KR100237586B1 - 금형 주조용 이형제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분할형(split die)들을 폐쇄한 상태에서 형면에 도포할 수 있고, 제품결함이나 히트쇼크를 방지함과 동시에, 고체윤활제의 침전도 방지할 수 있는 이형제에 관한 것이다. 이 이형제는 이형(離型)성분과, 이형성분을 수중에 분산시키는 분산제 성분과, 발포제로서의 계면활성제와, 물을 혼합하여 발포시켜 기포상으로 한 것을 특징으로 한다.

기포상 이형제는 분할형들을 폐쇄한 상태에서 금형을 도포하는데 사용가능하므로, 스프레이 도포에 있어서의 비산에 의한 문제가 없다. 또, 이형성분은 기포의 막에 함유되어 분리나 침전이 방지된다.

Description

금형 주조용 이형제

본 발명은, 금형주조법에서 사용되는 이형제 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신규한 기포상의 이형제에 관한 것이다.

알루미늄 금형주조법 등의 금형주조법에서는, 용탕의 사출전에 금형 형면에 수성이형제를 도포하여, 금형을 냉각함과 동시에 주물과 금형의 이형성 향상을 도모하고 있다.

예를 들어, 용탕의 사출속도가 늦은 저속 주입법의 경우에는 흑연, 탈크, 세리사이트, 질화붕소, 불화탄소수지(PTFE) 등의 고체윤활제 입자를 카르복시메틸셀룰로스 등의 분산제를 함유하는 수중에 분산시킨 상태의 이형제가 사용되고 있다.

또 용탕의 사출속도가 큰 고속주입법의 경우에는, 오일 및 유지를 폴리옥시에틸렌 알킬알릴에테르 등의 유화제를 함유하는 수중에 유화분산시킨 상태의 이형제가 사용되고 있다.

예를 들어, 일본국 특허공개(KOKAI) 소 63-265996호 공보에는, 실리콘오일 100중량부, 탄화수소계 액상중합체 10 내지 100중량부, 천연왁스 10 내지 100중량부, 계면활성제 10 내지 50중량부, 고체윤활제 1 내지 20중량부를 함유하는 이형제가 개시되어 있다.

또한, 일본국 특허공개(KOKAI) 소 64-53727호 공보에는 에틸렌과 프로필렌 공중합체의 무수말레산 부가물, 계면활성제 및 물을 필수성분으로 하는 수성 이형제가 개시되어 있고, 특허공개(KOKAI) 평 6-15406호 공보에는 분산제를 함유하는 물에 비표면적이 40㎡/g 이상인 다공질 합성 규산화합물을 현탁시킨 이형제가 개시되어 있다.

상기한 종래의 이형제는 물을 사용하여 적당한 농도로 희석하고, 금형을 개방한 상태에서 양쪽의 분할금형의 중간에 스프레이 장치를 배치하고 형면을 따라 분무함으로써 도포된다. 그러나, 스프레이 하는동안, 이러한 이형제가 비산하여 분할금형의 접촉면에 부착한다. 이러한 이형제가 퇴적되어 접촉면의 정밀도가 저하되므로, 주조품의 정밀도가 저하되거나 섬광이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여, 종래에는 접촉면에 부착된 이형제를 에어블로우 등을 사용하여 제거하는 것도 행해지고 있다. 그러나, 에어블로우 공정에는 많은 시간이 요구되므로, 주조사이클이 길어져 생산성이 저하되는 문제가 있다.

또한, 스프레이 도포에 의해 금형이 급냉되기 때문에, 히트쇼크가 커서 금형의 수명이 짧다고 하는 문제가 있다. 그리고, 이형제가 과잉 도포되면, 잔류수에 의한 제품결함이 생기는 경우도 있다.

