KR20000054035A - 감압 주강 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포모형의 표면에 실리카롤 12.5%, 지르콘플라워 37.5%, 샤모트사 50%의 배합비로 강제 혼련한 배합물을 침지하여 두께 2m/m의 두께로 1차 도포하고 30℃∼40℃의 온도로 건조시키며 2차 3∼4m/m의 두께로 도포 하여 재차 건조시켜 견고하게 굳어지게 한 모형에서,

발포 스치렌 모형의 제거로 강주물의 생산을 할 수 있게 하여 복잡한 형상과 얇은 주강주물의 불량을 완전히 없애고 쇳물(용탕)의 손실을 최대한 줄이며, 내화도가 높은 주형이 필요 없고 , 숙련자가 아닌 미숙련자로도 용이하게 작업할 수 있으며 단위 시간당 생산량을 높일 수 있고 특히, 두꺼운 주강주물에서 잘 나타나는 내부 수축공 발생의 문제점을 30cmHg의 감압으로 방지하여 주강주물의 제조원가 절감효과를 기대할 수 있게 한 감압 주강 주조방법을 제공코자 한 것이다.

Description

감압 주강 주조방법.{Reduce pressure casting method of a cast steel}

본 발명은 발포스치로폴의 제거로 가스결함과 카본 픽업을 극소화시켜 강(예컨데 저탄소강, 스테인레스강 등) 주문의 생산이 가능하게 하므로 복잡한 형상과 얇은 주강주물의 불량을 없애고 용탕의 손실을 최대한 줄임과 동시에 내부 수축공(shrinkage) 발생의 문제점을 방지하고 주강주물의 제조원가를 절감할 수 있음을 특징으로 한 감압 주강 주조방법에 관한 것이다.

주지된바와 같이 일반적인 주조방법을 살펴보면 다음과 같다.

일반 사형주조에서 중요한 것은 도1의 공정흐름도에서 밝힌바와 같이 ⓐ와 같은 주조계획의 결정과 ⓑ와 같은 원형을 만드는 원형제작 공정과 ⓒ와 같은 주형을 만드는 주형제작 공정을 거쳐서 ⓓ와 같은 주조용 금속을 용해하는 용해 공정에서 얻은 용융금속을 ⓔ와 같이 용융금속을 주입하고 ⓕ와 같이 주형 속에서 응고가 끝난 주물을 꺼내어 모래 떨이를 하며 ⓖ와 같이 불필요한 부분을 제거하고 ⓗ와 같이 표면을 깨끗하게 하여 불량품을 가려내는 ⓘ검사 및 시험을 거쳐 ⓙ완성된 주물 품이 나올 때까지 전 공정이 모두 서로 관련성을 가지고 있으며, 작업에서도 숙련을 요하는 부분이 많아 각 작업자, 기술자 및 간부들의 종합작품으로 단 하나의 작업이라도 불완전하면 건전한 주물을 제조할 수 없다. 따라서 사형에서 이형과 합형의 공정을 생략하여 주조시간을 현저히 단축시켜 단위 시간당 생산량을 높일 수 있고,

