JP4326916B2

JP4326916B2 - 球状鋳物砂

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Publication number: JP4326916B2
Application number: JP2003379057A
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Inventors: 阪口　　美喜夫; 茂夫仲井; 一彦木内; 明土井
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Publication date: 2009-09-09
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Description

本発明は、鋳鋼、鋳鉄、アルミニウム、銅およびこれらの合金等の鋳造用鋳型に使用される球状鋳物砂およびその製造方法、ならびに鋳造用鋳型に関する。

従来から鋳物砂として珪砂が広く使用されている。珪砂は鉱産物であるため形態が不定形であり、流動性に欠け、充填性が悪い。それゆえ、珪砂からなる鋳型の表面は荒く、従って、鋳造品（鋳物）の表面が荒れ、後工程である研磨工程への負荷が大きくなる。また、珪砂の構成鉱物である石英は鋳造時の熱負荷によりクリストバライト等へ結晶変態し、その時の体積変化により崩壊するため、珪砂は鋳物砂としての再生効率が低い。これらの問題を解決する手段として、球状鋳物砂（たとえば、特許文献１参照）や、高珪酸質球状鋳物砂およびその製造方法（たとえば、特許文献２参照）が開示されている。これらは、原料組成物を球形に造粒した後、ロータリーキルン等で焼成するものである。しかしながら、得られる鋳物砂の球形度は低く、そのため流動性および充填性は不充分であり、鋳物表面の荒れを改善する効果は小さい。また、焼結法であるため多くの開気孔が存在した吸水率の大きい多孔質のものしか得られない。その結果、鋳型の強度が不充分であったり、鋳型作製時に多量のバインダーを必要とするため、鋳物砂としての再生が困難となる。
特開平４−３６７３４９号公報（第２頁）特開平５−１６９１８４号公報（第２頁）

本発明は、流動性に優れ、高強度かつ表面が平滑な鋳造用鋳型を製造することができる球状鋳物砂およびその製造方法、ならびに該鋳造用鋳型を提供することを課題とする。

本発明者らは、特定の成分組成および粒径を持ち、球形度が大きく、さらには吸水率が小さい耐火性粒子が鋳物砂として優れた性能を発揮することを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の要旨は、
〔１〕Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分として含有してなり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１〜１５、平均粒径が０．０５〜１．５ｍｍである火炎溶融法で製造された球状鋳物砂、
〔２〕Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分として含有してなり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１〜１５、平均粒径が０．０５〜０．５ｍｍ、球形度が０．９５以上である火炎溶融法で製造された球状鋳物砂、
〔３〕Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分として含有してなり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１〜１５、平均粒径が０．０５〜１．５ｍｍ、球形度が０．９５以上である球状鋳物砂、
〔４〕球形度が０．９８以上である前記〔１〕〜〔３〕いずれかに記載の球状鋳物砂を５０体積％以上含む鋳物砂、
〔５〕Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分とする、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が０．９〜１７、平均粒径が０．０５〜２ｍｍの粉末粒子を、火炎中で溶融して球状化する工程を含む、前記〔１〕〜〔３〕いずれかに記載の球状鋳物砂の製造方法、
〔６〕前記〔１〕〜〔３〕いずれかに記載の球状鋳物砂または前記〔４〕に記載の鋳物砂を含んでなる鋳造用鋳型、
〔７〕前記〔６〕に記載の鋳型を用いて鋳造された鋳物、ならびに
〔８〕前記〔７〕に記載の鋳物からなる構造物、
に関する。

本発明の球状鋳物砂は流動性に優れており、当該鋳物砂によれば、高強度かつ表面が平滑な鋳造用鋳型が得られる。

本発明の球状鋳物砂は大きく２つの態様からなる。第１の態様は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分として含有してなり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１〜１５、平均粒径が０．０５〜１．５ｍｍである、火炎溶融法で製造された球状鋳物砂である。また、第２の態様は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分として含有してなり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１〜１５、平均粒径が０．０５〜１．５ｍｍ、球形度が０．９５以上である球状鋳物砂である。

