KR102084323B1 - 인산염, 금속 및 pH 조절제를 포함하는 주조용 무기 바인더 및 이를 포함하는 주형의 제조방법 - Google Patents

인산염, 금속 및 pH 조절제를 포함하는 주조용 무기 바인더 및 이를 포함하는 주형의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인산, 인산과 반응하는 금속 전구체, 내화제 및 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 pH 조절제를 포함하며, 상기 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는 인산염 기반의 세라믹계 주조용 무기 바인더 및 상기 인산염 무기 바인더를 포함하는 주형의 제조방법에 관한 것으로, 내열성 및 강도가 뛰어나며, 혼련사의 상태에서 보관 및 사용이 가능한 인산염 무기 바인더와 이를 포함하여 주조품의 품질을 향상시키는 효과를 나타내는 주형의 제조방법을 제공한다.

Description

인산염, 금속 및 pH 조절제를 포함하는 주조용 무기 바인더 및 이를 포함하는 주형의 제조방법 {An inorganic binder for casting including phosphate, metal, and pH adjusting agent and a process for producing a mold including the binder}
본 발명은 인산염, 금속 및 pH 조절제를 포함하는 주조용 무기 바인더 및 이를 포함하는 주형의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 인산, 인산과 반응하는 금속 전구체 및 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 pH 조절제를 포함하며, 상기 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는 인산염 기반의 세라믹계 주조용 무기 바인더 및 상기 인산염 무기 바인더를 포함하는 주형의 제조방법에 관한 것이다.
제조산업에서 가장 중요한 주조산업 현장에서는 금속의 용해, 중자 제조등의 과정을 거쳐 다양한 형태의 주물을 제조하고 있다. 중자 조형 시 형틀은 대부분 모래를 사용하여 만들게 되는데, 이 가루 형태의 모래를 단단하게 하여 형틀을 잡아주는 역할을 하는 것이 바로 바인더(binder)이다.
바인더는 서로 다른 재질의 물질을 결합시켜 최종 용도에서, 접착력, 도막물성 또는 내화학성과 같은 요구 특성을 부여하는 재료를 말한다. 이러한 특성상 주조 산업에서 바인더는 중자 조형과정에서 형틀을 잡아주는 중요한 역할을 하며, 도료, 방수제, 섬유 또는 고무와 같은 다양한 소재의 제조를 위해 사용될 수 있다.
바인더는 크게 유기계 바인더와 무기계 바인더로 나누어질 수 있다. 유기계 바인더는 탄소 결합 또는 에테르 결합에 의해 물질의 결합을 형성하는데, 중자 조형 시 유리페놀, 벤젠, 포름알데히드 등의 유해가스가 다량 발생하는 문제점이 있다. 이렇게 발생한 유해가스는 건강과 환경에 악영향을 끼치며, 소결과정에서 다량의 열에너지를 필요로 하고, 성형된 제품의 형상과 강도에 영향을 주어 품질을 떨어뜨린다. 이와 같은 유기 바인더에 대한 대안으로 무기 바인더가 제안되고 있다.
무기계 바인더는 Si-O 결합 또는 Al-O 결합에 의하여 물질의 결합을 형성하며, 저온에서 경화가 가능하고 휘발성 유기 화합물을 배출하지 않기 때문에 작업환경이 양호하다. 또한 중자 조형 시 성형된 제품의 결함이 적으며, 환경오염에 대한 부가 비용이 필요하지 않아 경제적이다.
세라믹이란 소성에 의하여 굳게 만들어진 무기질 비금속으로 주로 산소와 결합된 비금속 고체를 의미한다. 세라믹계 바인더는 일액형으로 환경친화성을 가진다는 이점이 있으며, 높은 내열성을 가지면서 장기간 동일한 물성을 유지할 수 있다.
무기 세라믹계 바인더는 필요에 따라 적절한 기능성 물질을 첨가하여 도막 또는 코팅층의 형성으로 피도체를 보호하는 금속 또는 비금속을 포함하는 임의의 도료 또는 코팅제의 바인더로 사용될 수 있다는 장점이 있다.
