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KR870001309B1 - 재사용 가능한 주조용 주형 - Google Patents

재사용 가능한 주조용 주형 Download PDF

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KR870001309B1
KR870001309B1 KR8201109A KR820001109A KR870001309B1 KR 870001309 B1 KR870001309 B1 KR 870001309B1 KR 8201109 A KR8201109 A KR 8201109A KR 820001109 A KR820001109 A KR 820001109A KR 870001309 B1 KR870001309 B1 KR 870001309B1
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Abstract

내용 없음.

Description

재사용 가능한 주조용 주형
첨부 도면은 철도 브레이크 슈우를 주조하기 위한 주형 및 주물을 나타내는 일부 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 주형 12 : 주물
본 발명은 재사용이 가능한 주조용 주형(mold)에 관한 것이다. 재사용이 가능한 주형은 주조업계에서 주로 영구 주형이라고 불리워진다.
주조용 주형의 가장 일반적인 형태는 주형틀내에 지지된 패턴(pattern)의 주위로 모래를 다져넣은 사형이다. 이 패턴을 꺼내면 주형 공극부의 형태가 찍혀져 나온다. 이 모래는 사용에 앞서 기름 또는 결합제와 미리 혼합됨으로써 모래 입자들이 확실히 상호 응집될 수 있도록하여 주는 것이 보통이다. 그러나 사형 주조에서 공극부 때문에 센드코어가 주형 공극부내에 존재할 수도 있으며, 또한 모래 및 주형틀이 열흡수체(heat sink)의 역할을 함으로써 주형내에서 응고되는 금속으로부터 열을 전도하여 방출시킨다.
통상의 사형은 주물이 고체 상태로 된 후에 소위 형분해(shake out)절차에 의해 부서지게 된다. 이러한 작업은 그밖에 다른 무엇이 없다면 시간의 낭비일 뿐이고, 제조원가 및 생산성의 견지에서 가능하다면 주조업자는 영구 주형, 즉 마모될 때까지는 계속적으로 반복하여 사용할 수 있는 주형을 선택하게 된다. 이러한 목적으로는 흑연을 사용할 수도 있으나, 흑연은 주조시에 나타나는 고온에서 산화되기 때문에 흑연 주형의 산화를 방지하고 또한 주물이 흑연과의 접촉에 의하여 침탄되는 것을 방지하기 위한 몇몇 방법중의 어느 한가지 방법을 사용할 필요가 있다.
영구 주형은 동합금으로 만들어질 수도 있으나 이들은 특히 철금속이 주입될 경우 일반적으로 수냉(水冷)되어야만 한다. 특정한 종류의 철 및 용융점이 높은 강이 또한 주형 공극부로 제조될 수 있다. 이들도 상기 동기재 주형과 마찬가지로 통상적으로 냉각됨으로써 금속주형의 내부 온도가 주형의 파괴 온도에 도달하지 않도록 하여야만 한다.
주물에서 요구되는 미세구조의 형태 및 건전성에 부합되게 가능한 신속하게 열을 주형 및 주물로부터 제거하는 것이 이상적이다. 그러나, 열 기울기가 급격(즉, 내부벽의 표면은 고온이고, 외부벽의 표면은 저온)하면 주형의 벽이 열응력을 지니게 되는데, 영구 주형을 이루는 재질의 항복 강도는 이 열응력을 견딜수 있어야만 한다. 이러한 형태의 반복되는 열사이클(열적 피로)은 영구(금속제) 주형의 통상적인 파손의 근원이 된다.
상술한 바와같이 문제점뿐만 이니라, 사형에 흔히 사용되는 결합제는 주물의 주입 온도에서 기화되고 주물의 내부에 결함을 유발시키지 않는 경우에 있어서도, 때로는 그 표면에 결함을 유발시키게 될 수 있다.
따라서 본 발명의 한가지 목적은, 필요하다면, 제어된 방식으로 용융금속으로 부터의 열의 소산이 제어 될 수 있음과 동시에 구조 및 응력이 만족할만한 허용치 이내로 유지되는 주형을 통하여 열이 충분히 유동될 수 있도록 함으로써, 철, 강 또는 저온금속을 주조하기 위한 것으로서, 특히, 절연코우팅 또는 도형재로 보호되는 경우, 양호한 열충격 특성 및 충분한 내화성을 갖는 재사용 가능한 주형을 재공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 주조되는 금속 및 주형의 열적 필요성에 따라 선택된 주위 매질내로 열이 용이하게 소산될 수 있는 유리-세라믹을 주조용 주형으로 사용하려는 것이다. 이와같은 주형을 사용하면, 주형이 국부적으로 과열됨을 방지함과 동시에 주조 금속이 적절한 주조, 건전성 및 바람직한 기계적 특성을 갖게될 정도로 열의 유동속도를 유지시키면서 금속을 응고시킬 수 있게 된다.
