KR0173139B1 - 주물제조용 수분산 몰드 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수불용성 분진 물질 및 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온을 포함하는 바인더로 구성됨을 특징으로 하는 주조용 수분산몰드에 관한 것이다.
본 발명은 또한 (a) 수불용성 분진물질을 제공하는 단계; (b) 물에 용해되는 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온을 포함하는 바인더와 분진 물질을 화합하는 단계; (c) 상기 (b)단계 후 또는 그 동안중 어느 하나에서, 분진 물질과 바인더를 혼합하여 바람직한 형태로 성형하는 단계; 및 (d) 상기 혼합물로부터 여분의 물을 제거하는 단계를 포함하는 주조용 수분산몰드의 제조방법을 제공한다. 상기 폴리포스페이트 체인은 수용성 포스페이트 유리로부터 유도되고, 상기 보레이트 이온은 용해성 보레이트 유리로부터 유도될 수 있다.

Description

주물제조용 수분산 몰드 및 이의 제조방법
본 발명은 사출성형(injection moulding) 또는 주조용 주물(foundry castings)을 제조하는데 사용되는 수분산 몰드(moulds)에 관한 것이다.
본 명세서에 사용된 용어 몰드에는 캐비티(cavities)를 가지거나 가지지 않는 주물을 제조하기 위한 몰드, 및 캐비티를 함유하는 캐스팅 공정에서 캐비티를 제조하기 위한 코아(core), 및 상기 몰드 및 코아의 조합물이 포함된다. 본 명세서에 사용된 용어 캐스팅에는 주조 캐스팅 공정 및 사출성형과 같은 다른 성형공정이 포함된다.
코아 및 몰드는 모래 또는 다른 내화분진물질로부터 제조되며, 통상적으로, 유동에 필요한 특성(코아/몰드의 성형을 가능하게 해준다), 벗김강도(코아/몰드를 성형 공정후 곧바로 사용할 수 있게 해준다) 및 캐스팅 공정동안 발생되는 조건에 견딜 수 있는 파괴강도를 제공하기 위하여 통상적으로 바인더(binder)가 첨가된다.
내화 분진물질 및 바인더는 램공정(ramming), 압축공정(pressing), 취입공정(blowing), 및 상기 혼합물을 코아박스, 성형 플라스크, 또는 몰딩 또는 몰드 박스와 같은 적당한 성형 수단으로 압출하는 공정으로 포함되어 있는 다양한 공정에 의해 코아 또는 몰드로 성형된다. 몰드는 통상적으로 상기 성형수단에 남아 있지만, 선택적으로 이로부터 제거될 수도 있다; 코아는 성형수단으로부터 제거되고, 선택적으로 경화단계후 상기 코아는 그린 강도(green strength)보다 더 큰 강도로 경화된다. 만일 상기 경화 단계가 빠진다면, 상기 코아가 충분한 그린 강도를 필요로 하기 때문에 성형수단으로부터 제거되자마자 혼합물이 분리되지 않는다. 상기 코아 또는 몰드는 그후 인위적으로 경화 또는 소성되어 그것의 강도를 더욱 더 증가시켜 이로인해 융해금속(molten metal) 금속의 부식 및 압력 효과에 견딜 수 있으며, 상기 금속이 고화될때까지 파괴되거나 변형됨이 없이 그것의 형태를 유지시킬 수 있을 것이다. 내화분진 물질로 사용되는 몇몇 바인더는 코아에 영향을 미쳐 캐스팅공정 후 코아가 캐비티로부터 제거되는 것을 어렵게 만든다. 몇몇 코아, 특히 소디움 실리케이트(sodium silicate) 바인더를 사용하는 코아는 고온의 캐스팅 공정온도에 직면할 때 강도를 증가시킨다. 그 결과, 상기 코아는 물에 분산될 수 없으며 코아를 주물로부터 제거하기 위하여 기계적으로 분리시키기도 어렵게 된다.
주물을 제조하기 위해 금속 또는 합금이 캐스트된 둘레에 세라믹 조성물로부터 제조된 삽입물(inserts) 또는 코아를 사용한다는 것은 잘 알려져 있다. 상기 코아 또는 삽입물은 캐스팅 공정 후 기계적인 수단, 예를 들면 타격 드릴링(percussion drilling)에 의해, 또는 복잡한 형태나 부서지기 쉬운 주물인 경우 상기 캐스팅 금속과 반응하지 않는 용제에서 분해시켜 제거된다. 선택적으로, 만일 유기 바인더가 사용된다면, 상기 주물 또는 코아를 상기 주물의 융점에 접근하는 온도로 가열되어 유기 바인더를 분해할 수 있다.
바람직한 코아는 하기와 같은 필요한 요구범위를 만족시켜야 한다. 예를들면, 상기 코아는 성형될 수 있어야 하며 상기 캐스팅 공정동안 내내 상기 성형 형태를 유지할 수 있어야 한다; 상기 코아는 상승된 온도를 견딜 수 있어야 한다; 상기 코아는 상기 주물을 손상시키지 않고 상기 주물로부터 제거될 수 있어야 한다; 및 상기 코아는 상기 주물을 손상시키거나 약화시키지 않는 물질 또는 물질들로 제조되어야 한다. 상기 코아는 또는 안정해야 하며, 고품질의 표면을 가지는 완제품을 제공하여야 한다.
US-A-3764575, US-A-3963818 및 US-A-4629708에는 캐스팅 공정에 분산 가능한 코아를 사용하는 방법이 개시되어 있다. 예를들면, US-A-4629708에는 수용성 솔트(salt), 칼슘 실리케이트(calcium silicate) 및 바인더로 구성된 혼합물을 사용한다는 내용이 개시되어 있다. 상기 수용성 솔트 물질의 적절한 예에는 포타슘 클로라이드(potassium chloride), 소디움 메타실리케이트 또는 바람직하게는 소디움 클로라이드가 포함된다. 상기 바인더는 파라핀 왁스(paraffin wax), 합성 유기 수지(resin), 실리콘 수지 또는 바람직하게는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)일 수 있다. 상기 혼합물을 사출성형한 후 연소시켜 유기성분을 제거하며 수용성 솔트 입자를 소결시킨다. 캐스팅 공정후 상기 코아는 물에서 분해되어 제거된다. 코아의 제거에 필요한 시간은 상업적으로 받아들여질 수 없다는 것은 코아 물질의 성질을 의미한다. 상당히 오랜시간동안 주물과 접촉하는 용액은 부식을 발생시킬 수 있다.
US-A-3764575에는 알카리 또는 알카리 토금속 클로라이드와 같은 수용성 솔트, 설페이트(sulphates) 또는 보레이트(borates), 물-유리 및 바인더로서 합성수지를 포함하는 코아가 개시되어 있다.
US-A-3963818에는 상술한 부식 문제를 방지하기 위한 내용이 개시되어 있다. 여기에는 센티미터 제곱당 1.5~4톤의 압력하에서 소디움 클로라이드와 같은 건조된 무기솔트를 압축한다는 내용이 개시되어 있다. 그러나 실제의 주조 조건하에서는 압축된 무기 솔트가 용해될 때 부식이 발생하는 것을 알 수 있었다. 더구나, 상기 코아는 성형하는 압축 성형기술은 복잡한 코어를 성형하지는 못하기 때문에 코아의 사용범위를 헌정하고 있다. 또한, 상기 코아들은 고압 다이 캐스팅 공정에서는 충분한 강도를 가지지 못하는 경향이 있다.
소디움 실리케이트 캐스트 코아를 사용하자는 내용이 또한 제안되어 있다. 그러나, 이것은 상당히 고온에서 용액(melt)을 형성하며, 상기 캐스트 코아는 상당히 낮은 용해도를 가지므로 물로써 제거하는 데는 오랜 시간이 소요된다. 고온의 금속과 접촉함으로써 상기 코아에서 초기 크랙(incipient cracks)을 또한 발생할 수 있다. 상기 크랙으로 인하여 주물은 불규칙한 표면을 가지게 된다. 포스페이트 솔트, 즉 소디움 포스페이트와 같은 결정질의 포스페이트 물질을 사용한다는 내용이 US-A-1751482에 제안되었지만, 이러한 물질은 안정한 몰드를 제공하지 못한다.
캐비티가 없는 주물을 제조하는데 사용된 그린 모래 몰드는 가격이 저렴하고 몰드로서의 성능이 우수하기 때문에 폭넓은 인정을 받았다. 상기 몰드에 있어서, 그린 강도는 벤토나이트(bentonite)와 같은 바인더 및 모래로 구성된 혼합물을 기계적인 힘으로써 성형시킴에 의해 주로 달성된다. 상기 몰드는 거대한 주물, 예를들면 실리카 모래가 산화철과 반응하여 상기의 결과로 인한 주물에 접착하는 경향이 있는 아이런 실리케이트(iron silicate)를 형성할 때 캐스트 아이런으로부터 나온 주물을 제조할 때 용이하게 사용할 수 없다. 이것은 상기 주물은 진동, 소음 및 먼지를 발생시키는 쇼트 블래스팅(shot blasting)과 같은 공정에 의해 캐스팅된 후 완성되어야 한다는 것을 의미한다. 자체-경화 몰드는 다양한 바인더를 사용하여 제조될 수 있지만, 종래의 자체-경화몰드는 수용성이며, 그러한 주물은 상기 몰드에 큰 충격을 주어 상기 몰드로부터 종종 분리시켜야 한다. 이것은 많은 진동, 소음 및 먼지를 발생하며, 이들 모두는 작업환경을 악화시키는 것들이다.
