铸件制造用结构体的制作方法

专利名称：铸件制造用结构体的制作方法
技术领域：
本发明涉及铸件制造时使用的铸型等结构体和该结构体的制造方法以及使用了该结构体的铸件的制造方法。
背景技术：
铸件是通过下述方法制造的通常是以木造模具或金属模具等为基础，通过型砂形成在内部具有模腔的铸型，同时根据需要在该模腔内配置型芯后，将熔融金属液供应到该模腔中。
在木造模具、金属模具的制造中，要求加工熟练，昂贵的设备也是必须的，而且具有昂贵且重质等缺点，而且还产生废弃处理的问题，除了批量生产的铸件以外，使用困难。另外，使用了型砂的砂型是在普通的砂中添加粘合剂，使其固化而保持形状，所以在砂的再利用中，需要再生处理工序。另外，在再生处理时，还产生生成粉尘等废弃物的问题。此外，在通过砂型制造型芯时，除了上述问题之外，由于型芯自身的重量而难以使用，此外，还要求具有浇铸时的强度保持和浇铸后的型芯除去性这样的相反的性能。
作为解决这样的课题的技术，已知有通过例如纸等有机纤维物将铸型中使用的部件进行成形的技术(参照实开平6-86843号公报)；以无机纤维为主成分，在其中添加树脂作为粘结剂而成形的技术(参照特开平10-5931号公报)；或者在纤维素纤维中添加无机粉或无机纤维而成形的技术(参照特开平9-253792号公报)。另外，还已知一种铸型的型芯形成用组合物，该组合物包括耐热性无机粒状物、无机质和有机质的纤维状物质以及结合材料(参照特开2003-230940号公报)。

发明内容
本发明提供一种含有有机纤维、无机纤维、无机粒子和热固化性树脂的铸件制造用结构体，其中前述无机纤维是碳纤维，前述热固化性树脂是选自酚醛树脂、环氧树脂和呋喃树脂中的至少1种热固化性树脂。
另外，本发明还提供一种制造前述本发明的铸件制造用结构体的方法，该方法包括抄造工序，在抄造工序中使用至少含有前述有机纤维、前述无机纤维和前述无机粒子的原料浆料进行抄造。
本发明还涉及上述结构体在铸件制造用型芯中的用途。
在上述在先文献中，虽然对于轻质化、加工性、废弃材料的问题具有一定程度的效果，但是还具有以下问题1)难以得到均匀的铸型成形体，特别是对中空结构均匀成形时的成形性差；2)由于高温强度低，所以也不能充分地获得浇铸后的铸件的形状保持性；3)所得到的铸件的表面平滑性低。
本发明是鉴于上述课题而完成的，本发明的目的在于提供一种铸件制造用结构体及其制造方法，以及使用它们制造铸件的方法，其中所述铸件制造用结构体的成形性优良，轻质且在浇注时也具有足够的高温强度和形状保持性，而且所得到的铸件的形状保持性和表面平滑性也优异，而且铸造后的除去性优异。
本发明人等发现除了包含有机纤维、碳纤维和特定的热固化性树脂以外、还包括无机粒子的铸件制造用结构体可以实现上述目的。
这里，本发明的铸件制造用结构体是为了制造铸件而使用的耐火性物品，具体地可以列举出铸型、铸型的周边部件。
另外，本发明通过提供使用了前述本发明的铸件制造用结构体的铸件的制造方法，实现了前述目的。
以下，基于其优选的实施方案对本发明进行说明。
本实施方案的铸件制造用结构体包括有机纤维、碳纤维、无机粒子和特定热固化性树脂。前述有机纤维、前述碳纤维、前述无机粒子和前述热固化性树脂的混合比优选为前述有机纤维/前述碳纤维/前述无机粒子/前述热固化性树脂＝10～70/1～70/10～70/5～70(重量比例)，进一步优选为10～50/2～50/20～60/5～50(重量比例)，特别优选为10～30/2～30/30～60/5～40(重量比例)。
从充分显现出添加而产生的效果的观点、以及从结构体的成形性和浇铸后结构体的除去性优异的观点出发，前述有机纤维在铸件制造用结构体中的含量优选为10重量％以上，从降低浇铸时的气体产生量而抑制铸件产生表面缺陷的观点、以及从结构体的耐热性和铸件的形状保持性优异的观点出发，优选为70重量％以下，更优选为50重量％以下，进一步优选为30重量％以下。由此，前述有机纤维在铸件制造用结构体中的比例优选为10～70重量％，更优选为10～50重量％，进一步优选为10～30重量％。
另外，从抑制由于结构体的耐热性降低而引起的热收缩、并提高铸件的形状保持性的观点、抑制气体的产生量的观点出发，前述碳纤维在铸件制造用结构体中的含量优选为1重量％以上，更优选为2重量％以上；从结构体的成形性和浇铸后的结构体的除去性优异的观点出发，前述碳纤维在铸件制造用结构体中的含量优选为70重量％以下，更优选为50重量％以下，进一步优选为30重量％以下。由此，前述碳纤维在铸件制造用结构体中的比例优选为1～70重量％，更优选为2～50重量％，进一步优选为2～30重量％。
