KR100999216B1 - 주조 주형 가열방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주형 공동부(10a)를 한정하는 주형 벽(10)이 주형 공동부(10a)의 내부에서 흐르는 고온 기체로부터 주형 벽(10)으로 전달되는 열을 통해 가열되는, 접합 내화 주형의 기체 투과성 벽을 가열하는 열효율적 방법에 관한 것이다. 고온 기체는 주형 외부에 배치된 고온 기체 급원(30)에서부터 주형 공동부(10a) 및 기체 투과성 주형 벽(10)을 통해 주형(10) 외부의 저압 영역으로 흘러서 주형 벽(10)의 내부 표면 온도를 조절한다.

주형, 고온 기체, 접합 내화 주형, 주조, 공동부, 온도 조절방법, 기체 투과성, 쉘 주형, 매몰주조법

Description

주조 주형 가열방법{METHOD OF HEATING CASTING MOLD}

본 발명은 주형에서 용융 금속 물질을 주조하기 위한 준비 중에, 기체 투과성 내화 주형을 가열하고 주형의 온도를 조절하는 방법에 관한 것이다.

매몰주조법은 일반적으로 세라믹 입자 층을 왁스, 플라스틱 등과 같은 소모성 패턴 물질 주변에 무기 결합제를 이용하여 접합시켜 연속 층을 형성시켜 제작한 내화 주형을 이용한다. 완성된 내화 주형은 일반적으로 일시적(소모성) 패턴으로 둘러싸인 쉘 주형으로서 형성된다. 이러한 내화 쉘 주형은 다음과 같은 상황을 견딜 수 있기에 충분한 두께와 강도로 제조된다: 1) 스팀 오토클레이브의 스트레스 또는 섬광 화염의 패턴 제거; 2) 연소 오븐을 통한 통과, 3) 용융 금속 주조 동안에 가열 압력 및 금속정역학적 압력을 견딜 수 있는 내성, 및 4) 이러한 공정 단계 사이에 수반되는 물리적 취급. 이러한 강도의 쉘 주형을 구축하기 위해서는 일반적으로 내화 슬러리와 내화 치장벽토(stucco)가 적어도 5층 이상 코팅되어서, 통상 두께가 4 내지 10mm인 주형 벽이 만들어져야 하고, 이에 따라 상당량의 내화재가 필요로 된다. 또한, 이러한 층들은 결합제 건조 및 경화에 장시간을 필요로 하여 재고 처리에 상당한 작업을 요하는 공정 지연을 초래한다.

접합 내화 쉘 주형은 일반적으로 기체 또는 오일 연소로 가열되는 회분식 또는 연속식 오븐에 장입된 후 1600℉ 내지 2000℉의 온도로 가열된다. 이러한 내화 쉘 주형은 이 쉘 주형의 외측 표면에 가해지는 방사선과 전도에 의해 가열된다. 일반적으로, 오븐에서 발생되는 열 중에서 5% 미만은 내화 주형에 흡수되고 95%를 초과하는 열은 오븐 배기 시스템을 통해 배출되어 소모된다.

이와 같이 가열된 내화 주형은 오븐에서 꺼내어 여기에서 용융 금속 또는 합금이 주조된다. 이와 같이 주조 시에 상승된 주형 온도는 철합금과 같은 고융점 합금의 주조시 탕회불량, 기체 갇힘, 고온 인열 및 수축 결함을 방지하는데 바람직하다.

매몰주조법은 전술한 바와 같은 주형의 비용을 줄이기 위해 가능한 한 얇게 내화 쉘 주형을 제조하는 추세이다. 하지만, 얇은 쉘 주형을 사용하기 위해서는 미국 특허 5 069 271(Chandley et al.)에 개시된 바와 같이 주형 파손을 방지하기 위한 지지 매질의 사용을 필요로 한다. 상기 '271 특허는 두께가 0.12 인치 미만과 같이 가능한 한 얇게 만들어진 접합 세라믹 쉘 주형의 사용에 대해 개시하고 있다. 여기서는 예열 오븐에서 꺼낸 얇은 고온 내화 쉘 주형 주위로 비접합성 미립자 지지 매질이 채워진다. 이러한 비접합성 지지매질은 주형 파손을 방지하기 위해 주조 동안 쉘 주형에 가해지는 압박에 저항하는 작용을 한다.

얇은 쉘 주형은 주형 예열 오븐에서 분리된 다음 지지매질로 둘러싸인 후에도 두꺼운 주형에 비해 보다 빠르게 냉각된다. 이러한 신속한 냉각으로 인해 주조 시의 주형 온도를 보다 낮추게 된다. 낮은 주형 온도는 특히 얇은 주조물에서 탕회불량, 기체 갇힘 및 고온 인열과 같은 결함을 일으킬 수 있다.