따라서, 본 발명의 목적은 주물을 제조하는데 사용되는 수분산 몰드를 제공하는데 있다. 상기 몰드는 수불용성 분진 물질 및 이를 위한 바인더를 포함하며, 상기 바인더는 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온을 포함한다.
바람직하게는, 상기 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온은 적어도 하나의 수용성 포스페이트 및/또는 보레이트 유리로부터 각각 유도된 것이다.
바람직한 일실시예에 있어서, 바인더는 적어도 하나의 수용성 유리 수용액 형태로 분진물질과 혼합하였다. 바람직한 또다른 실시예에 있어서, 바인더는 적어도 하나의 수용성 유리 입자의 형태로 분진물질과 혼합하였고, 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온은 분진 물질 및 유리입자로 구성된 혼합물을 물과 혼합시켜 형성하였다. 유리입자는 물에 완전히 또는 일부 용해되어 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온을 형성할 수 있다.
수용성 유리는 완전한 유리질이거나 부분적으로 불투명한데, 여기서 후자의 경우, 수용성 유리는 가열 및 냉각되어 이로 인해 비정질 또는 유리질 상에서 결정성 지역을 형성한다.
각각의 수용성 유리가 수용액내에 용해된 후 폴리포스페이트 체인이 형성한다는 것을 알 수 있다. 이러한 체인들은 몰드 전역에 연결된 매트릭스(matrix)를 형성한다. 상기 매트릭스는 화학적으로 결합된 물분자들에 의한 체인들의 수소결합에 의해 개선된다. 여분의 물을 제거한 후, 상기 결과로 인한 건식 몰드는 수불용성 분진 물질과 서로 단단히 결합되어 있는 폴리포스페이트 매트릭스를 유지한다. 만일 여분의 물이 제거되지 않는다면, 상기 결과로 인한 습식 혼합물은 물의 존재로 인하여 구조적으로 약화될 수 있으며, 몰드 또는 코아로서 통상적으로 사용할 수 없게 될 것이다. 부가적으로, 상기 여분의 물은 본원의 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이 캐스팅 공정 동안 수증기를 발생시킬 것이며, 이로 인해 상기의 결과로 인한 주물의 질을 저하시킬 것이다.
통상적으로, 몰드에서의 주요 구성 성분은 주조모래, 예를들면 실리카, 올리빈(olivine), 크로마이트 또는 지르콘 모래와 같은 내화성 물질 또는 알루미나, 알루미노-실리케이트 또는 용융 실리카와 같은 또다른 수불용성 내화 분진 물질일 수 있는 수불용성 분진 물질이다. 주조 작업에 사용되는 실리카 모래는 통상적으로 98중량% SiO2를 함유한다. 몰드는 또한 몰드의 성능을 개선시키는 다른 미량의 첨가제를 함유할 수 있다.
바람직하게는, 분진물질 및 바인더의 총중량에 대해 바인더는 적어도 0.25중량%가 포함되며, 분진물질은 99.75중량%까지 포함된다. 좀더 바람직하게는, 분진물질 및 바인더의 총 중량에 대해 바인더는 0.5 내지 50중량%가 포함되며, 분진물질은 50 내지 99.5중량%가 포함된다.
본 발명의 목적은 또한, 주물을 제조하는데 사용되는 수분산 몰드의 제조방법을 제공하는데 있다. 상기의 제조방법은 하기의 단계들을 포함한다:
(a) 수불용성 분진물질을 제공하는 단계;
(b) 상기 분진 물질을 물에 분해되는 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온을 포함하는 바인더와 화합하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계동안 또는 그 단계 후 중 어느 하나에서 상기 분진 물질 및 바인더 혼합물을 바람직한 형태물로 성형하는 단계; 및
(d) 상기 혼합물로부터의 여분의 물을 제거하는 단계.
바람직하게는, 수용성 포스페이트 유리에는 30 내지 80mol% P2O5, 20 내지 70mol% R2O, 0 내지 30mol% MO 및 0 내지 15mol% L2O3가 포함되는데, 여기서 R은 Na, K 또는 Li이고, M은 Ca, Mg 또는 Zn이며 L은 Al, Fe 또는 B이다.
상술한 바에 의하면, 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온은 화학적으로 결합된 물분자들에 의한 수소결합을 부가적으로 포함할 수 있는 연결 매트릭스를 형성한다. 바람직하게는, 상기 물을 제거하는 단계(d)에서는 단지 여분의 물을 제거하는 것이지 혼합물로부터 화학적으로 결합된 물을 제거하는 것은 아니다. 통상적으로, 화학적으로 결합된 물을 완전히 제거하는 것은 바람직하지 않다. 왜냐하면, 이렇게 함으로써 수소결합을 파괴할 것이고, 이로 인해 상기 구조를 약화시키기 때문이다. 그러나, 몇몇 경우에 있어서는 화학적으로 결합된 물을 제거하는 것은 바람직할 수 있다. 이러한 경우 예를들면 Na2O/P2O5로 구성된 2성분계 유리에 있어서는 일단 모든 여분의 물이 약 150℃와 같은 낮은 온도에서 제거되면 350℃에서 가열시킴으로써 이러한 것이 수행될 수 있다.
본 발명의 목적은 주물을 제조하는데 사용되는 수분산 몰드의 또다른 제조방법을 제공하는데 있다. 상기의 제조방법은 하기의 단계를 포함한다:
(a) 수불용성 분진물질을 제공하는 단계;
(b) 상기 분진 물질을 적어도 하나의 수용성 포스페이트 및/또는 보레이트 유리 및 물로부터 유도된 바인더와 화합하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계 동안 또는 그 단계 후 중 어느 하나에서 상기 분진 물질 및 바인더 혼합물을 바람직한 형태로 성형하는 단계; 및
(d) 상기 혼합물로부터 여분의 물을 제거하는 단계.
포스페이트 또는 보레이트 유리를 사용하여 단일의 바인더를 형성함으로써 몰드가 고온에서 가열될 때 휘발되거나 연소될 수 있는 어떤 유기물질을 사용할 필요를 없애준다.
본 발명은 캐비티의 형성을 포함하는 캐스팅 공정에서 사용되는 코아의 제조에 특히 중요성이 있다. 상기 코아들은 통상적으로 코아박스에서 제조된다.
일실시예에 있어서, (b)단계에서 분진 물질과 혼합된 바인더는 적어도 하나의 수용성 유리 수용액의 형태이다.
또다른 일실시예에 있어서, (b)단계에서 분진물질과 혼합된 바인더는 적어도 하나의 수용성 유리입자의 형태이며, 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온은 내화분진물질 및 유리입자의 혼합물을 물과 혼합함으로써 형성된다.
상기 두 번째 실시예에 있어서, 상기 물은 상기 혼합물의 총중량에 대해 13중량%까지 첨가될 수 있다. 상기 물은 상기 성형단계동안 상기 혼합물이 몰드 박스로 취입되기전, 그 후 또는 그동안 중 어느 하나에서 첨가될 수 있다.
상기 혼합물이 몰드 박스에 놓여지는 동안 또는 그 이후에 상기 물이 상기 혼합물에 첨가될 때, 상기 물은 증기 형태로 또는 미세한 물보라 형태로 통상적으로 첨가된다. 상기 증기 또는 물보라는 바람직하게는 상기 혼합물이 물에 충분하게 젖을 수 있는 압력하에서 상기 혼합물을 통하여 억류된다. 그러나, 코아박스를 사용할때는 혼합물을 코아박스로 옮기기 전에 물로 적시는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다.
습식 유리입자 또는 유리입자와 모래의 혼합물은 물의 첨가에서 조차로 유동성이 있는 혼합물을 형성한다. 상기 물은 유리 표면을 충분히 분해시켜 폴리포스페이트 체인 및/또는 보레이트 이온을 제공한다.
상기 체인 및/또는 이온들은 상호작용하여 겔 작용(gelling action)을 하거나 하나의 내화성 입자가 다른 입자에 접착되는 경향이 있는 매트릭스를 형성한다. 이것은 코아박스로부터 이동될 수 있는 충진된 코아를 야기시키며, 여분의 물을 제거한 후 통상의 주조 작업조건하에서 손상없이 상기 코아를 사용할 수 있게 한다.
상기 혼합물을 충분히 적실 수 있는 정도의 물을 사용하여 내화성 입자들을 서로 서로 달라 붙게 한다. 유리 함량이 증가됨에 따라 모든 유리를 적시기 위해서는 더 많은 물이 필요하게 된다. 만일 모래가 유리와 혼합되기 전에 상기 물이 도입된다면, 그 후에는 상기 유리를 물에 첨가하는 것에 신중을 기해야 하지만, 반대의 경우에는 적절한 균일성을 유지하기 위해서 그러하지 않다. 많은 양의 유리(즉, 5%보다 많은 경우)를 가지는 경우, 만일 상기 혼합물이 코아박스내로 운반되기 전 또는 그때까지 충분한 물이 첨가되어 모든 유리(즉, 5%보다 많은 경우)를 분해시킨다면, 상기 혼합물은 충분히 젖을 것이며 접착성이 생겨 결과적으로 상기 혼합물은 상기 코아를 성형하는데 사용되는 코아박스로 유동하지 않는 응고물(coherent mass)이 되는 경향이 있다.