进而，从充分显现出添加后述无机粒子所产生的效果的观点出发，前述无机粒子在铸件制造用结构体中的含量优选为10重量％以上，更优选为20重量％以上，进一步优选为30重量％以上。从结构体的成形性、铸件的形状保持性优异的观点出发，前述无机粒子在铸件制造用结构体中的含量优选为70重量％以下，更优选为60重量％以下。由此，前述无机粒子在铸件制造用结构体中的比例优选为10～70重量％，更优选为20～60重量％，进一步优选为30～60重量％。
此外，从获得的铸件的表面平滑性的观点、提高结构体的强度和形状保持性的观点出发，前述热固化性树脂在铸件制造用结构体中的含量优选为5重量％以上；从提高结构体的成形性的观点、以及降低气体产生量而抑制铸件的表面缺陷的观点出发，前述热固化性树脂在铸件制造用结构体中的含量优选为70重量％以下，更优选为50重量％以下，进一步优选为40重量％以下。由此，前述热固化性树脂组合物在铸件制造用结构体中的比例优选为5～70重量％，更优选为5～50重量％，进一步优选为5～40重量％。
本发明的特征在于将碳纤维和特定的热固化性树脂一起使用，通过这种组合，可以提高铸件制造用结构体的高温强度和形状保持性，并可以制造成形精度高而且表面平滑性优异的铸件。虽然显现出本发明的效果的理由尚不明确，但是可以推断是基于碳纤维和特定的热固化性树脂形成了某种结构的原因。据认为，特别是后述的残碳率高的热固化性树脂由于其功能高，所以显现出更显著的效果。
前述有机纤维主要是具有下述性能的成分在铸件制造用结构体中用于铸造之前的状态下成为结构体的骨架，并使铸件制造用结构体的成形性得以提高。而且，前述有机纤维是具有下述性能的成分在用于铸造时，由于熔融金属的热，前述有机纤维的一部分或全部燃烧，在铸件制造后的铸件制造用结构体的内部形成空隙而使铸件制造用结构体的除去性得以提高。
作为前述有机纤维，可以列举出纸纤维、微丝化的合成纤维、再生纤维(例如，人造丝纤维)等纤维。有机纤维可以单独使用或者选择2种以上使用。而且，在它们中，特别优选纸纤维，这是因为除了可以通过抄造成形为多种形态以外，还可以在脱水后和干燥后获得足够的强度。
作为前述纸纤维，可以列举出木材纸浆、棉浆、棉短绒浆、竹子或稻草等其它的非木材纸浆。作为纸纤维，可以单独使用它们的原浆(virgin pulp)或废纸浆，或者选择2种以上使用。从容易获得、环境保护、降低制造费用等方面出发，特别优选废纸浆。
如果考虑到铸件制造用结构体的成形性、表面平滑性、耐冲击性，前述有机纤维的平均纤维长度优选为0.3～2.0mm，特别优选为0.5～1.5mm。
前述碳纤维主要是具有下述性能的成分在铸件制造用结构体中用于铸造前的状态下成为结构体骨架，在用于铸造时不会由于熔融金属的热而燃烧，从而维持其形状。特别是，前述碳纤维是可以抑制铸件制造用结构体由于熔融金属的热而热分解之后产生的热收缩的成分。
从有效抑制铸件制造用结构体的热分解引起的收缩方面出发，作为前述碳纤维，优选使用即使在高温下也具有高强度的沥青类或聚丙烯腈(PAN)类碳纤维，特别优选PAN类碳纤维。这些碳纤维可以和石棉纤维等人造矿物纤维、陶瓷纤维、天然矿物纤维等无机纤维组合使用。
从将铸件制造用结构体抄造并脱水时的脱水性、铸件制造用结构体的成形性、均匀性的观点出发，前述碳纤维的平均纤维长度优选为0.2～10mm，特别优选为0.5～8mm。
前述碳纤维具有可以有效抑制由于铸件制造用结构体的热分解产生的热收缩的功能。
作为前述无机粒子，可以列举出硅石、氧化铝、莫来石、氧化镁、氧化锆、云母、石墨、黑曜石等耐火度为800～4000℃、优选为1000～4000℃的无机粒子，从耐热性、结构体成形时的脱模性方面出发，优选石墨。这些无机粒子可以单独使用或将2种以上一起使用。
另外，由碳当量为4.2％以下、进一步为4.0％以下的熔融金属制造铸件时，从防止结构体中含有的或者由于熔融金属的热引起的热分解所生成的碳化物膜在低碳当量的熔融金属中溶解的观点出发，进而在结构体外侧或者中空型芯内装配型砂的情况下，从防止砂附着到铸件表面、并进一步提高所得到的铸件的表面平滑性法方面等出发，作为无机粒子，优选使用耐火度为800～2000℃的无机粒子。由碳当量为4.2％以下的熔融金属制造铸件时，从软化时的粘度高，防止碳保护膜溶解到熔融金属中的效果特别高方面出发，对于铸铁而言，优选为黑曜石，对于铸钢、不锈钢而言，优选为莫来石粉末。
特别是，在本发明中，作为无机粒子，通过将黑曜石和黑曜石以外的矿物粒子(以下，称作矿物粒子)一起使用，则由使用了这种无机粒子的结构体制造而得的铸件的尺寸精度被显著提高。作为该矿物粒子，优选耐火度为1200℃以上，可以列举出硅石(耐火度为1650℃以上)、氧化铝(耐火度为1700℃以上)、莫来石(耐火度为1650℃以上)、氧化镁(耐火度为2500℃)、锆石(耐火度为2000℃以上)、铬铁矿(例如耐火度为1950℃以上)、石墨(耐火度为3300℃以上)等。另外，这些矿物粒子可以单独使用或者将2种以上一起使用。在由碳当量为4.2％以下、进一步为4.0％以下的熔融金属制造铸件的情况下，更优选将黑曜石和上述矿物粒子一起使用。因此，根据本发明，可以提供一种铸件制造用结构体，其是用于由碳当量为4.2％以下的熔融金属制造铸件的结构体，且该结构体含有有机纤维、碳纤维、无机粒子(由黑曜石和黑曜石以外的矿物粒子组合而成)和热固化性树脂。
