KR101011044B1

KR101011044B1 - 개선된 인베스트먼트 주조 방법

Info

Publication number: KR101011044B1
Application number: KR1020057002226A
Authority: KR
Inventors: 사만타 존스
Original assignee: 더 유니버시티 오브 버밍햄
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2011-01-25
Also published as: KR20050060063A; AU2003255760B2; JP2006504530A; WO2004014580A3; JP4381981B2; CN100415410C; GB0218382D0; US20060108093A1; WO2004014580A2; MXPA05001489A; EP1575721A2; US7594529B2; AU2003255760A1; CN1809433A

Abstract

본 발명은 쉘몰드의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 (ⅰ) 미리 형성된 소모성 패턴을 내화입자 및 콜로이드 액체 바인더로 구성되는 슬러리에 침지시키고 이에 따라 상기 패턴상에 코팅층을 형성하는 단계, (ⅱ) 상기 코팅상에 내화재 입자를 침착시키는 단계, (ⅲ) 건조 단계로 이루어지는 일련의 단계들을 포하하고,

여기서, 단계 (ⅰ) 및 (ⅲ) 은 1차 코팅층 및 적어도 하나의 2차 코팅층을 갖는 쉘몰드를 형성하는데 요구되는 횟수만큼 반복되고, 적어도 한번의 단계 (ⅱ) 의 수행 동안에, 겔형성 재료가 또한 단계 (ⅰ) 에서 형성된 상기 코팅층 상에 침착되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조가능한 쉘몰드에 관한 것이다.

Description

개선된 인베스트먼트 주조 방법{IMPROVED INVESTMENT CASTING PROCESS}

본 발명은 개선된 인베스트먼트 주조 방법에 관한 것이며, 특히 종래의 방법 보다 매우 더 신속한 방법에 관한 것이다.

전형적인 인베스트먼트 주조 방법은 소모성 패턴을 이용한 공업적 금속 주물의 제조를 포함한다. 이러한 패턴은 수지, 충진제 및 압력하에서 금속 다이 속으로 주입되는 왁스의 복잡한 혼합물이다. 이러한 다수의 패턴들은 일단 고화되면 클러스터로 조립되며 왁스 런너 시스템(wax runner system) 상에 장착된다. 왁스 어셈블리는 액체 바인더 및 내화 분말로 구성되는 내화성 슬러리 속에 침지된다. 탈수후, 내화성 도장물질(stucco)의 입자들이 축축한 표면상에 침착되어 일차 내화 코팅을 형성한다(내화재에 의한 어셈블리의 코팅은 "인베스팅(investing)"으로 알려져 있으며, 이는 상기 방법의 이름이다.). 일차 코팅이 (보통 바인더가 겔화될 때까지 공기 건조에 의해) 경화되었을 때, 어셈블리는 요구되는 두께의 몰드쉘(mould shell)이 형성될 때까지, 반복적으로 슬러리 속으로 침지된 다음에 도장된다. 각각의 코팅은 침지 간에 충분히 경화되고, 따라서 각각의 몰드는 준비하는데 24 내지 72 시간이 걸릴 수 있다. 도장물질의 목적은 국부적인 응력의 크기를 감소시키는 다수의 분포된 응력 집중 중심을 제공함에 의해 코팅 내의 건조 응력을 최소화시키는 것이다. 각각의 도장물질 표면은 또한 다음 코팅에서의 거칠기작업(keying)을 위해 거친 표면을 제공한다. 도장물질의 입자 크기는, 최대 몰드 투과성을 유지시키고 몰드에 벌크를 제공하기 위해 더 많은 코팅들이 첨가됨에 따라 증가된다.

