JP3878496B2

JP3878496B2 - Mold sand and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3878496B2
Application number: JP2002054352A
Authority: JP
Inventors: 明大橋; 宏治易
Original assignee: Yamakawa Sangyo Co Ltd
Current assignee: Yamakawa Sangyo Co Ltd
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: JP2003251434A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳型用砂に関する。更に詳しくは、本発明は、鋳込み温度が高く、厚肉の大型鋳鋼品に適用しうる低膨張及び低破砕性を有し、リサイクル性に優れた鋳型用砂及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
鋳物工場において、鋳型は骨材（鋳型用砂）とバインダーとから形成される。鋳型を作製する方法として、フラン樹脂法、アルカリフェノール樹脂法及びフェノール樹脂法が知られている。フラン樹脂法は、フラン樹脂に有機酸を添加し硬化させる鋳型形成法である。アルカリフェノール樹脂法は、アルカリフェノール樹脂を有機エステルで硬化させる鋳型形成法である。フェノール樹脂法は、一般的にＲＣＳ法として知られている鋳型形成法である。
【０００３】
鋳型用砂は、一般的にシリカ砂が用いられている。しかし、シリカ砂は、熱膨張が大きく、それに伴う鋳造欠陥が発生しやすいという問題があった。更に、シリカ砂は、熱破砕性が大きく、１回の鋳造でシリカ砂の破砕により廃棄物が５〜１０％発生する。近年環境問題がクローズアップされ、鋳物工場から発生する産業廃棄物を減少させることが強く望まれているが、シリカ砂を用いる限りはその実現が困難である。
【０００４】
廃棄物を減少させるために、シリカ砂の代わりに、合成ムライトからなる砂を鋳型用砂として使用することが提案されている（特公平３−４７９４３号公報）。この公報では、合成ムライトを、スプレードライヤーにより球状砂とし、それを１６００℃付近で焼成することにより鋳型用砂を得ている。
しかしながら、上記鋳型用砂でも廃棄物の減少は不十分であった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者等は、鋭意検討の結果、鋳型用砂の表面形状に着目し、できるだけ表面の凹凸をなくし、表面を滑らかにすることで、廃棄物を減少できることを見出し本発明に至った。
【０００６】
かくして、本発明によれば、アルミナ４０〜９０重量％、シリカ６０〜１０重量％の合成ムライトを主とする球状物からなり、該球状物が、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有し、かつ６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ²／ｃｍ³）を有することを特徴とする鋳型用砂が提供される。
【０００７】
更に、本発明によれば、合成ムライトの原料を溶融させ、溶融物にエアーを吹き付けることで、アルミナ４０〜９０重量％とシリカ６０〜１０重量％からなり、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有し、かつ６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ²／ｃｍ³）を有する鋳型用砂を得ることを特徴とする鋳型用砂の製造方法が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の鋳型用砂は、アルミナ４０〜９０重量％、シリカ６０〜１０重量％の合成ムライトの砂からなる。ここで、ムライト組成の内、３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂の組成の砂はＳＫ３５（１７７０℃）以上の耐火度を有する。そのため耐火度を重視する場合、上記組成に近くなるようにアルミナとシリカの配合割合を設定することが好ましい。より好ましいアルミナとシリカの割合は、それぞれ６０〜９０重量％と４０〜１０重量％である。
【０００９】
なお、本発明の効果を阻害しない範囲で、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ₂Ｏ、ＴｉＯ₂等の他の成分が含まれていてもよい。
【００１０】
合成ムライトは、特に限定されず公知の方法により得ることができる。例えば、アルミナ、シリカ及び任意に他の成分を溶融混合して得られた塊状物を粉砕することにより得ることができる。
【００１１】
本発明の鋳型用砂は、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有していることが好ましい。３０μｍより小さい場合は通気性が低下するので好ましくなく、１１８０μｍより大きい場合は鋳物の表面が荒れるため好ましくない。好ましい粒度分布は、２１２〜１１８０μｍ（ＪＩＳ１０と１４号相当）、１５０〜８２０μｍ（ＪＩＳ２０と２８号相当）、１０６〜６００μｍ（ＪＩＳ３５と４８号相当）、７５〜４２５μｍ（ＪＩＳ６５と１００号相当）、５３〜３００μｍ（ＪＩＳ１５０と２００号相当）が挙げられる。これら粒度分布は、例えば鋳鉄又は鋳鋼品の種類（鋳鉄品、普通鋳鋼品、ステンレス鋳鋼品、高Ｍｎ鋼品等）、鋳物の大きさ、鋳物の肉厚等の鋳造条件に応じて適宜選択できる。一般的に、ＪＩＳ３５と４８号相当又は６５と１００号相当の砂が多く用いられる。
【００１２】
ここで、本発明における粒度分布は、ＪＩＳの鋳物砂の粒度試験方法（Ｚ２６０１）に準じて測定した値をいう。この方法を概略説明すると、例えば、ふるいの呼び寸法が３０μｍのふるいの上に１１８０μｍのふるいを重ね、１１８０μｍのふるいの上に原料を載せ、ロータップ型ふるい機のようなふるい分け機械を使用し、２つのふるい間に残ったものを、粒度分布３０〜１１８０μｍの鋳型用砂と称する。
【００１３】
更に、本発明の鋳型用砂は、６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ²／ｃｍ³）を有する。例えば、３００〜４２５μｍの範囲の鋳物用砂を例として説明する。この鋳物用砂の平均粒子径は３００μｍと４２５μｍの中間の３６２．５μｍであると仮定すると、表面積は１６５．５〜４９６５．５ｃｍ²／ｃｍ³の範囲となる。ここで、表面積が１８０万／ｄ（ｃｍ²／ｃｍ³）以上の場合、砂表面の凹凸が大きくなり、砂相互の接触により砂が破砕することによる廃棄物の発生量が増えるため好ましくない。この表面積は、比表面積測定器（ＢＥＬＳＯＲＰ２８ＳＡＡＵＴＯＭＡＴＩＣＧＡＳＡＤＳＯＲＰＴＩＯＮＡＰＰＡＲＡＴＵＳ：日本ベル社製）を用いて単位ｇあたりの比表面積を測定し、その比表面積に真密度を積算することで得られた値である。単位体積あたりの表面積は、１６０万／ｄ以下が好ましく、１４５万／ｄ以下がより好ましく、１３０万／ｄ以下が更に好ましく、１１０万／ｄ以下が特に好ましい。
【００１４】
