KR102580791B1 - 금속가공 적용을 위한 파운드리 물품, 상기 파운드리 물품을 제조하는 방법, 및 상기 방법에서 사용하기 위한 미립자 내화성 조성물 - Google Patents

금속가공 적용을 위한 파운드리 물품, 상기 파운드리 물품을 제조하는 방법, 및 상기 방법에서 사용하기 위한 미립자 내화성 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세 미립자 금속 산화물을 제공하는 단계, 수성 알칼리성 조성물을 제공하는 단계, 미립자 내화성 몰드 재료를 제공하는 단계, 상기 미세 미립자 금속 산화물, 상기 수성 알칼리성 조성물 및 상기 미립자 내화성 몰드 재료를 혼합하는 단계, 및 획득된 혼합물을 코어 슈터에서 발사하는 단계를 포함하는, 금속가공에 사용하기 위한 결합된 미립자 내화성 재료를 형성시키기 위한 방법에 관한 것이다. 획득된 혼합물 내에 포함된 실질적으로 모든 물은 알칼리성 수용액 및 선택적으로 계면활성제로부터 유래된다. 또한, 본 발명의 일부는 상기 방법에 따라 획득된 재료 및 물품뿐만 아니라 상기 방법에서 사용하기 위한 미립자 조성물이다.

Description

금속가공 적용을 위한 파운드리 물품, 상기 파운드리 물품을 제조하는 방법, 및 상기 방법에서 사용하기 위한 미립자 내화성 조성물
본 발명은 금속가공 적용을 위한 파운드리 코어(foundry core) 및 파운드리 몰드(foundry mould)와 같은 파운드리 물품을 생성하기 위한 개선된 방법 및 상기 방법을 이용하여 획득된 파운드리 물품에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 일부는 상기 파운드리 코어의 형성 또는 상기 방법에서 사용하기 위한 내화성 미립자 조성물이다.
파운드리 몰드 및 코어와 같은 파운드리 물품을 위한 결합된 내화성 재료의 형성은 당 분야에 널리 공지되어 있다. 전통적으로, 예를 들어, 실리카 모래, 석영 모래 또는 비산회와 같은 내화성 미립자 재료는, 예를 들어, 폴리우레탄, 페놀 수지, 노볼락 수지 등에 기초한 유기 결합제를 사용하여 결합된다.
DE 10 2004 042 535 A1호에는 실리카, 티타니아, 알루미나 또는 지르코니아와 같은 미립자 금속 산화물의 존재하에 물유리(waterglass)에 기초한 결합제를 포함하는 내화성 몰딩 재료가 개시되어 있다. 이들 무기 결합제는 무기 결합제의 사용이 완성된 파운드리 몰드 또는 코어와 용융 금속의 접촉에서 벤젠, 자일렌, 톨루엔, 페놀, 포름알데하이드 등과 같은 유해한 화합물의 배출을 초래하는 유기 결합제의 분해를 피한다는 점에서 명백한 장점을 갖는다.
EP 1 122 002 A1호에는 추가의 물의 존재하에서 금속 산화물과 수성 알칼리(예를 들어, NaOH)의 조합에 기초한 결합제를 포함하는 내화성 몰딩 재료가 개시되어 있다. 만족스러운 결과를 달성하기 위해 마이크로파 조사 및/또는 700℃에서의 가열을 이용하여 획득된 임의의 시험편이 코어 박스 외부에서 경화되어야 했다. 경화된 시험편이 물과의 접촉시 부서지는 것이 또한 발견되었다.
따라서, 종래 기술은 문제점이 있다.
본 발명은 첨부된 청구범위에 정의되어 있다.
특히, 본 발명은 미세 미립자 금속 산화물을 제공하는 단계, 수성 알칼리성 조성물을 제공하는 단계, 미립자 내화성 몰드 재료를 제공하는 단계, 및 선택적으로 계면활성제 및/또는 금속 하이드록시드를 제공하는 단계 후, 제공된 성분을 기계적으로 혼합하는 단계 후, 코어 슈터(core shooter)에서 획득된 혼합물을 발사하는 단계를 포함하는, 금속가공에서 사용하기 위한 결합된 미립자 내화성 재료의 형성을 위한 방법에 의해 구현된다. 본 발명에 따르면, 획득된 혼합물에 포함된 실질적으로 모든 물은 알칼리성 수용액, 선택적으로 계면활성제로부터 유래된다. 즉, 획득된 혼합물의 전체 중량을 기준으로 획득된 혼합물에 포함된 99.75 wt% 이상의 물, 99.8 wt% 이상의 물, 99.9 wt% 이상의 물, 99.95 wt% 이상의 물, 99.99 wt% 이상의 물은 알칼리성 수용액, 선택적으로 계면활성제로부터 유래된다. 추가의 물이 없거나, 획득된 혼합물의 전체 중량을 기준으로 혼합물의 초기 제공된 성분에 함유된 물 외에 0.01 wt% 이하의 추가의 물, 또는 0.05 wt% 이하의 추가의 물, 또는 0.1 wt% 이하의 추가의 물, 또는 0.2 wt% 이하의 추가의 물, 또는 0.25 wt% 이하가 상기 혼합물에 첨가된다. 특정 구현예에서, 일부 수분은 또한 미립자 내화성 몰드 재료 및/또는 금속 하이드록시드로부터 유래될 수 있다. 본 발명에 따르면, 미립자 내화성 몰드 재료는 본 발명의 목적상 결합제 시스템으로 간주될 수 있는 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 조합물을 사용하여 결합되었다. 본 발명에 따른 방법으로 결합된 미립자 재료의 개선된 특성이 획득될 수 있음이 발견되었다.
일 구현예에 따르면, 발사 단계는 가압 가열 공기 흐름을 사용하거나 공기 흐름을 사용하지 않고 120초 이하 동안 300℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함한다. 상기 경화 조건은 만족스러운 기계적 특성을 갖는 결합된 재료를 획득하기에 충분한 것으로 밝혀졌다. 상기 조건하에서 마이크로파 방사선, CO2 흐름 또는 고온 경화를 사용한 경화가 필요하지 않은 것이 추가로 밝혀졌다.
일 구현예에 따르면, 조합된 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물에서 전체 수분 수준은 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 중량을 기준으로 10 wt% 내지 30 wt% 미만, 예를 들어, 22 wt% 내지 30 wt% 미만의 범위 내이다. 수분 수준이 상기 범위 내에 있는 경우, 결합된 내화성 생성물에 대해 특히 우수한 기계적 특성이 획득될 수 있음이 밝혀졌다.
일 구현예에 따르면, 제공된 성분의 상대량은 미세 미립자 금속 산화물, 수성 알칼리성 조성물 및 미립자 내화성 몰드 재료의 획득된 혼합물에서 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 함량이 획득된 혼합물의 전체 중량을 기준으로 0.5 wt% 초과 내지 5.0 wt% 미만, 예를 들어, 3.8 wt% 초과 내지 5.0 wt% 미만의 범위 내에 있도록 선택되었다. 이들 상대 중량비 내에서, 결합된 내화성 생성물에 대해 특히 우수한 기계적 특성이 획득될 수 있음이 밝혀졌다.
일 구현예에 따르면, 제공된 미세 미립자 금속 산화물, 수성 알칼리성 조성물 및 미립자 내화성 몰드 재료 내의 전체 수분 함량은 성분의 전체 중량을 기준으로 0.8 wt% 내지 1.6 wt%의 범위 내이다. 수분 수준이 상기 범위 내에 있는 경우, 결합된 내화성 생성물에 대해 특히 우수한 기계적 특성이 획득될 수 있음이 밝혀졌다.
