JP2017148836A - 鋳造用砂型の造型方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発泡鋳物砂を金型内のキャビティに射出し充填する際の造型性が良好で、且つ、適切な強度を有する鋳造用砂型を成形することができる鋳造用砂型の造型方法を提供する。
【解決手段】界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を予め均一で安定した任意の大きさの気泡を含むよう泡状に発泡させた状態で、砂などの他の材料と撹拌・混練して発泡鋳物砂とし、金型２のキャビティ２０に充填して、鋳造用砂型の形状に成形する。成形された鋳造用砂型は、全体に均一で適切な嵩密度となることから、強度が低下するのを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、骨材と界面活性剤を含むバインダとを攪拌してなる発泡鋳物砂を、金型のキャビティ内に充填して、鋳造用砂型の形状に成形する鋳造用砂型の造型方法に関する。

従来より、鋳造用砂型を成形するに際しては、砂型の材料として、骨材である砂と、水ガラスまたは無機塩などのバインダとを撹拌槽内で混練して鋳物砂とし、この鋳物砂を金型のキャビティ内に充填し、乾燥または焼成することが一般に広く行われている（例えば特許文献１を参照）。

また、造型した砂型の強度や、鋳造後に砂型を鋳物製品から除去する際の崩壊性などの点から、鋳物砂の材料として界面活性剤を加えた発泡鋳物砂を用いることも知られている。このように界面活性剤を加えて発泡鋳物砂とする場合、図２の（ａ）に参照されるように、従来の技術では一般に、骨材である砂と、バインダである水ガラスと、水と、界面活性剤などの材料を砂槽１に投入して撹拌・混練することにより界面活性剤を発泡させていた。

ここで、特に細くおよび／または複雑な形状の中子を含む鋳造用砂型を造型するためには、撹拌された発泡鋳物砂を金型のキャビティ内に射出し充填する際に、金型のキャビティ内の隅々に鋳物砂が行き渡る（造型性が良好となる）ようにすることが重要である。そのためには、鋳物砂の動粘度を一定値以下に下げることが挙げられる。

そして、特に細くおよび／または複雑な形状の中子を含む鋳造用砂型を造型すべく、金型のキャビティ内の隅々に鋳物砂を行き渡らせられることができるよう発泡鋳物砂の動粘度を一定値以下に下げるためには、骨材と界面活性剤を含むバインダとを長時間攪拌することが考えられる。一方、鋳造用砂型の強度を向上させるためには、水ガラスの配合量を増加させるなどの対策が考えられる。

特開２００６−６１９４８号公報

しかしながら、図２の（ａ）に参照されるように、砂と、水ガラスと、水と、界面活性剤を砂槽１に投入して撹拌・混練することにより界面活性剤を発泡させた発泡鋳物砂は、含まれる気泡の大きさが不規則であることから、発泡鋳物砂の動粘度が均一ではなく、また、成形された鋳造用砂型の嵩密度が部分によって異なり、その結果、鋳造用砂型の強度が部分によって異なる可能性があった。また、上述したように、骨材と界面活性剤を含むバインダとを長時間攪拌し混練すると、鋳物砂に取り込まれる空気が過多となって嵩密度が低下することとなり、その結果、鋳造用砂型内に形成される空間が大きくなり、鋳造用砂型の強度が低下することになる。このように、細くおよび／または複雑な形状の鋳造用砂型を成形する場合には特に、発泡鋳物砂の造型性と成形された鋳造用砂型の強度とで背反することとなるため、発泡鋳物砂の造型性と成形された鋳造用砂型の強度を両立させることが困難であった。さらにまた、上述したように水ガラスの配合量を増加させる場合には、鋳造用砂型の表面硬度も増すこととなって崩壊性が低下するため、鋳造後に砂型、特に中子を鋳物製品から除去し難くなる。そのため、水ガラスの配合量を増やすことにより適切な強度で鋳造用砂型を成形することは困難である。

本発明は、上述した問題を優位に解決するためになされたもので、発泡鋳物砂を金型内のキャビティに射出し充填する際の造型性が良好で、且つ、適切な強度を有する鋳造用砂型を成形することができる鋳造用砂型の造型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、骨材と界面活性剤を含むバインダとを攪拌してなる発泡鋳物砂を、金型のキャビティ内に充填して、鋳造用砂型の形状に成形する造型方法であって、前記界面活性剤または前記界面活性剤とバインダの混合液を発泡させる工程と、該発泡した状態の前記界面活性剤または前記界面活性剤とバインダの混合液と前記骨材とを撹拌する工程とを有することを特徴とする。

