KR101763122B1 - Manufacturing method of ceramic core, ceramic core, precision casting method and precision casting products - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method to manufacture a ceramic core with improved dimensional stability. According to the present invention, the method comprises: (S1) a step of manufacturing a ceramic mixture including fused silica powder, zircon powder, and wax; (S2) a step of pouring the ceramic mixture in a mold to manufacture a molded body; and (S3) a step of sintering the molded body at high temperature to manufacture the ceramic core. In a high temperature sintering process, an amount of crystallization of fused silica is adjusted based on an X-ray diffraction (XRD) analysis peak of cristobalite formed by crystallization of the fused silica and zircon. According to the present invention, since an amount of crystallization of the fused silica incapable of being directly measured or digitized is digitized based on zircon which is a crystalline material, the dimensional stability of the ceramic core is indirectly evaluated and determined based on an amount of cristobalite crystallized from the fused silica in the ceramic core using the fused silica; thereby providing the manufacture of the ceramic core having excellent dimensional stability and strength.

Description

세라믹 코어의 제조방법, 이에 의해 제조된 세라믹 코어, 정밀주조 방법 및 이에 따라 제조된 정밀주조 제품{MANUFACTURING METHOD OF CERAMIC CORE, CERAMIC CORE, PRECISION CASTING METHOD AND PRECISION CASTING PRODUCTS}Technical Field [0001] The present invention relates to a method of manufacturing a ceramic core, a ceramic core produced by the method, a precision casting method, and a precision casting product manufactured thereby.

본 발명은 세라믹 코어의 제조방법과 이에 의해 제조된 세라믹 코어에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 치수안정성이 향상된 세라믹 코어의 제조방법 및 세라믹 코어에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a ceramic core and a ceramic core produced thereby, and more particularly, to a method of manufacturing a ceramic core having improved dimensional stability and a ceramic core.

일반적으로 세라믹 코어(중자)는 냉각유로를 가진 가스터빈용 고온부품(예: 블레이드, 베인 등)등의 제조를 위한 정밀주조 시에 주형 안쪽에 삽입되는 것으로서, 주조 후에 세라믹 코어를 용출시킴으로써 중공형(hollow) 터빈 부품을 제조할 수 있기 때문에, 고온 부품용 초내열합금과 함께 가스터빈의 효율 향상과 직접적인 관계를 가지는 핵심소재이다.Generally, a ceramic core (core) is inserted into a mold at the time of precise casting for manufacturing a high-temperature part (for example, a blade, a vane, etc.) for a gas turbine having a cooling flow path. By melting the ceramic core after casting, it is a core material that has a direct relationship with the improvement of the efficiency of the gas turbine together with the super-heat-resistant alloy for high-temperature components because it can manufacture hollow turbine parts.

이러한 세라믹 코어는 정밀주조 과정에서 금속 용탕에도 견딜 수 있는 강도와 우수한 용출특성이 중요하기 때문에, 이에 대한 연구가 지속되고 있다.Such a ceramic core has been studied for its strength and excellent elution characteristics that can withstand molten metal in precision casting process.

또한, 세라믹 코어는 정밀주조 과정에서 고온상태에 놓이며 큰 온도 변화를 거치기 때문에 열수축과 열팽창에 의해서 치수가 변하는 경우에 정밀한 치수로 설계된 냉각유로의 설계와 달라지는 문제가 있으므로, 충분한 치수안정성(dimensional stability)이 요구된다. Since the ceramic core is placed in a high temperature state during the precise casting process and it undergoes a large temperature change, there is a problem that the dimension of the ceramic core is changed by heat shrinkage and thermal expansion, ) Is required.

하지만, 치수안정성을 정량화하여 평가 및 조절할 수 있는 기준이 마련되지 않았기 때문에 열팽창계수가 낮은 것으로 알려진 용융 실리카를 사용하는 방법을 적용하는 것 이외에 치수안정성을 높이기 위한 기술은 제시되지 못하고 있는 실정이다.However, since there is no standard for quantifying and evaluating the dimensional stability, there is no technique for improving the dimensional stability in addition to the application of the method using the fused silica known to have a low coefficient of thermal expansion.

대한민국 등록특허 10-1481479Korean Patent No. 10-1481479

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 치수안정성이 향상된 세라믹 코어의 제조방법 및 세라믹 코어를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a ceramic core having improved dimensional stability and a ceramic core.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 세라믹 코어의 제조방법은, 용융 실리카 분말, 지르콘 분말 및 왁스를 포함하여 구성된 세라믹 혼합물을 제조하는 단계(S1); 상기 세라믹 혼합물을 형틀에 부어 성형체를 제조하는 단계(S2); 및 상기 성형체를 고온 소결하여 세라믹 코어를 제조하는 단계(S3)를 포함하고, 상기 고온 소결 과정에서 상기 용융 실리카가 결정화된 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 상기 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율을 기준으로 용융 실리카의 결정화량을 조절하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a ceramic core, comprising: (S1) preparing a ceramic mixture comprising a fused silica powder, a zircon powder and a wax; Pouring the ceramic mixture into a mold to produce a molded body (S2); And a step (S3) of preparing a ceramic core by high-temperature sintering the formed body, wherein the fused silica in the high-temperature sintering step is fused by melting based on the XRD analysis peak of the crystallized cristobalite and the XRD analysis peak of the zircon, And the amount of crystallization of silica is controlled.

