KR20040015217A - 주조용 모래 코어 및 그 팽창 제어법 - Google Patents

주조용 모래 코어 및 그 팽창 제어법 Download PDF

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워링조슈아엠.
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Abstract

산화리튬-함유 물질 약 4 wt% 미만, 및 산화제이철(Fe2O3) 적어도 약 1 wt%를 포함하는 베인(vein)형성 방지 물질을 사용함으로써, 실질적으로 절감된 비용으로, 금속 주조 공정 도중 모래 코어(sand core)의 열팽창 및 베인 결함의 형성을 실질적으로 막을 수 있는데, 상기 베인형성 방지 물질은 바람직하게는 산화리튬-함유 물질 약 1 wt% 내지 약 3.5 wt% 및 산화제이철 약 1 wt%를 포함한다.

Description

주조용 모래 코어 및 그 팽창 제어법{CASTING SAND CORES AND EXPANSION CONTROL METHODS THEREFOR}
모래 코어는 완성 주물의 내부 공동을 성형하는 데 사용된다. 모래 코어를 주형에 넣고 용융된 금속을 주형에 주입할 때, 모래 코어 내 모래의 급속한 열팽창이 일어난다. 모래 코어 내 모래의 급속한 열팽창 결과로 모래 코어는 균열되고, 용융된 금속은 코어의 균열 속으로 들어가서 응고하기 때문에, 주물 표면에 지느러미형 돌출부(주조 용어로는 "베인(vein)")가 생성된다. 제어되지 않은 코어 모래의 열팽창에 의해 발생한 이들 베인형성 결함은, 가장 빈번하게는 모래 코어 그 자체의 제조 전에 모래 및 코어 모래 점착제와 균질하게 혼합된 베인형성 방지제 또는 팽창 제어제에 의해서 제어된다. 베인형성 방지제 또는 팽창 제어제는 모래 코어의 열팽창 계수를 변화시켜 그 균열 및 베인형성을 제어한다.
수년간, 주조업계에서는 모래 코어 및 주물의 질을 개선하는 데 산화철을 사용했다. 산화철은 베인형성과 같은 열팽창 결함의 발생을 감소시킴으로써 모래 코어에 유리한 것으로 증명되었다. 사용되는 산화철에는 적철광으로도 알려져 있는 붉은 산화철(Fe2O3), 자철광으로 알려져 있는 검은 산화철(Fe3O4), 및 황토가 있다. 이러한 산화철을 사용하는 가장 일반적인 방법은 혼합 도중 코어 모래에 대략 1 wt% 내지 3 wt%를 첨가하는 것이다. 산화철이 표면 마무리를 개선시키는 기작은 공지되어 있지 않다. 한 이론은 산화철이, 분열없이 변형되거나 주어지는 모래 입자 계면의 형성으로 주조 도중 모래 코어의 가소성을 증가시킴으로써, 주물에 베인을 형성시킬 수 있는 코어 내 균열을 방지한다는 것이다.
미국 특허 4,735,973호는 열팽창 및 가스 결함을 줄여 주물에 형성되는 베인을 감소시킴으로써 주물의 질을 개선하는, 코어 및 주형 제조용 주조 모래에 대한 첨가제를 개시한다. 개시된 첨가제는 이산화티타늄(TiO2) 약 15 wt% 내지 약 95 wt%를 함유하는 조성물을 포함하며, 바람직하게는 이산화실리콘(SiO2) 약 2 wt% 내지 약 38 wt%, 산화제이철(Fe2O3) 약 5 wt% 내지 약 40 wt%, 이산화티타늄(TiO2) 약 15 wt% 내지 약 95 wt%, 및 산화알루미늄(Al2O3) 약 2 wt% 내지 약 45 wt%를 포함하는 첨가제를 포함한다. 최종 모래 코어는 실리카 모래, 지르콘 모래, 감람석 모래, 크롬철광 모래, 호수 모래, 둑 모래, 용융 실리카, 및 그 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 코어 모래 집합체 약 80 wt% 내지 약 98 wt%, 코어 모래 점착제 약 0.5 wt% 내지 약 10 wt%, 및 이산화티타늄(TiO2) 약 15 wt% 내지 약 95 wt%를 함유하는 첨가제 조성물 약 0.5 wt% 내지 약 5 wt%를 포함하는 것으로 기재되어 있다. 모래코어에서 이러한 첨가제의 사용은 최종 결합된 코어 모래의 강도를 증가시키고, 필요한 플라스틱 점착제의 양을 감소시켜줌으로써, 결합되는 플라스틱 및 기타 다른 코어 점착제 시스템의 사용과 관련된 주물 결함을 감소시키는 것으로 기재되어 있다.
