专利名称：铸造用翻砂模型及其制造方法
技术领域：
本发明，涉及一种使用无机水溶性粘结剂的铸造用翻砂模型及其制造方法。
背景技术：
作为铸件砂用耐火粒子的粘结剂使用硫酸化合物等的无机水溶性粘结剂造型，铸造后用水溶解铸造用翻砂模型回收粘结剂再利用为一般所知。特别是由于以硫酸化合物中硫酸镁为主要成份的无机粘结剂的制造过程，在铝合金的铸造中重复使用粘结剂，且不产生环境污染的有害气体，近来它的利用有所发展。这是因为硫酸镁的熔点为1185℃，在铝合金铸造时不产生分解和劣化。
例如，特开昭53-119724号公报中，记载了作为无机水溶性粘结剂使用7水和硫酸镁的示例。也就是，记载了使用在耐火物粒子上覆盖7水和硫酸镁的型砂造型，在200℃以上的温度下干燥得到翻砂模型。还有，特开平11-285777号公报中，记载了用耐火物粒子、以硫酸钙及硫酸镁为成份的粘结剂、水的混合物填充翻砂模型用模具，在350℃温度下4小时加热制作翻砂模型。
但是，上述硫酸镁水和物，如特开昭53-119724号公报中记载的那样加热200℃以上的温度的情况下，失去结晶水成为无水硫酸镁，对确保翻砂模型强度不利。也就是，硫酸镁，根据本发明者的研究，在3～4水和物状态下强度高，成为无水物其强度大大降低。在特开平11-285777号公报中，记载了单独使用硫酸镁，在350℃温度下4小时加热时试件的弯曲强度为0.04kg/mm2的低值。
因此，为充分确保翻砂模型强度，有必要使用大量硫酸镁，但是这样会对造型、翻砂模型的煅烧、或者是不利于粘结剂的回收，降低作业效率。
还有，专利文献2中，记载了由于硫酸镁和硫酸钙并用，提高了翻砂模型强度，但是，由于硫酸钙的水溶度低，作为水溶性翻砂模型不实用。
对此，本发明者，保持硫酸镁含有所定量的结晶水的状态下煅烧翻砂模型，成功地得到了高强度翻砂模型。
但是，对于翻砂模型的再利用，从与环境负荷或者铸造节拍的同期化的观点，尽可能的短时间硬化，也就是期望快速硬化，以硫酸镁为主要成份的的粘结剂通过加热硬化，蒸发水分和升温翻砂模型需要一定的能量，一般地硬化时间长。这个硬化时间，根据翻砂模型重量或者造型条件而不同，质量为1公斤的翻砂模型为1分钟程度，约10公斤的翻砂模型要5分钟以上的长硬化时间。
并且，硫酸镁的水和量依赖于温度，所以，在硫酸镁含有所规定量的结晶水的状态下煅烧翻砂模型时，保持全翻砂模型处于所定的温度是必要的，这个煅烧时间变长，出现生产性大幅度降低的问题。
也就是，在翻砂模型的煅烧上利用微波或者是高频的方法已为所知。在这个方法中，可以直接加热翻砂模型内部的物质，在使翻砂模型整体温度一致方面是有利的，但是，在无机水溶性粘结剂中包含了很多水分和结晶水，由于水的蒸发散热，要升温到100℃以上需要很长时间。而且，由于被无法用微波加热的耐火物粒子抢夺了粘结剂的热量，粘结剂内部产生了微小的温度差，要得到均匀强度的翻砂模型就很难。
另一方面，加热模具再填充型砂，从模具的传热煅烧翻砂模型已为所知。这种方法的情况，若要使翻砂模型在短时间内升到超过100℃的所规定温度，只要将模具的温度升至高于该目标温度即可。但是，这种情况，与模具接触的翻砂模型表面短时间中超过目标温度，而翻砂模型内部的温度不能很快升高，生成翻砂模型表面和内部的温差。因此，为使翻砂模型表面附近达到目标温度而控制加热温度或者是加热时间，在翻砂模型内部硫酸化合物的水和量变得比目标值多，或者是成为无水物，翻砂模型各部分的硫酸化合物的水和量变得不同得不到均匀强度的翻砂模型。因此，使翻砂模型整体的硫酸化合物具有相同的水和量实现均匀的翻砂模型强度低温长时间煅烧就是必要的。
本发明的课题，在采用硫酸镁这样的硫酸化合物为粘结剂，谋求翻砂模型的快速硬化的同时，得到具有整体均匀强度的翻砂模型，而且，提高型砂的模具填充性和翻砂模型的脱模性。
发明内容
本发明是以在含有结晶水的硫酸化合物混合在较低温熔融经冷却硬化的硼酸系化合物构成无机水溶性粘结剂来解决上述课题。
也就是，本发明是通过铸造用砂的耐火性粒子状物与无机水溶性粘结剂及水的混合形成型砂造型加热成形的铸造用翻砂模型，上述无机水溶性粘结剂，其特征为含有硫酸化合物和硼酸系化合物，由上述加热，保持上述硫酸化合物至少含有一部分结晶水的状态，且上述硼酸系化合物一旦溶化后硬化。
