분산액, 슬러리, 및 상기 슬러리를 이용하는 정밀 주조를 위한 주조 금형의 제조 방법 |
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申请号 | KR1020117025687 | 申请日 | 2010-03-30 | 公开(公告)号 | KR101302874B1 | 公开(公告)日 | 2013-09-06 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
申请人 | 에보니크 데구사 게엠베하; 센터 포 어브레이시브즈 앤 리프랙토리즈 리서치 앤 디벨롭먼트 씨.에이.알.알.디. 게엠베하; | 发明人 | 톤트루프,크리스토프; 로르츠,볼프강; 페를레트,가브리엘레; 슈미트-크루게,에리흐; 프룰리,다닐로; | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘要 | a) 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 50 내지 80 중량%의 내화성 입자, b) 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 5 내지 35 중량%의 산화 알루미늄 입자, 및 c) 5 내지 35 중량%의 물을 함유하고, d) 5 내지 12의 pH를 갖는 슬러리. 분산액을 이용하는 슬러리의 제조 방법, 및 또한 상기 분산액 자체. 주조 금형의 제조 방법, 및 또한 상기 주조 금형 그 자체. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
权利要求 | a) 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 50 내지 80 중량%의 내화성 입자, b) 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 5 내지 35 중량%의 산화 알루미늄 입자, 및 c) 5 내지 35 중량%의 물을 함유하고, d) 5 내지 12의 pH를 갖는 것을 특징으로 하는 슬러리. 제1항에 있어서, 산화 알루미늄 입자가 응집된 것을 특징으로 하는 슬러리. 제1항 또는 제2항에 있어서, 산화 알루미늄 입자가 발열성 산화 알루미늄 입자인 것을 특징으로 하는 슬러리. 제1항 또는 제2항에 있어서, 완충된 것을 특징으로 하는 슬러리. 제1항 또는 제2항에 있어서, 슬러리의 총 중량을 기준으로 10 중량% 이하의, 소포제, 습윤제, 중합체, 폴리인산염, 금속-유기 화합물 및 항균제로 이루어진 군에서 선택된 추가의 첨가제를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 슬러리. 제1항 또는 제2항에 있어서, 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 내화성 입자가 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 멀라이트, 안달루사이트, 지르코늄 멀라이트, 안정화된 산화 지르코늄, 산화 이트륨, 코발트-알루미늄 첨정석, 산화 코발트 및 희토류 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 슬러리. a) 산화 알루미늄 입자를 함유하는 수성 분산액을 b) 0.5 μm 내지 150 μm의 평균 입자 크기를 갖는 내화성 입자와 혼합하는 것을 특징으로 하며, 상기 산화 알루미늄 입자는 a1) 고체로 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 가지고, 상기 수성 분산액은 a2) 15 중량% 초과의 산화 알루미늄 입자 함량을 가지며, a3) 5 내지 12의 pH를 갖는 것을 특징으로 하는, 제1항 또는 제2항에 따른 슬러리의 제조 방법. a) 산화 알루미늄 입자가 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 가지고, b) 산화 알루미늄 입자의 함량이 15 중량%를 초과하며, c) 소포제, 습윤제, 중합체, 폴리인산염, 금속-유기 화합물 및 항균제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 추가로 함유하고, d) 완충 계를 함유하며 5 내지 12의 pH를 갖는 것을 특징으로 하는, 산화 알루미늄 입자의 수성 분산액. 제8항에 있어서, 상기 분산액을 기준으로 0.05 내지 2.0 중량%의 트리폴리인산 나트륨을 함유하는 것을 특징으로 하는 수성 분산액. a) 제1항 또는 제2항에 따른 슬러리 내에 미리 형상화된 용융가능한 모델을 담그는 단계, b) 슬러리로 커버된 상기 모델의 표면을, 50 μm 초과 내지 1000 μm의 평균 입자 크기를 갖는 조대 내화성 입자로 코팅하는 단계, 및 c) 상기 코팅된 표면을 건조시키는 단계 를 포함하며, 상기 단계 a) 내지 c)가 주조 금형에 요구되는 코팅 층의 수에 도달할 때까지 반복될 수 있는, 주조 금형의 제조 방법. 