JP3757165B2 - 高圧鋳造用分解性コア、その製造方法、およびその抽出方法 - Google Patents
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- B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
- B22C9/105—Salt cores
Description
【０００１】
【技術分野】
本発明はダイカストまたはスクイズキャスティングのような高圧鋳造のための分解性コアの製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、水溶性塩からの複雑な分解性コアの製造方法の製造に関する。また、本発明は、そのような水溶性塩コアに関する。さらに、本発明は、そのような水溶性塩コアの抽出方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
一般的に、コアの製造技術は、複雑な内部構造を有する、または安価で販売される鋳造製品を製造するために必要である。
重力鋳造の場合、硬質砂またはセラミックス粉末または水溶性塩から作られる分解性コアが型の内部に配置され、その後溶融金属が導入され、型内で固化される。その後、分解性コアは機械的または化学的手法により除去されるか、あるいは塩コアが水または蒸気で溶融除去される。
内燃エンジン用のピストンの場合、塩コアの製造技術は、ピストン内部の気道（gallery）を冷却する循環オイルを形成するのに有効である。
【０００３】
米国特許第３，６４５，４９１号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、粉末化された水溶性塩が約１０％の結合剤としての合成樹脂と組み合わせられるコア製造技術が開示されている。米国特許第４，６２９，７０８号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムのような水溶性塩を、アルミナのようなセラミックスおよび結合剤としてのシリコーン樹脂と混合し、焼結する、コア製造技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、実際の状況下では、高性能アルミニウム合金または複合材料ピルトンを製造するために、ピストンがダイカストまたはスクイズキャスティングのような高圧鋳造に付される。
そのような高圧鋳造において、砂で作られてなる従来の分解性コアや従来の塩コアは、鋳造圧により溶融金属がコアの内部に浸透するか、あるいは高圧によりコアが崩壊するため、高圧鋳造法に適用することは困難である。
【０００５】
最近、高圧鋳造が要求される用途に用いることが可能な種々のコア製造技術が発展してきた。例えば、米国特許第３，９６３，８１８号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムのような粉末化された水溶性塩が約１％の水と共に添加され、１．８〜４．０ｔｏｎ/ｃｍ２の高圧下で成形され、その後１００〜３００℃で２０分間焼成される、コア製造技術が開示されている。
【０００６】
米国特許第４，４３８，８０４号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、水溶性塩粉末がジルコン砂のような硬質粉末と混合され、高圧下で炭酸カリウム、炭酸バリウム、または結合剤としてのアルカリシリケートと共に成形される、コア製造方法が開示されている。
米国特許第３，４０７，８６４号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムのような水溶性塩粉末が３重量％のホウ砂、１重量％の酸化マグネシウム、および１重量％のタルクと混合され、高圧下で成形される、コア成形方法が開示されている。
英国特許第２，１５６，７２０号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、粉末化された水溶性塩に静水圧を加圧するコア製造技術が開示されている。
【０００７】
これらの高圧または静水圧を使用する製造方法において、コアが５，０００〜２０，０００ｐｓｉの鋳造圧でその形態を変化させないまま保持し、かつ溶融金属がコアの内部に浸透しないように、粒子間のボイドを最小限に抑えて、その結合力を強化させている。
【０００８】
しかしながら、これらの従来の方法においては、それらの用途がコアのサイズおよび形状により制限され、塩粉末の粒径を微細に制御することを要するため製造コストが製造コストが増大するという欠点に悩まされている。
さらに、コアが水に溶解することから、高圧鋳造製品からコアを完全に除去するのにかなりの時間を要していた。
【０００９】
ところで、米国特許第４，４４６，９０６号、第４，８７５，５１７号、および第５，３０３，７６１号（これらの内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、塩化ナトリウムや塩化カリウムのような水溶性塩を加熱して溶融し、所望によりシリカやアルミナのような硬質粒子と組み合わせて、ダイカストに付す、コアの製造方法が開示されている。
【００１０】
そのままではコアの形状および生産性において成形方法よりも幾分優位となるが、これらの従来の方法はコアのサイズにより用途が制限される。さらに、従来法では、コアを溶解するために水を使用する際に、高圧鋳造製品からコアを完全に除去するのにかなりの時間を要する。
【００１１】
米国特許第４，８４０，２１９号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、ＮａＣｌ：４０重量％およびＮａ２ＣＯ２：４０重量％を含んでなる混合物の溶融塩を１０〜５０％の硬質粉末と共に添加して、型に導入されるスラリーを得る方法が開示されている。米国特許３，４５９，２５３号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、ワイヤーやガラス繊維を、硫酸塩および炭酸塩を含んでなる溶融混合物塩に添加して、型に導入されるスラリーを得る方法が開示されている。
【００１２】
