KR101551391B1

KR101551391B1 - 주물 제조용 구조체

Info

Publication number: KR101551391B1
Application number: KR1020107016003A
Authority: KR
Inventors: 아키라 요시다; 마사유키 오사키; 토시키 마츠오; 토모후미 칸자와
Original assignee: 가오 가부시키가이샤
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2015-09-08
Also published as: JP2009195982A; US20100307714A1; JP5441402B2; KR20100102671A; EP2233226A1; CN101925424A; US8387683B2; EP2233226B1; CN101925424B; WO2009093621A1; EP2233226A4

Abstract

본 발명은 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 무기섬유 및 열경화성 수지를 함유하는 주물 제조용 구조체로서, 통기도가 1∼500인 주물 제조용 구조체이다.

Description

주물 제조용 구조체{STRUCTURE FOR FOUNDRY PRODUCTION}

본 발명은 주물(鑄物;casting)의 제조시에 이용되는 주형(鑄型;mold) 등의 주물 제조용 구조체에 관한 것이다. 또한 상기 구조체의 제조방법, 상기 구조체용 조성물, 상기 구조체를 이용한 주물의 제조방법, 및 상기 구조체의 주물을 제조하기 위한 용도에 관한 것이다.

주물은 일반적으로 목형(wooden pattern)이나 금형 등을 바탕으로 주물사(鑄物砂;molding sand)로 내부에 캐비티를 가지는 주형을 형성하는 동시에, 필요에 따라서 상기 캐비티 내에 중자(中子;core)를 배치한 후, 상기 캐비티에 용탕(溶湯;molten metal)을 공급해서 제조되고 있다.

주물사를 이용한 사형(砂型)은 통상의 모래에 바인더를 첨가하고 경화시켜 형상을 유지시키고 있기 때문에, 모래의 재이용에는 재생 처리 공정이 필수적이다. 또한, 재생 처리시에 더스트 등의 폐기물이 발생하는 등의 문제도 생기고 있다. 중자를 사형으로 제조할 경우에는 상기 과제에 더해, 중자 자신의 질량으로 인해 취급에 어려움이 있고, 나아가서는 주입(鑄入)시의 강도 유지와 주입 후의 중자 제거성이라는 상반된 성능이 요구된다.

이러한 과제를 해결하는 기술로서, 경량성, 가공성, 폐기물 저감이 뛰어난, 유기섬유, 무기섬유, 무기입자 및 열경화성 수지를 함유하는 주물 제조용 구조체를 얻는 기술(JP-A 2005-349428, WO-A 2005/120745, EP-A 1 754 554)이 알려져 있다.

JP-A 2007-144511은 평균 입경 70㎛ 이하의 인상 흑연, 열경화성 수지 및 유기섬유를 함유하는 주물 제조용 구조체를 개시한다.

JP-A 62-45446과 JP-A 62-156044는 열경화성 수지를 피복한 모래 및 함수(含水) 규산마그네슘질 점도광물로 이루어지는 쉘 주형 재료를 개시하고 있다.

GB-A 1281684(JP-B 50-20545)는 용융 금속의 주조에 사용하는 열 절연체를 개시하고 있으며, 통기도를 기재하고 있다.

본 발명의 목적은, 경량이고, 주입시에도 충분한 열간 강도를 가지며, 가스 결함 저감 효과가 뛰어난 주물이 얻어지는 주물 제조용 구조체 및 그 제조방법, 상기 구조체용 조성물, 그리고 이들을 이용한 주물의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자(이하, 무기입자 A라고도 함), 무기섬유 및 열경화성 수지를 함유하는 주물 제조용 구조체로서, 통기도가 1∼500인 주물 제조용 구조체에 관한 것이다.

또한 본 발명은 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 무기섬유, 열경화성 수지를 함유하는 주물 제조용 구조체용 조성물로서, 상기 주물 제조용 구조체의 통기도가 1∼500인 주물 제조용 구조체용 조성물에 관한 것이다.

또한 본 발명은 상기 본 발명의 주물 제조용 구조체용 조성물을 분산매에 분산시켜 도우(dough)형상의 성형 원료를 조제한 후, 상기 성형 원료를 성형틀 내에 충전하고, 상기 성형틀을 가열해서 상기 열경화성 수지를 경화시켜 성형하는 주물 제조용 구조체의 제조방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은 상기 본 발명의 주물 제조용 구조체를 사용해서 용융 금속을 주입하는 주조 공정을 구비하는 주물의 제조방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은 상기 주물 제조용 구조체의 주물을 제조하기 위한 용도이다.

본 발명에 의하면, 경량이고, 주입시에도 충분한 열간 강도를 가지며, 가스 결함 저감 효과가 뛰어난 주물이 얻어지는 주물 제조용 구조체 및 그 제조방법, 상기 구조체용 조성물, 그리고 이들을 이용한 주물의 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 실험예에서 제조한 주물 제조용 구조체를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 실험예에서 사용한 성형체의 통기도 측정방법이다.
도 3은 실험예에서 사용한 주형을 나타내는 개략도이다.
도 4는 주물 표면의 결함 평가용으로 주물을 축방향으로 16분할한 부분을 나타내는 개략도이다.
도 5, 도 6 및 도 7은 각각 형상계수를 측정한 흑연의 현미경 사진과 해석 화상을 얻기 위해 처리한 사진이다.

JP-A 2005-349428은 주입시에도 뛰어난 열간 강도를 가지며, 주입 후의 주물의 형상 유지성이 뛰어나기 때문에 표면 평활성이 뛰어난 주물을 제조할 수 있기는 하지만, 복잡한 주물형상을 제조할 경우에는 주물의 가스 결함이 발생하기 쉬워, 주물의 가스 결함 저감이 더욱 요망되고 있다.

본 발명은 경량이고, 주입시에도 충분한 열간 강도를 가지며, 가스 결함 저감 효과가 뛰어난 주물이 얻어지는 주물 제조용 구조체 및 그 제조방법, 상기 구조체용 조성물, 그리고 이들을 이용한 주물의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 주입시에도 충분한 열간 강도를 가지며, 가스 결함 저감 효과가 뛰어난 주물이 얻어지는 주물 제조용 구조체가 제공된다. 본 발명의 구조체는 주물의 제조시에 이용되는 경량성, 가공성이 뛰어난 주형 등의 주물 제조용 구조체이다.

본 발명은 경량이고, 주입시에도 충분한 열간 강도를 가지며, 형상 유지성이 뛰어나고, 특히 복잡한 주물형상을 조형하는 것과 같은 엄격한 조건에서도 주물의 가스 결함 저감이 뛰어난 주물 제조용 구조체를 제공한다.

본 발명은 주물의 제조시에 이용되는 경량성, 가공성이 뛰어난 주형 등의 주물 제조용 구조체이다.

본 발명의 주물 제조용 구조체는 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 무기섬유, 열경화성 수지를 함유하고, 통기도가 1∼500인 것에 특징을 가지며, 주입시에도 충분한 열간 강도를 가지며, 복잡형상의 주물의 제조에 있어서도 가스 결함의 발생이 억제된 주물이 얻어진다는 뛰어난 효과를 발현하는 것이다.

본 발명자들은 경량성, 가공성이 뛰어난 주물 제조용 구조체를 사용하는 분야에 있어서, 특히 복잡한 주물형상을 조형하는 것과 같은 엄격한 조건에서의 주물의 가스 결함 저감을 달성하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 상기 구조체의 통기도를 1∼500으로 하면, 특히 복잡한 주물형상을 조형하는 것과 같은 엄격한 조건에서도 주물의 가스 결함을 크게 저감할 수 있음을 발견하였다.

