KR20030064780A - 금속 주조용 주형 - Google Patents

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KR20030064780A
KR20030064780A KR10-2003-7006107A KR20037006107A KR20030064780A KR 20030064780 A KR20030064780 A KR 20030064780A KR 20037006107 A KR20037006107 A KR 20037006107A KR 20030064780 A KR20030064780 A KR 20030064780A
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엘-데말라이에마드
라드반사샤햄디
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호세코 인터내쇼날 리미팃드
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Abstract

본 발명은 내화성 입자의 전단 강도가 상기 내화성 입자 사이의 결합의 전단 강도보다 작은 결합된 미립자 내화성 재질을 원하는 형상으로 기계가공(예를 들면, 절삭 또는 드릴링)함으로써 용탕을 주조하는 주형 또는 코어를 성형하는 방법을 제공한다. 바람직한 미립자는 알루미노 규산염 마이크로스피어(예를 들면, "비산회 플로터")이고 바람직하게 바인더는 실리카(예를 들면, 퓸 실리카/나트륨 수산화물)에 기반을 둔다. 상기 결합된 미립자는 정확한 치수를 갖는 주형 또는 그 부품을 형성하도록 쉽게 기계가공된다.

Description

금속 주조용 주형{MOULD FOR METAL CASTING}
일반적으로, 금속 주형(metal casting)은 세가지 기본적인 방법, 즉 사형 주조법(sand mould casting), 다이 캐스팅(die casting), 및 인베스트먼트 주조법(investment casting) 중 하나의 방법으로 제조된다.
사형 주조에서, 주형 및 관련되는 코어[주조에서 캐버티(cavities)를 형성하는]가 결합된 모래에서 형성된다. 주형 캐버티는 하나 이상의 패턴, 즉 모래에서 원하는 크기 및 모양의 캐비티를 생성하기 위하여 모래가 형성되고 접합되는[유기질 또는 무기질 접결제(binders)에 의하여] 원하는 주조의 모델로 형성된다. 현재의 코어들은 원하는 코어의 크기 및 모양을 형성하기 위하여 접합되고(주형과 동일한 방식으로) 코어 박스(core box)로서 알려진 주형으로, 상기 코어가 압축 가스에 의하여 부풀리거나, 또는 수동으로 압축되는, 소위 "코어-슈팅(core-shooting)" 또는 "래밍(ramming)"으로 형성된다. 또한 상기 주형은 임의의 코어를 더한, 2이상의 접합사의 몸체부로 조립되며, 또한 접합사로 형성되고, 상기 주형 캐비티 내부에 적절히 삽입된다. 또한 용탕(molten metal)은 하나 이상의 예비-성형 탕구를 통하여 주형 캐비티 내부로 주입되고, 냉각 및 응고되고, 모래 주형 및 코어는 금속 주물을 드러내도록 이탈된다.
다이 캐스팅에서, 주형은 영구 주형(즉, 수회 재사용됨)이고, 일반적으로 금속으로 형성된다. 인베스트먼트 주조법에서, 금속 다이는 일반적으로 왁스(wax)로 형성된 주물의 원하는 크기 및 모양의 패턴(pattern)을 제조하기 위하여 사용된다. 일련의 내화(열 저항) 코팅은 왁스 패턴을 내화재의 슬러리(slurry) 내에 담그고 다음 코팅이 적용되기 전에 각 코팅을 건조할 수 있도록 함으로써 왁스 패턴으로 코팅된다. 충분한 강도의 셸 주형(shell mould)이 이런 방법으로 형성되면, 왁스 패턴은 용탕이 주입되는 주형 캐비티를 형성하기 위하여 태워진다. 상기 용탕이 응고되면, 상기 셸 주형이 주물을 드러내도록 제거된다.
