KR101657022B1 - 정밀 주조용 주형 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

주물의 내부의 공동 부분에 대응하는 형상의 코어와, 상기 주물의 외주면의 형상에 대응하는 외측 주형을 갖고, 상기 외측 주형은 내주면에 형성되고, 입경 1.0㎛ 이하의 단일 분산하여 이루어지는 알루미나 초미립자와 실리카 졸로 이루어지고, 소성 시 멀라이트가 되는 정밀 주조용 주형 슬러리를 이용하여 건조시켜서 이루어지는 슬러리막으로 이루어지는 프라임층(제 1 건조막)(101A)과, 상기 프라임층(제 1 건조막)(101A)의 외측에 형성되고, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층(102)과, 해당 슬러리층에 스터코재를 부착한 스터코층(103)에 의해 형성하고, 건조시켜서 이루어지는 제 1 백업층(제 2 건조막)(104-1)을 복수회 형성하여 구성되는 복층 백업층(105A)으로 이루어진다.

Description

정밀 주조용 주형 및 그 제조 방법{MOLD FOR PRECISION CASTING, AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 정밀 주조용 주형 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
주물을 제조하는 주조 방법에는, 주물을 높은 정밀도로 제조하는 경우에 이용되는 정밀 주조 방법이 있다. 정밀 주조 방법은, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 성형 부품과 동일 형상의 소실성 모형(왁스형)의 주위에 슬러리를 도포하고, 그 후, 최초층 스터코(stucco)[플라워(flour)]를 부착시켜 건조시킨다. 그 후, 슬러리의 도포, 스터코의 부착, 건조의 3가지의 공정을 반복 실행하여, 주물의 외측을 덮는 형(외측 주형)을 제작한다.
여기서, 정밀 주조용 주형은 실리카 졸(silica sol)을 주체로 하는 슬러리에 왁스형을 이용하고, 왁스형의 표면에 슬러리를 부착시켜 건조시킨다.
1회의 조작으로는 부착되는 슬러리가 적고, 얇게밖에 할 수 없으므로, 수회 내지 십 수회 반복하여 두께를 두껍게 하고 있다. 또한, 건조를 빨리 하기 위해, 또는, 빨리 두께를 확보하기 위해, 건조 균열을 방지하기 위해, 스터코재라 불리는 거친 입자를 슬러리 표면에 뿌려, 부착시키고 있다. 그 때문에, 주형의 단면 구조는 치밀층, 거친 입자층의 반복으로 이루어져 있다.
예컨대, 실리카 졸은 입경 20㎚ 정도의 구 형상 실리카 입자가 분산된 액이다. 이 실리카 초미립자가, 건조의 과정에서 슬러리에 포함되는 지르콘, 알루미나 등의 비교적 미세한 입자(수 미크론 내지 수십 미크론) 및 거친 입자(스터코)(수백 미크론 내지 수 밀리미터)의 표면에 부착되며, 건조, 열처리에 의해 단단히 결합하는 것에 의해, 주형의 형상이 유지되는 동시에 강도를 보유하여, 주형으로서 이용할 수 있게 되어 있다.
일본 특허 공개 제 2001-18033 호 공보
그런데, 일반적으로는, 전술한 실리카 졸(실리카의 초미립자를 분산한 액)을 이용한 주형으로 충분하지만, 예컨대 일방향 응고 블레이드 제조 등에서는, 결정의 석출 방향을 제어하기 위해 용융 금속을 보지한다. 그 결과, 고온(예컨대 1550℃ 정도)에서의 보지 시간이 길어진다. 이 경우, 고온에서 보지되기 때문에, 바인더인 실리카가 연화(軟化)되어, 주형의 변형이 생겨 버린다고 하는 문제가 있다.
여기서, 일방향 응고 블레이드 제조 등에서는, 주형을 진공 중의 히터 내에 설치하여, 용융 금속의 융점 이상의 온도로 가열 보지하고, 주형 중에 용융 금속을 주입하여, 주형을 히터로부터 하방으로 끌어내림을 제어하면서 인발하는 것에 의해, 용융 금속을 하방의 일방향으로부터 냉각, 응고시키는 것에 의해 제조되는 것이 일반적이다.
따라서, 예컨대 일방향 응고 블레이드 제조 등에 있어서, 고온(예컨대 1550℃ 정도)에서 장시간에 걸쳐서 보지한 경우에도 변형이 억제되는 주형의 출현이 갈망되고 있다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 고온에서 장시간 보지한 경우에도 변형이 생기지 않는 정밀 주조용 주형 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 발명은, 주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형으로서, 상기 주물의 내부의 공동 부분에 대응하는 형상의 코어와, 상기 주물의 외주면의 형상에 대응하는 외측 주형을 갖고, 상기 외측 주형은, 내주면에 형성되며, 입경 1.0㎛ 이하의 단일 분산하여 이루어지는 알루미나 초미립자와 실리카 졸로 이루어지고, 소성 시 멀라이트(mullite)가 되는 정밀 주조용 주형 슬러리를 이용해서 건조시켜서 구성되는 슬러리막으로 이루어지는 프라임층과, 상기 프라임층의 외측에 형성되며, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층과, 해당 슬러리층에 스터코재를 부착한 스터코층에 의해 형성하고, 건조시켜서 이루어지는 백업층을 복수회 형성하여 구성되는 복층 백업층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형이다.
