Development of water soluble cores for investment casting – A review

This paper summary is based on the article Development of water soluble cores for investment casting – A review presented in INDIAN ENGINEERING EXPORTS

1. 개요:

• 제목: investment 주조용 수용성 코어(솔트 코어) 개발 – 리뷰
• 저자: GANESH VIDYARTHEE & NANDITA GUPTA
• 발행 연도: 2020년 1월
• 발행 저널/학회: INDIAN ENGINEERING EXPORTS
• 키워드: investment 주조, 수용성 코어, 염 코어, 솔트 코어, 기계적 성질, 환경 영향.

2. 연구 배경:

investment 주조는 복잡한 주물을 생산하기 위해 왁스 패턴을 사용합니다. 코어는 이러한 주물 내부에 언더컷 및 채널과 같은 내부 형상을 형성하는 데 필수적입니다. 전통적으로 주조 후 코어 제거는 용매 사용, 증기 오토클레이브 또는 고온에서 순간 소각과 같은 방법을 포함합니다. 이러한 기존 방법은 생산 비용을 증가시키고 종종 비효율적입니다. 복잡한 내부 특징을 가진 주물의 경우, 전통적인 세라믹 또는 염 코어는 때때로 피하고 가능한 경우 직접 왁스 패턴을 선택합니다. 그러나 복잡한 왁스 패턴을 만드는 것은 어려울 수 있습니다.

수용성 염 코어는 1970년대에 주조 공장에 등장했으며, 특히 디젤 엔진 피스톤의 대량 생산에서 1990년대에 상당한 확장이 이루어졌습니다. 링 및 홀과 같은 단순한 형태는 고압 압축으로 요리용 소금(NaCl)으로 만들어지며, 블랭크 주조를 가능하게 하고 복잡한 설계를 용이하게 합니다. 그러나 이러한 코어를 통해 접근한 영역을 기계적으로 청소하는 것은 어려울 수 있습니다. 기존 염 코어는 1차 강도(냉간 강도) 및 고온 강도(650-700°C) 요구 사항을 충족하지만 한계에 직면해 있습니다.

현재 염 코어 제조는 코어 박스에 염 용융물을 주조하고, 습기 흡수를 방지하기 위해 최소 200°C의 오븐 보관, 그리고 약간 습윤된 염을 고압 하에서 압축하는 것을 포함합니다. 결정립 응집 및 재결정화는 저압(30-50 MPa)에서 500-750°C의 가열 온도 또는 고압(136-362.8 MPa)에서 낮은 소결 온도(180-300°C)에서 응력 해소를 위해 발생합니다. 또 다른 방법은 Na-2CO3와 같은 무기 바인더와 혼합물을 분사하고 CO2 또는 열 탈수(180-210°C)의 도움으로 경화시키는 것입니다. 이러한 염 코어는 일반적으로 낮은 강도를 나타내며 고압 주조 응용 분야에는 적합하지 않습니다.

폴리비닐 글리콜(PVG)은 코어용 수용성 왁스 재료로 탐구됩니다. PVG는 수용성 및 낮은 흡습성 계수로 인해 왁스 패턴에서 용출될 수 있어 코어가 더 오래 유지될 수 있습니다. 무독성이며 상업적으로 이용 가능합니다. 그러나 PVG 코어는 반죽 상태에서 사용하도록 의도되었으며 응고 시 표면 균열이 발생하기 쉽다는 단점이 있습니다.

본 연구는 강도를 향상시키기 위해 바인더 변형을 조사하고, 염 결정 모양 및 입도 분포를 고려하고, 첨가제가 있는 복합 염, 그리고 물에서의 수화 및 용해 동역학과 함께 염 코어 기술을 개선할 필요성을 해결합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 연구의 주요 목적은 investment 주조에서 염 코어 사용의 가능성을 탐구하는 것입니다. 여기에는 염 코어 활용의 타당성을 평가하고 이러한 코어로 만든 주물의 향상된 기계적 성질 개발에 초점을 맞추는 것이 포함됩니다. 또한, 본 연구는 이러한 수용성 코어 사용과 관련된 환경적 이점을 조사합니다.

