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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-12
(54)【発明の名称】無機バインダー系
(51)【国際特許分類】
B22C 1/00 20060101AFI20240705BHJP
B22C 1/10 20060101ALI20240705BHJP
B22C 1/20 20060101ALI20240705BHJP
B22C 9/02 20060101ALI20240705BHJP
B22C 9/12 20060101ALI20240705BHJP
B22C 5/00 20060101ALI20240705BHJP
B22C 1/18 20060101ALN20240705BHJP
【ＦＩ】
B22C1/00 D
B22C1/00 B
B22C1/10 C
B22C1/20
B22C9/02 101
B22C9/12 H
B22C5/00 A
B22C1/18 B
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2024501524
(86)(22)【出願日】2022-07-12
(85)【翻訳文提出日】2024-03-06
(86)【国際出願番号】 EP2022069506
(87)【国際公開番号】W WO2023285482
(87)【国際公開日】2023-01-19
(31)【優先権主張番号】21184981.5
(32)【優先日】2021-07-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】511239074
【氏名又は名称】フォセコ インターナショナル リミテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｆｏｓｅｃｏ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｉｍｉｔｅｄ
【住所又は居所原語表記】１ Ｍｉｄｌａｎｄ Ｗａｙ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐａｒｋ，Ｂａｒｌｂｏｒｏｕｇｈ Ｌｉｎｋｓ，Ｄｅｒｂｙｓｈｉｒｅ Ｓ４３ ４ＸＡ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ
(74)【代理人】
【識別番号】110001438
【氏名又は名称】弁理士法人 丸山国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ハーンアッペル，ビンセント
(72)【発明者】
【氏名】リンケ，トーマス
【テーマコード（参考）】
4E092
4E093
【Ｆターム（参考）】
4E092AA04
4E092AA05
4E092AA18
4E092CA03
4E093RC01
(57)【要約】
【解決手段】中子を作るためと金属鋳造プロセスのための組成物は、粒状耐熱材料と、少なくとも１種のアルカリ金属ケイ酸塩を含む無機バインダーと、ポゾラン添加剤と、ラストラスカーボンフォーマーとを含む。本発明の方法は、当該組成物から中子を形成することと、中子を備える鋳型を組み立てることと、溶融金属を供給することとを含む。
【選択図】図２
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属鋳造プロセスに使用する中子を作るための組成物において、粒状耐熱材料と、
少なくとも１種のアルカリ金属ケイ酸塩を含む無機バインダーと、
ポゾラン添加剤と、
ラストラスカーボンフォーマーと、
を含む組成物。
【請求項2】
鉄系金属鋳造プロセスで使用する中子を作るためのものであり、前記ラストラスカーボンフォーマーは強ラストラスカーボンフォーマーである、請求項１に記載の組成物。
【請求項3】
前記強ラストラスカーボンフォーマーは、アスファルト、炭化水素樹脂、ポリスチレン、及びギルソナイトのうちの１つ又は複数を含む、請求項２に記載の組成物。
【請求項4】
前記強ラストラスカーボンフォーマーは、少なくとも１５％のラストラスカーボン含有量を有する、請求項２又は請求項３に記載の組成物。
【請求項5】
非鉄金属鋳造プロセスで使用する中子を作るためのものであり、前記ラストラスカーボンフォーマーは弱ラストラスカーボンフォーマーである、請求項１に記載の組成物。
【請求項6】
前記弱ラストラスカーボンフォーマーは、分級炭、炭塵、及びシーコールのうちの１つ又は複数を含む、請求項５に記載の組成物。
【請求項7】
前記弱ラストラスカーボンフォーマーは１５％未満のラストラスカーボン含有量を有する、請求項５又は請求項６に記載の組成物。
【請求項8】
前記ラストラスカーボンフォーマーは、前記粒状耐熱材料の重量に対して０．１～１．５重量％を構成する、請求項１乃至７の何れかに記載の組成物。
【請求項9】
前記粒状耐熱材料は、天然耐熱材料、合成耐熱材料、又はそれらの組合せであり、任意選択的に前記粒状耐熱材料は砂を含む、請求項１乃至８の何れかに記載の組成物。
【請求項10】
前記無機バインダーは、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウム、又はそれらの組合せのうちの１つ又は複数を含み、任意選択的に、前記無機バインダーは前記粒状耐熱材料の重量に対して０．５ｗｔ％～５ｗｔ％を構成する、請求項１乃至９の何れかに記載の組成物。
【請求項11】
前記ポゾラン添加剤は、シリカフューム、溶融シリカ、及び焼成シリカのうちの１つ又は複数を含んでおり、任意選択的に、前記ポゾラン添加剤は前記粒状耐熱材料の重量に対して０．１ｗｔ％～２ｗｔ％を構成する、請求項１乃至１０の何れかに記載の組成物。
【請求項12】
請求項１乃至１１の何れかに記載の組成物から形成される中子。
【請求項13】
金属鋳造によって金属製品を製造する方法において、（i）請求項１乃至１２の何れかに記載の組成物を混合して混合物を作る工程と、
（ii）前記混合物をモールディングして硬化させて、前記金属製品の内部キャビティの形状の中子を製造する工程と、
（iii）前記中子を金属鋳造用の鋳型と組み合わせて、前記鋳型と前記中子とが共になってモールドキャビティを画定するようにする工程と、
（iv）前記モールドキャビティが充填されるまで、前記モールドキャビティに溶融金属を供給する工程と、
（v）前記溶融金属を冷却して固化させて前記金属製品を成形する工程と、
を含む方法。
【請求項14】
工程（i）は、請求項２乃至５の何れかに、又はそれに従属する何れかの請求項に記載の組成物を混合することを含んでおり、工程（iv）は少なくとも１０００℃の温度で行われる、鉄系金属鋳造によって鉄系金属製品を作るための請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
工程（i）は、請求項６乃至９の何れかに又はそれに従属する何れかの請求項に記載の組成物を混合することを含んでおり、工程（iv）は１２００℃未満の温度で行われる、非鉄金属鋳造によって非鉄金属製品を製造するための請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋳造又はモールディングプロセスにおいて中子として使用するための組成物と、当該組成物を含む中子と、中子を備える鋳型と、中子を使用した製品の製造方法とに関する。
【背景技術】
【0002】
重力鋳造プロセスでは、溶融金属（又は溶融金属合金）が、鋳物の外形を規定する予め形成されたモールドキャビティに流し込まれて重力の力でモールドキャビティを満たす。鋳物の中空部分又は内部キャビティの形状は、使い捨て中子によって画定することができる。中子は、有機樹脂、粉末状バインダー、粘土鉱物又は水ガラス（液体無機バインダーと呼ばれることもある）を用いて結合することができる。現在、砂中子及び鋳型を有機バインダー、例えば有機樹脂で結合することは一般に好ましい方法ではない。何故ならば、有機バインダーの分解生成物は大抵の場合毒性を有しており、それら組成物は硬化時又は鋳造中に毒性の煙を放出し、これは鋳造作業員にリスクをもたらし、その他の負の環境影響を有しており、緩和するのに費用がかかり得るからである。多くの既存の中子バインダー系に関する更なる問題は、鋳造部品の仕上げ表面の品質である。長い鋳造時間とそれに関連する過酷な条件とは、鋳物の表面への砂の付着と、中子自体の破壊と、中子への金属の侵入を高い頻度でもたらす。
【0003】