これらの方法は、加圧法またはダイカスト法よりも、コアの形状およびサイズにおいてより多くの多様性を有している。ところで、使用される塩は溶融温度が６６０℃を超える程に高いことから、固化時における収縮によりクラックが容易に発生して、コアが脆くなり、取り扱いにくくなる。さらに、水を使用してコアを溶解させなければならないため、高圧鋳造製品からコアを除去するのに相当の時間を要し、また、こうして得られるコア塩は再使用することができない。
【００１３】
【発明の具体的説明】
上述した問題および考察に鑑み、本発明の目的は、複雑な形状のコアを簡便に製造し、かつ再使用可能なアルミニウム合金またはマグネシウム合金を使用することによる高圧鋳造のためのコアを得ることが可能な、高圧鋳造用分解性コアの製造方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、高圧鋳造用の分解性コアを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、コアの抽出方法を提供することにある。
【００１５】
実施形態の一つによれば、本発明の目的の一つは、高圧鋳造用の分解性コアの製造方法であって、水溶性塩を、単独であるいは微細硬質粉末と組み合わせて、溶融してコア型で固化し；または微細粉末に加工して圧力下でコア型で成形し、前記水溶性塩が、２８０〜５２０℃の融点、９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）、および高い潜熱を有し、それにより、分解性コアが水溶性塩から製造される、製造方法により達成される。
【００１６】
別の実施形態によれば、本発明の別の目的は、上記方法により製造された、高圧鋳造用分解性コアにより達成される。
さらに別の実施形態によれば、本発明の別の目的は、高圧鋳造のための分解性コアの抽出方法であって、高圧鋳造製品が熱的に変形しない溶融温度にコアを加熱して、溶融したコアを抽出し、鋳造製品を水で洗浄する、抽出方法により達成される。
【００１７】
【本発明の最善の実施形態】
以下、本発明の高圧鋳造用分解性コア、その製造方法、および抽出方法について詳述する。
【００１８】
高圧鋳造用分解性コアは、水溶性塩から製造されるものであり、この水溶性塩は、単独であるいは微細硬質粉末と組み合わせて、溶融してコア型で固化し；または微細粉末に加工して圧力下でコア型で成形し、前記水溶性塩が、２８０〜５２０℃の融点、９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）、および高い潜熱を有し、それにより、分解性コアが、アルミニウム合金またはマグネシウム合金のような軽金属がダイカストまたはスクイズキャスティングのような高圧鋳造に付される用途に適用されることができ、かつ水溶性塩から製造される。
【００１９】
２８０〜５２０℃の融点、９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）、および高い潜熱を有するものとして、水溶性塩は、硝酸カリウム（ＫＮＯ３）、亜硝酸カリウム（ＫＮＯ２）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）、亜硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ２）、塩化銅（ＣｕＣｌ２）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化鉛（ＰｂＣｌ２）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ）、塩化バリウム（ＢａＣｌ２）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、およびそれらの混合物から選択される。
【００２０】
融点に関して、硝酸カリウム（ＫＮＯ３）には３３３℃が、亜硝酸カリウム（ＫＮＯ２）には２９０℃が、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）には３０８℃が、亜硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ２）には２７０℃が知られている。
【００２１】
重量比で、８２：１７のＮａＣｌ：ＣｕＣｌ２を含んでなる混合物には３１５℃の溶融温度が、重量比で、９２：８のＫＮＯ３：ＫＣｌを含んでなる混合物には３２０℃の溶融温度が、重量比で、５４：４６のＫＣｌ：ＬｉＣｌを含んでなる混合物には３２０℃の溶融温度が、重量比で、９３：７のＰｂＣｌ２：ＮａＣｌを含んでなる混合物には４１０℃の溶融温度が、重量比で、５４：４４のＭｇＣｌ２：ＮａＣｌを含んでなる混合物には４３０℃の溶融温度が、重量比で、５３：４７のＣａＣｌ２：ＢａＣｌ２を含んでなる混合物には４５０℃の溶融温度が、重量比で、５４：４６のＮａＣｌ：ＣａＣｌ２を含んでなる混合物には５１０℃の溶融温度が、測定されており、各々の塩が９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）を有している。
【００２２】
このような水溶性塩が型（mold）内で固化される。このとき、溶融された水溶性塩が溶融温度よりも約３０〜８０℃高い温度で型内に導入され、それにより固化時の収縮に起因するクラックの発生を最低限に抑える。
この点に関して、溶融された水溶性塩が８０℃を超える場合、収縮に起因するクラックおよび孔が固化時に発生する。一方、温度が３０℃未満の場合、水溶性塩は型に注入するのが困難になる。
【００２３】
さらに、型の温度は導入される各塩の融点の半分を超えないように制御される。その理由は、型の温度が低すぎると、塩が型にうまく導入されないからである。一方、型の温度が高すぎると、固化されたコアの表面構造が非常に荒いため、高圧鋳造時にコアの深奥部で熱分解が起こる。
したがって、型材料に適するのはグラファイトであり、これは熱伝導性に優れる。型がグラファイト製の場合、溶融塩は型に容易に導入され、かつ固化速度が非常に速くなるので固化コアの表面構造が微細なものとなる。
【００２４】
溶融塩において、化学的に非反応性の金属またはセラミックスの粉末、繊維、およびウィスカーのような熱安定硬質粒子が添加されてもよい。使用のためには、それらは均一に分散される。
