JP3043812B2 - 熱硬化鋳型用結合剤及びそれらの用途 - Google Patents
熱硬化鋳型用結合剤及びそれらの用途Info
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- JP3043812B2 JP3043812B2 JP7512766A JP51276694A JP3043812B2 JP 3043812 B2 JP3043812 B2 JP 3043812B2 JP 7512766 A JP7512766 A JP 7512766A JP 51276694 A JP51276694 A JP 51276694A JP 3043812 B2 JP3043812 B2 JP 3043812B2
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- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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- B22C1/16—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents
- B22C1/18—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents
- B22C1/186—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents contaming ammonium or metal silicates, silica sols
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、（１）可溶性のシリカ源と、（２）可溶
性のアルミナ源の混合物から成り、該シリカ源、アルミ
ナ源又は両方がアルカリ金属を含有する熱硬化鋳型用結
合剤に関するものである。それらの結合剤成分は骨材と
混合されると飽和溶液を生成する、得られた配合物は成
形し、高温で加熱して結晶質結合相によって一緒に結合
された硬化鋳型を形成する。熱は、保温ボックス装置で
の温風、オーブンでのベーキング、マイクロウエーブ、
および望ましくは、ホットボックス装置から加えられ
る。
性のアルミナ源の混合物から成り、該シリカ源、アルミ
ナ源又は両方がアルカリ金属を含有する熱硬化鋳型用結
合剤に関するものである。それらの結合剤成分は骨材と
混合されると飽和溶液を生成する、得られた配合物は成
形し、高温で加熱して結晶質結合相によって一緒に結合
された硬化鋳型を形成する。熱は、保温ボックス装置で
の温風、オーブンでのベーキング、マイクロウエーブ、
および望ましくは、ホットボックス装置から加えられ
る。
背景技術 可溶性シリカ源と可溶性アルミナ源間の反応は、カチ
オン交換系およびモレキュラーシーブを作ることが知ら
れている。しかしながら、その反応生成物は、シリカと
アルミナのモル比、反応条件によって広く変わる。
オン交換系およびモレキュラーシーブを作ることが知ら
れている。しかしながら、その反応生成物は、シリカと
アルミナのモル比、反応条件によって広く変わる。
米国特許第4,357,165号は、可溶性シリカ源および可
溶性アルミナ源を主成分とし、環境条件下で硬化する自
動硬化性の無ベーク鋳形用結合剤の製造法を記載してい
る。これらの結合剤は、溶液中の水が硬化プロセス中に
実質的に除去されないので、無定形ヒドロゲルであっ
て、硬化後も無定形ヒドロゲルのままである。該特許の
第９欄第66行〜第10欄第４行には、型の加熱又はベーキ
ングの必要がないこと、および実際に該処理は型を硬化
する前に導入すると、後の耐湿性、貯蔵強度および耐引
っかき性を著しく低下させることが記載されている。ま
た、第11欄第15行〜16行に、該特許は硬化中の高温によ
って引張強さが低下することがわかったと述べている。
溶性アルミナ源を主成分とし、環境条件下で硬化する自
