JP7247804B2 - 鋳型造型用組成物及び鋳型造型方法 - Google Patents

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Description

本発明は鋳型造型用組成物及び鋳型造型方法に関する。
中子及び鋳型を作る為の組成物として、界面活性剤（気泡剤）を用いて流動性を向上させた組成物が知られている（例えば、特許文献１）。
特公昭４２－００８２０５号公報
しかしながら、そのような組成物は往々にして、鋳造できる十分な鋳型強度になるまでの硬化時間が非常に長くなる傾向があり、生産性に優れないという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた流動性及び速硬化性を有する、鋳型造型用組成物を提供することを目的とする。本発明はまた、当該鋳型造型用組成物を用いた鋳型造型方法を提供する。
本発明の一側面は、耐火性無機粒子、水ガラス系結合剤、界面活性剤、シリコン含有化合物、活性炭粉粒体、及び水を含み、シリコン含有化合物が、金属シリコン及びフェロシリコンの少なくとも一種を含む、鋳型造型用組成物を提供する。このような鋳型造型用組成物においては、模型への充填時に各成分の流動性が維持されつつ、充填後は適時に発熱が生じて各成分の反応が進行する。生産性に優れる鋳型造型用組成物と言える。
一態様において、耐火性無機粒子１００質量部に対し、シリコン含有化合物に含まれるシリコン含有量が０．５～５．０質量部であることが好ましい。
一態様において、耐火性無機粒子１００質量部に対し、活性炭粉粒体の含有量が０．５～３．０質量部であることが好ましい。
一態様において、耐火性無機粒子が天然砂及び人工砂の少なくとも一種を含むことが好ましい。
一態様において、水ガラス系結合剤の、ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏで表されるモル比が４．０以下であることが好ましい。
一態様において、耐火性無機粒子１００質量部に対し、水ガラス系結合剤の含有量が０．１～１０質量部であることが好ましい。
一態様において、耐火性無機粒子１００質量部に対し、界面活性剤の含有量が０．０１～０．３質量部であることが好ましい。
本発明の一側面は、上記に記載の鋳型造型用組成物を模型内に充填する工程を備える、鋳型造型方法を提供する。
本発明によれば、優れた流動性及び速硬化性を有する、鋳型造型用組成物を提供することができる。本発明はまた、当該鋳型造型用組成物を用いた鋳型造型方法を提供することができる。
実験例１の結果を示すグラフである。 実験例２の結果を示すグラフである。 実験例２の結果を示すグラフである。 実験例３で用いる見かけ粘度測定機の模式図である。 実験例４の結果を示す図である。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
＜鋳型造型用組成物＞
鋳型造型用組成物は、耐火性無機粒子、水ガラス系結合剤、界面活性剤、シリコン含有化合物、活性炭粉粒体、及び水を含む。
（耐火性無機粒子）
耐火性無機粒子としては、ケイ素酸化物、アルミニウム酸化物等の無機酸化物を主成分とする天然砂、あるいはそれらを主成分とする人工砂が挙げられる。耐火性無機粒子の粒度は、ＡＦＳ粒度指数において３０～１２０であることが好ましく、５０～１００であることがより好ましい。鋳肌を重視する鋳物においては、耐火性無機粒子はある程度の細かさを有していることが好ましい。一方、鋳物のガス欠陥等の防止においては、一般的に鋳型の通気性確保のため、耐火性無機粒子はある程度の粗さを有していることが好ましい。
（水ガラス系結合剤）
水ガラス系結合剤としては、Ｎａ２ＳｉＯ３、Ｎａ４ＳｉＯ４、Ｎａ２Ｓｉ２Ｏ５、Ｎａ２Ｓｉ４Ｏ９等が挙げられる。水ガラス系結合剤、すなわちケイ酸ナトリウム（ケイ酸ソーダ）は、ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏのモル比により以下のとおり、１号～５号の種類に分類される。ただし、以下の１号～５号のケイ酸ナトリウム以外に、ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏのモル比が１．０のメタケイ酸ナトリウムを用いることもできる。そのようなメタケイ酸ナトリウムは市販されており、容易に入手が可能である。