또한, 스프레이 도포에 의해 비산된 이형제가 금형주변을 더럽히고, 작업환경을 악화시킨다고 하는 문제도 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 분할금형을 폐쇄한 상태에서 이형제를 형내로 분사시켜 도포하는 것이 고려되고 있다. 그러나, 복잡한 형면의 구석구석까지 도포하기 위해 이형제를 다량으로 분사시키면, 침전된 고체윤활제나 잔류수에 의한 제품결함이 생기며, 히트쇼크도 크다는 문제가 있다.

또한, 고체윤활제와 같은 비중이 큰 입자를 이용한 경우에는, 분산제를 이용하여도 안정한 분산상태를 유지하는 것이 곤란하므로 고체윤활제의 침전이 생긴다. 그 때문에 용기 상하에서의 고체윤활제 농도가 달라진다. 그리고, 금형면에 비중이 큰 고체윤활제의 입자를 포함하는 이형제를 도포한 경우에는, 이형제의 성분이 도포된 위치에 따라 달라지는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 분할형을 폐쇄한 상태에서 형면에 도포할 수 있고, 또 제품결함이나 히트쇼크를 방지함과 동시에, 고체윤활제의 침전을 방지하는 금형주조용 이형제를 제공하는 데에 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에서 사용한 금형의 이형제를 충전한 상태를 나타내는 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

1: 고정형 2: 가동형

3, 4: 슬라이드코어 5, 6: 개폐핀

7, 8: 통로 9: 캐비티

11:기포상 이형제

본 발명의 제 1 실시형태에 따른 금형 주조용 이형제는 이형성분, 이형성분을 수중에 분산시키는 분산제 성분, 발포제로서의 계면활성제와 물의 혼합물로 구성되며, 이를 기포상으로 발포시킨다.

본 발명의 제 2 실시형태에 따른 금형 주조용 이형제는 이형성분은 실리콘유, 광물유, 동식물유, 합성유 및 왁스 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 오일을 함유하고, 분산제 성분은 오일을 유화분산시키는 유화제를 함유하는 것에 있다.

제 3 실시형태의 금형 주조용 이형제의 특징은, 이형성분이 흑연, 이황화몰리브덴, 탈크, 세리사이트, 질화붕소, 운모, 불화흑연 및 불화탄소 수지로 구성되는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 입자를 함유하고, 분산제 성분은 상기 고체윤활제 입자를 분산시키는 분산제를 함유하는 것에 있다.

또, 제 4실시형태의 금형 주조용 이형제의 특징은, 계면활성제가 음이온계 계면활성제 및 비이온계 계면활성제 중에서 선택되는 1종 이상인 것에 있다.

이형성분으로서는 실리콘유, 광물유, 식물유, 합성유 및 왁스 등 중에서 선택되는 오일과, 흑연, 이황화몰리브덴, 탈크, 세리사이트, 질화붕소, 운모, 불화흑연 및 불화탄소 수지로부터 선택되는 고체윤활제의 2종류로 크게 나뉘어진다. 어느 1종류이어도 좋고, 2종류를 병용할 수도 있다.

오일중, 실리콘유는 디메틸 폴리실옥산 또는 알킬 변성 폴리실옥산 등의 변성 폴리실옥산으로 대표되는 (SiO)_n이 골격으로 된 합성유의 일종이다. 광물유라는 것은, 원유(석유)의 증류에 의해 얻어지는 터빈유, 마신유, 실린더유 등을 말한다. 동식물유라는 것은 생체로부터 얻어지는 오일로, 우지(牛脂), 라아드, 라놀린, 피마자유, 대두유, 레이프유(rape oil)등이 사용된다. 합성유라는 것은 화학적으로 합성되는 오일을 말하고, α-올레핀유, 디에스테르유 등이 있다. 또 왁스로서는, 목랍(木蠟), 밀랍(蜜蠟)등 천연왁스 이외에, 석유로부터 정제되는 파라핀왁스, 화학적으로 합성되는 폴리에틸렌왁스 등이 사용된다.

또 고체윤활제는 입자상태로 사용되지만, 그 입경은 0.01 내지 30㎛정도가 바람직하다. 입경이 0.01㎛보다 작아지면 윤활성이 저하되고, 30㎛보다 커지면 주조품의 주조 표피가 거칠어 외관품질이 저하된다.

