JP5418950B2 - 中子砂又は鋳物砂、中子砂又は鋳物砂の製造方法、鋳型部品の製造方法、鋳型部品、及び中子砂又は鋳物砂の使用方法 - Google Patents
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Description
本発明は、溶融金属を鋳造するための中子及び鋳型の製造に使用される中子砂又は鋳物砂に関するものであり、当該中子砂又は鋳物砂は、水ガラスを含有する成型原料（例えば、ケイ砂、クロム鉱砂、ジルコン砂、オリビン（かんらん石）砂、合成砂）から成り、その水分含有量が、前記砂の総重量の約０．２５〜約０．９重量％（パーセント）である。さらに、本発明はこのような中子砂又は鋳物砂の製造方法、及び、当該中子砂又は鋳物砂を用いた中子又は鋳型の製造方法及びその使用方法に関する。
中子や他の鋳型を製造するための中子砂又は鋳物砂は、すでに知られている。一般に、まず、中子製造具のような、鋳型を模した工具に中子砂又は鋳物砂を充填し、その中子砂又は鋳物砂を圧縮し、硬化して、所望の形状にする。工具を開いてから、所望の鋳型部品（Formteil）、例えば鋳造用中子を取り出すことができる。その鋳造用中子を用いて、アルミニウム含有溶融軽金属などの溶融金属を前記所望の形状に流し込む。溶融金属が固まった後、例えば振盪により、鋳造用中子又は鋳型を取り出す。振盪により、先に固形化して安定していた鋳造用中子／鋳型が崩壊する。
中子砂又は鋳物砂を製造する公知の方法は、発明者の名前から「クローニング法」と呼ばれる。この方法では、成型原料（Formgrundstoff）として細粒ケイ砂を用い、その各粒子を熱可塑性フェノール樹脂層で被覆する。フェノール樹脂は、室温の非硬化状態において加熱前は固体状である。例えば中子製造具のような鋳型を模した工具のように、鋳型部品を形成する空洞に、中子砂又は鋳物砂を導入し、摂氏２５０〜３００度に加熱すると、粘結剤膜が融解し、重縮合により粘結剤架橋が形成され、その粘結剤架橋は、重縮合反応が終了すると、固体状で、デューロプラスチック（duroplastic）性を有する。こうして出来上がった中子又は型を工具から取り出すことができる。
クローニング法を用いた中子砂又は鋳物砂は、他の公知の中子・型製造方法（コールドボックス法、ホットボックス法、フラン樹脂法、水ガラスＣＯ2法など）に比べると、前記の諸方法と異なり、硬化反応が混合後直ちに始まるのではなく、加熱（摂氏２５０〜３００度）が再開されてから始まるという点で優れている。混合済み中子砂又は鋳物砂は、正しく貯蔵すれば、半永久的に貯蔵できる。加工されると、中子砂又は鋳物砂は、良好な流動性、良好な再生精度、高い寸法精度、鋭いエッジ、高い表面品質を呈する。ところが、クローニング法には、中子砂又は鋳物砂から中子又は鋳型部品を製造する際の工具温度を特別に高くしなければならないという欠点があり、そのため、高いエネルギーを要する。クローニング法で製造された中子及び鋳型部品を用いて、摂氏約７００〜１７００度で溶融金属を続けて鋳造すると、フェノール樹脂が燃焼し、健康及び環境に有害な排出物(例えば単環及び多環芳香族)を放出する。鋳造後、使用した中子及び鋳型部品の廃棄も、多大な出費(特別廃棄物処理)をしないと廃棄できないので、環境問題の一因となる。熱再生も、非常にコストが高く、環境に影響を与えることにつながる恐れがある。
環境問題を避けるために、無機、例えば水ガラス基剤の粘結剤を含有する成型原料を用いることも知られている。この方法によれば、成型原料を水ガラスの水溶液と混合し、鋳型製造具にそのまま注入する。鋳型部品を形成するための中子砂又は鋳物砂を脱水（物理的硬化）により固形化させるために、熱を加えることができる。
そのほかの方法としては、中子砂又は鋳物砂に二酸化炭素を通気して化学的に鋳型部品を硬化させる方法がある。
そこで、鋳型用の鋳型部品の製造方法は、例えば独国特許出願公開第１０３２１１０６号明細書にあるように、石英を含まない砂及び水ガラスから製造された無機粘結剤を基に生成された中子砂又は鋳物砂を使用したものが知られている。ここでは、水ガラス粘結剤と成型原料を混合し、それをそのまま鋳型製造具に注入する。
また、独国特許出願公開第１９６３２２９３号明細書にあるように、鋳造手法である半成型中子（Kernformlingen）の製造方法は、無機耐火性鋳物砂と水ガラス基剤の無機粘結剤を混合したものを中子型に注入し、その後、中子を固形化させるために脱水したり、二酸化炭素を通気したりする。
これらの方法で使用できる水ガラス基剤の粘結剤のシステムは、独国特許出願公開第１９９５１６２２号明細書に記載されている。これは、アルカリケイ酸塩水溶液からなり、吸湿性塩基をさらに加えたものである。使用されるアルカリケイ酸塩溶液の固形成分含有量は２０〜４０％と記載されている。
