KR20170068541A

KR20170068541A - 소실 모형 주조 방법

Info

Publication number: KR20170068541A
Application number: KR1020177012566A
Authority: KR
Inventors: 가즈유키 츠츠미
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2017-06-19
Also published as: TWI592229B; US20170312811A1; KR101950125B1; WO2016080139A1; CN107107166B; DE112015005231T5; DE112015005231B4; CN107107166A; JP2016097415A; US10099274B2; TW201637751A; JP6231465B2

Abstract

직경이 18㎜ 이하이며, 마무리 상태가 양호한 세공을 주형 빼기할 수 있도록 한다. 이하의 식에 있어서, 발포 모형(2)에 도포하는 도형제의 두께를 t(㎜), 구멍부(3)의 직경을 D(㎜), 건조시킨 도형제의 상온 항절 강도를 σc(MPa)로 한다. 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 l(㎜)인 구멍을 갖춘 주물을 주조 시에, 구멍부(3)의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0(초) 이내일 때에, 이하의 식을 충족하는 도형제를 사용한다.

Description

소실 모형 주조 방법{EVAPORATIVE PATTERN CASTING METHOD}

본 발명은 구멍을 갖춘 주물을 주조하는 소실 모형 주조 방법에 관한 것이다.

일반적인 사형 주조에 의한 방법에 비해, 치수 정밀도가 우수한 주물을 주조하는 방법이 몇 가지 제안되어 있다. 예를 들어, 인베스트먼트 주조법(별칭, 로스트 왁스법), 석고 주형 주조법, 소실 모형 주조법 등이 개발되어 있다.

그 중에서도, 소실 모형 주조법은, 주조에 의해 주물의 내부에 구멍을 형성하는(「주형 빼기」라고 칭함) 데 가장 적합한 방법이라고 생각된다. 여기서, 소실 모형 주조법은, 발포 모형의 표면에 도형제를 도포하여 이루어지는 주형을 주물사 안에 채운 후에, 주형 내에 금속의 용탕을 주입하고, 발포 모형을 소실시켜 용탕과 치환함으로써, 주물을 주조하는 방법이다.

특허문헌 1에는, 주조 시의 주입 시간을, 모형의 모듈러스(모형의 체적÷모형의 표면적)에 따라 설정하는 소실 모형 주조법이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2011-110577호 공보

그런데, 소실 모형 주조법에서는, 주조 중(응고 진행 중)에 있어서, 발포 모형의 구멍부의 표면에 도포된 도형제, 및 구멍부의 내부에 충전된 주물사에 비해, 주위로부터의 열부하가 크고, 또한, 용탕으로부터 다양한 외력이 작용한다. 또한, 발포 모형의 구멍부는, 주형 빼기에 의해 구멍이 형성되는 부분이다. 그로 인해, 개념도인 도 18에 도시된 바와 같이, 구멍부(23)의 구멍 단부(23a)나 중앙부(23b)에 있어서 도형제(24)가 손상되어, 구멍부(23)의 내부에 충전된 주물사(25)에 용탕(26)이 스며 나오는 경우가 있다. 특히, 직경이 18㎜ 이하인 세공을 주형 빼기하는 경우에는, 도형제(24)에 손상이 발생됨으로써, 용탕(26)과 주물사(25)가 융착되는 「버닝」이 생겨, 마무리 상태가 양호한 세공을 형성하기가 곤란해진다.

그래서, 통상, 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 50㎜ 이상인 세공은 주형 빼기하지 않고, 주조한 주물에 후방으로부터 기계 가공으로 세공을 뚫고 있다. 혹은, 몇번의 모의 제조를 행하여 도형제의 재질이나 주조 조건(주탕 시의 용탕 온도)을 정함으로써, 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 50㎜ 이상인 세공을 주형 빼기하고 있지만, 안정적인 제조는 어렵다.

