JP2001321883A - シェルモールド用バインダー及びその製造方法 - Google Patents

シェルモールド用バインダー及びその製造方法

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JP2001321883A JP2000136956A JP2000136956A JP2001321883A JP 2001321883 A JP2001321883 A JP 2001321883A JP 2000136956 A JP2000136956 A JP 2000136956A JP 2000136956 A JP2000136956 A JP 2000136956A JP 2001321883 A JP2001321883 A JP 2001321883A
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信二 武末
Nobuhito Nonogaki
暢人 野々垣
Hiromi Tomishige
博美 冨重
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽合金鋳造時における中子の割れ防止、さら
にはシェル鋳型の造型時におけるホルムアルデヒドの発
生が抑制されたシェルモールド用バインダーを提供す
る。 【解決手段】 ゲルパーミエーションクロマトグラフィ
ーにより測定した質量平均分子量が1000以上であっ
て、フェノールピークに対する相対保持比0.80〜
0.81のピーク高さIと0.75〜0.79のピーク
高さIIとの比(I/II)が1.0以上であり、かつ
JIS−K6910による150℃のゲルタイムが30
〜60秒であるビスフェノールA変性ノボラック系フェ
ノール樹脂を主成分として成るシェルモールド用バイン
ダーとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、軽合金鋳造時にお
ける中子の割れ防止、さらにはシェル鋳型(中子、主
型)造型時におけるホルムアルデヒドの発生が抑制され
たシェルモールド用バインダー及びその製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】シェルモールド鋳造においては、鋳物
砂、ノボラック系フェノール樹脂及びヘキサメチレンテ
トラミンなどを混練して調製されたレジンコーテッドサ
ンドを加熱成形して得られる様々な形状を有する鋳型
(中子、主型)が一般に使用されている。
【0003】しかしながら、これらの鋳型のなかでも、
特にシリンダーヘッドのような複雑な形状の中子は、軽
合金の鋳造において亀裂ないしは割れ(以下、中子割れ
という)を生じやすく、その結果、鋳物内面に鋳バリ
(ベーニング)が形成されることになる。
【0004】このような欠点を克服するために、例えば
特定の方法でビスフェノールA精製残渣とフェノールを
反応させて得られる変性フェノール樹脂を鋳物砂に被覆
する鋳物用樹脂被覆砂の製造方法が提案されているが
(特公昭59−8466号公報)、いまだに十分な結果
を得るに至っていない。しかも、このようにして得られ
た被覆砂は造型時にビスフェノールA精製残さに起因す
る異臭を発生するという欠点があり、最近では使用が避
けられる傾向にある。近年、世界的な環境保全の観点か
ら、中子の造型時に発生するホルムアルデヒドによる労
働環境の汚染が重要課題としてクローズアップされてき
ており、この課題対応の1つとして、ホルムアルデヒド
の発生を抑制したシェルモールド用樹脂被覆砂粒が提案
されている(特開平10−81807号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情のもとで、軽合金鋳造時における中子の割れを防止
することができ、さらにはシェル鋳型の造型時における
ホルムアルデヒドの発生が抑制されたシェルモールド用
バインダー及びその製造方法を提供することを目的とし
てなされたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋳造時の
中子割れやホルムアルデヒドの発生のないシェルモール
ド用バインダーを開発すべく鋭意研究を重ねた結果、特
定のビスフェノールA変性ノボラック系フェノール樹脂
を主成分とするバインダーは、造型時においても反応原
料に起因する異臭の発生もない上に、さらにホルムアル
デヒド低減剤と組み合わせることにより、その効果を高
め得ることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成
するに至った。
【0007】すなわち、本発明は、ゲルパーミエーショ
ーンクロマトグラフィー(以下GPCと略す)により測
定した質量平均分子量が1000以上であって、フェノ
ールピークに対する相対保持比0.80〜0.81のピ
ーク高さIと0.75〜0.79のピーク高さIIとの
比(I/II)が1.0以上であり、かつJIS−K6
910による150℃のゲルタイムが30〜60秒であ
るビスフェノールA変性ノボラック系フェノール樹脂を
主成分とし、所望に応じ尿素系化合物及びトリアゾール
系化合物の中から選ばれる少なくとも1種のホルムアル
デヒド低減剤を含むシェルモールド用バインダーを提供
するものである。
【0008】前記のビスフェノールA変性ノボラック系
フェノール樹脂を主成分として成るシェルモールド用バ
インダーは、例えば、二価金属塩触媒の存在下、フェノ
ール40〜70質量%とビスフェノールA60〜30質
量%とからなるフェノール系化合物1モルに対し、ホル
ムアルデヒド類0.35〜0.60モルを反応させ、必
要に応じ、尿素系化合物及びトリアゾール系化合物の中
から選ばれる少なくとも1種のホルムアルデヒド低減剤
を加えることにより、製造することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明のシェルモールド用バイン
ダーは、ビスフェノールA変性ノボラック系フェノール
樹脂を主成分として成るものであるが、このビスフェノ
ールA変性ノボラック系フェノール樹脂については、中
子の割れを抑制するために、GPCにより測定した質量
平均分子量1000以上、好ましくは1000〜300
0であって、フェノールピークに対する相対保持比、す
なわち0.80〜0.81のピーク高さI/0.75〜
0.79のピーク高さIIの比が1.0以上、かつJI
S−K6910による150℃でのゲルタイムが30〜
60秒、好ましくは30〜50秒の範囲にあるものであ
ることが必要である。
【0010】上記のビスフェノールA変性ノボラック系
フェノール樹脂を主成分として成るシェルモールド用バ
インダーは、例えば、酢酸亜鉛、ホウ酸亜鉛、塩化亜鉛
などの二価金属塩触媒の存在下、フェノール40〜70
質量%とビスフェノールA60〜30質量%、好ましく
はフェノール50〜60質量%とビスフェノールA50
〜40質量%とからなるフェノール系化合物1モルに対
し、ホルムアルデヒド類、好ましくはパラホルムアルデ
ヒドを0.35〜0.6モルの割合で反応させ、必要に
応じ、所望の種々の添加成分を加えることにより製造す
ることができる。ホルムアルデヒド類の使用量が、フェ
ノール系化合物1モルに対し、0.35モル未満では樹
脂の収率が低く、一方0.6モルを超えると中子の強度
が低下する。また、フェノール系化合物中のビスフェノ
ールAの割合が30質量%未満では中子の割れ抑制効果
が十分に発揮されにくいし、60質量%を超えるとゲル
タイムの遅延による温時強度の不足を招き、中子の割れ
抑制効果が損なわれる。
【0011】本発明のシェルモールド用バインダーを用
いると、軽合金鋳造時における中子割れが防止できる理
由については必ずしも明確ではないが、ノボラック系フ
ェノール樹脂の分子量が低すぎると、充填性が悪化し、
構造的に鋳湯時の温時強度が確保されにくくなるため、
中子は溶湯圧に抗しきれずに割れを生じるものと推察さ
れるが、本発明のシェルモールド用バインダーでは質量