さらに、欧州特許出願公開第０９１７４９９号明細書にあるように、鋳造手法である半成型中子の製造方法は、半成型中子を形成する際に、無機耐火性鋳物砂と水ガラス基剤の無機粘結剤を混合したものを一定の条件の下で使用する。また、欧州特許出願公開第０９１７４９９号明細書には、再生中子砂の製造方法も記載され、この砂は、半成型中子の古い砂の残留物から成る。つまり、この砂は、少なくとも一度は鋳造過程を経て、すなわち中子が形成され、取り出され、粒子に分解されている。
したがって、いずれの従来方法も、アルカリケイ酸塩水溶液を成型原料と混合した無機粘結剤を使用し、その湿性混合物をそのまま鋳型製造具に導入することが一般的である。これらの方法の欠点は、成型原料とアルカリケイ酸塩水溶液を混合して得られる混合物が、貯蔵時に不安定であり、密閉鋳造原料容器のような、一定の条件の下でしか貯蔵出来ないということである。つまり、混合物は、それぞれ鋳型部品の製造直前に製造し、その製造後直ちに使用しなければならないということである。さらに、成型原料とアルカリケイ酸塩水溶液から製造された中子砂又は鋳物砂が、一定の条件の下でしか注入できないという欠点があり、そのため、その中子砂又は鋳物砂が鋳型製造具の空洞全体に確実に充填されるように、負圧を加えたり、鋳型製造具を振盪したりするなどの追加策を取る必要がある。欧州特許出願公開第０９１７４９９号明細書に記載された再生中子砂はまた、半成型中子を製造するのにそのまま使用することができないので、半成型中子を製造する際に良好な特性に付随する貯蔵安定性を得るのにも適さない。
したがって、本発明の基幹をなす目的は、従来技術の中子砂又は鋳物砂の欠点を克服する中子砂または鋳物砂を提供することであり、特に、貯蔵時に安定性を有し、健康及び環境に危険性のない鋳型部品を製造し、使用時に、さらなる手順を取ることなくそのまま使用することができる中子砂または鋳物砂を提供することである。さらに、その中子砂又は鋳物砂は、鋳型製造具に簡単かつ確実に注入できるものである。
上記目的を達成するために提供される、溶融金属を鋳造するための中子及び鋳型の製造に使用される中子砂又は鋳物砂は、水ガラスで被覆された、又は水ガラスと混合された成型原料から成り、その水分含有量が前記砂の総重量の約０．２５〜約０．９重量％である。前記水分含有量は、当該範囲の上下限を含むものとする。さらに、本発明による中子砂又は鋳物砂の製造方法、及び、本発明による中子砂又は鋳物砂を用いて溶融金属を鋳造するための中子及び鋳型の製造方法も提供する。
本発明で使用される水ガラスは、動的粘度が１０2（１０の２乗）パスカル秒以上が好ましく、より好ましくは１０2.5（１０の２．５乗）パスカル秒以上、特に好ましくは１０3（１０の３乗）パスカル秒以上である。水ガラスは、動的粘度が１０2（１０の２乗）パスカル秒以上であれば固体状である。つまり、本発明による中子砂又は鋳物砂は、固体状水ガラスで被覆され、又は固体状水ガラスと混合されていることを特徴とする。
さらに、本発明による中子砂又は鋳物砂は、水分含有量が当該砂の総重量の約０．２５〜約０．９重量％であるが、好ましくは約０．３〜約０．９重量％であり、特に好ましくは約０．３〜約０．９重量％である。中子砂及び鋳物砂の水分含有量が当該砂の総重量の約０．２５重量％を下回ると、そのまま使用できる中子砂及び鋳物砂、とりわけ、後述の本発明による中子及び鋳型の製造方法に使用できる中子砂及び鋳物砂を得ることができない。水分含有量が約０．９重量％を超えると、貯蔵安定性を有する中子砂又は鋳物砂を得ることができない。水分含有量は、ＶＤＧ説明書（VDG Merkblatt）"Pruefung von tongebundenen Formstoffen Bestimmung des Wassergehalts"４．１節３２頁（１９９７年４月）により計測される。
「被覆」とは、本発明の文脈において使用される際には、成型原料の個々の粒子が実質的に均一に水ガラスコーティングで覆われるということである。しかし、この用語は、成型原料のすべての個々の粒子が水ガラスコーティングで別々に覆われるということだけでなく、粒子が部分的に覆われている、あるいは多数の粒子がひとつの水ガラスコーティングで一緒に覆われている実施形態も含むものである。
「混合」とは、本発明の文脈において使用される際には、水ガラスが成型原料と確実に混ぜ合わされて(均質化されて)いるということである。
本発明による中子砂又は鋳物砂は、乾燥した状態であり、注入できることを特徴とする。
注入性は、たとえば、計測用漏斗やカルク・インドゥストリーテヒニク（Karg Indusrietechnik）社製などの特別な注入性試験機器を用いて決定され、所定の質量や所定の容積の注入時間は、対照インジケーターとして計測され、秒を単位として表示される。
