KR20080012162A - 성형재료, 주조 성형재료 혼합물 및 주형 혹은 성형 부품을제조하는 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알칼리 실리케이트에 기초한 1 내지 10%의 결합제, 1 내지 10 중량%의 비정질 이산화규소를 함유한 응집체, 나머지로서 0.01 내지 5mm의 입자 크기 범위를 가진 규사로 구성된, 주조 목적을 위한 성형재료 혹은 성형 부품에 있어서, 비정질 이산화규소는 구 형상으로 존재하고, 45㎛ 상의 직경을 가진 입자들의 퍼센티지는 최대 1.5중량%에 이르며; 비정질 이산화규소의 표면상에는 평균 입자 직경에 관하여 0.5 내지 1%의 두께를 포함하는 융기 상이 형성된 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품들을 제공한다. 또한, 본 발명은 전술한 주조 목적을 위한 성형재료 혹은 성형 부품 제조방법으로서, 응집체로서, 45㎛를 초과하는 입자 크기의 입자들의 퍼센티지를 가진 부분적으로 용해된 비정질 구형 SiO₂는 20 내지 70% 이산화규소의 고체물질 함유량을 가진, 9 내지 14의 pH 값으로 설정된 현탁액에 옮겨지고, 이산화규소 표면상에 융기 상이 형성될 때까지 적어도 4분 동안 비정질 이산화규소가 알칼리 처리 동안 유지되고, 이산화규소가 성형 샌드 및 결합제와 균질로 혼합되며, 결합제/SiO₂ 대 성형 샌드의 혼합비는 1 내지 10 대 90의 비로 유지되며, 성형 샌드 및 결합제와 함께 이산화규소는 성형 박스에 압력 하에 슈팅되고 완성된 코어를 형성하기 위해 건조되는 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품 제조방법을 제공한다.

Description

성형재료, 주조 성형재료 혼합물 및 주형 혹은 성형 부품을 제조하는 공정{Moulding material, foundry moulding material mixture and process of producing a mold or a moulding part}

본 발명은 알칼리 실리케이트 기반의 1-10%의 결합제, 1-20 중량%의 비정질 이산화규소를 함유하는 응집체, 나머지는 0.01 내지 5mm의 입자 크기 범위를 가진 규사(quartz sand)로 구성된, 주조 목적의 성형재료 혹은 성형 부품, 및 성형재료 및 성형 부품을 제조하는 공정에 관한 것이다.

위에 언급된 유형의 성형 샌드 혼합물은, 비정질 이산화규소 없이 물유리(water glass) 결합제에 대한 최종 강도에 실질적으로 영향을 미치지 않고 성형재료 혼합물로부터 제조된 성형 부품들의 향상된 생강도(green strength) 및 내습성을 제공하게 하는 성형재료 혼합물이 기술된 DE 10 2004 042 535로부터 공지되어 있다.

코어 성형 기계 내 주형에 채워질 때 성형재료 혹은 성형재료 혼합물의 높은 유동 저항성으로 인해 불규칙한 유동상태로 되고 이 과정에서 성형재료 유동은 유동속도 및 전단력이 변하게 된다.

불규칙한 유동은 특히 미세 부품들을 가진 프로파일, 및 성형 부품의 표면의 경우에, 성형 부품들의 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 불규칙한 유동은 성형 부품들의 불균일한 밀도를 야기할 수 있다. 불균일한 밀도는 성형부품들의 불리한 압밀 작용을 야기하며 부분적 다공성 성형부품 및 비균질한 열 전도 작용을 야기할 수 있다.

DE 10 2004 042 535로부터, 흑연 혹은 MoS₂와 같은 작은판 형상의 첨가물들을 첨가함으로써 혼합물의 유동특성을 조정하는 것이 공지되었다. 그러나, 이것은 특히 작은판 형상의 첨가물들이 이들의 평탄한 측면들을 따라 그리고 국부적으로 제한된 방식으로, 건조공정 동안에 인접한 성형재료 입자들과의 결합제 브리지들을 형성할 수 있기 때문에 불규칙한 가교의 위험성을 증가시킨다. 이들의 수, 크기 및 안정성에 관하여, 이러한 작은판 형상의 첨가물들의 측면들과 인접 성형재료 입자들간의 결합제 브리지들은 성형재료 입자들간에 직접 형성되는 결합제 브리지들에 비해 예기치 못하게 변동될 수 있다. 작은판들을 통한 성형재료 입자들의 이러한 추가의 국부적 가교는 국부적으로 제어될 수 없게 성형 부품들의 특성들을 변경한다. 고도의 가교된 다수 그룹들의 성형재료 입자들이 불균일하게 분포되어 있다면, 주조시, 건조된 주형의 균일한 작용은 더 이상 보장되지 않는다. 작은판 형상의 첨가물들의 결과로서, 일 그룹의 성형재료 입자들은 입자 그룹 내 몇몇의 입자들을 견고하게 가교하는 강한 개별적 결합제 브리지들을 형성할 수 있으며, 이는 나중에 성형 부품의 파손점에 이르기까지 주조 오류를 유발할 수 있음을 의미한다.

한편, 성형재료 혼합물 내 작은판 형상의 첨가물들은 이들의 기하학적 형상을 통해, 유동 능력을 향상시키는데 필요한 활주면을 제공한다. 작은판 형상의 첨가물들의 경우에, 현 기술에 따라, 성형재료 혼합물의 조성 및 가공은 복잡한 테스트 시리즈에서 이를테면 샌드 코어와 같은, 제조할 성형 부품들 특성들로 조정되어야 한다.

주조에서 요구되는 샌드 코어들은 코어 성형 기계에서 제작된다. 코어 샌드, 결합제 및 혼합물들을 함유하는 성형재료는 한정된 용량의 압축공기의 급작 팽창을 통해 코어 박스에 고속으로 슈팅된다.

공장의 가장 짧은 가능한 사이클 시간들 및 비용효율적인 동작을 달성하기 위해서, 코어 샌드가 슈팅되는 속도는 연속적으로 증가된다.