이에 따라, 대한민국 등록특허 10-1102118은 실리카 졸의 졸-겔 반응을 통하여 제조된 무기계 세라믹 바인더의 제조방법을 제공하고 있으며, 바인더 제조에 실리카 졸에 수산화칼륨과 금속수산화물 및 메톡시실란 또는 에톡실실란을 사용하고 있다. 그러나 무기 세라믹계 바인더의 장점을 활용하여 실제 주조산업에 적용하기는 어려운 문제점이 있다.
KR 10-1102118 KR 10-1527909
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 내열성 및 강도가 뛰어나며, 혼련사의 상태에서 보관 및 사용이 가능한 인산염 기반의 세라믹계 주조용 무기 바인더 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 상기 인산염 무기 바인더를 포함하는 중자 또는 주형의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 상기 중자 또는 주형을 이용하여 제조되는 주조품을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
인산염을 주성분으로 하는 무기 바인더에 있어서,
금속 전구체;
상기 금속 전구체와 반응하는 인산; 및
금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 pH 조절제;를 포함하며,
상기 인산염의 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 주조용 무기 바인더를 제공한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
인산염을 주성분으로 하는 무기 바인더에 있어서,
Al, Zn, Fe, Cu, Ni 및 Mn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 전구체;
상기 금속 전구체와 반응하는 인산; 및
금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 pH 조절제;를 포함하며,
상기 인산염의 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 주조용 무기 바인더를 제공한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
인산염을 주성분으로 하는 무기 바인더에 있어서,
Al, Zn, Fe, Cu, Ni 및 Mn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 전구체;
상기 금속 전구체와 반응하는 인산; 및
금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 K3PO4, NH4MgPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2 및 AlPO4 중에서 선택된 1종 이상의 pH 조절제;를 포함하며,
상기 인산염의 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 주조용 무기 바인더를 제공한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
인산염을 주성분으로 하는 무기 바인더에 있어서,
증류수(H2O)에 인산을 희석하는 단계;
상기 인산과 반응하는 Al, Zn, Fe, Cu, Ni 및 Mn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 전구체를 첨가하는 단계; 및
금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염에 K3PO4, NH4MgPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2 및 AlPO4 중에서 선택된 1종 이상의 pH 조절제를 첨가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 주조용 무기 바인더의 제조방법을 제공한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
상기 인산염 무기 바인더를 이용하여
증류수(H2O)에 인산을 희석시키는 단계;
모래에 상기 인산과 금속 전구체를 첨가하는 단계;
상기 모래에 pH 조절제를 첨가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중자 또는 주형의 제조방법을 제공한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
인산염 무기 바인더를 포함하는 중자 또는 주형으로 제조하는 것을 특징으로 하는, 주조품을 제공한다.
본 발명의 인산염 기반 무기 바인더는 인산, 인산과 반응하는 금속 전구체 및 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 pH 조절제를 포함하는 세라믹계 바인더로서 내열성 및 강도가 뛰어나며, 혼련사의 상태에서 보관 및 사용이 가능하다.
또한, 상기 금속과 인산의 몰 비를 2:1 내지 5:1로 특정하여 더욱 안정적인 강도 효과를 나타내며, 종래 기술의 무기 바인더와 달리 가사시간이 없다는 것이 특징이다.
