WO2017208777A1 - 鋳造用中子およびその製造方法 - Google Patents

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core
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casting core
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直人 上坂
荒井　毅
和樹 石原
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株式会社デンソー
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    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
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    • B22D21/02—Casting exceedingly oxidisable non-ferrous metals, e.g. in inert atmosphere
    • B22D21/04—Casting aluminium or magnesium

Definitions

  • the present disclosure relates to a casting core and a manufacturing method thereof.
  • a casting core formed by a molding method such as a shell mold method, a cold box method, or a hot box method.
  • the core for casting by the molding method has an aggregate made of silica sand or mullite artificial sand and an organic binder made of phenol resin, furan resin or the like.
  • Patent Document 1 describes a casting core formed by drying an aqueous solution containing mullite artificial sand and an inorganic binder such as magnesium sulfate.
  • the conventional technology has the following problems. That is, a casting core using an organic binder generates decomposition gas caused by the organic binder during casting. In addition, in the casting core using the organic binder, the organic binder remains after casting. Therefore, vibration and heat treatment are separately required to collapse and take out the core.
  • the casting core using magnesium sulfate as the binder component is inferior in strength. This is due to the following reason. Magnesium sulfate reacts with moisture in the atmosphere to form a hydrate, which becomes heptahydrate at room temperature, monohydrate at 70 ° C. or higher, and anhydrous at 200 ° C. or higher, causing a volume change. For this reason, in a casting core using magnesium sulfate as a binder component, part of the binder bond is self-collapsed and the strength is reduced during casting when temperature and humidity change.
  • the present disclosure has been made in view of the above points, and an object of the present disclosure is to provide a casting core capable of ensuring both strength during casting and ease of collapsing after casting, and the casting core. It is to provide a manufacturing method.
  • the casting core according to an aspect of the present disclosure includes a vitreous aggregate mainly composed of silicon dioxide and an inorganic binder that connects the aggregates and contains sodium chloride.
  • the above casting core is a combination of a vitreous aggregate mainly composed of silicon dioxide and an inorganic binder containing sodium chloride. Therefore, the above-described casting core has a small change in strength due to temperature, and can ensure strength even when exposed to high temperatures during casting. Moreover, since the inorganic core is water-soluble, the casting core can be dissolved in water, and the core can be easily collapsed after casting.
  • the above-described casting core does not require a large amount of energy when the core is molded or after the casting, so that it saves energy and is advantageous for cost reduction.
  • the above-described casting core uses an inorganic binder, no harmful gas is generated at the time of core molding, casting, or the like unlike a casting core using an organic binder.
  • the said casting core is easy to isolate
  • a method for producing a casting core according to another aspect of the present disclosure provides a kneaded material including a polar solvent, a vitreous aggregate mainly composed of silicon dioxide, and an inorganic binder containing sodium chloride, Pouring the kneaded material into a mold, and drying and molding the kneaded material in the mold.
  • the above casting core manufacturing method it is possible to manufacture the above casting core capable of ensuring both strength during casting and easy collapse after casting.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a microstructure of a casting core according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • FIG. 2 is an explanatory view schematically showing a kneaded product used for manufacturing the core for casting according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a microstructure of a casting core according to Embodiment 3 of the present disclosure.
  • FIG. 4A is an explanatory view schematically showing a casting core pipe according to Embodiment 4 of the present disclosure;
  • FIG. 4B is an explanatory view schematically showing a main body portion of the casting core of the fourth embodiment.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing a casting core according to the fifth embodiment of the present disclosure and a situation at the time of casting using the same.
  • FIG. 6 is an explanatory view schematically showing a casting core according to the fifth embodiment and a cast product using the same.
  • the casting core 1 of this embodiment includes an aggregate 2 and an inorganic binder 3. The details will be described below.
  • the aggregate 2 is glassy whose main component is silicon dioxide. “Containing silicon dioxide as a main component” means that the chemical composition contains 50% by mass or more of silicon dioxide (SiO 2 ). Since the aggregate 2 is glassy, it is amorphous.
  • the aggregate 2 can be composed of glass fiber as illustrated in FIG. According to this configuration, it is easier to improve the strength of the casting core 1 than when the aggregate 2 is composed of spherical glass particles (described later in Embodiment 2). This is considered to be because the fibrous glass fibers are entangled with each other.
  • the average length of the glass fiber can be set to 10 to 1000 ⁇ m, for example. According to this configuration, the strength of the casting core 1 can be easily improved.
  • the average length of the glass fiber is preferably 50 ⁇ m or more, more preferably 100 ⁇ m or more, and further preferably 150 ⁇ m or more from the viewpoint of improving the strength of the casting core 1.
  • the average length of the glass fiber is preferably 500 ⁇ m or less, more preferably 400 ⁇ m or less, and even more preferably 300 ⁇ m or less from the viewpoints of core moldability, core dimensional accuracy, and the like.
  • the average length said is an average value of each measurement length of 100 glass fibers observed with a scanning electron microscope.
  • the aggregate 2 may be subjected to a surface treatment.
  • Specific examples of the surface treatment include plasma treatment and coupling treatment with a silane coupling agent.
  • the strength of the casting core 1 can be further improved.
  • the silane coupling agent include 3-aminopropyltrimethoxysilane ((CH 3 O) 3 SiC 3 H 6 NH 2 ) and 3-aminopropyl ethoxysilane ((C 2 H 5 O) 3 SiC 3 H 6.