최근에는, 진보된 세라믹스(예컨데, 실리콘 니트라이드) 부품들이 개발되었으며, 이것들은 비교되는 금속 부품에 비해 상당한 이점들을 제공한다. 이러한 세라믹 부품들을 제조할 수 있는 많은 방법들이 공지되어 있는데, 이들은 기계가공, 사출 성형, 슬립 주조(slip casting), 가압 주조 및 겔캐스팅(gelcasting)을 포함한다. 겔캐스팅에서는, 유기 단량체 용액 내의 세라믹 분말의 농축된 슬러리가 주형 속으로 부어지고 그 장소에서 중합되어, 주형 공동 형상의 생형 성형체(green body)를 형성한다. 주형제거 후, 생형 세라믹 성형체는 건조되고, 필요한 경우 기계가공되고, 바인더를 제거하기 위해 열분해되며, 그 다음 완전한 밀도로 소결된다. 아크릴아미드 시스템과 같은 수용성물질을 기초로 하는 시스템이 개발되었는데, 여기서는 수용성 단량체들이 사용되며, 물이 용매로서 사용된다.

본 발명의 목적은 종래의 인베스트먼트 주조 방법과 관련된 한가지 이상의 문제점들을 방지하거나 경감시키며, 바람직하게는 쉘몰드(shell mould)를 형성하는데 요구되는 시간을 상당히 줄이는 개선된 인베스트먼트 주조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 다음의 일련의 단계들을 포함하는 쉘몰드 제조 방법이 제공된다:

(ⅰ) 미리 형성된 소모성 패턴을 내화 입자 및 콜로이드 액체 바인더로 구성되는 슬러리에 침지시키고 이에 따라 상기 패턴 상에 코팅층을 형성하는 단계,

(ⅱ) 상기 코팅층 상에 내화재 입자를 침착시키는 단계,

(ⅲ) 건조 단계,

여기서, 단계 (ⅰ) 내지 단계 (ⅲ)은 요구되는 코팅층 수를 갖는 쉘몰드를 형성하는데 필요한 만큼 수회 반복되고, 적어도 한 번의 단계 (ⅱ)의 수행 동안, 겔형성 재료가 단계 (ⅰ)에서 형성된 코팅층 상에 또한 침착되어, 이에 따라, 코팅층과 접촉 후, 수분이 겔형성 재료에 의해 흡수되고, 이에 따라 콜로이드 바인더의 겔화를 야기하여, 단계 (ⅲ)에서의 건조를 위해 요구되는 시간을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 방법은, 단계 (ⅲ) 후에 수행되는 추가적인 단계 (ⅳ)로서, 내화 입자 및 콜로이드 액체 바인더로 구성되는 슬러리를 포함하는 밀봉 코팅을 도포한 다음에 건조시키는 추가적인 단계 (ⅳ)를 또한 포함한다.

쉘몰드의 형성에 있어서, 소모성 패턴에 도포되는 코팅층은 통상적으로 1차 코팅층으로 불리우며, 이에 후속하여 도포되는 코팅층은 2차 코팅층으로 불리운다. 전형적으로, 3 내지 12개의 2차 코팅층이 도포된다.

바람직하게는, 겔형성 재료는 각각의 2차 코팅층 상에 도포된다(즉, 첫 번째 다음에 단계 (ⅱ)의 각각의 반복 중에). 더욱 바람직하게는, 겔형성 재료는 1차 코팅층 상에 도포된다.

단계 (ⅱ)에서의 내화재 입자 및 겔형성 재료의 침착은 레인폴 샌더(rainfall sander) 또는 유동층(fluidised bed)을 이용하는 것과 같은 임의의 편리한 방법에 의해 달성될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 내화재 입자 및 겔형성 재료는 독립적으로 및/또는 순차적으로 도포될 수 있거나, 또는 바람직하게는 그것들은 예비혼합될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에 있어서, 내화재 입자는 겔형성 재료로 예비코팅된다.

