JPH06234039A - 非孔質カーボン鋳型製造用砂および鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は新規な改良された非孔質のカーボン
鋳物用砂、および鋳物工業でコーティング表面または中
子もしくは鋳型の表面に適した、球状もしくは卵形状の
粒子形態と大きさを有する流動コークスを処理する方法
を提供するものである。 【構成】 その処理法で本発明のカーボン鋳物用砂が次
のようにして製造される。すなわち約１９００°Ｆ〜約
２３００°Ｆの範囲の温度まで制御された速度で、好ま
しくは約３０分間以上の時間さらに好ましくは約１〜２
時間かけて、特に約２０００°Ｆ〜約２２００°Ｆま
で、カーボン粒子を加熱することによって製造される。
また本発明は、本発明の非孔質カーボン鋳物用砂を適切
な結合剤を混合し、その混合物で鋳型を製造して金属部
分を鋳造することからなる。熱処理されたカーボン粒子
に対して溶融金属を鋳造する方法を提供するものであ
る。また本発明の非孔質カーボン砂は、鋳型、中子、シ
ェルモールドおよびシェルコアを製作するのにも有用で
あり、あるいは鋳物工業で使用されている鋳型と中子製
造用の他の砂に代替して用いるのに有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋳物工業にて用いられ
る鋳型用カーボン砂の改良、更に詳しく言えば、鋳物に
付き物である問題点“しぼられ”や“すくわれ”又は
“かみ出し”を未然に防ぐ熱安定性に優れた非孔質カー
ボン鋳物用砂に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】通常の
鋳物用砂は、地面から採掘するかまたは岩石を粉砕して
得られる鉱物である。代表的な例は、けい砂、かんらん
石砂、ジルコン砂およびクロマイト砂である。けい砂は
鋳物産業に用いられている砂のほぼ９０％を占めてい
る。けい砂以外の３種の砂は熱に対してより安定である
が一層高価である。ジルコンは熱に対して最も安定であ
るが最も高価である。これらの砂はいずれも非孔質でか
つ揮発成分を含有していない。

【０００３】砂の鋳型は鋳物の外面を形成する。中子は
鋳物の内面を形成するため鋳型の内側に配置される砂型
である。中子を用いないと鋳物はむくの金属になり、そ
して多くの鋳物はむくではなくて内部に空洞をもってい
る。

【０００４】鋳型には下記の２種のものがある。

【０００５】（１）“未焼”砂（ｇｒｅｅｎ ｓａｎ
ｄ）の鋳型は、ベントナイト（クレー）／水で結合した
砂の混合物であり、１つの形態に打固めて所望の外形が
形成される（頂部の１／２部分すなわち上型と底部の１
／２部分すなわち下型がぴったりとかみ合わされて、完
全な鋳型キャビティが形成される）。この砂は、強靭で
曲げ易い混合物でその型の形態を保持する。溶融金属を
鋳型キャビティーに注入すると、凝固して鋳物を生成す
る。

【０００６】（２）“硬質”鋳型（ｒｉｇｉｄ ｍｏｌ
ｄ）は、１つの形態に成形し次いで硬質状態に硬化させ
る（ｈａｒｄｅｎ）ことができる砂の混合物である。そ
の硬化方法は使用される結合剤の種類によってきまる。
ベントナイトで結合された鋳型は風乾もしくは焼成によ
って硬化させることができるが、通常、硬質鋳型は有機
樹脂で結合され、この樹脂によってより一層強力で硬い
形態に硬化される。結合剤はいくつもの方法によって硬
化されるように設計されている。あるものは焼成され、
あるものは薬剤による化学反応によって、またあるもの
は反応性ガスを吹き付けることによって硬化される。

【０００７】中子は、硬質鋳型について先に述べたのと
同じ種類の結合剤と方法を利用して製作する通常硬質の
形態である。

【０００８】暑い日に舗装道路が座屈する様に、砂の鋳
型もしくは中子は鋳造操作中、膨張のため座屈すること
がある。鋳型壁が高温で膨張して座屈すると、鋳物の表
面に、“しぼられ”もしくは“すくわれ”として知られ
る欠点が生じる。中子が膨張しすぎると、亀裂もしくは
クレーズ（ｃｒａｚｅ）を生じ、金属がその亀裂に入っ
て、鋳物の中子面に金属の不規則なかみ出しが形成され
るが、このかみ出しは取り除かねばならない。砂の熱膨
張が少ないほど非常に有利であることは明らかである。
米国特許第２，８３０，３４２号と同第２，８３０，９
１３号は、熱安定性に優れたカーボン砂に関する特許で
ある。

【０００９】適切な結合剤によって結合する比較的安価
なけい砂の顆粒は、金属部品を鋳造する際に溶融金属を
受けるのに用いる鋳型と中子の材料として広く使用され
ている。かんらん石の砂はけい砂より著しく高価である
が、けい砂より熱安定性が優れており、高品質の金属部
品、特に表面仕上げの欠点が一層少なくかつ鋳造後に必
要とする人手が少なくて、消費者に受け入れられる表面
処理を提供する金属部品が得られる。それ故にかんらん
石の砂は、特に非鉄金属の部品を製造する際に、鋳型お
よび中子の表面として広く使用され、米国では、非鉄金
属の多くの鋳物類に、けい砂の代わりに用いられつつあ
る。

