KR101364563B1 - 주형 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 합금 용탕과의 반응이 적고, 또한 저가인 주형 및 그 제조 방법 그리고 주형을 사용한 주조품을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 주형(40)은, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품(60)을 제조하기 위한 것으로서, 주형(40)을 구성하는 주형 본체(41)의 캐비티 표면(43)의 적어도 초기층(44a)을, 산화세륨을 주성분으로 하는 골재와 실리카 졸을 주성분으로 하는 바인더로 구성되는 슬러리의 소성물로 형성한 것이다.

Description

주형 및 그 제조 방법{Mold and Method for Manufacture of the Mold}
기술분야
본 발명은, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품의 제조에 사용되는 주형 및 그 제조 방법, 그리고 주형을 사용한 주조품에 관한 것이다.
배경기술
Ti와 Al의 금속간화합물인 티타늄알루미나이드(TiAl)로 구성되는 티타늄알루미늄 합금은, 경량이고, 고강도라는 등의 특성을 가지고 있다. 따라서, 티타늄알루미늄 합금은 자동차용 엔진의 터보차저(turbocharger)나, 가스터빈엔진 또는 항공기용 제트엔진의 회전 부재 등에 유망하다고 여겨지고 있다.
또한, 티타늄 합금은, 내식성이 양호하고, 경량이며, 또한 생체 적합성을 가지고 있기 때문에, 자동차·오토바이, 스포츠·레저용품, 인공뼈·인공치아 등에 폭넓게 사용되고 있다.
티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금을, 이들의 부재, 특히 시판품에 적용하기 위해서는, 비용 상의 문제 때문에 주조품일 것이 요구된다. 주조품을 제작하기 위해서는 주형을 필요로 하며, 다양한 주형이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문 헌 1~4 참조).
특허문헌 1: 일본 공개특허 평5-123820호 공보
특허문헌 2: 일본 공개특허 제2003-225738호 공보
특허문헌 3: 일본 공개특허 평5-277624호 공보
특허문헌 4: 일본 공개특허 평6-292940호 공보
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
그러나, 티타늄 합금은 활성이 높기 때문에, 얻어진 주조품의 표층부에 α케이스라고 불리는 침 형상의 변질층(산소농화층, 표면경화층)이 생성되는 경우가 있다. 이러한 α케이스는 모상(母相)의 α상에 비해 경도가 높고, 난삭재(難削材)이다. 따라서, α케이스의 층 두께가 너무 두꺼우면, 케미칼 밀링(chemical milling)이나 기계적 절삭 등에 장시간을 필요로 하고, 제품 비용의 상승 및 생산성의 저하를 초래한다는 문제점이 있었다.
또한, 상술한 특허문헌 1~4에 기재된 주형은 티타늄 합금용이며, 이들의 주형을 티타늄알루미늄 합금용 주형으로서 유용하는 일이 많았다.
여기서, 티타늄알루미늄 합금 및 티타늄 합금은 활성이 높기 때문에 합금 용탕과 주형의 반응을 고려할 필요가 있다. 특히, 티타늄알루미늄 합금은 티타늄 합금에 비해 주형에 대한 반응성이 더 높기 때문에, 반응을 억제하는 것이 중요해진다. 이것은, Ti 및 Al은 모두 활성 금속이지만, Al이 Ti보다 활성이 더 높고, 또한 일반적으로 티타늄알루미늄 합금이 티타늄 합금보다 용융점이 더 높은 점에 기인한다.
따라서, 티타늄알루미늄 합금용 및 티타늄 합금용의 주형에 있어서는, 그 구성재의 선정이 중요한 요소가 된다. 주형은 세라믹으로 구성되며, 주로 골재(필러)와, 골재간의 결합을 향상시키기 위한 바인더(binder)로 구성된다. 반응성이 낮은 구성재로서, 골재로는 산화지르코늄(지르코니아), 산화이트륨(이트리아), 산화칼슘(칼시아) 등이 있고, 바인더로는 지르코니아 졸, 유기계 바인더(예를 들어, 수지) 등이 있다.
그런데, 지르코니아나 이트리아는, 골재로서 공업적으로 사용하기에는 고가이다. 또한, 칼시아는 물과 반응하여 분해되기 때문에 취급이 곤란하다.
지르코니아 졸은, 바인더로서 공업적으로 사용하기에는 고가임과 동시에, 실온 근방에서의 강도가 약하기 때문에, 실온 강도를 유지하기 위해서 다른 종류의 바인더를 필요로 한다. 또한, 유기계 바인더는 고온하에서 분해되어버리기 때문에, 고온 강도를 유지하기 위해 다른 종류의 바인더를 필요로 하고, 결과적으로 주형 비용의 상승을 초래하게 된다.
이상의 사정을 고려하여 창안된 본 발명의 목적은, 합금 용탕과의 반응이 적고, 또한 저가인 주형 및 그 제조 방법 그리고 주형을 사용한 주조품을 제공하는데 있다.
발명을 해결하기 위한 수단
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 주형은, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품을 제조하기 위한 주형으로서, 주형 본체의 캐비티 표면의 적어도 초기층을, 산화세륨을 주성분으로 하는 골재와 실리카 졸을 주성분으로 하는 바인더로 구성되는 슬러리의 소성물로 형성한 것이다.