따라서, 사형 주조법은 물론 인베스트먼트 주조법에서도, 주형 및 코어가 구성될 수 있는 패턴을 제조하는 것이 필요하다. 상기 경우에서 패턴의 제조에 들이는 방법의 시간 및 비용의 비율이 대다수의 주물이 제조되는 경우보다 명백히 매우 크기 때문에, 특히 작은 수의 주물이 제조될 필요가 있다면, 시간을 소비하고 비용이 드는 주조법이다. 이 원리는 하나 또는 소수의 원형 주물이 신속하고 저렴하게 제조될 필요가 있는 고속 원형법(rapid prototyping)의 경우에 가장 극단적이다.
일반적으로, 상기한 고속 원형 주조법은 광경화가능한 수지(photocurable resin)가 컴퓨터 제어된 레이저에 의하여 원하는 주조 형상을 형성하기 위하여 경화되는 스테레오 석판술(stereo lithography)에 의하여 주조의 패턴을 먼저 제조함으로써 대체로 이루어지고, 또한 사형 및 코어가 스테레오 석판술 패턴으로 제조되고, 주물이 사형에서 제조된다. 또한 패턴이 목재, 또는 금속, 또는 접합사 등으로 제조되는 고속 원형법의 다른 방법이 알려져 있다.
물론, 다이 캐스팅에서, 영구 주형이 제조될 필요가 있고, 이것은 명백히 시간 및 비용에서 매우 많은 투자를 요구하고, 매우 장기간 주조 제조 작업에만 적합하다. 또한, 다이 캐스팅은 알루미늄과 같은, 저용융점 금속 주조에만 적합하고, 철 또는 강철로 형성되는 주물과 같은 고온 주조에는 적합하지 않다.
유럽 특허 EP-A-0913215호는 비섬유질 형태의, 집적되고 임의의 부하(loads), 중량으로 38% 이하의 알루미나 함유물을 갖는 알루미늄 규산염 중공 마이크로비드(hollow microbeads)를 포함하는 성분을 성형함으로써, 페룰(ferrules) 및 다른 공급 헤드(feeding head) 및 주형을 주조하고, 단열하고 발열하는 공급 요소의 제조에 관한 것이다.
미국 특허 US-A-5632326호(호세코 인터네쇼널 리미팃드에 양도된)는 중공 알루미나-및 실리카-포함 마이크로스피어(microspheres) 및 상기 마이크로스피어가 실리카 및 알루미나 함유물을 형성한 바인더를 포함하는 구성을 형성하는 단계를 공개한다.
본 발명은 금속 주조 및 상기 주조용 주형 및 코어의 성형에 관한 것이다.
본 발명은 주형 및 코어를 생성하기 위하여 패턴의 제조 및 사용을 필요로 하지 않는 주조법, 및 주형 및 코어를 제공하기 위한 것이다. 특히, 본 발명이 이 상태로 제한되지 않고, 금속의 주조에 일반적으로 적용될 수 있을 지라도, 본 발명은 고속 원형법 및 짧은 제조 작업 주조법에 특히 적당한 주조법(및 상기한 주조법용 주형 및 코어)를 제공하기 위한 것이다.
제1 실시예에 따라, 본 발명은 (a) 내화성 입자의 전단 강도가 상기 내화성 입자 사이의 결합의 전단 강도보다 작은 결합된 미립자(bonded particulate) 내화성 재질을 적어도 일부분 포함하는 재질의 보디를 성형하는 단계, 및 (b) 상기 보디로 또는 상기 보디로부터 원하는 주형, 코어, 또는 그 구성 요소를 형성하도록 상기 보디를 기계가공하는 단계를 포함하는 금속 주조용 주형 또는 코어를 성형하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제2 실시예는 (a) 내화성 입자의 전단 강도가 상기 내화성 입자 사이의 결합의 전단 강도보다 작은 결합된 미립자 내화성 재질을 적어도 일부분 포함하는 재질의 하나 이상의 기계가공된 보디로부터 적어도 일부분 성형되는 주형을 제공하는 단계, 및 (b) 용탕을 상기 주형 내에 주입하고 상기 용탕을 응고시키는 단계를 포함하는 금속 주조방법을 제공한다.