本発明では、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を発泡させ、この発泡した状態の界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を骨材と撹拌する。界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を予め発泡させるので、骨材と界面活性剤を含むバインダとを長時間攪拌し混練する場合に鋳物砂に取り込まれる過多の空気による気泡の大きさと比較して、きめが細かく安定した均一で任意の大きさの径の気泡を発泡鋳物砂に含ませることができる。そのため、発泡鋳物砂の嵩密度を低下させることなく動粘度を適切に下げることができ、したがって、細くおよび／または複雑な形状の鋳造用砂型を成形する場合であっても、金型のキャビティの末端まで充分に発泡鋳物砂を充填させることができ、また、適切な嵩密度の鋳造用砂型を確実に成形することができることから、適切な強度を有する鋳造用砂型が成形される。
したがって、本発明によれば、発泡鋳物砂を金型内のキャビティに射出し充填する際の造型性が良好で、且つ、適切な強度を有する鋳造用砂型を成形することが可能な鋳造用砂型の造型方法を提供することができる。

本発明の鋳造用砂型の造型方法に用いる装置全体を説明するために示した概略図である。 従来の技術により材料を攪拌・混練して発泡鋳物砂とする場合（ａ）と、本発明により材料を攪拌・混練して発泡鋳物砂とする場合（ｂ）とを説明するために示したイメージ図である。 本実施の形態により成形された鋳造用砂型と、従来技術により成形された鋳造用砂型との嵩密度を示すグラフである。 本実施の形態により成形された鋳造用砂型と、従来技術により成形された鋳造用砂型との、それぞれの界面活性剤／バインダ比における三点曲げ試験を行った結果の抗折強度を示すグラフである。 本実施の形態により成形された鋳造用砂型と、従来技術により成形された鋳造用砂型との、それぞれの界面活性剤／バインダ比における引掻き試験を行った結果の深さを示すグラフである。

図１〜図５に基づいて本発明の実施の一形態を詳細に説明する。

図１は本実施の形態に用いる装置を説明するために概略で示したもので、この装置は、発泡鋳物砂の材料が投入される砂槽１と、砂槽１の下方に設けられた金型２とを備えており、さらに、砂槽１の上方には、砂槽１内の材料を撹拌して混練し発泡鋳物砂を得る撹拌機構３と、混練された砂槽１内の発泡鋳物砂を金型２内のキャビティ２０に充填するよう加圧する加圧機構４と、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を発泡させて砂槽１に供給するプリフォーム装置５とを備えている。

砂槽１は、上方が開口した円筒状の側壁を有しており、底面が充填プレート１０により構成されている。金型２は、開閉可能な上型２Ａと下型２Ｂとの対で構成されており、金型２を閉じた状態でその内部にキャビティ２０が形成される。上型２Ａの上面とキャビティ２０との間には、充填通路２１が形成されている。砂槽１の充填プレート１０には、金型２の充填通路２１の開口と対応する位置にノズル１１が設けられている。

撹拌機構３は、撹拌羽根３０と、撹拌羽根３０をその軸周り（図１の矢印Ｒを参照）に回転駆動する電動モータなどの駆動手段３１とを備えている。撹拌機構３は、砂槽１の上方位置に相対的に移動し（図１の矢印Ｈ３を参照）、砂槽１に投入された発泡鋳物砂の材料内に撹拌羽根３０を降下させ（図１の矢印Ｖ３を参照）、駆動手段３１によって撹拌羽根３０を軸周りに回転駆動させて（図１の矢印Ｒを参照）材料を撹拌し混練して発泡鋳物砂とし、砂槽１の上方に撹拌羽根３０が引き上げられるよう上昇し（図１の矢印Ｖ３を参照）、その後、砂槽１の上方位置から退避する（図１の矢印Ｈ３を参照）よう構成されている。なお、駆動手段３１による撹拌羽根３０の回転方向は、いずれか一方向または両方向に設定することができる。

