JP4471629B2 - 鋳物製造用部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、紙管用原紙を管状に成形した鋳物製造用部品及びその製造方法並びにこれを用いた鋳物の製造方法に関する。

鋳物の製造では、一般に、鋳物砂でキャビティ（必要に応じて中子）を有する鋳型を形成するとともに、該キャビティに溶湯を供給する受け口、湯口、湯道及び堰（以下、これらを注湯系ともいう。）を形成し、さらに、ガス抜き、押湯、揚がりを形成している。このような注湯系、ガス抜き、押湯、揚がりは、通常、鋳物砂で鋳型とともに一体的に形成したり、注湯系を陶器、レンガ等の耐火材からなる注湯系構成部材を用いて形成したりしている。

上記の注湯系等を鋳型と一体的に形成する場合には、注湯系の配置を複雑にすることが困難であり、溶湯へ鋳物砂が混入しやすい。一方、前記耐火材からなる注湯系等を用いる場合には、溶湯が前記注湯系等と接触したときに溶湯の温度が低下しやすい。また、注湯系等の形成の際には、耐火材をダイヤモンドカッター等の高速カッターで切断し、切断された耐火材をテープで巻いてそれらを接続しなければならず、作業が面倒であった。また、鋳込み後は、サーマルショック等によって注湯系等が破損し、多量の産業廃棄物が発生し、その廃棄処理に手間がかかる問題がある。このように、耐火材からなる注湯系は、総じて取り扱いが不便であった。

このような課題を解決する技術として、例えば、特許文献１に記載の技術が知られている。この技術は、前記注湯系構成部材に耐火材を用いる代わりに、有機質又は無機質繊維と、有機質又は無機質バインダとを混合したスラリーから成形された断熱材を用いるものである。

しかしながら、有機質繊維と有機質バインダーを組み合わせた注湯系等は溶湯が供給されたときに熱分解によって大きく収縮してしまい、該注湯系等から溶湯が漏れたりする問題があった。また、無機質繊維と無機質バインダーとを組み合わせた前記断熱材は中空等の立体的な形態に成形することが困難であるため、この断熱材を用いて種々のキャビティ形状に対応した注湯系等を形成することができなかった。

一方、セルロース繊維に無機粉及び／又は無機繊維を混合し、セルロース繊維の使用量を低減させた鋳造用紙中子が知られている。該鋳造用紙中子は乾燥時の収縮が低減し、鋳造時にセルロース繊維に由来するガスやタール状の高分子化合物の発生量を抑え、その結果、鋳造欠陥が防止され、鋳造作業性が向上するとされている（例えば、下記特許文献２参照）。

しかし、特許文献２に記載された鋳造用紙中子は、バインダーを含んでいないため、種々のキャビティ形状に対応した注湯系等には適さない。

実開平１−６０７４２号公報 特開平９−２５３７９２号公報

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、熱分解による熱収縮を抑えることができて取り扱い性に優れ、且つ種々のキャビティ形状に対応した注湯系等を形成することができる鋳物製造用部品及びその製造方法並びにこれを用いた鋳物の製造方法を提供することにある。

本発明は、紙管用原紙を管状に成形した鋳物製造用部品であって、有機繊維、無機繊維及びバインダーを含有する鋳物製造用部品を提供することにより、前記目的を達成したものである。

また、本発明は、有機繊維、無機繊維及びバインダーを含有する鋳物製造用部品を用いた鋳物の製造方法であって、前記鋳物製造用部品を鋳物砂内に配した鋳物の製造方法を提供するものである。

また、本発明は、前記本発明の鋳物製造用部品の製造方法であって、少なくとも前記有機繊維及び前記無機繊維を含む原料スラリーから前記紙管用原紙を抄紙する工程と、抄紙された前記紙管用原紙から紙管を成形する工程と、成形された前記紙管に前記バインダーを含ませる工程とを具備する鋳物製造用部品の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、熱分解に伴う熱収縮を抑えることができて取り扱い性にも優れる鋳物製造用部品及びその製造方法並びに該鋳物製造用部品を用いた鋳物の製造方法が提供される。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。

