CN114340814B - 铸模造型用组合物和铸模造型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铸模造型用组合物，其包含耐火性无机粒子、水玻璃系粘合剂、表面活性剂、含硅化合物、活性炭粉粒体和水，其中，含硅化合物包含金属硅和硅铁中的至少一种。

Description

铸模造型用组合物和铸模造型方法
技术领域
本发明涉及铸模造型用组合物和铸模造型方法。
背景技术
作为用于制造模芯和铸模的组合物，已知使用表面活性剂(气泡剂)来提高了流动性的组合物(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公昭42－008205号公报
发明内容
然而，这样的组合物往往有如下问题：固化到成为能够进行铸造的充分铸模强度的时间非常长，生产率不优异。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供具有优异的流动性和快速固化性的铸模造型用组合物。本发明还提供使用该铸模造型用组合物的铸模造型方法。
本发明的一个方案是提供一种铸模造型用组合物，其包含耐火性无机粒子、水玻璃系粘合剂、表面活性剂、含硅化合物、活性炭粉粒体和水，含硅化合物包含金属硅和硅铁中的至少一种。对于这样的铸模造型用组合物，在向模充填时维持各成分的流动性，并且填充后在合适的时间地产生发热而使各成分的反应进行。可以说是生产率优异的铸模造型用组合物。
在一个方案中，优选相对于耐火性无机粒子100质量份，含硅化合物所含的硅含量为0.5～5.0质量份。
在一个方案中，优选相对于耐火性无机粒子100质量份，活性炭粉粒体的含量为0.5～3.0质量份。
在一个方案中，优选耐火性无机粒子包含天然砂和人工砂中的至少一种。
在一个方案中，优选水玻璃系粘合剂的由SiO2/Na2O表示的摩尔比为4.0以下。
在一个方案中，优选相对于耐火性无机粒子100质量份，水玻璃系粘合剂的含量为0.1～10质量份。
在一个方案中，优选相对于耐火性无机粒子100质量份，表面活性剂的含量为0.01～0.3质量份。
本发明的另一个方案是提供一种铸模造型方法，其具备将上述所记载的铸模造型用组合物填充于模型内的工序。
根据本发明，可以提供具有优异的流动性和快速固化性的铸模造型用组合物。本发明还可以提供使用该铸模造型用组合物的铸模造型方法。
附图说明
图1是表示实验例1的结果的坐标图。
图2是表示实验例2的结果的坐标图。
图3是表示实验例2的结果的坐标图。
图4是实验例3中使用的表观粘度测定机的示意图。
图5是表示实验例4的结果的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式详细进行说明。但是，本发明不限定于以下的实施方式。
＜铸模造型用组合物＞
铸模造型用组合物包含耐火性无机粒子、水玻璃系粘合剂、表面活性剂、含硅化合物、活性炭粉粒体和水。
(耐火性无机粒子)
作为耐火性无机粒子，可以举出以硅氧化物、铝氧化物等无机氧化物为主要成分的天然砂或者以它们为主要成分的人工砂。耐火性无机粒子的粒度优选在AFS粒度指数中为30～120，更优选为50～100。对于重视铸造表皮的铸件，耐火性无机粒子优选具有一定程度的精细度。另一方面，在防止铸件的气体缺陷等方面，一般为了确保铸模的透气性，耐火性无机粒子优选具有一定程度的粗糙度。
(水玻璃系粘合剂)
作为水玻璃系粘合剂，可以举出Na2SiO3、Na4SiO4、Na2Si2O5、Na2Si4O9等。对于水玻璃系粘合剂即硅酸钠(硅酸钠)，根据SiO2/Na2O的摩尔比被如下地分类为1号～5号的种类。但是，除以下的1号～5号的硅酸钠以外，也可以使用SiO2/Na2O的摩尔比为1.0的偏硅酸钠。这种偏硅酸钠市面上有售，可以容易地得到。
1号：SiO2/Na2O的摩尔比为2.0～2.3。
2号：SiO2/Na2O的摩尔比为2.4～2.5。
3号：SiO2/Na2O的摩尔比为3.1～3.3。
4号：SiO2/Na2O的摩尔比为3.3～3.5。
