特許 6018318 水ガラス含有砂型造型用離型剤

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6018318

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】水ガラス含有砂型造型用離型剤

(51)【国際特許分類】

   B22C 3/00 20060101AFI20161020BHJP

   B22C 1/18 20060101ALI20161020BHJP

   B22C 9/02 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   B22C3/00 C

   B22C1/18 B

   B22C9/02 101Z

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-544974(P2015-544974)

(86)(22)【出願日】2014年10月24日

(86)【国際出願番号】JP2014078378

(87)【国際公開番号】WO2015064506

(87)【国際公開日】20150507

【審査請求日】2015年8月19日

(31)【優先権主張番号】特願2013-223678(P2013-223678)

(32)【優先日】2013年10月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】591032839

【氏名又は名称】株式会社テトラ

(74)【代理人】

【識別番号】110001999

【氏名又は名称】特許業務法人はなぶさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】光武 正臣

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 浩庸

(72)【発明者】

【氏名】岡田 真幸

(72)【発明者】

【氏名】松原 弘之

【審査官】 酒井 英夫

(56)【参考文献】

【文献】 特公昭４７−０２６９３３（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開平７−１２４６８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−１２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−５７３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４８−３０５２９（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｃ １／００−３／０２，９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金型内で造型される水ガラス含有砂型の水ガラスと反応して二酸化ケイ素が生成されるプロトン供与性のある官能基を有する有機化合物を含むことを特徴とする水ガラス含有砂型造型用離型剤。

【請求項2】

官能基に水ガラスと反応して二酸化ケイ素が生成されるプロトン供与性を有するカルボキシル基、カルボニル基、またはヒドロキシル基を有する有機化合物を含むことを特徴とする水ガラス含有砂型造型用離型剤。

【請求項3】

０．０００１ mol／kg を超え、０．０５００ mol／kg 以下の量のカルボキシル基を有する鎖状有機化合物を含むことを特徴とする水ガラス含有砂型造型用離型剤。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水ガラスをバインダーとした砂型を造型する際に使用する離型剤（水ガラス含有砂型造型用離型剤）に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、水ガラスを添加した鋳物砂を用いて鋳型を製造する鋳型製造技術があった（特許文献１）。これは、鋳物砂に水ガラスを１〜４％（重量％）添加混練し、これを用いて鋳型を成形した後、乾燥処理して鋳型を製造するという鋳型製造技術である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平９−１７４１９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記従来技術のように、水ガラスをバインダーとした砂型（鋳型：主型や中子）を造型した場合、水ガラス（ケイ酸ソーダ）は金属等、他の物質との親和性が高いため、造型に用いた金型に水ガラスが付着（固着）しやすく、離形の際に砂型が壊れやすい。
また、離型できたとしても水ガラスが上記金型に堆積しやすい。金型の合わせ面には、水ガラスを添加した砂の充填時に空気を抜くためと、焼成時に水蒸気を抜くための隙間がある。しかし、上記のように水ガラスが金型に堆積すると、その堆積する水ガラスが上記隙間を埋めて空気が抜けるのを妨げ、水ガラスを添加した砂の充填不良や焼成不良が起きてしまう。このため従来、水ガラスの金型への付着や堆積を防止できる高性能な（離型性の高い）離型剤の開発が要望されている。

【0005】

本発明は、上記のような要望に鑑みなされたもので、水ガラスをバインダーとした砂型（主型や中子）の造型において、水ガラスの金型への付着（固着）や堆積を防止できる高性能な水ガラス含有砂型造型用離型剤を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題は、水ガラス含有砂型造型用離型剤を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

【0007】

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（３）項が請求項３に、各々対応する。

【0008】

（１）金型内で造型される水ガラス含有砂型の水ガラスと反応して二酸化ケイ素が生成されるプロトン供与性のある官能基を有する有機化合物を含むことを特徴とする水ガラス含有砂型造型用離型剤。
（２）官能基に水ガラスと反応して二酸化ケイ素が生成されるプロトン供与性を有するカルボキシル基、カルボニル基、またはヒドロキシル基を有する有機化合物を含むことを特徴とする水ガラス含有砂型造型用離型剤。
（３）０．０００１mol／kg を超え、０．０５００mol／kg 以下の量のプロトン供与性のある官能基を有する鎖状有機化合物を含むことを特徴とする水ガラス含有砂型造型用離型剤。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、水ガラスをバインダーとした砂型の造型において、水ガラスの金型への付着（固着）や堆積を防止できる高性能な水ガラス含有砂型造型用離型剤を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る水ガラス含有砂型造型用離型剤の化学反応を示す図である。

