JP6872207B2 - 砂鋳型造型用添加剤、砂鋳型造型用砂組成物、砂鋳型の製造方法及び砂鋳型 - Google Patents
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Description
特許文献1には、水ガラスをバインダーとして砂鋳型を造型する砂鋳型造型方法が開示されており、骨材となる砂粒子と、バインダーである水ガラスと、水と、界面活性剤とを混練し、発泡させてなる発泡砂が用いられている。
本発明が解決しようとする課題は、砂粒子(砂)と併用される添加剤であって、砂鋳型造型時における金型への充填性に優れ、且つ、砂鋳型の製造時間の短縮化を実現する砂組成物を与える砂鋳型造型用添加剤、かかる砂鋳型造型用添加剤を含有する砂鋳型造型用砂組成物、砂鋳型の製造方法及び砂鋳型を提供することである。
本発明は、以下に示される。
本発明の砂鋳型の製造方法は、かかる砂鋳型造型用砂組成物を成形することを特徴とする。
本発明の砂鋳型は、かかる砂鋳型造型用添加剤と、砂とアルカリ珪酸塩を含むバインダーとを含有することを特徴とする。
炭素原子数が9〜22のアルキルスルホン酸としては、ノニルスルホン酸、デシルスルホン酸、ウンデシルスルホン酸、ドデシルスルホン酸、トリデシルスルホン酸、テトラデシルスルホン酸、ペンタデシルスルホン酸、ヘキサデシルスルホン酸、ヘプタデシルスルホン酸、オクタデシルスルホン酸、ノナデシルスルホン酸、エイコシルスルホン酸、ヘンエイコシルスルホン酸及びドコシルスルホン酸が挙げられ、その金属塩は、1価金属塩及び多価金属塩のいずれでもよい。
上記成分(A)は、1価金属塩が好ましく、砂鋳型造型用砂組成物の発泡性の観点から、水溶性を有するアルカリ金属塩(ナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩等)がより好ましい。特に好ましくは、ナトリウム塩である。
また、アルキルスルホン酸金属塩は、一般的に、第一級アルキルスルホン酸金属塩、第二級アルキルスルホン酸金属塩等があるが、第一級アルキルスルホン酸金属塩が好ましい。
本発明の添加剤に含まれる成分(A)は、1種のみであってよいし、2種以上であってもよい。複数の成分(A)を用いる場合、少なくとも、炭素原子数が9〜18から選ばれたアルキル基を有するアルキルスルホン酸金属塩を含むことが好ましい。
また、アルキル硫酸金属塩は、一般的に、第一級アルキル硫酸金属塩、第二級アルキル硫酸金属塩等があるが、第一級アルキル硫酸金属塩が好ましい。
本発明の添加剤に含まれる成分(B)は、1種のみであってよいし、2種以上であってもよい。
上記ポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル金属塩としては、上記一般式におけるR2が第一級アルキル基であるポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル金属塩が好ましい。
本発明の添加剤に含まれる成分(C)は、1種のみであってよいし、2種以上であってもよい。
また、アルキルベンゼンスルホン酸金属塩は、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸金属塩及び分岐アルキルベンゼンスルホン酸金属塩のいずれでもよい。
本発明の添加剤に含まれる成分(D)は、1種のみであってよいし、2種以上であってもよい。
(1)成分(A)及び(B)の組み合わせ
(2)成分(A)、(B)及び(C)の組み合わせ
(3)成分(A)、(B)及び(D)の組み合わせ
(4)成分(A)、(B)、(C)及び(D)の組み合わせ
(5)成分(A)及び(C)の組み合わせ
(6)成分(A)、(C)及び(D)の組み合わせ
(7)成分(A)及び(D)の組み合わせ
これらのうち、(1)、(2)及び(5)が好ましく、(2)が特に好ましい。
本発明の添加剤が含有することのできる更に他の成分としては、液状媒体、発泡剤等が挙げられる。
