專利名稱：鑄型用骨料粒子的制作方法
技術領域：
本發明涉及耐熱性和熱沖擊特性良好、在加熱循環中也少破裂、可重復再利用而 廢棄物減少效果好、以剛玉和斜鋯石為主要的礦物組成的鑄型用骨料粒子。
背景技術：
鑄型所使用的砂(粒子)大致分為用于與鑄件接觸的部分的面砂和襯于面砂的背 后的背砂。與鑄件接觸的面砂通過粘合劑(呋喃樹脂、堿性酚醛樹脂等)粘合而形成供金 屬熔液流入的空間。本說明書中，以下將面砂稱為鑄型用骨料粒子，或者簡稱為骨料粒子。 但是，并不排除也將骨料粒子用作背砂的情況。因為金屬熔液的溫度高(1200 1800°C )，所以要求骨料粒子具有足夠的耐熱性。 如果耐熱性低，則在高溫下骨料粒子相互燒結而牢固地結合，因此不僅難以將鑄件從鑄型 內取出，而且無法簡單地恢復至原來的粒子尺寸，也難以實現骨料粒子的再利用。除了耐熱性以外，骨料粒子的熱膨脹率越低，則鑄件的精度越好，而骨料粒子的熱 導率越高，則可以使鑄件冷卻得越充分。如果骨料粒子自身容易被破壞，則難以再利用，所 以骨料粒子不會被破壞也很重要。最近，作為作業時的防塵對策，采用對鑄型噴霧水來進行 冷卻的方法，所以耐熱沖擊性也受到重視。另外，如果骨料粒子不易與呋喃樹脂、堿性酚醛樹脂浸潤，則可以減少粘合劑使用 量，利于削減成本。特別是呋喃樹脂雖然價格比堿性酚醛樹脂便宜，但粘性低，如果骨料粒 子表面不平滑，則必須增加添加量才能發揮足夠的粘合強度，從鑄型整體來看成本反而上升。以往，硅砂被廣泛用作面砂。但是，硅砂存在下述問題熱膨脹大，鑄件的精度差， 而且結晶結構受熱而發生變化，容易被破壞，僅使用1次就會有10%左右成為廢棄物。作 為硅砂的替代品，有冷卻能力強的鉻砂。但是，除了需求增大、價格高漲、供給不足的問題以 外，鉻砂因為含Cr，所以廢棄受到基于環境方面的巨大限制。專利文獻1中提出了將合成富鋁紅柱石制成球狀顆粒并在約1600°C燒成而得的 骨料粒子。該骨料粒子雖然可以通過堿性酚醛樹脂制成強度較高的穩定的鑄型，但還存在 下述問題耐熱性不足而難以再利用，而且由于通過燒成來制造，所以骨料粒子的表面不平 滑，通過粘性低的呋喃樹脂無法獲得足夠的粘合強度。專利文獻2中提出了由熔融物粒子化而得的電熔合性莫來砂。該情況下存在下述 問題由于SiO2含量高至20%以上，因此熔化、細粒化時容易形成纖維狀，骨料粒子的制造 成品率下降。此外，還存在下述問題如果Fe203、CaO, MgO、K2O, TiO2等多，則耐熱性不足， 骨料粒子容易相互燒結，難以再利用。專利文獻3中提出了使SiO2含量比富鋁紅柱石組成低而以剛玉結晶相為主要結 晶相的Al2O3-SiO2類砂。然而，存在下述問題由于以剛玉結晶相為主要結晶相，因此耐熱 沖擊性低，若受到熱沖擊則容易發生龜裂，再利用率低。此外，該骨料粒子中包含以氧化物 計為10質量％左右的Fe等過渡金屬類、堿金屬成分等，還存在耐熱性低、再利用困難的問題。另外，作為水溶性型芯用型砂，除了上述以外，專利文獻4中還記載了鋯砂、橄欖 石等。鋯從約1500°C附近起開始分解，出現鑄造中發生二氧化硅與鑄件的反應等情況，因此 存在再利用困難的問題。橄欖石砂等也同樣耐熱性不足。作為具有耐熱性的材料，有氧化鋯類材料，專利文獻5中提出了不含玻璃相的氧 化鋯類骨料粒子。但是，該骨料粒子由于不含玻璃相，粒子自身因伴隨相變的體積變化而崩 解，因此雖然作為使用目的的鑄件自鑄型的取出性提高，但無法再利用。