含有结晶水的无机硫酸化合物，一般是由水和量决定其翻砂模型强度的不同，成为无结晶水物时就成为无强度的了。在本发明中，由于这个硫酸化合物的至少保持一部分结晶水的状态下该粘结剂硬化，翻砂模型的强度变高。另一方面，如先所述，硫酸化合物的水和量，换句话说，由硫酸化合物决定的翻砂模型强度，依赖于加热温度，如果煅烧时的翻砂模型温度分布不均匀，随其翻砂模型各部分的强度也就不均匀。
对此，在本发明中，上述硼酸系化合物由上述加热一旦熔融，然后冷却固化，由此发现了翻砂模型强度。因此，谋求提高加热温度速硬翻砂模型时，即便是由硫酸化合物的水和量的偏差在翻砂模型中生成强度低下部分，其强度不足由硼酸系化合物补足，对翻砂模型各部分的强度均一化是有利的。
也就是，煅烧后翻砂模型温度高时的强度从上述硫酸化合物发现，由此，可以在高温下给这个翻砂模型脱模。另一方面，硼酸系化合物在煅烧时，由其在较低温熔融冷却后发现强度而给予翻砂模型快速硬化的特性。还有，翻砂模型冷却后的强度是从硫酸化合物和硼酸系化合物两方发现的。
不仅如此，由于上述粘结剂含有硼酸系化合物，也提高了翻砂模型成型后的脱模性。也就是，单独是硫酸化合物的情况下，由加热出现强度翻砂模型与模具粘结，对脱模不利。对此，含有硼酸系化合物的情况下，因为模具的温度高时与该模具接触的硼酸系化合物成为熔融状态，翻砂模型与模具的粘结变弱，其脱模性变好。
由以上所述这样，根据本发明，硼酸系化合物由于硫酸化合物而吸收了强度偏差补强了翻砂模型，较高地设定翻砂模型的加热温度缩短加热时间成为可能的同时，又由于硼酸系化合物提高了脱模性，所以对提高生产性有利，还得到了强度好的水溶性翻砂模型。
且，“无机水溶性粘结剂”，意在并不要求构成粘结剂的所有成份都为水溶性，只要是翻砂模型后模具由水的作用可以溃散，要求至少一部分成份为水溶性。
最好的是，作为上述硼酸系化合物，是选择四硼酸钠、偏硼酸钠、四硼酸二钾、硼酸锑、硼酸、硼酸镁、四硼酸锂、硼酸铝、硼酸锰中的一种，或者是采用从它们中间选择的两种以上的组合。最好的是，作为四硼酸钠采用十水和物或者是无水物，而作为偏硼酸钠、四硼酸二钾、硼酸锑采用四水和物，而作为四硼酸锂为五水和物，作为硼酸锰为八水和物。
包含在上述无机水溶性粘结剂的上述硼酸系化合物的比例最好在75％(质量)以下。也就是，硼酸系化合物的比例增多，由于其熔融温度低，在煅烧后温度高的时候得不到翻砂模型强度，无法脱模。还有，硼酸系化合物的比例增加的话，制成型砂时该硼酸系化合物对于水的溶解性变坏，不容易得到型砂的同时，铸造后的翻砂模型对于水的溶解性变坏，对粘结剂的分离回收以及再利用均不利。由于以上的理由，该比例最好的是75％(质量)以下。还有，硼酸系化合物的比例在0.5％(质量)以上，更好地是在1％(质量)以上。
上述各种硼酸系化合物单独和上述硫酸化合物组合的情况下，最好的是偏硼酸钠四水和物为50％(质量)以下，四硼酸二钾四水和物为75％(质量)以下，四硼酸钠十水和物、无水四硼酸钠、硼酸锑四水和物、硼酸、硼酸镁、四硼酸锂五水和物、硼酸铝以及硼酸锰八水和物为60％(质量)以下。
最好的是，上述硫酸化合物，至少是由硫酸镁、硫酸铝、硫酸钠的一种构成，分解温度为750℃以上。特别是最好的为硫酸镁。
也就是，硫酸镁在水和量为3～4的时候为坚硬安定的结晶，对确保翻砂模型的强度是有利的。还有，当变成无水物时熔点为1185℃，例如在铸造铝合金时不产生分解也就不会劣化，而且对于水的溶解性高，有利于铸造后的再利用。
硫酸铝及硫酸钠也和硫酸镁一样具有同样的粘结剂效果，但若是和硫酸镁组合是用就会有特殊的效果。也就是，硫酸镁的3～4水和物由于吸湿容易变成强度低的7水和物，但是又由于硫酸铝可以变成水和量多的结晶，还有硫酸钠的吸湿性高，都能够防止硫酸镁的吸湿作用。
还有，硫酸镁、硫酸铝及硫酸钠，达到强度最高时的水和量时的温度相互不同。因此，适当地组合这些种类的不同的硫酸化合物使用，由于翻砂模型煅烧时的型砂温度的偏差，例如，某种硫酸化合物即便是没有得到产生最高强度的水和量的部位，在这个部位其他硫酸化合物达到最高强度的水和量，也就是不同种类的硫酸化合物处于强度互补状态，对翻砂模型整体的强度均一化有利。
上述分解温度最好的是750℃以上的理由是，防止铸造时劣化的观点。
最好的是，上述无机水溶性粘结剂，还含有磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸三钙及氯化镁中的至少一种。
