JP6685796B2

JP6685796B2 - 結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物

Info

Publication number: JP6685796B2
Application number: JP2016068598A
Authority: JP
Inventors: 豪士中崎; 洋二小川; 恒平河野; 俊一郎内田; 充谷村
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: JP2017178680A

Description

本発明は、結合材噴射方式付加製造装置に用いるセメント組成物に関する。

鋳造は、溶融した金属を鋳型に注入して鋳物を作製する伝統的な金属加工法である。この鋳造に用いる自硬性鋳型は、使用する粘結材に応じて有機系と無機系があり、このうち無機系は、主に水ガラス系とセメント系がある。ただし、セメント系自硬性鋳型は、鋳込み温度によっては、含まれる石膏が熱分解してガスが発生する場合がある。また、この鋳型の作製では、模型や木型の試作が前工程として必須であるが、この前工程には時間とコストがかかる。
そこで、ガスが発生することなく、また、該前工程を経ることなく、鋳型を作製できる手段が望まれる。

特許文献１に記載のガス吸収材料は、鋳造時に、鋳型に含まれる有機成分の熱分解によって生じるガスを吸収する材料であって、吸水性かつ耐熱性のある粉粒体に液体のガス吸収剤を吸着させて成形したものである。該ガス吸収材料は、鋳型内に含ませて用いる。しかし、セメント系自硬性鋳型に発生するガスは、主に、硫黄酸化物であり、有機成分の熱分解によって生じるガスを吸収する前記ガス吸収材料では、効果が低いと思われる。

ところで、最近、付加製造装置が、迅速かつ精密な造形手段として注目されている。この付加製造装置のうち、例えば、粉末積層成形装置は、粉末を平面の上に敷き詰め、該粉末に水性バインダを噴射して粉末を固化し、該固化物を垂直方向に順次積層して造形する装置である。この装置の特徴は、３次元ＣＡＤ等で作成した立体造形のデータを多数の水平面に分割し、これらの水平面の形状を順次積層して、成形体を作製する点にある。
そこで、前記付加製造装置を用いて鋳型を作製できれば、前記の前工程は不要になるから、作業時間とコストの削減に資することが期待される。

特許文献２は、結合材噴射法（粉末積層成形法）に適した粉末材料を提案している。該材料は、珪砂、オリビン砂、人工砂等の耐火砂に速硬性セメントを粘結材として所定の量配合して混練したもので、これに水性バインダを加えて固化・積層して成形体を作製する。
しかし、結合材噴射法で作製した成形体は、空隙が多くなり易いため、強度が低く破損し易い。
また、特許文献３に記載の造形用材料は、骨材と当該骨材を結着させるバインダーの粉状前駆体とが混合された、粉末固着積層法における造形用材料であって、前記骨材は７０重量％以上であり、前記粉状前駆体はセメント等である。しかし、セメントは石膏を含むため、前記造形用材料はガスの発生を抑制できないから、鋳物製品の美観への影響が懸念されるところ、該文献は美観について記載がない。

特開平７−２１３８９５特開２０１１−５１０１０号公報特開２０１０−１１０８０２号公報

したがって、本発明は、結合材噴射方式付加製造装置に用いるための、強度がより高いセメント組成物を提供すること、さらには、高耐熱で鋳造時のガスの発生が少なく鋳型に好適なセメント組成物を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の化学成分を特定量含むセメント組成物は、付加製造装置を用いた造形が可能で、これまでよりも強度と耐熱性が高く、かつ鋳造に用いた場合、鋳造時のガスの発生が少ないことを見い出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、下記の構成を有するセメント組成物である。

［１］炭酸リチウムを除く炭酸アルカリ金属塩、ケイ酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ金属塩、および乳酸アルカリ土類金属塩から選ばれる１種以上の添加剤とセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、該添加剤を３〜５質量％含む粘結材１００質量部に対し、砂を２００〜４００質量部含有する、結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
［２］前記砂が、珪砂、オリビン砂、および人工砂から選ばれる１種以上である、前記［１］に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
［３］前記結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物が鋳物砂である、前記［１］または［２］に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。