여기서, 주형 본체의 캐비티 표면의 초기층 및 제2층을, 슬러리의 소성물로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 주형은 쉘 주형 또는 솔리드 주형이다.
한편, 본 발명에 따른 주형의 제조 방법은, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품을 제조하기 위한 주형의 제조 방법으로서, 소실모형인 왁스모형의 표면에, 산화세륨을 주성분으로 하는 골재와 실리카 졸을 주성분으로 하는 바인더로 구성되는 초기층 슬러리를 부착시킴과 동시에 건조시킴으로써, 초기층 슬러리 막을 형성하는 단계, 상기 초기층 슬러리 막의 표면에, 제2층 이후의 슬러리 막을 순차 형성하는 단계, 적어도 2층의 슬러리 막이 코팅된 왁스모형에 탈왁스 처리를 실시하여, 초기층 슬러리 막의 내부에 캐비티를 갖는 주형 전구체를 형성하는 단계, 및 상기 주형 전구체에 소성 처리를 실시하여, 각각의 슬러리 막을 응고시킴으로써 쉘 주형을 형성하는 단계를 포함한 것이다.
여기서, 제2층 슬러리 막을 형성하는 단계로서, 초기층 슬러리 막의 형성 단계를 다시 반복하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 주형의 제조 방법은, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품을 제조하기 위한 주형의 제조 방법으로서, 소실모형인 왁스모형의 표면에, 산화세륨을 주성분으로 하는 골재와 실리카 졸을 주성분으로 하는 바 인더로 구성되는 초기층 슬러리를 부착시킴과 동시에 건조시킴으로써, 초기층 슬러리의 블록체(block body)를 형성하는 단계, 상기 블록체를 갖는 왁스모형에 탈왁스 처리를 실시하여, 블록체의 내부에 캐비티를 갖는 주형 전구체를 형성하는 단계, 및 상기 주형 전구체에 소성 처리를 실시하여, 블록체를 응고시킴으로써 솔리드 주형을 형성하는 단계를 구비한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 주형의 제조 방법은, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품을 제조하기 위한 주형의 제조 방법으로서, 소실모형인 왁스모형의 표면에, 산화세륨을 주성분으로 하는 골재와 실리카 졸을 주성분으로 하는 바인더로 구성되는 초기층 슬러리를 부착시킴과 동시에 건조시킴으로써, 초기층 슬러리 막을 형성하는 단계, 상기 초기층 슬러리 막의 주위에, 최종층 슬러리의 블록체를 형성하는 단계, 초기층 슬러리 막 및 블록체를 갖는 왁스모형에 탈왁스 처리를 실시하여, 초기층 슬러리 막의 내부에 캐비티를 갖는 주형 전구체를 형성하는 단계, 및 상기 주형 전구체에 소성 처리를 실시하여, 초기층 슬러리 막 및 블록체를 응고시킴으로써 솔리드 주형을 형성하는 단계를 포함한 것이다.
여기서, 초기층 슬러리 막의 형성 단계 후에, 다시 초기층 슬러리 막의 형성 단계를 반복하여, 2층 구조의 초기층 슬러리 막의 주위에, 최종층 슬러리의 블록체를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 티타늄알루미늄 합금 주조품은, 상술한 쉘 주형 또는 솔리드 주형을 사용하여 주조 형성된 것이다.
또한, 본 발명에 따른 티타늄 합금 주조품은, 상술한 쉘 주형 또는 솔리드 주형을 사용하여 주조 형성된 티타늄 합금 주조품이며, 생주물재(as-cast material)의 표층부에 있어서의 α케이스 층의 층 두께가 300μm 미만인 것이다.
발명의 효과
본 발명에 따른 주형에 의하면, 생주물재 상태로도 표면 상태가 양호한 티타늄알루미늄 합금제의 주조품이나, 표층부에 있어서의 α케이스의 생성이 적은 티타늄 합금제의 주조품을 얻을 수 있다는 뛰어난 효과를 발휘한다.
도면의 간단한 설명
도1은 본 발명의 적합한 일실시형태에 따른 주형의 제조에 사용하는 왁스모형의 단면도이다.
도2는 본 발명의 적합한 일실시형태에 따른 주형의 제조 공정에 있어서, 왁스모형의 주위에 슬러리 막을 형성한 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도3은 본 발명의 적합한 일실시형태에 따른 주형의 제조 공정에 있어서, 탈왁스 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도4는 본 발명의 적합한 일실시형태에 따른 주형의 횡단면도이다.
도5는 도4의 주형의 캐비티 내에 용탕을 주입한 상태를 나타내는 도면이다.
도6은 도4의 주형을 사용하여 주조 형성한 주조품의 횡단면도이다.
도7은 본 발명의 다른 적합한 일실시형태에 따른 주형의 제조에 사용하는 왁스모형의 단면도이다.
도8은 본 발명의 다른 적합한 일실시형태에 따른 주형의 제조 공정에 있어서, 왁스모형의 주위에 슬러리 막을 형성한 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도9는 본 발명의 다른 적합한 일실시형태에 따른 주형의 제조 공정에 있어서, 슬러리 막의 주위에 슬러리 블록체를 형성할 때의 도면이다.
도10은 본 발명의 다른 적합한 일실시형태에 따른 주형의 제조 공정에 있어서, 슬러리 블록체를 형성한 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도11은 본 발명의 다른 적합한 일실시형태에 따른 주형의 제조 공정에 있어서, 탈왁스 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도12는 본 발명의 다른 적합한 일실시형태에 따른 주형의 횡단면도이다.