專利文獻1 日本專利特公平3-47943號公報專利文獻2 日本專利特開2003-251434號公報專利文獻3 日本專利特開2005-193267號公報專利文獻4 日本專利特開2004-174598號公報專利文獻5 日本專利特開平6-15404號公報發明的揭示本發明的目的在于，作為適合于尺寸精度和冷卻速度良好、容易取出鑄件且再利 用率高、顯著減少了產生的廢棄物量的鑄型的骨料粒子，提供耐熱性良好、熱導率和耐沖擊 性高、可重復再利用的鑄型用骨料粒子。本發明提供一種鑄型用骨料粒子，其特征在于，作為化學成分，以A1203、&02和 SiO2為必需成分，所述3種成分的總量在50質量％以上，結晶相主要為剛玉和斜鋯石，除所 述結晶相以外還包含玻璃相。本發明的骨料粒子(以下稱為本骨料粒子)以Al203、Zr02和SiO2為必需成分，所 述3種成分的總量在50質量％以上，結晶相主要為剛玉和斜鋯石的共晶體，所以耐熱性高， 在使用環境下實質上不會燒結。因此，通過粘合劑構成了鑄型的骨料粒子在澆注、冷卻后失 去粘合力而簡單地分散而恢復成原來的骨料粒子，可以容易地從鑄型中取出鑄件。使用后， 可以從鑄型作為原來的骨料粒子簡單地進行回收，能夠實現非常高效的再利用，可顯著減 少來自鑄型的廢棄物。特別是如果本骨料粒子的Ti02*Fe203的含量以總量計在3質量％以下，則該效果 顯著。此外，在作為結晶相實質上不包含富鋁紅柱石的情況下，也同樣可以高效地再利用。本骨料粒子由于熱膨脹率也小，因此鑄件的尺寸精度好，適合于精密鑄造，而且具 有恰好可使鑄件成分冷卻的熱導率。此外，本骨料粒子因為強度也高，耐熱沖擊性高，所以 骨料粒子幾乎不會因鑄造時的熱沖擊而破壞。因此，不僅可以作為粉塵對策而向鑄型噴霧 水來進行冷卻，而且再利用也容易，廢棄物減少效果好。本骨料粒子由于包含玻璃相，因此可實質上吸收氧化鋯的相變引起的體積變化， 作為粒子整體沒有體積變化，粒子也幾乎不會自行崩解。S卩，本骨料粒子可在利用氧化鋯的特性的同時確保粒子自身的強度，沒有粒子的 形狀變化。因此，可以多次再利用，能夠減少廢棄物。此外，可以抑制粉塵的產生量，也有利 于鑄造的作業環境改善。如果由熔融物粒子化成本骨料粒子，則包含基體玻璃相，粒子表面變得平滑，粒子 表面幾乎沒有凹凸，因此即使使用粘性低的呋喃樹脂，也可以通過較少的添加量獲得足夠 的粘合強度。因此，還具有鑄型整體的成本降低效果。
附圖的簡單說明
圖1表示本發明的骨料粒子的一例的顯微鏡照片。圖2為市售的富鋁紅柱石類人工骨料粒子的顯微鏡照片。圖3為通過熔融法制造本發明的骨料粒子時的示意圖。符號的說明1 熔融爐主體2:熔融電極3 熔融物4:排出口5 噴嘴7 粒子8 捕集箱實施發明的最佳方式本發明的鑄型用骨料粒子(以下稱為本骨料粒子)中，作為化學成分，以A1203、 ZrO2和SiO2為必需成分，所述3種成分的總量在50質量％以上，結晶相主要為剛玉和斜鋯 石。剛玉和斜鋯石形成共晶體。通過在剛玉結晶相中加入斜鋯石結晶相，作為單晶剛玉的 缺點的耐熱沖擊性低、若受到熱沖擊則容易發生龜裂、重復利用時的再利用率低等問題得 到改善。這被認為是由于通過在剛玉結晶相中加入斜鋯石結晶相，本骨料粒子被賦予強韌 (韌性)的性質。本骨料粒子中，作為結晶相，較好是實質上不含富鋁紅柱石結晶。如果不含富鋁紅 柱石結晶，則可獲得充分的耐熱性和導熱性，因此骨料粒子在使用中幾乎不會燒結，再利用 容易。此外，由于不含富鋁紅柱石結晶，因此耐熱沖擊性良好，即使受到熱沖擊也不易發生 龜裂，可以重復再利用。還有，本說明書中，實質上不含富鋁紅柱石是指通過X射線衍射測定未觀察到明 顯的富鋁紅柱石結晶的峰，或者即使觀察到峰，將主峰的強度設為100時的相對強度在5以 下。