KR101228166B1 - 정밀 주조 개선 - Google Patents

Abstract

열원으로써 마이크로파 에너지를 사용하는 정밀 주조 공정에서, 천연 왁스 모델(12)이 서셉터를 포함하는 왁스 타입 패턴 재료로 된 탕도(10)에 부착되고, 상기 탕도(10)는 또한 왁스 타입 패턴 재료로 된 탕구(13)을 가지며, 탕구 재료는 상기 탕도의 재료보다 더 큰 비율의 서셉터를 갖는다. 사용시, 탕구(14)이 첫 번째로 멜팅되고 두 번째로 탕도(10)가 멜팅되어 천연 왁스 경로를 차단하여, 왁스의 팽창이 코팅된 세라믹을 균열시키지 않을 것이다.

모델, 서셉터, 탕도, 탕구

Description

정밀 주조 개선{IMPROVEMENTS IN INVESTMENT CASTING}

본 발명은 정밀 주조 개선에 관한 것이고, 특히 정밀 주조 공정(investment casting procedure)을 개선하는 것에 관한 것인데, 여기서 마이크로파 에너지에 의해 제공된 열이 왁스 타입 패턴을 멜팅하고 세라믹 몰드를 소결시키기 위해서 사용된다.

정밀 주조에서는, 우선 통상 멜팅된 금속으로부터 몰딩되는 물품의 모델이, 반대로 설계된 몰드 내에 왁스 주입되거나 왁스 타입 패턴 재료로 제작된다. 패턴 재료는 천연 왁스 또는 합성 왁스, 폴리스티렌, 또는 여러 왁스의 혼합물, 열 가소성 물질일 수 있지만, 항상 이에 국한되는 것이 아니라, 아디핀산 및 가소제와 같은 필러(filler)를 포함한다. 여기서 사용되고, 첨부된 청구항에서의 표현 "왁스 타입 패턴 재료"는 "로스트 왁스(lost wax)" 몰딩 공정에 사용하기에 적합한 모든 이런 열 가용성 재료를 포함하도록 한다. 전형적으로, 다수의 유사한 모델이 "탕도(sprue)"에 부착되어 패턴 재료의 "트리(tree)"를 형성하고, 트리 전체가 전형적으로 세라믹 슬러리(slurry) 및 모래 타입 재료(이에 국한되지는 않음)로 여러 번 코팅된다. 그 후에 세라믹 코팅은 건조되어 "왁스 타입 패턴 재료"의 주변에 견고한 몰드를 제공하다. 패턴 재료는 멜팅되고 세라믹 "외형(shell)"이 소결되고 그 후에 멜팅된 금속을 빈 "외형"에 붓는다. 금속이 굳어지면, 세라믹 외형을 제거한다.

통상적으로 열원을 사용하는 정밀 주조는 매우 긴 고가의 공정이다. 예컨대 영국 특허 제 1 457 046호에서 마이크로파 에너지를 사용하는 것이 제안되어 공정이 짧아지고 더 경제적이 되었다. 그러나 가열하고 냉각할 때, 포함된 여러 재료의 다른 수축 및 팽창으로 인해 정밀 주조에서 근본 문제점이 발생한다. 패턴 재료가 세라믹 외형으로부터 충분히 빨리 벗어나지 못한다면 멜팅될 때 그의 팽창으로 인해서 외형에 균열을 발생할 수 있다는 특정 위험이 있다. 영국 특허 제 1 457 046호는 이런 문제점에 대한 해결책으로서 소위 "손실이 많은 재료(lossy material)"의 세라믹 슬러리의 함유물을 제공하는데, 이는 외형에 근접한 패턴 재료의 급속 멜팅을 일으킬 것이다. 그러나 해결책은, 특히 패턴 재료가 세라믹 외형으로부터 제한된 병목, 탕도 또는 탕구(pour cup)을 통해서만 벗어날 수 있는 형태의 물품을 몰딩할 때, 불완전하다. 탕도의 재료가 우선 멜팅되지 않거나, 불완전하게 멜팅된다면, 외형 내에서 급속히 팽창하는 재료를 위한 탈출 경로가 차단되어, 외형에 균열이 발생시키게 된다.

일본 특허 출원 JP56117857 호에서 변형이나 균열 없이 외형으로부터 멜팅되어 나올 수 있는 레진 타입 몰드를 사용하는 것이 제안되었다. 그런데, 이 해결책은, 물이 모세관 현상에 의해서 몰드의 벌집 모양 부분을 통해 침투하는 것을 허용하는 물 용기 내에 레진 몰드를 위치시키는 것에 따르기 때문에, 불완전하다. 이런 기술에 의해서 물의 부피는 일반적으로 물 표면에 노출되는 몰드 전체에서 일정할 것인데, 즉 몰드의 여러 에어리어에서 서셉터(susceptor:발열체) 함량의 어떠한 변화도 있지 않을 것이다. 게다가, 주조에 대해서 매끄러운 최종 부품을 제공하지 않는, 레진 몰드의 프로세스의 제조 타입으로 인해서, 이런 타입의 레진 몰딩은, 부가적인 연마 과정(polishing process)이 없이, 주조 구성요소(예컨대, 항공기용 엔진 블레이드(aero engine blades))의 고사양의 최종 부품에는 사용될 수 없다.

