JP2006061948A

JP2006061948A - 水溶性中子の造型方法

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Publication number: JP2006061948A
Application number: JP2004247777A
Authority: JP
Inventors: Sadao Kitazawa; 定男北沢; Hiromi Tomishige; 博美冨重; Yoji Awano; 洋司粟野; Miki Hara; 美樹原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2006-03-09

Abstract

【課題】流動性と充填性に優れ、中子の強度を向上させた水溶性中子の造型方法を提供する。
【解決手段】鋳物砂に低量の水溶性バインダを加えて混練し、該鋳物砂を鋳型内に充填する工程と、該充填物に十分な量の水溶性バインダを注入する工程と、該鋳物砂を乾燥させて成型する工程とを含むことを特徴とする鋳物砂中子の造型方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動性と充填性を低下させずに、強度を向上させた水溶性中子バインダを用いた水溶性中子の造型方法に関する。又、水溶性中子を用いたアルミ合金の鋳造方法に関する。更に、本発明は、水溶性中子バインダを砂落とし後に回収してリユースする環境問題に適した水溶性中子バインダの回収・再利用方法に関する。

鋳型に溶湯を圧入し、急冷凝固させて鋳物を製造することができる。このような、精密鋳造技術においては、機械部品等の精密鋳造品の内部に空間を設けるために、中子が広く利用されている。例えば、アルミ合金を使ったシリンダの内部空間、エグゾースト内部の冷却媒体通路の作製に中子は不可欠なものである。

中子の強度を増加させるためには、樹脂、無機塩等のバインダが使用されている。特に、中子バインダとして無機塩を用いることにより、鋳造時のガス発生量を低減させ、鋳造後は中子砂落しを水で行うことのできる水溶性中子が考えられている。しかしながら、実用化・量産化されたものはない。その理由は、バインダの結合力がないため、必要な中子強度を得ることが困難なことによる。

即ち、中子用鋳物砂に無機塩等のバインダを添加する場合、
１）バインダ量を増加すれば、中子強度が向上する。
２）バインダは、水に溶かして（飽和濃度にして）鋳物砂に添加する。よって、バインダ量の増加は、水の量の増加となる。
３）水の増加は、鋳物砂の流動性低下となり、中子型への鋳物砂の充填性を阻害する。

このように、鋳物砂に、バインダだけの添加だと、中子強度と鋳物砂の流動性を両立させることができない。そこで、バインダ量を増加させずに、中子強度を向上させる技術が必要となっている。

下記特許文献１には、流動性、充填性、成形性の改善を目的として、無機粒子に黒鉛をバインダで被覆してなる無機複合粒子であって、黒鉛の被覆量が無機粒子１００重量部に対して０．１〜５０重量部であり、かつ黒鉛に対するバインダの重量比が０．００２〜２である無機複合粒子からなる鋳物用砂の発明が開示されている。しかし、用いられているバインダは、フェノール樹脂、フラン樹脂、ピッチであり、本発明のように、水溶性中子を得るものではない。

また、下記特許文献２には、氷もしくはドライアイスで中子を造型する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、造型後、鋳造までの間に、上記氷もしくはドライアイスが溶けて中子形状が崩れてしまい、設計通りの鋳物が得られないという問題がある。

ところで、従来水溶性無機中子砂による造型はあまり報告されていない。これは、水溶性バインダを混練した鋳物砂を型内にブローイングする際、非常に流動性が悪いため、十分に鋳物砂を充填した中子が造型できないことによるものである。従来技術で水溶性バインダを用いて砂中子を造型した場合の問題点としては、
１．ウエットサンド状態の砂を吹き込むため、流動性が悪く複雑形状の充填は難しい
２．ブローイング前の砂ホッパー等は自然乾燥を防ぐ密閉等の構造が必要で設備が複雑になる
３．ブローイング後ブローヘッド内残砂が次第に乾燥するので、砂量制御が重要で複雑になる
４．これら湿砂がふれる設備内で次第に砂が乾燥付着するので、清掃が必要
が挙げられる。

そこで、下記非特許文献１には、鋳型チャンバー内に乾燥砂を充填し、充填後に前記鋳型内を減圧して液状バインダを注入させ、しかる後に前記鋳型内に乾燥空気やガスを吹き込み、加熱して鋳型を造型する鋳型造型法が開示されている。

