KR101761048B1 - 정밀 주조용 중자 및 그 제조 방법, 정밀 주조용 주형 - Google Patents

정밀 주조용 중자 및 그 제조 방법, 정밀 주조용 주형 Download PDF

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Abstract

실리카질 입자를 주성분으로 하는 소결된 정밀 주조용 중자 본체(18a)의 표면에, 실리콘 알콕사이드 단독 또는 실리콘 알콕사이드와 알루미늄 알콕사이드의 혼합 알콕사이드의 피복층(19a)을 형성하므로, 표면에 형성된 구멍(18c)을 봉공한다. 이 결과, 주입 시에 중자가 파괴되는 것을 방지할 수 있다.

Description

정밀 주조용 중자 및 그 제조 방법, 정밀 주조용 주형{CORE FOR PRECISION CASTING, PRODUCTION METHOD THEREFOR, AND MOLD FOR PRECISION CASTING}
본 발명은 정밀 주조용 중자 및 그 제조 방법, 정밀 주조용 주형에 관한 것이다.
정밀 주조품으로서, 예를 들면 가스 터빈에 이용되는 동익(動翼)이 있다. 가스 터빈은 작동 유체를 연소기에서 연소시켜서 고온 고압의 작동 유체로 하여, 이 작동 유체에 의해 터빈을 회전시키도록 하고 있다. 즉, 압축기에서 압축된 작동 유체를 연소기에서 연소시켜서 에너지를 높이고, 그 에너지를 터빈에서 회수하여 회전력을 발생시켜서, 그것에 의해 발전을 실행하도록 하고 있다. 터빈부에는, 터빈 로터가 마련되고, 상기 터빈 로터의 외주에는, 가스 터빈 동익이 적어도 1개 이상 마련되어 있다.
여기서, 가스 터빈 동익은 고온에 노출된다. 그 대책으로서, 가스 터빈 동익에는 냉각용의 냉각 매체를 흐르게 하는 것이 실행되고 있다. 이 때문에, 가스 터빈 동익에는 내부 냉각 구조가 마련되어 있다. 그리고, 이러한 내부 냉각 구조를 구성하기 위해서, 냉각 매체의 유통로와 동일한 형상을 한 중자(中子)(코어)를 배치하고, 주조 후 그 중자를 없애도록 하고 있다. 이 중자의 제거는, 알칼리(예를 들면 NaOH 또는 KOH 등)의 용액 중에서 중자를 용해·제거함으로써, 예를 들면 터빈 동익의 내부 냉각 구조가 형성된다.
중자로서는, 종래 세라믹스 입자를 이용한 세라믹스 중자가 이용되고 있다(특허문헌 1).
여기서, 정밀 주조용 중자는 용융 실리카(SiO2) 등의 실리카질 재료를 사출 성형 또는 슬립 캐스트 등의 방법에 의해 성형한 후, 열처리하여 얻을 수 있다.
사출 성형법은, 세라믹스의 분말과 왁스를 혼련한 후, 왁스를 가열 용융시킨 재료를 금형 내에 사출 주입하고, 냉각·고체화시키는 것에 의해서, 성형품을 얻는 방법이다.
또한, 슬립 캐스트 성형은, 세라믹스의 분말을 물 등에 혼합하여 슬러리(slurry)를 만들어서, 이것을 석고제 등의 용액을 흡수하는 재질로 된 성형형에 주입 건조하여 성형하는 방법이다.
일본 특허 공개 제 평6-340467 호 공보
그런데, 현재 형상의 중자는, 알칼리 용해성을 주안으로 제조되어 있기 때문에, 고온 강도가 낮다는 등의 과제가 있다. 또한, 사출 성형법에 있어서, 그 성형 후, 소결된 중자에는 그 표면에 다수의 구멍이 있기 때문에 강도가 낮고, 게다가, 이 구멍이 기점이 되어서, 주입 시에 중자가 파괴될 가능성이 염려된다고 하는 문제가 있다.
따라서, 고온 강도가 향상된 정밀 주조용 중자의 출현이 절망되고 있다.
본 발명은 상기에 비추어 이루어진 것이며, 고온 강도가 향상된 정밀 주조용 중자 및 그 제조 방법, 정밀 주조용 주형을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 발명은, 실리카질 입자를 주성분으로 하는 소결된 정밀 주조용 중자 본체의 표면에, 알콕사이드(alkoxide) 재료로 이루어지는 알콕사이드 피복층을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 중자에 있다.
제 2 발명은, 실리카질 입자를 주성분으로 하는 소결된 정밀 주조용 중자 본체의 표면에, 알콕사이드 재료와 실리카 퓸(silica fume)으로 이루어지는 알콕사이드-실리카 퓸 피복층을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 중자에 있다.
