(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも耐火性粒子と、フェノール系樹脂とを必須構成材料として加熱調整されたシェルモールド用レジンコーテッドサンドにおいて、
鉄製品由来の鉱滓から鉄源を回収した後に得られる二次鉱滓を構成材料として配合し、前記二次鉱滓が前記耐火性粒子１００重量部に対して０．５重量部〜１重量部の範囲で含有されていることを特徴とするシェルモールド用レジンコーテッドサンド。
【請求項２】
少なくとも耐火性粒子と、フェノール系樹脂とを必須構成材料として加熱調整されたシェルモールド用レジンコーテッドサンドにおいて、
鉄製品由来の鉱滓から鉄源を回収した後に得られる二次鉱滓を構成材料として配合し、前記二次鉱滓中の炭素と鉄の比率（Ｃ／Ｆｅ）は０．１４以上であることを特徴とするシェルモールド用レジンコーテッドサンド。
【請求項３】
前記二次鉱滓には炭素源が１０重量％以上含有されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシェルモールド用レジンコーテッドサンド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シェルモールド鋳造法に用いられる鋳型の製造に使用されるレジンコーテッドサンドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄あるいは非鉄鋳物の砂型鋳造においては珪砂のような耐火性粒子にフェノール系樹脂を被覆した熱硬化性のシェルモールド用レジンコーテッドサンドを使用したシェルモールドが主型や中子として広く用いられている。
ところで、シェルモールドを使用した砂型鋳造ではシェルモールドに高温の溶湯が接触する場合に発生するいくつかの問題がある。シェルモールドの表面に高温の溶湯が流れるといわゆる差し込みや焼き付けが生じるおそれがある。また、鋳肌が荒れたりいわゆる砂落ち不良となったりする可能性がある。更に、急激に高温に曝される結果シェルモールド表面にクラックが生じてしまうおそれもある。そのためこれら不具合を生じないような工夫を施す必要があった。
そのため、従来では例えば特公昭５８−１９３７６号公報、特公昭５８−４７２５１号公報、特公昭５８−４７２５２号公報等に開示されるようにシェルモールドの表面に黒鉛、ジルコン、酸化アルミニウム等から構成される塗型剤を塗布し、シェルモールドを保護するような技術が開発されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、塗型剤は水やアルコール等の溶媒に溶かしてから使用するものであるため、その塗布の準備作業や塗布したシェルモールドを乾燥させたりする工程が必要となり極めて面倒である。また、シェルモールドの形状が複雑な場合には均一な厚みで塗布することは技術を要し、塗りむらや塗り残しの可能性がある。また、塗型剤の費用や人件費がかかり高コスト化も招来していた。
本発明は、このような従来の技術に存在する諸問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、必ずしも塗型剤を用いずとも安価でかつ良好な鋳肌の鋳物を鋳造することのできるシェルモールド用レジンコーテッドサンドを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、少なくとも耐火性粒子と、フェノール系樹脂とを必須構成材料として加熱調整されたシェルモールド用レジンコーテッドサンドにおいて、鉄製品由来の鉱滓から鉄源を回収した後に得られる二次鉱滓を構成材料として配合し、前記二次鉱滓が前記耐火性粒子１００重量部に対して０．５重量部〜１重量部の範囲で含有されていることを要旨とする。
請求項２に記載の発明では、少なくとも耐火性粒子と、フェノール系樹脂とを必須構成材料として加熱調整されたシェルモールド用レジンコーテッドサンドにおいて、鉄製品由来の鉱滓から鉄源を回収した後に得られる二次鉱滓を構成材料として配合し、前記二次鉱滓中の炭素と鉄の比率（Ｃ／Ｆｅ）は０．１４以上であることを要旨とする。