본 발명의 실시에 있어서는, 예컨대, 철도 브레이크 슈우(brake shoes)에 대해 현재 주로 사용되는 3％ 아인산철은 본 발명의 주형내에서 급속히 냉각될 수 있으며, 이때 유리-세라믹 주형이 그대로 보존됨과 동시에 철의 경도는 바람직한 한계치 이내에서 계속 유지될 수 있음이 입증되었다. 열평형 변수는 선택된 도형재, 특정한 유리-세라믹 재질 및 외부의 냉각 매질의 종류 등에 따라 달라지게 될 수 있다.
주형의 열교환 특성을 이용하면 주형을 신속하게 재사용할 수 있어 생산성이 높아지게되며, 예를들어 1개의 유리-세라믹 주형을 재사용하면 시간당 약 12개 정도의 철도 브레이크 슈우를 제조할 수 있다.
미세구조가 주로 다결정질 세라믹이기만 하면, 용융금속 주물을 수용하기 위한 목적상 유리-세라믹의 종류에 대한 제한은 없는 것으로 나타났다. 많은 경우에 있어서, 상업상 적절한 가격으로 구입할 수 있는 주조용의 유리-세라믹에는 세라믹과 유리의 복합체내에 약간(대개 1~2％ 정도)의 유리상(相)이 존재한다. 이것은 본 발명의 목적에 있어서 100％의 결정질 구조가 반드시 필요하다는 것을 의미하는 것은 아니다.
주조용 주형은 종래의 임의의 유리 성형법에 의하여 성형될 수 있다. 가장 흔한 방법으로서는, 성형된 주형을 열처리하여 소요의 유리-세라믹을 얻는다. 이와같은 처리법은 예컨대 킹그리(kingery)저 "세라믹 안내서(Introduction to Ceramics)" 및 맥밀란(McMillan)저 "유리-세라믹(Glass-Ceramics)"에 공지되어 있다. 간단히 말해서, 이 물질은 원래의 유리상태로 부터 핵생성 및 실투(失透)를 제어해가면서 전환시킨 주로 미세결정질의 세라믹이다.
실제의 주조 시험에 의해 결정된 바와같이. 본 발명의 목적상 가장 바람직한 재질은 스포듀민(spodumene)의 결정상을 가진 유리-세라믹(예컨대, 코오닝(CORNING) 9608)이며, 그 다음으로 바람직한 재질은 코오디어라이트(cordierite)의 결정상을 가진 유리-세라믹(예컨대, 코오닝9606)임이 결정되었다.
상기의 2가지 재질은 열팽창 계수가 낮다.
[실시예]
유리-세라믹 주형내에서의 철 주조
도시된 바와같은 주철제 철도 브레이크 슈우와 같은 단면형태를 갖는 주형 공극부내에 2200~2300℉(약 1200~1260℃)의 주철을 수 파운드 주입하였다. 4각형 주형(10)의 공극부는 균일한 두께, 즉 4개 측벽은 약 0.18''(약 4.57mm)의 두께이고 바닥벽은 약 0.15''(약 3.81mm)인 유리-세라믹(코오닝 9608 피로세람)으로 전체를 일체로 형성하였다.
국부적인 과열부가 과도하게 나타나는 것을 방지하기 위하여 얇은 지르콘 기재 도형재를 주형의 내부표면에 적용하였으며, 이것은 주조업계에서 공지된 것이지만 본 발명의 실시에 바람직한 것이다.
형성된 철 주물(12)은 모든 점에서 건전하였으며 사형 주조 혹은 강으로 된 영구 주형에서 주조한 것보다 표면상태가 우수하였다. 도형재를 사용하고 동일한 주형(10)에 철을 또다시 2회 주입하였다. 이 주형은 이와같은 추가의 2회 주입후에도 전혀 파손되지 않았으며, 2200~2300℉(약 1200~1260℃)의 3％ 아인산철을 연속하여 19의 주입하여도 파손되지 않았다. 주형 코우팅 또는 도형재(지르콘 기재)는 매회 주입에 앞서 새로운 것으로 교체되었다.
철을 주입할 때에는, 작은 강 쇼트(steel shot)로 되어 주형의 테두리와 같은 높이에 위치한 주형틀 내에 주형을 고정시켜도 좋다. 주형의 주위를 도랑 형태로 만들어서 주형의 외부 표면을 노출시키면, 철이 주입된 후 이 주형이 급속히 암적색으로 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 주물이 대형임에도 불구하고 예외적으로 주형벽을 얇게 하였기 때문에, 열은 방사와 아울러 전도되면서 주형벽을 통하여 열흡수체인 주위의 강 쇼트로 급속히 소산된다.
