JP4719248B2 - 鋳型材料混合物、鋳造用鋳型、および該鋳造用鋳型の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、鋳型砂と、水酸化ナトリウム溶液と、アルカリ珪酸塩粘結剤と、添加剤とを含む鋳造用鋳型材料混合物と該鋳型材料混合物を使用して製造された鋳造用鋳型、及び該鋳造用鋳型の製造方法にも関する。
上述したような鋳型材料混合物は、例えばドイツ特許出願公開第102004042535 A1号(DE‘535)(AS Lungen社)に開示されている。ドイツ特許出願公開第102004042535 A1号では、成形・沈降(precipitation)直後や保管及び高湿暴露後の鋳込型の強度を向上させるために、粒子状金属酸化物(酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン又は酸化亜鉛等)と共にアルカリ水ガラス(ケイ酸ナトリウム)を粘結剤として使用している。金属酸化物の粒径は好ましくは300μm未満である。実施例によれば、63μmの網目幅を有する篩に残る割合は10重量%未満、好ましくは8重量%未満である。
米国特許第5,641,015号は、ポリリン酸塩又はホウ酸塩含有粘結剤を混合した場合に高い強度を得ることを目的とした鋳型材料混合物の製造方法を開示している。米国特許第5,641,015号の第4カラムの第39行には、ポリリン酸塩又はホウ酸塩含有粘結剤を使用した乾燥工程により放出される水を可能な限り小さな粒径の二酸化ケイ素を添加することによって吸収することが記載されている。上記二酸化ケイ素は、沈降法によって製造された多孔性一次粒子からなり、一次粒子の粒径は10〜60nmであり、数μmの粒径の二次粒子に凝集する(米国特許第5,641,015号の第4カラム、第64〜66行を参照)。
欧州特許出願第1095719 B1号(EP‘719)は、鋳型材料のための無機粘結剤を開示している。欧州特許出願第1095719 B1号によれば、アルカリ珪酸塩粘結剤を使用し、水酸化ナトリウム溶液を添加する場合には、粘結剤に対して8〜10質量%の水酸化ナトリウム溶液を添加することにより流体抵抗を改善させることができる。流体抵抗は中子砂の含水量を増加させることにより改善させている。
鋳型の強度値(特に曲げ強度)を向上させる従来の手段に加えて、鋳型材料混合物の品質を決定する別の要因を考慮する必要がある。
中子製造装置に鋳型材料を充填する際の鋳型材料の適合性の重要なパラメータである流動性が最も重要である。
その他の重要なパラメータは沈降曲線(precipitation curve)と湿度感受性の低下である。
しかしながら、鋳型材料混合物によって達成すべき主要な品質特性は鋳造物の表面品質である。大量生産における条件下では従来の方法は十分には安定しておらず、欠陥品の発生割合及び再処理コストは非常に高くなる。表面品質を評価する最も好適な基準は、鋳造品への砂の表面付着割合を判定することである。
従って、本発明の目的は、上記評価基準(すなわち、優れた流動性、高い曲げ強度、高い沈降速度(precipitation speed))を達成することができ、砂の表面付着割合を決定することにより測定される表面品質を大きく改善することができる新規な鋳造用鋳型材料混合物及び簡単な乾燥工程によって製造することができる鋳造用鋳型を提供することにある。
本発明によれば、上記目的は請求項に記載された特性により達成される。
近接した粒子スペクトルを有する微粒子である二酸化ケイ素を懸濁液としてほぼ同じ体積割合で添加し、懸濁液を鋳型材料混合物内に均一に分散させ、その後の乾燥工程によって所望の二次構造(sub−structure)とすることにより、非晶質球状二酸化ケイ素からなる添加剤を使用することによって所望の利点が達成されることが判明した。
分散及び乾燥手段に関しては方法に関連する請求項に記載し、さらなる手段を従属請求項に好ましい工程として記載している。より詳細には、混合時に微粒子の凝集が生じず、各粒子の分級において粒子が均一に分散するように配慮する必要がある。そのために、流体ミキサー及び特にベーンミキサー(vane mixer)が永続的な操作条件下で特に好適である。
