JP4003807B2 - 鋳型造型方法およびその鋳型 - Google Patents

Description

本発明は、複数種類の水溶性バインダーを粘結剤として用い、粒子状骨材により鋳型を造型する方法及びその方法により製造された鋳型に関する。

近年、崩壊性の優れた鋳型を得るために、例えば特開平１１−１２９０５４号公報に記載されたように、粘結剤として複数種の水溶性バインダーを用い、粒子状骨材により鋳型を造型する方法が提案されている。この方法においては、水溶性バインダーと粒子状骨材とを攪拌して骨材混合物を製造する。

しかしながら、この方法においては、骨材混合物を鋳型造型用空間に吹き込み充填すると、その充填密度分布が非効率的であるという問題がある。この問題は特に、複雑な形状の鋳型、即ちそれに対応する造型用空間が複雑な輪郭を有する場合に顕著である。

従って、崩壊性の優れた鋳型が得られ、しかも骨材混合物を鋳型造型用空間に効率的な充填密度分布で吹き込み充填可能な鋳型造型方法が望まれる。

本発明において「粒子状骨材」とは、珪砂、アルミナ砂、オリビン砂、クロマイト砂、ジルコン砂、ムライト砂、各種の人工砂（または人工骨材）等のうちの１種以上のものからなる耐熱性粒状物である。

本発明に係る鋳型を造型する鋳型造型方法は、
a)粒子状骨材と、粘結剤として複数種類の水溶性バインダーと、この水溶性バインダーと架橋反応を起こす架橋剤と、フェノール樹脂とを混合し且つ攪拌して発泡させることにより、流動性の骨材混合物を製造する工程と、
b)流動性の骨材混合物を鋳型造型空間に充填する充填工程と、
c)充填した流動性の骨材混合物から水分を蒸発させて、この骨材混合物を固化させることにより、固化した骨材混合物からなる鋳型を得る固化工程とを含む。

骨材混合物における水溶性バインダーの含有量は、粒子状骨材１００重量部に対して０.１乃至５．０重量部であることが好ましい。これは０．１重量部未満では充分な強度を有する鋳型が得られず、また５．０重量部を超えると、得られた鋳型が過剰な強度を有するためである。

本発明の鋳型造型方法により造型される鋳型は、例えば鉄系金属の鋳造に使用する中子である。このような中子に鉄系金属の溶湯を注入すると、水溶性バインダーは容易に揮発または分解するので、中子を鋳物から容易に除去できる。

本発明の方法における水溶性バインダーは、常温の水に可溶であり、且つ水分を蒸発させることにより固まる粘結剤であり、例えば糖類、蛋白質、樹脂などである。

糖類では、とりわけ澱粉若しくはその誘導体、及びサポニンなどの多糖類、または砂糖などのニ糖類が好ましい。但し、砂糖とはショ糖のことでブドウ糖と果糖とが1個ずつ結合した糖類である。砂糖の例としては上白糖、グラニュー糖が挙げられる。

樹脂では、けん化度８０〜９５モル％のポリビニルアルコール若しくはその誘導体、常温の水に可溶なフェノール樹脂が好ましい。一般にフェノール樹脂は有機溶剤で希釈されているが、ここでは水溶性のフェノール樹脂を用いる。

ポリビニルアルコール誘導体の例としては、酢酸基、カルボキシル基、酪酸基、シラノール基等含有ポリビニルアルコールが挙げられる。

澱粉の例としては、馬鈴薯、とうもろこし、タピオカ、及び小麦等由来のα化澱粉、デキストリンが挙げられる。澱粉誘導体の例としては、エーテル化澱粉、エステル化澱粉及び架橋澱粉が挙げられる。

本発明に用いる水溶性バインダーは入手が容易である。特にα化澱粉、デキストリン、砂糖等は安価である。

ここで、α化澱粉、デキストリン若しくはその誘導体、サポニン、砂糖、けん化度８０〜９５モル％のポリビニルアルコール若しくはその誘導体は、常温の水に可溶である。

本発明による鋳型造型方法において、骨材混合物におけるフェノール樹脂の含有量は、粒子状骨材１００重量部に対して０．０５乃至０．５０重量部であることが好ましい。即ち本発明による鋳型は、粒子状骨材１００重量部に対して０．０５乃至０．５０重量部のフェノール樹脂を含有することが好ましい。フェノール樹脂が粒子状骨材１００重量部に対して０．０５重量部未満では充分な耐熱性を有する鋳型が得られず、また０．５０重量部を超えると後述の架橋剤の効果を阻害してしまうためである。