문제들은 재료수송과 코어 박스 내 성형재료의 치밀화에 관련하여 발생한다. 이러한 고 슈팅 속도들에서, 작은 치수들의 형상들을 가진 복잡한 코어 주형들은 더 이상 완전하게 혹은 고르게 채워지지 않는다.

이 문제를 해결하기 위해서, 현 기술에 다른 공정들은 이를테면 후속 치밀화, 다단계 슈팅 방법들 혹은 코어 박스에서 서서히 경화하는 부분적 액상 반응성 주형재료들과 같은 대책들을 기술한다. 이러한 대책들은 보다 복잡한 장치들 및/또는 보다 긴 사이클 시간들과 관련되는 것으로, 이는 코어들, 주형들 혹은 성형 부품들의 가속화되고 비용효율적인 제작에 악영향을 미친다. 또한, 반응성 성형재료들에 의한 가교는 제어하기가 어렵다. 균일한 가교 반응을 달성하기 위해서, 성형재료 혼합물은 균일한 층 두께로 균질하게 반응하게 만들어져야 할 것이다. 그러 나, 성형 부품들은, 이들의 공간적 특성들에서, 주조공정 동안의 국부적으로 가변하는 열 분포에 대해서 설계된다. 반응공정 동안에 방출되는 물 혹은 CO₂와 같은 반응 생성물뿐만 아니라 반응열은 반응 공정을 영향을 미친다. 성형 부품의 어떤 서로 상이하게 두꺼운 영역들에서, 이것은 성형재료 입자들의 두드러진 가교에 이르게 하고 이는 주조 공정 동안에 성형 부품의 특성들에 영향을 미친다. 반응성 성형재료들이 사용될 때, 복잡한 주물들은 주조 목적을 위해 충분히 균일한 성형 부품들을 달성할 수 있도록 성형 부품들에 대해 복잡하고 정밀하게 제어된 제조 시퀀스들을 요구한다.

가교는 달성할 수 있는 강도 특성들을 위해 중요할 뿐만 아니라 나중에 파쇄 작용을 위해서도 중요하다. 한편, 성형재료 혹은 성형 부품은 가장 짧은 가능한 시간 내에 높은 생강도를 달성해야 한다. 한편으로, 제조된 코어는 치수 상의 안정성을 잃지 않고 주조동작 동안 높은 열부하를 견딜 수 있어야 한다. 주조 동작의 완료 후에, 코어의 프레임워크는 양호한 파쇄 특성들을 포함해야 한다. 즉 간단한 수단으로 그의 원래의 구성성분들로 복귀되는 것이 가능해야 한다.

본 발명의 목적은 비용효율적인 공정에 의해서 고 품질의 샌드 코어들 및 성형재료 입자들의 균일한 치밀화를 가능하게 하는 성형재료 혹은 성형 부품 및 이를 제조하는 공정을 개발하는 것이다. 또한, 제조된 성형 부품들의 열부하 지지 용량 은 주형의 보다 긴 사용수명들을 갖고 최신의 주조 공정들을 수행하는 것이 가능한 정도로 향상되어야 한다. 그후에, 기계적 수단으로 주형 및 코어를 쉽게 파괴하여 이를 이들의 출발 성분들로 이전시키는 것이 가능해야 한다.

본 발명은 알칼리 실리케이트에 기초한 1 내지 10%의 결합제, 1 내지 10 중량%의 비정질 이산화규소를 함유한 응집체, 나머지로서 0.01 내지 5mm의 입자 크기 범위를 가진 규사로 구성된, 주조 목적을 위한 성형재료 혹은 성형 부품에 있어서, 상기 비정질 이산화규소는 구 형상으로 존재하고, 45㎛ 상의 직경을 가진 입자들의 퍼센티지는 최대 1.5중량%에 이르며; 상기 비정질 이산화규소의 표면상에는 평균 입자 직경에 관하여 0.5 내지 1%의 두께를 포함하는 융기 상이 형성된 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품들을 제공한다.

또한, 본 발명은 전술한 주조 목적을 위한 성형재료 혹은 성형 부품 제조방법으로서, 응집체로서, 45㎛를 초과하는 입자 크기의 입자들의 퍼센티지를 가진 부분적으로 용해된 비정질 구형 SiO₂는 20 내지 70% 이산화규소의 고체물질 함유량을 가진, 9 내지 14의 pH 값으로 설정된 현탁액에 옮겨지고, 상기 이산화규소 표면 상에 융기 상이 형성될 때까지 적어도 4분 동안 상기 비정질 이산화규소가 알칼리 처리 동안 유지되고, 상기 이산화규소가 성형 샌드 및 결합제와 균질로 혼합되며, 결합제/SiO₂ 대 성형 샌드의 혼합비는 1 내지 10 대 90의 비로 유지되며, 상기 성형 샌드 및 상기 결합제와 함께 상기 이산화규소는 성형 박스에 압력 하에 슈팅되고 완성된 코어를 형성하기 위해 건조되는 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품 제조방법을 제공한다.

발명의 성형재료 혼합물은 후속되는 주조동작 동안에 열부하들 하에 보다 균일한 보상효과를 갖는 성형 부품들을 제조할 수 있게 한다. 이제 액세스될 수 있는 주조들은 비정질의 부분적으로 용해된 SiO₂에 의해 형성된 결합제 브리지들을 통해 성형재료 입자들의 균일한 상호결합에 의해 설명될 수 있는 향상된 형상 정밀도로 특징지워진다.

발명에 따라 준비된 성형재료 혼합물의 치밀화 작용은 특히 이점이 있었다. 우수한 유동능력 및 매우 균일한 패킹 밀도를 달성하는 것이 가능하였다.

표 3은 강도 값들에 약간의 변동을 나타내는데, 이것은 본 발명에 따라 제조된 성형 부품들의 고도의 균일성을 설명한다.

파쇄 작용에 관한 한, 주조동작 후에, 성형 부품들은 균일한 향상된 크랙 형성, 및 매우 깨끗하게, 신속한 코어 제거 시간들로 특징지워진다.

