JPWO2009136650A1 - 鋳造用塩中子の製造方法 - Google Patents

Abstract

ナトリウムの塩を含む混合塩を加熱して溶湯を作製する。溶湯の温度を混合塩の液相線温度よりも高い温度にし、溶湯を中子成形用の型に流し込む。ここで、溶湯の型への流し込み完了時点での温度を、混合塩の液相線温度より３０℃を超えない範囲とする。型の内部で溶湯を凝固させて鋳造用塩中子（１０２）を成形する。これにより、ナトリウムなどの塩を溶融させて成形する塩の鋳造物からなる水溶性を有する鋳造用塩中子の強度が、より安定して得られるようなる。

Description

本発明は、水溶性を有する鋳造用塩中子の製造方法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高速・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、よく知られているように、中子は、鋳造した後で鋳造物から除去することになる。しかし、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ジンで固めた砂中子を使用すると、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、特公昭４８−０３９６９６号公報、特開昭５０−１３６２２５号公報および特開昭５２−０１０８０３号公報に開示されている。塩中子は、例えば、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）などからなる混合塩を用い、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。

上述したように、混合塩を溶融成形した高い強度の塩中子が開発されている。しかし、塩中子は強度にばらつきが多く、完全な実用化には至っていないという問題がある。

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、ナトリウムなどの塩を溶融させて成形する塩の鋳造物からなる水溶性を有する鋳造用塩中子の実用的な強度が、より安定して得られるようにすることを目的とする。

本発明に係る鋳造用塩中子の製造方法は、ナトリウムの塩を含む混合塩を加熱して溶湯を形成するステップと、溶湯の温度を混合塩の液相線温度よりも高い温度にして溶湯を中子成形用の型に流し込むステップと、型の内部で溶湯を凝固させて鋳造用塩中子を成形するステップとを備え、流し込むステップは、溶湯の型への流し込みが完了した時点での溶湯の温度を混合塩の液相線温度より３０℃を超えない範囲とするステップを備える方法である。

本発明によれば、混合塩の溶湯を混合塩の液相線温度よりも高い温度にして中子成形用の型に流し込み、流し込み完了した時点での溶湯の温度を混合塩の液相線温度より３０℃を超えない範囲とするようにしたので、ナトリウムなどの塩を溶融させて成形する塩の鋳造物からなる水溶性を有する鋳造用塩中子の強度が、より安定して得られるようなる。

図１は、本発明の実施例に係る鋳造用塩中子を使用して鋳造したシリンダブロックの斜視図である。 図２は、過熱度を１０℃として製造した塩中子の研磨面を電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図３は、過熱度を４０℃として製造した塩中子の研磨面を電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図４は、過熱度を１０℃として製造した塩中子の破断面を電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図５は、過熱度を４０℃として製造した塩中子の破断面を電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図６は、注湯完了時の過熱度と強度との関係を示す特性図である。 図７は、塩化ナトリウムおよび炭酸ナトリウムの混合比と強度との関係を示す特性図である。 図８は、抗折強度測定に用いる試験片の側面図である。 図９は、図８に示す試験片の断面図である。 図１０は、抗折強度測定を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施例について図を参照して説明する。はじめに、本発明の実施例に係る鋳造用塩中子の使用形態について図１を用いて説明する。図１において、シリンダブロック１０１は、本実施例に係る鋳造用塩中子としての塩中子１０２を使用して鋳造されたアルミニウム合金から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１０１は、自動二輪車用水冷式４サイクル単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。

シリンダブロック１０１は、シリンダボア１０３、シリンダボア１０３を有するシリンダボディ１０４から構成されている。なお、図示していないが、シリンダボディ１０４の下部には、クランクケースが取り付けられ、このクランクケースは、軸受けを介してクランク軸を回転自在に軸支している。