二次構造を製造する際には、乾燥工程が成形品の表面粗さの形成に主要な影響を及ぼす。より詳細には、300nm以下の山/谷の差を有する凹凸構造が得られるように凹凸構造の分布に影響を与える必要がある。乾燥工程は熱乾燥及びマイクロ波乾燥により行うことができ、78%を超える湿度及び33℃を超える貯蔵温度という厳しい貯蔵条件下であっても、特にマイクロ波加熱炉による乾燥を行うことなく非常に優れた貯蔵性を達成することができた。
乾燥工程時に、粒子上の鋳型材料混合物内の粘結剤層が収縮し、凹凸を有する二次構造が形成される。連続的な予備収縮とその後の収縮により、2段階の収縮時の亀裂形成の結果として300nm以下の山/谷差によって特徴付けられる二次構造モフォロジが形成される。第一段階で使用される物理的乾燥工程時に、エネルギーが湿った粘結剤被覆内に直接導入される。その後の熱乾燥工程によって粘結剤被覆(表面)の強度が向上し、ナノレベル(二次構造)の亀裂が形成される。
後述する実施例では、本発明を他の鋳型材料混合物及びそれによって得られる鋳型と比較して説明する。標準化のために、0.32mmの平均粒径を有するHalten鋳型砂の同一の基本混合物を使用した。粒径は、Brunhuber(第16版、400頁)に準拠して測定した。1〜5μmの粒径を有する非晶質球状SiO (以下、マイクロSiO )25vol%、0.01〜0.05μmの粒径を有する非晶質球状SiO (以下、ナノSiO )25vol%、水50vol%からなる懸濁液を本発明の添加剤として使用した。
流動性はGF流動性として示し、Brunhuber(第16版、352〜353頁)に準拠して測定した。
試験片は22.5×22.5×180mmの標準試験片であり、各試験条件下で試験を行った。
要約すると、本発明に従って鋳型材料混合物の組成物の流動性及び液体アルミニウムに対する吸湿度を向上させることができた。鋳造に使用される液体アルミニウムは二酸化ケイ素を顕著に湿潤させる(より詳細には、SiOを完全に湿潤させ、粒子間の空隙に侵入する傾向がある)ため、本発明の鋳造用鋳型の表面の10%未満という非常に小さな領域にのみ砂が付着したことは予期せぬものであった。
鋳型砂粒子上に均一に分散したアルカリ水ガラス粘結剤と共に、請求項1に記載するように2つの粒径範囲の添加剤を使用することにより、流動性、曲げ強度、沈降(precipitation)の点で従来製品を遙かに凌ぐ珪砂鋳型材料混合物を製造することができた。
調製した鋳型材料混合物では、マイクロメータサイズの非晶質球状SiOが鋳型砂粒子を互いに分離させ、鋳型砂粒子がより容易に滑動できるようにする。このような「ローラースケート効果」は、例えば、2種類の異なる粒子を含む本発明に係る懸濁液をブレードミキサーに導入しながら撹拌抵抗を急激に減少させる流動性測定で確認された。その過程で、ベーンミキサーの電力消費量は50%を超える割合で低下したが、添加剤を使用しない場合には電力消費量は10%未満しか低下しなかった。
混合工程に関しては、各成分の混合順序(metering sequence)及び混合時間が特に重要である。混合順序は以下の通りである。1.珪砂をナトリウム溶液と混合する。2.アルカリ珪酸塩粘結剤を添加する。3.ナノSiO、マイクロSiO、水を含む懸濁液からなる本発明の添加剤を基本混合物に添加する。
混合時間は使用する混合物(mixing aggregate)の種類に応じて異なり、実験的に決定する。混合物の最小混合時間は、目的とする条件(均質化/均一分散)に応じて決定する。
Halten鋳型砂を基本混合物として試験に使用した。以下、従来の粘結剤との比較によって実験手順について説明する。
a)流動性の向上
ナノSiO(0.01〜0.05μm)とマイクロSiO(1〜5μm)を組み合わせて添加することによって達成された流動性の向上について説明するために、以下の混合物の試験結果を比較した。実施例において、鋳型材料混合物の組成は重量%で示し、本発明の懸濁液(添加剤C)を構成するナノSiO およびマイクロSiO の含有%はvol%である。