本骨料粒子中，作為化學成分，以A1203、ZrO2和SiO2為必需成分。這是因為本骨 料粒子主要由剛玉結晶相、斜鋯石結晶相和玻璃相構成。此外，本骨料粒子以Al2O3、&O2和 SiO2這3種成分構成主要成分，這3種成分的總量在50質量％ (以下將質量％略作％)以 上。如果所述總量低于50%，則可能會無法發揮作為本骨料粒子的特性。本骨料粒子中，如 果所述3種成分的總量在75%以上，則特性優良，因此優選，更優選所述3種成分的總量在 84%以上。所述3種成分的總量可以為100%。本骨料粒子中，如果作為化學成分以質量％計包含Al2O3 47 97%、ZrO2 1 25%,則可以更可靠地獲得上述效果，因此優選。本骨料粒子中，如果Al2O3含量低于47%， 則耐熱性可能會不足，不理想。本骨料粒子中，如果Al2O3含量在57 %以上，在耐熱性方面 更優選，特別好是Al2O3含量在65%以上。另一方面，本骨料粒子中，如果Al2O3含量超過97%，則可能會相應地失去含有 ZrO2而獲得的效果，不理想。本骨料粒子中，Al2O3含量較好是在90%以下，Al2O3含量更好 是在85%以下。
本骨料粒子中，如果&02含量低于1 %，則耐熱沖擊性的提高效果可能會不足，不 理想。本骨料粒子中，ZrO2含量更好是在3%以上，ZrO2含量特別好是在6%以上。另一方面，本骨料粒子中，如果含量高于30%，則由Al2O3-SiO2-ZrO2的三成 分系相圖可知，反而熔點降低，耐火度低，作為鑄型用骨料粒子的特性下降。但是，ZrO2含量 在36%以下時，耐火度與富鋁紅柱石類骨料粒子同等，耐熱沖擊性方面優于富鋁紅柱石類 人工骨料粒子，因此作為本骨料粒子，ZrO2含量優選在36%以下。本骨料粒子中，ZrO2含量 較好是在25%以下，ZrO2含量更好是在16%以下。本骨料粒子中，如果作為化學成分以質量％計使Al2O3和&02的總量(Α1203+&02) 為83 97%，則顯示作為主要礦物組成的剛玉結晶相、斜鋯石結晶相、基體玻璃取得了平 衡的特性，因此優選。如果本骨料粒子包含2 17%的SiO2成分，則所述的基體玻璃可以包裹剛玉結晶 相和斜鋯石結晶相，能夠充分地吸收斜鋯石相的相變引起的體積變化，因此優選。本骨料粒 子中，SiO2含量較好是在5%以上，SiO2含量更好是在6%以上。另一方面，如果本骨料粒子的SiO2含量高于17%，則耐熱性下降，制造時纖維增 大，骨料粒子的制造成品率降低，因此不理想。本骨料粒子的SiO2含量較好是在15%以下， 本骨料粒子的SiO2含量更好是在13%以下。本骨料粒子除剛玉結晶相和斜鋯石結晶相以外還包含玻璃相(以下也稱基體玻 璃)。玻璃相通常存在于結晶相之間，如果模式化地表現組織觀察的結果，則玻璃相以包 裹結晶相的形式存在。本骨料粒子由于包含玻璃相，因此可吸收伴隨氧化鋯的相變的體積 變化，即使反復經受熱過程，粒子也不會因龜裂而破壞，能夠穩定地作為鑄型的面砂重復利用。為了發揮上述效果，本骨料粒子中較好是包含2 20%的玻璃相。本骨料粒子中 的玻璃相更好為6 17%，特別好為8 13%。此外，如果這樣的玻璃相為二氧化硅質， 則可獲得適合于吸收高溫時氧化鋯的相變引起的體積變化的粘性，容易獲得上述效果，所 以優選。還有，本說明書中，玻璃相的化學組成在假設從粒子整體的化學組成中除去A1203、 ZrO2含量后余下部分全部是玻璃相的條件下算出。本骨料粒子中，如果(R1)20+(R2)0的總量與SiO2成分的質量比((Rl)20+(R2)0)/ SiO2為5 25%，則基體玻璃的特性穩定，還可以確保耐熱性，因此優選，更好是8 15%; Rl為堿金屬元素，R2為堿土金屬元素。