KR20220029460A - 부식 방지 층 구조체를 갖는 주조 부품 - Google Patents

부식 방지 층 구조체를 갖는 주조 부품 Download PDF

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KR20220029460A
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woven fiber
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KR1020210113113A
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헬마 다넨만
알렉산더 닥터 배스겐
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오스카 프레치 게엠베하 + 코. 카게
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Abstract

1. 부식 방지 층 구조체를 갖는 주조 부품.
2.1. 본 발명은 용융물을 주조 또는 취급하는 장치의 주조 부품에 대한 것으로서, 주조 부품은 금속 주 본체(1)를 포함하고 금속 주 본체(1)는 용융물 접촉 표면 영역(2)에 하나 이상의 중첩된 층으로 구성된 부식 방지 층 구조체(3)를 포함한다.
2.2. 본 발명에 따른 부품에서, 부식 방지 층 구조체(3)는 단일 층으로서 또는 복수의 층 중 하나로서, 주조 온도 내성을 갖는 직조 섬유 재료로부터 가요성 직조 섬유 본체서 미리 제조된 보호성 직조 섬유 본체(5), 또는 주조 온도 내성을 갖는 섬유 부직포 재료 또는 섬유 종이 재료로부터 미리 제조된 유연한 부직포 층으로서 부직포 보호성 층(6) 또는 주조 온도 내성을 갖는 성형체로부터 미리 제조된 강성의 성형체로서 보호성 성형체(7)를 포함한다.
2.3. 예를 들어 알루미늄 및 알루미늄 합금의 압력 주조를 위한 고온 챔버 압력 주조 기계에 사용한다.

Description

부식 방지 층 구조체를 갖는 주조 부품{Foundry component having an anticorrosion layer structure}
본 발명은 금속 용융물을 주조 또는 취급하기 위한 장치용 주조 부품에 관한 것으로, 주조 부품은 하나 이상의 중첩된 층으로 구성된 부식 방지 층 구조체를 갖는 금속-접촉 표면에 제공된 금속성 주 본체를 포함한다.
이러한 주조 부품은, 금속 주조 기술, 주조 피팅(cast fitting), 주조 용기, 용융로, 용융 이송 장치 및 주조 주형 및 또한 이러한 금속 주조 부품(metal casting component)의 부분품(part)과 같이 다양한 형태로 고온 챔버 압력 주조 기계 및 저온 챔버 압력 주조 기계용 금속 주조 기술에 적용된다. 철 기반 재료, 즉 철을 기반으로 하는 재료, 일반적으로 주조 강철 재료(cast steel material)와 같은 강철 재료(steel material)는, 이러한 부품들이 비용/활용 비율이 좋기 때문에, 주 본체(main body)에 일반적으로 사용된다. 이 목적을 위해, 용융물 접촉 표면 영역은, 주조 작업 동안 금속 용융물(metal melt)에 연속적으로 또는 적어도 일정 시간 동안 노출되어 접촉되는 주조 부품의 주 본체 표면 영역을 의미하는 것으로 이해된다.
강철로 구성된 주 본체를 갖는 주조 부품(foundry component)은, 이 금속-접촉 표면 영역 즉 주조 작업 동안 뜨거운 금속 용융물과 접촉하는 영역에서, 액체 금속 용융물에 의해 화학적으로 공격받을 수 있으며, 즉 부식될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 따라서 예를 들어, 알루미늄 압력 주조에서 알루미늄 용융물에 의한 눈에 띄는 부식 공격은 이러한 용융물과 접촉하는 주조 부품의 강철 표면에서 관찰된다.
금속 압력 주조 기계의 주조 피스톤/주조 실린더 유닛에 대한 알려진 해결책은 주조 피스톤 및 주조 실린더를 세라믹 재료 또는 소결 재료, 예를 들어 소결 티타늄 이붕활물(titanium diboride)(TiB2)로 만드는 것이다. 그러나 기계적 강도, 내열성 및 충격 강도는 만족스럽지 못한 경우가 많았다.
이와 비슷한 방식으로 공개 공보 DE 2 364 809호는 주조 피스톤과 주조 실린더를 탄화물(carbide), 붕화물(boride) 및 질화물(nitride)로 구성된 그룹에서 2개 이상의 재료 혼합물의 조립된 소결 부품으로 만드는 것을 제안하였다. 특히, 보론 탄화물(boron carbide)(B4C)와 TiB2, 지르코늄 이붕화물(ZiB2) 및 보론 질화물(BN) 중 하나 이상과의 혼합물이 제시되어 있다.
특허 공개 US 4,556,098호에서, 제시된 이들 및 다른 소결된 재료는 여전히 만족스럽지 못하며, 주조 실린더 및 주조 재료에 대해 대안으로 고밀도의 열간 프레스된 초경질 실리콘 질화물 또는 사이알론(Sialon) 재료가 제안되었다. 주조 철로 만든 용광로의 경우 Ca, Al2O3 또는 다른 산화물 예를 들어 Al2O3-TiO2 또는 TiB2, ZaB2, CaB2 또는 기타 순수 또는 혼합 붕화물의 산화물 또는 AlN, Si3N4, BN, 사이알론 또는 기타 질화물의 산화물이 개시되어 있으며, 예를 들어 에멀젼으로부터 또는 화염 분무에 의해 도포된다. 주소 피팅의 상승 채널(riser channel) 및 다른 부분품을 위한 접근 구멍을 닫기 위한 원추형 플러그의 경우에도 이러한 부식(corrosion) 및 침식(erosion) 방지 재료로 제조하는 것이 제안된다. 비교적 낮은 온도에서만 금속 용융물에 노출되는 주조 금형 부분품의 경우 Si3N4, AlN, 사이알, BN, 흑연 또는 열분해 탄소 또는 이들의 합금을 포함하는 조밀한 재료로 구성된 코팅이 제안된다.