제 3 발명은, 제 1 또는 제 2 발명에 있어서, 알콕사이드 재료가 실리콘 알콕사이드 단독 또는 실리콘 알콕사이드와 알루미늄 알콕사이드의 혼합 알콕사이드인 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 중자에 있다.
제 4 발명은, 주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형으로서, 상기 주물의 내부의 공동 부분에 대응하는 형상의 제 1 또는 제 2 발명의 정밀 주조용 중자와, 상기 주물의 외주면의 형상에 대응하는 외측 주형을 갖는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 주형에 있다.
제 5 발명은, 실리카질 입자를 주성분으로 하는 정밀 주조용 중자 본체의 소결 처리체를, 알콕사이드 재료에 침지시키고, 그 다음에 건조시키고, 그 후 열처리를 하여, 정밀 주조용 중자 본체의 표면에 피복층을 형성하는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 중자의 제조 방법에 있다.
제 6 발명은, 실리카질 입자를 주성분으로 하는 정밀 주조용 중자 본체의 소결 처리체를, 알콕사이드 재료와 실리카 퓸의 알콕사이드-실리카 퓸 재료에 침지시키고, 그 다음에 건조시키고, 그 후 열처리를 하여, 정밀 주조용 중자 본체의 표면에 피복층을 형성하는 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 중자의 제조 방법에 있다.
제 7 발명은, 제 5 또는 제 6 발명에 있어서, 알콕사이드 재료가 실리콘 알콕사이드 단독 또는 실리콘 알콕사이드와 알루미늄 알콕사이드의 혼합 알콕사이드인 것을 특징으로 하는 정밀 주조용 중자의 제조 방법에 있다.
본 발명은 소결된 정밀 주조용 중자 본체의 표면에, 알콕사이드 재료로 이루어지는 피복층을 형성함으로써, 소결 시에 발생한 표면의 구멍을 봉공(封孔)시키므로, 중자의 강도가 향상하는 동시에 구멍이 봉지되므로, 주입 시에 중자가 파괴되는 것을 방지할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.
도 1은 정밀 주조용 중자의 단면 구성도,
도 2는 주조 방법의 공정의 일례를 나타내는 흐름도,
도 3은 주형 제조 방법의 공정의 일례를 나타내는 흐름도,
도 4는 중자의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 5는 금형의 일부를 모식적으로 도시하는 사시도,
도 6은 납형의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 7은 납형에 슬러리를 도포하는 구성을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 8은 외측 주형의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 9는 주형 제조 방법의 일부 공정을 모식적으로 도시하는 설명도,
도 10은 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 균등한 범위의 것이 포함된다.
(제 1 실시형태)
도 1은 정밀 주조용 중자의 단면 구성도이다.
본 발명에 따른 정밀 주조용 중자는, 실리카질 입자를 주성분으로 하는 소결된 정밀 주조용 중자 본체(이하 「중자 본체」라고 함)의 표면에, 입경이 다른 2종류의 실리카질 재료의 피복층을 형성하여 이루어지는 것이다.
도 1에 도시되는 소결체의 중자 본체의 단면도의 상단에 도시되는 바와 같이, 중자 본체(18a)의 표면(18b)에는, 소결 시에 다수의 구멍(18c)이 발생한다.
본 발명에서는, 도 1의 하단에 도시되는 바와 같이, 이 표면에 형성된 구멍(18c)을 피복층(19a)으로 피복함으로써, 구멍(18c)을 봉공하도록 하고 있다.
여기서, 중자 본체(18a)는 실리카질 입자를 주성분으로 하고 있고, 예를 들면 실리카 모래, 실리카 플라워(silica flour) 등의 용융 실리카(SiO2)로 형성되어 있다.
이 중자 본체(18a)는, 공지의 방법으로 제조되어, 실리카질 입자로서 예를 들면 실리카 플라워[예를 들면 800 메쉬(10㎛ 내지 20㎛)]와, 실리카 모래[예를 들면 220 메쉬(20㎛ 내지 70㎛)]를 이용하여 1：1의 중량 비율로 혼합한 것에, 왁스를 더하고, 가열 혼련하여 컴파운드(compound)를 얻는다.
이러한 얻어진 컴파운드를 사출 성형에 의해 성형하여 중자용 성형체를 얻는다.
그 후, 예를 들면 600℃까지의 탈지(脫脂) 처리를 실행하고, 그 다음에 예를 들면 1,200℃에 있어서의 소결 처리를 실행하여 중자 본체(18a)를 얻는다.
본 발명에서는, 이러한 얻어진 소결체의 중자 본체(18a)의 표면에, 피복층(19a)을 형성한다.
피복층(19a)은 알콕사이드 재료를 이용하고 있다.
여기서, 알콕사이드 재료는 실리콘 알콕사이드 단독 또는 실리콘 알콕사이드와 알루미늄 알콕사이드의 혼합 알콕사이드로 하고 있다.
