KR20190058960A - 이중코팅 공정을 이용하는 세라믹 중자 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 세라믹 중자 제조방법은 그린바디를 무기바인더 용액에 침지시켜 그린바디에 무기바인더를 코팅하는 단계(S20); 상기 무기바인더가 코팅된 그린바디를 건조시키는 단계; 상기 그린바디를 비수용성 유기바인더 용액에 침지시켜 상기 무기바인더 위에 비수용성 유기바인더를 재차 코팅시키는 단계(S30); 상기 비수용성 유기바인더가 코팅된 그린바디를 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 그린바디를 열처리하여 중자를 얻는 단계(S40);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 무기바인더 코팅 위에 비수용성 유기바인더를 코팅하는 이중코팅 공정을 적용함으로써 무기바인더의 흡습성을 개선하여 성형강도 및 소성강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 종래에 비하여 열처리하기 전에 성형체를 어느 정도 보관하더라도 수분에 의하여 성형체의 강도가 저하되고 그로 인해 열처리 후의 소성강도가 저하되는 문제를 해결할 수 있다.

Description

이중코팅 공정을 이용하는 세라믹 중자 제조방법{Fabricating method for ceramic core using double coating process}
본 발명은 세라믹 중자 제조방법에 관한 것으로서, 특히 그린바디(green body)에 무기바인더를 코팅하고 그 위에 유기바인더를 더 코팅하는 이중코팅 공정을 거친 후에 열처리 소성 공정을 행함으로써 무기바인더의 흡습성을 개선하여 성형강도 및 소성강도를 향상시키는 세라믹 중자 제조방법에 관한 것이다.
기계부품을 제조하기 위한 일반적인 방법으로서 생산성이 높고 제조가격이 저렴한 사형주조공정이 적용되고 있다. 유체(공기)가 흐르는 공간 등이 내부에 필요한 기계부품에서는 이러한 내부 공간을 마련하기 위해서 세라믹 중자가 사용되고 있다. 주조에 의한 중공형 기계부품(주물품)의 제작에 있어서는 외형을 형성하는 세라믹 주형과 함께 내부 공간을 마련하는 세라믹 중자가 함께 사용되고 있으며, 이 중 세라믹 중자는 기계부품의 정밀성과 목적성을 확보하기 위한 중요 부분이다. 외부 형상은 주조 후 가공으로 개선이 가능하지만 내부 공간은 주조 후 가공으로 개선이 어렵기 때문이다.
사형주조용 중자는 일반적으로 세라믹 출발분말과 유기바인더(레진계)를 혼합하여 원하는 일정 형상(예: 제조하고자 하는 기계부품 형상)으로 제조되며, 중자의 강도는 유기바인더에 의해 발현된다. 그런데 이렇게 사형주조용 중자를 제조하기 위해 사용되는 유기바인더는 휘발 온도가 낮다는 열적 특성을 갖기 때문에 사형주조공정에서는 상온에서만 주조가 가능하며, 이로 인해 용융 금속의 유동성이 급격히 저하되어 복잡한 형상이나 얇은 두께의 주조품을 제조하는데 한계성을 갖는다.
복잡한 형상이나 얇은 두께의 주조품을 제조하기 위해서는 중자를 약 1000℃ 이상의 고온에서 열처리할 수 있는 정밀주조공정(예: investment casting)이 적용되고 있다. 그러나 정밀주조를 위한 중자의 경우에도 강도발현을 위한 고온의 열처리 수축 혹은 뒤틀림 등 결함들이 중자에 발생된다. 또한 중자를 제조하기 위해서는 사출성형(injection molding) 방법이 요구되어 생산성이 낮고, 제조단가도 높은 단점이 있다. 이와 함께 정밀주조용 중자를 이용하는 인베스트먼트 캐스팅(investment casting) 공정은 일정크기 이상의 주조품 제조가 어려운 단점을 가지고 있다.
사형주조공정과 정밀주조공정의 장점들(사형주조공정에서의 제조 용이성 및 생산성, 정밀주조공정에서의 정밀성)을 모두 활용하기 위해 새로운 제조공정으로서 유기-무기 바인더 전환공정이 제시되었다.
