JP2024056445A - 鋳型造型方法及び鋳型材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】鉄系鋳物を製造する鋳型の造型において、生産性を低下させることなく不良の発生を抑えることができる技術を提供する。【解決手段】鉄系鋳物を製造する鋳型を造型する鋳型造型方法は、骨材である人工砂と粘結剤とを用いて混練砂を生成するステップと、混練砂を型に充填するステップと、型に充填された混練砂を固化させるステップと、を含む。【選択図】図１
Description
本開示は、鋳型造型方法及び鋳型材料に関する。
特許文献１は、鋳型を開示する。鋳型は、成型された珪砂を、バインダーを用いて粘結させることで製造される。珪砂の主成分は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である。
特許文献１記載の鋳型を鉄系鋳物の製造に用いる場合、溶湯中の金属酸化物（例えばＦｅＯ）が鋳型の骨材である珪砂に含まれる二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と反応し、ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が生成される場合がある。ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）は、鋳物表面の焼付き欠陥を引き起こしたり、差し込み不良を発生させたりするおそれがある。不良を低減するために、例えば鋳型に塗型を塗ることが考えられる。しかしながら、製造工程が増えるため、生産性が低下する。本開示は、鉄系鋳物を製造する鋳型の造型において、生産性を低下させることなく不良の発生を抑える技術を提供する。
本開示の一側面に係る鋳型造型方法は、鉄系鋳物を製造する鋳型を造型する方法である。方法は、以下ステップを含む。
（１）骨材である人工砂と粘結剤とを用いて混練砂を生成するステップ
（２）混練砂を型に充填するステップ
（３）型に充填された混練砂を固化させるステップ
（１）骨材である人工砂と粘結剤とを用いて混練砂を生成するステップ
（２）混練砂を型に充填するステップ
（３）型に充填された混練砂を固化させるステップ
この鋳型造型方法では、人工砂を骨材とするため、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を９０％以上含む天然珪砂と比べて、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の含有量が大きく抑えられる。このため、この鋳型造型方法によって製造された鋳型は、天然珪砂を骨材として製造された鋳型と比べて、ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が発生しにくい。よって、この鋳型造型方法は、天然珪砂を骨材とした場合と比べて、鋳物表面の焼付き欠陥及び差し込み不良の発生を抑制できる。さらに、ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が発生しにくいことから、塗型を塗る必要もない。このため、この鋳型造型方法は、生産性を低下させることなく不良の発生を抑えることができる。
一実施形態においては、人工砂は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６０％以上、かつ、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下であり、粘結剤は、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムの何れか一方であってもよい。
一実施形態においては、粘結剤はモル比が１．８以上であってもよい。この場合、鋳型造型方法は、鋳型の強度を保ちつつ鋳型の崩壊性を改善できる。
一実施形態においては、粘結剤は骨材１００重量部に対して４重量部以下であってもよい。鋳型の強度を確保するためには粘結剤を多めに添加する必要がある。天然珪砂を骨材とする場合には、一般的に粘結剤は４重量部よりも多く添加される。しかしながら、粘結剤を多めに添加した場合、鋳型の崩壊性が悪化する。この鋳型造型方法では、骨材に人工砂を採用することにより、粘結剤の添加量が４重量部以下であっても鋳型の強度を十分に得ることができる。よって、この鋳型造型方法は、鋳型の強度を保ちつつ鋳型の崩壊性を改善できる。
一実施形態においては、人工砂は溶融法又は焼結法により製造されてもよい。溶融法又は焼結法により製造された人工砂は、他の方法で製造された人工砂と比べて粘結剤の量を少なくできるので、この鋳型造型方法は製造コストを削減できる。
一実施形態においては、固化させるステップでは、脱水縮合反応によって混練砂を固化させてもよい。脱水縮合反応による固化を採用した場合、充填するステップでは、加熱された金型に、湿態の混練砂をブロー充填したり、発泡混練砂を射出充填したりできる。この鋳型造型方法は、臭いが少なく環境の良い鋳造工場が実現できる。一方で、エステルを用いて固化させる場合には、有機物特有の臭いが発生し、金属粉と水ガラスとを反応させて固化させる場合には、水素が発生する。
一実施形態においては、固化させるステップでは、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを用いて混練砂を固化させてもよい。二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを用いた固化を採用した場合、充填するステップでは、湿態の混練砂を手込め、振動充填、スクイズ、又はブロー充填によって充填できる。この鋳型造型方法は、臭いが少なく環境の良い鋳造工場が実現できる。一方で、エステルを用いて固化させる場合には、有機物特有の臭いが発生し、金属粉と水ガラスとを反応させて固化させる場合には、水素が発生する。