실리콘 알콕사이드로서, 실리콘 에톡시드(silicon ethoxide) 또는 실리콘 부톡시드(silicon butoxide)를 이용하고, 용매로서 에탄올 또는 부탄올을 이용하고 있다.
또한, 알콕사이드를 2종류 혼합하는 경우에는, 실리콘 알콕사이드와 알루미늄 알콕사이드의 혼합 알콕사이드 재료로 하고, 그 용매로서는, 예를 들면 부탄올 등의 알코올계 용매를 이용하고 있다.
혼합 알콕사이드를 조제하는 경우, 실리콘 에톡시드와 알루미늄 이소프로폭시드(aluminum isopropoxide)의 혼합 알콕사이드를 부탄올에 용해한 액체를 조제한다.
여기서, 혼합 알콕사이드(실리콘 에톡시드＋알루미늄 이소프로폭시드)는 몰 비=2：3이 되도록 조제하여 유기체의 혼합 알콕사이드를 조제한다.
조제한 알콕사이드 단체 또는 혼합 알콕사이드에 중자 시험체를 침지시킨 후 인상(引上)하여, 중자 본체(18a)의 표면(18b)에 실리콘층 또는 실리콘 알루미늄 알콕사이드의 층을 형성하는 동시에, 중자 표면의 구멍(18c)에도 실리콘 성분 또는 실리콘 알루미늄 알콕사이드의 성분이 석출된다.
이러한 침지 시, 알코올 용액에 알콕사이드 단체 또는 혼합 알콕사이드가 용해되어 있으므로, 중자 본체에의 침투가 양호해져, 양호한 피복층(19a)이 형성되게 된다.
그 후 건조시키고, 그 다음에 예를 들면 1,000℃에서 열처리를 실행한다. 이 열처리는 표면에 피복층(19a)이 형성된다면, 예를 들면 1,000℃ 이하여도 좋다.
이 열처리에 있어서, 혼합 알콕사이드의 경우에는, 실리콘 알루미늄 알콕사이드의 층은, 반응에 의해 고 융점의 무기체의 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)로 변화한다. 이 멀라이트화된 피복층(19a)에 의해 중자 본체(18a)가 덮인 중자(18)를 얻을 수 있다.
여기서, 멀라이트의 융점은 1,900℃이며, 실리카의 융점(1,600℃)보다 꽤 높으므로, 높은 주입 온도에의 대응이 가능해진다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 표면에 다수 형성된 구멍이 봉공되므로, 종래와 같은 이 구멍이 기점이 되어, 주입 시에 중자가 파괴되는 것이 방지된다. 따라서, 정밀 주조용의 중자의 고온 강도가 향상하게 된다.
＜시험예 1＞
이하, 본 발명의 효과를 확인하는 시험예에 대해서 설명한다.
본 시험예에서는, 먼저 실리카 플라워(800 메쉬)와, 실리카 모래(220 메쉬)를 1：1의 중량 비율로 혼합한 것에 왁스를 더하고, 가열 혼련하여 컴파운드를 얻는다. 여기서, 실리카 플라워는 타츠모리사제 「MCF-200C」(상품명)를, 실리카 모래는 타츠모리사제 「RD-120」(상품명), 왁스는 파라멜트사제, 「Cerita Wax F30-75」(상품명)를 각각 이용하였다.
이 얻어진 컴파운드를 사출 성형에 의해 성형체를 얻는다.
평가 시험체로서 폭 30×길이 200×두께 5㎜를 얻었다.
다음에, 600℃까지의 탈지 처리 및 1,200℃에 있어서의 소결 처리를 실행하여 중자 본체용의 시험체를 얻었다.
(피복층 1)
다음에, 실리콘 에톡시드를 에탄올에 용해한 액체를 조제한다. 이 얻어진 실리콘 에톡시드에, 중자 본체용의 시험체를 침지시킨 후 인상하여, 표면에 알콕사이드의 피복층(19a)을 형성하였다. 그 다음에 건조 후, 1,000℃에서 열처리를 실행하여, 중자 본체 표면(18b)에 실리콘 에톡시드로 이루어지는 무기체의 실리카의 피복층(19a)을 형성하였다(시험체 1).
(피복층 2)
다음에, 실리콘 에톡시드와 알루미늄 이소프로폭시드의 혼합 알콕사이드를, 부탄올에 용해한 액체를 조제한다. 여기서, 혼합 알콕사이드(실리콘 에톡시드＋알루미늄 이소프로폭시드)는 몰 비=2：3이 되도록 조제하여, 유기체의 혼합 알콕사이드를 조제한다.
이 얻어진 혼합 알콕사이드에 중자 본체용의 시험체를 침지시킨 후 인상하여, 표면에 혼합 알콕사이드의 피복층(19a)을 형성하였다. 그 다음에 건조 후, 1,000℃에서 열처리를 실행하여, 중자 본체 표면(18b)에 실리콘 에톡시드와 알루미늄 이소프로폭시드의 혼합 알콕사이드가 반응해서 이루어지는 멀라이트로 이루어지는 피복층(19a)을 형성하였다(시험체 2).
