KR20170048342A - 주조용 생형, 및 이것을 사용한 주조 물품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 각 캐비티부를 가지는 적어도 한 쌍의 생형 부재를 상기 캐비티부가 정합하도록 중첩함으로써, 금속 용탕이 유입되는 캐비티를 형성한 주조용 생형으로서, 상기 생형 부재의 각각은 점결재 및 수분을 함유하는 주물사로 조형되고, 각 생형 부재의 적어도 상기 캐비티부의 표면에 경화 수지를 주체로 한 피복층이 형성되어 있고, 상기 피복층은, 주탕에 의해 발생하는 가스를 빠져나가게 하는데 충분한 통기도의 통기공을 가지고, 또한 상기 피복층을 포함하는 상기 캐비티의 표면으로부터 깊이 5㎜까지의 표층에서의 수분량이 생형 내부의 수분량 보다 적은 주조용 생형에 관한 것이다.

Description

주조용 생형, 및 이것을 사용한 주조 물품의 제조 방법{GREEN SAND MOLD FOR CASTING AND METHOD FOR MANUFACTURING CAST ARTICLES USING SAME}

본 발명은, 표면 결함이 적고 표면 품질이 향상된 주조(鑄造) 물품을 제조하는 데에 바람직한 주조용 생형, 및 이러한 주조용 생형을 사용하여 주조 물품을 제조하는 방법에 관한 것이며, 특히 S 함유량이 적어도 표면 결함이 적고 표면 품질이 향상된 내열주강품(耐熱鑄鋼品)을 제조하는 데에 바람직한 주조용 생형, 및 이것을 사용한 내열주강품의 제조 방법에 관한 것이다.

주조 물품의 제조에 사용하는 주조용 생형(이하, 단지 「생형」이라고도 함)을 형성하는 주물사(鑄物砂)는, 생형이 원하는 범위의 통기도, 강도, 캐비티 표면의 안정성, 다짐성(CB값) 등의 물성을 가지도록, 골재로서의 모래, 벤토나이트 등의 점결재(粘結材), 2차 첨가물로서의 탄소 함유 물질(석탄, 전분 등), 및 수분 등을 적절한 비율로 혼련함으로써 얻어진다. 수분은 점결재의 점결성을 발현시키기 위한 필수 성분이지만, 수분을 포함하는 주물사로 생형을 형성한 경우, 수분과 고온의 금속 용탕의 접촉에 의해 발생하는 수증기나 분해 가스(예를 들면, 수소 가스)때문에, 주조 물품의 표면에 요철(凹凸), 핀홀(pinhole) 등의 표면 결함이 형성되고, 표면 품질이 저하된다는 문제가 있다.

생형용 주물사에 첨가하는 수분에 기인한 주물(鑄物)의 주조 결함을 방지하기 위하여, 일본공개특허 평11-309544호는, 주형 표면에 도포하는 도형제(塗型劑)로서, 길소나이트, 엔진 오일 및 페놀 수지로부터 선택되는 적어도 일종을 함유하고, 1300℃보다 낮은 온도(예를 들면, 약 200℃)에서 열분해하여 탄화수소 가스를 발생하는 도형제를 개시하고 있다. 열분해에 의해 발생한 탄화수소 가스는, 주형 내의 수분을 환원하여 안정적인 분자상 수소로 변화시키고, 이로써 주형 내의 수분이 용탕과 접촉하여 핀홀 등의 표면 결함을 형성하는 것을 방지한다.

그러나, 최근 자동차용 주조 물품[하부(underbody) 부품, 엔진 부품 등]에서는, 경량화와 강도를 양립하기 위해 표면 품질의 추가적인 향상이 요청되고 있고, 일본공개특허 평11-309544호의 도형제로는, 표면 결함의 저감 효과가 충분하지 않다.

또한, 터보 하우징 등 내열성이 요구되는 주조 물품에는 스테인레스계 내열주강이 사용되지만, 스테인레스계 내열주강에서는 불순물인 S(유황)가 가능한 한 적을 필요가 있다. 그러나, S를 저감시키면 스테인레스계 내열주강의 용탕과 생형의 습윤성이 저하되고, 표면 품질이 열화될 우려가 있는 것을 알았다.

따라서, 본 발명의 목적은, 점결재 및 수분을 함유하는 주물사로 이루어지는 주조용 생형, 및 이러한 주조용 생형을 사용하여 표면 결함이 적고 표면 품질이 향상된 주조 물품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 감안하여 예의(銳意) 연구한 결과, 본 발명자들은, (a) 금속 용탕에 접하는 생형의 캐비티 표층의 수분량을 생형 내부보다 낮게 하고, 또한 (b) 수분량의 저감에 따른 강도 저하를 피복층에서 보충함으로써, 표면 결함이 적고 표면 품질이 향상된 주조 물품을 제조할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명의 주조용 생형은 각 캐비티부를 가지는 적어도 한 쌍의 생형 부재를 가지고, 상기 생형 부재는 상기 캐비티부가 정합하도록 중첩되어, 금속 용탕이 유입되는 캐비티가 형성되어 있고,

상기 생형 부재의 각각은 점결재 및 수분을 함유하는 주물사로 조형되고,

각 생형 부재의 적어도 상기 캐비티부의 표면에 경화 수지를 주체로 한 피복층이 형성되어 있고,

상기 피복층은, 주탕(注湯)에 의해 발생하는 가스를 빠져나가게 하는데 충분한 통기도의 통기공을 가지고, 또한

상기 피복층을 포함하는 상기 캐비티의 표면으로부터 깊이 5㎜까지의 표층에서의 수분량이 상기 표층을 제외한 생형 부분의 평균 수분량보다 적은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 주조 물품의 제조 방법은,

