KR100246596B1 - 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법 - Google Patents

Abstract

금속주조용의 세라믹제 금형의 성형방법은 세라믹 입자 및 접합재로 이루어지는 슬러리로 각각의 금형부를 사출성형하는 단계를 포함한다. 각각의 소성가공되지 않은 금형부는 구조적 강도를 부여할 수 있는 양의 접합재만을 남기고 대부분의 접합재를 제거하도록 저온소성가공되며, 각각의 금형부는 조립되어 금형을 성형한다. 마지막으로 접합재를 완전히 제거하기 위해서 금형을 고온소성가공한다.

Description

금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법

제1도는 본 발명의 금속 주조용 세라믹제 금형의 성형방법의 제1 실시예를 보여주는 순서도.

제2도는 본 발명의 금속 주조용 세라믹제 금형의 성형방법의 제2 실시예를 보여주는 순서도.

제3a도와 제3b도는 각각 본 발명에서 사용된 금형부를 보여주는 사시도.

제4도는 각 금형부를 합친 상태를 제시하는 사시도.

제5도는 금형의 공동을 제시하는 사시도.

제6도는 제4도의 선 6-6을 따라 취해진 금형의 단면도.

[발명의 배경]

본 발명은 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 골프용 타봉의 헤드(golf club head)와 같은 금속 주물 제품을 제조하기 위한 세라믹제 금형을 성형하는 방법에 관한 것이다.

금속주조용의 세라믹제 금형을 성형하는 방법으로서는, 종래로부터 다양한 방법이 알려져 있다. 전통적으로 이용되고 있는 인베스트먼트 주조(investment casting)는 "로스트 왁스법(lost wax process)"을 포함한다. 이 방법은, 금형의 준비에 상당한 시간이 걸리며, 탕구까지 왁스 모형(wax pattern)의 초기용접을 하며, 그 다음에 노동력이 많이 드는 로스트 왁스금형의 제작공정을 필요로 한다. 이러한 금형은 금속 주물내에 포함되어야하는 매우 정교한 세부, 예컨대 홈(grooves), 문자, 그 외의 특징적 형상을 가능하게 하는데 필요한 강도가 전형적으로 부족하며, 따라서 그러한 특징적 형상은, 전체를 형성한 후의 부가적 공정에 의해 형성되는 것을 필요로 한다. 상기 로스트 왁스법의 다른 불리한 점으로는, 왁스로 둘러싸여 형성된 금형은, 이용할때에 주물이 적절한 형상과 크기를 갖는지를 확인하기 위해 가시적 점검을 행할 수 없었다는 것이다.

다른 방법으로는, 세라믹제 금형을 2개의 편(half)을 형성하기 위하여, 에틸 실리케이트(ethyl silicate) 및 내화성 세라믹으로 이루어진 슬러리를 주입하고, 그후 "북킹(booking)", 즉 2개의 편을 상호 연결하여, 세라믹제 금형을 형성하는 방법이 있다. 이 방법은, 노동 집약적이므로 비용이 많이 들 뿐만 아니라, 적절한 치수제어와 금형편의 정렬(alignment)에 어려움이 있다. 따라서, 이 방법은 정확한 치수를 필요로하는 금속주조용 세라믹제 금형을 성형하는데 그다지 적합하지 않다.

다른 방법으로서, 본래 터빈 블레이드를 위하여 개발된 주조방법이 있으며, 이 방법은 제1의 금형부가 블레이드의 외측부분을 구성하고, 제2의 금형부가 블레이드의 내부를 구성하며, 제3의 금형부가 블레이드의 다른 외측부분을 구성하도록, 복수의 세라믹제 금형부로 이루어지며, 각각의 금형부는 사출성형 또는 세라믹 코어 성형에 의해 형성된다. 이러한 금형은 공차가 발생하며, 따라서 금형의 합친부분을 따라 충분한 치수제어가 불가능하며, 정확한 치수를 필요로하는 금속주조용의 세라믹제 금형의 제조에는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 정확한 치수를 갖는 금속 성형품을 제조하기에 적합한 금속 주조용 세라믹제 금형의 성형방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 성형의 준비를 거의 필요로 하지 않는 성형방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 좁고 한정된 공간에서, 주조하기 위한 금형을 24시간 이내에 준비할 수 있는 정도의 신속한 성형방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 최종의 금형이, 금속주물에 구체화되는 세부를 가능한한 높은 강도를 갖도록 하는 성형방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 주조하기전에 금형부를 점검할 수 있는 성형방법을 제공하는 것이다.