【００１０】また石油流動コークス（ｐｅｔｒｏｌｅｕ
ｍ ｆｌｕｉｄ ｃｏｋｅ）として当業者に知られてい
る球状もしくは卵形状のカーボンもしくはコークスの顆
粒は、けい砂およびかんらん石の砂が、アルミニウム、
銅、青銅、黄銅、鉄などの金属および合金のような金属
を鋳造するのに全く充分な物理的性質をもっていない場
合に鋳物用砂として用いられている。このような流動コ
ークスのカーボン砂は、現在、米国、イリノイ州、アー
リントン・ハイツのＡｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｌｌｏｉｄ
Ｃｏｍｐａｎｙが登録商標ＣＡＳＴ−ＲＩＴＥをつけ
て販売しており、鋳物用にけい砂とかんらん石砂より優
れていることが証明されている。

【００１１】米国特許第５，０９４，２８９号に記載さ
れている焙焼カーボン砂は、主として、アルミニウムお
よびマグネシウムのような低融点金属用に設計された低
価格のカーボン砂である。１３００〜１４００°Ｆで焙
焼するとすべての揮発性物質が除去される。この焙焼を
行わないと、未処理の流動コークスは１４００°Ｆで注
入されたアルミニウムに接触された場合、揮発物質が発
生する。更に、熱膨張は１４００°Ｆで最低になる。し
かしこのような比較的低温の焙焼では、かようなカーボ
ン砂の多孔性を除けない。

【００１２】米国特許第５，０９４，２８９号に焙焼カ
ーボン砂についての研究が記載されるまでは、カーボン
砂に多孔性が充分に導入されることは気づかれていなか
った。以前は、未処理の流動コークスが単に適度に多孔
性であると考えられていた。

【００１３】揮発性物質がか焼中にガスとして発生して
多孔性をもたらし、その多孔性は一旦起こると残留する
と考えられていた。

【００１４】本発明に到達した研究によって、多孔性
は、未処理の流動コークスの顆粒中に存在し、約１９０
０°Ｆまでの焙焼もしくはか焼の温度でわずかに増加す
ることが分かった。次いで、特に約２０００°Ｆではコ
ークスは明らかに、急激に収縮し、孔を閉じて、多孔性
がなくなる。か焼温度が２０００°Ｆより高くなっても
コークスはそれ以上に必ずしも収縮しない。しかし実際
には、例えば２６００°Ｆのようなかなりの高温で運転
されるキルンは、恐らくコークスを一層速く加熱し、約
２０００°Ｆで、収縮を起こさせるのに充分長い時間
（２０００°Ｆでの均熱時間）を与えないであろう。さ
らに、２６００°Ｆでか焼されると、より爆発的な状態
で揮発性物質のガスが発生しそのため孔の生成が増大す
る。本発明では、揮発性物質のガスが高速度で発生する
のを回避するために、室温から約２０００°Ｆまでコー
クスを加熱する速度を制御することが必須である。一般
に１分間当り約２５°Ｆ〜５０°Ｆの加熱速度が満足す
べきものであった。衝撃加熱すなわち、コークスを室温
から２０００°Ｆの炉温度まで瞬間的に上昇させると多
孔性が増大する。

【００１５】以前は、鋳物用カーボン砂は、流動コーク
スを種々の温度でか焼して製造していた。しかしどの温
度も、本願で開示している２０００°Ｆの近傍のか焼温
度には集中していない。

【００１６】米国特許第２，８３０，３４２号と同第
２，８３０，９１３号には、流動コークスをか焼するこ
とによって製造されるカーボン砂が記載されており、
“好ましいか焼法は、未処理の流動コークスを約２４０
０°Ｆ〜２８００°Ｆまで迅速に加熱する方法である
…”と指定している。得られた製品が多孔性であるとい
うことは、“その多孔性を低下させるために、さらに、
それを溶媒で処理するか、または水ガラスもしくは微粉
砕した黒鉛のような適切な物質をそれに浸透させるよう
な前処理を行う…”という提案によって上記の特許で承
認されている。

【００１７】これらの特許の保護のもとに、Ｈｕｍｂｌ
ｅ Ｏｉｌ ＆ ＲｅｆｉｎｉｎｇＣｏｍｐａｎｙは、
流動コークスをほぼ２５００°Ｆでか焼することによっ
てカーボン砂を生産した（１９６１〜１９６２年）。そ
の製品が多孔性であることは、液体結合剤の吸収に対し
て改善法が提案されていることからその販売文献で承認
されていた。

【００１８】Ｍａｒａｔｈｏｎ Ｏｉｌ Ｃｏｍｐａｎ
ｙは、流動コークスをほぼ２６００°Ｆにか焼してカー
ボン砂を生産した（１９６６〜１９６７年）が、その製
品は極めて多孔性であったのでそのプロジェクトは中止
された。多孔性についてのこの会社の未解決の問題点は
充分に報告されている。

【００１９】Ｃａｒｂｏｎ Ｓａｎｄｓ Ｉｎｃ．は、
流動コークスを約１８５０°Ｆでか焼することによって
カーボン砂を製造した（１９８５〜１９８７年）。その
製品はかなりの多孔性を保持していた（後記のＢａｋｅ
ｒｓｆｉｅｌｄ Ｃｏｋｅ表１参照）。その鋳物用砂と
しての用途は、高レベルの結合剤が必要なことから制限
された。