균일한 패킹 밀도와 관련하여, SiO₂ 입자들 상에 형성된 융기 상은 코어들에 의해 제조된 볼트 부분들의 높은 휨 강도를 가져온다. 융기 층은 순수 결합제 브리지들을 통해 증강된 SiO₂ 함유 성형재료 혼합물에 비해 매우 작은 정도의 상호결합을 나타낸다. 낮은 정도의 상호결합은 국부적으로 경계를 이룬 작은 접착 섬들(모듈 블록 부착)로 되게 하며, 이는 코어들의 사용에 이어, 파쇄를 가속시킨다(극소 균열). 그러므로 발명의 성형재료들 및 성형 부품들의 파쇄 작용은 놀랄만큼 이점이 있는 것으로 간주되어야 한다. 어떤 종류의 어떤 추가의 도움에 대한 필요도 없었다.

본 발명의 면에서, 규사(quartz sand) 및 알칼리 실리케이트 기반의 결합제의 혼합물 내에 45 마이크로미터 이상의 직경의 최대 1.5 중량%의 입자들이 함유된, 1 내지 10중량%의 비정질 구형의 부분적으로 용해된 SiO₂를 사용하는 것이 중요하다. 이산화규소의 표면상에는 평균 입자 직경에 관하여 0.5 내지 1%의 두께를 포함하는 융기 상(swelling phase)이 형성되는 것이다.

본 발명의 면에서 "부분적 용해"는 9 내지 14의 pH-값을 갖는 현탁액에 85%를 초과하는 순도를 갖는 비정질 SiO₂ 상에, 융기 상이 형성되어 있음을 의미한다. 융기 상은 공간적인 망의 상호 연결된 실리케이트 그룹들의 비정질 SiO₂을 형성하는 중에 비정질 SiO₂ 상에 층 형태로 생긴다. 실리케이트 그룹들 사이에 공동들은 알칼리 액체로 채워지며, 개개의 산소 브리지는 알칼리 액체의 2 OH^- 이온들에 의해 끊어지고, H₂O 분자가 생성될 때, 2개의 음으로 하전된, 개별적인 -O^- 기들로 대치되어 망의 공동들이 넓어진다. 융기 상 내 공동들을 넓힘으로써, 국부적으로 경계를 이룬 부착 섬들이 생긴다. 부분적 용해 공정 중에 원래의 건(dry) SiO₂의 평균 입자 직경을 넓힘으로써, 2%만큼 증가된 입자 직경이 얻어진다. 부분적으로 용해된 상태에서, 비정질의 구형 SiO₂는 안정된 구조를 갖는 겔 층 형태의 융기 상을 포함한다. 본 발명의 면에서, 이러한 융기 상을 갖는 비정질 SiO₂는 알칼리성인 것으로도 기술된다.

45 마이크로미터를 초과하는 입자 크기를 갖는 비정질 SiO₂의 퍼센티지가 1.5%보다 크다면, 필요한 생강도를 달성하기 위해 더 긴 건조 시간을 요구하는 변동되는 유동능력을 가진 성형재료 혼합물들이 얻어진다. 보다 큰 SiO₂ 구들에 있어서, 입자들에 의해 얻어질 수 있게 되는 표면의 크기뿐만 아니라 중량%당 총 SiO₂ 구들의 수가 감소한다. 또한, 증가하는 직경에 있어서, 입자들은 길이단위 당 감소하는 곡률각을 포함한다. 보다 큰 입자들을 겹쳐놓음으로써, 곡률각이 감소하여 접촉 표면이 더 커지게 되어 보다 견고한 응집 및 보다 강한 응집이 되게 한다. 개개의 입자들의 불균일한 분포 및 불균일한 가교는 감소된 SiO₂ 구의 수와 결부하여 응집에 의해 설명될 수 있다.

10 내지 45 마이크로미터의 평균 입자 직경의 구 입자를 가진 1 내지 10%의 비정질 SiO₂에서, 45 마이크로미터를 초과하는 입자 크기를 가진 입자들의 퍼센티지가 총 1.5% 미만이 된다면, 일정하게 향상된 유동능력 및 균일한 건조 시간으로, 주형들 및 성형 부품들을 제조하는 것이 가능하였다. 구형 SiO₂ 입자들은 활주 매개자 형태의 규사 입자들 사이에 고르게 분포되고, 이들은 규사 입자들을 서로 이격 시키며 규사 입자들의 상호결합 작용의 차단효과를 방지한다. 상호 활주하는 유동공정 동안에 서로에 대한 규사 입자들의 향상된 이동성을 제공하는 표면상의 안정된 융기 상을 통해 발생한다.

SiO₂의 순도가 85% 미만이면, 부분적 용해 동안 개개의 SiO₂ 구들의 화학적 작용은 불순물들에 의해 국부적으로 변화되어, 입자 직경의 확장이 상당히 변하게 된다. 이것은 불안정한 불균일한 융기 층에 의해 설명될 수 있다. 85%미만의 순도를 가진 비정질 SiO₂로 제조된 성형 부품들은 주조후 금속에 성형재료 입자들의 크게 변동하는 부착 경향을 포함한다. SiO₂의 순도가 85%를 초과한다면, 제조된 성형 부품들의 성형재료 입자들은 정규로, 주조후 금속에 감소된 부착 경향을 포함한다.

본 발명에 따라서, 부분적으로 용해된, 구형 SiO₂는 1 내지 10중량%로 성형재료에 첨가된다. 발명자들은 구형 SiO₂ 입자들을 둘러싸는 융기 상이 인접한 규사 입자들에 비해 명백히 감소된 정도의 부착 및 활주 마찰을 나타낸다고 생각한다. 감소된 부착 및 활주 마찰로, 구형 SiO₂ 입자들 형태로 사용되는 비정질 SiO₂는 유동공정 동안에 성형재료 입자들을 서로 인접하게 이격시키고, 융기 상을 통해서, 감소된 활주 저항성에 의해 SiO₂ 구들의 구 표면들 상에서 서로 활주하게 할 수 있다. 유동공정에서, 이와 같이하여 향상된 유동 작용은 비정질 SiO₂의 특히 이점이 있는 활주 마찰 특성들을 가진 영속적이고 마찰이 안정된 겔 층에 의해 설명될 수 있다. 접촉점들에서, SiO₂ 입자들 및 성형재료 입자들은 입자표면들의 활주 마찰이 융기 상에 의해 결정됨으로써, 안정된 융기 상에 의해 서로 이격된다.

