JP2004524977A

JP2004524977A - 鋳物サンドコア及びそのための膨張制御方法

Info

Publication number: JP2004524977A
Application number: JP2002585139A
Authority: JP
Inventors: スティーブンジーベイカー; ジョシュアエムワーリング
Original assignee: インターナショナルエンジンインテレクチュアルプロパティーカンパニーリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: BR0209326B1; WO2002087807A1; US20050155741A1; EP1385655A1; MXPA03009876A; CA2445929A1; CA2445929C; US6972302B2; BR0209326A; KR20040015217A; US20040044097A1; JP4315685B2; US20020165292A1

Abstract

金属鋳造操作間のサンドコアの熱膨潤及びベイン形成の欠点を、実質的なコストの低減を伴って、実質的に取除くことができ、これは、約４質量％未満のリチア含有材料及び少なくとも約１質量％の酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）を含む抗ベイン化材料を用いることにより、該抗ベイン化剤は、好ましくは、約１〜約３．５質量％のリチア含有材料及び約１質量％の酸化鉄を含む。

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、金属鋳物(metal casting)を製造する際に使用するためのサンドコア、及びより具体的には、熱膨張性が制御されたサンドコア、及び、金属鋳造操作間におけるサンドコアの熱膨張を制御する方法に関する。
【０００２】
背景技術
サンドコアは、最終鋳物の内部キャビティ(internal cavity)を形成するために使用される。サンドコアが鋳型に置かれ、かつ、溶融金属が金型に導入された時に、サンドコアにおけるサンドの急速な熱膨張が起こる。サンドコアにおけるサンドの急速な熱膨張の結果として、サンドコアがクラックし、また、溶融金属がコアのクラックに流れ込み、溶融金属が固体化した時に、鋳物表面から突出する鋳ばり(fin)（鋳造用語では“ベイン(vein)”）が生じる。制御されていないコアサンドの熱膨張により生じるこれらのベイン化(veining)欠点は、最も頻繁には、サンド及びコアサンドバインダー自身のサンドコアの形成前にそれらと均質に混合される抗ベイン化又は膨張制御剤により制御される。抗ベイン化又は膨張制御剤により、サンドコアの熱膨張係数が変更されて、そのクラッキング及びベイン形成が制御される。
【０００３】
数年間、酸化鉄が鋳造に使用されて、サンドコア及び鋳造性が改善されていた。酸化鉄はサンドコア中において有利であることが証明されているが、これは、熱膨張欠点、例えばベイン化などの形成が低減されることによる。使用される酸化鉄としては、ヘマタイトとしても知られる赤色酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、マグネタイトとして知られる黒色酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）、及びイエロー・オーカーが挙げられる。そのような酸化鉄を使用する最も一般的な方法は、それを約１〜３質量％の量で、コアサンドに対して混合中に添加することによる。酸化鉄が表面仕上りを改良するメカニズムは知られていない。ある理論は、酸化鉄が、変性するサンドグレインインターフェースの形成により、鋳造間のサンドコアの可塑性を上昇させ、又は、破壊なしに付与し、それにより、鋳造中にベインを形成し得るコア中のクラックが防止されるというものである。
【０００４】
米国特許第4,735,973号明細書は、熱膨張及びガス問題を低減し、それにより鋳造の際に形成されるベインを低減することにより鋳造性を改良する、コア及び鋳物を製造するために使用される鋳物砂用添加剤を開示する。開示された添加剤は、約１５〜約９５％の二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を含有する組成物を含み、好ましくは、添加剤は、約２〜約３８％の二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、約５〜約４０％の酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、約１５〜約９５％の二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、及び約２〜約４５％の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を含む。得られるサンドコアは、珪砂、ジルコンサンド、かんらん石サンド、亜クロム酸塩サンド、レーキサンド、堆積砂、溶融石英及びそれらの混合物からなる群より選ばれるコアサンドアグリゲート約８０〜約９８％、コアサンドバインダー約０．５〜約１０％、及び約１５〜約９５％の二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を含む添加剤組成物約０．５〜約５％を含むと記載されている。サンドコア中におけるそのような添加剤の使用は、結合プラスチック及び他のコアバインダー系の使用と関連して鋳物欠点を低減し、得られる結合コアサンドの強度を高め、かつ、必要とされるプラスチックバインダーの量を低減することが可能であるとされる。