米国特許第４，３１６，７４４号は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム又はケイ酸リチウムの水溶液を含んでおり、且つ非晶質シリカを含んでおり、ケイ酸塩が高比率である鋳物砂バインダーを開示している。ＵＳ４，３１６，７４４に開示されている中子及び鋳型組成物は冷間硬化性であって、二酸化炭素又は適切な酸性離型硬化剤（acid releasing curing agent）を用いて硬化される。このような鋳型組成物と、特にバインダー系を二酸化炭素で硬化する方法との欠点は、鋳型組成物を二酸化炭素でパージする場合、加熱された金属製中子箱を用いた熱硬化と砂中子をパージするための加熱空気とを含む手法を使用した場合よりも強度が常に低くなることである。したがって、本発明の目的は、加熱空気でパージすることによって鋳型材料を簡単に硬化させることができる、所謂加熱中子箱内で高強度中子をモールディングするのに特に適した鋳造鋳型組成物を提供することである。
【0004】
【0005】
故に、本発明の目的は、上記の問題を軽減又は改善することである。
【発明の概要】
【0006】
＜構成＞
本発明の第１の態様によれば、金属鋳造プロセスで使用する中子を製造するための組成物が提供される。組成物は粒状耐熱材料を含んでよい。組成物は無機バインダーを含んでよい。無機バインダーは、少なくとも１種のアルカリ金属ケイ酸塩を含んでよい。組成物はポゾラン添加剤を含んでよい。組成物はラストラスカーボンフォーマー（lustrous carbon former）を含んでよい。
本発明の第１の態様によれば、金属鋳造プロセスで使用する中子を製造するための組成物が提供される。組成物は粒状耐熱材料を含んでよい。組成物は無機バインダーを含んでよい。無機バインダーは、少なくとも１種のアルカリ金属ケイ酸塩を含んでよい。組成物はポゾラン添加剤を含んでよい。組成物はラストラスカーボンフォーマー（lustrous carbon former）を含んでよい。
【0007】
本明細書では、用語「ラストラスカーボンフォーマー」は、鋳造条件の影響下でラストラスカーボンを形成する鋳造添加剤を指す。この添加剤は通常、有機化合物を含んでおり、鋳造条件下で当該有機化合物が鋳型と金属の界面で揮発することで、ラストラスカーボンが形成される。
【0008】
本発明の発明者は、第１の態様の組成物から作られた中子は、鋳造プロセス中に受ける力に耐えるのに十分な強度を有し、優れた中子抜き（de-coring）特性を有し、金属鋳物の表面欠陥を回避又は最小化することを見い出した。更なる利点として、第１の態様の組成物は、モールディング又は鋳造工程で使用する前に中子に塗布するコーティングを必要とせずに使用することができる。
【0009】
＜ラストラスカーボンフォーマー＞
一連の実施形態において、ラストラスカーボンフォーマーは強ラストラスカーボンフォーマー（strong lustrous carbon former）であってよい。その組成物は、鉄系金属鋳造プロセスで使用する中子を作るためのものであってよい。代替的な実施形態では、組成物は、銅鋳造や銅合金鋳造のような高温非鉄金属鋳造プロセスで中子を作るためのものであってよい。この文脈では、高温とは約１０００℃以上を意味する。
一連の実施形態において、ラストラスカーボンフォーマーは強ラストラスカーボンフォーマー（strong lustrous carbon former）であってよい。その組成物は、鉄系金属鋳造プロセスで使用する中子を作るためのものであってよい。代替的な実施形態では、組成物は、銅鋳造や銅合金鋳造のような高温非鉄金属鋳造プロセスで中子を作るためのものであってよい。この文脈では、高温とは約１０００℃以上を意味する。
【0010】
強ラストラスカーボンフォーマーは、アスファルト、炭化水素樹脂、ポリスチレン、及びギルソナイト（gilsonite）から選択される１つ又は複数を含んでよい。強ラストラスカーボンフォーマーは、少なくとも１５％のラストラスカーボン含有量を有してよい。幾つかの実施形態において、強ラストラスカーボンフォーマーは、少なくとも１６％、１７％、１８％、１９％、２０％、２２％、２４％、２５％、２６％、２８％、又は３０％のラストラスカーボン含有量を有してよい。
【0011】
強ラストラスカーボンフォーマーは、粒状耐熱材料の重量に対して０．１～１．５ｗｔ％を構成してよい。幾つかの実施形態において、強ラストラスカーボンフォーマーは、０．２～１．４ｗｔ％、０．３～１．３ｗｔ％、０．４～１．２ｗｔ％、０．５～１．１ｗｔ％、０．６～１．０ｗｔ％、０．７～０．９ｗｔ％、０．８ｗｔ％、又は、これらの組合せから構成される範囲を含んでよい。
【0012】
本発明者らは、鉄鋳物の場合、ラストラスカーボンフォーマーがギルソナイトのような炭素含有樹脂を（ラストラスカーボンフォーマーの全重量に基づいて）１０～８０ｗｔ％含むと有利であることを見出した。この樹脂が粒状耐熱材料の重量に基づいて０．０５～０．５ｗｔ％、０．１～０．４ｗｔ％、０．２～０．４ｗｔ％存在すると、高品質の鋳肌が得られることが分かった。特に、組成物中にこのラストラスカーボンフォーマーが存在すると、鋳造プロセス後の中子抜き特性が著しく向上することが分かった。この砂中子は、ＧＪＳやＧＪＶ（鉄鋳物）の鋳造にコーティングなしで使用できることが意外にも分かった。欠陥のない鋳肌が得られた。
【0013】
発明者はまた、銅鋳造及び銅合金鋳造ではギルソナイトの存在が有利であり、その結果、特に鋳造前に中子にコーティングを施していない場合に、優れた冷間強度と優れた中子抜き特性とを有する中子が得られることを見出した。
【0014】
更なる一連の実施形態において、ラストラスカーボンフォーマーは弱ラストラスカーボンフォーマー（weak lustrous carbon former）であってよい。この組成物は、非鉄金属鋳造プロセスで使用する中子を作るためのものであってよい。例えば、組成物は、低温非鉄金属鋳造プロセスにおいて中子を作るためのものであってよい。この文脈では、低温とは１０００℃未満を、任意選択的に９００℃未満又は８００℃未満を意味する。
【0015】
弱ラストラスカーボンフォーマーは、分級炭（graded coal）、炭塵（coal dust）、及びシーコール（seacoal）のうちの１つ又は複数を含んでよい。弱ラストラスカーボンフォーマーのラストラスカーボン含有率は１５％未満である。幾つかの実施形態において、弱ラストラスカーボンフォーマーは、１４％未満、１３％未満、１２％未満、１１％未満、１０％未満、９％未満、又は８％未満のラストラスカーボン含有量を有してよい。
【0016】
弱ラストラスカーボンフォーマーは、粒状耐熱材料の重量に対して０．１～１．５ｗｔ％を構成してよい。幾つかの実施形態において、弱ラストラスカーボンフォーマーは、０．２～１．４ｗｔ％、０．３～１．３ｗｔ％、０．４～１．２ｗｔ％、０．５～１．１ｗｔ％、０．６～１．０ｗｔ％、０．７～０．９ｗｔ％、０．８ｗｔ％、又はそれらの組合せから構成される範囲を含んでよい。
【0017】
アルミニウム鋳造に特に適した組成物は、５～４０ｗｔ％、好ましくは５～３０ｗｔ％、又は５～２０ｗｔ％の分級炭を含んでよい。その分級炭は、メジアン粒径Ｄ５０が２０μｍ～５００μｍ、４０μｍ～２００μｍ、又は５０μｍ～１００μｍであってよい。驚くべきことに、組成物中の微量の分級炭は、分級炭を含まない組成物と比較して鋳肌の品質を向上させる。本発明による組成物に特に適した分級炭のタイプは、３０％～４５％の揮発分、２０％～３０％の水分、及び８～１２％のラストラスカーボンを特徴とする。
【0018】
本発明の発明者は驚くべきことに、ラストラスカーボンフォーマー、特に少量の炭塵及び／又は天然炭素含有樹脂の存在により、特にアルミニウムなどの非鉄材料を鋳造する際に、滑らかで砂のない鋳肌を保証する中子を製造できることを見出した。本発明者らは、低濃度のラストラスカーボンを含む少量の分級炭を使用することで、特にアルミニウム鋳物の場合に、非常に滑らかで砂のない鋳肌が得られることを見出した。
【0019】
ラストラスカーボンフォーマーが、分級炭、活性炭、カーボンブラック、及び、ギルソナイトのような天然由来の炭素含有樹脂の１つ又は複数からなる群から選択される組成物は、中子の製造に特に良好な結果をもたらす。
【0020】
更なる一連の実施形態では、２種以上の異なるラストラスカーボンフォーマーが使用されてよい。例えば、組成物は、強ラストラスカーボンフォーマーと弱ラストラスカーボンフォーマーの混合物を含んでよい。強ラストラスカーボンフォーマーと弱ラストラスカーボンフォーマーの混合物は、例えば１０：９０、２０：８０、３０：７０、４０：６０、５０：５０、６０：４０、７０：３０、８０：２０、９０：１０、又は、それら間の任意の比率であってよい。混合物は、組成物全体で所望のラストラスカーボン含有量を得るように構成されてよい。