  • the plasma treatment is performed by cleaning and etching the surface of the aggregate 2 in a non-reactive gas atmosphere such as He or Ar at an atmospheric temperature of 80 to 250 ° C. to react with N 2 or O 2. It can be carried out by a method of introducing a functional group in a reactive gas atmosphere.
  • the coupling treatment specifically includes immersing the aggregate 2 in an aqueous solution containing 1 to 2% by mass of a silane coupling agent, and then drying at 100 to 110 ° C. for 30 minutes to 5 hours. Can be implemented.
  • the inorganic binder 3 connects the aggregates 2 to each other.
  • the inorganic binder 3 contains at least sodium chloride.
  • the content of the inorganic binder 3 can be 1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the aggregate. According to this configuration, the balance between strength and disintegration time is excellent.
  • the content of the inorganic binder 3 is preferably 2 parts by mass or more, more preferably 3 parts by mass or more, and further preferably 5 parts by mass or more from the viewpoint of easily ensuring the strength.
  • the content of the inorganic binder 3 exceeds 10 parts by mass, the time required for core collapse after casting becomes longer. Therefore, the content of the inorganic binder 3 is preferably 9.5 parts by mass or less, more preferably 9 parts by mass or less, and still more preferably 8.5 parts by mass or less from the viewpoint of improving the ease of disintegration after casting. It can be.
  • the inorganic binder 3 may not be sintered or may be partially sintered.
  • the latter configuration can further improve the strength of the casting core as compared to the former configuration.
  • the casting core 1 may have a structure having a contact surface with a metal having a melting point of less than 800 ° C. on the surface. According to this structure, when used for casting with a metal having a melting point of less than 800 ° C., the metal having a melting point of less than 800 ° C. contacts the surface. Even in this case, since the inorganic binder 3 is difficult to melt, the strength of the casting core 1 can be ensured.
  • Examples of the metal having a melting point of less than 800 ° C. include aluminum, an aluminum alloy, zinc, a zinc alloy, magnesium, and a magnesium alloy.
  • the casting core 1 can be manufactured as follows. Specifically, as shown in FIG. 2, a kneaded material 6 including a polar solvent 5, a glassy aggregate 2 mainly composed of silicon dioxide, and an inorganic binder 3 containing sodium chloride is prepared. The kneaded product 6 is poured into a mold, and the kneaded product 6 is at least dried in the mold to be molded. Thereby, the core 1 for casting can be manufactured.
  • any material can be used as long as it can disperse the aggregate 2 and can dissolve the inorganic binder 3 containing sodium chloride. Note that the portion between the aggregates 2 shown in FIG. 2 is filled with a solution in which the inorganic binder 3 is dissolved in the polar solvent 5.
  • Specific examples of the polar solvent 5 include water and methanol. Of these, the polar solvent 5 is preferably water from the viewpoints of the solubility, handleability, cost, and the like of the inorganic binder 3.
  • the drying temperature, drying time, etc. of the kneaded product 6 can be appropriately set according to the type of the polar solvent 5 so that the polar solvent 5 disappears by drying.
  • the inorganic binder 3 precipitates between the aggregates 2 by drying, and the aggregates 2 are connected. It is considered that the connection between the aggregates 2 due to drying is due to intermolecular force, anchor effect, or the like.
  • Embodiment 2 The casting core and the manufacturing method thereof according to Embodiment 2 will be described.
  • the same reference numerals as those used in the above-described embodiments represent the same components as those in the above-described embodiments unless otherwise indicated.
  • the casting core 1 and its manufacturing method of the present embodiment are different from the casting core 1 of Embodiment 1 and its manufacturing method in that the inorganic binder 3 further contains potassium chloride. Moreover, in the manufacturing method of the casting core 1 of this embodiment, in molding the kneaded product 6, the kneaded product 6 is dried and the inorganic binder 3 is partially sintered. This is different from the manufacturing method of the core 1.
  • the inorganic binder 3 When the inorganic binder 3 further contains potassium chloride in addition to sodium chloride, the inorganic binder 3 can be partially sintered by firing, and the inorganic binder 3 is not partially sintered. As compared with the case, it is possible to obtain the casting core 1 having high strength. That is, in this case, since the bonding force between the inorganic binders 3 is improved, it is possible to further improve the strength while ensuring the ease of collapse of the resulting casting core 1.
  • the content of potassium chloride in the inorganic binder 3 can be 3 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of sodium chloride. According to this configuration, the effect of improving the strength can be ensured.
  • the content of potassium chloride is preferably 4 parts by mass or more, more preferably 5 parts by mass or more, and further preferably 6 parts by mass or more from the viewpoint of improving the strength.
  • the content of potassium chloride is preferably 14 parts by mass or less, more preferably 12 parts by mass or less, and further preferably 10 parts by mass or less from the viewpoint of balance between strength and ease of sintering. it can.
  • the kneaded material 6 may be dried and fired.
  • the firing time may be 220 ° C. to 300 ° C., and the firing time may be 1 to 30 minutes.
  • Embodiment 3 The casting core and the manufacturing method thereof according to Embodiment 3 will be described with reference to FIG.
  • the casting core 1 and its manufacturing method of the present embodiment are different from the casting core 1 of Embodiment 1 and its manufacturing method in that the aggregate 2 is composed of spherical glass particles.
  • the aggregate 2 is composed of glass fiber (described above in the first embodiment)
  • the fluidity during core molding and the flow of the aggregate 2 when the core collapses after casting Excellent in properties. Therefore, the casting core 1 excellent in the formability of a thin shape and the take-out property after collapse can be obtained.