【図2】他の実施形態に係る水ガラス含有砂型造型用離型剤の構造及び化学反応を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
上記課題で述べたように、水ガラスは、金属等、他の物質との親和性が高いため金型に付着（固着）しやすい。例えば、射出充填による造型方法では、水を含んだ混練物（鋳物砂に水ガラスを添加してなる混練物）を加熱し水分を蒸発させ、水ガラスの重合反応を起こすことで混練物を硬化させる。この場合、水分がなくなるまで射出シリンダーで圧力をかけ続けることで、水蒸気による内圧を抑え混練物の逆流を防いでいる。したがって、混練物の硬化が進んで逆流が起きなくなるまで上記圧力をかけ続けなければならない。このため混練物は金型面に押し付けられ、水ガラスが金型に付着（固着）し、また、混練物が金型の隙間から外部に出にようとするので金型への水ガラスの堆積が起きやすい。このため、水ガラスの付着、堆積を防ぐ高性能な離型剤が不可欠である。

【0012】

そこで本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討・実験を重ねた結果、水ガラスと反応して二酸化ケイ素が生成されるプロトン供与性のある官能基を有する有機化合物（例えば脂肪酸）を含む離型剤を水ガラス含有砂型造型用として発明するに至った。
すなわち、図１に示すように、水ガラスと反応して二酸化ケイ素が生成されるプロトン供与性のある官能基を有する物質を、水ガラスをバインダーとした砂型の造型に用いれば、砂型原料に含まれる水ガラスと、離型剤に含まれるプロトン供与性のある官能基とが反応して二酸化ケイ素になる。二酸化ケイ素は接着性を有さず、したがって造型された砂型に含まれる水ガラスが金型に付着（固着）することや、金型に水ガラスが堆積することを防止できる。

【0013】

すなわち、上記混練物に含まれる水ガラスが加熱され、水分が蒸発し縮合反応が起きると、水ガラスはＯ−Ｓｉ−Ｏの結合が３次元的に網目となった強固な構造となる。これによって、鋳型の強度が発現されるが、３次元構造を作る前に、アルカリである水ガラスと、離型剤中のプロトン供与性のある官能基を有する物質が反応し、二酸化ケイ素が生成する。二酸化ケイ素は、鋳型と金型の界面に生成し、鋳型と金型に３次元網目構造をとることを妨げて、接着性もなくすことができる。さらに、低密度の結晶構造により圧着防止にもなり、優れた離型性が発揮され、水ガラスによる上記付着、堆積を防ぐことが可能な高性能な離型剤を得ることができる。

【0014】

特に、上記官能基としてカルボキシル基を有する有機化合物を用いた場合（図２にその構造式の代表例及び化学反応式を示す。）の離型性は、後述する実験例で示すように高く発揮され、水ガラスの付着、堆積を防ぐ高性能な離型剤として提供できる。

【実施例】

【0015】

[実験例１]
高性能な水ガラス含有砂型造型用離型剤を得るに当たり、プロトン供与性のある官能基を有する有機化合物を見出すために行った実験例を以下に示す。
実験方法
プロトン供与性のある官能基を異ならせた材料を含めて、ここでは、１１種類の異なる有機化学物質で、各々製造した水ガラス含有砂型造形離型剤（試料薬剤）を用いて以下の手順で砂型造形試験を行い、砂型造形用の金型への付着物の観察を行った。
手順１
円筒型（砂型造形用の円筒状金型）と、この円筒型内に摺合せ挿入可能な銅合金からなる円柱状の上型及び下型（上型及び下型を円柱型と総称する。）とを用意する。そして、円筒型と上型及び下型とを所定温度、ここでは２６０℃に加熱して、上型及び下型の後述する造形物と当たる面及び円筒型の内面に上記試料薬剤（離型剤）を加圧式スプレーで塗布する。
手順２
塗布直後に円筒型内に下型を挿入し、砂型原料（鋳物砂に水ガラスを添加してなる混練物）を投入する。
手順３
円筒型内にその上部から上型を挿入し、上記砂型原料を挟み込む。
手順４
砂型原料の挟み込み直後に円筒型内の上型を上方より下方に向けて加圧する。
手順５
所定時間後、ここでは1分後に円筒型内の下型を円筒型の下部から抜き出す。
手順６
続いて、円筒型を裏返して（上下を反転し）、裏返された円筒型の下部から円筒型内の上型を抜き出す。
手順７
次に、円筒型内に残る造形物（砂型として製造すべく砂型原料を加熱、加圧して得られた造形物）を、裏返された円筒型の上方よりその円筒型内に挿入した押出し棒で下方に押出して円筒型内から抜き出す。
手順８
上記手順１~手順７を5回繰り返して5個の造形物を得て、各回の造形物を得た際の金型（円筒型や円柱型）への付着物の有無の観察を行った。

