KR101110619B1 - 주형 제조장치 및 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 마에다 세르 사비스
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Abstract

증기 가열을 이용한 주형 제조장치가 제공된다. 이 장치는 캐비티를 갖는 성형틀과, 수지 코팅 모래를 캐비티 안으로 공급하는 수지 코팅 모래 공급부와, 캐비티 안으로 증기를 공급하는 증기 공급부와, 캐비티로부터 증기를 배출하는 증기 배출부를 포함한다. 성형틀의 적어도 일부는, 수지 코팅 모래의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 공경(pore diameter)을 갖는 다공질 재료로 형성되고, 증기의 적어도 일부가 다공질 재료를 통해 캐비티 안으로 공급된다. 캐비티 안으로 증기를 균일하게 공급할 수 있기 때문에, 균질 상태의 주형을 제조할 수 있다.
주형, 수지 코팅 모래, 증기 공급부, 증기 배출부, 다공질 재료

Description

주형 제조장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING CASTING MOLD}
본 발명은 주조시에 사용되는 몰드를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
열경화성 수지와 같은 바인더로 내화성 골재(refractory aggregate)를 코팅하여 마련된 수지 코팅 모래를 사용하여 주형(casting mold)을 제조하는 종래의 공지된 방법은, 수지 코팅 모래를 가열된 금형의 캐비티로 공급하고 바인더를 그 금형의 열에 의해 경화시켜 내화성 골재를 경화시킨 바인더로 결합하여 주형을 제조하는 방법이다.
이와 같은 방법에 의하면, 안정된 품질을 갖는 주형을 높은 생산성으로 제조할 수 있다. 그러나, 금형을 고온으로 가열할 필요가 있기 때문에, 수지 코팅 모래의 바인더로 사용되는 페놀 수지와 같은 열경화성 수지가 화학적으로 반응하여 결과적으로 암모니아나 포름알데히드와 같은 유해 물질이 발생하고 작업 환경의 악화를 초래한다는 문제가 있다. 또한, 금형과 접촉 상태에 있는 수지 코팅 모래의 일부가 급속히 가열되기 때문에, 제조된 주형이 휘는 변형을 일으키기 쉽다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 일본특허 제3563973호에는 금형 안에 수지 코팅 모래를 충전한 다음 금형 안에 증기를 흡입시킴으로써 증기에 의해 금형 안의 수지 코팅 모래를 가열하여 바인더를 경화시켜 주형을 제조하는 방법이 제안 되어 있다. 이 방법에서는, 증기의 열로 수지 코팅 모래를 가열하기 때문에, 고온의 금형에 접촉하여 수지 코팅 모래로부터 유해 물질이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 증기는 금형에 설치한 한 군데 또는 많아야 몇 군데 주입공을 통해 금형 안으로 공급된다. 따라서, 주형의 형상이 점점 복잡해지면, 금형 안에 충전한 수지 코팅 모래 구석구석까지 증기를 공급하기 어려워진다. 따라서, 이 금형 제조 기술은 금형 안에 충전된 수지 코팅 모래 전체를 균일하게 가열하기 위해 여전히 개선될 필요가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 성형틀 안에 충전한 수지 코팅 모래 전체를 증기로 균일하게 가열함으로써 균질 주형을 제조할 수 있는 주형 제조장치를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 주형 제조장치는, 캐비티를 갖는 성형틀과; 내화성 골재에 바인더 수지를 코팅하여 만들어진 수지 코팅 모래를 상기 캐비티에 공급하는 수지 코팅 모래 공급부와; 상기 캐비티 안으로 증기를 공급하는 증기 공급부와; 상기 캐비티로부터 증기를 배출하는 증기 배출부를 포함한다. 상기 성형틀의 적어도 일부는 상기 수지 코팅 모래의 평균 입자 직경보다 작은 평균 공경을 갖는 다공질 재료로 형성되고, 증기의 적어도 일부는 상기 다공질 재료를 통과하여 상기 캐비티 안으로 공급된다.
본 발명에 따르면, 증기 공급부로부터 제공되는 증기는, 증기 주입공 등으로부터 직접적으로 캐비티 안으로 공급될 수 있고, 성형틀을 구성하는 다공질 재료를 통해 간접적으로 캐비티 안으로 공급될 수도 있다. 따라서, 수지 코팅 모래 전체에 증기를 분배시킬 수 있어 결과적으로 수지 코팅 모래를 균일하게 가열하여 종래보다 균질한 주형을 제조할 수 있다.
본 발명에 있어서, 증기 공급부는 과열 증기를 캐비티 안으로 공급하는 것이 바람직하다. 일 예로 증기를 수지 코팅 모래의 경화 온도 이상의 온도 및 증기가 1.5～10kgf/㎠의 증기압으로 캐비티 안으로 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 기술 사상은 증기 주입공을 성형틀에 설치하지 않고, 증기 공급부로부터 제공되는 증기 전부를 성형틀의 다공질 재료를 통해 캐비티 안으로 간접적으로 공급하는 구조를 포함한다. 즉, 이 경우에는 성형틀을 수용할 수 있는 내부 용적을 가지고, 증기 공급부에 의해 내부로 증기를 공급하기 위한 증기 공급구를 갖는 챔버를 사용한다. 내부에 성형틀이 배치된 챔버 안에 증기 공급구를 통해 공급된 증기가 성형틀 주위로부터 다공질 재료를 통해 균일하게 (실질적으로 정수압(hydrostatic pressure)으로) 캐비티 안으로 침입하도록, 성형틀은 다공질 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 성형틀은 증기를 캐비티 안으로 직접 공급하기 위한 적어도 하나의 제1 증기 공급로와, 증기를 상기 캐비티 안으로 상기 다공질 재료를 통해 간접적으로 공급하기 위한 적어도 하나의 제2 증기 공급로를 포함하는 것이 바람직하고, 특히 제2 증기 공급로는 제1 증기 공급로로부터 분기되는 것이 바람직하다.
