JP2009166093A - 離型剤及び鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属の鋳造等に用いられ、離型性に優れた離型剤及び該離型剤又はその希釈物を用いた鋳造方法を提供する。
【解決手段】離型剤は、液状媒体中にフラーレン等のナノカーボン材料を含有することを特徴とし、鋳造品の離型性を向上させると共に、離型面の荒れを抑制することができる。また、鋳造方法は、ナノカーボン材料を含有する離型剤又はその希釈物を用いて被鋳造材を鋳造する方法であり、表面形状が良好な鋳造品を効率的に製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属の鋳造等に用いる離型剤及び該離型剤を用いた鋳造方法に関する。

一般的に、金型鋳造（ダイカスト鋳造等）では、鋳造を行う度に、金型表面に離型剤が塗布される。金型表面に塗布された離型剤の蒸発潜熱により、金型への熱の蓄積を防ぐことができる（冷却作用）。また、形成された離型被膜により金型−溶融凝固物間の溶着を防ぐことができる。その結果、鋳造物を傷つけることなく容易に、金型から取り出すことができる。

高温の溶融物と金型との接触面で強固な離型被膜を形成させるために、離型剤には各種の固体潤滑剤が含まれることがある。例えば、特許文献１には、固体潤滑剤として、酸化アルミニウムの微粒子を含む離型剤が記載されている。また、特許文献２には、固体潤滑剤として、シリコーン樹脂を含む離型剤が記載されている。

また、近年、潤滑性その他の機能を期待して、金属加工分野において、フラーレンが利用されている。例えば、特許文献３には、特定の基油に酸化防止剤としてのフラーレンを添加した潤滑剤組成物が記載されている。特許文献４には、溶融金属を充填する前に金型のキャビティ面にフラーレンを付着させて炭素皮膜を形成し、該炭素皮膜面上に離型剤を塗布する鋳造方法が記載されている。特許文献５には、被加工材又は金型表面にフラーレン膜を形成する離型剤及び膜形成方法が記載されている。

特開２００１−７１０９２号公報 特開２００７−１８５６７８号公報 特開２００５−３３６３０９号公報 特開２００７−１４４４９９号公報 特開２００６−３０６０１０号公報

従来の固体潤滑剤は、離型剤中に均一に分散させることが難しく、金型表面に形成される離型被膜中でも偏在することが多い。よって、従来の離型剤では、固体潤滑剤の機能が必ずしも十分に発揮されないことがある。その結果、鋳造において種々の問題が発生している。例えば、局所的な被膜破断により、離型性の不安的化及び鋳造品の離型面のあれ等が生じることがある。一方、特許文献３はフラーレンを酸化防止剤として添加することが開示されているに過ぎず、特許文献３には、離型剤のその他の性質とフラーレンとの関係についての技術的知見が存在しない。また、特許文献４及び５記載の方法では、潤滑剤組成物とは別個にフラーレン膜を金型表面等に形成しているに過ぎず、離型剤に含まれる成分と作用効果との関係について全く記載も示唆もない。

本発明は、金属の鋳造等に用いられ、離型性に優れた離型剤及び該離型剤又はその希釈物を用いた鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明の離型剤は、液状媒体中にナノカーボン材料を含有することを特徴とする。また、本発明の鋳造方法は、本発明の離型剤又はその希釈物（以下、単に「離型剤等」という。）を用いて被鋳造材を鋳造することを特徴とする。

本発明の離型剤は、鋳造品の離型性を向上させると共に、鋳造品の離型面の荒れを抑制することができる。本発明の鋳造方法によれば、表面形状が良好な鋳造品を効率的に製造することができる。

（１）離型剤
本発明の離型剤に含まれる上記ナノカーボン材料の種類、構造及び形状には特に限定はない。上記ナノカーボン材料としては、例えば、カーボンナノチューブ（一枚のグラファイトシートがチューブ状に丸まった単層タイプ及びこのチューブが入れ子状に複数層重なった多層タイプ）、フラーレン、カーボンナノファイバ、カーボンナノ粒子（ナノホーンを含む）、ＣＮナノチューブ、ＣＮ（ナノ）ファイバ、ＣＮナノ粒子、ＢＣＮナノチューブ、ＢＣＮ（ナノ）ファイバ、及びＢＣＮナノ粒子が挙げられる。

