JP7309405B2 - 鋳型用砂型資材及び鋳型用の中子及び砂型材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は鋳型用砂型資材及び鋳型用の中子及び砂型材の製造方法に関するものである。

金属、樹脂等の製品を製造するにあたって、形状によっては鋳造手法が最も適する場合がある。この場合の形状としては、殆ど製品内の空間を確保しなければならない形状が多い。このため、例えば製品の外周形状に関しては、永続使用ができる金属性の外型とするが、一方、内部空間のためには必ず、中子と称される砂型を用い、且つ製品成型後これを除去しなければならない。
即ち中子を一例とする砂型の一連の処理作業を見ると、鋳型用砂型素材の準備と、中子成型型を用いた中子の成型と、その後の鋳造製品からの中子を形成していた砂型資材の除去の工程とを必要としている。

このような一連の作業工程において、鋳造後の中子の除去作業は、中子が一定の保形性を有していることから、その除去に多くの作業と時間を要しているのが現状である。
現状多く採られている手法は、中子の保形のために作用する水ガラス等の硬化剤を除去する苛性ソーダを用いて少しずつ崩壊させている。
元よりこの工程以外にも要求される技術的課題も多く、当然ながら中子の成型性も行い易いものとしなければならない。

このような技術的課題を考慮すると、現状の鋳型用砂型資材では、充分その要求を満たしているものは殆どない。もちろん、保形作用、崩壊作用を奏するものとして、ＷＳＰ（水溶性樹脂）の一例であるＰＶＡ樹脂、アクリル樹脂、澱粉等を骨砂材に混入することもあるが（例えば特許文献１、２参照）、この場合でも、保形のために混含される硬化剤により、崩壊性の発揮が阻まれてしまい、所望の効果は得られていない。
更に中子を崩壊させる際に生ずる廃液には、水溶性の無機成分が含まれてしまうため、この廃液の処分に更なるコストを要している。

ＷＯ２００４／０４１４６０ ＷＯ２００５／０８００２３

本発明はこのような背景を考慮してなされたものであって、使用後の中子の除去性等に優れ、廃液処理の負担軽減を実現することのできる新規な鋳型用砂型資材及び鋳型用の中子及び砂型材の製造方法を開発することを技術課題としたものである。

まず請求項１記載の鋳型用砂型資材は、鋳型用砂型資材であって、このものは、親水基を具えた水溶性樹脂と、粒状主骨材とを含有する一方、水および硬化剤は含まれておらず、前記水溶性樹脂はポリビニルアルコールであり、且つ、数平均粒子径（直径）は１～５０μｍであり、また前記親水基は、カルボキシル基、および１，２－ジヒドロキシエチル基（１，２－エタンジオール構造）の２種類であり、鋳型用の中子の成型に用いられるものであり、且つ樹脂成型に用いられるものであり、加熱し、前記水溶性樹脂を溶融させて中子成型型に流し込むことができることを特徴として成るものである。

また請求項２記載の鋳型用砂型資材は、前記要件に加え、前記粒状主骨材に対するポリビニルアルコールの混合割合は、粒状主骨材１００重量部に対し、水溶性樹脂１．０～１０．０重量部であることを特徴として成るものである。

また請求項３記載の鋳型用の中子は、前記請求項１または２に記載の鋳型用砂型資材を加熱し、前記水溶性樹脂を溶融させて得た砂型材を中子成型型に流し込み、乾燥させて成ることを特徴として成るものである。

また請求項４記載の砂型材の製造方法は、粒状主骨材と、親水基を具えた水溶性樹脂とを、水および硬化剤を使用することなく混合する、砂型材の製造方法において、前記砂型材は、鋳型用の中子の成型に用いられるものであり、且つ樹脂成型に用いられるものであり、前記水溶性樹脂はポリビニルアルコールであり、且つ、数平均粒子径（直径）は１～５０μｍであり、また前記親水基は、カルボキシル基、および１，２－ジヒドロキシエチル基（１，２－エタンジオール構造）の２種類であり、粒状主骨材と水溶性樹脂との混合物を加熱し、水溶性樹脂を溶融させることを特徴として成るものである。
そしてこれら各請求項記載の構成を手段として前記課題の解決が図られる。

本発明によれば、中子の成型の作業性、成型された中子の乾燥性、使用後の中子の除去性等に優れた鋳型用砂型資材を提供することができる。また特に最終製品からの中子の除去は、最終製品を浸水させるだけで行うことができ、この際生じる廃液には水溶性の無機成分が含まれないため、この廃液を安価で処分することができる。

