JP4819567B2

JP4819567B2 - 鋳造用中子

Info

Publication number: JP4819567B2
Application number: JP2006127590A
Authority: JP
Inventors: 盾八百川; 浩一安斎; 養司山田
Original assignee: Tohoku University NUC; Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2006-05-01
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-05-01
Also published as: WO2007129578A1; JP2007296566A

Description

本発明は、水溶性を有する鋳造用中子に関するものである。

例えば、アルミニウムダイカスト等の鋳造は、よく知られているように、アルミニウム合金の溶湯を金型内に光速・高圧で射出し、所望とする形状の構造体を鋳造する技術である。このような鋳造において、例えば内燃機関のシリンダブロックのような水冷用のウォータージャケットなど中空構造を有する鋳造物を成形する場合、中子が用いられる。このようなときに用いられる中子は、ゲートから高速で射出される金属溶湯が衝突して大きな衝撃を受けやすく、また、凝固完了まで鋳造圧力も大きいために、高圧および高温に耐えられる強度が要求される。また、中子は、鋳造後、鋳造物から除去することになるが、複雑な内部構造を有する鋳造物などの場合に、一般的なフェノールレンジで固めた砂中子を使用した場合、除去することが容易ではない。これに対し、高温の水などにより溶解することで除去が可能な水溶性の塩中子がある（特許文献１，２，および３参照）。

上述のような塩中子は、炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ＣＯ₃），塩化カリウム（ＫＣｌ），および塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などよりなる複合塩を用い、これらを溶融させて成形し、高い耐圧強度を得るとともに、鋳造における作業性や安定性を向上させるようにしている。

特開昭４８−０３９６９６号公報特開昭５０−１３６２２５号公報特開昭５２−０１０８０３号公報

ところで、上述した従来より用いられているナトリウムイオン（Ｎａ⁺），カリウムイオン（Ｋ⁺），塩素イオン（Ｃｌ^-），炭酸イオン（ＣＯ₃ ^2-）よりなる溶融塩より成形された塩中子では、これらの組成の比率がある特定の範囲である場合に限り、高い耐圧強度が得られている。しかし、従来の組成の範囲では、融点が７００℃以上と溶融成形に適さないものが多い。また、融点が７００℃以下で高強度となる組成のものもあるが、いずれも、ナトリウムイオンがカリウムイオンより多い組成とされ、また、炭酸イオンが塩素イオンより多い組成とされている。例えば、ＣＯ₃ ^2-が多い組成では、塩中子を除去するときに溶解した水溶液のアルカリ性がより強い状態となり、鋳造物の腐食が問題となる。この腐食の問題は、塩酸を利用して中和することで解消可能であるが、ＣＯ₃ ^2-が多い組成では、これに比例して塩酸の使用量が多くなる。すなわち、従来の技術では、アルミニウムダイカスト等の鋳造に適用可能な高い耐圧強度が容易に得られる組成の範囲が、あまり広くないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、Ｎａ⁺，Ｋ⁺，Ｃｌ^-，ＣＯ₃ ^2-よりなる溶融塩より成形された塩（溶融塩）よりなる水溶性を有する鋳造用中子において、Ｋ⁺がＮａ⁺より多くまたＣＯ₃ ^2-がＣｌ^-より少ない組成の範囲において、高い耐圧強度が得られる新たな鋳造用中子を提供することを目的とする。

本発明に係る鋳造用中子は、カリウムイオン，ナトリウムイオン，塩素イオン，および炭酸イオンのみからなる溶融塩によって形成され、全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比を、６０〜７０ｍｏｌ％とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比を３０〜４０ｍｏｌ％としたものである。

本発明によれば、全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比を６０〜７０ｍｏｌ％とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比を３０〜４０ｍｏｌ％としたことにより、Ｎａ⁺，Ｋ⁺，Ｃｌ^-，ＣＯ₃ ^2-よりなる溶融塩より成形された塩（溶融塩）よりなる水溶性中子において、Ｋ⁺がＮａ⁺より多くＣＯ₃ ^2-がＣｌ^-より少ない組成の範囲において、高い耐圧強度が得られる新たな水溶性の鋳造用中子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。はじめに、本発明の実施の形態に係る鋳造用中子の使用形態について図１を用いて説明する。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１において、符号１で示すものは、本発明に係る鋳造用中子としての塩中子２を使用して鋳造されたアルミニウム合金よりなるエンジン用シリンダブロックである。このシリンダブロック１は、自動二輪車用水冷式４サイクル４気筒エンジンの一部であり、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。