본 발명의 목적은, 직경이 18㎜ 이하이며, 마무리 상태가 양호한 세공을 주형 빼기하는 것이 가능한 소실 모형 주조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 발포 모형의 표면에 도형제를 도포하여 이루어지는 주형을 주물사 안에 묻은 후에, 상기 주형 내에 금속의 용탕을 주입하고, 상기 발포 모형을 소실시켜 상기 용탕과 치환함으로써, 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 l(㎜)인 구멍을 갖춘 주물을 주조하는 소실 모형 주조 방법에 있어서, 상기 발포 모형에 도포하는 상기 도형제의 두께를 t(㎜), 상기 구멍이 형성되는 부분인 상기 발포 모형의 구멍부의 직경을 D(㎜), 건조시킨 상기 도형제의 상온 항절 강도를 σc(MPa)라 하면, 상기 구멍부의 주변부에서 상기 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가, 상기 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0(초) 이내일 때에, 이하의 식을 충족하는 상기 도형제를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 l(㎜)인 구멍을 갖춘 주물을 주조할 때에, 구멍부의 주변부에서 용탕의 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0 이내일 때에, 상기 식을 충족하는 도형제를 사용한다. 여기서, 도형제의 고온 강도를 직접 측정하기는 곤란하다. 그러나, 도형제를 수지 분해할 때까지 가열하여 소결체로 한 후에 상온으로 되돌린 것의 항절 강도가, 도형제를 그대로 건조시킨 수지 점결체로서의 상온 항절 강도의 약 1/7 이하로 저하되는 점에서, 수지 분해가 완전히 종료되지 않은, 즉, 완전한 소결체로 되지 않은 도형제의 항절 강도는, 완전히 소결체로 된 도형제의 항절 강도보다도 높은 것으로 추정된다. 수지 점결체로서의 도형제의 강도는, 상온에서 σc이며, 수지의 열 분해의 진행에 따라 저하되어 가고, 분해율이 100％일 때에 0이 된다. 그러나, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕의 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0(초) 이내이면, 도형제에 수지 점결체로서의 강도가 잔존한다. 그래서, 도형제에 잔존하고 있는 수지 점결체로서의 강도를 고려하면, 상기 식이 얻어진다. 따라서, 상기 식을 충족하는 도형제를 사용함으로써 직경이 18㎜ 이하인 세공을 구비한 주물을 주조해도, 도형제가 손상되지 않도록 할 수 있다. 이에 의해, 주조 시에 버닝이 발생되지 않으므로, 직경이 18㎜ 이하이며, 마무리 상태가 양호한 세공을 주형 빼기할 수 있다.

도 1a는 주형의 상면도.
도 1b는 주형의 측면도.
도 2는 주형의 측면도.
도 3은 도 2의 A-A 단면도.
도 4는 도 2의 주요부 B의 확대도.
도 5는 주형의 측면도.
도 6은 도 5의 C-C 단면도.
도 7은 도 5의 주요부 D의 확대도.
도 8은 수지 분해할 때까지 가열한 후에 상온으로 되돌린 도형제의 항절 강도와, 주형 빼기 가능 직경의 관계를 나타내는 도면.
도 9는 주조 중의 도형제의 온도와 도형제의 강도의 관계를 나타내는 도면.
도 10은 주조 중의 도형제의 온도와 도형제의 강도의 관계를 나타내는 도면.
도 11a는 블록의 상면도.
도 11b는 블록의 측면도.
도 12a는 블록의 상면도.
도 12b는 블록의 측면도.
도 13a는 블록의 상면도.
도 13b는 블록의 측면도.
도 14는 응고 시간의 해석에 사용된 블록의 사시도.
도 15a는 구멍부의 주변부에서의 냉각 곡선을 나타내는 도면.
도 15b는 구멍부의 주변부에서의 냉각 곡선을 나타내는 도면.
도 15c는 구멍부의 주변부에서의 냉각 곡선을 나타내는 도면.
도 16은 짧은 변 T와 응고 종료 시간 te의 관계를 나타내는 도면.
도 17은 짧은 변 T와 응고 종료 시간 te의 관계를 나타내는 도면.
도 18은 소실 모형 주조법에 의한 주조의 개념도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.

(소실 모형 주조 방법)

본 발명의 실시 형태에 따른 소실 모형 주조 방법은, 발포 모형의 표면에 도형제를 도포하여 이루어지는 주형을 주물사(건조사) 안에 묻은 후에, 주형 내에 금속의 용탕을 주입하고, 발포 모형을 소실시켜 용탕과 치환함으로써, 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 l(㎜)인 구멍을 갖춘 주물을 주조하는 방법이다. 이 소실 모형 주조 방법은, 「주형 빼기」에 의해, 예를 들어 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 100㎜ 이상인 세공을 구비한 주물을 주조하는 데 가장 적합한 방법이라고 생각된다.

소실 모형 주조 방법은, 금속(주철)을 용해하여 용탕으로 하는 용해 공정과, 발포 모형을 성형하는 성형 공정과, 발포 모형의 표면에 도형제를 도포하여 주형으로 하는 도포 공정을 갖고 있다. 그리고, 소실 모형 주조 방법은, 주형을 주물사 안에 묻어 주형의 구석구석까지 주물사를 충전하는 조형 공정과, 주형 내에 용탕(용융 금속)을 주입함으로써, 발포 모형을 녹여서 용탕과 치환하는 주입 공정을 갖고 있다. 또한, 소실 모형 주조 방법은, 주형 내에 주입하는 용탕을 냉각시켜 주물로 하는 냉각 공정과, 주물과 주물사를 분리하는 분리 공정을 갖고 있다.

용탕으로 하는 금속으로서는, 회주철(JIS-FC250)이나 구상 흑연 주철(JIS-FCD450) 등을 사용할 수 있다. 또한, 발포 모형으로서는, 발포 스티롤 등의 발포 수지를 사용할 수 있다. 또한, 도형제로서는, 실리카계 골재의 도형제 등을 사용할 수 있다. 또한, 주물사로서는, SiO₂를 주성분으로 하는 「규사」나, 지르콘사, 크로마이트사, 합성 세라믹사 등을 사용할 수 있다. 또한, 주물사에 점결제나 경화제를 첨가해도 된다.