加圧機構４は、砂槽１の内径よりもわずかに小さい径を有する加圧プレート４０と、加圧プレート４０に接続された油圧シリンダなどの駆動手段４１とを備えている。加圧機構４は、砂槽１の上方位置に移動し（図１の矢印Ｈ４を参照）、必要に応じて全体を下降させ（図１の矢印Ｖ４を参照）、駆動手段４１を伸長させて（図１の矢印Ｐを参照）加圧プレート３０により砂槽１内の発泡鋳物砂を加圧して、発泡鋳物砂をノズル１１から金型２の充填通路２１を介してキャビティ内に射出充填させ、充填が完了すると駆動手段４１を退縮させる（図１の矢印Ｐを参照）とともに必要に応じて全体を上昇させて（図１の矢印Ｖ４を参照）加圧プレート４０を砂槽１から引き上げ、その後、砂槽１の上方位置から退避する（図１の矢印Ｈ４を参照）よう構成されている。

図１に示した実施の形態におけるプリフォーム装置５は、内部に空間５０ａを形成し下面に開口部５０ｂを有する本体５０と、本体５０に接続されて空間５０ａ内に液状の界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を供給する液供給管５１と、本体５０に接続されて空間５０ａ内にエア（圧縮空気）を供給するエア供給管５２と、本体５０の排出部に設けられたメッシュ５３とを備えている。メッシュ５３は、複数の孔５３ａを有するもので、本体５０の開口部５０ｂ全体を覆うように取り付けられている。なお、メッシュ５３の孔５３ａの形状は、後述するように滴下された界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液をエアと共にメッシュ５３の孔５３ａを通過させることにより泡状に発泡させることができるものであれば特に限定されることはなく、本体５０の空間５０ａ内から見た平面視、または、下方から見た底面視で、円形や矩形などを含むことができ、また断面において、図１に示したように空間５０ａ側が小径で下方に向かって漸次拡径するテーパ形状、または、空間５０ａ側の開口と下面の開口との間が同じ大きさのストレート形状や、空間５０ａ側が大径で下方に向かって漸次縮径する逆テーパ形状などを含むことができる。そして、メッシュ５３は、板状の素材に孔５３ａを工具による穿孔加工やプレス加工、レーザ加工、放電加工などにより形成し、また、所定の径の金属ワイヤを編むかまたは織り、または板状の素材に切れ目を形成して広げたエキスパンドメタルなどにより構成されたものを含むことができる。プリフォーム装置５は、図１の矢印Ｈ５に参照されるように、砂槽１の上方位置に移動し、また、砂槽１の上方位置から移動して退避するよう構成されている。

プリフォーム装置５は、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を液供給管５１からメッシュ５３上に滴下させるとともにエア供給管５２からエアを供給して、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液をエアと共にメッシュ５３の孔５３ａを通過させることにより発泡させる。発泡した界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液は、泡となってメッシュ５３の孔５３ａから砂槽１内に落下する。界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液の気泡の大きさは、メッシュ５３に形成する孔５３ａの大きさにより調整することができる。メッシュ５３の各孔５３ａの大きさは、発泡効率に鑑みて、最大の部分の径または対辺を０．０３〜０．１０ｍｍの範囲に形成することが望ましい。

なお、プリフォーム装置５は、上述した構成に限定されることはなく、たとえば、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を供給する管に、エアを供給する管を接続して、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液にエアを直接吹き込み発泡させるよう構成し、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を供給する管に空気引き込み部を設けて、管内の界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液の流動により空気を引き込ませるよう構成するなど、公知の他の型式を採用することもできる。

次に、本発明の鋳造用砂型の造型方法の実施の一形態を、図１に示したように構成された装置を用いる場合により、装置の作動と共に説明する。

本実施の形態においては、最初に、金型２を閉じた状態とし、また、砂槽１の充填プレート１０のノズル１１を閉じた状態としておき、砂槽１に骨材となる砂を投入し、砂槽１の上方位置にプリフォーム装置５を配置する。このとき、後にプリフォーム装置５に界面活性剤だけを供給して発泡させる場合には、砂槽に砂とともにバインダや水などの他の材料を投入しておく。また、図２の（ｂ）に示したように、後にプリフォーム装置５に界面活性剤とバインダである水ガラスとの混合液（水を含む）を供給して発泡させる場合には、砂槽１に砂だけを投入しておく。

この状態で、プリフォーム装置５の本体５０の空間５０ａ内に液供給管５１から界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を滴下させるとともに、エア供給管５２からエアを供給する。界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液は、メッシュ５３上に滴下されエアと共にメッシュ５３の孔５３ａを通る際に発泡し、図１および図２の（ｂ）に示したように、泡となって砂槽１内に落下する。このとき、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液に含まれる気泡は、図２の（ｂ）の下方に拡大したイメージで示したように、メッシュ５３の孔５３により均一で任意の大きさに安定して形成される。なお、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液は、上述したように構成されたプリフォーム装置５により発泡させる場合に限定されることはなく、他の手法により発泡させることも含むことができる。

