KR20120022837A - 분산액, 슬러리, 및 상기 슬러리를 이용하는 정밀 주조를 위한 주조 금형의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
a) 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 50 내지 80 중량%의 내화성 입자, b) 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 5 내지 35 중량%의 산화 알루미늄 입자, 및 c) 5 내지 35 중량%의 물을 함유하고, d) 5 내지 12의 pH를 갖는 슬러리. 분산액을 이용하는 슬러리의 제조 방법, 및 또한 상기 분산액 자체. 주조 금형의 제조 방법, 및 또한 상기 주조 금형 그 자체.
Description
본 발명은 분산액, 슬러리, 정밀 주조를 위한 주조 금형의 제조 방법, 및 또한 상기 방법에 의해 수득될 수 있는 주조 금형에 관한 것이다.
금속을 위한 정밀 주조의 하나의 형태는 로스트 왁스 공정이라고도 알려진 "매몰 주조"이다. 여기에서는, 나중에 제조될 작업편의 모델을 먼저, 왁스 또는 형상화 및 용융이 쉬운, 예를 들어 플라스틱 또는 요소와 같은 기타 재료로 제작한다. 상기 모델은 이 때 붓는 (pouring) 또는 배출 채널을 구비하고 이어서 성형된 재료 중에 둘러싸인다. 상기 모델은 여기에서 형성된 그린 금형으로부터 녹아나와 속이 빈 금형을 생성하고, 이것은 적절하다면 나중에 소부된다. 용융된 금속을 그 후 금형 내 속이 빈 공간 내에 붓고, 주조 금형 내에서 고체화시켜, 주조 금형의 제거 후 미가공의 주조가 수득될 수 있다.
주조를 수득하기 위해, 주조 금형을 파괴하고, 이어서 상기 미가공 주조를 마무리한다. 상기 주조 기술은 작업편이 정밀도의 면에서 요구하는 요건을 만족시켜야 하고, 다수의 재생산이 필요하며 복잡한 모양이 생성되어야 하는 경우에 특별히 사용된다.
주조 금형의 제조는 왁스 또는 플라스틱으로부터 주조 모델의 실재, 결합재, 내화성 입자 및 적절하다면 첨가제, 및 또한 "스터코(stucco)"라 불리는, 샌딩(sanding)을 위한, 즉 슬러리로 적셔진 왁스 모양을 코팅하기 위한 내화성 입자를 필요로 한다.
금속 주조의 종류에 따라, 주조 금형은 다양한 요건에 부합되어야 한다. 즉, 매우 내화성이고 내열성인 세라믹 주조 금형이 특히 슈퍼앨로이의 주조 또는 단일 결정 주조를 위해 사용된다.
여러 간행물이 고온의 매몰 주조 공정에 적합한 다수의 주조 금형 조성물을 기재하고 있다. 즉, US 4,188,450은 산화 알루미늄 및 이산화 규소를 기재로 하는 결합제로 주로 이루어지며, 주조 금형의 제조 중 1400℃ 초과의 온도에서 소결 단계 도중 멀라이트가 형성되는, 주조 금형을 위한 내화성 조성물을 기재하고 있다. 그러한 주조 금형의 단점은 이산화 규소 또는 멀라이트가 빈번히 앨로이 구성성분과 반응하고 따라서 다수의 형상화 공정을 불가능하게 하거나 주조의 복잡한 표면 처리를 필요로 한다는 점이다.
US 4,247,333은 산화 알루미늄을 마찬가지로 내화성 분말로 사용하고, 이산화 규소를 기재로 하는 결합재는 주조 금형의 소부 도중, 환원 조건 하에 수행되는 소부의 결과로서 제거된다. 전적으로 산화 알루미늄으로 이루어진 주조 금형이 이러한 방식으로 제조될 수 있다고 한다. 상기 방법의 단점은 그것이 고비용이고 시간-소모적이라는 점이다.
DE 2909844는 섬유성 콜로이드성 알루미나 졸이 결합제로 사용되는, 주조 금형의 제조 방법을 개시하고 있다. 상기 방법의 단점은 알루미나 졸이 단지 좁은 pH 범위에서만 겔화에 대한 적절한 안정성을 나타낸다는 사실이다. 염기성 성질을 나타내는 내화성 물질 및 산성 알루미나 졸을 포함하는 주조 금형 제조용 혼합물은 불안정성을 초래한다. 불안정성은 그 자체가 예를 들어 혼합물의 완전한 겔화로 나타난다. 뿐만 아니라 불안정성은 예를 들어 불균질성 및 균열의 형태로, 주조 금형의 허용가능한 품질을 초래하지 않는다. 가능하기만 하다면, 이러한 문제점들은 pH의 연속적인 측정 및 산의 투여에 의한 그의 수정에 의해 감소될 수 있다. 그러한 과정은 실제로 가능하지 않다.
