KR20100017588A - 반응 가스 결함을 방지하기 위한 주조 주형 및 심형용 코팅 화합물 - Google Patents

반응 가스 결함을 방지하기 위한 주조 주형 및 심형용 코팅 화합물 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 코팅에 관한 것으로, 적어도, 캐리어 액체; 하나 이상의 분말 형태의 내화성 소재; 및 하나 이상의 환원제;를 포함하는 코팅에 관한 것이다. 주조 주형에 이 코팅이 제공되면 주조 주형과 액체 용탕 간의 접촉면을 환원제를 통해 감소시키는 조건이 만들어지고, 이로 인해 가스 형성이 억제될 수 있으며, 따라서 결과적으로 금속에 가스 내포물이 적게 생성된다. 바람직하게는 환원제로서 광휘탄소 형성물이 사용된다.
코팅, 주조 주형, 주조 심형, 내화성 소재, 환원제, 광휘탄소

Description

반응 가스 결함을 방지하기 위한 주조 주형 및 심형용 코팅 화합물 {COATING COMPOUNDS FOR CASTING MOULDS AND CORES THAT PREVENT REACTION GAS DEFECTS}
본원 발명은 코팅, 주조 주형의 제조 방법, 이 방법으로 얻을 수 있는 주조 주형, 및 이 주조 주형을 금속 주조에 사용하는 방법에 관한 것이다.
제철 산업과 제강 산업 및 제철 제강 산업 이외의 분야에서 생산되는 대부분의 제품은 일차적 형태를 갖추기 위해 주물 공정을 거친다. 이 경우 액체 상태의 제철 제강 및 비제철제강 재료가 특정한 재료의 특성을 지닌 특정한 대상으로 바뀌게 된다. 주물의 형태를 만들기 위해 융액을 사용하는 매우 복잡한 주조 주형이 만들어져야 한다. 주조 주형은 주조할 때마다 파괴되는 일회성 주형과 다수의 주물을 제조할 수 있는 영속형 주형으로 분류된다.
일회성 주형은 대개 무기물, 내화성 및 과립형 주형 재료로 구성된다. 이러한 재료는 종종 서로 다른 첨가물이 혼합되며 이것은 양호한 주조 표면을 만들기 위해서이다. 대개 세척하여 걸러낸 석영 모래가 내화성 및 과립형 주형 재료로서 사용된다. 또한 특별한 필요성에 의한 특정한 용도로 사용하기 위해 크롬 모래, 지 르콘 모래, 그리고 감람석 모래가 사용되기도 한다. 그 밖에 샤모트 및 마그네사이트, 규산 또는 강옥을 토대로 하는 주형 재료가 사용된다. 주형 재료를 견고하게 만드는 결합제는 무기물 또는 유기물의 특성을 지녀야 한다. 소형 일회성 주형의 대부분은 결합제인 벤토나이트를 통해 견고해 지는 주형 재료로 구성되고 대형 일회성 주형의 경우의 대부분은 결합제인 유기적 중합체가 사용된다. 주조 주형의 제조는 주형 재료가 우선 결합제와 혼합되는 방식으로 진행되며 따라서 주형 재료의 거친 입자가 결합제의 엷은 박막으로 뒤덮이게 된다. 이러한 주형 재료의 혼합물을 이에 상응하는 주형 틀에 붓고 경우에 따라 주조 주형을 충분히 견고하게 하기 위해 농축시킨다. 그런 다음 주조 주형이 가열되거나 경화 반응에 영향을 주는 촉매제가 첨가됨으로써 주조 주형이 단단하게 굳어지게 된다. 주조 주형이 어느 정도 초벌 경화 단계에 도달했다면 주조 주형을 주형 틀에서 떼어내고 완전히 경화시키기 위해 오븐으로 옮겨서 정해진 시간 동안 정해진 온도로 가열시킬 수 있다.
영속형 주형은 다수의 주물을 제조하기 위해 사용된다. 따라서 영속형 주형은 주물 과정 및 이와 관련된 응력에 손상되지 않고 견뎌내야 한다. 이용 분야에 따라 영속형 주형의 재료로서 주철 및 비합금 강철과 합금 강철, 구리, 알루미늄, 흑연, 종유석 금속 그리고 도자기 재료가 적합한 것으로 입증되었다. 영속형 주형의 방법에는 칠 주조 방법, 가압 주조 방법, 원심 주조 방법 및 연속 주조 방법이 있다.
주조 주형은 주물 과정 동안에 매우 높은 열과 기계적 응력에 노출되어 있다. 따라서 금속 용탕과 주조 주형 사이의 접촉면에 결함이 발생할 수 있으며 이러 한 결함은 예를 들어 주조 주형이 찢어지거나 액체 용탕이 주조 주형의 구조물에 스며듦으로써 발생한다. 따라서 대개의 경우 액체 용탕과 접촉하는 주조 주형의 면은 코팅으로 명명되는 보호 코팅을 갖추게 된다. 코팅은 대개 무기물의 내화성 재료 및 예들 들어 물 또는 알코올 같이 적합한 캐리어 액체에서 용해 또는 침전된 결합제로 구성된다.
이러한 코팅을 통해 주조 주형의 표면이 개질 될 수 있고 가공 가능한 금속의 특성에 맞출 수 있다. 코팅을 통해 매끄러운 표면이 만들어 지기 때문에 주물의 외관이 개선되며 이것은 주물 재료의 거친 입자 크기로 야기되는 고르지 못한 부분이 코팅으로 인해 평평하게 되기 때문이다. 나아가 주물 표면 특성을 개선 시키는 첨가물이 코팅을 통해 선택적으로 주물 표면에 전달됨으로써 코팅이 주물에 야금적으로 영향을 끼칠 수 있다. 게다가 주조시 코팅은 주조 주형을 금속 용탕으로부터 화학적으로 격리시키는 층을 형성한다. 이로 인해 주물과 주조 주형 사이의 점착이 방지될 수 있고 따라서 주물이 주조 주형으로부터 쉽게 떼어질 수 있다. 더 나아가 코팅은 주조 주형과 주물의 열 분리를 안전하게 해 준다. 이것은 영속형 주형의 경우 특히 중요하다. 이 기능이 충족되지 않으면 연속적으로 진행되는 주물 과정 동안에 주조 금형이 조기에 파괴되는 높은 열에 의한 부담을 경험하게 된다. 그러나 코팅은 예를 들어 냉각률을 통해 특정한 금속 구조의 형성에 영향을 주기 위해 금속 용탕과 주조 주형 사이의 열 전도의 조정을 목표로 하는 데 사용될 수도 있다.
통상적으로 사용된 코팅은 기본 재료로써 점토, 석영, 규조토, 크리스토발라이트(Cristobalite), 인규석, 알루미늄 규산염, 지르코늄 규산염, 운모, 내화 점토 또는 흑연을 함유하고 있다. 이러한 기본 재료가 주조 주형의 표면을 덮고 금속 용탕이 주조 주형으로 유입되는 미세한 구멍을 막는다. 탁월한 격리 능력 때문에 기본 재료로써 규소 이산화물 또는 규조토를 함유하는 코팅이 종종 사용된다. 왜냐하면 이러한 코팅은 적은 비용으로 제조될 수 있고 많은 양이 사용될 수 있기 때문이다.
주철을 이용하여 금속 부품을 제조하기 위한 중요한 방법으로 대단위 주물 방법과 원심 주물 방법이 있다.
