KR100190912B1 - 2층이상의코팅을가지는저융점금속의주조용기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄, 아연, 주석등 혹은 이들 합금을 포함하는 저융점금속의 용해 주조에 사용하는 2층이상의 코팅을 가지는 기구, 특히 주조용 기구에 관한 것으로, 기재와 접촉하는 부분을 접착성 코팅재로 이루어진 층으로 하고, 용탕과 접촉하는 부분은 내식성 코팅재로 이루어진 층으로 한다. 이에 따라, 저융점금속과의 반응이 억제되고 기재와의 접촉성이 양호하며 열적, 기계적 충격에 의해 코팅층을 용이하게 박리되어 장기적 내구성을 꾀할 수 있다.

Description

2층 이상의 코팅을 가지는 저융점금속의 주조용 기구

제1도는 스토크(stalk)에 본발명을 적용한 예를 단면으로 도시한다.

제2도는 래들(ladle)에 본 발명을 적용한 예를 일부 단면으로 도시한다.

제3도는 코팅층의 다층 구조의 설명이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기재(基材) 2 : 접착성 코팅층

3 : 내식성(耐蝕性) 코팅층 4,5,6 ; 중간층

10 : 코팅층

본 발명은 알루미늄, 아연, 주석등 혹은 이들 합금을 포함하는 저융점금속의 용해 주조에 사용하는 2층 이상의 코팅을 가지는 기구, 특히 주조용 기구에 관한 것이다.

종래부터 이들 저융점금속의 주조용 스토크(stalk), 래들(ladle), 온도측정용 보호관, 용탕 교반 날개, 히이터 튜브, 가스 취입관등의 기구에는 철합금과 같은 금속제, 통상의 내화물제 특히 세라믹제의 것이 이용되고 있다.

예를들어, 알루미늄 합금에 대해서는 강도, 원가면 및 현상 변경의 자유도때문에 일반적으로 주철이 이용되고 있다. 그러나, 주철은 알루미늄 용탕에 접하면 그 부분이 침식되어 알루미늄 용탕중에 용입되며, 기재의 손상이 심하여 내용성(耐用性)이 없어진다. 또한, 알루미늄 합금중에 불순물로서 철분이 다량으로 혼입되기 때문에 알루미늄 제품의 품질이 현저히 떨어지는 문제가 있다.

이 때문에 화인 세라믹제 기구를 이용하거나, 또한 주철 표면에 각종의 코팅을 행하는 것이 제안되어 있다.

예를들어, 일본 특개소 60-180657호 공보에는 금속 규소 또는 금속 규소와 내화성 골재를 원료로하여 질화 반응 소결에 의해 얻어진 세라믹으로 제조된 저압 주조용 스토크가 개시되어 있다. 그러나, 세라믹제로 함으로써 제품중에의 불순물 혼입은 피할 수 있으나 주철에 비해 제조단가가 10배 이상이나 상승되며, 하중, 열부하등의 작업 조건에 따라 파손되기 쉽고, 코스트에 비해 내용(耐用)이 연장되지 않는다. 또한, 복잡한 주조용 부재의 세라믹화는 현상에 제한을 받는다는 결점이 있다.

그리고, 일본특개소 56-6772호 공보에는 알루미늄 또는 알루미늄합금 용탕과 접촉되는 주조용 기구 표면에 내식성이 있는 질화붕소(BN)의 코팅층을 형성하는 것이 개시되어 있다. 그러나 BN자체의 내식성은 우수하지만 코팅층과 기재사이의 접촉 강도가 약하여 쉽게 박리되기 때문에 충분한 내구성은 바랄 수 없다.

따라서, 내구성을 부여하는 것, 예를들어 철계(鐵系) 기재의 코팅재에 사용하는 결합제의 기능으로서

1) 시공시에 녹을 발생시키지 않을 것

2) 열팽창이 철계 모재에 가까울 것

3) 기재와의 접착성이 우수할 것

4) 내화성이 우수할 것

의 요구를 거의 만족하는 각종 규산염, 또는 붕규산유리를 포함하는 융점이 1000℃이하인 각종 유리 분말등이 일반적으로 사용되고 있는데, 일본 특원평1-300250호에 있어서는 이들과 함께 내식성을 가지게 하기위해 융점 700℃ 이상의 불소화합물을 함유한 코팅재를 제안하고, 저융점금속의 용해 주조용 기구에 단일 코팅층의 사용이 나타나 있다. 그러나, 결합제의 사용은 기재의 종류에 따라 제한을 받으며, 또한 결합제의 종류에 따라 내식성이 변화하는 것까지는 생각되고 있지 않다.