【００２０】Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｌｌｏｉｄ Ｃｏ
ｍｐａｎｙの製品（ＣＡＳＴ−ＲＩＴＥ ７５）として
先に述べたカーボン砂は、流動コークスを約２２００°
Ｆ〜約２３００°Ｆでか焼して製造されているが、か焼
速度は本願に開示した速度より速い。表１に示すよう
に、そのカーボン砂はいくぶん多孔性であり、２０００
°Ｆ〜２１００°Ｆでか焼することによって、本発明に
したがって製造した製品より多孔性について劣っている
（表１において、Ｐｕｒｖｉｓ Ｃｏｋｅ ＣＡＳＴ−
ＲＩＴＥ ７５を２０７０°Ｆでか焼したＰｕｒｖｉｓ
Ｃｏｋｅと対比せよ）。

【００２１】流動コークスを処理してカーボン砂にする
のに使用するロータリーキルンのか焼温度は、コークス
とカーボンコークスの粒子から発生する揮発性炭化水素
のガスの燃焼によって維持されるので、収率と価格上の
明確な利点から、優れた製品を生成する最低の温度でか
焼することが有利である。それ故に本発明の新しい方法
によればより優れた製品をより低い価格で製造すること
ができる。

【００２２】２６００°Ｆでか焼して製造されたカーボ
ン砂は極めて多孔性なのでそのカーボン砂で製造された
中子は、通常の量の液体結合剤を使用しても強度の硬度
がほとんどなかった。本発明についての研究によって、
多孔性のカーボン砂は、眼には乾燥した砂に見えながら
約４．５重量％までの水を吸収できることが分かった。
ベントナイトと水を含有する“未焼の”砂（ｇｒｅｅｎ
ｓａｎｄ）の鋳型用混合物では、４．５重量％の水が
砂の顆粒に吸収されるので、ベントナイトを可塑化する
のにさらに４．５重量％の水が必要になる。一般に未焼
の砂混合物は４．５％より少ない水しか含有していない
ので、多孔性の未燃砂混合物は２倍（もしくはそれを越
える）水が必要である。過剰の水があると溶融金属を注
入しているときに、水蒸気が生成して鋳物の欠点を生じ
る。それ故に水の含量は、優れた鋳物の実務では、常に
できるだけ低く維持しなければならない。このような吸
収多孔性は、未焼砂の鋳型製造用混合物には許容できな
いであろう。

【００２３】多孔性のカーボン砂はキュアー鋳型（ｃｕ
ｒｅｄ ｍｏｌｄ）とキュアー中子に使用されるいくつ
かの液体結合剤を吸収する。適正な強度と硬度を得るた
めに、２倍までの結合剤を必要とする。追加の結合剤に
よって、溶融金属注入中に、追加の分解ガスが生成す
る。中子と鋳型中の有機結合剤からガスが発生するとい
うことは鋳物工場では重大な因子で繰り返される問題で
ある。“ブロー（ｂｌｏｗ）”として知られている通常
の鋳物の欠点は、揮発性物質のガスが砂を通じて充分迅
速に通気できないときに起こり、溶融金属を通じて泡を
生じるのに充分なガス圧力を生じて、金属はガスが放出
される前に凝固する場合がある。閉じ込められたガス
は、鋳物の内部キャビティとして残り、その鋳物が顧客
によって購入されて切削加工がなされるまで分からない
ことが多い。したがって、多孔性カーボン砂を防止する
方法がカーボン砂の技術における顕著な進歩であること
は理解されなければならない。

【００２４】通常使用される各種の液体結合剤系は、多
孔性カーボン砂に吸収される量と作用が大きく異なるこ
とは認識されるべきである。液体が薄ければ薄いほど、
およびカーボン砂／液体結合剤の混合物が使用されず硬
化されないままにされている時間が長ければ長いほど、
一層大きな吸収が起こる。いくつかの二液性および三液
性の結合剤系では、水で希釈される触媒または反応物
（例えばリン酸など）が使用されるがこれらは容易に吸
収される。

【００２５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明
は、新規な改良されたカーボン砂；鋳物工業において中
子もしくは鋳型の表面に適した、球状又は卵形状の粒子
形態と大きさを有する、石油流動カーボン又はコークス
を処理する方法であって、該カーボン粒子を、約１９０
０°Ｆ〜約２３００°Ｆの範囲内の温度まで特に約２０
００°Ｆ〜２１００°Ｆまで、液体すなわち水と液体結
合剤に対してカーボン粒子を非孔質にし、上記の処理温
度で揮発可能な有機汚染物質のほとんどすべてをカーボ
ン粒子から揮発させ、かつカーボン粒子の熱安定性を改
良するのに充分な加熱速度で加熱することによる処理方
法；ならびに適切な結合剤を混合した上記の熱処理カー
ボン粒子に対して溶融金属を鋳造して鋳造金属部分を製
造する方法に関する。また本発明には、未焼砂および乾
燥砂による鋳型製造、シェルモールド法、熱、ガス、化
学的触媒および反応物質によって硬化される結合剤およ
び使い捨てパターン法（ｅｘｐｅｎｄａｂｌｅ ｐａｔ
ｔｅｒｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）のような通常用いられる各
種のすべての方法と結合剤系によって鋳型と中子を製造
する際の本発明の非孔質カーボン砂の用途も含まれる。