통상적으로 대부분의 입도에서, 물의 양이 13중량%보다 많지 않은 경우에는 전혀 문제가 없었다. 특별한 물의 함량을 선택하는 것은 물이 혼합물과 접촉한 상태로 남아 있는 시간(특히 코아 혼합물이 코아박스로 운반되기 전에 물이 첨가되는 경우), 온도 및 사용된 유리의 용해도에 또한 의존한다. 통상적으로, 물의 함량이 증가하면 증가할수록, 상기의 결과로 인한 코아의 강도는 더 커지는 경향이 있다.
특수한 상황에서 사용하기에 적당한 물의 양은 상당히 단순한 시험에 의하여 특수한 인자와 관련하여 결정될 수 있다. 상기 물의 양은 유리의 형태 및 양과 관련하여 조절될 수 있다. 이리하여 상기 물은 충분히 첨가되어 모든 유리입자들을 완전히 분해시킬 수 있으며, 또는 선택적으로 상기 유리입자들을 단지 부분적으로 분해시켜 이로인해 몰드 또는 코아에 잔여 유리입자들을 남길 수 있다. 통상적으로, 거친 주조모래(즉, AFS 50)와 미세한 주조모래(즉, AFS 100)에 대하여, 물을 유리 입자와 모래의 혼합물에 첨가할 때 유리:물의 바람직한 중량비는 1:1~1.5임을 알 수 있었다.
상기 코아는 또한 코팅되어 주물위의 마무리 손질을 개선할 수 있었지만, 잔여 또는 여분의 물은 상기 코아의 질을 저하시킬 수 있기 때문에 상기 코팅이 잔여 또는 여분의 물을 함유하지 않도록 신중을 기해야 한다.
바람직하게는, 수용성 포스페이트 유리는 30 내지 80mol% P2O5, 20 내지 70mol% R2O, 0 내지 30mol% MO 및 0 내지 15mol% L2O3가 포함되는데, 여기서 R은 Na, K 또는 Li이고, M은 Ca, Mg 또는 Zn이며 L은 Al, Fe 또는 B이다. 좀더 바람직하게는, 상기 수용성 포스페이트 유리는 58 내지 72wt% P2O5, 42 내지 28wt% Na2O 및 0 내지 16wt% Ca0를 포함한다.
상기 유리들은 하기와 같이 중량%의 견지에서 기재되어 있는 유리들을 포함한다:
수용성 유리로서는, 25℃에서 0.1~1000㎎/㎠/hr의 용해속도를 가지는 유리를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 유리는 포스페이트 유리에 대해서는 바람직하게는 25℃에서 적어도 200g/ℓ, 좀더 바람직하게는 800g/ℓ 또는 그 이상의 포화 용해도를 가지며, 보레이트 유리에 대해서는 적어도 50g/ℓ의 포화 용해도를 가진다.
통상적으로 유용한 포스페이트 유리는 Na2O, P2O5의 2성분계 유리이다. K2O 또는 혼합된 알카리 금속 옥사이드를 함유하는 유리들은 같은 기저조성을 선택할 수 있지만, K2O 및/또는 알카리 금속옥사이드 혼합물을 함유하는 유리들은 좀 더 불투명한 경향이 있으며 값이 비싸기 때문에 바람직하기 못한 경향이 있다.
바람직한 유리는 5Na2O 대 3P2O5근처의 몰비를 가지는 Na2O:P2O52성분계로부터 나온 포스페이트 유리이다. 비록 상기 유리들이 조성상 약간 변할 수 있다 하더라도, 60.5중량% P2O5, 39.5중량% Na2O를 함유하는 유리는 만족스럽게 사용하였다. 상기와 같은 유리는 n=4.11인 평균값을 가지는 포스페이트 체인을 가진다. 상기 n은 상기 체인에서의 포스페이트기의 수이다. n=30과 같은 좀 더 긴 체인 길이를 가지는 유리를 바인더로서 사용할 때, 상기 유리는 몰드를 사용할때와 상기 몰드를 캐스팅 공정에 사용할 때에 직면한 조건에 견디는 만족할만한 강도를 가지는 몰드를 제공하지만, 알루미늄의 다이 캐스팅과 같은 특수한 캐스팅 공정에 사용된 후 분해 및 제거를 달성하기 위해 상당히 오랫동안 물처리할 필요가 있는 몰드를 제조할 수 있다. 통상적으로, 약 4의 체인 길이를 가지는 유리가 30초의 세정시간과 1분 이하의 침지시간을 필요로 한다는 것에 비하여 약 30의 체인 길이를 가지는 유리로 제조된 몰드는 30초의 세정시간과 약 10분의 침지시간을 필요로 한다. 따라서, 빠른 제거가 필요한 곳에서는 좀 더 짧은 체인 길이를 가지는 유리가 바람직하다.
바인더로서 사용할 수 있는 다양한 수용성 소디움 폴리포스페이트 유리의 적응성을 판단하기 위하여 다양한 연구를 수행하였다. 하기 표는 시험된 몇몇 유리들의 조성을 나타내고 있다 :
상기 소디움 폴리포스페이트 유리의 NaO 함량이 증가함에 따라, 상기 포스페이트 체인의 길이는 통상적으로 단축되며, 이러한 것은 바꾸어 말하면 포스페이트 바인더로 형성된 코아의 인장 강도가 증가하는 경향이 있다는 것을 알 수 있었다. 상기의 이론에 벗어남이 없이, 포스페이트 체인이 좀 더 짧아질수록 수소결합이 좀 더 나아질 수 있으며, 상기 체인 말단의 포스페이트기가 많이 존재하면 할수록 좀 더 강한 수소결합을 제공할 수 있을 것으로 생각된다. 소디움 폴리포스페이트 유리에 있어서, NaO 함량이 증가함에 따라 바인더와 같은 유리를 사용하는 코아의 분산도가 증가하는 경향이 있다는 사실을 알 수 있었다. 이것은 부분적으로 수화된 유리가 완전히 재수화되며 용액으로 완전히 분해될 수 있는 능력은 조성상의 조그마한 변화에 의해서도 영향을 받는다는 사실을 의미하고 있다고 생각된다.
부가적으로, NaO 함량이 증가함에 따라, 소디움 폴리포스페이트 수용액의 점도는 또한 증가하는 경향이 있음을 알 수 있었다. 이러한 점도증가의 경향은 수용액에서 수소 결합을 가지는 경향이 있다는 것을 암시하고 있다고 생각된다. 이것은 바꾸어 말하면 점도는 주어진 소디움 폴리포스페이트 유리를 바인더로서 효과적으로 적응시켜 우수한 용해도 및 인장 강도를 제공할 수 있게 해준다는 것을 암시하고 있다. 상기에 따르면, 상기 유리는 충분히 높은 포화 용해도 및 용해 속도를 가지게 하여 상기 유리를 빠르고 충분하게 수용액 내로 들어갈 수 있도록 하여야 한다. 상기 표에 기재된 모든 유리들은 충분한 용해속도 및 포화 용해도 값을 가진다는 것을 알 수 있었다. 코아를 제조하는데 폴리 포스페이트 유리를 선택한 실용적인 중요한 측면은 상기 코아가 사용될 때 필요로 하는 저장 수명에 관련되어 있다는 것을 또한 알 수 있었다. 소디움 폴리페이트 유리의 NaO 함량이 증가함에 따라, 상기의 결과로 인한 코아가 대기의 수분에 의해 적어도 부분적으로 재수화될 수 있는 경향이 증가될 수 있으며, 이것은 상기 코아의 인장 강도를 결과적으로 감소시켜 이로인해 상기 코아의 효과적인 저장수명을 감소시킨다는 사실을 알 수 있었다. 만일 인장강도가 이런식으로 감소된다면, 상기 코아는 캐스팅 공정전에 깨질 수 있으며, 또는 캐스팅동안 질의 저하를 발생시킬 수 있다. 더구나, 주어진 어떤 캐스팅 공정에서 다양한 소디움 폴리포스페이트 유리의 적응성은 상기의 결과로 인한 코아가 상기 캐스팅공정동안 직면한 온도에 의존할 수 있다는 사실을 알 수 있었다. 이러한 것은 상기 캐스팅 공정의 온도가 상기 코아의 분산도에 결과적으로 연관성을 가지는 코아에 있는 바인더에 영향을 미칠 수 있기 때문인 것으로 생각된다. 알루미늄 중력 다이 캐스팅 공정동안 모래 코아를 사용할 경우, 상기 코아의 중심은 약 400℃의 온도에 직면하지만, 상기 코아의 표면은 500℃보다 높은 온도에 이를 수 있다. 코아의 분산도는 상기 코아가 직면한 온도가 증가됨에 따라 통상적으로 감소한다. 부가적으로, 조성에 따른 분산도의 변화는 서로 다른 온도에서 변할 수 있다. 캐스팅 공정 후 상기 코아의 비분산도는 소디움 폴리포스페이트 바인더와 미리 결합된 코아에서 모든 결합된 물을 제거하는 것과 관계가 있는 것으로 생각된다. 다양한 소디움 폴리포스페이트 바인더의 물 손실을 평가하기 위하여, 수화된 유리위에 열중량분석 시험을 수행하였다. 열중량분석 시험은 중량 손실 및 온도 사이의 관계를 제공한다. 많은 소디움 폴리포스페이트 유리위에 열중량 분석 시험을 수행하였다. 몇몇 경우에 있어서는 특별한 온도에 도달한 후 상기 온도에서 모든 결합된 물이 유리로부터 손실되었다는 것을 암시하는 듯한 더 이상의 실질적인 중량손실이 없었다는 것을 알 수 있었다. 만일 이러한 온도가 캐스팅 공정동안 코아가 직면한 온도보다 낮다면, 상기 코아는 캐스팅 공정 동안 코아로부터 여분의 물을 제거시킴으로써 캐스팅 후에 좋지 않은 분산도를 가질 수 있다는 것을 알 수 있었다. 적당한 코아 바인더는 캐스팅 공정동안 변형이 없고, 용융금속흐름에서 기체 발생 및 표면 부식이 적으며 치수가 안정된다는 것과 같이 바람직한 코아를 제조하기 위하여 수많은 다른 특성들을 또한 필요로 한다.
