JP2003251434A - 鋳型用砂及びその製造方法 - Google Patents
鋳型用砂及びその製造方法Info
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Abstract
することを課題とする。 【解決手段】 アルミナ40〜90重量%、シリカ60
〜10重量%の合成ムライトを主とする球状物からな
り、該球状物が、30〜1180μmの粒度分布を有
し、かつ6万/d〜180万/d(dは球状物の平均粒
子径(μm))の範囲の単位体積あたりの表面積(cm
2/cm3)を有することを特徴とする鋳型用砂により上
記課題を解決する。
Description
る。更に詳しくは、本発明は、鋳込み温度が高く、厚肉
の大型鋳鋼品に適用しうる低膨張及び低破砕性を有し、
リサイクル性に優れた鋳型用砂及びその製造方法に関す
る。
場において、鋳型は骨材(鋳型用砂)とバインダーとか
ら形成される。鋳型を作製する方法として、フラン樹脂
法、アルカリフェノール樹脂法及びフェノール樹脂法が
知られている。フラン樹脂法は、フラン樹脂に有機酸を
添加し硬化させる鋳型形成法である。アルカリフェノー
ル樹脂法は、アルカリフェノール樹脂を有機エステルで
硬化させる鋳型形成法である。フェノール樹脂法は、一
般的にRCS法として知られている鋳型形成法である。
ている。しかし、シリカ砂は、熱膨張が大きく、それに
伴う鋳造欠陥が発生しやすいという問題があった。更
に、シリカ砂は、熱破砕性が大きく、1回の鋳造でシリ
カ砂の破砕により廃棄物が5〜10%発生する。近年環
境問題がクローズアップされ、鋳物工場から発生する産
業廃棄物を減少させることが強く望まれているが、シリ
カ砂を用いる限りはその実現が困難である。
わりに、合成ムライトからなる砂を鋳型用砂として使用
することが提案されている(特公平3−47943号公
報)。この公報では、合成ムライトを、スプレードライ
ヤーにより球状砂とし、それを1600℃付近で焼成す
ることにより鋳型用砂を得ている。しかしながら、上記
鋳型用砂でも廃棄物の減少は不十分であった。
意検討の結果、鋳型用砂の表面形状に着目し、できるだ
け表面の凹凸をなくし、表面を滑らかにすることで、廃
棄物を減少できることを見出し本発明に至った。
〜90重量%、シリカ60〜10重量%の合成ムライト
を主とする球状物からなり、該球状物が、30〜118
0μmの粒度分布を有し、かつ6万/d〜180万/d
(dは球状物の平均粒子径(μm))の範囲の単位体積
あたりの表面積(cm2/cm3)を有することを特徴と
する鋳型用砂が提供される。
料を溶融させ、溶融物にエアーを吹き付けることで、ア
ルミナ40〜90重量%とシリカ60〜10重量%から
なり、30〜1180μmの粒度分布を有し、かつ6万
/d〜180万/d(dは球状物の平均粒子径(μ
m))の範囲の単位体積あたりの表面積(cm2/c
m3)を有する鋳型用砂を得ることを特徴とする鋳型用
砂の製造方法が提供される。
0〜90重量%、シリカ60〜10重量%の合成ムライ
トの砂からなる。ここで、ムライト組成の内、3Al2
O3・2SiO 2の組成の砂はSK35(1770℃)以
上の耐火度を有する。そのため耐火度を重視する場合、
上記組成に近くなるようにアルミナとシリカの配合割合
を設定することが好ましい。より好ましいアルミナとシ
リカの割合は、それぞれ60〜90重量%と40〜10
重量%である。
Fe2O3、CaO、MgO、K2O、TiO2等の他の成
分が含まれていてもよい。
法により得ることができる。例えば、アルミナ、シリカ
及び任意に他の成分を溶融混合して得られた塊状物を粉
砕することにより得ることができる。
の粒度分布を有していることが好ましい。30μmより
小さい場合は通気性が低下するので好ましくなく、11
80μmより大きい場合は鋳物の表面が荒れるため好ま
しくない。好ましい粒度分布は、212〜1180μm
(JIS10と14号相当)、150〜820μm(J
