상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 정밀주조용 알루미나계 주형은 왁스나 플라스틱으로 제조하려는 제품의 모형을 만들고, 상기 왁스나 플라스틱 모형 표면에 콜로이달 실리카 및 알루미나 분말을 포함하는 내화물 슬러리와 알루미나 모래를 번갈아 수회 코팅한 다음, 그 위에 상기 슬러리만을 한번 더 도포하여 마무리 코팅한 후 완전히 건조시키고 탈왁스 및 소성하여 제조되며, 이때 상기 내화물 슬러리에는 알루미늄 금속분말이 첨가된 것을 특징으로 한다.
상기 내화물 슬러리에 첨가되는 알루미늄 금속 분말은 입자크기가 10∼50㎛인 것이 바람직하다. 알루미늄 금속분말 입자의 크기를 10∼50㎛로 한정하는 이유는 입자크기가 10㎛보다 작은 분말은 고가이어서 주형 제조비용 측면에서 바람직하지 못하며, 입자크기가 50㎛보다 큰 분말은 슬러리에 균일하게 혼합되지 못하기 때문이다. 또한, 알루미늄 금속분말의 첨가량은 상기 내화물 슬러리 중의 알루미나 분말과 콜로이달 실리카의 중량의 합에 대하여 1.0∼4.0 wt, 바람직하게는 1.0∼3.0 wt, 가장 바람직하게는 3.0 wt로 첨가한다. 알루미늄 금속분말의 첨가량을 1.0∼4.0 wt로 한정하는 이유는 1.0 wt미만에서는 주형의 소성시간을 단축하고 고온변형 특성을 향상시키는 효과를 거둘 수 없으며, 4.0 wt를 넘어서면 주형의 상온강도가 지나치게 약해지기 때문이다. 한편, 상기 내화물 슬러리에 사용되는 알루미나 분말 및 콜로이달 실리카와 분말상태의 알루미나 모래는 공지의 것을 사용한다.
아울러, 상기와 같이 알루미늄 금속분말이 첨가된 내화물 슬러리로 코팅된 본 발명의 주형은 1000∼1500℃에서 1시간 동안 소성되어지는 것을 특징으로 한다. 종래의 알루미나계 주형은 완성된 주형의 고온변형을 방지하는데 필요한 알루미나-실리카 계면의 뮬라이트 미세조직을 형성하기 위해서 1500℃에서 적어도 4시간 동안 소성되었다. 그러나, 본 발명의 주형은 슬러리에 첨가된 알루미늄에 의하여비교적 낮은 온도에서도 뮬라이트화 반응이 촉진되므로, 1000∼1500℃의 온도에서 1시간, 보다 바람직하게는 1000℃에서 1시간 동안만 소성하여도 뮬라이트 조직이 충분히 형성된다.
한편, 본 발명의 정밀주조용 알루미나계 주형 제조방법은 (i) 왁스나 플라스틱으로 제조하려는 제품의 모형을 만드는 공정; (ii) 상기 왁스나 플라스틱 모형 표면을 콜로이달 실리카와 알루미나 분말을 포함하는 내화물 슬러리와 알루미나 모래로 번갈아 수회에 걸쳐 코팅하는 공정; (iii) 상기 코팅 층 위에 상기 슬러리만을 한번 더 도포하여 마무리 코팅한 후 주형을 완전히 건조시키는 공정; 및, (iv) 건조된 주형 내부의 왁스를 제거하고 소성하는 공정을 포함하며, 상기 코팅 공정에 사용되는 내화물 슬러리에 알루미늄 금속분말을 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 알루미늄 금속분말은 입자크기가 10∼50㎛인 것이 바람직하고, 첨가량은 상기 내화물 슬러리 중의 알루미나 분말과 콜로이달 실리카의 중량의 합에 대하여 1.0∼4.0 wt로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 주형 제조방법은 또한 상기 소성공정을 1000∼1500℃에서 1시간 동안 행하는 것을 특징으로 한다. 소성시간이 단축되면 오랜 소성공정 중에 발생하는 주형의 균열을 사전에 방지할 수 있으므로, 본 발명의 방법에 의하여 제조된 알루미나계 주형은 니켈기 초내열 합금 중에서도 특히 주형의 균열에 매우 민감한 니켈기 초내열 합금의 방향성 응고품 주조에 매우 유용하게 사용될 있다. 또한, 소성시 알루미늄에 의한 뮬라이트 형성의 촉진으로 인하여 주형 내의 잔류 실리카의 양이 최소화되므로, 주조시 주형과 금속용탕 간의 반응이 감소되어 주형의 손상 및 최종 주조품의 품질저하를 예방할 수 있다. 게다가, 알루미늄 금속분말의 첨가량에 비례하여 주형의 상온강도가 감소하므로, 알루미늄의 함량을 달리하여 주형의 상온강도를 적절하게 조절함으로써 정밀주조 후 주형의 탈사 공정에 소요되는 인력 및 시간을 절감하여 제품의 원가절감을 기할 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
[실시예 1] 알루미나계 주형의 제조
콜로이달 실리카 13 wt및 알루미나 분말 87 wt로 이루어진 혼합물 100 중량부에 대하여 알루미늄(Al) 금속분말을 각각 다른 비율로 첨가하고 소포제와 계면활성제를 콜로이달 실리카에 대하여 일정한 비율로 첨가하여, 하기 표 4의 조성을 가지는 1차 및 2차 코팅용 슬러리 3가지를 제조하였다.