本発明の添加剤が水を含有する場合には、水が上記の成分(A)、(B)、(C)及び(D)を溶解するため、水溶液として取り扱いが容易である。本発明の添加剤が水及び水溶性バインダーを含有する場合にも同様に、取り扱いが容易となる。
本発明の添加剤における成分(A)、成分(B)、(C)及び(D)の合計含有量を100質量部とすると、バインダーの割合は、好ましくは20〜5000質量部、より好ましくは50〜1500質量部である。
本発明の砂組成物は、上記本発明の添加剤と、砂と、アルカリ珪酸塩を含むバインダーと、を含有することを特徴とする組成物である。
本発明の砂組成物において、成分(A)、(B)、(C)及び(D)の合計量の砂に対する含有割合は、砂100質量部に対して、好ましくは0.005〜2.0質量部、更に好ましくは0.005〜1.0質量部である。
本発明の砂組成物において、バインダー及び砂の含有割合は、バインダーの種類並びに砂の種類及び性状によって、設定されたものとすることができる。本発明の砂組成物では、バインダーの含有割合が、砂100質量部に対して、好ましくは0.1〜20質量部、更に好ましくは0.1〜10質量部となるように、バインダー及び砂が配合されている。
本発明の砂鋳型製造方法は、上記本発明の砂組成物を成形することを特徴とする方法である。好ましい製造方法は、発泡させた砂組成物(以下、「発泡組成物」という)を用いる方法である。
(i)成分(A)並びに成分(B)、(C)及び(D)から選ばれた少なくとも1種を含む本発明の添加剤と、バインダーと、液状媒体と、砂とを混合し発泡する方法
(ii)成分(A)並びに成分(B)、(C)及び(D)から選ばれた少なくとも1種と、液状媒体とを含む本発明の添加剤と、バインダーと、砂とを混合し発泡する方法
また、以下の方法により発泡組成物を製造することもできる。
(iii)成分(A)並びに成分(B)、(C)及び(D)から選ばれた少なくとも1種を含む本発明の添加剤を予め発泡させて、生成した泡状物と、バインダーと、液状媒体と、砂とを混合し発泡する方法
(iv)成分(A)並びに成分(B)、(C)及び(D)から選ばれた少なくとも1種と、液状媒体とを含む本発明の添加剤を予め発泡させて、生成した泡状物と、バインダーと、砂とを混合し発泡する方法
(i)〜(iv)において、混合撹拌して砂組成物を発泡させる装置としては、従来、公知の混合装置又は混練装置を用いることができる。混合装置又は混練装置としては、例えば、愛工舎製作所社製「卓上ミキサー」、日本アイリッヒ社製「インテンシブ・ミキサー」、新東工業社製「シンプソン・ミックスマラー」等を用いることができる。
砂鋳型造型用添加剤(I)の製造原料を以下に示す。
A−1:アルキル基の炭素原子数が14〜18のアルキルスルホン酸ナトリウムの混合物(5種の化合物の混合物、即ち、アルキル基の炭素原子数が14のテトラデシルスルホン酸ナトリウム、アルキル基の炭素原子数が15のペンタデシルスルホン酸ナトリウム、アルキル基の炭素原子数が16のヘキサデシルスルホン酸ナトリウム、アルキル基の炭素原子数が17のヘプタデシルスルホン酸ナトリウム、及び、アルキル基の炭素原子数が18のオクタデシルスルホン酸ナトリウムの混合物である。以下も同様である。)
A−2:アルキル基の炭素原子数が9〜13のアルキルスルホン酸ナトリウムの混合物(5種の化合物の混合物)
A−3:アルキル基の炭素原子数が19〜22のアルキルスルホン酸カリウムの混合物(4種の化合物の混合物)
A−4:アルキル基の炭素原子数が19〜22のアルキルスルホン酸リチウムの混合物(4種の化合物の混合物)
A−5:アルキル基の炭素原子数が19〜22のアルキルスルホン酸ナトリウムの混合物(4種の化合物の混合物)
B−1:アルキル基の炭素原子数が8〜10のアルキル硫酸ナトリウムの混合物(3種の化合物の混合物)
B−2:アルキル基の炭素原子数が10〜14のアルキル硫酸ナトリウムの混合物(5種の化合物の混合物)
B−3:アルキル基の炭素原子数が14〜18のアルキル硫酸ナトリウムの混合物(5種の化合物の混合物)
C−1:アルキル基の炭素原子数が12〜14のポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸ナトリウム(エチレンオキサイド3〜4モル付加)の混合物(3種の化合物の混合物)