本発明の球状鋳物砂は、特定の成分組成および平均粒径を持ち、球形度が大きい点に大きな特徴の１つを有する。かかる構成を有することから、流動性に優れ、高強度かつ表面が平滑な鋳造用鋳型の製造が可能となる。また、従来に比べて少ないバインダー量で鋳型を製造することができ、再生が容易である。

本発明の球状鋳物砂の形状である球状とは、球形度０．８８以上、好ましくは０．９０以上のものをいう。球状であるか否かについては、たとえば、後述の実施例に記載するように、鋳物砂を光学顕微鏡やデジタルスコープ（たとえば、キーエンス社製、ＶＨ−８０００型）等で観察し、判定することができる。

本発明の球状鋳物砂はＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分とするが、ここで「主成分」とは、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂が合計量で鋳物砂全体の全成分中に８０重量％以上含有されていることをいう。

本発明の球状鋳物砂の主成分であるＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂の含有量としては、耐火性の向上という観点から、それらの合計量として、球状鋳物砂の全成分中、好ましくは８５〜１００重量％、より好ましくは９０〜１００重量％である。

また、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率は１〜１５である。耐火性および鋳物砂の再生効率の向上の観点から、１．２〜１２が好ましく、１．５〜９がより好ましい。

なお、本発明の球状鋳物砂に主成分以外の成分として含まれ得るものとしては、たとえば、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ等の金属酸化物が挙げられる。これらは、出発原料として使用する、たとえば、後述の原料に由来するものである。ＣａＯとＭｇＯが含まれる場合、球状鋳物砂の耐火性の向上の観点から、それらの含有量としては合計量として５重量％以下が好ましい。Ｆｅ₂Ｏ₃とＴｉＯ₂が含まれる場合、それらの含有量としてはそれぞれ５重量％以下が好ましい。また、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量は２．５重量％以下がより好ましく、２重量％以下がさらに好ましい。Ｋ₂ＯとＮａ₂Ｏが含まれる場合、それらの含有量としては合計量として３重量％以下が好ましく、より好ましくは１重量％以下である。

本発明の球状鋳物砂の平均粒径（ｍｍ）は０．０５〜１．５ｍｍの範囲である。０．０５ｍｍ未満になると鋳型の製造に多くのバインダーを必要とし、鋳物砂として再生するのが困難となるため好ましくない。一方、１．５ｍｍを超えると鋳型の空隙率が大きくなり、鋳型強度の低下に繋がることから好ましくない。球状鋳物砂の再生効率を高める観点から、０．０７５〜１．５ｍｍが好ましく、一方、鋳型強度を高める観点から、０．０５〜１ｍｍが好ましい。再生効率と鋳型強度の両者を高める観点から、０．０５〜０．５ｍｍがより好ましく、０．０５〜０．３５ｍｍがさらに好ましい。

前記平均粒径は以下のようにして求めることができる。すなわち、球状鋳物砂粒子の粒子投影断面からの球形度＝１の場合は直径（ｍｍ）を測定し、一方、球形度＜１の場合はランダムに配向させた球状鋳物砂粒子の長軸径（ｍｍ）と短軸径（ｍｍ）を測定して（長軸径＋短軸径）／２を求め、任意の１００個の球状鋳物砂粒子につき、それぞれ得られた値を平均して平均粒径（ｍｍ）とする。長軸径と短軸径は、以下のように定義される。粒子を平面上に安定させ、その粒子の平面上への投影像を２本の平行線ではさんだとき、その平行線の間隔が最小となる粒子の幅を短軸径といい、一方、この平行線に直角な方向の２本の平行線で粒子をはさむときの距離を長軸径という。

なお、球状鋳物砂粒子の長軸径と短軸径は、光学顕微鏡またはデジタルスコープ（例えば、キーエンス社製、ＶＨ−８０００型）により該粒子の像（写真）を得、得られた像を画像解析することにより求めることができる。また、球形度は、得られた像を画像解析することにより、該粒子の粒子投影断面の面積および該断面の周囲長を求め、次いで、〔粒子投影断面の面積（ｍｍ²）と同じ面積の真円の円周長（ｍｍ）〕／〔粒子投影断面の周囲長（ｍｍ）〕を計算し、任意の５０個の球状鋳物砂粒子につき、それぞれ得られた値を平均して求める。