유기-무기 바인더 전환공정에서는 유기바인더로 출발 분말(세라믹 분말)의 표면을 코팅한 후에 유기바인더 위에 무기바인더를 재코팅하여 성형체를 제조한다. 이 후, 열처리 공정을 진행하면 그 과정에서 유기바인더는 휘발되고, 이렇게 유기바인더가 휘발되면서 공극이 형성되면 유동성을 갖도록 유리화된 무기 바인더가 삼투압에 의해 유기 바인더 자리를 대체하여 중자가 강도를 발현하게 된다.
따라서 유기-무기 바인더 전환공정을 통하여 제조된 사형주조용 중자를 이용하게 되면, 일반적인 사형주조용 중자를 이용하는 경우에 비하여 복잡한 형상이나 얇은 두께의 주조품을 제조할 수 있게 되므로, 간단한 방법으로 중자를 제조하면서도 정밀주조공정의 장점을 함께 살릴 수 있다.
이 때, 무기바인더로는 무기 알칼리 금속 혼합물이 사용되는데, 이는 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체로 합성되며, 아래와 같은 가수분해 반응 및 축합 반응(졸-겔 반응)을 통해 코팅이 이루어진다.
(1) 가수분해 및 축합 반응
MOR + H2O → ROH + MOH
nSi(OR)4 +4nH2O → nSiO2 + 4nROH
상기 반응에서 MOR, ROH, MOH, Si(OR)4 및 SiO2는 각각 금속 알콕사이드, 알콜, 수산화금속, 알킬 실리케이트 및 실리카를 의미한다. 그리고 M은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이며, R은 수소 또는 알킬기를 의미한다.
금속 알콕사이드와 알킬 실리케이트는 물에 의해 수산화 금속, 실리카, 알콜로 가수분해되며, 특히 알킬 실리케이트는 가수분해 반응과 동시에 가수반응을 통해 생성된 실란올(SiOH) 분자끼리 반응하는 축합 반응 즉, 졸-겔 반응으로 실리카를 생성시킨다. 이 때, 졸-겔 반응에서 형성된 H2O 및 ROH를 제거하기 위해 건조공정이 필수적으로 수반된다.
이후, 생성된 실리카와 수산화 금속은 높은 온도(900℃)의 열처리 과정을 통해 금속 규산염의 유리질로 세라믹코어 입자 표면에 생성되며, 중자의 소성강도는 아래와 같은 유리화 과정에서 생성되는 유리질에 의해 발현된다.
(2) 유리화반응
SiO2 + 2MOH　 →　 SiO2ㅇM2O + H2O
그러나 상술한 종래의 유기-무기 바인더 전환 공정의 경우, 건조공정 후 무기 바인더 전구체에서 생성되는 MOH(예컨대, NaOH는 공기 중에서 흡습성을 가지는 대표적인 물질임)는 열처리 공정 시 실리카의 망목구조를 개질하는 작용을 하나, 흡습성을 가져 무기 바인더 코팅층에 H2O가 잔존하게 하는 문제가 발생한다.