제 2 발명은, 제 1 발명에 있어서, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리에 평균 입경이 50㎛ 이하의 지르콘 분말, 알루미나 분말 중 어느 한쪽을 포함하고, 상기 스터코재가 평균 입경이 0.5㎜ 이상의 지르콘 스터코 입자, 알루미나 스터코 입자 중 어느 한쪽인 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형이다.
제 3 발명은, 제 1 또는 2 발명에 있어서, 상기 프라임층이 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층에, 스터코재를 부착한 스터코층을 갖는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형이다.
제 4 발명은, 주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형의 제조 방법에 있어서, 정밀 주조용 납형을, 입경 1.0㎛ 이하의 단일 분산하여 이루어지는 알루미나 초미립자와 실리카 졸로 이루어지고, 소성 시 멀라이트가 되는 정밀 주조용 주형 슬러리에 침지시키고, 끌어올린 후 건조시켜서, 납형의 표면에 슬러리막으로 이루어지는 프라임층을 형성하는 제 1 성막 공정과, 상기 프라임층을 형성한 납형을 상기 정밀 주조용 주형 슬러리에 침지시키고, 끌어올린 후에 슬러리 표면에 스터코재를 뿌리고, 그 후 건조시켜서 백업층을 형성하는 제 2 성막 공정과, 상기 제 2 성막 공정의 백업층을 형성하는 공정을 복수회 반복하여, 복층 백업층을 형성한 성형체를 얻는 성형체 형성 공정과, 얻어진 성형체로부터 납형의 왁스를 융해·제거하는 탈왁스 공정과, 탈왁스 후의 성형체를 소성 처리하여, 주형을 얻는 주형 소성 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형의 제조 방법이다.
제 5 발명은, 제 4 발명에 있어서, 상기 제 1 성막 공정 시, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층에 스터코재를 부착하여 스터코층을 형성하고, 그 후 건조시키는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형의 제조 방법이다.
제 6 발명은, 제 4 또는 5 발명에 있어서, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리의 분산제가 폴리카르복시산염인 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형의 제조 방법이다.
본 발명은 내열성이 높은 멀라이트가 되는 알루미나 미립자와 실리카 졸을 이용하여 슬러리로 함으로써, 종래의 실리카 졸 사용에 대해서 내열 온도가 향상하고, 예를 들면, 일방향 응고 블레이드 제조 등에 있어서의 고온(예를 들면, 1550℃)에서 장시간에 걸쳐서 보지한 경우에서도 변형이 생기지 않는 주형을 얻을 수 있다는 효과를 나타낸다.
도 1은 외측 주형이 되는 건조 성형체의 구성도,
도 2는 외측 주형이 되는 다른 건조 성형체의 구성도,
도 3은 주조 방법의 공정의 일례를 나타내는 순서도,
도 4는 주형 제조 방법의 공정의 일례를 나타내는 순서도,
도 5는 코어의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 6은 금형의 일부를 모식적으로 도시하는 사시도,
도 7은 납형의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 8은 납형에 슬러리를 도포하는 구성을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 9는 외측 주형의 제조 공정을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 10은 주형 제조 방법의 일부 공정을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 11은 주조 방법의 일부 공정을 모식적으로 도시하는 설명도.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 설명에 있어서의 구성요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것, 이른바 균등의 범위의 것이 포함된다.
도 1은 외측 주형이 되는 건조 성형체의 구성도이다. 도 2는 외측 주형이 되는 다른 건조 성형체의 구성도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 정밀 주조용 주형은, 주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형으로서, 상기 주물의 내부의 공동 부분에 대응하는 형상의 코어와, 상기 주물의 외주면의 형상에 대응하는 외측 주형을 갖고, 상기 외측 주형은 내주면에 형성되고, 입경 1.0㎛ 이하(매우 적합하게는 0.3㎛ 내지 0.5㎛: 실시예에 기재함)의 단일 분산하여 이루어지는 알루미나 초미립자와 실리카 졸로 이루어지고, 소성 시 멀라이트가 되는 정밀 주조용 주형 슬러리를 이용하여 건조시켜서 이루어지는 슬러리막으로 이루어지는 프라임층(제 1 건조막)(101A)과, 상기 프라임층(제 1 건조막)(101A)의 외측에 형성되고, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층(102)과, 해당 슬러리층에 스터코재를 부착한 스터코층(103)에 의해 형성하고, 건조시켜서 이루어지는 제 1 백업층(제 2 건조막)(104-1)을 복수회 형성하여 구성되는 복층 백업층(105A)으로 이루어지는 것이다.
여기서, 본 발명에서 슬러리를 형성하는 바인더인 고순도 초미립의 알루미나 미립자(알루미나 초미립자)는 분산 수단인 예를 들면, 볼 밀(ball mill)을 이용하여, 단일 분산되어 있는 것을 이용한다.