IS20と28号相当)、106〜600μm(JIS
35と48号相当)、75〜425μm(JIS65と
100号相当)、53〜300μm(JIS150と2
00号相当)が挙げられる。これら粒度分布は、例えば
鋳鉄又は鋳鋼品の種類(鋳鉄品、普通鋳鋼品、ステンレ
ス鋳鋼品、高Mn鋼品等)、鋳物の大きさ、鋳物の肉厚
等の鋳造条件に応じて適宜選択できる。一般的に、JI
S35と48号相当又は65と100号相当の砂が多く
用いられる。
Sの鋳物砂の粒度試験方法(Z2601)に準じて測定
した値をいう。この方法を概略説明すると、例えば、ふ
るいの呼び寸法が30μmのふるいの上に1180μm
のふるいを重ね、1180μmのふるいの上に原料を載
せ、ロータップ型ふるい機のようなふるい分け機械を使
用し、2つのふるい間に残ったものを、粒度分布30〜
1180μmの鋳型用砂と称する。
80万/d(dは球状物の平均粒子径(μm))の範囲
の単位体積あたりの表面積(cm2/cm3)を有する。
例えば、300〜425μmの範囲の鋳物用砂を例とし
て説明する。この鋳物用砂の平均粒子径は300μmと
425μmの中間の362.5μmであると仮定する
と、表面積は165.5〜4965.5cm2/cm3の
範囲となる。ここで、表面積が180万/d(cm2/
cm3)以上の場合、砂表面の凹凸が大きくなり、砂相
互の接触により砂が破砕することによる廃棄物の発生量
が増えるため好ましくない。この表面積は、比表面積測
定器(BELSORP 28SA AUTOMATIC
GAS ADSORPTION APPARATU
S:日本ベル社製)を用いて単位gあたりの比表面積を
測定し、その比表面積に真密度を積算することで得られ
た値である。単位体積あたりの表面積は、160万/d
以下が好ましく、145万/d以下がより好ましく、1
30万/d以下が更に好ましく、110万/d以下が特
に好ましい。
とが好ましい。具体的には、丸さの指標である粒形係数
が1.2以下であることが好ましく、1.1以下である
ことがより好ましい。1.2以下の場合、鋳型への充填
率が向上し、かつ鋳型の通気性が向上する。更に、球に
近い形状のため、砂相互の接触により生じる廃棄物の発
生量を減らすことができる。
(ジョージ・フィッシャー社製)を用いて算出した値を
意味する。すなわち、粒形係数とは1g当たりの実際の
砂粒の表面積を理論表面積で割った値を意味する。理論
表面積とは、砂粒がすべて球であると仮定した場合の表
面積をいう。従って、粒形係数が1に近いほど球に近い
形状であることを表している。
合成ムライトの原料を溶融させ、溶融物にエアーを吹き
付けることで得ることができる。つまり、溶融物はエア
ーを吹き付けられることで所定の粒度分布の粒子に溶融
状態で風砕され、風砕後、溶融粒子自体の表面張力によ
って、所定の表面積の鋳型用砂となる。溶融方法は特に
限定されず、アーク炉、るつぼ炉、誘導電気炉(高周波
炉、低周波炉等)、抵抗式電気炉、反射炉、回転炉、真
空溶解炉、キュポラ炉等が挙げられる。この内、操作が
比較的簡便なアーク炉が好ましい。
イトの原料の組成、溶融温度、エアー吹き付け時のエア
ー速度、溶融物とエアーとの接触角度で調整することが
できる。ここで、溶融温度は、1600〜2200℃の
範囲であることが好ましく、エアー速度は、80〜12
0m/secであることが好ましく、接触角度は、60
〜90°であることが好ましい。
好ましい。
鋳造時の形状を保持するためのバインダーを含んでいて
もよい。バインダーとしては、フラン樹脂、フェノール
樹脂、オイルウレタン樹脂、フェノールウレタン樹脂、
アルカリフェノール樹脂、ケイ酸ソーダー及びベントナ
イトが挙げられる。このバインダーは、その種類に応じ
た硬化剤で硬化させる。フラン樹脂用の硬化剤として
は、硫酸、リン酸、リン酸エステル、ピロリン酸等の無
機酸、キシレンスルホン酸、トルエンスルホン酸、ベン
ゼンスルホン酸等の有機酸等が挙げられる。アルカリフ
