KR100893423B1

KR100893423B1 - 주형 조형방법 및 그 주형

Info

Publication number: KR100893423B1
Application number: KR1020077001266A
Authority: KR
Inventors: 노리히로 아사노; 토시히코 젠포; 마사야 호타; 카즈유키 니시카와
Original assignee: 신토고교 가부시키가이샤
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2009-04-17
Also published as: KR20070030906A

Abstract

주형을 조형하는 주형 조형방법에 있어서는, 입자형상 골재, 점결제로서의 복수 종류의 수용성 바인더, 이 수용성 바인더와 가교반응을 일으키는 가교제, 페놀 수지 및 물을 혼합하고 또 교반하여 발포시킴으로써, 버블링된 유동성의 골재혼합물을 제조한다. 이 버블링된 유동성 골재혼합물을 주형 조형공간에 충전한다. 이 충전된 유동성 골재혼합물로부터 수분을 증발시키고, 이 골재혼합물을 고화시킴으로써, 고화된 골재혼합물로 이루어지는 주형을 얻는다.

Description

주형 조형방법 및 그 주형{MOLDING PROCESS AND MOLDS MADE BY THE PROCESS}

본 발명은, 복수 종류의 수용성 바인더를 점결제(粘結劑)로서 이용하여, 입자형상 골재(骨材)에 의해 주형(鑄型)을 조형(造型)하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 주형에 관한 것이다.

근래, 붕괴성(崩壞性, ability to collapse)이 우수한 주형을 얻기 위해서, 예컨대 일본 특개평11-129054호 공보에 기재된 바와 같이, 점결제로서 복수 종의 수용성 바인더(binder)를 이용하여, 입자형상 골재에 의해 주형을 조형하는 방법이 제안되어 있다. 이 방법에 있어서는, 수용성 바인더와 입자형상 골재를 교반(攪拌)하여 골재 혼합물을 제조한다.

그러나, 이 방법에 있어서는 골재 혼합물을 주형 조형용 공간에 불어넣어 충전하면, 그 충전밀도 분포가 비효율적이라고 하는 문제가 있다. 이러한 문제는, 특히 복잡한 형상의 주형, 즉 그것에 대응하는 조형용 공간이 복잡한 윤곽(輪郭)을 가지는 경우에 현저하다.

따라서, 붕괴성이 우수한 주형을 얻고, 아울러 골재 혼합물을 주형 조형용 공간에 효율적인 충전밀도 분포로 불어넣어 충전가능한 주형 조형방법이 요구된다.

본 발명에서 「입자형상 골재」란, 규사(珪砂, quartz sand), 알루미나사(alumina sand), 올리빈사(Orry bottle sand), 크로마이트사(chromite sand), 지르콘사(zircon sand), 뮬라이트사(mullite sand), 각종의 인공사(synthetic sand)(또는 인공골재) 등 중의 1종 이상의 것으로 이루어지는 내열성 입상물(粒狀物)이다.

본 발명에 관한 주형을 조형하는 주형 조형방법은,

a) 입자형상 골재와, 점결제로서 복수 종류의 수용성 바인더와, 이 수용성 바인더와 가교(架橋) 반응을 일으키는 가교제와, 페놀 수지를 혼합하고 또 교반하여 발포시킴으로써, 유동성의 골재 혼합물을 제조하는 공정과,

b) 유동성의 골재 혼합물을 주형 조형공간에 충전하는 충전공정과,

c) 충전한 유동성의 골재 혼합물로부터 수분을 증발시켜, 이 골재 혼합물을 고화(固化)시킴으로써, 고화된 골재 혼합물로 이루어지는 주형을 얻는 고화공정을 포함한다.

골재 혼합물에서의 수용성 바인더의 함유량은, 입자형상 골재 100중량부(wt%)에 대하여 0.1 내지 5.0중량부(wt%)인 것이 바람직하다. 이것은 0.1중량부 미만에서는 충분한 강도를 갖는 주형이 얻어지지 않으며, 또한 5.0 중량부를 초과하면, 얻어진 주형이 과잉 강도를 갖기 때문이다.