본 발명의 발명자들은 용융 실리카를 사용한 세라믹 코어에서 용융 실리카가 크리스토발라이트로 결정화되는 양을 기준으로 세라믹 코어의 치수안정성을 간접적으로 평가 및 판단할 수 있음을 확인하였고, 직접적으로 측정하거나 수치화 할 수 없는 용융 실리카가 결정화된 양을 결정질 재료인 지르콘을 기준으로 수치화하여 치수안정성과 강도가 뛰어난 세라믹 코어를 제조하는 방법을 개발하였다.The inventors of the present invention have confirmed that the dimensional stability of a ceramic core can be indirectly evaluated and judged based on the amount of fused silica crystallized in cristobalite in a ceramic core using fused silica and can be directly measured or quantified by melting A method of manufacturing a ceramic core having excellent dimensional stability and strength was developed by quantifying the amount of silica crystallized based on zircon as a crystalline material.

이때, S1 단계에서 용융 실리카 분말과 지르콘 분말의 중량비율이 2:1~4:1의 범위이며, 용융 실리카가 결정화된 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율이 0.05~0.7 범위인 것이 좋다. 용융 실리카 분말과 지르콘 분말의 중량비율이 3:1인 경우, 용융 실리카가 결정화된 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율이 0.08~0.5 범위에 해당할 때에 파괴 강도와 치수안정성이 뛰어난 세라믹 코어를 제조할 수 있으며, 용융 실리카 분말과 지르콘 분말의 중량비율의 변화에 따라서 용융 실리카가 결정화된 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율이 일부 변경된다.In this case, in the step S1, the weight ratio of the fused silica powder to the zircon powder is in the range of 2: 1 to 4: 1, and the intensity ratio of the XRD analysis peak of the cristobalite crystallized fused silica to the XRD analysis peak of the zircon is in the range of 0.05 to 0.7 . When the weight ratio of the fused silica powder to the zircon powder is 3: 1, when the intensity ratio of the XRD analysis peak of the crystallized cristobalite to the XRD analysis peak of the zircon falls within the range of 0.08 to 0.5, the fracture strength and dimensional stability An excellent ceramic core can be manufactured and the intensity ratio of the XRD analysis peak of the cristobalite and the XRD analysis peak of the zircon which is the crystallized fused silica according to the change of the weight ratio of the fused silica powder and the zircon powder is partially changed.

그리고 S1 단계에서 용융 실리카 분말은, 입자크기가 0.2∼0.5mm인 용융 실리카 분말 10~20%; 입자크기가 0.1∼0.2mm인 용융 실리카 분말 10~20%; 입자크기가 0.025~0.045mm인 용융 실리카 분말 10~20%; 입자크기가 0.010~0.025mm인 용융 실리카 분말 20~30%; 입자크기가 0.001~0.005mm인 용융 실리카 분말 20~30%; 및 입자크기가 0.0004~0.0005mm인 용융 실리카 분말 10~20%로 구성되는 것이 바람직하다.In step S1, the fused silica powder comprises 10 to 20% of fused silica powder having a particle size of 0.2 to 0.5 mm; 10 to 20% of fused silica powder having a particle size of 0.1 to 0.2 mm; 10 to 20% fused silica powder having a particle size of 0.025 to 0.045 mm; 20 to 30% of fused silica powder having a particle size of 0.010 to 0.025 mm; 20 to 30% of fused silica powder having a particle size of 0.001 to 0.005 mm; And 10 to 20% of fused silica powder having a particle size of 0.0004 to 0.0005 mm.

S1 단계에서, 지르콘 분말의 입자크기가 0.001~0.005mm이고, 세라믹 혼합물의 총 중량을 기준으로 왁스가 5~40 중량% 범위인 것이 바람직하다.In the step S1, it is preferable that the particle size of the zircon powder is 0.001 to 0.005 mm and the wax is in the range of 5 to 40% by weight based on the total weight of the ceramic mixture.

S1 단계에서, 왁스는 파라핀 왁스, 마이크로크리스탈린 왁스, 폴리올레핀 왁스, 밀랍, 카나우바 왁스 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 좋으며, 녹는점이 상이한 두 종류의 왁스를 6:4 내지 9:1의 중량비로 혼합한 혼합물인 것이 바람직하다.In step S1, the wax may be selected from the group consisting of paraffin wax, microcrystalline wax, polyolefin wax, beeswax, carnauba wax, and mixtures thereof. The wax may be prepared by mixing two kinds of waxes having different melting points in a ratio of 6: 4 to 9: By weight based on the total weight of the composition.

S1 단계에서, 세라믹 혼합물이 알루미나, 탄화규소, 폴리비닐알코올, 셀룰로스, 폴리비닐부티랄, 아크릴레이트 및 에틸실리케이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제를 더 포함할 수 있다.In the step S1, the ceramic mixture may further contain additives selected from the group consisting of alumina, silicon carbide, polyvinyl alcohol, cellulose, polyvinyl butyral, acrylate and ethyl silicate.

본 발명의 다른 형태에 의한 세라믹 코어는 용융 실리카 분말, 지르콘 분말 및 왁스를 포함하여 구성된 세라믹 혼합물을 성형 및 고온 소결하여 제조되며, 용융 실리카가 결정화된 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율을 기준으로 크리스토발라이트양이 조절된 것을 특징으로 한다. 이때, 제조과정에서 사용된 용융 실리카 분말과 지르콘 분말의 중량비율이 2:1~4:1의 범위이고, 용융 실리카가 결정화된 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율이 0.05~0.7 범위인 경우에 세라믹 코어의 치수 안정성이 뛰어나다. 이러한 세라믹 코어는 선 수축량이 3.5% 이하이고 파괴강도가 10MPa 이상인 것이 바람직하다.A ceramic core according to another aspect of the present invention is manufactured by molding and high-temperature sintering a ceramic mixture composed of fused silica powder, zircon powder and wax, wherein the fused silica has an XRD analysis peak of crystallized cristobalite and an XRD analysis peak of zircon And the amount of cristobalite is controlled based on the intensity ratio. In this case, the weight ratio of the fused silica powder to the zircon powder used in the manufacturing process is in the range of 2: 1 to 4: 1, the XRD analysis peak of the cristobalite in which the fused silica is crystallized and the XRD analysis peak ratio of the zircon are in the range of 0.05 - 0.7, the dimensional stability of the ceramic core is excellent. The ceramic core preferably has a line shrinkage of 3.5% or less and a fracture strength of 10 MPa or more.

