型を形成すること、
（Ｂ）工程（Ａ）で得た該コアまたは非硬化型をガス状硬化触媒と接触させること、
（Ｃ）前記コアまたは型が取り扱えるようになるまで、工程（Ｂ）から得られた該コアもしくは非硬化コアもしくは型を硬化させること、および
（Ｄ）前記コアまたは型を、型から分離すること
を含んでなる方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法によって製造したコアまたは冷却型。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれかに記載の、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を含む組成物を含んでなる、金属鋳造物用のコアまたは冷却型。
【請求項１０】
鉄鋳造物を製造する方法であって、
（Ａ）請求項８または９に記載のコアまたは冷却型を鋳造器に挿入すること、
（Ｂ）該鋳造器の中に、液状の金属を注入すること、
（Ｃ）鋳造器に注入した金属を冷却して固化させること、および
（Ｄ）鋳造器から溶融金属片を分離すること
ことを含んでなる方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、鉄鋳造物の製造に関しており、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を含んでなる、コアおよび冷却型の製造に適した鋳造用の鋳物砂に関する。
背景の説明
鋳物砂で製造されるコアを使用することによって得られる鉄鋳造物は、一般に、その形状において一連の欠点を有しており、寸法的に正確な片を得るために、機械加工を行う必要がある。これら欠点は、コアに注がれる溶融金属の影響を受けるコアに加熱のために生じてしまい、膨張を生じさせ、したがって、その表面に割れ目のある外観を生じさせる。溶融金属はこれら割れ目に透過し、したがって、片の表面にある種の仕切り壁または薄片を形成する。この望ましくない影響は、「ベイニング（脈形成）」または「ねずみのしっぽ」として知られている。
現在のところ、コアは、鋳物砂およびガス‐または熱‐硬化樹脂、または自己硬化樹脂を、得られる片の特性を改良することを意図する添加剤とともに、使用して製造される。
「ベイニング」を防止するために、一連の技術が知られており使用されている。例えば、次の通りである。
−  添加剤として酸化鉄の使用。
添加剤として使用された酸化鉄は、砂中に含まれるシリカの膨張によって生じる問題を最小にするように意図されており、そのような目的のため、赤色、黒色、黄色酸化鉄またはＳｉｅｒｒａ  Ｌｅｏｎｅからの酸化鉄が使用され、１〜３％の量で混合物に練り込まれる。これら酸化物は、フェイヤライト（ｆｅｙａｌｉｔｅ）形成のための要因として機能し、割れ目形成時の「ベイニング」は最小になる。しかしながら、この技術は、ある場合に「ベイニング」を無くさず、酸化鉄がコアの機械的抵抗性を減少させ、フェイヤライトの形成が透過の傾向を増加させ、片の外表面が不規則状態を示すようになり、後に、処置する必要があるという欠点を有する。
−  木粉および石炭粉末の使用
この技術によれば、木粉または石炭粉末を１〜３％の量で添加する。これら粉は、溶融時に燃焼し、コア容量の全体にわたって分布した自由間隙を残し、シリカの膨張が、外寸法の増加の必要無く、これら間隙において行われ、したがって、「ベイニング」を生じさせる割れ目の外観を防止する。この技術の主たる欠点は、粉が燃焼した場合に、大量のガスが発生し、循環時に、得られる片における寸法的問題を生じさせる可能性がある。同様に、この種の添加剤において、コアの機械的抵抗性における減少が生じる。
−  添加剤として酸化チタンの使用
米国特許第４，７３５，９７３号に記載されているこの新しい技術は、酸化チタン添加剤の使用に基づいており、添加剤は、砂の全量の０．５〜５％の量で存在し、該添加剤は、１５％〜９５％の量の酸化チタンを含有する。この技術において、熱膨張が減少し、結果的に、「ベイニング」を防止し、コアの機械的抵抗性を維持し、ガス生成の増加を与えない。この技術の欠点は、得られたコアが透過の傾向を有するという事実にあり、片を溶融する前に得られるコアの表面に塗料または他の処理を施す必要がある。
−  低膨張の天然砂の使用
この新しい技術は、コアの形成のために、熱膨張の異なった程度のために、全く無い程度にまで、「ベイニング」を減少させる、角のあまりないシリカの特別な砂、クロマイト砂、ジルコニウム砂およびかんらん石砂を使用する。この技術の基本的な欠点は、この種の砂の高コストであり、コアを得るためのコストの結果的な増加になる。