【0021】
＜粒状耐熱材料＞
粒状耐熱材料は、天然耐熱材料、合成耐熱材料、又はそれらの組合せを含んでよい。粒状耐熱材料は砂を含んでよい。砂は、ケイ砂、ケイ酸ジルコニウム砂、クロマイト砂、ボーキサイト砂、カンラン石砂、又はセラミックのビーズからなる群から選択されてよい。
粒状耐熱材料は、天然耐熱材料、合成耐熱材料、又はそれらの組合せを含んでよい。粒状耐熱材料は砂を含んでよい。砂は、ケイ砂、ケイ酸ジルコニウム砂、クロマイト砂、ボーキサイト砂、カンラン石砂、又はセラミックのビーズからなる群から選択されてよい。
【0022】
砂は、ケイ砂のような、耐熱材料用途に適した任意のタイプであってよい。幾つかの実施形態において、粒状耐熱材料は、ケイ素、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ジルコニウム及びその他の元素の酸化物、炭化物、及び窒化物のような任意の１つ又は複数の従来の耐熱材料を含んでよい。適切な耐熱材料としては、石英、カンラン石、クロマイト、ジルコン、アルミナなどが挙げられるが、これらに限定されない。幾つかの実施形態では、粒状耐熱材料は、フライアッシュ（fly ash）などの球状粒子及び／又はセノスフェアを含む。幾つかの実施形態では、粒状耐熱材料は、砂とフライアッシュとの混合物のような、砂と球状粒子及び／又はセノスフェアとの混合物を含む。
【0023】
粒状耐熱材料は、再生材料だけでなく、新しい粒状耐熱材料を含んでよい。
【0024】
幾つかの実施形態において、粒状耐熱材料は、少なくとも２０μｍ、少なくとも５０μｍ、少なくとも１００μｍ、少なくとも２５０μｍ、又は少なくとも５００μｍのＤ５０粒子径を有する。幾つかの実施形態において、粒状耐熱材料は、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、又は５００μｍ以下のＤ５０粒子径を有する。幾つかの実施形態では、粒状耐熱材料は、２０μｍ～２ｍｍ、５０μｍ～２ｍｍ、又は５０μｍ～１ｍｍのＤ５０粒子径を有する。Ｄ５０値は、ふるい分けによって分析した場合、粒子の５０％が特定の直径未満のサイズをもつことを意味する。ふるい分けは、ＤＩＮ ＥＮ ９３３に準拠したふるい分け装置を使用して行うことが好ましい。
【0025】
＜無機バインダー＞
無機バインダーは、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウム、又はそれらの組合せのうちの１つ又は複数を含んでよい。無機バインダーは、粒状耐熱材料の重量に対して０．５ｗｔ％～５ｗｔ％を構成してよい。無機バインダーは、粒状耐熱材料の重量に対して１～４．５ｗｔ％、１．５～４ｗｔ％、２～３．５ｗｔ％、又は３ｗｔ％、又はそれらの組合せから形成される範囲を構成してよい。
無機バインダーは、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウム、又はそれらの組合せのうちの１つ又は複数を含んでよい。無機バインダーは、粒状耐熱材料の重量に対して０．５ｗｔ％～５ｗｔ％を構成してよい。無機バインダーは、粒状耐熱材料の重量に対して１～４．５ｗｔ％、１．５～４ｗｔ％、２～３．５ｗｔ％、又は３ｗｔ％、又はそれらの組合せから形成される範囲を構成してよい。
【0026】
幾つかの実施形態において、少なくとも１種のアルカリ金属ケイ酸塩はケイ酸ナトリウムを含む。幾つかの実施形態において、少なくとも１種のアルカリ金属ケイ酸塩はケイ酸カリウムを含む。一連の実施形態において、少なくとも１種のアルカリ金属ケイ酸塩はケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムを含む。
【0027】
アルカリ金属ケイ酸塩は水溶液であってよい。水溶液の固形分含量は３０～５０ｗｔ％であってよい。幾つかの実施形態では、固形分は３２～４８ｗｔ％、３４～４６ｗｔ％、３５～４５ｗｔ％、３６～４４ｗｔ％、又は３８～４２ｗｔ％であってよい。固形分は約４０ｗｔ％であってよい。
【0028】
無機バインダーは、熱硬化性バインダーであってもよい。無機バインダーは、例えば加熱された中子箱内にて５０～２５０℃の温度で硬化されてよい。
【0029】
市販されているバインダーは、リチウムとケイ酸ナトリウムの混合物を含んでおり、重量比は２．１、固形分は４０％～４５％、粘度ｍＰａ．ｓ（２０℃）は２５６、密度は１．４５～１．５５ｇ／ｃｍ３（２０℃）である。別の市販されている水ガラスは、例えば、固形分が４１％～４７％、重量比が２．２～２．４、密度が１．４５～１．５５ｇ／ｃｍ３（２０℃）である純ケイ酸ソーダである。
【0030】
＜ポゾラン添加剤＞
ポゾラン添加剤は、粒状耐熱材料の重量に対して０．１ｗｔ％～２ｗｔ％を構成してよい。ポゾラン添加剤は、粒状耐熱材料の重量に対して０．２～１．９ｗｔ％、０．３～１．８ｗｔ％、０．４～１．７ｗｔ％、０．５～１．６ｗｔ％、０．６～１．５ｗｔ％、０．７～１．４ｗｔ％、０．８～１．３ｗｔ％、０．９～１．２ｗｔ％、１．０～１．１ｗｔ％、又はこれらの組合せから構成される範囲を構成してよい。
ポゾラン添加剤は、粒状耐熱材料の重量に対して０．１ｗｔ％～２ｗｔ％を構成してよい。ポゾラン添加剤は、粒状耐熱材料の重量に対して０．２～１．９ｗｔ％、０．３～１．８ｗｔ％、０．４～１．７ｗｔ％、０．５～１．６ｗｔ％、０．６～１．５ｗｔ％、０．７～１．４ｗｔ％、０．８～１．３ｗｔ％、０．９～１．２ｗｔ％、１．０～１．１ｗｔ％、又はこれらの組合せから構成される範囲を構成してよい。
【0031】
ポゾラン添加剤は、シリカフューム（silica fume）及び／又は溶融シリカ（fused silica）及び／又は焼成シリカ（pyrogenic silica）及び／又はマイクロシリカを含んでよい。シリカフュームは非常に微細な非晶質シリカであって、凝縮シリカフューム、マイクロシリカ、シリカダストとも呼ばれている。幾つかの実施形態では、ポゾラン添加剤は２０～９０ｗｔ％のシリカフュームを含む。
【0032】
本明細書で言及される市販のシリカフュームのかさ密度は、高密度化されていない約１２０ｋｇ／ｍ３から高密度化又は圧縮された約８００ｋｇ／ｍ３までの範囲であり、比重は２．１～２．４、表面積（ＢＥＴ）は５～３０ｍ２／ｇであってよい。シリカフュームのＤ９０粒径は０．１μｍ～１μｍであってよい。Ｄ９０値とは、粒子の９０％がある粒径以下の大きさであることを意味する。シリカフュームの典型的な平均粒径は、好ましくは０．１０～１．０μｍ、より好ましくは０．１０～０．５μｍ、最も好ましくは０．１０～０．３０μｍである。しかしながら、粒度分析では、しばしば、１０～１００μｍの平均粒径を有する多数の凝集粒子の存在が示される。凝集体の中には、ケイ素の製錬中に生じる強い結合のために壊れにくいものがあることから、そのため、従来のサイズ測定の結果はしばしば、真の粒子サイズ分布とは著しく異なっている。超音波を内蔵した最新のレーザー粒度分布測定機は、特殊な分散剤と併用することで、上述した粒径を正確に測定することができる。
【0033】
本発明に基づく組成物の添加剤に含まれる好適な溶融シリカは、好ましくは１０～９０μｍ、より好ましくは２０～７０μｍ、更に好ましくは３０～５０μｍの平均粒径を有する溶融シリカであってよい。組成物は、少量の焼成シリカを、好ましくはＤ５０粒径が０．１～２０μｍ、より好ましくは０．１～１５μｍ、最も好ましくは０．１５～１２μｍである少量の焼成シリカを含んでよい。
【0034】
一連の実施形態において、組成物は、ケイ酸アルミニウム、焼結ムライト、二酸化ケイ素、有機変性（organo-modified）二酸化ケイ素及びフライアッシュの群から選択されるポゾラン充填剤を更に含む。前述の物質は全て、反応性の高いポゾランである。例えば、平均粒径が好ましくは１０～１２０μｍ、より好ましくは２０～１００μｍ、最も好ましくは２５～８０μｍであるケイ酸アルミニウムビーズが特に適している。別の市販品としては、最大で７５％のムライトを含むセラミック焼結体がある。ムライトはケイ酸塩鉱物である。更に別の充填剤は、有機変性二酸化ケイ素として入手可能な物質であって、その表面はエポキシシランで変性されている。
【0035】
＜界面活性剤＞