還有，作為R1，可以例舉Na、K和Li，作為R2，可以 例舉 Ca、Mg、Sr 禾口 Ba。本骨料粒子中，如果TiO2成分和Fe2O3成分的總量(Ti02+Fe203，以下略作TF總量) 以質量％計為0 3%，則TiO2成分和Fe2O3成分幾乎不會在與SiO2成分和Al2O3成分之 間生成低熔點的化合物，不會發生骨料粒子的耐熱性下降及使用時骨料粒子相互燒結等問 題，因此優選。本骨料粒子中，TF總量較好是在2%以下，TF總量更好是在以下。TF總 量特別好是在0.5%以下。本骨料粒子中，較好是所有的過渡金屬元素的氧化物的含量的總量(包括TiO2成 分和Fe2O3成分)以質量％計在2%以下。除TiO2成分和Fe2O3成分以外的成分各自的效果 并不十分清楚，但一般過渡金屬氧化物的熔點比氧化鋁、氧化鋯低，可能會使特性惡化。本骨料粒子中，更好是所有的過渡金屬元素的氧化物的含量的總量(包括TiO2成分和Fe2O3成分)在以下，特別好是所有的過渡金屬元素的氧化物的含量的總量(包括 TiO2成分和Fe2O3成分)在0. 5%以下。作為除TiO2,Fe2O3以外的過渡金屬元素的氧化物， 具體可以例舉 MnO、Co2O3> NiO、CuO, ΖηΟ。本骨料粒子的粒子直徑(以下稱為粒徑)如果在2000 μ m以下，則構成鑄型時與 金屬熔液接觸的鑄型表面變得平滑，可提高鑄件的表面精度，所以優選。本骨料粒子的粒徑 更好是在1200 μ m以下。如果本骨料粒子的70%以上的粒徑為60 1200 μ m,則流動性也 好，因此優選。更好是本骨料粒子的95%以上的粒徑為60 1200 μ m。特別好是本骨料粒 子的粒徑為60 850 μ m。還有，本說明書中，粒徑是指JIS篩的孔徑。例如，通過JIS篩進行篩分，將粒子殘 留的篩中最小的孔徑作為粒徑。因為本骨料粒子的熱膨脹率難以直接測定，所以以尺寸變化率代替，該尺寸變化 率為使用有機粘合劑(呋喃樹脂)將骨料粒子形成為塊狀(直徑3. 175mmX高50mm)并經 歷規定的熱處理條件(氮氣氣氛下，1150°C X保持180秒)后的尺寸變化率。骨料粒子的 熱膨脹率越小，則尺寸變化率越小。上述尺寸變化率較好是在0. 7%以下，更好是在0. 5% 以下。還有，被認為熱膨脹率較大的硅砂的尺寸變化率為1.5%左右。如果本骨料粒子的熱導率(常溫)為0.25 0.35W/(m*K)，則可以使鑄造后的金 屬熔液充分冷卻，且冷卻時不易產生空隙，因此優選。本骨料粒子的熱導率(常溫)更好為 0. 28 0. 3 Iff/ (m · K)。如果本骨料粒子的體積比重為1. 8 2. 6，則將本骨料粒子用作面砂而將硅砂(體 積比重約1.5)用作背砂的情況下，面砂與背砂容易分離，再利用時即使粗略地區分面砂與 背砂來進行作業，作業結束后也容易分離，因此作業性提高，生產性方面良好，所以優選。本 骨料粒子的體積比重更好是2. 0 2. 6。本骨料粒子的體積比重特別好是2. 2 2. 4。作為本骨料粒子的制造方法(以下稱為本制造方法)，沒有特別限定，具體的制造 方法可例舉將調合而得的原料用電弧電爐等熔化并在出爐時用高速的空氣等細粒化的方 法(以下略作熔融法)或者將調制而得的原料噴霧形成粒子并燒結的方法(以下略作燒結 法)等。其中，由于成本方面有利，較好是熔融法。此外，通過熔融法制成的本骨料粒子平 滑，在粒子表面幾乎沒有凹凸，因此即使是低粘性的呋喃樹脂也不用過量添加就可使其表 現出足夠的粘合強度，鑄型整體的成本方面也有利。