KR20160124633A

KR20160124633A - 주물사

Info

Publication number: KR20160124633A
Application number: KR1020150067476A
Authority: KR
Inventors: 제랄드 씨엘; 사이람 라비
Original assignee: 일루카 리소오시스 리미티드; 유니버시티 오브 노던 아이오와 리써치 파운데이션
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2016-10-28
Also published as: MX2016004983A; BR102016008767A2; US10328484B2; US20160303644A1; CA2891240A1

Abstract

규사 및 지르콘 응집체를 포함하는 혼합물을 포함하는 주물사로서, 상기 지르콘 응집체는 1200℃를 초과하는 온도 대역에서 선형 열 팽창 계수가 급격한 상승을 보인다. 또한, 1200℃를 초과하는 온도에서 용융된 금속으로 물품을 주조하는 방법이 개시된다. 이 방법은 상술한 주물사로부터 물품용 단일 또는 멀티-부분 몰드를 형성하는 단계, 일정 온도에서 상기 몰드에 용융된 금속을 받아들여서, 받아들여진 금속과 접촉하는 주물사의 적어도 하나 이상의 영역이 상기 온도 대역 내의 온도까지 가열되는 단계 및 상기 몰드 및 금속을 냉각하여 주조 물품을 얻는 단계를 포함한다.

Description

주물사{FOUNDRY SAND}

본 발명은 일반적으로 주물사, 상세하게는 개선된 실리카 혼합 주물사 및 개선된 주물사를 사용하는 주조 방법에 관한 것이다.

규사(Silica sand)는 주물업에서 가장 널리 사용되는 응집체이다. 규사는, 풍부하기 때문에, 저가여서 금속 캐스터(caster)에 대한 매력적인 대안이 되고 있다. 그러나, 규사 몰드에서의 강철 및 철 주조는, 베이닝(veining), 핀(fin) 및 치수 부정확도와 같은 결함을 보이는 경향이 있다. 이것은, 부분적으로는 규사의 큰 열 팽창으로 인한 것이다. 규사의 고온 속성에 관한 이전의 연구는, 규사 몰드나 코어를 사용하면서 금속 캐스터가 직면하는 기술적인 한계를 해결하였다. 규사는 고온까지 가열되는 동안 여러 상 전이를 겪는다. 대략 570℃(1058F)에서 알파-베타 상 전이를 거치면, 규사는, 1470℃(2678F)에서의 크리스토발라이트(cristobalite) 상 전이까지 지속적인 수축을 겪는다. 산화철 또는 가공된 모래 첨가제(ESA: Engineered Sand Additives)와 같은 여러 모래 첨가제가 금속 주조업에서 사용되어, 2차 팽창을 초래하는 트리디마이트(tridymite) 전이를 초래하거나, 큰 2차 팽창을 초래하는 저온에서의 크리스토발라이트 전이를 초래한다. 이들 첨가제는 본딩된 모래의 용량에 큰 변화를 초래한다.

규사에서의 베이닝 결함은 코어 표면 상의 강도 손실에 의해 초래되며, 이것은 모래의 높은 열 팽창으로 인해 발생한 균열의 네트워크를 초래한다. 이들 균열은 그 후 액체 금속으로 채워지며, 그에 따라 그러한 파괴는 주조의 표면 상에 베인을 형성한다. 특정한 첨가제가 코어 표면의 소결을 촉진하여 부분적으로 용융된 표면을 형성한다. 이것은 소결된 표면의 점도의 증가로 인해 표면의 강성을 증가시킨다. 더 높은 온도에서의 점도의 증가는 코어 표면 상의 더 높은 강도를 초래하며, 결국 감소한 코어 왜곡을 초래한다. 규사에서의 알파-베타 전이는 높은 피크 팽창과 관련되며, 이러한 팽창은 강철 주조에서의 치수 부정확도를 초래한다. 주조의 치수 부정확도는 주조의 단면 두께, 온도 및 팽창과 같은 여러 팩터에 의존하며, 패턴메이커의 수축 룰에 따라 선형적인 경향을 보이지 않는다.

규사의 앞서 언급한 한계로 인해, 지르콘이나 크로마이트(chromite)와 같은 특정 전문 응집체를 강철 주조에 대한 코어 재료로서 사용한다. 이들 응집체는 모두 규사와 비교할 때 낮은 열 팽창을 갖는다. 이들은 또한 더 높은 내화율(refractory value)을 갖는다. 이들 속성은 더 낮은 코어 왜곡을 초래하며, 그에 따라 더 치수적으로 정확한 주조를 초래한다. 전문 응집체 사용 시의 주된 한계는 이들이 상대적으로 더 고가이며, 이들의 사용은 그에 따라 100% 전문 모래의 사용을 불가피하게 필요로 하는 특정한 주조 응용으로 보통은 한정된다. 대부분의 다른 응용의 경우, 규사의 고온 속성의 작은 개선은 우수한 주조 품질과 치수 정확도를 초래할 것이다.

