KR20150123470A - 세라믹 코어 및 이의 제조방법 - Google Patents

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김은희
이재현
백운규
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창원대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 세라믹 코어 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 성형 강도 및 소성 강도를 갖는 세라믹 코어 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
금속 알콕사이드, 실리카 전구체, 출발 세라믹 분말 입자 및 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제1단계; 상기 혼합용액을 건조시켜 상기 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체에 의해 코팅된 세라믹 분말 입자를 제조하는 제 2단계; 무기 코팅제가 코팅된 세라믹 분말 입자와 고분자 전구체를 혼합하는 제 3단계; 코팅된 세라믹 입자와 고분자 전구체의 혼합물을 겔-캐스팅하는 제 4단계; 갤-캐스팅에 의해 성형된 성형체를 열처리 하는 제 5단계;를 포함하는 세라믹 코어 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 세라믹 코어를 제공한다.

Description

세라믹 코어 및 이의 제조방법{Ceramic core and method of manufacturing thereof}
본 발명은 세라믹 코어 및 이의 제조방법 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 높은 성형 강도 및 소성 강도를 갖는 세라믹 코어 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재 세계적인 에너지 정책에 의해 가스터빈의 입구온도가 증가함에 따라, 가스터빈 내부의 냉각유로의 형상은 더욱 복잡해졌다. 이에 따라 보다 얇은 두께를 가지면서도 높은 강도를 갖는 세라믹 코어가 요구되고 있다. 즉, 주조 시 고온의 용탕과 직접적으로 접촉하고 용탕의 자중을 견딜 수 있는 고온 강도가 요구될 뿐 아니라, 주조물의 외부형상 제조용 쉘 몰드 제작에 필요한 왁스(wax) 사출 시의 압력에도 견뎌야 함으로, 일정 이상의 상온 및 고온 강도가 요구되고 있다.
기존의 세라믹 코어는 지르코니아, 실리카 등의 세라믹 입자와 성형체를 유지 또는 세라믹 입자와 혼화성을 향상시키기 위한 고분자 물질 (wax 등)이나 계면활성제와 같은 유기화합물의 혼합물로 구성된다. 그러므로, 코어의 성형 강도는 탄소화합물로 구성된 왁스(wax)의 긴 사슬간의 엉킴이나 꼬임에서 기인됨으로 박막의 복잡형상을 가지는 세라믹 코어를 제작하기에는 그 강도가 불충분하다. 또한, 사출성형에서의 소성강도는 열처리 시 출발 입자간의 소결 현상에 의해 발현되기도 한다.
따라서, 세라믹 코어의 열적, 기계적 특성은 출발 분말의 크기와 분포, 조성비, 공정변수 등에 매우 의존적이며 요구특성에 맞는 세라믹 코어 제작을 위한 정확한 데이타 확보가 어렵다. 또한, 소결 시 세라믹 코어의 수축에 의한 형상 비틀림 현상과 유기 물질의 기화에 의한 코어 내 기공이 형성되는 문제점이 야기된다. 이러한 문제점은 주조 시 세라믹 코어의 파괴를 가져오게 되거나 주조품의 불량으로 직결되며 필요 이상의 강도 부여는 주조 후, 붕괴성 저하를 가져온다.
더욱이, 출발 세라믹 입자, 왁스 또는 계면 활성제 등의 유기 화합물의 혼합물을 고온에서 슬러리로 제조한 후, 금형틀로 제작하는 종래의 세라믹 코어 제작방법은 출발 물질의 조성 조합비, 제조공정 조건에 따라 그 특성이 민감하게 변화한다. 또한, 고온에서 강도 발현을 위한 출발 입자간 소결에 의한 형상 및 치수변화가 필수적으로 수반되는 문제점이 있어왔다.
따라서, 본 발명에서는 제조 공정에서 출발물질의 조성 조합비, 제조 공정변수, 열처리 조건 등에 따른 특성 변화가 없는 세라믹 코어를 제작하기 위해 새로운 세라믹 코어 제조공정을 개발하여 높은 성형 강도 및 소성 강도를 가지는 세라믹 코어를 만들고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 세라믹 코어의 열적, 기계적 특성이 출발 물질의 조성비 및 공정변수 등에 의존적이지 않은, 세라믹 코어 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 성형 강도 및 소성 강도를 가지는 세라믹 코어 및 이의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 세라믹 입자 및 상기 세라믹 입자를 코팅하고 있는 유리질 금속인, 실리케이트를 포함하는 세라믹 코어를 제공한다.