본 발명의 또 다른 형태에 의한 정밀주조 방법은, 상기한 제조 방법으로 세라믹 코어를 제조하는 단계; 상기 세라믹 코어의 외부에 제품 형상의 왁스 패턴을 형성하는 단계; 상기 왁스 패터닝된 세라믹 코어를 이용하여 쉘 몰드를 형성하는 단계; 및 상기 쉘 몰드를 사용하여 제품을 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a precision casting method comprising the steps of: preparing a ceramic core by the above manufacturing method; Forming a product-shaped wax pattern on the exterior of the ceramic core; Forming a shell mold using the wax patterned ceramic core; And casting the product using the shell mold.

본 발명의 정밀주조 방법은, 치수안정성이 향상된 세라믹 코어 제조방법을 적용함으로써 제조과정의 정밀도가 향상되는 효과가 있다.The precision casting method of the present invention has the effect of improving the precision of the manufacturing process by applying the ceramic core manufacturing method with improved dimensional stability.

본 발명의 마지막 다른 형태에 의한 정밀주조 제품은, 상기한 정밀주조 방법으로 제조되어, 치수 안정성이 뛰어난 세라믹 코어를 사용하여 제조됨으로써 정밀도가 뛰어난 것을 특징으로 한다.The precision casting product according to another embodiment of the present invention is manufactured by the above-described precision casting method and is manufactured using a ceramic core having excellent dimensional stability, thereby being characterized by high precision.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 직접적으로 측정하거나 수치화 할 수 없는 용융 실리카가 결정화된 양을 결정질 재료인 지르콘을 기준으로 수치화함으로써, 용융 실리카를 사용한 세라믹 코어에서 용융 실리카가 크리스토발라이트로 결정화되는 양을 기준으로 세라믹 코어의 치수안정성을 간접적으로 평가 및 판단하여 치수안정성과 강도가 뛰어난 세라믹 코어를 제조할 수 있는 효과가 있다.The present invention constituted as described above makes it possible to quantify the amount of fused silica crystallized into cristobalite in a ceramic core using fused silica by quantifying based on the amount of crystallized fused silica which can not be directly measured or quantified, The dimensional stability of the ceramic core can be indirectly evaluated and judged based on the criteria, and the ceramic core having excellent dimensional stability and strength can be manufactured.

도 1은 실시예 1에 의해서 제조된 세라믹 코어에 대한 파괴 강도 및 선 수축률을 측정한 결과이다.
도 2는 실시예 1에 의해서 제조된 세라믹 코어의 미세구조를 촬영한 전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예 1에 의해서 제조된 세라믹 코어에 대한 XRD 분석 결과이다.
도 4는 실시예 2에 의해서 제조된 세라믹 코어에 대한 파괴 강도 및 선 수축률을 측정한 결과이다.
도 5는 실시예 2에 의해서 제조된 세라믹 코어에 대한 XRD 분석 결과이다.
도 6은 실시예 1과 실시예 2에 의해서 제조된 세라믹 코어의 크리스토발라이트의 피크와 지르콘의 피크 강도 비율에 따른 강도 및 수축량의 변화를 나타낸 그래프이다.
Fig. 1 shows the results of measurement of fracture strength and line shrinkage of the ceramic core produced in Example 1. Fig.
FIG. 2 is an electron micrograph of the microstructure of the ceramic core produced in Example 1. FIG.
Fig. 3 shows the results of XRD analysis of the ceramic core produced in Example 1. Fig.
FIG. 4 shows the results of measurement of fracture strength and line shrinkage of the ceramic core produced in Example 2. FIG.
5 is a result of XRD analysis of the ceramic core produced in Example 2. Fig.
6 is a graph showing changes in strength and shrinkage according to the ratio of the peak intensity of cristobalite to that of zircon in the ceramic cores produced by Example 1 and Example 2. Fig.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

세라믹 코어를 제조하기 위한 첫 번째 단계(S1)로서 실리카 분말, 지르콘 분말 및 왁스 등의 물질을 혼합하여 사출성형용 원료인 세라믹 혼합물(피드스톡)을 제조한다.As a first step (S1) for producing a ceramic core, a ceramic mixture (feedstock), which is a raw material for injection molding, is prepared by mixing materials such as silica powder, zircon powder and wax.

실리카 분말로는 다양한 크기의 용융 실리카를 혼합하여 세라믹 코어의 사출을 위한 피드스톡(feedstock)의 흐름성(flowability)과 분말 충진 밀도(powder packing density)를 높였으며, 용융 실리카 분말과 지르콘 분말은 3:1의 중량비율로 혼합하였다. 열가소성 바인더로서 파라핀 왁스(Nippon-Seiro, Japan)와 마이크로 크리스탈린 왁스(Nippon-Seiro, Japan)를 사용하였으며, 윤활제로서 스테아르 산(stearic acid, C19H36O2, Samchun Pure Chemical, Korea)과 올레인 산(oleic acid, C19H34O2, Samchun Pure Chemical, Korea)을 사용하여, 앞서 준비된 융융 실리카 및 지르콘 분말과 혼합하여 피드스톡을 구성하였다. 피드스톡에 포함된 용융 실리카와 지르콘 혼합 분말의 함량은 85wt%로 고정하였다.The flowability and powder packing density of the feedstock for the injection of the ceramic core were increased by mixing various sizes of fused silica as the silica powder, and the fused silica powder and the zircon powder were mixed with 3 : 1. (Nippon-Seiro, Japan) and microcrystalline wax (Nippon-Seiro, Japan) were used as thermoplastic binders and stearic acid (C 19 H 36 O 2 , Samchun Pure Chemical, Korea) as a lubricant. The feedstock was prepared by mixing oleic acid (C 19 H 34 O 2 , Samchun Pure Chemical, Korea) with the fused silica and zircon powder prepared above. The content of the fused silica and zircon mixed powder contained in the feedstock was fixed to 85 wt%.