本発明のセメント組成物は、結合材噴射方式付加製造装置を用いて造形した場合、より強度が高いので破損することが少ない。また、高耐熱性であり、鋳造に用いた場合、鋳造時のガスの発生が少なく、表面が平滑で美観性が高い鋳物を製造できる。

結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物を用いて作製した、鋳型の一例を示す写真である。

本発明は、前記のとおり、炭酸アルカリ金属塩、ケイ酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ金属塩、および乳酸アルカリ土類金属塩から選ばれる１種以上の添加剤とセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、該添加剤を３〜１０質量％含む粘結材１００質量部に対し、砂を１００〜４００質量部含有する、結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物等である。
以下、本発明について、粘結材および砂等に分けて、詳細に説明する。

１．粘結材
該粘結材は、炭酸アルカリ金属塩、ケイ酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ金属塩、および乳酸アルカリ土類金属塩から選ばれる１種以上の添加剤と、セメントクリンカー粉末を含むものである。次に、炭酸アルカリ金属塩、ケイ酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ金属塩、および乳酸アルカリ土類金属塩とセメントクリンカー粉末について説明する。
（１）添加剤
該添加剤は、炭酸アルカリ金属塩、ケイ酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ金属塩、および乳酸アルカリ土類金属塩から選ばれる１種以上である。該炭酸アルカリ金属塩は、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、および炭酸リチウムから選ばれる１種以上が挙げられる。該ケイ酸アルカリ金属塩は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、およびケイ酸リチウムから選ばれる１種以上が挙げられる。該乳酸アルカリ金属塩は、乳酸ナトリウム、乳酸カリウム、および乳酸リチウムから選ばれる１種以上が挙げられる。また、該乳酸アルカリ土類金属塩は、乳酸カルシウム、および乳酸マグネシウムから選ばれる１種以上が挙げられる。
前記粘結材中の添加剤の含有率は、添加剤とセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、３〜１０質量％である。該値が、該範囲内であれば、迅速な造形のための速硬性と取扱い可能な強度を確保できる。なお、該値は、好ましくは４〜９質量％、より好ましくは５〜８質量％である。添加剤は、付加製造装置から供給される水に溶解して用いることもできる。

（２）セメントクリンカー粉末
該セメントクリンカー粉末のクリンカーは、普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー、中庸熱ポルトランドセメントクリンカー、低熱ポルトランドセメントクリンカー、白色ポルトランドセメントクリンカー、エコセメントクリンカー、アリナイトセメントクリンカー、アーウィンクリンカー、カルシウムフルオロアルミネートクリンカー、およびモノカルシウムアルミネートクリンカーから選ばれる１種以上が挙げられる。これらの中でも、強度の観点から、普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー、アーウィンクリンカー、カルシウムフルオロアルミネートクリンカー、またはモノカルシウムアルミネートクリンカーが好ましい。
また、前記粘結材中のセメントクリンカー粉末の含有率は、添加剤とセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、９０〜９７質量％である。該値が該範囲内であれば、強度発現性が高い。なお、該値は、好ましくは９１〜９６質量％、より好ましくは９２〜９５質量％である。
また、該セメントクリンカー粉末のブレーン比表面積は、好ましくは２０００〜６０００ｃｍ^２／ｇである。該値が該範囲内にあれば、セメント組成物の強度発現性は充分に高い。なお、該値は、より好ましくは３０００〜５０００ｃｍ^２／ｇ、さらに好ましくは４０００〜５０００ｃｍ^２／ｇである。
なお、前記粘結材は、必須成分である前記添加剤とセメントクリンカー粉末のほかに、強度発現性の調整材等として、高炉スラグ、フライアッシュ、シリカフューム、および石灰石粉末等の任意成分を含んでもよい。

２．砂
該砂は、耐火砂であれば、特に制限されず、珪砂、オリビン砂、および人工砂から選ばれる１種以上が挙げられる。また、該砂の配合量は、前記粘結材１００質量部に対し、１００〜４００質量部である。該値が該範囲であれば、耐火性と強度発現性を確保できる。なお、該配合量は、前記粘結材１００質量部に対し、好ましくは１５０〜３５０質量部、より好ましくは２００〜３００質量部、さらに好ましくは２００〜２５０質量部である。