例えば、本発明による中子砂および鋳物砂は、約４秒以内の注入性を有するのが好ましく、より好ましくは約３．５秒以内である。この注入性の計測は、計測用漏斗を用い、３５０ｇのサンプル量に対して、摂氏約２０度の室温で行われた。計測用漏斗の上部の広い縁における内径は９０ｍｍ、漏斗の全高は９５ｍｍ、流出管の長さは３２ｍｍ、内径は１５ｍｍであった。
成型原料を被覆する、又は成型原料と混合する水ガラスは、固着剤（Haftvermittler）、流動性向上剤、鋳肌改良剤、分離剤のうちいずれかの添加剤を含有することが好ましい。当該添加剤は、水酸化ナトリウム、非晶質二酸化ケイ素、黒鉛、シリコーンオイル乳濁液、ステアリン酸塩、種々のオイル、界面活性剤、酸化アルミニウム、酸化鉄、滑石、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、種々の金属酸化物のうちいずれかであることが好ましい。
固着剤は、水酸化ナトリウム、吸湿性塩基及び／又は界面活性剤であることが好ましい。流動性向上剤には、非晶質二酸化ケイ素、黒鉛、シリコーンオイル、シリコーンオイル乳濁液、ステアリン酸塩、種々のオイル、界面活性剤のうちいずれかの添加剤を使用することが好ましい。鋳肌改良剤には、非晶質二酸化ケイ素、黒鉛、酸化アルミニウム、酸化鉄、滑石、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、種々の金属酸化物のうちいずれかの添加剤を使用することが好ましい。分離剤にはシリコーンオイル、シリコーンオイル乳濁液、酸化アルミニウム、酸化鉄、滑石、黒鉛、および窒化ホウ素のうちいずれかの添加剤を使用することが好ましい。乾燥剤及び／又は注入補助剤には、乾燥状非晶質二酸化ケイ素を使用することが好ましい。
成型原料には、耐火性の鉱物砂又は合成砂、特にケイ砂、ジルコン砂、クロム鉱砂、実質的に球形の砂、オリビン砂又はそれらの混合物を使用することが好ましい。当該成型原料の平均粒径は、約０．０８〜０．６ｍｍが好ましく、０．０８〜０．５ｍｍが特に好ましい。
さらに、注入補助剤、乾燥剤、流動性向上剤、鋳肌改良剤及び／又は分離剤などの追加補助材料を、本発明の被覆中子砂又は鋳物砂に添加することもできる。当該追加補助材料は、乾燥状非晶質二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化鉄、滑石、黒鉛、および窒化ホウ素のうちいずれかが好ましい。 当該追加補助材料の特性は、水ガラスコーティングへのそれらの添加に関連して、すでに記載されている。
好ましくは、添加される添加剤（水ガラス以外）の総重量は、前記中子砂または鋳物砂の総重量に対して４重量％以下が好ましく、特に３重量％以下が好ましい。特に、本発明の鋳物砂は、有機の添加剤も追加材料も含まないことが好ましい。
好ましくは、本発明の中子砂又は鋳物砂は、本発明の成型原料を用意する工程ａ）と、水ガラスの水溶液及び／又は乾燥した水ガラス粉末を添加する工程ｂ）と、中子砂又は鋳物砂を混合し、乾燥させ、粒分離させる工程ｃ）とを有する方法により製造される。
工程ａ）において、まず中子砂及び／又は鋳物砂と粘結成分及び任意の添加剤との均質化をはかる混合器に成型原料を充填する。当該混合器には、羽根混合器（Fluegelmischer）、振動混合器（Schwingmischer）、集中混合器（Intensivmischer）、回転混合器（Wirbelmischer）、又は、垂直エッジミル（Vertikalkollergang）を使用するのが好ましい。
工程ｂ）で、水ガラスの水溶液及び／又は乾燥状／固体状水ガラス、及び任意の添加剤を添加することができる。水溶液を使用する場合、その水溶液は、１０2（１０の２乗）パスカル秒以内の動的粘度を有するのが好ましい。そのため、「水溶液」というのは、流動性の水ガラス、粘性のある水ガラス、及び、ペースト状の水ガラスを含む。乾燥状／固体状水ガラスを添加する場合、その水ガラスは、１０2（１０の２乗）パスカル秒を上回る動的粘度を有するのが好ましい。種類の違う水ガラスの混合物及び／又は水ガラスの水溶液と乾燥状／固体状水ガラスの混合物を添加することもできる。ここで使用される水ガラスは、一般組成がｘＳｉＯ2・ｙＭ2Ｏ・ｎＨ2Ｏであり、ＭがＬｉ+、Ｋ+、Ｎａ+のうちいずれかであり、ｘ：ｙが好ましくは約１：１から４：１、特に好ましくは約２：１から３．５：１であるアルカリケイ酸塩溶液が好ましい。比率ｘ：ｙは、水ガラスのモジュール、すなわち、分量比ＳｉＯ2：Ｍ2Ｏでもある。ここで、指数ｎは、溶液中のＨ2Ｏの量を決定する。さらに、アルカリケイ酸塩水溶液は、全溶液に対する固体成分含有量が約６０重量％を超えないことが好ましい。
