JP4920794B1 - 鋳型材料及び鋳型並びに鋳型の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルカリ珪酸塩3を粘結剤とする鋳物砂2に、流動化剤及び硬化助剤として酸性の球状非晶質シリカと酸性の球状非晶質アルミナとの少なくとも何れか一方からなる非晶質球状体1を添加した鋳型材料を提供する。前記非晶質球状体の平均粒子径は、10μm以下が好ましく、流動性を付与するための界面活性剤を添加することもできる。前記非晶質球状体は、酸性であるが、特にpH5以下であることが好ましい。
【選択図】図1
Description
Na2O・mSiO2(mn+x)H2O+CO2→Na2CO3・xH2O+m(SiO2・nH2O)
Na2O・SiO2+mSi+2mH2O→Na2O・mSiO2+nSiO2+2mH2
水素ガスとなることで、水分が減少してゲル化する。
水ガラスはその一部がNa2O・nSiO2+H2O⇔2NaOH+nSiO2として加水分解している。
一次反応では、NaOHとAl4C3が発熱反応し熱によりゲル化する。
二次反応では、性化Al2O3、CaOがH2Oと反応して、3CaO・Al2O3・mH2Oとなり、これが更にCa(OH)2と反応してゲル化して行く。
例えば硫酸を添加すると、Na2O・nSiO2+H2SO4+(m−1)H2O→nSiO2・mH2O・NaSO4となる。
また本発明は、前記の鋳型材料を硬化させた鋳型を提供する。
本発明の鋳型は、前記鋳型材料を硬化させることによって得られるが、前記硬化に脱水による硬化が含まれることが望ましい。
本発明に用いる鋳物砂には、鋳造用として使用される鋳物砂である天然硅砂や人造硅砂や再生砂などの石英を主な鉱物とする硅砂、ムライトやアルミナなどのセラミックサンド、ジルコンサンドやクロマイトサンドやオリビンサンドなどの特殊砂、フェロニッケルやフェロクロムを生産する際の鉱滓から生産するスラグサンドなどの全ての鋳造用の鋳物砂を含むものである。
一般的に鋳物砂に添加されるベンガラ、砂鉄、石炭粉、黒鉛粉、澱粉、糖類、木粉、界面活性剤、増粘剤、崩壊促進剤などが使用されても本発明の効果は阻害されない。
本発明にあっては、粘結剤としてアルカリ珪酸塩を用いる。アルカリ珪酸塩としては珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、珪酸リチウム、珪酸アンモニウムを例示し得るが、これに限るものでなくこれらを複数種混合して用いることもできる。粘結剤の配合量は、鋳型強度発現がその種類等によって異なるために、上記鋳物砂に対して、0.5〜8.0質量%の範囲内が実用範囲と思われるが、これに限定されるものではない。特に、充填性や鋳型の崩壊性を考慮すると1〜3質量%が望ましい。
本発明の非晶質球状体は、球状の非晶質シリカと球状の非晶質アルミナと何れか一方、又は双方を混合して用いる。これら非晶質シリカ及び非晶質アルミナは、アルカリ珪酸塩(Na2O・nSiO2・mH2O)のNa2Oと反応し、SiO2を余剰とすることでゲル化を促進する。さらに、非晶質球状体として、酸性のもの(特に、pH5以下)を使用することで、アルカリ珪酸塩が中和されてゲル化し、強度が発現する。この非晶質球状体の粒径をコントロールすることによって、滑り効果を獲得するができるものであり、平均粒子径が10μmを越えると砂粒の充填の妨げとなり、特に、平均粒子径7μm以下の球状粒子が充填性改善効果が大きいことが、実験による検証の結果、確認された。この非晶質球状体の添加量が鋳物砂の0.3〜3.0質量%であることが好ましい。非晶質球状体のpHは、それぞれの粒子が酸性であることが最も好ましいが、使用する非晶質球状体の全体としてのpHが7未満であれば足り、その一部にアルカリ性のものを含むことを妨げない。
球状非晶質シリカや球状非晶質アルミナは、今日種々の製法のものが提供されており、本発明に用いるものについても周知の方法で製造するなどしたものでよく、その製造方法による制限はない。
具体的には、球状非晶質シリカを例に採ると、球状非晶質シリカは、一例として、燃焼法(いわゆる火炎熔融法)で製造される。また、他の例としては、副生物であるシリカヒュームを主体に用いることもできる。これらはいずれも、乾式法の合成非晶質シリカの製法である。
上記の燃焼法(いわゆる火炎溶融法)とは、球状非晶質シリカの原料となるクロロシラン類や珪酸ナトリウムをそれらが熔融する温度の火炎中に、キャリア溶剤と共に所定のガス圧で噴霧し、これによりシリカを熔融させて非晶質とし、熔融時の表面張力で球状とするものである。
シリカヒュームとは、フェロシリコン、金属シリコンや電融ジルコニアなどを熔解して製造する際に発生するSiO2ガス及びSiO2ミストを集塵機などで捕捉した副生物である球状非晶質シリカである。