대형 주물을 제조하는 대단위 주물 방법의 경우 대개는 일회성 주조 주형이 사용된다. 제조 가능한 주물의 크기로 인해 매우 높은 메탈로스테티스틱 프레셔(metallostatic pressure)가 주조 주형에 영향을 준다. 장시간에 걸친 냉각 시간으로 인해 주조 주형은 긴 시간 동안 높은 온도의 응력에 노출되기도 한다. 이러한 방법의 경우 코팅은 금속이 주조 주형의 재료에 유입되는 것 (침투)과 주형의 찢어짐 (엽맥의 형성), 또는 금속과 주조 주형 재료 간의 반응 (금속 침투)을 방지하기 위해 탁월한 보호 기능을 수행한다.
원심 주물의 경우 금속 용탕이 축을 중심으로 회전하는 파이프 모양 또는 고리 모양의 잉곳으로 채워진다. 잉곳에서 금속은 원심력의 영향으로 예를 들어 윤통, 고리 및 파이프 모양으로 만들어진다. 이 경우 주물을 주조 주형에서 떼어내기 전에 불가피하게 주물이 완전하게 굳어진 상태여야 한다. 따라서 주조 주형과 주물 간의 상당히 긴 접촉 시간이 필요하고 이 시간 동안에 주조 주형은 냉각이 진행되고 있는 주물로 인해 손상되어서는 안 된다. 여기서 주조 주형은 영속형 주형으로 서 주물 과정으로 인해 발생하는 부하에 의해 주조 주형의 특성 및 형태가 변형되어서는 안 된다. 따라서 원심 주물의 경우 주조 주형은 한 겹 또는 여러 겹의 형태로 코팅된 절연 코팅으로 덧칠된다.
DE-B-1 433 973은 수성 현탁 액화 형태의 잉곳 코팅을 명시하고 있다. 현탁 액화는 주조시 잉곳의 손상을 방지하고 다른 한편으로는 용이하게 주물의 형태를 갖추도록 해 준다. 코팅은 대체로 불에 강한 재료인 유리 성질의 규산 및 결합제로 콜로이드 실리카 졸로 구성된다.
DE-AS-1 303 358은 불에 강한 코팅을 명시하고 있다. 본 코팅은 잉곳 금형의 벽, 하단부 또는 바닥 면에 칠해 진다. 코팅은 크롬 산화물을 함유하고 있는 아주 작은 형태의 불에 강한 재료 및 무기물 결합제를 포함하고 있으며 액체 매개물에서 분산되어 있다. 아주 작은 형태의 불에 강한 재료는 크롬과 산화 지르콘, 산화 마그네슘, 산화 티타늄 또는 하소된 마그네사이트로 구성된다.
DE 42 03 904 C1은 주물의 기술적 목적을 위한 코팅을 명시하고 있다. 본 코팅은 섬유의 5 내지 40 중량% 를 함유하고 있다. 섬유의 10 내지 90% 는 유기물 재료로 구성되고 나머지는 불에 강한 무기물 재료로 구성된다. 무기물 섬유는 중간 길이 50 내지 400 ㎛ 및 평균 1 내지 25 ㎛ 이고 유기물 섬유는 중간 길이 50 내지 5000 ㎛ 및 평균 2 내지 70 ㎛ 이다.
주조하는 동안 주물의 바깥 면 또는 주물의 표면 하단 가까이에 작은 깔대기 모양의 오목한 홈 및 기포가 만들어질 수 있다. 이것이 주물 표면의 질을 저하시키고 주물 표면의 사후 작업을 불가피하게 하고 있다. 특히 주물 내부 단면의 경우, 예를 들어 엔진 본체의 오일 공급 루트는 그와 같은 사후 작업이 어렵거나 또는 불가능 하다. 그와 같은 주물 내부 단면은 언급된 주조 심형으로 설명될 수 있다.
이러한 주조 결함은 상이한 원인으로 소급될 수 있다.
융액의 구성 방식에 따라 주물 운반용 용기에 약 40% 의 범위에서 거의 불변의 SiO2 함량을 지닌 규산염 슬래그가 형성된다. 게다가 슬래그는 대체적으로 15 내지 40% 범위에서 변동되는 소량의 MnO 및 5 내지 25 중량% 의 범위에서 소량의 Fe3O4 를 함유하고 있다. 이러한 산화철-규산염-슬래그는 매우 빨리 형성되고 유황을 수반하여 거품 슬래그의 형태로 존재한다. 슬래그는 접착 효과가 있으며 예를 들어 주조 주형의 재료에서 떨어져 나온 흩어진 모래알을 접착시킨다. 슬래그는 이미 낮은 온도에서 형성될 수 있기 때문에 금속 제조시 주물 운반용 용기에서 형성될 뿐만 아니라 예를 들어 금속 용탕을 옮겨 붓거나 주조 주형에 금속 용탕을 부어 넣을 때도 형성된다. 대체로 슬래그에 함유되어 있는 Fe3O 가 기포 형성의 원인을 제공하며 그 이유는 탄소로 인해 쉽게 CO 또는 H2으로 환원될 수 있기 때문이다. 이 때 명시된 주조 결함을 일으키는 가스 형태의 반응 생성물이 생성된다. 기포 발생을 억제 하기 위해 상이한 조치가 취해 질 수 있다. 가능하면 융액이 산소 및 공기와 덜 접촉함으로써 Fe3O 를 함유한 슬래그의 형성이 억제될 수 있다. 이를 위해 주조 시간을 가능하면 짧게 하는 것도 하나의 예가 될 수 있다. 게다가 금속 용탕을 몇 년에 걸쳐 사용하는 것과 주물 과정의 중단 또는 금속 용탕을 여러 번 옮겨 붓는 것 역시 지양되어야 한다. 더 나아가 산소와 유사한 원소 또는 화합물이 융액에 첨가될 수 있으며 이것은 필요한 산소를 얻기 위해 금속과 경쟁적이며 Fe3O 를 함유하고 있는 슬래그 형성을 억제시킨다. 또 다른 조치로서 융액의 망간 함량을 0.5 중량% 이상 증가시키면 더 이상 산화철-규산-슬래그가 형성되지 않는다. 마지막으로 슬래그가 일산화탄소의 생성으로 인해 감소 되도록 융액의 온도를 올릴 수 있다.
금속 주조시 중요한 역할을 하는 온도에서 주조 주형의 유기물 결합제는 CO, CO2, N2, H2, NOx, NH3, H2O 및 CxHy의 형성에 의해 분해된다. 이러한 화합물이 금속 용탕과 반응함으로써 금속 용탕 및 슬래그에서 축적될 수 있는 또 다른 가스 형태의 생성물이 생성된다. 예를 들어 반응은 다음과 같다:
Fe + CxHy
Figure 112009074568586-PCT00001
[C] + H2
Fe3O4 + CH4
Figure 112009074568586-PCT00002
CO2 + 2 CH2O + 3 Fe
2 NH3
Figure 112009074568586-PCT00003
N2 + 3 H2
2 [Al] + 3 H2O
Figure 112009074568586-PCT00004
Al2O3 + 3 H2
질소 및 수소는 고체 금속에서보다 금속 용탕에서 더 잘 용해될 수 있다. 따라서 액체 상태에서 고체 상태로 전이될 때 유용성 가스는 이 상태에서 이미 상대적으로 높은 점착성을 띠는 융액으로부터 분리된다. 기포는 구슬의 형태를 연상시키기 보다는 블로우 홀과 유사한 형태를 띤다. 금속 용탕에서 유용성 가스의 양을 감소시킬 수 있는 대응책으로써 융액의 온도를 감소시키는 방법이 있다. 더욱이 주조 주형에 대한 결합제의 비율이 감소 되면 분해시 원하지 않았던 소량의 가스가 생성된다. 마지막으로 질소를 티타늄 질화물의 형태로 결합시키기 위해 융액의 티타늄 비율이 증가 될 수 있고 또한 수분의 감소로 인한 수소의 생성을 억제하기 위해 알루미늄 비율이 감소 될 수 있다.