一実施形態においては、混練砂は界面活性剤を含む発泡混練砂であってもよい。この鋳型造型方法は、人工砂を骨材とする発泡混練砂を用いることで、砂の充填性を向上させつつ、生産性を低下させることなく不良の発生を抑えることができる。
本開示の他の側面に係る鋳型材料は、鉄系鋳物を製造する鋳型の材料である。鋳型材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６０％以上、かつ、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下である人工砂を骨材とし、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムの何れか一方を粘結剤として含む。この鋳型材料は、骨材に含まれる、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下であり、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を９０％以上含む天然珪砂と比べて、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の含有量が大きく抑えられる。このため、この鋳型材料を用いて製造された鋳型は、天然珪砂を骨材として製造された鋳型と比べて、ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が発生しにくい。よって、この鋳型材料は、天然珪砂を骨材とした場合と比べて、鋳物表面の焼付き欠陥及び差し込み不良の発生を抑制できる。さらに、ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が発生しにくいことから、塗型を塗る必要もない。このため、この鋳型材料は、生産性を低下させることなく不良の発生を抑えることができる。
本開示によれば、鉄系鋳物を製造する鋳型の造型において、生産性を低下させることなく不良の発生を抑えることができる技術が提供される。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附す。
（鋳型造型方法の概要）
一実施形態に係る鋳型造型方法は、鋳型を造型する。鋳型は、鉄系鋳物を製造する主型又は中子である。鉄系鋳物とは、製造に用いられる溶湯に酸化鉄（ＦｅＯ）が含有されている鋳物であり、鋳鉄などである。
一実施形態に係る鋳型造型方法は、鋳型を造型する。鋳型は、鉄系鋳物を製造する主型又は中子である。鉄系鋳物とは、製造に用いられる溶湯に酸化鉄（ＦｅＯ）が含有されている鋳物であり、鋳鉄などである。
図１は、一実施形態に係る鋳型造型方法のフローチャートである。図１に示されるように、鋳型造型方法においては、最初に混練処理（ステップＳ１０）が実行される。混練処理（ステップＳ１０）では、混練機で骨材と粘結剤とが混合される。
骨材は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６０％以上、かつ、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下である人工砂である。ここでの％表記は、砂一粒の成分の平均値についての表示である。より具体的な一例としては、骨材は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６１％以上かつ７２％以下であって、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が２０％以上かつ３６％以下である人工砂である。人工砂は、粒子であり、一例として球状粒子である。人工砂は、例えば、焼結法又は溶融法により製造される。
焼結法は、スプレードライヤ又はアジテータミキサで微粒子を造粒した後に、ロータリーキルンで微粒子を焼結する方法である。溶融法は、微粒子を造粒した後に、微粒子を溶融させる方法、又は、アーク炉で材料を溶融させた後にアトマイジングにより粒子化する方法である。
溶融法により製造された人工砂は、焼結法で製造された人工砂と比べて比表面積が小さくなる傾向にある。このため、溶融法により製造された人工砂を用いて造型した場合、焼結法で製造された人工砂を用いて造型した場合と比べて、人工砂を固化させる粘結剤の量を少なくできる。これにより、この鋳型造型方法は、製造コストを削減できる。
粘結剤は、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムの何れか一方である。粘結剤は、骨材１００重量部に対して４重量部以下である。つまり、骨材１００ｇに対して粘結剤は４ｇ以下という意味である。粘結剤は、一例として骨材１００重量部に対して１重量部以上４重量部以下である。粘結剤は、モル比が１．８以上であってもよい。
混練処理（ステップＳ１０）では、骨材と粘結剤とを混合させながら発泡させてもよい。この場合、界面活性剤が添加され得る。界面活性剤は、一例としてアニオン界面活性剤である。これにより、ホイップクリーム状の発泡混練砂が得られる。発泡混練砂とは、固体粒子と発泡した液体との混練砂である。発泡混練砂は、骨材、粘結剤、及び、界面活性剤を混合させたものである。発泡混練砂は、骨材、粘結剤、及び、界面活性剤だけでなく、他の材料を含んでもよい。例えば、発泡混練砂は、難水溶性の無機化合物粒子、及び、リチウム塩の少なくとも一方をさらに含んでもよい。「難水溶性」とは、２５℃の水１Ｌ中に溶解させたときにその溶解量が１００ｍｇ以下であることである。無機化合物粒子は、例えば炭酸塩又は水酸化物であり、一例として炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、又は水酸化アルミニウムである。リチウム塩の一例は、珪酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、炭酸リチウム、臭化リチウム、塩化リチウム、硝酸リチウム、又は、亜硝酸リチウムである。発泡混練砂を用いることで、砂の充填性が向上する。