또한, 성형틀을 다공질 재료로 성형하는 경우는, 증기가 다공질 재료를 통해 외부로 새는 것을 방지하기 위한 시일드 층을 성형틀의 외부 표면에 설치하는 것이 바람직하다. 따라서, 증기 공급부로부터 제공되는 증기의 일부의 손실 없이 다공질 재료를 통해 캐비티 안으로 효율적으로 증기를 공급할 수 있다. 마찬가지로 증기를 캐비티 안으로부터 배출하기 위한 증기 배출로를 다공질 재료로 만들어진 성형틀에 설치하는 경우, 증기가 캐비티 안으로부터가 아니라 다공질 재료를 통해 증기 배출로 안으로 직접 침투하는 것을 방지하기 위해 증기 배출로의 내주면에 시일드 층을 마련하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적은, 상술한 주형 제조장치와 동일한 기술 사상에 근거한 주형 제조방법을 제공하는 것이다. 이 제조 방법은, 내부에 캐비티를 갖는 성형틀을 준비하는 단계와; 내화성 골재에 바인더 수지를 코팅하여 만들어진 수지 코팅 모래를 상기 캐비티 안으로 충전하는 단계와; 상기 캐비티 안으로 증기를 공급하여 상기 수지 코팅 모래의 바인더 수지를 경화시키는 단계와; 상기 캐비티로부터 증기를 배출하는 단계를 포함한다. 상기 성형틀의 적어도 일부가 상기 수지 코팅 모래의 평균 입자 직경보다 작은 평균 공경을 갖는 다공질 재료로 형성되고, 증기의 일부는 상기 증기를 다공질 재료를 통과하여 상기 캐비티 안으로 공급된다.
본 발명의 다른 특징 및 이것이 야기하는 효과는, 이하에 설명하는 발명을 실시하기 위한 베스트 모드 및 실시예에 근거하여 더 명확하게 이해될 것이다.
도 1(A), 1(B) 및 1(C)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주형 제조장치의 동작을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 주형 제조장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 주형 제조장치의 단면도이다.
도 4(A) 및 도 4(B)는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 주형 제조장치의 동작을 나타낸 단면도이다.
도 5(A) 및 5(B)는 도 4의 실시예의 변경예에 따른 주형 제조장치의 동작을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 주형 제조장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 주형 제조장치의 단면도이다.
도 8(A) 및 도 8(B)는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 주형 제조장치의 동작을 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 주형 제조장치 및 주형 제조방법을 첨부 도면에 나타낸 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명한다.
도 1(A) 내지 도 1(C)에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 주형 제조장치는, 캐비티(1)를 갖는 성형틀(2)과, 내화성 골재에 바인더 수지를 코팅하여 이루어진 수지 코팅 모래(3)를 캐비티(1)에 공급하는 수지 코팅 모래 공급부(4)와, 캐비 티(1)에 증기를 공급하는 증기 공급부(5)와, 캐비티로부터 증기를 배출하는 증기 배출부(6)를 주로 포함한다.
본 발명의 성형틀(2)은 한 쌍의 분할형(20, 21)(split mold)으로 형성되고, 그 분할형을 서로 연결함으로써 캐비티(1)가 그 안에 형성된다. 또한, 성형틀(2)은, 증기 공급부(5)에 연결되고 캐비티 안으로 증기를 공급하기 위한 주입공(23)과, 증기 배출부(6)에 연결되고 캐비티(1)로부터 증기를 배출하기 위한 배출공(24)을 갖는다. 주입공(23)에 증기 공급부(5)가 연결되지 않을 때, 주입공(23)에 수지 코팅 모래 공급부(4)가 연결될 수 있다. 수지 코팅 모래(3)는 주입공(23)으로부터 캐비티(1) 안으로 공급될 수 있다. 배출공(24)의 캐비티 측의 개구부 부근에는, 수지 코팅 모래(3)는 통과할 수 없지만 증기를 통과시킬 수 있는 네트(미도시) 등을 설치한다. 주입공(23) 및 배출공(24)의 성형 위치 및 성형 수는 캐비티의 형상에 따라 적절히 결정된다.
성형틀(2)은, 다공질 재료, 예를 들면, 금속 분말이나 세라믹 분말을 소결하여 다공질로 성형한 소결 금속이나 소결 세라믹 등으로 형성되고, 증기를 통과시킬 수 있는 연속 미세 구멍(micro pores)을 갖는다. 다공질 재료의 연속 미세 구멍은, 캐비티(1)에 접하는 벽면 전체 및 주입공(23)의 내주 표면에서 개방되어 있다.
성형틀(2)을 형성하는 다공질 재료는 캐비티(1)에 공급되는 수지 코팅 모래(3)의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 공경(pore diameter)을 갖는다. 또한, 다공질 재료의 공극률(porosity)은 특별히 제한되지는 않지만, 증기의 균일공급과 얻어지는 주형 표면 조도(roughness)를 고려하면 5% 내지 75%인 것이 바람직하고, 10% 내지 65% 범위가 더 바람직하다.