바람직하게는, 단계 (ⅱ)에서 사용되는 겔형성 재료의 양은 단계 (ⅱ)에서 사용되는 내화재 입자의 10 중량%를 넘지않고, 더욱 바람직하게는 5 중량%를 넘지 않으며, 더더욱 바람직하게는 3 중량%를 넘지 않고, 가장 바람직하게는 2 중량%를 넘지 않는다.

바람직하게는, 겔형성 재료는 폴리머이고, 더욱 바람직하게는 폴리아크릴아미드 및 폴리아크릴레이트로 예시되는 초흡수성 폴리머이다.

일반적으로, 적어도 50 중량%(그리고 더욱 바람직하게는 적어도 80 중량%)의 겔형성 재료 입자(겔형성 재료가 내화재 입자를 코팅시키지 않는 실시예에서)는 바람직하게는 1 mm보다 크지 않고, 더욱 바람직하게는 300 ㎛보다 크지 않으며, 가장 바람직하게는 200 ㎛보다 크지 않다. 특히 바람직한 실시예에서, 대체로 모든(적어도 95 중량%) 폴리머 입자들은 그 크기가 300 ㎛보다 크지 않다. 겔형성 재료의 이론적인 최소 입자 크기는 존재하지 않지만, 특히 레인폴 샌더에 의해 도포되는 경우에, 미세 분말들은 문제가 될 수 있다. 따라서, 바람직한 최소 입자 크기는 50 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 75 ㎛이다. 입자들은 모두 대체로 동일한 크기일 수 있거나, 또는 최대 크기 이하의 입자 크기 분포가 존재할 수 있다.

유리하게는, 상기 방법(수분 흡수재의 사용 및 그에 따라 귀결되는 감소된 건조 시간을 제외하고)은 종래의 기계 및 재료를 이용한 표준 인베스트먼트 주조 방법과 대체로 동일할 수 있다. 따라서, 소모성 패턴의 성질, 단계 (ⅰ)[및 존재하는 경우 단계 (ⅳ)]에서 사용되는 슬러리 조성, 그리고 단계 (ⅱ)에서 사용되는 내화재 입자들은 인베스트먼트 주조 기술의 당업자들에게 공지된 임의의 것일 수 있다.

또한, 상기 방법은 바람직하게는 단계 (ⅲ)[또는 존재하는 경우 단계 (ⅳ)] 후에 쉘몰드로부터 소모성 패턴을 제거하는 단계를 포함하고, 더욱 바람직하게는 상기 방법은 결과적인 쉘몰드를 소성(燒成)(firing; 이하 "소성"이라 함)하는 최종 단계를 포함한다.

소성은 950℃ 이상의 온도로의 가열에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 다단계 소성 공정이 채용된다. 예를 들면, 제1 단계에서 1 내지 5 ℃/분(바람직하게는 1 내지 3 ℃/분)의 가열 속도로 400 내지 700 ℃의 온도로 가열한 다음에, 제2 단계에서 5 내지 10 ℃/분의 속도로 적어도 950 ℃(바람직하게는 약 1000 ℃)로 가열할 수 있다. 온도는 제1 단계와 제2 단계 사이에서 짧은 시간(예컨데, 10분 미만) 동안 유지될 수 있다. 적어도 950 ℃로의 가열은 3가지 이상의 단계들로 수행될 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법에 의해 제조될 수 있는 쉘몰드에 관한 것이다.

본 발명은 다음 실시예들을 참조로 더욱 상세히 설명된다.

비교예 1

비교예는 알루미늄 합금 주조에 사용되는 표준 쉘을 대표하고 다음과 같이 구성되도록 의도되었다:

충진된 왁스 시험편이 (1차적으로) 30초 동안 제1 슬러리에 침지되었고, 60초 동안 탈수되었다. 굵은 입자인 도장 재료가 그 다음 레인폴 샌드법에 의해 상기 젖은 슬러리 표면에 침착되었다(침착시 투하 높이는 약 2m). 코팅된 시험편은 건조 캐로젤(drying carousel) 상에 놓여지고, 낮은 공기 이동의 제어된 조건 하에서 요구되는 시간 동안 건조되었다. 연장된 건조는 콜로이드 바인더로부터 수분을 제거하고, 단단한 겔을 형성하도록 입자들의 겔화를 촉진시킨다.