전술한 대응책은 부분적으로 모순되거나 예를 들어 융액에 첨가물이 첨가된다면 주물의 특성에 영향을 줄 수 있다. 또한 경우에 따라서 금속 용탕이 공기 또는 산소와의 접촉이 상당히 억제되는 주물 공정은 실행될 수 없다.
주조 주형은 주형과 심형을 포함한다. 주형은 주물의 외형을 형성하고 있는 반면 주조 심형은 주물에서 빈 공간을 만들기 위해 사용된다. 이때 주형 재료 혼합물의 안정성 및 구성 방식은 주형보다는 확실히 주조 심형과 관련을 맺고 있다. 주조시 주형은 현격히 적은 기계적 응력을 감수해야 한다. 주형은 대개 젖은 주조 모래로 만들어진다. 이 모래는 석영 모래 및 결합제로서 벤토나이트처럼 대체로 내화성 소재로 만들어지고 탄진과 같은 무연탄 소재로 만들어진다. 나아가 젖은 주조 모래는 수분을 함유하고 있으며 이것은 주형 재료의 혼합물에 유연성과 가금 형성을 부여하고 결합제로서 벤토나이트의 용해도를 높이기 위한 것이다. 주조 심형은 대개 수지와 결부된 주형 재료 혼합물로 만들어진다. 이 경우 유기물 결합제가 결합제로서 함유되어 있다. 결합제의 범례로 콜드-박스-결합제 또는 핫-박스-결합제가 있다. 이러한 결합제의 사용으로 인해 주조 심형은 보다 높은 안정성을 유지 할 수 있게 된다. 게다가 주조시 주조 심형은 매우 높은 가스 발생을 보여 서는 안 된 다. 주형의 경우 주조시 발생하는 가스를 외부로 방출하기 위해 매우 큰 표면이 사용되는 반면, 주조 심형의 경우 상대적으로 적은 횡단면이 있는 코어 프린트만 사용된다. 코어 프린트는 모델 위에 있는 주조 심형의 지지면에 상응한다. 따라서 강한 가스 발생시 가스가 액체 금속 주물 재료로 스며 듦으로써 발생된 기포가 핀 구멍 같은 주조 결함을 야기시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 가스 결함이 전체적으로 완벽하게 억제될 수 있고 융액의 성분 및 금속 주조와 관련하여 가능하면 적은 제약을 필요로 하는 수단을 제공하는 것이다. 이러한 수단은 특히 주조 심형을 제조할 때 사용될 수 있어야 한다.
본원 발명의 목적은 청구항 1항의 특징을 가지는 코팅에 의해 달성된다. 본원 발명에 따른 코팅의 더 바람직한 형태들은 종속항에 기재된다.
본원 발명에 따른 코팅은 캐리어 액체 및 분말 형태의 내화성 소재에 더하여 적어도 하나의 환원 특성을 나타내는 첨가물을 함유한다. 이 코팅은 주조 주형에서 액체 금속과 함께 접촉면을 형성한다. 환원제는 액체 금속의 열로 인해 높은 반응성을 가지며, 따라서 산소 또는 산소 함유 화합물과 반응하여 이들의 반응을 억제한다. 이로 인해 가스 생성물의 형성과 함께 탄소 및 탄화수소용 산화제로서 작용할 수 있는 Fe3O의 생성이 상당히 억제된다. 코팅층에 제공된 환원제로 인해 융액과의 경계면에서 가스의 생성이 현격히 감소 될 수 있고, 이와 함께 주물의 외부면 또는 외부면 가까이에서 핀 구멍 또는 가스 내포물의 생성을 줄일 수 있다.
본원 발명에 따르면, 금속 주조용 주조 주형을 위한 코팅으로 사용될 수 있는 코팅이 제공되며, 이 코팅은 적어도 다음을 포함한다:
- 캐리어 액체;
- 하나 이상의 분말 형태의 내화성 소재; 및
- 하나 이상의 환원제
코팅은 우선 코팅의 다른 구성 요소가 부유하거나 용해될 수 있는 캐리어 액체를 포함한다. 이러한 캐리어 액체는 통상의 금속 주조의 조건에서 완벽하게 기화될 수 있도록 선택된다. 따라서, 캐리어 액체는 정상 압력에서 비등점이 약 130 oC 미만, 바람직하게는 110 oC 미만이어야 한다. 캐리어 액체로서, 예컨대 에탄올 및 아이소프로판올과 같이 1 내지 10 의 탄소 원자를 가진 알코올 또는 물이 사용된다. 캐리어 액체에 부분적으로 함유될 수 있는 또 다른 액체로는 3 내지 15의 탄소 원자를 가진 지방성, 사이클로 지방성, 방향족 탄화 수소, 2 내지 20의 탄소 원자를 가진 카복실산 및 1 내지 4의 탄소 원자를 가진 알코올 성분으로 만들어진 카복실산 에스테르, 각각 3 내지 10의 탄소 원자를 가진 에스테르와 케톤이 있다.
바람직하게는, 물과 적어도 하나의 휘발성 유기 성분, 특히 하나 이상의 알코올의 혼합물이 캐리어 액체로 사용된다. 이 경우 휘발성 유기 성분은 비등점이 130 oC 미만, 바람직하게는 110 oC 미만인 유기 용매로 이해된다. 휘발성 유기 성분으로서 더 바람직하게는 1 내지 3의 탄소 원자를 가진 알코올이 사용되며, 특히 에탄올 및/또는 아이소프로판올이 사용된다. 바로 사용 가능한(ready-to-use) 코팅에 대하여 캐리어 액체에서 물의 비율은 10 내지 80 중량% 범위, 바람직하게는 10 내지 20 중량% 범위에서 선택되고, 휘발성 유기 성분의 비율은 바람직하게는 0 내지 70 중량%, 더 바람직하게는 40 내지 60 중량% 이다. 바로 사용 가능한 코팅에서 캐리어 액체의 비율은 보통 10 내지 99.9 중량%, 바람직하게는 30 내지 70 중량% 이다.
적어도 하나의 분말 형태의 내화성 소재는 캐리어 액체에 떠있다. 금속 주조에 일반적인 내화성 소재가 사용될 수 있다. 내화성 소재로는 예컨대 규조토, 고령토, 석화된 고령토, 고령석, 메타 고령석, 산화철, 석영, 산화알루미늄, 납석과 같은 규산 알루미늄, 키아나이트, 홍주석 또는 샤모트, 산화지르코늄, 규산 지르코늄, 보그사이트, 감람석, 활석, 운모, 장석이 사용될 수 있다.
내화성 소재는 분말 형태로 제공된다. 입자의 크기는, 코팅에서 안정적인 구조가 형성되고 예컨대 스프레이 장치를 사용하여 코팅이 주조 주형의 벽에 용이하게 살포할 수 있는 정도의 크기로 선택된다. 내화성 소재에 적합한 평균 입자 크기는 0.1 내지 500 ㎛, 바람직하게는 1 내지 200 ㎛이다. 내화성 소재로서 특히 융점이 액체 금속의 온도보다 높은 200 oC 를 유지하고 금속과 어떠한 반응도 일어나지 않는 소재가 적합하다. 바로 사용 가능한 코팅에서 분말형 내화성 소재의 비율은 바람직하게는 10 내지 99.9 중량%, 더 바람직하게는 30 내지 70 중량% 범위에서 선택된다.