발명의 개요

본 발명의 일 양태는 주형 공동부의 내부에서 흐르는 고온 기체 유래의 열을 주형 벽에 전달하여 용융 금속 또는 합금을 주조하는, 주형 공동부를 한정하는 내화 주형의 기체 투과성 벽을 가열하는 열효율적 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 기체 투과성 주형 벽의 내면을 가열하고 용융 금속이나 합금이 주형 공동부에 충전될 때까지 바람직한 주조 온도를 유지시키면서, 경우에 따라 주형에 대해 배치될 수 있는 미립자 지지매질의 일정 부피는 가열하지 않는 방법을 제공한다.

본 발명은 일 양태로서 고온 기체 급원 유래의 고온 기체의 흐름을 1 이상의 내화 도관을 통해 주형 공동부로, 기체 투과성 벽을 통해 주형의 외부 영역으로 흐르게 하여 접합 내화 주형의 기체 투과성 주형 벽을 가열하는 방법을 포함한다. 기체 흐름은, 쉘 주형 벽을 따라 차압이 형성되도록 주형 외부에 존재하는 압력을 초과하는 압력 하에 주형 내부의 주형 공동부로 기체를 유인하여 형성시키며, 이로써 고온 기체가 주형 벽의 모든 구역을 통해 실질적으로 균일한 방식으로 흐르게 한다.

이러한 본 발명의 구체예를 수행하는데 사용되는 기체 투과성 접합 내화 쉘 주형은 두께가 약 10mm 정도로 두껍거나 또는 약 1mm 정도로 얇을 수 있으며, 이러한 범위의 쉘 주형 벽 두께에도 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한, 주형은 필요에 따라 주형 벽 가열 및 주조 작업 동안 주형의 구조 완전성을 유지하기 위해 선택적인 비접합성 내화 미립자 지지매질로 둘러쌀 수도 있다. 최종의 중공의 주형 공동부는 역중력, 중력 또는 가압 유출 방식으로 주조할 수 있다.

고온 기체에서부터 주형 벽으로의 열 이동은 고온 기체가 투과성 쉘 주형 벽을 통과하고, 사용된다면 둘러싸인 미립자 지지매질을 통해 통과할 때 가장 효과적이다. 미립자 지지매질이 사용되는 경우에, 고온 기체가 함유하고 있는 유용한 열은 거의 모든 열이 주형과 비접합성 지지매질로 전달된다. 이러한 경우에 지지매질에서 배출되는 기체는 상온의 기체가 된다. 또한, 접합 내화 주형 주위에 사용되는 경우에 비접합성 지지매질에는 바람직한 온도 구배가 형성되기도 한다. 이러한 열 구배는 고온 기체 흐름이 제거되고 주형 충전이 개시되는 시점 사이의 순간에 주형 공동부를 한정하는 주형 벽의 표면 온도를 유지시켜준다.

도 1은 본 발명의 양태를 수행하는 장치의 횡단면도이다.

도 1A는 도 1과 유사하지만, 복수의 주형 공동부가 미립자 지지매질에 매립되어 있고 내화 도관이 역중력식 주조를 위해 바닥에 부착되어 있는 쉘 주형을 도시한 것이다.

도 1B는 도 1과 유사하지만, 복수의 주형 공동부가 미립자 지지매질에 매립되어 있고 내화 도관이 중력식 주조를 위해 상부에 부착되어 있는 있는 쉘 주형을 도시한 것이다.

도 2는 도 1과 유사하지만, 본 발명의 양태에 따라 쉘 주형 벽과 미립자 지지매질의 약간의 두께를 따라 형성된 열 구배를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 일 양태에 따라 역중력식 주조 동안 나타나는, 시간 경과에 따른 고온 기체와 주형의 온도 및 진공압력차를 그래프로 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 양태에 따라 주형 재가열 동안 나타나는, 시간 경과에 따른 주형 온도, 기체 유속 및 진공압력차를 그래프로 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 다른 양태에 따라 역중력식 주조에 사용되는 주조 스틸 로커 아암(cast steel rocker arm)의 투시도이다.

발명의 상세한 설명

본 발명은 고온 기체 급원 유래의 고온 기체 흐름을 1 이상의 내화 도관을 통해 주형 공동부 내로 흐르게 한 다음, 주형 공동부의 기체 투과성 벽을 통해 주형의 외부 공간이나 영역으로 흐르게 하여, 내화 주형의 기체 투과성 벽을 가열하는 방법을 포함한다. 이러한 기체 흐름은, 주형 벽 외부에 위치하는 영역에 존재하는 압력 보다 주형 공동부 내의 압력을 더 높게 형성시켜 유발시킨다.