動硬化性の無ベーク鋳形用結合剤の製造法を記載してい
る。これらの結合剤は、溶液中の水が硬化プロセス中に
実質的に除去されないので、無定形ヒドロゲルであっ
て、硬化後も無定形ヒドロゲルのままである。該特許の
第９欄第66行〜第10欄第４行には、型の加熱又はベーキ
ングの必要がないこと、および実際に該処理は型を硬化
する前に導入すると、後の耐湿性、貯蔵強度および耐引
っかき性を著しく低下させることが記載されている。ま
た、第11欄第15行〜16行に、該特許は硬化中の高温によ
って引張強さが低下することがわかったと述べている。
これらの結合剤は次の欠点を有する。
（１）低強度および長硬化時間； （２）過剰の遊離アルカリのため再生が不利； （３）低耐湿性； （４）有用な使用には高水準の結合剤（砂の重量の６〜
７重量％まで）が必要； （５）熱間強度の改善に焼成カオリンの添加が必要。
７重量％まで）が必要； （５）熱間強度の改善に焼成カオリンの添加が必要。
これらの欠点のために、これらの結合剤系は自動硬化
の無ベークが実施できないのみならず、中子および鋳型
の高生産には向かない。
の無ベークが実施できないのみならず、中子および鋳型
の高生産には向かない。
発明の開示 本発明は、（１）可溶性シリカ源と、（２）可溶性ア
ルミナ源の混合物から成る熱硬化鋳型用結合剤に関す
る。そしてシリカ源、アルミナ源又はその両方はアルカ
リ金属を含有する。
ルミナ源の混合物から成る熱硬化鋳型用結合剤に関す
る。そしてシリカ源、アルミナ源又はその両方はアルカ
リ金属を含有する。
そして、さらに詳細には、本発明は、 （ａ）鋳型用骨材と； （１）水溶性のシリカ源；および （２）アルカリアルミネート から成る結合剤組成物であって、該シリカ源、アルカリ
アルミネート又は両方がアルカリ金属を含有し、該結合
剤におけるアルカリとアルミナとシリケートの重合比
が、結合剤組成物の全重量を基準にして20〜40重量％ア
ルカリ、30〜50重量％アルミナおよび20〜40重量％シリ
カの範囲にある構成の結合剤組成を骨材の重量を基準に
して10重量％以下混合することによって、鋳型用配合物
を生成し； （ｂ）（ａ）の鋳型用配合物を鋳型に成形し； （ｃ）（ｂ）の鋳型を100℃〜250℃の温度で熱源と接触
させ；そして （ｄ）該鋳型を可使鋳型に硬化させる工程から成ること
を特徴とする可使鋳型の製造法に関する。
アルミネート又は両方がアルカリ金属を含有し、該結合
剤におけるアルカリとアルミナとシリケートの重合比
が、結合剤組成物の全重量を基準にして20〜40重量％ア
ルカリ、30〜50重量％アルミナおよび20〜40重量％シリ
カの範囲にある構成の結合剤組成を骨材の重量を基準に
して10重量％以下混合することによって、鋳型用配合物
を生成し； （ｂ）（ａ）の鋳型用配合物を鋳型に成形し； （ｃ）（ｂ）の鋳型を100℃〜250℃の温度で熱源と接触
させ；そして （ｄ）該鋳型を可使鋳型に硬化させる工程から成ること
を特徴とする可使鋳型の製造法に関する。
それらの結合剤成分は、骨材と混合したとき飽和溶液
を生成する。得られた配合物は成形され、温風加熱、オ
ーブン内でのベーキング、マイクロウェーブ、そして望
ましくはホットボックス装置内で硬化されて、加熱中の
脱水により結晶質の結合相を形成する。大部分の水は硬
化中に結合剤から除去される。これらの結合剤で調製さ
れた鋳型用配合物は５時間までの可使時間を有する。
を生成する。得られた配合物は成形され、温風加熱、オ
ーブン内でのベーキング、マイクロウェーブ、そして望
ましくはホットボックス装置内で硬化されて、加熱中の
脱水により結晶質の結合相を形成する。大部分の水は硬
化中に結合剤から除去される。これらの結合剤で調製さ
れた鋳型用配合物は５時間までの可使時間を有する。
これらの熱硬化結合剤は、米国特許第4,357,165号
（図１参照）に開示されている自動硬化結合剤（それら
はヒドロゲルであって室温で硬化する）とは著しく異な
る。本発明の課題である熱硬化結合剤は、図２の特性Ｘ
