JP2000233258A

JP2000233258A - 鋳型用粘結剤

Info

Publication number: JP2000233258A
Application number: JP11032681A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Tachikawa; 俊之立川; Katsuyuki Tanaka; 克行田中
Original assignee: Sumitomo Durez Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Durez Co Ltd
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2000-08-29

Abstract

(57)【要約】【課題】アルミニウムのような低融点鋳物用シェルモ
ールド鋳型の造型に適したレジンコーテッドサンドを提
供する。【解決手段】尿素含有樹脂、又は尿素含有樹脂とフェ
ノール樹脂、及びポリイソシアネート化合物を必須成分
とする鋳型用粘結剤、及び加熱された耐火骨材に尿素含
有樹脂、又は尿素含有樹脂とフェノール樹脂を添加混合
し、次いでポリイソシアネート化合物を添加混合するこ
とを特徴とするレジンコーテッドサンドの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウムのよ
うに鉄・鋼等に比較して、低融点の金属の鋳造に特に適
した鋳型用粘結剤及びこの粘結剤を用いたレジンコーテ
ッドサンドの製造方法に関するものである。特に優れた
硬化性を有し、使用時に金属等の腐食や作業環境汚染を
伴わないコーテッドサンド及び鋳型を提供するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車メーカーは地球温暖化防止を目的
としたＣＡＦＥ法達成を目指している。特に燃費率向上
のために自動車部品の軽量化を追求し、その方策として
金属部品のアルミニウム化を進めている。従来の鋳造に
おいて、鋳型に注湯する金属の温度は鋳鉄の場合約１４
００℃と高温であり、シェル中子を形成しているフェノ
ール樹脂硬化物は殆ど熱分解し、珪砂との結合強度が消
滅する。そのため冷却後の型ばらしが比較的容易であっ
た。一方、増加しつつあるアルミニウムやマグネシウム
のような低融点金属の場合、約７００℃とその溶湯温度
が低く熱量が少ないため、従来のフエノール樹脂を用い
たレジンコーテットサンドでは、鋳造後において、鋳型
を形成する樹脂硬化物の熱分解が充分でなく型ばらし時
の崩壊性に問題があった。そのため、良好な崩壊性を有
する樹脂粘結剤あるいは新規なシステムの開発が久しく
望まれており、現在まで多くの改良がなされてきた。

【０００３】以下に、従来良崩壊性樹脂として開発され
た事例を幾つか説明する。樹脂そのものによる方法とし
ては、フェノール樹脂に比べ低温で分解し易い結合をも
つ樹脂、例えば不飽和ポリエステル樹脂やポリウレタン
系樹脂の利用が提案されている（特開昭５７−１８７１
４２号公報）が、価格、実用強度、ハンドリングの難し
さより本格使用には至ってない。また、低温熱分解性を
示す物質又は樹脂、例えばシクロペンタジエン、ポリビ
ニルアルコール、尿素樹脂、ポリブタジエン、エポキシ
樹脂により変性したフェノール樹脂により、珪砂を被覆
し更に熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂で外表面を被覆す
るコーテッドサンドの製法がある（特開昭５７−１５６
８５８号公報、特開昭５７−１４９０４３号公報、特開
昭５８−１１０１５８号公報）が、主に混練時のハンド
リングの難しさ、実用強度の低さ等より本格使用には至
ってない。

【０００４】一方、フェノール樹脂の崩壊性を化学的に
改良する方法として、酸化剤を配合することが有効と考
えられ、過酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩等の熱分解促
進剤を添加混合する方法がある。ハロゲン化物を添加す
る方法がこれらの中では崩壊性に効果が見られ実用化さ
れている。この方法は現在までに開発されたものの中で
は崩壊性が良いとされているが、それでも注湯後の鋳型
を形成する樹脂硬化物の熱分解が充分でなく崩壊させる
には強固性を保持しており、特に無垢状の中子の場合、
型ばらしに際し高温度で数時間も加熱し更に衝撃を与え
崩壊させる方法が取られている。