また、本発明の鋳型用砂は、粒径が丸いことが好ましい。具体的には、丸さの指標である粒形係数が１．２以下であることが好ましく、１．１以下であることがより好ましい。１．２以下の場合、鋳型への充填率が向上し、かつ鋳型の通気性が向上する。更に、球に近い形状のため、砂相互の接触により生じる廃棄物の発生量を減らすことができる。
【００１５】
なお、上記粒形係数は、砂表面積測定器（ジョージ・フィッシャー社製）を用いて算出した値を意味する。すなわち、粒形係数とは１ｇ当たりの実際の砂粒の表面積を理論表面積で割った値を意味する。理論表面積とは、砂粒がすべて球であると仮定した場合の表面積をいう。従って、粒形係数が１に近いほど球に近い形状であることを表している。
【００１６】
上記鋳型用砂は、アルミナとシリカを含む合成ムライトの原料を溶融させ、溶融物にエアーを吹き付けることで得ることができる。つまり、溶融物はエアーを吹き付けられることで所定の粒度分布の粒子に溶融状態で風砕され、風砕後、溶融粒子自体の表面張力によって、所定の表面積の鋳型用砂となる。溶融方法は特に限定されず、アーク炉、るつぼ炉、誘導電気炉（高周波炉、低周波炉等）、抵抗式電気炉、反射炉、回転炉、真空溶解炉、キュポラ炉等が挙げられる。この内、操作が比較的簡便なアーク炉が好ましい。
【００１７】
鋳型用砂の粒度分布、外観等は、合成ムライトの原料の組成、溶融温度、エアー吹き付け時のエアー速度、溶融物とエアーとの接触角度で調整することができる。ここで、溶融温度は、１６００〜２２００℃の範囲であることが好ましく、エアー速度は、８０〜１２０ｍ／ｓｅｃであることが好ましく、接触角度は、６０〜９０°であることが好ましい。
【００１８】
なお、エアー吹き付け後、水冷することが好ましい。
【００１９】
更に、本発明の鋳型用砂は、所望により、鋳造時の形状を保持するためのバインダーを含んでいてもよい。バインダーとしては、フラン樹脂、フェノール樹脂、オイルウレタン樹脂、フェノールウレタン樹脂、アルカリフェノール樹脂、ケイ酸ソーダー及びベントナイトが挙げられる。このバインダーは、その種類に応じた硬化剤で硬化させる。フラン樹脂用の硬化剤としては、硫酸、リン酸、リン酸エステル、ピロリン酸等の無機酸、キシレンスルホン酸、トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸等の有機酸等が挙げられる。アルカリフェノール樹脂用の硬化剤としては、ラクトン類（例えば、プロピオンラクトン）、ギ酸エチル、ギ酸メチル、トリアセチン等の有機エステル等が挙げられる。フェノール樹脂用の硬化剤としては、ヘキサメチレンテトラミン等が挙げられる。フェノールウレタン樹脂用の硬化剤としては、トリエチルアミン、ピリジン系化合物等が挙げられる。ケイ酸ソーダー用の硬化剤としては、炭酸ガス、ダイカルシウムシリケート、有機エステル等が挙げられる。
【００２０】
なお、バインダーの使用量は、鋳型用砂の充填を妨げ、かつ鋳込み時に残存する恐れがあるので、できるだけ少ない方が好ましい。ここで、本発明の鋳型用砂は、通常用いられている天然砂と比べて、バインダーの使用量を６〜７割に減らすことができる。具体的には、バインダーの種類により相違するが、鋳型用砂１００重量部に対して、１〜３重量部使用することが好ましく、１〜１．５重量部使用することがより好ましい。
【００２１】
バインダーは、鋳型製造時に鋳型用砂と混合してもよく、予め鋳型用砂の表面の少なくとも一部をバインダーで覆っておいてもよい。
【００２２】
更に、本発明の鋳型用砂は、その表面のｐＨが所定の範囲に調整されていてもよい。具体的には、本発明の鋳型用砂は、表面のｐＨが５〜９であるが、表面を酸又はアルカリで処理することで、所定のｐＨに調整できる。例えば、バインダーとしてアルカリフェノール樹脂を使用し、硬化剤として有機エステルを使用する場合、鋳型用砂の表面のｐＨが７〜９程度のアルカリ側である場合、硬化反応がスムーズに進行する。また、バインダーがフラン樹脂、硬化剤が酸の場合、ｐＨが５〜７程度の酸側であることが好ましい。
【００２３】
ここで、使用できる酸及びアルカリとしては、硫酸、塩酸、リン酸等の酸、苛性ソーダー、ケイ酸ソーダー、水酸化カリウム等のアルカリが挙げられる。酸又はアルカリの濃度は、特に限定されないが、酸が硫酸の場合、５〜２５％程度であり、アルカリが苛性ソーダーの場合、１０〜３０％であることが好ましい。酸又はアルカリでの処理は、エアーの吹き付けと同時に吹き付けるか又はその後に鋳型用砂の表面に、水溶液の状態で吹き付ける或いは水溶液に浸漬することにより行うことができる。
【００２４】
本発明の鋳型用砂は、種々の鋳造法に使用可能である。
【００２５】
ここで、本発明の鋳型用砂は、充填率を１．７ｇ／ｃｍ³以上とすることができる。従来の天然ケイ砂が１．６ｇ／ｃｍ³程度であることと比較すると高い値である。充填率が高いことにより、得られる鋳物の表面をより滑らかにすることができる。より具体的には、ＪＩＳＢ０６５１に準拠した測定法で、表面粗さを１４．０μｍ以下とすることが可能である。
【００２６】
更に、鋳物を構成する金属としては、特に限定されず、アルミニウム、銅、鉄、ステンレス等が挙げられる。更に、本発明の鋳型用砂は、球形に近いため、高い通気度を有する。そのため、鋳込み時にバインダー等に由来するガスを鋳型外部に逃がすことが可能となる。
【００２７】
所望の形状の鋳物を形成した後、使用済みの鋳型用砂は、本発明においては容易に再生処理することができる。再生処理の方法は、特に限定されず、公知の方法をいずれも使用することができる。本発明の鋳型用砂は、合成ムライトの砂からなり、１８０万／ｄ（ｃｍ²／ｃｍ³）以下の単位体積あたりの表面積を有するため鋳型用砂同士の接触による破損や熱クラックが生じ難いので、初期の特性を維持することができる。従って、再生処理が容易である。具体的には、１０回鋳造・再生処理を繰り返しても、９９重量％以上再使用することができるという結果を得ている。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２９】
製造例
アルミナとシリカを含む合成ムライトの原料を、図１に示す鋳型用砂製造装置のアーク溶解炉１に投入した。アーク溶解炉１のホッパー２に投入された原料を、黒鉛電極３に電圧を印加することによるアーク熱で、加熱溶融させ１６００〜２２００℃の温度で溶出させた。溶融物は、空気配管５を経由した８０〜１２０ｍ／ｓｅｃのエアーが吹き付けられることで、風砕され、その後溶融物自体の表面張力により表面の凹凸が減少した粒状物６となった。この粒状物６を捕集チャンバー７中の冷却用水槽８で水冷することで鋳型用砂を得た。図中、９は集塵装置を意味する。得られた鋳型用砂の粒度分布、化学成分、ｐＨ、酸消費量及び粒形係数を、スプレードライヤーによる砂（伊藤忠セラテック社製セラビーズ♯４００）と天然ケイ砂（山川産業社製フセン５号）と共に表１と２に示す
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
更に、比表面積測定装置（ＢＥＬＳＯＲＰ２８ＳＡＡＵＴＯＭＡＴＩＣＧＡＳＡＤＳＯＲＰＴＩＯＮＡＰＰＡＲＡＴＵＳ：日本ベル社製）を用いて本発明砂とスプレードライヤーによる砂の単位ｇあたりの比表面積を測定し、その比表面積に真密度を積算することで単位体積あたりの表面積を算出した。なお、測定した砂は３００〜４２５μｍの粒度分布の砂である。また、具体的な数値は、滋賀県工業技術総合センターに依頼して得られた数値である。結果を表３に示す。
【００３３】
【表３】