  • the average particle diameter of the spherical glass particles can be, for example, 10 to 150 ⁇ m. According to this structure, it becomes easy to make the said effect reliable. In addition, according to this configuration, there are advantages that high strength is obtained, dimensional accuracy is good, spherical glass particles do not easily fly in the atmosphere, and handling properties are good.
  • the average particle diameter of the spherical glass particles is preferably 30 ⁇ m or more, more preferably 40 ⁇ m or more, and even more preferably 50 ⁇ m or more, from the viewpoint of improving the take-out property after collapse.
  • the average particle size of the spherical glass particles is preferably 130 ⁇ m or less, more preferably 120 ⁇ m or less, and even more preferably 100 ⁇ m or less, from the viewpoints of dimensional accuracy, surface roughness, and the like.
  • the average particle diameter mentioned above is the particle diameter (diameter) d50 when the volume-based cumulative frequency distribution measured by the laser diffraction scattering method shows 50%.
  • the casting core 1 of this embodiment includes a core body portion 10 including an aggregate 2 and an inorganic binder 3, and a pipe 4. This is different from the casting core 1 of the first to third embodiments.
  • the pipe 4 includes an embedded portion 41 inserted into the core body portion 10 and a grip portion 42 exposed from the core body portion 10.
  • the polar solvent 5 such as water
  • the polar solvent 5 passes through the pipe 4 and the It is supplied to the inside of the child main body 10.
  • the embedded portion 41 has one or more through holes 411 on the side surface, not only the tip portion of the pipe 4 but also the side surface of the embedded portion 41.
  • the polar solvent 5 such as water can be ejected from the water. Therefore, in this case, the core collapsibility after casting can be further improved. Further, there is an advantage that it becomes easy to uniformly cool the casting with the polar solvent 5.
  • the pipe 4 can be made of, for example, a metal (including an alloy) such as stainless steel, copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy.
  • the surface of the pipe 4 may be subjected to uneven processing or hydrophilic surface treatment. According to this configuration, the adhesion between the casting core 1 and the pipe 4 can be improved.
  • the pipe 4 is connected to the core body 10 so that the grip portion 42 does not enter the cavity of the casting mold from the viewpoint of improving the ease of taking out the core after casting. It is preferable that it is held.
  • FIGS. 5 and 6 A casting core according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
  • the core body 10 is provided at the core root 11 and the tip of the core root 11.
  • a core widening portion 12 having a diameter larger than that of the core root portion 11.
  • the buried portion 41 of the pipe 4 includes a branch portion 412 that extends along the core diameter-expanded portion 12.
  • the branching portion 412 is specifically provided at the distal end portion of the embedded portion 41.
  • the branching portion 412 is branched into a forked shape along the diameter increasing direction of the core expanding portion 12.
  • reference numeral 9 denotes a mold including an upper mold 91 and a lower mold 92.
  • symbol PL is a metal mold
  • Reference numeral 930 is a molten metal.
  • symbol 93 is the casting used as a product.
  • the polar solvent 5 such as water is rapidly supplied to the enlarged diameter portion 12 through the branch portion 412 of the pipe 4 in the main body of the pipe 4. be able to. Therefore, according to this structure, even when the core 1 for casting has the enlarged diameter part 12, it is easy to collapse a core after casting, and it is advantageous to cool the casting 93 rapidly. Moreover, according to this structure, it becomes possible to make the casting 93 into the undercut shape which cannot be shape
  • the casting core 1 should satisfy the following relationship.
  • the casting core 1 can be obtained in which the pipe 4 can be easily taken out from the casting 93 after the core collapses.
  • Example 10 A simple mold capable of forming a core test piece of 10 mm ⁇ 10 mm ⁇ 50 mm was prepared.
  • the mold is provided with a heater and a thermocouple so that the temperature can be adjusted.
  • the mold can be adjusted in the pressing force during molding using a simple press machine.
  • the following aggregates were prepared.
  • Glass fibers mainly composed of silicon dioxide (average length: 100 ⁇ m)
  • the glass fiber has a chemical composition of mass%, SiO 2 : 53%, Al 2 O 3 : 15%, CaO: 21%, MgO: 2%, B 2 O 3 : 8%, Na 2 O + K. 2 O: 0.3%, ig. Loss: 0.7% was used.
  • Mullite artificial sand (average particle size: 100 ⁇ m)
  • the following inorganic binders were prepared.
  • the prepared predetermined kneaded material was poured into a simple mold, and the kneaded material was dried in the mold. Moreover, about one part, after drying, it baked on the conditions for 30 minutes at 220 degreeC. This produced the core for casting of each sample shown in below-mentioned Table 2.
  • the mold temperature was 120 ° C., and the pressure applied during molding was 8 MPa.
  • the four-point bending strength was measured for each obtained casting core.
  • the casting core is used after the molten metal is poured after the molten metal is poured after being set in the mold. Exposed to high temperatures. Therefore, assuming this casting situation, not only the room temperature but also the four-point bending strength (200 ° C.) of the casting core when the temperature was raised was measured.
  • the strength greatly decreased at high temperatures. This is because magnesium sulfate reacts with moisture in the atmosphere to form a hydrate, which becomes heptahydrate at room temperature, monohydrate at 70 ° C or higher, and anhydrous at 200 ° C or higher, resulting in a volume change. This is thought to be because part of the binder bond self-collapsed and the strength decreased.
  • Sample j is fired based on sample i. However, the strength of the sample j was lowered by being heated to a high temperature by firing.
  • Sample k is a combination of crystalline artificial sand and an inorganic binder containing sodium chloride.