【０００５】このことは多量のアルミ鋳物を製造する自
動車産業に於いては労力とコスト、特に燃料費を多大に
消費することになり、生産効率向上のために著しくネッ
クとなっている。更に大きな問題は注湯時のハロゲン系
ガスの発生、特に塩素系、臭素系ガスの発生が使用金型
や装置類を腐食させ、これに対する対策が必要となって
いる。更には、有機ハロゲン物質等有害臭気による作業
環境の悪化、大気汚染の恐れも有り、システムそのもの
の存否が問われている。従来のフェノール樹脂粘結剤
は、冷間鋳型強度を向上させるために適したものであ
り、高強度のレジンコーテッドサンドを得ることができ
るが、耐熱性に優れるため、注湯後の鋳型崩壊性の点で
問題となる。そこで鋳込み時に金型の腐食や作業環境に
おいても比較的問題がなく、注湯後の鋳型崩壊性が良好
な尿素系樹脂の使用が考えられてきたが、次のような理
由により実用化されてない。

【０００６】コーテットサンドの製造法において、尿素
系樹脂を使用することは溶融被覆後の冷却による粒子同
志の固着性が強く、乾態砂になりにくいという弊害があ
る。この対策のため耐火骨材の加熱温度を高める方法が
考えられるが、尿素系樹脂が変質する可能性が大きく、
品質の安定したレジンコーテッドサンドが得られない。
また、通常１〜２分の混練時間を数分〜十数分に延ばす
方法もあるが、充分な乾態砂を形成し得ないし、生産効
率が著しく低下する。さらには、得られたコーテットサ
ンドは長期間の放置により固結し易いと言う致命的な欠
点があり、実用化し得ないのが現状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、鋳物業
界における崩壊性改良と省エネルギー化の課題を解決
し、生産性向上に貢献し、特にアルミニウムのような低
融点鋳物用シェルモールド鋳型の造型に適したレジンコ
ーテッドサンドを提供することを目的として、更には、
レジンコーテッドサンドの粘着点が高く、冷間鋳型強度
が高く、且つ鋳込み時に金型の腐食や作業環境にも配慮
した低融点鋳物用レジンコーテッドサンドを鋭意研究し
てきた。その結果、尿素含有樹脂とポリイソシアネート
化合物とからなる粘結剤を使用することにより、低融点
金属の鋳造に適したレジンコーテッドサンドを得ること
ができることを見出したものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、尿素含有樹脂
及びポリイソシアネート化合物を必須成分とする鋳型用
粘結剤に関するものであり、かかる粘結剤を使用してレ
ジンコーテッドサンドを製造するにあたり、加熱された
耐火骨材に尿素含有樹脂を添加混合し、次いでポリイソ
シアネート化合物を添加混合することを特徴とするレジ
ンコーテッドサンドの製造方法に関するものである。更
には、加熱された耐火骨材にフェノール樹脂及び尿素含
有樹脂を添加混合し、次いでポリイソシアネート化合物
を添加混合することを特徴とするレジンコーテッドサン
ドの製造法に関するものである。

【０００９】本発明者等は、レジンコーテッドサンドの
製造法において、尿素含有樹脂を使用する場合、混練時
被覆後の冷却による粒子同志の固着性が強く、乾態砂に
なりにくいことやコーテットサンドが長期間の放置によ
り固結し易いことについて鋭意研究を重ねた。その結
果、原因が何れも尿素含有樹脂の末端のアミノ基、水酸
基或いは水分の存在に負うところが大きいを見出した。
そして、尿素含有樹脂の末端のアミノ基、水酸基を極性
の小さい結合に変えることを検討し、イソシアネート基
をこれらの基と反応又はブロックしウレタン結合させる
こと、さらには、水分を除去することにより、乾態砂に
成りにくいことや固結し易い現象を防止できることを見
いだし、本発明を完成するに至った。これにより鋳型強
度が良くしかも注湯後の崩壊性の良いレジンコーテッド
サンドを得ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明において使用される尿素含
有樹脂としては、尿素とホルムアルデヒド類を反応させ
た尿素樹脂を基本とするが、他の化合物で変性したもの
或いは他の樹脂と併用したものも同様に使用される。具
体的には、尿素樹脂、フェノール変性尿素樹脂、フラン
変性尿素樹脂、エポキシ変性尿素樹脂が使用でき、特に
鋳型に対する適度な耐熱性が得られるフェノール変性尿
素樹脂やフラン変性尿素樹脂が好ましい。尿素含有樹脂
中の尿素量の多少は鋳型強度の強さ及び鋳型注湯後の崩
壊性の強弱に影響する。尿素量が多ければ鋳型注湯後の
崩壊性が良いが、冷間鋳型強度が低い。この崩壊性と冷
間鋳型強度とのバランスは個々に使用されるシェル鋳型
の用途・肉厚形状・鋳造サイクルにより差がある。一般
に使用しうる尿素含有樹脂中の尿素量としては、反応に
用いられた尿素量が、得られた樹脂固形分に対して５〜
８０重量％であることが好ましい。５重量％未満である
と崩壊性改良の硬化が小さく、一方、８０重量％を越え
る樹脂を得ることは困難である。尿素含有樹脂ともにフ
ェノール樹脂等の他の樹脂を使用する場合は、他の樹脂
の割合に応じて尿素量を調整する。