즉, 본 발명의 기술적 특징은 경량성, 가공성이 뛰어난 주물 제조용 구조체를 사용하고, 특히 복잡한 주물형상을 조형하는 경우에 발생하는 주물의 가스 결함의 과제를 해결하는 수단으로서, 상기 구조체의 통기도를 특정한 범위로 하는 것이 유효함을 발견한 데에 있다. 상기 구조체의 통기도를 특정한 범위로 하기 위해서는 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자(무기입자 A)를 선택하는 것과, 바람직하게는 후술하는 바와 같이, 상기 무기입자 A의 평균 입자경을 80∼3000㎛로 하고, 상기 무기입자 A의 형상계수를 2.3∼1.0으로 하는 것에 의해 가능하다.

본 발명의 주물 제조용 구조체의 통기도는 주물의 가스 결함 저감 효과가 뛰어난 관점에서 1 이상이고, 2 이상이 바람직하며, 3 이상이 보다 바람직하다. 나아가 6 이상이 바람직하고, 15 이상이 보다 바람직하다. 또한, 본 발명의 주물 제조용 구조체의 통기도는 주물의 가스 결함 저감 효과가 뛰어난 관점과 구조체가 주입시에도 충분한 열간 강도를 가지는 관점에서 500 이하이고, 400 이하가 바람직하며, 300 이하가 보다 바람직하다. 나아가 120 이하가 바람직하고, 100 이하가 보다 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명의 주물 제조용 구조체의 통기도는 1∼500이고, 2∼500이 바람직하다. 6∼120이 보다 바람직하고, 15∼100이 더욱더 바람직하다. 한편, 주물 제조용 구조체의 통기도는 실험예에 기재된 측정방법으로 구할 수 있다.

나아가서는 상기 주물 제조용 구조체의 통기도를 확보하는 관점에서, 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 그 중에서도 무기입자 A의 형상계수가 바람직하게는 2.3∼1.0의 범위인 것에 의해, 상기 통기도 1∼500의 범위로 유지할 수 있음을 발견하였다. 이것을 이용한 주물 제조용 구조체로 주조함으로써 고품질의 주물이 얻어진다. 본 발명에 이용되는 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자의 형상계수는 주물 가스 결함 저감 효과가 뛰어난 관점에서 2.3∼1.0이 바람직하고, 2.1∼1.0이 보다 바람직하다.

한편, 무기입자 A 등의 무기입자의 형상계수는 하기와 같이 정의되는 것이다.

<무기입자의 형상계수 측정방법>

무기입자의 형상계수 측정방법으로서, 사단법인 일본주조기술협회 2003년 12월 연구조사보고서 '주물사 입형(partible shape)과 주형특성' p10∼15에 기재되어 있는 형상계수 측정방법을 이용한다. 즉, 측정장치로서 (주)키엔스 제품 'VH-5000'을 이용하고, 화상 해석 소프트는 키엔스 제품 'VHX-H2M', 배율은 50배의 마이크로스코프 화상을 촬영하고, 화상 해석을 실시하여 주위길이 및 면적을 구하고, 각종 무기입자의 형상계수는 다음식의 형상계수식에 대입하여 산출한다. 화상 촬영은 백지 위에 무기입자를 단분산시켜 1시야에 무기입자를 5개 이상 올려놓고 실시하며, 1개의 시료에 대하여 무작위로 20회의 측정 및 형상계수의 산출을 행하여, 그 평균값을 무기입자의 형상계수로 한다.

형상계수=(주위길이)²/(4π×면적)

본 발명은 특히 복잡한 주물형상을 조형하는 것과 같은 엄격한 조건에서 발생하는 가스 결함의 저감에 현저한 효과를 발휘한다.

이러한 효과가 발현되는 이유는 확실하지 않지만, 경량성, 가공성이 뛰어난 주물 제조용 구조체를 사용하는 분야에서의, 종래의 주물 제조용 구조체에서는 충분한 통기성이 없기 때문에, 특히 복잡한 주물형상을 조형하는 것과 같은 엄격한 조건에서는 주물 제조용 구조체에서 발생하는 미량의 가스가 주물을 구성하는 용탕 금속측으로 들어가기 때문에, 주물 표면에 가스 결함을 발생시켰던 것으로 생각된다. 한편 본 발명의 주물 제조용 구조체에서는 적당한 통기도를 가지고 있음으로 인해, 특히 복잡한 주물형상을 조형하는 것과 같은 엄격한 조건에서도, 주물 제조용 구조체에서 발생하는 미량의 가스가 주물을 구성하는 용탕 금속측으로 들어가는 것을 현저하게 억제할 수 있기 때문에, 그 결과, 주물의 가스 결함을 특단으로 저감할 수 있었던 것으로 생각된다.

또한, 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자의 형상계수를 바람직하게는 2.3∼1.0, 보다 바람직하게는 2.1∼1.0의 범위로 함으로써, 주물 제조용 구조체의 매트릭스를 형성하는 공극이 확보되기 때문에, 상기 통기도 1∼500을 달성할 수 있어 주물 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 소정의 통기도를 가지는 주물 제조용 구조체는 이하에 나타내는 바와 같이, 무기입자의 종류, 입경 및 애스펙트비, 열경화성 수지의 종류, 그리고 각 성분의 배합비 등을 조정함으로써 얻을 수 있다.

본 발명의 성형체 제조용 구조체 중에서의, 무기입자 A, 무기섬유, 열경화성 수지, 각 성분의 배합비(질량비율)는 무기입자 A/무기섬유/열경화성 수지=40∼90/1∼20/1∼30(질량비율)이 바람직하고, 50∼85/2∼16/2∼25(질량비율)이 보다 바람직하며, 50∼85/2∼16/2∼20(질량비율)이 더욱 바람직하다.

무기입자는 상기 구조체의 내열성을 향상시키는 성분이다. 본 발명에서는 주물 제조용 구조체의 통기성을 향상시키는 관점에서, 내소착성(耐燒着性;burning resistance)의 관점에서도, 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 적어도 1종(무기입자 A)이 사용된다. 나아가서는, 품질이 안정적이고 구조체의 통기도를 제어하기 쉬운 관점에서 인조 흑연을 사용하는 것이 바람직하다.

토상 흑연 및 인조 흑연 이외에 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서, 흑요석, 운모, 멀라이트(mullite), 실리카, 마그네시아, 탈크 등의 임의 성분으로서의 무기입자를 병용할 수도 있다. 이들 무기입자는 단독으로 또는 2종 이상을 병용해도 된다.

일반적으로 흑연은 인상 흑연이나 토상 흑연과 같이 천연으로 산출되는 것과, 석유 코크스나 카본블랙 혹은 피치 등을 원료로 인공적으로 제조되는 인조 흑연으로 분류된다. 또한 인상 흑연은 형상이 박편형상이고 평면적으로 적층하기 쉬운 것이 특징이다.

전체 무기입자 중에 차지하는 무기입자 A의 합계량의 바람직한 비율은 90중량% 이상, 보다 바람직한 비율은 95중량% 이상, 더욱 바람직한 비율은 실질 100중량%이다.

무기입자 A의 평균 입자경은 주물 제조용 구조체의 통기성을 향상시키는 관점에서, 80㎛ 이상이 바람직하고, 100㎛ 이상이 보다 바람직하며, 120㎛ 이상이 더욱더 바람직하다. 또한, 무기입자 A의 평균 입자경은 주물 제조용 구조체가 주입시에도 충분한 열간 강도를 가지는 관점에서, 3000㎛ 이하가 바람직하고, 2500㎛ 이하가 보다 바람직하며, 1000㎛ 이하가 더욱 바람직하고, 800㎛ 이하가 더욱더 바람직하다. 이러한 관점에서 무기입자 A의 평균 입자경은 80∼3000㎛가 바람직하고, 100∼2500㎛가 보다 바람직하며, 100∼1000㎛가 더욱 바람직하고, 120∼800㎛가 더욱더 바람직하다.

