JP2930161B2 - 砂中子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，例えば，クローズドデ
ッキタイプの自動車用エンジン等，アンダーカット部分
を有する鋳造品の高圧ダイカスト鋳造時に用いる耐圧性
および優れたコーティング性を有する砂中子の製造方法
に関するものである。さらに詳しくは，シェルモールド
法で造型した砂中子原型を合成スメクタイトで処理する
ことにより，同一コーティング剤を１回だけで厚くコー
ティングでき，しかも，高圧鋳造用にも適した砂中子の
製造方法に関するものである。ここで，優れたコーティ
ング性とは，砂中子原型にコーティング剤をコーティン
グする際に，コーティング剤が，薄い液状で砂中子原型
の内部に広がった状態で深く浸み込まずに，または，砂
中子原型の表面からはじかれずに，砂中子原型の表面層
のみにかつ全面に，所定の厚さで均一に，かつ，確実容
易に強固に形成され，それが剥がれないようにコーティ
ングされることであり，鋳造時の高圧の鋳込圧力に充分
に耐え得ることである。

【０００２】

【従来の技術】従来より，例えば，クローズドデッキタ
イプの自動車用エンジンブロックやその他のアンダーカ
ット部分を有するアルミニウム合金やマグネシウム合金
等の鋳造品をダイカストで鋳造して製造する場合，崩壊
性砂中子を用いてダイカスト鋳造することが行われてい
る。そして，崩壊性砂中子を得る場合，まず，砂を所望
の形に固め，次に，その固めた砂中子原型の表面にコー
ティング剤を塗布し，高圧下での溶湯鋳込時には砂中子
が破損したり，溶湯が砂中子内に侵入しないようにし，
鋳造後には，ほとんど力を加えずに砂中子を崩壊させて
容易に取出せるようにし，かつ，砂が隅々まで充分に取
出せるようにすることが試みられている。勿論，その場
合，砂中子原型の成分，砂の固め方，コーティング剤の
成分，コーティングの仕方等，従来よりいろいろ試みら
れているが，充分に満足し得るものは得られていないの
が現状である。

【０００３】その中で，砂を固めて砂中子原型を得る方
法として，ハードックス法，ウォームボックス法，
シェルモールド法，コールドボックス法等がある。
ハードックス法としては，例えば，特公昭６４−９８９
８号公報に記載されている技術が知られている。そし
て，この方法においては，砂中子原型は砂，酸硬化性樹
脂および酸化剤を主成分とする結合剤からなっており，
二酸化硫黄によって硬化される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記ハードックス法に
おいては，所望の形状に造型した砂を硬化して砂中子原
型を得る場合，二酸化硫黄すなわち亜硫酸ガスを使用し
て硬化する。したがって，亜硫酸ガスを使用するため，
作業環境が悪く，日本の工場では，人体に悪影響を与え
るようなガスの使用は好まれない。また，仮に亜硫酸ガ
スを使用するとしても，人体に悪影響を与えず，作業環
境も悪化させないようにするためには，その為の付属設
備の設置が大変であり，また，その設置，運転のために
法規制も受ける。

【０００５】そのため，本発明者は，酸化剤と亜硫酸ガ
スの代りに結合剤を使用するシェルモールド法の良さを
見直すこととした。シェルモールド法では，砂と結合剤
の混合物を固めて砂中子原型を得るのに亜硫酸ガスを使
用するのではなく，予めフェノールレジン等の石炭酸系
合成樹脂をコーティングしたレジンコーテッドサンド
（ＲＣＳ）を，砂中子原型造型用の金型内に圧縮空気で
吹込んで加熱硬化させて造型する。しかし，この場合，
前記ハードックス法ではかなり良好に行われていたコー
ティング剤と同一のコーティング剤を砂中子原型に塗布
しても，コーティング剤が濡れずにはじかれてうまくい
かなかった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明においては，ＲＣ
Ｓを用いて砂中子原型を造型する工程と，この砂中子原
型を合成スメクタイトで処理する工程と，この合成スメ
クタイトで処理した砂中子原型を乾燥する工程と，この
乾燥した砂中子原型の表面に粉末状の耐火物を主成分と
する中性水分散体からなるスラリ状のコーティング剤を
コーティングする工程と，このコーティングして得た砂
中子を乾燥させる工程によって優れたコーティングを有
する砂中子を得る。なお，合成スメクタイトは，天然に
はベントナイト等として産出される膨潤性層状粘土鉱物
を工業的に合成したものであり，ＳｉＯ_４四面体が頂点
を共有してつながった２枚の四面体シートが残りの頂点
を互いに内側に向けて八面体配位をとるイオンにより結
合して重なった珪酸塩層と，アルカリあるいはアルカリ
土類イオンとそれに配位した水分子からなる層間が互層
した構造を持つ層状珪酸塩である。

