JP2014188541A - 炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物、及び鋳型の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】耐火性粒状材料と、硫酸及びスルホン酸類からなる群から選択される1種以上と、水ガラスとを混合した、炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物。該炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物を鋳型製造用の型に充填し、炭酸ガスを通気させて前記炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物を硬化させる、鋳型の製造方法。
【選択図】なし
Description
また、鋳型には鋳物の形状に対応した大小様々な形状のものが求められる。熱硬化鋳型は小型の鋳型には好適であるが、大型の鋳型には不向きであった。一方、自硬性鋳型やガス硬化鋳型は、小型の鋳型にも大型の鋳型にも好適である。
普通鋳型にはベントナイトなどの粘土が粘結剤として用いられる。一方、特殊鋳型にはフェノール樹脂、フラン樹脂、ウレタン樹脂などの有機系粘結剤や、水ガラスなどの無機系粘結剤が用いられる。例えば、耐火性粒状材料と、無機系粘結剤として水ガラスと、硬化剤として非晶質シリカとを含む熱硬化鋳型用の成形材料混合物が知られている(例えば、特許文献1参照)。
有機系粘結剤を用いた鋳型は、解体時の崩壊性に優れる。しかし、注湯時に有機系粘結剤が熱分解してガス(熱分解ガス)が発生しやすく、作業環境が悪化しやすい。
[1]耐火性粒状材料と、硫酸及びスルホン酸類からなる群から選択される1種以上と、水ガラスとを混合した、炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物。
[2]耐火性粒状材料100質量部に対して、水ガラスを1〜8質量部配合した、[1]に記載の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物。
[3]水ガラス100質量部に対して、硫酸及びスルホン酸類からなる群から選択される1種以上を無水物換算で0.75〜15質量部配合した、[1]または[2]に記載の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物。
[4][1]〜[3]のいずれか一項に記載の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物を鋳型製造用の型に充填し、炭酸ガスを通気させて前記炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物を硬化させる、鋳型の製造方法。
本発明の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物(以下、「鋳型用組成物」ともいう。)は、耐火性粒状材料(以下、「(A)成分」ともいう。)と、硫酸及びスルホン酸類からなる群から選択される1種以上(以下、「(B)成分」ともいう。)と、水ガラス(以下、「(D)成分」ともいう。)とを混合したものである。
なお、以下の明細書において、「鋳型」とは、本発明の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物と、炭酸ガス(以下、「(E)成分」ともいう。)とを用いて造型してなるものである。また、「鋳型の強度」とは、鋳型を造型してから鋳造までの鋳型の強度のことである。
(A)成分は耐火性粒状材料である。
耐火性粒状材料としては、珪砂、クロマイト砂、ジルコン砂、オリビン砂、アルミナ砂、ムライト砂、合成ムライト砂等の従来公知のものを使用できる。また、耐火性粒状材料として、使用済みの耐火性粒状材料を回収したものや再生処理をしたものなども使用できる。
(B)成分は、硫酸及びスルホン酸類からなる群から選択される1種以上である。(B)成分は(D)成分の硬化剤の役割を果たす。
スルホン酸類としては、キシレンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、メタンスルホン酸などが挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
(B)成分としては、硬化剤としての性能に優れ、しかもコストが安い点で、硫酸が好ましい。
(D)成分は水ガラスである。(D)成分は無機系粘結剤の役割を果たす。
水ガラスとしては特に限定されず、非特許文献1等に開示されている従来公知のものを使用できる。例えば珪酸ナトリウム(具体的にはJIS K 1408:1966に記載されている1号、2号、3号やメタ珪酸ナトリウム(1種、2種))、珪酸カリウムや、これらの混合物を用いることができる。
本発明の鋳型用組成物は、上述した(A)成分と(B)成分と(D)成分とを混合することで得られる。混合の順序は、(B)成分または(D)成分のいずれかを最後に混合するのが好ましく、(D)成分を最後に混合する、すなわち(A)成分と(B)成分とを混合して混合物を調製した後に、該混合物と(D)成分とを混合するのが特に好ましい。また、(A)成分に(B)成分と(D)成分とを同時に添加してこれらを混合してもよい。
なお、(A)成分を最後に混合すると、すなわち(B)成分と(D)成分とを混合した後で(A)成分を混合すると、(A)成分を混合する前に硬化が開始してしまい、(A)成分が均一に混ざりにくくなる。
本発明の鋳型の製造方法では、本発明の鋳型用組成物を用い、該組成物を鋳型製造用の型に充填し、(E)成分(炭酸ガス)を通気させて鋳型用組成物を硬化させること鋳型を製造する。
鋳型を製造する方法としては、ガス硬化鋳型造型法を採用する。すなわち、鋳型用組成物を鋳型造型用の所定の型に充填し、(E)成分を通気させると、鋳型用組成物が硬化剤の作用により硬化する。その結果、鋳型を得ることができる。
また、(E)成分を通気させる時間は、30〜180秒であることが好ましく、60〜180秒であることがより好ましい。通気時間が30秒以上であれば、鋳型用組成物が充分に硬化するが、180秒を超えても鋳型用組成物の硬化は頭打ちとなるため、コストを高めるだけである。
本発明によれば、炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物において、粘結剤として無機系粘結剤である(D)成分(水ガラス)を用いる。また、本発明の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物は、(B)成分(硫酸及びスルホン酸類からなる群から選択される1種以上)と、鋳型を造型する際に用いる(E)成分(炭酸ガス)との硬化作用により硬化する。よって、本発明の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物は、鋳造時までは充分な強度を維持しつつ、かつ鋳造後の崩壊性に優れ、鋳造時や解体時における作業環境が良好な鋳型を得ることが可能である。かかる理由は以下のように考えられる。
