JP4516024B2 - 鋳造用中子 - Google Patents
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Description
この種のソルト中子は、例えば、特公昭48−17570号公報(以下、単に特許文献1という)や、米国特許第3963818号明細書(以下、単に特許文献2という)や、米国特許第4361181号明細書(以下、単に特許文献3という)や、米国特許第5165464号明細書(以下、単に特許文献4という)に開示されているように、塩化ナトリウム(NaCl)や塩化カリウム(KCl)を主な材料(ソルト材料)として形成されている。
特許文献4に記載されているソルト中子は、ソルト材料として塩化ナトリウムが用いられ、ダイカスト鋳造法によって所定の形状に成形されている。
また、米国特許第4446906号明細書(以下、単に特許文献5という)と、米国特許第5803151号明細書(以下、単に特許文献6という)と、特公昭49−15140号公報(以下、単に特許文献7という)と、特公昭48−8368号公報(以下、単に特許文献8という)と、特公昭49−46450号公報(以下、単に特許文献9という)と、米国特許第4840219号明細書(以下、単に特許文献10という)には、ソルト材料に充填材としてセラミックスが混入されたソルト中子が開示されている。
特許文献11には、特許文献10と同様に塩化ナトリウムと炭酸ナトリウムとからなる混合塩が示されている。特許文献12には、炭酸ナトリウムに塩化カリウムと塩化ナトリウムとを混合させてなる混合塩が開示されている。
特許文献13には、炭酸ナトリウム、塩化ナトリウムおよび塩化カリウムからなる混合塩に、アルミナ、酸化亜鉛(ZnO)などの金属酸化物や、珪砂、タルク、クレーなどの珪酸質粉粒物が混合されたソルト材料が示されている。
このようにソルト材料を混合塩とすることによって、ソルト材料が単一の塩化物や炭酸塩または硫酸塩などによって形成されている場合に比べて、ソルト材料の融点を相対的に低くすることができる。
これらの人工的に合成された材料は、従来強化プラスチックの補強材料や、耐熱性を有するピストン材料として使われたり、アスベストの代替材料としてブレーキシューに使われたり、あるいは航空・宇宙用に開発された工業材料であり、ソルト中子の強化用セラミックスとして開発されたものではない。
しかし、密度や粒径や形状等は多様なものが市販されており、又、耐熱性や強度安定性も旧来のセラミックスに比べ著しく改善されており、本発明者らはこの点に着目して、これら材料をソルト強化用セラミックスとして活用できないか再検討し、本発明に至ったものである。
請求項3に記載した発明に係る鋳造用中子は、請求項1に記載した鋳造用中子において、セラミックス材料を、密度が2.93g/cm3のホウ酸アルミニウムとしたものである。
請求項5に記載した発明に係る鋳造用中子は、請求項1に記載した発明に係る鋳造用中子において、前記セラミックス材料を、合成ムライト、ホウ酸アルミニウム、炭化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、チタン酸アルミニウム、コージーライトのうちいずれか一つとしたものである。
したがって、本発明に係る鋳造用中子は、鋳造後に水(温水や蒸気も含む)によって除去することができる特性を有しながら、鋳造によって複雑な形状に形成することができ、しかも、セラミックス材料からなる強化材によって抗折強度が予想以上に増大するようになる。このため、本発明に係る鋳造用中子は、例えば従来困難であったダイキャスト機にも使用することができるようになるばかりか、その他の鋳型に装着するときにも特に慎重に取り扱う必要はないから、鋳造の自由度を向上させることができる。
請求項3記載の発明によれば、ホウ酸アルミニウムがソルト材料中に充分に分散したソルト中子を鋳造によって形成することができる。
したがって、本発明に係る鋳造用中子は、鋳造後に水(温水や蒸気も含む)によって除去することができる特性を有しながら、鋳造によって複雑な形状に形成することができ、しかも、セラミックス材料からなる強化材によって抗折強度が予想以上に増大するようになる。このため、この発明に係る鋳造用中子は、例えば従来困難であったダイキャスト機にも使用することができるようになるばかりか、その他の鋳型に装着するときにも特に慎重に取り扱う必要はないから、鋳造の自由度を向上させることができる。
したがって、この発明に係る鋳造用中子は、鋳造後に水(温水や蒸気も含む)によって除去することができる特性を有しながら、鋳造によって複雑な形状に形成することができ、しかも、粒状のセラミックス材料からなる強化材によって抗折強度が予想以上に増大するようになる。このため、この発明に係る鋳造用中子は、例えば従来困難であったダイキャスト機にも使用することができるようになるばかりか、その他の鋳型に装着するときにも特に慎重に取り扱う必要はないから、鋳造の自由度を向上させることができる。また、1種類のセラミックス材料を使用するので、ソルト中子を水で溶解させてセラミックス材料を回収し、再利用が可能となる。
以下、本発明に係る鋳造用中子の一実施の形態を図1ないし図5によって詳細に説明する。