본 발명을 제한이 아닌 예시하기 위해 제시한 일 양태는, 매몰주조 산업에 널리 공지된 방법, 예컨대 공지된 로스트 왁스 매몰 주형제조법(lost wax investment mold-making process)으로 제조할 수 있는 접합 기체 투과성 내화 쉘 주형(10)에 관한 것이다(도 1). 예를 들어, 일반적으로 왁스, 플라스틱 발포물 또는 다른 소모성 패턴 물질로 만들어진 일시적(소모성) 패턴 조립체가 제공되며, 여기에는 주조될 물품의 형태를 갖는 1 이상의 패턴이 포함된다. 이러한 패턴은 소모성 탕구 및 입구에 연결되어 완전한 패턴 조립체를 형성한다. 이러한 패턴 조립체는 세라믹/무기 결합제 슬러리에 반복하여 침지시키고 과량의 세라믹 슬러리를 제 거한 뒤, 내화 또는 세라믹 입자(치장 벽토)를 바른 다음, 공기 중에서 건조하거나 패턴에 접합 내화 쉘 주형을 형성시킬 수 있는 조절된 건조 조건하에서 건조한다. 이와 같이 패턴 위에 바람직한 쉘 주형 두께가 형성되면, 패턴은 공지의 패턴 제거 기법인 증기 오토클레이브 또는 섬광 화염 패턴 제거법을 통해 선택적으로 제거하면, 1 이상의 공동부(10a)를 갖는 미가공 쉘 주형이 얻어지는데, 여기에 용융 금속 또는 합금이 충전되어 고형화됨으로써 주형 공동부(10a)의 형태를 갖는 주조 물품이 형성되게 된다. 또는, 접합 내화 주형 내부에 패턴을 남겨둔 다음, 이후에 주형 가열 동안 제거할 수도 있다. 이러한 패턴 조립체에는 이를 쉘 주형(10)의 일부로 포함시키기 위해 부착시킨 1 이상의 예형된 내화 도관(12)(하나만 도시됨)이 포함될 수 있다. 이러한 내화 도관(12)은 본 발명에 따른 주형 예열 동안 고온 기체 흐름을 제공할 뿐만 아니라 용융 금속이나 합금을 주형 공동부(10a) 내로 이동시키는 역할도 한다. 패턴 조립체에 부착되는 대신에, 쉘 주형(10)이 형성된 후, 또는 금속 하우징 또는 캔(20)의 주조 챔버(20a)에서 쉘 주형(10)을 조립하는 동안 도관(12)을 쉘 주형(10)에 부착시킬 수 있다(도 2). 역중력식 주조법인 경우에, 내화 도관(12)은 일반적으로 주형(10) 바닥에 배치된 긴 세라믹 튜브 형태로서, 용융 금속이나 합금 푸울에 침지되어(도 2), 용융 금속이나 합금을 주형 공동(10a)으로 공급한다. 쉘 주형(10)은 예컨대 도 1A(유사 참조번호는 유사 특징부를 나타낸다)에 도시된 바와 같은 중심 탕구(10s)의 길이 방향을 따라 배치된 복수의 주형 공동부(10a)를 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 중력식 주조법에서는(도 1B), 쉘 주형(10)은 1 이상의 주형 공동부(10a)를 포함할 수 있다. 복수의 주형 공동부(10a)는 예컨대 도 1B에 예시하였다. 중력식 주조법에서 내화 도관(12)은 쉘 주형(10), 미립자 지지매질(16) 및 캔(20)으로 이루어진 조립체의 상부에 배치되고, 일반적으로 통상적인 도가니(도시 안됨)와 같이 유출 용기로부터 배출되는 용융 금속 또는 합금을 수용하기 위한 깔대기 형태이다.

접합 내화 쉘 주형 벽(10w)의 투과성은 주형 벽을 통해 형성되는 기체 유속이 주형 벽의 내면(10f) 온도 조절을 위해 일정 속도로 주형 벽으로 열을 전달하기에 적합하게 유발되도록 선택한다. 주형 벽(10w)의 가열속도는 주형 벽(10w)을 통해 통과되는 기체 유속에 비례한다. 하기 실시예에서 시험된 주형 크기에서는 100scfm(표준 입방면적(ft)/분) 이하의 기체 유속을 사용하였다. 이보다 큰 주형과 빠른 가열 속도에는 이보다 높은 고온 기체 유속이 필요할 것이다. 접합 내화 주형 벽(10w)을 통해 흐르는 고온 기체 유속은 주형 제조에 사용되는 내화재 분말의 입자 형태 및 크기 분포, 건조된 쉘 층 또는 코팅 내의 공극율, 결합제 함량 및 주형벽(10w)의 두께에 따라 조절된다. 접합 내화 주형 벽(10w)의 두께는 주형의 크기에 따라서 0.1mm 내지 10mm 범위이다. 접합 주형(10)의 외부 공간 또는 영역(R) 보다 기체 투과성이 적은 접합 내화 주형 벽(10w)의 사용은 본 발명의 예시적 양태 수행 시, 주형 벽(10w)을 따라 일반적으로 적어도 0.3기압의 차압을 유발시킨다. 상기 영역(R)에는 본원에 참고원용된 미국 특허 5 069 271(Chandley et al.)에 기술된 바와 같이 본 발명의 일 양태에 비접합성 미립자 지지매질(16)(예, 비접합성 무수 주물사)가 함유된다. 상기와 같은 차압은 본 발명을 실시할 때 주형 벽(10w)의 모든 구역을 통해 실질적으로 균일한 방식으로 고온 기체가 흐르게 할 수 있다. 본 발명의 다른 양태에서 쉘 주형(10)에 대해 위치하는 영역(R)은, 주형(10)이 주조 압박을 견딜 수 있는 충분한 강도를 갖고 있어서 주조 동안 주조 챔버(20a)에서 외적 지지를 받을 필요가 없는 경우에, 본원에 참고원용되는 미국 특허 5 042 561(Chandley et al.)에 기술된 바와 같이 비어있을 수도 있다.

