KR100565102B1 - 인베스트먼트 주조 주형 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소모성 패턴(expendable pattern)(1) 상에서 세라믹 쉘 주형을 급속히 형성시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 큰 입경을 갖는 콜로이드 실리카 졸 바인더를 포함하는 내화성 슬러리를 이용하는 것을 포함한다. 상기 콜로이드 실리카 졸 바인더는 세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)의 제조에 이용되던 종래의 콜로이드 실리카 졸 바인더 보다 3∼4 배정도 큰 40 nm 정도의 평균 입경을 갖는다. 큰 입경을 갖는 졸을 이용함으로써, 종래의 작은 입경을 갖는 실리카 졸로 제조된 세라믹 쉘에 비하여 40∼70 % 정도 큰 비소성 강도(unfired strength)를 가지는 비소성 세라믹 쉘 주형(unfired ceramic shell mold)(20)을 제조한다. 큰 입경을 갖는 졸을 이용한 프라임 코우트 및 내화성 백업 코우트는 종래 기술의 더 작은 입경의 실리카 졸을 이용한 프라임 코우트 및 백업 코우트 보다 30∼40 % 정도 빠르게 건조된다.

Description

인베스트먼트 주조 주형 및 제조방법{Investment Casting Mold and Method of Manufacture}
본 발명은 인베스트먼트 주조 기술(investment casting technology)에 관한 향상된 방법 및 조성물에 관한 것이다.
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 바람직한 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 기술을 인용하는 것이다.
전형적인 PIC 공정은 하기 6 개의 주요 단계로 이루어진다:
(1) 패턴의 제조
바람직한 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 충진시키는 용융된 금속을 공급하는 1회용 왁스 "탕구 시스템(sprue system)"에 상기의 것들을 접합시킴으로써 조립될 수 있다.
(2) 쉘 주형의 구조
(a) 패턴 상에 내화성 물질을 코팅시키기 위하여, 알칼리 안정화된 콜로이드 실리카 바인더의 수용액에 용해된 미세한 입자의 내화성 그레인(refractory grain)을 포함하는 내화성 슬러리에 패턴 어셈블리(pattern assembly)를 침지시키고;
(b) 스터코우(stucco)로 코팅시키기 위하여, 건조한 상태의 굵은 입자의 내화성 그레인 또는 "스터코우(stucco)"를 내화성 피복(refractory coating)에 접촉시키고; 그리고
(c) "신선한" 공기("green" air)로 건조된 불용성 결합 코팅(insoluble bonded coating)이 이루어지도록 공기로 건조시킴.
이러한 공정 과정은 바람직한 두께를 갖는 신선한 공기로 건조된 쉘 주형을 연속적으로 코팅시키는 것을 반복함으로써 이루어질 수 있다.
(3) 탈왁스(dewaxing)
1회용 왁스 패턴은 스팀 오토클레이빙(steam autoclaving)을 하거나, 537~1038 ℃(1,000∼1,900 ℉)로 가열된 순간 탈왁스 로(flash dewaxing furnace)에 그린 쉘 주형(green shell mold)을 담그거나, 또는 과다한 압력이 쉘 주형을 깨뜨리지 않으면서 왁스를 급속하게 가열하고 액화시키는 다른 모든 방법들에 의하여, 신선한 공기로 건조된 쉘 주형으로부터 제거된다.
(4) 로 처리(furnacing)
상기 탈왁스된 쉘 주형을 870~1093 ℃(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 배치하였다. 금속은 가스, 간접 아크(indirect arc) 또는 유도 가열에 의하여 용융될 수 있다. 용융된 금속은 공기 또는 진공 챔버에서 주조될 수 있다. 용융된 금속을 국자(ladle)로 떠내면서 그리고 직접 용융 도가니(direct melting crucible)로부터 정전기적으로 또는 원심적으로 쏟아 부을 수 있다. 상기 용융된 금속은 주형내에서 고형화된 금속 주조가 이루어지도록 냉각된다.
(6) 주조물 회수(casting recovery)
고형화된 금속 주조물을 포함하는 쉘 주형(shell mold)을 부수고, 금속 주조를 세라믹 쉘 재료로부터 분리하였다. 상기 주조물은 연마 디스크를 이용하여 베어 내고 잘라냄으로써 탕구 시스템(sprue system)으로부터 분리될 수 있다. 상기 주조물을 연마시키거나, 쇼트 또는 그리트 블라스팅(shot or grit blasting)시킴으로써 세정될 수 있다.
내화성 슬러리(refractory slurry)에 이용되는 바인더(binder)들은 쉘 조립 공정에 영향을 미치고 최종적인 쉘 주형의 질을 결정한다. 바인더들은 반복 침지 코팅(repetitive dip coat)에 이용되는 내화성 슬러리로부터 장시간 동안 작용할 수 있도록 화학적으로 안정한 것이어야 한다. 또한 바인더들은 공기 건조가 이루어지는 동안 내화성 그레인과 함께 불용성 결합을 형성하여, 패턴의 재침지 및 로 처리(furnacing) 동안의 패턴 제거를 가능하게 한다. 주형을 로 처리(furnacing)하는 동안에 쉘 내에서 생성된 안정화된 세라믹 결합은 용융된 금속 주조를 견딜 수 있을 만큼의 충분한 열 강도 및 내화성을 가져야만 한다.
세라믹 쉘 주형의 제조에 이용되는 표준 내화성 슬러리 바인더들은 가수분해된 에틸 실리케이트 및 약 8∼14 nm의 평균 입경을 갖는 작은 입경의 나트륨 안정화된 콜로이드 실리카를 포함한다. 후자는 불연성 및 낮은 독성의 나트륨 히드록시드를 갖는 안정된 콜로이드 실리카의 알칼리 수성 분산(dispersion)을 포함한다. 전자는 콜로이드 실리카를 본래 위치에서 형성시키는 가수분해 동안에 첨가되는 황산 또는 염산으로 안정화된 산이다. 그러나 전자는 용해성을 유지하기 위하여 가 연성이며 독성인 알콜 용액을 이용한다. 그러나 에틸 실리케이트 바인더들은 나트륨 산화물을 촉진시키는 융제(flux)를 낮은 수준으로 이용하게 하고 더욱 급속하게 건조시키는 역할을 한다.
세라믹 쉘 주형을 제조하는 전형적인 공정에서, 코우트(coat) 사이를 건조시키는데 요구되는 시간적인 간격은 주형의 복잡성 및 쉘 벽의 두께에 따라서 내화성 프라임 코우트(refractory prime coat)가 30 분, 백업 코우트(back-up coat)가 8 시간 이상에 이를 만큼 다양하게 변할 수 있다. 일반적으로 완전한 쉘 주형들은 패턴 제거를 위한 충분한 압분 강도(green strength)가 보장되도록 추가적으로 24 시간 이상 동안 공기로 건조된다. 쉘 주형을 질을 우수하게 하기 위한 공기 건조 공정은 제조 시간의 대부분을 차지하며 제조 비용을 높이는데 영향을 미치므로, 이러한 것이 심각한 결점이 되기도 한다.