본 발명의 제3 실시예는 내화성 입자의 전단 강도가 상기 내화성 입자 사이의 결합의 전단 강도보다 작은 결합된 미립자 내화성 재질을 포함하는 기계가공된 보디로부터 성형되는, 주조 금형 또는 코어, 또는 그 구성 요소를 제공한다.
본 발명은 내화성 입자의 전단 강도가 상기 내화성 입자 사이의 결합의 전단 강도보다 작기 때문에, 따라서 주형 또는 코어가 결합된 재질을 기계가공함으로써 직접 생성될 수 있고, 그에 의하여 상기 방법은 패턴의 제조 필요성을 회피할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 차례로 이것은 종래의 주조법과 달리, 주형으로부터 패턴의 제거를 가능하게 하도록 주형에 테이퍼(taper)를 생성할 필요가 없다는 또 다른 장점을 생성한다.
여기서 사용되는 용어 미립자 및 "입자"는 분말(powders), 미세한 입자들(fines), 미립(granules), 섬유(fibres), 마이크로스피어 등을 포함한다. 적어도 본 발명의 가장 광범위한 실시예에서, 내화성 재질 그 자체의 전단 강도가 내화성 입자 사이의 결합의 전단 강도보다 작은(바람직하게 매우 작은) 한, 실질적으로 임의의 내화성 재질은 사용될 수 있다. 라멜라 재질(laminar materials), 예를 들면, 운모(mica), 펄라이트(perlite), 질석(vermiculite) 등을 포함하는 경량의 내화성 재질이 특히 바람직하다. 그러나, 가장 바람직한 경량 재질은 중공의 마이크로스피어["세노스피어(cenospheres)로서 또한 알려진"]이다. 마이크로스피어는 일반적으로 비산회(fly ash)로서 형성되고, 마이크로스피어가 물 탱크에서 부유에 의하여 나머지 비산회와 분리되기 때문에 "비산회 플로터(fly ash floaters)"로서 종종 알려져 있다. 대부분의 마이크로스피어는 알루미나 및/또는 실리카(silica)로 형성되고, 일반적으로 어쩌면 부가적인 성분과 함께 알루미노 규산염(aluminosilicate)을 포함한다. 일반적으로 입자들의 입자 크기(직경)는 5-500pm 범위내, 특히 10-350μm 범위내에 있고, 일반적으로 각 마이크로스피어의 셸 두께는 마이크로스피어의 직경의 5-15%(예를 들면, 대략 10%) 범위내에 있다. 일반적으로 상기 마이크로스피어의 경도는 모호 스케일로 5 또는 6이다.
본 발명자는 그들의 얇은-벽으로 싸인 중공 형상 때문에, 마이크로스피어가 비교적 낮은 전단 강도를 갖는, 즉, 마이크로스피어 자체는 절삭될 수 있거나 또는 그렇지 않으면 적당한 바인더에 의하여 함께 결합되는 동안 기계가공될 수 있다는 것을 발견했다. 상기 마이크로스피어의 이 특성은 마이크로스피어를 본 발명에 특히 적합하게 한다. 중공 마이크로스피어와 다른 내화성 재질, 예를 들면, 라멜라 재질 및/또는 고체 비산회(solid fly ash)(즉, 분리 공정에서 부유되지 않는 비산회의 부분)의 혼합물이 사용될 수 있다.