しかし、下記非特許文献１に記載の鋳型造型法では、上記造型法では鋳型内に乾燥砂を充填させているため、後工程において液状無機バインダを注入しても浸透性が悪く、温間強度（取り出し強度）が低く実用上問題が残る。

又、乾燥砂（新砂）充填型内にバインダ液を注入しても、温間強度（取り出し強度）が通常混練砂の１／２ほどしかなく、実用上問題であった。新砂に液体バインダを注入した場合の低強度の理由は、ブロー後の砂粒問をバインダが通過するだけで混練（コーティング）工程がないので、砂粒接触部の微小空間に注入バインダが入りにくいことによる。一般にも、良く混練した方がバインダが均一にコーティングされ強度がでることと同様の理由による。
特開２００２−２６３７８２号公報特開平５−３１８０２４号公報トヨタ技術公開集Ｎｏ．１４５２６（２００３年３月３１日）

上記問題に鑑み、本発明は、流動性、充填性と可溶性を低下させずに、強度を向上させた水溶性中子の造型方法を提供し、水溶性中子を実用性のあるものとすることを目的とする。

本発明者らは、鋳物砂への水溶性無機バインダの注入時期を工夫することで上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。

即ち、第１に、本発明は、鋳物砂中子の造型方法の発明であり、鋳物砂に低量の水溶性バインダを加えて混練し、該鋳物砂を鋳型内に充填する工程と、該充填物に十分な量の水溶性バインダを注入する工程と、該鋳物砂を乾燥させて成型する工程とを含むことを特徴とする。

水溶性バインダとしては水溶性無機塩バインダや有機バインダを用い得ることができるが、加熱時に焦げ付きがないことから水溶性無機塩バインダが好ましい。

混練される及び注入される水溶性バインダの量の目安としては、前記低量の水溶性バインダが砂重量の０．１〜１％の水溶性バインダであり、前記十分な量の水溶性バインダが砂重量の７〜３０％の水溶性バインダである。

鋳物砂を低水分砂にして、これを鋳型内に充填させ、これに水溶性バインダを注入させるため、後工程での水溶性バインダ注入での浸透性が向上し、温間強度を上げることができる。また、初期の水溶性バインダ含有量が低量のため、鋳型内への充填時の砂流動性悪化の問題も防げる。

本発明では、前記充填物に十分な量の水溶性バインダを注入する工程の後に、該水溶性バインダが鋳物砂表面に拡散されるための、バインダ拡散保持時間を設けることが好ましい。バインダ拡散保持時間としては、０．５〜１０分程度で十分である。

前記鋳物砂を乾燥させて成型する工程は、（１）鋳型内への乾燥用熱風の吹き込み、（２）鋳型の加熱、（３）マイクロウェーブでの鋳物砂の加熱の１種又はこれらの併用によって行うことが好ましい。

本発明の鋳物砂中子の造型方法に用いられる水溶性バインダとしては無機、有機であり、特に限定されないが、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）から選択されるカチオンと、ＳＯ_４ ^２−、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ^２−、Ｂ_４Ｏ_７ ⁻から選択されるアニオンとの組み合わせからなる水溶性無機塩の１種以上から成る水溶性中子バインダが好ましく例示される。これら特定のカチオンとアニオンの組み合わせからなる無機塩は、バインダとしての強度、可溶性、充填性等を満たす。より具体的には、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）から選択される１種以上が挙げられる。

本発明では、水溶性無機塩バインダに、珪砂（珪粉）、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸ジルコン、繊維状チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムから選択される無機フィラーの１種以上が添加することができる。無機フィラーを添加することで水溶性中子の高温強度が更に向上し、造型された中子のハンドリングに優れるという実用性が生じる。鋳物砂に対する無機塩バインダ添加量の合計量は０．８〜１０重量％であることが好ましく、４〜７重量％であることがより好ましい。鋳物砂粒子：無機塩バインダ：無機フィラーの量比としては、１００：４〜７：１〜７であることが中子強度と鋳物砂の流動性（充填性）を両立させることから好ましい。

本発明で用いられる特定の無機フィラーは、表面が無機塩バインダで被覆された鋳物砂粒子の接点付近に存在して、鋳物砂粒子の結合力を高めるものである。その平均粒径は、数μｍ〜数１０μｍ程度が鋳物砂の接点付近に存在するのに好ましい。

