KR101598938B1 - 소실 모형 및 이를 이용한 주조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 소실 모형 주조 방법으로 제조되는 주조품에서 요구되는 특정 영역의 강도 및 내마모성을 선택적으로 향상시킬 수 있는 소실 모형 및 이를 이용한 주조 방법으로서, 소실 모형을 준비한 후, 상기 소실 모형에 바인더를 코팅함으로써 바인더 코팅 영역을 형성하고, 상기 바인더를 코팅하지 않은 영역은 바인더 미코팅 영역으로 하는, 소실 모형 준비 및 바인더 코팅 단계; 상기 소실 모형이 안착될 주형을 준비하고, 상기 주형에 소실 모형을 안착하는, 주형 준비 및 소실 모형 안착 단계; 상기 주형 내에서 소실 모형을 제외한 공간에 충진재를 충진하는, 충진재 충진 단계; 상기 소실 모형 및 충진재로 내부가 형성된 주형 내로 용탕을 주입하여 상기 소실 모형은 소실되고, 소실 모형이 차지하는 공간에 용탕이 채워지는, 용탕 주입 단계; 및 상기 용탕이 식어 굳어진 후 상기 주형 및 충진재를 제거하는, 충진재 제거 단계를 포함하는 소실 모형 주조 방법을 제공한다.

Description

소실 모형 및 이를 이용한 주조 방법{AN EVAPORATIVE PATTERN AND A CASTING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 소실 모형 및 이를 이용한 주조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주조품의 특정 영역에 대한 내마모성을 선택적으로 향상시킬 수 있는 소실 모형 및 상기 소실 모형을 이용한 주조 방법에 관한 것이다.

인베스트먼트 주조 방법 (investment casting method), 특히 소실 모형 주조 (evaporative pattern casting) 는, 주조 방법의 일종으로, 풀 몰드 주조라고도 불린다. 이 방법에 대해 개설하면 다음과 같다. 먼저 용탕의 열에 의해 소실되는 소실성 재료로 모형 (pattern) 을 만든다. 이러한 소실성 재료로 만든 모형을 소실 모형이라고 부른다. 이후, 소실 모형을 매립한 사형을 만들고, 그 사형의 캐비티에 용탕을 흘려 넣는다. 여기서 캐비티란, 사형 중에서 소실 모형이 차지하는 공간을 의미한다. 용탕을 부어 넣으면, 소실 모형이 용탕의 열에 의해 소실 (용융 혹은 소실 (燒失)) 되어, 소실 모형이 차지하고 있던 공간이 용탕으로 채워진다. 용탕이 식어 고화된 후, 사형을 부수면, 소실 모형과 완전히 동일한 형상의 주조 구조물이 완성된다.

특허문헌 1 은, 프레스 성형용 금형의 제조 방법에 적합한 소실 모형 주조 방법을 개시한다. 특히, 대치된 금형과의 위치 맞춤하기 위한 위치 맞춤 블록과, 워크 피스에 목적으로 하는 형상을 전사하기 위한 의장면을 구비한 의장 블록과, 위치 맞춤 블록과 의장 블록을 연결하는 복수의 봉 부재에 의해 구성되어 있는 금형의 제조 방법에 이용되는 소실 모형 주조 방법을 개시한다. 이에 의한 주조 방법 내에서는 도형제 (바인더) 도포 공정으로서, 도형제는, 스프레이에 의해, 각각의 파트에 전체적으로 분무되고 있다.

한편, 특허문헌 2 는, 소실 모형 주조법에 있어서 발포폴리스티렌 (EPS) 이나 폴리메사크릴 (PMMA) 의 원료로 성형된 모형의 표면에 수용성 도형제를 도포시키는 도형 방법에 관한 것으로, 모형의 표면에 저농도수용성의 실리카계 도형제가 도포된 다음 5호사 정도의 실리카 모래를 균일하게 도포시켜 아직 건조되지 않은 수용성 도형제가 흘러내리지 않아서 균일한 도형층을 얻고 있다. 즉, 이 방법에 의한 경우에 있어서도 모형의 표면에는 도형제, 즉 바인더가 전체적으로 도포되고 있다.