표 1은 용융 실리카와 지르콘 혼합 분말의 입자크기와 함량을 나타낸다.Table 1 shows the particle size and content of fused silica and zircon mixed powder.

Figure 112016052567411-pat00001
Figure 112016052567411-pat00001

피드스톡 제조과정에서 균일한 혼합을 용융 실리카와 지르콘 혼합 분말을 지름 6mm의 지르코니아 볼을 이용하여 상온에서 6시간 동안 볼밀하였고, 볼밀 후의 혼합 분말을 80℃에서 용융된 열가소성 바인더와 함께 진공 공전 혼합기(planetary vacuum mixer)를 이용하여 6시간 동안 혼합하였다. In the feedstock manufacturing process, uniform mixing of the fused silica and zircon mixed powder was performed using a zirconia ball having a diameter of 6 mm for 6 hours at room temperature, and the mixed powder after ball milling was fused with a thermoplastic binder in a vacuum planetary vacuum mixer for 6 hours.

다음 단계(S2)로서, 세라믹 혼합물을 형틀에 부어 성형체를 제조한다.In the next step (S2), the ceramic mixture is poured into a mold to produce a molded body.

본 실시예에서는 성형체 제조를 위하여 세라믹 코어 제조에 가장 많이 사용되는 사출 성형을 수행하였으며, S1 단계에서 얻어진 세라믹 혼합물(피드스톡)을 세라믹 사출성형기(Ceramic Injection Molding Machine, CTM-CI-CF-35ton, Cleveland, United States)의 교반 탱크에 장입하여 3시간 동안 80℃에서 교반해 주었으며, 표 2의 조건으로 사출 성형을 수행하였다.In this embodiment, injection molding, which is most commonly used for manufacturing a ceramic core, is performed for the production of a molded body. The ceramic mixture (feedstock) obtained in the step S1 is introduced into a ceramic injection molding machine (CTM-CI-CF- Cleveland, United States) and stirred at 80 ° C for 3 hours. Injection molding was carried out under the conditions shown in Table 2.

Figure 112016052567411-pat00002
Figure 112016052567411-pat00002

본 실시예에서 제작한 세라믹 코어는 가스터빈용의 2단 블레이드에 사용되는 것이며, 시편의 물성 측정을 위해 6×8×90 mm(ASTM C1161)의 크기를 갖는 육면체 형태의 시편을 함께 사출로 제작하였다.The ceramic core manufactured in this embodiment is used for a two-stage blade for a gas turbine. In order to measure the physical properties of the specimen, a hexagonal specimen having a size of 6 × 8 × 90 mm (ASTM C1161) Respectively.

세라믹 코어 제작을 위한 마지막 단계(S3)로서, 성형체를 고온 소결하여 세라믹 코어를 제조하였다.As the last step (S3) for producing a ceramic core, a ceramic core was produced by sintering the molded body at a high temperature.

사출된 성형체는 소성 시에 열가소성 바인더가 탈지되어 성형체가 붕괴되는 것을 방지하기 위해 용융 실리카 충진 분말(backfill powder) 내에 안치된 상태로 열처리되었으며, 세라믹 코어의 열처리를 위한 탈지공정과 소성공정은 연속적으로 진행되었다.The injected molded body was heat treated in a state where it was placed in a fused silica powder to prevent the thermoplastic binder from being degreased and collapsed at the time of firing, and the degreasing process and the firing process for the heat treatment of the ceramic core were continuously performed It went on.

먼저, 바인더의 탈지를 위한 온도인 300℃까지 0.2 K/min 의 속도로 승온 하였으며, 탈지 이후에 성형체를 1150 ~ 1400℃의 온도범위에서 12시간 동안 열처리하였다. First, the temperature of the binder was raised to 300 deg. C, which is a temperature for degreasing the binder, at a rate of 0.2 K / min. After degreasing, the molded article was heat-treated at a temperature range of 1150 to 1400 deg.

열처리된 시편은 왁스사출기(Wax Injection Molding Machine, MPI, United States)를 이용하여 주조품 형상으로 왁스 패터닝되었고, 이후 정밀 주조를 위한 쉘 몰드를 제작하였으며 1000℃이상에서 소성하였다.The heat treated specimens were wax patterned in the form of castings using a wax injection molding machine (MPI, United States), then shell molds for precision casting were fabricated and fired at temperatures above 1000 ° C.

상기한 실시예에 따라 제조된 세라믹 코어 샘플은 만능시험기(Universal Testing Machine, UTM, H10SK, Hounsfield, England)를 이용하여 3점 굽힘 치구(fixture)로 파괴강도를 측정하였다. 또한 시편의 선 수축률을 확인하기 위해 열처리 전/후의 시편의 길이를 측정하였다. 소성 후 세라믹 코어의 미세구조는 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM, S-4700 and S-4800, Hitachi, Japan)을 이용하여 관찰하였으며, X 선 회절 분석기(X-Ray Diffractometer, XRD, D/Max-2200, Rigaku, Japan)를 통해 물질의 상변화를 관찰하였다. 또한 왁스 패터닝과 쉘 몰드 소결 후 세라믹 코어의 결함 및 파손여부를 확인하기 위해 X 선 비파괴 검사를 진행하였다.The fracture strength of the ceramic core samples prepared according to the above examples was measured using a universal testing machine (UTM, H10SK, Hounsfield, England) with a three-point bending fixture. The length of the specimen before and after the heat treatment was measured to confirm the linear shrinkage of the specimen. The microstructures of the ceramic cores after firing were observed using a scanning electron microscope (FE-SEM, S-4700 and S-4800, Hitachi, Japan) and analyzed using an X-ray diffractometer XRD, D / Max-2200, Rigaku, Japan). X-ray nondestructive testing was also carried out to check whether the ceramic cores were defective or damaged after wax patterning and shell mold sintering.

