성형체

성형체{MOLDED BODY}

본 발명은 무기분체를 주성분으로 하는 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이며, 특히 주물제조용의 주형 또는 구조체(이하, 주형 등이라고도 함)에 적합한 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적인 주물의 제조방법에 대해서는 목형(木型)이나 금형(金型) 등에 기초해 내부에 캐비티를 가지는 주형(鑄型)을 주물사(鑄物砂)로 형성하고, 상기 캐비티에 용탕을 공급해서, 냉각 후에 주형에서 주물을 꺼내고 있다.

그런데 목형이나 금형의 제조는 가공에 숙련을 요하고, 고가의 설비도 필요하며, 고가이면서 중량이 커지는 등의 결점과 함께 폐기처리의 문제도 생겨, 대량생산의 주물 외에는 적합하지 않았다. 또한 주물사를 사용한 사형은 통상의 모래에 바인더를 첨가한 주사(鑄砂)를 경화시켜서 부형(賦形;shaping)하고 있기 때문에, 모래를 재이용할 경우에는 재생처리가 필요하게 되는데, 이 재생처리 시에 더스트(dust) 등의 폐기물이 발생하는 문제도 생기고 있다.

이러한 과제를 해결하는 수단으로서 출원인은 하기 특허문헌 1에 기재된 기술을 제안하고 있다. 이 기술은 주조에 사용하는 주형 등을, 유기섬유, 무기섬유 및 열경화성수지를 포함하는 성형체로 구성한 것이다. 이 기술에 의한 성형체는 종래의 주사를 사용한 주형 등에 비해서 얇고 경량이면서 가공성이 뛰어나다. 또한 상술한 폐기물이 발생하는 문제도 없다. 그러나 주물에 따라서는 복잡한 형상으로세부(細部)에 걸쳐서 정밀도가 요구되는 경우가 있어, 이러한 주물의 주조에도 적용할 수 있는 성형체가 요망되고 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개 2004-181472호 공보

따라서 본 발명의 목적은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 복잡하면서 게다가 세부에 걸쳐서 정밀도 좋게 부형이 가능한 성형체 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명은 무기분체를 주성분으로 하고, 무기섬유, 유기섬유, 열경화성수지 및 열팽창성입자를 함유하는 성형체로서, 상기 열팽창성입자를, 상기 무기분체, 상기 무기섬유, 상기 유기섬유, 상기 열경화성수지 및 상기 열팽창성입자의 총질량에 대해서, 0.5~10질량% 함유하는 성형체를 제공함으로써 상기 목적을 달성한 것이다.

또한 본 발명은 상기 본 발명의 성형체의 제조방법으로서, 상기 무기분체, 상기 무기섬유, 상기 유기섬유, 상기 열경화성수지 및 상기 열팽창성입자를 분산매에 분산시켜서 원료슬러리를 조제한 후, 상기 원료슬러리에서 습윤상태의 초조체를 초조해, 상기 초조체를 성형몰드 내에서 가열해 상기 열팽창성입자를 팽창시키면서 건조성형하는 성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 성형체의 제조방법을 실시하기 위한 제조장치의 하나의 실시형태를 모식적으로 나타내는 부분단면도이다.

도 2는 본 발명의 초조몰드의 하나의 실시형태를 모식적으로 나타내는 일부를 파단해 본 사시도이다.

도 3은 동(同) 제조장치의 건조성형수단이 구비하는 수몰드(male mold)를 모식적으로 나타내는 사시도이다.

도 4는 본 발명의 성형체의 제조방법의 하나의 실시형태에 있어서의 초조공정을 모식적으로 나타내는 도이다.

도 5는 본 발명의 섬유성형체의 제조방법의 하나의 실시형태에 있어서의 초조공정 종료 후의 초조체의 이행공정을 모식적으로 나타내는 도이다.

도 6은 본 발명의 성형체의 제조방법의 하나의 실시형태에 있어서의 건조성형공정을 모식적으로 나타내는 도이다.

도 7은 본 발명의 성형체의 제조방법의 하나의 실시형태에 있어서의 건조성형공정 종료 후의 탈몰드 상태를 모식적으로 나타내는 도이다.

도 8은 본 발명의 성형체의 제조방법으로 초조되는 초조체의 일례를 나타내는 사시도이다.

도 9는 본 발명의 성형체의 하나의 실시형태의 건조성형 후에 있어서의 모서리부의 확대 단면도이다.

도 10(a)는 본 발명의 성형체의 제조방법으로 제조되는 성형체의 일례를 나타내는 도이며, 2개의 성형체를 접합시키고 있는 상태를 나타내는 도이다.

도 10(b)는 본 발명의 성형체의 제조방법으로 제조되는 성형체의 일례를 나타내는 도이며, 접합된 성형체의 모서리부들의 확대도이다.

이하 본 발명을 바람직한 그 실시형태에 기초해 설명한다.

우선 본 발명의 성형체를 주형 등에 적용한 실시형태에 기초해 설명한다.

본 실시형태의 성형체는 무기분체를 주성분으로 하고, 무기섬유, 유기섬유, 열경화성수지 및 열팽창성입자를 함유하고 있다. 본 명세서에 있어서, 무기분체를 주성분으로 한다고 함은 성형체에 포함되는 전체 성분 중에서 무기분체가, 질량비율에서 가장 많음을 말한다.