混練処理（ステップＳ１０）にて混練砂の調整が終了すると、充填処理（ステップＳ１２）が実行される。充填処理（ステップＳ１２）では、混練砂（鋳型材料の一例）を型に充填する。充填の方法は特に限定されない。充填方法は、後述の固化方法の種類に応じて変更してもよい。充填の方法は、一例として、空気流によって充填させるブロー、圧入などの射出、手作業による手込め、振動による充填、又は、スクイズである。
充填処理（ステップＳ１２）にて混練砂の充填が終了すると、固化処理（ステップＳ１４）が実行される。固化処理（ステップＳ１４）では、型に充填された混練砂を固化させる。固化の方法は特に限定されない。固化の方法は、一例として、脱水縮合反応を利用する方法、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスで粘結剤を硬化させる方法、骨材に２～４％ほどスラグを混ぜておき、スラグを硬化剤とする方法、骨材にエステルと添加剤とを同時に添加して混練することでゲル化させる方法、金属粉と添加剤のアルカリとを反応させて硬化させる方法などを採用できる。固化処理（ステップＳ１４）が終了すると、図１に示されるフローチャートは終了する。固化終了後、型から主型又は中子が取り出される。
なお、固化処理（ステップＳ１４）において脱水縮合反応を利用する場合には、充填処理（ステップＳ１２）では、加熱された金型に発泡混練砂を充填させる。固化処理（ステップＳ１４）において二酸化炭素（ＣＯ２）ガスで粘結剤を硬化させる場合には、充填処理（ステップＳ１２）では、木型、樹脂型または（加熱）金型に混練砂を充填させる。脱水縮合反応による固化を採用した場合、及び、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを用いた固化を採用した場合には、他の方法と比べて、臭いが少なく環境の良い鋳造工場が実現できる。
（実施形態のまとめ）
実施形態に係る鋳型造型方法では、骨材に含まれる二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下であり、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を９０％以上含む天然珪砂と比べて、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の含有量が大きく抑えられる。このため、実施形態に係る鋳型造型方法によって製造された鋳型は、天然珪砂を骨材として製造された鋳型と比べて、ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が発生しにくい。よって、実施形態に係る鋳型造型方法は、天然珪砂を骨材とした場合と比べて、鋳物表面の焼付き欠陥及び差し込み不良の発生を抑制できる。さらに、ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が発生しにくいことから、塗型を塗る必要もない。このため、実施形態に係る鋳型造型方法は、生産性を低下させることなく不良の発生を抑えることができる。
実施形態に係る鋳型造型方法では、骨材に含まれる二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下であり、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を９０％以上含む天然珪砂と比べて、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の含有量が大きく抑えられる。このため、実施形態に係る鋳型造型方法によって製造された鋳型は、天然珪砂を骨材として製造された鋳型と比べて、ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が発生しにくい。よって、実施形態に係る鋳型造型方法は、天然珪砂を骨材とした場合と比べて、鋳物表面の焼付き欠陥及び差し込み不良の発生を抑制できる。さらに、ファイアライト（２ＦｅＯ・ＳｉＯ２）が発生しにくいことから、塗型を塗る必要もない。このため、実施形態に係る鋳型造型方法は、生産性を低下させることなく不良の発生を抑えることができる。
また、鋳型の強度を確保するためには粘結剤を多めに添加する必要がある。天然珪砂を骨材とする場合には、一般的に粘結剤は４重量部よりも多く添加される。しかしながら、粘結剤を多めに添加した場合、鋳型の崩壊性が悪化する。実施形態に係る鋳型造型方法では、骨材に人工砂を採用することにより、粘結剤の添加量が４重量部以下であっても鋳型の強度を十分に得ることができる。よって、実施形態に係る鋳型造型方法は、鋳型の強度を保ちつつ鋳型の崩壊性を改善できる。
以下、本開示の効果を確認すべく本発明者等が実施した実施例及び比較例について説明される。
［試験１：鋳型強度評価］
骨材の種類、及び、粘結剤の添加量を変化させた実施例及び比較例を製造し、鋳型強度を評価した。
骨材の種類、及び、粘結剤の添加量を変化させた実施例及び比較例を製造し、鋳型強度を評価した。
（骨材の種類）
骨材として人工砂を２種類、天然珪砂を２種類用意した。
骨材として人工砂を２種類、天然珪砂を２種類用意した。
（粘結剤、界面活性剤）
粘結剤は１号水ガラス（富士化学株式会社製）とし、界面活性剤はアニオン界面活性剤とした。
粘結剤は１号水ガラス（富士化学株式会社製）とし、界面活性剤はアニオン界面活性剤とした。
（実施例１）
