원심주조기를 이용한 백금 주조의 효율적 활용방안

박성모 ( Park Sung-mo ),안일훈 ( Ahn Il-hoon ) 한국디자인트렌드학회 2021 한국디자인포럼 Vol.26 No.3

연구배경 백금 장신구의 주조는 대량생산을 목적으로 1967년 일본에서 개발되었다. 일반적인 주조 방법으로는 백금 주조가 원활하지 않았기 때문에 원심주조 기계를 활용하였는데 당시에는 백금용 석고 매몰재가 고융점의 특성을 가진 백금합금의 주형재료로서 효율성이나 구현 능력이 좋지 않았고 주형 제작과정의 문제점이나 거친 표면상태 등 주조 후 마감 처리 등 아쉬운 부분이 많았다. 현대에 이르러서는 주형 주조 금속의 특성도 점차 밝혀지고 금속의 상태도 해명되고 있으며 주조 기기의 개발 기술과 주조 시행 기술도 발전하여 백금 등과 같은 고융점의 주조 금속도 주조가 가능해졌다. 그렇다고 해서 완전한 주조 제품이 바로 완성되기는 쉬운 일이 아니다. 우리나라에서는 아직까지 명확한 기술체계에 의한 이론적 시스템 기반이 미흡하고 주조 기술자의 경험적 추론과 그에 따른 구술, 경험에 의존하고 있는 실정이다. 또한 이론적 배경 역시 해외의 데이터를 기반으로 한 서적이 대부분이며 해외 환경과는 다른 국내의 습도, 온도, 기후 등은 정밀한 작업을 요구하는 귀금속 제품에서 항상 원하는 제품 결과를 얻을 수 없다. 따라서 국내 실정에 적합한 백금 주조의 효율적 방안을 모색하고자 한다. 연구방법 금속 주조 기법의 다양한 방법에 대해 현장 실무 작업 분석을 토대로 백금의 원심 주조기법의 공정별 기술을 이론적으로 정립하고자 하였다. 주조 공정에서 생길 수 있는 주조물 결함의 인과관계를 분석하여 주조기법, 주조기계, 보조기구, 석고재료, 금속 주조체 등 다양한 원인을 기록하고 해결방법에 대해 기술하였다. 금속 주조개체는 백금 주조에서 가장 일반적으로 많이 사용되고 있는 Pt900 (Platinum 90% + Palladium 10%)의 합금을 사용하여 실험하였으며 원심주조기의 단계별 주조 기술 공정을 정리하였다. 본 연구에서는 주조기 중에서도 원심주조기를 활용하여 연구하고자 한다. 백금 주조에 일반적으로 사용 중인 고주파 주조기는 값 비싼 고가의 주조기이다. 일반 영세 업체에서는 구입하기가 힘들기 때문에 백금 주조가 전문인 업체에 위탁하여 백금 주조 제품을 생산해야만 된다. 백금의 주문량 자체는 소량이기에 여러 업체의 주문을 혼합하여 주조가 시행된다. 이 경우 백금의 순도를 맞추기 힘들며 시간 일정이 제각각이라 제품 출고에 난항을 겪는다. 이러한 난항을 해결하기 위해 본 연구는 고주파 주조기에서 실행하기 어려운 소량생산이 가능하며, 원활한 작업시간과 원하는 순도(함량)를 얻을 수 있고 영세업체들도 사용 가능한 원심주조기를 활용하여 연구를 진행하였다. 연구결과 백금 주조 공정에 대한 실무적이고 체계적인 지식이나 데이터가 부족하여 주조 기계 제작소의 실무자에게 자문요청 후 실험을 진행하였다. 제조사의 기기 사용의 정확한 방법을 지도받았으며 주조 제품들의 결함이 발생하는 요인들을 조사하고 이를 해결하기 위한 연구 내용을 정리하였다. 백금의 원심주조기 연구 결과 정리한 내용은 다음으로 축약시킬 수 있다. 첫째, 백금 매몰제는 고운 분말, 거친 분말, 경화제 3가지를 섞어 사용해야 하는 복잡함이 있으며 오히려 경화제 변질로 인한 불량률이 높아지므로 고운 분말 1가지만 사용해도 무방하다. 둘째, 백금 주조 전 예열은 매우 중요하다. 예열 시간이 충분 할수록 깨끗한 표면의 결과물을 얻을 수 있고 개체의 두께 차이로 인한 최적의 적정온도의 데이터를 활용 할 수 있다. 셋째, 주조 시 적정 온도를 파악하고 유지하는 숙련도가 필요하다. 용융점 온도차이로 인한 한계점은 산소가스 불대 사용의 숙련된 경험이 필요하며 주조 온도 조절 관리 미숙은 결함 개체로 연결된다. 넷째, 원심 주조기는 활용성은 충분하다. 고가의 고주파 주조기의 단점을 상쇄할 원심주조기만의 장점은 소량 주조 가능, 저렴한 원가, 플라스크 별 백금 순도 품위 조절 가능, 작업 시간 조율 등의 효율성이 있다. 결론 본 연구는 백금 주조와 귀금속 가공에 대한 그동안의 경험과 노하우를 바탕으로 연구한 내용을 분석하고 실험을 통해 연구한 결과로 보다 더 개선된 백금 주조기술 공정을 정립하고자 하였다. 본 연구가 백금 주조를 희망하는 업체와 제품 개발자의 성과 향상과 고부가 가치를 추구하는 계기가 되었으면 한다. Background In the past, even in Korea, statues of Buddha and household items have been made with the casting technique for hundreds of years. Casting of platinum jewelry was developed in Japan in 1967 for mass production. At this time, centrifugal casting machine was used, but at that time, gypsum investment material for platinum was not sufficient as a casting material for platinum alloy with high melting point characteristics, and there were many disadvantages such as finishing treatment after casting, such as problems in the molding process and rough surface condition. In modern times, the characteristics of cast metals have been gradually revealed, the state of the metal has been elucidated, and technology has advanced, making it possible to cast high melting point cast metals such as platinum. However, it is not easy to produce a complete cast product immediately. In Korea, the theoretical system based on a clear technical system is still insufficient, and it is dependent on the empirical work and oral guessing of the casting engineer. Also, the theoretical background is mostly books based on overseas data, and the characteristics of domestic humidity, temperature, climate, etc., which are different from overseas environments, make it impossible to always obtain desired product results from precious metal products that require precise work. Methods This study tried to theoretically establish the technology for each process of the centrifugal