본 발명의 성형재료 혼합물은 어떠한 또 다른 설계 대책을 도입할 필요없이 규사 및 수성 알칼리 실리케이트 결합제에 기초하여 성형재료 혼합물들의 건조를 제공하는 장치들 및 공정들에서 이점이 있게 사용될 수 있다. 똑같이, 부분적으로 용해된 SiO₂는 건조공정 동안 물만을 방출하여 추가의 화학적 공정들 혹은 반응 생성물들에 연루하는 추가의 대책들에 대한 필요성 없이 간단한 반응공정을 하게 한다.

비정질 구형 SiO₂의 퍼센티지가 10중량%를 초과한다면, 물을 완전히 제거하기 위해 보다 긴 건조시간을 사용하는 것이 필요하다. 성형 부품에 SiO₂ 입자들의 증가된 퍼센티지로, 서로 인접한 SiO₂ 입자들은, 점점 더, 결합 접촉점들을 형성한다. 결합 접촉점들의 영역에서, 표면상의 융기 상의 인접한 공간적 물-함유 망들의 보다 큰 영역들이 생긴다. 발명자들은 보다 긴 건조 시간은 보다 큰 영역들의 물-함유 망들의 증가된 수에 기인하는 것으로 생각한다. 1 내지 10중량%의 비정질 구형 SiO₂의 퍼센티지에서, 일정한 건조시간 후에, 재현가능하게, 필요한 생강도를 포함하는 성형재료 혼합물들이 얻어진다.

놀랍게도, 비정질의 부분적으로 용해된, 구형 SiO₂는 향상된 유동능력은 별문제로 하고, SiO₂의 표면이 알칼리성으로 되어, 성형재료로부터 제조된 성형 부품 의 강도 증가를 계속하여 나타내었다. 발명자들은 건조공정 동안에 비정질 SiO₂의 표면상에 형성된 융기 상은 인접한 규사 상의 각각의 접촉점에 결합 브리지들을 형성하는 증가된 수의 섬 형상 결합 중심들을 제공한다고 생각한다.

또 다른 이점있는 효과들이 얻어지며 다음 실시예들을 참조로 기술한다. 실시예들은 발명을 설명하는데 사용하고 특징들에 대한 이들 실시예들의 조합은 발명을 한정하는 것으로서 해석되지 않는다. 상기 특징들은 발명의 범위 내에서 개별적으로 그리고 조합된 형태로 사용될 수 있다.

성형재료는 다음의 출발재료를 사용하여, 서로 다른 혼합물 형태로 적용되었다.

타입 H32의 세척된 규사, 평균 입자 크기 0.32mm:

0.01 내지 0.5%의 철, 카드뮴 및/또는 알루미늄을 함유한 알칼리 실리케이트에 기반한 무기 결합제;

최대 1.5%의 45마이크로미터보다 큰 입자들의 퍼센티지 및 85%를 초과하는 순도의 비정질 구형 SiO₂.

평균 입자 크기는 자기 교반기를 가진 15ml 직립 셀 내 멀티플렌 검출기들을 사용하여 적색광 다이오드 레이저에 의해 산란광 원리에 따라 그래뉼로미터에서 판정된다. 입자 크기 분석은 DIN/SIO 13320에 따른 레이저 회절 방법에 의해 행해진다. 결정될 입자들은 적합한 분산제와 함께 현탁액에 옮겨졌다. 입자 크기를 측정하기 위해서, 0.1ml의 균질 현탁액이 증류수가 있는 측정셀에 옮겨졌으며 입자 크 기는 1분내에 판정되었다. 사용되는 비정질 SiO₂는 30 내지 45마이크로미터의 평균 입자 크기를 가졌다.

안정된 융기 상을 판정하기 위해서, 현탁액 내 SiO₂ 구들이 측정셀 내 도입되었으며, 입자 크기는 몇 분 동안 더 이상의 변화들이 확인되지 않을 때까지 30초 간격으로 판정되었다.

예 1: 성형 부품의 열부하 지지 용량

2개의 혼합물들이 3분내에 블레이드 혼합기에서 준비되었으며 이어서 각각 4개의 코어들을 형성하기 위해 코어 슈팅 기계에 슈팅되었다. 가속된 방식으로, 성분들의 균질 혼합물을 얻기 위해서 일부 결합제를 가진 사전에 준비된 비정질 SiO₂ 현탁액을 사용하기로 결정되었다. 현탁액은 9.2의 pH 값을 가지며, 전술한 바와 같이, 혼합기에서 다른 성분들과 함께 혼합되었다. 슈팅 압력은 5bar에 달하고, 슈팅 시간은 1초였으며 적용된 진공은 0.9bar에 달하였다. 코어들은 기계에서 180 ^oC에서 30초 동안 코어 박스에서 미리 경화되고, 압분체 형태로 제거되고, 이어서 1000와트에서 3분 동안 마이크로 오븐에서 건조되고 마지막으로 무게를 재었다. 이들은 185.4mm x 22.7mm x22.7mm의 세로방향으로 긴 구부릴 수 있는 볼트(bolt)를 주조하기 위한 코어들이었다. 주조목적을 위해서, 주조 래들에서 1275 ^oC + 25 ^oC의 평균 온도에서 용융 회주철이 사용되었다. 주조된 볼트는 3일간 냉각시간 후에 코어들로부터 제거되었다. 이어서, 4개의 볼트들 각각은 이들의 휨 특성들에 대해 테스트되었다.

주물의 휨 특성들은 유입되는 금속에 의해 발생된 부력과 결합된, 주조동안 코어에 열부하로부터 생긴다. 이것은 코어재료의 내열 및 치수상의 정확성에 대한 척도이다. 휨 률은 수평라인으로부터 외측 에지들의 평균 편차로서 볼트 중심에 측정장치에 횡방향으로 정렬된 완성된 볼트들에 관해 판정되었다. 성형재료 혼합물들 및 측정된 값들은 아래의 표에 열거하였다.

