JPH10512499A - ロスト鋳造鋳型製造のための発泡または発泡性プラスチック材料とかかる材料で構成したロスト鋳型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 溶融金属の鋳込みの際にプラスチック材料の炭素および水素の酸化を可能にするために、その酸化特性を大幅に変化させることなしに発泡作業にかけることが出来る、発泡の前、中、後に、組み合わされた重合体または共重合体の特徴を大幅に変えない、鋳込む金属の性質に害を与えない、また組み合わされた重合体または共重合体とほぼ同じ分解温度を示す酸化剤と組み合わされた、鋳型の製造に一般的に使用される発泡または発泡性重合体または共重合体から成る、ロスト鋳造鋳型の製造のための、発泡または発泡性プラスチック材料。このプラスチック材料製のロスト鋳型およびこれらのロスト鋳型を用いる成型による鋳造部品の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】 「ロスト鋳造鋳型製造のための発泡または発泡性プラスチック材料とかかる材料 で構成したロスト鋳型」 本発明はロスト鋳型成型による鋳造部品の製造に関するものである。 この技術に属する第１の方法は発泡プラスチック製の塊を製造し、その塊を加 工して金属部品の形状を有する鋳型を得るものである。おなじく発泡プラスチッ ク製で、接着によって鋳型に取り付けた、湯口と湯溜まりを配置した後、溶鉱工 が鋳型の上に均等な厚みに耐火材を塗布し、この塗料が乾燥した後、鋳型を枠内 に位置づける。成型は、湯溜まりが鋳型の上部と同じ高さになるまで、通常鋳造 に使用される自己硬化結合剤系で結合させた砂で枠を充填することによって実現 される。砂が凝固した後、溶鉱工は発泡プラスチック材料上に直接金属を流し込 むことができる。 「ロスト鋳型」法という一般的名称で周知のこの方法は、より具体的には、一 般的に大型の原型、１個または少量の部品の製造向けのものである。 同じくこの技術に属する第２の方法は、一連の鋳型を発泡性プラスチック材料 の発泡によって製造するものである。湯口と湯溜まり上の鋳型の接着によって房 状の鋳型が得られる。鋳型の房は耐火塗料内に浸漬されるか、塗料が散布され、 低温で乾燥され、ついで金属製容器内に置かれ、結合剤を添加していない砂が湯 溜まりの上部まで振動によって混入される。次いで溶接工は発泡したプラスチッ ク材料への金属の鋳込みに直接着手する。 英語で「ロストフォーム」という名称で知られているこの方法は、小型または 中型の、反復的部品の製造にとくに向けられている。 成型による鋳造部品製造のこの2つの方法に使用されるプラスチック製鋳型を 、以下にロスト鋳型と称するものとする。 溶鉱業者には周知のこれらの方法は、金属を流し込んだときに発泡プラスチッ ク製の鋳型が気化して消滅することを基礎とするものであり、鋳型が気化して消 滅する間に金属は鋳型の形を取る。しかしこれらの方法によって製造した部品は 、 炭素の堆積の結果として金属が局部的に不足するなどの欠陥、ならびに鉄合金に ついて金属の化学分析の変化などがしばしば認められる。 ロスト鋳型の製造に使用される発泡または発泡性プラスチック材料は下記のよ うな共重合体または重合体で構成される： ・密度が20g/リットルの発泡ポリスチレン、一番経済的であるが、利用可能な 炭素の率が一番高い；これより密度の高い、あるいは低い他のポリスチレンも使 用できる。 ・メチルポリメタアクリル、一般的に24g/リットルの密度で使用され、その価 格はポリスチレンよりはるかに高い。 先に述べた方法は、溶鉱業ではきわめて広く使用されているにもかかわらず、 それに認められた問題点については本格的説明がなされたことがない。しかしな がらこれらの問題は、ロスト鋳型を構成し、溶融金属の高い温度の影響によって 分解する、主として炭素と水素とから成る、プラスチック材料の気化現象による 可能性がある。ところで、この分解に先立ってプラスチック材料の液体の先頭が 金属静圧によって押し出され；還元性の雰囲気内で、クラッキングが溶鉱工には 「輝炭」という名称で周知の炭素の沈着形成を引き起こす。 炭素への潜在溶解性が高い、普通の鋼鉄、炭素鋼またはマンガン鋼、ステンレ ス鋼、特殊鋼または合金鋼などの炭素含有率が低い鉄合金の場合、上記の方法の 結果として、合金を変性する再炭素化という欠陥を招く。 