후속하는 코팅들은 제2 (2차) 슬러리에서 침지(30초)함에 의해 도포되었고, 그 다음 탈수(60초)가 이어졌으며, 그 다음 도장물질이 도포되고(레인폴 샌드법, 침착시 투하 높이는 약 2m), 각각의 도장물질 도포 후 요구되는 시간 동안 건조되었다. 총 4개의 2차 코팅이 도포되었다. 마지막으로, 밀봉 코팅이 도포되었고(2차 슬러리 내에 침지, 그러나 도장물질 도포는 없음), 건조가 이어졌다.

1차 및 2차 슬러리 조성은 표 1에 포함되고, 다른 다양한 공정 파라미터들은 표 2에 주어진다. 표 1에서 라텍스의 첨가는, 미소성(未燒成) 강도(unfired strength)를 향상시키기 위해 기본 바인더에 첨가되는 수성(water-based) 라텍스 시스템의 이용에 관한 것이다.

표 1 : 알루미늄 쉘 제조를 위한 슬러리 조성(모든 수치는 중량%임)

표 2 : 비교예에 대한 쉘 형성 조성

실시예 1

실시예 1에 따른 쉘몰드는, 2차 코팅 상에 도포된 도장물질이 폴리아크릴아미드의 입자를 포함한 점을 제외하고는(10:1의 도장물질 대 폴리아크릴아미드 비율로 포함), 표 1의 슬러리를 이용한 비교예 1에서와 동일한 방법으로 제조되었다. 공정 파라미터들은 표 3에 주어진다. 폴리아크릴아미드가 젖은 슬러리 표면 상에 침착되는 경우, 이것은 슬러리의 인접 콜로이드 부분으로부터 수분을 급속하게 흡수하여 연장된 건조 시간의 필요없이 단단한 겔로의 겔화를 촉진시킨다.

건조 시간은 1차 슬러리 코팅에 적용된 도장물질에 폴리아크릴아미드 폴리머를 포함함에 의해 더욱 감소될 수 있는 것으로 기대된다.

표 3 : 실시예 1에 대한 쉘 형성 조성

* 입자 크기 86 중량% > 1 mm, 500 ㎛ ≤ 14 중량% ≤ 1 mm

실시예 1의 쉘몰드는 비교예 1과 비교해서 덜 치밀하고 덜 균일하다. 실시예 1의 쉘은 콜로이드 바인더로부터 수분의 흡수 동안에 개별적인 폴리머 입자들의 팽창에 의해 여러 위치에서 더욱 개방되고 박리된다. 큰 입자 크기는 이러한 점에서 불리하고, 이러한 결함들은 보다 작고 보다 제어된 입자 크기를 갖는 폴리아크릴아미드 첨가물을 표준 크기의 도장물질에 사용함으로써 크게 감소될 수 있는 것으로 기대된다.

쉘 두께 비교

아크릴아미드 개질된 쉘 시스템(실시예 1) 및 표준(비교예 1) 시스템에 대해 달성된 세라믹 쉘 두께의 비교는 표 4에 나타난다. 폴리아크릴아미드는 입자 크기가 도장물질 자체의 입자 크기보다 크기 때문에 쉘 두께를 증가시킨다. 이러한 큰 크기는 또한 데이터의 상대적으로 큰 표준편차에 의해서도 나타난다.

