JP2016112604A - 砂中子の除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造品から砂中子を短時間で効率良く除去できるとともに、除去崩壊した廃砂をそのまま再使用できる除去方法を提供する。【解決手段】砂中子１が鋳込まれている鋳造品２から砂中子１を除去する方法であって、砂中子１の保形用樹脂が燃焼可能な温度に加熱した加熱気体を砂中子１に吹き込んで、砂中子１の保形用樹脂を燃焼させること。【選択図】図１

Description

本発明は、砂中子が鋳込まれている鋳造品から砂中子を除去する方法に関するものである。

例えばエンジンのシリンダヘッドは鋳造によって製造される。このシリンダヘッドには冷却水通路が必要とされ、しかして冷却水通路である中空部を形成する鋳造品を鋳造するために砂中子を用いる。砂中子を用いて鋳造すると、砂中子が鋳込まれている鋳造品から砂中子を除去することにより、冷却水通路を内部に形成した鋳造品が得られる。

砂中子は、鋳型に金属溶湯を充填する間、形状を維持している必要がある。そのため、砂中子を形成するケイ砂（Ｓ_iＯ₂が主成分）等の砂粒子がフェノール樹脂等の保形用樹脂（バインダー）によって結合され、更に砂中子の表面が同じくフェノール樹脂等の保形用樹脂によってコーティングされ、そのような保形用樹脂によって砂粒子と砂粒子との結合力を高める技術が汎用されている。保形用樹脂によって保形力が高められた砂中子は強固で、鋳型に金属溶湯を充填する間に形状が崩れることがない。しかしながら、砂中子は、鋳造品から除去する必要があるが、砂中子は保形用樹脂によって保形力が高められており、非常に強固であり、容易なことでは除去することができない。

従来の砂中子除去方法としては、例えば、下記の特許文献１に記載されているように、砂中子が鋳込まれている鋳造品に対し、チッピングハンマー装置によって打撃を与えながら、エア噴出装置から鋳造品の砂中子に対し圧縮エアを吹き込むようにしたものである。この方法は、打撃によるショックで砂中子にクラックを発生させ、圧縮空気のエアブローによって砂中子の崩壊を促進するとういものである。

また、従来の砂中子除去方法として、下記の特許文献２に記載されているものがある。これは、砂中子が充填され排砂口を有する鋳造品を所定の衝撃力で打撃する砂中子崩壊工程と、この砂中子崩壊工程の衝撃力よりも小さい衝撃力で打撃する排砂工程とを有する砂中子除去方法である。

特開昭６１−９９６２号公報 特開平０７−３１４１２５号公報

特許文献１の方法では、打撃によって砂中子にクラックを発生させ、圧縮空気で砂粒子を吹き飛ばすだけでは、砂粒子を十分に除去しきれないことがあり、その場合には、鋳造品から砂を完全に除去するための更なる工程が必要となり、結局、砂中子の除去に相当な時間がかかる。また、特許文献２の方法では、鋳造強度よりも強い衝撃力を与えた場合には砂除去作業中に鋳物が破損してしまうという問題がある。又、砂中子が鋳込まれている鋳造品に打撃力や衝撃力を負荷させる前に、該鋳造品を加熱炉に導入し、かなりの熱処理時間をかけなければならないから、それだけ砂中子除去費用が高くつき、又、砂中子除去に長時間必要とするからそれだけ作業能率が悪いという難点がある。

本発明は、上記の事情に鑑み、鋳造品から砂中子を短時間で効率良く除去できると共に、除去崩壊した廃砂をそのまま再生（再使用）することができる除去方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段を、後述する実施形態の参照符号を付して説明すると、請求項１に係る発明は、砂中子１が鋳込まれている鋳造品２から砂中子１を除去する方法であって、
砂中子１の保形用樹脂が燃焼可能な温度に加熱した加熱気体を前記砂中子１に吹き込んで、この砂中子１の保形用樹脂を燃焼させることを特徴とする。

請求項２は、請求項１に記載の砂中子の除去方法において、前記加熱気体は、圧縮気体が供給される加熱気体生成装置３によって生成されてなることを特徴とする。

請求項３は、請求項２に記載の砂中子の除去方法において、前記加熱気体生成装置３によって生成された加熱気体の該装置からの出口温度は、６５０℃〜８５０℃であることを特徴とする。

