JP4615350B2 - 鋳型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭酸ガスを硬化剤として鋳型を造型する方法において、火炎溶融法により製造された球状鋳物砂を組み合わせることにより、粘結剤添加量を低減した鋳型の製造方法に関する。

鋳型の造型に用いる粘結剤として、安全性に優れた炭酸ガスで硬化しうる有機粘結剤が注目されている。

炭酸ガスで硬化しうる有機粘結剤組成物は、例えば特許文献１に開示されている。一方、特許文献２には、減圧造型法において特定の有機系炭酸ガス硬化型粘結剤を用いて造型することにより、作業環境、鋳型砂の充填性及び鋳物品質を改善することが開示されている。
特開平２０００−１５３８９号公報 特開平９−５２１４４号公報

しかしながら、これらの方法によっても鋳型強度は十分とは言えず、それ故粘結剤添加量を多く配合する必要があり、砂再生性が悪い要因となっていた。

本発明は、粘結剤添加量を低減しても、より高い鋳型強度が得られ、かつ砂再生性も改善できる鋳型の製造方法の提供を目的とする。

本発明は、火炎溶融法で製造された球状鋳物砂に、粘結剤を添加し、炭酸ガスを吹き込むことにより造型する、鋳型の製造方法に関する。

本発明によれば、粘結剤添加量を低減しても、より高い鋳型強度が得られ、かつ砂再生性も改善できる鋳型の製造方法が提供される。

本発明では、火炎溶融法で製造された球状鋳物砂に、粘結剤を添加し、炭酸ガスを吹き込むことにより鋳型を造型することができる。具体的には、鋳物砂と粘結剤とを混練機により混練した鋳物砂を、吹き込み或いは手込めにより、型に充填した後、炭酸ガスを吹き込み、型に充填した鋳物砂を硬化させて鋳型を造型することができる。本発明に用いられる粘結剤は、炭酸ガス硬化型の粘結剤であり、有機系粘結剤や、無機系粘結剤が挙げられる。

本発明では、鋳型強度向上の観点から、減圧造型法により鋳型を造型することが好ましい。以下に、減圧造型法により造型する場合について詳細に説明する。減圧造型法としては、吸圧造型法とＶＲＨ造型法が挙げられる。

まず、吸圧造型法は鋳物砂を高い真空圧で瞬時に鋳枠中或いは中子箱に充填し、引き続き減圧下で硬化ガスを主型或いは中子に通じて硬化させ、鋳型を作製する方法である。更に詳しく説明すると、主型の造型法として、ベントプラグを有する中空になったパターンプレートの上に鋳枠を設置し、その上に鋳物砂の流出口が複数個あるホッパー内に、粘結剤を混練した鋳物砂を投入して鋳枠上に乗せ、減圧側のバルブを作動させることにより瞬時に空気を吸引すると、ホッパーの中の鋳物砂は瞬時に鋳枠に吸引充填される。更に、充填度を高めたい場合は、フィルム又は平板を鋳物砂上面に被せ、再び吸引すると良く、この場合空気中の炭酸ガスが遮断されるため鋳物砂の可使時間が延長されるなどのメリットも有する。また、中子を造型するときは、鋳型キャビティ内面にベントプラグを有する垂直割中子箱を設置し、その上に粘結剤を混練した鋳物砂を入れたホッパーを置き、減圧バルブの作動によってキャビティー内を瞬時に吸引すると、ホッパー内の鋳物砂は勢いよく中子キャビティー内に充填される。次に、炭酸ガスの通気を行うため、ガッシング蓋又はフィルムを中子箱の上に被せ、中子箱から吸引した後、炭酸ガスを供給することにより鋳物砂を硬化させる。

通気条件は特に限定されるものではないが、目安として20〜500リットル／分で、炭酸ガスの通気圧は0.1〜５気圧の範囲が好ましく、さらに好ましくは0.5〜３気圧である。また、炭酸ガスの使用量は粘結剤100重量部に対し５〜300重量部が好ましい。空洞部の減圧度も特に限定されないが、０〜0.1MPaが好ましく、さらに好ましくは0.0001〜0.04MPaである。ここではこのような造型法を吸圧造型法といい、粘結剤を用いて造型することにより、更に鋳物砂の充填性が向上し、高強度の鋳型を造型することが可能となる。また、加えて毒性のない炭酸ガスを用いて硬化する粘結剤を用いて鋳造することにより、高品質な鋳造鋳物が生産できるものである。