성형틀(2)의 외표면 전체에는, 증기가 외부로 새는 것을 방지하기 위한 시일드(70)(shield)가 코팅되어 있다. 이 시일드(70)는 증기를 통과시키지 않는 판재 등을 성형틀(2)의 외부면에 붙여 성형할 수도 있다. 또한, 증기가 캐비티(1) 대신 다공질 재료를 통해 배출공(24) 안으로 직접 침입하는 것을 방지하기 위해, 배출공(24)의 내주면에 시일드층(72)이 마련되어 있다.
도 1(B)에 도시한 바와 같이, 수지 코팅 모래 공급부(4)는 수지 코팅 모래(3)가 저장되는 호퍼(40)와, 호퍼(40)의 하단부에 마련된 셔터(42)를 가진다. 셔터(42)를 개방함으로써, 수지 코팅 모래(3)가 주입공(23)을 통해 캐비티(1) 안으로 공급된다.
수지 코팅 모래(3)는, 규사 등의 내화성 골재에 열경화성 수지와 같은 바인더를 혼합하여 내화성 골재의 표면을 바인더로 코팅함으로써 제조된다. 열경화성 수지로는, 예를 들면, 페놀(penol) 수지, 푸란(furan) 수지, 이소시아네이트(isocyanate) 화합물, 아민폴리올(amine-polyol) 수지, 폴리에테르폴리올(polyether polyol) 수지 등이 사용된다. 수지 코팅 모래의 평균 입자 직경으로는, 거친 입자의 경우 400 내지 600㎛ 정도(예컨대, 450㎛)이고, 미세 입자의 경우 100 내지 300㎛ 정도(예컨대, 150㎛)이다. 상술한 바와 같이, 성형틀(2)을 구성하는 다공질 재료의 평균 공경은, 이 수지 코팅 모래의 평균 입자 직경보다 작아지도록 결정될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 특별히 한정되지는 않지만, 증기를 캐비티 안으로 균일하게 공급하고 양호한 주형 표면 상태를 얻도록, 일례로 평균 공경 이 30 내지 100㎛ 범위 내에 있는 다공질 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
도 1(C)에 도시한 바와 같이, 증기 공급부(5)는, 예컨대, 증기 발생기(50)와 히터(51)로 형성된다. 증기 발생기(51)에 의해 발생된 증기는 히터(51)에 의해 가열된 후, 주입공(23)을 통해 캐비티(1) 안으로 공급된다. 도 1(C)에서, 참조번호(52)는 증기 공급량을 조절하기 위한 밸브이다.
도 1(C)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 증기 배출부(6)는 흡입 펌프(60)를 가지며, 흡입 펌프(60)는 흡입관(62)에 의해 성형틀(2)의 배출공(24)에 연결된다. 배출공(24)을 통해 캐비티(1) 안의 증기를 자연 배출할 수 있다. 이 경우, 증기 배출부(6)는 성형틀(2)에 제공된 배출공(24)으로 구성된다. 또한, 자연 배출의 경우, 증기 공급부(5)로부터 공급되는 증기가, 우선 다공질 재료로 이루어지는 성형틀(2) 전체에 공급되어 다공질 재료를 통해 캐비티(1) 안의 수지 코팅 모래(3)로 침투한 다음 배출공(24)을 통해 천천히 성형틀 외부로 나간다. 따라서, 도 1(C)에 도시한 바와 같이, 성형틀(2)의 하방으로부터 보다 효과적으로 캐비티(1) 안으로 증기를 공급할 수 있다.
또한, 배출공(24)에 캐비티로부터 배출되는 증기량을 조절하는 배출량 조절수단과, 캐비티로부터 배출되는 증기의 온도를 측정하는 온도 센서를 가지며, 온도 센서에 의해 검출된 온도가 소정 온도 범위 내로 유지되도록 배출량 조절수단을 제어부에서 제어하는 것이 바람직하다. 이 경우, 캐비티(1) 안을 수지 코팅 모래(3)에 포함된 바인더의 경화 온도 이상으로 안정되게 유지할 수 있다.
설명의 편의상, 도 1(C)는 성형틀(2)의 상부에 증기 공급부(5)를 설치하고 그 하부에 증기 배출부(6)를 설치한 단면을 나타낸다. 증기의 이동 거리가 길어지도록, 도 1(C)의 지면에 각각 수직 방향으로 증기 공급부(5)와 증기 배출부(6)를 조금 옮겨 배치할 수 있다. 또한, 도 1(C)에서는, 성형틀(2)의 상부에 증기 공급부(5)가 마련되어 있는데, 증기 배출부(6)와 도 1(C)의 단면에서 수직 방향으로 이격되도록 성형틀(2)의 하부에도 별도로 증기 공급부(5)를 마련할 수 있다. 따라서, 성형틀의 하방으로부터도 상방으로부터와 마찬가지로 증기를 공급할 수 있고, 캐비티(1) 안을 더 한층 균일하게 가열할 수 있다.
상술한 장치에 따르면, 이하에서 설명하는 바와 같이 주형을 제조할 수 있다. 우선, 도 1(B)에 도시한 바와 같이, 성형틀(2)의 주입공(23)에 수지 코팅 모래 공급부(4)를 접속하여 셔터(42)를 개방하면, 호퍼(40) 안의 수지 코팅된 모래(3)가 주입공(23)을 통하여 성형틀(2)의 캐비티(1) 안에 충전된다. 이 때, 호퍼(40) 안을 고압 공기로 가압하여 수지 코팅 모래(3)를 캐비티(1) 안으로 분사함으로써, 수지 코팅 모래(3)를 효율적으로 캐비티(1) 안으로 충전할 수 있다.