상세하게는, 상기 세라믹 입자는 지르코니아, 실리카 또는 알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 것인 세라믹 코어이다.
바람직하게는, 상기 세라믹 코어는 겔-캐스팅 공정으로 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 금속 알콕사이드(MOR)와 실리카 전구체, 출발 세라믹 분말 입자, 용제를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1단계; 상기 혼합용액을 건조시켜, 상기 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체에 의해 코팅된 세라믹 분말 입자를 제조하는 제 2단계; 상기 코팅된 세라믹 분말 입자와 고분자 전구체를 혼합하는 제 3단계; 상기 코팅된 세라믹 분말 입자와 상기 고분자 전구체의 혼합물을 겔-캐스팅하는 제 4단계; 및 상기 겔-캐스팅에 의해 성형된 성형체를 열처리하는 제 5단계;를 포함하는 세라믹 코어 제조방법을 제공한다.
상세하게는, 상기 금속 알콕사이드(MOR)의 금속(M)은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고, 상기 금속 알콕사이드(MOR)의 R은 수소 또는 알킬기이고, 상기 알킬기는 메틸기(-CH3), 에틸기(-CH2CH3), 프로필기(-CH2CH2CH3), 부틸기(-CH2CH2CH2CH3), 펜틸기(-CH2CH2CH2CH3), 이소프로필기(-CHCH3CH3), 헥실기(-CH2CH2CH2CH2CH3) 및 사이클로 헥실기(-CHCH2CH2CH2CH2CH2)로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 세라믹 코어 제조방법이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 알콕사이드의 함량은 상기 용제 100중량부에 대해, 1 내지 60 중량부인, 세라믹 코어 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 실리카 전구체의 함량은, 상기 용제 100 중량부에 대해 1 내지 50 중량부이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 실리카 전구체는, 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilane), 테트라에톡시실란(Tetraethoxysilane), 테트라프로폭시실란(tetrapropoxysilane), 테트라부톡시실란(Tetrabutoxysilane), 테트라이소프록폭시실란(tetraisopropoxysilane), 메톡시트리에톡시실란(methoxytriethoxysilane), 디메톡시디에톡시실란(demethoxydiethoxysilane), 에톡시트리메톡시실란(ethoxytrimethoxysilane), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 메틸트리에톡시실란(methyltriethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 디메틸디메톡시실란(dimethyldimethoxysilane), 디메틸디에톡시실란(dimethyldiethoxysilane), 디에틸디에톡시실란(diethyldiethoxysilane), 테트라메톡시메틸실란(tetramethoxymethylsilane), 테트라메톡시에틸실란(tetramethoxyethylsilane) 및 테트라에톡시메틸실란(tetraethoxymethylsilane)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 용제는 메틸알콜(methyl alcohol), 에틸 알콜(ethyl alcohol), 프로필 알콜(propyl alcohol), 이소프로필알콜(isopropyl alcohol), 부틸알콜(butyl alcohol), 이소부틸 알콜(isobutyl alcohol), 헥실알콜(hexyl alcohol) 및 사이클로헥실알콜(cyclohexyl alcohol)로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 세라믹 코어 제조방법을 제공한다.
상세하게는 본 발명의 상 고분자 전구체는 액상의 형태를 가지는것을 특징을 한다. 또한, 상기 고분자 전구체는 중합반응으로 망상 구조를 가지는 것을 특징으로 한다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 상기 고분자 전구체는 1 내지 4 개의 관능기를 갖고, 하나의 관능기를 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용하는 세라믹 코어 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3단계는 용제, 분산제, 개시제, 촉매 중 하나 이상을 더 포함하는 세라믹 코어 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 전구체의 함량은, 상기 제3단계에서 제조된 혼합물 100 중량부에 대해, 1 내지 10 중량부인, 세라믹 코어 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서의 상기 건조 단계는 80 °C 내지 120 °C 에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발며의 일 실시예에서의 상기 열처리 단계는 900 °C내지 1,000 °C 에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 세라믹 코어 제조방법으로 제조된 세라믹 코어를 제공한다.