상기 이형성분은 윤활성이 뛰어나기 때문에, 주조품의 금형으로부터의 이형이 용이해지는 효과를 나타낸다. 이 이형성분의 농도로서는 이형제중에 0.1 내지 20중량% 정도의 범위가 포함되는 것이 효과적이다. 이형성분의 농도가 0.1 중량% 보다 낮으면 윤활성을 거의 얻을 수 없어 이형효과가 발휘되기 어렵다. 또 이형성분의 농도가 20 중량%를 초과하면, 오일연기의 발생이나 연소잔사 등에 의한 주조 표피 불량 및/ 또는 주조품의 표면이 더러워져 바람직하지 않다.

이형성분중, 오일은 고속 용융금속 주입의 금형주조법에 있어서 효과적이다. 이같은 효과는, 오일이 용융 알루미늄과 같은 용융금속에 대하여 윤활성과 추종성이 뛰어나고, 금형벽에 박막을 형성할 수 있어 주조품의 주조 표면이 양호해지기 때문에 나타난다.

한편, 고체윤활제는 저속 용융금속 주입의 금형주조법에 효과적이다. 이같은 효과는, 용융 알루미늄과 같은 용융금속을 저속으로 주입하고 있는 경우, 고체 윤활제가 온도저하를 억제하는 단열재로서의 효과를 나타내기 때문이다. 다만 흑연에 대해서는, 고속주입 및 저속주입의 양쪽에서 모두 좋은 효과를 나타낸다.

이형성분으로서 상기 오일을 사용한 경우에는, 분산제 성분으로서 유화제를 사용할 필요가 있다. 이 유화제로서는 폴리옥시에틸렌 알킬알릴에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬에테르, 폴리옥시에틸렌 솔비탄수지산 에테르 등이 예시되고, 이 유화제를 사용함으로써 오일은 수중에 유화분산되므로, 물과 분리되는 것이 방지되어 항상 균일한 상태로 할 수 있다. 이 유화제의 양으로서는, 이형제 중에 유효성분양 5 내지 40 중량%의 범위가 바람직하다. 이 범위보다 적으면 오일의 유화가 곤란해져 분리되는 경우가 있고, 이 범위보다 많아져도 유화효과가 포화되어 다른 성분량이 저하됨으로써 문제가 발생한다.

이형성분으로서 고체윤활제를 사용한 경우에는, 분산제 성분으로서 카르복시메틸 셀룰로스 나트륨, 메틸셀룰로스, 메틸에틸셀룰로스 등의 분산제가 사용된다. 이 분산제의 양으로서는, 이형제 중에 유효성분양 1 내지 30 중량%의 범위가 바람직하다. 이 범위보다 적으면 고체윤활제의 침전이 생기기 쉬워지고, 이 범위보다 많아져도 분산효과가 포화되어 다른 성분량이 저하됨으로써 문제가 발생한다.

또한, 이형성분으로서 오일과 고체윤활제를 병용할 수도 있으나, 이 경우에는 분산제 성분으로서 유화제와 분산제를 병용하는 것이 필요하다.

본 발명에서 말하는 계면활성제는, 이형성분과 분산제 성분을 함유하는 수성분산액을 발포시켜 기포상으로 하기 위해 쓰이며, 올레인산 칼륨, 라우릴황산 나트륨, 라우릴황산 트리에탄올아민, 라우릴황산 암모늄, 폴리옥시에틸렌 라우릴황산 나트륨, 라우릴알코올 에테르 황산염(나트륨염)등으로 대표되는 발포성이 뛰어난 음이온계 계면활성제, 폴리옥시에틸렌 노닐페닐에테르(HLB 15 전후) 등의 비이온계 계면활성제 또는 이들의 각종 유전체 등으로 이루어진 그룹중에서 선택되어 사용된다.

