JP5063251B2 - 消失模型用アルコール系塗型剤組成物 - Google Patents

Description

本発明は、消失模型用アルコール系塗型剤組成物に関する。

消失模型鋳造法はフルモールド法とも言われ、合成樹脂発泡体にて製作した模型を鋳物砂に埋没したまま鋳型として利用するプロセスであり、木型で行う鋳造法と比較し、試作や仕様変更が容易で、短納期、低コスト等多くのメリットがある。しかしながら、残渣欠陥や焼着欠陥の低減などの課題が残されており、様々な改良研究が行われている。

残渣欠陥とは、溶融金属の熱により合成樹脂発泡体が熱分解し、系外に排出されないガスが残渣として鋳物表面に残る表面欠陥であり、発生ガスを効率的に排出させるいわゆる塗型膜の通気性が重要な因子である。また、焼着とは模型に塗付した塗型膜が物理的、化学的要因で壊れ、溶融金属が砂型に浸入する現象で、溶融金属に対する耐圧力性、耐反応性のみでなく、乾燥時の収縮によりひび割れない強固な塗型膜が必要である。また、乾燥時の塗膜のひび割れは、耐焼着性の劣化のみでなく、膜が剥がれ落ちて製品に巻き込まれる塗型噛みの欠陥をもたらすことが知られている。

特許文献１には、残渣欠陥及び焼着を防止できる消失模型用塗型剤組成物として、ＤＴＡの吸熱ピーク温度（℃）が特定の範囲にある鉱石を含有する消失模型用塗型剤組成物が提案されている。特許文献２には、得られる塗型膜にひび割れが生じにくく、しかも焼着欠陥が生じにくい塗型剤として、平均粒径が４０ｎｍ以上であるシリカゾルを含有し、消失模型にも適用し得る塗型剤が提案されている。
特開２００３−２９０８６９号 特開２００２−３２１０３６号

特許文献１では、残渣欠陥及び焼着を防止できるものであるが、乾燥時の塗膜のひび割れについて課題が残されていた。また、特許文献２は得られる塗型膜にひび割れが生じにくく、しかも焼着欠陥が生じにくいものであるが、消失模型を用いた鋳物の製造においては、残渣欠陥の更なる改善が望まれる。

本発明の課題は、耐残渣性に優れ、耐焼着性が高く、乾燥時の塗膜の耐ひび割れ性をバランスよく具備する消失模型用アルコール系塗型剤を提供することにある。

本発明は、黒曜石、真珠岩及び松脂岩から選ばれる少なくとも一種の耐火性粒子（ａ）〔以下、（ａ）成分という〕と、鱗片状耐火性粒子（ｂ）〔以下、（ｂ）成分という〕とを、（ａ）／（ｂ）＝９５／５〜４０／６０の重量比で含有する消失模型用アルコール系塗型剤組成物に関する。

また、本発明は、消失模型表面に、上記本発明の消失模型用アルコール系塗型剤組成物を塗布してなる鋳物用消失模型、及び該鋳物用消失模型を用いる鋳物の製造方法に関する。

本発明によれば、耐残渣性に優れ、耐焼着性が高く、更に乾燥時の塗膜の耐ひび割れが高い消失模型用アルコール系塗型剤組成物が提供される。

本発明の塗型剤組成物に用いられる（ａ）成分は、黒曜石、真珠岩、松脂岩である。これらは、いわゆるパーライトと呼ばれる鉱石であり、その代表的な組成は、ＳｉＯ₂が７６重量％、Ａｌ₂Ｏ₃が１２重量％、Ｆｅ₂Ｏ₃が１重量％、ＣａＯが０．５重量％、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏがそれぞれ４重量％である。（ａ）成分としては、耐焼着性及び耐残渣欠陥性が向上する観点から黒曜石が好ましい。

本発明に用いられる（ａ）成分の粒子径は、通気性の観点から大きい方が好ましく、耐焼着性の観点からは小さい方が好ましい。よって、（ａ）成分の平均粒子径は、１〜１５０μｍが好ましく、２０〜１２０μｍがより好ましく、３０〜１００μｍのものが更に好ましい。

なお、本発明において、耐火性粒子（ａ）の平均粒子径は、レーザー回折の散乱式粒子径分布測定装置（堀場製作所製 ＬＡ−９２０型）にて測定した単一粒子径分布のメジアン径である。

