WO2007129578A1

WO2007129578A1 - 鋳造用中子

Info

Publication number: WO2007129578A1
Application number: PCT/JP2007/058950
Authority: WO
Inventors: Jun Yaokawa; Koichi Anzai; Youji Yamada
Original assignee: National University Corporation Tohoku University; Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2007-11-15
Also published as: JP4819567B2; JP2007296566A

Abstract

　塩中子（２）は、まず、陽イオンとしてのカリウム及びナトリウムと陰イオンとしての塩素及び炭酸とから構成したものである。加えて、塩中子（２）は、全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比ＸＫ+（＝［Ｋ+］／（［Ｎａ+］＋［Ｋ+］）×１００）を、６０～７０ｍｏｌ％とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比ＹＣＯ3 2-（［ＣＯ3 2-］／（［ＣＯ3 2-］＋［Ｃｌ-］）×１００）を３０～４０ｍｏｌ％としたものである。

Description

明細書

铸造用中子

技術分野

[0001] 本発明は、水溶性を有する铸造用中子に関するものである。

背景技術

[0002] 例えば、アルミニウムダイカスト等の铸造は、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铸造する技術である。このような铸造において、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铸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ぐまた、凝固完了まで铸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、中子は、铸造後、铸造物から除去することになるが、複雑な内部構造を有する铸造物などの場合に、一般的なフエノールレジンで固めた砂中子を使用した場合、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ある（文献 1：特開昭 48— 039696号公報，文献 2 :特開昭 50— 136225号公報，文献 3 :特開昭 52— 010803号公報）。

[0003] 上述のような塩中子は、炭酸ナトリウム（Na CO ) ,塩化カリウム (KC1) ,および塩

2 3

化ナトリウム (NaCl)などよりなる複合塩を用い、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、铸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。発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] ところで、上述した従来より用いられて!/、るナトリウムイオン (Na+) ,カリウムイオン (K +) ,塩素イオン (CD ,炭酸イオン (CO ²—)よりなる溶融塩より成形された塩中子では、

3

これらの組成の比率がある特定の範囲である場合に限り、高、耐圧強度が得られている。しかし、従来の組成の範囲では、融点が 700°C以上と溶融成形に適さないものが多い。また、融点が 700°C以下で高強度となる組成のものもある力いずれも、ナトリウムイオンがカリウムイオンより多い組成とされ、また、炭酸イオンが塩素イオンより多い組成とされている。例えば、 CO ²が多い組成では、塩中子を除去するときに溶解

3

した水溶液のアルカリ性がより強い状態となり、铸造物の腐食が問題となる。この腐食の問題は、塩酸を利用して中和することで解消可能であるが、 CO ²が多い組成では

3

、これに比例して塩酸の使用量が多くなる。すなわち、従来の技術では、アルミニウムダイカスト等の铸造に適用可能な高、耐圧強度が容易に得られる組成の範囲力あまり広くな 1ヽと 1ヽぅ問題があった。

[0005] 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、 Na+, K+, C1" , CO ²よりなる溶融塩より成形された塩 (溶融塩)よりなる水溶性を有する铸造用中

3

子において、 K+が Na+より多くまた CO ²が C1—より少ない組成の範囲において、高い

3

耐圧強度が得られる新たな铸造用中子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] 本発明に係る铸造用中子は、カリウムイオン，ナトリウムイオン，塩素イオン，および炭酸イオンのみ力なる溶融塩によって形成され、全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比を、 60〜70mol%とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比を 30〜 40mol%としたものである。

発明の効果

[0007] 本発明によれば、全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比を 60〜70mol%とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比を 30〜40mol%としたことにより、 Na⁺, K +, Cf, CO ²—よりなる溶融塩より成形された塩 (溶融塩)よりなる水溶性中子において

3

、 K+が Na+より多く CO ²が C1—より少ない組成の範囲において、高い耐圧強度が得ら

3

れる新たな水溶性の铸造用中子を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0008] [図 1]図 1は、本発明に係る铸造用中子を使用して铸造した場合のシリンダブロックの斜視図である。