【０００７】雲母に類似した構造および化学組成を持つ
が，珪酸塩層の同形置換の量は少なく陰電荷も雲母の１
／３程度と小さいため層間陽イオンとの結合は弱い。こ
のためスメクタイトは水や他の溶媒で膨潤し，粒子径が
非常に小さいため分散してゾル・ゲルを形成する。ま
た，吸着能やイオン交換能を有し無機物あるいは有機物
と層間化合物を形成するなど物理的・化学的に特異な性
質を示す粘土鉱物である。さらに，スメクタイトは構造
が層状であるため配向して薄膜を形成しやすい。このス
メクタイト層間には金属多核水酸化イオン，金属錯イオ
ン，荷電ゾルなどがインターカレートされることが知ら
れている。

【０００８】合成スメクタイトは例えばコープケミカル
（株）が上市しており，親水性合成スメクタイトとして
ＳＷＮとＳＷＦが，親油性合成スメクタイトとしてＳＡ
ＮとＳＡＦがある。ＳＷＮおよびＳＷＦの分子式として
は， ＳＷＮ：Ｎａ_０．３３（Ｍｇ_２．６７Ｌｉ_０．３３）Ｓ
ｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２ ＳＷＦ：Ｎａ_０．３３（Ｍｇ_２．６７Ｌｉ_０．３３）Ｓ
ｉ_４Ｏ_１０Ｆ_２ が与えられている。工業的には増粘・沈降防止作用を利
用して，化粧品・塗料等の添加剤として使用されてい
る。また，砂中子原型を合成スメクタイトで処理する場
合は，例えば，親水性スメクタイトＳＷＮ（コープケミ
カル製）水溶液のような合成スメクタイト水溶液中に浸
漬したり，合成スメクタイト水溶液を砂中子原型の表面
に刷毛塗りしたり，吹付けたり，合成スメクタイトの微
粉末を薄くまぶしたりする。

【０００９】

【作用】本発明においては，まず，例えば，前記したよ
うにＲＣＳを用いて砂中子原型を造型した後，その砂中
子原型を合成スメクタイトＳＷＮ水溶液等の合成スメク
タイト水溶液中に浸漬するなどして砂中子原型の内部に
合成スメクタイトを浸み込ませ，次いで，この砂中子原
型を乾燥する。次に，合成スメクタイトで処理した後乾
燥して得たこの砂中子原型の表面に，粉末状の耐火物を
主成分とする中性水分散体からなるスラリ状のコーティ
ング剤をコーティングする。この場合，造型した砂中子
原型を，コーティングする前に，例えば合成スメクタイ
トＳＷＮ水溶液等の合成スメクタイト水溶液の中に浸漬
すれば，砂中子原型の表層部や中に合成スメクタイトが
付着したり浸み込んだりする。この砂中子原型を浸漬槽
から引き上げた後，８０〜２００℃で数分〜２時間乾燥
させると砂中子原型の表層部に合成スメクタイトの粉末
が均一に付着する。

【００１０】一方，このような合成スメクタイト処理お
よび乾燥を経て得た砂中子原型に，粉末状の耐火物を主
成分とする中性水分散体からなるスラリ状のコーティン
グ剤を塗布すれば，該砂中子原型の表面および表面近く
に存在する合成スメクタイトにより，コーティング剤が
瞬時に凝集して該砂中子原型の表面ではじかれることな
く，該砂中子原型の表面に厚くコーティングできる。そ
の後これを乾燥すれば，所望の厚さの均質なコーティン
グ層が形成される。