  • Sample l is sodium chloride itself. According to these samples k and l, sodium chloride itself is not effective, but a combination of a vitreous aggregate mainly composed of silicon dioxide and an inorganic binder containing sodium chloride, as described later, It can be seen that the strength is improved.
  • samples a to e, b2 and b3 are composed of a combination of a vitreous aggregate mainly composed of silicon dioxide and an inorganic binder containing sodium chloride. Therefore, it was confirmed that the strength change due to the temperature change during casting was small and the strength could be secured. In addition, it was confirmed that the samples a to e, b2, and b3 were all excellent in solubility in water and easily disintegrated.
  • the aggregate 2 may include both glass fibers and spherical glass particles.
  • the inorganic binder 3 may further contain potassium chloride.
  • the casting core 1 of the second and third embodiments may further include the pipe 4 described in the fourth and fifth embodiments.
  • the aggregate may be subjected to a surface treatment such as a plasma treatment or a coupling treatment.
  • a surface treatment such as a plasma treatment or a coupling treatment.
  • artificial sand or the like that has been subjected to the above surface treatment can be used as an aggregate.

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Abstract

鋳造用中子（１）は、二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材（２）と、骨材（２）同士を連結し、塩化ナトリウムを含有する無機バインダ（３）とを有している。鋳造用中子（１）は、極性溶媒（５）と、二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材（２）と、塩化ナトリウムを含有する無機バインダ（３）とを含む混練物（６）を準備し、混練物（５）を成形型内に流し込み、成形型内で混練物（５）を乾燥させて成型することにより製造することができる。この鋳造用中子によれば、鋳造時における強度の確保と鋳造後の崩壊容易性とを両立可能である。

Description

鋳造用中子およびその製造方法 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１６年５月３１日に出願された日本特許出願番号２０１６－１０８５９４号、及び２０１７年４月１２日に出願された日本特許出願番号２０１７－０７９２４５号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、鋳造用中子およびその製造方法に関する。
　従来、シェルモールド法、コールドボックス法、ホットボックス法等の造型法により造型された鋳造用中子が知られている。上記造型法による鋳造用中子は、珪砂やムライト系の人工砂からなる骨材と、フェノール樹脂やフラン樹脂等からなる有機バインダとを有している。
　他にも例えば、特許文献１には、ムライト系の人工砂と、硫酸マグネシウム等の無機バインダとを含む水溶液を乾燥させて成型した鋳造用中子が記載されている。
特開２００６－６１９４８号公報
　しかしながら、従来技術は、以下の点で課題がある。すなわち、有機バインダを用いた鋳造用中子は、鋳造時に有機バインダに起因する分解ガスが発生する。また、有機バインダを用いた鋳造用中子は、鋳造後に有機バインダが残る。そのため、中子を崩壊して取り出すためには振動や熱処理が別途必要になる。
　また、バインダ成分として硫酸マグネシウムを用いた鋳造用中子は、強度に劣る。これは、次の理由による。硫酸マグネシウムは、大気中の水分と反応して水和物を作り、常温で七水和物、７０℃以上で一水和物、２００℃以上で無水物となり、この間で体積変化を生じる。そのため、バインダ成分として硫酸マグネシウムを用いた鋳造用中子は、温度や湿度が変化する鋳造時に、バインダの結合の一部が自己崩壊し、強度が低下する。
　本開示は、上記点に鑑みてなされたものであり、その目的は、鋳造時における強度の確保と鋳造後の崩壊容易性とを両立可能な鋳造用中子、及び、当該鋳造用中子の製造方法を提供することにある。
　本開示の一態様による鋳造用中子は、二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材と、上記骨材同士を連結し、塩化ナトリウムを含有する無機バインダとを有する。