본 발명의 목적은, 허용 가능한 비용으로 개선된 주조를 달성하는 방식으로 주물사로서의 규사가 겪게 되는 어려움을 해결하는 것이다.

문맥이 그 밖에 필요로 하는 경우를 제외하고, 본 명세서에서 사용됨에 따라, 용어, "포함한다" 그리고 "포함하는" 및 "포함된"과 같은 이 용어의 파생어는 추가 첨가제, 성분, 정수 또는 단계를 배제하고자 하지는 않는다.

본 발명은, 특정한 지르콘 응집체가, 다른 지르콘 응집체와 달리, 1200℃를 초과하는 온도 대역에서 선형 열 팽창 계수가 급격한 상승을 보이며, 규사의 주물사 혼합물과 그러한 지르콘 응집체의 비율이 규사 단독의 이들 주조에 비해 개선된 품질의 금속 주조를 야기한다는 깨달음으로부터 출발한다.

본 발명은 그에 따라, 제1 양상에서, 규사와 지르콘 응집체를 포함하는 혼합물을 포함하는 주물사를 제공하며, 지르콘 응집체는 1200℃를 초과하는 온도 대역에서 선형 열 팽창 계수가 급격한 상승을 보인다.

제2 양상에서, 본 발명은, 1200℃를 초과하는 온도에서 용융된 금속으로 물품을 주조하는 방법으로서,

규사와 지르콘 응집체를 포함하는 혼합물을 포함하는 주물사로부터 물품용 단일 또는 멀티-부분 몰드를 형성하는 단계 - 지르콘 응집체는 1200℃를 초과하는 온도 대역에서 선형 열 팽창 계수가 급격한 상승을 보임 - ;

일정 온도에서 몰드에 용융된 금속을 받아들여서, 받아들여진 금속과 접촉하는 주물사의 적어도 하나 이상의 영역이 상기 온도 대역 내의 온도까지 가열되는 단계; 및

몰드 및 금속을 냉각하여 주조 물품을 얻는 단계를 포함하는, 물품 주조 방법을 제공한다.

제3 양상에서, 본 발명은, 1200℃를 초과하는 온도에서 용융된 금속으로 물품을 주조하는 방법으로서,

1200℃를 초과하는 온도 대역에서 선형 열 팽창 계수가 급격한 상승을 보이는 지르콘 응집체를 소싱(sourcing) 및/또는 공급하는 단계;

규사 및 상기 지르콘 응집체를 포함하는 혼합물을 포함하는 주물사로부터 물품용 단일 또는 멀티-부분 몰드를 형성하는 단계;

유리하게도, 앞서 언급한 온도 대역은, 1300℃와 1500℃ 사이, 예컨대 1325℃와 1450℃ 사이의 온도에서 지르콘 응집체의 선형 열 팽창 계수의 급격한 상승의 개시를 포함한다.

바람직하게도, 지르콘 응집체는, 실질적으로 0에서부터 적어도 대략 0.010in/in, 더 바람직하게는 0.020과 0.030in/in 사이까지 선형 열 팽창의 증가를 보인다.

바람직하게도, 지르콘 응집체는, 주물사 혼합물이 알파-베타 실리카 상 전이에서 선형 열 팽창 계수의 감소한 크기를 보이고 및/또는 크리스토발라이트 실리카 상 전이가 더 낮은 온도에서 개시하게 하며, 이때 두 경우 모두는 실리카 주물사와 비교할 때이다.

알파-베타 실리카 상 전이에서의 선형 열 팽창 계수의 크기의 감소는 바람직하게는 적어도 30%이다.

크리스토발라이트 실리카 상 전이가 개시되는 온도는 바람직하게는 대략 1470℃에서부터 1300℃미만까지, 더 바람직하게는 1270℃미만까지 감소한다.

주물사 혼합물이 알파-베타 상 전이로부터 크리스토발라이트 상 전이까지 주목할만한 수축을 보일지라도, 크리스토발라이트 상 전이는 예컨대 대략 1200℃에서와 같은 상당히 낮은 온도에서 발생하고 있으므로, 큰 2차 팽창이 더 낮은 온도에서 발생하여, 예컨대 강철 주조에서 보아온 높은 온도에서 코어의 표면 상에 변형(strain)을 무효화한다. 이것은 코어의 표면 상의 세기의 2차 증가를 제공하여, 균열이 코어 상에서 형성되는 것을 방지하며, 그에 따라 주조된 물품에서 베이닝 결함을 감소시킨다.

바람직하게도, 혼합물에서 지르콘 응집체의 비율은 5% 내지 40%의 범위, 더 바람직하게는 5% 내지 25%, 가장 바람직하게는 5% 내지 15%의 범위에 있다.