도13은 도12의 주형의 캐비티 내에 용탕을 주입한 상태를 나타내는 도면이다.
도14는 도12의 주형을 사용하여 주조 형성한 주조품의 횡단면도이다.
도15는 본 발명의 적합한 일실시형태에 따른 주형을 사용하여 주조 형성한 티타늄알루미늄 합금 주조품의 일부의 평면 관찰도이다.
도16은 도15의 주요부(16)의 확대도이다.
도17은 종래의 주형을 사용하여 주조 형성한 티타늄알루미늄 합금 주조품의 일부의 평면 관찰도이다.
도18은 도17의 주요부(18)의 확대도이다.
도19는 초기층 슬러리의 필러/바인더 비가 1.8일 때의, 왁스모형과 초기층 슬러리와의 부착 상태를 나타내는 단면도이다.
도20은 초기층 슬러리의 필러/바인더 비가 2.0일 때의, 왁스모형과 초기층 슬러리와의 부착 상태를 나타내는 단면도이다.
도21은 초기층 슬러리의 필러/바인더 비가 3.0일 때의, 왁스모형과 초기층 슬러리와의 부착 상태를 나타내는 단면도이다.
도22는 본 발명의 적합한 일실시형태에 따른 쉘 주형을 사용하여 주조 형성한 티타늄 합금 주조품의 단면 관찰도이다.
도23은 종래의 쉘 주형을 사용하여 주조 형성한 티타늄 합금 주조품의 단면 관찰도이다.
도24는 본 발명의 다른 적합한 일실시형태에 따른 솔리드 주형을 사용하여 주조 형성한 티타늄 합금 주조품의 단면 관찰도이다.
도25는 종래의 솔리드 주형을 사용하여 주조 형성한 티타늄 합금 주조품의 단면 관찰도이다.
*도면의 주요 부호에 대한 설명*
40: 쉘 주형(주형) 41: 주형 본체
43: 캐비티 표면 44a: 초기층
60: 주조품
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
Ni기 합금, Co기 합금, 및 Fe기 합금용 주조주형에 있어서는, 바인더로서 콜 로이달 실리카(실리카 졸)가 사용되고 있다. 실리카 졸은 화학적으로 안정되어 있고(활성이 낮고), 공업적으로 저가이며, 또한 실온에서부터 고온에 걸쳐서 강도가 높다는 장점을 가지고 있다. 그런데, 이러한 실리카 졸은 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금과 강하게 반응하는 성질을 지니고 있다. 따라서, 종래에는 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금용 주형의 바인더로서, 실리카 졸을 사용할 수 없다고 생각되어 왔다.
그러나, 본 발명자들이 예의 연구한 결과, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금용 주형의 골재의 구성재를 조정함으로써, 바인더로서 실리카 졸을 사용하더라도 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금과의 강한 반응이 일어나지 않게 되는 것을 발견했다.
이하에, 본 발명의 적합한 일실시형태를 첨부 도면에 기초하여 설명한다.
본 발명의 적합한 일실시형태에 따른 주형의 횡단면도를 도4에 나타낸다.
도4에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 주형(쉘 주형)(40)은, 주형 본체(41)의 캐비티(32)에 접한 면(이하, 캐비티 표면이라 한다)(43)의 적어도 초기층(도4에서는, 캐비티 표면(43)의 초기층(44a) 및 제2층(44b)의 두 층)이, 산화세륨을 주성분으로 하는 골재와 실리카 졸을 주성분으로 하는 바인더로 구성되는 슬러리의 소성물(이하, 산화세륨-실리카 졸 소성물이라 한다)로 형성된다.
주형 본체(41)는, 초기층(최표층)(44a), 제2층(44b), 및 제3층(44c)…의 다층 구조이다. 제3층(44c) 및 그 이후의 층을 구성하는 슬러리 소성물은, 초기층(44a) 및 제2층(44b)을 구성하는 산화세륨-실리카 졸 소성물과 같은 종류 또는 다른 종류의 어느 것이나 가능하다. 제3층(44c) 및 그 이후의 층은, 산화세륨-실리카 졸 소성물과는 다른 종류의 슬러리 소성물로서, 통상의 주형과 같은 것(예를 들어, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 멀라이트, 지르콘 또는 이트리아로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하는 골재와 지르코니아 졸을 주성분으로 하는 바인더로 구성되는 슬러리의 소성물)이 적용 가능하다.
초기층의 골재는, 그 대부분, 예를 들어, 75wt% 이상, 바람직하게는 80wt% 이상이 산화세륨이고, 나머지가 지르코니아, 알루미나, 실리카, 멀라이트, 지르콘 또는 이트리아 등으로부터 선택되는 적어도 1종의 산화물로 구성된다. 물론, 골재는 산화세륨만으로 구성되는 것(산화세륨이 100wt%인 것)도 좋다.
또한, 바인더는, 예를 들어, 실리카 졸(20~50% 실리카 졸 수용액)이 전체의 10~100wt%, 바람직하게는 50~100wt%이고, 나머지가 지르코니아 졸, 이트리아 졸, 알루미나 졸 또는 유기 바인더 등으로 구성된다.