【００２５】
例として、限定されないが、金属粒子として適切なものは、高い固体性、および塩と同程度の比重を有するシリコンである。また、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等もセラミックス粒子と使用することができる。そのような繊維またはウィスカーを使用することができる。
【００２６】
硬質粒子は、好ましくは５〜３０重量％の量で添加される。硬質粒子の添加量が３０重量％を超えると、固化時の収縮が阻害され、分散効果のためにコアの強度が高くなる。しかし、高圧鋳造製品の表面に部分的に付着する硬質粒子の問題を被ることとなる。一方、添加量が５重量％未満であると、硬質粒子の添加効果を得ることができない。
【００２７】
水溶性塩は、粉末に加工され、コア型に導入され、コアに成形される。この点において、圧力下での成形のためには水溶性塩粉末が４０〜１００μｍのサイズを有しているのが特に好ましい。また、塩と化学反応しない潤滑剤が、型から鋳造製品を分離するのを容易にするために好ましく使用される。
このとき、加圧の結果として得られる成形圧が６０〜１００ＭＰａの範囲であるのが好ましい。さらに、コアの表面構造を微細（fine）にするために、成形されたコアを融点下に０．５〜１分間保持するのが好ましい。
【００２８】
本発明の方法により得られるコアは、アルミニウム合金やマグネシウム合金のような金属合金が高圧鋳造に付される用途に使用することができる。
【００２９】
アルミニウム合金やマグネシウム合金のような、低熱容量の金属の高圧鋳造において、型は０．５〜３秒以内に直ちに溶融物で満たされる。コアは、一般的な溶融金属の通常の鋳造温度（６４０〜７２０℃）よりも低い融点（２８０〜５２０℃）を有するけれども、高圧鋳造型のための典型的な材料である、鋼鉄の熱伝達係数（κ）（３３１〜４０３Ｗ／ｍ・℃）の１／１５００〜１／３０００にすぎない熱伝達係数（κ）（９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃）を有している。溶融された合金は型に導入されると直ちに急激に冷却される。
【００３０】
詳しくは、コアが鋼鉄、すなわち型の材料よりも熱伝導性が低いため、溶融物が保持する熱の大半が型に向かって移動する一方、コアに向かって熱はほとんど移動しない。ところで、コアの高い潜熱により、２〜３μｍまでの深さの表面でのみ変形が起こり得るが、全体形状においては変形は起こらない。換言すれば、コアは変形せず、また、高い潜熱のために全体形状において変形することもない。
【００３１】
直ちに完了する高圧鋳造のような一般的な鋳造において、本発明の水溶性塩は、アルミニウムやマグネシウムのような熱容量の低い鋳造金属用のコアとして適している。
【００３２】
ところで、高圧鋳造製品からコアを除去する方法、すなわち鋳造製品からコアを抽出する方法は、高圧鋳造製品が熱的に変形しない溶融温度にコアを加熱し、溶融したコアを抽出し、鋳造製品を水で洗浄することにより行われる。
【００３３】
高圧鋳造製品が３２０〜５５０℃で３〜５分間加熱される時、熱がコアの内部に移動し、それにより、コアが溶融して抽出される。このようにして得られた材料は、コアの成形に再使用されて経済的優位性をもたらすことができる。
【００３４】
例を挙げて説明する以下の実施例を参照することにより、本発明をより良く理解できるであろう。ただし、本発明はこれに限定されて解釈されるべきものではない。
【００３５】
【実施例】
例１
ＫＮＯ３（融点３３３℃）、ＫＮＯ２（融点２９０℃）、ＮａＮＯ３（融点３０８℃）、ＮａＮＯ２（融点２７０℃）、８２：１７のＮａＣｌ：ＣｕＣｌ２混合物（融点３１５℃）、９２：８のＫＮＯ３：ＫＣｌ混合物（融点３２０℃）、５４：４６のＫＣｌ：ＬｉＣｌ混合物（融点３２０℃）、９３：７のＰｂＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４１０℃）、５４：４４のＭｇＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４３０℃）、５３：４７のＣａＣｌ２：ＢａＣｌ２混合物（融点４５０℃）、および５４：４６のＮａＣｌ：ＣａＣｌ２混合（融点５１０℃）を、各々の融点よりも約３０〜８０℃高い温度に個々に加熱した。各々の溶融した塩を型にゆっくりと導入して、グラファイト型にも別個に導入して（ここで、型は両方とも塩の融点の半分まで予熱した）、直径２０ｍｍおよび長さ１００ｍｍの円柱状のコアを製造した。
【００３６】
得られたコアを、壁面が３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、および１５ｍｍの距離でコアから離間して配置された型において、ダイカストおよびスクイズキャスティングに付し、その性能を測定した。その結果を以下の表１および２に示す。
【００３７】
コアの性能の評価のために、６７０℃に加熱されたＡＤＣ１２ Ａｌ合金を、ダイカストのための溶融物の供給速度が１．８ｍ／ｓｅｃ、スクイズキャスティングのための溶融物の供給速度が０．３２ｍ／ｓｅｃ、ダイカストおよびスクイズキャスティングのための圧力が９８０ｋｇ／ｃｍ２という条件下で、高圧鋳造に付した。高圧鋳造後、高圧鋳造製品を３２０〜５５０℃で３〜５分間加熱して、コアを溶融し、鋳造製品を水で洗浄することによりコアの抽出を行った。
【００３８】
鋼鉄型で製造されたコアの性能
【表１】
注）○：適する（良好な表面状態）
×：適さない（劣った表面状態）
【００３９】
グラファイト型で製造されたコアの性能
【表２】
注）○：適する（良好な表面状態）
×：適さない（劣った表面状態）
【００４０】
例２