본 발명의 주형 조형방법에 의해 조형되는 주형은, 예컨대 철계 금속의 주조에 사용하는 코어(core)이다. 이와 같은 코어에 철계 금속의 용탕(溶湯)을 주입하면, 수용성 바인더는 용이하게 휘발(揮發)되거나 분해되므로, 코어를 주물(molded product)로부터 용이하게 제거할 수 있다.

본 발명의 방법에서의 수용성 바인더는, 상온(常溫)의 물에 용해될 수 있으며, 또한 수분을 증발시킴으로써 굳는 점결제로, 예컨대 당류(糖類), 단백질(蛋白質), 수지 등이다.

당류로는, 특히 전분(澱粉) 또는 그 유도체, 및 사포닌(saponin) 등의 다당류, 또는 사탕(砂糖) 등의 이당류(二糖類)가 바람직하다. 다만, 사탕은 자당(simple sugar)으로서 포도당과 과당이 1개씩 결합한 당류이다. 사탕의 예로서는 상백당(highly refined sugar), 그래뉴당(granulated sugar)을 들 수 있다.

수지로서는, 비누화도(saponification) 80 ~ 95mol%의 폴리비닐알콜 또는 그 유도체, 상온의 물에 용해가능한 페놀수지가 바람직하다. 일반적으로 페놀수지는 유기용제로 희석되어 있지만, 여기서는 수용성의 페놀 수지를 이용한다.

폴리비닐알콜 유도체의 예로서는, 아세트산기(acetic acid group), 카르복실기(carboxyl group), 낙산기(butyric acid group), 실라놀기(silanol group) 등 함유 폴리비닐알콜을 들 수 있다.

전분의 예로서는, 감자, 옥수수, 타피오카(tapioca) 및 소맥(wheat) 등에서 유래한 α화 전분, 덱스트린을 들 수있다. 전분 유도체의 예로서는, 에테르화 전분, 에스테르화 전분 및 가교 전분을 들 수 있다.

본 발명에 이용되는 수용성 바인더는 입수가 용이하다. 특히, α화 전분, 덱스트린, 사탕 등은 저렴하다.

여기서, α화 전분, 덱스트린 또는 그 유도체, 사포닌, 사탕, 비누화도 80 ~ 95mol%의 폴리비닐알콜 또는 그 유도체는 상온의 물에 용해가능하다.

본 발명에 의한 주형 조형방법에 있어서, 골재 혼합물에서의 페놀 수지의 함유량은, 입자형상 골재 100중량부(wt%)에 대하여 0.05 내지 0.50중량부인 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 의한 주형은, 입자형상 골재 100중량부에 대하여 0.05 내지 0.50중량부의 페놀 수지를 함유하는 것이 바람직하다. 페놀 수지가 입자형상 골재 100중량부에 대하여 0.05중량부 미만에서는 충분한 내열성을 가지는 주형이 얻어지지 않으며, 또한 0.50중량부를 초과하면 후술하는 가교제의 효과를 저해하기 때문이다.

본 발명의 방법에 있어서, 수용성 바인더와 가교 반응을 일으키는 가교제를 첨가하는 것에 의해, 수용성 바인더로 피복되고 또한 골재를 구성하는 입자 상호간의 결합이 강화되며, 게다가 수용성 바인더와 물분자와의 반응이 일어나기 어려워지므로, 조형된 주형은 높은 습도(濕度)하에서도 충분한 강도 특성을 유지할 수 있다.

