Strength Characteristics of Inorganic Thermosetting Mold Using Water Glass Binder and Sintered Spherical Artificial Sand

소결계 구상 인공사와 물유리계 무기 열경화성 바인더로 조형한 주형의 강도 특성

1. 서론

최근 환경문제 관점에서 무기 프로세스가 주목되고 있으며, 주형이나 중자 조형을 유기 프로세스에서 새로 개발된 무기 프로세스로 변경함으로써 유독가스 발생을 저감하는 등의 이점이 있다고 알려져 있다. 그러나 주물사의 무기 프로세스 적용성에 관한 지식이 적고 또한 소결계 구상 인공사 (NCB)에서는 충분한 주형 강도를 얻을 수 없는 문제가 있었다. 또한 무기 바인더는 유기 바인더와 달리 소실되지 않기 때문에 무기 프로세스에서 사용한 주물사는 재생하기 어렵다는 과제도 있었다.

그래서 우리는 무기 프로세스에 대응한 높은 주형강도를 얻을 수 있는 소결계 구상 인공사 (CB-M)을 개발하고 주물사로서 많이 사용되고 있는 소결계 구상 인공사 (기존품 NCB, 개발품 CB-M), 용융계 구상 인공사 (용융사), 천연사 (호주 규사, 미주 규사)의 무기 프로세스에서의 주형강도, 재생성, 재생사의 성상에 대해 조사했다. 그 결과 개발품 CB-M은 기존품 NCB의 2배의 항절강도를 나타내고 또한 무기 프로세스 사용 후 모래 재생방법은 연마→배소→연마가적합하다는 것을 알아내고, CB-M은 재생처리를 함으로써 반복 2회 재생까지 새 모래 이상의 항절강도가 얻어지는 것으로 판명되었다 [1].

본 연구에서는 무기 프로세스에서의 소결계 구상 인공사의 주형특성을 더 깊이 이해하기 위해 개발품 CB-M에서 재생처리를 반복하여 5회 실시, 주형강도, 재생성, 재생사의 성상에 대해서 조사했다.

2. 실험방법

2.1. 소결계 구상 인공사 CB-M의 기본적 특성

개발품 CB-M은 표 1의 새 모래에 대응하여 SiO₂ 및 Al₂O₃ 성분은 각각 36.8%, 60.3%이며, 멀라이트로 이루어진다. 또한 경장 부피밀도란 메스실린더에 분립체를 일정 높이에서 자연 낙하시켜 충진한 경우의 밀도로 CB-M에서는 1.59g/cm³였다.

표 1. 새 모래 및 재생사의 재생회수율, AFS 입도지수, 경장 부피밀도, 화학성분

2.2. 재생방법

복잡 형상의 중자로 사용하는데 필요한 항절강도 5MP a 이상이 되도록, 바인더 양은 1.5mass%/모래로 하고 혼련물을 150ºC로 가열 경화시켜 틀 해체한 후에 연마공정, 배소공정을 조합한 연마①→배소→연마②로재생공정을 실시했다. 재생조건으로서 연마는 ㈜키요타주조기계의 샌드프레셔 (sand fresher) (BR-305)를 이용하여 모래 투입량: 40kg, 숫돌주속: 40m/sec., 탑내 차압: 100Pa로, 연마①: 10분, 연마②: 30분 처리하고 배소온도는 바인더에 포함된 물유리가 β-Na₂Si₂O₅로 변화되는 500~600ºC 이상이 되도록 600ºC로 했다 [2].

2.3. 강도 측정방법

무기 바인더는 물유리를 주성분으로 한 열경화성인 SAND TEAM사의 무기 바인더 (Geopol W11)와 촉진제 (Geotek W303)를 2:1의 비율로 첨가하여 모래와 혼련했다. 또한 바인더 첨가비율은 1.5mass%/모래로 했다. 혼련사를 에어블로우 1.5초/0.4MPa, 금형온도 150ºC, 개싱 에어 (gassing air) 150ºC/0.3 Mpa/30초로 시험편 (22.4mm×22.4mm×170mm)을 제작하고 스팬 150mm로 항절강도를 측정했다. 조형 후 시험편의 보관환경은 항온항습조를 사용하여 소정의 온도, 습도로 했다.