上記ナノカーボン材料は水溶性でもよく非水溶性でもよい。ここで、「非水溶性」とは、例えば、０〜１００℃の温度範囲での水に対する溶解度が１％以下、好ましくは０．５％以下、更に好ましくは０．１％以下の性質を示すことが挙げられる。非水溶性の上記ナノカーボン材料として具体的には、例えば、他の官能基を有しないナノカーボン材料（カーボンナノチューブ及びフラーレン等）の１種又は２種以上が挙げられる。上記ナノカーボン材料として非水溶性のナノカーボン材料を用いると、より優れた離型性を示すので好ましい。

本発明では、上記ナノカーボン材料として、フラーレンを用いることができる。該フラーレンを構成するフラーレン骨格の種類及び構造には特に限定はない。上記フラーレンの炭素数は通常は偶数である。上記フラーレンの炭素数は、例えば、６０〜１３０の偶数、好ましくは６０〜１２０の偶数、更に好ましくは６０〜１００の偶数とすることができる。上記フラーレンとして具体的には、例えば、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８２、Ｃ_８４、Ｃ_９０、Ｃ_９４及びＣ_９６並びにこれらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスターが挙げられる。上記フラーレンとして好ましくはＣ_６０である。

上記フラーレンは１種単独で用いてもよく、異なる種類又は構造を有する２種以上のフラーレンを用いてもよい。例えば、上記フラーレンはＣ_６０でもよく、あるいは、Ｃ_６０を主成分とし、異なる種類又は構造を有する２種以上のフラーレンでもよい。Ｃ_６０を主成分とする２種以上のフラーレンとして具体的には、例えば、Ｃ_６０を５０〜９９質量％、好ましくは６０〜９８質量％、更に好ましくは７０〜９５質量％、より好ましくは７５〜９０質量％含有するフラーレンが挙げられる。残部を構成するフラーレンとしては、例えば、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８２、Ｃ_８４、Ｃ_９０、Ｃ_９４及びＣ_９６並びにこれらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスターが挙げられる。Ｃ_６０を主成分とする２種以上のフラーレンとしてより具体的には、例えば、Ｃ_６０を上記範囲で含有し、且つＣ_７０を０．５〜３０質量％、好ましくは１．５〜２５質量％、更に好ましくは３〜２０質量％、より好ましくは８〜１５質量％含有するフラーレンが挙げられる。

上記ナノカーボン材料は、炭素骨格上に官能基を有する誘導体でもよい。例えば、上記ナノカーボンは、フラーレン骨格上に官能基を有するフラーレン誘導体でもよい。上記官能基としては、例えば、アルキル基及びアラルキル基等の疎水性基が挙げられる。上記官能基は１種のみのでもよく、２種以上の異なる官能基でもよい。

上記ナノカーボン材料の含有量には特に限定はない。上記ナノカーボン材料の含有量は、本発明の離型剤全体を１００質量％とした場合、通常、０．００１〜２０質量％、好ましくは０．０１〜１０質量％、更に好ましくは０．０１〜５質量％、より好ましくは０．０５〜３質量％、特に好ましくは０．０５〜２質量％である。上記ナノカーボン材料の含有量が上記範囲であると、離型性に優れた離型剤を得ることができるので好ましい。

上記ナノカーボン材料は、必要に応じてビーズミル等の攪拌装置を使用することにより、上記液状媒体中に分散させることができる。

上記液状媒体の種類には特に限定はない。上記液状媒体は水系媒体（水又は水を含む液状媒体）でもよく、油系媒体（基油からなる液状媒体）でもよい。よって、本発明の離型剤は、水溶性離型剤でもよく、油性離型剤でもよい。

上記基油の種類には特に限定はない。上記基油としては、例えば、鉱物油、油脂、及び合成潤滑油が挙げられる。上記鉱物油としては、例えば、灯油、軽油、スピンドル油、マシン油、ニュートラル油、タービン油、シリンダー油、及び流動パラフィンが挙げられる。また、上記油脂としては、牛脂、豚脂、ナタネ油、ヤシ油、パーム油、及びヌカ油、並びにこれらの水素添加油等が挙げられる。更に、上記合成潤滑油としては、上記油脂から得られる脂肪酸、脂肪酸とアルコールのエステル、ポリブテン等のポリαオレフィン、ポリエチレングリコール、ポリオールエステル等のポリオール類、ポリエーテル若しくはポリエステル、及び高級アルコール等が挙げられる。上記基油は、１種単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