【００３４】
上記表３から本発明砂は、スプレードライヤーによる砂に比べて単位体積あたりの表面積が約１／２と小さかった。これは本発明砂の表面の凹凸が少なく滑らかであるためと考えられる。本発明砂がスプレードライヤーによる砂と比べて滑らかであることは、図２の写真からもわかる。
【００３５】
実施例１
上記本発明砂、スプレードライヤーによる砂及びケイ砂を使用してフラン樹脂法により鋳型を成型した。フラン樹脂法に使用したフラン樹脂は、花王クエーカー社製３４０Ｂであり、酸硬化剤は花王クエーカー社製ＴＫ−２であり、その使用量はそれぞれ１．０重量％／砂及び４０重量％／フラン樹脂とした。また、成形時の気温は２０℃で、湿度は６０％であった。得られた鋳型の経過時間毎の圧縮強さ、表面安定度、通気度及び充填密度を測定し、結果を表４に示す。
【００３６】
【表４】

【００３７】
表４から、本発明砂をフラン樹脂法に使用した場合、スプレードライヤーによる砂及びケイ砂に比べて硬化速度が速く、極めて高い圧縮強さ及び表面安定度が得られることがわかった。特に、本発明砂は、スプレードライヤーによる砂に比べて、２４時間放置後の圧縮強さが約２倍であり、高い鋳型強度が得られている。
【００３８】
実施例２
上記本発明砂、スプレードライヤーによる砂及びケイ砂を使用してアルカリフェノール樹脂法により鋳型を成型した。アルカリフェノール樹脂法に使用したアルカリフェノール樹脂は、花王クエーカー社製Ｓ−６６０であり、有機エステル硬化剤は花王クエーカー社製ＱＸ−１４０であり、その使用量はそれぞれ１．５重量％／砂及び２０重量％／アルカリフェノール樹脂とした。また、成形時の気温は２０℃で、湿度は６０％であった。得られた鋳型の経過時間毎の圧縮強さ、表面安定度、通気度及び充填密度を実施例１と同様にして測定し、結果を表５に示す。
【００３９】
【表５】