결국, 규산염과 같은 알칼리성분, 혹은 붕규산유리등의 저용성분을 함유하는 단일 코팅층에 불소화합물이 존재해도 결합제성분을 함유하는 단일 코팅층에 불소화합물이 존재해도 결합제 성분은 환원되어 코팅재를 변질시키며, 취약화하여 코팅층으로서의 장기적 내구성은 바랄 수 없다.

그러므로, 이러한 코팅재의 결합체로서 실리카졸, 알루미나졸등, 졸상태의 고내열성 결합재를 사용한 코팅층에 불소화합물을 존재시키면 저융점금속과의 반응은 억제할 수 있지만 기재와의 접촉이 기계적결합력에 의하기 때문에 열적, 기계적충격에 의해 코팅층이 쉽게 박리되어 역시 장기적 내구성을 바랄 수 없다.

본 발명의 목적은 저융점금속과의 반응이 충격으로부터 기재를 장기적으로 보호할 수 있어 내식성이 있는 코팅층을 가지는 저융점금속 주조용 기구를 제공하는 것이다.

본 발명은 저융점금속의 주조용 기구에 있어서, 특히 불소화합물을 함유하는 내식성을 가지는 코팅재를 사용하여도 기재에의 접착성을 포함할 수 있으며, 내식성, 열적, 기계적 내충격성을 장기적으로 부여하기 위해서는 단일층으로는 한계가 있다는 생각하에 완성한 것으로, 기재와 접촉하는 부분을 기재의 팽창계수에 가까운 팽창계수를 가지는 접착성 코팅재로 이루어지는 층으로 하고, 용탕과 접촉하는 부분은 치밀한 보호막을 형성하는 내식성 코팅재로 이루어지는 층으로 하며, 각층의 두께를 각각 50∼200㎛으로 한 2층 이상의 코팅을 가지는 것을 특징으로 한다.

접착성 코팅층의 결합제로서는, 기재가 주철과 같은 철계재료로 이루어진 경우에는 무기질 결합제로서 규산 소다, 규산 칼륨 등의 각종 규산염, 붕규산유리 등 융점이 1000℃이하인 각종 유리분말을 적합하게 사용할 수 있으며, 또한 이들을 병용할 수 있다. 그리고 기재가 세라믹, 내화물계 기재에 대해서는 상기 결합재 이외에 인산 혹은 인산 알루미 등 인산염 결합제를 적합하게 사용할 수 있으며, 지르코늄염, 알루미나 시멘트 등의 사용도 가능하다.

내식성 부여제로서의 불화 알루미늄, 불화 칼슘, 불화 마그네슘 등의 융점이 700℃ 이상인 불소화합물의 1종이상도 필요량 첨가할 수 있다.

접착성 코팅제를 구성하는 내화성 골재로서는, 산화 알루미늄, 산화 티타늄, 산화 마그네슘, 산화 규소, 산화 지르코늄, 샤모트, 뮬라이트등의 각종 내화성 산화물 이외에 탄화 규소, 탄화 붕소, 질화 규소, 질화 붕소, 질화 알루미늄등의 비산화물 분말, 기타 금속분말등 코팅재로 일반적으로 이용되는 것을 사용할 수 있다. 용탕과 접촉되는 부분의 내식성 코팅층은 내식성을 부여하기 위하여 불화 알루미늄, 불화 칼슘, 불화 마그네슘등의 융점 700℃ 이상인 불소화합물의 한종류 이상을 5-80중량% 사용한다.

결합제로서는 알루미나졸, 실리카졸등의 졸상 결합제, 인산염결합제, 시란화합물, 금속알코키시드, 금속 아실레이트등의 고내열성 결합제를 사용할 수 있다. 내식성 골재로서는 탄화규소, 탄화붕소, 질화규소, 질화붕소, 질화알루미늄등의 비산화물 분말, 혹은 타르크중 1종 이상이 최적이지만, 상기 접착성 코팅재의 골재로서 사용할 수 있는 각종 내화성 산화물의 사용도 가능하다.