지르콘 응집체의 최적 비율은 더 높은 비율의 증가하는 비용과 증가한 장점의 정도 사이의 균형에 의존한다. 예컨대, 지르콘 응집체의 증가는, 크리스토발라이트 상 전이가 개시되는 온도를 지속적으로 낮추지만, 증가한 비용은 미미한 장점만을 낳을 수 있다. 사실, 베이닝 및 침투 경향은 주로 더 두꺼운 주조 단면에 대해 10% 지르콘 응집체보다 20% 또는 30% 지르콘 응집체에서 약간 더 높음을 알게 되었으며, 이점은, 지르콘 응집체의 최적의 비율이 주조될 물품의 형상 및/또는 치수에 따라 변할 수 있음을 제시한다.

도 1은 열 선형 팽창 곡선을 도시한다.
도 2는 기준 실리카 열 팽창 곡선을 도시한다.
도 3은 지르콘을 갖는 실리카 혼합물의 열 팽창 곡선을 도시한다.
도 4는 기준 실리카 스텝-콘 주물을 도시한다.
도 5는 10% C80 지르콘을 갖는 실리카를 도시한다.
도 6은 20% C80 지르콘을 갖는 실리카를 도시한다.
도 7은 30% C80 지르콘을 갖는 실리카를 도시한다.
도 8은 40% C80 지르콘을 갖는 실리카를 도시한다.

1200℃를 초과하는 온도 대역에서 선택된 지르콘 응집체의 선형 열 팽창 계수의 관찰한 급격한 상승은 예컨대 2.0 내지 4.0%w/w와 같은 Fe₂O₃, TiO₂ 및 Al₂O₃ 함량의 조합의 관찰된 상대적으로 더 높은 비율에 관련될 수 있다고 생각된다.

본 발명의 방법 및 혼합물용의 적절한 지르콘 응집체는 일루카 리소시스 리미티드(Iluka Resources Limited)로부터 얻은 차별화된 지르콘 응집체, 지르콘 등급 F 또는 P, 또는 표 2에서 아래에 제시한 조성 범위의 응집체이다.

본 발명은 광범위한 주조 및 철, 강철, 기타 철 합금 및 알루미늄을 포함한 다양한 금속에 적용될 수 있다. 용어, "주조"는 본 명세서에서 넓은 의미로 사용되며, 예컨대 3-차원 인쇄로의 주물사의 적용을 수용한다.

본 발명은 또한, 본 발명의 제1 양상에 따른 주물사로부터 형성한 몰드에서의 물품 주조, 또는 제2 또는 제3 양상에 따른 방법에 의한 주조를 제공한다.

예 1

표 1에서 나열한 전문 응집체의 범위를 선형 열 팽창 계수에 대해 평가하였다.

1	플로리다 지르콘
2	남아프리카 지르콘
3	일루카 등급 F 지르콘
4	C80 지르콘
5	일루카 등급 P 지르콘
6	카르보 아쿠캐스트(Carbo Accucast) ID50-K
7	스페리크롬(Spherichrome)
8	헤비 샌드(Hevi sand)

표 1 평가한 전문 응집체

상업적 푸란 바인더(Furan inder) 시스템이 모든 테스트에서 모래 코어 준비에 사용되었다.

규사 배치(3000그램)를 키친 에이드 믹서에 놓았다. 상호 반응물을 먼저 규사에 추가하여 60초 동안 혼합하였으며, 그 후 수지를 추가하여 추가로 60초 동안 혼합하였다. 규사는 그 후 각 코어 박스에 담겨서 작업 시간 및 스트립 시간을 체크하는 동안 경화되게 된다. 스트립 시간에 도달한 후, 코어는 선반에 놓여서 테스트 전 24시간 동안 경화하게 된다. 1% 원료 규사의 수지 함량과 30% 원료 수지의 상호 반응물 함량을 모든 코어에 사용하였다.

노던 아이오와 대학의 팽창계(Dilatometer)(상세한 내용에 대해서는 예 2 참조)가 선형 팽창 테스트를 진행하는데 사용되었다. 테스트는 실온에서부터 1600℃까지 분당 15℃의 레이트로 진행되었다. 표면 점도 결과를, 샘플에 대한 23.2그램의 일정 하중을 사용한 선형 팽창으로부터 얻었다. 이것은 샘플 표면 상의 개별 모래 입자의 움직임의 측정치이며 특히 규사에서 고온 상 전이의 우수한 지표이다.

얻은 열 선형 팽창 곡선을 도 1에 도시한다. 일루카 등급 F, C80 및 일루카 등급 P 지르콘을 제외하고, 다른 응집체의 선형 팽창 결과는 예상한 대로였다. 낮은 열 선형 팽창 값을 이들 응집체에 대해 얻었다. 일루카 등급 F 지르콘은 1400℃에서 팽창의 갑작스런 증가를 보인반면, 일루카 등급 P 지르콘은 ~1340℃에서 동일한 거동을 보인다. 이들 세 개의 응집체에서 본 팽창은 특이한 것이었으며, 반복성을 검증하기 위해, 이들 세 개의 샘플을 다시 테스트하였다. 우수한 반복성을 얻었다.

