Authors: P. R. Carey & M. Swartzlander

サンドバインダーシステム

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第4部: ウレタンバインダー(続き)
サンドバインダーの最新情報を13回に分けてお届けするシリーズの第4弾です。

この記事は、ウレタンレジンのノーベークについての議論の続きです。ポリエーテル-ポリオールーウレタンのシステムおよびフェノールウレタンのノーベークについて詳しく議論されます。

反応性溶媒(VOCフリー)使用のポリエーテルーポリオールウレタンのノーベーク
この連載の第3弾において、ウレタンタイプのノーベークについての議論を開始しました。オイルウレタンおよびフェノールフリーのポリエーテル-ポリオールウレタンシステムが取り扱われました。前のセクションでは、揮発性有機化合物（VOC）を実質的に含まないように配合されたポリエーテルポリオール-ウレタンシステムの「特別バージョン」についても言及しました。このシステムについて詳しく説明する理由は、2つあります。
1つ目は、この新しい比較的認識されていないシステムが、アルミニウム鋳造への適用において、卓越した性能を示す可能性があります。
2つ目は、バインダーにフェノールとホルムアルデヒドが含まれていないことによる、高い生態系に対するシステムのメリットです。また、バインダーと一緒に重合する反応性希釈溶剤を使用しているため、中子および主型の製造中に報告されるVOC排出量が非常に少ないかゼロになります。

ポリエーテル-ポリオール-ウレタンノーベークは、ポリオール樹脂（パートI）、共反応物のMDIタイプのイソシアネート（パートII）、およびアミンタイプ触媒（パートIII）の3つの製品から構成されるシステムです。前回説明した他の非鉄用途に使用できるアミン触媒ポリオールや、事実上すべての金属を鋳造するために使用できる以下で説明するフェノールウレタンノーベークシステムとは異なり、このバインダーシステムはアルミニウム合金の鋳造向けに 特別に設計されています。
プラスチック製の型工具のアドバンテージ: プラスチック製の型工具は、木材や金属で作られたツールを置き換えることができる材質であり、その使用はますます普及しています。ただし、プラスチックの制限の1つは、ウレタンバインダーシステムに使用される強力な有機溶剤に対する耐溶剤性が完全ではないことです。反応性溶媒を利用することで、プラスチック製型工具の平均寿命と寸法精度の両方を向上させることができます。
特別な取扱いの注意事項: 他のウレタンノーベークシステムとは異なり、未反応のパートI液体ポリオール材料および、他のウレタンノーベークシステムと同様にパートIIイソシアネート材料は、どちらも非常に親水性です。したがって、保管および使用中は湿気にさらされないように注意する必要があります。
このシステムは最小限の反応性希釈溶媒しか使用しないため、標準のPUNBシステムに比べて粘度が高くなります。したがって、ポンピング、砂混錬性、混錬砂の流動性など、樹脂の粘度に関連する物理的特性が影響を受けます。

フェノールウレタンのノーベークシステム
フェノールウレタンノーベークバインダー（PUNB）は、1970年にクリーブランドで開催されたAFS Casting Congress andExpositionで紹介されました。
それ以来、それらは北米で最も売れているバインダーシステムの1つに成長し、世界的に精密鋳物の生産においてより重要な要素になりつつあり ます。

標準のPUNBバインダーシステムには3つの成分で構成されています。パートIは有機溶媒に溶解したフェノールポリオールです。パートIIは、溶媒に溶解したポリメリックMDIタイプのイソシアネートです。パートIIIはアミン型触媒であり、図1に示すように、パートIとパートIIの間の反応速度を調整します。

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図1-フェノールウレタンバインダーによって作成されたサンプルの圧縮強さに対する触媒タイプの影響

パートIは、パートIIと反応すると、フェノール性ウレタンポリマーを形成します。このシステムにおいては、あらゆるタイプの金属鋳造用途で使用できる十分な高温強度が得られる理由はフェノール構造です。 「ウレタンノーベークバインダー」という用語が使用されている場合、PUNBシステムはほとんどの場合、鋳造業者向けに製造されているシステムです。
PUNBの化学反応は制御可能ですが、非常に迅速で、完全な反応であるため、液体は実際にカップ内で混合され、混合容器から注がれるときに空気中で「固化」します（図2を参照）。砂の上で混合すると、コーティングされた砂の突然の完全な硬化は、カップの事例とほぼ同じくらい劇的です。