본 발명에서 제공하는 세라믹 코어는 치수 변형 없이 높은 강도를 갖는 세라믹 코어를 제조가 가능한 세라믹 코어를 제공한다.
또한, 종래 제조공정과 달리, 겔-캐스팅 공정을 적용하여 고분자 전구체를 이용한 세라믹 코어를 제조하여 복잡형상을 갖는 코어를 제공한다.
더욱이, 가압 고온의 공정이 필요치 않고, 무기 바인더에 의한 강도 발현으로 출발 물질의 조성비 및 공정변수에 민감하지 않은 특성을 갖는 세라믹 코어 및 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 세라믹 코어 제조방법의 공정 흐름을 개략적으로 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2은 본 발명의 시험예 1에서 실시예 1과 비교예 1에 대해 파괴강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3는 본 발명의 시험예 2에서 실시예 1에 따른 세라믹 코어의 용출성 실험 전, 후 사진이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 세라믹 입자 및 상기 세라믹 입자를 코팅하고 있는 유리질 금속 실리케이트을 포함하는 세라믹 코어를 제공한다. 바람직하게는 상기 세라믹 입자는 지르코니아(zirconia), 실리카(silica) 또는 알루미나(alumina)로 이루어진 군에서 선택된 것인 세라믹 코어이다. 더욱 바람직하게는 상기 세라믹 코어는 겔-캐스팅(gel-casting) 공정으로 제조되는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 세라믹 코어(ceramic core)는 임펠러(impeller)와 같이 형상이 복잡한 부품들이나 또는 가스터빈에 사용되는 복잡한 내부 냉각 유로의 중공형 부품을 진공 상태로 정밀 주조하는 과정에서 사용되는 성형품으로서, 통상 사출 성형법 또는 겔-캐스팅법에 의해 제조된다.
본 발명의 일 실시예에서 사용하는 겔-캐스팅법이란, 겔캐스팅 성형법은 세라믹스 성형 기술인 주입성형과 고분자 제조공정인 고분자화를 응용한 기술로, 금속, 유리, 플라스틱 등 몰드의 재질에 상관없이 성형 가능하고, 비교적 성형강도가 높은 성형체의 제조가 가능하며 각종 공정 첨가제의 제거도 비교적 용이하여 복잡형상의 대형부재 성형시 다른 성형 공법에 비하여 많은 장점을 지니고 있다.
실리케이트는 1종 혹은 1종 이상의 금속 산화물과 실리카(SiO2)의 결합에 의해 생성된 화합물을 의미하며, 본 발명의 일 실시예에서, 금속 알콕사이드와 실리카 전구체는 졸-겔 반응에 의해, 금속 하이드록사이드와 실리카로 전환된 후, 열처리 과정을 거쳐, 금속 실리케이트라는 유리질을 형성하게 되는데, 이를 유리질 금속 실리케이트라 명명한다.
본 발명은 또한, 금속 알콕사이드(MOR)와 실리카 전구체, 출발 세라믹 분말, 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1단계; 상기 혼합용액을 건조시켜 상기 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체에 의해 코팅된 세라믹 분말 입자를 제조하는 제 2단계; 무기 코팅제가 코팅된 세라믹 입자와 고분자 전구체를 혼합하는 제 3 단계; 코팅된 세라믹 입자와 고분자 전구체를 포함하는 혼합물을 겔-캐스팅하는 제 4 단계; 갤-캐스팅에 의해 성형된 성형체를 열처리하는 제 5 단계;로 이루어진 세라믹 코어 제조방법을 제공한다. 이는 도 1에서 도시되어 있다.
상세하게는, 본 발명의 일 실시예에서의 제 1단계는 금속 알콕사이드(MOR) 및 실리카 전구체를 출발 세라믹 입자와 혼합하는 단계이다. 더욱 상세하게는, 상기 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체는 무기 알칼리 금속 화합물이라 명할 수 있다.
