JP6934415B2 - 鋳型造型用粒子 - Google Patents
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Description
本実施形態の鋳型造型用粒子は、耐火性粒子の表面にフルフリルアルコールの脱水縮合物とシリケートとが混在する。本実施形態の鋳型造型用粒子によれば、再生処理を施した後に鋳物砂として用いた場合でも充分な鋳型強度を得ることができる。本実施形態の鋳型造型用粒子がこのような効果を奏する理由は定かではないが、以下の様に考えられる。
前記耐火性粒子は、新砂や再生砂を含むものである。また、天然砂であってもよく、人工砂であってもよい。当該天然砂としては、石英質を主成分とする珪砂、クロマイト砂、ジルコン砂、オリビン砂、アルミナ砂等が例示できる。当該人工砂としては、合成ムライト砂、Al2O3を主成分とするAl2O3系の鋳物砂、SiO2/Al2O3系の鋳物砂、SiO2/MgO系の鋳物砂、SiO2/Al2O3/ZrO2系の鋳物砂、スラグ由来の鋳物砂等が例示できる。当該人工砂とは、天然より産出する鋳物砂ではなく、人工的に金属酸化物の成分を調製し、溶融または焼結した鋳物砂のことを表す。これらは単独で用いても良く、2種以上を併用してもよい。処理前の耐火性粒子として再生砂を用いることもできるが、新砂の割合を高くするほど、鋳型強度向上の効果の観点からは好ましい。
前記鋳型造型用粒子は、鋳型造型用粘結剤との接着性の観点、及び耐熱性の観点からフルフリルアルコールの脱水縮合物を有する。フルフリルアルコールの脱水縮合物は、シリケートと混在した状態で前記耐火性粒子の表面に付着している。フルフリルアルコールの脱水縮合物とシリケートが混在した状態は、例えば、共連続構造、ミクロ層分離構造、相互貫入などのように混ざり合った状態を意味する。図1は、フルフリルアルコールの脱水縮合物とシリケートが混在した状態の一例を示すモデル図である。図1において、1は耐火性粒子を示し、11は耐火性粒子1の表面を示す。2は耐火性粒子1の表面11にある、フルフリルアルコールの脱水縮合物21とシリケート22が混在した部分である。3は鋳型造型用粘結剤組成物を硬化剤で硬化させた硬化物を示す。
前記鋳型造型用粒子は、耐火性粒子との接着性の観点、及び耐熱性の観点からシリケートを有する。シリケートは、フルフリルアルコールの脱水縮合物と混在した状態で前記耐火性粒子の表面に存在している。
更に、本発明はフルフリルアルコール及びアルキルシリケートを含有する、耐火性粒子の表面に存在させうる、表面処理剤組成物にある。用いられるフルフリルアルコールやアルキルシリケートは上述したものと同じものを用いることができる。表面処理剤としては、フルフリルアルコールとアルキルシリケートの質量比が(フルフリルアルコールの質量)/(アルキルシリケートの質量)の範囲が0.05〜19が好ましく、0.25〜4がより好ましい。更に、表面処理剤組成物としては、表面処理剤に水などの溶剤を加えたものを用いることができる。その場合には流動性と効果の発現効率の観点から固形分濃度(質量%)として40〜95が好ましく、60〜90がより好ましい。
〔第1の実施形態〕
前記鋳型造型用粒子の製造方法の第1の実施形態は、フルフリルアルコール、アルキルシリケート、及び酸を前記耐火性粒子に存在させる付着工程を有する。
前記酸はフルフリルアルコールを脱水縮合反応させるとともに、アルキルシリケートを加水分解・重縮合反応させるものであれば特に限定されない。このような酸の例としては、キシレンスルホン酸(特に、m−キシレンスルホン酸)及びトルエンスルホン酸(特に、p−トルエンスルホン酸)等のスルホン酸系化合物、リン酸系化合物、硫酸等が挙げられる。このような酸の市販品としては、カオーライトナーC−17、同C−21(いずれも花王クエーカー株式会社製)等が挙げられる。
前記鋳型造型用粒子の製造方法の第2の実施形態は、フルフリルシリケート、及び酸を前記耐火性粒子に存在させる付着工程を有する。
前記鋳型造型用粒子の製造方法の第2の実施形態に用いることができる酸は、前記第1の実施形態で用いることができる酸と同様である。
本実施形態の鋳型用組成物は、前記鋳型造型用粒子、鋳型造型用粘結剤組成物、及び前記鋳型造型用粘結剤組成物を硬化させる硬化剤組成物を含有する。