미국 특허 5,911,269호는 모래 코어의 열팽창 및 그로부터 생성되는 금속 주물의 베인을 감소시킴으로써 주물의 질을 개선하기 위해, 산화리튬(Li2O)의 근원을 제공하는 리튬-함유 물질을 이용하여 실리카 모래 코어를 제조하는 방법을 개시한다. 개시된 모래 코어 제조방법은 모래 코어 및 수지 점착제의 집합체를 제조하는 단계, 및 α-스포듀민(spodumene), 앰블리고나이트(amblygonite), 몬테브라사이트(montebrasite), 페탈라이트(petalite), 레피돌라이트(lepidolite), 진왈다이트(zinnwaldite), 유크립타이트(eucryptite) 및 탄산리튬으로 구성된 그룹 중에서 선택된 리튬-함유 첨가제를 약 0.001 wt% 내지 약 2 wt%의 산화리튬을 제공할 수 있는 양으로 집합체에 혼합하는 단계를 포함한다. 이러한 방법 및 산화리튬-함유 첨가제의 사용은 공동 내 베인형성을 포함하는, 실리카의 열팽창과 관련된 주물 결함을 감소시켜 주물의 표면 마무리를 개선하는 것으로 기재되어 있다. 미국 특허 5,911,269호에 기재된 산화리튬-함유 베인형성 방지제는 위스콘신주 밀워키의 인더스트리얼 집섬 컴퍼니 인코포레이티드(Industrial Gypsum Company, Inc.)가 상표명 VEINSEAL®14000으로 시판중인 것으로 사료된다. VEINSEAL®14000은 효과적이지만 톤당 약 650 달러가 나가는 값비싼 베인형성 방지제로서, 연간 수만개의 내연기관 블록 및 실린더 헤드를 생산하는 현재의 주조 공정에서, 모래 코어의 5 wt%인 최소 유효 농도로 이러한 베인형성 방지제를 사용하면 연간 700,000 달러 정도의 비용이 들 수 있다.
발명의 개요
본 발명은 산화리튬-함유 물질 약 4 wt% 미만, 및 산화제이철(Fe2O3) 적어도 약 1 wt%를 포함하는 베인형성 방지 물질을 사용함으로써, 실질적으로 절감된 비용으로, 금속 주조 공정 도중 모래 코어의 열팽창 및 베인 결함의 형성을 감소시키거나 막는 방법을 제공하는데, 상기 베인형성 방지 물질은 바람직하게는 산화리튬-함유 물질 약 1 wt% 내지 약 3.5 wt% 및 산화제이철 약 1 wt%를 포함한다.
본 발명의 방법에서, 주조용 모래 코어는 다량의 코어 모래, 유효량의 코어 모래 점착제, 및 산화리튬-함유 물질 약 4 wt% 미만과 산화제이철 적어도 약 1 wt%, 바람직하게는 산화리튬-함유 물질 약 1 wt% 내지 약 3.5 wt%와 붉은 산화제이철(Fe2O3) 약 1 wt%를 포함하는 베인형성 방지 물질의 균질 혼합물을 제공하는 단계, 및 생성된 혼합물로부터 모래 코어를 성형하는 단계로써 제조된다. 바람직한 일 주조용 코어는 산화리튬-함유 물질 약 2.5 wt% 내지 약 3.5 wt%, 산화제이철(Fe2O3) 약 1 wt%, 및 유효량의 점착제가 포함된 잔량의 실리카 모래를 포함하는 혼합물로 이루어져 있다. 바람직한 또다른 주조용 모래 코어는 산화리튬-함유 물질 약 1 wt%, 산화제이철(Fe2O3) 약 1 wt%, 및 유효량의 점착제가 포함된 잔량의 호수 모래를 포함하는 혼합물로 이루어져 있다. 본 발명에 포함되는산화리튬-함유 물질로는 VEINSEAL®14000 제품이 있고, 기타 이러한 산화리튬-함유 물질은 미국 특허 5,911,269호에 기재되어 있다.