즉, 유기-무기바인더가 코팅된 성형체를 얻은 후 열처리 전의 성형체를 습한 곳에 보관하거나 또는 습하지 않은 장소라 할지라도 장시간 보관할 경우 성형체가 수분을 흡수하면서 무기바인더 코팅층에 H2O가 포함되어 포함되어 성형체의 강도가 감소되고, 열처리 후의 급격한 수분의 기화로 소성체 강도도 감소하게 된다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 성형체의 흡습성을 제어함으로써 성형체가 습도환경에 일정 기간 노출되더라도 강도가 유지되도록 하고, 이로 인해 열처리 후의 소성체 강도도 향상되는 세라믹 중자 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 세라믹 중자 제조방법은,
그린바디를 무기바인더 용액에 침지시켜 그린바디에 무기바인더를 코팅하는 단계;
상기 무기바인더가 코팅된 그린바디를 건조시키는 단계;
상기 그린바디를 비수용성 유기바인더 용액에 침지시켜 상기 무기바인더 위에 비수용성 유기바인더를 재차 코팅시키는 단계;
상기 비수용성 유기바인더가 코팅된 그린바디를 건조시키는 단계; 및
상기 건조된 그린바디를 열처리하여 중자를 얻는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 그린바디는 세라믹 입자에 레진계 바인더를 코팅시킨 후 열 및 압력을 가하여 얻어지는 성형체인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 무기바인더는 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체로 합성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 비수용성 유기바인더는 PS(Polystyrene)인 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 비수용성 유기바인더 용액은 아세톤에 아세톤 100g을 기준으로 상기 PS가 2x10-4 mol ~ 4x10-4mol의 몰수로 용해되어 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 비수용성 유기바인더가 코팅된 그린바디를 건조시키는 단계는 가열을 통해 이루어지고, 상기 건조시키는 단계 이후에 상온에서 방치하는 단계가 더 포함되며, 상기 열처리는 상기 방치하는 단계 이후에 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 건조시키는 단계에서의 가열은 70~90℃에서 1~2시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 중자를 얻기 위한 열처리는 900~1000℃의 온도 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 무기바인더 코팅 위에 비수용성 유기바인더를 코팅하는 이중코팅 공정을 적용함으로써 무기바인더의 흡습성을 개선하여 성형강도 및 소성강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 종래에 비하여 열처리하기 전에 성형체를 어느 정도 보관하더라도 수분에 의하여 성형체의 강도가 저하되고 그로 인해 열처리 후의 소성강도가 저하되는 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 이중코팅 공정이 적용된 세라믹 중자 제조방법(A)을 설명하기 위한 공정 흐름도;
도 2는 이중코팅이 적용되지 않은 종래의 세라믹 중자 제조방법(B)을 설명하기 위한 공정 흐름도;
도 3은 PS 용액의 농도(점도)에 따른 열처리 전과 후의 시험편에 대한 강도특성을 측정한 결과 그래프;
도 4는 PS 용액의 농도(점도)에 따른 접촉각(wetting angle)을 측정한 결과를 나타낸 도면;
도 5는 PVA 용액의 농도(점도)에 따른 열처리 전과 후의 시험편에 대한 강도특성을 측정한 결과 그래프;
도 6은 PVA 용액의 농도(점도)에 따른 접촉각(wetting angle)을 측정한 결과를 나타낸 도면;
도 7은 열처리 후 시험편(소성체)의 파단면 미세구조를 관찰한 전자현미경 사진;
도 8은 실온보다 더 가혹한 습도 100%의 환경에서 실시예1 및 비교예1에 대한 성형강도 및 소성강도를 나타낸 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
도 1은 본 발명에 따라 이중코팅 공정이 적용된 세라믹 중자 제조방법(A)을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
본 발명에 따른 세라믹 중자 제조방법(A)은 크게 그린바디(green body)를 준비하는 단계(S10), 그린바디를 무기바인더 용액에 침지시켜 무기바인더를 코팅하는 단계(S20), 무기바인더가 코팅된 그린바디를 유기바인더 용액에 침지시켜 유기바인더를 코팅하는 단계(S30), 및 유기바인더가 코팅된 그린바디를 열처리 소성하여 중자를 얻는 단계(S40)를 포함하여 이루어진다.
그린바디의 준비(S10)
단계 S10에서의 그린바디는 평균입도 150~200㎛ 구형상의 모래입자(sand)에 페놀수지(phenolic resin)를 코팅시킨 후 금형에 열 및 압력을 가하여 성형(forming)함으로써 얻어지는 성형체이다. 모래입자 대신에 다른 세라믹 입자가 선택될 수도 있다.
페놀수지는 열경화성 수지로서 한번 굳으면 용매에 다시 녹지 않으나, 열처리 소성과정(950℃ 부근)이나, 또는 주형(외형틀)의 내부에 유로형성을 위한 중자가 설치되어 이루어진 제품 형틀에 용탕을 부어서 제품을 주조하는 과정(1500℃ 부근)에서 수지 간 결합이 끊어져 분해되기 때문에 고온에서 주조품을 생산하기에는 어려움이 있다. 페놀수지 대신에 다른 레진계 바인더를 사용하는 경우에도 마찬가지 문제에 봉착한다.
