KR101657919B1

KR101657919B1 - 정밀 주조용 주형 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101657919B1
Application number: KR1020157008717A
Authority: KR
Inventors: 히데타카 오구마; 가즈타카 모리; 이쿠오 오카다; 사치오 시모하타
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2016-09-19
Also published as: CN104718034B; DE112013004932T5; KR20150052284A; JP2014076460A; JP6095935B2; US20150217366A1; WO2014057904A1; CN104718034A

Abstract

주물의 내부의 공동 부분에 대응하는 형상의 코어와, 상기 주물의 외주면의 형상에 대응하는 외측 주형을 갖고, 상기 외측 주형은, 내주면에 형성되며, 정밀 주조용 주형 슬러리를 이용해서 건조하여 구성되는 슬러리 막으로 이루어지는 프라임층(101A)과, 프라임층(101A)의 외측에 형성되며, 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층(102)과, 슬러리층(102)에 스터코재로서 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착한 스터코층(103)에 의해 형성하며, 건조하여 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 부착시키고 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 졸을 주체로 하는 슬러리에 왁스형을 이용하고, 왁스형의 표면에 슬러리를 부착시켜 건조시킨다.

1회의 조작으로는 부착되는 슬러리가 적고, 얇게만 할 수 있으므로, 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, 전술의 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 연화되어, 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 일방향으로 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, 정밀 주조용 주형 슬러리를 이용해서 건조하여 구성되는 슬러리 막으로 이루어지는 프라임층과, 상기 프라임층의 외측에 형성되며, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층과, 해당 슬러리층에 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착한 스터코층에 의해 형성하며, 건조하여 이루어지는 백업층을, 복수회 형성하여 구성되는 복층 백업층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형이다.

제 2 발명은, 제 1 발명에 있어서, 상기 프라임층이, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층에, 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착한 스터코층을 갖는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형이다.

제 3 발명은, 주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형의 제조 방법으로서, 정밀 주조용 납형을 정밀 주조용 주형 슬러리에 침지하고, 끌어올린 후 건조하여, 납형의 표면에 슬러리 막으로 이루어지는 프라임층을 형성하는 제 1 성막 공정과, 상기 프라임층을 형성한 납형을 상기 정밀 주조용 주형 슬러리에 침지하고, 끌어올린 후, 슬러리 표면에 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 뿌리고, 그 후 건조하여 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 4 발명은, 제 3 발명에 있어서, 상기 제 1 성막 공정 시, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층에, 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착해서 스터코층을 형성하고, 그 후 건조하는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형의 제조 방법이다.

본 발명은 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하는 것에 의해, 높은 강도의 주형을 얻을 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.

도 1은 외측 주형이 되는 건조 성형체의 구성도,
도 2는 외측 주형이 되는 다른 건조 성형체의 구성도,
도 3은 주조 방법의 공정의 일 예를 나타내는 흐름도,
도 4는 주형 제조 방법의 공정의 일 예를 나타내는 흐름도,
도 5는 코어의 제조 공정을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 6은 금형의 일부를 모식적으로 나타내는 사시도,
도 7은 납형의 제조 공정을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 8은 납형에 슬러리를 도포하는 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 9는 외측 주형의 제조 공정을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 10은 주형 제조 방법의 일부 공정을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 11은 주조 방법의 일부 공정을 모식적으로 나타내는 설명도.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 설명에 있어서의 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것, 이른바 균등한 범위의 것이 포함된다.

도 1은 외측 주형이 되는 건조 성형체의 구성도이다. 도 2는 외측 주형이 되는 다른 건조 성형체의 구성도이다.

도 1에 나타내는 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 형성되며, 입경 20㎚의 실리카 졸의 정밀 주조용 주형 슬러리를 이용해서 건조하여 구성되는 슬러리 막으로 이루어지는 프라임층(제 1 건조막 : 슬러리층 1층째)(101A)과, 상기 프라임층(제 1 건조막)(101A)의 외측에 형성되며, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층(102)과, 해당 슬러리층(102)에 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 2 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 5 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착한 스터코층(103)에 의해 형성하며, 건조하여 이루어지는 제 1 백업층(제 2 건조막)(104-1)을, 복수회 형성하여 구성되는 복층 백업층(105A)으로 이루어지는 것이다.

