JP5680490B2 - 鋳物製造用構造体 - Google Patents
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Description
本発明に係る原料スラリーは、有機繊維、無機繊維、無機粒子(A)、バインダー、及び分散媒を含有する。
有機繊維は、構造体(I)において鋳造に用いられる前の状態ではその骨格を成し、鋳造時には溶融金属の熱によって、その一部若しくは全部が燃焼し、鋳物製造後の構造体内部にキャビティを形成する。
無機繊維は、主として構造体において鋳造に用いられる前の状態ではその骨格をなし、鋳造時に溶融金属の熱によっても燃焼せずにその形状を維持する。特に、後述する有機バインダーが用いられた場合には、該無機繊維は溶融金属の熱による当該有機バインダーの熱分解に起因する熱収縮を抑えることができる。
本発明に係るスラリー状組成物に用いられる平均粒子径50〜150μmの無機粒子(A)としては、黒鉛、雲母、シリカ、中空セラミックス、フライアッシュ等の耐火物の骨材粒子が挙げられる。無機粒子(A)は、これらを単独又は二以上を選択して用いることができる。なお、中空セラミックスとはフライアッシュに含まれる中空の粒子であって、フライアッシュを水を用いて浮遊選別することによって得ることができる。
JIS Z2601(1993)「鋳物砂の試験方法」附属書2に規定する方法に基づいて測定し、質量累積50%をもって平均粒子径とした。前記質量累積は、各ふるい面上の粒子を、JIS Z2601(1993)解説表2に示す「径の平均Dn(mm)」とみなして計算するものとする。
・測定方法:フロー法
・屈折率:各種無機粒子によって異なる(LA−920付属のマニュアル参照)
・分散媒:各種無機粒子に適したものを用いる
・分散方法:攪拌、内蔵超音波(22.5kHz)3分
・試料濃度:2mg/100cm3
本発明では、バインダー(a)は有機バインダー及び/又は無機バインダーを使用することができる。鋳造後の除去性に優れる観点から有機バインダーが好ましい。有機バインダーとしては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。これらの中でも、可燃ガスの発生が少なく、燃焼抑制効果があり、熱分解(炭化)後における残炭率が高い等の点からフェノール樹脂を用いることが好ましい。
本発明に係る原料スラリーに用いられる分散媒としては、水の他、エタノール、メタノール、ジクロロメタン、アセトン、キシレンなどの溶剤が挙げられる。これらを単独又は二以上を混合して用いることができる。その中でも、取り扱い易さの点から、水が好ましい。
本発明の構造体(I)には、有機繊維、無機繊維、無機粒子(A)、及びバインダー(a)の他に、紙力強化材を添加してもよい。紙力強化材は、構造体(I)の中間成形体にバインダー(a)を含浸させたときに(後述)、該中間成形体の膨潤を防止する作用がある。
本発明に係る構造体(I)の製造方法は次のようにして行う。即ち、有機繊維、無機繊維、平均粒子径50〜150μmの無機粒子(A)、バインダー(a)、及び分散媒を含有する原料スラリーから、抄造工程を有する成形法で構造体(I)を製造する。
。また、鋳造時の該構造体の熱収縮率も5%未満となるため、構造体のひび割れや変形等による溶融金属の漏れを問題なく防ぐことができる。
本発明の鋳物製造用構造体は、構造体(I)〔好ましくは予め100〜300℃、更に150〜250℃で熱処理した構造体(I)〕の表面に表面層を形成する工程を有する製造方法により製造できる。構造体(I)は前記の製法で得られたものが好ましい。従って、本発明の鋳物製造用構造体の製造方法は、有機繊維、無機繊維、無機粒子(A)、バインダー(a)、及び分散媒、好ましくは更に、凝集剤、及び紙力強化剤を含有する原料スラリーから、抄造工程を有する成形法で構造体(I)を製造する工程と、構造体(I)〔好ましくは予め100〜300℃、更に150〜250℃で熱処理した構造体(I)〕の表面に無機粒子(B)、粘土鉱物、及びバインダー(b)を含有する表面層を形成する工程と、を有することが好ましい。抄造工程を有する成形方法で構造体(I)を製造する工程の後に表面層を形成する工程を有することが好ましい。