환원제로는 산소와 결합할 수 있는 모든 원소 또는 화합물이 사용될 수 있다. 환원제는 코팅에 잘 삽입될 수 있어야 하고 바람직하게는 고형의 작은 입자 형태로 존재한다. 캐리어 액체가 물을 함유하고 있다면 환원제는 물과 반응해서는 안 된다.
적합한 환원제로는, 예를 들어 금속 실리콘, 실리콘 유기 화합물, 알루미늄 금속, 또는 탄산암모늄, 요소, 멜라민 또는 멜라민 수지와 같이 암모니아 릴리징 수단(ammonia-releasing means)이 있다.
바람직하게는, 환원제로서 탄소 함유 화합물이 사용되며, 특히 탄소 비율이 매우 높은 화합물이 더 바람직하다. 탄소 함유 화합물은 C로서 탄소 함유량이 70 중량% (질량 백분율) 이상, 더 바람직하게는 80 중량% 이상이다. 액체 금속의 열 작용에 따라 산소 또는 산화 화합물(oxygen-releasing compounds)의 존재하에 탄소 함유 화합물로부터 환원제로 작용할 수 있는 예컨대 일산화탄소가 생성된다.
가능한 큰 산소 흡입력을 유지하기 위해 환원제, 특히 탄소 함유 화합물은 산소가 적어야 한다. 바람직하게는 환원제, 특히 탄소 함유 화합물의 산소 함유량은 O2로서 10 중량% 미만, 더 바람직하게는 5 중량% 미만이다. 더 바람직하게는 환원제, 특히 탄소 함유 화합물은 산소를 함유하지 않는다.
환원제는 질소를 함유할 수 있다. 그러나, 질소 함유량이 너무 높지 않은 것이 바람직하다. 바람직하게는 환원제의 질소 함유량은 N2 로서 10 중량% 미만, 더 바람직하게는 5 중량% 미만이다.
탄소 함유 화합물로서 광휘탄소 형성물을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 광휘탄소 형성물은 유기 화합물 또는 유기 화합물의 혼합물이며, 액체 금속의 열 작용 하에서 C-H를 함유하고 있는 화합물이 휘발된다. 이때 생성되는 기상은 탄소로 과포화되고 따라서 환원 특성을 가진다. 이러한 기상의 탄소 과포화는 궁극적으로 열분해 탄소가 광휘탄소 형태로 주조 주형의 표면에 증착될 정도로 크다. 기상의 탄소 과포화 정도는 광휘탄소 형성물의 화학적 화합물, 즉 C:H:O 비율, 탄소 농도 및 온도에 의해 좌우된다. 주조 주형의 공동의 벽에 광휘탄소의 증착시키는 것은 융액에 의한 벽의 젖음성(wettability)을 약화시킨다. 발생된 가스는 또한 주조 주형의 벽에 대한 액체 금속의 충격에 영향을 미친다. 소위 융액의 "쿠셔닝(cushioning)"이 관찰된다. 광휘탄소의 증착에 의해 주물이 용이하게 주조 주형으로부터 분리될 수 있고, 주조 주형의 악화에 긍정적으로 영향을 미친다. 또한, 광휘탄소 형성물은 액체 금속의 열 작용에 의해 유연해 지고, 따라서 예컨대 액체 금속의 열 작용에 따라 석영의 팽창을 완화시킨다.
바람직한 광휘탄소 형성물은 탄소 함유량이 마른 광휘탄소 형성물의 중량에 비하여 50 중량% 이상이며, 바람직하게는 70 중량% 이상이다. 적절한 광휘탄소 형성물은 예를 들어 석탄, 그을음(soot), 특히 카본 블랙(carbon black), 분말형 역청, 콜로포늄 또는 목재 수지와 같은 수지분말, 또는 액체 오일이다.
본 발명의 코팅에 적합한 광휘탄소 형성물은 C/H 원자 비율이 0.25 이상, 바람직하게는 0.5 이상이며, 더 바람직하게는 1 이상이다.
광휘탄소 형성물은 바람직하게는 소량의 산소 비율만을 함유한다. 산소의 비율은 마른 광휘탄소 형성물에 대하여 O2 로서 20 중량% 이하이며, 바람직하게는 10 중량% 이하이고, 더 바람직하게는 5 중량% 이하이다. 더 바람직하게는 산소를 함유하지 않은 광휘탄소 형성물이 사용된다.
적합한 광휘탄소 형성물은 질소를 함유할 수 있으며, 예를 들어 헤테로 방향족 군(hetero-aromatic groups)의 형태의 질소일 수 있다. 그러나, 질소의 비율은 가스 형태의 질소 분리에 의한 가스 형성을 억제하기 위해 낮은 것이 바람직하다. 광휘탄소 형성물은 바람직하게는 질소를 마른 광휘탄소 형성물에 대하여 N2 로서 10 중량% 이하 함유하고, 바람직하게는 5 중량% 이하로 함유한다.
예컨대 여러 유형의 석탄과 같이 탄소가 매우 풍부한 광휘탄소 형성물이 사용된다면, 광휘탄소 형성물은 가능한 소량의 배열된 결정체 섹션을 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 예를 들어 높은 정도의 결정 배열을 가지는 흑연(graphite)은 광휘탄소 형성물로 거의 또는 전형 적합하지 않다. 바람직하게는 광휘탄소 형성물의 결정체 비율은 30 % 이하이다. 광휘탄소 형성물에 대한 결정체 비율은 예를 들어 X-선 회절 분석법(x-ray diffractometry)을 통해 확인될 수 있다.
광휘탄소 형성물에서 광휘탄소의 함유량은 VDG 기준 P 83에 따라 결정될 수 있다. 본 발명의 환원제로서 적합하게 사용되는 광휘탄소 형성물은 광휘탄소 함유량이 광휘탄소 형성물의 중량에 대하여 적어도 10 중량% 이고 바람직하게는 50 중량% 이다.
광휘탄소 형성물로서 바람직하게는 연탄과 같은 석탄 재료가 사용된다. 그러나, 가스 석탄 또는 역청탄 같은 다른 석탄 재료가 사용될 수도 있다.
또한, 광휘탄소 결합체로서 바람직하게는 탄소 함유 중합체가 사용된다. 적합한 탄소 함유 중합체는 예를 들어 높은 산소 비율 때문에 과도하게 높은 광휘탄소의 산출량이 발생하지 않는 노볼락(novolac)과 같은 페놀수지가 있다. 탄소 함유 중합체로서 예를 들어 10 중량% 이하의 소량의 산소 비율을 차지하는 중합체가 사용된다. 바람직하게는 산소를 함유하지 않은 탄소 함유 중합체가 사용된다. 이 경우 특히 바람직한 탄소 함유 중합체는, 예를 들어 비닐 단량체의 원자단 중합 작용(radical polymerisation)에 의해 얻어지는, 백본(backbone)으로서 연속적인 탄소 체인을 가지는 것이다. 탄소 함유 중합체는 바람직하게는 탄소 원자 및 수소 원자만을 포함한다. 또한, 탄소 함유 중합체는 바람직하게는 불포화 기(groups) 및 더 바람직하게는 방향족 사이드 기(aromatic side groups)를 포함한다. 이로 인해 탄소 함유 중합체의 탄소/수소 비율이 탄소가 높아지게 바뀐다. 더 바람직하게는 탄소 함유 중합체는 탄소 함유량이 90 중량% 이상이며 C/H 원자 비율 1:2 내지 1:1 이다.
