JP2016064422A

JP2016064422A - 鋳型崩壊剤組成物、及び鋳型の崩壊方法

Info

Publication number: JP2016064422A
Application number: JP2014193845A
Authority: JP
Inventors: 康弘永井; Yasuhiro Nagai; 祐樹羽鳥; Yuki Hatori
Original assignee: Gun Ei Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Gun Ei Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-04-28

Abstract

【課題】鋳型造型時の鋳型強度を損なうことなく、手間をかけずに注湯後の水ガラス鋳型を崩壊できる鋳型崩壊剤組成物、及び鋳型の崩壊方法の提供。【解決手段】水ガラス鋳型を崩壊させる組成物であって、酸性溶液からなる鋳型崩壊剤組成物、及び注湯後の水ガラス鋳型に酸性溶液を接触させる鋳型の崩壊方法。【選択図】なし

Description

本発明は、水ガラス鋳型を崩壊させるための鋳型崩壊剤組成物、及び鋳型の崩壊方法に関する。

鋳型造型プロセスの１種に水ガラスプロセスがある。この水ガラスプロセスには種々のタイプのものが知られている。水ガラスプロセスの代表的なもとして、珪砂等の耐火性粒状材料に粘結剤である水ガラスを加えて混練して混練砂とし、混練砂を模型に充填して造型し、これに硬化剤である炭酸ガスを通気して水ガラスを硬化させて砂を粘結して固化させて鋳型（ガス硬化鋳型）とするものがある。また、混練砂に硬化剤である有機エステルを配合し、これを模型に充填して造形し、水ガラスを硬化させて砂を粘結して固化させて鋳型（自硬性鋳型）とするものも知られている。

各種方法により製造した鋳型には、鉄、銅、アルミニウム等の金属を高温で溶かした液体が注湯され、鋳物が得られる。鋳物は、鋳型を解体して取り出される。また、解体した鋳型から耐火性粒状材料を再生し、鋳型の製造に再利用するのが一般的である。
しかし、水ガラスプロセスにより得られた鋳型（以下、「水ガラス鋳型」ともいう。）は、注湯時の熱で水ガラスの硬化がさらに進行したり、水ガラスの硬化物がガラス化したりしやすかった。その結果、粘結力が高まり、鋳造後に鋳型の崩壊性が低下して鋳型を解体するのが困難であった。

水ガラス鋳型の崩壊性を改善する方法として、鋳物砂とシリカ系多孔性材料と水ガラスとを混練した混練砂を用いて鋳型を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、鋳造後の水ガラス鋳型を５０℃以上の水中に浸漬させて水ガラス鋳型を崩壊しやすくする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３−２３３５８４号公報特開平９−１７４１９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、鋳型造型時における水ガラスの粘結力をシリカ系多孔性材料によって低下させることで、水ガラス鋳型の崩壊性を高めている。そのため、鋳型そのものの強度も低下してしまう。
特許文献２に記載の方法は、５０℃以上に加熱した水を大量に用意する必要があるため、手間がかかるものであった。しかも、水ガラス鋳型の崩壊性を充分に改善するには至っていない。

本発明は上記事情を鑑みてなされたもので、鋳型造型時の鋳型強度を損なうことなく、手間をかけずに注湯後の水ガラス鋳型を崩壊できる鋳型崩壊剤組成物、及び鋳型の崩壊方法を提供することを目的とする。

本発明は以下の態様を有する。
［１］水ガラス鋳型を崩壊させる組成物であって、酸性溶液からなる、鋳型崩壊剤組成物。
［２］前記酸性溶液が、硫酸、リン酸、塩酸、スルホン酸類、カルボキシ基を有する酸からなる群より選択される１種以上を含む、［１］に記載の鋳型崩壊剤組成物。
［３］注湯後の水ガラス鋳型に酸性溶液を接触させる、鋳型の崩壊方法。