특허 공보 EP 2 723 916 B1은 상술한 유형의 주조 부품을 개시하는데, 여기서, 부식 방지 층 구조체가 충전제(filler)로서 50nm 내지 50㎛ 범위의 하나 이상의 물질의 평균 입자 크기를 갖는 마이크로입자 및/또는 나노입자를 사용하여 졸-겔 층으로 구성된 부식 방지 층에 의해 형성되며, 이 물질은 전이 금속의 붕화물 또는 탄화물 및 그 합금으로 그리고 또한 붕소 및 실리콘의 붕화물 및 탄화물로 이루어진 군에서 선택되며, 여기서 졸-겔 층은 지르코늄계 또는 규소계 겔 형성제를 포함하고, 복수의 겔 서브 층(sublayer)에 의해 형성되고, 그 중 적어도 하나의 서브 층은 마이크로입자 및/또는 나노입자가 없고 졸-겔 층의 외부 서브 층을 형성한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 언급된 유형의 주조 부품에서 주조 부품이 비교적 적은 비용으로 생산될 수 있고 액체 금속 주조 용융물, 특히 알루미늄 용융물에 대해 높은 내식성을 나타내는, 주조 부품을 제공하는 것이다.
본 발명은 청구항 1의 특징을 갖는 주조 부품을 제공함으로써 이 문제를 해결한다. 이 문제 및 추가 문제를 해결하는 데 기여하는 본 발명의 유리한 발전은 종속항에 기재되어 있으며, 그 내용은 이전 청구항 참조(claim back-reference)에 의해 표시되는 특징의 모든 조합을 포함하며, 그것은 설명에 대한 참조에 의해 설명에 완전히 포함된다.
본 발명에 따르면, 부식 방지 층 구조체는, 단층 구성의 경우 단일 층으로서 또는 다층 구성의 경우 복수의 층으로서, 주조 온도 내성을 갖는 직조 섬유(woven fabric material) 재료로부터 가요성(flexible) 직조 섬유 본체(woven fabric body)로서 미리 제조된 보호성 직조 섬유 본체를 또는 주조 온도 내성을 갖는 섬유 부직포(fibre nonwoven) 재료 또는 섬유 종이 재료로부터 미리 제조된 유연한(pliable) 부직포 층으로서 부직포 보호성 층을 또는 주조 온도 내성을 갖는 성형체(shaped body)로부터 미리 제조된 강성의 성형체로서 보호성 성형체를 포함한다.
부직포 보호성 층을 위한 섬유 부직포 재료 또는 섬유 종이 재료는 비교적 짧은 섬유로 구성되는 반면, 보호성 직조 섬유 본체용 가요성 직조 섬유 본체는 비교적 높은 인장 강도를 갖는 긴 섬유로 형성된다. 두 경우 모두 주조 온도에서 안정한 섬유 또는 직조 섬유 재료, 예를 들어 알루미늄 주조의 경우 이 용도로 사용된다. 섬유 부직포로서 특히 세라믹 부직포라는 이름으로 시판되고 있는 종래의 부직포를 사용할 수 있다. 섬유 종이 재료로서, 특히 세라믹 종이라는 이름으로 시장에서 제공되는 통상적인 종이 재료를 사용하는 것이 가능하다; 본 목적을 위해, 용어 부직포 층 또는 부직포 보호성 층은 단순성을 위해, 세라믹 부직포 재료의 대응하는 층과 세라믹 종이 재료의 대응하는 층 모두를 포함하며, 이는 여기서 선택적으로 또는 상호교환적으로 사용될 수 있다.
보호성 직조 섬유 본체를 사용하는 경우, 이는 바람직하게는 용융 접촉 표면 영역에 맞춤형 코팅(tailored coating)으로 적용된다. 그런 다음 용융물 재료의 액체 압력 하에서 주 본체의 용탕 접촉 표면 영역에 단단히 밀착될 수 있으며 공기는 제거됩니다(displaced). 주조 부품의 작동 중에 보호성 직조 섬유 본체는 용융물 재료가 금속 주 본체를 통해 침입하는 것을 방지하고 사용 과정 동안 예를 들어 며칠 후 또는 몇 주 후 고온 용융물 재료와의 접촉으로 인해 소결 과정을 경험하며, 그 결과 가요성 미리 제조된 직조 섬유 본체에서 부서지기 쉬운 직조 섬유 본체로 변한다.
가요성 미리 제조된 보호성 직조 섬유 본체의 경우와 유사한 방식으로, 유연한 부직포 층으로서 미리 제조된 부직포 보호성 층은 또한 금속 용융물에 대한 불활성 장벽으로서 기능 할 수 있고 이러한 방식으로 금속 주 본체를 금속 용융물에 의한 부식으로부터 보호한다.
