KR20110106979A - 주물용 뮬라이트·코란덤계 주형도형재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1,300℃에서 1,600℃의 고융점 금속을 규사(SiO₂)나 세라믹주물사 등으로 제작한 주형을 이용하여 주조할 때 주형을 보호하고 고융점 금속과 주형과의 반응, 소착이나 씻김 또는 용탕이 주형에 침투하는 것을 방지하여 주조 후처리 작업을 원활하게 하기 위한 뮬라이트·코란덤(Mullite·Corundum) 도형재에 관한 것이다. 우수한 도포성, 접착성, 내화성, 단열성을 발휘할 수 있도록 도형재는 Al₂O₃를 기지로 갖고 있는 뮬라이트·코란덤 미세입자로 이루어진 내화기재와 점결제, 부유제 및 용제로 구성된다.

뮬라이트, 코란덤, 주형도형재

Description

주물용 뮬라이트·코란덤계 주형도형재 {The Mullite·Corundum Washes for Casting Mould}

본 발명은 주형용 도형재에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 주물사를 사용하여 주형을 만든 후 주입되는 용탕이 주형에 침투되지 아니하고, 용탕이 응고된 후에는 주조제품과 주형의 소착을 방지하여 제품의 용이한 분리를 가능케 하고, 양호한 표면을 얻기 위한 도형재에 관한 것이다.

종래의 도형재를 보면, 내화기재로서는 지르콘, 마그네사이트, 흑연, 규사 등을 단독, 혹은 복합으로 사용하여 제조하고 있는데, 특히, 지르콘을 내화기재로 사용하는 도형제 같은 경우에는 국제적인 지르콘의 가격 앙등으로 인하여 주조사업자들이 적지 않은 어려움을 겪어 왔다.

주형이나 중자에 도형재를 사용하는 궁극적인 목적은 낮은 원가로 보다 양질의 주조제품을 만들기 위한 것이며, 다음 사항에 목표를 두어야 한다.

ㆍ 용탕의 주형 침투를 막는다.

ㆍ 후처리 시간과 비용을 감소시킨다.

ㆍ 깨끗한 주조제품 표면을 갖게 한다.

ㆍ 주조결함을 감소시킨다.

ㆍ 주입시 주형의 분위기를 조절한다.

ㆍ 탈사성을 양호하게 한다.

건조상태의 도형재는 다음과 같은 성질들을 가져야만 한다.

ㆍ 용탕의 주입온도를 견디기에 충분한 내화도를 가져야 한다.

ㆍ 주입되는 용탕에 의한 침식을 방지하기에 충분한 고온강도를 가져야 한다.

ㆍ 용탕이 침투되지 않아야 한다.

ㆍ 가스방출의 속도가 낮아야 한다.

건조상태의 도형재의 성질은 다음과 같은 도형재를 구성하고 있는 재료들의 성질과 관련된다.

ㆍ 내화기재 (Refractory)

ㆍ 점결제 (Binder)

ㆍ 부유제 (Suspension Agent)

ㆍ 용제 (Carrier)

도형재를 성질을 좌우하는 내화기재는 다음과 같이 다양한 종류의 재료들이 사용된다.

* 코크스

주로 다른 내화물과 혼합하여 주철용으로 쓰이며, 장점으로는 용융온도가 높고, 용탕과의 반응성이 낮다.

* 흑연

천연흑연과 인상흑연 등이 도형제로 이용된다. 흑연은 도형제의 내화물로 특히 많이 사용되며 순수 흑연계 도형제가 주로 자동차주물과 복잡한 주철주물 생산에 이용되며, 주강용 도형재료는 적합하지 않다.

* 규석

규석분을 흑연이나 코크스분과 혼합하여 사용하기도 하며 주강에도 사용이 가능하다.

* 지르콘

흑연과 활석분을 첨가해서 가장 흔히 사용되고 있으며 거의 모든 재질의 금속에 대하여 사용할 수 있다. 지르콘은 내화물로서의 여러 가지 우수한 성질을 가지고 있다. 내화물로 사용할 경우 주형침식에 의한 결함은 거의 일어나지 않으며, 용탕 침투결함도 방지할 수 있다.

* 운모

비교적 용융온도가 낮아서 다른 내화물과 혼합하여 주로 동합금에 대하여 사용한다.