제조시 증자가 있어야 생산되는 복잡한 형상의 제품을 생산하는데 가장 적절한 감압주조법이 있다. 감압 주조법은 폴리스치렌 비드를 일차 발포시켜 적정 밀도로 조정한 다음 이것을 숙성 처리하여 성형용 금형에 흡입시키므로 스팀을 가하여 발포폴리스치렌 모형을 만든다. 완성된 모형에는 적당한 내화물로 도형을 실시하고 이것을 건조된 무점결사에 매설한다. 이때 모래의 충진성과 강성을 높이기 위해 진동을 가한 후 주형전체를 감압한다. 주입시 모형은 용탕과 접촉함과 동시에 소실되므로 용탕-모형간의 위치 치환에 의해 원하는 형상의 주물이 얻어진다.따라서 주물에는 합형선 및 코어 프린트에 의한 핀의 발생이 없으므로 후처리가 간단하고 사용된 모래는 회수, 냉각만으로 재사용이 가능하다. 이 주조법은 생형에 비해 증자 조형기 등이 필요없는 단순한 공정인 반철계 주물에서 탕구 및 압탕방안과 관련된 모래혼입의 결함이 나타나 주물의 기계적 성질에 나쁜 영향이 일어나며 광휘성 탄소의 생성으로 인한 주물표면에 주름결함이 발생하고 두꺼운 주물일수록 문제가 된다. 또한 얇은 주물에 적용하기 힘들고 가스의 결함이 많아 주물손실이 많다. 발포 스치렌을 열분해 하였을 경우에 CH₂-CHn의 수많은 고리로 연결된 폴리 스치렌이 80℃부근에서 연화하기 시작하여 400∼500℃에서 스치렌 모노마로 분해하고 그 이상의 고온에서는 일산화탄소 및 이산화탄소와 같은 저분자 가스로 분해된다. 스치렌 모노마의 저분자 가스는 같은 온도라도 2배 이상의 가스압 차가 있고, 주철계 주물의 경우는 상당히 많은 양이 저분자 가스로 분해하여 그 가스압이 대기압 +0.25bar로 이는 점토계 생사형의 발생압력의 100배에 달한다. 스치렌 모노마 자체의 비점은 145℃로 주형사에 스며들면 바로 액체로 응축하는데, 가스의 발생량이 많아 통기성이 충분하지 않아 감압해서 사용한다. 감압하면 쉽게 주입되나 과감압시에는 미분해 발포스치렌에 따른 가스결함이 발생, 저감압의 경우에는 주물상부에 탄소계 결함이, 과감압의 경우에는 주물의 측면에서부터 상부에 걸쳐 가스 결함이 발생한다. 무리하게 과감압하여 주입하면 용탕은 주형벽을 따라 선행해서 미분해 발포스치렌이 용탕중에 흡입되고, 주형벽은 용탕에 막혀 가스의 배기가 곤란해져 상당수의 가스 결함이 발생하여 주물의 손실을 더욱 가중시키며, 또한 모형을 발포폴리 스치롤로 하였을 경우 모형의 변형이 심하고, 주입시 발생가스에 의한 재질의 변화가 심해 카본 픽업에 따른 심각한 문제로 인하여 감압 주조법으로 저 탄소강을 고품질의 제품으로 생산하기에는 상당한 결점이 있었다.

상기의 문제점들을 다음의 실험에 의거 구체적으로 설명한다.

실험 1.

발포스치렌모형을 사용한 감압 주조법에 있어서 열분해 생성물이 다량 발생하기 때문에 주강에서는 가탄현상과 가스결함이 반드시 발생한다. 이러한 현상에 기여하는 인자로서 발포 모형의 조성 및 용탕온도, 용탕의 유동속도, 용탕의 탄소 포화도 및 가스압으로 생각되어 철(Fe)-탄소(C)합금의 탄소포화도(Sc) 및 모형을 여러각도로 변화시켜 가스압과 가탄현상에 관해서 도2의 실험장치로 실험을 하였다.

실험방법 :

탕구 : Ø25×250mm의 도관을 사용.

모형 : 발포스치로플 15×20×252mm을 조형상자 내에 수평으로 설치. 토치-센서(Touch-sensor)로 탕구 밑에서부터 적정위치에 열전대를 설치하며 한 위치에 가스압 측정용 스텐레스 파이프를 매설하고, 모형의 선단에 분석 시료 채취용 금형을 취부.

도형 : 특수배합 된 소착방지용 도형제.

용해 : 철(Fe)-탄소(C)의 합금조성 탄소포화도(Sc):0.88%, 탄소포화도(Sc):0.67%의 2종을 사용하여 고주파 유도로에서 용해.