有機繊維:1〜40質量%、更に2〜30質量%、より更に3〜25質量%、より更に4〜12質量%
無機繊維:1〜60質量%、更に2〜50質量%、より更に3〜40質量%、より更に3.5〜20質量%、より更に3.5〜12質量%
無機粒子(A):1〜70質量%、更に2〜60質量%、より更に5〜50質量%、より更に10〜45質量%
バインダー(a):1〜60質量%、更に2〜50質量%、より更に3〜40質量%、より更に5〜25質量%、より更に6〜16質量%
次に、本発明の鋳物製造用構造体を用いた鋳物の製造方法を、その好ましい実施形態に基づいて説明する。本実施形態の鋳物の製造方法では、例えば前述のようにして得られた本発明の鋳物製造用構造体を鋳物砂内の所定位置に埋設して造型する。鋳物砂には、従来からこの種の鋳物の製造に用いられている通常のものを制限なく用いることができる。
下記原料スラリーを用いて繊維積層体を抄造した後、該繊維積層体を脱水、乾燥し、図1(図中の寸法はmmである)に示す湯口用のランナー1(ストレート管11、12とエルボ管14、16、構造体(I)に相当)を得た。なお、構造体(I)の組成は表1に示す通りとした。
下記配合の有機繊維と無機繊維を水に分散させて約1質量%(水性スラリーに対し、有機繊維及び無機繊維の合計質量が1質量%)の水性スラリーを調製した後、該スラリーに無機粒子(A)とバインダー(a)と下記凝集剤、紙力強化剤を表1記載の構造体(I)を得ることができるように配合し、それぞれの原料スラリーを調製した。なお、有機繊維、無機繊維、無機粒子(A)及びバインダー(a)の合計を100質量部(固形分換算)として、凝集剤は0.625質量部、紙力強化剤は0.025質量部(固形分換算)となるようにスラリーに配合した。尚、表1に示すそれぞれの成分は、下記の通りである。
・有機繊維:新聞古紙(平均繊維長1mm、フリーネス150cc)
・無機繊維:炭素繊維〔東レ(株)製、商品名「トレカチョップ」、繊維長3mm、繊維幅11μm(長軸/短軸比=273)〕
・球状シリカ:〔(株)マイクロン製、「S85−P」、平均粒子径80μm、見掛け比重2.2、嵩比重1.15〕
・フェノール樹脂:〔エア・ウオーター(株)製、商品名「ベルパールS−890」(レゾールタイプ)、窒素雰囲気中で1000℃における減量率44%(TG熱分析測定)〕
・凝集剤:ポリアミドエピクロロヒドリン(星光PMC(株)製、商品名WS-4002)
・紙力強化剤:カルボキシメチルセルロースの1質量%水溶液
・分散媒:水
抄造型として、前記の構造体(ストレート管とエルボ管)に対応するキャビティ形成面を有する金型を用いた。該金型のキャビティ形成面には所定の目開きのネットが配され、キャビティ形成面と外部とを連通する多数の連通孔が形成されている。なお、該金型は、一対の割型からなる。前記原料スラリーをポンプで循環させ、前記抄紙型内に所定量のスラリーを加圧注入する一方で、前記連通孔を通してスラリー中の水を除去し、所定の繊維積層体を前記ネットの表面に堆積させた。所定量の原料スラリーの注入が完了したら、加圧エアーを抄造型内に注入し、該繊維積層体を脱水した。加圧エアーの圧力は、0.2MPa、脱水に要した時間は約30秒であった。
乾燥型として、前記の構造体(ストレート管とエルボ管)に対応するキャビティ形成面を有する金型を用いた。当該金型にはキャビティ形成面と外部とを連通する多数の連通孔が形成されている。なお、該金型は一対の割型からなる。前記繊維積層体を抄造型から取り出し、それを200℃に加熱された乾燥型に移載した。そして、乾燥型の上方開口部から袋状の弾性中子を挿入し、密閉された乾燥型内で当該弾性中子内に加圧空気(0.2MPa)を該弾性中子に注入して該弾性中子を膨らませ、該弾性中子で前記繊維積層体を乾燥型の内面に押しつけて、当該乾燥型の内面形状を該繊維積層体表面に転写させつつ乾燥させた。加圧乾燥(60秒間)を行った後、弾性中子内の加圧空気を抜いて当該弾性中子を収縮させて乾燥型内から取り出し、成形体を乾燥型内から取り出して冷却し、熱硬化された構造体(I)を得た。
