KR20130044014A - 주조 주형 제조용 접합제 - Google Patents

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정연길
김은희
이재현
조근호
이창섭
차선융
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창원대학교 산학협력단
현대메티아 주식회사
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Abstract

본 발명은 주조 주형의 출발 분말 1~80 중량%, 콜로이드 실리카 1~40 중량%, 실리카 전구체 1~40 중량%, 금속 알콕사이드 1~60 중량% 및 알콜계 용제 1~10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제에 관한 것이다. 본 발명의 주조 주형 제조용 접합제를 사용하여 주조 주형을 제조하는 경우 주형품의 접합 성능을 증대시켜 주조품의 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 불량품의 생산량을 저하시켜 불량품의 저하로 생산비용을 절감할 수 있고, 고온에서의 높은 기계적 특성을 가진 주형품을 제작할 수 있다.

Description

주조 주형 제조용 접합제 {ADHESION AGENT FOR MANUFACTURING SHELL MOLD}
본 발명은 주조 주형 제조용 접합제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 주조 주형 제작에 사용되는 중자 본드보다 높은 열적 특성 및 강도를 가지는 주조 주형 제조용 접합제에 관한 것이다.
현재의 주조품은 상하단의 주형들을 중자 본드로 접합하여 그 사이에 주물을 주입하여 제작한다. 하지만, 현재 주형 제작에 사용되는 중자 본드는 낮은 열적 특성과 강도로 인해 용탕 온도에서 쉽게 붕괴되어 주조품의 불량 발생 및 생산비용의 상승 등의 단점을 가지고 있다.
또한 한국공개특허 제1996-0076977호에서는 주형용 결합제 수지 조성물을 개시하고 있다.
상기 주형용 결합제 수지 조성물은 유기에스테르 화합물로 경화가능한 수용성 페놀수지와, 수용성 페놀수지의 중량을 기준으로 금속원소로 환산하여 0.0005 내지 5 중량%의 양의 금속원소를 함유하는 화합물로 이루어지며, 상기 금속원소는 Cu, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Sc, Y, Al, Ga, In, Tl, Ti, Zr, Hf, Sn, Pb, V, Nb, Ta, Bi, Cr, Mo, W, Po, Mn, Tc, Re, Fe, Co, 및 Ni로 구성되는 군으로부터 선택된다.
본 발명자들은 상기 현재 주형 제작에 사용되는 중자 본드의 낮은 열적 특성과 강도를 개선할 수 있는 주조 주형 제조용 접합제를 개발하고자 연구를 거듭하였고, 상기 한국공개특허와는 다른 성분으로 이루어진 주조 주형 제조용 접합제를 개발하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 높은 온도 (1500~1600 ℃)의 용융 주조물에 견딜 수 있으며, 주형의 접합 성능을 향상시킬 수 있는 주조 주형 제조용 접합제를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 주형품의 접합 성능을 증대시켜 주조품의 품질 향상 및 불량품의 생산량 저하로 생산비용을 절감할 수 있는 주조 주형 제조용 접합제를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 주조 주형의 출발 분말 1~80 중량%, 콜로이드 실리카 1~40 중량%, 실리카 전구체 1~40 중량%, 금속 알콕사이드 1~60 중량% 및 알콜계 용제 1~10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 주조 주형의 출발 분말로는 실리카 (SiO2) 비드, 산화알루미늄 (Al2O3) 비드, 실리카와 산화알루미늄이 혼합된 비드를 사용할 수 있다.
상기 실리카 전구체는 실리케이트계 화합물, 실록산계 화합물, 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 실리케이트계 화합물로는 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라 프로폭시실란, 테트라부톡시실란, 테트라이소프록폭시실란, 메톡시트리에톡시실란, 디메톡시디에톡시실란, 에톡시트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 테트라메톡시메틸실란, 테트라메톡시에틸실란, 테트라에톡시메틸실란, 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한 상기 실록산계 화합물로는 디오가노디클로로실란, 디메틸디클로로실란, 에틸메틸디클로로실란, 디에틸디클로로실란, 디-n-프로필디클로로실란, 디-i-프로필디클로로실란, 헥실메틸디클로로실란, 디-n-부틸디클로로실란, 디-i-부틸디클로로실란, 디-t-부틸디클로로실란, n-부틸메틸디클로로실란, 폴리다이메틸 실록산, 직쇄 하이드록시 말단 블록화 폴리오가노실록산, 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 금속 알콕사이드는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
M-O-R
상기 M은 알칼리 금속이고, R은 수소 또는 알킬기임.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 알킬기로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 이소프로필기, 헥실기, 사이클로 헥실기를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 알콜계 용제로는 메틸알콜, 에틸알콜, 프로필알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 이소부틸알콜, 헥실알콜, 사이클로헥실알콜 등을 사용할 수 있다.