【００１１】本発明で得られる尿素含有樹脂には、必要
に応じてシランカップリング剤や溶剤を本発明の目的を
損なわない範囲で添加できる。本発明において、注湯後
の崩壊性に加えて冷間鋳型強度を必要とする場合には、
尿素含有樹脂ともにフェノール樹脂を用いることが好ま
しい。フェノール樹脂は、フェノール類とホルムアルデ
ヒド化合物とを重縮合させることによって得られるノボ
ラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、
あるいは他の樹脂で変性したものの１種あるいは２種以
上を併用したものである。フェノール類としては、フェ
ノール、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、クレゾ
ール、３，５−キシレノール、レゾルシノール、ノニル
フェノール、ｐ−ｔｅｒ−ブチルフェノール、イソプロ
ピルフェノール、フェニルフェノール、その他置換フェ
ノールを含めたフェノール類化合物やカシューナット殻
液のような各種フェノール化合物が用いられる。これら
は一種又は２種以上用いられる。またアルデヒド化合物
としては、ホルムアルデヒド、フルフラール、グリオキ
ザール等の一種又は２種以上が用いられる。フェノール
樹脂の添加量は、尿素含有樹脂とフェノール樹脂の合計
量に対して尿素量が上記の割合の範囲内であれば、特に
限定されず、要求される崩壊性と冷間鋳型強度とから決
定される。

【００１２】本発明に於いて使用されるポリイソシアネ
ート化合物としては、分子中にイソシァネート基を２以
上有する芳香族、脂肪族あるいは脂環式のポリイソシア
ネートであり、好ましくはジイソシアネートが望まし
い。具体的には、例えば、ジフェニルメタンジイソシア
ネート、ポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネー
ト（以下、ポリメリックＭＤＩという）、ヘキサメチレ
ンジイソシアネート、４,４'−ジシクロヘキシルメタン
ジイソシアネートを挙げることができる。ポリイソシア
ネート化合物は、尿素含有樹脂又は尿素含有樹脂とフェ
ノール樹脂の合計量に対して３〜５０重量％の範囲で使
用することが好ましい。３重量％より少ない場合は通常
１〜２分の混練時間を数分〜十数分にまで長くする必要
があり、生産効率が低下し実用的でない。さらには、得
られたレジンコーテッドサンドは長期間の放置により固
結し易いものである。また５０重量％を越えるとゲル化
時間が速すぎ鋳型強度が弱くなる。好ましくは尿素含有
樹脂に対して５〜３０重量％である。尿素含有樹脂又は
尿素含有樹脂とフェノール樹脂の他に、樹脂等を添加す
る場合は、その量に応じてポリイソシアネート化合物の
添加量を調整する。