図2 - 空気中でのPUNB固化の簡単な事例

PUNBシステムは、独自の遅延硬化メカニズムで知られています。これにより、触媒作用のある樹脂でコーティングされた砂は、化学反応が始まるまで、そしてほぼパターンから抜型できるレベルに硬化するまで、自由に流動することができます。言い換えれば、触媒でコーティングされた砂の混合物は、望みの抜型時間の直前まで流動性があり、砂込め可能です。ポリマーの固有の強度と遅延硬化メカニズムが組み合わさって、砂の重量に基づいて、PUNBバインダーの総レベルを通常0.8％から1.75％の間で生産できます。

パートIとパートIIの間の化学反応はウレタン結合で、他の副生成物を形成しません。その結果、すべての厚さ方向で均一に強度が得られ、薄い部分も厚い部分と同じ速度で硬化します。硬化に空気が必要ないという事実（オイル/ウレタンアルキドタイプの樹脂では酸化することが必要である）により、PUNBシステムによるノーベークでは、中子および主型の迅速な生産サイクルの必要な工場に適しています。

PUNBシステムは非常に製造が高速で適用範囲が広く、高い柔軟性を有しているため、鉄および非鉄鋳物を問わず、ノーベークを使う鋳造工場が中子 および主型製作の要件をすべて満たすことができる唯一のシステムかもしれません。ミキサーの処理能力は、製造工程での最小中子サイズと最大中子サイズを決定する 日常的に考えられる要因です。

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PUNBシステムで使われる連続ミキサーは、数トンものPUNB砂を必要とする金枠がついた床置き型の主型と、すぐ隣にある中型の金枠がない主型も一緒に製造できる可能性があります。両方の主型は同じバインダーシステムと再生PUNB砂を使用し、各パターンの作業時間のニーズを満たすように触媒レベルを調整するだけです。

パートlとパートIIの比率をオフセットする
PUNBノーベイクは、パートIの1重量単位と同量のパートIIが反応するように設計されています。しかしながら、パートIをパートIをパートIIよりも多く添加するのが一般的な手順です。比率は通常、52.5: 47.5から60 : 40の比率の間で、50：50からずらした比率で使用されます。

これは、システム内のすべての窒素が実質的にパートIIに含まれているためにオフセットされます。パートIIは、パートIよりもかなり多くの炭素を含んでいるため、光沢のある炭素(ラストラスカーボン)欠陥の重要な原因でもあります。したがって、窒素とラストラスカーボン由来の欠陥の両方を減らすために、パートIが多いシステムが支持されています。過剰なパートIの使用は、システム性能に対するペナルティを支払って実現されます。パートIIよりもパートIを多く使用すると、最終引張り強さが 低下します。

PUNB触媒第三成分として液体アミン系触媒を使用することで、優れた汎用性と柔軟性を備えたシステムが完成します。さまざまな触媒の種類、濃度、および、量を調整して使用しすることで、1分未満から1時間以上の抜型時間を達成できます。この幅広い可使時間と抜型時間により、非常に大きな主型と中子、非 常に小さな主型と中子の両方を同じミキサーから作ることができます。
触媒の添加レベルはパートIの重量に基づいて計算されます。触媒の種類と必要な抜型時間に応じて、通常2〜9％の触媒がパートI(樹脂)にブレンドされます。プロセス条件で触媒の添加量がこの範囲外になる場合は、反応性の異なる触媒に置き換える必要がありま す。

触媒の量は比較的少なく、リアルタイムで正確に計量する必要があるため、±1％の精度の計量ポンプを使用してその添加を制御することをお勧めします。

混練砂中に触媒を均一に分散させる最も効果的な方法は、パートIの樹脂供給ライン内からミキサーへの吐出口近くに触媒を導入することです。 このプリブレンド方法は少量の触媒を希釈し、混練砂の添加の多い部分と薄い部分をなくします。

“潜在的”硬化システムの3つの成分が砂と混合されると、短い遅延が発生し、その後、制御された急速な硬化が続いて起こります。この「潜在的」硬化または遅延重合として知られるこの独自の遅延硬化メカニズムにより、中子/主型をパターンから取り外す準備ができる直前まで、混練砂を自由に流動させることができます。
可使時間/抜型時間の比率が高いと、生産性が向上し、造型の回転率が上がってきます。PUNBシステムをパターン内で作業して、砂を充填する ために必要な時間は、パターンから砂型を抜型する準備ができるまでの時間の75％にもなる可能性があります。図3は、PUNBを酸触媒のノーベイクのフランレジンシステムと比較した強度発現の時間です。酸触媒フランは混合した瞬間に反応が起こっているのに対して、PUNBの遅れる重合反応は、PUNBシステムのユニークでアドバンテージであることを示しています。

