(57)【要約】  本発明は、高圧ダイカストに用いられる「ロスト」中子に関し、前記中子は好ましくは、様々な鋳造圧力及び温度に対し適正な強度及び耐性を有する水溶性合成セラミック集合体、ケイ酸ナトリウムを含む無機バインダー、粒状アモルファス二酸化ケイ素を含む添加剤、及び耐火コーティングを含み、前記中子は水による溶解により鋳造体から除去される性質を有している。
2020514078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成セラミック集合体、
ケイ酸ナトリウムを含む無機バインダー、及び
粒状アモルファス二酸化ケイ素を含む添加剤
の組合せを含む、高圧ダイカストに用いる鋳造用中子であって、
無機バインダー及び添加剤は、約２：１の無機バインダー対添加剤の重量比で中子に提供され、
中子に提供された前記無機バインダーの量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．９〜４．０％の範囲であり、
中子に提供された前記添加剤の量は、セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．５〜２．０％の範囲である鋳造用中子。
【請求項２】
中子に提供された無機バインダーの量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約２．０〜２．８％の範囲である請求項１に記載の鋳造用中子。
【請求項３】
中子に提供された添加剤の量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約１．０〜１．４％の範囲である請求項１に記載の鋳造用中子。
【請求項４】
無機バインダーは、更に無機変性剤を含む請求項１に記載の鋳造用中子。
【請求項５】
無機変性剤は、水酸化リチウムである請求項４に記載の鋳造用中子。
【請求項６】
無機バインダーは、更に界面活性剤を含む請求項１に記載の鋳造用中子。
【請求項７】
合成セラミック集合体は、約３０〜７０の範囲の粒度指数を有する請求項１に記載の鋳造用中子。
【請求項８】
合成セラミック集合体は、約５０〜６５の範囲の粒度指数を有する請求項７に記載の鋳造用中子。
【請求項９】
添加剤は、ケイ酸ジルコニウムの熱分解により得られる請求項１に記載の鋳造用中子。
【請求項１０】
高密度平板状酸化アルミニウムからなる耐火コーティングを更に含む請求項１に記載の鋳造用中子。
【請求項１１】
高圧ダイカストに用いる鋳造用中子の形成方法であって、
合成セラミック集合体を提供する工程、
ケイ酸ナトリウムを含む無機バインダーを提供する工程、
粒状アモルファス二酸化ケイ素を含む添加剤を提供する工程、
合成セラミック集合体、無機バインダー、及び添加剤を合わせて混合物を形成する工程であって、無機バインダー及び添加剤は、約２：１の無機バインダー対添加剤の重量比で混合物に提供され、混合物中に提供された無機バインダーの量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．９〜４．０％の範囲であり、混合物中に提供された添加剤の量は、セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．５〜２．０％の範囲である工程、
混合物を、鋳造用中子の所望の形状に提供された加熱された器具内に吹き込む工程、及び
吹き込まれた混合物を、約１４０〜１９０℃の範囲の昇温下で硬化させる工程
を具備する方法。
【請求項１２】
硬化した後の中子に耐火コーティングを施す工程、及び
耐火コーティングを乾燥させる工程を更に具備する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記耐火コーティングは、高密度平板状酸化アルミニウムを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記コーティングは、約１０〜２０ミルの範囲の全湿潤厚さに鋳造用中子に施される請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
中子に提供される無機バインダーの量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約２．０〜２．８％の範囲である請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
中子に提供される添加剤の量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約１．０〜１．４％の範囲である請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
合成セラミック集合体は、約３０〜７０の範囲の粒度指数を有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
合成セラミック集合体は、約５０〜６５の範囲の粒度指数を有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記無機バインダーは、更に無機変性剤を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記無機変性剤は、水酸化リチウムである請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
高圧ダイカストに鋳造用中子を用いる方法であって、