전반적으로, 인자의 변화는 바인더의 적합성 및 선택에 영향을 끼칠 것이다. 어떠한 용융분야에 대하여, 바인더의 선택은 시행착오에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 상술된 내용은 바인더의 특성에 영향을 미칠 수 있는 인자들에 대해 일반적으로 기재하고 있다. 이들 인자들의 조합으로부터, 폴리포스페이트와 같은 무기바인딩 물질은 캐스팅 공정에 포함된 온도에 적용할 수 있고, 모래코아를 형성하기 위하여 쉽게 용해되는 잔여물은 고온의 캐스팅 공정후에 물에서 빠르게 분산될 수 있는 폴리포스페이트 물질의 바인더에 의해 함께 혼합된다.
바람직하게는, 형성단계에서 상기 혼합물은 코아 취입기(blower)에 의해 코아박스로 취입된다.
바람직하게는 상기 단계(b)에서 상기 바인더와 분진물질의 전체중량에 대하여 상기 바인더가 적어도 0.25중량%를 함유하고 상기 분진물질은 99.75중량%을 함유한다. 좀더 바람직하게는 상기 (b)단계에서 상기 바인더와 미세입자 물질의 전체중량에 대하여, 상기 바인더는 0.5 내지 50중량%를 함유하고 상기 분진물질은 99.5 내지 50중량%를 함유한다.
상기 분진 물질의 입도가 상대적으로 작았을 때, 바인더 메트릭스가 상당히 큰 표면적을 제공하는 많은 수의 입자와 서로 결합하기 위하여 상당히 많은 양의 바인더를 요구할 것이다.
바인더의 양이 모래 또는 다른 분진 물질의 양보다 상대적으로 적은 곳에서는, 물에서 유리의 용액형태로 물 및 유리를 도입하는 것이 바람직하다. 통상적으로, 굵은 주조용 모래(즉, AFS 50)에 대하여 유리용액을 제조하였을 때 바람직한 유리:물의 중량비는 1:0.75~1이고, 미세한 주조용 유리(즉 AFS 100)에 대한 당량유리:물의 비는 1:1~1.5이다. 분말형태의 유리는 물에 첨가되고, 고전단 혼합기로 완전한 용액을 제조한다. 상기 용액의 일부는 그후 내화분진 물질에 첨가되고 인치제곱당 약 80파운드의 압력의 압축공기로 80℃로 미리 가열된 코아박스에 상기 혼합물을 취입하기 전에 완전히 혼합된다. 그 다음 약 50초동안 주변온도에서 압축공기로 정화된다. 양호한 사용강도를 갖는 코아를 이 방법으로 얻을 수 있다. 또한 몰드를 형성할 수 있다.
상기 몰드로부터 물의 제거는 여러방법으로 수행될 수 있다. 코아의 경우에 있어서, 코아박스에 있는 동안에 코아의 초기의 처리는 코아가 박스로부터 제거될 때 물의 완벽한 제거를 위한 필요한 시간을 줄일 수 있다. 바람직한 방법으로는 50~90℃의 온도범위에서 코아박스를 가열 및 코어크기 및 유리조성에 의존하여 30초 내지 1분동안 인치제곱당 80파운드의 압력에서 압축공기로 정화하는 것이 있다. 상기 코아는 그다음 120 내지 150℃의 온도범위로 가열하여 여분의 물의 최종제거가 달성될 수 있는 오븐으로 손상없이 이동할 수 있다. 가열되지 않은 코아박스 및 인치제곱당 60~80파운드의 압력을 갖는 압축공기 정화의 사용에 있어서, 정화하여 사용할 수 있는 코아를 얻는 동안에 약 4분간 코아를 남길 필요가 있다. 50 내지 90℃의 온도 및 인체제곱당 약 80파운드의 압력에서 압축된 공기가 또한 사용되고, 이 경우에 있어서 상기 코아는 약 1분후에 이동할 수 있다. 유리용액의 사용에 의하여 코아박스의 미리 가열된 온도가 100℃를 넘을 때, 압축된 공기 정화시간은 약 10~15초 감소할 수 있고 더 이상의 최종건조단계가 요구되지 않는다. 만약 코아박스가 예를들어, 에폭시수지와 같이 마이크로파에 실질적으로 투명한 물질로 제조된다면, 코아를 함유하는 박스는 마이크로파 오븐으로 이동될 수 있고, 약 700와트(watts)의 출력을 사용하여 약 2분간 건조된 코아 및 120 내지 150℃의 오븐에서의 최종건조단계는 더 이상 필요하지 않다. 약 25℃(실온)에서의 진공건조 및 700mmHg의 진공이 또한 이용될 수 있다. 다른 방법으로 예를 들어 약 4 내지 20분동안 코아를 통하여 상온건조공기를 불어주는 것이다.
케스팅 공정후에 몰드의 제거는 물탕에서 주물을 담구워 단순히 수행할 수 있고, 그 다음 물로 주물을 세정시킨다. 코아의 경우에 있어서, 고압에서 물의 사용은 특히 복잡한 몰드가 사용된 경우, 코아의 분산을 촉진한다. 물에 습윤제를 사용하여 코아를 형성한 경우에는 상기 분산을 도울 수 있다. 선택적으로, 만약 알카리 이온이 낮은 농도로 존재한다면, 몰드혼합물내의 물을 흡수하지 않는 소량의 소디움 카보네이트, 바람직하게는 소디움 카보네이트 데카하이드레이트가 코아의 분산을 도울 수 있고, 특히 시트릭산(citric acid)과 같은 희석된 산이 코어를 세정하는데 사용된다면 코아의 분산을 도울 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 하기 예가 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
BIS사가 제조한 Chelford 50 모래 32g을 67.4중량% PO, 28.6중량% NaO 및 4중량% CaO로 구성된 조성을 가지는 8g의 유리와 혼합하였다.
상기 유리는 150 내지 500 마이크로미터의 입도범위를 가지는 입자형태이다. 1g의 물을 상기 유리 및 모래에 첨가하여 완전히 혼합하였다. 상기 코아의 조성은 80wt% 모래, 20wt% 유리였다.
그후, 상기 혼합물을 인치제곱당 80파운드의 압력으로 코아에 취입하였다. 몰드에서 코아를 10분동안 유지시킨 후, 상기 코아는 약간 말랑말랑하였지만 몰드에서 꺼내어 150℃에서 30분동안 가열시켜 우수한 구조 및 선명도를 가지는 코아를 제공하였다.
그후, 상기 코아를 주조캐스팅에서 캐비티모형(cavity former)으로 사용하였다. 약 680℃에서 상기 코아둘레에 알루미늄을 주입하여 냉각시켰다. 일단 상기 주물을 물에 집어넣어 냉각시킨 후 유리/모래 코아를 꺼냈다. 상기의 결과로 인한 캐비티는 코아의 형태와 일치하였으며, 바람직하지 못한 표면의 손상을 전혀 보이지 않았다.
[실시예 2 및 3]
하기의 혼합물들을 실시예 1과 혼합물과 같은 방법으로 제조하였으며, 상기 혼합물들을 인치제곱당 60파운드의 압력으로 코아에 취입하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1에 따라 주조주물을 제조하는데 사용하였다.:
* 상기 유리조성은 실시예 1에서 사용된 조성과 같다. 괄호안에 있는 수치는 모래 및 유리를 합친 후 코아에서의 모래 대 유리의 비를 가리키는 것이다.
[실시예 4]
유리/모래 혼합물을 실시예 1에서 사용된 조성과 같은 조성을 가지는 8g의 유리 및 32g의 Chelford 50모래를 사용하여 제조하였다. 상기 유리는 75~250마이크로미터의 입도범위를 가지는 입자형태이다.