이에 따라, 상기 바인더를 포함하는 주형의 강도가 안정적으로 높아지며, 주형을 이용하여 제조될 주조품의 품질을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 인산염 무기 바인더를 합성하는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 인산염 무기 바인더의 합성, 모래와의 혼련 과정 및 내화제 첨가 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 특정 [P/Al]의 몰 비의 인산염 무기 바인더를 포함하며 260℃에서 제작된 시험 중자의 강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 특정 [P/Al]의 몰 비의 인산염 무기 바인더를 포함하며 400℃에서 제작된 시험 중자의 강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 인산염 무기 바인더와 혼련한 모래에 특정 내화제를 첨가하여 제작한 중자 강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 인산염 무기 바인더에 첨가한 pH 조절제의 종류에 따른 상대 강도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 인산염 무기 바인더에 첨가한 pH 조절제의 종류에 따른 pH를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 인산염 무기 바인더의 혼련사 대비 중량비에 따른 강도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 인산염, 금속 및 pH 조절제를 포함하는 무기 바인더에 조성물에 관한 것으로, 더 상세하게는 인산, 인산과 반응하는 금속 전구체 및 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 pH 조절제를 포함하며, 상기 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는 인산염 기반의 무기 바인더의 조성물에 관한 것이다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 인산염을 주성분으로 하는 무기 바인더에 있어서, 금속 전구체; 상기 금속 전구체와 반응하는 인산; 및 금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 pH 조절제;를 포함하며, 상기 인산염의 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 주조용 무기 바인더를 제공한다.
인산염 무기 바인더는 물유리계열의 무기 바인더와는 다른 세라믹계 바인더로서 내열성 및 강도가 뛰어나며, 특히 모래와 바인더가 혼련된 상태에 보관 및 사용이 가능하다는 장점이 있다.
인산염은 인산의 염을 가리키는 무기 화합물로서 하나의 인과 4개의 산소로 구성된 다원자 이온 또는 근본 물질에서 형성된 물질이다. 인산에 있는 수소 이온을 금속 이온 따위의 양이온으로 치환한 염을 가리킨다.
금속 전구체는 Al, Zn, Mg, Mn, Fe, Cr, Cu, Ni, Mn, Ti, Ca, K, Na 및 Sn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속염이며, 바람직하게는 Al, Zn, Mg, Mn, Fe, Cr, Cu, Ni, Mn, Ti, Ca 및 Sn로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 금속염이다.
인산염 무기 바인더의 구성으로 사용되는 상기 금속은 그 종류와 범위가 한정되는 것은 아니다. 경제성의 차이가 있을 수는 있으나, 어떠한 금속이라도 인산에 녹여 이용할 수 있다면, 상기 바인더의 금속 전구체로서 사용될 수 있다.
금속염은 MHnPO3, M(OH)n, M(NO3)n, M(Cl)n, M(Br)n, MnOl 및 MN 중에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 M은 Al, Zn, Fe, K, Mg, Na, Cr 및 Ca 중에서 선택되는 어느 하나의 금속이고, n은 1 내지 8의 정수이다. n은 금속 전구체의 전하균형을 위해 또는 금속 전구체의 가장 안정한 구조에 의하여 결정된 수이다.
금속을 인산에 녹여 이용할 수 있으며, 그 예시로 상기와 같은 금속염들을 기재하나, 금속의 범위와 마찬가지로 금속염의 범위도 상기에 한정되는 것은 아니다. 인산염 무기 바인더의 금속염은 인산에 있는 수소 이온을 금속 이온으로 치환하여 제조한 어느 금속염이든 사용이 가능하다.
상기 첨가제 외에 인산염 기반의 무기 바인더 제조 시 내화제를 첨가할 수 있다. 내화제는 SiO2, ZrO2, Al2O3, Cr2O3, MgO 및 CaO중에서 선택된 1종 이상의 내화제를 사용할 수 있다. 내화제는 제조된 인산염 무기 바인더가 고온에서 물리적 및 화학적 영향에 견딜 수 있도록 하기 위하여 첨가하며, 내열성 및 강도를 높이고 안정성을 강화하기 위한 첨가제로 바인더의 구성에 포함될 수 있다.
내화제의 종류를 산성, 중성, 염기성으로 분류하면, 산성 내화제로는 주요 구성이 SiO2 및 ZrO2인 규석질, 융융 실리카질, 점토지루 지르콘, 지르코니아질 및 탄화 규소질 등이 있다. 중성 내화제로는 주요 구성이 Al2O3 및 Cr2O3인 고알루미나질, 알루미나 카본질, 크롬질 등이 있으며, 염기성 내화제로는 주요 구성이 MgO 및 CaO인 마그네시아 카본, 마그네시아질, 마그네시아 크롬질 및 돌로마이트 질 등이 있다.