5号：SiO2/Na2O的摩尔比为3.6～3.8。
硅酸钠的1号～3号在JIS K1408有规定。通过混合这些硅酸钠，可以调整其摩尔比。
在本实施方式中，上述摩尔比越小，游离碱氢氧化物量越多，因此有促进反应、在早期产生铸模造型时的发热峰的倾向。从该观点出发，上述摩尔比优选为4.0以下，更优选为3.0以下，进一步优选为2.5以下。即，在硅酸钠的上述种类中，可以更好地使用编号小的硅酸钠。应予说明，摩尔比的下限可以设为1.0。
换算成有效成分，相对于耐火性无机粒子100质量份，水玻璃系粘合剂的含量优选为0.1～10质量份，更优选为1～5质量份。水玻璃系粘合剂影响铸模强度。水玻璃系粘合剂的含量可以根据所使用的耐火性无机粒子的粒度、粒子形状来适当地调整。在要得到充分的(例如1MPa以上的)铸模强度的情况下，在使用细小的耐火性无机粒子时，由于粒子的表面积变大，所以优选一定程度地增加水玻璃系粘合剂的含量。另外，在使用粗糙的耐火性无机粒子、真球度高的耐火性无机粒子时，由于粒子的表面积变小，所以优选一定程度地减少水玻璃系粘合剂的含量。
(表面活性剂)
作为表面活性剂，可以举出阴离子性表面活性剂、非离子性表面活性剂、两性表面活性剂和它们的混合物。
作为阴离子性表面活性剂，可以举出羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐等表面活性剂。作为非离子性表面活性剂，可以举出酯型、醚型、酯·醚型等表面活性剂。作为两性表面活性剂，可以举出氨基酸系、甜菜碱系、氧化胺系等表面活性剂。
换算成有效成分，相对于耐火性无机粒子100质量份，表面活性剂的含量优选为0.01～0.3质量份，更优选为0.02～0.2质量份。表面活性剂的含量可以从铸模造型用组合物的流动性的观点出发来调整。如果表面活性剂的含量不足，则气泡产生减少，有流动性降低的倾向。另一方面，如果表面活性剂的含量过多，则气泡的卷入量过多，仍有流动性降低的倾向。从该观点出发，表面活性剂的含量可以以铸模造型用组合物的表观粘度优选成为0.8～10Pa·秒、更优选成为1.5～7Pa·秒的方式来调整。
(含硅化合物)
含硅化合物包含金属硅和硅铁中的至少一种。含硅化合物的粒度不特别限定，但是优选例如相对于硅化合物的总量，粒径45μm以下的粒子的比例为50质量％以上。由此，含硅化合物与碱氢氧化物变得容易反应，有效地发热。
相对于耐火性无机粒子100质量份，含硅化合物所含的硅含量优选为0.5～5.0质量份，更优选为1.0～3.0质量份。以含硅化合物的形式的含量可以考虑化合物中的硅含量来调整。通过含硅化合物与碱氢氧化物有效地反应并发热，可以减少铸模的水分。如果含硅化合物的含量过少，则不易得到充分的发热，另外，如果多过，则有成为成本上不合理的倾向。
(活性炭粉粒体)
通过铸模造型用组合物包含活性炭粉粒体，即使在由于表面活性剂而流动性提高的组合物中，也能够产生充分的发热。另外，能够抑制由于发热反应而产生的组合物的膨胀。
活性炭粉粒体可以包括粒状的活性炭和粉末状的活性炭。活性炭大致分为通常粒径小于150μm的粉末状的活性炭和其以上的粒径的粒子状的活性炭。但是，如果粒子尺寸过大，则与其他含有成分的接触效率降低，有不产生充分的发热的风险，因此优选粉末状活性炭作为活性炭粉粒体，其优选的粒子尺寸为几十微米。
从控制含硅化合物与碱氢氧化物的发热反应的观点出发，相对于耐火性无机粒子100质量份，活性炭粉粒体的含量优选为0.5～3.0质量份，更优选为0.7～1.5质量份。
(发热促进剂)
为了调整铸模的固化速度，铸模造型用组合物还可以包含发热促进剂。作为发热促进剂，可以举出碱金属的氢氧化物、碱土金属的氢氧化物等，特别可以很好地使用氢氧化钠、氢氧化钾等。
相对于耐火性无机粒子100质量份，发热促进剂的含量优选为0～1.5质量份，更优选为0～0.8质量份。发热促进剂影响发热峰温度和达到发热峰温度的时间。如果是可以充分取得铸模造型时间的条件，则即使不添加发热促进剂，发热反应也进行，可以得到期望的铸模。另一方面，通过添加发热促进剂，能够缩短达到发热峰温度的时间以及得到更高的发热峰温度。