本発明の第１の態様の球状鋳物砂は火炎溶融法により得られるものである。従って、球形度が高く、緻密であるという構造的特徴を有する。当該構造的特徴は、流動性、鋳型強度、鋳造された鋳物の表面平滑性の向上に大きく寄与する。

本発明の第１の態様の球状鋳物砂としては、流動性の向上の観点から、その球形度が、０．９５以上であるものが好ましく、０．９８以上であるものがより好ましく、０．９９以上であるものがさらに好ましい。よって、本発明の第１の態様の球状鋳物砂としては、たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分として含有してなり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１〜１５、平均粒径が０．０５〜０．５ｍｍ、球形度が０．９５以上である火炎溶融法でつくられた球状鋳物砂が好適である。

一方、本発明の第２の態様の球状鋳物砂の球形度は０．９５以上である。流動性の向上の観点から、０．９８以上が好ましく、０．９９以上がより好ましい。

また、本発明の球状鋳物砂の吸水率（重量％）としては、鋳型の製造の際に使用するバインダーの鋳物砂内部への吸収によるバインダー使用量の増加の抑制や、鋳型強度の向上等の観点から、３重量％以下が好ましく、０．８重量％以下がより好ましく、０．３重量％以下がさらに好ましい。吸水率はＪＩＳＡ１１０９細骨材の吸水率測定方法に従って測定することができる。

なお、球状鋳物砂の吸水率は、火炎溶融法により該砂を調製した場合、該方法以外の焼成方法により調製した砂と比べて、同じ球形度であれば、通常、吸水率は低くなる。

一方、本発明の球状鋳物砂の球形度が０．９８以上である場合、かかる球状鋳物砂が、珪砂等の流動性の低い公知の鋳物砂との混合物中に好ましくは５０体積％以上含有されておれば、該混合物からなる鋳物砂は充分に本発明の所望の効果を発揮し得る。すなわち、前記のような公知の鋳物砂に本発明の球状鋳物砂を徐々に添加していけば、添加量に応じて本発明の所望の効果を発揮するようになるが、前記混合物からなる鋳物砂中に、前記所定の球形度を有する本発明の球状鋳物砂が５０体積％以上含まれると、その効果は顕著になる。なお、当該混合物からなる鋳物砂中の、球形度が０．９８以上である本発明の球状鋳物砂の含有量としては、より好ましくは６０体積％以上、さらに好ましくは８０体積％以上である。従って、本発明の球状鋳物砂としては、その利用性に優れることから、球形度が０．９８以上であるものが特に好適である。また、かかる球状鋳物砂を５０体積％以上含む鋳物砂は、本発明の球状鋳物砂と同等の効果を発揮し得ることから、かかる鋳物砂も本発明に包含される。

前記の通り、本発明の第１の態様の球状鋳物砂は火炎溶融法により製造される。一方、本発明の第２の態様の球状鋳物砂は、たとえば、造粒して焼結する方法、電融アトマイズ法等の公知の方法により製造することが可能であるが、中でも、本発明の第１の態様の球状鋳物砂と同様に火炎溶融法により製造するのが好適である。そこで、以下においては、火炎溶融法による、本発明の球状鋳物砂の製造方法の一例を説明する。なお、当該製造方法も本発明に包含される。

本発明の球状鋳物砂の製造方法は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分とする、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が０．９〜１７、平均粒径が０．０５〜２ｍｍの粉末粒子を出発原料とし、当該粉末粒子を火炎中で溶融して球状化する工程を含むものである。