보호성 성형체를 사용할 때, 이것은 주조 부품의 주 본체의 용융물 접촉 표면 영역에 대해 외부로부터 안쪽으로 불투과성인 라이닝(lining)을 형성하고 특히 맞춤형으로 단품의(one-piece), 강성 성형체 또는 복수의 강성 판 요소(rigid plate element)로 구성된 성형체로 사전 제작될 수 있으며, 후자의 경우 판 요소들은 사전 제작되고 주조 부품의 주 본체의 용융물 접촉 표면 영역에 개별적으로 제공되거나 성형체로 조립된 후에 용융물 접촉 표면 영역에 이러한 성형체로서 함께 제공될 수 있다. 측면에서의 인접한 판 요소들 사이의 조인트(joint) 또는 전이 영역(transition region)은 필요한 경우 내열성 세라믹 접착 재료로 닫힐 수 있다. 이를 위해, 주조 온도 내열성(casting temperature resistant)의, 즉 주조가 수행되는 전형적인 작동 온도에 대해 충분히 내열성이 있는 세라믹 접착 재료, 특히 고온에 내성이 있는 세라믹 접착 재료를 사용할 수 있으며, 이는 이 목적을 위해 당업자에게 잘 알려져 있고, 예를 들어 산화 알루미늄(aluminium oxide)을 기반으로 한 재료를 사용할 수 있다.
여기서 주조 온도 내열성이라는 표현은 용어가 암시하는 바와 같이 주조 작업 동안 재료가 노출되는 주조 온도에 대한 재료의 내성을 나타낸다. 주조 온도는 당연히 각 경우에 주조할 용융물 재료에 따라 다르다; 후자는 금속 용융물이기 때문에 일반적으로 500℃ 이상에서 1000℃ 이상의 매우 높은 온도이다. 상응하는 고온 내성 재료는 장기간 작동 사용 중에도 이러한 온도에서 물리적 및 화학적 내성이 충분해야 한다. 특정 주조 온도 범위에서 사용하기 위한 그러한 재료는 그 자체로 당업자에게 공지되어 있으므로 이 시점에서 더 이상의 설명이 필요하지 않다. 본 경우를 포함하여, 주조 온도 내열성인 이러한 주형(mould) 재료는 단순성을 위해 대응하는 판 재료(plate material)는 당업자에게 공지되어 있으며, 예를 들어 용광로 건설(furnace construction)에서 공지되어 있다.
다중 겹(multi-ply) 구성의 경우, 하나 이상의 추가 층이 필요한 경우 주 본체의 표면에 대한 부식 방지 층 구조체의 개선된 결합을 제공하고 및/또는 금속 용융물에 의한 부식으로부터 주 본체를 보호하는 추가의 불활성 장벽을 제공하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 주조 부품의 금속 주 본체는, 이 같은 한 겹의 부식 방지 층 구조체 즉, 한 층으로 구성된 층 구조체 또는 다중 겹 부식 방지 층 구보 즉 복수의 중첩된 층으로 구성된 층 구조체에 의해, 용융 물 접촉 표면 영역(이 영역에서 작업 중에 주조 예를 들어 알루미늄 도는 알루미늄 합금 또는 다른 비철금속의 주조에 사용되는 금속 용융물 재료로 접촉할 수 있음)에서 용융물 재료와의 접촉으로 인해 발생할 수 있는 부식 현상에 대해 매우 확실하게 보호될 수 있음이 밝혀졌다.
본 발명에 따른 부식 방지 층 구조체의 경우, 보호될 금속 주 본체에 대한 접착 결합(adhesive bonding) 또는 전체 영역 포지티브 고정(full-area positive locking)이 없다. 이것은 부식 방지 층 구조체를 기존의 접착 결합된 또는 포지티브 고정된 코팅과 비교하여 기계적 손상에 덜 민감하게 하며, 손상도 국부적으로 제한될 수 있다. 또한, 부식 방지 층 구조체는 따라서 훨씬 더 나은 열 팽창 내성을 갖는다. 즉, 금속 주 본체의 열 팽창 효과에 의해 야기되는 부식 방지 층 구조체의 기계적 응력(mechanical stress)의 발생은 방지될 수 있거나 어떤 경우에도 기존의 접착 결합된 또는 포지티브 고정된 코팅에 비해 상당히 감소될 수 있다.
동시에 비교적 적은 비용으로 이 같은 부식 방지 층 구조체를 실현할 수 있다. 이를 위해, 보호성 직조 섬유 본체 및/또는 부직포 보호성 층 및/또는 대응하는 직조 섬유 재료로 구성된 보호성 성형체, 섬유 부직포/섬유 종이 재료 또는 사전 제조된 형태의 강성 판/성형체 재료가 보호될 주조 부품의 주 본체의 용융물 접촉 표면에 적용될 수 있다.
여기서, 보호성 직조 섬유 본체 또는 부직 보호성 층 또는 보호성 성형체를 포함하는 부식 방지 층 구조체가 특히 그 주 본체가 강철 재료로 구성된 주조 부품에 대해 여러 주의 작동에 걸쳐 매우 장기간 부식 보호를 제공할 수 있음이 밝혀졌다. 주 본체의 용융물 접촉 표면 영역이 주조되는 금속의 용융물 재료와 지속적으로 접촉하는 경우에도 부식 방지가 장기간 사용에도 안정적으로 유지된다. 이러한 방식으로 용융물 재료에 의한 부식 영향으로부터 보호되는 주조 부품의 더 긴 작동 수명을 얻을 수 있다.
또한, 부식 방지 층 구조체의 이러한 실현은 필요할 때 비교적 복잡하지 않은 수리(renovation) 및 따라서 후속의 주조 부품의 새로운 작동 사용을 허용한다. 이를 위해, 보호성 직조 섬유 본체 또는 부직포 층 또는 보호성 성형체 형태의 층을 비교적 쉽게 제거할 수 있으며, 이는 주조 부품의 금속성 주 본체 상에 얇은 층 기술에 의해 증착된 기존의 보호성 코팅의 경우에는 불가능하다. 유사하게, 부식 방지 층 구조체의 임의의 추가 층은 본 경우에 필요하다면 금속 주 본체로부터 다시 제거될 수 있다. 주조 부품의 금속 주 본체는 용융물 접촉 표면 영역에 새로운 부식 방지 층 구조체가 후속적으로 다시 제공될 수 있다.