水ガラスは、成型原料の重量に対し約０．５〜約８重量％添加するのが好ましい。さらに、成型原料の重量に対し、好ましくは約０．５％以内、さらに好ましくは約０．１〜約０．２重量％の固着剤を添加することができる。当該固着剤は、水酸化ナトリウム水溶液であることが好ましく、特に、約１０〜約５０％、とりわけ３０％の水酸化ナトリウム水溶液であることが好ましい。当該固着剤は、工程ｂ）で水ガラス水溶液を添加する前に成型原料に添加するのが特に好ましい。
水ガラス水溶液の添加は、固着剤の添加の後に行うのが好ましい。固着剤と水ガラス水溶液の添加をこの順で行うことにより、本発明の中子砂又は鋳物砂は、内側の１層目が固着剤により形成され、２層目が水ガラスにより形成された、少なくとも２層からなる層構造が得られる。追加的な層を設けることもできる。追加的な層は、固着剤層の下、固着剤層と水ガラス層の間、及び／又は水ガラス層の上に設けることができる。この製造の枠組みでは、混合工程の中で層形成材料を添加する順によりこの層構造を調節することができる。上記した添加剤及び／又は補助材料は、たとえば、層形成材料として使用することもできる。固着剤層とその上の水ガラス層が分離した層として形成されることにより、中子砂及び鋳物砂はより安定した水ガラス被覆となり、とりわけ、製造工程中の機械的応力、特に羽根混合器、振動混合器、集中混合器、回転混合器、又は垂直エッジミルを使用することでの応力に、より耐えることができる。
次に、流動性向上剤又は鋳肌改良剤を添加することが好ましいが、その量は、成型原料の重量に対し約３重量％以内であることが好ましい。特に非晶質二酸化ケイ素の水性懸濁液をまず添加するのが好ましく、その量は、成型原料の重量に対し、好ましくは約３重量％以内、特に好ましくは約０．６〜約１．０重量％である。次いで、非晶質二酸化ケイ素と黒鉛の水性懸濁液を添加することが好ましく、その量は、成型原料の重量に対し、好ましくは約３重量％以内、特に好ましくは約０．６〜約１．０重量％である。その水性懸濁液は、約１０〜約８０％が好ましく、特に約３０〜約６０％が好ましい。最後に、工程ｂ）で、流動性向上剤及び／又は分離剤を添加することが好ましく、その量は、成型原料の重量に対し約１重量％以内が好ましく、特に約０．８重量％以内が好ましい。とりわけ、シリコーンオイル及び／又はシリコーンオイル乳濁液を添加するのが好ましい。
また、どの添加剤も添加せず、混合物が成型原料と水ガラスのみを含有してもよい。
好ましい実施形態として、工程ｂ）を以下のように実施する。まず固着剤（水酸化ナトリウムが好ましい）、次に粘結剤（すなわち、例えば水ガラス水溶液）、次に流動性向上剤及び／又は鋳肌改良剤（特に非晶質二酸化ケイ素の水性混濁液、それから非晶質二酸化ケイ素と黒鉛の水性混濁液が好ましい）、そして流動性向上剤及び／又は分離剤（特にシリコーンオイル又はシリコーンオイル乳濁液）の順で添加する。各成分を添加したあと、混合物を混合器により均質化することが特に好ましい。別の実施形態では、すべての成分を添加した後に、混合物を混合器により均質化する。
別の好ましい実施形態では、工程ｂ）で、すでに乾燥状／固体状である水ガラス、又は水性及び乾燥状／固体状の水ガラスの混合物を添加し、それにより、乾燥状／固体状の水ガラスを添加する場合に混合物を乾燥させる必要がない。本実施形態では、可能な限りで最も均質な混合物を得ることができる。
工程ｃ）において、前記中子砂又は鋳物砂を乾燥する。混合器により前記混合物に導入される摩擦エネルギーを乾燥に使用する。このため、回転速度毎分１６０回の羽根混合器を使用することが特に好ましく、１時間混合することが好ましい。加熱し、絶えずかき混ぜることにより、混合物から水分を取り出す。本発明によれば、それを混合し、脱水することにより成型原料を被覆、又は成型原料と混合する水ガラスの水分含有量は、約０．２５〜約０．９重量％の範囲内で設定される。このようにして、水ガラスで固体状に被覆された中子砂又は鋳物砂を得ることができる。本発明による方法により、このように水ガラスで被覆された成型原料が得られ、しかも同時に、貯蔵の際に安定した注入可能な中子砂又は鋳物砂を得ることができる。
乾燥工程を実施するのは、前記成型原料の水ガラスコーティングの水分含有量を維持できるものであれば、どのような装置でも良い。好ましくは、外部からの加熱、温風、放射加熱、真空、陰圧、又は加熱ジャケットを使用することができる。
混合後、さらに、注入補助剤、乾燥剤、流動性向上剤、鋳肌改良剤、又は分離剤などの補助的材料を前記中子砂又は鋳物砂に添加することもできる。これらの補助的材料は、それぞれ、成型原料の重量に対し、約２重量％以内の量であることが好ましい。
好ましくは、工程ｃ）の前に、固着剤、流動性向上剤、鋳肌改良剤、及び分離剤のうちいずれかの少なくとも一つのさらなる添加剤を、成型原料に添加してもよい。また、好ましくは、工程ｃ）の後、注入補助剤、乾燥剤、流動性向上剤、鋳肌改良剤、及び分離剤のうちいずれかの少なくとも一つのさらなる補助的材料を、中子砂又は鋳物砂に添加してもよい。