1.本発明の懸濁液(以下「添加剤C」ともいう)を添加していない基本混合物
2.25%のナノSiO、25%のマイクロSiO、50%の水からなる懸濁液を添加した基本混合物
3.上記懸濁液と等量の水を添加した基本混合物
「基本混合物」とは、異なる組成の鋳型砂、NaOH、アルカリ珪酸塩粘結剤の混合物を示す。
1.従来の粘結剤を含む基本混合物
Brunhuber 400頁に準拠して測定したHaltern鋳型砂
NaOH 0.20%
アルカリ珪酸塩粘結剤 1.80%
添加剤
GF流動性:73%
GF流動性はBrunhuber 352〜353頁に準拠して測定
F+[(h1−h)/(h1−h2)]×100%
2.基本混合物+懸濁液
NaOH 0.20%
アルカリ珪酸塩粘結剤 1.80%
添加剤C 1.00%
(添加剤C:25%のナノSiO、25%のマイクロSiO、50%の水からなる懸濁液、球状ナノSiOは0.03μmの平均粒径を有し、球状マイクロSiOは3μmの平均粒径を有する)
GF流動性:87%
3.懸濁液と等量の水を添加した基本混合物
NaOH 0.20%
アルカリ珪酸塩粘結剤 1.80%
水 0.50%
GF流動性:73%
図1は結果をグラフで示す。試験結果を比較すると、懸濁液によって流動性が向上していることがはっきりと分かる。また、懸濁液と等量の水の添加は流動性に影響を及ぼしていないことが明らかである。
従来の方法と比較するために、同じ基本混合物を使用してDE‘535(AS Lungen社)及びEP‘719に記載されている鋳型材料混合物を製造し、上述したように試験を行った。図7に結果をグラフで示す。比較例は図6に従って選択した。
混合物 流動性
基本混合物 73%
EP‘719に記載の粘結剤 75
DE‘535に記載の鋳型材料混合物 80%
基本混合物+添加剤C 87%
図7は、本発明に従って2種類の異なる粒径を有する球状SiOを添加することにより、中子砂の流動性(GF流動性)が増加することを示している。マイクロ球状SiOはナノSiOによって分離され、ローラースケート効果(砂粒子が砂粒子間に配置されたマイクロ球状SiOによって容易に移動する)が得られている。
b)曲げ強度の向上
1.基本混合物
NaOH 0.20%
アルカリ珪酸塩粘結剤 1.40%
添加剤 −
曲げ強度
除去強度 289N/cm
中子貯蔵時間1h 284N/cm
中子貯蔵時間3h 281N/cm
中子貯蔵時間24h 287N/cm
2.基本混合物+添加剤C
NaOH 0.20%
アルカリ珪酸塩粘結剤 1.40%
添加剤C* 1.00%
曲げ強度
除去強度 475N/cm
中子貯蔵時間1h 483N/cm
中子貯蔵時間3h 476N/cm
中子貯蔵時間24h 475N/cm
(添加剤C:25%のナノSiO、25%のマイクロSiO、50%の水の懸濁液)
図2に測定された曲げ強度値をグラフで示す。添加剤Cを添加していない基本中子砂混合物の曲げ強度と添加剤C(25%のナノSiO、25%のマイクロSiO、50%の水の懸濁液)を添加した基本中子砂混合物の曲げ強度を比較すると、本発明に係る添加剤を添加することによって曲げ強度が2/3増加することが分かる。
c)沈降速度の向上
1.基本混合物
NaOH 0.20%
アルカリ珪酸塩粘結剤 1.40%
添加剤 −
除去強度 除去強度 除去強度
第1の試験片(25秒後) 64N/cm 65N/cm 65N/cm
第2の試験片(50秒後) 62N/cm 65N/cm 64N/cm
第3の試験片(75秒後) 62N/cm 65N/cm 64N/cm
2.基本混合物+添加剤C
NaOH 0.20%
アルカリ珪酸塩粘結剤 1.40%
添加剤C 1.00%
(添加剤C:25%のナノSiO、25%のマイクロSiO、50%の水の懸濁液)
除去強度 除去強度 除去強度
第1の試験片(25秒後) 81N/cm 84N/cm 80N/cm
第2の試験片(50秒後) 95N/cm 92N/cm 95N/cm
第3の試験片(75秒後) 109N/cm 102N/cm 105N/cm
