JPH11504859A - 熱硬化性鋳物用結合剤系 - Google Patents

熱硬化性鋳物用結合剤系

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、別々の成分として(a)アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液と(b)水和ケイ酸アルミニウムから成る熱硬化性鋳物用結合剤系に関する。その溶液は砂と混合して鋳物用配合物を生成する。得られた鋳物用配合物は成形して高温で加熱して硬化鋳型を形成する。その熱は温風、オーブン内の焼成、マイクロ波又はホットボックス装置によって加えられる。

Description

【発明の詳細な説明】 熱硬化性鋳物用結合剤系 技術分野 この発明は、別々の成分として、アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液と(b )水和ケイ酸アルミニウムから成る熱硬化性鋳物用結合剤系に関する。それらの 結合剤成分は砂と混合して鋳物用配合物を生成する。得られた鋳物用配合物は成 形し、加熱して硬化鋳型を形成する。熱は温風、オーブン内のベーキング、マイ クロ波、又はホットボックス装置によって加えられる。 背景技術 米国特許第4,349,386号は、次式を有する(ナトリウム、カリウム) ポリシアラテシロキソ(polysialatesiloxo)(該特許ではN aKPSSと云う)と呼ぶ無機重合体を開示している: (式中のMはナトリウム又はナトリウムとカリウムであり、nは重縮合度であり 、Wは約7までの値である。これらのNaKPSS重合体を生成するために、無 水ケイ酸アルミニウムおよび苛性アルカリおよびアルカリケイ酸塩の混合物を2 段階で生成する。第1段階で、反応混合物は環境温度で少なくとも1時間反応さ せて粘性「無機樹脂」を生成する(第3欄第65行〜第4欄第2行参照)。第2 段階で、その「無機樹脂」を25℃〜120℃の温度においてその縮合温度に依 存して約0.5〜15時間連続的又は段階的に加熱して無機樹脂をさらに硬化さ せ る(第4欄第13行〜25行参照)。 その特許は、苛性アルカリおよびアルカリケイ酸塩と混合して無機樹脂を生成 する無水ケイ酸アルミニウムがポリヒドロキシアルミノ−シリケート(水和ケイ 酸アルミニウム)を例えば、550°〜600℃の温度で焼成して水和水を除去 することによって生成されることを示している(第3欄第20行〜24行参照) 。 該特許の実施例3は、無機樹脂、すなわち、第1段階で環境温度において反応 させることによって生成した部分硬化重合体を使用して鋳物用配合物の作製を開 示している。該特許はその無機樹脂を砂と混合して、さらに環境温度で数時間又 は85℃で約1.5時間硬化させることを示している。 このデータから、これらの重合体およびこの方法がこれらの条件で高生産の中 子および鋳型の製造法に用いるのに実用的でないことは明白である。それの低強 度および長硬化時間の外に、これらの重合体は鋳物用結合剤として使用したとき 、耐湿性が低く有効使用には高水準の結合剤(砂の重量を基準にして6〜7重量 %まで)を要する。これらの欠点のために、これらの重合体を主成分とした鋳物 用結合剤は高生産の熱硬化鋳物用には実用的でない。 発明の開示 本発明は、別々の成分として(1)アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液と、 (2)水和ケイ酸アルミニウムから成り、結合剤の全重量を基準にして成分(1 )の重量%が60〜85重量%の範囲内で、成分(2)の重量%が15〜40重 量であることを特徴とする熱硬化性鋳物用結合剤系に関する。 該結合剤系は鋳物用骨材と混合して鋳物用配合物を生成する。得られた鋳物用 配合物は成形し、連続的な1工程で熱風、オーブン内でのベーキング、マイクロ 波又はホットボックス装置によって加熱することによって硬化させる。 無水ケイ酸アルミニウムで調製する米国特許第4,349,386号のNaK PSSと対照的に、本発明の結合剤系は水和ケイ酸アルミニウムで調製される。 本法によれば、中間の「無機樹脂」は生成しない。その代りに、アルカリケイ酸 塩の苛性アリカリ溶液と水和ケイ酸アルミニウムの混合体から成る結合剤系が無 機樹脂としてではなく個々の成分として鋳物用骨材に添加される。