초기층 슬러리의 점성은, 필러(g)/바인더(g) 비로 조절하여, 적어도 2-4, 바람직하게는 2.5-3.5의 범위이다. 슬러리의 점성이 낮으면, 주형(후술하는 왁스모형(10))에 슬러리가 잔류하지 않거나, 박리가 발생하게 된다. 도19에 나타내는 바와 같이, 필러/바인더 비가 1.8인 경우에는 박리가 발생하며, 또한, 도20에 나타내는 바와 같이 필러/바인더 비가 2.0인 경우에는 박리가 발생하려고 하는 것을 알 수 있다. 도21에 나타내는 바와 같이, 필러/바인더 비가 3.0인 경우에는 박리가 발생하지 않으며, 균일한 막이 생기는 것이 확인되었다. 또한, 슬러리의 점성이 지나치게 높으면, 슬러리 막이 너무 두껍게 부착되어 버려서, 건조하는데 장시간이 소 요되거나, 균일하게 건조되지 않으므로, "불균일"이 야기된다. 따라서, 필러/바인더 비는 4.0까지로 한다.
본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)에 있어서는, 주형 본체(41)가 3층 구조인 경우에 대해 설명했으나, 특별히 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 주형 본체(41)는 2층 구조, 또는 4층 이상의 구조일 수도 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)에 있어서는, 초기층(44a) 및 제2층(44b)을, 산화세륨-실리카 졸 소성물(동종의 재료)로 구성한 경우에 대해 설명했으나, 특별히 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 초기층(44a)의 층 두께가 충분히 두꺼운 경우(예를 들어, 초기층(44a)의 층 두께가 500μm 이상인 경우), 초기층(44a)만을 산화세륨-실리카 졸 소성물로 형성하고, 제2층 이후는 통상의 주형과 같은 재질(예를 들어, 산화지르코늄을 주성분으로 하는 골재와 지르코니아 졸을 주성분으로 하는 바인더로 구성되는 슬러리의 소성물)인 것이 바람직하지만, 코팅의 작업성을 고려하면, 초기층보다 필러/바인더 비를 저하시켜, 점성을 낮게 한 슬러리를 사용해도 좋다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 주형의 제조 방법을 첨부 도면에 기초하여 설명한다.
우선, 도1에 나타내는 바와 같이, 목적으로 하는 정밀주조품(후술하는 도6 참조)과 같은 형상, 같은 크기의 왁스모형(10)을 미리 제작해 둔다.
다음으로, 상기 왁스모형(10)의 주위에, 초기층 슬러리를 도포한 후, 초기층 스타코(stucco)를 도포하고, 그 후, 건조시킴으로써, 도2에 나타내는 바와 같이, 초기층 슬러리 막(24a)이 형성된다. 계속해서, 초기층 슬러리 막(24a)의 주위에, 제2층 슬러리를 도포한 후, 제2층 스타코를 도포하고, 그 후, 건조시킴으로써, 제2층 슬러리 막(24b)이 형성된다. 초기층 슬러리와 제2층 슬러리는, 같은 종류의 슬러리이다. 다시 말하면, 초기층 슬러리 막(24a) 및 제2층 슬러리 막(24b)은, 초기층 슬러리 막(24a)의 2층 구조가 된다.
여기서, 초기층 슬러리 및 제2층 슬러리는, 예를 들어 실리카 졸을 주성분으로 하는 바인더 1kg에 대하여, 산화세륨을 주성분으로 하는 골재를 2~4kg의 비율로 혼합한 것이다. 또한, 초기층 및 제2층의 스타코(슬러리 표면에 뿌려서 부착시키는 내화물 입자)로는, 예를 들어 약 #60~160 메쉬(mesh)의 지르코니아, 알루미나, 실리카, 멀라이트, 또는 이트리아 등으로부터 선택되는 적어도 1종이 사용가능하지만, 입도, 재질은 특별히 한정되는 것은 아니다. 슬러리의 부착 방법으로는, 침지법, 분사법, 도포법을 들 수 있으나, 침지법이 바람직하다.
다음으로, 제2층 슬러리 막(24b)의 주위에, 제3층 슬러리를 도포한 후, 제3층 스타코를 도포하고, 그 후, 건조시킴으로써, 제3층 슬러리 막(24c)이 형성된다. 여기서, 제3층 이후의 슬러리 막의 형성 공정은, 필요에 따라 적절히 반복하여 실시되며, 이에 따라 슬러리 막 전체의 막 두께가 원하는 두께로 제어된다. 제3층 슬러리 및 제3층 이후의 슬러리와, 제3층 스타코 및 제3층 이후의 스타코의 구성재는 특별히 한정되는 것은 아니며, 쉘 주형용 슬러리 및 스타코로서 관용적으로 사용되고 있는 것이라면, 모두 적용가능하다.
다음으로, 증기를 사용하여 왁스모형(10)의 탈왁스를 실시함으로써, 도3에 나타내는 바와 같이, 주형 전구체(30)가 얻어진다. 주형 전구체(30)는 슬러리 막(24a, 24b, 24c)의 3층으로 구성되는 전구체 본체(31)의 내부에 캐비티(32)를 갖는다.
다음으로, 상기 주형 전구체(30)에 소성처리를 실시함으로써, 도4에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 주형(쉘 주형)(40)이 얻어진다. 쉘 주형(40)은, 초기층(44a), 제2층(44b) 및 제3층(44c)의 3층으로 구성되는 주형 본체(41)의 내부에 캐비티(32)를 갖는 것이다.