図3に試験結果をグラフで示す。試験装置の制約から、同時に製造した3つの試験片は約25秒毎に個別に試験に供した。
基本混合物の曲げ強度の判定時には、上記時間差は考慮していない(すなわち、3つの試験片の強度はほぼ同じだった)。
しかしながら、添加剤Cを含む試験片に対して試験を行った際には、試験時に曲げ強度が絶え間なく増加することが判明した(第1の試験片から第2の試験片)。
d)湿度感受性の低下
1.基本混合物
NaOH 0.20%
アルカリ珪酸塩粘結剤 2.40%
シリコーン油 0.10%
基本混合物
中子貯蔵時間[h] 曲げ強度 曲げ強度
(湿気キャビネット) マイクロ波乾燥あり マイクロ波乾燥なし
0 289N/cm 57N/cm
1 240N/cm 86N/cm
3 200N/cm 50N/cm
24 25N/cm 22N/cm
2.基本混合物+添加剤C
NaOH 0.20%
アルカリ珪酸塩粘結剤 1.40%
添加剤C 1.00%
(添加剤C:25%のナノSiO、25%のマイクロSiO、50%の水の懸濁液)
基本混合物+添加剤C
中子貯蔵時間[h] 曲げ強度 曲げ強度
(湿気キャビネット) マイクロ波乾燥あり マイクロ波乾燥なし
0 475N/cm 87N/cm
1 409N/cm 106N/cm
3 303N/cm 73N/cm
24 85N/cm 87N/cm
図4及び図5に試験結果をグラフで示す。厳しい条件下(湿度:78%、温度:33℃)における中子の貯蔵性を評価するために、中子を湿気キャビネットに保管した。
図4及び図5は添加剤Cが貯蔵性を向上させていることを示している。
この影響は、中子をマイクロ波加熱炉内で乾燥していない場合に特に明らかである(図5)。
e)砂の付着に関する鋳造品の表面の比較
図6に関する注記
鋳肌品質を判断するために、窪み形状を有する中子(150mm×80mm)を使用した。中子は、Vogel und Schemann AG社製の実験室ベーンミキサーで混合した鋳型材料で形成した。まず、珪砂を用意し、NaOHと共に撹拌し、次に水ガラスを添加した。混合物を1分間撹拌した後、撹拌を続けながら非晶質二酸化珪素(本発明に係る実施例)を添加した。比較例では、ポリリン酸塩溶液(米国特許第5,641,015号又は非晶質球状SiO(‘535))を添加した。次に、混合物をさらに1分間撹拌した。
鋳型材料混合物を、成形ツール(moulding tool)を180℃に加熱した中子製造装置(Rolperwerk Giesereimaschinen社製)の貯蔵室に入れた。鋳型材料混合物を圧縮空気(5バール)によって成形ツールに導入し、35秒間にわたって成形ツール内に放置した。次に、成形ツールを開き、成形品を取り出した。最大強度を得るために、成形品をマイクロ波加熱炉内で乾燥した。次に、鋳造品をオープンハンド鋳造法(open−hand casting)によって得た。
鋳造品を冷却した後、成形品を取り除き、付着した砂の種類と量について鋳肌を評価した。
鋳造パラメータ
鋳造品寸法:150×80×40mm
鋳造品重量:900g
使用合金:AlSi 7mg
鋳造温度:740℃
静止鋳造高さ(static casting height):200mm
表面全体に対する砂が付着した表面の割合
混合物 砂付着表面
添加剤を添加しない基本混合物 75%
ポリリン酸塩及びホウ酸塩を添加した基本混合物 60%(US‘015)
ガラス真珠を添加した基本混合物、
厚み100〜200μm、
ドイツ特許出願公開第102004042535号
(AS LUNGEN社)の表5 Nr.3.7 25%(DE‘535)
広い粒子スペクトルを有する本発明の基本混合物 <10%(本発明)
実施例a)2
図8はこの場合に使用した鋳造品を製造するために使用した成形品を示す。砂付着割合は、成形品における連続的に屈曲した膨らみRとしての屈曲鋳造領域Rの領域における外側表面における割合である。
図6は試験結果をグラフで示す。本発明に係る鋳型材料混合物は、US‘015(非晶質球状SiOナノ粒子)の実施例A)1に係る基本混合物及びDE‘535(非晶質球状合成ケイ酸)と比較して明らかに向上された鋳肌を達成している。