광휘탄소 형성물로서 특히 바람직한 탄소 함유 중합체는 폴리스티렌 및 폴리스티렌의 코폴리머의 그룹으로부터 선택된다. 코폴리머의 예는 스티렌 부타디엔 코폴리머, 스티렌 (메타) 아크릴레이트 코폴리머(styrene (meth)acrylate copolymers), 및 부타디엔 (메타) 아그릴레이트 코폴리머(butadiene (meth)acrylate copolymers)가 있다. 특히 바람직한 것은, 탄소 함유 중합체에 대한 스티렌의 비율이 적어도 25 mol%, 더 바람직하게는 적어도 50 mol%인 스티렌 코폴리머이다.
탄소 함유 중합체는 평균 분자량이 바람직하게는 2.000 내지 20.000 g/mol 범위이다. 분자량은 예를 들어 폴리스티렌 표준(예: POLYMER STANDARDS SERVICE GmbH, In der Dalheimer Wiese 5, D-55120 Mainz)과 같은 표준을 사용하는 배제 크로마토그래피(exclusion chromatography)를 통해 결정될 수 있다.
환원제, 바람직하게는 광휘탄소 형성물의 비율은 본원 발명에 따른 코팅의 고형물 함량에 대하여 최소 1 중량% 이고, 바람직하게는 최소 5 중량% 이며, 더 바람직하게는 최소 6 중량% 이고, 특히 바람직하게는 최소 8 내지 30 중량% 의 범위에서 선택된다. 일 실시 형태에 따르면, 광휘탄소 형성물의 비율은 20 중량% 이하로 선택되며, 또 다른 실시 형태에 따르면, 15 중량% 이하로 선택된다. 코팅에 함유된 광휘탄소 형성물의 양은 광휘탄소 형성물에 의해 형성될 수 있는 광휘탄소의 양에 의해 좌우된다. 형성된 광휘탄소 양에 대하여 광휘탄소 형성물의 양은 최소 1 중량% 이며, 바람직하게는 최소 2 중량% 이고, 더 바람직하게는 2,5 내지 10 중량% 범위에서 선택된다.
광휘탄소 형성물은 바로 사용할 수 있는 코팅에 예를 들어 1 내지 8 중량% 비율로 함유될 수 있다.
본 발명의 코팅은 비교적 적은 양의 환원제 및 광휘탄소 형성물을 포함한다. 이로 인해, 코팅은 소량의 가스를 발생시키므로 주조 심형의 코팅으로 사용될 수 있다. 그러나, 광휘탄소 형성물의 낮은 비율로 인해 핀 구멍 형성이 매우 효과적으로 억제될 수 있다.
상술된 구성 성분과 함께 본 발명의 코팅은 다른 통상의 구성 성분을 포함한다. 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 코팅은 결합제(binder)를 함유할 수 있다. 결합제의 역할은 기본적으로 주조 주형에 도포된 코팅이 마른 이후에 코팅의 성분을 굳게 하고 코팅이 표면에 확실하게 응착하는 것을 보장하는데 있다. 바람직하게는 비가역적으로 경화하는 결합제가 첨가된다. 이와 같은 방식으로 높은 내마모성을 지닌 코팅이 만들어진다. 이러한 코팅의 장점은 예를 들어 주조 주형이 완성되면 운반되어야 하고 이때 기계적 영향을 받게 되는 경우에 나타난다. 코팅의 두드러진 기계적 내구성으로 인해 주조 주형의 손상이 포괄적으로 방지될 수 있다. 또한, 바람직하게는 공기 습도의 영향을 받아 다시 연화되지 않는 상술 된 결합제가 사용된다.
코팅에 사용되어왔던 모든 결합제가 사용될 수 있다. 결합제로서 예를 들어 전분, 덱스트린, 펩티드, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 아세테이드 폴리머, 폴리 (메타) 아크릴산, 폴리 스티렌, 폴리비닐 아세테이드-폴리아크릴레이트-디스퍼션 및 이러한 화합물의 혼합물이 사용된다. 바람직한 실시 형태에 따르면, 본 발명의 코팅은 결합제로서 물 및 에탄올, 프로판올, 아이소프로판올과 같은 알코올에 용해되는 알키드 수지(alkyd resin)를 포함한다. 결합제는 바로 사용 가능한 코팅에 0.1 내지 5 중량% 의 비율, 바람직하게는 0.5 내지 2 중량% 의 비율로 포함된다.
상기한 내화성 소재와 함께 코팅은 보정제(correcting agent)를 함유할 수 있다. 보정제은 코팅의 점성을 높여준다. 이로 인해 한편으로는 무거운 성분이 코팅에서 가라앉는 것을 방지하여 도포할 때 코팅층이 균일한 배합을 유지한다. 다른 한편으로 보정제은 주조 주형 표면에 도포된 후 코팅이 흘러내리지 않도록 하여 예컨대 주조 주형의 수직면에 균일한 칠 두께를 유지하도록 한다. 보정제으로서 예를 들어 애타풀자이트(attapulgite), 사문석(serpentine), 스멕타이트(smectite) 및 사포나이트(saponite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 베이델 라이트(beidellite), 및 노트로 나이트(nontronite), 질석(vermiculite)과 같은 통상적인 2층 규산염 및 3층 규산염이 코팅에 사용될 수 있다. 바로 사용 가능한 코팅에 대한 비율은 0.5 내지 4.0 중량% 이며, 특히 바람직하게는 1.0 내지 2.0 중량% 이다.
또한, 본 발명의 코팅은 포면에 도포하는 것을 돕는 습윤제(wetting agent)를 함유할 수 있다. 습윤제로서는 당업자에게 잘 알려진 중간 극성 및 높은 극성의 음이온과 양이온 텐시드(tensides)가 사용될 수 있다. 바람직하게는 텐시드의 HLB 값은 7 이상이다. 습윤제의 첨가량은 바로 사용 가능한 코팅에 대하여 0.01 내지 1 중량% 이며 바람직하게는 0.05 내지 0.3 중량% 이다. 적합한 습윤제의 예는 disodium-dioctylsulpho-succinate 이다.
코팅 제조시 또는 코팅을 주조 주형의 표면에 도포할 때 거품 형성을 방지하기 위하여, 코팅은 소포제(defoamer)를 함유할 수 있다. 코팅 도포중 거품 형성은 균일하지 않은 코팅 두께를 형성하고 코팅층에 구멍이 생기게 한다. 소포제로서는 예컨대 실리콘 오일 및 미네랄 오일이 사용될 수 있다. 소포제는 바로 사용 가능한 코팅에 0.01 내지 1 중량%, 바람직하게는 0.05 내지 0.3 중량% 분량으로 함유된다.
또한, 코팅은 일반적인 안료 및 색소를 함유할 수 있다. 예들 들어, 다른 코팅층 간 또는 주조 주형과 그 위에 도포된 코팅층 간을 식별하여 코팅층의 완벽한 도포 여부를 육안으로 검증할 수 있기 위하여, 선택적으로 첨가된다. 적합한 안료의 예는 빨간색 산화철과 노란색 산화철 및 흑연이다. 색소 및 안료는 바람직하게는 바로 사용 가능한 코팅에 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 5 중량%로 함유된다.