여기서 무기입자 A 등의 무기입자의 평균 입자경은 하기의 제1 측정방법으로 측정하며, 산출되는 평균 입자경이 200㎛ 이상일 경우에는 제1 측정방법으로 산출되는 평균 입자경을 구하고, 그렇지 않을 경우에는 하기의 제2 측정방법으로 측정함으로써 구할 수 있다.

<제1 측정방법>

JIS Z2601(1993) '주물사의 시험방법' 부속서 2에 규정된 방법에 기초해서 측정하고, 질량누적 50%를 가지고 평균 입자경으로 하였다. 상기 질량누적은 각 체(sieve)면상의 입자를 JIS Z2601(1993) 해설표 2에 나타내는 '직경의 평균 Dn(㎛)'로 간주해서 계산하기로 한다.

<제2 측정방법>

레이저 회절식 입도분포 측정장치(호리바세이사쿠쇼 제품 LA-920)를 이용해서 측정된 체적누적 50%의 평균 입자경이다. 분석 조건은 하기와 같다.

·측정방법: 플로우법

·굴절률: 무기입자에 의해 변동(LA-920에 부속된 메뉴얼 참조)

·분산매: 메탄올

·분산방법: 교반, 내장 초음파 3분

·시료 농도: 2mg/100cc

무기입자 A의 함유량은 구조체의 주입시의 형상 유지성, 성형품의 표면성 및 성형 후의 이형성이 바람직해지는 관점에서 구조체 중 40∼90질량%가 바람직하고, 50∼85질량%가 보다 바람직하다. 또한 이 함유량의 수치는 구조체를 제조할 때의 배합량의 수치여도 된다(이하도 동일).

상기 무기섬유는 주로 성형체의 골격을 이루며, 예를 들면 주조시의 용융 금속의 열에 의해서도 연소하지 않고 그 형상을 유지한다. 상기 무기섬유로서는 탄소섬유, 락 울(rock wool) 등의 인조광물섬유, 세라믹섬유, 천연광물섬유를 들 수 있다. 상기 무기섬유는 1종 또는 2종 이상을 선택해서 사용할 수 있다. 이들 중에서는 상기 열경화성 수지의 탄화에 따른 수축을 효과적으로 억제하는 점에서 고온에서도 고강도를 가지는 탄소섬유가 바람직하고, 피치계나 폴리아크릴로니트릴(PAN)계의 탄소섬유가 보다 바람직하며, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계의 탄소섬유가 더욱 바람직하다.

상기 무기섬유는 주형 등의 구조체의 성형성, 균일성의 관점에서 평균 섬유길이가 0.5∼15mm, 나아가서는 1∼8mm인 것이 바람직하다.

상기 무기섬유의 함유량은 구조체의 성형성 및 주입시의 형상 유지성의 관점에서 구조체 중 1∼20질량%가 바람직하고, 2∼16질량%가 보다 바람직하다.

상기 열경화성 수지는 구조체의 상온 강도 및 열간 강도를 유지시키는 동시에, 구조체의 표면성을 양호하게 하여, 구조체를 주형으로서 이용했을 경우에 주물의 표면 거칠기를 향상시키는 데 필요한 성분이다. 상기 열경화성 수지로서는 페놀 수지, 에폭시 수지, 푸란 수지 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 특히 주조시에 있어서의 열경화성 수지의 분해 가스의 발생량이 적고, 연소 억제 효과가 있으며, 열분해(탄화) 후의 잔탄률이 25% 이상으로 높고, 구조체를 주형으로 이용했을 경우에 탄화 피막을 형성하여 양호한 주조 표면을 얻을 수 있는 점에서 페놀 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 페놀 수지에는, 경화제를 필요로 하는 노볼락 페놀 수지, 경화제가 필요 없는 레졸(resol) 페놀 수지가 사용된다. 상기 열경화성 수지는 1종 또는 2종 이상을 선택해서 사용할 수 있다.

또한 페놀 수지 중에서도 레졸 페놀 수지를 단독 또는 병용하면, 산, 아민 등의 경화제를 필요로 하지 않고, 구조체 성형시의 악취나, 구조체를 주형으로서 이용했을 경우에 주조 결함을 저감할 수 있어, 보다 바람직하다.

시판되고 있는 레졸 페놀 수지로서는 예를 들면 아사히유키자이(주) 제품 상품명 KL-4000, 에어·워터(주) 제품 벨펄(Bellpearl) S-890 등을 들 수 있다.

또한, 열경화성 수지의 함유량은 구조체의 성형성 및 주입시의 형상 유지성의 관점과 주물의 표면 평활성의 관점에서 구조체 중 1∼30질량%가 바람직하고, 2∼25질량%가 보다 바람직하며, 2∼20질량%가 더욱 바람직하다.

본 발명에서는 주물 제조용 구조체의 제조 원료에, 주물 제조용 구조체의 성형성 향상의 관점에서, 수용성 고분자 화합물을 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 수용성 고분자 화합물이란, 통상(예를 들면 25℃)의 사용 조건하에서 물을 흡착 또는 흡수하는 고분자 화합물을 의미하며, 예를 들면 25℃ 순수(pure water)에 대하여 1.0질량% 이상 용해하는 수용성 고분자 화합물이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 수용성 고분자 화합물로서는 증점성 다당류, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜 등을 들 수 있다.

이들 중에서는 성형성 향상의 관점에서 증점성 다당류가 바람직하다. 여기서 증점성 다당류란, 수계(水系)에서 증점성을 발현하는 다당류이며, 예를 들면 크산탄 검, 타마린드 검, 젤란 검, 구아 검, 로커스트빈 검, 타라 검 등의 검제(gum agent), 카르복시메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스 유도체, 카라기난, 풀루란(pullulan), 펙틴, 아르긴산, 한천(agar) 등을 들 수 있다. 이들 다당류 중에서도 한천과 같은 천연물보다도, 비천연물, 예를 들어 카르복시메틸셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 유도체는 주물 제조용 구조체용 조성물에 있어서의 수용성 고분자 화합물의 배합비를 소량으로 그 성능을 발휘할 수 있는 관점에서 바람직하다.

이들 수용성 고분자 화합물의 중량평균 분자량은 바람직하게는 1만∼300만, 보다 바람직하게는 2만∼100만이다.

주물 제조용 구조체에 수용성 고분자 화합물이 첨가될 경우에 있어서의, 수용성 고분자 화합물의 함유량은 구조체의 성형성을 향상시키는 관점에서 0.5질량% 이상이 바람직하고, 1질량% 이상이 보다 바람직하며, 구조체의 통기도를 부여시키는 관점에서 10질량% 이하가 바람직하고, 5질량% 이하가 보다 바람직하며, 3질량% 이하가 더욱 바람직하다. 이러한 관점에서, 수용성 고분자 화합물의 함유량은 구조체 중 0.5∼10질량%가 바람직하고, 1∼5질량%가 보다 바람직하다.

