JP2014500150A - 鋳型及び鋳造コア製造用抗ベーニング添加剤 - Google Patents

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Abstract

本発明は、鋳型や鋳造コアの製造に用いられる鋳造砂用の添加剤の分野に属する。より具体的には、本発明は、金属部品を製造する際のベーニングを防ぐ添加剤、前記添加剤を含有する鋳造砂、前記鋳造砂から製造されるコア又は鋳型、及び、前記コアや鋳型のひとつを用いることにより製造される金属部品に関する。

Description

本発明は、鋳型や鋳造コアの製造に用いられる鋳造砂用の添加剤の分野に属する。より具体的には、本発明は、金属部品を製造する際のベーニングを防ぐ添加剤、前記添加剤を含有する鋳造砂、前記鋳造砂から製造されるコア又は鋳型、及び、前記コアや鋳型のひとつを用いることにより製造される金属部品に関する。
鋳物砂から作られたコアおよび鋳型を用いて得られた鋳造品は、通常、寸法的に好ましい部品を得るために後から機械加工しなければならないという一連の形状の欠陥がある。溶融金属がコアや鋳型に注入される結果により、コア又は鋳型が加熱されて膨張が起こり、これらの欠陥が生じ、結果として、表面に亀裂を生じる。溶融金属がこれらの亀裂を突き抜け、得られた部品の表面上に一種の隔壁や薄膜を形成する。この望ましくない効果は、ベーニング又は「下ぶくれ欠陥（ｒａｔ ｔａｉｌ）」として知られている。
現在、コアや鋳型は、砂をガス硬化性もしくは熱硬化性樹脂又は自己硬化樹脂と混合することによって製造され、さらに、得られる最終部品の特徴を向上させるために一連の添加剤が用いられている。ベーニングを調整または減少させるための種々の解決策が知られている。
解決策の一つは、鋳物砂の製造の際に、添加剤として酸化鉄を用いることからなる。酸化鉄は、砂中に含まれるシリカの膨張により生じる問題を減少させるために用いられ、この目的のために、シレラレオネ酸の赤色、黒色もしくは黄色の酸化鉄が１〜３％の割合で混合物中に挿入される。
これらの酸化物は、例えば、コア中に亀裂が形成される間に、鉄かんらん石形成要素として働き、粘着性状態の鉄かんらん石が亀裂を埋め、ベーニングが最小化される。しかしながら、多くの場合はベーニングを無くすことはできず、この技術は、コアの機械的強度を減少させるという酸化鉄の欠陥を有し、さらに、鉄かんらん石の形成によって貫通の生じる傾向が増加し、得られる部品の外表面が、後から処理することが必要な凹凸を有してしまうことになる。
国際公開第２００９／１５５２４２号（特許文献１）には、ガラス成分が添加された酸化鉄の使用に基づく抗ベーニング添加剤が記載されている。該ガラス成分は、砂の粒子中で溶融ガラスを形成し、可塑性を増加させ、コアの破壊を減少させる。そして、それゆえにベーニングの発生を減少させる。ここでまたしても課題となるのは、コアの機械的強度が減少することである。
別の既存の解決策は、添加剤として木粉と炭粉を使用することからなる。木粉や石炭は、鋳物砂に１〜３％の割合で添加される。この粉は溶融中に燃焼し、コアの全容積に行き渡るように空隙を残し、該空隙の外形サイズを増大させる必要もなく、これらの空隙にシリカを膨張させ、それによってベーニングを生じさせる亀裂の発生を防ぐ。この技術の主な欠点は、粉が燃焼するため、大量のガスが発生して拡散すると、得られる部品の寸法上の問題が生じてしまうことにある。この種の添加剤を添加すると、コアの機械的強度も同様に減少する。
米国特許第４７３５９７３号明細書（特許文献２）では、酸化チタンの添加剤の使用が記載されている。該添加剤は、全砂の０．５〜５％の範囲の割合で存在し、この添加剤は１５〜９５％の酸化チタンを含む。この技術では、熱膨張が起こり、結果としてベーニングが防止され、コアの機械的強度が維持され、ガスの発生を増加させない。この技術の欠点は、得られるコアが貫通を有するという傾向があり、部品を鋳造する前に、コア表面に塗料や他の処理を施す必要がある。
ベーニングを処理するための他の方法は、国際公開第０２／０８７８０７号（特許文献３）、国際公開第２００９／０６２０７４号（特許文献４）及び国際公開第２００９／０４６１２８号（特許文献５）に記載されている。これらは種々の組成を有する添加剤を記載しているが、酸化リチウムと酸化鉄を含む材料を含有するという共通の特徴を有している。
