JP2017136600A - 水ガラス含有砂型の造型方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金型に生じる温度分布に影響されることなく、水ガラス含有砂型を精度良く安定して砂型に成形することができる方法を提供する。
【解決手段】水ガラスと反応して二酸化ケイ素を生成するプロトン供与性官能基を有する有機化合物を含む離型剤を金型に塗布する。離型剤として、金型の離型剤を塗布する部分の造型直後の温度分布に応じて、シラノール基を有する有機化合物を含む離型剤と、フェノール基を有する有機化合物を含む離型剤とを、水ガラスとの反応性が高まるように塗布し分ける。その後、金型に水ガラス含有砂を充填し、金型を加熱して水ガラス含有砂を硬化または固化させて造型する。金型に生じる不均一な温度分布に影響されず、離型剤が熱分解することなく水ガラスと良好に反応して二酸化ケイ素を生成するため、水ガラスや離型剤の熱分解した成分の金型への付着等をより良好に防止して適切に造型することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、水ガラスを含有する鋳物砂を金型に充填して、金型を加熱して砂型を造型する方法に関するものである。

鋳物砂のバインダーとして水ガラスを添加した水ガラス含有砂を用いて鋳型の一種である砂型（主型や中子）を製造する工程では、金型の水ガラス含有砂が接触するキャビティ面および方案部や、金型の分割面である見切り面等に離型剤を塗布し、金型のキャビティ内に水ガラス含有砂を充填し、金型を加熱して水ガラス含有砂を硬化または固化させることが一般に行われている。金型には加熱手段としてたとえばシースヒータが設けられており、キャビティ内に充填された水ガラス含有砂を均一に加熱するよう各シースヒータを制御することにより、金型の温度が調整される。金型に塗布する離型剤に関しては、たとえば特許文献１が知られている。

特許文献１には、水ガラスと反応して二酸化ケイ素が生成されるプロトン供与性のある官能基を有する有機化合物を含む、水ガラス含有砂型造型用の離型剤が開示されている。そして、特許文献１には、前記プロトン供与性のある官能基として、カルボキシル基が記載されている。

国際公開第ＷＯ ２０１５／０６４５０６号公報

上述したように水ガラス含有砂を均一に加熱するよう金型の加熱温度を調整しても、たとえば図３に示すように、造型直後の金型の温度は、水ガラス含有砂をキャビティ内に導入する方案部付近が温度低下し易い傾向にある一方で、キャビティから離れた部分が温度低下し難い傾向にあるなど、部分によって異なる、すなわち金型に不均一な温度分布が生じることとなる。図３に示した例では、金型の造型直後の温度は、約２００〜３００℃の範囲で、部分によって異なっている。

これに対して、従来の技術における離型剤では、上記特許文献１のようにプロトン供与性官能基を有する有機化合物を含む場合であっても、その種類によって、水ガラスと反応して二酸化ケイ素を生成する温度が異なり、また、熱分解する温度も異なる。離型剤の反応性が低いと、離型剤が水ガラスと反応して二酸化ケイ素を十分に生成することができず、成形された砂型が金型に付着して、型開き時に成形した砂型が破損したり、破損した砂型が金型に残留し、また、図４に白く現れているように反応しなかった水ガラスがキャビティ面や方案部に金型に付着して堆積またはこびりつき、その結果、次のサイクルで砂型を精度良く安定して成形することができなくなる。また、離型剤が熱分解すると、その熱分解した成分が金型のキャビティ面や見切り面に付着して堆積して、型閉じができなくなったり、堆積した離型剤の熱分解した成分が金型に残留して、やはり次のサイクルで砂型を精度良く安定して造型することができなくなるなどの問題が生じる。そのため、従来の技術では、定期的にブラシ等を用いて、金型に付着または堆積した砂型の破片や、離型剤と反応しなかった水ガラス、あるいは離型剤の熱分解した成分を取り除くための清掃を行う必要があり、そのための手間やサイクルタイムが余計にかかることから、砂型の製造コストを削減することが困難となるなどの問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、金型に生じる温度分布に影響されることなく、離型剤を熱分解させることなく、水ガラスと良好に反応させて二酸化ケイ素を生成し、水ガラス含有砂型を精度良く安定して造型することができる方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、水ガラスと反応して二酸化ケイ素を生成するプロトン供与性官能基を有する有機化合物を含む離型剤を金型に塗布し、該金型に水ガラス含有砂を充填し、前記金型を加熱して前記水ガラス含有砂を硬化または固化させて砂型を造型する方法であって、前記金型の造型直後の前記離型剤を塗布する部分の温度分布に応じて、前記離型剤として、シラノール基を有する有機化合物を含む離型剤と、フェノール基を有する有機化合物を含む離型剤とを、水ガラスとの反応性が高まるように塗布し分けることを特徴とする。