다음으로, 도5에 나타내는 바와 같이, 상기 쉘 주형(40)의 캐비티(32) 내에, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금의 용탕(50)이 주입되어, 주조가 행해진다. 그 후, 쉘 주형(40)을 냉각함으로써, 용탕(50)이 응고되어, 주조가 완료된다. 이에 따라, 쉘 주형(40) 내에 주조체가 형성된다.
그 후, 쉘 주형(40)을 고온의 알칼리 배스 등에 침지시켜, 쉘 즉 주형 본체(41)를 용해 제거하고, 주형을 제거함으로써, 도6에 나타내는 바와 같이, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품(60)이 얻어진다. 주형의 제거로는, 물리적 방법(예를 들어, 블라스트 클리닝)이 사용된다. 블라스트 클리닝으로는, 샌드 블라스트, 쇼트 블라스트, 또는 워터제트(고압수의 분사) 중 어느 것이나 가능하다. 또한, 블라스트 클리닝 이외의 물리적 방법으로서 쉐이크 아웃을 이용해도 된다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 주형(40)의 작용을 설명한다.
본 실시형태에 따른 주형(쉘 주형)(40)에 있어서는, 티타늄알루미늄 합금의 용탕(50)과 직접 접촉되는 주형 본체(41)의 캐비티 표면(43)의 초기층(44a)과 제2층(44b)을, 산화세륨-실리카 졸 소성물로 형성하고 있다.
여기서, 쉘 주형(40)의 골재의 주성분으로서 사용하는 산화세륨은, 지르코니아나 이트리아에 비해 특별히 안정한 산화물이라고 할 수는 없다. 이것은, 자유 에너지의 비교를 통해서도 명백하다.
그런데, 산화세륨은 Ti에 대해서는 뛰어난 안정성을 나타내어, Ti와 직접 반응하거나, 쉘 주형(40)의 캐비티(32) 내에 주입된 티타늄알루미늄 합금의 용탕(50)에 의해 환원되거나 하는 일은 거의 없다. 본 발명자들은 산화세륨의 이러한 특성에 착안했다. 즉, 주형 본체(41)의 골재의 주성분으로서 산화세륨을 사용함으로써, 캐비티(32) 내에 있어서, 티타늄알루미늄 합금의 용탕(50)이 주형 본체(41)와 반응하거나 산화되거나 할 우려는 거의 없어진다.
또한, 주형 본체(41)의 바인더의 주성분으로서 사용하는 실리카 졸은, 통상, 티타늄알루미늄 합금의 용탕(50)과 강하게 반응한다. 그러나, 본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)과 같이, 골재의 주성분으로서 산화세륨을 사용함으로써, 바인더에 실리카 졸을 사용하더라도 실리카 졸과 티타늄알루미늄 합금이 강하게 반응할 우려가 없어진다. 또한, 실리카 졸은 화학적으로 안정되어 있으며(활성이 낮고), 공업적으로 저가이고, 또한 실온에서부터 고온에 걸쳐서 강도가 높기 때문에, 실리카 졸을 사용함으로써, 단일의 졸만으로 강도를 유지할 수 있고, 바인더로서 다른 종류의 졸이나 유기계 바인더 등을 필요로 하지 않게 된다.
또한, 산화세륨은 지르코니아나 이트리아보다 저가이기 때문에, 쉘 주형(40) 의 골재의 주성분으로서 산화세륨을 사용함으로써, 주형의 원료비용의 저감을 도모할 수 있다. 한편, 실리카 졸은 통상적인 주형(예를 들어, Ni기 합금용 주형 등)의 바인더로서 사용되고 있기 때문에, 쉘 주형(40)의 바인더의 주성분으로서 실리카 졸을 사용함으로써, 바인더의 공통화에 의한 대폭적인 비용 절감도 기대할 수 있다. 이에 따라, 저가의 쉘 주형(40)을 얻을 수 있다.
이상으로부터, 산화세륨-실리카 졸 소성물로 주형 본체(41)의 캐비티 표면(43)의 초기층(44a) 및 제2층(44b)을 형성함으로써, 티타늄알루미늄 합금의 산화 및 실리카 졸과 티타늄알루미늄 합금의 반응을 확실(또는 거의 확실)하게 제어할 수 있고, 주조품(60)의 표면에 산소를 많이 함유한 층이 형성되는 것이 제어됨과 동시에, 주조품(60)의 표면에 대한 주형 본체(41)의 부착(눌어붙음)이 억제된다.
예를 들어, 도15, 도16에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)을 사용하여 주조 형성한 티타늄알루미늄 합금 주조품(150)은, 그 표면에 주형 본체의 눌어붙음이 거의 없었다. 즉, 티타늄알루미늄 합금 주조품(150)은, 표면외관이 아름답고 또한 표면이 매끄러웠다. 이에 반해, 도17, 도18에 나타내는 바와 같이, 주형의 골재의 주성분으로서 지르코니아를, 바인더의 주성분으로서 실리카 졸을 사용하여 주조 형성한 티타늄알루미늄 합금 주조품(160)은, 그 표면에 주형 본체의 눌어붙음(161)이 많이 발생되어 있었다. 즉, 티타늄알루미늄 합금 주조품(160)은, 표면외관이 나쁨과 동시에 표면이 거칠고, 표면 상태가 양호하지 않았다.