본 발명의 주요 목적은, 몰드의 다른 부분에 있는 왁스 패턴 재료에 대해서 다른 멜팅 특성을 제공하여, 개구의 위쪽의 몰드의 다른 에어리어에 있는 재료가 멜팅되기 전에, 탕도 또는 다른 제한된 개구 내의 재료가 멜팅되도록 함으로써 상기 문제점을 해결하는 것이다. 따라서, 차례로 개구의 위쪽의 몰드의 다른 에어리어에 있는 재료가 멜팅될 때, 그의 탈출 경로가 차단되지 않아, 몰드 외형을 위태롭게 하지 않고 팽창하면서 몰드를 벗어날 수 있게 된다. 엔진 블레이드의 제작에 사용되어야만 하는 현재 천연 왁스 패턴이, 본 발명에 따라 사용될 수 있다.

본 발명에 의하면, 열원으로서 마이크로파 에너지를 사용하는 정말 주조 공정이 제공되는데, 천연 왁스의 모델이 천연 왁스보다 상대적으로 더 큰 열 흡수성을 갖는 서셉터를 포함하는 왁스 타입 패턴 재료의 탕도에 부착되고, 탕도가 탕도의 재료 내에 포함되는 것 보다 더 큰 비율의 상기 서셉터를 포함하는 왁스 타입 패턴 재료의 탕구에 부착되는 것을 특징으로 한다.

서셉터는 왁스 타입 패턴 재료가 멜팅될 때 몰드의 제한적인 개구가 될 수 있는 탕도 및 탕구의 영역에 한정될 수 있다.

서셉터는 물, 탄소, 그래파이트(graphite) 또는 그의 화합물일 수 있다.

다수의 천연 왁스 모델이 고정되는 트리는 상기 서셉터를 포함할 수 있고, 트리의 나머지보다 더 큰 비율의 상기 서셉터를 포함하는 탕구를 가질 수 있다.

트리의 서셉터 함량는 영역의 12%일 수 있고, 탕구의 서셉터 함량는 영역의 15%일 수 있다.

이제 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 비제한적인 예시의 방법으로 설명될 것이다.

도1은 탕구를 갖는 탕도의 정면도이고;

도2A 및 도2B는 각각 다수의 모델이 부착된 정면도 및 측면도로 도1의 탕도를 도시하는데, 이는 현재 트리라 칭해지며;

도3은 도2A 및 도2B 전체가 세라믹 재료로 코팅되어온 것을 도시하는 측면도로 도2A 및 도2B의 트리를 도시한다.

도면은 왁스 타입 재료(11)로 충진되는 탕구(14:pour cup)를 갖는 탕도(10)를 도시한다. 몰딩될 물품의 모델(12)은 왁스, 글루 또는 뜨거운 나이프 부착에 의해서 탕도에 부착된다. 그 자체로 공지된 바와 같이, 모든 모델(12), 탕도(10) 및 탕구(11)는 왁스 타입 패턴 재료로 제조된다. 그런데, 본 발명에 따르면, 탕도(10)는 천연 왁스 모델(12)보다 더 높은 비율의 서셉터 함량을 가지며, 탕구(14)는 탕도(10)보다 더 높은 비율의 서셉터 함량을 갖는다. 모델(12)은 천연 왁스이고, 탕도(10) 및 탕구(14)는 유제(emulsion) 내의 공지된 서셉터의 고정 비율을 갖는 재생된 왁스 유제로부터 만들어진다.

일차 모래 코팅재(prime coat)는 탄소, 그래파이트 또는 임의의 다른 바람직하게 허용할 수 있는 재료 또는 그들의 어떤 화합물일 수 있는 서셉터의 비율을 갖는다.