[図 2]図 2は、抗折試験片の抗折強度を示すグラフである。

[図 3]図 3は、抗折試験片の抗折強度を示すグラフである。

[図 4]図 4は、カリウムイオンの陽イオン比および炭酸イオンの陰イオン比と、液相線温度との関係を示す特性図 (状態図)である。

[図 5A]図 5Aは、抗折強度測定に用いる試験片の状態を示す構成図である。

[図 5B]図 5Bは、抗折強度測定に用いる試験片の状態を示す部分的な断面図である

[図 6]抗折強度測定を説明するための説明図である。

発明を実施するための最良の形態

[0009] 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铸造用中子の使用形態について図 1を用いて説明する。図 1は、本発明に係る铸造用中子を使用して铸造した場合のシリンダブロックの斜視図で、同図は一部を破断した状態で描いてある。図 1において、符号 1で示すものは、本発明に係る铸造用中子としての塩中子 2を使用して铸造されたアルミニウム合金より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 1は、自動二輪車用水冷式 4サイクル 4 気筒エンジンの一部であり、ダイカスト铸造法によって所定の形状に成形されている

[0010] 図 1に示すシリンダブロック 1は、四箇所のシリンダボア 3,シリンダボア 3を有するシリンダボディ 4,およびシリンダボディ 4の下端から下方に延びる上部クランクケース 5 がー体に形成されている。上部クランクケース 5は、下端部に下部クランクケース（図示せず）が取り付けられ、この下部クランクケースとともに軸受を介してクランク軸（図示せず)を回転自在に軸支して、る。

[0011] シリンダボディ 4は、いわゆるクローズドデッキ型のものであり、塩中子 2を用いてゥォ一タージャケット 6が内部に形成されている。ウォータージャケット 6は、冷却水通路形成部 7,冷却水入口 8,主冷却水通路 9,連通路 10を含んで構成されている。冷却水通路形成部 7は、シリンダボディ 4の一側部に突設されシリンダボア 3の並設方向に延在している。また、冷却水口 8は、冷却水通路形成部 7に形成されている。主冷却水通路 9は、冷却水通路形成部 7の内部に形成された冷却水分配通路（図示せず）に連通されるとともに全てのシリンダボア 3の周囲を覆うように形成されている。また、連通路 10は、主冷却水通路 9から図 1において上側へ延びてシリンダボディ 4の上端の図示してヽなヽシリンダヘッドとの合わせ面 4aに開口して!/、る。 [0012] 上述したウォータージャケット 6は、冷却水入口 8から流入した冷却水を冷却水分配通路によってシリンダボアの周囲の主冷却水通路 9に供給し、さらに、この冷却水を主冷却水通路 9から連通路 10を通してシリンダヘッド（図示せず）内の冷却水通路に導くように構成されている。このようにウォータージャケット 6が形成されることにより、このシリンダボディ 4は、シリンダヘッドが接続される上端の合わせ面 4aにウォータージャケット 6の連通路 10が開口する他は、シリンダボディ 4の天井壁 (合わせ面 4a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。

[0013] ウォータージャケット 6を形成するための塩中子 2は、ウォータージャケット 6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 2の形状 (ウォータージャケット 6の形状)を理解し易、ように、シリンダボディ 4の一部を破断した状態で描いてある。

[0014] この実施例に係る塩中子 2は、炭酸ナトリウム，塩ィ匕ナトリウム，および塩ィ匕カリウムなど、複数の塩を使用してダイカスト铸造法によってウォータージャケット 6の形状となるように形成されている。塩中子 2の構成成分については以下に詳述する。なお、塩中子 2は、ダイカスト铸造法の他に、例えばグラビティ铸造法など、他の铸造法によつても形成することができる。ダイカスト铸造法による塩中子 2の形成では、先ず、後述する複数の塩カゝらなる混合物を加熱して溶融させ溶湯を造る。次に、この溶湯を塩中子用の金型に高圧注入して凝固させ、凝固後に金型力取り出すことによって行う。