在将黑曜石和上述矿物粒子一起使用时，根据结构体的强度以及用其制造的铸件的尺寸精度，黑曜石(1)和黑曜石以外的矿物粒子(2)的混合比为，以重量比计优选为(1)/(2)＝10/90～90/10，更优选为25/75～75/25。
这里，无机粒子的耐火度可以通过使用了塞格锥的测定方法(JISR2204)测定。另外，普通的黑曜石的耐火度是1200～1250℃。
作为无机粒子，优选使用平均粒径为200μm以下的粒子。在黑曜石和上述矿物粒子一起使用的情况下，也优选使用各平均粒径为200μm以下的粒子。另外，特别优选具有所铸造的熔融金属的浇铸温度±300℃的耐火度的无机粒子、特别是具有所铸造的熔融金属的浇铸温度±200℃的耐火度的无机粒子。
这里，无机粒子的平均粒径是，使用激光衍射式粒度分布测定装置(堀场制作所制造的LA-920)而测定的体积累积为50％的平均粒径。分析条件如下所示。
·测定方法流动法·折射率随无机粒子的不同而变化(参照LA-920附带的手册)·分散剂离子交换水+六偏磷酸钠0.1％混合·分散方法搅拌、内置超声波3分钟·试样浓度2mg/100cm3另外，作为碳当量为4.2％以下的铸件材料，可以列举出强度为铸件材料FC-300以上的铸铁、铸钢、不锈钢等。这里所述的碳当量是，对于铸铁来说，以[C(％)+Si(％)/3]给出，对于铸钢来说，以[C+(1/6)Mn+(1/24)Si+(1/40)Ni+(1/5)Cr+(1/4)Mo+(1/14)V]％给出，一般的铸造材料的碳当量在例如《铸造工学》(中江秀雄著，P20，产业图书，1995年)中有所记载。
作为前述热固化性树脂，可以列举出酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂等热固化性树脂。热固化性树脂是用于维持常温强度以及高温强度，同时提高铸件的表面粗糙度的必要成分，可以得到和涂布了砂型涂布剂的砂型相同的表面平滑度，即使不使用砂型涂布剂也是良好的。在含有使用目前的醇类砂型涂布剂等时的不容易着火干燥的有机纤维等的本发明的铸件制造用结构体中是重要性能。
从以下方面出发，在具有相关性能的前述热固化性树脂中优选使用酚醛类树脂，所述方面是产生较少的可燃气体，具有抑制燃烧的效果，热分解(碳化)后的残碳率高达25％以上，由于在铸造时形成良好的碳保护膜，所以可以得到良好的铸件表面。另外，残碳率可以通过差示热分析，在还原气氛下(氮气氛下)加热到1000℃后的残留重量求得。
作为前述酚醛树脂，可以列举出酚醛清漆树脂、甲阶酚醛树脂、双酚A以及双酚F的酚醛树脂、通过尿素、三聚氰胺、环氧等改性的改性酚醛树脂等，优选为酚醛清漆树脂、甲阶酚醛树脂、双酚A的甲阶酚醛树脂或它们的改性树脂。
在使用酚醛树脂中的前述酚醛清漆树脂作为热固化性树脂时，由于所必须的固化剂易溶于水，所以在利用湿式抄造时，特别优选在成形体的脱水后进行涂布。前述固化剂优选使用六亚甲基四胺等。
作为前述环氧树脂，可以列举出双酚A型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、脂环式环氧树脂等，优选为苯酚或邻甲酚的酚醛型环氧树脂。另外，作为该环氧树脂的固化剂，可以列举出胺、酸酐、苯酚酚醛(phenol novolac)等，优选为苯酚酚醛。根据需要，可以使用三苯基膦等固化催化剂。
作为前述呋喃树脂，可以列举出以糠醇为主原料的树脂，其可以通过甲醛或尿素等改性。另外，作为该呋喃树脂的固化剂，可以使用二甲苯磺酸、硫酸、磷酸等酸性化合物。
前述热固化性树脂，可以单独使用或选择2种以上使用，此外，还可以和丙烯酸类树脂以及聚乙烯醇类树脂等一起使用。特别是，在将本发明的铸件制造用结构体用于中空型芯中时，通过使用热固化性树脂(特别是残碳率为15％以上，更特别是25％以上)，可以得到高的高温强度，并能充分发挥出作为中空型芯的功能。
前述热固化性树脂只要满足下述条件，可以以任何形态含有对前述有机纤维、前述碳纤维或前述无机粒子进行涂布、或者粉末化或乳化之后添加到原料浆料中，或者抄造后干燥成形时，使前述有机纤维、前述碳纤维和前述无机粒子相结合；在成形体的抄造后，通过使其含浸、干燥或固化，从而提高铸件制造用结构体的强度，在浇铸时可以通过熔融金属的热而碳化，从而可以维持强度等；在之后的浇铸时，通过熔融金属的热产生碳化而形成碳保护膜，从而可以有助于维持铸件制造用结构体的强度和提高铸件的表面平滑性。