비교예로서, 피복층을 형성하지 않은 것을 비교 시험체로 하였다.
이러한 평가 시험체의 강도를 측정하였다.
여기서, 강도 시험은, JIS R 1601에 의한 「세라믹스의 굽힘 강도(1981)」에 준거하여 시행하였다.
종래법의 피복층이 형성되지 않은 비교 시험체의 강도는 20㎫인 것에 대해서, 본 발명법에 따른 중자 본체용의 피복층 1의 실리카 피복층의 시험체 1의 강도는 22㎫였다. 이 결과, 본 발명의 중자 본체용의 시험체는 10%의 강도 향상이 인정되었다.
또한, 본 발명법에 따른 중자 본체용의 피복층 2의 실리카 피복층의 시험체 2의 강도는 24㎫였다. 이 결과, 본 발명의 중자 본체용의 시험체는 20%의 강도 향상이 인정되었다.
본 발명의 시험체 2에 의하면, 멀라이트화에 의해 중자의 고온 내구성이 향상하므로, 예를 들면 일방향 응고 익(翼) 제조에 있어서의 고온(예를 들면 1,550℃)에서 장시간 보지했을 경우에서도 변형이 생기지 않는 주형을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 정밀 주조용 중자를 배치한 주형을 이용한 주조 방법에 대해 설명한다.
도 2는 주조 방법의 공정의 일례를 나타내는 흐름도이다. 이하, 도 2를 이용하여 주조 방법에 대해 설명한다. 여기서, 도 2에 나타내는 처리는, 전자동으로 실행해도 좋고, 오퍼레이터가 각 공정을 실행하는 장치를 조작하여 실행해도 좋다. 본 실시형태의 주조 방법은, 주형을 제작한다(단계 S1). 주형은 미리 제작해 두어도 좋고, 주조를 실행할 때마다 제작해도 좋다.
이하, 도 3 내지 도 9를 이용하여, 단계 S1의 공정에서 실행하는 본 실시형태의 주형 제조 방법에 대해 설명한다. 도 3은 주형 제조 방법의 공정의 일례를 나타내는 흐름도이다. 여기서, 도 3에 나타내는 처리는, 전자동으로 실행해도 좋고, 오퍼레이터가 각 공정을 실행하는 장치를 조작하여 실행해도 좋다.
주형 제조 방법은 중자(코어)를 제작한다(단계 S12). 중자는 주형으로 제작하는 주물의 내부의 공동에 대응하는 형상이다. 즉, 중자는 주물의 내부의 공동에 대응하는 부분에 배치됨으로써, 주조 시에 주물이 되는 금속이 유입되는 것을 억제한다. 이하, 도 4를 이용하여 중자의 제조 공정에 대해 설명한다.
도 4는 중자의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 주형 제조 방법은, 도 4에 도시되는 바와 같이 금형(12)을 준비한다(단계 S101). 금형(12)은, 중자에 대응하는 영역이 공동으로 되어 있다. 중자의 공동이 되는 부분이 볼록부(12a)가 된다. 또한, 도 4에서는, 금형(12)의 단면으로 도시되어 있지만, 금형(12)은, 공간에 재료를 주입하는 개구나 공기를 빼는 구멍 이외는, 기본적으로 중자에 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 중자(18)를 제작한다. 주형 제조 방법은, 금형(12)의 내부에 중자(18)를 제작하고 나서, 금형(12)으로부터 중자(18)를 분리하고, 분리한 중자(18)를 소성로(20)에 설치하여, 소성시킨다. 이것에 의해, 세라믹스로 형성된 중자(18)를 소결한다(단계 S102). 여기서, 세라믹 슬러리(16) 재료로서는, 「알콕사이드 재료」를 이용하였다.
그 다음에, 중자(18)의 표면에 피복층을 형성하기 위해서, 슬러리(19)가 저장된 저장부(17)에 소결한 중자(18)를 침지시켜서 취출한 후, 건조를 실행한다(단계 S103). 그 다음에 침지한 중자(18)를 취출하여, 소성로(20)에 설치하여, 소성시킨다. 이에 의해, 세라믹스로 형성된 중자(18)의 표면에 피복층(19a)을 형성한다(단계 S104).
주형 주조 방법은 이상과 같이 하여 피복층(19a)이 형성된 중자(18)를 제작한다. 또한, 중자(18)는 주물이 굳어진 후에 화학 처리 등의 탈중자 처리로 제거되는 재료로 형성된다.