図１に示すシリンダブロック１は、四箇所のシリンダボア３，シリンダボア３を有するシリンダボディ４，およびシリンダボディ４の下端から下方に延びる上部クランクケース５が一体に形成されている。上部クランクケース５は、下端部に下部クランクケース（図示せず）が取り付けられ、この下部クランクケースとともに軸受を介してクランク軸（図示せず）を回転自在に軸支している。

シリンダボディ４は、いわゆるクローズドデッキ型のものであり、塩中子２を用いてウォータージャケット６が内部に形成されている。ウォータージャケット６は、冷却水通路形成部７，冷却水入口８，主冷却水通路９，連通路１０を含んで構成されている。冷却水通路形成部７は、シリンダボディ４の一側部に突設されシリンダボア３の並設方向に延在している。また、冷却水口８は、冷却水通路形成部７に形成されている。主冷却水通路９は、冷却水通路形成部７の内部に形成された冷却水分配通路（図示せず）に連通されるとともに全てのシリンダボア３の周囲を覆うように形成されている。また、連通路１０は、主冷却水通路９から図１において上側へ延びてシリンダボディ４の上端の図示していないシリンダヘッドとの合わせ面４ａに開口している。

上述したウォータージャケット６は、冷却水入口８から流入した冷却水を冷却水分配通路によってシリンダボアの周囲の主冷却水通路９に供給し、さらに、この冷却水を主冷却水通路９から連通路１０を通してシリンダヘッド（図示せず）内の冷却水通路に導くように構成されている。このようにウォータージャケット６が形成されることにより、このシリンダボディ４は、シリンダヘッドが接続される上端の合わせ面４ａにウォータージャケット６の連通路１０が開口する他は、シリンダボディ４の天井壁（合わせ面４ａを形成する壁）で覆われることになりクローズドデッキ型の構成となる。

ウォータージャケット６を形成するための塩中子２は、ウォータージャケット６の各部を一体に接続した形状に形成されている。図１においては、塩中子２の形状（ウォータージャケット６の形状）を理解し易いように、シリンダボディ４の一部を破断した状態で描いてある。

この実施の形態に係る塩中子２は、炭酸ナトリウム，塩化ナトリウム，および塩化カリウムなど、複数の塩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。塩中子２の構成成分については以下に詳述する。なお、塩中子２は、ダイカスト鋳造法の他に、例えばグラビティ鋳造法など、他の鋳造法によっても形成することができる。ダイカスト鋳造法による塩中子２の形成では、先ず、後述する複数の塩からなる混合物を加熱して溶融させ溶湯を造る。次に、この溶湯を塩中子用の金型に高圧注入して凝固させ、凝固後に金型から取り出すことによって行う。

塩中子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、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。塩中子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ており、鋳造後に温水または蒸気によって溶解させて除去する。

塩中子２を鋳造後に除去するためには、塩酸と温水などからなる溶解液が貯留された溶解槽（図示せず）にシリンダブロック１を浸漬させることによって行うことができる。シリンダブロック１を溶解液中に浸漬させることにより、塩中子２における通路形成部２ａと、合わせ面４ａに露出する凸部２ｃとが溶解液に接触して溶解する。この溶解部分は、徐々に拡がり、最終的に全ての部位が溶解する。このような中子除去工程では、ウォータージャケット６内に残存した塩中子２の溶解を促進するために、穴から圧力をもって温水または蒸気を吹き付けるようにしてもよい。塩中子２は、凸部２ｃが形成される部位に凸部２ｃの代わりに幅木を挿入することもできる。

また、塩中子２を鋳造物から除去する工程で、塩酸を用いれば、炭酸ガスが発泡するため、この発泡による撹拌作用が得られ、溶解の促進が効果的に行える。また、塩中子２は、炭酸カリウムや炭酸ナトリウムを含むため、これが水に溶解するとアルカリ性を呈することになる。このようにアルカリ性の状態では、鋳造物であるアルミニウムが溶解するなどの問題がある。この問題に対しても、塩酸を添加することで中和するができるので、成形体に対するアルカリによる悪影響を低減できる。