[발명의 요약]

전술한 본 발명의 목적들은 다음의 공정으로 구성되는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법에 의해 달성된다. 세라믹 입자 및 접합재로 이루어지는 슬러리로, 각각의 소성가공되지 않은(green) 금형부를 사출성형한다.

상기 접합재의 대부분을 금형부로부터 제거하고, 한편으로 금형부에 구조적강도를 부여할 수 있는 양의 접합재만을 남기기 위해, 장기간, 각각의 금형부를 비교적 저온에서 소성가공하고, 금형을 성형하기 위하여 상기 각각의 금형부를 상호 조립한다. 마지막으로 상기 접합재를 완전히 제거하기 위하여, 고온에서 금형을 소성가공한다.

상기 슬러리는 비수성(非水性)으로 하고, 상기 접합재는 대체로 왁스와 가소제(plasticizer)로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 각각의 금형부는, 약 300℉의 온도까지 서서히 상승하도록 저온소성되는데, 그 저온소성은 약 18시간을 넘지않는 범위내에서 유지된다.

조립된 금형을 형성하기 위하여 금형부를 상호 조립하기 전에, 각각의 금형부를 점검한다. 그런다음 상기 각각의 금형부를 지그내에서 상호 조립하든가, 각각의 금형부를 상호 접착고정하든가, 또는 금형을 북킹하여 성형한다. 마지막으로, 상기 금형을 적어도 약 1800℉까지 고온소성한다.

금형을 형성하기 위하여 조립된 후, 또는 조립하기 전에, 각각의 소성가공되지 않은 금형부를 저온소성한다. 어느 경우든, 금형의 고온소성 다음에 즉시 금형을 사용함으로써, 금형을 냉각시키지 않고 성형품을 주조하는 것이 바람직하다. 첨부된 도면과 관련하여 본 발명의 바람직한 실시예를 기술하면 다음과 같다.

[바람직한 실시예에 대한 상세한 설명]

본 발명의 방법의 이하의 설명은 특히 골프용 타봉의 금속 헤드를 주조하기 위한 세라믹제 금형의 제조에 관한 것이지만, 본 발명의 원리는, 높은 정밀도를 필요로 하는 여러 가지 형상 및 치수를 갖는 금속주물의 성형기술에 동일하게 적용될 수 있다.

이제, 도면 특히 제 1 도와 제 3 도를 참조하면, 금속주물용의 세라믹제 금형을 성형하기 위한 바람직한 방법은, 제 3 도에 도시된 각각의 금형부(12)를 사출성형하는 단계(10)(제 1 도 참조)로부터 시작한다. 금형부(12)는 세라믹 입자 및 접합재로 이루어지는 슬러리에 의해, 종래의 사출성형으로 성형된다. 그 슬러리는 비수성이고 접합재는 대체로 왁스와 플라스틱으로 구성되는 것이 바람직하다. 슬러리의 바람직한 구성은 100중량부당, 87.5 중량부의 내화성 파우더와 거기에 혼합되는 12.5 중량부의 유기접합재를 구비하며, 상기 내화성 파우더는 70%의 조립(粗粒)의 용융 실리카(입자크기는 50 - 120 메시가 바람직하다)와 30%의 지르콘(입자크기는 325 - 600 메시가 바람직하다)으로 이루어지며, 상기 유기 접합재는 파라핀 또는 그것과 유사한 왁스 및 스테아린산(steric acid) 또는 가소제로 되어 있다. 상기의 구성은 한가지 실시예이며, 다른 실리카 및/또는 실리케이트(지르콘은 지르코늄 실리케이트임)를 이용할 수도 있으며, 마찬가지로 다른 조성의 접합재와 전술한것과 다른 비율을 이용할 수도 있다는 것이 자명하다.

제 3a 도와 제 3b 도는 대향하는 측면에서 금형부를 개별적으로 도시한 것이며, 이들 2개의 금형부는 함께 조립되어, 제 6 도에 도시된 것과같은 금형(14)을 구성하며, 그 금형(14)은 단일성형품(16)을 제조하기 위한 단일의 공동을 지니고 있다. 또한, 제 6 도로부터 알 수 있듯이 N개의 금형부를 상호 조립함으로써, 일련(N-1개)의 성형품을 제조하기 위한 일련(N-1개)의 공동이 형성된다.

제 1 도로 돌아가서, 금형부의 저온소성단계(20)에 있어서, 소성가공되지 않은 각각의 금형부를 저온으로 소성하며, 그 소성에 의해, 대부분의 접합재(적어도 51중량%)를 금형부로부터 제거하며, 금형부의 취급에 필요한 충분한 강도를 갖게하기 위하여, 약간의 접합재(적어도 10중량%)를 남긴다.

