JP3448063B2 - 熱硬化性鋳物用結合剤 - Google Patents

熱硬化性鋳物用結合剤

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、別々の成分として、（ａ）アルカリケイ
酸塩の苛性アルカリ溶液と、（ｂ）水和ケイ酸アルミニ
ウムから成る熱硬化性鋳物用結合剤に関する。それらの
結合剤成分は、砂と混合して鋳物用配合物を生成する。
得られた鋳物用配合物は成形し、加熱して硬化鋳型を形
成する。熱は温風、オーブン内のベーキング、マイクロ
波、又はホットボックス装置によって加えられる。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第４、349、386号は、次式を有する（ナトリ
ウム、カリウム）ポリシアラテシロキソ（polysialates
iloxo）（該特許ではNaKPSSという）と呼ぶ無機重合体
を開示している： （式中のＭはナトリウム又はナトリウムとカリウムであ
り、ｎは重縮合度であり、ｗは約７までの値である。こ
れらのNaKPSS重合体を生成するために、無水ケイ酸アル
ミニウムおよび苛性アルカリおよびアルカリケイ酸塩の
混合物を２段階で生成する。第１段階で、反応混合物は
室温で少なくとも１時間反応させて粘性「無機樹脂」を
生成する（第３欄第65行〜第４欄第２行参照）。第２段
階で、その「無機樹脂」を25℃〜120℃の温度において
その縮合温度に依存して、約0.5〜15時間連続的又は段
階的に加熱して無機樹脂をさらに硬化させる（第４欄第
13行〜25行参照）。
【０００３】 その特許は、苛性アルカリおよびアルカリケイ酸塩と
混合して無機樹脂を生成する無水ケイ酸アルミニウムが
ポリヒドロキシアルミノーシリケート（水和ケイ酸アル
ミニウム）を例えば、550〜600℃の温度で焼成して水和
水を除去することによって生成されることを示している
（第３欄第20行〜24行参照）。
【０００４】 該特許の実施例３は、無機樹脂、すなわち、第１段階
で室温において反応させることによって生成した部分硬
化重合体を使用して鋳物用配合物の作成を開示してい
る。該特許はその無機樹脂を砂と混合して、さらに室温
で数時間又は85℃で約1.5時間硬化させることを示して
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このデータから、これらの重合体およびこの方法がこ
れらの条件で高生産の中子および鋳型の製造法に用いら
れるのに実用的でないことは明白である。それの低強度
および長硬化時間の外に、これらの重合体は鋳物用結合
剤として使用したとき、耐湿性が低く有効使用には高水
準の結合剤（砂の重量を基準にして６〜７重量％まで）
を要する。これらの欠点のために、これらの重合体を主
成分とした鋳物用結合剤は高生産の熱硬化鋳物用には実
用的でない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、別々の成分として、（ａ）アルカリケイ酸
塩の苛性アルカリ溶液と、（ｂ）水和ケイ酸アルミニウ
ムから成り、鋳物用結合剤の全重量を基準にして該
（ａ）成分が60〜85重量％、該（ｂ）成分が15〜40重量
％の範囲内にあり、200〜300℃の温度に加熱することを
特徴とする熱硬化性鋳物用結合剤に関する。
【０００７】 該結合剤は鋳物用骨材と混合して鋳物用配合物を生成
する。得られた鋳物用配合物は成形し、連続的な１工程
で熱風、オーブン内のベーキング、マイクロ波、又はホ
ットボックス装置によって加熱することによって硬化さ
せる。
【０００８】 無水ケイ酸アルミニウムで調製する米国特許第４、34
9、386号のNaKPSSと対照的に、本発明の結合剤は水和ケ
イ酸アルミニウムで調製される。本法によれば、中間の
「無機樹脂」は生成しない。その代りに、アルカリケイ
酸塩の苛性アルカリ溶液と水和ケイ酸アルミニウムの混
合体から成る結合剤が無機樹脂としてではなく個々の成
分として鋳物用骨材に添加される。しかしながら、その
結合剤の重合は、成分を鋳物用骨剤と混合して成形した
ときに生じないで、成形された鋳物用配合物を少なくと
も200℃〜300℃、望ましくは、200℃〜275℃、最適には
230℃〜260℃の温度に加熱したときに生じる。
【０００９】 本発明の結合剤で調製した鋳物用配合物は加熱される
まで実質的に重合しないから、それらは５時間までの可
使時間を有する。一方、米国特許第４、349、386号に開