무기바인더 코팅(S20)
따라서 열처리 소성 후에도 중자의 형상이 유지되고, 고온의 용탕에 대해서도 중자가 견딜 수 있도록 무기바인더를 코팅하는 과정이 요구된다. 이에, 그린바디를 무기바인더 용액에 침지시켜 그린바디의 표면 및 공극에 무기바인더를 코팅하는 단계(S20)를 거친다.
무기바인더의 코팅단계(S20) 이후에는 무기바인더의 졸-겔 반응에서 형성된 H2O 및 ROH를 제거하기 위해 건조(drying) 공정을 거친다. 후술하는 실시예 1에서는 80℃에서 1시간 정도 수행되는 경우가 제시되었다.
무기바인더 용액으로는 종래에서와 같이 무기 알칼리 금속 혼합물이 사용될 수 있으며, 이는 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체로 합성될 수 있다. 후술하는 실시예1에서는 SiO2 및 Na2O 전구체 혼합물이 사용되는 경우가 제시되었다.
앞서 설명한 바와 같이 NaOH는 실리카 분자구조에서 Si-O-Si 사슬 사이에 위치하여 유리화 온도는 낮추고 유리질 생성을 증가시키는 효과를 발현시키나 공기 중에서 높은 흡습성으로 인해, 성형체를 대기에 보관하는 경우, 무기 바인더 분자 내에 수분이 포함되어 성형체의 강도를 감소시킬 뿐 아니라 소성강도 또한 감소시킨다.
유기바인더 코팅(S30)
이를 방지하기 위하여 본 발명의 특징부로서 무기바인더가 코팅된 그린바디를 소수성의 유기바인더 용액에 침지시켜 무기바인더 위에 유기바인더를 재차 코팅하는 단계(S30)를 더 거친다.
유기바인더로는 수용성과 비수용성을 사용할 수 있지만, 후술하는 바와 같이 본 발명은 무기바인더와 수분의 접촉을 막기 위해 비수용성(소수성) 유기바인더를 사용하는 것을 특징으로 한다.
비수용성 유기바인더로는 PEEK(Polyether ether ketone), PS(Polystyrene), PETE(Polyethylene terephthalate) 등이 선택될 수 있는데, 이는 물(수분)에 용해되지 않으면서 왁스사출 스팀온도(200℃)에서도 견딜 수 있어야 하는 조건을 감안한 것이다. 여기서, PEEK는 구매에 어려움이 있고, PETE는 구매는 용이하나 용해를 위한 적당한 용매를 찾기가 어렵다. 따라서 구매도 용이하고 용해를 위한 용매도 손쉽게 찾을 수 있는 PS를 사용하는 것이 바람직하다.
PS는 아세톤에 잘 용해되므로 유기바인더 용액으로는 후술하는 실시예1에서와 같이 아세톤에 PS가 용해된 것이 사용되는 것이 바람직하다.
유기바인더 코팅단계(S30) 이후에는 건조(drying) 및 방치(store) 과정을 거친다. 이 때 건조는 70~90℃에서 1~2시간 정도 이루어지는데 이는 아세톤을 건조시키기 위한 것이다. 건조온도가 상기 범위의 하한을 미달하는 경우 아세톤이 충분히 휘발되지 않아 건조시간이 필요 이상으로 길어지는 문제가 있고, 상기 범위의 상한을 초과하는 경우에는 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체가 기화되거나 분해되어 유리화 반응 효율이 감소될 우려가 있어 바람직하지 못하다.
방치 과정에서는 앞서 설명한 바와 같이 무기바인더가 수분을 흡수하는 현상이 발생하게 된다. 방치가 어떤 상황에서 이루어지느냐에 따라 동일한 기간 방치되더라도 성형체 및 소성체의 강도저하 정도가 다를 것이다. 후술하는 실시예 1에서는 방치가 상온에서 10일 동안 이루어지는 경우를 예로 들었다.
중자 완성(S40)
어느 정도 방치 과정이 지나면 열처리 소성과정을 거쳐 중자를 얻는다(S40). 열처리는 900~1000℃의 온도범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 열처리의 온도가 상기한 범위의 하한 값을 미달하는 경우는 유리질 금속 실리케이트가 유리질로 전환되는 율이 감소되는 단점이 있고, 상기한 범위의 상한 값을 초과하는 경우에는 유리질 금속 실리케이트의 기화 및 분해가 촉진되어 유리질화 효율이 감소되기 때문에 바람직하지 못하다. 열처리 시간은 중자의 크기에 따라 차이가 나므로 중자의 크기에 따라 적절히 선택되어야 할 것이다.