여기서, 본 발명에서 슬러리를 형성하는 정밀 주조용 주형 슬러리로서, 실리카 졸을 이용하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예컨대 고순도 초미립의 알루미나 미립자(알루미나 초미립자), 지르코니아 미립자 등을 분산 수단인 예컨대 볼밀(ball mill)을 이용하여, 단일 분산되어 있는 것을 이용할 수도 있다.

여기서, 단일 분산되어 있다는 것은, 예컨대 입경이 약 0.5㎛인 알루미나 미립자를 이용하여 슬러리를 형성하는 경우, 분산 처리를 한 결과에 있어서도, 0.5㎛로 단일 분산되어 있는 상태를 말한다.

여기서, 알루미나 미립자나 지르코니아 미립자의 입경으로서는, 1.0㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.3㎛ 내지 0.6㎛의 범위로 하는 것이 좋다.

본 발명에서는, 알루미나 미립자나 지르코니아 미립자의 입경이 1.0㎛ 이하가 바람직한 것은, 1.0㎛를 초과하면, 굽힘 시험 강도의 결과가 바람직하지 않은 것에 의한다.

또한, 예컨대 고순도 초미립의 알루미나 미립자(알루미나 초미립자)를 분산 수단인 예컨대 볼밀을 이용하여, 단일 분산되어 있는 슬러리에 실리카 졸을 분산시킨 것을 정밀 주조용 주형 슬러리로 하도록 해도 좋다.

플라워로서, 지르콘 가루(예컨대 350 메쉬)를 첨가하여 정밀 주조용 주형 슬러리를 얻는다.

또한, 본 발명에서는 플라워를 첨가하지 않는 경우도 허용될 수 있다.

여기서, 단일 분산시키기 위한 분산제로서, 예컨대 폴리카르복시산염(예컨대 암모늄염)을 이용하여 분산시키도록 하고 있다.

또한, 분산 수단으로서는, 예컨대 직경 10㎜ 내지 20㎜ 볼을 이용한 볼밀을 예시할 수 있지만, 단일 분산하는 수단이면, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서는, 바인더인 알루미나 미립자나 지르코니아 미립자를 단일 분산시킨 양호한 슬러리로 하는 것이 매우 중요하다.

또한, 본 발명에서는, 스터코재로서, 중량비에 관하여, 알루미나 스터코 입자를 이용하여 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 이상, 보다 바람직하게는 2 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 이상, 보다 바람직하게는 2 내지 40의 범위로 하고 있다.

본 발명에서는, 스터코재로서 입경이 다른 입도(粒度)끼리를 배합함으로써, 스터코 부분의 입자가 밀충진하게 된다. 그 결과, 주형의 강도를 높게 할 수 있다.

이하, 스터코 입자의 배합에 대해 검토했다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 비교예 1로서, 종래의 1㎜ 내지 3㎜의 분포(중심 입경 2㎜)의 스터코 입자를 이용한 주형의 강도는 10㎫이었다.

이에 대해, 50㎛ 내지 500㎛의 미립과, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립과, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 변화시킨 경우의 강도의 출현성에 대해 검토했다.

시험의 결과를 표 1에 나타낸다.

	스터코 입자			강도 (㎫)
	미립 (50㎛~500㎛)	중립 (0.5㎜~2㎜)	조립 (2㎜~4㎜)	강도 (㎫)
비교예 1	1㎜~3㎜의 분포(중심 2㎜)			10
시험 1	1	1	1	13
시험 2	1	3	2	15
시험 3	1	2	3	14

표 1에서는 시험 1로서, 중량비에 관하여, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜(500㎛) 내지 2㎜의 중립의 배합을 1로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 이용한 경우의 강도는 13㎫이었다.

또한, 시험 2로서, 중량비에 관하여, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜(500㎛) 내지 2㎜의 중립의 배합을 3으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 2의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 이용한 경우의 강도는 15㎫이었다.

또한, 시험 3으로서, 중량비에 관하여, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜(500㎛) 내지 2㎜의 중립의 배합을 2로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 3의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 이용한 경우의 강도는 14㎫이었다.

이들 결과로부터, 시험 1 및 시험 2의 배합에서 강도가 양호했다.

또한, 통상 시험 제작하고 있는 주형의 강도는 10㎫ 정도이며, 입경이 다른 입도끼리를 배합하는 것에 의해, 스터코 부분의 입자가 밀충진되는 결과, 주형의 강도가 높아지는 것이 판명되었다.