　上記鋳造用中子は、二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材と、塩化ナトリウムを含有する無機バインダとを組み合わせている。そのため、上記鋳造用中子は、温度による強度変化が小さく、鋳造時の高温に曝されても強度を確保することができる。また、上記鋳造用中子は、無機バインダが水溶性であるので水につけて溶かすことができ、鋳造後の中子崩壊が容易である。
　他にも、上記鋳造用中子は、中子造型時や鋳造後の中子崩壊に大きなエネルギーを必要としないため、省エネであり、コスト低減に有利である。また、上記鋳造用中子は、無機バインダを用いているので、有機バインダを用いた鋳物用中子のように中子造型時や鋳造時等に有害なガスを生じることもない。また、上記鋳造用中子は、骨材と無機バインダとの分離が容易であるので、骨材のリサイクルのための高温処理や摩擦処理等も不要であり、リサイクル性にも優れる。
　本開示の他の態様による鋳造用中子の製造方法は、極性溶媒と、二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材と、塩化ナトリウムを含有する無機バインダとを含む混練物を準備し、上記混練物を成形型内に流し込み、上記成形型内で上記混練物を乾燥させて成型することを含む。
　上記鋳造用中子の製造方法によれば、鋳造時における強度の確保と鋳造後の崩壊容易性とを両立可能な上記鋳造用中子を製造することができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、本開示の実施形態１の鋳造用中子の微構造を模式的に示した説明図であり、 図２は、実施形態１の鋳造用中子の製造に用いられる混練物を模式的に示した説明図であり、 図３は、本開示の実施形態３の鋳造用中子の微構造を模式的に示した説明図であり、 図４Ａは、本開示の実施形態４の鋳造用中子のパイプを模式的に示した説明図であり、 図４Ｂは、実施形態４の鋳造用中子の本体部を模式的に示した説明図であり、 図５は、本開示の実施形態５の鋳造用中子と、これを用いた鋳造時の状況を模式的に示した説明図であり、 図６は、実施形態５の鋳造用中子と、これを用いた鋳造品を模式的に示した説明図である。
　（実施形態１）
　実施形態１の鋳造用中子およびその製造方法について、図１、図２を用いて説明する。図１に例示されるように、本実施形態の鋳造用中子１は、骨材２と、無機バインダ３と、を有している。以下、詳説する。
　骨材２は、二酸化珪素を主成分とするガラス質である。「二酸化珪素を主成分とする」とは、化学組成で、二酸化珪素（ＳｉＯ２）を５０質量％以上含むことを意味する。骨材２は、ガラス質であるので、非晶質である。
　骨材２は、図１に例示されるように、ガラス繊維より構成することができる。この構成によれば、骨材２が球状のガラス粒子より構成される場合（実施形態２で後述）に比べ、鋳造用中子１の強度を向上させやすい。これは、繊維状のガラス繊維同士が互いに絡み合うためであると考えられる。
　骨材２がガラス繊維より構成される場合、ガラス繊維の平均長さは、例えば、１０～１０００μｍとすることができる。この構成によれば、鋳造用中子１の強度向上を確実なものとしやすくなる。ガラス繊維の平均長さは、鋳造用中子１の強度向上などの観点から、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上、さらに好ましくは１５０μｍ以上とすることができる。また、ガラス繊維の平均長さは、中子造型性、中子の寸法精度などの観点から、好ましくは５００μｍ以下、より好ましくは４００μｍ以下、さらに好ましくは３００μｍ以下とすることができる。なお、上記にいう平均長さは、走査型電子顕微鏡にて観察される１００個のガラス繊維の各測定長さの平均値である。
　骨材２は、表面処理が施されていてもよい。表面処理としては、具体的には、プラズマ処理、シランカップリング剤によるカップリング処理などを例示することができる。この構成によれば、鋳造用中子１の強度をより向上させることが可能になる。とりわけ、骨材２がガラス繊維である場合には、ガラス繊維同士による絡み合いと表面処理とによる効果が相まって、鋳造用中子１の強度をより向上させるやすくなる。シランカップリング剤としては、例えば、３－アミノプロピルトリメトキシシラン（（ＣＨ３Ｏ）３ＳｉＣ３Ｈ６ＮＨ２）、３－アミノプロピルエトキシシラン（（Ｃ２Ｈ５Ｏ）３ＳｉＣ３Ｈ６ＮＨ２）、テトラメトキシシラン（（ＣＨ３Ｏ）４Ｓｉ）などを例示することができる。これらは１種または２種以上併用することができる。なお、プラズマ処理は、具体的には、雰囲気温度８０～２５０℃下で、Ｈｅ、Ａｒなどの非反応性ガス雰囲気中で骨材２を表面洗浄、エッチングし、Ｎ２、Ｏ２などの反応性ガス雰囲気中で官能基の導入処理をする方法などにより実施することができる。また、カップリング処理は、具体的には、１～２質量％のシランカップリング剤を含む水溶液に、骨材２を浸した後、１００～１１０℃で３０分～５時間程度乾燥させることなどにより実施することができる。
　無機バインダ３は、骨材２同士を連結している。無機バインダ３は、少なくとも塩化ナトリウムを含有している。
　無機バインダ３の含有量は、骨材１００質量部に対して１～１０質量部とすることができる。この構成によれば、強度と崩壊時間とのバランスに優れる。無機バインダ３の含有量が１質量部未満になると、強度向上効果が低下する。よって、無機バインダ３の含有量は、強度を確保しやすくするなどの観点から、好ましくは２質量部以上、より好ましくは３質量部以上、さらに好ましくは５質量部以上とすることができる。一方、無機バインダ３の含有量が１０質量部超になると、鋳造後、中子の崩壊に要する時間が長くなる。よって、無機バインダ３の含有量は、鋳造後の崩壊容易性を向上させるなどの観点から、好ましくは９．５質量部以下、より好ましくは９質量部以下、さらに好ましくは８．５質量部以下とすることができる。
　無機バインダ３は、焼結していなくてもよいし、部分的に焼結していてもよい。後者の構成は、前者の構成に比べ、鋳造用中子の強度をより向上させることができる。
　鋳造用中子１は、表面に、融点８００℃未満の金属との接触面を有する構成とすることができる。この構成によれば、融点８００℃未満の金属による鋳造に用いられた際に、表面に、融点８００℃未満の金属が接触する。この場合でも、無機バインダ３が溶融し難いので、鋳造用中子１の強度確保を確実なものとすることができる。