好ましくは、このようにして得られた中子砂又は鋳物砂をろ過し、集塊を分離させてもよい。
このようにして得られた本発明の中子砂又は鋳物砂をそのまま使用して、中子又は鋳型を製造することができる。本発明による中子砂又は鋳物砂はまた、梱包の如何にかかわらず貯蔵でき、安定性を有しているので、実質的に無期限に貯蔵できる。したがって、本発明による中子砂又は鋳物砂は、鋳型部品の製造方法とは切り離して製造することができ、貯蔵、梱包、輸送できる。つまり、鋳造所や中子及び鋳型部品製造業者の作業を大幅に容易にし、時間を節約する。
特に好ましくは、本発明の中子砂及び鋳物砂は、有機の添加剤や追加材料を含有せず、そのため、当該砂を使用する際に、環境に有害な物質を一切出さない。
本発明の中子又は鋳物砂は、溶融金属を鋳造するための鋳型、又は、中子又は半成型中子を製造する方法に使用するのに優れている。そのため、ａ）本発明による中子砂又は鋳物砂を用意し、ｂ）中子製造具又は工具に、本発明による中子砂又は鋳物砂を充填して、中子を製造する。充填の工程は、圧縮空気、温風、又は水蒸気などのキャリア媒体を用いて、例えば、注入、吹込み、及び／又は射出（Schiessen）により行われる。この工程は、市販の中子射出機（Kernschiessmaschine）により、又は、吸入運搬とそれに続く吹込みにより、行われる。当該中子砂又は鋳物砂は、中子製造具に密に詰めることが好ましい。
中子砂又は鋳物砂を硬化及び固形化して中子を形成するために、その工程ｃ）において、中子砂又は鋳物砂を、少なくとも一つの硬化剤と工具内で接触させる。その硬化剤は、水、水を含有する液体、及び／又は、二酸化炭素などの化学的硬化剤が好ましい。ここでは、水蒸気を使用するのが好ましい。そのため、水蒸気が工具に導入されるのが好ましい。水蒸気は、例えば射出孔（Einschuesse）に設けられた通気板を介して、及び／又は工具通気口に設けられた蒸気接続口を通じて、成型材料に導入することができる。特に好ましいのは、水蒸気と空気の混合を使用することであり、その混合は、成型原料の重量に対し、好ましくは約６重量％以内の水分量を含有し、特に好ましくは３〜４％の水分量を含有する。圧力は、好ましくは約１０バール以内であり、特に好ましくは約０．５〜約１．５バールである。
鋳型、又は、中子若しくは半成型中子を製造するために、本発明の中子砂又は鋳物砂は、好ましくは射出又は注入により中子製造具又は鋳型製造具に導入され、その後、好ましくは密に詰められる。その詰め入れは、振盪及び圧迫により行われることが好ましい。中子砂または鋳物砂を硬化及び固形化させ、中子を形成するために、中子砂又は鋳物砂を工具内で水溶液又は水と接触させることが好ましい。そのためには、水蒸気を使用することが好ましい。水、とりわけ水蒸気との接触は、工程ｂ）の間に、例えば中子砂又は鋳物砂の充填、特にその射出と時間をあわせて、または別の工程ｃ）で中子砂又は鋳物砂を注入した後で、行われることが好ましい。
本発明の中子砂又は鋳物砂の水ガラスコーティングは、水との接触により溶解し、軟化する。水ガラスコーティングを軟化させると、中子砂又は鋳物砂の粒子間に粘結剤架橋が形成される。
次に、中子を固形化させることが好ましいが、とりわけ脱水や化学的手段により行うことが好ましい。この固形化は、好ましくは、中子を通して運ばれる温風や水蒸気／空気混合の形態のような、熱媒体の形のエネルギーにより、中子にもたらされる。さらに別の実施形態では、工具に加えられる陰圧により、脱水することができる。水ガラスは、脱水により固体化し、安定した固形状の鋳型部品が得られる。したがって、実質的に物理的な工程であり、追加的な化学反応は必要としない。
さらに別の実施形態では、二酸化炭素を硬化手段として使用することもでき、そのため、実質的には化学的に固形化する。さらに別の実施形態では、同時にあるいは連続して固形化させるために、両方の方法を行うこともできる。鋳型部品を硬化又は固形化（乾燥化）した後、工具を開き、出来上がった鋳型部品、例えば中子を取り出すことができる。
また別の実施形態では、中子が中子製造具から取り出すために十分な強度を持つまで、当該製造具の中で中子を予備固形化、例えば予備乾燥化させることもできる。その後、この予備固形化中子を中子製造具の外でさらに固形化させることができ、特に、この予備乾燥化中子を、例えばマイクロウェーブ加熱装置、オーブン、又は乾燥室などで、完全に乾燥させることができる。