표면 점도를 선형 팽창 결과로부터 측정하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 이것은 샘플의 표면 상의 개별 모래 입자의 움직임의 측정치이며, 고온 상 전이 및 소결 지점의 우수한 지표이다.

모든 응집체는 대략 100-150℃에서 점도의 초기 증가를 보였음을 알게 되었다. 이러한 현상은, 응집체의 수지가 특정 지점까지 본딩된 응집체의 세기의 초기 증가를 초래하기 때문이다. 카르보 ID50-K를 제외하고, 점도는 이때 다른 응집체에서는 감소하였으며, 온도는 대략 600-650℃에서 안정화되며, 이 온도에 의해 바인더는 연소된다. 이 지점 이후, 점도는, 모래가 소결되고 점도가 후속하여 감소하는 높은 온도범위까지 지속적으로 상승한다.

일루카 등급 F, C80 및 일루카 등급 P 지르콘은 ~1400℃에서 점도가 갑작스런 강하를 보였다. 카르보 ID50-K는 또한 1100℃에서부터 1550℃까지 점도가 급속한 감소를 보인다. 알려진 응집체의 표면 점도는 통상 온도에 따라 느리게 감소한다.

표 2는 C80 지르콘 응집체의 분석을 제공한다. 응집체는 후처리된, 「Iluka Resources Limited」로부터의 고도로 분리되고 분화된 제품이다. 이러한 지르콘 응집체의 특징은 그 자신의 상대적으로 더 높은 Fe₂O₃, TiO₂ 및 Al₂O₃의 화합물 비율이다. 대부분의 지르콘 응집체들은 2.0% 이하의 Fe₂O₃, TiO₂ 및 Al₂O₃의 화합물을 함유한다.

*화학 성분*	*조성 (w/w%)*
ZrO₂ 및 HfO₂	64.0~66.7
Fe₂O₃, TiO₂ 및 Al₂O₃	1.0~4.0, 통상 2.0~4.0
SiO₂, CaO 및 P₂O₅	32.0~34.5
프리 실리카(Free Silica)	0.01~0.1

표 2: C80 지르콘 응집체의 분석

예시 2

일련의 시험들이 행해져 다양한 비율로 규사와 선택된 지르콘 응집체를 혼합하는 효과를 평가하였다. 선택된 지르콘 응집체는 예시 1로부터의 C80 지르콘이었다. 시험들이 행해져 혼합물들의 고온 물리 특성을 평가하였다. 흠결을 분석하기 위해 시험 스텝-콘 주물(test step-cone casting)들이 부어졌다. 이러한 주물들이 측정되어, 치수적 정확성이 평가되었고 결과들이 밝혀졌다. the University of Northern Iowa에서 개발된 방법에 따라 맥 무늬(veining) 및 관통 흠결들이 분석되었고 순위 부여되었다.

시료들은 기준 규사 및 C80 지르콘 혼합물을 함유하는 규사로 이루어졌다. 모든 시료들은 선열 팽창 및 점성, 특정 열 용량 및 주조 품질에 대해서 시험되었다. 시험된 다양한 모래 혼합물 시료들이 표 3에 나타내어졌다.

1	기준 실리카
2	지르콘 10%를 갖는 실리카
3	지르콘 20%를 갖는 실리카
4	지르콘 30%를 갖는 실리카
5	지르콘 40%를 갖는 실리카

표 3: 시험된 모래 시료들

코어 준비

팽창 및 스텝-콘 코어들이 페놀 우레탄 콜드-박스 바인더 시스템(Phenolic Urethane Cold-Box binder system)을 이용하여 준비되었다. 모래 혼합물 시료들이 대표 입자 분포를 얻기 위해 16 웨이 샌드 스플리터(16 way sand splitter)를 이용하여 분할되었다. 분할 규사가 키친 에이드 믹서(Kitchen Aid mixer)내에 놓였다. 그 다음으로, C80 지르콘 응집체가 믹서에 추가되었고 혼합물이 30초 동안 혼합되었다. 파트 I(Part I) 수지가 그 다음으로 추가되어 1분 동안 혼합되었다. 믹싱 볼(mixing bowl)이 그 다음에 제거되고 균일한 코팅을 보장하기 위해 모래가 뒤엎였다. 파트 II 수지가 그 다음으로 추가되고 동일한 절차가 반복되었다. 최종 혼합물이 그 다음으로 개개의 코어 박스들내에 놓였고 레드포트 콜드-박스 가스 처리 챔버(Redford Cold-Box gassing chamber)내에서 가스 처리되었다. 각각 20 psi (137.8 Pa) 및 40 psi (275.6 Pa)의 가스 처리 압력 및 배기 압력(purging pressure)이 사용되었다.

팽창 코어들은 0.5분 동안 가스 처리되었고 7초 동안 배기되었으며, 스텝-콘 코어들은 5초 동안 가스처리되었고 30초 동안 배기되었다. 결과적인 코어들이 추가 시험전에 24시간 동안 놓여 있도록 허용되었다.

