KR20040009641A - 용융금속 여과용 세라믹 폼 필터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기폼을 수성 세라믹 슬러리에 함침할 때 폼의 표면에 묻어있는 과량의 세라믹 슬러리를 원심분리방법으로 제거하는 방식으로 폼의 형태를 변형시키지 않으면서 기공을 열어주어 다수회 폼의 내부까지 균일하게 코팅하여 건조, 소결함에 의해 필터의 강도와, 기공율 및 폼 내부의 표면적을 높여주어 용융금속의 불순물 제거기능을 향상시킨 3차원 망형상 구조의 세라믹 폼 필터의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 망상의 가요성 유기폼을 수성 세라믹 슬러리에 함침하는 제1단계와, 상기 세라믹 슬러리가 함침된 유기폼의 표면에 묻어있는 과량의 세라믹 슬러리를 원심분리방법으로 제거하고 건조하는 제2단계와, 상기 제1 및 제2 단계를 반복하여 다수회 실행하는 제3단계와, 상기 제3단계에서 얻어진 유기폼을 소결하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

용융금속 여과용 세라믹 폼 필터의 제조방법{Method for Making Ceramic Foam Filters for Filtering Molten Metals}

본 발명은 용융금속 여과용 세라믹 폼 필터의 제조방법에 관한 것으로, 특히 유기폼을 수성 세라믹 슬러리에 함침할 때 폼의 표면에 묻어있는 과량의 세라믹 슬러리를 원심분리방법으로 제거하는 방식으로 폼의 형태를 변형시키지 않으면서 기공을 열어주어 다수회 폼의 내부까지 균일하게 코팅하여 건조, 소결함에 의해 필터의 강도와, 기공율 및 폼 내부의 표면적을 높여주어 용융금속의 불순물 제거기능을 향상시킨 3차원 망형상 구조의 세라믹 폼 필터의 제조방법에 관한 것이다.

세라믹 폼 필터는 알루미늄, 동 및 철을 포함하는 여러 가지 용융금속을 여과하여 그 내에 포함된 슬래그(Slag)나 드로스(Dross)와 같은 불순물과 산화물, 유화물, 마그네슘 화합물 등의 개재물을 제거하는 데 사용된다.

세라믹 폼 필터는 필터 여과, 필터 케이크(Cake) 및 깊이 여과 공정을 거치면서 필터 표면에서 표면 구멍보다 큰 개재물을 여과하고, 이 결과에 의해 필터 표면에 작은 개재물이 모여 케이크를 형성함에 따라 더욱더 작은 기공(pore)을 갖게 되며 그 결과 좀더 작은 입자들을 여과하게 되며, 더욱이 필터의 내측 벽면에는 복잡한 미로 형태의 포어에서 점착성의 끈끈한 개재물이 흡착되는 방식으로 불순물 및 개재물을 여과한다.

이러한 기능을 갖는 종래의 용융금속 여과용 세라믹폼 필터로는 WO88/07403 국제공개공보(1988. 10. 6)에 실리콘 카바이드를 주성분으로 하고 콜로이드 용액의 실리카(Colloidal Silicon Dioxide)를 바인더로 사용한 주철 및 주철합금용 세라믹 폼 필터가 개시되어 있고, 영국공개특허공보 제2 168 338호(1986. 6. 18)에는 입자상(또는 분말상)과 섬유상으로 이루어진 실리콘 카바이드와 알루미나, SiO₂등의 구성성분으로 이루어진 세라믹 필터가 개시되어 있으며, 체코슬로바키아 특허 제256334호(1987. 8. 13)에는 알루미늄 합금주물의 여과용으로 사용되는 폼 필터로서 20~80중량부의 알루미나, 15~40중량부의 강옥(鋼玉), 1~28중량부의 내화점토, 벤토나이트, 또는 카올린, 1~12중량부의 탈크 및 콜로이드 용액의 실리카 52~90중량부로 이루어진 바인더를 포함하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 미합중국특허 제3,090,094호에는 폴리우레탄 폼인 유기폼을 점결제를 포함하는 세라믹 재료의 수성 슬러리로 함침시킨 후 슬러리가 함침된 폼을 건조하여 건조된 폼을 소성시킴에 의해 세라믹 폼 필터를 제조하는 방법이 개시되어 있다.