【００２６】したがって本発明の１つの態様は、水およ
び液状結合剤のような液体に対して、カーボン鋳物用砂
を非孔質にすることによって優れた性能を与える新規な
改良された非孔質のカーボン鋳物用砂を提供することで
ある。

【００２７】本発明の他の態様は、石油が軽炭化水素成
分と、小百分率（例えば０．２％〜１０％）の揮発性炭
化水素を含有する球状または卵形状コークス粒子に分画
する流動コーキング法において生成する球状または卵形
状カーボン粒子から新規な改良された非孔質のカーボン
鋳物用砂を提供することであり、そのカーボン鋳物用砂
は、約１９００°Ｆ〜約２３００°Ｆの範囲内の温度、
特に約２０００°Ｆ〜約２１００°Ｆまで制御された速
度で、他の石油炭化水素類と接触させることなしに、上
記の汚染コークス粒子を熱処理して、液体の特に水と液
状の鋳物用砂結合剤に対して、コークス粒子を非孔質に
することによって製造される。

【００２８】本発明の他の態様は、約２０００°Ｆ〜約
２２００°Ｆの範囲内の温度まで制御された速度で球状
および／または卵形状カーボン粒子を熱処理することに
よって、非孔質で球状および／または卵形状の鋳型およ
び／または中子用砂を提供することであり、上記のカー
ボン粒子は、石油をコークス化して、炭化水素のガス
と、他のコークス粒子の流動床に沈積される非孔質で無
心の球状もしくは卵形状コークス粒子とを生成させるこ
とによって製造される。

【００２９】本発明のさらに他の態様は、石油分画法か
ら得られたカーボン粒子を、約１９００°Ｆ〜約２３０
０°Ｆの範囲の処理温度まで、特に約２０００°Ｆ〜約
２１００°Ｆまで制御された速度で熱処理し、次いで、
得られた粒子（球状、卵形状または所望の粒径分布にま
で粉砕された粒子）を、熱硬化性フェノール樹脂のよう
な樹脂結合剤の薄い層（例えば０．１μ〜約１ｍｍ厚）
でコートすることによって製造される新規な改良された
非孔質のカーボン砂を提供することである。

【００３０】本発明の上記およびその外の態様と利点
は、好ましい実施態様の下記の詳細な説明から明らかに
なるであろう。

【００３１】本発明の下記の説明によって用いられる
“吸収多孔性（ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅｐｏｒｏｓｉｔ
ｙ）”という用語は、カーボン砂の多孔性を意味する。
本発明にしたがって、吸収多孔性を測定するのに下記の
試験法を用いた。

【００３２】吸収多孔性値（Ａ ＰＶ）の試験法 この試験法によって、カーボン砂（流動化のコークス）
の顆粒への水もしくは液体結合剤の望ましくない吸収性
を定量することができる。室温および相対湿度のような
いくつかの変数を無効にするために、好ましくは比較の
ためのいくつかの試料を同時に試験すべきである。

【００３３】試験方法： １． 流動コークスの試験試料の５００ｇをパイレック
ス製ボールに秤取する。通常の炉にて３００°Ｆで４時
間乾燥する。冷却させる。

【００３４】２． 乾燥した試料に水を混合して混練す
る（乾燥試料の重量に対して５．０重量％の水）。低速
のミキサーで１分間混合する。

【００３５】３． 湿潤混合物をＺＩＰＬＯＣＫのフリ
ーザーバッグ中に迅速に密封する。

【００３６】４． ２４時間後、湿潤試料を、プラスチ
ックもしくは金属製のプレート（約２４”×２４”の大
きさ）またはテーブルトップの上に広げて、時々撹拌し
ながら乾燥させる。

【００３７】５． 試料が見掛け上乾燥した場合、すな
わち凝集せずに自由流動するようになった場合、試料を
ミキサーに戻し、均一性を得るために１分間混合する。
このステップでは、オペレーターに、試料がどの時点で
その遊離水をすべて失ってその吸収された水がなくなっ
たかを認識するのになんらかの判断が必要である。

【００３８】６． 試料をパイレックス製ボール中に迅
速に秤取し、３００°Ｆにて４時間オーブン乾燥を行
う。室温近傍まで冷却させるが長時間は行わない。再度
秤量して、重量差によって水分量を測定する。風乾試料
の重量に対する水の重量％で表現する。吸収多孔性値
（ＡＰＶ）として記録する。

【００３９】流動コークスとカーボン砂の代表的な吸収
多孔性値を表１に示す。

【００４０】カーボン鋳物用砂として有用なカーボン粒
子の安価な原料は、石油精製工業の副産物である流動コ
ークスである。この石油精製コークスまたは“未処理の
流動コークス（ｒａｗ ｆｌｕｉｄ ｃｏｋｅ）”とも
呼ばれるものは、流動床石油精製法で製造されるので、
アルミニウム、銅、青銅、黄銅および鉄のような多くの
溶融金属の温度で揮発してガスになる石油の炭化水素を
約５重量％含有している。溶融金属を未処理の流動コー
クスに対して鋳造する間に、発生するガスは液状の金属
中に泡を生成して凝固した鋳物の中にキャビティとして
残ることがあり、その場合その鋳物は廃物になる。