（i）合成セラミック集合体を提供すること、（ii）ケイ酸ナトリウムを含む無機バインダーを提供すること、（iii）粒状アモルファス二酸化ケイ素を含む添加剤を提供すること、（iv）合成セラミック集合体、無機バインダー、及び添加剤を合わせて混合物を形成することであって、無機バインダー及び添加剤は、約２：１の無機バインダー対添加剤の重量比で混合物に提供され、混合物中に提供された無機バインダーの量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．９〜４．０％の範囲であり、混合物中に提供された添加剤の量は、セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．５〜２．０％の範囲であること、（ｖ）混合物を、鋳造用中子の所望の形状に提供された加熱された器具内に吹き込むこと、(vi)吹き込まれた混合物を、約１４０〜１９０℃の範囲の昇温下で硬化させること、(vii)硬化した後の中子に耐火コーティングを施すこと、及び(viii)耐火コーティングを乾燥させることにより、鋳造用中子を形成する工程、
高圧下で前記鋳造用中子の周囲に溶融金属を鋳込み、かつ金属を固化させる工程、及び
水性液中に前記鋳造用中子を溶解し、前記鋳造用中子を前記金属から除去する工程
を具備する方法。
【請求項２２】
第２の鋳造用中子に用いるため、金属から溶解回収後の無機バインダーを再生する工程を更に具備する請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記水性液は水である請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記無機バインダーは、更に無機変性剤を含む請求項２１に記載の鋳造用中子。
【請求項２５】
前記無機変性剤は、水酸化リチウムである請求項２４に記載の鋳造用中子。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、２０１７年１月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／４４５，１４０号に基づく優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、鋳造産業における高圧ダイカストに使用される鋳造用中子に関する。特に本発明は、鋳造後に溶解により除去される能力とともに、様々な鋳造圧力及び温度に対し適正な強度及び耐性を有する水溶性粒状媒体を含む高圧ダイカストのための「ロスト」中子に関する。
【背景技術】
【０００３】
鋳造用中子の設計及び製造が、鋳造技術のため、世界中で絶え間なく挑戦されてきた。非常に複雑な形状、高強度、及び中子が鋳型から容易に取り出されることを可能とする特性を有する中子のための増大する要求は、中子基体、バインダー、及びコーティングのための新規な材料が開発されることを必要としている。同時に、良好な中子を開発するための圧力が、健康及び安全の基準とともに、増加する厳しい環境基準により増大している。
【０００４】
アルミニウム又はマグネシウム合金により軽量化された車両が燃費を改善し、排気を減少させることは、一般に知られている。このことは、ハイブリッド車又は燃料電池車が、性能、特に走行範囲を増加させるための補完的アプローチを示している。世界中の相手先ブランド製造業者にとって興味深い戦略ビジョンは、特に米国企業平均燃費（ＣＡＦＥ）承諾基準を考慮すると、車両重量の２０パーセント（％）の減少である。しかし、このビジョンは、製造技術の障壁のため、部分的には、これまで達成されていない。
【０００５】
所定の自動車部品の複雑なデザインは、高価な機械加工を避けるため、又はそうしないと構造上の利点が得られない過剰の質量を避ける重量の削減のために、エンジンブロックのシリンダーのような機能的目的のための内部空洞又は通路を必要としている。鋳造プロセスにおいて内部空洞を有する部品を製造するためには、金属を注ぐ前に中子を設置する必要がある。そのため、中子は、事実上、逆形状であるが、鋳造される部品の内部特徴を有するレプリカである。鋳造技術に応じて、中子は、鋳造金型／鋳型内に完全に一体化され得るか、又はそこに緩く挿入される。金属の固化及び部品の取り出しの後、中子は、破壊され、製品から除去され、ある程度再使用はされているが、処分されねばならない。鋳造方法に応じ、重力鋳造から低圧又は高圧ダイカスト（ＨＰＤＣ）へ移行する時、溶融圧力がそれぞれの技術に応じて増加するにつれ、中子に必要な強度が変化する。
【０００６】
上述の鋳造プロセスに使用される中子の１つの特定の型は、「ロスト」中子と呼ばれている。ロスト中子の１つの使用例では、中子は、金型本体内に収容され、その後溶融され、洗浄され、及び／又は鋳造後溶解される、熔融可能で洗浄可能で溶解可能な組成物からなる。中子の除去は、後に、鋳造金属目的物中に所望の空孔を残す。
【０００７】
自動車の構造部品の大量生産のための選択技術としてみられる、ＨＰＤＣのためのロスト中子の適用には、かなりの技術的なギャップが存在する。その結果、現在、ダイカストによって製造されている部品は、それの除去前に中子を破壊することを必要とする複雑な内部通路又は空孔を一般に含んでいない。塩化ナトリウム又は塩化カルシウムのような、無機塩からなる水溶性中子を適用することが試みられてきた。これらの中子は、ある用途に適切な強度を有しており、鋳造後、溶解されるが、その成果は限られている。例えば、複合混合物からの塩水溶性圧縮中子は、製造プロセスに固有の成形されたロスト中子のサイズ及び形状において限定される。無機塩中子は、鋳造前に亀裂を生じ、鋳造プロセス中に浸食欠陥を生じる。更に、無機塩中子は、固化後に鋳型から容易には除去されず、生じた塩水は腐食性であり、処分又は再利用が困難である。そのため、砂（サンド）又はそれに類似の物質のような粒状媒体からなる中子が、技術上特に焦点が当てられている。サンド中子技術は、大型の薄壁中空金属鋳造成形体を製造するために適用されてきた。しかし、アブレーション鋳造プロセスは、水溶性変性シリケート樹脂を用いるのみである。それは、アブレーションには最適であるが、本発明に用いられるミクロシリカ系添加剤を用いていない。その結果、得られた中子は、本発明が有する機械的強度及び耐湿性を有していない。
