ASK Chemicals L.P., Dublin, Ohio, USA | Copyright 2012 World Foundry Congress

J. Prat | S.A. Dr. R. Stötzel | H. Yilmaz

ベーニングを制御する新しい砂添加剤と耐火性塗型の使用量削減

要約

最高の技術

砂添加剤は鋳物業界において、中子表面でたくさんの異なる種類の材料が、ベーニン生じるベーニング欠陥を制御するために、グ対策の砂添加剤として使われています。

広く使われています。砂添加剤は、耐火性

これらは、有機材料である木材の粉末、スの塗型と一緒に使用されることが多く、鋳ターチ/デキストリン、石炭粉（瀝青質）肌の改善やペネトレーションを制御しまを含んでいます。これらの有機材料はベーす。従って、高品質の鋳造には 2 つの製ニングのレベルを低くすることに貢献しま品と工程が必要となります。新しい製品

すが、ガス発生を増やし、有機材料が燃えは、一つの製品で添加剤と塗型の効果を両尽きた後に砂粒間に隙間を作り、ペネトレ

立させています。この新しい添加剤は、低ーションを引き起こすことがあります。

密度アルミナ-シリカ系のセラミック(LDASC)と少量のフラックスを混ぜたものです。

無機材料も、シリカ砂の添加剤または置き換えとして利用されます。ジルコン、クロマイトサンド、溶融シリカまたはシリカ砂

この材料は独特な熱膨張と収縮の特性を持よりも低い固有の熱膨張率を持つ粉末があち、ベーニングを防ぐとともにきれいな鋳ります。これらは、典型的には比較的高い肌を実現できることが試験結果から示され添加量で使用され、材料コストを大きく増ています。多くの場合は、5%の添加で十加させます。

分な効果が得られます。ディスクブレーキ
ローター、ブレーキキャリパーそしてステアリングナックルなどを含む多くの自動車部品において、無塗型で優れた鋳物が製造できています。この論文では、新しい添加フラックスまたはシリカ砂と反応し、表面を軟化させる材料がうまく利用されています。赤いまたは黒い酸化鉄または他の酸化物は、数 10 年の間使われてきました。

剤の開発について紹介し、品質とコストの他の“工学的に開発された砂添加剤”両面からの利点について説明します。

（ESA）が、ごく最近では研究されています。これらは、フラックス性に優れ、信頼性が高く、スポジメン（リチウム鉱石）、キーワード: 添加剤、鋳物欠陥、耐火性塗イルメナイト（チタン鉱石）アルカリの炭型、砂酸塩、フラックス成分を含む合成化合物など、自然にフラックス性が発現する物質です。これらは、厳しい使用条件において効果的で、少ない添加量（典型的には 28%）で機能します。潜在的な課題は、もともと性能がやや標準的であり、高温ではごくありふれた特性しか示さないことです。これは多くのバインダーシステムに悪影響を与えます。もう一つの課題は、溶融金属と相互作用して、表面張力の状態を変えてしまうことです。
もう一つの ESA (ASK ISOSEAL™ 2000)
は、ヨーロッパの特許 0891954 に記載されていて、全く異なる原理を基にしています。これは、ESA が低密度のアルミノシリケートのセラミックスが使用されており、加熱中の崩壊性または変形によりシリカの膨張を相殺します。また、ペネトレーションのバリアを作ります。砂や金属の化学組成への影響を最小にし、鋳肌を改善します。図 1 は、砂と LDASC の混合物の顕微鏡写真です。

図 2 ベーニング対策だけではなく、無塗型での中子製造のための砂添加剤

ESA2000 における課題は、砂に対して重量比 10%以下の添加で使用する場合、完全にベーニングを防げるわけではないということです。その一方で、20%もの高い添加率においては、課題は高価であるということになります。10%以下でも機能するよ
うな LDASC の開発が求められています。

開発手法
LDASC をベースにした技術開発がはじまり、ベーニングを抑制しながら無塗型でのきれいな鋳肌を達成することが目標にされました。最初は、多くの種類の LDASC 原
材料の特性を見極めるテストが実施されま
図 1 LDASC と砂の混合物の写真