上記液状媒体が水−基油混合物の場合、上記基油の含有量には特に限定はない。本発明の離型剤が水溶性離型剤の場合、離型剤１００質量％中、上記基油の含有量は通常０．１〜３０質量％、好ましくは０．５〜２５質量％、更に好ましくは１〜２０質量％、より好ましくは１〜１０質量％である。また、本発明の離型剤が油性離型剤の場合、離型剤１００質量％中、上記基油の含有量は通常５０〜１００質量％、好ましくは６０〜９５質量％、更に好ましくは６５〜９０質量％、より好ましくは７０〜９０質量％である。

本発明の離型剤では、液状媒体中に上記ナノカーボン材料を均一に懸濁又は分散させるために、１種又は２種以上の分散剤を含有させることができる。液状媒体中に上記ナノカーボン材料が均一に懸濁又は分散していると、油膜破断による離型性の不安定化及び離型面の荒れを抑制することができるので好ましい。上記分散剤の種類には特に限定はない。上記分散剤としては、例えば、ヒドロキシステアリン酸重合物、マレイン化ポリブテン、アルケニルコハク酸イミド、アルケニルコハク酸エステル、及び界面活性剤が挙げられる。該界面活性剤としては、非イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤、両性界面活性剤及び陽イオン性界面活性剤のいずれをも用いることができる。上記界面活性剤は１種単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

上記非イオン性界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレン（エチレン及び／又はプロピレン）アルキルフェニルエーテル、ポリエチレングリコール（若しくはエチレンオキシド）と高級脂肪酸（例えば、炭素数１２〜１８の直鎖又は分岐脂肪酸）とから構成されるポリオキシエチレンアルキルエステル、ソルビタンとポリエチレングリコールと高級脂肪酸（例えば、炭素数１２〜１８の直鎖又は分岐脂肪酸）とから構成されるポリオキシエチレンソルビタンアルキルエステル、並びにその他のエステル系高分子化合物が挙げられる。これらの界面活性剤は、基油の乳化又は可溶化にも使用することができる。

上記陰イオン性界面活性剤としては、例えば、脂肪酸塩、硫酸エステル塩、スルホン酸塩、リン酸エステル塩、及びジチオリン酸エステル塩が挙げられる。上記両性界面活性剤としては、例えば、アミノ酸型及びベタイン型のカルボン酸塩、硫酸エステル塩、スルホン酸塩、並びにリン酸エステル塩が挙げられる。上記陽イオン性界面活性剤としては、例えば、脂肪族アミン塩及び第四級アンモニウム塩が挙げられる。

本発明の離型剤には、上記の成分以外にも、一般的な離型剤に添加されている種々の添加剤の１種又は２種以上を必要に応じて適宜含有させることができる。該添加剤として具体的には、例えば、（１）油性剤（カルボン酸エステル、ヒンダードエステル及びアルキルアミン等）、（２）有機系硫黄化合物（ポリスルフィド及び硫化油脂等）並びに有機系リン化合物（（亜）リン酸エステル、酸性（亜）リン酸エステル等）等の極圧添加剤、（３）有機系金属塩（ジチオリン酸亜鉛及びジチオカルバミン酸モリブデン等）、（４）他の固体潤滑剤（黒鉛及び二硫化モリブデン並びにフッ化黒鉛及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素系固体潤滑剤等）、（５）シリコーンオイル、（６）酸化防止剤、（７）防錆剤、並びに（８）防食剤が挙げられる。