請求項４は、請求項２又は３に記載の砂中子の除去方法において、前記加熱気体生成装置３によって生成され該装置から砂中子に吹き込まれる加熱気体の吹き込み温度は、３５０℃〜８５０℃であることを特徴とする。

請求項５は、請求項２〜４の何れかに記載の砂中子の除去方法において、前記加熱気体生成装置３によって生成され該装置から砂中子に吹き込まれる加熱気体の吹き込み圧力は、０．３ＭＰａ〜０．５Ｍｐａであることを特徴とする。

請求項６は、請求項１〜５の何れかに記載の砂中子の除去方法において、前記鋳造品に打撃及び／又は振動を与える工程を有することを特徴とする。

上記解決手段による発明の効果を、後述する実施形態の参照符号を付して説明すると、請求項１に係る発明の砂中子の除去方法によれば、砂中子１の保形用樹脂が燃焼可能な所要温度に加熱した加熱気体を砂中子１に吹き込むと、砂中子１の保形用樹脂、例えばフェノール樹脂が燃焼して気化し、砂中子１の保形力が低下する。即ち、加熱気体生成装置３によって生成された加熱気体の出口温度が最大値８５０℃、例えば７８０℃という高温の加熱気体であって、これが加熱気体供給配管部５を通って、砂中子１に最大値８５０℃、例えば４００℃の加熱気体を砂中子１に吹き込むことによって、保形用樹脂であるフェノール樹脂は、酸化反応により、実験の結果約１２００℃前後という高温に昇温した燃焼ガスとなって燃焼され、ＣＯ₂ とＨ₂ Ｏとに分解し、大気中に放出される。このような保形用樹脂の燃焼分解によって、砂中子１は、巨視的に多孔状となって砂密度が減少し、砂中子１の保形力が短時間で急激に低下するから、鋳造品２からの砂中子１を短時間に除去でき、鋳造品２を効率よく製造することができる。また砂中子１の保形用樹脂が完全燃焼して分解することにより、残存する廃砂を砂粒子として、そのまま再使用することができる。

特に、本発明によれば、砂中子を鋳込んだ鋳造品の製造において、従来のアルミ低圧鋳造法に変えて高圧アルミ鋳造法であるアルミダイガストを可能としたことを特徴とする。アルミダイガストは、高圧鋳造のため、砂中子を鋳込んだ鋳造品の製造が困難で、従来では、低圧鋳造法によらざるを得なかった。このため鋳造効率が悪く、しかも低圧鋳造法であっても、鋳造品に鋳込まれた砂中子を除去するためには、一旦、加熱炉によって約６時間程度の熱処理を行って、砂中子保形用樹脂を軟化させる必要があった。

これに対し、本発明によれば、高温の加熱気体によって鋳造品中の砂中子を燃焼させるようにしたから、鋳造品に鋳込まれる砂中子は、高強度の例えば１１００Ｎの保形用樹脂で結合されたレジンコーテッドサンド（ＲＣＳ）の使用が可能となった。これがために、本発明によれば、砂中子が鋳込まれた鋳造品の鋳造に高精度で生産性の高いアルミダイガストを可能にした。

請求項２よれば、本件出願人は、種々実験の結果、従来、過熱水蒸気を生成するための過熱水蒸気生成装置として使用していた装置を、そのまま加熱気体を生成するための加熱気体生成装置３として利用することを可能であることを見い出したもので、これがために加熱気体生成装置３を、比較的に安価に製作することができ、その結果、安価な砂中子除去方法を提供することが可能となった。

請求項３によれば、前記加熱気体生成装置３によって生成され該装置からの加熱気体の出口温度は、種々実験の結果、６５０℃〜８５０℃である。６５０℃以下であれば、実験の結果、加熱気体を鋳造品中の砂中子に吹き込んでも、砂中子が崩壊しないことが判明した。又、加熱気体の加熱気体生成装置からの出口温度が８５０℃以上となれば、加熱気体生成装置を作動させるためのエネルギーコストが必要以上に負担することになり、加熱気体を生成するためのコストが高価になり実用的でない。