또한 본 발명에서는 주물 제조용 구조체의 제조 원료에, 주물 제조용 구조체의 성형성 향상의 관점에서, 열팽창성 입자를 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 열팽창성 입자로서는, 열가소성 수지의 쉘 벽(shell wall)에, 기화해서 팽창하는 팽창제를 내포한 마이크로캡슐이 바람직하다. 상기 마이크로캡슐은 예를 들어 80∼200℃에서 가열하면, 직경이 바람직하게는 3∼5배, 체적이 바람직하게는 50∼100배로 팽창한다. 팽창 전의 평균 입경은 바람직하게는 5∼80㎛, 보다 바람직하게는 20∼50㎛이다. 열팽창성 입자의 팽창이 이러한 범위이면 팽창으로 인한 성형 정밀도에의 악영향을 억제하여 첨가 효과가 충분히 얻어지기 쉽다.

상기 마이크로캡슐의 쉘 벽을 구성하는 열가소성 수지로서는, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리염화비닐리덴, 아크릴로니트릴-염화비닐리덴 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 쉘 벽에 내포되는 팽창제로서는 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 이소부탄, 석유 에테르 등의 저비점의 유기용제를 들 수 있다. 그들 중에서도 적절한 팽창개시온도나 높은 팽창률을 얻는 관점에서, 아크릴로니트릴이나 염화비닐리덴으로 이루어지는 중합체, 또는 그들을 1개 이상 포함하는 공중합체로 쉘 벽을 구성하는 것이 바람직하다.

주물 제조용 구조체에 열팽창성 입자가 첨가되는 경우에 있어서의, 열팽창성 입자의 함유량은 구조체의 성형성이 뛰어난 관점에서 구조체 중 0.5∼10질량%가 바람직하고, 1∼5질량%가 보다 바람직하다.

주물 제조용 구조체 중의 열팽창성 입자의 함유량이 0.5질량% 이상이면, 팽창에 의해 성형 원료가 틀의 세부에 걸쳐 충전되어 틀의 형상을 충실히 전사할 수 있어, 첨가 효과가 충분히 얻어지는 관점에서 바람직하고, 또한 10질량% 이하이면, 과팽창을 막을 수 있어 여분의 냉각 시간을 필요로 하지 않기 때문에 높은 생산성을 유지할 수 있는 관점에서 바람직하다.

열팽창성 입자에 대하여 이하 상세를 기재한다.

후술하는 바와 같이, 본 발명에서는 주물 제조용 구조체용 조성물을 분산매에 분산시켜 혼련기로 혼련해서 얻은 도우형상의 성형 원료로 주물 제조용 구조체를 제조하는 것이 바람직하고, 열팽창성 입자를 상기 조성물에 배합(바람직하게는 건식 배합)하는 것이 바람직하다. 그 때, 본 발명에서는 팽창개시온도(℃)가 분산매의 비점(℃) 이하인 열팽창성 입자를 사용해도 된다. 이로 인해, 정밀도 좋게 부형(賦形;shaping)이 이루어지는 동시에, 고(高)통기도의 주물 제조용 구조체가 얻어져, 주물의 가스 결함을 크게 저감하는 것이 가능하다. 또한 상기 열팽창성 입자는 주물 제조용 구조체의 복잡한 형상의 성형성 및 고통기도를 얻는 것에 의한 주물의 가스 결함 저감의 관점에서, 상기 열팽창성 입자의 팽창개시온도는 상기 분산매의 비점에 대하여, 바람직하게는 5∼100℃ 낮고, 보다 바람직하게는 10∼80℃ 낮고, 더욱 바람직하게는 10∼70℃ 낮다.

여기서, 상기 열팽창성 입자의 팽창개시온도(℃)는 JP-A 11-2615에 있어서의 체적변화 개시온도(JP-A11-2615의 단락 0012 등 참조)이며, 본 발명에서는 승온속도 10℃/분의 조건으로 승온시켰을 때의 체적변화 개시온도를 가리킨다.

또한, 열팽창성 입자의 체적변화 개시온도에 폭이 있을 경우에는 상기 체적변화 개시온도의 최소값을 열팽창성 입자의 팽창개시온도로 간주한다.

분산매의 비점(℃)이 열팽창성 입자의 팽창개시온도(℃) 이상일 경우에는 상기 열가소성 수지로서는, 아크릴로니트릴 공중합체, 염화비닐리덴·아크릴로니트릴 공중합체, 폴리프로필렌, 프로필렌·에틸렌 공중합체, 프로필렌·부텐 공중합체, 폴리에틸렌, 에틸렌·아세트산비닐 공중합체, 에틸렌·아크릴산에스테르 공중합체, 에틸렌·아크릴산 공중합체, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴·스티렌 공중합체(AS 수지), 아크릴로니트릴·공역 디엔·스티렌 공중합체(ABS 수지), 메타크릴산에스테르·스티렌 공중합체(MS 수지), 메타크릴산에스테르·공역 디엔·스티렌 공중합체(MBS 수지), 스티렌·무수말레산 공중합체(SMA 수지), 스티렌·공역 디엔 공중합체 및 그 수소첨가 수지(SBS, SIS, SEBS, SEPS), 스티렌계 엘라스토머)폴리아미드계 수지(폴리아미드, 폴리아미드계 엘라스토머), 폴리에스테르계 수지(폴리에스테르, 폴리에스테르계 엘라스토머), 폴리우레탄계 수지, 폴리비닐계 수지, 폴리카보네이트계 수지 등을 들 수 있다. 상기 열가소성 수지는 주물 제조용 구조체의 성형성의 관점에서 아크릴로니트릴 공중합체가 바람직하다.

또한, 분산매의 비점(℃)이 열팽창성 입자의 팽창개시온도(℃) 이상일 경우에는 상기 저비점 탄화수소로서는, 이소부탄, 노말부탄, 노말펜탄, 이소펜탄, 헥산, 시클로헥산, 헵탄, 석유 에테르, 네오펜탄, 프로판, 프로필렌, 부텐 등을 들 수 있다. 저비점 화합물은 주물의 가스 결함 저감 효과(주물 제조용 구조체의 통기성 향상)의 관점에서, 상기 저비점 화합물의 탄소수 6 이하, 비점이 80℃ 미만인 탄화수소 화합물이 바람직하다. 열팽창성 입자는 이들을 단독 또는 2종 이상을 선택해서 사용할 수 있다.

또한 분산매의 비점(℃)이 열팽창성 입자의 팽창개시온도(℃) 이상일 경우에는 상기 열팽창성 입자는, 열에 의해 팽창하고, 또한 팽창 전의 평균 직경이, 성형성의 관점에서 바람직하게는 1∼60㎛, 보다 바람직하게는 2∼50㎛이며, 더욱 바람직하게는 5∼30㎛이다. 또한 80∼200℃에서 가열하면 직경이 3∼10배로 팽창하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 슬러리형상 조성물 중의 상기 열팽창성 입자의 함유량은 복잡한 형상이더라도 세부에 걸쳐 정밀도 좋게 부형이 이루어진 주물 제조용 구조체를 얻는 관점에서, 슬러리형상 조성물의 고형분 재료의 총질량에 대하여, 바람직하게는 0.1질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.5질량% 이상이다. 또한, 상기 열팽창성 입자의 함유량은 주물의 가스 결함 저감 효과가 뛰어난 관점에서, 슬러리형상 조성물의 고형분 재료의 총질량에 대하여, 바람직하게는 15질량% 이하, 보다 바람직하게는 10질량% 이하, 더욱 바람직하게는 5질량% 이하이다. 이러한 관점에서, 상기 열팽창성 입자의 함유량은 슬러리형상 조성물의 고형분 재료의 총질량에 대하여, 바람직하게는 0.1∼15질량%, 보다 바람직하게는 0.5∼10질량%, 더욱 바람직하게는 0.5∼5질량%이다.