본 발명의 방법에 사용하는 가교제로는, 에스테르 결합에 의한 가교를 하는 옥살산(oxalic acid), 말레산(maleic acid), 호박산(succinic acid), 구연산(citric acid), 부탄테트라카르복시산(butane tetra carboxylic acid) 등의 카르복실기를 가지는 화합물 및 메틸비닐에테르-무수말레산 공중합체(methyl vinyl ether-maleic anhydride copolymer), 이소부틸렌-무수말레산 공중합체(isobutylene-maleic anhydride copolymer)와 같은 수용액으로 되면 카르복실기를 가지는 화합물이다. 바람직하게는, 주형의 조형시 또는 주탕(注湯)시에 있어서 유해 가스의 발생이 적은 에스테르 결합을 하는 가교제, 즉 카르복실기를 가지는 가교제를 사용한다.

본 발명의 방법에서의 가교제의 첨가량은, 수용성 바인더에 대하여 5 ~ 300 중량%인 것이 바람직하다. 5중량%를 채우지 않으면 가교 반응에 의한 효과가 불충분하며, 얻어진 주형이 높은 습도하에 놓인 경우에 충분한 강도를 유지할 수 없다. 또한, 300중량%를 초과하여도, 얻어진 주형이 높은 습도 하에 놓인 경우에 충분한 강도를 유지할 수 있지만, 그 효과는 300중량%의 효과와 다르지 않다.

또, 가교제는 수용액으로서 이용하는 것이 바람직하며, 예컨대 부탄테트라 카르복시산, 구연산, 메틸비닐에테르-무수말레산 공중합체의 경우는, 10중량% 이상의 농도로 하면 된다.

본 발명의 방법에서의 가교 반응은, 주형을 주형 조형용 공간으로부터 꺼내기 전에, 또는 꺼낸 후에 이루어진다. 주형을 조형용 공간으로부터 빼낸 후에 가교반응을 일으키는 경우에는, 예컨대 온도 220℃의 분위기하에서 20분 정도, 또는 온도 250℃의 분위기하에서 10분 정도, 보다 높은 온도에서는 보다 짧은 시간에 가교 반응시키면 된다.

본 발명의 방법에서와 같이, 골재 혼합물을 교반하고 버블링(bubbling, 泡立)하여, 다수의 미세한 기포를 발생시킴으로써, 골재 혼합물은 뛰어난 유동성을 얻는다. 골재 혼합물의 기포(氣泡)율은, 수용성 바인더의 첨가량, 물의 첨가량에 따라 변화하지만, 유동성을 얻기 위해서는, 실험에 따르면 50 내지 80%가 바람직하다.

여기서, 기포율(%)은 다음 식에 의해 구해진다.

기포율(%) = {(혼합물 전체의 체적)-(입자형상 골재, 수용성 바인더 및 물의 체적)/(혼합물 전체의 체적)} x 100

유동성 골재 혼합물의 발포 공기를 균일하게 분산시킴으로써, 유동성 골재 혼합물을 주형 조형용 공간에 가압 충전할 때에, 그 유동성을 향상시킬 수 있다. 이 발포에 의해 입자형상 골재는 유동하여 균일하게 분산된다.

골재 혼합물을 발포시키기 위한 교반을 행하는 수단은, 골재혼합물의 성분을 혼합하기 위해 사용한 교반기를 겸용하여도 좋고, 그것과는 별도의 교반기를 이용하여도 좋다. 교반은, 발포 공기를 생성시키는 동시에, 이 발포공기를 유동성 골재혼합물 중에 균일하게 분산시킬 수 있다.

본 발명의 방법에서의 충전 공정에서는, 고체(固體)의 가압 수단(pressing means)에 의해, 또는 압축기체에 의해, 유동성 골재 혼합물을 가압함으로써 주형 조형용 공간에 충전시켜도 좋다. 어느 경우에도, 유동성 골재 혼합물을 수용하는 실린더를 이용할 수 있다. 이 유동성 골재 혼합물이 투입된 실린더에 대하여, 피스톤(고체의 가압 수단)을 압입(壓入)하여 유동성 골재 혼합물을 실린더로부터 토출시키고, 주형 조형용 공간에 충전할 수 있다. 또는, 이 실린더 상단(上端) 개구부를 기밀하게 폐쇄하고, 실린더 내에 투입된 유동성 골재 혼합물의 상면에 압축공기(압축기체)를 공급하여 가압함으로써, 피스톤을 이용한 경우와 동일한 충전이 행해진다.