シリンダボディ１０４は、いわゆるクローズドデッキ型のものである。シリンダボディ１０４の内部には、塩中子１０２を用いてウォータージャケット１０６が形成されている。ウォータージャケット１０６は、冷却水通路形成部（図示せず）、冷却水入口（図示せず）、主冷却水通路１０９、連通路１１０を含んでいる。冷却水通路形成部は、シリンダボディ１０４の一側部に突設されている。冷却水入口は、冷却水通路形成部に形成されている。主冷却水通路１０９は、冷却水通路形成部の内部に形成された冷却水供給通路（図示せず）に連通されるとともにシリンダボア１０３の周囲を覆うように形成されている。連通路１１０は、主冷却水通路１０９から図１において上側へ延びて、シリンダボディ１０４の上端のシリンダヘッド（図示せず）との合わせ面１０４ａに開口している。

上述したウォータージャケット１０６は、冷却水入口から流入した冷却水を冷却水供給通路によってシリンダボア１０３の周囲の主冷却水通路１０９に供給し、さらに、この冷却水を主冷却水通路１０９から連通路１１０を通してシリンダヘッド内の冷却水通路に導くように形成されている。このようにウォータージャケット１０６が形成されることにより、シリンダボディ１０４は、シリンダヘッドが接続される上端の合わせ面１０４ａにウォータージャケット１０６の連通路１１０が開口する他は、シリンダボディ１０４の天井壁（合わせ面１０４ａ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１０６を形成するための塩中子１０２は、ウォータージャケット１０６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１０２の形状（ウォータージャケット１０６の形状）を理解し易いように、シリンダボディ１０４の一部を破断した状態で描いてある。なお、符号１１１は、カム軸駆動チェーン用通路を示し、符号１１２は、チェーンテンショナー取り付け穴を示している。

本実施例に係る塩中子１０２は、ナトリウムの塩を含む混合塩を加熱して溶湯を形成し、この溶湯の温度を、混合塩の液相線温度より３０℃を超えない範囲で高い温度として中子成形用の型に流し込み、型の内部で溶湯を凝固させて成形することで製造したものである。塩中子１０２の製造方法については後ほど詳述する。

塩中子１０２は、図１に示すように、冷却水入口と冷却水供給通路とを形成する冷却水通路形成部と、シリンダボア１０３の周囲を囲む形状の環状部１０２ｂと、環状部１０２ｂから上方へ突出する複数の凸部１０２ａとが全て一体に形成されている。これらの凸部１０２ａによってウォータージャケット１０６の連通路１１０が形成される。塩中子１０２は、従来からよく知られているように、シリンダブロック１０１のダイカスト鋳造時には幅木（図１には示さず）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１０２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１０１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１０１を溶解液中に浸漬させることにより、塩中子１０２における冷却水通路形成部の冷却水入口と、合わせ面１０４ａに露出する凸部１０２ａ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１０６内に残存した塩中子１０２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１０２は、凸部１０２ａが形成される部位に凸部１０２ａの代わりに幅木を挿入することもできる。

また、塩中子１０２を鋳造物であるシリンダブロック１０１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１０２は、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、アルミニウムの鋳造物であるシリンダブロック１０１が腐食するなどの問題がある。この問題に対しては、塩酸を添加してｐＨを７近くに管理することでシリンダブロックの腐食を防止できる。

次に、塩中子１０２の製造方法について詳細に説明する。以下では、ナトリウムの塩を含む混合塩として、塩化ナトリウムおよび炭酸ナトリウムを混合した混合塩を例に説明する。本実施例では、先ず、塩化ナトリウムおよび炭酸ナトリウムを混合して混合塩とし、この混合塩を融点より高い温度に加熱して混合塩の溶湯を作製する。例えば、塩化ナトリウムを３０ｍｏｌ％、炭酸ナトリウムを７０ｍｏｌ％として混合した混合塩（以下、３０ｍｏｌ％ＮａＣｌ−７０ｍｏｌ％Ｎａ₂ＣＯ₃と表記）を用意し、この混合塩を、混合塩の液相線温度より５０℃〜８０℃程度高い温度に加熱保持して全体が溶解した溶湯を作製する。例えば、上述した混合塩をアルミナ製るつぼに入れて電気炉で溶解すればよい。なお、上記の混合塩を加熱することにより、ナトリウムイオン、塩素イオン、および炭酸イオンからなる溶融塩が生成される。