本発明の方法において、水溶性バインダーと架橋反応を起こす架橋剤を添加することにより、水溶性バインダーで被覆され、且つ骨材を構成する粒子相互間の結合が強化され、しかも、水溶性バインダーと水分子との反応が起こりにくくなるので、造型された鋳型は高湿度下においても充分な強度特性を保つことができる。

本発明の方法に使用する架橋剤には、エステル結合による架橋をするシュウ酸、マレイン酸、コハク酸、クエン酸、ブタンテトラカルボン酸等のカルボキシル基を有する化合物及びメチルビニルエーテル−無水マレイン酸共重合体、イソブチレン−無水マレイン酸共重合体のような水溶液になるとカルボキシル基を有する化合物である。好ましくは、鋳型の造型時または注湯時において有害ガスの発生が少ないエステル結合をする架橋剤、即ちカルボキシル基を有する架橋剤を使用する。

本発明の方法における架橋剤の添加量は、水溶性バインダーに対して５〜３００重量％であることが好ましい。５重量％に満たないと架橋反応による効果が不充分であり、得られた鋳型が高湿度下におかれた場合に充分な強度を保つことができない。また３００重量％を越えても、得られた鋳型が高湿度下におかれた場合に充分な強度を保つことができるが、その効果は、３００重量％の効果と変わらない。

なお、架橋剤は水溶液として用いるのが好ましく、例えば、ブタンテトラカルボン酸、クエン酸、メチルビニルエーテル―無水マレイン酸共重合体の場合は、１０重量％以上の濃度にするとよい。

本発明の方法における架橋反応は、鋳型を鋳型造型用空間から取り出す前に、または取り出した後になす。鋳型を造型用空間から取り出した後に架橋反応を起こさせる場合には、例えば、温度２２０℃の雰囲気下で２０分程度、または温度２５０℃の雰囲気下で１０分程度、より高い温度ではより短い時間で架橋反応させるとよい。

本発明の方法のように、骨材混合物を攪拌して泡立てて、多数の微細な気泡を生じさせることにより、骨材混合物は優れた流動性を得る。骨材混合物の気泡率は、水溶性バインダーの添加量、水の添加量によって変化するが、流動性を得るためには、実験によれば５０乃至８０％が好ましい。

ここで、気泡率（％）は次式により求められる。

気泡率（％）＝｛（混合物全体の体積）−（粒子状骨材、水溶性バインダー及び水の体積）／（混合物全体の体積）｝×１００
流動性骨材混合物の発泡空気を均一に分散させることにより、流動性骨材混合物を鋳型造型用空間に加圧充填する際に、その流動性を向上させることができる。この発泡により粒子状骨材は流動して均一に分散される。

骨材混合物を発泡させるための攪拌をなす手段は、骨材混合物の成分を混合するために用いた攪拌機を兼用してもよく、それとは別の攪拌機を用いてもよい。攪拌は、発泡空気を生じさせると共に、この発泡空気を流動性骨材混合物中に均一に分散させることができる。

本発明の方法における充填工程では、固体の押圧手段によって、或いは圧縮気体によって、流動性骨材混合物を加圧することにより鋳型造型用空間に充填させてもよい。何れの場合にも、流動性骨材混合物を収容するシリンダを用いることができる。この流動性骨材混合物が投入されたシリンダに対し、ピストン（固体の押圧手段）を圧入して流動性骨材混合物をシリンダから吐出させ、鋳型造型用空間に充填することができる。或いは、このシリンダの上端開口部を気密に閉鎖し、シリンダ内に投入された流動性骨材混合物の上面に圧縮空気（圧縮気体）を供給して加圧することにより、ピストンを用いた場合と同様な充填がなせる。

本発明の方法において、充填した流動性の骨材混合物から水分を蒸発させるためには、鋳型造型用空間を構成する金型等を高温に加熱してもよく、加熱水蒸気或いはマイクロ波を流動性骨材混合物に照射してもよい。これに代えて、流動性骨材混合物を充填した鋳型造型用空間を真空環境下に放置して真空乾燥させてもよく、または鋳型造型用空間内の流動性骨材混合物を通気乾燥させてもよい。

鋳型造型用空間を構成する金型を高温に加熱した後に、この金型に泡立てられた流動性骨材混合物を充填し、この流動性骨材混合物中の水分を蒸発させると、攪拌によって流動性骨材混合物中に分散した気泡および水溶性バインダー中の水分が、金型の熱により流動性骨材混合物からなる鋳型の中心部に集まる。従って、その中心部における粒子状骨材の充填密度が低くなる。この低密度化により、水溶性バインダーの分解によるガス等の排出が容易となり、しかも、所要の鋳型を得るための粒子状骨材と水溶性バインダーの使用量を削減することができる。