也就是，磷酸二氢钠，冷却后变得非常坚硬，有利于翻砂模型强度的提高。特别是，翻砂模型在浇铸时局部变成高温，在这个部分上述硫酸化合物会变成强度低的无水物，而由这引起的翻砂模型的强度大幅度降低又由磷酸二氢钠防止。也就是，翻砂模型的耐热性提高了。但是，磷酸二氢钠具有由高温成为不溶、由玻璃化易于粘附在耐火物粒子上、潮解性，容易导致翻砂模型的吸湿劣化，所以其添加量最好控制在硫酸镁的10％(质量)以下。
磷酸三钙，由于在水分存在的情况下渐渐水和，变成[Ca3(PO4)2]3Ca(OH)2硬化，所以，在有利于防止翻砂模型的吸湿劣化的同时，提高翻砂模型的耐热性也是有利的。还有，氯化镁起到翻砂模型的快速硬化及提高耐热性。
还有，本发明，使用包含硫酸化合物和硼酸系化合物的无机水溶性粘结剂、水、铸造用砂的耐火性粒子状物混合形成的型砂的铸造用翻砂模型的制造方法，是以将上述型砂充填到翻砂模型用的模具，加热上述模具中的型砂，维持上述硫酸化合物至少含有一部分结晶水的状态且使上述硼酸系化合物熔融为特征。
因此，硫酸化合物的至少一部分在具有结晶水的状态下发现翻砂模型强度，另一方面，硼酸系化合物由一时熔融冷却后固化发现翻砂模型强度，即便是由于硫酸化合物的水和量的偏差在翻砂模型上产生强度降低的部分，其强度的不足也由硼酸系化合物补足，在可以提高加热温度而得到快速硬化的同时，在得到整体强度均一的翻砂模型上也是有利的。
并且，由于硼酸系化合物的熔融改善热传导性，也就是，向翻砂模型整体容易传热，对快速硬化、防止硫酸化合物的水和量的偏差、翻砂模型强度的均一化是有利的。还有，翻砂模型温度高时的强度是由硫酸化合物而发现的，在温度高的状态下脱模该翻砂模型是能够做到的。这时，与模具接触的硼酸系化合物处于熔融状态，翻砂模型的脱模性变好。
最好的是，保持上述模具在所规定的温度，在保持着所规定温度的模具中充填上述型砂，从该模具向上述型砂传热加热该型砂。由此，可以快速将模具内的型砂加热到所规定的温度。而且，型砂充填模具时，由于与该模具接触的硼酸系化合物的熔融而使型砂的流动性变高，有利于将型砂高密度地充填到模具的内部。
图1，是表示Worm Shot制模机的剖面图。
图2，是表示微波照射加热方式的制模机的剖面图。
图3，是表示温风加热方式的制模机的剖面图。
图4，是表示硫酸镁7水和物的DTA/TG分析结果的图。
图5，是表示硫酸镁的水和量与翻砂模型强度的关系曲线图。
图6，是表示硫酸铝的水和量与翻砂模型强度的关系曲线图。
图7，是表示硫酸镍的水和量与翻砂模型强度的关系曲线图。
图8，是表示硫酸钠的水和量与翻砂模型强度的关系曲线图。
图9，是表示硫酸锰的水和量与翻砂模型强度的关系曲线图。
图10，是表示四硼酸钠10水和物的DTA/TG分析结果的图。
图11，是模式表示使用硫酸化合物和硼酸系化合物组合的粘结剂时的翻砂模型加热时间和翻砂模型强度的关系曲线图。
具体实施例方式
以下，基于图面详细说明本发明的实施方式。
这个实施方式，是将本发明使用于合金铝铸件的铸造用翻砂模型及其制造方法，首先说明制模机。
(制模机)图1所示的制模机，是将模具(金属模型)1加热到所规定的温度，在这个空腔2中填充型砂S(以下称其为涡旋喷射(Worm Shot)制模机)。空腔2是由上模型1a和下模型1b形成，由这个上模型1a和下模型1b形成的模具1收容在盒子部件3。在盒子部件3上设置了吹头4，在吹头4上连通加压空气，从喷嘴5向空腔2内吹入型砂S，加压充填。因此，模具1内的型砂S由从模具1传来的热量加热煅烧。加热型砂S所发生的水蒸气等由消除气体装置(在图1中省略了图示，是图2中标以符号8～10的构成部分)从空腔2中除去。
图2所示的制模机，由微波照射加热型砂S进行翻砂模型的煅烧。模具1(上模型1a及下模型1b)由陶瓷形成，向空腔2填充型砂S后，在微波照射室，旋转模具1上方的搅拌器6使来自磁控管7的微波照射模具1。微波透过模具1作用在空腔2内的型砂S上。所发生的水蒸气等由吸引泵8，通过吸引罩9及吸引管10排向外部。
图3所示的制模机，是由热风加热进行翻砂模型的煅烧。在模具1上设置了热风罩11，介于热风管12将热风送到空腔2，加热型砂S。所发生的水蒸气等由吸引泵8，通过吸引罩9及吸引管10排出外部。
(型砂)型砂S，是由铸造砂(耐火性粒状物)、无机水溶性粘结剂、水混合而成。铸造砂的各粒子成为由无机水溶性粘结剂覆盖的状态。