【０００５】
米国特許第5,911,269号明細書は、金属鋳物中においてそれらから生じるベイン及びサンドコア熱膨張を低減することにより鋳物の品質を改良するためのリチア（Ｌｉ₂Ｏ）源を提供するリチウム含有材料を利用する、シリカサンドコアの製造方法を開示する。開示されたサンドコアの製造方法は、サンドコア及び樹脂バインダーのアグリゲートを調製する工程、及び、アグリゲート中に、α−リシア輝石、アンブリゴナイト、モンテブラサイト、葉長石、リシア雲母、チンワルダイト、ユークリプタイト及び炭酸リチウムからなる群より選ばれるリチウム含有添加剤を、約０．００１〜約２％のリチアを提供する量で混合する工程を含む。そのような方法及びリチア含有添加剤の使用は、キャビティ内のベインの形成を含む、シリカの熱膨張に関連する鋳物欠点を低減し、かつ、鋳物の表面仕上げを改良すると記載されている。米国特許第5,911,269号明細書に記載されたようなリチア含有−抗ベイン化剤は、ウィスコンシン州ミルウォーキーのインダストリアル・ジプサン株式会社製の商品名ベインシール(VEINSEAL)（登録商標）１４０００として販売されていると考えられる。ベインシール（登録商標）１４０００は、効果的ではあるが、高価な抗ベイン化剤であり、１トンあたり約６５０ドルのコストがかかり、また、１年あたり数万の内燃エンジンブロック及びシリンダーヘッドを製造する近代鋳造操作においては、サンドコアの５質量％の最小有効濃度での該ベイン化剤の使用は、１年あたり約700,000ドルのコストがかかり得る。
【０００６】
発明の概要
本発明は、約４質量％未満のリチア含有材料及び少なくとも約１質量％の酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）を含む抗ベイン化材料を使用することにより、実質的に費用を低減しながら、金属鋳造操作の間のサンドコアの熱膨張及びベイン形成の欠点を低減又は削除する方法を提供し、該抗ベイン化剤は、好ましくは、約１〜約３．５質量％のリチア含有材料及び約１質量％の酸化鉄を含む。
【０００７】
本発明の方法においては、鋳造用サンドコアは、多量のコアサンドと、有効量のコアサンドバインダーと、約４質量％未満のリチア含有材料及び少なくとも約１質量％の酸化鉄、好ましくは、約１〜約３．５質量％のリチア含有材料及び約１質量％の赤色酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）を含む抗ベイン化剤との均質混合物を提供すること、及び、得られる混合物からサンドコアを形成することにより製造される。ある好ましい鋳物コアは、約２．５〜約３．５質量％のリチア含有材料、約１質量％の酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、及び残部のシリカサンド（有効量のバインダーを含む）を含む混合物からなる。他の好ましい鋳造用サンドコアは、約１質量％のリチア含有材料、約１質量％の酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、及び残部のレーキサンド（有効量のバインダーを含む）を含む混合物からなる。本発明において含まれるリチア含有材料は、ベインシール（登録商標）１４０００製品を含み、また、他のそのようなリチア含有材料は、米国特許第5,911,269号明細書に記載されていると考えられる。
【０００８】
本発明は、抗ベイン化添加剤の使用コストを約２５〜７０％低減し、大規模な鋳造操作において、１年あたり約175,000ドルから約500,000ドルの出費を節約する。
【０００９】
発明の詳細な記載
本発明は、鋳造に使用されるサンドコアの熱膨潤により生じる、金属鋳物におけるベインの形成の問題を取り扱う。上記に示したとおり、鋳型内の溶融金属の高温暴露の際、サンドコアは、急速に膨張し、かつ、クラックし、結果として、溶融金属がサンドコアクラックに流れ込み、得られる鋳物において突出するベインが生じ得る。本発明により、そのような欠点が実質的に除かれるが、これは、鋳物のサンドコアを形成する、コアサンド及びバインダーと均質に混合される、ヘマタイトとしても知られる酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）及びリチア含有材料を選択量で含む抗ベイン化材料を添加することによる。本発明は、従来の鋳造コアサンド、例えば、珪砂（例えば、バジャー(Badger)サンド及びマンレーサンド）、ジルコンサンド、かんらん石サンド、亜クロム酸塩サンド、レーキサンド、堆積砂、溶融石英及びそれらの混合物を含んでいてもよい。サンドコアの製造においては、そのようなサンド粒子は、一般には、有効量のコアサンドバインダーと組み合され、例えば、約０．５〜約１０質量％のサンドと、多数のコアバインダー系、例えば、フェノール型ホットボックス(hotbox)、フェノール型ウレタンコールドボックス(coldbox)、フラン、エステル及び二酸化炭素を含むケイ酸ナトリウムの系、ポリエステルバインダー、アクリル型バインダー、アルカリ性バインダー、エポキシバインダー及びフランウォームボックスの系のいずれかが使用され得る。上記コアサンドバインダー及びその使用に有効な量は、当該技術分野においてよく知られており、かつ、本願明細書において、その有効量を列記すること、及び、サンドコアの製造に有用なバインダーの有効量を決定する方法を記載することは不要であろう。本願明細書において質量％と記載する場合、それは、コアサンドの質量％を意味する。
