JP2011224647A - 鋳型用塗布剤組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】焼付を減少させ、ショットブラスト処理の時間を大幅に短縮させ、鋳型の表面安定性を高められる生型鋳型用塗布剤組成物を提供する。
【解決手段】耐火物の粉体として、鋳鉄の溶湯温度である１，３００℃以上の耐火性を有する物を広く対照として、これを固着する為のバインダー樹脂を主成分として含む水系生型鋳型用塗布剤組成物であって、その比重が１．４５〜２．５０ｇ／ｃｍ３で、尚且つ顔料体積濃度が１５〜６０％で鋳型用塗布剤組成物としてあるものを使用する。
【選択図】なし

Description

本発明は、生型による鋳鉄製品鋳造時に使用する水系生型鋳型用塗布剤組成物に関し、その目的とする所は、鋳型の表面に、通常面積１，０００ｃｍ^２に対して５〜５０ｇ程度の塗料によって、「焼付」を減少させ、ショットブラスト処理の時間を大幅に短縮させ、且つ鋳型の表面安定性を高め、その結果として、製品不良率を下げる事が可能な生型鋳型用塗布剤組成物を提供することである。

鋳造において、製品の形状や材質によって、砂型と鋳物製品が焼付現象を起こす事はよく知られており、その対策として自硬性（フラン型、フェノール型など）の鋳型では耐火物の粉体を含む、一般的に塗型剤と呼ばれる物を使用して「焼付」を防止している。
一方、生型造型では塗型剤を使用せずに鋳造する事が多く、それによって「焼付」の発生が多い製品の場合、ショットブラスト時間が大幅に長くなり、更にショットブラスト処理を終えた後に「焼付」部分が除去されているかどうかを人が視認して、除去されていない場合はもう一度ショットブラスト機に製品を戻して、再度長時間のショットブラスト処理を行うなど、多大なエネルギーと労力とコストを掛けているのが現状である。

生型造型用の塗型剤として、少ないながらも下記の物が特許申請されている。生型の表面安定度の向上を目的とする表面安定剤（特許出願平４−１５７９４０）や、多価アルコールを使用して生型の表面安定度を図る生型用塗布剤（特許出願平４−２４５７２５）などがある。
なお、「焼付」とは、周知の通り、鋳型である砂と砂の隙間に金属溶湯が侵入し、凝固する事によって発生する現象の事で、なかにはショットブラスト処理を行っても除去出来ない場合もある。

この「焼付」が発生しやすい条件としては、金属溶湯が酸化されて、砂粒子の親水性部分と濡れがよくなり、砂粒間に溶湯が滲み込んでしまう事が挙げられ、その他鋳型に使用される砂粒子が大きい場合、凝固時間が遅い箇所、角部分にＲを取っていない場合、鋳型への溶湯圧力が高い場合によく見られる。

「焼付」を防ぐには、金属溶湯が砂粒子の間に侵入しない様にする必要があり、その対策として、砂粒子の間隙を小さくする事が効果的であるが、この為に細かすぎる砂粒子を使うと通気度が悪くなり、また造型に手間が掛かる。
またその他の方法として、耐火物粉体（以下顔料と言うことがある）を砂粒間隙に充填する方法などがある。

また、鋳型の表面安定性（表面強度）が不十分であると、注湯の際の圧力により鋳肌面に生砂の崩れが発生し、鋳物の形状不良を発生させる。
本発明者の研究によると、砂粒の間隙に耐火物粉体（顔料）を充填しての、焼付防止や、また表面安定性を高める為には、耐火物粉体（顔料）が鋳込み時にも鋳型と密着している必要がある。その為には、まず鋳型の砂と耐火物粉体（顔料）の付着力を強くする必要がある。その際に重要となってくるのが、塗料の比重と、顔料体積濃度（以下ＰＶＣと言うことがある）であることが判明した。

尚、付着力とは▲１▼ファンデルワールス力（分子間引力）、▲２▼液架橋力、▲３▼静電気力 の３つの力の総和とみなされる。
しかし、生型造型された砂には水分が３％程度含まれている為に、▲３▼静電気力は発揮されない。
よって生型造型においては▲１▼ファンデルワールス力（分子間引力）、▲２▼液架橋力の２つの力によって耐火物粉体（顔料）が砂分子に付着する事になる。
まず▲１▼ファンデルワールス力（分子間引力）であるが、これは分子と分子との間に働く引力であり、その力は分子と分子の距離に反比例する。
すなわち、分子同士の距離を近くすればするほどファンデルワールス力は強くなる。
しかしファンデルワールス力はある程度の水分がある条件下においては、▲２▼液架橋力と比べるとその付着力は弱く、顔料等の付着力は液架橋力にかなり左右されると考えられる。