일 구현예에 따르면, 수성 알칼리성 조성물에 함유된 알칼리성 및 미세 미립자 금속 산화물 사이의 중량비는 상기 수성 알칼리성 조성물에 포함된 이론적 건조 알칼리성을 기준으로 0.05 내지 0.5의 범위, 예를 들어, 0.15 내지 0.3의 범위 내이다. 이들 상대 중량비 내에서, 결합된 내화성 생성물에 대해 특히 우수한 기계적 특성이 획득될 수 있음이 밝혀졌다.
일 구현예에 따르면, 발사는 공기 흐름을 사용하지 않고 코어 슈터에서 10초 이하 동안 180℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함한다. 임의의 추가적인 경화 수단이 없는 상기 가열은 결합된 내화성 생성물에 대해 획득될 수 있는 우수한 기계적 특성을 획득하기에 충분한 것으로 밝혀졌다. 일 구현예에 따르면, 발사는 공기 흐름을 사용하여 코어 슈터에서 10초 이하 동안 180℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함하며, 이 경우 결합된 내화성 생성물에 대해 우수한 기계적 특성이 또한 획득될 수 있다.
대안적인 일 구현예에 따르면, 발사는 코어 슈터 내에서 가압 공기 흐름을 사용하여 20초 이하 동안 120℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함한다. 임의의 추가적인 경화 수단이 없는 공기 흐름 하에서의 상기 가열은 결합된 내화성 생성물에 대해 획득될 수 있는 우수한 기계적 특성을 획득하기에 충분한 것으로 밝혀졌다. 일 구현예에서, 가열 및 경화가 수행되었고, 결합된 내화성 생성물에 대해 우수한 기계적 특성이 획득될 수 있었다.
일 구현예에 따르면, 미세 미립자 금속 산화물은 실리카 흄(silica fume), 침전된 실리카, 발열성 실리카, 실리케이트, 소성 또는 비소성 알루미노실리케이트, 예를 들어, 메타카올린 또는 펄라이트, 미세 알루미나, 미세 티타니아, 미세 아연 옥사이드, 규조토, 및 알칼리성의 존재하에서 메탈레이트를 형성하는 다른 금속 산화물, 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된다. 결합제 시스템의 일부로서 이들 미립자 금속 산화물 중 임의의 것을 사용하여 우수한 기계적 특성이 획득될 수 있음이 밝혀졌다.
일 구현예에 따르면, 수성 알칼리성 조성물은 수성 소듐 하이드록시드, 수성 포타슘 하이드록시드, 수성 리튬 하이드록시드, 수성 칼슘 하이드록시드 용액 및/또는 현탁액, 수성 마그네슘 하이드록시드 현탁액, 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된다. 결합제 시스템은 이들 수성 알칼리성 조성물 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
일 구현예에 따르면, 미립자 내화성 몰드 재료는 파운드리 모래(foundry sand), 실리카 모래, 재생 모래, 예를 들어, 재생 파운드리 모래 및/또는 재생 코어 모래, 중간 또는 고강도 세라믹 프로판트(ceramic proppant), 보크사이트, 알루미나, 멀라이트(mullite), 올리빈 모래(olivine sand), 크로마이트 모래, 지르콘 모래, 샤모트 모래(chamotte sand), 펄라이트, 비산회, 질석 및 이들의 혼합물로부터 선택된다. 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물로 구성된 결합제 시스템은 이들 내화성 몰드 재료 중 임의의 것에 성공적으로 적용될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
일 구현예에 따르면, CO2 취입 또는 마이크로파 조사에 의한 경화 단계는 필요하지 않다.
또한, 본 발명의 일부는 본 발명의 방법에 따라 획득된 내화성 결합 미립자 재료이다. 이들 재료는 파운드리 물품, 예를 들어, 파운드리 코어, 파운드리 몰드 등일 수 있다.
또한, 본 발명의 일부는 본 발명에 따른 방법의 혼합 단계 끝에서 획득된 바와 같은 미세 미립자 금속 산화물, 수성 알칼리성 조성물, 미립자 내화성 몰드 재료 및 선택적으로 계면활성제 및/또는 금속 하이드록시드를 포함하는 본 발명에 따른 방법에서 사용하기 위한 미립자 혼합물이다. 상기 혼합물 중의 미세 미립자 금속 산화물, 수성 알칼리성 조성물의 함량은 혼합물의 전체 중량을 기준으로 0.5 wt% 초과 내지 5.0 wt% 미만, 예를 들어, 3.8 wt% 초과 내지 5.0 wt% 미만의 범위 내일 수 있다. 혼합물은 혼합물의 전체 중량을 기준으로 0.8 wt% 내지 1.6 wt% 범위 내의 수분 함량을 가질 수 있다. 또한, 혼합물에서, 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물로부터의 알칼리성의 중량비는 상기 수성 알칼리성 조성물에 포함된 이론적 건조 알칼리성을 기준으로 0.05 내지 0.5의 범위, 예를 들어, 0.15 내지 0.3의 범위 내일 수 있다.
또한, 본 발명의 일부는 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물을 포함하는 본 발명의 일 양태에 따른 미립자 혼합물에서 사용하거나 본 발명에 따른 방법에서 사용하기 위한 결합제 시스템이다. 상기 결합제 시스템은 결합제 시스템의 전체 중량을 기준으로 10 wt% 내지 30 wt% 미만, 예를 들어, 22 wt% 내지 30 wt% 미만의 범위 내의 전체 수분 함량을 가질 수 있다. 또한, 수성 알칼리성 조성물에 함유된 알칼리성 및 미세 미립자 금속 산화물 사이의 중량비는 상기 수성 알칼리성 조성물에 포함된 이론적 건조 알칼리성을 기준으로 0.05 내지 0.5의 범위, 예를 들어, 0.15 내지 0.3의 범위 내일 수 있다.
본 발명은 하기 도면을 참조로 하여 추가로 예시될 것이다:
도 1은 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 함량의 함수로서 t = 0 h에서 온간 굽힘 강도(warm bending strength)를 나타내는 2차원 표현이다;
도 2는 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 함량의 함수로서 t = 1 h에서 냉간 굽힘 강도(cold bending strength)를 나타내는 2차원 표현이다;
도 3은 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 함량의 함수로서 t = 24 h에서 냉간 굽힘 강도를 나타내는 2차원 표현이다.
하기 설명 및 도면에 대한 참조는 본 발명의 예시적인 구현예에 관한 것이며, 청구범위의 범위를 제한하는 것이 아님을 이해해야 한다.
첨부된 청구범위에 따른 본 발명은 파운드리에 사용하기 위한 결합된 내화성 재료를 획득하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 수성 알칼리성 조성물 및 선택적으로 계면활성제에 의해 기여되는 물 이외에 추가의 물이 혼합물에 첨가되지 않는 경우 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물과 함께 내화성 몰드 재료를 이용하여 형성시 내화성 결합 미립자 재료에서 개선된 특성이 획득될 수 있음이 밝혀졌다. 특정 구현예에서, 내화성 결합 미립자 물품은 계면활성제 및/또는 금속 하이드록시드를 포함할 수 있다.
특히, 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 조합은 종래 기술에 따라 종종 사용되는 물유리를 대체하기 위해 사용될 수 있다.