更に、本発明では、表面が水溶性無機塩バインダで被覆された鋳物用砂の隙間を無機微粉末が充填されていることが好ましい。ここで、無機微粉末は、表面が無機塩バインダで被覆された鋳物砂粒子の隙間に充填されて、鋳物砂粒子の結合力を高めるものである。具体的には、カオリナイト、デッカイト、ハロサイト等のカオリン、タルクから選択される１種以上が好ましく例示される。その平均粒径は、数μｍ〜数１０μｍ程度が鋳物砂の隙間に充填するのに好ましい。これら、鋳物砂粒子：無機塩バインダ：無機微粉末の量比としては、１００：４〜７：１〜７が中子強度と鋳物砂の流動性を両立させることから好ましい。

本発明で用いられる鋳物砂粒子は、従来知られたものを用いることができる。具体的には、ＳｉＣ，アルミナ，ムライト，シリカ，ジルコンを用いることが好ましい。これらは、優れた強度，低熱膨張率を有するとともに入手が比較的容易であり、強度，寸法精度等に優れた水溶性中子を製造することができる。

本発明で造型される水溶性中子は、鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダで被覆された水溶性中子であり、十分な中子強度と流動性（充填性）を兼ね備えている。

第２に、本発明は、上記の鋳物砂中子の造型方法によって造型された水溶性中子を用いたアルミ合金の鋳造方法である。水溶性中子を用いているため、鋳造後の砂落としが容易である。本発明により、例えば、アルミ合金シリンダ等の精密鋳造品を製造することが出来る。

第２に、本発明は、水溶性中子バインダを砂落とし後に回収してリユースする環境問題に適した水溶性中子バインダの回収・再利用方法であり、鋳物砂に少量の水溶性バインダを加えて混練し、該鋳物砂を鋳型内に充填する工程と、該充填物に十分な量の水溶性バインダを注入する工程と、該鋳物砂を乾燥させて成型する工程とを含む鋳物砂中子の造型工程の後、鋳造工程、砂落とし工程を経た後、該水溶性バインダを水溶液として回収する工程と、得られた水溶液から水分を蒸発等で分離させる工程を含み、該水溶性バインダを回収することを特徴とする。回収された水溶性バインダは上記の鋳物砂中子の造型方法に再利用される。水溶性無機塩バインダを繰り返し再利用することにより、環境負荷の少ない鋳物砂中子の造型方法となる。

水溶性無機塩バインダを水溶液として回収する工程の後、イオン交換膜を用いた透析により該水溶性無機塩を濃縮する工程を設けることが好ましい。

本発明の水溶性中子バインダの回収・再利用（リユース）方法により、従来大量の産業廃棄物として、水溶性中子バインダを含む廃液の処置が困難であったものが、ほぼ全量回収することが可能となり、再度水溶性中子バインダとして利用できることとなった。これにより、環境問題が解決されたのみならず、アルミ合金シリンダ等の製造コストを大幅に削減することが出来た。

本発明によれば、鋳物砂を低水分砂にして、これを鋳型内に充填させ、これに水溶性無機塩バインダを注入させるため、後工程での水溶性無機塩バインダ注入での浸透性が向上し、温間強度を上げることができる。また、初期の水溶性無機バインダ含有量が低量のため、鋳型内への充填時の砂流動性悪化の問題も防げる。特に、水溶性無機塩から成る水溶性中子バインダを用いることで、十分な中子強度と水溶性を併せ持つ水溶性中子を得ることができる。また、この水溶性中子を用いることで、鋳造時に型崩れせず、鋳造後の除去が容易な鋳造を行うことができる。

即ち、本発明の効果を列挙すれば以下のようになる。
１．無機バインダを用いても複雑な鋳型も砂充填でき、造型可能となる。（主目的）
２．低水分砂をブローイングするので、砂の取り扱い、計量が容易で乾燥の心配も少なく、取り扱いが容易である。
３．事前に少ないバインダコーティングしているので、溶液注入の際、事前バインダが後添加の溶液（水分）で軟化し、なじみが良くなり造型後の早期取出強度向上が可能となる。つまり、鋳型が高強度にできる。また、過剰注入しても粒子間隙間以上には蓄積されないから、液量のコントロールはラフでも問題ない。
４．砂を工程内で再使用する場合、砂にバインダが付着しているが、本発明によればそのまま事前混練砂として扱えるので、いわゆる砂再生工程が不用となる。新砂相当にするための、焙焼や研磨等も不用である。