示された結合剤で調製された鋳物配合物は、室温で反応
して無機樹脂を生成するので、可使時間が短い。
【００１０】 鋳物用配合物は、結合剤成分と鋳物用骨剤を混合する
ことによって調製する。その鋳物用配合物は鋳型、中子
およびそれらの組立体に成形される。無水ケイ酸アルミ
ニウムで作った米国特許第４、349、386号に記載の結合
剤で作った鋳型とは対照的に、水和ケイ酸アルミニウム
で作った本発明の結合剤は、高温で迅速に硬化する硬化
鋳型を提供し、良好な引張強さを有し、過剰の遊離アル
カリを必要としない（再生、等用に不利）、良好な耐湿
性を示し、商的に許容される結合剤レベル（一般に骨剤
の重量を基準にして約５重量％以下）で使用される。さ
らに、水和水を含有する商的グレードのケイ酸アルミニ
ウムをその水和水を除去するために550℃〜650℃の温度
で焼成することなく使用できるので、コストが低減され
る。
【００１１】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の結合剤は、（１）アルカリケイ酸塩の苛性ア
ルカリ溶液と、（２）水和ケイ酸アルミニウムの２成分
から成る。成分（１）は液体であるが、成分（２）は粉
末である。
【００１２】 アルカリケイ酸塩、望ましくはケイ酸ナトリウムの苛
性アルカリ溶液は、典型的に（ａ）約80〜95重量％のケ
イ酸ナトリウムの水溶液、（ｂ）約５〜20重量％の苛性
アルカリ、望ましくは50重量％のアルカリ水酸化物（望
ましくは水酸化ナトリウム）水溶液、および（ｃ）苛性
アルカリケイ酸塩溶液の粘度を適切にするために０〜20
重量％以下の添加水を混合することによって生成する。
【００１３】 アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液として、ケイ酸
ナトリウムの苛性アルカリ溶液の全重量を基準として、
約80〜95重量％のケイ酸ナトリウム水溶液、50重量％の
水酸化ナトリウムからなる約10〜15重量％の苛性アリカ
リ、および約０〜10重量％以下の水を使用することが望
ましい。ケイ酸ナトリウム水溶液は、該ケイ酸ナトリウ
ム水溶液全重量を基準にして水に約35〜45重量％の量の
ケイ酸ナトリウムから成ることが望ましい。
【００１４】 ここでの用語「水和ケイ酸アルミニウム」は水で水和
されるケイ酸アルミニウムを意味する。その水和ケイ酸
アルミニウムとしてカオリナイト（Al2O3・2SiO2・2H
2O）を使用することが望ましい。水和ケイ酸アルミニウ
ムは、典型的にケイ酸アルミニウムの１モル当り１〜２
モルの水、望ましくは２モルの水を含有する。水和ケイ
酸アルミニウム粒径はできるだけ小さく、0.5ミクロン
以下が望ましい。
【００１５】 水和ケイ酸アルミニウムにポリ酢酸ビニル（PVA）を
添加して最終注型におけるペネトレーション（鋳肌の欠
陥の一つであって、溶融金属と鋳型が反応又は溶解し
て、鋳物の表面に付着することである）を排除又は減少
させることが望ましい。そのポリ酢酸ビニルは、水和ケ
イ酸アルミニウムに水和ケイ酸アルミニウムを基準にし
て約５〜25重量％、最適には約15〜20重量％を添加する
ことが望ましい。
【００１６】 任意の物質、たとえば、尿素、セルロース、クエン
酸、ゴムラテックス、セメント、カーボン／黒鉛、等も
鋳物用結合剤に添加できる。鋳物用結合剤を配合する当
業者には、種々の性質に対して選ぶ物質、それらの物質
の使用量および結合剤への最良の混合法は周知である。
【００１７】 結合剤形成溶液は、有効な結合量、例えば、骨材を基
準にして１〜10重量％、望ましくは１〜５重量％で砂と
混合する。鋳物用配合物の調製に使用する骨材は、典型
的にかかる目的で鋳物産業で使用されるもの、又はかか
る目的に適応する骨材である。
【００１８】 一般に、その骨材は少なくとも70重量％のシリカを含
有する砂である。他の適当な骨材はジルコン、カンラン
石、アルミナーシリケート砂、クロマイト砂、等を含
む。骨材は主量で使用される。このコンテキストにおけ
る主量は骨材と結合材を含む鋳物用配合物の全重量を基
準にして少なくとも80重量％、望ましくは少なくとも90
重量％である。
【００１９】 砂混合物は中子および／または型に成形して、少なく
とも200〜300℃，望ましくは200〜275℃，最適には230
〜260℃の温度に鋳型がこわれることなく取扱うことが
できるまで、典型的に30秒〜２分間加熱する。加熱時間
は温度および用いる加熱法の関数である。加熱源は温