* 활석

다른 내화물과 혼합하여 사용하며 회주철, 구상흑연주철과 비철금속에 대한 도형재의 내화물로 사용된다.

* 마그네사이트

용융온도가 높기 때문에 주강용으로 사용되며 수성계 매체에서는 침전물을 형성하기 때문에 반드시 무수매체에서 사용한다.

내화기재는 도형재의 특성을 결정하기 때문에 가장 중요하며 내화기재의 중요한 특성들은 다음과 같다.

ㆍ 용융점

ㆍ 입도와 입형

ㆍ 비중

ㆍ 화학적 활성도

ㆍ 열적팽창

ㆍ 열전도도

내화기재는 용탕 주입시 내화기재가 주형을 보호할 수 있도록 충분히 높은 용융점을 가져야 한다. 내화기재의 융점은 주형과의 그것보다 높거나 같아야 하고, 또한 소착을 방지하기 위하여 주입온도보다 높아야 한다.

내화기재의 입도는 모래입자 사이의 공간을 침투할 수 있고 또한 도형 액속에서 쉽게 부유될 수 있도록 한다. 또한 도형 작업시와 건조시에 주형과 중자 표면에 주로 남아 있도록 충분히 커야 한다.

내화기재의 비중에 따라 부유제의 특성이 결정된다. 비중이 클수록 부유 상태를 유지하는 것이 더욱 어렵다.

내화기재는 도형재 중의 다른 성분들 주형, 또는 중자 주입금속등과 화학적으로 불활성이어야 한다.

내화기재의 열팽창 특성은 주형재의 그것과 다를 수 있다. 도형재의 다른 성 분들에 의해 이러한 차이가 보완될 수 있어야 한다.

내화기재의 열전도도는, 도형재가 칠의 역할을 하고자 할 때 고려되는 인자이다. 내화물은 용탕침투, 주형침식, 주형·용탕간의 반응 등에 대한 도형의 효과를 결정하는 주요한 구성물이다.

내화기재의 선택은, 주입할 용탕의 재질, 내화기재의 기질, 일어날 수 있는 주조제품결함 등을 고려하여 정한다. 내화기재의 내화도와 열팽창성은 특히 고려할 중요한 사항이며 또한 내화기재는 입도가 알맞아야 하고, 모래나 용탕과 반응을 하지 않아야 하며, 용융금속이 스며들지 않아야 한다. 내화기재의 열전도성과, 열팽창성은 주형의 열팽창 특성에 영향을 미치고, 입도는 소성 시 균열발생에 영향을 미치며, 너무 미세하지 않아야 한다.

본 발명은 종래의 도형재 원료로서 내화재료가 가지고 있는 도형층의 내열성을 유지하면서 동시에 낮은 원가에 주조작업을 용이하게 할 수 있는 주조용 도형재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 도형재의 내화기재로서 가장 일반적으로 사용되는 지르콘 등과 동등이상의 내열성을 가지며, 열팽창성이 더욱 낮아 주형을 보호하는 효과가 증대되고, 또한 주조제품 표면을 미려하게 할 수 있는 도형재를 저렴한 가격으로 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 지르콘 대체물질로서 뮬라이트·코란덤 분말을 내화기재로 사용하 는데 특징이 있다. 뮬라이트·코란덤 분말은 보크사이트를 2,000℃ 이상의 고온으로 용해시킨 후, 용해된 보크사이트를 고압의 공기를 분사하여 비산시킴으로써 3Al₂O₃·2SiO₂ 고용체인 뮬라이트와 코란덤(Al₂O₃)이 얻어진다.

이렇게 얻어진 뮬라이트·코란덤 입자의 입도를 조절하여 200 mesh이상(통상 320 mesh 이상)의 미세한 뮬라이트·코란덤 혼합분말을 얻어 도형재의 내화기재로 사용한다. [도 1] 에서와 같이 뮬라이트·코란덤 혼합분말은 융점이 섭씨 1,850℃ 전후로, 기존 도형재의 도형기재인 지르콘사와 동등한 내화도(SK37, 1830℃)를 갖는다. [도 2] 따라서, Al₂O₃ 함량이 중량비로 70％이상인 뮬라이트·코란덤 혼합분말은 융점이 섭씨 1,850℃ 전후이기 때문에 주입온도가 1,550℃이상의 주입온도가 높은 주강이나 특수금속의 주형용 도형제로 적합하다. 또한, 뮬라이트·코란덤 혼합분말은 열팽창성이 낮아 열팽창으로 인한 주조품의 결함발생 원인을 줄여주며 [도 2] , 화학적으로도 매우 안정하다.