C−2:アルキル基の炭素原子数が10〜12のポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸ナトリウム(エチレンオキサイド3〜4モル付加)の混合物(3種の化合物の混合物)
C−3:アルキル基の炭素原子数が12〜16のポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸カリウム(エチレンオキサイド2〜5モル付加)の混合物(5種の化合物の混合物)
C−4:アルキル基の炭素原子数が12〜16のポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸リチウム(エチレンオキサイド2〜5モル付加)の混合物(5種の化合物の混合物)
D−1:アルキル基の炭素原子数が10〜16の直鎖アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムの混合物(7種の化合物の混合物)
a−1:ドデシルエーテルホスフェートカリウム(エチレンオキサイド5モル付加)
アルキルスルホン酸金属塩A−1と、アルキル硫酸金属塩B−1と、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル金属塩C−1とを、表1に示す割合で用いて、これらを均一混合し、砂鋳型造型用添加剤H−1を調製した。
表1に示す成分を、所定の割合で用いて、実施例1−1と同様にして、H−2〜H−12及びh−1〜h−3を調製した。
実施例2−1〜2−10及び比較例2−1〜2−5
珪酸ナトリウム100質量部と、試験区分1で得られた砂鋳型造型用添加剤(I)8質量部と、水240質量部とを、ビーカーに入れ、これらをスターラーにより撹拌、混合し、表2に示す砂鋳型造型用添加剤J−1〜J−12及びj−1〜j−3を調製した。次いで、これらの砂鋳型造型用添加剤(II)を20℃で24時間静置した後の状態を目視で観察し、以下の基準で砂鋳型造型用添加剤(II)の安定性を評価した。その結果を表2にまとめて示した。
<安定性の判定基準>
1:沈殿及び分離が生じなかった
2:わずかに沈殿が生じたが、撹拌によって再分散した
3:分離及び沈殿が生じたが、撹拌による再分散が不可能であった
実施例3−1〜3−10及び比較例3−1〜3−5
試験区分1で得られた砂鋳型造型用添加剤(I)と、下記3−1.のバインダーと、下記3−2.の砂と、水とを、表3に示す割合で用い、下記3−3.の4種類の調製手順により、発泡状態の砂鋳型造型用砂組成物(以下、「発泡組成物」ともいう)をそれぞれ調製した。砂鋳型の製造に用いられる発泡組成物の生産性は、砂鋳型の生産性に影響を与えるため、下記3−4.の方法により発泡組成物の粘度測定を行い、得られた発泡組成物の生産性を、下記3−5.の判定基準により評価した(表4参照)。
珪酸ナトリウムを用いた。
3−2.砂
S−1:キンセイマテック社製人工砂「グリーンビーズ AFS;90」(商品名)
S−2:山川産業社製人工砂「エスパール #60L」(商品名)
(1)調製手順1
試験区分1で得られた砂鋳型造型用添加物(I)と、バインダーと、砂と、水とを、表3に示す割合で用い、これらの合計2000グラムを卓上ミキサーにより、発泡状態になるまで撹拌、混合して、砂鋳型造型用砂組成物N−1〜N−12及びn−1〜n−3からなる発泡組成物を得た。
(2)調製手順2
試験区分1で得られた砂鋳型造型用添加物(I)と、バインダーと、水とを、表3に示す割合で、これらを500mlビーカーに入れた。次いで、これらをスターラーにより撹拌、混合し、混合物を密閉容器に移して、20℃で1週間静置した。その後、表3に示す量の砂と上記混合物とを、合計2000グラムとして卓上ミキサーにより、発泡状態になるまで撹拌、混合して、砂鋳型造型用砂組成物N−1〜N−12及びn−1〜n−3からなる発泡組成物を得た。
(3)調製手順3