−線回折図形で示されるように結晶質構造を形成する。
そしてシリカ源とアルミナ源の所定モル比内で生成され
る。
（図１参照）に開示されている自動硬化結合剤（それら
はヒドロゲルであって室温で硬化する）とは著しく異な
る。本発明の課題である熱硬化結合剤は、図２の特性Ｘ
−線回折図形で示されるように結晶質構造を形成する。
そしてシリカ源とアルミナ源の所定モル比内で生成され
る。
鋳型用配合物は、結合剤の成分と鋳型用骨材を混合す
ることによって調製される。米国特許第4,357,165号に
開示されている零又は僅かの可使時しかもたない鋳型用
配合物とは対照的に、本発明の結合剤で作った鋳型用配
合物は５時間までの可使時間を有する。
ることによって調製される。米国特許第4,357,165号に
開示されている零又は僅かの可使時しかもたない鋳型用
配合物とは対照的に、本発明の結合剤で作った鋳型用配
合物は５時間までの可使時間を有する。
その鋳型用配合物は、鋳型、中子およびそれらのアセ
ンブリに成形される。米国特許第4,357,165号に記載さ
れている結合剤で作製した鋳型とは対照的に、本発明の
結合剤は、高温で迅速に硬化し、良好な引張強さを有
し、過剰の遊離アルカリ（それは再生および振出しに不
利である）を必要とせず、良好な耐湿性を示し、工業的
に許容される結合剤レベル（一般に骨材の重量を基準に
して約５重量％以下）で使用され、高温強度を改善する
ために焼成カオリンを必要としない硬化鋳型を提供す
る。
ンブリに成形される。米国特許第4,357,165号に記載さ
れている結合剤で作製した鋳型とは対照的に、本発明の
結合剤は、高温で迅速に硬化し、良好な引張強さを有
し、過剰の遊離アルカリ（それは再生および振出しに不
利である）を必要とせず、良好な耐湿性を示し、工業的
に許容される結合剤レベル（一般に骨材の重量を基準に
して約５重量％以下）で使用され、高温強度を改善する
ために焼成カオリンを必要としない硬化鋳型を提供す
る。
図面の簡単な説明 図１は、米国特許第4,357,165号に従って調製した結
合剤のＸ−線回折図形である。そのＸ−線回折図形（走
査:3−64/0.05/4/＃1221、陽極Cu、ゼロ＝0.0）は、結
合剤は無定形の非晶質材料であることを示す。
合剤のＸ−線回折図形である。そのＸ−線回折図形（走
査:3−64/0.05/4/＃1221、陽極Cu、ゼロ＝0.0）は、結
合剤は無定形の非晶質材料であることを示す。
図２は、本発明によって調製した結合剤のＸ−線回折
図形（走査:3−64/0.05/4/＃1221、陽極Cu、ゼロ＝0.
0）である。そのＸ−線回折図形は結合剤が結晶質材料
であることを示す。
図形（走査:3−64/0.05/4/＃1221、陽極Cu、ゼロ＝0.
0）である。そのＸ−線回折図形は結合剤が結晶質材料
であることを示す。
発明を実施するための最良の形態 本発明の結合剤は（１）可溶性シリカ源と（２）可溶
性アルミナ源の２成分から成る。そしてそのシリカ源、
アルミナ源又はその両方はアルカリ金属を含有する、ど
ちら一方の成分は液体又は固体であるが、少なくとも１
つの成分は液体でなければならない。一方の成分が固体
の場合、その固体成分は２成分を混合するときに液体成
分に溶解する。
性アルミナ源の２成分から成る。そしてそのシリカ源、
アルミナ源又はその両方はアルカリ金属を含有する、ど
ちら一方の成分は液体又は固体であるが、少なくとも１
つの成分は液体でなければならない。一方の成分が固体
の場合、その固体成分は２成分を混合するときに液体成
分に溶解する。
可溶性のシリカ源は水溶液中のアルカリ・シリケート
が望ましく、ケイ酸ナトリウム、コロイドシリカ又はヒ
ュームド又は沈殿の固体シリカがさらに望ましい。
が望ましく、ケイ酸ナトリウム、コロイドシリカ又はヒ
ュームド又は沈殿の固体シリカがさらに望ましい。
可溶性のアルミナ源は、固体アルカリアルミネート、
又はアルカリアルミネート溶液が望ましく、アルミン酸
ナトリウムがアルカリアルミネートの場合が望ましい。
アルミン酸ナトリウムは、硬化時間に著しく影響を与え