本発明の鋳物製造用部品は、紙管用原紙を管状に成形した鋳物製造用部品であって、有機繊維、無機繊維及びバインダーを含有する。本発明の鋳物製造用部品は、紙管用原紙を巻回すことによって成形されるのが好ましい。巻回す際には、該紙管用原紙の一部が重複してもよいし、重複しなくてもよい。また、複数の該紙管用原紙を重ね巻きしてもよい。長い筒状の鋳物製造用部品を作製する場合は、帯状の紙管用原紙を螺旋状に巻回すのが好ましい。本発明の鋳物製造用部品は、紙管用原始を巻回さずに、たとえば長方形状の紙管用原紙を丸めて、対向する２辺を接合して成形してもよい。前記紙管用原紙の厚みは、鋳物製造用部品としての強度を考慮すると０．４〜２ｍｍ、特に、０．７〜１．５ｍｍが好ましい。

前記有機繊維は、主として鋳物製造用部品の骨格をなすが、鋳造時には溶融金属によってその一部若しくは全部が熱分解し、鋳物製造後は、熱分解した部分は空隙となる。
前記有機繊維としては、紙繊維のほか、フィブリル化した合成繊維、再生繊維（例えば、レーヨン繊維）等が挙げられ、これらの繊維を単独で又は二種以上を混合して用いることができる。そして、これらの中でも、特に、入手が容易且つ安定的に行え、製造費用を抑えることができるほか、脱水後と乾燥後に十分な強度が得られる点から紙繊維を用いることが好ましい。

前記紙繊維には、木材パルプのほか、コットンパルプ、リンターパルプ、竹やわらその他の非木材パルプを用いることができ、またバージンパルプ若しくは古紙パルプ（回収品）を単独で又は二種以上を混合して用いることができる。そして、入手の容易性、安定性、環境保護、製造費用の低減等の点から、特に古紙パルプが好ましい。

成形された鋳物製造用部品の表面平滑性、衝撃強度、肉厚の均一性等を考慮すると、前記有機繊維の平均繊維長は０．８〜２．０ｍｍが好ましく、０．９〜１．８ｍｍがより好ましい。

鋳物製造用部品としての成形容易性、強度確保、ガス発生量低減等の観点から、本発明の鋳物製造用部品中の前記有機繊維の含有量は、１０〜７０重量部が好ましく、２０〜６０重量部がより好ましい。なお、本明細書において、重量部という場合には、有機繊維、無機繊維及びバインダーの合計１００重量部に対する値を意味する。

前記無機繊維は、前記有機繊維と同様に、主として鋳物製造用部品の骨格をなすが、鋳造時には溶融金属の熱によっても分解も燃焼もせず、鋳物製造用部品の原形状を維持する役目を果たす。

前記無機繊維には、炭素繊維、ロックウール等の人造鉱物繊維、セラミック繊維、天然鉱物繊維等が挙げられ、これらの繊維を単独で又は二以上を混合して用いることができる。そして、これらの中でも、特に、バインダーに有機バインダーを用いた場合の該有機バインダーの炭化に伴う収縮を低減させる観点から、高温でも高強度を維持できる炭素繊維を用いることが好ましく、製造費用を抑える点からはロックウールを用いることが好ましい。

紙管用原紙の抄紙の際の濾水性確保、紙管用原紙の加工容易性等を考慮すると、前記無機繊維は、平均繊維長は０．２〜１０ｍｍが好ましく、０．５〜８ｍｍがより好ましい。

鋳物製造用部品としての強度の確保、抄造された紙管用原紙の加工容易性等の観点から、前記無機繊維の含有量は、１〜８０重量部でが好ましく、７〜４０重量部がより好ましい。

鋳物製造用部品としての成形容易性、強度の確保等の観点から、前記有機繊維に対する前記無機繊維の割合（無機繊維含有量／有機繊維含有量）は、重量比で、例えば炭素繊維の場合には１〜６０が好ましく２〜３０がより好ましい。無機繊維としてロックウールを用いた場合、その割合は１０〜９０が好ましく２０〜８０がより好ましい。