しかしながら 、 その結合剤系の重合は、成分を鋳物用骨材と混合し成形したときに生じないで、 成形された鋳物用配合物を少なくとも200℃〜300℃、望ましくは、200 ℃〜275℃、最適には230℃〜260℃の温度に加熱したときに生じる。 本発明の結合剤系で調製した鋳物用配合物は加熱されるまで実質的に重合しな いから、それらは5時間までの可使時間を有する。一方、米国特許第4,349 ,386号に開示された結合剤で調製された鋳物配合物は、環境温度で反応して 無機樹脂を生成するので、可使時間が短い。 鋳物用配合物は結合剤成分と鋳物用骨材と混合することによって調製する。そ の鋳物用配合物は鋳型、中子およびそれらの組立体に成形される。無水のケイ酸 アルミニウムで作った米国特許第4,349,386号に記載の結合剤で作った 鋳型とは対照的に、水和ケイ酸アルミニウムで作った本発明の結合剤は、高温で 迅速に硬化する硬化鋳型を提供し、良好な引張強さを有し、過剰の遊離アルカリ を必要としない(再生、等用に不利)、良好な耐湿性を示し、商的に許容される 結合剤レベル(一般に骨材の重量を基準にして約5重量%以下)で使用される。 さらに、水和水を含有する商的グレードのケイ酸アルミニウムをその水和水を除 去するために550℃〜650℃の温度で焼成することなく使用できるので、コ ストが低減される。 発明を実施するための最良の形態 本発明の結合剤系は(1)アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液と、(2)水 和ケイ酸アルミニウムの2成分から成る。成分(1)は液体であるが、成分(2 )は粉末である。 アルカリケイ酸塩、望ましくはケイ酸ナトリウムの苛性アルカリ溶液は、典型 的に(a)約70〜95重量%のケイ酸ナトリウム水溶液、(b)約5〜15重 量の苛性アルカリ、望ましくは50重量%のアルカリ水酸化物(望ましくは水酸 化ナトリウム)水溶液、および(c)苛性アルカリケイ酸塩溶液の粘度を適切に するための20重量以下の添加水を混合することによって生成する。 アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液として、ケイ酸ナトリウムの苛性アルカ リ溶液の全重量%を基準にして、約80〜95重量%のケイ酸ナトリウム水溶液 、 水酸化ナトリウム50重量%として約10〜15重量%の苛性アルカリ、および 約10重量%以下の水を使用することが望ましい。ケイ酸ナトリウム水溶液は、 該ケイ酸ナトリウムの水溶液全重量を基準にして水に約35〜45重量%の量の ケイ酸ナトリウムから成ることが望ましい。 ここでの用語「水和ケイ酸アルミニウム」は水で水和されるケイ酸アルミニウ ムを意味する。その水和ケイ酸アルミニウムとしてカオリナイト(Al23・2 SiO2・2H2O)を使用することが望ましい。水和ケイ酸アルミニウムは、典 型的にケイ酸アルミニウムの1モル当り1〜2モルの水、望ましくは2モルの水 を含有する。水和ケイ酸アルミニウムの粒径はできるだけ小さく、0.5ミクロ ン以下が望ましい。 結合剤中のNa2O:Al23のモル比は0.7:1.0〜1.5〜1.0、 Na2O:SiO2のモル比は0.2:1.0〜0.3:1.0、そしてSiO2 :Al23のモル比は3.5:1.0〜5.8:1.0であることが望ましい、 そして最適にはNa2O:Al23のモル比は1.1〜1.0〜0.9:1.0 、Na2O:SiO2のモル比は0.2:1.0〜0.3:1.0、そしてSiO2 :Al23のモル比は4.0:1.0〜5.5:1.0である。 結合剤成分は骨材と混合する前に相互に予備混合できるが、ケイ酸ナトリウム の苛性アルカリ溶液を最初に骨材と混合し、次に水和ケイ酸アルミニウムを混合 することが望ましい。また、水和ケイ酸アルミニウムを最初に骨材と混合するこ ともできる。 水和ケイ酸アルミニウムにポリ酢酸ビニル(PVA)を添加して最終注型にお ける表面欠陥(砂型における溶融金属充てんボイドに起因する鋳物の表面欠陥) を排除又は減少させることが望ましい。そのポリ酢酸ビニルは、水和ケイ酸アル ミニウムに水和ケイ酸アルミニウムの重量を基準にして約5〜25重量%、最適 には約15〜20重量%を添加することが望ましい。 任意の物質、例えば、尿素、セルロース、クエン酸、ゴムラテックス、セメン ト、カーボン/黒鉛、等も鋳物用結合剤系に添加できる。鋳物用結合剤を配合す る当業者には、種々の性質に対して選ぶ物質、それらの物質の使用量および結合 剤への最良の混合法周知である。 