점결재 및 수분을 함유하는 주물사를 조형하고, 각 캐비티부를 가지는 적어도 한 쌍의 생형 부재를 조형하는 공정과,

경화성 수지를 함유하는 피복액을 각 생형 부재의 적어도 상기 캐비티부에 도포하는 공정과,

상기 캐비티부가 정합하여 캐비티를 형성하도록 상기 생형 부재를 형맞춤하여, 적어도 캐비티 표면에 경화성 수지를 주체로 한 피복층이 형성된 주조용 생형을 형성하는 공정과,

상기 형맞춤 공정 전 또는 후에, 상기 경화성 수지를 경화시켜, 주탕에 의해 발생하는 가스를 빠져나가게 하는데 충분한 통기도의 통기공을 가지는 피복층을 형성하는 공정과,

상기 경화성 수지의 경화 시 또는 그 후에, 상기 피복층을 포함하는 상기 캐비티의 표면으로부터 깊이 5㎜까지의 표층에서의 수분량이 생형 내부의 수분량 보다 적어지도록 건조시키는 공정과,

상기 피복층의 표면 온도가 50℃ 이상인 상태에서, 상기 캐비티에 금속 용탕을 주입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

상기 통기공은, 상기 피복층에 대략 균일하게 분포하고, 또한 연통하는 다수의 세공(細孔)인 것이 바람직하다.

상기 피복층의 통기도(JIS Z2601로 규정되는 큰 오리피스를 사용한 신속법으로 측정)는 50∼200인 것이 바람직하다.

상기 피복층의 자경성(自硬性) 경도계로 측정한 평균 경도가 50∼95의 범위 내인 것이 바람직하다.

상기 표층에서의 수분량은 2.5 질량% 이하인 것이 바람직하다.

열경화성 수지를 함유하는 피복액을 사용하고, 상기 형맞춤 공정의 전 또는 후에, 상기 피복액을 도포한 상기 생형 부재를 가열 처리함으로써, 상기 열경화성 수지를 경화시키면서 또한 상기 표층을 건조시키는 것이 바람직하다.

상기 피복액의 도포량은 단위 면적당 100∼550g/㎡인 것이 바람직하다.

본 발명의 주조용 생형은, 주탕에 의해 발생하는 가스를 빠져나가게 하는데 충분한 통기도의 통기공을 가지는 피복층을 가지고, 또한 상기 피복층을 포함하는 상기 캐비티의 표면으로부터 깊이 5㎜까지의 표층에서의 수분량이 생형 내부의 수분량 보다 적기 때문에, 상기 피복층의 표면 온도가 50℃ 이상인 상태에서 상기 캐비티에 금속 용탕을 주입함으로써, 표면 결함이 적고 표면 품질이 향상된 주조 물품을 제조할 수 있다. 본 발명의 방법은, 특히 S 함유량이 적은 내열주강의 주조에 바람직하다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 의한 주조용 생형을 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 도 1의 A부를 나타낸 확대 부분 단면도이다.
도 3a는, 주조 물품의 제1 제조 방법을 나타낸 플로차트이다.
도 3b는, 주조 물품의 제2 제조 방법을 나타낸 플로차트이다.
도 4a는, 주조 물품의 제1 제조 방법 및 제2 제조 방법에서의 조형 공정을 나타낸 단면도이다.
도 4b는, 주조 물품의 제1 제조 방법 및 제2 제조 방법에서의 피복액의 도포 공정을 나타낸 단면도이다.
도 4c는, 주조 물품의 제1 제조 방법에서의 가열 처리 공정을 나타낸 단면도이다.
도 4d는, 주조 물품의 제1 제조 방법에서의 형맞춤 공정을 나타낸 단면도이다.
도 5는, 주조 물품의 제3 제조 방법을 나타낸 플로차트이다.
도 6a는, 주조 물품의 제3 제조 방법에서의 조형 공정을 나타낸 단면도이다.
도 6b는, 주조 물품의 제3 제조 방법에서의 피복액의 도포 공정을 나타낸 단면도이다.
도 6c는, 주조 물품의 제3 제조 방법에서의 제1 가열 처리 공정을 나타낸 단면도이다.
도 6d는, 주조 물품의 제3 제조 방법에서의 형맞춤 공정을 나타낸 단면도이다.
도 6e는, 주조 물품의 제3 제조 방법에서의 제2 가열 처리 공정을 나타낸 단면도이다.

본 발명의 실시형태를 첨부 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 각종 변경 및 개량을 가할 수 있다. 또한, 하나의 실시형태의 설명은, 특별히 단서가 없으면 다른 실시형태에도 적용된다.

[1] 주조용 생형의 구성

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 주조용 생형(1)은, 점결재 및 수분을 함유하는 주물사로 조형된 제1 생형 부재(상형)(1a)와 제2 생형 부재(하형)(1b)를, 형합면(1e)으로 형맞춤한 구성을 가진다. 중합된 상형(1a) 및 하형(1b)의 캐비티부(1ka, 1kb)는 일체화되어, 캐비티(1k)를 구성한다. 캐비티(1k)는, 주조 물품을 형성하는 캐비티(「제품 캐비티」라고도 함)(1k-1)뿐만 아니라, 탕도를 형성하는 캐비티(단지 「탕도」라고도 함)(1k-2)를 가지고, 압탕(押湯), 언(堰), 탕구 등을 더 가져도 된다. 따라서, 본 명세서에 있어서 단지 「캐비티」라고 하는 경우, 제품 캐비티뿐만 아니라, 금속 용탕이 들어가는 모든 공간(탕도, 압탕, 언, 탕구 등)을 포함하는 것으로 한다. 도 1에는 형틀이 생략되어 있지만, 통상 생형(1)의 주위에 형틀을 배치한다.