시험들

선열 팽창 시험들이 the University of Iowa의 고온 응집체 팽창계를 이용하여 행해졌다. 팽창계는 단일 푸시 로드 설계를 가지며 제어된 분위기하에서 구동될 수 있다. 이러한 장치는 1650℃의 최대 온도에 도달할 수 있다. 팽창 코어들은 3.81~4.06cm의 높이와 2.8cm의 직경을 가진 원통 형상으로 이루어졌다. 시료들은 분당 15℃의 가열 속도로 1650℃로 가열되었고, 결과적인 변형이 기록되었다. 모든 시험들은 중립 분위기에서 행해졌다.

표면 점성도는 팽창계로부터 기록된 변형으로부터 계산되었고, 응집체의 소결 특성을 기술하는데 유용하다. 표면 점성도를 계산하기 위한 방법은, 가브리엘 타르도스(Gabriel Tardos) 등의 「the department of Chemical Engineering, City College of New York (G.Tardos, D. Mazzone, R. Pfeffer, Measurement of Surface Viscocities using a dilatometer, The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 62, P884-888)」에 의해 먼저 주어졌다. 모래 입자들이 온도와 더불어 초기에 팽창할 것이지만, 입간 접촉점들에서의 부하하의 표면상의 연화(softening) 및 소결로 인해 고온에서 후속적으로 수축할 것이다. 부드러운 모래 입자들은 표면 점성도가 규정될 수 있음에 기초하여, 뉴턴 유체(Newtonian fluid)로서 작용할 것으로 추정될 수 있다. 표면 점성도는 각각의 모래 시료에 대해서 소결 온도에서 계산되었다.

시험적 스텝-콘 주물

이러한 시험은 스텝 콘 코어에 대해 금속을 붓는 것으로 행해졌다. 스텝 콘 코어는 0.5 인치(1.27 cm) 증분의 1.5 인치(3.81 cm)로부터 4 인치(10.16cm)로의 스텝들이 있는 6개의 상이한 섹션들로 이루어진다. 상이한 스텝들이 금속 주물의 상이한 섹션 두께들을 대표하고, 그러므로 주조 품질 및 흠결에 있어서 금속의 상이한 냉각 속도들의 역할을 좋은 이해를 준다. 주형은 유사한 바인더 시스템을 이용하여 무틀(flaskless)로 제조되지만 시험 주물의 맥 무늬, 관통 또는 치수 정확도 성향에 영향을 주지 않는다. 시험 주물들이 회선(grey iron), 강 및 동합금(copper based alloy)들을 포함하는 다양한 금속들로부터 부어진다. 주형에 대해 붓는 시간은 대략 10~12초이다. 일단 주물들이 실온으로 냉각되고 나면, 주물들이 제거되고 풀린 모래와 함께 섹션화된 게이트들이 분리된다. 주물들은 표면상에 임의의 풀린 모래를 제거하기 위해 와이어 브러시되고(wire brushed) 샌드 블래스트되었으며(sand blasted), 그 다음에 치수 정확도에 대해 시험되었다. 이것에 이어서, 주물들이 섹션화되었고 맥 무늬 및 관통 흠결들에 대해 평가되었다.

용해 절차

시험적으로 사용된 금속의 조성은 표준 등급의 저 합금강을 제조하기 위한 화학과 일치하였다. 금속은 중성 내화 라이닝(neutral refractory lining)을 활용하는 340lb.의 고주파 코어리스 유도로(coreless induction furnace)내에서 용해되었다. 용해후에, 슬래그(slag)가 제거되었고, 열 분석 시료가 취해졌으며, 용해 금속의 온도가 대략 1676℃로 상승되었다. 사전 가열된 350 lb.의 가열된 모놀리식 래들(monolithic ladle)내로 열이 태핑되었다(tapped). 그 다음으로, 금속이 1600℃의 목표 붓기 온도를 이용하여 붓기 라인상에 위치된 주형내로 부어졌다. 10 내지 12초의 대략적인 총 목표 붓기 시간이 사용되었다.

결과

기준 실리카에 대해 판정된 팽창 결과들이 도 2에 나타내어져 있다. 규사가 대략 570℃(1058 F)에서 알파-베타상 천이(alpha-beta phase transition)를 겪었음을 알 수 있다. 이것은 동일 온도에서의 큰 피크의 팽창을 초래한다. 0.0115 인치/인치(cm/cm)의 피크 팽창이 기록되었다. 알파-베타상 천이 후에, 모래의 안정적 수축을, 2차 팽창의 시작을 볼 수 있는 1470℃에서의 크리스토발라이트상 천이(cristobalite phase transition)까지 볼 수 있다. 이러한 안정적 수축은 코어의 표층들이 수축함에 따라 코어의 표면에 긴장을 가하고, 하위 층들은 여전히 알파-베타 천이로 팽창하고 있다. 이것은 크랙의 형성을 초래하고, 따라서 맥 무늬 흠결을 초래한다. 알바-베타 천이에서 보이는 높은 피크 팽창은 주물의 치수 부정확성을 초래한다.

