KR101885445B1 - 주형 형성용 슬러리, 주형, 및 주형의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
주형 형성용 슬러리는, 분산매로서의 실리카 졸과, 실리카 졸에 분산된 니오비아 안정화 지르코니아를 포함한다.
Description
본 발명은 주형 형성용 슬러리, 주형, 및 주형의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은 2014년 3월 12일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제 2014-049226 호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
금속, 합금 등의 주조를 실행하는 주형에 있어서는, 주물을 취출할 때 주형의 강도가 너무 높아 주형을 부수는 것이 곤란하게 되는 경우가 있다. 이러한 주형으로부터 주물을 취출할 때에는, 해머에 의한 타격, 샌드 블래스트, 또는 스틸 샷 등으로 주형을 파괴하게 된다. 그 때문에, 주물에 대해 주형 파괴에 의한 충격의 데미지가 가해져 결함이 생길 가능성이 있다.
주형으로서는, 실리카 졸에 대해 지르콘이나 알루미나 등을 혼합한 것을 소성하여 형성하는 주형이 알려져 있다. 이러한 주형은, 일반적으로 온도 저하에 의한 수축이 적고, 그 선팽창계수가 주물인 금속의 선팽창계수와 한 자리수 다른 값이 되어 버린다. 그 때문에, 주물이 냉각될 때의 수축에 의해, 주물에 인장 응력이 작용하여 주물에 균열 등의 결함이 생길 가능성이 있다.
특허문헌 1에는, 지르코니아를 10 중량% 이상 포함하는 재료를 이용하여 주형을 형성하는 기술이 제안되어 있다. 이 특허문헌 1의 기술은, 온도에 따라서 결정 구조가 변화되는 지르코니아 성질을 이용하고 있다. 즉, 금속 용탕의 주탕에 의해 주형이 고온이 되는 것을 이용하여, 주형 중에 미세한 크랙을 무수히 발생시켜, 주형을 자기 붕괴시키고 있다.
그런데, 상술한 지르코니아는, 온도가 1100℃ 부근이 되면 결정 구조가, 예컨대, 사방정에서 정방정으로 변화하여 체적이 변화되어 버린다. 그 때문에, 용탕을 주형에 주탕하는 과정에서, 주형에 체적 변화가 생겨 정밀 주조가 곤란하게 될 가능성이 있다.
본 발명은 주물을 안정되게 성형할 수 있는 동시에, 주형을 용이하게 자기 붕괴시킬 수 있는 주형 형성용 슬러리, 주형, 및 주형의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 태양에 의하면, 주형 형성용 슬러리는, 분산매로서의 실리카 졸과, 상기 실리카 졸에 분산된 니오비아 안정화 지르코니아를 포함한다.
본 발명의 제 2 태양에 의하면, 주형은, 내측으로부터 순차로 프라이머리층과 백업층을 적층하여 구비하고, 상기 프라이머리층과 상기 백업층 중 적어도 한쪽이 제 1 태양의 주형 형성용 슬러리를 열처리하여 형성되어 있다.
본 발명의 제 3 태양에 의하면, 주형의 제조 방법은, 분산매로서의 실리카 졸에 니오비아 안정화 지르코니아를 분산시켜 슬러리를 생성하는 슬러리 생성 공정과, 왁스 형(型)의 표면에 상기 슬러리를 부착시켜 슬러리층을 형성하는 슬러리층 형성 공정을 포함한다. 이 주형의 제조 방법은, 상기 슬러리층의 표면에 내화재의 입자를 부착시켜 스터코층을 형성하는 스터코층 형성 공정과, 상기 슬러리층 및 상기 스터코층을 열처리하는 열처리 공정을 추가로 포함한다.
상술한 주형 형성용 슬러리, 주형, 및 주형의 제조 방법에 의하면, 주물을 안정되게 성형할 수 있는 동시에, 주형을 용이하게 자기 붕괴시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 슬러리 및 스터코를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서의 주형의 제조 방법의 흐름도.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서의 주형의 제조 방법의 흐름도.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 주형 형성용 슬러리, 주형, 및 주형의 제조 방법에 대해 설명한다.