(1) 캐비티의 피복층 및 표층

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 주조 물품의 표면 품질을 향상시키기 위해, 상형(1a) 및 하형(1b)의 캐비티부(1ka, 1kb)의 표면 및 형합면(1e)에 수지 피복층(1f)이 형성되어 있다. 후술하는 바와 같이 표층의 수분량을 저감시키면 강도가 저하되므로, 피복층(1f)은, 표층을 보강하는 작용도 가진다. 도시한 예에서는, 캐비티(1k)뿐 아니라 형합면(1e)에도 피복층(1f)이 형성되어 있지만, 표면 품질의 향상이라는 관점에서는, 적어도 제품 캐비티(1k-1)에 형성되어 있으면 된다. 캐비티(1k)의 표면에 도포된 수지 피복액은 모래(2) 및 점결재 등의 간극(연통공)(3)에 침투하므로, 얻어지는 피복층(1f)은, 주형 표면으로부터 내부까지 연통하는 통기공(4)을 가진다.

캐비티(1k)[특히 제품 캐비티(1k-1)]에서의 피복층(1f)의 두께 T1은 3㎜ 이하인 것이 바람직하다. 피복층(1f)이 지나치게 두꺼우면, 피복층(1f)의 통기도가 불충분해진다. 따라서, 피복층(1f)의 두께 T1의 상한은 2.5㎜인 것이 보다 바람직하다. 한편, 피복층(1f)이 지나치게 얇으면, 주조 작업 중에 피복층(1f)이 파손되거나 박리되기 쉽다. 피복층(1f)이 파손 또는 박리되면, 용탕이 생형의 모래(2)와 직접 접촉하여, 모래 눌러붙음(seizure)이 생긴다. 그러므로, 피복층(1f)의 두께 T1는 0.5㎜ 이상인 것이 바람직하고, 1㎜ 이상인 것이 보다 바람직하다. 그리고, 수지 피복액의 침투에 의해 형성되는 피복층(1f)의 두께 T1은 통상 일정하지 않으므로, 두께 T1은 복수 개소의 단면(斷面)에서 측정한 값의 평균값으로 한다.

캐비티(1k)의 표면으로부터 소정의 깊이까지의 영역[피복층(1f)을 포함함]에서는, 캐비티(1k)의 표면에 접하는 금속 용탕의 열에 의해 수증기 등의 가스가 대량으로 발생한다. 수증기가 고온의 금속 용탕에 접하면, 용탕의 표층부에 말려들어가, 주조 물품이 표면 품질의 저하의 원인으로 된다. 양호한 표면의 주조 물품을 얻기 위해서는, 캐비티(1k)의 표면으로부터 소정의 깊이까지의 영역(이하 「표층」이라고 함)(1g)의 수분량은 생형 내부[표층(1g)을 제외한 생형 부분](1h)의 수분량보다 적을 필요가 있다. 표층(1g)은 피복층(1f) 및 그 내측의 생형 영역으로 이루어지나, 그 수분량이 주조 물품이 표면 품질에 영향을 주는 범위는 표면으로부터 대략 5㎜의 깊이 T2까지의 범위이다. 따라서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 표층(1g)을, 주조용 생형(1)의 표면으로부터 5㎜의 깊이 T2까지, 피복층(1f)을 포함하는 영역으로 정의한다. 표층(1g)보다 내측인 생형 내부(1h)에서는, 수분량은 대략 일정하다. 표층(1g)에서의 수분량은 생형 내부(1h)의 수분량보다 적을 필요가 있고, 특히 표층(1g)에서의 수분량은 2.5 질량% 이하인 것이 바람직하고, 2 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 표층(1g)의 수분량의 하한은 0.5 질량%이면 된다. 생형 내부(1h)의 수분량은, 주조용 생형에 의해 상이하지만, 일반적으로 3∼5 질량% 정도이다. 표층(1g)에서의 수분량을 저감시킴으로써, 건전한 표면 품질을 가지는 주조 물품을 얻을 수 있다.

(2) 피복층의 통기공

피복층(1f)의 통기공(4)에 의하여, (a) 표층(1g) 중의 수분을 증산할 수 있고, 이로써 생형 내부(1h)의 수분을 유지하면서 표층(1g)의 수분량을 최적으로 제어할 수 있을 뿐 아니라, (b) 용탕으로부터 생기는 가스가 외부로 방출되므로, 가스가 주물 물품에 잔존하는 것을 방지하고, 이로써 탕경(湯境), 핀홀 등의 결함을 방지할 수 있다. 큰 통기도 및 양호한 탕류(湯流)를 확보함으로써, 용탕 중의 가스를 생형 중으로 빠져 나가기 쉽게 하여 탕경, 핀홀 등의 결함을 저감시키기 위하여, 통기공(4)은 연통하는 다수의 세공으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 이와 같은 효과를 캐비티 상의 부위에 관계없이 균일하게 얻기 위하여, 세공은 균일하게 분산되어 있는 것이 바람직하다. 피복층(1f)을 포함하는 캐비티(1k)의 표층(1g)의 통기도(JIS Z2601로 규정되는 큰 오리피스를 사용한 신속법으로 측정)는, 50∼200인 것이 바람직하다.

