KR100749368B1 - 용융주조법에 의한 현무암 타일의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용융주조법에 의한 현무암 타일의 제조방법에 관한 것으로, 자체만으로는 내열충격 및 내마모성이 비교적 약한 현무암에 대해 내마모 및 내열충격성을 갖는 것으로 알려진 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)을 원석의 용융온도로 용융 후 주조시 흐름성에 문제가 생기지 않는 10% 이하의 일정범위로 첨가하고 이를 2차례의 걸친 결정화 및 열처리 과정을 거치게 함으로서, 기존의 단순 가공하거나 용융시켜 냉각 제작한 현무암 제품에 비해 내구성 및 내열, 내마모성을 획기적으로 향상시킨 현무암 타일을 제공할 수 있다.
현무암, 내열, 내마모성, 용융, 결정화, 주조, 열처리

Description

용융주조법에 의한 현무암 타일의 제조방법 {A manufacturing method of basalt tile with melt die-casting}
도 1은 본 발명의 용융주조법에 의한 현무암 타일의 제조방법을 보인 단계별 처리공정도.
도 2와 도 3은 본 발명의 용융주조법에 의한 제조방법으로 생산되는 현무암 타일의 시험결과표와 용융 현무암의 전자현미경(SEM) 사진.
본 발명은 자체만으로는 내열충격 및 내마모성이 비교적 약한 현무암을 고기능성 신소재로서 내열충격 및 내마모성이 향상시킨 현무암 타일의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 분쇄한 현무암 원석에 R2O3을 첨가하여 용융, 주조 및 결정화시켜 내열 및 내마모성이 획기적으로 향상시킬 수 있는 용융주조법에 의한 현무암 타일의 제조방법에 관한 것이다.
잘 알려져 있는 바와 같이, 현무암(Basalt)은 화산암의 일종으로 대부분의 경우 화산 폭발시 분출된 용암류가 지표 근처에서 식어서 생성된 암석류로 지하 깊은 곳에서 굳어진 화강암과는 구별되는데, 주로 감람석, 희석, 사장석 및 자철석 등의 광물조성으로 구성된다.
이러한 현무암은 생성지역 및 시기에 따라 화학성분들이 다르게 함유되어 있는데, SiO2가 주성분이고 Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, TiO2, K2O, P2O5 등의 산화물이 포함된 성분특성을 가지며, 특히 융용점은 1,300-1,500℃ 정도로서 다른 세라믹 재료들에 비해 낮은 편이고 산, 알칼리에 대한 내약품성 및 내마모성이 우수한 것으로 알려져 있다.
그런데 이와 같은 우수한 성질에도 불구하고 고도의 주조 및 열처리 기술이 요구되기 때문에, 현무암에 대한 지금까지의 산업적 이용은 단지 원석을 단순 가공하여 석물, 골재, 벽돌, 생활용품 등에 이용하거나, 또는 원석을 용융하여 일정 모양의 금형에 부어 자체 냉각시켜 이를 공예품이나 건축용 벽돌에 사용하는 정도로 제한적인 범위에서만 이용되고 있는 실정이다.
또한 기존 기술로 제조된 현무암 제품은 다공질이어서 조직이 친밀하지 못하여 내구성이 취약하며, 용융제품은 상대적으로 친밀한 조직은 갖으나 현무암 자체만으론 내열충격 및 향상된 내마모성을 기대하기 어렵고, 결정화의 열처리 과정 없이는 제조 공정상 쉽게 크랙이 발생할 수 있으며, 크기가 큰 관제품이나 구조가 복잡한 제품은 제조하기조차 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로, 자체만으로는 내열충격 및 내마모성이 비교적 약한 현무암에 대해 내마모 및 내충격성을 갖는 것으로 알려진 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)을 원석의 용융온도 범위 내에서 주조시 흐름성에 문제가 생기지 않는 10중량% 이하의 일정 범위로 첨가하고 이를 2차례의 결정화 및 열처리 과정을 거치게 함으로서 기존의 단순 가공하거나 용융시켜 냉각 제작한 현무암 제품에 비해 내구성 및 내열, 내마모성을 획기적으로 향상시킨 용융주조법에 의한 현무암 타일의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용융주조법에 의한 현무암 타일의 제조방법은, 현무암 원석을 1-3㎜의 미세입자로 분쇄하는 원석의 분쇄단계와, 분쇄된 현무암 원석에 대해 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)을 1-10중량%로 배합하는 R2O3 혼합단계와, 혼합물을 내열도가니에 넣어 전기로에서 1,300-1,350℃로 용융하는 혼합물 용융단계와, 용융된 현무암 혼합물을 예열된 금속제 몰드에 부어 탈형하는 혼합물 주조단계와, 주조된 현무암 타일을 1,200-850℃에서 1차 열처리시켜 결정화하는 1차 열처리단계와, 1차 열처리한 현무암 타일을 850℃에서 실온까지 2차 열처리시켜 결정화하는 2차 열처리단계를 기본적으로 포함하며, 이와 같 은 처리과정을 통해 생성된 현무암 타일을 최종적으로 가공 및 연마단계를 통해 용도에 맞게 가공 및 연마하여 제품 생산하게 된다.