도 1은 실시예 1에 의해서 제조된 세라믹 코어에 대한 파괴 강도 및 선 수축률을 측정한 결과이다.Fig. 1 shows the results of measurement of fracture strength and line shrinkage of the ceramic core produced in Example 1. Fig.

파괴 강도는 정밀주조 과정에서 세라믹 코어가 형태를 유지할 수 있는 특성을 반영하는 물성으로 선택되었으며, 선 수축률은 정밀주조 과정에서 세라믹 코어의 크기가 변화하지 않는 치수안정성 특성을 반영하는 물성으로 선택된 것이다.The fracture strength was selected as the physical property reflecting the characteristics of the ceramic core in the precision casting process and the linear shrinkage was selected as the physical property reflecting the dimensional stability characteristic that the size of the ceramic core does not change during the precision casting process.

세라믹 코어를 1150℃에서 12 시간 소결한 경우에 낮은 선수축률 값을 나타내었고 파괴 강도는 10MPa보다 약간 큰 값을 나타내었다. 1200℃에서 12 시간 소결한 경우 22 MPa의 가장 높은 값을 나타내었고, 선 수축률은 약 2.5% 로 측정되었다. 온도를 높일수록 선수축률은 지속적으로 커지고, 강도는 1200℃ 까지는 증가하였다가 이후에 낮아지는 것을 확인할 수 있다.When the ceramic core was sintered at 1150 ℃ for 12 hours, it showed low linear shrinkage and fracture strength was slightly larger than 10 MPa. When sintered at 1200 ℃ for 12 hours, it showed the highest value of 22 MPa and the linear shrinkage was about 2.5%. As the temperature is increased, the linear shrinkage ratio increases steadily, and the strength increases to 1200 ° C, and then decreases.

도 2는 실시예 1에 의해서 제조된 세라믹 코어의 미세구조를 촬영한 전자현미경 사진이다.FIG. 2 is an electron micrograph of the microstructure of the ceramic core produced in Example 1. FIG.

1200℃에서 열처리된 세라믹 코어는 실리카 영역에서 미세균열이 관찰되지 않았지만, 1300℃와 1400℃ 에서 열처리된 세라믹 코어의 경우 실리카 입자에서 화살표로 표시된 미세균열들이 관찰되었으며, 이러한 미세균열에 의해서 파괴강도가 낮아진 것임을 알 수 있다. Microcracks were not observed in the silica region of the ceramic core heat treated at 1200 ° C, but microcracks indicated by the arrows in the silica core were observed in the ceramic core heat treated at 1300 ° C and 1400 ° C. .

이러한 미세균열은 비결정질인 용융 실리카의 결정화 과정에서 발생한 것으로 예상된다. 용융 실리카는 1300℃ 이상에서 입방정계(cubic system) 구조를 갖는 β-크리스토발라이트로 결정화되며, 생성된 β-크리스토발라이트는 열처리 후 냉각과정에서 300℃~200℃의 온도 구간을 지나면서 정방정계(tetragonal system) 구조를 갖는 α-크리스토발라이트로 상 전이된다. 이 때, 각 결정상의 단위정(unit cell)에 존재하는 크기 차이에 의해 5%의 부피수축이 발생하고, 수축 시 발생하는 응력에 의해 미세균열이 발생하는 것이다. 이러한 미세균열에 의해서 결과적으로 세라믹 코어의 강도가 낮아지는 동시에 수축률이 늘어나게 된다.These microcracks are expected to occur in the crystallization process of amorphous fused silica. The fused silica is crystallized into β-cristobalite having a cubic system structure at 1300 ° C. or higher, and the produced β-cristobalite is crystallized at a temperature of 300 ° C. to 200 ° C. in the cooling process after the heat treatment, Cristobalite having a structure of [alpha] -cristobalite. At this time, 5% volume shrinkage occurs due to the size difference existing in the unit cell of each crystal phase, and microcracks are generated due to the stress generated at the time of contraction. As a result, the strength of the ceramic core is lowered and the shrinkage ratio is increased by such microcracks.

현미경 사진에서 미세균열은 대부분 실리카 입자의 표면 쪽에 형성되어 있으며, 이는 용융 실리카의 크리스토발라이트의 결정화가 표면에서부터 발생하기 때문이다.In micrographs, microcracks are mostly formed on the surface of silica particles, because the crystallization of cristobalite in fused silica occurs from the surface.

도 3은 실시예 1에 의해서 제조된 세라믹 코어에 대한 XRD 분석 결과이다.Fig. 3 shows the results of XRD analysis of the ceramic core produced in Example 1. Fig.

도시된 것과 같이, 1200℃ 이하에서 열처리된 세라믹 코어는 크리스토발라이트의 피크가 관찰되지 않거나 매우 약하게 관찰되었으나, 1300℃ 이상에서 열처리된 세라믹 코어의 경우는 크리스토발라이트의 피크가 강하게 관찰되었다. 이로부터 세라믹 코어의 강도 저하 및 수축률 향상의 원인이 크리스토발라이트의 생성에 의한 것임을 확인할 수 있다.As shown, the ceramic cores heat-treated at 1200 ° C or less had no or very weak cristobalite peaks, but the cristobalite peaks were strongly observed in the case of the ceramic cores annealed at 1300 ° C or higher. From this, it can be confirmed that the cause of the decrease in the strength and the shrinkage rate of the ceramic core is due to the formation of cristobalite.