[0015] 塩中子 2は、図 1に示すように、冷却水入口 8と冷却水分配通路とを形成する通路形成部 2aと、四箇所のシリンダボア 3の周囲を囲む形状の環状部 2bと、環状部 2bから上方へ突出する複数の凸部 2cとが全て一体に形成されている。これらの凸部 2cによってウォータージャケット 6の連通路 10が形成される。塩中子 2は、従来からよく知られているように、铸造時には幅木（図示せず）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、铸造後に温水または蒸気によって溶解させて除去する。

[0016] 塩中子 2を铸造後に除去するためには、塩酸と温水など力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 1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 1を溶解液中に浸漬させることにより、塩中子 2における通路形成部 2 aと、合わせ面 4aに露出する凸部 2c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 6内に残存した塩中子 2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 2は、凸部 2cが形成される部位に凸部 2cの代わりに幅木を挿入することもできる。

[0017] また、塩中子 2を铸造物力も除去する工程で、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 2は、炭酸カリウムや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、铸造物であるアルミニウムが溶解するなどの問題がある。この問題に対しても、塩酸を添加することで中和するができるので、成形体に対するアルカリによる悪影響を低減できる。

[0018] 次に、塩中子 2について説明する。本実施例における塩中子 2は、先ず、陽イオンとしてのカリウムおよびナトリウムと陰イオンとしての塩素および炭酸とから構成されたものである。力！]えて、塩中子 2は、全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比 XK+( = [K⁺]/ ( [Na⁺] + [K+]) X 100)力 60〜70mol%とし、全陰イオン中の炭酸ィォンのモル成分比 YCO ²— ( [CO ²刁

3 3 Z( [CO ²— ] + [Cf]) X 100)が 30〜40mol%と

3

したものである。

[0019] 例えば、上記組成となるように、炭酸ナトリウム，塩ィ匕ナトリウム，および塩ィ匕カリウムを混合し、前述したダイカスト铸造法により、塩中子 2を作製すればよい。また、炭酸カリウム，塩ィ匕ナトリウム，および塩ィ匕カリウムを混合し、前述したダイカスト铸造法により、塩中子 2を作製してもよい。また、炭酸ナトリウム，炭酸カリウム，塩ィ匕ナトリウム，および塩ィ匕カリウムを混合し、前述したダイカスト铸造法により、塩中子 2を作製してもよい。なお、塩中子 2は、カリウム，ナトリウム，塩素，炭酸のみによって形成されており、強化用のセラミックスや他の強化剤などは含まれて、な、。

[0020] 上述した塩中子 2の構成は、後述するように発明者らが鋭意行った実験の結果を詳細に検討した結果判明したものであり、アルミニウム合金などのダイカスト铸造法に使用できる抗折強度が得られるような値を有するものである。発明者らの実験により、以下の表 1,表 2及び図 2,図 3に示すように、カリウムイオンがナトリウムイオンより多い組成の範囲においては、 XK+を、 60〜70mol%とし、 YCO ²を 30〜40mol%としている塩中子力高い抗折強度が得られている。これに対し、この範囲外の組成の塩中子では、高い抗折強度が得られていない。なお、各イオンの濃度は、 JIS規格 K01 27のイオンクロマトグラフ分析通則に制定された分析方法により測定したものである。

[表 1] 表 1

[表 2]

表 2

図 4は、カリウムイオンの陽イオン比および炭酸イオンの陰イオン比と、溶融温度 (液相線温度）との関係 (Na-K-Cト CO系の状態図）を示し、図 4中に、表 1に示した各組

3

成について、試料番号に対応させて示している。また、図 4中に、 K⁺0mol%, CO Omol%の場合の NaClの液相線温度、 Na+Omol%, CO ²— Omol%の場合の KC1の

3

液相線温度、 K⁺0mol%, Cl—0mol%の場合の Na COの液相線温度、 Na⁺0mol%

2 3

, Cl—0mol%の場合の K COの液相線温度も示している。なお、図 4において、太線

2 3

で共晶線を示している。

[0024] 図 4から明らかなように、高い抗折強度が得られている試料 1— 1, 1 - 2, 1 - 3, 1

-4,および 1—5は、 XK+を、 60〜70mol%とし、 YCO ²を 30〜40mol%とした領

3

域内にある。これに対し、高い抗折強度が得られていない試料 2—1, 2- 2, 2- 3, 2-4,および 2— 5は、 XK+を、 60〜70mol%とし、 YCO ²を 30〜40mol%とした