なお、液相線温度には、材料組織学で用いる一般的な液相線温度（実測値）と、混合塩の構成材料の熱力学的諸量および混合比から熱力学的計算により算出される液相線温度（計算値）とがある。前者の実測値は、溶融状態の混合塩を冷却させたときに初晶が析出し始める温度を実測して求める。これに対し後者の計算値は、熱力学データ（B. Sundman, B. Jansson, J.-O. Andresson, Calphad 9 (1985) 153.およびJun Yaokawa, Katsunari Oikawa and Koichi Anzai: "Thermodynamic Assessment of KCl−K2CO3−NaCl−Na2CO3 System", CALPHAD, accepted (2007)を参照）を用い、例えば、「Thermo−Calc」により計算で求める。本実施例における液相線温度は、後者の計算値である。

次に、るつぼに収容した混合塩が完全に溶解した後、るつぼを電気炉の外に出して空冷する。冷却速度は、毎秒０．３〜１．２℃とする。またこのとき、アルミナ製の撹拌子で毎秒３回転の回転数でるつぼ内の混合塩を撹拌する。このように、撹拌しながら冷却し、混合塩の溶湯の温度が、液相線温度（３０ｍｏｌ％ＮａＣｌ−７０ｍｏｌ％Ｎａ₂ＣＯ₃の場合７４３℃）より１５℃高い７５８℃のときに、混合塩の溶湯の金型への流し込みを開始する。すなわち、金型に流し込む直前の混合塩の溶湯の温度が、７５８℃になっている。金型は、例えば、１００℃程度に加熱しておく。

溶湯を金型に流し込むと、流し込み完了までの時間経過および金型への吸熱などにより、流し込み完了時点（注湯完了時）で、溶湯は液相線温度より１０℃高い温度（７５３℃）にまで低下する。言い換えると、溶湯の金型への流し込みが完了した時点（注湯完了時）での溶湯の温度が液相線温度より１０℃高い温度となるように、上記冷却を行う。ここでは、金型に流し込む一連の工程において、溶湯の温度が５℃程度低下する場合を例にしている。なお、以下では、液相線温度より高い注湯完了時における溶湯の温度と、液相線温度との差を過熱度と称する。上述の場合は、過熱度１０℃となる。

この後、金型の内部で溶湯を凝固させて塩中子１０２を成形する。こうして得られた塩中子１０２は、抗折強度の値が３０ＭＰａを超える高い強度が得られる。また、塩中子１０２の凝固組織は、図２の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真からわかるように、紡錘形をした粒状の微細な初晶（結晶粒）が均一に分布している。また、結晶粒の部分は、エネルギー分散型Ｘ線回折（EDX）装置による分析で、炭酸ナトリウムから構成されていることが判明している。

一方、同様の組成で過熱度４０℃とした製造方法では、図３に示すように、機械的強度の低下を招くと考えられる樹枝状の結晶（デンドライト組織）が初晶として観察される。このデンドライト組織も、ＥＤＸ装置による分析で、炭酸ナトリウムから構成されていることが判明している。

また、過熱度１０℃とした製造方法による塩中子では、破断面をＳＥＭにより観察すると、図４に示すように複雑な凹凸を備える状態となる。これに対し、過熱度４０℃とした製造方法による塩中子では、破断面をＳＥＭにより観察すると、図５に示すように、デンドライト組織に沿って平面的に割れているものと判断できる状態となる。このように、樹枝状の結晶粒（デンドライト組織）は成長して巨大結晶粒となりやすく、この箇所より劈開しやすいものとなり強度の低下を招くものと考えられる。本実施例によれば、このような強度の低下を招く樹枝状の組織が形成されないため、高い強度が得られるものと考えられる。

また、このような高い強度は、図６に示すように、過熱度が３０℃を超えない範囲であれば得られるものと考えられる。図６に示すように、過熱度が３０℃を超えない範囲に比較し、注湯完了時の過熱度が３０℃を超える範囲において明らかに抗折強度が低下している。従って、本実施例における製造方法によれば、過熱度の温度幅が３０℃程度あるので、厳密な温度管理や等温保持をしなくても塩中子１０２が製造可能である。なお、図６では、型温度を１８〜５３℃とした条件、型温度を１００℃とした条件、型温度を２０４〜３６４℃とした条件において、前述同様に製造した塩中子の強度を測定した結果を示している。型温度の抗折強度への影響は小さい。