실시예1
평균입도 150~200㎛ 구형상의 뮬라이트 비드에 페놀수지(phenolic resin)를 코팅시킨 후 금형에 열 및 압력을 가하여 성형(forming)함으로써 그린바디 시험편을 얻는다.
상기 그린바디 시험편을 SiO2계 전구체인 TEOS와 고온에서의 유리질 전환을 용이하게 하는 Na2O 전구체인 NaOMe 혼합물로 이루어진 무기바인더 용액에 침지한 후 80℃에서 1시간 정도 건조과정을 거친다.
다음에는, 아세톤에 PS를 용해시키고 교반기(agitator)로 돌린 유기바인더 용액에 시험편을 침지시킨다. 이 때, 아래의 표 1에서와 같이 PS의 농도는 3가지(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)로 구분하였다. 표 1에서의 농도는 아세톤 100g에 혼합되는 PS의 몰수를 나타낸 것이다.
< PS 용액의 농도에 따른 점도 및 접촉각 측정>
샘플(PS) 농도 점도(mPaㅇS) 접촉각(ㅀ)
I 1x10-4 mol 3.76 72
Ⅱ 2x10-4mol 10.6 76
Ⅲ 4x10-4mol 29.7 84
유기바인더 코팅 이후에는 80℃에서 1시간 정도 건조시킨 후에 상온에서 10일 동안 방치하였다. 이후, 1000℃에서 1시간 동안 열처리함으로써 중자 시험편을 얻었다.
도 3은 PS 용액의 농도(점도)에 따른 열처리 전과 후의 중자 시험편에 대한 강도특성을 측정한 결과 그래프이다.
여기서, 가로로 그어진 두 줄은 종래의 제조공정(B)에 따른 것인데, 위에 있는 줄은 열처리 전의 성형체 강도(이하 '성형강도'라 함)를 나타낸 것이고, 밑에 있는 줄은 열처리 후의 소성체 강도(이하 '소성강도'라 함)를 나타낸 것이다.
그리고 막대그래프는 본 발명의 제조공정(A)에 따른 것으로서, PS 용액의 점도(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)에 따른 성형강도 및 소성강도를 나타낸 것이다. 막대그래프는 두 개가 한 세트로 그려져 있는데 그 중에서 왼쪽의 것은 성형강도를 나타낸 것이고, 오른쪽의 것은 소성강도를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제조공정(A)을 따를 경우 성형강도가 종래의 제조공정(B)에 비해 크다는 것을 확인할 수 있다. 이는 10일의 방치기간이 있음에도 불구하고 유기바인더에 의해 무기바인더의 흡습성이 개선되어 무기바인더의 본래 기능(중자 붕괴 방지)이 저하되지 않고 제대로 발현되었음을 말해주는 것이다. 이로 인해 소성강도도 본 발명의 경우(A)가 종래의 경우(B)에 비하여 크게 된다.
본 발명에서 유기바인더로 사용되는 PS는 고분자 중에서도 높은 탄성율과 강도를 가지기 때문에 이러한 유기바인더의 재질 자체도 성형강도를 증가시키는 요인이 된다.
도 3을 참조하면, 성형강도와 소성강도는 PS 용액의 농도가 클수록 더 커짐을 알 수 있다. 본 실시예의 경우, PS 용액의 농도가 1x10-4 mol ~ 4x10-4mol 인 범위에서는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
도 4는 PS 용액의 농도(점도)에 따른 접촉각(wetting angle)을 측정한 결과를 나타낸 도면이다. 열처리 전의 성형체에 물방울을 떨어뜨려 표면에서의 접촉각을 측정하였다.
도 4를 참조하면, 도 3의 강도에 대한 경향과 마찬가지로 PS의 농도(점도)가 클수록 접촉각이 증가되는 경향을 확인할 수 있다. 다만, PS-Ⅰ의 경우는 일정시간 경과 후 표면에 있던 물이 시험편에 흡수되었으나 PS-Ⅱ 및 PS-Ⅲ 은 일정시간이 경과하더라도 여전히 물이 표면에서 동글동글하게 존재하여 방습이 제대로 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 측면에서 PS-Ⅰ보다는 PS-Ⅱ(2x10-4 mol) ~ PS-Ⅲ(4x10-4mol)가 더 바람직하다고 볼 수 있다.