ることなく粉末又は水溶液として使用できる。しかしな
がら、粉末は、結合剤に他の成分を添加するときに配合
者に大きな融通性を与えるが、液体成分は使用が容易で
ある。
又はアルカリアルミネート溶液が望ましく、アルミン酸
ナトリウムがアルカリアルミネートの場合が望ましい。
アルミン酸ナトリウムは、硬化時間に著しく影響を与え
ることなく粉末又は水溶液として使用できる。しかしな
がら、粉末は、結合剤に他の成分を添加するときに配合
者に大きな融通性を与えるが、液体成分は使用が容易で
ある。
可溶性シリカ源と可溶性アルミナ源の種々の組合せが
可能であるが、最良の結果はコロイドシリカ溶液と固体
又は液体アルミン酸ナトリウムを使用したときに得られ
る。
可能であるが、最良の結果はコロイドシリカ溶液と固体
又は液体アルミン酸ナトリウムを使用したときに得られ
る。
シリカ源を含有する水溶液中の固体分の量は、水溶液
の重量を基準にして一般に40〜55重量％、望ましくは約
50重量％である。アルミナ源における固体分の量は、水
溶液の重量を基準にして一般に40〜50重量％、望ましく
は約45重量％である。結合剤における酸化物として示さ
れるアルミナおよびシリカに対するアルカリの重量組成
は、結合剤組成物の全重量を基準にして、約20〜40重量
％アルカリ、約30〜50重量％アルミナ、および約20〜40
重量％シリカの範囲であり、望ましくは約28〜32重量％
アルカリ、約38〜42重量％アルミナおよび約28〜35重量
％シリカである。全ての重量比は、シリカおよびアルミ
ナの源が酸化物であるとして示す。
の重量を基準にして一般に40〜55重量％、望ましくは約
50重量％である。アルミナ源における固体分の量は、水
溶液の重量を基準にして一般に40〜50重量％、望ましく
は約45重量％である。結合剤における酸化物として示さ
れるアルミナおよびシリカに対するアルカリの重量組成
は、結合剤組成物の全重量を基準にして、約20〜40重量
％アルカリ、約30〜50重量％アルミナ、および約20〜40
重量％シリカの範囲であり、望ましくは約28〜32重量％
アルカリ、約38〜42重量％アルミナおよび約28〜35重量
％シリカである。全ての重量比は、シリカおよびアルミ
ナの源が酸化物であるとして示す。
鋳型用配合物を作るとき、最初にシリカ源を骨材に加
える。次にアルミナ源をその骨材に混合する。その結合
剤は、骨材の重量を基準にして１〜５重量％の量で砂と
混合することが望ましい。鋳型用配合物の調製に使用す
る骨材は、かかる目的で鋳物産業において典型的に使用
されるもの、又はかかる目的のために作用する骨材であ
る。一般に、その骨材は少なくとも70重量％シリカを含
有する砂である。他の適当な骨材は、ジルコン、かんら
ん石、アルミナ−シケート砂、クロマイト砂、等を含
む。特に望ましい砂は、例えは70〜105粉末度を有する
シリカ砂である。かかる砂を主成分とした系は高圧ダイ
カストに特に有用であると考えられる。
える。次にアルミナ源をその骨材に混合する。その結合
剤は、骨材の重量を基準にして１〜５重量％の量で砂と
混合することが望ましい。鋳型用配合物の調製に使用す
る骨材は、かかる目的で鋳物産業において典型的に使用
されるもの、又はかかる目的のために作用する骨材であ
る。一般に、その骨材は少なくとも70重量％シリカを含
有する砂である。他の適当な骨材は、ジルコン、かんら
ん石、アルミナ−シケート砂、クロマイト砂、等を含
む。特に望ましい砂は、例えは70〜105粉末度を有する
シリカ砂である。かかる砂を主成分とした系は高圧ダイ
カストに特に有用であると考えられる。
その砂の混合物は、中子および／または型に成形され
て鋳型を形成し、100℃〜300℃、望ましくは150℃〜250
℃に鋳型が破壊することなく取扱えるまで、典型的には
30秒〜20分間加熱される。加熱時間は用いる温度および
加熱方法の関数である。加熱源は温風、従来のオーブン
でのベーキング、マイクロウエーブ又は望ましくはホッ
トボックス装置からである。