【０００８】
従って、従来技術は、保持期間における圧力強化とともに、一方においてＨＰＤＣプロセス、特にゲート領域に一般にみられる高圧注入圧に耐えるに十分な強度を有するという、鋳造中子の技術における長期にわたり満たされない要求に取り組むことに失敗している。一方、中子は、鋳造が完了した後の除去に際し、容易にこわれるべきでもある。次世代の鋳造用中子の使用による高容量、低コストの鋳造プロセスの開発は、充分な熱処理能力で高信頼性を有する部品の製造を許容する製造技術を促進するであろう。
【発明の概要】
【０００９】
上述の要求を満たすために、本発明は、アルミニウムの構造部品を製造するためにＨＰＤＣに使用するためのロスト中子組成物を提供するものであり、ロスト中子は、水のような溶液に浸漬することによりアルミニウム鋳造の熱処理中に同時に除去され、それによって複雑な高信頼性を有する中空構造鋳造体が形成される。
【００１０】
本出願においては、ＨＰＤＣとは、高圧ダイカスト又は真空高圧ダイカストのいずれかについていうものとする。
【００１１】
本発明の好ましい態様は、ＨＰＤＣに使用するための中子を構成する組成物を含み、中子は、
ａ）好ましい粒子サイズ及び形状の合成セラミック媒体を含む耐火中子基体媒体；
ｂ）好ましくはケイ酸ナトリウム（Ｎａ2ＳｉＯ3又は水ガラス）、他の無機変性剤、及び界面活性剤を含む無機バインダー；
ｃ）好ましくはケイ酸ジルコニウム（ＺｒＳｉＯ4）の熱分解であって、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2又はジルコニア）及びＳｉＯ2を形成する熱分解によって得られる、粒状アモルファス二酸化ケイ素（ＳｉＯ2又はシリカ）を含む添加剤を含有し、
ｄ）前記バインダー及び添加剤は、好ましくは約２：１の無機バインダーと添加剤の比、典型的には約０．５〜２．０％（セラミック媒体の重量を基準として）のミクロシリカ添加剤に対する約０．９〜４．０％（セラミック媒体の重量を基準として）の液体バインダーで、合成セラミック媒体と混合されて混合物を形成し；
ｅ）前記混合物は、中子の所望の形状に提供されている中子ボックスのような、加熱された器具内に（好ましくは空気圧を用いて）吹き込まれるように設定され；及び
ｆ）混合物は、昇温下、好ましくは摂氏約１４０〜１９０度（℃）で硬化されて最終中子を形成する。
【００１２】
得られた組成物は、いったん所望の中子の形状に硬化されると、水を含むもののような溶液を浸透させる相互連結気孔を、製造された中子の中に提供して鋳造後の中子を溶解させる。この組成物の予期しない利点は、（ｉ）上述したロスト中子の用途における、得られた組成物の高い引張強度、(ii)それによって高品質の金属部品を生成する、高い金属の圧力及び速度を含むＨＰＤＣプロセスにおける溶融アルミニウムへの耐性、及び(iii)熱処理中の水による鋳造物から中子を除去する能力を含むものである。その後に耐火コーティングにより被覆される本発明により提供された中子は、耐火性又は恐らく防火性であることが見出され、それによってＨＰＤＣ中に溶融アルミニウムが中子の表面に浸透することが防止される。
【００１３】
本発明の他の好ましい形態は、ＨＰＤＣに用いる中子の形成方法を含み、この方法は、
（ａ）好ましい粒子サイズ及び粒形の合成セラミック媒体を含む耐火中子基体媒体を提供する工程、
（ｂ）好ましくはＮａ2ＳｉＯ3、無機変性剤、及び界面活性剤を含む無機バインダーを提供する工程、
（ｃ）好ましくはＺｒＳｉＯ4の熱分解によりＺｒＯ2及びＳｉＯ2を形成することにより得られる、好ましくは粒状アモルファスＳｉＯ2からなる添加剤を提供する工程、
（ｄ）好ましくは約２：１の無機バインダーと添加剤の比、典型的には約０．５〜２．０％（セラミック媒体の重量を基準として）のミクロシリカ添加剤に対する約０．９〜４．０％（セラミック媒体の重量を基準として）の液体バインダーの比で、バインダー及び添加剤を合成セラミック媒体と合わせて混合物を形成する工程、
（ｅ）混合物を（好ましくは空気圧を用いて）、中子の所望の形状に提供された中子ボックスのような加熱された器具内に吹き込む工程、及び
（ｆ）吹き込まれた混合物を、好ましくは約１３０〜１９０℃の昇温下で硬化させ、最終中子を形成する工程
を具備する。
【００１４】
本発明の他の好ましい形態は、高圧ダイカストに用いる鋳造用中子であって、この鋳造用中子は、
合成セラミック集合体、
ケイ酸ナトリウムを含む無機バインダー、
粒状アモルファス二酸化ケイ素を含む添加剤
の組合せを含み、
無機バインダー及び添加剤は、約２：１の無機バインダー対添加剤の重量比で中子に提供され、
中子に提供された前記無機バインダーの量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．９〜４．０％の範囲であり、
中子に提供された前記添加剤の量は、セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．５〜２．０％の範囲である。
【００１５】
本発明の更に他の好ましい形態は、高圧ダイカストに用いる鋳造用中子の形成方法であって、この方法は、
合成セラミック集合体を提供する工程、