본 실시형태의 주물 제조용 구조체의 성형 원료나, 성형시 혹은 성형 후에는 상기 각 성분 이외에, 착색제, 이형제, 콜로이달실리카 등의 다른 성분을 적절한 비율로 첨가할 수도 있다.

본 실시형태의 구조체는 물을 포함하는 성형 원료로 제조된 경우에는, 상기 구조체의 사용 전(주조되기 전)의 질량 함수율은 5% 이하가 바람직하고, 2% 이하가 보다 바람직하다. 함수율이 낮을수록, 주조시의 수증기에 유래하는 가스 발생량을 낮게 억제할 수 있어 가스 결함을 저감할 수 있다.

본 발명에 의해 얻어진 주물 제조용 구조체는 내면에 주물제품형상의 캐비티를 가지는 메인 틀(mail mold), 그 메인 틀에 넣어서 사용하는 중자, 혹은 탕도(湯道) 등의 주탕(注湯;pouring)계 부재, 필터 유지구 등에 적용할 수 있는데, 본 발명의 주물 제조용 구조체는 표면 평활성이 뛰어나, 주조 표면이 양호한 주물을 얻을 수 있기 때문에, 메인 틀이나 중자에의 적용이 바람직하다. 특히 본 발명의 주물 제조용 구조체는 주물의 가스 결함 저감 효과가 뛰어나기 때문에, 주형(注型;casting)시에 용탕 금속에 덮여 가스 결함이 발생하기 쉬워지는 중자에의 적용이 바람직하고, 중공(中空) 중자에의 적용이 보다 바람직하다.

<주물 제조용 구조체의 제조방법>

다음으로 본 발명의 주물 제조용 구조체의 제조방법을 그 바람직한 실시형태에 기초해서 설명한다.

본 발명의 주물 제조용 구조체의 제조방법은 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 무기섬유, 열경화성 수지 및 분산매를 함유하는 성형 원료(주물 제조용 구조체용 조성물과 분산매를 함유하는 조성물)를 조제하고, 상기 성형 원료를 성형틀에 부어 넣어 주물 제조용 구조체를 얻는 방법이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 주물 제조용 구조체용 조성물은 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 무기섬유 및 열경화성 수지를 함유하는 주물 제조용 구조체용 조성물로서, 상기 주물 제조용 구조체의 통기도가 1∼500인 주물 제조용 구조체용 조성물이며, 바람직하게는 분산매에 분산시켜 사용된다. 주물 제조용 구조체의 성형 원료(무기입자 A, 무기섬유, 열경화성 수지)와 분산매의 분리를 방지하여 균일하게 혼합할 수 있는 관점에서, 수용성 고분자 화합물을 더 함유하는 것이 바람직하다. 즉, 이러한 주물 제조용 구조체용 조성물은 통기도가 1∼500인 주물 제조용 구조체의 제조에 사용된다.

주물 제조용 구조체용 조성물 중에 수용성 고분자 화합물을 함유함으로써, 성형 원료 중에 폴리머 분자쇄에 의한 매트릭스를 형성하여 분산매와의 분리를 억제할 수 있다고 생각된다. 또한 동시에 성형 원료의 응집도 억제해 상기 조성물의 유동성을 확보하여, 상기 구조체의 성형성 향상에 기여하고 있다고 생각된다.

본 발명에 사용되는 바람직한 주물 제조용 구조체용 조성물의 각 성분의 배합비(질량비율)는 무기입자 A, 무기섬유, 열경화성 수지, 및 수용성 고분자 화합물의 고형분 총질량에 대하여, 무기입자 A/무기섬유/열경화성 수지/수용성 고분자 화합물(고형분)=40∼90/1∼20/1∼30/1∼10(질량비율)이 바람직하고, 50∼85/2∼16/2∼25/1∼7(질량비율)이 보다 바람직하며, 50∼85/2∼16/2∼20/1∼7(질량비율)이 더욱 바람직하다. (단 상기 질량비율의 합계는 100이다.) 또한 주물 제조용 구조체용 조성물 중, (i)무기입자 A, 무기섬유 및 열경화성 수지의 합계 함유량, 또는 (ii)무기입자 A, 무기섬유, 열경화성 수지 및 수용성 고분자 화합물의 합계 함유량, 또는 (iii)무기입자 A, 무기섬유, 열경화성 수지 및 열팽창성 입자의 합계 함유량, 또는 (iv)무기입자 A, 무기섬유, 열경화성 수지, 수용성 고분자 화합물 및 열팽창성 입자의 합계 함유량은 90∼100질량%, 나아가 95∼100질량%인 것이 바람직하다. 또한, 주물 제조용 구조체용 조성물 중 유기섬유의 함유량은 0.1질량% 이하, 나아가 0.05질량% 이하로 할 수 있다. 유기섬유를 함유시킴으로써 구조체 자체의 강도는 향상하지만, 유기섬유의 열분해 가스가 발생하기 쉬워져 가스 결함을 유발할 우려가 있다.

상기 무기입자 A의 배합이 상기 범위이면, 주입시의 형상 유지성, 성형품의 표면성이 양호해지고, 또한 성형 후의 이형성도 바람직해지기 쉽다. 상기 무기섬유의 배합비가 상기 범위이면, 성형성, 주입시의 형상 유지성이 양호해지기 쉽다. 상기 열경화성 수지의 배합비가 상기 범위이면, 주형의 성형성, 주입 후의 형상 유지성, 표면 평활성이 양호해지기 쉽다. 상기 수용성 고분자 화합물의 배합비가 상기 범위이면, 성형 원료(성형체 제조용 조성물에 분산매를 첨가해 조제해서 얻어지는 원료)를 성형틀 내에 충전할 때에, 성형 원료 중의 분산매가 분리되는 일 없이 유동성이 양호한 상태로 충전 가능함과 동시에, 얻어지는 구조체의 통기성이 양호해지기 쉽다.

주물 제조용 구조체용 조성물의 조제는 상기 무기입자 A, 상기 무기섬유, 상기 열경화성 수지를 미리 건식으로 혼합하는 것이 바람직하고, 균일하게 혼합할 수 있는 관점 및 성형성 향상의 관점에서, 또한 상기 수용성 고분자 화합물도 미리 건식으로 혼합하는 것이 바람직하고, 성형성의 관점에서, 또한 열팽창성 입자도 미리 건식으로 혼합하는 것이 바람직하다. 그리고 이들 혼합물을 분산매에 분산시켜 혼련기로 혼련하여, 주물 제조용 구조체용 조성물을 도우형상으로 조제하는 것이 바람직하다. 상기 도우형상의 성형 원료를 성형틀 내에 충전하고, 상기 성형틀을 가열해서 상기 열경화성 수지를 경화시켜 성형하는 것이 바람직하다.

상기 분산매로서는, 물, 에탄올, 메탄올 등의 용제 또는 이들 혼합계 등의 수계의 분산매를 들 수 있다. 성형체의 품질 안정성, 비용, 취급의 용이함 등의 점에서 특히 물이 바람직하다.

여기서, 주물 제조용 구조체용 조성물을 도우형상으로 조제한다는 것은, 무기입자 A, 무기섬유 및 열경화성 수지를 포함하는 조성물과 분산매를 날화(捏和;kneading) 혼련하여, 유동성을 가지면서도 무기입자 A 및 무기섬유와 분산매가 쉽게 분리되지 않는 상태로 조제하는 것을 말한다.