적당한 내화성 재질의 타입은 열적으로 단열 특성(예를 들면, 모래에 비하여)을 갖기 쉬운 추가적인 장점을 갖는다. 이것은 주조의 냉각의 정도, 즉 열이 금속으로부터 제거되는 비율이 일반적으로 감소된다는 장점을 발생한다. 이것은 어느 정도는 더 낮은 주조 온도가 사용되는 것을 가능케 하기 때문에, 그리고 금속이 더 오래 융융된 상태로 남을 수 있으므로 어느 정도는 더 확실한 주형 캐비티 채우기(filing)(특히 주물이 복잡한 형상을 갖는다면)를 가능케 하기 때문에 장점이다. 또한 냉각의 감소는 주조의 개선된 표면 다듬질을 발생시킬 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 미립자 내화성 재질은 적당한 바인더에 의하여 결합된다. 미립자 내화성 재질을 결합하는 실질적으로 임의의 유기질 또는 무기질 바인더가 상기 입자 사이에 형성된 접합이 입자 자체보다 큰(바람직하게 상당히 큰) 전단 강도를 갖는 한, 사용될 수 있다. 적당한 유기질 바인더는 페놀 우레탄 바인더(phenolic urethane binders), 푸란 바인더(furan binders), 알칼리성 페놀 포름알데히드 바인더(alkaline phenol formaldehyde binders), 에폭시-아크릴 바인더(epoxy-acrylic binders) 등을 포함한다. 적당한 무기질 바인더는 규산염 바인더, 예를 들면, 나트륨 규산염 플러스 에스테르 바인더를 포함한다. 특히 바람직한 바인더는 참고로 여기에 통합되는 전체 공개인, 공동-출원중인 국제 특허 출원 번호 PCT/GB00/03284호에 공개된다. 그 특허 출원에 공개된 바인더는, (a)알칼리의 존재로 금속을 형성할 수 있는 미립자 금속 산화물, (b) 알칼리, 및 (c) 물을 포함한다. 바인더의 특히 바람직한 형태는 금속 산화물로서 실리카[특히 실리카 퓸(silica fume)] 및 알칼리로서 나트륨 수산화물(sodium hydroxide)를 포함한다.
바람직하게 결합된 미립자 내화성 재질의 보디는 상기 내화성 재질 및 바인더를 혼합하고, 상기 혼합물을 예를 들면, 주형에서, 원하는 "실시(perform)" 형태(즉, 필요한 주형, 코어 또는 구성요소로 기계가공하기에 적합한 형태)로 형성하고, 상기 바인더를 경화시킴으로서 제조된다. 경화의 방법은 물론 사용되는 바인더의 타입에 의존한다. 예를 들면, 페놀 우레탄 바인더는 페놀 수지 성분과, 4-페닐프로필피리딘(4-phenylpropylpyridine) 또는 트리메틸라민(trimethylamine)과 같은 액체 또는 기체의 제3차 아민 촉매(amine catalyst1)와 혼합되는 폴리이소시안산염(polyisocyanate)에 의하여 경화되고, 푸란[즉, furfuryl alcohol plus urea formaldehyde or phenol formaldehyde resin] 염기 바인더는 강산, 예를 들면, 크실렌 술폰산(xylene sulphonic acid) 또는 파라 톨루엔 술폰산(para toluene sulphonic acid)에 의하여 경화되고, 수성 알칼리성 페놀 포름알데히드 수지는 에스테르, 예를 들면, 트리아세틴(triacetin)에 의하여, 또는 메틸 포름산염 가스(methyl formate gas)에 의하여 경화된다. 규산염 바인더가 사용되면, 에스테르에 의하여 또는 예를 들면, 이산화탄소 가스에 의하여 경화될 수 있다. 그러나, 이산화탄소가 존재하지 않으면서 건조하는 단계를 포함하는 다른 경화 방법이 규산염을 위하여 사용될 수 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 특히 바람직한 바인더는 공동-출원중인 국제 특허 출원 번호 PCT/GB00/03284호에 공개된 실리카 퓸/나트륨 수산화물 바인더이다. 이 바인더가 사용되면, 오븐, 종래의 오븐(oven)이나 마이크로웨이브(microwave) 오븐에서 형성된 혼합물을 가열함으로써 바람직하게 경화된다.