한편, 건설용 장비 또는 토목용 설비 등에 있어서 암석, 자갈 또는 모래 등의 건설 골재가 운반 또는 저장되는 중공관의 경우, 다양한 성능 요구로 인하여 내외부적으로 중공관의 형상이 복잡하게 설계되는 경향이 있고, 이로 인해 이러한 이형관 (異形管, deformed fittings) 제조를 위해 소실 모형 주조 방법이 주로 사용된다. 그러나, 이와 같은 종래의 소실 모형 주조 방법으로 제조된 건설용 장비의 중공관 등은 건설 골재의 운반 또는 수송 등의 작업이 반복되는 경우 중공관 내부가 조기에 마모되어 버려 중공관 등의 교체 빈도가 증가하게 되는 문제점이 있었다. 또한, 그로 인하여 중공관 교체빈도 및 건설용 장비 등의 유지보수 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

특허문헌 1 : 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0080845호 (2013. 7. 15.) 특허문헌 2 : 대한민국 공개특허공보 제10-1996-0010133호 (1996. 4. 20.)

따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점에 착안하여, 소실 모형 주조 방법으로 제조되는 주조품에서 요구되는 특정 영역의 강도 및 내마모성을 선택적으로 향상시킬 수 있는 소실 모형 및 이를 이용한 주조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 소실 모형을 준비한 후, 상기 소실 모형에 바인더를 코팅함으로써 바인더 코팅 영역을 형성하고, 상기 바인더를 코팅하지 않은 영역은 바인더 미코팅 영역으로 하는, 소실 모형 준비 및 바인더 코팅 단계; 상기 소실 모형이 안착될 주형을 준비하고, 상기 주형에 소실 모형을 안착하는, 주형 준비 및 소실 모형 안착 단계; 상기 주형 내에서 소실 모형을 제외한 공간에 충진재를 충진하는, 충진재 충진 단계; 상기 소실 모형 및 충진재로 내부가 형성된 주형 내로 용탕을 주입하여 상기 소실 모형은 소실되고, 소실 모형이 차지하는 공간에 용탕이 채워지는, 용탕 주입 단계; 및 상기 용탕이 식어 굳어진 후 상기 주형 및 충진재를 제거하는, 충진재 제거 단계를 포함하는 소실 모형 주조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 소실 모형에 형성된 바인더 미코팅 영역에 대응되는 주조품의 영역에서, 용탕 및 충진재의 복합층이 형성되는 것을 특징으로 하는 소실 모형 주조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 충진재는 금속 분말 재료 또는 세라믹 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소실 모형 주조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 바인더는, 용탕의 열에 의해 소실 모형이 녹을 때에 발생하는 가스를 흡착하는 물질을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 소실 모형 주조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 소실 모형은 중공관 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 소실 모형 주조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 바인더가 코팅된 바인더 코팅 영역 및 상기 바인더가 코팅되지 않은 바인더 미코팅 영역으로 이루어진 소실 모형을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 바인더는, 용탕의 열에 의해 소실 모형이 녹을 때에 발생하는 가스를 흡착하는 물질을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 소실 모형을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 소실 모형은 중공관 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 소실 모형을 제공한다.

본 발명에 의하면, 소실 모형에 바인더를 코팅함으로써 바인더 코팅 영역을 형성하고, 상기 바인더를 코팅하지 않은 영역은 바인더 미코팅 영역으로 함으로써, 최종 주조품에서 원하는 영역에 대해서만 선택적으로 고강도, 고내식성, 고내산화성 및 고내마모성의 복합층을 형성할 수 있다.

또한, 그로 인하여 소실 모형 주조 방법으로 제조되는 주조품에서, 요구되는 특정 영역의 강도 및 내마모성을 선택적으로 향상시킬 수 있게 되어, 건설 골재의 운반 또는 수송 등의 작업이 반복 요청되어 내부가 조기 마모되기 쉬운 중공관 등의 교체 빈도를 줄일 수 있는 유리한 효과가 있다.

또한, 소실 모형 전체에 일괄적으로 바인더를 코팅하여 주조한 후, 특정 영역에 대해 내마모성 향상을 위한 일반적인 처리를 하는 종래 기술에 비해 간편하며, 비용이 절감되는 유리한 효과가 있다.