여기서, 단일 분산되어 있다는 것은, 예를 들면, 입경이 약 0.5㎛의 알루미나 미립자를 이용하여 슬러리를 형성하는 경우, 분산 처리를 한 결과에 있어서도, 0.5㎛로 단일 분산되어 있는 상태를 말한다.
여기서, 알루미나 미립자의 입경으로서는, 1.0㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.3㎛ 내지 0.6㎛의 범위로 하는 것이 좋다.
본 발명에서는, 알루미나 미립자가 1.0㎛ 이하가 바람직한 것은, 1.0㎛를 넘으면, 굽힘 시험 강도의 결과가 바람직하지 않다는데 있다.
여기서, 단일 분산시키기 위한 분산제로서, 예를 들면, 폴리카르복시산염(예를 들면, 암모늄염)을 이용하여 분산시키도록 하고 있다.
또한, 분산 수단으로서는, 예를 들면 직경 10㎜ 내지 20㎜ 볼을 이용한 볼 밀을 예시할 수 있지만, 단일 분산하는 수단이면, 이것에 한정되지 않는다.
본 발명에서는, 바인더인 알루미나 미립자를 단일 분산시킨 양호한 슬러리로 하는 것이 간요(肝要)하게 된다.
또한, 본 발명에서는, 소성한 때에, 멀라이트가 균일하게 형성되는 것이 간요하므로, 예를 들면 0.5㎛로 단일 분산된 알루미나 미립자의 배합 비율이 많은 편이 바람직하다.
여기서, 알루미나 입경은, 1.0㎛ 이하, 바람직하게는 0.3㎛ 내지 0.6㎛의 범위로 하는 것이 좋다.
이러한 배합 비율은 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
Al2O3/SiO2=1.5(몰 비)
실리카 졸은, 0.02㎛의 실리카의 균일 분산물이며, 알루미나 슬러리에 균일하게 분산된다.
본 발명에서는, 소정 입경의 알루미나 미립자를 균일 분산물로 하고 있으므로, 소성 공정에서의 실리카 졸과의 반응성이 양호해져서, 일반보다 낮은 온도(예를 들면, 1,000℃)에서의 멀라이트의 형성이 가능해진다.
알루미나 미립자 단독으로 정밀 주조용 주형 슬러리로 하는 경우에는, 알루미나 미립자의 가격이 비싸기 때문에 제조 비용이 비싸진다. 따라서, 본 발명과 같이, 알루미나 미립자에 실리카 졸을 첨가하고, 소성 시에, 멀라이트로 함으로써, 제조 비용의 저렴화를 도모할 수 있다.
이 단일 분산된 알루미나 미립자의 슬러리에, 실리카 졸을 첨가한 혼합 슬러리에 플라워로서, 지르콘 분말[예를 들면, 350 메쉬(mesh)]을 첨가하여 정밀 주조용 주형 슬러리를 얻는다.
또한, 본 발명에서는, 플라워를 첨가하지 않는 경우도 허용될 수 있다.
다음에, 정밀 주조용 주형의 제조 방법을 도 1 및 도 2에 의해 설명한다.
(제 1 성막 공정)
먼저, 이 제 1 성막 공정에서는, 이 입경 1.0㎛ 이하의 단일 분산하여 이루어지는 알루미나 초미립자와 실리카 졸로 이루어지고, 소성 시 멀라이트가 되는 정밀 주조용 주형 슬러리(이하 「슬러리」라고 함)를 이용하여, 납형(30)을 침지시켜서 끌어올리고, 여분 슬러리를 낙하시킨다. 그 후, 건조시킴으로써, 납형(30) 표면에 슬러리막(제 1 건조막)을 얻는다. 이 슬러리막이, 도 1에 있어서, 납형(30)의 표면과 접하는 프라임층(101A)이 된다.
(제 2 성막 공정)
그 다음에, 이 프라임층(101A)을 갖는 납형(30)을 슬러리에 침지시킨 후, 끌어올리고, 여분 슬러리를 낙하시켜서, 슬러리층(2층째)(102)를 형성한다. 이 젖어 있는 슬러리층(2층째)(102)에 스터코재로서 지르콘 스터코 입자(평균 입경 0.8㎜)를 뿌려서[스터코잉(stuccoing)하여], 스터코재를 부착시킨 스터코층(1층째)(103)을 형성한다. 이 슬러리층(2층째)(102)과 스터코층(1층째)(103)의 적층체를 건조시켜서, 프라임층(제 1 건조막)(101A) 위에 제 1 백업층(제 2 건조막)(104-1)을 형성한다.
(성형체 형성 공정)
이 제 1 백업층(104-1)의 제 2 성막 공정과 동일한 조작을 복수회(예를 들면, 6회 내지 10회) 반복하여, 슬러리층(n＋1층째)(102)과 스터코층(n층째)(103)이 교대로 적층된 소정 두께의 복층 백업층(105A)을 갖는 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)를 얻는다.
이 건조 성형체를 예를 들면, 150℃의 오토클레이브(autoclave)에 넣고, 납형(30)을 구성하는 왁스를 융해하여 배출시킨다.
그 후, 이 형을 1,000℃에서 열처리하여, 슬러리가 멀라이트를 구성한 정밀 주조용 주형을 얻는다.