특히 코팅이 캐리어 액체로 주로 물만이 사용되는 수성 코팅으로 형성된다면, 박테리아 공격 및 결합제의 리올로지(rheology)와 바인딩력에 부정적 영향을 주는 것을 방지하기 위해 코팅에 바이오사이드(biocide)가 첨가될 수 있다. 적합한 바이오사이드의 예는 포름알데하이드(formaldehyde), 2-메틸-4-이소티아졸린-3-온 (MIT), 5-클로로-2-메틸-4-이소티아졸리-3-온 (CIT) 및 1,2-벤조이소티아졸린-3-온 (BIT) 이다. 바람직하게는 MIT, BIT 또는 이것의 혼합물이 사용된다. 바람직하게는 바이오사이드의 양은 바로 사용가능한 코팅에 대하여 10 내지 100 ppm 이며, 바람직하게는 50 내지 500 ppm 이다.
사용가능한 상태에서, 본 발명의 코팅은 바람직하게는 고형물함량을 20 내지 80 중량% 함유하며, 더 바람직하게는 30 내지 70 중량% 함유한다. 일 실시 형태에 따르면, 코팅의 고형물 함량은 35 내지 55 중량%이다.
본 발명의 코팅은 통상적 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어 본 발명의 코팅은 우선 물 또는 다른 적합한 캐리어 액체를 교반기에 제공함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, 보정제, 예컨대 층 규산염이 물에 첨가되고 높은 전단 조건에서 녹는다. 분말형 내화성 소재와 필요한 경우 안료와 색소 및 광휘탄소 형성물을 섞어서 균질의 혼합물이 만들어질 때까지 젓는다. 마지막으로 습윤제, 소포제, 바이오사이드 및 결합제를 넣어 섞는다.
산업상 이용을 위해 본 발명의 코팅은 바로 사용 가능한 형태로 제공되고 판매될 수 있다. 본 발명의 코팅을 농축된 형태에서 제조하고 판매하는 것 또한 가능하다. 농축된 코팅에서 사용 가능한 코팅을 얻기 위해서 용매 성분이 적당한 양으로 첨가될 수 있으며, 이것은 코팅의 필요한 점착력 및 농도를 조절하기 위해 필요하다. 또한, 본 발명의 코팅은 예를 들어 고형물 성분 및 용매 성분이 분리된 컨테이너에 세트 형태로 제공될 수 있다. 이 경우 고형물 성분은 분리된 컨테이너에서 분말 형태의 고형물 혼합물로서 제공될 수 있다. 필요한 경우 사용할 수 있는 다른 액체 성분, 예를 들어 결합제, 습윤제, 침윤제/소포제, 안료, 색소 및 바이오사이드는 본 세트에서 다시 분리된 컨테이너에서 제공될 수 있다. 캐리어 액체는 상술 된 다른 액체 성분에 첨가되거나 또는 액체 성분과 분리되어 별도 용기에 제공될 수 있다. 사용 가능한 코팅을 제조하기 위해 고형물 성분, 다른 액체 성분 및 캐리어 액체의 적합한 양을 서로 혼합할 수 있다. 또한, 용매 성분이 물로만 구성된 본 발명의 코팅을 제공할 수도 있다. 액체 알코올 또는 알코올 혼합물, 바람직하게는 에탄올, 프로판올, 아이소프로판올과 이것의 혼합물이 수성 코팅제에 대하여 40 내지 200 중량% 의 양으로 첨가하여 수성 코팅제로부터 사용 준비된 알코올 코팅제가 제공될 수 있다. 본 발명의 알코올 코팅제의 고형물 함량은 바람직하게는 20 내지 60 중량% 이며, 더 바람직하게는 30 내기 40 중량% 이다.
본 발명의 코팅은 예를 들어 베이스 코팅 또는 탑 코팅 등 원하는 용도에 따라, 그리고 도포된 코팅층의 원하는 두께에 따라, 코팅의 다른 변수들이 조절될 수 있다. 주조술에서 주조 주형 및 주조 심형에 사용되는 본 발명의 코팅은 DIN 53211의 규정; 플로우 컵(flow cup) 4 mm, DIN-컵에 따라 점착성이 11 내지 25 s 이며 바람직하게는 12 내지 15 s 이다. 바람직하게는 사용 준비된 코팅의 농도는 1 내지 2.2 g/ml (0 내지 120 oBe)의 범위이고 더 바람직하게는 1.1 내지 1.4 g/ml (30 내지 50 oBe)이며 바우메(Baume)의 부력 방법; DIN 12791에 따라 결정된다.
본 발명의 코팅은 주조 주형의 코팅을 위해 사용될 수 있다. 따라서 본원 발명의 대상은 또한 코팅된 주조 주형의 제조 방법이며 주조 주형은 사용 준비가 되고 적어도 코팅층으로 코팅되며 상술 된 것처럼 적어도 비례 배분에 따라 코팅층을 포함한다.
주조 주형은 주물을 제조하는데 필요한 바디의 모든 종류, 즉 주조 심형, 주형 및 잉곳을 의미한다. 주조 주형은 임의의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어 주조 주형은 적합한 결합제로 단단하게 굳어진 석영 모래와 같이 내화성 주형 재료로 제조될 수 있다. 이 경우 무기물 결합제와 유기물 결합제가 사용될 수 있으며 무기물 결합제의 예는 가열에 의한 물의 증류 또는 이산화탄소의 발생 등으로 경화된 워터글래스(water glass)이다. 유기물 결합제의 예는 폴리이소시안네이트(polyisocyanate) 성분 및 폴리올(polyol) 성분이 염기성 촉매 작용에 의해 경화된 콜드 박스 결합제(cold-box binder) 또는 노베이크 결합제(no-bake binder)이다.
바람직하게는 코팅은 주조 심형의 코팅을 위해 사용된다. 전술된 것 같이 본 발명의 코팅은 비교적 적은 가스를 발생시킨다. 따라서, 주조시 주조 심형에서 발생한 가스가 액체 상태의 금속 재료로 스며들 위험이 상당히 억제된다.
심형으로는 합성수지가 결합 된 심형이 특히 바람직하다.
합성수지가 결합 된 주조 심형을 제조할 때 바람직하게는 콜드 박스 결합제가 사용된다. 이는 두 개 성분의 시스템을 포함한다. 첫 번째 성분은 폴리올, 대개는 페놀수지로 구성된다. 두 번째 성분은 폴리이소시아네이트 용액이다. US 3,409,579 A 에 따르면 주형이 만들어지고 난 이후에 주형의 기본 재료와 결합제의 혼합으로 인한 가스 형태의 제3의 아민이 발생함으로써 폴리우레탄 결합제의 두 성분이 화학 반응을 일으킨다.
이러한 콜드 박스 결합제와 매우 유사한 결합제 시스템이 폴리우레탄 노베이크 결합제이다. 이 경우 폴리이소시아네이트 구성 성분이 폴리올 구성 성분과 화학 반응을 일으키며 주형 재료의 혼합물을 만들 때 이미 액체 형태에서 촉매제가 첨가된다. 촉매제로서 아민, 예를 들어 제 3의 아민이 사용된다.
폴리우레탄 결합제의 경화 반응은 중첨가, 즉 물과 같이 부산물이 분리되지 않는 반응을 포함한다. 주조 주형의 우수한 생산성, 치수 정밀도 및 주조 주형의 견고성, 주물의 기본 재료와 결합제 혼합의 처리 시간과 같은 우수한 기술적 특성 등이 콜드 박스 방법 및 노베이크 방법의 장점이다.
다른 적합한 결합제의 예는 퓨란(furan) 수지 또는 페놀 수지를 기초로 하는 노베이크 결합제이다. 본 결합제는 두 개의 성분 시스템으로 제공되며 하나의 성분은 화학 반응을 하는 퓨란 수지 및 페놀 수지이고, 다른 성분은 화학 반응을 하는 수지 경화용 촉매제로써 작용하는 산을 포함한다. 대개 산으로서 방향족 설폰산이 사용되며 특별한 경우에는 인산 또는 황산이 사용된다.