ＫＮＯ３（融点３３３℃）、ＫＮＯ２（融点２９０℃）、ＮａＮＯ３（融点３０８℃）、ＮａＮＯ２（融点２７０℃）、８２：１７のＮａＣｌ：ＣｕＣｌ２混合物（融点３１５℃）、９２：８のＫＮＯ３：ＫＣｌ混合物（融点３２０℃）、５４：４６のＫＣｌ：ＬｉＣｌ混合物（融点３２０℃）、９３：７のＰｂＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４１０℃）、５４：４４のＭｇＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４３０℃）、５３：４７のＣａＣｌ２：ＢａＣｌ２混合物（融点４５０℃）、および５４：４６のＮａＣｌ：ＣａＣｌ２混合（融点５１０℃）を、各々の融点よりも約３０〜８０℃高い温度に個々に加熱した。直径が４０〜１００μｍである２０〜３０重量％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３：Isolite.Co.Ltd.、日本）を加熱された溶液に添加して、均一に分散させた。その後、この分散液を、各融点の半分まで予熱したグラファイト型にゆっくりと導入して、直径２０ｍｍおよび長さ１００ｍｍの円柱状のコアを製造した。
【００４１】
同様に、直径０．５〜１μｍおよび長さ１００〜４００μｍを有するシリコンカーバイドウィスカー（ＳｉＣ：TongHae Carbon Co.Ltd.、日本）５〜１５重量％を均一に分散させて、コアを製造した。
【００４２】
得られたコアを、壁面が３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、および１５ｍｍの距離でコアから離間して配置された型において、ダイカストおよびスクイズキャスティングに付し、その性能を測定した。その結果を以下の表３に示す。
【００４３】
コアの性能の評価のために、６７０℃に加熱されたＡＤＣ１２ Ａｌ合金を、ダイカストのための溶融物の供給速度が１．８ｍ／ｓｅｃ、スクイズキャスティングのための溶融物の供給速度が０．３２ｍ／ｓｅｃ、ダイカストおよびスクイズキャスティングのための圧力が９８０ｋｇ／ｃｍ２という条件下で、高圧鋳造に付した。高圧鋳造後、高圧鋳造製品を３２０〜５５０℃で３〜５分間加熱して、コアを溶融し、鋳造製品を水で洗浄することによりコアの抽出を行った。
【００４４】
グラファイト型で硬質粒子混合物から製造されたコアの性能
【表３】
注）○：適する（良好な表面状態）
×：適さない（劣った表面状態）
【００４５】
例３
ＫＮＯ３（融点３３３℃）、ＫＮＯ２（融点２９０℃）、ＮａＮＯ３（融点３０８℃）、ＮａＮＯ２（融点２７０℃）、８２：１７のＮａＣｌ：ＣｕＣｌ２混合物（融点３１５℃）、９２：８のＫＮＯ３：ＫＣｌ混合物（融点３２０℃）、５４：４６のＫＣｌ：ＬｉＣｌ混合物（融点３２０℃）、９３：７のＰｂＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４１０℃）、５４：４４のＭｇＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４３０℃）、５３：４７のＣａＣｌ２：ＢａＣｌ２混合物（融点４５０℃）、および５４：４６のＮａＣｌ：ＣａＣｌ２混合（融点５１０℃）を、約４０〜１００μｍの粒径に粉砕し、潤滑剤としてタルク１重量％を添加し、８０〜１００ＭＰａの圧力に加圧して、直径２０ｍｍおよび長さ１００ｍｍの円柱状のコアに成形した。この成形したコアを、各塩の融点に０．５〜１分間保持して、コアを製造した。
【００４６】
直径が４０〜１００μｍである２０〜３０重量％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３：Isolite.Co.Ltd、日本）１５重量％、および直径０．５〜１μｍおよび長さ１００〜４００μｍを有するシリコンカーバイドウィスカー（ＳｉＣ：TongHae Carbon Co.Ltd、日本）８重量％を塩粉末に添加し、均一に混合して、コアを製造した。
【００４７】
得られたコアを、壁面が３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、および１５ｍｍの距離のコアから離間して配置された型において、ダイカストおよびスクイズキャスティングに付し、その性能を測定した。その結果を以下の表４に示す。
【００４８】
コアの性能の評価のために、６７０℃に加熱されたＡＤＣ１２Ａｌ合金を、ダイカストのための溶融物の供給速度が１．８ｍ／ｓｅｃ、スクイズキャスティングのための溶融物の供給速度が０．３２ｍ／ｓｅｃ、ダイカストおよびスクイズキャスティングのための圧力が９８０ｋｇ／ｃｍ２という条件下で高圧鋳造に付した。高圧鋳造後、高圧鋳造製品を３２０〜５５０℃で３〜５分間加熱して、コアを溶融し、鋳造製品を水で洗浄することによりコアの抽出を行った。
【００４９】
圧力下で硬質粒子混合物から成形されたコアの性能
【表４】
注）○：適する（良好な表面状態）
×：適さない（劣った表面状態）
【００５０】
【産業上の利用可能性】
上述したように、水溶性塩から複雑な形状のコアを簡便に製造することができる。この水溶性塩を、単独であるいは微細硬質粉末と組み合わせて、溶融してコア型で固化するが、前記水溶性塩は、２８０〜５２０℃の融点、９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）、および高い潜熱を有する。また、コアは、アルミニウム合金またはマグネシウム合金のような軽金属がダイカストまたはスクイズキャスティングのような高圧鋳造に付されるものに適用することができる。最後に、加熱溶融されて抽出されたコアは、経済的優位性をもたらすように再使用することができる。
【技術分野】
本発明はダイカストまたはスクイズキャスティングのような高圧鋳造のための分解性コアの製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、水溶性塩からの複雑な分解性コアの製造方法の製造に関する。また、本発明は、そのような水溶性塩コアに関する。さらに、本発明は、そのような水溶性塩コアの抽出方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
一般的に、コアの製造技術は、複雑な内部構造を有する、または安価で販売される鋳造製品を製造するために必要である。
重力鋳造の場合、硬質砂またはセラミックス粉末または水溶性塩から作られる分解性コアが型の内部に配置され、その後溶融金属が導入され、型内で固化される。その後、分解性コアは機械的または化学的手法により除去されるか、あるいは塩コアが水または蒸気で溶融除去される。