pH 조절제는 MgO, ZnO, Fe2O3, FeO, Al2O3, NaOH, KOH, Mg(OH)2, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Zn(OH)2, Al(OH)2, Cr2O3, NH4MgPO4, NaCO3, CaCO3, Ca(H2PO4)2, CaHPO4, Ca3(PO4)2, Mg(H2PO4)2, MgHPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2, FePO4, NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4 및 AlPO4으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 pH 조절제를 포함한다.
pH 조절제를 이용하여 인산염 무기 바인더를 중화시키면 경화온도가 낮아지며, 경화시간이 줄어드는 등 경화가 촉진된다. 또한, 주형의 산 부식을 줄여서 주형품 품질을 유지하여 주며, 바인더의 안정성을 높여준다. pH 조절제를 이용하여 무기바인더를 중화시키면 경화온도를 낮출 수 있고, 경화 시간이 줄어드는 등 경화에 드는 제반 비용을 크게 절감할 수 있다. 또한 바인더의 유동성이 크게 개선되어 금형에 혼련사가 더욱 잘 충진되는 효과가 나타난다.
인산염 무기 바인더의 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1에서 최대의 강도를 나타낸다. 상기 인산과 금속의 몰 비가 5:1을 초과할 경우, 인산에 금속이 용해되기는 하나, 금속과 반응하지 않은 여분의 인산 때문에 경화온도 및 경화 시간이 오래 걸리고, pH가 낮아 주형품이 산에 부식될 위험이 있다. 또한, 인산의 비율이 낮아짐에 따라 금속의 용해가 줄어들어 모래와의 혼련이 어려워지며, 상기 인산과 금속의 몰 비가 2:1 미만일 경우, 강도가 전혀 없어 바인더로 중자 제작 자체가 불가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 인산염을 주성분으로 하는 무기 바인더에 있어서, Al, Zn, Fe, Cu, Ni 및 Mn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 전구체; 상기 금속 전구체와 반응하는 인산; 및 금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 pH 조절제;를 포함하며, 상기 인산염의 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 주조용 무기 바인더를 제공한다.
pH 조절제는 MgO, ZnO, Fe2O3, FeO, Al2O3, KOH, K3PO4, Mg(OH)2, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Zn(OH)2, Al(OH)2, Cr2O3, NH4MgPO4, Mg(H2PO4)2, MgHPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2, FePO4, NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4 및 AlPO4으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 pH 조절제를 포함한다. pH 조절제를 이용하여 인산염 무기 바인더를 중화시키면 경화온도가 낮아지며, 경화시간이 줄어드는 등 경화가 촉진된다. 또한, 주형의 산 부식을 줄여서 주형품 품질을 유지하여 주며, 바인더의 안정성을 높여준다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 인산염을 주성분으로 하는 무기 바인더에 있어서, Al, Zn, Fe, Cu, Ni 및 Mn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 전구체; 상기 금속 전구체와 반응하는 인산; 및 금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염의 pH를 1 내지 7로 조절하는 K3PO4, NH4MgPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2 및 AlPO4 중에서 선택된 1종 이상의 pH 조절제;를 포함하며, 상기 인산염의 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 주조용 무기 바인더를 제공한다.
바람직하게는 인산염의 pH는 2 내지 5로 조절될 수 있으며, 또한 인산과 금속의 몰 비는 3:1 내지 4:1일 수 있다.
인산염 무기 바인더 및 모래를 혼련한 혼련사 중 바인더를 혼련사의 10 중량%으로 사용하여 제작한 중자 또는 주형의 강도는 100 내지 590 N/cm2이다. 제작된 중자 또는 주형의 강도는 인산염 무기 바인더의 중량%에 따라 더욱 높아질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 인산염을 주성분으로 하는 무기 바인더에 있어서, 증류수(H2O)에 인산을 희석하는 단계; 상기 인산과 반응하는 Al, Zn, Fe, Cu, Ni 및 Mn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 전구체를 첨가하는 단계; 및 금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염에 K3PO4, NH4MgPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2 및 AlPO4 중에서 선택된 1종 이상의 pH 조절제를 첨가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 주조용 무기 바인더의 제조방법을 제공한다.