상기 출발 세라믹 입자는 여러 가지 크기의 지르코니아(zirconia), 실리카(silica), 알루미나(alumina) 등에서 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다. 바람직하게는, 상기 무기 알칼리 금속 화합물과 상기 출발 세라믹 입자는 1분 내지 60분 동안 혼합시키는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 알콕사이드는 일반식 MOR로 표현되며, M은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을, R은 수소 또는 알킬기를 나타낸다. 상세하게는, 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 리튬(Li) 및 베릴륨(Be)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 상기 알킬기는 메틸기(-CH3), 에틸기(-CH2CH3), 프로필기(-CH2CH2CH3), 부틸기(-CH2CH2CH2CH3), 펜틸기(-CH2CH2CH2CH3), 이소프로필기(-CHCH3CH3), 헥실기(-CH2CH2CH2CH2CH3) 및 사이클로 헥실기(-CHCH2CH2CH2CH2CH2)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 금속 알콕사이드의 함량은 상기 제 1단계 용매 100 중량부에 대해, 1 내지 60 중량부인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 알콕사이드의 함량이 용매 100 중량부에 대해, 1 중량부 미만인 경우, network modifier로서의 역할이 감소되어 실리카의 유리상 전환온도를 높이게 되는 문제가 발생하며, 60 중량부를 초과하는 경우, 실리카 망상구조의 생성을 저해할 뿐만 아니라 백화현상으로 인해 세라믹 코어의 기계적 강도가 충분히 발현되지 않기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 실리카 전구체는 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilane), 테트라에톡시실란(Tetraethoxysilane), 테트라프로폭시실란(tetrapropoxysilane), 테트라부톡시실란(Tetrabutoxysilane), 테트라이소프록폭시실란(tetraisopropoxysilane), 메톡시트리에톡시실란(methoxytriethoxysilane), 디메톡시디에톡시실란(demethoxydiethoxysilane), 에톡시트리메톡시실란(ethoxytrimethoxysilane), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 메틸트리에톡시실란(methyltriethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 디메틸디메톡시실란(dimethyldimethoxysilane), 디메틸디에톡시실란(dimethyldiethoxysilane), 디에틸디에톡시실란(diethyldiethoxysilane), 테트라메톡시메틸실란(tetramethoxymethylsilane), 테트라메톡시에틸실란(tetramethoxyethylsilane) 및 테트라에톡시메틸실란(tetraethoxymethylsilane)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 실리카 전구체는 용매 100 중량부에 대해, 1 내지 50 중량부이다. 상기 실리카 전구체의 함량이 용매 100 중량부에 대해 1 중량부 미만인 경우, 실리카에 의한 유리화 반응이 거의 일어나지 않으며, 50 중량부를 초과하는 경우, 실리카의 유리상 전환온도를 높여 세라믹 코어의 기계적 강도를 저해하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 용매는 메틸알콜(methyl alcohol), 에틸 알콜(ethyl alcohol), 프로필 알콜(propyl alcohol), 이소프로필알콜(isopropyl alcohol), 부틸알콜(butyl alcohol), 이소부틸 알콜(isobutyl alcohol), 헥실알콜(hexyl alcohol) 및 사이클로헥실알콜(cyclohexyl alcohol)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되진 않는다.
다음으로, 제2단계는 상기 제1단계에서 제조된 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체와 혼합된 상기 세라믹 코어 출발물질을 필터링한 후, 건조시켜 무기 금속 알칼리 화합물이 코팅된 출발물질을 제조하는 단계이다.