성형틀(2)의 주입공(23)으로부터 수지 코팅 모래 공급부(4)를 제거한 다음, 도 1(C)에 도시한 바와 같이, 주입공(23)에 증기 공급부(5)를 연결하고 밸브(52)를 열어 증기를 캐비티(1) 안으로 공급한다. 증기 공급부(5)로부터 증기를 공급할 때, 동시에 증기 배출부(6)를 작동시킨다. 따라서, 캐비티(1) 안에 공급된 증기는 캐비티(1) 안의 수지 코팅 모래(3)의 입자 사이를 통과하여 강제로 배출공(24)으로부터 배출된다. 따라서, 증기는 캐비티(1) 안에 충전된 수지 코팅 모래(3)의 입자 사이에 체류하지 않는다.
또한, 증기가 주입공(23)을 통과할 때, 도 1(C)에 도시한 화살표와 같이, 증기가 주입공(23)의 내주면으로부터 다공질 재료로 형성된 성형틀(2) 내부로 침입한다. 이 증기는 다공질 재료의 연속 미세 구멍을 통과하여 캐비티(1)의 벽면에서 캐비티(1) 안으로 유입된다. 따라서, 성형틀(2)의 캐비티(1)로의 증기 공급은 주입공(23)으로부터 또한 캐비티(2)에 접하는 벽면 전체로부터 이루어지며, 캐비티(1)에 충전된 수지 코팅 모래(3)의 구석구석까지 증기를 공급시켜 증기를 수지 코팅 모래(3)에 균일하게 작용시킬 수 있다.
여기서, 증기는 수지 코팅 모래(3)에 포함된 바인더(열경화성 수지)의 경화 온도 이상의 온도로 가열기(51)에 의해 가열되어 성형틀(2)로 공급된다. 예를 들면, 온도가 110～180℃, 증기압이 0.15～1.0MPa(1.5 내지 10kgf/㎠) 범위의 증기를 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 포화 증기를 가열기(51)로 더 가열하여 200～600℃ 정도의 포화 온도 이상으로 올려 건조 상태에 있는 과열 증기로 만들어 성형틀(2)로 공급할 수도 있다.
증기를 공급하여 수지 코팅 모래(3)를 경화시킨 다음, 증기 공급부(5)를 주입공(23)으로부터 제거하고 성형틀(2)을 개방하여 주형을 취출한다. 성형틀(2)을 예열할 필요가 있을 경우, 증기를 상술한 바와 같이 성형틀(2)에 공급함으로써 증기가 다공질 재료로 이루어진 성형틀(2) 내부로 침투하여 증기로 성형틀(2) 전체를 가열할 수 있다. 따라서, 성형틀(2)을 가열하기 위한 가열 장치를 개별적으로 마련하지 않아도 되는 장점이 있다.
또한, 다른 형상의 주형이나, 치수가 다른 주형을 성형하기 위한 복수의 캐 비티를 단일 성형틀(2)에 마련하고, 각각의 캐비티에 공급되는 증기의 양을 증기 공급부(5)에서 조절할 수 있게 하면, 캐비티마다 원하는 주형을 일괄적으로 제조할 수 있다. 이와 같이, 다품종 소량 생산에 적합한 주형 제조장치를 제공할 수 있는 것도 본 발명의 중요한 특징 중 하나이다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 수지 코팅 모래(3)를 캐비티(1)로 공급하기 위한 주입공(23)과는 별도로 증기를 캐비티(1) 안으로 공급하기 위한 복수의 증기 공급공(25)이 성형틀(2)에 마련될 수 있다. 이와 같은 장치에서, 수지 코팅 모래 공급부(4)는 주입공(23)에 연결될 수 있고, 증기 공급부(5)는 증기 공급공(25)에 고정적으로 연결될 수 있다. 도 2에서, 화살표는 증기의 흐름을 나타낸다. 그 외의 구성은 도 1(A)-(C)의 장치와 실질적으로 동일하기 때문에, 중복되는 설명을 생략한다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 증기가 횡방향으로부터 캐비티(1) 안으로 공급되도록 증기 공급공(25)을 성형틀의 분할형(20, 21) 각각에 마련할 수 잇다. 이와 같은 장치에 따르면, 상방으로부터의 증기 공급만으로는 횡방향으로 긴 캐비티 말단까지 증기를 공급시키기 어려운 경우라도, 횡방향으로 확실히 캐비티의 말단부로 증기를 공급할 수 있다. 도 3에서 화살표는 증기의 흐름을 나타낸다.
설명의 편의상, 도 3은 성형틀(2)의 우측에 증기 공급부(5)를 마련하고, 하부에 증기 배출부(6)를 마련한 단면을 나타낸다. 그러나, 증기의 이동 거리가 길어지도록, 도 3의 지면에 수직 방향으로 각각 증기 공급부(5)와 증기 배출부(6)를 변위시켜 배치할 수도 있다. 또한, 도 3에서는 성형틀(2)의 우측에 증기 공급부(5) 를 마련하는데, 성형틀(2)의 좌측에 별도의 증기 공급부(5)를 마련할 수 있다. 따라서, 성형틀의 좌측으로부터도 우측으로부터와 마찬가지로 증기를 공급할 수 있고, 캐비티(1) 안을 한층 균일하게 가열할 수 있다.