전체 어셈블리, 즉 트리(참조부호 10,11,12,14의 구성요소로 이루어짐)는 세라믹 슬러리로 일차적으로 코팅된다. 그러나 아직 덜 마른 일차 코팅재(15)는 감수성이 있는 일차 모래 코팅재(a susceptible prime sand coat)로 커버되고, 그 후에 건조된다. 그 후에 어떤 양의 세라믹 슬러리 및 모래의 부가적인 코팅이 상기 일차 코팅재에 적용되어(발라져서) 희망하는 두께의 세라믹 외형(13)을 형성하게 된다. 그 후에, 트리는 마이크로파 오븐(도시되지 않음) 내에서 개구에 걸쳐서 탕구(14) 상에 세워지는데, 마이크로파 에너지가 왁스 타입 재료를 멜팅하기 위해 사용되며, 이제 멜팅되는 왁스 타입 재료는 건조된 세라믹 외형(13)으로 감싸지게 된다. 그의 더 높은 서셉터 재료 함량으로 인해서, 탕구(14)가 우선 멜팅되어 오븐에서 나가는데, 여기서 멜팅된 탕구 재료는 수집되어 재활용될 수 있다. 그 다음, 탕도(10)의 재료가 멜팅될 것이고 탕구를 통해 밖으로 나가게 되므로, 모델(12)로부터 출구를 차단하지 않게 되어, 멜팅될 때 천연 왁스가 밖으로 나갈 수 있게 된다.

도핑된 일차 코팅재는 가열될 것이므로, 그에 근접한 패턴 재료를 멜팅하게 된다. 탕도 및 탕구의 사전 멜팅에 의해서 차단되지 않은 패턴 재료로부터의 출구들 때문에, 천연 왁스의 결과적인 멜팅은, 열 전달에 의해서 외형(13)을 위험하게 하지 않을 것이다.

마이크로파 에너지는 세라믹 재료를 소결시키도록 계속해서 인가되어, 외형이, 예컨대 섭씨 1000도의 상승된 온도에 도달하게 하고, 그 후에 용탕 주입 온도(pouring temperature)로 냉각되며, 비슷한 온도에서 메탈을 탕구(14)을 통해서 외형 안으로 따른다. 선택적으로, 세라믹 셀은 주변 온도로 냉각될 수 있고 기계적으로 항상 모래에 의해서 지지되는 한편 멜팅된 금속으로 충진된다. 주물이 냉각되고 메탈이 경화된 후에, 외형(13)이 통상적으로 제거될 수 있고 개별적인 물품들이 탕도로부터 제거되어 통상적인 방법으로 완성될 수 있다.

본 발명의 공정이 10과 같은 트리의 사용에 국한되지 않고 다수의 몰드의 동시적인 주조에 국한되지 않는다는 것이 명백할 것이다. 열원으로써 마이크로파 에너지를 사용하는 어떤 정밀 주조 공정에서 주조 세라믹 외형의 제한적인 개구 영역의 왁스 타입 패턴 재료가 패턴 재료의 나머지보다 더 높은 비율의 서셉터 함량을 제공받을 수 있으므로, 소결 프로세스의 개시 동안에 패턴 재료의 확장이 외형을 위험하게 하기 전에 외형 밖으로 나가게 할 수 있다는 것을 보장한다.

Claims (31)

1. (a) 왁스 타입 패턴 재료(11)로 몰딩되는 물품(article)의 모델(12)을 생성하는 단계;

   (b) 개구를 갖는 희망하는 두께의 외형(13)이 형성되도록 하나 이상의 코팅재(15)의 세라믹 슬러리를 상기 모델(12)에 적용하는 단계; 및

   (c) 상기 세라믹 외형 밖으로 상기 왁스 타입 패턴 재료를 멜팅하고 상기 세라믹 물질을 소결하기 위해서, 마이크로파 에너지를 사용하는 단계를 포함하는 정밀 주조에 사용하는 몰드 제조 방법에 있어서,

   상기 왁스 타입 패턴 재료(11)는, 왁스 타입 패턴 재료(11)의 다른 부분에서, 다른 멜팅 특성을 갖도록 제공되므로, 개구의 위쪽의 재료가 멜팅되기 전에, 상기 개구에서의 왁스 타입 패턴 재료가 멜팅되도록 하는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   천연 왁스로부터 상기 모델(12)을 몰딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   하나 이상의 모델(12)이 상기 세라믹 슬러리의 적용 전에 왁스타입 물질의 탕도(10)에 부착되는데, 상기 탕도(10)의 상기 왁스 타입 패턴 재료가 상기 모델(12)과 다른 멜팅 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 탕도(10)가 탕구의 왁스 타입 패턴 재료를 더 포함하는데, 상기 탕구(14)의 왁스 타입 패턴 재료가 상기 모델(12) 및 탕도(10)와 다른 멜팅 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 탕구(14)의 왁스 타입 패턴 재료는, 마이크로파 에너지를 겪을 때 상기 탕도(10)의 왁스 타입 패턴 재료보다 더 빨리 멜팅되는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 다른 멜팅 특성은 서셉터를 상기 왁스 타입 패턴 재료(11)에 포함시킴으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 세라믹 슬러리의 하나 이상의 코팅재(15)가 서셉터 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 탕도(10)의 서셉터 함량이 12%이고, 상기 탕구(14)의 서셉터 함량이 15%인 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 서셉터가 탄소인 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 서셉터가 물인 것을 특징으로 하는 몰드 제조 방법.
11. (a) 멜팅된 금속으로 몰드를 채우는 단계;