표 4 : 쉘 두께 비교

실온 평 바아(flat bar) 강도 측정

강도 측정이 BS 1902에 따라 수행되었다. 사출성형된 왁스 바아들은 전술된 공정에 의해 형성된 세라믹 쉘에 대한 형성자(former)로서 사용되었다. 형성 후에, 쉘들은 8 bar의 압력에서 4분 동안 스팀 보일러클라베(steam Boilerclave; TM)로 왁스 제거되었고, 1 bar/분으로 제어되는 감압 사이클이 이어졌다. 약 20 mm × 80 mm의 시험편이 연삭휠을 이용하여 절삭되었고, 실온에서 3 포인트 벤드 모드(3 point bend mode)로 시험되었다(압축 상태의 일차 코팅).

상기 쉘 샘플들에 대한 3 포인트 벤드 모드로 실온에서 달성된 최대 강도의 비교가 표 5에 주어진다. 높은 건조, 생형 강도는 라텍스 폴리머 함량의 직접적인 결과이고, 이것은 샘플이 1000 ℃에서 소성되고 라텍스가 타버림에 따른 강도의 감소에 의해 반영된다(데이터는 도시되지 않음). 실시예 1에 따른 쉘의 강도는 상대적으로 낮은데, 이것은 매우 큰 입자 크기의 폴리아크릴아미드의 이용에 의해 도입된 박리 및 결함들의 직접적인 결과이다. 보다 작은 폴리머 입자 크기의 이용에 의해, 아크릴아미드 폴리머의 팽창은 인베스트먼트 주조에 더욱 적합한 수준으로 감소될 것으로 기대된다.

표 5 : 평 바아 파괴 강도

실시예 2

상술한 문제점들을 해결하기 위해, 또 다른 실시예가 준비되었는데, 실시예 1과의 주요 차이점은 다음과 같다:

(ⅰ) 보다 작은 입자 크기를 갖는 더욱 많은 흡수성 폴리머가 사용되었고,

(ⅱ) 보다 적은 양의 폴리머가 사용되었으며, 그리고

(ⅲ) 폴리머는 1차 도장물질 코팅에 통합되었다.

쉘 형성 조성은 아래의 표 6에 주어진다. 슬러리는 표 1에 도시된 바와 같다.

표 6 : 실시예 2에 대한 쉘 형성 조성

* 입자 크기가 300 ㎛ 미만인 폴리아크릴아미드

실시예 2에 대한 생형 건조 강도는 2.83 +/- 0.63 MPa로 측정되었다. 이것은 실시예 1에 대한 그것과 상이한 레인샌드 시스템을 이용하여 얻어졌는데, 강도값을 감소시키는 것으로 알려진 보다 낮은 높이(약 10 cm)로부터 모래가 침착되었다. 비교를 위해, 비교예 1이 반복되었고(이하 비교예 2라 함), 4.8 +/- 0.54 MPa의 생형 건조 강도를 갖는 것으로 나타났다. 따라서, 표준 쉘몰드의 형성을 위해 요구되는 시간의 2% 미만으로, 본 발명에 따른 방법은 아래에 나타나는 바와 같이 주조에 충분한 거의 60%의 강도를 갖는 몰드의 제조를 가능하게 한다.

이러한 생형 건조 강도 측정 이외에, 실시예 2 및 비교예 2는 그것들의 생형 습윤 강도가 시험되었고(왁스 제거 동안의 강도 모의 시험), 상이한 가열 조건 하에서 그것들의 소성 강도에 대해 시험되었다. 그 결과가 아래 표 7에 도시된다.

표 7 : 실시예 2에 대한 평 바아 파괴 강도

소성 방법 A: 20 C/분으로 1000 ℃까지, 유지시간 60분, 노 냉각

소성 방법 B: 1 C/분으로 700 ℃까지, 유지시간 6분, 5 C/분으로 1000 ℃까지, 유지시간 30분, 노 냉각

소성 방법 C: 2 C/분으로 700 ℃까지, 유지시간 6분, 10 C/분으로 1000 ℃까지, 유지시간 60분, 노 냉각.