그러므로 본 발명의 목적은 선행 기술의 단점을 갖지 않는 정밀 주조용 주조 금형을 제조하기 위한 슬러리 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 슬러리를 제조하기 위한 분산액을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 주조 금형을 제공하는 것이다.
본 발명은
a) 0.5 μm 내지 150 μm, 바람직하게는 5 내지 40 μm의 평균 입자 크기를 갖는 50 내지 80 중량%, 바람직하게는 60 내지 75 중량%의 내화성 입자 ,
b) 300 nm 미만, 바람직하게는 10 내지 200 nm, 특히 바람직하게는 60 내지 120 nm의 평균 입자 크기를 갖는 5 내지 35 중량%, 바람직하게는 10 내지 20 중량%의 산화 알루미늄 입자 ,
c) 5 내지 35 중량%, 바람직하게는 10 내지 25 중량%의 물을 함유하고,
d) 5 내지 12, 바람직하게는 7.5 내지 11의 pH를 갖는 슬러리를 제공한다.
상기 중량 백분율은 구성성분 a) 내지 c)의 합을 기준으로 한다. 슬러리는 추가의 구성성분을 추가로 함유할 수 있다.
본 발명의 슬러리는 점도 증가, 침강 및 겔화에 있어서 극히 높은 안정성을 갖는 슬러리이다. 슬러리의 안정성은 아마도 많은 부분, 입자 직경과 pH 특성의 조합으로 인한 것이다.
본 발명의 슬러리에 존재하는 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 산화 알루미늄 입자의 BET 표면적은 결정적이지 않다. 일반적으로 BET 표면적은 20 내지 200 m2/g, 바람직하게는 50 내지 120 m2/g이다. 입자는 단리된 개개의 입자로, 또는 응집된 입자로 존재할 수 있다. 혼합된 형태도 마찬가지로 가능하다.
300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 산화 알루미늄 입자로, 예를 들어 보에마이트 또는 슈도보에마이트를 사용하는 것이 가능하다. 본 발명의 슬러리가 주조금형을 제조하기 위해 사용될 경우, 가장 좋은 결과는 발열성 산화 알루미늄 입자를 사용하여 수득된다. 그 후 이들은 응집된 형태로 주로 또는 배타적으로 존재한다. 본 발명의 목적을 위해, 응집물은 서로의 위에서 확고하게 성장한 주요 입자이다. 상기 응집물은 분산 장치를 이용하여 파괴하기 어렵거나 전혀 불가능할 수 있다. 복수의 응집물은 서로에 대하여 느슨하게 부착되어 집합체를 형성하고, 이러한 현상은 적절한 분산 공정에 의해 역행될 수 있다. 평균 응집물 직경은 당업자에게 공지된 방법, 예를 들어 투과 전자 현미경에서 응집물의 광 산란 또는 계수에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 발열성은 입자가 화염 가수분해 또는 화염 산화에 의해 수득되었음을 의미한다. 여기에서는, 매우 미세하게 분쇄된 비다공성 1차 입자가 먼저 형성되고, 이들이 함께 성장하여 추가의 반응 과정 도중 응집물을 형성한다. 이들 입자의 표면은 산성 또는 염기성 부위를 가질 수 있다.
본 발명의 슬러리의 안정성을 더 증가시키기 위해, 완충된 pH가 유리한 것으로 밝혀졌다. 1종 이상의 적어도 이염기성 카르복실산 및 적어도 1종의 인산수소 디(알칼리 금속) 및/또는 인산수소 알칼리 금속의 염을 포함하는 완충액이 이러한 목적에 특히 적합하다. 완충액 구성성분의 비율은 바람직하게는 각 경우 서로 독립적으로 산화 알루미늄의 비표면적의 0.3 내지 3 x 10-6 mol/m2이다.
또한, 본 발명의 슬러리는, 슬러리의 총 중량을 기준으로 10 중량% 이하의 1종 이상의 첨가제를 함유할 수 있다. 이들은 소포제, 습윤제, 예를 들어 분산액 형태의 중합체, 폴리인산염, 금속-유기 화합물 및 항균제를 포함한다. 소포제, 습윤제, 폴리인산염, 금속-유기 화합물 및 항균제의 비율은 바람직하게는 각 경우 0.01 내지 5 중량%, 특히 바람직하게는 0.1 내지 1 중량%일 수 있다. 중합체의 비율은 바람직하게는 1 내지 5 중량%이다.