또한, 도 4(A) 및 4(B)에 도시한 바와 같이, 증기 배출부(6)의 흡입관(60)이 연결되는 배출공(24)이 성형틀(2)의 분할형(20, 21)이 맞닿는 면 사이에 형성될 수 있다. 이와 같이 배출공(24)를 캐비티(1)의 양측에 마련함으로써, 주입구(23)를 통해 캐비티(1)로 공급된 증기가 수지 코팅 모래(3)를 통해 확산되어 배출공(24)을 향한다. 따라서, 캐비티 안에서 증기가 이동하기 쉬워져 결과적으로 캐비티 안을 더 균일하게 가열할 수있다. 또한, 배출공(24) 안을 청소할 경우 등, 성형틀(2)의 유지, 보수를 쉽게 수행할 수 있다. 이와 같은 장치에서, 주입공(23)은 수지 코팅 모래 공급부(4)와 증기 공급부(5) 중 어느 하나에 선택적으로 연결될 수 있다. 도 4(B)에서, 화살표는 증기 흐름을 나타낸다.
도 5(A) 및 도 5(B)에 도시한 바와 같이, 주형 형태에 따라 성형틀(2)은 횡방향 대신 종방향으로 분할될 수 있도록 형성될 수 있다. 이 경우, 증기를 캐비티(1) 안으로 공급하여 수지 코팅 모래(3)를 가열 경화시킨 다음, 분할형(20, 21)을 좌우 방향으로 각각 이동시켜 분할함으로써, 캐비티로부터 주형을 쉽게 떼어낼 수 있다. 또한, 중력 작용과 캐비티의 하단으로부터의 증기 흡입 배출에 따라, 증기의 상방으로부터 하방으로의 흐름이 촉진되고, 도 5(B)의 화살표로 도시된 바와 같이 캐비티(1) 안에 균일하게 증기를 공급시킬 수 있다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 성형틀(2)은, 증기를 캐비티(1) 안으로 직 접 공급하기 위한 복수의 증기 공급공(25)과, 증기를 캐비티(1) 안으로 다공질 재료를 통해 간접적으로 공급하기 위해 증기 공급공(25)으로부터 분기하는 증기 공급로(26)를 갖는 것도 바람직하다. 이 경우, 복잡한 형상의 주형을 제조하는 경우라도, 캐비티 구석구석까지 증기를 확실하게 분배시킬 수 있다. 도 6에 도시한 화살표는 증기 흐름을 나타낸다. 기타 구성은 상술한 장치과 실질적으로 동일하기 때문에 중복 설명을 생략한다.
상술한 장치와 같은 방식으로 성형틀(2) 전체는 다공질 재료로 형성될 수 있다. 또한, 성형틀(2) 안의 캐비티(1)에 접하는 부분의 일부가 다공질 재료로 형성될 수도 있다. 예컨대, 도 7에 도시한 바와 같이, 증기를 캐비티 안으로 공급하기 위한 증기 공급공(25)의 출구 부근에서, 증기 공급공(25)과 캐비티(1)의 양쪽에 접하는 성형틀 영역에 다공질 재료로 이루어진 다공질부(28)를 형성하면, 증기 공급공(25)뿐 아니라, 그 출구 주위의 다공질부(28)를 통해서도 증기가 캐비티(1) 안으로 공급된다. 따라서, 실질적으로 증기 공급공(25)의 개구 면적이 넓어져 캐비티(1) 안의 수지 코팅 모래(3)를 더 균일하게 가열할 수 있다.
또한, 성형틀(2)의 캐비티(1)에 직접 증기를 공급하는 대신, 성형틀(2)의 주위로부터 다공질 재료를 통해 간접적으로 캐비티(1) 안으로 증기를 공급할 수 있다. 예컨대, 도 8(A) 및 도 8(B)에 도시한 바와 같이, 성형틀(2)을 수용할 수 있는 내부 용적을 갖는 챔버(80) 안에서 주형을 제조하는 것이 바람직하다. 이 챔버(80)는, 수지 코팅 모래 공급부(4)에 의해 성형틀(2) 안에 수지 코팅 모래(3)를 채우기 위한 모래 공급구(81)와, 증기 공급부(5)에 의해 챔버 내부로 증기를 공급하기 위 한 증기 공급구(82)와, 캐비티로부터 증기를 배출하기 위한 증기 배출구(83)를 갖는다. 이 경우, 챔버(80) 내부에 배치된 성형틀(2)과 챔버(80)의 내표면 사이의 공간(84)에 공급된 증기는, 성형틀(2) 주위로부터 다공질 재료를 통해 균등하게 (실질적으로 정수압(hydrostatic pressure)으로) 캐비티(1) 안으로 공급된다. 캐비티(1) 안으로 공급된 증기는, 상술한 장치와 마찬가지로 배출공(24) 및 증기 배출구(83)를 통해 챔버(80) 외부로 배출된다. 도 8(B)에 도시한 화살표는 증기 흐름을 나타낸다.
다음에, 본 발명을 실시예에 따라 더 구체적으로 설명한다.
