JP6397415B2 - 無機バインダーに基づく鋳型材料混合物並びに金属鋳造用鋳型及びコアの製造方法 - Google Patents
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Description
鋳型は、主に、製造される鋳物の反転形状を表す鋳型本体、或いは鋳型本体とコアとから構成されている。これらのコア及び鋳型本体は、石英砂等の耐火性材料と、鋳型から除去した後の鋳造品に適度な機械的強度を付与する好適なバインダーとからなる。耐火性鋳型基材は、好適な鋳型のキャビティの形状に充填され、そこで圧縮されうるように、好ましくは易流動状態である。バインダーは、鋳型が所望の機械的安定性を達成しうるように、鋳型基材の粒子間に強固な接着を形成する。
−エステル等の液体又は固体の硬化剤の添加剤の添加、
−ホットボックス法又はマイクロ波処理等の熱硬化
−耐火性の鋳型基材と、
−好ましくは、水ガラス、リン酸塩又はそれら2種の混合物に基づく無機バインダーと、
−ZrO2及びSiO2を生成するZrSiO4の熱分解により得られる粒子状非晶質SiO2からなる添加剤と、
を含んでいる。
1.1. 実験1:添加した粒子状非晶質SiO2の種類に応じた強度及びコア重量
1.1.1 鋳型混合物の調製
1.1.1.1 SiO2を添加しない場合
ホバートミキサー(HSM10型)のボウルに石英砂を加えた。撹拌しながらバインダーを添加し、それぞれの場合、砂と共に1分間激しく混合した。用いた砂、バインダーの種類及びそれぞれの量を表1に示す。
鋳型材料混合物にバインダーを添加後に、粒子状非晶質SiO2を添加することを除き、1.1.1.1の手順により、同様に1分間混合した。粒子状非晶質SiO2の種類及び添加量を表1に示す。
鋳型材料混合物の試験のために、150mm×22.36mm×22.36mmの寸法の直方体の試験片(いわゆるゲオルグ・フィッシャー試験片)を作成した。鋳型材料混合物の一部を、Roeperwerk−Giessereimaschinen社(ドイツ、フィールゼン)製のH2.5 Hot Box コア射出成形機の保存容器に移し、成形型を180℃に加熱した。残りの鋳型材料混合物は、乾燥から保護し、大気中のCO2との早期反応を防ぐため、注意深く密封した容器中で、コア射出成形機に充填するまでの間保存した。
1.1.3.1 強度試験
曲げ強度の測定のために、3点曲げ装置を装着したゲオルグ・フィッシャー強度試験器に試験片を設置し、試験片の破壊に必要な力を測定した。
取り出しから10秒後(熱間強度)
取り出しから約1時間後(冷間強度)
結果を表2に示す。
冷間強度の測定前に、ゲオルグ・フィッシャー試験片の重量を、実験室用天秤を用い、0.1gの精度で測定した。結果を表2に示す。
表2から明らかなように、合成的に製造された粒子状非晶質SiO2の製造方法は、コアの特性に明確な効果を及ぼす。無機バインダーと本発明に係るSiO2を用いて製造されたコアは、本発明によらないSiO2を含むコアよりも高い強度及び高いコア重量を有している。
1.2.1. 鋳型材料混合物の調製
1.1.1と同様に、鋳型材料混合物を調製した。組成を表3に示す。
合成的に製造された粒子状非晶質SiO2の、鋳型材料混合物の流動性に及ぼす効果をより詳細に検討するために、鋳造作業で用いられ、ゲオルグ・フィッシャー試験片よりも大きく、複雑な形状(図3参照)を有する、いわゆる吸気ポート用コアを作成した。
冷却後、実験室用天秤で0.1gの精度でコア重量を測定した。結果を表4に示す。
表4は、製造工程で使用されるコアに基づいて、本発明に係る鋳型材料混合物の流動性が、従来品よりも向上していることを示している。有利な効果は、砂の種類及び射出圧とは無関係である。
2.1. 実験3:添加した粒子状物質SiO2の種類に応じた強度及びコア重量
2.1.1. 鋳型材料混合物の調製
1.1.1と同様に、鋳型材料混合物を調製した。組成を表5に示す。
2.1.1 において調製した鋳型材料混合物の一部を、Roeperwerk−Giessereimaschinen社(ドイツ、フィールゼン)製のH1 コア射出成形機の保存容器に移した。残りの鋳型材料混合物は、乾燥から保護し、大気中のCO2との早期反応を防ぐため、注意深く密封した容器中で、コア射出成形機に充填するまでの間保存した。
硬化のために、まず、鋳型材料混合物を充填した成形型にCO2を、6秒間、CO2の流速2L/分で通し、次いで4barの圧縮空気を、鋳型材料混合物を充填した成形型に通した。2種類のガスの温度は、成形型への導入時において約23℃であった。