請求項４によれば、前記加熱気体生成装置によって生成され該装置から砂中子に吹き込まれる加熱気体の吹き込み温度は、３５０℃〜８５０℃である。３５０℃以下であれば、実験の結果、加熱気体を鋳造品中の砂中子に吹き込んでも、砂中子が崩壊しないことが判明した。又、８５０℃以上となれば、請求項３と同じように、加熱気体生成装置を作動させるためのエネルギーコストが必要以上に負担することになり、加熱気体を生成するためのコストが高価になり実用的でない。

請求項５によれば、前記加熱気体生成装置によって生成され該装置から砂中子に吹き込まれる加熱気体の吹き込み圧力は、大気圧の０．１ＭＰａより高圧であることが必要で、実験の結果、０．２ＭＰａでは、加熱気体が鋳造品中の砂中子の内部まで十分に浸透しないことが判明し、０．３ＭＰａ以上必要であり、又、０．５Ｍｐａ以上の吹き込み圧力は必要としないことが判明した。

請求項６に記載のように、砂中子１に加熱気体の吹き込みを行なう工程の後の段階で、鋳造品２に打撃及び／又は振動を与えてもよく、また加熱気体の吹き込みを行なう工程の前の段階で、鋳造品２に打撃及び／又は振動を与えてもよいし、更には加熱気体の吹き込みを行なう工程と平行して、鋳造品２に打撃及び／又は振動を与えるようにしてもよい。いずれにしても、鋳造品２に打撃及び／又は振動を与える工程を有することにより、砂中子１にクラックを発生させて、砂中子１の崩壊を一層容易にすることができる。そして、砂中子１に対する加熱気体の吹き込み工程と、鋳造品２に打撃及び／又は振動を与える工程とを併用することにより、鋳造品２からの砂中子１の除去・排出をより短時間で確実に行なうことができる。

本発明に係る砂中子の除去方法を実施するための砂中子除去装置の一実施形態を示す説明図である。 図１の砂中子除去装置の一部を示すもので、砂中子が鋳込まれている鋳造品部分の拡大図である。 砂中子が鋳込まれた鋳造品のテストピースを示す縦断面図である。 図３に示すテストピースの砂中子の時間的温度変化を示すグラフである。

以下に本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明すると、図１には、本発明に係る砂中子除去方法を実施するための砂中子除去装置６を示している。この砂中子除去装置６は、砂中子１が鋳込まれている鋳造品２から砂中子１を除去する装置で、加熱気体を発生させる加熱気体生成装置３と、この加熱気体生成装置３に圧縮気体（圧縮エアー）を供給するための圧縮気体供給装置４（エアーコンプレッサー）と、この加熱気体生成装置３で生成された加熱気体を鋳造品２に鋳込まれた砂中子１に吹き込むように配管された加熱気体供給配管部５とを備えている。

加熱気体発生装置３は、高周波誘導加熱装置からなり、高周波電源装置より発熱体である加熱コイルを誘導加熱し、該加熱コイル中に圧縮気体を通過させることによって圧縮気体を加熱して加熱気体を生成するものであり、高電力密度で効率よく加熱することができ、しかも化石エネルギーを使用するものでないからクリーンで環境上有効である。図１において、Ｖ１及び Ｖ２は開閉操作弁を示す。

ここに示される鋳造品２は、エンジンのシリンダヘッドの一部を例示したもので、内部に冷却水通路を成形するために、冷却水通路の形状を有する砂中子１を鋳込んだ状態で鋳造される。この砂中子１を除去することによって、この鋳造品２を上下に貫通する冷却水通路である開口７（図２参照）が形成される。

砂中子１は、ケイ砂（Ｓ_iＯ₂が主成分）等からなる砂粒子の表面に保形用樹脂（バインダー、例えばフェノール樹脂がコーティングされたレジンコーテッドサンド（ＲＣＳ）によって形成され、更に砂中子１の表面が同じフェノール樹脂等の保形用樹脂でコーティングされ、その保形用樹脂によって砂粒子と砂粒子との結合力が高められ、砂中子１全体の保形力が高められている。保形用樹脂として、フェノール樹脂の他にはウレタン樹脂が使用される。