平均分子量が1000以上であるため、このような現象
を生じないと考えられる。
【0012】他方、中子割れ防止には、本質的に低熱膨
張性が要求されるが、本発明においては、低熱膨張性及
び反応原料に起因する臭気抑制の観点からビスフェノー
ルAを選択し、かつ樹脂のゲルタイム(硬化速度)調整
の観点から、二価金属塩触媒存在下でのフェノールとの
共縮合反応を採用し、この際、二価金属塩触媒の存在
下、低熱膨張性を付与するビスフェノールAと該ビスフ
ェノールAに速硬性を付与するフェノールを反応させて
形成される両者がオルソ位で結合した速硬性で低熱膨張
性の共縮合樹脂成分(3核体)の生成度に応じて変動す
るピークIを、ピークII(4核体)との対比パラメー
ター(I/IIの比)により調整し、中子割れ防止に必
要な速硬性かつ低熱膨張性(ビスフェノールAの最低使
用量)を確保している。
【0013】ところで、触媒種、質量平均分子量にもよ
るが、一般にビスフェノールAの使用量が多くなるとフ
ェノールの使用量は相対的に少なくなるため、樹脂のゲ
ルタイムを左右するオルソ結合共縮合樹脂成分(3核
体)の含有量が少なくなり、樹脂が遅硬化して架橋密度
を高めることができず、溶湯圧に耐える本質的な温時強
度の確保が難しくなり、中子割れを生じるので、溶湯圧
に耐える温時強度と熱ショックに耐える低熱膨張性のバ
ランスを取ることにより中子割れは防止されると考えら
れるが、本発明のバインダーにおいては、このようなバ
ランスが確保されているため、中子割れ防止がなされて
いるのである。
【0014】本発明のシェルモールド用バインダーにお
いては、従来強度の改善目的で慣用されているシランカ
ップリング剤、例えばγ‐アミノプロピルトリエトキシ
シラン、γ‐グリシドキシプロピルトリメトキシシラン
などを樹脂に対して0.01〜5質量%程度を添加する
のが好ましい。またエチレンビスステアロアミド、メチ
レンビスステアロアミドなどの滑剤を樹脂に対して1〜
6質量%程度含有させておくのが望ましい。そのほか、
本発明の目的が損なわれない範囲で、例えばエポキシ系
化合物、メラミン系化合物、尿素樹脂、ポリアミド樹脂
などを単独で又は2種以上を組み合わせて配合すること
ができる。
【0015】本発明のシェルモールド用バインダーに
は、労働環境保全の観点から、さらに中子の造型時に発
生するホルムアルデヒドの低減剤として、尿素系化合
物、トリアゾール系化合物又はこれらの混合物を含有さ
せるのが好ましい。これらの中でも、ビウレア、ビウレ
ット、1,2,4‐トリアゾール及びこれらの混合物が
好適である。さらに経済性及び中子の強度を考慮する
と、特にビウレア、ビウレット及び1,2,4‐トリア
ゾールから選ばれる少なくとも1種の化合物と尿素との
混合物、とりわけビウレアと尿素との混合物が好適であ
る。
【0016】これらの化合物の配合量は、その種類及び
混合の組み合せにより異なるが、一般的にはビスフェノ
ールA変性ノボラック系フェノール樹脂に対して、1〜
20質量%の範囲、好ましくは3〜10質量%である。
配合量が1質量%未満ではホルムアルデヒドの低減効果
が不十分であるし、また20質量%を超えると中子の強
度が低下する傾向を示す。一方、尿素の配合量は、樹脂
被覆砂の耐ブロック性の観点から、ビスフェノールA変
性ノボラック系フェノール樹脂に対して、通常1〜5質
量%、好ましくは1〜3質量%の範囲である。
【0017】本発明のシェルモールド用バインダーを用
いたレジンコーテッドサンドは、適当な混練機内で本発
明のバインダー、鋳物砂及びその他成分を当該分野で慣
用の被覆方法、例えばホットマーリング法、セミホット
マーリング法、コールドマーリング法などにより製造す
ることができる。ここで使用される鋳物砂は、鋳造耐性
(耐火性)と鋳型の基体としての粒度分布を備えたもの
であり、具体的にはケイ砂のほか、オリビンサンド、ジ
ルコンサンド、クロマイトサンド、アルミナサンド等の
特殊砂、フェロクロム系のスラグ、フェロニッケル系ス
ラグ、転炉スラグ等のスラグ系粒子、ナイガイセラビー
