JP2005034892A

JP2005034892A - 過熱水蒸気による水溶性中子の造型方法及び装置

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Publication number: JP2005034892A
Application number: JP2003276264A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Tomishige; 博美冨重; Sadao Kitazawa; 定男北沢
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】水溶性中子の造型サイクルを短縮し、実用性のあるものとする。
【解決手段】１種以上の水溶性無機塩の水溶液をバインダとして耐火性骨材に混合して中子砂とし、該中子砂を金型内に充填し、乾燥・硬化させる水溶性中子の造型方法において、金型内に充填された中子砂に、（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の何れかを吹き込んで、中子砂を乾燥・硬化させることを特徴とする水溶性中子の造型方法、及び造型装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型内の中子砂を短時間で乾燥・硬化させて水溶性中子を造型する方法、及びそれに用いられる造型装置に関する。

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ヘッドやシリンダブロックの内部空間、シリンダブロック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。

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。例えば、下記特許文献１には、砂を固めて中子砂を造型する方法が開示されている。具体的には、砂、フラン系樹脂、樹脂加熱硬化用硬化剤、及び無機塩を用いて砂中子原型を造型する工程と、この造型した砂中子原型の表面に粉末状の耐火物を主成分とする中性水分散体からなるスラリ状のコーティング剤をコーティングする工程と、このコーティングして得た砂中子を乾燥させる工程によってコーティングを有する砂中子を製造している。そして、無機塩を配合した砂中子原型を造型する場合は、砂、フラン系樹脂、樹脂加熱硬化用硬化剤に、無機塩あるいは無機塩溶液を配合した後、これを、例えば、９０〜２４０℃に加熱した砂中子原型造型用の金型内に圧縮空気で吹き込んで加熱硬化させている。

一方、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、特許文献１で用いられている主バインダは、フラン系樹脂であり、本発明のように、水溶性中子を得るものではない。
特開平５−２８５５８８号公報

上記特許文献１において、中子バインダとして無機塩を併用しているものの、用いられている主バインダは、フラン系樹脂であり、本発明のように、水溶性中子を得るものではない。しかも、加熱した砂中子原型造型用の金型内に圧縮空気で吹き込んで加熱硬化させており、中子砂の乾燥は該吹き込まれた圧縮空気によって行われている。

このような、中子造型における乾燥・硬化手段として、加熱空気の吹き込みを行う場合には、不均一な加熱によって中子に低強度部位が発生するという問題や、中子造型サイクルの長時間化という問題があった。

上記問題に鑑み、本発明は、水溶性中子の造型サイクルを短縮し、実用性のあるものとすることを目的とする。

本発明者らは、水溶性中子バインダを用い、瞬時かつ均一に中子を加熱することによって、水溶性中子の造型サイクルを短縮することが出来ることを見出し、本発明に到達した。

即ち、第１に、本発明は、水溶性中子の造型方法の発明であり、１種以上の水溶性無機塩の水溶液をバインダとして耐火性骨材に混合して中子砂とし、該中子砂を金型内に充填し、乾燥・硬化させる水溶性中子の造型方法において、金型内に充填された中子砂に、（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の何れかを吹き込んで、中子砂を乾燥・硬化させることを特徴とする。

金型内に充填された中子砂に、（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の何れかを吹き込んで、中子砂中の水分を瞬時に且つ均一に蒸発させることができる。これにより、中子強度を向上させつつ、中子造型サイクルを短縮させることが可能となる。また、本発明により、大型の中子や複雑な形状を有する中子であっても容易に造型することができる。

第２に、本発明は、上記第１の発明の水溶性中子を造型するための水溶性中子造型装置の発明であり、中子砂を充填させる金型と、（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の何れかを発生させる装置と、これら発生装置で発生された（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の何れかを前記金型内に吹き込むための送風機構から成ることを特徴とする。

本発明の水溶性中子造型装置により、従来の加熱金型から中子への熱伝導や加熱エアから中子への熱伝導に比べて、中子砂への熱伝達係数が大きく、中子砂中の水分を瞬時に且つ均一に蒸発させることができる。これにより、中子強度を向上させつつ、中子造型サイクルを短縮させることが可能となる。また、本発明により、大型の中子や複雑な形状を有する中子であっても容易に造型することができる。

第３に、本発明は、上記第２の発明の水溶性中子造型装置を用いたアルミ合金の鋳造方法である。本発明により、例えば、内部配管構造を有するアルミ合金シリンダ等の精密鋳造品を高い生産性で製造することが出来る。

本発明によれば、金型内に充填された中子砂に、（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の何れかを吹き込むことにより、中子砂中の水分を瞬時に且つ均一に蒸発させることができる。即ち、本発明により、従来の加熱金型から中子への熱伝導や加熱エアから中子への熱伝導に比べて、中子砂への熱伝達係数が大きく、中子砂中の水分を瞬時に且つ均一に蒸発させることができる。これにより、中子強度を向上させつつ、中子造型サイクルを短縮させることが可能となる。また、本発明により、大型の中子や複雑な形状を有する中子であっても容易に造型することができる。更に、本発明の水溶性中子造型方法及び造型装置を用いることで、アルミ合金シリンダ等の精密鋳造品を高い生産性で製造することが出来る。