일 극단에서 모든 미립자 재질을 충분히 결합할 충분한 바인더가 있고, 다른 극단에서 주조되는 금속의 주조 온도 및 주조의 무게에 적합한 "내화성(refractoriness)"의 필요한 정도를 주기 위하여 미립자 재질의 충분한 부분이 있는 한, 미립자 내화성 재질 및 바인더의 관련 부분이 본 발명의 충분한 실시에 대체적으로 중요하지 않다는 것이 본 발명자들에 의하여 발견되었다. 그러나, 대체로, 적어도 5% 바인더, 더욱 바람직하게 적어도 10% 바인더, 특히 적어도 20% 바인더(미립자 내화성 재질만을 더한 바인더의 총량에 따른, 중량으로)이다. 일반적으로 적어도 5% 내화성 재질, 더욱 바람직하게 적어도 10% 내화성 재질, 특히 적어도 20% 내화성 재질(미립자 내화성 재질만을 더한 바인더의 총량에 따른, 중량으로)이다. 20-50% 바인더 및 50-80% 미립자 내화성 재질이 일반적으로 바람직한 범위이다.
미립자 내화성 재질 및 바인더에 더하여, 예를 들면, 주형으로부터 주물의 릴리스(release) 및/또는 내화도를 개선하는 비습윤 첨가제(non-wetting additives) 및/또는 코팅과 같은, 첨가제가 더 존재할 수 있다.
적어도 본 발명의 광범위한 실시예에서, 이 명세서에서 사용되는"기계가공(machining)", "기계가공하는(machine)" 및 "기계가공되는(machined)" 용어들은, 필요한 주형 또는 코어, 또는 그 구성요소를 제조하도록 형성되고, 크기를 가질 수 있는 결합된 미립자 내화성 재질의 보디에 의하여, 실질적으로 임의의 절삭, 경로지시(routing), 연삭(grinding), 조각(engraving), 드릴링(drilling) 등의 방법을 의미한다. 선반, 절삭 장치, 루우터(router), 조각 장치, 드릴, 레이저, 또는 실질적으로 임의의 적당한 절삭 또는 연삭 장치가 사용될 수 있다. 기계가공은 부가적으로 또는 대안으로 수동으로 실시될 수 있다. 특히 바람직한 장치는 소위 플랫 베드(flat bed) 조각 장치이다. 이 장치는 예를 들면, 주형 캐비티 반을 결합된 미립자 내화성 재질의 슬래브에 형성하는데 특히 적합하다. 상기한 주형으로 제조될 수 있는 주물의 타입의 예는 벽 장식판(wall plaques), 메달(medallions), 명판(nameplates) 등을 포함한다. 그러나, 또한 보다 적은 플레이트형, 더 많은 복잡한 형상이 이 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명은 다음의 비제한적인 예로 설명된다.
바인더 "프리믹스(premix)"는 실리카 펀 분말(silica furne powder)과 나트륨 수산화물의 25% 수성 용액을 동일 비율로 혼합함으로써 제조된다. 또한 본 발명에 따라, 결합된 미립자 내화성 재질의 보디는 알루미노 규산염 마이크로스피어[또한 "세노스피어" 또는 "비산회 플로터(flyash floaters)"로서 알려진]의 6(중량으로)에 바인더 프리믹스의 4(중량으로)를 혼합함으로써 마련된다. 또한 이 혼합물은 크기 30cm x 30cm x 2.5cm의 슬래브(slab)로 형성(단순한 주형에 의하여)되고상기 슬래브는 90분 동안 175℃로 에어 오븐(air oven)에서 건조된다. 3차원 로고 디자인이 컴퓨터에 의하여 생성되고, 또한 컴퓨터 제어 플랫 베드 조각 장치가 로고 디자인의 음화를 결합된 미립자 재질의 건조된 보디로 기계가공하기 위하여 사용된다. 기계가공된 보디(현재 단순한 일체형 주형을 포함하는)는 압축 공기의 분출을 사용하여 깨끗하게 되고, 그 다음에 주조된 구리-기반을 둔 청동 함금이 기계가공된 보디의 주형 캐비티로 주입되고, 응고된다. 금속이 응고되고 주위 온도로 냉각되면, 상기 주형은 3차원 제거로 로고 디자인을 갖는 장식판을 나타내기 위하여 금속으로부터 이탈된다. 주물은 상기 주물 상세의 표면 다듬질 및 정확도의 관점에서 뛰어난 품질을 갖는 것을 발견했다. 이것은 사용되는 결합된 미립자 내화성 재질로 가능한 기계가공의 정확도 때문인 것으로 생각된다.