표 1

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용융 회주철 함유량 기준 코어 성형재료 혼합물 발명의 코어 성형재료

혼합물

93% Fe, 5kg 코어 샌드 5kg 코어 샌드

3.3% C,2% Si 120g 결합제 90g 결합제

0.4% Mn

불순물 5g 실리콘 오일 54g SiO₂

< 0.05% 볼트 휠 mm 볼트 휨 mm

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제1 볼트 0.73 0.7

제2 볼트 0.85 0.2

제3 볼트 0.65 0.13

제4 볼트 0.65 0.23

평균 0.72 0.31

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발명에 따라 제조된 코어들은 평균하여 주조동작 동안 코어들의 낮은 휨 경향을 확증한다.

낮은 휨 레이트는 성형 부품이 열부하들 동안 발생하는 변형 스트레스들을 수용할 수 있는 개선된 구조를 포함함을 나타낸다. 고온의 유입되는 금속에 의해 성형 부품에 야기되는 변형 스트레스들은 탈수 및 소결공정들에 기인한다. 발명자들은 균일하게 분포된 SiO₂ 구들은 이들의 표면 융기 상을 통해 건조공정동안에 인접 샌드 입자들과의 복수의 결합제 브리지들을 형성하는 것으로 생각한다. 입자들을 연결하는 많은 수의 작은 결합제 브리지들의 결과로서, 변형 스트레스들이 큰 성형 부품들에의 복수의 결합제 브리지들을 통해 성형재료 입자들의 균질한 상호결합의 결과로서 분산되고 탄성적으로 보상되는 것이 가능하다.

균질한 미세 타입의 상호결합은 발명에 따라 제조된 성형 부품의 증가된 열부하 지지 용량을 설명한다.

예 2: 성형 부품의 밀도

예 1에서 기술된 바와 같이, 코어를 형성하기 위해 2개의 혼합물들이 주조되었다. 4개의 동등한, 동등 용적들의 바 형상의 코어들이 각 혼합물로 제조되었다. 혼합물들 및 무게들을 아래의 표에 열거하였다.

표 2

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기준 혼합물 발명

5kg 코어 샌드 5kg 코어 샌드

120g 결합제 90g 결합제

5g 실리콘 오일 72g SiO₂

무게 gram 무게 gram

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제1 코어 140.9 142.6

제2 코어 138.8 142.7

제3 코어 142.4 141.3

제4 코어 141.1 141.9

평균 140.8 142.13

평균으로, 발명의 코어들은 더 큰 무게를 포함한다. 동등한 용적들의 멤버들에서, 더 큰 무게는 더 큰 밀도에 대응한다. 평균값으로부터 개개의 코어 무게의 단지 약간의 편차는 실리콘 오일과의 성형재료 혼합물에 대한 향상된 유동 및 치밀화 작용에 의해 설명될 수 있다.

첨가된 유동제에도 불구하고, 기준 혼합물은 코어들의 낮은 평균 질량을 포함한다. 또한, 개개의 코어들의 무게들은 명백히 평균값으로부터 더 큰 편차들인 특색이 있다.

달성된 밀도들은 주형에 슈팅되는 중에 성형재료 혼합물의 보다 균일하고 향상된 유동능력을 포함한다. 표면상에 융기 상을 가진 SiO₂ 구들은 성형재료 입자들이 서로간에 보다 쉽게 활주하게 한다. 융기 상은 성형 샌드 입자들이 SiO₂ 구들 상에 작은 표면 접촉점들 위로 보다 쉽게 활주할 수 있게 한다. 이것은 성형재료 혼합물에서 유동공정동안에 상호-맞물린 규사 입자들을 막는 것이 덜 한 정도로 일어나는 이유를 설명할 수 있다. 개개의 샌드 입자는 인접한 성형재료 입자들에 대한 향상된 이동성을 포함하며 슈팅동작이 증가된 압력에서 행해질 때 발생하는 것과 같은 고 전단력들에서도, 성형재료 혼합물은 보다 균일하고 향상된 유동능력을 포함한다.

아래에 설명되는 바와 같이, 코어들의 생강도 및 최종 강도는 무게 결정의 결과들을 반영한다. 본 발명의 코어들에서, 변형 전까지의 점 부하 하에 결정된 생 강도 및 최종 강도는 명백히 덜한 정도로 변동한다.

발명에 따른 혼합물은 감소된 결합제 함유량으로, 제조된 코어들에 보다 일정하고 보다 큰 밀도들을 달성하는 것을 가능하게 한다.

예 3: 성형 부품의 최종 강도

코어들의 최종 강도에 대한 첨가된 SiO₂의 영향을 조사하기 위해서, 더 많은 량의 결합제에 비정질 구형 SiO₂의 현탁액이 준비되었다. 이어서, 또 다른 성분들을 가진 총 4개의 배치들(batch)이 예 1에 기술된 바와 동일한 조건들 하에서 각 경우에 4개의 코어들로 가공되었다. 이어서, 예 2에 기술된 바와 같은 기준 혼합물이 준비되었으며 4개의 코어들로 가공되었다.

첨가된 SiO₂을 가진 코어들 전부는 예 1로부터 알려진 증가된 밀도를 나타내었다. 완성된 건조된 코어들은 3-점 휨 장치에 놓고 코어의 파괴에 이르게 하는 힘이 결정되었다. 다음의 표에서, 상기 힘은 파괴힘으로 언급되었다. 첨가된 SiO₂를 가진 코어들은 코어 배치간에 증가된 휨 강도인 특색이 있다. 이 현상은 순차적으로 첨가된 SiO₂ 결합제 현탁액의 pH 값에 상관되었다. 최대 휨 강도는 준비된 현탁액의 일정한 pH 값에서 달성되었다. 다음 표는 4개의 코어들 각각에 대해, 현탁액이 첨가되었을 때의 시간에서 결정된 pH 값, 현탁액의 대략적 유지시간 및 평균 휨 강도를 나타낸다.