【００４０】
表５から、本発明砂をアルカリフェノール樹脂法に使用した場合、スプレードライヤーによる砂及びケイ砂に比べて硬化速度が速く、極めて高い圧縮強さ及び表面安定度が得られることがわかった。特に、本発明砂は、スプレードライヤーによる砂に比べて、２４時間放置後の圧縮強さが１．５倍以上であり、高い鋳型強度が得られている。
【００４１】
実施例３
本発明砂、シリカサンド（三河珪石社製三河５）、再生シリカサンド（山川産業社製Ｒ５）及びクロマイトサンド（山川産業社製Ａ２０１）を使用し、バインダーとしてアルカリフェノール樹脂（花王クエーカー社製Ｓ−６６０）を使用し、有機エステル硬化剤として花王クエーカー社製ＱＸ−１４０を使用し（それらの使用量はそれぞれ１．５重量％／砂及び２０重量％／アルカリフェノール樹脂）、直径３０ｃｍ×高さ５０ｍｍの試験片を形成した。また、形成時の気温は２０℃で、湿度は６０％であった。試験片を２４時間放置してバインダーを硬化させた後、１０００℃で加熱することで鋳型用砂の熱膨張率を測定した。熱膨張率を表６に示す。
【００４２】
【表６】

【００４３】
表６から本発明砂は熱膨張率が極めて低い。そのため、熱膨張による鋳造欠陥（ベーニング、すくわれ、絞られ、鋳型折れ等）を抑制することができる。
【００４４】
実施例４
実施例１の３種の砂を使用し、フェノール樹脂法により鋳型を成型した。具体的には、各砂を１５０℃に加熱した後、フェノール樹脂を添加して混練し、１０５℃になったとき、硬化剤を添加し、更に冷風を吹き込みながら混練した。その後、流動性を高めるためステアリン酸カルシウムを添加してＲＣＳを得た。フェノール樹脂法に使用したフェノール樹脂は、旭有機材社製ＨＰ７０４５Ｋであり、硬化剤はヘキサメチレンテトラミンであり、その使用量はそれぞれ２．２重量部／１００重量部の砂及び１５重量部／１００重量部の樹脂とした。ステアリン酸カルシウムは砂１００重量部に対して、０．０５重量部使用した。また、成形時の気温は２０℃で、湿度は６０％であった。
得られたＲＣＳを用いて抗折力を測定した。結果を表７に示す。
【００４５】
【表７】

【００４６】
表７から、本発明砂は、ケイ砂と比べて約１．６倍、スプレードライヤーによる砂と比べて約１．２倍の抗折力を有していた。これは本発明砂の表面が滑らかであることに起因するものと考えられる。
【００４７】
実施例５
鋳物工場で、回収及び再生した場合の鋳型用砂の回収率を調査するために、実施例１の３種の砂、実施例３のクロマイトサンド、ジルコンサンド（オクムラセラム社製コースＣ）を、磨耗試験機（入江商会社製卓上型ボールミルＶ−２Ｍ）により粒度の変化率を測定した。粒度の変化率の測定は、ＪＡＣＴ試験法Ｓ−６（耐破砕性試験）に準拠して行なった。具体的には、４２０ｃｍ³の鋳物砂にアルミナボール（直径２０ｃｍ）を２０個入れ、回転数１１０ｒｐｍ、処理時間６０分の条件に鋳型用砂を付した後の粒度の変化率を測定した。結果を表８に示す。
【００４８】
【表８】

【００４９】
表８から、本発明砂は、ジルコンサンドに匹敵する硬さを有しており、鋳型用砂の回収及び再生に際して、その再生率が極めて高いことが想定される。
【００５０】
実施例６
１０％硫酸水溶液と共にエアーを溶融物に吹き付けること以外は、上記製造例と同様に鋳型用砂を製造した。得られた鋳型用砂のｐＨは６．２であった。この鋳型用砂を用いること以外は、実施例１と同様にして鋳型を形成した。得られた鋳型の経過時間毎の圧縮強さを測定し、その結果を表９に示す。
【００５１】
【表９】