특히 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 슬러리는 1종 이상의 폴리인산염을 함유한다. 현재 방식의 작업의 맥락에서, 특히, 주조 금형의 강도는 추가 첨가제로 폴리 인산염을 가함으로써 증가될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 효과는 어쩌면 주조 금형의 제조 도중 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 산화 알루미늄 입자를 갖는 3-차원 중합체성 그물구조를 형성하는 폴리인산염에 기인할 수 있다. 본 발명의 특히 유리한 실시양태에서, 슬러리는 0.05 중량% 내지 2.0 중량%의 트리폴리인산 나트륨을 함유한다.
적합한 중합체는 네오프렌 중합체, 우레탄 중합체, 아크릴 라텍스 중합체 및 스티렌 부타디엔 라텍스 중합체이다.
본 발명의 슬러리에 존재하는 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 내화성 입자는 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 멀라이트, 안달루사이트, 지르코늄 멀라이트, 안정화된 산화 지르코늄, 산화 이트륨, 산화 코발트, 코발트-알루미늄 첨정석 및 희토류 산화물로 이루어진 군에서 바람직하게 선택된다. 특히 바람직한 것은 예를 들어 융합된 알루미나의 형태인, α-알루미늄 산화물이다. 99%를 초과하는 회분화 잔류물 기준의 산화 알루미늄 함량을 갖는 고순도 α-알루미나, 또는 95%를 초과하는 산화 알루미늄 함량을 갖는 갈색의 표준 α-알루미나가 매우 특히 바람직하다. 더 나아가서, 회분화 잔류물을 기준으로 0.1% 미만의 그의 이산화 규소 함량으로 인하여, 특정 금속의 주조를 위해 백색의 고순도 α-알루미나가 갈색의 α-알루미나보다 바람직할 수 있다. 융합된 알루미나 등급의 양자는 개방 다공도가 실제로 전혀 존재하지 않는 것으로 특징된다.
본 발명 슬러리의 특별한 장점은 점도, 겔화, 침강 및 세균 분해에 대한 그의 안정성이다.
대체로 본 발명에 따르는 슬러리는 적어도 12시간, 바람직하게는 적어도 2일의 안정성을 나타낸다.
본 발명은 또한
a1) 고체로 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 가지고,
a2) 15 중량% 초과, 바람직하게는 25 내지 70 중량%, 특히 바람직하게는 35 내지 60 중량%의 산화 알루미늄 입자 함량을 가지며,
a3) 5 내지 12, 바람직하게는 7.5 내지 9, 더욱 바람직하게는 7.5 내지 8.5의 pH를 갖는 산화 알루미늄 입자를 함유하는 수성 분산액을,
b) 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 내화성 입자 및
c) 적절하다면 첨가제와 혼합하는, 본 발명의 슬러리의 제조 방법을 제공한다.
알루미나 입자의 높은 고형분으로 인하여, 본 발명에 따르는 방법은 주조 금형을 제조할 때 슬러리의 신속한 건조를 가능하게 한다. 뿐만 아니라 본 발명에 따르는 방법은 낮은 전단 조건을 이용하여 신속한 슬러리 형성을 가능하게 한다.
즉, 대체로 최대 12시간 내에, 바람직하게는 5시간 미만에 신속한 슬러리 형성이 이루어질 수 있다. 이는 슬러리 형성에 적어도 1일이 필요한 당 분야의 기술 상태에서 상당한 개선이다.
산화 알루미늄 입자는 바람직하게는 응집된 산화 알루미늄 입자이고 특히 바람직하게는 발열성 산화 알루미늄 입자이다. 더욱이, 사용되는 분산액은 완충될 수 있다. 1종 이상의 적어도 이염기성 카르복실산, 예를 들어 시트르산 또는 타르타르산, 및 적어도 1종의 인산수소 디(알칼리 금속) 및/또는 인산수소 알칼리 금속의 염을 포함하고, 상기 완충액 구성성분의 비율이, 각 경우 서로에 대하여 독립적으로, 산화 알루미늄 비표면적의 0.3 내지 3 x 10-6 mol/m2인 완충액이 이러한 목적으로 사용될 수 있다.
사용되는 분산액의 제타 전위는 바람직하게는 -15 mV 미만이다. -25 내지 -40 mV 범위의 제타 전위가 특히 바람직하다. 제타 전위는 입자 상의 표면 전하의 척도이며, 이는 표면에 부착되는 물질에 의해 영향을 받을 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 제타 전위는 분산액 중 전기화학적 산화 알루미늄 입자/전해질 이중 층 내 전단 면에서의 전위이다. 제타 전위는 예를 들어 분산액의 콜로이드성 진동 전류(CVI)를 측정하거나 전기영동 이동성을 측정함으로써 결정될 수 있다.