(제조예1)
실시예 1 내지 18 및 비교예 1 내지 6에서 사용된 수지 코팅 모래(3)는 다음과 같이 준비되었다. 우선, 145℃로 가열한 플래터리 모래(Flattery sand) 30Kg을 회전 믹서에 넣고, 여기에 레졸 타입의 페놀 수지(Lygnyte Co., Ltd. 제품 [LT-15])를 450g 첨가하여 30초간 혼합시킨다. 그 다음, 450g의 물을 여기에 첨가하여 충분히 혼합시킨다. 이어서, 스티아린산칼슘(calcium stearate) 30g을 첨가하여 30초간 혼합시킨 다음, 에어레이션(aeration)을 행함으로써, 페놀수지가 1.5 질량%의 비율로 코팅된 수지 코팅 모래(3)를 얻었다. 얻어진 수지 코팅 모래(3)의 평균 입자 직경은 160㎛이다.
(제조예2)
실시예 19 내지 21에서 사용한 수지 코팅 모래(3)는 플래터리 모래 대신에 프리맨틀 모래(Fremantle sand)를 사용한 것 이외에는, 제조예 1과 동일하게 마련 되었다. 얻어진 수지 코팅 모래(3)의 평균 입자 직경은 430㎛였다.
(실시예 1～3)
본 실시예에서는 도 1(A)～도 1(C)에 도시한 장치를 이용하여 주형이 각각 제조되었다. 사용한 성형틀(2)은, 퍼말로이(permalloy)(Ni 78.5질량%를 포함하는 Ni-Fe합금)로 이루어진 다공질 재료로 형성되고 공극률은 약 35%이다. 또한, 다공질 재료의 평균 공경(pore diameter)은 약 60～80㎛ 범위에 있고, 수지 코팅 모래(3)의 평균 입자 직경보다 작다. 주형 제조에 앞서, 우선 주입공(23)에 증기 공급장치(5)를 연결하여 증기를 흡입시키고, 성형틀(2)을 140℃로 가열하였다. 다음에, 성형틀(2)의 주입공(23)에 수지 코팅 모래 공급부(4)를 연결하여 0.2MPa의 압력으로 수지 코팅 모래(3)를 캐비티(1) 안으로 공급했다(도 1(B)).
다음에, 증기 공급부를 주입공(23)에 연결시키고 증기 발생기(50)에 의해 0.4MPa의 압력하에서 144℃의 포화 증기를 발생시켰다. 이 포화 증기를 가열기(51)로 400℃로 가열하여 과열 증기로 만든 다음, 주입공(23)으로부터 캐비티(1) 안으로 공급하였다(도 1(C)). 이 때, 과열 증기의 공급 시간을 각각 10초간(실시예 1), 20초간(실시예 2) 30초간(실시예 3)으로 했다. 다음, 캐비티(1) 안에서 성형된 주형을 성형틀(2)로부터 떼어내었다. 실시예 1～3에서는 흡입 펌프(60)를 작동시키지 않고 캐비티(1) 안의 증기를 배출공(24)으로부터 자연 배출시켰다.
(실시예 4～6)
상기 실시예 1～3에서 성형틀(2)의 배출공(24)에 흡입관(62)를 통해 흡입 펌프(60)를 연결하고 과열 증기 공급과 동시에 흡입 펌프(60)를 동작시켜 0.09MPa로 증기를 흡입하여 강제 배출시키도록 한 것 이외에는, 실시예 1～3과 동일하게 주형을 제조했다.
(실시예 7～9)
본 실시예에서는, 도 2에 도시한 장치를 이용하여 주형을 제조하였다. 사용한 성형틀(2)은 퍼말로이로 이루어지는 다공질 재료로 형성되었고, 그 공극률은 약 50%이다. 또한, 다공질 재료의 평균 공경은 약 80～100㎛ 범위에 있고, 수지 코팅 모래(3)의 평균 입자 크기보다 작다. 주형 제조에 앞서, 성형틀(2)을 예열한 다음, 성형틀(2)의 주입공(23)에 연결된 수지 코팅 모래 공급부(4)로부터 0.2MPa의 압력으로 수지 코팅 모래(3)를 캐비티(1)에 충전했다. 다음에, 성형틀(2)의 증기 공급공(25)에 연결된 증기 공급부(5)로부터 상기 실시예 1～3과 동일한 조건으로 과열 증기를 캐비티(1)로 공급했다. 이 때, 과열 증기의 공급 시간을 각각 10초간(실시예 7), 20초간(실시예 8), 30초간(실시예 9)으로 하였다. 그 후, 캐비티(1) 안에서 형성된 주형을 성형틀(2)로부터 떼어내었다. 실시예 7～9에서는 흡입 펌프(60)를 작동시키지 않고, 캐비티(1) 안의 증기를 배출공(24)으로부터 자연 배출시켰다.
(실시예 10～12)
실시예 7～9에 있어서, 성형틀(2)의 배출공(24)에 증기 배출부(6)를 연결하고 과열 증기 공급과 동시에 흡입 펌프(60)를 작동시켜 0.09MPa로 증기를 강제 배출시키도록 한 것을 제외하고는, 실시예 7～9와 동일하게 하여 주형을 제조했다.