본 발명의 방법에 있어서, 충전한 유동성의 골재 혼합물로부터 수분을 증발시키기 위해서는, 주형 조형용 공간을 구성하는 금형 등을 고온으로 가열하여도 좋고, 가열 수증기 또는 마이크로파를 유동성 골재 혼합물에 조사(照射)하여도 좋다. 이에 대신하여, 유동성 골재 혼합물을 충전한 주형 조형용 공간을 진공 환경하에 방치하여 진공 건조시켜도 좋고, 또는 주형 조형용 공간 내의 유동성 골재 혼합물을 통기건조시켜도 좋다.

주형 조형용 공간을 구성하는 금형을 고온으로 가열한 후에, 이 금형에 버블링된 유동성 골재 혼합물을 충전하고, 이 유동성 골재 혼합물 중의 수분을 증발시키면, 교반에 의해 유동성 골재 혼합물 중에 분산된 기포 및 수용성 바인더 중의 수분이, 금형의 열에 의해 유동성 골재 혼합물로 이루어지는 주형의 중심부에 모인다. 따라서, 그 중심부에서의 입자형상 골재의 충전 밀도가 낮아진다. 이 저밀도화에 의해, 수용성 바인더의 분해에 의한 가스 등의 배출이 용이하게 되며, 게다가 필요한 주형을 얻기 위한 입자형상 골재와 수용성 바인더의 사용량을 삭감할 수 있다.

본 발명의 주형은, 페놀 수지를 입자형상 골재 100 중량부(wt%)에 대하여 0.05 ~ 0.50중량부 함유함으로써, 내열성이 향상하므로, 예컨대 1300℃ 이상의 고온의 용탕 금속에 대해서도 사용가능하게 된다. 이와 같은 주형은, 특히 철계 금속(ferrous metals)의 주조에 사용하는 코어로서의 사용에 바람직하다.

유동성이 향상된 골재 혼합물은 복잡한 윤곽의 조형 공간에 효율적으로 충전될 수 있으므로, 소망하는 주형을 얻을 수 있다.

본 발명의 주형 조형방법의 제1 실시예에서는 코어를 조형하였다. 이 실시예 에서는 이하의 골재혼합물 A를 얻었다.

[표 1] 골재 혼합물 A의 조성(물을 제외함)

입자형상 골재(내열성 입상물) : 규사(플래터리 샌드(Flattery sand) 100중량부(wt%)

수용성 바인더(점결제) : 폴리비닐알콜(JP-05 일본 VAM Poval Co.,Ltd. 제작) 0.3 중량부, 및 전분(덱스트린 NSD-L Nissi Co.,Ltd. 제작) 0.8중량부

수용성 페놀 수지 : 페닉스(Phoenix)510AL-2(Kobe Rikagaku Kogyo Co.,Ltd. 제작) 0.3 중량부

가교제 : 구연산(Fuso Chemical Co.,Ltd. 제작) 0.8중량부

표 1에 나타내는 조성의 골재혼합물과, 물 5중량부를 혼합기(Aiko Manufacturing Co.,Ltd.제의 데스크탑 믹서(desktop mixer))를 이용하여 회전수 약 200rpm으로 약 3분간 교반혼합하여 발포시키고, 기포율 약 60%의 버블링된 유동성 골재 혼합물 A를 제조하였다(제조공정). 이어서, 이 버블링된 유동성 골재혼합물을 실린더에 투입하고, 계속하여(예컨대, 내장 카트리지 히터에 의해) 온도 250℃로 가열된 금형(metal die)에서의 용량 약 70cm³의 캐비티 내에 약 80g의 유동성 골재 혼합물을 피스톤(고체의 가압수단)으로 가압하면서 충전하였다(충전 공정).