本発明の鋳型は、フェノール樹脂を粒子状骨材１００重量部に対して０．０５〜０．５０重量部含有することにより、耐熱性が向上するので、例えば１３００℃以上の高温の溶湯金属に対しても使用可能になる。このような鋳型は、特に鉄系金属の鋳造に使用する中子としての使用に好適である。

流動性が向上した骨材混合物は複雑な輪郭の造型空間に効率的に充填することができるので、所望の鋳型を得ることができる。

発明を実施するための好ましい形態

本発明の鋳型造型方法の第１実施例では中子を造型した。この実施例では以下の骨材混合物Aを得た。

表１ 骨材混合物Aの組成（水を除く）
粒子状骨材（耐熱性粒状物）：珪砂（フラタリ−サンド）１００重量部
水溶性バインダー（粘結剤）：ポリビニルアルコール（ＪＰ−０５ 日本酢ビ・ポバール製）０．３重量部、及び澱粉（デキストリンＮＳＤ−Ｌ ニッシ製）０．８重量部
水溶性フェノール樹脂：フェニックス510AL-2（神戸理化学工業製）０．３重量部
架橋剤：クエン酸（扶桑化学製）０．８重量部

表１に示す組成の骨材混合物と、水５重量部とを混合機(愛工舎製卓上ミキサー)を用いて回転数約２００ｒｐｍで約３分間攪拌混合して発泡させ、気泡率約６０％の泡立てられた流動性骨材混合物Aを製造した（製造工程）。次いで、この泡立てられた流動性骨材混合物をシリンダに投入し、続いて、（例えば内臓カートリッジヒータにより）温度２５０℃に加熱された金型における容量約７０ｃｍ^３のキャビティ内に、約８０ｇの流動性骨材混合物をピストン（固体の加圧手段）で加圧しながら充填した（充填工程）。

加熱された金型に充填された流動性骨材混合物を９０秒間放置して、金型の熱により水分を蒸発させ、流動性骨材混合物を固化させて（固化工程）、中子を造型した。

この中子の注湯テストをなした。エタノール系塗型剤（スリーコートＭＴＳ−７２０A 三河鉱産株式会社製）を塗布した中子と、塗型剤を塗布しない中子をそれぞれ内蔵した２種類の鋳型に、温度１３７０℃の鋳鉄（ＦＣ２５０）の溶湯を注入したところ、塗型を施した中子は勿論のこと、塗型をしない中子でも鋳造欠陥、中子の変形の発生はなく、良好な鋳物が得られた。また鋳物から中子を容易に除去することができた。

本発明の鋳型造型方法の第２実施例では以下の骨材混合物Bを得た。

表２ 骨材混合物Bの組成（水を除く）
粒子状骨材（耐熱性粒状物）：珪砂（フラタリ−サンド）１００重量部
水溶性バインダー（粘結剤）：ポリビニルアルコール（ＪＰ−０５ 日本酢ビ・ポバール製）０．３重量部、及び澱粉（デキストリンＮＳＤ−Ｌ ニッシ製）０．８重量部
水溶性フェノール樹脂：フェニックス510AL-2（神戸理化学工業製）０．３重量部
架橋剤：クエン酸（扶桑化学製）０．８重量部

表２に示す組成の骨材混合物と水５重量部とを混合機(愛工舎製卓上ミキサー)を用いて回転数約２００ｒｐｍで約３分間攪拌混合して発泡させ、気泡率約６０％の泡立てられた流動性骨材混合物Aを製造した（製造工程）。次いで、この泡立てられた流動性骨材混合物をシリンダに投入し、続いて、（例えば内臓カートリッジヒータにより）温度２５０℃に加熱された金型における容量約８０ｃｍ^３のキャビティ内に、約９０ｇの流動性骨材混合物をピストン（固体の加圧手段）で加圧しながら充填した（充填工程）。

加熱された金型に充填された流動性骨材混合物を２分間間放置して、金型の熱により水分を蒸発させ、流動性骨材混合物を固化させた（固化工程）。次いで、ポリビニルアルコール、澱粉等とクエン酸を架橋反応させた後、金型のキャビティ内から固化した骨材混合物からなる鋳型を取り出した。この鋳型から曲げ試験片を作成し、湿度３０％の恒湿槽内と湿度９８％の恒湿槽内にそれぞれ２４時間保持した後、これらの試験片について曲げ強さを測定した。その結果、湿度３０％では５．４MPa、湿度９８％では２．３MPaの強度がそれぞれ得られた。

