KR100557205B1 - 인베스트먼트 주조 주형 및 제조 방법 - Google Patents

인베스트먼트 주조 주형 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인베스트먼트 주조 주형 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명에 따른 제조 방법은 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 내화성 충전재를 혼합하여, 건조 블렌드를 형성하고; 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸과 혼합하여, 내화성 프라임 코트 슬러리를 형성하고; 그리고 내화성 슬러리를 이용하여, 인베스트번트 주조 주형(10, 20)을 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

인베스트먼트 주조 주형 및 제조 방법{Investment Casting Mold and Method of Manufacture}
기술분야
본 발명은 인베스트먼트 주조 기술(investment casting technology)에 관한 향상된 방법 및 조성물에 관한 것이다.
배경기술
로스트 왁스(lost wax)에 의한 인베스트먼트 주조 공정은 고대 이집트 및 중국에서 기인하였다고 볼 수 있다. 오늘날 행해지는 상기 공정은 1930년대부터 시작된 상대적으로 신기술이며, 급속하게 성장하는 경제 및 과학을 상징한다. 인베스트먼트 주조 기술은 원하는 금속 형상을 복제할 수 있는 1회용 왁스 패턴 주위에 형성된 소모성 세라믹 쉘 주형(expendable ceramic shell mold)으로 용융된 금속을 주조하는 것으로써, 복잡한 금속 형상 제조 공정을 단순화한 것이다. "정밀 인베스트먼트 주조(Precision Investment Casting: PIC)"라는 용어는 본 발명의 기술에서 나온 것이다.
전형적인 PIC 공정은 하기 6 개의 주요 단계로 이루어진다:
(1) 패턴의 제조
원하는 금속 주조를 위한 1회용 양각 패턴(positive pattern)은 완전하게 용해, 기화 또는 연소될 수 있는 왁스와 같은 열가소성 물질로 만든 것이므로 탈왁스된 세라믹 쉘 주형 내에서 오염된 잔여물을 남기지 않는다. 상기 양각 패턴은 금속 주형에 요구되는 형상, 용적, 표면 다듬질(surface finish)을 갖는 패턴이 제조될 수 있도록 고안된 음각의 분절된 금속 다이 또는 "도구(tool)"에 열가소성 물질을 주입함으로써 제조된다. 단일 또는 다중 패턴들은 쉘 주형을 충전시키는 용융된 금속을 공급하는 1회용 왁스 "탕구 시스템(sprue system)"에 상기의 것들을 접합시킴으로써 조립될 수 있다.
(2) 쉘 주형의 제조
(a) 알칼리 안정화된 콜로이드 실리카 바인더의 수용액에 용해된 미세한 입자의 내화성 그레인(refractory grain)을 포함하는 내화성 슬러리에 패턴 어셈블리(pattern assembly)를 침지시켜, 패턴 상에 내화성 물질을 코팅하고;
(b) 건조한 상태의 굵은 입자의 내화성 그레인 또는 "스터코우(stucco)"에 상기 내화성 코팅(refractory coating)을 접촉시켜, 스터코우(stucco)로 코팅하고; 그리고
(c) 공기로 건조하여, "신선한" 공기("green" air)로 건조된 불용성 결합 코팅(insoluble bonded coating)이 이루어지게 한다.
이러한 공정 단계를 반복하여 신선한 공기로 건조된 쉘 주형을 연속적으로 코팅시킴으로써, 원하는 두께로 쉘 주형을 제조할 수 있다.
(3) 탈왁스(dewaxing)
스팀 오토클레이빙(steam autoclaving)을 하거나, 1,000∼1,900 ℉로 가열된 순간 탈왁스 로(flash dewaxing furnace)에 그린 쉘 주형(green shell mold)을 담그거나, 또는 과다한 압력으로 쉘 주형을 깨뜨리지 않도록 왁스를 급속하게 가열한 후 액화시키는 방법 등에 의하여, 1회용 왁스 패턴을 신선한 공기로 건조된 쉘 주형으로부터 제거한다.
(4) 로 처리(furnacing)
상기 탈왁스된 쉘 주형을 약 1,600∼2,000 ℉로 가열하여 휘발성 잔여물을 제거하고 쉘 주형내의 안정된 세라믹 결합(ceramic bond)을 형성시킨다.
(5) 주입(pouring)
상기 가열된 쉘 주형을 로(furnace)로부터 회수하여 용융된 금속을 주입하기 위하여 배치한다. 금속은 가스, 간접 아크(indirect arc) 또는 유도 가열에 의하여 용융될 수 있다. 용융된 금속은 공기 또는 진공 챔버에서 주조될 수 있다. 주조용 바가지(ladle) 또는 직접 용융 도가니(direct melting crucible)로부터 용융된 금속을 정전기적으로 또는 원심적으로 쏟아 부을 수 있다. 상기 용융된 금속을 냉각하여 주형 내에 고형화된 금속 주조물을 제조한다.
(6) 주조물 회수(casting recovery)
고형화된 금속 주조물을 포함하는 쉘 주형(shell mold)을 부수고, 금속 주조물을 세라믹 쉘 재료로부터 분리하였다. 상기 주조물은 연마 디스크를 이용하여 베어 내고 잘라냄으로써 탕구 시스템(sprue system)으로부터 분리될 수 있다. 상기 주조물은 연마시키거나, 쇼트 또는 그리트 블라스팅(shot or grit blasting)시킴으로써 세정될 수 있다.
인베스트먼트 주조 쉘 주형은 깨지기 쉽고 부서지기 쉬운 경향이 있다. 인베스트먼트 주조 쉘 주형의 강도를 향상시키기 위하여, 수용성인 내화성 슬러리에 작게 잘려진 내화성 섬유 및 유기 섬유를 소량 첨가해 왔다. 상기 섬유들을 포함한 내화성 슬러리를 프리폼(preform)에 두껍게 코팅시킬 수 도 있다. 그러나 상기 슬러리가 만족스러운 강도(green strength)와 흐름도(flow properties)를 갖도록 하기 위해서는 상기 섬유의 양을 잘 조절하는 것이 필요하다.
그러므로 선행기술의 문제점들을 해결하고, 강도가 향상된 인베스트먼트 주조 쉘 주형을 제공하는 재료와 방법을 개발하기 위하여 본 발명이 완성된 것이다.
발명의 요약
본 발명은 1회용 지지체 부재(disposable support member) 상에서 세라믹 쉘 주형을 급속하게 형성시키기 위한 방법 및 상기 방법으로 제조된 세라믹 쉘 주형에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명의 방법은 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 내화 성 충전재를 포함하는 건조 블렌드를 제조하고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸 바인더와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하고, 그리고 상기 내화성 슬러리를 세라믹 쉘 주형의 제조에 사용하는 것이다.