본 발명은 베인형성 방지 첨가제의 사용비를 약 25% 내지 70% 까지 절감시켜, 고 용적 주조 공정에서 연간 약 175,000 달러 내지 연간 약 500,000 달러를 절약하게 해준다.
본 발명은 금속 주물을 제조하는 데 사용되는 모래 코어(sand core), 보다 구체적으로는 열팽창이 제어된 모래 코어 및 금속 주조 공정 도중 모래 코어의 열팽창을 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 주조에 사용되는 모래 코어의 열팽창에 의한 금속 주물 내 베인형성 문제를 대상으로 한다. 전술한 바와 같이, 주조 주형 내에서 용융된 금속의 고온에 노출될 때, 모래 코어는 급속하게 팽창하고 균열될 수 있는데, 그 결과로 용융된 금속이 모래 코어의 균열 속으로 들어가 최종 주물 상에 돌출된 베인을 생성시킨다. 본 발명의 결과에 따라, 이러한 결함은 선택된 양의 산화리튬-함유 물질, 및 적철광으로도 알려져 있는 산화제이철(Fe2O3)을 포함하는 베인형성 방지 물질을 첨가함으로써 실질적으로 배제되는데, 이들은 주조용 모래 코어로 성형되는 코어 모래 및 점착제와 균질하게 혼합된다. 본 발명은 실리카 모래(예를 들면, 배저(Badger) 모래 및 맨리(Manley) 모래), 지르콘 모래, 감람석 모래, 크롬철광 모래, 호수 모래, 둑 모래, 용융 실리카, 및 그 혼합물과 같은 임의의 통상적인 주조용 코어 모래를 포함할 수 있다. 모래 코어 제조 시, 이러한 모래 입자는 일반적으로 유효량, 예컨대 모래의 약 0.5 wt% 내지 약 10 wt%인 코어 모래 점착제와 배합되는데, 페놀 핫박스(hotbox), 페놀 우레탄 콜드박스(coldbox), 푸란, 에스테르와 이산화탄소 시스템을 포함하는 나트륨 실리케이트, 폴리에스테르 점착제, 아크릴 점착제, 알카리성 점착제, 에폭시 점착제, 및 푸란 웜박스(warmbox) 시스템과 같은 다수의 임의적 코어 점착제 시스템이 사용될 수 있다. 상기 코어 모래 점착제 및 사용되는 유효량은 당업계에 잘 공지되어 있으므로, 본원에 유효량을 기록하거나 모래 코어의 제조에 사용하기 위한 점착제의 유효량을 측정하는 방식을 기재하는 것은 불필요하다. wt%로 언급한 것은 코어 모래에 대한 wt%를 의미한다.
베인형성 결함을 효과적으로 감소시키기 위해서는, VEINSEAL®14000 제품과 같은 산화리튬-함유 물질 적어도 약 5 wt%를 코어 모래에 첨가해서 주조용 코어를 성형해야 한다. 이러한 산화리튬-함유 물질을 약 4 wt% 이하로 코어 모래에 첨가하면, 생성된 코어 모래가 금속 주조 공정 도중 균열되어, 주물에 추후 마무리 공정으로 제거해야만 하는 불필요한 베인이 생성된다.
본 발명에서, 모래 코어의 열팽창 및 그로 인해 형성된 금속 주물의 불필요한 베인은 적어도 약 1 wt%인 산화제이철(Fe2O3) 유효량과, VEINSEAL®14000 제품과 같은 산화리튬-함유 베인형성 방지제 4 wt% 미만을 배합하여 사용함으로써 실질적으로 배제된다. 바람직하게는 적철광으로도 알려져 있는 산화제이철(Fe2O3) 약 1 wt%를 산화리튬-함유 물질 약 1 wt% 내지 약 3.5 wt%와 배합하고, 생성된 베인형성 방지 물질을 코어 모래 점착제 혼합물과 균질하게 혼합한다. 본 발명에 사용되는 산화리튬-함유 물질은 바람직하게는 VEINSEAL®14000 제품이고, 기타 이러한 베인형성 방지제는 본원에서 참조로 인용되는 미국 특허 5,911,269호에 기재되어 있다.