ケイ酸ナトリウムを含む無機バインダーを提供する工程、
粒状アモルファス二酸化ケイ素を含む添加剤を提供する工程、
合成セラミック集合体、無機バインダー、及び添加剤を合わせて混合物を形成する工程であって、無機バインダー及び添加剤は、約２：１の無機バインダー対添加剤の重量比で混合物に提供され、混合物中に提供される無機バインダーの量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．９〜４．０％の範囲であり、混合物中に提供される添加剤の量は、セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．５〜２．０％の範囲であり、
混合物を、鋳造用中子の所望の形状に提供された加熱された器具内に吹き込む工程、及び
吹き込まれた混合物を、約１４０〜１９０℃の範囲の昇温下で硬化させる工程
を具備する。
【００１６】
本発明の更に他の好ましい形態は、高圧ダイカストに鋳造用中子を用いる方法であって、この方法は、
（i）合成セラミック集合体を提供すること、（ii）ケイ酸ナトリウムを含む無機バインダーを提供すること、（iii）粒状アモルファス二酸化ケイ素を含む添加剤を提供すること、（iv）合成セラミック集合体、無機バインダー、及び添加剤を合わせて混合物を形成することであって、無機バインダー及び添加剤は、約２：１の無機バインダー対添加剤の重量比で混合物に提供され、混合物中に提供される無機バインダーの量は、合成セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．９〜４．０％の範囲であり、混合物中に提供される添加剤の量は、セラミック集合体の重量を基準として重量で約０．５〜２．０％の範囲であり、（ｖ）混合物を、鋳造用中子の所望の形状に提供された加熱された器具内に吹き込むこと、(vi)吹き込まれた混合物を、約１４０〜１９０℃の範囲の昇温下で硬化させること、(vii)硬化した後の中子に耐火コーティングを施すこと、及び(viii)耐火コーティングを乾燥させることにより、鋳造用中子を形成する工程、
高圧下で前記鋳造用中子の周囲に溶融金属を鋳込み、かつ金属を固化させる工程、及び
水性液中に前記鋳造用中子を溶解し、前記鋳造用中子を前記金属から除去する工程
を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
図１は、本発明により提供された鋳造用中子を製造する方法を示すフローチャート図である。
【実施形態の詳細な説明】
【００１８】
本発明は、様々な形の実施形態が可能であるが、ここでは、特定の好ましい実施形態について詳細に説明する。ただし、この説明は、本発明の原理を例示するものとみなされるべきであり、本発明をその説明に限定するものではない。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態は、粒状媒体、無機バインダー及び添加剤を含む、ＨＰＤＣに使用される中子である。粒状媒体は、天然のシリカサンドであるが、好ましくは合成セラミック材料がよい。バインダーは、鋳造後の溶解により除去され得るが、好ましくは金属鋳造温度に耐え得る水溶性材料がよい。
【００２０】
好ましくは、バインダーと添加剤の組合せは、約１．４〜６重量％（ｗｔ％）、好ましくは約４.２ｗｔ％の、媒体に対するバインダー及び添加剤の割合で粒状媒体と混合され、混合物を形成する。混合物は、次いで、好ましくは加熱された器具及び加熱空気を用いて中子ボックスに吹き込まれ、硬化される。粒状媒体に対するバインダー及び添加剤の割合は、製造された中子に連通気孔が残留するような値である。この気孔は、鋳造後に水性溶液が中子内に浸透し、中子が溶解するのを可能にする。
【００２１】
また、特に、本発明のこの好ましい実施形態は、好ましくは無機バインダー及び流動添加剤と組合わされて混合物を形成する合成セラミック又はムライト集合体を含む粒状媒体からなる。無機バインダーは、好ましくは変性されたケイ酸ナトリウム液からなり、流動添加剤は、好ましくはマイクロシリカ添加剤からなる。一旦混合物が中子中に形成されると、中子は、得られた中子成形体に所定の湿潤及び乾燥厚さに付与されたジルコン及び／又は平板状アルミナからなる耐火コーティングで被覆されている。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態の合成セラミック媒体は、好ましくはムライト及びコランダム結晶からなる焼結セラミック媒体であり、それは、媒体に高い硬度及び耐久性を付与してＨＰＤＣプロセス中の粒子の崩壊を防止し、セラミック媒体の消費量の減少をもたらす。合成セラミック媒体の使用は、ＨＰＤＣプロセス条件により影響されないままの熱的に安定な媒体を提供する。この媒体は、好ましくは、中子の気孔率を最大にし、透過性を強化する、所定の均一なサイズ及び形状を有する。それぞれのセラミック媒体粒子の好ましいサイズは、米国鋳造協会により測定された、約３０〜７０粒度指数（ＧＦＮ）の範囲である。この媒体の嵩密度は、約９０〜１１５ポンド／立方フィート（ｌｂｓ／ｆｔ3）の範囲のゆるみ嵩密度、好ましくは１１３ｌｂｓ／ｆｔ3ゆるみ嵩密度であり、約１０５〜１３０ｌｂｓ／ｆｔ3パック嵩密度、好ましくは１２５ｌｂｓ／ｆｔ3パック嵩密度である。本発明の好ましい実施形態における使用に適切な合成セラミック集合体の例は、カーボセラミックス社により製造・販売されているアキュカスト（Ａｃｃｕｃａｓｔ）（登録商標）ＩＤ５０である。本発明の好ましい実施形態における使用に適切な合成セラミック媒体集合体の他の例は、ボーキサイト（Ｂａｕｘｉｔ）Ｗ６５合成セラミック集合体である。