본 발명은 인베스트먼트 주조 주형의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명의 방법은 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 내화성 충전재(filler)를 혼합하여 제1건조 블렌드(dry blend)를 제조하고; 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 내화성 충전재를 혼합하여 제1건조 블렌드와 동일 또는 상이한 제2건조 블렌드를 제조하고; 제1건조 블렌드와 수용성 콜로이드 실리카 졸(colloidal silica sol)을 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리(prime coat slurry)를 제조하고; 제2건조 블렌드와 수용성 콜로이드 실리카 졸을 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리와 동일 또는 상이한 내화성 백업 코트 슬러리(back-up coat slurry)를 제조하고; 열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 프라임 코트 슬러리를 코팅하여 프라임 코트 프리폼(prime coat preform)을 제조하고; 프라임 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 바르고; 상기 스터코우 프라임 코트 프리폼을 건조시키고; 상기 스터코우 프라임 코트 프리폼에 내화성 백업 코트 슬러리를 코팅하여 내화성 백업 코트 프리폼(back-up coat preform)을 제조하고; 백업 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 발라서 스터코우 백업 코트 프리폼을 제조하고; 상기 스터코우 백업 코트 프리폼을 건조시키고; 상기 내화성 백업 코트 프리폼으로부터 상기 소모성 패턴을 제거하여 그린 쉘 주형(green shell mold)을 제조하고; 그리고 충분한 온도로 상기 그린 쉘 주형을 가열하여 가열된 세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)을 제조하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 내화성 섬유는 세라믹 섬유이고, 상기 내화성 충전재는 내화성 그레인(grain)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로 상기 건조 블렌드 중량에 대하여 각각 상기 세라믹 섬유는 약 1∼10 중량%, 상기 유리 섬유는 약 0.5∼10 중량%, 및 상기 내화성 충전재는 약 80∼98.5 중량%인 것을 특징으로 한다.
상기 건조 블렌드는 섬유고분자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로 상기 건조 블렌드 중량에 대하여 각각 상기 세라믹 섬유는 약 1∼10 중량%, 상기 유리 섬유는 약 0.5∼10 중량%, 상기 내화성 충전재는 약 80∼98.5 중량%, 및 상기 섬유고분자는 약 0.3∼4 중량%인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 제조 방법은 세라믹 쉘 주형의 제조에 있어서 선행 기술보다 월등히 많은 장점을 제공한다. 예를 들어, 섬유 및 내화성 충전재의 건조 블렌드를 제조함으로써, 실리카 졸 및 사용되기 전의 섬유 예비블렌드(pre-blend)를 계속하여 혼합하거나 재혼합할 필요 없이, 내화성 충전재 및 섬유를 콜로이드 실리카 졸 바인더에 쉽게 첨가할 수 있다. 다른 장점은 섬유를 액체 바인더에 미리 분산시키거나, 내화성 충전재에 첨가하기 전에 미리 고분자와 결합시킬 필요가 없다는 것이다. 또 다른 장점은 쉘 주형의 강도를 향상시키기 위하여 고분자 바인더 접착체를 사용할 필요가 없다는 것이다. 또 다른 장점은 높은 전단 혼합(high shear mixing) 하에서의 섬유 뭉침(agglomeration) 및 한 번 담글 때 두꺼운 코팅의 형성이라는 선행 기술의 단점을 극복한 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 바람직한 금속 주조를 위한 양각 1회용 패턴(1)을 도시한 것이다.
도 2는 패턴(1) 제거 이전의 그린 쉘(green shell)의 입체도이다.
도 3은 탈왁스되고 건조된 그린 세라믹 쉘(green ceramic shell)(20)의 입체도이다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
본 발명에 따른 구체예로서, 내화성 충전재, 내화성 섬유, 및 유리 섬유로 건조 블렌드를 제조한다. 상기 블렌드를 콜로이드 실리카 졸 바인더와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조한다. 상기 내화성 슬러리는 인베스트먼트 주조 쉘 주형을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 다른 구체예로서, 내화성 섬유 및 유리 섬유(또는 선택적으로 섬유고분자)로 건조 블렌드를 제조한다. 상기 건조 블렌드를 수용성 실리카 졸 및 내화성 충전재를 포함하는 혼합물과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조한다. 상기 내화성 슬러리는 인베스트먼트 주조 쉘 주형을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 또 다른 구체예로서, 내화성 충전재 및 유리 섬유(또는 선택적으로 섬유고분자)로 건조 블렌드를 제조한다. 상기 건조 블렌드를 콜로이드 실리카 졸 및 내화성 충전재를 포함하는 혼합물과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조한다. 상기 내화성 슬러리는 인베스트먼트 주조 쉘 주형을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 또 다른 구체예로서, 쌀 겨(rice hull ash)를 포함하는 건조 블렌드를 콜로이드 실리카 졸과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조한다. 상기 내화성 슬러리는 인베스트먼트 주조 쉘 주형을 제공하기 위한 것이다.
건조 블렌드
건조 블렌드에 적용될 수 있는 내화성 충전재의 재료는 매우 다양하다. 유용한 내화성 충전재의 예로 용융된 실리카, 알루미나, 및 제올라이트(멀라이트(mullite), 남정석(kyanite), 및 몰로치트(molochite) 등)와 같은 그레인(grain)을 포함하고, 그 혼합물도 포함하고, 상기의 예에 한정되지 않는다.
건조 블렌드에 적용될 수 있는 내화성 충전재는 대체로 길이에 대한 폭의 비율이 20:1이다. 유용한 내화성 충전재의 예로 규회석(Wallastonite)의 올리안즈 원 파이버(Orleans One fiber: 캐나다 퀘벡주(Quebec)에 위치한 올리안즈 리소스 그룹(Orleans Resource Group)의 제품), 규회석의 NIAD G 파이버(뉴욕의 윌스보로(Willsboro)에 위치한 NYCO Minerals Co.의 제품), 금속 섬유, 아라미드(aramid) 섬유, 및 탄소 섬유 뿐만 아니라, 멀라이트(mullite) 등의 제올라이트, 알루미나와 지르코니아 등의 산화물, 실리콘 질소화물 등의 질소화물(nitride), 탄소, 및 실리콘 탄화물 등의 탄화물(carbide)과 같은 작게 잘려진(chopped and milled) 세라믹 섬유를 포함하고, 그 혼합물도 포함하고, 상기의 예에 한정되지 않는다. 작게 잘려진 세라믹 섬유는 상업적으로 Thermal Ceramics Co.와 같은 곳으로부터 이용 가능하다.
건조 블렌드에 적용될 수 있는 유리 섬유는 작게 잘려진 유리 섬유를 포함한 다. 잘려진 유리 섬유는 E-유리(E-glass) 섬유, S-유리(S-glass) 섬유를 포함하고, 그 혼합물도 포함하고, 상기의 예에 한정되지 않는다. E-유리 섬유의 예는 PPG 인더스트리즈, 쉘비(Shelby), Chop Vantege 8610이란 상업명을 가진 NC와 같이 길이 약 3∼6 mm, 직경 약 10 ㎛인 것을 포함하며, 상기의 예에 한정되지 않는다. 잘려진(chopped) S-유리 섬유의 예는 AGY Inc., Aiken, SC와 같이 길이 약 3∼6 mm, 직경 약 10 ㎛인 것을 포함하며, 상기의 예에 한정되지 않는다. 잘려진(milled) E-유리 섬유의 유용한 예는 Owens Corning Co.의 731ED와 같이 길이 약 0.125 in, 평균직경 약 15.8 ㎛, 벌크 밀도 약 0.17 gm/cm3인 3 mm의 솜모양의(floccular) 섬유를 포함하며, 상기의 예에 한정되지 않는다.