そして▲２▼液架橋力は粒子と粒子の間に水分が架橋し、その水分の力によって付着する力であるが、この際に塗料や鋳型中に含まれる水分量が多すぎると、逆に液架橋力が落ちるとされており、その為、出来るだけ水分が少なく、顔料体積濃度の高い塗料を塗布する事が重要となってくる。

顔料体積濃度の高い塗料を作成する場合は、少ない水分に対して、耐火物粉体（顔料）の含有率を高くする必要がある。
顔料含有率が高い塗料を作成しようとすると、塗料分散液の粘度が上がってしまうが、充分な分散を行う事によって、塗料分散液の粘度が下がる事はよく知られている。
但し、顔料体積濃度には臨界顔料体積濃度があり、この値を超えると、塗料の性能が落ちるとされており、この現象も考慮して設計する必要がある。
即ち、水分量が少なく、且つ均一なスプレー塗布が可能な粘度にまで下げる事が、望まれるのである。

しかし乍ら、従来の市販されている水系生型用塗型剤については、塗料の比重や顔料体積濃度についての検討は全くなされておらず、これ等と塗料との関係については、従来全く研究されていない。尚、本発明者の市場調査では、市販されている表面安定剤や焼付防止剤の比重は１．４ｇ／ｃｍ^３以下である。

顔料体積濃度の高い塗料を作成し、生型の鋳型に塗布する事により、生型の砂への付着力も高く、また砂粒間の間隙も充填した鋳型となり、表面安定性が高く、さらに「焼付」が防止出来ると考えられる。さらにこの塗料に樹脂類を添加する事により、塗料と砂との付着力をより高め、焼付防止性能や表面安定性を一層増加させる事が出来る。

本発明は、上記の様な実情を鑑み、「焼付」を減少させる事によりショットブラスト時間の短縮や、鋳型の表面安定度を高める事によって製品不良率の低減を達成することが出来る生型鋳型用塗布剤組成物を提供することをその目的とする。
更に述べれば、従来の技術においては生型造型では塗型剤を使用せずに鋳造する事が多いが、それによって「焼付」が発生した際のショットブラスト時間の大幅な増加や、ショットブラスト処理を終えた後に焼付部分が除去されているかどうか人が視認して、除去されていない場合はもう一度ショットブラストラインに製品を戻して、再度ショットブラスト処理を行うなど、大きなエネルギーと労力を浪費している。
さらに生型鋳型の表面安定性が低い事による製品部分への「荒らされ」などの製品不良が多く発生しており、焼付防止と表面安定性の強化を同時に行える鋳型用塗布剤組成物を開発することである。

この手段は、耐火物の粉体とこれを固着する為のバインダー樹脂を主成分として含む組成物であって、その比重が１．４５〜２．５０ｇ／ｃｍ^３で、尚且つ顔料体積濃度が１５〜６０％で鋳型用塗布剤組成物としてあるものが、より好ましい。

本発明による鋳型用塗布剤組成物を用いれば、「焼付」の発生が抑えられる事によってショットブラスト時間を大幅に削減でき、それに伴いエネルギー・コスト削減が可能となり、更に表面安定性を高める事によって「荒らされ」などの製品不良率を低減することができる。

本発明に於いて使用する耐火物粉末とは、鋳鉄の溶湯温度である１，３００℃以上の耐火性を有する物が広く使用され、例えば下記の物が挙げられる。
Ｓｉ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｋ、Ｎａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂａなどの酸化物や複合酸化物、各種塩、水酸化物であり、さらには、シリカ、ジルコン、ジルコニウム、クロマイト、ベンガラ、タルク、マイカ、オリビンサンド、酸化チタン、バリタ粉（水酸化バリウム）、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、石膏、クレー、ホワイトカーボン、珪藻土、炭酸マグネシウム、アルミナホワイト、グロスホワイト、ニ酸化チタン、黄色酸化鉄、鉄黒等であり、また炭素系の例えば、土壌黒鉛、鱗状黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ランプブラック、ボーンブラック、アニリンブラック等も挙げられる。
本発明で用いるバインダー樹脂は、一般的に塗料ないし接着剤の分野で、バインダー成分としてよく用いられるものが広い範囲で使用出来、特に限定されるものではないが、作業性や安全性やガス欠陥などの不良を減らす事を考慮すべきである。

このような樹脂として、例えばフェノール樹脂、水溶性または水分散性の天然高分子、ビニル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂などを挙げることが出来る。

フェノール樹脂としては、ノボラック樹脂やレゾール樹脂を挙げることが出来る。

水溶性または水分散性の天然高分子としては、例えば、蛋白質（ゼラチン、コロイド状アルブミン、カゼイン、レシチンなど）、糖誘導体（寒天、デンプン誘導体など）、セルロース誘導体（ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなど）などを挙げることが出来る。
水溶性または水分散性のビニル樹脂としては、例えばポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニルなどを挙げることが出来る。
水溶性または水分散性のアクリル樹脂としては、例えば（メタ）アクリル酸等のカルボキシル基含有化合物と（メタ）アクリル酸エステルないしはスチレンとの共重合体などを挙げることが出来る。