(凝胶化剂)
为了消除铸模造型用组合物所含的微小气泡，以及为了通过使水玻璃系粘合剂凝胶化并进行发热反应而抑制由产生的氢气引起的铸模的膨胀，铸模造型用组合物还可以含有凝胶化剂。作为凝胶化剂，如果在碱存在下生成酸，通过中和反应使水玻璃凝胶化，则不特别限定，可以选择以乙二醛、碳酸丙烯酯为代表的凝胶化剂。
相对于耐火性无机粒子100质量份，凝胶化剂的含量优选为0～1.5质量份，更优选为0～0.8质量份。
(水)
作为水，可以使用自来水、蒸馏水、去离子水等。
水影响铸模造型用组合物的流动性。水的含量可以根据耐火性无机粒子、硅系化合物、活性炭等的配合比例、耐火性无机粒子的形状、大小等、以及表面活性剂的种类、添加量等来适当地决定。如果水的含量过少，则有铸模造型用组合物的流动性降低的倾向，反之如果多过，则产生耐火性无机粒子与其他含有成分的分离，有难以从以铸模造型用组合物造型的铸模脱水的倾向。从该观点出发，水的含量也可以根据所使用的表面活性剂的种类、含量等以铸模造型用组合物的表观粘度优选成为0.8～10Pa·秒、更优选成为1.5～7Pa·秒的方式来调整。
＜铸模造型方法＞
铸模可以通过以下铸模造型方法来制造，上述铸模造型方法具备将上述铸模造型用组合物填充于由铸框包围的模型内的工序。在向模型内填充时，优选充分搅拌至铸模造型用组合物成为打浆状。向模型内的填充可以在搅拌后的组合物具有高流动性的情况下通过注入、另外在组合物具有一定程度的粘度的情况下通过加压或振动来实施。
填充于模型内的铸模造型用组合物适时产生发热而使各成分的反应进行，之后固化。从快速固化性的观点出发，产生发热峰的时间优选为填充后200分钟以内，更优选为180分钟以内，进一步优选为150分钟以内。另外，发热峰的铸模温度优选为50℃以上，更优选为60℃以上，进一步优选为70℃以上。
固化后的铸模从模取下(脱模)。脱模后，可以在铸模的温度为40℃以上、优选为55℃以上的状态下对铸模实施各种铸模涂料。
实施例
举出实施例和比较例来更具体地说明本发明的内容。应予说明，本发明不限定于以下的实施例。
实验例1：基于有无添加活性炭的发热特性
混炼砂1－1
在AICOH Co.,Ltd.制台式混合机内投入作为耐火性无机粒子的弗拉特里硅砂(Flattery silica sand)(三菱商事建材销售、AFS粒度指数60)1000g、硅铁粉(关东金属制、含硅率75质量％)40g、粉末活性炭(FUTAMURA CHEMICAL CO.,LTD.制)9g，进行15秒混合·搅拌。然后，添加1号水玻璃(富士化学制：SiO2/Na2O的摩尔比为2.0～2.3)60g、氢氧化钠10质量％水溶液40g，搅拌30秒。然后，添加阴离子性表面活性剂3质量％溶液(ADEKA制)16g，进行30秒的搅拌，制作打浆状的混炼砂1－1(铸模造型用组合物)。
混炼砂1－2
不使用粉末活性炭，除此之外，与混炼砂1－1同样地制作混炼砂1－2。
混炼砂1－3
将阴离子性表面活性剂溶液的量变更为10g，除此之外，与混炼砂1－2同样地制作混炼砂1－3。
将得到的上述混炼砂投入到直径100mm的1000ml聚乙烯制烧杯中并静置，测定混炼砂的经时温度变化。应予说明，温度测定使用与记录计连接的铠装热电偶来进行。将结果示于图1。
实验例2：基于活性炭添加量的发热特性
混炼砂2－1
在AICOH Co.,Ltd.制台式混合机内投入作为耐火性无机粒子的ESPEARL(人工砂、山川产业制60号、AFS粒度指数60)1000g、金属硅粉(关东金属制、含有率98.8质量％)15g、粉末活性炭(FUTAMURA CHEMICAL CO.,LTD.制)6g，进行15秒混合·搅拌。然后，添加1号水玻璃(富士化学制)30g、氢氧化钠15质量％水溶液26g，搅拌30秒。然后，添加非离子性表面活性剂8质量％溶液(花王制)14g，进行30秒的搅拌，制作打浆状的混炼砂2－1。
混炼砂2－2
将粉末活性炭的量变更为9g，除此之外，与混炼砂2－1同样地制作混炼砂2－2。