【００１３】本発明において、コーテットサンドの製造
方法は、加熱された耐火骨材に尿素含有樹脂を添加し均
一に混合し、次いでポリイソシアネート化合物を添加混
合する。また、尿素含有樹脂及びフェノール樹脂を添加
混合し、次いでポリイソシアネート化合物を添加混合す
る場合、良好な崩壊性と冷間鋳型強度を得るために、尿
素含有樹脂を耐火骨材に均一に被覆後フェノール樹脂を
被覆するのが望ましい。しかしながら、耐火骨材は多角
形且つ凹凸がある上に、ミキサーに入れ加熱し激しく攪
拌されるので、このような図式が常に保持できるとは限
らない。従って尿素含有樹脂に次いでフェノール樹脂、
又はフェノール樹脂に次いで尿素含有樹脂、或いは両者
を同時に添加混合したのちにポリイソシアネート化合物
を添加混合する工程でも差し支えない。

【００１４】さらにコーテットサンド製造時には、必要
に応じノボラック型フェノール樹脂の硬化剤であるヘキ
サメチレンテトラミン、ヘキサメチレンテトラミン水溶
液あるいはアミド系滑剤等の添加も本発明の目的を損な
わない範囲で添加できる。本発明の作用効果について
は、以下の本発明の実施例ならびに鋳型崩壊性等の結果
より明確になるが、その理由としては次のようなことが
挙げられる。本発明に於いて、ポリイソシアネート化合
物に含まれるイソシアネート基は反応性に富み活性水素
を持つ化合物と付加反応が起こる。特に水とは速やかに
反応するので脱水剤として作用する。この結果、添加さ
れたポリイソシアネート化合物は、尿素含有樹脂中のア
ミノ基や水酸基、或いは水分と反応するため従来の尿素
含有樹脂を用いる場合問題であった溶融被覆後の冷却に
よる砂粒子同志の固着性を防止でき、コーテットサンド
の長期間の放置による固結も防止できるものである。そ
の結果良好な特性を持つレジンコーテッドサンドを極め
て経済的に得ることが出来る。

【００１５】注湯後の鋳型崩壊性について、尿素含有樹
脂及びポリイソシアネート化合物を使用する理由を説明
する。有機系化合物の中で原子間結合エネルギーの比較
的小さいＣーＮ骨格を持ち、熱分解時に環境の悪化や鋳
物に悪影響の少ない樹脂としては尿素樹脂やウレタン樹
脂があげられ、これらの樹脂を本発明におれる鋳型崩壊
性改良に寄与させるのが基本的考え方である。更にアル
ミニウムのような低融点鋳物はダイキャストによる方法
が多用されるようになり、この金型は常に２００℃以上
に加熱保持されている。従って、中子鋳型は注湯後の鋳
型崩壊性のみを求められているのではなく、ある程度の
耐熱性も要求されている。そのため、尿素含有樹脂の中
で、好ましいものとして耐熱性の優れた樹脂で変性した
ものを本発明に寄与させるのがもう一つの考え方であ
る。この結果、本特許の粘結剤を使用したレジンコーテ
ッドサンドにより造型された鋳型は、冷間強度が高く、
注湯後の鋳型崩壊性が良好である。また、造型や注湯時
に環境悪化や金属腐食を生じさせることはない。

【００１６】

【実施例】以下本発明を実施例により説明する。しかし
本発明はこれらの実施例によって限定されるものではな
い。また製造例、実施例及び比較例に記載されている
「部」及び「％」はすべて「重量部」及び「重量％」を
示す。

【００１７】［製造例１］冷却器と攪拌器付き反応容器
にフェノール１０００部、３７％ホルマリン１８２１部
を仕込み酢酸ナトリウム水溶液によりｐＨを８.５〜９.
０に調整した。８０℃に昇温しこの温度で２時間反応し
た後、尿素６００部を添加した。更に１時間反応後、６
５〜７０℃で４０トールの減圧下にて脱水濃縮を行い、
水溶性フェノール変性尿素樹脂を得た。この樹脂の粘度
は１２ポイズ／２５℃、固形分は７０％であった。

【００１８】［製造例２］冷却器と攪拌器付き反応容器
に尿素６００部、３７％ホルマリン１６２１部を仕込み
酢酸ナトリウム水溶液によりｐＨを７.５〜８.０に調整
した。８０℃に昇温しこの温度で３時間反応した後６０
〜６５℃で４０トールの減圧下にて脱水濃縮を行い、水
溶性尿素樹脂を得た。この樹脂の粘度は１１ポイズ／２
５℃、固形分は６０％であった。