【００４１】それ故、優れた鋳物用砂として機能するた
めに、流動コークスのカーボン砂には充分な熱処理を行
ない、大部分の揮発性物質を除いて、けい砂もしくはか
んらん石砂よりも熱に対して安定にしなければならな
い。従来技術のカーボン砂は、約２０００°Ｆ〜２８０
０°Ｆの温度、特に約２３００°Ｆ〜約２６００°Ｆの
温度で、高価な非常に高い温度の熱処理もしくはか焼法
を用いて、揮発分が除去され、プレシュランク（ｐｒｅ
−ｓｈｒｕｎｋ）されていた。球状もしくは卵形状顆粒
のカーボン砂を製造し熱処理する原料と方法の一般的説
明は米国特許第２，８３０，３４２号と同第２，８３
０，９０３号に記載されている。なおこれらの特許は本
願に採用するものとする。これらの原料について見られ
る問題点の１つは、生成したカーボンもしくはコークス
の粒子がこれらの粒子と接触する水といくつかの液体結
合剤に対して多孔性のままであるので、高温度のか焼法
は粒子に優れた寸法安定性を与えるが、このような粒子
で鋳造された鋳物に、著しい表面欠点を生じるというこ
とである。

【００４２】本発明によれば、例えば米国特許第２，８
３０，３４２号と同第２，８３０，９１３号に記載され
ている、鋳型製造用の砂に適した粒径を有する石油由来
の球状もしくは卵形状の未処理の流動カーボンもしくは
流動コークスを、約１９００°Ｆ〜約２３００°Ｆの範
囲内の温度まで制御された速度で、特に約２０００°Ｆ
〜約２２００°Ｆまで例えば２１００°Ｆまで、好まし
くは３０分間以上かけてさらに好ましくは１〜２時間か
けてか焼することによって、鋳物用砂の慣行で使用され
る水もしくは液体結合剤のような液体に対して特に非孔
質の予想外に優れた球状もしくは卵形状のカーボン鋳造
用砂が提供され従って優れた鋳造金属部品を製造するこ
とができることが分かった。本発明のカーボン鋳物用砂
は、特に鉄、アルミニウム、青銅および黄銅を鋳造する
のに、２３００°Ｆ以上の温度でか焼されたカーボン鋳
物用砂より予想外に優れている。

【００４３】本発明の非孔質カーボン砂は、熱処理のス
テップを除いて、流動床石油分画法から副産物として得
ることができ、この分画法では、石油の特に残留重油の
ような重油を加熱して炭化水素の蒸気画分と、小百分率
の重油と硫黄汚染物質を含有する無心のカーボンもしく
はコークスの粒子とに分画される。生成した流動コーク
ス粒子は、分画装置中で流動床を形成し、入ってくる重
油に接触して加熱し、入ってくる重油は粒子上でコーク
ス化する。生成する成長コークス粒子は、当業者には
“流動コークス”として知られているが、ふるい分けす
ることによって、鋳物の中子と鋳型を作る砂として使用
するのに適した平均粒径、例えば、約４０〜約２００の
範囲内のＡｍｅｒｉｃａｎ Ｆｏｕｎｄｒｙｍｅｎ’ｓ
Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｇｒａｉｎ Ｆ
ｉｎｅｎｅｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ（ＡＴＳの顆粒粉末
度）、好ましくは少なくとも約５０％の粒子が約５０〜
約１００のＧＦＮ値を有する流動コークスを提供でき
る。

【００４４】本発明によって、流動床石油分画法または
同クラッキング法で製造されたコークス粒子が、約１９
００°Ｆ〜約２３００°Ｆの範囲の温度まで、特に約１
９００°Ｆ〜約２２００°Ｆまで制御された速度で熱処
理された場合、鉄および非鉄の鋳物について、鋳型表面
と鋳型の中子を作るのに鋳物工業で一層有用であること
が判明した。

【００４５】本発明によって製品を作るために、流動コ
ークスはバッチ法もしくは連続法によって、例えば、流
動床、立て形の細長いチャンバーなどの適切なキルンま
たは好ましくは横形ロータリーキルンでか焼される。本
発明の態様では、コークス粒子はすべて、室温から約１
９００°Ｆ〜約２３００°Ｆの範囲の温度まで好ましく
は約２０００°Ｆ〜約２１００°Ｆまで、約２５°Ｆ〜
５０°Ｆ／分より速くない速度で加熱されねばならない
ということが必要条件であるから、所定のキルン内での
実際の滞留時間は、必要な熱処理を達成するため、コー
クス床の深さ、撹拌接触などのような因子を考慮しなけ
ればならない。約２１００°Ｆ〜２３００°Ｆを越える
温度まで指定の速度で加熱すると、２０００°Ｆ〜２１
００°Ｆの温度範囲を通過するときにコークスの粒子に
多孔性がなくなるが、上記のより高いピーク温度まで加
熱しても多孔性はそれ以上あまり減少せず、コークス粒
子が充分収縮した後に、追加の孔が開くことがある。