이 계면활성제는, 이형제 중에 0.1 내지 10 중량%의 범위에서 사용하는 것이 효과적이다. 0.1 중량% 보다 적으면 기포형상화가 곤란하고, 10 중량% 이상 사용하여도 기포형성화 효과가 포화되어 다른 성분량이 저하됨으로써 문제가 발생한다.

또, 이 계면활성제는 이하의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

(a) 용이하게 발포될 것.

(b) 오일의 유화상태나 고체윤활제의 분산상태를 저해하지 않을 것.

(c) 금형에 충전되기 까지 기포상을 유지시킬 수 있을 것.

(d) 150 내지 250℃정도의 금형에 접촉한 순간에 즉시 기포가 사라질 것.

(e) 윤활성 및 이형성에 대하여, 저해인자로 되지 않을 것.

또 본 발명의 이형제에는, 예를들어 지방산염 등의 기포성분이나 디알킬디티오인산 아연으로 대표되는 극압제 등의 다른 성분을 함유시킬 수도 있다.

기포형상화의 정도로서는 기포의 크기를 5mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 기포의 크기가 5mm보다 커지면 기포의 유지력이 저하되어 기포가 쉽게 없어지게 되고, 형면으로의 균일도포가 곤란해지는 경우가 있다.

또 기포형상화할 때의 공기의 혼입량은, 이형제에 대하여 7 내지 30배의 용적비로 하는 것이 바람직하다. 공기량이 이것보다 적으면 기포형상화가 곤란해지고, 이보다 많은 공기를 혼입하면 기포직경이 커져 기포가 없어지기 쉬워진다.

본 발명의 이형제를 사용하는데, 공기에 의한 버블링, 강제교반, 스타틱믹서(static mixer)에 공기를 혼입시키는 등의 방법에 의해 이형제를 기포형상화하고, 기포상이 유지되는동안, 이 이형제를 공기 또는 피스톤의 압출력으로 폐쇄된 금형에 충전한다. 그리고 충전완료 후, 여분의 기포를 에어블로우나 감압흡인을 이용하여 금형으로부터 배출한다.

본 발명의 이형제는 기포상이기 때문에, 금형내로의 충전에 스프레이는 사용할 필요가 없으므로, 스프레이 도포에 있어서의 비산에 의한 문제가 없다. 그리고, 이형제는 기포상으로서 금형벽에 부착되기 때문에, 스프레이 도포에 비하여 단위시간에 금형 표면과 접촉하는 물의 양이 적다. 따라서, 금형의 히트쇼크가 방지되고, 수명연장화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 이형제에서는, 이형성분은 기포의 막에 함유되어 분리나 침전이 방지된다. 따라서, 금형전면에 균일하게 이형성분이 부착되고, 이형성이 균일해진다. 또, 기포상이므로 과잉의 이형제 제거 및 회수가 용이하고, 잔류수에 의한 문제가 방지되며, 종래의 스프레이 방법에 비하여 이형제의 제품 생산비율이 향상된다.

본 발명은 다음 실시예, 청구범위 및 도면을 통해 그 목적, 특성 및 특징을 더욱 명백히 할 수 있다.

실시예 1 내지 10 및 종래예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

이형성분으로서 알킬변성 실리콘유, 실린더유 및 폴리에틸렌왁스의 오일과, 흑연, 세리사이트 및 질화붕소의 분말을 준비하였다.

그리고 오일에 대해서는, 유화제로서의 폴리옥시에틸렌 알킬알릴에테르 5중량부에 각 오일을 각각 20중량부 가하여 잘 교반하고, 여기에 각각 75 중량부의 물을 가하여 호모지나이저(homogenizer)로 충분히 교반하여, 각각의 상기 오일을 함유하는 유화액들을 제조하였다.

한편, 고체윤활제 분말에 대해서는, 분산제로서 2중량%의 카르복시 메틸셀룰로스가 용해된 수용액 80중량부에, 흑연, 세리사이트 및 질화붕소 분말 20 중량부를 각각 서서히 가하면서 충분히 교반하여, 각각의 고체윤활제의 분산액들을 제조하였다.