상기 분산매의 성형 원료 중의 함유량은 유동성을 가지면서도 무기입자 A 및 무기섬유와 분산매가 쉽게 분리되지 않는 상태로 성형 원료를 조제할 수 있는 관점에서, 상기 무기입자 A, 상기 무기섬유, 상기 열경화성 수지 및 상기 수용성 고분자 화합물의 고형분 총질량에 대하여, 바람직하게는 10∼100%(질량%)이고, 보다 바람직하게는 25∼80%(질량%)이며, 더욱 바람직하게는 30∼70%(질량%)이다.

다음으로, 본 발명의 주물 제조용 구조체의 제조방법에 사용하는 성형틀은 예를 들면, 도 1에 나타내는 중공 봉형상품에 대응한 캐비티를 가지는 메인 틀과 중공을 형성하는 코어재를 구비함으로써 구성된다.

성형틀의 온도는 분산매의 증발, 열경화성 수지의 경화나 열팽창성 입자의 팽창을 고려하여 120∼250℃ 정도로 가열된다.

다음으로, 성형틀에는 게이트의 개폐 수단을 마련함으로써, 주물 제조용 구조체용 조성물이 성형틀에 충전된다. 충전 압력은 에어 압력을 수단으로 했을 경우에는 0.5∼3MPa 정도가 바람직하다.

다음으로, 성형틀에 충전된 주물 제조용 구조체용 조성물은 성형틀의 온도에 의해 분산매 유래의 증기, 열경화성 수지 유래의 가스 등이 발생하는 것을 성형틀 밖으로 방출시키면서 건조시키고, 냉각 후, 필요에 따라서 트리밍, 약제의 도포 등을 행함으로써, 본 발명의 주물 제조용 구조체를 제조할 수 있다.

<주물의 제조방법>

다음으로, 본 발명의 주물 제조용 구조체를 이용한 주물의 제조방법을 그 바람직한 실시형태에 기초해서 설명한다. 본 실시형태의 주물의 제조방법에서는, 상술한 바와 같이 해서 얻어진 주물 제조용 구조체를 주물사 내의 소정 위치에 매설하여 조형한다. 주물사로는, 종래부터 이러한 종류의 주물의 제조에 사용되고 있는 통상의 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다.

그리고 주탕구(注湯口)로 용융 금속을 부어 넣어 주입을 행한다. 이때, 본 발명의 구조체는 열간 강도가 유지되며, 주물 제조용 구조체의 열분해에 따른 열수축이 작기 때문에, 각 주물 제조용 구조체의 크랙이나, 주물 제조용 구조체 자체의 파손이 억제되며, 용융 금속의 주물용 구조체에의 침입이나 주물사 등의 부착도 발생하기 힘들다.

주입을 끝낸 후, 소정의 온도까지 냉각하고, 주조 프레임을 해체해서 주물사를 제거하고, 또한 블라스트 처리에 의해 주물 제조용 구조체를 제거해서 주물을 노출시킨다. 이때, 상기 열경화성 수지가 열분해되어 있기 때문에, 주물 제조용 구조체의 제거 처리는 용이하다. 그 후 필요에 따라서 주물에 트리밍 처리 등의 후처리를 실시하여 주물의 제조를 완료한다.

더욱 바람직한 주물의 제조방법으로서는, 본 발명의 주물 제조용 구조체를 중공 중자로서 사용하는 양태이며, 주형 내에 중공 중자를, 중공 중자의 개구부 중 적어도 1개가 주형 밖으로 개방하도록 배치하고, 이어서 주형 내에 용융 금속을 주탕하는 방법을 들 수 있다.

구체적으로는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 도 1의 중공 중자를 메인 틀에 배치하여, 채플릿(chaplet)으로 중공 중자를 지지하고, 중공 중자의 개구부 중 1개가 주형 밖으로 개방하도록 배치하고, 이어서 주형 내에 용융 금속을 주탕하여 주물을 제조하는 방법을 들 수 있다.

한편, 중공 중자의 개구부 중 1개가 주형 밖으로 개방하도록 배치하는 방법으로서는, 메인 틀에 중공 중자의 중공부와 연이어 통하도록 개구부를 구비하는 방법이어도 상관없다.

<실험예>

다음 실험예는 본 발명의 예시와 비교에 대하여 기술하는 것이며, 본 발명을 한정하기 위함이 아니다.

·실험예 1∼7

<주물 제조용 구조체용 조성물 및 성형 원료의 조제>

무기입자, 무기섬유, 열경화성 수지, 수용성 고분자 화합물 및 열팽창성 입자의 조성 및 배합률(질량비율)이 표 1과 같이 되도록 주물 제조용 구조체용 조성물을 조제한 후, 이 주물 제조용 구조체용 조성물에 물을 첨가해 수분률 약 40%(주물 제조용 구조체용 조성물과 물의 합계 중 물이 40질량%)인 도우형상의 성형 원료를 조제하였다. 한편, 표 1에 나타내는 각각의 성분은 하기와 같다. 또한, 무기입자의 형상계수는 상기의 방법으로 측정하였다. 또한, 무기입자의 일부에 대하여, 형상계수 측정을 위한 현미경 사진(마이크로스코프 화상)과 그 사진을 처리해서 얻은 해석 화상을 도 5∼7에 나타내었다. 도 5∼7은 무작위로 행한 20회의 측정 중, 1회분의 예를 나타낸 것이다.

[무기입자]

인상 흑연 1: Bogala Graphite Lanka Limited 제품 'BP8083', 평균 입자경 56㎛

인상 흑연 2: China Qingdao Yanxin Graphite Product Co., Ltd. 제품 '#285', 평균 입자경 29㎛

인조 흑연 1: 니폰코쿠엔코교(주) 제품 '키리코(cut powder) F', 평균 입자경 150㎛

인조 흑연 2: 이토코쿠엔코교(주) 제품 'AGB-604', 평균 입자경 210㎛

인조 흑연 3: 니폰코쿠엔코교(주) 제품 'G-30', 평균 입자경 101㎛

토상 흑연 1: (주)츄에츠코쿠엔코교쇼 제품 'AE-1', 평균 입자경 425㎛

토상 흑연 2: 테이켄카코(주) 제품 '토상 흑연', 평균 입경 30㎛

도 5는 형상계수를 측정한 인상 흑연 1과 인상 흑연 2 각각의 현미경 사진과 해석 화상이다. 도 6은 형상계수를 측정한 인조 흑연 1과 인조 흑연 2 각각의 현미경 사진과 해석 화상이다. 도 7은 형상계수를 측정한 인조 흑연 3과 토상 흑연 1 각각의 현미경 사진과 해석 화상이다.

[무기섬유]

탄소섬유: PAN 탄소섬유(미츠비시레이온(주) 제품, 상품명 '파이로필 촙프드 파이버(Pyrofil chopped fiber)', 섬유길이 3mm)

[열경화성 수지]

페놀 수지: 아사히유키자이(주) 제품 'KL-4000'

[수용성 고분자 화합물]

CMC: 카르복실메틸셀룰로오스나트륨(다이이치코교세이야쿠(주) 제품 셀로겐(Celogen) WS-C)

[열팽창성 입자]

F-105D: 마츠모토유시세이야쿠(주) 제품, 상품명 '마츠모토 마이크로스페어(Matsumoto Microsphere) F-105D'(팽창개시온도 130℃)

<주물 제조용 구조체의 제조>

도 1에 나타내는 중공 봉형상품에 대응하는 캐비티를 가지는 메인 틀과 중공을 형성하는 코어재를 구비하는 성형틀에, 상기 조제된 성형 원료를 에어 압력 1MPa로 가열된 성형틀에 충전하였다. 성형틀의 온도는 200℃로 하고 성형틀의 온도에 의해 분산매 유래의 증기나, 열경화성 수지 유래의 가스를 성형틀 밖으로 방출시키면서 건조시켜, 외형 11mm(중공부 직경 5mm)×길이 380mm의 도 1에 나타내는 중공 봉형상품(주물 제조용 구조체)을 얻었다.