前記バインダーとしては、後述するような、有機バインダー及び無機バインダーが挙げられる。それらは単独で又は混合して用いることができる。

前記有機バインダーには、本発明の鋳物製造用部品中の前記有機繊維及び前記無機繊維を結合させる役目を奏するもの、本発明の鋳物製造用部品の強度を高め、鋳込み時に溶融金属の熱によって炭化して鋳物製造用部品の強度を維持する役目を奏するもの等がある。
前記有機バインダーとしては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。そして、これらの中でも、特に、可燃ガスの発生量が少なく、燃焼し難く、熱分解（炭化）後における残炭率が高い等の点からフェノール樹脂が好ましい。更に、該フェノール樹脂の中でも、硬化剤の必要が無く、本発明の鋳物製造用部品に含浸が可能なレゾールタイプ樹脂が好ましい。

前記無機バインダーには、本発明の鋳物製造用部品中の前記有機繊維及び前記無機繊維を結合させる役目を奏するもの、鋳物製造時にも熱分解せずに燃焼ガスや火炎の発生を抑制する効果を奏するもの、鋳物製造時の浸炭防止効果を奏するもの等がある。
前記無機バインダーとしては、コロイダルシリカ、黒曜石、ムライト、真珠岩、エチルシリケート、水ガラス等のＳｉＯ₂を主成分とする化合物が挙げられる。そして、これらの中でも、特に、単独で使用できることや塗布のし易さ等の点からコロイダルシリカを用いることが好ましい。また、浸炭防止の点からは特に黒曜石を用いることが好ましい。前記無機バインダーは単独で又は二以上を混合して用いることもできる。

鋳物製造用部品としての強度の確保、成形容易性等を考慮すると、前記バインダー（固形分）の含有量は１０〜８５重量部が好ましく、２０〜８０重量部がより好ましい。

前記バインダーとして黒曜石以外のバインダーを用いる場合には、本発明の鋳物製造用部品中の当該バインダーの含有量は、１０〜７０重量部が好ましく、２０〜５０重量部がより好ましい。
また、前記バインダーとして黒曜石を用いる場合には、全バインダー中に少なくとも２０重量部を含ませることが好ましい。前記バインダーとして黒曜石のみを用いることもできる。

また、融点の異なる二以上のバインダーを併用することができる。特に、常温（鋳造前）から高温（鋳造時）に亘る鋳物製造用部品の保形性の確保、鋳造時の浸炭防止等の観点から、低融点のバインダーと高融点のバインダーとを併用するのが好ましい。この場合、低融点のバインダーとしては、粘土、水ガラス、黒曜石等が挙げられ、高融点のバインダーとしては、上述のＳｉＯ₂を主成分とする化合物、ムライト、ウォラストナイト、Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。

本発明の鋳物製造用部品には、紙力強化材を添加することができる。紙力強化材の添加によって、紙管へのバインダー含浸時の該紙管の膨潤を低減させることができる。
紙力強化材の添加量は、前記有機繊維重量の１〜２０％、特に２〜１０％が好ましい。
紙力強化材としては、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、カイメン（ポリアミドアミンエピクロルヒドリン樹脂）等が挙げられる。

本発明の鋳物製造用部品には、さらに、凝集剤、着色剤等の他の成分を添加することができる。

前記鋳物製造用部品の厚みは、それが使用される場所に応じて適宜設定することができるが、鋳物製造用部品としての強度の確保、通気性の確保、製造費抑制等を考慮すると、例えば溶融金属と接する部分の厚みは０．２〜２ｍｍが好ましく、０．４〜１．５ｍｍがより好ましい。

前記鋳物製造用部品は、強度確保の面で、鋳造に用いられる前の状態での圧縮強度は１０Ｎ以上が好ましく、３０Ｎ以上がより好ましい。

前記鋳物製造用部品は、有機バインダーの熱分解に伴うガスの発生を極力抑える点から、鋳造に用いられる前の状態の含水率（重量含水率）は１０％以下が好ましく、８％以下がより好ましい。