따라서, 최종적으로 중공관 교체빈도 및 건설용 장비 등의 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 의한 소실 모형 및 특정 영역만을 바인더로 코팅한 소실 모형의 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2 는 본 발명에 의한 주조 방법에 이용되는 주형의 단면도이다.
도 3 은 특정 영역만을 바인더로 코팅한 소실 모형을 주형에 안착한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 4 는 도 3 의 주형 내에서 소실 모형을 제외한 공간을 충진재로 충진한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5 는 소실 모형 및 충진재로 내부가 형성된 주형 내로 용탕을 주입하여 소실 모형은 소실되고 소실 모형이 차지하는 공간에 용탕이 채워지는 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6 은 충진재 제거 후 최종 주조품의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7 은 본 발명에 의한 소실 모형 및 소실 모형을 이용한 주조 방법의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 8 은 본 발명에 의한 주조 방법의 순서도이다.
도 9 는 본 발명에 의한 소실 모형을 이용한 주조 방법으로 제조됨으로써 복합층이 형성된 주조품의 일 실시예의 실제 사진이다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 8 을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 태양에 대해 상세하게 서술하도록 한다.

다만, 본 발명의 구체적 일 실시 태양을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

(S10) 소실 모형 준비 및 바인더 코팅 단계

도 1 은 본 발명에 의한 소실 모형 및 특정 영역만을 바인더로 코팅한 소실 모형의 상태를 나타낸 단면도이다.

본 발명에 의한 주조 방법에 따르면, 먼저 도 1 (a) 에서 나타나는 바와 같이, 본 발명에 의한 소실 모형 (10) 을 준비한다. 최종 주조품 (50) 은 상기 소실 모형 (10) 과 실질적으로 동일한 형상으로 이루어지게 되며, 이를 위해 소실 모형 (10) 을 제작하는 방법은 공지의 방법을 이용할 수 있다. 상기 소실 모형 (10) 은 용탕의 열로부터 연소 또는 기화하여 그 형체가 소실될 수 있는 것이면 된다. 상기 소실 모형 (10) 은 왁스, 합성수지 또는 종이 등으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 합성수지, 특히 발포 스티롤로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

다음으로는, 도 1 (b) 에서 나타나는 바와 같이, 준비된 소실 모형 (10) 에 요구되는 특정 영역을 제외한 영역에만 바인더 (11) 를 선택적으로 코팅한다. 이후 서술하겠으나, 본 단계 (S10) 에서 바인더 (11) 가 코팅되지 않는 특정 영역은 이후 복합층 (52) 이 형성되는 영역이 된다.

구체적으로 도 1 (b) 를 참조하면, 준비된 소실 모형 (10) 에서 점선 상측은 바인더 (11) 가 코팅되어 있고, 그 영역은 바인더 코팅 영역 (C) 을 형성한다. 또한, 준비된 소실 모형 (10) 에서 점선 하측은 바인더 (11) 가 코팅되어 있지 않고, 그 영역은 바인더 미코팅 영역 (N) 을 형성한다.

도 1 (b) 에서는 점선을 기준으로 바인더 코팅 영역 (C) 및 바인더 미코팅 영역 (N) 이 단순히 2 영역으로 나뉘어져 있으나, 이는 본 발명을 보다 알기 쉽게 설명하고자 하는 것일 뿐, 제조자는 향후 복합층을 형성시키고자 하는 영역에 대해서 여러 영역에 걸쳐 선택적으로 바인더 (11) 를 미코팅할 수 있다.

상기 바인더 (11) 는 충분한 내화성을 갖는 것으로 선택되며, 스프레이 또는 브러시 등에 의해 소실 모형 (10) 상에 코팅된다. 바람직하게 상기 바인더 (11) 는 왁스를 유화시킨 것, 흑연 미립자를 물에 콜로이드상으로 분산시킨 것, 윤활제에 첨가제를 혼합한 것, 운모 등의 내열 안료를 물에 분산시킨 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 용탕의 열에 의해 소실 모형이 녹을 때에 발생하는 가스를 흡착하는 물질을 함유하고 있을 수 있다.

(S20) 주형 준비 및 소실 모형 안착 단계

도 2 는 본 발명에 의한 주조 방법에 이용되는 주형의 단면도이다.

도 2 에서 나타나는 바와 같이, 본 단계 (S20) 에서는 소실 모형 주조 방법에 이용되는 주형 (30) 이 준비된다. 주형 (30) 은 충진재 (40) 를 견고하게 유지할 수 있는 것이면 되고, 주형 (30) 의 결합방식 또한 상하 또는 좌우 방향으로 이루어지는 등, 2 개의 별개 구성 또는 3 개 이상의 별개 구성으로 이루어질 수 있다.