(3) 경화성 수지

통기공을 가지는 고강도의 피복층(1f)을 효율적으로 형성하기 위하여, 피복층(1f)을 구성하는 경화성 수지는 열경화성 수지인 것이 바람직하다. 열경화성 수지로서는, 예를 들면, 페놀 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 요소 수지, 불포화 폴리에스테르수지, 알키드 수지, 폴리우레탄, 열경화성 폴리이미드 등을 들 수 있다. 열경화성 수지로 이루어지는 피복층(1f)은, 고온의 금속 용탕에 접촉되면 용이하게 분해되어 가스화되므로, 주조 물품의 표면 침탄을 억제할 수 있다. 피복층(1f)은 평균 50∼95의 경도를 가지는 것이 바람직하다. 피복층(1f)의 경도는, 자경성 경도계[가부시키가이샤 나카야마(Nakayama Co., Ltd.) 제조, 형식: NK-009]에 의해 측정한다. 피복층(1f)의 경도가 지나치게 낮으면, 피복층(1f)의 강도가 지나치게 낮아져, 생형이 파손될 우려가 있다. 한편, 피복층(1f)의 경도가 지나치게 높으면, 통기공(4)이 지나치게 적어, 충분한 통기도를 확보할 수 없어, 주조 물품에 가스 결함이 발생할 우려가 있다.

[2] 주조 물품의 제조 방법

(A) 제1 제조 방법 및 제2 제조 방법

주조 물품의 제1 제조 방법은 도 3a에 나타낸 플로차트에 따라 행하고, 제2 제조 방법은 도 3b에 나타낸 플로차트에 따라 행한다. 제1 방법 S1에서는, 가열 처리 공정을 형맞춤 공정 전에 행하고, 제2 방법 S2에서는, 가열 처리 공정을 형맞춤 공정 후에 행한다. 이외의 점에서는, 양자는 상이하지 않다. 따라서, 특별히 단서가 없으면, 제1 제조 방법 및 제2 제조 방법을 이하 함께 설명한다.

(1) 조형 공정 S11(S21)

도 4a에 나타낸 바와 같이, 주물사를 조형하고, 형맞춤에 의해 원하는 제품 캐비티(1k)를 형성하는 캐비티부(1ka 및 1kb)를 가지는 제1 생형 부재(상형)(1a) 및 제2 생형 부재(하형)(1b)를 작성한다. 상형(1a) 및 하형(1b)은, 예를 들면, 원하는 캐비티부(1ka 및 1kb)가 형성된 모형을 정반 상에 세팅하고, 모형을 둘러싸도록주형틀을 정반 상에 더 세팅한 후, 주형틀 내에 주물사를 투입하고, 주물사를 졸트 스퀴즈법(jolt squeeze method) 등의 방법으로 압축 성형하고, 이어서, 모형을 빼냄으로써 조형할 수 있다.

원하는 특성을 가지는 주물사는, 소정량의 모래, 점결재, 수분, 및 필요에 따라 탄소 성분을 혼련함으로써 조제할 수 있다. 주물사의 조성(組成)은 생형의 특성에 따라 상이하지만, 일반적으로 100 질량부의 모래, 5∼12 질량부의 점결재, 및 3∼6질량부의 수분을 함유한다. 따라서, 주물사 중의 수분량은 2.8∼5 질량%로 된다. 탄소 성분을 첨가하는 경우, 그 양을 모래 100 질량부에 대하여 3 질량부 이하로 하는 것이 바람직하다.

주물사를 구성하는 골재로서의 모래는 통상의 주물사용이면 되고, 예를 들면, 산사(山砂), 반합성 모래, 합성 모래를 사용할 수 있다. 산사로서는, 적어도 2 질량%의 점토를 함유하는 천연의 산사[예를 들면, 아이치현의 노마스나(Noma sand), 오사카부의 카와치스나(Kawachi sand)) 등]를 들 수 있다. 반합성 모래로서는, 산사에 규사, 점결재 및 첨가제를 적당하게 배합한 것을 예로 들 수 있다. 합성 모래로서는, 산사를 전혀 사용하지 않고, 원료 모래에 점결재 및 첨가제를 배합한 것을 들 수 있다. 합성 모래로 사용하는 원료 모래로서는, 가이로메(Gairome) 규사나, 해사(beach sand) 및 강모래 등의 천연 규사, 인조 규사, 규산지르코늄, 올리빈 모래, 크로마이트 모래 등을 예로 들 수 있다. 이들의 모래는 단독이어도 되고 2종 이상을 조합시켜도 된다.

점결재로서는, 목간(木簡) 점토, 벤토나이트, 몬모릴로나이트, 카올린 등을 예로 들 수 있다. 이들 점결재는 단독이어도 되고 2종 이상을 조합시켜도 된다. 또한, 탄소 성분으로서는, 석탄, 흑연, 코크스 및 아스팔트 외에, 덱스트린, 전분 등을 예로 들 수 있다. 이들 탄소 성분은 단독이어도 되고 2종 이상을 조합시켜 도된다.