(실시예 13～15)
본 실시예에서는, 도 3에 도시한 장치를 이용하여 주형을 제조했다. 사용한 성형틀(2)은 퍼말로이로 이루어진 다공질 재료로 형성되었고, 공극률은 약 35%이다. 또한, 다공질 재료의 평균 공경은 약 60～80㎛ 범위에 있고, 수지 코팅 모래(3)의 평균 입자 직경보다 작다. 주형 제조에 앞서, 성형틀(2)을 예열한 다음, 성형틀(2) 주입공(23)에 연결된 수지 코팅 모래 공급부(4)로부터 수지 코팅 모래(3)를 0.2MPa 압력으로 캐비티(1)에 충전했다. 다음에, 성형틀(2)의 증기 공급공(25)에 연결된 증기 공급부(5)로부터 실시예 1～3과 동일한 조건으로 과열 증기를 캐비티(1)로 공급했다. 이 경우, 과열 증기 공급 시간을 각각 10초간(실시예 13), 20초간(실시예 14), 30초간(실시예 15)으로 했다. 그 후, 캐비티(1) 안에 성형된 주형을 성형틀(2)로부터 떼어냈다. 실시예 13～15에서는 흡입 펌프(60)를 작동시키지 않고 캐비티(1) 안의 증기를 배출공(24)으로부터 자연 배출시켰다.
(실시예 16～18)
본 실시예에서는, 도 4(A) 및 도4(B)에 도시한 장치를 이용하여 주형을 제조했다. 사용한 성형틀(2)은 퍼말로이로 이루어진 다공질 재료로 형성되고 공극률은 약 35%이다. 또한, 다공질 재료의 평균 공경은 약 60～80㎛ 범위에 있고, 수지 코팅 모래(3)의 평균 입자 직경보다 작다. 주형 제조에 앞서, 성형틀(2)을 예열한 다음, 도 4(A)에 도시한 바와 같이, 성형틀(2) 주입공(23)에 연결된 수지 코팅 모래 공급부(4)로부터 수지 코팅 모래(3)를 0.2MPa 압력으로 캐비티(1)에 충전했다. 다음에, 도 4(B)에 도시한 바와 같이, 증기 배출부(6)의 흡입 펌프(60)를 작동시켜 성형틀(2)의 배출공(24)으로부터 0.09MPa로 강제 배출시키면서 성형틀(2)의 증기 공급공(25)에 연결된 증기 공급부(5)로부터 실시예 1～3과 동일한 조건으로 과열 증기를 캐비티(1)로 공급했다. 이 경우, 과열 증기 공급 시간을 각각 10초간(실시예 16), 20초간(실시예 17), 30초간(실시예 18)으로 했다. 그 후, 캐비티(1) 안에 성형된 주형을 성형틀(2)로부터 추출했다.
(실시예 19～21)
본 실시예에서는, 도 6에 도시한 장치를 이용하여 주형을 제조했다. 사용한 성형틀(2)은 퍼말로이로 이루어진 다공질 재료로 형성되고 그 공극률은 약 50%이다. 또한, 다공질 재료의 평균 공경은 약 80～100㎛ 범위에 있고, 수지 코팅 모래(3)의 평균 입자 직경(430㎛)보다 작다. 주형 제조에 앞서, 성형틀(2)을 예열한 다음, 성형틀(2) 주입공(23)에 연결된 수지 코팅 모래 공급부(4)로부터 수지 코팅 모래(3)를 0.2MPa 압력으로 캐비티(1)에 충전했다. 다음에, 성형틀(2)의 증기 공급공(25)에 연결된 증기 공급부(5)로부터 실시예 1～3과 동일한 조건으로 과열 증기를 캐비티(1)로 공급했다. 이 경우, 과열 증기 공급 시간을 각각 10초간(실시예 19), 20초간(실시예 20), 30초간(실시예 21)으로 했다. 그 후, 캐비티(1) 안에 성형된 주형을 성형틀(2)로부터 추출했다. 실시예 19～21에서는, 과열 증기 공급과 동시에 흡입 펌프(60)를 동작시켜 캐비티로부터 증기를 강제 배출시켰다.
(비교예 1～6)
다공질 성형틀(2) 대신에 통기성을 갖는 금속 금형을 사용하고, 금형에 내장된 전기 히터로 금형 온도를 140℃로 가열한 것 이외에는, 실시예 1～6과 동일하게 하여 주형을 제조했다.
각각의 실시예 1～21 및 비교예 1～6에서, 성형틀(2)의 배출공(24)으로부터 배출되는 증기 온도를 측정했다. 또한, 얻어진 주형의 품질을 이하 평가 기준에 따라 평가했다. 즉, 성형 상태가 양호한 것을 '양호', 주형의 일부에 경화되지 않은 부분이 있는 것을 '중간', 경화가 충분치 않아 성형틀로부터 제거될 수 없어 크랙이 발생한 것을 '불량'으로 평가했다. 또한, 주형으로부터 세로 10mm, 가로 10mm, 길이 60mm로 테스트 견본을 추출하여 굽힘강도를 측정했다. 그 결과를 도 1에 나타냈다.
표 1의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 장치를 이용하여 제조한 각 주형은, 비교예의 주형에 비해 높은 굽힘강도를 가지며, 양호한 품질을 보였다. 또한, 증기 공급 시간이 짧은 경우에도 증기 배출 온도가 높고, 캐비티 안의 수지 코팅 모래에 증기가 효율적으로 확산되었다. 또한, 증기를 강제로 배출시킨 경우에 주형 굽힘강도가 높아지는 경향이 있다.
본 발명의 주형 제조장치 및 주형 제조방법에 따르면, 다공질 재료를 통해 증기를 캐비티 안으로 공급함으로써 균질 주형을 제공할 수 있기 때문에, 수지 코팅 모래를 이용한 주형 제조방법의 널리 보급될 것으로 기대된다.