한편, 한국특허공보 제1996-6225호 및 유럽특허 제412673호에는 주성분으로서 내열·내화 특성을 갖는 실리콘 카바이드(SiC)와 알루미나(Al₂O₃) 및 고온에서 충분한 강도를 유지하기 위한 바인더 역할을 하는 콜로이드상의 실리카 용액의 실리카와 알루미노-실리케이트 섬유를 포함하는 성분으로 이루어진 수성 세라믹 슬러리에 폼 형상의 스폰지 또는 폴리우레탄 폼을 함침시키고 함침된 폼의 표면에 묻은 과량의 슬러리를 제거한 후 건조하여 습기를 제거하고 약 1150도 - 1300도 사이의 고온에서 1시간 동안 소성하여 제조되는 세라믹 폼 필터가 개시되어 있다.

상기한 세라믹 폼 필터는 종래의 인산염을 바인더로 사용하는 것에 비하여 우수한 고온강도를 유지하도록 알루미노-실리케이트 섬유를 채택하여 알루미노-실리케이트 섬유가 용해되어 필터가 세라믹 매트릭스를 갖는 온도에서 소성한 것에 특징이 있는 것으로, 소성될 때 콜로이드상 실리카, 알루미노-실리케이트 섬유 및 알루미나의 미세한 입자들이 상호 작용하여 실리콘 카바이드와 더 조대한 알루미나 입자들을 둘러싸며 알루미노 실리케이트가 일차적인 바인더 상을 형성하는 세라믹 매트릭스를 형성한다.

세라믹 폼 필터는 고온의 용융금속이 통과할 때 견디기 위한 고강도 특성과 함께 용융금속에 함유된 불순물과 개재물을 효과적으로 제거하기 위하여 3차원 망형상 구조를 이루면서 기공율 및 폼 내부의 표면적을 높이는 것이 필요하다.

이를 위해서는 유기폼을 세라믹 슬러리에 함침시키는 공정에서 폼의 내부까지 균일하게 슬러리를 함침시키는 것이 필요하나, 1회의 함침만으로는 폼의 내부까지 고르게 슬러리가 함침되지 못하였다.

즉, 세라믹 폼 필터의 강도 향상과 기공율 향상을 위하여 폴리우레탄 폼의 함침 및 건조공정 후 소성하기 전에 동일한 성분의 세라믹 원료로 폼을 다시 코팅하면 소성 후 세라믹 필터의 강도가 현저히 높아진다는 것은 공지의 사실이나, 이를 위하여 종래에는 폼에 슬러리를 함침한 후 함침된 폼의 표면에 묻은 과량의 슬러리를 제거하기 위하여 프레스나 롤러를 사용하여 제거하는 방법을 사용하였다. 그러나, 이미 건조된 폼을 다시 한번 함침, 건조하고 롤러 또는 프레스로 과량의 슬러리를 제거할 경우 이미 건조된 폼의 형상이 2차원 형상으로 변형되어 한번 함침 및 건조된 폼은 같은 공정을 다시 거칠 수 없게 된다.

즉, 폴리우레탄 폼을 세라믹 슬러리에 함침 후 프레스나 롤러를 사용하여 과량의 세라믹 슬러리를 제거할 경우 폼이 압착되므로 다시 원래의 형상을 복원하는 과정에서 점성이 높은 세라믹 슬러리가 폼의 세로기공을 막아 필터의 기공율을 현저히 떨어뜨리고 2차원적인 형태가 되는 문제점이 있다.