따라서, 본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)을 사용하여 주조 형성한 티타늄알 루미늄 합금 주조품(150)은, 그 표면에 주형 본체의 눌어붙음이 거의 없기 때문에, 간단한 블라스트 클리닝을 통해, 양호한 표면 상태를 얻을 수 있다. 예를 들어, 티타늄알루미늄 합금 주조품(150)은, 생주물재의 평균 표면 거칠기가 200μm 이하, 바람직하게는 50μm 이하이다. 따라서, 티타늄알루미늄 합금 주조품(150)은, 생주물재인 상태로도 충분히 표면 상태가 양호하여, 케미칼 밀링이나 기계적 절삭 등의 표면의 마감처리를 실시할 필요가 없다(또는 약간의 표면 마감으로 완료된다). 따라서, 티타늄알루미늄 합금 주조품(150)은, 종래의 티타늄알루미늄 합금제 주조품(160)에 비해 제조 공정 수를 적게 할 수 있고, 제품 비용의 저감 및 생산성의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)은, 초기층 슬러리 막(24a) 및 제2층 슬러리 막(24b)(또는 초기층 슬러리 막(24a)만)의 형성 공정을 변경하는 것만으로 제조 가능하다. 따라서, 본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)은 이미 존재하는 종래의 쉘 주형의 제조 라인을 대폭 변경하지 않고 제조할 수 있으며, 나아가서는 제조 비용의 상승을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)에 티타늄 합금의 용탕(50)을 사용하여 주조를 수행함으로써, 주조품(60)의 표층부에 산소를 많이 함유한 경화층(α케이스)이 생성되는 것이 억제된다. 얻어지는 주조품(60)의 표층부에 생성하는 α케이스의 층 두께는 300μm 미만, 바람직하게는 250μm 미만으로 얇다.
예를 들어, 도22에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)을 사용하여 주조 형성한 티타늄 합금 주조품(220)은, 표층부에 생성된 α케이스의 층 두께가 약 220μm이었다. 이에 반해, 도23에 나타내는 바와 같이, 주형의 골재의 주성분으로서 지르코니아를, 바인더의 주성분으로서 실리카 졸을 사용하여 주조 형성한 티타늄 합금 주조품(230)은, 표층부에 생성된 α케이스의 층 두께가 약 500μm이었다. 이에 따라, 티타늄 합금 주조품(220)은, 티타늄 합금 주조품(230)에 비해 α케이스의 층 두께가 절반이하가 되는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 실시형태에 따른 쉘 주형(40)을 사용하여 주조 형성한 티타늄 합금 주조품(220)은, 표층부에 있어서의 α케이스의 생성이 적기 때문에, 종래의 티타늄 합금제 주조품(230)에 비해 표면 처리(케미칼 밀링이나 기계적 절삭 등)에 요하는 시간이 짧아진다. 나아가서는, 티타늄 합금 주조품(220)의 생산성이 향상됨과 동시에 티타늄 합금 주조품(220)의 제품 비용을 절감할 수 있다. 또한, 최종 제품을 얻기 위해 티타늄 합금 주조품(220)에 대하여 표면처리를 그다지 실시할 필요가 없으며, 티타늄 합금 주조품(220)과 최종 제품의 치수 차가 작기 때문에, 재료 수율이 양호해지고, 티타늄 합금 주조품(220)의 원료 비용을 저감할 수 있다.
본 실시형태에 따른 주형(40)은 정밀주조품용 주형에 적합하며, 예를 들어 티타늄알루미늄 합금 정밀주조품으로서, 자동차용 엔진의 터보차저, 가스터빈엔진 또는 항공기용 제트엔진의 회전 부재, 내열지그 등을 들 수 있다. 또한, 티타늄 합금 정밀주조품으로서, 자동차·오토바이 부품, 스포츠·레저용품, 인공뼈·인공치아, 열교환기 등을 들 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시형태를 첨부 도면에 기초하여 설명한다.
본 발명의 다른 적합한 일실시형태에 따른 주형의 횡단면도를 도12에 나타낸 다.
도12에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 주형(솔리드 주형)(120)은, 주형 본체(121)의 캐비티 표면(123)의 적어도 초기층(도12 중에서는, 캐비티 표면(123)의 초기층(44a) 및 제2층(44b)의 두 층)이 산화세륨-실리카 졸 소성물로 형성된다.
주형 본체(121)는, 블록 형상의 본체부(124)와, 캐비티(112)에 접한 층부(125)로 구성된다. 층부(125)는, 초기층(44a)및 제2층(44b)의 2층 구조로 되어 있다. 본체부(124)를 구성하는 슬러리 소성물은, 초기층(44a) 및 제2층(44b)을 구성하는 산화세륨-실리카 졸 소성물과 같은 종류 또는 다른 종류의 어느 것이나 가능하다. 본체부(124)는 산화세륨-실리카 졸 소성물과는 다른 종류의 슬러리 조성물로서, 통상의 주형과 동일한 것(예를 들어, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 멀라이트, 지르콘 또는 이트리아로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하는 골재와 지르코니아 졸을 주성분으로 하는 바인더로 구성되는 슬러리의 소성물)이 적용가능하다.
