JP6975380B2

JP6975380B2 - シェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂、それを用いた主型及び中子

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Publication number: JP6975380B2
Application number: JP2017179748A
Authority: JP
Inventors: 智臣早田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: JP2018058112A

Description

本発明は、シェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂、それを用いた主型及び中子、並びにシェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂の製造方法に係る発明である。

上記技術分野に関連する発明が、下記特許文献１に開示されている。特許文献１には、「目標粒度指数で、且つ、少なくともこの目標粒度指数を含む所定の粒度範囲で、粒度の粗い側の鋳物砂の割合が粒度の細かい側の鋳物砂の割合よりも大きく設定された粒度分布を有する」、鋳物砂および当該鋳物砂により造型された中子が開示されている。また、上記のような鋳物砂の製造方法として、「粒度指数が異なる複数種類の鋳物砂を所定の割合で混合することにより、目標粒度指数で、且つ、少なくともこの目標粒度指数を含む所定の粒度範囲で、粒度の粗い側の鋳物砂の割合が粒度の細かい側の鋳物砂の割合よりも大きく設定された粒度分布を有する鋳物砂を得る」、鋳物砂の製造方法が開示されている。

そして、かかる特許文献１の鋳物砂により造型された中子によれば、「緻密で平滑な表面部を得ることができ、これらを用いて得られる鋳造品の表面性状も向上させることが可能になる」、と記載されている。

特開２００１−２８６９７６号公報

鋳造により鋳造製品を製造するため使用する鋳型（主型、中子）の一種である有機鋳型として、粘桔用樹脂を骨材に被覆してなる樹脂被覆鋳物砂で造型されたシェル鋳型が周知である。シェル鋳型は、有機鋳型の中でも強度が高いので、鋳鉄や鋳鋼の鋳造製品の鋳造に幅広く使用されているが、近年、鋳型表面の砂の剥離によって生じる表面欠陥（すくわれ、型壊れ）や平滑性の面で従来水準以上の鋳肌品質の鋳造製品が具現されるとともに、内部に残存するガス欠陥がより抑制された鋳造製品が具現可能なシェル鋳型が求められている。すなわち、シェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂（Resin Coated Sand、以下、ＲＣＳという場合がある。）は、骨材である砂の表面に、フェノール樹脂やフラン樹脂などの粘桔用樹脂が被覆されている。そして、このＲＣＳで造型された主型と中子で形成されるキャビティに金属溶湯を注湯すると、高温の金属溶湯に触れた主型や中子のＲＣＳ表面の樹脂は分解してガスが発生する。このガスが注湯された金属溶湯に混入すると、得られた鋳造製品にガス欠陥が残存する場合がある。このため、シェル鋳型には、上記したように発生したガスが、当該シェル鋳型の内部を通じ外部へ充分に排出されるような通気性が求められる。

ここで、従来水準並み以上の鋳肌品質とガス欠陥の抑制という２つの要請は、シェル鋳型を形成するＲＣＳの仕様という面からは、相反する要請である。つまり、鋳肌品質を向上するためには鋳造製品が形成されるシェル鋳型の表面を高密度および平滑にする必要があり、より粒度の細かいＲＣＳで高強度のシェル鋳型を形成する方向となる。一方で、シェル鋳型の通気性を高め、発生したガスの排気を改善するためには、より粒度の粗いＲＣＳでシェル鋳型を形成する方向となる。そして、上記２つの要請をともに満たすためには、シェル鋳型の強度および表面平滑性と通気性という面で、ＲＣＳの構成を適正化する必要がある。

本発明は、従来技術水準以上の鋳肌品質を有する鋳造製品を得ることができ、かつ内在するガス欠陥が抑制された鋳造製品を得ることができるシェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂（ＲＣＳ）、それを用いた主型及び中子を提供することを目的としている。また、本発明は、上記ＲＣＳを製造できる好適な製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決する本発明の一つの実施形態は、JIS Z 8825-1に準拠して粒度分布を測定したときの体積基準の累積分布において、5％累積粒子径(d5)が140〜180μｍ、50％累積粒子径(d50)が220〜280μｍ、95％累積粒子径(d95)が390〜440μｍであり、粒子径300〜400μｍの占める割合が10〜40％、頻度分布において、前記50％累積粒子径(d50)と95％累積粒子径(d95)の間に最頻値が存在する、シェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂である。なお、前記最頻値は250〜300μｍ、その頻度が11〜13％、であることが望ましい。