결과 : 열분해 가스압의 증가에 따라 가탄율이 증가하였으며 용탕의 탄소포화도(Sc)치가 낮은 경우에는 가탄율이 높으며 급격하게 증가하고, 가탄현상이 현저하게 일어나는 것을 알 수 있었다. 용탕류의 선단에 있어, 가탄현상을 도3에 표시함과 같이 용탕류의 선단에는 가스층이 형성돼 열분해 가스압이 높을 경우 용탕은 탄소를 흡수하기 쉬워지게 되고, 따라서 용탕의 탄소포화도(Sc)치가 낮은 경우와 같은 현상이 일어났으며, 또한 모형의 변형이 심하고 주입시 발생가스에 의해 재질의 변화가 심했다.

실험 2.

상기 실험의 결과로 도4의 생형 주조법과 도5의 감압주조법으로 저 탄소강을 용해 주입하여 아래 표1과 같이 강 주물의 화학 성분 중 "C"성분을 집중 분석하였다.

표1에서와 같이 종래의 생사형 주조법(도4)으로 실제 제품(도6)을 생산하여 상부, 중심부, 하부를 분석해보면 카본(Carbon)치의 변화가 없지만, 소형주물의 대량생산공정에 적합한 감압 주조법(도5)으로 주강 제품을 생산하여 상부, 중심부, 하부로 나누어 절단한 후 각 부위별로 카본(Carbon)의 함량을 분석하였을 때 하부와 상부의 카본(Carbon)함량 편차는 고품질의 저탄소 주강품을 생산하기에는 어려운 결점이 있다.

상기 표1과 같이 카본함량의 편차가 거의 없는 생사형법(도4)으로 저탄소강을 생산한다면 , 상,하형의 합형(맞춤)시 편심불량이 발생하는 문제가 있고, 주입 후 수축이 크므로 압탕(Riser)을 크게 해야 하며, 따라서 제품의 무게에 비해서 쇳물의 손실이 클 뿐 아니라, 주입 온도가 높기 때문에 내화도가 높은 주형이 필요하며, 주조 후의 뒤처리도 복잡하다. 생사형법(도4)으로 완전한 주강주물을 제조하기 위해 까다롭고 번거로운 작업공정으로 인하여 표면 조도 및 정밀성이 요구되거나 단일품(예:밸브 등)의 다량생산에는 적합하지 못한 공정이며, 높은 제조원가로 인하여 실용성이 없는 결점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 창출된 것으로 소형주물의 대량생산 공정으로 회주철 및 구상화 흑연 주철품을 생산하기에 아주 적합한 감압주조법(도4)을 강(저탄소강, 스테인레스강)주물에 적용하였을 때 발생하는 가스결함과 카본픽업의 불량을 극소화 시켜 감압 주조법(도4)으로 강주물의 회수율을 극대화시키고, 강 주물의 생산을 가능하게 하는 발포 폴리스치렌을 제거한 감압 주강 주조방법에 관한 것으로 이를 첨부도면에 의거 설명하면 다음과 같다.

도1은 일반 사형 주조의 공정 흐름도.

도2는 종래의 감압 주조방법의 예시도.

도3은 도2에서 용탕 선단부의 가탄현상 예시도.

도4는 종래의 생형 주조방법의 예시도.

도5는 종래의 다른 감압 주조방법의 예시도.

도6은 본 발명의 실제 주물제품 예시도.

도7은 본 발명의 실제 주물의 모형과 동일하게 발포성 폴리스치렌으로 제작한 발포모형 예시도.

도8은 제7도의 모형에 배합물을 도포시킨 후 건조한 발포모형의 예시도.

도9는 제7도의 모형에서 발포모형을 제거한 모형.

도10은 도9의 모형을 금속용기로 된 조형상자 내에 위치시킨 예시도.

도11은 도9에서 조형작업을 하기 위한 준비완료를 나타낸 예시도.

[도면의 중요한 부분에 대한 부호의 설명]

1:조형상자, 2:주입구, 3:모형, 4:스티로풀마개,

5:탕도, 6:탕구봉, 7:주입컵, 8:비닐,

9:금속망, 10:배기관, 12:가스배출구, 13:중공부,

14:발포스치렌이 제거된 모형, 19:모래, P:진공펌프.