본 발명에 사용된 뮬라이트·코란덤 혼합분말 도형재는 내화도가 1,850℃ 달하여 [도 1] , 주입온도가 각각 1,570℃ 전후의 주강용탕이나 1,300℃ 전후의 주철용탕이 일반규사나 세라믹주물사로 제작된 주형과 반응하여 소착이나 용탕이 침투하는 것을 방지하여 주조제품의 미려한 표면을 제공하고 주조생산의 후처리 공정을 단축시켜 주는 이점이 있으며, 뮬라이트·코란덤 혼합분말의 생산원가가 지르콘에 비하여 상대적으로 상당히 저렴하여 주조 제조원가를 절감시켜 주는 효과가 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 도형뮬라이트·코란덤 혼합도형재는 주형면 바로 위에 도포되는 내화기재, 점결제 및 부유제와 용제를 포함하는 도형재로서,

본 발명에 따른 도형재는 중량％로 뮬라이트·코란덤 혼합분말의 도형기재 10-90％를 포함한다.

본 발명의 도형재에서 각 성분을 첨가한 이유와 성분의 범위를 중량％로 나타내고, 한정이유를 설명한다.

1) 내화기재에 대하여,

내화기재는 단열성을 확보하기 위한 중요한 성분이며, 뮬라이트·코란덤 혼합분말이다. 뮬라이트·코란덤 혼합분말의 함유량은 중량％로 10-90％로 한다. 본 발명이 의도하는 단열성과 도포성을 확보하기 위해서는 10％이상이 필수적이고, 90％이상의 과량시에는 높은 점도로 인하여 도형공정 자체가 어렵게 되는 문제가 있어서, 90％이하로 한정한다.

2) 점결제에 대하여,

내화기재 분말을 결합시켜 도형층을 형성하는 역할을 한다. 점결제로서는 무기점결제(수용성)와 유기점결제(알코올성)를 사용한다.

2-1) 알콜성 점결제

일반적으로 많이 사용되는 것은 페놀레진이며 2-7％ 정도를 첨가한다. 페놀레진에는 경화제인 헥사민이 포함되어 있어 용탕 접촉시 결함이 발생될 우려가 있 다. 빈솔레진도 사용이 가능하나 일반적으로 알콜성 도형제에는 페놀+빈솔이 포함된다. 빈솔레진은 침전방지, 건조시 균열방지에도 사용된다. 유기화합물도 사용할 수 있으나 대체적으로 사용을 하지 않는다. 소량의 점결제의 첨가는 일정시간 경과 후의 기재입자의 현탁성을 저하시킨다. 이것은 입자와 용매의 침윤성의 증가에 의한 것으로 볼 수 있다. 점결제의 첨가량이 다시 증가하면 당연히 도형제의 점성이 증가하여 현탁성은 양호하게 된다. 알콜성에서는 현탁제로서 벤토나이트가 주로 사용되며, 반드시 겔로 만들어서 사용한다.

2-2) 수용성 점결제

벤토나이트, 덱스트린, 유기점결제 등이 있다. 수용성에서는 침투가 문제가 되므로 최소량의 점결제를 사용하여 부착력을 증가시키고 동시에 침투력도 증가시켜야 한다.

유기점결제는 최소량으로 부착력을 증가시킬 수 있으나, 가스 발생의 문제점, 침투문제 등으로 많이 사용할 수가 없다. 사용점결제가 무기질이냐, 유기질이냐에 따라서 pH조정도 중요한 과제이다. 점결제의 양이 너무 과다하면 건조시 균열, 소착 제품에 대하여 치명적인 결함을 가져올 수도 있다. 또한 수용성에 최대로 문제가 되는 것은 도형제 자체의 기포문제이다. 기포는 대부분 혼합시 정지한 다음, 윗층에 겹으로 존재하여 디핑시 기포에 의하여 용탕 침투가 발생하여 소착불량이 발생될 염려가 있다. 대부분의 기포는 계면활성제 첨가시 많이 나타난다.