ＶＲＨ造型法は、粘結剤を混練した鋳物砂を模型に充填し、密閉容器内に納めた後、容器内を減圧にし鋳型内の空気を排除した後容器内の硬化ガスを導入することにより、ガスを鋳型に均一に充満させ、鋳型中の粘結剤との反応を促進することにより鋳型を均一に硬化させる方法である。本発明においては、火炎溶融法で製造された球状鋳物砂を用いることによって、粘結剤添加量を低減しても、高品質な鋳造鋳物を生産することができる。

本発明においてＶＲＨ造型法で造型する場合は、粘結剤を混練した鋳物砂を鋳型模型に充填し、密閉容器内に納めた後の減圧度は通常０〜0.05MPaが良く、実用的に好ましくは0.001〜0.01MPaが好ましい。また、その保持時間は密閉容器や真空ポンプの能力にも関係するが、通常30分間以内であり、密閉容器の真空ポンプに通ずる減圧バルブを開いて約10分間以内で0.001MPaに達し、その後、炭酸ガスで密閉容器内を置換する。それに要する時間は数秒間から数分間であり、密閉容器内の圧力を約大気圧相当にして鋳型を取り出す。ＶＲＨ造型法においても目安とする炭酸ガスの使用量は粘結剤100重量部に対し好ましくは5〜300重量部、より好ましくは20〜200重量部が適正である。

本発明の方法で使用する球状鋳物砂は、特開２００４−２０２５７７号に示されるような火炎溶融法により製造される。

本発明の球状鋳物砂の形状である球状とは、球形度０．８８以上、好ましくは０．９０以上のものをいう。球状であるか否かについては、たとえば、鋳物砂を光学顕微鏡やデジタルスコープ（たとえば、キーエンス社製、ＶＨ−８０００型）等で観察し、判定することができる。

球状鋳物砂の主成分は、従来公知の耐火物及び耐火物原料を火炎溶融法にて球状化したものが用いられ、特に限定されない。当該粉末粒子を酸素等のキャリアガスに分散させ、下記火炎中で溶融して球状化する。用いる火炎はプロパン、ブタン、メタン、天然液化ガス、ＬＰＧ、重油、灯油、軽油、微粉炭等の燃料を酸素と燃焼させることによって発生させたものや、Ｎ₂不活性ガス等を電離させて生じるプラズマジェット火炎などが使用できる。

これら耐火物及び耐火物原料の中で、耐火性や入手のしやすさなどの観点から、ＳｉＯ₂を主成分としたもの、Ａｌ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を主成分としたもの、ＭｇＯ及びＳｉＯ₂を主成分としたものが好ましい。それらの中でも特にＡｌ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を主成分としたものが好ましい。

ここで「主成分」とは、上記成分が合計量で鋳物砂全体の全成分中に６０重量％以上含有されていることをいう。主成分の含有量としては、耐火性の向上という観点から、これら成分の合計量は、球状鋳物砂の全成分中、好ましくは８５〜１００重量％、より好ましくは９０〜１００重量％である。

なお、本発明の球状鋳物砂に主成分以外の成分として含まれ得るものとしては、たとえば、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ等の金属酸化物が挙げられる。これらは、出発原料に由来するものである。

Ｆｅ₂Ｏ₃とＴｉＯ₂が含まれる場合、それらの含有量としてはそれぞれ５重量％以下が好ましい。また、Ｆｅ₂Ｏ₃の含有量は２．５重量％以下がより好ましく、２重量％以下がさらに好ましい。Ｋ₂ＯとＮａ₂Ｏが含まれる場合、それらの含有量としては合計量として３重量％以下が好ましく、より好ましくは１重量％以下である。

また、Ａｌ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂を主成分とする場合、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂重量比率は１〜１５であることが好ましい。耐火性および鋳物砂の再生効率の向上の観点から、１．２〜１２が好ましく、１．５〜９がより好ましい。また、このＡｌ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂、若しくはＳｉＯ₂のみが主成分である場合、主成分以外の成分としてＣａＯとＭｇＯが含まれ得る。その場合、球状鋳物砂の耐火性の向上の観点から、それらの含有量としては合計量として５重量％以下が好ましい。