건조 블렌드에 적용될 수 있는 섬유고분자(Oragnic fiber)의 재료는 올레핀(olefin), 나일론계 섬유, 및 아라미드(aramid) 섬유 등 매우 다양하다. 올레핀의 예는 Minifibers, Inc.의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등을 포함하고, 상기의 예에 한정되지 않는다. 아라미드 섬유의 예는 DuPont의 케블라(Kevlar)를 포함하고, 상기의 예에 한정되지 않는다. 다른 섬유고분자의 예는 Wex Chemical Co.의 폴리에스테르와 Interfibe Co.의 셀룰로오스 섬유를 포함하고, 상기의 예에 한정되지 않는다.
건조 블렌드에서 내화성 섬유, 유리 섬유, 내화성 충전재, 및 선택적인 섬유고분자의 각각의 양은 넓은 범위에서 다양화시킬 수 있다. 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 내화성 충전재를 포함하는 건조 블렌드에서, 상기 건조 블렌드 중량에 대하 여 각각 상기 내화성 섬유는 약 1∼10 중량%, 상기 유리 섬유는 약 0.5∼10 중량%, 상기 내화성 충전재는 약 80∼98.5 중량%이다. 내화성 섬유는 입자 크기가 25 메쉬(mesh) 내지 325 메쉬로 될 수 있다.
내화성 섬유, 유리 섬유, 내화성 충전재, 및 섬유고분자를 포함하는 건조 블렌드에서, 상기 건조 블렌드 중량에 대하여 각각 상기 내화성 섬유는 약 1∼10 중량%, 상기 유리 섬유는 약 0.5∼10 중량%, 상기 내화성 충전재는 약 76∼98 중량%, 및 상기 섬유고분자는 약 0.3∼4 중량%이다.
건조 블렌드와 혼합되어 내화성 슬러리를 형성하는 실리카 졸 바인더(silica sol binder)는 바람직하게는 상품명이 Megasol(미국 델라웨어주, 윌밍톤(Wilmington) 소재 Wesbond Co.의 제품)인 수용성 콜로이드 실리카 졸이다. Megasol수용성 실리카 졸은 적절한 pH 범위, 적정가능한(titratble) Na2O 비율, 입자 비율로 이용될 수 있다. Megasol수용성 실리카 졸은 평균 입자크기 약 40 nm, 입자크기의 분포 약 6∼190 nm, 입자크기의 표준편차 약 20 nm이다. Megasol수용성 실리카 졸의 pH의 범위가 약 8.0 ∼10.0이고, 바람직하게는 약 9∼9.5이고; 적정가능한 Na2O 비율은 약 0.02∼0.5 중량%이고, 바람직하게는 약 0.1∼0.25이고, 그리고 더욱 바람직하게는 약 0.20∼0.22 중량%이고; 그리고 입자 비율은 약 30∼50 중량%이고, 바람직하게는 약 40∼47 중량%이고, 그리고 더욱 바람직하게는 약 45 중량%이다.
상술한 바와 같이, 실리카 졸 바인더는 Wesbond, Inc.의 Megasol을 사용한다. 그러나, 다른 수용성 콜로이드 실리카 졸은 Buntrock Industries, Inc.의 MegaPrime, EKA Chemical Co.의 Nyacol 830, Nalco Chemical Co.의 Nalcoag 1130 및 Nalcoag 1030, 및 W.R. Grace & Co.의 Ludox SM30 및 Ludox HS-30이 사용될 수 있다.
내화성 슬러리의 제조
상기 건조 블렌드와 수용성 실리카 졸 바인더를 혼합함으로써 내화성 슬러리를 형성한다. 내화성 슬러리를 형성하기 위해 사용되는 건조 블렌드와 수용성 실리카 졸(바람직하게는 Megasol)의 양은 그 범위가 매우 다양하다. 바람직하게는 상기 슬러리를 기준으로 상기 건조 블렌드를 약 57∼64 중량% 사용하고, 수용성 실리카 졸을 나머지 중량% 사용한다.
본 발명에 따른 내화성 슬러리의 제조는 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하고 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
본 실시예에서 내화성 충진재, 내화성 섬유, 및 유리 섬유를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
규회석(Wallastonite)의 올리안즈 원 파이버(Orleans One fiber) 100 g, 1/8"로 잘려진 E-유리 섬유 731 ED 20 g, 및 Fused Silica 120(C-E Minerals Co., Greenville로부터 제조된 120 메쉬의 용융된 실리카의 상품명) 715 g 및 Fused Silica 200(C-E Minerals Co., Greenville로부터 제조된 200 메쉬의 용융된 실리카의 상품명) 715 g를 포함하는 내화성 충진재를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였다.
상기 건조 블렌드를 입자 비율 45 중량%, pH 9.5, 및 적정가능한 Na2O 비율 0.2 중량%인 Megasol 1000 g와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
실시예 2
본 실시예에서 내화성 충진재, 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 섬유고분자를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
규회석(Wallastonite)의 올리안즈 원 파이버(Orleans One fiber) 100 g, 1/8"로 잘려진 E-유리 섬유 731 ED 20 g, Fused Silica 120 715 g 및 Fused Silica 200 715 g를 포함하는 내화성 충진재, 및 길이 1 mm, 직경 0.5㎛인 폴리에틸렌 섬유 20 g를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였다.
상기 건조 블렌드를 상기 실시예1의 Megasol 1000 g와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
실시예 3
본 실시예에서 내화성 충진재, 내화성 섬유, 및 섬유고분자를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
규회석(Wallastonite)의 올리안즈 원 파이버(Orleans One fiber) 100 g, 길이 1 mm, 직경 0.5㎛인 폴리에틸렌 섬유 20 g, 및 Fused Silica 120 715 g 및 Fused Silica 200 715 g를 포함하는 내화성 충진재를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였다.
상기 건조 블렌드를 상기 실시예1의 Megasol 1000 g와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
실시예 4
본 실시예에서 내화성 충진재, 유리 섬유, 및 섬유고분자를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
1/8"로 잘려진 E-유리 섬유 731 ED 100 g, 길이 1 mm, 직경 0.5㎛인 폴리에틸렌 섬유 20 g, 및 Fused Silica 120 715 g 및 Fused Silica 200 715 g를 포함하는 내화성 충진재를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였다.
상기 건조 블렌드를 상기 실시예1의 Megasol 1000 g와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
실시예 5
본 실시예에서 내화성 섬유 및 유리 섬유를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸 및 내화성 충전재와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
1/8"로 잘려진 E-유리 섬유 731 ED 20 g 및 규회석(Wallastonite)의 올리안즈 원 파이버(Orleans One fiber) 100 g를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였다.
상기 실시예1의 Megasol 1000 g 및 Fused Silica 120 715 g 및 Fused Silica 200 715 g를 포함하는 내화성 충진재의 혼합물과 상기 건조 블렌드를 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
실시예 6
본 실시예에서 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 섬유고분자를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸 및 내화성 충전재와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
규회석(Wallastonite)의 올리안즈 원 파이버(Orleans One fiber) 100 g, 길이 1 mm, 직경 0.5㎛인 폴리에틸렌 섬유 20 g, 및 1/8"로 잘려진 E-유리 섬유 731 ED 100 g를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였다.
상기 실시예1의 Megasol 1000 g 및 Fused Silica 120 715 g 및 Fused Silica 200 715 g를 포함하는 내화성 충진재의 혼합물과 상기 건조 블렌드를 혼합하여 내 화성 슬러리를 제조하였다.