［作用］
本発明によって、水溶性バインダ注入での浸透性が向上し、温間強度を上げることができることの作用原理は必ずしも解明されないが、下記の要因が推定される。
１）先の工程での少量の水溶性無機塩の結晶が、鋳物砂の表面に点在することにより、これら少量の水溶性無機塩の結晶が後工程での水溶性無機塩バインダ注入での浸透性を向上させる。
２）鋳物砂の表面の水溶性無機塩の結晶が、滑らかに、均一に被覆されることにより、結晶強度を発揮させ、造型された中子の温間強度を上げる。

図１（ａ）〜（ｃ）に、本発明の鋳物砂中子の各造型工程を示す。図１（ａ）は、鋳物砂に砂重量の０．１〜１％の水溶性バインダを加えて混練し、該鋳物砂を鋳型内に充填する砂吹き込み工程を示す。低量の水溶性バインダを加えて混練された低水分の鋳物砂１はブローヘッド２に入れられる。低水分の鋳物砂１は、圧縮エア３により吹き込みノズル５を通して、鋳型４中のキャビティ６に充填される。キャビティ６には適宜排気ベント７が設けられている。図１（ｂ）は、該充填物に砂重量の７〜３０％の水溶性無機塩バインダを注入する液注入工程を示す。先のブローヘッド２は液注入ヘッド８に取り替えられる。水溶性バインダ溶液９は液注入ヘッド８に入れられる。水溶性バインダ溶液９は圧縮エア１０により、鋳型４中のキャビティ６に充填されている鋳物砂１１に注入される。図１（ｃ）は、該鋳物砂を乾燥させて成型する乾燥・成型工程を示す。先の液注入ヘッド８は熱風挿入ヘッド１２に取り替えられる。熱風挿入ヘッド１２より熱風１３は、キャビティ６に充填されている鋳物砂を乾燥させる。熱風１３は排気ベント７より排気される。

以下、図１に準じて、本発明の実施例及び比較例を説明する。
［配合］
鋳物砂として乾燥したムライト系人工砂を用い、水溶性無機塩バインダとして硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）２．５ｇ（２．５％）と炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）０．２ｇ（０．２％）を水１００ｃｃ当たりに溶かした水溶液を用いた。
［中子造型］
断面１０ｍｍ（ｂ）×１０ｍｍ（ｈ）、長さ６０ｍｍの中子形状を有する金型を用いた。

（実施例１）
低水分鋳物砂（バインダを含む）１をブローヘッド２に挿入した状態から、ブローイングエア３を上部より吹き込む。前記ブローヘッド２と型４は吹き込みノズル５を介して連通かつ密着しているので、鋳物砂１は型内のキャビティ６に充填される。この際、鋳物砂は１％以下の低水分であるから、砂の充填性は従来技術で十分充填できる。（砂吹き込み工程）

次に、ブローヘッド２を取り外し、注入ヘッド８をセットする。このとき注入ヘッド８に所要量の溶液９を入れる。溶液量はバインダ種類によるが、鋳物砂充填重量の７％〜３０％が適当である。続いて、液注入圧縮空気１０を上部から吹き込む。これにより前記砂充填時と同様に型内で先に充填している鋳物砂１１の粒子間にバインダ溶液９が圧入され、鋳物砂間に行き渡る。このとき、溶液９が均等に全ての粒子間に行き渡ることは重要である。（液注入工程）

次に、注入ヘッドに替え、熱風挿入ヘッド１２をセットし所定の熱風待ち保持時間待機後、上部から乾燥用熱風１３を入れ、型内で前記湿砂状態になった鋳物砂を乾燥、成型させる。この場合、熱風挿入ヘッド１２と液注入ヘッド８は共用構造にしても良い。また、乾燥を熱風で行う方法の他、型を加熱する方法も有効である。更に、型加熱の替わりにマイクロウェーブで鋳物砂を加熱する方法もある。（乾燥・成型工程）
最後に、成型完了後型を開き、成型された鋳型中子１４を取り出す。