本発明の別の実施形態は、前記シェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂で造型された主型であり、更に別の実施形態は、当該シェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂で造型された中子である。

上記した本発明に係るシェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂、それを用いた主型及び中子によれば、従来技術水準並みまたはそれ以上の鋳肌品質を有する鋳造製品を得ることができ、かつ内在するガス欠陥が抑制された鋳造製品を得ることができる。

本発明に係るＲＣＳの粒度分布の一例を示す図である。実施例および比較例で使用したシェル鋳型の構成図である。

以下、本発明について、より具体的に説明する。なお、本発明は、以下説明する具体的な形態および例に限定されず、同一性の範囲で変形して実施することができる。

上記したように本発明に係るシェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂（ＲＣＳ）は、シェル鋳型を造型するため粘桔性を有するシェル鋳型用樹脂で骨材が被覆されてなる鋳物砂であり、得られた鋳造製品の鋳肌品質の向上とガス欠陥の抑制という面から、下記詳述するように、その粒度分布が適正化されている。なお、ＲＣＳを構成する骨材は、例えば、けい砂、ジルコン砂やオリビン砂などの天然砂、ムライト系セラミック砂やフェロニッケル鉱滓加工砂などの人工砂、またはそれらの再生砂など、鋳型として求められる強度や耐熱性などの特性に応じ周知の骨材を適宜使用すれば良い。また、この骨材に被覆されるシェル鋳型用樹脂も、常温では粘桔性が低いが加熱により粘桔性を発揮する樹脂であれば特に限定されず、例えばノボラック型やレゾール型のフェノール樹脂など周知のシェル鋳型用樹脂を使用すれば良い。

そして、本発明に係るＲＣＳは、JIS Z 8825-1に準拠して粒度分布を測定したときの体積基準の累積分布において、
（１）5％累積粒子径（d5）が140〜180μｍ、50％累積粒子径（d50）が220〜280μｍ、95％累積粒子径（d95）が390〜440μｍであり、
（２）粒子径300〜400μｍの占める割合が10〜40％、頻度分布において、50％累積粒子径（d50）と95％累積粒子径（d95）の間に最頻値が存在するＲＣＳである。なお、5％累積粒子径（d5）、50％累積粒子径（d50）および95％累積粒子径（d95）とは、本発明に係るＲＣＳの粒度分布の一例である図１に示すように、JIS Z 8825-1に準拠して測定された粒度分布において、小径側から頻度分布を累積していったときに累積値が全体の5％、50％および95％となる粒子径のことを指す。

上記（１）の要件の限定理由を説明する。5％累積粒子径（d5）、50％累積粒子径（d50）および95％累積粒子径（d95）が下限値未満であると、ＲＣＳの粒度が細か過ぎて造型されたシェル鋳型の通気性が低くなり、ガス欠陥が発生する恐れがある。一方で、これらが上限値を超えると、通気性は高いが、造型されたシェル鋳型の表面の平滑性および強度が低くなるので、鋳肌品質が低下する恐れがある。このため、5％累積粒子径（d5）、50％累積粒子径（d50）および95％累積粒子径（d95）は、各々、140〜180μｍ、220〜280μｍ、390〜440μｍの範囲とする。好ましくは、145〜170μｍ、230〜275μｍ、395〜430μｍの範囲である、

ここで、ＲＣＳの粒度分布はJIS Z 8825-1に準拠して測定するが、具体的に、例えば、日機装(株)製マイクロトラック粒度分布測定装置(MT3000)を用いて測定することができる。