이 얻어진 정밀 주조용 주형은, 후술하는 시험예에 도시되는 바와 같이, 1500℃의 강도 시험에 있어서도 변형이 없고 강도가 높은 것이었다. 이것에 대해, 종래의 실리카 졸을 사용한 것에서는 연화의 거동이 확인되었다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 프라임층(101B)에 있어서, 프라임 슬러리층(101a)에 스터코재를 부착시켜서 프라임 스터코층(101b)을 형성하고, 그 후 건조시켜, 프라임층(101B)으로 하도록 해도 좋다.
또한, 이 프라임층(101B)과 같이, 스터코재를 부착시켰을 경우에는, 복층 백업층(105B)의 슬러리층의 적층 회수와, 스터코층(103)의 적층 회수는 모두 동수(n층)로 이루어지는 복층 백업층(105B)을 갖는 외측 주형이 되는 건조 성형체(106B)를 얻게 된다.
본 발명에서는, 플라워로서 지르콘 분말을 이용하였지만, 지르콘 분말 이외에, 알루미나 분말을 이용하는 동시에, 스터코재로서 지르콘 스터코 입자 대신에 알루미나 스터코 입자를 이용해도, 동일한 정밀 주조용 주형을 얻을 수 있다.
또한, 플라워와 스터코재의 관계는 한정되지 않고, 플라워로서 지르콘 분말, 알루미나 분말 중 어느 한쪽을 이용하는 동시에, 스터코재로서 지르콘 스터코 입자, 알루미나 스터코 입자 중 어느 한쪽을 이용하도록 하면 좋다.
이 플라워의 입경은, 350 메쉬로 하고 있지만, 본 발명에서는 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 5㎛ 내지 80㎛ 정도의 입자, 평균 입경으로서는, 예를 들면, 50㎛ 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이 스터코 입자의 입경은, 0.8㎜로 하고 있지만, 본 발명에서는 이것에 한정되지 않고, 예를 들면, 0.4㎜ 내지 2㎜ 정도의 입자, 평균 입경으로서는 예를 들면, 0.5㎜ 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 정밀 주조용 주형을 이용한 주조 방법에 대해서 설명한다.
도 3은 주조 방법의 공정의 일례를 나타내는 순서도이다. 이하, 도 3을 이용하여 주조 방법에 대해서 설명한다. 여기서, 도 3에 나타내는 처리는, 전자동으로 실행해도 좋고, 오퍼레이터가 각 공정을 실행하는 장치를 조작하여 실행해도 좋다. 본 실시형태의 주조 방법은 주형을 제작한다(단계 S1). 주형은, 미리 제작해두어도 좋고, 주조를 실행할 때마다 제작해도 좋다.
이하, 도 4부터 도 10을 이용하여, 단계 S1의 공정에서 실행하는 본 실시형태의 주형 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 4는, 주형 제조 방법의 공정의 일례를 나타내는 순서도이다. 여기서, 도 4에 나타내는 처리는, 전자동으로 실행해도 좋고, 오퍼레이터가 각 공정을 실행하는 장치를 조작하여 실행해도 좋다.
주형 제조 방법은 코어[중자(中子)]를 제작한다(단계 S12). 코어는 주형으로 제작하는 주물의 내부의 공동에 대응하는 형상이다. 즉, 코어는 주물의 내부의 공동에 대응하는 부분에 배치되는 것에 의해, 주조 시에 주물되는 금속이 흘러 들어가는 것을 억제한다. 이하, 도 5를 이용하여, 코어의 제조 공정에 대해서 설명한다. 도 5는 코어의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 주형 제조 방법은, 도 5에 도시되는 바와 같이 금형(12)을 준비한다(단계 S101). 금형(12)은, 코어에 대응하는 영역이 공동으로 되어 있다. 코어의 공동이 되는 부분이 볼록부(12a)가 된다. 또한, 도 5에서는, 금형(12)의 단면으로 도시되어 있지만, 금형(12)은, 공간에 재료를 주입하는 개구나 공기를 빼는 구멍 이외는, 기본적으로 코어에 대응하는 영역의 사방을 덮는 공동으로 되어 있다. 주형 주조 방법은, 화살표(14)로 나타내는 바와 같이 세라믹 슬러리(16)를 금형(12)의 공간에 재료를 주입하는 개구로부터 금형(12)의 내부로 주입한다. 구체적으로는, 세라믹 슬러리(16)를 금형(12)의 내부에 분사하는, 이른바 사출 성형으로 코어(18)를 제작한다. 주형 제조 방법은, 금형(12)의 내부에 코어(18)를 제작하고 나서, 금형(12)으로부터 코어(18)를 분리하고, 분리한 코어(18)를 소성로(20)에 설치하여, 소성시킨다. 이것에 의해, 세라믹으로 형성된 코어(18)를 소결한다(단계 S102). 주형 주조 방법은 이상과 같이 하여 코어(18)를 제작한다. 또한, 코어(18)는 주물이 굳어진 후에 화학 처리 등의 탈코어 처리로 제거되는 재료로 형성된다.