상세하게는 상기 건조 단계는 출발물질을 80 ℃ 내지 120 ℃에서 건조하는 것을 특징으로 한다. 더욱 상세하게는 상기 건조 단계는 30분 내지 3시간 동안 이루어진다. 바람직하게는 상기 건조단계는 알콜용매 또는 가수분해 반응 중에 생성된 알콜을 건조하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 건조단계는 용매 또는 가수분해 반응 중에 생성된 알코올을 건조하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 세라믹 입자를 80 °C 미만의 온도에서 건조하는 경우, 알코올이 충분히 휘발되지 않아 건조하는 시간이 필요 이상으로 길어지는 문제가 있고, 120 °C 초과의 온도에서 건조하는 경우, 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체가 기화되거나 분해되어 유리화 반응 효율이 감소되기 문제가 발생한다. 또한, 상기 건조단계를 30 분 미만의 시간으로 진행하는 경우, 충분한 건조가 이루어지지 않으며, 3시간 이내에 금속 알콕사이드와 실리카 전구체의 졸-겔 반응이 완료되기 때문에, 3시간을 초과하여 건조를 진행하지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 제3단계는 무기 코팅제가 코팅된 세라믹 입자와 고분자 전구체를 혼합하는 단계이다. 바람직하게는 분산제, 개시제 촉매 중 하나 이상을 더 포함하여 혼합할 수 있다.
상세하게는, 상기 무기 코팅제는 소성강도 부여 및 치수 안정성을 발현하기 위해 사용되는 무기 알칼리 금속 혼합물로, 실리카 전구체 및 금속 알콕사이드로 합성되며, 하기와 같은 가수분해 반응 및 축합반응을 통해 세라믹 코어 출발 입자 표면에 코팅된다.
(1) 가수분해 및 축합 반응
[반응식 1]
MOR + H2O → ROH + MOH
[반응식 2]
nSi(OR)4 +4nH2O → nSiO2 + 4nROH
상기 반응식에서 MOR, ROH, MOH, Si(OR)4 및 SiO2 는 각각 금속 알콕사이드, 알콜, 수산화금속, 알킬 실리케이트 및 실리카로 명명된다.
금속 알콕사이드와 알킬 실리케이트는 물에 의해 수산화 금속, 실리카, 알콜로 가수분해되며, 특히 알킬 실리케이트는 가수분해 반응과 동시에 가수반응을 통해 생성된 실란올 (SiOH) 분자끼리 반응하는 축합 반응 즉, 졸-겔 반응으로 실리카를 생성시킨다.
생성된 실리카와 수산화 금속은 높은 온도 (> 900 oC)의 열처리 과정을 통해 금속 규산염의 유리질로 세라믹 코어 입자 표면에 생성되며, 세라믹 코어의 소성강도는 하기 유리화 과정을 통해 발현된다.
(2) 유리화반응
SiO2 + 2MOH　→ SiO2M2O + H2O
또한, 상기 고분자 전구체는 중합 반응에 의해 망상 구조를 형성할 수 있는 단량체들을 단독으로 사용하거나 하나 이상을 선택할 수 있다. 더욱 상세하게는 상기 고분자 전구체의 함량은 상기 제3단계에서 제조된 혼합물 100 중량부에 대해 1 내지 10 중량부인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 고분자 전구체는 세라믹 코어 분말 입자와의 균일한 혼합을 위해, 액상 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 제 4단계는 상기 제3단계의 코팅된 세라믹 분말 입자와 고분자 전구체 혼합물을 겔-캐스팅하여 성형체를 형성하는 단계로, 일르 통하여 성형체를 제조하게된다.
상기 제 5단계는 겔-캐스팅으로 성형된 성형체를 열처리하는 단계로, 상세하게는 상기 열처리는 900 °C 내지 1000 °C의 온도에서 이루어진다. 상기 열처리 단계는 세라믹 입자 표면에 유리질 금속 실리케이트를 생성시키기 위한 과정이며, 상기 세라믹 코어의 소성 강도는 하기 유리화 반응을 통해 발현된다. 여기서 상기 유리질 금속 실리케이트는 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체의 유리화 반응을 통해 얻어진 수득물이다. 상기 열처리 온도가 900 °C 미만인 경우, 유리질 금속 실리케이트의 유리질로의 전환율이 감소하는 문제가 있고, 1000 °C 를 초과하여 열처리하는 경우, 유리질 금속 실리케이트의 기화 및 분해가 촉진되어 유리화 효율이 감소하기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 유리질 금속 실리케이트의 금속은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속으로 사용이 가능하며, 상세하게는, 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 리튬(Li) 및 베릴률(Be)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
실시예 1
하기 [표 1]에 나타낸 것과 같은 조성으로 출발 세라믹 입자를 혼합하여, [표 3]의 조성과 같이 실리카 전구체(테트라에틸오쏘실리케이트)와 금속 알콕사이드(소듐 메톡사이드)로 이루어진 알칼리 금속 화합물과 혼합하였다.