−  低膨脹の電気溶融砂の使用
この技術によれば、コアの製造のために通常使用するシリカ砂を電気炉において溶融し、膨脹容量無く、ペーストを得る。次いで、砂粉末を得るまで、得られたペーストを粉砕し、シリカ砂と約５０％で混合する。このようにして、コアの膨脹が防止される。シリカペーストから得られた粉末が膨脹容量を有しておらず、したがって、割れ目または対応するベイニングを生じない。この技術の基本的な欠点は、製造方法の多大な複雑さであり、コアを得るための最終コストがより高くなる。
ベイニングの形成を防止するために通常使用される技術は、添加剤（酸化鉄、酸化チタン、木粉および石炭粉末）の使用、または特別な砂（低膨脹の天然砂または低膨脹の電気溶融砂）の使用からなっている。
ケイ酸アルミニウムの中空微小球を組み込んだ鋳物砂で製造したコアまたは型を使用して鋳造物（特に、鉄鋳造物）の品質を改良できることを見いだした。
結果として、本発明の目的は、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を組み込んだ鋳造物のための鋳物砂にある。
本発明の追加的な目的は、上記の鋳物砂の使用を包含するコアまたは冷却型を製造する方法にある。得られたコアおよび型は、本発明の目的でもある。
本発明のさらに追加的な目的は、上記コアまたは型の使用を包含する鋳造物を製造する方法にある。得られた鋳造物（特に、鉄鋳造物）は、本発明の目的にもなる。
発明の要旨
本発明は、鋳物砂の全量に対して１〜３０重量％の量のケイ酸アルミニウムの中空微小球を組み込んだ鋳造のための鋳物砂を提供する。
本発明の目的である鋳物砂は、鋳造物の製造に使用できるコアおよび冷却型の製造に適している。
ケイ酸アルミニウムの中空微小球を使用することによって、コア膨脹時の割れ目の外観を防止でき、ガス生成が増加することなく、得られるコアの機械的性質を維持できる。片の溶融時に、鋳物砂におけるシリカの膨脹がコアの増加を生じさせず、膨脹は中空微小球の内部空間によって吸収され、これにより、コア表面の割れ目の外観、および結果的にベイニングが全体的に防止される。
本発明の鋳物砂を用いた場合に、コアまたは型は、より低い密度で得られ、これにより、機械的抵抗の減少無く、ガス生成が減少される。同様に、ケイ酸アルミニウムの中空微小球がコアの間隙空間を覆って塗料と同様の効果を与えるという事実により、得られる片の透過が減少し、得られる片の表面を改良する。したがって、得られる鉄鋳造物の品質は、コア膨張およびガス生成によって生じる欠陥の減少に原因して改良されている。
【図面の簡単な説明】
図１は、「ベイニング」効果が、異なるコア形状化法に対して観察される棒グラフであり、位置０４は、１０重量％のケイ酸アルミニウムの中空微小球を含有する本発明の鋳物砂の使用に基づく方法に対応する。
図２は、得られる機械的耐性が、異なるコア製造法に応じて観察される棒グラフであり、位置０４は、１０重量％のケイ酸アルミニウムの中空微小球を含有する本発明の鋳物砂の使用に基づく方法に対応する。
図３は、得られるコアの密度が、異なる製造法に応じて示されている棒グラフである。
図４は、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を含有する鋳物砂(本発明)および米国特許第4,735,973号に従う酸化チタンを含有する鋳物砂を用いて得られる透過および「ベイニング」の比較図である。
図５は、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を異なる割合(％)で含有する本発明の鋳物砂を用いて得られるコアの引張強度が示されている棒グラフであり、曲線は、相対湿度１００％で２４時間後の箱出口での引張強度に対応する。
発明の詳細な説明
本発明は、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を、砂の全体量に対して１〜３０重量％、好ましくは５〜２５重量％、より好ましくは１０〜２０重量％の量で導入した注型用の鋳物砂を提供するものである。
鉄注型表面での「ベイニング」の形成を回避することを意図した予備試験は、コアおよび冷却型を製造するための鋳物砂の添加物として、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を使用しうることを示した。