（比較例１）
上記低水分鋳物砂に代えて乾燥砂を用いて中子を造型した。
（比較例２）
上記低水分鋳物砂に代えてウエットサンド（水分３％）を用いて中子を造型した。

［中子強度測定］
中子をＬ（５０ｍｍ）間の支点に置き、中心部へ上部よりＰ（ｋｇｆ）加圧した。下記式より、抗折強度σ（ｋｇｆ／ｍｍ^２）を求めた。
σ ＝３／２ × Ｌ／（ｂ×ｈ^２） × Ｐ
表１に、造型された中子を４００℃で１分間加熱した場合の実施例の中子の抗折強度σ（ｋｇｆ／ｍｍ^２）を１００％とした時の、比較例１及び２の抗折強度の比較結果を示す。

表１の結果より、本発明の実施例は、乾燥砂を用いた比較例１や、ウエットサンド用いた比較例２と比べて、中子の抗折強度σが向上していることが分かる。

本発明によれば、鋳物砂の充填性、及び中子の温間強度を上げることができる。また、水溶性中子を用いることで、鋳造時に型崩れせず、鋳造後の除去が容易な鋳造を行うことができる。更に、水溶性バインダ及び鋳物砂は繰り返し再利用できる。これらにより、本発明は水溶性中子を用いた鋳造の普及に貢献する。

本発明の鋳物砂中子の各造型工程を示す。

符号の説明

１：低水分の鋳物砂、２：ブローヘッド、３：圧縮エア、４：鋳型、５：吹き込みノズル、６：キャビティ、７：排気ベント、８：液注入ヘッド、９水溶性バインダ溶液、１０：圧縮エア、１１：充填されている鋳物砂、１２：熱風挿入ヘッド、１３：熱風、１４：鋳型中子。

Claims

鋳物砂に低量の水溶性バインダを加えて混練し、該鋳物砂を鋳型内に充填する工程と、該充填物に十分な量の水溶性バインダを注入する工程と、該鋳物砂を乾燥させて成型する工程とを含むことを特徴とする鋳物砂中子の造型方法。
前記水溶性バインダが水溶性無機塩バインダであることを特徴とする請求項１に記載の鋳物砂中子の造型方法。
前記低量の水溶性バインダが砂重量の０．１〜１％の水溶性バインダであり、前記十分な量の水溶性バインダが砂重量の７〜３０％の水溶性バインダであることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳物砂中子の造型方法。
前記充填物に低量の水溶性バインダを注入する工程の後に、該水溶性バインダが鋳物砂表面に拡散されるための、バインダ拡散保持時間を設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鋳物砂中子の造型方法。
前記鋳物砂を乾燥させて成型する工程は、鋳型内への乾燥用熱風の吹き込み及び／又は鋳型の加熱によって行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の鋳物砂中子の造型方法。
前記水溶性バインダが、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）から選択されるカチオンと、ＳＯ_４ ^２−、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ^２−、Ｂ_４Ｏ_７ ⁻から選択されるアニオンとの組み合わせからなる水溶性無機塩の１種以上から成る水溶性中子バインダであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の鋳物砂中子の造型方法。
前記水溶性バインダが、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）から選択される水溶性無機塩の１種以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の鋳物砂中子の造型方法。
前記水溶性無機塩バインダに、珪砂（珪粉）、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸ジルコン、繊維状チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムから選択される無機フィラーの１種以上が添加されていることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の鋳物砂中子の造型方法。
前記鋳物砂に低量の水溶性無機塩バインダを加えて混練する際に、鋳物砂粒子と無機塩バインダに加えて、無機微粉末を配合・混練することを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載の鋳物砂中子の造型方法。
前記無機微粉末がカオリン、タルクから選択される１種以上であることを特徴とする請求項９に記載の鋳物砂中子の造型方法。
請求項１乃至１０のいずれかに記載の鋳物砂中子の造型方法によって造型された水溶性中子を用いたアルミ合金の鋳造方法。
鋳物砂に低量の水溶性バインダを加えて混練し、該鋳物砂を鋳型内に充填する工程と、該充填物に十分な量の水溶性バインダを注入する工程と、該鋳物砂を乾燥させて成型する工程とを含む鋳物砂中子の造型工程の後、鋳造工程、砂落とし工程を経た後、該水溶性バインダを水溶液として回収する工程と、得られた水溶液から水分を蒸発させる工程を含み、該水溶性バインダを回収することを特徴とする水溶性中子バインダの回収・再利用方法。