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態において最も有用であるとされるセラミック媒体の好ましい化学組成は、次の通りである。即ち、約４５〜８５ｗｔ％、好ましくは約７５ｗｔ％の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）含量、約９〜４０ｗｔ％のＳｉＯ2含量、約２〜４ｗｔ％、好ましくは約３ｗｔ％の二酸化チタン（ＴｉＯ2）含量、約１〜１０ｗｔ％、好ましくは約９ｗｔ％の酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）含量である。これらの好ましいセラミック媒体の特徴は、得られた混合物の硬化強度を改善し、本発明により形成された中子を含む鋳型への高速溶融アルミニウムの導入の際に崩壊及び浸食を防止する。更に、一定のセラミック媒体の粒子サイズと組成の組合せは、変性ケイ酸ナトリウム液状バインダーとマイクロシリカ添加剤と組み合わされたこの型のセラミック媒体を用いて製造された中子の、主としてシリカサンドからなる集合体中子よりも、それぞれ少なくとも５０％高い、及び５〜１０％高い硬化横強度及び硬化引張強度を提供する。
【００２４】
更に、本発明の好ましい実施形態で使用される合成セラミック媒体の低い線膨張特性は、鋳造の寸法精度を増加させる。好ましいセラミック媒体の線膨張の値は、０．６５〜０．７５（％線膨張変化、好ましくは０．７１％、室温から１６００℃で測定）の範囲であり、一方、シリカサンドの従来の膨張値は、それよりかなり高く、通常、１．８％線膨張変化である。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態では、無機バインダーは、一般に水ガラスと呼ばれているケイ酸ナトリウムを主成分とする。本発明により形成された中子の硬化特性を最適化するために、ホウ素、ナトリウム、カリウム、及び水酸化リチウムのような変性剤を、無機バインダーに添加してもよい。更に、得られた集合体、バインダー及び添加剤混合物の流動性を改善するために、界面活性剤のような界面活性物質を、無機バインダーに添加してもよい。本発明の好ましい実施形態に使用するに適切なバインダーの例は、ヒュッテナス・アルバータス社（Ｈｕｅｔｔｅｎｅｓ−Ａｌｂｅｒｔｕｓ，  ＧｍｂＨ）により製造・販売されているコルディス（Ｃｏｒｄｉｓ）(登録商標)８５１１バインダーである。本発明の好ましい実施形態に使用するに適切な添加剤の例は、ヒュッテナス・アルバータス社（Ｈｕｅｔｔｅｎｅｓ−Ａｌｂｅｒｔｕｓ，  ＧｍｂＨ）により製造・販売されているアノルギット（Ａｎｏｒｇｉｔ）（トレードマーク）８３９６バインダーである。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態の添加剤は、好ましくはミクロシリカを含む。本発明に使用される適切なミクロシリカ及びその製造方法は、米国特許第７，７７０，６２９号に記載されており、この特許は引用することにより全体として本明細書に含まれるものとする。アモルファス二酸化ケイ素の中には、変性ケイ酸ナトリウムバインダーへの添加剤としての効果において他のものとは明確に異なるタイプがあることがわかっている。もし添加剤が、ＺｒＳｉＯ4の熱分解によりＺｒＯ2及びＳｉＯ2を形成し、次いでＺｒＯ2を完全に又は部分的に除去することにより製造された粒状アモルファスＳｉＯ2であるならば、中子の引張強度に驚異的に大きい改善が得られ、及び／又は他の製造プロセスから得られた粒状アモルファスＳｉＯ２により形成された中子に比べ、本発明により形成された中子では、中子重量は高い。本発明により形成された中子の中子重量の増加は、従来技術の中子の同一の外側寸法を有する中子において見られ（即ち、本発明の中子はより大きい密度を有する）、増加した中子重量は減少したガス透過性に付随し、それは中子媒体粒子のより詰まった充填を示している。特に、高密度のより密に詰まった中子は、鋳造後の水の除去を許容する基体集合体の開口間隔を保持する。上記方法により製造された粒状アモルファスＳｉＯ2は、合成アモルファスＳｉＯ2としても知られている。
【００２７】
本発明により形成された中子は、
ａ）好ましい粒子サイズおよび形状の合成セラミック媒体を含む耐火中子基体媒体；
ｂ）好ましくはＮａ2ＳｉＯ3、他の無機変性剤、及び界面活性剤を含む無機バインダー；
ｃ）好ましくはＺｒＳｉＯ4の熱分解によりＺｒＯ2及びＳｉＯ2を形成することにより得られ粒状アモルファスＳｉＯ2からなる添加剤；
を含み、
ｄ）バインダー及び添加剤は、好ましくは約２：１の無機バインダーと添加剤の比、典型的には約０．５〜２．０％（セラミック媒体の重量を基準として）のミクロシリカ添加剤に対する約０．９〜４．０％（セラミック媒体の重量を基準として）の液体バインダーの割合で、合成セラミック媒体と混合されて混合物を形成し；
ｅ）混合物は、中子の所望の形状に提供されている中子ボックスのような、加熱された器具内に（好ましくは空気圧を用いて）吹き込まれるようにされ；及び
ｆ）混合物は、昇温下、好ましくは摂氏約１３０〜１９０度（℃）で硬化されて最終中子を形成する。
【００２８】
図１に示すように、本発明の他の好ましい実施形態は、ＨＰＤＣに使用するための中子１００を形成する方法を含み、この方法は、
ａ）（プロセス工程１０）好ましい粒子サイズおよび形状の合成セラミック媒体を含む耐火中子基体媒体１１０を提供すること；
ｂ）（プロセス工程２０）好ましくはＮａ2ＳｉＯ3、無機変性剤、及び界面活性剤を含む無機バインダー１２０を提供すること；