【００５２】
表９から鋳型用砂のｐＨを酸性側に調整することで、フラン樹脂の硬化挙動が安定し、その結果２４時間後の強度を高くできることがわかった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の鋳型用砂は、耐火度が高いため、鋳込み温度１５５０〜１６５０℃の鋳鋼品でも十分耐えることができる。
【００５４】
また、低膨張性であるため、鋳造品において鋳型用砂の膨張に起因する鋳造欠陥（ベーニング、すくわれ、絞られ、鋳型折れ）が防止され、複雑な鋳造品でも寸法精度をより高めることができる。
【００５５】
更に、ほぼ球形であることから、粘結剤の量をより少なくすることができるので、経済的であるだけでなく、鋳込み後の型の崩壊性も良好である。
【００５６】
また、球形でありかつ硬い原料からなるため、回収及び再生時に破砕されないため、回収率が高くかつ粉塵の量も低減することができる。従って、作業環境を改善することができ、産業廃棄物の発生も少なく、時代のニーズに適応した、工業的価値のきわめて高い鋳型用砂である。
【図面の簡単な説明】
【図１】製造例で使用した鋳型用砂製造装置の概略図である。
【図２】本発明砂とスプレードライヤーによる砂の写真である。
【符号の説明】
１アーク溶解炉
２ホッパー
３黒鉛電極
５空気配管
６粒状物
７捕集チャンバー
８冷却用水槽
９集塵装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to sand for molds. More specifically, the present invention relates to a molding sand having a high casting temperature, low expansion and low crushability applicable to a thick large cast steel product, and excellent in recyclability, and a method for producing the sand.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
In a foundry, a mold is formed from aggregate (mold sand) and a binder. As a method for producing a mold, a furan resin method, an alkali phenol resin method, and a phenol resin method are known. The furan resin method is a mold forming method in which an organic acid is added to a furan resin and cured. The alkali phenol resin method is a mold forming method in which an alkali phenol resin is cured with an organic ester. The phenol resin method is a template forming method generally known as an RCS method.
[0003]
Silica sand is generally used as the mold sand. However, silica sand has a problem that thermal expansion is large and casting defects accompanying it are likely to occur. Furthermore, silica sand has a high heat crushability, and waste is generated by 5 to 10% by crushing silica sand in one casting. In recent years, environmental problems have been highlighted, and it is strongly desired to reduce industrial waste generated from foundries, but this is difficult to achieve as long as silica sand is used.
[0004]
In order to reduce waste, it has been proposed to use synthetic mullite sand as casting sand instead of silica sand (Japanese Patent Publication No. 3-47943). In this publication, synthetic mullite is made into spherical sand by a spray dryer, and the sand for casting is obtained by firing it at around 1600 ° C.
However, waste reduction was insufficient even with the mold sand.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have found that the waste can be reduced by focusing on the surface shape of the molding sand, eliminating the surface irregularities as much as possible, and smoothing the surface. .
[0006]
Thus, according to the present invention, the spherical material is mainly composed of synthetic mullite composed of 40 to 90% by weight of alumina and 60 to 10% by weight of silica, and the spherical material has a particle size distribution of 30 to 1180 μm, and 6 There is provided a sand for a mold having a surface area (cm ² / cm ³ ) per unit volume in a range of 10,000 / d to 1,800,000 / d (d is an average particle diameter (μm) of a sphere). .
[0007]
Furthermore, according to the present invention, the raw material of synthetic mullite is melted, and air is blown onto the melt, so that it comprises 40 to 90% by weight of alumina and 60 to 10% by weight of silica, and has a particle size distribution of 30 to 1180 μm. And obtaining sand for a mold having a surface area (cm ² / cm ³ ) per unit volume in a range of 60,000 / d to 1,800,000 / d (d is an average particle diameter (μm) of a sphere). A method for producing mold sand is provided.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The mold sand of the present invention is composed of synthetic mullite sand of 40 to 90% by weight of alumina and 60 to 10% by weight of silica. Here, among the mullite composition, sand having a composition of 3Al ₂ O ₃ .2SiO ₂ has a fire resistance of SK35 (1770 ° C.) or more. Therefore, when importance is attached to the fire resistance, it is preferable to set the blending ratio of alumina and silica so as to be close to the above composition. More preferable ratios of alumina and silica are 60 to 90% by weight and 40 to 10% by weight, respectively.
[0009]
Incidentally, within a range not impairing the effects of the present _{_{invention, Fe 2 O 3, CaO,}} MgO, K 2 O, may contain other ingredients such as TiO _2.
[0010]
Synthetic mullite is not particularly limited and can be obtained by a known method. For example, it can be obtained by pulverizing a mass obtained by melt-mixing alumina, silica and optionally other components.
[0011]
The sand for casting of the present invention preferably has a particle size distribution of 30 to 1180 μm. When the thickness is smaller than 30 μm, the air permeability is lowered, which is not preferable. Preferred particle size distributions are 212 to 1180 μm (equivalent to JIS 10 and 14), 150 to 820 μm (equivalent to JIS 20 and 28), 106 to 600 μm (equivalent to JIS 35 and 48), 75 to 425 μm (equivalent to JIS 65 and 100), 53 ˜300 μm (equivalent to JIS150 and 200). These particle size distributions can be appropriately selected according to the casting conditions such as the type of cast iron or cast steel product (cast iron product, ordinary cast steel product, stainless steel product, high Mn steel product, etc.), the size of the casting, the thickness of the casting, etc. . In general, sand corresponding to JIS 35 and 48 or 65 and 100 is often used.
[0012]
Here, the particle size distribution in the present invention refers to a value measured according to the particle size test method (Z2601) of JIS foundry sand. This method is schematically described. For example, a sieve having a nominal size of 30 μm is overlaid with a 1180 μm sieve, a raw material is placed on the 1180 μm sieve, and a screening machine such as a low-tap type sieve is used. What remains between the two sieves is referred to as mold sand having a particle size distribution of 30 to 1180 μm.
[0013]
Furthermore, the sand for molds of the present invention has a surface area (cm ² / cm ³ ) per unit volume in the range of 60,000 / d to 1,800,000 / d (d is the average particle diameter (μm) of a sphere). For example, the casting sand in the range of 300 to 425 μm will be described as an example. Assuming that the average particle size of the foundry sand is 362.5 μm, which is an intermediate between 300 μm and 425 μm, the surface area is in the range of 165.5 to 4955.5 cm ² / cm ³ . Here, when the surface area is 1.8 million / d (cm ² / cm ³ ) or more, the unevenness of the sand surface becomes large, and the amount of waste generated due to the crushing of sand due to contact between the sands is not preferable. This surface area is a value obtained by measuring the specific surface area per unit g using a specific surface area measuring device (BELSORP 28SA AUTOMATIC GAS ADSORPTION APPARATUS: manufactured by Bell Japan Co., Ltd.), and adding the true density to the specific surface area. is there. The surface area per unit volume is preferably 1.6 million / d or less, more preferably 14.45 million / d or less, still more preferably 1.3 million / d or less, and particularly preferably 1.1 million / d or less.
[0014]
Further, the sand for casting of the present invention preferably has a round particle diameter. Specifically, the particle shape factor, which is an index of roundness, is preferably 1.2 or less, and more preferably 1.1 or less. When the ratio is 1.2 or less, the filling rate into the mold is improved and the air permeability of the mold is improved. Furthermore, since the shape is close to a sphere, the amount of waste generated due to contact between sands can be reduced.