なお、ここで「Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分とする」とは、出発原料としての粉末粒子全体における全成分中にＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂が合計量で８０重量％以上含有されていることをいう。よって、「Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分とする」限り、当該粉末粒子としては、後述するようなＡｌ₂Ｏ₃源としての原料とＳｉＯ₂源としての原料の混合物からなるものであっても、（Ａｌ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）源としての原料単独からなるものであっても、また、Ａｌ₂Ｏ₃源としての原料および／またはＳｉＯ₂源としての原料と（Ａｌ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）源としての原料との混合物であってもよい。

出発原料としての前記粉末粒子においては、主成分であるＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂の合計量としての含有量は、得られる球状鋳物砂中のＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂の合計量が全成分中８０重量％以上になるようにする観点から、好ましくは７５重量％以上であり、より好ましくは８０重量％以上であり、さらに好ましくは８５〜１００重量％、特に好ましくは９０〜１００重量％である。Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率としては、得られる球状鋳物砂中のＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１〜１５になるようにする観点から、０．９〜１７であり、好ましくは１〜１５である。平均粒径としては、単分散の球状鋳物砂を得る観点から０．０５ｍｍ以上であり、所望の球形度を有する鋳物砂を得る観点から２ｍｍ以下であり、それらの両観点を満たすため０．０５〜２ｍｍである。また、得られる鋳物砂の球形度の向上という観点からは、０．０５〜１．５ｍｍが好ましい。

Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が、原料粉末粒子と得られる球状鋳物砂とで異なるのは、原料によってＡｌ₂Ｏ₃の逸失量とＳｉＯ₂の逸失量とが異なるためである。また、原料粉末粒子の平均粒径については、不定型の粉末は球状になることで粒径が減少するが、もともと球状の粉末は粒径が変化しないので、上記範囲であればよい。

本発明の球状鋳物砂を得るためには、出発原料としての粉末粒子は、溶融時の成分蒸発を考慮し、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率および平均粒径が上記範囲内になるよう調製して使用する。

出発原料である粉末粒子を溶融する際、当該粒子に水分が含まれると、該水分が蒸発するため、得られる鋳物砂には当該水分の蒸発に伴って多数の開孔が形成されることになる。当該開孔の形成は、鋳物砂の吸水率の増加や、球形度の低下をもたらす。従って、出発原料の含水率（重量％）としては、得られる球状鋳物砂の吸水率および球形度を適切な範囲に調節する観点から、１０重量％以下が好ましく、３重量％以下がより好ましく、１重量％以下がさらに好ましい。含水率は粉末粒子１０ｇを８００℃で１時間加熱した時の減量により測定する。

出発原料は、たとえば、耐火性を有する鉱産原料および合成原料から選ぶことができる。Ａｌ₂Ｏ₃源としての原料として、ボーキサイト、バン土頁岩、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム等を挙げることができる。また、ＳｉＯ₂源としての原料として、珪石、珪砂、石英、クリストバライト、非晶質シリカ、長石、パイロフィライト等を挙げることができる。また、（Ａｌ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）源としての原料として、カオリン、バン土頁岩、ボーキサイト、雲母、シリマナイト、アンダルサイト、ムライト、ゼオライト、モンモリロナイト、ハイロサイト等を挙げることができる。これらの原料はそれぞれ単独で、もしくは２種以上を混合して使用することができる。選択された出発原料は、その含水率を低下させるため、あるいはその溶融を容易にするために仮焼して使用するのが好ましい。仮焼された原料粉末粒子としては、仮焼バン頁、仮焼ムライト、仮焼ボーキサイト、仮焼した水酸化アルミニウムとカオリンとの混合物等が例示される。

出発原料としての粉末粒子を火炎中で溶融して球状化する工程では、上記のような出発原料を酸素等のキャリアガスに分散させ、火炎中に投入することによって溶融し、球状化を行う（火炎溶融法）。好適な態様においては、下記火炎中に、投入する。

用いる火炎はプロパン、ブタン、メタン、天然液化ガス、ＬＰＧ、重油、灯油、軽油、微粉炭等の燃料を酸素と燃焼させることによって発生させる。燃料の対酸素比は完全燃焼の観点から容量比で１．０１〜１．３が好ましい。高温の火炎を発生させる観点から、酸素・ガスバーナーが好適である。特にバーナーの構造は限定するものではないが、特開平７−４８１１８号公報、特開平１１−１３２４２１号公報、特開２０００−２０５５２３号公報または特開２０００−３４６３１８号公報で開示されているバーナーが例示される。