金属部品の製造においてベーニングを制御する他の解決策は、欧州特許第０８９１９５４号明細書（特許文献６）やスペイン国特許第２１１６２４５号明細書（特許文献７）に記載されており、前者と密接に関連している。これらの特許における解決策は、抗ベーニング添加剤として中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアを用いることを含んでいる。
欧州特許第０８９１９５４号明細書では、中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアを１〜３０重量％の割合で砂に添加した使用が記載されている。このマイクロスフェアは、アルミナを２０〜３５％含まなければならない。これらの中空マイクロスフェアは、溶融した金属から生じる熱により収縮や崩壊する能力を有し、その結果、コアや鋳型中の亀裂の発生を防ぐ。これらが収縮し崩壊すると、スフェア間の空隙がシリカの膨張を吸収し、亀裂やそれに続くベーニングの発生を妨げたり、減少させたりする。
これらの中空マイクロスフェアの課題としては、これらが砂の混合物中で１０％重量未満の量で使用された場合に、最適な結果が得られず、すなわち、要求される程度まで常にベーニングを防ぐことはできないことにある。一方、中空マイクロスフェアを高い割合（１０％を超え、通常は２０〜３０％）で用いるとベーニングの問題は解決するものの、機械的特性の悪いコアや鋳型が得られる。
国際公開第２００９／１５５２４２号 米国特許第４７３５９７３号明細書 国際公開第０２／０８７８０７号 国際公開第２００９−０６２０７４号 国際公開第２００９−０４６１２８号 欧州特許第０８９１９５４号明細書 スペイン国特許第２１１６２４５号明細書
従って、最終製品のベーニングの減少やその効果の影響を妨げることなく、好ましい機械的特性を有するコアや鋳型を得るために、鋳物砂中のマイクロスフェア含量を１０％未満に減少させた、中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアに基づく添加剤を開発する必要がある。
本発明者らは、少量のフラックスを中空マイクロスフェアに添加することによって、砂混合物中のマイクロスフェアの量を１０％未満に低減した添加剤が得られることを見出した。
このことにより、好ましい機械的特性を有する一方でさらには、驚くことに、最終金属部品中のベーニングが完全に無い鋳型及びコアを得ることができる。
また、本発明の添加剤を用いることによって、平滑な表面や表皮を有する金属部品が得られる。
図１は、１００％の砂で作られたコアの使用によって生じたベーニング欠陥が見られる金属部品の画像である。 図２は、種々のマイクロスフェアの収縮率と温度の関係を示すグラフである。各々のマイクロスフェアの最終収縮温度が示されている。 図３は、６％リチウム炭酸塩及び６％ストロンチウム炭酸塩存在下における、種々のマイクロスフェアの収縮率と温度の関係を示すグラフである。 図４は、ベーニングの見られない本発明に係る添加剤を用いて製造されたコアを使用して得られた金属部品の画像である。 図５は、添加剤を用いない場合、種々の市販の添加剤を用いた場合、及び、本発明に係る添加剤を用いた場合に製造された、種々のコアの金属部品を製造する間のガス生成を表したグラフである。 図６は、本発明に係る添加剤（サンプル５ ９４％＋６％ＣＯ３Ｌｉ２）を異なる比率で用いて、ボックスから取り出した直後、２４時間後、及び、１００％相対湿度下で２４時間後における、コアの耐摩耗性を示すグラフである。 図７は、本発明に係る添加剤（サンプル５ ９４％＋６％ＣＯ３Ｌｉ２）を異なる比率で用いて、ボックスから取り出した直後、２４時間後、及び、１００％相対湿度下で２４時間後における、コアの耐摩耗性を示すグラフである。
本発明の主な目的は、鋳造砂用の添加剤であって、添加剤の全重量の９０〜９９％の中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアと添加剤の全重量の１〜１０％のフラックスを含有する添加剤からなる。特別な様態として、添加剤は、９４〜９７％の中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアと３〜６％のフラックスを含有する。