次に、塩中子２について説明する。本実施の形態における塩中子２は、先ず、陽イオンとしてのカリウムおよびナトリウムと陰イオンとしての塩素および炭酸とから構成されたものである。加えて、塩中子２は、全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比ＸＫ⁺（＝［Ｋ⁺］／（［Ｎａ⁺］＋［Ｋ⁺］）×１００）が、６０〜７０ｍｏｌ％とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比ＹＣＯ₃ ^2-（［ＣＯ₃ ^2-］／（［ＣＯ₃ ^2-］＋［Ｃｌ^-］）×１００）が３０〜４０ｍｏｌ％としたものである。

例えば、上記組成となるように、炭酸ナトリウム，塩化ナトリウム，および塩化カリウムを混合し、前述したダイカスト鋳造法により、塩中子２を作製すればよい。また、炭酸カリウム，塩化ナトリウム，および塩化カリウムを混合し、前述したダイカスト鋳造法により、塩中子２を作製してもよい。また、炭酸ナトリウム，炭酸カリウム，塩化ナトリウム，および塩化カリウムを混合し、前述したダイカスト鋳造法により、塩中子２を作製してもよい。なお、塩中子２は、カリウム，ナトリウム，塩素，炭酸のみによって形成されており、強化用のセラミックスや他の強化剤などは含まれていない。

上述した塩中子２の構成は、後述するように発明者らが鋭意行った実験の結果を詳細に検討した結果判明したものであり、アルミニウム合金などのダイカスト鋳造法に使用できる抗折強度が得られるような値を有するものである。発明者らの実験により、以下の表１，表２及び図２，図３に示すように、カリウムイオンがナトリウムイオンより多い組成の範囲においては、ＸＫ⁺を、６０〜７０ｍｏｌ％とし、ＹＣＯ₃ ^2-を３０〜４０ｍｏｌ％としている塩中子が、高い抗折強度が得られている。これに対し、この範囲外の組成の塩中子では、高い抗折強度が得られていない。なお、各イオンの濃度は、ＪＩＳ規格Ｋ０１２７のイオンクロマトグラフ分析通則に制定された分析方法により測定したものである。

図４は、カリウムイオンの陽イオン比および炭酸イオンの陽イオン比と、溶融温度（液相線温度）との関係（Na-K-Cl-CO₃系の状態図）を示し、図４中に、表１に示した各組成について、試料番号に対応させて示している。また、図４中に、Ｋ⁺０ｍｏｌ％，ＣＯ₃ ^2-０ｍｏｌ％の場合のＮａＣｌの液相線温度、Ｎａ⁺０ｍｏｌ％，ＣＯ₃ ^2-０ｍｏｌ％の場合のＫＣｌの液相線温度、Ｋ⁺０ｍｏｌ％，Ｃｌ^-０ｍｏｌ％の場合のＮａ₂ＣＯ₃の液相線温度、Ｎａ⁺０ｍｏｌ％，Ｃｌ^-０ｍｏｌ％の場合のＫ₂ＣＯ₃の液相線温度も示している。なお、図４において、太線で共晶線を示している。

図４から明らかなように、高い抗折強度が得られている試料１−１，１−２，１−３，１−４，および１−５は、ＸＫ⁺を、６０〜７０ｍｏｌ％とし、ＹＣＯ₃ ^2-を３０〜４０ｍｏｌ％とした領域内にある。これに対し、高い抗折強度が得られていない試料２−１，２−２，２−３，２−４，および２−５は、ＸＫ⁺を、６０〜７０ｍｏｌ％とし、ＹＣＯ₃ ^2-を３０〜４０ｍｏｌ％とした領域の外にある。また、上記の領域は、液相線６００℃と液相線６５０℃との間に存在していることが判る。

したがって、本実施の形態における塩中子は、融点が５８０℃程度であるアルミニウム合金の鋳造に用いても溶融することがない。また、本実施の形態における塩中子は、ＣＯ₃ ^2-がＣｌ^-より少ない範囲の組成としたので、塩中子を除去する工程で強いアルカリ性を呈する原因となるＣＯ₃ ^2-が少なく、例えば、鋳造物の腐食が抑制でき、また、中和に要する塩酸の量を少なくできる。また、融点が７００℃を超えることがなく、溶融成形が容易である。

次に、抗折強度の測定について説明する。抗折強度の測定は、所定の寸法とした角柱状の試験片を作製し、この試験片に荷重をかけ、破壊に要した最大荷重より抗折荷重を求める。先ず、試験片の作製について説明する。所定の金型を用い、図５に示すような棒状の試験片５０１を形成する。使用した金型は、例えば、ＳＣＭ４４０Ｈなどのクロームモリブデン鋼から構成されたものである。図５では、金型に溶湯を充填するにあたって用いた押し湯の部分５０２も示しているが、抗折強度の測定においては、部分５０２を切り取る。なお、図５（ａ）は側面図，図５（ｂ）は図５（ａ）のｂ−ｂ位置での断面図を示し、図中に示している寸法は、金型における設計値である。