3) 부유제에 대하여,

내화기재는 비중에 의하여 밑으로 가라앉는 성향이 있으므로 부유제를 첨가 하여 도형제의 유동성을 증가시키고 도형면의 매끄러움, 도형층의 균일성을 양호하게 하지만, 사용량이 과다하면 침전, 용탕에 의한 가스불량상태로 나타난다. 또 도형제 자체의 기포도 문제가 된다. 부유제로는 주로 벤톤겔이 사용되며 2-15％ 정도가 첨가된다.

4) 용제에 대하여,

내화기재는 액체 매체 내에서 부유하며, 용제를 선택할 때는 주형재료의 점결제, 작업조건, 도형방법을 고려하여 정하여야 한다.

4-1) 물

물은 인체에 무해하고 원가가 낮으며 유동성의 조정이 쉽기 때문에 가장 중요한 용제이다. 건조기나 토오치, 램프 등으로 완전히 건조를 시킨다.

4-2) 알코올

알코올은 연소를 시켜 주어야 하며 자연 증발되었을 때도 도형층의 완전한 경화를 얻기 위해서 가열해 주어야 한다.

4-2-1) 이소프로필알콜 가장 일반적으로 사용되며 휘발성이 중간 정도이고 마취효과도 적다.

4-2-2) 에탄올, 메탄올, 부탄올

에탄올은 단독으로 사용하고, 메탄올은 다른 알코올과 혼합하여 사용한다. 석유계 솔벤트 가격은 싸지만 화염이나 폭발의 위험 때문에 잘 사용하지 않으며 트리코드에탄이 가장 안전하고 마취효과가 적다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도형재는 뮬라이트·코란덤 혼합분말로 된 내화기재와 점결제 그리고 부유제와 용제 등으로 이루어져 있다. 내화기재는 고온의 용탕으로부터 주형 표면을 보호하기 위한 열적 차단물질로 뮬라이트·코란덤 혼합분말로 구성되어 있으며, 점결제는 내화기재 분말을 결합시켜 도형층을 형성하며 또한 내화기재 도형층을 주형표면에 접착시키는 역할을 하여 주고, 부유제는 내화기재와 점결제의 농도를 균일하게 해주어 도형재의 기능을 강화시켜주며, 용제는 도형작업을 원활하게 하기 위하여 구성 재료의 농도 및 점도를 조절하는 역할을 한다.

[도 1] 은 뮬라이트와 코란덤 및 크리스토볼라이트의 온도 및 성분 조성에 따른 상변태도이다.

Al₂O₃가 중량비로 70％이상 함유하는 뮬라이트·코란덤 고용체는 액상선이 1840-1850℃에서 나타나며 액상이 나타나는 온도가 1,840-1,850℃ 이상으로 높은 내화도를 갖고 있음을 나타내고 있다. 이에 반하여 Al₂O₃를 중량비로 70％이하 함유하는 뮬라이트·크리스토볼라이트 고용체는 액상이 1,595℃부터 나타나기 시작하여 상대적으로 내화도가 낮은 것을 나타내고 있다.

[도 2] 는 주요 내화기재의 특성 비교

뮬라이트·코란덤 혼합분말은 지르콘과 동등한 내화도(1,830℃)를 갖고 있으며 일반규사보다는 약 100℃이상의 우수한 내화도를 가지고 있고, 열팽창성은 지르콘의 약 10분의 1 및 일반규사의 80분의 1에 불과한 매우 우수한 성질을 가지고 있다.

Claims (2)

1. Al₂O₃ 함량이 중량비로 70％이상 함유하는 입도크기 200 Mesh(통상 320 mesh)이상으로 미세한 뮬라이트·코란덤 혼합분말 10 - 90％를 내화기재로 포함하는 주강 및 고융점주물용 주형에 도포되는 도형재.
2. Al₂O₃ 함량이 중량비로 70％이하 함유하는 입도크기 200 Mesh(통상 320 mesh)이상으로 미세한 뮬라이트·크리스토볼라이트(Cristobalite) 혼합분말 10 - 90％를 내화기재로 포함하는 주철 및 저융점주물용 주형에 도포되는 도형재.

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