１号：ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏのモル比が２．０～２．３である。
２号：ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏのモル比が２．４～２．５である。
３号：ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏのモル比が３．１～３．３である。
４号：ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏのモル比が３．３～３．５である。
５号：ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏのモル比が３．６～３．８である。
ケイ酸ナトリウムの１号～３号は、ＪＩＳ Ｋ１４０８にて規定されている。これらのケイ酸ナトリウムを混合することで、そのモル比を調整することが可能である。
本実施形態において、上記モル比が小さいほど、遊離アルカリ水酸化物量が多くなることから、反応が促進され、鋳型造型時の発熱ピークが早期に生じる傾向がある。この観点から、上記モル比は４．０以下であることが好ましく、３．０以下であることがより好ましく、２．５以下であることがさらに好ましい。すなわち、ケイ酸ナトリウムの上記分類においては、番号の小さいケイ酸ナトリウムをより好適に用いることができる。なお、モル比の下限は１．０とすることができる。
水ガラス系結合剤の含有量は、有効成分換算で耐火性無機粒子１００質量部に対し、０．１～１０質量部であることが好ましく、１～５質量部であることがより好ましい。水ガラス系結合剤は、鋳型強度に影響を与える。水ガラス系結合剤の含有量は、使用する耐火性無機粒子の粒度、粒子形状に応じて適宜調整することができる。充分な（例えば、１ＭＰａ以上の）鋳型強度を得ようとする場合、細かい耐火性無機粒子を用いた時は、粒子の表面積が大きくなるので、水ガラス系結合剤の含有量をある程度多くすることが好ましい。また、粗い耐火性無機粒子や真球度の高い耐火性無機粒子を用いた時は、粒子の表面積が小さくなるので、水ガラス系結合剤の含有量をある程度少なくすることが好ましい。
（界面活性剤）
界面活性剤としては、アニオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、両性界面活性剤、及びこれらの混合物が挙げられる。
アニオン性界面活性剤としては、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩、リン酸エステル塩等の界面活性剤が挙げられる。ノニオン性界面活性剤としては、エステル型、エーテル型、エステル・エーテル型等の界面活性剤が挙げられる。両性界面活性剤としては、アミノ酸系、ベタイン系、アミンオキシド系等の界面活性剤が挙げられる。
界面活性剤の含有量は、有効成分換算で耐火性無機粒子１００質量部に対し、０．０１～０．３質量部であることが好ましく、０．０２～０．２質量部であることがより好ましい。界面活性剤の含有量は、鋳型造型用組成物の流動性の観点から調整すればよい。界面活性剤の含有量が不充分であると、泡立ちが少なくなり、流動性が低くなる傾向がある。一方、界面活性剤の含有量が過多であると、気泡の巻き込み量が多くなり過ぎて、やはり流動性が低下する傾向がある。この観点から、界面活性剤の含有量は、鋳型造型用組成物の見かけ粘度が、好ましくは０．８～１０Ｐａ・ｓｅｃ、より好ましくは１．５～７Ｐａ・ｓｅｃとなるように調整すればよい。
（シリコン含有化合物）
