JP4226375B2

JP4226375B2 - 消失模型鋳造法用フィルター

Info

Publication number: JP4226375B2
Application number: JP2003108051A
Authority: JP
Inventors: 雅之加藤; 栄政高城
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: JP2004314095A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消失模型鋳造法において消失模型の消失により発生した気体を排出する際に用いられる排ガス処理フィルター及び該フィルターを用いた消失模型鋳造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消失模型鋳造法はフルモールド法とも言われ、合成樹脂発泡体にて製作した模型を鋳物砂に埋設したまま鋳型として利用するプロセスである。このプロセスは鋳込まれた熔湯によって合成樹脂発泡体を熱分解させるものであるが、黒煙を含む多量の熱分解ガス（以下、排ガスということもある）が数秒から数分内の鋳込み中に発生し、異臭の発生等、環境を悪化させるとともに、その残渣により鋳物に表面欠陥が発生する欠点がある。
【０００３】
消失模型鋳造時に発生する燃焼ガスを浄化する技術として、特許文献１には、排ガスを、排出気体浄化手段を備えた排出通路を介して鋳型の外部に放出させる消失模型鋳造法が開示され、排出気体浄化手段として、セラミックフィルタやメタリックフィルタを使用できることが記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、押湯やガス揚りに、連続気孔を持つ多孔質体フィルターを設ける鋳型の製作法が開示されている。
【０００５】
一方、鋳型内のガス層の圧力分布を調整して残渣欠陥の少ない鋳物を得るという観点から、特許文献３には、排ガスを、排出気体抑制手段を備えた排出通路を介して鋳型の外部に徐放させる消失模型鋳造法が開示され、排出気体抑制手段として、アルミナ等の耐火物粒子を使用できることが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１３７７号公報
【特許文献２】
特開平５−１３８２９０号公報
【特許文献３】
特開２００２−２１９５５２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、消失模型鋳造法おける排ガス処理フィルターに要求される特性は、前記したように排ガスの徐放効果や、耐熱性、黒煙除去能、成形性等、多岐に渡り、更にこれらの機能が短時間の間のみ要求されることから、従来の手法では、特に黒煙除去能が未だ十分とは言い難い。さらに、この種のフィルターは、溶湯と接触した時には溶湯が通過し排出通路より吹き出すこともあり、排ガスを放出することと溶湯の流出防止という相反する性能も要求される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、耐火度が８００〜２０００℃である無機粒子と繊維構造体とを含有するろ過材を有する、消失模型鋳造法用フィルターに関する。
【０００９】
また、本発明は、鋳物砂内に、合成樹脂発泡体製模型を埋設してなる鋳型に注湯し、注湯した該湯によって前記模型を消失させながら製品を鋳造する消失模型鋳造法であって、前記模型の消失により発生した気体を、耐火度が８００〜２０００℃である無機粒子と繊維構造体とを含有するろ過材を有するフィルターを備えた排出通路を介して、前記鋳型の外部に放出させつつ鋳造を行う消失模型鋳造法に関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
【００１１】
無機粒子は、溶湯がろ過材に接触した際に軟化し、ろ過材の通気性を低下させて溶湯の通過を防止するためのものであり、シリカ、アルミナ、ムライト、マグネシア、ジルコニア、雲母、黒鉛、黒曜石等の耐火度８００〜２０００℃、好ましくは１０００〜１７００℃、特に好ましくは注湯温度から１００℃以下の耐火度の無機粒子が挙げられ、１４００℃の鋳鉄を鋳込む際には黒曜石、ムライト粉が好ましい。ここで、無機粒子の耐火度は、ゼーゲルコーンを用いた測定方法（ＪＩＳＲ２２０４）で測定される。
