JP4421317B2

JP4421317B2 - 砂型鋳造用塗型剤組成物

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Publication number: JP4421317B2
Application number: JP2004033547A
Authority: JP
Inventors: 祐之酒井; 阪口　　美喜夫; 茂夫仲井
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: JP2005224815A

Description

本発明は、鋳鋼、鋳鉄、アルミニウム、銅およびこれらの合金等の鋳造に使用される砂型用の塗型剤に関する。

砂型用の塗型剤は、粒度・形状のばらつく砂粒子の集合体に塗布する関係上、塗膜強度が高く、分散安定性、水性塗型の乾燥性、アルコール塗型の着火乾燥時のクラック防止性などに優れ、且つ砂型への浸透性が高いことで耐焼着性や砂落ち性が改善されることから、多種多様の要求性能が必要である。例えば、焼着防止に関しては、特許文献１記載のジルコン粉末、黒鉛粉末、ベントナイトを主体とした塗型剤が、また、分散安定性に関しては、特許文献２記載の比表面積の大きなシリカ粉末が、また、水性塗型の乾燥性に関しては、特許文献３記載の赤外線の吸収効率が０．３５以上の塗型剤などが開示されている。一方、消失模型を用いる鋳造方法に関して、特許文献４には、中空でない球状の耐火骨材を配合した塗型剤を消失模型表面にコーティングする方法が記載されている。
特開２００２−１４３９８２号公報特開２０００−５１９９４号公報特開２００２−３６１３６３号公報特開平４−１０５７４８号公報

しかしながら、前記文献１〜３の技術は、塗型剤の必要特性をバランス良く向上できるものではなく、取り扱い性や耐焼着性、砂落ち性の何れかが不十分であった。また、前記文献４は、消失模型に塗布する塗型剤であり、砂型を塗布対象とするものではなく、通気性に加え、塗膜のひび割れを防止し、耐焼着性を向上させるために「中空でない」骨材を選定した技術であり、砂型への塗型剤への浸透が重要な砂型用塗型剤の改善に対して有効な示唆を与えるものではない。また、焼着発生の機構も、引用文献４のような消失模型鋳造法と砂型鋳造法とでは、必ずしも同一視できるものではないと推察される。

本発明は、耐焼着性、塗膜強度向上、分散安定性、水性塗型の乾燥性、アルコール塗型の着火乾燥時のクラック防止性など、塗型剤の必要特性をバランス良く向上させた砂型鋳造用の塗型剤の提供を課題とする。

本発明者らは、塗型剤中の骨材の形状が各種特性の殆どに重要な影響を与えることに気づき、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、球形度が０．８８〜１．００の耐火性骨材（以下、球状骨材という）、粘結剤、及び溶剤を含有する砂型鋳造用塗型剤組成物に関する。

本発明によれば、耐焼着性、塗膜強度向上、分散安定性、水性塗型の乾燥性、アルコール塗型の着火乾燥時のクラック防止性などの特性をバランス良く向上させた砂型鋳造用塗型剤組成物が得られる。

本発明では、球形度が０．８８〜１．００の球状骨材が用いられる。ここで、球形度は、耐火性骨材粒子個々の走査型電子顕微鏡により得られた像（写真）を画像解析して得られる投影断面の面積および周囲長から、［粒子投影断面の面積（ｍｍ²）と同じ面積の真円の円周長（ｍｍ）］／［粒子投影断面の円周長（ｍｍ）］を求め、これを任意の５０個の耐火性骨材粒子について平均した値である。球状骨材の
球形度は、本発明の効果がより顕著であることから、０．９５〜１．０、特に０．９７〜０．９９好ましい。

耐火性骨材を球状化する方法としては、（１）原料スラリーをスプレードライして得た顆粒をロータリーキルンなどで焼成した、表面がポーラスでやや球形度の低い骨材を得る造粒焼成法、（２）溶融原料にエアーを吹き付け球状化して得られる表面がほぼ平滑で球形度も高い骨材を得る電融アトマイズ法、更には（３）原料として微細粉末を用い、これを火炎中で溶融し球形化して表面の平滑性、球形度のより高い骨材を得る火炎溶融法などが有る。