砂中子除去装置６の一部を示す図２において、砂中子１が鋳込まれているアルミニウム製の鋳造品２は、鋳造品取付台９に取り付けられている。また、この砂中子除去装置６は、鋳造品２に打撃を与える打撃手段としてのエアハンマー８、及び鋳造品取付台９を介して鋳造品２に振動を与える振動手段としての起振機１０とを備えている。尚、この実施形態では、エアハンマー８（打撃手段）と起振機１０（振動手段）との両方を備えているが、打撃手段のみでもよいし、振動手段のみでもよい。

鋳造品２を取り付け固定する鋳造品取付台９は、ベース１１上にダンパー１２を介して載設されたもので、その一側面側に鋳造品２をセットしてクランプ１３で固定するようになっている。また、鋳造品取付台９は、ベース１１上に立設された支持フレーム１４に設けてある起振機１０によって振動され、この鋳造品取付台９の振動が鋳造品２に与えられるようになっている。

また、鋳造品２に打撃を与える打撃手段としてのエアハンマー８は、図２に簡略図示するように、鋳造品取付台９に取付け固定される鋳造品２の上方に昇降自在に設けられたもので、鋳造品２の上面に近接する所定位置まで降下して、鋳造品２の上面に打撃を与えるようになっている。エアハンマー８の打撃力は適宜に調整可能である。

尚、この実施形態の砂中子除去方法に使用する加熱気体を生成させる加熱気体生成装置３は、圧縮気体供給装置４から供給される圧縮気体を該加熱気体生成装置３に供給されることによって生成されるものである。

次に、上記した図１及び図２に示すような砂中子除去装置６を使用して、鋳造品２に鋳込まれている砂中子１を除去する方法について説明する。

鋳型から取り出された直後の鋳造品２は、まだ高温であり、砂中子１を鋳込んでいる。この状態の鋳造品２を、図２示すように鋳造品取付台９にセットして固定し、加熱気体供給配管部５の先端部５ａを砂中子１側に接続する。この時、図１に示す開閉操作弁Ｖ１及びＶ２は閉じている。それから、開閉操作弁Ｖ１及びＶ２を開放操作し、圧縮気体供給装置４（エアーコンプレッサー）及び加熱気体発生装置３（高周波誘導加熱装置）を作動させて加熱気体を生成し、この加熱気体を加熱気体供給配管部５の先端部５ａから砂中子１の上端部に供給して、砂中子１への加熱気体の吹き込みを開始する。この時、加熱気体供給配管部５の先端部５ａから供給される加熱気体の圧力は、大気圧（０．１ＭＰａ）より高く、又、０．２ＭＰａでは不十分で、０．３ＭＰａとされ、また前記加熱気体生成装置によって生成された加熱気体の該装置からの出口温度は、７８０℃で、砂中子に吹き込まれる加熱気体の吹き込み温度は、４００℃である。

上記のように圧力及び温度の加熱気体からなる高温ガスＳを０．３ＭＰａの圧力で砂中子１に例えば５分間吹き込むと、砂中子１の保形用樹脂である例えばフェノール樹脂は、高温ガスＳ中の酸素に触れることにより燃焼して気化し、砂中子１の保形力が低下する。即ち、砂中子１には、上記のような高温の加熱気体が十分に吹き込まれるために、保形用樹脂であるフェノール樹脂は、酸素との化合により、実験の結果約１２００℃前後という高温の燃焼ガスにより完全燃焼してＣＯ₂ とＨ₂ Ｏとに分解し、大気中に放出される。このようなフェノール樹脂の燃焼分解によって、砂中子１は、巨視的に見て多孔状となって砂密度が減少し、砂中子１の保形力が短時間で急激に低下する。一例を挙げると重量比２．５％のフェノール樹脂が混合されている砂中子１に最大値８５０℃、具体的には約４００℃の上記燃焼ガスを吹き込むことによって約１２００℃に昇温しフェノール樹脂をほぼ完全燃焼して、砂中子１中に残存する保形用樹脂（フェノール樹脂）の残存比率を示すイグロス値（砂中子１中の残存樹脂量が低いほどイグロス値が低くなる。）は−０．０７％という完全に除去された数値を示し、又、他の一例を挙げると、重量比２．７％のフェノール樹脂が混合されている砂中子１中に同様の条件で混合燃焼ガスを吹き込むことによってフェノール樹脂のイグロス値が０．０４％というほぼ完全に除去された数値を示した。これにより、砂中子１は鋳造品２中で完全崩壊されて廃砂状態で取り出され、従来のように鋳造品２中に砂中子１が残存することはなく、又、取り出された廃砂は樹脂成分が残存しないから新砂として再使用することが可能である。また、大気中に放出されるＣＯ₂ とＨ₂ Ｏは無害であるから、環境にも優しい。