실시예 7
본 실시예에서 내화성 충진재 및 유리 섬유를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
1/8"로 잘려진 E-유리 섬유 731 ED 100 g 및 Fused Silica 120 715 g 및 Fused Silica 200 715 g를 포함하는 내화성 충진재를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였다.
상기 건조 블렌드를 상기 실시예1의 Megasol 1000 g와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
실시예 8
본 실시예에서 내화성 충진재 및 내화성 섬유를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
규회석(Wallastonite)의 올리안즈 원 파이버(Orleans One fiber) 100 g 및 Fused Silica 120 715 g 및 Fused Silica 200 715 g를 포함하는 내화성 충진재를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였다.
상기 건조 블렌드를 상기 실시예1의 Megasol 1000 g와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
실시예 8A
본 실시예에서 내화성 충진재 및 유리 섬유를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였고, 상기 건조 블렌드를 수용성 콜로이드 실리카 졸과 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
1/8"로 잘려진 E-유리 섬유 731 ED 20 g 및 Fused Silica 120 715 g 및 Fused Silica 200 715 g를 포함하는 내화성 충진재를 혼합하여 건조 블렌드를 제조하였다.
상기 건조 블렌드를 상기 실시예1의 Megasol 1000 g와 혼합하여 내화성 슬러리를 제조하였다.
프라임 코트 슬러리 및 백업 코트 슬러리의 제조
내화성 프라임 코트 슬러리(prime coat slurry) 및 내화성 백업 코트 슬러리(back-up coat slurry)는 깨끗한 물로 세척된 혼합 탱크에 실리카 졸 바인더(바람직하게는 Megasol)를 넣고, 혼합되는 동안 건조 블렌드를 첨가함으로써 제조된다. 본 발명의 기술분야에서 공지된 다양한 혼합 장치는 혼합 탱크로 이용될 수 있다. 이러한 장치들은 예를 들어, 프로펠러 타입의 혼합기, 자르 밀(jar mill), 고속 분산 혼합기 및 회전 가능한 고정된 블레이드 믹서(turntable fixed mixer)를 포함한다. 건조 블렌드는 혼합하는 동안 적당한 점도에 도달할 때까지 첨가된다.
내화성 프라임 코트 슬러리에 있어서, 그 점도는 전형적으로 약 18∼30 sec Zahn #4이고, 바람직하게는 20∼30 sec Zahn #4이고, 그리고 가장 바람직하게는 약 24∼30 sec Zahn #4이다. 내화성 백업 코우트 슬러리에서의 바람직한 점도는 약 10∼18 sec Zahn #4이고, 더욱 바람직하게는 약 10∼16 sec Zahn #4이고, 그리고 가장 바람직하게는 약 12∼15 sec Zahn #4이다. 내화성 프라임 코트 슬러리 및 내화성 백업 코트 슬러리 각각에서, 막힌 공기(entrapped air)를 제거하고 평형상태에 이르게 하기 위하여 더 혼합한다.
Megasol 콜로이드 실리카 졸 바인더 또는 내화성 물질을 더 첨가하면서 최종적인 점도 조절을 하였다. 또한 비이온성 계면활성제 및 음이온성 계면활성제를 내화성 슬러리에 첨가할 수도 있다.
내화성 스터코우 그레인(stucco grains)
내화성 그레인은 내화성 프라임 코트 슬러리 및 내화성 백업 코트 슬러리에 다양하게 스터코우(stucco)로서 사용될 수 있다. 내화성 그레인의 유용한 예는 멀라이트(mullite), 하소된(calcined) 도자기 점토 및 그 외 알루미나 실리케이트, 유리 및 결정질의 실리카, 알루미나, 지르콘 및 크로마이트(chromite)를 포함하며, 상기의 예에 한정되지 않는다. 바람직한 내화성 그레인은 내화성 그레인의 불안정 성 및 금속 주조 동안에 발생할 수 있는 열적으로 유도된 상 변화를 일으킬 수 있는 만큼의 양을 갖는 이온성 오염원이 결여된 것이다. 본 발명의 기술분야에 알려진 것과 같이, 내화성 그레인의 불안정성에 기여할 수 있는 만큼의 양을 지닌 오염원이 제거된 내화성 그레인은 하소(calcining)되거나 아니면 하소되지 않고, 정제됨으로써 생성될 수 있다.
세라믹 쉘 주형
쉘 주형의 조립에 있어서, 1회용 패턴, 바람직하게는 열가소성 패턴, 그리고 더 바람직하게는 왁스 패턴을 내화성 프라임 코트 슬러리에 침지시켜 상기 패턴의 표면이 내화성 프라임 코트 슬러리의 연속 층으로 코팅될 수 있도록 한다. 바람직하게는 내화성 프라임 코트 슬러리를 1 내지 3 번 코팅시킨다. 상기 내화성 프라임 코트(들)는 그 두께가 0.02∼0.2 in이고, 바람직하게는 0.04∼0.2 in이고, 그리고 더 바람직하게는 0.04∼0.1 in이다. 코팅된 패턴은 과량의 슬러리가 제거되도록 완전히 방출되고(grained), 그리고 방출된 내화성 스터코우(stucco)를 이용하여 스터코우를 바름으로써 스터코우 프라임 코트를 제조한다. 다른 프라임 코트를 첨가하기 전에 스터코우 프라임 코트를 먼저 건조한다. 백업 코트를 스터코우 프라임 코트 위에 첨가한다. 다른 백업 코트를 첨가하기 전에 스터코우 백업 코트를 먼저 건조한다. 백업 코트 슬러리의 첨가를 반복 시행하여, 패턴에 있는 쉘이 바람직한 두께 및 강도를 가질때까지 계속한다.
프라임 코트와 백업 코트를 첨가할 때의 건조 시간은 1회용 패턴의 형상이 얼마나 복잡한지에 달려 있다. 공기흐름이 최소화되었을 때, 깊은 공극이 있는 1회용 패턴은 건조 시간이 길어진다. 건조는 약 60∼90 ℉, 바람직하게는 약 70∼75 ℉에서 시행된다. 공기 흐름이 빠르고, 습도가 낮고, 그리고 온도가 높은 상태에서 건조가 가속될 수 있다. 대부분의 주조에 있어서, 세라믹 쉘 주형의 두께가 약 0.20∼0.5 in이면 충분하다. 바람직하게 두 개의 프라임 코트 및 4∼5 개의 백업 코트는 두께 0.25 in인 세라믹 쉘 주형을 형성하고, 탈왁스(dewaxing) 및 로 처리(furnacing)에 견딜 만큼 충분한 강도를 가지게 된다.
재료
왁스 패턴이 적용됨에 있어서, 상기 왁스 패턴은 바람직하게 인베스트먼트 주조 왁스(investment casting grade wax)에 기반을 둔 충전된 또는 비충전된 파라핀, 또는 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax)로부터 형성된다.
다양한 내화성 슬러리 조성물이 내화성 프라임 코트 슬러리와 내화성 백업 코트 슬러리에 이용될 수 있다. 바람직한 치수(dimension)와 표면 다듬질(surface finish)을 갖는 금속 주조물(metal casting)을 제조하는데 이용되는 세라믹 쉘 주형에서 요구하는 특성에 따라 특정한 내화성 프라임 코트 슬러리와 내화성 백업 코트 슬러리가 결정된다.