（１）の造粒焼成法は、例えば特開平５−１６９１８４号公報を参照して行うことができる。また、（２）の電融アトマイズ法は、例えば特開２０００−２５１４３４号公報を参照して行うことができる。また、（３）の火炎溶融法は、例えば特開２００１−２６１３２８号公報を参照して行うことができる。本発明では、表面平滑性、球形度の高い骨材が得られる（３）の火炎溶融法による骨材が、耐焼着性などの点より好ましい。

本発明では、耐火性骨材の球形化により、高濃度の塗型剤が得られ、乾燥が容易になり緻密な膜が得られやすいことから、塗膜強度の向上、沈降性の向上、乾燥、着火時のクラック防止の向上などの効果が得られるものと考えられる。

本発明の球状骨材は、結晶化度が０〜５０％、更に０〜３０％、特に０〜１０であることが、耐焼着性の点で好ましい。ここで、結晶化度は、Ｘ線回折装置（理学電気工業製Ｍｕｌｔｉｆｌｅｘ）を用い、全ピーク面積（非晶成分＋結晶成分のピーク面積）に対する結晶成分のピーク面積〔結晶成分のピーク面積／全ピーク面積〕に１００を乗して算出されるものである。なお、分析条件は下記の通りである。
・管球：Ｃｕ４０ｋｖ、４０ｍＡ
・ゴニオメーター：広角ゴニオメーター
・ＳＣＡＮ：５°〜９０°、２°／ｍｉｎ（０．０２°／０．６ｓｅｃ）
・スリット：ＤＳ１°、ＳＳ１°、ＲＳ０．３ｍｍ

結晶化度の調整は、例えば特開２００１−２６１３２８号公報記載の製造方法を参照して行うことができる。その際、基本的には、溶融時の滞留時間、原料粉末の結晶化度などが結晶化度に影響するため、これらを考慮して製造を行うが、一般的には急速冷却すれば、結晶化度は低下する。従来市販されているシリカ、アルミナ、ムライトなどの非球状骨材の結晶化度は、９０〜１００％と高いものであるのに対し、本発明では、上記範囲の低結晶化度の球状骨材を使用すれば、低膨張のため耐焼着性がより向上するものと推測される。

また、本発明の球状骨材は、平均粒子径が０．１〜５０μｍ、更に１〜３０μｍ、特に５〜２０μｍであることが、塗膜強度、表面平滑性、焼着防止の点で好ましい。ここで、平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（堀場製作所製ＬＡ−９２０）を用いて測定された体積累積５０％の平均粒子径である。分析条件は下記の通りである。
・測定方法：フロー法
・分散媒：イオン交換水＋ヘキサメタリン酸ナトリウム０．１％混合
・分散方法：攪拌、内蔵超音波３分
・試料濃度：２ｍｇ／１００ｃｃ

本発明の砂型鋳造用塗型剤組成物は、砂落ち性の向上、鋳肌の平滑性や欠陥防止などの鋳物品質の向上、塗布作業性の向上、塗膜外観の美化、原材料費の削減などの目的で、球形度が０．８８未満の耐火性骨材（以下、非球状骨材という）を含有することができる。球状骨材（Ａ）と非球状骨材（Ｂ）の重量比は、（Ａ）／（Ｂ）で１５／８５〜９０／１０が好ましく、具体的には、（Ａ）／（Ｂ）＝３０／７０〜９０／１０、更に５０／５０〜９０／１０であることが、砂落ち性の改善の点で好ましい。

球状骨材としては、耐火度、比重、球状化処理のしやすさの点から、ムライト、シリカ、アルミナ、アルミナシリケートからなるものが好ましく、非球状骨材としては、黒鉛、雲母、タルク、マグネシア、オリビン、ジルコン、ジルコニア、スピネル、アルミナ、シャモット、アルミナシリケート、黒曜石、シリカ、ムライトからなるものが好ましい。また、球状骨材、更に非球状骨材は、それぞれ非中空のものが好ましい。また、球状骨材、更に非球状骨材は、耐火性の点から、それぞれ融点が１０００〜２５００℃であることが好ましい。