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図 3 – ノーベークシステムで作られた強度増加の比較

溶剤
標準のPUNBには、約35％の有機溶剤が含まれています。溶剤は、パートIの粘度を最小限に抑え、パートIIとの混合を容易にするために必要です。
特にパートIの温度が70°F(21℃）未満の場合はそうです。溶剤は、臭気、煙の発生、引火点など、混合に関連するもの以外の物理的特性にも影響を与えます。溶剤の種類や量も、システムのVOC排出量に大きく影響します。

高強度/低炭素で低窒素含有のPUNB
樹脂メーカーは、より高い強度、より優れた流動性、およびより優れた崩壊性/排砂性を備えた特別なPUNBシステムを開発しました。その他の特長として；フリーホルムアルデヒドと窒素の含有量が少ない；煙の発生量が少ない；標準のPUNBよりも臭いが少ないです。
システムには、標準品と同様に3つの製品から成り立っていますが、70：30の比率を使用します。バインダーは、実質的にすべての砂混錬 および材料の使用上の特性において標準システムと同様です。

プロセスに関する注意事項
砂の影響：PUNBシステムは、ほとんどすべての鋳造用の中子砂で使用できます。鋳造工場で使用されるすべての混錬砂と同様に、ふるいでの粒度分布、細かい粒子の数、粒子の表面特性などの砂の物理的特性は、流動性、充填密度、および強度の重要な決定要因で す。
このシステムはアルカリ触媒による硬化システムであるため、非常に高いまたは非常に低いADV砂は、長時間の作業および長い抜型時間についての考慮が必要となります。硬化時間と時間は、アルカリ性の砂の条件では速くなり、酸性の条件では遅くなります。
ただし、添加剤やバインダーの配合を適切に調整すれば、非常に基本的な砂（オリビン砂など）でも、あらゆる種類の砂が利用できます。

通常、砂の種類を切り替えることによる硬化速度の変化は、触媒の量や種類を変えることで簡単に変わってしまいます。極端な状況では、極端な酸性またはアルカリ性の残留物を含む機械的に再生された砂をPUNBシステムで再使用する場合、通常、触媒の種類を変更することにより対処します。ただし、非常に基本的なオリビン砂の場合と同様に、樹脂システムの化学的性質は、添加剤または配合の変更に影響されます。
砂の温度：これは、他のノーベイクバインダーの場合と同様に、PUNBの可使/抜型および硬化時間に劇的な影響を及ぼします。
幸いなことに、PUNB反応は触媒の添加によって簡単かつ効果的に制御することができます。しかしながら、極端な温度に対応して、温度を一定に 保つために、サンドヒーター/クーラーは、場合によっては大幅な触媒調整に替わる効果的な手段となりえます。PUNBの推奨砂温度は80〜90°F(26.7〜32.2℃）であり、±5°F(2.8℃）に制御する必要があります。 105°F(40.6℃）を超え50°F（10℃）未満の温度での仕様は避けてください。

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砂の水分：これは非常に重要な検討事項です。水はパートIIと反応するため、硬化速度、強度発現が遅くなり、可使時間/抜型時間の比率が低下します。水分の影響については、このシリーズのパートIIで詳しく説明しましたが、「砂の水分が少ないほど良い」ということを繰り返しお話ししておきます。砂の水分が冬に0.2％、夏に0.1％を超えると、深刻な中子/主型の問題が発生する可能性があります。

高い充填密度：これは、その優れた流動性により、PUNBで簡単に実現できます。それにもかかわらず、高い中子/主型の充填密度が高品質の鍵であるため、さまざまな方法による混練砂の充填、および中子/主型のブロワーの場合、適切な最小ブロー圧による特殊なノーベイクのブローイングが非常に重要です。

パターンからの離型PUNBは非常に急速に硬化するため、砂に押し付けられたパターンが抜型作業に入るのに必要な時間は、混練砂のセットアップまたは硬化時間と一致する必要があります。バインダーが急速に硬化すると、中子/主型の表面が急速に硬化が起こり、完全に硬化した後も砂がパターン表面に接触したままになると、砂がしみつきます。言い換えれば、砂の中子/主型は、それがまだ硬化中であって、いくらか可塑性である間にツールから取り出なければなりません。さもないと、少なくとも一体の造型物として、それを取り出せません！
きれいなパターン表面が不可欠であり、離型剤の適切な塗布が非常に重要です。新しい環境規制の出現により、離型剤選定の傾向は、
高固形分有機化合物および水性ベースの化学物質に向かっています。これらの材料変更は、注意深く適用、置き換えをする必要があります。