ェノール樹脂用の硬化剤としては、ラクトン類(例え
ば、プロピオンラクトン)、ギ酸エチル、ギ酸メチル、
トリアセチン等の有機エステル等が挙げられる。フェノ
ール樹脂用の硬化剤としては、ヘキサメチレンテトラミ
ン等が挙げられる。フェノールウレタン樹脂用の硬化剤
としては、トリエチルアミン、ピリジン系化合物等が挙
げられる。ケイ酸ソーダー用の硬化剤としては、炭酸ガ
ス、ダイカルシウムシリケート、有機エステル等が挙げ
られる。
充填を妨げ、かつ鋳込み時に残存する恐れがあるので、
できるだけ少ない方が好ましい。ここで、本発明の鋳型
用砂は、通常用いられている天然砂と比べて、バインダ
ーの使用量を6〜7割に減らすことができる。具体的に
は、バインダーの種類により相違するが、鋳型用砂10
0重量部に対して、1〜3重量部使用することが好まし
く、1〜1.5重量部使用することがより好ましい。
合してもよく、予め鋳型用砂の表面の少なくとも一部を
バインダーで覆っておいてもよい。
Hが所定の範囲に調整されていてもよい。具体的には、
本発明の鋳型用砂は、表面のpHが5〜9であるが、表
面を酸又はアルカリで処理することで、所定のpHに調
整できる。例えば、バインダーとしてアルカリフェノー
ル樹脂を使用し、硬化剤として有機エステルを使用する
場合、鋳型用砂の表面のpHが7〜9程度のアルカリ側
である場合、硬化反応がスムーズに進行する。また、バ
インダーがフラン樹脂、硬化剤が酸の場合、pHが5〜
7程度の酸側であることが好ましい。
は、硫酸、塩酸、リン酸等の酸、苛性ソーダー、ケイ酸
ソーダー、水酸化カリウム等のアルカリが挙げられる。
酸又はアルカリの濃度は、特に限定されないが、酸が硫
酸の場合、5〜25%程度であり、アルカリが苛性ソー
ダーの場合、10〜30%であることが好ましい。酸又
はアルカリでの処理は、エアーの吹き付けと同時に吹き
付けるか又はその後に鋳型用砂の表面に、水溶液の状態
で吹き付ける或いは水溶液に浸漬することにより行うこ
とができる。
可能である。
1.7g/cm3以上とすることができる。従来の天然
ケイ砂が1.6g/cm3程度であることと比較すると
高い値である。充填率が高いことにより、得られる鋳物
の表面をより滑らかにすることができる。より具体的に
は、JIS B 0651に準拠した測定法で、表面粗
さを14.0μm以下とすることが可能である。
限定されず、アルミニウム、銅、鉄、ステンレス等が挙
げられる。更に、本発明の鋳型用砂は、球形に近いた
め、高い通気度を有する。そのため、鋳込み時にバイン
ダー等に由来するガスを鋳型外部に逃がすことが可能と
なる。
の鋳型用砂は、本発明においては容易に再生処理するこ
とができる。再生処理の方法は、特に限定されず、公知
の方法をいずれも使用することができる。本発明の鋳型
用砂は、合成ムライトの砂からなり、180万/d(c
m2/cm3)以下の単位体積あたりの表面積を有するた
め鋳型用砂同士の接触による破損や熱クラックが生じ難
いので、初期の特性を維持することができる。従って、
再生処理が容易である。具体的には、10回鋳造・再生
処理を繰り返しても、99重量%以上再使用することが
できるという結果を得ている。
お、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
示す鋳型用砂製造装置のアーク溶解炉1に投入した。ア
ーク溶解炉1のホッパー2に投入された原料を、黒鉛電
極3に電圧を印加することによるアーク熱で、加熱溶融
させ1600〜2200℃の温度で溶出させた。溶融物
は、空気配管5を経由した80〜120m/secのエ
アーが吹き付けられることで、風砕され、その後溶融物
自体の表面張力により表面の凹凸が減少した粒状物6と
なった。この粒状物6を捕集チャンバー7中の冷却用水
槽8で水冷することで鋳型用砂を得た。図中、9は集塵
装置を意味する。得られた鋳型用砂の粒度分布、化学成
分、pH、酸消費量及び粒形係数を、スプレードライヤ
ーによる砂(伊藤忠セラテック社製セラビーズ♯40