【００１２】
なお、これらの無機粒子は単独で又は二種以上を併用しても良い。該無機粒子は、粒子径が２００μｍ以下、更には１０〜１００μｍのものを用いることが好ましい。
【００１３】
本発明のフィルターのろ過材は、繊維構造体を含有するものであり、該構造体は、無機繊維を含有するものが好ましい。
【００１４】
無機繊維としては、シリカ繊維、アルミナ繊維、シリカ−アルミナ繊維、ムライト繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、黒鉛繊維、ホウ素繊維、チタン酸カリウム繊維、チタン酸バリウム繊維、二酸化チタン繊維、サファイア繊維、ジルコニア繊維、スラグ・ロック繊維、石こう繊維、マグネシウムパイロボレート繊維、窒化ホウ素繊維、石綿、ガラス繊維、鉄などの金属繊維、また、フェノール樹脂系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維等の炭素繊維も挙げられ、好ましくは炭素繊維である。
【００１５】
これら無機繊維からなる構造体としては、無機繊維又は無機繊維の撚糸からなる織布もしくは編み物もしくは不織布、あるいは無機繊維をプレス加工したもの等が挙げられるが、目が細かく黒煙の除去効率が高いことから、好ましくは織布、不織布であり、無機粒子を担持しやすい不織布がより好ましい。
【００１６】
織布の場合、その目付、織り方は、所定の厚みを満たせばどの様なものでもよい。また、織物組織としては、平織物、綾織物、朱子織物、二重織物等の多重織物が挙げられる。形状を安定させ、黒煙の除去効率を高めるために、織物に接着剤を含浸、塗布して構造を固定化してもよい。特に高温時の接着性に優れるフェノール系、フラン系、エポキシ系等の有機バインダーやシリカゾル、アルミナゾル、エチルシリケート、水ガラス等の無機バインダーが用いられるのが好ましい。
【００１７】
また、不織布の製造方法としては、無機繊維のスラリーから抄造する湿式法や無機繊維を均一に吹き付けてシート状にする乾式法など、一般的に公知の方法でよい。なお、不織布においては、成型性及び形状保持性の観点より有機繊維及び／又は熱硬化性樹脂が配合されているのが好ましい。
【００１８】
前記有機繊維としては、紙繊維、合成繊維（例えば、ＰＶＡ繊維、レーヨン繊維）等の繊維が挙げられる。有機繊維は、これらを単独で又は二種以上を選択して用いることができる。そして、これらの中でも、特に、抄造により多様な形態に成形できるほか、脱水後と乾燥後に十分な強度が得られる点から紙繊維を用いることが好ましい。紙繊維としては、木材パルプ、コットンパルプ、リンターパルプ、竹やわらその他の非木材パルプが挙げられる。紙繊維は、これらのバージンパルプ若しくは古紙パルプを単独で又は二種以上を選択して用いることができる。紙繊維は、入手の容易性、環境保護、製造費用の低減等の点から、特に古紙パルプが好ましい。また、無機粒子を担持する点からフィブリル化された繊維が好ましい。
【００１９】
有機繊維は、成形性、表面平滑性、耐衝撃性を考慮すると、平均繊維長が０．３〜２．０ｍｍ、特に０．５〜１．５ｍｍであるものが好ましい。また、有機繊維の配合割合は、不織布の場合、無機繊維１００重量部に対して１０〜１００重量部、更に２０〜７０重量部であることが好ましい。
【００２０】
また、前記熱硬化性樹脂としては、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、フラン系樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、高温での接着性の観点から、フェノール系樹脂を用いることが好ましい。フェノール系樹脂としては、ノボラックフェノール樹脂、レゾールタイプ等のフェノール樹脂、尿素、メラミン、エポキシ等で変性した変性フェノール樹脂等が挙げられるが、好ましくはフェノール樹脂である。これら熱硬化性樹脂は、単独で又は二以上を選択して用いることもでき、さらにはアクリル系樹脂やポリビニルアルコール系樹脂等と併用することもできる。
【００２１】
また、熱硬化性樹脂の配合割合は、不織布の場合、無機繊維１００重量部に対して３０〜３００重量部、更に５０〜２００重量部であることが好ましい。