또한, 접착성 코팅층의 결합제, 골재는 팽창계수가 기재의 팽창계수에 아주 가깝도록 선정할 필요가 있다.

각층은 50-200㎛ 두께가 되도록 침지 도포, 브러싱, 스프레잉에 의해 피막을 형성할 수 있다.

코팅을 다층화하고 각층에 있어서의 필요 가능을 강화함으로써 기재의 장기적 내구성을 향상시킨 것이다.

기재측의 층은 기재와 열팽창계수를 근사하게 하여 접착성 기능을 중시한 층으로 함으로써 기재와 강고(强固)하게 접착시켜 코팅의 접착계면에서의 박리를 방지할 수 있다. 철계 기재의 경우, 저온으로 연화 특성을 가지며 열팽창이 비교적 큰 규산염 및/또는 붕규산유리등의 융점이 1000℃이하인 각종 유리 분말과 같은 결합제의 사용은 기재와의 접착력에다 열사이에서의 결합제 자체의 연화 특성에 의해 왜곡을 흡수하 수 있기 때문에 박리도 쉽게 일어나지 않는 접착성 코팅층을 얻을 수 있다. 세라믹이나 내화물계 기재에 대해서는 상기 결합제의 다른 인산염 결합제도 본드 효과를 발휘하여 쉽게 박리되지 않는 접착성 코팅층을 얻을 수 있다.

한편, 용탕과 접촉하는 측의 층에는 불소화합물을 5-80중량% 함유시킴으로써 그 표면에 치밀한 보호피막이 형성되고, 피막효과에 의해 코팅층과 용탕과의 반응이 억제되며 전체의 취약화를 방지할 수 있다.

내식성 재료로서 불소화합물의 함유량이 5중량% 미만이 되면 내식성이 충분하지 않고, 80중량%를 넘으면 열팽창이 너무 커지기 때문에 쉽게 박리된다.

접착성 코팅층과 내식성 코팅층간의 열팽창계수가 크게 다른 경우, 층간에 열팽창계수를 순차 변화시키는 중간 코팅층(이하 중간층)을 1층 혹은 2층 이상 형성함으로써 열팽창차에 의해 생기는 열응력을 완화시켜 층간 박리를 억제할 수 있다.

첨부한 도면 제1도-제3도는 본 발명을 적용할 수 있는 저융점 금속용 기구의 예르 나타낸다.

제1도는 본발명을 주조용 스토크에 적용하여 그 표면에 3층으로 이루어진 코팅층(10)을 형성한 예를 단면으로 도시한다.

제1도에 있어서, 스토크 본체인 기재(1)상에 접착성 코팅층(2)과 내식성 코팅층(3)의 층간에 이들 층(2),(3)의 열팽창차를 조정하기 위한 중간층(4)을 두어 코팅층(10)을 3층으로 형성하고 있다.

제2도는 본발명을 래들에 적용하여 기재(1)의 전면에 기재(1)측에 접착성 코팅층(2)을 형성하고, 또한 용탕측을 부식성 코팅층(3)의 2층 구조의 코팅층(10)을 형성한 예를 나타낸다.

제3도는 이들 코팅층(10)에 있어서, 접착재 코팅층(2)과 내식성 코팅층(3)과의 사이에 접착성 코팅층(2)에 가까운 열팽창계수를 가지는 중간층(5)과 내식성 코팅층(3)에 가까운 열팽창계수를 가지는 중간층(6)으로 이루어진 4층을 형성한 구조예를 나타낸다.

다음에, 이 코팅층(10) 자체의 특성을 이하의 요령으로 시험하였다.

(시험예 1)

시편으로는 직경 20mm×길이 100mm의 봉상 침지 기구를 준비하였다. 이 봉상 침지 기구의 재질로는 주조 기구용 재질로 알루미나 도가니속에 금속알루미늄을 녹여 750℃를 유지하여 여기에 상기 시편을 예열한 후 서서히 용융 알루미늄중에 침지하였다. 침지후 1주간, 4주간, 8주간, 12주간으로 끌어 올려 시험후의 기재의 손상량 조사 및 부착상태의 관찰을 행하고, 또한 내열 충격성 테스트를 행하였다. 그리고 주조용 금속으로서 JIS ADC12의 알루미늄합금을 이용하였다.