이론으로 제한하고자 하는 것은 아니지만, 본 발명의 메커니즘은 낮은 수분 및 혼합 전의 실리케이트의 부재를 포함하는 것으로 생각된다. 이들 요인은 내화성 몰드 재료 물품에 가까운 매우 한정된 공간에서 알칼리와 금속 산화물 사이의 반응이 매우 신속하게 발생하도록 추진할 수 있으며, 이는 차례로 용액 내에 임의의 물유리의 형성 없이 내화성 몰드 재료 미립자 사이에 매우 높은 결합을 초래한다.
이러한 메커니즘이 발생하기 위해, 성분의 상대 농도가 구체적으로 정의된 경계 조건 내에서 제어되는 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다.
본원에서 사용되는 용어 "미세 미립자 금속 산화물"은 50 μm 이하의 평균 일차 입자 크기를 갖는 무정형 금속 산화물 분말을 지칭한다. 미세 미립자 금속 산화물은 대안적으로 금속 산화물 먼지로 공지되어 있으며, d50이 50 μm 이하, 또는 30 μm 이하, 또는 20 μm 이하, 또는 15 μm 이하, 또는 10 μm 이하, 또는 5 μm 이하가 되도록 하는 입자 크기 분포를 가질 수 있다. 미세 미립자 금속 산화물은, 예를 들어, 융합된 금속 산화물의 제조에 사용되는 전기 아크로와 같은 노(furnace)의 작동에서 부산물로서 획득되는 노 먼지로부터의 주요 성분으로 획득될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "실리카 흄"(CAS 번호 69012-64-2) 또는 마이크로실리카는 약 150 nm, 더욱 일반적으로 80 nm 내지 5 μm의 평균 일차 입자 크기를 갖는 분말인 실리콘 디옥사이드(SiO2)의 무정형 다형태를 지칭한다. 실리카 흄 입자는 50 μm 이하의 직경을 갖는 응집체를 형성하는 경향이 강하다. 실리카 흄은 15 m2/g 초과, 전형적으로 30 m2/g 이하의 BET 표면적을 가지며, 예를 들어, 실리콘, 페로실리콘 또는 융합된 실리카의 생성으로부터 부산물로서 획득될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "흄드 실리카"(CAS 번호 112945-52-5), 또는 발열성 실리카는 응집 경향을 갖는 분지쇄 유사 입자에 융합된 무정형 실리카의 미세한 비말을 지칭한다. 일차 입자 크기는 5 내지 50 nm 범위 내이고, BET 표면적은 전형적으로 50 내지 600 m2/g이다. 흄드 실리카는 다소 복잡한 발열성 공정에 의해 생성된다.
본 출원 전체에 걸쳐, 입자 크기 분포는 Malvern Mastersizer 2000으로 레이저 광 산란을 이용하여 측정되었다. 측정 전에, 샘플은 물에 분산되었고, 샘플의 완전한 탈응집을 위해 초음파 처리가 적용되었다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 입자 크기 분포를 기재하는 경우의 값 d10, d50, d90 및 d99는 입자의 10%, 또는 입자의 50%, 또는 입자의 90% 또는 입자의 99%가 되는 입자 크기를 정의하며, 경우에 따라 상기 값보다 적을 수 있다.
본 발명에 따르면, 내화성 파운드리 물품의 형성을 위한 내화성 결합 미립자 재료가 형성되는 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 방법은 내화성 몰드 재료, 수성 알칼리성 조성물, 미립자 금속 산화물, 및 선택적으로 계면활성제 및/또는 금속 하이드록시드의 특정 조합을 특징으로 한다. 이들 성분은 혼합되고, 당업자에게 공지된 코어 슈터를 이용하여 발사된다. 본 발명에 따르면, 획득된 코어는 압축 공기 스트림을 사용하거나, 공기 흐름이 없는 가열을 사용하거나 이 둘의 조합을 사용하여 단지 열의 사용에 의해 경화된다. 본 발명에 따른 방법은 마이크로파 방사선, CO2 취입 또는 심지어 약 300℃의 상승된 온도와 같은 생성물을 경화시키기 위한 추가의 화학적 또는 물리적 수단에 의존하지 않는다.
본 발명에 따른 방법은 수성 알칼리성의 사용, 및 선택적으로 계면활성제의 사용 이외에 추가의 물이 혼합물에 첨가되지 않는 특징을 특징으로 한다. 이는 코어 슈터를 사용하여 발사되는 혼합물을 획득하기 위한 샘플 제조에서의 추가의 용이성 및 간편성을 제공한다.
발사 및 경화
본 발명의 특정 구현예에 따르면, 코어 슈터에서의 발사는 가압 가열 공기 흐름을 사용하고/하거나 공기 흐름을 사용하지 않고 120초 이하 동안 300℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함한다.
일 구현예에 따르면, 상기 경화는 300℃의 온도, 또는 280℃의 온도, 또는 260℃의 온도, 또는 240℃의 온도, 또는 220℃의 온도, 또는 200℃의 온도, 또는 180℃의 온도, 또는 160℃의 온도, 또는 140℃의 온도, 또는 120℃의 온도에서 가압 공기 흐름을 사용하여 수행된다. 일 구현예에 따르면, 가압 공기 흐름을 사용하는 상기 경화는 120초의 기간, 또는 100초의 기간, 또는 90초의 기간, 또는 80초의 기간, 또는 70초의 기간, 또는 60초의 기간, 또는 50초의 기간, 또는 40초의 기간, 또는 30초의 기간, 또는 20초의 기간, 또는 10초의 기간, 또는 5초의 기간 동안 상기 언급된 온도 중 임의의 온도에서 수행된다.
일 구현예에 따르면, 상기 경화는 300℃의 온도, 또는 280℃의 온도, 또는 260℃의 온도, 또는 240℃의 온도, 또는 220℃의 온도, 또는 200℃의 온도, 또는 180℃의 온도, 또는 160℃의 온도, 또는 140℃의 온도, 또는 120℃의 온도에서 공기 흐름 없이 수행된다. 일 구현예에 따르면, 공기 흐름이 없는 상기 경화는 120초의 기간, 또는 100초의 기간, 또는 90초의 기간, 또는 80초의 기간, 또는 70초의 기간, 또는 60초의 기간, 또는 50초의 기간, 또는 40초의 기간, 또는 30초의 기간, 또는 20초의 기간, 또는 10초의 기간, 또는 5초의 기간 동안 상기 언급된 온도 중 임의의 온도에서 수행된다.
본 발명의 일부 구현예에 따르면, 코어 슈터에서의 발사는 120초 이하 동안 300℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함하며, 여기서 공기 흐름 없음과 후속 가압 공기 흐름의 조합이 사용된다. 예를 들어, 상기 경화는 10초 동안 160℃에서 공기 흐름이 없는 가열 후, 20초 동안 120℃의 가압된 공기 흐름을 포함할 수 있다.