　融点８００℃未満の金属としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛、亜鉛合金、マグネシウム、マグネシウム合金などを例示することができる。
　鋳造用中子１は、以下のように製造することができる。具体的には、図２に示されるように、極性溶媒５と、二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材２と、塩化ナトリウムを含有する無機バインダ３とを含む混練物６を準備し、混練物６を成形型内に流し込み、成形型内で混練物６を少なくとも乾燥させて成型する。これにより鋳造用中子１を製造することができる。
　極性溶媒５は、骨材２を分散させることができ、塩化ナトリウムを含有する無機バインダ３を溶解させることができるものであれば、いずれのものでも用いることができる。なお、図２に示される骨材２間の部分は、極性溶媒５に無機バインダ３が溶解した溶液により満たされている。極性溶媒５としては、具体的には、水、メタノールなどを例示することができる。これらのうち、無機バインダ３の溶解性、取り扱い性、コストなどの観点から、極性溶媒５は、好ましくは、水であるとよい。
　混練物６の乾燥温度、乾燥時間などは、乾燥により極性溶媒５がなくなるよう極性溶媒５の種類に応じて適宜設定することができる。なお、乾燥により、骨材２間に無機バインダ３が析出し、骨材２間が連結される。乾燥による骨材２間の連結は、分子間力やアンカー効果等によるものと考えられる。
　（実施形態２）
　実施形態２の鋳造用中子およびその製造方法について、説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
　本実施形態の鋳造用中子１およびその製造方法は、無機バインダ３がさらに塩化カリウムを含有している点で、実施形態１の鋳造用中子１およびその製造方法と相違している。また、本実施形態の鋳造用中子１の製造方法では、混練物６の成型において、混練物６を乾燥させるとともに、無機バインダ３を部分的に焼結させる点で、実施形態１の鋳造用中子１の製造方法と相違している。
　無機バインダ３が塩化ナトリウム以外にもさらに塩化カリウムを含有している場合には、焼成により無機バインダ３を部分的に焼結させることが可能となり、無機バインダ３が部分的に焼結していない場合に比べ、高い強度を有する鋳造用中子１を得ることが可能となる。つまり、この場合には、無機バインダ３同士の結合力が向上するので、得られる鋳造用中子１の崩壊容易性を確保しつつ、さらなる強度向上を図ることが可能となる。
　無機バインダ３における塩化カリウムの含有量は、塩化ナトリウム１００質量部に対して３～１５質量部とすることができる。この構成によれば、強度向上の効果を確実なものとすることができる。塩化カリウムの含有量が３質量部未満になると、添加による効果が小さくなる。よって、塩化カリウムの含有量は、強度向上などの観点から、好ましくは４質量部以上、より好ましくは５質量部以上、さらに好ましくは６質量部以上とすることができる。一方、塩化カリウムの含有量が１５質量部超になると、強度が低下する傾向が見られる。よって、塩化カリウムの含有量は、強度と焼結のしやすさとのバランスなどの観点から、好ましくは１４質量部以下、より好ましくは１２質量部以下、さらに好ましくは１０質量部以下とすることができる。
　なお、無機バインダ３を部分的に焼結させるためには、混練物６を乾燥後、焼成すればよい。焼成条件は、例えば、焼成時間を２２０℃～３００℃、焼成時間を１～３０分とすることができる。
　その他の構成、作用効果は、実施形態１と同様である。
　（実施形態３）
　実施形態３の鋳造用中子およびその製造方法について、図３を用いて説明する。
　本実施形態の鋳造用中子１およびその製造方法は、骨材２が球状のガラス粒子より構成される点で、実施形態１の鋳造用中子１およびその製造方法と相違している。この構成によれば、骨材２がガラス繊維より構成される場合（実施形態１で前述）に比べ、中子造型時の流動性、および、鋳造後の中子崩壊時における骨材２の流動性に優れる。そのため、薄肉形状の成形性や崩壊後の取り出し性に優れた鋳造用中子１が得られる。
　骨材２が球状のガラス粒子より構成される場合、球状ガラス粒子の平均粒径は、例えば、１０～１５０μｍとすることができる。この構成によれば、上記効果を確実なものとしやすくなる。また、この構成によれば、高い強度が得られる、寸法精度がよい、大気中に球状ガラス粒子が舞い難く取り扱い性がよいなどの利点もある。
　球状ガラス粒子の平均粒径は、崩壊後の取り出し性向上などの観点から、好ましくは３０μｍ以上、より好ましくは４０μｍ以上、さらに好ましくは５０μｍ以上とすることができる。また、球状ガラス粒子の平均粒径は、寸法精度、面粗さなどの観点から、好ましくは１３０μｍ以下、より好ましくは１２０μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下とすることができる。なお、上記にいう平均粒径は、レーザー回折散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が５０％を示すときの粒子径（直径）ｄ５０である。
　その他の構成、作用効果は、実施形態１と同様である。
　（実施形態４）
　実施形態４の鋳造用中子について、図４Ａと図４Ｂを用いて説明する。図４Ａと図４Ｂに例示されるように、本実施形態の鋳造用中子１は、骨材２と無機バインダ３とを含む中子本体部１０と、パイプ４とを有している点で、実施形態１～３の鋳造用中子１と相違している。
　パイプ４は、具体的には、中子本体部１０に挿入された埋設部４１と、中子本体部１０から露出した把持部４２とを備えている。
　この構成によれば、鋳造後の中子崩壊時に、パイプ４の把持部４２側の端部から水等の極性溶媒５をパイプ４内に供給すると、パイプ４内を通って極性溶媒５が中子本体部１０の内部へ供給される。そのため、中子外側からだけでなく、中子内側からも極性溶媒５による崩壊を促すことが可能となる。それ故、より一層崩壊が容易な鋳造用中子１が得られる。また、この構成によれば、中子本体部１０より外部に露出した把持部４２を把持し、鋳造用中子１を鋳造金型へセットすることが可能となる。そのため、自動化などへの対応性に優れた鋳造用中子１が得られる。