これらの方法によれば、高温でシリカが熔融し、その表面張力で球状となっている。熔融により粒子はその表面が滑らかとなっている。これの粒子サイズの調整は火炎熔融法では火炎中に原料を噴霧する際の速度、原料のキャリア溶剤中の濃度、原料の粉末度などにより調整できる。シリカヒュームの粒度は集塵機の風圧、風量などで調整ができる。また、それぞれを生産した後に、微粒子の分級技術により粒度調整をすることも可能である。
なお、合成非晶質シリカは、湿式法である沈降法、ゲル法、ゾルゲル法でも生産される。これらは数十nmの一次球状体が凝集して、数μm〜数百nmの擬似球状体を形成している。この疑似球状体も本発明に用いることが可能である。
本発明に用いることが適さない非晶質シリカは、天然の非晶質シリカである珪藻土や酸性白土であり、これらは球状で無いことから、鋳物砂の充填性改善効果が低い。更に、結晶性シリカは水ガラスとの反応性に劣ることから、これも本発明に用いることができない。但し、上記の乾式法で得られた非晶質シリカと併用することを妨げるものではない。
pHについても、その製法や成分により、酸性、中性、アルカリ性、種々のpHの球状非晶質シリカが市販されている。
製法の影響として、乾式法においては、例えば四塩化珪素を火炎熔融法により製造すると微量に塩素が残留し水溶液中では塩酸となり酸性となる。更に、石油系燃料を用いて原料を熔解したものは、微量に硫黄酸化物が残留し、これが水溶液中では硫酸となり酸性となる。また、湿式法においては沈降法では中性からアルカリ性のものが多く、ゲル法では酸性から中性のものが多い傾向にあるが、これは用いる溶剤中のpHに由来する。
成分の影響としては、中性、アルカリ性となる球状非晶質シリカには二次成分として塩基性のMgOが含まれている。MgOの含まれる球状非晶質シリカは数多く市販されている。従って、本発明用の球状非晶質シリカとしては、MgOが含まれていないシリカ(SiO2)純度の高いもの、かつ、ClやSO3などの強酸となる残留物が含まれているものを選ぶことが好ましい。
本発明に用いる界面活性剤としては、流動性を付与する作用があれば、種々のものを用いることができる。特に、アルカリ珪酸塩に添加して使用することが既に知られている界面活性剤については、本発明品に併用することで、更に良好な充填性が得られる。界面活性剤とはアニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤である。本発明に、アニオン性界面活性剤としては脂肪酸ナトリウム、モノアルキル硫酸塩、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、モノアルキルリン酸塩などであり、カチオン性界面活性剤としてはアルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩などであり、両性界面活性剤としては、アルキルジメチルアミンオキシド、アルキルカルボキシベタインなどであり、非イオン性界面活性剤としてはポリオキシエチレンアルキルエーテル、脂肪酸ソルビタンエステル、アルキルポリグルコシド、脂肪酸ジエタノールアミド、アルキルモノグリセリルエーテルなどを併用しても本発明の効果は阻害さず、更なる充填性の改善効果が得られる。なお、本発明の実施に際して、流動性付与以外の目的のための界面活性剤を用いることを排除するものではない。
上記の各成分を混合し、本発明の鋳物材料を得る。混合は、通常の混合機によって常法に従い混合すればよく、例えば、鋳物砂に対して、非晶質球状体及び界面活性剤を加えて5〜20秒攪拌し、次いでアルカリ珪酸塩を加えて20〜50秒攪拌することによって混練砂とすることができるが、これは単なる一例であり、全ての材料を一度に混合攪拌するなど適宜変更して実施することができる。
造型は、例えば、ブローイング造型機などの既存の造型機を用いることができ、常法に従って成型することができる。その際、有利なアルカリ珪酸塩の脱水方法としては、予め加熱しておいた金型中に本発明の鋳型材料をブローイングし、その後に冷風あるいは温風をパージングする造型機が適している。冷風あるいは温風のパージングは加圧方式でも減圧方式でも良い。金型の加熱は電気加熱でもガス加熱でも良く、ホットオイルを用いた方式でも良い。この様な造型機は既に開発されているので容易に入手することができる。冷風あるいは温風の代わりに加熱水蒸気を用いると更に硬化が早くなる。
マイクロ波加熱、高周波加熱、遠赤外線加熱を用いて鋳型を加熱して硬化させることが可能であり、その後に通風しても良い。減圧して脱水し硬化させることも可能である。真空凍結乾燥機による硬化も可能である。