이러한 결점으로 인하여, 내화성 슬러리 바인더를 신속하게 경화시키는 화학적 방법을 이용함으로써 코우트(coat) 사이를 건조시키는데 드는 시간적 간격을 단축시키거나 아예 없애고자 하는 많이 노력이 이루어지고 있다. 이러한 화학적 방법들은 이온 알카리 금속 실리케이트를 포함한 가수분해된 에틸 실리케이트 및 나트륨 안정화된 콜로이드 실리카, 및 산 안정된 알루미나 개질된 콜로이드 실리카의 범위를 넘어서 내화성 슬러리 바인더의 선택 범위를 넓힌다. 이러한 선행기술에 해당하는 화학적 방법은 다음의 것들을 포함한다:
(1) 슬러리 바인더 시스템의 겔화(gel set)를 위하여 기체 상태의 겔화제(gelling agent)를 이용하는 방법.
미국특허 제2,829,060호는 암모니아 개질된 나트륨 실리케이트 슬러리 바인더 시스템의 겔화를 위하여 이산화탄소를 이용하는 것에 관하여 개시하고 있다.
1979년 10월 Investment Casting Institute에서 발표된 기술 논문에서 W. Jones는 알칼리 실리케이트 바인더 슬러리를 경화시키기 위하여 이산화탄소 또는 산성의 알루미나 용액을 이용하는 것에 관하여 기술하고 있다. 그러나 알칼리 실리카 바인더 슬러리는 고온에서 바람직하지 못한 유동(fluxing)을 야기시킬 수 있다.
미국특허 제3,455,368호는 가수분해된 에틸 실리케이트 또는 산성화된 콜로이드 실리카 바인더 시스템을 겔화(gel set)시키기 위하여 암모니아 가스를 이용하는 것에 대하여 개시하고 있다. 그러나 암모니아 가스는 독성이 있다.
미국특허 제3,396,775호는 가수분해된 에틸 실리케이트 슬러리 바인더 시스템을 겔화시키기 위하여 휘발성 유기 가스를 이용하는 것에 대하여 개시하고 있다. 그러나 휘발성 유기 가스는 주조(foundry)에 있어서 해결하기 어려운 환기 문제를 발생시킨다.
(2) 교체 코우트(alternating coat)를 이용할 때 어떤 하나를 겔화(gel set) 시키기 위하여 두 개의 상호작용을 하는 슬러리 바인더 시스템을 이용하는 방법.
미국특허 제2,806,270호에서는 하기 성분들을 이용하는 것에 관하여 개시하고 있다:
1) 알칼리 나트륨 실리케이트 슬러리를 겔화시키는 니트르산 산성화된 나트륨 실리케이트 슬러리;
2) (a) 알칼리 칼륨 실리케이트 슬러리, (b) 알칼리 피페리딘 개질된 에틸 실리케이트 슬러리 및 (c) 알칼리 모노 에탄올아민 개질된 에틸 실리케이트 슬러리 시르템을 겔화시키는 인산 산성화된 칼륨 실리케이트 슬러리 시스템; 및
3) (a) 알칼리 칼륨 실리케이트 슬러리, (b) 알칼리 피페리딘 개질된 에틸 실리케이트 슬러리 및 (c) 알칼리 모노 에탄올아민 개질된 에틸 실리케이트 바인더 시스템을 겔화시키는 산성의 에틸 실리케이트 슬러리.
미국특허 제3,751,276호 및 미국특허 제3,878,034호는 산성의 안정된 알루미나 개질된 콜로이드 실리카 슬러리 바인더 시스템을 이용하여, 알칼리 안정된 이온 실리케이트 바인더 슬러리 시스템 또는 알칼리 안정화된 콜로이드 실리카 바인더 슬러리 시스템을 겔화(gel set)시키는 것에 대하여 개시하고 있다. 그러나 두 개의 상호작용을 하는 슬러리 바인더 시스템의 이용은 전형적인 쉘 조립 절차의 변경을 요한다.
(3) 바인더 슬러리 시스템을 겔화시키기 위하여 화학적으로 처리된 스터코우 그레인(stucco grain)을 이용하는 방법.
1967년 5월 발표된 Journal Prosthetic Dentistry에서 Dootz, Craig 및 Payton은 모노암모늄 포스페이트 및 마그네슘 산화물로 처리된 스터코우(stucco)를 이용하여 나트륨 실리케이트 바인더 슬러리 시스템을 겔화시키는 것에 관하여 개시하였다. 그러나 공정 시간 전반에 걸친 효율성 저하 및 내화성 바인더 슬러리의 오염 가능성 등의 문제점이 발생하였다.
(4) 바인더 슬러리 시스템을 겔화시키기 위하여 겔화제 용액을 이용하는 방법.
미국특허 제3,748,157호는 기초 알루미늄 염 경화제 용액(setting agent solution)을 이용하여 1) 나트륨 안정화된 음각 졸(negative sol) 콜로이드 실리카 바인더 슬러리 및 2) 알칼리 이온성 실리케이트 슬러리 바인더 시스템을 경화시키는 것에 대하여 개시하고 있다.
본 발명의 이러한 방법이 PIC를 이용하여 세라믹 쉘 주형을 제조하는데 있어서 다양한 정도의 유용성을 갖는 것이기는 하지만, 그러한 방법들은 내화성 슬러리 물질이 성공적으로 코팅되게 하기 위한 다중 촉매 단계 또는 상당한 시간적 간격을 필요로 한다. 그러므로 세라믹 쉘 주형을 급속히 형성시키는 물질 및 방법들에 대한 필요성이 존재한다.
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. 본 발명의 방법은 40 nm의 평균 입경, 6∼190 nm의 넓은 입경 범위 및 20 nm의 표준 편차를 갖는 큰 입경의 콜로이드 실리카 졸을 이용한다. 바람직하게 이용되는 큰 입경의 졸은 미합중국 델라웨어주, 윌밍톤(Wilmington) 소재 Wesbond Corp.로부터 입수 가능한 상품명 MegasolTM이다. 상기 MegasolTM은 40 nm의 평균 입경, 6∼190 nm의 입경 범위 및 20 nm의 표준 편차를 가지며, 일반적인 종래의 콜로이드 실리카 졸의 나트륨 함량이 0.4∼0.6 중량%인데 비하여 0.22 중량%의 나트륨 함량을 갖는 것이다.
본 발명의 공정은 종전의 공정보다 세라믹 쉘 주형의 제조에 있어서 많은 장점들을 제공한다. 예를 들어, 수성 MegasolTM 콜로이드 실리카 졸은 매우 작은 입경 범위를 갖는 종래의 실리카 졸로 제조된 그린 세라믹 쉘(green ceramic shell)에 비하여 40∼70 %의 비소성 강도(unfired strength)를 갖는 그린 세라믹 쉘 주형의 제조를 가능하게 한다.
본 발명의 다른 잇점은 MegasolTM을 이용한 내화성 슬러리(refractory slurry) 조성물이 넓은 범위의 쉘 주형 열-팽창을 수용할 수 있다는 것이다. 또한 본 발명의 또 다른 이점은 MegasolTM을 이용한 내화성 슬러리 조성물이 내화성 슬러리 내에 40∼50 중량%의 콜로이드 실리카 고체를 함유한다는 것이다. 이러한 고체의 함량은 전형적인 작은 입경을 갖는 실리카 졸 바인더를 이용한 내화성 슬러리에서의 콜로이드 실리카 고체 함량인 22∼27 중량% 보다 매우 큰 것이었다. MegasolTM을 이용한 내화성 슬러리 내의 더욱 높은 콜로이드 실리카 고체 함량은 내화성 프라임 코우트(refractory prime coat) 및 내화성 백업 코우트(refractory back-up coat) 둘 모두를 더욱 급속히 건조시키는 것을 가능하게 하였다.