본 실시형태의 성형체는 상기 무기분체, 무기섬유, 유기섬유, 열경화성수지 및 열팽창성입자의 총질량에 대해, 열팽창성입자를 0.5~10%(질량%) 포함하고 있는 것이 바람직하고, 2~8%(질량%) 포함하고 있는 것이 보다 바람직하다. 열팽창성입자를 이러한 범위로 포함하고 있으면 팽창에 의한 성형 정밀도에의 악영향을 억제하면서 첨가 효과가 충분히 얻어진다. 따라서 초조몰드의 형상이 세부에 걸쳐서 충실하게 성형체에 전사될 수 있다. 또한 초조몰드가 복잡한 형상이라도 세부에 걸쳐 정밀도 좋게 갈라짐이나 균열을 성형체에 발생시키는 일 없이 초조가 가능해진다. 이것은 열팽창성입자가 팽창함으로써 초조원료를 초조몰드의 구석구석까지 밀어서 넓혀가기 때문이다. 또한 대량의 열팽창성입자를 포함하지 않기 때문에 과팽창을 방지할 수 있고, 여분의 냉각시간을 필요로 하지 않기 때문에 높은 생산성을 유지할 수 있다.

본 실시형태의 성형체는 열에 의해 팽창하고, 또한 팽창 전의 평균직경이 바람직하게는 5~80㎛, 보다 바람직하게는 20~50㎛인 상기 열팽창성입자를 포함하고 있다. 열팽창성입자의 평균직경이 이러한 범위이면 팽창에 의한 성형정밀도에의 악영향을 억제하면서 첨가 효과를 충분히 얻을 수 있다.

본 실시형태의 성형체는 상기 무기분체, 무기섬유, 유기섬유, 열경화성수지 및 열팽창성입자의 총질량에 대해, 각 성분의 배합비(질량비율)는 무기분체/무기섬유/유기섬유/열경화성수지/열팽창성입자=70~80/2~6/2~10/8~16/0.5~10(질량비율)이 바람직하고, 70~80/2~8/2~6/10~14/2~8(질량비율)이 보다 바람직하다(다만, 상기 질량비율의 합계는 100임).

무기분체의 배합이 이러한 범위이면, 주입시의 형상유지성, 성형품의 표면성이 양호해지며, 또한 성형 후의 이형성도 적합하게 된다. 또한 열팽창성입자의 팽창력과 무기분체의 배합에 의한 상승효과에 의해 무기섬유, 유기섬유 등의 각 성분이 적당히 이동하기 쉬워져서 성형몰드의 형상이 성형체에 충실히 전사되기 쉬워진다.

무기섬유의 배합비가 이러한 범위이면, 성형성, 주입시의 형상유지성이 양호하다. 유기섬유의 배합비가 이러한 범위이면 성형성이 양호하며, 주입시의 가스발생량, 플로우오프(flow-off)로부터의 불꽃 분출을 억제할 수 있다. 열경화성수지의 배합비가 이러한 범위이면, 주형의 성형성, 주입 후의 형상유지성, 표면평활성이 양호하다.

상기 무기분체로서는 판상흑연(비늘상흑연), 토상흑연 등의 흑연, 흑요석, 운모, 뮬라이트, 실리카, 마그네시아 등을 들 수 있다. 무기분체는 이들을 단독으로 또는 2이상을 선택해 사용할 수 있다. 성형성, 비용의 점에서 흑연, 특히 판상 흑연(비늘상흑연)을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 무기섬유는 주로 성형체의 골격을 이루며, 예를 들면 주조시의 용융금속의 열에 의해서도 연소되지 않고 그 형상을 유지한다. 상기 무기섬유로서는 탄소섬유, 록울(rock wool) 등의 인조광물섬유, 세라믹섬유, 천연광물섬유를 들 수 있으며, 그들을 단독으로 또는 2 이상을 선택해서 사용할 수 있다. 이들 중에서도 상기 열경화성수지의 탄화에 수반되는 수축을 효과적으로 억제하는 점에서 고온에서도 고강도를 가지는 피치계나 폴리아크릴로니트릴(PAN)계의 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 PAN계의 탄소섬유가 바람직하다.

상기 무기섬유는 주형 등을 초조해 탈수하는 경우의 탈수성, 주형 등의 성형성, 균일성의 관점에서 평균 섬유길이가 0.5~15mm, 특히 1~8mm인 것이 바람직하다.

상기 유기섬유로는 종이섬유(펄프섬유), 피브릴화한 합성섬유, 재생섬유(예를 들면 레이온섬유) 등을 들 수 있다. 유기섬유는 단독으로 또는 2종 이상을 선택해 사용할 수 있다. 성형성, 건조 후의 강도, 비용의 점에서 종이섬유가 바람직하다.

상기 종이섬유로서는 목재펄프, 코튼펄트, 린터펄프, 대나무나 짚 그 외의 비목재펄프를 들 수 있다. 종이섬유는 이들의 버진펄프 혹은 고지(古紙)펄프를 단독으로 또는 2종 이상을 선택해 사용할 수 있다. 종이섬유는 입수의 용이성, 환경보호, 제조비용의 저감 등의 점에서, 특히 고지펄프가 바람직하다.

상기 유기섬유는 성형체의 성형성, 표면평활성, 내충격성을 고려하면, 평균섬유길이가 0.8~2.0mm, 특히 0.9~1.8mm인 것이 바람직하다.

상기 열경화성수지는 성형체의 상온강도 및 열간강도를 유지시킴과 동시에, 성형체의 표면성을 양호하게 하여, 성형체를 주형으로서 사용했을 경우에 주물의 표면 거칠기를 향상시키는데 필요한 성분이다. 상기 열경화성수지로서는 페놀수지, 에폭시수지, 푸란수지 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 특히 가연가스의 발생이 적고, 연소억제 효과가 있으며, 열분해(탄화) 후의 잔탄율이 25%이상으로 높고, 성형체를 주형에 사용했을 경우에 탄화피막을 형성해 양호한 캐스팅 표면을 얻을 수 있는 점에서 페놀수지를 사용하는 것이 바람직하다. 페놀수지에는 경화제를 필요로 하는 노볼락페놀수지, 경화제가 필요없는 레졸 타입 등의 페놀수지가 사용된다. 노볼락페놀수지를 사용할 경우에는 경화제를 필요로 한다. 상기 경화제는 물에 녹기 쉽기 때문에 성형체의 탈수 후에 그 표면에 도공되는 것이 바람직하다. 상기 경화제에는 헥사메틸렌테트라민 등을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 열경화성수지는 단독으로 또는 2종 이상을 선택해 사용할 수 있다.