ここで湿度３０％で５．４Mpaの鋳型強度は、シェルモールド法によって得られた鋳型とほぼ同等の強度が発現されていることになり、鋳型の通常の使用上は全く問題のない強度である。また湿度９８％で２４時間放置した後、鋳型強度が２Mpa以上であれば、鋳型のハンドリングには問題のない強度であるので、鋳型として充分に使用可能である。

上述の実施例は本発明を単に例示するものであって、限定を意図するものではなく、当業者には添付の請求項に記載された目的及び要旨を逸脱することなく、例えば発明の開示の欄に記載された代替例を含めて様々な変更や変形をなせることが明らかである。

Claims (19)

1. 鋳型を造型する鋳型造型方法であって、
   a)粒子状骨材、粘結剤としての複数種類の水溶性バインダー、この水溶性バインダーと架橋反応を起こす架橋剤、フェノール樹脂、及び水を混合し且つ攪拌して発泡させることにより、泡立てられた流動性の骨材混合物を製造する製造工程と、
   b)前記泡立てられた流動性骨材混合物を鋳型造型空間に充填する充填工程と、
   c)前記充填した流動性骨材混合物から水分を蒸発させて、この骨材混合物を固化させることにより、固化した骨材混合物からなる鋳型を得る固化工程とを含む鋳型造型方法。
2. 請求項１の方法において、前記骨材混合物における前記水溶性バインダーの含有量は、前記粒子状骨材１００重量部に対して０．１乃至５．０重量部である方法。
3. 請求項１または２の方法において、前記水溶性バインダーは常温の水に可溶である方法。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法において、前記水溶性バインダーは、糖類、ポリビニルアルコールまたはその誘導体、及び常温の水に可溶な更なるフェノール樹脂から選択される方法。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法において、前記フェノール樹脂は、粒子状骨材１００重量部に対して０．０５乃至０．５０重量部含有される方法。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法において、前記架橋剤はその水溶液である方法。
7. 請求項１乃至６の方法において、前記架橋剤は、カルボキシル基を有する化合物である方法。
8. 請求項７の方法において、前記カルボキシル基を有する化合物は、シュウ酸、マレイン酸、コハク酸、クエン酸、ブタンテトラカルボン酸、メチルビニルエーテル−無水マレイン酸共重合体、及びイソブチレン−無水マレイン酸共重合体からなる群から選択される方法。
9. 請求項８の方法において、前記架橋剤は、クエン酸、ブタンテトラカルボン酸、及びメチルビニルエーテル−無水マレイン酸共重合体の何れかの１０重量％以上の濃度の架橋剤水溶液である方法。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の方法において、前記架橋剤の添加量は、前記水溶性バインダーに対して５乃至３００重量％である方法。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の方法において、前記流動性骨材混合物は気泡率が５０乃至８０%である方法。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項の方法において、前記充填工程は、前記流動性骨材混合物を固体の押圧手段によって加圧することにより前記鋳型造型空間に充填させる方法。
13. 請求項１乃至１１の何れか一項の方法において、前記充填工程は、前記流動性骨材混合物を圧縮気体によって加圧することにより前記鋳型造型空間に充填させる方法。
14. 請求項１乃至１３の何れか一項に記載の方法において、前記固化工程は、加熱された金型の熱により前記流動性骨材混合物の水分を蒸発させる工程を含む方法。
15. 請求項１４の方法において、前記金型の熱により前記流動性骨材混合物の水分を蒸発させる工程が、
    前記金型の熱によって、前記流動性骨材混合物内の気泡及び水溶性バインダー中の水分を造型されるべき鋳型の中心部に集めることにより、
    造型された鋳型の中心部における前記粒子状骨材の充填密度を鋳型の周辺部よりも低くする方法。
16. 請求項１５の方法において、前記造型された鋳型は鉄系金属の鋳造に使用する中子である方法。
17. 請求項１乃至１６の何れか一項に記載の方法によって造型された鋳型。
18. 粒子状骨材と、複数種類の水溶性バインダーと、この水溶性バインダーと架橋反応を起こす架橋剤と、前記粒子状骨材１００重量部に対して０．０５乃至０．５０重量部のフェノール樹脂とを含有する骨材混合物からなる鋳型。
19. 請求項１８の鋳型において、前記骨材混合物は、前記粒子状骨材１００重量部に対して０．１乃至５．０重量部の前記水溶性バインダーを含有する鋳型。