従って、図１及び図２に示すように、鋳造品２に鋳込まれている砂中子１に対し、その上方から、上記のような特性を有する加熱気体からなる高温ガスＳを、その圧力が約０．３ＭＰａ、加熱気体発生装置３からの出口温度が７８０℃、砂中子１の吹き込み温度が約４００℃の条件下で、例えば５分間吹き込むと、砂中子１中は例えば１２００℃前後の高温の燃焼ガスに昇温されることになり、これによって砂中子１中の保形用樹脂が完全に燃焼して気化し、砂密度が減少し、砂中子１の保形力が急激に低下して、容易に崩落可能な状態となり、図２に示す開口７の下端部７ａから自重によって自然落下し、砂中子１が鋳造品２から除去排出される。

また上述した砂中子除去方法の説明では、砂中子１の保形用樹脂の保形力が燃焼可能な所要温度に加熱された加熱気体が砂中子１の保形用樹脂に触れることにより、その保形用樹脂を燃焼させ、それにより砂中子１の保形力を低下させるようにしているが、このような工程だけでは、砂中子１を鋳造品２から完全に除去排出させることができない場合には、加熱気体の吹き込み工程の後の段階で、エアハンマー８による打撃又は起振機１０による振動の何れか、あるいはその打撃及び振動の両方を鋳造品２に与えることによって、砂中子１を鋳造品２から確実に除去排出することができる。

また、打撃及び／又は振動を鋳造品２に与える工程は、砂中子１の材質、容量、形状等により、上記のように加熱気体の吹き込み工程の後に行なってもよいし、この吹き込み工程の前に行なってもよく、あるいは加熱気体の吹き込み工程と同時に平行して行なってもよい。何れにしても、鋳造品２に打撃を与えることにより砂中子１にクラックを発生させて、砂中子１の崩壊を容易にすることができるし、また鋳造品２に振動を与えることにより、砂中子１の全体に振動による衝撃を与えて砂中子１の崩壊を容易にすることができる。

上述した本発明の砂中子除去方法を実施するにあたり、加熱気体の温度は、加熱気体を砂中子に吹き込んだ時に砂中子の保形用樹脂が燃焼可能な温度であればよく、好ましくは３５０℃〜８５０°とされる。このときの加熱気体発生装置３からの出口温度は６５０℃〜８５０℃とされる。また、加熱気体の圧力は、大気圧である０．１ＭＰａより高く、又、０．２ＭＰａでは不十分で、例えば０．３〜０．５ＭＰａの範囲が好ましい。

図３は、実際の鋳造品2に対応する円筒状のアルミニウム製のパイプ材からなるテストピース１５を示すもので、このテストピース１５の上端部に、図１に示す砂中子除去装置６の加熱気体供給配管部５の出口である先端部５ａが接続される。このテストピース１５であるアルミニウム製のパイプ材１７は、長さを２６０ｍｍで、内径を２２ｍｍ、外径を２４ｍｍとし、パイプ材の内部には実際の砂中子１と同じように、加熱して硬化したレジンコーテッドサンド（ＲＣＳ）からなる砂中子１６を充填している。なお、このＲＣＳは高強度のＲＷＣ９Ｋ人口砂を用いた。

又、図３において、１９〜２１は、熱電対からなる温度センサーで、図示のように熱電対の先端部は砂中子１６の中心部まで侵入させている。１９は、テストピース２０の入り口１８から、ａに示すように、２０ｍｍの位置Ａで砂中子１６の温度を計測する温度センサーである。２０は、テストピース１５の入り口１８から、ｂに示すように、１００ｍｍの位置Ｂで砂中子１６の温度を計測する温度センサーである。２１は、テストピース１５の入り口１８から、ｃに示すように、２００ｍｍの位置Ｃで砂中子１６の温度を計測する温度センサーである。