쉘 주형(10)용으로 선택되는 내화재의 종류는 주조되는 금속 또는 합금과 상용성이어야 한다. 미립자 지지매질(16)이 쉘 주형(10)에 대해 제공되는 경우에는, 접합 내화 주형의 열 차이에 따른 팽창 균열을 방지하기 위하여 쉘의 열팽창계수가 지지매질의 열팽창계수와 유사해야 한다. 또한, 대부분 용융 실리카와 같이 열팽창계수가 낮은 내화재가 접합 내화 쉘 주형(10) 및 지지매질(16) 용으로 사용되어야 한다. 이로써 주형 공동부 벽(10w)의 열팽창 좌굴이 방지된다.

접합 내화 쉘 주형(10)은 캔(20)의 주조 챔버(20a) 내에 배치되고 내화 도관(12)은 캔(20)의 외부로 전개된다(도 1). 그 다음, 내화 주형(10)은 압착된 비접합성 내화 미립자 지지매질(16)로 둘러싸인다. 이와 같이 지지 매질이 접합 내화 쉘 주형을 덮고 주조 챔버(20a)에 충전되면, 캔(20)의 상단부를 이동가능한 상부 커버(22a) 또는 격막(도시 안됨)과 같은 간막이(22)로 차단시켜, 지지매질이 단단하게 압축되어 있도록 미립자 지지매질(16)에 압축력을 가한다. 챔버(20a)에서 기체 흐름이 배출되도록 하기 위해, 일반적으로 o-링 시일(25)과 함께 상부 커버(22a)의 일부분인 스크린형 포트(24)가 제공되며, 챔버 내에 미립자 지지매질(16)이 보유되도록 하기 위해 스크린(24)이 제공된다. 미국 특허 5 069 271(Chandley et al.)은 얇은 쉘 주형에 대하여 미립자 지지매질을 사용하는 것에 대해 기술하고 있으며 본 원에 참고원용된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 캔(20)은 고온 기체 급원(30)으로 이동시켜 내화 도관(12)이 고온 기체 흐름 내에 위치하도록 하강시키면, 고온 기체가 도관(12)을 통해 주형 공동부(10a) 내로 흐르게 된다. 이러한 기체는 전기적 가열이나 바람직하게는 기체 연소 등의 임의의 수단으로 가열할 수 있다. 고온 기체의 온도는 주조되는 금속 또는 합금 및 주형 가열의 필요량에 따라 427℃(800℉) 내지 1204℃(2200℉) 범위에서 다양할 수 있다.

고온 기체는 도관(12)을 통해 주형 공동부(10a) 내로 흐르게 하여, 주형 공동부(10a)와 챔버 캔(20) 내의 미립자 지지매질(16)이 위치한 영역 사이에 효과적인 차압을 형성시킴으로써, 기체 투과성 접합 내화 주형 벽(10w)을 통해 통과하게 유도된다. 제한이 아닌 예시 목적으로서 주형 벽(10w)을 따라 일반적으로 0.3기압 이상의 차압이 형성된다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 이러한 차압은 스크린형 챔버 입구(24)에 대기압이하의 압력(진공)을 가하여, 그 다음 진공이 캔(20) 내의 접합 내화 쉘 주형(10)에 대하여 배치된 비접합성 미립자 지지매질(16)에도 가해지게 함으로써 형성시킬 수 있다. 입구(24)에서의 상압 이하의 압력은 고온 기체가 내화 도관(12)으로 전달될 수 있게 하며 주형 내부(주형 공동부(10a))는 대기압이 되게 한다. 입구(24)에 보다 높은 진공을 가하면 주형 공동부(10a)와 주형 벽(10w)을 통해 흐르는 고온 기체의 유속을 증가시킬 수 있다. 대안적으로, 쉘 주형(10) 내로 유입되어 주형 공동부(10a)와 기체 투과성 주형 벽(10w)을 통해 흐르는 고온 기체 흐름은 대기압 보다 높은 고온 기체 압력을 도관(12)과 이어서 주형 내부에 적용하 면서, 쉘 주형(10)의 외부(예, 캔(20) 내의 미립자 지지매질(16))는 상압에 가까운 압력으로 유지시킴으로써 발생시킬 수도 있다. 예를 들어, 도관(12)에는 노스 아메리칸 (주)(North American Mfg.Co.)에서 입수용이한 고압 버너를 이용하여 고온 기체의 승압(예, 15psi)을 제공할 수 있다. 이러한 양태는 쉘 주형(10)을 통해 고온 기체가 보다 다량으로 흐르게 할 수 있어서 주형 가열 시간이 단축될 수 있다. 또한, 전술한 진공과 압력 시도를 모두 이용한 조합 양태를 본 발명의 실시에 사용할 수도 있다.