【００４６】けい砂、かんらん石、クロマイトおよび／
またはジルコンの鋳物用砂を結合するために通常用いら
れる結合剤はいずれも、本発明の非孔質カーボン砂とと
もに用いて、これらの砂が鋳型もしくは中子の材料とし
て予め決められた形もしくは所望の形を保持することが
できるようにする。かような結合剤は一般に、鋳物用砂
混合物の全乾燥重量に対して約１％〜約１５％の量で存
在するが、所望の強度、硬度などの望ましい物理特性を
もたらすいかなる量にでも調節することができる。本発
明の非孔質カーボン砂に使用できるいくつかの結合剤に
は、ベントナイト類、他のクレイ類、デンプン類、糖
類、穀類、中子油、ケイ酸ナトリウム類、熱可塑性樹脂
と熱硬化性樹脂、蒸気硬化性結合剤、化学的硬化性結合
剤、熱硬化性結合剤、ピッチ類、樹脂類、セメント類、
および当業者に知られている他の各種のものがある。さ
らに、本発明の非孔質カーボン砂は、単一の鋳物用砂
（１００％）として使用できるし、またはけい砂、かん
らん石砂、ジルコン砂、クロマイト砂、か焼カーボン砂
などとともに、組成物で用いられる鋳物用砂の乾燥重量
に対して、約５％〜約９５％の非孔質のカーボン砂の量
の各種の百分率で使用できる。

【００４７】木粉、セルロース、穀物粉および酸化鉄の
ようなある種の添加剤は、砂が膨張する欠点を克服する
目的で（この欠点は特に平坦な鋳造面で生じる）、乾燥
砂の約０．５〜約５重量％の量で、通常の鋳物用砂に時
々用いられる。このような添加物は、本発明の鋳物用砂
で減らすかなくすことができるが、これは本発明のカー
ボン砂が本質的に熱膨張性が低いからである。本発明の
非孔質カーボン砂は、適切な樹脂でコートして、当業者
にはシェルモールディングとして知られている鋳型と中
子の製造法に特に有用な樹脂でコートしたカーボン砂を
製造することができる。セメント類は、例えばポルトラ
ンドセメント；石灰石を加熱し粉砕して作るナチュラル
セメント；樹脂なども、乾燥砂の約１〜約１０重量％の
量で、本発明の非孔質カーボン鋳物用砂に添加すること
ができる。

【００４８】本発明の非孔質の鋳物用砂にはその他の各
種の添加物を含有させてもよく、これらの添加物として
は、例えば、黒鉛のような各種の黒色炭素質の物質；ピ
ッチ；木炭；シーコール（ｓｅａｃｏａｌ）のような瀝
青炭もしくは軟炭；無煙炭；金属の浸透もしくは燃焼
（ｂｕｒｎ−ｏｎ）を防止するために、非孔質カーボン
砂とともに用いるかまたは非孔質カーボンの一部の代替
物として用いることができる他のコークス類；樹脂結合
剤のような化学薬剤；クレー；あまに油；中子油などの
ような油類がある。これらの追加の添加物は一般に、砂
の乾燥重量の約１．０％〜約１５％重量％より少ない量
で含有されている。

【００４９】ある種の添加物は、本発明によって熱処理
されて多孔性が除かれた流動コークスで鋳型と中子を配
合するときにより大量に使用されるが、一方、通常使用
されている他の種類の添加物の量は他の砂とともに通常
使用されている量より減少するかまたは使用されない。
本発明の鋳物用砂とともに必要な添加物と結合剤の乾燥
重量％はけい砂とともに用いられる量より幾分大きい
が、この理由は流動コークスの単位重量当りの容積が大
きいからである。

【００５０】当業者にシーコールとして広く知られてい
る石炭または炭素質のシーコール代替品は、通常、シリ
カの鋳物用砂の“未焼”鋳型用砂混合物に添加して、溶
融鉄を注入している間、鋳型中に還元性雰囲気を作る。
このようにすると鉄とけい砂（二酸化ケイ素）間の化学
反応が最小になる。本発明の非孔質のカーボン砂をけい
砂の代わり用いることによって、このようにやっかいな
反応は除かれ、シーコールの含量は減少させるか、又は
なくすことができる。その外の結果として、石炭を含有
している鋳型に溶融金属が注入されることから、作業場
に発生する、蒸留および不完全燃焼による生成物の煙と
有毒放出物を減らすかまたは除くことができる。

【００５１】本発明の他の重要な実施態様によれば、本
発明の非孔質カーボン砂は、所望の粒度分布に粉砕する
かまたは微粉砕して、鋳物用砂として使用するか、また
は他の鋳物用砂への添加物として使用してその砂混合物
を一層熱に対して安定化し、かつ溶融金属が浸透しにく
くすることができるカーボン粉末を製造することができ
る。本発明の他の実施態様によれば、粉砕されたカーボ
ン粉末は、水性もしくは溶媒（例えば毒性エタノール）
のスラリー（２％〜９５％のカーボン粉末）中に混合
し、中子と鋳型の表面をコートするのに用い、次いで乾
燥させて、得られる鋳物の表面仕上げを改善することが
できる。