在本实施方案的铸件制造用结构体中，除了添加前述有机纤维、前述碳纤维、前述无机粒子和前述热固化性树脂以外，根据需要还可以以适当的比例添加聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、聚酰胺基胺环氧氯丙烷树脂等纸力强化材料、聚丙烯酰胺类等絮凝剂、着色剂等其它成分。
本实施方案的铸件制造用结构体的表面粗糙度(Ra)优选为20μm以下，特别优选为3～15μm，进一步优选为5～10μm以下。通过设定为这种表面粗糙度，可以使所得到的铸件的表面平滑性更加优异。这里，如后述的实施例所述，表面粗糙度可以通过市售的测定装置测定。
本实施方案的铸件制造用结构体的厚度可以根据其使用的部分适当设定，但是至少和熔融金属相连接的部分的厚度优选为0.2～5mm，特别优选0.4～2mm。如果厚度为0.2mm以上的话，可以得到填充型砂而造型时所要求的足够的强度，可以维持铸件制造用结构体、特别是型芯等结构体的形状功能，所以优选。另外，如果厚度为5mm以下的话，浇铸时的气体产生量被降低，而且铸件的表面缺陷也难以产生，此外，还可以缩短成形时间，降低制造费用，所以优选。
本实施方案的铸件制造用结构体在用于制造铸件前的状态下，抗弯强度优选为5MPa以上，更优选为10MPa以上。
对于本实施方案的铸件制造用结构体，在经过使用了以水为分散剂的原料浆料的抄造工序制造时，从极力抑制浇铸时的气体产生量的观点出发，在用于铸造前的状态下，含水率(重量含水率)优选为10％以下，特别优选为8％以下。
本实施方案的铸件制造用结构体，从轻质化、造型作业以及二次加工的容易程度方面出发，在用于铸造前的状态下，其比重优选为1.0以下，更优选为0.8以下。
本实施方案的铸件制造用结构体可以适用于在内面具有铸件制品形状的模腔的主模、放入该主模中使用的型芯或者流道等浇注系统部件等，但是由于本发明的铸件制造用结构体表面平滑性优异，可以得到铸件表面良好的铸件，所以优选用于主模或型芯。特别是，由于热的压缩强度也优异，具有高的形状保持性且浇铸后的除去性也优异，所以优选用作型芯，特别优选在对中空形状也具有高的形状保持性、且不需要填充型砂的中空型芯中使用。
如果在制造铸件中使用本实施方案的铸件制造用结构体，如以往那样所示，不一定必须通过粘合剂将填充到主模周围的型砂、以支撑为目的填充到中空型芯中的型砂固化，所以还产生型砂容易再生的优点。
接着，基于上述实施方案的铸件制造用结构体的制造方法，对本发明的铸件制造用结构体的制造方法的优选实施方案进行说明。
对于本实施方案的制造方法，制备以前述规定的配比含有前述有机纤维、前述碳纤维、前述无机粒子和前述热固化性树脂的原料浆料，通过使用该原料浆料的湿式抄造法抄造规定形状的纤维层叠体、并进行脱水、干燥而制造铸件制造用结构体。
作为前述原料浆料的分散剂，可以列举出水、白水，以及乙醇、甲醇等溶剂等，其中，从抄造、脱水的稳定性、品质的稳定性、费用、容易操作性等发面出发，特别优选水。
在前述原料浆料中，前述各纤维和无机粒子的总比例，相对于前述分散剂优选为0.1～3重量％，特别优选为0.5～2重量％。原料浆料中的前述纤维和粒子的总比例过多的话，容易产生壁厚不均。特别是，在为中空产品的情况下，内面的表面性可能变差。反之，如果过少，则可能会产生局部的薄壁部位。
在前述原料浆料中，根据需要可以以适当的比例添加前述纸力强化材料、前述絮凝剂、防腐剂等添加剂。
在前述纤维层叠体的抄造工序中使用通过将例如2个组成一组的对开模具相对接，从而在内部形成具有大致对应于该铸件制造用结构体的外形的形状且朝向外部开口的模腔的金属模具。在各对开模具上设置连通外部和模腔的多个连通孔，同时通过具有规定大小的网眼的网覆盖各对开模具的内面。然后，使用压力泵等将规定量的原料浆料注入该金属模具的模腔内，另一方面，通过前述连通孔，吸引排出液体成分，在前述网上堆积原料浆料的固态成分。前述原料浆料的加压注入压力优选为0.01～5MPa，特别优选为0.01～3MPa。
通过注入规定量的原料浆料，在前述网上形成规定厚度的纤维层叠体后，停止加压注入原料浆料，在前述模腔内压入空气，将纤维层叠体脱水为规定的含水率。
接着，将前述纤维层叠体干燥成形。在该干燥成形工序中，使用通过将一组对开模具匹配而形成具有对应于应当成形的铸件制造用结构体的外形的形状、且朝向外部开口的模腔的干燥模具。然后，将该干燥模具加热到规定温度，在该干燥模具内装填经过脱水的前述纤维层叠体。为了得到具有上述表面粗糙度的铸件制造用结构体，干燥模具的模腔的形成面的表面粗糙度(Ra)优选为15μm以下，特别优选为10μm以下，进一步优选为3μm以下。
接着，将具有弹性、伸缩自由且形成中空形状的型芯(弹性型芯)插入到前述模腔内，将加压流体供应到该型芯内，使该型芯在该模腔内膨胀。然后，将前述纤维层叠体挤压到该模腔的形成面上，一边转印该模腔的内面形状，一边干燥。型芯使用例如尿烷、含氟橡胶、硅酮类橡胶或弹性体制造的型芯。
