인공사를 이용한 알루미늄 주조용 세라믹 바인더의 물리화학적 특성에 관한 연구 = A Study on Physicochemical Characteristic of Ceramic Binder for Aluminum Casting using Artificial Sand

국문 초록 (Abstract)

주조 산업에서, Al2O3-SiO2로 구성된 뮬라이트 (mullite) 계열의 인공사는 자동차, 조선, 기계 및 화학 산업에서 복잡한 형상의 부품 또는 사형 중자 제조를 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 구상의 인공사는 내파쇄성 및 내구성이 우수하여 미분 발생량이 규사에 비해 적다. 바인더에는 유기 바인더와 무기 바인더로 분류되며 사형 주조 시 유기 바인더에서 배출되는 휘발성 유기화합물은 대기오염에 영향을 미친다. 이러한 문제를 해결하기 위해 인공사와 무기 바인더가 주목받고 있는 소재이다. 다양한 무기 바인더 중 CBAPC (chemically bonded aluminum phosphate ceramic) 바인더는 고온에서의 우수한 내열성, 내식성 및 강도를 가지는 친환경 소재이다. 본 연구에서는 인공사를 이용한 CBAPC 기반의 무기 바인더를 개발하였다. CBAPC 바인더는 2.0에서 6.0까지의 다양한 P/Al 몰 비로 합성되었다. 인공사 및 CBAPC 바인더를 혼합하여 시험편을 제조하였으며, 260 ℃에서 10분간 열처리하였다. P/Al 몰 비, 경화 온도 및 경화 시간에 따른 시험편의 항절 강도를 확인하였다. 인공사 (Esperal 40, Cps 1)는 XRF, 입자 크기 및 FE-SEM으로 특성 분석하였으며, 제조된 CBAPC 바인더는 TGA-DSC, XRD, FT-IR 및 FE-SEM에 의해 특성 분석하였다. 인공사 (Esperal 40, Cps 1)의 최대 항절 강도는 P/Al 몰 비가 4.5, 경화온도 260 ℃ 및 경화 시간 10분 조건에서 각각 6.40 및 6.36 MPa를 나타내었다. CBAPC_4.5는 다른 P/Al 몰 비보다 저온 구간에서 높은 열 안정성을 가졌으며 260 ℃에서 형성된 AlH2P3O10·2H2O 상은 높은 기계적 강도 및 내습성을 가진다. CBAPC_4.5로 코팅된 인공사의 표면은 경화 온도 및 경화 시간에 따라 영향을 받았다. 따라서, P/Al 몰 비 및 경화 조건이 항절 강도에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In foundry industry, mullite-based artificial sand composed of Al2O3-SiO2 is being studied to manufacture complex shaped parts and sand cores in the automobile, shipbuilding, machinery, and chemical industry. The spherical artificial sands were superior fracture resistance and durability, so the amount of fine dust is smaller than silica sand. Binders were classified into organic binder and inorganic binder, the volatile organic compounds emission from organic binder during sand casting process strongly contributes to air pollution. In order to solve these problems, artificial sand and inorganic binder receive attention as materials. CBAPC (chemically bonded aluminum phosphate ceramic) binders are an eco-friendly material with outstanding heat resistance, corrosion resistance, and strength at high temperature. In this study, we developed an inorganic binder based on CBAPC binder using artificial sand for casting. The CBAPC binders were synthesized for various P/Al molar ratios from 2.0 to 6.0. The specimens were prepared by mixing artificial sand and CBAPC binder, which is heat-treated at 260 ℃ for 10 min. The flexural strength of the specimens was observed according to the P/Al molar ratio, curing temperature, and curing time. The artificial sands (Esperal 40, Cps 1) were characterized by XRF, grain size analysis, and FE-SEM, and the prepared CBAPC binders were characterized by TGA-DSC, XRD, FT-IR, and FE-SEM. The ultimate flexural strengths of artificial sands (Esperal 40, Cps 1) were obtained 6.40 and 6.36 MPa, respectively under the conditions (P/Al=4.5, curing temperature=260 ℃, and curing time=10 min.). The CBAPC_4.5 had higher thermal stability at low temperature than other P/Al molar ratio. The formed AlH2P3O10·2H2O structure at 260 ℃ having high mechanical strength and moisture resistance affected to improvement of flexural strength. The surfaces of CBAPC_4.5 coated artificial sands were affected depending on the curing temperature and curing time. Thus, we confirmed that P/Al molar ratio and curing conditions strongly affect to flexural strength.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 이론적 배경 4
• 2.1 주조 4
• 2.1.1 주조의 원리, 장점 및 적용 분야 4
• 2.1.2 사형 주조 7
• 2.1.3 인공사 10
• 2.2 유기 바인더 11
• 2.2.1 푸란 수지 11
• 2.2.2 페놀 수지 13
• 2.2.3 레진 피복 모래 15
• 2.3 무기 바인더 16
• 2.3.1 물유리 16
• 2.3.2 인산염 세라믹 17
• 2.3.3 세라믹 바인더 반응원리 19
• 제 3 장 실험 방법 21
• 3.1 인공사 21
• 3.1.1 재료 21
• 3.1.2 인공사 특성 분석 21
• 3.1.2.1 입도 및 열중량 분석 21
• 3.1.2.2 X-선 형광 및 회절 분석 22
• 3.1.2.3 수분 함량 분석 22
• 3.2 세라믹 바인더의 제조 25
• 3.2.1 시약 25
• 3.2.2 제조 방법 25
• 3.3 시험편의 특성 분석 28
• 3.3.1 시험편의 항절 강도 분석 28
• 3.3.2 시험편의 중력 및 저압 주조 32
• 3.3.3 바인더 함량 및 첨가제에 따른 세라믹 바인더의 특성 분석 32
• 제 4 장 결과 및 고찰 33
• 4.1 인공사의 특성 분석 33
• 4.1.1 입도 및 열중량 분석 33
• 4.1.2 X-선 형광 및 회절 분석 34
• 4.1.3 수분 함량 분석 34
• 4.2 세라믹 바인더의 특성 분석 44
• 4.2.1 동시 열 분석 (Thermogravimetric Analysis-Differential Scanning Calorimetry, TGA-DSC) 44
• 4.2.2 X-선 회절 분석 (X-ray diffraction, XRD) 48
• 4.2.3 푸리에 변환 적외선 분광학 (Fourier Transform Infrared Spectrometer, FT-IR) 50
• 4.3 세라믹 바인더로 제조한 시험편의 강도 분석 53
• 4.3.1 P/Al 몰 비에 따른 강도의 영향 53
• 4.3.2 경화 온도에 따른 강도의 영향 59
• 4.3.3 경화 시간에 따른 강도의 영향 62
• 4.3.4 바인더 함량 및 첨가제에 따른 강도의 영향 62
• 4.4 주조품의 특성 분석 65
• 참고문헌 67
• Abstract 70