여기서, 스터코재로서는, 알루미나 스터코 입자 이외에, 예컨대 스피넬(spinel) 스터코 입자, 물라이트(mullite) 스터코 입자, 지르콘 스터코 입자 등을 이용할 수 있다.

본 발명에서는, 스터코재로서 중량비에 관한 입도 배합을 소정의 배합으로 하는 것에 의해, 종래품에 반하여, 주형 강도 향상을 대폭적으로 도모할 수 있다.

이 주형 강도의 향상의 결과, 주형의 박육화, 층수 감소가 도모되어, 주형 제조 기간의 단축과 제조 비용 저감을 도모할 수 있다.

또한, 응고시 온도 구배를 높일 수 있어서, 주물 수율 향상과 강도 특성 향상이 기대된다.

다음으로, 정밀 주조용 주형의 제조 방법을 도 1 및 도 2에 의해 설명한다.

(제 1 성막 공정)

먼저, 이 제 1 성막 공정에서는, 실리카 졸로 이루어지는 정밀 주조용 주형 슬러리(이하 "슬러리"라 함)를 이용하여, 납형(30)을 침지시키고, 끌어올려, 여분의 슬러리를 낙하시킨다. 그 후, 건조시킴으로써, 납형(30) 표면에 슬러리 막(제 1 건조막)을 얻는다.

이 슬러리 막이, 도 1에서, 납형(30)의 표면과 접하는 프라임층(101A)이 된다.

(제 2 성막 공정)

이어서, 이 프라임층(101A)을 갖는 납형(30)을 슬러리에 침지시킨 후, 끌어올리고, 여분의 슬러리를 낙하시켜, 슬러리층(2층째)(102)을 형성한다. 이 젖어 있는 슬러리층(2층째)(102)에 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 2 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 5 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 뿌려(스터코잉(stuccoing) 하여), 스터코재를 부착시킨 스터코층(1층째)(103)을 형성한다. 이 슬러리층(102)과 스터코층(1층째)(103)과의 적층체를 건조하여, 프라임층(제 1 건조막)(101) 상에 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(예컨대 6회 내지 10회) 반복하여, 슬러리층(n+1층)(102)과 스터코층(n층)(103)이 교대로 적층된 소정 두께의 복층 백업층(105A)을 갖는 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)를 얻는다.

이 건조 성형체를 예컨대 150℃의 오토클레이브(autoclave)에 넣고, 납형(30)을 구성하는 왁스를 융해하여 배출시킨다.

그 후, 이 형을 1000℃로 열처리하여, 정밀 주조용 주형을 얻는다.

이 얻어진 정밀 주조용 주형은, 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 2 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 5 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 이용하는 것에 의해, 얻어진 주형의 강도의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 프라임층(101B)에 있어서, 프라임 슬러리층(101a)에, 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 2 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 5 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착시켜 프라임 스터코층(101b)을 형성하고, 그 후 건조하여, 프라임층(101B)으로 하도록 해도 좋다.

또한, 이 프라임층(101B)과 같이, 스터코재를 부착시킨 경우에는, 복층 백업층(105B)의 슬러리층의 적층 회수와, 스터코층(103)의 적층 회수는 서로 동일한 수(n층)로 이루어지는 복층 백업층(105B)을 갖는 외측 주형이 되는 건조 성형체(106B)를 얻게 된다.

본 발명에서는, 플라워로서 지르콘 가루를 이용했지만, 지르콘 가루 이외에, 알루미나 가루를 이용하는 동시에, 스터코재로서 지르콘 스터코 입자 대신에 알루미나 스터코 입자를 이용해도, 동일한 정밀 주조용 주형을 얻을 수 있다.

또한, 플라워와 스터코재와의 관계는 한정되는 것이 아니며, 플라워로서 지르콘 가루, 알루미나 가루 중 어느 하나를 이용하는 동시에, 스터코재로서 지르콘 스터코 입자, 알루미나 스터코 입자 중 어느 하나를 이용하도록 하면 된다.

이 플라워의 입경은, 350 메쉬로 하고 있지만, 본 발명에서는 이에 한정되지 않으며, 예컨대 5㎛ 내지 80㎛ 정도의 입자, 평균 입경으로서는, 예컨대 50㎛ 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 정밀 주조용 주형을 이용한 주조 방법에 대해 설명한다.