주형 공동부(10a)를 한정하는 주형 벽(10w)은 투과성 접합 내화 주형 벽을 통해 연속된 고온 기체 흐름을 통과시켜 주형 공동부(10a) 내에서 용융 금속 또는 합금을 주조하기에 바람직한 온도로 가열한다. 기체 투과성 접합 내화 주형 벽(10w)을 따라 형성되는 고온 기체 온도, 가열 시간 및 유속은 주형 벽(10w) 내면의 최종 온도를 조절한다. 주형이 주조에 바람직한 온도에 도달하면, 급원(30) 유래의 고온 기체 흐름은 중지시키고 용융 금속 또는 합금을 가열된 주형 공동부(10a) 내에서 주조한다. 쉘 주형(10)에 대하여 비접합성 미립자 지지매질을 배치한 경우에는 주형 벽(10w) 뿐만 아니라 비접합성 지지매질(16) 내의 일부 두께가, 주형 벽을 통해 고온 기체가 흐르는 동안 가열된다. 결과적으로, 미립자 지지매질(16)에 바람직한 온도 구배(도 2)가 형성되어, 고온 기체 흐름이 중지되고 주형이 도 3에 예시된 바와 같이 주조되는 시점 사이에 주형 공동부(10a)의 표면 온도가 유지되도록 도와준다.

본 발명에 따른 주형 공동부 가열 방법의 에너지 효율은 매우 높다는 것은 중요한 점이다. 지지매질(16)이 사용되면 접합 내화 쉘 주형(10)과 비접합성 지지매질(16)이, 주형으로 유입되는 고온 기체 유래의 열을 거의 모두 흡수한다. 이러한 결과는, 통상적인 매몰주조법에 사용되는 주형 가열로에서 주형에 의해 흡수되는 5% 미만의 열과 비교된다. 통상의 매몰주조로에서 에너지의 95% 이상은 고온 기체가 노의 배기 스택으로 이동되는 동안 유실된다.

일시적 패턴 조립체가 접합 내화 쉘 주형(10) 내부에 남아있다면, 이러한 주형 가열 동안 제거될 수 있다. 고온 기체 흐름은 맨처음 패턴 조립체로 유도되어, 이 조립체를 용융 기화시켜서, 주형 공동부(10a)에는 패턴 물질이 거의 남아있지 않게 한다. 본 발명에 따라 전술한 바와 같이 고온 기체가 접합 내화 주형 벽(10w)을 통해 흐르게 하면, 특히 얇고 긴 패턴인 경우에는 보다 빠른 패턴 제거를 일으킬 수 있다.

급원(30) 유래의 고온 기체는 주형 공동부(10a)로부터 탄소질 패턴 잔류물을 제거하기 위하여 필요에 따라 강한 산화성의 중성 또는 환원성 전위를 가질 수 있다. 중요한 점은, 주형 공동부(10a)의 전 구역을 통해 접합 내화 주형 벽(10w)을 통과하여 흐르는 산화 기체 흐름이 가속되면 탄소질 패턴 잔류물의 산화 능력이 대단히 증가된다는 점이다. 또한, 패턴 잔류물의 산화는 접합 내화 주형(10) 온도를 증가시키는데 사용될 수 있는 열을 발생시킬 수 있다.

저융점 합금, 예컨대 알루미늄 및 마그네슘인 경우에 승온을 사용하여 패턴 잔류물을 제거했다면, 주형 벽(10w)을 특정 금속 또는 합금 주조에 더욱 적합한 온도로 냉각시키기 위한 접합 내화 쉘 주형(10)의 온도가 감소될 수 있다. 냉각 기체 급원(도시 안됨) 유래의 냉각 기체는 급원(30) 유래의 고온 기체 대신에 대체되어 주형 벽(10w)을 따라 적당한 차압을 유지시킬 수 있다. 이러한 차압은 주형 벽(10w)을 통해 냉각 기체 흐름을 유발하여 주형 공동부(10a)와 주형 벽(10w)의 온도를 감소시키면서 조절한다. 냉각 기체의 급원은 주위 공기 또는 임의의 다른 냉각 기체 급원을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에는 지지매질(16)에 배치된 이후의 예비가열된 쉘 주형(10)의 온도를 조정하는 주형 가열 방법이 포함된다. 이러한 양태에서 접합 내화 주형(10)은 맨 먼저 패턴 잔류물 제거에 충분한 고온으로 오븐(도시 안됨)에서 가열된다. 이러한 고온의 접합 내화 주형(10)은 그 다음 오븐에서 꺼낸 후, 캔(20)의 주조 챔버(20a) 내에 배치하고, 이 주형(10) 둘레에 미립자 지지매질(16)을 채운다. 이러한 주형(10)은 일반적으로 주형 벽 두께가 감소되어서, 주형 손상을 방지하기 위해 주조 동안 미립자 지지매질(16)의 적용을 필요로 한다. 하지만, 이와 같인 얇은 쉘 주형은 주형 예열 오븐에서 꺼내어 지지매질(16)로 둘러싼 후, 벽 두께가 두꺼운 쉘 주형에 비해 신속하게 냉각된다. 이러한 신속한 냉각은 주조 시의 주형 온도를 낮춘다. 이와 같이 낮은 주형 벽 온도는 특히 얇은 주조물인 경우에 탕회불량, 수축, 기체 갇힘 및 고온 인열과 같은 결함을 유발시킬 수 있다.