【００２２】
本発明のフィルターは、無機粒子と繊維構造体とを含有するが、無機粒子は繊維構造体に混合されて保持されていれば良く、繊維構造体の成型時に無機粒子を混合、抄造しても、成型後に噴霧、積層、吸着、構造体で挟み込む等してもよいが、保持性の点から成型前に混合が好ましい。なお、不織布を用い、更に有機繊維、特にはフィブリル化した繊維の使用により強く担持でき好ましい。また、凝集剤、吸着剤、接着剤等を用いても良い。
【００２３】
無機粒子の配合割合は、繊維構造体１００重量部に対し、３０〜２００重量部、好ましくは５０〜１５０重量部である。
【００２４】
無機粒子と繊維構造体を含有するろ過材の厚みは、フィルター内部における排ガスの冷却を抑制し、凝縮物や黒煙の発生を低減するために、１ｃｍ以下、更には５ｍｍ以下が好ましい。また、強度の点から０．００５ｍｍ以上、更には０．０１ｍｍ以上が好ましい。ここで、厚みとは、排ガスの通気部分における平均厚み（実質的に最も通気抵抗が大きい部分の厚み）であり、ろ過材に形成された貫通孔や切欠部などは含まない。この範囲の厚みを持つためには、繊維構造体は、織布、不織布が好ましい。特に不織布は無機粒子を担持しやすく、より薄くできるため、好ましい。
【００２５】
本発明のフィルターでは、強度を維持するために、ろ過材を適当な支持体で保持することが好ましい。その際、支持体は、フィルターより通気度が高いことが望ましく、また、排ガスの流路において下流に位置するのが好ましい。支持体の材質は耐熱性の高い物が好ましく、セラミックスや金属が好ましい。例えば、ハニカム形状や孔加工されたセラミックスや、パンチングメタル等が挙げられる。
【００２６】
本発明のフィルターにおいて、ろ過材は、プリーツ状や筒状でもよいが、シート状が最も容易に製造でき、安価であるため好ましい。
【００２７】
本発明のフィルターにおいて、ろ過材は、排ガスの流路に対してどの方向に設置されてもよいが、構造の簡易さ、強度から、流路に対して垂直である、すなわち、排ガスと接触するフィルターの最大面が流路と直交することが好ましい。
【００２８】
また、ろ過材がシート状の場合、強度を向上させるため、複数重ねてもよいが、全体の厚みは１ｃｍ以下が好ましい。
【００２９】
本発明において、ろ過材は、前記支持体と共に、適当な容器、例えば円筒状のフィルターケースに挿入されて鋳型に設置されることが好ましい。
【００３０】
本発明のフィルターは、排ガスが鋳型外部に排出されるまでの間でろ過材が排ガスと接触する位置に設置される。特に、模型の消失により発生した気体を、排出通路を介して鋳型の外部に放出させつつ鋳造を行う消失模型鋳造法において、排出通路に設置されることが好ましい。本発明のフィルターは、公知の背圧制御手段（例えば粒子成型体等）と併用されても構わないが、本発明のフィルターが背圧制御手段を兼ねることが好ましい。
【００３１】
設置するフィルターの面積、個数等は、鋳造される製品の大きさ、形状により適宜決めることができる。
【００３２】
また、排出通路を複数設け、その一部又は全部に本発明のフィルターを設置してもよい。
【００３３】
本発明の消失模型鋳造法の例を図１に基づいて説明する。鋳型は、鋳枠４と鋳枠４の内部の鋳物砂７と鋳物砂７に埋設された模型１等からなり、模型１に連通した湯口５が図面左上方に設けられている。模型１は、発泡ポリスチレンによって製品と同一形状に形成されており、貫通孔２が設けられている。鋳物砂７は、５．５号珪砂であり、粘結剤を適量含有させてある。
【００３４】
鋳型の形成は、まず、模型１の表面に耐火性に優れた塗型剤３を塗布し、その後充分乾燥させる。そして鋳枠４に湯道６を形成した後、模型１を固定し鋳物砂７で埋設し、湯口５を設置する。その際、貫通孔２の内部は空間にしておき、貫通孔２に連通する排出菅を設け排出通路８とする。
【００３５】
排出通路８には、ろ過材９’を収容した本発明のフィルター９が設置される。また、排出通路８からの燃焼ガス排出量を調整する意味で、フィルター９の前後に、吸気手段、あるいは耐火物粒子及びその層、背圧弁等の排気抑制手段を設けても良い。排気抑制は、排出通路８を細く絞り込んだ形状にすることでも達成される。
【００３６】