그후 상기의 결과로 인한 건식혼합물을 인치제곱당 80파운드의 압력으로 코아에 취입하였다. 그후 증기형태의 물 1g을 모래 및 유리의 건식혼합물을 함유하는 코아박스에 첨가하였다. 몰드에서 코아를 6분동안 유지시킨 후, 상기 코아는 약간 말랑말랑하였지만, 상기 코아를 코아박스에서 유지시키는 반면에 상기 코아에 150℃의 공기를 불어넣었다. 이렇게 하여 사용가능한 코아를 제조하였으며, 그후 코아박스로부터 상기 코아를 꺼내어 150℃에서 30분동안 가마에서 유지시켜 우수한 구조 및 선명도를 가지는 코아를 제공하였다. 상기 코아는 80wt% 모래, 20wt% 유리를 함유하였다. 그후 상기 코아를 실시예 1의 주조 캐스팅 공정에 따라 사용하였다.
[실시예 5]
하기 조성물의 총중량에 대해 61.8중량% P2O5, 26.2중량% Na2O 및 12.0중량% CaO를 가지는 1차 유리 36g을 총중량에 대해 70.2중량% P2O5, 29.8중량% Na2O를 가지는 좀더 용해성이 있는 2차유리 4g에 첨가하였다. 상기 두가지 유리는 75~250마이크로미터의 입도범위를 가지는 입자형태이다. 상기 유리들을 혼합하였으며 2g의 물을 상기 유리들에 첨가하였다; 상기의 결과로 인한 혼합물을 1분동안 강력하게 휘저었다. 상기의 결과로 인한 유리조성은 90wt% 1차유리, 10wt% 2차유리였다. 본 실시예에서 용해도가 낮은 유리는 불활성 내화물로 작용하여 이전의 실시예에 있는 내화성 모래와 균등한 것으로 간주될 수 있다. 그후, 코아를 110℃에서 20분동안 가열하여 여분의 물을 제거한다는 점을 제외하고는 실시예 1의 방법에 따라 상기 혼합물을 사용하여 주조용 주물을 제조하였다.
[실시예 6]
20g의 Chelford 60모래를 총중량에 대해 70.2중량% P2O5및 29.8중량% Na2O를 가지는 유리 20g과 혼합하였다. 상기 유리는 하기와 같은 시이브(sieve)의 중량%의 입자형태이다:
33.2중량% 355~500마이크로미터
7.9중량% 250~355마이크로미터
37.0중량% 150~250마이크로미터
12.2중량% 75~150마이크로미터
7.1중량% 53~ 75마이크로미터
2.6중량% 53마이크로미터이하
상기 건식혼합물을 플라스틱 시트전역에 걸쳐 균일하게 퍼뜨렸으며, 3g의 물을 상기 혼합물 전역에 걸쳐 균일하게 분사(응고 방지)하였다. 그후 상기 습식혼합물을 서로 모아서 파쇄기에서 혼합하였다. 상기 코아조성은 50wt% 모래, 50wt% 유리였다.
상기 혼합물을 인치제곱당 80파운드의 압력으로 코아박스에 코아취입시켰다. 3분이 경과된 후, 코아 및 코아박스를 2차코아 취입기로 옮겼다. 상기 2차 코아취입기에서는 인치제곱당 50파운드의 압력으로 4분동안 코아를 통하여 압축된 공기(주변온도에서)가 흘러나온다. 본 명세서에서 상기 용어 주변온도는 약 25℃를 의미한다. 그후, 상기 코아를 꺼내어 20분동안 110℃에서 가열시킨 후 상기 코아를 실시예 1의 주조캐스팅 공정에서 사용할 수 있었다.
[실시예 7]
총 중량에 대해 70.2중량% P2O5및 29.8중량% Na2O의 조성을 가지는 유리 5g을 연속적으로 저으면서 2g의 물에 천천히 첨가하였다. 상기 유리는 50~500마이크로미터의 입도범위를 가지는 입자형태이다. 그후 상기의 결과로 인한 슬러리를 35g의 Chelford 50모래와 혼합하였다.
그후 상기 혼합물을 실시예 6의 방법에 따라 코아를 제조하는데 사용하였으며, 그후 상기 코아를 실시예 1의 방법에 따라 주조용 주물을 제조하는데 사용하였다. 상기의 코아조성은 87.5wt% 모래, 12.5wt% 유리였다.
[실시예 8]
36g의 Chelford 60 모래를 실시예 7에 사용된 유리 40g과 혼합하였다. 그후 2g의 물을 상기 유리 및 모래에 혼합하였다. 상기 혼합물을 그후 실시예 6의 방법에 따라 코아를 제조하는데 사용하였으며, 그후 상기 코아를 사용하여 실시예 1의 방법에 따라 주조용 주물을 제조하였다. 상기 코아의 조성은 90wt% 모래, 10wt% 유리였다.
4g의 Chelford 60 모래를 총중량에 대해 64.6wt% P2O5및 27.4wt% Na2O 및 8.0wt% CaO의 조성을 가지는 유리 36g과 혼합하였다. 상기 유리는 75~250마이크로미터의 입도범위를 가지는 입자형태이다. 4g의 물을 상기 유리 및 모래에 첨가하여 완전히 혼합하였다. 상기 코아의 조성은 10wt% 모래, 90wt% 유리였다.
2차 코아취입기에서 인치제곱당 50파운드의 압력으로 4분동안 상기 코아를 통하여 50℃로 가열된 압축공기가 흘러나온다는 점을 제외하고는 그후 상기 혼합물을 사용하여 실시예 6의 방법에 따라 코아를 제조하였다. 그후 상기 코아를 사용하여 실시예 1의 방법을 따라 주조용 주물을 제조하였다.
[실시예 10]
36g의 Chelford 60 모래를 총 중량에 대해 70.2중량% P2O5및 29.8중량% Na2O의 조성을 가지는 유리 4g과 혼합하였다. 상기 유리는 500마이크로미터보다 크지 않은 입도를 가지는 입자형태이다. 1.2g의 물을 상기 건식혼합물에 첨가하여 파쇄기에서 혼합하였다. 상기 코아의 조성은 90wt% 모래, 10wt% 유리였다.
그후 상기의 결과로 인한 혼합물을 인치제곱당 60파운드의 압력으로 에폭시수지 코아박스로 코아취입시켰다. 내부에 코아를 가지는 코아박스를 700와트 마이크로파 가마로 즉시 옮겨서 2분동안 최대출력으로 가열하였다. 그후 상기 코아를 코아박스로부터 꺼내어 실시예 1의 주조캐스팅 공정에 사용할 수 있었다.
[실시예 11]
95g의 AFS 100 모래를 총중량에 대해 60.5중량% P2O5및 39.5중량% Na2O의 조성을 가지는 유리 5g과 혼합하였다. 상기 유리는 500마이크론 이하의 입도를 가졌다. 4g의 물을 상기 건식혼합물에 첨가하여 완전히 혼합하였다. 그후 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기로 70℃로 미리 가열된 금속코아박스로 상기 혼합물을 취입하였다. 상기 박스를 주변온도에서 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기로 정화시킴에 의해 상기 코아를 사용가능한 형태로 건조하였다. 그후 상기 코아를 꺼내서 150℃에서 30분동안 가마에서 유지시켜 캐스팅 공정전에 잔류된 물을 제거하였다. 상기 코아를 가마에서 꺼내어 시험하였으며 인치제곱당 1040파운드의 압축강도 및 인치제곱당 160파운드의 인장강도를 가진다는 것을 알 수 있었다.
[실시예 12]
350℃에서 30분동안 가마에서 건조시킨후 코아를 유지시키는 단계를 부가적으로 하여 실시예 11을 반복함으로써 여분의 물을 완전히 제거하였다.
[실시예 13]
총중량에 대해 70.2중량% P2O5및 29.8중량% Na2O의 조성을 가지는 또다른 유리로 실시예 11을 반복하였다. 코아를 건조가마로부터 꺼낼 때 물을 완전히 제거하기 위해서 350℃에서 30분동안 가열하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있었다.
[실시예 14]
총중량에 대해 70.2중량% P2O5및 29.8중량% Na2O의 조성을 가지며, 실시예 6에 사용된 유리와 같은 입도범위를 가지는 유리 15g을 285g의 AFS 100 모래와 혼합하였다. 그후 12g의 탭(tap)물을 상기 혼합물에 첨가하여 완전히 혼합하였다. 이후 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기를 상기 혼합물을 60℃로 가열된 코아박스내로 취입시켰다. 주변온도에서 압축된 공기를 그후 60초동안 상기 가열된 박스를 통하여 취입하였다. 코아의 우수한 사용특성 때문에 상기 박스로부터 즉시 코아를 꺼낼 수 있으며, 상기 코아를 더한 건조동안 150℃의 가마에 옮겨 놓았다.
[실시예 15]
90g의 AFS 100 모래, 및 총중량에 대해 70.2중량% P2O5및 29.8중량% Na2O의 조성을 가지는 10g의 분진유리를 사용하여 유리/모래 혼합물을 제조하였다. 4g의 탭물을 상기 혼합물에 첨가하여 완전히 혼합하였다. 그후 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기를 사용하여 상기 혼합물을 코아박스내로 취입하였다. 상기의 결과로 인한 코아는 우수한 압축특성 및 구조를 가졌으며, 캐스팅 공정에 사용되기 전의 더한 건조공정에 사용할 수 있다. 95g의 AFS 100 모래, 총중량에 대해 60.5중량% P2O5및 39.5중량% Na2O의 조성을 가지는 5g의 유리를 함유하는 유리/모래 혼합물을 사용하고, 이것을 4g의 물과 혼합하며, 상기 혼합물을 인치제곱당 50파운드의 압력으로 상기 코아에 취입함으로써 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 후자의 경우 낮은 취입압력을 사용하는 전자에 비해 개선된 유동특성을 가진다는 것을 알 수 있었다.