本発明では、水ガラス含有砂を充填するに先立って離型剤を水ガラス含有砂と接触するキャビティ面や方案部、および、見切り面などに塗布する。ここで、シラノール基を有する有機化合物を含む離型剤と、フェノール基を有する有機化合物を含む離型剤とでは、水ガラスとの反応性や熱分解が温度によって異なる。そこで、造型直後の金型の温度分布に応じて、シラノール基を有する有機化合物を含む離型剤と、フェノール基を有する有機化合物を含む離型剤とを、水ガラスとの反応性が高まるように塗布し分ける。その後、金型に水ガラス含有砂を充填し、金型を加熱して水ガラス含有砂を硬化または固化させて砂型を造型する。
本発明によれば、造型直後の金型の温度分布に応じて、シラノール基を有する有機化合物を含む離型剤と、フェノール基を有する有機化合物を含む離型剤とを塗布し分けることにより、金型の温度分布に影響されることなく、離型剤が良好に水ガラスと反応して二酸化ケイ素を生成して、水ガラス含有砂型を精度良く安定して造型し、適切に型開きして離型することができる。

水ガラス含有砂の付着を評価する方法に用いる装置を説明するために示した断面図である。 離型剤として、カルボキシル変性シリコーンオイルと、フェノール変性シリコーンオイルと、シラノール変性シリコーンオイルとを用いた場合の、それぞれ金型の温度に対する水ガラス含有砂のテストピースへの付着量の変化を示したグラフである。 造型後の金型の温度分布を説明するために示したサーモグラフィの画像である。 金型に水ガラスがこびりついた状態を説明するために撮影した画像である。

以下、本発明の実施の一形態を図に基づき説明する。
水ガラス含有砂から砂型を造形するための工程は、鋳物砂に水ガラスを添加し混練して水ガラス含有砂を得る工程と、金型の水ガラス含有砂が接触する方案部とキャビティ面、および金型の分割面である見切り面に離型剤を塗布する工程と、金型を閉じて水ガラス含有砂を充填する工程と、金型を加熱して水ガラス含有砂を硬化または固化させる工程と、金型を開いて成形された砂型を取り出す工程とを含んでいる。金型にはシースヒータなどの加熱手段が設けられている。加熱手段は、金型を均一に加熱することができるよう制御することができる。金型内に充填された水ガラス含有砂は、少なくとも金型を加熱して水ガラスが重合反応を起こすことで硬化または固化して砂型が成形されるまで、圧力が加えられる。

ここで、金型の方案部は、新たにキャビティ内に導入される水ガラス含有砂に熱を奪われるために温度低下し易い傾向にあり、キャビティから離れた部分は、水ガラス含有砂に熱を奪われないために温度低下し難い傾向にある。そのため、図３に示したように、金型は部分的に温度差、つまり不均一な温度分布が生じることとなる。図３に示した例では、加熱手段によって金型を均一に約３００℃に加熱するよう制御しても、造型直後の金型の一部の温度が約２００℃まで低下する、すなわち２００〜３００℃の範囲で温度分布が生じている。

一方、離型剤に含まれる有機化合物のプロトン供与性官能基は、その種類によって、水ガラスと反応して二酸化ケイ素を生成する反応温度や、熱分解する温度が異なる。そのため、温度分布が生じる金型の部分に応じて適切な離型剤を塗布する必要があることに本発明者は着目した。以下に温度分布が生じる金型の部分に応じて塗布する適切な離型剤を選定するための実験例を説明する。

［実験例］
離型剤の種類
図２に示すように、プロトン供与性官能基を有する有機化合物を含む離型剤として、カルボキシル変性シリコーンオイルと、フェノール変性シリコーンオイルと、シラノール変性シリコーンオイルとに其々界面活性剤を添加して乳化させたものをそれぞれ用意した。なお、変性シリコーンオイルを使用した離型剤は、本発明と比較するためのものである。

実験方法
図１に示すように、実験例では、円筒型１及びテストピース２、３（金型）に上記離型剤をそれぞれ塗布し、これらの円筒型１及びテストピース２、３を所定の温度に加熱して、円筒型１内にテストピース２を嵌入し、円筒型１内に水ガラス含有砂Ｓを投入し、円筒型１内にテストピース３を嵌入し、加圧手段４によりテストピース２、３の間で水ガラスが入砂Ｓを所定時間加圧して水ガラス含有砂Ｓから造形物（砂型）を成形し、造形物を取り出し、加熱温度を変えて各温度毎にテストピース２または３に付着した水ガラスの重量（付着量）を測定した。この実験１では、円筒型１とテストピース２、３を２００℃、２３０℃、２６０℃、２９０℃に加熱した。そして、水ガラス含有砂Ｓを円筒型１内に投入してから手で１分間加圧し、テストピース２を分離し、テストピース３を造形品とともに円筒型１から押し出した。

