JP3207660B2 - 鋳物砂及び鋳造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属鋳造工業において
使用しうる鋳物砂及びこれを使用する鋳物の鋳造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】金属鋳造工業は、古くから建築部材、工
業用品等に使用される鋳物を鋳造するものとして発達し
ている。近年は、ＯＡ機器等に使用される精密部品の製
造にも汎用されており、正確かつ精密な鋳物の製造技術
の確立が望まれている。

【０００３】上記鋳造工業に使用する鋳物砂は、鋳物の
原型となりまた鋳造時に直接鋳物に接触するため、充分
の成形性を有ししかも溶融金属接触時における熱安定性
を有する必要があり、また鋳巣、吹かれ、すくわれ等の
欠陥を防ぐために溶融金属が鋳入された時にガスを外部
に導き出せるほどの通気性が必要である。更に、精密機
器の鋳造にあたっては、鋳物全体が厳密に均一な品質を
有することが要求されており、このため溶融金属が冷却
する速度が鋳物各部において一定であることが必要とな
り、また熱伝導率が高い銅合金やビスマス合金等の鋳物
を鋳造する場合には収縮むらを生じさせないために素早
く熱を逃すことが必要となり、鋳物砂には、高い熱伝導
率が要請されている。

【０００４】鋳物砂の材料として、これまで、比較的安
価なけい砂粒子が広く用いられていた。また、更に高品
質の鋳物を鋳造するために、鋳物砂としてカンラン石を
粉砕した砂（カンラン砂）が用いられてきた。更に、球
状又は卵形状のカーボン粒子又はコークス粒子が、銅、
青銅、真ちゅう、鉄等の金属や合金を鋳造するのに適し
ているものとして用いられてきた。これらは、適当なバ
インダーを同時に用いることにより、適切な粘着性を付
与し、このことにより成形性を確保して実用に供されて
いた。

【０００５】しかしながら、上記けい砂等は、熱安定性
が充分ではなく、溶融金属の温度が例えば１０００℃を
超えるような高温になると、溶融金属の摩擦、収縮等に
より鋳型に割れ目が生じたり表面に縞や孔が生じて、高
品質の鋳物を鋳造することができなくなる欠点があっ
た。

【０００６】上記欠点を解決するため、石油工業におい
て得られるカーボン又はコークスを２０００〜２８００
°Ｆ（１１００〜１５５０℃程度）に熱して揮発性物質
を除去し、このことにより熱安定性を得て鋳物砂として
利用する技術が米国特許第２８３０３４２号、２８３０
０１３号に開示されている。また、上記のような高温処
理をしなくても、まず最初に上記カーボン又はコークス
を加熱して炭化水素蒸気と球状又は卵形状のコークス粒
子とに分離し、しかる後に分離したコークス粒子を更に
加熱すれば、その加熱温度を１０００〜１５０００°Ｆ
（５５０〜８３０℃程度）にまで低めることができ、安
価に熱安定性を有する鋳物砂を得ることができるとの技
術が、特開平４−２５１６２９号公報に開示されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記技
術は、熱安定性を確保し鋳造時の溶融金属による高温下
にあっても放出ガス等により鋳物品質が低下するのを抑
制するためのものであって、上記したように近年その要
請が高まりつつある精密機器を鋳造するためには熱安定
性のほか高い熱伝導率を有することが必須であり、これ
ら要求を満たすものではなかった。また、上記技術によ
り得たコークスは、粒子中に多くの微細な孔を有してい
て物理的強度に劣り、そのため精密な型を形づくること
が困難で、精密機器の鋳造には向かない欠点を有してい
た。

【０００８】上記に鑑み、本発明は、充分な成形性、熱
安定性及び通気性のほか、高い熱伝導率を有ししかも充
分の強度を有する鋳物砂及びこれを使用する鋳造方法を
提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、鋳物砂
を構成するにあたって、コークスを加熱して得た黒鉛化
されたカーボン粒子であって粒子径が０．１〜１．０ｍ
ｍであるものを使用するところにある。また、本発明の
他の要旨は、上記鋳物砂を使用して鋳物を鋳造するとこ
ろにある。以下に本発明を詳述する。