주요 연구 질문:

본 연구는 암묵적으로 다음과 같은 주요 질문에 답하고자 합니다.

1. 수용성 염 코어의 기계적 강도는 조성 변경 및 가소제 첨가를 통해 개선될 수 있는가?
2. 폴리에틸렌 글리콜, 마이카 분말, 염화나트륨 및 가소제를 통합하여 기계적 강도, 흡습성 및 용해도의 균형을 달성하기 위한 수용성 염 코어의 최적 조성은 무엇인가?
3. 가소제 첨가가 개발된 염 코어의 압축 강도, 굽힘 강도, 흡습성 계수 및 용해 속도에 어떤 영향을 미치는가?
4. investment 주조에서 치수 정확도와 매끄러운 주물 생산에 적합하고 환경 친화적이며 주조 후 제거하기 쉬운 수용성 코어 재료를 개발하는 것이 가능한가?

연구 가설:

명시적으로 언급되지는 않았지만, 연구는 다음과 같은 가설 하에 진행됩니다.

• 염 코어의 조성, 특히 가소제 및 마이카 분말 및 폴리에틸렌 글리콜과 같은 첨가제를 신중하게 제어함으로써 기계적 성질을 크게 개선하여 investment 주조 응용 분야에 더 적합하게 만들 수 있습니다.
• 개발된 수용성 코어는 코어 제거 과정에서 사용되는 염과 물의 재활용 가능성으로 인해 환경적 이점을 제공할 것입니다.

4. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 다양한 조성의 수용성 코어의 성질을 평가하기 위해 실험적 설계를 사용합니다. 가소제 함량(중량 기준 0%, 5%, 10%)을 달리하여 세 가지 다른 조성의 코어 재료를 준비했습니다.

자료 수집 방법:

개발된 코어 재료의 성질을 평가하기 위해 다음 테스트를 수행했습니다.

• 압축 강도 테스트: 코어 샘플의 압축 강도를 결정하기 위해 범용 강도 테스트 기계를 사용하여 측정했습니다.
• 굽힘 강도 테스트: 코어 재료의 굽힘 강도를 평가하기 위해 3점 굽힘 고정구를 사용하여 수행했습니다.
• 흡습성 테스트: 샘플을 실온(상대 습도 50-70%)에서 한 달 동안 공기에 노출시키고, 질량 변화를 측정하여 흡습성 계수를 계산했습니다.
• 용해도 테스트: 샘플을 물에 담가 코어 재료의 용해 속도를 결정했습니다.

분석 방법:

수집된 데이터 평가에는 정량적 분석을 사용했습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 각 조성에 대한 압축 강도 및 굽힘 강도 값 계산.
• 공식 H = [(Wt-Wo)/W0] × 100%를 사용하여 흡습성 계수 결정, 여기서 Wt는 한 달 후의 질량이고 Wo는 초기 질량입니다.
• 공식 R = M/(S×T)를 사용하여 용해 속도 계산, 여기서 M은 용해된 질량, S는 표면적, T는 용해 시간입니다.
• 압축 응력과 변형률 사이의 관계(그림 1)와 굽힘 강도와 가소제 함량 사이의 관계(그림 2)를 시각화하기 위해 그래프 분석을 수행했습니다. 코어 재료의 파단면을 검사하기 위해 현미경 분석을 수행했습니다(그림 3).

연구 대상 및 범위:

본 연구는 다음 재료로 만든 수용성 코어 개발 및 테스트에 초점을 맞추었습니다.