試験区分1で得られた砂鋳型造型用添加物(I)と、バインダーと、水とを、表3に示す割合で、これらを500mlビーカーに入れた。次いで、これらをスターラーにより撹拌、混合し、混合物を密閉容器に移して、20℃で1週間静置した。その後、この混合物を、本多プラス社製ポンプフォーマーボトルを用いて発泡させた。そして、表3に示す量の砂と発泡物とを、合計2000グラムとして卓上ミキサーにより、発泡状態になるまで撹拌、混合して、砂鋳型造型用砂組成物N−1〜N−12及びn−1〜n−3からなる発泡組成物を得た。
(4)調製手順4
試験区分1で得られた砂鋳型造型用添加物(I)と、バインダーと、砂と、水とを、表3に示す割合で用い、これらの合計2000グラムを卓上ミキサーにより、発泡状態になるまで撹拌、混合した。次いで、これらの組成物を、別々の密閉容器に移して、20℃で1週間静置した。その後、これらの組成物を再度、卓上ミキサーに投入し、発泡状態になるまで撹拌、混合して、砂鋳型造型用砂組成物N−1〜N−12及びn−1〜n−3からなる発泡組成物を得た。
発泡状態の砂鋳型造型用砂組成物(発泡組成物)の粘度を、粘度測定装置として自社製の測定治具を用いて測定した。
まず、底部に直径6mmの細孔を有する内径42mmの円筒容器に発泡組成物を投入し、重量1kg、直径40mmの円柱状おもりにて、おもりの自重で加圧することで細孔より発泡組成物を排出させた。このとき、おもりが50mm移動するのに要した時間を計測し、下記式により粘度μ(Pa・s)を算出した。粘度測定時の温度は25℃である。
μ=πD4Ppt/(128L1L2S)
(式中、Dは、底部細孔の直径(m)、Ppは、おもりの加圧力(Pa)、tは、おもりが50mm移動するのに要した時間(s)、L1は、おもりの移動距離(=50mm)、L2は、底部細孔の板厚(m)、Sは、円柱状おもりと円筒の面積の平均値(m2)である)
全原料の混合を開始してから30秒ごとに発泡状態の砂鋳型造型用砂組成物(発泡組成物)の粘度μを測定し、粘度μが10Pa・s以下になるまでの調製時間を決定することにより、発泡組成物の生産性を下記の判定基準により評価した。尚、調製手順1〜3においては卓上ミキサーにより混合を開始してから粘度が10Pa・s以下になるまでの時間を、「撹拌・混合時間」として測定し、調製手順4においては1週間静置した後に再度、卓上ミキサーにより混合を開始してから粘度が10Pa・s以下になるまでの時間を、「撹拌・混合時間」として測定した。
<生産性の判定基準>
1:粘度が10Pa・s以下になる撹拌・混合時間が60秒未満であった
2:粘度が10Pa・s以下になる撹拌・混合時間が60秒以上120秒未満であった
3:粘度が10Pa・s以下になる撹拌・混合時間が120秒以上180秒未満であった
4:粘度が10Pa・s以下になる撹拌・混合時間が180秒以上300秒未満であった
5:粘度が10Pa・s以下になる撹拌・混合時間が300秒を超えた
実施例4−1〜4−10及び比較例4−1〜4−5
試験区分3の調製手順1で得られた発泡状態の砂鋳型造型用砂組成物(粘度が10Pa・s以下になるまで発泡させたもの)を用いて、下記(X)及び(Y)の実験を行い、砂鋳型の生産性を評価した。
発泡状態の砂鋳型造型用砂組成物(発泡組成物)を、250℃に熱した金型におけるテストピース造型用の空間(サイズ:30mm×30mm×150mm)に充填し、発泡組成物が固化するまで焼成して、テストピースを作製し、その質量を測定した。
テストピースの質量から、発泡組成物の充填性を以下の基準で評価した。その結果を表5に示す。
<発泡組成物の充填性の判定基準>
1:テストピースの質量が225g以上227g未満であった
2:テストピースの質量が220g以上225g未満又は227g以上235g未満であった
3:テストピースの質量が235g以上であった
4:テストピースの質量が210g以上220g未満であった
5:テストピースの質量が210g未満であった
発泡状態の砂鋳型造型用砂組成物(発泡組成物)を、250℃に熱した金型における鋳型造型用の空間(内容積:約250cm3)に充填し、発泡組成物が固化するまでの時間(製造時間)を測定した。下記基準に基づく結果を表5に示す。
<砂鋳型の製造時間>
1:比較例4−1に対し、製造時間が10%を超えて短縮した