0)と天然ケイ砂(山川産業社製フセン5号)と共に表
1と2に示す
28SA AUTOMATICGAS ADSORP
TION APPARATUS:日本ベル社製)を用い
て本発明砂とスプレードライヤーによる砂の単位gあた
りの比表面積を測定し、その比表面積に真密度を積算す
ることで単位体積あたりの表面積を算出した。なお、測
定した砂は300〜425μmの粒度分布の砂である。
また、具体的な数値は、滋賀県工業技術総合センターに
依頼して得られた数値である。結果を表3に示す。
ヤーによる砂に比べて単位体積あたりの表面積が約1/
2と小さかった。これは本発明砂の表面の凹凸が少なく
滑らかであるためと考えられる。本発明砂がスプレード
ライヤーによる砂と比べて滑らかであることは、図2の
写真からもわかる。
を使用してフラン樹脂法により鋳型を成型した。フラン
樹脂法に使用したフラン樹脂は、花王クエーカー社製3
40Bであり、酸硬化剤は花王クエーカー社製TK−2
であり、その使用量はそれぞれ1.0重量%/砂及び4
0重量%/フラン樹脂とした。また、成形時の気温は2
0℃で、湿度は60%であった。得られた鋳型の経過時
間毎の圧縮強さ、表面安定度、通気度及び充填密度を測
定し、結果を表4に示す。
した場合、スプレードライヤーによる砂及びケイ砂に比
べて硬化速度が速く、極めて高い圧縮強さ及び表面安定
度が得られることがわかった。特に、本発明砂は、スプ
レードライヤーによる砂に比べて、24時間放置後の圧
縮強さが約2倍であり、高い鋳型強度が得られている。
を使用してアルカリフェノール樹脂法により鋳型を成型
した。アルカリフェノール樹脂法に使用したアルカリフ
ェノール樹脂は、花王クエーカー社製S−660であ
り、有機エステル硬化剤は花王クエーカー社製QX−1
40であり、その使用量はそれぞれ1.5重量%/砂及
び20重量%/アルカリフェノール樹脂とした。また、
成形時の気温は20℃で、湿度は60%であった。得ら
れた鋳型の経過時間毎の圧縮強さ、表面安定度、通気度
及び充填密度を実施例1と同様にして測定し、結果を表
5に示す。
樹脂法に使用した場合、スプレードライヤーによる砂及
びケイ砂に比べて硬化速度が速く、極めて高い圧縮強さ
及び表面安定度が得られることがわかった。特に、本発
明砂は、スプレードライヤーによる砂に比べて、24時
間放置後の圧縮強さが1.5倍以上であり、高い鋳型強
度が得られている。
シリカサンド(山川産業社製R5)及びクロマイトサン
ド(山川産業社製A201)を使用し、バインダーとし
てアルカリフェノール樹脂(花王クエーカー社製S−6
60)を使用し、有機エステル硬化剤として花王クエー
カー社製QX−140を使用し(それらの使用量はそれ
ぞれ1.5重量%/砂及び20重量%/アルカリフェノ
ール樹脂)、直径30cm×高さ50mmの試験片を形
成した。また、形成時の気温は20℃で、湿度は60%
であった。試験片を24時間放置してバインダーを硬化
させた後、1000℃で加熱することで鋳型用砂の熱膨
張率を測定した。熱膨張率を表6に示す。
い。そのため、熱膨張による鋳造欠陥(ベーニング、す
くわれ、絞られ、鋳型折れ等)を抑制することができ
る。
鋳型を成型した。具体的には、各砂を150℃に加熱し
た後、フェノール樹脂を添加して混練し、105℃にな
ったとき、硬化剤を添加し、更に冷風を吹き込みながら
混練した。その後、流動性を高めるためステアリン酸カ
ルシウムを添加してRCSを得た。フェノール樹脂法に
使用したフェノール樹脂は、旭有機材社製HP7045
Kであり、硬化剤はヘキサメチレンテトラミンであり、
その使用量はそれぞれ2.2重量部/100重量部の砂
及び15重量部/100重量部の樹脂とした。ステアリ
ン酸カルシウムは砂100重量部に対して、0.05重
量部使用した。また、成形時の気温は20℃で、湿度は
60%であった。得られたRCSを用いて抗折力を測定
した。結果を表7に示す。
1.6倍、スプレードライヤーによる砂と比べて約1.