이상의 결과로부터, 용융 실리카를 사용한 세라믹 코어에서 용융 실리카가 크리스토발라이트로 결정화되는 양을 기준으로 세라믹 코어의 수축률(치수안정성)을 간접적으로 평가 및 판단할 수 있음을 알 수 있다. 다만, 용융 실리카가 결정화된 양을 직접적으로 측정하거나 수치화 할 수가 없는 문제가 있으나, 본 발명은 용융 실리카와 함께 사용된 결정질 재료인 지르콘을 기준으로 용융 실리카가 결정화된 양을 수치화하는 방법을 개발하였다. 구체적으로 XRD 분석에서 용융 실리카가 결정화된 결정상인 크리스토발라이트의 피크(21.68°, (110) 면, JCPDS no. 39-1425)와 결정질인 지르콘의 피크(26.86°, (200) 면, JCPDS no.6-266) 사이의 관계를 기준으로 용융 실리카가 결정화된 양을 수치화하였다.From the above results, it can be seen that the shrinkage ratio (dimensional stability) of the ceramic core can be indirectly evaluated and judged based on the amount of the fused silica crystallized in cristobalite in the ceramic core using the fused silica. However, there is a problem that the amount of crystallized fused silica can not be directly measured or quantified, but the present invention has developed a method of quantifying the amount of crystallized fused silica based on zircon, which is a crystalline material used together with fused silica . Specifically, in the XRD analysis, the peaks (21.68 °, (110), JCPDS no. 39-1425) of the cristobalite crystal phase in which the fused silica crystallized and the peak of the crystalline zircon (26.86 °, (200) -266), the amount of crystallized fused silica was quantified.

표 3은 도 2의 XRD 분석에서 용융 실리카가 결정화된 결정상인 크리스토발라이트의 피크 강도와 결정질인 지르콘의 피크 강도 사이의 비율을 나타낸다.Table 3 shows the ratio between the peak intensity of cristobalite, which is a crystalline phase in which the fused silica crystallized in the XRD analysis of FIG. 2, and the peak intensity of crystalline zircon.

Figure 112016052567411-pat00003
Figure 112016052567411-pat00003

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

상기한 공정과 동일한 공정으로 실리콘 코어를 제조하되, 성형체를 고온 소결하여 세라믹 코어를 제조하는 단계(S3)에서, 1200℃의 동일한 온도에서 시간을 6시간 내지 48시간 범위로 달리하여 열처리하였다.In the step (S3) of manufacturing the ceramic core by the high temperature sintering of the formed body by the same process as the above-mentioned step, the heat treatment was performed at the same temperature of 1200 캜 for 6 to 48 hours.

도 4는 실시예 2에 의해서 제조된 세라믹 코어에 대한 파괴 강도 및 선 수축률을 측정한 결과이다.FIG. 4 shows the results of measurement of fracture strength and line shrinkage of the ceramic core produced in Example 2. FIG.

소성시간의 증가에 따른 파괴 강도와 수축률은 소성온도에 따른 물성변화 결과(도 1)와 거의 유사한 경향을 나타내었다. 6시간 동안 소성된 세라믹 코어의 경우 수축률이 낮았지만 10MPa 이하의 낮은 파괴강도를 가졌으며, 12시간 동안 열처리한 경우에 가장 높은 파괴강도 값을 나타내었다. 반면 24시간 이상 소성된 경우에는 1300℃ 이상에서 소성되었을 때와 마찬가지로 소성시간의 증가에 따라 파괴강도가 저하되고 수축률이 증가하는 경향을 나타내었다. The fracture strength and shrinkage ratio with increasing firing time showed similar tendency to physical properties (Fig. 1) as a function of firing temperature. The ceramics core fired for 6 hours had a low shrinkage but a low fracture strength of less than 10 MPa and showed the highest fracture strength values after 12 hours of heat treatment. On the other hand, in the case of firing over 24 hours, the fracture strength decreased and the shrinkage rate increased as the firing time increased, as in the case of firing at 1300 ° C. or higher.

도 5는 실시예 2에 의해서 제조된 세라믹 코어에 대한 XRD 분석 결과이다.5 is a result of XRD analysis of the ceramic core produced in Example 2. Fig.

X 선 회절 분석 결과, 소성시간이 24시간 이상으로 늘어날 경우 소성온도가 높아진 경우와 마찬가지로 용융 실리카가 결정화되며 급격하게 크리스토발라이트에 의한 피크가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 1200℃에서 소성 시간이 길어지면 세라믹 코어 내 용융 실리카의 결정화를 촉진하여 강도 및 수축률의 저하를 야기하는 것을 확인할 수 있고, 결국, 소성 시간에 따른 강도와 수축률의 변화도 용융 실리카가 결정화되어 크리스토발라이트를 형성하는 기인하는 것임을 알 수 있다.As a result of X-ray diffraction analysis, when the firing time was increased to 24 hours or more, it was confirmed that the fused silica was crystallized and the peak due to cristobalite was rapidly increased as in the case where the firing temperature was increased. It can be confirmed that crystallization of the fused silica in the ceramic core is promoted when the firing time is prolonged at 1200 ° C, resulting in lowering of the strength and shrinkage ratio. As a result, the change of the strength and shrinkage rate according to the firing time also causes the fused silica to crystallize, As shown in FIG.