好ましい実施形態のひとつでは、工具を工程ｂ）からｃ）の間ずっと加熱して中子又は鋳型部品を形成する。その温度は、室温又は摂氏約２０〜約２００度、より好ましくは摂氏約７０〜約１６０度、特に好ましくは摂氏約７０〜約１２０度である。さらに、すでに述べたように、鋳型部品を模した空洞への中子砂又は鋳物砂の注入と時間をあわせて、鋳型部品を水、好ましくは水蒸気と接触させることもできる。水蒸気を使用すると、液体の水が工具の中に生じたり、工具上で凝結したりすることがないという点で優れている。中子砂又は鋳物砂を注入し、水と接触させた直後に、今度は工具を前述の温度で加熱するなどして、そこから水を取り除く。さらに、温風を使用し、及び／又はホットキャリアガスにさらし、及び／又は陰圧／真空圧を適用することにより、水をさらに、又は、代替手段により、取り除くことができる。水と接触させる時間は、例えば約５分〜約３時間である。
上述の方法は、好ましくは工程ａ）〜ｃ）の順で行われる。しかし、それとは異なる工程順も、可能であり、本発明に従うものである。
本発明による中子又は鋳型部品は、好ましくは少なくとも約３００Ｎ／ｃｍ2、より好ましくは少なくとも４００Ｎ／ｃｍ2、特に好ましくは少なくとも約４５０Ｎ／ｃｍ2の曲げ強度を有する。中子の曲げ強度は、ＶＤＧ説明書（VDG Merkblatt）"Bindemittelpruefung, Pruefung von kalthaertenden, kunstharzgebundenen feuchten Formstoffen mit Haerterzusatz"７２頁（１９９９年１０月）に従って試験を行う。
本発明により製造されるこのタイプの中子を使用して、溶融金属を鋳造するための鋳型を製造することができる。
本発明による方法及び本発明による鋳物砂の利点は、鋳物砂は、その注入性により、上述のクローニング法で使用される中子砂又は鋳物砂と同様の注入特性を有しており、そのためそれ以上の追加工程を経ずに鋳型製造具又は中子製造具に信頼性を持って導入することができるということである。クローニング法と異なり、本発明の方法は、鋳型部品を固体化するのに、純粋に物理的な工程を実施し、環境に有害な物質を形成しない。これは、液体金属の鋳造時に、鋳造所に複雑な除去システムを備える必要はなく、作業者がフェノール化合物のような健康に有害なガスにさらされることもないので、有利である。使用済みの無機の中子砂又は鋳物砂を再利用したり、廃棄したりすることも、問題なく可能である。クローニング法と異なり、本発明の方法の間は、かなり低温で固形化できるので、エネルギーも著しく削減することにつながる。加えて、無機的に粘結された中子を金型鋳造において使用すると、金型内の凝縮生成物が明らかに減少することが、利点として判明した。そのため、鋳造後の金型を、より少ない労力で清掃することができ、より大きな金型を使用できる。これにより、生産性も向上する。本発明の方法によれば、再生精度に優れ、非常に鋭いエッジを有する鋳型部品を製造することができる。
さらに、本発明は、半成型中子又は鋳型を製造するための中子製造具及び鋳型製造具に関する。中子製造具は、鋳型製造に適した従来の中子製造具に適宜備え付けることができ、水蒸気又は化学的硬化剤などの硬化剤を導入するのに適した少なくとも一つ以上の接続口を備えている。さらに、場合によっては中子製造具に開口部が設けられ、そこから今度は水蒸気や化学的硬化剤などの硬化剤が脱出することができる。特に、当該中子製造具は、所望の半成型中子又は鋳型を製造するのに適した鋳型、中子砂又は鋳物砂を導入又は射出するための少なくとも一つ以上の接続口、水蒸気又は化学的硬化剤のような硬化剤を導入する少なくとも一つ以上の接続口を備える。しかし、これら接続口は、あわせて一つの接続口、すなわち、中子砂及び鋳物砂と水及び／又は化学的硬化手段のような硬化剤の双方を射出するのに適した接続口として備えることができる。当該接続口はまた、通気板としてもよく、同時に、射出孔及び／又は蒸気接続口（工具通気口から独立したもの）としてもよい。中子製造具は、好ましくは、製造後容易に半成型中子又は鋳型を取り出せるように、二つの部分から成る。
本発明を、実施例を用いて説明する。
実施例１：
中子砂又は鋳物砂の製造
粘結剤組成：
成型原料： ケイ砂 Ｈ３２
１．固着剤： ０．１重量％水酸化ナトリウム
２．粘結剤： ３．０重量％水ガラス
（モジュール２．５；４．８％固体）
３．流動性向上剤／鋳肌改良剤：０．８重量％非晶質二酸化ケイ素懸濁液及び水
（５０％）
４．流入補助剤： ０．５重量％非晶質二酸化ケイ素
（混合成分の量は、使用される成型原料の量に対するものである。）
混合凝集物:
混合器のタイプ： 羽根混合器
回転速度： 毎分１６０回転
混合時間： １時間
中子砂又は鋳物砂の製造
粘結剤組成：
成型原料： ケイ砂 Ｈ３２
１．固着剤： ０．１重量％水酸化ナトリウム
２．粘結剤： ３．０重量％水ガラス
（モジュール２．５；４．８％固体）
３．流動性向上剤／鋳肌改良剤：０．８重量％非晶質二酸化ケイ素懸濁液及び水
（５０％）