骨材として人工砂１を用いた。人工砂１を１００重量部、粘結剤を１重量部、界面活性剤を０．２５重量部とした材料を、混練機（卓上ミキサ：愛工舎製作所製）を用いて約２００ｒｐｍで約５分間、混合・発泡させて、発泡混練砂を調整した。次いで、この発泡混練砂を射出充填装置にて２５０℃に加熱した金型に充填した。金型は曲げ強度試験片作製用の金型で、容量約８０ｃｍ３のキャビティを有する。ゲート速度約１ｍ／ｓｅｃ、シリンダ面圧０．４ＭＰａで充填した。この加熱された金型に充填された発泡混練砂を２分間、放置して、金型の熱による脱水縮合反応によって発泡混練砂を固化させた。固化完了後、金型から中子を取り出した。
骨材として人工砂１を用いた。人工砂１を１００重量部、粘結剤を１重量部、界面活性剤を０．２５重量部とした材料を、混練機（卓上ミキサ：愛工舎製作所製）を用いて約２００ｒｐｍで約５分間、混合・発泡させて、発泡混練砂を調整した。次いで、この発泡混練砂を射出充填装置にて２５０℃に加熱した金型に充填した。金型は曲げ強度試験片作製用の金型で、容量約８０ｃｍ３のキャビティを有する。ゲート速度約１ｍ／ｓｅｃ、シリンダ面圧０．４ＭＰａで充填した。この加熱された金型に充填された発泡混練砂を２分間、放置して、金型の熱による脱水縮合反応によって発泡混練砂を固化させた。固化完了後、金型から中子を取り出した。
（実施例２～６）
実施例２は、粘結剤を２重量部とした。その他は実施例１と同一である。実施例３は、粘結剤を４重量部とした。その他は実施例１と同一である。実施例４は、骨材として人工砂２を用いた。その他は実施例１と同一である。実施例５は、骨材として人工砂２を用いた。その他は実施例２と同一である。実施例６は、骨材として人工砂２を用いた。その他は実施例３と同一である。
実施例２は、粘結剤を２重量部とした。その他は実施例１と同一である。実施例３は、粘結剤を４重量部とした。その他は実施例１と同一である。実施例４は、骨材として人工砂２を用いた。その他は実施例１と同一である。実施例５は、骨材として人工砂２を用いた。その他は実施例２と同一である。実施例６は、骨材として人工砂２を用いた。その他は実施例３と同一である。
（比較例１～６）
比較例１は、骨材として天然珪砂１を用いた。その他は実施例１と同一である。比較例２は、骨材として天然珪砂１を用いた。その他は実施例２と同一である。比較例３は、骨材として天然珪砂１を用いた。その他は実施例３と同一である。比較例４は、骨材として天然珪砂２を用いた。その他は実施例１と同一である。比較例５は、骨材として天然珪砂２を用いた。その他は実施例２と同一である。比較例６は、骨材として天然珪砂２を用いた。その他は実施例３と同一である。
比較例１は、骨材として天然珪砂１を用いた。その他は実施例１と同一である。比較例２は、骨材として天然珪砂１を用いた。その他は実施例２と同一である。比較例３は、骨材として天然珪砂１を用いた。その他は実施例３と同一である。比較例４は、骨材として天然珪砂２を用いた。その他は実施例１と同一である。比較例５は、骨材として天然珪砂２を用いた。その他は実施例２と同一である。比較例６は、骨材として天然珪砂２を用いた。その他は実施例３と同一である。
実施例１～６及び比較例１～６から１０ｍｍ×１０ｍｍ×１４０ｍｍの砂試験片を作製し、曲げ強度を測定した。曲げ強度の測定はＪＡＣＴ試験法ＳＭ－１、曲げ強さ試験法に準拠して行った。結果を図２に示す。
図２は、各骨材における粘結剤の添加量と曲げ強度との関係を示すグラフである。図２は、横軸が粘結剤の添加量（重量部）であり、縦軸が曲げ強度（ＭＰａ）である。鋳造に用いられる中子は、輸送時や中子納め時に破損しない程度の強度が要求される。このため、曲げ強度３ＭＰａ以上を必要な強度として設定し、測定結果を評価した。図中の破線は回帰曲線である。図２に示されるように、実施例１～３の人工砂１の場合には、粘結剤が１重量部のときに曲げ強度３ＭＰａ以上を達成していることが確認された。実施例４～６の人工砂２の場合には、粘結剤が４重量部のときに曲げ強度３ＭＰａ以上を達成していることが確認された（回帰曲線から見積もると約２．５重量部）。これに対して、比較例１～３の天然珪砂１の場合には、粘結剤が４重量部（回帰曲線から見積もると約３．５重量部）のときに曲げ強度３ＭＰａ以上を達成しているものの、実施例４～６の人工砂２よりも曲げ強度が小さいことが確認された。比較例４～６の天然珪砂２の場合には、粘結剤が４重量部のときでも曲げ強度３ＭＰａ以上を達成できなかった。比較例４～６の天然珪砂２においては、曲げ強度３ＭＰａ以上を達成するためには、回帰曲線から見積もると粘結剤が５．０重量部必要と考えられる。このように、骨材として人工砂を採用することにより、天然珪砂と比べて少ない量の粘結剤で強度を確保できることが確認された。このような測定結果の差は、人工砂と天然珪砂との形状の違い、比表面積の違いが影響していると考えられる。人工砂は表面が滑らかで、天然珪砂は表面に凹凸が多いため、人工砂の方が比表面積は小さく、使用する粘結剤の量が少なくても所望の強度を得ることができると考えられる。
［試験２：鋳型強度評価］
粘結剤の種類、及び、粘結剤の添加量を変化させた実施例を製造し、鋳型強度を評価した。
粘結剤の種類、及び、粘結剤の添加量を変化させた実施例を製造し、鋳型強度を評価した。
（粘結剤の種類）
粘結剤としてモル比の異なるケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムを用意した。
粘結剤としてモル比の異なるケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムを用意した。
（骨材、界面活性剤）
骨材は表１の人工砂１とし、界面活性剤はアニオン界面活性剤とした。
骨材は表１の人工砂１とし、界面活性剤はアニオン界面活性剤とした。
（実施例７）