가열된 금형에 충전된 유동성 골재 혼합물을 90초간 방치하고, 금형의 열에 의해 수분을 증발시켜, 유동성 골재 혼합물을 고화시키고(고화공정), 코어를 조형하였다.

이 코어의 주탕 테스트를 행하였다. 에탄올계 도형제(mold wash)(쓰리코트(three coat) MTS-720A, Mikawakousan Co.,Ltd. 제작)를 도포한 코어와, 도형제를 도포하지 않은 코어를 각각 내장한 2종류의 주형에, 온도 1370℃의 주철(FC250)의 용탕을 주입하였더니, 도형을 실시한 코어는 물론, 도형을 하지 않은 코어에서도 주조결함, 코어의 변형의 발생은 없으며, 양호한 주물이 얻어졌다. 또한, 주물로부터 코어를 용이하게 제거할 수 있었다.

본 발명의 주형 조형방법의 제2 실시예에서는 이하의 골재 혼합물 B를 얻었다.

[표 2] 골재혼합물 B의 조성(물을 제외함)

가교제 : 구연산(Fuso Chemical Co.,Ltd. 제작) 0.8중량부

표 2에 나타내는 조성의 골재혼합물과 물 5중량부를 혼합기(Aiko Manufacturing Co.,Ltd.제의 데스크탑 믹서(desktop mixer))를 이용하여 회전수 약 200rpm으로 약 3분간 교반 혼합하여 발포시키고, 기포율 약 60%의 버블링된 유동성 골재 혼합물 A을 제조하였다(제조공정). 이어서, 이 버블링된 유동성 골재 혼합물을 실린더에 투입하고, 계속하여 (예컨대, 내장 카트리지 히터에 의해) 온도 250℃로 가열된 금형에서의 용량 약 80cm³ 의 캐비티 내에, 약 90g의 유동성 골재 혼합물을 피스톤(고체의 가압수단)으로 가압하면서 충전하였다(충전 공정).

가열된 금형에 충전된 유동성 골재 혼합물을 2분간 방치하고, 금형의 열에 의해 수분을 증발시켜, 유동성 골재 혼합물을 고화시켰다(고화공정). 이어서, 폴리비닐알콜, 전분 등과 구연산을 가교반응시킨 후, 금형의 캐비티 내로부터 고화된 골재 혼합물로 이루어지는 주형을 꺼냈다. 이 주형으로부터 굴곡시험편(bend test specimens)을 작성하고, 습도 30%의 항습조(constant-humidity baths)내와 습도 98%의 항습조 내에 각각 24시간 유지한 후, 이들의 시험편에 대하여 굴곡 강도를 측정하였다. 그 결과, 습도 30%에서는 5.4MPa, 습도 98%에서는 2.3MPa의 강도가 각각 얻어졌다.

여기서 습도 30%에서 5.4MPa의 주형 강도는, 셀몰드법(shell molding)에 의해 얻어진 주형과 거의 동등한 강도가 발현되어 있는 것으로 되어, 주형의 통상의 사용상은 전혀 문제가 없는 강도이다. 또한, 습도 98%에서 24시간 방치한 후, 주형 강도가 2 MPa이상이라면, 주형의 핸들링(handling)에는 문제가 없는 강도이므로, 주형으로서 충분히 사용가능하다.

상술한 실시예는 본 발명을 단순히 예시한 것으로서, 한정을 의도하는 것이 아니며, 당업자에는 첨부한 청구항에 기재된 목적 및 요지를 일탈하지 않고, 예컨대 발명의 개시의 란에 기재된 대체예를 포함하여 다양한 변경이나 변형이 행해질 수 있다는 것이 명확하게 이해될 것이다.