結合剤形成溶液は、有効な結合量、例えば、骨材を基準にして1〜10重量% 、望ましくは1〜5重量%で砂と混合する。鋳物用配合物の調製に使用する骨材 は、典型的にかかる目的で鋳物産業で使用されるもの、又はかかる目的に適応す る骨材である。 一般に、その骨材は少なくとも70重量%のシリカを含有する砂である。他の 適当な骨材はジルコン、カンラン石、アルミナ−シリケート砂、クロマイト砂、 等を含む。骨材は主量で使用される。このコンテキストにおける主量は骨材と結 合剤を含む鋳物用配合物の全重量を基準にして少なくとも80重量%、望ましく は少なくとも90重量%である。 砂混合物は中子および/または型に成形して鋳型を成形し、少なくとも200 〜300℃、望ましくは200〜275℃、最適には230〜260℃の温度に 鋳型がこわれることなく取扱うことができるまで、典型的に30秒〜2分間加熱 する。加熱時間は温度および用いる加熱法の関数である。加熱源は温風、従来の 炉内でのベーキング、マイクロ波又は望ましいホットボックス装置からである。 水和ケイ酸アルミニウムで作った結合剤形成溶液で調製した鋳型は取扱いに適 当な直後強度を示し硬化後24時間中にさらに強度の上昇を示す。また、熱硬化 鋳型は、米国特許第4,349,386号に開示された無水ケイ酸アルミニウム を使用して結合剤を作った鋳型よりも著しく優れた耐湿性を示す。 次の略語は以下の実施例および表に使用される: BOS = 砂を基準にした CH = 一定湿度 CT = 一定温度 DT = 滞留時間 KAOP AB= 商品名KAOPOLで販売されている約0.3μの中粒 度(すなわち、この粒度を有する粒子の50%以上大き い)を有する水和ケイ酸アルミニウム KAOP 1152 = 多分約600℃〜700℃の温度で水和ケイ酸ア ルミニウムを焼成され、商品名KAOPOLITE 1 152で販売されている水和ケイ酸アルミニウム SODSILSOL = SiO2:Na2Oの重量比が3.22のNa2 SiO3から成る水酸化ナトリウム中のケイ酸ナトリウ ム溶液、該ケイ酸ナトリウムはNa2SiO3溶液とN aOH溶液の重量比が88:12となるように12モル のNaOHと混合する。 PVA = ポリ酢酸ビニル(エア・プロダクツ社によりAIRFL EX RP−245で販売) RH = 室の湿度 RT = 室温 VEINSEAL = National Gypsum社で販売し、少量 のデキストリンと粘土と共に大部分が酸化鉄から成るV EINSEAL 11,000添加物であって、鋳物の 表面欠陥を低減させるために使用される。 砂混合物は結合剤成分と砂(商品名Wedron 540)をホバート(Ho bart)N−50(商品名)ミキサーで混合することによって調製した。砂混 合物は引張試験機(商品名Thwing−Albert TA 500)で引張 強さを測定するためにドッグボーンの形に作った。そのドッグボーンの成形物は ホットボックス装置で加熱することによって硬化させた。加熱したコアボックス の温度、砂の種類、およびブロー(送風)時間は表に示す。 ドッグボーン成形物の引張強さは、箱型(コアボックス)からそれらを取出し た直後、1時間、および24時間後に測定した。耐湿性は、ドッグボーン成形物 を箱型から取出して24時間後にそれらを使用して試験した。これらのドッグボ ーン成形物は25℃で99%の相対湿度の室に1時間入れた。試験条件および結 果を表に要約した。 本結合剤で作った金属鋳物はエロージョンおよび線条形成に優れた耐性を示し 、表面欠陥は少なくおよび表面仕上げは良好であった。アルミニウム鋳物の型か らの除去速度は平均約45秒であった。 表1の実施例は室温又は85℃で実施されるから全て対照例である。対照例A およびBは、米国特許第4,349,386号の実施例3の範囲内の無水ケイ酸 アルミニウムで作った結合剤を使用している。表1の対照例AAおよびBBは水 和ケイ酸アルミニウムで作った結合剤を示す。表1の条件に従って作った鋳型は 、室温および85℃において実質的に米国特許第4,349,386号に開示さ れた方法で硬化させる。 表1のデータは、米国特許第4,349,386号に従って作った結合剤も水 和ケイ酸アルミニウムで作った結合剤も室温又は85℃で中子を作製しているが 、いずれも長時間を要するため高生産には向かずかつ中子の耐湿性が劣ることを 示す。 表2は232℃の硬化温度で水和ケイ酸アルミニウムと無水ケイ酸塩で作った 結合剤を使用した効果を示す。水和ケイ酸アルミニウムで調製した結合剤が優れ ていることは明らかである。