硬化のために、鋳型材料混合物を充填した成形型に、CO2を、流速4L/分で通した。CO2の温度は、成形型への導入時において約23℃であった。
硬化のために、2barの空気を、鋳型材料混合物を充填した成形型に通した。空気の温度は、成形型への導入時において約22℃〜約25℃であった。
硬化後、試験片を成形型から取り出し、その直後、すなわち取り出し後15秒以内に、Zwick万能試験機(モデルZ010)を用いて、それらの圧縮強度を測定した。更に、試験片の圧縮強度は、24時間後にも測定を行い、いくつかの例については、調整室で3日間及び6日間保存後にも測定を行った。調整室(Rubarth Apparatus社)を用いることにより、一定の保存条件を確保した。
表6〜9から明らかなように、従来品に対する粒子状非晶質SiO2の優れた特性は、熱間硬化(表2)の場合に限定されず、CO2と空気との組み合わせを用いた鋳型材料混合物の硬化、CO2を用いた鋳型材料混合物の硬化、空気を用いた鋳型材料混合物の硬化においても観測された。
3.1.実験4:添加した粒子状物質SiO2の種類に依存する強度及びコア重量
3.1.1 鋳型混合物の調製
3.1.1.1 SiO2を添加しない場合
ホバートミキサー(HSM10型)のボウルにQuarzwerke Frechen社製の石英砂を加えた。撹拌しながら、まず硬化剤を、次いでバインダーを添加し、それぞれの場合、砂と共に1分間激しく撹拌した。
鋳型材料混合物にバインダーを添加後に、粒子状非晶質SiO2を添加し同様に1分間混合したことを除き、3.1.1の手順に従った。粒子状非晶質SiO2の添加量及び種類を個々の実験に示す。
試験片の作成に用いた鋳型材料混合物の組成を、重量部(PBW)単位で表10に示す。
3.1.3.1 強度試験
曲げ強度の測定のために、3点曲げ装置を装着したゲオルグ・フィッシャー強度試験器に試験片を設置し、試験片の破壊に必要な力を測定した。
作成から4時間後
作成から24時間後
結果を表10に示す。
強度の測定前に、ゲオルグ・フィッシャー試験片の重量を、実験室用天秤を用い、0.1gの精度で測定した。結果を表10に示す。
表11は、粒子状非晶質SiO2の添加が、強度及びコア重量に関して、エステル混合物(実施例4.1〜4.6)及びリン酸エステル系硬化剤(実施例4.7〜4.11)を用いた冷間硬化において、従来品よりも有利な効果を有することを示している。
(付記1)
−耐火性の鋳型基材と、
−無機バインダーと、
−ZrO 2 及びSiO 2 を生成するZrSiO 4 の熱分解により得られる粒子状非晶質SiO 2 と、
を少なくとも含む、金属加工用の鋳型及びコアの製造用の鋳型材料混合物。
(付記2)
前記粒子状非晶質SiO 2 が、1m 2 /g以上35m 2 /g以下、好ましくは17m 2 /g以下、特に好ましくは15m 2 /g以下のBETを有する付記1に記載の鋳型材料混合物。
(付記3)
動的光散乱法により決定される、前記鋳型材料混合物中の前記粒子状非晶質SiO 2 の平均粒子サイズ(直径)が、0.05μm〜10μm、特に0.1μm〜5μm、特に好ましくは0.1μm〜2μmである付記1又は2に記載の鋳型材料混合物。
(付記4)
前記鋳型材料混合物が、前記鋳型基材に対して、0.1〜2重量%、好ましくは0.1〜1.5重量%であるとともに、これと独立して、前記バインダーの重量に対して2〜60重量%、特に好ましくは4〜50重量%である前記粒子状非晶質SiO 2 を含有し、前記バインダーの固形分が、25〜65重量%、好ましくは30〜60重量%である付記1〜3のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物。
(付記5)
前記粒子状非晶質SiO 2 の水分含量が10重量%未満、特に5重量%未満、特に好ましくは2重量%未満であり、それと独立して、特に粉末として用いられる付記1〜4のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物。
(付記6)
前記鋳型材料混合物が、最大1重量%、好ましくは最大0.2重量%の有機化合物を含んでいる付記1から5のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物。
(付記7)
前記無機バインダーが、少なくとも水溶性リン酸ガラス、水溶性ホウ酸ガラス及び/又は水ガラス、特に、SiO 2 /M 2 Oのモル比が1.6〜4.0、特には2.0以上3.5未満である水ガラスであって、Mがリチウム、ナトリウム及び/又はカリウムである、水ガラス、である付記1から6のいずれか1つに記載の鋳型材料組成物。
(付記8)