퓨란 수지는 중요한 구성 성분으로서 퍼퍼릴 알코올(furfuryl alcohol)을 함유한다. 퍼퍼릴 알코올은 산 촉매 작용에 따라 자체로 화학 반응을 하고 중합체를 형성한다. 퍼퍼릴 알코올은 예를 들어 밀짚 또는 왕겨와 같은 식물성 재료로 제조되기 때문에 상대적으로 비싸다. 따라서 퓨란 노베이크 결합제를 제조하기 위해 일반적으로 순수한 퍼퍼릴 알코올을 사용하지 않고 수지로 혼성 중합된 다른 화합물이 퍼퍼릴 알코올에 첨가된다. 이와 같은 화합물의 예로는 포름 알데히드 또는 푸르푸랄 같은 알데히드, 아세톤, 페놀, 요소 같은 케톤 또는 당알코올 혹은 에틸렌 글리콜 같은 폴리올이 있다. 수지의 특성, 예를 들어 수지의 탄성에 영향을 주는 다른 성분이 수지에 첨가될 수 있다. 유리 포름 알데히드를 결합시키기 위해 예를 들어 멜라민이 첨가될 수 있다.
페놀 수지를 기초로 하는 노베이크 결합제는 화학 반응을 하는 수지 성분으로서 레졸, 즉 포름 알데히드의 과다로 생성된 페놀 수지를 함유한다. 페놀 수지는 퓨란 수지와 비교할 때 현저하게 적은 화학 반응을 일으키고 촉매제로서 강한 설폰산을 필요로 한다.
페놀 수지 또는 퓨란 수지를 기초로 하는 핫 박스 방법, 퓨란 수지를 기초로 하는 보온 박스 방법 및 페놀 노볼락 수지를 기초로 하는 크로닝 방법(Croning method)이 경화 건조 방법에 해당한다. 핫 박스 및 보온 박스 방법의 경우 액체 수지는 주형 재료의 혼합을 위해 잠재적이며 높은 온도에서 효과적인 경화제로 처리된다. 크로닝 방법의 경우 석영, 크롬광 모래, 지르코늄 모래와 같은 주형의 기본 재료가 온도 약 100 내지 160oC 에서 액체 페놀 노볼락 수지로 클래딩된다. 이어지는 경화용 반응 파트너로서 헥사메틸렌테트라민이 첨가된다. 상술 된 경화 건조 기술의 경우 주형의 형성 및 경화는 온도가 300oC 까지 가열되는 가열 가능한 공구에서 이루어진다.
주조 주형 및 주조 심형을 제조하기 위해 사용하는 유기물 결합제는 당업자에게 잘 알려져 있다.
본 발명의 방법에서는 우선 주조 주형 및 주조 심형이 제공된다. 그런 다음 여기에 상기 코팅이 도포된다. 이 경우 통상적인 모든 방법이 사용될 수 있다. 코팅은 붓을 이용하여 도포될 수 있다. 또한 코팅은 분사기를 이용하여 살포하여 도포될 수도 있다. 살포하여 도포하는 경우 시중에서 유통되고 있는 가압 탱크 살포기구가 사용될 수 있다. 이때 바람직하게는 코팅을 묽은 상태로 가압 탱크에 채워진다. 탱크 안의 초과 압력으로 인해 코팅이 살포 피스톨로 가압되고, 여기서 분리 조절 가능한 분무기 에어에 의해 분무된다. 분무는 코팅이 젖은 상태로 주조 주형의 표면에 닿도록 실행되며 따라서 균일하게 살포될 수 있다.
또한, 주조 주형을 코팅에 담궈 도포할 수도 있다. 주조 주형을 코팅에 담그는 시간은 바람직하게는 2초와 2분 사이이다. 주조 주형을 떼어낼 때 잉여 코팅이 흘러내리고, 주조 주형을 코팅에 담그고 난 후 잉여 코팅이 흘러내리는데 요구되는 시간은 사용된 코팅의 흐르는 방식에 따라 정해진다. 주조 주형의 표면에 남아 있는 코팅은 특정한 층 두께를 나타내며 층 두께는 코팅의 특성을 통해, 예를 들어 코팅의 점착성 또는 보정제의 첨가를 통해 영향을 받는다.
또한, 주조 주형의 주조 공동은 코팅과 함께 침수될 수 있다. 코팅을 부어 넣을 때 코팅층이 주조 공동의 벽에 남아 있게 되며 층의 두께가 코팅의 점착력으로 인해 영향을 받을 수 있다.
코팅은 단층으로 도포될 수 있다. 층의 두께를 두껍게 하기 위해 코팅의 층을 여러 겹으로 겹쳐 도포하는 것도 가능하다. 이 경우 코팅의 아래에 배열되는 층은 다음 층이 도포되기 전에 부분적으로 또는 전체적으로 건조된 상태를 유지하고 있어야 한다.
바람직하게는 주조할 때 액체 금속과 접촉하게 되는 주조 주형의 표면이 코팅된다. 더 바람직하게는 주형 또는 주조 주형의 심형이 상기 코팅제로 코팅된다.
도포 후 코팅층이 건조되고, 경화 결합제를 함유하고 있다면, 결합제가 경화된다.
건조를 위해 이미 잘 알려진 모든 방법이 사용될 수 있다. 코팅은 공기 중에서 건조될 수 있으며 예를 들어 공기가 제습됨으로써 건조가 진행될 수 있다. 또한, 주조 주형에 도포된 코팅층과 함께 주조 주형이 가열될 수 있다. 가열을 위해 주조 주형은 예를 들어 전자 렌지 또는 적외선으로 조사될 수 있다. 코팅된 주조 주형은 순환 건조기에서도 건조할 수 있다. 본 발명 방법의 바람직한 실시 형태에 따르면, 코팅된 주조 주형을 순환 건조기에서 100 내지 250 oC, 바람직하게는 120 내지 180 oC 에서 건조한다. 알코올 코팅을 사용할 경우 코팅은 알코올 또는 알코올 화합물의 연소로 인해 건조된다. 이때 생성되는 연소열로 인해 코팅된 주조 주형이 추가로 가열된다.
코팅층의 건조된 상태의 층 두께는 0.1 mm 이고 바람직하게는 0.2 mm 이며 더 바람직하게는 0.3 mm 이다. 두꺼운 코팅층은 특별한 목적으로 사용할 수 있다. 건조된 층 두께는 특별한 목적을 위해 사용할 경우 바람직하게는 0.4 mm 이며 더 바람직하게는 0.5 mm 이다. 주조 주형이 열에 노출 부담이 매우 높을 경우 이와 같은 층 두께를 사용하는 것이 바람직하다. 더 바람직한 코팅층의 두께는 0.3 내지 1.5 mm 범위이다. 여기서 건조된 층 두께는 건조된 코팅층의 층 두께를 나타내며, 일반적으로 층 두께는 캐리어 액체의 완전한 제거 및 필요할 경우 코팅층의 이어지는 경화를 통해 얻어진다. 건조된 층 두께는 젖은 층 두께 콤(comb)으로 측정함으로써 결정된다.