내화성 프라임 코우트 슬러리 및 내화성 백업 코우트 슬러리 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두에서 MegasolTM을 이용함으로써 고강도의 세라믹 쉘 주형 을 제조할 수 있을 뿐 아니라 슬러리의 안정성을 증가시킨다. 본 발명의 잇점은 내화성 슬러리에서 중합체를 이용하거나 또는 내화성 슬러리에서 중합체 향상된 바인더(polymer enhanced binder)를 이용하는 통상의 산업 절차를 제거한다. 중합체를 제거함으로써, 중합체가 반응로 처리(furnacing)되는 동안 완전 연소시 생성되는 구멍(porosity)으로 인하여 낮은 소성 파단 계수(fired modulus of rupture)를 가지는 세라믹 쉘 주형이 제조되는 문제점들을 극복할 수 있다. 또한 중합체 제거는 공정 시간 전반에 걸친 내화성 슬러리의 불안정화 뿐 아니라, 내화성 슬러리의 질적 조절과 관련된 문제점들을 해결한다.
MegasolTM을 이용한 프라임 코우트(prime coat) 및 백업 코우트(back-up coat)는 종래의 작은 입경을 갖는 콜로이드 실리카 졸을 이용한 프라임 코우트 및 백업 코우트 보다 약 30∼40 % 더욱 빠르게 건조된다. 이러한 건조 시간 감축은 쉘의 제조 비용을 감소시키는 결과를 가져온다.
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 상세한 설명
내화성 그레인(refractory grains)
여러 종류의 내화성 그레인이 내화성 프라임 코우트 슬러리(refractory prime coat slurry) 뿐 아니라 내화성 백업 코우트 슬러리(refractory back-up coat slurry)에 있어서 MegasolTM과 함께 이용될 수 있다. 이러한 내화성 그레인은 뮬라이트(mullite), 하소된 도자기 점토 및 그 외 알루미나 실리케이트, 유리 및 결정질의 실리카, 알루미나, 지르콘 및 크로마이트(chromite)를 포함하며, 이에 제한되지는 않는다. 바람직한 내화성 그레인은 내화성 그레인의 불안정성 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.
내화성 슬러리의 제조
내화성 프라임 코우트 슬러리(refractory prime coat slurry) 및 내화성 백업 코우트 슬러리(refractory back-up coat slurry)는 쉘의 침지(shell dipping) 공정에 이용될 수 있는 바람직한 점도를 갖기에 충분한 양의 내화성 그레인과 함께 MegasolTM과 같이 큰 입경을 갖는 실리카 졸 바인더를 이용한다. 바람직하게, 68 ㎡/g의 특정 표면적, 40 nm의 평균 입경, 6∼190 nm의 입경 범위, 20 nm의 입경 표준 편차 및 0.22 중량%의 나트륨 함량을 갖는 MegasolTM이 이용된다. MegasolTM의 평균 입경은 특정 표면적을 기준으로 할 때 2,727 개로 분할되는 것으로 계산된다. MegasolTM 및 내화성 슬러리 조성물 내의 내화성 그레인의 양은 다양하게 변할 수 있다.
MegasolTM 실리카 졸 바인더는 종래의 콜로이드 실리카 졸 바인더에 비하여 매우 큰 입경 범위 및 낮은 특정 표면적을 갖는다. MegasolTM 실리카 졸 바인더는 pH 8.0∼10.0에서 이용될 수 있고, pH 9.0∼9.5에서 이용되는 것이 바람직하다. MegasolTM 실리카 졸 바인더는 적정 가능한 Na2O 함량이 0.02∼0.35 중량%이고, 0.1∼0.25 중량%로 이용되는 것이 좋다. 상기 MegasolTM 실리카 졸 바인더는 적정 가능한 Na2O 함량이 0.20∼0.22 중량%인 것이 가장 적당하다.
본 발명에 이용되는 MegasolTM 실리카 졸 바인더는 다양한 고체 함량을 가질 수 있다. 예를 들어, MegasolTM은 30∼50 중량%의 고체 함량을 가질 수 있으며, 40∼47 중량%의 고체 함량을 가지는 것이 적당하다. 상기 MegasolTM은 적어도 하나의 내화성 프라임 코우트 슬러리 및 내화성 백업 코우트 슬러리 내에서, 가장 바람직하게는 두 슬러리 모두에서 45 중량%의 고체 함량을 가지면서 이용된다.
내화성 프라임 코우트 슬러리 및 내화성 백업 코우트 슬러리는 깨끗한 물로 세척된 혼합 탱크에 MegasolTM 실리카 졸 바인더를 배치시키고, 혼합되는 동안 내화성 물질을 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.
내화성 물질은 바람직한 점도에 도달할 때까지 혼합되는 동안 첨가된다. 내화성 프라임 코우트 슬러리에 있어서, 그 점도는 전형적으로 18∼30 sec Zahn #4인데, 20∼30 sec Zahn #4이 적당하고, 그리고 24∼30 sec Zahn #4이 가장 적당하다. MegasolTM을 이용하는 내화성 백업 코우트 슬러리 및 용해된 실리카 내화성 그레인의 점도는 10∼18 sec Zahn #4이고, 10∼16 sec Zahn #4이 적당하고, 12∼15 sec Zahn #4이 가장 적당하다. 막힌 공기(entrapped air)를 제거하고 평형상태에 이르게 하기 위하여 더 혼합한 후에, MegasolTM 콜로이드 실리카 졸 바인더 또는 내화성 물질을 더 첨가하면서 최종적인 점도 조절을 하였다. 또한 비이온성 계면활성제 및 음이온성 계면활성제를 내화성 슬러리에 첨가할 수도 있다.
쉘 주형의 조립
쉘 주형의 조립은 깨끗한 1회용 패턴, 바람직하게는 왁스 패턴에 내화성 그레인 및 MegasolTM을 포함하는 내화성 프라임 코우트 슬러리를 1 내지 3 번 코팅시킴으로써 시작된다. 바람직하게 상기 왁스 패턴은 인베스트먼트 주조 왁스(investment casting grade wax)에 기반을 둔 충진된 또는 비충진된 파라핀, 또는 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax)로부터 형성된다. 상기 왁스 패턴을 내화성 프라임 코우트 슬러리에 침지시켜 상기 패턴의 표면이 내화성 프라임 코우트 슬러리의 연속 층으로 코팅될 수 있도록 하며, 과량의 슬러리가 제거되도록 완전히 방출시키고, 그리고 프라임 코우트 내화성 스터코우(stucco)를 이용하여 스터코우를 바른다. 여기에서 형성된 프라임 코우트(들)은 그 두께가 0.058~0.508 ㎝(0.02∼0.2 인치)이고, 0.1016~0.508 ㎝(0.04∼0.2 인치)가 바람직하며, 0.1016~0.254 ㎝(0.04∼0.1 인치)가 가장 적당하다.