주형 제조 방법은, 코어(18)를 제작하고 나서, 외부 금형의 제작을 실시한다(단계 S14). 외부 금형은 내주면이 주물의 외주면에 대응한 형상이 된다. 금형은 금속으로 형성해도 좋고, 세라믹으로 형성해도 좋다. 도 6은 금형의 일부를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 도 6에 도시되는 금형(22a)은 내주면에 형성된 오목부가 주물의 외주면에 대응하고 있다. 또한, 도 6에서는, 금형(22a)만을 도시하고 있지만, 금형(22a)에 대응하여, 내주면에 형성된 오목부를 폐색하는 방향으로 금형(22a)에 대응하는 금형도 제작한다. 주형 제조 방법은 2개의 금형을 맞추는 것에 의해, 내주면이 주물의 외주면에 대응한 형이 된다.
주형 제조 방법은 외부 금형을 제작하고 나서, 납형(왁스형)의 제작을 실시한다(단계 S16). 이하, 도 7을 이용하여 설명한다. 도 7은 납형의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 주형 제조 방법은 금형(22a)의 소정 위치에 코어(18)를 설치한다(단계 S110). 그 후, 금형(22a)에 대응하는 금형(22b)을 금형(22a)의 오목부가 형성되어 있는 면에 덮어씌워서, 코어(18)의 주위를 금형(22a, 22b)으로 둘러싸고, 코어(18)와 금형(22a, 22b) 사이에 공간(24)을 형성한다. 주형 제조 방법은, 화살표(26)로 나타내는 바와 같이, 공간(24)과 연결된 배관으로부터 공간(24)의 내부를 향해서 WAX(28)의 주입을 개시한다(단계 S112). WAX(28)는 소정의 온도 이상으로 가열되면 녹는, 융점이 비교적 저온인 물질, 예를 들면, 밀랍이다. 주형 제조 방법은 공간(24)의 전역에 WAX(28)를 충전시킨다(단계 S113). 그 후, WAX(28)를 고체화시키는 것에 의해, 코어(18)의 주위를 WAX(28)가 둘러싼 납형(30)을 형성한다. 납형(30)은, 기본적으로 WAX(28)로 형성되는 부분이 제조하는 목적의 주물과 동일한 형상이 된다. 그 후, 주물 제조 방법은, 납형(30)을 금형(22a, 22b)으로부터 분리하여, 탕구(湯口)(32)를 장착한다(단계 S114). 탕구(32)는 주조 시에 녹은 금속인 용탕(溶湯)이 투입되는 입구이다. 주형 제조 방법은 이상과 같이 하여, 내부에 코어(18)를 포함하고, 주물과 동일한 형상의 WAX(28)로 형성된 납형(30)을 제작한다.
주형 제조 방법은 납형(30)을 제작하고 나서, 슬러리 도포(디핑)를 실시한다(단계 S18). 도 8은 납형에 슬러리를 도포하는 구성을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 주형 제조 방법은 도 8에 도시되는 바와 같이, 슬러리(40)가 저류된 저류부(41)에 납형(30)을 침지시켜서 꺼낸 후, 건조를 실시한다(단계 S19). 이것에 의해, 납형(30)의 표면에 프라임층(101A)을 형성할 수 있다.
여기서, 단계 S18에서 도포하는 슬러리는, 납형(30)에 직접 도포되는 슬러리이다. 이 슬러리(40)는, 알루미나 초미립자와 실리카 졸로 이루어지고, 소성 시 멀라이트가 되는 정밀 주조용 주형 슬러리를 이용한다. 이 슬러리(40)에는, 플라워로서 350 메쉬 정도의 내화성의 미립자, 예를 들면, 지르코니아(zirconia)를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 분산제로서 폴리카르복시산염을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 슬러리(40)에는, 소포제(실리콘계의 물질)나, 습윤성 개선제를 미량, 예를 들면 0.01% 첨가하는 것이 바람직하다. 습윤성 개선제를 첨가함으로써, 슬러리(40)의 납형(30)에의 부착성을 향상시킬 수 있다.
주형 제조 방법은 도 8에 도시되는 바와 같이, 슬러리(40)로 슬러리 도포를 실시하여, 건조시켜서 프라임층(제 1 건조막)(101A)을 갖는 납형에 다시 슬러리 도포(디핑)를 실시한다(단계 S20). 도 9에 도시하는 바와 같이, 이 젖어 있는 슬러리의 표면에 스터코재(54)로서 지르콘 스터코 입자(평균 입경 0.8㎜)를 뿌리는 스터코잉을 실시한다(단계 S21). 그 후 슬러리층의 표면에 스터코재가 부착된 것을 건조시켜서, 프라임층(제 1 건조막)(101A) 위에 제 1 백업층(제 2 건조막)(104-1)을 형성하였다(단계 S22).
이 제 1 백업층(제 2 건조막)(104-1)의 형성 공정과 동일한 조작을 복수회(예를 들면, n：6회 내지 10회) 반복하는 판단을 실행한다(단계 S23). 소정 회수(n)의 제 n 백업층(104-n)을 적층시켜서(단계 S23：예), 복층 백업층(105A)이 형성된 두께가 예를 들면, 10㎜의 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)를 얻는다.