３．その他
本発明の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物を造形に用いる場合、水／粘結材（質量比）は、強度の観点から、好ましくは０．０１〜０．１、より好ましくは０．０２〜０．０９、さらに好ましくは０．０３〜０．０８である。
また、成形体の養生方法は、気中養生、または、気中養生後に続けて水中養生する方法が採用できる。気中および水中の温度は、特に制限されないが、養生のし易さから、好ましくは１０〜５０℃でよい。気中養生時間は、十分な強度発現と生産効率の観点から、好ましくは０．５〜５時間、より好ましくは１〜４時間、さらに好ましくは２〜４時間である。また、水中養生時間は、好ましくは５時間以上、より好ましくは１０時間以上、さらに好ましくは２０時間以上である。
本発明のセメント組成物を用いて作製した成形体は、耐熱性が高いことから鋳物等に好適である。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
１．使用した材料
（１）添加剤
（i）炭酸ナトリウム（試薬１級、関東化学社製）
（ii）炭酸リチウム（試薬１級、関東化学社製）
（iii）ケイ酸ナトリウム（試薬１級、関東化学社製）
（iv）乳酸カルシウム（試薬１級、関東化学社製）
（２）セメントクリンカー粉末
（i）普通ポルトランドセメントクリンカー粉末（略号：ＮＰＣＣ）
ブレーン比表面積：４０００ｃｍ^２／ｇ
（ii）超速硬セメントクリンカー粉末（略号：ＳＨＣＣ）
スーパージェットセメント（登録商標、小野田ケミコ社製）の構成成分であるアーウィンおよびビーライト含有クリンカーを粉砕して使用した。
ブレーン比表面積：５３００ｃｍ^２／ｇ
（３）細骨材
珪砂８号（東北硅砂社製）、密度２．６１ｇ／ｃｍ^３
（４）水
水道水

２．セメント組成物、鋳型、およびモルタル供試体の作製
表１に掲載の配合に従い、前記の添加剤、セメントクリンカー粉末、および細骨材を、ビニル袋に入れて振盪してセメント組成物を作製した。
次に、該セメント組成物と、結合材噴射式粉末積層造形装置（付加製造装置商品名：ZPrinter310 Ｚコーポレーション社製）を用いて、結合材噴射法により、寸法が縦１０ｍｍ、横１６ｍｍ、および長さ８０ｍｍのモルタル供試体と、図１に示す階段状の鋳型を作製した。
なお、前記装置による鋳型の成形方法は、所定の位置を選択して、ノズルから一定量の水を噴出して、セメント組成物を固化する方法であり、水／粘結材は質量比で０．０５である。

３．モルタル供試体の曲げ強度の測定
次に、前記モルタル供試体を、表１に示す養生パターン（２０℃の気中で３時間養生、または２０℃の気中で３時間養生した後、さらに２０℃の水中で２１時間養生）で養生した後、曲げ強度試験機 MODEL-2257（アイコーエンジニアリング社製）を用いて３点曲げ試験を行い、前記モルタル供試体の曲げ強度を測定した。その結果を表１に示す。
表１に示すように、実施例１は、３時間の気中養生、および、３時間の気中養生後さらに水中で２１時間水中養生した場合のいずれも、比較例１に比べて曲げ強度が高い。一方、炭酸ナトリウムが含まれない粘結材を用いた比較例１では、３時間の気中養生では水中への運搬時や寸法測定時に破損する場合があった。実施例２〜５についても、３時間の気中養生を行った後の曲げ強度は、添加剤を含まない比較例２に比べて高い。ちなみに、３時間の気中養生で要求される曲げ強度は、０．１ＭＰａ以上である。

４．鋳物の作製
さらに、前記鋳型に溶融した鋳鉄を流し込み、鋳物を作製した。
いずれの実施例も鋳込み時にガスが発生せず、表面が平滑な鋳物を作製できた。

Claims

炭酸リチウムを除く炭酸アルカリ金属塩、ケイ酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ金属塩、および乳酸アルカリ土類金属塩から選ばれる１種以上の添加剤とセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、該添加剤を３〜５質量％含む粘結材１００質量部に対し、砂を２００〜４００質量部含有する、結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
前記砂が、珪砂、オリビン砂、および人工砂から選ばれる１種以上である、請求項１に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
前記結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物が鋳物砂である、請求項１または２に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。