本発明の砂型鋳造用塗型剤組成物に使用される粘結剤としては、例えば、常温で強い塗膜を形成できる糖類、フェノール、ロジン、石油樹脂のような有機粘結剤や、鋳込み時に塗膜の熱間強度を上げるためのベントナイト、エチルシリケート、ケイ酸ソーダなどの無機粘結剤がある。条件によりこれらのものを併用してもよい。粘結剤の組成物中の含有量は、耐火性骨材（球状骨材と非球状骨材）の合計１００重量部に対し、０．５〜１０重量部、更に１〜５重量部が好ましい。

本発明の砂型鋳造用塗型剤組成物に使用される溶媒としては、水性、油性いずれでもよい。油性では浸透性、乾燥性の点で、また水性では安全性の点で、それぞれ利点がある。油性塗型剤の場合は、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の低級アルコール系溶剤、キシレン、トルエン等の芳香族系溶剤、ミネラルスピリット等の炭化水素系溶剤が使用できる。好ましくは低級アルコール系溶剤であり、特にメタノールが好ましい。芳香族溶剤及び炭化水素系溶剤は補助溶剤として使用してもよい。水性塗型剤の場合は水が主溶媒となる。いずれの場合も、溶剤の組成物中の含有量は、耐火性骨材（球状骨材と非球状骨材）の合計１００重量部に対し、１０〜５００重量部、更に１０〜１００重量部が好ましい。

また本発明の砂型鋳造用塗型剤組成物には、上記成分に加え、ヒドロキシアルキル化セルロース等のセルロース誘導体、ポリビニルアルコール、アルギン酸ソーダなどの増粘剤など他の添加剤も併用できる。

本発明の塗型剤組成物は、好ましくは、鋳鉄用は勿論、黒鉛類を低減した鋳鋼用、アルミニウム・マグネシウム等の軽合金用の鋳型表面に塗布、噴霧、浸漬、好ましくは塗布、噴霧、特にはぶっ掛け塗布して使用することができる。

なお、鋳型は、フラン樹脂、アルカリフェノール樹脂等の有機粘結剤や水ガラス等の無機粘結剤を鋳物砂に混合し、製品と同一形状の木型のまわりに充填後、硬化、抜型して得られる製品形状を反転させた砂型であり、その空隙（キャビティ）に溶湯を流し込んで製品とするものである。

一般的に、塗型は最初に溶剤濃度が低く、固形分濃度の高い組成物（保存用組成物）としておき、使用時に更に適正なスラリー粘度に希釈して使用される。このような高固形分の組成物は溶剤の量等を調整して通常針入度２００程度とし、使用時には更に溶剤で希釈して適度の粘度として使用する。塗布時の適正なスラリー粘度は、アルコール系塗型剤では５〜５０ボーメ、水系塗型剤では３０〜８０ボーメである。

〔Ｉ〕アルコール塗型剤
表１の耐火性骨材１００重量部に対し、有機ベントナイトを２重量部、ヒドロキシアルキル化セルロース０．２重量部、ロジン変成フェノール樹脂を２重量部及び適量のメタノールを混合し、３０分間混練し、柔らかいペースト（針入度は約２００、離合社製８００Ｓ−０１）を得た。

〔II〕水性塗型剤
表１の耐火性骨材１００重量部に対し、Ｎａベントナイト２重量部、天然の多糖類樹脂２重量部及び適量の水を混合し、混練機にて３０分間混練し、柔らかいペースト（針入度は約２００、離合社製８００Ｓ−０１）を得た。

〔III〕評価
（III−１）アルコール塗型剤の評価
（III−１−１）着火乾燥時のクラック試験
フラン再生砂（粒度指数ＡＦＳ４５）を使用し、花王クエーカー製フラン樹脂３４０Ｂ（フルフリルアルコール・尿素・ホルムアルデヒド重縮合物）を鋳物砂に対して０．８重量％、花王クエーカー製硬化剤ＴＫ−３（有機スルフォン酸硬化剤）を前記フラン樹脂に対して４０重量％使用して硬化させた５角柱の試験片を作成した。前記のアルコール塗型剤を更にメタノールで希釈して表１に示す濃度（ボーメ度）とし、試験片に塗布し直ちに着火乾燥させ、その際に発生するクラックを観察した。