표 3

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첨가점에서 현탁액 SiO₂ 결합제 평균 파괴힘

현탁액 SiO₂ 유지시간, 분 ±편차, N

결합제 pH

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제1 배치 12.4 0 165 ± 7

제2 배치 11.8 4 195 ± 5

제3 배치 11.5 7 202 ± 6

제4 배치 11.4 10 203 ± 4

비교 혼합물 - - 144 ± 17

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기준 혼합물: 5kg 코어 샌드, 120g 결합제, 5g 실리콘 오일.

발명: 4 배치들 각각 5kg 코어 샌드, 90g 결합제, 72g SiO₂

예 3의 표는 성형재료 혼합물에 부분적으로 용해된, 구형의 비정질 SiO₂을 첨가함으로써, 이로부터 제조된 코어의 휨 강도가 개선됨을 나타낸다.

또한, SiO₂ 현탁액의 pH 값의 영향이 명백해진다. 먼저, 알칼리 현탁액의 pH 값은 감소하며, 이는 융기 상의 형성동안 OH- 이온들의 사용에 의해 설명될 수 있다. 4분 후에, pH 값은 0.6pH 만큼 감소되고, 그후에, 이 값은 약간만 변한다. 대략 4분 후에, 발명들의 설명 모델에 따라, 비정질 SiO₂의 표면은 완전히 부분적으로 용해된 것으로서 그리고 융기 상에 의해 둘러싸인 것으로서 간주될 수 있다. 알칼리 비정질 SiO₂는 제조된 코어의 명백히 향상된 휨 강도에 의해 달성된다.

비정질 구형 SiO₂의 알칼리 현탁액에서 pH 값 안정성에 관한 또 다른 테스트들이 후술하는 바와 같이 수행되었다.

위에 기술된 바와 같이 순도 및 입자 크기 특성들을 가진 비정질 구형 SiO₂는 알칼리 실리콘 현탁액에 및/또는 9 내지 14의 pH 값을 가진 가성소다 용액 내 부유되었다. 10 내지 80 중량% 범위의 현탁액 내 SiO₂의 함유량은 20 내지 79중량%인 것이 바람직하다. 이어서 알칼리 현탁액의 pH 값이 30초 간격으로 결정되었다. 테스트의 시작에서, 현탁액들은 위에 기술된 pH값에 급속한 감소를 나타내었다. 단지 4분 후에, pH 값은 분 당 대략 0.1 pH의 최대 변화를 갖고, 안정되었다. 10분의 최대 유지시간 후에, 알칼리 비정질 SiO₂의 현탁액은 몇 시간동안 pH 값에 더 이상의 변화를 보이지 않았다.

예 2에 언급된 바와 같은 향상된 유동 작용과는 별개로, 안정된 pH 값을 가진 알칼리 SiO₂ 현탁액들은 예 3의 표 3에 나타낸 바와 같이, 그로부터 제조된 코어 들의 향상된 최종 강도인 것이 특색이다.

14의 pH 값에 대해서 배치의 농도보다 명백히 컸던 알칼리 농도로, SiO₂ 입자들의 서서히 그리고 확실히 감소하는 코어 직경이 확인되었다. 이것은 알칼리의 빈번하게 화학양론적 농도를 초과하는 결과로서 SiO₂ 입자들의 느린 용해에 의해 설명될 수 있다. 이러한 식으로 제조된 성형재료 혼합물들은 향상된 유동능력을 특색으로 하지도 않고 제조된 주형들의 보다 나은 최종 강도를 특색으로 하지도 않으며, 이는 용해되는 SiO₂ 표면의 일탈 모폴로지에 의해 설명될 수 있다.

9 미만으로 설정된 pH 값에서, 모든 현탁액들에 있어서는 첫 번째 4분 이내에 1 내지 2%로 팽창되는 융기 상의 형성을 달성하는 것은 가능하지 않았다. 팽창이 1% 미만이었다면, 현탁액들은 안정된 융기 상으로 이전에 달성되었던 유동능력 값들을 달성함이 없이 유동능력에 있어 변동되는 개선들이 것이 특색이였다. 1 내지 2%의 평균 입자 직경의 팽창을 특징으로 하였던 융기 상은 위의 기술된 향상된 유동능력을 나타내었다. 후속 테스트들에서, 현탁액들은 확실하게, 첫 번째 4분 이내에 안정된 pH 값 및 1 내지 2%의 원래의 건 SiO₂의 평균 입자 직경이 팽창되는 융기 상을 달성하기 위해 적어도 9 정도의 pH 값으로 설정되었다.

샌드 입자들의 평균 입자 크기 및 비정질 SiO₂의 평균 입자 크기가 동일한 이점있는 향상된 성형 부품이 발견되었다. 예를 들면, 10 마이크로미터에 대응하는 0.01mm 범위의 입자 크기를 가진 유별하여 분류된 규사 분류, 및 10 내지 45 마이 크로미터의 평균 입자 직경을 가진 1 내지 10%의 비정질 구체 SiO₂를 함유한 성형재료 혼합물들이 준비되었다. 동일 교반 속도에서, 이러한 성형재료 혼합물들은 짧은 시간 내에 균일 혼합물을 제공하였으며 성형 부품의 제조 동안에, 낮은 슈팅 압력에서도, 향상된 밀도 및 균일성과 보다 큰 프로파일 정밀성을 가진 성형 부품을 달성하였다.

예 2의 결과들은 표면이 활성화된 비정질 SiO₂ 상에 연속적이고 안정된 알칼리성 융기 상이 추가의 결합중심들을 통해 결합제 브리지들의 형성에 기여한다는 이론을 지지한다. 이러한 알칼리 SiO₂의 표면은 음으로 하전된 산소 그룹들로 특징지워지는 것으로 가정할 수 있다.

특히, 성형재료 혼합물의 개개의 성분들이 대형 콘테이너들에서 수일간 저장되는 공장들에서, 알칼리 SiO₂ 현탁액은 건 비정질 구형 SiO₂를 알칼리성 결합제와 혼합함으로써 이점이 있게 제조될 수 있다. 사용에 앞서 직접 현탁액을 제조함으로써, 비정질 SiO₂는 새로운 상태 및 균일한 질의 알칼리성으로 된다. 한 분량의 샌드에 관하여, 알칼리성인 것으로 새로운 상태가 된 SiO₂의 1 내지 10중량%의 퍼센티지로서, 테스트들에서, 성형물질 혼합물에 향상된 유동능력 및 이로부터 제조된 성형 부품의 증가된 최종 강도를 제공하는 것이 가능하였다.