本発明の製造方法で用いる０．０５〜２ｍｍの範囲にある大きな平均粒径をもつ上記耐火性の原料粉末を球状化するには以下の手法が好適である。

火炎中への粉末粒子の投入は、キャリアガス中に分散して行なう。キャリアガスとしては、酸素が好適に用いられる。この場合、キャリアガスの酸素は燃料燃焼用として消費できる利点がある。ガス中の粉体濃度は、粉末粒子の充分な分散性を確保する観点から、０．１〜２０ｋｇ／Ｎｍ^３が好ましく、０．２〜１０ｋｇ／Ｎｍ^３がより好ましい。

さらに、火炎中に投入する際には、メッシュ、スタティックミキサー等を通過させて分散性を高めることがより好ましい。

火炎中での球状化を速やかに行なうと共に、単分散した球状鋳物砂を得る観点から、原料粉末粒子の形状と組成を選択することが好ましい。形状としては、火炎中での滞留時間確保や溶融、球状化を速やかに行なう観点から、原料粉末粒子の長軸径／短軸径比が９以下であるのが好ましく、より好ましくは４以下、さらに好ましくは２以下である。一方、組成としては、融着していない単分散の球状粒子を得る観点から、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１．５〜１０であるのが特に好適である。

また、粉末粒子は、Ｎ₂不活性ガス等を電離させて生じるプラズマジェット火炎中でも好適に溶融し、球状化できる。

以上の方法により、本発明の所望の球状鋳物砂を得ることができる。当該鋳物砂は、流動性に非常に優れたものである。また、前記の通り、本発明の球状鋳物砂が所定の割合で含まれるように、該鋳物砂と公知の鋳物砂とを適宜混合することにより、本発明の球状鋳物砂と同等の効果を発揮し得る鋳物砂を得ることができる。鋳型の製造においてこれらの鋳物砂を用いると、使用するバインダーの量を少なくできることから、それらの鋳物砂は、鋳物砂として効率的に再生することができる。

本発明の球状鋳物砂および該鋳物砂と公知の鋳物砂との混合物からなる鋳物砂（以下、これらの鋳物砂を本発明の鋳物砂と略記する）は、鋳鋼、鋳鉄、アルミニウム、銅およびこれらの合金等の鋳型用途に好適に使用されうる。また、金属、プラスチック等への充填材としても使用することができる。

本発明の鋳物砂は、単独で、もしくは珪砂等のその他の公知の鋳物砂や耐火性骨材と組み合わせて、粘土、水ガラス、シリカゾル等の無機質バインダー、またはフラン樹脂、フェノール樹脂、フランフェノール樹脂等の有機質バインダーと混合され、所望の鋳造用鋳型を用いて公知の方法に従って造型され得る。高強度の鋳造用鋳型を得る観点から、バインダーの使用量としては、鋳物砂１００重量部に対して、バインダーを０．０５〜５重量部使用するのが好適である。このようにして得られる鋳型は、高強度であり、しかもその表面が平滑である。従って、この鋳造用鋳型で鋳造すると、表面荒れが小さく、後工程である研磨工程への負荷が小さい鋳物が得られる。

鋳造用鋳型の製造に使用する観点から、本発明の鋳物砂の粒子密度（ｇ／ｃｍ³）としては、１〜３．５ｇ／ｃｍ³の範囲であるのが好ましい。より高強度の鋳型を所望する場合、該粒子密度としては２．５〜３．５ｇ／ｃｍ³の範囲であるのが好ましい。この範囲のものは中実で緻密であり高強度の鋳型が得られる。また、軽量な鋳型を所望する場合、該粒子密度としては１〜２．５ｇ／ｃｍ³の範囲であるのが好ましい。この範囲のものは内部に空間を有する多孔質であり軽量な鋳型が得られる。粒子密度は、ＪＩＳＲ１６２０の粒子密度測定法に従って測定することができる。