前記鋳物製造用部品の密度は、強度の確保、軽量性、加工容易性等の点でから、０．５ｇ／ｃｍ³以上が好ましく、０．６〜１．２ｇ／ｃｍ³がより好ましい。

次に、前記鋳物製造用部品の製造方法について説明する。
先ず、前記有機繊維、前記無機繊維及び前記バインダーを所定の分散媒に分散させることにより原料スラリーを調製する。なお、バインダーは、紙管用原紙を抄紙して脱水、乾燥させた後、或いはさらに紙管用原紙を紙管に成形した後に、該紙管に含浸により含ませることができるため、必要に応じて原料スラリーへのバインダーの添加を省略することもできる。

前記分散媒としては、水、白水の他、エタノール、メタノール等の溶剤等が挙げられる。そして、これらの中でも抄紙、脱水成形の安定性、品質の安定性、費用低減、取り扱い易さ等の点から水が好ましい。

前記原料スラリーにおける前記分散媒に対する前記有機繊維の使用量は、製造される紙管用原紙の表面平滑性、肉厚均一性等を考慮すると、０．１〜３重量％が好ましく、０．５〜２重量％がより好ましい。

前記原料スラリーには、凝集剤、防腐剤等の添加剤を添加することができる。

次に、前記原料スラリーを用い、紙管用原紙を抄紙する。
紙管用原紙の抄紙方法には、例えば、連続抄紙式である円網抄紙機、長網抄紙機、短網抄紙機、ツインワイヤー抄紙機などを用いた抄紙方法、バッチ方式の抄紙方法である手漉法等の抄紙方法を採用することができる。

抄紙後も前記紙管用原紙が保形性や機械的強度を維持するためには、好ましくは含水率（重量含水率、以下同じ。）が７０％以下となるまで、さらに好ましくは６０％以下となるまで該紙管用原紙を脱水させる。抄紙後の紙管用原紙の脱水方法には、例えば、吸引による脱水のほか、加圧空気を吹き付けて脱水する方法、加圧ロールや加圧板で加圧して脱水する方法等の脱水用法を採用することができる。

脱水された前記紙管用原紙体は、次に乾燥工程に移されるが、乾燥には従来から紙の乾燥に用いられている手法を用いることができる。

次に、得られた紙管用原紙を裁断して所定幅の帯状物を複数作製し、それらを螺旋状に重ね巻きして複層構造の紙管を得る。

得られた紙管には、必要に応じ、部分的又は全体にバインダーを含浸させることができる。該紙管に含浸させる該バインダーとしては、レゾールフェノール樹脂、コロイダルシリカ、エチルシリケート、水ガラス等が挙げられる。
このように紙管を成形した後にバインダーを含浸させることで、原料スラリーへのバインダーの添加を省略することも可能である。

次いで、紙管を所定温度で加熱乾燥して紙管の製造を完了する。乾燥後の紙管用原紙に前記バインダーを含浸させた後に、該紙管用原紙を紙管に加工してもよい。

本発明の鋳物製造用部品は、例えば、図１に示す実施形態のような、湯口用のランナーに使用することができる。図１において、符号１は湯口用のランナーを示す。

次に、本発明の鋳物の製造方法を前記湯口用のランナーを用いた鋳物の製造方法に基づいて説明する。

先ず、図２に示すように、前記湯口用のランナー１の他、受け口２、湯道（エルボー管（Ｌ字管）を含む）３、堰４等の注湯系用ランナー、ガス抜き用ランナー５、押湯（トップ及びサイド）用ランナー６、７、揚がり用ランナー８及び内部に鋳物製品の形状に対応したキャビティ（図示せず）を有する鋳型９からなる鋳物製造用部品を所定の位置に配置する。