혼합물에 대한 미립자 성분
결합제 성분에서의 수분 수준
본 발명의 일 구현예에 따르면, 조합된 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물에서의 전체 수분 수준은 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 중량을 기준으로 10 wt% 내지 30 wt% 미만의 범위, 예를 들어, 10.0 wt% 내지 30.0 wt% 미만의 범위 내일 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 조합된 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물에서의 전체 수분 수준은 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 중량을 기준으로 22 wt% 내지 30 wt% 미만의 범위, 예를 들어, 22.0 wt% 내지 30.0 wt% 미만의 범위 내일 수 있다. 예를 들어, 조합된 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물에서의 전체 수분 수준은 약 10 wt%, 또는 약 12 wt%, 또는 약 14 wt%, 또는 약 16 wt%, 또는 약 18 wt%, 또는 약 20 wt%, 또는 약 22 wt%, 또는 약 22.0 wt%, 또는 약 23 wt%, 또는 약 24 wt%, 또는 약 25 wt%, 또는 약 26 wt%, 또는 약 27 wt%, 또는 약 28 wt%, 또는 약 29 wt%, 또는 약 30 wt%, 또는 약 30.0 wt%일 수 있다. 예를 들어, 조합된 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물에서의 전체 수분 수준은 10 wt% 초과이나, 30 wt% 미만, 또는 30.0 wt% 미만, 또는 29 wt% 미만, 또는 28 wt% 미만, 또는 27 wt% 미만, 또는 26 wt% 미만, 또는 25 wt% 미만, 또는 24 wt% 미만, 또는 23 wt% 미만, 또는 22 wt% 미만, 또는 20 wt% 미만, 또는 18 wt% 미만, 또는 16 wt% 미만, 또는 14 wt% 미만, 또는 12 wt% 미만일 수 있다. 예를 들어, 조합된 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물에서의 전체 수분 수준은 30 wt% 미만이나, 10 wt% 초과, 또는 10.0 wt% 초과, 또는 12 wt% 초과, 또는 14 wt% 초과, 또는 16 wt% 초과, 또는 18 wt% 초과, 또는 20 wt% 초과, 또는 22 wt% 초과, 또는 22.0 wt% 초과, 또는 23 wt% 초과, 또는 24 wt% 초과, 또는 25 wt% 초과, 또는 26 wt% 초과, 또는 27 wt% 초과, 또는 28 wt% 초과, 또는 29 wt% 초과일 수 있다.
전체 혼합물에서의 결합제 수준
본 발명의 일 구현예에 따르면, 단계 (iv)의 끝에서 획득된 미세 미립자 금속 산화물, 수성 알칼리성 조성물 및 미립자 내화성 몰드 재료의 혼합물에서 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 함량은 획득된 혼합물의 전체 중량을 기준으로 0.5 wt% 초과 내지 5.0 wt% 미만, 예를 들어, 3.8 wt% 초과 내지 5.0 wt% 미만, 예를 들어, 3.80 wt% 초과 내지 5.00 wt% 미만의 범위 내이다. 예를 들어, 단계 (iv)의 끝에서 획득된 미세 미립자 금속 산화물, 수성 알칼리성 조성물 및 미립자 내화성 몰드 재료의 혼합물에서 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 함량은 약 0.5 wt%, 또는 약 0.50 wt%, 또는 약 1.0 wt%, 또는 약 1.5 wt%, 또는 약 2.0 wt%, 또는 약 2.5 wt%, 또는 약 3.0 wt%, 또는 약 3.5 wt%, 또는 약 3.8 wt%, 또는 약 3.80 wt%, 또는 약 3.9 wt%, 또는 약 4 wt%, 또는 약 4.0 wt%, 또는 약 4.1 wt%, 또는 약 4.2 wt%, 또는 약 4.3 wt%, 또는 약 4.4 wt%, 또는 약 4.5 wt%, 또는 약 4.6 wt%, 또는 약 4.7 wt%, 또는 약 4.8 wt%, 또는 약 4.9 wt%, 또는 약 5.0 wt%, 또는 약 5.00 wt%일 수 있다. 예를 들어, 단계 (iv)의 끝에서 획득된 미세 미립자 금속 산화물, 수성 알칼리성 조성물 및 미립자 내화성 몰드 재료의 혼합물에서 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 함량은 0.5 wt% 초과이나, 5.0 wt% 미만, 또는 5.00 wt% 미만, 또는 4.9 wt% 미만, 또는 4.8 wt% 미만, 또는 4.7 wt% 미만, 또는 4.6 wt% 미만, 또는 4.5 wt% 미만, 또는 4.4 wt% 미만, 또는 4.3 wt% 미만, 또는 4.2 wt% 미만, 또는 4.1 wt% 미만, 또는 4 wt% 미만, 또는 4.0 wt% 미만, 또는 3.9 wt% 미만, 또는 3.9 wt% 미만, 또는 3.5 wt% 미만, 또는 3.0 wt% 미만, 또는 2.5 wt% 미만, 또는 2.0 wt% 미만, 또는 1.5 wt% 미만, 또는 1.0 wt% 미만일 수 있다. 예를 들어, 단계 (iv)의 끝에서 획득된 미세 미립자 금속 산화물, 수성 알칼리성 조성물 및 미립자 내화성 몰드 재료의 혼합물에서 미세 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 함량은 5.0 wt% 미만이나, 0.5 wt% 초과, 또는 1.0 wt% 초과, 또는 1.5 wt% 초과, 또는 2.0 wt% 초과, 또는 2.5 wt% 초과, 또는 3.0 wt% 초과, 또는 3.5 wt% 초과, 또는 3.8 wt% 초과, 또는 3.9 wt% 초과, 또는 4 wt% 초과, 또는 4.0 wt% 초과, 또는 4.1 wt% 초과, 또는 4.2 wt% 초과, 또는 4.3 wt% 초과, 또는 4.4 wt% 초과, 또는 4.5 wt% 초과, 또는 4.6 wt% 초과, 또는 4.7 wt% 초과, 또는 4.8 wt% 초과, 또는 4.9 wt% 초과일 수 있다.