４．流入補助剤： ０．５重量％非晶質二酸化ケイ素
（混合成分の量は、使用される成型原料の量に対するものである。）
混合凝集物:
混合器のタイプ： 羽根混合器
回転速度： 毎分１６０回転
混合時間： １時間
必要な熱エネルギーは、全て、発生する摩擦熱により導入された。あるいは、混合時間は、別の混合凝集物を使用、又は外部熱源若しくは陰圧を使用することによりかなり減少できるであろう。
集塊の分離は、網目１ｍｍのろ過材を用いて行われた。
実施例１で製造された鋳物砂の注入性を、他の種々の中子砂及び鋳物砂と比較した計測値を表１に示す。
カルク・インドゥストリーテヒニク社製の注入性試験装置による比較計測：３５０ｇ鋳物砂、流出口直径１５ｍｍ
この表から読み取れるように、実施例１により製造された中子砂又は鋳物砂は、クローニング法により製造されたものと同様の注入性を有し、その他の従来の中子砂より優れている。
中子製造：
工具パラメータ：
中子： 曲げ棒（２本）
（寸法：２２．５ｍｍ×２２．５ｍｍ×１８５ｍｍ）
工具温度： 摂氏８０度
鋳物砂の導入： 振盪
水蒸気／空気混合気の温度： 摂氏１０５度以上
水蒸気／空気混合気の圧力： １バール
水蒸気／空気混合気の水分含有量：１３ｍｌ
時間： ３０秒
温風乾燥：
温風温度： 摂氏１６０度
通気圧： １バール
時間： ３０秒
平均中子重量： １３７ｇ
工具パラメータ：
中子： 曲げ棒（２本）
（寸法：２２．５ｍｍ×２２．５ｍｍ×１８５ｍｍ）
工具温度： 摂氏８０度
鋳物砂の導入： 振盪
水蒸気／空気混合気の温度： 摂氏１０５度以上
水蒸気／空気混合気の圧力： １バール
水蒸気／空気混合気の水分含有量：１３ｍｌ
時間： ３０秒
温風乾燥：
温風温度： 摂氏１６０度
通気圧： １バール
時間： ３０秒
平均中子重量： １３７ｇ
実施例２：
水ガラスで被覆された本発明による成型材料と再生中子砂との比較試験
実施例１の成型材料混合物及び以下の成型材料混合物を試験に使用した：
・水ガラス被覆成型材料
Ｈ３２＋０．１％添加剤Ａ＋５．０％水ガラス粘結剤（モジュール２．５）
＋０．８％添加剤Ｃ
・再生中子砂（熱的・機械的加圧）
Ｈ３２＋０．１％添加剤Ａ＋５．０％水ガラス粘結剤（モジュール２．５）
水ガラスで被覆された本発明による成型材料と再生中子砂との比較試験
実施例１の成型材料混合物及び以下の成型材料混合物を試験に使用した：
・水ガラス被覆成型材料
Ｈ３２＋０．１％添加剤Ａ＋５．０％水ガラス粘結剤（モジュール２．５）
＋０．８％添加剤Ｃ
・再生中子砂（熱的・機械的加圧）
Ｈ３２＋０．１％添加剤Ａ＋５．０％水ガラス粘結剤（モジュール２．５）
注入性
注入性は、計測用漏斗を用い、３５０ｇのサンプル量に対して、摂氏約２０度の室温で計測された。計測用漏斗の上部の広い縁における内径は９０ｍｍ、漏斗の全高は９５ｍｍ、流出管の長さは３２ｍｍ、内径は１５ｍｍであった。
注入性は、計測用漏斗を用い、３５０ｇのサンプル量に対して、摂氏約２０度の室温で計測された。計測用漏斗の上部の広い縁における内径は９０ｍｍ、漏斗の全高は９５ｍｍ、流出管の長さは３２ｍｍ、内径は１５ｍｍであった。
試験結果：
・クローニング法成型原料 注入時間：２．９秒；３．０秒；３．１秒→３．０秒（１００％）
・水ガラス被覆成型材料 注入時間：３．３秒；３．４秒；３．２秒→３．３秒（９０％）
・Ｈ３２新砂 注入時間：３．６秒；３．５秒；３．５秒→３．５秒（８２％）
・再生中子砂 注入時間：３．７秒；３．５秒；３．６秒→３．６秒（８０％）
・クローニング法成型原料 注入時間：２．９秒；３．０秒；３．１秒→３．０秒（１００％）
・水ガラス被覆成型材料 注入時間：３．３秒；３．４秒；３．２秒→３．３秒（９０％）
・Ｈ３２新砂 注入時間：３．６秒；３．５秒；３．５秒→３．５秒（８２％）
・再生中子砂 注入時間：３．７秒；３．５秒；３．６秒→３．６秒（８０％）
この試験により、再生中子砂の注入性は、本発明による被覆成型材料よりも実質的に低いことは明らかである。
成型材料に対する水分又は水蒸気割合
炉内温度：摂氏１０５度； 前記ＶＤＧ説明書（VDG Merkblatt）４．１節３２頁（１９９７年４月）による一定重量まで
炉内温度：摂氏１０５度； 前記ＶＤＧ説明書（VDG Merkblatt）４．１節３２頁（１９９７年４月）による一定重量まで
製造工程後、水ガラス被覆成型材料は、まだ０．３８％という良好な水分含有量／水蒸気割合（成型材料に対して）を有する。
再生中子砂（熱的／機械的加圧）は、０．１８％の水分含有量しか有しない。
曲げ強度：
曲げ強度決定のために、試験用中子（試験棒）を両方の成型材料混合物から製造し、曲げ強度を計測した。
曲げ強度決定のために、試験用中子（試験棒）を両方の成型材料混合物から製造し、曲げ強度を計測した。
試験パラメータ：
工具温度： 摂氏６０度