본 발명에서 용융 실리카를 사용한 세라믹 코어에서 용융 실리카가 크리스토발라이트로 결정화되는 양을 평가하는 기준으로서 적용된 XRD 분석에서 용융 실리카가 결정화된 결정상인 크리스토발라이트의 피크와 결정질인 지르콘의 피크 강도 비율에 따른 강도 및 수축량의 변화를 확인하기 위하여, 실시예 1과 실시예 2의 세라믹 코어에 대하여 도 6에 도시하였고, 이를 표 4에 정리하였다.The intensity and shrinkage according to the peak intensity ratio of crystalline cristobalite peak and crystalline zircon crystal phase in which the fused silica crystallized in the XRD analysis applied as a criterion for evaluating the amount of crystallization of fused silica into cristobalite in the ceramic core using the fused silica in the present invention The ceramic cores of Example 1 and Example 2 are shown in Fig. 6, and these are summarized in Table 4.

Figure 112016052567411-pat00004
Figure 112016052567411-pat00004

크리스토발라이트의 피크와 지르콘의 피크의 비율(C/Z ratio)이 커질수록 파괴강도는 감소하고 선 수축률을 증가하는 관계에 있는 것을 확인할 수 있으며, 이는 크리스토발라이트의 피크와 지르콘의 피크의 비율이 용융 실리카의 결정화 정도를 정확히 반영하는 것을 의미한다. 이때, 크리스토발라이트의 피크와 지르콘의 피크의 비율이 0.08~0.8 범위에 있는 경우에 일반적으로 알려진 파괴강도 범위를 가지는 것을 확인할 수 있으나, 선 수축률을 기준으로 살펴볼 때에는 크리스토발라이트의 피크와 지르콘의 피크의 비율이 0.08~0.5 범위인 경우에 3.5% 이하의 선수축률을 보여 치수안정성이 뛰어남을 확인할 수 있다. 나아가 크리스토발라이트의 피크와 지르콘의 피크의 비율이 0.08~0.3 범위일 때에는 선수축률이 3.0% 이하인 세라믹 코어를 제조할 수 있다.As the C / Z ratio of the cristobalite peak to the zircon peak increases, the fracture strength decreases and the linear shrinkage increases. This is because the ratio of the peak of cristobalite to the peak of zircon is higher than that of fused silica And reflects the degree of crystallization accurately. At this time, when the ratio of the peak of cristobalite to the peak of zircon is in the range of 0.08 to 0.8, it can be confirmed that it has a generally known fracture strength range. However, when the linear shrinkage is taken as a reference, the ratio of the peak of cristobalite to the peak of zircon is In the range of 0.08 ~ 0.5, the linear shrinkage was 3.5% or less, indicating that the dimensional stability is excellent. Furthermore, when the ratio of the peak of cristobalite to the peak of zircon is in the range of 0.08 to 0.3, a ceramic core having a linear shrinkage of 3.0% or less can be produced.

이상의 결과에서 본 발명과 같이 크리스토발라이트의 피크와 지르콘의 피크 사이 비율로 결정화정도를 결정하는 경우에 치수안정성에 대한 평가가 더욱 용이함을 확인할 수 있다.From the above results, it can be confirmed that the dimensional stability is more easily evaluated in the case where the degree of crystallization is determined by the ratio between the peak of cristobalite and the peak of zircon as in the present invention.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Those skilled in the art will understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be construed not only in the specific embodiments but also in the scope of claims, and all technical ideas within the scope of the same shall be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (15)