또한, 1종 이상의 첨가제를 사용하는 것이 가능하다. 이는 소포제, 습윤제, 앞에서 언급한 것과 같은 중합체, 결합제, 폴리인산염, 금속-유기 화합물, 내화성 섬유 및 항균제를 포함한다. 소포제, 습윤제, 폴리인산염, 금속-유기 화합물 및 항균제는, 각 경우 슬러리를 기준으로, 바람직하게는 0.01 내지 5 중량%, 특히 바람직하게는 0.1 내지 1 중량%의 비율로 사용된다. 특히 바람직한 실시양태에서, 0.05 내지 2 중량%의 트리폴리인산 나트륨이 사용된다. 상기 중합체는 바람직하게는 슬러리를 기준으로 1 내지 5 중량%의 비율로 사용될 수 있다.
적합한 내화성 섬유는 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 질화물 섬유, 탄화물 섬유, 유리 섬유, 중합체 섬유 또는 셀룰로오스 섬유일 수 있다.
상기 방법의 특별한 실시양태에서, 개개의 또는 모든 첨가제가 상기 분산액의 구성성분이다.
본 발명은 또한
a) 산화 알루미늄 입자가 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 가지고,
b) 산화 알루미늄 입자의 함량이 15 중량%를 초과, 바람직하게는 25 내지 70 중량%, 특히 바람직하게는 35 내지 60 중량%이며,
c) 상기 분산액이 소포제, 습윤제, 중합체, 폴리인산염, 금속-유기 화합물 및 항균제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 추가로 함유하고,
d) 상기 분산액이 완충 계를 함유하며 5 내지 12, 바람직하게는 7.5 내지 9, 더욱 바람직하게는 7.5 내지 8.5의 pH를 갖는, 산화 알루미늄 입자의 수성 분산액을 제공한다.
적합한 완충 계는 예를 들어, 1종 이상의 적어도 이염기성 카르복실산 및 적어도 1종의 인산 수소 디(알칼리 금속) 및/또는 인산수소 알칼리 금속의 염을 함유하고, 그 비율은 각 경우 서로에 대하여 독립적으로, 산화 알루미늄 비표면적의 0.3 내지 3 x 10-6 mol/m2이다.
본 발명의 분산액의 제타 전위는 바람직하게는 -15 mV 미만이다. 특히 바람직한 실시양태에서, 제타 전위는 -25 내지 -40 mV이다.
본 발명에 따르는 분산액은 특히 양호한 중합체와의 상용성을 나타낸다.
본 발명은 또한
a) 본 발명의 슬러리 내에 미리 형상화된 용융가능한 모델을 담그는 단계,
b) 슬러리로 커버된 상기 모델의 표면을 50 μm 초과 내지 1000 μm, 바람직하게는 100 μm 초과 내지 400 μm의 평균 입자 크기를 갖는 조대 내화성 입자로 샌딩함으로써 코팅하는 단계, 및
c) 상기 코팅된 표면을 건조시키는 단계
를 포함하며, 상기 단계 a) 내지 c)가 상기 주조 금형에 요구되는 코팅 층의 수에 도달할 때까지 필요에 따라 종종 반복되는, 특히 정밀 주조를 위한 주조 금형의 제조 방법을 제공한다.
슬러리로 커버된 표면을 샌딩하기 위해 사용되는 50 μm 초과 내지 1000 μm의 평균 입자 크기를 갖는 조대 내화성 입자도 마찬가지로, 바람직하게는 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 멀라이트, 안달루사이트, 지르코늄 멀라이트, 안정화된 산화 지르코늄, 산화 이트륨 및 희토류 산화물로 이루어진 군에서 선택된다.
본 발명 방법의 특히 바람직한 실시양태에서, 산화 알루미늄 입자는 5 μm 내지 40 μm의 평균 입자 직경을 갖는 내화성 입자로서, 및 100 μm 초과 내지 200 μm의 평균 입자 크기를 갖는 조대 내화성 입자의 양자로서 사용된다.
일반적으로, 본 발명의 방법은 마지막 건조 단계 후 소결 단계를 포함한다. 이는 그의 나중 용도를 위해 충분한 강도가 수득된 주조 금형을 제공한다. 그러나, 추가의 소결 단계 없이 공정을 수행하고, 정밀 주조 도중 "그 자리에서" 수득된 주조 금형을 강화하는 것도 가능하다.
본 발명의 슬러리의 사용은 매우 일정한 건조 속도를 수득할 수 있게 한다. 이는 주조 금형의 건조가 매우 서서히 일어나서, 주조 금형에 임의의 손상이 생기지 않도록 함을 의미한다.
본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 수득될 수 있는, 특히 정밀 주조를 위한 주조 금형을 제공한다.