本発明によれば、鋳型造型時の鋳型強度を損なうことなく、手間をかけずに注湯後の水ガラス鋳型を崩壊できる鋳型崩壊剤組成物、及び鋳型の崩壊方法を提供できる。

「鋳型崩壊剤組成物」
本発明の鋳型崩壊剤組成物は、水ガラス鋳型を崩壊させるものであり、酸性溶液からなる。

（酸性溶液）
酸性溶液は、無機酸及び有機酸の少なくとも一方が水性媒体に溶解した溶液である。
無機酸としては、硫酸、リン酸、塩酸、及びこれらのアンモニウム塩などが挙げられる。
これら無機酸の中でも、水ガラス鋳型の崩壊性をより高めることができる点で、硫酸、リン酸、塩酸が好ましく、その中でも金属製の鋳物に対して腐食等の影響が少ない点でリン酸がより好ましい。
これら無機酸は、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

有機酸としては、スルホン酸類、カルボキシ基を有する酸などが挙げられる。
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、及びこれらのアンモニウム塩などが挙げられる。
カルボキシ基を有する酸としては、ギ酸、酢酸、シュウ酸、乳酸、マレイン酸、リンゴ酸、クエン酸、及びこれらのアンモニウム塩などが挙げられる。
これら有機酸の中でも、水ガラス鋳型の崩壊性をより高めることができる点で、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、ギ酸、酢酸、シュウ酸、乳酸、マレイン酸、リンゴ酸、クエン酸が好ましい。
これら有機酸は、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
また、これら有機酸と上述した無機酸とを併用してもよい。

水性媒体は、水、水とアルコール（例えばメタノール、エタノール、プロパノールなど）との混合溶媒などが挙げられる。
水性媒体として水とアルコールの混合溶媒を用いる場合、混合溶媒中の水の含有量は５０質量％以上が好ましく、８０質量％以上がより好ましく、９０質量％以上が特に好ましい。
水性媒体としては、水が好ましい。

酸性溶液の濃度（酸濃度）は、１質量％以上が好ましい。濃度が１質量％未満であると、水ガラス鋳型を崩壊する際に、鋳型崩壊剤組成物の使用量が増える。濃度が１質量％以上であれば、少ない使用量で水ガラス鋳型を充分に崩壊できる。濃度が濃いほど鋳型崩壊剤組成物の使用量を減らすことはできるが、取扱性を考慮すると、１０質量％以下の濃度とすることが好ましい。

（鋳型の崩壊方法）
本発明の鋳型の崩壊方法では、注湯後の水ガラス鋳型に上述した酸性溶液を接触させて、水ガラス鋳型を崩壊させる。
接触方法としては特に制限されず、水ガラス鋳型に酸性溶液を吹き付ける方法（吹き付け法）、酸性溶液に水ガラス鋳型を浸漬させる方法（浸漬法）などが挙げられる。

なお、水ガラス鋳型に酸性溶液を接触させるのに先立ち、注湯後の水ガラス鋳型を物理的に解体して、耐火性粒状材料をある程度取り除いておいてもよい。そして、物理的な解体では取り除くことが困難な、鋳物に付着している水ガラス鋳型に対して、酸性溶液を接触させてもよい。予め水ガラス鋳型を物理的に解体しておけば、酸性溶液の使用量を削減できる。

水ガラス鋳型に酸性溶液を接触させると、水ガラス鋳型を構成する砂（耐火性粒状材料）のｐＨが概ね２〜１０．５の範囲内となる。水ガラス鋳型を崩壊させた後、耐火性粒状材料を再生砂として再利用することを考慮すると、耐火性粒状材料のｐＨは中性が好ましい。耐火性粒状材料のｐＨが酸性であると、この酸性の耐火性粒状材料を再生砂として用い、水ガラス等の粘結剤と混合すると、硬化剤を加えなくても硬化反応がすぐに開始してしまうため、所望の形状の鋳型を製造することが困難となる。耐火性粒状材料のｐＨは、酸性溶液の濃度により制御できる。また、吹き付け法により酸性溶液を水ガラス鋳型に接触させる場合は酸性溶液の使用量を調節したり、浸漬法により酸性溶液を水ガラス鋳型に接触させる場合は浸漬時間を調節したりすることでも、耐火性粒状材料のｐＨを制御できる。
耐火性粒状材料のｐＨは、ＪＡＣＴ試験法Ｓ−３（鋳物砂のｐＨ試験法）に基づいて測定される。