전체 혼합물에서의 수분 수준
본 발명의 일 구현예에 따르면, 단계 (i)에서 제공된 미세 미립자 금속 산화물, 단계 (ii)에서 제공된 수성 알칼리성 조성물 및 단계 (iii)에서 제공된 미립자 내화성 몰드 재료에서의 전체 수분 함량은 단계 (i), (ii) 및 (iii)에 제공된 성분의 전체 중량을 기준으로 0.8 wt% 내지 1.6 wt%, 예를 들어, 0.80 wt% 내지 1.60 wt%의 범위 내일 수 있다. 예를 들어, 단계 (i)에 제공된 미세 미립자 금속 산화물, 단계 (ii)에 제공된 수성 알칼리성 조성물 및 단계 (iii)에 제공된 미립자 내화성 몰드 재료에서의 전체 수분 함량은 약 0.8 wt%, 또는 약 0.80 wt%, 또는 약 0.9 wt%, 또는 약 1 wt%, 또는 약 1.0 wt%, 또는 약 1.1 wt%, 또는 약 1.2 wt%, 또는 약 1.3 wt%, 또는 약 1.4 wt%, 또는 약 1.5 wt%, 또는 약 1.6 wt%, 또는 약 1.60 wt%일 수 있다. 예를 들어, 단계 (i)에 제공된 미세 미립자 금속 산화물, 단계 (ii)에 제공된 수성 알칼리성 조성물 및 단계 (iii)에 제공된 미립자 내화성 몰드 재료에서의 전체 수분 함량은 0.8 wt% 초과이나, 1.6 wt% 미만, 또는 1.60 wt% 미만, 또는 1.6 wt% 미만, 또는 1.5 wt% 미만, 또는 1.4 wt% 미만, 또는 1.3 wt% 미만, 또는 1.2 wt% 미만, 또는 1.1 wt% 미만, 또는 1 wt% 미만, 또는 1.0 wt% 미만, 또는 0.9 wt% 미만일 수 있다. 예를 들어, 단계 (i)에 제공된 미세 미립자 금속 산화물, 단계 (ii)에 제공된 수성 알칼리성 조성물 및 단계 (iii)에 제공된 미립자 내화성 몰드 재료에서의 전체 수분 함량은 1.6 wt% 미만이나, 0.8 wt% 초과, 또는 0.80 wt% 초과, 또는 0.9 wt% 초과, 또는 1.0 wt% 초과, 또는 1.1 wt% 초과, 또는 1.2 wt% 초과, 또는 1.3 wt% 초과, 또는 1.4 wt% 초과, 또는 1.5 wt% 초과일 수 있다. 전형적인 일 구현예에 따르면, 단계 (iii)에서 제공된 미립자 내화성 몰드 재료는 상기 값에 기여하는 0.2 wt%의 수분 함량을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 단계 (i)에 제공된 미세 미립자 금속 산화물, 단계 (ii)에 제공된 수성 알칼리성 조성물, 단계 (iii)에 제공된 미립자 내화성 몰드 재료 및 선택적으로 단계 (iv)에 제공된 계면활성제 및/또는 금속 하이드록시드에서의 전체 수분 함량은 단계 (i), (ii), (iii) 및 (iv)에 제공된 성분의 전체 중량을 기준으로 0.8 wt% 초과이나, 1.6 wt% 미만, 또는 1.60 wt% 미만, 또는 1.6 wt% 미만, 또는 1.5 wt% 미만, 또는 1.4 wt% 미만, 또는 1.3 wt% 미만, 또는 1.2 wt% 미만, 또는 1.1 wt% 미만, 또는 1 wt% 미만, 또는 1.0 wt% 미만, 또는 0.9 wt% 미만, 1.65 wt% 초과이나, 2.5 wt% 미만, 또는 2.50 wt% 미만, 또는 2.5 wt% 미만, 또는 2.45 wt% 미만 또는 2.3 wt% 미만, 또는 2.2 wt% 미만, 또는 2.1 wt% 미만, 또는 2.0 wt% 미만, 또는 1.9 wt% 미만, 또는 1.8 wt% 미만, 또는 1.7 wt% 미만일 수 있다. 전형적인 일 구현예에 따르면, 단계 (iv)에 제공된 금속 하이드록시드는 상기 값에 기여하는 9 wt% 이하의 수분 함량을 가질 수 있다.
결합제 성분의 비
본 발명의 일 구현예에 따르면, 단계 (ii)에 제공된 수성 알칼리성 조성물 및 단계 (i)에 제공된 미세 미립자 금속 산화물의 중량비는 상기 수성 알칼리성 조성물에 포함된 이론적 건조 알칼리성을 기준으로 0.05 내지 0.5의 범위, 예를 들어, 0.15 내지 0.3의 범위, 예를 들어, 0.15 내지 0.30의 범위, 또는 0.150 내지 0.300의 범위 내일 수 있다. 예를 들어, 상기 비는 약 0.05, 또는 약 0.1, 또는 약 0.10, 또는 약 0.15, 또는 약 0.150, 또는 약 0.16, 또는 약 0.17, 또는 약 0.18, 또는 약 0.19, 또는 약 0.20, 또는 약 0.2, 또는 약 0.21, 또는 약 0.22, 또는 약 0.23, 또는 약 0.24, 약 0.25, 또는 약 0.26, 또는 약 0.27, 또는 약 0.28, 또는 약 0.29, 또는 약 0.3, 또는 약 0.30, 또는 약 0.300, 또는 약 0.35, 또는 약 0.40, 또는 약 0.45, 또는 약 0.5 또는 약 0.50일 수 있다. 예를 들어, 상기 비는 0.05 초과이나, 0.5 미만, 또는 0.45 미만, 또는 0.4 미만, 또는 0.40 미만, 또는 0.35 미만, 또는 0.3 미만, 또는 0.30 미만, 또는 0.300 미만, 또는 0.29 미만, 또는 0.28 미만, 또는 0.27 미만, 또는 0.26 미만, 또는 0.25 미만, 또는 0.24 미만, 또는 0.23 미만, 또는 0.22 미만, 또는 0.21 미만, 또는 0.20 미만, 또는 0.2 미만, 또는 0.19 미만, 또는 0.18 미만, 또는 0.17 미만, 또는 0.16 미만, 또는 0.15 미만, 또는 0.10 미만, 또는 0.1 미만일 수 있다. 예를 들어, 상기 비는 0.30 미만이나, 0.05초과, 또는 0.1 초과, 또는 0.10 초과, 또는 0.15 초과, 또는 0.150 초과, 또는 0.16 초과, 또는 0.17 초과, 또는 0.18 초과, 또는 0.19 초과, 또는 0.20 초과, 또는 0.2 초과, 또는 0.21 초과, 또는 0.22 초과, 또는 0.23 초과, 또는 0.24 초과, 또는 0.25 초과, 또는 0.26 초과, 또는 0.27 초과, 또는 0.28 초과, 또는 0.29 초과일 수 있다.
미세 미립자 금속 산화물
상기 논의된 바와 같이, 상기 미세 미립자 금속 산화물은 50 μm 이하의 평균 일차 입자 크기를 갖는 무정형 금속 산화물 분말을 지칭한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 미세 미립자 금속 산화물은 실리카 흄, 침전된 실리카, 발열성 실리카, 실리케이트, 소성 또는 비소성 알루미노실리케이트, 예를 들어, 메타카올린 또는 펄라이트, 미세 알루미나, 미세 티타니아, 미세 아연 옥사이드, 규조토, 및 알칼리성의 존재하에서 메탈레이트를 형성하는 다른 금속 산화물, 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 특정 구현예에 따르면, 미세 미립자 금속 산화물은 실리카 흄이다. 추가 구현예에 따르면, 미세 미립자 금속 산화물은 실리카 흄 및 흄드 실리카의 혼합물이다. 추가 구현예에 따르면, 미세 미립자 금속 산화물은 실리카 흄 및 미세 미립자 알루미나의 혼합물이다. 추가 구현예에 따르면, 미세 미립자 금속 산화물은 실리카 및 지르코니아의 혼합물을 포함하거나 실리카, 알루미나 및 지르코니아의 혼합물을 포함하는 노 먼지일 수 있다.
수성 알칼리성 조성물
본 발명에 따르면, 결합제 성분으로서 사용하기 위한 수성 알칼리성 조성물은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 수성 알칼리성 조성물은 수성 소듐 하이드록시드, 수성 포타슘 하이드록시드, 수성 리튬 하이드록시드, 수성 칼슘 하이드록시드 용액 및/또는 현탁액, 수성 마그네슘 하이드록시드 현탁액, 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 수성 알칼리성 조성물의 농도는 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 일 구현예에 따르면, 농도는 결합제 성분 및/또는 제조된 최종 미립자 혼합물에서의 수분량이 바람직한 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 수성 알칼리성 조성물은 상업적인 33% NaOH(수성) 용액, 또는 상업적인 25% NaOH(수성) 용액, 또는 상업적인 40% NaOH(수성) 용액일 수 있다.
미립자 내화성 몰드 재료
본 발명의 일 양태에 따르면, 미립자 내화성 몰드 재료는 파운드리 모래, 실리카 모래, 재생 모래, 중간 또는 고강도 세라믹 프로판트, 보크사이트, 알루미나, 멀라이트, 올리빈 모래, 크로마이트 모래, 지르콘 모래, 샤모트 모래, 펄라이트, 비산회, 질석 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다.