前記鋳型造型用粘結剤組成物は、公知一般のものを特に限定無く用いることができるが、前記鋳型造型用粒子との接着性の観点から、酸硬化性樹脂が好ましい。当該酸硬化性樹脂としては、フルフリルアルコール、フルフリルアルコールとアルデヒド類の縮合物、フェノール類とアルデヒド類の縮合物、メラミンとアルデヒド類の縮合物、及び尿素とアルデヒド類の縮合物よりなる群から選ばれる1種からなるものや、これらの群から選ばれる2種以上の混合物からなるものが使用できる。また、前記群から選ばれる2種以上の共縮合物からなるものや、前記群から選ばれる1種以上と前記共縮合物との混合物からなるものも使用できる。このうち、前記鋳型造型用粒子との接着性の観点から、フルフリルアルコールとフェノール類とアルデヒド類の縮合物、フルフリルアルコールとメラミンとアルデヒド類の縮合物、及びフルフリルアルコールと尿素とアルデヒド類の縮合物よりなる群から選ばれる1種からなるフラン樹脂、あるいはこれらの群から選ばれる2種以上の混合物からなるフラン樹脂が好ましい。また、鋳型強度向上の観点、及び保存安定性の観点から、フルフリルアルコールと尿素とアルデヒド類の縮合物であることが好ましい。なかでも、粘結剤組成物の粘度を適度な範囲に調整する観点から、酸硬化性樹脂はフルフリルアルコールを含有することが好ましい。
前記粘結剤組成物中には、さらに水が含まれてもよい。例えば、フルフリルアルコールとアルデヒド類の縮合物などの各種縮合物を合成する場合、水溶液状の原料を使用したり縮合水が生成したりするため、縮合物は、通常、水との混合物の形態で得られるが、このような縮合物を粘結剤組成物に使用するにあたり、合成過程に由来するこれらの水をあえて除去する必要はない。また、前記粘結剤組成物を取扱いやすい粘度に調整する目的などで、水をさらに添加してもよい。ただし、水が過剰になると、酸硬化性樹脂の硬化反応が阻害されるおそれがある。従って、前記粘結剤組成物中の水の含有量は、前記粘結剤組成物を扱いやすくする観点から、0.5〜30質量%の範囲とすることが好ましく、3〜25質量%の範囲がより好ましい。
また、前記粘結剤組成物中には、さらにシランカップリング剤等の添加剤が含まれていてもよい。例えばシランカップリング剤が含まれていると、鋳型強度を向上させることができるため好ましい。シランカップリング剤としては、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノシランや、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等のエポキシシラン、ウレイドシラン、メルカプトシラン、スルフィドシラン、メタクリロキシシラン、アクリロキシシランなどが用いられる。好ましくは、アミノシラン、エポキシシラン、ウレイドシランである。シランカップリング剤の前記粘結剤組成物中の含有量は、鋳型強度を向上させる観点から、0.01〜1.5質量%であることが好ましく、0.05〜1.0質量%であることがより好ましい。
前記硬化剤組成物は、前記鋳型造型用粘結剤組成物を硬化させるものであれば公知一般のものを特に限定無く用いることができる。例えば、前記鋳型造型用粘結剤組成物が酸硬化性樹脂を含む場合、当該酸硬化性樹脂を硬化させる硬化剤組成物としては、キシレンスルホン酸(特に、m−キシレンスルホン酸)やトルエンスルホン酸(特に、p−トルエンスルホン酸)、メタンスルホン酸等のスルホン酸系化合物、リン酸、酸性リン酸エステル等のリン酸系化合物、硫酸等を含む酸性水溶液など、従来公知のものを1種以上使用できる。更に、前記硬化剤組成物中にアルコール類、エーテルアルコール類及びエステル類よりなる群から選ばれる1種以上の溶剤や、カルボン酸類を含有させることができる。一般には25℃でのpHが2以下、より好ましくは1以下の硬化剤組成物が使用される。硬化剤組成物中の酸の濃度は、例えば3〜100質量%であり、好ましくは10〜90質量%より好ましくは、15〜80質量%である。これらの濃度や添加量は、用いる砂の温度、使用する環境の気温、湿度により適切な量に調整することが好ましい。
前記鋳型用組成物を硬化させることによって鋳型を製造することができる。本実施形態の鋳型の製造方法において、従来の鋳型の製造プロセスをそのまま利用して鋳型を製造することができる。好ましい鋳型の製造方法として、前記鋳型造型用粒子と前記鋳型造型用粘結剤組成物と、当該鋳型造型用粘結剤組成物を硬化させる硬化剤組成物とを混合して前記鋳型用組成物を得る混合工程、及び前記鋳型用組成物を型枠に詰め、当該鋳型用組成物を硬化させる硬化工程を有する鋳型の製造方法が挙げられる。
〔実施例1〕
[鋳型造型用粒子の調製]
珪砂(フリーマントル新砂)100質量部に対して、表1に示す硬化剤組成物を所定量添加し、バッチミキサーで約30秒間混練し、次いで、耐火性粒子の処理剤を所定量添加して、約8分間混練し、鋳型造型用粒子を得た。