(2) 도포 공정 S12(S22)

도 4b에 나타낸 바와 같이, 상형(1a) 및 하형(1b)의 캐비티부(1ka 및 1kb)의 표면에 경화성 수지를 함유하는 피복액(1n)을 도포한다. 피복액(1n)은 솔 등에 의해 도포할 수 있으나, 수평 방향으로 이동하는 분무 노즐(10)로부터 분무하면, 피복액(1n)의 도포량이 안정되어, 균일한 피복층(1f)을 얻을 수 있다.

경화성 수지로서는, 열경화성 수지, 자외선 경화성 수지, 가스 경화성 수지, 자경성 수지 등을 예로 들 수 있지만, 간단한 가열 처리에 의해 경화하는 열경화성 수지가 바람직하다. 열경화성 수지를 유기 용매에 용해한 피복액(1n)을 도포한 후, 가열 처리하면, 피복액(1n)의 건조, 피복층(1f)의 통기공의 형성, 및 표층(1g)의 수분 조정(건조)을 동시에 행할 수 있다.

피복액(1n)은 10∼100mPaㆍs의 점도로 조정하는 것이 바람직하다. 이 범위의 점도를 가지는 피복액(1n)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 캐비티부(1ka 및 1kb)의 표면으로부터 모래 입자(2)의 간극(3)을 통하여 내부에 침투하므로, 두께 T1(바람직하게는 0.5∼3㎜)의 범위의 피복층(1f)을 얻을 수 있다. 피복액(1n)의 점도는, JIS K6910에 기재된 브룩필드 점도계로 측정한다.

피복액(1n)의 점도가 100mPaㆍs 초과이면, 피복액(1n)은 생형 내부에 침투하기 어렵기 때문에, (a) 피복층(1f)이 캐비티부(1ka 및 1kb)의 표면 근방에만 형성되고, 박리되기 쉬울 뿐 아니라, (b) 피복층(1f)이 충분한 통기공(4)을 갖지 않는다. 한편, 피복액(1n)의 점도가 10mPaㆍs 미만이면, 피복액(1n)이 생형 내부에 과잉으로 침투하고, 최적의 두께 T1을 초과하는 취약한 피복층(1f)이 형성된다.

상기 범위의 점도를 가지는 피복액(1n)의 수지분은 20∼70 질량%인 것이 바람직하다. 피복액(1n) 중에서의 경화성 수지의 비율이 20 질량% 미만이면, 충분한 강도의 피복층(1f)을 얻을 수 없다. 또한, 피복액(1n) 중에서의 경화성 수지의 비율이 70 질량% 초과이면, 피복액(1n)이 지나치게 점조(粘稠)하고, 경화성 수지가 주물사에 충분히 침투되지 않아, 또한 얻어지는 피복층(1f)이 충분한 통기공을 갖지 않는다.

피복액(1n)의 도포량은 100∼550g/㎡로 하는 것이 바람직하다. 피복액(1n)의 도포량이 100g/㎡ 미만이면, 피복층(1f)이 충분히 두꺼워지지 않아, 박리되기 쉽다. 한편, 피복액(1n)의 도포량이 550g/㎡ 초과이면, 피복액(1n)이 과잉으로 침투하고, 얻어지는 피복층(1f)은 지나치게 두꺼워질 뿐 아니라, 충분한 강도를 갖지 않다.

제1 방법 S1에서는, 상형(1a) 및 하형(1b)을 형맞춤하기 전에 캐비티부(1ka 및 1kb)에 피복액(1n)을 도포하지만, 피복액(1n)의 도포 시기는 이에 한정되지 않고, 제2 방법 S2와 같이 상형(1a) 및 하형(1b)을 형맞춤한 후라도 된다. 형맞춤 공정 후에 피복액(1n)의 도포 공정을 행하는 경우, 형맞춤된 상형(1a) 및 하형(1b)의 형합면에 피복액(1n)은 도포되지 않는다.

(3) 피복층의 형성 공정 S13a(S24a)

도 4c에 나타낸 바와 같이, 가열 처리에 의하여, 상형(1a) 및 하형(1b)의 캐비티부(1ka 및 1kb)에 도포한 피복액(1n)을 건조시키고, 또한 얻어지는 경화성 수지층(1n')을 경화시키고, 자경성 경도계로 측정한 평균 경도가 50∼95인 피복층(1f)을 형성한다. 경화성 수지층(1n')의 경화 방법은 경화성 수지의 종류에 따라 결정한다. 예를 들면, 열경화성 수지의 경우, 수평 방향으로 이동하는 노즐(11)로부터 온풍을 분사하거나, 수평 방향으로 병렬하는 가열 수단(예를 들면, 백열등)에 의해 가열한다. 또한, 가스 경화성 수지의 경우, 밀폐실 중에 생형을 배치하고, 수지 경화용 가스를 밀폐실에 주입한다.

(4) 표층의 건조 공정 S13b(S24b)

도 4c에 나타낸 바와 같이, 가열 처리에 의하여, 얻어진 피복층(1f)과 그 내측의 영역(표층)(1g)에 존재하는 수분을 증발시키고, 표층(1g)의 수분량을 생형 내부(1h)보다 적게 한다. 표층(1g)의 수분량은 2.5 질량% 이하가 바람직하다. 표층(1g)의 수분량의 하한은 0.5 질량%가 바람직하다. 건조 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 도 4c에 나타낸 바와 같이 수평 방향으로 이동하는 노즐(11)로부터 온풍을 분사하거나, 수평 방향으로 병렬시킨 가열 수단(예를 들면, 백열등)으로 건조시킨다.