内燃エンジン用のピストンの場合、塩コアの製造技術は、ピストン内部の気道（gallery）を冷却する循環オイルを形成するのに有効である。
【０００３】
米国特許第３，６４５，４９１号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、粉末化された水溶性塩が約１０％の結合剤としての合成樹脂と組み合わせられるコア製造技術が開示されている。米国特許第４，６２９，７０８号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムのような水溶性塩を、アルミナのようなセラミックスおよび結合剤としてのシリコーン樹脂と混合し、焼結する、コア製造技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、実際の状況下では、高性能アルミニウム合金または複合材料ピルトンを製造するために、ピストンがダイカストまたはスクイズキャスティングのような高圧鋳造に付される。
そのような高圧鋳造において、砂で作られてなる従来の分解性コアや従来の塩コアは、鋳造圧により溶融金属がコアの内部に浸透するか、あるいは高圧によりコアが崩壊するため、高圧鋳造法に適用することは困難である。
【０００５】
最近、高圧鋳造が要求される用途に用いることが可能な種々のコア製造技術が発展してきた。例えば、米国特許第３，９６３，８１８号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムのような粉末化された水溶性塩が約１％の水と共に添加され、１．８〜４．０ｔｏｎ/ｃｍ２の高圧下で成形され、その後１００〜３００℃で２０分間焼成される、コア製造技術が開示されている。
【０００６】
米国特許第４，４３８，８０４号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、水溶性塩粉末がジルコン砂のような硬質粉末と混合され、高圧下で炭酸カリウム、炭酸バリウム、または結合剤としてのアルカリシリケートと共に成形される、コア製造方法が開示されている。
米国特許第３，４０７，８６４号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムのような水溶性塩粉末が３重量％のホウ砂、１重量％の酸化マグネシウム、および１重量％のタルクと混合され、高圧下で成形される、コア成形方法が開示されている。
英国特許第２，１５６，７２０号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、粉末化された水溶性塩に静水圧を加圧するコア製造技術が開示されている。
【０００７】
これらの高圧または静水圧を使用する製造方法において、コアが５，０００〜２０，０００ｐｓｉの鋳造圧でその形態を変化させないまま保持し、かつ溶融金属がコアの内部に浸透しないように、粒子間のボイドを最小限に抑えて、その結合力を強化させている。
【０００８】
しかしながら、これらの従来の方法においては、それらの用途がコアのサイズおよび形状により制限され、塩粉末の粒径を微細に制御することを要するため製造コストが製造コストが増大するという欠点に悩まされている。
さらに、コアが水に溶解することから、高圧鋳造製品からコアを完全に除去するのにかなりの時間を要していた。
【０００９】
ところで、米国特許第４，４４６，９０６号、第４，８７５，５１７号、および第５，３０３，７６１号（これらの内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、塩化ナトリウムや塩化カリウムのような水溶性塩を加熱して溶融し、所望によりシリカやアルミナのような硬質粒子と組み合わせて、ダイカストに付す、コアの製造方法が開示されている。
【００１０】
そのままではコアの形状および生産性において成形方法よりも幾分優位となるが、これらの従来の方法はコアのサイズにより用途が制限される。さらに、従来法では、コアを溶解するために水を使用する際に、高圧鋳造製品からコアを完全に除去するのにかなりの時間を要する。
【００１１】
米国特許第４，８４０，２１９号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、ＮａＣｌ：４０重量％およびＮａ２ＣＯ２：４０重量％を含んでなる混合物の溶融塩を１０〜５０％の硬質粉末と共に添加して、型に導入されるスラリーを得る方法が開示されている。米国特許３，４５９，２５３号（この内容は参照として本明細書に組み込まれるものとする）には、ワイヤーやガラス繊維を、硫酸塩および炭酸塩を含んでなる溶融混合物塩に添加して、型に導入されるスラリーを得る方法が開示されている。
【００１２】
これらの方法は、加圧法またはダイカスト法よりも、コアの形状およびサイズにおいてより多くの多様性を有している。ところで、使用される塩は溶融温度が６６０℃を超える程に高いことから、固化時における収縮によりクラックが容易に発生して、コアが脆くなり、取り扱いにくくなる。さらに、水を使用してコアを溶解させなければならないため、高圧鋳造製品からコアを除去するのに相当の時間を要し、また、こうして得られるコア塩は再使用することができない。
【００１３】
【発明の具体的説明】
上述した問題および考察に鑑み、本発明の目的は、複雑な形状のコアを簡便に製造し、かつ再使用可能なアルミニウム合金またはマグネシウム合金を使用することによる高圧鋳造のためのコアを得ることが可能な、高圧鋳造用分解性コアの製造方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、高圧鋳造用の分解性コアを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、コアの抽出方法を提供することにある。
【００１５】
実施形態の一つによれば、本発明の目的の一つは、高圧鋳造用の分解性コアの製造方法であって、水溶性塩を、単独であるいは微細硬質粉末と組み合わせて、溶融してコア型で固化し；または微細粉末に加工して圧力下でコア型で成形し、前記水溶性塩が、２８０〜５２０℃の融点、９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）、および高い潜熱を有し、それにより、分解性コアが水溶性塩から製造される、製造方法により達成される。