請求項３に記載の発明では請求項１又は２に記載の構成に加え、二次鉱滓には炭素源が１０重量％以上含有されていることを要旨とする。
【０００５】
ここに耐火性粒子は鋳型の骨材となるものであって鋳造に適する粒径の無機粒子であればよく、もっとも一般的には珪砂が挙げられる。珪砂の他に例えばジルコンサンド、オリビンサンド、クロマイトサンド、アルミナサンド等が挙げられる。また、特殊な無機粒子として転炉スラグなどのスラグ系粒子が挙げられる。これら粒子は単独であるいは２種以上を混合して用いてもよい。
フェノール系樹脂は耐火性粒子を結合する接着剤として機能するものである。フェノール系樹脂とはフェノール類とアルデヒド類との反応生成物を主体とする熱硬化性樹脂であって、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、含窒素レゾール型フェノール樹脂、ベンジルエーテル型フェノール樹脂が挙げられる。また、これら各フェノール樹脂とエポキシ樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、キシレン樹脂等と混合させて用いる変性フェノール樹脂が挙げられる。これら樹脂は単独であるいは２種以上を混合して用いてもよい。
もっとも多用されるフェノール系樹脂としてノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂が挙げられる。ノボラック型フェノール樹脂を用いる場合には硬化剤を併用して熱硬化を促進する必要がある。硬化剤としては例えばヘキサメチレンテトラミンが挙げられる。
フェノール系樹脂の配合量は樹脂の種類や要求される強度等によって設定されるが、一般的に耐火性粒子１００重量部に対して０．５〜１０重量部、より好ましくは１〜４重量部の範囲とされる。
また、フェノール系樹脂の耐火性粒子と二次鉱滓に対する親和性や滑性を向上させるため混和剤、例えばアミノ系、エポキシ系、ビニル系の各シランカップリング剤やワックス類を配合することが好ましい。
【０００６】
二次鉱滓によってシェルモールドの鋳肌のテクスチャの向上やクラックの防止が担保される。これは主として二次鉱滓中の鉄分と炭素分による効果である。鉄は注湯時の急激な加熱に対して一種の「冷やし金」のような作用でシェルモールドを冷却する凝固促進効果を発揮すると推測される。また、炭素分は極めて熱伝導性と耐熱性がよい。すなわち、注湯時の急激な加熱を速やかに分散させる効果があるとともに、自身の耐熱性によってフェノール系樹脂や耐火性粒子を保護する効果があると推測される。いわゆる差し込みや焼き付けの防止効果がある。
本発明で使用される鉱滓は鉄製品由来のものである。鉄製品としては鋳造品や鍛造品があるが主として鋳鉄や鋳鋼の切削あるいは研削鉱滓が使用される。このような製品から得られた鉱滓を一次鉱滓として例えば次のような工程で二次鉱滓を得る。図１に示すようにステップＳ１において一次鉱滓をストックしておくと、これをステップＳ２で磁選機にかけて異物を概ね取り除き、ステップＳ３で更に異物を除く。このように処理された一次鉱滓をステップＳ４で振動ミルに投入し、粉砕する。そして、ステップＳ５において集塵機で集塵し細粒部をステップＳ６にて二次鉱滓として得る。ステップＳ７にて振動篩器に投入し篩で分別された残渣をステップＳ８にて集塵機にて集塵し、ステップＳ９にて細粒部を二次鉱滓として得る。二次鉱滓以外の鉱滓は純鉄に近い成分としてステップＳ１０にて製品タンクに収容される。
このような工程は一例であって、要は一次鉱滓を精製する工程で細粒として得られる炭素分の濃縮された二次鉱滓を得られればよい。
【０００７】
二次鉱滓にはこれが元々鉄製品由来であるため鉄源として十分である。また、通常鋳鉄でも最大４％程度の炭素含有量であるところ、このように純鉄に近い部分のみを再利用するため炭素分は残渣に取り残されて濃縮され結果として二次鉱滓の炭素含有量は通常の鉄製品に比べて著しく大きくなる。二次鉱滓は従来産業廃棄物として廃棄処分とされていた最終生成物であった。そのため、別途調整した例えば鉄源のミルスケール（鉄粉）や炭素源としての黒鉛に比べ極めて安価であり、かつこれらミルスケールや黒鉛をそれぞれ所定量秤量して混合する手間が不要となる。さらに、炭素が濃縮された結果、ほぼ理想的な比率の炭素と鉄の比率を備える材料となっている。