내화성 프라임 코트 슬러리에는 미세한 크기, 즉 일반적으로 약 -200 메쉬 및 더 미세한 -325 메쉬에 이르는 크기를 갖는 내화성 그레인이 이용된다. 본 발명에 이용될 수 있는 내화성 프라임 코우트 슬러리는 -200 메쉬의 용융된 실리카 및 -325 메쉬의 지르콘 내화성 그레인(zircon refractory grain)의 혼합물과 함께 Megasol을 포함한다. 지르콘 내화성 그레인은 용융된 금속에 대하여 높은 저항성(resistance)을 제공한다. 지르콘의 미세한 입자 크기로 인하여 부드럽고 섬세한 표면 다듬질을 이룰 수 있는 주조물의 제조가 가능하다.
용융된 실리카 및 지르콘을 포함하는 내화성 충진재 및 Megasol을 이용한 내화성 프라임 코우트 슬러리에 있어서, 용융된 실리카는 바람직하게 약 -100 메쉬, 약 -120 메쉬, 약 -140 메쉬, 약 -170 메쉬, 약 -270 메쉬 및 약 -325 메쉬, 더 바람직하게는 약 -120 내지 -200 메쉬의 입자 크기를 가진다. 지르콘은 약 -200 메쉬, 약 -325 메쉬 및 약 -400 메쉬, 더 바랍직하게는 약 -200 메쉬, 그리고 가장 바람직하게는 약 -325 메쉬의 입자 크기를 가진다.
내화성 프라임 코트 슬러리는 선택적으로 하나 이상의 비이온성 계면활성제를 포함한다. 이용될 수 있는 특히 유용한 비이온성 계면활성제는 Buntrock Industries, Williamsburg, VA.로부터 입수 가능한 PS9400이다. 상기 계면활성제는 내화성 프라임 코트 내화성 슬러리가 왁스 패턴을 적시는 능력을 향상시켜 주며, 방출(drainage)을 도와준다. 상기 계면활성제는 내화성 프라임 코트 내화성 슬러리에 첨가될 수 있으며, 그 첨가량은 Megasol의 중량 대비 약 0.2 중량% 이하이다.
내화성 백업 슬러리에는 내화성 프라임 코우트 슬러리에 이용되는 것 보다 더욱 굵은 크기를 갖는 내화성 그레인이 이용된다. 예를 들면 용융된 실리카가 내화성 충진재로서 사용되는 내화성 백업 슬러리에서, 용융된 실리카는 바람직하게 약 -80 내지 -270 메쉬, 더 바람직하게는 약 -100 내지 -200 메쉬, 가장 바람직하게 약 -100 내지 -120 메쉬의 입자 크기를 가진다.
프라임 코트 상에서 스터코우로 이용될 수 있는 내화성 그레인은 바람직하게 약 -70 내지 200 메쉬, 더 바람직하게는 약 -70 내지 140 메쉬의 지르콘 샌드(zircon sand)를 포함하며, 상기의 예에 한정되지 않는다. 백업 코트 상에서 스터코우로 이용될 수 있는 내화성 그레인은 바람직하게 약 -10 내지 50 메쉬, 더 바람직하게는 약 -20 내지 50 메쉬, 가장 바람직하게 약 -30 내지 50 메쉬의 크기를 가진다.
본 발명에 따른 또 다른 구체예에서, 트랜지셔날 스터코우 내화재(transitional stucco refractory material), 즉 바람직하게는 그레인 크기가 약 -50 내기 100 메쉬인 프라임 코트 스터코우 및 굵은 백업 코트 스터코우는 프라임 코트에 스터코우를 바른 소모성 패턴(expendable pattern)에 적용될 수 있다. 그 후에, 내화성 백업 슬러리를 코팅시킨다. 트랜지셔날 스터코우 코트(transitional stucco coat)는 강도를 증가시키기 위하여 이용될 수 있고, 프라임 코트 슬러리의 최종 코팅 및 내화성 백업 슬러리의 최초 코팅 사이의 박막화(delamination)에 대한 가능성을 최소화하기 위하여 이용될 수 있다.
탈왁스
세라믹 쉘 주형은 본 발명의 기술분야에서 이미 알려진 바와 같이 끓는 물에 침수시키는 방법, 스팀 오토클레이빙(steam autoclaving) 및 순간 탈왁스(flash dewax) 방법에 의하여 탈왁스될 수 있다. 스팀 오토클레이빙은 하기와 같이 이루어질 수 있다:
1) 가능하면 높은 증기 압력, 바람직하게는 약 60 psi 이상, 더욱 바람직하게는 약 80∼90 psi를 이용하고;
2) 가능한한 신속하게, 바람직하게는 약 15∼20 초 이내에 오토클레이브를 밀폐시켜 가압하고;
3) 약 10∼15 분 동안 공기로 건조된 그린 쉘(green shell)을 증기에 노출시키고; 그리고
4) 약 30∼60 초에 걸쳐 오토클레이브를 천천히 감압한다.
순간 탈왁스 방법은 약 1,000∼1900 ℉로 가열된 로(furnace)에 공기로 건조된 그린 쉘을 담아 넣음으로써 이루어질 수 있다. 상기 온도에서, 세라믹 쉘의 벽에 접한 왁스는 신속하게 용해되어, 왁스의 팽창으로 인하여 압력이 세라믹 쉘을 부수지 못하도록 한다. 그 다음 세라믹 쉘은 왁스를 완전하게 제거하기 위하여 약 200∼600 ℉의 냉각된 온도 범위에서 제거될 수 있다. 용해된 왁스는 용융 챔버(melting chamber)의 저면 개구부(botton opening)를 통하여 워터 배스 또는 회수용 저장통으로 방출될 수 있다.
로 처리(furnacing)
로 처리(furnacing)는 약 1,600∼2,000 ℉에서 생성된 탈왁스 세라믹 쉘을 가열하여 휘발성 잔여물을 제거하고, 세라믹 쉘을 제조하는 공정이다. 상기 탈왁스 세라믹 쉘 주형은 열 평형에 이를 수 있도록 로(furnace)에 두고, 상기 로(furnace)로부터 회수하여 바람직한 용융된 금속으로 주조한다.
본 발명에 따른 세라믹 쉘 주형의 제조는 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하고 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 9
도 1의 8×7×3 in의 왁스 바 패턴(1)을 상기 실시예 1에서 제조된 내화성 슬러리에 침지시켰다. 그리고 편이성을 위하여, 동일한 내화성 슬러리를 프라임 및 백업 코우트에 이용하였다.
왁스 패턴(1)을 8 초간 내화성 슬러리에 침지시켰고, 제거하였으며, 제1 프라임 코트를 형성시키기 위하여 10 초 동안 배출시켰다. DuPont Co.로부터 입수 가능한 -70 내지 140 메쉬의 지르콘 샌드(Zircon Sand)가 제1 프라임 코트에 스터코우(stucco)로 사용되었다.
스터코우를 바른 프라임 코트 왁스 패턴을 30 분 동안 75 ℉에서 건조시킨 다음, 제2 프라임 코트를 형성시키기 위하여 8 초 동안 내화성 슬러리에 침지시켰으며, -70 내지 140 메쉬의 지르콘 샌드로 다시 스터코우를 발랐다.