骨材として人工砂１を用いた。人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部、界面活性剤を０．２５重量部とした。作製条件は実施例１と同一である。
骨材として人工砂１を用いた。人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部、界面活性剤を０．２５重量部とした。作製条件は実施例１と同一である。
（実施例８～１８）
実施例８、９は、粘結剤１を２重量部、４重量部とした。その他は実施例７と同一である。実施例１０～１２は、粘結剤２を１、２、４重量部とした。その他は実施例７と同一である。実施例１３～１５は、粘結剤３を１、２、４重量部とした。その他は実施例７と同一である。実施例１６～１８は、粘結剤４を１、２、４重量部とした。その他は実施例７と同一である。
実施例８、９は、粘結剤１を２重量部、４重量部とした。その他は実施例７と同一である。実施例１０～１２は、粘結剤２を１、２、４重量部とした。その他は実施例７と同一である。実施例１３～１５は、粘結剤３を１、２、４重量部とした。その他は実施例７と同一である。実施例１６～１８は、粘結剤４を１、２、４重量部とした。その他は実施例７と同一である。
実施例７～１８から１０ｍｍ×１０ｍｍ×１４０ｍｍの砂試験片を作製し、曲げ強度を測定した。曲げ強度の測定はＪＡＣＴ試験法ＳＭ－１、曲げ強さ試験法に準拠して行った。結果を図３に示す。
図３は、各粘結剤の添加量と曲げ強度との関係を示すグラフである。図３は、横軸が粘結剤の添加量（重量部）であり、縦軸が曲げ強度（ＭＰａ）である。試験１と同様に、曲げ強度３ＭＰａ以上を必要な強度として設定し、測定結果を評価した。図中の破線は回帰曲線である。図３に示されるように、実施例７～９（実施例１～３）の粘結剤１の場合には、粘結剤が１重量部のときに曲げ強度３ＭＰａ以上を達成していることが確認された。実施例１０～１２の粘結剤２の場合には、粘結剤が４重量部（回帰曲線から見積もると約２．５重量部）のときに曲げ強度３ＭＰａ以上を達成していることが確認された。実施例１３～１５の粘結剤３の場合には、粘結剤が２重量部（回帰曲線から見積もると約１．５重量部）のときに曲げ強度３ＭＰａ以上を達成していることが確認された。実施例１６～１８の粘結剤４の場合には、粘結剤が４重量部のときに曲げ強度３ＭＰａ以上を達成していることが確認された。このように、粘結剤が１～４重量部のときに、曲げ強度３ＭＰａ以上を達成していることが確認された。さらに、何れの粘結剤においても、少なくとも４重量部あれば曲げ強度３ＭＰａ以上を達成することが確認された。
［試験３：崩壊性評価］
各骨材を用いて作製された鋳型（中子、主型）の崩壊性を評価した。
各骨材を用いて作製された鋳型（中子、主型）の崩壊性を評価した。
試験１の結果から見積もられた、曲げ強度３ＭＰａ以上を達成するために必要な粘結剤１の重量部を表５に示す。
＜中子＞
（実施例１９，２０、比較例７，８）
実施例１９においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２０においては、人工砂２を１００重量部、粘結剤１を２．５重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。比較例７においては、天然珪砂１を１００重量部、粘結剤１を３．５重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。比較例８においては、天然珪砂２を１００重量部、粘結剤１を５．０重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例１９，２０及び比較例７，８の作製条件は実施例１と同一であり、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１４０ｍｍの中子が得られた。
（実施例１９，２０、比較例７，８）
実施例１９においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２０においては、人工砂２を１００重量部、粘結剤１を２．５重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。比較例７においては、天然珪砂１を１００重量部、粘結剤１を３．５重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。比較例８においては、天然珪砂２を１００重量部、粘結剤１を５．０重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例１９，２０及び比較例７，８の作製条件は実施例１と同一であり、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１４０ｍｍの中子が得られた。
＜主型＞
（実施例２１）
人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部とした材料を、混練機（卓上ミキサ：愛工舎製作所）を用いて約２００ｒｐｍで約５分間混合させて、湿態の混練砂を調整した。次いで、この混練砂を木型に手込めで充填した。３０ｍｍ×３０ｍｍ×１００ｍｍの鋳物を鋳造でき、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１４０ｍｍの中子を収められる主型を造型できる木型を使用した。この木型に充填した混練砂に二酸化炭素（ＣＯ２）を３０秒間吹き込み、固化させた。固化完了後、木型から主型を取り出した。
（実施例２１）