上記したように本発明に係るＲＣＳは、上記要件（１）の粒度分布を有するが、その一つの特徴は、粒子径300〜400μｍの占める割合が10〜40％であり、頻度分布において、50％累積粒子径（d50）と95％累積粒子径（d95）との間に最頻値が存在する点（要件（２））にある。つまり、本発明に係る鋳物砂は、図１に示すように、95％累積粒子径（d95）の前後の領域の粒子径である300〜400μｍという粒子径がやや粗い砂粒子（以下、中径粒子と言う場合がある。）を上記割合で含有せしめ、当該中径粒子よりも粒子径が細かい小径粒子と、より粗い大径粒子との混合割合を最適化せしめている。そのうえで、50％累積粒子径（d50）と95％累積粒子径（d95）との間に最頻値が存在せしめる、これを言い換えると、本発明に係るＲＣＳでは、その粒度分布を、比較的粒子径が大きい側に偏在せしめている。これにより、このＲＣＳで造型されたシェル鋳型では、主に中径粒子および大径粒子により砂粒子間の間隙が適正化される。そして、この適正化された砂粒子間の間隙に小径粒子が配置されることにより鋳物砂の充填性が高まり、かつ当該間隙により適切な通気性が確保され、その結果、シェル鋳型の表面の平滑性および強度と通気性の両立を図ることができるのである。なお、上記最頻値は250〜300μｍであり、その頻度が11〜13％であることが望ましい。

そして、本発明に係るＲＣＳによれば、上記した要件（１）および（２）を兼ね備えることにより、当該ＲＣＳにより形成されたシェル鋳型（主型、中子）は、その表面の平滑性および強度と通気性とが適正化され、鋳肌品質の向上とガス欠陥の抑制とを両立することが可能となる。なお、上記ＲＣＳを使用してシェル鋳型を造型する場合には、例えば重力落下（ダンプボックス）法、吹き込み法など各種周知の造型方法を適用してシェル鋳型を造型すればよい、

上記ＲＣＳの製造方法は特に限定されないが、次に述べる製造方法により好適に製造することができる。すなわち、本発明に係るＲＣＳの製造方法は、第１の砂と第２の砂とを混合して混合砂を得る混合工程と、前記混合工程で得られた混合砂にシェル鋳型用樹脂を被覆し、乾燥させる被覆工程と、を有し、前記第１の砂は、５％累積粒子径（d5）が110〜180μｍ、50％累積粒子径（d50）が220〜260μｍ、95％累積粒子径（d95）が360〜420μｍであり、前記第２の砂は、5％累積粒子径（d5）が240〜280μｍ、50％累積粒子径（d50）が330〜390μｍ、95％累積粒子径（d95）が520〜580μｍ、であり、（前記第１の砂の重量／前記第２の砂の重量）が2〜8である。かかるＲＣＳの製造方法によれば、上記説明した構成のＲＣＳを好適に製造することができる。尚、前記第１の砂は、５％累積粒子径（d5）が120〜170μｍ、50％累積粒子径（d50）が230〜250μｍ、95％累積粒子径（d95）が370〜410μｍであり、前記第２の砂は、5％累積粒子径（d5）が245〜270μｍ、50％累積粒子径（d50）が335〜380μｍ、95％累積粒子径（d95）が530〜570μｍ、であり、（前記第１の砂の重量／前記第２の砂の重量）が2〜7であることが好ましい。

具体的には、所定温度に加熱した第１の砂および第２の砂をミキサーに投入し混合した後、シェル鋳型用樹脂（フェノール樹脂）を溶融被覆させた後、レゾール樹脂の場合は冷却水、ノボラック樹脂の場合はさらに硬化剤であるヘキサメチレンテトラミン（ヘキサミン）を投入して混練する。そして、冷却が進み、骨材同士の固着が少なくなった時点で、ステアリン酸カルシウム（ステカル）を投入、分散させて自由流動可能な状態にすれば良い。