다른 내화성 슬러리 조성물들은 내화성 프라임 코우트 슬러리 및 내화성 백업 코우트 슬러리에 이용될 수 있다. 특정한 내화성 프라임 코우트 슬러리 및 내화성 백업 코우트 슬러리가 1회용 패턴으로부터 바람직한 크기와 표면 다듬질을 갖는 금속 주조물(metal casting)을 제조할 수 있도록 요구되는 세라믹 쉘 주형의 특성에 따라 결정된다.
내화성 프라임 코우트 슬러리에는 미세한 크기, 즉 일반적으로 -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 가루(zircon flour)의 혼합물과 함께 MegasolTM을 포함한다. 지르콘 가루는 용융된 금속에 대하여 높은 저항성(resistance)을 제공한다. 지르콘 가루의 미세한 입자로 인하여 부드럽고 섬세한 표면 다듬질을 이룰 수 있는 주조물의 제조가 가능하게 이루어진다. 각각의 프라임 코우트는 굵은 내화성 그레인, 즉 일반적으로 -20 내지 200 메쉬, 바람직하게는 -70 내지 140 메쉬의 지르콘 샌드(zircon sand)를 이용하여 스터코우(stucco)를 바른다.
MegasolTM, 용융된 실리카 및 지르콘을 이용한 내화성 프라임 코우트 슬러리에 있어서, 가장 바람직한 용융된 실리카는 -120 내지 -200 메쉬의 입경을 가진 것이며, 가장 바람직한 지르콘은 -325 메쉬의 입경을 가진 것이다. -100 메쉬, -120 메쉬, -140 메쉬, -170 메쉬, -270 메쉬 및 -325 메쉬 크기를 갖는 용융된 실리카도 이용될 수 있다. 지르콘의 입경은 예를 들어, -200 메쉬, -325 메쉬 및 -400 메쉬일 수 있다. 바람직하게 지르콘은 -200 메쉬이다. 비이온성 계면활성제는 내화성 프라임 코우트 슬러리에 선택적으로 첨가될 수 있다. 이용될 수 있는 특히 유용한 비이온성 계면활성제는 미합중국 버지니아주 윌리암스버그 소재, 분트록 인더스트리스(Buntrock Industries)로부터 입수 가능한 PS9400이다. 상기 계면활성제는 내화성 프라임 코우트 내화성 슬러리에 첨가될 수 있으며, 그 첨가량은 MegasolTM 바인더의 중량 대비 0.2 중량% 이하이다. 상기 계면활성제는 내화성 프라임 코우트 내화성 슬러리가 왁스 패턴을 적시는 능력을 향상시켜 주며, 방출(drainage)을 도와준다.
내화성 백업 슬러리는 백업 코우트를 제조하기 위하여 스터코우를 바른 프라임 코우트에 적용된다. 내화성 백업 슬러리에는 내화성 프라임 코우트 슬러리에 이용되는 것 보다 더욱 굵은 크기를 갖는 내화성 그레인이 이용된다. 용융된 실리카가 MegasolTM과 함께 이용되는 내화성 백업 슬러리에서, 용융된 실리카는 -80 내지 -270 메쉬의 입경을 가지며, -100 내지 -200 메쉬의 입경을 가지는 것이 바람직하다. 상기 용융된 실리카는 -100 내지 -120 메쉬의 입경을 가지는 것이 가장 바람직하다. 각각의 백업 코우트는 강도를 추가시키기 위하여 쉘의 두께를 두껍게 하기 위하여 굵은 내화성 그레인을 이용하여 스터코우를 바른다. 백업 코우트 상에서 스터코우로 이용될 수 있는 내화성 그레인은 -10 내지 50 메쉬이고, -20 내지 50 메쉬가 바람직하다. 상기 내화성 그레인은 -30 내지 50 메쉬의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
백업 코우트는 쉘이 바람직한 두께 및 강도를 가질 때까지 스터코우가 발라진 프라임 코우트 위로 적용된다. 적용된 백업 코우트의 수는 세라믹 쉘에서 형성되는 금속 주조물(metal casting)의 크기와 중량에 따라 다르게 변한다. 0.508~1.27 ㎝(0.20∼0.5 인치)의 두께를 갖는 세라믹 쉘이 대부분의 주조에 있어서 바람직하다. 두 개의 프라임 코우트 및 4∼5 개의 백업 코우트들은 일반적으로 0.635 ㎝(0.25 인치) 두께의 그린 쉘(green shell)을 가지며, 또한 상기 두께는 탈왁스 및 로처리(furnacing)를 버틸 수 있을 정도의 강도를 갖는 것이다.
다른 구체예에서, 트랜지셔날 스터코우 내화재(transitional stucco refractory material), 즉 바람직하게는 미세한 낱알 크기의 프라임 코우트 스터코우 및 굵은 백업 코우트 스터코우 사이의 그레인 크기를 갖는 지르콘 또는 알루미노 실리케이트는 내화성 백업 슬러리를 코팅시키기 전에, 프라임 코우트에 스터코우를 바른 소모성 패턴(expendable pattern)에 적용될 수 있다. 트랜지셔날 스터코우 코우트(transitional stucco coat)는 그린 쉘에 대한 강도를 증가시키기 위하여 이용될 수 있으며, 프라임 코우트 슬러리의 최종 코팅 및 내화성 백업 슬러리의 최초 코우팅 사이의 박막화(delamination)에 대한 가능성을 최소화하기 위하여 이용될 수 있다.
상기 그린 쉘은 15~32 ℃(60∼90 ℉), 바람직하게는 21~24 ℃(70∼75 ℉)에서 건조된다. 건조는 빠른 공기 이동이 일어나는 저습 및 고온이 촉진된 조건하에서 이루어질 수 있다.
성공적인 프라임 코우트 및 백업 코우트 사이의 건조 시간은 소모성 패턴(expendable pattern) 형상의 복잡성에 따라서 변화된다. 깊숙한 공동(cavity)을 갖는 소모성 패턴은 기류가 최소일 때 코우트 사이에서 더 이상 건조되지 않는다. 평면으로 이루어진 단순한 패턴은 더욱 빨리 건조된다. MegasolTM을 이용하는 내화성 슬러리로부터 형성된 프라임 코우트 및 백업 코우트는 매우 작은 입경의 콜로이드 실리카 졸 바인더를 이용하고 더욱 많은 양의 물을 함유하는 산업적 표준의 내화성 슬러리 보다 약 30∼40 % 빨리 건조된다.
탈왁스
그린 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 탈왁스 시킬 수 있다. 스팀 오토클레이빙은 하기와 같이 이루어질 수 있다:
1) 가능하면 높은 증기 압력, 60 psi 이상, 바람직하게는 80∼90 psi를 이용하고;
2) 가능한한 신속하게, 15∼20 초 이내에 오토클레이브를 밀폐시켜 가압하고;
3) 10∼15 분 동안 공기로 건조된 그린 쉘(green shell)을 증기에 노출시키고; 그리고
4) 30∼60 초에 걸쳐 오토클레이브를 천천히 감압함.
순간 탈왁스 방법은 537~1038 ℃(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 93~316 ℃(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 870~1093 ℃(1,600∼2,000 ℉)에서 생성된 탈왁스 세라믹 쉘을 가열하여 휘발성 잔여물을 제거하고, 그리고 탕화(sintering)를 통하여 안정된 세라믹 결합을 형성함으로써 고강도의 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.