水和ケイ酸アルミニウムで作った結合剤は、高生産 、熱硬化中子および鋳型の製造法に使用できる。 焼成(無水)ケイ酸アルミニウムを含有する結合剤で作った中子は直後の引張 さを有さず、コアボックスから除去できない。この理由は無水ケイ酸アルミニウ ムが水和水を有さず、ホットボックスの条件下で溶液から全ての遊離水が極めて 迅速に除去されるためである。一方、水和ケイ酸アルミニウム中の水和水は重縮 合に利用されて、迅速かつ適当な引張強さをもたらす。 次の表3は結合剤系のパート1とパート2を骨材と混合する前に一緒に混合す る効果を示す。パート2を添加する前に、最初にパート1と骨材を混合する程有 効ではないが、予備混合法は作用する。比較例Dは、米国特許第4,349,3 86号に従って調製した無水ケイ酸アルミニウムを使用した結合剤が232℃の 温度で効果的に硬化しないことを示す。 表4はNa2O:Al23:SiO2のモル比の影響を示す。そのデータは、特 にコアボックスから除去後相対湿度100%で24時間および25時間で測定し た引張強さに対して1.3:1.0:5.5の比が1.0:1.0:4.0の比 よりも望ましいことを示す。 表5はVEINSEALとPVAの添加が結合剤で作った鋳型の引張強さ全体 を改良することを示す。パート2で混和される添加物の量は砂を基準にして0. 25重量%であった。 1500℃で注入したねずみ鉄の金属鋳物は、実施例6および8に記載した砂 配合物から作った5cm×5cm試験用中子を使用して作って、溶融金属の中子 又は鋳型への充てんボイドに起因する鋳物の表面欠陥に及ぼす砂配合物にポリ酢 酸ビニル使用の影響を測定した。その表面欠陥は溶融金属の圧力が溶融金属を鋳 型や中子の表面の隙間に押し込むのに十分高いときに生じる。その結果、冷却し た鋳物に吸蔵が見られる。これらの吸蔵は溶融金属が注入中に中子および/また は鋳型の砂と混合するために形成される。鋳物上のこれらの吸蔵は鋳物から研磨 によって除去することは困難でありコストがかかる。 表面欠陥は、トルドッフら〔W.L.Tordoff et al. in AES Transactions,“Test Casting Evalu ation of Chemical Binder System”Vol. 80〜74,p155(1980)〕によって記載された5cm×5cmの表面 欠陥試験鋳物に従って測定した。その試験結果は、実施例6(PVA無使用)の 砂配合物で作った鋳物が僅かに表面欠陥耐性を示したのみであったが、実施例8 (PVA含有)の砂配合物は優れた表面欠陥耐性を示した。 線条形成およびエロージョンも実施例6(PVA無使用)の砂配合物で作った 鋳物および実施例8(PVA含有)の砂配合物で作った鋳物で測定されたが、線 条形成およびエロージョンに関しては著しい相違は見られなかった。線条形成お よびエロージョンに対する耐性は共に優れていた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AT,AU,BB,BG,BR,BY, CA,CH,CZ,DE,DK,ES,FI,GB,H U,JP,KP,KR,KZ,LK,LU,MG,MN ,MW,NL,NO,NZ,PL,PT,RO,RU, SD,SE,SK,UA,VN

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.別々の成分として、 (a)アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液と、 (b)水和ケイ酸アルミニウム、 から成り、鋳物用結合剤の全重量を基準にして該(a)成分が60〜85重量% 、該(b)成分が15〜40重量%の範囲内にあることを特徴とする熱硬化性鋳 物用結合剤。 2.アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液が、(a)80〜95重量%の水 性アルカリケイ酸塩溶液と(b)5〜20重量%の苛性アルカリケイ酸塩水溶液 から成り、前記アルカリケイ酸塩がケイ酸ナトリウムであり、前記(a)の重量 %は苛性アルカリケイ酸塩溶液の全重量を基準にし、前記水性ケイ酸ナトリウム 水溶液が35〜45重量%のケイ酸ナトリウムから成り、該重量%が水性ケイ酸 ナトリウムの全重量%を基準にし、前記(b)の苛性アルカリ溶液が水酸化ナト リウムであり、前記(b)の重量%が苛性アルカリ溶液の全重量%を基準にする ことを特徴とする請求項1記載の鋳物用結合剤系。 