또한, 과량의 슬러리 제거방법으로 상기 롤러나 프레스를 사용할 때 형상의 변화가 야기되는 것을 방지하기 위하여 한번 함침 및 건조된 폼 위에 동일한 세라믹 재료로 스프레이 하는 방법이 사용될 수 있으나, 이럴 경우 폼의 표면에만 세라믹 원료가 코팅되고 폼 내부까지 침투되어 균일하게 코팅이 이루어지지 못한다.

따라서, 폼의 내부가 균일하고 충분하게 세라믹 슬러리가 함침되지 못한 상태에서 건조, 소성이 이루어지면 얻어지는 세라믹 폼 필터는 표면의 강도는 높으나 내부는 강도가 떨어지게 되어 다수의 코팅을 통한 강도 향상 효과는 반감될 수밖에 없다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 망상의 가요성 폼을 수성 세라믹 슬러리에 함침할 때 폼의 표면에 묻어있는과량의 세라믹 슬러리를 원심분리방법으로 제거함에 의해 폼의 형태를 변형시키지 않으면서 폼 표면의 과잉 슬러리를 제거하여 기공을 열어 주며, 다수회 함침과 과잉 슬러리 제거를 반복하여 폼의 내부까지 균일하게 코팅함에 의해 이를 건조, 소결하여 필터의 강도와, 기공율 및 폼 내부의 표면적을 높여주어 용융금속의 불순물 제거기능을 향상시킨 3차원 망형상 구조의 용융금속 여과용 세라믹 폼 필터의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 망상의 가요성 유기폼을 수성 세라믹 슬러리에 함침하는 제1단계와, 상기 세라믹 슬러리가 함침된 유기폼의 표면에 묻어있는 과량의 세라믹 슬러리를 원심분리방법으로 제거하고 건조하는 제2단계와, 상기 제1 및 제2 단계를 반복하여 다수회 실행하는 제3단계와, 상기 제3단계에서 얻어진 유기폼을 소결하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 폼 필터의 제조방법을 제공한다.

상기 본 발명의 세라믹 폼 필터의 제조방법에 있어서, 상기 수성 세라믹 슬러리는 주성분으로 45~55중량%의 실리콘 카바이드(SiC)와, 25~35중량%의 알루미나(Al₂O₃) 및 15~25중량%의 콜로이드상 실리카 용액을 포함하며, 기타 성분으로 세라믹 슬러리의 유동성을 개선하기 위한 카올린, 알루미나의 소성온도를 낮추기 위한 탈크, 강도를 보강하기 위한 내화물 재료로서 벤토나이트와 납석 중 적어도 하나를 소량 포함하고 있다.

본 발명의 세라믹 폼 필터의 제조방법은 상기한 바와 같이 주지된 실리콘 카바이드(SiC)와, 알루미나(Al₂O₃) 및 콜로이드상 실리카 용액으로 이루어진 수성 세라믹 슬러리를 이용하여 망상의 가요성 유기폼을 함침한 후, 세라믹 슬러리가 함침된 유기폼의 표면에 묻어있는 과량의 세라믹 슬러리를 원심분리방법으로 제거하고 건조하는 공정을 다수회 반복하여 실시한 후 소결하는데 특징이 있다.

상기와 같이 폴리우레탄 폼이나 스폰지로 이루어진 폼을 수성 세라믹 슬러리에 함침한 후, 원심분리방법에 의한 과량의 세라믹 슬러리 제거 및 건조하는 공정을 다수회 반복하면 폼의 내부까지 균일하게 슬러리를 코팅할 수 있어 이를 건조, 소결하면 필터의 강도와, 기공율 및 폼 내부의 표면적이 높아지게 되어 용융금속의 불순물 제거기능이 향상된 3차원 망형상 구조의 용융금속 여과용 세라믹 폼 필터가 얻어지게 된다.