て鋳型を形成し、100℃〜300℃、望ましくは150℃〜250
℃に鋳型が破壊することなく取扱えるまで、典型的には
30秒〜20分間加熱される。加熱時間は用いる温度および
加熱方法の関数である。加熱源は温風、従来のオーブン
でのベーキング、マイクロウエーブ又は望ましくはホッ
トボックス装置からである。
その結合剤で調製された鋳型は取扱いに適当な中間強
度を示し、硬化後24時間以内に強度が高くなる。その熱
硬化鋳型は、米国特許第4,357,165号に示されているア
ルミノ−シリケート無ベーク結合剤で作った鋳型よりも
極めて優れた耐湿性も示す。
度を示し、硬化後24時間以内に強度が高くなる。その熱
硬化鋳型は、米国特許第4,357,165号に示されているア
ルミノ−シリケート無ベーク結合剤で作った鋳型よりも
極めて優れた耐湿性も示す。
次の略語は実施例および後続の表で使用される： bos＝砂を基準にして BP ＝吹込圧（psi） CH ＝一定湿度 CT ＝一定温度 DT ＝滞留時間（秒） Imm＝直ちに PI ＝Ｉ部（シリカ源） PII＝II部（アルミナ源） RH ＝室内湿度 RT ＝室温 実施例Ａ、ＢおよびＣは比較のため加えた対照例であ
る。鋳型は、米国特許第4,357,165号に開示されている
ように実質的に室温で硬化させる。実施例１〜３は、II
部が固体のアルミン酸ナトリウムである結合剤系に関
し、実施例４〜15は液体のII部を使用した結合剤系に関
する。実施例４〜15は、Ｉ部およびII部の成分が液体で
ある結合剤系に異なる砂を使用する効果も示す。使用の
条件は表Ｉ〜表IIIに示す。
る。鋳型は、米国特許第4,357,165号に開示されている
ように実質的に室温で硬化させる。実施例１〜３は、II
部が固体のアルミン酸ナトリウムである結合剤系に関
し、実施例４〜15は液体のII部を使用した結合剤系に関
する。実施例４〜15は、Ｉ部およびII部の成分が液体で
ある結合剤系に異なる砂を使用する効果も示す。使用の
条件は表Ｉ〜表IIIに示す。
かい型ミキサーを使用し砂とＩ部およびII部を混合す
ることによって、鋳型用骨材を調製して、ホットボック
ス装置で硬化させた。
ることによって、鋳型用骨材を調製して、ホットボック
ス装置で硬化させた。
コロイドシリカ溶液（Ｉ部）は約50％固体分と少量の
ナトリウムのみを含有した。アルミン酸ナトリウム水溶
液（II部）は45％固体分を含有し、Na2O/Al2O3のモル比
が1.26:1.0であった。Na2O:Al2O3:SiO2の計算したモル
比は1.3:1.0:1.3である。シリカ源の溶液とアルミナ源
の溶液の混合によって砂混合物に飽和溶液が生成した。
その砂混合物は引張強さ測定用のドッグボーンの形に作
った。そのドッグボーン形の砂混合物はそれらをホット
ボックス装置内で加熱かることによって硬化した。加熱
したコアボックスの温度、砂の種類、吹込圧、および吹
込時間は表に示す。
ナトリウムのみを含有した。アルミン酸ナトリウム水溶
液（II部）は45％固体分を含有し、Na2O/Al2O3のモル比
が1.26:1.0であった。Na2O:Al2O3:SiO2の計算したモル
比は1.3:1.0:1.3である。シリカ源の溶液とアルミナ源
の溶液の混合によって砂混合物に飽和溶液が生成した。
その砂混合物は引張強さ測定用のドッグボーンの形に作
った。そのドッグボーン形の砂混合物はそれらをホット
ボックス装置内で加熱かることによって硬化した。加熱
したコアボックスの温度、砂の種類、吹込圧、および吹
込時間は表に示す。
耐湿性は、24時間硬化した試料を温度が25℃で相対湿
度が99％（RH）の湿度室に１時間入れることによって試
験した。その試験条件および結果は表に要約する。
度が99％（RH）の湿度室に１時間入れることによって試
験した。その試験条件および結果は表に要約する。
それらの結合剤で作製した金属鋳物は、浸蝕および線
条件に対して優れた耐性を示し、浸透および表面仕上げ
は良好であった。アルミニウム鋳物の型からの除去時間
は平均約45秒であった。