또한, 도형제의 두께는 3㎜ 이하가 바람직하다. 도형제의 두께가 3㎜ 이상이 되면 도형제의 도포와 건조를 3회 이상 반복할 필요가 있어 손이 많이 가는 데다가 두께가 불균일해지기 쉽기 때문이다.

여기서, 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 l(㎜)인 구멍을 갖춘 주물을 주조할 때에, 본 실시 형태에서는, 응고 종료 시간 te(초)가 시간 t0(초) 이내일 때에, 이하의 식 (1)을 충족하는 도형제를 사용하고 있다. 여기서, 응고 종료 시간 te(초)는, 발포 모형의 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 시간이다. 또한, 시간 t0(초)은, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간이다. 또한, 발포 모형의 구멍부란, 주형 빼기에 의해 구멍이 형성되는 부분이다.

여기서, l은 주물에 형성되는 구멍의 길이(㎜), t는 발포 모형에 도포되는 도형제의 두께(㎜), D는 발포 모형의 구멍부의 직경(㎜), σc는 건조시킨 도형제의 상온 항절 강도(굽힘 강도)(MPa)이다.

도 1a는 주형의 상면도이며, 도 1b는 주형의 측면도이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 직육면체의 발포 모형(2)의 중앙부에, 직경이 D(㎜)이고 길이가 l(㎜)인 구멍부(3)가 상면부터 하면에 걸쳐 관통하여 형성된 주형(1)을 사용하여, 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 l(㎜)인 세공을 구비한 주물을 주조하는 경우에 대해 생각한다. 또한, 구멍부(3)는, 그 구멍 단부(3a)에 있어서 발포 모형(2)의 면과의 사이에 각이 생기도록 형성되어 있다. 즉, 구멍 단부(3a)에 테이퍼 등의 가공은 실시되어 있지 않다. 또한, 구멍부(3)의 직경 D는, 구멍부(3)의 중심선을 사이에 둔 구멍부(3)의 표면간의 길이이며, 구멍부(3)의 표면에 도포된 도형제의 표면간의 길이는 아니다.

여기서, 세공의 직경은, 10㎜ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 세공의 직경은, 18㎜ 이하인 것이 더 바람직하다. 직경 10㎜의 세공의 표면에 두께 3㎜의 도형제를 도포하면, 세공의 내측 공간의 내경이 4㎜가 되고, 세공의 내부에 주물사를 투입하기가 곤란해지기 때문이다.

먼저, 기본적인 주조 조건에 따라, 발포 모형(2)의 구멍부(3)의 표면에 도포된 도형제에 작용하는 부하를 예측한다. 여기서, 세공을 연직 방향을 따라서 형성하는 경우, 구멍부(3)의 구멍 단부(3a)에 도포된 도형제에는 이하의 외력이 작용한다.

(1) 용탕의 정압(σp)

(2) 용탕의 흐름에 의한 동압(σm)

(3) 도형제와 용탕 응고 시의 열 수축ㆍ팽창 차(σthout)

(4) 구멍부(3) 내의 주물사와 도형제의 열 수축ㆍ팽창 차(σthin)

(5) 발포 모형의 연소로 발생된 가스의 압력(Pgout)(σgout)

(6) 발포 모형의 연소로 발생된 가스가 구멍부(3)의 내부에 고여서 발생되는 내압(Pgin)(σgin)

따라서, 용탕(용융 금속)의 온도와 동등한 고온 하에 있어서의 도형제의 강도(열간 강도)를 σb라 하고, 이하의 식 (2)가 성립되면, 도형제의 손상에 의한 용탕과 주물사의 「버닝」을 발생시키지 않고, 「주형 빼기」하는 것이 가능해진다.

이하, 각 외력에 대해 검토한다.

(용탕의 정압)

주형(1)의 측면도인 도 2에 도시된 바와 같이, 발포 모형(2)을 소실시켜 용탕(6)과 치환하면, 발포 모형(2)의 주위에 충전된 주물사(5)는, 용탕(6)의 정압을 받는다. 도 2의 A-A 단면도인 도 3에 도시된 바와 같이, 구멍부(3)의 표면에 도포된 도형제(4)는, 주위 방향으로 압축력을 받는다.

여기서, 발포 모형(2)의 주위에 충전된 주물사(5)의 양이 충분한 경우에는, 도 2의 주요부 B의 확대도인 도 4에 도시된 바와 같이, 구멍 단부(3a)에 도포된 도형제(4)에 있어서, 용탕(6)의 정압과 주물사(5)로부터의 반력이 균형이 잡힌다. 따라서, 구멍부(3)의 축방향의 부하는 무시할 수 있다.

한편, 구멍부(3)의 내부에 충전된 주물사(5)의 양이 불충분한 경우에는, 구멍 단부(3a)에 도포된 도형제(4)에는, 용탕(6)의 정압(부력)에 의한 굽힘 응력이 작용한다.