• 폴리에틸렌 글리콜
• 마이카 분말
• 염화나트륨
• 가소제 (중량 기준 0%, 5%, 10%로 다양하게)
• 용매 (폴리에틸렌 글리콜 용해용)

연구 범위는 이러한 복합 코어 재료의 기계적 성질(압축 및 굽힘 강도), 흡습성 및 용해도를 평가하는 것으로 제한되었습니다. 샘플은 테스트를 위해 6mm x 6mm x 10mm 크기로 준비했습니다.

5. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과:

• 새로운 수용성 코어 재료가 성공적으로 개발되었습니다.
• 수용성 코어 재료의 항복 강도는 최대 1 MPa에 도달했습니다.
• 달성된 최고 압축 강도는 4 MPa입니다 (그림 1).
• 수용성 코어 재료의 굽힘 강도는 4.08 ~ 6.65 MPa 범위입니다 (표 4).
• 흡습성 계수는 주변 조건에서 월 0.06% ~ 0.22% 범위입니다 (표 2).
• 가소제 함량이 증가함에 따라 코어 재료의 용해 속도가 감소했습니다 (표 3).
• 가소제가 없는 코어를 1시간 동안 노출시키면 표면이 느슨해졌습니다 (표 3).
• 5% 가소제 함량은 코어 생산에 적합한 수정된 압축 강도를 제공했습니다.
• 마이카는 강도와 매끄러움을 제공하는 데 좋은 경제적이고 환경 친화적인 첨가제로 확인되었습니다.
• 폴리에틸렌은 연성이 있고 무독성이므로 결합 강도에 기여합니다.
• 가소제 함량 증가는 결합 강도 증가로 이어졌습니다 (그림 2, 3).
• 마이카와 폴리에틸렌은 수용성 코어의 안정성에 기여하고 수분 흡수를 줄입니다.
• 최대 5% 폴리에틸렌 글리콜은 균열 형성을 방지하고 매끄러운 표면을 제공하며 코어를 안정화합니다. 5%를 초과하면 용해 속도가 감소합니다.
• 최적 강도를 위한 권장 혼합물은 43% 폴리에틸렌 글리콜, 30% 마이카 분말, 25% 염화나트륨 분말 및 5% 가소제로 구성됩니다.
• 이러한 유형의 수용성 코어는 복합 패턴 주입을 견딜 수 있을 만큼 견고하며 적절한 시간에 용출될 수 있습니다. 경도는 균열 방지에 중요합니다. 가소제로 인한 강도 증가는 붕괴성을 감소시키고 더 긴 코어 제거 시간이 필요할 수 있습니다.

통계적/정성적 분석 결과:

• 표 1: 수용성 코어 재료의 구성 요소 (wt %)는 다양한 가소제 함량(0%, 5%, 10%)을 가진 세 가지 샘플의 조성을 보여줍니다.
• 표 2: 코어 재료의 질량 및 흡습성 계수는 한 달 동안 공기 노출 후 세 가지 조성에 대한 질량 변화 및 흡습성 계수를 나타냅니다. 흡습성 계수는 가소제가 증가함에 따라 감소합니다.
• 표 3: 다양한 샘플 질량, 표면적 및 용해 시간은 다양한 가소제 함량에 대한 용해 속도를 보여줍니다. 용해 속도는 가소제가 증가함에 따라 감소합니다.
• 표 4: 굽힘 강도는 굽힘 강도가 가소제 함량이 증가함에 따라 증가하며, 4.08 MPa (가소제 0%)에서 6.65 MPa (가소제 10%) 범위임을 나타냅니다.
• 그림 1: 왁스 및 코어 재료의 압축 응력 및 변형률 곡선은 패턴 왁스와 비교하여 가소제 0%, 5% 및 10%를 가진 코어 재료의 압축 강도를 보여줍니다. 5% 가소제는 수정된 압축 강도를 보여줍니다.
• 그림 2: 굽힘 강도와 가소제 함량 및 10 wt pct (c) 15 wt pct 사이의 관계는 굽힘 강도가 가소제 함량이 증가함에 따라 증가함을 보여줍니다.
• 그림 3: 가소제 0 (a), 5 wt pct (b) 및 10 wt pct (c) 15 wt pct를 가진 수용성 코어 재료의 파단면 현미경 사진은 다양한 가소제 수준의 코어 구조에 대한 시각적 증거를 제공합니다.