첨부도면 중 도6은 본 발명의 실제 주물제품의 예시도이고, 도7은 본 발명의 실제 주물의 모형과 동일하도록 발포성 폴리스치렌으로 제작한 발포모형 예시도인데,

이 발포모형(3)의 표면에 실리카졸 12.5%, 지르본 플라워 37.5%, 샤모트사 50%의 배합비로 10분 이상 감제훈련하여 점도가 씨티에스(CTS)9-11정도 유지된 것에 상기 모형(3)을 침지(Dipping)법에 의해 2m/m의 두께로 균일도포 하여 30℃∼40℃의 주위온도를 가지는 실내 건조실에서 강제 건조시킨 후 2차로 최종 3∼4m/m의 두께가 되도록 도포하여 30분 이상 강제 건조시키므로 배합물을 견고하게 하였다.(도8 참조)

또한 도8에서 주입구(2)와 가스배출구(12) 측을 끝부분을 발포 폴리스치렌 부분이 노출되도록 쇠톱, 또는 컷터기로 절단하여 준다.(도9참조.)

이와 같은 상태에서 상기 도포되어 견고해진 모형(3)의 내용물인 발포 폴리스치렌을 제거하기 위해 탄화수소 용재로 비점 80.1℃로 무색 투명한 벤젠(C₆H₆)을 사용했다. 벤젠 이외에도 아세톤(C₃H₆O), 초산에칠(C₃H₆O₂), 초산메칠 등으로도 발포 스치렌을 제거할 수 있으나 사용상의 안전성을 고려하여 벤젠을 사용하였다.

상술한 벤젠을 플라스틱용기에 담은 후 도포된 모형(3)을 용기에 10분간 잠기게 하여 넣었다가 끄집어내면 발포 폴리스치렌 모형(3)은 용재에 의하여 완전히 제거되어 없어지고 중공부(Cavity)(13)만 형성된다. 중공부(Cavity)(13)만 형성된 모형(14)을 끄집어내어 요철부 위에 고여있는 벤젠을 쏟아낸다. 이렇게 하여 발포 스치렌이 제거된 모형(14)은 조형라인으로 보내어 다음과 같은 방법으로 조형작업을 한다.

도10은 도9의 모형 금속용기로 된 조형상자 내에 위치시킨 예시도로서,

1. 폴리스치렌이 제거된 모형(14)의 가스배출구(2)쪽에 스테인레스제의 얇은 금속망(9)으로 감싸듯이 동여매고 다른 주입구(2)는 미리 준비해둔 스치로풀제의 게이트(Gate)(4)를 구멍(Hole)의 크기보다 크게 하여 억지 끼우기를 하고 끝부분은 양면 테이프(Tape)로 붙여둔다.

2. 도9의 금속제용기(1)의 바닥에 200mm정도의 마른 모래(건조규사)(15)를 깔고 고른 다음 상기 모형(14)을 조형상자(1)의 길이 또는 대각선 방향으로 나열한 다음 미리 준비해둔 탕도(5)에 양면 테이프(Tape)의 나머지 한쪽면을 떼어내어 붙인다.

3. 미리 준비해둔 탕구봉(6)을 탕도(5)위에 세우고 넘어지지 않게끔 지지대로 고정시킨 후 모래탱크로 이송하여 마른 모래(건조규사)(15)를 조형상자(1)에 채워 넣는다.

4. 채원진 조형사인 모래(건조규사)(15)는 진동기(Vibrator)로 약간의 진동을 가한 후 탕구봉(6)위에 주입컵(7)을 세우고 비닐(8)로 조형상자(1)를 덮어 조형작업을 도11과 같이 준비를 완료한다.

이와 같이 조형이 완료되면 금속제 조형상자(1)를 주입라인으로 보내며 금속제 용기(1)내의 진공감압을 조성하기 위한 진공펌프(P)와 연결하여 25-30cmHg의 진공 감압하에 고온의 주강용탕을 주입하게 되는 것이다. 상술한 조형상자(1)는 종래의 조형상자에서와 같은 상형, 하형의 조형을 만든 후 합형을 하는 복잡한 공정을 생략하고 주강용융금속의 주입이 원활히 이루어지도록 하기 위해 조형상자(1)의 임의의 지점에 진공감압을 만들기 위한 배기관(10)을 연결하고 이 배기관(10)은 진공펌프(P)와 직접 연결되도록 한 것이다.