そして、これらの鋳物製造用部品を鋳物砂（図示せず）内に埋設し、前記注湯系を通じて所定の組成の溶融金属を鋳型９の前記キャビティ内に導く。このとき、鋳物製造用部品中に前記有機バインダーが含まれる場合には、溶融金属の熱によって、該バインダーは前記有機繊維と共に熱分解して炭化するが、鋳物製造用部品としての強度は損なわれない。また、前記無機繊維が該熱分解に伴う鋳物製造用部品の熱収縮を抑制するため、前記の各ランナー１にひび割れが生じることはなく、それらが溶融金属で流されたりすることもなく、溶融金属に鋳物砂等が混じることもない。また、有機繊維が熱分解する為、鋳型を解体して鋳物製品を取り出した後の前記の各ランナーは鋳型から容易に除去される。

鋳物砂には、従来から鋳物の製造に用いられているものを特に制限なく用いることができる。

鋳込みを終えた後、所定の温度まで冷却して鋳物砂を取り除き、さらに鋳造品にブラスト処理を施す。また、注湯系等の不要部分を取り除く。そして、必要に応じてトリミング処理等の後処理を施して鋳物の製造を完了する。

以上説明したように、本実施形態の鋳物製造用部品及びこれを用いた鋳物の製造方法によれば、有機繊維を溶融金属の熱により分解させて該鋳物製造用部品の内部に空隙を形成する一方で、無機繊維及びバインダーによって鋳物製造用部品としての強度を維持することができ、鋳型を解体した後に、当該部品の分離除去を容易に行うことができる。つまり、有機繊維、無機繊維及びバインダーを用いることにより、本発明の鋳物製造用部品は、鋳型造型時及び鋳湯時には鋳物製造用部品としての強度を保ち、鋳型を解体するときにはその強度が低下するので、鋳物製造用部品として耐火材を用いる従来の鋳造方法に比べて、鋳物製造用部品の廃棄処理が容易であり、廃棄物の発生量も大幅に低減できる。

また、本発明の鋳物製造用部品には、有機繊維、無機繊維及びバインダーが含まれているので、有機繊維のみからなる鋳物製造用部品に比べて鋳込み時の火炎量が低減し、有機繊維の燃焼による鋳物製造用部品の強度低下、有機バインダーの熱分解（炭化）に伴う熱収縮による鋳物製造用部品のひび割れ等が防止され、溶融金属への鋳物砂の混入による製品不良の発生も防止される。

また、本発明の鋳物製造用部品は通気性を有しているため、鋳湯時に発生するガスを鋳砂側に逃がすことができるため、鋳物にいわゆる巣ができたりすることがなく、不良品の発生を防ぐことができる。

加えて、本発明の鋳物製造用部品は軽量であり、簡便な装置で容易に切断加工等ができるため、取り扱い性にも優れている。

本発明は上述した実施形態に制限されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜変更することができる。

本発明の鋳物製造用部品は、前記実施形態の湯口用のランナー１の他、図２に示すような、受け口、湯道、堰、ガス抜き、押湯、揚がり用のランナー２〜８にも使用することができる。

本発明の鋳物の製造方法は、鋳鉄の他、アルミニウム及びその合金、銅及びその合金、ニッケル、鉛等の非鉄金属の鋳造にも適用することができる。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。

〔実施例１〕
下記原料スラリーを用いて下記のように抄紙、脱水し、さらに乾燥して厚み１ｍｍ、坪量４４０ｇ／ｍ²の紙管用原紙を得た。得られた紙管用原紙から下記のよう紙管を作製した。この紙管に下記のようにバインダーを含浸させて乾燥・熱硬化させ、下記物性を有する湯口用のランナー（鋳物製造用部品、重量約３０ｇ）を得た。

＜原料スラリーの調整＞
下記配合の有機繊維と無機繊維を水に分散させて約１％（水に対し、有機繊維及び無機繊維の合計重量が１重量％）のスラリーを調製した後、該スラリーに下記バインダーと下記凝集剤とを添加し、有機繊維、無機繊維、及びバインダーの混合比（重量比）が下記の値の原料スラリーを得た。