이 실시형태의 주형 형성용 슬러리(이하, 간단히 슬러리라 칭함)는, 분산매로서의 실리카 졸과, 실리카 졸에 분산되는 니오비아 안정화 지르코니아(NbO2·ZrO2)를 구비하고 있다. 니오비아 안정화 지르코니아는 분산매인 실리카 졸에 분산됨으로써 슬러리가 된다. 니오비아 안정화 지르코니아는 1100℃ 정도까지는 결정 구조가 변화하지 않고 안정된 상태가 된다. 한편, 니오비아 안정화 지르코니아는, 1200℃ 정도가 되면, 탈안정화하여, 니오비아와 지르코니아로 유리된다. 유리된 지르코니아는 일반적인 지르코니아와 마찬가지로 온도에 따라서 결정 구조의 변화가 생긴다. 즉, 지르코니아 결정 구조는 고온(예컨대, 1000℃ 초과)시에 정방정이 되는 한편, 저온(예컨대, 1000℃ 이하)시에 사방정이 된다.
슬러리에는 습윤 개선제 및 소포제 등을 첨가해도 좋다.
습윤 개선제는 왁스 형에 대한 슬러리의 습윤성을 개선하기 위해 첨가할 수 있다. 예컨대, 습윤 개선제로서는 빅터 웨트 12(등록상표, 일본 프리맨(주) 제조) 등을 이용할 수 있다. 빅터 웨트 12는 정밀 주조 등의 주형 조형 시에 첨가되는 계면활성제이다.
소포제는 슬러리에 거품이 발생하는 것을 방지하기 위해서 첨가할 수 있다. 예컨대, 소포제로서는, ANTIFOAM1410(다우·코닝사 제조) 등을 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 슬러리 및 스터코를 도시하는 단면도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 이 실시형태에 있어서의 주형(1)은 왁스 형(2)의 표면(2a)에 적층되는 프라이머리층(3)과 백업층(4)을 구비하고 있다. 이들 프라이머리층(3)과 백업층(4)은 슬러리에 의해 형성되는 니오비아 안정화 지르코니아층(5)과, 내열재의 입자(이하, 간단히 스터코라 칭함)에 의해 형성되는 스터코층(6)이 교대로 적층되어 형성되어 있다.
프라이머리층(3)은 니오비아 안정화 지르코니아층(5) 및 스터코층(6)이 적층된 것 중 주형(1) 내측으로부터 1~2층을 가리킨다. 이 프라이머리층(3)은 주물과 접하는 층이기 때문에, 주물과 반응하지 않는 세밀한 입자로 형성되는 것이 바람직하다.
백업층(4)은 주로 주형 중의 강도를 담당하는 층이다. 백업층(4)은 프라이머리층(3)의 외측에 배치되어 있다. 백업층(4)은 필요한 강도에 따른 두께로 형성된다.
스터코층(6)은 니오비아 안정화 지르코니아층(5)의 표면(5a)에 부착된 내화재의 입자(7)에 의해 형성된다. 내화재의 입자(7)로서는, 멀라이트, 알루미나 등의 스터코라 칭하는 조립(입자 직경이 0.2 내지 1.0㎜)을 예시할 수 있다.
(주형의 제조 방법)
다음에, 이 실시형태에 있어서의 주형의 제조 방법에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서의 주형의 제조 방법의 흐름도이다.
이 실시형태의 주형 제조 방법은 미리 왁스 형(2)을 사출 성형 등에 의해 형성한다. 구체적으로는, 우선, 코어재가 매립된 금형에 땜납을 흘려 넣는다. 이어서, 금형을 분리하고, 코어재의 외측이 땜납으로 덮인 땜납 성형 부품을 금형으로부터 취출한다. 그 후, 땜납 성형 부품에 땜납 성형의 탕구(湯口)와 둑을 장착하고, 왁스 형(2)으로 한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 우선, 슬러리 생성 공정으로서, 니오비아 안정화 지르코니아의 입자를 분산매인 실리카 졸에 분산시켜 슬러리를 생성한다(단계(S01)).
이어서, 슬러리층 형성 공정으로서, 왁스 형(2)을 슬러리에 침지시킨 후, 끌어올려 왁스 형(2)의 표면(2a)에 슬러리층을 형성한다(단계(S02)).
또한, 스터코층 형성 공정으로서, 내화재의 입자(7)를 슬러리층의 표면에 뿌려 스터코층(6)을 형성한다(단계(S03)). 내화재는 흡수성이 뛰어나기 때문에, 슬러리층의 수분이 흡수되어, 슬러리층이 덜 마른 상태가 된다.
그 후, 건조 공정으로서, 슬러리층과 스터코층(6)이 적층된 왁스 형(2)을 건조실에 넣고, 예컨대 2시간 정도 건조시킨다. 상기 슬러리층 형성 공정, 스터코층 형성 공정 및 건조 공정으로 이루어지는 일련의 공정을 1회 실행함으로써, 0.5~2㎜ 정도의 층이 왁스 형(2)의 표면(2a)에 형성된다.