本発明において、耐火性骨材に配合される水溶性無機塩は、Ｌｉ⁺，Ｎａ⁺，Ｋ⁺，Ｃｓ⁺，Ｃｕ⁺，Ｃｕ⁺²，Ｍｇ²⁺，Ｃａ²⁺，Ｂａ²⁺，Ｚｎ²⁺，Ａｌ³⁺，Ｍｎ²⁺，Ｆｅ²⁺，Ｆｅ³⁺，Ｃｏ²⁺，Ｎｉ²⁺，ＮＨ₄ ⁺などから選択されるカチオンと、Ｆ^-，Ｃｌ^-，Ｂｒ^-，Ｉ^-，ＮＯ₃ ^-，ＣＯ₃ ^2-，ＳＯ₄ ^2-，ＰＯ₄ ^3-，ＨＣＯ₃ ^2-、Ｂ₄Ｏ₇ ^-などから選択されるアニオンとから生成する塩の１種以上である。例えば、ＭｇＳＯ₄，Ｎａ₂ＳＯ₄，Ｋ₂ＣＯ₃，ＭｇＣｌ₂，Ｂａ₃（ＰＯ₄）₂，Ａｌ₂（ＳＯ₄）₃，ＭｎＣｌ₂，ＦｅＳＯ₄，ＮＨ₄ＮＯ₃等が挙げられる。

これら水溶性無機塩の中でも、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ₄）、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種以上が、強度と水溶性を併せ持つことから好ましい。又、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ₄）を主成分とし、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ₄）６０〜９８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４０〜２重量％を添加した混合物から成る水溶性中子バインダが好ましい。

本発明で用いられる耐火性骨材としては、従来知られた鋳物砂粒子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。

鋳物砂に対する前記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。
本発明で用いられる（ｉ）「飽和水蒸気」とは、水蒸気分のみ存在し、操作時の減圧度に対応する飽和温度にほぼ保たれた水蒸気である。

本発明において、（ｉｉ）「過熱水蒸気」は、水蒸気分のみ存在し、飽和温度以上に過熱された水蒸気であり、ある圧力の下で蒸気と液体が平衡を保ち共存しうる温度以上に熱せられた水蒸気であると定義される。具体的には、０．１ＭＰａ以上、好ましくは０．２ＭＰａ以上の低圧で１１０℃〜１２００℃程度、好ましくは１５０℃以上に加熱された水蒸気である。

過熱水蒸気の発生方法及び発生装置としては種々のものを用いることが出来る。例えば、密閉した容器に水を入れ、容器を加熱するとともに減圧し、容器内の水を低温沸騰させて蒸気を発生させ、発生した蒸気をポンプで加圧して、加熱器に通して昇温し、過熱水蒸気を発生させる過熱蒸気発生方法、及びこの方法に対応して、内部の水を蒸気に変える加熱源を備えた容器と、容器に接続されて容器の内部を大気圧未満に減圧するとともに発生した蒸気を外部に排出するポンプと、ポンプによって排気され加圧された水蒸気を更に加熱する加熱器とを有する過熱蒸気発生装置が知られている。

本発明において、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気を規定するエンタルピーとは、乾き空気１ｋｇあたりの乾き空気１ｋｇとその中に含まれる水蒸気［ｋｇ］の合計の熱量であり、単位は、「ｋＪ／ｋｇ（乾き空気）」であらわされる。エンタルピー２７００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気がより好ましい。高湿空気に高いエンタルピーを導く方法としては、特に制限は無い。

上記「飽和水蒸気」、「過熱水蒸気」、及び「エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気」は、水蒸気分のみ存在しても良く、殆どが水蒸気分で占められているが、多少の空気（窒素等の不活性ガスでもよい。）分が含まれていても良い。

これら本発明で用いられる加熱媒体は、従来より加熱媒体として用いられて来た水蒸気分を殆ど含まず、乾いた単なる空気と比べ、殆ど或いは全てが水蒸気分であるために、多くの熱量を保持する。即ち、本発明で用いられる加熱媒体は、エンタルピーが高く、中子砂に対する加熱による乾燥・硬化の挙動が大きく異なる。

図１に、本発明の水溶性中子造型装置の概略を示す。
過熱水蒸気発生装置（又は飽和水蒸気、エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の発生装置）１において、発生された過熱水蒸気（又は飽和水蒸気、エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気）は、送風機構２内を、例えば４００℃→３５７℃→３５０℃で、ブロープレート３へ送られる。金型は上金型４ａと下金型４ｂとからなり、金型内の耐火骨材と水溶性無機塩から成る中子は、上記過熱水蒸気（又は飽和水蒸気、エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気）によって、中子全体が瞬時且つ均一に加熱され、中子中の水分が蒸発されるとともに硬化する。中子を加熱した過熱水蒸気（又は飽和水蒸気、エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気）は、大気に開放されるか、サーンタンク５を経て真空タンク６に吸引される。