炭素含有率が高い鉄合金、例えば、ネズミ鋳鉄、白鋳鉄、球状化グラファイト 鋳鉄、合金鋳鉄などの場合、炭素の溶解性が不十分で、炭素の堆積が部品の側面 、またとくに鋳型の天井に金属の痕跡を形成して部品の所定の形状を変化させる ので、部品が使えなくなる。さらに液体金属内に溶けやすくなった炭素によって 金属構造の変質現象が発生することがあり、とくに球状化グラファイト鋳鉄の場 合、グラファイト小結節の形状の劣化が認められることがある。 軽合金と銅合金については、金属が炭素を溶解性にする可能性がないので、炭 素が堆積すると材料が不足して、部品が不適合になる。 この分野で実施された研究は主として発泡重合体の構造とその解重合速度に関 するものであり、鋳型を形成するプラスチック材料と接触した溶融金属の鋳込み によって発生した液体/気体および重合体/金属の先頭の研究を対象としたものは ほとんどない。 ところで、出願人の実施した研究は、ロスト鋳型成型によって製造された部品 の欠陥に対する解決を溶鉱業者にもたらすために、まさにこの側面に関するもの である。したがって、本発明は固体ではなく気体を得るために液体/気体および 重合体/金属の界面に炭素・水素および炭素・炭素の結合の酸化を生じることを 目的とする、なぜなら一酸化炭素（ＣＯ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）は上記の金属 に溶解しないからである。この目的は、酸化剤との組み合わせで、鋳型の製造に 通常使用されている発泡または発泡性重合体または共重合体から成る、ロスト鋳 造鋳型の製造のための発泡または発泡性プラスチック材料によって達成された。 本発明はさらに、 ・「ロスト鋳型」と呼ばれる方法の一環として、酸化剤と組み合わされた、鋳 型の製造に有益な発泡重合体または共重合体から成る、発泡プラスチック材料の 塊を成型する部品の形状に加工する、あるいは ・「ロストフォーム」と呼ばれる方法の一環として、酸化剤と組み合わされた 、鋳型の製造に有益な発泡性重合体または共重合体から成る、発泡性プラスチッ ク材料を、成型する部品の形状を有する鋳型の中で、発泡させることによって： 前記プラスチック材料から準備された鋳造部品の製造のためのロスト鋳型にも関 するものである。 したがって、本発明は下記の特性を有する酸化剤と組み合わされた、鋳型の製 造に一般的に使用される発泡または発泡性重合体または共重合体から成る、ロス ト鋳造鋳型の製造のための発泡または発泡性プラスチック材料に関するものであ る： ・酸化特性を大幅に変化させることなしに発泡作業にかけることが出来る； ・発泡の前、中、後に、組み合わされた重合体または共重合体の特徴を大幅に 変えない； ・鋳込む金属の性質に害を与えない； ・組み合わされた重合体または共重合体とほぼ同じ分解温度を示し、溶融金属 を鋳込むときにその炭素と水素の酸化を可能にする。 溶融金属を鋳込むときのプラスチック材料の変化に関して出願人が実施した研 究によって出願人は、それぞれがロスト鋳型のプラスチック材料の状態に対応す る次の4つの異なる温度域において、その気化に至る現象をモデル化することが できた： ａ）溶融金属鋳込みから非常に離れた温度域、プラスチック材料を構成する重 合体は変化しない； ｂ）溶融金属鋳込みからかなり離れた温度域、プラスチック材料を構成する重 合体はオリゴマーに変化する； ｃ）中間区域、重合体は完全に解重合して、オリゴマーは単量体に変化する； ｄ）溶融金属鋳込みのすぐ近傍の非常に高温の温度域、クラッキングが発生し 、すなわち単量体が燃焼して炭素と水素になり、その一部は塗装を通って砂の中 に逃げ、一部は鋳込みの熱の作用を受けて気化する。この過程でとくに輝炭が形 成され、金属部品の上に、または鋳型の壁上や角内に堆積の形で付着する。 本発明のプラスチック材料内の重合体に組み合わされた酸化剤の役割は、クラ ッキングの最後の過程（d）で砂の中に逃げなかった炭素と水素の気化を促進す ることである。したがって、酸化剤は組み合わされた重合体または共重合体のそ れとほぼ同じ分解温度を示して、過程（d）でその炭素と水素の酸化を可能にす る必要がある。実際、酸化剤の溶融温度が低すぎると、クラッキング段階の前の 過程で分解されて、その役割を果たすことができないだろう。 