【００１９】［実施例１］温度１６０℃に加熱したフラ
タリーサンド８０００部をワールミキサーに仕込み、製
造例１にて得た樹脂２２０部を添加し３０秒混合した。
次に市販のポリメリックＭＤＩ(住友バイエル製ＳＢＵ
４４Ｖ−２０）２０部を添加して約２０秒混練を続け、
次いでコーテッドサンドが崩壊するまで空冷状態で混練
した後、ステアリン酸カルシウムを８部添加し２０秒混
練した。ミキサーより排出してレジンコーテットサンド
を得た。

【００２０】［実施例２］温度１６０℃に加熱したフラ
タリーサンド８０００部をワールミキサーに仕込み、製
造例１にて得た樹脂１２０部を添加し２０秒混合した、
次いで市販のノボラックフェノール樹脂(住友デュレズ
製ＰＲ−Ｆ−３０）８０部添加し１０秒混合した。次
に市販のポリメリックＭＤＩ(住友バイエル製ＳＢＵ４
４Ｖ−１０）１０部を添加して約２５秒混練を続け、８
部のヘキサメチレンテトラミンを５３部の水に溶かした
水溶液を添加しコーテッドサンドが崩壊するまで空冷状
態で混練した、ステアリン酸カルシウムを８部添加し２
０秒混練した。ミキサーより排出してレジンコーテット
サンドを得た。

【００２１】［実施例３］温度１６０℃に加熱したフラ
タリーサンド８０００部をワールミキサーに仕込み、製
造例２にて得た樹脂１４０部を添加し２５秒混合した、
次いで市販のノボラックフェノール樹脂(住友デュレズ
製ＰＲ−Ｆ−３０）４０部添加し１０秒混合した。次
に市販のポリメリックＭＤＩ(住友バイエル製ＳＢＵ４
４Ｖ−３０）１２部を添加して約２５秒混練を続け、６
部のヘキサメチレンテトラミンを４０部の水に溶かした
水溶液を添加しコーテッドサンドが崩壊するまで空冷状
態で混練した、ステアリン酸カルシウムを８部添加し２
０秒混練した。ミキサーより排出してレジンコーテット
サンドを得た。

【００２２】［実施例４］温度１５０℃に加熱したフラ
タリーサンド８０００部をワールミキサーに仕込み、製
造例２にて得た樹脂１４０部を添加し２５秒混合し、次
いで市販の固形レゾール型フェノール樹脂(住友デュレ
ズ製ＰＲ−Ｆ−３０）８０部添加し１０秒混合した。
次に市販のポリメリックＭＤＩ(住友バイエル製ＳＢＵ
４４Ｖ−２０）１２部を添加して約２５秒混練を続け、
コーテッドサンドが崩壊するまで空冷状態で混練した、
ステアリン酸カルシウムを８部添加し２０秒混練した。
ミキサーより排出してレジンコーテットサンドを得た。

【００２３】［比較例１］温度１５０℃に加熱したフラ
タリーサンド８０００部をワールミキサーに仕込み、市
販の固形レゾール型フェノール樹脂(住友デュレズ製Ｐ
Ｒ−５１５０１Ｂ）１８０部添加し４０秒混合した、次
いで９６部の冷却水を添加しコーテッドサンドが崩壊す
るまで空冷状態で混練した、ステアリン酸カルシウムを
８部添加し２０秒混練した。ミキサーより排出してレジ
ンコーテットサンドを得た。

【００２４】［比較例２］温度１６０℃に加熱したフラ
タリーサンド８０００部をワールミキサーに仕込み、市
販のノボラックフェノール樹脂(住友デュレズ製ＰＲ−
Ｆ−３０）１６０部添加し３０秒混合した。１８部のヘ
キサミンを９６部の水に溶かした水溶液を添加しコーテ
ッドサンドが崩壊するまで空冷状態で混練した、ステア
リン酸カルシウムを８部添加し２０秒混練した。ミキサ
ーより排出してレジンコーテットサンドを得た。