[실시예 16]
총중량에 대해 60.5중량% P2O5및 39.5중량% Na2O의 조성을 가지는 60g의 분말유리를 100㎖의 차가운 탭물에 첨가하여 고전단혼합기에서 10초동안 혼합하여 상기 혼합물을 적절하게 분해하였다. 상기 혼합물의 총중량에 대해 1.0wt%의 최종바인더를 제공하는 상기 용액 2.6g을 97.4g의 AFS 50 모래에 첨가하였으며, 고전단 혼합기, 예를들면 약 120revs/min.인 Kenwood Chef 혼합기(등록상표임)에서 1분동안 완전히 혼합하였다. 그후 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기를 사용하여 상기 혼합물을 80℃로 가열된 코아박스로 취입하였다. 그후 상기 코아박스를 주변온도에서 50초동안 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기를 사용하여 정화시켰다. 뽑아낸 코아는 개뼈모양의 시편형태였으며, 150℃에서 30분동안 유지시킴에 의해 잔여물기를 제거한 후에는 인치제곱당 196파운드의 안장강도를 가지는 것을 알 수 있었다.
[실시예 17]
총중량에 대해 60.5중량% P2O5, 39.5중량% Na2O의 조성을 가지는 60g의 분말유리를 100㎖의 차가운 탭물에 첨가하여 10초동안 고전단 혼합기에서 완전히 용액이 되게 혼합하였다. 혼합물의 총중량에 대해 2중량% 최종바인더를 제공하는 5g의 상기 용액을 95g의 AFS 100 모래에 첨가하여 혼합기에서 120revs/min.로 1분동안 혼합하였다. 그후 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기를 사용하여 상기 혼합물을 80℃로 가열된 코아박스로 취입하였다. 그후, 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기를 30초동안 코아박스를 통하여 취입시켜 정화시켰으며, 그후 우수한 사용강도를 가지는 개뼈모양의 시편을 뽑아내었다. 이러한 혼합물의 잔여물 및 다른 동일 혼합물을 사용하여 또다른 9개의 시편을 제조하였다. 150℃에서 30분동안 가열시킴에 의해 각각의 시편으로부터 잔여물기를 제거하였다.
인장모드에서 5KN 로드셀 및 5mm/min. 크로스헤드(cross-head)속도로 Instron 1195 강도측정장치에서 상기 10개의 개뼈모양의 시편의 강도를 측정하였다. 상기 10개의 시편강도의 평균치는 인치제곱당 163.9파운드의 인장강도와 동일한 202N이었다.
동일조성으로 가지는 또다른 혼합물을 제조하였다. 이것을 충진시켜 압축강도를 측정하기에 적합한 조그마한 실린더모양의 시편을 제조하였다. 이러한 시편들을 1/2시간동안 150℃에서 서로 비슷하게 건조하였다. 압축모드에서 Instron 1195로서 50KN 로드셀 및 2mm/min. 크로스헤드 속도를 사용하여 10개의 동일시편의 강도를 측정하였다. 상기 10개 시편강도의 평균치는 인치제곱당 1180파운드의 압축강도와 동등한 값이었다.
[실시예 18]
본 실시예는 조그마한 알루미늄 형태물을 캐스팅하는데 사용되는 조그마한 모래몰드의 제조에 대해 설명하고 있다. 총중량에 대해 60.5wt% P2O5및 39.5wt% Na2O의 조성을 가지는 20g의 유리를 30㎖의 물에 첨가하여 고전단 혼합기에서 10초동안 혼합하여 완전한 용액을 만들었다. 2.5g의 상기 용액을 97.5g의 AFS 50 모래에 첨가하여 텅빈 블레이드(hollow blade)를 가지는 로타리 오비탈 혼합기(rotary orbital mixer)에서 완전히 혼합하였다. 상기의 결과로 인한 혼합물을 강모형에 충진시켰다. 상기 강모형은 실질적으로 실린더형태였으며, 형태를 이룬 강 펀치(punch)를 상기 혼합물을 통하여 밀어내어 용융된 알루미늄이 주입될 수 있는 내부구멍을 제공해 주었다. 상기에서 형성된 혼합물을 상기 모형밖으로 가볍게 쳐서 꺼내어 1/2시간동안 150℃의 가마에서 유지시켰다. 그후 상기 몰드를 캐스팅공정에 사용하였다. 상기 몰드의 중량은 60g이었으며 1wt% 유리를 함유하였다.
[실시예 19]
단지 1.25g의 용액을 98.75g의 AFS 50 모래에 첨가하였다는 점을 제외하고는 실시예 18을 반복해서 실시하였다. 상기의 결과로 인한 몰드는 0.5wt% 유리를 함유하였다.
[실시예 20]
단지 0.625g의 용액을 99.375g의 AFS 50 모래에 첨가하였다는 점을 제외하고는 실시예 18을 반복해서 실시하였다. 상기의 결과로 인한 몰드는 0.25wt% 유리를 함유하였다.
[실시예 21]
60.5중량% P2O5및 39.5중량% Na2O의 조성을 가지는 20g의 분말유리를 30㎖의 차가운 탭물에 첨가하여 고전단 혼합기에서 10초동안 혼합하여 완전한 용액을 제조하였다. 30g의 상기 용액을 텅빈 블레이드를 가지는 로타리 오비탈 혼합기에서 1kg의 AFS 100 주조용 모래와 완전히 혼합하였다. 가열시키지 않고 인치제곱당 50파운드의 압력에서 나무코아박스로 상기 혼합물을 취입하였다. 그후 인치제곱당 50파운드의 압력으로 압축된 공기를 상기 코아박스의 상부에 있는 입구의 오리피스(orifice)를 통하여 10분동안 취입하여 정화시켰다. 그후, 상기 코아박스를 뒤집어 인치제곱당 50파운드의 압력으로 압축된 공기를 10분동안 상기 코아박스 바닥에 있는 유사한 크기의 오리피스를 통하여 주입시켜 정화하였다. 상기 코아를 코아박스로부터 제거하자마자, 우수한 사용강도를 가지는 코아를 150℃의 가마에 1시간동안 옮겨 놓았다. 중량이 600g인 상기 코아는 1.8중량% 수용성 포스페이트 유리를 함유하였다. 그후 실린더형인 상기 코아를 캐스팅 공정에 사용하였다. 이 실시예에는 고온의 코아강화단계전에 상기 코아로부터 물을 제거하는데 저온을 사용한다는 내용이 설명되어 있다.
[실시예 22]
실시예 21과 같은 혼합물을 인치제곱당 50파운드의 압력에서 상기와 같은 나무코아박스로 취입하였다. 상기 코아박스를 가열하지는 않았다. 취입후 즉시, 상기 코아박스를 수평면으로 따라 두부분으로 분리시켜 말랑말랑한 코아를 코아박스의 바닥에서부터 반 정도로 채웠다. 상기 코아박스내에 있는 코아를 60℃의 진공가마로 옮겼다. 압력을 700mmHg까지 감소시켜 3시간동안 유지하였다. 그후, 진공상태를 해제하였으며, 상기 코아를 상기 코아박스로부터 꺼내어 완전히 건조시켜 캐스팅공정에 사용하였다.
[실시예 23]
95g의 AFS 80 모래를 총 mol에 대해 62mol% B2O3, 38mol% Na2O의 조성을 가지는 보레이트 유리 5g과 혼합하였다. 10g의 물을 상기 혼합물에 첨가하여 완전히 혼합하였다. 상기의 결과로 인한 혼합물을 인치제곱당 80파운드의 압력에서 65℃로 가열된 코아박스로 취입시킨 후, 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기로 120초동안 정화시켰다. 상기 코아는 바람직한 사용강도를 가졌으며, 상기 코아를 30분동안 150℃의 가마로 옮겨 유지시켰다. 그후, 상기 코아를 실시예 2와 같은 방법으로 알루미늄으로부터 주조용 주물을 제조하는데 사용하였다. 상기 코아는 캐비티로부터 용이하게 제거되었으며, 상기 캐비티는 상기 코아의 형태와 일치하였으며 바람직하게는 마무리된 표면을 가졌다.
[실시예 24]
총 mole에 대하여 62mol% B2O3및 38mol% Na2O의 조성을 가지며, 입도범위가 250마이크론 이하인 보레이트 유리 4g을 96g의 AFS 100 주조모래에 완전히 혼합하였다. 5g의 탭물을 첨가하여 상기 혼합물과 혼합하였다. 상기로 인한 혼합물을 65℃로 가열된 코아박스에 취입시킨 후 인치제곱당 80파운드의 압력에서 압축된 공기로 60초동안 정화시켰다. 바람직한 사용강도를 가지는 상기 코아를 1/2시간동안 150℃의 가마에 옮겨 유지시켰다. 그후 상기 코아를 알루미늄 중력 다이캐스팅 공정에 사용하였다.