ズのような多孔質粒子及びこれらの再生砂などが挙げら
れるが、これらに特に限定されない。これらは単独で用
いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、低熱膨張性で温時強度
に優れるビスフェノールA変性ノボラック系フェノール
樹脂をシェルモールド用バインダーとして使用すること
により、軽合金鋳造での中子の割れ、特に複雑な形状の
中子割れによる鋳物不良(ベーニング)の発生を抑制す
ることができる。また、尿素系化合物やトリアゾール系
化合物等のホルムアルデヒド低減剤の使用により、鋳型
の造型時に発生するホルムアルデヒドを低減して労働環
境の悪化を防止することができる。
【0019】
【実施例】次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定さ
れるものではない。なお、各例におけるフェノール樹脂
の質量平均分子量及びピークI/ピークIIの比は以下
の方法により測定した。
【0020】(1)質量平均分子量;TSK−標準ポリ
スチレン(東ソー社製)を用いて検量線を作成し、以下
の装置及び条件で測定した。 GPC装置 ;東ソー社製SC−8020 カラム充填剤;TSK−Gel2000xL及びTSK−Gel4000xL (いずれも東ソー社製) 溶離液 ;テトラヒドロフラン 測定条件 ;カラム圧力0.4〜0.5MPa 溶出速度1.0ml/分 UV検出器 波長254nm (2)ピークI/ピークII比;上記のカラム充填剤を
TSK−Gel1000xLとTSK−Gel2000xL
(いずれも東ソー社製)に代え、他は同じ条件で測定し
た。
【0021】実施例1 ガラス製反応フラスコ内にフェノール1000g、ビス
フェノールA670g、92質量%パラホルムアルデヒ
ド180g、触媒として酢酸亜鉛3.3gを入れたの
ち、かきまぜながら加熱し、反応させてビスフェノール
A変性ノボラック系フェノール樹脂(N−1)を調製
し、所定温度まで冷却後、添加物としてエチレンビスス
テアロアミド40g、γ‐アミノプロピルトリエトキシ
シラン13gを添加混合してシェルモールド用バインダ
ー(B−1)を得た。なお、得られたビスフェノールA
変性ノボラック系フェノール樹脂(N−1)は、質量平
均分子量が1330で、ピークI/ピークIIの比が
1.31で、ゲルタイムが42秒であった。なお、得ら
れたビスフェノールA変性ノボラック系フェノール樹脂
における、フェノールピークに対する相対保持比が0.
80〜0.81のピークIと0.75〜0.79のピー
クIIを説明するために、GPCにより測定した該ノボ
ラック系フェノール樹脂のチャートを図1に示す。この
図1において、Aがフェノールピーク(基準ピーク)、
BがピークI、CがピークIIである。
【0022】実施例2 実施例1において、ホルムアルデヒド低減剤としてビウ
レア67gを追加混合した以外は、実施例1と同様にし
てシェルモールド用バインダー(B−2)を得た。
【0023】実施例3 実施例1において、反応原料をフェノール1000g、
ビスフェノールA500g、92質量%パラホルムアル
デヒド184g、触媒を塩化亜鉛3gに変更した以外
は、実施例1と同様にしてビスフェノールA変性ノボラ
ック系フェノール樹脂(N−2)を調製し、さらに添加
物をエチレンビスステアロアミド37g、γ‐アミノプ
ロピルトリエトキシシラン12gに変更した以外は、実
施例1と同様にしてシェルモールド用バインダー(B−
3)を得た。なお、得られたビスフェノールA変性ノボ
ラック系フェノール樹脂(N−2)の質量平均分子量は
1870で、ピークI/ピークIIの比が1.13で、
ゲルタイムが47秒であった。
【0024】実施例4 実施例1において、反応原料をフェノール1200g、
ビスフェノールA1200g、92質量%パラホルムア
ルデヒド330g、触媒を酢酸亜鉛4.8gに変更した
以外は、実施例1と同様にしてビスフェノールA変性ノ
ボラック系フェノール樹脂(N−3)を調製し、さらに