2倍の抗折力を有していた。これは本発明砂の表面が滑
らかであることに起因するものと考えられる。
を調査するために、実施例1の3種の砂、実施例3のク
ロマイトサンド、ジルコンサンド(オクムラセラム社製
コースC)を、磨耗試験機(入江商会社製卓上型ボール
ミルV−2M)により粒度の変化率を測定した。粒度の
変化率の測定は、JACT試験法S−6(耐破砕性試
験)に準拠して行なった。具体的には、420cm3の
鋳物砂にアルミナボール(直径20cm)を20個入
れ、回転数110rpm、処理時間60分の条件に鋳型
用砂を付した後の粒度の変化率を測定した。結果を表8
に示す。
匹敵する硬さを有しており、鋳型用砂の回収及び再生に
際して、その再生率が極めて高いことが想定される。
と以外は、上記製造例と同様に鋳型用砂を製造した。得
られた鋳型用砂のpHは6.2であった。この鋳型用砂
を用いること以外は、実施例1と同様にして鋳型を形成
した。得られた鋳型の経過時間毎の圧縮強さを測定し、
その結果を表9に示す。
ることで、フラン樹脂の硬化挙動が安定し、その結果2
4時間後の強度を高くできることがわかった。
め、鋳込み温度1550〜1650℃の鋳鋼品でも十分
耐えることができる。
て鋳型用砂の膨張に起因する鋳造欠陥(ベーニング、す
くわれ、絞られ、鋳型折れ)が防止され、複雑な鋳造品
でも寸法精度をより高めることができる。
量をより少なくすることができるので、経済的であるだ
けでなく、鋳込み後の型の崩壊性も良好である。
め、回収及び再生時に破砕されないため、回収率が高く
かつ粉塵の量も低減することができる。従って、作業環
境を改善することができ、産業廃棄物の発生も少なく、
時代のニーズに適応した、工業的価値のきわめて高い鋳
型用砂である。
ある。
である。
Claims (5)
- 【請求項1】 アルミナ40〜90重量%、シリカ60
〜10重量%の合成ムライトを主とする球状物からな
り、該球状物が、30〜1180μmの粒度分布を有
し、かつ6万/d〜180万/d(dは球状物の平均粒
子径(μm))の範囲の単位体積あたりの表面積(cm
2/cm3)を有することを特徴とする鋳型用砂。 - 【請求項2】 鋳型用砂が、SK35(1770℃)以
上の耐火度を有する請求項1に記載の鋳型用砂。 - 【請求項3】 鋳型用砂が、フラン樹脂、フェノール樹
脂、オイルウレタン樹脂、フェノールウレタン樹脂、ア
ルカリフェノール樹脂、ケイ酸ソーダー及びベントナイ
トから選択されるバインダーを含む請求項1又は2に記
載の鋳型用砂。 - 【請求項4】 合成ムライトの原料を溶融させ、溶融物
にエアーを吹き付けることで、アルミナ40〜90重量
%とシリカ60〜10重量%からなり、30〜1180
μmの粒度分布を有し、かつ6万/d〜180万/d
(dは球状物の平均粒子径(μm))の範囲の単位体積
あたりの表面積(cm2/cm3)を有する鋳型用砂を得
ることを特徴とする鋳型用砂の製造方法。 - 【請求項5】 エアーの吹き付けと同時又はその後に、
鋳型用砂の表面のpHを調整するためのアルカリ水溶液
又は酸水溶液で鋳型用砂を処理する請求項4に記載の製
造方法。
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