黒鉛及び二硫化モリブデンの使用は、作業環境を悪化させることがある。よって、本発明の離型剤では、他の固体潤滑剤として、黒鉛及び／又は二硫化モリブデンの使用を控えることが好ましい。例えば、本発明の離型剤全体を１００質量％とした場合、上記黒鉛及び二硫化モリブデンの含有量は０〜１質量％、好ましくは０質量％を超え０．５質量％以下、更に好ましくは０質量％を超え０．１質量％以下が好ましい。また、本発明の離型剤は、極圧添加剤を含まなくても優れた離型性を示す。よって、本発明の離型剤全体を１００質量％とした場合、極圧添加剤（例えば、硫黄系及びリン系の極圧添加剤）の含有量は０〜１質量％、好ましくは０質量％を超え０．５質量％以下、更に好ましくは０質量％を超え０．１質量％以下とすることができる。

本発明の離型剤は、そのまま使用することができる。また、本発明の離型剤は、必要に応じて、更に水等の希釈剤で稀釈して使用することもできる。本発明の離型剤の希釈物を調製する場合、その希釈倍率は通常１．５〜３００倍、好ましくは２〜２５０倍、更に好ましくは５〜２００倍、より好ましくは１０〜２００倍である。また、上記希釈物中の上記ナノカーボン材料の含有量は、希釈物全体を１００質量％とした場合、通常５ｐｐｍ〜２質量％、好ましくは０．００５〜０．１質量％、更に好ましくは０．００５〜０．０５質量％である。

（２）鋳造方法
本発明の鋳造方法は、本発明の離型剤又はその希釈物（以下、単に「離型剤等」という。）を用いて被鋳造材を鋳造する。本発明の鋳造方法では、必ずしも本発明の離型剤等を塗布する前に、被鋳造物表面にナノカーボン微粒子で構成される膜を形成する必要はない。また、本発明の鋳造方法では、ナノカーボン微粒子の塗布と離型剤の塗布とを別工程とする必要はない。

上記被鋳造材の材質及び形状には特に限定はない。上記被鋳造材は、金属材料でもよく、非金属材料（プラスチック等）でもよい。上記被鋳造材の材質として具体的には、例えば、（１）鉄、鋳鉄、鋼（炭素鋼及びステンレス鋼等）並びに鉄合金、（２）インコネル、チタン、チタン合金、並びに（３）アルミニウム、マグネシウム、亜鉛，銅等の非鉄金属並びにそれらの合金が挙げられる。

上記離型剤等を供給する方法には特に限定はない。上記離型剤等は、例えば、被鋳造材の表面又は鋳造に使用する型（金型等）の成形面側表面に対して噴霧又は塗布することにより供給することができる。上記離型剤等を供給する方法としてその他に、例えば、ノズルから液状で供給する方法、手づけ給油（ブラシ塗り及び油差し等）で供給する方法、及び噴霧により供給する方法が挙げられる。

本発明の鋳造方法において、被鋳造材を鋳造する具体的方法及び条件には特に限定はない。本発明の鋳造方法として具体的には、例えば、本発明の離型剤等を型（金型等）の成形型面に付着（噴霧又は塗布等）させる工程と、次いで、上記型内に液状の上記被鋳造材（金属の溶湯等）を充填し、上記被鋳造材を上記型内で固化させる工程と、その後、上記型内から固化した上記被鋳造材の凝固物を取り出す工程と、を有する方法が挙げられる。また、本発明の鋳造方法では、本発明の離型剤等を金型の成形型面に付着させ、該金型の成形型面に上記ナノカーボン材料を含む離型剤被膜を形成させることができる。

以下、本発明について、実施例を挙げて具体的に説明する。尚、本発明は、これらの実施例に何ら制約されるものではない。

（１）離型剤の調製
基油として、ユシロ化学工業株式会社製の水溶性アルミ離型剤「ＡＺ７３００Ｗ」を用いた。また、ナノカーボン材料として、市販のフラーレン混合物である「ナノムミックス ＳＴＦ」（フロンティアカーボン社製）を用いた。上記ナノカーボン材料の含有量が表１の割合となるように、上記基油に上記ナノカーボン材料を添加して離型剤を調製した。この離型剤を水道水で２００倍に希釈して試料液を調製した。また、上記ナノカーボン材料の代わりにグラファイト（粒子径；８μｍ）を用いて、同様に試料液を調製した。また、水溶性のフラーレン誘導体として、水酸化フラーレン（Long Y. Chiang and others : J. Org. Chem. 1994, 59, 3960-3968参照）、硫酸化フラーレン（Long Y. Chiang and others : J. Org. Chem. 1994, 59, 3960-3968参照）、及びフラーレンのγ−シクロデキストリン包接化物（Koichi Komatsu and others : J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1999, 2963-2966 参照）を用いて、同様に試料液を調製した。