無機バインダーは、表面活性剤、好ましくはアニオン性界面活性剤を含んでよい。幾つかの実施形態では、界面活性剤はエチルヘキシル硫酸ナトリウムである。幾つかの実施形態では、他のタイプの界面活性剤が、例えばカチオン性、非イオン性、又は両性界面活性剤が、本発明で使用される無機バインダーに含まれてよい。界面活性剤は、液体バインダーの表面張力を低下させて組成物の流動性を向上させる。組成物の流動性は、鋳型及び／又は中子の成形精度に影響する重要な特徴である。一般に、本組成物は鋳造用鋳型及び中子を製造するのに適しているが、本組成物は特に鋳造用中子を製造するのに適している。
無機バインダーは、表面活性剤、好ましくはアニオン性界面活性剤を含んでよい。幾つかの実施形態では、界面活性剤はエチルヘキシル硫酸ナトリウムである。幾つかの実施形態では、他のタイプの界面活性剤が、例えばカチオン性、非イオン性、又は両性界面活性剤が、本発明で使用される無機バインダーに含まれてよい。界面活性剤は、液体バインダーの表面張力を低下させて組成物の流動性を向上させる。組成物の流動性は、鋳型及び／又は中子の成形精度に影響する重要な特徴である。一般に、本組成物は鋳造用鋳型及び中子を製造するのに適しているが、本組成物は特に鋳造用中子を製造するのに適している。
【0036】
界面活性剤として特に適しているのは、例えばアニオン性界面活性剤であり、液相中におけるこのタイプの割合は０．０５～２．０ｗｔ％が好ましく、より好ましくは０．１０～１．０ｗｔ％、最も好ましくは０．２０～０．６ｗｔ％である。
【0037】
＜その他＞
好ましくは、組成物は、砂の重量を基準として０～０．５ｗｔ％、より好ましくは０～０．４ｗｔ％、最も好ましくは０～０．３ｗｔ％の粘土／粘土鉱物を含む。つまり、組成物は粘土を不純物としてのみ含んでいる可能性があり、さもなければ粘土鉱物を含んでいない。
好ましくは、組成物は、砂の重量を基準として０～０．５ｗｔ％、より好ましくは０～０．４ｗｔ％、最も好ましくは０～０．３ｗｔ％の粘土／粘土鉱物を含む。つまり、組成物は粘土を不純物としてのみ含んでいる可能性があり、さもなければ粘土鉱物を含んでいない。
【0038】
組成物は、撥水剤を、例えばケイ素系有機撥水剤を含んでよい。撥水剤は、湿度に対する組成物の耐性を向上させ、組成物から製造される中子の機械的強度を向上させ得る。
【0039】
＜中子＞
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様の組成物を含んでおり、モールディング又は金属鋳造プロセスで使用するための中子が提供される。
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様の組成物を含んでおり、モールディング又は金属鋳造プロセスで使用するための中子が提供される。
【0040】
＜プロセス＞
本発明の第３の態様によれば、金属鋳造によって金属製品を製造するためのプロセスが提供される。本プロセスは、前述したような組成物を混合して混合物を作ることを含む。本プロセスは、混合物をモールディングして硬化させて、製品の内部キャビティの形状の中子を製造することを含む。本プロセスは、鋳型と中子が一体となってモールドキャビティを画定するように、金属鋳造用の鋳型に中子を組み合わることを含む。本プロセスは、モールドキャビティが充填されるまで溶融金属をモールドキャビティに供給することを含む。本プロセスは、溶融金属を冷却し、凝固させて製品を形成することを含む。
本発明の第３の態様によれば、金属鋳造によって金属製品を製造するためのプロセスが提供される。本プロセスは、前述したような組成物を混合して混合物を作ることを含む。本プロセスは、混合物をモールディングして硬化させて、製品の内部キャビティの形状の中子を製造することを含む。本プロセスは、鋳型と中子が一体となってモールドキャビティを画定するように、金属鋳造用の鋳型に中子を組み合わることを含む。本プロセスは、モールドキャビティが充填されるまで溶融金属をモールドキャビティに供給することを含む。本プロセスは、溶融金属を冷却し、凝固させて製品を形成することを含む。
【0041】
この工程は、前述したような組成物を混合することを含んでおり、この組成物は強ラストラスカーボンフォーマーを含んでいる。本プロセスは、モールドキャビティが充填されるまで、少なくとも１０００℃の温度で溶融金属をモールドキャビティに供給することを含んでよい。幾つかの実施形態において、金属は、少なくとも１０５０℃、１１００℃、１１５０℃、１２００℃、１２５０℃、１３００℃、１３５０℃、１４００℃、１４５０℃、又は１５００℃の温度で供給されてよい。一連の第１の実施形態において、本プロセスは、鉄系金属鋳造によって鉄系金属製品を製造するためのものであってもよい。例えば、本プロセスは、ねずみ鋳鉄、圧縮黒鉛鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、鋼鉄及びそれらの合金のような鉄から製品を製造するためのものであってよい。一連の更なる実施形態において、本プロセスは、非鉄金属鋳造を用いて非鉄金属製品を製造するためのものであってよい。例えば、本プロセスは、黄銅や青銅などの銅又は銅合金から製品を製造するためのものであってよい。
【0042】
一連の実施形態において、本プロセスは、前述したような組成物であって、弱ラストラスカーボンフォーマーを含む組成物を混ぜることを含んでよい。本プロセスは、非鉄金属鋳造を用いて非鉄金属製品を製造するためのものであってよい。本プロセスは、１２００℃未満の温度で金属を供給することを含む。例えば、本プロセスは、黄銅や青銅のような銅や銅合金から成形品を製造するためのものであってよい。一連の更なる実施形態において、本プロセスは、８００℃未満の温度で金属を供給することを含んでよい。本プロセスは、アルミニウム、亜鉛、スズ、その他の非鉄金属やそれらの合金から、非鉄金属製品を製造するためのものであってもよい。
【0043】
混合物をモールディングして硬化させる工程は、混合物を乾燥させることを含んでよい。混合物をモールディングして硬化させる工程は、中子型に混合物を詰めることを含んでよい。混合物をモールディングして硬化させる工程は、コアシューティング（core-shooting）装置を使用して実行されてよい。中子を製造するために混合物をモールディングして硬化させる工程には、積層造形（additive manufacturing）又は３Ｄプリンティングプロセスによって中子を製造することが含まれる。
【0044】
本発明の方法は、組成物を鋳型に導入し、５０℃～２５０℃の温度で、好ましくは３０秒～５分の間、組成物を熱硬化させることを含んでよい。熱硬化は、鋳型組成物を熱風でパージすることによって行われてよい。加熱中子箱技術は、本明細書ではホットボックス技術又は加熱金属中子箱とも称されており、組成物を用いて鋳造用中子を調製するのに特に有利である。中子の条件と用途に応じて、中子の強度値は容易に調整され得る。加熱中子箱技術により、２００～１５００Ｎ／ｃｍ２の曲げ強度が得られる。この加熱中子箱プロセスは通常、砂、合成鉱物、粉末添加剤、及び液体バインダーからコアシューティングマシンで中子を製造し、加熱式金属製中子箱で中子を硬化させる。組成物の流動性と成形精度とが非常に高いので、このプロセスは、複雑度が高い又は非常に高い中子の製造を可能にする。これにより、エッジの鋭さが比較的高い中子の製造が可能になる。このプロセスの利点は、中子が鋳型から容易に離型可能であり、寸法精度が高く、表面が細やかであり、エッジが明確であり、鋳造工程後に中子が容易に分解することである。本プロセスは、コアシューティングマシンで組成物から中子を製造し、加熱金属中子箱にて熱風でパージすることで中子を硬化させることを含んでよい。
【0045】
本プロセスは、鋳型から中子を含む製品を取り出すことを更に含んでよい。この方法は、例えば振盪、水による洗浄、サンドブラスト、ショットブラスト等によって内部キャビティから中子を除去することを含んでよい。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【発明を実施するための形態】
【0047】
＜実施例＞
＜実験１－鉄鋳造用の初期組成物＞
Ｈ３３タイプのケイ砂と下記表１のバインダー及び添加剤を混合させて、一連の中子を製造した。混練はホバートミキサーで１分間行われて、その後、２分間繰り返された。
＜実験１－鉄鋳造用の初期組成物＞
Ｈ３３タイプのケイ砂と下記表１のバインダー及び添加剤を混合させて、一連の中子を製造した。混練はホバートミキサーで１分間行われて、その後、２分間繰り返された。
【0048】
Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄパウダーフローテスターを使用して、組成物の流動特性を試験し、組成物の流動機能を測定した。次に、各組成物のサンプルをＢｒｏｏｋｆｉｅｌｄ ＰＦＴのセルに装填し、その後、その粉末に垂直方向の力を印加して粉末を詰めた（最大主圧密応力（Major Principal Consolidating Stress））。続いて、粉末の流動を開始させるのに必要な力（一軸圧縮破壊強度（Unconfined Failure Strength））を測定するために、同じ最大主圧密応力を維持したまま、詰められた粉末に回転力を加える。このプロセスを一定範囲の圧密応力で繰り返し、図１に示すように圧密応力に対する一軸破壊強度をプロットすることで流動関数（flow function）を構築し、組成物の流動に対する内部抵抗を決定する。通常、粉末の取り扱いと輸送の問題を軽減し、且つ成形不良を避けるためには、流動性を高めることが望ましい。例１～４と例６との間に明らかな差は観察されなった。例５のみが、組成物中にカーボンブラックが含まれていることから著しく低い流動性を示した。
【0049】
ＣＯ２、コールドボックス、ホットボックスなどのガス硬化プロセスを用いて、横棒がＬａｅｍｐｅ実験室用マシンタイプＬ１で製造された。Ｌａｅｍｐｅ実験室用マシンタイプＬ１は、加熱及び非加熱ツーリング（tooling）で試験用中子を製造するために開発されたものである。砂混合物は、サイドプレスの間にクランプされた中子箱に自動的に注入され、様々な温度で加熱され得る。高圧空気の放出により、砂貯蔵バンカー内の砂が中子箱内に高速で吹き込まれる。合計経過シューティング時間は１秒、シューティング圧力は４ｂａｒ（４００ｋＰａ）に設定された。全ての被験物を１２０℃の加熱空気で１２０秒間パージした。中子箱の温度は１４０℃に設定された。
【0050】
サンプルの曲げ強度を、３点曲げ試験についてＱ－ｍａｔソフトウェアでコンピュータ制御されたＴｉｎｉｕｓ Ｏｌｓｅｎ Ｈ５Ｋ－Ｔ強度試験機を用いて測定し、結果を図２にグラフ化した。最も低い強度は崩壊剤（breakdown agent）としてカーボンブラックを使用した場合に得られ、５０～６０Ｎ／ｃｍ２であった。これらの中子は非常にもろかった。
【0051】
【表1】
【0052】
ａ太字の値は粒子の重量に対するｗｔ％である；ｂ以下に列挙される個々の化合物の値は、総バインダーの重量に対するｗｔ％である；ｃ以下に列挙される個々の化合物の値は、総添加物の重量に対するｗｔ％である；
１ ケイ酸ナトリウム Ｍ２３ＮＬ（ＢＡＳＦ，モンハイム，ドイツ）
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム），０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
３ Ｈ１０－マイクロシット Ｈ１０（Microsit H10）フライアッシュ（ＢａｕＭｉｎｅｒａｌ ＧｍｂＨ，ヘルテン，ドイツ）
４ 黒鉛 ＦＰ７０／７５（Graphite FP70/75）（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，ロッテルダム，オランダ）
５ 土状黒鉛（Amorphous Graphite）（Ｇｒａｆｉｔｂｅｒｇｂａｕ Ｋａｉｓｅｒｂｅｒｇ，ザンクト・シュテファン・オプ・ローベン，オーストリア）
６ コークス粉末 Ｍ（Coke Flour M） （Ｍｕｃｏ Ｍｕｃｈｅｒ ＆ Ｅｎｓｔｉｐｐ ＧｍｂＨ，エッセン，トイツ）
７ 石油コークス粉末（Petrol Coke Flour）（Ｍｕｃｏ Ｍｕｃｈｅｒ ＆ Ｅｎｓｔｉｐｐ ＧｍｂＨ，エッセン，トイツ）
８ カーボンブラック（Carbon Black）（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，オランダ，ロッテルダム）
９ シリカフュームＡ（Silica Fume A）（ＣＯＦＥＲＭＩＮ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．，エッセン，ドイツ）
１０ ＥＦＡフィラーＨＰ（EFA Fuller HP）、フライアッシュ（Ｋｒａｈｎ Ｃｈｅｍｉｅ，オランダ，ザーンダム，オランダ）
１ ケイ酸ナトリウム Ｍ２３ＮＬ（ＢＡＳＦ，モンハイム，ドイツ）
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム），０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
３ Ｈ１０－マイクロシット Ｈ１０（Microsit H10）フライアッシュ（ＢａｕＭｉｎｅｒａｌ ＧｍｂＨ，ヘルテン，ドイツ）
４ 黒鉛 ＦＰ７０／７５（Graphite FP70/75）（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，ロッテルダム，オランダ）
５ 土状黒鉛（Amorphous Graphite）（Ｇｒａｆｉｔｂｅｒｇｂａｕ Ｋａｉｓｅｒｂｅｒｇ，ザンクト・シュテファン・オプ・ローベン，オーストリア）
６ コークス粉末 Ｍ（Coke Flour M） （Ｍｕｃｏ Ｍｕｃｈｅｒ ＆ Ｅｎｓｔｉｐｐ ＧｍｂＨ，エッセン，トイツ）
７ 石油コークス粉末（Petrol Coke Flour）（Ｍｕｃｏ Ｍｕｃｈｅｒ ＆ Ｅｎｓｔｉｐｐ ＧｍｂＨ，エッセン，トイツ）
８ カーボンブラック（Carbon Black）（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，オランダ，ロッテルダム）
９ シリカフュームＡ（Silica Fume A）（ＣＯＦＥＲＭＩＮ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．，エッセン，ドイツ）
１０ ＥＦＡフィラーＨＰ（EFA Fuller HP）、フライアッシュ（Ｋｒａｈｎ Ｃｈｅｍｉｅ，オランダ，ザーンダム，オランダ）
【0053】
上記の中子について、注湯温度１３５５℃のダクタイル鋳鉄を用いて鋳造試験を行った。鋳造プロセス後、中子残渣を取り出して定性的に測定した。その結果は上記表１に記載されている。鋳造試験後の中子抜きは、カーボンブラックを含む中子において最も容易であった。例４及び例６では、崩壊性（collapsibility）がわずかに低下した。鋳物の内面を調査した。全ての場合において、内面間に有意な差が生じていないことは明らかであった。また、何れの場合も内面は比較的荒れており、砂粒が内面に付着していた。
【0054】
＜実験２－更なる鉄の調査＞
更なる開発と改良について例６を選択した。タイプＨ３３のケイ砂をベースにした砂混合物を、以下の表２のバインダー及び添加剤と混合した。ギルソナイトは、本発明の文脈では添加剤とみなされるであろうが、比較を容易にし、試験手順を簡略化するために、ギルソナイト含有量は表２にて別個に記載されている。添加剤の総含有量は、添加剤濃度とギルソナイト濃度とを加算することで計算できる。両方とも粒状耐熱材料の重量に対するｗｔ％で記録されているからである。
更なる開発と改良について例６を選択した。タイプＨ３３のケイ砂をベースにした砂混合物を、以下の表２のバインダー及び添加剤と混合した。ギルソナイトは、本発明の文脈では添加剤とみなされるであろうが、比較を容易にし、試験手順を簡略化するために、ギルソナイト含有量は表２にて別個に記載されている。添加剤の総含有量は、添加剤濃度とギルソナイト濃度とを加算することで計算できる。両方とも粒状耐熱材料の重量に対するｗｔ％で記録されているからである。
【0055】
流動性測定を上記の実験１と同様に行った。結果は図３にグラフ化されている。どの組成物も流動しやすく、ギルソナイト含有量が低いほど流動性が高いことが分かった。続いて、上記の実験１と同じ条件で中子を製造して曲げ強度試験を行った。その結果は図４にグラフ化されている。ギルソナイト濃度が増加すると、中子の曲げ強度はほぼ直線的に減少することが示された。全ての横棒のサンプル重量は６９３ｇ～７００ｇであった。これは、ギルソナイト含有量は圧縮レベルに大きな影響を及ぼさないことを示している。
【0056】