주형 제조 방법은, 중자(18)를 제작하고 나서, 외부 금형의 제작을 실시한다(단계 S14). 외부 금형은 내주면이 주물의 외주면에 대응한 형상이 된다. 금형은 금속으로 형성해도 좋고, 세라믹스로 형성해도 좋다. 도 5는 금형의 일부를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 도 5에 도시되는 금형(22a)은 내주면에 형성된 오목부가 주물의 외주면에 대응하고 있다. 또한, 도 5에서는, 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 실행한다(단계 S16). 이하, 도 6을 이용하여 설명한다. 도 6은 납형의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 주형 제조 방법은 금형(22a)의 소정 위치에 중자(18)를 설치한다(단계 S110). 그 후, 금형(22a)에 대응하는 금형(22b)을 금형(22a)의 오목부가 형성되어 있는 면에 덮어씌워서, 중자(18)의 주위를 금형(22a, 22b)으로 둘러싸고, 중자(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, 중자(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 중자(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 7은 납형에 슬러리를 도포하는 구성을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 도 8은 외측 주형의 제조 공정을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 주형 제조 방법은 도 7에 도시되는 바와 같이, 슬러리(40)가 저장된 저장부(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 초미립자가 단일 분산된 슬러리를 이용한다. 이 슬러리(40)에는, 플라워로서 350 메쉬 정도의 내화성의 미립자, 예를 들면, 지르코니아를 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 7에 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). 그 다음에, 도 8에 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 중자 사이에 있는 WAX를 제거하여, 다시 외측 주형과 중자를 소성시킨다. 이하, 도 9를 이용하여 설명한다. 도 9는 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, 용융 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 중자(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 중자(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 2와 도 10을 이용하여 주조 방법의 설명을 계속한다. 도 10은 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 10의 단계 S140에 도시되는 바와 같이, 용탕(80), 즉 용해한 주물의 원료(예를 들면, 강철)를 주형(72)의 개구로부터 외측 주형(61)과 중자(18) 사이에 주입한다.
주조 방법은 주형(72)에 따른 용탕(80)을 고체화시키고 나서, 외측 주형(61)을 제거한다(단계 S4). 즉, 도 10의 단계 S141에 도시되는 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, 탈중자 처리를 실행한다(단계 S5). 즉, 도 10의 단계 S142에 도시되는 바와 같이, 오토클레이브(92)의 내부에 주물(90)을 넣어서 탈중자 처리를 실행하는 것에 의해, 주물(90)의 내부의 중자(18)를 용해하고, 용해된 용해 중자(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 중자(94)를 배출한다.
주조 방법은 탈중자 처리를 실행하고 나서, 마무리 처리를 실행한다(단계 S6). 즉, 주물(90)의 표면이나 내부에 마무리 처리를 실행한다. 또한, 주조 방법에서는, 마무리 처리와 함께 주물의 검품을 실행한다. 이것에 의해, 도 10의 단계 S143에 도시되는 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 복수 층의 백업층(105A)을 형성한 다층 구조로 하고 있다.
본 실시형태의 주조 방법 시, 중자의 표면에 피복층이 형성되어 있으므로, 치수 정도가 향상하고, 주입 온도가 고온이어도 내구성이 향상한다.
또한, 주입 프로세스 시간이 장시간이 되었을 경우에서도, 고강도의 중자이므로, 주입 설계의 자유도(예를 들면 인하 속도를 낮게 설정하는 것 등)가 향상한다.
게다가, 제품의 박육화를 도모하여, 열효율이 양호한 터빈 동익 등의 정밀 주조품을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 정밀 주조품으로서는, 가스 터빈 동익 이외에 예를 들면 가스 터빈 정익, 가스 터빈 연소기, 가스 터빈 분할 링 등을 들 수 있다.
(제 2 실시형태)
본 실시형태에서는, 제 1 실시형태의 정밀 주조용 중자의 구성과 동일하므로, 제 1 실시형태에서 설명한 도면(도 1 및 도 2)을 참조하여 설명한다.
도 1은 정밀 주조용 중자의 단면 구성도이다.
본 발명에 따른 정밀 주조용 중자는, 실리카질 입자를 주성분으로 하는 소결된 정밀 주조용 중자 본체(이하 「중자 본체」라고 함)의 표면에, 입경이 다른 2종류의 실리카질 재료의 피복층을 형성하여 이루어지는 것이다.
도 1에 도시되는 소결체의 중자 본체의 단면도의 상단에 도시하는 바와 같이, 중자 본체(18a)의 표면(18b)에는, 소결 시에 다수의 구멍(18c)이 발생한다.
본 발명에서는, 도 1의 하단에 도시되는 바와 같이, 이 표면에 형성된 구멍(18c)을 피복층(19a)으로 피복함으로써, 구멍(18c)을 봉공하도록 하고 있다.
여기서, 중자 본체(18a)는 실리카질 입자를 주성분으로 하고 있고, 예를 들면 실리카 모래, 실리카 플라워 등의 용융 실리카(SiO2)로 형성되어 있다.