각각의 금형부의 조성, 형상 및 치수에 따라, 금형부의 저온소성단계(20)의 파라미터를 변화시켜도 된다는 것은 말할 필요도 없지만, 전형적인 저온소성은 실온으로부터 약 300℉까지 금형부의 온도를 서서히 상승시키고, 그 온도에서 금형부를, 장기간, 전형적으로는 최대 18시간동안 유지함으로써 달성된다. 각각의 금형부를 저온소성하기 위한 바람직한 파라미터는, 대부분의 접합재를 제거하는 것 및 금형부에 강도를 부여할 수 있는 양의 접합재만을 남기는 것을 포함하며, 소성기술에 숙련된 당업자의 경험을 통하여 간단히 결정될 수 있다. 또한 접합재의 70중량%를 상기의 저온소성중에 제거하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 원하는 금속주물을 제조하는데 필요한 가공표면인지의 여부를 확인하기 위해서, 저온소성된 각각의 금형부의 임의의 점검을 금형부의 점검단계(30)에서 행한다. 또한, 소성가공되지 않은 각각의 금형부를 저온소성전에 점검하면 보다 바람직하다.

다음, 금형부의 조립단계(40)에서, 저온소성된(그후, 임의로 점검된) 각각의 금형부는, 제 4 도에 도시된 바와같이, 북킹상태로 상호 조립되어 완전한 금형(14)을 구성한다. 인접하여 쌍을 이루는 금형부(12)에 의해 성형품(16)을 제조하기 위한 공동이 금형(14) 내에 형성되어 있다. 각 금형부(12)의 1측면(12a)은 골프용 타봉의 헤드(또는 주조될 성형품)의 절반을 이루는 동시에 키이(13 ; key)를 구비하고 있으며, 다른 금형부(12)의 마주보는 다른 측면(12b)은 골프용 타봉의 헤드의 나머지 절반을 이루는 동시에 키이홈(15 ; keyways)을 구비하고 있다. 여기서, 키이(13)를 키이홈(15)내에 끼워넣도록 각 금형부(12)를 정렬시켜, 서로 포개어진 경우, 인접하여 쌍을 이루는 금형부(12)에 의해 금형(14)이 형성되며, 그 금형(14)에 의해, 액체상태의 금속을 주입하여, 골프용 타봉의 헤드(16 ; 성형품)를 제조하기 위한 공동이 형성된다.

각 금형부(12)는 수작업 또는 기계작업에 의해 상호 조립되어, 금형(14)을 형성한다. 각 금형부(12)의 조립은, 적절한 병렬상태로 금형부를 일시적으로 유지하기 위하여, 지그 또는 바이스를 이용하여도 좋고, 또한 금형부를 상호 영구적으로 접착시키기 위해 접착제를 이용하여도 좋으며, 또한, 조립 금형을 이용 및 제작하는 당업자에게 잘 알려진 다른 수단을 이용하여도 좋다.

다시 제 1 도를 참조하면, 금형의 고온소성 단계(50)에서, 금형(14)은, 금형(14)의 접합재를 완전히 제거하기 위해 고온에서 소성가공된다. 각 금형부(12)의 저온소성에서와 같이, 고온소성의 파라미터도, 금형(14)의 조성, 형상, 치수에 의존한다. 고온소성의 적절한 온도 형태는, 시간당 200℉의 비율로 300℉에서 2150℉까지 금형을 가열하고, 접합재를 제거하기에 충분한 시간, 보통 약 6.5시간 동안, 조립후의 금형을 2150℉에서 유지하는 것이다.

금형부의 저온소성단계(20)에서 필요한 것은 금형의 고온소성단계(50)에서 제거되어야만 하는 접합재의 양을 서서히 감소시키는 것이다. 따라서, 저온소성은, 고온소성중에 일반적으로 발생하는 비교적 큰 치수변화에 비해서, 각각의 금형부를 단지 조금밖에 변화시키지 않는다.

각 금형부(12)의 사출성형과 금형부의 모든 소성가공은 통상의 장소, 예를들면, 금형의 성형공장에서 행해진다. 그후, 소성가공된 금형부(조립후 또는 조립전의 금형부)는 주물공장으로 운반되며, 그 공장에서 금형(14)은 금속제 주물의 제조에 이용된다. 최종적으로 금형부는, 금속주조에 이용되기전에 금속주조장치에 의해 매우 높은 온도(적어도 1800℉)로 가열되며, 이러한 가열은, 주물공장에서 금형내에 주입된 용융금속의 조급한 냉각을 완화시킨다.