실시예 2의 주형은 왁스 제거 동안에 균열이 일어나지 않았다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 표준 방법을 이용하여 걸리는 시간의 몇 분의 1에 해당하는 시간 동안 인베스트먼트 주조에 충분한 강도를 갖는 쉘몰드의 제조를 가능하게 하는 것으로 나타났다.

상술한 바와 같은 본 발명은 인베스트먼트 주조 방법으로서 쉘몰드의 제조에 이용될 수 있다.

Claims

(ⅰ) 미리 형성된 소모성 패턴을 내화 입자 및 콜로이드 액체 바인더로 구성되는 슬러리에 침지시키고 이에 따라 상기 패턴 상에 코팅층을 형성하는 단계,

(ⅱ) 상기 코팅층 상에 내화재 입자를 침착시키는 단계,

(ⅲ) 건조 단계로 이루어지는 일련의 단계들을 포함하고,

여기서, 단계 (ⅰ) 내지 단계 (ⅲ)은 1차 코팅층 및 적어도 하나의 2차 코팅층을 갖는 쉘몰드를 형성하는데 요구되는 횟수만큼 반복되는, 쉘몰드 제조 방법에 있어서,

단계 (ⅱ)의 적어도 한 번의 수행 동안에, 겔형성 재료가 또한 단계 (ⅰ)에서 형성된 코팅층 상에 침착되는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 방법은, 단계 (ⅲ) 후에 수행되는 추가적인 단계 (ⅳ)로서, 내화 입자 및 액체 바인더로 구성되는 슬러리를 포함하는 밀봉 코팅을 도포한 다음에 건조시키는 추가적인 단계 (ⅳ)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 겔형성 재료는 각각의 2차 코팅층 상에 도포되는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 겔형성 재료는 1차 코팅층 상에 도포되는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 겔형성 재료는 초흡수성 폴리머인 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 폴리머는 폴리아크릴아미드 또는 폴리아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 폴리머는 입자상 재료이고, 50 중량% 이상의 폴리머 입자들은 300 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제7항에 있어서,

95 중량% 이상의 상기 폴리머 입자들은 300 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 내화재 입자들은 겔형성 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 단계 (ⅲ) 또는 존재하는 경우 상기 추가적인 단계 (ⅳ) 후에 쉘몰드로부터 소모성 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,

각각 단계 (ⅱ) 동안에 첨가되는 겔형성 재료는 상기 단계 (ⅱ) 동안에 첨가되는 내화재 입자들의 10 중량% 미만을 구성하는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제12항에 있어서,

상기 겔형성 재료는 내화재 입자들의 3 중량% 미만을 구성하는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 따른 쉘몰드 제조 방법에 의해 제조가능한 쉘몰드.
주물을 제조하는 쉘몰드로서, 상기 쉘몰드는 내부에 주물 형상의 공동을 갖는 쉘을 포함하며, 상기 쉘은 복수의 층들을 포함하는 주물 제조용 쉘몰드에 있어서,

상기 층들 중 하나 이상은 겔형성 재료, 내화 입자 및 겔화된 콜로이드 액체 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 주물 제조용 쉘몰드.
제15항에 있어서,

상기 겔형성 재료는 초흡수성 폴리머인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 쉘몰드.
제16항에 있어서,

상기 폴리머는 폴리아크릴아미드인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 쉘몰드.
제16항 또는 제17항에 있어서,

상기 폴리머의 입자들 중 95 중량% 이상은 300 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 쉘몰드.
제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

어느 층 내의 겔형성 재료의 양도 그 층 내의 내화 입자들의 10 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 쉘몰드.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 방법은 결과적인 쉘몰드를 소성하는 최종 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.
제20항에 있어서,

소성은, 1 내지 5 ℃/분의 가열 속도로 400 내지 700 ℃의 온도로 가열한 다음에 5 ℃/분 이상의 가열 속도로 950 ℃ 이상으로 가열함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 쉘몰드 제조 방법.