주형 (30) 의 일 측면에는 탕구(31) 가 형성되어 있다. 상기 탕구 (31) 는 향후 용탕이 주입되는 입구 역할을 한다. 또한 타 측면에는 흡입구 (32) 가 형성되어 있다. 상기 흡입구 (32) 는 향후 진공장치 등과 연결되어 주형 내에 내부 압력이 생성되도록 하여, 용탕 주입시 용탕이 보다 용이하게 소실 모형 (10) 이 차지하는 캐비티 내에 유입될 수 있도록 한다.

(S30) 충진재 충진 단계

도 4 는 도 3 의 주형 내에서 소실 모형을 제외한 공간을 충진재로 충진한 상태를 나타낸 단면도이다.

도 4 를 참조하면, 상기 단계 (S20) 후 주형 (30) 내에서 소실 모형 (10) 을 제외한 공간은 충진재 (40) 가 채워진다. 상기 충진재 (40) 는 통상 모래가 이용되나, 바인더 미코팅 영역 (N) 에서 형성되는 복합층 (52) 의 강도 및 내마모성 향상을 위해 금속 분말 재료 또는 세라믹 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 주형 (30) 의 일 측면에 형성된 탕구 (31) 와 상기 소실 모형 (10) 사이에는 탕도 (33) 가 형성된다. 상기 탕도 (33) 는 용탕을 캐비티에 부어 넣기 위한 가이드 파이프 역할을 하게 된다. 상기 캐비티는 주형 (30) 의 내부에서 소실 모형 (10) 이 차지하는 공간을 의미한다.

(S40) 용탕 주입 단계

도 5 는 소실 모형 및 충진재로 내부가 형성된 주형 내로 용탕을 주입하여 소실 모형은 소실되고 소실 모형이 차지하는 공간에 용탕이 채워지는 상태를 나타내는 단면도이다.

도 5 를 참조하면, 내부가 소실 모형 (10) 및 충진재 (40) 로 채워진 주형 (30) 의 탕구 (31) 를 통해 용탕을 주입한다. 주입된 용탕은 탕도 (33) 를 통해 소실 모형 (10) 의 캐비티 내로 유입된다. 탕도 (33) 를 통해 소실 모형 (10) 의 캐비티 내로 유입된 용탕의 열에 의해, 소실 모형 (10) 은 용융 혹은 소실되게 되어, 소실 모형 (10) 이 차지하고 있는 공간, 즉 캐비티가 용탕으로 채워지게 된다.

이 때, 바인더 (11) 가 코팅된 영역, 즉 바인더 코팅 영역 (C) 에서는 내화성의 바인더 (11) 가 형성되어 있으므로, 종래의 소실 모형 주조 방법에 의한 주조품의 표면 특성을 갖는 표면층이 형성된다.

반면, 바인더 (11) 이 코팅되지 않은 영역, 즉 바인더 미코팅 영역 (N) 에서는 내화성 바인더 (11) 가 형성되어 있지 않으므로, 바인더 미코팅 영역 (N) 을 경계로 하여 용탕 및 충진재 (40) 가 융착, 침탄된 복합층 (52) 이 형성된다. 상기 복합층 (52) 은 금속 분말 재료 또는 세라믹 재료와 용탕의 합성층으로서 형성되기 때문에, 최종 주조품 (50) 상의 선택된 영역 (바인더 미코팅 영역 (N)) 에서 고강도, 고내식성, 고내산화성 및 고내마모성을 달성할 수 있다.

또한, 주형 (30) 의 타 측면에는 흡입구 (32) 가 형성되어 있고, 상기 흡입구 (32) 는 진공장치 등과 연결되어 주형 내에 내부 압력이 생성되도록 하여, 용탕 주입시 용탕이 보다 용이하게 소실 모형 (10) 이 차지하는 캐비티 내에 유입될 수 있도록 한다.

(S50) 충진재 제거 단계

도 6 은 충진재 제거 후 최종 주조품의 상태를 나타내는 단면도이다.