一方、鋳型を造型する際に用いる(E)成分(炭酸ガス)は、鋳型用組成物を鋳型製造用の型に充填してから鋳型用組成物と接触させることができる。また、(D)成分の硬化剤として(E)成分のみを用いると、鋳造後の鋳型がガラス化するが、鋳造時までの鋳型の強度が高い。
(D)成分が(E)成分と反応すると、(D)成分からNaやKが引き抜かれ、(E)成分との炭酸塩(例えば、Na2CO3やK2CO3)を形成する。この炭酸塩は注湯時の熱によって分解し、分解物であるNaやKが(A)成分(耐火性粒状材料)中のシリカと反応し、ガラス化する。
(B)成分が硫酸の場合、(D)成分からNaやKが引き抜かれ、硫酸との塩(Na2SO4やK2SO4などの硫酸塩)を形成する。この硫酸塩は安定な物質であるため、注湯時の熱によって分解しにくい。よって、(A)成分中のシリカとの反応が抑制され、ガラス化が起こりにくい。
また、(B)成分がスルホン酸類の場合、(D)成分からNaやKが引き抜かれ、スルホン酸類との塩(例えば、キシレンスルホン酸ナトリウムやキシレンスルホン酸カリウムなどのスルホン酸塩)を形成する。このスルホン酸塩の−SO3Na以外の部分は注湯時の熱で分解するが、Na+はSO3 −によって補足されている。よって、(A)成分中のシリカとの反応が抑制され、ガラス化が起こりにくい。
(D)成分全体の5〜8割程度を(B)成分で硬化させ、残りを(E)成分で硬化させれば、強度と崩壊性のバランスがより良好となる。(B)成分の配合量が上述した範囲内であったり、(E)成分の通気流量や通気時間が上述した範囲内であったりすれば、(D)成分の硬化の割合を制御しやすく、強度と崩壊性のバランスがより良好となる。
よって、本発明であれば、鋳造時や解体時における作業環境の悪化を軽減できる。加えて、粉塵の廃棄量も削減できる。
(圧縮強度の測定)
各実施例及び比較例で得られたテストピースの圧縮強度(鋳型強度)は、JIS Z 2601の鋳物砂の試験方法に準じて、卓上抗圧力試験機(高千穂機械(株)製)を用いることで測定した。
各実施例及び比較例で得られたテストピースの嵩密度は、下記一般式(I)により求めた。質量測定に用いた電子天秤には、METTLER PM 4000(日本シイベルヘグナー(株)製)を用いた。
なお、嵩密度は木型に略同質量の混練砂(鋳型用組成物)が充填されたことを確認するために測定している。
テストピースの嵩密度(g/cm3)=テストピースの質量(g)/木型内容積(cm3)・・・(I)
各実施例及び比較例で得られたテストピースを800℃の雰囲気下で15分間および30分間それぞれ加熱処理した。その後、室温(15℃)まで冷却し、加熱処理後のテストピースの物性(圧縮強度および嵩密度)を先の測定方法と同様にして測定した。加熱処理後のテストピースの圧縮強度は鋳型の崩壊性の指標であり、該圧縮強度が低いほど崩壊性は良好である。
<鋳型用組成物の製造>
(A)成分として珪砂(三菱商事建材(株)製、フリーマントル新砂)100質量部に、(B)成分として30質量%硫酸を0.025質量部添加し、品川式万能攪拌機((株)品川工業所製、MIXER)で1分間混練した。これに、(D)成分として珪酸ナトリウム(モル比(SiO2/Na2O):2.50、ボーメ度:50(20℃))を1質量部添加し、品川式万能攪拌機で1分間混練して混練砂(鋳型用組成物)を得た。
内径50mm、高さ50mmの型が形成されたテストピース作製用木型を用意し、得られた混練砂を直ちに温度15℃、湿度40%の条件下で木型に充填した。その後、10L/分の通気流量で(E)成分(炭酸ガス)を1分間通気させて混練砂を硬化させ、直ちに木型からテストピース(鋳型)を取り出した。
得られたテストピースについて、(E)成分の通気開始から約2分経過後、1時間経過後、3時間経過後、24時間経過後の物性(圧縮強度と嵩密度)をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
別途、(E)成分の通気開始から24時間経過後のテストピースを加熱処理して崩壊性の評価を行った。結果を表1に示す。
(B)成分として、表1に示す種類のスルホン酸類の30質量%水溶液0.025質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
(B)成分を用いなかった以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表1〜3に示す。
(B)成分の代わりに、濃度30質量%に調整したクエン酸水溶液0.025質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
(B)成分として、表2に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液0.25質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表2に示す。
(B)成分の代わりに、濃度30質量%に調整したクエン酸水溶液0.25質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表2に示す。
(B)成分として、表3に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液0.5質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表3に示す。
(B)成分の代わりに、濃度30質量%に調整したクエン酸水溶液0.5質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表3に示す。
(B)成分として、表4に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液0.6質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表4に示す。
(B)成分として、表5に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液0.1質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表5に示す。
(B)成分を用いず、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表5〜7に示す。
(B)成分の代わりに、濃度30質量%に調整したクエン酸水溶液0.1質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表5に示す。