또, 계면활성제로서 라우릴황산 트리에탄올아민, 라우릴황산 나트륨 및 라우릴알코올 에테르황산염(나트륨염)을 준비하고, 각각 농도 20중량%가 되도록 물로 희석하여, 각각의 계면활성제 용액들을 제조하였다.

그리고, 이형성분과 계면활성제를 표 1에 나타낸 중량비가 되도록 각 유화액, 각 분산액 및 각 계면활성제 용액을 혼합하고, 그 혼합액과 공기를 각각 스타틱믹서에 공급하여 혼합 비율이 표 1의 값으로 되도록 조절하여 발포시키어, 실시예 1 내지 실시예 10의 이형제를 제조하였다.

각 실시예의 이형제는, 각각 기포직경이 약 0.1 내지 2mm의 균일한 포말체로 되었다.

각각의 이형제를, 이하에 나타낸 바와 같이 금형에 도포하였다. 사용한 금형을 도 1에 나타낸다. 이 금형은 고정형(1)과, 가동형(2)과, 슬라이드코어(3, 4)를 포함한다. 고정형(1)과 가동형(2)을 클램핑하고, 슬라이드코어(3)와 슬라이드코어(4)를 클램핑을 위해 슬라이드시킴으로써 금형을 밀폐상태로 하고, 내부에 주조용 캐비티(9)를 형성시킨다.

이 금형에 이형제를 도포하기 위해서는, 금형이 상기와 같이 밀폐상태로 된 후, 상부개폐핀(5) 및 하부개폐핀(6)을 각각 개방하고, 통로(7)로부터 캐비티(9)내의 공기를 밀어내면서 도시하지 않은 실린더장치를 이용하여 그 피스톤의 압출력에 의해 기포상 이형제(11)를 통로(8)로부터 캐비티(9)내로 충전시킨다. 이 때, 금형을 일시 개방하여 이형제의 충전상황을 조사하였으나, 각각의 이형제는 모두 캐비티(9)내에 균일하게 충전되어 있었다. 또한, 금형의 형면온도는 100 내지 180℃이다.

그리고, 다시 형을 폐쇄하여 에어블로우에 의해 여분의 이형제를 금형 바깥으로 배출하였다. 그리고나서, 금형을 일시 개방하여 배출 및 잔류상황을 조사한 결과, 각각 이형제가 용이하게 배출되었고, 이형제가 국소적으로 남은 부분은 없었다.

그 후, 형을 폐쇄시킨 상태에서, 2000t 가로형 주조기(horizontal casting device)를 사용하여 680℃의 용융 알루미늄(재질 ADC12)을 사출속도 1.6 내지 1.8m/s로 주입하여, 주조를 행하였다. 생성된 주조품이 330℃로 냉각고화된 후, 형을 개방하여 주조품을 이형하고, 그 때의 이형저항치를 각각 측정함과 동시에 주조품의 외관을 육안으로 판정하였다. 결과를 표 1에 나타내었다. 또한 외관의 판정은 주조 표피의 좋고 나쁨을 10단계로 평가하였다.

또, 실리콘유, 광유 및 식물유로 이루어지는 종래의 이형제를 사용하여, 스프레이에 의해 본 발명과 유사한 방법으로 금형에 도포하였다. 그리고나서, 마찬가지로 이형저항과 외관을 평가하여, 종래예로서 표 1에 나타내었다.

표 1로부터 이형저항 및 외형이 각 성분의 조합에 달려있음이 명백하다. 본 발명의 실시예 1 내지 7에서, 이형저항은 40kgf/㎠이하이고, 외관은 5이상이었다. 이러한 결과는 본 실시예의 이형제가 종래예와 동등한 이형성을 나타냄을 나타낸다.또, 본 실시예의 이형제를 사용한 경우에는, 부분적으로 이형저항이 높아지지 않고, 이형성분이 균일하게 도포된 것이 확인되었다.