また、ＭｇＯ及びＳｉＯ₂を主成分とする場合、ＭｇＯ／ＳｉＯ₂の重量比率は０．１〜１０が好ましい。球状化のし易さ及び耐蝕性、耐火性及び鋳物砂の再生効率の向上の観点から、０．２〜９が好ましく、０．３〜５がより好ましい。

また、このＭｇＯ及びＳｉＯ₂が主成分である場合、主成分以外の成分としてＡｌ₂Ｏ₃が含まれうる。これは原料に由来するが、球状鋳物砂の耐蝕性向上の観点から含有量として１０重量％以下が好ましい。

また、本発明の球状鋳物砂の吸水率（重量％）としては、鋳型の製造の際に使用する粘結剤の鋳物砂内部への吸収による粘結剤使用量の増加の抑制や、鋳型強度の向上、混練砂の流動性等の観点から、３重量％以下が好ましく、０．８重量％以下がより好ましく、０．３重量％以下がさらに好ましい。吸水率はＪＩＳ Ａ１１０９細骨材の吸水率測定方法に従って測定することができる。

なお、球状鋳物砂の吸水率は、火炎溶融法により該砂を調製した場合、該方法以外の焼成方法により調製した砂と比べて、同じ球形度であれば、通常、吸水率は低くなる。

本発明に用いられる有機系粘結剤としては、水溶性アルカリフェノール樹脂と、ホウ酸化合物類、アルミン酸化合物類及びスズ酸化合物類から選ばれる化合物とを含有するものが挙げられる。水溶性アルカリフェノール樹脂は、フェノール系・ホルムアルデヒド樹脂、特にフェノール類・ホルムアルデヒド樹脂、ビスフェノール類・ホルムアルデヒド樹脂、或いはフェノール類・ビスフェノール類・ホルムアルデヒド共縮合樹脂が挙げられ、その製造の際に使用された水や触媒が含まれていてもよい。以下にこれらについて説明する。

フェノール系・ホルムアルデヒド樹脂のフェノール原料として、フェノール類やビスフェノール類を単独で用いたホルムアルデヒド樹脂、或いはフェノール類とビスフェノール類を同時に用いたホルムアルデヒド共縮合樹脂を調製して、所定の水溶性アルカリフェノール樹脂を得る。

フェノール類としては、フェノール、クレゾール（オルト、メタ、パラ）、レゾルシン等が挙げられ、またビスフェノール類としては、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＳ、ビスフェノールＺ等が挙げられる。

有機系粘結剤中の水溶性アルカリフェノール樹脂の含有量は、５０〜９９重量％が好ましく、７０〜９０重量％がより好ましい。

また、本発明で用いられる有機系粘結剤は、ホウ酸化合物類、アルミン酸化合物類及びスズ酸化合物類から選ばれる化合物を含有する。ホウ酸化合物類としては、ホウ酸、ホウ砂等のホウ酸化合物、ホウ酸エステル類等が挙げられる。また、アルミン酸化合物類としては、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム、アルミン酸リチウム等が挙げられる。また、スズ酸化合物類としては、スズ酸ナトリウム、スズ酸カリウム、スズ酸リチウム等が挙げられる。これらの化合物の含有量は、有機系粘結剤中、０．１〜３０重量％、更に３〜１５重量％であることが好ましい。これらの化合物は、有機系粘結剤中の樹脂、例えばアルカリ性の水溶性フェノール樹脂中に架橋形成させるために用いられる。

また、本発明で用いられる無機系粘結剤としては、ケイ酸ナトリウム等の水ガラスが挙げられる。

粘結剤としては、鋳型強度向上の観点から、有機系粘結剤が好ましい。

粘結剤は、球状鋳物砂１００重量部に対し、０．５〜２．０重量部、更に０．５〜１．５重量部を添加することが好ましい。

また、鋳型強度を更に高めるために、添加剤としてセロソルブ、カルビトール、トリエチレングリコールエーテル類等のグリコールエーテル類を樹脂の反応時又は反応終了時に添加してもよく、添加量は粘結剤１００重量部に対し０．１〜３０重量部、好ましくは５〜２０重量部である。尚、添加時期は、鋳物砂の混練調整時に添加してもよく、更にシランカップリング剤を追加してもよい。