3

領域の外にある。また、上記の領域は、液相線 600°Cと液相線 650°Cとの間に存在してヽることが半 Uる。

[0025] したがって、本実施例における塩中子は、融点が 580°C程度であるアルミニウム合金の铸造に用いても溶融することがない。また、本実施例における塩中子は、 CO ²"

3 力 scrより少な、範囲の組成としたので、塩中子を除去する工程で強、アルカリ性を呈する原因となる CO ²が少なぐ例えば、铸造物の腐食が抑制でき、また、中和に

3

要する塩酸の量を少なくできる。また、融点が 700°Cを超えることがなぐ溶融成形が容易である。

[0026] 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 5 A及び図 5Bに示すような棒状の試験片 501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 5Aでは、金型に溶湯を充填するにあたって用いた押し湯の部分 502も示しているが、抗折強度の測定においては、部分 502を切り取る。なお、図 5Aは側面図，図 5Bは図 5A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。

[0027] 上述したようにして作製した棒状の試験片 501の、抗折強度の測定は、図 6に示すように、先ず、試験片 501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 601で試験片 501を支持する。このように支持された状態で、 2つの支持部 6 01の中間箇所において、間隔が 10mmとなる 2箇所の荷重部 602により、試験片 50 1に荷重をかける。試験片 501にカ卩える荷重を徐々に大きくしてゆき、試験片 501が折れたときの荷重を表 1に示す抗折荷重とした。

[0028] ここで、抗折強度 σ (MPa)は、抗折荷重 Pより「 σ = 3LP/BH²J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 60 1力も荷重が加わる荷重部 602までの間隔である。ところで、試験片 501は、上記金型に流し込むことで形成しているため、湯じわやひけ巣があり精確に型どおりの寸法になりにくい。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状態になり、例えば、抗折荷重 12 OONで破断した試験片は，抗折強度 lOMPa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。

[0029] 以下、全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比 XK+ (= [K+]Z( [Na+] + [K+])

X 100)を 60〜70mol%とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比 YCO ²"( [C

3

O ² ]Z( [CO ²— ] + [CI—]) X 100)を 30〜40mol%とした組成の範囲で、高い耐圧

3 3

強度が得られることにつヽて考察する。

[0030] 図 4より、試料番号 1— 1〜1— 5の成分は、共晶線より塩ィ匕物側にあるので，初晶は塩化物の全率固溶体 K Na Cl (x = 0〜1)である。通常、初晶中のカリウムと

1

ナトリウムの割合は混合塩の初期組成によって異なるが，強度にはこの割合が大きく影響を及ぼしていると考えられる。試料番号 1 1〜1 5の成分では，初晶の塩ィ匕物全率固溶体 K Na Cl (x= 0〜1)は， x 0. 9〜1のほぼ純粋な塩化カリウム K

1

CIである。この塩ィ匕カリウムの初晶は安定な相であるため、室温から液相線に示す温度の範囲で相変態は起こらない。このため、この成分の混合塩を溶融成形すると、高強度の塩中子を得られるものと考えられる。これに対して試料番号 1 1〜1 5の成分以外では、初晶の塩化物全率固溶体 K Na Cl(x=0〜l)は X 0. 1〜0. 9とな

1

ることが多い。この場合には、初晶は安定ではなぐ 2相分離により脆ィ匕し、強度が低下するものと考えられる。

産業上の利用可能性 [0031] 本発明は、アルミニウムダイカスト等の铸造における中子として、好適に用いられる

Claims

請求の範囲

カリウムイオン，ナトリウムイオン，塩素イオン，及び炭酸イオンのみからなる溶融塩によって形成され、

全陽イオン中のカリウムイオンのモル成分比を、 60〜70mol%とし、全陰イオン中の炭酸イオンのモル成分比を 30〜40mol%とした

ことを特徴とする铸造用中子。