ｃ）（プロセス工程３０）好ましくはＺｒＳｉＯ4の熱分解によりＺｒＯ2及びＳｉＯ2を形成することにより得られる粒状アモルファスＳｉＯ2からなる添加剤１３０を提供すること；
ｄ）（プロセス工程４０）ミキサー１５０において、バインダー１２０と添加剤１３０を、好ましくは約２：１の無機バインダー１２０と添加剤１３０の比、典型的には約０．５〜２．０％（セラミック媒体１１０の重量を基準として）のミクロシリカ添加剤１３０に対する約０．９〜４．０％（セラミック媒体１１０の重量を基準として）の液体バインダー１２０の割合で、合成セラミック媒体１１０と混合して混合物１４０を形成すること；
ｅ）（プロセス工程５０）混合物１４０を、中子１００の所望の形状とされている中子ボックス１７０のような、加熱された器具内に（好ましくは空気圧を用いて）吹き込むこと；及び
ｆ）（プロセス工程６０）中子ボックス内に吹き込まれた混合物１６０を、加熱空気発生装置１８０の使用により、昇温下、好ましくは約１４０〜１９０℃で硬化して最終中子１００を形成すること
を含む。
【００２９】
バインダー、添加剤、及び集合基体は、本発明に従って形成された中子を製造するために、均一な混合を必要とする。混合時間は、ミキサーの要件に依存する。一般に、本発明に従って形成された中子は、好ましくは、最初に集合体、次いでマイクロシリカ変性乾燥粉末添加剤、次いで変性シリケート液状バインダーをこの順序で混合することにより製造される。一般に、集合体への乾燥粉末添加剤の混合が２分、次いで変性シリケート液状バインダーにおける混合が２分で十分であるが、時間は、採用されるミキサーの型により変化するであろう。集合体混合物は、市販されている任意のバッチ式ミキサーで製造され得る。並行固定子型ミキサー及びＳブレード型ミキサーのような、この業界で公知のミキサーが効果的である。
【００３０】
集合体に添加される変性シリケート液状バインダーの量は、集合体媒体の平均粒子サイズと純度に依存し、好ましくは集合体の重量を基準として約０．９〜４．０％であり、より好ましくは２．０〜２．８ｗｔ％である。使用されるマイクロシリカ添加剤粉末の量は、好ましくは集合体の重量を基準として約０．５〜２．０％であり、より好ましくは１．０〜１．４ｗｔ％である。
【００３１】
一旦、均一な混合が得られると、混合物は、中子又は鋳型製造のために準備される。本発明の好ましい実施形態では、集合体混合物は、所望の部品の形状の加熱された中子ボックスに発射される。中子の幾何学的形状に応じて、中子ボックスの温度は、約１４０℃（２８４°Ｆ）ないし１９０℃（３７４°Ｆ）の範囲である。中子ボックス内の熱は、均一に分布されるべきである。集合体混合物（即ち、合成ムライト、水性バインダー、及び添加剤）が中子ボックスに到達した後、中子の外形の周囲に外殻が形成される。以下に続く硬化プロセスは、加熱空気により装置内に成形混合物を注入することにより保持され、促進される。好ましくは１００〜２００℃の温度で加熱ガスを中子ボックス内の中子に適用することはまた、硬化プロセスを促進することを助ける。集合体、及び採用されるマイクロシリカ添加剤粉末及び変性シリケート液状バインダーの量に応じて、約３５０〜１０００ニュートン／平方センチメートル（Ｎ／ｃｍ2）の範囲の曲げ強度が、約１．５〜３．５ｗｔ％のバインダー添加量で達成される。ＡＦＳ標準引張試料を用いる米国では、約１．５〜６．０ｗｔ％のバインダー添加量を用いて、約３００〜８００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の範囲の引張強度が達成され得る。
【００３２】
そのような無機物質により結合された中子の硬化時間は、それらの容積及び幾何学的形状に大きく依存する。提案された起動パラメーターは、使用される特定の中子装置に依存する。中子成形体を作るためにこの業界で典型的に採用され、本発明の無機ロスト中子形成プロセスに使用される中子吹き込みマシーンの一般的な設定は、次の通りである。
ａ）発射圧（バール）：約３〜５、典型的には３．５バール
ｂ）発射時間（秒）：約０．５〜２
ｃ）パージ時間（秒）：約３５〜６０
ｄ）パージ圧（バール）：約２
ｅ）パージヒーター温度（℃）：約１００〜２４０
ｆ）中子ボックス温度（℃）：約１２０〜１５０
【００３３】
硬化後、本発明の好ましい実施形態により形成された中子は、昇温下（約７００〜８００℃）、高圧（約２５０〜４００バール）及び高速（約２．５メートル／秒）でＨＰＤＣ鋳型に注入される溶融アルミニウムに対し、硬化した中子成形体を防御するために、耐火コーティングで覆われる。
【００３４】
この適用例において使用され、本発明により提供されるコーティングは、好ましくは、耐火系として高密度平板状酸化アルミニウム及び／又は耐火系として高密度平板状酸化アルミニウムとジルコンの混合物を含む特別に配合された材料である。使用される耐火コーティングは、好ましくは約７５〜１００％の平板状酸化アルミニウム及び約０〜２５％のジルコンを含む。両成分材料は微粉末として存在し、平板状酸化アルミニウムはおよそ３２５メッシュであり、ジルコンはおよそ２００メッシュである。両者は、硬化した集合体からなる中子成形体の表面に耐火コーティングを密着させるために、耐火コーティングにおいて約０．５〜０．９ｗｔ％で使用されるガムロジンのような特別の耐火コーティングバインダーの使用を必要とする。
【００３５】
上述の混合物又は平板状酸化アルミニウムのみを含む単一耐火物としての耐火コーティングは、コーティング混合物の約６０〜６５ｗｔ％を構成する。コーティングの残部は、溶媒として使用される水又はイロプロピルアルコールのいずれか、ベントナイトのようなクレー、界面活性剤、及び分散剤である。水及びアルコールは、キャリア溶媒としてコーティングの約２０〜２５ｗｔ％を含んでいる。コーティングの残部は、典型的に耐火コーティングの設計に使用されるクレー、界面活性剤、及び湿潤剤からなる。