〔実施形態１〕
以下、本発明の「鋳型用砂型資材」について具体的に説明するものであり、このものは、「親水基」を具えた「水溶性樹脂」に対し「粒状主骨材」を混合して成る形態が挙げられ、例えば粉末状の 「水溶性樹脂」と「粒状主骨材」との混合物あるいは「粒状主骨材」を「水溶性樹脂」によってコーティングしたものとして提供されるものであり、これを第一の形態とする。
なお上記本発明の「鋳型用砂型資材」に関連し、「水」が含有された「鋳型用砂型資材」を参考形態として示すものである。
まず第一の参考形態の「鋳型用砂型資材」としては、「親水基」を具えた「水溶性樹脂」に対し「水」を混合して成る形態が挙げられ、例えば「水溶性樹脂」の水溶液として提供される。
更に第二の参考形態の「鋳型用砂型資材」としては、「親水基」を具えた「水溶性樹脂」に対し「粒状主骨材」及び「水」を混合して成る形態が挙げられ、例えば「水溶性樹脂」の水溶液と「粒状主骨材」との混合物として提供される。

まず前記「水溶性樹脂」としては、ポリビニルアルコール（以下、ＰＶＡと略記する）が採用される。
また前記「親水基」としては、カルボキシル基、１，２－ジヒドロキシエチル基（１，２－エタンジオール構造）が採用され、少なくとも一方、または２種類が「親水基」として「水溶性樹脂」に導入されている構造を採用できる。特に上記２種類の「親水基」を備える「水溶性樹脂」は「水」との親水性に優れ、「親水基」の水素結合作用により得られる「鋳型用の中子」（以下「中子」と略記する）は乾燥後に強固となり易く、乾燥性の面で有利である。

また前記「粒状主骨材」としては、一例として７～９号の砂が用いられるものであり、山砂、ケイ砂、川砂等が適用される。ケイ砂のサイズとしては、鋳型用ケイ砂のサイズを示す一般的に使用される７～９号の砂が用いられる。各号が示す鋳型用ケイ砂の平均粒子径は、７号で約０．２ｍｍであり、８号で約０．１ｍｍであり、９号で約０．０５ｍｍである。

またこの実施形態１では、本発明の「鋳型用砂型資材」を用いて「中子」を成型するにあたっては、「粒状主骨材」、「親水基」を具えた「水溶性樹脂」及び「水」が混合状とされた「砂型材」が用いられるものであり、この「砂型材」における「水」の量は、前記「水溶性樹脂」１重量部に対し、例えば、０．３～５重量部、好ましくは１．０～５重量部、更に好ましくは２～５重量部、更に好ましくは２．３～４重量部とされる。
また前記「粒状主骨材」に対する「水溶性樹脂」の割合は、「粒状主骨材」１００重量部に対し、１．０～３．０重量部、好ましくは１．２～２．４重量部、更に好ましくは１．２～２．０重量部とされる。

ここで前記「砂型材」を得るにあたって、前記第一の参考形態の「鋳型用砂型資材」を用いる場合、「水溶性樹脂」の水溶液と「粒状主骨材」とが攪拌・混合される。
また前記第一の形態の「鋳型用砂型資材」を用いる場合、粉末状の「水溶性樹脂」と「粒状主骨材」とをよく混合した後、そこに「水」を加えて攪拌・混合される。また「粒状主骨材」を「水溶性樹脂」によってコーティングしたものを用いる場合、このものと「水」とが攪拌・混合される。なおこの場合、他の二形態と比べて「水」の量が少なくて済むため、乾燥時間短縮を図ることができることが確認されている。
また前記第二の参考形態の「鋳型用砂型資材」を用いる場合、このものは既に「砂型材」の状態とされているが、流通段階において軽量化が図られて「水」の量が削減されているような場合には適宜「水」を加えて攪拌・混合される。

なお「中子」の成型の際に用いられる「中子成型型」は、木、金属、合成樹脂などで作られ、成型された「中子」を取り出す必要があるため、合せ型とされるものである。
そして「中子成型型」の周囲に砂 (鋳物砂) が詰められた状態で成型が行われるものであり、前記「砂型材」を適宜攪拌した後、「中子成型型」に流し込む。

次いで「中子成型型」を、例えば４０～１２０℃にて加熱して乾燥を行い、乾燥が充分に進んだ後、「中子成型型」が外されて、成型された「中子」が取り出される。なお乾燥時間は「中子」のサイズに応じて適宜変更される。
更に「中子」の製造方法の好ましい形態として、「中子成型型」を「中子」から外した後、得られた「中子」の周囲に被覆層を設けるようにしてもよい。この被覆層の材料としては、ＰＶＡ樹脂等の水溶性樹脂などが挙げられ、塗布方法としては、「中子」に対して、被覆層の材料を少量ずつスプレー等で塗布する手法などを採用でき、塗布後に乾燥させることにより、被覆層が表面に形成された「中子」が得られる。