【００５２】鋳物工業用の球状および卵形状のカーボン
砂が、各種の温度で未処理の流動コークスをか焼するこ
とによって製造されるとき、鋳型の表面処理砂として有
効か否かを決定するために試験を行った。

【００５３】上記のようにして製造したカーボン砂は、
これにベントナイトクレーの結合剤を混合し、次いで砂
を成形して金属を受ける面に、カーボン砂と結合剤の組
成物で鋳型キャビティを形成させることによって、鉄の
鋳物工場もしくはアルミニウムの鋳物工場もしくは青銅
の鋳物工場で処理し、次いで溶融金属を鋳型に注入し
た。本発明にしたがって熱処理したカーボン砂は、砂に
起因する浸透、燃焼などの鋳物欠点が全くない鉄、アル
ミニウムまたは青銅の鋳物を産生する。本発明のカーボ
ン砂によって提供される表面仕上げは、けい砂およびか
んらん石で作ったものより優れており、予想外のことで
あるが、現在鋳物の市場で取引きされている製品のＣＡ
ＳＴ−ＲＩＴＥ ７５カーボン砂で得られた表面仕上げ
より一層優れている。

【００５４】具体的に述べると、約１９００°Ｆ〜約２
３００°Ｆの範囲内の温度、特に約２０００°Ｆ〜約２
１００°Ｆでか焼された流動コークスは、鉄、アルミニ
ウムおよび青銅用にベントナイトで結合させた鋳型製造
用砂として、予想外に優れた機能を示した。

【００５５】試験方法と試験結果 流動コークス製品の吸収多項性を測定するのに前記の試
験方法を使用し、“吸収多孔性値”（ＡＰＶ）という用
語は、上記の製品を評価するために指定した。

【００５６】上記定義の試験法によって、ＡＦＶは、流
動コークス製品が、観察によって乾燥していると見えな
がら吸収することができる水の重量％と定義される。

【００５７】添付した表１“流動コークスの特性に対す
るか焼の作用”には、未処理の流動コークスと種々の温
度で処理した流動コークスの見掛けの密度（ポンド／ガ
ロン）と吸収多孔性値（ＡＰＶ）が列挙されている。２
０００°Ｆで流動コークスをか焼すると、改良された製
品すなわち一層非吸収性のカーボン砂が生成したことが
容易に分かる。また表１のデータは、未処理の流動コー
クスが余りに吸収性なために多様な鋳物用砂として市場
に出すことができないことを示している。表１は、約１
８５０°Ｆまでの熱処理は多孔性を除けないことを示し
ている。また表１は、Ｃａｓｔ−ｒｉｔａ ７５（約２
３００°Ｆでか焼）は、２０７０°Ｆでか焼した同じ未
処理流動コークスの貯蔵原料より吸収性であることを示
している。

【００５８】顆粒収縮が起こっている証拠は、表１に示
す流動コークス製品の見掛けの密度すなわちポンド／ガ
ロンに反映されている。最高の見掛けの密度（１０．０
ポンド／ガロン）は、Ｐｕｒｖｉｓコークスを２０７０
°Ｆでか焼することによって達成され、最大の収縮が起
こったことを示している。

【００５９】約２０００°Ｆにおいて、流動コークスに
起こる収縮現象の別の証拠として、２０７０°Ｆでか焼
する前後のＰｕｒｖｉｓ流動コークスの下記のスクリー
ン分析が収縮を示している。

【００６０】 ＡＦＳの顆粒粉末度 未処理の流動コークス ７１ （試料の１／２） ２０７０℃でか焼後の試料の残りの１／２ ８０ 鋳物用砂の平均顆粒粉末度を測定するＡＦＳの標準法に
よって得られた上記のスクリーン分析の結果は、流動コ
ークスの顆粒が、２０７０°Ｆでか焼した結果、収縮し
てより小さいメッシュサイズを通過したことを示してい
る。約１９００°Ｆ〜約２３００°Ｆの範囲まで約２５
°Ｆ〜５０°Ｆ／分の速度で加熱した場合、ゆっくりし
た加熱によって収縮が約２０００°Ｆに起こるが、温度
をそれ以上上昇させてもほとんど変化は起こらない。

【００６１】

【表１】

【００６２】０％のＡＰＶは多孔性ゼロを示すのでＡＰ
Ｖが低い程優れていることは明らかである。１．５％ま
でのＡＰＶは合格可能で、２．０％は未焼系の砂として
は使用できるが、いくらかの液体とともに製作される中
子用には使用できない。

【００６３】

【実施例】 以下、本発明の実施例として、焙焼カーボ
ン砂の製造について説明する。

【００６４】本発明にしたがって熱処理することができ
る１つの適切な未処理の流動コークスは、ｔｈｅ Ａｍ
ａｒａｄａ Ｈｅｓｓ ｒｅｆｉｎｅｒｙ（米国、ミシ
シッピー州、Ｐｕｒｖｉｓ）の石油流動コークス法によ
る未処理流動コークスである（表１のＰｕｒｖｉｓ Ｃ
ｏｋｅ参照）。しかし石油精製工場で産生されるような
球状もしくは卵形状の顆粒形を有し、鋳物工業に適した
粒度を有するコークスはどれも、本発明に対して適して
いる。大きすぎる原料は、Ｕ．Ｓ． Ｓｉｅｖｅ Ｎ
ｏ．２０にほぼ等しいサイズのスクリーンで、その流動
コークスをスクリーニングすることによって除くことが
できる。