水ガラス鋳型に酸性溶液を接触させた後は、水ガラス鋳型を１時間以上放置することが好ましい。浸漬法により酸性溶液を接触させた場合は、水ガラス鋳型を酸性溶液から取り出した後に、１時間以上放置することが好ましい。酸性溶液を接触させた直後に水ガラス鋳型を解体してもよいが、１時間以上放置することで酸性溶液が水ガラス鋳型に充分に浸透し、その結果、水ガラスの粘結力がより低下するので、崩壊性がより高まり、水ガラス鋳型をより容易に解体できる。

（水ガラス鋳型）
水ガラス鋳型は、周知の水ガラスプロセスによって製造された鋳型である。水ガラスプロセスとは、珪砂等の耐火性粒状材料を粘結剤である水ガラスの硬化により粘結させて固化させる方法である。
水ガラス鋳型は、水ガラスプロセスにおける硬化方法により、ガス硬化鋳型、自硬性鋳型、熱硬化鋳型などに分類される。
ガス硬化鋳型とは、耐火性粒状材料と水ガラスとを混練して混練砂とし、混練砂を模型に充填して造型し、これに硬化剤を通気して水ガラスを硬化させることで得られる鋳型である。
自硬性鋳型とは、耐火性粒状材料と硬化剤と水ガラスとを混練して混練砂とし、混練砂を模型に充填して造型し、水ガラスを硬化させることで得られる鋳型である。
熱硬化鋳型とは、耐火性粒状材料と水ガラスと硬化剤とを混練して混練砂とし、加熱した金型を用いて混練砂を焼成する、または耐火性粒状材料と水ガラスとを混練して混練砂とし、加熱した金型を用いて混練砂を焼成した後、さらにマイクロ波を照射することで得られる鋳型である。

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。

水ガラスとしては、従来公知のものを使用でき、例えば、珪酸ナトリウム（具体的にはＪＩＳＫ１４０８：１９６６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。
また、水ガラスとしては、ＳｉＯ_２とＭ（Ｍ＝Ｋ_２ＯまたはＮａ_２Ｏ）のモル比（ＳｉＯ_２／Ｍ）が１．６〜４．０である水ガラスを用いることが好ましく、モル比が２．０〜２．５である水ガラスを用いることがより好ましい。モル比が小さくなると、混練砂の硬化速度が遅くなり、接着強度が高くなる傾向にある。逆に、モル比が大きくなると、混練砂の硬化速度が速くなり、接着強度が低くなる傾向にある。

水ガラスの２０℃におけるボーメ度は３０〜６０であることが好ましく、４５〜５５であることがより好ましい。水ガラスのボーメ度が小さくなると、粘性が下がり、混練砂の流動性が向上する一方で、接着強度が低下する傾向にある。逆に、水ガラスのボーメ度が大きくなると、粘性が上がり、混練砂の流動性が低下する一方で、接着強度が高まる傾向にある。

水ガラス鋳型がガス硬化鋳型である場合、硬化剤としては炭酸ガス、亜硫酸ガス、塩化水素ガス等の酸性ガスを用いることができる。
水ガラス鋳型が熱硬化鋳型である場合、硬化剤としては硫酸、リン酸、塩酸等の無機酸；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、メタンスルホン酸等の有機酸；プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、エチレングリコールジアセテート、モノアセチン、ジアセチン、トリアセチン等の有機エステル；ダイカルシウムシリケートなどを用いることができる。
水ガラス鋳型が熱硬化鋳型である場合、硬化剤としては非晶質シリカなどを用いることができる。
これら硬化剤は、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

