JP5737016B2 - 崩壊性中子、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、塩を主成分とする崩壊性中子、及びその製造方法に関する。

従来、高圧ダイカスト鋳造において、アンダーカット形状の製品を鋳造する場合、塩などの水溶性成分を主成分とした崩壊性中子（塩中子）を用いて鋳造し、鋳造後に崩壊性中子を溶解除去する手法が提案されている（特許文献１）。

特開２０１０−２２７９７７号公報

上述のような塩を主成分とした崩壊性中子は、その材料特性上熱伝導性が低いため、この崩壊性中子を用いた鋳造において、崩壊性中子に接触する部分の溶湯の凝固が、金型に接する溶湯の凝固に対して遅れる欠点があった。

このため、凝固速度が遅い重力鋳造や低圧鋳造ではさほど問題にならないが、急冷凝固を特徴とする高圧ダイカスト鋳造に上述の崩壊性中子を使用する場合には、金型に接触している溶湯の凝固速度と、崩壊性中子に接触している溶湯の凝固速度との差が大きくなってしまい、ダイカスト鋳造品において崩壊性中子に接触する部位にひけ等の鋳造欠陥が発生する恐れがある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、中子に接触する溶湯の凝固を促進させて鋳造欠陥の発生を防止できる崩壊性中子、及びその崩壊性中子の製造方法を提供することにある。

本発明に係る崩壊性中子は、塩を主成分とし、強化成分を含む崩壊性中子であって、融点及び熱伝導率が前記塩及び強化成分よりも高い金属粒子が、２０〜４０ｖｏｌ％添加されて構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る崩壊性中子の製造方法は塩を主成分とし、強化成分を含む配合物を溶融し、この溶融した前記配合物の溶融塩に、融点及び熱伝導率が前記塩及び強化成分よりも高い金属粒子を２０〜４０ｖｏｌ％になるように混合し、この金属粒子を含む前記溶融塩を所定の型に注入して鋳造し、崩壊性中子を成形して製造することを特徴とするものである。

本発明によれば、主成分の塩に対し金属粒子が２０ｖｏｌ％以上添加されたので、崩壊性中子の熱伝導率及び熱容量を高めることができる。このため、この崩壊性中子を使用した鋳造において、崩壊性中子に接触する溶湯の凝固を促進させることができるので、ひけ等の鋳造欠陥の発生を防止できる。また、主成分の塩に対する金属粒子の添加量が４０ｖｏｌ％以下であるため、崩壊性中子を鋳造して成形する際に、金属粒子を含む溶融塩の流動性を確保でき、その溶融塩の細部への充填が良好になされて、崩壊性中子を好適に鋳造できる。

本発明に係る崩壊性中子の一実施形態が適用された塩中子を示す側面写真。 図１の塩中子を吸・排気ポート形成用として用いた高圧ダイカスト鋳造により成形されたシリンダヘッドを示す写真。 図１の塩中子の断面を示し、粒子径が２５０μｍの金属粒子を３０ｖｏｌ％添加した場合を示す断面観察写真。 図１の塩中子の断面を示し、粒子径が１０〜２００μｍの範囲の金属粒子を３０ｖｏｌ％添加した場合を示す断面観察写真。 図１の塩中子を構成する構成材料の比重及び熱伝導率などを示す図表。 第１実験例で用いられた塩中子の構成材料の諸元と、塩中子の特性を示す図表。 第２実験例で用いられた塩中子の構成材料の諸元と、塩中子の特性を示す図表。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。図１は、本発明に係る崩壊性中子の一実施形態が適用された塩中子を示す側面写真である。

この図１に示す塩中子１０は、例えば吸・排気ポート形状に形成されたものであり、アルミニウム合金製のシリンダヘッド１１（図２）を高圧ダイカスト鋳造により成形する際に、シリンダヘッド成形用の金型（不図示）内に保持されて、シリンダヘッド１１の吸・排気ポート１２を形成するために用いられるものである。

この塩中子１０は、ＮａＣｌ（塩化ナトリウム）やＫＣｌ（塩化カリウム）などの塩を主成分（基本成分）とし、セラミック粒子を強化成分とし、これらの塩とセラミック粒子を混合した配合物に、上記塩よりも融点の高い金属粒子が、２０〜４０ｖｏｌ％（体積％）添加されて構成されたものである。図３では、塩１３及びセラミック粒子１４中に球形状の金属粒子１５（図３では、粒子径が２５０μｍの鉄粒子）が点在している。また、図４では、塩１３及びセラミック粒子１４中に塊形状の金属粒子１６（図４では、粒子径が１０〜２００μｍの範囲の粒子径が異なる鉄粒子）が点在している。

このような塩中子１０は、塩１３とセラミック粒子１４とを混合した配合物を加熱溶融し、次に、この加熱溶融した配合物の溶融塩に金属粒子１５、１６を、２０〜４０ｖｏｌ％となるように混合して撹拌し、その後、この金属粒子１５、１６を含む溶融塩を、塩中子１０成形用の所定の金型に注入して、塩中子１０を成形して製造する。