그러나, 본 발명에 있어서, 접합재의 제거를 완전히 하기 위한 금형부의 고온소성을, 상기 금형성형장치에서가 아니라 오히려 주물공장에서 실시함으로써, 접합재를 완전히 제거하기 위한 금형부의 고온소성을 행한 직후에, 고온소성된 금형을 이용하여 금속부품을 주조할 수 있으며, 그 결과, 금형을 냉각(예를들면, 실온으로 되기까지의 냉각)시키지 않고, 완료된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 실질적인 에너지 소비가 감소하는데, 그 이유는 금형의 고온소성이 2회(금형의 성형공장과 주물공장에서 행함)가 이니라, 단 1회(주물공장에서) 만으로도 충분하기 때문이다. 주물공장에서 금속주조장치에 의해 적어도 약 1800℉의 온도까지 금형부를 예비가열하고, 용융금속의 조급한 냉각을 완화시키는데, 상기 온도는 접합재의 제거를 완전히 하기에 충분한 온도인 동시에, 고온소성에도 유용하다. 예비가열을 통상의 주조공정의 일부로 한 경우, 금형부의 준비, 금형부의 저온소성 및 그것의 조립을 24시간 이내에 완료시킬 수 있다. 따라서, 금형성형 공정을, 작고 좁은 면적에서 주조(고온소성을 포함한다)하기 위하여, 금형을 24시간 이내에 준비하는 신속한 실행이 가능하다.

제 2 도는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 제 2 실시예에서 금형부의 사출성형단계(10')는 제 1 실시예에서의 금형부의 사출성형단계(10)와 유사하지만, 임의적인 금형부의 점검단계(30')는, 저온소성단계의 다음보다는 오히려 사출성형단계(10') 다음에 실행된다. 제 2 실시예의 금형부의 조립단계(40')에서 금형을 형성하기 위하여, 소성가공되지 않은 각각의 금형부는 북킹상태로 상호 조립되며, 그후 금형은 제 1 실시예의 저온 소성단계(20)와 유사한 저온소성단계(20')에서 저온소성가공된다. 제 2 실시예의 고온소성단계(50')는, 제 1 실시예의 고온소성단계(50)와 유사하다.

제 2 도의 제 2 실시예와 제 1 도의 제 1 실시예 사이의 주요한 차이점은, 저온소성단계(20') 전에, 소성가공되지 않은 금형부(12)를 서로 조립하여 금형(14)을 형성하는 단계(40')를 실시한다는 것이다(반면에 제 1 실시예에서는 소성가공되지 않은 각각의 금형부(12)가, 그것을 조립하여 금형(14)을 형성하는 단계(40) 전의 저온소성단계(20)에 이용된다). 각각의 금형부(12)에 대한 금형(14)의 질량의 증가에 기인하여, 각 금형부(12)로부터라기 보다는 오히려 금형(14)으로부터 접합재를 제거하는 것이 곤란한 경우, 제 2 실시예에 있어서, 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose) 또는 한천(agar ; 寒天)과 같은 비교적 높은 휘발성의 수성 접합재를 이용할 수 있다.

제 2 실시예에서는 분리선(parting line) 전후에서 매우 정확한 치수가 요구되는 경우에 특히 유익한데, 왜냐하면, 각각의 금형부의 모든 소성가공이, 금형을 형성한 후에 실행되기 때문이며, 따라서 여러번의 독립된 소성에서 발생할 수 있는 공차증대를 회피할 수 있기 때문이다. 제 1 실시예의 경우에 대하여, 제 2 실시예의 금형의 고온소성은 금형성형장치보다는 주물공장에서 실행되는 것이 바람직한데, 이에따라 에너지의 절약과 금형성형장치의 비용절감을 달성할 수 있다.

요약하면, 본 발명은 금속제 주물용의 세라믹제 금형을 성형하는 방법을 제공하는 것이며, 탕구까지 왁스패턴의 용접을 필요로하지 않고, 또한 그후의 노동력이 많이 드는 왁스패턴의 제작공정을 필요로하지 않으므로, 금형의 준비는 종래의 인베스팅(investing) 주조에 비해 매우 간단히 된다. 따라서, 금형의 성형공정을 작고 좁은 면적에서, 금형을 24시간 이내에 준비하는 신속한 실행이 가능하다. 또한, 금형부는 점검이 가능하며, 최종의 금형은 금속주물에 구체화되어야하는 정교한 세부를 허용하기에 충분한 강도를 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 도시하고 설명하였으므로, 숙련된 당업자에게 있어서는 다양한 변형과 개선이 명백할 것으로 보인다. 따라서, 본 발명의 정신과 범주는 폭넓게 파악되어야하고 또한 추가된 청구범위와 일관된 방식으로 전술한 명세서에 국한되지 않게 파악되어야 한다.