casting technique of platinum based on the analysis of field work for various methods of precious metal casting. By analyzing the causal relationship of defects in castings that may occur in the casting process, various causes such as casting techniques, casting machines, auxiliary tools, gypsum materials, and metal castings were recorded and solutions were described. The metal casting body was tested using an alloy of Pt900 (Platinum 90% + Palladium 10%), which is most commonly used in platinum casting, and the step-by-step casting technology process of the centrifugal casting machine is summarized. In this study, among the casting machines, centrifugal casting machines are used for research. A high-frequency casting machine commonly used for platinum casting is an expensive and expensive casting machine. Since it is difficult to purchase at a general small company, it is necessary to entrust a company specializing in platinum casting to produce platinum casting products. Since the order quantity of platinum itself is small, casting is carried out by mixing orders from several companies. In this case, it is difficult to match the purity of platinum, and the time schedule is different, so it is difficult to release the product. In order to solve these difficulties, this study conducted research using a centrifugal casting machine that can produce a small amount that is difficult to implement in a high-frequency casting machine, obtain smooth working time and desired purity (content), and can be used by small companies. Result Due to the lack of practical and systematic knowledge or data on the platinum casting process, the experiment was conducted after requesting advice from a working person at a casting machine shop. The manufacturer was instructed on the correct method of using the equipment, and the factors that cause defects in casting products were investigated and research contents to solve the problems were summarized. The results of the centrifugal casting machine research for platinum can be summarized as follows. First, the platinum investment agent has the complexity of using a mixture of fine powder, coarse powder, and hardener, and it is okay to use only one fine powder because the defect rate due to deterioration of the hardener increases. Second, preheating before casting platinum is very important. The longer the preheating time, the better the result of a clean surface can be obtained, and the optimal temperature data can be utilized due to the difference in the thickness of the object. Third, proficiency in identifying and maintaining an appropriate temperature during casting is required. The limit due to the melting point temperature difference requires skilled experience in using an oxygen gas stove, and inexperience in casting temperature control management leads to defective objects. Fourth, the centrifugal casting machine has sufficient usability. The advantages of centrifugal casting only to offset the disadvantages of expensive high-frequency casting machines include the ability to cast small amounts, low cost, controllability of platinum purity for each flask, and efficiency such as adjustment of working hours. Conclusion This study analyzed the contents of research based on the experience and know-how of platinum casting and precious metal processing, and tried to establish a more improved platinum casting technology process as a result of research through experiments. It is hoped that this study will serve as an opportunity to improve performance and pursue high added value for companies and product developers wishing to cast platinum.