말할 필요도 없이, 필요하다면, 부식 방지 기능을 갖지 않는 하나 이상의 추가 층이 부식 방지 층 구조체의 가장 바깥쪽 층의 외부 및/또는 부식 방지 층 구조체의 주 본체의 표면과 가장 안쪽 층 사이에 내부에 및/또는 부식 방지 층 구조체의 두 층 사이에 제공될 수 있다.
본 발명의 상응하는 발전에서, 주조 온도 내성인 직조 섬유 재료는, 산화알루미늄(Al2O3)계 재료이고 및/또는 주조 온도 내성인 섬유 부직포 또는 섬유 종이 재료는 산화 알루미늄(Al2O3)계 재료이고 및/또는 주조 온도 내성인 성형체 재료는 산화 알루미늄(Al2O3)계 재료이다. 따라서, 이로부터 제조된 부품은 본 경우에 Al2O3 보호성 직조 섬유 본체, Al2O3 부직포 보호성 층 또는 Al2O3 보호성 성형체로도 지칭된다. 이러한 재료의 선택은 일반적인 주조 온도에서의 물리적 및 화학적 내성 모두의 관점에서 그리고 알루미늄 주조에의 적용을 포함하여 기술 및 경제적 타당성 측면에서 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 이러한 Al2O3계 재료는 일반적으로 Al2O3 로만 구성될 필요가 없고 오히려 부수적인 양으로 추가 물질을 함유할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명의 발전에서, 부식 방지 층 구조체는 다중-겹 구조이고, 보호성 직조 섬유 본체, 부직포 보호성 층, 보호성 성형체 및 내열성 세라믹 접착 층으로 구성된 그룹에서 선택되며 첫 번째 언급된 층과 다른 적어도 하나의 추가 층을 포함한다. 이러한 다중-겹 구성은 필요한 경우 주 본체의 표면에 대한 부식 방지 층 구조체의 결합을 특히 효과적으로 개선할 수 있고 및/또는 금속 용융물에 의한 부식으로부터 주 본체를 보호하기 위해 적어도 하나의 추가의 불활성 장벽 층(inert barrier layer)을 제공할 수 있다. 내열성 세라믹 접착 층의 경우, Al2O3에 기초한 것을 포함하여 이러한 목적을 위해 당업자에게 친숙한 바와 같이 전형적인 주조 온도에서 충분히 내열성이 있는 세라믹 접착 재료를 사용하는 것이 가능하다. 대안적으로, 한 겹 구성에서, 부식 방지 층 구조체는 그러한 추가 층이 없이 단지 첫 번째 언급된 층으로 구성되고 선택적으로 상이한 유형의 하나 이상의 층으로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 부식 방지 층 구조체는 최내측 층, 즉 주 본체에 인접하는 층으로서 세라믹 접착 층을 갖는 다중-겹 구조이다. 세라믹 접착 층은 적절한 적용에서 주 본체의 용융물 접촉 표면 영역에 대한 부식 방지 층 구조체의 결합을 개선할 수 있다. 대안적인 실시 예들에서, 부식 방지 층 구조체는 그러한 최내측 세라믹 접착 층 없이 없다.
본 발명의 일 실시예에서, 부식 방지 층 구조체는 다중 겹 구조이고 외부 층(outer layer)으로서 보호성 직조 섬유 본체 및 내부 층(inner layer)으로서 부직포 보호성 층을 갖는다. 이것은 부직포 보호성 층이 보호성 직조 섬유 본체보다 주 본체에 더 가깝게 배열된다는 것을 의미하며, 부직포 보호성 층이 반드시 최내층이어야 하고 및/또는 보호성 직조 섬유 본체가 반드시 외부 층일 필요는 없고, 부직포 보호성 층 및 보호성 직조 섬유 본체가 반드시 층 구조체에서 2개의 직접 인접한 층이어야 할 필요는 없다. 이것은 유리한 방식으로 보호성 직조 섬유 본체 및 부직포 보호성 층의 유리한 부식 방지 특성과 기타 화학적 및 물리적 특성을 함께 나타내며, 외부 층으로서 보호성 직조 섬유 본체는 충격 등과 같은 이러한 기계적 영향으로부터 내부 부직포 보호성 층을 보호할 수 있다. 유리한 실시 예에서, 세라믹 접착 층은 부직포 보호성 층과 주조 부품의 금속 주 본체 사이에 부식 방지 층 구조체의 최내층으로서 존재하며, 이는 부식 방지 층 구조체의 결합을 개선할 수 있고, 이 경우 특히 주 본체의 용융 접촉 표면 영역에서 결합을 개선할 수 있다.
본 발명의 한 실시 예에서, 부식 방지 층 구조체는 적어도 세 겹이고 최내층으로서 세라믹 접착 층, 외부 층으로서 보호성 성형체, 그리고 세라믹 접착 층 및 보호성 성형체 사이에 중간층으로서 부직포 보호성 층을 갖는다. 이 실시예는 주조 부품의 주 본체의 용융물 접촉 표면 영역에 대한 부식 방지 층 구조체의 양호한 결합과 관련하여 세라믹 접착 층의 장점과 불침투성 외부 보호성 성형체의 유리한 특성 및 두께 균등화 및 압축 응력 하에서의 항복 특성(yield nature)을 포함하는 중간 부직포 보호성 층의 장점을 함께 갖는다. 대안적인 실시 형태에서, 중간 부직포 보호성 층 또는 내부 세라믹 접착제 층은 존재하지 않는다.