さらに別の試験により、使用するケイ酸アルミニウムの中空微小球が、ケイ酸アルミニウムの中空微小球の重量を基準に、１５〜４５重量％、好ましくは２０〜３５重量％のアルミニウム含量を有しているときに、良好な結果が得られることを確認した。
本発明において使用するためには、全ての種類のケイ酸アルミニウムの中空微小球を使用することができるが、上記の特徴を満たす微小球、例えば、商標エクステンドスフェアーズ(Extendospheres)のもとでＰＱコーポレイションから市販されている微小球および商標メタスフェアーズ５０(Metaspheres 50)のもとでミクロファイン・ミネラルズ・リミテッド(Microfine Minerals Limited)から市販されている微小球が好ましい。表１に、実施した試験において用いた異なる微小球の主な特徴を示す。
予想とは対照的に、驚くべきことに、最高品質のケイ酸アルミニウムの中空微小球(比較的高いアルミニウム含量、通常は３５〜４５重量％のアルミニウム含量を有する微小球であると解される)が、劣る品質のケイ酸アルミニウムの中空微小球(即ち、３５重量％未満のアルミニウム含量を有する)を用いたときよりも悪い結果を与えることを確かめた。
鋳物砂に異なる割合で導入した異なるケイ酸アルミニウムの中空微小球を用いて行った試験は、驚くべきことに、低いアルミニウム含量(２５〜３３％)の微小球が、全般的に「ベイニング」および透過に関して最良の結果を与え、得られるコアの機械的特性を維持し、さらに、微小球中のアルミニウムの割合(％)の増加が該効果(「ベイニング」および透過)の結果の改善を示唆せず、ときには逆のことが起こることを示した[表５(実施例５)を参照]。
さらに、行った研究は、ベイニングおよび透過に関する最良の結果が、アルミニウム含量に依存するだけでなく、他の因子、例えば微小球の大きさおよび微小球の壁厚みも影響を持つことを示した。特に、微小球直径の３〜１０％の壁厚みおよび１０〜３５０μｍの粒子サイズを有するケイ酸アルミニウムの中空微小球が適していることが観察された。
表４(実施例４)からわかるように、最良の結果を与える微小球は、メタスフェアーズ５０およびエクステンドスフェアーズＳＧとして識別される微小球である。その理由は、これらが１８９．３７ｋｇ／ｃｍ2(２．７００ｐｓｉ)の圧潰強度を持ち、２５〜３０重量％のアルミニウム含量を持ち、粒子直径に対して５％の壁厚み(エクステンドスフェアーズＳＧ)および３〜７％の壁厚み(メタスフェアーズ５０)、ならびに、平均粒子サイズ１５０μｍ(エクステンドスフェアーズＳＧ)および１０〜２５０μｍ(メタスフェアーズ５０)を有しているためである。
また、本発明の鋳物砂は、他の通常の成分、例えば、注型用凝集体、バインダーおよびこの技術分野で使用される他の所望による成分を含有することができる。
また本発明は、冷間加工によってコアまたは冷却型を製造するための方法であって、以下の工程からなる方法を提供するものである。
(Ａ)本発明の目的である鋳物砂を型中に導入してコアまたは未硬化型を成形し、
(Ｂ)工程(Ａ)のコアまたは未硬化型をガス状硬化触媒と接触させ、
(Ｃ)工程(Ｂ)で得られたコアまたは未硬化型を、該コアまたは型が取り扱えるようになるまで硬化させ、そして
(Ｄ)該コアまたは型を型から取り出す。
別の態様において、本発明は鉄注型物を製造するための方法であって、以下の工程からなる方法を提供するものである。
(Ａ)本発明の目的である鋳物砂から製造したコアまたは型を注型装置中に挿入し、
(Ｂ)液体状態の金属を該注型装置中に注入し、
(Ｃ)注型装置中に注入した金属を冷却および固化させ、そして
(Ｄ)注型装置から溶融金属片を取り出す。
以下に挙げる実施例は本発明を説明するものである。表１に、これら実施例の実施において使用したケイ酸アルミニウムの中空微小球の主な特徴を示す。
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実施例１
鋳物砂のための添加物としてのケイ酸アルミニウムの中空微小球の使用の研究
注型用コアの製造を意図して、鋳物砂のための添加物としてケイ酸アルミニウムの中空微小球を使用しうる可能性を評価するために、一方において、異なる樹脂および通常の添加物を用いていくつかのコアを成形し、他方において、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を添加した鋳物砂から他のコアを成形し、次いで得られたコアの「ベイニング」および引張強度を調べた。異なるコアの製造に用いた方法は、それぞれの場合において普通のものであった。