風、従来の炉内でのベーキング、マイクロ波又は望まし
いホットボックス装置からである。
【００２０】 水和ケイ酸アルミニウムで作った結合剤形成溶液で調
製した鋳型は取扱いに適当な直後強度を示し硬化後24時
間中にさらに強度の上昇を示す。また、熱硬化鋳型は、
米国特許第４、349、386号に開示された無水ケイ酸アル
ミニウムを使用して結合剤を作った鋳型よりも著しく優
れた耐湿姓を示す。
【００２１】 次の略語は以下の実施例および表に使用される： BOS ＝砂を基準にした CH ＝一定湿度 CT ＝一定温度 DT ＝滞留時間 KAOP AB＝商品名KAOPOLで販売されている約0.3μの
中粒度（すなわち、この粒度を有する粒子の50％以上大
きい）を有する水和ケイ酸アルミニウム KAOP 1152＝約600〜700℃と考えられる温度で水和ケ
イ酸アルミニウムを焼成され、商品名KAOPOLITE 1152
で販売されている無水ケイ酸アルミニウム SODSILSOL＝SiO2:Na2の重量比が3.22のNa2SiO3から成
る水酸化ナトリウム中のケイ酸ナトリウム溶液、該ケイ
酸ナトリウムはNa2SiO3溶液とNaOH溶液の重量比が88:12
となるように12モルのNaOHと混合する。 PVA ＝ポリ酢酸ビニル（エア・ブロダクツ社によりAI
RFLEX RP−245で販売） RH ＝室の湿度 VEINSEAL＝National Gypsum社で販売し、少量のデキ
ストリンと粘土と共に大部分が酸化鉄から成るVEINSEAL
11,000添加物であって、鋳物のペネトレーションを低
減させるために使用される。
【００２２】
【実施例】
砂混合物は結合剤成分と砂（商品名Wedron 540）を
ホバート（Hobart）Ｎ−50（商品名）ミキサーで混合す
ることによって調製した。砂混合物は引張試験機（商品
名Thwing−Albert TA 500）で引張強さを測定するた
めにドッグボーンの形に作った。そのドッグボーンの成
形物はホットボックス装置で加熱することによって硬化
させた。加熱してコアボックスの温度、砂の種類、及び
ブロー（送風）時間を表に示す。
【００２３】 ドッグボーンの成形物の引張強さは、箱型（コアボッ
クス）からそれらを取り出した後、１時間、および24時
間後に測定した。耐湿性は、ドッグボーンの成形物を箱
型から取出して24時間後にそれらを使用して試験した。
これらのドッグボーン成形物は25℃で99％の相対湿度の
室に１時間入れた。試験条件及び結果を表に要約した。
【００２４】 本結合剤で作った金属鋳物はエロージョン（溶融金属
や砂粒の急速な流れによる主として物理的作用によって
鋳物の表面が侵される現象をいう）および線条形成に優
れた耐性を示し、表面欠陥は少なくおよび表面仕上げは
良好であった。アルミニウム鋳型の型からの除去速度は
平均約45秒であった。
【００２５】 表１の実施例は室温又は85℃で実施されるから全て対
照例である。対照例ＡおよびＢは、米国特許第４、34
9、386号の実施例３の範囲内の無水ケイ酸アルミニウム
で作った結合剤を使用している。表１の対照例AAおよび
BBは水和ケイ酸アルミニウムで作った結合剤を示す。表
１の条件で作った鋳型は、室温および85℃において実質
的に米国特許第４、349、386号に開示された方法で硬化
させる。
【００２６】 表１のデータは、米国特許第４、349、386号に従って
作った結合剤も水和ケイ酸アルミニウムで作った結合剤
も室温又は85℃で中子を作製しているが、いずれも長時
間を要するため高生産には向かずかつ中子の耐湿性が劣
ることを示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】 表２は232℃の硬化温度で水和ケイ酸アルミニウムと
無水ケイ酸塩で作った結合剤を使用した硬化を示す。水
和ケイ酸アルミニウムで調製した結合剤が優れているこ
とは明らかである。水和ケイ酸アルミニウムで作った結
合剤は、高生産、熱硬化中子および鋳型の製造法に使用
できる。
【００２９】 焼成（無水）ケイ酸アルミニウムを含有する結合剤で
作った中子は直後の引張強さを有さず、コアボックスか
ら除去できない。この理由は無水ケイ酸アルミニウムが
水和水を有さず、ホットボックスの条件下で溶液から全
ての遊離水が極めて迅速に除去されるためである。一
方、水和ケイ酸アルミニウムの中の水和水は重縮合に利
用されて、迅速かつ適当な引張強さをもたらす。
【００３０】
【表２】