湯口から熔湯を注湯すると、湯は模型１を溶融させて、鋳型内に溜まる。一方、熔湯の熱により溶融、燃焼された模型１のガスの大部分が、貫通孔２を通り、排出通路８から効率よく排出されるのが確認される。これらのガスは本発明のフィルター９により、浄化されて大気に放出されることで、黒煙並びに悪臭が抑制され、且つフィルター９が背圧制御手段としての性能も有することから鋳物表面欠陥も低減される。また、溶湯がフィルターに達しても溶湯の通路が抑制される。
【００３７】
排出通路となる排出管の径、設置位置、数等は、模型の形状や大きさにより決められる。排出通路は、直径３０ｃｍ以下、好ましくは１〜１０ｃｍの円筒状の、好ましくはセラミック製の排気管により形成されるのが好ましい。その本数については所望の通気度を確保できるように適宜決定すればよいが、発泡体１千〜１０万ｃｍ³、好ましくは１千〜１万ｃｍ³あたり、１本設けるのが好ましく、燃焼ガスの排出効率、黒煙等の除去効率の点から、少なくとも１つの排出通路は、模型に設けた貫通孔と連通するのが特に好ましい。
【００３８】
模型は、合成樹脂発泡体からなるものが使用される。合成樹脂発泡体としては、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、又はこれらの共重合体等の発泡体が用いられる。
【００３９】
模型は貫通孔を有するものが好ましく、湯口と連通する貫通孔、更に排出通路と連通する貫通孔を有するものが、鋳物品質が向上し、吹き戻しもなく安全であるため好ましい。貫通孔を設けた場合、特に排出通路からのガス発生量が多くなり、熱分解ガスの黒煙の発生量が多くなる傾向があるが、本発明のフィルターを用いることで、その黒煙がほとんど発生せず、且つ溶湯の吹き出しもなく、環境、鋳物品質、安全の両立が可能となる。模型の貫通孔は、模型作成時に形成してもよいし、模型作製後、加熱した金属棒等により形成してもよい。貫通孔の径、形成位置、数等は、模型の形状や大きさにより決められる。
【００４０】
鋳造に用いる鋳物砂としては、石英質を主成分とする珪砂の他、ジルコン砂、クロマイト砂、合成セラミック砂等の新砂又は再生砂が使用される。鋳物砂は粘結剤を添加せずに用いることもでき、その場合には充填性は良好であるが、強度が必要な場合には、粘結剤を添加し、硬化剤により硬化させるのが好ましい。
【００４１】
消失模型鋳造法では、溶湯の熱により消失模型が分解するが、鋳型内は還元性雰囲気であるため、十分酸化されず、ガス状となったモノマーやオリゴマー、黒煙が混在した排ガスが発生する。本発明のフィルターではろ過材が無機粒子と繊維構造体とを含有するため、目の細かいろ過材となり、黒煙の除去効果が大きく、更に溶湯に接触すると無機粒子が軟化し、溶湯の吹き出しを防止すると推察される。また、排ガスの排出通路に本発明のフィルターを設けることで、背圧抵抗が最も高い部分で排ガスの勢いが抑えられ、黒煙が除去されるが、この部分が長い（フィルターが厚い）と、冷却により、排ガス成分の再凝縮が起き、高温では液状のタールのような状態になる。これも、黒煙の発生原因と考えられている。しかし、本発明のフィルターは、ろ過材を織布や不織布のような薄い形状とできるため、この部分での凝縮は少なく、スムーズに低分子量のガスが外部に排出され、空気と混合し燃焼するため、黒煙が発生しないものと考えられる。
【００４２】
このように本発明では、排ガスの放出と溶湯の流出防止という相反する性能が達成でき、且つ排ガス中の黒煙除去能に優れる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、消失模型鋳造法において、排ガス中の黒煙を低減し、溶湯の吹き出しもなく且つ鋳物品質を向上できる排ガス処理フィルターが得られる。
【００４４】
【実施例】
実施例１
無機繊維としてＰＡＮ系炭素繊維（東レ（株）製トレカチョップ、繊維長３ｍｍ）４ｇ、熱硬化性樹脂としてノボラックフェノール樹脂（旭有機材工業（株）ＳＰ１００６ＬＳ）３ｇ、バージンパルプ（ＮＢＫＰ）１ｇ、無機粒子として、黒曜石（キンセイマテック社製「ナイスキャッチ」、平均粒径３０μｍ、耐火度１２００℃）７ｇを水１．５リットルと混合し、凝集剤（ポリアクリルアミド系、三井サイテックＡ１１０）を加え、分散攪拌した。このスラリーを直径１７０ｍｍのシート状に抄造し、ヘキサミン０．６ｇ（１５重量％対ノボラック樹脂）を水２０ｍＬに溶かしたものを均一に散布し、ラボプレス（東洋精機製）を用いて、５ｋｇｆ／ｍ²、２００℃にてプレス成型し不織布を得た。この黒曜石を担持させた不織布（厚み０．８ｍｍ）を直径７０ｍｍの円形に裁断し、ろ過材とした。