コアの製造に用いた異なる混合物の異なる成分を以下の表２にまとめる。全ての場合において２％樹脂を用いた。調製物０２および０３に用いた触媒はＳＯ2(ガス)であり、一方、残りの調製物において用いた触媒はガス状メチルエチルアミン(DMEA)であった。
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試料片を調製した後、その結果を調べ、「ベイニング」の最大値に「１０」の値を、「ベイニング」の最小値に「０」の値を与えた。「ベイニング」の他に、引張強度を評価した。
図１および図２において、棒グラフは、得られたコアの「ベイニング」効果および引張強度を示すものである。位置０４において、１０％の割合でケイ酸アルミニウムの微小球を含有する鋳物砂から得られたコアを用いて得られた性質が示されているが、「ベイニング」効果が全くないこと、およびかなり良好な引張強度特性が見ることができる。
実施例２
種々のコアの密度
比較目的のため、本発明の目的であるケイ酸アルミニウムの中空微小球を含む鋳物砂から製造したコアを含め、種々の製造法に従い得られた種々のコアの密度を測定した。密度を評価したコアは、以下の掲げた砂および添加剤を用いて製造した。
[1]:酸化チタンの添加剤[US 4.735.973](Veinseal).
[2]:ケイ酸アルミニウムの中空微小球(本発明).
[3]:丸みをもったシリカ
[4]:やや角をもったシリカ.
[5]:丸みをもったシリカ／クロマイト（70/30）
[6]:シリカ／酸化チタンの添加剤（90/10）[US 4.735.973](Veinseal).
[7]:シリカ／ケイ酸アルミニウムの中空微小球（90/10）(本発明).
得られた結果を表３に示す。この表３によれば、ケイ酸アルミニウムの中空微小球を含む鋳物砂から製造したコアは、他のコアに比し、非常に密度が減少し、試験片においてガスの発生および透過の減少が可能な密度が得られることがわかる。
実施例３
比較例
種々の量(0,5％,10％,20％)の以下の材料から選択した添加剤を含む鋳物砂から、コアを製造した。
(i)ケイ酸アルミニウムの中空微小球、および
(ii)North American Patent US 4.735.973(Veinseal)に従う酸化チタンの添加剤
「ベイニング（veining）」および透過の両者についてその効果を評価した。
砂（C-55）を、対象となる添加剤０重量％、５重量％,10重量％または20重量％と混合してコアを製造し、得られた混合物に、好適な樹脂を添加し、成形し、硬化した。
種々の試験片を製造したのち、結果を評価し、「ベイニング」および透過の最大レベルについて数値「10」および「ベイニング」および透過の最小レベルについて数値「0」が得られた。型内の金属の透過を測定するため、「透過2 x 2テストキャスチング」テスト法[AFS会報]を用いた。このテストでは、テスト用型におけるコアのキャビティを可視的に試験して、金属透過の事実を確認した。
得られた結果を図４に示す。この図４によれば、両方法における「ベイニング」は、非常に類似しており、添加剤の割合を徐々に増加すると、徐々に減少し、10％に達すると消滅した。しかしながら、酸化チタンの添加剤を用いる場合、添加剤の割合を増加させるにつれて透過は増加し、他方、添加剤としてケイ酸アルミニウムの中空微小球を用いた場合には、その透過は非常に低下したレベルで一定のままである。
実施例４
添加剤としてケイ酸アルミニウムの中空微小球を用いたコアの製造
鋳物砂からなり、種々の量(0.5％,10％および20％)のケイ酸アルミニウムの中空微小球を予め添加したコアを製造し（圧縮試験品(crushing trial)）、得られたコアの引っ張り強度についてそれらの影響を評価した。
砂(C-55)を、0.5重量％,10重量％または20重量のケイ酸アルミニウムの中空微小球と混合し、得られた混合物に好適な樹脂混合物を添加して試験片を製造した。得られた混合物を用い、好適なガスで硬化させた圧縮試験品を製造した。
得られた結果を図５にまとめた。この図５では、種々の割合の添加剤を含む、得られたコア（本発明）の引っ張り強度は、相対湿度１００％で２４時間後、ボックスの出口における引っ張り強度に対応する曲線として示す。
前記と同様な方法により、表３に示した鋳物砂から、砂(C-55)を、0.5重量％,10重量％または20重量のケイ酸アルミニウムの中空微小球と混合してコアを製造した。全ての場合、1％ Isocure▲Ｒ▼ 325(Ashland)樹脂、1％ Isocure▲Ｒ▼625(Ashland)樹脂およびDMEA（触媒として）を用いた。