本発明の有利な側面の一つは、蒸気による最終発泡作業の前の全ての段階での 酸化剤と重合体または共重合体の組み合わせを可能にすることであり、それによ って溶鉱工に、発泡済みで、場合によっては加工され、したがって、鋳型として すぐに使用できるプラスチック材料、または、例えば、場合によってはあらかじ め発泡され、溶鉱工自身が発泡の最終作業にかけて、所望の鋳型を準備すること のできる発泡性プラスチック材料を提供することができる。 有利には、前記プラスチック材料内の酸化剤の含有率は重量でおよそ5と50％ の間に含まれる、すなわちベースの重合体や共重合体の10から100％である（酸 化剤の混入の前）。 本発明のプラスチック材料の第１の実施態様によれば、重合体または共重合体 と酸化剤が一つの共重合体を形成する。 本発明のプラスチック材料の第２の実施態様によれば、重合体または共重合体 は発泡の前に酸化剤と混合される。混合はあらかじめ発泡させた重合体または共 重合体の粒子を酸化剤を含む、例えば、懸濁液または溶液の形の液槽内に浸漬し て実現できる。混合の後に、粒子は乾燥させ、ついで発泡させる。 この混合によって重合体または共重合体は酸化剤によって被覆または含浸させ ることが可能であるが、酸化剤と重合体の特性を変えない限りにおいて、当業者 に周知の他のいっさいの組み合わせ技術も実現できる。例えば、静電付着が考え られる。 本発明の発泡または発泡性プラスチック材料の組成に入る酸化剤として、要求 された特徴を示す全ての酸素を含む化合物、とくに窒素化合物を考えることがで きる。とくに過酸化物または窒化脂肪族化合物、あるいはそれらの混合物が挙げ られる。 本発明のプラスチック材料の中の酸化剤として有益な窒化脂肪族化合物の中で 、ニトロアルコール、またもっと具体的には、次の一般式を満たすものが好適で ある： この式において、Ｒ₁とＲ₂はそれぞれ水素原子、化学式−（ＣＨ₂）ＯＨの基、 低級アルキル、脂環式または芳香族の基、さらにまた次式の基の中から選択され る： この式において、ＲはＲ₁またはＲ₂と同じ意味を持ち、ｎは１と６の間の整数で ある。 この一般式を満たす酸化剤は例えば、下記のものである： 融点が94℃である、次式の2-ニトロ-2-メチル-1-プロパノール： 融点がおよそ56℃である、次式の2-ニトロ-2-エチル-1-3-プロパン-ジオール ： 融点がおよそ175℃である、次式のトリス（ヒドロキシメチル）ニトロメタン ： 融点がおよそ160℃である、次式の2-ニトロ-2-メチル-1，3-プロパン-ジオー ル： これらの化合物は周知であり、市場で入手可能であり、一つ以上のニトロ基を 有するニトロアルコールについても同様であるが、その例として、次のような、 アルファ−オメガ-ジニトロアルカンから得られたいくつかのジニトロ-アルコー ルが挙げられる（Feuer，F．et al.，TETRAHEDRON 1963，V0L．19，P.57-54）： 融点が122℃である、次式の2,5ビスヒドロキシメチル：2,5-ジニトロ１：６ヘ キサンジオール： または、融点がｎ＝２については163℃、ｎ＝３については110℃である、次式の 化合物： 本発明の発泡、または発泡性プラスチック材料の組成に入る酸化剤として好適 なニトロアルコール化合物は融点が90℃以上で、溶剤内に、または好適には水内 に混和できるものである。 本発明のプラスチック材料内で酸化剤が組み合わされる発泡、または発泡性重 合体はポリスチレン（PS）またはメチルポリメタアクリル（PMMA）、あるいはロ スト鋳型の製造のための溶鉱業者には周知の他のいっさいの重合体または共重合 体とすることができる。 PMMAの熱劣化は160℃で始まり、その揮発速度は温度と共に上昇する。解重合 はおよそ400℃で完了し、分解生成物は単量体しかない。温度が上昇するにつれ て、 単量体の収率が低下して、形成された気体は800℃から高温分解を受ける。1200 ℃で、高熱分解生成物は主として、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₅、Ｃ₂Ｈ₄，Ｃ₃Ｈ₆，ならびに 大量のＣＯとＣＯ₂である。およそ５％残滓を提供するポリスチレンと異なり、 この温度で残滓は残らない。 