3. 실험결과

3.1. 반복 재생에 의한 항절강도 변화

그림 1에 반복 재생에 의한 1h 후 항절강도와 시험편 충진도의 변화를 나타낸다. 시험편의 보관환경은 25ºC, 50%RH로 했다. CB-M은 재생함으로써 강도는 상승하고, 재생 2회차 이후에는 거의 동등한 항절강도를 나타내고, 안정된 주형강도를 얻을 수 있을 가능성을 가지고 있다고 생각된다. 또한 시험편 충진도는 재생함으로써 새 모래 (1.67g/cm³)로부터 재생 1회차 (1.69g/cm³)로 상승하고, 재생 2회차 이후 변화는 보이지 않고 1h 후 항절강도와 같은 경향을 나타냈다.

그림 1. 반복 재생에 의한 1h 후 항절강도와 시험편 충진도.

반복 재생에 의한 재생회수율, AFS 입도지수, 경장 부피밀도, 화학성분을 표 1에 나타낸다. 반복하여 5회 재생했을 때의 재생회수율은 82.4%였다. AFS 입도지수 변화에서는 재생에 의한 변화가 거의 보이지 않았다. 또한 경장 부피밀도는 재생에 의해 약간의 상승이 보이고, 재생 2회차 이후에 변화가 없고, 1h 후 항절강도, 시험편 충진도와 같은 경향을 보였다. 화학성분은 반복재생함으로써 Al₂O₃값은 점차 저하되고 SiO₂값, Na₂O값은 점차 상승했다. 이는 재생사에 바인더인 물유리 성분이 약간 양 잔존하고 있으며 재생할 때마다 서서히 축적되고 있는 것을 나타내고 있다.

다음으로 새 모래 및 재생사의 SEM상을 그림 2에 나타낸다. CB-M은 재생 5회에 의한 입자 외관에 큰 변화는 확인되지 않았다.

그림 2. 새 모래 및 재생사의 SEM상

표 2에 새 모래 및 재생사의 산소비량, 전기전도도를 나타낸다. 산소비량은 JACT 시험법 S-4를 이용하고 전기전도도는 모래 20g과 증류수 50g을 30분간 교반한 후, 얻어진 상청액으로 측정했다. 산소비량, 전기전도도는 함께 반복하여 재생함으로써 재생 4회차까지 점차 상승하고, 재생 5회차는 재생 4회차와 같은 값을 나타냈다. 이는 재생시 약간 양의 잔존하는 활성 물유리 성분이 재생할 때마다 서서히 재생사의 표면에 축적되고 있음을 나타내고 있다.

표 2. 반복재생에 의한 산소비량, 전기전도도 변화​​​​​​​

3.2. 시험편 보관환경에서 항절강도의 경시변화

무기 바인더의 주성분인 물유리는 Na₂O·nSiO₂·mH₂O로 표시되고 물 포함 형태로 존재하고, 가열됨으로써 탈수 경화된다. 그러나 경화 후에도 대기중 수분과 용이하게 반응하기 때문에, 내습성이 낮다고 되어 있다. 그 때문에 조형 후 주형의 내습성 평가를 목적으로 새 모래 및 재생사 (재생 5회차)로 시험편을 조형한 후에 25ºC, 50%RH 환경으로 보관하고 보관시간에 따른 강도에 대한 영향을 조사했다. 그 결과를 그림 3에 나타낸다.

그림 3. 25ºC, 50%RH 환경에서의 항절강도 변화.​​​​​​​

새 모래에서는 1h 후 (5.4MPa)에 최대가 되고 3h 후(5.2MPa), 24h 후 (4.5MPa)로 항절강도 저하를 볼 수 있었다. 이는 바인더에 포함된 물유리 성분이 대기중 수분과의 반응으로 열화됨으로써 항절강도가 저하되었다고 생각된다. 그에 비해 재생사 (재생 5회째)에서는 1h후, 3h후, 24h후의 강도에 큰 변화는 보이지 않았다.

다음으로 새 모래 및 재생사 (재생 5회차)로 시험편을 조형후에 고습도 환경 (25ºC, 80%RH)에서 보관했을 때의 보관시간에 따른 강도에 대한 영향 조사 결과를 그림 4에 나타낸다.

그림 4. 25ºC, 80%RH 환경에서의 항절강도 변화.​​​​​​​

새 모래에서는 1h 후 (4.8MPa)부터 3h 후 (3.9MPa)로 약간의 강도 저하가 보였지만 재생사 (재생 5회차)에서는 1h 후(6.3MPa), 3h 후 (6.6MPa)와 거의 동등한 강도를 나타냈다.