인산염 기반의 주조용 무기 바인더의 제조방법에서 인산염의 pH는 1 내지 7이며, 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 인산염 무기 바인더를 이용하여 증류수(H2O)에 인산을 희석시키는 단계; 모래에 상기 인산과 금속 전구체를 첨가하는 단계; 상기 모래에 pH 조절제를 첨가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중자 또는 주형의 제조방법을 제공한다.
금속 전구체는 Al, Zn, Mg, Mn, Fe, Cr, Cu, Ni, Mn, Ti, Ca, K, Na 및 Sn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속염이며, 금속염은 MHnPO3, M(OH)n, M(NO3)n, M(Cl)n, M(Br)n, MnOl 및 MN 중에서 선택되는 어느 하나이다. 또한 상기 M은 Al, Zn, Fe, K, Mg, Na, Cr 및 Ca 중에서 선택되는 어느 하나의 금속이며, n은 1 내지 8의 정수이다.
pH 조절제는 MgO, ZnO, Fe2O3, FeO, Al2O3, NaOH, KOH, K3PO4, Mg(OH)2, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Zn(OH)2, Al(OH)2, Cr2O3, NH4MgPO4, NaCO3, CaCO3, Ca(H2PO4)2, CaHPO4, Ca3(PO4)2, Mg(H2PO4)2, MgHPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2, FePO4, NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4 및 AlPO4으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 pH 조절제를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 인산염 무기 바인더를 포함하는 중자 또는 주형으로 제조하는 것을 특징으로 하는, 주조품을 제공한다.
주조품의 제조시 이용되는 중자 또는 주형의 강도는 인산염 무기 바인더 및 모래를 혼련한 혼련사 중 바인더를 혼련사의 10 중량%으로 사용하여 제작되었을 때 100 내지 590 N/cm2이다. 제작된 중자 또는 주형의 강도는 인산염 무기 바인더의 중량%에 따라 더욱 높아질 수 있다.
인산염 무기 바인더를 포함하는 중자 또는 주형으로 제조하는 주조품은 항공, 조선, 자동차, 건설, 농기구 또는 주조산업용으로 사용될 수 있다.
주조품은 산업용 부품뿐만 아니라 생활용품까지 다양하게 이용되고 있다. 항공기, 선박, 자동차용 엔진 또는 터어빈과 같은 부품으로 사용될 수 있으며, 각종 농기구를 제작하는데 사용될 수 있다. 또한 건설 현장의 교량난간, 이음매, 동상, 가로등, 대문 또는 각종 장식품으로 사용될 수 있다. 이 외에도 합금 빌레트, 펌프, 모터 부품, 콤프레서 부품 등 각종 부품을 제작하는데 이용되며, 주조산업의 전반적인 곳에서 사용될 수 있다.
이하 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 가에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
실시예 1. 인산염 무기 바인더의 제조 및 혼련사 제조 과정
주물사 중량 대비 2.5 %의 물과 7 %의 phosphoric acid (H3PO4, 85%)를 충분히 희석시킨 후, 희석된 phosphoric acid에 aluminium phosphate (AlPO4)을 3 % 첨가하여 인산염 무기 바인더를 제조하였다. 상기 과정은 도 1에 도시하였다.
상기 과정에 따라 제조된 인산염 무기 바인더를 주물사에 서서히 첨가하면서 혼련하여 인산염 무기 바인더의 혼련사를 제조하였다.
실시예 2. 인산염 무기 바인더의 모래 혼련과정
주물사를 혼련기에 넣은 후, 증류수에 충분히 희석시킨 phosphoric acid를 모래에 서서히 첨가하였다. 주물사가 충분히 phosphoric acid로 혼련이 되면 aluminum phosphate를 첨가하여 추가적으로 혼련하여 인산염 무기바인더의 혼련사를 제조하였다.