離型剤を特別ば部分に手塗りで適用する際、ゴム手袋が挿入されたペイントミトンを使用して、作業者が液体に直接接触するのを防ぎますが、通常業務においても、このような保護具を使用して表面に塗布する方が望ましいです。ミトンは、離型剤を適切な場所に塗布するだけでなく、しみつきに関係するような最初の砂の蓄積を防ぐことができます。

ノーベイク用の新しい木型の取扱い方法
ノーベイク用の新しい木型を購入するときに、鋳造業者が無意識のうちに犯す最大の間違いは、木の表面のコーティング方法や表面保護方法を指定しないことです。
木型表面は、歴史的にパターンメーカーによってさまざまなラッカーで塗装され、保護し、湯道、堰、鋳物部分などの付帯要素で色分けします。
パターンメーカーによって適用されるさまざまな色のペイントは、有用な情報を提供し、木型を美しく見せることができます！ただし、生産性の観点からはお勧めできません。レジンシステムのほぼすべての化学成分がこれらのパターンペイントを攻撃する可能性があります。従って、砂がこれらのコーティングと接触した最初の時から、砂はパターンペイントを柔らかくし、それらを剥ぎ取り始め、しみつきの問題を引き起こします。
それによりパターンの寸法が変化します。
生産で使用される離型剤システムを塗布して、木型表面に離型剤を後で塗布するためのベース剤を含浸、シールを完了することをお勧めします。木材は多孔質材料であるため、きれいな原木表面に塗布された離型剤は、木目に浸透し、その後の離型剤塗布において、優れたアンカーを提供します。塗布後、機械でバフをかけるか、ペイントミトンを使って手でこすることで、離型効果をさらに高めることができます。

レジンと混練された砂と接触する木材の表面に離型剤を塗布することに加えて、木材を寸法的に安定させ、耐摩耗性を与えるために、パターンの残りの部分をウレタンワニスで塗装することもお勧めします。

塗型剤
水性および着火型の塗型剤は、PUNB中子および主型で使用できます。水性塗型剤は、すぐにオーブンで乾燥させれば、抜型直後に使用できます。

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着火型塗型剤は、中子/主型の離型後少なくとも10分間放置した後に最適に適用されます。これに対する例外は、比較的高いサンドヒーター温度によって温められた「暖かい」中子と主型に加えて、トーチおよび/またはオーブンで乾燥された砂の表面です。
耐火コーティングは、冷たい中子/主型表面には絶対に塗布しないでください。

ミキサータイプ
ほぼすべてのタイプのミキサーをPUNBで使用できます。高速バッチミキサー、ゼロリテンション、高速連続ミキサー、および増圧ヘッドを備えたミキサーが最も広く使用されています。これは、コーティング装置内に入っている事前に触媒が混合されていない混練砂と、触媒砂が迅速に混合されて吐出されるためです。
砂と触媒樹脂成分の混合は迅速に行われる必要があるため、ゼロリテンションミキサーの設計とPUNBの高速ストリップ時間の組合せは、非常に優れています。さらに、これらのミキサーは、あらゆるタイプの中子/主型製造に最適です。

樹脂のポンピングと計量のリアルタイムコンピュータ制御
樹脂レベルを最適化し、コア/金型の製造を改善し、コストを削減する最善の方法は、コンピューターを使用したバッチ式または連続ミキサーでポンプと計量を制御することであることが経験的に証明されています（図4を参照）。リアルタイムのコンピューター制御をインストールするたびに、樹脂の節約だけで1年未満の導入コストの回収が実現できました。
図 4 ポンプと計量が制御されたバッチ式または連続ミキサー

耐湿性樹脂でコーティングされたどんな砂も高い相対湿度にさらされると、特に暑い時期に相対湿度が90％を超えると、樹脂システムの粘着強度が大幅に低下します。コールドボックスのフェノールウレタンは、この明らかな強度の低下で知られています。ノーベークにおいても湿度の低下に悩まされていますが、通常、重大な問題として挙げられることはありません。
湿度による悪影響に関係している特性の1つは、ポリマー鎖のタイプです。ポリマーが長く、より架橋されているほど、湿度劣化に対する耐性が高くなります。逆に、架橋が短く、架橋が少ないほど、耐湿性は低くなります。触媒速度が速いと、架橋が少なく、鎖が短くなります。
したがって、ウレタンコールドボックスのような瞬間的に重合したコーティングは、湿度が低下することが予想されます。さらに、重合を達成するのに十分な触媒がある限り、触媒作用の速度が遅いほど、耐湿性が高くなり、中子／主型の強度が高くなります。