作为使前述型芯膨胀的前述加压流体，例如可以列举出压缩空气(加热空气)、油(加热油)、其它各种液体。供应加压流体的压力优选为0.01～5MPa、特别优选为0.1～3MPa。
如果考虑到干燥时间、烧焦导致的表面性降低，则前述干燥模具的加热温度(金属模具的温度)优选为180～250℃，特别优选为200～240℃。
在前述纤维层叠体干燥后，去除前述型芯内的前述加压流体，使该型芯收缩并从该纤维层叠体取出。然后，打开前述干燥模具，取出干被燥成形的铸件制造用结构体。
为了提高强度，根据需要可以将所得到的铸件制造用结构体部分或全部用胶体二氧化硅、硅酸乙酯、水玻璃等含浸、涂布。
如此得到的铸件制造用结构体中由于有机纤维、碳纤维、无机粒子和热固化性树脂的各成分可以没有不均匀情况发生、均匀分散，所以可以抑制由热收缩引起的龟裂等的产生，并可以得到高的高温强度，而且表面平滑性也优异。
另外，前述纤维层叠体通过前述型芯从其内部挤压到干燥模具的模腔的形成面而成形，所以内表面和外表面的平滑性高。因此，在用于铸件的制造时，所得到的铸件是表面平滑性特别优异的铸件。此外，在形成中空形状或复杂的立体形状时，也不需要贴合工序，所以在最终得到的铸件制造用结构体中不存在贴合所引起的接头以及壁厚的部位。基于这一点，可以制造壁厚均匀、成形精度和机械强度高、精度高、表面的平滑性优异的铸件。因此，主模和型芯毫无疑问也适用于制造具有嵌合部和螺纹部的流道等结构体。
另外，铸件制造用结构体优选预先在150～300℃、特别优选150～250℃下进行热处理，这是因为可以促进热固化性树脂的固化。通过进行这种热处理，可以得到具有更优异的形状保持性的铸件制造用结构体。特别是，由于铸件的材料和形状而担心产生气体缺陷的的情况下，也是合适的。通过该热处理的热固化性树脂的固化度，以下述热固化性树脂的丙酮不溶性成分量计优选为30％以上，特别优选为80％以上。
前述热固化性树脂的不溶性成分量具体如下求得。
即，从前述铸件制造用结构体采选取5g试样，通过碾磨机粉碎，并精确称量重量(a)。将该粉碎试样和丙酮一起加入到容器中，充分振荡后，在常温下放置。接着，为了使前述粉碎试样不残留在前述容器中，通过滤纸(重量(c))充分过滤前述粉碎试样，将经过过滤的该粉碎试样和该滤纸一起干燥，精确称量它们(粉碎试样和滤纸)的重量(b)。然后，基于所得到的各重量(a)～(c)和前述粉碎试样中的前述固化性树脂以外的成分的理论重量(d)，从下式求得前述热固化性树脂的不溶性成分量(％)。
不溶性成分量％＝100-(a-(b-c))×100/(a-d)接着，基于本发明的铸件的制造方法的优选实施方案对本发明的铸件的制造方法进行说明。
在本实施方案的制造方法中，将按照上述那样得到的规定的铸件制造用结构体埋设在型砂内的规定位置上而进行造型。型砂可以没有特别限制地使用迄今为止在制造这种铸件时所使用的常用物质。另外，型砂可以不通过粘合剂固化，但根据需要也可以固化。铸件制造用结构体为中空型芯的情况下，不需要在型芯内部填充型砂，也可以填充型砂。
然后，从浇注口注入熔融金属，进行浇铸。此时，通过前述碳纤维和前述热固化性树脂可以维持高温强度，并可以抑制铸件制造用结构体的热分解引起的热收缩，所以几乎不会在各铸件制造用结构体上产生龟裂，或者铸件制造用结构体本身也几乎不会破损，也几乎不会产生熔融金属插入铸件制造用结构体或型砂的附着等。另外，即使使用碳当量为4.2％以下的熔融金属制造铸件时，通过该熔融金属的热将前述无机粒子软化，可以将铸件制造用结构体热分解而产生的碳与熔融金属隔离，所以可以防止碳溶解到低碳当量的熔融金属中。因此，可以维持铸件的表面平滑性，同时可以将所得到的铸件的碳当量稳定地保持在规定范围。
在浇铸结束后，冷却到规定的温度，将型箱解体而除去型砂，再通过喷砂处理除去铸件制造用结构体，从而使铸件露出。此时，由于前述有机纤维热分解，所以铸件制造用结构体的除去处理容易。之后，根据需要对铸件实施修整(trimming)处理等后处理，从而完成了铸件的制造。
本实施方案的铸件的制造方法由于使用含有前述有机纤维、前述碳纤维、前述无机粒子和前述热固化性树脂的铸件制造用结构体，所以可以通过前述碳纤维和热固化性树脂维持高温强度，且可以制造尺寸精度和表面平滑性优异的铸件。另外，当使用碳当量为4.2％以下的熔融金属而制造铸件时，通过前述无机粒子软化，也可以防止铸件制造用结构体的热分解所产生的碳化物溶解到低碳当量的熔融金属中。另外，由于前述有机纤维等的热分解，可以容易地除去结构体的内部形成空隙并进行浇铸后的该铸件制造用结构体，与以往相比，除了可以简单地进行废弃物处理以外，还可以大幅度地抑制该废弃物的产生。另外，由于不需要通过粘合剂固化型砂，所以型砂的再生处理也简单。