도 3은 지르콘 혼합물 시료들이 있는 실리카에 대한 팽창 결과들을 나타낸다. 지르콘 10%를 갖는 실리카에 대한 피크 팽창은 기준 규사와 유사하다. 하지만, 지르콘 20% 이후부터는, 56%에 의한 기준 실리카보다 더 낮은 0.005인치/인치(cm/cm)의 최저 피크를 갖는 지르콘 40%를 갖는 실리카와 더불어 알파-베타상 천이 피크 팽창에서의 감소를 볼 수 있다.

지르콘 시료들이 있는 실리카에서 볼 수 있는 다른 경향은 크리스토발라이트상 천이가 더 낮은 온도에서 유도된다는 것이다. 알파-베타상 천이로부터 크리스토발라이트상 천이로의 급격한 수축을 볼 수 있다. 하지만, 크리스토발라이트상 천이가 대략 1200℃(2192 F)에서 발생하기 때문에, 큰 2차 팽창이 더 낮은 온도에서 발생하고, 그에 의해 강 주물에서 보이는 고온에서의 코어 표면상의 긴장을 무효로 한다.

이것은 코어의 표면상의 강도에 있어서의 2차적인 증가를 제공하여, 표면에 크랙이 형성되는 것을 방지하고, 그러므로 맥 무늬 흠결을 감소시킨다.

각각의 시료에 대한 소결 온도 및 소결 온도에서의 피크 점성도와 함께 1200℃에서의 관련된 특정 열 용량이 표 4에 나타내어져 있다. 기준 실리카는 5.030 x 10⁸Pa.s (5.03 x 10¹¹cP)의 피크 점성도와 더불어 1437.4℃(2619.3 F)의 소결 온도를 갖는다. 지르콘 혼합물의 소결 온도가 지르콘 응집체의 양이 증가함과 더불어 감소되는 것을 볼 수 있다. 하지만, 피크 점성도가 지르콘 혼합물의 양이 증가함과 더불어 증가된다. 고온에서의 코어 무결성이 지르콘의 증가량만큼 더 높을 수 있고 그에 의해 더 낮은 치수적 부정확성을 이끄는 것을 표시한다.

*시료 ID*	*소결 온도(℃)*	*피크 점성도 (Pa.s)*	*1200℃에서의 특정 열 용량(J/g.℃)*
기준 실리카	1437.4	5.030 x 10⁸	1.2
지르콘 10%를 갖는 실리카	1252.7	9.282 x 10⁸	1.1
지르콘 20%를 갖는 실리카	1238.6.	8.819 x 10⁸	1.09
지르콘 30%를 갖는 실리카	1234.3	1.122 x 10⁹	1.07
지르콘 40%를 갖는 실리카	1231.1	1.724 x 10⁹	1.07

표 4: 소결 온도 및 피크 점성도 데이터

주물 품질 분석

획득된 기준 실리카 주물이 도 4에 나타내어져 있다. 주물이 표면을 따라, 규사 주물의 전형인, 몇몇의 맥 무늬를 나타내고 있다는 것을 볼 수 있다. 관통 흠결은 볼 수 없다. 더 많은 맥 무늬들이 주물의 더 두꺼운 섹션들을 따라 형성되었고, 금속이 응고되는 데 더 길게 걸린다. 이것은, 금속이 아직 그 자신의 액체 형태로 있는 동안에 코어들로 하여금 더 높은 온도에 도달할 수 있게 할 것이다.

지르콘 10%를 갖는 실리카(도 5)는 임의의 맥 무늬 또는 관통 흠결들을 나타내지 않는다. 지르콘 10%를 갖는 실리카에 대한 알파-베타 천이 피크 팽창이 기준 실리카와 유사할지라도, 소결 온도에서의 더 높은 점성도, 2차 팽창 및 크리스토발라이트 천이의 더 이른 유도가 코어 표면상에 더 낮은 긴장을 일으키고, 그에 의해 맥 무늬 흠결을 감소시킨다.

하지만, 지르콘 20%, 30% 및 40%를 갖는 실리카는 도 6, 7 및 8에서 보이듯이, 더 두꺼운 주물 섹션들에서 약간의 맥 무늬 및 관통 흠결을 나타낸다.

표 5는 기준 실리카 및 다양한 혼합물들에 대한 맥 무늬 및 관통 순위를 나타낸다. 특수 응집체의 더 낮은 함량이 더 높은 함량과 비교할 때 더 양호한 성과를 나타낸다는 것을 볼 수 있다. 기준 실리카는 기대대로 더 높은 맥 무늬 지수를 갖는다. 지르콘 10%를 갖는 실리카는 맥 무늬 또는 관통 흠결의 표시를 나타내지 않는다.