なお、図２に示した縦軸の付着量は、数値が少ない程実験結果が良く（水ガラス含有砂がテストピース２または３に付着しにくい）、数値が高い程実験結果が良くない（水ガラス含有砂がテストピース２または３に付着し易い）ことを意味する。

実験結果（図２）
・離型剤毎の各型温における実験結果
カルボキシル変性シリコーンオイルを使用した離型剤は、付着量が、２００℃で１０．１５ｍｇであり、２３０℃で１１．７３ｍｇと増加し、２６０℃で８．８５ｍｇと減少し、２９０℃で６．０３ｍｇとさらに減少した。
フェノール変性シリコーンオイルを使用した離型剤は、付着量が、２００℃で６．２６ｍｇであり、２３０℃で２．７１ｍｇと減少し、２６０℃で１．８７ｍｇとさらに減少し、２９０℃で逆に３．５２ｍｇに増加した。
シラノール変性シリコーンオイルを使用した離型剤は、付着量が、２００℃で１３．８０ｍｇと非常に多いが、２３０℃で２．６４ｍｇに急減し、２６０℃で２．１１ｍｇとさらに減少し、２９０℃で１．３９ｍｇにさらに減少した。

・各型温における離型剤の比較
２００℃においては、フェノール変性シリコーンオイルを使用した離型剤における付着量が最も少なく、シラノール変性シリコーンオイルを使用した離型剤における付着量がカルボキシル変性シリコーンオイルを使用した離型剤よりもむしろ多くなった。
２３０℃においては、フェノール変性シリコーンオイルとシラノール変性シリコーンオイルを使用した離型剤における付着量が、カルボキシル変性シリコーンオイルを使用した離型剤と比較して大幅に付着量が少なかった。
２６０℃においても、フェノール変性シリコーンオイルとシラノール変性シリコーンオイルを使用した離型剤における付着量が、カルボキシル変性シリコーンオイルを使用した離型剤と比較して大幅に付着量が少なかった。
２９０℃においては、シラノール変性シリコーンオイルを使用した離型剤における付着量が最も少なく、フェノール変性シリコーンオイルを使用した離型剤における付着量は増加したが、カルボキシル変性シリコーンオイルを使用した離型剤と比較して付着量が少なかった。

上記の実験１の結果から、図３に示したように、金型の造型直後の離型剤を塗布する部分の温度が２００〜３００℃の範囲で分布する場合、２００〜２３０℃の領域に対して塗布する離型剤はフェノール変性シリコーンオイルを使用したものが好ましく、２３０〜２６０℃の領域に対して塗布する離型剤はフェノール変性シリコーンオイルとシラノール変性シリコーンオイルのいずれを使用したものでもよく、２６０〜２９０℃の領域に対して塗布する離型剤はシラノール変性シリコーンオイルを使用したものが好ましい。したがって、金型の造型直後の温度が２００〜２６０℃の領域には、フェノール基を有する有機化合物を含む離型剤を塗布し、また、金型の造型直後の温度が２３０〜３００℃の領域には、シラノール基を有する有機化合物を含む離型剤を塗布してもよい。そして、フェノール基を有する有機化合物を含む離型剤シラノール基を有する有機化合物を含む離型剤とを塗布し分ける温度の境界を２３０〜２６０℃の間に設定することにより、水ガラスとの反応性を良好にすることができる。両塗型剤の塗り分けは、それぞれの塗型剤を噴霧するスプレー装置をロボットアームに保持させ、ロボットに温度で区分した領域をそれぞれティーチングすることにより実行することができる。

以上述べたように本発明の実施形態によれば、水ガラスをバインダーとした水ガラス含有砂を用いて砂型を造型する場合において、水ガラスや離型剤の熱分解した成分の金型への付着（固着）や堆積をより良好に防止して適切に砂型を造型するできる方法を提供することができる。

Claims (1)

1. 水ガラスと反応して二酸化ケイ素を生成するプロトン供与性官能基を有する有機化合物を含む離型剤を金型に塗布し、該金型に水ガラス含有砂を充填し、前記金型を加熱して前記水ガラス含有砂を硬化または固化させて砂型を造型する方法であって、
   前記金型の造型直後の前記離型剤を塗布する部分の温度分布に応じて、前記離型剤として、シラノール基を有する有機化合物を含む離型剤と、フェノール基を有する有機化合物を含む離型剤とを、水ガラスとの反応性が高まるように塗布し分けることを特徴とする水ガラス含有砂型の造型方法。