제10항에 있어서, 50 μm 초과 내지 1000 μm의 평균 입자 크기를 갖는 조대 내화성 입자가 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 멀라이트, 안달루사이트, 지르코늄 멀라이트, 안정화된 산화 지르코늄, 산화 이트륨, 코발트-알루미늄 첨정석, 산화 코발트, 희토류 산화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 주조 금형의 제조 방법. 제10항에 따른 방법에 의해 제조된 주조 금형. 제12항에 있어서, 98 중량%를 초과하는 산화 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 금형. 제12항에 있어서, 이산화 규소를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 주조 금형. 제12항에 있어서, 300 nm 미만의 평균 입자 직경을 갖는 산화 알루미늄 입자가 발열성 근원의 것임을 특징으로 하는 주조 금형. |
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说明书全文 |
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분산액 | 1 | |
탈이온수 | kg | 41.1 |
Al 2 O 3 분말 (1) (2) | kg kg | 에어록시드(AEROXIDE)® Alu C * 5.8 28.2 |
완충 용액 시트르산 Na 2 HPO 4 이수화물 물 | kg kg kg | 1.70 1.42 6.70 |
보존제 | g | 액티사이드(Acticide)® MV ** 77 |
48 h 후 pH | 7.5 | |
고형분 | 중량% | 40 |
평균 입자 직경 | nm | 86 |
* 에보닉 데구사 게엠베하 (Evonik Degussa GmbH)의 제품; ** 토르(THOR)의 제품 |
슬러리의 제조
슬러리 2a : 슬러리를 제조하기 위해, 실시예 1에서 수득된 3 kg을 반응 용기에 넣고, 총 7 kg의 0 내지 325 메쉬로 체질된, 전자융합된 α-알루미나(산화 알루미늄 백색 WRG, 트라이바허 슐라이프미텔 (Treibacher Schleifmittel))를 거의 한 번에 가하였다. 알콜 알콕시드를 기재로 하는 0.075 중량%의 습윤제 (테고 수르텐 (TEGO SURTEN W 111, 에보닉 인더스트리즈 (EVONIK Industries)) 및 이어서 0.02 중량%의 소포제(버스트 (Burst) 100, 레메트 (REMET))를 가하였다.
이러한 방식으로 수득된 혼합물을, "잔(Zahn)4" 유동 컵을 이용하여 측정된 점도가 18 내지 23 초의 값에 도달할 때까지 낮은 전단 속도로 교반하였다.
이러한 유형의 점도 측정에서, 측정될 액체는, 액체의 도입 후, 예를 들어 유리 판에 의해 초기에 폐쇄된 그의 아랫면 위에 유출 노즐을 갖는 수평으로 정렬된 점도 컵 내에 특정의 충전 높이가 되도록 도입된다. 유리 판의 제거에 의해 유출 노즐이 개방되자마자 시간 측정이 시작된다. 동적 점도는 유출 스트림이 처음으로 그칠될 때까지 시간 경과에 따라 초 단위로 측정한 다음, 그 후에는 센티스트로크(cST)로 전환될 수 있다. 그러한 점도 측정에서, 측정 범위 또는 측정 방법에 따라 다양한 유형의 컵이 사용될 수 있다. 이 경우, 노즐 크기 4를 갖는 엘코미터(ELCOMETER)® 2210 잔 유동 컵이 사용되었다. 점도의 안정화는 분산액, 물 또는 내화성 입자의 목적한 첨가에 의해 수행되었다.
이러한 방식으로 제조된 슬러리는 주조 금형의 제조를 위해 통상적인 방식으로 사용될 수 있다.
슬러리 2b : 트리폴리인산 나트륨 0.1 중량%를 가한 것 외에는 슬러리 2a와 유사함.
슬러리 2c : 트리폴리인산 나트륨 0.43 중량%로 변동된 것 외에는 슬러리 2b와 유사함.
주조 금형의 제조
주조 금형 3a : 주조 금형을 제조하기 위해, 핸들이 구비되고 50 mm x 80 mm x 3 mm의 치수를 갖는, RW 161(레메트 제품)을 기재로 하는 왁스 모델을 사용하고, 제1 코팅 단계에서, 실시예 2a로부터의 슬러리 내에 8초 동안 담그었으며, 상기 핸들은 나중에 왁스가 녹아 나오는 것을 가능하게 하도록 슬러리로 완전히 커버되게 하지 않았다. 이러한 방식으로 슬러리로 코팅된 모델을 약 18초 동안 물기가 빠지게 두고, 이어서 약 30 cm 높이에서 떨어지는 산화 알루미늄 알로두르(ALODUR)® ZWSK 90(트라이바허 슐라이프미텔)의 조대 내화성 입자의 샌드 스트림에, 더 이상의 입자가 표면에 부착되지 않을 때까지 노출시켰다. 이어서 실온 및 30 내지 60%의 대기 습도에서 12시간 동안 건조를 수행하였다. 상기 모델을 그 후 슬러리에 다시 담그고, 슬러리-코팅된 모델을 약간 더 조대한 내화성 입자(산화 알루미늄 알로두르® ZWSK 60, 트라이바허 슐라이프미텔)를 이용하여 같은 조건 하에 샌딩하였다. 이후의 실온 및 30 내지 60%의 대기 습도에서의 건조는 3시간으로 단축하였다.