다음 실시예는 본 발명을 설명한다.
실시예 1
배저(Badger)(55) 코어 모래, 페놀 우레탄 콜드박스 수지 1.1 wt%, 및 SiO2, Fe3O4, Al2O3, 및 TiO2를 포함할 수 있는 산화리튬-함유 물질인 VEINSEAL®14000 4 wt%를 포함하는 혼합물을 수인치의 직경 및 수인치의 높이를 갖는 원통형 막대로 성형시켰다. 이 원통형 막대 모양의 모래 코어로 주물을 제조했고, 원통형 공동을 포함하는 제조된 주물의 원통형 내부 표면은 내벽을 따라 안쪽으로 펼쳐진 베인과 유의적인 다공성을 특징으로 나타냈다. 형성된 베인은 그 제거를 위해 추후의 마무리 공정을 필요로 하는 결함을 이루었다.
실시예 2
다량의 배저(Badger)(55) 모래를 페놀 우레탄 콜드박스 수지 점착제 1.2 wt%, 실시예 1에서 사용한 VEINSEAL®14000 제품 3 wt%, 및 Fe2O31 wt%와 배합했다. 원통형 모래 코어를 실시예 1에서와 동일한 치수로 성형시켰다. 이 모래 코어로 제조한 주물은 베인이 없는 벽을 갖는 원통형 공동을 나타냈다.
실시예 3
배저(Badger)(55) 코어 모래, 페놀 우레탄 콜드박스 수지 1.2 wt%, 실시예 1 및 2에서 사용한 VEINSEAL®14000 제품 2.5 wt%, 및 Fe2O31 wt%를 포함하는 혼합물을 제조했다. 제조된 혼합물을 실시예 1 및 2에서와 동일한 치수의 원통형 막대로성형시켜, 주물을 제조하는 데 사용했고, 그 제조된 주물은 베인이 없는 벽을 갖는 원통형 공동을 포함했다.
실시예 4
맨리(Manley)(50) 코어 모래, 페놀 우레탄 콜드박스 수지 1.25 wt%, 및 실시예 1 내지 3에서 사용한 VEINSEAL®14000 제품 5 wt%를 포함하는 혼합물을 실시예 1 내지 3에서와 동일한 치수를 갖는 원통형 막대로 성형시켰다. 이 원통형 막대 모양의 모래 코어로 주물을 제조하면, 원통형 공동을 포함하는 제조된 주물의 원통형 내부 표면은 내벽을 따라 안쪽으로 펼쳐진 베인을 특징으로 하여, 그 제거를 위해 추후의 마무리 공정을 필요로 하는 결함을 이루었다.
실시예 5
다량의 맨리(Manley)(50) 모래를 페놀 우레탄 콜드박스 수지 점착제 1.1 wt%, 실시예 1 내지 4에서 사용한 VEINSEAL®14000 제품 3 wt%, 및 Fe2O31 wt%와 배합했다. 원통형 모래 코어를 실시예 1 내지 4에서와 동일한 치수로 성형시켰다. 이 모래 코어로 제조한 주물은 베인이 없는 벽을 갖는 원통형 공동을 나타냈다.
실시예 6
맨리(Manley)(50) 코어 모래, 페놀 우레탄 콜드박스 수지 1.1 wt%, 실시예 1 내지 5에서 사용한 VEINSEAL®14000 제품 2.5 wt%, 및 Fe2O31 wt%를 포함하는 혼합물을 제조했다. 제조된 혼합물을 실시예 1 내지 5에서와 동일한 치수의 원통형 막대로 성형시켜, 주물을 제조하는 데 사용했고, 그 제조된 주물은 베인이 없는 벽을갖는 원통형 공동을 포함했다.
실시예는 톤당 약 180 달러가 나가는 산화제이철 약 1 wt% 정도의 도입이 모래 코어에 사용되는 산화리튬-함유 베인형성 방지제의 양을 실질적으로 4 wt% 미만으로 감소시킬 수 있고, 모래 코어의 열팽창 및 제조된 주물로 베인이 도입되는 것을 효과적으로 막을 수 있음을 설명하는데, 코어 모래 점착제의 사용은 1 wt%의 약 1/10 이하까지 감소시킬 수 있는 것으로 사료된다. 즉 본 발명은 모래 코어 주물의 베인을 제어하거나 배제하는 방법으로 약 25% 내지 약 70%의 비용을 절감시켜, 제조된 주물의 질은 떨어지지 않으면서, 수십만 달러를 절약하게 해준다.