[0015]
The grain shape factor means a value calculated using a sand surface area measuring device (manufactured by George Fisher). That is, the grain shape factor means a value obtained by dividing the surface area of actual sand grains per gram by the theoretical surface area. The theoretical surface area refers to the surface area when it is assumed that the sand grains are all spheres. Therefore, the closer the particle shape factor is to 1, the closer to a sphere.
[0016]
The mold sand can be obtained by melting a raw material of synthetic mullite containing alumina and silica and blowing air onto the melt. That is, the melt is blown into a particle having a predetermined particle size distribution in a molten state by being blown with air, and after the crushing, it becomes sand for a mold having a predetermined surface area due to the surface tension of the molten particle itself. The melting method is not particularly limited, and examples include an arc furnace, a crucible furnace, an induction electric furnace (a high frequency furnace, a low frequency furnace, etc.), a resistance electric furnace, a reflection furnace, a rotary furnace, a vacuum melting furnace, a cupola furnace, and the like. Of these, an arc furnace that is relatively easy to operate is preferred.
[0017]
The particle size distribution, appearance, and the like of the mold sand can be adjusted by the composition of the raw material of synthetic mullite, the melting temperature, the air speed during air blowing, and the contact angle between the melt and air. Here, the melting temperature is preferably in the range of 1600 to 2200 ° C., the air velocity is preferably 80 to 120 m / sec, and the contact angle is preferably 60 to 90 °.
[0018]
In addition, it is preferable to water-cool after air blowing.
[0019]
Furthermore, the mold sand of the present invention may contain a binder for maintaining the shape during casting, if desired. Examples of the binder include furan resin, phenol resin, oil urethane resin, phenol urethane resin, alkali phenol resin, sodium silicate, and bentonite. This binder is cured with a curing agent according to the type. Examples of the curing agent for furan resin include inorganic acids such as sulfuric acid, phosphoric acid, phosphoric ester, and pyrophosphoric acid, and organic acids such as xylene sulfonic acid, toluene sulfonic acid, and benzene sulfonic acid. Examples of the curing agent for the alkali phenol resin include lactones (for example, propionlactone), organic esters such as ethyl formate, methyl formate, and triacetin. Examples of the curing agent for the phenol resin include hexamethylenetetramine. Examples of the curing agent for the phenol urethane resin include triethylamine and pyridine compounds. Examples of the curing agent for sodium silicate include carbon dioxide, dicalcium silicate, and organic ester.
[0020]
Note that the amount of binder used is preferably as small as possible because it hinders filling of the mold sand and may remain during casting. Here, the mold sand of the present invention can reduce the amount of binder used to 60 to 70% as compared with natural sand that is usually used. Although it changes with kinds of binder specifically, it is preferable to use 1-3 weight part with respect to 100 weight part of sand for casting_mold | template, and it is more preferable to use 1-1.5 weight part.
[0021]
The binder may be mixed with the mold sand at the time of mold production, or at least a part of the surface of the mold sand may be previously covered with the binder.
[0022]
Furthermore, the surface of the mold sand of the present invention may be adjusted to a predetermined range. Specifically, the sand for casting of the present invention has a surface pH of 5 to 9, but can be adjusted to a predetermined pH by treating the surface with acid or alkali. For example, when an alkali phenol resin is used as the binder and an organic ester is used as the curing agent, the curing reaction proceeds smoothly when the pH of the surface of the mold sand is on the alkali side of about 7-9. Moreover, when a binder is a furan resin and a hardening | curing agent is an acid, it is preferable that pH is an acid side about 5-7.
[0023]
Examples of the acid and alkali that can be used include acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, and phosphoric acid, and alkalis such as caustic soda, sodium silicate, and potassium hydroxide. The concentration of the acid or alkali is not particularly limited, but is preferably about 5 to 25% when the acid is sulfuric acid, and preferably 10 to 30% when the alkali is caustic soda. The treatment with an acid or an alkali can be performed by spraying at the same time as air or by spraying the surface of the mold sand in the form of an aqueous solution or immersing in an aqueous solution.
[0024]
The mold sand of the present invention can be used in various casting methods.
[0025]
Here, the mold sand of the present invention can have a filling rate of 1.7 g / cm ³ or more. This is a high value as compared with the conventional natural quartz sand being about 1.6 g / cm ³ . Since the filling rate is high, the surface of the resulting casting can be made smoother. More specifically, the surface roughness can be reduced to 14.0 μm or less by a measuring method based on JIS B 0651.
[0026]
Furthermore, it does not specifically limit as a metal which comprises a casting, Aluminum, copper, iron, stainless steel etc. are mentioned. Furthermore, the sand for casting of the present invention has a high air permeability because it is nearly spherical. Therefore, it is possible to escape the gas derived from the binder and the like to the outside of the mold during casting.
[0027]
After forming the casting of the desired shape, the used mold sand can be easily recycled in the present invention. The method for the regeneration process is not particularly limited, and any known method can be used. The mold sand of the present invention is made of synthetic mullite sand and has a surface area per unit volume of 1.8 million / d (cm ² / cm ³ ) or less, so that damage or thermal cracks due to contact between the mold sands hardly occur. Therefore, the initial characteristics can be maintained. Therefore, the reproduction process is easy. Specifically, it has been obtained that 99% by weight or more can be reused even if the casting / regeneration process is repeated 10 times.
[0028]
【Example】
Examples of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited to a following example.
[0029]
Production Example A raw material of synthetic mullite containing alumina and silica was put into an arc melting furnace 1 of a molding sand production apparatus shown in FIG. The raw material charged in the hopper 2 of the arc melting furnace 1 was heated and melted by arc heat generated by applying a voltage to the graphite electrode 3 and eluted at a temperature of 1600 to 2200 ° C. The melt was blown by being blown with 80 to 120 m / sec of air via the air pipe 5, and thereafter became a granular material 6 with surface irregularities reduced by the surface tension of the melt itself. The granular material 6 was water-cooled in a cooling water tank 8 in a collection chamber 7 to obtain mold sand. In the figure, 9 denotes a dust collector. The particle size distribution, chemical composition, pH, acid consumption, and particle shape factor of the obtained mold sand were determined using a spray dryer sand (Cerabeads # 400 manufactured by ITOCHU CERATECH) and natural silica sand (Fusen No. 5 manufactured by Yamakawa Sangyo Co., Ltd.). And shown in Tables 1 and 2
[Table 1]