계면활성제
일 구현예에 따르면, 계면활성제가 혼합물에 존재하여 결합된 미립자 내화성 재료를 형성할 수 있다. 계면활성제는 일반적으로 친수성 부분 및 소수성 부분을 포함하며, 이의 특성은 수성상에서 계면활성제가, 예를 들어, 마이셀을 형성하거나, 계면에 축적될 수 있도록 균형을 이룬다.
임의의 부류의 계면활성제가 본 발명에 따른 결합된 미립자 내화성 재료를 형성시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 계면활성제는 음이온성, 비이온성, 양이온성, 또는 양쪽성 계면활성제일 수 있다. 일 양태에서, 계면활성제는 비이온성 계면활성제, 예를 들어, 에톡실화 또는 프로폭실화 장쇄 알콜, 아민 또는 산, 예를 들어, 지방 알콜 에톡실레이트, 알킬페놀 에톡실레이트, 지방 아민 에톡실레이트, 지방산 에톡실레이트, 지방산 프로폭실레이트, 또는 당 계면활성제, 예를 들어, 지방 알콜계 폴리글리코시드일 수 있다. 일 양태에서, 지방 알콜은 바람직하게는 8 내지 20개의 탄소 원자를 포함한다. 일 양태에서, 계면활성제는 양이온성 계면활성제, 예를 들어, 알킬 암모늄 화합물 및 이미다졸리늄 화합물일 수 있다.
일 양태에서, 음이온성 계면활성제는 극성 친수성 기로서 설페이트, 설포네이트, 포스페이트, 또는 카르복실레이트기를 함유할 수 있다. 설페이트기를 함유하는 음이온성 계면활성제가 사용되는 경우, 황산 모노에스테르를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 포스페이트기가 극성 음이온성 계면활성제기로서 사용되는 경우, 오르토인산의 모노- 및 디-에스테르가 특히 바람직하다.
일 양태에서, 본 발명에 따른 결합된 미립자 내화성 재료를 형성시키는 데 사용되는 계면활성제는, 예를 들어, 바람직하게는 6개 초과의 탄소 원자, 또는 8 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 알킬, 아릴 및/또는 아르알킬기를 포함하는 비극성의 소수성 부분을 포함할 수 있다. 소수성 부분은 선형 사슬 및 분지형 구조 둘 모두를 가질 수 있다. 다양한 계면활성제의 혼합물이 또한 사용될 수 있다.
일 양태에서, 음이온성 계면활성제는 올레일 설페이트, 스테아릴 설페이트, 팔미틸 설페이트, 미리스틸 설페이트, 라우릴 설페이트, 데실 설페이트, 옥틸 설페이트, 2-에틸헥실 설페이트, 2-에틸옥틸 설페이트, 2-에틸데실 설페이트, 팔미톨레일 설페이트, 리놀릴 설페이트, 라우릴 설포네이트, 2-에틸데실 설포네이트, 팔미틸 설포네이트, 스테아릴 설포네이트, 2-에틸스테아릴 설포네이트, 리놀릴 설포네이트, 헥실 포스페이트, 2-에틸헥실 포스페이트, 카프릴 포스페이트, 라우릴 포스페이트, 미리스틸 포스페이트, 팔미틸 포스페이트, 팔미톨레일 포스페이트, 올레일 포스페이트, 스테아릴 포스페이트, 폴리-(1,2-에탄디일-)-페놀 하이드록시포스페이트, 폴리-(1,2-에탄디일-)-스테아릴 포스페이트, 및 폴리-(1,2-에탄디일-)-올레일 포스페이트로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 결합된 미립자 내화성 재료를 형성시키기 위해 사용되는 경우, 계면활성제는 획득된 혼합물의 전체 중량을 기준으로 약 0.001 wt% 내지 약 1.0 wt%, 또는 약 0.01 wt% 내지 약 0.9 wt%, 또는 약 0.05 wt% 내지 약 0.8 wt%, 또는 약 0.07 wt% 내지 약 0.7 wt%, 또는 약 0.1 wt% 내지 약 0.6 wt% 또는 약 0.2 wt% 내지 약 0.5 wt%의 양으로 존재할 수 있다.
일 양태에 따르면, 계면활성제는 미립자 내화성 몰드 재료에 첨가되기 전에 결합제 또는 결합제 및 금속 하이드록시드에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 용액 중의 계면활성제가 결합제에 첨가될 수 있다. 대안적으로, 계면활성제는 고체상 성분과 같은 별도의 성분으로서 첨가될 수 있다. 특정 구현예에서, 계면활성제는 바람직하게는 결합제에 용해된다. 일 양태에서, 계면활성제는 수용액으로서 첨가될 수 있다. 계면활성제 수용액의 농도는 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 일 구현예에 따르면, 농도는 제조된 최종 미립자 혼합물의 수분량이 바람직한 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 계면활성제 수용액은 계면활성제 수용액의 전체 중량을 기준으로 약 10 wt% 내지 약 80 wt%의 물, 또는 약 20 wt% 내지 약 70 wt%의 물, 또는 약 30 wt% 내지 약 60 wt%의 물, 또는 약 40 wt% 내지 약 60 wt%의 물을 포함할 수 있다.
금속 하이드록시드 성분
일 양태에 따르면, 금속 하이드록시드 성분이 몰딩 조성물에 포함될 수 있다. 예를 들어, 금속 하이드록시드 성분은 알루미늄 하이드록시드, 칼슘 하이드록시드, 마그네슘 하이드록시드, 옥사이드-하이드록시드, 예를 들어, FeOOH, 헌타이트(huntite) 또는 하이드로마그네사이트(hydromagnesite)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 금속 하이드록시드 성분은 필요한 온도 범위에서 탈하이드록실화 또는 탈탄소화 온도를 가질 수 있으며, 종종 화재 지연제 또는 난연제로서 사용된다. 특정 예에서, 금속 하이드록시드 성분은 약 400℃ 미만(코어의 온도 영향에 따름) 및 약 200℃ 초과의 분해/탈하이드록실화 온도를 가지며, 이는 일반적으로 필요한 강도를 획득하는 데 사용되는 온도이다. 이론으로 제한하고자 하는 것은 아니지만, 예를 들어, 알루미늄 하이드록시드를 사용하여 200 내지 400℃의 온도 범위에서 물을 방출시키기 위한 메커니즘은 2가지 방식으로 설명될 수 있다: 방출된 물(34,6% 계산치)이 코어 재수화로 이동하고 결합제 브릿지를 연화시키거나, 부피의 변화로 인해 결합제 브릿지에 균열을 발생시킨다.
일 구현예에서, 전분, 탄수화물, 또는 열 부하 동안 물 또는 탄소-옥사이드를 주로 방출하는 다른 재료가 또한 혼합물에 첨가될 수 있고, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 또는 다른 위험한 가스 또는 휘발성 재료는 또한 혼합물에 첨가되지 않을 수 있다.
금속 하이드록시드 성분은, 예를 들어, 알루미늄 주조에 유용할 수 있다. 알루미늄의 용융 온도는 650-750℃의 범위, 예를 들어, 660℃이며, 따라서 코어에서의 온도 수준은 비교적 낮다. 코어에서의 온도 수준은 코어의 크기 및 모양에 좌우될 수 있다. 코어의 일부 부분에서의 온도는 탈수에 의한 추가 경화를 유도하기 위해 사용된 범위 내일 수 있다.