본 발명의 실시예에서, 세라믹 접착 층은 Al2O3에 기초한 내열성, 특히 고온 내성, 세라믹 접착 재료로 이루어진다. 이것은 본 발명의 목적에 특히 유리한 세라믹 접착 층을 위한 재료의 선택을 나타낸다. 대안적으로, 상이한 내열성 세라믹 접착 재료로 구성된 세라믹 접착 층이 사용될 수 있다.
본 발명의 발전에서, 보호성 직조 섬유 본체는 0.8mm 내지 3mm 범위의 두께를 갖는다. 이 두께 범위는 실현 비용, 만족스러운 부식 방지 및 부식 방지 층 구조체로 인한 주조 부품 치수의 영구적인 증가가 매우 제한적이라는 점에서 보호성 직조 섬유 본체에 최적인 것으로 밝혀졌다. 특정 용도의 경우 Al2O3 보호성 직조 섬유 본체의 두께를 이 범위 밖에서 선택할 수 있다.
본 발명의 발전에서, 부직포 보호성 층은 0.5mm 내지 5mm 범위의 두께를 갖는다. 이 두께 범위는 실현 비용, 만족스러운 부식 방지 및 부식 방지 층 구조체로 인한 주조 부품 치수의 영구적인 증가가 매우 제한적이라는 점에서 부직포 보호성 층에 최적인 것으로 밝혀졌다. 특정 용도의 경우 부직포 보호성 층의 두께를 이 범위 밖에서 선택할 수 있다.
본 발명의 발전에서, 보호 성형체는 2mm 내지 25mm 범위의 두께를 갖는다. 이 두께 범위는 실현 비용, 만족스러운 부식 방지 및 부식 방지 층 구조체로 인한 주조 부품 치수의 영구적인 증가가 매우 제한적이라는 측면에서 보호 성형체에 최적인 것으로 밝혀졌다. 특정 용도의 경우 보호 성형체의 두께를 이 범위 밖에서 선택할 수 있다.
본 발명의 발전에서, 주 본체는 철계 재료, 특히 주조 철강 재료로 이루어진다. 이것은 현재의 부식 방지 층 구조체의 장점과 주조 부품의 금속 주 본체를 위한 철 기반 재료를 선택하는 것으로 인한 장점을 결합한 것이다. 대안으로 주조 부품의 주 본체는 다른 금속 재료로 만들 수 있다.
본 발명의 발전에서, 주조 부품은 금속 압력 주조 기계용 부품, 예를 들어, 고온 챔버 압력 주조 기계일 수 있다. 특히, 이는 용융물과 접촉하는 주조 피팅(cast fitting), 주조 용기(casting vessel), 용융물 용광로 부품(melt furnace component), 용융물 이송 부품, 주조 주형 부품 또는 금속 압력 주조 기계의 이러한 부품의 일부일 수 있다. 특정 부식 방지 층 구조체로 인해 주조 부품은 이러한 목적에 특히 적합하며 비교적 긴 수명을 갖는다.
본 발명의 유리한 실시예들이 도면에 도시되어 있다. 본 발명의 이들 및 추가의 실시예들은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 부분적인 외부의, 세 겹 부식 방지 층 구조체를 갖는 주조 부품의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 부분적인 외부의 부식 방지 층 구조체를 갖는 주조 부품으로서의 주조 용기의 개략적인 단면도이다.
도 3은 세 겹 부식 방지 층 구조체 대신에 한 겹 부식 방치지 층 구조체를 갖는 변형에 대한 도 1의 단면도이다.
도 4는 세 겹 부식 방지 층 구조체 대신 두 겹 부식 방지 층 구조체를 갖는 변형에 대한 도 1의 단면도이다.
도 1, 3 및 4는 용융물 접촉 표면 영역(2)에 제공되는 부식 방지 층 구조체(3)를 갖는 금속 주 본체(1)를 포함하는, 금속 용융물을 주조하거나 취급하기 위한 장치용 주조 부품을 여기서 관심 있는 부품을 함께 완전히 도식적으로 보여준다. 도 1, 3 및 4는 예로서 그리고 추가 가능한 실현을 대표하는 것으로, 부식 방지 층 구조체(3)에 대한 다양한 실현 예를 도시한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 부식 방지 층 구조체(3)는, 최외측 층(outermost layer)(4)으로서 즉 금속성 주 본체(metallic main body)(1)의 표면으로부터 멀리 떨어진 층(4)으로서, 주조 온도 내성(temperature resistant)(내열성)을 갖는 직조 섬유 재료(woven fabric material)로부터 가요성 직조 섬유 본체(flexible woven fabric body)로서 사전 제조된, 보호성 직조 섬유 본체(protective woven fabric body(5)를 포함한다. 또한, 도 1의 실시 예에서 부식 방지 층 구조체(3)는 최내측 층(innermost layer)(9)으로서 주조 온도 내성을 갖는 세라믹 접착 층(ceramic adhesive layer)(8) 및 중간 층(intermediate layer)(10)으로서 주조 온도 내성을 갖는 섬유 부직포(fibre nonwoven) 또는 섬유 종이(fibre paper) 재료로부터 유연한 부직포 층(pliable nonwoven layer)으로서 미리 제조된 부직포 보호성 층(nonwoven protective layer)을 포함하며 따라서 부식 방지 층 구조체(3)는 세 겹 층(three-ply layer) 구조, 즉 세 개의 층을 포함하는 층 구조체이다.