상기 열팽창성입자로서는 열가소성수지의 각벽(殼壁)에, 기화해 팽창하는 팽창제를 내포한 마이크로캡슐이 바람직하다. 상기 마이크로캡슐은 80~200℃에서 가열하면, 직경이 바람직하게는 3~5배, 체적이 바람직하게는 50~100배로 팽창하여, 팽창 전의 평균입경이 바람직하게는 5~80㎛, 보다 바람직하게는 20~50㎛의 입자가 바람직하다.

상기 마이크로캡슐의 각벽을 구성하는 열가소성 수지로서는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴-염화비닐리덴 공중합체, 에틸렌-초산비닐공중합체 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 각벽에 내포되는 팽창제로서는 프로판, 부탄, 펜탄, 이소부탄, 석유에테르 등의 저비점의 유기 용제를 들 수 있다.

본 실시형태의 성형체에는 상기 각 성분 이외에, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리아미드아민에피클로로히드린수지 등의 지력강화재, 응집제, 착색제 등의 다른 성분을 적절한 비율로 첨가하는 것도 가능하다.

본 실시형태의 성형체는 물을 포함하는 원료슬러리를 사용해 제조된 경우는 상기 성형체의 사용 전(주조에 공급되기 전)의 질량함수율은 8%이하가 바람직하고, 3%이하가 보다 바람직하다. 함수율이 낮을수록 주조시의 열경화성수지의 열분해(탄화)에 기인하는 가스발생량을 낮게 억제할 수 있다.

본 실시형태의 성형체의 두께는 용도에 따라서 설정된다. 성형체의 두께는 0.2~5mm가 바람직하고, 0.7~1.5mm가 보다 바람직하다. 두께가 이러한 범위이면, 상기 열팽창성입자의 팽창의 성형성에 미치는 영향을 억제하면서 강도를 충분히 확보할 수 있고, 주조시의 가스 발생도 억제할 수 있다.

다음으로 본 발명의 성형체의 제조방법을 그 바람직한 실시형태로서 상기 실시형태의 성형체의 제조방법에 기초하여 설명한다.

도 1~3은 본 발명의 성형체의 제조방법을 실시하기 위한 제조장치의 하나의 실시형태를 모식적으로 나타낸 것이다. 이들 도면에 있어서 부호 1은 제조장치를 나타내고 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이 제조장치(1)는 개구부의 둘레가장자리부에 플랜지부(111)를 가지는 반통상(半筒狀)의 성형체(11)(도 10 참조)를 제조하는 것이며, 원료슬러리를 공급하는 원료공급수단(2)과, 원료공급수단(2)에서 공급되는 원료슬러리로부터 습윤상태의 초조체(중간체)를 초조하는 초조수단(3)과, 초조된 초조체를 건조성형하는 건조성형수단(4)을 구비하고 있다. 또한 2개의 같은 형태의 반통상의 성형체(11)가 합체되어 캐비티가 형성된다.

원료공급수단(2)은 주입틀(pouring frame)(20)과, 이 주입틀(20)을 상하동(上下動)시키는 상하동기구(21)와, 주입틀(20) 내에 원료슬러리를 공급하는 슬러리공급관(22)을 구비하고 있다. 슬러리공급관(22)에는 밸브(23)가 배치되어 있다.

초조수단(3)은 소위 수몰드의 형태를 가지는 초조몰드(30)를 구비하고 있다. 초조몰드(30)는 초조하는 초조체의 형상에 대응한 초조부(300)를 가지고 있다. 초조부(300)에는 그 표면에 있어서 개구하는 기액유통로(301)(도 2 참조)가 내부에 설치되어 있고, 이 기액유통로(301)에는 흡인펌프(302)로 통하는 배출관(303)이 접속되어 있다. 배출관(303)에는 밸브(304)가 배치되어 있다. 초조부(300)의 표면에는 초조네트(305;papermaking wire)가 배치되어 있다.

도 1~도 3에 나타내는 바와 같이, 건조성형수단(4)은 암몰드(40) 및 수몰드(41)를 구비하고 있다. 암몰드(40) 및 수몰드(41)가 접합시켜졌을 때, 이들 몰드 사이에는 성형하는 성형체의 외형형상에 대응한 공극(clearance)이 형성된다. 암몰드(40)는 얻어지는 성형체(11)의 외형형상에 대응한 오목상의 성형부(400)를 가지고 있다. 암몰드(40)는 상기 성형부(400)를 가열하는 히터(가열수단)(401)를 구비하고 있다. 암몰드(40)는 상하동수단(402)에 의해서 상하동한다. 암몰드(40)에는 성형부(400)에 있어서 개구하는 기액유통로(도시하지 않음)가 내부에 설치되어 있다. 이 기액유통로에는 흡인펌프 및 컴프레서(모두 도시하지 않음)로 통하는 유통관(403)이 접속되어 있다. 유통관(403)에는 밸브(404)가 배치되어 있다. 수몰드(41)는 얻어지는 성형체(11)의 내면형상에 대응한 볼록상의 성형부(410)를 가지고 있다. 수몰드(41)의 성형부(410)에는 그 표면에 있어서 개구하는 기액유통로(411)(도 3 참조)가 내부에 설치되어 있고, 이 기액유통로(411)에는 흡인펌프(412)로 통하는 배출관(413)이 접속되어 있다. 배출관(413)에는 밸브(414)가 배치되어 있다. 도면에는 나타나 있지 않지만, 성형부(410)의 내부에는 성형부(410)를 가열하는 히터(가열수단)가 배치되어 있다. 성형부(400 및 410)의 표면은 불소수지에 의해 표면이 코팅되어 있는 것이 바람직하다.