【００４５】
このろ過材と溶湯濾過用セラミックハニカムフィルター（京セラ製、内径６０ｍｍ、高さ８ｍｍ、１００セル）とを積層し、図２のように有効径６０ｍｍの陶管で挟み込んでフィルターとした。
【００４６】
（鋳込み試験）
縦２００ｍｍ×横２００ｍｍ×高さ３５０ｍｍの発泡模型１（発泡ポリスチレン製）に、直径３ｍｍの金属棒を加熱し、図１のように貫通孔２を形成させた。貫通孔２の直径は約４ｍｍであった。貫通孔を形成した模型１表面に、フルモールド用塗型剤ＰＣ−２００（花王クエーカー（株）製）を７０ボーメにしたものを塗布し乾燥後、該模型の貫通孔が排出通路８と連通するよう、図１のようにセットし、上記で得られたフィルター９を排出通路８に設けて造型を行った。鋳鉄の材質はＦＣ−２５０、鋳込み温度は１４００℃であった。鋳込み時の状況及び得られた鋳物の品質（鋳肌の状態）を評価した。結果を表１に示すが、鋳込み中黒煙発生無く、また、フィルターは無機粒子を含有するため、フィルター下部で溶湯が停止し、より安全であった。
【００４７】
実施例２
無機繊維としてピッチ系炭素繊維（呉羽化学工業製「クレカチョップＴ−１０６」、繊維長４ｍｍ）を３．５ｇ、バージンパルプ（ＮＢＫＰ）０．８ｇ、ＰＶＡ繊維（クラレ、ＶＰバインダー用ビニロン）１ｇ、黒曜石７ｇを用い、実施例１と同様に抄造した。ラボプレスにて同様に成型後、熱硬化性樹脂としてフェノールレゾール樹脂（旭有機材工業（株）製ＫＰ１００、有効分３０重量％）を、有効分が６ｇとなるようにディッピングし、２５０℃で１５分乾燥した。実施例１と同様の評価を行った結果を表１に示す。
【００４８】
比較例１
実施例１において黒曜石を用いずにフィルターを製造した。ただし、各成分の重量比は表１に示す通りとした。実施例１と同様の評価を行った結果を表１に示す。
【００４９】
比較例２
ろ過材として、粒径２ｍｍのアルミナ粒子を内径４０ｍｍ×長さ２５ｍｍの陶管内でアルカリフェノールバインダー（花王クエーカー（株）製、Ｓ６５１）を用いて成型したもの（ハニカムセラミックスは取り付けない）を用いた以外は実施例１と同様に鋳込みを行い、同様の評価を行った。結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】

【００５１】
比較例３
無機繊維を加えず、バージンパルプを６ｇにした以外は比較例１と同様にしてフィルターを製造し、比較例１同様に鋳込みを行い、同様の評価を行った。その結果、フィルターがすべて有機繊維からなるため、熱分解ガスでフィルターが破損し黒煙が発生した。また、鋳物品質も悪かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフィルターを用いた消失模型鋳造法の一例を示す概略図
【図２】本発明のフィルターの一例を示す断面概略図
【符号の説明】
１模型
２貫通孔
８排出通路
９本発明のフィルター
９’ろ過材

Claims

耐火度が８００〜２０００℃である無機粒子と繊維構造体とを含有するろ過材を有する、消失模型鋳造法用フィルター。
無機粒子が、シリカ、アルミナ、ムライト、マグネシア、ジルコニア、雲母、黒鉛及び黒曜石から選ばれる無機材料からなる粒子の一種以上である請求項１記載の消失模型鋳造法用フィルター。
繊維構造体１００重量部に対し、無機粒子３０〜２００重量部を配合する請求項１又は２記載のフィルター。
繊維構造体が、無機繊維を含有する不織布又は織布である請求項１〜３の何れか１項記載のフィルター。
繊維構造体が、有機繊維及び／又は熱硬化性樹脂を含有する不織布である請求項１〜４の何れか１項記載のフィルター。
鋳物砂内に、合成樹脂発泡体製模型を埋設してなる鋳型に注湯し、注湯した該湯によって前記模型を消失させながら製品を鋳造する消失模型鋳造法であって、前記模型の消失により発生した気体を、耐火度が８００〜２０００℃である無機粒子と繊維構造体とを含有するろ過材を有するフィルターを備えた排出通路を介して、前記鋳型の外部に放出させつつ鋳造を行う消失模型鋳造法。