【００３１】 次の表３は結合剤の第１部と第２部を骨材と混合する
前に一緒に混合する効果を示す。第２部を添加する前
に、最初に第１部と骨材を混合する程有効ではないが、
予備混合法は作用する。比較例Ｄは、米国特許第４、34
9、386号の従って調製した無水ケイ酸アルミニウムを使
用したが232℃の温度で効果的に硬化しないことを示
す。
【００３２】
【表３】
【００３３】 表４はNa2O:Al2O3:SiO2のモル比の影響を示す。その
データは、特にコアボックスから除去後相対湿度100％
で24時間および25時間で測定した引張強さに対して1.3:
1.0:5.5の比が1.0:1.0:4.0の比よりも望ましいことを示
す。
【００３４】
【表４】
【００３５】 表５はVEINSEALとPVAの添加が結合剤で作った鋳型の
引張強さ全体を改良することを示す。第２部で混和され
る添加物の量は砂を基準にして0.25重量％であった。
【００３６】
【表５】
【００３７】 1500℃で注入したねずみ鉄の金属鋳物は、実施例７お
よび９に記載した砂配合物から作った5cm×5cmの試験用
中子を使用して作った。溶融金属の中子又は鋳型へのペ
ネトレーションに起因する鋳物の表面欠陥に及ぼ砂配合
物にポリ酢酸ビニル使用の影響を測定した。そのペネト
レーションは溶融金属の圧力が溶融金属を鋳型や中子の
表面の隙間に押し込むのに十分高いときに生じる。その
結果、冷却した鋳物に吸蔵が見られる。これらの吸蔵は
溶融金属が注入中に中子および／または鋳型の砂と混合
するために形成される。鋳物上にこれらの吸蔵は鋳物か
ら研磨によって除去することは困難でありコストがかか
る。
【００３８】 ペネトレーションは、トルドッフら〔W.L.Tordoff e
t al.in AES Tansactions,“Test Casting Evalua
tion of Chemical Binder System",Vol.80〜74,p15
5（1989）〕によって記載された5cm×5cmの表面欠陥試
験鋳物に従って測定した。その試験結果は実施例７（PV
A無使用）の砂配合物で作った鋳物が僅かに表面欠陥耐
性を示したのみであったが、実施例９（PVA含有）の砂
配合物は優れた表面欠陥耐性を示した。
【００３９】 線条形成およびエロージョンも実施例７（PVA無使
用）の砂配合物で作った鋳物で測定されたが、線条形成
およびエロージョンに関しては著しい相違は見られなか
った。線条形成およびエロージョンは共に優れていた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランガー、ヘイモ ジェイ アメリカ合衆国オハイオ州43220 コロ ンブス ラッシュモア ドライブ 3735 (56)参考文献 特開 平１−252563（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−122627（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−39220（ＪＰ，Ａ)

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】別々の成分として、 （ａ）アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液と、 （ｂ）水和ケイ酸アルミニウム、 から成り、鋳物用結合剤の全重量を基準にして該（ａ）
    成分が60〜85重量％、該（ｂ）成分が15〜40重量％の範
    囲内にあり、200〜300℃の温度に加熱することを特徴と
    する熱硬化性鋳物用結合剤。
  2. 【請求項２】前記アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液
    が、該アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液の全重量を
    基準にして（ａ）80〜95重量％の水性アルカリケイ酸塩
    溶液から成り、該アルカリケイ酸塩がケイ酸ナトリウム
    であることを特徴とする請求項１記載の鋳物用結合剤。
  3. 【請求項３】前記水和ケイ酸アルミニウムが、該水和ケ
    イ酸アルミニウムの重量を基準にして15〜25重量％のポ
    リ酢酸ビニルも含有することを特徴とする請求項１記載
    の鋳物用結合剤。
  4. 【請求項４】前記水和ケイ酸アルミニウムが、0.5ミク