시료 ID	관통 지수	맥 무늬 지수

기준 실리카	0	43
지르콘 10%를 갖는 실리카	0	0
지르콘 20%를 갖는 실리카	11	9
지르콘 30%를 갖는 실리카	6	9
지르콘 40%를 갖는 실리카	11	5

표 5 관통 및 맥 무늬 순위

적으면 10%의 선택된 지르콘 응집체가 맥 무늬 및 관통 흠결의 범위를 감소시키고 주형의 캐비티 및 최종 주물 치수간의 보다 직선 치수적인 관계를 만드는 것에 의해 최종 주물의 품질을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 규사와 특수 모래의 혼합의 효과는, 주형의 가열 속도 및 주물의 관련된 냉각 속도를 결정하는 주형의 크기 및 금속의 열 입력에 고도로 좌우된다는 것에 유의해야 한다. 베이스 모래와 특수 모래간의 화학 반응은, 규사 혼합물이 있는 경우이므로, 정밀하게 결정되어야 한다. 더 큰 금속 섹션들에서의 더 높은 열 입력은 혼합물을 녹게끔 하여 주물 흠결을 유발시킨다.

Claims

규사 및 지르콘 응집체를 포함하는 혼합물을 포함하는 주물사로서, 상기 지르콘 응집체는 1200℃를 초과하는 온도 대역에서 선형 열 팽창 계수가 급격한 상승을 보이는, 주물사.
청구항 1에 있어서, 상기 온도 대역은 1300℃와 1500℃ 사이의 온도에서 지르콘 응집체의 선형 열 팽창 계수의 급격한 상승의 개시를 포함하는, 주물사.
청구항 1에 있어서, 상기 온도 대역은 1325℃와 1450℃ 사이의 온도에서 지르콘 응집체의 선형 열 팽창 계수의 급격한 상승의 개시를 포함하는, 주물사.
청구항 1에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 실질적으로 0에서부터 적어도 대략 0.010in/in 까지의 선형 열 팽창 계수의 증가를 보이는, 주물사.
청구항 1에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 실질적으로 0에서부터 0.020과 0.030in/in 사이까지의 선형 열 팽창 계수의 증가를 보이는, 주물사.
청구항 1에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 주물사 혼합물이 실리카 주물사에 비해 알파-베타 실리카 상 전이에서 선형 열 팽창 계수의 감소한 크기를 보이는, 주물사.
청구항 6에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 상기 주물사 혼합물이 실리카 주물사에 비해 낮은 온도에서 크리스토발라이트 실리카 상 전이의 개시를 보이게 하기 위한 것인, 주물사.
청구항 7에 있어서, 상기 크리스토발라이트 실리카 상 전이를 개시하는 온도가 대략 1470℃에서 1300℃ 미만까지 감소되는, 주물사.
청구항 6에 있어서, 상기 알파-베타 실리카 상 전이에서의 선형 열 팽창 계수의 크기 감소는 적어도 30%인, 주물사.
청구항 1에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 상기 주물사 혼합물이 실리카 주물사에 비해 낮은 온도에서 크리스토발라이트 실리카 상 전이의 개시를 보이게 하기 위한 것인, 주물사.
청구항 10에 있어서, 상기 크리스토발라이트 실리카 상 전이를 개시하는 온도가 대략 1470℃에서 1300℃ 미만까지 감소되는, 주물사.
청구항 1에 있어서, 상기 혼합물 내의 지르콘사의 비율은 5 내지 40% 범위인, 주물사.
청구항 1에 있어서, 상기 혼합물 내의 지르콘사의 비율은 5 내지 25% 범위인, 주물사.
청구항 1에 있어서, 상기 혼합물 내의 지르콘사의 비율은 5 내지 15% 범위인, 주물사.
1200℃를 초과하는 온도에서 용융된 금속으로 물품을 주조하는 방법으로서,
규사와 지르콘 응집체를 포함하는 혼합물을 포함하는 주물사로부터 물품용 단일 또는 멀티-부분 몰드를 형성하는 단계 - 지르콘 응집체는 1200℃를 초과하는 온도 대역에서 선형 열 팽창 계수가 급격한 상승을 보임 - ;
일정 온도에서 상기 몰드에 용융된 금속을 받아들여서, 받아들여진 금속과 접촉하는 주물사의 적어도 하나 이상의 영역이 상기 온도 대역 내의 온도까지 가열되는 단계; 및
상기 몰드 및 금속을 냉각하여 주조 물품을 얻는 단계
를 포함하는, 물품 주조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 온도 대역은 1300℃와 1500℃ 사이의 온도에서 지르콘 응집체의 선형 열 팽창 계수의 급격한 상승의 개시를 포함하는, 물품 주조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 온도 대역은 1325℃와 1450℃ 사이의 온도에서 지르콘 응집체의 선형 열 팽창 계수의 급격한 상승의 개시를 포함하는, 물품 주조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 실질적으로 0에서부터 적어도 대략 0.010in/in 까지의 선형 열 팽창 계수의 증가를 보이는, 물품 주조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 실질적으로 0에서부터 0.020과 0.030in/in 사이까지의 선형 열 팽창 계수의 증가를 보이는, 물품 주조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 주물사 혼합물이 실리카 주물사에 비해 알파-베타 실리카 상 전이에서 선형 열 팽창 계수의 감소한 크기를 보이게 하기 위한 것인, 물품 주조 방법.