（作用効果）
本発明では、水ガラス鋳型を崩壊させるのに酸性溶液を用いる。
ところで、上述したように、水ガラス鋳型の製造において、硫酸等の無機酸や、スルホン酸類等の有機酸が、水ガラスの硬化剤として用いられることは、よく知られている。
驚くべきことに、この水ガラスを硬化させるための硬化剤として使用される無機酸や有機酸が、注湯後の水ガラス鋳型を崩壊させるという鋳型造型時とは真逆の役割を果たし、崩壊剤としても使えることが明らかとなった。

注湯後の水ガラス鋳型の崩壊に酸性溶液を用いることで、水ガラス鋳型の崩壊性が高まる理由は定かではないが、以下のように考えられる。
水ガラス鋳型を鋳造に用いると、耐火性粒状材料中のシリカ分、または水ガラスの硬化物中のシリカ分と水ガラスの硬化物中のアルカリ成分が注湯時の熱によって反応し、新たな水ガラスが生成されると考えられる。この生成された水ガラスは、水ガラス鋳型の製造に用いられる水ガラスよりもガラス転移温度が高く、注湯後の水ガラス鋳型が冷えると固まり（ガラス化）、これが水ガラス鋳型の崩壊性の低下の原因となると考えられる。
注湯後の水ガラス鋳型に酸性溶液を接触させると、生成された水ガラスと酸との中和反応により塩が形成される。また、注湯後の水ガラス鋳型に酸性溶液を接触させることで、生成された水ガラスの溶解性が向上する。これら塩の形成や溶解性の向上により、水ガラスの粘結力が弱まり、その結果、水ガラス鋳型の崩壊性が高まると考えられるが、詳細は不明である。

このように、本発明の鋳型崩壊剤組成物、及び鋳型の崩壊方法によれば、特許文献１に記載のように鋳型造型時における水ガラスの粘結力を低下させる必要がないので、鋳型造型時の鋳型強度を損なうことなく、注湯後の水ガラス鋳型を崩壊できる。しかも、本発明であれば、特許文献２に記載のように水ガラス鋳型の崩壊時に５０℃以上に加熱した水を大量に用意する必要もないので、手間をかけずに注湯後の水ガラス鋳型を崩壊できる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
なお、各実施例及び比較例において、水ガラスプロセスにより得られた水ガラス鋳型は、硬化剤に有機エステルを使用した自硬性鋳型である。

「実施例１」
＜混練砂の製造＞
珪砂（三菱商事建材（株）製、フリーマントル新砂）１００質量部に、硬化剤としてエチレングリコールジアセテートを０．６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、水ガラスとして珪酸ナトリウム（モル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）：２．５０、ボーメ度：５０（２０℃））を３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。

＜テストピース（水ガラス鋳型）の製造＞
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２５℃、湿度５０％の条件の環境下で木型に充填し、同じ条件の環境下で静置した。
水ガラスを混練開始してから２４時間経過した後に木型からテストピース（水ガラス鋳型）を取り出した。
得られたテストピースについて、以下の方法により圧縮強度及び嵩密度を測定した。これらの結果を表１に示す。

（圧縮強度の測定）
テストピースの圧縮強度（鋳型強度）は、ＪＩＳＺ２６０１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。

（嵩密度の測定）
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、ＭＥＴＴＬＥＲＰＭ４０００（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／ｃｍ^３）＝テストピースの質量（ｇ）／木型内容積（ｃｍ^３）・・・（Ｉ）

＜崩壊性試験＞
テストピースを１００℃、２５０℃、４００℃、５５０℃、７００℃、８５０℃、１０００℃の雰囲気下でそれぞれ３０分間加熱処理し、その後、室温（２５℃）まで冷却した。
ついで、酸性溶液として濃度３質量％の硫酸水溶液（以下、「３％硫酸水溶液」と略す。）にテストピースを５秒間浸漬した後、酸性溶液から取り出し、取り出し後１時間放置した。１時間放置した後のテストピースの圧縮強度及び嵩密度を先の測定方法と同様にして測定した。これらの結果を表１に示す。
また、前記１００℃の雰囲気下で加熱処理したテストピースについて、取り出し後１時間放置した後のｐＨをＪＡＣＴ試験法Ｓ−３（鋳物砂のｐＨ試験法）に基づいて測定した。結果を表１に示す。
なお、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。