데이터 해석:

결과는 수용성 코어 조성물에 가소제를 혼입하면 기계적 성질, 특히 굽힘 및 압축 강도가 향상됨을 나타냅니다. 마이카 분말과 폴리에틸렌 글리콜의 첨가는 코어 안정성에 기여하고 수분 흡수를 줄입니다. 가소제는 강도를 향상시키지만 용해 속도도 감소시킵니다. 5% 가소제 함량으로 균형을 이루어 용해도를 크게 손상시키지 않으면서 향상된 강도를 제공합니다. 권장 조성은 investment 주조 응용 분야에 최적의 강도를 제공합니다.

그림 목록:

• 그림 1: 왁스 및 코어 재료의 압축 응력 및 변형률 곡선
• 그림 2: 굽힘 강도와 가소제 함량 및 10 wt pct (c) 15 wt pct 사이의 관계
• 그림 3: 가소제 0 (a), 5 wt pct (b) 및 10 wt pct (c) 15 wt pct를 가진 수용성 코어 재료의 파단면 현미경 사진
• 표 1: 수용성 코어 재료의 구성 요소 (wt %)
• 표 2: 코어 재료의 질량 및 흡습성 계수
• 표 3: 다양한 샘플 질량, 표면적 및 용해 시간
• 표 4: 굽힘 강도

6. 결론 및 논의:

주요 결과 요약:

본 연구는 향상된 기계적 성질을 가진 investment 주조용 새로운 수용성 코어 재료를 성공적으로 개발했습니다. 개발된 코어는 보호 코팅 없이 치수 정확도와 매끄러운 주물 생산을 가능하게 합니다. 이러한 코어는 수용성이므로 염과 물을 재활용할 수 있는 잠재력을 제공하여 환경 친화적입니다. 정상적인 기후 조건에서 충분한 보관 안정성을 가지며 기존 염 코어에 비해 향상된 기계적 성질을 나타냅니다.

연구의 학문적 의의:

본 연구는 기존 코어 재료와 관련된 한계를 극복하기 위해 수정된 염 코어 조성물을 사용하는 타당성을 입증함으로써 investment 주조 분야에 기여합니다. 본 연구는 가소제 및 첨가제가 수용성 코어의 기계적, 흡습성 및 용해도 특성에 미치는 영향에 대한 귀중한 데이터를 제공합니다. 본 연구는 수용성 코어 기술에 대한 이해를 넓히고 이 분야의 추가 연구 및 개발을 위한 기반을 제공합니다.

실용적 의미:

본 연구 결과는 investment 주조 산업에 상당한 실용적 의미를 갖습니다. 개발된 수용성 코어는 기존 코어에 대한 실행 가능한 대안을 제공하여 코어 제거 프로세스를 단순화하고 잠재적으로 생산 비용을 절감합니다. 43% 폴리에틸렌 글리콜, 30% 마이카 분말, 25% 염화나트륨 및 5% 가소제로 구성된 권장 코어 조성은 산업적 사용을 위한 직접 적용 가능한 제형을 제공합니다. 이러한 코어의 환경 친화성은 지속 가능한 제조 관행에 대한 매력을 더욱 높입니다.

연구의 한계:

본 연구는 일반적으로 염 코어가 응고 중에 수축 및 체적 수축을 겪는다는 점을 인정합니다. 또한, 일부 코어 제형의 높은 밀도는 물 용해를 방해하여 특정 경우에 코어 제거를 어렵게 만들 수 있습니다.

7. 향후 후속 연구:

후속 연구 방향:

향후 연구는 본 연구에서 확인된 한계를 해결하는 데 초점을 맞춰야 합니다. 후속 연구의 주요 방향은 다음과 같습니다.