[0031]
[Table 2]

[0032]
Furthermore, using a specific surface area measuring device (BELSORP 28SA AUTOMATIC GAS ADSORPTION APPARATUS: made by Nippon Bell Co., Ltd.), the specific surface area per unit g of the sand of the present invention and sand by a spray dryer is measured, and the true density is added to the specific surface area. Thus, the surface area per unit volume was calculated. The measured sand is sand having a particle size distribution of 300 to 425 μm. In addition, the specific values are those obtained by requesting the Shiga Prefectural Industrial Technology Center. The results are shown in Table 3.
[0033]
[Table 3]

[0034]
From Table 3 above, the sand of the present invention had a surface area per unit volume as small as about ½ compared to sand obtained by a spray dryer. This is considered to be because the surface of the sand of the present invention is smooth with few irregularities. It can be seen from the photograph in FIG. 2 that the sand of the present invention is smoother than the sand by the spray dryer.
[0035]
Example 1
A mold was molded by the furan resin method using the above-mentioned sand of the present invention, sand from a spray dryer, and silica sand. The furan resin used in the furan resin method is 340B manufactured by Kao Quaker, the acid curing agent is TK-2 manufactured by Kao Quaker, and the amounts used are 1.0% by weight / sand and 40% by weight / furan, respectively. Resin was used. The molding temperature was 20 ° C. and the humidity was 60%. The compressive strength, surface stability, air permeability, and packing density of the obtained mold for each elapsed time were measured, and the results are shown in Table 4.
[0036]
[Table 4]

[0037]
From Table 4, it was found that when the sand of the present invention was used in the furan resin method, the curing speed was faster than that of sand and silica sand by a spray dryer, and extremely high compressive strength and surface stability were obtained. In particular, the sand of the present invention has a compressive strength after being left for 24 hours, which is about twice that of sand by a spray dryer, and a high mold strength is obtained.
[0038]
Example 2
A mold was molded by the alkali phenol resin method using the sand of the present invention, sand obtained by a spray dryer, and silica sand. The alkali phenol resin used in the alkali phenol resin method is S-660 manufactured by Kao Quaker, and the organic ester curing agent is QX-140 manufactured by Kao Quaker. The amount used is 1.5% by weight / sand, respectively. 20% by weight / alkali phenol resin was used. The molding temperature was 20 ° C. and the humidity was 60%. The compression strength, surface stability, air permeability, and packing density of the obtained mold for each elapsed time were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 5.
[0039]
[Table 5]

[0040]
From Table 5, it was found that when the sand of the present invention was used in the alkali phenol resin method, the curing speed was faster than that of sand and silica sand by a spray dryer, and extremely high compressive strength and surface stability were obtained. In particular, the sand of the present invention has a compressive strength of 1.5 times or more after being left for 24 hours as compared with sand by a spray dryer, and a high mold strength is obtained.
[0041]
Example 3
The present invention sand, silica sand (Mikawa 5 manufactured by Mikawa Silica Co., Ltd.), regenerated silica sand (R5 manufactured by Yamakawa Sangyo Co., Ltd.) and chromite sand (A201 manufactured by Yamakawa Sangyo Co., Ltd.) are used, and an alkali phenol resin (S Kao Quaker S -660), QO-140 manufactured by Kao Quaker Co., Ltd. was used as the organic ester curing agent (the amounts used were 1.5% by weight / sand and 20% by weight / alkali phenol resin, respectively), 30 cm in diameter × high A test piece having a thickness of 50 mm was formed. Moreover, the temperature at the time of formation was 20 ° C., and the humidity was 60%. The test piece was allowed to stand for 24 hours to cure the binder, and then heated at 1000 ° C. to measure the coefficient of thermal expansion of the mold sand. Table 6 shows the coefficient of thermal expansion.
[0042]
[Table 6]

[0043]
From Table 6, the sand of the present invention has a very low coefficient of thermal expansion. Therefore, casting defects (vaning, scooping, squeezing, mold folding, etc.) due to thermal expansion can be suppressed.
[0044]
Example 4
Using the three kinds of sand of Example 1, a mold was molded by the phenol resin method. Specifically, after each sand was heated to 150 ° C., a phenol resin was added and kneaded. When the temperature reached 105 ° C., a curing agent was added and further kneaded while blowing cold air. Then, RCS was obtained by adding calcium stearate in order to improve fluidity. The phenol resin used in the phenol resin method is HP7045K manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd., the curing agent is hexamethylenetetramine, and the amounts used are 2.2 parts by weight / 100 parts by weight of sand and 15 parts by weight / 100, respectively. The resin was part by weight. Calcium stearate was used in an amount of 0.05 parts by weight with respect to 100 parts by weight of sand. The molding temperature was 20 ° C. and the humidity was 60%.
The bending strength was measured using the obtained RCS. The results are shown in Table 7.
[0045]
[Table 7]