[표1]
증기
공급 시간(초)		 증기
배출 온도(℃)		 주형 품질 주형 곡률 강도
(MPa)
실시예 1 10 121 양호 2.26
실시예 2 20 133 양호 2.65
실시예 3 30 151 양호 3.53
실시예 4 10 134 양호 2.75
실시예 5 20 148 양호 3.73
실시예 6 30 164 양호 4.31
실시예 7 10 136 양호 2.55
실시예 8 20 149 양호 3.63
실시예 9 30 164 양호 4.22
실시예 10 10 148 양호 3.92
실시예 11 20 159 양호 4.22
실시예 12 30 171 양호 4.41
실시예 13 10 156 양호 4.02
실시예 14 20 164 양호 4.31
실시예 15 30 172 양호 4.61
실시예 16 10 168 양호 4.51
실시예 17 20 176 양호 4.71
실시예 18 30 183 양호 4.71
실시예 19 10 141 양호 2.83
실시예 20 20 151 양호 3.92
실시예 21 30 168 양호 4.51
비교예 1 10 79 불량 0
비교예 2 20 90 불량 0
비교예 3 30 110 중간 0.98
비교예 4 10 89 불량 0
비교예 5 20 102 중간 1.47
비교예 6 30 120 양호 1.96

Claims (13)

  1. 주형 제조장치에 있어서,
    캐비티를 갖는 성형틀과;
    내화성 골재에 바인더 수지를 코팅하여 만들어진 수지 코팅 모래를 상기 캐비티에 공급하는 수지 코팅 모래 공급부와;
    상기 캐비티 안으로 증기를 공급하는 증기 공급부와;
    상기 캐비티로부터 증기를 배출하는 증기 배출부를 포함하고,
    상기 성형틀의 일부 또는 전체가 상기 수지 코팅 모래의 평균 입자 직경보다 작은 평균 공경을 갖는 다공질 재료로 형성되고, 상기 다공질 재료를 통해 상기 캐비티 안으로 증기가 공급되는 것을 특징으로 하는 주형 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공질 재료의 공극률은 5% 내지 75%인 것을 특징으로 하는 주형 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 성형틀을 수용할 수 있는 내부 용적을 갖고, 상기 증기 공급부에 의해 내부로 증기를 공급하기 위한 증기 공급구를 갖는 챔버를 포함하고,
    내부에 상기 성형틀을 포함하는 상기 챔버 안으로 상기 증기 공급구를 통해 공급된 증기가 상기 성형틀 주위의 영역으로부터 상기 다공질 재료를 통해 균일하게 상기 캐비티 안으로 침투하도록, 상기 성형틀이 상기 다공질 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 주형 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 성형틀은,
    상기 증기를 상기 캐비티 안으로 직접 공급하기 위한 적어도 하나의 제1 증기 공급로와,
    상기 증기를 상기 다공질 재료를 통해 상기 캐비티 안으로 간접적으로 공급하기 위한 적어도 하나의 제2 증기 공급로를 포함하는 것을 특징으로 하는 주형 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 증기 공급로는 상기 제1 증기 공급로로부터 분기된 것을 특징으로 하는 주형 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 성형틀은 증기가 상기 다공질 재료를 통해 외부로 새는 것을 방지하기 위한 시일드 층을 외부 표면에 갖는 것을 특징으로 하는 주형 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 성형틀은 증기를 상기 캐비티 안으로 직접 공급하기 위한 증기 공급로를 가지며,
    상기 증기 공급로의 출구 부근에서 상기 증기 공급로와 상기 캐비티에 대면하는 성형틀의 영역이 상기 다공질 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 주형 제조장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 성형틀은 증기를 상기 캐비티 안으로부터 배출하기 위한 적어도 하나의 증기 배출로를 가지며,
    상기 증기 배출로의 내부 표면은 증기가 상기 다공질 재료를 통해 상기 증기 배출로 안으로 침투하는 것을 방지하기 위한 시일드 층을 갖는 것을 특징으로 하는 주형 제조장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 증기 배출로에 마련되고 상기 캐비티로부터 배출되는 증기량을 조절하는 배출량 조절부와;
    상기 증기 배출로의 입구에 인접하게 배치된 온도 센서와;
    상기 온도 센서에 의해 검출된 온도가 소정 온도 범위 내로 유지되도록 상기 배출량 조절부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형 제조장 치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 증기 공급부는 과열 증기를 캐비티 안으로 공급하는 것을 특징으로 하는 주형 제조장치.
  11. 주형 제조방법에 있어서,
    내부에 캐비티를 갖는 성형틀을 준비하는 단계와;
    내화성 골재에 바인더 수지를 코팅하여 만들어진 수지 코팅 모래를 상기 캐비티 안으로 충전하는 단계와;
    상기 캐비티 안으로 증기를 공급하여 상기 수지 코팅 모래의 바인더 수지를 경화시키는 단계와;
    상기 캐비티로부터 증기를 배출하는 단계를 포함하고,
    상기 성형틀의 일부 또는 전체가 상기 수지 코팅 모래의 평균 입자 직경보다 작은 평균 공경을 갖는 다공질 재료로 형성되고,
    상기 다공질 재료를 통해 상기 캐비티 안으로 증기가 공급되는 것을 특징으로 하는 주형 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    증기는 상기 캐비티의 일측으로부터 공급되고, 상기 캐비티 안의 상기 증기 는 상기 캐비티의 타측으로 배출하는 것을 특징으로 하는 주형 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    과열증기가 상기 수지 코팅 모래의 경화 온도 이상의 온도 및 1.5 내지 10kgf/㎠의 증기압으로 상기 캐비티 안으로 공급되는 것을 특징으로 하는 주형 제조방법.
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