보호성 직조 섬유 본체(5)는 유리한 구현에서 주조 온도 내성을 갖는 Al2O3에 기초한 직조 섬유 재료로부터 사전 제작되며, 즉 이 경우에 Al2O3 보호성 직조 섬유 본체를 형성한다. 부직포 보호성 층(6)은 유리한 실현에서 주조 온도 내성을 갖는 Al2O3에 기초한 섬유 부직포 또는 섬유 종이 재료로 사전 제작되며, 즉 이 경우에 Al2O3 부직포 보호성 층을 형성한다. 대안적인 구현에서, 주조 온도 내성을 갖는 다른 재료가 관련된 층 구조체 구성요소에 사용되며, 주조 기술 및 기타 고온 응용 분야에 사용하기 위해 당업자에게 그 자체로 공지된 섬유 강화 복합 재료(fibre-reinforced composite material)를 포함하는 산화 지르코늄(zirconium oxide) 또는 산화물-세라믹 복합 재료를 기반으로 하는 재료가 사용될 수 있다. 부직포 보호성 층(6)은 바람직하게는 0.5mm 내지 5mm 범위의 두께를 갖는다. 부직포 보호성 층(6)을 위한 섬유 부직포 또는 섬유 종이 재료는, 높은 인장 강도(tensile strength)를 가지며 보호성 직조 섬유 본체(5)용 가요성 직조 섬유 본체가 제조되는 섬유보다 짧은 섬유로 구성된다. 즉, 보호성 직조 섬유 본체(5)용 가요성 직조 섬유 본체는 높은 인장 강도를 가지며 긴 섬유로 제조된다.
도 2는 도 1의 구현에서 부식 방지 층 구조체(3)를 갖는 주조 부품이 예를 들어 금속 압력 주조 기계에서, 보다 구체적으로는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 비철(nonferrous) 주조 금속의 주조를 위한 고온 챔버 압력 주조 기계에서 통상적인 주조 용기(casting vessel)인 경우를 구체적으로 도시한다. 도 2의 주조 용기는 예를 들어 상기 특허 공개 EP 2 723 916 B1에 개시된 바와 같이 그 자체로 공지된 구조이다. 대안적인 실시 예에서, 주조 부품은 주조 피팅(casting fitting), 주조 용기, 금속 용광로 부품(metal furnace component), 용융물 수송 부품(melt transport component), 주조 주형 부품(casting mould component) 또는 이들 압력 주조 기계 부품 중 하나의 일부를 형성한다. 이 예시적인 경우에 부식 방지 층 구조체(3)의 층 순서를 더 잘 보여주기 위해 층들이 주조 용기의 다른 높이로 절단되어 표시되어 각 층이 적어도 영역에서 볼 수 있다.
대안적인 실시예에서, 단지 세라믹 접착 층(8) 또는 단지 부직포 보호성 층(6)만이 금속 주 본체(1)와 최외측 층(4)인 보호성 직조 섬유 본체(5) 사이에 최내측 층(9)으로서 제공되어 부식 방식 층 구조체(3)는 두 겹 구조를 나타낼 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서, 부식 방지 층 구조체(3)는 한 겹이다. 즉, 이 예에서 보호성 직조 섬유 본체(5)에 의해 형성되는 단일 보호성 층(11)으로만 이루어진다. 여기서의 한 겹 구조 그리고 다른 다겹 구조의 부식 방지 층 구조체(3)의 구현에 사용되는 보호성 직조 섬유 본체 또는 Al2O3 보호성 직조 섬유 본체(5)는 바람직하게는 0.8mm 내지 3mm 범위의 두께를 갖는다. 대안적인 실시예에서, 한 겹 구성의 부식 방지 층 구조체(3)의 단일 층(11)은 부직포 보호성 층 또는 Al2O3 부직포 보호성 층(6)으로 이루어진다. 상대적으로 작은 표면 영역 또는 전이 영역(transition region)으로 제한되어, 세라믹 접착 층(8)은 또한 부식 방지 층 구조체(3)을 위한 단일 층 접착 코팅으로 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 실시예에서, 부식 방지 층 구조체(3)는 내부 또는 최내측 층(9)으로서의 세라믹 접착 층(8) 및 외부 또는 최외측 층(4)으로서 주조 온도 내성을 갖는 성형체(shaped body)로부터 강성 성형체로 사전 제조된 보호성 성형체(7)를는 포함하는 두 겹 구조이다. 유리한 구현에서, 보호성 성형체(7)는 주조 온도 내성인 Al2O3에 기초한 성형체 재료로 사전 제작되며, 즉, 이 경우에 Al2O3 보호성 성형체를 형성한다. 대안적인 구현에서, 주조 온도 내성을 갖는 다른 재료가 보호 성형체에 사용되며 예를 들어 섬유 강화 복합 재료를 포함하는 산화 지르코늄 또는 산화물-세라믹 복합 재료를 기반으로 하는 재료가 사용될 수 있다.
대안적인 실시 형태에서, 부식 방지 층 구조물(3)은 세 겹, 즉 3개의 층을 포함하며, 최외측 층(4)으로서 보호성 성형체(7), 최내측 층(9)으로서 세라믹 접착제 층(8) 그리고 세라믹 접착 층(8)과 보호성 성형체(7) 사이에 중간 층으로서 부직포 보호성 층(6) 또는 보호성 직조 섬유 본체(5)을 갖는다.