주형 제조 방법은, 프라임층(101A)과 복층 백업층(105A)의 복수 층이 형성된 건조 성형체(106A)를 얻고 나서, 해당 건조 성형체(106A)에 대해서 열처리를 실행한다(단계 S24). 구체적으로는, 외측 주형과 코어 사이에 있는 WAX를 제거하여, 다시 외측 주형과 코어를 소성시킨다. 이하, 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은 주형 제조 방법의 일부 공정을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 주형 제조 방법은, 단계 S130에 도시되는 바와 같이, 프라임층(101A)과 복층 백업층(105A)의 복수 층이 형성된 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)를 오토클레이브(60)의 내부에 넣어서 가열한다. 오토클레이브(60)는 내부를 가압 증기로 채움으로써, 건조 성형체(106A) 내의 납형(30)을 가열한다. 이것에 의해, 납형(30)을 구성하는 WAX가 녹아서, 용해 WAX(62)가 건조 성형체(106A)로 둘러싸인 공간(64)으로부터 배출된다.
주형 제조 방법은, 녹은 WAX(62)를 공간(64)으로부터 배출하는 것에 의해, 단계 S131에 나타내는 바와 같이, 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)와 코어(18) 사이의 WAX가 충전되어 있던 영역에 공간(64)이 형성된 주형(72)이 제작된다. 그 후, 주형 제조 방법은, 단계 S132에 나타내는 바와 같이, 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)와 코어(18) 사이에 공간(64)이 형성된 주형(72)을 소성로(70)에서 가열한다. 이것에 의해, 주형(72)은 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)에 포함되는 물 성분이나 불필요한 성분이 제거되고, 게다가 소성되는 것에 의해 경화되어 외측 주형(61)이 형성된다. 주물 제조 방법은 이상과 같이 하여 주형(72)을 제작한다.
도 3과 도 11을 이용하여 주조 방법의 설명을 계속한다. 도 11은 주조 방법의 일부 공정을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 주조 방법은 단계 S1에서 주형을 제작하면, 주형의 예열을 실시한다(단계 S2). 예를 들면, 주형을 노(진공로, 소성로) 내에 배치하여, 800℃ 이상 900℃ 이하까지 가열한다. 예열을 실시하는 것에 의해, 주물의 제조 시에 주형에 용탕(녹은 금속)을 주입하였을 때에 주형이 손상되는 것을 억제할 수 있다.
주조 방법은 주형을 예열하고 나서, 주탕(注湯)을 실시한다(단계 S3). 즉, 도 11의 단계 S140에 나타내는 바와 같이, 용탕(80), 즉 용해한 주물의 원료(예를 들면, 강철)를 주형(72)의 개구로부터 외측 주형(61)과 코어(18) 사이에 주입한다.
주조 방법은 주형(72)에 따른 용탕(80)을 고체화시키고 나서, 외측 주형(61)을 제거한다(단계 S4). 즉, 도 11의 단계 S141에 나타내는 바와 같이, 주형(72)의 내부에서 용탕(80)이 굳어서 주물(90)이 되면, 외측 주형(61)을 분쇄하여 파편(61a)으로서 주물(90)로부터 분리된다.
주조 방법은 외측 주형(61)을 주물(90)로부터 제거하고 나서, 탈코어 처리를 실행한다(단계 S5). 즉, 도 11의 단계 S142에 도시되는 바와 같이, 오토클레이브(92)의 내부에 주물(90)을 넣어서 탈코어 처리를 실행하는 것에 의해, 주물(90)의 내부의 코어(18)를 용해하고, 용해된 용해 코어(94)를 주물(90)의 내부로부터 배출한다. 구체적으로는 오토클레이브(92)의 내부에서 주물(90)을 알칼리 용액에 투입하고, 가압, 감압을 반복하는 것에 의해, 주물(90)로부터 용해 코어(94)를 배출한다.
주조 방법은 탈코어 처리를 실시하고 나서, 마무리 처리를 실시한다(단계 S6). 즉, 주물(90)의 표면이나 내부에 마무리 처리를 실시한다. 또한, 주조 방법에서는, 마무리 처리와 함께 주물의 검품을 실행한다. 이것에 의해, 도 11의 단계 S143에 나타내는 바와 같이, 주물(100)을 제조할 수 있다.
본 실시형태의 주조 방법은, 이상과 같이, WAX(왁스)를 이용한 로스트 왁스 주조법을 이용하여 주형을 제작하고, 주물을 제작한다. 여기서, 본 실시형태의 주형 제조 방법, 주조 방법 및 주형은, 주형의 외측의 부분인 외측 주형을 슬러리로서 지르코니아 초미립자를 이용하여 내주면이 되는 프라임층(최초층인 제 1 건조막)(101A)을 형성하고, 이 프라임층(101A)의 외부에 복수 층의 백업층(105A)을 형성한 다층 구조로 하고 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 프라임층으로서 스터코재를 첨가한 프라임 슬러리층(101A)과 프라임 스터코층(101b)으로 이루어지는 프라임층(101B)으로 해도 좋다(도 2 참조).