砂槽１に設定された量の界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液が泡状で供給されると、砂槽１の上方位置からプリフォーム装置５を退避させるように移動させ（図１の矢印Ｈ５を参照）、撹拌機構３の撹拌羽根３０を砂槽１の上方位置に移動させ（図１の矢印Ｈ３を参照）、砂槽１の材料内に降下させ（図１の矢印Ｖ３を参照）、軸周りに回転させて（図１の矢印Ｒを参照）材料を撹拌し混練して発泡鋳物砂とする。その後、撹拌機構３を上昇させて撹拌羽根３０を発泡鋳物砂から引き上げ（図１の矢印Ｖ３を参照）、砂槽１の上方位置から退避するよう移動させる（図１の矢印Ｈ３を参照）。

ここで、図２の（ａ）に示した従来の技術により攪拌・混練された発泡鋳物砂と、図２の（ｂ）に示した本発明により撹拌・混練された発泡鋳物砂とを説明する。
図２の（ａ）に示した従来の技術は、砂槽１に投入された砂にバインダとして水ガラスと、水と、界面活性剤とを加えて撹拌・混練した発泡鋳物砂のイメージ図である。また、図２の（ｂ）に示した本発明は、バインダとして水ガラスと、水と、界面活性剤との混合液を上述したプリフォーム装置５により発泡させて泡とし、この泡を砂槽１に投入された砂に加えて撹拌・混練した発泡鋳物砂のイメージ図である。

図２において、従来の技術（ａ）と本発明（ｂ）とにより得た発泡鋳物砂を比較するために、同じ動粘度（２．０Ｐａ・Ｓ程度）の発泡鋳物砂の嵩密度を測定した。その結果は、（ａ）に示した従来の技術により得た発泡鋳物砂の嵩密度が１．０〜１．２ｇ／ｃｍ３であったのに対して、（ｂ）に示した本発明により得た発泡鋳物砂の嵩密度が１．４〜１．５ｇ／ｃｍ３であった。この結果から、本発明により得た発泡鋳物砂の気泡は、同じ動粘度で、従来の技術により得た発泡鋳物砂の気泡よりもきめ細かくすることができる。そして、本発明により得る発泡鋳物砂と従来の技術により得る発泡鋳物砂との嵩密度が同じとなるように界面活性剤の配合の割合を調整することで、本発明により得る発泡鋳物砂は、従来の技術により得る発泡鋳物砂よりも動粘度を下げることができ、その結果、造型性を向上させて複雑な形状の鋳造用砂型を適切な強度で成形することができる。

材料を撹拌・混練して発泡鋳物砂とした後には、加圧機構４を砂槽１の上方位置に移動させてから（図１の矢印Ｈ４を参照）下降させて（図１の矢印Ｖ４を参照）、充填プレート１０のノズル１１を開き、この状態で駆動手段４１を伸長駆動させて（図１の矢印Ｐを参照）加圧プレート４０により砂槽１内の発泡鋳物砂を加圧する。砂槽１の発泡鋳物砂は、加圧プレート４０の押圧により、充填プレート１０のノズル１１から金型２の充填通路２１を介してキャビティ２０内に射出充填される。

その後、所定の温度に加熱された金型２により、発泡鋳物砂を乾燥させまたは焼成して固化させ、中子など鋳造用砂型の形状に成形する。成形された鋳造用砂型は、上型２Ａと下型２Ｂを型開きすることにより取り出される。

次に、図３〜５に基づいて、本実施の形態により成形された鋳造用砂型の試験結果を説明する。

図３に示した従来の技術は、図２の（ａ）に示したように、骨材である砂と界面活性剤を含むバインダなどの材料を砂槽１に投入して撹拌・混練することにより界面活性剤を発泡させた発泡鋳物砂により成形された鋳造用砂型である。この従来の技術により成形された鋳造用砂型の嵩密度は１．１３ｇ／ｃｍ３であった。これに対して、図２の（ｂ）に示したように、本発明により成形された鋳造用砂型の嵩密度は１．２８ｇ／ｃｍ３であった。この結果から、本発明は、従来の技術と比較して嵩密度を高くすることができたといえる。