(S1) 용융 실리카 분말, 지르콘 분말 및 왁스를 포함하여 구성된 세라믹 혼합물을 제조하는 단계;
(S2) 상기 세라믹 혼합물을 형틀에 부어 성형체를 제조하는 단계; 및
(S3) 상기 성형체를 고온 소결하여 세라믹 코어를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 고온 소결 과정에서 상기 용융 실리카가 결정화된 결정질 물질인 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 상기 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율을 기준으로 용융 실리카의 결정화량을 조절하는 것을 특징으로 하는 세라믹 코어의 제조방법.
(S1) producing a ceramic mixture comprising a fused silica powder, a zircon powder and a wax;
(S2) pouring the ceramic mixture into a mold to produce a molded body; And
(S3) high-temperature sintering the shaped body to produce a ceramic core,
Wherein the amount of crystallization of the fused silica is controlled based on an XRD analysis peak of cristobalite, which is a crystalline material in which the fused silica is crystallized during the high-temperature sintering process, and an intensity ratio of an XRD analysis peak of the zircon.
청구항 1에 있어서,
상기 S1 단계에서 상기 용융 실리카 분말과 상기 지르콘 분말의 중량비율이 2:1~4:1의 범위이며,
상기 용융 실리카가 결정화된 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 상기 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율이 0.05~0.7 범위인 것을 특징으로 하는 세라믹 코어의 제조방법.
The method according to claim 1,
The weight ratio of the molten silica powder to the zircon powder in the step S1 is in the range of 2: 1 to 4: 1,
Wherein an intensity ratio of the XRD analysis peak of the crystallized cristobalite to the XRD analysis peak of the zircon is in the range of 0.05 to 0.7.
[청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.][Claim 3 is abandoned upon payment of the registration fee.] 청구항 1에 있어서,
상기 S1 단계에서 상기 용융 실리카 분말은,
입자크기가 0.2∼0.5mm인 용융 실리카 분말;
입자크기가 0.1∼0.2mm인 용융 실리카 분말;
입자크기가 0.025~0.045mm인 용융 실리카 분말;
입자크기가 0.010~0.025mm인 용융 실리카 분말;
입자크기가 0.001~0.005mm인 용융 실리카 분말; 및
입자크기가 0.0004~0.0005mm인 용융 실리카 분말로 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹 코어의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (S1), the fused silica powder may contain,
A fused silica powder having a particle size of 0.2 to 0.5 mm;
A fused silica powder having a particle size of 0.1 to 0.2 mm;
A fused silica powder having a particle size of 0.025 to 0.045 mm;
A fused silica powder having a particle size of 0.010 to 0.025 mm;
A fused silica powder having a particle size of 0.001 to 0.005 mm; And
And a fused silica powder having a particle size of 0.0004 to 0.0005 mm.
청구항 3에 있어서,
상기 S1 단계에서 상기 용융 실리카 분말은,
입자크기가 0.2∼0.5mm인 용융 실리카 분말 10~20%;
입자크기가 0.1∼0.2mm인 용융 실리카 분말 10~20%;
입자크기가 0.025~0.045mm인 용융 실리카 분말 10~20%;
입자크기가 0.010~0.025mm인 용융 실리카 분말 20~30%;
입자크기가 0.001~0.005mm인 용융 실리카 분말 20~30%; 및
입자크기가 0.0004~0.0005mm인 용융 실리카 분말 10~20%로 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹 코어의 제조방법.
The method of claim 3,
In the step (S1), the fused silica powder may contain,
10 to 20% fused silica powder having a particle size of 0.2 to 0.5 mm;
10 to 20% of fused silica powder having a particle size of 0.1 to 0.2 mm;
10 to 20% fused silica powder having a particle size of 0.025 to 0.045 mm;
20 to 30% of fused silica powder having a particle size of 0.010 to 0.025 mm;
20 to 30% of fused silica powder having a particle size of 0.001 to 0.005 mm; And
And 10 to 20% of fused silica powder having a particle size of 0.0004 to 0.0005 mm.
청구항 1에 있어서,
상기 S1 단계에서 상기 지르콘 분말은, 입자크기가 0.001~0.005mm인 것을 특징으로 하는 세라믹 코어의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the zircon powder in the step (S1) has a particle size of 0.001 to 0.005 mm.
청구항 1에 있어서,
상기 S1 단계에서, 상기 세라믹 혼합물의 총 중량을 기준으로 왁스가 5~40 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 세라믹 코어의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the wax is in the range of 5 to 40% by weight based on the total weight of the ceramic mixture in the step S1.
청구항 1에 있어서,
상기 S1 단계에서, 상기 왁스는 파라핀 왁스, 마이크로크리스탈린 왁스, 폴리올레핀 왁스, 밀랍, 카나우바 왁스 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 코어의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the wax is selected from the group consisting of paraffin wax, microcrystalline wax, polyolefin wax, beeswax, carnauba wax, and mixtures thereof.
청구항 7에 있어서,
상기 왁스는 녹는점이 상이한 두 종류의 왁스를 6:4 내지 9:1의 중량비로 혼합한 혼합물인 것을 특징으로 하는 세라믹 코어의 제조방법.
The method of claim 7,
Wherein the wax is a mixture of two kinds of waxes having different melting points in a weight ratio of 6: 4 to 9: 1.
청구항 1에 있어서,
상기 S1 단계에서, 상기 세라믹 혼합물이 알루미나, 탄화규소, 폴리비닐알코올, 셀룰로스, 폴리비닐부티랄, 아크릴레이트 및 에틸실리케이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 코어의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the ceramic mixture further comprises an additive selected from the group consisting of alumina, silicon carbide, polyvinyl alcohol, cellulose, polyvinyl butyral, acrylate and ethyl silicate in the step S1 .
용융 실리카 분말, 지르콘 분말 및 왁스를 포함하여 구성된 세라믹 혼합물을 성형 및 고온 소결하여 제조되며,
용융 실리카가 결정화된 결정질 물질인 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율을 기준으로 고온 소결과정에서 용융 실리카의 결정화량이 조절된 것을 특징으로 하는 세라믹 코어.
Which is prepared by molding and hot sintering a ceramic mixture composed of fused silica powder, zircon powder and wax,
Wherein the amount of crystallization of the fused silica in the high-temperature sintering process is controlled based on the XRD analysis peak of cristobalite, which is a crystalline material in which the fused silica is crystallized, and the intensity ratio of the XRD analysis peak of the zircon.
청구항 10에 있어서,
상기 용융 실리카 분말과 상기 지르콘 분말의 중량비율이 2:1~4:1의 범위이며,
상기 용융 실리카가 결정화된 크리스토발라이트의 XRD 분석 피크와 상기 지르콘의 XRD 분석 피크의 세기 비율이 0.05~0.7 범위인 것을 특징으로 하는 세라믹 코어.
The method of claim 10,
The weight ratio of the fused silica powder to the zircon powder is in the range of 2: 1 to 4: 1,
Wherein an intensity ratio of an XRD analysis peak of the cristobalite crystallized in the fused silica to an XRD analysis peak of the zircon is in a range of 0.05 to 0.7.
청구항 10에 있어서,
상기 세라믹 코어의 선 수축량이 3.5% 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 코어.
The method of claim 10,
Wherein a linear shrinkage of the ceramic core is 3.5% or less.
청구항 10에 있어서,
상기 세라믹 코어의 파괴강도가 10MPa 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 코어.
The method of claim 10,
Wherein the ceramic core has a fracture strength of 10 MPa or more.
청구항 1의 방법으로 용융 실리카의 결정화량이 조절된 세라믹 코어를 제조하는 단계;
상기 세라믹 코어의 외부에 제품 형상의 왁스 패턴을 형성하는 단계;
상기 왁스 패터닝된 세라믹 코어를 이용하여 쉘 몰드를 형성하는 단계; 및
상기 쉘 몰드를 사용하여 제품을 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀주조 방법.
Preparing a ceramic core having controlled crystallization amount of fused silica by the method of claim 1;
Forming a product-shaped wax pattern on the exterior of the ceramic core;
Forming a shell mold using the wax patterned ceramic core; And
And casting the product using the shell mold.
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