청구항 20에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 상기 주물사 혼합물이 실리카 주물사에 비해 낮은 온도에서 크리스토발라이트 실리카 상 전이의 개시를 보이게 하기 위한 것인, 물품 주조 방법.
청구항 21에 있어서, 상기 크리스토발라이트 실리카 상 전이를 개시하는 온도가 대략 1470℃에서 1300℃ 미만까지 감소되는, 물품 주조 방법.
청구항 20에 있어서, 상기 알파-베타 실리카 상 전이에서의 선형 열 팽창 계수의 크기 감소는 적어도 30%인, 물품 주조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 상기 주물사 혼합물이 실리카 주물사에 비해 낮은 온도에서 크리스토발라이트 실리카 상 전이의 개시를 보이게 하기 위한 것인, 물품 주조 방법.
청구항 24에 있어서, 상기 크리스토발라이트 실리카 상 전이를 개시하는 온도가 대략 1470℃에서 1300℃ 미만까지 감소되는, 물품 주조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 혼합물 내의 지르콘사의 비율은 5 내지 40% 범위인, 물품 주조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 혼합물 내의 지르콘사의 비율은 5 내지 25% 범위인, 물품 주조 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 혼합물 내의 지르콘사의 비율은 5 내지 15% 범위인, 물품 주조 방법.
1200℃를 초과하는 온도에서 용융된 금속으로 물품을 주조하는 방법으로서,
1200℃를 초과하는 온도 대역에서 선형 열 팽창 계수가 급격한 상승을 보이는 지르콘 응집체를 소싱(sourcing) 및/또는 공급하는 단계;
규사 및 상기 지르콘 응집체를 포함하는 혼합물을 포함하는 주물사로부터 물품용 단일 또는 멀티-부분 몰드를 형성하는 단계;
일정 온도에서 상기 몰드에 용융된 금속을 받아들여서, 받아들여진 금속과 접촉하는 주물사의 적어도 하나 이상의 영역이 상기 온도 대역 내의 온도까지 가열되는 단계; 및
몰드 및 금속을 냉각하여 주조 물품을 얻는 단계를 포함하는, 물품 주조 방법.
청구항 29에 있어서, 소싱된 및/또는 공급된 상기 지르콘 응집체는 상기 온도 대역이 1300℃와 1500℃ 사이의 온도에서 지르콘 응집체의 선형 열 팽창 계수의 급격한 상승의 개시를 포함하게 하기 위한 것인, 물품 주조 방법.
청구항 29에 있어서, 소싱된 및/또는 공급된 상기 지르콘 응집체는 상기 온도 대역이 1325℃와 1450℃ 사이의 온도에서 지르콘 응집체의 선형 열 팽창 계수의 급격한 상승의 개시를 포함하게 하기 위한 것인, 물품 주조 방법.
청구항 29에 있어서, 소싱된 및/또는 공급된 상기 지르콘 응집체는 실질적으로 0에서부터 적어도 대략 0.010in/in 까지의 선형 열 팽창 계수의 증가를 보이는, 물품 주조 방법.
청구항 29에 있어서, 소싱된 및/또는 공급된 상기 지르콘 응집체는 실질적으로 0에서부터 0.020과 0.030in/in 사이까지의 선형 열 팽창 계수의 증가를 보이는, 물품 주조 방법.
청구항 29에 있어서, 소싱된 및/또는 공급된 상기 지르콘 응집체는 주물사 혼합물이 실리카 주물사에 비해 알파-베타 실리카 상 전이에서 선형 열 팽창 계수의 감소한 크기를 보이게 하기 위한 것인, 물품 주조 방법.
청구항 34에 있어서, 상기 지르콘 응집체는 상기 주물사 혼합물이 실리카 주물사에 비해 낮은 온도에서 크리스토발라이트 실리카 상 전이의 개시를 보이게 하기 위한 것인, 물품 주조 방법.
청구항 35에 있어서, 상기 크리스토발라이트 실리카 상 전이를 개시하는 온도가 대략 1470℃에서 1300℃ 미만까지 감소되는, 물품 주조 방법.
청구항 34에 있어서, 상기 알파-베타 실리카 상 전이에서의 선형 열 팽창 계수의 크기 감소는 적어도 30%인, 물품 주조 방법.
청구항 29에 있어서, 소싱된 및/또는 공급된 상기 지르콘 응집체는 상기 주물사 혼합물이 실리카 주물사에 비해 낮은 온도에서 크리스토발라이트 실리카 상 전이의 개시를 보이게 하기 위한 것인, 물품 주조 방법.
청구항 38에 있어서, 상기 크리스토발라이트 실리카 상 전이를 개시하는 온도가 대략 1470℃에서 1300℃ 미만까지 감소되는, 물품 주조 방법.