도 3은 주조 방법의 공정의 일 예를 나타내는 흐름도이다. 이하, 도 3을 이용하여 주조 방법에 대해 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 4 내지 도 10을 이용하여, 단계(S1)의 공정에서 실행하는 본 실시형태의 주형 제조 방법에 대해 설명한다. 도 4는 주형 제조 방법의 공정의 일 예를 나타내는 흐름도이다. 여기서, 도 4에 나타내는 처리는 전자동으로 실행해도 좋고, 오퍼레이터가 각 공정을 실행하는 장치를 조작하여 실행해도 좋다.

주형 제조 방법은 코어(중자)를 제작한다(단계 S12). 코어는 주형으로 제작하는 주물의 내부의 공동에 대응하는 형상이다. 즉, 코어는 주물의 내부의 공동에 대응하는 부분에 배치됨으로써, 주조 시에 주물이 되는 금속이 흘러들어가는 것을 억제한다. 이하, 도 5를 이용하여 코어의 제조 공정에 대해 설명한다. 도 5는 코어의 제조 공정을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 주형 제조 방법은, 도 5에 나타내는 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 도시하고 있지만, 금형(12)은, 공간에 재료를 주입하는 개구나 공기를 빼는 구멍 이외는, 기본적으로 코어에 대응하는 영역의 전체 둘레를 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 내부에 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 제작하면, 금형(12)으로부터 코어(18)를 분리하고, 분리한 코어(18)를 소성로(20)에 설치하고, 소성시킨다. 이에 의해, 세라믹으로 형성된 코어(18)를 구워서 굳힌다(단계(S102)). 주형 주조 방법은 이상과 같이 하여 코어(18)를 제작한다. 또한, 코어(18)는 주물이 굳어진 후에 화학 처리 등의 탈코어 처리로 없앨 수 있는 재료로 형성된다.

주형 제조 방법은, 코어(18)를 제작하면, 외부 금형의 제작을 실행한다(단계(S14)). 외부 금형은 내주면이 주물의 외주면에 대응한 형상이 된다. 금형은 금속으로 형성해도 좋고, 세라믹으로 형성해도 좋다. 도 6은 금형의 일부를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 6에 나타내는 금형(22a)은, 내주면에 형성된 오목부가 주물의 외주면에 대응하고 있다. 또한, 도 6에서는 금형(22a)만을 도시했지만, 금형(22a)에 대응하여, 내주면에 형성된 오목부를 덮는 방향으로 금형(22a)에 대응하는 금형도 제작한다. 주형 제조 방법은, 2개의 금형을 맞춤으로써, 내주면이 주물의 외주면에 대응한 형이 된다.

주형 제조 방법은, 외부 금형을 제작하면, 납형(왁스형)의 제작을 실행한다(단계(S16)). 이하, 도 7을 이용하여 설명한다. 도 7은 납형의 제조 공정을 모식적으로 나타내는 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 씌우고, 코어(18)의 주위를 금형(22a, 22b)으로 둘러싸서, 코어(18)와 금형(22a, 22b)과의 사이에 공간(24)을 형성한다. 주형 제조 방법은, 화살표(26)로 나타내는 바와 같이, 공간(24)과 연결된 배관으로부터 공간(24)의 내부를 향하여 WAX(28)의 주입을 개시한다(단계(S112)). WAX(28)는, 소정의 온도 이상으로 가열되면 녹는, 융점이 비교적 저온인 물질, 예컨대 납이다. 주형 제조 방법은, 공간(24)의 전역에 WAX(28)를 충전시킨다(단계(S113)). 그 후, WAX(28)를 고화시킴으로써, 코어(18)의 주위를 WAX(28)가 둘러싼 납형(30)을 형성한다. 납형(30)은, 기본적으로 WAX(28)로 형성되는 부분이 제조할 목적의 주물과 동일한 형상이 된다. 그 후, 주물 제조 방법은, 납형(30)을 금형(22a, 22b)으로부터 분리하고, 탕구(32)를 장착한다(단계(S114)). 탕구(32)는, 주조 시에 녹은 금속인 용탕이 투입되는 입구이다. 주형 제조 방법은, 이상과 같이 하여, 내부에 코어(18)를 포함하며, 주물과 동일한 형상의 WAX(28)로 형성된 납형(30)을 제작한다.