これらバインダー樹脂は、必要に応じて１種または２種以上を組み合わせて用いてもよい。
尚、バインダー樹脂の添加量は０．１〜６０％、好ましくは０．５〜４０％が望ましい。
本発明による組成物には、さらに一般的な塗料ないし接着剤に用いられる消泡剤、防腐剤、有機溶剤、増粘剤、分散剤、界面活性剤、中和剤、保水剤、エマルジョン、樹脂、流展剤、レベリング剤、湿潤剤、酸化防止剤、沈降防止剤等を必要に応じて配合することが出来る。

また、粉体とバインダー樹脂との割合（質量）は、１００：０．１〜６０、好ましくは１００：０．５〜４０、更に好ましくは１００：１〜２０で配合する事が望ましい。

分散剤としては、ポリカルボン酸のアルカリ金属塩、リン酸のアルカリ金属塩、アミン塩及びアンモニウム塩、ポリビニルアルコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルコールエーテル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、グリセリンソルビタン脂肪酸エステル、及びアルキルスルホン酸のアルカリ金属塩等があげられ、水分散系スラリー塗料の０．１〜１０．０重量％配合される。

次に、本発明を具体的に説明するために、本発明の実施例およびこれとの比較を示すための比較例を挙げる。尚、以下において部及び％は、特に断りない限り、すべて重量基準である。

製造前準備

１リットル容量のガラスビーカーに、蒸留水９７部入れ、消泡剤としてサンノプコ株式会社製「ノプコ８０３４」を０．３部入れ、ディスパーで撹拌しながら、ダイセル化学工業株式会社製ヒドロキシエチルセルロース「ＨＥＣダイセルＳＰ−５００」を３部入れ、１時間撹拌し、バインダー樹脂としてヒドロキシエチルセルロース水溶液を得た。そこに分散剤としてサンノプコ株式会社製「ＳＮ４４−Ｃ」を３部、消泡剤として同社製の「ノプコ８０３４」を０．５部入れ、１０分間混練した。（当該溶液を以後ビヒクル溶液と称す）

比較例１

（塗料１：顔料＝シリカ粉末 塗料比重＝１．３５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝２１．９４％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してシリカ粉末７２．７部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

比較例２

（塗料２：顔料＝シリカ粉末 塗料比重＝１．４０ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝２４．９９％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してシリカ粉末８６．６部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

（塗料３：顔料＝シリカ粉末 塗料比重＝１．４５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝２８．１２％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してシリカ粉末１０１．７部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

（塗料４：顔料＝シリカ粉末 塗料比重＝１．５０ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝３１．２５％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してシリカ粉末１１８．２部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

（塗料５：顔料＝シリカ粉末 塗料比重＝１．５５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝３４．４３％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してシリカ粉末１３６．５部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

比較例３

（塗料６：顔料＝タルク粉末 塗料比重＝１．３５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝２０．６０％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してタルク粉末７０．２部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。
比較例４

比較例３

（塗料７：顔料＝タルク粉末 塗料比重１．４０ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝２３．５２％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してタルク粉末８３．１部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

（塗料８：顔料＝タルク粉末 塗料比重＝１．４５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝２６．４７％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してタルク粉末９７．２部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

（塗料９：顔料＝タルク粉末 塗料比重＝１．５０ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝２９．４０％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してタルク粉末１１２．５部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

（塗料１０：顔料＝タルク粉末 塗料比重＝１．５５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝３２．４０％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してタルク粉末１２９．４部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

比較例５

（塗料１１：顔料＝土壌黒鉛粉末 塗料比重＝１．３５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝２７．８０％）
上記ビヒクル溶液１００部に対して土壌黒鉛粉末８６．７部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

比較例６

（塗料１２：顔料＝土壌黒鉛粉末 塗料比重＝１．４０ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝３１．７４％）
上記ビヒクル溶液１００部に対して土壌黒鉛粉末１０４．７部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

（塗料１３：顔料＝土壌黒鉛粉末 塗料比重＝１．４５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝３５．７１％）
上記ビヒクル溶液１００部に対して土壌黒鉛粉末１２５．０部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

（塗料１４：顔料＝土壌黒鉛粉末 塗料比重＝１．５０ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝３９．６８％）
上記ビヒクル溶液１００部に対して土壌黒鉛粉末１４８．１部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

（塗料１５：顔料＝土壌黒鉛粉末 塗料比重＝１．５５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝４３．６５％）
上記ビヒクル溶液１００部に対して土壌黒鉛粉末１７４．４部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