즉, 본 발명에서는 폼의 표면에 묻어 있는 과량의 슬러리를 원심분리방법으로 170rpm ~ 250rpm, 7초 ~ 15초의 범위에서 처리하면 유기폼의 형상은 변형시키지 않으면서 유기폼 내부의 대부분의 기공을 열어주면서 특히 표면에 묻어있는 과량의 세라믹 슬러리가 제거되므로, 슬러리 함침 및 과잉 슬러리 제거공정을 다수회 반복하는 것이 가능하게 되며, 그 결과 폼의 내부까지 균일하게 슬러리를 코팅할 수 있게 된다.

상기 원심분리에 의한 과잉 슬러리의 제거는 필터의 사이즈 및 두께에 따라 처리 rpm와 처리시간을 비례시켜 증가하는 것이 바람직하며, 170rpm에서 7초 미만으로 처리하는 경우 충분한 과잉 슬러리의 제거가 이루어지지 못하여 대부분의 기공이 열리지 않는 문제가 있고, 반대로 250rpm에서 15초를 초과하여 처리하는 경우는 폼의 형태가 변형되거나 또는 폼의 표면 뿐아니라 내부까지 과도하게 슬러리가 제거되는 문제가 있다.

상기 세라믹 슬러리가 함침된 유기폼의 건조공정은 1차 건조시에는 약 95℃에서 30~40분간 실시하며, 2차 건조는 약 95℃에서 60분간 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 세라믹 슬러리가 함침된 유기폼의 소성공정은 약 1400℃의 고온에서 11~14시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 폼의 함침후 과량의 세라믹 슬러리를 제거하는 방법으로 원심분리기를 사용하여 함침 후 건조된 폼의 형상을 파괴하지 않고도 과량의 세라믹 슬러리를 제거할 수 있으므로 다수회 코팅과정을 통한 세라믹 폼 필터의 강도향상을 꾀할 수 있다. 세라믹 폼 슬러리는 슬러리 함침공정을 반복하는 회수에 비례하여 필터의 강도가 증가한다.

따라서, 원심분리기를 사용할 경우 폼 외부에 묻어 있는 과량의 세라믹 슬러리를 제거함에 따라 폼 내부의 대부분의 기공을 열어주어 필터의 기공율을 현저히 높이게 되며 폼 내부의 표면적을 높여주어 완성된 세라믹 폼 필터에 용융금속을 통과시킬 경우 용융금속과 접하는 면적을 최대화시켜서 용융금속의 불순물 제거기능을 높여준다.

이하에 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

먼저 실리콘 카바이드(SiC) 45중량%, 알루미나(Al₂O₃) 27.5중량%, 콜로이드상 실리카 용액 25중량%, 카올린 1.5중량%, 탈크 0.4중량%, 벤토나이트 0.6중량%를 포함하는 수성 세라믹 슬러리를 주지된 방법에 따라 준비한 후, 3개의 50×50×22mm 크기의 폴리우레탄 폼을 세라믹 슬러리에 담가서 1차 함침시킨 후 원심분리기에서 200rpm 10초간 처리하여 폼의 표면에 묻은 과량의 세라믹 슬러리를 제거하고 95℃에서 35분간 건조시켰다.

이어서 건조된 폼을 동일한 성분의 세라믹 슬러리에 2차 함침한 후 상기와 동일한 방식으로 2차 원심분리공정을 거친 후 95℃에서 60분간 2차 건조 후에 1400℃에서 14시간 동안 소성을 하여 본 발명의 실시예의 세라믹 폼 필터 시료 1~3을 얻어, 이에 대한 강도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

(비교예)

상기 실시예와 동일한 방식으로 수성 세라믹 슬러리에 3개의 폴리우레탄 폼을 함침, 원심분리기에 의한 과잉 슬러리 제거, 건조과정을 1회만 거친 후 소성을 실시하여 비교예의 세라믹 폼 필터 시료 1~3을 얻어, 이에 대한 강도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

(종래예)

상기 실시예와 동일한 수성 세라믹 슬러리에 3개의 폴리우레탄 폼을 함침한후 롤러를 사용하여 과량의 세라믹 슬러리를 제거하고 건조하여, 1200℃에서 1시간동안 소성하여 종래예의 세라믹 폼 필터 시료 1~3을 얻어, 이에 대한 강도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

각 필터의 무게는 20g으로 동일하였으며 측정된 강도는 아래와 같다.