주형 제조 방법은, 납형(30)을 제작하면, 슬러리 도포(디핑)를 실행한다(단계(S18)). 도 8은 납형에 슬러리를 도포하는 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 주형 제조 방법은, 도 8에 나타내는 바와 같이, 슬러리(40)가 저류된 저류부(41)에 납형(30)을 침지시키고, 취출한 후, 건조를 실행한다(단계(S19)). 이에 의해, 납형(30)의 표면에 프라임층(101A)을 형성할 수 있다.

여기서, 단계(S18)에서 도포하는 슬러리는 납형(30)에 직접 도포되는 슬러리이다. 이 슬러리(40)는 실리카 졸을 이용한다. 이 슬러리(40)에는, 플라워로서 350 메쉬 정도의 내화성의 미립자, 예컨대 지르코니아를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 분산제로서 폴리카르복시산염을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 슬러리(40)에는, 소포제(실리콘계의 물질)나, 습윤성 개선제를 미량, 예컨대 0.01% 첨가하는 것이 바람직하다. 습윤성 개선제를 첨가함으로써, 슬러리(40)의 납형(30)에의 부착성을 향상시킬 수 있다.

주형 제조 방법은, 도 8에 나타내는 바와 같이, 슬러리(40)로 슬러리 도포를 실행하고, 건조하여 프라임층(제 1 건조막)(101A)을 갖는 납형(30)을, 추가로 슬러리 도포(디핑)를 실행한다(단계(S20)). 도 9에 나타내는 바와 같이, 이 젖어 있는 슬러리의 표면에 스터코재(54)로서, 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 2 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 5 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 뿌리는 스터코잉을 실행한다(단계(S21)). 그 후, 슬러리층의 표면에 스터코재가 부착된 것을 건조하여, 프라임층(제 1 건조막)(101A) 상에 제 1 백업층(제 2 건조막)(104-1)을 형성했다(단계(S22)).

이 제 1 백업층(제 2 건조막)(104-1)의 형성 공정과 동일한 조작을 복수회(예컨대 n : 6회 내지 10회) 반복하는 판단을 실행한다(단계(S23)). 소정 회수(n)의 제 n 백업층(104-n)을 적층시켜(단계(S23) : 예(Yes)), 복층 백업층(105A)이 형성된 두께가 예컨대 10㎜의 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)를 얻는다.

주형 제조 방법은, 프라임층(101A)과 복층 백업층(105A)의 복수층이 형성된 건조 성형체(106A)를 얻으면, 해당 건조 성형체(106A)에 대해 열처리를 실행한다(단계(S24)). 구체적으로는, 외측 주형과 코어와의 사이에 있는 WAX를 제거하고, 추가로 외측 주형과 코어를 소성시킨다. 이하, 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은 주형 제조 방법의 일부 공정을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 주형 제조 방법은, 단계(S130)에 나타내는 바와 같이, 프라임층(101A)과 복층 백업층(105A)의 복수층이 형성된 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)를 오토클레이브(60)의 내부에 넣고, 가열한다. 오토클레이브(60)는 내부를 가압 증기로 채움으로써 건조 성형체(106A) 내의 납형(30)을 가열한다. 이에 의해, 납형(30)을 구성하는 WAX가 녹아, 용해 WAX(62)가 건조 성형체(106A)로 둘러싸인 공간(64)으로부터 배출된다.

주형 제조 방법은, 녹은 WAX(62)를 공간(64)으로부터 배출함으로써, 단계(S131)에 나타내는 바와 같이, 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)와 코어(18)와의 사이의 WAX가 충전되어 있던 영역에 공간(64)이 형성된 주형(72)이 제작된다. 그 후, 주형 제조 방법은, 단계(S132)에 나타내는 바와 같이, 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)와 코어(18)와의 사이에 공간(64)이 형성된 주형(72)을 소성로(70)에서 가열한다. 이에 의해, 주형(72)은, 외측 주형이 되는 건조 성형체(106A)에 포함되는 물성분이나 불필요한 성분이 제거되고, 또한, 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 나타내는 설명도이다. 주조 방법은, 단계(S1)에서 주형을 제작하면, 주형의 예열을 실행한다(단계(S2)). 예컨대, 주형을 노(진공 로, 소성로) 내에 배치하고, 800℃ 이상 900℃ 이하까지 가열한다. 예열을 실행함으로써, 주물의 제조 시에 주형에 용탕(녹은 금속)을 주입했을 때에 주형이 손상되는 것을 억제할 수 있다.