제조장치(1)는 상기 초조몰드(30) 및 수몰드(41)를 가이드(50)를 따라서 소정 위치로 이동시키는 이동수단(도시하지 않음)을 구비하고 있다. 또한 제조장치(1)는 상기 각 수단과 접속되어 이들 각 수단을 후술하는 바와 같은 순서에 따라서 작동시키는 시퀀서(sequencer)를 구비한 제어수단(도시하지 않음)을 구비하고 있다.

다음으로 상기 제조장치(1)를 사용한 성형체의 제조방법을 도 4~도 10을 참조하면서 설명한다. 또한 이들 도면 중, 부호 10은 초조체, 11은 성형체를 나타내고 있다.

본 실시형태의 성형체의 제조방법은 상기 무기분체, 상기 무기섬유, 상기 유기섬유, 상기 열경화성수지 및 상기 열팽창성입자를 분산매에 분산시켜서 원료슬러리를 조제한다. 원료슬러리에는 상술한 바와 같은 제조하는 성형체에 적합하게끔 조제된 것이 사용된다.

상기 분산매로서는 물, 백수(white water) 외, 에탄올, 메탄올 등의 용제 또는 이들의 혼합계 등을 들 수 있다. 초조·탈수성형의 안정성, 성형체의 품질 안정성, 비용, 취급용이성 등의 점에서 특히 물이 바람직하다.

그리고 조제한 원료슬러리로부터 습윤상태의 초조체(10)(도 8 참조)를 초조한다. 초조체(10)의 초조공정에서는 도 4에 나타낸 바와 같이, 상하동기구(21)에 의해서 주입틀(20)이 내려가, 밸브(23)가 열리고, 슬러리공급관(22)을 통해서 원료슬러리가 주입틀(20) 내로 공급된다. 원료슬러리의 공급량이 소정량에 달하면, 밸브(23)가 닫혀 원료슬러리의 공급이 정지된다. 그리고 밸브(304)가 열리고, 기액유통로(301) 및 배출관(303)을 통해서 흡인펌프(302)에 의해서 원료슬러리의 액체분이 흡인됨과 동시에, 고형분이 초조네트(305)의 표면에 퇴적되어 습윤상태의 초조체(10)가 형성된다. 초조체(10) 중의 액체 함유율은 초조체(10)의 핸들링성, 초조체(10)가 암몰드(40)와 수몰드(41) 사이에 끼워져 프레스될 때의 섬유의 유동에 의한 초조체(10)의 변형(프레스에 의해 어느 정도는 변형되는 것이 좋음)을 고려하면, 초조체(10) 중의 고형분 100질량부에 대해서 액체분을 50~300질량부로 하는 것이 바람직하고, 70~200질량부로 하는 것이 보다 바람직하다. 상기 액체 함유율은 흡인펌프(302)를 통한 액체성분의 흡인에 의해 조정되며, 소정의 액체 함유율이 되었을 때 흡인이 정지된다.

초조체(10)의 초조가 종료되면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상하동기구(21)에 의해서 주입틀(20)이 끌어 올려지며, 상기 이동수단에 의해서 초조몰드(30)가 가이드(50)를 따라서 암몰드(40)의 아래쪽으로 옮겨진다. 이와 같이 해서 도 8에 나타내는 바와 같이 개구부의 둘레가장자리부에 플랜지부(101)를 가지며, 플랜지부(101)와 둘레벽부(102) 사이에 모서리부(103)를 가지는 초조체(10)가 초조된다.

다음으로 암몰드(40)가 상하동기구(402)에 의해서 내려지며, 초조몰드(30)와 접합된다. 그리고 암몰드(40)에 있어서의 유통관(403)을 통해서 초조체(10)가 성형면(400)측에 흡착된 후, 상하동기구(402)에 의해서 암몰드(40)가 끌어 올려지며, 초조몰드(30)에서 암몰드(40)로 초조체(10)가 전달된다. 암몰드(40)는 그 후 도 6에 나타내는 수몰드(41)와의 건조성형위치로 옮겨진다.

다음으로 초조체를 성형몰드 내에서 가열해 상기 열팽창성입자를 팽창시키면서 건조성형한다. 건조공정에서는 도 6에 나타낸 바와 같이, 암몰드(성형몰드)(40)가 상하동기구(402)에 의해서 내려가, 소정 온도로 가열된 수몰드(성형몰드)(41)와 접합되며, 이들 수암몰드 사이에서 초조체(10)가 프레스성형된다. 이때, 상기 열팽창성입자가 팽창되면서 건조성형이 진행되어, 가열건조가 실시된 성형체가 얻어진다. 상기 열팽창성입자가 팽창되면서 건조성형이 진행됨으로써 도 9에 나타낸 바와 같이, 성형품의 전사성이 향상해, 성형체(11)에 있어서의 플랜지부(111)와 둘레벽부(112)와의 교점에 형성되는 모서리부(113)의 정점이 첨예하게 된다. 또한 암몰드(성형몰드)(40)와 수몰드(성형몰드)(41)의 접합만으로는 충분한 프레스 효과가 얻어지기 어려운 성형체(11)에 있어서의 벽면부(114, 115) 등(도 10(a) 참조)에 있어서도 표면의 평활성이 뛰어난 성형체를 얻을 수 있다.

암몰드(40)와 수몰드(41)의 온도(금형온도)는 제조할 성형체에 따라서 적절히 설정되는데, 초조체(10)의 눌어붙음 방지 등을 고려하면, 100~250℃가 바람직하고, 120~200℃가 보다 바람직하다. 암몰드(40)와 수몰드(41)에 의한 프레스성형의 압력은 두께가 두꺼운 부분을 확실하게 누르는 것 등을 고려하면, 0.2MPa~10MPa이 바람직하고, 0.5MPa~5MPa이 보다 바람직하다. 다만 프레스성형의 압력은 성형체를 구성하는 재료의 종류, 강도 등에서 크게 바뀔 수도 있다.