本発明で加熱媒体として用いられる（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気は、同じ体積の空気よりも熱容量が格段に大きく、同温度の空気の３０倍以上で、油類並である上に、焼入れ時の冷却能は油類よりも水蒸気の方が勝っている。しかも、図２のイメージ図に示されるように、被加熱物との界面での熱伝達係数が大きい。図２（ａ）は通常の加熱空気による温度勾配を示しており、界面での温度低下が顕著である。このため、中子の表面付近の水分は比較的容易に蒸発させることができるものの、中子の中心部の水分は蒸発させにくい。これに対して、図２（ｂ）は過熱水蒸気による温度勾配を示しており、界面での温度低下が少なく、熱伝達がスムースであることを示している。このため、中子の表面付近の水分と同様に、中子の中心部の水分も短時間で容易に蒸発させることができる。

図３は、中子の中心部付近における、通常の加熱空気による場合と、過熱水蒸気による場合の温度上昇を示している。中子の中心部付近の温度上昇が、通常の加熱空気による場合は緩やかであるのに対して、過熱水蒸気による場合は急激であり、短時間で所定の温度に達することを示している。

以下、本発明を実施例及び比較例により説明する。
（実施例１〜３）
［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）２．５ｇ（２．５％）を水１００ｃｃ当たりに溶かした水溶液を添加し、１２０分間、混練した。
［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２秒間ブローにて吹き込んだ。

［加熱条件］
過熱水蒸気発生装置より、金型に過熱水蒸気を送り込んだ。金型温度は１８０℃、金型での過熱水蒸気温度は１５０℃、過熱水蒸気流量は１５０Ｌ／分で、過熱水蒸気の吹き込み時間は２０秒、４０秒、６０秒とした。
本加熱の基本的な考え方は、以下の通りである。１）中子砂の温度上昇は過熱水蒸気からの伝導熱とし、金型からの熱は不要とする。２）金型温度は、過熱水蒸気→中子砂→金型の熱移動を防ぐ温度とし、つまり金型温度は水の沸点である１００℃以上とする。

［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。下記表１に、上記ＪＩＳによって造型された中子の抗折強度σ（ｋｇｆ／ｍ²）の結果を示す。
σ ＝３／２ × ｌ／ａ・Ｈ² × Ｐ

（実施例４〜６）
金型温度を１２０℃とした他は、実施例１と同様に中子を造型し、強度を測定した。

（比較例１〜３）
以下の加熱条件を採用した他は、実施例１と同様に中子を造型し、強度を測定した。金型に加熱エアを送り込んで加熱した。金型温度は１８０℃、加熱エア温度は１５０℃、過熱水蒸気流量は１５０Ｌ／分で、加熱エアの吹き込み時間は６０秒、１２０秒、１８０秒とした。

表１の結果より、過熱水蒸気を用いる本発明の実施例１〜６が、加熱エアを用いた比較例１〜３と比べて、短い気体吹き込み時間でも中子の抗折強度σが向上していることが分かる。これにより、本発明により水溶性中子造型サイクルを短縮し、鋳造生産性を向上させることができることが分かる。

これに対して、比較例では、金型温度を高温とすることにより、中子内部に温度むらが生じ、中子中に残留する水分量が部位によって異なることになる。この結果、強度の低い部位が発生する。そこで、金型温度を低温化すると、今度は中子の造型サイクルが長くならざるを得なくなる。

本発明の水溶性中子造型装置の概略を示す。被加熱物との界面での熱伝達のイメージ図。図２（ａ）は通常の加熱空気による温度勾配を示しており、図２（ｂ）は過熱水蒸気による温度勾配を示す。中子の中心部付近における、通常の加熱空気による場合と、過熱水蒸気による場合の温度上昇のイメージ図。

符号の説明

１：過熱水蒸気発生装置（又は飽和水蒸気、エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の発生装置）、２：送風機構、３：ブロープレート、４ａ：上金型、４ｂ：下金型、５：サーンタンク、６：真空タンク。

Claims

１種以上の水溶性無機塩の水溶液をバインダとして耐火性骨材に混合して中子砂とし、該中子砂を金型内に充填し、乾燥・硬化させる水溶性中子の造型方法において、金型内に充填された中子砂に、（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の何れかを吹き込んで、中子砂を乾燥・硬化させることを特徴とする水溶性中子の造型方法。
中子砂を充填させる金型と、（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の何れかを発生させる装置と、これら発生装置で発生された（ｉ）飽和水蒸気、（ｉｉ）過熱水蒸気、（ｉｉｉ）エンタルピー２５００ｋＪ／ｋｇ以上の高湿空気の何れかを前記金型内に吹き込むための送風機構から成ることを特徴とする水溶性中子造型装置。
請求項２に記載の水溶性中子造型装置を用いたアルミ合金の鋳造方法。