将得到的混炼砂2－1和2－2投入到直径100mm的1000ml聚乙烯制烧杯中并静置，与实验例1同样地测定混炼砂的经时温度变化。将结果示于图2。
混炼砂2－3
将氢氧化钠15质量％水溶液的量变更为13g，除此之外，与混炼砂2－1同样地制作混炼砂2－3。
混炼砂2－4
不使用氢氧化钠15质量％水溶液，除此之外，与混炼砂2－1同样地制作混炼砂2－4。
将得到的混炼砂2－3和2－4投入直径100mm的1000ml聚乙烯制烧杯中并静置，与实验例1同样地测定混炼砂的经时温度变化。将结果示于图3。
实验例3：流动性确认测试
混炼砂3－1和3－2
在AICOH Co.,Ltd.制台式混合机内投入作为耐火性无机粒子的ESPEARL(人工砂、山川产业制60号、AFS粒度指数60)1000g、金属硅粉(关东金属制、含有率98.8质量％)、粉末活性炭(FUTAMURA CHEMICAL CO.,LTD.制)，进行15秒混合·搅拌。然后，添加1号水玻璃(富士化学制)、氢氧化钠15质量％水溶液，搅拌30秒。然后进而，添加非离子性表面活性剂8质量％溶液(花王制)，进行30秒的搅拌，制作打浆状的混炼砂3－1和3－2。各成分的添加量设为如表1所示。
利用图4所示的表观粘度测定机确认所得到的上述混炼砂的流动性。具体而言，在设置有Φ6t4的射出口1a的板(模头)1上设置内径Φ50高150mm的管2，在该管2内投入混炼砂S至高度约100mm。利用外径Φ40高100mm的SUS棒3，对混炼砂S施加负荷，测定从射出口1a排出50mm份的混炼砂的时间，由该时间算出表观粘度。将结果示于表1。
表1
实验例4：基于有无添加活性炭的铸模膨胀确认测试
混炼砂4－1
在AICOH Co.,Ltd.制台式混合机内投入作为耐火性无机粒子的ESPEARL(人工砂、山川产业制60号、AFS粒度指数60)1000g、金属硅粉(关东金属制、含有率98.8质量％)，进行15秒混合·搅拌。然后，添加1号水玻璃(富士化学制)、氢氧化钠15质量％水溶液，搅拌30秒。然后进而，添加非离子性表面活性剂8质量％溶液(花王制)，进行30秒的搅拌，制作打浆状的混炼砂4－1。各成分的添加量设为如表2所示。
混炼砂4－2
对耐火性无机粒子进一步投入粉末活性炭(FUTAMURA CHEMICAL CO.,LTD.制)，除此之外，与混炼砂4－1同样地制作混炼砂4－2。
将得到的上述混炼砂分别注入400mL到2升量筒内，静置。观察2小时后的混炼砂的膨胀状况。将结果示于图5。对于无添加活性炭的混炼砂4－1，体积膨胀至约4倍(1600mL)，也未观察到固化。另一方面，对于含有活性炭的混炼砂4－2，没有发生大的体积变化，另外观察到固化。
表2
符号说明
1…板(模头)1，1a…射出口，2…管，3…SUS棒，S…混炼砂。

Claims (7)

1.一种铸模造型用组合物，其包含耐火性无机粒子、水玻璃系粘合剂、表面活性剂、含硅化合物、活性炭粉粒体和水，
所述含硅化合物包含金属硅和硅铁中的至少一种，
相对于所述耐火性无机粒子100质量份，所述活性炭粉粒体的含量为0.5～3.0质量份。
2.根据权利要求1所述的铸模造型用组合物，其中，相对于所述耐火性无机粒子100质量份，所述含硅化合物所含的硅含量为0.5～5.0质量份。
3.根据权利要求1或2所述的铸模造型用组合物，其中，所述耐火性无机粒子包含天然砂和人工砂中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的铸模造型用组合物，其中，所述水玻璃系粘合剂的由SiO2/Na2O表示的摩尔比为4.0以下。
5.根据权利要求1或2所述的铸模造型用组合物，其中，相对于所述耐火性无机粒子100质量份，所述水玻璃系粘合剂的含量为0.1～10质量份。
6.根据权利要求1或2所述的铸模造型用组合物，其中，相对于所述耐火性无机粒子100质量份，所述表面活性剂的含量为0.01～0.3质量份。
7.一种铸模造型方法，其具备将权利要求1～6中任一项所述的铸模造型用组合物填充于模型内的工序。
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