使用的铸造砂，只要是一般所使用的铸造砂耐火性粒子，即平均粒径约0.05mm(280号(mesh))～1mm(16号(mesh))的粒子，使用任何一种都可。例如，国内产硅砂、输入硅砂、锆石矿砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、矿渣、碳砂、莫来石砂、矾土砂、耐火粘土砂、陶瓷砂、多孔质陶瓷砂、熔融陶瓷砂、各种玻璃砂、中空玻璃球状砂、各种耐火材料的粉碎物、喷粒等的金属粒状物及它们的再生品。
无机水溶性粘结剂，是以能够结合结晶水的硫酸化合物(硫酸盐)和能够由翻砂模型煅烧时的热量熔融而又由冷却而固化的硼酸系化合物为必须成份构成，还可以添加其他的辅助粘结剂或者是润滑剂。配比为铸造砂取100重量单位时，无机水溶性粘结剂为2～6重量单位，水为无机水溶性粘结剂的1/4～1/2程度即可。
—硫酸化合物—作为上述硫酸化合物，可以采用硫酸镁、硫酸铝、硫酸镍、硫酸钠、硫酸锰等能够结合结晶水的金属元素的硫酸盐。本实施方式中，单独使用了硫酸锰，或者是硫酸锰与其他硫酸化合物的组合物。硫酸化合物可以用水和物为原料，但是，用无水物为原料亦可。即便是无水物，由于铸造砂及水的拌合而吸湿变成水和物。
图4，是硫酸镁7水和物的DTA/TG(示差热·热重量)分析结果。从DTA的变化和TG的变化关系，知道了它的7水和物，在68℃时成为6水和物，180℃时变为1水和物，再到289℃成为无水物，这样就推定了113℃时成为3水和物。
图5，表示硫酸镁的水和量与翻砂模型强度的关系曲线，由以下的实验所得。也就是，硅砂(产地Flattery)100重量单位加上硫酸镁7水和物3重量单位和水2.4重量单位混合制作型砂，用这个搅拌砂制成直径30mm，长50mm的圆柱状试片，再由JISZ2601所规定的试片捣固机3次捣固成形。并且用700W微波照射试片由此加热。这时，调节微波的照射时间做成硫酸镁的水和量不同的复数个试片，测定各自的压缩强度。水和量，是将各试片加热到硫酸镁成为完全无水物时，求出这个加热前的质量差。
如图5所示，硫酸镁，发现水和量1～5时的压缩强度，并且在水和量3～4时发现高压缩强度。因此，硫酸镁的情况，以可以得到3水和物的113℃为目标进行翻砂模型的煅烧，就能够得到高强度翻砂模型。
图6，表示硫酸铝的水和量与翻砂模型强度的关系。硫酸铝在水和量为4～10的程度范围发现高压缩强度。
图7，表示硫酸镍的水和量与翻砂模型强度的关系。硫酸镍在水和量为1.7～4.1的程度范围时发现高压缩强度。
图8，表示硫酸钠的水和量与翻砂模型强度的关系。硫酸钠在水和量为0.8～1.9的程度范围时发现高压缩强度。
图9，表示硫酸锰的水和量与翻砂模型强度的关系。硫酸锰在水和量为1～2的程度范围时发现高压缩强度。
下面的表-1，是利用各种硫酸化合物做成的上述试片的微波照射时间、试片的压缩强度及各种硫酸化合物的水和量的关系。
表-1
从表-1得知，各硫酸化合物为发现高压缩强度的微波照射时间相互不同，这个微波照射时间对应于试片的加热温度，例如，硫酸镁和硫酸铝的组合，组合不同种类的硫酸化合物，知道了即便是在煅烧之际翻砂模型各部的温度产生偏差，也可以减小翻砂模型的强度偏差。
还有，翻砂模型的造型煅烧后，不直接将其用于铸造的情况，例如，硫酸锰为发现高压缩强度的三～四的水和量，由于吸湿就会变成强度低的七水和物。对此，在硫酸锰中组合硫酸铝或者是硫酸钠，由于硫酸铝或者是硫酸钠吸着水分(吸湿)，就能防止由于硫酸锰的吸湿的翻砂模型的强度劣化。
—硼酸系化合物—作为上述硼酸系化合物，可以是选择四硼酸钠、偏硼酸钠、四硼酸二钾、硼酸锑、硼酸、硼酸镁、四硼酸锂、硼酸铝、硼酸锰中的一种，或者是两种以上的组合。这时，除去硼酸，原材料使用无水物或者是水和物均可。具体地说，作为水和物可以采用四硼酸钠十水和物，偏硼酸钠四水和物，四硼酸二钾四水和物，硼酸锑四水和物，四硼酸锂五水和物，硼酸锰八水和物等。
图10，表示四硼酸钠十水和物的DTA/TG分析结果。75℃时为吸热峰值，当比这个温度再高时就成为液体。也就是，四硼酸钠十水和物的熔点为75℃。还有，偏硼酸钠四水和物的熔点为57℃很低，由于其他硼酸系化合物也成为水和物的形态等的影响，在不很高的温度下就熔融了。