このようにして本発明の「鋳型用砂型資材」を用いて成型された「中子」は、「粒状主骨材」同士の間に多数の空孔が形成されたものとなるため、浸水させることにより容易に崩壊させることができるものである。
なお本発明の「中子」は、「主型」への注湯物が金属などの高融点物でなく、より低温の樹脂である場合に好適に使用される。この樹脂としては、例えば、熱可塑性樹脂または硬化性樹脂が挙げられる。前記熱可塑性樹脂としては、加熱溶融させる樹脂として、融点が概して８０℃～２２０℃であるものが使用可能であり、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。また前記硬化性樹脂としては、ジシクロペンタジエン樹脂、シリコーン等の触媒による反応を利用した樹脂；ポリウレタン、エポキシ樹脂等の硬化剤との反応を利用した樹脂が挙げられる。

次いで「中子」を用いた「最終製品」の成型が行われるものであり、「主型」内に、バリ取りされた「中子」を設置して、「主型」と「中子」の間に、一例として樹脂材料の溶湯を流し込む。そして材料が固まった後に成型された「最終製品」を離型し、更に「最終製品」を浸水させることにより、その中に位置する「中子」を崩壊させて除去し、内部に空洞や凹凸が形成された「最終製品」が完成するものである。

上述のような一連の鋳造作業工程において、本発明の「鋳型用砂型資材」では、硬化剤（イソシアナート、メトキシレンジアミン、１，３－ビス（アミノメチル）シクロヘキサンなどのアミン化合物；アジピン酸ジヒドラジド；ＺｒＯ（ＯＨ）Ｃｌ・ｎＨ2 Ｏ、（ＮＨ4 ）2 ＺｒＯ（ＣＯ3 ）2 など）が不要となるため含まれていない。このため、「最終製品」内に位置する「中子」を除去するにあたって、浸水させることにより崩壊させることとなるが、この際、排水中に水溶性の無機成分が含まれることがない。このため排水の処分を簡易に行うことができ、排水処理にかかるコストを低減することができるものである。

〔実施形態２〕
実施形態２では、水を使用せずに「中子」を成型する技術について説明する。本実施形態おいては、実施形態１と異なる点のみ記載し、他の事項については実施形態１を援用できる。「中子」の製造工程において水を使用せずに製造する場合、「粒状主骨材」（砂）に対する「水溶性樹脂」の割合は、「粒状主骨材」１００重量部に対し、１～１０重量部、好ましくは２～８重量部、さらに好ましくは４～８重量部であることが好ましい。
また、「水溶性樹脂」の数平均粒子径（直径）は、「粒状主骨材」と混合し易い観点から、１～５０μｍであることが好ましく、５～２０μｍであることがさらに好ましい。
砂型材を得るに当たっては、まず、「粒状主骨材」と「水溶性樹脂」とを混合した後、混合物を加熱し、「水溶性樹脂」を溶融させる。溶融の程度は、「水溶性樹脂」が粘性を有し、「鋳型用砂型資材」を「中子成型型」に流し込められれば特に限定されない。溶融条件は一例として、１８０～２２０℃、０．５～５．０時間に設定できるが、加熱装置、「水溶性樹脂」の重量などによって適宜変更すればよい。また、「中子成型型」に流し込まれた「鋳型用砂型資材」の乾燥条件は例えば１８０～２２０℃、０．５～２．０時間である。乾燥後、「中子成型型」が外されて、成型された「中子」が取り出される。
このように水を使用せずに「中子」を成型する場合、より短時間での乾燥が可能となり、製造のタクトタイムを短縮できる点は非常に有効である。

〔参考例１〕
粒状主骨材：セラビーズ８号（伊藤忠セラテック社製）
ＰＶＡ水溶液：固形分２０％
配合：粒状主骨材１００重量部に対して、ＰＶＡ水溶液８重量部
上記ＰＶＡは、親水基を２つ有し、それぞれカルボキシル基および１，２－ジヒドロキシエチル基である。