前記鋳型材料混合物が、前記鋳型基材に対し0.5〜5重量%の水ガラス、好ましくは1〜3.5重量%の水ガラスを含有し、当該水ガラスの固形分が25〜65重量%、好ましくは30〜60重量%である付記1から7のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物。
(付記9)
前記鋳型材料混合物が、界面活性剤、好ましくはアニオン性界面活性剤、特に硫酸基又はスルホン酸基を有するものであって、具体的には、硫酸オレイル、硫酸ミリスチル、硫酸ラウリル、硫酸デシル、硫酸オクチル、硫酸2−エチルヘキシル、硫酸2−エチルオクチル、硫酸2−エチルデシル、硫酸パルミトレイル、硫酸リノリル、リン酸ヘキシル、リン酸2−エチルヘキシル、リン酸カプリル、リン酸ラウリル、リン酸ミリスチル、リン酸パルミチル、リン酸パルミトレイル、リン酸オレイル、リン酸ステアリル、ポリ−(1,2−エタンジイル)フェノールヒドロキシリン酸塩、リン酸ポリ−(1,2−エタンジイル)ステアリル、及びリン酸ポリ−(1,2−エタンジイル)オレイルの群から選択される1又は複数を追加的に含有する付記1から8のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物。
(付記10)
前記鋳型材料混合物中に存在する前記界面活性剤の割合が、前記耐火性の鋳型基材の重量に対し、0.001〜1重量%、特に好ましくは0.01〜0.2重量%である付記9に記載の鋳型材料混合物。
(付記11)
前記鋳型材料混合物が、グラファイトを、好ましくは、前記耐火性の鋳型基材の重量に対し、0.05〜1重量%、特に0.05〜0.5重量%含有する付記1から10のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物。
(付記12)
前記鋳型材料混合物が、少なくとも1のリン含有化合物を、好ましくは、前記耐火性の鋳型基材の重量に対し、0.05〜1.0重量%、特に好ましくは、0.1〜0.5重量%含有する付記1から11のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物。
(付記13)
前記粒子状非晶質SiO 2 が、粉末、好ましくは無水の粉末、必要に応じて大気中の水分に起因する以外の水分を含まない粉末として用いられる付記1から12のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物。
(付記14)
硬化剤、特に少なくとも1のエステル又はリン酸化合物が前記鋳型材料混合物に添加されている付記1から13のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物。
(付記15)
−付記1から14のいずれか1つに記載の前記鋳型材料混合物を調製することと、
−前記鋳型材料混合物を鋳型に鋳込むことと、
−前記鋳型材料混合物を硬化させることと、
を含む鋳型又はコアの製造方法。
(付記16)
前記鋳型材料混合物が、射出成形機を用いて圧縮空気により前記鋳型に導入され、前記鋳型が成形型であり、該成形型に1又は複数のガス、特にCO 2 を通過させる付記15に記載の方法。
(付記17)
前記鋳型材料混合物を、100℃以上の温度に5分間未満曝露して硬化させる付記15又は16に記載の方法。
(付記18)
粒子状非晶質SiO 2 を用い、特に、180℃以上で、220mm×22.36mm×22.36mmのゲオルグ・フィッシャー試験片の形状に熱間硬化させた鋳型材料混合物が、前記粒子状非晶質SiO 2 の代わりに、Elkem社製のMicrosilica 971を用いた以外は同一の鋳型材料混合物を用い、同一条件下で、同様に製造した220mm×22.36mm×22.36mmのゲオルグ・フィッシャー試験片に対し、コア重量が、1%、好ましくは1.5%、特に好ましくは2.0%、更に好ましくは2.5%、最も好ましくは3.0%増大する付記15から17のいずれか1つに記載の方法。
(付記19)
付記15から18のいずれか1つに記載の方法により得られる鋳型又はコア。
(付記20)
好ましくは中空状マイクロスフェア、特にケイ酸アルミニウム中空状マイクロスフェア及び/又はボロシリケート中空状マイクロスフェアを含有するアルミニウム鋳造における付記1から14のいずれか1つに記載の鋳型材料混合物の使用。
Claims (19)
- −耐火性の鋳型基材と、
−無機バインダーと、
−ZrO2及びSiO2を生成するZrSiO4の熱分解により得られる粒子状非晶質SiO2と、
を少なくとも含み、