발사 후, 주조 동안 추가 경화가 발생할 수 있어, 미립자 내화성 재료의 결합 및 강도를 증가시킬 수 있다. 일부 예에서, 미립자 내화성 재료의 강도는 습한 조건에서의 저장 동안 낮아질 수 있다. 이러한 경우, 주조 동안 탈수 공정이 다시 시작되어 더 나은 결합 및 더 높은 강도가 발생할 수 있다. 그러나, 이는 주물로부터 코어 또는 코어 모래를 제거하는 경우, 특히 실린더 헤드의 워터 재킷의 채널과 같이 매우 얇은 영역에서 문제를 발생시킬 수 있다.
내화성 결합 미립자 재료
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 방법으로부터 획득된 내화성 결합 미립자 재료는 특히 유리한 특성을 갖는다. 파운드리 코어 및 파운드리 몰드와 같은 내화성 결합 미립자 물품을 사용하기 위한 하나의 특정 요구사항은 굽힘 강도가 적절해야 한다는 것이다. 이는 발사 후에 신속한 취급을 위해 코어 슈터에서 재료를 형성시킨 직후의 온간 굽힘 강도, 및 냉각 및 보관 후 냉간 굽힘 강도 둘 모두에 적용된다.
예를 들어, 코어를 발사한 직후에 온간 굽힘 강도가 너무 낮은 경우, 코어 슈터로부터 제거시 코어가 손상되거나 파손될 수 있다. 상기 경우, 코어가 코어 슈터로부터 제거될 수 있기 전에, 또는 보관되거나 추가 사용을 위해 취해질 수 있기 전에 추가 냉각 시간이 필요할 수 있다. 따라서, 온간 굽힘 강도(예를 들어, 코어 슈터로부터 제거 30초 후에 측정됨)는 약 120 N/cm2 이상인 것이 유리하다. 또한, 온간 굽힘 강도가 너무 높은 경우, 새로 형성된 코어를 취급하기가 어려워 질 수 있는데, 이는 다루기 힘들어지거나 부서질 수 있기 때문이다. 따라서, 온간 굽힘 강도(예를 들어, 코어 슈터로부터 제거 30초 후에 측정됨)는 약 200 N/cm2 이하인 것이 유리하다.
예를 들어, 형성 약 1시간 후에 측정된 냉간 굽힘 강도는 파운드리 적용에서 안전하게 취급하고 견고하게 사용할 수 있을 정도로 충분히 높아야 한다. 그러나, 냉간 굽힘 강도가 너무 높은 경우, 코어는 사용 동안 다루기 힘들어지고 파손될 위험이 있다. 따라서, 실온에서 공기 중에서 1시간의 보관 후에 250 내지 500 N/cm2의 범위 내의 냉간 굽힘 강도를 갖는 코어를 획득하는 것이 유리하다.
또한, 형성 약 24시간 후에 측정된 냉간 굽힘 강도는 획득된 코어의 안정성에 대한 우수한 지표이다. 무기 코어는 특정 보관 시간 후에 공기 수분과 반응하여 붕괴되는 경향이 있다. 유사하게, 높은 결합제 부하에 의해 야기된 공기에서의 추가 경화의 경우, 냉간 굽힘 강도는 너무 높아져 상기 논의된 바와 같은 문제점을 야기할 수 있다. 이론으로 제한하고자 하는 것은 아니지만, 발사 전에 더 높은 수분 함량으로부터 발생하는 코어 내의 물의 증가된 이용 가능성은 코어의 내구성을 감소시키는 것으로 생각된다. 따라서, 본 발명에 따라 형성된 내화성 결합 미립자 물품은 비교 재료보다 나은 내구성을 갖는 것이 제시될 수 있다. 따라서, 24시간 동안 실온에서 제어되지 않은 대기에 보관 후에 측정된 냉간 굽힘 강도가 1시간 후에 측정된 냉간 굽힘 강도의 80 내지 120% 내인 것이 유리하다.
본 발명은 상호 배타적인 특징의 조합을 제외하고 본원에 언급된 특징 및/또는 제한의 임의의 조합을 포함할 수 있음을 유의해야 한다. 상기 설명은 예시의 목적을 위한 본 발명의 특정 구현예에 관한 것이다. 그러나, 본원에 기재된 구현예에 대한 많은 변형 및 변화가 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 모든 상기 변형 및 변화는 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내인 것으로 의도된다.
실시예
내화성 결합 미립자 조성물을 하기 프로토콜에 따라 제조하였다.
호바트 플레니터리(Hobart planetary) 혼합물에서 적절한 양의 실리카 모래, 실리카 흄 및 수성 소듐 하이드록시드를 혼합하여 약 6 kg의 혼합물을 제조하였다. 먼저, 실리카 모래를 약 2분 동안 실리카 흄과 혼합하였다. 다음으로, 소듐 하이드록시드 수용액을 첨가하고, 조성물을 또 다른 약 2분 동안 혼합하였다.
실리카 모래는 H 32 등급 실리카 모래(Haltern, d50 = 0.32 mm; 99.8% SiO2, 0.10% Al2O3, 0.03% Fe2O3; 0.2% 수분)였다. 사용된 실리카 흄은 99 wt% 초과의 SiO2를 포함하고, 0.19 μm의 d10, 0.69 μm의 d50, 10.7 μm의 d90, 18 μm의 d99를 갖는 미세 마이크로실리카였다. 사용된 NaOH는 Reininghaus-Chemie GmbH & Co. KG, Essen, Germany에 의해 공급되는 33%의 농도를 갖는 상업적으로 공급되는 NaOH였다. 사용된 Al(OH)3은 DADCO에 의해 공급되는 상업적으로 공급된 Al(OH)3였다.
탈수에 의한 경화를 피하기 위해 혼합물을 밀봉 용기에 보관하고, 코어 슈터LAEMPE L1(Laempe Sinto GmbH, Barleben, Germany)의 모래 실린더에 부분적으로 채웠다. 코어 슈터는 180 Х 22.36 Х 22.36 mm 치수를 갖는 시험 막대로의 2 bar의 발사 압력 및 이후 코어 박스에서 160℃에서의 10초의 베이킹 시간 및 20초 동안 120℃에서 공기를 이용한 가스처리로 설정하였다. 시험 막대의 굽힘 강도는 Zwick/Roell Z005 강도 시험기에서 표준 3-포인트 굽힘 강도 시험을 이용하여 온간 강도에 대해 코어 박스로부터 시험 막대를 제거한 직후(30초 이내)(t = 0 h), 및 t = 1 h 및 t = 24 h에 대해 공기 하에서 실온에서 보관한 후에 측정하였다.
허용 가능한 것으로 간주되는 미립자 조성물에 대한 시험 막대의 요구되는 특성은 t = 0 h에서의 온간 굽힘 강도가 120 내지 200 N/cm2이어야 하고, t = 1 h 후의 냉간 굽힘 강도가 250 내지 500 N/cm2이어야 하고, t = 1 h와 t = 24 h 사이의 굽힘 강도의 변화가 20% 이하여야 한다는 것이다.
시험된 조성물의 세부사항은 표 I에 제시되어 있다.
표 I
t = 0 h(온간 굽힘), t = 1 h 및 t = 24 h 후에 획득된 굽힘 강도 측정치는 하기 표 II에 제시되어 있다.