이 중자 본체는, 공지의 방법으로 제조되고, 실리카질 입자로서 예를 들면 실리카 플라워[예를 들면 800 메쉬(10㎛ 내지 20㎛)]와, 실리카 모래[예를 들면 220 메쉬(20㎛ 내지 70㎛)]를 이용하여 1：1의 중량 비율로 혼합한 것에, 왁스를 더하고, 가열 혼련하여 컴파운드를 얻는다.
이러한 얻어진 컴파운드를 사출 성형에 의해 성형하여 중자용 성형체를 얻는다.
그 후, 예를 들면 600℃까지의 탈지 처리를 실행하고, 그 다음에 예를 들면 1,200℃에 있어서의 소결 처리를 실행하여 중자 본체(18a)를 얻는다.
본 발명에서는, 이러한 얻어진 소결체의 중자 본체(18a)의 표면에, 피복층(19a)을 형성한다.
피복층(19a)은 알콕사이드 재료와 실리카 퓸으로 이루어지는 알콕사이드-실리카 퓸 재료로 하고 있다.
여기서, 알콕사이드 재료는 실리콘 알콕사이드 단독 또는 실리콘 알콕사이드와 알루미늄 알콕사이드의 혼합 알콕사이드이다.
무기 재료의 실리카 퓸은 예를 들면 입경 0.15㎛, 구 형상체를 이용하고 있다.
여기서, 실리카 퓸은 입경 0.05㎛ 내지 0.5㎛로 하는 것이 바람직하다.
실리카 퓸의 분산 비율로서는, 5중량% 내지 40중량%, 매우 적합하게는 20중량% 전후로 하고 있다.
실리콘 알콕사이드로서, 실리콘 에톡시드 또는 실리콘 부톡시드를 이용하고, 용매로서 에탄올 또는 부탄올을 이용하고 있다.
또한, 알콕사이드를 2종류 혼합하는 경우에는, 실리콘 알콕사이드와 알루미늄 알콕사이드의 혼합 알콕사이드 재료로 하고, 그 용매로서는, 예를 들면 부탄올 등의 알코올계 용매를 이용하고 있다.
혼합 알콕사이드를 조제하는 경우, 실리콘 에톡시드와 알루미늄 이소프로폭시드의 혼합 알콕사이드를 부탄올에 용해한 액체를 조제한다.
여기서, 혼합 알콕사이드(실리콘 에톡시드＋알루미늄 이소프로폭시드)는 몰 비=2：3이 되도록 조제하여 유기체의 혼합 알콕사이드를 조제한다.
조제한 실리카 퓸을 분산시킨 단체 알콕사이드 또는 혼합 알콕사이드에 중자 시험체를 침지시킨 후 인상하여, 중자 본체(18a)의 표면(18b)에, 실리카 퓸을 포함하는 실리콘층 또는 실리콘 알루미늄 알콕사이드의 층을 형성하는 동시에, 중자 표면의 구멍(18c)에도 실리카 퓸을 포함하는 실리콘층 또는 실리콘 알루미늄 알콕사이드의 성분이 석출된다.
이러한 침지 시, 알코올 용액에 알콕사이드 단체 또는 혼합 알콕사이드가 용해되어 있으므로, 중자 본체에의 침투가 양호해져, 양호한 피복층이 형성되게 된다.
그 후 건조시키고, 그 다음에 예를 들면 1,000℃에서 열처리를 실행한다. 이 열처리는 표면에 피복층(19a)이 형성된다면, 예를 들면 1,000℃ 이하여도 좋다.
이 건조 후에는 중자 본체(18a)의 표면의 구멍(18c) 내에도, 알콕사이드와 실리카 퓸의 성분이 석출되는 형태가 된다. 이 때, 대 입경의 실리카 퓸 층과, 미세하고 치밀한 알콕사이드층의 혼합층이 형성된다.
그리고, 1000℃에서의 열처리에 의해, 알콕사이드층은 무기의 세라믹스화가 일어나서, 대 입경의 실리카 퓸 층의 공극을 치밀한 세라믹스층으로 메워서 입자간의 부착력을 향상시키게 된다.
이 열처리에 있어서, 혼합 알콕사이드의 경우에는, 실리카 퓸을 포함하는 실리콘 알루미늄 알콕사이드의 층은, 반응에 의해 고 융점의 무기체의 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)로 변화한다. 대 입경의 실리카 퓸 층의 공극을 치밀한 멀라이트층으로 메워서 입자간의 부착력을 향상시킨 피복층(19a)에 의해, 중자 본체(18a)가 덮인 중자(18)를 얻을 수 있다.
여기서, 멀라이트의 융점은 1,900℃이며, 실리카의 융점(1,600℃)보다 꽤 높으므로, 높은 주입 온도에의 대응이 가능해진다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 표면에 다수 형성된 구멍이 봉공되므로, 종래와 같은 이 구멍이 기점이 되어, 주입 시에 중자가 파괴되는 것이 방지된다. 따라서, 정밀 주조용의 중자의 고온 강도가 향상하게 된다.