無機粒子(B)、粘土鉱物、バインダー(b)の組成及び配合率(質量比率)が表1に示すような固形分材料と、水とを攪拌機にて15分間攪拌し、無機粒子(B)を主成分とする塗液組成物を得た。尚、表1に示すそれぞれの成分は、下記の通りである。また、水の量は、表1記載の固形分濃度(質量%、表中「%」で示す)に調製する量である。
・ジルコン:ハクスイテック(株)製、商品名「ジルコシルNo1」、平均粒子径20μm
・アタパルジャイト:林化成(株)製、商品名「アタゲル50」
・コロイダルシリカ:日産化学(株)製、商品名「snowtex50」、平均粒子径25nm
前記熱硬化された構造体(ストレート管とエルボ管)をそれぞれ片方の開放末端を封鎖した状態とし、それらの内部に、上記で調製した塗液組成物を上端まで流し込んで、10秒間静置後、上下逆転し、塗液組成物を排出した。自然乾燥した後、200℃で30分間、熱風乾燥機で乾燥させ、表面層が形成された鋳物製造用構造体を得た。
JIS Z2601(1993)「鋳物砂の試験方法」に基づいて規定された、「消失模型用塗型剤の標準試験方法」(平成8年3月 社団法人日本鋳造工学会関西支部)の「5.通気度測定法」に従い、当該刊行物(24ページ図5−2)に記載された通気度測定装置(コンプレッサー空気通気方式)と同等原理の装置を用いて測定した。通気度Pは「P=(h/(a×p))×v」で表わされる。式中はそれぞれ、h:試験片厚み(cm)、a:試験片断面積(cm2)、p:通気抵抗(cmH2O)、v:空気の流量(cm3/min)である。
構造体(I)の表面に形成された表面層の厚みは、表面層形成後の鋳物製造用構造体の厚みと表面層形成前の構造体(I)の厚みを測定し、その差分から求めた。ここで、表面層形成前の構造体(I)の厚みは、目印をつけた任意の10箇所をダイヤルキャリパゲージ〔株式会社ミツトヨ製、コードNo.209−611、符号DCGO−50RL〕で測定しその平均値をとって求めたものであり、表面層形成後の鋳物製造用構造体の厚みは前記構造体(I)で目印をつけた任意の10箇所に相当する部位をダイヤルキャリパゲージ〔株式会社ミツトヨ製、コードNo.209−611、符号DCGO−50RL〕で測定しその平均値をとって求めたものである。
構造体(I)の表面に形成された表面層の剥離性は、表面層形成後の鋳物製造用構造体表面をプラスチックカッターで引掻き、84マス作製し、84マス中における表面層の剥離数を測定した。測定は6つの異なる構造体について行い、剥離数の平均を求めた。表中、「表面層の剥離数」として結果を示した。
図1に示すように、上記で得られた鋳物製造用構造体を鋳造用ランナー1(湯道)としてドーナツ状鋳物部品になるキャビティ部2(形状は外径240mm、内径140mm、厚み30mm、揚がり付)に連通し、水溶性フェノール樹脂鋳型を造型した。
実施例2は、溶融金属の材質をSCS11(ステンレス鋳鋼)にして鋳造した以外は実施例1と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。
実施例3は、溶融金属の材質をSCS13(ステンレス鋳鋼)にして鋳造した以外は実施例1と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。
実施例4は、無機粒子(A)を中空セラミックス〔太平洋セメント(株)製、商品名「E-SPHERES SL125」、平均粒子径80μm、見掛け比重0.8、嵩比重0.34〕に変更し、構造体(I)の組成を表1の通りとした以外は実施例2と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。
実施例5は、溶融金属の材質をSCS13にして鋳造した以外は実施例4と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。