건조성형 시에는 밸브(414)가 열려 있어, 초조체(10)의 수분은 기액유통로(411)(도 3 참조) 및 배출관(413)을 통해서 흡인펌프(412)에 의해서 흡인되어 외부에 배출된다. 그 한편으로 상하동기구(21)에 의해서 주입틀(20)이 내려가, 초조몰드(30)의 초조부(300)가 다시 주입틀(20)에 내포된다. 그리고 상기 초조공정과 동일하게 해서 초조체가 새로 초조된다.

건조성형공정이 종료되면, 유통관(403)에서의 흡인이 상기 컴프레서에 의한 공기분사로 전환되며, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상하동기구(402)에 의해서 암몰드(40)가 끌어 올려진다. 그리고 흡인펌프(412)에 의한 흡인이 정지된 후, 수몰드(41)측에 남은 성형체(11)를 수몰드(41)에서 떼어내, 성형체(11)의 제조를 완료한다. 또한 상하동기구(21)에 의해서 주입틀(20)이 끌어 올려지고, 초조공정을 끝낸 새로운 초조체는 그 후 가열공정으로 옮겨진다. 본 실시형태의 제조방법에서는 이와 같은 초조, 건조성형의 공정이 반복해서 이루어진다.

이와 같이 해서 제조된 성형체(11)는 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 플랜지부(111)끼리를 대향시켜서 접합시킨 경우에, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 서로의 모서리부(113)의 정점이 첨예하므로, 예를 들면 상기 성형체를 2개 접합시켜서 주물제조용 주형으로 하고, 그 캐비티 내에 용탕을 공급해 주물을 제조할 경우, 도 10(b)로부터 명백한 바와 같이, 당해 모서리부들의 접합부분에는 실질적으로 틈새가 형성되지 않으므로 얻어지는 주물에 플래싱(flashing)이 생기지 않는다.

얻어진 성형체에는 필요에 따라서 더욱 상기 열경화성수지를 부분적 또는 전체에 함침시킬 수 있다. 이 경우에는 열경화성수지를 함침시킨 후, 성형체를 소정온도로 가열 건조해, 당해 열경화성수지를 열경화시켜 필요에 따라서 트리밍(trimming), 절단가공 등을 처리해 최종적인 성형체를 얻는다.

이와 같이 해서 얻어지는 성형체는 무기분체를 주성분으로 하고, 무기섬유, 유기섬유, 열경화성수지 및 열팽창성입자를 함유하고 있기 때문에 건조성형공정에 있어서 팽창한 상기 열팽창성입자가 성형체의 세부에 있어서의 내부의 틈새를 채우고 있으며, 복잡한 형상이라도 그 세부에 걸쳐서 성형정밀도가 높은 것이다.

또한 상술한 바와 같이 성형성에 부가해, 표면의 평활성이 뛰어나면서, 또한 주입시에도 이것을 유지할 수 있기 때문에, 이것을 사용한 주물의 제조방법에서는 얻어지는 주물의 표면평활성을 높일 수 있다. 특히 종래와 같은 도형제를 처리하지 않아도, 주조 후의 소착(burn-on)이 대폭으로 저감되기 때문에 주물의 제조공수 저감을 꾀할 수 있다.

또한 주입시에도 열간강도 및 형상유지성이 뛰어나기 때문에, 이것을 사용한 주물의 제조방법에서는 조형시에 주물사를 바인더로 경화시킬 필요가 없다. 따라서 주조 후에 기계적 연마에 의해 모래를 재생할 필요가 없어, 종래에 비해서 폐기물을 저감할 수 있다. 또한 특히 중공형상의 중자(core)에 적용할 경우라도 중자 내부로의 주물사의 충전이 반드시 필요하지는 않다.

또한 주입 후의 제거성이 양호하며, 종래에 비해서 용이하게 주형 등을 제거할 수 있을 뿐 아니라 경량이기 때문에 취급이 용이하다.

본 실시형태의 성형체의 제조방법에서는 상기 각 성분을 포함하는 원료슬러리를 초조해 제조하므로, 각 성분이 골고루 균일하게 분산된 주형 등을 얻을 수 있다. 따라서 열수축에 수반되는 크랙 등의 발생이 억제되며, 높은 열간강도가 얻어지고, 표면의 평활성도 뛰어나며, 성형정밀도나 기계적강도가 높고, 성형정밀도가 높고 표면의 평활성이 뛰어난 주물을 제조할 수 있다.

또한 유기섬유가 용융금속의 열에 의해 연소해 그 내부에 공극이 형성되며, 무기분체, 무기섬유, 열경화성수지 및 열팽창성입자에 의해서 그 강도가 유지되며, 주형을 해체한 후에, 블러스트(blast) 처리 등에 의해서 용이하게 주물사로부터의 분리나 제거가 이루어진다. 즉 본 발명의 성형체는 무기분체, 무기섬유, 유기섬유, 열경화성수지 및 열팽창성입자를 포함하고 있기 때문에, 주형의 조형시나 주탕시에는 그 강도를 유지하고, 주형의 해체 후에는 그 강도가 저하한다. 따라서 본 발명의 성형체를 사용하여 주물을 제조했을 경우, 종래의 방법보다도 폐기물의 처리를 간편하게 하여 처리비용을 삭감하고, 폐기물의 발생량도 저감시킬 수 있다.

또한 경량이며, 간편한 장치로 용이하게 절단가공 등이 가능하기 때문에 취급성도 뛰어나다.

본 발명은 상기 실시형태에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 이탈하지 않는 범위에 있어서 적절히 변경할 수 있다.