	실시예	비교예	종래예
시료 1	2.51 MPa	1.27 MPa	1.38 MPa
시료 2	2.44 MPa	1.37 MPa	1.33 MPa
시료 3	2.40 MPa	1.23 MPa	1.49 MPa
평균	2.45 MPa	1.29 MPa	1.40 MPa

상기 표 1과 같이 본 발명 실시예, 비교예 및 종래예에 따른 세라믹 폼 필터의 강도 분석치를 비교해본 결과 과잉 슬러리의 제거를 원심 분리기를 사용하여 제조된 본 발명의 세라믹 폼 필터가 롤러를 사용하여 제조된 종래의 세라믹 폼 필터 보다 약 75% 강도가 높은 것으로 나타났고, 1회의 원심분리에 의한 과잉 슬러리를 제거하는 경우는 오히려 종래예보다 강도가 낮게 나타났다.

또한, 기공율을 분석해본 결과 본 발명의 세라믹 폼 필터가 약 85 - 95% 인 반면 롤러를 사용하여 제조된 종래의 필터는 65 - 75%로 나타나 원심분리기를 사용하여 제조된 필터의 기공율이 약 20% 정도 높은 것으로 판명되었다.

이러한 현상은 종래의 경우 폴리우레탄 폼이 롤러를 통과한 후 복원되는 과정에서 세로기공이 막히는 현상이 발생하여 기공율이 낮으나, 본 발명의 경우 원심분리에 의해 기공의 막힘 현상이 없어 기공율이 높게 나타나는 것으로 판단된다.

이와 같이 폼 필터의 기공율이 높아지면 용탕 통과시 접촉하는 내부 표면적이 넓어져서 불순물 제거 기능이 향상된다.

또한 본 발명의 세라믹 폼 필터는 약 1400℃ 이상의 고온에서 소성되어 필터의 강도가 높고 열충격(Thermal Shock)에 매우 강한 특성을 나타낸다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 원심분리기를 사용한 과량의 세라믹 슬러리 제거공정은 함침 후 건조된 폼의 형상을 파괴하지 않고 대부분의 기공을 열어주어 폼의 내부까지 균일한 코팅과정의 반복 시행을 가능케 함으로써 완성된 세라믹 필터의 강도를 높여주며 또한 프레스나 롤러를 사용한 과량의 세라믹 슬러리 제거공정을 거쳐 생산된 종래의 필터 보다 셀의 기공율을 높여 주어 폼 필터의 가장 큰 장점인 완벽한 3차원 형상을 실현한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (4)

1. 망상의 가요성 유기폼을 수성 세라믹 슬러리에 함침하는 제1단계와,

   상기 세라믹 슬러리가 함침된 유기폼의 표면에 묻어있는 과량의 세라믹 슬러리를 원심분리방법으로 제거하고 건조하는 제2단계와,

   상기 제1 및 제2 단계를 반복하여 다수회 실행하는 제3단계와,

   상기 제3단계에서 얻어진 유기폼을 소결하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 폼 필터의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 수성 세라믹 슬러리는 45~55중량%의 실리콘 카바이드와, 25~35중량%의 알루미나 및 15~25중량%의 콜로이드상 실리카 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 폼 필터의 제조방법.
3. 상기 원심분리는 170rpm ~ 250rpm, 7초 ~ 15초의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 폼 필터의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 유기폼의 소성단계는 1400℃ 이상의 고온에서 실행되는 것을 특징으로 하는 세라믹 폼 필터의 제조방법.