본 발명은 높은 온도의 용융 주조물에 견딜 수 있으며, 주형의 접합 성능을 향상시켜 주조 주형 제조용 접합제를 제공함으로써 주형품의 접합 성능을 증대시켜 주조품의 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 불량품의 생산량을 저하시켜 생산비용을 절감할 수 있고, 고온에서의 높은 기계적 특성을 가진 주형품을 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 주조 주형 제조용 접합제를 이용한 주조 주형의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 주조 주형의 접합면에 대해 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1에서 제조한 주조 주형의 접합면에 대해 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 2에서 제조한 주조 주형의 접합면에 대해 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 제조 과정에서 열처리 전과 열처리 후의 주조 주형을 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 시험예 1에서 측정한 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 주조 주형의 파괴 강도를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 주조 주형 제조용 접합제를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 주조 주형 제조용 접합제는 주조 주형의 출발 분말 1~80 중량%, 콜로이드 실리카 1~40 중량%, 실리카 전구체 1~40 중량%, 금속 알콕사이드 1~60 중량% 및 알콜계 용제 1~10 중량%를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 주조 주형 제조용 접합제에는 주조 주형의 출발 분말이 포함된다.
상기 주조 주형의 출발 분말은 실리카 (SiO2) 비드, 산화알루미늄 (Al2O3) 비드, 실리카와 산화알루미늄이 혼합된 비드를 사용할 수 있으며, 본 발명의 주조 주형 제조용 접합제의 접합 효율을 증대시키기 위해 중간체로서 사용된다.
상기 실리카 전구체로는 실리케이트계 화합물, 실록산계 화합물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명에서는 실리카, 산화알루미늄 또는 이들의 혼합물로 제조되는 주형의 표면에 본 발명에 따른 주조 주형 제조용 접합제를 도포하여 주형품을 접합시키는 경우 주조 주형 제조용 접합제는 고강도의 무기 바인더로 치환되어 높은 온도의 용융 금속에도 견딜 수 있다.
본 발명에서 상기 실리케이트계 화합물로는 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라 프로폭시실란, 테트라부톡시실란, 테트라이소프록폭시실란, 메톡시트리에톡시실란, 디메톡시디에톡시실란, 에톡시트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 테트라메톡시메틸실란, 테트라메톡시에틸실란, 테트라에톡시메틸실란, 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 실록산계 화합물로는 디오가노디클로로실란, 디메틸디클로로실란, 에틸메틸디클로로실란, 디에틸디클로로실란, 디-n-프로필디클로로실란, 디-i-프로필디클로로실란, 헥실메틸디클로로실란, 디-n-부틸디클로로실란, 디-i-부틸디클로로실란, 디-t-부틸디클로로실란, n-부틸메틸디클로로실란, 폴리다이메틸 실록산, 직쇄 하이드록시 말단 블록화 폴리오가노실록산, 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 직쇄 하이드록시 말단 블록화 폴리오가노실록산의 말단기는 하이드록시기, 알킬기, 비닐기 또는 수소인 것이 바람직하다.
본 발명에서 금속 알콕사이드는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
M-O-R
상기 M은 알칼리 금속이고, R은 수소 또는 알킬기이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 알킬기로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 이소프로필기, 헥실기, 사이클로 헥실기를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 주조 주형의 출발 분말과 주조 주형 제조용 접합제의 접합력을 증대시키기 위해, 즉 본 발명의 주조 주형 제조용 접합제의 유리화 효율 향상과 점도 증가를 위해 콜로이드 실리카를 사용한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 알콜계 용제로는 메틸알콜, 에틸알콜, 프로필알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 이소부틸알콜, 헥실알콜, 사이클로헥실알콜 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 주조 주형 제조용 접합제는 하기와 같은 가수분해 반응 및 졸-겔 반응과 유리화 반응을 거쳐 고강도의 무기 바인더로 치환된다.