실험을 계속하면서, 본 발명에서 바람직한 바와같이 주형내에 도형재를 사용하면 주형의 수명을 연장시킬 수 있음이 분명하다는 사실을 알았다. 또한, 예컨대, 강 쇼트, 모래, 점토 등과 같은 입자상의 열흡수체는 열유동체의 역할을 함과 동시에, 상부 래들로부터 대량의 용융금속을 급속히 주입함에 의한 운동량에 대해 주형벽을 지지하기 위한 지지라이터로서의 역할도 수행한다. 뿐만아니라, 열을 급속히 전달할 수 있는 유리-세라믹 주형은 때로는 기재 금속의 변태를 제어시키는데 중요한 냉각시간의 관점에서 매우 다양한 선택성을 지니고 있다. 즉, 만약 도형재가 두껍고 또한 유리-세라믹 주형이 단지 대기중에서만 냉각되도록 하여주는 경우에는, 열전도계수가 높은 입자상의 열흡수체와 함께 얇은 도형재가 사용되는 경우에 비하여 주물의 응고가 지연된다.
이와같은 선택성의 특징은, 종래 주형을 보존하기 위하여 물 또는 기타의 수단으로 주형을 냉각시킴으로써 때때로 주물이 불합리하게 차가와지게 되어 주물이 예컨대 경화되거나 취약하게 되고 또는 주형이 휘어지게 되었던 공지의 영구 주형에 비교되는 것이다.
또한 고온에서의 반복 주입을 견뎌낼 수 있는 주형의 영구성은 주형의 벽이 얇다는 점, 즉 약0.2''(약 5.1mm)를 초과하지 않는다는 점에 기인하는 것이다.
이상을 요약하면, 상술한 바와 같은 본 발명의 주형은 종래의 여러가지 주조상의 문제점을 해결하였음을 알 수 있다. 본 발명의 유리-세라믹 주형은 종래 사용되었던 영구주형에 비하여 더욱 고온에서 사용될 수 있으며, 종래의 영구 주형 재질과는 달리 열팽창 및 열수축이 거의 없고, 열충격에 대한 내구성이 크며, 산화될 염려가 없고, 또한 균열되거나 휠 염려가 없다. 유리-세라믹은 필요한 열소산성을 촉진시키기 위하여 적외선을 통과시키는(적외선에 대해 투명한)것이 바람직하다. 또한 본 발명의 주형은 일체로 되어 있기 때문에 고온에서의 작업시 종래의 영구 주형에서의 전류시험에 비하여 전혀 새로운 방식으로 열을 전도시킨다.
본 발명의 실시에 있어서, 바람직한 다결정질은 스포듀민(LiO2. Al2P3. 4SiO2)이지만, 주조용 주형으로 또한 적합한 동등한 유리-세라믹 코오디어라이트(2MgO. 2Al2O3. 5SiO2)의 다결정질(세락)상을 함유하는 것이다.
결론적으로, 금속 또는 흑연으로 제조된 영구 주형을 성공적으로 작동시키기 위하여서는 외부에서의 냉각 또는 다량의 냉각을 일반적으로 필요로 하게 된다. 이것은 이와같은 형태의 종래의 영구 주형을 본 발명에 따른 벽이 얇은 유리-세라믹 주형과 구분지어주는 차이점으로서, 본 발명의 유리-세라믹 주형은 고온에서의 작업에 대해 적당한 내화성을 지니고 있으므로 외부에서의 냉각도 필요없고 또한 벽의 두께를 두껍게 하여줄 필요도 없다. 또한, 벽이 얇다는 속성때문에 주형의 외부벽 및 내부벽에서의 온도차이가 상당히 작으므로, 이 주형은 열충격을 견딜 수 있는 능력이 훨씬 커지게 되는 것이다.

Claims (5)

  1. 주된 미세구조가 실투에 의해 유리상태로부터 전환된 다결정질 세라믹은 유리-세라믹으로 균일하게 이루어지고, 주형 공극부 주위에 전체적으로 확장된 금속 수납용 벽들을 가지는 것으로서 상기 다결정질 세라믹은 단일 미세구조로서 존재하고 주형벽들의 내부 표면은 지르콘 기재의 도형재로 피복된 주조용 주형.
  2. 제1항에 있어서, 유리-세라믹이 스포듀민 또는 코오디어라이트인 주조용 주형.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 주형이 강 쇼트, 모래, 점토와 같은 입자상의 열흡수체에 의해 둘러 싸여 있는 주조용 주형.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주형의 벽은 두께가 0.2인치(5.1mm)초과하지 않는 주조용 주형.
  5. 제6항에 있어서, 상기 주형의 벽은 적외선 조사에 대한 투명성을 갖는 주조용 주형.
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