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得られたコアを耐摩耗性試験(引っ掻き硬度,SH)および引っ張り強度試験(引っ張り強度,TS)に付した。得られた結果を表４に示す。
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以下の実施例は、鋳物砂中の添加剤として用いるのに最も適したケイ酸アルミニウム中空微小球を選択する目的で行った。
実施例５
ベイニング防止用添加剤としての種々のケイ酸アルミニウム中空微小球の評価
種々の形式のケイ酸アルミニウム微小球によるベイニング防止作用を評価するため、評価される微小球を種々の量で添加した鋳物砂を含む圧縮テスト用試験片を製造した。
砂(C-55)を、10重量％または20重量％の微小球と混合して試験片を製造し、得られた混合物に、0.75％のIsocure▲Ｒ▼ 325(Ashland)および0.75％のIsocure▲Ｒ▼625(Ashland)を添加した。得られた混合物を用い、圧縮用の試験片を製造し、これを、Isocure▲Ｒ▼720(Ashland)でガス発生させた。その後、試験片を型に入れ、1,420℃でねずみ鋳鉄と共に溶融した。
試験片を冷却したのち、結果を評価し、「ベイニング」および透過の最大レベルについて値「10」および「ベイニング」および透過の最小レベルについて値「0」が得られた。型内の金属の透過を測定するため、「透過2 x 2テストキャスチング」テスト法[AFS会報]を用いた。このテストでは、テスト用型におけるコアのキャビティを可視的に試験して、金属透過の事実を確認した。
得られた結果を表５に示した。この表５によれば、ベイニングおよび透過に関し、最良の結果（即ち、ゼロまたは非常にゼロに近い値のベイニングおよび透過に関する結果）が、一般に悪い結果が得られるような、アルミニウム含量25〜33％のケイ酸アルミニウム中空微小球（Extendospheres SGおよびMetaspheres SLG,SL180およびSL150,アルミニウム含量約45重量％）20重量％を用いた場合に得られたことがわかる。
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実施例６
ベイニング防止用添加剤の機械特性の評価
種々のケイ酸アルミニウム微小球の機械特性を評価するため、評価される微小球を種々の量で添加した砂を含む引っ張り強度テスト用試験片を製造した。
砂(C-55)を、10重量％または20重量％の微小球と混合し、得られた混合物に、0.75％のIsocure▲Ｒ▼ 325(Ashland)および0.75％のIsocure▲Ｒ▼ 625(Ashland)を添加して試験片を製造した。用いた触媒は、DMEAであった。得られた混合物を用い、引っ張り強度テスト用試験片を製造し、これを、耐摩耗性テスト(SH)および引っ張り強度テスト(TH)に付した。得られた結果を表６に示した。この表６によれば、本発明の鋳物砂から製造したコアに関し、ベイニングおよび透過作用において優れた結果が得られるだけでなく、満足のゆく機械特性が得られることが判明した。
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実施例７
種々のケイ酸アルミニウムの中空微小球の機械特性の評価
種々のケイ酸アルミニウム中空微小球100％の機械特性を評価するため、評価される微小球（100％）を3％のIsocure▲Ｒ▼ 323(Ashland)および3％のIsocure▲Ｒ▼ 623(Ashland)と混合して引っ張り強度用試験片を製造した。得られた混合物を用い、引っ張り強度用試験片を製造し、これを、Isocure▲Ｒ▼ 702(Ashland)でガス抜きした。得られた試験片を耐摩耗性テスト(SH)および引っ張り強度テスト(TH)に付した。得られた結果を表７に示す。この表７によれば、Extendospheres SG microspheres(130μm)よりも大きい平均粒径(162μm)を有するExtendosheres XEG微小球を用いた場合に最良の結果が得られることが判明した。
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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