従来、減圧造型法に用いられる鋳物砂、例えば、特開平９−５２１４４号公報（特許文献２）に記載されているような輸入珪砂、国産珪砂、アルミナサンド、ジルコンサンド、クロマイトサンド、合成ムライトサンド（セラビーズ）、オリビンサンド、金属粉末、金属酸化物粉末等）では、鋳物砂１００重量部に対して１．０重量部以下の粘結剤添加量では十分な強度を得ることはできなかった。これに対して、本発明では、鋳物砂として、火炎溶融法で製造された球状鋳物砂を使用することにより、且つ粘結剤を併用して炭酸ガス硬化させることにより、鋳型強度が飛躍的に向上するため、粘結剤添加量を大幅に低減でき、砂再生性を向上することができる。すなわち、該製法により製造された鋳型であれば、再生砂として使用するために、あまり負荷をかけなくても優れた鋳型強度を発現させることができるということである。

＜鋳物砂の種類＞
以下に、実施例及び比較例で用いた鋳物砂を説明する。

実施例１〜３、６、９〜１１
Al₂O₃とSiO₂を合計量で９７重量％含有する、Al₂O₃/SiO₂重量比率が１．７、含水率が０重量％、平均粒径が０．３１ｍｍ、長軸径／短軸径比が１．５のムライト粉末（柴田セラミックス製合成ムライト粉末）を出発原料とし、当該粉末を、酸素をキャリアガスとして用い、ＬＰＧ（プロパンガス）を対酸素比（容量比）１．１で燃焼させた火炎（約２０００℃）中に投入し、単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Al₂O₃とSiO₂を合計量で９７重量％含有しており、Al₂O₃/SiO₂重量比率が１．７、平均粒径が０．２６ｍｍ、球形度が０．９９、吸水率が０重量％、粒子密度が２．９ｇ／ｃｍ³であった。

実施例４
実施例１で使用した球状鋳物砂を、下記の再生砂の調製方法に基づいて再生処理を行い、再生砂を得た。

実施例５、８
出発原料の平均粒径を０．９ｍｍ、長軸径／短軸径比を１．７とした以外は実施例１と同様な操作で単分散した球状鋳物砂を得た。得られた鋳物砂は、Al₂O₃とSiO₂を合計量で９７重量％含有しており、Al₂O₃/SiO₂重量比率が１．７、平均粒径が０．６９ｍｍ、球形度が０．９７、吸水率が０重量％、粒子密度が２．８ｇ／ｃｍ³であった。

実施例７
実施例５で使用した球状鋳物砂を、下記の再生砂の調製方法に基づいて再生処理を行い、再生砂を得た。

比較例１〜４、８〜１０
天然珪砂としてフラタリー・シリカサンド（オーストラリア産）を用いた。

比較例５
比較例１で使用したフラタリー・シリカサンドを、下記の再生砂の調製方法に基づいて再生処理を行い、再生砂を得た。

比較例６
焼結型の球状の人造セラミック鋳物砂（商品名：セラビーズ＃７５０（伊藤忠セラテック社製））を用いた。

比較例７
アトマイズ法によって得られた溶融造粒法による人造セラミック鋳物砂（商品名：エスパール＃７５（山川産業社製））

＜再生砂の調製方法＞
新砂に表１に示した粘結剤を添加・混合し、炭酸ガスにより、減圧造型法（ＶＲＨ造型法）で硬化させ造型した鋳型を用い、鋳造（材質：ＦＣＤ-450（注湯温度は1410℃）、無塗型）し、回収した砂をクラッシャーにかけ、日本鋳造（株）製Ｍ型ロータリーリクレマーを用いて再生した（１回目の再生）。得られた再生砂に、表１に示した粘結剤を添加・混合し、炭酸ガスにより硬化させ造型した鋳型を用い、鋳造（材質：ＦＣＤ-450（注湯温度は1410℃）、無塗型）した。この鋳型から鋳物砂の回収、再生を上記同様に繰り返し、１０回再生したものを再生砂として用いた。