요약하면, 본 발명은 주조법이 패턴의 필요성을 회피할 수 있으며, 그 때문에 시간 및 비용을 줄이고, 결합된 미립자 보디의 기계가공의 정확도가 매우 높을 수 있기 때문에 고 품질의 주물을 제조하는 장점을 갖는다. 또한, 내화성 미립자 재질이 종종 단열 특성(예를 들면, 모래에 비하여)을 갖기 때문에, 주조에서 금속 냉각도가 감소될 수 있으며, 따라서 종래보다 너 낮은 주조 온도의 사용을 가능케 하며 및/또는 더욱 확실한 주형 캐비티 채우기를 가능케 한다.
본 발명은 금속 주조 및 상기 주조용 주형 및 코어의 성형에 이용된다.

Claims (15)

  1. 금속 주조용 주형(mould) 또는 코어(core)를 성형하는 방법으로서,
    (a) 내화성 입자(refractory particles)의 전단 강도(shear strength)가 상기 내화성 입자 사이의 결합의 전단 강도보다 작은 결합된 미립자(bonded particulate) 내화성 재질을 적어도 일부분 포함하는 재질의 보디(body)를 성형하는 단계, 및
    (b) 상기 보디로 또는 상기 보디로부터 원하는 주형, 코어, 또는 그 구성 요소를 형성하도록 상기 보디를 기계가공하는 단계
    를 포함하는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재질의 보디는 상기 미립자 내화성 재질과 바인더(binder)를 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 원하는 형상으로 성형하는 단계, 및 상기 결합된 미립자 내화성 재질을 형성하도록 상기 바인더를 경화시키는 단계에 의하여 성형되는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미립자 내화성 재질은 무기질(inorganic) 바인더 및/또는 유기질(organic) 바인더에 의하여 결합되는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 바인더는 실리카(silica) 및 알칼리의 혼합물을 포함하는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더는 성형된 혼합물을 가열함으로써 경화되는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 내화성 재질은 내화성 섬유(fibre)를 포함하는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 내화성 재질은 경량의 내화성 재질을 포함하는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 내화성 재질은 중공의 마이크로스피어(hollow microspheres)를포함하는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 중공의 마이크로스피어는 알루미나(alumina) 및/또는 실리카, 바람직하게 알루미노 규산염(aluminosilicate)을 포함하는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 입자의 결합은 규산염 및/또는 실리카 바인더에 의하여 달성되는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주형 또는 코어 재질은 하나 이상의 첨가제(additives), 바람직하게 하나 이상의 비습윤(non-wetting) 첨가제 및/또는 코팅을 추가로 포함하는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보디는 절삭 장치, 연삭 장치, 루우터(router), 선반, 드릴, 레이저 및 조각 장치(engraving machine) 중 하나 이상의 장치에 의하여 기계가공되는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보디의 기계가공은 컴퓨터 제어되는 금속 주조용 주형 또는 코어 성형 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따라 제조되는 하나 이상의 구성요소로 이루어지는 주형 내에 용탕(molten metal)을 주입하는 단계, 및 상기 용탕을 응고시키는 단계를 포함하는 금속 주조방법.
  15. 금속을 주조하는 방법으로서,
    (a) 내화성 입자의 전단 강도가 상기 내화성 입자 사이의 결합의 전단 강도보다 작은 결합된 미립자 내화성 재질을 적어도 일부분 포함하는 재질의 하나 이상의 기계가공된 보디로부터 적어도 일부분 성형되는 주형을 제공하는 단계, 및
    (b) 용탕을 상기 주형 내에 주입하고 상기 용탕을 응고시키는 단계
    를 포함하는 금속 주조방법.
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