また、塩化ナトリウムおよび炭酸ナトリウムを混合した混合塩を用いて塩中子を製造する場合、図７に示すように、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）および炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ＣＯ₃）の混合比がいずれの状態であっても、過熱度が３０℃を超えない範囲（９〜２３℃）であれば、他の過熱度に比較して高い抗折強度が得られている。また、混合比が１：１の場合に、最も高い強度が得られている。なお、図６および図７は、以下の表１、表２、および表３に示す数値を用いたものであり、また、共晶組成５４．６ＮａＣｌ−４５．４ｍｏｌ％Ｎａ₂ＣＯ₃の値は、液相線温度と同様に、「Thermo-Calc」による熱力学的計算で求めたものである。

以上に説明したように、本実施例によれば、ナトリウムの塩を含む混合塩を加熱して溶湯を形成し、この溶湯を混合塩の液相線温度よりも高い温度にして中子成形用の型に流し込み、型の内部で溶湯を凝固させて鋳造用塩中子を成形するようにした。特に、溶湯の型への流し込みが完了した時点での溶湯の温度を混合塩の液相線温度より３０℃を超えない範囲とした。この結果、上述したように、より高い抗折強度が得られるようになるので、塩中子（鋳造用塩中子）の実用的な強度が、より安定して得られるようになる。例えば、強度にばらつきが発生しても、ばらつきの範囲が実用的な強度範囲に収まるようになる。

［抗折強度］
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８および図９に示すような棒状の試験片８０１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８では、金型に半凝固状態の溶湯を充填するにあたって用いた押し湯の部分８０２も示しているが、抗折強度の測定においては、部分８０２を切り取る。なお、図８は側面図、図９は図８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８０１の、抗折強度の測定は、図１０に示すように、先ず、試験片８０１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１００１で試験片８０１を支持する。このように支持された状態で、２つの支持部１００１の中間箇所において、間隔が１０ｍｍとなる２箇所の荷重部１００２により、試験片８０１に荷重をかける。試験片８０１に加える荷重を徐々に大きくしてゆき、試験片８０１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１００１から荷重が加わる荷重部１００２までの間隔である。ところで、試験片８０１は、固液共存の状態の溶湯を上記金型に流し込むことで形成しているが、湯じわやひけ巣が全くなく、かつ型どおりの寸法に完全に一致した形状にはなりにくい。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ことになる。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。

なお、本発明は、ダイカスト法による鋳造で塩中子を成型する場合にも適用できるものである。ダイカストの場合においても、型の部分への溶湯の流し込みが完了した時点（型の部分への溶湯注入が完了した時点）の過熱度が３０℃を超えない範囲で行えば、上述同様の効果が得られる。

Claims (3)

1. ナトリウムの塩を含む混合塩を加熱して溶湯を作製するステップと、
   前記溶湯の温度を前記混合塩の液相線温度よりも高い温度にして前記溶湯を中子成形用の型に流し込むステップと、
   前記型の内部で溶湯を凝固させて鋳造用塩中子を成形するステップと
   を備え、
   前記流し込むステップは、前記溶湯の前記型への流し込みが完了した時点での前記溶湯の温度を前記混合塩の液相線温度より３０℃を超えない範囲とするステップを備える
   ことを特徴とする鋳造用塩中子の製造方法。
2. 請求項１記載の鋳造用塩中子の製造方法において、
   作製するステップは、前記混合塩として、塩化ナトリウムおよび炭酸ナトリウムを混合したものを加熱するステップを備える
   ことを特徴とする鋳造用塩中子の製造方法。
3. 請求項１記載の鋳造用塩中子の製造方法において、
   作製するステップは、前記混合塩を加熱してナトリウムイオン、塩素イオンおよび炭酸イオンからなる溶融塩を生成するステップを備える
   ことを特徴とする鋳造用塩中子の製造方法。

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