【００１６】
別の実施形態によれば、本発明の別の目的は、上記方法により製造された、高圧鋳造用分解性コアにより達成される。
さらに別の実施形態によれば、本発明の別の目的は、高圧鋳造のための分解性コアの抽出方法であって、高圧鋳造製品が熱的に変形しない溶融温度にコアを加熱して、溶融したコアを抽出し、鋳造製品を水で洗浄する、抽出方法により達成される。
【００１７】
【本発明の最善の実施形態】
以下、本発明の高圧鋳造用分解性コア、その製造方法、および抽出方法について詳述する。
【００１８】
高圧鋳造用分解性コアは、水溶性塩から製造されるものであり、この水溶性塩は、単独であるいは微細硬質粉末と組み合わせて、溶融してコア型で固化し；または微細粉末に加工して圧力下でコア型で成形し、前記水溶性塩が、２８０〜５２０℃の融点、９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）、および高い潜熱を有し、それにより、分解性コアが、アルミニウム合金またはマグネシウム合金のような軽金属がダイカストまたはスクイズキャスティングのような高圧鋳造に付される用途に適用されることができ、かつ水溶性塩から製造される。
【００１９】
２８０〜５２０℃の融点、９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）、および高い潜熱を有するものとして、水溶性塩は、硝酸カリウム（ＫＮＯ３）、亜硝酸カリウム（ＫＮＯ２）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）、亜硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ２）、塩化銅（ＣｕＣｌ２）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化鉛（ＰｂＣｌ２）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ）、塩化バリウム（ＢａＣｌ２）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、およびそれらの混合物から選択される。
【００２０】
融点に関して、硝酸カリウム（ＫＮＯ３）には３３３℃が、亜硝酸カリウム（ＫＮＯ２）には２９０℃が、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）には３０８℃が、亜硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ２）には２７０℃が知られている。
【００２１】
重量比で、８２：１７のＮａＣｌ：ＣｕＣｌ２を含んでなる混合物には３１５℃の溶融温度が、重量比で、９２：８のＫＮＯ３：ＫＣｌを含んでなる混合物には３２０℃の溶融温度が、重量比で、５４：４６のＫＣｌ：ＬｉＣｌを含んでなる混合物には３２０℃の溶融温度が、重量比で、９３：７のＰｂＣｌ２：ＮａＣｌを含んでなる混合物には４１０℃の溶融温度が、重量比で、５４：４４のＭｇＣｌ２：ＮａＣｌを含んでなる混合物には４３０℃の溶融温度が、重量比で、５３：４７のＣａＣｌ２：ＢａＣｌ２を含んでなる混合物には４５０℃の溶融温度が、重量比で、５４：４６のＮａＣｌ：ＣａＣｌ２を含んでなる混合物には５１０℃の溶融温度が、測定されており、各々の塩が９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）を有している。
【００２２】
このような水溶性塩が型（mold）内で固化される。このとき、溶融された水溶性塩が溶融温度よりも約３０〜８０℃高い温度で型内に導入され、それにより固化時の収縮に起因するクラックの発生を最低限に抑える。
この点に関して、溶融された水溶性塩が８０℃を超える場合、収縮に起因するクラックおよび孔が固化時に発生する。一方、温度が３０℃未満の場合、水溶性塩は型に注入するのが困難になる。
【００２３】
さらに、型の温度は導入される各塩の融点の半分を超えないように制御される。その理由は、型の温度が低すぎると、塩が型にうまく導入されないからである。一方、型の温度が高すぎると、固化されたコアの表面構造が非常に荒いため、高圧鋳造時にコアの深奥部で熱分解が起こる。
したがって、型材料に適するのはグラファイトであり、これは熱伝導性に優れる。型がグラファイト製の場合、溶融塩は型に容易に導入され、かつ固化速度が非常に速くなるので固化コアの表面構造が微細なものとなる。
【００２４】
溶融塩において、化学的に非反応性の金属またはセラミックスの粉末、繊維、およびウィスカーのような熱安定硬質粒子が添加されてもよい。使用のためには、それらは均一に分散される。
【００２５】
例として、限定されないが、金属粒子として適切なものは、高い固体性、および塩と同程度の比重を有するシリコンである。また、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等もセラミックス粒子と使用することができる。そのような繊維またはウィスカーを使用することができる。
【００２６】
硬質粒子は、好ましくは５〜３０重量％の量で添加される。硬質粒子の添加量が３０重量％を超えると、固化時の収縮が阻害され、分散効果のためにコアの強度が高くなる。しかし、高圧鋳造製品の表面に部分的に付着する硬質粒子の問題を被ることとなる。一方、添加量が５重量％未満であると、硬質粒子の添加効果を得ることができない。
【００２７】
水溶性塩は、粉末に加工され、コア型に導入され、コアに成形される。この点において、圧力下での成形のためには水溶性塩粉末が４０〜１００μｍのサイズを有しているのが特に好ましい。また、塩と化学反応しない潤滑剤が、型から鋳造製品を分離するのを容易にするために好ましく使用される。
このとき、加圧の結果として得られる成形圧が６０〜１００ＭＰａの範囲であるのが好ましい。さらに、コアの表面構造を微細（fine）にするために、成形されたコアを融点下に０．５〜１分間保持するのが好ましい。
【００２８】
本発明の方法により得られるコアは、アルミニウム合金やマグネシウム合金のような金属合金が高圧鋳造に付される用途に使用することができる。