実験結果
上記実験によれば、次の観察結果が得られた。
ａ）プロトン供与性のあるカルボキシル基を有する鎖状有機化合物（脂肪酸）の場合。
円柱型側面に水ガラスの付着あり。
円柱型造形物接触面に造形材料の付着なし。
円筒型内面への水ガラスの付着なし。
金型の炭化物堆積なし。
ｂ）プロトン供与性のあるカルボキシル基を有する鎖状有機化合物（ポリシロキサン）の場合。
円柱型側面に水ガラスの付着あり。
円柱型造形物接触面にエアーで容易に除去でき、固着はしていないカルボキシル基との反応で生成した白色粉末あり。
円筒型内面への水ガラスの付着なし。
金型の炭化物堆積なし。
ｃ）プロトン供与性のあるカルボニル基を有する鎖状有機化合物（ポリシロキサン）の場合。
円柱型側面に水ガラスの付着あり。
円柱型造形物接触面に造形材料の付着なし。
円筒型内面への水ガラスの付着なし。
金型の炭化物堆積なし。
ｄ）プロトン供与性のあるヒドロキシル基を有する鎖状有機化合物（ポリシロキサン）の場合
円柱型側面に水ガラスの付着なし。
円柱型造形物接触面に造形材料の付着なし。
円筒型内面への水ガラスの付着なし。
金型の炭化物堆積なし。
ｅ）水のみの場合
円柱型側面に造形材料の砂の付着あり。
円柱型造形物接触面に造形材料の砂の付着あり。
円筒型内面への水ガラスの付着あり。
金型の炭化物堆積なし。
ｆ）プロトン供与性のある官能基を有しない鎖状有機化合物Ａ（ポリシロキサン）の場合
円柱型側面に水ガラスの付着なし。
円柱型造形物接触面に造形材料の砂の付着あり。
円筒型内面への水ガラスの付着あり。
金型の炭化物堆積なし。
ｇ）プロトン供与性のある官能基を有しない鎖状有機化合物Ｂ（ポリシロキサン）の場合
円柱型側面に水ガラスの付着あり。
円柱型造形物接触面に造形材料の砂の付着あり。
円筒型内面への水ガラスの付着あり。
金型の炭化物堆積なし。
ｈ）プロトン供与性のある官能基を有しない環状有機化合物（基油アルキルナフタレン）の場合
円柱型側面に水ガラスの付着なし。
円柱型造形物接触面に造形材料の砂の付着あり。
円筒型内面への水ガラスの付着なし。
金型の炭化物堆積なし。
ｉ）プロトン供与性のある官能基を有しない鎖状有機化合物（基油ポリ−α−オレフィン）の場合
円柱型側面に水ガラスの付着なし。
円柱型造形物接触面に造形材料の付着なし。
円筒型内面への水ガラスの付着あり。
金型の炭化物堆積あり。
ｊ）プロトン供与性のある官能基を有しない環状有機化合物（基油ナフテン系オイル）の場合
円柱型側面に水ガラスの付着あり。
円柱型造形物接触面に造形材料の付着あり。
円筒型内面への水ガラスの付着あり。
金型の炭化物堆積あり。
ｋ）プロトン供与性のある官能基を有しないポリエステル有機化合物（ポリエステル）の場合
円柱型側面に水ガラスの付着あり。
円柱型造形物接触面に造形材料の付着なし。
円筒型内面への水ガラスの付着あり。
金型の炭化物堆積あり。