본 발명의 1차 및 2차 코팅용 내화물 슬러리
슬러리 종류 |
|
알루미나+1.0 wtAl |
알루미나+3.0 wtAl |
알루미나+4.0 wtAl |
조성 |
·Al2O3: SiO2 |
87 : 13 |
87 : 13 |
87 : 13 |
·콜로이달 실리카입자크기 : 0.008∼0.013㎛SiO2함유량 : 30wtpH(상온) : 10.5 |
13 wt |
13 wt |
13 wt |
·알루미나 분말입자크기 : 320 mesh |
87 wt |
87 wt |
87 wt |
·알루미늄 금속분말입자크기 : 10∼50㎛ |
1.0 wt |
3.0 wt |
4.0 wt |
·계면활성제 |
1.0 wt |
1.0 wt |
1.0 wt |
·소포제 |
0.4 wt |
0.4 wt |
0.4 wt |
점도(Zahn #5) |
|
20∼25 sec |
20∼25 sec |
20∼25 sec |
또한, 콜로이달 실리카 13 wt및 알루미나 분말 87 wt로 이루어진 혼합물 100 중량부에 대하여 알루미늄(Al) 금속분말을 각각 다른 비율로 첨가하고 소포제와 계면활성제를 콜로이달 실리카에 대하여 일정한 비율로 첨가하여, 하기 표 5의 조성을 가지는 백업 코팅용 슬러리 3가지를 제조하였다.
본 발명의 백업 코팅용 내화물 슬러리
슬러리 종류 |
|
알루미나+1.0 wtAl |
알루미나+3.0 wtAl |
알루미나+4.0 wtAl |
조성 |
·Al2O3: SiO2 |
87 : 13 |
87 : 13 |
87 : 13 |
·콜로이달 실리카입자크기 : 0.008∼0.013㎛SiO2함유량 : 30wtpH(상온) : 10.5 |
13 wt |
13 wt |
13 wt |
·알루미나 분말입자크기 : 320 mesh |
87 wt |
87 wt |
87 wt |
·알루미늄 금속분말입자크기 : 10∼50㎛ |
1.0 wt |
3.0 wt |
4.0 wt |
·계면활성제 |
1.0 wt |
1.0 wt |
1.0 wt |
·소포제 |
0.4 wt |
0.4 wt |
0.4 wt |
점도(Zahn #5) |
|
17∼20 sec |
17∼20 sec |
17∼20 sec |
이어서, 본 발명의 주형재 시편을 제조하기 위해서, 상기 표 4 및 표 5의 슬러리를 사용하여 통상적인 로스트왁스법으로 왁스모형의 반복적인 코팅을 수행하였다. 이때, 내화물 슬러리 처리 후 도포하는 내화물 모래로는 1차 및 2차 코팅시에는 입자 크기가 100 mesh인 알루미나 모래를 사용하였고, 3차 이후의 백업 코팅에는 28×48 mesh의 알루미나 모래를 사용하였으며, 총 7차례의 백업 코팅을 시행한 후 마무리 코팅을 하고 완전히 건조시켰다. 건조된 주형을 증기 고압솥에서 가열하여 주형내의 왁스모형을 녹여낸 다음, 1000℃에서 1시간 동안 소성시켜 고온변형 시험용 주형재 시편을 완성하였다.