적어도 세 겹 구성의 부식 방지 층 구조(3)에서 부직포 보호 층(6)이 중간 층(10)으로서 사용되는 경우, 이것은 용융 재료에 대한 추가의 불활성 장벽(inert barrier)의 역할을 할 수 있고 그에 의해 외부 보호성 직조 섬유 본체(5) 또는 외부 보호성 성형체(7)가 손상되거나 관통된 경우에도 금속 주 본체(1)가 부식되지 않도록 신뢰성 있게 보호할 수 있다.
부식에 대한 유사한 추가 보안은 부식 방지 층 구조(3)의 다른 가능한 다중 겹 실시예들에 의해 제공된다. 부식 방지 층 구조(3)의 다중 층(multilayer) 실시 예들에서, 부식 방지 층 구조(3)의 하나 이상의 추가 층이 여전히 남아 있고 손상된 층의 국소적 손상 지점에서 부식 방지 기능을 하기 때문에, 예를 들어 복수의 층 중 한 층에 대한 기계적 손상 특히 최외측 층(4)에 대한 기계적 손상의 결과로서 금속 용융물이 금속 주 본체(1)와 직접 접촉할 가능성은 거의 없다.
추가의 대안적인 실시예들에서, 부식 방지 층 구조체(3)는 4개 이상의 중첩된 층을 포함하고, 이들 각각의 층은 보호성 직조 섬유 본체(5)에 의해 제공되는 층, 부직포 보호성 층(6)에 의해 제공되는 층, 보호성 성형체(7)에 의해 제공되는 층 및 세라믹 접착 층(8)에 의해 제공되는 층으로 구성된 그룹에서 선택되고 이들 중 적어도 2개가 서로 상이한 층이다.
세라믹 접착 층(8)은 바람직하게는 Al2O3에 기초한 내열성 세라믹 접착 재료로 이루어지며, 이를 위해 이러한 유형의 대응하는 통상적인 세라믹 접착 재료를 사용하는 것이 가능하다. 요구 사항에 따라 세라믹 접착 층(8)은 용융물 접촉 표면 영역(2)에서 금속 주 본체(1)의 일부 또는 전체 영역에 걸쳐 도포될 수 있다. 세라믹 접착 층(8)의 세라믹 접착 재료는, 보호성 성형체(7)와 함께 사용될 때, 바람직하게는 주 본체(1)의 금속 재료의 열팽창 계수에 거의 상응하는 열팽창 계수를 갖는다. 용융물 접촉 표면 영역(2)에서 금속 주 본체(1)와 보호성 성형체(7) 간의 열 응력은 따라서 최소화될 수 있다. 더 작은 표면 영역 또는 전이에서 세라믹 접착 층(8)은 또한 전체 영역에 걸쳐 단독 코팅 또는 충전물(filling)로 사용될 수 있다.
주 본체(1)는 바람직하게는 철계(iron-based) 재료, 특히 주조 부품의 금속 주 본체에 대해 공지된 바와 같은 주조 철강 재료(cast steel material)로 구성되며 이 목적을 위해 즉 철계 또는 철강계 금속을 사용하는 것이 가능하다.
보호성 성형체(7)는, 요구 사항 및 특정 용도에 따라, 본 목적에 적합하고 주조 부품의 주 본체(1)에 직접 마련되는, 판 재료(plate material)로 구성된 복수의 강성, 미리 제조된 판 요소들에 의해 형성함으로써, 적절한 성형체 재료로부터 주문 제작된, 단일품의, 강성 성형체로서 사전 제작될 수 있으며, 대안으로서, 판 요소들은 먼저 조립되어 성형체를 구성한 후에 주 본체(1)의 용융물 접촉 표면 영역(2) 상에 균일한 성형체로서 마련될 수 있다. 판 요소들 간의 임의의 조인트 간극(joint gap) 또는 인터페이스 및/또는 전이(transition)는 예를 들어 세라믹 접착 층(8)과 동일한 세라믹 접착 재료를 사용하여 대안으로서 다른 내열성 세라믹 접착 재료를 사용하여 닫히거나 밀봉될 수 있다. 보호성 성형체(7)는 전형적인 작업 예에서 2mm 내지 25mm 범위의 두께를 갖는다.
보호성 직조 섬유 본체(5)를 사용하는 경우, 이것은 바람직하게는 주조 온도 내성을 갖는 직조 섬유 재료로부터 예를 들어 Al2O3 직조 섬유 재료로부터 가요성 직조 섬유 본체로서 맞춤형 방식(tailored manner)으로 사전 제작되며, 용융물 접촉 표면 영역(2)에서 주 본체(1)에 배치된다. 가요성 직조 섬유 본체가 금속 용융물과 접촉하는 즉시, 예를 들어 주 본체(1)가 금속 용융물에 침지될 때, 용융물 재료의 압력에 의해 용융물 접촉 표면 영역(2)이 가압되고 임의의 밀폐된 공기(enclosed air)가 제거된다(displaced). 보호성 직조 섬유 본체 또는 Al2O3 보호성 직조 섬유 본체(5)는 금속 용융물이 금속 주 본체(1)로 침투하는 것을 방지하고 추가 사용 과정에서 일반적으로 용융물 재료와 접촉한 후 며칠 또는 몇 주 후에는 소결 효과에 의해 초기에 사용될 때에 가요성 및 탄성인 직조 섬유 본체에서 부서지기 쉬운 직조 섬유 본체로 변형된다.