본 발명은 세 종류의 입자, 즉 0.5 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 내화성 입자, 50 초과 내지 1000 μm의 평균 입자 크기를 갖는 조대 내화성 입자 및 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 산화 알루미늄 입자를 포함한다.
주조 금형은 바람직하게는, 회분화 잔류물을 기준으로, 적어도 98 중량%의 산화 알루미늄을 포함한다.
또한, 이산화 규소를 본질적으로 함유하지 않는 주조 금형이 유리할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 이는 이산화 규소의 비율이 2 중량% 이하, 바람직하게는 0.5 중량% 이하, 특히 바람직하게는 0.1% 이하임을 의미한다.
더 나아가서, 그의 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 산화 알루미늄 입자가 발열성 산화 알루미늄 입자인 주조 금형이 유리할 수 있다.
산화 알루미늄으로 주로 이루어진, 즉 적어도 98 중량%의 산화 알루미늄을 포함하는 본 발명에 따르는 주조 금형에 요구되는 소결 온도는 통상적으로 약 900 내지 1400℃, 바람직하게는 약 1350℃이고, 이산화 규소를 함유하는 결합제에 기초하여 통상적으로 제조된 주조 금형의 것과 필적할만한 상기 주조 금형의 기계적 성질은 약 3 시간의 소결 시간 후에 수득될 수 있다. 그러나, 본 발명의 주조 금형은 화학적으로 매우 비활성이고, 따라서 실제로 모든 슈퍼앨로이에 사용될 수 있다는 점에서 종래의 주조 금형에 비하여 장점을 갖는다.
실시예
분산액 1의 제조:
60 리터 스테인레스 스틸제 제조 용기에 탈이온수를 넣었다. 그 후, 이스트랄 콘티(Ystral Conti)-TDS 3의 흡인 관을 이용하여 (고정자 슬릿: 4 mm 링 및 1 mm 링, 회전자-고정자 간격 약 1 mm) 전단 조건 하에 산화 알루미늄 분말(1)을 흡인하였다. 다음, 무수 시트르산, 인산수소 이나트륨 이수화물 및 물의 완충 용액을 가하고 추가의 산화 알루미늄 분말(2)을 흡인해 넣었다. 상기 도입이 완료되면, 흡인 포트를 닫고 상기 혼합물을 3000 rpm에서 추가 10분 동안 전단하였다. 분마가 완료된 후 보존제를 가하였다.
상기 예비분산액을 수기노 울티마이저 (Sugino Ultimaizer) HJP-25050 고-에너지 밀을 통해 2500 bar의 압력에서 0.3 mm 직경을 갖는 다이아몬드 노즐로 2회 통과시키고, 이러한 방식으로 추가의 강력한 밀링을 실시하였다.
| 분산액 | 1 | |
| 탈이온수 | kg | 41.1 |
| Al2O3 분말 (1) (2) |
kg kg |
에어록시드(AEROXIDE)？ Alu C* 5.8 28.2 |
| 완충 용액 시트르산 Na2HPO4 이수화물 물 |
kg kg kg |
1.70 1.42 6.70 |
| 보존제 | g |
액티사이드(Acticide)？ MV** 77 |
| 48 h 후 pH | 7.5 | |
| 고형분 | 중량% | 40 |
| 평균 입자 직경 | nm | 86 |
| *에보닉 데구사 게엠베하 (Evonik Degussa GmbH)의 제품; **토르(THOR)의 제품 | ||
슬러리의
제조
슬러리 2a: 슬러리를 제조하기 위해, 실시예 1에서 수득된 3 kg을 반응 용기에 넣고, 총 7 kg의 0 내지 325 메쉬로 체질된, 전자융합된 α-알루미나(산화 알루미늄 백색 WRG, 트라이바허 슐라이프미텔 (Treibacher Schleifmittel))를 거의 한 번에 가하였다. 알콜 알콕시드를 기재로 하는 0.075 중량%의 습윤제 (테고 수르텐 (TEGO SURTEN W 111, 에보닉 인더스트리즈 (EVONIK Industries)) 및 이어서 0.02 중량%의 소포제(버스트 (Burst) 100, 레메트 (REMET))를 가하였다.
이러한 방식으로 수득된 혼합물을, "잔(Zahn)4" 유동 컵을 이용하여 측정된 점도가 18 내지 23 초의 값에 도달할 때까지 낮은 전단 속도로 교반하였다.