3.水和ケイ酸アルミニウムが、該ケイ酸アルミニウムの重量%を基準にし て15〜25重量%のポリ酢酸ビニルも含有する請求項2記載の鋳物用結合剤系 。 4.水和ケイ酸アルミニウムが0.5ミクロン以下の平均粒度を有し、かつ 2モルの水和水を含有する請求項3記載の鋳物用結合剤系。 5.結合剤におけるNa2O:Al23のモル比が0.7:1.0〜1.5 :1.0であり、Na2O:SiO2のモル比が0.2:1.0〜0.3:1.0 であり、SiO2:Al23のモル比が3.5:1.0〜5.8:1.0である 請求項4記載の鋳物用結合剤系。 6.(a)主量の鋳物用骨材、 (b)アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液、および (c)水和ケイ酸アルミニウム、 の混和物から成り、結合剤を形成する溶液における成分(b)の重量%が結合剤 り全重量を基準にして60〜85重量%、そして成分(c)の重量%が15〜4 0重量%であることを特徴とする熱硬化性鋳物用配合物。 7.アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液が、(a)80〜95重量%の水 性アルカリケイ酸塩溶液と(b)5〜20重量%の苛性アルカリケイ酸塩水溶液 から成り、前記アルカリイ酸塩がケイ酸ナトリウムであり、前記(a)の重量% は苛性アルカリケイ酸塩溶液の全重量を基準にし、前記水性ケイ酸ナトリウム水 溶液が35〜45重量%のケイ酸ナトリウムから成り、該重量%が水性ケイ酸ナ トリウムの全重量を基準にし、前記(b)の苛性アルカリ溶液が水酸化ナトリウ ムであり、前記(b)の重量%が苛性アルカリ溶液の全重量%を基準にすること を特徴とする請求項6記載の鋳物用配合物。 8.水和ケイ酸アルミニウムが、該ケイ酸アルミニウムの重量%を基準にし て15〜25重量%のポリ酢酸ビニルも含有する請求項7記載の鋳物用配合物。 9.水和ケイ酸アルミニウムが0.5ミクロン以下の平均粒度を有し、かつ 2モルの水和水を含有する請求項8記載の鋳物用配合物。 10.結合剤におけるNa2O:Al23のモル比が0.7:1.0〜1.5 :1.0であり、Na2O:SiO2のモル比が0.2:1.0〜0.3:1.0 であり、SiO2:Al23のモル比が3.5:1.0〜5.8:1.0である 請求項9の鋳物用配合物。 11.(a)鋳物用骨材と、(1)ケイ酸ナトリウムの苛性アルカリ溶液およ び(2)水和ケイ酸アルミニウムから成る結合剤系であって、該結合剤の全重量 を基準にして前記成分(1)が65〜80重量、そして前記成分(2)が20〜 35重量%の範囲内にある該結合剤系を前記骨材を基準にして10重量%以下混 合することによって鋳物用配合物を生成し; (b)該鋳物用配合物を鋳型に成形し; (c)該鋳型を200℃〜300℃の温度で熱と接触させ;そして (d)該鋳型を加工可能鋳型に硬化させる工程から成ることを 特徴とする加工可能鋳型の製造法。 12.前記アルカリケイ酸塩の苛性アルカリ溶液が、(a)80〜95重量% の水性アルカリケイ酸塩溶液から成り、該アルカリケイ酸塩がケイ酸ナトリウム であり、前記重量%が苛性アルカリケイ酸塩溶液と前記水性ケイ酸ナトリウムの 全重量を基準にし、前記苛性アルカリ溶液が水酸化ナトリウムであり、前記重量 %が苛性アルカリケイ酸塩溶液の全重量を基準にした請求項11記載の方法。 13.水和ケイ酸アルミニウムが、該水和ケイ酸アルミニウムの重量%を基準 にして、15〜25重量%のポリ酢酸ビニルも含有する請求項12記載の方法。 14.水和ケイ酸アルミニウムが0.5ミクロン以下の平均粒度を有し、かつ 1〜2モルの水和水を含有し、加熱温度が230℃〜260℃である請求項13 記載の方法。 15.請求項11に従って製造した鋳型。 16.請求項14に従って製造した鋳型。 17.(a)請求項1に従って鋳型を製造し; (b)該鋳型の内部および周囲に金属を注入し; (c)前記金属を放冷して凝固させ;次に (d)成形品を分離する工程から成ることを特徴とする金属鋳物の製造 法。 18.(a)請求項14に従って鋳型を製造し; (b)該鋳型の内部および周囲に金属を注入し、 (c)前記金属を放冷して凝固させ;次に (d)成形品を分離する工程から成ることを特徴とする金属鋳物の製造 法。
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