주조 방법은, 주형을 예열하면, 주탕을 실행한다(단계(S3)). 즉, 도 11의 단계(S140)에 나타내는 바와 같이, 용탕(80), 즉 용해한 주물의 원료(예컨대 강철)를 주형(72)의 개구로부터 외측 주형(61)과 코어(18)와의 사이에 주입한다.

주조 방법은, 주형(72)에 부은 용탕(80)을 고화시키면, 외측 주형(61)을 제거한다(단계(S4)). 즉, 도 11의 단계(S141)에 나타내는 바와 같이, 주형(72)의 내부에서 용탕(80)이 굳어져 주물(90)이 되면, 외측 주형(61)을 분쇄하고, 파편(61a)으로서 주물(90)로부터 제거한다.

주조 방법은, 외측 주형(61)을 주물(90)로부터 제거하면, 탈코어 처리를 실행한다(단계(S5)). 즉, 도 11의 단계(S142)에 나타내는 바와 같이, 오토클레이브(92)의 내부에 주물(90)을 넣고 탈코어 처리를 실행함으로써, 주물(90)의 내부의 코어(18)를 용해하고, 용해한 용해 코어(94)를 주물(90)의 내부로부터 배출한다. 구체적으로는 오토클레이브(92)의 내부에서 주물(90)을 알칼리 용액에 투입하고, 가압, 감압을 반복함으로써, 주물(90)로부터 용해 코어(94)를 배출한다.

주조 방법은, 탈코어 처리를 실행하면, 마무리 처리를 실행한다(단계(S6)). 즉, 주물(90)의 표면이나 내부에 마무리 처리를 실행한다. 또한, 주조 방법에서는 마무리 처리와 함께 주물의 검품을 실행한다. 이에 의해, 도 11의 단계(S143)에 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 알루미나 초미립자를 이용하여 내주면이 되는 프라임층(최초층인 제 1 건조막)(101A)을 형성하고, 이 프라임층(101A)의 외부에, 슬러리층과 미립, 중립 및 조립의 소정 배합의 스터코 입자를 이용한 스터코층으로 이루어지는 복수층의 백업층(105A)을 형성한 다층 구조로 하고 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 프라임층으로서, 스터코재로서 미립, 중립 및 조립의 소정 배합의 스터코 입자를 첨가한 슬러리층과 스터코층으로 이루어지는 프라임층(101B)으로 해도 좋다(도 2 참조).

(실시예 1)

이하, 실시예를 이용하여, 본 실시형태의 주형 제조 방법 및 주조 방법에 대해 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 실리카 졸(SiO₂, 입경 20㎚, 고형분 30%)의 슬러리에 350 메쉬의 지르콘 가루를 첨가하여, 정밀 주조용 주형 슬러리로 했다.

또한, 동시에, 소포제로서 실리콘계의 것을 0.01%, 습윤성 개선제를 0.01% 첨가하여, 사용 슬러리로 했다.

폭 30㎜, 두께 8㎜, 길이 300㎜의 왁스체를 준비하고, 얻어진 사용 슬러리에 왁스체를 침지하고, 끌어올려 왁스 표면에 사용 슬러리를 부착시킨 후, 여분의 사용 슬러리를 낙하시켜, 건조하는 것에 의해 왁스체의 표면에 슬러리의 프라임층(제 1 건조막)을 얻었다.

다음으로, 제 2 건조막을 얻기 위해, 프라임층을 갖는 왁스체를 사용 슬러리에 침지한 후, 끌어올려 여분 사용 슬러리를 낙하시켰다.

젖어 있는 슬러리에, 알루미나 입자로 이루어지며, 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 5로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 15의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착시킨 후 건조하여, 제 2 건조막(제 1 백업층)을 형성했다.

이 제 2 건조막(제 1 백업층)의 형성과 동등한 조작을 6회 반복하여 복층의 백업층을 갖는, 두께 약 10㎜의 성형체를 얻었다.

이 얻어진 건조 성형체를 150℃의 오토클레이브에 넣고, 왁스를 융해하여, 배출했다.

이어서, 이 형을 1000℃로 열처리하여, 실시예 1의 주형을 얻었다.

(실시예 2)

실시예 1에 있어서, 스터코재로서, 스피넬 입자로 이루어지며, 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 6으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 18의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 이용한 이외는, 실시예 1과 동일하게 조작하여, 실시예 2의 주형을 얻었다.