열경화성 수지를 함유하는 피복액을 사용하고, 열경화성 수지를 가열에 의해 경화시키는 경우, 피복층(1f)의 형성 공정(S13a, S24a) 및 표층(1g)의 건조 공정(S13b, S24b)을 1회의 가열 처리 공정(S13, S24)에 의해 동시에 행할 수 있다. 피복층(1f)의 표면 온도가 100℃ 이상으로 되도록 가열 처리하면, 경화 처리 및 건조 처리의 시간을 단축할 수 있다.

(5) 형맞춤 공정 S15(S25)

가열 처리 공정(S13, S24)의 후, 도 4d에 나타낸 바와 같이, 피복층(1f)을 형성한 상형(1a)과 하형(1b)을 형맞춤하면, 캐비티부(1ka 및 1kb)가 정합하여 캐비티(1k)를 형성하고, 도 1에 나타낸 일체적인 캐비티(1k)를 가지는 주조용 생형(1)을 얻을 수 있다.

(6) 주탕 공정

상형(1a)과 하형(1b)을 형맞춤한 주조용 생형(1)의 제품 캐비티(1k-1)에 탕도(1k-2)를 통해 용탕을 주입함으로써, 주조 물품을 제조한다. 주탕 공정은 피복층(1f)의 표면 온도가 50℃ 이상인 상태에서 개시한다. 가열 처리 공정(S13, S24) 후, 시간의 경과에 따라 피복층(1f)의 온도가 저하되고, 또한 생형 내부(1h)의 수분이 표면측으로 이동함으로써 표층(1g)의 수분량이 증가한다. 피복층(1f)의 표면 온도가 50℃ 이상이면, 표층(1g)의 수분량의 증가를 억제할 수 있다. 또한, 피복층(1f)의 표면 온도가 50℃ 이상으로 높으면, 캐비티(1k)와 그 안을 흐르는 용탕의 마찰을 작게 할 수 있고, 탕경 불량이나 모래 혼입(sand inclusion) 불량을 효과적으로 저감할 수 있다. 피복층(1f)의 표면 온도는 열경화성 수지의 경화 온도보다 높게 할 필요는 없고, 상한은 100℃로 된다.

제1 방법 S1에서는 도 3a에 나타낸 바와 같이 형맞춤 공정 S15 전에 가열 처리 공정 S13을 행하지만, 제2 방법 S2와 같이, 도 3b에 나타낸 바와 같이 형맞춤 공정 S23 후에 가열 처리 공정 S14를 행해도 된다. 제2 방법 S2에서도, 상기와 마찬가지로 캐비티 표층(1g)의 수분량을 생형 내부(1h)보다 낮게 할 수 있다.

(B) 제3 제조 방법

주조 물품의 제3 제조 방법을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6에 있어서 도 4와 동일한 부위에 동일한 부호를 붙이고, 상세한 설명을 생략한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제3 방법 S3은 열경화성 수지를 사용하고, 제1 및 제2 가열 처리 공정 S33, S35에 의해 열경화성 수지의 경화 처리 및 표층(1g)의 건조 처리를 행한다. 조형 공정 S31, 도포 공정 S32, 형맞춤 공정 S34 및 주탕 공정 S36은 기본적으로 제1 방법과 같다.

제3 방법 S3에서는, 도 6a에 나타낸 조형 공정 S31에서 형성된 상형(1a) 및 하형(1b)의 캐비티부(1ka, 1kb)에, 도 6b에 나타낸 도포 공정 S32에서 피복액(1n)을 도포한다. 도 6c에 나타낸 제1 가열 처리 공정 S33에서, 노즐(11)로부터 온풍을 피복액(1n)의 층(1n')에 분사하고, 가열함으로써 피복층보다 경도가 낮은 반경화층(1L)을 형성한다. 그 후, 도 6d에 나타낸 형맞춤 공정 S34에서, 반경화층(1L)이 형성된 상형(1a) 및 하형(1b)을 형맞춤한다. 도 6e에 나타낸 제2 가열 처리 공정 S35에서, 노즐(11)로부터 온풍을 탕구를 거쳐 캐비티(1k)에 취입하고, 반경화층(1L)을 더 가열하여 피복층(1f)을 형성한다.

본래의 경도를 가지는 피복층(1f)을 형성하는 제2 가열 처리 공정 S35 전에, 예비적인 가열 경화 처리 공정인 제1 가열 처리 공정 S33을 행하여, 반경화층(1L)을 형성함으로써, 열경화성 수지의 급격한 경화에 따른 균열 등을 저감할 수 있다. 이런 관점에서, 도 6c에 나타낸 제1 가열 처리 공정 S33 후에 형성된 반경화층(1L)은 30∼45의 평균 경도(자경성 경도계로 측정)를 가지는 것이 바람직하고, 반경화층(1L)을 더 가열하고 경화시켜 이루어지는 피복층(1f)은 50∼95의 평균 경도(자경성 경도계로 측정)를 가지는 것이 바람직하다.

<실시예 1>

도 3b에 나타낸 순서대로 제2 방법 S2을 실시한다.