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欠陥防止のための添加剤
PUNBバインダーは、鉄系と非鉄系鋳物の両方に使用されます。特定の鉄系の用途（最も一般的には鋳鋼）では、鋳造表面の仕上げを改善し、冷却効果を与え、ガス起因をを最小限に抑え、砂の膨張欠陥を制御するために、0.25〜3％の赤い酸化鉄または1〜6％の黒い酸化鉄を砂に混合することがよくあります。
PUNB樹脂システムには、約3.0〜3.8％の窒素が含まれています。これは砂に対しては約0.04％であり、高品質で低窒素のフランノーベークとほぼ同じ窒素含有量です。わずか0.25％の赤色の酸化鉄が、溶融物中の窒素に関連する、さらに/またはPUNBバインダーから発生する鋳鉄表面下の多孔質巣を抑制するのに効果的であることが示されています。
酸化鉄は、PUNBシステムに関連するラストラスカーボンの欠陥を減らすのにも役立ちます。酸化鉄は溶融金属によって加熱されると、分解して酸素を主型のキャビティに放出します。酸素は、バインダーが分解するときに放出される炭素と結合して、すす状の炭素ではなくガス状のCOタイプの生成物を形成し、光沢のある炭素の欠陥を防止します。
赤い酸化鉄であるヘマタイトは、磁性のある黒いマグネタイトよりも相対的に多くの酸素を放出します。ヘマタイトはマグネタイトよりも速く酸素を酸素を放出するため、ラストラスカーボン制御には黒いマグネタイトよりも効果的である傾向があります。ただし、マグネタイトほど冷えないので、ヘマタイトは添加量が多くなるため、同等の強度を得るにはより多くの樹脂が必要です。
炭水化物、カオリナイト粘土、酸化鉄の独自の混合物もPUNBシステムで使用されますが、有機物である炭水化物はガスの欠陥の原因になる可能性があります。

PUNB の砂再生
PUNBを使った砂の機械的再生特性は優れています。樹脂被膜は比較的もろいので、空気圧または他の摩滅機械的再生システムによって砂の表面からレジンを簡単に取り除くことができます。
焙焼再生は、PUNBのノーベークで使用された砂をリサイクルして、鋳造工場でレジン粘結中子と主型を生産するための優れた方法です。
焙焼再生には、砂の表面から樹脂被膜と残留物を効果的に除去するために、約100万BTU /砂トンのエネルギーが必要です。
有機バインダーは、バインダーレベル、鋳造プロセスで焼失しなかったバインダーの量、残留溶剤などに基づいて、熱再生に必要な熱エネルギーを提供します。砂の再生に必要なエネルギーの内、最大で75%をPUNBの持っているエネルギーが供給します。

多くの人は、焙焼再生は再生機の熱源によって供給されるエネルギーのみに依存すると誤って信じています。焙焼再生において、再生の最も重要なポイントは、「火をつけてから効率的に燃焼させ続ける」ことです。したがって、コーティングされたバインダーが燃焼し始めると、再生機は燃焼を維持し、効果的に燃焼し続けるのに十分な追加の熱エネルギーと十分な空気を供給します。

現時点では理由が完全には理解されているわけではないのですがが、鋳物メーカーは、焙焼再生砂は新しい砂よりもはるかに優れた耐湿性を備えたフェノール/ウレタン中子および主型を製造できると考えています。

中子と主型の生産
PUNBを使用すると、他に類を見ないほどの短時間で中子と主型を製造できますが、中型から小型のサイズのノーベークを大規模に生産する時、パターンハンドリングシステムを利用して最も有利に達成できます。
木型や金型の迅速な繰り返し使用を最大化するターンテーブルまたはコンベアループラインについては、次回(第５部)の記事で説明します。

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結論
50年以上前に鋳造業界に導入されて以来、PUNBバインダーの消費量は着実に増加しています。高強度、予測できる抜型時間、および高速のパターンの循環を提供します。
標準PUNBにおいては、環境特性の絶え間ない改善、再生システムの容易さ、特殊な非鉄系鋳物用ウレタンの導入、およびレジン粘着砂を使った中子と主型の寸法予測性などによって、PUNBバインダーに適用は拡大しており、精密砂型寸法が求められる鋳造の新時代に、重要な要素の1つとみなされるようになる可能性があります。

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参考文献
Fig. 1-3: ASK owned graphics
Fig. 4: Palmer Mfg.

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