    (b) 상기 멜팅된 금속이 냉각되도록 하는 단계; 및

    (c) 상기 몰드를 제거하는 단계를 포함하는 정밀 주조 방법에 있어서,

    상기 몰드가 제 1항 또는 제 2항의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 정밀 주조 방법.
12. (a) 탕도(10); 및

    (b) 몰딩되는 물품의 하나 이상의 모델(12)을 포함하는데, 상기 탕도(10) 및 모델(12)이 왁스 타입 패턴 재료로 구성되는, 정밀 주조에 사용되는 몰드를 생성하는데 사용되는 트리에 있어서,

    상기 탕도(10)의 왁스 타입 패턴 재료가 상기 모델(12)의 왁스 타입 패턴 재료와 다른 멜팅 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 트리.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 모델(12)이 천연 왁스를 포함하는 것을 특징으로 하는 트리.
14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,

    상기 트리가 왁스 타입 패턴 재료의 탕구(14)를 더 포함하는데, 상기 탕구(14)의 왁스 타입 패턴 재료는 상기 모델(12) 및 상기 탕도(10)와 다른 멜팅 특성을 갖는 것을 특징으로 트리.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 탕구(14)의 왁스 타입 패턴 재료가 상기 탕도(10)의 왁스 타입 패턴 재료보다 더 빨리 멜팅되는 것을 특징으로 하는 트리.
16. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,

    상기 다른 멜팅 특성이 서셉터를 상기 왁스 타입 패턴 재료(11)에 포함시킴으로써 제공되는 특징으로 하는 트리.
17. 제 15항에 있어서,

    상기 탕도(10)의 서셉터 함량이 12%이고, 상기 탕구(14)의 서셉터 함량이 15%인 것을 특징으로 하는 트리.
18. 제 16항에 있어서,

    상기 서셉터가 탄소인 것을 특징으로 하는 트리.
19. 제 16항에 있어서,

    상기 서셉터가 물인 것을 특징으로 하는 트리.
20. 제 19항에 따른 트리를 생성하는 방법에 있어서,

    이전 사용으로부터 다른 멜팅 특성을 갖는 상기 왁스 타입 패턴 재료를 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 트리 생성 방법.
21. 홀을 가지며 왁스 타입 패턴 재료(11)을 포함하는 세라믹 외형(13)을 갖는 몰드의 밖으로 왁스 타입 패턴 재료를 멜팅하는 방법으로서,

    (a) 상기 몰드를 반대로 하는 단계; 및

    (b) 상기 몰드가 마이크로파 에너지를 겪는 단계를 포함하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법에 있어서,

    상기 왁스 타입 패턴 재료(11)가 상기 왁스 타입 패턴 재료(11)의 다른 부분에서, 다른 멜팅 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
22. 제 21항에 있어서,

    상기 몰드가 왁스 타입 패턴 재료의 탕도에 부착된 하나 이상의 모델(12)의 왁스 타입 패턴 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
23. 제 22항에 있어서,

    상기 탕도(10)의 왁스 타입 패턴 재료가 상기 모델(12)과 다른 멜팅 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
24. 제 22항 또는 제 23항에 있어서,

    상기 몰드가 왁스 타입 패턴 재료의 탕구(14)를 더 포함하는데, 상기 탕구(14)의 왁스 타입 패턴 재료는 상기 모델(12) 및 상기 탕도(10)와 다른 멜팅 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
25. 제 24항에 있어서,

    상기 탕구(14)의 왁스 타입 패턴 재료는 탕도(10)의 왁스 타입 재료에 앞서 멜팅되고, 상기 탕도(10)의 왁스 타입 재료는 모델(12)의 왁스 타입 재료에 앞서 멜팅되는 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
26. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 다른 멜팅 특성이 왁스 타입 패턴 재료(11) 내에 서셉터를 포함시킴으로써 제공되는 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
27. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,

    왁스 타입 패턴 재료(11)에 접촉하는 상기 외형(13)의 층이 서셉터 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
28. 제 27항에 있어서,

    상기 모델(12)이 천연 왁스로부터 만들어지고, 모델(12)에 접촉하는 외형(13)의 층으로부터 가열에 의해 멜팅되는 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
29. 제 26항에 있어서,

    상기 탕도(10)의 서셉터 함량이 12%이고, 탕구(14)의 서셉터 함량이 15%인 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
30. 제 26항에 있어서,

    상기 서셉터가 탄소인 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.
31. 제 26항에 있어서,

    상기 서셉터가 물인 것을 특징으로 하는 왁스 타입 패턴 재료 멜팅 방법.

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