【００３６】
いずれの耐火コーティングも更にイソプロピルアルコールにより希釈され、選択される適用方法に調整されたそれぞれの流れを有する。これらのタイプのコーティングは、この業界で一般に使用されている幾つかの方法によって、本発明に従って提供された硬化した集合体中子の表面に施され得る。そのような方法として、手動又はロボットマニピュレーターによる浸漬、フローコーティング、フラッディングがある。
【００３７】
特に重要なのは、硬化した中子の表面に施されたコーティングの量である。上記コーティングは、中子との接触時間に応じて、８〜１２ミルの湿潤厚さで施される。ミルは、インチの１／１０００である。鋳造の結果は、所定のコーティングの２つの被覆が、約１０〜２０ミルの全湿潤厚さ及び約０．００８〜０．０１５インチの乾燥厚さを与える中子に施されるときにベストであることが見出される。
【００３８】
塗布後のコーティングは乾燥される。乾燥は、空気乾燥、マイクロ波硬化、又は強制空気オーブンにおける乾燥により行うことが出来る。乾燥時間は、採用される方法に依存する。前述のコーティングは、「卵殻」コーティングと呼ばれている、乾燥後に非常に硬質の耐久性のある表面を提供する。この硬質の耐久性のある表面は、鋳造プロセスまで被覆された集合体中子の表面の統合性を確保する。更に、適切な厚さの硬質の耐久性のある表面は、真空ＨＰＤＣプロセス中に金属が中子中に侵入するのを防止する。
【００３９】
一旦、鋳造物が取り出されると、本発明により提供された中子は、水中で溶解される。水は、鋳造物を溶液熱処理し、鋳造物から中子物質を溶解除去する。無機バインダー成分は、更に処理され、再生利用される。
【００４０】
実施例＃１−中子の引張強度
【００４１】
中子の試験試料として、１つは標準シリカサンドの中子基体媒体からなるもの、他の１つは合成セラミック集合体の中子基体媒体からなる、本発明の好ましい実施形態に従って提供されたものを、ＡＦＳ鋳型及び中子ハンドブックに記載されている鋳造サンドプロセスに従って試験した。即ち、試験手順３３０１−０８−Ｓ，５２２３−１３−Ｓ，３３１５−００−Ｓ，１１０５−１２−Ｓ，１１１４−００−Ｓ，５１００−１２−Ｓ，及び１１０６−１２−２であり、これらは引用することにより全体として本明細書に含まれるものとする。この試験では、ヒュッテナス・アルバータス社（Ｈｕｅｔｔｅｎｅｓｓ−Ａｌｂｅｒｔｕｓ  ＧｍｂＨ）から製造・販売されているコルディス（Ｃｏｒｄｉｓ）（登録商標）９０３２及びアノルギット（Ａｎｏｒｇｉｔ）（トレードマーク）８３９６を含む無機バインダー系を用いて試料を作製した。１つの試料は、鋳造産業において中子の製造に用いられている標準シリカサンドの中子基体媒体、即ちフェアマウント・サントール社（Ｆａｉｒｍｏｕｎｔ  Ｓａｎｔｒｏｌ）から製造・販売されているウェドロン（Ｗｅｄｒｏｎ）（トレードマーク）５３０を含み、他の試料は、合成セラミック集合体の中子基体媒体、即ちカーボ・セラミック社（Ｃａｒｂｏ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  Ｉｎｃ．）から製造・販売されているアキュカスト（Ａｃｃｕｃａｓｔ）（登録商標）ＩＤ５０を含む。５０００ｇの中子基体媒体を、典型的な手順、即ちＡＦＳ３３１５−００−Ｓにより、キッチンエイド（Ｋｉｔｃｈｅｎ  Ａｉｄ）（登録商標）ミキサーを用いて、無機バインダーと混合した。単一バインダー系のレベルが求められ、２．８％コルディス（登録商標）９０３２バインダー及び１．４％アノルギット（トレードマーク）８３９６添加剤（集合体重量基準）であった。混合後、集合体／無機バインダー混合物を、レンペ（Ｌａｅｍｐｅ）Ｌ１−３中子送風機により引張試料の形状の中子ボックス内に（空気圧により）吹き込んだ。試料製造のための硬化条件を以下に示す。
【表１】
2020514078.tif 000003
【００４２】
硬化後、スウィング・アルバート（Ｔｈｗｉｎｇ−Ａｌｂｅｒｔ）引張試験機を用いて、試料の最大引張強度をテストした。引張強度は、硬化後１時間及び２４時間で求めた。２４時間硬化した試料は、ＡＦＳ５２２３−１３−Ｓに従って、通気性についてもテストした。
【００４３】
結果は、次の通りであった。
【表２】
2020514078.tif 000004
【００４４】
実際の粒子サイズ分析は、以下に示すように、ウェドロン（トレードマーク）５３０シリカ及びアキュカスト（登録商標）ＩＤ５０集合体について、ＡＦＳ  Ｎｏｓ．１１０５−１２−Ｓ及び１１０６−１２−２に従って行われた。「ＡＤＶ」は、ＡＦＳ１１１４−００−Ｓにおける酸要求値（Ａｃｉｄ  Ｄｅｍａｎｄ  Ｖａｌｕｅ）であり、「ＬＯＩ」は、ＡＦＳ５１００−１２−Ｓにおける強熱減量（Ｌｏｓｓ  Ｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）である。
【表３】
2020514078.tif 000005
【００４５】
実施例＃２Ａ−中子の横強度
【００４６】
中子のいくつかの試験試料が、典型的な鋳造用サンド中子テストプロセスに従って作られた。試験試料のあるものは、標準シリカサンドの中子基体媒体であり、他のものは、合成セラミック集合体、即ちアキュカスト（登録商標）ＩＤ５０の中子基体媒体を含む本発明の好ましい実施形態に従って提供されたものである。有機コールドボックスバインダー系、即ち、すべてＨＡインターナショナル社により製造・販売され、シグマキャット２１８５により硬化された、シグマキュア７２１１パート１及び７７０６パート２、又は無機バインダー系、即ち、コルディス（登録商標）８５１１バインダー及びアノルギット（トレードマーク）８３９６添加剤のいずれかを用いて、中子の横強度が試験された。当業者が認識しているように、シリカサンド又は合成セラミック集合体のいずれか又は両方を含むテストピースの形成のための適切かつ典型的な方法を用いて、中子が形成された。