図４は、バインダに対する界面活性剤の比（以下、単に比という）を０．３、０．５、０．７として、図２の（ａ）に示した従来の技術と、図２の（ｂ）に示した本発明とでそれぞれ攪拌・混練した発泡鋳物砂により成形した鋳造用砂型の各抗折強度を示したグラフである。なお、この抗折強度は、鋳造用砂型のテストピースを三点曲げ試験することにより求めた。抗折強度の数値が高い程、鋳造用砂型の強度が高いということができる。

従来の技術により成形された鋳造用砂型のテストピースは、比が０．３の場合に２８．４０ＭＰａ、比が０．５の場合に２５．３５ＭＰａ、比が０．７の場合に２６．５５ＭＰａであった。これに対して、本発明により成形された鋳造用砂型のテストピースは、比が０．３の場合に２９．５０ＭＰａ、比が０．５の場合に２９．６５ＭＰａ、比が０．７の場合に３０．９５ＭＰａであった。この結果から、いずれの比においても、本発明により成形された鋳造用砂型は、従来の技術により成形された鋳造用砂型よりも抗折強度が高いということができる。

図５は、バインダに対する界面活性剤の比（以下、単に比という）を０．３、０．５、０．７として、図２の（ａ）に示した従来の技術と、図２の（ｂ）に示した本発明とでそれぞれ攪拌・混練した発泡鋳物砂により成形した鋳造用砂型の各引掻き強さを示したグラフである。なお、この引掻き強さを求めるための試験は、成形された鋳造用砂型の表面に対して同一の形状の針で突いたときの傷の深さを測定するものであり、図５の引掻き深さの値が低い程、鋳造用砂型の強度が高いということができる。

従来の技術により成形された鋳造用砂型のテストピースは、比が０．３の場合に１．２７ｍｍ、比が０．５の場合に１．２７ｍｍ、比が０．７の場合に１．１８ｍｍであった。これに対して、本発明により成形された鋳造用砂型のテストピースは、比が０．３の場合に１．１５ｍｍ、比が０．５の場合に１．１２ｍｍ、比が０．７の場合に０．７１ｍｍであった。この結果から、いずれの比においても、本発明により成形された鋳造用砂型は、従来の技術により成形された鋳造用砂型よりも、引掻き強さに対する強度が高いということができる。

図３〜図５に示した結果から、本発明により成形された鋳造用砂型は、従来の技術により成形された鋳造用砂型よりも嵩密度が高く、強度も高いことが証明された。

本発明では、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を、予め均一で任意の大きさの気泡を含むよう発泡させた状態で、砂などの他の材料と撹拌・混練するため、従来の技術のように砂槽で全ての材料と撹拌し混練して発泡させる場合と比較して、発泡鋳物砂の嵩密度が同じでも動粘度を下げて造型性を向上させることができ、その結果、複雑な形状であっても精度よく、且つ、全体に均一で適切な嵩密度の、したがって均一で適切な強度の鋳造用砂型を成形することができる。そして、発泡鋳物砂の材料として水ガラスの配合量を増やす必要がない。これらのことから、適切な強度を有する鋳造用砂型を成形することができる。

また、本発明では、界面活性剤または界面活性剤とバインダの混合液を既に発泡させた状態で他の材料と撹拌・混練するため、従来の技術のように砂槽１で全ての材料と撹拌し混練して発泡させる場合と比較して、撹拌・混練する時間を短縮することができる。そして、撹拌・混練する時間が短いことから、上述したように発泡鋳物砂の動粘度を低下させるために長時間攪拌・混練する場合のように、発泡鋳物砂に取り込まれる空気が過多となることがなく、したがって、鋳造用砂型内に大きな気泡（空間）が形成されることにより嵩密度が低下することがなく、鋳造用砂型の強度が低下するのを防止することができる。

１：砂槽、 ２：金型、 ２０：キャビティ、 ３：撹拌機構、 ４：加圧機構、 ５：プリフォーム装置、 ５０：本体、 ５０ａ：空間、 ５０ｂ：開口部、 ５１：液供給管、 ５２：エア供給管、 ５３：メッシュ、 ５３ａ：孔

Claims (1)

1. 骨材と界面活性剤を含むバインダとを攪拌してなる発泡鋳物砂を、金型のキャビティ内に充填して、鋳造用砂型の形状に成形する造型方法であって、
   前記界面活性剤または前記界面活性剤とバインダの混合液を発泡させる工程と、
   該発泡した状態の前記界面活性剤または前記界面活性剤とバインダの混合液と前記骨材とを撹拌する工程とを有することを特徴とする鋳造用砂型の造型方法。

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