상기 실시예 1은 바인더를 제조한 후 모래와 혼련하는 과정이며, 실시예 2는 바인더의 제조와 모래와의 혼련을 동시에 진행하는 과정을 나타낸다. 2 가지 실시예 모두 인산염 무기 바인더를 포함하는 혼련사 제조방법으로 사용될 수 있다.
비교예 1. 인산염 무기 바인더의 제조 및 모래 혼련과정
실시예 1 내지 2에 따라 본 발명의 인산염 무기 바인더와 다른 [P/Al]의 몰비를 가진 인산염 무기 바인더 및 혼련사를 제조하였다.
실시예 3. 인산염 무기 바인더의 중화 및 내화제 첨가 과정
실시예 2에 따라 [P/Al]의 특정 몰 비로 제조한 모래와 인산염 무기 바인더의 혼련사에 모래 중량의 10 wt%의 내화제를 첨가한 후 5분간 냉각하였다. 내화제의 종류에는 aluminum oxide (Al2O3), silica (SiO2), alumino silicate과 alumino silicate wool(ASW)을 선정하였다.
실시예 2 내지 3의 인산염 무기 바인더와 모래의 혼련사 제작 및 내화제 첨가 과정은 도 2에 도시하였다.
실시예 4. 시험 중자 성형 및 강도 시험
상기 실시예에 따라 [P/Al]의 특정 몰 비의 인산염 무기 바인더와 모래를 혼련한 혼련사를 제조하여 중자기의 블로윙 헤드에 채운 후, 혼련사를 금형에 슛팅하여 시험 중자를 성형시켰다. 시험 중자기의 시험조건은 금형 온도 200-400℃, 열풍 온도 200-400℃였으며, 성형이 완료된 중자는 금형에서 꺼내 실온에서 항절강도를 측정하였다.
실시예 5. 인산염 무기 바인더의 중량비에 따른 강도 시험
상기 실시예에 따라 P/Al 몰비가 3.4인 바인더의 중량비가 각각 5 wt%, 10 wt% 및 20 wt% 인 혼련사를 제조하고 시험 중자를 성형하여 항절강도를 측정하였다.
<평가 및 결과>
결과 1. [P/Al]의 몰 비에 따른 시험 중자의 강도 측정 결과
상기 실시예 및 비교예에 따라 각각의 다른 [P/Al]의 몰 비를 가진 인산염 바인더를 포함하는 시험 중자를 열풍온도 및 금형온도 260℃에서 제작하여 강도를 측정하였으며, 하기 표 1에 수치를 나타내었다.
그 결과, P/Al의 몰 비가 1.5 - 2.0인 경우, 슛팅은 양호하지만, 강도가 전혀 없어 바인더로 중자 제작 자체가 불가능하였다. 반면, P/Al의 몰 비가 3.0 - 4.0인 경우에는 강도가 우수한 것으로 나타났다. P/Al의 몰 비 2.0 내지 5.0의 강도 측정 결과를 도 3에 그래프로 나타내었다.
Sand Strength
10 wt% (P/Al molar ratio) H 2 O *
P/Al
1.5 about 2.5 wt% Bar 제작 어려움
2.0 36.70 N/cm2
3.0 216.16 N/cm2
3.2 371.28 N/cm2
3.4 496.58 N/cm2
3.6 466.62 N/cm2
3.8 414.68 N/cm2
4.0 211.40 N/cm2
5.0 43.40 N/cm2
6.0 Bar 제작 어려움
*유동성 조절을 위해 가감할 수 있음
또한, 상기 실시예에 따라 각각의 다른 [P/Al]의 몰 비를 가진 인산염 바인더를 포함하는 시험 중자를 열풍온도 및 금형온도 400℃에서 제작한 시험 중자의 강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 도시하였다.