また、本発明の塗型剤組成物に用いられる（ｂ）成分は、鱗片状耐火性粒子である。ここで、鱗片状耐火性粒子とは、うろこ状の細片で、平坦な耐火性粒子をいう。

また、本発明の（ｂ）成分である鱗片状耐火性粒子は、鱗片状の形状度合いを示す尺度としてアスペクト比を用いることができる。（ｂ）成分の鱗片状耐火性粒子は、耐ひび割れ性及び耐残渣欠陥性の観点から、アスペクト比が高いものが好ましく、また、耐焼着性の観点からアスペクト比が低いものが好ましい。従って、（ｂ）成分の鱗片状耐火性粒子は、耐ひび割れ性、耐残渣欠陥性及び耐焼着性の観点からアスペクト比が５〜８０の範囲のものが好ましく、１０〜７０がより好ましく、２０〜５０が更に好ましい。尚、このアスペクト比は、値が小さいほど球形に近く、値が大きいほど粒子の扁平性が高いことを示す。

ここで、このアスペクト比の測定は、鱗片状耐火性粒子（ｂ）を少量取り、マイクロスコープ（（株）キーエンス製 ＶＨ−８０００）にて３００倍に拡大し、鱗片状耐火性粒子（ｂ）の任意の１００粒子における長辺の長さおよび厚さを計測し、それぞれの平均値を次の式〔（長辺の長さの平均値）／（厚さの平均値）〕を用いて求めることができる。

（ｂ）成分としては、ウンモ類、タルク及び黒鉛から選ばれる少なくとも一種の鱗片状耐火性粒子が好ましく、更に、アスペクト比５〜８０であり、ウンモ類、タルク及び黒鉛から選ばれる少なくとも一種の鱗片状耐火性粒子が好ましい。

これらのうち、ウンモ類は、ウンモ群とも呼ばれ、アルカリ金属を含むアルミノケイ酸塩である（化学大辞典１巻、昭和４３年７月１日、第６刷、共立出版株式会社）。ウンモには天然ウンモと人工ウンモがあり、天然ウンモとしては白ウンモ、金ウンモ、黒ウンモ等、好ましくは白ウンモが挙げられる。人工ウンモとしてはフッ素金ウンモ、フッ素四ケイ素ウンモ、テニオライト等のフッ素ウンモが挙げられる。また、ウンモ族のセリサイト（絹雲母）もウンモの一種である。

また、（ｂ）成分のうち、タルクは、水酸化マグネシウムとケイ酸塩からなる鉱物で、粘土鉱物の一種であり、本発明では鱗片状であるもの、更にはアスペクト比５〜８０のものが用いられる。

また、（ｂ）成分のうち、黒鉛は、鱗状黒鉛や鱗片状黒鉛が挙げられる。

（ｂ）成分としては、塗布作業における鋳型の隠蔽性、或いは塗型の明色性の観点と、塗膜の耐ひび割れ性、耐焼着性及び耐残渣欠陥性の観点から、ウンモが好ましい。

本発明に用いられる（ｂ）成分の粒子径は、耐残渣欠陥（通気度）の観点から大きい方が好ましく、耐焼着性の観点からは小さい方が好ましい。よって、（ｂ）成分の平均粒子径は、耐残渣欠陥（通気度）及び耐焼着性の観点から、５０〜１５０μｍが好ましく、５０〜１３０μｍがより好ましく、６０〜１２０μｍが更に好ましい。

なお、本発明において、（ｂ）成分の平均粒子径は、レーザー回折の散乱式粒子径分布測定装置（堀場製作所製 ＬＡ−９２０型）にて測定した単一粒子径分布のメジアン径である。

また、本発明の塗型剤組成物においては、（ａ）成分と（ｂ）成分の重量比は、耐ひび割れ性の観点から（ｂ）成分の比率が多い方が好ましく、また、耐残渣欠陥性の観点から（ａ）成分の比率が多い方が好ましい。よって、耐焼着性、ひび割れ及び通気度のバランスを保つ観点から、（ａ）成分と（ｂ）成分の重量比は、（ａ）／（ｂ）＝９５／５〜４０／６０であり、９２／８〜５０／５０が好ましく、９０／１０〜８０／２０がより好ましい。