【００２５】［比較例３］温度１６０℃に加熱したフラ
タリーサンド８０００部をワールミキサーに仕込み、製
造例１にて得た樹脂２２０部を添加し３６０秒混練を続
け、更にコーテッドサンドがほゞ崩壊するまで空冷状態
で混練した後、ステアリン酸カルシウムを８部添加し２
０秒混練した。ミキサーより排出してレジンコーテット
サンドを得た。

【００２６】各実施例及び比較例により得られたレジン
コーテットサンドについて、特性を測定し、その結果を
表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】（レジンコーテッドサンドの特性試験方
法）１．レジンコーテットサンドの固結性：常温でレジンコ
ーテットサンド１０ｋｇを紙袋に入れ１５０ｋｇの荷重
を掛け塊状態をチェックした。２．曲げ強度：ＪＡＣＴ試験法ＳＭー１３．粘着点：ＪＡＣＴ試験法Ｃー１４．ベンド：ＪＡＣＴ試験法ＳＭー１測定条件：鋳型の焼成２５０℃×２０秒５．崩壊性試験：レジンコーテットサンドを直径２９m
m、長さ１５０mmの鉄パイプに充填し、２５０℃で３０
分予備焼成した。パイプをアルミ箔で被覆し、４００℃
で２時間焼成した。放冷後パイプを取り出し、図１の衝
撃試験機にて衝撃を加え、１回毎に崩壊した砂を取り出
し、残砂量が０になったときの衝撃回数を求めた。図１
において、Ａは試験片、Ｂはハンマー部、Ｃは支点を示
す。ハンマー部Ｂは支点Ｃを中心に回転する腕である。
ハンマー部Ｂの支点Ｃは高さ３０cmに取り付けられハン
マー部Ｂは水平に持ち上げてから自然落下させ、支点Ｃ
を中心にして、サンプルＡに向け衝撃を加える。

【００２９】

【発明の効果】本発明の鋳型用粘結剤及びこれを用い耐
えられたレジンコーテットサンドは、冷間鋳型強度に優
れ、造型時や注湯後の金型の腐食作用や作業環境を悪化
させることなく、注湯後の鋳型崩壊性が良好である。従
って、低融点金属の鋳造に適したシェルモールド用コー
テットサンドを極めて経済的に製造することができる。
その結果、鋳造工程における砂焼工程の削減、エネルギ
ー削減、金型腐食問題や作業環境改善が可能となり工業
的に極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋳型崩壊性試験機の概略断面図。

【符号の説明】

Ａ試験片Ｂハンマー部Ｃ支点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4E092 AA45 AA51 AA55 BA04 BA09 BA12 CA03 4J034 BA07 DA01 DA03 DJ02 DJ07 DJ08 DJ10 DJ11 HA01 HA06 HA07 HC03 HC12 HC17 HC22 HC46 HC52 HC63 HC64 HC67 HC71 RA08 RA19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】尿素含有樹脂及びポリイソシアネート化
合物を必須成分とする鋳型用粘結剤。
【請求項２】尿素含有樹脂、フェノール樹脂及びポリ
イソシアネート化合物を必須成分とする鋳型用粘結剤。
【請求項３】尿素含有樹脂において反応に用いられた
尿素量が、得られた樹脂固形分に対して５〜８０重量％
である請求項１又は２記載の鋳型用粘結剤。
【請求項４】ポリイソシアネート化合物の量が、尿素
含有樹脂、又は尿素含有樹脂とフェノール樹脂の合計量
に対して１〜５０重量％である請求項１又は２記載の鋳
型用粘結剤。
【請求項５】加熱された耐火骨材に尿素含有樹脂を添
加混合し、次いでポリイソシアネート化合物を添加混合
することを特徴とするレジンコーテッドサンドの製造方
法。
【請求項６】加熱された耐火骨材に尿素含有樹脂及び
フェノール樹脂を添加混合し、次いでポリイソシアネー
ト化合物を添加混合することを特徴とするレジンコーテ
ッドサンドの製造方法。