上述の添加剤（以下、「本発明の添加剤」と称する。）は、鋳型や鋳造コアを製造するために、砂と混合して用いる。驚くことに、本発明の添加剤によって、金属部品の鋳造中における鋳型やコアへの亀裂の発生が減少し、多くの場合、その発生を防ぐことができる。したがって、最終金属部品のベーニングも防ぐことができる。
中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアは、本発明の添加剤の第１の成分である。上述したように、コアや鋳型が溶融金属と接触して熱せられる際に、これらのマイクロスフェアはシリカの膨張を和らげる能力を有する。本発明の添加剤を製造する際には、任意の種類の中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアを用いることができ、高アルミナ含量のものも含む。
本発明の添加剤であるマイクロスフェアは、１５〜４５重量％のアルミナ含量をとることができる。好ましい様態においては、アルミナ含量が１８〜４０％のマイクロスフェアを用いる。
中空マイクロスフェアは、その組成中にアルミナ以外の元素や成分を少量、例えば、マイクロスフェアの熱挙動をわずかに変化することができる、Ｆｅ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ又はＴｉＯ２を含むことができるが、いずれの場合でも、これらの元素の存在は、本発明の添加剤の抗ベーニング能力に影響を与えない。
本発明の添加剤における他の成分はフラックスである。本発明者らは、フラックスがマイクロスフェアの熱特性を変化させる能力を有することを見出した。フラックスは、マイクロスフェアの融点を低下させる効果を有し、マイクロスフェアをより早く軟化、崩壊（破損）させる。このことによって、砂の膨張を吸収する効果が最適化される。
また、本発明者らは、フラックスの存在が、任意の種類の中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアと一緒に作動できるようになることを見出した。欧州特許第２１１６２４５号明細書では、最終製品にベーニングの問題を生じさせることから、高アルミナ含量（３５〜４５％）のマイクロスフェアと一緒に作動しないことを示唆しているが、本発明者らは、フラックスの添加によって、高アルミナ含量のものを含んだ任意の種類のマイクロスフェアを使用することができ、添加剤と一緒に製造することが可能なマイクロスフェアの範囲を広げることができることを明らかにした。
本発明の好ましい様態においては、アルカリまたはアルカリ土類元素炭酸塩をフラックスとして用いる。該炭酸塩は、より好ましくはリチウム炭酸塩、および／またはストロンチウム炭酸塩である。
本発明の添加剤の使用は、製造された金属部品におけるベーニングの問題を克服できるだけではなく、該部品の表面や表皮に荒れがないことを達成できることを明らかにした。
本発明の添加剤は砂と混合して使用される。該砂は、鋳物砂と呼ばれ、鋳型や鋳造コアを製造するのに使用される。従って、本発明の他の目的は、９０重量％〜９９重量％の砂と１〜１０重量％の本発明の添加剤とを含有する鋳物砂である。本発明の鋳物砂は、好ましくは９４〜９７％の砂と３〜６％の本発明の添加剤とを含有する。
本発明の状況において、通常使用される任意の種類の砂を鋳型や鋳造コアの製造に使用することができる。特に、９５％を超えるシリカ含量、かつ、ＡＦＡ ４０〜ＡＦＡ １２０の異なる粒子径分布の鋳造コアおよび鋳型の製造用砂を用いることができる。
また、本発明の鋳物砂は、当分野において使用される鋳物骨材、結着材及び他の任意の成分といった、他の従来使用される成分を含むことができる。
本発明の他の目的は、本発明の鋳物砂を鋳型や鋳造コアを製造するために用いることである。より具体的には、本発明の目的は、
ａ）鋳物砂を結着樹脂と混合する工程、
ｂ）前記ａ）で得られた混合物を鋳型に入れて鋳造コア又は鋳型を形成する工程、
ｃ）前記コア又は鋳型を硬化触媒に接触する工程、
ｄ）一旦硬化させた前記コア又は鋳型を分離する工程、
を含む、鋳型又は鋳造コアの製造方法である。
工程ａ）は、砂と本発明の添加剤を組成中に含む鋳物砂を結着樹脂と混合し、均一化させる工程を含む。樹脂が硬化した後は、粒子が結合して密着し、鋳型やコアを硬化させることが好ましい。