図1は本発明に係る鋳造用中子を使用して鋳造した場合のシリンダブロックの斜視図で、同図は一部を破断した状態で描いてある。図2および図3は合成ムライトの混合量と抗折強度との関係を示すグラフ、図4は抗折試験片を示す図、図5は抗折試験片の重量と抗折力との関係を示すグラフである。
ソルト中子2は、後述するソルト材料とセラミックス材料との混合物からなる中子材料を使用してダイカスト鋳造法によってウォータージャケット6の形状となるように形成されている。この実施の形態によるソルト中子2は、図1に示すように、冷却水入口8と冷却水分配通路とを形成する通路形成部2aと、四箇所のシリンダボア3の周囲を囲む形状の環状部2bと、この環状部2bから上方へ突出する複数の凸部2cとが全て一体に形成されている。これらの凸部2cによってウォータージャケット6の連通路10が形成される。このソルト中子2は、従来からよく知られているように、鋳造時には幅木(図示せず)によって金型(図示せず)内の所定の位置に支持され、鋳造後に温水または蒸気によって溶解させて除去する。
表1に示す合成ムライトの中から鋳造に用いることができるものを選別する実験は、塩化カリウムと合成ムライトとの混合物を加熱して塩化カリウムを溶解させた後に充分攪拌し、溶解用容器を上下方向に逆となるように返して容器内の溶湯が流れ出るか否かで溶湯の流動性の有無を確認することによって行った。この実験により、上述したように溶解用容器を返した状態で溶湯に流動性を有するものを鋳造可能なものとして選択した。この結果を表1と図16、図17に示す。
CeraBeads#1700は、混合量が20%、30%、40%、50%および60%で流動性が認められた。このことから、CeraBeads#1700は、混合量が60%以下であれば充分流動性があり、鋳造可能と考えられる。
MM−325meshは、混合量が10%、20%、30%および40%で流動性が認められた。このことから、MM−325meshは、混合量が40%以下であれば充分流動性があり、鋳造可能と考えられる。また、MM−325meshは塩化カリウムの溶湯中に分散することも確認した。(表1、図15、図17)
MM−16meshは、混合量が20%、30%、40%で流動性が認められるものの、溶解用容器の底に沈殿してしまい、材料として不適であることが判った。なお、表1において、CeraBeadsは焼結品であり、MMは粉砕品である。
これらのセラミックス材料のうち、MM−16mesh以外の沈殿したものを除いてを使用して下記の表2、表3および表4に示すように混合量毎に抗折試験片を作り、抗折強度を求めたところ、図2および図3に示す結果が得られた。
σ=3Pm/bh2‥‥式1
この式1において、σ:抗折強度〔MPa〕、P:抗折荷重〔N〕、m=20mm、b=18mm、h=20mmである。
また、図3から判るように、他の合成ムライトからなるセラミックス材料についても、MM−16meshとCeraBeads#1700とCeraBeads#1450とCeraBeads#650の他はMM−325meshと同様に高い抗折強度が得られることが判った。
本発明に係るソルト中子は、セラミックス材料として粒状を呈するホウ酸アルミニウム(9Al2O3.2B2O3)を使用することができる。ホウ酸アルミニウムを塩化カリウムに混合することにより、図6に示すような抗折強度が得られた。
図6はホウ酸アルミニウムの混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図6に示す抗折強度は、ホウ酸アルミニウムをセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図6中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。
実験を行うに当たって使用したホウ酸アルミニウムは、市販されている粒状のものの中から下記の表5に示す3種類のものを選択した。
上述した粒径の異なる3種類のホウ酸アルミニウムについて、下記の表6に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
また、図6に示すように、ホウ酸アルミニウムの抗折強度は、粒径に殆ど影響を受けることがないことが判る。
したがって、上述したようにセラミックス材料としてホウ酸アルミニウムを使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
本発明に係るソルト中子は、セラミックス材料として粒状を呈する窒化ケイ素(Si3N4)を使用することができる。窒化ケイ素を塩化カリウムに混合することにより、図7に示すような抗折強度が得られた。
図7は窒化ケイ素の混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図7に示す抗折強度は、窒化ケイ素をセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図7中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。
実験を行うに当たって使用する窒化ケイ素は、市販されている粒状のものの中から下記の表7に示す4種類のものを選択した。
NP−600、SN−7およびSN−9の密度は3.18g/cm3で、HM−5MFの密度は3.19g/cm3である。これら4種類の窒化ケイ素は、粒径が互いに異なるものである。