上記配合で「砂型材」を調製し、適宜攪拌・混合した後「中子成型型」に流し込み、次いで「中子成型型」を１時間、９０℃の条件下で加熱して乾燥を行い、乾燥が充分に進んだ後、成型された「中子」が離型される。
そしてこれら一連の作業において、「中子成型型」へ「砂型材」を流し込む際の作業性及び乾燥性を評価する。
更に成型された「中子」を用いて樹脂を成型して「最終製品」を成型し、この「最終製品」からの「中子」の除去性を評価する。なお「中子」の除去は、「最終製品」を浸水させることにより、「中子」を崩壊させて行うものとした。
結果は表１に示すように、作業性、乾燥性、除去性全てにおいて、容易であること「◎」が確認された。

〔参考例２〕
粒状主骨材：セラビーズ８号（伊藤忠セラテック社製）
ＰＶＡ水溶液：固形分３０％
配合：粒状主骨材１００重量部に対して、ＰＶＡ水溶液８重量部
上記ＰＶＡは、親水基を２つ有し、それぞれカルボキシル基および１，２－ジヒドロキシエチル基である。

上記配合で「砂型材」を調製し、適宜攪拌・混合した後「中子成型型」に流し込み、次いで「中子成型型」を１時間、９０℃の条件下で加熱して乾燥を行い、乾燥が充分に進んだ後、成型された「中子」が離型される。
そしてこれら一連の作業において、「中子成型型」へ「砂型材」を流し込む際の作業性及び乾燥性を評価する。
更に成型された「中子」を用いて樹脂を成型して「最終製品」を成型し、この「最終製品」からの「中子」の除去性を評価する。なお「中子」の除去は、「最終製品」を浸水させることにより、「中子」を崩壊させて行うものとした。
結果は表１に示すように、作業性、乾燥状況において、容易であること「◎」が確認された。また除去性については、除去可能であること「○」が確認された。

〔参考例３〕
粒状主骨材：セラビーズ８号（伊藤忠セラテック社製）
ＰＶＡ水溶液：固形分２０％
配合：粒状主骨材１００重量部に対して、ＰＶＡ水溶液６重量部
上記ＰＶＡは、親水基を２つ有し、それぞれカルボキシル基および１，２－ジヒドロキシエチル基である。

上記配合で「砂型材」を調製し、適宜攪拌・混合した後「中子成型型」に流し込み、次いで「中子成型型」を１時間、９０℃の条件下で加熱して乾燥を行い、乾燥が充分に進んだ後、成型された「中子」が離型される。
そしてこれら一連の作業において、「中子成型型」へ「砂型材」を流し込む際の作業性及び乾燥性を評価する。
更に成型された「中子」を用いて樹脂を成型して「最終製品」を成型し、この「最終製品」からの「鋳型用砂型」（中子）の除去性を評価する。なお「中子」の除去は、「最終製品」を浸水させることにより、「中子」崩壊させて行うものとした。
結果は表１に示すように、乾燥性、除去性において、容易であること「◎」が確認された。また作業性については、薬さじ等の道具を使用せずに流し込みが可能であること「○」が確認された。

〔参考例４〕
粒状主骨材：セラビーズ８号（伊藤忠セラテック社製）
ＰＶＡ水溶液：固形分２０％
配合：粒状主骨材１００重量部に対して、ＰＶＡ水溶液１０重量部
上記ＰＶＡは、親水基を２つ有し、それぞれカルボキシル基および１，２－ジヒドロキシエチル基である。

上記配合で「砂型材」を調製し、適宜攪拌・混合した後「中子成型型」に流し込み、次いで「中子成型型」を１時間、９０℃の条件下で加熱して乾燥を行い、乾燥が充分に進んだ後、成型された「中子」が離型される。
そしてこれら一連の作業において、「中子成型型」へ「砂型材」を流し込む際の作業性及び性を評価する。
更に成型された「中子」を用いて樹脂を成型して「最終製品」を成型し、この「最終製品」からの「中子」の除去性を評価する。なお「中子」の除去は、「最終製品」を浸水させることにより、「中子」を崩壊させて行うものとした。
結果は表１に示すように、作業性、除去性において、容易であること「◎」が確認された。また乾燥性については、乾燥可能であること「○」が確認された。

〔参考例５〕
粒状主骨材：セラビーズ８号（伊藤忠セラテック社製）
ＰＶＡ水溶液：固形分２０％
配合：粒状主骨材１００重量部に対して、ＰＶＡ水溶液８重量部
上記ＰＶＡは、親水基を２つ有し、それぞれカルボキシル基および１，２－ジヒドロキシエチル基である。

