KR900004393B1 - 금속주물의 잔류탄소회분과 표면결함을 감소시키기 위한 금속 주조 방법 - Google Patents

금속주물의 잔류탄소회분과 표면결함을 감소시키기 위한 금속 주조 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

금속주물의 잔류탄소회분과 표면결함을 감소시키기 위한 금속 주조 방법
본 발명은 증발모형(evaporative pattern) 주조법에 의한 금속주물 제조방법에 관한 것이다.
종래, 주입되는 용금과 접촉하면 증발하는 물질(통상, 팽창 가능한 폴리스티렌 알갱이)로 제작한 파괴 가능 모형을 사용하는 소위 "증발모형주조법"에 관한 여러가지 방법이 개발되어 왔다. 상기 폴리스티렌 모형을 둘러싸고 있는 모래주형내에 철 또는 강철의 용금을 주입하면 상기 모형은 증발하고, 주형내에는 모형과 동일 형상으로 복제된 금속주물이 남게된다. 그러나 폴리스티렌의 분해에 의해 주물의 표면상에 열적탄소라고 생각되는 다량의 탄소질 잔유물이 형성되므로 고품질의 주물을 제작하는 데는 부적합하다.
상기한 폴리스티렌 발포체 대신 페놀-우레탄이나 우레아 포름알데히드 중합체로 제조한 발포체를 사용하는 시도도 있었으나 이것은 분해시 고온이 필요하며, 또한 상기 폴리스티렌과 마찬가지로 탄소질 잔유물을 생성하며, 또한 증발시 다량의 독성기체를 발생하므로 광범위한 환기 시설이 필요하다.
미합중국 특허 제 3,351,123호에는 증발모형주조법 및 이 주조법에 사용하는 주형에 대해 기술되어 있다. 이 주형은 열가소성 합성수지 발포체에 실리콘함유 접착제로 결합시킨 내화입자 충전물로 구성된 내화피복을 한 것이며, 상기 열가소성 합성수지는 셀룰로오즈에테르, 셀룰로오즈에스테르, 올레핀, 카복실산의 비닐에스테르, 비닐에테르, 비포화카복실산 및 그 유도체, 1-18탄소원자를 함유한 알콜의 메타크릴산 에스테르, 스티렌과 같은 비닐 방향족 화합물, CH2=C 비닐리덴기를 함유한 단량체 화합물의 중합체 등이다.
미합중국 특허 제 3,942,583호에서는 지지 프레임의 외부에 플래스틱판재나 플래스틱 시트재를 부착시켜 제작한 플래스틱제 모형을 사용하고 있다. 상기 플래스틱재는 폴리우레탄, 페놀수지, 폴리스티렌, 셀룰로오즈 아세테이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 비닐아세테이트 등의 발포체와 같은 발포플래스틱을 포함한다.
본 발명은 증발 모형 주조법에 있어서 유기질 발포체 모형을 사용함으로써 잔류탄소회분의 양을 감소시키고 주물의 표면결함을 감소시키는 주조방법에 관한 것으로서, 소정 형상으로 성형한 유기질 발포체 모형을 지지매체내에 묻고 용금과 접촉시키면 상기 모형은 증발하여 없어지고 지지매체내에는 모형과 동일한 형상의 금속주물이 복제되어 남는다. 상기 유기질 발포체 모형으로서는 하나이상의 옥시렌 화합물로 CO2를, 중합시켜 형성한 중합체로된 모형을 사용하면 탄소회분의 침착과 주물표면 결함이 상당히 감소된다. 상기 중합에 사용된 옥시렌 화합물의 일반 구조식은 다음과 같다.
Figure kpo00001
상기 구조식에서 R1은 H, CH3, C2H5, C3H7, C4H9, C6H5또는 C6Hl1이며, R2는 H 또는 CH3이다. 또한, R1과 R2가 함께 6원링을 형성할 수도 있다.
상기 옥시렌 화합물에 의한 CO2의 중합반응에 의하면 공유결합 알킬렌 카보네이트 단위를 구비한 중합체가 생성되며, 생성된 폴리알킬렌 카보네이트 중합체를 발포시키고 소정형상의 모형으로 성형한다.
본 발명은 증발주조법에 의해 잔류탄소회분 및 금속주물의 표면결함을 감소시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 유기질 발포체로 모형을 제작하여 지지매체내에 묻고, 이 유기질 발포체 모형에 용금을 접촉시키면 모형은 증발하여 없어지고 상기 지지매체내에는 모형과 동형의 금속주물이 복제되어 남게된다. 상기 유기질 발포체로서는 하나이상의 옥시렌 화합물로 CO2를 중합하여 형성한 중합체로 된 유기질 발포체를 사용하면고품질의 금속주물을 주조할 수 있다.
CO2와 중합시킬 수 있는 상기 옥시렌 화합물의 일반 구조식은 다음과 같다.
Figure kpo00002
상기 구조식에서 R1은 H, CH3, C2H5, C3H7, C4H9, C6H5및 C6Rl1로 구성된 그룹으로부터 선택되며, R2는 H 및 CH3로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 또는 R1및 R2가 함께 6원링을 형성한다.