鋳造コアや鋳型の製造に通常使用される任意の種類の樹脂を工程ａ）に使用することができる。本発明では、例えば、アミンで気化されたフェノール性ウレタン樹脂；ＳＯ２で気化されたアクリル性エポキシ樹脂；ギ酸メチル又はＣＯ２で気化されたフェノール性アルカリ樹脂；フラン樹脂、フェノール樹脂、ホットボックス法でのウレア−ホルム樹脂、または、これらの組合せ；ホットボックス法での無機系ＩＮＯＴＥＣ、または、ノボラック樹脂で予備被覆された砂が用いられる。
一旦鋳物砂は樹脂と混合され、最終形状となる砂鋳型や砂コアを提供するために、該混合物は型に入れられる。要求される型の形状は、最終金属部品の形状によって決定される。
砂鋳型や砂コアを成形するために、樹脂の重合を加速化させるための結着樹脂が工程ｃ）で使用される。本技術分野で通常使用される任意の触媒が本発明の目的に適しており、アミン、ＳＯ２、ギ酸メチル又はＣＯ２といった気体の触媒が通常使用される。
一旦成形及び硬化がなされると、砂鋳型や砂コアは形状を形成するために使用された型から外され、金属部品の製造に使用されるための準備が整う。
本発明の他の目的は、本発明に従った鋳物砂を含む鋳型やコア、すなわち、本発明の添加剤を含有する鋳物砂である。
本発明のコアや鋳型は、砂のみで製造されたコアや鋳型と実質的に同一でありながら、ベーニングを完全に防ぐという利点のある、機械的性能を有している。本発明のコアや鋳型の他の利点は、製造された部品から放出されるガスにある。ガスの量は、著しく減少するだけでなく（図５参照）、さらに、他の市販の抗ベーニング添加剤と同様に、ガス生成が２０分後には安定化する。
本発明の他の目的は、
ａ）本発明に従ったコア又は鋳型を鋳造装置に入れる工程、
ｂ）前記装置中の液体に金属を注ぐ工程、
ｃ）前記鋳造装置に注がれた金属を冷却し、固化する工程、
ｄ）前記金属部品を前記鋳造装置より分離する工程、
を含む、金属鋳物の製造方法である。
本発明のコアや鋳型を用いて、ここに記載の方法に従って、ねずみ若しくはノジュラー鋳鉄又は鋼鉄のような鉄金属、或いは、銅、青銅又はスズのような非鉄金属といった、異なる金属及び／又は合金から部品を製造することができる。
本発明の最後の目的は、まさに、上記記載の方法に従って得られた金属部品である。本発明の金属部品は、ベーニングがなく、荒れのない実質的に平滑な表面や表皮を有している。該金属部品は、ねずみ若しくはノジュラー鋳鉄又は鋼鉄のような鉄金属、或いは、銅、青銅又はスズのような非鉄金属でできている。
以下の実施例は本発明を説明することを目的とするが、本発明はこれらに限定されるべきではない。
＜実施例１：種々のマイクロスフェアの熱分析＞
以下の表１に記載される組成の種々の中空マイクロスフェアの熱性能を分析した。
溶融試験はＭＩＳＵＲＡホットステージ顕微鏡を用いて行った。ホットステージ顕微鏡は、熱サイクルにかけられたサンプルを観察する装置である。同時に、溶融試験中のサンプルの外観をデータキャリア中に記録できる。温度に応じた、サンプルの収縮の発生は、画像分析装置による記録画像から判断した。
直径３ｍｍ、高さ３ｍｍの円筒状ボタンを圧縮することにより各サンプルを成形し、台座上に置いた。次に、台座上のサンプルをホットステージ顕微鏡のサンプルホルダーに設置し、２５℃／分の速度で、１５５０℃を最高温度とする熱サイクルに供した。
収縮−温度曲線や以下に示す温度特性は記録された画像から決定した。
・収縮開始（ＴＳＳ）；試験片の外郭の面積が、試験片の初期面積の９９％となった時点とみなす。
・収縮終了（ＴＥＳ）；試験片の収縮が止まった時点とみなす。
・軟化（ＴＳ）；試験片の端部が丸くなり始めた時点とみなす。
・球（ＴＳｐ）；試験片が球に最も近い形状になった時点とみなす。
・１／２球（Ｔ１／２）；試験片が半球に最も近い形状になった時点とみなす。
・溶融（ＴＭ）；試験片が球状キャップ状、すなわち球の体積の１／３の量と同等になった時点とみなす。
表２及び図２に分析結果を示す。
＜実施例２：リチウム炭酸塩とストロンチウム炭酸塩のマイクロスフェアの熱性能に対する効果＞
６％リチウム炭酸塩と６％ストロンチウム炭酸塩をそれぞれ添加した、実施例１と同じサンプルの熱性能を分析した。請求項１と同じ分析方法を用いた。
６％リチウム炭酸塩を添加したサンプルの結果を、以下の表３に示す。
６％リチウム炭酸塩と６％ストロンチウム炭酸塩を用いたサンプル５に関するデータを、表４及び図３に示す。