上記配合（参考例１と同様）で「砂型材」を調製し、適宜攪拌・混合した後「中子成型型」に流し込み、次いで「中子成型型」を１時間、９０℃の条件下で加熱して乾燥を行い、乾燥が充分に進んだ後、成型された「中子」が離型される。
更に「中子」の表面に高濃度（固形分５０ｗｔ％）のセラビーズ８号の水溶液を塗布して被覆層を形成した。
そして得られた「中子」を用いて樹脂を成型して「最終製品」を成型し、この「最終製品」を浸水させて「中子」を崩壊・除去した後、成型面の状態を観察した。
結果はバリがほとんど生じておらず、非常に良好な樹脂成型ができることが確認された。

粒状主骨材：セラビーズ８号（伊藤忠セラティック社製）
ＰＶＡ粒子：平均粒子径１０μｍ
配合：粒状主骨材１００重量部に対して、ＰＶＡ粒子６重量部
上記ＰＶＡは、親水基を２つ有し、それぞれカルボキシル基および１，２－ジヒドロキシエチル基である。

上記配合で「砂型材」を調製し「粒子状主骨材」と「ＰＶＡ粒子」とを混合した後「中子成型型」に流し込み、次いで「中子成型型」を０．５時間、２００℃の条件下で加熱して乾燥を行い、乾燥が十分に進んだ後、成型された「中子」が離型される。
参考例１と同様に作業性、除去性の評価結果は◎であり、乾燥性については水分を使用していないことから、「中子」が３０分で崩れない状態となり、非常に良好な結果が得られた。

実施例１の粒状主骨材１００重量部に対するＰＶＡ粒子の重量部を４重量部に変更した以外は実施例１と同様にして「中子」を得た。
参考例１と同様に作業性、除去性の評価結果は◎であり、乾燥性については水を使用していないことから、「中子」の乾燥状態は非常に良好であり、「中子」が３０分で崩れない状態という非常に良好な結果が得られた。

〔比較例１〕
粒状主骨材：セラビーズ８号（伊藤忠セラテック社製）
硬化剤：水ガラス
配合：粒状主骨材１００重量部に対して、水ガラス１．６重量部

上記配合で「砂型材」を調製し、適宜攪拌・混合した後「中子成型型」に流し込み、次いで「中子成型型」を１時間、９０℃の条件下で加熱して乾燥を行い、乾燥が充分に進んだ後、成型された「中子」が離型される。
そしてこれら一連の作業において、「中子成型型」へ「鋳型用砂型資材」を流し込む際の作業性及び乾燥性を評価する。
更に成型された「中子」を用いて樹脂を成型して「最終製品」を成型し、この「最終製品」からの「中子」の除去性を評価する。
結果は表１に示すように、作業性、乾燥性において、容易であること「◎」が確認された。また除去性ついては、「最終製品」を５時間浸水させても除去できないこと「×」が確認された。なお高圧洗浄機を用いることにより、「中子」を除去することは可能であった。

Claims (4)

1. 鋳型用砂型資材であって、
   このものは、親水基を具えた水溶性樹脂と、粒状主骨材とを含有する一方、水および硬化剤は含まれておらず、
   前記水溶性樹脂はポリビニルアルコールであり、且つ、数平均粒子径（直径）は１～５０μｍであり、
   また前記親水基は、カルボキシル基、および１，２－ジヒドロキシエチル基（１，２－エタンジオール構造）の２種類であり、
   鋳型用の中子の成型に用いられるものであり、且つ樹脂成型に用いられるものであり、加熱し、前記水溶性樹脂を溶融させて中子成型型に流し込むことができることを特徴とする鋳型用砂型資材。
   
2. 前記粒状主骨材に対するポリビニルアルコールの混合割合は、粒状主骨材１００重量部に対し、水溶性樹脂１．０～１０．０重量部であることを特徴とする請求項１記載の鋳型用砂型資材。
   
3. 前記請求項１または２に記載の鋳型用砂型資材を加熱し、前記水溶性樹脂を溶融させて得た砂型材を中子成型型に流し込み、
   乾燥させて成ることを特徴とする鋳型用の中子。
   
4. 粒状主骨材と、親水基を具えた水溶性樹脂とを、水および硬化剤を使用することなく混合する、砂型材の製造方法において、
   前記砂型材は、鋳型用の中子の成型に用いられるものであり、且つ樹脂成型に用いられるものであり、
   前記水溶性樹脂はポリビニルアルコールであり、且つ、数平均粒子径（直径）は１～５０μｍであり、
   また前記親水基は、カルボキシル基、および１，２－ジヒドロキシエチル基（１，２－エタンジオール構造）の２種類であり、
   粒状主骨材と水溶性樹脂との混合物を加熱し、水溶性樹脂を溶融させることを特徴とする砂型材の製造方法。