본 발명의 성형체는 주조에 사용되는 주형(메인 몰드, 중자) 외에, 탕도(runner), 월(wall), 수구(pouring cup), 탕구(sprue), 탕구저(choke), 게이트(gate), 가스배출(vent), 플로우오프(flow-off), 압탕(feeder) 등의 구조체 및 그 외의 부대구조체의 용도로 적합하다. 또한 내열성을 요하는 주조분야 이외의 용도로도 적용할 수 있고, 그 용도에 따른 형상의 세부에 걸쳐서 성형정밀도가 높은 것으로 할 수 있다.

실시예

이하 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 또한 본 발명은 본 실시예에 하등 제한되지 않는다.

[실시예 1]

하기 조성의 원료슬러리로부터 성형체를 제작하고, 상기 성형체를 주형(메인 몰드)에 사용하여 주물을 제조하였다. 얻어진 주물에 대해서 주형의 성형면의 형상전사성, 플래싱의 발생, 침투의 발생을 하기와 같이 평가하였다. 그들의 결과를 표 1에 나타내었다. 여기서 플래싱이라 함은 <57>에 기술한 바와 같이, 성형체를 2개 접합시켜서 주물제조용 주형으로 하고, 그 캐비티 내에 용탕을 공급해 주물을 제조할 경우, 모서리부끼리의 접합부분의 틈새에 용탕이 칩입해 그대로 고화한 것을 말한다. 또한 침투란 주형의 캐비티 표면의 갈라진 부분에 용탕이 침입하여 그대로 고화한 것을 말한다.

<원료슬러리의 조제>

하기 배합성분을 물에 분산시켜서 약 1%(물에 대해, 무기분체, 무기섬유, 유기섬유 및 열팽창성입자의 합계질량이 1질량%)의 슬러리를 조제한 후, 상기 슬러리에 하기 열경화성수지와 응집제를 첨가해, 무기분체, 무기섬유, 유기섬유, 열경화성수지 및 열팽창성입자의 배합율(질량비율)이 하기의 값인 원료슬러리를 조정하였다.

[원료슬러리의 배합]

무기분체: 판상흑연(비늘상흑연)

무기섬유: PAN 탄소섬유(Toray Industries(주) 제품, 상품명 "Torayca Chopped", 섬유길이: 3mm, 수축률: 0.1%)

유기섬유: 종이섬유(신문 고지, 평균섬유길이 1mm, freeness(CSF) 150cc)

열팽창성입자: 열팽창성 마이크로캡슐(Matsumoto Yushi-Seiyaku(주) 제품, 상품명 "Matsumoto Microsphere F-793D")

열경화성수지: 페놀수지(Air Water Bellpearl(주) 제품 "S890")

성분질량배합율(%): 무기분체/무기섬유/유기섬유/열경화성수지/열팽창성입자=78/4/4/12/2

분산매: 물

[초조체의 초조]

상기 원료슬러리, 및 초조몰드(상기 초조몰드의 형상은 도 2에 나타낸 형상과 대략 동일)를 사용해, 전술한 실시형태와 같이 해서 초조체를 초조하였다. 그리고 두께가 1mm~3mm인 초조체를 얻었다.

[성형체의 건조성형]

얻어진 초조체를, 성형면에 불소수지 코트를 실시한 성형몰드 내에 배치하고, 하기 조건으로 건조성형하여 성형체를 제작하였다.

프레스성형 압력: 3.8MPa

건조몰드 온도: 180℃

[형상전사성의 평가]

얻어진 주물을 육안 관찰함으로써 주물의 표면의 형상전사성을 하기의 3단계로 평가하였다.

○: 주형의 형상을 충실하게 재현하고 있음.

△: 일부형상이 전사되지 않아 요철(凹凸)이 발생한 부분이 있지만, 후처리가공으로 수정 가능.

×: 주형의 형상을 전사할 수 없고, 또한 후처리가공으로의 수정도 불가.

[플래싱 발생의 평가]

얻어진 주물을 육안 관찰해 플래싱 길이를 슬라이드캘리퍼(slide caliper) 등으로 측정함으로써 주물의 플래싱 발생을 하기의 2단계로 평가하였다.

○: 주물의 일부에 다소의 플래싱이 발생하였지만, 그 길이가 1mm이하임.

×: 주물에 발생한 플래싱의 길이가 1mm를 초과하고 있음.

[침투발생의 평가]

얻어진 주물을 육안 관찰함으로써 얻어진 주물의 침투 발생을 하기의 2단계로 평가하였다.

○: 주물의 전체 부위에서 주형의 형상을 충실하게 재현하고 있음.

×: 주물의 일부에 주탕시에 주형으로부터 탕이 새어 생긴 침투부분이 있음.

<결과>

성형체의 모서리부 정점의 R(곡률반경)를 측정하면 얻어진 성형체에서는 R는 0.1~0.2mm정도이며, 그 모서리부의 정점이 보다 첨예하였다. 또한 성형체를 2개 조합시켜서 캐비티를 형성하고, 조합된 성형체를 모래에 매몰시켜 상기 캐비티에 용탕을 주입해 주조를 행하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 성형체의 조합에서는, 얻어진 주물의 형상전사성, 플래싱의 발생, 침투의 발생에 관해서 양호한 결과가 얻어졌다. 특히 전체 접합면에서의 플래싱이 1mm이하의 양품이 제작되었다.