通過熔融法制成的本骨料粒子的顯微 鏡照片的例子示于圖1。此外，為了進行比較，將市售的通過制成的合成富鋁紅柱石粒子 (伊藤忠賽拉泰克株式會社(伊藤忠力7 r 々社)，商品名=Cerabeads)的顯微鏡照片的 例子示于圖2。本制造方法采用熔融法的情況下，熔化經調制的原料的熔融爐的形式沒有特別限 定，可以例舉采用燃燒器、電阻、電弧、焦炭等加熱形式的熔融爐。特別是電弧形式具有比較 容易獲得高溫、熔融物的均勻性也高、且爐的設備簡單、操作性良好等優點，因此優選。這樣的熔融爐內的內襯耐火材料沒有特別限定，理想的是具有與本骨料粒子的組 成接近的組成的耐火材料，可以是含有比本骨料粒子的雜質水平低的雜質的耐火材料。例 如含35%左右的氧化鋯的氧化鋯-氧化鋁類電鑄磚或者含有95%以上的氧化鋁的氧化鋁 類電鑄磚不會提高鑄型用骨料的雜質水平，因此優選。
7
本制造方法采用熔融法的情況下，作為將原料在熔融爐內進行熔融時的運轉條 件，通常作為電源使用500KVA 5000KVA的變壓器來進行熔融時，如果將電弧加熱時的電 壓設為80 400 (V)，電流設為500 12000(A)，則可使電極和熔融物保持合適的距離，適 當地保護電爐內的耐火材料，實現穩定的熔化，因此優選。作為最終的熔融溫度，較好是設 為 1850 1950 (°C )。本制造方法采用熔融法的情況下，調制而得的原料被熔化后，使該熔融物從安裝 于熔融爐的外壁的出爐口出爐。出爐時，如果使熔融爐傾斜，則出爐變得容易，所以優選。熔 融物從出爐口倒出并下落IOOmm左右后，從后方噴射壓縮空氣而細粒化。細粒化時表面積 增大，通過與空氣接觸而急冷，形成良好的鑄型用骨料粒子。其概念化的形態示于圖3。圖中，1表示熔融爐主體，2表示用于進行熔融的電極， 3表示熔融物。熔融電極2通過控制系統與電源連接，但未圖示。熔融物3從排出口4被排 出，通過從設置于排出口 4后方的噴嘴5噴射壓縮空氣或壓縮空氣和水，從而形成粒子7并 飄浮，再通過捕集箱8被回收。上述情況下，作為壓縮空氣的壓力，較好是以IMPa以上的壓力噴射。壓縮空氣的 壓力更好是在2MPa以上，壓縮空氣的壓力特別好是在3MPa以上。另一方面，如果壓縮空氣 的壓力高于7MPa，則通常的設備無法滿足要求，因此較好是使壓縮空氣的壓力低于7MPa。如果壓縮空氣的流速在IOOm/秒以上，則70%以上的粒子的粒徑達到1. 2mm以下， 形成適合作為鑄型用骨料的粒徑，因此優選。所述流速更好是在130m/秒以上。還有，本說 明書中，壓縮空氣的流速是指與從熔融爐出爐的熔融物接觸的位置的值，流速通過通常所 銷售的熱線式流速計測定。如果通過使一定量的水與壓縮空氣一起同時流入噴嘴，制成高壓水而與壓縮空氣 同時噴射，則可在細粒化的同時降低粒子的溫度，使其后的處理變得容易，因此優選。為了 充分冷卻粒子，冷卻水量較好是在IL/分鐘以上，更好是在2L/分鐘以上。此外，如果水量 過多，則浸濕鑄型用骨料，其后需要干燥工序，所以不理想，較好是在4L/分鐘以下。
實施例以下，通過實施例對本發明進行更詳細的說明，但本發明并不局限于這些例子。使用爐內直徑1. 5m、高1. 5m、爐內容積2. 5m3的電弧式熔融爐，作為電源準備 1100KVA的變壓器。還有，熔融爐的內襯耐火材料使用氧化鋁含量95%的電鑄耐火材料。電 極采用三根直徑15cm的電極。將原料按規定的化學成分混合，在上述熔融爐中熔化。熔融條件為電壓100V 250V、功率800KW IOOOKWdf 1次的投入量600kg分三批以10分鐘 15分鐘的間隔分批 投入爐內。