이러한 중간 층 후에, 2개의 추가의 지지체 층을 더 조대한 내화성 입자(산화 알루미늄 알두르® ZWSK 30, 트라이바허 슐라이프미텔)를 사용하여 적용하였다. 상기 지지체 층을 3시간 동안 건조시켰다. 최종 층을 이어서, 조대 내화성 입자를 이용한 추가의 샌딩 없이 상기 슬러리 내에 모델을 단순히 침지시킴으로써 적용하였다.
이는 그 왁스 코어가 100℃의 오븐에서 녹아나오는, 3.7 내지 4.2 mm의 층 두께를 갖는 주조 금형을 제공하였다.
주조 금형 3b : 슬러리 2b를 사용한 것 외에는 실시예 3a와 유사함.
주조 금형 3c : 슬러리 2c를 사용한 것 외에는 실시예 3a와 유사함.
비교예
주층을 위한 슬러리 (4 ba ) : 주층을 위한 슬러리를 제조하기 위해, 18 중량%의 시판되는 마무리된 결합제를, 0 내지 325 메쉬로 체질된 82 중량%의 지르콘 모래(ZrSiO 4 )와 혼합하였다. 약 30 중량%의 콜로이드성 실리카 및 약 70 중량%의 물로 주로 이루어진 레마솔 아본드(REMASOL® ABOND®)(레메트 제품)를 결합제로 사용하였다.
중간 및 지지체 층을 위한 슬러리 (4 bb ) : 슬러리를 제조하기 위해, 콜로이드성 실리카를 기재로 하는 18 중량%의 시판되는 마무리된 결합제(레메트의 제품인 레마솔® SP-울트라(ULTRA) 2408)를, 200 메쉬로 체질된 82 중량%의 몰로카이트(규산 알루미늄)와 혼합하였다. 결합제는 34 중량%의 콜로이드성 실리카 및 66 중량%의 물을 포함하였다.
주조 금형 4a : 상기 언급된 두 경우에, 조대 내화성 입자의 양을 먼저 소량씩 분할한 다음, 소량씩 가하였는데, 상기 중간 및 지지체 층을 위한 슬러리 4bb의 점도는 8 내지 10초로 설정된 한편, 주요 코팅을 위한 슬러리 4ba의 점도는 18 내지 24초로 설정되었다 (엘코미터® 2210 잔 4 유동 컵으로 측정). 점도 설정 도중 증발된 액체의 양은 물을 가하여 대체하였다. pH는 8 내지 10.5였다.
동등한 모델을 먼저 주층을 위한 슬러리 내에 8초 동안 담그고 나서, 물기가 빠진 후, 100 내지 200 μm의 입자 크기의 내화성 입자인 지르콘 모래로 샌딩함으로써, 주조 금형 3a와 유사한 방식으로 주조 금형을 제조하였다. 몰로카이트 30 내지 80 메쉬가 중간 층을 위한 조대 내화성 입자로 사용된 한편, 몰로카이트 16 내지 30 메쉬가 2개의 지지체 층을 위해 사용되었다. 최종 층은 추가의 샌딩 없이 슬러리 4bb를 사용하여 형성되었다.
여기에서도, 층 두께는 3.7 내지 4.2 mm였다. 왁스 코어는 오븐 중 100℃에서 녹아나왔다.
소결된 주조 금형 : 주조 금형 3a, 3b, 3c 및 4a를 다양한 온도에서 건조 및 소결시켜 주조 금형 3aa, 3ba, 3ca 및 4aa를 형성한 다음, 그들의 기계적 강도 및 또한 그들의 기체 투과성을 측정하기 위해 시험하였다. 해당하는 시험 결과를 표 2 및 3에 요약한다.