ダクタイル鋳鉄の鋳造試験を１３８０℃で行った。その後、鋳物を室温まで冷却してから中子残渣を除去した。その結果、下記の表２に示すように、少量のギルソナイト（崩壊剤）が存在する中子は、ギルソナイトを含まない中子と比較して崩壊特性が向上していることが分かった。また、ギルソナイト濃度の増加に伴って崩壊特性も向上した。中子残渣を除去すると、ギルソナイトのレベルが高くなると砂の付着が減少すること、そして、内側鋳肌の観察により、ギルソナイトのレベルが高くなると表面の平滑性が向上することが明らかになった。ギルソナイトの濃度が０．６ｗｔ％以上の場合、鋳物に縞模様が形成された。濃度が高いほど、縞模様の感度（sensitivity）は高くなった。サンドブラスト後、ギルソナイトを用いなかった中子に関連した鋳物の内面は、白く光沢のある外観を示していることが明らかにされた。ギルソナイトが存在する場合は、濃度レベルに関係なく、このようなことはなかった。
【0057】
【表2】
【0058】
ａ太字の値は粒子の重量に対するｗｔ％である；ｂ以下に列挙される個々の化合物の値は、総バインダーの重量に対するｗｔ％である；ｃ以下に列挙される個々の化合物の値は、総添加物の重量に対するｗｔ％である；
１ ケイ酸ナトリウム Ｍ２３ＮＬ（ＢＡＳＦ，モンハイム，ドイツ）
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム）、０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
４ 黒鉛ＦＰ７０／７５（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，ロッテルダム，オランダ）
９ シリカフュームＡ（ＣＯＦＥＲＭＩＮ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．，エッセン，ドイツ）
１０ ＥＦＡフィラーＨＰ（EFA Fuller HP）、フライアッシュ（Ｋｒａｈｎ Ｃｈｅｍｉｅ，オランダ，ザーンダム，オランダ）
１１ 天然炭素含有樹脂（Natural carbon-containing resin）（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｇｉｌｓｏｎｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，ユタ，米国）
１ ケイ酸ナトリウム Ｍ２３ＮＬ（ＢＡＳＦ，モンハイム，ドイツ）
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム）、０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
４ 黒鉛ＦＰ７０／７５（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，ロッテルダム，オランダ）
９ シリカフュームＡ（ＣＯＦＥＲＭＩＮ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．，エッセン，ドイツ）
１０ ＥＦＡフィラーＨＰ（EFA Fuller HP）、フライアッシュ（Ｋｒａｈｎ Ｃｈｅｍｉｅ，オランダ，ザーンダム，オランダ）
１１ 天然炭素含有樹脂（Natural carbon-containing resin）（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｇｉｌｓｏｎｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，ユタ，米国）
【0059】
発明者は、ラストラスカーボンフォーマー（ＬＣＦ）が鉄鋳造に使用するのに特に望ましいことを見出した。表面品質の望ましい改善を達成し、鋳造欠陥を減らすために、高温では、組成物全体においてより高いラストラスカーボンフォーマー含有量が必要になると考えられる。この改善は、強ＬＣＦを使用することで、組成物の流動性やそれから形成される中子の強度に大きな影響を与えることなく達成される。理論に束縛されることを望まないが、弱ＬＣＦの含有量を高くすることで同等のラストラスカーボン含有率が得られて理論的には鋳造品質が同様に改善されるかもしれないが、流動性及び中子強度の低下は鋳造品質の低下につながり、それは理論的な改善を否定する。加工性及び中子強度に影響を与えることなく最適な鋳造条件を達成するためには、組成物中のラストラスカーボンフォーマー含有量は、任意選択的に強ＬＣＦと弱ＬＣＦのブレンドを含むＬＣＦの混合物を使用することによって慎重に選択できると考えられる。
【0060】
＜実験３－非鉄鋳造用組成物＞
非鉄鋳造プロセスでの使用におけるラストラスカーボンフォーマーの適合性を調査するために試験が実施された。砂と以下の表３の化合物とを用いて一連の中子を調製した。
非鉄鋳造プロセスでの使用におけるラストラスカーボンフォーマーの適合性を調査するために試験が実施された。砂と以下の表３の化合物とを用いて一連の中子を調製した。
【0061】
【表3】
【0062】
ａ太字の値は粒子の重量に対するｗｔ％である；ｂ以下に列挙される個々の化合物の値は、総バインダーの重量に対するｗｔ％である；ｃ以下に列挙される個々の化合物の値は、総添加物の重量に対するｗｔ％である；
１ ケイ酸ナトリウム Ｍ２３ＮＬ（ＢＡＳＦ，モンハイム，ドイツ）
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム）、０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
４ 黒鉛 ＦＰ７０／７５（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，ロッテルダム，オランダ）
９ シリカフュームＡ（ＣＯＦＥＲＭＩＮ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．，エッセン，ドイツ）
１０ ＥＦＡフィラーＨＰ（ＥＦＡ Ｆｕｌｌｅｒ ＨＰ）、フライアッシュ（Ｋｒａｈｎ Ｃｈｅｍｉｅ，オランダ，ザーンダム，オランダ）
１１ 天然炭素含有樹脂（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｇｉｌｓｏｎｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，ユタ，米国）
１ ケイ酸ナトリウム Ｍ２３ＮＬ（ＢＡＳＦ，モンハイム，ドイツ）
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム）、０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
４ 黒鉛 ＦＰ７０／７５（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，ロッテルダム，オランダ）
９ シリカフュームＡ（ＣＯＦＥＲＭＩＮ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．，エッセン，ドイツ）
１０ ＥＦＡフィラーＨＰ（ＥＦＡ Ｆｕｌｌｅｒ ＨＰ）、フライアッシュ（Ｋｒａｈｎ Ｃｈｅｍｉｅ，オランダ，ザーンダム，オランダ）
１１ 天然炭素含有樹脂（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｇｉｌｓｏｎｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，ユタ，米国）
【0063】
流動性を実験１と同様に試験した。全ての組成物は非常に類似したプロファイルを有しており、流動性において明らかな違いを示さず、容易に流動した。組成物を用いて一連の横棒を形成して固めて、実験１に従って強度を試験した。グラフ化した結果が図５に示されている。少量のリン酸三カルシウムの存在が曲げ強度のかなりの低下をもたらし、低濃度のギルソナイトは強度値にほとんど影響を及ぼさないことが分かった。
【0064】
表３の組成物から形成された中子を、７４５℃の注入温度でアルミニウムを使用して試しに鋳造して試験した。高い倍率では、少量のギルソナイトを含む例１５及び例１６の場合、アルミニウム鋳物の内面に小さなガス欠陥が見られた。しかしながら、例１５及び例１６では、アルミニウム鋳造部材に激しい変形が発生し、ギルソナイトの濃度が高くなるほどより大きな変形が見られた。アルミニウム鋳造にギルソナイトを使用することが有効であるとは考えられなかった。
【0065】
【表4】
【0066】
ａ太字の値は粒子の重量に対するｗｔ％である；ｂ以下に列挙される個々の化合物の値は、総バインダーの重量に対するｗｔ％である；ｃ以下に列挙される個々の化合物の値は、総添加物の重量に対するｗｔ％である；