또한, 실리카 퓸은 대 입경이므로, 1,000℃에서의 열처리에 있어서도 열수축이 적게 된다.
＜시험예 2＞
이하, 본 발명의 효과를 확인하는 시험예에 대해서 설명한다.
본 시험예에서는, 먼저 실리카 플라워(800 메쉬)와, 실리카 모래(220 메쉬)를 1：1의 중량 비율로 혼합한 것에 왁스를 더하고, 가열 혼련하여 컴파운드를 얻는다. 여기서, 실리카 플라워는 타츠모리사제 「MCF-200C」(상품명)를, 실리카 모래는 타츠모리사제 「RD-120」(상품명), 왁스는 파라멜트사제, 「Cerita Wax F30-75」(상품명)를 각각 이용하였다.
이 얻어진 컴파운드를 사출 성형에 의해 성형체를 얻는다.
평가 시험체로서 폭 30×길이 200×두께 5㎜를 얻었다.
다음에, 600℃까지의 탈지 처리 및 1,200℃에 있어서의 소결 처리를 실행하여 중자 본체용의 시험체를 얻었다.
(피복층 3)
다음에, 실리콘 에톡시드를 에탄올에 용해한 액체를 조제한다. 이 얻어진 실리콘 에톡시드에 실리카 퓸(예를 들면 입경 0.15㎛； 구 형상체)를 20중량% 배합하여, 실리카 퓸을 배합한 실리콘 에톡시드 슬러리를 얻는다.
이 실리카 퓸을 배합한 실리콘 에톡시드 슬러리에, 중자 본체용의 시험체를 침지시킨 후 인상하여, 표면에 실리카 퓸을 포함한 알콕사이드의 피복층(19a)을 형성하였다. 그 다음에 건조 후, 1,000℃에서 열처리를 실행하여, 중자 본체 표면(18b)에 실리카 퓸을 포함한 실리콘 에톡시드로 이루어지는 무기체의 실리카의 피복층(19a)을 형성하였다(시험체 3).
(피복층 4)
다음에, 실리콘 에톡시드와 알루미늄 이소프로폭시드의 혼합 알콕사이드를 부탄올에 용해한 액체를 조제한다. 여기서, 혼합 알콕사이드(실리콘 에톡시드＋알루미늄 이소프로폭시드)는 몰 비=2：3이 되도록 조제하여, 유기체의 혼합 알콕사이드를 조제한다.
이 얻어진 혼합 알콕사이드에 실리카 퓸(예를 들면 입경 0.15㎛； 구 형상체)를 20중량% 배합하여, 실리카 퓸을 배합한 혼합 알콕사이드 슬러리를 얻는다.
이 실리카 퓸을 배합한 혼합 알콕사이드 슬러리에, 중자 본체용의 시험체를 침지시킨 후 인상하여, 표면에 혼합 알콕사이드의 피복층(19a)을 형성하였다. 그 다음에 건조 후, 1,000℃에서 열처리를 실행하여, 중자 본체 표면(18b)에 실리콘 에톡시드와 알루미늄 이소프로폭시드의 혼합 알콕사이드가 반응해서 이루어지는 실리카 퓸을 포함한 멀라이트로 이루어지는 피복층(19a)을 형성하였다(시험체 4).
비교예로서, 피복층을 형성하지 않은 것을 비교 시험체로 하였다.
이러한 평가 시험체의 강도를 측정하였다.
여기서, 강도 시험은 JIS R 1601에 의한 「세라믹스의 굽힘 강도(1981)」에 준거하여 시행하였다.
종래법의 피복층이 형성되지 않은 비교 시험체의 강도는 20㎫인 것에 대해서, 본 발명법에 따른 중자 본체용의 피복층 3의 실리카 피복층의 시험체 3의 강도는 23㎫였다. 이 결과, 본 발명의 중자 본체용의 시험체는 15%의 강도 향상이 인정되었다.
또한, 본 발명법에 따른 중자 본체용의 피복층 4의 실리카 피복층의 시험체 4의 강도는 25㎫였다. 이 결과, 본 발명의 중자 본체용의 시험체는 25%의 강도 향상이 인정되었다.
본 발명의 시험체 4에 의하면, 멀라이트화에 의해 중자의 고온 내구성이 향상하므로, 예를 들면 일방향 응고 익 제조에 있어서의 고온(예를 들면 1,550℃)에서 장시간 보지했을 경우에서도 변형이 생기지 않는 주형을 얻을 수 있다.