<성형체의 통기도 측정방법>

JIS Z2601(1993) '주물사의 시험방법'에 기초해서 규정된, '소실 모형용 도형제의 표준시험방법'(1996년 3월 사단법인 일본주조공학회 칸사이 지부)의 '5. 통기도 측정법'에 따라, 상기 간행물(24페이지 도 5-2)에 기재된 통기도 측정장치(컴프레서 공기 통기 방식)와 동등한 원리의 장치를 이용해서 측정하였다. 통기도 P는 'P=(h/(a×p))×v'로 표현된다. 식 중은 각각 h:시험편 두께(cm), a:시험편 단면적(㎠), p:통기 저항(cmH₂0), v:공기의 유량(㎤/min)이다.

여기서, 시험편 두께는 상기 성형체(중공 봉형상품)의 두께, 즉 '(외경-중공부 직경)/2'로 하고, 시험편 단면적은 '중공부 직경×원주율×길이'로 하였다.

측정할 때에, 도 2에 나타내는 대로 통기도 시험기에는 상기 성형체 중공부에 새지 않고 접속할 수 있도록 고무 튜브 및 접속 지그(패킹)를 부착하고, 또한 상기 중공 봉형상 성형체의 중공부 한끝에 상기 접속 지그를 빈틈없이 접속하고, 다른 한끝을 패킹 등으로 막아 공기의 누설을 막고, 그리고 측정하였다.

<주물의 주조>

도 3에 나타내는 바와 같이 도 1의 중공 중자를 메인 틀에 배치한 주형을 사용하고, 하기 용탕을 부어 넣어 하기 형태의 주물을 주조하였다.

용탕: 주철 JIS FC300 상당, 용탕 온도 1400℃

주물의 형태: 외경 54mm, 길이 280mm, 중공부 직경 11mm의 중공 봉형상

주형(메인 틀): 쉘 몰드 주형으로 주물 중심선을 수평 분할면으로 한 상하 분할형

<주물의 평가>

상기에서 얻어진 주물 표면의 결함을 평점으로 환산해서 평가하였다. 상기 평점은 주물을 축방향으로 16분할한 영역으로 구분하고, 각각 상형(upper mold)측 표면·하형(lower mold)측 표면에 발생하기 쉬운 결함의 유무로 점수를 집계해서 비교하였다. 상기 각 영역에 있어서의 점수는 하기 (1)∼(5)의 결함마다, 존재하지 않으면 1점, 존재하면 0점으로 하였다. 결과적으로, 영역마다 5점 만점, 주물 전체로 5×16=80점 만점이 된다. 결과를 표 1에 나타내었다.

<상형측 표면>

(1)모래의 소착(burnt) 결함

(2)핀홀 결함(1mm 이상의 구(球)형상)

(3)크레이터(crater)형상 결함(3mm 이상의 얕은 패임)

<하형측>

(4)모래의 소착 결함

(5)핀홀 결함(1mm 이상의 구형상)

표 1에 나타내는 바와 같이, 실험예 2, 3, 4 및 6에서는 중공 봉형상품(주물 제조용 구조체)은 적당한 통기성을 가지기 때문에, 주물의 가스 결함에 기인하는 결함(모래의 소착 결함, 핀홀 결함, 크레이터형상 결함)이 현저하게 저감된 주물이 얻어지고 있음을 알 수 있다. 이에 반해 실험예 1, 5 및 7은 비교예이며, 중공 봉형상품(주물 제조용 구조체)의 통기성이 충분하지 않기 때문에, 얻어진 주물에 있어서의 결함의 발생이 충분히 저감되어 있지 않음을 알 수 있다.

·실험예 11∼24

<슬러리형상 조성물의 조제>

무기입자, 무기섬유, 열경화성 수지, 수용성 고분자 화합물 및 열팽창성 입자의 조성 및 배합률(질량비율)이 표 2에 나타내는 것과 같은 슬러리형상 조성물의 고형분 재료 100g을 교반 혼합에 의해 조제한 후, 이 슬러리형상 조성물의 고형분 재료에 분산매 140g을 첨가하고, 20∼40℃에서 2000rpm으로 10분간 교반하여, 슬러리형상 조성물의 고형분 재료 농도가 41.7질량%(슬러리형상 조성물 중, 슬러리형상 조성물의 고형분 재료가 41.7질량%), 분산매 농도가 58.3질량%(슬러리형상 조성물 중, 분산매가 58.3질량%)인 슬러리형상 조성물을 조제하였다. 한편, 표 2에 나타내는 각각의 성분은 하기와 같다.

[무기입자]

인조 흑연: (주)츄에츠코쿠엔코교쇼 제품 'G-30' 평균 입자경 210㎛

토상 흑연: (주)츄에츠코쿠엔코교쇼 제품 'AE-1' 평균 입자경 425㎛

[무기섬유]

탄소섬유: PAN 탄소섬유(미츠비시레이온(주) 제품, 상품명 '파이로필 촙프드 파이버', 평균 섬유길이 3mm)

[열경화성 수지]

페놀 수지: (에어·워터(주) 제품 '벨펄 S-890') 레졸 타입

[수용성 고분자 화합물]

CMC: 카르복실메틸셀룰로오스나트륨(다이이치코교세이야쿠(주) 제품 '셀로겐 MP-60', 중량평균 분자량: 37만∼40만, 25℃의 물 100g에 대하여 3g 이상 용해)

[열팽창성 입자]

열팽창성 입자 1: 마츠모토유시세이야쿠(주) 제품, 상품명 '마츠모토 마이크로스페어 F-36'(팽창개시온도: 75℃)

열팽창성 입자 2: 마츠모토유시세이야쿠(주) 제품, 상품명 '마츠모토 마이크로스페어 F-105D'(팽창개시온도: 130℃)

[분산매]

물: 수돗물 비점: 100℃

크실렌: 와코쥰야쿠코교(주) 제품 규격: 시약 1급 비점: 140℃

아세톤: 와코쥰야쿠코교(주) 제품 규격: 와코 1급 비점: 56.5℃

디클로로메탄: 와코쥰야쿠코교(주) 제품 규격: 와코 1급 비점: 40.2℃

<주물 제조용 구조체의 제조>

도 1에 나타내는 중공 봉형상품에 대응하는 캐비티를 가지는 메인 틀과 중공을 형성하는 코어재를 구비하는 성형틀에, 상기에서 조제한 슬러리형상 조성물을 에어 압력 1MPa로, 160℃로 가열된 성형틀에 충전하였다. 5분간 가열함으로써, 외형 11mm(중공부 직경 5mm)×길이 380mm의 도 1에 나타내는 중공 봉형상품(주물 제조용 구조체)을 얻었다.

주물 제조용 구조체(성형체)의 통기도 측정방법은 실험예 1∼7과 동일하게 실시하였다.

주물의 주조는 실험예 1∼7과 동일하게 실시하였다.

<주물의 평가>

상기에서 얻어진 주물 표면의 결함을 평점으로 평가하였다. 이 평점은 주물을 축방향으로 16분할한 영역으로 구분하고, 각각의 영역에 대하여, 상형측 표면, 하형측 표면 및 단면에 발생하는 결함의 유무로 점수를 집계해서 비교하였다. 상기 각 영역에서의 점수는 하기 (1)∼(9)의 결함마다, 존재하지 않으면 1점, 존재하면 결함 1개에 대하여 -1점으로 하였다. 결과적으로, 영역마다 9점 만점, 주물 전체로 9×16=144점 만점이 된다. 여기서, 합계 점수를 100/144배하여, 주물 전체로 100점 만점이 되도록 평점을 부여하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.