懸濁液有りおよび無しの鋳型材料混合物の流動性を比較して示すグラフである。 添加剤有りおよび無しの中子砂混合物の貯蔵時間による曲げ強度の変化を比較して示すグラフである。 添加剤有りおよび無しの鋳型材料混合物の時間による曲げ強度の変化を比較して示すグラフである。 マイクロ波加熱炉内で乾燥した添加剤有りおよび無しの中子の貯蔵時間による曲げ強度の変化を比較して示すグラフである。 マイクロ波加熱炉内で乾燥していない添加剤有りおよび無しの中子の貯蔵時間による曲げ強度の変化を比較して示すグラフである。 実施例で実験された各種鋳型(中子)により得られた鋳造品の表面全体に対する砂が付着した表面の割合を比較して示すグラフである。 実施例で実験された各種鋳型材料混合物の流動性を比較して示すグラフである。 使用された鋳造用鋳型を示す図である。

Claims (7)

  1. 鋳型砂と、水酸化ナトリウム溶液と、アルカリ珪酸塩粘結剤と、添加剤と、を含む鋳造用鋳型材料混合物であって、前記鋳型砂粒子は0.1〜1mmの粒径を有し、前記鋳型材料混合物は、前記鋳型材料混合物の重量に対して0.1〜10重量%の前記水酸化ナトリウム溶液を含み、前記水酸化ナトリウム溶液は20〜40重量%の濃度を有し、前記鋳型材料混合物は、20〜70重量%の固形分を有する前記アルカリ珪酸塩粘結剤を0.1〜5重量%の量で含み、前記鋳型材料混合物は、前記添加剤として、30〜70重量%の固形分を有し、2種類の異なる粒径を有する非晶質球状SiO (以下、SiO の懸濁液を0.1〜3重量%の量で含み、第1の粒径Aを有するSiO は1〜5μmの粒径を有するSiO (以下、マイクロSiO であり、第2の粒径Bを有するSiO は0.01〜0.05μmの粒径を有するSiO (以下、ナノSiO であり、前記粒径Aを有する粒子と前記粒径Bを有する粒子の体積比は0.8:1.2〜1.0:1.0であることを特徴とする鋳型材料混合物。
  2. 請求項1に記載の鋳型材料混合物によって製造された鋳造用鋳型であって、前記鋳型内の各鋳型砂粒子の表面が、マイクロSiO による一次構造を含み、前記マイクロSiO が各鋳型砂粒子を互いに分離しており、0.5〜2μmの厚みを有し、鋳型砂粒子上に均一に分散された粘結剤層内に分散されたナノSiO の二次構造を有し、前記ナノSiO は300nm以下の高さ/深さの山及び谷を形成していることを特徴とする鋳造用鋳型。
  3. 前記請求項2に記載の鋳造用鋳型の製造方法であって、前記鋳型砂を用意し、鋳型砂を前記水酸化ナトリウム溶液と混合し、前記アルカリ珪酸塩粘結剤と混合し、前記粘結剤を粘結剤被覆として全ての前記鋳型砂粒子上に均一に分散させ、前記2種類の異なる粒径を有するSiO 混合物を前記粘結剤被覆内に混合し、前記鋳型材料混合物を乾燥して鋳造用鋳型の成形品を形成することを含み、前記粘結剤被覆が前記乾燥工程時に収縮し、前記高さの差が300nm以下の粗さを有する構造を形成することを特徴とする鋳造用鋳型の製造方法。
  4. 前記鋳型砂に前記水酸化ナトリウム溶液を0.10〜0.30重量%混合し、前記アルカリ珪酸塩粘結剤を1〜4重量%添加し、前記粘結剤を0.5〜2μmの厚みを有する粘結剤被覆として前記鋳型砂粒子上に均一に分散させることを特徴とする請求項3に記載の鋳造用鋳型の製造方法。
  5. 前記乾燥工程時に、前記粘結剤被覆が50〜70vol%収縮することを特徴とする、請求項3又は4に記載の鋳造用鋳型の製造方法。
  6. 前記乾燥工程が、前記粘結剤被覆を40〜60vol%予備収縮させる工程と、残りの収縮を熱によって生じさせる工程からなる物理的な乾燥工程であることを特徴とする、請求項3〜5のいずれか1項に記載の鋳造用鋳型の製造方法。
  7. 前記残りの収縮を熱によって生じさせる工程をマイクロ波加熱炉内で行うことを特徴とする、請求項3〜6のいずれか1項に記載の鋳造用鋳型の製造方法。
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