여기서, 본 실시형태의 정밀 주조용 중자를 배치한 주형을 이용한 주조 방법에 대해서는, 제 1 실시형태의 방법으로 이용한 세라믹 슬러리(16)의 재료인 「알콕사이드 재료」를 「알콕사이드 재료와 실리카 퓸으로 이루어지는 알콕사이드-실리카 퓸 재료」로 변경할 뿐이며, 다른 것은 동일하게 조작하므로 그 설명은 생략한다.
12, 22a, 22b : 금형 12a : 볼록부
14, 26 : 화살표 16 : 세라믹 슬러리
18 : 중자(코어) 18a : 중자 본체
18b : 표면 18c : 구멍
19 : 슬러리 19a : 피복층
20, 70 : 소성로 24, 64 : 공간
28 : WAX(밀랍) 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 중자
101A : 프라임층

Claims (9)

  1. 실리카질 입자를 포함하는 소결된 정밀 주조용 중자 본체의 표면에,
    알콕사이드 재료로 이루어지는 알콕사이드 피복층을 형성하여 이루어지는 것과 함께,
    상기 알콕사이드 피복층은, 실리카질 입자를 포함하는 정밀 주조용 중자 본체의 소결 처리체를 알콕사이드 재료에 침지시키고, 그 다음에 건조시키고, 그 후 열처리를 하여 상기 정밀 주조용 중자 본체의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 중자.
  2. 실리카질 입자를 포함하는 소결된 정밀 주조용 중자 본체의 표면에,
    알콕사이드 재료와, 분산 비율이 5중량% 내지 40중량%인 실리카 퓸으로 이루어지는 알콕사이드-실리카 퓸 피복층을 형성해서 이루어지는 것과 함께,
    상기 알콕사이드-실리카 퓸 피복층은, 실리카질 입자를 포함하는 정밀 주조용 중자 본체의 소결 처리체를 알콕사이드-실리카 퓸 재료에 침지시키고, 그 다음에 건조시키고, 그 후 열처리를 하여 상기 정밀 주조용 중자 본체의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 중자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 알콕사이드 재료가 실리콘 알콕사이드 단독 또는 실리콘 알콕사이드와 알루미늄 알콕사이드의 혼합 알콕사이드인 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 중자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 실리콘 알콕사이드로서, 실리콘 에톡시드 또는 실리콘 부톡시드를 이용하는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 중자.
  5. 주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형에 있어서,
    실리카질 입자를 포함하는 소결된 정밀 주조용 중자 본체의 표면에, 알콕사이드 재료로 이루어지는 알콕사이드 피복층을 형성하여 이루어지며, 상기 주물의 내부의 공동 부분에 대응하는 형상의 정밀 주조용 중자와,
    상기 주물의 외주면의 형상에 대응하는 외측 주형을 갖는 것과 함께,
    상기 알콕사이드 피복층은, 실리카질 입자를 포함하는 정밀 주조용 중자 본체의 소결 처리체를 알콕사이드 재료에 침지시키고, 그 다음에 건조시키고, 그 후 열처리를 하여 상기 정밀 주조용 중자 본체의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형.
  6. 주물의 제조에 이용하는 정밀 주조용 주형에 있어서,
    실리카질 입자를 포함하는 소결된 정밀 주조용 중자 본체의 표면에, 알콕사이드 재료와, 분산 비율이 5중량% 내지 40중량%인 실리카 퓸으로 이루어지는 알콕사이드-실리카 퓸 피복층을 형성해서 이루어지며, 상기 주물의 내부의 공동 부분에 대응하는 형상의 정밀 주조용 중자와,
    상기 주물의 외주면의 형상에 대응하는 외측 주형을 갖는 것과 함께,
    상기 알콕사이드-실리카 퓸 피복층은, 실리카질 입자를 포함하는 정밀 주조용 중자 본체의 소결 처리체를 알콕사이드-실리카 퓸 재료에 침지시키고, 그 다음에 건조시키고, 그 후 열처리를 하여 상기 정밀 주조용 중자 본체의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 주형.
  7. 실리카질 입자를 포함하는 정밀 주조용 중자 본체의 소결 처리체를,
    알콕사이드 재료에 침지시키고,
    다음에 건조시키고, 그 후 열처리를 하여, 정밀 주조용 중자 본체의 표면에 피복층을 형성하는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 중자의 제조 방법.
  8. 실리카질 입자를 포함하는 정밀 주조용 중자 본체의 소결 처리체를,
    알콕사이드 재료와, 분산 비율이 5중량% 내지 40중량%인 실리카 퓸의 알콕사이드-실리카 퓸 재료에 침지시키고,
    다음에 건조시키고, 그 후 열처리를 하여, 정밀 주조용 중자 본체의 표면에 피복층을 형성하는 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 중자의 제조 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 알콕사이드 재료가 실리콘 알콕사이드 단독 또는 실리콘 알콕사이드와 알루미늄 알콕사이드의 혼합 알콕사이드인 것을 특징으로 하는
    정밀 주조용 중자의 제조 방법.
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