주조 금형의 저온 파열
탄성율
(
CMOR
)
주조 금형 | CMOR [N/mm 2 ] | ||
120℃ | 1100℃ | 1350℃ | |
3aa | 2.3 | 0.8 | 4.7 |
3ba | 4.5 | 3.4 | 10.1 |
3ca | 10.0 | 7.8 | 19.2 |
4aa * | 2.3 | 7.2 | 14.0 |
* 비교 |
주조 금형 3
aa
및 4
aa
의 기체 투과성
온도 [℃] | 기체 투과성 [L/min] | |
3aa | 4aa * | |
950 | 0.22 | 0.28 |
1000 | 0.23 | 0.29 |
1050 | 0.36 | 0.42 |
1100 | 0.55 | 0.50 |
1150 | 0.74 | 0.78 |
* 비교 |
강도는 120℃에서 건조 또는 1100℃ 또는 1350℃에서 소결된 시험 견본을 사용하여 3-점 굴곡 시험에서 측정되었다. 0.43 중량%의 트리폴리인산 나트륨을 함유하는 견본은 모든 처리 온도에서 모든 견본의 가장 높은 강도 값을 나타냈다.
그러나, 상기 강도는 금형의 정밀 주조를 위한 적합성을 위한 기준만이 아님에 주목해야 한다. 높은 강도가 주조 도중 금형의 내구성을 보증하며, 이것이 주조 금형의 사용을 위한 필수불가결한 전제조건임에도 불구하고, 동시에 지나치게 높은 강도는 나중에 금형의 제거를 더욱 어렵게 한다.
충분한 강도를 갖는 비교 견본 4aa가 정밀 주조를 위해 요구되는 강도에 지침으로 사용될 수 있다.
요약하면, 본 발명의 방법은 목적한 열 처리, 및 적절하다면 트리폴리인산 나트륨과 같은 첨가제의 첨가에 의해 정밀 주조를 위해 충분히 강하고 이산화 규소를 실제로 함유하지 않는 주조 금형을 수득하는 것을 가능하게 한다고 말할 수 있다.
US 5,297,615에 개시된 방법에 비하여, 본 발명은 산화 알루미늄으로 이루어지고 양호한 강도 값을 갖는 주조 금형의 더욱 간단한 제조를 가능하게 한다.
US 5,297,615에 사용된 슬러리에 비하여, 본 발명의 슬러리는 높은 안정성을 갖는다.
영국 표준(BS 1902; 섹션 10.2; 1994)을 근거로 하는 방법에 의해 수행된 측정에 기반한, 표 3에 나타낸 결과로부터, 주조 금형을 위한 표준 재료의 것에 필적할 만한 기체 투과성 값이 또한 수득되었음을 알 수 있다.
실시예 5: 건조 속도
표 4는 본 발명에 따르는 슬러리 2b 및 비교 슬러리 4ba의 경우 상도(즉, 왁스 모델 위의 제1 층)의 건조 속도를 나타낸다. 건조 속도는 25℃의 온도 및 75%의 상대 대기 습도에서 촉촉한 층의 중량 감소 백분율을 표현한다.
건조 속도 (중량%)
시간 [min] | 슬러리 4ab | 슬러리 2b |
5 | 100 | 100 |
15 | 98.1 | 99.3 |
25 | 97.1 | 98.5 |
35 | 96.5 | 97.8 |
50 | 96.2 | 97.2 |
65 | 96.0 | 96.9 |
95 | 95.8 | 96.3 |
125 | 95.7 | 95.9 |
155 | 95.6 | 95.7 |
185 | 95.5 | 95.6 |
215 | 95.4 | 95.5 |
표 4로부터 슬러리 4ba 층의 중량 감소는 처음 100분 내에 더욱 신속하게(즉 높은 건조 속도로) 진행되고, 이어서 본 발명에 따르는 슬러리 2b의 것에 근접하는 것이 분명하다. 처음 몇 분 동안의 매우 신속한 건조 속도는, 이것이 강력한 열 흡수 및 왁스 패턴의 수축을 초래하고 따라서 주조 금형에 손상을 초래하므로 바람직하지 않다. 이러한 이유로, 처음 몇 분 동안 상당히 더 낮은 중량 감소를 일으키는, 슬러리 2b의 층의 건조는 실질적으로 더 온화하며, 따라서 보다 적은 결함을 갖는 주조 금형이 수득되는 것으로 생각할 수 있다.