　本実施形態において、図４Ａに示されるように、埋設部４１が、側面に１つ以上の貫通孔４１１を有している場合には、パイプ４の先端部のみならず、埋設部４１の側面からも水等の極性溶媒５を噴出させることが可能となる。そのため、この場合には、鋳造後の中子崩壊性をより一層向上させることができる。また、極性溶媒５による鋳造物の冷却を均一に実施しやすくなる利点もある。
　パイプ４は、例えば、ステンレス、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの金属（合金含む）等により構成することができる。なお、パイプ４は、表面に凹凸加工や親水性の表面処理などが施されていてもよい。この構成によれば、鋳造用中子１とパイプ４との密着性を向上させることが可能となる。
　本実施形態の鋳造用中子１において、パイプ４は、鋳造後の中子取り出しやすさ向上等の観点から、鋳造金型のキャビティ内に把持部４２が入らないように中子本体部１０に保持されていることが好ましい。
　その他の構成、作用効果は、実施形態１と同様である。
　（実施形態５）
　実施形態５の鋳造用中子について、図５および図６を用いて説明する。図５および図６に例示されるように、本実施形態の鋳造用中子１は、中子本体部１０が、中子根本部１１と、中子根本部１１の先端部に設けられており、中子根本部１１よりも径の大きな中子拡径部１２とを有している。また、パイプ４の埋設部４１は、中子拡径部１２に沿う分岐部４１２を備えている。本実施形態では、分岐部４１２は、具体的には、埋設部４１の先端部に設けられている。分岐部４１２は、中子拡径部１２の拡径方向に沿って二又状に分岐されている。なお、図５において、符号９は、上型９１と下型９２とを備える金型である。また、符号ＰＬは、金型分割面である。符号９３０は、溶融金属である。また、図６において、符号９３は、製品となる鋳造物である。
　この構成によれば、図６の矢印Ｙに示されるように、パイプ４の本体内、パイプ４の分岐部４１２を通って、拡径部１２に、水等の極性溶媒５を速やかに供給することができる。そのため、この構成によれば、鋳造用中子１が拡径部１２を有する場合でも、鋳造後に中子を崩壊させやすく、かつ、鋳造物９３を速やかに冷却するのに有利である。また、この構成によれば、鋳造物９３を、金型では成形できないアンダーカット形状にすることも可能となる。
　鋳造用中子１は、図５に示されるように、以下の関係を満たしているとよい。
　中子拡径部１２の径Ｃ＞中子根本部１１の径Ｂ＞パイプ４の分岐部４１２の径Ａ
　この構成によれば、上記効果に加え、中子崩壊後にパイプ４を鋳造物９３から容易に取り出しやすい鋳造用中子１が得られる。
　その他の構成、作用効果は、実施形態４と同様である。
　（実験例）
　１０ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍの中子試験片を成形可能な簡易金型を準備した。金型には、ヒータおよび熱電対が設置されており、温度調整可能とされている。また、金型は、簡易プレス機を用いて、成型時の加圧力を調整可能とされている。
　以下の骨材を準備した。・二酸化珪素を主成分とするガラス繊維（平均長さ：１００μｍ）
　なお、ガラス繊維には、化学組成が、質量％で、ＳｉＯ２：５３％、Ａｌ２Ｏ３：１５％、ＣａＯ：２１％、ＭｇＯ：２％、Ｂ２Ｏ３：８％、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ：０．３％、ｉｇ．ｌｏｓｓ：０．７％であるものを用いた。・上述したプラズマ処理を施した上記ガラス繊維・上述したシランカップリング剤によるカップリング処理を施した上記ガラス繊維・ムライト質の人工砂（平均粒径：１００μｍ）
　以下の無機バインダを準備した。・塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）・塩化カリウム（ＫＣｌ）・硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ４）
　以下の表１に示す配合で、所定の骨材と、無機バインダと、極性溶媒とを混練することにより、各混練物を調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　準備した所定の混練物を簡易金型内に流し込み、当該金型内で混練物を乾燥させた。また、一部のものについては、乾燥後、さらに、２２０℃で３０分間の条件で焼成を実施した。これにより、後述の表２に示す各試料の鋳造用中子を作製した。なお、金型温度は１２０℃、成型時の加圧力は８ＭＰａとした。
　得られた各鋳造用中子について、４点曲げ強度を測定した。４点曲げ強度は、ｎ数＝３での平均値である。なお、実際の鋳造に鋳造用中子が用いられる場合、鋳造用中子は、金型にセットされてから溶湯金属が注湯されるまでの間や、その後、溶湯金属が注湯されたときに、高温に曝される。そのため、この鋳造時の状況を想定し、室温のみならず、温度を上昇させた際の鋳造用中子の４点曲げ強度（２００℃）も測定した。
　また、得られた各鋳造用中子について、水による溶解時間を測定した。これらの結果をまとめて表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１および表２によれば、以下のことがわかる。試料ｆ、ｈは、塩化ナトリウムを含まない無機バインダを用いているので、強度を向上させることができなかった。
　試料ｉは、結晶性の人工砂と、無機バインダとして硫酸マグネシウムとを用いているので、高温で強度が大きく低下した。これは、硫酸マグネシウムが大気中の水分と反応して水和物を作り、常温で七水和物、７０℃以上で一水和物、２００℃以上で無水物となり、この間で体積変化を生じ、バインダの結合の一部が自己崩壊し、強度が低下したためであると考えられる。
　試料ｊは、試料ｉを基に焼成したものである。しかしながら、試料ｊは、焼成により高温にされたことで、かえって強度が低下した。
　試料ｋは、結晶性の人工砂と、塩化ナトリウムを含む無機バインダとを組み合わせたものである。また、試料ｌは、塩化ナトリウムそのものである。これら試料ｋ、ｌによれば、塩化ナトリウム自体が有効であるのではなく、二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材と、塩化ナトリウムを含む無機バインダとの組み合わせによって、後述するように、強度向上が図られることがわかる。