그 다음 2 개의 스터코우 프라임 코트를 갖는 왁스 패턴(1)을 8 초 동안 내화성 슬러리에 침지시켰고, 10 초 동안 방출시켰다. 상기 코팅된 것에 C-E Minerals로부터 입수 가능한 -30 내지 50 메쉬의 용융된 실리카인 테코실(Tecosil)로 스터코우를 발라서, 스터코우 패턴의 중간체(intermediate)를 제조하였다. 그 후 상기 스터코우 패턴의 중간체를 30 분 동안 75 ℉에서 건조시켰다. 상기 스터코 우 패턴의 중간체를 내화성 슬러리에 침지시켰고, -30 내지 50 메쉬 크기의 용융된 실리카인 테코실로 스터코우를 발라서 스터코우 백업 코트를 제조하였다. 그 후 상기 스터코우 백업 코트 패턴을 75 ℉에서 건조시켰다. 이러한 과정은 침지, 방출, 스터코우 바르기, 및 건조의 단계로 이루어지며, 상기 과정을 반복하여 총 5 개의 백업 코트를 제조하였다.
프라임 코트, 중간체 코트(intermediate coat), 및 백업 코트를 각각 입힌 후, 패턴(1)의 수직면(5) 및 측면(1A)을 긁어서 코트 및 스터코우를 제거하여, 도 2에 나타난 바와 같이 세라믹 쉘 주형(10)을 제조하였다. 상기 세라믹 쉘 주형(10)을 다시 내화성 슬러리에 침지시켜서, 패턴 상에 실 코팅(seal coating)을 하였다. 실 코팅된 세라믹 쉘 주형(10)을 75 ℉에서 밤새 건조시켰다. 건조된 세라믹 쉘 주형을 끓는 물에 침수시켜 패턴(1)을 제거하였다. 탈왁스되고 건조된 그린 세라믹 쉘(20)을 도 3에 도시된 것과 같이 세로길이의 반만큼 잘라내었고, 75 ℉에서 4 시간동안 건조시켰다.
폭 1 in, 길이 6 in, 및 두께 0.3 in의 세라믹 쉘(20)의 한 부분을 2 in 길이로 로딩(loading)하여 휨 파괴(failure in flexure)에 대한 강도를 측정하여, 파단 계수를 결정하였다. 상기 세라믹 쉘의 파단 계수(modulus of rupture: MOR)는 하기 식을 이용하여 계산된다:
R = (3WI) / (2bd2)
상기 식에서, R은 파단 계수로 그 단위는 lbs/in2이고, W는 표본 실패 시점 에서의 하중으로 그 단위는 파운드(pound)이고, I는 하부의 베어링 모서리의 중앙 라인 사이의 거리로 그 단위는 인치(inch)이며, b는 견본의 폭으로 단위는 인치이고, 그리고 d는 견본의 깊이로 단위는 인치이다.
실시예 9에 의한 그린 쉘의 파단 계수는 1,018 psi로 측정되었다. 가열된 쉘 주형의 파단 계수는 1,044 psi로 측정되었다.
실시예 10
상기 실시예 8에서 제조된 슬러리를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다. 그린 쉘의 파단 계수는 688 psi로 측정되었다. 상기 그린 쉘을 1850 ℉에서 1 시간동안 가열하였을 때에는 파단 계수가 941 psi로 측정되었다.
실시예 11
상기 실시예 8A에서 제조된 슬러리를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다. 실시예 11에 의한 그린 쉘의 파단 계수는 645 psi로 측정되었다. 상기 그린 쉘을 1850 ℉에서 1 시간동안 가열하였을 때에는 파단 계수가 694 psi로 측정되었다.
본 발명에 따른 다른 구체예로서, 쌀 겨(rice hull ash)를 포함하는 세라믹 슬러리가 적용될 수 있다. 쌀 겨는 바람직하게 약 95 중량% 이상의 비결정질(amorphous) 실리카 및 나머지 중량%의 탄소로 구성된다. 상기와 같은 형태의 쌀 겨는 Agrilectric Power, Inc., Houston, TX.에서 입수할 수 있다. MegaPrime 실리카 졸 바인더는 Buntrock Industries, Inc.에서 입수할 수 있다.
본 발명에 따른 내화성 물질을 포함한 건조 블렌드에 쌀 겨를 사용하는 것은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하고 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 12
pH 10.5, 입자 비율 40 중량%, 적정가능한(titratble) Na2O 비율 0.33 중량%, 평균 입자크기 약 40 nm, 입자크기의 분포 약 6∼190 nm, 및 입자크기의 표준편차 약 20 nm인 MegaPrime 실리카 졸 바인더 1000 g를 포함하는 내화성 슬러리 및 Fused Silica 200 내화성 충전재 1430 g가 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다. 그린 쉘의 파단 계수는 621 psi로 측정되었다.
실시예 13
상기 실시예 12에 의한 MegaPrime 실리카 졸 바인더 1000 g를 포함하는 내화성 슬러리 및 Fused Silica 200 내화성 충전재 1430 g가 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다. 그린 쉘의 파단 계 수는 804 psi로 측정되었다.
실시예 14
상기 실시예 12에 의한 MegaPrime 실리카 졸 바인더 1000 g를 포함하는 내화성 슬러리 및 Fused Silica 200 1430 g, 쌀 겨 200g, 및 1/8"로 잘려진 E-유리 섬유 731 ED 16 g가 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다. 그린 쉘의 파단 계수는 833 psi로 측정되었다.
실시예 15
상기 실시예 12에 의한 MegaPrime 실리카 졸 바인더 1000 g를 포함하는 내화성 슬러리 및 Fused Silica 200 1430 g, 쌀 겨 100g, 1/8"로 잘려진 E-유리 섬유 731 ED 16 g, 및 1/8"로 잘려진(chopped) E-유리 섬유 Chop Vantage 8610 4 g가 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다. 그린 쉘의 파단 계수는 1,161 psi로 측정되었다.
실시예 16
pH 9.5, 입자 비율 45 중량%, 및 적정가능한(titratble) Na2O 비율 0.2 중량%인 MegaPrime 실리카 졸 바인더 1000 g를 포함하는 내화성 슬러리 및 Fused Silica 200 1300 g 및 쌀 겨 100 g가 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다. 그린 쉘의 파단 계수는 831 psi로 측정되었다.
실시예 17
상기 실시예 12에 의한 MegaPrime 실리카 졸 바인더 875 g를 포함하는 내화성 슬러리 및 Fused Silica 200 1485 g, 쌀 겨 200g, 및 길이 1 mm, 직경 0.5 ㎛인 폴리에틸렌 섬유 100 g가 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다.
실시예 18
pH 10.5, 입자 비율 40 중량%, 적정가능한(titratble) Na2O 비율 0.33 중량%, 평균 입자크기 약 40 nm, 입자크기의 분포 약 6∼190 nm, 및 입자크기의 표준편차 약 20 nm인 MegaPrime 실리카 졸 바인더 1000 g를 포함하는 내화성 슬러리 및 Fused Silica 200 내화성 충전재 1430 g 및 쌀 겨 100 g가 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다.