본 실시형태에 따른 쉘 주형(120)에 있어서의 주형 본체(121)의 캐비티 표면(123)은, 1층 구조, 또는 3층 이상의 구조라도 좋다.
또한, 본 실시형태에 따른 솔리드 주형(120)에 있어서의 초기층(44a)의 층 두께가 충분히 두꺼울 경우, 초기층(44a)만을 산화세륨-실리카 졸 소성물로 형성하고, 제2층(44b)은 본체부(124)와 동일한 재질로 형성할 수도 있다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 주형의 제조 방법을 도7~도14에 기초하여 설 명한다. 아울러, 도1~도6과 동일한 부재에는 같은 부호를 붙이고, 이들 부재에 대해서는 설명을 생략한다.
우선, 도7에 나타내는 바와 같이, 목적으로 하는 정밀주조품(후술하는 도14 참조)과 같은 형상, 같은 크기의 왁스모형을 미리 제작해 둔다.
다음으로, 상기 왁스모형(70)의 주위에, 초기층 슬러리를 도포한 후, 초기층 스타코를 도포하고, 그 후, 건조시킴으로써, 도8에 나타내는 바와 같이, 초기층 슬러리 막(24a)이 형성된다. 계속해서, 초기층 슬러리 막(24a)의 주위에, 제2층 슬러리를 도포한 후, 제2층 스타코를 도포하고, 그 후, 건조시킴으로써, 제2층 슬러리 막(24b)이 형성된다. 초기층 슬러리와 제2층 슬러리는 같은 종류의 슬러리이다. 다시 말하면, 초기층 슬러리 막(24a) 및 제2층 슬러리 막(24b)은 초기층 슬러리 막(24a)의 2층 구조로 되어 있다.
다음으로, 도9에 나타내는 바와 같이, 각 슬러리 막(24a, 24b)을 형성한 왁스모형(70)을 주형 틀(91)의 공간부(92) 내에 배치한 후, 그 공간부(92)에 최종층 슬러리(93)가 주입된다. 상기 최종층 슬러리(93)는 시간 경과에 따라 자연 경화되는 것이며, 유기 화합물(예를 들어, 페놀 수지), 경화제, 및 내화재 등을 적절히 포함하고 있어도 좋다. 상기 최종층 슬러리(93)의 자연 경화에 의해, 도10에 나타내는 바와 같이, 각각의 슬러리 막(24a, 24b)을 형성한 왁스모형(70)의 주위에, 최종층 슬러리(93)의 블록체(103)가 형성된다.
다음으로, 증기를 이용하여 왁스모형(70)의 탈왁스를 실시함으로써, 도11에 나타내는 바와 같이, 주형 전구체(110)가 얻어진다. 주형 전구체(110)는, 전구체 본체(111)의 내부에 캐비티(112)를 갖는다. 전구체 본체(111)는 본체부인 블록체(103)와 캐비티(112)에 접한 슬러리 막(24a, 24b)으로 구성된다.
다음으로, 상기 주형 전구체(110)에 소성 처리를 실시함으로써, 도12에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 주형(솔리드 주형)(120)이 얻어진다. 솔리드 주형(120)은, 본체부(124)와 층부(125)로 구성되는 주형 본체(121)의 내부에 캐비티(112)를 갖는 것이다.
다음으로, 도13에 나타내는 바와 같이, 상기 솔리드 주형(120)의 캐비티(112) 내에, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금의 용탕(50)이 주입되어, 주조가 행해진다. 그 후, 솔리드 주형(120)을 냉각함으로써, 용탕(50)이 응고되어, 주조가 완료된다. 이에 따라, 솔리드 주형(120) 내에 주조체가 형성된다.
그 후, 도14에 나타내는 바와 같이, 솔리드 주형(120)으로부터 주조체를 취출함으로써, 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품(140)이 얻어진다.
본 실시형태에 따른 주형(120)의 제조 방법에 있어서는, 2층 구조의 슬러리 막(24a, 24b)의 주위에 최종층 슬러리(93)의 블록체(103)를 형성하는 경우에 대해 설명했으나, 특별히 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 제조 공정으로 왁스모형(70)의 주위에, 직접 블록체를 형성할 수도 있다. 즉, 왁스모형(70)을 주형 틀(91)의 공간부(92) 내에 배치한 후, 그 공간부(92)에 최종층 슬러리(93)를 주입하고, 왁스모형(70)의 주위에, 직접 최종층 슬러리 단일체로 구성되는 블록체를 형성할 수도 있다. 상기 최종층 슬러리(93)는 초기층 슬러리와 동등한 것이다.
본 실시형태에 따른 주형(120)에 있어서도, 상술한 실시형태에 따른 주 형(40)과 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 솔리드 주형(120)에 티타늄 합금의 용탕(50)을 사용하여 주조를 실시함으로써, 주조품(140)에 있어서도, 그 표층부에 산소를 많이 함유한 경화층(α케이스)이 생성되는 것이 억제되며, α케이스의 층 두께는 300μm 미만으로 얇다. 예를 들어, 도24에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 솔리드 주형(120)을 사용하여 주조 형성한 티타늄 합금 주조품(240)은, 표층부에 생성된 α케이스의 층 두께가 약 280μm이었다. 이에 반해, 도25에 나타내는 바와 같이, 주형의 골재의 주성분으로서 지르코니아를, 바인더의 주성분으로서 실리카 졸을 사용하여 주조 형성한 티타늄 합금 주조품(250)은, 표층부에 생성된 α케이스의 층 두께가 약 500μm이었다. 이에 따라, 티타늄 합금 주조품(240)은 티타늄 합금 주조품(250)에 비해 α케이스의 층 두께가 약 절반이 되는 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 주형(120)은, 정밀주조품용 주형보다는, 초대형의 주조품, 장식품, 인공치아, 인공뼈 등의 주형으로서 적합하다. 상기 주형(120)은, 내구성이 있으며, 또한 적층이 적기 때문에 제조 공정이 간략해지므로, 비용대비성과가 뛰어나다.