(실시예 3)

실시예 1에 있어서, 슬러리로서 지르코니아 슬러리(YSZ)를 이용하고, 플라워로서 350 메쉬의 지르콘 가루를 첨가하여, 정밀 주조용 주형 슬러리로 했다.

스터코재로서, 물라이트 입자로 이루어지며, 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 4로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 12의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 이용한 이외는, 실시예 1과 동일하게 조작하여, 실시예 3의 주형을 얻었다.

[비교예]

비교를 위해, 스터코 입자로서, 평균 입경이 0.8㎜인 지르콘 입자를 사용한 슬러리를 이용하여 실시예와 동일한 조작을 실행해서 비교예의 주형도 동시에 시험 제작했다.

[시험]

얻어진 실시예 1의 주형 및 비교예의 주형으로부터, 10㎜×50㎜, 두께 5㎜의 강도 시험편을 가공하여 시험을 실행했다.

시험의 결과, 실시예 1의 것은 150㎫에서의 파단이었다.

시험의 결과, 실시예 2의 것은 170㎫에서의 파단이었다.

시험의 결과, 실시예 3의 것은 150㎫에서의 파단이었다.

이에 대해, 종래의 것은 100㎫에서의 파단이었다.

여기서, 강도 시험은 JIS　R　1601에 의한 "세라믹스의 굽힘 강도(1981)" 에 준거하여 실행했다.

그 결과, 실시예 1의 것은 50%의 강도 향상, 실시예 2의 것은 70%의 강도 향상, 실시예 3의 것은 40%의 강도 향상되는 것이 확인되었다.

스터코재로서, 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 2 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 5 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 이용하는 것에 의해, 얻어진 주형의 강도의 향상을 도모할 수 있다.

이와 같이, 스터코재의 입도 분포를 제어하는 것에 의해, 높은 강도의 주형의 제조가 가능해진다. 이러한 주형 강도의 향상에 의해, 주형을 박육화할 수 있으며, 그 결과, 응고시 온도 구배를 높일 수 있어서, 주물 수율 향상 및 강도 특성 향상을 도모할 수 있다.

또한, 강도가 높아지는 결과, 주형 형성의 층수(왁스형의 표면에의 슬러리를 부착과 건조의 반복 조작)를 줄이는 일도 가능해져, 주형 제조 기간의 단축 및 제조 비용 저감을 도모할 수 있다.

12, 22a, 22b : 금형 12a : 볼록부
14, 26 : 화살표 16 : 세라믹 슬러리
18 : 코어(중자) 20, 70 : 소성로
24, 64 : 공간 28 : WAX(납)
30 : 납형 32 : 탕구
40 : 슬러리 60, 92 : 오토클레이브
61 : 외측 주형 61a : 파편
62 : 용융 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

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 형성되며, 정밀 주조용 주형 슬러리를 이용해서 건조하여 구성되는 슬러리 막으로 이루어지는 프라임층과,
상기 프라임층의 외측에 형성되며, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층과, 상기 슬러리층에 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착한 스터코층에 의해 형성하며, 건조하여 이루어지는 백업층을, 복수회 형성하여 구성되는 복층 백업층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
정밀 주조용 주형.
제 1 항에 있어서
상기 프라임층은, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층에, 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착한 스터코층을 갖는 것을 특징으로 하는
정밀 주조용 주형.
주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형의 제조 방법에 있어서,
정밀 주조용 납형을 정밀 주조용 주형 슬러리에 침지하고, 끌어올린 후 건조하여, 납형의 표면에 슬러리 막으로 이루어지는 프라임층을 형성하는 제 1 성막 공정과,
상기 프라임층을 형성한 납형을 상기 정밀 주조용 주형 슬러리에 침지하고, 끌어올린 후, 슬러리 표면에 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 뿌리고, 그 후 건조하여 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.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 성막 공정 시, 상기 정밀 주조용 주형 슬러리로 이루어지는 슬러리층에, 스터코재로서 중량비에 관한 입도 분포 배합을, 50㎛ 내지 500㎛의 미립의 배합을 1로 하고, 0.5㎜ 내지 2㎜의 중립의 배합을 1 내지 16으로 하고, 2㎜ 내지 4㎜의 조립의 배합을 1 내지 40의 범위로 하여 이루어지는 스터코 입자를 부착해서 스터코층을 형성하고, 그 후 건조하는 것을 특징으로 하는
정밀 주조용 주형의 제조 방법.