도 3 및 도 4를 통하여 무기바인더의 흡습성이 유기바인더의 코팅에 의해 개선됨을 확인할 수 있고, 이로 인해 성형강도와 소성강도도 종래의 경우(B)보다 향상됨을 알 수 있다.
비교예 1
실시예1에서 유기바인더를 달리하는 경우이다. 구체적으로, 증류수에 수용성 유기바인더인 PVA(Poly Vinyl Alcohol)를 용해시키고 교반기로 돌려 유기바인더 용액을 얻는다. 이때의 PVA 농도에 따른 점도 측정 결과는 아래의 표 2와 같다. 표 2에서의 농도는 증류수 100g에 혼합되는 PVA의 몰수를 나타낸 것이다.
< PVA 용액의 농도에 따른 점도 및 접촉각 측정>
샘플(PVA) 농도 점도(mPaㅇS) 접촉각(ㅀ)
I 1x10-5 mol 1.37 30
Ⅱ 2x10-5mol 3.13 37
Ⅲ 4x10-5mol 10.5 41
도 2는 이중코팅이 적용되지 않은 종래의 세라믹 중자 제조방법(B)을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 도 1과 달리 유기바인더 코팅단계(S30)가 없다. 즉, 무기바인더 코팅(S20) 이후에 유기바인더의 코팅 없이 바로 건조, 방치, 열처리 단계를 거쳐서 중자를 얻는다(S40).
도 5는 PVA 용액의 농도(점도)에 따른 열처리 전과 후의 시험편에 대한 강도특성을 측정한 결과 그래프이다. 도 3의 경우와 비교하여 볼 때, 성형강도가 종래의 경우(B)보다 작음을 확인할 수 있다. 그리고 소성강도도 종래의 경우(B)보자 작음을 확인 할 수 있다. 이러한 강도저하의 원인은 현재로서는 정확히 알 수 없지만, 적어도 이중코팅 공정에 수용성 유기바인더가 적용되는 경우에는 무기바인더의 흡습성이 개선되지 않는다는 것은 알 수 있다.
도 6은 PVA 용액의 농도(점도)에 따른 접촉각(wetting angle)을 측정한 결과를 나타낸 도면이다. 도 4에서와 같이 열처리 전의 성형체에 물방울을 떨어뜨려 표면에서의 접촉각을 측정하였다.
도 6을 참조하면, PVA의 점도가 높을수록 접촉각은 증가되는 경향을 나타내었으나, 일정시간 이후 접촉각은 줄어들거나 모두 시험편에 흡수됨을 알 수 있으며, 또한 PS의 경우보다 접촉각이 작음도 확인할 수 있다. 이는 PS를 사용하는 경우에 비하여 방습이 제대로 이루어지 못함을 의미한다.
도 7은 열처리 후 시험편(소성체)의 파단면 미세구조를 관찰한 전자현미경 사진으로서, 도 7a는 종래의 경우(B), 도 7b는 비교예1의 경우, 도 7c는 실시예1인 경우에 대한 것이다. 도 7b와 도 7c의 경우 PVA-Ⅲ과 PS-Ⅲ이 각각 적용되었다.
도 7b의 경우 내부 반응이 충분하지 못하여 붕괴 현상을 보이고, 도 7c의 경우 표면의 반응이 골고루 이루어져 유리질이 양호하게 형성되었음을 볼 수 있다. 이러한 이유로 본 발명의 경우 소성강도 향상이 나타난 것이다.
도 8은 실온보다 더 가혹한 습도 100%의 환경에서 실시예1 및 비교예1에 대한 성형강도 및 소성강도를 나타낸 그래프이다. 실시예 1의 경우는 PS- Ⅲ 시편이 사용되었고 비교에 1의 경우는 PVA-Ⅲ 시편이 사용되었다. 시편을 물이 담겨 있는 밀봉 용기에 넣은 후 10일간 보관하였다가 강도를 측정하였다.