도 4에서 P/Al의 몰비가 2일때 강도가 153 N/cm2, 3.4일때 강도가 597 N/cm2, 5일때 강도가 208.5 N/cm2로 나타났다. 260℃의 온도에서 경화된 시험 중자의 강도를 나타낸 상기 표 1과 비교해보면, 같은 P/Al의 몰비에서 경화 온도가 높은 시험 중자의 강도가 더 높게 나타나 경화 온도가 높아질수록 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
결과 2. 내화제 종류에 따른 시험 중자 강도 측정 결과
상기 실시예 및 비교예에 따라 각각의 다른 내화제를 첨가한 P/Al = 3.4 몰 비의 인산염 바인더를 포함하는 시험 중자를 열풍온도 및 금형온도 260℃에서 제작하여 강도를 측정하였으며, 하기 표 2에 수치를 나타내었다. 내화제의 종류에는 aluminum oxide (Al2O3), silica (SiO2), alumino silicate와 alumino silicate wool(ASW)을 선정하였다.
그 결과, 시험 중자의 강도는 silica (SiO2)가 약 564 N/cm2로 가장 높은 강도 수치를 나타내었다. 상기 실험 결과를 나타낸 그래프는 도 5에서 확인할 수 있었다.
Additive (10 wt%) P/Al (10 wt%) Strength
Al2O3 3.4 451.40 N/cm2
SiO2 3.4 563.50 N/cm2
Alumino silicate 3.4 305.40 N/cm2
Alumino silicate wool 3.4 399.70 N/cm2
결과 3. pH 조절제 종류에 따른 알루미늄 인산염 무기 바인더의 강도 변화 및 pH 변화 측정 결과
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조한 알루미늄 인산염 바인더에 0.1 몰 비의 AlPO4, Mg3(PO4)2, K3PO4, Zn3(PO4)2 를 추가적으로 첨가하여 바인더를 중화시켰으며, 그 결과는 도 6 및 7의 그래프에서 나타내었다.
도 6에서 AlPO4, Mg3(PO4)2, K3PO4, Zn3(PO4)2 를 첨가한 각각의 인산염 무기 바인더는 약 400 - 795 N/cm2의 강도 수치를 나타내었으며, 각각의 정확한 수치는 하기 표 3에 나타내었다. 바인더의 강도는 첨가제를 첨가하지 않았을 때 보다 약 9.6 - 60.1 %까지 증가하였다.
도 7에서 인산염 무기 바인더의 pH는 pH 조절제 즉, 중화제를 첨가하지 않았을 때 보다 약 1.38 더 증가하였다.
pH adjusting agent (0.1 mol ratio) Strength
AlP04 (0.9) 407.4
AlP04 (0.9) + AlP04 (0.1) 496.58
AlP04 (0.9) + Mg3(PO4)2 (0.1) 726.9
AlP04 (0.9) + K3PO4 (0.1) 795
AlP04 (0.9) + Zn3(PO4)2 (0.1) 544.2
결과 4. 인산염 무기 바인더의 중량비에 따른 강도 시험 측정 결과
상기 실시예에 따라 P/Al 몰비가 3.4인 바인더의 중량비가 각각 5 wt%, 10 wt% 및 20 wt% 인 혼련사를 제조하고 시험 중자를 성형하여 강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8에서 바인더의 중량비가 5 wt%일때 강도가 210 N/cm2으로 가장 낮았으며, 20 wt%일때 강도가 668.25 N/cm2로 가장 높게 나타나 바인더의 중량비가 높아질수록 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (22)

  1. 인산염을 포함하는 무기 바인더에 있어서,
    금속 전구체;
    상기 금속 전구체와 반응하는 인산;
    금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염의 pH를 2 내지 5로 조절하는 pH 조절제; 및
    산성, 중성 또는 염기성의 내화제;를 포함하고,
    상기 인산염의 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1이며,
    상기 인산염과 내화제의 중량비는 0.5-2:1이고,
    상기 pH 조절제는 인산을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 사형주조용 무기 바인더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 Al, Zn, Mg, Mn, Fe, Cr, Cu, Ni, Ti, Ca, K, Na 및 Sn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속염인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 사형주조용 무기 바인더.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속염은 MHnPO3, M(OH)n, M(NO3)n, M(Cl)n, M(Br)n, MnOl 및 MN 중에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 M은 Al, Zn, Fe, K, Mg, Na, Cr 및 Ca 중에서 선택되는 어느 하나의 금속이고, n은 1 내지 8의 정수인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 사형주조용 무기 바인더.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 pH 조절제는 K3PO4, NH4MgPO4, Ca(H2PO4)2, CaHPO4, Ca3(PO4)2, Mg(H2PO4)2, MgHPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2, FePO4, NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4 및 AlPO4으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 pH 조절제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 사형주조용 무기 바인더.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산성 내화제는 규석질, 용융 실리카질, 점토지루 지르콘, 지르코니아질, 및 탄화 규소질 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 사형주조용 무기 바인더.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중성 내화제는 고알루미나질, 알루미나 카본질, 및 크롬질 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 사형주조용 무기 바인더.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 염기성 내화제는 마그네시아 카본, 마그네시아질, 마그네시아 크롬질, 및 돌로마이트 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 사형주조용 무기 바인더.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인산과 금속의 몰 비는 3:1 내지 4:1인 것을 특징으로 하는, 인산염 기반의 사형주조용 무기 바인더.