이상, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 그 외에도 다양한 것이 상정되는 것은 말할 필요도 없다.

Claims (11)

  1. 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품을 제조하기 위한 주형으로서,
    주형 본체의 캐비티 표면의 적어도 초기층을, 산화세륨이 75 ~ 100 wt% 포함된 골재와 실리카 졸(실리카졸 수용액 100 wt에 대하여 실리카졸 20 ~ 50 wt를 포함하는 농도 20 ~ 50% 실리카졸 수용액)이 10 ~ 100 wt% 포함된 바인더로 구성되는 슬러리의 소성물로 형성한 것을 특징으로 하는 주형.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주형 본체의 캐비티 표면의 초기층 및 제2층을, 상기 슬러리의 소성물로 형성한 것을 특징으로 하는 주형.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 주형이 쉘 주형인 것을 특징으로 하는 주형.
  4. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 주형이 솔리드 주형인 것을 특징으로 하는 주형.
  5. 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품을 제조하기 위한 주형의 제조 방법으로서,
    소실모형인 왁스모형의 표면에, 산화세륨이 75 ~ 100 wt% 포함된 골재와 실리카 졸(실리카졸 수용액 100 wt에 대하여 실리카졸 20 ~ 50 wt를 포함하는 농도 20 ~ 50% 실리카졸 수용액)이 10 ~ 100 wt% 포함된 바인더로 구성되는 초기층 슬러리를 부착시킴과 동시에 건조시킴으로써, 초기층 슬러리 막을 형성하는 단계;
    상기 초기층 슬러리 막의 표면에, 제2층 이후의 슬러리 막을 순차 형성하는 단계;
    적어도 두 층의 슬러리 막이 코팅된 왁스모형에 탈왁스 처리를 실시하여, 초기층 슬러리 막의 내부에 캐비티를 갖는 주형 전구체를 형성하는 단계; 및
    상기 주형 전구체에 소성 처리를 실시하여, 각 슬러리 막을 응고시킴으로써 쉘 주형을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 주형의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 제2층의 슬러리 막을 형성하는 단계로서, 초기층 슬러리 막의 형성 단계를 다시 반복하는 것을 특징으로 하는 주형의 제조 방법.
  7. 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품을 제조하기 위한 주형의 제조 방법으로서,
    소실모형인 왁스모형의 표면에, 산화세륨이 75 ~ 100 wt% 포함된 골재와 실리카 졸(실리카졸 수용액 100 wt에 대하여 실리카졸 20 ~ 50 wt를 포함하는 농도 20 ~ 50% 실리카졸 수용액)이 10 ~ 100 wt% 포함된 바인더로 구성되는 초기층 슬러리를 부착시킴과 동시에 건조시킴으로써, 초기층 슬러리의 블록체를 형성하는 단계;
    상기 블록체를 갖는 왁스모형에 탈왁스 처리를 실시하여, 블록체의 내부에 캐비티를 갖는 주형 전구체를 형성하는 단계; 및
    상기 주형 전구체에 소성 처리를 실시하여, 블록체를 응고시킴으로써 솔리드 주형을 형성하는 단계;
    를 포함한 것을 특징으로 하는 주형의 제조 방법.
  8. 티타늄알루미늄 합금 또는 티타늄 합금제의 주조품을 제조하기 위한 주형의 제조 방법으로서,
    소실모형인 왁스모형의 표면에, 산화세륨이 75 ~ 100 wt% 포함된 골재와 실리카 졸(실리카졸 수용액 100 wt에 대하여 실리카졸 20 ~ 50 wt를 포함하는 농도 20 ~ 50% 실리카졸 수용액)이 10 ~ 100 wt% 포함된 바인더로 구성되는 초기층 슬러리를 부착시킴과 동시에 건조시킴으로써, 초기층 슬러리 막을 형성하는 단계;
    상기 초기층 슬러리 막의 주위에, 최종층 슬러리의 블록체를 형성하는 단계;
    초기층 슬러리 막 및 블록체를 갖는 왁스모형에 탈왁스 처리를 실시하여, 초기층 슬러리 막의 내부에 캐비티를 갖는 주형 전구체를 형성하는 단계; 및
    상기 주형 전구체에 소성 처리를 실시하여, 초기층 슬러리 막 및 블록체를 응고시킴으로써 솔리드 주형을 형성하는 단계;
    를 포함한 것을 특징으로 하는 주형의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 초기층 슬러리 막의 형성 단계 후에, 다시 초기층 슬러리 막의 형성 단계를 반복하여, 2층 구조의 초기층 슬러리 막의 주위에, 최종층 슬러리의 블록체를 형성하는 것을 특징으로 하는 주형의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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