상기한 구조의 옥시렌 화합물은 어느것이나 소정의 중합체를 형성할 수 있으나 1,2모노에폭사이드(즉, R2를 H로 함)나 에틸렌 옥사이드 또는 프로필렌 옥사이드(즉, Rl은 H 또는 CH3로 하고, R2는 H로 함)를사용하는 것이 바람직하다.
상기 옥시렌 화합물 또는 옥시렌 화합물류의 CO2와의 중합은 미합중국 특허 제 3,585,168호 및 제 3,953,383호(쇼헤이 이노우에)에 설명된 것과 같은 종래의 중합방법에 의해 실시하며, 생성된 중합체는 공유 결합단위를 구비하는 폴리알킬렌 카보네이트로서 그 일반 구조식은 다음과 같다.
Figure kpo00003
상기 구조식에서 Rl은 H, CH3, C2H5, C3H7, C4H9, C6H5및 C6Rl1으로 구성된 그룹으로부터 선택되며, R2는 H 및 CH3로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 또는 R1및 R2가 함께 6원링을 형성한다.
상기 폴리알킬렌 카보네이트 중합체의 구조는 상기한 구조의 동일 단위가 반복되는 구조이거나, 둘 이상의 서로 다른 단위의 불규칙적인 배열 또는 규칙적인 배열로 된 구조이다. 본 중합체의 물리적 성질 및/또는 화학적 성질을 변화시키기 위해 여러가지 첨가제를 합성시킬 수 있으며, 전형적인 중합체 첨가제로 자외선 방지제, 열안정제, 활제, 교차결합제 등이 있다. 상기 중합체의 분자량은 적어도 5,000 이상 되어야 조작이 용이한 강성을 가지게 되며, 합성기술과 합성장치에 따라서는 2,000,000 이상의 분자량을 가지는 중합체도 가능하다.
일단 상기 폴리알킬렌 카보네이트 중합체가 합성되면, 이것을 동결건조법과 같은 적절한 방법에 의해 발포체로 성형시킨다. 어떤 경우에는 상기 중합체에 여러가지 발포체를 함침시켜 발포시킬 수도 있다. 발포제는 피트롤늄에테르, 펜탄, 헥산, 헵탄, 사이클로펜탄, 사이클로헥산, 사이클로펜타디엔 또는 이들의 혼합물을 포함한 통상 액체하이드로 카본류의 증기형태이다. 상기 중합체는 약 0.01-0.9g/cc, 바람직하게는 0.02-0.05g/cc의 밀도로 발포시켜야 한다. 발포중합체는 적어도 20℃, 바람직하게는 30℃의 유리전이온도를 구비해야 하며, 이론적으로는 주입되는 용금의 온도만큼 높게할 수도 있다.
상기 중합체는 발포공정 중에 직접 모형으로 성형시키거나, 발포시킨 후에 성형시킬 수 있으며, 또한 주형이나 지지매체내의 공간내에 중합체를 주입시킬때 발포시킬 수도 있다.
발포시킨 상기 폴리알킬렌 카보네이트 모형은 필요하면 실리카/물의 슬러리와 같은 내화제 피막을 도포하여 지지매체내에 묻는다. 푸석푸석하고 결합되지 않은 모래는 상기한 지지매체의 하나로 사용할 수 있으며, 주물과 반응하지 않는 불활성 고체입자도 지지매체로서 사용할 수 있다. 회주철이나 강철과 같은 주조에 적합한 용금이 상기 발포체에 접촉하면 발포체는 증발하여 없어지고 지지매체내에는 발포체 모형과 동형의 주물이 복제되어 남는다.
전술한 조성의 유기질 발포체를 사용한 증발 모형 주조법은 종래의 주조방법에 비해 많은 장점이 있다. 열분해 분석결과에 의하면 상기한 종류의 중합체는 주로 CO2와 H2O로 완전히 분해되며, 잔류회분의 흔적이 거의 나타나지 않는다. 따라서 폴리스티렌 발포제 또는 폴리우레탄 발포체는 또한 유사한 유기질 발포체를 사용한 금속주물에 흔히 존재하던 표면 결함이 거의 나타나지 않는다. 또한 발포체가 완전 분해 증발하므로 페놀우레탄 또는 우레아-포름알데히드로 제조한 발포체에 비해 독성기체의 발생량이 그다지 많지 않으며, 전형적인 폴리스티렌 발포체에 비해 내마모성, 인성 및 취성이 양호하다.
다음은 본 발명의 특정실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
미합중국 특허 제 3,953,383호에 설명되어 있는 일반적인 공정에 따라, 유기질 용매내에서 프로필렌 옥사이드와 CO2를 중합하여 폴리프로필렌 카보네이트 중합체를 제조하였다. 제조된 중합체를 용액으로부터 분리시키고 세척시킨후 종래의 동결건조법을 이용하여 삼각플라스크내에서 발포시켰다. 생성된 폴리프로필렌카보네이트 발포체의 밀도는 약 0.03g/cc였다.