因此，硼酸系化合物，由于翻砂模型煅烧时加热变成熔融状态，起到向翻砂模型整体容易传热的媒体的作用，在翻砂模型温度高的状态下脱模时，由于硼酸系化合物处于熔融状态，还起到提高脱模性的作用。并且，由于其后的冷却固化发现翻砂模型强度。还有，涡旋喷射(Worm Shot)制模机的情况，通过硼酸系化合物接触加热后的模具而熔融，起到提高型砂充填性的功能。
—硫酸化合物和硼酸系化合物组合的翻砂模型的硬化—图11，是模式表示使用该组合的粘结剂时的翻砂模型加热时间和翻砂模型强度的。
也就是，通过型砂在模具内被加热，硫酸化合物的水和量变少，伴随于此翻砂模型强度增高，由所规定的时间的加热强度达到峰值。如果加热时间再加长，硫酸化合物的水和量减少接近无水物，翻砂模型强度降低。
另一方面，硼酸系化合物，由上述加热，在较早时期(低温)熔融，由其后的冷却固化(玻璃化)发现翻砂模型强度。这个硼酸系化合物一旦熔融，不受加热时间长短的影响，发现一定的翻砂模型强度，其结果，硫酸化合物和硼酸系化合物的组合，如图11中的虚线所示，在发现硫酸化合物的峰值强度的加热时间时，翻砂模型的强度达到最高值，加热时间增加，翻砂模型强度降低，由于硼酸系化合物的作用，防止了其强度的大幅度降低。
—辅助粘结剂等—在型砂中，为了翻砂模型的强度改良、高温强度的发现、耐吸湿劣化防止、硬化性的改善、气体发生量的降低、充填性的改善可以添加了各种辅助粘结剂、其他的添加剂。以下，具体加以说明。
可以用硫酸钙(石膏)、磷酸钙或者是水泥做为翻砂模型的吸湿劣化防止剂。
可以用磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸三钙、第1磷酸铝或者是氯化镁做为提高翻砂模型的强度、吸湿劣化防止、提高耐热性等的添加剂。
且，上述磷酸三钙及氯化镁，其水和物可以做为原料使用。
可以用氧化钙、氧化镁、氢氧化钙、氢氧化铝、或者是氢氧化镁做为翻砂模型的吸湿劣化防止剂使用。
可以用碳或者是黑铅做为提高型砂填充性的润滑剂。
还有，型砂中，为了防止铸造缺陷，可以配入所规定量的氧化铁、铁粉、石炭粉、锯末(木粉)、淀粉、谷物粉、二氧化硅粉、锆石粉、橄榄石粉等。
还有，型砂中，为了改善向模具中的充填性，可以配入所规定量的二硫化钨、二硫化钼、黑铅、碳等无机润滑剂，或者是碳化氢系的、聚(亚烷基)二醇、硅系、氟素系、苯醚、磷酸酯等有机润滑剂以及界面活性剂。
还有，在得到的翻砂模型上，可以涂上酒精性定型剂、水溶性定型剂、粉末型定型剂、表面安定剂、防止毛刺用碲粉等各种定型剂。
<硫酸镁和各种硼酸系化合物的组合>
—硫酸镁和四硼酸钠十水和物—将硫酸镁和四硼酸钠十水和物按照表-2所示的组成配合，调制成这两个粘结剂成份的合计量与水的比例为3∶1的质量比的混合粘结剂溶液。这时，通过将该溶液最高加热到100℃进行搅拌，使粘结剂成份溶解。再将得到的粘结剂以铸造砂100重量单位添加4重量单位得到型砂。
做为铸造砂，使用了美国产的70号(mesh)(212μm)峰值的高纯度硅砂。造型时使用涡旋喷射(Worm Shot)制模机制作直径28mm×长度50mm的压缩试片。风压4×9.8kPa，吹风时间2秒，型砂温度60℃，模具温度140℃。吹风后进行气体清除，气体清除后进行脱模。表中的时间是气体清除的时间。压缩试片是降温到常温后进行强度测定。还有，溃散性试验，是将压缩试片在600℃进过15分钟煅烧后冷却，然后投入500ml的玻璃烧杯中的水中，测定到溃散为止的时间。
表-2
*1未测定，*2搅拌溃散表-2中，硫酸镁七水和物的配合量，当其为100重量单位时，未发现15秒气体清除时间的强度，30秒和60秒的各个气体清除时间强度为3.8(×9.8)kPa，6.7(×9.8)kPa的低值。四硼酸钠十水和物为25重量单位时的配合时，15秒的气体清除时间就可能成形，并且其强度为37.9(×9.8)kPa的极高值。四硼酸钠十水和物在100重量单位时得不到高温强度(煅烧后温度高时的强度)，所以成型物无法脱模。
从粘结剂溶液的状态看，四硼酸钠十水和物为50重量单位时可能溶解，但是，到了60重量单位后就有一部分未溶解。可是强度却在15秒气体清除时间发现。还有，溃散试验中四硼酸钠十水和物0～60重量单位时溃散。