二次鉱滓としてサンプル１からサンプル７を採取し、成分分析を行った。表１に示す。尚、各サンプルにおいて成分のトータルが１００重量％を示さないのは主としてここに表さない他の微量元素のトータル分の誤差と考えられる。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
ここに二次鉱滓における鉄と炭素の比率は鉄５０重量％〜８０重量％、炭素５重量％〜３０重量％の範囲とされ、より好ましくは鉄５０重量％〜７０重量％、炭素１０重量％〜３０重量％の範囲とされる。純鉄に近い成分のみを取り出した鉄製品由来の鉱滓残渣である二次鉱滓として鉄を５０重量％未満に調整するのは技術的に困難であり、同様に炭素を３０重量％以上含有するように調整するのも技術的に困難である。但し、二次鉱滓を更に粒度によって分別することで炭素・鉄比（以下Ｃ／Ｆｅと記載する）を調整することが可能である。これは鉄のほうが粒度が大きい傾向にあるからである。上記サンプルで成分比に差異があるのは鉱滓とした鉄製品由来の材料に基づくものではなく、主として使用した二次鉱滓の使用粒度帯によるものである。粒度の大きな帯域から採取したものはＣ／Ｆｅが小さくなる傾向となり、粒度の小さな帯域から採取したものはＣ／Ｆｅが大きくなる傾向となる。
二次鉱滓中の鉄と炭素のバランスを調整するため鉄源として例えば前記再利用用に取り出した鉄粉を添加したり、炭素源として例えば黒鉛を添加することも可能である。要は添加した鉄源や炭素源を二次鉱滓の添加物と考え上記の鉄と炭素との含有比を好適になるように調整できればよい。尚、二次鉱滓中にごく一部鉄由来以外の鉱滓、例えばアルミニウム滓やスズ滓等を含んでいても構わない。あくまで鉱滓であるためこのような鉱滓が混入する可能性は否定できないからである。
本発明の二次鉱滓の配合量は特に上記好ましいフェノール系樹脂の配合量範囲において耐火性粒子１００重量部に対して０．５重量部〜１重量部が好ましい。二次鉱滓が０．５重量部より少ないと鋳肌のテクスチャが良好とならない一方、二次鉱滓が１重量部より多いとかえって強度劣化が著しくなる。
【００１０】
このような二次鉱滓として最適なＣ／Ｆｅは０．１４〜０．５の範囲である。下限の０．１４は例えば炭素１０重量％／鉄７０重量％の比率にほぼ相当する。Ｃ／Ｆｅが０．１４未満であると耐火性粒子を被覆するに十分な炭素が供給され得ないと推測される。一方、０．５以上、すなわち鉄と炭素が同量となる場合（実際にはかなり細かい粒度の二次鉱滓のみを使用し、状況によっては炭素源を配合しなければ達し得ない値である）では鉄の凝固促進効果を妨げる効果が顕著になるからと推測される。
使用される二次鉱滓はその付着性からすれば二次鉱滓の粒度は小さい方が好ましい。上記最適なＣ／Ｆｅ内において極力粒度を小さくすることが望ましい。
これらのような構成材料を使用してドライホット法、コールドコート法、セラホットコート法、粉末溶剤法等の定法に従ってレジンコーテッドサンドを製造する。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１〜３に記載した発明では再利用できなかった二次鉱滓を使用することで塗型剤を使用することなく良好な鋳肌の鋳物を安価に鋳造することのできるシェルモールド用のレジンコーテッドサンドを提供することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を具体化した実施例を説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定して解釈されるものではない。