（２）離型性試験
鋼板に上記試料液をスプレー塗布し、次いで、その塗布面に内径７６ｍｍのリング状の容器を載せた。次いで、上記容器内にアルミ合金の溶湯を注いだ。該アルミ合金が効果後、上記容器を水平方向に牽引し、ロードセルにより離型抵抗を測定した。その結果を表１に併記する。また、試験条件は表２に記載の通りである。

表１より、フラーレンを添加した試料（Ｎｏ．１）及び水溶性のフラーレン誘導体を添加した試料（Ｎｏ．２〜４）は、無添加の試料（Ｎｏ．６）よりも離型抵抗が低く、優れた離型性を示した。また、非水溶性のフラーレンを添加した試料（Ｎｏ．１）では、グラファイトを添加した試料（Ｎｏ．５）及び水溶性のフラーレン誘導体を添加した試料（Ｎｏ．２〜４）よりも離型抵抗が低いことから、離型性により優れていることが分かる。

（３）熱間摩擦試験
アルミダイキャスティングにおけるプランジャーの潤滑性能を模擬的に評価した。
鉱油（９．３ｍｍ^２／ｓ、４０℃）に上記フラーレン又はグラファイトを１％分散させた試料油を調製した（分散剤０．１％併用）。また、市販の非水系プランジャー潤滑油に上記フラーレン又はグラファイトを１％分散させた試料油を調製した（分散剤未使用）。

円盤状試験片を回転させ、その側面に加熱した角型試験片を押し当て、摩擦抵抗を測定した。試験条件を表３に示す。上記試料油は回転試験片に予め塗付しておき、摩擦試験中は補給しなかった。試験の結果を図１（鉱油ベース）及び図２（市販油ベース）に示す。

図１より、鉱油ベースの試料油では、低粘度のため被膜破断が著しく、グラファイトを添加しても摩擦係数（ｆ）は直ちに０．５以上まで急上昇し、焼付きに至った。一方、このような条件下でも、フラーレンを添加した試料油では、摩擦係数を０．２程度に保ち、良好な潤滑効果を発揮していた。また、図２より、市販油ベースの試料油では、グラファイトを添加しても摩擦係数の改善が認められなかったのに対し、フラーレンを添加した試料油では、摩擦抵抗を更に低減する効果を示した。

尚、本発明は、上記実施例に限らず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。

本発明の熱間摩擦試験（鉱油ベース）の結果を示す図である。 本発明の熱間摩擦試験（市販油ベース）の結果を示す図である。

Claims (8)

1. 液状媒体中にナノカーボン材料を含有することを特徴とする離型剤。
2. 上記ナノカーボン材料が非水溶性のナノカーボン材料である請求項１記載の離型剤。
3. 上記ナノカーボン材料がフラーレンである請求項１又は２記載の離型剤。
4. 離型剤１００質量％中、上記ナノカーボン材料の含有量が０．０１〜２０質量％である請求項１乃至３のいずれかに記載の離型剤。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の離型剤を希釈剤により希釈することにより得られ、離型剤１００質量％中、上記ナノカーボン材料の含有量が０．０１〜５質量％であることを特徴とする離型剤。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の離型剤又はその希釈物を用いて被鋳造材を鋳造することを特徴とする鋳造方法。
7. 請求項１乃至５のいずれかに記載の離型剤又はその希釈物を金型の成形型面に付着させる工程と、
   次いで、上記金型内に液状の上記被鋳造材を充填し、上記被鋳造材を金型内で固化させる工程と、
   その後、上記金型内から固化した上記被鋳造材の凝固物を取り出す工程と、
   を有する請求項６記載の鋳造方法。
8. 請求項１乃至５のいずれかに記載の離型剤又はその希釈物を金型の成形型面に付着させ、該金型の成形型面に上記ナノカーボン材料を含む離型被膜を形成する請求項６又は７記載の鋳造方法。

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