人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部とした材料を、混練機（卓上ミキサ：愛工舎製作所）を用いて約２００ｒｐｍで約５分間混合させて、湿態の混練砂を調整した。次いで、この混練砂を木型に手込めで充填した。３０ｍｍ×３０ｍｍ×１００ｍｍの鋳物を鋳造でき、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１４０ｍｍの中子を収められる主型を造型できる木型を使用した。この木型に充填した混練砂に二酸化炭素（ＣＯ２）を３０秒間吹き込み、固化させた。固化完了後、木型から主型を取り出した。
（実施例２２、比較例９，１０）
実施例２２においては、人工砂２を１００重量部、粘結剤１を２．５重量部で主型を作製した。比較例９においては、天然珪砂１を１００重量部、粘結剤１を３．５重量部で主型を作製した。比較例１０においては、天然珪砂２を１００重量部、粘結剤１を５．０重量部で主型を作製した。実施例２２及び比較例９，１０の作製条件は実施例２１と同一である。
実施例２２においては、人工砂２を１００重量部、粘結剤１を２．５重量部で主型を作製した。比較例９においては、天然珪砂１を１００重量部、粘結剤１を３．５重量部で主型を作製した。比較例１０においては、天然珪砂２を１００重量部、粘結剤１を５．０重量部で主型を作製した。実施例２２及び比較例９，１０の作製条件は実施例２１と同一である。
鋳造番号１における中子及び主型を用いて鋳鉄ＦＣ２００を鋳造した。中子及び主型への塗型をすることなく鋳造した。鋳造後、鋳物からの砂落としのために、湯口部をハンマーで１０回叩き、中子の崩壊の有無を目視で確認するとともに、鋳物に付着した砂の重量を測定した。鋳造番号２～４についても同一条件で中子の崩壊の有無を目視で確認するとともに、鋳物に付着した砂の重量を測定した。
＜中子の崩壊性の目視結果＞
鋳造番号１，２の人工砂では中子が崩壊し、中子の部分が貫通穴となった。これに対して、鋳造番号３，４の天然珪砂では中子が崩壊せず、鋳物の中に残った。このように、天然珪砂を骨材とした場合、中子の強度と崩壊性とを両立させることが困難であることが確認された。また、人工砂を骨材とすることで、中子の強度と崩壊性とを両立できることが確認された。
鋳造番号１，２の人工砂では中子が崩壊し、中子の部分が貫通穴となった。これに対して、鋳造番号３，４の天然珪砂では中子が崩壊せず、鋳物の中に残った。このように、天然珪砂を骨材とした場合、中子の強度と崩壊性とを両立させることが困難であることが確認された。また、人工砂を骨材とすることで、中子の強度と崩壊性とを両立できることが確認された。
＜鋳物に付着した砂＞
図４は、各骨材における砂落とし後の鋳肌への砂残量を示すグラフである。横軸は鋳造番号、縦軸は砂残量である。図４に示されるように、骨材が人工砂である鋳造番号１では砂残量は２ｇ程度であり、同じく骨材が人工砂である鋳造番号２では砂残量は６ｇ程度であった。このように、骨材が人工砂である場合には、砂は鋳物にわずかに付着する程度であった。これに対して、骨材が天然珪砂である鋳造番号３では砂残量は３６ｇ程度であり、同じく骨材が天然珪砂である鋳造番号４では砂残量は３２ｇ程度であった。そして、鋳物を取り囲むように天然珪砂が固まっていた。なお、天然珪砂は焼付き欠陥が生じたため、金属やすりで鋳物から除去できた天然珪砂の重量を計測した。このように、天然珪砂を骨材とした場合、主型の強度と崩壊性とを両立させることが困難であることが確認された。また、人工砂を骨材とすることで、主型の強度と崩壊性とを両立できることが確認された。
図４は、各骨材における砂落とし後の鋳肌への砂残量を示すグラフである。横軸は鋳造番号、縦軸は砂残量である。図４に示されるように、骨材が人工砂である鋳造番号１では砂残量は２ｇ程度であり、同じく骨材が人工砂である鋳造番号２では砂残量は６ｇ程度であった。このように、骨材が人工砂である場合には、砂は鋳物にわずかに付着する程度であった。これに対して、骨材が天然珪砂である鋳造番号３では砂残量は３６ｇ程度であり、同じく骨材が天然珪砂である鋳造番号４では砂残量は３２ｇ程度であった。そして、鋳物を取り囲むように天然珪砂が固まっていた。なお、天然珪砂は焼付き欠陥が生じたため、金属やすりで鋳物から除去できた天然珪砂の重量を計測した。このように、天然珪砂を骨材とした場合、主型の強度と崩壊性とを両立させることが困難であることが確認された。また、人工砂を骨材とすることで、主型の強度と崩壊性とを両立できることが確認された。
［試験４：崩壊性評価］
各粘結剤を用いて作製された中子及び主型の崩壊性を評価した。
各粘結剤を用いて作製された中子及び主型の崩壊性を評価した。
試験２の結果から見積もられた、人工砂１における曲げ強度３ＭＰａ以上を達成するために必要な各粘結剤の重量部を表７に示す。
＜中子＞
（実施例２３～２６）
実施例２３においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２４においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤２を２．５重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２５においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤３を１．５重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２６においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤４を４．０重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２３～２６の作製条件は実施例１と同一である。
（実施例２３～２６）