상기 폴리프로필렌 카보네이트 발포체의 시편과 종래의 폴리스티렌 발포체의 시편을 실리카/물로 구성된 내화피복 슬러리내에 침지시킨 후 약 18시간동안 상온에서 공기건조시켰다. 상기 양 시편 공히 내화피복의 침투가 관찰되었다. 다음에 폴리스티렌으로 제작한 탕도(runner bar)의 양단에 상기 내화제 피복된 두 시편을 고온 용융접착제를 사용하여 부착시키고, 이 탕도의 중앙에 폴리스티렌 탕구(downsprue)를 부착시켜 "T"자형 바아를 만들었다.
모래다지는 테이블(compaction table)상에 설치한 증발모형 주형틀(flask)내에 상기 두 시편이 부착된 "T"자형 바아를 설치하고, 상기 탕구의 상부를 제외한 바아 전체를 결합제를 사용하지 않은 푸석푸석한 모래로 덮고 10초동안 4,000rpm으로 주형틀을 진동시켜 모래를 다진 다음, 상기 모래위로 돌출한 탕구의 상부에 세라믹 주입컵을 설치하고, 이 세라믹 주입컵의 상부에 중량링(weighted ring)을 설치하고, 또한 용금의 주입시 모래가 유동하지 않도록 모래 상부표면에 중량체(weights)를 설치했다. 또한, 상기 주형틀로부터 기체를 제거하고 주입시 모래의 유동을 방지하기 위해 진공펌프를 설치했다.
온도가 약 1427℃(2600℉)인 회주철 용금을 상기 세라믹주입겁내에 주입시킴으로써 용금이 상기한 폴리스티렌 탕도와 폴리스티렌 탕도를 거쳐 양 발포체시편까지 도달할 수 있도록 했다. 즉, 상기 탕구 탕도 및 발포체 시편은 주입된 용금과 접촉함과 동시에 증발하여 없어지고 그 자리에 금속주물이 복제되어 채워진다. 복제된 주물은 주형틀내에서 약 15분간 냉각시킨후 양 주물시편을 떼어내어 과잉의 내화제피복을 제거하고 각 주름시편에 대해 정성실험을 실시했다.
상기 두개의 주물시편의 육안비교결과 폴리스티렌 모형을 사용한 주물에는 다량의 탄소질 침착물과 표면결함이 존재했으며, 폴리스티렌 카보네이트 모형을 사용한 주물에는 표면결함이나 탄소질 침착물에 의해 발생될 수 있는 주름(wrinkling)이 전혀 존재하지 않았으며, 대체로 상기 폴리스티렌 모형을 사용하여 주조한 주물에 비해 균일하고 매끈한 표면을 나타내었다. 이와 동일한 실험을 동일한 조건하에 다시 한번 실시해보았으나 결과는 마찬가지였다.
[실시예 2]
미합중국 특허 제 3,953,383호에 설명되어 있는 일반적인 중합방법에 따라 에틸렌 옥사이드와 CO2를 중합하여 폴리에틸렌 카보네이트 중합체를 생성하였다. 생성된 중합체를 용액으로부터 분리하여 세척한 후 종래의 발포기술에 따라 약 0.03g/cc의 밀도로 발포시켰다. 발포된 폴리에틸롄 카보네이트 중합체에 실리카/물로 된 내화제 피막을 도포한 다음, 상온에서 약 18시간동안 공기건조시키고 이것을 주조모형으로서 사용했다.

Claims (12)

  1. 유기질 발포체로 소정의 주조모형을 성형하고, 이 유기질 발포체 주조모형을 지지매체내에 묻고, 이 유기질 발포체 주조모형에 용금을 접촉시킴에 의해 이 유기질 발포체 주조모형은 증발하고 상기 지지매체내에는 이 유기질 발포체 주조모형과 동형의 금속주물이 복제되어 남게되는 증발 모형 주조법에 의해 제조된 금속주물의 잔류탄소회분과 표면결함을 감소시키기 위한 금속주조 방법에 있어서, 일반식(II)의 하나이상의 옥시렌 화합물과 CO2의 중합에 의해 형성된 일반식(I)의 공유결합 단위를 구비한 중합체로 구성된 유기질 발포체를 사용하는 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
    Figure kpo00004
    여기서, R1은 H, CH3, C2H5, C3H7, C4H9, C6H5및 C6Hl1으로 구성된 그룹으로부터 선택되며, R2는 H 및 CH3로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 혹은 R1및 R2가 함께 6원링을 형성한다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 옥시렌 화합물이 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 및 이들이 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중합체의 분자량이 적어도 5,00인 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유기질 발포체의 유리전이온도가 적어도 20℃인 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유기질 발포체의 밀도가 0.01-0.9g/cc인 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유기질 발포체는 상기 중합체로부터 동결건조 발포 방법에 의해 합성된 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 지지매체가 결합되지 않은 푸석푸석한 모래인 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 용금이 회주철인 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 R2가 H 인 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 R1이 H 및 CH3로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 유기질 발포체의 구조식이 동일한 공유결합 단위로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 유기질 발포체의 구조식이 둘 이상의 상이한 공유 결합단위로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속주조 방법.
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