이러한 유형의 점도 측정에서, 측정될 액체는, 액체의 도입 후, 예를 들어 유리 판에 의해 초기에 폐쇄된 그의 아랫면 위에 유출 노즐을 갖는 수평으로 정렬된 점도 컵 내에 특정의 충전 높이가 되도록 도입된다. 유리 판의 제거에 의해 유출 노즐이 개방되자마자 시간 측정이 시작된다. 동적 점도는 유출 스트림이 처음으로 그칠될 때까지 시간 경과에 따라 초 단위로 측정한 다음, 그 후에는 센티스트로크(cST)로 전환될 수 있다. 그러한 점도 측정에서, 측정 범위 또는 측정 방법에 따라 다양한 유형의 컵이 사용될 수 있다. 이 경우, 노즐 크기 4를 갖는 엘코미터(ELCOMETER)？ 2210 잔 유동 컵이 사용되었다. 점도의 안정화는 분산액, 물 또는 내화성 입자의 목적한 첨가에 의해 수행되었다.
이러한 방식으로 제조된 슬러리는 주조 금형의 제조를 위해 통상적인 방식으로 사용될 수 있다.
슬러리 2b: 트리폴리인산 나트륨 0.1 중량%를 가한 것 외에는 슬러리 2a와 유사함.
슬러리 2c: 트리폴리인산 나트륨 0.43 중량%로 변동된 것 외에는 슬러리 2b와 유사함.
주조 금형의 제조
주조 금형 3a: 주조 금형을 제조하기 위해, 핸들이 구비되고 50 mm x 80 mm x 3 mm의 치수를 갖는, RW 161(레메트 제품)을 기재로 하는 왁스 모델을 사용하고, 제1 코팅 단계에서, 실시예 2a로부터의 슬러리 내에 8초 동안 담그었으며, 상기 핸들은 나중에 왁스가 녹아 나오는 것을 가능하게 하도록 슬러리로 완전히 커버되게 하지 않았다. 이러한 방식으로 슬러리로 코팅된 모델을 약 18초 동안 물기가 빠지게 두고, 이어서 약 30 cm 높이에서 떨어지는 산화 알루미늄 알로두르(ALODUR)？ ZWSK 90(트라이바허 슐라이프미텔)의 조대 내화성 입자의 샌드 스트림에, 더 이상의 입자가 표면에 부착되지 않을 때까지 노출시켰다. 이어서 실온 및 30 내지 60%의 대기 습도에서 12시간 동안 건조를 수행하였다. 상기 모델을 그 후 슬러리에 다시 담그고, 슬러리-코팅된 모델을 약간 더 조대한 내화성 입자(산화 알루미늄 알로두르？ ZWSK 60, 트라이바허 슐라이프미텔)를 이용하여 같은 조건 하에 샌딩하였다. 이후의 실온 및 30 내지 60%의 대기 습도에서의 건조는 3시간으로 단축하였다.
이러한 중간 층 후에, 2개의 추가의 지지체 층을 더 조대한 내화성 입자(산화 알루미늄 알두르？ ZWSK 30, 트라이바허 슐라이프미텔)를 사용하여 적용하였다. 상기 지지체 층을 3시간 동안 건조시켰다. 최종 층을 이어서, 조대 내화성 입자를 이용한 추가의 샌딩 없이 상기 슬러리 내에 모델을 단순히 침지시킴으로써 적용하였다.
이는 그 왁스 코어가 100℃의 오븐에서 녹아나오는, 3.7 내지 4.2 mm의 층 두께를 갖는 주조 금형을 제공하였다.
주조 금형 3b: 슬러리 2b를 사용한 것 외에는 실시예 3a와 유사함.
주조 금형 3c: 슬러리 2c를 사용한 것 외에는 실시예 3a와 유사함.
비교예
주층을 위한 슬러리 (4 ba ): 주층을 위한 슬러리를 제조하기 위해, 18 중량%의 시판되는 마무리된 결합제를, 0 내지 325 메쉬로 체질된 82 중량%의 지르콘 모래(ZrSiO4)와 혼합하였다. 약 30 중량%의 콜로이드성 실리카 및 약 70 중량%의 물로 주로 이루어진 레마솔 아본드(REMASOL？ ABOND？)(레메트 제품)를 결합제로 사용하였다.
중간 및 지지체 층을 위한 슬러리 (4 bb ): 슬러리를 제조하기 위해, 콜로이드성 실리카를 기재로 하는 18 중량%의 시판되는 마무리된 결합제(레메트의 제품인 레마솔？ SP-울트라(ULTRA) 2408)를, 200 메쉬로 체질된 82 중량%의 몰로카이트(규산 알루미늄)와 혼합하였다. 결합제는 34 중량%의 콜로이드성 실리카 및 66 중량%의 물을 포함하였다.