「実施例２〜５」
実施例１と同様にしてテストピースを作製し、圧縮強度及び嵩密度を測定した。これらの結果を表１に示す。
得られたテストピースを実施例１と同様にして加熱処理した後、冷却した。ついで、表１に示す種類の酸性溶液にテストピースを５秒間浸漬した後、酸性溶液から取り出し、取り出し後１時間放置した。１時間放置した後のテストピースの圧縮強度及び嵩密度を測定した。これらの結果を表１に示す。
また、前記１００℃の雰囲気下で加熱処理したテストピースについて、取り出し後１時間放置した後のｐＨをＪＡＣＴ試験法Ｓ−３（鋳物砂のｐＨ試験法）に基づいて測定した。結果を表１に示す。
なお、表１中の「３％ＰＴＳＡ水溶液」とは、濃度３質量％のパラトルエンスルホン酸水溶液のことである。

「比較例１」
実施例１と同様にしてテストピースを作製し、圧縮強度及び嵩密度を測定した。これらの結果を表１に示す。
得られたテストピースを実施例１と同様にして加熱処理した後、冷却した。冷却後のテストピースの圧縮強度及び嵩密度を測定した。これらの結果を表１に示す。
また、前記１００℃の雰囲気下で加熱処理したテストピースについて、室温まで冷却した後のｐＨをＪＡＣＴ試験法Ｓ−３（鋳物砂のｐＨ試験法）に基づいて測定した。結果を表１に示す。

「比較例２」
実施例１と同様にしてテストピースを作製し、圧縮強度及び嵩密度を測定した。これらの結果を表１に示す。
得られたテストピースを実施例１と同様にして加熱処理した後、冷却した。ついで、５０℃に加熱した水にテストピースを５秒間浸漬した後、５０℃に加熱した水から取り出し、取り出し後１時間放置した。１時間放置した後のテストピースの圧縮強度及び嵩密度を測定した。これらの結果を表１に示す。
また、前記１００℃の雰囲気下で加熱処理したテストピースについて、取り出し後１時間放置した後のｐＨをＪＡＣＴ試験法Ｓ−３（鋳物砂のｐＨ試験法）に基づいて測定した。結果を表１に示す。

表１から明らかなように、各実施例及び比較例で得られた、加熱処理前のテストピースは、圧縮強度が高く、鋳型として充分な強度を有していた。
また、加熱処理したテストピースを酸性溶液に浸漬させた各実施例の場合、浸漬後のテストピースの圧縮強度が低く、テストピースの崩壊性に優れていた。
また、各実施例の場合、酸性溶液に浸漬させた後のテストピースのｐＨは中性付近であった。よって、テストピースを酸性溶液に浸漬させても、崩壊後の珪砂を再生砂として再利用することに支障がないことがわかった。
なお、テストピースのｐＨは加熱処理の温度に影響されないため、本実施例では１００℃の雰囲気下で加熱処理したテストピースについてのみ、取り出し後１時間放置した後のｐＨを測定した。

一方、加熱処理したテストピースを酸性溶液に浸漬させなかった比較例１の場合、テストピースの圧縮強度が各実施例に比べて高く、テストピースの崩壊性に劣っていた。
加熱処理したテストピースを５０℃に加熱した水に浸漬させた比較例２の場合、浸漬後のテストピースの圧縮強度は比較例１よりは低いものの、各実施例に比べて高く、テストピースの崩壊性に劣っていた。

Claims

水ガラス鋳型を崩壊させる組成物であって、
酸性溶液からなる、鋳型崩壊剤組成物。
前記酸性溶液が、硫酸、リン酸、塩酸、スルホン酸類、カルボキシ基を有する酸からなる群より選択される１種以上を含む、請求項１に記載の鋳型崩壊剤組成物。
注湯後の水ガラス鋳型に酸性溶液を接触させる、鋳型の崩壊方法。