더 나아가 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하고 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
도 1의 8×7×3 inch의 왁스 바 패턴(1)을 하기 표 1의 조성으로 구성된 내화성 슬러리에 침지시켰다. 그리고 편이성을 위하여, 동일한 내화성 슬러리를 프라임 및 백업 코우트에 이용하였다.
재 료 양
MegasolTM 1 1,000 g
Tecosil 120F2 1,500 g
Zircon 3253 400 g
PS 9400 계면활성제4 2 ㎖
상기에서, "1"은 Wesbond Corp로부터 입수 가능한 50 %의 고체 함량을 갖는 MegasolTM 콜로이드 실리카 졸 바인더이고, "2"는 C-E Minerals로부터 입수 가능한 44 내지 177 마이크론의 입경을 갖는 용융된 실리카이고, "3"은 Continental Minerals로부터 입수 가능한 -325 메쉬의 입경을 갖는 하소된 플로리다 지르콘(Florida Zircon)이고, 그리고 "4"는 Buntrock Industries로부터 입수 가능한 비이온성 계면활성제로, 약 1.0의 비중을 갖는 폴리옥스에틸레이티드 데실 알코올(polyoxethylated decyl alcohol)이다.
왁스 패턴(1)을 5 초간 내화성 슬러리에 침지시켰고, 제거하였으며, 제1 프라임 코우트를 형성시키기 위하여 10 초 동안 배출시켰다. DuPont Corp.로부터 입수 가능한 -70 내지 140 메쉬의 지르콘 샌드(Zircon Sand)가 제1 프라임 코트에 스터코우(stucco)로 사용되었다. 지르콘 샌드로 스터코우를 바른 프라임 코우트 바 패턴(prime coated bar pattern)을 1 시간 동안 건조시킨 다음, 제2 프라임 코우트를 형성시키기 위하여 5 초 동안 내화성 슬러리에 침지시켰으며, -70 내지 140 메쉬의 지르콘 샌드로 다시 스터코우를 발랐다.
그 다음 제1 백업 코우트를 제공하기 위하여, 2 개의 스터코우 프라임 코우트를 갖는 왁스 패턴(1)을 5 초 동안 내화성 슬러리에 침지시켰고, 10 초 동안 배출시켰다. 그 다음 제1 내화성 백업 코우트에는 C-E Minerals로부터 입수 가능한 -30 내지 50 메쉬의 용융된 실리카인 테코실(Tecosil)로 스터코우를 발랐다. 그 후 상기 스터코우를 바른 백업 코우트를 1 시간 동안 건조시켰다. 이러한 과정은 -30 내지 50 메쉬 크기의 용융된 실리카인 테코실로 스터코우를 발라 총 5 개의 백업 코우트가 제공되도록 반복되었다. 프라임 코우트 및 내화성 백업 코우트를 각각 입힌 후, 패턴(1)의 수직면(5)을 긁어서 코우트들 및 스터코우를 제거시켰다. 도 2에 나타난 바와 같이, 여기에서 형성된 그린 세라믹 쉘(green ceramic shell)(10)은 2 개의 프라임 코우트 지르콘 샌드 스터코우 층 및 5 개의 백업 코우트 스터코우 층으로 이루어진 패턴(1) 상에서 형성되었고, 그리고 다시 내화성 슬러리에 침지되어 실 코팅(seal coating)되었으며, 상기 스터코우는 C-E Minerals Co.로부터 입수된 -30 내지 50 메쉬 크기의 용융된 실리카인 테코실이다. 상기 실 코팅은 패턴(1)의 각각의 면들로부터 제거되지 않았다.
상기 실 코팅된 그린 세라믹 쉘은 밤새 21~24 ℃(70∼75 ℉)에서 건조되었다. 상기 건조된 그린 세라믹 쉘을 끓는 물에 침수시켜 패턴(1)을 제거하였다. 그 결과 도 3에 도시된 것과 같이, 왁스가 제거되고 건조된 그린 세라믹 쉘(20)을 세로길이의 반만큼 잘라내고, 밤새 건조시켰다. 폭 2.54 ㎝(1 inch), 길이 15.24 ㎝(6 inch), 두께 0.76 ㎝(0.3 inch)의 그린 세라믹 쉘의 한 부분을 5.08 ㎝(2 inch) 길이로 로딩(loading)하여 휨 파괴(failure in flexure)에 대한 강도를 측정하였다. 상기 그린 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 시점에서의 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. 파단 계수는 하기 표 2에 나타내었다.
폭, 길이 및 두께가 각각 2.54 ㎝(1 inch), 15.24 ㎝(6 inch)및 0.762 ㎝(0.3 inch)인 그린 세라믹 쉘의 한 부분을 1 시간 동안 982 ℃(1800 ℉)에서 가열시켰다. 그 다음 상기에서 언급한 바와 같이, 상기 가열된 부분의 휨 파괴(failure in flexure)에 대한 강도를 2 인치 길이 만큼의 부분을 로딩함으로써 측정하였다. 가열된 세라믹 쉘에 대한 파단 계수(MOR)를 상기 식으로 계산하였다. 이러한 결과들은 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 2
콜로이드 실리카 고체 함량이 45 중량%가 되도록 MegasolTM을 물로 희석한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
실시예 3
콜로이드 실리카 고체 함량이 40 중량%가 되도록 MegasolTM을 물로 희석한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
실시예 4
콜로이드 실리카 고체 함량이 35 중량%가 되도록 MegasolTM을 물로 희석한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
실시예 5
-30 내지 50 메쉬의 용융된 실리카인 테코실(Tecosil) 대신에 -20 내지 50 메쉬의 입경을 갖는 Mulgrain M47-22S가 이용된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. Mulgrain M47-22S는 C-E Minerals Co.로부터 입수 가능한 것이었다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
실시예 6
콜로이드 실리카 고체 함량이 45 중량%가 되도록 MegasolTM을 물로 희석한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 행하였다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
실시예 7
콜로이드 실리카 고체 함량이 40 중량%가 되도록 MegasolTM을 물로 희석한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 행하였다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
비교 실시예(실시예 8∼12)
실시예 8
8 나노미터의 평균 입경과 30 중량%의 콜로이드 실리카 고체 함량을 갖는 NYACOL 830 콜로이드 실리카 졸이 50 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM 콜로이드 실리카 졸 대신에 이용된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. NYACOL 830은 EKA Chemicals Co.로부터 구할 수 있었다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
실시예 9
콜로이드 실리카 고체 함량이 24 중량%가 되도록 NYACOL 830을 물로 희석한 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 행하였다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
실시예 10
-20 내지 50 메쉬 크기의 Mulgrain M47-22S가 -30 내지 50 메쉬 크기의 용융된 실리카인 테코실 대신에 이용된 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 행하였다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
실시예 11
콜로이드 실리카 고체 함량이 27 중량%가 되도록 NYACOL 830을 물로 희석한 것을 제외하고는 실시예 10과 동일한 방법으로 행하였다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
실시예 12
콜로이드 실리카 고체 함량이 24 중량%가 되도록 NYACOL 830을 물로 희석한 것을 제외하고는 실시예 10과 동일한 방법으로 행하였다. MOR은 실시예 1에서와 같이 측정되었다.