なお、混合工程で使用する骨材としての第１の砂および第２の砂は特に限定されず、例えば、けい砂、ジルコン砂やオリビン砂などの天然砂、ムライト系セラミック砂やフェロニッケル鉱滓加工砂などの人工砂、またはそれらの再生砂など、鋳型として求められる強度や耐熱性などの特性に応じ周知の骨材を適宜使用すれば良い。また、この被覆工程で骨材に被覆されるシェル鋳型用樹脂も、常温では粘桔性が低いが加熱により粘桔性を発揮する樹脂であれば特に限定されず、例えばノボラック型やレゾール型のフェノール樹脂など周知のシェル鋳型用樹脂を使用すれば良い。

以下、本発明の具体的実施例について説明する。実施例１〜３および比較例１および２ごとに、表１に示す粒度分布の第１の砂および第２の砂を所定の割合で混合して混合砂を作成し、当該混合砂にシェル鋳型用樹脂としてフェノール樹脂を被覆し、各実施例および比較例ごとに、表２に示す粒度分布（d5、d50、d95、中径粒子割合およびピーク粒径）を有するＲＣＳを得た。なお、骨材である第１の砂および第２の砂としては、ムライト系セラミック砂を使用した。
また、第１の砂、第２の砂、及びＲＣＳの粒径及び粒度分布は日機装(株)製マイクロトラック粒度分布測定装置(MT3000)を用いて測定し、粒度分布から5％累積粒子径（d5）、50％累積粒子径（d50）、95％累積粒子径（d95）、300-400μmの割合、ピーク粒径、ピーク頻度を求めた。

上記ＲＣＳを造型し、直径50ｍｍ、長さ50ｍｍの通気度用試験片を製作してＪＩＳZ2601の付属書３の迅速法に基づき、通気度を測定した。
また、縦×横×長さが10ｍｍ×10ｍｍ×60ｍｍの抗折試験片を作成し、ＪＩＳK 6910に基づき抗折力を測定した。各実施例および比較例の通気度および抗折力の測定結果を表３に示す。

次いで、各実施例および比較例ごとに作成されたＲＣＳを造型し、図２に示す、中空状のキャビティ３を有するシェル鋳型２を作成した。なお、符号１はシェル鋳型を保持するための鋳枠であり、符号４は、溶湯を注湯するための湯口である。そして、ＪＩＳG5122のSCH22に相当するステンレス鋳鋼溶湯を1600℃の注湯温度で当該鋳型２のキャビティ３に注湯し、各実施例および比較例ごとに、各6個の鋳造製品を得た。

得られた鋳造製品の鋳肌評価の結果を表２に示す。
鋳肌評価において、
×は鋳肌不良率が90％以上、
△は10〜90％（従来水準）、
○は10％未満
であったことを示す。
また、得られた鋳造製品を切断し、シェル鋳型と接触していた部分の表面をグラインダで僅かに研削した後に、浸透探傷試験により単位面積当たりのガス欠陥の発生量を確認した。
直径3.0ｍｍ以上のガス欠陥の単位面積当たりの発生量（個／25cm^２）を表３に示す。

表３に示すように、本発明の範囲である実施例１〜３では、従来水準以上に鋳肌不良率が低くかつガス欠陥の発生量を抑制できることが確認された。一方で、本発明の範囲外である比較例１、３、４ではガス欠陥の発生量が多く、比較例２では鋳肌不良率が高かった。

１鋳枠
２シェル鋳型
３キャビティ
４湯口

Claims

JIS Z 8825-1に準拠して粒度分布を測定したときの体積基準の累積分布において、5％累積粒子径(d5)が140-180μｍ、50％累積粒子径(d50)が220-280μｍ、95％累積粒子径(d95)が390-440μｍであり、
粒子径300〜400μｍの占める割合が10-40％、
頻度分布において、前記50％累積粒子径(d50)と95％累積粒子径(d95)の間に最頻値が存在するシェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂。
最頻値が250-300μｍ、その頻度が11〜13％である請求項１に記載のシェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂。
請求項１または２に記載のシェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂で造型された主型。
請求項１または２に記載のシェル鋳型用樹脂被覆鋳物砂で造型された中子。