    ロン以下の平均粒度を有し、かつ２モルの水和水を含有
    することを特徴とする請求項３記載の鋳物用結合剤。
  5. 【請求項５】前記水和ケイ酸アルミニウムが、カオリナ
    イトであることを特徴とする請求項４記載の鋳物用結合
    剤。
  6. 【請求項６】（ａ）主量の鋳物用骨材、及び （ｂ）（ｉ）アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液、及
    び （ii）水和ケイ酸アルミニウム、 から成る結合剤、 の混合物からなり、該結合剤を形成する溶液における成
    分（ｉ）の量が結合剤の全重量を基準にして60〜85重量
    ％、そして成分（ii）の量が15〜40重量％範囲内にあ
    り、200〜300℃の温度に加熱することを特徴とする熱硬
    化性鋳物用配合物。
  7. 【請求項７】前記アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液
    が、該アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液の全重量を
    基準にして（ａ）80〜95重量％の水性アルカリケイ酸塩
    溶液から成り、該アルカリケイ酸塩がケイ酸ナトリウム
    であることを特徴とする請求項６記載の熱硬化性鋳物用
    配合物。
  8. 【請求項８】前記水和ケイ酸アルミニウムが、該水和ケ
    イ酸アルミニウムの重量を基準にして15〜25重量％のポ
    リ酢酸ビニルも含有することを特徴とする請求項７記載
    の鋳物用配合物。
  9. 【請求項９】前記水和ケイ酸アルミニウムが、0.5ミク
    ロン以下の平均粒度を有し、かつ２モルの水和水を含有
    することを特徴とする請求項８記載の鋳物用配合物。
  10. 【請求項１０】前記水和ケイ酸アルミニウムが、カオリ
    ナイトであることを特徴とする請求項９記載の鋳物用結
    合剤。
  11. 【請求項１１】（ａ）鋳物用骨材と、（ｉ）アルカリケ
    イ酸塩の苛性アルカリ溶液、および（ii）水和ケイ酸ア
    ルミニウムから成る結合剤であって、該結合剤の全重量
    を基準にして前記成分（ｉ）が65〜80重量％、前記成分
    （ii）が20〜35重量％の範囲内にある該結合剤を前記骨
    剤を基準にして10重量％以下混合することによって鋳物
    用配合物を生成し； （ｂ）該鋳物用配合物を鋳型に成形し； （ｃ）該鋳型を200〜300℃の温度に加熱し；そして （ｄ）該鋳型を使用可能鋳型に硬化させる工程、 から成ることを特徴とする使用可能鋳型の製造法。
  12. 【請求項１２】前記アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶
    液が、該アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液の全重量
    を基準にして（ａ）80〜95重量％の水性アルカリケイ酸
    塩溶液から成り、該アルカリケイ酸塩がケイ酸ナトリウ
    ムであることを特徴とする請求項11記載の方法。
  13. 【請求項１３】前記水和ケイ酸アルミニウムが、該水和
    ケイ酸アルミニウムの重量を基準にして15〜25重量％の
    ポリ酢酸ビニルも含有することを特徴とする請求項12記
    載の方法。
  14. 【請求項１４】前記水和ケイ酸アルミニウムが、0.5ミ
    クロン以下の平均粒度を有し、かつ１〜２モルの水和水
    を含有し、加熱温度が230〜260℃であることを特徴とす
    る請求項13記載の方法。
  15. 【請求項１５】請求項11に従って製造した鋳型。
  16. 【請求項１６】請求項14に従って製造した鋳型。
  17. 【請求項１７】（ａ）請求項11に従って鋳型を製造し； （ｂ）該鋳型の内部および周囲に金属を注入し； （ｃ）前記金属を放冷して凝固させ；次に （ｄ）成形品を分離する工程から成ることを特徴とする
    金属鋳物の製造方法。
  18. 【請求項１８】（ａ）請求項14に従って鋳型を製造し； （ｂ）該鋳型の内部および周囲に金属を注入し； （ｃ）前記金属を放冷して凝固させ；次に （ｄ）成形品を分離する工程から成ることを特徴とする
    金属鋳物の製造方法。
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