本发明并不限于上述的实施方案，在不脱离本发明的主旨的范围内可以适当地变化。
本发明的铸件制造用结构体如前实施方案所示，在形成立体的中空形状的铸件制造用结构体方面，优选通过湿式抄造法对成形体进行抄造，经过脱水、干燥成形工序，从而制造铸件制造用结构体；也可以将前述原料浆料造纸而形成片状成形体，并将其卷绕成为纸管，从而制造铸件制造用结构体。
另外，以干燥成形后可以得到对应于最终形状的铸件制造用结构体这样的方式进行制造是优选的，还优选通过以下方式制造在干燥后，将所得到的成形体切断而分割，可以将分割的部件之间通过嵌合或螺合等进行连接。在这种情况下，优选事先在端部或者分割部分以使其具有嵌合或螺合部的方式成形。
根据本发明，可以起到如下效果。
1.本发明的铸件制造用结构体即使在浇铸时高温强度和形状保持性也优异。因此，在使用该结构体的铸件的制造方法中，在造型时不需要通过粘合剂将型砂固化。因此，在铸造后，不需要通过机械研磨将砂再生，与以往相比，可以减少废弃物。特别是，在中空形状的型芯中使用时，不需要在型芯内填充型砂。
2.本发明的铸件制造用结构体的浇铸后的除去性良好，与以往相比，可以容易地除去铸件制造用结构体。
3.本发明的铸件制造用结构体由于轻质，所以操作处理容易。
4.本发明的铸件制造用结构体的制造方法是将含有有机纤维、无机纤维(碳纤维)、无机粒子的原料浆料抄造而制造，所以可以得到各成分没有不均匀情况发生、均匀分散的铸件制造用结构体。因此，可以抑制热收缩引起的龟裂等的产生，并可以得到高的高温强度，表面平滑性也优异。另外，在形成中空形状或复杂的立体形状时，也不需要贴合工序，所以最终得到的铸件制造用结构体的壁厚均匀且成形精度和机械强度高。因此，可以制造成形精度高、表面平滑性优异的铸件。


图1是示意地表示使用将发明的铸件制造用结构体用于中空型芯的一个实施方案而制造的铸件的立体图。
图2是示意地表示使用前述实施方案的中空型芯而制造的铸件的立体图。
符号1是中空型芯(结构体)，10是铸件。
具体实施例方式
实施例以下，通过实施例对本发明进行更具体地说明。
如下述实施例1～7和比较例1～3所示，制造表1所示的材料组成的铸件制造用结构体，测定所得到的铸件制造用结构体的重量、表面粗糙度(Ra)和热固化性树脂的不溶性成分的量，同时按下记方法评价该铸件制造用结构体的成形性。另外，使用所得到的铸件制造用结构体制造铸件，按下记方法评价铸件的形状保持性(铸件制造用结构体的形状保持性)、铸件的表面平滑性、浇铸后的铸件制造用结构体的除去性。将这些结果一并表示在表1中。
<原料浆料的制备>
以表1所示的配比将下述有机纤维、碳纤维和无机粒子分散在水中，制备约1重量％的浆料后，在该浆料中添加下述热固化性树脂粉末和适量的下述絮凝剂，从而制备原料浆料。
有机纤维新闻废纸(平均纤维长为1mm，打浆度(freeness)(CSF)为150cm3)无机纤维PAN类碳纤维(东レ(株)制造“トレカチヨツプ”，纤维长为3mm，收缩率为0.1％)无机粒子黑曜石(キンセイマテツク公司制造“ナイスキヤツチ”，平均粒径为30μm)热固化性树脂酚醛清漆树脂(旭有机材料工业(株)制造“SP1006LS”，残碳率为38％)絮凝剂聚丙烯酰胺类絮凝剂(三井サイテツク公司制造“A110”)
<铸件制造用结构体的抄造成形>
抄造模具是具有对应于φ40×100mm的模腔形成面(表面粗糙度(Ra)为0.9μm)的一对对开模具，其中在该模腔形成面上配置规定网眼的网，而且形成连通模腔形成面和外部的多个连通孔。然后，通过螺旋泵(Mohno Pump)使前述原料浆料循环，在前述抄造模具内加压注入规定量的浆料，另一方面，通过前述连通孔排水，使规定的纤维层叠体堆积在前述网的表面上。注入完规定量的原料浆料后，向在堆积了该纤维层叠体的抄造模具内供应约30秒的0.2MPa的加压空气，将该纤维层叠体脱水。在所得到的纤维层叠体的全部面上均匀地涂布由前述热固化性树脂的15％(重量比)的固化剂(六亚甲基四胺)分散到水中而形成的溶液。接着，从抄造模具取出纤维层叠体，转移到加热到220℃的干燥模具中。干燥模具是具有对应于φ40×100mm的模腔形成面的一对对开模具，该对开模具使用形成了连通该模腔形成面和外部的多个连通孔的对开模具。在干燥工序中，从前述干燥模具的上方开口部插入袋状的弹性型芯，在密闭的该干燥模具内，将加压流体(加压空气，0.2MPa)供应到该弹性型芯中，使该弹性型芯膨胀。然后，将前述纤维层叠体压入到该干燥模具的内面，一边转印该干燥模具的内面形状，一边将该纤维层叠体干燥。进行规定时间(180秒)的加压干燥后，去除前述弹性型芯中的加压流体，使该弹性型芯收缩，使其从前述干燥模具中退出。然后，从前述干燥模具取出所得到的成形体并进行冷却，得到以图1所示的形态、具有表1所示的组成的重量约为7g，壁厚为1.2mm的中空型芯1。