주조 금형 4a: 상기 언급된 두 경우에, 조대 내화성 입자의 양을 먼저 소량씩 분할한 다음, 소량씩 가하였는데, 상기 중간 및 지지체 층을 위한 슬러리 4bb의 점도는 8 내지 10초로 설정된 한편, 주요 코팅을 위한 슬러리 4ba의 점도는 18 내지 24초로 설정되었다 (엘코미터？ 2210 잔 4 유동 컵으로 측정). 점도 설정 도중 증발된 액체의 양은 물을 가하여 대체하였다. pH는 8 내지 10.5였다.
동등한 모델을 먼저 주층을 위한 슬러리 내에 8초 동안 담그고 나서, 물기가 빠진 후, 100 내지 200 μm의 입자 크기의 내화성 입자인 지르콘 모래로 샌딩함으로써, 주조 금형 3a와 유사한 방식으로 주조 금형을 제조하였다. 몰로카이트 30 내지 80 메쉬가 중간 층을 위한 조대 내화성 입자로 사용된 한편, 몰로카이트 16 내지 30 메쉬가 2개의 지지체 층을 위해 사용되었다. 최종 층은 추가의 샌딩 없이 슬러리 4bb를 사용하여 형성되었다.
여기에서도, 층 두께는 3.7 내지 4.2 mm였다. 왁스 코어는 오븐 중 100℃에서 녹아나왔다.
소결된 주조 금형: 주조 금형 3a, 3b, 3c 및 4a를 다양한 온도에서 건조 및 소결시켜 주조 금형 3aa, 3ba, 3ca 및 4aa를 형성한 다음, 그들의 기계적 강도 및 또한 그들의 기체 투과성을 측정하기 위해 시험하였다. 해당하는 시험 결과를 표 2 및 3에 요약한다.
| 주조 금형 |
CMOR [N/mm2] | ||
| 120℃ | 1100℃ | 1350℃ | |
| 3aa | 2.3 | 0.8 | 4.7 |
| 3ba | 4.5 | 3.4 | 10.1 |
| 3ca | 10.0 | 7.8 | 19.2 |
| 4aa* | 2.3 | 7.2 | 14.0 |
| *비교 | |||
| 온도 [℃] | 기체 투과성 [L/min] | |
| 3aa | 4aa* | |
| 950 | 0.22 | 0.28 |
| 1000 | 0.23 | 0.29 |
| 1050 | 0.36 | 0.42 |
| 1100 | 0.55 | 0.50 |
| 1150 | 0.74 | 0.78 |
| *비교 | ||
강도는 120℃에서 건조 또는 1100℃ 또는 1350℃에서 소결된 시험 견본을 사용하여 3-점 굴곡 시험에서 측정되었다. 0.43 중량%의 트리폴리인산 나트륨을 함유하는 견본은 모든 처리 온도에서 모든 견본의 가장 높은 강도 값을 나타냈다.
그러나, 상기 강도는 금형의 정밀 주조를 위한 적합성을 위한 기준만이 아님에 주목해야 한다. 높은 강도가 주조 도중 금형의 내구성을 보증하며, 이것이 주조 금형의 사용을 위한 필수불가결한 전제조건임에도 불구하고, 동시에 지나치게 높은 강도는 나중에 금형의 제거를 더욱 어렵게 한다.
충분한 강도를 갖는 비교 견본 4aa가 정밀 주조를 위해 요구되는 강도에 지침으로 사용될 수 있다.
요약하면, 본 발명의 방법은 목적한 열 처리, 및 적절하다면 트리폴리인산 나트륨과 같은 첨가제의 첨가에 의해 정밀 주조를 위해 충분히 강하고 이산화 규소를 실제로 함유하지 않는 주조 금형을 수득하는 것을 가능하게 한다고 말할 수 있다.
US 5,297,615에 개시된 방법에 비하여, 본 발명은 산화 알루미늄으로 이루어지고 양호한 강도 값을 갖는 주조 금형의 더욱 간단한 제조를 가능하게 한다.
US 5,297,615에 사용된 슬러리에 비하여, 본 발명의 슬러리는 높은 안정성을 갖는다.
영국 표준(BS 1902; 섹션 10.2; 1994)을 근거로 하는 방법에 의해 수행된 측정에 기반한, 표 3에 나타낸 결과로부터, 주조 금형을 위한 표준 재료의 것에 필적할 만한 기체 투과성 값이 또한 수득되었음을 알 수 있다.