[0046]
From Table 7, the sand of the present invention had a bending strength of about 1.6 times that of silica sand and about 1.2 times that of sand produced by a spray dryer. This is considered to be caused by the smooth surface of the sand of the present invention.
[0047]
Example 5
In order to investigate the recovery rate of mold sand when recovered and reclaimed at a foundry, the three types of sand of Example 1, the chromite sand of Example 3, and the zircon sand (Course C manufactured by Okumura Serum Co., Ltd.) The rate of change in particle size was measured with an abrasion tester (table type ball mill V-2M manufactured by Irie Trading Company). The change rate of the particle size was measured according to JACT test method S-6 (crush resistance test). Specifically, 20 alumina balls (diameter 20 cm) were placed in 420 cm ³ foundry sand, and the rate of change in particle size after the mold sand was attached under conditions of a rotation speed of 110 rpm and a treatment time of 60 minutes was measured. The results are shown in Table 8.
[0048]
[Table 8]

[0049]
From Table 8, it is assumed that the sand of the present invention has a hardness comparable to that of zircon sand, and the recovery rate is extremely high when the sand for molds is recovered and regenerated.
[0050]
Example 6
Mold sand was produced in the same manner as in the above production example, except that air was blown onto the melt together with a 10% sulfuric acid aqueous solution. The pH of the obtained mold sand was 6.2. A mold was formed in the same manner as in Example 1 except that this mold sand was used. The compression strength of the obtained mold for each elapsed time was measured, and the result is shown in Table 9.
[0051]
[Table 9]

[0052]
From Table 9, it was found that by adjusting the pH of the mold sand to the acidic side, the curing behavior of the furan resin was stabilized, and as a result, the strength after 24 hours could be increased.
[0053]
【The invention's effect】
Since the mold sand of the present invention has a high fire resistance, it can sufficiently withstand cast steel products having a casting temperature of 1550 to 1650 ° C.
[0054]
In addition, because of its low expansibility, casting defects (vaning, scooping, squeezing, mold breakage) due to expansion of mold sand in the cast product are prevented, and dimensional accuracy can be further improved even in complex cast products. it can.
[0055]
Furthermore, since it is substantially spherical, the amount of the binder can be reduced, so that it is not only economical, but also the mold disintegration after casting is good.
[0056]
Moreover, since it is spherical and consists of a hard raw material, it is not crushed at the time of collection | recovery and reproduction | regeneration, Therefore A collection rate is high and the quantity of dust can also be reduced. Therefore, the working sand can be improved, the generation of industrial waste is small, and it is a sand for casting having an extremely high industrial value adapted to the needs of the times.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a mold sand production apparatus used in a production example.
FIG. 2 is a photograph of the sand of the present invention and sand using a spray dryer.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Arc melting furnace 2 Hopper 3 Graphite electrode 5 Air piping 6 Granules 7 Collection chamber 8 Cooling water tank 9 Dust collector

Claims

アルミナ４０〜９０重量％、シリカ６０〜１０重量％の合成ムライトを主とする球状物からなり、該球状物が、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有し、かつ６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ²／ｃｍ³）を有することを特徴とする鋳型用砂。It is composed of a spherical material mainly composed of synthetic mullite composed of 40 to 90% by weight of alumina and 60 to 10% by weight of silica, and the spherical material has a particle size distribution of 30 to 1180 μm and 60,000 / d to 1,800,000 / d. Mold sand having a surface area (cm ² / cm ³ ) per unit volume in a range of (d is an average particle diameter (μm) of a sphere).

鋳型用砂が、ＳＫ３５（１７７０℃）以上の耐火度を有する請求項１に記載の鋳型用砂。 The molding sand according to claim 1, wherein the molding sand has a fire resistance of SK35 (1770 ° C) or higher.

鋳型用砂が、フラン樹脂、フェノール樹脂、オイルウレタン樹脂、フェノールウレタン樹脂、アルカリフェノール樹脂、ケイ酸ソーダー及びベントナイトから選択されるバインダーを含む請求項１又は２に記載の鋳型用砂。 The molding sand according to claim 1 or 2, wherein the molding sand contains a binder selected from a furan resin, a phenol resin, an oil urethane resin, a phenol urethane resin, an alkali phenol resin, sodium silicate, and bentonite.

前記球状砂が、１６００〜２２００℃の溶融温度及び８０〜１２０ｍ／ｓｅｃのエアー速度の条件下で、原料の溶融物にエアーを吹き付けることにより得られた砂である請求項１〜３のいずれか１つに記載の鋳型用砂。The spherical sand is sand obtained by blowing air on a melt of a raw material under conditions of a melting temperature of 1600 to 2200 ° C and an air speed of 80 to 120 m / sec. Mold sand as described in one.

合成ムライトの原料を溶融させ、溶融物にエアーを吹き付けることで、アルミナ４０〜９０重量％とシリカ６０〜１０重量％からなり、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有し、かつ６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ²／ｃｍ³）を有する鋳型用砂を得ることを特徴とする鋳型用砂の製造方法。By melting the raw material of synthetic mullite and blowing air on the melt, it is composed of 40 to 90% by weight of alumina and 60 to 10% by weight of silica, has a particle size distribution of 30 to 1180 μm, and 60,000 / d to 180 A method for producing mold sand, comprising obtaining mold sand having a surface area (cm ² / cm ³ ) per unit volume in a range of 10,000 / d (d is an average particle diameter (μm) of a spherical substance).

エアーの吹き付けと同時又はその後に、鋳型用砂の表面のｐＨを調整するためのアルカリ水溶液又は酸水溶液で鋳型用砂を処理する請求項５に記載の製造方法。6. The production method according to claim 5 , wherein the molding sand is treated with an alkaline aqueous solution or an acid aqueous solution for adjusting the pH of the surface of the molding sand simultaneously with or after the air blowing.

前記エアーの吹き付けが、１６００〜２２００℃の原料の溶融温度及び８０〜１２０ｍ／ｓｅｃのエアー速度の条件下で行なわれる請求項５又は６に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 5 or 6, wherein the air blowing is performed under conditions of a melting temperature of a raw material of 1600 to 2200 ° C and an air speed of 80 to 120 m / sec.