【００１０】通常、「コークス」とは、石炭を高温乾留
して得られる炭素質の多孔質固体であって燃料として用
いられるものをいうが、本明細書においていうコークス
とは、上記「コークス」のほか、石油精製工業において
副産物として得られる液体コークスをも含むものとす
る。本発明で使用されるコークスは、石炭精製工業、石
油精製工業において、燃料又は副産物として得られる比
較的安価な原料であって、カーボンを主成分とし５重量
％程度の有機物質からなる不純物を含むものである。

【００１１】上記コークスは、通常はその原料物質であ
る石炭又は石油を加熱することにより、ピッチ等が混合
された形で取得される。本発明におけるコークスとして
は、石炭から得られる石炭コークス、石炭コークスにピ
ッチが混合された石炭ピッチコークス、石油から得られ
る石油コークス等のいずれをも使用することができる。

【００１２】上記コークスは、まず、必要に応じて粉砕
等をした後、粘着性を付与するためピッチ、タール等を
添加し、これを１５０〜２５０℃程度の高温中で混練
し、その後冷却して再度粉砕することが望ましい。前記
工程は、本発明のコークスを得るために必ずしも欠くべ
からざるものではないが、本発明のコークスを均一化し
たものとするためには好ましい工程である。

【００１３】上記工程により得られたコークスは、結晶
構造を緻密化するため、加圧することができる。上記加
圧は、通常のプレス機による機械的加圧により行うこと
もできるが、結晶の異方性を除去してより緻密なカーボ
ン粒子を得るためには、例えば冷間静水圧プレス等の三
次元プレスを行うのがよい。上記加圧は、通常は７００
〜１３００ｋｇ重／ｃｍ² 程度で行うことができる。

【００１４】上記加圧後のコークスは、１０００℃程度
の一次焼成により、混合しているピッチその他の有機物
質を揮発させる。この過程で、カーボン粒子は固相での
重縮合が起こり、また残存有機物質は芳香族平面の成長
により炭素結晶構造を構成することとなり、全体として
炭素質とすることができる。

【００１５】上記一次焼成後のコークスは、２８００℃
程度の二次焼成により黒鉛化する。この過程でカーボン
粒子は、三次元的規則性を獲得し、結晶構造が成長して
黒鉛質（グラファイト）とすることができる。本発明に
おいては、上記カーボン粒子は、その５０％以上が、完
全に黒鉛化されたカーボンであるグラファイトである。
グラファイトの量が５０％未満では、熱伝導率が充分で
はなく本発明の目的を達成することができない。グラフ
ァイトの量は多ければ多いほどよく、より好ましくはカ
ーボン粒子の１００％がグラファイトであるのがよい。

【００１６】本発明の上記グラファイトは、結晶構造を
有する結晶子（クリスタリット）が互いに架橋して多結
晶組織を構成している。結晶子内では、理論上、図１に
示すように、平面状の炭素六員環が連なって層状構造を
形成しており、平面状炭素六員環における炭素間距離
は、理論値で１．４２オングストローム、三次元結晶と
しての六方晶系の単位格子の格子定数は、ａ＝ｂ＝２．
４６オングストローム、ｃ＝６．７１オングストローム
である。各層状構造内では炭素原子がそれぞれ共有結合
でしっかり結合されており、それぞれの層状構造同士
は、上下に弱いファン・デル・ワールス（ｖａｎ ｄｅ
ｒ Ｗａａｌｓ）力で結合されている。

【００１７】上記二次焼成前のカーボンは、３〜１０ｋ
ｃａｌ／ｍ・ｈ・℃程度の熱伝導率しか有していない
が、上記二次焼成後のカーボンは、５０〜１４０ｋｃａ
ｌ／ｍ・ｈ・℃程度の熱伝導率を有している。またカー
ボン粒子中の多孔（マイクロポア（ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ
ｓ））は、一次焼成及び二次焼成により発達した結晶構
造により極微小となり、強度に優れた緻密な構造を獲得
している。