여기서, 구멍부(3)의 직경을 D(㎜), 중력 가속도를 g, 용탕(6)의 밀도를 ρm(kg/m㎥)이라 한다. 그리고, 용탕(6)의 정압에 의한 구멍부(3)(반원)로의 외력 w(N/㎜)은, 평균 헤드 차(용탕의 탕구와 구멍부(3)의 연직 방향 높이의 차) h(㎜)로서, 다음 식 (3)으로 구할 수 있다. 또한, 용탕의 탕구는, 구멍부보다도 상부에서, 발포 모형을 둘러싸는 주물사에 개구되어, 용탕이 주입되는 개소이다.

구멍부(3)의 표면에 도포된 두께 t(㎜)의 도형제(4)에 작용하는 응력은, 구멍부(3)의 내부에 충전된 주물사(5)로부터의 반력이 없다고 가정하여 평판에 근사하면, 빔 이론으로부터 다음 식 (4)의 σc(MPa)가 된다.

여기서, M은 구멍부(3)의 양단에 작용하는 모멘트, I는 반원통의 단면 2차 모멘트이다.

(용탕의 흐름에 의한 동압)

용탕의 흐름에 의한 동압은, 용탕의 흐름이 조용한 것을 전제로 하면, 무시할 수 있다.

(도형제와 용탕 응고 시의 열 수축ㆍ팽창 차)

선팽창률은, 주물사보다 주철의 쪽이 크다. 따라서, 도형제와 용탕 응고 시의 열 수축ㆍ팽창 차는, 도형제의 축방향으로 압축력을 부여한다. 이 압축력은, 도형제가 형성하는 원관이 좌굴에 의해 파괴되는 원인이 될 수 있지만, 무시할 수 있을 정도로 작다고 생각된다. 또한, 도형제의 주위 방향의 응력도 무시할 수 있다.

(구멍부 내의 주물사와 도형제의 열 수축ㆍ팽창 차)

구멍부(3) 내의 주물사나 도형제는, 용탕보다도 온도 변화가 작다. 따라서, 구멍부(3) 내의 주물사와 도형제의 열 수축ㆍ팽창 차에 의한 영향은, 도형제와 용탕의 응고 시의 열 수축ㆍ팽창 차보다도 작아서, 무시할 수 있다.

(발포 모형의 연소로 발생된 가스의 압력)

주형(1)의 측면도인 도 5에 도시된 바와 같이, 발포 모형(2)을 소실시켜 용탕(6)과 치환하면, 발포 모형(2)의 주위에 충전된 주물사(5)는, 발포 모형(2)의 연소로 발생된 가스의 압력을 받는다.

도 5의 C-C 단면도인 도 6에 도시된 바와 같이, 구멍부(3)의 표면에 도포된 도형제(4)는, 주위 방향으로 압축력을 받는다. 그러나, 도 5의 주요부 D의 확대도인 도 7에 도시된 바와 같이, 구멍부(3)의 축방향으로는, 다음 식 (5)의 인장력을 부여한다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 발포 모형(2)의 주위에 충전된 주물사(5)의 양이 충분한 경우에는, 가스의 압력과 주물사(5)로부터의 반력이 균형을 이루므로, 구멍부(3)의 축방향의 부하는 무시할 수 있다.

(발포 모형의 연소로 발생된 가스가 구멍부의 내부에 고여서 발생되는 내압)

발포 모형(2)의 연소로 발생된 가스가 구멍부(3)의 내부에 고여서 발생되는 내압은, 도형제에 식 (6)의 주위 방향의 응력 및 식 (7)의 축방향의 응력을 발생시킨다.

여기서, 구멍부(3)의 직경 D가 작을수록 주형 빼기를 하기 어려운 점에서, 식 (6), 식 (7)로 표현되는 외력의 영향은 무시할 수 있을 만큼 작다고 할 수 있다.

이상으로부터, 주물사의 충전량이 충분한 경우에는, 도형제로의 부하는 작다. 그러나, 실제로는, 주물사로부터의 반력은 충분하지 않고, 도형제에는, 용탕의 정압에 의한 굽힘 응력 및 발포 모형(2)의 연소로 발생된 가스의 압력에 의한 축방향의 인장력이 작용한다. 따라서, 도형제는, 이들에 견딜 수 있는 열간 강도를 가질 필요가 있다. 따라서, 주형 빼기 조건으로서, 식 (2)는, 식 (4)와 식 (5)를 사용하여, 식 (8)과 같이 근사시킬 수 있다.

여기서, k는 비례 상수,

이다.

식 (8)은, 주물사의 반력이 없을 때에 성립하는, 가장 엄격한 조건이다. 그래서, 주물사의 반력도 가미하여 각 항을 계수로 치환하면, 식 (9)와 같은, 구멍부(3)의 직경 D와 길이 l 및 도형제의 두께 t의 함수로 할 수 있다.

여기서, 도형제의 열간 강도를 직접 측정하기는 곤란하다. 그래서, 도형제의 열간 강도 σb(MPa) 대신에 수지 분해할 때까지 가열한 후에 상온으로 되돌린 도형제의 항절 강도 σn(MPa)을 사용한다. 수지 분해할 때까지 가열한 후에 상온으로 되돌린 도형제의 항절 강도와, 구멍부의 주형 빼기 가능한 직경(주형 빼기 가능 직경)의 관계를 도 8에 나타낸다. 그러면, 이 관계로부터, 식 (9)는 식 (10)으로 나타낼 수 있다.