また、前記鋳物をさらに適宜加工することにより、表面および内面欠陥の少ない構造物が得られる。当該構造物としては、たとえば、金型、エンジン部材、工作機械部材、建築部材等が挙げられる。

以上のような、優れた性質を有する鋳造用鋳型、鋳物および構造物は、本発明に包含される。

実施例１
Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９７重量％含有する、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１．７、含水率が０重量％、平均粒径が０．３１ｍｍ、長軸径／短軸径比が１．５、のムライト粉末（柴田セラミックス製合成ムライト粉末）を出発原料とし、当該粉末を、酸素をキャリアガスとして用い、ＬＰＧ（プロパンガス）を対酸素比（容量比）１．１で燃焼させた火炎（約２０００℃）中に投入し、単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９７重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１．７、平均粒径が０．２６ｍｍ、球形度が０．９９、吸水率が０重量％、粒子密度が２．９ｇ／ｃｍ³であった。該鋳物砂の反射顕微鏡（（株）ニコン製）写真（倍率：１００倍）を図１に示す。当該図より、いずれの鋳物砂粒子も球状であることが分かる。

実施例２
出発原料の平均粒径を０．９ｍｍ、長軸径／短軸径比を１．７とした以外は実施例１と同様な操作で単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９７重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１．７、平均粒径が０．６９ｍｍ、球形度が０．９７、吸水率が０重量％、粒子密度が２．８ｇ／ｃｍ³であった。

実施例３
Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９７重量％含有する、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２．７、含水率が０．１重量％、平均粒径が０．２５ｍｍ、長軸径／短軸径比が１．３のムライト粉末（柴田セラミックス製合成ムライト粉末）を出発原料とした以外は、実施例１と同様な操作で単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９８重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２．７、平均粒径が０．２１ｍｍ、球形度が０．９９、吸水率が０重量％、粒子密度が３．１ｇ／ｃｍ³であった。

実施例４
Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９５重量％含有する、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１．６４、含水率０．２重量％、平均粒径が０．４５ｍｍ、長軸径／短軸径比が１．６のシリマナイトサンドを出発原料とした以外は、実施例１と同様な操作で単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９５重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１．６、平均粒径が０．３５ｍｍ、球形度が０．９８、吸水率が０重量％、粒子密度が２．８ｇ／ｃｍ³であった。

実施例５
Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２．５となるよう水酸化アルミニウムとカオリンを混合したものを電気炉にて７００℃で１時間仮焼し、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９６重量％含有する、含水率１．９重量％、平均粒径が０．２ｍｍ、長軸径／短軸径比が１．８の粉末粒子を出発原料とした以外は、実施例１と同様な操作で単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９５重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２．６、平均粒径が０．１９ｍｍ、球形度が０．９７、吸水率が０．１重量％、粒子密度が２．７ｇ／ｃｍ³であった。

実施例６
Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９３重量％含有する、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１．５６、含水率０．１重量％、平均粒径が０．１５ｍｍ、長軸径／短軸径比が１．４の仮焼バン頁粉末を出発原料として実施例１と同様な操作で単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９３重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１．５５、Ｆｅ_２Ｏ_３含有量は１．７重量％、平均粒径が０．１４ｍｍ、球形度が０．９８８、吸水率が０重量％であった。

実施例７
Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９５重量％含有する、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が３．３６、含水率０．１重量％、平均粒径が０．１３ｍｍ、長軸径／短軸径比が１．２の仮焼バン頁粉末を出発原料として実施例１と同様な操作で単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９３重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が３．３５、Ｆｅ_２Ｏ_３含有量は１．０１重量％、平均粒径が０．１２ｍｍ、球形度が０．９９８、吸水率が０重量％であった。

実施例８
Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９１重量％含有する、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が９．８３、含水率０．１重量％、平均粒径が０．１４ｍｍ、長軸径／短軸径比が１．３の仮焼バン頁粉末を出発原料として実施例１と同様な操作で単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９１．５重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が９．３９、Ｆｅ_２Ｏ_３含有量は１．８７重量％、平均粒径が０．１３ｍｍ、球形度が０．９９６、吸水率が０重量％であった。