그림 3, 그림 4에 나타낸 바와 같이 새 모래에 비해 재생사 (재생 5회차)는 경시변화에서 항절온도의 저하가 억제되고 있는 결과였다. 이는 표 2에 나타낸 바와 같이 재생사는 재생에 의해 축적된 비교적 활성된 물유리 성분이 잔존하고 있기 때문에, 바인더 첨가량이 외관상 증가하는 것에 기인하고 있다고 생각된다. 또한 24h 후의 항절강도는 모든 모래 (새 모래, 재생사)에서 저하되고 있지만 단시간 (3h 이내)에는 상대습도가 80%RH로 높은 경우에도 대기중 수분의 흡습에 의한 항절강도의 열화속도를 외관상 억제할 수 있다고 생각된다.

3.3. 열부하에 따른 항절강도 변화

무기 바인더는 유기 바인더와 달리 소실되지 않기 때문에 붕괴성이 낮다고 되어 있다. 그래서 열부하에 따른 항절강도 변화를 조사했다. 시험방법으로서 25ºC, 80%RH에서 1h 보관 후 시험편을 미리 소정의 온도로 가열된 전기로에 30분간 가열하고 시험편을 상온에서 식힌 후에 항절강도를 측정함으로써 평가했다. 그 결과를 그림 5에 나타낸다.

그림 5. 열부하에 따른 항절강도 변화.​​​​​​​

새 모래, 재생사 (재생 5회차) 모두 시험편을 가열함으로써 항절강도는 저하되고, 가열온도가 높을수록 저강도가 되었다.

다음으로 가열처리에 의한 바인더 브리지의 변화를 SEM으로 관찰했다. 그림 6에 새 모래 및 재생사의 SEM상을 나타낸다.

그림 6. 새 모래 및 재생사의 바인더 브리지.​​​​​​​

그림 6에 나타낸 바와 같이 가열 전의 새 모래와 재생사 (재생 5회차)를 비교했을 때, 새 모래는 입자간 거리가 가까운 것에 비해 재생사는 바인더 브리지가 굵어 (또는 길어)짐으로써, 입자간 거리가 길어지는 것이 확인되었다. 또한 가열 후에는 새 모래, 재생사 모두 바인더 브리지에 공극이 보였다. 이는 바인더에 포함된 결정수가 가열에 의해 빠짐으로써 발생했다고 생각되며, 이로 인해 가열 후에 강도가 저하되었다고 생각된다.

4. 정리

본 연구에서는 무기 프로세스에서 소결계 구상 인공사의 주형 특성 지식을 심화시키는 것을 목적으로 소결계 구상 인공사 개발품 (CB-M)에서 연마→배소→연마를 반복하여 5회의 재생처리에 근거한 주형강도, 재생사의 성상에 대해 조사했다.

CB-M은 새 모래에서는 충분한 항절강도 (5MPa)를 발현하는데 상당량의 바인더가 필요했지만, 재생에 의해 새 모래 이상의 강도를 나타내고, 재생 2회차 이후에는 반복하여 5회 재생까지 안정되고 높은 강도를 나타냈다. 재생사의 Na₂O값, 산소비량, 전기전도도는 반복하여 재생함으로써 점차 상승하는 것으로 나타났다.

조형 후 주형의 내습성에서 CB-M 새 모래에서는 고습도 환경 (25ºC, 80%RH)에서는 1h 후부터 3h 후에 강도가 저하되는 것에 비해, 재생사에서는 강도 저하는 확인되지 않아 조형 후 주형의 내습성 향상이 확인되었다.

열부하에 따른 항절강도 변화에 관해 CB-M은 새 모래, 재생사 모두 시험편을 가열함으로써 항절강도는 저하되고 가열온도가 높을수록 저강도가 되는 것으로 밝혀졌다.

이상의 결과로부터 새로 개발된 소결계 구상 인공사 (CB-M)은 무기 프로세스에서 충분한 주형강도가 발현되어 재생 시에도 안정된 주형강도가 얻어질 가능성이 확인되었다. 또한 CB-M에 의한 무기 프로세스의 실제 운용방법을 상정하면 재생처리를 함으로써 감소한 모래 양만큼의 새 모래 보급을 상정한 재생시험 조사가 향후 필요하다고 생각된다.​​​​​​​