図４は、砂中子１６が鋳込まれているテストピース１５、即ち、円筒状の鋳造品１５から砂中子１６を除去する際に、前記計測位置Ａ〜Ｃでの時間的な温度経過を示す折れ線グラフであり、図中、実線Ａで示す折れ線は、計測位置Ａでの時間的温度経過を、一点鎖線Ｂで示す折れ線は、計測位置Ｂでの時間的温度経過を、二点鎖線Ｃで示す折れ線は、計測位置Ｃでの時間的温度経過を、それぞれ示す軌跡である。

図４のグラフを参照して砂中子１６の時間的温度経過を見ると、加熱気体がテストピース１５に送り込まれて２０秒程度で、口元から２０ｍｍの計測位置ＡでＲＣＳのフェノール樹脂に引火して１２００℃前後まで急上昇し、燃焼している間高温となり、燃焼終了で温度が低下し、４００℃程度の加熱気体の流れによって、テストピース１５内の燃焼がその先端方向に連続的に伝搬していくことを推測することができる。即ち、この燃焼により、フェノール樹脂はＣＯ₂ とＨ₂ Ｏとに分解し、燃焼が終了すると、砂中子は約４００℃まで降下してテストピース１５の先端側に推移していることが分かる。

又、砂中子１６が口元から１００ｍｍの計測位置Ｂでの温度は、テストピース１５に高温ガス（加熱気体）が吹き込まれてから約１分１４秒経過して、やはり１２００℃前後まで急上昇しており、計測位置Ａと同じように、ＲＣＳのフェノール樹脂に引火して燃焼したことを示し、燃焼が終われば、温度降下していることが分かる。又、砂中子１６が口元から２００ｍｍの計測位置Ｃでの温度は、テストピース１５に高温ガス（加熱気体）が吹き込まれてから約２分５２秒経過後に、やはり１２００℃前後まで急上昇しており、計測位置ＡやＢと同じように、ＲＣＳのフェノール樹脂に引火して燃焼したことを示し、燃焼が終われば、温度降下していることが読み取れる。

上述したような図３及び図４によって説明した鋳造品２のテストピース１５による砂中子１６の除去テストによれば、砂中子１６は、この砂中子１６が鋳込まれている円筒状鋳造品（テストピース１５）の下端から自重により自然落下するが、自然落下しない場合は、テストピース１５に若干の打撃力をかけることによって、砂中子１６が鋳造品であるテストピース１５から完全に除去排出させることができた。

１ 砂中子
２ 鋳造品
３ 加熱気体生成装置
４ 圧縮気体供給装置
５ 加熱気体供給配管部
６ 砂中子除去装置
７ 鋳造品の開口
８ エアハンマー
９ 鋳造品取付台
１０ 起振機
１５ テストピース
１６ テストピーの砂中子
１７ テストピーの鋳造品
１９ 温度センサー（熱電対）
２０ 温度センサー（熱電対）
２１ 温度センサー（熱電対）

Claims (6)

1. 砂中子が鋳込まれている鋳造品から砂中子を除去する方法であって、
   砂中子の保形用樹脂が燃焼可能な温度に加熱した加熱気体を前記砂中子に吹き込んで、この砂中子の保形用樹脂を燃焼させることを特徴とする砂中子の除去方法。
2. 前記加熱気体は、圧縮気体が導入される加熱気体生成装置によって生成されてなることを特徴とする請求項１に記載の砂中子の除去方法。
3. 前記加熱気体生成装置によって生成された加熱気体の該装置からの出口温度は、６５０℃〜８５０℃であることを特徴とする請求項２に記載の砂中子の除去方法。
4. 前記加熱気体生成装置によって生成され該装置から砂中子に吹き込まれる加熱気体の吹き込み温度は、３５０℃〜８５０℃であることを特徴とする請求項２又は３に記載の砂中子の除去方法。
5. 前記加熱気体生成装置によって生成され該装置から砂中子に吹き込まれる加熱気体の吹き込み圧力は、０．３ＭＰａ〜０．５Ｍｐａであることを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の砂中子の除去方法。
6. 前記鋳造品に打撃及び／又は振動を与える工程を有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の砂中子の除去方法。

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