따라서, 주형 벽(10w)의 온도는 고온 기체 급원(30) 유래의 고온 기체를 내화 도관(12)을 통해 주형 공동부(10a) 내로 흐르게 하여 기체 투과성 주형 벽(10w)을 통해 영역(R)으로 통과시킴으로써 바람직한 온도 범위로 재상승시킨다. 이러한 고온 기체 흐름은 전술한 바와 같이 주형 벽(10w) 외부의 압력 보다 주형 공동부 (10a) 내부의 압력을 보다 높게 형성시킴으로써 유발된다.

쉘 주형(10)이 바람직한 온도에 도달하게 되면, 고온 기체 흐름은 중지되고 용융 금속이 재가열된 주형 공동부(10a)내에서 주조된다.

다음 실시예는 본 발명을 제한이 아닌 예시하기 위한 것이다. 맨 처음 실시예 1은 본 발명의 주형 가열 방법의 일 양태를 이용하여 상기 공정에 따라 형성된 쉘 주형(10)의 주형 벽(10w) 온도를 상온에서부터 바람직한 주조 온도까지 상승시키는 것을 포함한다.

실시예 1

자동차 로커아암용 패턴은 5Lb/ft³ 밀도의 발포 폴리스티렌으로 성형했다. 이러한 패턴을 고온 용융 접착제를 이용하여 직경 3" X 길이 12"인 발포 폴리스티렌 원통관 위에 조립시켰다. 이러한 발포 폴리스티렌 원통관 바닥에 고온 용융 아교를 도포하여 내화 관형 도관(12)을 부착시켰다. 이 도관은 점토 접합 용융 실리카 내화재로 제조된 것이다.

이러한 패턴 조립체에, 용융 실리카를 콜로이드성 실리카로와 접합시켜 제조한 내화 코팅을 도포했다. 먼저, 평균 입자 크기가 40 미크론인 용융 실리카를 두께 1mm의 코팅으로 도포하고 건조시켰다. 그 다음, 평균 입자 크기가 120 미크론인 용융 실리카를 두께 1mm 코팅으로 도포하고 다시 건조시켰다. 최종 건조된 코팅의 기체 투과성은 코팅을 따라 형성된 단위 차압(psi) 당, 패턴의 단위 표면적(in²) 당 , 기체 유속 0.034scfm이었다. 이러한 코팅물은 패턴 주위에 쉘 주형을 형성시켰다.

이와 같이 내화재 코팅된 패턴 조립체를 캔(20)의 16" 직경의 금속(예, 강철) 주조 챔버(20a)에 배치하고, 내화 도관(12)은 바닥의 구멍을 통해 캔 외부로 전개시켰다. 이와 같이 내화재 코팅된 패턴 조립체를 압축된 비접합성 내화 지지매질(16)로 둘러쌌다. 지지매질(16)로는 뮬라이트 그레인(카보 세라믹스 제품인 Accucast LD35)을 사용하고 진동시켜 압축시켰다. 이러한 지지매질을 주조 챔버에 완전히 채운 후, 상부 커버(22a)로 캔(20)을 밀봉시켰다. 상부 커버(22a)와 캔 사이의 밀봉부(25)에는 슬립 이음부를 만들어, 상부 커버가 주조 챔버 내로 이동될 수 있게 하면 지지매질(16)과 확실한 접촉 상태가 유지될 수 있다. 이와 같이 하면, 지지매질이 확실하게 압축된 상태를 유지할 수 있다. 또한, 상부 커버(22)는 챔버(20a)로부터 기체 흐름은 배출시키지만 지지매질은 내부에 유지시키는 스크린형 진공 입구(24)를 함유하기도 한다.

강철 캔(20)은 MIFCO(미국 일리노이 덴빌)에서 입수용이한 소량 기체 연소로 "Speedy Melt"로 옮겨서 내화 도관(12)이 상기 연소로에서 배출되는 고온 기체류 내에 위치하도록 하강시켰다. 약 20Hg 정도의 진공이 상부 커버(22a)의 진공 입구(24)를 통해 강철 캔 주조 챔버 내부에 존재하는 지지매질(16)에 가해졌다. 이 때문에 진공 펌프(P)는 입구(24)에 연결시켰다.