부직포 보호성 층(6)이 외부 층(4)인 보호성 성형체(7) 내측의 내부 층으로 사용되는 경우, 부드럽고 탄성이 있는 층인 부직포 보호성 층(6)은 필요에 따라 다양한 두께로 부식 방지 층 구조체(3)에 도입될 수 있다. 이것은 외부 보호성 성형체(7)에 의해 형성되는 단단하고 조밀하며 다소 부서지기 쉬운 라이닝(lining)과 비교하여 금속 주 본체(1)의 상이한 열 팽창을 보상하는 것을 가능하게 한다.
부식 방지 층 구조체(3)는, 보호 대상 금속 주 본체(1)에 대해 전체 영역에 걸쳐 접착식으로 접착되거나 포지티브 고정(positively lock)되지 않기 때문에, 기존의 접착식으로 접착되거나 포지티브 고정된 방식에 비해 기계적 손상에 상대적으로 둔감하며, 모든 손상은 쉽게 국부적으로 유지될 수 있다. 또한, 부식 방지 층 구조체(3)는 이러한 이유로 상당히 더 나은 열 팽창 내성을 갖는다. 즉, 금속 주 본체(1)의 열 팽창 효과로 인한 부식 방지 층 구조체(3)에서의 기계적 응력의 발생은 피할 수 있거나 어떠한 경우에도 기존의 접착식 또는 포지티브 고정된 코팅에 비해 상당히 감소한다.
도시된 실시예에서 금속 주 본체(1)가 단지 부분적으로 그리고 외측(outside)에 부식 방지 층 구조(3)가 제공되더라도, 다른 실시예들에서 금속 주 본체(1)가 필요하다면 부분적으로 뿐만 아니라 전체 외부 측면의 전체 영역에 걸쳐 및/또는 부식 방지 층 구조체(3)가 있는 용융물 재료와 접촉하는 내부 표면 영역에서 부분적으로 또는 완전히 제공될 수 있음은 말할 나위도 없다.

Claims (10)

  1. 용융물을 주조 또는 취급하는 장치의 주조 부품에 대한 것으로서, 상기 주조 부품은 금속 주 본체(1)를 포함하고 상기 금속 주 본체(1)는 용융물 접촉 표면 영역(2)에 하나 이상의 중첩된 층으로 구성된 부식 방지 층 구조체(3)를 포함하며,
    상기 부식 방지 층 구조체(3)는 단일 층으로서 또는 복수의 층 중 하나로서, 주조 온도 내성을 갖는 직조 섬유 재료로부터 가요성 직조 섬유 본체서 미리 제조된 보호성 직조 섬유 본체(5), 또는 주조 온도 내성을 갖는 섬유 부직포 재료 또는 섬유 종이 재료로부터 미리 제조된 유연한 부직포 층으로서 부직포 보호성 층(6), 또는 주조 온도 내성을 갖는 성형체로부터 미리 제조된 강성의 성형체로서 보호성 성형체(7)를 포함하는,
    주조 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    주조 온도 내성을 갖는 상기 직조 섬유 재료는 Al2O3에 기초한 재료 및/또는,
    주조 온도 내성을 갖는 상기 섬유 부직포 또 는 섬유 종이 재료는 Al2O3에 기초한 재료 및/또는,
    주조 온도 내성을 갖는 상기 성형체는 Al2O3에 기초한 재료인 것을 특징으로 하는,
    주조 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부식 방지 층 구조는 다중 겹 구조이고, 상기 보호성 직조 섬유 본체(5), 상기 부직포 보호성 층(6), 상기 보호성 성형체(7) 및 주조 온도 내성을 갖는 세라믹 접착 층(8)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 층을 더 포함하는,
    주조 부품.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부식 방지 층 구조는 최내측 층(9)으로서 상기 세라믹 접착 층(8)을 포함하는,
    주조 부품.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 부식 방지 층 구조는 외부 층으로서 상기 보호성 직조 섬유 본체(5)를, 내부 층으로서 상기 부직포 보호성 층(6)을 포함하는,
    주조 부품.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부식 방지 층 구조는 적어도 세 겹 구조이고, 상기 보호성 성형체(7), 또는 외부 층으로서 상기 보호성 직조 섬유 본체(7), 최내측 층으로서 상기 세라믹 접착 층(8) 및 상기 세라믹 접착 층(8)과 상기 보호성 성형체(7) 도는 상기 보호성 직조 섬유 본체(7) 사이의 중간 층으로서 상기 부직포 보호성 층(6)을 포함하는,
    주조 부품.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 접착 층(8)은 Al2O3에 기초한 재료로서 주조 온도 내성을 갖는 세라믹 접착 재료로 구성되는,
    주조 부품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호성 직조 섬유 본체(5)는 0.8mm 내지 3mm 범위의 두께를 가지며 및/또는 상기 부직포 보호성 층(6)은 0.5mm 내지 5mm 범위의 두께를 가지며 및/또는 상기 보호성 성형체(7)는 2mm 내지 25mm 범위의 두께를 가지는,
    주조 부품.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 본체(7)는 철계 재료(iron-based material)로 구성되며 바람직하게는 주조 철강 재료(cast steel material)로 구성되는,
    주조 부품.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주조 부품은 금속 압력 주조 기계, 바람직하게는 주조 피팅, 주조 용기, 용융물 용광로 부품, 용융물 이송 부품, 주조 주형 부품 또는 이들 압력 주조 기계 부품들 중의 일부인 것을 특징으로 하는,
    주조 부품.
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