ここで、セラミック粒子としては、例えばムライトフラワーと、このムライトフラワーを焼結したセラビーズとの混合物が用いられる。

また、金属粒子１５、１６の材質としては、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅などが挙げられる。これらの金属粒子１５、１６の材質は、熱伝導率及び熱容量が塩１３及びセラミック粒子１４に比べて非常に大きい。例えば、図５に示すように、中炭素鋼は、ＮａＣｌの５０倍程度の熱伝導率である。

このように熱伝導率及び熱容量が塩１３及びセラミック粒子１４に比べて非常に大きな金属粒子１５、１６を添加、特に２０ｖｏｌ％以上添加することで、塩中子１０の熱伝導率及び熱容量を高めることが可能になる。これにより、この塩中子１０を用いたシリンダヘッド１１の高圧ダイカスト鋳造において、塩中子１０に接触する溶湯（アルミニウム合金溶湯）の凝固を、金型に接触する同溶湯の凝固と略同程度まで促進させることが可能になり、鋳造成形されたシリンダヘッド１１の吸・排気ポート１２の内面に、ひけ等の鋳造欠陥の発生が防止される。

また、上述の金属粒子１５、１６の添加量が４０ｖｏｌ％以下に限定されたことで、塩中子１０を鋳造成形する際に、金属粒子１５、１６を含む溶融塩の粘度が適切化されて、その溶融塩の流動性が確保される。これにより、金属粒子１５、１６を含む溶融塩の細部への充填が良好になされて、塩中子１０の鋳造性が良好になる。

更に、金属粒子１５、１６の粒子径は２５０μｍ以下に設定されている。その理由は、塩中子１０を鋳造成形する際に、金属粒子１５、１６を含む溶融塩を良好に撹拌でき、且つ金属粒子１５、１６の沈澱を生じ難くするためであり、更に、金属粒子１５、１６を含む溶融塩の細部への充填を良好に実施できるようにして、塩中子１０の鋳造性を好適に確保するためである。

［実験例］
次に、第１実験例を図６を参照して、第２実験例を図７を参照してそれぞれ説明する。

［第１実験例］
ＮａＣｌとＫＣｌの混合塩を基本成分とし、強化成分としてセラミック粒子を添加した塩中子を用意した。この塩中子に鉄製（ＳＷＲＨ製；中炭素鋼に含まれる）の金属粒子を混合して塩中子を鋳造した。この金属粒子を含んだ塩中子を用いて高圧ダイカスト鋳造を行い、シリンダヘッドを鋳造成形した。このシリンダヘッドにおいて、塩中子で形成した吸・排気ポートにひけ等の鋳造欠陥が有るか否かを観察した。同時に、塩中子を鋳造する際における金属粒子を含んだ溶融塩の攪拌性、鋳造性を評価した。詳細を以下に示す。

（ａ）塩中子鋳造
塩中子の基本配合物であるＮａＣｌ：２７０ｇと、ＫＣｌ：２３０ｇと、セラビーズ：４４ｇと、ムライトフラワー：４４ｇとを混合し、７５０℃に加熱溶融した。

この溶融された基本配合物に、鉄製の金属粒子（粒子径２５０μｍ、材質ＳＷＲＨ）を、体積％で５ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％、４０ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％となるように、それぞれ１１０ｇ、２３３ｇ、５２４ｇ、８９９ｇ、１３９８ｇ、２０９７ｇ混合し、均一に攪拌した後、シリンダヘッドの吸・排気ポート形状の金型に流し込み、塩中子を鋳造成形した。

（ｂ）塩中子を用いたダイカスト鋳造
高圧ダイカスト鋳造用のシリンダヘッド金型に塩中子を保持し、溶融したアルミニウム合金（材質ＡＤＣ１２）を、鋳造圧５８ＭＰａ、射出速度３．０ｍ／ｓｅｃの条件で、シリンダヘッド形状に鋳造して、シリンダヘッドを製造した。

（ｃ）塩中子除去
塩中子の除去には、常温の工業用水を用い、加圧噴射によって塩中子を溶解した。塩中子溶解除去後の吸・排気ポート周辺を観察し、鋳造物であるシリンダヘッドの状態を観察した。

（ｄ）実験結果（塩中子の鋳造性、シリンダヘッドの鋳造欠陥）
塩中子の鋳造に際しては、金属粒子の添加量が増加するにつれ、この金属粒子を含む溶融塩の粘度が増加するため、溶融塩の流動性が低下して、塩中子の鋳造性が著しく劣ってしまう。金属粒子の添加量は、良好な鋳造性を確保するためには、４０ｖｏｌ％が限度である。また、金属粒子の添加量が２０ｖｏｌ％未満の場合には、金属粒子の添加によるダイカスト鋳造品（シリンダヘッド）に対する鋳造欠陥防止の効果が得られない。これらのことから、塩中子鋳造時における溶融塩への金属粒子添加量は、配合例３、４及び５のように２０〜４０ｖｏｌ％が最適である。