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム）、０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
４ 黒鉛 ＦＰ７０／７５（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，ロッテルダム，オランダ）
９ シリカフュームＡ（ＣＯＦＥＲＭＩＮ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．，エッセン，ドイツ）
１２ ケイ酸ナトリウム水溶液 Ｃｒｙｓｔａｌ ０２３０（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１３ ケイ酸ナトリウム水溶液 ＺＳＥ８７４（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１４ Ｋａｓｉｌ １８４１（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１５ Ｃｅｒａｂｅａｄｓ ＡＦＳ ２００（Ｚｉｅｇｌｅｒ ＆ Ｃｏ．ヴンジーデル，ドイツ）
１７ 分級炭ＧＣ－１９０（Ｊａｍｅｓ Ｄｕｒｒａｎｃｅ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ，英国）
１８ 分級炭ＧＣ－１４５（Ｊａｍｅｓ Ｄｕｒｒａｎｃｅ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ，英国）
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム）、０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
４ 黒鉛 ＦＰ７０／７５（ＩＭＣＤ Ｂｅｎｅｌｕｘ ＢＶ，ロッテルダム，オランダ）
９ シリカフュームＡ（ＣＯＦＥＲＭＩＮ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ．，エッセン，ドイツ）
１２ ケイ酸ナトリウム水溶液 Ｃｒｙｓｔａｌ ０２３０（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１３ ケイ酸ナトリウム水溶液 ＺＳＥ８７４（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１４ Ｋａｓｉｌ １８４１（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１５ Ｃｅｒａｂｅａｄｓ ＡＦＳ ２００（Ｚｉｅｇｌｅｒ ＆ Ｃｏ．ヴンジーデル，ドイツ）
１７ 分級炭ＧＣ－１９０（Ｊａｍｅｓ Ｄｕｒｒａｎｃｅ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ，英国）
１８ 分級炭ＧＣ－１４５（Ｊａｍｅｓ Ｄｕｒｒａｎｃｅ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ，英国）
【0067】
アルミニウム鋳造において永久ダイ（permanent die）と共に使用する一連の中子を、表４に従って調製した。それら中子は、約７３０℃の注入温度でアルミニウムを使用して試しに鋳造されて試験された。永久ダイで固めた後、鋳物を予熱炉内に５００℃で３０分間保管した。固化後、中子の例１７（ラストラスカーボンフォーマー無し：分級炭）は、より多くの砂の付着を示した。分級炭－１４５を使用すると、分級炭－１９０と比較して表面品質が向上した。
【0068】
理論に束縛されるものではないが、ギルソナイトなどのラストラスカーボンフォーマーは強すぎるため、非鉄及び／又は低温の鋳造に使用するには効果的ではないと考えられる。
【0069】
＜実験４－ラストラスカーボンフォーマーの研究＞
４種類のラストラスカーボンフォーマー：ギルソナイト、分級炭－１９０、極細分級炭（Superfine Graded Coal）－２４０、及びコールサンドについて熱重量分析を行った。２０～１０００℃且つ１０℃／分の速度で分析を行ったが、ギルソナイトだけは例外で、５℃／分の速度で試験した。図６に示すように、４種のラストラスカーボンフォーマーは全て約４００℃から質量を失い始めたが、ギルソナイトのサンプルは他の３種のラストラスカーボンフォーマーよりもより急速に質量を失った。
４種類のラストラスカーボンフォーマー：ギルソナイト、分級炭－１９０、極細分級炭（Superfine Graded Coal）－２４０、及びコールサンドについて熱重量分析を行った。２０～１０００℃且つ１０℃／分の速度で分析を行ったが、ギルソナイトだけは例外で、５℃／分の速度で試験した。図６に示すように、４種のラストラスカーボンフォーマーは全て約４００℃から質量を失い始めたが、ギルソナイトのサンプルは他の３種のラストラスカーボンフォーマーよりもより急速に質量を失った。
【0070】
表５は、ラストラスカーボンフォーマーとそれに含まれる典型的なラストラスカーボン含有量のリストである。
【0071】
【表5】
【0072】
理論に束縛されることを望まないが、発明者らは、ラストラスカーボンフォーマーが鋳造条件下で揮発できる速度が、鋳物の表面欠陥を低減させるラストラスカーボンフォーマー（ＬＣＦ）の活性に大きく影響を及ぼすと考える。アルミニウムやその他の非鉄鋳造プロセスのような低い温度では、弱ラストラスカーボンフォーマーが、驚くほど効果的であることが分かった。鉄の鋳造工程で見られるような高い温度では、強ラストラスカーボンフォーマーの使用が驚くほど効果的であることが分かった。本明細書では、用語「強」及び「弱」は、ＬＣＦの揮発性と添加剤におけるラストラスカーボンの全体的な含有量の両方を反映している。グラファイトのような代替的な炭素源を使った実験では、ＬＣＦよりはるかに効果が低いことが分かった。特定の鋳造工程で最も効果的なＬＣＦは、ＬＣＦ効果の強さと、鋳造の注湯温度と、ＬＣＦ添加率による中子の強度低下を最小限に抑える要求との間での兼ね合いによる。
【0073】
＜実験６ 鋳造鋳型組成物と中子製造＞
様々な中子を以下の条件下で製造した：以下の表６ａに示されている砂、液体バインダー及び添加剤を、２０リットルのバッチサイズを有する市販のバッチミキサー（Ｈｏｂａｒｔ）を用いて混合した。添加剤と液体バインダーは、２×１分の混合時間で並行して添加された。
様々な中子を以下の条件下で製造した：以下の表６ａに示されている砂、液体バインダー及び添加剤を、２０リットルのバッチサイズを有する市販のバッチミキサー（Ｈｏｂａｒｔ）を用いて混合した。添加剤と液体バインダーは、２×１分の混合時間で並行して添加された。
【0074】
【表6a】
【0075】
ａ太字の値は粒子の重量に対するｗｔ％である；ｂ以下に列挙される個々の化合物の値は、総バインダーの重量に対するｗｔ％である；ｃ以下に列挙される個々の化合物の値は、総添加物の重量に対するｗｔ％である；
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム）、０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
１１ 天然炭素含有樹脂（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｇｉｌｓｏｎｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，ユタ，米国）
１２ ケイ酸ナトリウム水溶液 Ｃｒｙｓｔａｌ ０２３０（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１３ ケイ酸ナトリウム水溶液 ＺＳＥ８７４（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１４ Ｋａｓｉｌ １８４１（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１５ Ｃｅｒａｂｅａｄ ＡＦＳ ２００（Ｚｉｅｇｌｅｒ ＆ Ｃｏ．ヴンジーデル，ドイツ）
１７ 分級炭ＧＣ－１９０（Ｊａｍｅｓ Ｄｕｒｒａｎｃｅ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ，英国）
１９ ケイ素系有機撥水剤（Ｗａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧ，シュトゥットガルト，ドイツ）