이들 슬러리층 형성 공정, 스터코층 형성 공정 및 건조 공정으로 이루어지는 일련의 공정은 소정 횟수(예컨대, 수 회 내지 수십 회) 반복된다(단계(S05)).
그 후, 왁스 형(2)을 제거하고(단계(S06)), 소성을 실행한다(열처리 공정; 단계(S07)). 왁스 형의 제거는 오토클레이브 등을 이용하여, 10기압, 150℃ 정도의 가열 증기에 의해 땜납을 용융시켜 제거한다. 또한, 소성은 980℃의 온도로, 1~10시간 실행한다.
여기서, 예컨대, 터빈 날개 등의 주물을 제조할 때에는, 주형 내에 용탕을 흘려 넣는 주입 공정을 실행한다. 또한, 주물을 주형으로부터 취출한 후, 주물내의 코어재를 고온 알칼리 용액 중에서 용출시키는 코어 제거 공정을 실행한다.
주입 공정은 주형을 1100℃ 이상으로 예열하고, 노 내에 재빠르게 세트한다. 그 후, 진공 중에서, 약 1500℃의 용융 합금(용탕)을 주형 내에 흘려 넣는다.
코어 제거 공정은 탕구와 둑을 절단하고, 마무리 작업을 실행한 후, 얻어진 합금을 고온 알칼리 용액 안에 넣는다. 고온 알칼리 용액은, 예컨대, 약 180℃의 온도로 가열한 약 40~50wt%의 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)의 용액을 이용할 수 있다. 이 용액에 상기 합금을 약 12~24시간에 걸쳐 침지하고, 가압·감압을 반복한다. 이에 의해, 합금 내의 코어재와, 코어재의 표면 상의 코팅이 용출되어, 합금으로 이루어지는 중공 구조의 터빈 날개를 얻을 수 있다. 터빈 날개는 샌드 블래스트나 그라인더로 마무리를 실행하고, 치수 검사, 자이그로 검사, X선 검사 등을 실행한다.
그런데, 상술한 주입 공정이 완료된 후, 코어 제거 공정으로 이행하기 전에, 냉각 응고된 주물을 주형(1)으로부터 취출한다. 보다 구체적으로는, 주형(1)을 냉각하고 자기 붕괴시켜, 주물을 취출한다.
주형(1)을 형성하는 니오비아 안정화 지르코니아는 용탕에 의해 1200℃ 정도까지 가열되면 탈안정화한다. 이에 의해, 상술한 바와 같이, 니오비아와 지르코니아로 유리된다. 탈안정화했을 때, 지르코니아는 1000℃ 이상이기 때문에 정방정으로 되어 있다. 한편, 냉각에 의해 주물 및 주형의 온도가 저하되어 1000℃를 하회하면, 지르코니아는 사방정으로 변화한다. 이때, 지르코니아는 체적 팽창하는 동시에, 강도가 극단적으로 저하된다. 그 때문에, 주형과 주물의 선팽창계수의 차이 등에 의해 주형에 힘이 가해지면, 주형이 자기 붕괴된다. 여기서, 자기 붕괴가 충분하지 않은 경우라도, 주형에는 다수의 크랙이 생기기 때문에, 최소한의 충격으로 용이하게 주형을 파괴할 수 있다.
다음에, 상술한 주형의 실시예 및 비교예에 대해 설명한다.
[실시예 1]
우선, 분산매로서 실리카 졸에 니오비아 안정화 지르코니아 분말(NbO2·ZrO2)을 투입하여 슬러리화했다. 또한, 습윤성 개선제로서 OT-75, 소포제로서 ANTIFOAM1410을 각각 첨가하여 주형 형성용 슬러리를 얻었다.
또한, 왁스 형을 슬러리에 침지한 후, 끌어올려, 여분의 슬러리를 적하시켰다. 이어서, 멀라이트 또는 알루미나로 이루어지는 스터코의 조립(0.2~1㎜)을 왁스 형 상의 슬러리에 뿌렸다. 이에 의해, 스터코는 젖은 슬러리에 부착되는 동시에, 슬러리로부터 여분의 물을 흡수하여, 슬러리가 덜 마른 상태가 되었다.
이어서, 이것을 2시간 이상 건조실에 넣고 건조했다. 이에 의해, 슬러리층과 스터코층의 두께 합계는 0.5~2㎜가 되었다. 이것을 수 회 내지 수십 회 반복하여 충분한 강도가 얻어지는 두께까지 슬러리층과 스터코층을 적층하여, 프라이머리층과 백업층을 형성했다.