(B)成分として、表6に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液1.0質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表6に示す。
(B)成分の代わりに、濃度30質量%に調整したクエン酸水溶液1.0質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表6に示す。
(B)成分として、表7に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液2.0質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表7に示す。
(B)成分の代わりに、濃度30質量%に調整したクエン酸水溶液2.0質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表7に示す。
(B)成分として、表8に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液2.4質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表8に示す。
(B)成分として、表9に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液0.2質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を8質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表9に示す。
(B)成分を用いず、珪酸ナトリウムの添加量を8質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表9〜11に示す。
(B)成分の代わりに、濃度30質量%に調整したクエン酸水溶液0.2質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を8質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表9に示す。
(B)成分として、表10に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液2.0質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を8質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表10に示す。
(B)成分の代わりに、濃度30質量%に調整したクエン酸水溶液2.0質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を8質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表10に示す。
(B)成分として、表11に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液4.0質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を8質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表11に示す。
(B)成分の代わりに、濃度30質量%に調整したクエン酸水溶液4.0質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を8質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表11に示す。
(B)成分として、表12に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液4.8質量部を用い、珪酸ナトリウムの添加量を8質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表12に示す。
(B)成分として、表13に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液1.0質量部を用い、(E)成分の通気流量を2L/分に変更し、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表13に示す。
(B)成分として、表14に示す種類の酸(硫酸またはスルホン酸類)の30質量%水溶液1.0質量部を用い、(E)成分の通気流量を40L/分に変更し、珪酸ナトリウムの添加量を4質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして混練砂を製造し、該混練砂を用いてテストピースを製造し、各種測定および評価を行った。結果を表14に示す。
特に、表1〜4、5〜8、9〜12をそれぞれ比較すると、(B)成分の配合量が増えるにしたがって崩壊性が向上することが分かった。また、(D)成分100質量部に対して(B)成分の配合量が18質量部であると、鋳型の圧縮強度がやや低下することが分かった。
また、表6、13、14を比較すると、(E)成分の通気流量が2L/分、および40L/分であると、鋳型の圧縮強度が低下することが分かった。なお、実施例1〜70の場合、(E)成分の通気流量が2L/分、10L/分、40L/分のいずれかであるが、(E)成分の通気流量が5L/分および30L/分の場合も、10L/分の場合とほぼ同様の結果が得られたことを確認した。すなわち、(E)成分の通気流量が5〜30L/分の間では、鋳型の圧縮強度、嵩密度、崩壊性にほとんど変化がないことが分かった。
Claims (4)
- 耐火性粒状材料と、硫酸及びスルホン酸類からなる群から選択される1種以上と、水ガラスとを混合した、炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物。
- 耐火性粒状材料100質量部に対して、水ガラスを1〜8質量部配合した、請求項1に記載の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物。
- 水ガラス100質量部に対して、硫酸及びスルホン酸類からなる群から選択される1種以上を無水物換算で0.75〜15質量部配合した、請求項1または2に記載の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物を鋳型製造用の型に充填し、炭酸ガスを通気させて前記炭酸ガス硬化性鋳型造型用組成物を硬化させる、鋳型の製造方法。
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