따라서, 상기 식 (10)을 충족하는 도형제를 사용하여, 발포 모형에 도포되는 도형제의 두께를 1㎜ 이상으로 함으로써 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 100㎜ 이상의 세공을 구비한 주물을 주조해도, 도형제가 손상되지 않도록 할 수 있다.

(도형제의 항절 강도)

여기서, 상기 식 (10)은, 구멍부의 축방향에 직교하는 단면의 짧은 변이 100㎜인 주형을 사용하여 요구되고 있다. 그리고, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 완료할 때까지는, 구멍부의 도형제는 소결체로 되어 있다. 따라서, 「버닝」을 발생시키지 않기 위해서는, 도형제의 소결체로서의 열간 강도가, 부력 등의 외력의 합계를 상회할 필요가 있다.

한편, 주형에 있어서, 구멍부의 축방향에 직교하는 단면의 짧은 변(도 1a의 짧은 변 T)이 얇아지면, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 완료할 때까지 요하는 시간이 짧아진다. 이 경우, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 완료했을 때에, 도형제를 구성하는 수지의 분해가 완전하게는 종료되지 않은, 즉 완전한 소결체로 되지 않았을 것으로 예상된다.

후술하는 바와 같이, 도형제를 수지 분해할 때까지 가열하여 소결체로 한 후에 상온으로 되돌린 것의 항절 강도 σn은, 도형제를 그대로 건조시킨 수지 점결체로서의 상온 항절 강도 σc의 약 1/7 이하로 저하된다. 이러한 점에서, 수지 분해가 완전히 종료되지 않은, 즉, 완전한 소결체로 되지 않은 도형제의 항절 강도는, 완전히 소결체로 된 도형제의 항절 강도 σn보다도 높은 것으로 추정된다.

주조 중인 도형제의 온도와 도형제의 강도의 관계를 도 9에 나타낸다. 상온(RT)에서 도형제의 항절 강도는 σc이며, 수지에 의한 골재의 결합력(수지 점결체로서의 강도)이 도형제의 강도를 정하고 있다. 가열에 의해 도형제의 수지 분해가 개시되면, 수지의 열 분해의 진행에 따라 도형제의 강도는 저하되어 간다. 그리고, 수지 분해가 완전히 종료하면, 도형제의 항절 강도는, 소결체로 한 후에 상온(RT)으로 되돌린 것의 항절 강도 σn이 된다.

구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료될 때까지의 시간이 긴 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료될 때까지는 도형제의 수지 분해가 완전히 종료되어 도형제가 소결체로 된다. 도 10은, 주조 중인 도형제의 온도와 도형제의 강도의 관계를 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료될 때까지의 시간이 짧은 경우, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료된 시점에서 도형제의 수지 분해는 완전히 종료되지 않은, 즉 완전한 소결체로 되지 않았을 것으로 예상된다. 그리고, 도형제가 완전한 소결체로 되지 않으면, 도형제에는 수지 점결체로서의 강도가 잔존하고, 그 강도는 소결체로 된 도형제의 항절 강도 σn보다도 높을 것으로 추정된다.

따라서, 도형제의 열 분해가 종료될 때까지는, 구멍부의 주변부의 용탕 응고가 종료할 때, 도형제에 수지 점결체로서의 강도가 잔존한다. 환언하면, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0(초) 이내일 때에, 도형제에 수지 점결체로서의 강도가 잔존한다. 그리고, 완전한 소결체로 되지 않은 도형제의 항절 강도는, 소결체로 된 도형제의 항절 강도 σn보다도 높다고 추정된다. 그로 인해, 도형제에 수지 점결체로서의 강도가 잔존하고 있는 쪽이, 도형제가 손상되기 어렵고, 「버닝」이 발생되기 어렵다고 할 수 있다.

여기서, 도형제에 사용되고 있는 수지의 열 분해 반응 속도식은, 다음 식 (11)로 나타낼 수 있다.

여기서, k는 반응 속도 상수, t는 반응 시간(초), α는 분해율, f(α)는 분해율 α의 함수이다.

그러면, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 완료했을 때 (t=te)의 도형제의 열간 강도 σb는, 다음 식 (12)로 나타낼 수 있다.

여기서, g(α)는 분해율 α에 있어서의 열간 강도 σb를 정하는 함수이다.

h(te)는, g(f^-1)로 나타낼 수 있으므로, 열간 강도 σb는, 응고 완료까지의 시간의 함수가 된다.

여기서, 후술하는 바와 같이, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0은 1600초로 근사시킬 수 있다. 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0(초) 이내일 때에, 도형제에 수지 점결체로서의 강도가 잔존하고 있다고 할 수 있으므로, 식 (13)이 된다.

구멍부의 축방향에 직교하는 단면의 짧은 변이 100㎜의 주형에 있어서의 시험 결과(상세는 후술)로부터, 식 (9)의 α와 β를 구하면, 이하의 식 (14)와 같이 된다.