실시예 19
pH 10.5, 입자 비율 40 중량%, 적정가능한(titratble) Na2O 비율 0.33 중량%, 평균 입자크기 약 40 nm, 입자크기의 분포 약 6∼190 nm, 및 입자크기의 표준편차 약 20 nm인 MegaPrime 실리카 졸 바인더 1000 g를 포함하는 내화성 슬러리 및 325 메쉬의 용융된 실리카 50 중량%, 120 메쉬의 용융된 실리카 25 중량%, 및 50 메쉬의 용융된 실리카 25 중량%가 포함된 내화성 충전재 1430 g 가 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다.
실시예 20
쌀 겨 100 g가 더 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 19의 과정과 동일하게 실시되었다.
실시예 21
pH 9.5, 입자 비율 45 중량%, 적정가능한(titratble) Na2O 비율 0.2 중량%, 평균 입자크기 약 40 nm, 입자크기의 분포 약 6∼190 nm, 및 입자크기의 표준편차 약 20 nm인 MegaPrime 실리카 졸 바인더 1000 g를 포함하는 내화성 슬러리 및 내화성 섬유 및 내화성 충전재의 혼합물이 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 9의 과정과 동일하게 실시되었다. 상기 내화성 섬유는 규회석 원 파이버(Wallastonite One fiber) 100 g이고, 내화성 충전재는 Fused silica 120 700 g, Fused silica 200 700 g, 및 100 메쉬의 멀라이트(Mullite) 100 g가 포함되었다. 그린 쉘의 파단 계수는 910 psi로 측정되었다.
실시예 22
쌀 겨 100 g가 더 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 21의 과정과 동일하게 실시되었다.
실시예 23
본 실시예는 스터코우(stucco)를 사용하지 않은 세라믹 쉘 주형의 제조에 관한 예이다.
도 1의 8×7×3 in의 왁스 바 패턴(1)을 상기 실시예 1에서 사용된 Megasol 1000 g, 내화성 충전재 1,2135 g, 및 규회석(Wallastonite) 내화성 섬유 213 g가 포함된 내화성 슬러리에 침지시켰다. 그리고 편이성을 위하여, 동일한 내화성 슬러리를 프라임 및 백업 코우트에 이용하였다. 내화성 충전재는 200 메쉬의 용융된 실리카 1485 g, 35 메쉬의 멀라이트(mullite) 250 g, 및 48 메쉬의 멀라이트 400 g가 포함되었다.
왁스 패턴(1)을 8 초간 내화성 슬러리에 침지시켰고, 제거하였으며, 제1프라임 코트를 형성시키기 위하여 10 초 동안 배출시켰다.
프라임 코트 왁스 패턴을 30 분 동안 75 ℉에서 건조시킨 다음, 제2 프라임 코트를 형성시키기 위하여 8 초 동안 내화성 슬러리에 침지시켰다.
그 다음 2 개의 스터코우 프라임 코우트를 갖는 왁스 패턴(1)을 8 초 동안 내화성 슬러리에 침지시켰고, 10 초 동안 방출시켰다. 상기 코팅된 패턴을 30 분 동안 75 ℉에서 건조시켰다. 이러한 과정은 침지, 방출, 및 건조의 단계로 이루어지며, 상기 과정을 반복하여 총 5 개의 백업 코트를 제조하였다.
프라임 코트 및 백업 코트를 각각 입힌 후, 패턴(1)의 수직면(5) 및 측면(1A)을 긁어서 코트 및 스터코우를 제거하여, 도 2에 나타난 바와 같이 세라믹 쉘 주형(10)을 제조하였다. 상기 세라믹 쉘 주형(10)을 다시 내화성 슬러리에 침지시켜서, 패턴 상에 실 코팅(seal coating)을 하였다. 실 코팅된 세라믹 쉘 주형(10)을 75 ℉에서 밤새 건조시켰다. 건조된 세라믹 쉘을 끓는 물에 침지시켜 패턴(1)을 제거하여, 건조된 세라믹 쉘을 탈왁스시킨다. 탈왁스되고 건조된 세라믹 쉘 주형을 1850 ℉에서 가열하여, 가열된 세라믹 쉘 주형을 제조하였다.
실시예 24
E-유리 섬유 213 g가 더 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 23의 과정과 동일하게 실시되었다.
실시예 25
쌀 겨 100 g가 더 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 23의 과정과 동일하게 실시되었다.
실시예 26
쌀 겨 100 g가 더 포함된 건조 블렌드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 24의 과정과 동일하게 실시되었다.

Claims (21)

  1. 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 내화성 충전재(filler)를 혼합하여 제1건조 블렌드(dry blend)를 제조하고;
    내화성 섬유, 유리 섬유, 및 내화성 충전재를 혼합하여 제1건조 블렌드와 동일 또는 상이한 제2건조 블렌드를 제조하고;
    제1건조 블렌드와 수용성 콜로이드 실리카 졸(colloidal silica sol)을 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리(prime coat slurry)를 제조하고;
    제2건조 블렌드와 수용성 콜로이드 실리카 졸을 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리와 동일 또는 상이한 내화성 백업 코트 슬러리(back-up coat slurry)를 제조하고;
    열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 프라임 코트 슬러리를 코팅하여 프라임 코트 프리폼(prime coat preform)을 제조하고;
    프라임 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 바르고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼에 내화성 백업 코트 슬러리를 코팅하여 내화성 백업 코트 프리폼(back-up coat preform)을 제조하고;
    백업 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 발라서 스터코우 백업 코트 프리폼을 제조하고;
    상기 스터코우 백업 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 내화성 백업 코트 프리폼으로부터 상기 소모성 패턴을 제거하여 그린 쉘 주형(green shell mold)을 제조하고; 그리고
    상기 그린 쉘 주형을 가열하여 가열된 세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)을 제조하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내화성 섬유는 세라믹 섬유이고, 상기 내화성 충전재는 25 내지 325 메쉬(mesh)의 입자 크기를 갖는 내화성 그레인(grain)을 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 건조 블렌드 중량에 대하여 각각 상기 세라믹 섬유는 1∼10 중량%, 상기 유리 섬유는 0.5∼10 중량%, 및 상기 내화성 충전재는 80∼98.5 중량%인 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 건조 블렌드는 고분자 섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 건조 블렌드 중량에 대하여 각각 상기 세라믹 섬유는 1∼10 중량%, 상기 유리 섬유는 0.5∼10 중량%, 상기 내화성 충전재는 80∼98.5 중량%, 및 상기 섬유고분자는 0.3∼4 중량%인 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유리 섬유는 E-유리(E-glass) 섬유 또는 S-유리(S-glass) 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되고, 상기 섬유고분자는 올레핀(olefin), 나일론계 섬유, 또는 아라미드(aramid) 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 내화성 충전재는 쌀 겨(rice hull ash)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  8. 규회석(Wallastonite)의 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 용융된 실리카 내화성 충전재(silica refractory filler)를 혼합하여 건조 블렌드(dry blend)를 제조하고;
    입자 45 중량%, PH 9.5, 및 적정할 수 있는(titratable) Na2O 0.2 중량%인 수용성 콜로이드 실리카 졸(colloidal silica sol)과 상기 건조 블렌드를 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리(prime coat slurry)를 제조하고;
    상기 건조 블렌드와 상기 수용성 콜로이드 실리카 졸을 혼합하여 내화성 백업 코트 슬러리(back-up coat slurry)를 제조하고;
    열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 프라임 코트 슬러리를 코팅하여 프라임 코트 프리폼(prime coat preform)을 제조하고;
    프라임 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 바르고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼에 내화성 백업 코트 슬러리를 코팅하여 내화성 백업 코트 프리폼(back-up coat preform)을 제조하고;
    백업 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 발라서 스터코우 백업 코트 프리폼을 제조하고;