진공 원심 주조를 이용한 Ti-48Al-2Cr-2Nb 합금 터보차저 터빈휠 제작

박성준 ( Sung Joon Pak ),주형규 ( Heongkyu Ju ) 한국주조공학회 2021 한국주조공학회지 Vol.41 No.2

고온 환경에 대한 우수한 특성을 바탕으로 산업 장비의 고온 재료에 Ti-48Al-2Cr-2Nb 합금이 사용된다. 본 연구에서는 Ti-48Al-2Cr-2Nb 합금 터보 차저 터빈 휠을 진공 원심 주조 방법으로 제작했다. 알루미나 몰드를 이용한 원심 주조시 터보 차저 터빈 휠 블레이드의 미스런 불량을 방지하기 위한 조건을 조사하였다. 진공 원심 주조로 제조된 합금의 미세 구조는 광학 현미경(OM), 마이크로 비커스 경도 분석기 (HV), X- 선 회절 (XRD) 및 SEM-EDS로 연구하였다. 주조된 Ti-48Al-2Cr-2Nb 합금의 경도 및 SEM-EDS 결과는 산화층 (α- 케이스)의 두께가 일반적으로 50μm 미만임을 보여주었다. 예열 온도 1,100℃, RPM260, 게이트 크기가 큰 알루미나 몰드의 경우 미스런 불량이 거의 없었다. 따라서 높은 예열 온도, 중간 RPM, 큰 게이트 크기 및 알파 케이스 형성 억제를 위한 알루미나 몰드를 통해 미스런이 적은 Ti-48Al-2Cr-2Nb 합금 터보 차저 터빈 휠을 얻을 수 있음을 확인했다. Based on its good compatibility with high-temperature environments, the Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy is used for high-temperature materials of industrial equipment. In this study, a Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy turbocharger turbine wheel was fabricated by a vacuum centrifugal casting method. The conditions that prevent misrun defects of the turbocharger turbine wheel blade from centrifugal casting using alumina molds were investigated. The microstructure of the alloy prepared by vacuum centrifugal casting was studied by means of optical microscopy (OM), with a micro-Vickers hardness analyzer (HV), by X-ray diffraction (XRD) and by SEMEDS. The HV and SEM-EDS examinations of the as-cast Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy showed that the thickness of the oxide layer (α- case) was typically less than 50 μm. At a high preheating temperature of 1,100℃, a moderate RPM of 260, and with an alumina mold with a large gate size, there were almost no misrun defects. Therefore, it was confirmed that a Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy turbocharger turbine wheel with fewer misrun defects could be achieved through a high preheating temperature, a moderate RPM, a large gate size and an alumina mold to suppress the formation of alpha-case components.

Alloy 625의 특성과 조직에 미치는 원심주조품 두께의 영향

이유정,김병훈,주윤곤,조창용,이재현 한국주조공학회 2022 한국주조공학회지 Vol.42 No.3

The effect of thickness on the microstructure and the mechanical properties of centrifugal cast 625 was investigated. Centrifugal cast 625 with various thickness of 10, 17 and 50mm showed partially columnar grained structure 8, 12.3 and 18.5mm respectively from the outer surface. Secondary dendrite arm spacing in the columnar grains slightly increased with increasing casting thickness. Tensile strength of the columnar region was similar regardless of casting thickness. Solidification behavior of the columnar grained region is similar to that of directional solidification, thus solidification rate in the centrifugal cast tube was extrapolated from the secondary dendrite arm spacing data of the directionally solidified material. The equiax grained region formed interior of the thick castings. The tensile strength of the equiaxed region showed the average value of the columnar region which is presumably orig- inated from the grain structure rather than secondary dendrite arm spacing. 초내열합금 625 튜브의 제조에 필요한 원심주조품의 두께에 따라 응고조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다 . 10, 17, 50 mm 두께로 원심주조한 625합금에서 두께의 증가에 따라 주상정 부분의 길이와 2차 수지상 간격이 약간 증가하였으나 상 온 인장특성은 큰 차이를 보이지 않았다 . 주상정 부분의 응고는 일방향응고의 형태로 응고가 진행되기 때문에 일방향응고 조건을 변화시켜 2차 수지상의 간격을 비교하여 각 두께의 주조품에서 응고속도를 계산하였다 . 두꺼운 주조품일수록 내부 다결정 조직의 비율이 증가하였다 . 다결정 부분의 인장특성은 주상정 부분의 평균값과 유사한 값을 보였으며 이는 2차 수지상의 간격보다 결정립 형태의 영향인 것으로 사료된다.