【００１８】本発明においては、ついで、上記二次焼成
後のカーボンを、通常の方法により、粉砕した後、０．
１〜１．０ｍｍ程度の一定粒子径になるように分級す
る。粒子径が０．１ｍｍ未満では粒子が細かすぎて鋳物
砂としての充分な成形性及び通気性を得ることができ
ず、また１．０ｍｍを超えると成形性が劣るとともに鋳
造される鋳物の鋳込肌が悪くなって正確かつ精密な鋳物
を得ることができなくなる。上記粉砕は、通常のジョー
クラッシャーを用いて粗粉砕をし、その後ローラミル等
により微粉砕してすることができるし、また場合によっ
てはジョークラッシャーのみにより上記範囲の粒子径を
有する粒子とすることができる。上記粉砕後のカーボン
粒子は、球状又は卵形状である必要はなく、角丸型であ
っても多角型であっても本発明の効果を減殺することは
ない。上記分級は、例えば、振動ふるい又は回転ふるい
等を使用する通常の方法によりすることができる。

【００１９】上記のようにして得られる本発明のカーボ
ン粒子を鋳物砂として用いるにあたっては、上記カーボ
ンが充分の強度を有しているのでバインダーを多量に含
有させる必要はないが、適切な成形性を付与させるた
め、１０〜４０重量％程度のバインダーを含有させて鋳
物砂とすることができる。バインダーの量が１０重量％
未満では成形性が劣り本発明の目的を達成することがで
きず、４０重量％を超えると強度及び熱伝導率が低下し
て本発明の目的を達成することができない。より好まし
くは、３０重量％がよい。

【００２０】上記バインダーとしては、通常鋳物砂にバ
インダーとして使用されるものを用いることができ、例
えば、ベントナイト、白土、でんぷん、糖、骨粉、けい
酸ナトリウム、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、油中子、
セメント等を挙げることができる。これらのバインダー
は、鋳造される鋳物の材料（鋳金）の種類により、適宜
決定することができる。例えば、亜鉛合金等を鋳造する
にあたっては、バインダーとしてはけい酸ナトリウムが
適当である。

【００２１】本発明の鋳物砂は、通常鋳造工業で用いら
れる方法により、鋳造に使用することができる。すなわ
ち、上記鋳物砂を成形して所望の形態を有する表面を備
えた形状にすることにより鋳型を造形し、前記鋳型表面
に接するように溶融金属を鋳入し、冷却して金属を固化
せしめることにより鋳物を製造し、その後前記鋳型を取
ることにより鋳物を得ることができる。

【００２２】本発明の上記鋳造方法に適用することがで
きる鋳金としては、特に限定されないが、精密機器用に
使用される亜鉛合金、簡易金型用亜鉛アルミニウム合金
（ＺＡＳ）、ビスマス合金、銅合金、真ちゅう、鉄等
は、本発明の鋳造方法を適用することにより極めて好適
に鋳造することができる。銅合金は、本発明の鋳造方法
を適用しうる鋳金として、より好適である。

【００２３】近年の先端工業技術の発展により必要性が
注目されている放電加工用炭素電極、電子部品製造用治
具、半導体製造用部品、耐熱用構造部品等の特殊炭素製
品の製造にあたっては、高密度黒鉛材料が使用されてい
る。これらは、まずコークスにピッチ、タールを添加し
高温で混練し、加圧成形した後、約１０００℃前後で一
次焼成して炭素質となし、しかる後約３０００℃前後で
二次焼成して黒鉛質とした円筒型、直方体等の黒鉛材料
を、適宜切断、切削等機械加工して製品化するが、この
過程で多量の切屑粒子が発生する。この切屑粒子は、材
質は高密度黒鉛質であるが粒子化されており、上記特殊
炭素製品としては使用されず廃棄されるべきものとされ
ていた。

【００２４】本発明の鋳物砂に使用するカーボン粒子と
して、上記切屑粒子は充分に適用することができる特性
を有しているので、上記切屑粒子を粉砕、分級して粒度
を揃えた後、適宜バインダーを含有させることにより、
本発明の鋳物砂として使用することができる。本発明の
鋳物砂として、上記特殊炭素製品の製造に使用する高密
度黒鉛材料の切屑粒子を使用する場合には、廃材を効率
的に再利用することとなるので、低コストで良質の鋳物
砂を得ることができ、かつ産業廃棄物による環境汚染を
も抑制することができる。