내화 도관(12)으로 유입되는 고온 기체의 온도는 약 1100℃(2012℉)로 조절했다. 고온 기체 흐름을 패턴 물질에 가하여 로커 아암형 주형 공동부로부터 발포 폴리스티렌 패턴 물질을 제거했다. 고온 기체는 로커 아암형 주형 공동부로부터 탄소질 패턴 잔류물를 제거하기 위해 강한 산화성을 갖도록 산소 함량이 8 내지 10중량%가 되도록 조절했다.

패턴을 제거한 후, 약 14분 동안 기체 투과성 내화 주형을 통해 고온 기체 흐름을 유발시켜 주형 공동부를 1025℃로 가열했다(도 3). 비접합성 지지매질 내에 주형 공동부 벽으로부터 약 6mm에 위치한 열전쌍의 온도 곡선은 고온 기체 흐름 동안 주형 벽 뿐만 아니라 비접합성 지지매질의 일부 두께도 가열되었음을 보여주었다. 비접합성 지지매질에는 바람직한 온도 구배가 형성되어(도 2), 고온 기체 흐름이 제거되고 주형이 주조되는 시점 사이에 주형 공동부의 표면 온도를 유지시켜 주었다. 이것은, 도 3의 주형 온도 곡선으로부터 분명하게 확인되었는데, 여기서 주형 온도는 진공과 이에 따른 고온 기체 흐름이 정지되는 시점과 주형이 주조되는 시점 사이에 30초 이상 동안 변화되지 않음을 알 수 있었다.

주형이 바람직한 예열 주조 온도에 도달된 다음, 고온 기체 흐름은 정지시키고, 내화 도관(12)을 용융 강철 내에 침지(도 2)시킨 후, 캔(20)의 주조 챔버(20a)에 진공을 다시 가하면 용융 강철이 가열된 주형 공동부에서 역중력식으로 주조되었다. 도 5는 주조된 강철 로커아암의 일 예를 도시한 것이다.

두번째 실시예 2는 지지매질(16)에 배치된 이후에 예비가열된 쉘 주형의 온도를 조정하는 본 발명의 주형 가열방법의 일 양태를 사용한 것이다.

실시예 2

직경이 약 9"이고 높이가 약 28"인, 225 레버 부분을 함유하는 매우 얇은 접합 내화 쉘 주형을 공지된 로스트 왁스 매몰주조 세라믹 쉘 제조법으로 제조했다. 뮬라이트계 내화 쉘 주형은 총 4개의 쉘층으로 제조하여 접합된 세라믹 주형 벽의 두께가 2 내지 3mm가 되게 만들었다. 이러한 내화 쉘 주형을 증기 오토클레이브하여 왁스 패턴의 대부분을 제거했다. 패턴 잔류물 제거와 주형 예열을 위해 오븐에서 주형을 1900℉로 가열했다. 그 다음, 고온 접합된 내화 쉘 주형을 오븐에서 꺼낸 뒤, 내화 도관(12)에 연결시키고 캔(20)의 주조 챔버(20a) 내에 배치하고 도관(12)은 캔 바닥의 구멍을 통해 배출시켰다. 이러한 쉘 주형 둘레에 뮬라이트 그레인 지지매질(16)을 채웠다. 이러한 지지매질은 주형의 주조 동안 주형 파손을 방지하는데 필요했다.

도 4에 도시된 바와 같이, 주형 예열 오븐에서 꺼낸 후 비접합성 지지 매질로 둘러싼 다음 쉘 주형의 바닥과 중간에 인접 위치한 열전쌍으로 온도를 측정했을 때 얇은 쉘 주형이 빠르게 냉각되었다. 400 내지 700℉의 온도 손실은 주조 시에 보다 낮은 주형 온도를 초래했다. 낮은 주형 온도는 특히 얇은 주조물에서 탕회불량, 수축, 기체 갇힘 및 고온 인열과 같은 결함을 유발시킬 수 있다.

캔(20)을 시간 당 325,000 BTU를 생산할 수 있는 소량 기체 연소로 "Speedy Melt"로 옮겨서 내화 도관(12)이 상기 연소로에서 배출되는 고온 기체류 내에 위치하도록 하강시켰다. 약 20Hg 정도의 진공이 상부 커버(22a)의 진공 입구(24)를 통해 주조 챔버 내부에 존재하는 지지매질(16)에 가해졌다.

약 20분 동안 고온 기체 흐름을 내화 도관(12)을 통해 기체 투과성 주형 벽으로 통과시켜 주형 공동부를 1850℃로 가열했다(도 4). 비접합성 지지매질 내에 바람직한 온도 구배가 형성되어, 고온 기체 흐름이 제거되고 주형이 주조되는 시점 사이에 주형 공동부의 온도를 유지시켜 주었다. 이것은, 도 4의 주형 온도 곡선으로부터 분명하게 확인되었는데, 여기서 주형 온도는 주형 바닥과 중간 지점에서 열전쌍으로 측정했을 때 진공과 이에 따른 고온 기체 흐름이 정지되는 시점과 주형이 주조되는 시점 사이에 30초 이상 동안 변화되지 않음을 알 수 있었다.