2:比較例4−1に対し、製造時間が5〜10%短縮した
3:比較例4−1と同程度の製造時間であった
試験区分3の調製手順2〜4で得られた発泡状態の砂鋳型造型用砂組成物(粘度が10Pa・s以下になるまで発泡させたもの)について、試験区分4と同様にして、砂鋳型の生産性を評価した。その結果、調製手順2〜4の砂鋳型造型用砂組成物(発泡組成物)を用いて得られたすべての砂鋳型においても試験区分4と同じ結果が得られた。
Claims (11)
- 発泡させて砂鋳型の造型に用いる、砂とアルカリ珪酸塩を含むバインダーとを含む砂組成物に配合される添加剤であって、
(A)アルキル基の炭素原子数が9〜22であるアルキルスルホン酸金属塩と、
(B)アルキル硫酸金属塩、(C)ポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル金属塩、及び、(D)アルキルベンゼンスルホン酸金属塩から選ばれた少なくとも1種と、
を含有することを特徴とする砂鋳型造型用添加剤。 - 前記アルキル硫酸金属塩(B)及び前記ポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル金属塩(C)の少なくとも一方を含有する請求項1に記載の砂鋳型造型用添加剤。
- 前記アルキル硫酸金属塩(B)が、アルキル基の炭素原子数が8〜18であるアルキル硫酸金属塩を含む請求項1又は2に記載の砂鋳型造型用添加剤。
- 前記ポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル金属塩(C)が、アルキル基の炭素原子数が10〜16であるポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル金属塩を含む請求項1から3のいずれか一項に記載の砂鋳型造型用添加剤。
- 前記アルキルスルホン酸金属塩(A)の含有割合が、前記アルキルスルホン酸金属塩(A)、前記アルキル硫酸金属塩(B)、前記ポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル金属塩(C)及び前記アルキルベンゼンスルホン酸金属塩(D)の合計を100質量%とした場合に、80〜96質量%である請求項1から4のいずれか一項に記載の砂鋳型造型用添加剤。
- 前記アルキル硫酸金属塩(B)及び前記ポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸エステル金属塩(C)を含有し、前記アルキルスルホン酸金属塩(A)、前記アルキル硫酸金属塩(B)及び前記アルキルエーテル硫酸エステル金属塩(C)の含有割合が、これらの合計を100質量%とした場合に、それぞれ、80〜96質量%、2〜10質量%及び2〜10質量%である請求項1から4のいずれか一項に記載の砂鋳型造型用添加剤。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の砂鋳型造型用添加剤と、砂とアルカリ珪酸塩を含むバインダーとを含有することを特徴とする砂鋳型造型用砂組成物。
- 請求項7に記載の砂鋳型造型用砂組成物を成形することを特徴とする砂鋳型の製造方法。
- 前記製造方法が、前記砂鋳型造型用砂組成物を撹拌して該砂鋳型造形用組成物を発泡させる工程と、得られた発泡組成物を鋳型造型用空間に充填する工程と、前記鋳型造型用空間内の充填物を固化させる工程と、を備える請求項8に記載の砂鋳型の製造方法。
- 前記製造方法が、前記砂鋳型造型用添加剤を発泡させて泡状物を生成し、生成した前記泡状物と前記砂とを撹拌することにより前記砂鋳型造型用砂組成物を発泡させる工程と、得られた発泡組成物を鋳型造型用空間に充填する工程と、前記鋳型造型用空間内の充填物を固化させる工程と、を備える請求項8に記載の砂鋳型の製造方法。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の砂鋳型造型用添加剤と、砂とを含有することを特徴とする砂鋳型。
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