【００６５】本発明の非孔質カーボン砂の代表的な試料
を製造するために、８００ｇのＰｕｒｖｉｓの未処理流
動コークスを、直径５．５”の融解石英るつぼ中に入
れ、空気との接触を最少にするために繊維状絶縁材で粗
く覆い、次いで電熱炉内に入れた。電力のスイッチをオ
ンにし、次いで流動コークスが１時間１５分後に２０７
０°Ｆにピーク温度に到達するように加熱速度を制御し
た。試料をるつぼ内で１時間冷却させ、次に鋼鉄板上に
広げて室温まで放冷させた。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石油を加熱して、その石油を炭化水素の
   蒸気と、球状もしくは卵形状のコークス粒子とに分離
   し、次いでそのコークス粒子を、約１９００°Ｆ〜約２
   ３００°Ｆの範囲の温度まで約２５°Ｆ〜約５０°Ｆ／
   分の範囲の制御された速度で加熱し、上記の温度範囲よ
   り高い温度では実質的に加熱せずに、カーボン砂を非孔
   質にすることによって製造された複数のコークス粒子か
   らなる、鋳造金属物体を製造する際に鋳物工業で使用す
   る特に非孔質カーボン鋳物用砂。
2. 【請求項２】 さらに、結合剤を、鋳物用砂と結合剤の
   全乾燥重量に対して約１〜約２０重量％の量で含有して
   いる請求項１記載のカーボン鋳物用砂。
3. 【請求項３】 砂が約２０００°Ｆ〜約２１００°Ｆの
   温度で熱処理される請求項１記載のカーボン鋳物用砂。
4. 【請求項４】 砂が約２０５０°Ｆの温度で熱処理され
   る請求項３記載のカーボン鋳物用砂。
5. 【請求項５】 結合剤が、砂と結合剤の全乾燥重量に対
   して約８〜約１５重量％の量のベントナイトクレーであ
   る請求項２記載のカーボン鋳物用砂。
6. 【請求項６】 コークス粒子が、熱処理を行う前に流動
   床石油精製法で形成され、次いでその粒子は熱処理を行
   う前に、精製中の石油から分離され、次いで熱処理が少
   なくとも４５分間実施される請求項１記載のカーボン鋳
   物用砂。
7. 【請求項７】 球状または卵形状の粒子が所望の粒度分
   布まで粉砕される請求項１記載のカーボン鋳物用砂。
8. 【請求項８】 カーボン粒子が樹脂の結合剤でコートさ
   れる請求項１記載のカーボン鋳物用砂。
9. 【請求項９】 さらに、カーボン砂とけい砂の合計乾燥
   重量に対して約５〜約９５％のけい砂を含有している請
   求項１記載のカーボン鋳物用砂。
10. 【請求項１０】 さらに、カーボン砂とかんらん石砂の
    合計乾燥重量に対して約５〜約９５重量％のかんらん石
    砂を含有する請求項１記載のカーボン鋳物用砂。
11. 【請求項１１】 さらに、カーボン砂とクロマイト砂の
    合計乾燥重量に対して約５〜約９５重量％のクロマイト
    砂を含有する請求項１記載のカーボン鋳物用砂。
12. 【請求項１２】 さらに、カーボン砂とジルコン砂の合
    計乾燥重量に対して約５〜約９５重量％のジルコン砂を
    含有する請求項１記載のカーボン鋳物用砂。
13. 【請求項１３】 請求項１のカーボン鋳物用砂と結合剤
    からなる鋳物用砂の混合物を製造し、その鋳物用砂の混
    合物を、所望の形態を有する少なくとも１つの面を有す
    る形態を成形し、次いで溶融金属を注入して、鋳物用砂
    の前記の成形された面に接触させ、鋳物用砂の前記の成
    形された面に接触させながら凝固させることからなる鋳
    造金属部品の製造方法。
14. 【請求項１４】 流動カーボン砂が約２０００°Ｆ〜約
    ２２００°Ｆの温度で熱処理される請求項１３記載の方
    法。
15. 【請求項１５】 溶融金属が、アルミニウム、黄銅、青
    銅、銅、鉄およびマグネシウムからなる群から選択され
    る請求項１３記載の方法。
16. 【請求項１６】 鋳物用砂の混合物が、クレー、デンプ
    ン、樹脂、乾性油、ケイ酸ナトリウム、ピッチおよびセ
    メントからなる群から選択される結合剤のコーティング
    剤を、鋳物用砂の全乾燥重量に対して約０．５〜２０重
    量％の量で含有する請求項１３記載の方法。
17. 【請求項１７】 鋳物用砂の混合物が結合剤を硬化する
    ことができる硬化剤を含有している請求項１３記載の方
    法。
18. 【請求項１８】 微粉砕された形態の請求項１に記載の
    非孔質カーボン鋳物用砂を約５〜約９５％含有するスラ
    リーで鋳型または中子の表面をコートし次いでそのスラ
    リーのコーティングを乾燥することからなる、鋳型もし
    くは中子にカーボン砂の面を付与する方法。