MegasolTM을 이용함으로써 달성된 건조 시간 감축에 대해서 살펴보자면, 실시예 1 및 8에서 이용된 5 개의 백업 코우트에 대한 총 건조 시간이 비교되었다. 건조 시간은 샘플에 부착된 열전대(thermocouple)를 이용하여 측정되었다. 패이스 사이언티픽 포켓 로거 모델 XR340(Face Scientific Loger Model XR340)은 시간 대 온도를 기록하였다. 각각의 코우트는 대기 온도가 섭씨온도 1도 (화씨 대기온도는 2도) 차이가 났을 때 건조되는 것으로 보였다. 대기 온도는 21±4 ℃(70±5 ℉)이며, 상대 습도는 약 30±5 %였다. 하기 표 2는 실험 결과를 나타낸 것이다. 하기 표 2에서 볼 수 있듯이, 50 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM이 이용되는 내화성 백업 슬러리로부터 형성된 백업 코우트의 건조 시간은 NYACOL 830을 이용한 내화성 백업 코우트 슬러리로부터 형성된 5 개의 백업 코우트를 건조시키는데 필요한 시간의 67 %만큼 소요되었다.
실시예 MegasolTM 바인더 고체 함량(중량%) NYACOL 830 바인더 고체 함량(중량%) 백업 스터코우 (Back up Stucco) MOR-green MOR-fired1
1* 50 - 30∼50 메쉬의 용융된 실리카 709 PSI 1334 PSI
2* 45 - 30∼50 메쉬의 용융된 실리카 957 1474
3* 40 - 30∼50 메쉬의 용융된 실리카 834 1230
4* 35 - 30∼50 메쉬의 용융된 실리카 719 1231
5* 50 - 20∼50 메쉬의 Mulgrain M47-22S 800 700
6* 45 - 20∼50 메쉬의 Mulgrain M47-22S 935 958
7* 40 - 20∼50 메쉬의 Mulgrain M47-22S 923 856
8** - 30 30∼50 메쉬의 용융된 실리카 487 754
9** - 24 30∼50 메쉬의 용융된 실리카 605 550
10** - 30 20∼50 메쉬의 Mulgrain M47-22S 470 616
11** - 27 20∼50 메쉬의 Mulgrain M47-22S 640 627
12** - 24 20∼50 메쉬의 Mulgrain M47-22S 658 571
상기 표 2에서 "1"은 1 시간 동안 982 ℃(1,800 ℉)의 쉘을 가열시킨 후에 얻어진 소성 파단 계수(MOR-fired)를 나타낸 것이고, "*"로 표시된 것에서 5 개의 백업 코우트의 총 건조 시간은 141 분이었고, "**"로 표시된 것에서 5 개의 백업 코우트의 총 건조 시간은 236 분이었다.
비교실시예(실시예 13∼18)
본 실시예들은 14 nm 및 20 nm의 평균 입경을 갖는 실리카 졸을 이용한 내화 성 슬러리로 이루어진 세라믹 쉘 위에 MegasolTM을 이용한 내화성 슬러리를 이용하여, 세라믹 쉘 주형의 강도를 증가시키는 것에 대하여 나타낸 것이다. 본 실시예들의 결과들은 표 3에 나타내었다.
실시예 13
14 nm의 평균 입경 및 35 중량%의 콜로이드 실리카 고체 함량을 갖는 LudoxR HS 40 콜로이드 실리카 졸이 50 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM 대신에 이용된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. LudoxR HS 40은 E.I. DuPont deNemours, Inc.으로부터 구입할 수 있었다. MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다.
실시예 14
40 중량%의 콜로이드 실리카 고체 함량을 갖는 LudoxR HS 40 콜로이드 실리카 졸이 이용된 것을 제외하고는 실시예 13과 동일한 방법으로 행하였다. MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다.
실시예 15
20 nm의 평균 입경 및 35 중량%의 콜로이드 실리카 고체 함량을 갖는 LudoxR TM 콜로이드 실리카 졸이 50 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM 대신에 이용된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. LudoxR TM은 E.I. DuPont deNemours, Inc.으로부터 구입할 수 있었다. MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다.
실시예 16
40 중량%의 콜로이드 실리카 고체 함량을 갖는 LudoxR TM 콜로이드 실리카 졸이 이용된 것을 제외하고는 실시예 14와 동일한 방법으로 행하였다. MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다.
실시예 17
35 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM 콜로이드 실리카 졸이 이용된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다.
실시예 18
40 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM 콜로이드 실리카 졸이 이용된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다.
실시예 MegasolTM 바인더 고체 함량(중량%) LudoxR HS 40 바인더 고체 함량(중량%) LudoxR HS 40 바인더 고체 함량(중량%) MOR-green MOR-fired
13 - 35 - 350 PSI 325 PSI
14 - 40 - 250 230
15 - - 35 400 780
16 - - 40 325 600
17 35 - - 650 1015
18 40 - - 820 1535
본 발명의 다른 구체예로 하기 실시예 19∼20에서 기술한 바와 같이, 칼륨 실리케이트가 Megasol과 함께 혼합되어 사용되었다. 칼륨 실리케이트 및 Megasol의 혼합물은 적어도 하나의 프라임 코우트 및 백업 코우트에서 존재하였다. 바람직하게 칼륨 실리케이트 및 Megasol의 혼합물은 프라임 코우트 조성물 및 백업 코우트 조성물 둘 다에 존재하였다. 프라임 코우트 및 백업 코우트 각각에 있어서, 칼륨 실리케이트는 Megasol의 50 중량% 이하로 존재할 수 있다. 바람직하게, 칼륨 실리케이트는 Megasol의 약 6∼8 중량%로 존재하고, 가장 바람직하게는 약 6 중량%로 존재한다.
실시예 19
프라임 및 백업 코우트에 이용되는 내화성 슬러리가 하기 표 4에 나타낸 조성물로 이루어진 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행되었다. 하기 표 4의 Megasol은 고체 함량이 40 중량%인 것이다.
재 료 양
MegasolTM 1 700 g
400 메쉬의 실리카2 1,375 g
PS 9400 계면활성제3 2 ㎖
칼륨 실리케이트4 16.8 g
상기에서, "1"은 Wesbond Corp로부터 입수 가능한 40 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM 콜로이드 실리카 졸 바인더이고, "2"는 용융된 실리카이고, "3"은 미합중국 버지니아주 윌리암스버그 소재, Buntrock Industries로부터 입수 가능한 계면활성제이고, 그리고 "4"는 SiO2/K2O의 중량비가 2.5이고, 8.3 중량%의 K2O, 20.8 중량%의 SiO2 및 29.1 중량%의 고체를 함유하는 카실 칼륨 실리케이트(Kasil Potassium silicate)로 PQ Corporation으로부터 입수 가능한 것이다.
MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1에서와 같이 측정되었다. MOR-green은 913 psi였고, MOR-fired는 1,424 psi였다.
실시예 20
프라임 및 백업 코우트가 하기 표 5에 나타낸 조성을 갖는 것을 제외하고는 실시예 19와 동일한 방법으로 행하였다.