본 발명에 따르면, 붕괴성이 우수한 주형이 얻어지고, 아울러 골재 혼합물을 주형 조형용 공간에 효율적인 충전밀도 분포로 불어넣어 충전가능한 주형 조형방법을 제공할 수 있다.

Claims

주형을 조형하는 주형 조형방법으로서,

a) 입자형상 골재, 점결제로서 복수 종류의 수용성 바인더, 이 수용성 바인더와 가교(架橋) 반응을 일으키는 가교제, 페놀 수지 및 물을 혼합하고 또 교반하여 발포시킴으로써, 버블링된 유동성의 골재 혼합물을 제조하는 제조공정과,

b) 상기 버블링된 유동성 골재 혼합물을 주형 조형공간에 충전하는 충전공정과,

c) 상기 충전된 유동성 골재 혼합물로부터 수분을 증발시켜, 이 골재 혼합물을 고화시킴으로써, 고화(固化)된 골재 혼합물로 이루어지는 주형을 얻는 고화공정을 포함하는 주형 조형방법.
제1항에 있어서, 상기 골재 혼합물에서의 상기 수용성 바인더의 함유량은, 상기 입자형상 골재 100중량부(wt%)에 대하여 0.1 내지 5.0중량부인 방법
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수용성 바인더는 상온의 물에 용해가능한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수용성 바인더는, 당류, 폴리비닐알콜 또는 그 유도체, 그리고 또 상온의 물에 용해가능한 페놀수지로부터 선택되는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 페놀 수지는, 입자형상 골재 100중량부(wt%)에 대하여 0.05 내지 0.50중량부가 함유되는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가교제는 그 수용액인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가교제는 카르복실기를 가지는 화합물인 방법.
제7항에 있어서, 상기 카르복실기를 가지는 화합물은, 옥살산, 말레산, 호박산, 구연산, 부탄테트라카르복시산, 메틸비닐에테르-무수말레산 공중합체, 및 이소부틸렌-무수말레산 공중합체로 이루어지는 군에서 선택되는 방법.
제8항에 있어서, 상기 가교제는, 구연산, 부탄테트라카르복시산, 및 메틸비닐에테르-무수말레산 공중합체의 어느 하나의 농도가 10중량% 이상의 가교제 수용액인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가교제의 첨가량은, 상기 수용성 바인더에 대하여 5 내지 300중량%인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유동성 골재 혼합물은 기포율이 50 내지 80%인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전공정은, 상기 유동성 골재 혼합물을 고체의 가압수단에 의해 가압함으로써 상기 주형 조형공간에 충전시키는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전공정은, 상기 유동성 골재 혼합물을 압축기체에 의해 가압함으로써 상기 주형 조형공간에 충전시키는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고화공정은, 가열된 금형의 열에 의해 상기 유동성 골재 혼합물의 수분을 증발시키는 공정을 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 금형의 열에 의해 상기 유동성 골재 혼합물의 수분을 증발시키는 공정이,

상기 금형의 열에 의해, 상기 유동성 골재 혼합물 내의 기포 및 수용성 바인더 중의 수분을 조형될 주형의 중심부에 모음으로써,

조형된 주형의 중심부에서의 상기 입자형상 골재의 충전 밀도를 주형의 주변 부보다 낮게 하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 조형된 주형은 철계 금속의 주조에 사용하는 코어인 방법.
삭제
입자형상 골재와, 복수 종류의 수용성 바인더와, 이 수용성 바인더와 가교반응을 일으키는 가교제와, 상기 입자형상 골재 100중량부(wt%)에 대하여 0.05 내지 0.50 중량부의 페놀 수지를 함유하는 골재 혼합물로 이루어지는 주형.
제18항에 있어서, 상기 골재 혼합물은, 상기 입자형상 골재 100중량부(wt%)에 대하여 0.1 내지 5.0중량부의 상기 수용성 바인더를 함유하는 주형.