그 시험결과를 표3의 하단에 나타낸다.

또한, 기재의 실온에서 700℃까지의 선팽창계수는 측정 결과 14.0×10^-6(1/℃)이었다.

실시예 1-5에 나타낸 바와 같이 접착성 코팅층 우에 불소화합물을 5-80중량% 함유하는 내식성 코팅층을 형성하여 2층구조로 한 경우, 12주간의 침지후에도 코팅층은 온전히 잔존하며 기재의 손상은 보이지 않고, 또한 내스포올링성도 양호하다. 이는 접착성 코팅층이 내식성 코팅층과 기재와의 접착의 역할을 하며, 동시에 코팅층간에 발생하는 응력을 완화한 결과, 양호한 내스포올링성을 나타내는 것이라고 생각된다. 그리고, 실시예3에서 접착성 코팅층에 불소화합물을 함유하여도 아무 문제가 없음을 알 수 있다.

이에 비해 비교예1에 나타난 바와 같이, 불소화합물을 함유하지 않은 접착성 코팅층의 경우에는 1주간 침지후부터 기재의 용손(溶損)이 나타나기 시작하고, 4주간후에는 거의 기재가 남지않은 상태가 된다. 비교예2의 불소화합물의 함유량이 10중량%가 되면, 4주까지는 알루미용탕에 대한 내식성은 있지만, 4주간을 넘어 8주간에는 거의 기재가 남지 않는다. 이와같이, 불소화합물의 존재하에서도 저융성 성분을 포함한 규산소다를 결합제로 한 단층시공의 경우, 1개월이상의 내구성에는 문제가 있는 결과가 되었다. 비교예3은 비교예2와 동일량의 불소화합물을 포함하며, 저융성 성분을 포함하지 않는 고내열성 결합체(실리카졸)을 사용한 것을 단층 시공한 경우인데, 12주간 경과후에도 기재의 손상은 보이지 않는다. 그러나 이 경우에는 기재에의 접착 불량 및 열팽창장치가 원인이라 여겨지는데 내스포올링성의 열화가 나타났다.

또한 비교예 4-6에 나타난 바와 같이, 같은 2층 구조이면서도 내식성 코팅층의 불소화합물의 함유량을 5중량% 미만 혹은 80중량%보다 다량 첨가하면 내구성에 문제가 생긴다. 5중량% 미만이면 내식성이 충분하지 않고, 또한 80중량%보다 많게 하면 열팽창차가 원인이라 생각되는데 내스포올링성의 열화(劣化)가 나타난다.

다음에, 실시예3의 코팅재를 이용한 알루미늄합금 저압주조장치용 스토크에 상기 실시예와 동일한 방법으로 코팅을 행한 실기 테스트를 행하였다. 스토크의 기재는 JIS FC20이다. 그 결과, 통상 1주간으로 보수(補修)가 되는 것에 비해, 본실시예에서는 2,5개월간 무보수로 내용(耐用)할 수 있어 약10배의 향상이 보였다. 또한, 세라믹제 스토크, 화이버제 래들, 알루미늄합금 용해용 철가마에 본발명의 코팅재를 행한 경우, 알루미늄 바탕쇠(地金)부착이 대폭적으로 억제되어 내구성이 현저히 향상되는 것을 확인하였다.

이상 저융점합금으로서 알루미늄합금 용탕을 예로 들어 설명하였으나, 아연합금, 주석합금에 있어서도 양호한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

(실시예 2)

다음에 접착성 코팅층과 내식성 코팅층의 사이에 중간층을 가지는 예에 대해 시험을 행하였다. 이 시험예는 시험예1과 마찬가지로 골재, 결합제, 불소화합물의 3성분의 조합으로 슬러리를 제작하고 접착성 코팅재, 중간층 코팅재, 내식성 코팅재로 하였다. 사용한 접착성 코팅층 및 중간층의 화학 조성을 각각 표4 및 표5에 나타내며, 골재중에는 유리 분말로서 봉규산유리가 포함되어 있다. 또한, 내식성 코팅층의 골재로서는 표2에 나타낸 화학 조성의 것을 사용하였다.