実施例９
Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９５重量％含有する、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２．２１、含水率０重量％、平均粒径が０．１６ｍｍ、長軸径／短軸径比が１．４の仮焼ムライト粉末を出発原料として実施例１と同様な操作で単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９５．３重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２．１９、Ｆｅ_２Ｏ_３含有量は１．２１重量％、平均粒径が０．１３ｍｍ、球形度が０．９９５、吸水率が０重量％であった。

比較例１
Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２．７となるよう水酸化アルミニウムとカオリンを混合し、スプレードライヤーを用いて平均粒径０．２ｍｍの球状にした粉末粒子（Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９６重量％含有）を電気炉中にて１５００℃で１時間焼成することにより球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９７重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２．７、平均粒径が０．１８ｍｍ、球形度が０．８９、吸水率が１．２重量％、粒子密度が２．７ｇ／ｃｍ³であった。該鋳物砂の反射顕微鏡（（株）ニコン製）写真（倍率：１００倍）を図２に示す。当該図より、本鋳物砂粒子の形状は球状化率が低く、球形度が低いことが分かる。

比較例２
Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２５となるよう水酸化アルミニウムとカオリンを混合し、電気炉にて７００℃で1 時間仮焼して得た、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９７重量％含有する、含水率が２．９重量％、平均粒径が０．２ｍｍの粉末粒子を出発原料とした以外は、実施例１と同様な操作で球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９７重量％含有しており、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が２６、平均粒径が０．１９ｍｍ、球形度が０．８８、吸水率が１重量％、粒子密度が３．３ｇ／ｃｍ³であった。

比較例３
Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が０．５となるよう珪石粉とカオリンを混合し、電気炉にて７００℃で１時間仮焼して得た、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂を合計量で９７重量％含有する、含水率が０．９重量％、平均粒径が０．２ｍｍの粉末粒子を出発原料とした以外は、実施例１と同様な操作で鋳物砂を得た。ほとんどが不定形化し、球状のものはほとんど得られなかった。

比較例４
ＳｉＯ_２含有量９９重量％、平均粒径０．１３ｍｍの珪砂（不定形）を出発原料として実施例１と同様な操作で鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は不定形なものであり、その吸水率は０．１重量％であった。

試験例１
実施例１、３および５と比較例１〜２で得られた鋳物砂の流動性、ならびに当該鋳物砂から得られた鋳型の強度および表面肌の状態を調べた。

（１）鋳物砂の流動性
ＪＩＳＫ６７２１の漏斗を用い、流動時間（秒）をもとめた。流動時間が短いほうが流動性に優れる。

（２）鋳型の強度
鋳物砂を７４〜２５０μｍに分級後、成形バインダーとしてカオーステップＳ６６０（花王クエーカー製）を鋳物砂１００重量部に対して１．２重量部添加し、自硬性鋳型造型法に従って成形（直径５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ）し鋳型を得た。次いで、２４時間、室温で養生後、圧縮試験機を用い、鋳型の圧縮強度（ＭＰａ）を測定した（２５℃、湿度５５％）。

（３）鋳型の表面肌
以下の評価基準に従って鋳型から脱型後の鋳物表面を目視観察により評価し、当該評価結果を鋳型の表面肌の評価結果として用いた。すなわち、鋳物表面の状態が平滑であれば、鋳型の表面肌も平滑である。なお、鋳物は、鋳鉄ＦＣ−２５０を高周波炉により１４００℃で溶融し、５０ｍｍ×５０ｍｍ×４００ｍｍの直方体の形状のものを作製した。
〔評価基準〕
○: 鋳物砂跡がなく、平滑な面を示す
△: 鋳物砂跡が少し認められ、やや平滑な面を示す
×: 鋳物砂跡が明確で、荒れた面を示す