【００４７】
十分に硬化した後、試験中子が治具の上に置かれ、イリノイトゥールワーク社（Ｉｌｌｉｎｏｉｓ  Ｔｏｏｌ  Ｗｏｒｋｓ  Ｉｎｃ．）により製造・販売されたインストロン（Ｉｎｓｔｒｏｎ）（登録商標）試験機を用いて、いわゆる３点曲げテストにより破壊荷重における横強度が決定された。結果は次のとおりである：
【表４】
2020514078.tif 000006
【００４８】
上述のように、合成セラミック集合体と無機バインダーの組合せは、優れた横強度及び性能を示している。
【００４９】
実施例＃２Ｂ−中子の横強度
【００５０】
典型的な鋳造用サンド中子テストプロセスに従って、中子の幾つかの試験試料が作られた。コルディス（登録商標）８５１１バインダー及びアノルギット（トレードマーク）８３９６添加剤が、コルディス（登録商標）については２．０ｗｔ％及び２．８ｗｔ％、アノルギット（トレードマーク）については１．０ｗｔ％及び１．４ｗｔ％で、種々の集合体と混合された。この実施例では、集合体鋳型材料は、アキュカスト（登録商標）ＩＤ５０、ナイガイ伊藤忠社から製造・販売されたセラビーズ（Ｃｅｒａｂｅａｄｓ）４００、チーグラー商会（Ｚｉｅｇｌｅｒ  ＆  Ｃｏ．ＧｍｂＨ）から製造・販売されたボーキサイト（Ｂａｕｘｉｔ）Ｗ６５ｋ、及びクォーツベルケ（Ｑｕａｒｔｚｗｅｒｋｅ）社から製造・販売されたシリカサンドＦ３４から選択された。すべての強度は、典型的なＥＵ（Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｕｎｉｏｎ）横型または「曲げ」試料であった。
【００５１】
硬化のパラメーターとしては、次のものがある。
（ｉ）硬化温度及び供給ガス温度：１６０℃、（ii）硬化時間：３０秒
【００５２】
最初の試験は、アーコパル（Ａｒｋｏｐａｌ）（登録商標）６８０４及び変性されたアーコパル（登録商標）Ｅ  ＭＳ９７で被覆された原鋳型材料である２．８％コルディス（登録商標）８５１１及び１．４％アノルギット（トレードマーク）８３９６について行われた。それらコーティングの双方は、平滑な表面を有する中子を提供するように中子に施された水ベース仕上げコーティングである。
【００５３】
横強度は、モレクマルチサーブ（Ｍｏｒｅｋ  Ｍｕｌｔｉｓｅｒｖ）横折りテスター及びドイツの測定手順Merkblatt R 202 des Vereins Deutscher Giessereifachleute, Ausgabe Oktober1976を用いて求められた。報告されたすべての強度は、以下に示すようにＮ／ｃｍ2である。
【表５】
2020514078.tif 000007
【００５４】
冷間強度に関連して使用される種々の集合体を比較すると、ボーキサイトＷ６５合成セラミック材料は、低いバインダーレベル及び高いバインダーレベルの双方について最も高い強度を示した。すべての合成セラミック集合体は、伝統的なシリカサンドよりもかなり高い横強度を表している。
【００５５】
実施例４＃−鋳造用中子を被覆すること
【００５６】
実施例＃２で用いたプロセスに従って試験中子を作製した。典型的な鋳造混合装置を用いて、２．０ｗｔ％及び２．８ｗｔ％のコルディス（登録商標）８５１１バインダー、及び１．０ｗｔ％及び１．４ｗｔ％のアノルギット（トレードマーク）８３９６添加剤が、アキュカスト（登録商標）ＩＤ５０合成セラミック媒体と混合された。混合物は、次いで、無機物質中子を硬化するために推奨される実施法に従って吹き込まれ、硬化された。
【００５７】
次いで、ＨＡインターナショナルＬＬＣにより製造・販売されているモールドライト（登録商標）プラスＴ及びＴＺ（Mold Lite Plus T and TZ）により中子が被覆された。モールドライト（登録商標）プラスＴは、高い固形分のアルコール系耐火コーティングである。この製品は、好ましくは耐火物系として、高密度の平板状酸化アルミニウムを用いる。モールドライト（登録商標）プラスＴＺは、高い固形分のアルコール系耐火物である。この製品は、ある程度のジルコンと混合された酸化アルミニウムを主成分とする耐火物系である。これらのコーティングに用いるレオロジー添加剤は、一旦、コーティングが乾燥すると、約５〜１０ミルの硬い「卵殻」耐火物層が残り、それは処理中の中子を保護し、高圧ダイカストプロセス中に溶融アルミニウムとの衝突に抵抗する防護耐火物バリアを提供する。中子は、約５８°ボーメ及び約１２．７〜１２．８ｌｂｓ／ガロンである、それぞれのコーティング液中に浸漬される（耐火コーティングを制御するための鋳造業界で用いられている典型的な方法）。これらのコーティングは、１００％の平板状アルミナ（３２５メッシュ）又はジルコン粉末（２００メッシュ）と平板状アルミナ（３２５メッシュ）の５０：５０混合物のいずれかを用いる。中子は、コーティング流体内で一度フローコートされ、空気乾燥される。中子のいくつかは、追加の耐火層を得るために、コーティング液内で二度フローコートされる。湿潤厚さは約１０〜１５ミルであり、乾燥後の厚さは約５〜１０ミルである。
【図１】
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【国際調査報告】
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