그 후, 150℃의 오토클레이브에서 왁스를 제거하고, 980℃로 열처리(소성)하여 주형을 얻었다.
이 주형을 1100℃ 이상으로 예열하여 데우고, 용융 금속을 흘려 넣었다. 그러면, 니오비아 안정화 지르코니아가 탈안정화했다. 그 후, 주형을 냉각하면, 지르코니아의 결정 구조가 정방정에서 사방정으로 변화되고, 주형이 자기 붕괴되어 주물을 간단하게 취출할 수 있었다. 자기 붕괴된 주형을 관찰한바, 체적 팽창 및 다수의 크랙을 확인할 수 있으며, 전체적으로 깨지기 쉽게 되어 있었다.
[실시예 2]
분산매로서의 실리카 졸에 니오비아 안정화 지르코니아 분말(NbO2·ZrO2)을 투입하여 슬러리화했다. 또한, 습윤성 개선제로서 OT-75, 소포제로서 ANTIFOAM1410을 각각 첨가하여 백업층을 형성하기 위한 백업용 슬러리로 했다.
또한, 분산매로서의 실리카 졸에 지르콘 플라워(ZrSiO4)를 분산시켜 슬러리화했다. 또한, 습윤 개선제로서 빅터 웨트 12, 소포제로서 ANTIFOAM1410을 첨가하여 프라이머리층을 형성하기 위한 프라이머리용 슬러리로 했다.
왁스 형을 프라이머리용 슬러리에 침지한 후, 끌어올려, 여분의 프라이머리용 슬러리를 적하시켰다. 다음에, 멀라이트 또는 알루미나로 이루어지는 스터코의 조립(0.2~1㎜)을 왁스 형 상의 슬러리에 뿌렸다. 이에 의해, 스터코는 젖은 슬러리에 부착되는 동시에, 슬러리로부터 여분의 물을 흡수하여, 슬러리가 덜 마른 상태가 되었다.
이어서, 이것을 2시간 이상 건조실에 넣고 건조했다. 이에 의해, 슬러리층과 스터코층과의 두께 합계는 0.5~2㎜가 되었다. 이것을 1회 내지 2회 반복하여 프라이머리층을 형성했다.
그 후, 왁스 형을 백업용 슬러리에 침지한 후, 끌어올려, 여분의 백업용 슬러리를 적하시켰다. 다음에, 멀라이트 또는 알루미나로 이루어지는 스터코의 조립(0.2~1㎜)을 왁스 형 상의 슬러리에 뿌렸다. 이에 의해, 스터코는 젖은 슬러리에 부착되는 동시에, 슬러리로부터 여분의 물을 흡수하여, 슬러리가 덜 마른 상태가 되었다. 이것을 수 회 내지 수십 회 반복해서 충분한 강도가 얻어지는 두께까지 슬러리층과 스터코층을 적층하여, 백업층을 형성했다.
그 후, 150℃의 오토클레이브에서 왁스를 제거하고, 980℃로 열처리(소성)하여 주형을 얻었다.
이 주형을 1100℃ 이상으로 예열하여 데우고 용융 금속을 흘려 넣었다. 그러면, 니오비아 안정화 지르코니아가 탈안정화했다. 그 후, 주형을 냉각하면, 지르코니아의 결정 구조가 정방정에서 사방정으로 변화되고, 주형이 자기 붕괴되어 주물을 간단하게 취출할 수 있었다. 자기 붕괴된 주형을 관찰한바, 백업층에 체적 팽창 및 다수의 크랙을 확인할 수 있으며, 백업층이 전체적으로 깨지기 쉽게 되어 있었다.
[비교예]
실리카 졸을 분산매로 하고, 지르콘 플라워를 분산시켜 슬러리화했다. 또한, 습윤 개선제로서 빅터 웨트 12, 소포제로서 ANTIFOAM1410을 첨가하여 주형 형성용의 슬러리로 했다.
또한, 왁스 형을 슬러리에 침지한 후, 끌어올려, 여분의 슬러리를 낙하시켰다. 다음에, 멀라이트 또는 알루미나로 이루어지는 스터코의 조립(입자 직경 0.2~1㎜)을 왁스 형 상의 슬러리에 뿌렸다. 이에 의해, 스터코는 젖은 슬러리에 부착되는 동시에, 슬러리로부터 여분의 물을 흡수하는 형태가 되어, 슬러리는 덜 마른 상태가 되었다.