(1) 가수분해 및 졸-겔 반응
[반응식 1]
MOR + H2O → ROH + MOH
[반응식 2]
nSi(OR)4 +4nH2O → nSiO2 + 4nROH
상기 반응에서 MOR, ROH, MOH, Si(OR)4 및 SiO2 는 각각 금속 알콕사이드, 알콜, 수산화금속, 알킬 실리케이트 및 실리카로 명명된다. 금속 알콕사이드와 알킬 실리케이트는 물에 의해 수산화금속, 실리카, 알콜로 가수분해되며, 특히 알킬 실리케이트는 가수분해 반응과 동시에 가수반응을 통해 생성된 실란올 (SiOH) 분자끼리 반응하는 축합 반응 즉, 졸-겔 반응으로 규산염을 생성시킨다.
(2) 유리화 반응
[반응식 3]
2MOH + SiO2 → M2O· SiO2 + H2O
금속 실리케이트(규산염)는 약 1000 ℃ 온도에서 수산화금속과 실리카의 반응으로 합성된다. 상기 반응에서 사용된 수산화금속은 유리상을 쉽게 생성시키기 위한 네트워크 개질제(network modifier)로 사용된 것이다. 본 발명에서는 점도 제어와 유리화 효율을 증가시켜 고온에서의 열적 기계적 특성을 향상시키기 위해 콜로이드 실리카를 사용하며, 접합제의 접합 효율을 증대시키기 위해 주형 제작에 사용되는 출발 분말을 중간체로 이용한다.
상술한 본 발명에 따른 주조 주형 제조용 접합제는 도 1에 도시된 방법으로 주조 주형의 접합에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 주조 주형 제조용 접합제는 주조 주형 제조용 접합제를 혼합하는 단계, 무기 바인더가 코팅된 주형의 한쪽 면에 상기 혼합된 주조 주형 제조용 접합제를 도포하는 단계, 상기 주조 주형 제조용 접합제가 도포된 주형과 다른 한쪽의 주형을 접합하는 단계, 접합된 주형을 건조하는 단계 및 건조된 주형을 열처리하는 단계를 거쳐 수행될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 주조 주형 제조용 접합제의 가수분해 반응과 함께 이에 포함된 알콜계 용제 또는 가수분해 반응 중에 생성된 알콜을 건조시키는 공정을 포함한다.
본 발명에서 상기 건조 공정은 80~100 ℃ 의 건조기에서 0.5~2 시간 동안 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 주조 주형 제조용 접합제를 사용하는 경우 가수분해 반응을 위한 공정과정이 별도로 필요치 않아 공정 시간이 단축된다. 상기와 같은 과정에 의해 주형품이 만들어진다.
또한, 본 발명에서는 건조 공정을 거친 주형에 대해 열처리 공정을 수행하며, 상기 열처리 공정은 900℃ 이상에서 0.5 내지 2시간 동안 수행된다.
이와 같이 건조 과정에서 생성된 실리카와 수산화 금속이 열처리 공정에 의해 금속 실리케이트라는 유리질을 생성시키고, 생성된 유리질에 의해 주형 접합제의 강도 발현이 구현될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 시험예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시예, 시험예 및 도면은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
실시예 1
다음 표 1에 나타낸 주형 출발물질, 콜로이드 실리카, TEOS, PDMS, NaOMe, 이소부틸알콜을 사용하여 다음과 같은 방법으로 주조 주형 제조용 접합제를 제조하였다. 표 1에서 각 성분 별로 표시된 수치는 중량비를 나타낸다.
접합제의 접합 효율을 증대시키기 위해 중간체로 사용된 주형 출발물질에 콜로이드 실리카 및 TEOS, PDMS, NaOMe, 이소부틸알콜로 혼합된 무기 바인드를 상온에서 혼합한 뒤, 무기 바인더가 코팅된 주형의 한쪽 면에 상기 혼합한 접합제를 도포한다. 접합제가 도포된 주형과 접합제가 도포되지 않은 다른 한쪽의 주형을 접합한 뒤, 80 ℃ 의 건조기에서 1 시간 건조시킨다. 건조된 주형은 1000 ℃ 의 건조기에서 1시간 동안 열처리하여 주조 주형 시편을 제작하였다.