【００１１】このようにすれば，シェルモールド法で
も，砂中子原型を固めることができ，かつ，砂中子原型
の表面にコーティング剤を所望の状態で確実容易にコー
ティングすることができる。そして，この発明によって
得られたコーティング砂中子を用いれば，高圧ダイカス
トのように高圧下での溶湯鋳込時に砂中子が破損したり
クラックが入ったりすることもなく，溶湯が砂中子内に
侵入することもない。

【００１２】

【実施例】砂中子原型を製造するときは，まず，フェノ
ールレジン等の石炭酸系合成樹脂を砂にコーティングし
たレジンコーテッドサンド（ＲＣＳ）を用意する。ＲＣ
Ｓは混練温度，フェノール樹脂等の石炭酸系合成樹脂の
性状からコールド法，セミホット法，ドライホット法で
製造されるが，生産性，安定性，コストの面からドライ
ホット法が好ましい。すなわち，１３０〜１６０℃に加
熱された砂に固形樹脂をミキサーで溶融コーティングし
たのち，ノボラック樹脂の場合は硬化剤のヘキサミン水
溶液，レゾール樹脂の場合は水のみを投入して，水の蒸
発潜熱およびエアレーションによって急冷しながら砂粒
同志の固着が少なくなった時点でステアリン酸カルシウ
ム等のワックスを分散させて乾態易流動性のＲＣＳを得
る。

【００１３】なお，砂は，硅砂，ジルコンサンド，クロ
マイトサンド，セラビーズ等あるいはそれらの再生砂を
用いる。このＲＣＳを，所定の砂中子形状のキャビティ
を有する金型内に加圧空気とともに吹込み，いわゆる，
シェルモールド法と呼ばれている方法で砂中子原型を成
型した。この場合，中子成型用の金型の加熱温度は例え
ば２００〜３００℃，好ましくは，２３０〜２７０℃程
度とし，３０秒〜２分程度加熱して，砂中子原型を所定
の強度に硬化させた。例えば，抗折力２０〜５０ｋｇの
砂中子原型を得た。

【００１４】次に，このようにして成型した砂中子原型
を，合成スメクタイトの水溶液で処理する。この合成ス
メクタイトとしては，コープケミカル製合成スメクタイ
トＳＷＮ，同ＳＷＦ等が挙げられる。これらの合成スメ
クタイトの水溶液中に砂中子原型を浸漬し，砂中子原型
に吸収させた後，加熱乾燥させる。水溶液の濃度は稀釈
倍率３０倍以上２００倍以内である。稀釈倍率が３０倍
未満では水溶液自身が膨潤ゲル化して流動しないため砂
中子原型の表面が均一に処理できず，一方２００倍を越
えるとコーティング厚みが薄く，処理効果がなくなる。
浸漬時間は，処理液の濃度および砂中子原型と処理液と
の親和性によっても異なるが，０．５秒の短時間から５
分程度である。

【００１５】もし，砂中子原型が処理液に濡れにくい場
合は，予め砂中子原型をメタノール等の親水性有機溶媒
に短時間浸漬した後に処理液に浸漬するか，処理液に上
記親水性有機溶媒を砂中子原型が処理液に濡れるように
なるまで混合してから処理する。浸漬処理した砂中子原
型の加熱乾燥は，温度が高いほど時間が短くてすみ，目
安として１２０℃で３０分程度である。なお，合成スメ
クタイトを稀釈せずにそのまま使用してもよく，砂中子
原型に合成スメクタイト微粉末をまぶし，余分な合成ス
メクタイト微粉末を拭き取る。前記したように，合成ス
メクタイトＳＷＮ水溶液のように水溶液を用いたときは
水を蒸発させるために乾燥が必要であるが，このように
水で稀釈しない場合は，乾燥を行う必要はない。