[실시예 2]

원료슬러리의 배합 및 성형체의 건조성형 조건을 이하와 같이 변경하고 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 성형체를 작성하고, 상기 성형체를 주형(메인 몰드)에 사용하여 주물을 제조하였다. 또한 얻어진 주물에 대해서 실시예 1과 동일한 평가를 행하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[원료슬러리의 배합]

무기분체: 판상흑연(비늘상흑연)

무기섬유: PAN 탄소섬유(Mitsubishi Rayon(주) 제품, 상품명 "Pyrofil", 섬유길이: 3mm, 수축률: 0.1%)

유기섬유: 종이섬유(신문 고지, 평균섬유길이 1mm, freeness(CSF) 150cc)

열팽창성입자: 열팽창성 마이크로캡슐(Matsumoto Yushi-Seiyaku(주) 제품, 상품명 "Matsumoto Microsphere F-105D")

열경화성수지: 페놀수지(Air Water Bellpearl(주) 제품 "S890")

성분질량배합율(%): 무기분체/무기섬유/유기섬유/열경화성수지/열팽창성입자=76/4/4/12/4

분산매: 물

[성형체의 건조성형]

얻어진 초조체를 성형면에 불소수지 코트를 실시한 성형몰드 내에 배치하고, 하기 조건에서 건조성형해 성형체를 제작하였다.

프레스성형 압력: 3.8MPa

건조몰드 온도: 200℃

<결과>

성형체의 모서리부 정점 R(곡률반경)를 측정하면 얻어진 성형체에서는 R는 0.1~0.2mm정도이며, 그 모서리부의 정점은 첨예하였다. 또한 성형체(11)에 있어서의 벽면부(114, 115)에 있어서도 표면의 평활성이 뛰어나며, 크랙이나 구멍은 발생하지 않았다. 또한 성형체를 2개 조합시켜서 캐비티를 형성해, 조합된 성형체를 모래에 매몰시켜 상기 캐비티에 주탕을 주입해 주조를 행하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 2의 성형체의 조합에서도, 얻어진 주물의 형상전사성, 플래싱의 발생, 침투의 발생에 관해서 양호한 결과가 얻어졌다. 또한 전체 접합면에서의 플래싱이 1mm이하인 양품이 제작되었다.

[실시예 3]

원료슬러리의 배합을 이하와 같이 변경하고 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 성형체를 작성하고, 상기 성형체를 주형(메인 몰드)에 사용하여 주물을 제조하였다. 또한 얻어진 주물에 대해서 실시예 1과 동일한 평가를 행하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[원료슬러리의 배합]

무기분체 1: 판상흑연(비늘상흑연)

무기분체 2: 흑요석

무기분체 배합비: 판상흑연(비늘상흑연)/흑요석=50/50

무기섬유: PAN 탄소섬유(Mitsubishi Rayon(주) 제품, 상품명 "Pyrofil", 섬유길이: 3mm, 수축률: 0.1%)

유기섬유: 종이섬유(신문 고지, 평균섬유길이 1mm, freeness(CSF) 150cc)

열팽창성입자: 열팽창성 마이크로캡슐(Matsumoto Yushi-Seiyaku(주) 제품, 상품명 "Matsumoto Microsphere F-105D")

열경화성수지: 페놀수지(Air Water Bellpearl(주) 제품 "S890")

성분질량배합율(%): 무기분체/무기섬유/유기섬유/열경화성수지/열팽창성입자=76/4/4/12/4

분산매: 물

<결과>

성형체의 모서리부 정점의 R(곡률반경)를 측정하면 얻어진 성형체에서는 R는 0.1~0.2mm정도이며, 그 모서리부의 정점은 첨예하였다. 또한 성형체(11)에 있어서의 벽면부(114, 115)에 있어서도 표면의 평활성이 뛰어나며, 크랙이나 구멍은 발생하지 않았다. 또한 성형체를 2개 조합시켜서 캐비티를 형성하고, 조합된 성형체를 모래에 매몰시켜 상기 캐비티에 용탕을 주입해 주조를 행하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 3의 성형체의 조합에서도 얻어진 주물의 형상전사성, 플래싱의 발생, 침투의 발생에 관해서 양호한 결과가 얻어졌다. 또한 전체 접합면에서의 플래싱이 1mm이하인 양품이 제작되었다.

[실시예 4]

원료슬러리의 배합을 이하와 같이 변경하고 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 성형체를 작성하고, 상기 성형체를 주형(메인 몰드)에 사용하여 주물을 제조하였다. 또한 얻어진 주물에 대해서 실시예 1과 동일한 평가를 행하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[원료슬러리의 배합]

무기분체 1: 판상흑연(비늘상흑연)

무기분체 2: 운모분

무기분체 배합비: 판상흑연(비늘상흑연)/운모분=50/50

무기섬유: PAN 탄소섬유(Mitsubishi Rayon(주) 제품, 상품명 "Pyrofil", 섬유길이: 3mm, 수축률: 0.1%)

유기섬유: 종이섬유(신문 고지, 평균섬유길이 1mm, freeness(CSF) 150cc)

열팽창성입자: 열팽창성 마이크로캡슐(Matsumoto Yushi-Seiyaku(주) 제품, 상품명 "Matsumoto Microsphere F-105D")

열경화성수지: 페놀수지(Air Water Bellpearl(주) 제품 "S890")

성분질량배합율(%): 무기분체/무기섬유/유기섬유/열경화성수지/열팽창성입자 =76/4/4/12/4

분산매: 물

<결과>

성형체의 모서리부 정점의 R(곡률반경)를 측정하면 얻어진 성형체에서는 R는 0.1~0.2mm정도이며, 그 모서리부의 정점이 보다 첨예하였다. 또한 성형체(11)에 있어서의 벽면부(114, 115)에 있어서도 표면의 평활성이 뛰어나며, 크랙이나 구멍은 발생하지 않았다. 또한 성형체를 2개 조합시켜서 캐비티를 형성해, 조합된 성형체를 모래에 매몰시켜 상기 캐비티에 용탕을 주입해 주조를 행하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 4의 성형체의 조합에서도, 얻어진 주물의 형상전사성, 플래싱의 발생, 침투의 발생에 관해서 양호한 결과가 얻어졌다. 또한 전체 접합면에서의 플래싱이 1mm이하인 양품이 제작되었다.