코팅하기 전에 주조 주형은 베이스 코팅이 도포될 수 있다. 예를 들어 딥핑, 침수, 분사 또는 칠과 같이 선행 기술에서 잘 알려진 모든 방법으로 주조 주형에 베이스 코팅될 수 있다. 베이스 코팅은 주조 주형의 표면을 덮고 액체 용탕의 유입을 막기 위해 모래 구멍을 폐쇄한다. 이와 함께 베이스 코팅은 주조 주형을 액체 용탕의 열로부터 차단하는 역할을 한다. 베이스 코팅은 기본 재료로서 예를 들어, 흙, 활석, 운모, 지르코늄 실리케이트, 마그네 사이트, 알루미늄 실리케이트 또는 샤모트를 물 또는 알코올과 같은 적합한 캐리어 액체에 함유할 수 있다. 베이스 코팅의 건조한 상태의 코팅 두께는 적어도 0.1 mm 이고 바람직하게는 0.2 mm 이며 더 바람직하게는 0.45 mm 이다. 바람직하게는 베이스 코팅의 건조한 상태의 두께가 0.3 내지 1.5 mm 범위에서 선택되는 것이다. 베이스 코팅용 코팅은 수성 코팅 또는 알코올 코팅으로 형성된다.
베이스 코팅은 조성이 본 발명의 코팅과 다를 수 있다. 그러나, 필요한 경우 베이스 코팅을 본 발명의 코팅으로부터 제조하는 것이 가능하다. 바람직하게는 베이스 코팅은 본 발명의 코팅으로부터 제조된다.
전술한 방법에 의해 제조된 코팅된 주조 주형을 사용할 경우 주물의 표면 및 표면 주변의 가스 함유물에 의해 발생될 수 있는 흠결이 거의 없는 주물이 만들어진다. 따라서 본 발명의 대상은 또한 상기한 코팅으로 만들어진 코팅층을 적어도 부분적으로 포함하는 주조 주형이다.
본 발명의 주조 주형은 일회성 주조 주형을 기반으로 하는 원심 주물 방법뿐 아니라 대단위 주물 방법 및 일반적인 주물 방법에 적합하다. 따라서 본 발명의 대상은 또한 전술한 주조 주형을 금속 주조를 위해 사용하는 것이다. 본 발명의 코팅으로 제조된 코팅을 포함하는 주조 주형은 예를 들어 통, 실린더 라이너, 엔진 및 엔진 구성 요소, 기계 받침대와 터빈 및 일반적인 기계 구성 요소를 제조하기에 적합하다. 주철 주물 및 강철 주물의 경우 약 1400 oC 범위의 상대적으로 높은 온도에 이르게 되므로 효율적으로 광휘탄소 소재 구성물을 사용할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 실시예에서 더욱 상세하게 기술된다.
실시예 1
다음의 실시예에서 사용된 주조 심형 코팅은 다음과 같은 구성 성분을 함유하고 있다 (중량%):
성분 함량 (중량%) 제조사
Pyrrophyllite <　110㎛ 40.00 R.T.　Vanderbilt
Graphite < 150 ㎛ 10.00 Luh
Clay mineral 03.00 Engelhard Corporation
Butadiene styrene copolymer dispersion 05.00 Lipatone®Polymer Latex
습윤제(Wetting agent) 00.05 Henkel KGaA, DE
소포제(Defoamer) 00.20 Henkel KGaA, DE
결합 용액(Binder solution) 02.00 Wacker AG, DE
바이오사이드(Biocide) 00.20 Thor
물 39.55
코팅을 생성하기 위해, 우선 물이 높은 전단(shearing) 교반기를 장착한 컨테이너에 제공되었다. 교반기가 작동되고 흙이 첨가되며 높은 전단 조건 하에서 15분 동안 용해된다. 그런 다음 파이로필라이트 및 흑연이 첨가되고 동일한 혼합물이 만들어질 때까지 혼합물을 계속해서 15분 동안 젓는다. 그런 다음 나머지 구성 성분을 첨가하고 혼합물을 계속해서 5분 동안 젓는다.
얻어진 코팅은 30 중량% 의 탈이온수로 희석되고 DIN 53211에 따라 13 s의 점성, 플로우 컵 4 mm 및 바우메 부력 방법, DIN 12791 에 따라 결정된 40 oBe의 점성을 가진다.
주조 심형은 분사에 의해 코팅이 도포된다. 코팅층의 두께는 300 ㎛ 이다. 코팅은 우수한 플로우 특성(flow behaviour) 및 커버리지(coverage)를 나타낸다. 그런 다음 주조 주형은 순환 공기 연속 로에서 160 내지 180 oC 에서 건조된다.
비교 예:
실시예 1과 유사하게 비교 코팅이 제조되었으나 부타디엔-스티렌-고형물 함량의 공중합체가 첨가되지 않았다.
실시예2 :
각 10개의 콜드박스 주조 심형 (모래 H32, 폴리우레탄 콜드 박스 화합물 (PUCB) Part I 0.8%, PUCB Part II 0.8%)이 터보차저용으로 제조되었고 실시예 1 및 비교 예로 제조된 코팅으로 코팅되었다. 코팅층의 내마모성이 마모를 통해 주관적으로 판단되었다. 터보차저용 합금 SiMo로 1450 oC 에서 주조가 실행되었다. 주조 주형을 떼어내고 난 후 주물의 표면에 주조 결함이 발견되었다.
결과는 다음의 표에서 요약되고 있다:
표: 주조 실험
코팅 비교 예 실시예 1
코팅 도포 200 ㎛ 200 ㎛
내마모성 우수 매우 우수
핀홀을 가진 주조물 5 of 10 0 of 10

Claims (17)

  1. - 캐리어 액체;
    - 하나 이상의 분말 형태의 내화성 소재; 및
    - 하나 이상의 환원제;를 포함하는 코팅.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 환원제는 탄소 함유 화합물인 것을 특징으로 하는 코팅.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄소 함유 화합물은 광휘탄소 형성물(lustrous carbon former)인 것을 특징으로 하는 코팅.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광휘탄소 형성물은 10 중량% 미만의 산소 함유량을 가지는 것을 특징으로 하는 코팅.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광휘탄소 형성물은 석탄재 및 탄소 함유 폴리머를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 석탄재는 역청탄(bituminous coal)인 것을 특징으로 하는 코팅.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 탄소 함유 폴리머는 폴리스티렌 및 폴리스티렌의 코폴리머 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원제는 바로 사용 가능한(ready-to-use) 코팅의 무게에 대하여 5 중량% 이상의 비율로 포함되는 것을 특징으로 하는 코팅.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    결합제(binder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    바로 사용 가능한(ready-to-use) 코팅에 대하여 고형물 함량이 20 내지 80 중량% 인 것을 특징으로 하는 코팅.
  11. 주조 주형을 준비하고, 상기 주조 주형을 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항 에 따른 코팅을 적어도 부분적으로 포함하는 코팅으로 적어도 부분적으로 코팅하는 것을 특징으로 하는, 코팅된 주조 주형을 제조하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 주조 주형은 먼저 베이스 코팅이 하나 이상의 층으로 코팅되고, 상기 베이스 코팅의 층 위에 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 코팅의 하나 이상의 층을 도포하는 것을 특징으로 하는, 코팅된 주조 주형을 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 베이스 코팅은 제1항 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 코팅과 다르게 선택되는 것을 특징으로 하는, 코팅된 주조 주형을 제조하는 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    코팅층의 두께가 0.3 내지 1.5 mm 사이로 조절되는 것을 특징으로 하는, 코팅된 주조 주형을 제조하는 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주조 주형은 하나 이상의 심형을 포함하고, 상기 하나 이상의 코어는 제1항 내지 제10중 어느 한 항에 따른 코팅으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 주조 주형을 제조하는 방법.
  16. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 코팅으로 만들어진 코팅층을 적어도 부분적으로 포함하는 주조 주형.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 주조 주형은 적어도 주조 심형을 포함하고, 상기 주조 심형은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 코팅으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 주조 주형.
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