上記で得られた鋳型造型用粒子100質量部に対して、硬化剤組成物(花王株式会社製カオーライトナーC−17)0.28質量部を添加し、バッチミキサーで約30秒間混練し、次いでフラン樹脂(花王クエーカー株式会社製カオーライトナーEF−5402)0.7質量部を添加して約30秒間混練し、混練砂得た。得られた混練砂をステップコーン木型に充填し、所定時間経過後に抜型し、鋳型を得た。当該鋳型に鋳込み約1400℃の温度で鋳鉄用材料鉄(FC−250)を注湯し、鋳造した後、鋳型をばらしてハイブリッドサンドマスターで60秒間機械研磨を行って再生砂を得た。以上により得られた鋳型造型用粒子の表面には、フルフリルアルコールの脱水縮合物由来の有機層とシリケート由来のSiとが存在する層が形成される。更に好ましくはその層が流動性を持たない固着層となっていることである。
25℃/55%RHの条件下で、鋳型造型用粒子100質量部に対して硬化剤組成物(花王クエーカー株式会社製カオーライトナーC−17)0.28質量部を添加した後、キッチンミキサーで約40秒間混練し、次いでフラン樹脂(花王クエーカー株式会社カオーライトナーEF−5402)0.7質量部を添加し、約20秒間混練し、混練砂を反転後、更に約40秒間混練した(合計約2分間)。混練終了後、混練砂を、高さ50mm、直径50mmの円筒形塩化ビニール製のテストピース枠9個に充填し、強度測定用の鋳型のテストピースを造型した。
圧縮強度(MPa)の測定は、30分後、1時間後、2時間後の経時変化を、24時間後については2時間後に抜型したテストピース鋳型について、更に22時間そのまま放置したものを、オートグラフAG−5000D(島津製作所社製、ヘッドスピード5mm/分)を用いて測定した。
実施例1の鋳型造型用粒子を珪砂(フリーマントル新砂)に変更した以外は実施例1と同様にしてテストピースを作製し、強度を測定した。
〔鋳型用組成物の調製及び再生砂の調製〕
25℃/55%RHの条件下で、珪砂(フリーマントル新砂)100質量部に表2に示す硬化剤組成物を所定量添加し、キッチンミキサーで約40秒間混練した。得られた混練物に表2に示す耐火性粒子の処理剤を所定量添加し、約20秒間混練し、混練物を反転後、更に約8分40秒間混練し、鋳型造型用粒子を得た。24時間後、鋳型造型用粒子に25℃/55%RHの条件下で、鋳型造型用粒子100質量部に対して硬化剤組成物(花王クエーカー株式会社製カオーライトナーUS−3、C−21混合液)0.28質量部を添加した後、キッチンミキサーで約40秒間混練し、次いでフラン樹脂(花王クエーカー株式会社カオーライトナーEF−5402)0.7質量部を添加し、約20秒間混練し、混練砂を反転後、更に約8分40秒間混練し、鋳型造型用組成物を得た。24時間後、ステンレスバッドにアルミホイルを敷き、その上に鋳型用組成物を敷き詰めて、更にアルミホイルで密閉した。その後、混練砂の入ったステンレスバッドを熱風乾燥機で400℃/1.0時間熱処理し、熱処理砂を得た。この熱処理砂を再生砂とした。
実施例1の鋳型造型用粒子を表2に記載の熱処理後の鋳型造型用粒子に変更した以外は実施例1と同様にして当該再生砂でテストピースを作製して強度を測定した。
られる。
2 鋳型造型用粘結剤組成物の硬化物
3 フルフリルアルコールとシリケートが混在した部分
11 耐火性粒子の表面
21 フルフリルアルコールの脱水縮合物
22 シリケート
Claims (7)
- 耐火性粒子の表面にフルフリルアルコールの脱水縮合物とシリケートとを有する鋳型造型用粒子の製造方法であって、
フルフリルアルコール、アルキルシリケート、及び酸を前記耐火性粒子に付着させる付着工程を有する、鋳型造型用粒子の製造方法。 - 前記耐火性粒子が、再生砂である、請求項1に記載の鋳型造型用粒子の製造方法。
- 耐火性粒子の表面にフルフリルアルコールの脱水縮合物とシリケートとを有する鋳型造型用粒子の製造方法であって、
フルフリルシリケート、及び酸を前記耐火性粒子に付着させる付着工程を有する、鋳型造型用粒子の製造方法。 - 前記耐火性粒子が、再生砂である、請求項3に記載の鋳型造型用粒子の製造方法。
- 耐火性粒子の表面にフルフリルアルコールの脱水縮合物とシリケートとを有する鋳型造型用粒子、鋳型造型用粘結剤組成物、及び当該鋳型造型用粘結剤を硬化させる硬化剤組成物を含有する鋳型用組成物。
- 耐火性粒子の表面にフルフリルアルコールの脱水縮合物とシリケートとを有する鋳型造型用粒子、鋳型造型用粘結剤組成物、及び当該鋳型造型用粘結剤組成物を硬化させる硬化剤組成物を混合して鋳型用組成物を得る混合工程、及び前記鋳型用組成物を型枠に詰め、当該鋳型用組成物を硬化させる硬化工程を有する鋳型の製造方法。
- フルフリルアルコール及びアルキルシリケートを含有する耐火性粒子の表面処理剤組成物。
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