특히 상기 R2O3 혼합단계에서 현무암 원석에 대해 R2O3가 1-10중량%로 배합된 현무암 혼합물을 볼밀을 통해 건식으로 30분 정도 혼합 분쇄하며, 상기 혼합물 주조단계에서 금속제 몰드는 700-900℃로 미리 예열되고 주조 탈형시의 시간은 10분 이내로 처리하는 것을 기술적 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 용용주조법을 통해 내열성 및 내마모성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 현무암 타일의 제조방법에 대한 구현원리를 바람직한 실시예로서 명확하고 쉽게 이해될 수 있도록 상세히 설명한다.
기본적으로 자체만으로는 내열충격 및 내마모성이 비교적 약한 현무암 원석을 일정크기의 미세입자로 분쇄 가공하고, R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)을 상기 미세입자의 현무암 원석에 대해 10% 내의 중량비로 배합하여 일정시간 혼합 분쇄하며, 내열도가니에 넣어 충분한 유동성을 갖도록 용융시키고 이를 몰드에 부어 현무암 타일로서 주조시킨 다음, 탈형된 현무암 타일을 2차에 걸친 급냉과 서냉의 결정화 및 열처리 과정을 통해 제품 표면의 유리화가 이루어져 내구성이 향상된 현무암 타일을 제조할 수 있다.
이를 도 1의 처리단계별 공정도를 참조하여 상세히 설명하면, 먼저 현무암 원석을 1-3㎜의 조립자(미세입자)로 분쇄하는 원석의 분쇄단계를 거친다. 이때 분쇄되는 현무암 원석의 더 큰 입자도 용융에는 큰 문제가 없지만 미분쇄할 수록 초 기의 용융시간을 줄일 수 있다.
그리고 분쇄된 현무암에 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)을 1-10% 내의 중량비로 배합하여 볼밀(Ball-mill)에서 건식으로 30분 혼합 분쇄하는 R2O3 혼합단계를 거친다. 이때 상기 R2O3는 보통 극미량으로 용액 속에 남아 있게 되는 알루미늄, 철분 그리고 미량의 크롬 등의 침전물로 산화알루미늄, 산화철, 산화크롬 중 어느 하나이며, 이를 현무암에 소정의 비율로 배합시켜 용융시키게 된다.
그 후 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)가 포함된 현무암 혼합물을 내열도가니에 넣어 전기로에서 원석의 용융온도 범위인 1,300-1,350℃로 용융온도의 상승 없이 용융시키는 혼합물 용융단계를 거친다. 현무암의 용융온도는 그 구성성분에 따라 다르며 1,300-1,500℃에서 이루어지게 되는데, 특히 1,300-1,350℃에서 용융된 현무암은 충분한 유동성을 갖게 되므로 몰드에 부어 주조가 가능하게 된다.
또한 분쇄된 현무암 원석에 혼합되는 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)는 혼합비가 만약 10중량％를 초과하게 되면 급격한 용융온도의 상승이 일어날 수 있어, 혼합물 주조단계에서 주조시 몰드에서 흐름성에 문제가 생길 수 있을 뿐만 아니라 용융점 상승에 따른 비용도 증가하게 되므로 원석의 용융온도 범위 내에선 10중량％를 초과하지 않는 소량범위로 배합됨이 바람직하다. 그리고 700-900℃로 미리 예열된 금속제 몰드에 R2O3가 배합된 현무암 혼합물을 부어 신속히 주조하는 혼합물 주조단계를 거친다. 이때 금속제 몰드는 표면에 이형재나 샌드(Sand)를 붙 여 탈형을 쉽게 할 수 있고 내구성이 있어 수백회의 재사용이 가능하며 여러 모양의 몰드 제작도 쉽다.
특히 혼합물 주조단계에서의 제품의 탈형시간은 타일의 두께에 따라 다를 수 있으나 10분 이내로 함이 바람직하다. 이는 10분 이상이 되면 표면과 내부의 열팽창계수차에 의해 균열이 발생할 수 있으므로 10분 이하의 짧은 시간 내에 신속하게 몰드로부터 주조된 현무암 타일을 탈형시킨다.
그리고 주조 탈형된 현무암 타일은 1,200-850℃에서 결정화 열처리하는 1차 열처리단계를 거침으로서 희석, 장석, 각섬석 등의 결정상의 1차 결정화가 진행된다.