<铸件的制造>
通过型砂将对应于图2所示的直管状的铸件10的具有模腔的主模进行造型，在其中，配置所得到的φ40×100mm的前述中空型芯1，并在中空型芯1中，不填充型砂而进行造型，通过铸件材料FC-300，在浇铸温度1380℃下制造铸件。
干燥成形后的铸件制造用结构体的表面粗糙度通过テ一ラ一ホブソン公司制造的“Surtronic 10”测定。
铸件制造用结构体的热固化性树脂不溶性成分量是基于上述测定方法在下述条件下测定。
溶剂丙酮(50g)容器100cm3的螺管振荡时间10分钟放置时间常温下12小时干燥温度60℃干燥时间30分钟[铸件制造用结构体的成形性的评价]目视判断干燥成形后的铸件制造用结构体的形状，通过以下三个阶段评价其成形性。
○干燥模具的形状可以被尺寸精度良好地转印。
△尺寸精度差，但干燥模具的形状可以大致被转印。
×干燥模具的形状几乎不能被转印。
目视判断铸造后的铸件的形状保持性，并通过下述四个阶段评价。
◎铸件制造用结构体的形状可以被尺寸精度非常好地转印。
○铸件制造用结构体的形状可以被尺寸精度良好地转印。
△尺寸精度差，但铸件制造用结构体的形状可以大致上被转印。
×铸件制造用结构体的形状几乎不能被转印。
测定所得到的铸件的与前述铸件制造用结构体相接触的部分的表面粗糙度(Ra)，通过下述三个阶段评价表面的平滑性。另外，表面粗糙度通过テ一ラ一ホブソン公司制造的“Surtronic 10”测定。
○15μm以下△超过15但低于50μm×50μm以上[铸造后的铸件制造用结构体的除去性的评价]铸造后的铸件制造用结构体的除去性通过下述三个阶段评价。
○可以容易地除去。
△除去稍难。
×难以除去。
除了将黑曜石改变为合成莫来石MM(平均粒径为30μm)以外，按照与实施例1同样的步骤得到重量为7g、厚度为1.2mm的中空型芯。然后，除了使用该中空型芯，将铸件材料设定为SC-460，将浇铸温度设定为1550℃以外，按照与实施例1同样的步骤铸造铸件。
除了使用下述碳纤维作为无机纤维以外，按照与实施例1同样的步骤得到重量为7g、厚度为1.2mm的中空型芯。然后，使用该中空型芯，按照与实施例1同样的步骤铸造铸件。
碳纤维沥青类碳纤维(吴羽化学工业制造“クレカチヨツプT-106”，纤维长度为4mm，收缩率为1.5％)[实施例4]除了使用市售的甲阶酚醛(phenol resol)树脂(残碳率为35％)作为热固化性树脂以外，按照与实施例1同样的步骤得到重量为7g、厚度为1.2mm的中空型芯。然后，使用该中空型芯，按照与实施例1同样的步骤铸造铸件。

按照与实施例1同样的步骤形成具有对应于图2所示的直管状的铸件10的模腔的主模，从而得到厚度为1.2mm，重量为9g的主模。然后，使用该主模，按照与实施例1同样的步骤铸造铸件。
在氮气氛、200℃下，对实施例1的中空型芯进行1小时热处理后，按照与实施例1同样的步骤铸造铸件。
使用鳞片状石墨-185(供应商不二矿材(株)，平均粒径为80μm)作为无机粒子，使用邻甲酚酚醛型环氧树脂/酚醛清漆树脂作为热固化性树脂，以表1所示的配比按照与实施例6同样的步骤得到厚度为1.2mm、重量为7g的中空型芯。然后，除了使用该中空型芯，将铸件材料设定为FCD-600，将浇铸温度设定为1380℃以外，按照与实施例1同样的步骤铸造铸件。
除了将铸件制造用结构体的材料组成改变为表1所示的组成以外，按照与实施例1同样的步骤铸造铸件。
除了将铸件制造用结构体的材料组成改变为表1所示的组成以外，按照与实施例1同样的步骤得到中空型芯。使所得到的中空型芯进一步含浸聚乙烯醇，得到重量为7g，厚度为1.2mm的中空型芯。使用该中空型芯，按照与实施例1同样的步骤铸造铸件。
使用以弗拉特里(Flattery)砂作为原料砂的贝壳砂(shell sand)，制造形状和实施例1相同的中空型芯(重量约200g)，按照与实施例1同样的步骤铸造铸件。
表1

如表1所示，在实施例1～7中，铸件制造用结构体的成形性也良好、轻质，浇铸成与比较例3同等以上之后的铸件制造用结构体的形状保持性和表面平滑性也良好。此外，实施例1～7的任何一种的抄造后的铸件制造用结构体的除去性也良好。相对于此，对于不添加无机粒子的比较例1，虽然铸件制造用结构体可以成形，但是所得到的铸件的形状保持性、表面平滑性差。另外，对于不使用热固化性树脂的比较例2，虽然铸件制造用结构体可以成形，但是高温强度不足，所以铸件的形状保持性和表面平滑性也差。
如下述实施例8～16和比较例4～6那样，制造表2所示的材料组成的铸件制造用结构体，测定所得到的铸件制造用结构体的重量、表面粗糙度(Ra)和热固化性树脂的不溶性成分量，并且和上述同样地评价该铸件制造用结构体的成形性。另外，使用所得到的铸件制造用结构体制造铸件，和上述同样地评价铸件的表面平滑性、浇铸后的铸件制造用结构体的除去性，按照以下方法评价铸件的内径的尺寸精度。将这些结果一并表示在表2中。