치과용 티타늄 주조체의 냉각방법이 표면반응층 및 기계적 특성에 미치는 영향

문수,정준영,김기주,이진형,Moon, Soo,Jung, Jun-Young,Kim, Ki-Ju,Lee, Jin-Hyung 대한의용생체공학회 2003 의공학회지 Vol.24 No.5

순수티타늄과 산화물계 주형재의 표변반응층을 제어하는 방법을 제시하기 위하여 치과용 인산염계 실리카·알루미나 주형재에 CP-Ti를 원심주조법으로 주조하고, 주조 후 냉각방법에 따른 치과용 티타늄 주조체의 표면반응층 및 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 주조체는 주조 후 냉각방법에 관계없이 다층구조의 표면 반응층을 보였으며, 특히 수냉 방법이 공냉에 비해 표면반응층의 두께가 얇게 형성되었고, 강도는 약하고 연신율은 높게 나타나서, 치과용주조체로 만족할만한 기계적 성질을 얻을 수 있었다. 이러한 결과는, 용해분위기에서 산소의 침입과 주조시 주형재의 반응을 주도하는 냉각속도의 차이에 기인하는 것으로 판단된다. In this study. we have intended to control the properties of surface reaction zone generated between pure titanium and oxide investment moulds. Commercially pure titanium was centrifugally casted and silica$.$alumina based phosphate bonded investment was used as the mould material. The effect of cooling methods after casting on the surface reaction zone and mechanical properties of casts were investigated. The resulting casts showed the multilayered surface reaction zone regardless of cooling method. Especially. water cooling method produced the titanium casts with thinner surface reaction zone. weaker strength. and higher elongation properties compared to air cooling. It can thus be known that the resulting casts had satisfactory mechanical properties as dental materials. From these results, the cooling rate dependence of interfacial and mechanical properties can be attributed to the diffusion of oxygen from casting environment, which control the reaction of titanium and mould.

치과용 고주파 주조기 설계에 관한 연구

임상길(Lim S.K),이창호(Lee C.H.),황인(Hwang I.),강후원(Kang H.W.),박성준(Park S.J.) 한국생산제조학회 2011 한국생산제조시스템학회 학술발표대회 논문집 Vol.2011 No.4

현재 국내 치과기공소에서 치과보철물용 주조체를 제작하는 방법은 왁스로 형태를 제작, 매몰 및 소환하여 도시가스와 산소를 열원으로 하여 블로우 파이프에 의해 용융 온도가 다양한 여러 가지 합금을 용해한 후 대기 중에서 스프링을 이용해 원심력을 발생시키는 원심주조기에서 주조체를 제작하고 있다. 또한 일반적으로 불때를 이용하여 합금을 용해하기 때문에 합금의 적절한 용융온도 및 주조시간을 조절하기 어렵고 이로 인해 가스공이나 핀홀과 같은 주조결함을 발생시키며 과열로 인한 보철물의 결함을 보이고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 양질의 보철물 주조체를 제작하기 위해 합금의 종류에 따라 온도 및 주조 시간을 설정할 수 있고 내구성과 안전성이 겸비된 고주파 발생장치를 개발하였다.