从以上的结果，四硼酸钠十水和物到60重量单位为止(粘结剂总质量的60％为止)配合的话可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—硫酸镁七水和物和偏硼酸钠四水和物—表-3表示了硫酸镁七水和物和偏硼酸钠四水和物组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。
表-3
*1未测定，*2搅拌溃散偏硼酸钠四水和物的配合量为20重量单位时翻砂模型强度最高。且，这时偏硼酸钠四水和物的一部分未溶解。从表-3，得知偏硼酸钠四水和物的配合量到50重量单位(粘结剂的总质量的50％)为止可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—硫酸镁七水和物和四硼酸二钾四水和物—表-4表示了硫酸镁七水和物和四硼酸二钾四水和物组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。
表-4
*2搅拌溃散四硼酸二钾七水和物的配合量为10重量单位时翻砂模型强度最高。这时四硼酸二钾四水和物的一部分未溶解。从表-4，得知四硼酸二钾四水和物的配合量到75重量单位(粘结剂的总质量的75％)为止可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—硫酸镁七水和物和四硼酸钠(无水)—表-5表示了硫酸镁七水和物和四硼酸钠(无水)组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。
表-5
*1未测定，*2搅拌溃散四硼酸钠(无水)的配合量为10重量单位时翻砂模型强度最高。且，这时四硼酸钠(无水)的一部分未溶解。从表-5，得知四硼酸钠(无水)的配合量到60重量单位(粘结剂的总质量的60％)为止可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—硫酸镁七水和物和硼酸氨—表-6表示了硫酸镁七水和物和硼酸氨组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠10水和物的组合(表-2)的情况相同。
表-6
*1未测定，*2搅拌溃散硼酸氨的配合量为10重量单位时翻砂模型强度最高。硼酸氨的配合量达到25重量单位以上，出现一部分未溶解。从表-6，得知硼酸氨的配合量到60重量单位(粘结剂的总质量的60％)为止可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—硫酸镁7水和物和硼酸—表-7表示了硫酸镁七水和物和硼酸组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。
表-7
*1未测定，*2搅拌溃散硼酸的配合量为5重量单位时翻砂模型强度最高。硼酸的配合量达到10重量单位以上，出现一部分未溶解。从表-7，得知硼酸的配合量到60重量单位(粘结剂的总质量的60％)为止可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—硫酸镁七水和物和硼酸镁—表-8表示了硫酸镁七水和物和硼酸镁组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。
表-8
*1未测定，*2搅拌溃散硼酸镁的配合量为25重量单位时翻砂模型强度最高。硼酸镁的配合量达到5重量单位以上，出现一部分未溶解。从表-8，得知硼酸的配合量到60重量单位(粘结剂的总质量的60％)为止可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—硫酸镁七水和物和四硼酸锂五水和物—表-9表示了硫酸镁七水和物和四硼酸锂五水和物组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。
表-9
*1未测定，*2搅拌溃散四硼酸锂五水和物的配合量为25重量单位时翻砂模型强度最高。四硼酸锂五水和物的配合量达到5重量单位以上，出现一部分未溶解。从表-9，得知硼酸的配合量到60重量单位(粘结剂的总质量的60％)为止可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—硫酸镁七水和物和硼酸铝—表-10表示了硫酸镁七水和物和硼酸铝组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。