シリコン含有化合物は、金属シリコン及びフェロシリコンの少なくとも一種を含む。シリコン含有化合物の粒度は特に限定されないが、例えばシリコン化合物の全量に対し、粒径４５μｍ以下である粒子の割合が５０質量％以上であることが好ましい。これにより、シリコン含有化合物とアルカリ水酸化物とが反応し易くなり、効率的に発熱する。
シリコン含有化合物に含まれるシリコン含有量は、耐火性無機粒子１００質量部に対し、０．５～５．０質量部であることが好ましく、１．０～３．０質量部であることがより好ましい。シリコン含有化合物としての含有量は、化合物中のシリコン含有量を勘案して調整することができる。シリコン含有化合物とアルカリ水酸化物とが効率的に反応して発熱することで、鋳型の水分を低減することができる。シリコン含有化合物の含有量が少な過ぎると充分な発熱が得られ難く、また、多過ぎるとコスト的に不合理となる傾向がある。
（活性炭粉粒体）
鋳型造型用組成物が活性炭粉粒体を含むことで、界面活性剤により流動性が向上した組成物においても、充分な発熱を生じさせることができる。また、発熱反応により生じる組成物の膨張を抑制することができる。
活性炭粉粒体は、粒状の活性炭及び粉末状の活性炭を含み得る。活性炭は大別すると、一般的に粒径１５０μｍ未満の粉末状のものと、それ以上の粒径である粒子状のものとがある。ただし、粒子サイズが大き過ぎると他の含有成分との接触効率が低下し、充分な発熱反応が生じない虞があるため、活性炭粉粒体としては粉末状活性炭が好ましく、その好適な粒子サイズは数十ミクロンである。
活性炭粉粒体の含有量は、シリコン含有化合物とアルカリ水酸化物との発熱反応を制御する観点から、耐火性無機粒子１００質量部に対し、０．５～３．０質量部であることが好ましく、０．７～１．５質量部であることがより好ましい。
（発熱促進剤）
鋳型造型用組成物は、鋳型の硬化速度を調整するためにさらに発熱促進剤を含んでいてもよい。発熱促進剤としては、アルカリ金属の水酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物等が挙げられ、特に水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等を好適に用いることができる。
発熱促進剤の含有量は、耐火性無機粒子１００質量部に対し、０～１．５質量部であることが好ましく、０～０．８質量部であることがより好ましい。発熱促進剤は、発熱ピーク温度及び発熱ピーク温度に達する時間に影響を与える。鋳型造型時間が十分に取れる条件であれば、発熱促進剤が無添加であっても、発熱反応が進行し、所望の鋳型を得ることができる。一方、発熱促進剤を添加することで、発熱ピーク温度に達するまでの時間の短縮及びより高い発熱ピーク温度を得ることができる。
（ゲル化剤）
鋳型造型用組成物は、鋳型造型用組成物に含まれる微細気泡を消泡させるため、及び水ガラス系結合剤をゲル化させて発熱反応が進むことで発生する水素ガスによる鋳型の膨張を抑制するため、さらにゲル化剤を含んでいてもよい。ゲル化剤としては、アルカリ存在下で酸を生成し、中和反応により水ガラスをゲル化させられるものであれば特に限定されないが、グリオキサール、プロピレンカーボネートに代表されるゲル化剤を選択することができる。
ゲル化剤の含有量は、耐火性無機粒子１００質量部に対し、０～１．５質量部であることが好ましく、０～０．８質量部であることがより好ましい。
（水）
水としては、水道水、蒸留水、脱イオン水等を使用すればよい。
水は、鋳型造型用組成物の流動性に影響を与える。水の含有量は、耐火性無機粒子、シリコン系化合物、活性炭等の配合割合、耐火性無機粒子の形状、大きさ等、また界面活性剤の種類、添加量等に鑑みて、適宜決定すればよい。水の含有量が少な過ぎると、鋳型造型用組成物の流動性が低下する傾向にあり、逆に多過ぎると、耐火性無機粒子と他の含有成分との分離を生ずることになり、鋳型造型用組成物にて造型される鋳型からの脱水が困難になる傾向がある。この観点から、水の含有量は、使用する界面活性剤の種類、含有量等にも鑑みて、鋳型造型用組成物の見かけ粘度が、好ましくは０．８～１０Ｐａ・ｓｅｃ、より好ましくは１．５～７Ｐａ・ｓｅｃとなるように調整すればよい。
＜鋳型造型方法＞