　試料ｌ、ｍ、ｎによれば、無機バインダが塩化ナトリウム以外に塩化カリウムを含有することで、強度が向上することがわかる。また、焼成により、無機バインダが部分的に焼結され、さらに強度が向上することもわかる。また、無機バインダのみでは、水への溶解性が悪く、鋳造後の取り出しに時間がかかるといえる。
　これらに対し、試料ａ～ｅ、ｂ２、ｂ３は、二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材と、塩化ナトリウムを含む無機バインダとの組み合わせより構成されている。そのため、鋳造時の温度変化による強度変化が小さく、強度を確保できることが確認された。また、試料ａ～ｅ、ｂ２、ｂ３は、いずれも水への溶解性に優れ、容易に崩壊することが確認された。
　また、試料ｂとａとを比較すると、無機バインダの含有量が少なくなると、強度が低下する傾向が見られた。
　また、試料ｃ、ｂの結果から、無機バインダが塩化カリウムを含有していない場合、焼成しても強度は同程度であることがわかる。
　また、試料ｄ、ｂの結果から、無機バインダが塩化ナトリウム以外に塩化カリウムを含有している場合、焼成なしでもわずかながら強度が向上した。そして、試料ｅ、ｂの結果から、無機バインダが塩化ナトリウム以外に塩化カリウムを含有している場合、焼成することにより強度向上効果が大きくなることが確認された。これは、焼成により、無機バインダが部分的に焼結したためである。
　また、試料ｏ、ｐによれば、塩化ナトリウムに対して塩化カリウムが過度に多い無機バインダを用いると、塩化ナトリウムに対して塩化カリウムが適量とされた無機バインダを用いた場合に比べ、強度向上の効果が小さくなる傾向が見られた。無機バインダが塩化カリウムを含有する場合、強度向上効果を大きくする観点から、塩化ナトリウム１００質量部に対する塩化カリウムの含有量は、３～１５質量部が適量である。
　また、試料ｂ、ｂ２、ｂ３を比較すると、無機バインダの含有量が少なくなると、強度が低下する傾向が見られた。表面処理が施された骨材を使用することにより、鋳造用中子の強度をより向上させることが可能になることがわかる。また、骨材２がガラス繊維である場合には、ガラス繊維同士による絡み合いと表面処理とによる効果が相まって、鋳造用中子の強度をより向上させるやすくなることもわかる。
　上記各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。例えば、実施形態１～５において、骨材２は、ガラス繊維と球状のガラス粒子との両方を含んでいてもよい。また、実施形態３～５において、無機バインダ３はさらに塩化カリウムを含有していてもよい。また、実施形態２、３の鋳造用中子１は、実施形態４、５で説明したパイプ４をさらに有していてもよい。また、実施形態２、３において、骨材は、プラズマ処理やカップリング処理等による表面処理が施されていてもよい。また、実施形態１～５において、骨材として上記表面処理が施された人工砂等を用いることもできる。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範畴や思想範囲に入るものである。

 

Claims (15)

  1. 　二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材（２）と、
    　上記骨材同士を連結し、塩化ナトリウムを含有する無機バインダ（３）とを有する、鋳造用中子。
  2. 　上記無機バインダの含有量が上記骨材１００質量部に対して１～１０質量部である、請求項１に記載の鋳造用中子。
  3. 　上記無機バインダがさらに塩化カリウムを含有する、請求項１または２に記載の鋳造用中子。
  4. 　上記無機バインダが上記塩化ナトリウム１００質量部に対して上記塩化カリウムを３～１５質量部含有する、請求項３に記載の鋳造用中子。
  5. 　上記無機バインダが部分的に焼結した、請求項１～４のいずれか１項に記載の鋳造用中子。
  6. 　上記骨材がガラス繊維により構成される、請求項１～５のいずれか１項に記載の鋳造用中子。
  7. 　上記骨材が球状のガラス粒子により構成される、請求項１～５のいずれか１項に記載の鋳造用中子。
  8. 　上記骨材がガラス繊維と球状のガラス粒子により構成される、請求項１～５のいずれか１項に記載の鋳造用中子。
  9. 　上記鋳造用中子は、表面に、融点８００℃未満の金属との接触面を有する、請求項１～８のいずれか１項に記載の鋳造用中子。
  10. 　上記金属がアルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛、亜鉛合金、マグネシウム、またはマグネシウム合金である、請求項９に記載の鋳造用中子。
  11. 　上記鋳造用中子は、上記骨材と上記無機バインダにより構成される中子本体部（１０）と、パイプ（４）とを有しており、
    　上記パイプは、上記中子本体部（１０）に挿入された埋設部（４１）と、上記中子本体部から露出した把持部（４２）とを備えている、請求項１～１０のいずれか１項に記載の鋳造用中子。
  12. 　上記中子本体部は、中子根本部（１１）と、上記中子根本部の先端部に設けられており、上記中子根本部よりも径の大きな中子拡径部（１２）とを有しており、
    　上記パイプの埋設部は、上記中子拡径部に沿う分岐部（４１２）を備えている、請求項１１に記載の鋳造用中子。
  13. 　極性溶媒（５）と、二酸化珪素を主成分とするガラス質の骨材（２）と、塩化ナトリウムを含有する無機バインダ（３）とを含む混練物（６）を準備し、
    　上記混練物を成形型内に流し込み、
    　上記成形型内で上記混練物を乾燥させて成型することを含む、鋳造用中子の製造方法。
  14. 　上記無機バインダがさらに塩化カリウムを含有する、請求項１３に記載の鋳造用中子の製造方法。
  15. 　上記混練物の成型において、上記混練物を乾燥させるとともに、上記無機バインダを部分的に焼結させる、請求項１３または１４に記載の鋳造用中子の製造方法。

     
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