주물공장의 빅데이터 수집을 위한 IoT 기반 디바이스 활용 기술

김문조 ( Moon-jo Kim ),김동응 ( Dongeung Kim ) 한국주조공학회 2021 한국주조공학회지 Vol.41 No.6

4차 산업혁명의 도래에 따라 주물공장에서도 사물인터넷(Internet of things, IoT) 기반의 공정 스마트화에 대한 관심이 높아지고 있다. 주물공장에서 자동 수집 되고 있는 공정데이터들도 일부 있으나 노후된 생산설비의 제한된 기능, 작업자 노하우 기반의 공정 설계 등의 이유로 여전히 많은 공정데이터가 수기로 관리되고 있다. 특히, 공정데이터의 빅데이터화에 대한 중요도를 인지함에도 불구하고 시스템 구축 비용 부담으로 인해 선뜻 도입을 어려워하는 기업들이 많다. 본 연구에서는 IoT 기반 디바이스를 제작하고 원심주조공정 현장에 직접 적용함으로써 제작 디바이스의 현장 활용성을 살펴보았다. 원심주조공정에 대해 취득하고자 하는 공정 인자로 작업현장의 온도 및 습도, 용탕 온도, 금형 회전속도를 선정하였다. 데이터 취득 인자별로 요구되는 상세 제품규격과 비용을 고려하여 센서를 선정하였으며, IoT 기반 디바이스 제작을 위해 무선통신이 가능한 NodeMCU 보드를 활용하여 회로를 구성하였다. 구성한 회로는 PCB 기판으로 제작하여 각 공정 인자별 디바이스의 설치 환경을 고려하여 작업 현장에 설치하였으며, 현장 실증을 통해 적용 가능성을 확인하였다. 현장 적용 이후, 작업자의 안전에 대한 만족도가 상승하였으며, 공정 관리 측면에서 효율성이 증가했음이 확인되었다. 더불어 지속적으로 데이터를 수집하면 추후 공정데이터-품질데이터의 연계가 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서 제작한 IoT 디바이스는 데이터 수집에 대한 적절한 신뢰도를 확보하면서도 비용이 저렴하여, 주물공장별로 현장 상황을 고려하여 도입 여부를 검토해볼 수 있을 것으로 생각된다. With the advent of the fourth industrial revolution, the interest in the internet of things (IoT) in manufacturing is growing, even at foundries. There are several types of process data that can be automatically collected at a foundry, but considerable amounts of process data are still managed based on handwriting for reasons such as the limited functions of outdated production facilities and process design based on operator know-how. In particular, despite recognizing the importance of converting process data into big data, many companies have difficulty adopting these steps willingly due to the burden of system construction costs. In this study, the field applicability of IoT-based devices was examined by manufacturing devices and applying them directly to the site of a centrifugal foundry. For the centrifugal casting process, the temperature and humidity of the working site, the molten metal temperature, and mold rotation speed were selected as process parameters to be collected. The sensors were selected in consideration of the detailed product specifications and cost required for each process parameter, and the circuit was configured using a NodeMCU board capable of wireless communication for IoT-based devices. After designing the circuit, PCB boards were prepared for each parameter, and each device was installed on site considering the working environment. After the on-site installation process, it was confirmed that the level of satisfaction with the safety of the workers and the efficiency of process management increased. Also, it is expected that it will be possible to link process data and quality data in the future, if process parameters are continuously collected. The IoT-based device designed in this study has adequate reliability at a low cast, meaning that the application of this technique can be considered as a cornerstone of data collecting at foundries.

원심주조된 내열강의 미세조직 및 기계적성질에 미치는 단조 조건의 영향

강창룡(C. Y. Kang),이상명(S. M. Lee),조덕호(D. H. Jo),박영태(Y. T. Park),이도훈(D. H. Lee),김영철(Y. C. Kim) 한국동력기계공학회 2009 동력시스템공학회지 Vol.13 No.3

원심주조 내열강의 내산화성 및 내크립성에 미치는 미량 첨가 원소의 영향 (초)

김동배,윤국태,성지현,이락규,정윤철,나영상,유위도,이종훈,이찬규 대한금속재료학회 ( 구 대한금속학회 ) 2008 대한금속재료학회 학술대회 개요집 Vol.2008 No.1

원심주조된 B50A349A내열강의 미세조직 및 기계적성질에 미치는 단조조건의 영향

이상명 (S. M. Lee),김윤규 (Y. K. Kim),최한글 (H. G. Choi),강창롱 (C. Y. Kang) 한국동력기계공학회 2009 한국동력기계공학회 학술대회 논문집 Vol.2009 No.6

The aim of study is investigated to develop the optimum forging conditions on B50A349A heat resistance steel. The results obtained from this study are as follow: With increase the forging rate, the hardness and tensile strength wase increased, but impact value and elongation wase decreased. With increase the forging start temperature, the hardness and tensile strength wase increased, while, impact value and elongation wase decreased. With increase the forging finishing temperature, the tensile strength and hardness wase increased, but elongation and impect value was decreased..

화학반응관용 원심주조 내열강의 내산화성 및 고온 Creep 특성에 미치는 미량 첨가원소의 영향 (초)

김동배,성지현,이락규,정윤철,윤국태,나영상,유위도,이종훈,박종성,조기출,이찬규 대한금속ㆍ재료학회 2009 대한금속재료학회 학술대회 개요집 Vol.2009 No.-