上述した4種類の窒化ケイ素について、下記の表8に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
また、図7に示すように、窒化ケイ素の抗折強度は、粒径に殆ど影響を受けることがないことが判る。
したがって、上述したようにセラミックス材料として窒化ケイ素を使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
本発明に係るソルト中子は、セラミックス材料として粒状を呈する炭化ケイ素(SiC)を使用することができる。炭化ケイ素を塩化カリウムに混合することにより、図8に示すような抗折強度が得られた。
図8は炭化ケイ素の混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図8に示す抗折強度は、炭化ケイ素をセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図8中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。
実験を行うに当たって使用する炭化ケイ素は、市販されている粒状のものの中から下記の表9に示す3種類のものを選択した。
これらの炭化ケイ素は、いずれも塩化カリウムの溶湯中に分散することも確認した(図15参照)。これらの炭化ケイ素は、密度はいずれも3.23g/cm3であり、粒径が互いに異なるものである。
上述した3種類の炭化ケイ素について、下記の表10に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
また、図8に示すように、炭化ケイ素の抗折強度は、粒径に殆ど影響を受けることがないことが判る。
したがって、上述したようにセラミックス材料として炭化ケイ素を使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
本発明に係るソルト中子は、セラミックス材料として粒状を呈する窒化アルミニウム(AlN)を使用することができる。窒化アルミニウムを塩化カリウムに混合することにより、図9に示すような抗折強度が得られた。
図9は窒化アルミニウムの混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図9に示す抗折強度は、窒化アルミニウムをセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図9中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。
実験を行うに当たって使用する窒化アルミニウムは、市販されている粒状のものの中から下記の表11に示す2種類のものを選択した。
これらの窒化アルミニウムは、いずれも塩化カリウムの溶湯中に分散することも確認した(図15参照)。これらの窒化アルミニウムは、密度はいずれも3.25g/cm3であり、粒径が互いに異なるものである。
上述した2種類の窒化アルミニウムについて、下記の表12に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
また、図9に示すように、窒化アルミニウムの抗折強度は、粒径に殆ど影響を受けることがないことが判る。
したがって、上述したようにセラミックス材料として窒化アルミニウムを使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
本発明に係るソルト中子は、セラミックス材料として粒状を呈する炭化ホウ素(B4C)を使用することができる。炭化ホウ素を塩化カリウムに混合することにより、図10に示すような抗折強度が得られた。
図10は炭化ホウ素の混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図10に示す抗折強度は、炭化ホウ素をセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図10中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。
実験を行うに当たって使用する炭化ホウ素は、市販されている粒状のものの中から下記の表13に示す3種類のものを選択した。
上述した3種類の炭化ホウ素について、下記の表14に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
したがって、上述したようにセラミックス材料として炭化ホウ素を使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
本発明に係るソルト中子は、セラミックス材料として粒状を呈するチタン酸アルミニウム(Al2TiO5)や、スピネル(コージーライト:MgO.Al2O3)を使用することができる。これらのセラミックス材料を塩化カリウムに混合することにより、図11に示すような抗折強度が得られた。
図11はチタン酸アルミニウムとスピネルの混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図11に示す抗折強度は、チタン酸アルミニウムとスピネルとをセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図11中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。