ESA2000 は、非常に特異な熱的特性を持っています。体積比で 50%(重量比ではした。評価が必要な項目が表 2 に示されています。
表 2 テストする特性20%)を超えると、押湯効果の改善や収縮を防ぐ性質を混合砂に与えます。それと同時にベーニングを抑制し、無塗型でのきれいな鋳肌を実現します。50%の砂と 50%の添加剤で中子を作ると、塗型は不要であることがわかりました（図 2）。

さまざまな LDASC を選定した後、その化学組成を分析しました（表 3）。アルミナ含有量と多くの種類の不純物の両方の含有量に大きなバラツキが見られました。

表 3 重量%での LDASC 組成

6. 溶融温度：サンプルが丸い帽子のような形状になった時（球体の 1/3 の体積）の温度。
図 3 と表 4 は Misura 熱分析の結果です。

熱間の試験が Misura 高温顕微鏡で実施されました。高温顕微鏡とは、熱サイクル中の形状変化を記録できる装置です。サンプ
ルのシルエットは、溶融試験中にコンピューターに記録されます。記録されたイメージから、分析装置を使ってサンプルの収縮が温度の関数として決定されます。
それぞれのサンプルは、直径 3mm、高さ3mm の円柱状のボタン型に加圧成形され、スタンドの上に置かれます。高温顕微
鏡の中のサンプルホルダーにこれを設置

図 3 様々な LDASC サンプルにおける収縮曲線

し、25℃/分で最大温度 1550℃まで昇温

表 4 LDASC サンプルの熱分析します。記録されたイメージから、収縮温度曲線が描かれ、次の特性値が決定されます。
1. 初期の収縮温度：最初のシルエット（輪郭の画像処理）の面積の 99%になった時の温度。
2. 最終収縮温度：サンプルの収縮が停止した時の温度。
3. 軟化温度：サンプルの角が丸くなり始めた温度。

ここから、私たちは LDASC 材料の特性を初期の収縮温度によって比較しました（図4）。ベーニング試験は直径 2 インチ x 高さ 2 インチの中子サンプルで実施され、

4. 球体化温度：サンプルが球体に近づいベーニングと熱的な特性についての関係性た時の温度。

があるかについて調べました。サンプルは5. 半球化温度：サンプルが半球に近づいた時の温度。

5%の LDASC と 95%のシリカサンド（図５）で作製しました。

図 6 最終サンプルの形状が示されています

次にサンプルに対するフラックスの影響を調べました。様々な種類のフラックスを試した後、サンプル番号 77 に 6% Li2CO3
図 4 初期の収縮温度 vs LDASC添加したものは、同じような初期の収縮温度を示しました。しかしながら、最終収縮温度は、230℃だけ低くなりました。つまり収縮は鋳込み中に早く起こることを示しています。比較のために Li2CO3 が、LDASC 73 に添加されています（表 6）。
表 6 サンプル 73 と 77 への Li2O3 添加の効果

図 5 ベーニング試験用の鋳型とテスト中子

表 5 はこれらの関係をまとめています。
初期の収縮温度が減少するにつれて、ベーニングが少なくなる傾向がみられました。

サンプル 77 に 6%Li2CO3 を加えたもの

加えて、Na や K といった不純物は、砂の（サンプル 98）の収縮曲線は、図 7 に示上でフラックスとして機能し、より多くのされています。

ペネトレーションで鋳肌が粗くなりました。図 6 は、それぞれのサンプルでの最終形状を図示しています。

表 5 初期の収縮温度とベーニング評価の比較
図 7 サンプル 77 に Li2CO3 を 6%添加した時の収縮曲線

同じように角ばったまたは丸い砂に対し込み試験に使われました。2 x 2 インチ中て、Misura 熱分析の曲線を作成しました子は鋳型に設置され、ネズミ鋳鉄で鋳込み（図 8）。比較のために、他の無機添加剤ました。鋳物はきれいにされて、ベーニンの影響を図 9 に示しています。

グと鋳肌が 0-10 で評価されました。表 7はその結果を示しています。
表 7 鋳造の結果

図 8 角ばった砂（左）と丸い砂に対する Misura グ
ラフ

比較として、添加剤を使わない砂 100%とLDASC 添加剤のみの中子を作り、評価したところ、ベーニングのレベルは、それぞ
図 9 シリカ砂と混合した様々な砂添加剤の収縮挙動