    상기 스터코우 백업 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 내화성 백업 코트 프리폼으로부터 상기 소모성 패턴을 제거하여 그린 쉘 주형(green shell mold)을 제조하고; 그리고
    충분한 온도로 상기 그린 쉘 주형을 가열하여 세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)을 제조하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 블렌드(blend)는 규회석(Wallastionite)의 내화성 섬유 100 중량부, 유리 섬유 20 중량부, 및 용융된 실리카(silica) 1430 중량부가 포함된 내화성 충전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 건조 블렌드(dry blend)는 콜로이드 실리카 졸 1000 중량부와 혼합되는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  11. 유리 섬유, 용융된 실리카 내화성 충전재(silica refractory filler), 및 쌀 겨(rice hull ash)를 혼합하여 건조 블렌드(dry blend)를 제조하고;
    pH 10.5, 입자 40 중량%, 적정할 수 있는(titritable) Na2O 0.33 중량%, 평균 입자 크기 40 nm, 입자 크기 분포(distribution) 6∼190 nm, 및 입자 크기의 표준 편차 20 nm인 실리카 졸 바인더(silica sol binder) 및 입자를 포함하는 수용성 콜로이드 실리카 졸(colloidal silica sol)과 상기 건조 블렌드를 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리(prime coat slurry)를 제조하고;
    상기 건조 블렌드와 수용성 콜로이드 실리카 졸을 혼합하여 내화성 백업 코트 슬러리(back-up coat slurry)를 제조하고;
    열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 프라임 코트 슬러리를 코팅하여 프라임 코트 프리폼(prime coat preform)을 제조하고;
    프라임 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 바르고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼에 내화성 백업 코트 슬러리를 코팅하여 내화성 백업 코트 프리폼(back-up coat preform)을 제조하고;
    백업 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 발라서 스터코우 백업 코트 프리폼을 제조하고;
    상기 스터코우 백업 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 내화성 백업 코트 프리폼으로부터 상기 소모성 패턴을 제거하여 그린 쉘 주형(green shell mold)을 제조하고; 그리고
    충분한 온도로 상기 그린 쉘 주형을 가열하여 세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)을 제조하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 블렌드(blend)는 용융된 실리카(silica) 1430 중량부, 쌀 겨(rice hull ash) 100 중량부, 및 유리 섬유 20 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 건조 블렌드(dry blend)는 콜로이드 실리카 졸 1000 중량부와 혼합되는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  14. 제10항의 방법에 따라 제조된 인베스트먼트 주조 주형.
  15. 제13항의 방법에 따라 제조된 인베스트먼트 주조 주형.
  16. 내화성 섬유 및 유리 섬유를 혼합하여 제1건조 블렌드(dry blend)를 제조하고;
    내화성 섬유 및 유리 섬유를 혼합하여 제1건조 블렌드와 동일 또는 상이한 제2건조 블렌드를 제조하고;
    수용성 콜로이드 실리카 졸(colloidal silica sol) 및 내화성 충전재(filler)의 혼합물과 제1건조 블렌드를 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리(prime coat slurry)를 제조하고;
    수용성 콜로이드 실리카 졸 및 내화성 충전재의 혼합물과 제2건조 블렌드를 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리와 동일 또는 상이한 내화성 백업 코트 슬러리(back-up coat slurry)를 제조하고;
    열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 프라임 코트 슬러리를 코팅하여 프라임 코트 프리폼(prime coat preform)을 제조하고;
    프라임 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 바르고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼에 내화성 백업 코트 슬러리를 코팅하여 내화성 백업 코트 프리폼(back-up coat preform)을 제조하고;
    백업 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 발라서 스터코우 백업 코트 프리폼을 제조하고;
    상기 스터코우 백업 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 내화성 백업 코트 프리폼으로부터 상기 소모성 패턴을 제거하여 그린 쉘 주형(green shell mold)을 제조하고; 그리고
    충분한 온도로 상기 그린 쉘 주형을 가열하여 가열된 세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)을 제조하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  17. 제16항의 방법에 따라 제조된 인베스트먼트 주조 주형.
  18. 내화성 섬유, 유리 섬유, 및 내화성 충전재(filler)를 혼합하여 제1건조 블렌드(dry blend)를 제조하고;
    내화성 섬유, 유리 섬유, 및 내화성 충전재를 혼합하여 제1건조 블렌드와 동일 또는 상이한 제2건조 블렌드를 제조하고;
    수용성 콜로이드 실리카 졸(colloidal silica sol)과 제1건조 블렌드를 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리(prime coat slurry)를 제조하고;
    수용성 콜로이드 실리카 졸과 제2건조 블렌드를 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리와 동일 또는 상이한 내화성 백업 코트 슬러리(back-up coat slurry)를 제조하고;
    열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 프라임 코트 슬러리를 코팅하여 프라임 코트 프리폼(prime coat preform)을 제조하고;
    스터코우(stucco)를 바른 프라임 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼에 내화성 백업 코트 슬러리를 코팅하여 내화성 백업 코트 프리폼(back-up coat preform)을 제조하고;
    상기 백업 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 내화성 백업 코트 프리폼으로부터 상기 소모성 패턴을 제거하여 그린 쉘 주형(green shell mold)을 제조하고; 그리고
    충분한 온도로 상기 그린 쉘 주형을 가열하여 가열된 세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)을 제조하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 내화성 슬러리의 내화성 충진재는 용융된 실리카(silica) 200 메쉬(mesh), 멀라이트(mullite) 35 메쉬, 및 멀라이트 48 메쉬를 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  20. 제18항의 방법에 따라 제조된 인베스트먼트 주조 주형.
  21. 섬유 및 내화성 충전재(filler)를 혼합하여 제1건조 블렌드(dry blend)를 제조하고;
    섬유 및 내화성 충전재를 혼합하여 제1건조 블렌드와 동일 또는 상이한 제2건조 블렌드를 제조하고;
    수용성 콜로이드 실리카 졸(colloidal silica sol)과 제1건조 블렌드를 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리(prime coat slurry)를 제조하고;
    수용성 콜로이드 실리카 졸과 제2건조 블렌드를 혼합하여 내화성 프라임 코트 슬러리와 동일 또는 상이한 내화성 백업 코트 슬러리(back-up coat slurry)를 제조하고;
    열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 프라임 코트 슬러리를 코팅하여 프라임 코트 프리폼(prime coat preform)을 제조하고;
    프라임 코트 프리폼에 내화성 스터코우(stucco) 물질을 바르고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼을 건조시키고;
    상기 스터코우 프라임 코트 프리폼에 내화성 백업 코트 슬러리를 코팅하여 내화성 백업 코트 프리폼(back-up coat preform)을 제조하고;
    백업 코트 프리폼에 내화성 스터코우 물질을 발라서 스터코우 백업 코트 프리폼을 제조하고;
    상기 스터코우 백업 코트 프리폼을 건조시키고;
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