本発明は、ひび割れが問題になりやすいアルコール系の塗型剤に著しい効果が認められるため、本発明に用いる分散媒はアルコールが主成分となる。アルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等がある。分散媒中のアルコールの含有量は、９０重量％以上が好ましく、９５重量％以上がより好ましいが、本発明の効果を阻害しない範囲でアルコール以外の水等を含んでいてもよい。

また、本発明の塗型剤組成物は、上記（ａ）成分、（ｂ）成分と、この種の組成物に通常配合される、粘結剤等の成分と、分散媒であるアルコールとを含有する。また、必要に応じて他の耐火性粒子を含有することもできる。

本発明の塗型剤組成物において、（ａ）成分の含有量は、全固形分中、３５〜９５重量％が好ましく、５０〜９２重量％がより好ましく、８０〜９０重量％が更に好ましい。本発明の塗型剤組成物における固形分には、（ａ）成分、（ｂ）成分、その他の耐火性粒子、ベントナイト等の粘結剤などが含まれる。

本発明の塗型剤組成物において、（ｂ）成分の含有量は、全固形分中、３〜６０重量％が好ましく、８〜５０重量％がより好ましく、１０〜２０重量％が更に好ましい。

本発明の塗型剤組成物では、本発明の効果を阻害しない範囲で、（ａ）成分、（ｂ）成分以外の耐火性粒子を使用できる。他の粒子としては、従来から鋳造の目的に応じて各種のものが利用されており、例えば、黒鉛、シリカ、ムライト、ジルコン、マグネシア等が挙げられる。

また、本発明の塗型剤組成物においては、耐焼着性の観点から、全耐火性粒子中の（ａ）成分の比率は、３５重量％以上が好ましく、５０〜９０重量％がより好ましい。

また、本発明の塗型剤組成物においては、通気性を保ちながら、ひび割れを防止する観点から、全耐火性粒子中の（ｂ）成分の比率は、３重量％以上が好ましく、５〜２０重量％がより好ましい。

また、本発明の塗型剤組成物には、通常使用されるような粘結剤、焼結剤及び着色剤等を配合できる。例えば、常温で強い塗型膜を形成できるフェノール樹脂、ロジン、石油樹脂のような粘結剤や、ケイ酸ソーダ、リン酸アルミなどの無機粘結剤がある。条件によりこれらのものを併用しても良い。粘結剤の添加量は、全耐火性粒子の合計１００重量部に対し、０．５〜５重量部が好ましい。

また、粘結剤としては、有機ベントナイト、木節粘土などの粘土類、エチルシリケート、コロイダルシリカが挙げられる。焼結剤の添加量は、全耐火性粒子の合計１００重量部に対し、３〜１０重量部が好ましい。

また、着色剤としては、塗り残しや作業環境改善を目的に、有機顔料、無機顔料及び染料等が用いられる。全耐火性粒子の合計１００重量部に対し、０．０１〜１０重量部が好ましい。

この他に、本発明の塗型剤組成物に配合できる成分として、界面活性剤、分散剤、チキソトロピー性付与剤等が挙げられる。

本発明の塗型剤組成物は、一般的な塗型剤と同様に合成樹脂発泡体の模型に塗布して用いられる。合成樹脂発泡体としては、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、又はこれらの共重合体等の発泡体が用いられる。また、鋳造用に用いる鋳物砂としては、石英質を主成分とする珪砂の他、ジルコン砂、クロマイト砂、合成セラミックス砂等の新砂又は再生砂が使用される。鋳物砂は粘結剤を添加せずに使用することもでき、その場合は充填性が良好であるが、鋳型強度が必要な場合は、粘結剤を添加し、硬化剤により硬化させるのが好ましい。

本発明の塗型剤組成物を消失模型、例えば合成樹脂発泡体からなる消失模型の表面に塗布する方法は、流し塗り（ブッカケ法）、刷毛塗り、スプレー塗布等の従来知られている方法の何れでもよいが、刷毛塗り法が好ましい。

本発明の消失模型用塗型剤組成物を用いた消失模型鋳造法は、通常の方法に準じて行うことができる。また、熱分解ガスの排気効果を高めるため減圧下鋳造を行う、あるいは大気に連通する排気管を設ける等の方法を用いても良い。

本発明の効果が得られる詳細は明らかでないが、耐残渣性、耐焼着性及び耐ひび割れ性をバランスよく具備させるために、耐焼着性に優れる耐火性粒子（ａ）と鱗片状の耐火性粒子（ｂ）とを配合することで凝集力が弱まり、乾燥時のひび割れが生じにくいものができ、更に、配合量（重量比）を選定することで高通気性が達成できた結果、残渣欠陥を低減できているものと考えられる。