재 료 양
MegasolTM 1 700 g
140 메쉬의 실리카2 1,375 g
PS 9400 계면활성제3 2 ㎖
칼륨 실리케이트4 22.4 g
상기에서, "1"은 Wesbond Corp로부터 입수 가능한 40 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM 콜로이드 실리카 졸 바인더이고, "2"는 용융된 실리카이고, "3"은 미합중국 버지니아주 윌리암스버그 소재, Buntrock Industries로부터 입수 가능한 계면활성제이고, 그리고 "4"는 SiO2/K2O의 중량비가 2.5이고, 8.3 중량%의 K2O, 20.8 중량%의 SiO2 및 29.1 중량%의 고체를 함유하는 카실 칼륨 실리케이트(Kasil Potassium silicate)로 PQ Corporation으로부터 입수 가능한 것이다.
MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다. MOR-green은 912 psi였고, MOR-fired는 1,362 psi였다.
본 발명의 다른 바람직한 구체예로 하기 실시예 21∼24에 나타낸 바와 같이, 상업적으로 작은 크기의 콜로이드 실리카 졸이 Megasol과 함께 혼합되어 사용되었다. 콜로이드 실리카 졸 및 Megasol의 혼합물은 적어도 하나의 프라임 코우트 및 백업 코우트에서 존재하였다. 바람직하게 콜로이드 실리카 졸 및 Megasol의 혼합물은 프라임 코우트 조성물 및 백업 코우트 조성물 둘 다에 존재하였다. 프라임 코우트 및 백업 코우트 각각에 있어서, 상업적으로 작은 크기의 콜로이드 실리카 졸은 Megasol의 18∼85 중량%로 혼합되어 존재할 수 있다.
상기에서 언급한 바와 같이 Megasol과 혼합될 수 있는 특히 상업적으로 유용한 작은 크기의 콜로이드 실리카 졸은 EKA Chemicals Co.로부터 입수 가능한 8 nm의 평균 입경 및 24 중량%의 실리카 고체 함량을 갖는 NYACOL 830이다. 그 외에도 이러한 구체예에 따른 Megasol과 혼합될 수 있는 다른 상업적으로 유용한 작은 크기의 실리카 졸은 약 12 nm, 14 nm, 20 nm 및 22 nm의 평균 입경을 가질 수 있다.
실시예 21
프라임 및 백업 코우트가 하기 표 6에 나타낸 조성물로 이루어진 것을 제외하고는 실시예 1와 동일한 방법으로 행하였다. 하기 표 6의 Megasol은 50 중량%의 고체 함량을 갖는 것이다.
재 료 양
MegasolTM 1 100 g
Tecosil 120F2 1,190 g
Zircon 3253 330 g
PS 9400 계면활성제4 2 ㎖
NYACOL 8305 562 g
상기에서, "1"은 Wesbond Corp로부터 입수 가능한 50 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM 콜로이드 실리카 졸 바인더이고, "2"는 용융된 실리카이고, "3"은 Continental Minerals로부터 입수 가능한 -325 메쉬의 입경을 갖는 하소된 플로리다 지르콘(Calcined Florida Zircon)이고, "4"는 미합중국 버지니아주 윌리암스버그 소재, Buntrock Industries로부터 입수 가능한 계면활성제이고, 그리고 "5"는 EKA Chemicals Co.로부터 입수 가능한 24 중량%의 실리카 고체를 함유하는 NYACOL 830이다.
MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다. MOR-green은 740 psi였고, MOR-fired는 1,618 psi였다.
실시예 22
MegasolTM이 172 g의 양으로 존재하고, NYACOL 830이 490 g의 양으로 존재하는 것을 제외하고는 실시예 21과 동일한 방법으로 행하였다.
MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다. MOR-green은 870 psi였고, MOR-fired는 1,493 psi였다.
실시예 23
MegasolTM이 542 g의 양으로 존재하고, NYACOL 830이 120 g의 양으로 존재하는 것을 제외하고는 실시예 21과 동일한 방법으로 행하였다.
MOR-green 및 MOR-fired는 실시예 1과 같이 측정되었다. MOR-green은 858 psi였고, MOR-fired는 1,668 psi였다.
본 발명의 다른 바람직한 구체예로 하기 실시예 24∼26에 나타낸 바와 같이, 칼륨 실리케이트, 상업적으로 작은 크기의 콜로이드 실리카 졸 및 MegasolTM을 이용하는 콜로이드 바인더가 적어도 하나의 프라임 코우트 및 백업 코우트에 이용되었다. 바람직하게 콜로이드 바인더는 프라임 코우트 및 백업 코우트 둘 다에 존재한다. 각각의 프라임 코우트 및 백업 코우트에 있어서, 칼륨 실리케이트, 작은 크기의 콜로이드 실리카 졸 및 MegasolTM은 다양한 양으로 콜로이드 바인더에 존재할 수도 있다. 이러한 본 발명의 구체예에서의 콜로이드 바인더에 존재할 수 있는 MegasolTM의 양은 콜로이드 바인더의 10∼87 중량%의 양이고, 칼륨 실리케이트는 콜로이드 바인더의 3∼8 중량%로 존재할 수 있고, 그리고 작은 크기의 입경을 갖는 콜로이드 졸은 콜로이드 바인더의 5∼87 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 이러한 바람직한 구체예에서, 칼륨 실리케이트는 PQ Corporation으로부터 입수 가능한 카실 칼륨 실리케이트(Kasil Potassium silicate)인 것이 바람직하다. 카질 칼륨 실리케이트는 SiO2/K2O의 중량비가 2.5이고, 8.3 중량%의 K2O, 20.8 중량%의 SiO2 및 29.1 중량%의 고체를 함유하는 것이다. 또한 이러한 구체예에서, 바람직한 작은 크기의 입경을 갖는 콜로이드 졸은 EKA Chemicals Co.로부터 8 nm의 평균 입경 및 24 중량%의 실리카 고체 함량을 갖는 NYACOL 830이다.
실시예 24
프라임 및 백업 코우트로 이용된 내화성 슬러리가 하기 표 7에 나타낸 조성물로 이루어진 것을 제외하고는 실시예 1와 동일한 방법으로 행하였다.
재 료 양
콜로이드 바인더1 1,000 g
Tecosil 120F2 1,500 g
Zircon 3253 400 g
PS 9400 계면활성제4 2 ㎖
상기에서, "1"은 Wesbond Corp로부터 입수 가능한 50 중량%의 고체 함량을 갖는 MegasolTM, 카실 칼륨 실리케이트 및 NYACOL 830으로 이루어진 혼합물이고, 상기에서 MegasolTM은 콜로이드 바인더의 87 중량%로 존재하고, 카실은 콜로이드 바인더의 8 중량%로 존재하고, 그리고 NYACOL 830은 콜로이드 바인더의 5 중량%로 존재하고; "2"는 44 내지 177 마이크론의 입경을 갖는 C-E Minerals로부터 입수 가능한 용융된 실리카이고, "3"은 Continental Minerals로부터 입수 가능한 -325 메쉬의 입경을 갖는 하소된 플로리다 지르콘(Calcined Florida Zircon)이고, 그리고 "4"는 미합중국 버지니아주 윌리암스버그 소재, Buntrock Industries로부터 입수 가능한 계면활성제이다.
실시예 25
MegasolTM이 콜로이드 바인더의 10 중량%로 존재하고, 카실이 콜로이드 바인더의 3 중량%로 존재하고, 그리고 NYACOL 830이 콜로이드 바인더의 87 중량%로 존재하는 콜로이드 바인더가 사용되는 것을 제외하고는 실시예 24와 동일한 방법으로 행하였다.