鋳型は、上記の鋳型造型用組成物を、鋳枠によって囲われた模型内に充填する工程を備える、鋳型造型方法により製造することができる。模型内への充填に際し、鋳型造型用組成物はホイップ状になるまで充分に撹拌されることが好ましい。模型内への充填は、撹拌後の組成物が高い流動性を有している場合は流し込みにより、また組成物がある程度の粘度を有している場合には加圧あるいは振動により、実施することができる。
模型内に充填された鋳型造型用組成物は、適時に発熱を生じて各成分の反応が進行し、その後硬化する。発熱のピークが生じる時間は、速硬化性の観点から、充填後２００分以内であること好ましく、１８０分以内であることがより好ましく、１５０分以内であることがさらに好ましい。また、発熱ピークにおける鋳型温度は、５０℃以上であることが好ましく、６０℃以上であることがより好ましく、７０℃以上であることがさらに好ましい。
硬化後の鋳型は模型から外される（脱型）。脱型後、鋳型の温度が４０℃以上、好ましくは５５℃以上である状態で、鋳型に対し各種塗型が施されてもよい。
実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実験例１：活性炭添加有無による発熱特性
混錬砂１－１
愛工舎製作所製卓上ミキサー内に、耐火性無機粒子としてフラタリーサンド（三菱商事建材販売、ＡＦＳ粒度指数６０）１０００ｇ、フェロシリコン紛（関東金属製、シリコン含有率７５質量％）４０ｇ、粉末活性炭（フタムラ化学製）９ｇを投入し、１５秒間混合・撹拌を行った。その後、１号水ガラス（富士化学製：ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏのモル比が２．０～２．３）６０ｇ、水酸化ナトリウム１０質量％水溶液４０ｇを添加し、３０秒間撹拌した。その後さらに、アニオン性界面活性剤３質量％溶液（アデカ製）１６ｇを添加し、３０秒間の撹拌を行い、ホイップ状の混錬砂１－１（鋳型造型用組成物）を作製した。
混錬砂１－２
粉末活性炭を用いなかったこと以外は、混錬砂１－１と同様にして混錬砂１－２を作製した。
混錬砂１－３
アニオン性界面活性剤溶液の量を１０ｇに変更したこと以外は、混錬砂１－２と同様にして混錬砂１－３を作製した。
得られた上記混錬砂を、径１００ｍｍの１０００ｍｌポリエチレン製ビーカーに投入して静置し、混錬砂の経時的温度変化を測定した。なお、温度測定は記録計に接続されたシース熱電対を用いて行った。結果を図１に示す。
実験例２：活性炭添加量による発熱特性
混錬砂２－１
愛工舎製作所製卓上ミキサー内に、耐火性無機粒子としてエスパール（人工砂、山川産業製６０番、ＡＦＳ粒度指数６０）１０００ｇ、金属シリコン紛（関東金属製、含有率９８．８質量％）１５ｇ、粉末活性炭（フタムラ化学製）６ｇを投入し、１５秒間混合・撹拌を行った。その後、１号水ガラス（富士化学製）３０ｇ、水酸化ナトリウム１５質量％水溶液２６ｇを添加し、３０秒間撹拌した。その後さらに、ノニオン性界面活性剤８質量％溶液（花王製）１４ｇを添加し、３０秒間の撹拌を行い、ホイップ状の混錬砂２－１を作製した。
混錬砂２－２
粉末活性炭の量を９ｇに変更したこと以外は、混錬砂２－１と同様にして混錬砂２－２を作製した。
得られた混錬砂２－１及び２－２を、径１００ｍｍの１０００ｍｌポリエチレン製ビーカーに投入して静置し、実験例１と同様にして混錬砂の経時的温度変化を測定した。結果を図２に示す。
混錬砂２－３
水酸化ナトリウム１５質量％水溶液の量を１３ｇに変更したこと以外は、混錬砂２－１と同様にして混錬砂２－３を作製した。
混錬砂２－４
水酸化ナトリウム１５質量％水溶液を用いなかったこと以外は、混錬砂２－１と同様にして混錬砂２－４を作製した。
得られた混錬砂２－３及び２－４を、径１００ｍｍの１０００ｍｌポリエチレン製ビーカーに投入して静置し、実験例１と同様にして混錬砂の経時的温度変化を測定した。結果を図３に示す。
実験例３：流動性確認テスト
混錬砂３－１及び３－２