이어서, 이것을 2시간 이상 건조실에 넣고 건조했다. 이에 의해 슬러리층과 스터코층의 두께 합계는 0.5~2㎜가 되었다. 이것을 수 회 내지 수십 회 반복하여 충분한 강도가 얻어지는 두께까지 슬러리층과 스터코층을 적층했다. 이때, 프라이머리층 및 백업층의 양쪽을, 동일 슬러리를 이용하여 형성했다.
그 후, 150℃의 오토클레이브에서 왁스 형을 제거하고, 900~1200℃로 소성하여 주형을 얻었다.
또한, 이 주형에 용탕을 흘려 넣고, 냉각하여 주물을 형성했다.
냉각 후, 주형에 해머 타격 등의 충격을 반복적으로 가하여 주형을 파괴하고 주물을 취출했다. 주형으로부터 취출한 주물을 검사한바 결함이 발견되었다.
따라서, 상술한 실시형태에 의하면, 용탕을 주탕하여 고온이 되었을 때에, 니오비아 안정화 지르코니아를 탈안정화시킬 수 있다. 또한, 이 탈안정화에 의해 니오비아와 지르코니아로 유리시킬 수 있다. 그 때문에, 주물이 냉각될 때에, 지르코니아의 결정 구조가 변화되어 체적 변화 및 강도 저하가 발생하여, 주형(1)의 자기 붕괴성을 높일 수 있다. 그 결과, 용탕을 주탕하는 과정에서 체적 변화가 생기는 것을 억제하여 주물을 안정되게 성형할 수 있는 동시에, 주형(1)을 용이하게 자기 붕괴시킬 수 있다.
또한, 프라이머리층(3)과 백업층(4) 중 백업층(4)에만 니오비아 안정화 지르코니아를 포함하는 슬러리를 이용한 경우에도, 주형(1)의 자기 붕괴성을 충분히 높일 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 상술한 실시형태에 여러 가지의 변경을 가한 것을 포함한다. 즉, 실시형태로 예를 든 구체적인 형상이나 구성 등은 일 예에 지나지 않으며, 적절히 변경이 가능하다.
예컨대, 상술한 실시예 2에서는, 백업층(4)에만 니오비아 안정화 지르코니아를 이용하는 경우를 일 예로 설명했지만, 프라이머리층(3)에만 니오비아 안정화 지르코니아를 이용해도 좋다. 이와 같이 프라이머리층(3)에만 니오비아 안정화 지르코니아를 이용한 경우라도, 주형의 자기 붕괴성을 높일 수 있다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 주물이 터빈 날개인 경우에 대해 예시했지만, 터빈 날개 이외의 주물에도 적용 가능하다.
본 발명은, 주형 형성용 슬러리, 주형, 및 주형의 제조 방법에 적용할 수 있어서, 주물을 안정되게 성형할 수 있는 동시에, 주형을 용이하게 자기 붕괴시킬 수 있다.
1 : 주형 2 : 왁스 형
2a : 표면 3 : 프라이머리층
4 : 백업층 5 : 니오비아 안정화 지르코니아층
5a : 표면 6 : 스터코층
7 : 입자
2a : 표면 3 : 프라이머리층
4 : 백업층 5 : 니오비아 안정화 지르코니아층
5a : 표면 6 : 스터코층
7 : 입자
Claims (3)
- 내측으로부터 순차로 프라이머리층과 백업층을 적층하여 구비하고,
상기 프라이머리층 및 상기 백업층은
분산매로서의 실리카 졸과, 상기 실리카 졸에 분산된 니오비아 안정화 지르코니아를 포함하는 주형 형성용 슬러리에 의해 형성되는 니오비아 안정화 지르코니아층과,
내열재의 입자에 의해 형성되는 스터코층이 교대로 적층 소성되어 이루어지는
주형. - 삭제
- 분산매로서의 실리카 졸에 니오비아 안정화 지르코니아를 분산시켜 슬러리를 생성하는 슬러리 생성 공정과,
왁스 형(型)의 표면에 상기 슬러리를 부착시켜 슬러리층을 형성하는 슬러리층 형성 공정과,
상기 슬러리층의 표면에 내화재의 입자를 부착시켜 스터코층을 형성하는 스터코층 형성 공정과,
적층된 상기 슬러리층과 상기 스터코층을 건조시키는 건조 공정과,
상기 슬러리층 형성 공정, 상기 스터코층 형성 공정 및 상기 건조 공정을 복수회 반복한 후에, 상기 슬러리층 및 상기 스터코층을 열처리하는 열처리 공정을 포함하는
주형의 제조 방법.
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