（III−１−２）塗膜強度
上記（III−１−１）で使用した着火乾燥後の試験片を静置し、室温にて試験片表面の乾燥塗型の鉛筆硬度を測定した。鉛筆硬度はＨあるいはそれより硬いものが実用上満足できる水準であり、２Ｈあるいはそれより硬いものが更に良好である。

（III−１−３）沈降性試験
上記（III−１−１）で使用した、メタノールで希釈した後のアルコール塗型剤組成物１００ｃｃを、１００ｃｃの沈降試験管（内径１．３ｃｍ）に入れ、４時間後に沈降した深さを測定した。

（IV−１）水性塗型剤の評価
（VI−１−１）乾燥性試験
フラン再生砂（ＡＦＳ４５）を使用し、花王クエーカー製フラン樹脂３４０Ｂ（フルフリルアルコール・尿素・ホルムアルデヒド重縮合物）を鋳物砂に対して０．８重量％、花王クエーカー製硬化剤ＴＫ−３（有機スルフォン酸硬化剤）を前記フラン樹脂に対して４０重量％使用して硬化させた内径１００ｍｍ×高さ１００ｍｍの試験片に、前記の水性塗型を更に水で希釈して表３の濃度（ボーメ度）に調整し試験片に塗布した。その試験片を２５℃／５０％ＲＨに静置し、１５分毎に重量を測定し重量減少が塗布した塗型重量に対して０．２％以下になった時点を乾燥終了時間とした。乾燥終了までの時間が短いほど乾燥性に優れる。

（VI−１−２）耐焼着試験および砂落ち試験
フラン再生砂（ＡＦＳ４５）を使用し、花王クエーカー製フラン樹脂３４０Ｂ（フルフリルアルコール・尿素・ホルムアルデヒド重縮合物）を鋳物砂に対して０．８重量％、花王クエーカー製硬化剤ＴＫ−３（有機スルフォン酸硬化剤）を対樹脂４０重量％にて硬化させた直径３５０×高さ３７０の円筒状の空間部を持つ鋳型を作成した。溶湯と接する鋳型表面に上記（VI−１−１）で調整した、所定濃度（ボーメ度）の希釈水性塗型を刷毛にて塗布し、乾燥するまで十分に自然乾燥させた。その後、材質ＦＣ−２５０、鋳込み温度１３８０℃の条件にて注湯した。試験片が雰囲気温度になるまで冷まして鋳物を取り出し耐焼着試験及び砂落ち性の判定を行った。耐焼着試験及び砂落ち性の判定は下記の基準で行った。

（耐焼着性）
焼着が発生していない：○
焼着が少し発生：△
焼着が多く発生：×
（砂落ち性）
砂の融着が僅かで簡単に剥離する：○
砂が融着しているが剥離しやすい：△
砂が強固に融着し剥離し難い：×

表中、球形度が０．９８のものは火炎溶融法により球形度を調整したものであり、球形度０．８５以下のものは、市販の骨材をそのまま使用した。

Claims

球形度が０．８８〜１．００且つ平均粒子径が０．１〜５０μｍの耐火性骨材、粘結剤、及び溶剤を含有する砂型鋳造用塗型剤組成物であって、粘結剤を耐火性骨材の合計１００重量部に対し０．５〜１０重量部、溶剤を耐火性骨材の合計１００重量部に対し１０〜５００重量部含有する砂型鋳造用塗型剤組成物。
耐火性骨材の結晶化度が０〜５０％である請求項１記載の砂型鋳造用塗型剤組成物。
耐火性骨材が火炎溶融法で製造されたものである請求項１または２記載の砂型鋳造用塗型剤組成物。
さらに、球形度が０．８８未満の耐火性骨材を含有し、前記球形度が０．８８〜１．００の耐火性骨材（Ａ）と、該球形度が０．８８未満の耐火性骨材（Ｂ）の重量比が、（Ａ）／（Ｂ）で１５／８５〜９０／１０あり、粘結剤を耐火性骨材（Ａ）と耐火性骨材（Ｂ）の合計１００重量部に対し０．５〜１０重量部、溶剤を耐火性骨材（Ａ）と耐火性骨材（Ｂ）の合計１００重量部に対し１０〜５００重量部含有する、請求項１〜３いずれかに記載の砂型鋳造用塗型剤組成物。