PSの高熱分解について実施した研究から、スチレン単量体の収率は500から700 ℃前後で最大に達することが分かる（Anal．Chem．33，1961，p.873-898）。こ の最大値は揮発最高速度と一致している。1300℃で、液体生成物の形成速度はPM MAについては0.27 g/s cm²程度、発泡ポリスチレンについては0.68 g/s cm²程度 である（AFS transactions，95-153，p.519-524，S．Shivkumar）。ところが液 体生成物は部品の欠陥発生源になる。温度の上昇につれて、これらの液体生成物 が金属上の炭素の付着を促進する。PMMAの分子内の単位単量体当たり２個の酸素 原子の存在がＣＯとＣＯ₂の形成を促進し、輝炭を製造するのに利用可能な炭素 の割合を低下させる。 ニトロアルコールはポリスチレンの分解温度で熱安定性がない。酸素が豊富な ので、これらのニトロアルコールは金属の鋳込みのときにポリスチレンに対して 酸化剤のように振る舞う。ニトロアルコールによるPSの酸化がＣＯ／ＣＯ₂ガス の形成を促進し、オリゴマー系の液体の形成ならびに金属の再炭素化率を低下さ せる。同時に、輝炭の付着も制限される。本発明によるプラスチック材料内の重 合体に組み合わせた酸化剤の使用は、したがって、価格が高いPMMAを、価格がも っと低いPSに代えることも可能にする。 本発明はさらに上述のごとく発泡させたプラスチック材料で準備した鋳造鋳型 、ならびに、 ・先に定義した発泡プラスチック材料の塊を製造し、成型する部品の形の鋳型 を得るために加工する過程、または ・先に定義した発泡性のプラスチック材料を、成型する部品の形を有する鋳型 の中で、蒸気によって発泡させる過程： から成るかかる鋳型を準備する方法にも関するものである。 最後に本発明は、先に定義したロスト鋳型を使用して、ロスト鋳型の成型によ って鋳造部品を製造する方法に関するものである。 本発明のその他の特徴と利点は、本発明のプラスチック材料の調製と使用に関 する以下の実例を読むことによって明らかになるだろう、またこれらの実例は請 求の範囲を限定しないものとする。 ポリスチレンの粒子を化学式（VI）の2-ニトロ-2-メチル-1，3-プロパン-ジオ ールの浴内に浸漬して、乾燥後に、2-ニトロ-2-メチル-1，3-プロパン-ジオール を5％、10％、15％および30％含むあらかじめ発泡した（発泡性）プラスチック 材料から成る、この酸化剤で被覆された粒子を得た。 注入と発泡の後、この発泡したプラスチック材料（密度が20g/リットルのポリ スチレン）を加工して、およそ20kgの鋼鉄部品の製造のための鋳造のロスト鋳型 を準備した。鋳型の重量はおよそ68ｇであり、75から90％程度の炭素を、すなわ ちおよそ51から61ｇの炭素を含有している。 ジルコンの耐火塗料で処理した鋳型を準備し、湯口と湯溜まりを配置した後、 溶鉱業者には周知の古典的な技術に合致して部品を鋳込んだ。 このようにして得られた部品を、同じ方法で、ただし密度20g/リットルのポリ スチレン、または密度が50g/リットルのPMMAの発泡プラスチック材料で準備した ロスト鋳型から製造した、同様な対照部品と比較した。下記の表Ｉに示した比較 は： (1) 部品の再炭素化、すなわち金属浴内の量に対する炭素の追加量、および (2) 部品の金属に再度取り込まれた鋳型の炭素の割合。 さらに、下記の表Ｉは部品内に見いだされる金属浴の化学分析も示している（ 鋳込みにおける炭素）。 プラスチック材料のそれぞれの酸化剤の率について２つの同一の部品を実現し た。それぞれの部品について、鋳型の気化による部品の再炭素化率の低下が認め られる。この低下はプラスチック材料内の酸化剤の率が大きくなるほど有意にな る。 この結果は、輝炭の形成を減少させるために鋳型のプラスチック材料を構成す る重合体に酸化剤を組み合わせることの利益を証明している。かかる酸化剤を使 用することによってさらに、品質は劣るがもっと安価な重合体、例えば、PMMAの 代わりにポリスチレンを使用すること、ならびに酸化剤の使用によるコスト増を 補償することが可能になる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルトレ，エマニュエル フランス共和国，エフ−60723 ポン−サ ント−マクサンス セデックス，ボワット ポスタル 309，ゼッド．イー．