<原料浆料的制备>
以表2所示的配比将下述有机纤维、无机纤维和无机粒子分散到水中，制备约1重量％的浆料，在该浆料中添加下述热固化性树脂粉末和适量的下述絮凝剂，制备原料浆料。
有机纤维新闻废纸(平均纤维长度为1mm，打浆度(CSF)为150cm3)无机纤维PAN类碳纤维(东レ(株)制造“トレカチヨツプ”，纤维长为3mm，收缩率为0.1％)无机粒子黑曜石(キンセイマテツク公司制造“ナイスキヤツチ”，平均粒径为30μm)矿物粒子莫来石(耐火度为1700℃，平均粒径为30μm)、氧化铝(耐火度为1775℃、平均粒径为32μm)和石墨(鳞片状石墨-185，供应商不二矿材(株)，平均粒径为80μm)热固化性树脂酚醛清漆树脂(旭有机材料工业(株)制造“SP1006LS”，残碳率为38％)絮凝剂聚丙烯酰胺类絮凝剂(三井サイテツク公司制造“A110”)<结构体的抄造成形>
通过和前述实施例1等相同的方法，得到具有图1所示的形态、表2所示的组成的重量的壁厚为1.2mm的中空型芯1。
<铸件的制造>
通过型砂对具有对应于图2所示的直管状铸件10的模腔的主模进行造型，在其中，配置所得到的φ40×100mm的前述中空型芯1，在型芯1中不填充型砂地进行造型，通过表2所示的铸件材料、浇铸温度制造铸件。
将由上述铸造法得到的铸件10纵向设置在平台上，通过内径尺寸测定仪(LED尺寸测定传感器，キ一エンス公司制造)，在圆筒内部的上部、中央部和下部的3点测定中空部的内径，根据各自相对于正圆(这种情况下是直径40mm的圆)的差评价内径的尺寸精度。即，在铸件10中，真空部为正圆时，内径尺寸的误差为0，越接近0，表示尺寸精度越高。在表2中记载有差的最大值和最小值的范围。
除了将结构体的材料组成改变为表2所示的组成以外，和实施例8同样地铸件铸件。
除了将结构体的材料组成改变为表2所示的组成以外，进行和实施例8同样的操作，从而得到中空型芯。使所得到的真空型芯含浸聚乙烯醇，从而得到重量为7g、厚度为1.2mm的中空型芯。使用该中空型芯，和实施例8同样地铸造铸件。
使用以弗拉特里砂作为原料砂的贝壳砂，制造形状和实施例8相同的中空型芯(重量约为200g)，和实施例8同样地铸造铸件。
表2

如表2所示，在实施例8-14中，作为结构体的中空型芯的表面粗糙度也良好、轻质，浇铸成与比较例6同等以上之后的铸件的尺寸精度和表面平滑性良好。此外，实施例8-14的任何一种抄造后的中空型芯的除去性也良好。相对于此，对于不添加无机粒子的比较例4，虽然中空型芯可以成形，但是所得到的铸件的形状保持性、表面平滑性差。另外，对于没有使用热固化性树脂的比较例5，虽然中空型芯可以成形，但是高温强度不足，所以铸件的形状保持性和表面平滑性也差。此外，实施例8～14那样使用组合了黑曜石和矿物粒子的无机粒子，与实施例15和16那样只使用矿物粒子作为无机粒子的情形相比，可以进一步提高铸件的尺寸精度和表面粗糙度。
权利要求
1.一种铸件制造用结构体，该结构体含有有机纤维、无机纤维、无机粒子和热固化性树脂，其中所述无机纤维是碳纤维，所述热固化性树脂是选自酚醛树脂、环氧树脂和呋喃树脂中的至少1种热固化性树脂。
2.根据权利要求1所记载的铸件制造用结构体，该结构体的厚度为0.2～5mm。
3.根据权利要求1或2所记载的铸件制造用结构体，该结构体的表面粗糙度Ra为20μm以下。
4.根据权利要求1～3任一项所记载的铸件制造用结构体，其中所述铸件制造用结构体为型芯。
5.根据权利要求4所记载的铸件制造用结构体，其中所述型芯是中空的。
6.根据权利要求1～5任一项所记载的铸件制造用结构体，其是用于由碳当量为4.2％以下的熔融金属制造铸件的结构体。
7.根据权利要求6所记载的铸件制造用结构体，其中所述无机粒子是耐火度为800～2000℃的无机粒子。
8.一种制造权利要求1～7任一项所记载的铸件制造用结构体的方法，该方法包括抄造工序，在抄造工序中使用至少含有所述有机纤维、所述无机纤维和所述无机粒子的原料浆料进行抄造。
9.一种制造铸件的方法，其中使用权利要求1～8任一项所记载的铸件制造用结构体。
10.使用权利要求1～8任一项所记载的铸件制造用结构体进行铸造而得到的铸件。
11.权利要求1所记载的结构体在铸件制造用型芯中的用途。
全文摘要
本发明提供一种铸件制造用结构体，该铸件制造用结构体含有有机纤维、碳纤维、无机粒子以及选自酚醛树脂、环氧树脂和呋喃树脂中的至少1种热固化性树脂。
文档编号B22C1/16GK1942262SQ20048004282
公开日2007年4月4日 申请日期2004年6月10日 优先权日2004年6月10日
发明者仲井茂夫, 津浦德雄, 高城荣政, 楠部匡, 吉田昭, 伴佳明 申请人:花王株式会社