【００１０】
ベイン化欠点を効果的に低減するためには、少なくとも約５質量％のリチア含有材料、例えばベインシール（登録商標）１４０００製品を、鋳物コアが形成されるコアサンドに添加することが必要とされていた。コアサンドに添加するリチア含有材料が約４質量％又はそれ未満であると、得られるサンドコアが金属鋳造操作の間にクラックし、鋳造の際に不本意なベインが生じ、それは、その後の仕上げ操作により除去することが必要とされていた。
【００１１】
本発明においては、サンドコアの熱膨張及びそれにより形成される金属鋳物中の不本意なベインが、実質的に取除かれるが、これは、４質量％未満のリチア含有抗ベイン化剤、例えばベインシール（登録商標）１４０００製品を、有効量、少なくとも約１質量％の酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と組み合せて使用することによる。好ましくは、約１質量％の、ヘマタイトとしても知られる酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）を、約１〜約３．５質量％のリチア含有材料と組み合せ、得られる抗ベイン化材料を、コアサンドバインダー混合物と均質に混合する。
【００１２】
本発明において使用するリチア含有材料は、好ましくは、ベインシール（登録商標）１４０００製品、及び、米国特許第5,911,269号明細書に記載されたような他のそのような抗ベイン化剤であり、その開示内容は参考文献として本願明細書に組み込まれるものとする。
【００１３】
以下の実施例により本発明を説明する。
【００１４】
例１
バジャー(55)、１．１質量％のフェノール型ウレタンコールドボックス樹脂、及び４質量％のベインシール（登録商標）１４０００（そのリチア含有材料はＳｉＯ₂、Ｆｅ₃Ｏ₄、Ａｌ₂Ｏ₃及びＴｉＯ₂を含み得る）を含む混合物を、直径が数インチで高さが数インチの円筒状ロッドに成形した。円筒状ロッドサンドコアを用いて鋳造を行い、得られた鋳物は円筒状キャビティを含み、その内部円筒状表面は、内壁から内部へ延びるベイン及び有意な多孔率により特徴付けられるものであった。形成されたベインは、それらの除去のためのその後の仕上げ操作が必要な欠点となるものであった。
【００１５】
例２
多量のバジャー(55)サンドを、１．２質量％のフェノール型ウレタンコールドボックス樹脂バインダー、３質量％のベインシール（登録商標）１４０００製品（例１において使用したもの）、及び１質量％のＦｅ₂Ｏ₃と組み合せた。例１と同一寸法の円筒状サンドコアを形成した。そのサンドコアを用いて製造した鋳物は、ベインのない壁を有する円筒状キャビティを有するものであった。
【００１６】
例３
バジャー(55)コアサンド、１．２質量％のフェノール型ウレタンコールドボックス樹脂、２．５質量％のベインシール（登録商標）１４０００製品（例１及び２において使用したもの）、及び１質量％のＦｅ₂Ｏ₃を含む混合物を形成した。得られた混合物を、例１及び２と同一寸法の円筒状ロッドに成形し、それを鋳造を行うために使用し、得られた鋳物は、ベインのない壁を有する円筒状キャビティを有するものであった。
【００１７】
例４
マンレー(50)コアサンド、１．２５質量％のフェノール型ウレタンコールドボックス樹脂、及び５質量％のベインシール（登録商標）１４０００製品（例１〜３において使用したもの）の混合物を、例１〜３と同一寸法の円筒状ロッドに成形した。鋳造は円筒状ロッドサンドコアを用いて行い、得られた鋳物は、円筒状キャビティを含み、その内部円筒状表面は、内壁から内部へ延びるベインにより特徴付けられるものであり、それは、それらの除去のためのその後の仕上げ操作が必要な欠点となるものであった。
【００１８】
例５
多量のマンレー(50)サンドを、１．１質量％のフェノール型ウレタンコールドボックス樹脂バインダー、３質量％のベインシール（登録商標）１４０００製品（例１〜４において使用したもの）、及び１質量％のＦｅ₂Ｏ₃と組み合せた。例１〜４と同一寸法の円筒状サンドコアを形成した。そのサンドコアを用いて製造した鋳物は、ベインのない壁を有する円筒状キャビティを有するものであった。
【００１９】
例６
マンレー(50)コアサンド、１．１質量％のフェノール型ウレタンコールドボックス樹脂、２．５質量％のベインシール（登録商標）１４０００製品（例１〜５において使用したもの）、及び１質量％のＦｅ₂Ｏ₃を含む混合物を形成した。得られた混合物を、例１〜５と同一寸法の円筒状ロッドに成形し、それを鋳造を行うために使用し、得られた鋳物は、ベインのない壁を有する円筒状キャビティを有するものであった。
【００２０】
これらの実施例から、約１％程度の酸化鉄（１トンあたり約１８０ドルのコストがかかる）の導入により、サンドコア中に使用するリチア含有抗ベイン化剤の量を、実質的に４質量％未満まで低減することが可能であり、かつ、サンドコアの熱膨潤及び得られる鋳物中におけるベインの導入を効果的に取除くことができることが証明され、また、コアサンドバインダーの使用が１％の約１／１０までで低減可能であると考えられる。従って、本発明により、約２５〜約７０％のサンドコア鋳物ベインを制御する又は取除く方法においてコストを低減することが可能であり、数十万ドルの節約が可能であるが、得られる鋳物の品質の低減は招かない。
【００２１】
当該技術分野における当業者は、本発明が、本発明の範囲を逸脱することなく、サンドコアの熱膨潤及び鋳物のベインを制御するための、他のサンドコア組成物及び方法を含み得ることを理解するであろう。