실시예 26
MegasolTM이 콜로이드 바인더의 57 중량%로 존재하고, 카실이 콜로이드 바인더의 5 중량%로 존재하고, 그리고 NYACOL 830이 콜로이드 바인더의 38 중량%로 존재하는 콜로이드 바인더가 사용되는 것을 제외하고는 실시예 24와 동일한 방법으로 행하였다.

Claims (20)

  1. 프라임 코우트 예비 성형물(prime coated preform)을 제조하기 위하여 열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 내화성 물질 및 콜로이드 실리카 졸로 이루어진 프라임 코우트 슬러리를 코팅하고;
    상기 프라임 코우트 예비 성형물을 건조시키고;
    내화성 백업 코우트 예비 성형물(back-up coated preform)을 제조하기 위하여 상기 프라임 코우트 예비 성형물에 내화성 물질 및 콜로이드 실리카 졸로 이루어진 내화성 백업 코우트 슬러리를 코팅하고;
    상기 내화성 백업 코우트 예비 성형물을 건조시키고;
    그린 쉘 주형(green shell mold)을 제조하기 위하여 상기 내화성 백업 코우트 예비 성형물로부터 상기 열가소성 패턴을 제거하고; 그리고
    세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)을 제조하기 위하여 충분한 온도로 상기 그린 쉘 주형을 가열하는;
    단계로 이루어지고, 상기 프라임 코우트 슬러리 또는 내화성 백업 코우트 슬러리에 있어서 상기 콜로이드 실리카 졸(sol)이 40 nm의 평균 입경을 갖는 수성 콜로이드 실리카 졸인 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형(investment casting mold)의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프라임 코우트 예비 성형물 또는 내화성 백업 코우트 예비 성형물을 건조시키는 단계 이전에, 상기 프라임 코우트 예비 성형물 또는 내화성 백업 코우트 예비 성형물에 스터코우 물질(stucco material)을 바르는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 콜로이드 실리카 졸이 6∼190 nm의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 콜로이드 실리카 졸이 20 nm의 입자 표준 편차를 갖는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 콜로이드 실리카 졸이 0.02∼0.35 중량%의 나트륨 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 콜로이드 실리카 졸이 30∼50 중량%의 고체 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 콜로이드 실리카 졸이 40 중량%의 고체 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 프라임 코우트 슬러리가 용융된 실리카 및 지르콘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 내화성 그레인(refractory grain)을 포함하고, 상기에서 내화성 그레인은 -200 내지 -350 메쉬의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 내화성 백업 코우트 슬러리가 -80 내지 -270 메쉬의 입경을 갖는 용융된 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  10. 제2항의 방법에 의해 제조된 인베스트먼트 주조 주형.
  11. 프라임 코우트 예비 성형물(prime coated preform)을 제조하기 위하여 열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 내화성 물질, 및 실리카 졸과 칼륨 실리케이트를 포함하는 콜로이드 바인더(colloidal binder)로 이루어진 프라임 코우트 슬러리를 코팅하고;
    상기 프라임 코우트 예비 성형물을 건조시키고;
    내화성 백업 코우트 예비 성형물(back-up coated preform)을 제조하기 위하여 상기 프라임 코우트 예비 성형물에 내화성 물질 및 콜로이드 실리카 졸로 이루어진 내화성 백업 코우트 슬러리를 코팅하고;
    상기 내화성 백업 코우트 예비 성형물을 건조시키고;
    그린 쉘 주형(green shell mold)을 제조하기 위하여 상기 내화성 백업 코우트 예비 성형물로부터 상기 열가소성 패턴을 제거하고; 그리고
    세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)을 제조하기 위하여 충분한 온도로 상기 그린 쉘 주형을 가열하는;
    단계로 이루어지고, 상기 프라임 코우트 슬러리 또는 내화성 백업 코우트 슬러리에 있어서 상기 콜로이드 실리카 바인더에 이용되는 상기 실리카 졸(silica sol)이 약 40 nm의 평균 입경을 갖는 수성 콜로이드 실리카 졸인 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형(investment casting mold)의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 프라임 코우트 예비 성형물 또는 내화성 백업 코우트 예비 성형물을 건조시키는 단계 이전에, 상기 프라임 코우트 예비 성형물 또는 내화성 백업 코우트 예비 성형물에 스터코우 물질을 바르는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 칼륨 실리케이트는 40 nm의 평균 입경을 갖는 콜로이드 실리카 졸의 50 중량% 이하로 존재하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 칼륨 실리케이트는 40 nm의 평균 입경을 갖는 콜로이드 실리카 졸의 6∼8 중량%로 존재하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 칼륨 실리케이트는 40 nm의 평균 입경을 갖는 콜로이드 실리카 바인더의 6 중량%로 존재하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  16. 제12항의 방법에 의해 제조된 인베스트먼트 주조 주형.
  17. 프라임 코우트 예비 성형물(prime coated preform)을 제조하기 위하여 열가소성 물질의 소모성 패턴(expendable pattern)에 내화성 물질 및 콜로이드 바인더(colloidal binder)로 이루어진 프라임 코우트 슬러리를 코팅하고;
    상기 프라임 코우트 예비 성형물을 건조시키고;
    내화성 백업 코우트 예비 성형물(back-up coated preform)을 제조하기 위하여 상기 프라임 코우트 예비 성형물에 내화성 물질 및 콜로이드 실리카 졸로 이루어진 내화성 백업 코우트 슬러리를 코팅하고;
    상기 내화성 백업 코우트 예비 성형물을 건조시키고;
    그린 쉘 주형(green shell mold)을 제조하기 위하여 상기 내화성 백업 코우트 예비 성형물로부터 상기 열가소성 패턴을 제거하고; 그리고
    세라믹 쉘 주형(ceramic shell mold)을 제조하기 위하여 충분한 온도에서 상기 그린 쉘 주형을 가열하는;
    단계로 이루어지고, 상기 프라임 코우트 슬러리 또는 내화성 백업 코우트 슬러리에 있어서 상기 콜로이드 바인더는 40 nm의 평균 입경을 갖는 수성 콜로이드 실리카 졸, 8 nm의 평균 입경을 갖는 수성 콜로이드 실리카 졸, 및 칼륨 실리케이트의 혼합물인 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형(investment casting mold)의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 프라임 코우트 예비 성형물 또는 내화성 백업 코우트 예비 성형물을 건조시키는 단계 이전에, 상기 프라임 코우트 예비 성형물 또는 내화성 백업 코우트 예비 성형물에 스터코우 물질을 바르는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 콜로이드 바인더를 구성하는 상기 40 nm의 평균 입경을 갖는 콜로이드 실리카 졸은 상기 콜로이드 바인더의 10∼87 중량%의 양으로 존재하고, 칼륨 실리케이트는 상기 콜로이드 바인더의 3∼8 중량%의 양으로 존재하고, 그리고 상기 8 nm의 평균 입경을 갖는 작은 입경의 콜로이드 졸은 상기 콜로이드 바인더의 5∼87 중량%의 양으로 상기 콜로이드 바인더 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 인베스트먼트 주조 주형 제조 방법.
  20. 제18항의 방법에 의해 제조된 인베스트먼트 주조 주형.
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