上述したようにして作製した棒状の試験片５０１の、抗折強度の測定は、図６に示すように、先ず、試験片５０１の中央部に間隔が５０ｍｍ開いた状態で配置された２つの支持部６０１で試験片５０１を支持する。このように支持された状態で、２つの支持部６０１の中間箇所において、間隔が１０ｍｍとなる２箇所の荷重部６０２により、試験片５０１に荷重をかける。試験片５０１に加える荷重を徐々に大きくしてゆき、試験片５０１が折れたときの荷重を表１に示す抗折荷重とした。

ここで、抗折強度σ（ＭＰａ）は、抗折荷重Ｐより「σ＝３ＬＰ／ＢＨ²」の式により求めることができる。上記式において、Ｈは試験片の断面における荷重方向の長さを示し、Ｂは試験片の断面における荷重方向に垂直な長さを示し、Ｌは支点となる支持部６０１から荷重が加わる荷重部６０２までの間隔である。ところで、試験片５０１は、上記金型に流し込むことで形成しているため、湯じわやひけ巣があり精確に型どおりの寸法になりにくい。このため、抗折強度の算出は、試験片の断面が長方形であるものと近似し、Ｈ≒２０ｍｍ，Ｂ≒１８ｍｍ，Ｌ＝２０ｍｍとして計算している。この近似をすることで，実際の強度より０〜２０％程強度を低く見積もる状態になり、例えば、抗折荷重１２００Ｎで破断した試験片は，抗折強度１０ＭＰａの強度をもつ理想的な試験片より強いものと考えることができる。

以下、全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比ＸＫ⁺（＝［Ｋ⁺］／（［Ｎａ⁺］＋［Ｋ⁺］）×１００）を６０〜７０ｍｏｌ％とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比ＹＣＯ₃ ^2-（［ＣＯ₃ ^2-］／（［ＣＯ₃ ^2-］＋［Ｃｌ^-］）×１００）を３０〜４０ｍｏｌ％とした組成の範囲で、高い耐圧強度が得られることについて考察する。

図４より、試料番号１−１〜１−５の成分は、共晶線より塩化物側にあるので，初晶は塩化物の全率固溶体Ｋ_xＮａ_1-xＣｌ（ｘ＝０〜１）である。通常、初晶中のカリウムとナトリウムの割合は混合塩の初期組成によって異なるが，強度にはこの割合が大きく影響を及ぼしていると考えられる。試料番号１−１〜１−５の成分では，初晶の塩化物全率固溶体Ｋ_xＮａ_1-xＣｌ（ｘ＝０〜１）は，ｘ≒０．９〜１のほぼ純粋な塩化カリウムＫＣｌである。この塩化カリウムの初晶は安定な相であるため、室温から液相線に示す温度の範囲で相変態は起こらない。このため、この成分の混合塩を溶融成形すると、高強度の塩中子を得られるものと考えられる。これに対して試料番号１−１〜１−５の成分以外では、初晶の塩化物全率固溶体Ｋ_xＮａ_1-xＣｌ（ｘ＝０〜１）はｘ≒０．１〜０．９となることが多い。この場合には、初晶は安定ではなく、２相分離により脆化し、強度が低下するものと考えられる。

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ある。抗折試験片の抗折強度を示すグラフである。抗折試験片の抗折強度を示すグラフである。カリウムイオンの陽イオン比および炭酸イオンの陽イオン比と、液相線温度との関係を示す特性図（状態図）である。抗折強度測定に用いる試験片の状態を示す構成図である。抗折強度測定を説明するための説明図である。

符号の説明

１…シリンダブロック、２…塩中子、２ａ…通路形成部、２ｂ…環状部、２ｃ…凸部、３…シリンダボア、４…シリンダボディ、４ａ…合わせ面、５…上部クランクケース、６…ウォータージャケット、７…冷却水通路形成部、８…冷却水入口、９…主冷却水通路、１０…連通路。

Claims

カリウムイオン，ナトリウムイオン，塩素イオン，及び炭酸イオンのみからなる溶融塩によって形成され、
全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比を、６０〜７０ｍｏｌ％とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比を３０〜４０ｍｏｌ％とした
ことを特徴とする鋳造用中子。