[상형측 표면]

(1)모래의 소착 결함

(2)핀홀 결함(1mm 이상의 구형상)

(3)크레이터형상 결함(3mm 이상의 얕은 패임)

[하형측 표면]

(4)모래의 소착 결함

(5)핀홀 결함(1mm 이상의 구형상)

(6)크레이터형상 결함(3mm 이상의 얕은 패임)

[단면]

(7)모래의 소착 결함

(8)핀홀 결함(1mm 이상의 구형상)

(9)크레이터형상 결함(3mm 이상의 얕은 패임)

표 2에 나타내는 바와 같이, 분산매의 비점이 열팽창성 입자의 팽창개시온도 이상인 실험예 11∼17에서는 중공 봉형상품(주물 제조용 구조체)은 적당한 통기성을 가지기 때문에, 주물의 가스 결함에 기인하는 결함(모래의 소착 결함, 핀홀 결함, 크레이터형상 결함)이 현저하게 저감된 주물이 얻어지고 있음을 알 수 있다. 이에 반해, 분산매의 비점이 열팽창성 입자의 팽창개시온도 이하인 실험예 18∼24는 중공 봉형상품(주물 제조용 구조체)의 통기성이 충분하지 않기 때문에, 얻어진 주물에 있어서의 결함 발생이 충분히 저감되어 있지 않음을 알 수 있다. 한편 표 2의 결과에서는, 통기도와 주물 평점에는, 주입시의 주탕 온도, 주탕 시간, 기상 조건(특히 습도)의 다소의 차이로 인해 완전히 상관은 없지만, 통기도를 높게 함으로써(통기도의 수치를 크게 함으로써), 주물 평점이 향상하는 경향이 있음을 알 수 있다.

Claims

토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 무기섬유 및 열경화성 수지를 함유하는 주물 제조용 구조체로서,
상기 무기입자/상기 무기섬유/상기 열경화성 수지의 질량비가 50∼85/2∼16/2∼20이고,
상기 구조체는 중공부 (中空部)를 포함하고, 하기 수학식 1로 계산되는 통기도가 1∼500인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체:
[수학식 1]
통기도 P=(h/(a×p))×v
상기 수학식 1에서, h는 시험편 두께 (cm), a는 시험편 단면적(㎠), p는 통기 저항(cmH₂0), v는 공기의 유량(㎤/min)을 의미하며,
상기 시험편 두께는 하기 수학식 2로 계산되고,
[수학식 2]
시험편 두께 h=(상기 구조체의 외경-상기 구조체의 중공부 직경)/2
상기 시험편 단면적은 하기 수학식 3으로 계산된다.
[수학식 3]
시험편 단면적 a =상기 구조체의 중공부 직경×원주율×길이.
제1항에 있어서,
수용성 고분자 화합물을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체.
제2항에 있어서,
수용성 고분자 화합물이 증점성 다당류인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체.
제1항에 있어서,
무기섬유가 탄소섬유인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체.
제1항에 있어서,
상기 구조체는 열팽창성 입자를 더 함유하며,
상기 열팽창성 입자는 열가소성 수지의 쉘 벽(shell wall)에, 기화해서 팽창하는 팽창제를 내포한 마이크로캡슐을 함유하는 것이고,
상기 열가소성 수지는, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리염화비닐리덴, 아크릴로니트릴-염화비닐리덴 공중합체 및 에틸렌-아세트산비닐 공중합체 중에서 선택되는 어느 하나 이상이고,
상기 팽창제는 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 이소부탄 및 석유 에테르 중에서 선택되는 어느 하나 이상이며,
상기 마이크로캡슐은 팽창 전의 평균 입경이 5∼80㎛이고, 80∼200℃의 온도로 가열되는 경우 상기 마이크로캡슐의 직경이 3∼5배로 팽창하고, 상기 마이크로캡슐의 체적이 50∼100배로 팽창하는 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체.
제1항에 있어서,
상기 주물 제조용 구조체가 중자(中子;core)인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체.
제1항에 있어서,
상기 토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자의 평균 입자경이 80∼3000㎛인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체.
토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자, 무기섬유, 열경화성 수지를 함유하는 주물 제조용 구조체용 조성물로서,
상기 무기입자/상기 무기섬유/상기 열경화성 수지의 질량비가 50∼85/2∼16/2∼20이고,
중공부 (中空部)를 포함하고, 하기 수학식 1로 계산되는 통기도가 1~500인 주물 제조용 구조체의 제조에 이용되는 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체용 조성물:
[수학식 1]
통기도 P=(h/(a×p))×v
상기 수학식 1에서, h는 시험편 두께 (cm), a는 시험편 단면적(㎠), p는 통기 저항(cmH₂0), v는 공기의 유량(㎤/min)을 의미하며,
상기 시험편 두께는 하기 수학식 2로 계산되고,
[수학식 2]
시험편 두께 h=(상기 구조체의 외경-상기 구조체의 중공부 직경)/2
상기 시험편 단면적은 하기 수학식 3으로 계산된다.
[수학식 3]
시험편 단면적 a =상기 구조체의 중공부 직경×원주율×길이.
제8항에 있어서,
토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자의 평균 입자경이 80∼3000㎛인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체용 조성물.
제8항에 있어서,
토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자의 형상계수가 2.3∼1.0인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체용 조성물.
제8항에 기재된 주물 제조용 구조체용 조성물을 분산매에 분산시켜 도우(dough)형상의 성형 원료를 조제한 후, 상기 도우형상의 성형 원료를 성형틀 내에 충전하고, 상기 성형틀을 가열해서 상기 열경화성 수지를 경화시켜 성형하는, 통기도가 1∼500인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체의 제조방법.
제11항에 있어서,
또한 열가소성 수지의 쉘 벽에, 기화해서 팽창하는 팽창제를 내포한 마이크로캡슐을 함유하는 열팽창성 입자를 상기 분산매에 분산시켜 상기 성형 원료에 상기 열팽창성 입자를 포함시키고, 상기 성형틀의 가열에 의해 상기 열팽창성 입자를 팽창시켜 성형하는 것인, 주물 제조용 구조체의 제조방법으로서,
상기 열가소성 수지는, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리염화비닐리덴, 아크릴로니트릴-염화비닐리덴 공중합체 및 에틸렌-아세트산비닐 공중합체 중에서 선택되는 어느 하나 이상이고,
상기 팽창제는 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 이소부탄 및 석유 에테르 중에서 선택되는 어느 하나 이상이며,
상기 마이크로캡슐은 팽창 전의 평균 입경이 5∼80㎛이고, 80∼200℃의 온도로 가열되는 경우 상기 마이크로캡슐의 직경이 3∼5배로 팽창하고, 상기 마이크로캡슐의 체적이 50∼100배로 팽창하는 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체의 제조방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 주물 제조용 구조체를 사용해서 용융 금속을 주입하는 주조 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 주물의 제조방법.
제13항에 있어서,
주물 제조용 구조체가 중공 중자이며, 주형 내에 상기 중공 중자를, 상기 중공 중자의 개구부 중 적어도 1개가 주형 밖으로 개방하도록 배치하고, 이어서 주형 내에 용융 금속을 주탕(注湯;pouring)하는 것을 특징으로 하는 주물의 제조방법.
제1항에 있어서,
토상 흑연 및 인조 흑연에서 선택되는 1종 이상의 무기입자의 형상계수가 2.3∼1.0인 것을 특징으로 하는 주물 제조용 구조체.