添加物をエチレンビスステアロアミド65g、γ‐アミ
ノプロピルトリエトキシシラン22gに変更し、ホルム
アルデヒド低減剤として尿素43gとビウレア65gを
追加混合した以外は、実施例1と同様にしてシェルモー
ルド用バインダー(B−4)を得た。なお、得られたビ
スフェノールA変性ノボラック系フェノール樹脂(N−
3)は、質量平均分子量が2200で、ピークI/ピー
クIIの比が1.40、ゲルタイムは55秒であった。
【0025】比較例1 実施例1において、反応原料をフェノール1000g、
92質量%パラホルムアルデヒド219g、触媒を塩化
亜鉛2gに変更した以外は、実施例1と同様にしてハイ
オルソ型ノボラック系フェノール樹脂(N−4)を調製
し、さらに添加物をエチレンビスステアロアミド24
g、γ‐アミノプロピルトリエトキシシラン8gに変更
した以外は、実施例1と同様にしてシェルモールド用バ
インダー(B−5)を得た。得られたハイオルソ型ノボ
ラック系フェノール樹脂(N−4)は、質量平均分子量
が1450で、ピークI/ピークIIの比が0.79、
ゲルタイムが40秒であった。
【0026】比較例2 実施例1において、反応原料をフェノール1000g、
ビスフェノールA1500g、47質量%ホルムアルデ
ヒド水溶液561g、触媒をシュウ酸25gに変更した
以外は、実施例1と同様にしてビスフェノールA変性ノ
ボラック系フェノール樹脂(N−5)を調製し、さらに
添加物をエチレンビスステアロアミド68g、γ‐アミ
ノプロピルトリエトキシシラン23gに変更した以外
は、実施例1と同様にしてシェルモールド用バインダー
(B−6)を得た。得られたビスフェノールA変性ノボ
ラック系フェノール樹脂(N−5)は、質量平均分子量
が1280で、ピークI/ピークIIの比が1.06、
ゲルタイムは95秒であった。
【0027】比較例3 実施例1において、反応原料をフェノール1000g、
ビスフェノールA430g、92質量%パラホルムアル
デヒド135g、触媒を塩化亜鉛2.9gに変更した以
外は、実施例1と同様にしてビスフェノールA変性ノボ
ラック系フェノール樹脂(N−6)を調製し、さらに添
加物をエチレンビスステアロアミド30g、γ‐アミノ
プロピルトリエトキシシラン10gとした以外は、実施
例1と同様にして、シェルモールド用バインダー(B−
7)を得た。得られたビスフェノールA変性ノボラック
系フェノール樹脂(N−6)は、質量平均分子量が92
0で、ピークI/ピークIIの比が1.04、ゲルタイ
ムが49秒であった。
【0028】(i)レジンコーテッドサンドの製造及び
その評価 スピードミキサー内に約160℃に予熱した再生ケイ砂
7kgと実施例1で得たシェルモールド用バインダー9
1gを投入後、60秒間混練し、水105gにヘキサメ
チレンテトラミン15.5gを溶かした水溶液を全量添
加し、塊状物が崩壊するまで送風し、ステアリン酸カル
シウム7gを添加後、15秒間混合してレジンコーテッ
ドサンドを得た。次いで、実施例1のシェルモールド用
バインダーに代えて実施例2〜4及び比較例1〜3のシ
ェルモールド用バインダーを使用した以外は、上記と同
様に操作して6種類のレジンコーテッドサンドを得た。
得られたレジンコーテッドサンドについては、下記の試
験法により、曲げ強度、温時強度及び熱膨張率の測定と
ヒートショック試験を行った。その結果を表1に示す。
また、実施例1と比較例1のレジンコーテッドサンドに
ついては、実際の実鋳造試験[試験法(5)]により中
子割れの有無を確認した。その結果を表2にに示す。
【0029】(ii)試験法 (1) 曲げ強度は250℃で60秒間焼成して作製し
たテストピース(10×10×60mm)を常温まで冷
却後に測定した。 (2) 温時強度は、250℃で40秒間焼成して作製
したテストピース(10×10×60mm)の抜型10
秒後の強度を測定した。 (3) 熱膨張率はJACT試験法M−2に準じて測定
した。 (4) ヒートショック試験は、特願平11−1170
51号に開示した型割れ試験方法及び装置を用い、直径