당업자는 하기 청구의 범위에서 벗어나지 않는 한, 본 발명이 기타 다른 모래 코어 조성물 및 모래 코어의 열팽창과 주물의 베인형성을 제어하는 방법을 포함할 수 있음을 인지하고 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 산화리튬-함유 물질 약 4 wt% 미만, 산화제이철 적어도 약 1 wt%, 및 잔량의 코어 모래와 코어 모래 점착제를 포함하여, 이들 모두 모래 코어(sand core)로 성형되는, 금속 주조용 모래 코어.
  2. 제1항에 있어서, 산화제이철의 양이 약 1 wt%인 것이 특징인 금속 주조용 모래 코어.
  3. 제2항에 있어서, 산화리튬-함유 물질과 산화제이철을 동량으로 포함하고, 코어 모래는 호수 모래를 포함하는 것이 특징인 금속 주조용 모래 코어.
  4. 제2항에 있어서, 산화리튬-함유 물질을 약 2.5 wt% 포함하고, 코어 모래는 실리카 모래를 포함하는 것이 특징인 금속 주조용 코어 모래.
  5. 산화리튬-함유 물질 약 1.5 wt% 내지 약 3.5 wt%, 산화제이철 적어도 약 1 wt%, 및 잔량의 코어 모래와 코어 모래 점착제를 포함하는, 모래 코어 성형용 혼합물.
  6. 제5항에 있어서, 산화제이철의 양이 약 1 wt%인 것이 특징인 모래 코어 성형용 혼합물.
  7. 제5항에 있어서, 산화리튬-함유 물질을 약 1 wt% 내지 약 2.5 wt% 포함하는 것이 특징인 모래 코어 성형용 혼합물.
  8. 제7항에 있어서, 산화리튬-함유 물질을 약 2.5 wt% 포함하고, 코어 모래는 실리카 모래를 포함하는 것이 특징인 모래 코어 성형용 혼합물.
  9. 제6항에 있어서, 산화리튬-함유 물질을 약 1 wt% 포함하고, 코어 모래는 호수 모래를 포함하는 것이 특징인 모래 코어 성형용 혼합물.
  10. 코어-성형 재료로서 코어 모래, 유효량의 점착제, 산화리튬-함유 물질 약 1 wt% 내지 약 3.5 wt%, 및 산화제이철 약 1 wt%를 함께 균질하게 혼합하는 단계, 및 코어-성형 재료를 모래 코어로 성형하는 단계를 포함하는, 주조용 모래 코어 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 코어-성형 재료가 산화리튬-함유 물질 약 1 wt%를 함유하는 것이 특징인 주조용 모래 코어 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 산화리튬-함유 물질이 인더스트리얼 집섬인코포레이티드(Industrial Gypsum, Inc.)의 VEINSEAL®14000 제품인 것이 특징인 주조용 모래 코어 제조방법.
  13. 코어-성형 혼합물로서 코어 모래, 유효량의 코어 모래 점착제, 산화리튬-함유 물질 약 4 wt% 미만과 산화제이철 적어도 약 1 wt%를 포함하는 베인형성 방지 물질을 함께 균질하게 혼합하는 단계, 및 그 다음으로 코어-성형 혼합물을 모래 코어로 성형하는 단계를 포함하는, 주조용 모래 코어 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 베인형성 방지 물질이 산화리튬-함유 물질 약 1 wt% 내지 약 3.5 wt% 및 산화제이철 적어도 약 1 wt%를 포함하는 것이 특징인 주조용 모래 코어 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 산화리튬-함유 물질이 α-스포듀민(spodumene), 앰블리고나이트(amblygonite), 몬테브라사이트(montebrasite), 페탈라이트(petalite), 레피돌라이트(lepidolite), 진왈다이트(zinnwaldite), 유크립타이트(eucryptite) 및 탄산리튬으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 것이 특징인 주조용 모래 코어 제조방법.
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