塗料１６：顔料＝ジルコン粉末 塗料比重＝１．４５ｇ／ｃｍ^３ ＰＶＣ＝１２．８８％）
上記ビヒクル溶液１００部に対してジルコン粉末６６．５部添加し、３時間混練し、目的とする組成物を得た。

尚、シリカ粉末の比重は２．６０ｇ／ｃｍ^３、タルク粉末の比重は２．７０ｇ／ｃｍ^３、土壌黒鉛粉末の比重は２．２６ｇ／ｃｍ^３、ジルコン粉末の比重は４．５０ｇ／ｃｍ^３として計算している。

実施例１０以外の各例は、顔料体積濃度がすべて１５％以上であるが、実施１０は顔料体積濃度が１２．８８％となっている。
上記の比較例ならびに実施例を下記の表１にてまとめる。

評価試験
材質ＦＣ２５０の片状黒鉛鋳鉄からなる製品（図面１参照）を鋳型１〜鋳型１６（各１０枠）に注湯して「焼付」、「荒らされ」を確認する。
尚、各鋳型は図面１からなる鋳物製品を１枠に４個込めであり、１０枠で４０個製品が製造出来る様になっている。
また製品は１個約２ｋｇとなっており、湯道・堰などを含めた合計重量は１枠約１０ｋｇである。
木型には着脱が簡単な鋳文字を配置し、どの塗料を塗布した鋳型かは製品を見れば分かるようにした。

尚、鋳型１に比較例１で挙げた塗料比重約１．３５ｇ／ｃｍ^３の塗料をスプレーにて塗布してある。以下各例も同様である。
実際の鋳造工場で使用されている生型用の砂を用い、その性質・成分はオーストラリア産硅砂６号の砂に 土壌黒鉛１％、ベントナイト８％、水分３％を含むものとする。
塗料のスプレー噴霧に関し、明治機械製作所製の圧送タンクＰＨ−３０Ａ−Ｆを使用し、スプレーは明治機械製作所製のＦ１００を使用し、噴霧量が同量となるように均一に噴霧した。
後期接種後におけるＦＣ２５０の各成分は下記の表２通りとする。

各塗料を各鋳型へスプレー後、ＦＣ２５０の溶湯を注湯し、凝固後、型バラシを行い、
４分間ショットブラストを行い、砂を除去した後に、製品への「焼付」と「荒らされ」を確認した。
ショットブラストの機械は新東工業（株）製ゴムエプロンブラストＳＮＢＩＩを使用し、ショット玉は１．７ｍｍの物を使用した。
その際に図１中 Ｒ１．５部分にて「焼付」が発生したかの確認を行い、製品全体で「荒らされ」が発生した製品数を表３にて示す。
各塗料において１０枠づつ試験しているので、各４０個の製品が鋳込まれている。

上記の結果より塗料比重が１．４５ｇ／ｃｍ^３より高い塗料３、４、５、８、９、１０、１３、１４、１５は「焼付」や「荒らされ」の発生がなく、比重が低くなるにつれて「焼付」の発生割合が増加する傾向にあった。
しかし塗料１６においては比重が１．４５ｇ／ｃｍ^３であるが、顔料体積濃度が１５％以下である為に「焼付」、「荒らされ」は大きく減少しなかった。

尚、上記の塗料５、１０、１５を複数の鋳造工場で、今まで「焼付」や「荒らされ」が発生していた鋳物製品に試験的に使用したところ、「焼付」、「荒らされ」の発生が皆無となり、上記実施例と同じく良品が得られた。

本発明品を使用する事により、「焼付」が抑制されショットブラスト処理時間の短縮が可能となり、現状の半分程度の時間でショットブラストが終了したとする報告を、鋳造工場より受けている。
また「焼付」が発生しない為に、人が視認する必要がなく、それにより今まで確認作業を行っていたが、それが不必要となった。
その為、ショットブラスト機を動かす電力、人が確認する労力、ショットブラスト玉の磨耗を減らせる事が出来た。
また、表面安定性が高い為、鋳造時の「荒らされ」による不良が減り、それに伴い鋳造工場の総歩留率が上がり、工場運営コストが削減出来た。

図１は本発明において評価試験を行うに際し、使用した鋳物製品の説明図である。

Claims (3)

1. 耐火物の粉体及びバインダー樹脂を主成分として成り，且つその比重が１．４５〜２．５０ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする水系生型鋳型用塗布剤組成物。
2. 上記粉体の体積濃度が１５〜６０％である請求項１記載の水系生型鋳型用塗布剤組成物。
3. 粉体とバインダー樹脂との割合（質量）が、１００：０．１〜６０、である請求項１記載の水系生型鋳型用塗布剤組成物。

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