ドゥ ポン−ブルヌイユ，ユッテン−アルベルチ ュ フランス（エス．アー．エール．エ ル．) (72)発明者 ベルトレ，ミシェル フランス共和国，エフ−60723 ポン−サ ント−マクサンス セデックス，ボワット ポスタル 309，ゼッド．イー．ドゥ ポン−ブルヌイユ，ユッテン−アルベルチ ュ フランス（エス．アー．エール．エ ル．) (72)発明者 バタシャルヤ，アジタ フランス共和国，エフ−60723 ポン−サ ント−マクサンス セデックス，ボワット ポスタル 309，ゼッド．イー．ドゥ ポン−ブルヌイユ，ユッテン−アルベルチ ュ フランス（エス．アー．エール．エ ル．)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）溶融金属の鋳込みの際にプラスチック材料の炭素および水素の酸化を実現 することのできる酸化剤を含む、ロスト鋳造鋳型の製造のための、発泡または発 泡性プラスチック材料において、 その酸化特性を大幅に変化させることなしに発泡作業にかけることが出来る、 発泡の前、中、後に、組み合わされた重合体または共重合体の特徴を大幅に変え ない、鋳込む金属の性質に害を与えない、また組み合わされた重合体または共重 合体とほぼ同じ分解温度を示す酸化剤と組み合わされた、鋳型の製造に一般的に 使用される発泡または発泡性重合体または共重合体から成ることを特徴とするプ ラスチック材料。 ２）請求項１に記載のプラスチック材料において、 前記プラスチック材料内の酸化剤の含有率が重量でおよそ5と50％の間に含ま れることを特徴とするプラスチック材料。 ３）請求項１と２のいずれか一つに記載のプラスチック材料において、 重合体または共重合体と酸化剤が一つの共重合体を形成することを特徴とする プラスチック材料。 ４）請求項１と２のいずれか一つに記載のプラスチック材料において、 発泡の前に混合された発泡性重合体または共重合体と酸化剤とから成ることを 特徴とするプラスチック材料。 ５）請求項４に記載のプラスチック材料において、 発泡性の重合体または共重合体の粒子が酸化剤によって被覆されることを特徴 とするプラスチック材料。 ６）前記請求項のいずれか一つによるプラスチック材料において、 酸化剤が酸素を含む化合物、とくに窒素化合物であることを特徴とするプラス チック材料。 ７）請求項６に記載のプラスチック材料において、 酸化剤が過酸化物または窒化脂肪族化合物、もっと具体的にはニトロアルコー ル、またはそれらの混合物であることを特徴とするプラスチック材料。 ８）請求項７に記載のプラスチック材料において、 酸化剤が次の一般式を満たすニトロアルコールであることを特徴とするプラス チック材料： この式において、Ｒ₁とＲ₂はそれぞれ水素原子、化学式−（ＣＨ₂）ＯＨの基、 低級アルキル、脂環式または芳香族の基、さらにまた次式の基の中から選択され る： この式において、ＲはＲ₁またはＲ₂と同じ意味を持ち、ｎは１と６の間の整数で ある。 ９）請求項８に記載のプラスチック材料において、 酸化剤が2-ニトロ-2-メチル-1-プロパノール、2-ニトロ-2-エチル-1-3-プロパ ン-ジオール、トリス（ヒドロキシメチル）ニトロメタン、2-ニトロ-2-メチル-1 ,3-プロパン-ジオール、2,5ビスヒドロキシメチル:2,5-ジニトロ1:6ヘキサンジ オール、ｎが０と６の間の整数である次式の化合物： から選択されることを特徴とするプラスチック材料。 １０）前記請求項のいずれか一つに記載のプラスチック材料において、 酸化剤が融点は90℃以上で、溶剤内に、または好適には水内に混和できること を特徴とするプラスチック材料。 １１）請求項１から１０のいずれか一つに記載のプラスチック材料製であるこ とを特徴とする鋳造のロスト鋳型。 １２）請求項１から１０のいずれか一つに記載の発泡プラスチック材料の塊を 製造する過程と、成型する部品の形に加工する過程とから成ることを特徴とする 鋳造のロスト鋳型の製作方法。 １３）請求項１から１０のいずれか一つに記載の発泡性プラスチック材料を、 成型する部品の形を有する鋳型の中で、蒸気によって発泡させる過程から成るこ とを特徴とする鋳造のロスト鋳型の製作方法。 １４）ロスト鋳型の成型によって鋳造部品を製造する方法において、 請求項11に記載のロスト鋳型を使用することを特徴とする方法。