条件に対して優れた耐性を示し、浸透および表面仕上げ
は良好であった。アルミニウム鋳物の型からの除去時間
は平均約45秒であった。
実施例Ａ、ＢおよびＣは比較のために加えた対照試料
である。これらの実施例における鋳型は、実質的に米国
特許第4,357,165に開示されている方法で室温で硬化さ
せた。表１は該米国特許に従って結合剤で作った鋳型の
引張強さが商的使用に向かないことを示す。
である。これらの実施例における鋳型は、実質的に米国
特許第4,357,165に開示されている方法で室温で硬化さ
せた。表１は該米国特許に従って結合剤で作った鋳型の
引張強さが商的使用に向かないことを示す。
表II、実施例１〜３は、Ｉ部が液体で、II部が固体で
ある本発明の範囲内の結合剤系を使用し、ホットボック
ス装置を硬化用に使用した試験結果を示す。許容できる
引張強さをもった鋳型はこの結合剤から作った。
ある本発明の範囲内の結合剤系を使用し、ホットボック
ス装置を硬化用に使用した試験結果を示す。許容できる
引張強さをもった鋳型はこの結合剤から作った。
実施例４〜15は、Ｉ部とII部の両方が液体である本発
明の範囲内の結合剤系を使用した試験結果を示す。特に
ことわらない限り、用いた方法は実施例１〜３で示した
ものと同一であった。
明の範囲内の結合剤系を使用した試験結果を示す。特に
ことわらない限り、用いた方法は実施例１〜３で示した
ものと同一であった。
表IIIのデータは、オクラホマ90の砂、粉末度が90の
高純度シリカが直ちに高い引張強さを有する試験鋳型を
生成することを示す。かかる砂を主成分とした系は高圧
ダイカストに特に有用であると考えられる。Wedron 71
0および720のような他の微粒のシリカ砂も同様に使用で
きる。
高純度シリカが直ちに高い引張強さを有する試験鋳型を
生成することを示す。かかる砂を主成分とした系は高圧
ダイカストに特に有用であると考えられる。Wedron 71
0および720のような他の微粒のシリカ砂も同様に使用で
きる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−228463（ＪＰ，Ａ) 米国特許4432798（ＵＳ，Ａ) 米国特許4533393（ＵＳ，Ａ) 米国特許4357165（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 28/24 - 28/26 B22C 1/10 - 1/18
Claims (6)
- 【請求項１】（ａ）鋳型用骨材と； （１）水溶性のシリカ源；および （２）アルカリアルミネート から成る結合剤組成物であって、該シリカ源、アルカリ
アルミネート又は両方がアルカリ金属を含有し、該結合
剤におけるアルカリとアルミナとシリケートの重合比
が、結合剤組成物の全重量を基準にして20〜40重量％ア
ルカリ、30〜50重量％アルミナおよび20〜40重量％シリ
カの範囲にある構成の結合剤組成を骨材の重量を基準に
して10重量％以下混合することによって、鋳型用配合物
を生成し： （ｂ）（ａ）の鋳型用配合物を鋳型に成形し； （ｃ）（ｂ）の鋳型を100℃〜250℃の温度で熱源と接触
させ；そして （ｄ）該鋳型を可使鋳型に硬化させる工程から成ること
を特徴とする可使鋳型の製造法。 - 【請求項２】シリカ源は、ケイ酸ナトリウム、コロイド
シリカ溶液、固体シリカおよびそれらの混合物からなる
群から選ぶ請求項１記載の方法。 - 【請求項３】アルカリアルミネートが固体又は液体のア
ルミン酸ナトリウムである請求項１記載の方法。 - 【請求項４】結合剤組成物の全重量を基準にして、該結
合剤における酸化物として示されるアルカリとアルミナ
とシリカの重量比が、28〜32重量％アルカリ、38〜42重
量％アルミナ、および28〜35重量％シリカの範囲にある
請求項１記載の方法。 - 【請求項５】請求項１に従って製造した鋳型。
- 【請求項６】請求項４に従って製造した鋳型。
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