용탕이 식어 굳어진 후 주형 (30) 및 충진재 (40) 를 제거하면 최종 주조품 (50) 이 얻어진다. 상기 주조품 (50) 에서 주조품 본체 (51) 의 특정 영역은 고강도, 고내식성 고내산화성 및 고내마모성의 복합층 (52) 이 형성되어 있고, 이 영역은 소실 모형 (10) 의 바인더 미코팅 영역 (N) 에 대응되는 영역이다. 이후 상기 주조품 (50) 은 그라인딩, 열처리 또는 표면 코팅 등의 후가공을 통해 최종 제품이 된다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예

도 7 은 본 발명에 의한 소실 모형 및 소실 모형을 이용한 주조 방법의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 7(a) 는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 소실 모형 (60) 을 나타낸다. 상기 소실 모형 (60) 은 중공관 형태로 이루어져 있다. 도 7(b) 는 상기 소실 모형 (60) 의 외측에만 바인더 (11) 가 코팅되어 있음으로써, 중공관 외측은 바인더 코팅 영역 (C) 으로 형성되고, 중공관 내측은 바인더 미코팅 영역 (N) 으로 형성된 것을 나타낸다. 도 7(c) 는 최종 주조품 (70) 을 나타내며, 외측은 바인더 코팅 영역 (C) 으로 형성되고, 내측만 바인더 미코팅 영역 (N) 으로 형성함으로써, 주조품 (70) 의 내측에만 복합층 (72) 이 형성된다.

따라서, 건설 골재의 운반 또는 수송 등의 작업이 반복되는 경우 내부가 조기에 마모되어 버리는 중공관 등의 주조품에 있어서, 원하는 영역에 선택적으로 복합층 (72) 을 형성시켜 해당 영역의 고강도, 고내식성, 고내산화성 및 고내마모성을 달성할 수 있는 것이다.

이상, 본 발명의 구체적 실시예들에 대해 상세하게 설명했지만, 이들은 예시에 지나지 않고, 청구범위를 한정하는 것은 아니다. 청구범위에 기재된 기술에는, 이상에 예시한 구체예를 여러 가지로 변형, 변경한 것이 포함된다.

본 명세서 또는 도면에 설명한 기술 요소는, 단독으로 혹은 각종 조합에 의해 기술적 유용성을 발휘하는 것으로, 출원시 청구항에 기재된 조합에 한정되는 것은 아니다. 또, 본 명세서 또는 도면에 예시한 기술은 복수 목적을 동시에 달성할 수 있는 것으로, 그 중 하나의 목적을 달성하는 것 자체로 기술적 유용성을 갖는 것이다.

10 소실 모형 11 바인더
30 주형 31 탕구
32 흡입구 33 탕도
40 충진재 50 주조품
51 주조품 본체 52 복합층
60 소실 모형 70 주조품
71 주조품 본체 72 복합층
C 바인더 코팅 영역 N 바인더 미코팅 영역

Claims (8)

1. 소실 모형을 준비한 후, 상기 소실 모형에 바인더를 코팅함으로써 바인더 코팅 영역을 형성하고, 상기 바인더를 코팅하지 않은 영역은 바인더 미코팅 영역으로 하는, 소실 모형 준비 및 바인더 코팅 단계;
   상기 소실 모형이 안착될 주형을 준비하고, 상기 주형에 소실 모형을 안착하는, 주형 준비 및 소실 모형 안착 단계;
   상기 주형 내에서 소실 모형을 제외한 공간에 충진재를 충진하는, 충진재 충진 단계;
   상기 소실 모형 및 충진재로 내부가 형성된 주형 내로 용탕을 주입하여 상기 소실 모형은 소실되고, 소실 모형이 차지하는 공간에 용탕이 채워지는, 용탕 주입 단계; 및
   상기 용탕이 식어 굳어진 후 상기 주형 및 충진재를 제거하는, 충진재 제거 단계를 포함하고,
   상기 충진재는 금속 분말 재료 또는 세라믹 재료로 이루어지고,
   상기 소실 모형에 형성된 바인더 미코팅 영역에 대응되는 주조품의 영역에서, 주입된 용탕 및 충진재의 합성층으로서의 복합층이 형성되는 소실 모형 주조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 바인더는, 용탕의 열에 의해 소실 모형이 녹을 때에 발생하는 가스를 흡착하는 물질을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 소실 모형 주조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 소실 모형은 중공관 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 소실 모형 주조 방법.
6. 바인더가 코팅된 바인더 코팅 영역 및 상기 바인더가 코팅되지 않은 바인더 미코팅 영역으로 이루어진 소실 모형에 있어서,
   상기 바인더 미코팅 영역에 대응되는 주조품의 영역에서, 상기 소실 모형으로 주입된 용탕 및 상기 소실 모형을 둘러싸도록 공급되는 충진재의 합성층으로서의 복합층이 형성되는 소실 모형.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 바인더는, 용탕의 열에 의해 소실 모형이 녹을 때에 발생하는 가스를 흡착하는 물질을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 소실 모형.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 소실 모형은 중공관 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 소실 모형.

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