도형제 내의 수지 분해가 끝나지 않을 때, 즉, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te가, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0 이내일 때이면, 수지 점결체로서의 도형제의 항절 강도 σc를 사용하여, 식 (14)는, 이하의 식 (15)와 같이 근사시킬 수 있다.

여기서, k는 수지 분해 상황에서 바뀌는 계수이다.

도형제의 열간 강도는, 수지의 분해율이 0％일 때에 σb=σc이고, 분해율이 100％일 때에 σb=0(실제로는 소결체로서의 강도는 가짐)이다. 식 (12)를 1차식이라고 가정하면, 식 (16)이 된다.

식 (16)을 식 (15)에 대입하면, 식 (17)이 된다. 이 식 (17)을 충족하는 도형제를 사용함으로써, 「버닝」이 발생되지 않도록 할 수 있다.

또한, 식 (13)을 식 (17)에 대입하면, 다음 식 (18)이 된다.

또한, 주형의 형상은 직육면체에 한정되지 않고, 삼각 기둥이나 5각 기둥과 같은 각주상이나 원주상이어도 된다.

또한, 주형의 형상이 직육면체인 경우, 후술하는 바와 같이, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te는, 주형에 있어서의 구멍부의 축방향에 직교하는 단면의 짧은 변 T(도 1a 참조)의 함수로 나타낼 수 있다. 주조에 일반적인 주물사를 사용한 경우, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te는, 식 (19)로 근사시킬 수 있다.

식 (17)에 식 (19)를 대입하면, 식 (20)이 된다.

또한, 식 (18)에 식 (19)를 대입하면, 식 (21)이 된다.

(주형 빼기 평가)

다음에, 구멍부의 축방향에 직교하는 단면의 짧은 변 T의 길이가 다른 3체의 블록(주형)에 대해, 주형 빼기로 형성하는 세공의 길이를 100㎜로 한 경우에 대해, 도형제, 주물사 및 구멍부(3)의 직경을 각각 상이하게 해, 주형 빼기의 가부를 평가했다. 3체의 블록 사이즈는, 짧은 변 T, 긴 변, 높이의 순서대로 각각 100(㎜)×200(㎜)×100(㎜), 50(㎜)×200(㎜)×100(㎜), 25(㎜)×200(㎜)×100(㎜)이다. 짧은 변 T가 100㎜인 블록의 상면도를 도 11a에, 측면도를 도 11b에 각각 도시한다. 또한, 짧은 변 T가 50㎜인 블록의 상면도를 도 12a에, 측면도를 도 12b에 각각 도시한다. 또한, 짧은 변 T가 25㎜인 블록의 상면도를 도 13a에, 측면도를 도 13b에 각각 도시한다. 또한, 도형제의 종류를 표 1에 나타낸다. 또한, 주형 빼기 가부의 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 이 평가는, 동일한 성분의 회주철(JIS-FC250)을 사용하여, 동일한 주조 방법으로 행하고 있다.

평가의 결과, 동일한 종류의 도형제와 주물사의 조합에서도, 블록의 짧은 변 T가 얇을수록 주형 빼기하기가 쉬운 것을 알 수 있다. 이 이유로서, 블록의 짧은 변 T가 얇아지고, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te가 짧아지면, 도형제를 구성하는 수지의 분해가 완전하게는 종료되지 않은, 즉 완전한 소결체로 되지 않았을 것으로 예상된다.

또한, 표 1에서, 도형제를 수지 분해할 때까지 가열하여 소결체로 한 후에 상온으로 되돌린 것의 항절 강도 σn은, 도형제를 그대로 건조시킨 수지 점결체로서의 상온 항절 강도 σc의 약 1/7 이하로 저하되는 것을 알 수 있다. 이러한 점에서, 수지 분해가 완전히 종료되지 않은, 즉, 완전한 소결체로 되지 않은 도형제의 항절 강도는, 완전히 소결체로 된 도형제의 항절 강도 σn보다도 높을 것으로 추정된다.

주조 소프트웨어 JSCAST(퀄리카(qualica)사)를 이용하여, 블록의 짧은 변 T를 상이하게 했을 때의 직경이 14㎜인 구멍부의 주변 응고 시간을 구했다. 블록의 사시도를 도 14에 도시한다. 블록의 긴 변 및 높이를 각각 100㎜, 200㎜로 하고, 블록의 짧은 변 T를 100㎜, 50㎜, 25㎜로 상이하게 했다. 또한, 블록에는, 높이 방향의 중앙과, 상단(상단부면으로부터 50㎜의 위치)과, 하단(하단부면으로부터 50㎜의 위치)에 각각 구멍부를 형성했다. 또한, 용탕은 회주철(JIS-FC250)이라 가정하고, 그 물성값을 부여했다.