通気圧（水蒸気）： １．１バール
通気時間（水蒸気）：６０秒
陰圧による乾燥
工具温度： 摂氏６０度
通気圧（水蒸気）： １．１バール
通気時間（水蒸気）：６０秒
陰圧による乾燥
その結果、本発明による水ガラス被覆の成型材料は、４８１Ｎ／ｃｍ2の平均曲げ強度を有し、一方、再生中子砂は粘着せず、中子が製造できなかった。
水蒸気を導入して中子を製造することは、再生中子砂を用いてはできず、粘着はできなかった。
Claims (18)
- 溶融金属鋳造用の中子及び鋳型の製造に使用される中子砂又は鋳物砂であって、
該中子砂又は鋳物砂は、水酸化ナトリウムからなる固着剤層とその上に配置された水ガラス層とによって被覆された成型原料から成り、水分含有量が前記砂の総重量に対し０．２５〜０．９重量％であることを特徴とする中子砂又は鋳物砂。 - 前記水ガラスが流動性向上剤、鋳肌改良剤、乾燥剤、及び分離剤のうち少なくとも一以上の添加剤を有することを特徴とする請求項１に記載の中子砂又は鋳物砂。
- 前記成型原料がケイ砂、クロム鉱砂、ジルコン砂、ほぼ球形の砂、及びオリビン砂などの鉱物砂又は合成砂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の中子砂又は鋳物砂。
- 前記成型原料の平均粒径が０．０８ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の中子砂又は鋳物砂。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の中子砂又は鋳物砂を製造する方法であって、
ａ）成型原料を用意する工程と、
ｂ）水酸化ナトリウムからなる固着剤を添加し、さらに水ガラスを添加する工程と、
ｃ）水分含有量が中子砂又は鋳物砂の総重量に対し０．２５〜０．９重量％になるように中子砂又は鋳物砂を乾燥させる工程とを有することを特徴とする中子砂又は鋳物砂の製造方法。
- 添加の工程ごとに、得られる混合物を均質化することを特徴とする請求項５に記載の中子砂又は鋳物砂の製造方法。
- 前記工程ｃ）を、混合時の摩擦エネルギーの導入又は追加熱により、好ましくは温風、放射加熱、加熱ジャケット、又は真空若しくは陰圧の適用により行うことを特徴とする請求項５又は６に記載の中子砂又は鋳物砂の製造方法。
- 前記工程ｃ）を、室温〜摂氏１６０度で、質量に応じて５分〜３時間行うことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の中子砂又は鋳物砂の製造方法。
- 前記工程ｃ）で中子砂又は鋳物砂をろ過することを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の中子砂又は鋳物砂の製造方法。
- 請求項５乃至９のいずれかに記載の方法により得られることを特徴とする溶融金属鋳造用の鋳型の鋳型部品用の中子砂又は鋳物砂。
- 溶融金属鋳造用の鋳型の鋳型部品を製造する方法であって、
ａ）請求項１乃至４のいずれかに記載の中子砂又は鋳物砂を用意する工程と、
ｂ）当該中子砂又は鋳物砂を、鋳型部品を模した空洞に注入する工程と、
ｃ）前記工程ｂ）の注入の前、間、及び／又は後に、前記中子砂又は鋳物砂を少なくともひとつの硬化剤と接触させ、前記鋳型部品を固形化させる工程とを有することを特徴とする鋳型部品の製造方法。 - 前記工程ｃ）を、水蒸気と接触させることにより行うことを特徴とする請求項１１に記載の鋳型部品の製造方法。
- 前記工程ｂ）とｃ）を同時に行うことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の鋳型部品の製造方法。
- 前記工程ｂ）及びｃ）のうち少なくとも一工程の間に、前記空洞を摂氏２０度〜１６０度で加熱することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の鋳型部品の製造方法。
- 前記工程ｂ）及びｃ）のうち少なくとも一工程の間に、前記空洞を摂氏６０度〜１２０度で加熱することを特徴とする請求項１４に記載の鋳型部品の製造方法。
- 前記工程ｂ）及びｃ）の間中、前記空洞を加熱することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の鋳型部品の製造方法。
- 請求項１１乃至１６のいずれかに記載の鋳型部品の製造方法により得られることを特徴とする、溶融金属鋳造用の鋳型の鋳型部品。
- 溶融金属鋳造用の鋳型の鋳型部品を製造するために使用することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の中子砂又は鋳物砂の使用方法。
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