표 II
본 발명의 실시예 1 내지 6에 따른 조성물로부터 형성된 시험 막대가 t = 0 h에서 우수한 온간 굽힘 강도 특성 및 t = 1 h에서 우수한 냉간 굽힘 강도 특성을 가지면서, 동시에 t = 1 h와 t = 24 h 사이에서 허용 가능한 굽힘 강도의 우수한 변화를 갖는 것으로 밝혀졌다. 비교예 5에 따른 시험 막대는 코어 박스로부터 제거시 결합하지 않고 파손되었다. 비교예 1 내지 4 및 5 내지 8에 따른 조성물로부터 형성된 시험 막대는 파라미터 중 적어도 하나에 대해 실패하였다.
0.1 wt%의 계면활성제(실시예 4a) 또는 0.5 wt%의 계면활성제(실시예 4b)와 함께 0.5 wt%의 Al(OH)3가 첨가되고, 여기서, 계면활성제가 47%의 농도를 갖는 소듐-2-에틸헥실-설페이트인 실시예 4의 조성물을 기초로 한 추가 실험을 수행하였다. t = 0 h(온간 굽힘), t = 1 h 및 t = 24 h 후에 획득된 굽힘 강도 측정치는 하기 표 III에 제시되어 있다.
표 III
본 발명의 실시예 4a 및 실시예 4b에 따른 조성물로부터 형성된 시험 막대가 또한 t = 0 h에서 우수한 온간 굽힘 강도 특성 및 t = 1 h에서 우수한 냉간 굽힘 강도 특성을 가지면서, 동시에 t = 1 h와 t = 24 h 사이에서 허용 가능한 굽힘 강도의 우수한 변화를 갖는 것으로 밝혀졌다.

Claims (18)

  1. 금속가공에 사용하기 위한 결합된 미립자 내화성 재료를 형성시키는 방법으로서,
    (i) 미세 미립자 금속 산화물을 제공하는 단계;
    (ii) 수성 알칼리성 조성물을 제공하는 단계;
    (iii) 미립자 내화성 몰드 재료를 제공하는 단계;
    (iv) 계면활성제 및/또는 금속 하이드록시드를 제공하는 단계;
    (v) 상기 미세 미립자 금속 산화물, 상기 수성 알칼리성 조성물, 상기 미립자 내화성 몰드 재료, 및 상기 계면활성제 및/또는 금속 하이드록시드를 혼합하는 단계; 및
    (vi) 획득된 혼합물을 코어 슈터(core shooter)에서 발사하는 단계를 포함하고,
    조합된 상기 미세 미립자 금속 산화물 및 상기 수성 알칼리성 조성물에서 전체 수분 수준은 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 중량을 기준으로 10 wt% 내지 30 wt% 미만의 범위 내이고;
    상기 획득된 혼합물의 전체 중량을 기준으로 상기 획득된 혼합물에 포함된 99.75 wt% 이상의 물은 알칼리성 수용액 및 계면활성제로부터 유래됨을 특징으로 하는,
    방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발사가 가압 가열 공기 흐름을 사용하여 120초 이하 동안 300℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발사가 공기 흐름을 사용하지 않고 120초 이하 동안 300℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 조합된 상기 미세 미립자 금속 산화물 및 상기 수성 알칼리성 조성물에서의 전체 수분 수준이 미립자 금속 산화물 및 수성 알칼리성 조성물의 전체 중량을 기준으로 22 wt% 내지 30 wt% 미만의 범위 내인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계 (iv)의 끝에서 획득된 상기 미세 미립자 금속 산화물, 상기 수성 알칼리성 조성물 및 상기 미립자 내화성 몰드 재료의 혼합물에서의 상기 미세 미립자 금속 산화물 및 상기 수성 알칼리성 조성물의 전체 함량이 획득된 혼합물의 전체 중량을 기준으로 0.5 wt% 초과 내지 5.0 wt% 미만의 범위 내인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 단계 (iv)의 끝에서 획득된 상기 미세 미립자 금속 산화물, 상기 수성 알칼리성 조성물 및 상기 미립자 내화성 몰드 재료의 혼합물에서의 상기 미세 미립자 금속 산화물 및 상기 수성 알칼리성 조성물의 전체 함량이 획득된 혼합물의 전체 중량을 기준으로 3.8 wt% 초과 내지 5.0 wt% 미만의 범위 내인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 단계 (i)에서 제공된 상기 미세 미립자 금속 산화물, 단계 (ii)에서 제공된 상기 수성 알칼리성 조성물 및 단계 (iii)에서 제공된 상기 미립자 내화성 몰드 재료에서의 전체 수분 함량이 단계 (i), (ii) 및 (iii)에서 제공된 성분의 전체 중량을 기준으로 0.8 wt% 내지 1.6 wt%의 범위 내인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 단계 (i)에서 제공된 상기 미세 미립자 금속 산화물, 단계 (ii)에서 제공된 상기 수성 알칼리성 조성물 및 단계 (iii)에서 제공된 상기 미립자 내화성 몰드 재료 및 단계 (iv)에서 제공된 상기 계면활성제 및/또는 상기 금속 하이드록시드에서의 전체 수분 함량이 단계 (i), (ii), (iii) 및 (iv)에서 제공된 성분의 전체 중량을 기준으로 1.6 wt% 내지 2.5 wt%의 범위 내인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 단계 (ii)에서 제공된 상기 수성 알칼리성 조성물 및 단계 (i)에서 제공된 상기 미세 미립자 금속 산화물의 중량비가 상기 수성 알칼리성 조성물에 포함된 이론적 건조 알칼리성을 기준으로 0.05 내지 0.5의 범위, 또는 0.15 내지 0.3의 범위 내인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 발사가 공기 흐름을 사용하지 않고 코어 슈터에서 10초 이하 동안 180℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 발사가 코어 슈터에서 가압 공기 흐름을 사용하여 20초 이하 동안 120℃ 이하의 온도에서 경화시키는 것을 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 미세 미립자 금속 산화물이 실리카 흄(silica fume), 천연 실리카, 침전된 실리카, 발열성 실리카, 실리케이트, 소성 또는 비소성 알루미노실리케이트, 메타카올린 또는 펄라이트, 미세 알루미나, 미세 티타니아, 미세 아연 옥사이드, 규조토, 및 알칼리성의 존재하에서 메탈레이트를 형성하는 다른 금속 산화물, 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 수성 알칼리성 조성물이 수성 소듐 하이드록시드, 수성 포타슘 하이드록시드, 수성 리튬 하이드록시드, 수성 칼슘 하이드록시드 용액 및/또는 현탁액, 수성 마그네슘 하이드록시드 현탁액, 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 미립자 내화성 몰드 재료가 파운드리 모래(foundry sand), 실리카 모래, 재생 모래, 중간 또는 고강도 세라믹 프로판트(ceramic proppant), 보크사이트, 알루미나, 멀라이트(mullite), 올리빈 모래(olivine sand), 크로마이트 모래, 지르콘 모래, 샤모트 모래(chamotte sand), 펄라이트, 비산회, 질석 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 방법.
  15. 제1항에 있어서, CO2 취입 또는 마이크로파 조사에 의한 경화 단계가 필요하지 않은 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법에 따라 획득된, 결합된 미립자 내화성 재료.
  17. 제16항에 있어서, 파운드리 물품, 파운드리 코어(foundry core) 또는 파운드리 몰드(foundry mould)인, 결합된 미립자 내화성 재료.
  18. 방법 단계 (iv)의 끝에서 획득된 바와 같은 미세 미립자 금속 산화물, 수성 알칼리성 조성물 및 미립자 내화성 몰드 재료를 포함하는, 제1항에 따른 방법에서 사용하기 위한 내화성 미립자 조성물.
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