実験を行うに当たって使用するチタン酸アルミニウムとスピネルは、市販されている粒状のものの中から下記の表15に示すものを選択した。
チタン酸アルミニウムは密度が3.7g/cm3,粒径が1μmであり,スピネルの密度は3.27g/cm3,粒径が75μmである。
上述したセラミックス材料について、下記の表16に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
したがって、上述したようにセラミックス材料としてチタン酸アルミニウムまたはスピネルを使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
本発明に係るソルト中子は、セラミックス材料として粒状を呈するアルミナ(Al2O3)を使用することができる。アルミナを塩化カリウムに混合することにより、図12に示すような抗折強度が得られた。
図12はアルミナの混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図12に示す抗折強度は、アルミナをセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図12中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。
実験を行うに当たって使用するアルミナは、市販されている粒状のものの中から下記の表17に示すものを選択した。
これらのアルミナは、いずれも塩化カリウムの溶湯中に分散することも確認した(図15参照)。また、これらのアルミナは、密度は約4g/cm3であり、粒径は0.6μmのもの(AL−160SG)と、1μmのもの(AL−45−1)と、3〜4μmのもの(A−42−1)と、40〜50μmのもの(A−12)とである。
上述したアルミナについて、下記の表18に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
したがって、上述したようにセラミックス材料としてアルミナを使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
また、上述したセラミックス材料のうち、材料単価が最も安価なものは合成ムライトであり、材料量(混合量)が最も少なくてよいものはホウ酸アルミニウムである。すなわち、合成ムライトまたはホウ酸アルミニウムを使用することにより、製造コストを低く抑えながら高い強度を有するソルト中子を製造することができる。
V=g(ρc−ρs)d2/18μ‥‥式2
である。ここでVは沈殿速度〔m/s〕、gは重力加速度9.80〔m/s2〕、ρcはセラミックス材料の密度〔g/cm3〕、ρsは溶融状態のソルト材料の密度〔g/cm3〕、dはセラミック材料の粒径〔m〕、μはソルト材料の粘性係数〔Pa・s〕である。
本発明に係るソルト中子は、セラミックス材料としてホウ酸アルミニウムウィスカ(9Al2O3.2B2O3)、窒化ケイ素ウィスカ(Si3N4)、炭化ケイ素ウィスカ(SiC)、6チタン酸カリウムウィスカ(K2O.6TiO2)、8チタン酸カリウムウィスカ(K2O.8TiO2)および酸化亜鉛ウィスカ(ZnO)を使用することができる。
これらのセラミックウィスカとしては、下記の表19に示すものがある。
窒化ケイ素ウィスカ(製品名SNW #1−S)と、炭化ケイ素ウィスカ(製品名SCW# 1−0.8)と、6チタン酸カリウムウィスカ(製品名Tismo N)と、8チタン酸カリウムウィスカ(製品名Tismo D)は、混合量5%と7%のものが鋳造に用いることができることが判った(図24参照)。このことから、これらのウィスカは、混合量が7%以下であれば鋳造可能と考えられる。
酸化亜鉛ウィスカ(製品名WZ−0501)は、混合量5%、10%および15%のものが鋳造に用いることができることが判った(図24参照)。このことから、酸化亜鉛ウィスカは、混合量が15%以下であれば鋳造可能と考えられる。
図19はホウ酸アルミニウムウィスカの混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図19に示す抗折強度は、ホウ酸アルミニウムウィスカをセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図19中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。この実験を行うに当たっては、下記の表20に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
したがって、上述したようにセラミックス材料としてホウ酸アルミニウムウィスカを使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
窒化ケイ素ウィスカまたは炭化ケイ素ウィスカを塩化カリウムに混合することにより、図20に示すような抗折強度が得られた。