以上の実験結果を表１にまとめて示す。

【表1】

この実験結果より次のような評価結果が得られた。
I）プロトン供与性にある官能基を有する試料材料には、金型造形面へ造形材料付着（固着）がない。
II）プロトン供与性がない試料材料においても、金型造形面に造形材料付着（固着）がない試料材料があるが、円筒型への水ガラス付着があり、さらに金型に有機物の炭化堆積があるので、連続して使用する離型剤材料としては適さない。
III）以上のI）II）より、プロトン供与性のある官能基を有する有機化合物が上記の課題を解決可能な水ガラス含有砂型造形用離型剤として提供できるとの検証結果が得られた。

【0016】

[実験例２]
プロトン供与性のある官能基としてのカルボキシル基を有する有機化合物を含む高性能な水ガラス含有砂型造型用離型剤を得るに当たり、好適量のカルボキシル基を見い出すべく行った実験例を以下に示す。
実験方法
カルボキシル基の量（離型剤単位重量当たりのモル数）を異ならせて、ここでは６種類の異なる量で、各々製造した水ガラス含有砂型造型用離型剤（試料薬剤）を用いて実験例１と同様の手順で砂型造型試験を行い、砂型造型用の金型への付着物の観察を行った。

実験結果
上記実験によれば、次のような観察結果が得られた。
a）カルボキシル基の量（カルボキシル基の離型剤単位重量当たりのモル数。以下、同じ。）が０．１５００mol／kg の場合。
カルボキシル基を含有する成分の有機鎖による堆積が多量あり。
造型物にはカルボキシル基との反応で生成した白色物の付着あり。
b）カルボキシル基の量が０．１０００mol／kg の場合。
カルボキシル基を含有する成分の有機鎖による堆積が多量あり。
造型物にはカルボキシル基との反応で生成した白色物の付着あり。
c）カルボキシル基の量が０．０５００mol／kg の場合。
円柱型側面に水ガラスの付着が多量あり。円筒型内面への水ガラス付着なし。
造型物にはカルボキシル基との反応で生成した白色物の付着あり。
d）カルボキシル基の量が０．０１００mol／kg の場合。
円柱型側面に水ガラスの付着あり。
円筒型内面への水ガラスの付着なし。
e）カルボキシル基の量が０．００１０ mol／kg の場合。
円柱型側面に水ガラスの付着あり。
円筒型内面への水ガラスの付着なし。
f）カルボキシル基の量が０．０００１ mol／kg の場合。
円柱型側面に砂の付着あり。
円筒型内面への水ガラスの付着あり。

以上の実験結果をまとめて表２に示す。

【表2】

この実験結果により次のような評価結果が得られた。
I) カルボキシル基の量は、０．０００１mol／kg 以下では、円柱型に造型材料の砂付着あり、円筒型に水ガラスの付着（固着）があり、反応の効果（離型性）がない。このことから、カルボキシル基の量が不足していると推測される。
II) カルボキシル基の量が０．０００１mol／kg 超えから、０．０５００mol／kg以下では、円筒型内面に水ガラスの付着はない。円柱型の水ガラスの付着は、付着差（試験結果）を顕著にするために水ガラス成分を増量しており、その増量成分によるものである。造型物の反応の効果（離型性）は良好で、カルボキシル基の量は好ましい量である。
III) カルボキシル基の量が０．０１００ mol／kg 超えでは、カルボキシル基以外の熱特性に由来した物質の堆積や熱劣化の影響が顕著となり、カルボキシル基と水ガラス成分との反応はしているが、好ましい離型剤としての使用には他の要因の確認が必要である。
IV) 以上の I)〜 III)により、カルボキシル基の量が、０．０００１mol／kg 超えから０．０５００mol／kg以下の場合が好適量であると検証された。すなわち、この量のカルボキシル基を有する有機化合物を含む水ガラス含有砂型造型用離型剤が、上記の課題を解決可能な水ガラス含有砂型造型用離型剤として提供できるとの検証結果が得られた。

【0017】

以上述べたように本発明の実施形態によれば、水ガラスをバインダーとした砂型（主型や中子）の造型において、水ガラスの金型への付着（固着）や堆積を防止できる高性能な、つまり離型性の高い水ガラス含有砂型造型用離型剤を提供することができる。

【図1】

【図2】