愛工舎製作所製卓上ミキサー内に、耐火性無機粒子としてエスパール（人工砂、山川産業製６０番、ＡＦＳ粒度指数６０）１０００ｇ、金属シリコン紛（関東金属製、含有率９８．８質量％）、粉末活性炭（フタムラ化学製）を投入し、１５秒間混合・撹拌を行った。その後、１号水ガラス（富士化学製）、水酸化ナトリウム１５質量％水溶液を添加し、３０秒間撹拌した。その後さらに、ノニオン性界面活性剤８質量％溶液（花王製）を添加し、３０秒間の撹拌を行い、ホイップ状の混錬砂３－１及び３－２を作製した。各成分の添加量は表１のとおりとした。
得られた上記混錬砂の流動性を、図４に示す見かけ粘度測定機により確認した。具体的には、Φ６ｔ４の射出口１ａを設けた板（ダイ）１上に、内径Φ５０Ｈ１５０ｍｍのパイプ２をセットし、このパイプ２内にＨ約１００ｍｍまで混錬砂Ｓを投入した。外径Φ４０Ｈ１００ｍｍのＳＵＳ棒３にて、混錬砂Ｓに荷重を掛け、５０ｍｍ分の混錬砂が射出口１ａより排出される時間を測定し、その時間から見かけ粘度を算出した。結果を表１に示す。
Figure 0007247804000001
実験例４：活性炭添加有無による鋳型膨張確認テスト
混錬砂４－１
愛工舎製作所製卓上ミキサー内に、耐火性無機粒子としてエスパール（人工砂、山川産業製６０番、ＡＦＳ粒度指数６０）１０００ｇ、金属シリコン紛（関東金属製、含有率９８．８質量％）を投入し、１５秒間混合・撹拌を行った。その後、１号水ガラス（富士化学製）、水酸化ナトリウム１５質量％水溶液を添加し、３０秒撹拌した。その後さらに、ノニオン性界面活性剤８質量％溶液（花王製）を添加し、３０秒間の撹拌を行い、ホイップ状の混錬砂４－１を作製した。各成分の添加量は表２のとおりとした。
混錬砂４－２
耐火性無機粒子に対しさらに粉末活性炭（フタムラ化学製）を投入したこと以外は、混錬砂４－１と同様にして混錬砂４－２を作製した。
得られた上記混錬砂を、それぞれ２リットルメスシリンダ内に４００ｍＬを流し込み、静置した。２時間後の混錬砂の膨張状況を観察した。結果を図５に示す。活性炭無添加の混錬砂４－１については、体積が約４倍（１６００ｍＬ）にまで膨張し、硬化も認められなかった。一方、活性炭を含む混錬砂４－２については、大きな体積変化は生じず、また硬化が認められた。
Figure 0007247804000002
１…板（ダイ）１、１ａ…射出口、２…パイプ、３…ＳＵＳ棒、Ｓ…混錬砂。

Claims (8)

  1. 耐火性無機粒子、水ガラス系結合剤、界面活性剤、シリコン含有化合物、活性炭粉粒体、及び水を含み、
    前記シリコン含有化合物が、金属シリコン及びフェロシリコンの少なくとも一種を含む、鋳型造型用組成物。
  2. 前記耐火性無機粒子１００質量部に対し、前記シリコン含有化合物に含まれるシリコン含有量が０．５～５．０質量部である、請求項１に記載の鋳型造型用組成物。
  3. 前記耐火性無機粒子１００質量部に対し、前記活性炭粉粒体の含有量が０．５～３．０質量部である、請求項１又は２に記載の鋳型造型用組成物。
  4. 前記耐火性無機粒子が天然砂及び人工砂の少なくとも一種を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の鋳型造型用組成物。
  5. 前記水ガラス系結合剤の、ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏで表されるモル比が４．０以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の鋳型造型用組成物。
  6. 前記耐火性無機粒子１００質量部に対し、前記水ガラス系結合剤の含有量が０．１～１０質量部である、請求項１～５のいずれか一項に記載の鋳型造型用組成物。
  7. 前記耐火性無機粒子１００質量部に対し、前記界面活性剤の含有量が０．０１～０．３質量部である、請求項１～６のいずれか一項に記載の鋳型造型用組成物。
  8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の鋳型造型用組成物を模型内に充填する工程を備える、鋳型造型方法。
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