前記粒子状非晶質SiO2は、ジルコニウム化合物を含有し、1m2/g以上35m2/g以下のBET比表面積を有しており、
前記粒子状非晶質SiO2中のZrの含有量は、前記ジルコニウム化合物をZrO2として計算すると、前記粒子状非晶質SiO2の全量の0.01重量%よりも多く、12重量%よりも少ない、
金属加工用の鋳型又はコアの製造用の鋳型材料混合物。 - 前記粒子状非晶質SiO2が、1m2/g以上17m2/g以下のBET比表面積を有する請求項1に記載の鋳型材料混合物。
- 動的光散乱法により決定される、前記鋳型材料混合物中の前記粒子状非晶質SiO2の平均粒子サイズ(直径)が、0.05μm〜10μmである請求項1又は2に記載の鋳型材料混合物。
- 前記鋳型材料混合物が、前記鋳型基材に対して、0.1〜2重量%であるとともに、これと独立して、前記バインダーの重量に対して2〜60重量%である前記粒子状非晶質SiO2を含有し、前記バインダーの固形分が、25〜65重量%である請求項1〜3のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物。
- 前記粒子状非晶質SiO2の水分含量が10重量%未満であり、それと独立して、粉末として用いられる請求項1〜4のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物。
- 前記鋳型材料混合物が、最大1重量%の有機化合物を含んでいる請求項1から5のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物。
- 前記無機バインダーが、少なくとも水溶性リン酸ガラス、水溶性ホウ酸ガラス及び/又は水ガラスである請求項1から6のいずれか1項に記載の鋳型材料組成物。
- 前記鋳型材料混合物が、前記鋳型基材に対し0.5〜5重量%の水ガラスを含有し、当該水ガラスの固形分が25〜65重量%である請求項1から7のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物。
- 前記鋳型材料混合物が、界面活性剤を追加的に含有する請求項1から8のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物。
- 前記鋳型材料混合物中に存在する前記界面活性剤の割合が、前記耐火性の鋳型基材の重量に対し、0.001〜1重量%である請求項9に記載の鋳型材料混合物。
- 前記鋳型材料混合物が、グラファイトを含有する請求項1から10のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物。
- 前記鋳型材料混合物が、少なくとも1のリン含有化合物を含有する請求項1から11のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物。
- 前記粒子状非晶質SiO2が、粉末として用いられる請求項1から12のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物。
- 硬化剤が前記鋳型材料混合物に添加されている請求項1から13のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物。
- −請求項1から14のいずれか1項記載の前記鋳型材料混合物を調製することと、
−前記鋳型材料混合物を鋳型に鋳込むことと、
−前記鋳型材料混合物を硬化させることと、
を含む鋳型又はコアの製造方法。 - 前記鋳型材料混合物が、射出成形機を用いて圧縮空気により前記鋳型に導入され、前記鋳型が成形型であり、該成形型に1又は複数のガスを通過させる請求項15に記載の方法。
- 前記鋳型材料混合物を、100℃以上の温度に5分間未満曝露して硬化させる請求項15又は16に記載の方法。
- 粒子状非晶質SiO2を用い、180℃以上で、220mm×22.36mm×22.36mmのゲオルグ・フィッシャー試験片の形状に熱間硬化させた鋳型材料混合物が、前記粒子状非晶質SiO2の代わりに、Elkem社製のMicrosilica 971を用いた以外は同一の鋳型材料混合物を用い、同一条件下で、同様に製造した220mm×22.36mm×22.36mmのゲオルグ・フィッシャー試験片に対し、コア重量が、1%増大する請求項15から17のいずれか1項に記載の方法。
- アルミニウム鋳造における請求項1から14のいずれか1項に記載の鋳型材料混合物の使用であって、
前記鋳型材料混合物が中空状マイクロスフェアを含有する、使用。
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