결합제로서 접착성 코팅층 및 중간층에는 규산소다를 이용하고, 내식성 코팅층에는 실리카졸을 사용하였다. 또한, 불소화합물은 불화칼슘을 사용하였다. 각 코팅재의 결합제에는 용제로서 물이 포함되어 있는데, 이는 열처리 과정에서 소실되기 때문에 결합제의 첨가량 계산법은 물을 제외한 고형분으로 환산하였다. 또한, 점도 조정용에 첨가한 물은 기준량과는 별도로 표시하였다. 표6에는 사용한 각 코팅재의 배합 비율 및 열처리후의 코팅층으로서 선팽창하계수를 나타내고 있다.

시편은 60×120×1mm의 SUS304의 판상(板狀) 기재를 준비하였다.

또한, SUS304의 열팽창계수는 18.7×10^-6(1/℃)였다.

코팅방법은 브러싱으로 모재 표면에 접착성 코팅재를 소정 두께로 도포한다. 이를 실온에서 양생한 후 열처리를 가하였다. 그리고, 일부 시료에 대해서는 중간층용 코팅재를 브러싱에 의해 소정두께로 도포하여 마찬가지로 열처리를 가하는 것과, 또한 그위에 내식성 코팅층을 소정 두께 도포하고 열처리를 가하여 공시시료로 하였다. 각 코팅층의 배합 비율은 표6에 나타낸 바와 같다.

시공에 있어서는 시공 두께의 합계가 200㎛가 되도록 하였다.

시험 방법은 전기로중에서 75℃로 유지한 용융 알루미늄에 코팅한 시편을 침지하는 방법으로 내스포올링성을 평가하였다. 용탕재질은 마찬가지로 JIS ADC12를 이용하였다. 시험결과를 표7에 나타낸다.

실시예 6-8은 접착성 코팅층의 내식성 코팅층 사이에 팽창계수가 양쪽 코팅층의 거의 중간이 되는 층(중간층)을 형성한 경우이다. 중간층을 형성함으로써 열응력이 완화되고, 내스포올링성이 현저히 개선됨을 알 수 있다.

이에 비해, 비교예7에 나타낸 바와 같이, 팽창계수가 크게 다른 접착성 코팅층과 내식성 코팅층을 적층한 경우에는 소성후의 코팅층 상태는 이상이 없기는 하지만, 침지 스포올링 시험을 행하면 1회째부터 부분 박리가 발생하고, 4회째에는 거의 모든 코팅층이 박리되는 결과가 되었다. 또한, 비교예8은 기재와의 패창계수가 크게 다른 중간층을 코팅하고, 그 위에 내식성 코팅층을 적충한 경우인데, 기재와의 팽창계수의 차이때문에 열처리의 냉각후에 코팅층이 전면 박리되어 침지 스포올시험은 중지하였다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 나타난다.

(1) 코팅의 접착성과 치밀한 보호 피막에 의해 저융점 금속과의 반응을 억제하고, 열적, 기계적인 충격으로부터 기재를 장기적으로 보호한 내구성있는 저융점 금속주조용 기구를 제공할 수 있다.

(2) 치밀한 보호막이 코팅층의 취약화 방지뿐만 아니라 2차적 효과로서 바탕쇠 부착도 방지할 수 있다.

(3) 기구의 내용성이 향상되기 때문에 사용기간도 길어지고 중간 보수 작업의 수고가 대폭 감소된다.

Claims (2)

1. 기재와 접촉하는 부분을 기재의 팽창계수에 가까운 팽창계수를 가지는 접착성 코팅재로 이루어진 층으로 하고, 용탕과 접촉되는 부분은 치밀한 보호막을 형성하는 내식성 코팅재로 이루어진 층으로 하며, 각 층의 두께를 각각 50∼200㎛로 한 2층 이상의 코팅층을 가지는 저융금속의 주조용기구.
2. 제1항에 있어서, 기재와 접촉하는 부분이 융점이 1000℃이하의 유리분말과 규산염과 인산염 중에서 선택된 1종 이상의 접착성 결합제를 함유한 층, 용탕과 접촉하는 부분이 내식성재료로서 융점 700℃이상의 불소화합물의 1종 이상을 5-80중량% 함유하는 층으로 이루어진 2층 이상의 코팅을 가지는 저융점금속의 주조용기구.