總原料投入時間為30分鐘 45分鐘。熔化時間為80分鐘 100分鐘。接著，向壓力4MPa的壓縮空氣中加入2L/分鐘的水，從噴嘴噴出。如圖3所示，從 出爐的熔融物的下方向熔液噴射高速的壓縮空氣而粒子化。粒子通過以耐火材料保護的金 屬制的捕集容器回收，制成鑄型用骨料粒子。這時的壓縮空氣的流速為IOOm/秒 150m/ 秒。骨料粒子的粒度為85%以上在0. Imm 1. 2mm的范圍內。[試驗1]所得的骨料粒子的化學組成和特性示于表1。表中，R2O表示Na2CKK2O等堿金屬氧化物，RO表示CaO、MgO等堿土金屬氧化物，T+F表示Ti02、Fe2O3的總量。化學成分使用熒 光X射線裝置(株式會社理學(1J力‘夕社)制，商品名RIX_2000)測定。例1、9、10、11為 比較例，例2 8為實施例。通過X射線衍射裝置(株式會社理學制，商品名RINT_2200VK)鑒定了各骨料粒 子的結晶相，例1中僅觀察到剛玉，但例2 8中觀察到剛玉和斜鋯石。例9為市售的富鋁 紅柱石類人工骨料粒子，礦物組成僅觀察到富鋁紅柱石。此外，例10為一般的硅砂，礦物組 成僅觀察到石英。例11為市售的鉻鐵礦粒子((Fe，Mg)Cr2O4)，由Fe、Mg、Cr氧化物構成，具 有尖晶石結構。有時含部分Al取代Fe。基于JIS R2204對骨料粒子的耐熱性以耐火度進行了評價。表中，+1885°C是指在 1885°C時西格錐不倒，具有1885°C以上的耐火度。由表可知，隨著含量的增加，耐火度 (耐熱性)逐漸下降。此外，如果骨料粒子容易破壞，則再利用實質上變得困難。于是，強制地對骨料粒 子實施加重，對于粒子以何種程度破壞以粒子破壞率進行評價。具體來說，將IOOml(質量 W0)通過篩分級為53 850 μ m的骨料粒子與40個直徑18 20mm的氧化鋁制球一起投入 直徑125mm、高125mm、容積1. 5L的圓筒形球磨機，以50RPM的轉速使球磨機旋轉240分鐘 來進行粉碎。粉碎結束后，測量通過53 μ m的篩的骨料粒子量(W1)，以W1ZiWtlX 100 )算出粒 子破壞率。粒子破壞率越低，則骨料粒子的可再利用的比例越高，優選。由表1確認，作為 結晶相觀察到剛玉和斜鋯石的例2 例8中，粒子破壞率低，特別是例3 例8中，與市售 的骨料粒子(例9 例11)相比，其效果顯著，適合于再利用。對于例2 例8的骨料粒子，埋入樹脂并對剖面進行鏡面研磨，通過偏光顯微鏡實 施組織觀察。其結果是，確認在剛玉相和斜鋯石相的共晶體的周圍存在玻璃質。[表 1]
化學組成耐火度 /。c粒子破壞率 /%AI2O3ZrOiSiO2R2OROF+T例190. 40. 08. 30. 930. 320. 06+ 188511. 2例287. 80. 610. 20. 970. 340. 08+ 188510. 2例387. 4I 99. 5G- 870. 220. 09+ 18856. 8例480. 28. 89. 90. 790. 240. 07+ 18853. 9例573. 215. 310. 21. 010. 260. 0818854. 1例669. 320. 29. 30, 870, 220. 0918653. 5例763. 926. 08. 80. 930. 220. 1218202. 1例853. 336. 09. 60. 790. 240. 1118041. 3例959. 70. 036. 40. 880. 742. 30182014. 9例100. 10. 099. 80. 000. 080. 0144- 8例1154. 1[試驗2]下面，為了確定合適的二氧化硅含量的影響，盡可能使Si02、Al203以外的組成保持 不變，通過與試驗1同樣的制法、條件來制造骨料粒子。對于所得的骨料粒子，測定體積比