尚、火炎溶融法で製造された球状鋳物砂の場合は、上記再生のための造型においては、粘結剤の添加量は鋳物砂１００重量部に対して０．７重量部添加して造型を行った。一方、フラタリー珪砂の場合は、上記再生のための造型においては、樹脂添加量０．７重量部では鋳型強度が低かったので、鋳物砂１００重量部に対して３．５重量部添加して再生のための造型を行った。

＜酸消費量の測定方法＞
酸消費量は、鋳物砂に残存するアルカリ金属等のアルカリ成分量を表すものであり、日本鋳造技術協会規格：「ＪＡＣＴ試験法 Ｓ−４」に規定される「鋳物砂の酸消費量試験法」に従って測定した。再生砂においては、新砂における値に近いほど砂の再生性に優れることを表す。

＜強熱減量分の測定方法＞
強熱減量分（ＬＯＩ）は、鋳物砂に残存する、吸着水分、層間水分、結晶水分のほかに熱分解する物質および燃焼する物質の質量変化割合であり、日本鋳造技術協会規格：「ＪＡＣＴ試験法 Ｓ−２」に規定される「鋳物砂の強熱減量試験法」に従って測定した。再生砂においては、新砂における値に近いほど砂の再生性に優れることを表す。

＜評価＞
上記の鋳物砂を用いて、以下の造型法により、それぞれ表１に示した粘結剤の添加量（鋳物砂１００重量部に対する粘結剤の重量部）でテストピース（直径が５０ｍｍで高さが５０ｍｍ）の造型を行った。得られたテストピース鋳型の１時間経過後の圧縮強度を表１に示した。

（１）常圧造型法
バッチミキサーで鋳物砂と表１の粘結剤を１分間混練、テストピース８個取りのガス硬化用木型に充填後、ガス温度３０℃、通気量２０リットル／分、ガス圧力０．２ＭＰａで炭酸ガスを３０秒間通気し、鋳型（直径が５０ｍｍで高さが５０ｍｍのテストピース）を得た。

（２）吸圧造型法
ベントプラグを有する中空になったパターンプレートの上に鋳枠を設置し、その上に可使時間及び充填度を大きくさせるためポリフィルムを表１に示した粘結剤を混練した鋳物砂の上に被せ、鋳物砂の流出口が複数個あるホッパーを鋳枠上に乗せ、減圧側のバルブを作動させることにより瞬時に空気を吸引し、ホッパーの中の鋳物砂を吸引充填した。この時の減圧度は0.008MPaであった。吸引充填後は減圧度が低くなるためそのまま減圧度を保持させ、次に炭酸ガスのバルブを開き硬化ガスを送り込み、鋳型（直径が５０ｍｍで高さが５０ｍｍのテストピース）を得た。

（３）ＶＲＨ造型法
表１に示した粘結剤を混練した鋳物砂を100リットル容積の密閉容器内に入れ、0.003MPaになるように減圧し、減圧後炭酸ガスを常圧になるまで送り、密閉容器から鋳型（直径が５０ｍｍで高さが５０ｍｍのテストピース）を取り出した。この時の0.003MPaに達するまでの所要時間は３分間であり、炭酸ガスを送り込んで常圧に達するまでの所要時間は１分間であった。

なお、表１中の粘結剤は以下のものである。
・有機系粘結剤：（水溶性アルカリフェノール樹脂：７９．５重量％、硼砂：５重量％、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン：０．５重量％、フェニルモノエチレングリコールエーテル：１５重量％）
・無機系粘結剤：水ガラス

Claims (4)

1. 火炎溶融法で製造された球状鋳物砂１００重量部に対し、粘結剤０．５〜０．７重量部を添加し、炭酸ガスを吹き込む減圧造型法により造型する、鋳型の製造方法。
2. 粘結剤が有機系粘結剤である請求項１記載の鋳型の製造方法。
3. 減圧造型法が吸圧造型法又はＶＲＨ造型法である請求項１又は２記載の鋳型の製造方法。
4. 球状鋳物砂が火炎溶融法で製造された球状鋳物砂の再生砂である請求項１〜３の何れか１項記載の鋳型の製造方法。