도 8을 참조하면, 비교예1의 경우는 습도 100%의 환경에 방치되는 경우 성형강도 및 소성강도가 종래의 제조방법(B)으로 실온에 방치되는 경우와 비교해 볼 때 이에 못 미침을 알 수 있다. 특히 열처리 후의 소성강도는 현저한 저하를 나타내었다.
그러나 실시예1의 경우는 습도 100%의 환경에 성형체가 방치되더라도 종래의 제조방법(B)으로 실온에 방치되는 경우와 비슷한 성형강도를 유지하고, 열처리 후의 소성강도는 종래의 제조방법(B)에 다소 못 미치지만 그래도 PS 바인더가 역할을 하고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 무기바인더 코팅 위에 비수용성 유기바인더를 코팅하는 이중코팅 공정을 적용함으로써 무기바인더의 흡습성을 개선하여 성형강도 및 소성강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 종래에 비하여 열처리하기 전에 성형체를 어느 정도 보관하더라도 수분에 의하여 성형체의 강도가 저하되고 그로 인해 열처리 후의 소성강도가 저하되는 문제를 해결할 수 있다.

Claims (8)

  1. 그린바디를 무기바인더 용액에 침지시켜 그린바디에 무기바인더를 코팅하는 단계;
    상기 무기바인더가 코팅된 그린바디를 건조시키는 단계;
    상기 그린바디를 비수용성 유기바인더 용액에 침지시켜 상기 무기바인더 위에 비수용성 유기바인더를 재차 코팅시키는 단계;
    상기 비수용성 유기바인더가 코팅된 그린바디를 건조시키는 단계; 및
    상기 건조된 그린바디를 열처리하여 중자를 얻는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 중자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 그린바디는 세라믹 입자에 레진계 바인더를 코팅시킨 후 열 및 압력을 가하여 얻어지는 성형체인 것을 특징으로 하는 세라믹 중자 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 무기바인더는 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체로 합성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 중자 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비수용성 유기바인더는 PS(Polystyrene)인 것을 특징으로 하는 세라믹 중자 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비수용성 유기바인더 용액은 아세톤 100g을 기준으로 상기 PS가 2x10-4 mol ~ 4x10-4mol의 몰수로 용해되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 중자 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비수용성 유기바인더가 코팅된 그린바디를 건조시키는 단계는 가열을 통해 이루어지고, 상기 건조시키는 단계 이후에 상온에서 방치하는 단계가 더 포함되며, 상기 열처리는 상기 방치하는 단계 이후에 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 중자 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 건조시키는 단계에서의 가열은 70~90℃에서 1~2시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 중자 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 중자를 얻기 위한 열처리는 900~1000℃의 온도 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 중자 제조방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115947606A (zh) * 2022-12-16 2023-04-11 中航装甲科技有限公司 一种硅基陶瓷型芯水溶性强化剂及强化方法
WO2024106609A1 (ko) * 2022-11-18 2024-05-23 창원대학교 산학협력단 3d 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물 및 이를 이용한 고강도 세라믹 구조체 제조방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130111614A (ko) * 2010-12-28 2013-10-10 버코 머티리얼즈 엘엘씨 탄화붕소계 물질 및 그것의 제작방법
KR20160150529A (ko) * 2015-06-22 2016-12-30 창원대학교 산학협력단 사형 주조용 주형 및 이의 건식 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130111614A (ko) * 2010-12-28 2013-10-10 버코 머티리얼즈 엘엘씨 탄화붕소계 물질 및 그것의 제작방법
KR20160150529A (ko) * 2015-06-22 2016-12-30 창원대학교 산학협력단 사형 주조용 주형 및 이의 건식 제조방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024106609A1 (ko) * 2022-11-18 2024-05-23 창원대학교 산학협력단 3d 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물 및 이를 이용한 고강도 세라믹 구조체 제조방법
CN115947606A (zh) * 2022-12-16 2023-04-11 中航装甲科技有限公司 一种硅基陶瓷型芯水溶性强化剂及强化方法
CN115947606B (zh) * 2022-12-16 2024-03-12 中航装甲科技有限公司 一种硅基陶瓷型芯水溶性强化剂及强化方法

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