【００１６】つぎに，上記のように処理された砂中子原
型の表面にコーティング剤をコーティングする。この場
合，この砂中子原型をコーティング剤中に浸漬してもよ
いし，この砂中子原型の表面にコーティング剤を刷毛塗
りしたり吹付けたりしてもよい。コーティング剤は，微
粉末シリカと微粉末アルミナを主成分とし，少量のコロ
イドシリカを加えた固形分５０〜９０重量％のスラリと
した。固形分が５０重量％以下ではコーティング層の厚
みが薄くなり，９０重量％以上になるとスラリを撹拌す
るのが極めて困難となる。なお，このコーティング剤の
ｐＨを７．０±１．０に維持していなければ，撹拌下で
も沈殿，凝固することがある。

【００１７】なお，コーティング剤としては，他のコー
ティング剤を用いることもできる。例えば，グラファイ
ト，マイカ，ヒューズドシリカ，アルミナ，マグネシ
ア，カーボンブラックおよびジルコン粉末等の無機耐火
性材料約３０〜８０重量％と，コロイドシリカ，アルミ
ナゾル，粘土およびアミン処理ベントナイト等の無機結
合剤約１〜２５重量％と，水からなるものを用いてもよ
い。この場合，より好ましいものは，ヒューズドシリカ
とコロイドシリカである。なお，これに約１０容量％の
メタノールとカオリンを加えても良い。

【００１８】前記コーティング剤中に，合成スメクタイ
ト処理次いで加熱乾燥された砂中子原型を数秒間浸漬
し，その後，加熱乾燥を行う。乾燥条件は，１２０℃，
１０分程度である。コーティングの厚みは，合成スメク
タイト処理を行わない場合には砂中子原型からはじかれ
てほとんど塗れないのに対して，充分に厚く，砂中子原
型への浸透も少なく，しかも，塗膜は堅固である。コー
ティング層は１層でもよいが，製品とコーティング層と
の離型性を良くするため，２層の方がより好ましい。２
層目のコーティング層を形成するためのコーティング剤
としては，例えば，３％水溶性フェノール樹脂溶液１リ
ットルに対し，雲母粉５００グラム，湿潤剤としてドデ
シルベンゼンスルホン酸ナトリウム１０グラム，消泡剤
としてオクチルアルコール１グラムをよく撹拌混合した
もの等を用いることができる。このコーティングは前記
第１層コーティングを終えた砂中子原型を第２層コーテ
ィング剤中に浸漬したり，該砂中子原型の表面に第２層
コーティング剤を刷毛塗りしたり吹付けたりした後，乾
燥して形成する。

【００１９】さらに詳しい実施例として，実験例をつぎ
に示す。 （実験例１〜４，および比較例）フラタリ砂１００部に
対して２部のフェノール樹脂（硬化剤ヘキサミンを含
む）をコーティングしたＲＣＳを用いて，重量約２Ｋｇ
のエンジンブロック用砂中子原型をシェルモールド法で
複数個造型した。造型条件は金型温度２５０℃，吹込み
圧０．８Ｋｇ／ｃｍ^２，加熱時間９０秒であった。１日
放置した後の砂中子原型の抗折力は３８Ｋｇであった。
このうちの１個は，後記する合成スメクタイト処理を何
ら行わずに，本実験例と同一のコーティングを行ったの
で，比較例として後記する表１に示す。

【００２０】合成スメクタイトＳＷＮ１部に水を各々２
９部，４９部，９９部，１９９部混合して，稀釈倍率３
０，５０，１００，２００倍の水溶液をそれぞれ調製し
た。この水溶液に砂中子原型を１〜２秒間浸漬した後，
１２０℃の循環式熱風加熱炉で３０分間乾燥した。（実
験例１〜４）

【００２１】これら合成スメクタイトＳＷＮ処理を行わ
なかったものとそれぞれ濃度が異なった液によって合成
スメクタイトＳＷＮ処理された砂中子原型を同一のコー
ティング剤に１〜２秒間浸漬した後，１２０℃の循環式
熱風加熱炉で１０分間乾燥した。コーティング剤の組成
は，微粉末シリカ５０部と微粉末アルミナ３０部にコロ
イドシリカ３部を水２０部に懸濁させたもので，ｐＨは
７．２に調製されたものであった。比較例のものおよび
実験例１，４のものは，コーティングが不良ないしやや
良程度であった。これにより，合成スメクタイトＳＷＮ
稀釈倍率は３０〜２００倍が良いことが推定された。