(1) 조형 공정 S21

100 질량부의 규사에 5 질량부의 점결재 및 수분을 혼련함으로써, 수분량이 4.5 질량%인 주물사를 조제하였다. 주조용 모형을 정반 상에 세팅한 후, 모형을 둘러싸도록 내측이 0.5m×0.6m인 주형틀(도시하지 않음)을 정반 상에 세팅하고, 주형틀의 내측에 주물사를 투입한 후, 졸트 스퀴즈법으로 압축 조형하고, 도 4a에 나타낸 캐비티부(1ka 및 1kb)를 가지는 상형(1a) 및 하형(1b)을 2개씩 형성하였다. 자경성 경도계(가부시키가이샤 나카야마 제조의 NK-009)를 사용하여, 주형틀로부터 50㎜ 이상 이격된 위치에서, 상형 및 하형(1a, 1b)의 각 캐비티(1k)의 표면의 경도를 5개소 측정하고, 평균 경도를 구하였다. 그 결과, 상형 및 하형(1a, 1b)의 평균 경도는 모두 20이었다.

(2) 도포 공정 S22

2세트의 상형 및 하형(1a, 1b)의 캐비티부(1ka, 1kb)의 표면 및 형합면(형합면)(1e)에, 노즐(10)로부터, 300g/㎡의 피복액(1n)(페놀 수지의 에탄올 용액, 페놀 수지 농도: 30 질량%, 점도: 15mPaㆍS)을 스프레이 도포하였다.

(3) 형맞춤 공정 S23

피복액(1n)을 도포한 2세트의 상형 및 하형(1a, 1b)을 형맞춤하고, 2개의 생형(1)을 형성하였다.

(4) 가열 처리 공정 S24

각 생형(1)의 탕구로부터 105℃의 온풍을 캐비티(1k)에 압송함으로써, 피복액(1n)을 건조시켜 페놀 수지를 가열 경화시키고, 또한 캐비티부(1k)의 표층(1g)을 건조시켜, 통기공(4)을 가지는 피복층(1f)을 가지고, 또한 표층(1g)의 수분량을 저감시킨 2개의(제1 및 제2) 생형(1)을 얻었다. 건조된 제1 및 제2 피복 생형(1)의 캐비티 표층 온도(비접촉 표면 온도계로 측정)는 모두 50℃였다. 제1 피복 생형(1)에 대하여, 상형 및 하형(1a, 1b)의 피복층(1f)의 통기도를 JIS Z2601로 규정되는 큰 오리피스를 사용한 신속법에 의해 각각 측정하였다. 그 결과, 피복층(1f)의 통기도는 평균 110이었다.

제2 피복 생형(1)에 대하여, 캐비티 표면으로부터 깊이 5㎜까지의 범위의 표층(1g)의 5개소에서 5개의 샘플을 채취하였다. 각 샘플에 대하여, 105±5℃로 15분간 유지하기 전후의 중량을 측정하고, 양자의 차이를 구하였다. 5개의 샘플의 중량차를 평균하고, 표층(1g)의 수분량에 상당하는 건조 감량을 구하였다. 그 결과, 표층(1g)의 수분량은 1.5 질량%인 것을 알았다.

표층(1g) 이외의 생형 부분(생형 내부)(1h)의 수분량은 대략 일정하므로, 표층(1g)을 잘라낸 후의 생형 부분으로부터 깊이 15∼20㎜(표면으로부터 깊이 20∼25㎜)의 부분을 잘라내어, 상기와 동일한 방법에 의해 수분량을 측정하고, 표층(1g) 이외의 생형 부분(생형 내부)(1h)의 평균 수분량으로 하였다. 그 결과, 생형 내부(1h)의 수분량은 3.7 질량%인 것을 알았다. 또한, 캐비티 표층의 다른 부위로부터 스푼으로 세로×가로×깊이가 각 3cm인 블록을 5개 잘라내어, 피복층(1f)을 파손시키지 않게 하여 블록으로부터 모래를 솔로 제거하고, 피복층(1f)의 두께를 버니어 캘리퍼스(vernier caliper)로 측정하여, 평균하였다. 또한, 상기와 동일한 자경성 경도계를 사용한 방법에 의하여, 피복층(1f)의 경도를 측정하였다. 그 결과, 피복층(1f)의 평균 경도는 76이었다.

(5) 주탕 공정 S25

제1 피복 생형(1)에, EU Standard EN10295로 규정된 1.4848재(C: 0.4 질량%, Si: 1.7 질량%, Mn: 1.8 질량%, P: 0.03 질량%, Cr: 25.0 질량%, Mo: 0.4 질량%, Ni: 19.0 질량%, 및 S: 0.03 질량%)의 용탕을 1600℃에서 주탕하였다.

(6) 평가

얻어진 주강품의 외관을 관찰하고, 핀홀이나 모래 혼입 결함 등의 외관 불량의 발생 비율을 이하의 기준으로 평가하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

◎ : 핀홀이나 모래 혼입 결함 등의 외관 불량의 발생 비율이 1% 이하

○ : 상기 외관 불량의 발생 비율이 1% 초과 2% 이하

× : 상기 외관 불량의 발생 비율이 2% 초과

<비교예 1>

도포 공정 S22 및 가열 처리 공정 S24를 생략한 것 이외에 실시예 1과 동일하게 하여, 생형(1)을 형성하고, 주강품을 제조하였다. 주강품의 외관의 관찰 결과를 표 1에 나타낸다. 비교예 1의 생형(1)은 피복층을 갖지 않기 때문에, 용탕은 주물사에 직접 접촉하고, 생형 중의 수분의 증발에 의해 주물 표면에 광범위하게 핀홀 결함이 발생하였다.