【００２９】
アルミニウム合金やマグネシウム合金のような、低熱容量の金属の高圧鋳造において、型は０．５〜３秒以内に直ちに溶融物で満たされる。コアは、一般的な溶融金属の通常の鋳造温度（６４０〜７２０℃）よりも低い融点（２８０〜５２０℃）を有するけれども、高圧鋳造型のための典型的な材料である、鋼鉄の熱伝達係数（κ）（３３１〜４０３Ｗ／ｍ・℃）の１／１５００〜１／３０００にすぎない熱伝達係数（κ）（９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃）を有している。溶融された合金は型に導入されると直ちに急激に冷却される。
【００３０】
詳しくは、コアが鋼鉄、すなわち型の材料よりも熱伝導性が低いため、溶融物が保持する熱の大半が型に向かって移動する一方、コアに向かって熱はほとんど移動しない。ところで、コアの高い潜熱により、２〜３μｍまでの深さの表面でのみ変形が起こり得るが、全体形状においては変形は起こらない。換言すれば、コアは変形せず、また、高い潜熱のために全体形状において変形することもない。
【００３１】
直ちに完了する高圧鋳造のような一般的な鋳造において、本発明の水溶性塩は、アルミニウムやマグネシウムのような熱容量の低い鋳造金属用のコアとして適している。
【００３２】
ところで、高圧鋳造製品からコアを除去する方法、すなわち鋳造製品からコアを抽出する方法は、高圧鋳造製品が熱的に変形しない溶融温度にコアを加熱し、溶融したコアを抽出し、鋳造製品を水で洗浄することにより行われる。
【００３３】
高圧鋳造製品が３２０〜５５０℃で３〜５分間加熱される時、熱がコアの内部に移動し、それにより、コアが溶融して抽出される。このようにして得られた材料は、コアの成形に再使用されて経済的優位性をもたらすことができる。
【００３４】
例を挙げて説明する以下の実施例を参照することにより、本発明をより良く理解できるであろう。ただし、本発明はこれに限定されて解釈されるべきものではない。
【００３５】
【実施例】
例１
ＫＮＯ３（融点３３３℃）、ＫＮＯ２（融点２９０℃）、ＮａＮＯ３（融点３０８℃）、ＮａＮＯ２（融点２７０℃）、８２：１７のＮａＣｌ：ＣｕＣｌ２混合物（融点３１５℃）、９２：８のＫＮＯ３：ＫＣｌ混合物（融点３２０℃）、５４：４６のＫＣｌ：ＬｉＣｌ混合物（融点３２０℃）、９３：７のＰｂＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４１０℃）、５４：４４のＭｇＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４３０℃）、５３：４７のＣａＣｌ２：ＢａＣｌ２混合物（融点４５０℃）、および５４：４６のＮａＣｌ：ＣａＣｌ２混合（融点５１０℃）を、各々の融点よりも約３０〜８０℃高い温度に個々に加熱した。各々の溶融した塩を型にゆっくりと導入して、グラファイト型にも別個に導入して（ここで、型は両方とも塩の融点の半分まで予熱した）、直径２０ｍｍおよび長さ１００ｍｍの円柱状のコアを製造した。
【００３６】
得られたコアを、壁面が３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、および１５ｍｍの距離でコアから離間して配置された型において、ダイカストおよびスクイズキャスティングに付し、その性能を測定した。その結果を以下の表１および２に示す。
【００３７】
コアの性能の評価のために、６７０℃に加熱されたＡＤＣ１２ Ａｌ合金を、ダイカストのための溶融物の供給速度が１．８ｍ／ｓｅｃ、スクイズキャスティングのための溶融物の供給速度が０．３２ｍ／ｓｅｃ、ダイカストおよびスクイズキャスティングのための圧力が９８０ｋｇ／ｃｍ２という条件下で、高圧鋳造に付した。高圧鋳造後、高圧鋳造製品を３２０〜５５０℃で３〜５分間加熱して、コアを溶融し、鋳造製品を水で洗浄することによりコアの抽出を行った。
【００３８】
鋼鉄型で製造されたコアの性能
【表１】
×：適さない（劣った表面状態）
【００３９】
グラファイト型で製造されたコアの性能
【表２】
×：適さない（劣った表面状態）
【００４０】
例２
ＫＮＯ３（融点３３３℃）、ＫＮＯ２（融点２９０℃）、ＮａＮＯ３（融点３０８℃）、ＮａＮＯ２（融点２７０℃）、８２：１７のＮａＣｌ：ＣｕＣｌ２混合物（融点３１５℃）、９２：８のＫＮＯ３：ＫＣｌ混合物（融点３２０℃）、５４：４６のＫＣｌ：ＬｉＣｌ混合物（融点３２０℃）、９３：７のＰｂＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４１０℃）、５４：４４のＭｇＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４３０℃）、５３：４７のＣａＣｌ２：ＢａＣｌ２混合物（融点４５０℃）、および５４：４６のＮａＣｌ：ＣａＣｌ２混合（融点５１０℃）を、各々の融点よりも約３０〜８０℃高い温度に個々に加熱した。直径が４０〜１００μｍである２０〜３０重量％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３：Isolite.Co.Ltd.、日本）を加熱された溶液に添加して、均一に分散させた。その後、この分散液を、各融点の半分まで予熱したグラファイト型にゆっくりと導入して、直径２０ｍｍおよび長さ１００ｍｍの円柱状のコアを製造した。
【００４１】
同様に、直径０．５〜１μｍおよび長さ１００〜４００μｍを有するシリコンカーバイドウィスカー（ＳｉＣ：TongHae Carbon Co.Ltd.、日本）５〜１５重量％を均一に分散させて、コアを製造した。
【００４２】
得られたコアを、壁面が３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、および１５ｍｍの距離でコアから離間して配置された型において、ダイカストおよびスクイズキャスティングに付し、その性能を測定した。その結果を以下の表３に示す。
【００４３】
コアの性能の評価のために、６７０℃に加熱されたＡＤＣ１２ Ａｌ合金を、ダイカストのための溶融物の供給速度が１．８ｍ／ｓｅｃ、スクイズキャスティングのための溶融物の供給速度が０．３２ｍ／ｓｅｃ、ダイカストおよびスクイズキャスティングのための圧力が９８０ｋｇ／ｃｍ２という条件下で、高圧鋳造に付した。高圧鋳造後、高圧鋳造製品を３２０〜５５０℃で３〜５分間加熱して、コアを溶融し、鋳造製品を水で洗浄することによりコアの抽出を行った。