짧은 변 T가 100㎜인 블록에 있어서의, 구멍부의 주변부에서의 냉각 곡선을 도 15a에 도시한다. 또한, 짧은 변 T가 50㎜인 블록에 있어서의, 구멍부의 주변부에서의 냉각 곡선을 도 15b에 도시한다. 또한, 짧은 변 T가 25㎜인 블록에 있어서의, 구멍부의 주변부에서의 냉각 곡선을 도 15c에 도시한다. 여기서, 측정 개소인 「구멍 중심」, 「주물 표층」, 「주물 2층째」는, 도 14에 각각 나타낸 개소이다. 용탕이 응고할 때의 응고 잠열에 의해, 용탕이 완전히 응고할 때까지는 용탕의 온도는 완만하게 강하한다. 그리고, 용탕이 완전히 응고된 뒤에는 용탕의 온도는 빠르게 강하한다. 따라서, 냉각 곡선에 있어서의 변곡점을 응고 완료 시간이라고 생각해도 된다.

또한, 도 14에 있어서, 블록은 높이 방향으로부터의 열 배출의 영향도 받는다. 따라서, 블록의 중앙에 형성된 구멍부보다도, 블록의 상단(상단부면으로부터 50㎜의 위치) 및 블록의 하단(하단부면으로부터 50㎜의 위치)에 각각 형성된 구멍부 쪽이 응고 속도는 빠르다.

도 14에 있어서의 짧은 변 T가 100㎜인 블록에 형성된 상하단의 구멍부 및 중앙 구멍부의 응고 시간 및 주형 빼기 가부의 결과를 표 3에 나타낸다.

여기서, 짧은 변 T가 100㎜인 블록에 사용된 도형제는, 식 (10)을 충족하지 않는다. 그러나, 표 3에 나타내는 실험 결과로부터, 블록 상하단의 구멍부 주변 의 응고 시간은 1600초 미만이고, 마무리 상태가 양호한 세공을 주형 빼기할 수 있음을 알 수 있다. 이에 반해, 블록의 중단 구멍부의 주변 응고 시간은 1600초보다 길고, 마무리 상태가 양호한 세공을 주형 빼기할 수 없음을 알 수 있다. 따라서, 식 (10)의 조건을 충족하지 않아도, 응고 속도가 빠른 상하단에서는 「주형 빼기」가 가능한 것을 알 수 있다.

이상의 실험 결과를 근거로 하여, 짧은 변 T와 응고 종료 시간 te의 관계를 도 16에 도시한다. 도 16으로부터, 응고 종료 시간 te가 1600초 이상이 될 때에, 식 (10)의 조건을 충족할 필요가 있음을 알 수 있다. 이러한 점에서, 응고 종료 시간 te는 1600초 이내일 필요가 있고, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0은 1600초로 근사시킬 수 있음을 알 수 있다.

또한, 짧은 변 T가 100㎜인 블록 중앙의 구멍부가, 식 (10)의 성립 한계(t0≒1600(초))가 된다. 그래서, 표 2에 나타내는 주형 빼기 시험 결과의 대표예인, 도형제 A의 주형 빼기 한계(주형 빼기 불가가 된 직경 8㎜), 및 도형제 B의 직경 14㎜의 두 조건을, 각각 식 (9)에 대입하여 연립방정식을 풀어 α와 β를 구하면, 식 (14)가 된다.

도형제 내의 수지 분해가 끝나지 않을 때, 즉, 구멍부의 주변 응고 종료 시간 te가, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0 이내일 때이면, 수지 점결체로서의 도형제의 상온 항절 강도 σc를 사용하여, 식 (17)이 얻어진다. 또한, 식 (17)에 t0≒1600(초)을 대입시키면, 식 (18)이 얻어진다.

따라서, 식 (17) 또는 식 (18)을 충족하는 도형제를 사용함으로써 직경이 18㎜ 이하인 세공을 구비한 주물을 주조해도, 도형제가 손상되지 않도록 할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 전술한 수치 해석 결과를 사용하여, 짧은 변 T와 블록 중앙 구멍부의 주변부의 응고 종료 시간 te의 관계를 구했다. 짧은 변 T와 응고 종료 시간 te의 관계를 도 17에 나타낸다. 계산 조건으로서, 주조에 일반적인 주물사를 사용한 경우, 도 17로부터, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te는, 식 (19)로 근사시킬 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 식 (19)를 식 (17), 식 (18)에 각각 대입하면, 식 (20) 및 식 (21)이 얻어진다.

따라서, 식 (20) 또는 식 (21)을 충족하는 도형제를 사용함으로써 직경이 18㎜ 이하인 세공을 구비한 주물을 주조해도, 도형제가 손상되지 않도록 할 수 있음을 알 수 있다.

실시예

다음에, 회주철(JIS-FC250)을 용탕으로서 사용하여, 50(㎜)×100(㎜)×200(㎜)의 직육면체의 발포 모형에, 상면부터 하면에 걸쳐 관통하는, 길이 100㎜이고 직경 14㎜의 구멍부를 배치한 주형을 사용하여, 세공을 구비한 주물을 주조했다.