임의의 지점에 설치한 배기관(10)의 끝부분은 폐쇄시키고 그 주변에는 직경 10Ø가 되는 천공(Hole)을 30mm간격으로 엇갈리게 여러개로 뚫어 극히 미세한 입도로 된 스테인레스제 금속망(9)을 씌워 진공 감압시 주물사가 인입 되지 않도록 하였다. 주입 4∼5분전에 진공펌프(P)를 가동시켜 진공감압 탱크(Tank)의 감압게이지의 내압을 30cmHg로 유지시킨 다음 1560℃의 주강용탕을 주입하고 주입완료 후 진공감압을 15분간 유지하여 1시간 후에 금속제용기(1)를 반전기(Turn off machine)에 밀어 넣어 해체 시켰더니 종래의 감압주조법으로 강을 주입하였을 때 나타나는 카본픽업과 가스결함에 의한 불량이 전혀 없고, 종래의 사형(砂形) 주강주조법의 평균 회수율 60%보다 훨씬 상회하는 80∼90%가 되었으며 미려한 조도를 가지는 주강주물을 얻을 수 있는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용효과를 간추려 보면, 폴리스치렌으로 먼저 발포모형(3)을 제작한 후 이 발포모형(3)의 표면에 실리카졸, 지르콘플라워, 샤모트사로 배합된 화합물을 1차 2m/m, 2차 3∼4m/m 도포하고 강제건조시켜 견고하게 한다. 일단 견고하게 건조된 발포모형(3)의 주입구(2)와 가스배출구(12) 측의 폴리스치렌이 노출되도록 절단물로 절단하여 이를 폴리스치렌의 용해재에 침지시켜 용해시킴으로 폴리스치렌이 제거된 자리에는 중공부(13)가 형선된 모형(14)이 남게된다.

이러한 견고히 굳은 배합물의 모형(14)을 금속제용기로 된 조형상자(1)에 위치시킨 다음 통상의 방법으로 탕도(5), 탕구봉(6), 주입컵(7)을 통해 주강용량을 주입 완료하고 진공감압시킨 후 조형상자(1)를 반전기에 밀어 해제시켜 불량품이 전혀 없는 양질의 주강주물을 얻을 수 있음을 특징으로 한 것이다.

본 발명의 발포 스치렌 모형의 제거로 강주물의 생산을 할 수 있게 하여 복잡한 형상과 얇은 주강주물의 불량을 완전히 없애고 쇳물(용탕)의 손실을 최대한 줄이며, 내화도가 높은 주형이 필요 없고, 숙련자가 아닌 미숙련자로도 용이하게 작업할 수 있으며 단위 시간당 생산량을 높일 수 있고 특히, 두꺼운 주강주물에서 잘 나타나는 내부 수축공 발생의 문제점을 30cmHg의 감압으로 방지하여 주강주물의 제조원가 절감효과를 기대할 수 있게 하였다.

Claims (1)

1. 폴리스치렌으로 제작한 모형(3)을 이용하여 감압주조토록 한 방법에 있어서,

   상기 발포모형(3)의 표면에 실리카롤 12.5%, 지르콘플라워 37.5%, 샤모트사 50%의 배합비로 강제 혼련한 배합물을 침지하여 두께 2m/m의 두께로 1차 도포하고 30℃∼40℃의 온도로 건조시키며 2차 3∼4m/m의 두께로 도포하여 재차 건조시켜 견고하게 굳어지게 하는 것과,

   주입구(2)와 가스배출구(12) 측의 끝부분에 절단하여 폴리스치렌이 노출되게 하므로 용화재의 침투로 폴리스치렌이 용화제거되어 중공부(13)가 형성된 모형(14)이 구성되도록 한 것을 특징으로 한 감압 주강 주조방법.