인산 및/또는 붕산으로 구성된 추가의 첨가물들을 가진 성형재료 혼합물들은 이점이 없는 것으로 발견되었다. 무기 결합제들을 향상시키는데 사용되는 것으로 알려진 이러한 첨가물들은 성형재료 혼합물들에서 pH 값을 감소시켜 혼합물의 유동능력에 악영향을 미친다. 산 첨가물들을 가진 알칼리 실리케이트에 기초한 결합제들은 염들을 형성함으로써 반응하는 것이 발견되었다. 총 혼합물의 1 내지 10%의 결합제 함유량을 가지고, 위에 언급된 유형의 어떠한 첨가물들도 없는 순수히 알칼리 실리케이트에 기초한 결합제에 있어서, 발명에 따른 효과가 확실하게 확인되었다.

또한, 실리콘 구조들에 속박될 수 있는 금속산화물들과 같은 약간 기본적인 동반 물질들은 건조시간을 줄이는 것으로 발견되었다. 알칼리 실리케이트 결합제만에 비해서, 0.01 내지 0.50%의 철, 알루미늄 및/또는 카드뮴의 함유량을 가진 알칼리 실리케이트에 기초한 결합제는 성형 부품을 제조할 때 5%만큼 건조시간을 줄이는 것으로 발견되었다.

발명의 혼합물은 코어들의 더 큰 최종 강도를 달성한다.

예 4: 주조 공정에서 특징들

본 발명의 성형재료가 주조 동안 부착 브리지들을 형성하는 경향을 테스트하기 위해서, 예 2에 기술된 바와 같은 2개의 혼합물들이 준비되었고 각각 4개의 코어들을 형성하게 가공되었다. 코어들은 단면이 H-프로파일을 갖는 볼트들을 주조하기 위해 설계되었다. 주조공정 동안에, 가능한 부착 브리지들의 형성을 위한 증가 된 표면이 제공된다. 위에서와 같이, 주조 래들에서 1275 ^oC ± 25 ^oC의 평균 온도에서 용융 회주철이 사용되었으며, 주조된 볼트는 3일간의 냉각 시간 후에 코어들로부터 제거되었다. 먼저 볼트들은 해머에 의해 진동되었으며 이어서, 필요하다면, 맨드릴에 의해 부착 코어 부품로부터 제거되고, 세척되고 마지막으로 완고한 부착들 및 금속 침투에 대해 최종으로 테스트되었다.

성형재료 혼합물들 및 부착 평가는 아래의 표에 열거하였다.

표 4

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93% Fe, 3.3%C 기준 코어 성형재료 발명의 코어 성형재료

2% Si, 0.4%Mn을 혼합물 혼합물

함유하는 용융 5kg 코어 샌드 5kg 코어 샌드

회주철을 주조 120g 결합제 90g 결합제

불순물 <0.05% 5kg 실리콘 오일 54g SiO₂

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제1 볼트 해머/맨드릴/A 해머/-/A

제2 볼트 해머/맨드릴/A,V 해머/-/A

제3 볼트 해머/맨드릴/A,V 해머/-/A

제4 볼트 해머/맨드릴/A 해머/-/A

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해머 = 해머에 의해 코어 내 함유된 볼트를 진동시킴

맨드릴 = 필요하다면, 맨드릴을 사용하여 볼트를 제거함

A = 코어 샌드의 부착; V= 금속 침투

주조된 후에, 발명의 코어들은 몇 개의 해더 블로우들에 의해 쉽게 제거될 수 있다. 이러한 식으로 노출된 볼트들은 초음파 배스에서 제거되었던 샌드 부착물들을 여전히 내포한다

기준 코어들은 해더 블로우들에 의해 볼트들로부터 부분적으로만 제거되었다. 볼트들이 맨드릴에 의해 노출된 후에, 볼트들은 초음파 배스에서 세정되었으며 이어서 테스트되었다. 한편, 맨드릴에 의해 제거되었던 완고한 샌드 부착물들이 발견되었다. 한편, 금속 침투가 발견되었는데 이 경우 부착한 샌드는 큰 힘들의 인가에 의해 부분적으로만 제거될 수도 있을 것이나 이의 결과로서 볼트 표면이 손상되었다.

비교는 주조동작 후에 발명의 성형재료 혼합물이 훨씬 더 쉽고 더 빠르게 제거되었음을 보였다. 발명의 성형재료로부터 제조된 코어들은 쉽게 제거될 수 있는 약간의 샌드 부착물들을 가진 주물들을 제작하게 하였다. 기준 주조에서 일어나는 것과 같은 금속 침투는 발견되지 않았다.

예 5: 성형 부품의 파쇄

발명의 성형재료 혼합물의 성형 부품의 파쇄 특성들을 테스트하기 위해서, 예 2에서 기술된 바와 같이 2개의 혼합물들이 준비되었고 4개의 코어들 각각을 형성하게 가공되었다. 주조동작 후에, 코어들은 이들의 파쇄 특성들에 대해 테스트되었다. 이미 기술된 바와 같이, 주조 래들에서 용융 회주철이 사용되었으며, 주조된 볼트들을 가진 성형 부품은 3일간의 냉각 시간 후에 테스트되었다. 성형 부품은 진동 발생 장치에 연결된 주조들이 상부 위치에서 정렬된 후에 테스트되었다. 진동 발생 장치는 주조에 1.4kW 파워까지의 펄스 피크를 가진 30Hz 진동을 가하였다. 공정에서, 99%만이 아니라 90%의 성형 부품이 주물로부터 떨어지게 되는 시간이 측정되었다.

성형재료 혼합물들 및 파쇄 특성들의 평가가 다음 표에 열거되었다.