식 (21)에 T=50(㎜), l=100(㎜), D=14(㎜)를 대입하고, 또한 표 1의 도형제 B를 2번 칠한 표준 두께 t=0.9(㎜)를 대입하면, 우변은 5.7이 되었다. 도형제 B의 상온 항절 강도 σc는 4.4MPa보다도 크지만, 5.7MPa 이하의 경우도 있기 때문에, 주형 빼기할 수 없을 가능성이 높다. 그래서, 도형제 B를 3번 칠하여 두께 t를 1.4㎜로 함으로써, 식 (21)을 충족했다.

발포 모형에 도형제 B를 3번 칠하여 주조를 행한 결과, 「버닝」을 발생시키지 않고, 마무리 상태가 양호한 세공을 주형 빼기할 수 있었다.

(효과)

이상에서 설명한 것 같이, 본 실시 형태에 따른 소실 모형 주조 방법에 의하면, 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 l(㎜)인 구멍을 갖춘 주물을 주조 시에, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0 이내일 때에, 상기 식 (17)을 충족하는 도형제를 사용한다. 여기서, 도형제의 고온 강도를 직접 측정하기는 곤란하다. 그러나, 도형제를 수지 분해할 때까지 가열하여 소결체로 한 후에 상온으로 되돌린 것의 항절 강도가, 도형제를 그대로 건조시킨 수지 점결체로서의 상온 항절 강도의 약 1/7 이하로 저하된다. 이러한 점에서, 수지 분해가 완전히 종료되지 않은, 즉, 완전한 소결체로 되지 않은 도형제의 항절 강도는, 완전히 소결체로 된 도형제의 항절 강도보다도 높을 것으로 추정된다. 수지 점결체로서의 도형제의 강도는, 상온에서 σc이며, 수지의 열 분해의 진행에 따라 저하되어 가고, 분해율이 100％일 때에 0이 된다. 그러나, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0(초) 이내이면, 도형제에 수지 점결체로서의 강도가 잔존한다. 그래서, 도형제에 잔존하고 있는 수지 점결체로서의 강도를 고려하면, 상기 식 (17)이 얻어진다. 따라서, 상기 식 (17)을 충족하는 도형제를 사용함으로써 직경이 18㎜ 이하인 세공을 구비한 주물을 주조해도, 도형제가 손상되지 않도록 할 수 있다. 이에 의해, 주조 시에 버닝이 발생되지 않으므로, 직경이 18㎜ 이하이며, 마무리 상태가 양호한 세공을 주형 빼기할 수 있다.

또한, 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0이 1600초이므로, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가 1600초 이내일 때에, 도형제에 수지 점결체로서의 강도가 잔존한다. 따라서, 이 때에, 상기 식 (18)을 충족하는 도형제를 사용함으로써 도형제가 손상되지 않도록 할 수 있다.

또한, 구멍부의 주변부에 있어서 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te는, 주형에 있어서의 구멍부의 축방향에 직교하는 단면의 짧은 변 T의 함수로서 상기 식 (19)로 표현된다. 따라서, 이 관계를 만족시킬 때에, 상기 식 (20), 식 (21)을 충족하는 도형제를 사용함으로써 도형제가 손상되지 않도록 할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 구체예를 예시한 것에 지나지 않으며, 특히 본 발명을 한정하는 것은 아니고, 구체적 구성 등은, 적절히 설계 변경이 가능하다. 또한, 발명의 실시 형태에 기재된, 작용 및 효과는, 본 발명으로부터 발생되는 가장 적합한 작용 및 효과를 열거한 것에 지나지 않고, 본 발명에 의한 작용 및 효과는, 본 발명의 실시 형태에 기재된 것에 한정되는 것은 아니다.

1: 주형
2: 발포 모형
3: 구멍부
3a: 구멍 단부
4: 도형제
5: 주물사
6: 용탕
23: 구멍부
23a: 구멍 단부
23b: 중앙부
24: 도형제
25: 주물사
26: 용탕

Claims

발포 모형의 표면에 도형제를 도포하여 이루어지는 주형을 주물사 안에 묻은 후에, 상기 주형 내에 금속의 용탕을 주입하고, 상기 발포 모형을 소실시켜 상기 용탕과 치환함으로써, 직경이 18㎜ 이하이고 길이가 l(㎜)인 구멍을 갖춘 주물을 주조하는 소실 모형 주조 방법에 있어서,
상기 발포 모형에 도포하는 상기 도형제의 두께를 t(㎜), 상기 구멍이 형성되는 부분인 상기 발포 모형의 구멍부의 직경을 D(㎜), 건조시킨 상기 도형제의 상온 항절 강도를 σc(MPa)라 하면, 상기 구멍부의 주변부에 있어서 상기 용탕 응고가 종료되는 응고 종료 시간 te(초)가, 상기 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0(초) 이내일 때에, 이하의 식을 충족하는 상기 도형제를 사용하는 것을 특징으로 하는 소실 모형 주조 방법.
제1항에 있어서, 상기 도형제의 열 분해가 종료되는 시간 t0이 1600초인 것을 특징으로 하는 소실 모형 주조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주형의 형상은 직육면체이며,
상기 주형에 있어서의 상기 구멍부의 축방향에 직교하는 단면의 짧은 변을 T라 하면, 이하의 식을 충족하는 것을 특징으로 하는 소실 모형 주조 방법.