＜実施例３：異なる添加剤を用いた鋳造コアの製造と得られた部品のベーニングと表皮の評価＞
９４％のＥｃｈａｖｅ Ｃ−７０砂、１％のＩＳＯＣＵＲＥ ＦＯＣＵＳ（登録商標）４１８／６１８ フェノール性ウレタン樹脂、及び、５％の添加剤（９４％マイクロスフェアサンプル＋６％Ｃｏ３Ｌｉ）からコアを製造した。前記三成分はグラインダー内で混合し、得られた混合物はコアシューティング装置のホッパー内に挿入した。混合物をコアボックス中に発射し、コアの形状を得て、アミンで気化した。硬化したコアを最終形状として抜き出した。
ベーニング試験を行い、本発明に従って異なる添加剤を用いて得られた金属部品の表皮も観察した。以下の表に結果を示す。
明らかなように、６％リチウム炭酸塩を抗ベーニング添加剤として使用すると、使用されるマイクロスフェアのサンプルにかかわらず、ベーニングのない金属部品が得られる。また、この部品は注目すべき欠点のない表皮を有している。
対照的に、添加剤（１００％砂）を用いずに、または、添加剤としてマイクロスフェア（１００％サンプル５）を用いて、コアから鋳造によって得られた部品は、（０〜１０のベーニング基準において）それぞれ１０および７というかなりの量のベーリング欠陥を示した。
サンプル５のマイクロスフェアに基づく添加剤であるリチウム炭酸塩の投与量の効果と、鋳物砂の組成中の添加剤の量の効果を、さらに調べた。結果を以下の表に示す。
＜実施例４：コアの機械的特性の評価＞
砂と種々の量の添加剤（９４％のマイクロスフェアサンプル５＋６％のリチウム炭酸塩）から得られたコアの耐摩耗性と引張強度を評価するために試験を行った。
試験結果を図６および７に示す。明らかなように、異なる割合で試験された添加剤によって得られたコアの機械的特性、耐摩耗性、および、引張強度特性は、添加剤を含まない対象試料と同等であり、添加剤の存在による著しい影響は受けなかった。

Claims (15)

  1. 鋳物砂用の添加剤であって、添加剤の全重量の９０〜９９％の中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアと添加剤の全重量の１〜１０％のフラックスとを含有する添加剤。
  2. 前記中空アルミナケイ酸塩マイクロスフェアが１５〜４５重量％のアルミナ含量を有する、請求項１記載の添加剤。
  3. 前記フラックスがアルカリ又はアルカリ土類元素炭酸塩である、請求項１記載の添加剤。
  4. 前記アルカリ又はアルカリ土類元素炭酸塩がリチウム炭酸塩又はストロンチウム炭酸塩である、請求項３記載の添加剤。
  5. 鋳物砂を製造するための、請求項１〜４のいずれか１項に記載の添加剤の使用。
  6. ９０重量％〜９９重量％の砂と１〜１０重量％の請求項１〜４のいずれか１項に記載の添加剤とを含有する鋳物砂。
  7. 前記砂が、シリカ含量が９５重量％を超えるシリカ砂である、請求項６記載の鋳物砂。
  8. コアや鋳型を製造するための、請求項６又は７に記載の鋳物砂の使用。
  9. ａ）請求項６又は７に記載の鋳物砂を結着樹脂と混合する工程、
    ｂ）前記ａ）の混合物を鋳型に入れてコア又は鋳型を形成する工程、
    ｃ）前記コア又は鋳型を硬化触媒に接触する工程、
    ｄ）一旦硬化させた前記コア又は鋳型を分離する工程、
    を含む、鋳型又は鋳造コアの製造方法。
  10. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の砂を含有する鋳造コア又は鋳型。
  11. ａ）請求項１０に記載のコア又は鋳型を鋳造装置に入れる工程、
    ｂ）前記該装置中の液体に金属を注ぐ工程、
    ｃ）前記鋳造装置に注がれた金属を冷却し、固化する工程、
    ｄ）前記金属部品を前記鋳造装置より分離する工程、
    を含む、金属鋳物の製造方法。
  12. 前記金属部品が鉄金属又は非鉄金属で作られている、請求項１１記載の製造方法。
  13. 前記鉄金属がねずみ若しくはノジュラー鋳鉄又は鋼鉄である、請求項１２記載の製造方法。
  14. 前記非鉄金属が銅、青銅又はスズである、請求項１２記載の製造方法。
  15. 請求項１１に記載の製造方法により得られる金属部品。
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