9重和耐火度，將其結果與化學組成一起示于表2。還有，體積比重如下算出將骨料粒子加 入燒杯(容積IOOmL)并重復輕敲20次，由輕敲后的體積達到IOOmL時的質量算出。由表2可知，體積比重隨著二氧化硅含量的增大而增大，但達到一定值以上后，反 而逐漸減小。例12、例13中觀察到一部分中空粒子。另一方面，體積比重隨著二氧化硅量 的增大而減小被認為是作為比二氧化硅重的元素的氧化鋁逐漸減少。還有，通過顯微鏡觀 察了例12 例17的組織，在所有的樣品中都觀察到剛玉相、斜鋯石相，并且在其周圍觀察 到玻璃相。此外，玻璃相的量隨二氧化硅含量增大。此外，作為耐熱性的指標的耐火度隨著二氧化硅量的增大而逐漸減小。還有，例 16、例17中，觀察到除了粒子以外還生成纖維。[表 2] [試驗3]為了調查Ti02、Fe2O3的影響，使SiO2基本上恒定為10%，使其他組成也盡可能保 持不變，通過與試驗1同樣的制法、條件來制造骨料粒子。化學組成示于表3。還有，各粒子 通過X射線衍射確認到剛玉結晶相和斜鋯石結晶相。此外，通過采用偏光顯微鏡的組織觀 察確認在剛玉結晶相和斜鋯石結晶相的共晶體的周圍存在玻璃相。接著，對所制成的骨料粒子的耐熱性(以耐火度評價)和粒子再利用性進行評價， 一并示于表3。粒子再利用性的評價處于下述目的判斷在將骨料粒子用于鑄型，將金屬熔 液在鑄型內鑄造、冷卻后，從鑄型取出鑄件時，是否骨料粒子不固化而可簡單地拆散，能夠 容易地取出鑄件，以及是否可以簡單地進行骨料粒子的再利用。粒子再利用性的評價方法為，將30g各骨料粒子投入另外準備的鉬皿中，用電爐 加熱。加熱條件為以300°C /小時升溫并在1500°C保持1小時后在爐內自然放冷，以A C的3級評價取出的骨料粒子的狀態。還有，為了使測定條件均勻，對各骨料粒子進行分級 而調整粒度至0. 3mm 0. 425mm，供于試驗。A是指骨料粒子未相互形成塊，若傾斜鉬皿，骨料粒子能夠以粒子的狀態移動的狀 態；B是指雖然骨料粒子稍稍固化而形成小塊，但如果用手觸碰，則容易地恢復成骨料粒子 的狀態；C是指骨料粒子固化而形成塊，僅通過用手觸碰無法拆散塊，如果用力則可拆散塊 的狀態。作為骨料粒子，理想的是A、B的狀態。由表3可知，TF總量在3%以下時，粒子再利用性為A、B，骨料粒子適合于鑄型用 途。[表 3] [試驗4]測定骨料粒子的熱導率。將結果與以往的硅砂、鉻鐵礦、富鋁紅柱石類人工粒子一 起示出。還有，熱導率的測定按照Jis R2618的“耐火磚的采用熱線法的熱導率的試驗方 法”實施。加入骨料粒子的容器采用將隔熱性磚(伊索來特工業株式會社(4 〃，4卜社) 制，商品名B6)掏空并留下周圍IOmm而得的下容器，以同種的隔熱磚加蓋供于測定。將骨 料粒子填滿下容器，加蓋，進行測定。結果示于表4。由表可知，本發明的骨料粒子的熱導率隨氧化鋯含量的增大而減小。作為熱導率， 鉻鐵礦粒子的水平(O. 29ff/(m.K))為一個目標，如果&02含量在約20%以下，則可獲得與 鉻鐵礦粒子同等水平的熱導率。另一方面，目前市售的例9的富鋁紅柱石類人工骨料粒子 的熱導率比本發明的骨料粒子低。[表 4] [試驗5]下面，因為這些骨料粒子與鑄型所使用的粘合劑的匹配度也很重要，所以對粘合 強度以壓縮強度進行了評價。