<실시예 2 및 실시예 3>

실시예 1과 피복액의 도포량을 변경한 것 이외에 실시예 1과 동일하게 하여 피복 생형(1)을 형성하고, 주강품을 제조하였다. 주강품의 외관의 관찰 결과를 표 1에 나타낸다.

<실시예 4 및 실시예 5>

피복액의 점도 및 도포량을 변경한 것 이외에 실시예 1과 동일하게 하여, 피복 생형(1)을 형성하고, 주강품을 제조하였다. 주강품의 외관의 관찰 결과를 표 1에 나타낸다. 실시예 4에서는 실시예 1보다 피복액의 도포량이 많기 때문에 피복층(1f)의 통기도가 작아, 얻어진 주강품에 약간 핀홀이 인지되었다. 또한, 실시예 5에서는 실시예 1보다 피복액의 점도가 높고, 도포량이 적었기 때문에, 피복층(1f)의 경도가 실시예 1보다 낮고, 얻어진 주강품에 약간 모래 혼입이 인지되었다.

[표 1]

주 : (1) 핀홀의 평가와 주형 파손 및 모래 혼입의 평가 중, 나쁜 쪽의 평가를 종합 평가로 한다.

1 : 생형
1a : 제1 생형 부재(상형)
1b : 제2 생형 부재(하형)
1k : 캐비티
1ka, 1kb : 캐비티부
1k-1 : 제품 캐비티
1k-2 : 탕도
1e : 형합면
1f : 피복층
1g : 표층
1h : 생형 내부
1n : 피복액
1n': 피복액의 층(경화성 수지층)
1L : 반경화층
2 : 모래 입자
3 : 간극
4 : 통기공
10, 11 : 노즐
T1 : 피복층의 두께
T2 : 표층의 두께

Claims (12)

1. 각 캐비티부를 가지는 적어도 한 쌍의 생형 부재를 가지고, 상기 생형 부재는 상기 캐비티부가 정합하도록 중첩되어, 금속 용탕이 유입되는 캐비티가 형성된 주조용 생형으로서,
   상기 생형 부재의 각각은 점결재(粘結材) 및 수분을 함유하는 주물사(鑄物砂)로 조형되고,
   각 생형 부재의 적어도 상기 캐비티부의 표면에 경화 수지를 주체로 한 피복층이 형성되어 있고,
   상기 피복층은, 주탕(注湯)에 의해 발생하는 가스를 빠져나가게 하는데 충분한 통기도의 통기공을 가지고, 또한
   상기 피복층을 포함하는 상기 캐비티의 표면으로부터 깊이 5㎜까지의 표층에서의 수분량이 상기 표층을 제외한 생형 부분의 평균 수분량보다 적은,
   주조용 생형.
2. 제1항에 있어서,
   상기 통기공이 상기 피복층에 대략 균일하게 분포하고, 또한 연통하는 다수의 세공인, 주조용 생형.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 피복층의 통기도(JIS Z2601로 규정되는 큰 오리피스를 사용한 신속법으로 측정)가 50∼200인, 주조용 생형.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피복층의 자경성(自硬性) 경도계로 측정한 평균 경도가 50∼95의 범위 내인, 주조용 주형.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 표층에서의 수분량이 2.5 질량% 이하인, 주조용 생형.
6. 주조 물품의 제조 방법으로서,
   점결재 및 수분을 함유하는 주물사를 조형하고, 각 캐비티부를 가지는 적어도 한 쌍의 생형 부재를 조형하는 공정,
   경화성 수지를 함유하는 피복액을 각 생형 부재의 적어도 상기 캐비티부에 도포하는 공정,
   상기 캐비티부가 정합하여 캐비티를 형성하도록 상기 생형 부재를 형맞춤하여, 적어도 캐비티 표면에 경화성 수지를 주체로 한 피복층이 형성된 주조용 생형을 형성하는 공정,
   상기 형맞춤 공정의 전 또는 후에, 상기 경화성 수지를 경화시켜, 주탕에 의해 발생하는 가스를 빠져나가게 하는데 충분한 통기도의 통기공을 가지는 피복층을 형성하는 공정,
   상기 경화성 수지의 경화와 동시에 또는 그 후에, 상기 피복층을 포함하는 상기 캐비티의 표면으로부터 깊이 5㎜까지의 표층에서의 수분량이 생형 내부의 수분량보다 적어지도록 건조시키는 공정, 및
   상기 피복층의 표면 온도가 50℃ 이상인 상태에서, 상기 캐비티에 금속 용탕을 주입하는 공정
   을 포함하는 주조 물품의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 피복액이 열경화성 수지를 함유하고,
   상기 형맞춤 공정의 전 또는 후에, 상기 피복액을 도포한 상기 생형 부재를 가열 처리함으로써, 상기 열경화성 수지를 경화시키고 또한 상기 표층을 건조시키는, 주조 물품의 제조 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 피복액의 도포량이 단위 면적당 100∼550g/㎡인, 주조 물품의 제조 방법.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 통기공이 상기 피복층에 대략 균일하게 분포하고, 연통한 다수의 세공인, 주조 물품의 제조 방법.
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복층의 통기도(JIS Z2601로 규정되는 큰 오리피스를 사용한 신속법으로 측정)가 50∼200인, 주조 물품의 제조 방법.
11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복층의 자경성 경도계로 측정한 평균 경도값이 50∼95의 범위 내인, 주조 물품의 제조 방법.
12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조 공정에서 상기 표층에서의 수분량을 2.5 질량% 이하로 하는, 주조 물품의 제조 방법.

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