Claims (11)

1. (A) 세라믹입자 및 접합재로 이루어지는 슬러리로 소성가공되지 않은 각각의 금형부를 사출성형하는 단계 ;

   (B) 상기 접합재의 대부분을 상기 금형부로부터 제거하고, 상기 금형부에 구조적 강도를 부여할 수 있는 양의 접합재만을 남기도록, 18시간동안 상기 금형부를 300℉의 온도에서 저온소성하고, 상기 금형부를 상호 조립하여 금형을 형성하는 단계 ; 및

   (C) 상기 접합재를 완전히 제거하기 위하여 1800℉의 온도에서 상기 금형을 고온소성하는 단계 ; 를 포함하는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 슬러리가 비수성인 것을 특징으로 하는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 접합재가 왁스와 가소제를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 각각의 금형부를 지그로 상호조립하는 것을 특징으로 하는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 각각의 금형부를 서로 접착고정하는 것을 특징으로 하는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 금형부를 상호 조립하여 상기 금형을 형성하기 전에, 상기 각각의 금형부를 점검하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
7. 제 1 항에 있어서, 금속주조에 상기 고온소성된 금형을 사용하는 단계는, 단계사이에서 상기 금형을 실온까지 냉각시키지 않고, 상기 접합재를 완전히 제거하기 위한 상기 금형의 고온소성단계의 직후에 실행되는 것을 특징으로 하는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 각각의 소성가공되지 않은 금형부는, 상기 금형을 형성하기 위해 상호 조립되기 전에 저온소성되는 것을 특징으로 하는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 각각의 소성가공되지 않은 금형부는, 상기 금형을 형성하기 위해 상호 조립된 후에 저온소성되는 것을 특징으로 하는 금속주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
10. (A) 왁스와 가소제를 포함하는 접합재와 세라믹 입자로 이루어지는 비수성 슬러리로, 소성가공되지 않은 각각의 금형부를 사출성형하는 단계 ;

    (B) 상기 금형부의 온도를 300℉까지 서서히 증가시켜, 상기 접합재의 대부분을 상기 금형부로부터 제거하고, 상기 금형부에 구조적 강도를 부여할 수 있는 양의 접합재만을 남기기 위하여, 상기 온도에 상기 금형부를 유지함으로써 상기 각각의 금형부를 저온소성하는 단계 ;

    (C) 저온소성된 상기 각각의 금형부를 점검하는 단계 ;

    (D) 금형을 형성하기 위하여, 점검된 상기 각각의 금형부를 상호 조립하는 단계 ;

    (E) 상기 접합재를 완전히 제거하기 위하여, 1800℉까지 상기 금형의 온도를 증가시킴으로써, 상기 금형을 고온소성하는 단계 ; 및 (F) 고온소성된후의 상기 금형을 실온으로 냉각시키지 않고, 상기 고온소성된 상기 금형을 금속주조에 사용하는 단계 ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트(investment) 주조용 세라믹제 금형의 성형방법.
11. (A) 왁스와 가소제를 포함하는 접합재와 세라믹 입자로 이루어지는 비수성 슬러리로, 소성가공되지 않은 각각의 금형부를 사출성형하는 단계 ;

    (B) 상기 각각의 금형부를 점검하는 단계 ;

    (C) 금형을 형성하기 위하여, 점검된 상기 각각의 금형부를 상호 조립하는 단계 ;

    (D) 상기 금형의 온도를 300℉까지 서서히 증가시켜, 상기 접합재의 대부분을 상기 금형부로부터 제거하고, 상기 금형부에 구조적 강도를 부여할 수 있는 양의 접합재만을 남기기 위하여, 상기 온도에서 상기 금형부를 유지함으로써, 상기 금형을 저온소성하는 단계 ;

    (E) 상기 접합재를 완전히 제거하기 위하여 1800℉까지 상기 금형의 온도를 증가시켜 상기 금형을 고온소성하는 단계 ; 및

    (F) 고온소성된후의 상기 금형을 실온으로 냉각시키지 않고, 상기 고온소성된 상기 금형을 금속주조에 사용하는 단계 ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트(investment) 주조용 세라믹제 금형의 성형방법.