한편, 알루미늄 분말이 첨가되지 않은 종래의 내화물 슬러리를 사용한 것을제외하고는 상기와 동일한 방법으로 비교시험용 주형재 시편을 제조하였다. 이 때, 1차 및 2차 코팅에 사용된 슬러리의 조성은 각각 상기 표 1 및 표 2에 개시된 바와 같으며, 백업 코팅에는 상기 표 3의 슬러리를 사용하였다.
[실시예 2] 고온변형 시험
상기 실시예 1로부터 수득한 주형재 시편들을 실제 주조온도인 1500℃에서 4시간 동안 가열한 후, 코팅용 슬러리에 알루미늄 금속분말을 첨가했을 때와 첨가하지 않았을 때의 주형의 변형량을 각각 측정하였다. 그 결과 하기 표 6에서 보듯이, 종래의 슬러리를 사용하여 제조된 주형재 시편의 경우 1500℃에서의 고온변형량이 4.5mm이었으나, 알루미늄 분말이 1.0 wt첨가된 슬러리를 사용한 경우 고온변형량이 1.0mm에 지나지 않았으며, 알루미늄 분말이 3.0 wt이상 첨가된 슬러리를 사용한 경우에는 고온변형이 전혀 발생하지 않았다.
고온변형 시험(1500℃, 4시간)
|
종래의 알루미나 주형 |
본 발명의 알루미나 주형 |
알루미나 |
알루미나+1.0 wtAl |
알루미나+3.0 wtAl |
알루미나+4.0 wtAl |
소성조건 |
1000℃/1hr |
1000℃/1hr |
1000℃/1hr |
1000℃/1hr |
변형량(mm) |
4.5 |
1.0 |
없음 |
없음 |
또한, 고온변형 시험이 끝난 시편들을 회수하여 주사전자현미경(SEM)으로관찰한 결과, 알루미늄 분말의 첨가량에 비례하여 주형의 알루미나-실리카 계면에 고온안정상인 뮬라이트 미세조직이 증가함을 확인하였다(참조: 도 1). 도 1에서, (a)는 0. 0 wt, (b)는 1. 0 wt, (c)는 2. 5wt, 및 (d)는 3. 0wt로 슬러리에 알루미늄 분말을 첨가한 경우를 각각 나타낸다.
이와 같은 결과로부터 알루미늄 분말을 포함하는 슬러리로 코팅된 본 발명의 주형은 종래의 주형에 비하여 낮은 온도에서 짧은 시간 동안 소성되어도 우수한 고온변형 특성이 유지되고 결과적으로 고도의 치수 안정성을 요하는 정밀주조품의 제조에 유용함이 확인되었다. 또한, 상기 도 1의 결과는 전술한 본 발명의 주형이 가지는 우수한 특성이 알루미늄에 의한 뮬라이트화 촉진의 결과이며 주형내 잔류 실리카 함량이 매우 낮음을 보여주고 있으므로, 본 발명의 주형을 사용하면 실리카와 금속용탕 간의 반응에 따른 최종 주조품의 품질저하 및 성분조성 변화를 방지할 수 있다.
[실시예 3] 상온강도 시험
소성공정에서 온도와 시간을 달리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 주형재 시편들을 제조하고, 상온강도 시험을 수행하였다. 그 결과 하기 표 7에서 보듯이, 알루미늄 분말을 첨가한 주형재 시편의 경우 종래 주형재와 비교해서 동일한 시험조건에서 알루미늄 첨가량이 증가함에 따라 상온강도가 비례적으로 감소하는 현상을 보였다. 이와 같은 결과로부터 알루미늄 분말이 첨가된 본 발명의 알루미나계 주형은 종래 주형에 비하여 주조 후 붕괴성이 우수하므로,주조후 탈사공정에 소요되는 인력 및 시간을 절감할 수 있음을 확인하였다.
상온강도 시험
소성조건 |
상온강도(㎏/㎟) |
종래의 알루미나 주형 |
본 발명의 알루미나 주형 |
알루미나 |
알루미나+1.0 wtAl |
알루미나+3.0 wtAl |
1400℃/1hr |
2.4 |
2.1 |
2.0 |
1500℃/1hr |
2.6 |
2.5 |
2.1 |
1550℃/1hr |
2.6 |
2.6 |
2.2 |