【００４４】
グラファイト型で硬質粒子混合物から製造されたコアの性能
【表３】
×：適さない（劣った表面状態）
【００４５】
例３
ＫＮＯ３（融点３３３℃）、ＫＮＯ２（融点２９０℃）、ＮａＮＯ３（融点３０８℃）、ＮａＮＯ２（融点２７０℃）、８２：１７のＮａＣｌ：ＣｕＣｌ２混合物（融点３１５℃）、９２：８のＫＮＯ３：ＫＣｌ混合物（融点３２０℃）、５４：４６のＫＣｌ：ＬｉＣｌ混合物（融点３２０℃）、９３：７のＰｂＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４１０℃）、５４：４４のＭｇＣｌ２：ＮａＣｌ混合物（融点４３０℃）、５３：４７のＣａＣｌ２：ＢａＣｌ２混合物（融点４５０℃）、および５４：４６のＮａＣｌ：ＣａＣｌ２混合（融点５１０℃）を、約４０〜１００μｍの粒径に粉砕し、潤滑剤としてタルク１重量％を添加し、８０〜１００ＭＰａの圧力に加圧して、直径２０ｍｍおよび長さ１００ｍｍの円柱状のコアに成形した。この成形したコアを、各塩の融点に０．５〜１分間保持して、コアを製造した。
【００４６】
直径が４０〜１００μｍである２０〜３０重量％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３：Isolite.Co.Ltd、日本）１５重量％、および直径０．５〜１μｍおよび長さ１００〜４００μｍを有するシリコンカーバイドウィスカー（ＳｉＣ：TongHae Carbon Co.Ltd、日本）８重量％を塩粉末に添加し、均一に混合して、コアを製造した。
【００４７】
得られたコアを、壁面が３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、および１５ｍｍの距離のコアから離間して配置された型において、ダイカストおよびスクイズキャスティングに付し、その性能を測定した。その結果を以下の表４に示す。
【００４８】
コアの性能の評価のために、６７０℃に加熱されたＡＤＣ１２Ａｌ合金を、ダイカストのための溶融物の供給速度が１．８ｍ／ｓｅｃ、スクイズキャスティングのための溶融物の供給速度が０．３２ｍ／ｓｅｃ、ダイカストおよびスクイズキャスティングのための圧力が９８０ｋｇ／ｃｍ２という条件下で高圧鋳造に付した。高圧鋳造後、高圧鋳造製品を３２０〜５５０℃で３〜５分間加熱して、コアを溶融し、鋳造製品を水で洗浄することによりコアの抽出を行った。
【００４９】
圧力下で硬質粒子混合物から成形されたコアの性能
【表４】
×：適さない（劣った表面状態）
【００５０】
【産業上の利用可能性】
上述したように、水溶性塩から複雑な形状のコアを簡便に製造することができる。この水溶性塩を、単独であるいは微細硬質粉末と組み合わせて、溶融してコア型で固化するが、前記水溶性塩は、２８０〜５２０℃の融点、９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）、および高い潜熱を有する。また、コアは、アルミニウム合金またはマグネシウム合金のような軽金属がダイカストまたはスクイズキャスティングのような高圧鋳造に付されるものに適用することができる。最後に、加熱溶融されて抽出されたコアは、経済的優位性をもたらすように再使用することができる。
Claims (10)
- 高圧鋳造用分解性コアの製造方法であって、水溶性塩を、単独であるいは微細硬質粉末と組み合わせて、溶融してコア型で固化し；または微細粉末に加工して圧力下でコア型で成形し、前記水溶性塩が、２８０〜５２０℃の融点および９．８×１０−２〜１．２×１０Ｗ／ｍ・℃の熱伝達係数（κ）を有し、それにより、分解性コアが、アルミニウム合金またはマグネシウム合金のような軽金属がダイカストまたはスクイズキャスティングのような高圧鋳造に付される用途に適用されることができ、かつ水溶性塩から製造される、製造方法。
- 水溶性塩が、ＫＮＯ３、ＫＮＯ２、ＮａＮＯ３、ＮａＮＯ２、およびそれらの混合物から選択される、請求項１に記載の製造方法。
- 水溶性塩が、重量％で、８２：１７のＮａＣｌ：ＣｕＣｌ２、９２：８のＫＮＯ３：ＫＣｌ、５４：４６のＫＣｌ：ＬｉＣｌ、９３：７のＰｂＣｌ２：ＮａＣｌ、５４：４４のＭｇＣｌ２：ＮａＣｌ、５３：４７のＣａＣｌ２：ＢａＣｌ２、および５４：４６のＮａＣｌ：ＣａＣｌ２の塩混合物からなる群より選択される、請求項１に記載の製造方法。
- 水溶性塩がその溶融温度よりも３０〜８０℃高い温度で溶融され、型で固化される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
- 型がグラファイト製であり、塩の溶融温度（摂氏温度）の半分まで加熱されてなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
- 水溶性塩が４０〜１００μｍの粒径を有する粉末に加工され、型に導入され、８０〜１００ＭＰａの圧力下で成形される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
- 溶融した水溶性塩が、５〜３０重量％の化学的に非反応性の微細硬質粒子と共に添加され、該微細硬質粒子が、金属またはセラミックスの粉末、繊維、およびウィスカー、ならびにそれらの混合物からなる群より選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
- 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法により製造された、高圧鋳造用分解性コア。
- 高圧鋳造用分解性コアの抽出方法であって、高圧鋳造製品が熱的に変形しない溶融温度にコアを加熱して、溶融したコアを抽出し、鋳造製品を水で洗浄する、抽出方法。
- 高圧鋳造製品が３２０〜５５０℃で３〜５分間加熱され、それによりコアが溶融して抽出されるようにコアの内部に熱が転移される、請求項９に記載の抽出方法。
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