실시예
5: 건조 속도
표 4는 본 발명에 따르는 슬러리 2b 및 비교 슬러리 4ba의 경우 상도(즉, 왁스 모델 위의 제1 층)의 건조 속도를 나타낸다. 건조 속도는 25℃의 온도 및 75%의 상대 대기 습도에서 촉촉한 층의 중량 감소 백분율을 표현한다.
| 시간 [min] | 슬러리 4ab | 슬러리 2b |
| 5 | 100 | 100 |
| 15 | 98.1 | 99.3 |
| 25 | 97.1 | 98.5 |
| 35 | 96.5 | 97.8 |
| 50 | 96.2 | 97.2 |
| 65 | 96.0 | 96.9 |
| 95 | 95.8 | 96.3 |
| 125 | 95.7 | 95.9 |
| 155 | 95.6 | 95.7 |
| 185 | 95.5 | 95.6 |
| 215 | 95.4 | 95.5 |
표 4로부터 슬러리 4ba 층의 중량 감소는 처음 100분 내에 더욱 신속하게(즉 높은 건조 속도로) 진행되고, 이어서 본 발명에 따르는 슬러리 2b의 것에 근접하는 것이 분명하다. 처음 몇 분 동안의 매우 신속한 건조 속도는, 이것이 강력한 열 흡수 및 왁스 패턴의 수축을 초래하고 따라서 주조 금형에 손상을 초래하므로 바람직하지 않다. 이러한 이유로, 처음 몇 분 동안 상당히 더 낮은 중량 감소를 일으키는, 슬러리 2b의 층의 건조는 실질적으로 더 온화하며, 따라서 보다 적은 결함을 갖는 주조 금형이 수득되는 것으로 생각할 수 있다.
Claims (15)
- a) 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 50 내지 80 중량%의 내화성 입자,
b) 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 5 내지 35 중량%의 산화 알루미늄 입자, 및
c) 5 내지 35 중량%의 물을 함유하고,
d) 5 내지 12의 pH를 갖는
것을 특징으로 하는 슬러리. - 제1항에 있어서, 산화 알루미늄 입자가 응집된 것을 특징으로 하는 슬러리.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 산화 알루미늄 입자가 발열성 산화 알루미늄 입자인 것을 특징으로 하는 슬러리.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 완충된 것을 특징으로 하는 슬러리.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 슬러리의 총 중량을 기준으로 10 중량% 이하의, 소포제, 습윤제, 중합체, 폴리인산염, 금속-유기 화합물 및 항균제로 이루어진 군에서 선택된 추가의 첨가제를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 슬러리.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 내화성 입자가 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 멀라이트, 안달루사이트, 지르코늄 멀라이트, 안정화된 산화 지르코늄, 산화 이트륨, 코발트-알루미늄 첨정석, 산화 코발트 및 희토류 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 슬러리.
- a1) 고체로 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 가지고,
a2) 15 중량% 초과의 산화 알루미늄 입자 함량을 가지며,
a3) 5 내지 12의 pH를 갖는 산화 알루미늄 입자를 함유하는 수성 분산액을,
b) 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 내화성 입자 및
c) 적절하다면 첨가제와 혼합하는
것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 슬러리의 제조 방법. - a) 산화 알루미늄 입자가 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 가지고,
b) 산화 알루미늄 입자의 함량이 15 중량%를 초과하며,
c) 상기 분산액이 소포제, 습윤제, 중합체, 폴리인산염, 금속-유기 화합물 및 항균제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 추가로 함유하고,
d) 상기 분산액이 완충 계를 함유하며 5 내지 12의 pH를 갖는
것을 특징으로 하는, 산화 알루미늄 입자의 수성 분산액. - 제8항에 있어서, 상기 분산액을 기준으로 0.05 내지 2.0 중량%의 트리폴리인산 나트륨을 함유하는 것을 특징으로 하는 수성 분산액.
- a) 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 슬러리 내에 미리 형상화된 용융가능한 모델을 담그는 단계,
b) 슬러리로 커버된 상기 모델의 표면을, 50 μm 초과 내지 1000 μm의 평균 입자 크기를 갖는 조대 내화성 입자로 샌딩(sanding)함으로써 코팅하는 단계, 및
c) 상기 코팅된 표면을 건조시키는 단계
를 포함하며, 상기 단계 a) 내지 c)가 상기 주조 금형에 요구되는 코팅 층의 수에 도달할 때까지 필요에 따라 종종 반복되는, 주조 금형의 제조 방법. - 제10항에 있어서, 50 μm 초과 내지 1000 μm의 평균 입자 크기를 갖는 조대 내화성 입자가 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 멀라이트, 안달루사이트, 지르코늄 멀라이트, 안정화된 산화 지르코늄, 산화 이트륨, 코발트-알루미늄 첨정석, 산화 코발트 및/또는 희토류 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제10항 또는 제11항에 따른 방법에 의해 제조된 주조 금형.
- 제12항에 있어서, 98 중량%를 초과하는 산화 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 금형.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 이산화 규소를 본질적으로 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 주조 금형.
- 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 산화 알루미늄 입자가 발열성 근원의 것임을 특징으로 하는 주조 금형.
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