(실시예 1)
이하, 실시예를 이용하여 본 실시형태의 주형 제조 방법 및 주조 방법에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 실시예에서는, 외측 주형이 형성되기 전의 납형을 폭 30㎜, 두께 8㎜, 길이 300㎜의 부재로 하고, 이 납형에 슬러리층으로 이루어지는 프라임층(제 1 건조막), 슬러리와 스터코재에 의한 복층의 백업층을 형성하여 주형을 제작했다.
고순도 초미립의 알루미나(Al2O3, 비표면적 10㎡/g, 입경 약 0.5㎛)의 슬러리를 분산제로서 폴리카본산 암모늄을 이용하고, 볼 밀을 이용하여 24시간 혼련(混練)하여 슬러리화하였다. 얻어진 알루미나 슬러리의 고형분 농도는 30wt%이다.
이 알루미나 슬러리에서는, 분산 처리의 결과, 알루미나 입자는 0.5㎛에 단일 분산되어 있는 것이 확인되었다.
또한, 실리카 졸(SiO2, 입경 0.02㎛, 고형분 농도 30%)을 준비하였다.
소성 시, 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)의 배합이 되도록, 알루미나 슬러리：실리카 졸=306：120(3Al2O3의 분자량은 3×102=306, 2SiO2의 분자량은 2×60=120)이 되도록 배합한 슬러리를 미리 조합하였다.
이 때, 혼합해도 침전의 발생은 확인되지 않았다.
이 배합 슬러리에, 플라워로서 350 메쉬의 지르콘 분말을 첨가하여, 정밀 주조용 주형 슬러리로 하였다.
또한, 동시에, 소포제로서 실리콘계의 것을 0.01%, 습윤성 개선제를 0.01% 첨가하여, 사용 슬러리로 하였다.
폭 30㎜, 두께 8㎜, 길이 300㎜의 왁스체를 준비하고, 얻어진 슬러리에 왁스체를 침지시키고, 끌어올려서 왁스 표면에 사용 슬러리를 부착시킨 후, 여분의 사용 슬러리를 낙하시키고, 건조시키는 것에 의해 왁스체의 표면에 슬러리의 프라임층(제 1 건조막)을 얻었다.
다음에, 제 2 건조막을 얻기 위해, 프라임층을 갖는 왁스체를 슬러리에 침지시킨 후, 끌어올려서 여분의 사용 슬러리를 낙하시켰다.
젖어 있는 슬러리에, 평균 입자계 0.8㎜의 지르콘 스터코 입자를 부착시킨 후 건조시켜서, 제 2 건조막(제 1 백업층)을 형성하였다.
이 제 2 건조막(제 1 백업층)의 형성과 동일한 조작을 6회 반복하여 복층의 백업층을 갖는 두께 약 10㎜의 성형체를 얻었다.
이 얻어진 건조 성형체를 150℃의 오토클레이브에 넣고서, 왁스를 융해하고, 배출하였다.
그 다음에, 이 형을 1000℃에서 열처리하여, 실시예 1의 주형을 얻었다.
［비교예］
비교를 위해, 종래와 동일한 실리카 졸(입경 2㎚ 정도의 구 형상 실리카 입자가 분산된 액)을 사용한 슬러리를 이용하여 실시예와 동일한 조작을 실행하여 비교예의 주형도 동시에 제작하였다.
［시험］
얻어진 실시예 1의 주형 및 비교예의 주형으로부터, 10㎜×50㎜, 두께 5㎜의 강도 시험편을 가공하여, 고온 강도 시험을 실시하였다.
1500℃의 강도 시험에서는, 종래의 실리카 졸을 사용한 것에서는 연화의 거동이 확인되었다.
또한, 그 결과, 비교예의 시험편의 절단은 명료하지 않고 구부러저 버렸다. 이것에 대해, 본 실시예의 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)가 되는 배합의 슬러리(스터코재로서 지르콘 입자)를 사용한 시험편은 변형도 없고, 100㎫에서의 파단(破斷)이 있었다.
여기서, 강도 시험은 JIS R 1601에 의한 「세라믹스의 굴곡 강도(1981)」에 준거하여 시행하였다.
본 시험 결과에 의해, 바인더를 소성 시, 내열성이 높은 멀라이트(융점 1,885℃)가 되는 슬러리로 하고, 스터코재를 지르콘 입자(융점 2,715℃)로 하는 것에 의해, 종래의 실리카 졸 사용에 대해서 내열 온도가 향상하고, 일방향 응고 블레이드 제조에 있어서의 고온(1550℃)에서 장시간 보지하였을 경우에서도 변형이 생기지 않는 주형을 얻을 수 있었다.
(실시예 2)
실시예 1에 있어서, 플라워로서 지르콘 분말 대신에, 350 메쉬의 알루미나 분말을 첨가하여, 정밀 주조용 주형 슬러리로 하였다.
또한, 스터코재로서 평균 입경 0.8㎜의 알루미나 스터코 입자를 이용한 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 조작하여, 실시예 2의 주형을 얻었다.
［시험］
얻어진 실시예 2의 주형 및 비교예의 주형으로부터, 10㎜×50㎜, 두께 5㎜의 강도 시험편을 가공하여, 실시예 1와 동일한 고온 강도 시험을 실시하였다.