표 5

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용융 회주철의 기준 성형 부품 발명의 코어

주조된 부품을 가진 성형재료 혼합물: 성형재료 혼합물:

성형 부품(93%Fe, 5kg 코어 샌드 90g 결합제

3.3%C, 2%Si, 0.4%Mn 5g 실리콘 오일 50g SiO₂

불순물<0.05% 90% 90% 90% 90%

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제1 볼트 8.2 sec. 11.3 sec. 4.2sec. 9.2sec.

제2 볼트 7.4 sec. 11.8 sec. 4.4sec. 9.4sec.

제3 볼트 7.6 sec. 11.3 sec. 4.6sec. 9.3sec.

제4 볼트 7.7 sec. 11.4 sec. 4.4sec. 9.5sec.

평균 7.7 sec. 11.5 sec. 4.4 sec. 9.4 s.

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주조동작 후에, 발명의 혼합물의 성형 부품은 주물로부터 성형 부품을 제거하기 위한 더 짧은 시간들을 명백히 나타낸다. 발명의 혼합물의 성형 부품은 급속히 확산하는 작은-셀 크랙 패턴인 특색이 있으며 이것은 곧이어 성형 부품을 작은 부품 세그먼트들로 균일한 박리되게 한다. 주조 표면상의 어떤 잔류한 부착된 샌드는 초음파 배스에서 혹은 간단한 천으로 수작업으로도 제거되었다.

기준 혼합물의 파쇄 작용은 명백히 더 긴 박리 시간들 및 성형 부품에 불규칙한 크랙 형성들, 및 서로 다른 크기의 세그먼트들로의 불규칙한 박리를 나타내었다. 또한, 90중량 %의 성형 부품이 박리된 후에, 표면은 여전히 강하게 부착한 샌드 입자들로 덮여있고 이것은 본 발명의 혼합물과는 반대로, 수작업으로나 초음파 배스에서 완전히 제거될 수 없었다.

발명자들은 우수한 파쇄 작용을, 샌드 입자들과 비정질 SiO₂간에 균일하게 형성된 상호결합 결합제 브리지들에 의한 것이라고 생각한다. 한편으로, 많은 수의 균일하게 분포된 결합제 브리지들은 성형 부품의 강도 및 탄성을 증가시키나, 또 한편으로, 국지적으로 그리고 개개의 결합제 브리지에 관하여, 급준 펄스의 영향하에, 이들은 훨씬 감소된 함에 의 끊어질 수 있다. 이에 따라 브리지들의 상호결합은 더욱 균일하나, 기준 혼합물의 경우보다는 훨씬 덜 두드러진다. 따라서, 개개의 브리지들의 감소된 부하 지지 용량과 더불어 증가된 수의 결합제 브리지들은 향상된 강도 및 보다 이점있는 파쇄 작용의 이점있는 조합이 되게 한다.

주조동작 후에 코어의 제거 후에, 본 발명의 성형 부품은 보다 빠르고 보다 균일한 파쇄 작용인 특색이 있다.

Claims (10)

1. 알칼리 실리케이트에 기초한 1 내지 10%의 결합제, 1 내지 10 중량%의 비정질 이산화규소를 함유한 응집체, 나머지로서 0.01 내지 5mm의 입자 크기 범위를 가진 규사로 구성된, 주조 목적을 위한 성형재료 혹은 성형 부품에 있어서,

   상기 비정질 이산화규소는 구 형상으로 존재하고, 45㎛ 상의 직경을 가진 입자들의 퍼센티지는 최대 1.5중량%에 이르며; 상기 비정질 이산화규소의 표면상에는 평균 입자 직경에 관하여 0.5 내지 1%의 두께를 포함하는 융기 상이 형성된 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 이산화규소의 평균 입자 직경은 10 내지 45㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품.
3. 전술한 청구항들 중 한 항에 있어서, 상기 비정질 이산화규소는 85%를 초과하는 순도를 포함하는 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품.
4. 전술한 청구항들 중 한 항에 있어서, 표면상에 알칼리성으로 된 상기 이산화규소는 음으로 하전된 산소 그룹들을 포함하는 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품.
5. 전술한 청구항들 중 한 항에 있어서, 알칼리성으로 된 이산화규소와 규사 간에, 추가의 결합중심들을 통해 결합제 브리지들이 형성된 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품.
6. 전술한 청구항들 중 한 항에 있어서, 상기 결합제는 0.01 내지 0.50%의 철, 알루미늄 및/또는 카드뮴을 포함하는 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품.
7. 전술한 청구항들 중 한 항에 따라 주조 목적을 위한 성형재료 혹은 성형 부품 제조방법에 있어서,

   응집체로서, 45㎛를 초과하는 입자 크기의 입자들의 퍼센티지를 가진 부분적으로 용해된 비정질 구형 SiO₂는 20 내지 70% 이산화규소의 고체물질 함유량을 가진, 9 내지 14의 pH 값으로 된 현탁액에 옮겨지고,

   상기 이산화규소 표면상에 융기 상이 형성될 때까지 적어도 4분 동안 상기 비정질 이산화규소가 알칼리 처리 동안 유지되고,

   상기 이산화규소가 성형 샌드 및 결합제와 균질로 혼합되며, 결합제/SiO₂ 대 성형 샌드의 혼합비는 1 내지 10 대 90의 비로 유지되며,

   상기 성형 샌드 및 상기 결합제와 함께 상기 이산화규소는 성형 박스에 압력 하에 슈팅되고 완성된 코어를 형성하기 위해 건조되는 것을 특징으로 하는 성형재 료 혹은 성형 부품 제조방법.
8. 전술한 청구항들 중 한 항에 있어서, 상기 비정질 이산화규소의 표면은 부분적으로 용해되며, 상기 이산화규소의 평균 입자 직경은 2%만큼 넓어지고 융기 상이 형성되는 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품 제조방법.
9. 전술한 청구항들 중 한 항에 있어서, 융기 상을 형성하기 위해서, 9 내지 14 범위의 설정된 pH-값으로 시작하는 것은 최대 10분 후에 종료되는 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품 제조방법.
10. 전술한 청구항들 중 한 항에 있어서, 9 내지 14 퍼센트 범위의 상기 설정된 pH 값은 분당 최대 0.1 pH로 수정하여 낮추어지는 것을 특징으로 하는 성형재료 혹은 성형 부품 제조방법.