4g의 상기 보레이트 유리들의 그 각각은 다음과 같다.:
mol% B203mol% Na20
A 52 48
B 54 46
입도가 250마이크론 이하인 상기 유리를 96g의 AFS 80 주조모래와 혼합하였다. 5g의 탭물은 상기의 것에 첨가시켜 완전히 혼합하였다. 상기의 결과로 인한 혼합물을 90℃로 가열된 코아박스에 취입시킨 후, 90초동안 인치제곱당 80파운드의 압력에서 압축된 공기로 정화하였다. 바람직한 사용강도를 가진 상기 코아를 1/2시간동안 150℃의 가마에 옮겨 유지시켰다. 그후 상기 코아를 알루미늄 중력다이 캐스팅 공정에 사용하였다.
[실시예 26]
총 mole에 대하여 54mol% B2O3및 46mol% Na2O의 조성을 가지는 20g의 분말유리를 30㎖의 50℃ 탭물에 첨가하고 10초동안 고전단 혼합기에서 혼합하여 완전히 용해시켰다. 상기로 인한 용액 15g을 텅빈 블레이드를 가지는 로타리 오비탈 혼합기에서 1분동안 285g의 AFS 주조모래와 완전히 혼합하였다. 상기 혼합기의 용량은 3리터였다.
상기의 결과로 인한 혼합물을 90℃로 가열된 코아박스로 취입시킨 후, 60초동안 인치제곱당 80파운드의 압력으로 압축된 공기를 사용하여 정화하였다. 바람직한 사용강도를 가지는 상기 코아를 1/2시간동안 150℃의 가마에 옮겨 유지하였다. 그후, 상기 코아를 알루미늄 중력 다이캐스팅 공정에 사용하였다.
[실시예 27]
총중량에 대해 70.2중량% P2O5및 29.8중량% Na2O의 조성을 가지며, 입도가 250마이크론 이하인 유리 15g을 285g의 AFS 50 주조모래와 완전히 혼합하였다. 12g의 탭물을 상기의 것에 첨가하여 완전히 혼합하였다. 상기의 결과로 인한 혼합물을 주변온도 및 인치제곱당 80파운드의 압력에서 압축된 공기를 사용하여 60℃의 코아박스로 취입하였다. 그후, 1분동안 인치제곱당 80파운드의 압력에서 상기 코아박스를 통하여 압축된 공기를 취입하였다. 우수한 사용강도를 가지는 코아를 상기 코아박스로부터 즉시 꺼내어 1/2시간동안 150℃의 가마에 옮겨 유지하였다. 그후 중량이 270g인 상기 코아를 570g의 자동차용 물 펌퍼하우징을 제조하기 위한 중력캐스팅 다이에 위치시켰다. 그후 700℃에서 알루미늄을 상기 잠겨진 다이에 쏟아 부었다. 1분이 지난후, 상기 다이를 열어서 안에 있는 코아를 손상시키지 않고 알루미늄 주물을 제거하였다. 상기 주물(내부에 있는 코아와 함께)을 20분동안 냉각시킨 후 차가운 탭물욕조에 잠입시켰다. 10분이 지난후 상기 주물을 욕조에서 꺼냈다. 상기 코아의 약 50%가 이러한 침지시간동안 분산된 것을 알 수 있었다. 그 나머지 코아는 말랑말랑하였으며, 물호스로 세정하여 제거하는데 30초가 필요하였다. 상기의 결과로 인한 물 펌프 주물은 모래입자가 남아있지 않았으며, 내부표면의 마무리가 우수하였다는 것을 알 수 있었다.
[실시예 28]
총중량에 대해 70.2중량% P2O5, 29.8중량% Na2O의 조성을 가지며, 입도가 250마이크론 이하인 유리 6g을 74g의 APS 100 주조모래와 혼합하였다. 3.2㎖의 탭물을 상기에 첨가하여 완전히 혼합시켰다. 주변온도 및 인치제곱당 80파운드의 압력에서 압축된 공기를 사용하여 상기 혼합물을 60℃의 코아박스에 취입하였다. 그후 1분동안 인치제곱당 80파운드의 압력에서 압축된 공기를 상기 코아박스를 통하여 취입시켰다. 우수한 사용강도를 가지는 코아를 즉시 코아박스에서 꺼내어 1/2시간동안 150℃의 가마에 옮겨 유지시켰다. 상기의 결과로 인한 코아는 60g의 중량이었으며, 각 면으로부터 뻗어있는 하나의 프린트-말단(print-end)을 가지는 디스크형이었다. 캐스팅 공정동안 금속의 침투를 방지하기 위하여, 지르코늄 실리케이트(zirconium silicate) 슬러리 코팅을 기초로 한 이소-프로필 알콜(iso-propyl alcohol, I.P.A.)로 상기 코아를 잠깐 적셔 코팅시켰다. 그후, 상기 코아를 고압의 알루미늄 다이캐스팅 공정에 사용하였다.
캐스팅 조건 : 금속온도 - 700± 20℃
금속속도 - 39.2m/s
특수압 - 인치제곱당 13,500파운드
충진시간 - 0.05초
게이트 크기 - 80㎟
중량이 약 300g인 상기의 결과로 인한 주물을 내부에 있는 코아를 손상시키지 않고 다이로부터 제거하여 차가운 물욕조에 잠입시켰다. 10분후, 상기 주물을 욕조에서 꺼냈다. 상기 코아의 약간의 부분이 이러한 침지시간동안 분산되었다는 것을 알 수 있었다. 나머지 코아는 말랑말랑하였으며, 인치제곱당 80파운드의 압력인 물제트를 사용하여 물을 쏟아부어 상기 코아의 마지막 잔여물까지 완전히 제거하는데 단지 20초만을 필요로 하였다. 상기의 결과로 인한 알루미늄 주물에는 모래입자가 남아있지 않았으며 알루미늄 침투도 없었으며, 우수한 선명도를 가진다는 것을 알 수 있었다.
[실시예 29]
본 실시예는 불투명한 유리를 부분적으로 사용한다. 58wt% P2O5및 42wt% Na2O를 함유하는 800℃에서 용융된 유리를 강판위에서 캐스팅시켰다. 상기 유리 용액이 고화될 때, 불투명한 상을 형성하였다. 왜냐하면 상기로 인한 고체유리는 투명한 상과 불투명한 상으로 구성된 혼합물을 함유하기 때문이다.
이렇게 부분적으로 불투명한 유리를 부수고 체질을 하여 입도가 50마이크론보다 큰 것을 제거하였다. 이렇게 체질이 된 분말 10g을 텅빈 블레이드를 가지는 로타리 오비탈 혼합기를 사용하여 200g의 AFS 100 주조모래와 완전히 혼합하였다. 10㎖의 차가운 탭물을 상기 혼합물에 첨가하였다. 상기의 결과로 인한 습식혼합물을 로타리 오비탈 혼합기를 사용하여 혼합하였다. 상기로 인한 혼합물은 차지(charge)를 형성하였다. 상기 차지를 인치제곱당 70파운드의 압력에서 압축된 공기를 사용하여 90℃로 가열된 코아박스로 취입하였다. 그후, 상기 취입된 차지를 주변온도에서 90초동안 인치제곱당 70파운드의 압력에서 압축된 공기를 사용하여 정화하였다. 우수한 사용강도를 가지는 상기 코아를 가마에 옮겨 1시간동안 150℃에서 가열하였다. 그후 상기 코아를 꺼내어 알루미늄 중력다이 캐스팅 공정에서 사용하였다.
[실시예 30]
본 실시예에는 바인더로서 용융 소디움 보레이트를 사용한다는 내용이 기재되어 있다. 소디움 카보네이트(무수화물) 및 오르토보릭액시드(orthoboric acid)의 혼합물을 900℃ 내지 1200℃ 범위내의 온도, 바람직하게는 상기 온도범위중 가장 높은 온도로 가열시킴에 의해 상기 용융 소디움 보레이트를 제조하였다. 소디움 테트라 보레이트(tetraborate)와 소디움 카보네이트 혼합물 및 디보론 트리옥사이드(diboron trioxide)와 소디움 카보네이트 혼합물로부터 용융 소디움 보레이트 바인더를 또한 제조하였다.
상기 바인더의 제조에 있어서, 상기 혼합물들중 선택된 하나로부터 제조된 용융물질을 500마이크론 이하의 입도가 되도록 가공하였다. 두가지 형태의 바인더를 모래에서 서로 다른 농도를 갖도록 제조하였다.
상기 바인더에서 2wt% 보레이트 농도에 대하여 성분들의 비율은 다음과 같다.: 용융 보레이트 2.0g, 물 4.0g, 및 모래(AFS 100) 98.0g, 및 바인더에서 6wt% 보레이트 농도에 대해서 성분들의 비율은 다음과 같다: 용융 보레이트 6.0g, 물 10.0g 및 모래(AFS 100) 94.0g. 상기 용융보레이트 분말을 약 60℃의 물에 첨가시켜 혼련(agitation)시킴에 의해 바인더 용액을 제조하였다. 그후, 적당량의 상기 바인더용액을 Kenwo od K 블레이드 혼합기를 사용하여 주조모래와 혼합시켰다. 모래/바인더 혼합물의 일부분을 리드스캐일 모래 래머(Ridscale sand rammer)를 사용하여 개뼈모양의 시편이 되도록 압축시켰다. 제조된 모든 시편을 150℃에서 1시간동안 건조하였다. 그후 상기의 결과로 인한 시편들의 인장강도 및 분산도를 조사하였다.