〔原料スラリーの配合〕
有機繊維：新聞古紙、平均繊維長が１ｍｍ、フリーネス（ＣＳＦ、以下同じ。）が１５０ｃｃ
無機繊維：炭素繊維（東レ(株)製、商品名：「トレカチョップ」）、繊維長３ｍｍの繊維をビータにかけ、有機繊維と無機繊維が重量混合比で２６：８のスラリーをフリーネスが３００ｃｃに調整した。
無機バインダー：黒曜石（キンセイマテック社製「ナイスキャッチ」）
有機バインダー：エポキシ系フェノール樹脂（住友ベークライト株式会社製）
凝集剤：ポリアクリルアミド系凝集剤（三井サイテック社製、Ａ１１０）
分散媒：水
有機繊維、無機繊維、無機バインダー、有機バインダーの重量混合比＝２６：８：４８：１８

＜紙管用原紙の抄紙条件＞
上記原料組成物を用い、傾斜型短網抄紙機によってライン速度１．５ｍ／分で抄紙して湿潤状態の紙シートを作製した。

＜紙管用原紙の脱水、乾燥条件＞
得られた紙シートをフェルトで挟持して該紙シートを吸引しながら脱水し、それを１２０℃の加熱ロール間にライン速度１．５ｍ／分で通し、該紙シートの含水率を５重量％以下にした。

＜紙管の成形工程＞
得られた紙管用原紙を裁断して幅がそれぞれ５４．４ｍｍ、５４．８ｍｍ、５５．２ｍｍ、５５．６ｍｍ及び５６．０ｍｍの５つの帯状物を得、まず幅が最小の帯状物を螺旋状に巻回して紙管とし、その上にさらにその他の４つの帯状物を幅の小さい順に順次螺旋状に巻回して内径が約３０ｍｍ、密度１．０ｇ／ｃｍ³の紙管を作製した。この場合、帯状物同士は接着剤で接合した。

＜乾燥硬化工程＞
前記の紙管を２００℃の乾燥炉に約６０分入れて乾燥し、ランナーを得た。

＜ランナーの物性＞
厚み：１．０ｍｍ

＜鋳物の製造＞
実施例１で得られたランナーを用い、図２に示すような注湯系を構成し、これを用いて鋳型を形成して溶湯（１４００℃）を受け口から注入した。

＜鋳物製造後のランナーの評価＞
受け口への吹き戻しや揚がりからの激しい火炎は観測されなかった。また、鋳込み後、鋳型を解体したときは、ランナーは中で凝固した金属のまわりをきれいに覆っており、その後のブラスト処理により該ランナーは容易に除去できた。

以上のように、実施例１で得られたランナー（鋳物製造用部品）は、熱分解に伴う熱収縮を抑えることができて取り扱い性にも優れていることが確認された。

本発明の鋳物製造用部品を湯口用のランナーに適用した一実施形態を模式的に示す図である。 同実施形態のランナーを鋳型等の他の鋳物製造用部品とと共に配置した状態を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 湯口用ランナー
２ 受け口用ランナー
３ 湯道用ランナー
４ 堰用ランナー
５ ガス抜き用ランナー
６、７ 押湯用ランナー
８ 揚がり用ランナー
９ 鋳型

Claims (3)

1. 紙管用原紙を管状に成形した鋳物製造用部品で、有機繊維、無機繊維及びバインダーを含有する鋳物製造用部品の製造方法であって、
   少なくとも前記有機繊維及び前記無機繊維を含む原料スラリーから前記紙管用原紙を抄紙する工程と、抄紙された前記紙管用原紙から紙管を成形する工程と、成形された前記紙管に前記バインダーを含ませる工程とを具備する鋳物製造用部品の製造方法。
2. 前記バインダーが有機バインダーであり、該有機バインダーを含浸により含ませる請求項１記載の鋳物製造用部品の製造方法。
3. 前記原料スラリーに無機バインダーを含ませる請求項２記載の鋳物製造用部品の製造方法。

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