２０ 溶融シリカ３２５（Ｉｍｅｒｙｓ Ｆｕｓｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌｓ Ｇｒｅｅｎｅｖｉｌｌｅ Ｉｎｃ．，グリーンビル，米国）
２１ ポゾラン充填剤－アルミニウムケイ酸塩（Ｓｔａｕｓｓ－Ｐｅｒｌｉｔｅ ＧｍｂＨ，ポエルテン，オーストリア）
２２ ＱＱＳ ２６（Ｄ５０粒子径 ０．２６ｍｍ）（Ｗｏｌｆｆ ｕｎｄ Ｍｕｌｌｅｒ Ｑｕａｒｚｓａｎｄｅ ＧｍｂＨ，ドイツ）；
２３ Ｆ３２（Ｄ５０粒子径 ０．２４ｍｍ）（Ｑｕａｒｚｗｅｒｋｅ ＧｍｂＨ，フレッヒェン，ドイツ）；
２４ ＨＢ３２（Ｄ５０粒子径 ０．３０ｍｍ）（Ｑｕａｒｚｗｅｒｋｅ ＧｍｂＨ，フレッヒェン，ドイツ）；
２ ＤＳＫ４０（２－エチルヘキシル硫酸ナトリウム）、０．５％（陰イオン界面活性剤，Ｂｒｅｎｎｔａｇ，エンスヘデ，オランダ）
１１ 天然炭素含有樹脂（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｇｉｌｓｏｎｉｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，ユタ，米国）
１２ ケイ酸ナトリウム水溶液 Ｃｒｙｓｔａｌ ０２３０（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１３ ケイ酸ナトリウム水溶液 ＺＳＥ８７４（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１４ Ｋａｓｉｌ １８４１（ＰＱ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，アイスデン，オランダ）
１５ Ｃｅｒａｂｅａｄ ＡＦＳ ２００（Ｚｉｅｇｌｅｒ ＆ Ｃｏ．ヴンジーデル，ドイツ）
１７ 分級炭ＧＣ－１９０（Ｊａｍｅｓ Ｄｕｒｒａｎｃｅ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ，英国）
１９ ケイ素系有機撥水剤（Ｗａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧ，シュトゥットガルト，ドイツ）
２０ 溶融シリカ３２５（Ｉｍｅｒｙｓ Ｆｕｓｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌｓ Ｇｒｅｅｎｅｖｉｌｌｅ Ｉｎｃ．，グリーンビル，米国）
２１ ポゾラン充填剤－アルミニウムケイ酸塩（Ｓｔａｕｓｓ－Ｐｅｒｌｉｔｅ ＧｍｂＨ，ポエルテン，オーストリア）
２２ ＱＱＳ ２６（Ｄ５０粒子径 ０．２６ｍｍ）（Ｗｏｌｆｆ ｕｎｄ Ｍｕｌｌｅｒ Ｑｕａｒｚｓａｎｄｅ ＧｍｂＨ，ドイツ）；
２３ Ｆ３２（Ｄ５０粒子径 ０．２４ｍｍ）（Ｑｕａｒｚｗｅｒｋｅ ＧｍｂＨ，フレッヒェン，ドイツ）；
２４ ＨＢ３２（Ｄ５０粒子径 ０．３０ｍｍ）（Ｑｕａｒｚｗｅｒｋｅ ＧｍｂＨ，フレッヒェン，ドイツ）；
【0076】
以下の表６ｂに示すコアシューターに混合物を導入し、同表に示す条件下で中子を製造した。
【0077】
例２１－気温２０℃、相対湿度４０％でそれら中子を２４時間保管した後、強度試験を行った。上記の実験１に従って測定すると、それら中子は約４００Ｎ／ｃｍ２の冷間強度を有していた。合金ＡｌＳｉ７Ｃｕ４Ｍｇ０．５を使用して試し鋳造を実施した。注湯温度は７６０℃で、アルミニウムの総量は各試し鋳造において３９ｋｇであった。鋳造試験品の内面は砂の付着がなくきれいな表面であった。中子にはコーティングを施さなかった。
【0078】
【表6b】
【0079】
例２２－気温２０℃、相対湿度５０％で中子を１時間保管した後、強度試験を行った。上記の実験１に従って測定すると、それら中子は３５０Ｎ／ｃｍ２の熱間強度を有していた。中子にはコーティングを施さなかった。合金ＣＣ４９１を使用して試し鋳造を実施した。注湯温度は１１５０℃であって、合金の総量は各試し鋳造において２０ｋｇであった。鋳造試験品の内面は砂の付着がなくきれいな表面であった。
【0080】
例２３－気温２０℃、相対湿度５０％で中子を２４時間保管した後、強度試験を行った。実験１に従って測定した中子の強度は５００Ｎ／ｃｍ２であった。中子にはコーティングを施さなかった。鋳鉄ＧＪＳ６００を使用して試し鋳造を実施した。注湯温度は１４５０℃で、合金の総量は各試し鋳造において１６０ｋｇであった。上記のように製造された中子を用いて、試験品であるディファレンシャルハウジングの滑らかで砂のない表面が達成された。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【手続補正書】
【提出日】2023-08-11
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0004】
ＵＳ２０１５／３０６６５８は、少なくとも１種の酸化アルミニウムと水ガラス系バインダーとを含む鋳型混合物を記載している。ＵＳ７７７０６２９には、金属加工用の鋳型を製造するための鋳型混合物を記載しており、当該鋳型混合物は、水ガラスをベースとするバインダーを含んでいる。ＣＮ１１１８８９６１６は、特に金属アルカリを含む鋳造用硬化剤を記載している。
【手続補正2】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属鋳造プロセスに使用する中子を作るための組成物において、粒状耐熱材料と、
ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウム、又はそれらの組合せのうちの１つ又は複数を含んでいる０．５～５ｗｔ％の無機バインダーと、
シリカフューム、溶融シリカ、焼成シリカ及びマイクロシリカのうちの１つ又は複数を含んでいる０．１ｗｔ％～２ｗｔ％のポゾラン添加剤と、
０．１～１．５ｗｔ％のラストラスカーボンフォーマーと、
を含んでおり、
上記の重量パーセントは、前記粒状耐熱材料の重量に対してのものである、組成物。
【請求項2】
鉄系金属鋳造プロセスで使用する中子を作るためのものであり、前記ラストラスカーボンフォーマーは強ラストラスカーボンフォーマーである、請求項１に記載の組成物。
【請求項3】
前記強ラストラスカーボンフォーマーは、アスファルト、炭化水素樹脂、ポリスチレン、及びギルソナイトのうちの１つ又は複数を含む、請求項２に記載の組成物。
【請求項4】
前記強ラストラスカーボンフォーマーは、少なくとも１５％のラストラスカーボン含有量を有する、請求項２又は請求項３に記載の組成物。
【請求項5】
非鉄金属鋳造プロセスで使用する中子を作るためのものであり、前記ラストラスカーボンフォーマーは弱ラストラスカーボンフォーマーである、請求項１に記載の組成物。
【請求項6】
前記弱ラストラスカーボンフォーマーは、分級炭、炭塵、及びシーコールのうちの１つ又は複数を含む、請求項５に記載の組成物。
【請求項7】
前記弱ラストラスカーボンフォーマーは１５％未満のラストラスカーボン含有量を有する、請求項５又は請求項６に記載の組成物。
【請求項8】
前記粒状耐熱材料は砂を含む、請求項１乃至７の何れかに記載の組成物。
【請求項9】
請求項１乃至８の何れかに記載の組成物から形成される中子。
【請求項10】
金属鋳造によって金属製品を製造する方法において、（i）請求項１乃至９の何れかに記載の組成物を混合して混合物を作る工程と、
（ii）前記混合物をモールディングして硬化させて、前記金属製品の内部キャビティの形状の中子を製造する工程と、
（iii）前記中子を金属鋳造用の鋳型と組み合わせて、前記鋳型と前記中子とが共になってモールドキャビティを画定するようにする工程と、
（iv）前記モールドキャビティが充填されるまで、前記モールドキャビティに溶融金属を供給する工程と、
（v）前記溶融金属を冷却して固化させて前記金属製品を成形する工程と、
を含む方法。
【請求項11】
工程（i）は、請求項２乃至４の何れかに、又はそれに従属する何れかの請求項に記載の組成物を混合することを含んでおり、工程（iv）は少なくとも１０００℃の温度で行われる、鉄系金属鋳造によって鉄系金属製品を作るための請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
工程（i）は、請求項５乃至８の何れかに又はそれに従属する何れかの請求項に記載の組成物を混合することを含んでおり、工程（iv）は１２００℃未満の温度で行われる、非鉄金属鋳造によって非鉄金属製品を製造するための請求項１０に記載の方法。【国際調査報告】