表-10
*1未测定，*2搅拌溃散硼酸铝的配合量为25重量单位时翻砂模型强度最高。硼酸铝的配合量达到5重量单位以上，出现一部分未溶解。从表-10，得知硼酸的配合量到60重量单位(粘结剂的总质量的60％)为止可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—硫酸镁七水和物和硼酸锰八水和物—表-11表示了硫酸镁七水和物和硼酸锰八水和物组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。
表-11
*1未测定，*2搅拌溃散硼酸锰八水和物的配合量为25重量单位时翻砂模型强度最高。硼酸锰八水和物的配合量达到5重量单位以上，出现一部分未溶解。从表-11，得知硼酸的配合量到60重量单位(粘结剂的总质量的60％)为止可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。
—两种以上的硫酸化合物、两种以上的硼酸系化合物—表-12表示了两种以上硫酸化合物组合构成粘结剂时、再有两种以上硼酸系化合物组合构成粘结剂时的水溶性翻砂模型的特性。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。
做为硫酸化合物，使用了硫酸镁七水和物、硫酸钠十水和物及硫酸铝十四～十八水和物。做为硼酸系化合物，选择了表-2～表-11中强度和溃散试验结果好的，四硼酸钠十水和物(表-2)、偏硼酸钠四水和物(表-3)及四硼酸锂五水和物(表-9)，使用各表中(表-2、表-3、表-9)所表示的最适合配合比。还有，评价了将三种硼酸系化合物各自为5重量单位的配合物。
且，硫酸镁七水和物和硫酸钠十水和物的组合物中，其配合比为75∶25，硫酸镁七水和物、硫酸钠十水和物及硫酸铝十四～十八水和物的组合物中，其配合比为50∶25∶25。
表-12
从表-12，得知即便是在组合种类不同的硫酸化合物的情况下，也可以得到水溶性快速硬化翻砂模型。与硫酸镁七水和物单独的情况相比，从15秒到60秒的翻砂模型的强度水平化了。这意味着发现强度峰值的温度不同，通过种类不同的硫酸化合物的组合，最好的硬化时间范围扩大。还有，即便是将硼酸系化合物三种配合物中也可以得到良好的水溶性快速硬化翻砂模型。
—添加氯化物的影响—表-13，是为了观察在硫酸镁七水和物和四硼酸钠十水和物的组合中，添加氯化镁六水和物对水溶性翻砂模型的特性的影响。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同，但是，还评价了气体清除时间10秒的情况的压缩强度。
表-13
根据表-13，得知将氯化镁六水和物12.5重量单位～25重量单位配合时，10秒硬化时的翻砂模型强度变高，对快速硬化有效。据这个快速硬化性，推断出是因为氯化镁六水和物比硫酸镁七水和物的水和量少的影响。
—添加磷酸化合物的影响—表-14，是为了观察在硫酸镁七水和物和四硼酸钠十水和物或者是偏硼酸钠四水和物的组合中，添加磷酸化合物对水溶性翻砂模型的特性的影响。评价条件与硫酸镁和四硼酸钠十水和物的组合(表-2)的情况相同。做为磷酸化合物，使用了磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸三钙。
表-14
*2搅拌溃散得知添加了磷酸化合物，可以取得气体清除时间15秒的快速硬化。在磷酸化合物中，磷酸二氢钠及磷酸二氢钾和硼酸系化合物一样由于加热熔融，冷却后硬化。与硼酸系化合物不同之处是熔融温度稍有提高。在硫酸镁七水和物和偏硼酸钠四水和物的组合中，达到气体清除时间60秒时的翻砂模型强度比不添加磷酸化合物(参照表-3)的情况高。
表-15，表示硫酸镁七水和物和偏硼酸钠四水和物的组合中，添加磷酸二氢钠或者是磷酸二氢钾后，模具温度为175℃时的翻砂模型强度。其他的评价条件与表-2的情况相同。
表-15
将模具的温度定为175℃，得知通过添加磷酸二氢钠或者是磷酸二氢钾，翻砂模型强度变高。且，磷酸二氢钠和磷酸二氢钾为水溶性。