図20は窒化ケイ素ウィスカの混合量および炭化ケイ素ウィスカの混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図20に示す抗折強度は、窒化ケイ素ウィスカまたは炭化ケイ素ウィスカをセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図20中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。この実験を行うに当たっては、下記の表21に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
したがって、上述したようにセラミックス材料として窒化ケイ素ウィスカまたは炭化ケイ素ウィスカを使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
6チタン酸カリウムウィスカまたは8チタン酸カリウムウィスカを塩化カリウムに混合することにより、図21に示すような抗折強度が得られた。
図21は6チタン酸カリウムウィスカの混合量および8チタン酸カリウムウィスカの混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図21に示す抗折強度は、6チタン酸カリウムウィスカまたは8チタン酸カリウムウィスカをセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図21中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。この実験を行うに当たっては、下記の表22に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
したがって、上述したようにセラミックス材料として6チタン酸カリウムウィスカまたは8チタン酸カリウムウィスカを使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
酸化亜鉛ウィスカを塩化カリウムに混合することにより、図22に示すような抗折強度が得られた。
図22は酸化亜鉛ウィスカの混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。図22に示す抗折強度は、酸化亜鉛ウィスカをセラミックス材料として第1の実施の形態で示した実験を行うことによって求めたものである。なお、図22中の線は、最小自乗法を用いて描いた近似曲線である。この実験を行うに当たっては、下記の表23に示すように混合量毎に抗折試験片を作成し、抗折強度を求めた。
したがって、上述したようにセラミックス材料として酸化亜鉛ウィスカを使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
また、各セラミックスウィスカの混合量と流動性の関係は、図24に示すようになることが判った。図24は、セラミックスウィスカと塩化カリウムとをタンマン管に入れて800℃で溶解した後、充分に攪拌し、タンマン管を下方に向けて返す実験によって求めた。この実験で溶湯がタンマン管から流れ出るものを「流動性あり」とし、そうでないものを「流動性なし」とした。
ソルト材料として臭化カリウムまたは臭化ナトリウムを使用し、これらのソルト材料にホウ酸アルミニウムウィスカを混合することにより、図25に示すような抗折強度が得られた。
図25は臭化カリウムまたは臭化ナトリウムとホウ酸アルミニウムウィスカの混合量と抗折強度との関係を示すグラフである。同図中には、異なるソルト材料にホウ酸アルミニウムウィスカを混合させた場合の抗折強度も記載した。この異なるソルト材料としては、塩化カリウムと塩化ナトリウムとを使用した。また、図25中には、各ソルト材料の固体状態での密度ρを記載した。臭化カリウムの固体状態での密度ρは2.75g/cm3 であり、臭化ナトリウムの固体状態の密度ρは3.21g/cm3 であり、塩化カリウムの固体状態での密度ρは1.98g/cm3 であり、塩化ナトリウムの固体状態での密度ρは2.17g/cm3 である。
この参考例で使用したホウ酸アルミニウムウィスカは、第1の参考例(図19、表19参照)で説明したものと同一のものである。
したがって、上述したようにソルト材料として臭化カリウムまたは臭化ナトリウムを使用しても第1の実施の形態を採るときと同等の効果を奏するといえる。
Claims (5)
- ソルト材料とセラミックス材料との混合材料を鋳造によって形成してなる鋳造用中子であって、前記ソルト材料は、カリウムまたはナトリウムの塩化物、臭化物、炭酸塩、硫酸塩のうちいずれか一つのものであり、前記セラミックス材料は、人工的に合成された密度が2.2g/cm3より大きく4g/cm3以下の粒状を呈するものである鋳造用中子。
- 請求項1記載の鋳造用中子において、セラミックス材料は、密度が2.79g/cm3〜3.15g/cm3の合成ムライトである鋳造用中子。
- 請求項1記載の鋳造用中子において、セラミックス材料は、密度が2.93g/cm3のホウ酸アルミニウムである鋳造用中子。
- 請求項1記載の鋳造用中子において、前記セラミックス材料の粒径は150μm以下である鋳造用中子。
- 請求項1記載の鋳造用中子において、前記セラミックス材料は、合成ムライト、ホウ酸アルミニウム、炭化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、チタン酸アルミニウム、コージーライトのうちいずれか一つである鋳造用中子。
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