実施例２３においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２４においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤２を２．５重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２５においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤３を１．５重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２６においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤４を４．０重量部、アニオン界面活性剤を０．２５重量部で中子を作製した。実施例２３～２６の作製条件は実施例１と同一である。
＜主型＞
（実施例２７～３０）
実施例２７においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部で主型を作製した。実施例２８においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤２を２．５重量部で主型を作製した。実施例２９においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤３を１．５重量部で主型を作製した。実施例３０においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤４を４．０重量部で主型を作製した。実施例２７～３０の作製条件は実施例２１と同一である。
（実施例２７～３０）
実施例２７においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤１を１重量部で主型を作製した。実施例２８においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤２を２．５重量部で主型を作製した。実施例２９においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤３を１．５重量部で主型を作製した。実施例３０においては、人工砂１を１００重量部、粘結剤４を４．０重量部で主型を作製した。実施例２７～３０の作製条件は実施例２１と同一である。
鋳造番号５における中子及び主型を用いて鋳鉄ＦＣ２００を鋳造した。中子及び主型への塗型をすることなく鋳造した。鋳造後、鋳物からの砂落としのために、湯口部をハンマーで１０回叩き、中子の崩壊の有無を目視で確認するとともに、鋳物に付着した砂の重量を測定した。鋳造番号６～８についても同一条件で中子の崩壊の有無を目視で確認するとともに、鋳物に付着した砂の重量を測定した。
＜中子の崩壊性の目視結果＞
鋳造番号５～８の人工砂では中子が崩壊し、中子の部分が貫通穴となった。このように、粘結剤の種類に関わらず、人工砂を骨材とすることで、中子の強度と崩壊性とを両立できることが確認された。
鋳造番号５～８の人工砂では中子が崩壊し、中子の部分が貫通穴となった。このように、粘結剤の種類に関わらず、人工砂を骨材とすることで、中子の強度と崩壊性とを両立できることが確認された。
＜鋳物に付着した砂＞
図５は、各粘結剤における砂落とし後の鋳肌への砂残量を示すグラフである。横軸は鋳造番号、縦軸は砂残量である。図５に示されるように、骨材が人工砂である鋳造番号５～８では砂残量は何れも４ｇ以下であり、粘結剤の種類に関わらず、骨材が人工砂である場合には、砂は鋳物にわずかに付着する程度であることが確認された。また、粘結剤の種類に関わらず、人工砂を骨材とすることで、主型の強度と崩壊性とを両立できることが確認された。
図５は、各粘結剤における砂落とし後の鋳肌への砂残量を示すグラフである。横軸は鋳造番号、縦軸は砂残量である。図５に示されるように、骨材が人工砂である鋳造番号５～８では砂残量は何れも４ｇ以下であり、粘結剤の種類に関わらず、骨材が人工砂である場合には、砂は鋳物にわずかに付着する程度であることが確認された。また、粘結剤の種類に関わらず、人工砂を骨材とすることで、主型の強度と崩壊性とを両立できることが確認された。
以上、例示的実施形態について説明してきたが、上述した例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。
本開示に含まれる種々の例示的実施形態は以下の条項を含む。
［条項１］
鉄系鋳物を製造する鋳型を造型する鋳型造型方法であって、
骨材である人工砂と粘結剤とを用いて混練砂を生成するステップと、
前記混練砂を型に充填するステップと、
前記型に充填された前記混練砂を固化させるステップと、
を含む鋳型造型方法。
［条項２］
前記人工砂は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６０％以上、かつ、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下であり、前記粘結剤は、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムの何れか一方である、条項１に記載の鋳型造型方法。
［条項３］
前記粘結剤はモル比が１．８以上である、条項１又は２に記載の鋳型造型方法。
［条項４］
前記粘結剤は前記骨材１００重量部に対して４重量部以下である、条項１～３の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項５］
前記人工砂は、溶融法又は焼結法により製造される、条項１～４の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項６］
前記固化させるステップでは、脱水縮合反応によって前記混練砂を固化させる、条項１～５の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項７］