［第２実験例］
第１実験例と同様の基本配合物の溶融塩に、粒子径の異なる鉄製（材質ＳＷＲＨ）の金属粒子を、体積％で３０ｖｏｌ％となるように混合し、均一に攪拌した後、シリンダヘッドの吸・排気ポート形状の金型に流し込み、塩中子を成形した。同時に、鉄製の金属粒子を含んだ溶融塩の攪拌性、鋳造性を評価した。詳細を以下に示す。

（ａ）塩中子鋳造
塩中子の基本配合物であるＮａＣｌ：２７０ｇと、ＫＣｌ：２３０ｇと、セラビーズ：４４ｇと、ムライトフラワー：４４ｇとを混合し、７５０℃に加熱溶融した。

この溶融された基本配合物に、それぞれ粒子径１０〜２００μｍ、２５０μｍ、５００μｍの鉄製の金属粒子を、体積％で３０ｖｏｌ％となるように加え、均一に攪拌した後、シリンダヘッドの吸・排気ポート形状の金型に流し込み、塩中子を鋳造成形した。

（ｂ）実験結果（溶融塩の撹拌性、塩中子の鋳造性）
塩中子の鋳造に際しては、金属粒子の粒子径は、配合例７及び８のように２５０μｍ以下が好ましい。金属粒子の粒子径が２５０μｍを超える大きさであると、金属粒子を含む溶融塩が攪拌し難くなり、また、中子形状に鋳造する際に、金属粒子を含む溶融塩を細部に充填し難くなり、更に、金属粒子が溶融塩との比重差により著しく沈殿し易くなるからである。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（３）を奏する。

（１）塩中子１０では、主成分の塩１３に対し金属粒子１５、１６が２０ｖｏｌ％以上添加されたので、この塩中子１０の熱伝導率及び熱容量を高めることができる。このため、この塩中子１０を使用した高圧ダイカスト鋳造において、塩中子１０に接触する溶湯の凝固を促進させることができる。この結果、この塩中子１０を用いた高圧ダイカスト鋳造において成形された鋳造品（例えばシリンダヘッド１１）において、塩中子１０により形成された部位（例えば吸・排気ポート１２）にひけ等の鋳造欠陥の発生を防止できる。

（２）塩中子１０では、主成分の塩１３に対する金属粒子１５、１６の添加量が４０ｖｏｌ％以下であるため、塩中子１０を鋳造して成形する際に、金属粒子１５、１６を含む溶融塩の流動性を確保でき、その溶融塩を細部へ良好に充填させることができる。このため、塩中子１０を好適に鋳造でき、その鋳造性を向上させることができる。

（３）塩中子１０では、金属粒子１５、１６の粒子径が２５０μｍ以下に設定されたので、この塩中子１０を鋳造して成形する際に、金属粒子１５、１６を含む溶融塩を良好に撹拌でき、且つ金属粒子１５、１６の沈澱も生じ難い。更に、金属粒子１５、１６を含む溶融塩の細部への充填も良好になされるため、塩中子１０を好適に鋳造でき、その鋳造性を向上させることができる。

以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。例えば、前記実施形態のように、金属粒子１５、１６を塩中子１０に均一に分散させる代わりに、塩中子１０の特定部位に金属粒子１５、１６を濃化させてもよい。

具体的には、金属粒子１５、１６として磁性体材料（鉄、コバルトもしくはニッケル、またはこれらの合金）を用い、これらの金属粒子１５、１６を磁力により塩中子１０の特定部位、例えば表層部位に凝集させて濃化させてもよい。また、塩中子１０が円筒形状である場合には、この塩中子１０を遠心鋳造により成形することで、塩１３及びセラミック粒子１４よりも比重の大きな金属粒子１５、１６を、塩中子１０の表層部分に凝集させて濃化させてもよい。このように金属粒子１５、１６を塩中子１０の特定部位に濃化させることで、金属粒子１５、１６の使用量を低減することができる。

１０ 塩中子（崩壊性中子）
１３ 塩
１５、１６ 金属粒子

Claims (5)

1. 塩を主成分とし、強化成分を含む崩壊性中子であって、
   融点及び熱伝導率が前記塩及び強化成分よりも高い金属粒子が、２０〜４０ｖｏｌ％添加されて構成されたことを特徴とする崩壊性中子。
2. 前記金属粒子は、粒子径が２５０μｍ以下に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の崩壊性中子。
3. 前記崩壊性中子は、高圧ダイカスト鋳造に使用されるものであることを特徴とする請求項１に記載の崩壊性中子。
4. 前記強化成分はセラミック粒子であることを特徴とする請求項１に記載の崩壊性中子。
5. 塩を主成分とし、強化成分を含む配合物を溶融し、
   この溶融した前記配合物の溶融塩に、融点及び熱伝導率が前記塩及び強化成分よりも高い金属粒子を２０〜４０ｖｏｌ％になるように混合し、
   この金属粒子を含む前記溶融塩を所定の型に注入して鋳造し、崩壊性中子を成形して製造することを特徴とする崩壊性中子の製造方法。