Claims

金属鋳造用サンドコアであって、約４質量％未満のリチア含有材料、少なくとも約１質量％の酸化鉄、及び残部のコアサンド及びコアサンドバインダーを含み、それらの全てでサンドコアを形成することを特徴とするサンドコア。
酸化鉄の量が約１質量％である請求項１に記載のサンドコア。
リチア含有材料と酸化鉄とを同量含み、コアサンドがレーキサンドを含む請求項２に記載のサンドコア。
約２．５質量％のリチア含有材料を含み、コアサンドが珪砂を含む請求項２に記載のサンドコア。
サンドコアを形成するための混合物であって、約１．５〜約３．５質量％のリチア含有材料、少なくとも約１質量％の酸化鉄、及び残部のコアサンド及びコアサンドバインダーを含むことを特徴とする混合物。
酸化鉄の量が約１質量％である請求項５に記載の混合物。
リチア含有材料が約１〜約２．５質量％を構成する請求項５に記載の混合物。
リチア含有材料が約２．５質量％を構成し、コアサンドがシリカサンドを含む請求項７に記載の混合物。
リチア含有材料が約１質量％を構成し、コアサンドがレーキサンドを含む請求項６に記載の混合物。
鋳造用サンドコアを製造する方法であって、コアサンド、有効量のバインダー、約１〜約３．５質量％のリチア含有材料、及び約１質量％の酸化鉄を、コア形成材料として、一緒に、均質に混合すること、及び、コア形成材料をサンドコアに成形することを含む方法。
コア形成材料が約１質量％のリチア含有材料を含む請求項１０に記載の方法。
リチア含有材料が、インダストリアル・ジプサン株式会社の製品ベインシール（登録商標）１４０００である請求項１０に記載の方法。
コアサンドと、有効量のコアサンドバインダーと、約４質量％未満のリチア含有材料及び少なくとも約１質量％の酸化鉄を含む抗ベイン化材料とを、コア形成混合物として、一緒に、均質に混合すること、及び、その後、コア形成混合物をサンドコアに成形することを含む方法。
抗ベイン化材料が、約１〜約３．５質量％のリチア含有材料及び少なくとも約１質量％の酸化鉄を含む請求項１３に記載の方法。
リチア含有材料が、α−リシア輝石、アンブリゴナイト、モンテブラサイト、葉長石、リシア雲母、チンワルダイト、ユークリプタイト及び炭酸リチウムからなる群より選ばれる請求項１４に記載の方法。