—翻砂模型的吸湿劣化对策—表-16，做为防止翻砂模型吸湿劣化的辅助粘结剂，配合磷酸三钙、石膏、水泥的情况下，评价翻砂模型的强度及吸湿劣化。评价条件与表-2的情况相同，但是，吸湿劣化方面，是将翻砂模型脱模后在室内放置24小时后，测定其压缩强度进行评价。
且，磷酸三钙通过水和变成羟基磷灰石，顺次成长为坚硬的结晶。磷酸三钙是水和系粘结剂。还有，工业用磷酸三钙已经部分水和，以羟基磷灰石出售。由于磷酸三钙不溶，是分散在粘结剂溶液中使用。
表-16
即便是添加磷酸三钙、石膏及水泥任何一个的情况，在脱模后翻砂模型强度多少会有降低，而放置24小时后的强度劣化小。水和系的磷酸三钙，得知与无添加的情况相比24小时放置后的翻砂模型强度高，弥补了由于硫酸化合物吸湿性的强度劣化。
<最好的实施例及比较例>
表-17，表示了组合各种硫酸化合物、硼酸系化合物、磷酸化合物的情况的最好的实施例1～10。表-18，表示了不包含硼酸系化合物的比较例1～4。表中的粘结剂量合计栏表示的是相对于100重量单位的添加量。还有，强度等的评价条件与表-2相同。
表-17
表-18
在实施例1～10的任何一个中，气体清除时间15秒发现高翻砂模型强度，还有，实施例2以外在气体清除时间为30秒、60秒时得到高翻砂模型强度。再有，翻砂模型溃散试验的结果也良好。对此，比较例1～4的情况，气体清除时间15秒时未发现翻砂模型强度，30秒、60秒时强度也低。从这个结果，可知硼酸系化合物对翻砂模型的快速硬化及补强具有有效的效果。
还有，将上述实施例的粘结剂采用到涡旋喷射(Worm Shot)制模机的翻砂模型造型上，可能制造模具温度110℃～170℃范围内的各种翻砂模型(数百克～十几公斤)。特别是，涡旋外壳(Worm jacket)用中模(约3公斤)在25秒～40秒范围内硬化，制模机的一个循环在一分钟以内成为可能。
对此，比较例的情况，由涡旋喷射(Worm Shot)制模机制造涡旋外壳(Worm jacket)用中模(约3公斤)时，硬化需要60秒～90秒，制模机的循环需要1.5分钟～2分钟，其结果生产效率低。
权利要求
1.一种铸造用翻砂模型，是通过铸造用砂的耐火性粒子状物与无机水溶性粘结剂及水的混合形成的型砂造型加热成形的，其特征为上述无机水溶性粘结剂，含有硫酸化合物和硼酸系化合物，由上述加热，保持上述硫酸化合物至少一部分含有结晶水的状态，且上述硼酸系化合物一旦溶化后硬化。
2.根据权利要求1所述的翻砂模型，其特征为上述硼酸系化合物，是从四硼酸钠、偏硼酸钠、四硼酸二钾、硼酸锑、硼酸、硼酸镁、四硼酸锂、硼酸铝、硼酸锰中选择的一种或者是两种以上组合成的。
3.根据权利要求2所述的翻砂模型，其特征为上述无机水溶性粘结剂在上述硼酸系化合物中所含的质量比例不大于75％。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的翻砂模型，其特征为上述硫酸化合物，是由硫酸镁、硫酸铝、硫酸钠的至少一种构成，分解温度不低于750℃。
5.根据权利要求1至3中任何一项所述的翻砂模型，其特征为上述无机水溶性粘结剂，还含有磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸三钙及氯化镁中的至少一种。
6.一种铸造用翻砂模型，是利用含有硫酸化合物和硼酸系化合物的无机水溶性粘结剂、水、铸造用砂的耐火性粒子状物的混合形成的型砂成形加热而成的，其特征为将上述型砂充填到翻砂模型用的模具，加热上述模具的型砂，维持上述硫酸化合物至少含有一部分结晶水的状态且使上述硼酸系化合物熔融。
7.根据权利要求6所述的翻砂模型，其特征为将上述模具保持在所规定的温度，在保持着所规定温度的模具中充填上述型砂，从该模具向上述型砂传热，加热该型砂。
全文摘要
一种使用无机水溶性粘结剂的铸造用翻砂模型及其制造方法，为提高翻砂模型强度及脱模性，组合硫酸镁七水和物等的硫酸化合物和四硼酸钠十水和物的硼酸系化合物构成无机水溶性粘结剂，使上述硫酸化合物至少保持一部分结晶水的状态，且使上述硼酸系化合物一时熔融硬化进行翻砂模型的煅烧。
文档编号B22C1/16GK1654141SQ200510007998
公开日2005年8月17日 申请日期2005年2月16日 优先权日2004年2月12日
发明者黑川丰, 亩英生, 堀雄二, 西升一, 楠木弘明, 三浦直洋 申请人:株式会社土芳产业, 马自达汽车股份有限公司