[표 1]
Figure pat00001

실시예 1에 의해 제작된 주조 주형의 접합부에 대해 촬영한 주사전자현미경 사진을 도 2에 나타내었으며, 열처리 전의 사진을 도 5의 (C-1)에 나타내었고, 열처리 후의 사진을 도 5의 (C-2)에 나타내었다.
비교예 1
접합제로서 중자 본드(대호산업 사제)를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 주조 주형을 제조하였고, 상기 주조 주형의 접합부에 대해 촬영한 주사전자현미경 사진을 도 3에 나타내었다. 또한 비교예 1에서 주조 주형의 열처리 전의 사진을 도 5의 (a-1)에 나타내었고, 주조 주형의 열처리 후의 사진을 도 5의 (a-2)에 나타내었다.
비교예 2
접합제로서 몰타르(제품명 : 수퍼 3000, 한국 특수내화 사제)를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 주조 주형을 제조하였고, 상기 주조 주형의 접합부에 대해 촬영한 주사전자현미경 사진을 도 4에 나타내었다. 또한 비교예 2에서 주조 주형의 열처리 전의 사진을 도 5의 (b-1)에 나타내었고, 주조 주형의 열처리 후의 사진을 도 5의 (b-2)에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 주조 주형 제조용 접합제를 사용하여 제조된 주조 주형은 높은 열적 특성을 나타내어 높은 열처리 후에도 파괴되지 않고 높은 강도를 유지하는 것을 알 수 있다.
시험예 1 : 파괴 강도 측정시험
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조한 주조 주형에 대해 파괴 강도를 측정하여 도 6에 나타내었다.
상기 파괴 강도는 만능 시험기 (universial testing machine)를 이용하여 4-point bending mode, 0.5 mm/min의 속도로 상온에서 5회 측정한 값의 평균값이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에서와 같이 주조 주형 제조용 접합제를 사용하여 주조 주형을 제조하는 경우 비교 예들에 비해 2 배 이상 파괴 강도가 향상되는 것을 알 수 있다. 반면 몰타르를 접합제로 사용하여 제조된 비교예 2의 주조 주형은 파괴 강도가 가장 낮으며, 중자본드를 접합제로 사용하여 제조된 비교예 1의 주조 주형은 이보다 약간 높으나 본 발명의 실시예 1에서 제조된 주조 주형보다 낮음을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 주조 주형의 출발 분말 주조 주형의 출발 분말 1~80 중량%, 콜로이드 실리카 1~40 중량%, 실리카 전구체 1~40 중량%, 금속 알콕사이드 1~60 중량% 및 알콜계 용제 1~10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주조 주형의 출발 분말은 실리카 (SiO2) 비드, 산화알루미늄 (Al2O3) 비드 및 실리카와 산화알루미늄이 혼합된 비드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리카 전구체는 실리케이트계 화합물, 실록산계 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 실리케이트계 화합물은 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라 프로폭시실란, 테트라부톡시실란, 테트라이소프록폭시실란, 메톡시트리에톡시실란, 디메톡시디에톡시실란, 에톡시트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 테트라메톡시메틸실란, 테트라메톡시에틸실란, 테트라에톡시메틸실란 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 실록산계 화합물은 디오가노디클로로실란, 디메틸디클로로실란, 에틸메틸디클로로실란, 디에틸디클로로실란, 디-n-프로필디클로로실란, 디-i-프로필디클로로실란, 헥실메틸디클로로실란, 디-n-부틸디클로로실란, 디-i-부틸디클로로실란, 디-t-부틸디클로로실란, n-부틸메틸디클로로실란, 폴리다이메틸 실록산, 직쇄 하이드록시 말단 블록화 폴리오가노실록산 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 직쇄 하이드록시 말단 블록화 폴리오가노실록산의 말단기는 하이드록시기, 알킬기, 비닐기 또는 수소인 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 알콕사이드는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제:
    [화학식 1]
    M-O-R
    상기 M은 알칼리 금속이고, R은 수소 또는 알킬기임.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 알킬기는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 이소프로필기, 헥실기 및 사이클로 헥실기로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 알콜계 용제는 메틸알콜, 에틸알콜, 프로필알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 이소부틸알콜, 헥실알콜 및 사이클로헥실알콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 주조 주형 제조용 접합제.
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