以上の各試験結果を表１に示す。

表１に示す結果より、比較例１〜２の鋳物砂に比べ、実施例１、３および５の鋳物砂は優れた流動性を有することが分かる。また、得られた鋳型についても、比較例のものと比べ、実施例のものは強度に優れ、また、表面肌が平滑であることが分かる。実施例１、３および５の鋳物砂から製造された鋳型で鋳造された鋳物は後工程である研磨工程を充分軽減できる程に表面は平滑であった。

試験例２
実施例９と比較例１、４で得られた鋳物砂を用い、バインダーをカオーライトナー３４ＯＢ（花王クエーカー製）とした以外は試験例１と同様にして鋳型の強度試験を０．５〜２４時間の経時で行なった。図３にそれらの鋳物砂から作製した鋳型の経時的な強度試験の結果を示す。該図に示すように実施例９の鋳物砂を用いた場合、短時間で鋳型強度が実用強度（２ＭＰａ程度）に達した。それゆえ、脱型が早く行なえ、作業効率が向上した。

また、実施例９と比較例１で得られた鋳物砂を用いて作製した鋳型の表面と、該鋳型を用いて作製した鋳物の表面の平滑性を表面粗さ測定器（小坂研究所製、サーフコーダＳＥ−３０Ｈ）により表面粗さ（中心線平均粗さ：Ｒａ）として測定した。Ｒａが小さい程、表面平滑性に優れる。結果を表２に示す。表２より、実施例９の鋳物砂を用いた場合、比較例１の鋳物砂を用いた場合と比べ、表面平滑性に優れた鋳型が得られ、それを用いて作製した鋳物の表面も平滑性に優れることが分かる。

試験例３
実施例３、９と比較例１、４で得られた鋳物砂について、鋳物砂の再生効率の指標となる耐粉砕性を比較した。各鋳物砂１ｋｇをアルミナボールミルにそれぞれ投入し、６０分間処理した後の平均粒径変化率〔（処理前の平均粒径／処理後の平均粒径）×１００〕を耐粉砕性の指標とした。該変化率が小さい程、耐粉砕性に優れる。結果を表３に示す。

表３より、実施例３と９の鋳物砂は、比較例１と４の鋳物砂に比べ、耐粉砕性に優れることが分かる。従って、使用するバインダーを少なくすることができ、使用後の砂中の残存炭素量が少なく、培焼再生が容易となる。培焼再生では粉化（摩耗粉になる）しないため、実施例３と９の鋳物砂は、再生効率に優れると言える。

試験例４
実施例３の鋳物砂５０体積％と比較例１の鋳物砂５０体積％とからなる鋳物砂、および実施例９の鋳物砂８０体積％と比較例４の鋳物砂２０体積％とからなる鋳物砂をそれぞれ得て、試験例１に準じて試験したところ、それらの鋳物砂は優れた流動性を有しており、また、該鋳物砂から得られた鋳型は、強度に優れ、表面肌が平滑であった。

以上の実施例が示すように本発明の球状鋳物砂は、鋳物砂に要求される諸特性に優れており、産業上有用である。

図１は、実施例１で得られた鋳物砂の反射顕微鏡写真（倍率：１００倍）である。図２は、比較例１で得られた鋳物砂の反射顕微鏡写真（倍率：１００倍）である。図３は、実施例９と比較例１、４で得られた鋳物砂からそれぞれ作製した鋳型の経時的な強度試験の結果を示すグラフである。

Claims

Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分として含有してなり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１〜１５、平均粒径が０．０５〜１．５ｍｍである火炎溶融法で製造された球状鋳物砂。
Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分として含有してなり、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が１〜１５、平均粒径が０．０５〜０．５ｍｍ、球形度が０．９５以上である火炎溶融法で製造された球状鋳物砂。
吸水率が０．８重量％以下である請求項１又は２記載の球状鋳物砂。
Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を主成分とする、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率が０．９〜１７、平均粒径が０．０５〜２ｍｍの粉末粒子を、火炎中で溶融して球状化する工程を含む、請求項１〜３いずれかに記載の球状鋳物砂の製造方法。