계속해서 1차 열처리단계를 거친 현무암 타일을 850℃-실온까지 하루 정도의 24시간에 걸친 제품의 2차 결정화 및 서냉 열처리과정의 2차 열처리단계를 거침으로서, 자체만으로는 내열충격 및 내마모성이 비교적 약한 현무암 원석을 내구성 및 내열, 내마모성이 획기적으로 향상된 현무암 타일을 생성시킬 수 있다.
이는 주조 탈형된 현무암 타일에 대해 2차에 걸친 급냉과 서냉의 결정화 및 열처리 과정을 통해 제품 표면의 유리화가 결정화되어 내구성이 향상될 수 있다. 즉, 주조시 1차 열처리시의 급냉에 의해 생성된 제품 표면의 1차적인 유리화가 2차 열처리의 서냉을 통해 다시 2차 결정화가 되어 더욱더 내구성이 향상된 현무암 타일이 형성될 수 있다.
그리고 이렇게 제조된 현무암 타일을 최종적으로 용도에 맞게 가공 및 연마하는 가공 및 연마단계를 통해 소정의 고기능성 제품인 현무암 타일을 생산한다.
따라서 이와 같은 단계별 처리과정의 제조방법을 통해 제품 생성된 본 발명의 현무암 타일은, 1-3㎜의 미세입자로 분쇄한 현무암 원석에 대해 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)를 10중량% 이하로 배합비로 혼합시켜 이를 소정온도에서 용융시키고 주조시킨 다음, 일정온도의 급냉과 서냉의 2차에 걸친 열처리에 의해 내열충격 및 내마모성이 우수한 현무암 타일을 생산할 수 있다.
즉, 본 발명에 대한 도 2의 시험결과표 및 도 3의 주사전자현미경(SEM) 사진을 통해 알 수 있듯이, 현무암 원석에 대한 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)의 배합비가 9중량% 이하일 때 2차에 걸쳐 결정화되는 현무암 타일의 열팽창계수 및 마모량이 점차 감소하였으며, 상기 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)의 배합비가 10중량% 이상으로 증가하게 되면 용융온도의 상승으로 비용이 증가하거나 원석의 용융온도 범위 내에서 친밀한 주조가 어려워 이들 열팽창계수 및 마모량이 감소하지 못하고 증가하게 되므로, 본 발명의 현무암 타일의 제조방법에서는 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)를 10중량% 이하로 미세하게 분쇄시킨 현무암 원석에 배합시키는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 상기와 같은 용융주조법에 의한 내열 및 내마모성이 향상된 현무암 타일의 제조를 통해 단순 가공 및 용융제품에서 고기능성 현무암 제품의 생산이 가능할 수 있다. 이는 내열충격 및 내마모성이 우수한 본 발명의 제조방법에 의한 현무암 타일을 마모나 열충격이 심한 원료의 이송관로나 저장고 등의 산업분야에 폭넓게 적용시킬 수 있다.
따라서 이와 같은 방법에 의해서 단순 가공 및 용융에 머물러 있든 현무암을 고기능성 신소재로 개발할 수 있고, 내열충격 및 내마모성이 향상된 산업용 및 건축용 현무암 타일을 제조할 수 있으며, 이는 결과적으로 결정화 및 열처리 방법의 개선에 따라 구조가 복잡하거나 큰 제품까지도 그 생산이 가능할 뿐만 아니라, 원형의 주조관도 생산이 가능한 등의 효과가 제공될 수 있다.

Claims (3)

  1. 현무암 원석을 1-3㎜ 미세입자로 분쇄하는 원석의 분쇄단계와,
    분쇄된 현무암 원석에 대해 R2O3(산화알루미늄, 산화철, 산화크롬)을 1-10중량%로 배합하는 R2O3 혼합단계와,
    혼합물을 내열도가니에 넣어 전기로에서 원석의 용융온도 범위인1,300-1,350℃로 용융하는 혼합물 용융단계와,
    용융된 현무암 혼합물을 700-900℃로 예열된 금속제 몰드에 부어 10분 이내로 신속히 탈형하는 혼합물 주조단계와,
    주조된 현무암 타일을 1,200-850℃에서 1차 열처리시켜 결정화하는 1차 열처리단계와,
    1차 열처리한 현무암 타일을 850℃에서 실온까지 2차 열처리시켜 결정화하는 2차 열처리단계를 포함한 것을 특징으로 용융주조법에 의한 현무암 타일의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 R2O3 혼합단계에서 현무암 원석에 대해 R2O3가 1-10중량%로 배합된 현무암 혼합물을 볼밀을 통해 건식으로 30분 정도 혼합 분쇄하는 것을 특징으로 하는 용융주조법에 의한 현무암 타일의 제조방법.
  3. 삭제
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