  9. 금속 전구체;
    상기 금속 전구체와 반응하는 인산;
    상기 금속 전구체와 인산의 반응으로 생성된 인산염의 pH를 2 내지 5로 조절하는 pH 조절제;
    산성, 중성 또는 염기성의 내화제; 및
    모래를 포함하는 주조용 주물사;를 포함하고,
    상기 인산염의 인산과 금속의 몰 비는 2:1 내지 5:1이며,
    상기 인산염과 내화제의 중량비는 0.5-2:1이고,
    상기 pH 조절제는 인산을 포함하는 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 Al, Zn, Mg, Mn, Fe, Cr, Cu, Ni, Ti, Ca, K, Na 및 Sn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속염인 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속염은 MHnPO3, M(OH)n, M(NO3)n, M(Cl)n, M(Br)n, MnOl 및 MN 중에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 M은 Al, Zn, Fe, K, Mg, Na, Cr 및 Ca 중에서 선택되는 어느 하나의 금속이고, n은 1 내지 8의 정수인 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 pH 조절제는 K3PO4, NH4MgPO4, Ca(H2PO4)2, CaHPO4, Ca3(PO4)2, Mg(H2PO4)2, MgHPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2, FePO4, NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4 및 AlPO4으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 pH 조절제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사.
  13. 증류수(H2O)에 인산을 희석하는 제 1단계;
    상기 희석된 인산 및 금속 전구체를 모래에 첨가하는 제 2단계;
    상기 희석된 인산과 금속 전구체가 첨가된 모래에 인산을 포함하는 pH 조절제를 첨가하여 pH를 2 내지 5로 조절하는 제 3단계; 및
    산성, 중성 또는 염기성의 내화제를 첨가하여 혼련하는 제 4단계;를 포함하며,
    상기 내화제는 무기 바인더의 내열성 및 강도를 높이는 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제 2단계의 금속 전구체는 Al, Zn, Mg, Mn, Fe, Cr, Cu, Ni, Ti, Ca, K, Na 및 Sn 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 금속염인 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제 3단계의 pH 조절제는 K3PO4, NH4MgPO4, Ca(H2PO4)2, CaHPO4, Ca3(PO4)2, Mg(H2PO4)2, MgHPO4, Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Fe3(PO4)2, FePO4, NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4 및 AlPO4으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 pH 조절제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제 4단계의 산성 내화제는 규석질, 용융 실리카질, 점토지루 지르콘, 지르코니아질, 및 탄화 규소질 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사의 제조방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제 4단계의 중성 내화제는 고알루미나질, 알루미나 카본질, 및 크롬질 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사의 제조방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제 4단계의 염기성 내화제는 마그네시아 카본, 마그네시아질, 마그네시아 크롬질, 및 돌로마이트 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 사형주조용 혼련사의 제조방법.
  19. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른, 인산염 무기 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 사형주조용 주형.
  20. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른, 인산염 무기 바인더를 포함하는 중자 또는 주형으로 제조하는 것을 특징으로 하는, 주조품.
  21. 삭제
  22. 삭제
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