実施例A1、比較例A群 の鋳型材料の各成分の配合と、これによって得られた鋳型の性能を表1に示す。なお、以下の説明では、添加量の%は特に断りのないかぎり質量%を意味すると共に、水ガラスの添加量の鋳物砂に対する割合であり、同様に、球状非晶質シリカや球状非晶質アルミナ等の添加剤の添加量も鋳物砂に対する割合である。また、以下の全ての実施例において、球状非晶質シリカのpHは、表又は本文中に特記しない限り、pH3.5である。
造型はブローイング造型機を用いて30mm×80mm×10mmの鋳型を成型した。混練砂をブロー圧4.0kg/cm2、ブロー時間3秒として金型にブローイングした。比較例A1と実施例A1では、予め130〜140℃に予熱した金型に混練砂を充填させ、その直後に30秒間エアーパージをして混練砂中の水分を除去して硬化させた。比較例A2から比較例A6は、ガス硬化あるいは自硬化であるために、金型は常温としエアーパージはしていない。CO2ガス型では30秒間のCO2パージとした。
実施例A1は、比較例A1と比較して、曲げ強度が2.4倍に増加し、試験片密度も1.22倍に改善されていることが確認された。
比較例A1と比較例A2では鋳型の成型は可能であったが、実施例A1と比較すると曲げ強度と試験片密度が低くい結果であった。曲げ強度が低いことは複雑形状の鋳型を成型するには不適である。また、試験片密度が低いことは充填性の良い鋳型とは言えない。
各実施例及び比較例において、平均粒子径は、株式会社堀場製作所のレーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA-920を用いて測定した。試料はイオン交換水で分散させ測定した。平均粒子径は、メジアン径あるいはD50値で算出した。すなわた、本発明における平均粒子径とは、粉体をある粒子径から2つに分けた時、大きい側と小さい側が等量となる径のことである。具体的な計算方法としては、母体全体より、小さな粒子から順に並べていき母体100vol%に対して、50vol%を占めた時の粒子の大きさを平均粒子径とした。
実施例B群、比較例B1の鋳型材料の各成分の配合と、これによって得られた鋳型の性能を表2に示す。
従って、本発明において球状非晶質シリカの添加量はおよそ3.0%以内が望ましいと考えられる。
実施例C群、比較例C群の鋳型材料の各成分の配合と、これによって得られた鋳型の性能を表3に示す。なお、実施例C2は、先の実施例B2と同じものであり、比較例C1は、先の比較例B1と同じものである。
比較例C2とC3から明らかなように、非球状結晶性のシリカフラワー及びアルミナフラワーは曲げ強度と試験片密度の改善効果は認められない。
実施例D群、比較例D1の鋳型材料の各成分の配合と、これによって得られた鋳型の性能を表4に示す。なお、比較例D1は、先の比較例A1と同じものである。
実施例E群の鋳型材料の各成分の配合と、これによって得られた鋳型の性能を表5に示す。なお、実施例E1は、先の実施例A1と同じものであり、実施例E2は、先の実施例B2と同じものである。
実施例F群の鋳型材料の各成分の配合と、これによって得られた鋳型の性能を表6に示す。
上記実施例F群の鋳物砂の粒度分布を表7に示す。
実施例G群の鋳型材料の各成分の配合と、これによって得られた鋳型の性能を表8に示す。
最後に、本発明の実施例A1等に用いた球状非晶質シリカ(平均粒子径が約1ミクロン)のSEM像の分析例を図4に示す。なお、ほぼ同じ平均粒子径の場合、粒子表面が清浄であり滑らかな物の方が強度がよく発現する。
図5に、同実施例の混練砂から得られた鋳型の接着界面のSEM像の分析例を示す。図5において、右上と左下の大きな球状物が珪砂の粒子であり、その表面に付着している小さな多数の微粒子が球状非晶質シリカである。
Claims (7)
- アルカリ珪酸塩を粘結剤とする鋳物砂に、流動化剤及び硬化助剤として酸性の球状非晶質シリカと酸性の球状非晶質アルミナとの少なくとも何れか一方からなる非晶質球状体を添加した鋳型材料。
- 前記非晶質球状体の平均粒子径が10μm以下であることを特徴とする請求項1記載の鋳型材料。
- 更に流動性を付与するための界面活性剤を添加したことを特徴とする請求項1又は2記載の鋳型材料。
- 前記非晶質球状体がpH5以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の鋳型材料。
- 前記非晶質球状体の添加量が前記鋳物砂の0.3〜3.0質量%であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の鋳型材料。
- 請求項1〜5の何れかに記載の鋳型材料を硬化させた鋳型。
- 請求項1〜5の何れかに記載の鋳型材料を硬化させることによって鋳型を製造する方法であって、前記硬化に脱水による硬化が含まれることを特徴とする鋳型の製造方法。
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