【００２５】

【作用】本発明の鋳物砂は、大部分が黒鉛化されたカー
ボン粒子を使用しているので、充分な成形性と熱安定性
及び通気性を有するばかりか、熱伝導率の高い鋳物砂と
なるため、精密機器等の鋳造にあたって収縮むらや鋳込
巣が生じることがなく高品質の鋳物を鋳造することがで
きる。また粒子中の多孔が発達した結晶構造により極微
小となっていて強度に優れた緻密な構造を獲得している
ため、これまで困難であったニアネットシェイプの、鋳
物の最終製品としての精密な型に極めて近い鋳物を得る
ことができ、鋳造後の鋳物を構造部品、金型等の最終製
品とするための切削等の工程を節減することができる。

【００２６】また、上記熱伝導率の高いことは、鋳造過
程において溶融金属の冷却がそれだけ速くなるので、生
産性向上にも役立つこととなる。更に黒鉛質の鋳型表面
を有しているので、鋳造時に鋳金の表面が平滑となり、
鋳込肌が良好となる。

【００２７】

【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるもの
ではない。 実施例１ 平均粒子径１５μｍの石炭系仮焼コークス５０重量部、
平均粒子径１５μｍの石炭系生コークス５０重量部及び
石炭系ピッチ３０重量部を、１３０℃にて均一に混練
し、原料組成物を得た。冷却後、この原料組成物を粗粒
状に粉砕し、この粉砕粒をラバーバッグに充填し冷間静
水圧プレスにより面圧１３００ｋｇ重／ｃｍ² にて加圧
成形し、外径９００ｍｍ、全長１８００ｍｍの円柱状成
形体を得た。ついでこの成形体を１２００℃まで一次焼
成した後、得られた一次焼成品を２８００℃まで直接加
熱して二次焼成し、放冷して等方性黒鉛材料を得た。上
記で得た黒鉛材料をジョークラッシャーにより粉砕した
後、更にローラミルに掛けて微粉砕し、その後下限７０
メッシュ、上限３５メッシュの振動ふるいにより分級し
てカーボン粒子を得た。このカーボン粒子７０重量部に
対してけい酸ナトリウム３０重量部を加え、常法に従っ
て鋳物砂を得た。

【００２８】上記鋳物砂を型枠に入れ、ここに製品形状
を有する木型を用いて鋳造用砂型を造形した。木型を取
り除いた後、三井金属社製射出成形型用亜鉛合金を約４
５０℃で鋳入し、放冷により固化させて鋳物を製造し、
その後鋳型を取り除いて鋳物を取得した。上記鋳造方法
において使用した鋳造砂型は、これまで造形が困難であ
った５ｍｍ以下の深いリブ形状をも高強度で造形するこ
とができたため、鋳造した鋳物は精密な形状を有するこ
とができ、鋳造後の精密部の再成形等の製品化工程を極
めて短縮することができた。また鋳造金属の冷却が極め
て短時間で済み、これにより鋳造工程の時間的短縮を実
現することができた。取得した鋳物は、精密な形状を有
しているにもかかわらず、各部において収縮むらや鋳込
巣がなく高品質のものであった。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、充分の成形性、熱安定
性及び通気性のほか、高い熱伝導率を有ししかも充分の
強度を有する鋳物砂及びこれを使用する鋳造方法を提供
することができる。本発明の鋳物砂として高密度黒鉛材
料の切屑粒子を使用する場合には、これまで廃棄してい
た材料の再利用により低コストで良質の鋳物砂を得るこ
とができ、かつ産業廃棄物による環境汚染をも抑制する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るグラファイトの結晶格子を示す模
式図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22C 1/00 - 1/26

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コークスを加圧処理した後加熱して得た
   カーボン粒子であって、 前記加圧処理の圧力は、７０
   ０〜１３００ｋｇ重／ｃｍ ^２ であり、 得られたカーボン粒子は、その粒子径が０．１〜１．０
   ｍｍで、その５０重量％以上が黒鉛化されたグラファイ
   トである ことを特徴とする鋳物砂。
2. 【請求項２】 １０〜４０重量％のバインダーを含有し
   てなる請求項１記載の鋳物砂。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の鋳物砂を成形して
   所望の形態を有する表面を備えた形状にすることにより
   鋳型を造形し、前記鋳型表面に接するように溶融金属を
   鋳入し、冷却して金属を固化せしめることにより鋳物を
   製造し、その後前記鋳型を取ることにより鋳物を得るこ
   とを特徴とする鋳物の製造方法。