본 발명의 이형제에 의하면, 스프레이에 의한 도포를 피할 수 있으므로, 이형제의 비산에 의한 작업환경의 악화가 없고, 이형제의 제품 생산비율이 향상된다. 또 금형을 폐쇄한 상태에서 도포할 수 있어, 분할형들의 접촉면에 이형제가 부착 및 퇴적되는 것이 방지되어 종래 에어블로우에 필요하였던 시간을 단축할 수 있음과 동시에, 섬광의 발생이 방지되고, 생성된 주조품의 형상정밀도가 향상된다.

또한, 기포중에 고체윤활제 등의 비중이 큰 입자를 유지시킬 수 있으므로, 고체윤활제의 침전이 방지된다. 그리고, 기포상이기 때문에 여분의 이형제의 분리, 이동 및 제거가 용이하고, 형면에 부착되어 있는 기포상의 이형제층의 두께를 대략 일정하게 할 수 있다. 따라서, 이형성분을 균일하게 도포할 수 있고 히트쇼크도 방지되므로, 금형의 수명이 연장될 수 있다. 또한, 기포의 직경 및 수분량을 조절하여, 냉각효과도 억제할 수 있다.

종래에는 스프레이로 도포하기 위하여, 고체윤활제에 입경이 작은 것을 사용할 필요가 있었다. 그러나, 본 발명에서는 큰 입경의 고체윤활제를 사용할 수 있게 되므로, 윤활효과가 향상되고 이형성을 향상시킬 수 있다.

상기와 같이 가장 실질적이고 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것으로 이해되어서는 안되며, 본 발명은 청구항의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변형 및 응용이 가능하다.

Claims (12)

1. 이형(離型)성분과, 상기 이형성분을 수중에 분산시키는 분산제 성분과, 발포제로서의 계면활성제와, 물을 혼합하여 발포시켜 기포상으로 한 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
2. 제 1항에 있어서, 상기 이형성분이 상기 이형제 중에 0.1 내지 20 중량% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
3. 제 1항에 있어서, 상기 계면활성제가 상기 이형제 중에 0.1 내지 10 중량% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
4. 제 1항에 있어서, 상기 기포는 크기가 5mm 이하인 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
5. 제 1항에 있어서, 발포를 위하여 혼입되는 공기 용적이 상기 이형제의 7배 내지 30배 범위인 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
6. 제 1항에 있어서, 상기 이형성분은 실리콘유, 광물유, 동식물유, 합성유 및 왁스로 구성된 그룹중에서 선택되는 1종 이상의 오일을 함유하고, 상기 분산제 성분은 상기 오일을 유화 및 분산시키는 유화제를 함유하는 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
7. 제 6항에 있어서, 상기 유화제가 상기 이형제 중에 5 내지 40 중량% 범위로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
8. 제 1항에 있어서, 상기 이형성분은 흑연, 이황화몰리브덴, 탈크, 세리사이트, 질화붕소, 운모, 불화흑연 및 불화탄소 수지로 구성된 그룹중에서 선택되는 1종 이상의 고체 윤활제 입자를 함유하고, 상기 분산제 성분은 1종 이상의 상기 고체윤활제 입자를 분산시키는 분산제를 함유하는 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
9. 제 8항에 있어서, 상기 고체윤활제의 입경이 0.01 내지 30μm인 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
10. 제 8항에 있어서, 상기 분산제가 상기 이형제 중에 1 내지 30중량% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
11. 제 1항, 6항 또는 8항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 계면 활성제는 음이온계 계면 활성제 및 비이온계 계면 활성제 중에서 선택되는 1종 이상의 성분인 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.
12. 제 11항에 있어서, 상기 음이온계 계면 활성제는 올레인산 칼륨, 라우릴황산 나트륨, 라우릴황산 트리에탄올아민, 라우릴황산 암모늄, 폴리옥시에틸렌 라우릴황산 나트륨 및 라우릴알코올 에테르 황산염(나트륨염)으로 구성된 그룹중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금형 주조용 이형제.