れ 10 と 7（ベーニング評価においては、0のグラフが最高で 10 が最低）でした。次にサンプル 77 に 6%の Li2CO3 を添加した

LDASC に含まれる Li2CO3 の影響と鋳型サンプルは、ベーニングに対して効果的だ

砂への影響をサンプル 77 ベースに評価しった他の砂添加剤と同様な曲線となり、新ました。結果を表 8 に示します。

しい添加剤(新たに ISOSEAL™ 2011or

表8ESA 2011 と命名)として、ベーニングとペネトレーションの評価をすることにしました。

鋳込み試験
中子が 94%の角ばった砂 C-70 と 1.5%のフェノールウレタンバインダー418/618
そして 5%の ESA2011 添加剤から作られました。3 つの化合物が混合され、中子造型機ホッパーに充填されました。混錬砂が中子型に吹き込まれ、DMEA でガス硬化しました。そして、中子は取り出され、鋳次に、すでに述べた他の 2 つの無機材料結果が満足いくものであると確証が持てた

添加剤システムとの比較試験をしました

ので、私たちは、工業的な視点での試験に（図 10, 11 と 12）。

移りました。最初は一般的に使われている垂直割鋳型用の砂 70 AFS GFN を使った試験で、それから他の粗い形状の砂を評価しました（図 13-19）。

図 10 2 つの販売されている砂添加剤とシリカ砂の比較

図 13 カルダンジョイント鋳物と ESA 2011 を 5%添加して作製した中子

図 11 ESA 2011 添加材と比較のための他の添加剤の鋳込み結果

図 14 新しい 2011 を 5%含んだ中子を入れた縦割砂型で作った鋳物

図 15 新しい 2011 で改良したブレーキローター

図 12 ベーニングと鋳肌の比較グラフ
図 16 鋳物による塗型された中子と鋳肌の比較バインダー（図 20）を使うことで解消します。

図 17 ESA 2011 を使って製造した鉄道用ブレーキ
ディスク

図 20 ベンチライフ

図 18 クロマイト砂に ESA 2011 で作った無塗型鋳物

硬化ガスへの要求
ESA 2011 添加剤は、砂単体と比較して、より多くのガスを発生させることはありませんでした（図 21）。

図 19 5% ESA 2011 で製造した中子組すべての試験結果は、鋳物工場で使われる砂に対して満足いくものとなりました。例
外が図 15 に示されています。AFS GFN55 を使ったブレーキディスクに対して、

図 21 砂のみと砂添加剤を入れた時のガス発生量のグラフ

中子密度への影響

少しのベーニングとペネトレーションが観5%の ESA 2011 添加は、中子重量を約察されました。砂を AFS GFN 65 に変更10%減少させます。これは、同じ重量の混すると、不具合はなくなりました。

錬砂から多くの中子を製造することができ、中子は軽くて取り扱いしやすいことを意味しています。

可使時間への影響
高温下おいては、添加剤は混錬砂の酸消費量（ADV）を増加させます。これは可使時間を低下させます。これは、バインダー
419/619 のように、より⾧い可使時間の添加剤の生型砂への影響
実験室において、中子が燃えて添加剤が炭化する影響を 2.5%添加において仮想的に試験しました。特別な影響は観察されませんでした。(表 9 と 図 22)

表 9 2.5%の燃焼した ESA 2011 を添加した生型砂ます。しかし、粒子径は、溶湯静圧が低くなると重要ではなくなります。
●5%の新しい添加剤 ESA 2011 と AFS
GFN 65 または 70 の組み合わせが最も良い結果となりました。
●大型シリンダーヘッドに対して、満足のいく結果がクロマイトを使って得られました。この結果により、シリンダーブロックとシリンダーヘッドの両方の中子製造への可能性が開かれました。

図 22 燃焼した添加剤の効果

結論●新しい添加剤である ESA 2011 を使うと、無塗型でベーニングのない自動車部品の鋳造が製造可能でした。砂の粒子径は、500mm まで溶湯静圧に耐えることができ