본 실시예의 멀라이트가 되는 슬러리(스터코재로서 알루미나 입자)를 사용한 시험편은 변형도 없고, 100㎫에서의 파단이 있었다.
본 시험 결과에 의해, 바인더를 소성 시, 내열성이 높은 멀라이트(융점 1,885℃)가 되는 슬러리로 하고, 스터코재를 알루미나 입자(융점 2,070℃)로 하는 것에 의해, 종래의 실리카 졸 사용에 대해서 내열 온도가 향상하고, 일방향 응고 블레이드 제조에 있어서의 고온(1550℃)에서 보지에서도 변형이 생기지 않는 주형을 얻을 수 있었다.
이상으로부터, 바인더를 입경 1.0㎛ 이하의 단일 분산하여 이루어지는 알루미나 초미립자와 실리카 졸로 이루어지고, 소성 시, 내열성이 높은 멀라이트가 되는 정밀 주조용 주형 슬러리를 슬러리로 하고, 지르콘 분말 또는 알루미나 분말의 스터코재로 하는 것에 의해, 종래의 실리카 졸을 사용하였을 경우보다, 얻어진 주형의 내열 온도가 향상하고, 일방향 응고 블레이드 제조에 있어서의 고온(1,550℃)에서 장시간 보지하였을 경우에서도 변형이 생기지 않는 주형을 얻을 수 있었다.
12, 22a, 22b : 금형 12a : 볼록부
14, 26 : 화살표 16 : 세라믹 슬러리
18 : 코어(중자) 20, 70 : 소성로
24, 64 : 공간 28 : WAX(밀랍)
30 : 납형 32 : 탕구
40 : 슬러리 60, 92 : 오토클레이브
61 : 외측 주형 61a : 파편
62 : 용해 WAX 72 : 주형
80 : 용탕 90, 100 : 주물
94 : 용해 코어 101A, 101B : 프라임층
102 : 슬러리층 103 : 스터코층
104-1 : 제 1 백업층 104-n 제 n 백업층
105A, 105B : 복층 백업층

Claims (8)

  1. 주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형에 있어서,
    상기 주물의 내부의 공동 부분에 대응하는 형상의 코어와,
    상기 주물의 외주면의 형상에 대응하는 외측 주형을 갖고,
    상기 외측 주형은, 내주면에 형성되고, 입경 0.3㎛ 내지 0.6㎛의 단일 분산하여 이루어지는 균일 분산물인 알루미나 초미립자와 실리카 졸로 이루어지고, 소성 시 멀라이트가 되는 정밀 주조용 주형 슬러리를 이용하여 건조시켜서 이루어지는 슬러리막으로 이루어지는 프라임층과,
    상기 프라임층의 외측에 형성되고, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층과, 상기 슬러리층에 스터코재를 부착한 스터코층에 의해 형성하고, 건조시켜서 이루어지는 백업층을 복수회 형성하여 구성되는 복층 백업층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정밀 주조용 주형 슬러리에 평균 입경이 50㎛ 이하의 지르콘 분말, 알루미나 분말 중 어느 한쪽을 포함하고,
    상기 스터코재가 평균 입경이 0.5㎜ 이상의 지르콘 스터코 입자, 알루미나 스터코 입자 중 어느 한쪽인 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프라임층이 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층에, 스터코재를 부착한 스터코층을 갖는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 알루미나 초미립자와 상기 실리카 졸의 배합 비율(Al2O3/SiO2)이 1.5(몰 비)인 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형.
  5. 주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형의 제조 방법에 있어서,
    정밀 주조용 납형을, 입경 0.3㎛ 내지 0.6㎛의 단일 분산하여 이루어지는 균일 분산물인 알루미나 초미립자와 실리카 졸로 이루어지고, 소성 시 멀라이트가 되는 정밀 주조용 주형 슬러리에 침지시키고, 끌어올린 후 건조시켜서, 납형의 표면에 슬러리막으로 이루어지는 프라임층을 형성하는 제 1 성막 공정과,
    상기 프라임층을 형성한 납형을, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리에 침지시키고, 끌어올린 후, 슬러리 표면에 스터코재를 뿌리고, 그 후 건조시켜서 백업층을 형성하는 제 2 성막 공정과,
    상기 제 2 성막 공정의 백업층을 형성하는 공정을 복수회 반복하여, 복층 백업층을 형성한 성형체를 얻는 성형체 형성 공정과,
    얻어진 성형체로부터 납형의 왁스를 융해·제거하는 탈왁스 공정과,
    탈왁스 후의 성형체를 소성 처리하여, 주형을 얻는 주형 소성 공정을 갖는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 성막 공정 시, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층에, 스터코재를 부착하여 스터코층을 형성하고, 그 후 건조시키는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형의 제조 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 정밀 주조용 주형 슬러리의 분산제가 폴리카르복시산염인 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형의 제조 방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 알루미나 초미립자와 상기 실리카 졸의 배합 비율(Al2O3/SiO2)이 1.5(몰 비)인 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형의 제조 방법.
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