이러한 시험의 결과는 하기에 기재되어 있다. 소디움 옥사이드(Na2O) 및 보론 옥사이드(B2O3)의 몰% 당량을 시험된 각각의 바인더에 대하여 나타내고 있다.
상기 바인더들은 낮은 분산시간과 함께 우수한 인장강도를 가진다는 것을 알 수 있다.
150℃ 건조단계후 1시간동안 400℃에서 더 건조된 해당 샘플들에 상기와 같은 시험을 반복하였다. 상기의 결과로 인한 샘플들은 약 20p.s.i. 이하의 굉장히 낮은 인장강도를 가졌으며, 분산시간은 상기에 해당되는 원래의 샘플의 분산시간보다 통상적으로 더 길었다.
[실시예 31]
본 실시예는 실시예 30의 소디움 보레이트에 사용된 방법과 유사한 방법으로 제조된 용융 포타슘 보레이트를 사용한다는 내용이 기재되어 있다. 개뼈모양의 시편을 제조하였으며(1200℃의 융점온도를 가진다), 건조, 열처리시켜 실시예 30과 같이 시험하였다. 바인더에서 2wt% 보레이트 농도를 가지는 샘플은 48mol% KO 및 52mol% BO의 몰% 당량 농도를 가졌다.
상기 샘플들은 우수한 인장강도 및 분산도를 가졌다. 400℃에서 더 건조된 또다른 샘플을 또한 시험하였지만, 이것은 단지 약 55p.s.i.의 평균적인 인장강도를 가졌으며, 150℃ 건조샘플의 분산시간보다 약간 더 긴 분산시간을 가졌다.
[실시예 32]
본 실시예에는 비용융 소디움 보레이트 용액 바인더를 사용한다는 내용이 기재되어 있다. 바인더용액의 제조에 있어서, 소디움 하이드로옥사이드(hydroxide)의 적당량을 물에 첨가하여 혼련시켰다. 보릭액시드를 소량 첨가하여 80℃ 내지 90℃의 온도에서 유지하였다. 많은 바인더용액 샘플들을 서로 다른 몰%의 소디움 옥사이드 및 보론옥사이드 당량을 가지도록 제조하였다. 그후, 적당량의 바인더용액을 주조모래(AFS 100)와 혼합하여 2% w/w 혼합물을 제공함으로써 시편들을 제조하였다. 더한 물을 첨가(바인더용액에 대해 50% w/w)하여 상기 혼합물에서 적절히 분포시켰다.
개뼈모양의 시편을 제조하고 건조(150℃에서 1 내지 2시간동안 유지)하여 인장강도를 측정하였다.
하기는 서로 다른 바인더 조성물(서로 다른 몰%를 가지는 NaO 및 BO) 및 서로 다른 건조조건에 대한 시험결과를 나타내고 있다.
상기 샘플들은 우수한 인장강도를 나타내었다.
[실시예 33]
본 실시예에는 바인더로서 테트라 포스포릭 액시드(tetraphosphoric acid) 소디움 염을 사용한다는 내용이 기재되어 있다.
NaO : PO의 mol%비가 59.6 : 40.4인 소디움폴리포스페이트(샘플번호 5의 소디움 폴리포스페이트 유리와 같은 당량)를 함유하는 바인더 용액을 테트라 포스포릭 엑시드 및 소디움 카보네이트로부터 제조하였다.
시편(개뼈모양의 것)들을 AFS 100 모래에 대해 2% w/w 고체 바인더를 함유하도록 제조하였다. 상기 개뼈모양의 시편을 2시간동안 150℃에서 건조시키고 열처리하여 인장강도 및 분산도 시험을 수행하였다.
시험결과는 하기와 같다.
상기 샘플들은 우수한 인장강도를 가졌다.
그후, 400℃에서 더 건조된 또다른 샘플들을 제조하였다. 상기 샘플들은 약 20p.s.i. 이하의 좋지 않은 인장강도를 가졌으며, 약 2분의 오랜 분산시간을 가졌다.
[비교예 1]
[결정질 소디움 포르페이트의 사용]
70.2wt% PO, 29.8wt% NaO의 조성을 가지는 포스페이트 유리와 동량의 중량% 조성을 가지는 75g의 결정질 소디움 포스페이트를 92.5g의 AFS 100 주조모래와 완전히 혼합시킨 후, 4g의 탭물과 혼합하였다. 인치제곱당 60파운드의 압력에서 상기 혼합물을 60℃로 미리 가열된 금속코아박스내로 취입시켰다. 그후, 주변온도에서 압축된 공기를 60초동안 상기 코아박스를 통하여 취입시켜 정화하였다. 상기 결정질 소디움 포스페이트를 사용함으로써, 상기 코아박스로부터 코아를 꺼내자마자 코아가 망가졌다. 상기와 같은 포스페이트 유리인 경우, 상기와 같이 처리함으로써 우수한 사용특성을 가지는 코아를 야기시켰다.
[비교예 2]
[소디움 실리케이트 유리의 사용]
90g의 AFS 100 주조모래, 및 총몰에 대해 45mol% NaO, 55mol% SiO의 조성을 가지며, 0~250마이크론의 입도범위를 가지는 10g의 실리케이트 유리를 혼합하였다. 4g의 물을 상기 혼합물에 첨가하여 완전히 혼합시켰다. 인치제곱당 80파운드의 압력에서 70℃로 가열된 코아박스내로 상기로 인한 혼합물을 취입하였다. 그후 90초동안 주변온도에서 압축된 공기로 상기 코아박스를 정화하였다.
우수한 사용강도를 가지는 상기로 인한 코아를 그후, 1/2시간동안 150℃의 가마에서 건조하였다. 중량이 60g인 상기의 결과로 인한 건조 코아는 각 면으로부터 뻗어있는 하나의 프린트-말단을 가지는 디스크 형태였다.
그후, 상기 코아를 300g의 알루미늄 주물을 제조하는 조그마한 중력 캐스팅 다이에 배치시켰다. 상기 다이를 잠그고 700℃의 용융알루미늄을 다이로 쏟아부었다. 1분후, 상기 다이를 분리하여 내부의 코아가 손상되지 않도록 상기 캐스팅을 꺼냈다. 상기 캐스팅을 50℃의 혼합된 탭물욕조에 옮기기전 10분동안 냉각하였다. 1시간이 지난 후, 상기 코아는 캐스팅내에 손상이 없으며, 물호스로 물을 쏟아붓는다는 것은 상기 주물로부터 나온 상기 코아의 제거에 의해 기인된 것은 아니다.

Claims (7)

  1. 수-불용성 분진물질 및 바인더를 포함하는 주물제조용 수분산 몰드에 있어서, 상기 바인더가 수용성 포스페이트 유리로부터 유래된 폴리포스페이트 체인 및 보레이트 이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 매트릭스 형성체를 함유하는 것을 특징으로 하는 주물제조용 수분산 몰드.
  2. 하기의 단계를 포함하는 주물용 수분산 몰드의 제조방법. (a) 수-불용성 분진물질을 제공하는 단계; (b) 상기 분진물질과 수용성 포스페이트 유리로부터 유래된 폴리포스페이트 체인 및 보레이트 이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 수용성 매트릭스 형성체를 함유하는 바인더를 혼합시키는 단계; (c) 상기 (b)단계 후 또는 동안에 상기 분진물질과 바인더 혼합물을 원하는 형태로 성형시키는 단계; 및 (d) 상기 혼합물로부터 여분의 물을 제거시키는 단계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (c)단계에 있어서 분진 물질과 바인더의 혼합물이 압력에 의하여 취입되어 이로 인해 상기 혼합물이 요구된 형태로 성형됨을 특징으로 하는 주물용 수분산 몰드의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 혼합물이 몰드박스로 취입된 후에 혼합물로 채워진 몰드박스가 압축정화공기로 정화됨을 특징으로 하는 주물용 수분산 몰드의 제조방법.
  5. 제1항에 따라 수분산 몰드를 제조하는 단계; 상기 몰드에 주조할 물질을 붓는 단계; 상기 몰드의 외형에 적합하도록 몰드와 접촉시켜 물질을 고화시키는 단계; 및 수용액으로 몰드를 처리하여 고체주조 물질로부터 몰드를 분산시키는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 주조물질을 주조하는 방법.
  6. 하기의 단계를 포함하는 주물용 수분산 몰드의 제조방법. (a) 수-불용성 분진물질을 제공하는 단계; (b) 상기 분진물질과 수용성 포스페이트 유리 및 수용성 보레이트 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 유리 및 물로부터 유래된 바인더를 혼합시키는 단계; (c) 상기 (b)단계 후 또는 동안에 상기 분진물질과 바인더 혼합물을 원하는 형태로 성형시키는 단계; 및 (d) 상기 혼합물로부터 여분의 물을 제거시키는 단계.
  7. 제1항에 있어서, 상기 보레이트 이온이 보레이트 유리로부터 유래됨을 특징으로 하는 주물제조용 수분산 몰드.
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