• 염 코어의 응고 중 수축 및 체적 수축을 제거하거나 최소화하는 방법 조사. 논문에서는 수축을 완화하기 위해 820°C의 융점을 가진 염과 모래의 혼합물을 탐구할 것을 제안합니다.
• 밀도 제어를 개선하고 잠재적으로 용해 특성을 향상시키기 위해 압력 하에서 코어를 생산하는 기술 탐구.
• 더욱 높은 기계적 강도와 향상된 용해 속도를 달성하기 위한 코어 조성 및 제조 공정의 추가 최적화.
• 재활용 가능성 및 환경 영향에 대한 보다 자세한 조사 (수명 주기 평가 포함).

추가 탐구가 필요한 영역:

다음과 같은 영역에서 추가 탐구가 필요합니다.

• 다양한 환경 조건에서 개발된 코어의 장기 보관 안정성.
• 다양한 주조 합금 및 복잡한 주조 형상에서 이러한 코어의 성능.
• 산업 환경에서 이러한 수용성 코어의 대규모 생산 및 구현의 경제적 타당성.

8. 참고 문헌:

1. Suo Tu et al. 'Fabrication and Characterization of High-Strength Water Soluble Composite Salt Core for Zinc Alloy Die Castings, # Springer-Verlag London Ltd, 2017
2. Z Xiao et al. 'A Water-Soluble Core Material for Manufacturing Hollow Composite Sections, Composite Structures 182 (2017), p 380-90
3. Jing-jing Liang et al. 'Influence of Zircon on Cristobalite Crystallization of Silica-Based Ceramic Cores,' Journal of Ceramic Processing Research, vol 17, no.8, (2016), p 845-50
4. Jaroslav Beòo et al. 'Development of Composite Salt Cores for Foundry Applications, MTAEC9, 49(4) 619 (2015)
5. P Jelínek et al. 'Advances in Technology of Soluble Cores for Die Castings,' Archives of Foundry Engineering, vol 15, issue 2, 2015, p 29-34
6. EliSka Adámková et al. 'Water-Soluble Cores – Verifying Development Trends,' MTAEC9, 49(1) 61 (2015)
7. P Jelínek et al. 'Lost Cores for High-Pressure Die Casting,' Archives of Foundry Engineering, vol 15, issue 2, 2014, p 101-04
8. Petr Jelínek et al. 'Development of Foundry Cores Based on Inorganic Salts,' Materials and Technology 47 (2013) 6, p 689-93
9. Fei Wang et al. 'Gel-Casting of Fused Silica Based Core Packing for Investment Casting Using Silica Sol as a Binder, Journal of the European Ceramic Society 33 (2013), p 2745-49
10. Weiguo Jiang et al. 'Preparation and Properties of Novel Water Soluble Core Material, J. Mater. Sci. Technol., 2010, 26(3), p 270-75
11. Ladisla Tomek et al. 'Water Soluble Cores for Aluminium Investment Castings, 13th World Conference on Investment Casting, 2012, Kyoto, Japan
12. Yaokawa J et al. 'Strength of Salt Core Composed of Alkali Carbonate and Alkali Chloride Mixtures made by Casting Technique, Mater Trans, 2007, 48(5):1034-41
13. MJ Nadolski et al. 'The Investigation of properties of Investment casting moulds reinforced with ceramic fibre, Archives of Foundry Engg, Vol 7, Issue 4/2007, 127-30
14. J Barbosa et al. 'Characterisation of Metal/Mould Interface on Investment Casting of c-TiAl, International Journal of Cast Metals Research, 2006, vol 19, no.6
15. S Sabau, 'Numerical Simulation of the Investment Casting Process, AFS Transactions 2005 © American Foundry Society, Schaumburg, IL, USA

9. 저작권:

본 자료는 GANESH VIDYARTHEE & NANDITA GUPTA의 논문: Development of water soluble cores for investment casting – A review를 기반으로 합니다.
논문 출처:

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