表１に示す組成で耐火性粒子、添加剤を混合し、エタノール（日本アルコール販売（株）製：商品名ネオコールＣＱ）を加えて刷毛塗りが可能な濃度に調整し、塗型剤組成物を得た。なお、刷毛塗り可能な濃度とは、刷毛塗りした平均乾燥塗膜が１．２±０．３ｍｍの範囲とした。

〔ひび割れ評価〕
塗型剤組成物をキッチンミキサーで十分混合した後、発泡ポリスチレン板（発泡倍率５０倍）上に置いたステンレス枠（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ３ｍｍ）内に流し込み、２５℃／５５％ＲＨの恒温室で乾燥した。そして得られた塗型膜のヒビ割れの状態を目視により、次のとおり、評価した。
◎：ひび割れが全くない。
○：ひび割れが１〜２本有る。
△：ひび割れが３〜５本有る。
×：ひび割れが６本以上有る。

〔通気度評価〕
（社）日本鋳造工学会 関西支部 等による「消失模型用塗型剤の特性と標準化」（平成８年３月１５日）記載の方法に従って行った。

〔焼着評価〕
縦１７０ｍｍ×横２１０ｍｍ×高さ２１０ｍｍの直方体形状で、上面中央に縦６０ｍｍ×横１００ｍｍ×深さ１５５ｍｍの凹部を有する発泡ポリスチレン（発泡倍率５０倍）よりなる消失模型を準備した。そして、各塗型剤組成物をキッチンミキサーで十分混合した後、この消失模型の表面に刷毛で塗装し、乾燥して厚み１ｍｍの塗型膜を形成した。塗型膜が設けられた消失模型型を、混練砂に埋設して鋳型を得た。なお、混練砂としては、フリーマントル珪砂（５号）１００重量部に、有機スルフォン酸硬化剤（花王クエーカー（株）製３４０Ｂ）を珪砂１００重量部に対して０．５重量部混合して得られたものである。そして、この消失模型の箇所に、材質ＦＣ−２５０、鋳込み温度１４００℃溶湯を注いで鋳込みを行った。得られた鋳物の底部及びコーナー部における焼着性の有無を、目視により、次のとおり評価した。
◎：底部及びコーナー部の何れにも焼着が認められない。
○：底部及び／又はコーナー部に焼着がわずかに認められる。
×：底部及び／又はコーナー部にひどい焼着が認められる。
これらの結果を表１に示す。

〔残渣欠陥評価〕
上記、焼着試験と同じ消失模型型、同じ条件にて鋳込み試験を行い、得られた鋳物の上面を写真撮影し、画像解析により残渣面積を測定した。得られた結果に基づき耐残渣欠陥性を次の通り評価した。
◎：残渣面積が１０％以下
○：残渣面積が１０％超２０％以下
×：残渣面積が２０％超
これらの結果を表１に示す。

以上の如く本発明によれば、消失模型鋳造法において、耐ひび割れ性、通気度、耐焼着性、耐残渣欠陥性に優れた消失模型用アルコール性塗型剤組成物が提供される。

Claims (6)

1. 黒曜石、真珠岩及び松脂岩から選ばれる少なくとも一種の耐火性粒子（ａ）と、鱗片状耐火性粒子（ｂ）とを、（ａ）／（ｂ）＝９５／５〜４０／６０の重量比で含有する消失模型用アルコール系塗型剤組成物。
2. 耐火性粒子（ａ）が黒曜石である請求項１記載の消失模型用アルコール系塗型剤組成物。
3. 鱗片状耐火性粒子（ｂ）がアスペクト比５〜８０であり、ウンモ類、タルク及び黒鉛から選ばれる少なくとも一種の鱗片状耐火性粒子である請求項１又は２記載の消失模型用アルコール系塗型剤組成物。
4. 鱗片状耐火性粒子（ｂ）の平均粒径が５０〜１５０μｍである請求項１〜３の何れかに１項記載の消失模型用アルコール系塗型剤組成物。
5. 消失模型表面に、請求項１〜４の何れか１項記載の消失模型用アルコール系塗型剤組成物を塗布してなる鋳物用消失模型。
6. 請求項５記載の鋳物用消失模型を用いる鋳物の製造方法。