[실시예 5]

실시예 2의 열팽창성입자 배합량을 6%로 하고, 무기분체를 74%로 한 것 외에는 실시예 2와 동일하게 하여 성형체를 작성하고, 상기 성형체를 주형(메인 몰드)에 사용하여 주물을 제조하고, 나아가 얻어진 주물에 대해서 실시예 1과 동일한 평가를 행하여, 실시예 2와 동일한 결과를 얻었다.

[실시예 6]

실시예 2의 열팽창성입자 배합량을 8%로 하고, 무기분체를 72%로 한 것 외에는 실시예 2와 동일하게 하여 성형체를 작성하고, 상기 성형체를 주형(메인 몰드)에 사용하여 주물을 제조하고, 나아가 얻어진 주물에 대해서 실시예 1과 동일한 평가를 행하여, 실시예 2와 동일한 결과를 얻었다.

[비교예 1]

비교예 1로서 열팽창성입자를 포함하지 않는 조성의 원료슬러리 배합으로 하고, 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 성형체를 제작하고, 상기 성형체를 주형(메인 몰드)에 사용하여 주물을 제조하였다. 또한 얻어진 주물에 대해서 실시예 1과 동일한 평가를 행하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[원료슬러리의 배합]

무기분체 : 판상흑연(비늘상흑연)

무기섬유: PAN 탄소섬유(Mitsubishi Rayon(주) 제품, 상품명 "Pyrofil", 섬유길이: 3mm, 수축률: 0.1%)

유기섬유: 종이섬유(신문 고지, 평균섬유길이 1mm, freeness(CSF) 150cc)

열경화성수지: 페놀수지(Air Water Bellpearl(주) 제품 "S890")

성분질량배합율(%): 무기분체/무기섬유/유기섬유/열경화성수지=80/4/4/12

분산매: 물

<결과>

성형체의 모서리부 정점의 R(곡률반경)를 측정하면 얻어진 성형체에서는 R이 0.1~0.2mm정도인 부위도 있지만, 대부분의 부위에서는 R이 1mm를 초과하고, 그 모서리부의 정점은 본 발명의 실시예에 비해 첨예하지 않았다. 또한 성형체(11)에 있어서의 벽면부(114, 115)는 그 표면에 프레스 부족에 의한 요철이나, 일부 크랙이나 구멍이 보여진다. 나아가 성형체를 2개 조합시켜서 캐비티를 형성하고, 조합된 성형체를 모래에 매몰시켜, 상기 캐비티에 용탕을 주입해 주조를 행하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 성형체의 조합에서도, 얻어진 주물의 형상전사성, 플래싱의 발생, 침투의 발생에 관해서 양호한 결과를 얻을 수 없었다. 즉 접합면에서의 플래싱이 1mm를 초과하는 부위가 다수 발생하고, 또한 주물의 벽면부에서는 성형체에 보여진 요철부가 주물에 전사되고, 나아가 크랙이나 구멍이 있었던 부분에서는 용탕의 침투가 보여 양품을 제작할 수 없었다.

[비교예 2]

비교예 2로서 열팽창성입자를 무기분체, 무기섬유, 유기섬유, 열경화성수지및 열팽창성입자의 총질량에 대해, 10질량% 이상 함유하는 조성의 원료슬러리 배합으로 하고, 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 성형체를 제작해, 상기 성형체를 주형(메인 몰드)에 사용하여 주물을 제조하였다. 또한 얻어진 주물에 대해서 실시예 1과 동일한 평가를 행하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[원료슬러리의 배합]

무기분체: 판상흑연(비늘상흑연)

무기섬유: PAN 탄소섬유(Mitsubishi Rayon(주) 제품, 상품명 "Pyrofil"), 섬유길이: 3mm, 수축률: 0.1%)

유기섬유: 종이섬유(신문 고지, 평균섬유길이 1mm, freeness(CSF) 150cc)

열경화성수지: 페놀수지(Air Water Bellpearl(주) 제품 "S890")

열팽창성입자: 열팽창성 마이크로캡슐(Matsumoto Yushi-Seiyaku(주) 제품, 상품명 "Matsumoto Microsphere F-793D")

성분질량배합율(%): 무기분체/무기섬유/유기섬유/열경화성수지/열팽창성입자=70/4/4/10/12

분산매: 물

<결과>

성형체의 모서리부 정점의 R(곡률반경)를 측정하면 얻어진 성형체에서는 R이 0.1~0.2mm정도이며, 그 모서리부의 정점은 본 발명의 실시예와 동일하게 첨예하였지만, 성형체의 곳곳에서는 성형체가 금형에서 떼어진 후에도 열팽창성입자가 계속해서 팽창했기 때문에 발생한 요철이 보여졌다. 또한 성형체를 2개 조합시켜 캐비티를 형성하고, 조합된 성형체를 모래에 매몰시켜 상기 캐비티에 용탕을 주입해 주조를 행하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 2의 성형체의 조합은 얻어진 주물의 형상전사성에 관해서 양호한 결과를 얻을 수 없었다. 즉 전체 접합면에서의 플래싱이 1mm이하인 양품을 제작할 수 있었지만, 성형체에 보여진 요철부가 주물에 전사되어 양품을 제작할 수 없었다.

*1)열팽창성입자 배합비율(%)=열팽창성입자질량/(무기분체질량+무기섬유질량+유기섬유질량+열경화성수지질량+열팽창성입자질량)

본 발명에 의하면 복잡한 형상이라도 세부에 걸쳐서 정밀도 좋게 부형이 이루어진 성형체 및 그 제조방법이 제공된다.

본 발명의 성형체의 제조방법은 성형체를 주형으로서 사용할 경우의 상기 성형체의 제조에 특히 바람직하며, 그 이외에도 모서리부의 정점이 첨예한 용기, 도구, 부품 등의 각종의 성형체의 제조에 적용할 수도 있다.