前記固化させるステップでは、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを用いて前記混練砂を固化させる、条項１～６の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項８］
前記混練砂は、界面活性剤を含む発泡混練砂である、条項１～７の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項９］
鉄系鋳物を製造する鋳型の鋳型材料であって、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６０％以上、かつ、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下である人工砂を骨材とし、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムの何れか一方を粘結剤として含む、鋳型材料。
［条項１］
鉄系鋳物を製造する鋳型を造型する鋳型造型方法であって、
骨材である人工砂と粘結剤とを用いて混練砂を生成するステップと、
前記混練砂を型に充填するステップと、
前記型に充填された前記混練砂を固化させるステップと、
を含む鋳型造型方法。
［条項２］
前記人工砂は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６０％以上、かつ、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下であり、前記粘結剤は、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムの何れか一方である、条項１に記載の鋳型造型方法。
［条項３］
前記粘結剤はモル比が１．８以上である、条項１又は２に記載の鋳型造型方法。
［条項４］
前記粘結剤は前記骨材１００重量部に対して４重量部以下である、条項１～３の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項５］
前記人工砂は、溶融法又は焼結法により製造される、条項１～４の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項６］
前記固化させるステップでは、脱水縮合反応によって前記混練砂を固化させる、条項１～５の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項７］
前記固化させるステップでは、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを用いて前記混練砂を固化させる、条項１～６の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項８］
前記混練砂は、界面活性剤を含む発泡混練砂である、条項１～７の何れか一項に記載の鋳型造型方法。
［条項９］
鉄系鋳物を製造する鋳型の鋳型材料であって、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６０％以上、かつ、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下である人工砂を骨材とし、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムの何れか一方を粘結剤として含む、鋳型材料。
Claims (9)
- 鉄系鋳物を製造する鋳型を造型する鋳型造型方法であって、
骨材である人工砂と粘結剤とを用いて混練砂を生成するステップと、
前記混練砂を型に充填するステップと、
前記型に充填された前記混練砂を固化させるステップと、
を含む鋳型造型方法。 - 前記人工砂は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６０％以上、かつ、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下であり、
前記粘結剤は、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムの何れか一方である、請求項１に記載の鋳型造型方法。 - 前記粘結剤はモル比が１．８以上である、請求項１又は２に記載の鋳型造型方法。
- 前記粘結剤は前記骨材１００重量部に対して４重量部以下である、請求項１又は２に記載の鋳型造型方法。
- 前記人工砂は、溶融法又は焼結法により製造される、請求項１又は２に記載の鋳型造型方法。
- 前記固化させるステップでは、脱水縮合反応によって前記混練砂を固化させる、請求項１又は２に記載の鋳型造型方法。
- 前記固化させるステップでは、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを用いて前記混練砂を固化させる、請求項１又は２に記載の鋳型造型方法。
- 前記混練砂は、少なくとも界面活性剤を含む発泡混練砂である、請求項１又は２に記載の鋳型造型方法。
- 鉄系鋳物を製造する鋳型の鋳型材料であって、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が６０％以上、かつ、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が４０％以下である人工砂を骨材とし、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムの何れか一方を粘結剤として含む、鋳型材料。
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