向骨料粒子中添加并混合規定量的粘合劑和固化劑，成形為 直徑5cm、高cm的圓柱形作為樣品，24小時后通過測力傳感器(東測精密工業株式會社(東 測精密工業社)制，商品名H-3000D，最大負荷3噸)以IOmm/分鐘的施加速度沿圓柱的高 度方向加重，測定壓縮強度。關于粘合劑添加量，相對于骨料粒子以外加比例計呋喃樹脂(神戶理化學工業株式會社(神戸理化學社)制，商品名X-furan ST-71E)為1%，呋喃樹脂用固化劑相對于呋 喃樹脂以外加比例計為40%。采用堿性酚醛樹脂(神戶理化學工業株式會社制，商品名 510A)時，相對于骨料粒子以外加比例計為1. 4%，堿性酚醛樹脂用固化劑相對于堿性酚醛 樹脂以外加比例計為40%。例3 例9組成的骨料粒子中，確認壓縮強度為5 6MPa，獲得足以作為鑄型的強 度。還有，通過顯微鏡觀察了例3 例9的骨料粒子，確認粒子表面如圖1所示那樣平滑。 認為由于粒子表面平滑，因此即使是低粘性的呋喃樹脂，也表現出足夠的粘合強度。產業上利用的可能性通過本發明，作為適合于尺寸精度和冷卻速度良好、容易取出鑄件且再利用率高、 顯著減少了產生的廢棄物量的鑄型的骨料粒子，可以提供耐熱性良好、熱導率和耐沖擊性 高、可重復再利用的鑄型用骨料粒子。通過使用本骨料粒子，可以減少來自鑄型的廢棄物， 同時有利于鑄造現場的作業環境改善。在這里引用2008年1月22日提出申請的日本專利申請2008-011852號的說明書、 權利要求書、附圖和摘要的所有內容，作為本發明說明書的揭示采用。
權利要求
一種鑄型用骨料粒子，其特征在于，作為化學成分，以Al2O3、ZrO2和SiO2為必需成分，所述3種成分的總量在50質量％以上，結晶相主要為剛玉和斜鋯石，除所述結晶相以外還包含玻璃相。
2.如權利要求1所述的鑄型用骨料粒子，其特征在于，以質量％計，包含Al2O347 97%, ZrO2 1 36%、SiO2 :2 17%。
3.如權利要求1或2所述的鑄型用骨料粒子，其特征在于，(R1)20+(R2)0的總量與SiO2 成分的質量比((Rl)20+(R2)0)/SiO2為5 25質量％ ；Rl為堿金屬元素，R2為堿土金屬元ο
4.如權利要求1 3中的任一項所述的鑄型用骨料粒子，其特征在于，TiO2和Fe2O3的 總量為0 3質量％。
5.如權利要求1 4中的任一項所述的鑄型用骨料粒子，其特征在于，剛玉和斜鋯石形 成共晶體。
6.如權利要求1 5中的任一項所述的鑄型用骨料粒子，其特征在于，結晶相實質上不 含富鋁紅柱石結晶。
7.如權利要求1 6中的任一項所述的鑄型用骨料粒子，其特征在于，體積比重為 1. 8 2. 6。
8.如權利要求1 7中的任一項所述的鑄型用骨料粒子，其特征在于，包括TiO2成分 和Fe2O3成分的所有的過渡金屬元素的氧化物的含量的總量在3質量％以下。
9.一種鑄型用骨料粒子的制造方法，其特征在于，由熔融物粒子化來制造權利要求 1 8中的任一項所述的鑄型用骨料粒子。
全文摘要
作為適合于尺寸精度和冷卻速度良好、容易取出鑄件且再利用率高、顯著減少了產生的廢棄物量的鑄型的骨料粒子，提供耐熱性良好、熱導率和耐沖擊性高、可重復再利用的鑄型用骨料粒子。一種鑄型用骨料粒子，其特征在于，作為化學成分，以Al2O3、ZrO2和SiO2為必需成分，所述3種成分的總量在50質量％以上，結晶相主要為剛玉和斜鋯石，除所述結晶相以外還包含玻璃相。
文檔編號B22C1/00GK101918160SQ20098010316
公開日2010年12月15日 申請日期2009年1月22日 優先權日2008年1月22日
發明者牛丸之浩 申請人:旭硝子陶瓷株式會社