比較例1は、無機粒子(A)をムライト〔伊藤忠セラテック(株)製、商品名「合成ムライトMM−200mesh」、平均粒子径20μm、見掛け比重2.8、嵩比重0.89〕に変更し、構造体(I)の組成を表1の通りとし、且つ構造体(I)の表面に表面層を形成しない以外は実施例1と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。
比較例2は、無機粒子(A)をムライト〔伊藤忠セラテック(株)製、商品名「合成ムライトMM−200mesh」、平均粒子径20μm、見掛け比重2.8、嵩比重0.89〕に変更し、構造体(I)の組成を表1の通りとし、また、表面層を、コロイダルシリカ〔日産化学(株)製、商品名「snowtex50」、平均粒子径25nm、固形分濃度50%〕により形成した以外は実施例1と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。なお、表1では、このコロイダルシリカを便宜的に耐火性無機粒子(B)の欄に示した。
比較例3は、無機粒子(A)をムライト〔伊藤忠セラテック(株)製、商品名「合成ムライトMM−200mesh」、平均粒子径20μm、見掛け比重2.8、嵩比重0.89〕に変更し、構造体(I)の組成を表1の通りとした以外は実施例1と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。
比較例4は、無機粒子(A)を平均粒子径40μmの球状シリカ〔(株)マイクロン製、「SC30」、見掛け比重2.2、嵩比重1.04〕に変更した以外は実施例1と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。
比較例5は、無機粒子(A)を平均粒子径径30μmの黒曜石〔キンセイマテック(株)製、「ナイスキャッチフラワー#330」、見掛け比重2.3、嵩比重0.58〕に変更し、構造体(I)の組成を表1の通りとした以外は実施例1と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。
比較例6は、無機粒子(B)をチタン粉(目開き45μmの篩い通過品、表中、平均粒子径を「45未満」として示す)に変更した以外は実施例1と同様にして鋳物製造用構造体を得た。得られた鋳物製造用構造体について実施例1と同様の評価を行った結果を表1に示す。
2 キャビティ部
Claims (7)
- 有機繊維、無機繊維、平均粒子径50〜150μmの無機粒子(A)及びバインダー(a)を含有する構造体であって、該構造体の表面に、金属酸化物、及び金属のケイ酸塩からなる群から選ばれる平均粒子径1〜100μmの耐火性無機粒子(B)、粘土鉱物、並びにバインダー(b)を含有する表面層を有する鋳物製造用構造体。
- 無機粒子(A)の平均粒子径と耐火性無機粒子(B)の平均粒子径の比が、〔無機粒子(A)の平均粒子径〕/〔耐火性無機粒子(B)の平均粒子径〕で1〜35である請求項1記載の鋳物製造用構造体。
- 粘土鉱物の割合が、無機粒子(B)100質量部に対して、0.5〜30質量部である請求項1又は2記載の鋳物製造用構造体。
- 表面層の割合が鋳物製造用構造体の質量基準で10〜80質量%である請求項1〜3の何れか1項記載の鋳物製造用構造体。
- 該表面層が溶融金属に接する側に存在する、請求項1〜4の何れか1項記載の鋳物製造用構造体。
- 該表面層の耐火性無機粒子(B)が、ジルコンであり、粘土鉱物がアタパルジャイトであり、バインダー(b)がコロイダルシリカである、請求項1〜5の何れか1項記載の鋳物製造用構造体。
- 有機繊維、無機繊維、平均粒子径50〜150μmの無機粒子(A)、バインダー(a)、及び分散媒を含有する原料スラリーから、抄造工程を有する成形法で構造体(I)を製造する工程と、構造体(I)の表面に、金属酸化物、及び金属のケイ酸塩からなる群から選ばれる平均粒子径1〜100μmの耐火性無機粒子(B)、粘土鉱物、並びにバインダー(b)を含有する表面層を形成する工程と、を有する鋳物製造用構造体の製造方法。
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