주형이 바람직한 예열 온도에 도달된 다음, 고온 기체 흐름은 정지시키고, 내화 도관을 용융 강철 내에 침지시킨 후, 주조 챔버에 진공을 다시 가하여 가열된 주형 공동부에서 용융 강철을 역중력식으로 주조했다.

이상의 구체예는 역중력식 주조 강철의 사용에 대해 입증하였지만, 본 발명에 따라 예열된 주형은 임의의 금속 또는 합금의 금속 주조 산업에서 공지된 방법을 통해 중력식 주조 또는 가압 주조될 수도 있다.

또한, 이상의 구체예가 주형 파손을 방지하기 위해 압축된 비접합성 미립자 지지매질로 둘러싸인 얇은 접합성 기체 투과성 내화 주형의 가열에 대해 입증되었지만, 이러한 주형 가열 방법은 접합성 내화 주형이 전술한 바와 같이 지지매질을 필요로 하지 않는다면 캔(20) 내의 주형(10)에 대한 지지매질(16) 없이 이용될 수도 있다.

당업자라면 본 발명이 전술한 구체예에들에 제한되지 않고 첨부되는 청구의 범위에 기술된 본 발명의 영역 내에서 변화와 수정이 가능하다는 것을 잘 알고 있다.

Claims (14)

1. 접합 내화 주형의 주형 공동부를 형성하는 기체 투과성 주형 벽을 가열하는 방법으로서,

   주형 공동부로 용융된 금속 물질을 주조하기 전에 고온 기체 급원으로부터 고온 기체가 상기 주형 공동부와 상기 기체 투과성 주형 벽을 통과하여 상기 주형의 외부 영역으로 흐르게 하는 단계를 포함하여,

   상기 주형 벽의 내부 표면에서 주조 온도에 이를 수 있게 하고, 고온 기체 흐름이 멈춘 후이고 상기 주형 공동부로 용융된 금속 물질을 주조하기 이전에, 상기 내부 표면 및 상기 주형의 내부 영역과 외부 영역 사이에 온도 구배가 상기 주형 공동부 내의 상기 용융된 금속 물질의 고형화 상의 주조 결함을 줄일 수 있도록 하며, 상기 고온은 427℃ 내지 1204℃ 범위의 온도인, 가열 방법.
2. 제1항에 있어서, 외부 영역의 압력이 주형 공동부 내의 압력 보다 낮은 것이 특징인, 가열 방법.
3. 제1항에 있어서, 주형 벽은 주형 공동부로부터 주형 벽을 따라 외부 영역 쪽으로 압력 강하를 형성시키는 기체 투과성을 구비하는 것이 특징인, 가열 방법.
4. 제3항에 있어서, 주형 벽을 따라 형성된 압력 강하는 기체 투과성 내화 주형의 모든 구역을 통해 균일한 기체 흐름을 형성시키는 것인, 가열 방법.
5. 제1항에 있어서, 주형 벽은 두께가 1.0mm 내지 10mm 범위인 것이 특징인, 가열 방법.
6. 제1항에 있어서, 주형을 미립자 지지매질로 둘러싸는 단계를 포함하는 것이 특징인, 가열 방법.
7. 제1항에 있어서, 주형의 온도가 주형을 통과하는 기체 흐름의 온도 조절을 통해 조정되는 것이 특징인, 가열 방법.
8. 제1항에 있어서, 주형을 예열하는 단계 및 주형 공동부와 주형 벽을 통해 냉각 기체를 유동시켜 상기 예열로 상승된 온도를 감소시키는 단계를 포함하는 것이 특징인, 가열 방법.
9. 제1항에 있어서, 주형 공동부 및 주형 벽을 통해 흐르는 고온 기체 흐름을 증가시켜 접합 내화 주형 벽의 가열을 가속시키는 단계를 포함하는 것이 특징인, 가열 방법.
10. 제1항에 있어서, 주형 벽의 내면에서부터 미립자 지지매질내까지 열 구배가 형성되어, 고온 기체 흐름이 중지되고 이러한 주형 공동부 내에서 용융 금속 또는 합금이 주조되기 전에 주형 벽의 온도 손실이 감소되는 것이 특징인, 가열 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 미립자 지지매질이 주형 공동부에서 용융 금속 또는 합금을 주조하기 전에 예열되는 것이 특징인, 가열 방법.
12. 제1항에 있어서, 주형을 가열 챔버 내에서 예열시키는 단계, 그 다음 상기 주형을 상기 가열 챔버에서 주조 챔버로 이동시켜 주형을 냉각시키는 단계 및 이러한 주형을 재가열시켜 고온 기체를 주형 공동부와 주형 벽을 통해 흐르게 하는 단계를 포함하는 것이 특징인, 가열 방법.
13. 제1항에 있어서, 고온 기체가 본래 주형 공동부로부터 잔류 패턴 물질을 연소를 통해 제거하는 산화성인 것이 특징인, 가열 방법.
14. 제1항에 있어서, 고온 기체가 본래 비산화성인 것이 특징인, 가열 방법.

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