【００２２】前記の第１層コーティングを終えた後，次
に第２層目のコーティングを行った。第２層のコーティ
ング剤としては，３％水溶性フェノール樹脂溶液１リッ
トルに対し，雲母粉５００グラム，湿潤剤としてドデシ
ルベンゼンスルホン酸ナトリウム１０グラム，消泡剤と
してオクチルアルコール１グラムをよく撹拌混合したも
のを用いた。すなわち，前記第１層コーティングを済ま
せた砂中子原型をこの第２層コーティング剤中に１〜２
秒間浸漬した後，１２０℃の循環式熱風加熱炉で１０分
間乾燥した。

【００２３】

【表１】

【００２４】以上のようにして得た砂中子を金型にセッ
トし，アルミニウム合金ＡＤＣ１０を鋳造圧力６００ｋ
ｇ／ｃｍ^２，湯口速度２００ｍｍ／ｓｅｃ，注湯温度７
６０℃の条件下で高圧鋳造した。鋳造後に３５０℃で３
０分加熱処理したのち通常のコアノックアウトマシンで
砂落しを行ったところ，実験例２，３の場合には中子砂
は完全に除去され，優れた鋳造品が得られた。実験例
１，４の場合には中子砂の除去はやや良であったが，比
較例の場合には溶湯が砂中子原型に差込んでおり中子砂
の除去は不良であった。まとめて，結果を表１に示す。

【００２５】（実験例５〜８，および比較例）実験例１
〜４の合成スメクタイトＳＷＮの代りに合成スメクタイ
トＳＷＦを使用し，それ以外は全く同様に処理，操作し
たところ，合成スメクタイトＳＷＮの場合と同様に優れ
た結果が得られた。その結果を表２に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】

【発明の効果】このように，本発明においては，石炭酸
系合成樹脂をコーティングしたレジンコーテッドサンド
を用いて砂中子原型を造型する工程と，この砂中子原型
を合成スメクタイトで処理する工程と，この合成スメク
タイトで処理した砂中子原型を乾燥する工程と，この乾
燥した砂中子原型の表面に粉末状の耐火物を主成分とす
る中性水分散体からなるスラリ状のコーティング剤をコ
ーティングする工程と，このコーティングして得た砂中
子を乾燥させる工程によってコーティングされた砂中子
を製造するようにしたので，コーティング剤でコーティ
ングするとき，コーティング剤は砂中子原型の表面では
じかれたり，砂中子原型内に浸み込んだりすることな
く，均一で適当な厚さのコーティング層を形成する。し
たがって，砂中子は，鋳造時には高圧の鋳込圧力に充分
耐えることができる。

【００２８】すなわち，本発明で得られた砂中子を用い
てダイカストのような高圧鋳造を行った場合，砂中子中
に溶湯が差込むことがなく，砂を排出した後の製品の鋳
肌面には砂は全く残留せず，非常に平滑である。したが
って，このような砂中子を，例えば，クローズドデッキ
型のエンジンブロックの冷却ジャケット部分のように，
非常に複雑な形状を有する製品を鋳造する際に用いて
も，充分に満足のいく作業状態と製品を確実容易に得る
ことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−171245（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−57955（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B22C 9/10,3/00,13/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石炭酸系合成樹脂をコーティングしたレ
   ジンコーテッドサンドを用いて砂中子原型を造型する工
   程と，この砂中子原型を合成スメクタイトで処理する工
   程と，この合成スメクタイトで処理した砂中子原型を乾
   燥する工程と，この乾燥した砂中子原型の表面に粉末状
   の耐火物を主成分とする中性水分散体からなるスラリ状
   のコーティング剤をコーティングする工程と，このコー
   ティングして得た砂中子を乾燥させる工程からなる砂中
   子の製造方法。