まず、表２及び表３に示すように、例としてサンプル１を使用して耐火性粒子に対する好ましい二次鉱滓の配合量の範囲Ｐとして０．５〜１重量部を得た。鋳肌はほぼこの範囲Ｐ内で良好なテクスチャを呈したが、０．５重量部未満では徐々に鋳肌が荒れる傾向を示した。また、曲げ強度試験（ＪＡＣＴ試験法ＳＭ−１）の結果、シェルモールドとして許容される曲げ強さ（抗折力）として４０ｋｇｆ／平方ｃｍを設定したところ、強さの境界（強度限界）でほぼ１重量部となった。
【００１３】
【表２】
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【００１４】
【表３】
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【００１５】
次に、表４に示すように表１に示すサンプル１〜７を添加剤としてそれぞれ配合（０．６％／砂重量部）した実施例１〜７と、同サンプル１〜７と比較するため添加剤として鱗状黒鉛を配合した比較例１及び対応する添加剤を使用しない比較例２について実際の鋳込み試験を行った。鋳造物としてタービンハウジングを造詣した。
まず、材料を配合してレジンコーテッドサンドを調整した。具体的には、１２５度Ｃに加熱したＡとＢの混合珪砂２５０ｋｇをワールミキサーに仕込み軟化点８９．０度Ｃのノボラック型フェノール樹脂と軟化点９４度Ｃのノボラック型フェノール樹脂を５０％ずつでトータル４．６ｋｇとし、同混合物に添加剤（つまり、サンプル１〜７又は鱗状黒鉛）を１．２ｋｇ投入し、４３秒後にヘキサメチレンテトラミン（ヘキサミン）０．６９ｋｇを水１．３１ｋｇに溶かし投入し、９０秒後に混和剤としてステアリン酸カルシウムを投入し２３秒後にミキサーから排砂した。尚、比較例２については添加物を添加せずに同様に調整した。
【００１６】
【表４】
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【００１７】
上記実施例1〜７、比較例１、比較例２のレジンコーテッドサンドを用いた各シェルモールドについて各種試験を行った。その結果を実施例1〜７については表５及び６に、比較例１及び２については表７に示す。曲げ強さ（抗折力）試験法についてはＪＡＣＴ試験法ＳＭ−１に、試験片はＪＩＳ  Ｋ  ６９１０−１９９５  ４．９．２試験片の作成方法（落下法）に準じて作成した。融着点（粘着点）はＪＡＣＴ試験法Ｃ−１に、ガス発生量についてはＪＡＣＴ試験法Ｍ−５にそれぞれ準拠して行った。熱膨張率測定はＪＡＣＴ試験法Ｍ−２にそれぞれ準拠しＮ２ガス中で１０００℃の測定温度で行った。イグロスについてはＪＡＣＴ試験法Ｓ−５に準じて行った。内部硬化率についてはＪＡＣＴ試験法ＳＭ−４アセトン抽出試験法に準拠して行った。
【００１８】
【表５】
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【００１９】
【表６】
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【００２０】
【表７】
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【００２１】
以上より面粗度を目視と手触りにより判定した結果実施例１，３，４，７では塗型有りからできた鋳物と同等のものが出来ることが分かった。一方、実施例２，６ではやや劣るという結果となった。実施例２，６ではいずれも炭素が１０重量％に達せず、併せてＣ／Ｆｅが低いことが原因として挙げられる。実施例５でわずかに劣っているのはやはり実施例１，３，４，７に比べて炭素が少なくＣ／Ｆｅが低いことが原因として挙げられる。コストにおいては二次鉱滓が鱗状黒鉛に比べ安価であるため実施例１〜７はいずれも比較例１より優れている。但し、比較例２では添加剤を使わないため、塗型剤がなければ最も安価になるものの、製品不良が多いためライン全体で考えれば実際にはコスト高となる。
【００２２】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に使用する二次鉱滓を製造工程を説明する流れ図。
【図１】
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