22φ×長さ200mmの丸棒を作製し、次いで710
℃のアルミ溶湯に浸漬し、型割れ発生の都度発生する振
動の回数を振動センサーにより測定した。振動回数が多
いほど型割れを起こしやすいと判断した。 (5) 実鋳造試験は、シリンダーヘッド中子を造型し
た後、低圧鋳造法によりアルミニウム合金を鋳湯して2
0個のシリンダーヘッドを作製した。これらの鋳物は全
て切断して内部にベーニングがあるのか否かを観察し、
中子割れの有無を確認した。
【0030】
【表1】
【0031】
【表2】
【0032】表1から明らかなように、本発明のシェル
モールド用バインダーは、軽合金鋳造での中子割れを防
止し、特に表2で示すように実鋳造試験においてもその
有効性が確認された。また、ヒートショック試験は実鋳
造試験と相関していることが確認された。さらには、造
型時のホルムアルデヒドの発生を低減できることが確認
された。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ビスフェノールA変性ノボラック系フェノー
ル樹脂におけるピークI及びピークIIを説明するため
のGPCにより測定した該樹脂の1例のチャート。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野々垣 暢人 愛知県丹羽郡扶桑町大字南山名字新津26番 地の4 旭有機材工業株式会社愛知工場内 (72)発明者 冨重 博美 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 4E092 AA45 BA11 4J002 CC041 CC061 ET016 EU166

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゲルパーミエーショーンクロマトグラフ
    ィーにより測定した質量平均分子量が1000以上であ
    って、フェノールピークに対する相対保持比0.80〜
    0.81のピーク高さIと0.75〜0.79のピーク
    高さIIとの比(I/II)が1.0以上であり、かつ
    JIS−K6910による150℃のゲルタイムが30
    〜60秒であるビスフェノールA変性ノボラック系フェ
    ノール樹脂を主成分として成るシェルモールド用バイン
    ダー。
  2. 【請求項2】 尿素系化合物及びトリアゾール系化合物
    の中から選ばれる少なくとも1種のホルムアルデヒド低
    減剤を含む請求項1記載のシェルモールド用バインダ
    ー。
  3. 【請求項3】 ホルムアルデヒド低減剤が、ビウレア、
    ビウレット及び1,2,4‐トリアゾールの中から選ば
    れる少なくとも1種の化合物、又は該化合物と尿素との
    混合物である請求項2記載のシェルモールド用バインダ
    ー。
  4. 【請求項4】 二価金属塩触媒の存在下、フェノール4
    0〜70質量%とビスフェノールA60〜30質量%と
    からなるフェノール系化合物1モルに対し、ホルムアル
    デヒド類0.35〜0.60モルを反応させることを特
    徴とするビスフェノールA変性ノボラック系フェノール
    樹脂を主成分として含むシェルモールド用バインダーの
    製造方法。
  5. 【請求項5】 反応後、ビスフェノールA変性ノボラッ
    ク系フェノール樹脂に、尿素系化合物及びトリアゾール
    系化合物の中から選ばれる少なくとも1種のホルムアル
    デヒド低減剤を加える請求項4記載のシェルモールド用
    バインダーの製造方法。
  6. 【請求項6】 ホルムアルデヒド低減剤が、ビウレア、
    ビウレット及び1,2,4‐トリアゾールの中から選ば
    れる少なくとも1種の化合物、又は該化合物と尿素との
    混合物である請求項5記載のシェルモールド用バインダ
    ーの製造方法。
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