상기 혼합물을 100 °C에서 1시간 동안 건조하여, 무기 알칼리 금속 화합물이 코팅된 세라믹 분말 입자를 제조하였다.
그 다음, 상기 표면에 코팅된 세라믹 입자를 [표 2]의 고분자 전구체를 포함하는 화합물과 혼합하여, 겔-캐스팅 공정을 거쳐 세라믹 코어 성형체를 제조하였다.
상기 성형체를 1000 °C에서 1시간 동안 열처리하여 세라믹 코어 시험편을 제작하였다.
출발 세라믹 입자 크기에 따른 조성표
출발 세라믹 입자 함량 (wt%)
Zircon Flour 2 10
Zircon Flour 3 10
Fused silica 10
Silica powder (25㎛) 10
Silica powder (45㎛) 25
Silica powder (149㎛) 25
Silica powder (100~200㎛) 10
겔-캐스팅을 위한 화합물 조성비
출발 세라믹 입자 (Vol%) 용매
(Vol%) 		분산제
(wt%) 		일관능기 전구체
(wt%) 		이관능기 전구체
(wt%) 		개시제
(g) 		촉매
(g)
60 40 1.1 3.3 0.7 0.15 0.15
무기 코팅제 조성비
테트라에틸오쏘실리케이트
(wt% (mol %)) 		소듐메톡사이드
(wt% (mol %)) 		이소부틸알콜
(wt% (mol %))
38(0.18) 56(1.5) 6(0.08)
비교예 1
[표 1]의 조성으로 배합된 출발 세라믹 입자와 하기 [표 4의] 유기 화합물로 이루어진 혼합물을 일축가압 후 냉간등가압(cool isostatic press: CIP)하여 성형체를 형성하고, 1000 °C에서 1시간 동안 열처리 하여 기존의 세라믹 코어 시편을 제작하였다.
기존 세라믹 코어 제작을 위한 유기 화합물 조성비
기존 바인더(conventional binder) 비율 (wt. %)
파라핀 왁스(Paraffin Wax, solid) 80 ~ 85
마이크로결정 왁스(Micro Crystal Wax, solid) 7 ~ 9
올레산(Oleic Acid, liquid) 5 ~ 7
스테아르산(stearic acid, solid) 1 ~ 3
Total 100
시험예 1 : 파괴강도 측정시험
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 세라믹 코어 시험편에 대해 파괴강도를 측정하여 도 2에 나타내었다. 도 2에는 열처리 전, 열처리 후 각각의 파괴강도가 도시되어 있다.
파괴강도는 만능 시험기 (universial testing machine)를 이용하여 4-point bending mode, 0.5 mm/min의 속도로 상온에서 5회 측정한 값의 평균값을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 실시예 1에 의해 제작된 세라믹 코어 시험편의 경우 겔-캐스팅에 의한 고분자 전구체의 망상 구조로 인해, 비교예 1의 가압성형으로 제조된 세라믹 코어 보다 높은 성형강도를 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한, 무기 알칼리 금속 화합물을 출발 입자에 코팅함에 따라 출발 입자 표면에서의 높은 코팅 효율과 입자 계면에 잘 형성된 유리상에 의해 1000 °C에서 한 시간의 열처리에도 불구하고, 비교예 1의 세라믹 코어의 소성강도인 4 MPa 이상의 강도인 평균 10 MPa 강도 값을 나타내는 것을 확인하였다.
시험예 2: 용출성 실험
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 실시예 1의 세라믹 코어 시험편의 수산화나트륨 용액에서의 (농도 40 wt%) 용출성 시험 사진을 도 3에 도시되어 있다. 여기서 (a) 용출성 실험 전, (b) 용출성 실험 10 시간 후를 의미 한다.
무기 알칼리 금속 화합물에 의해 제작된 세라믹 코어의 수산화나트륨 용액에서의 분해성의 결과로서, 건조 및 열처리에 의해 생성된 소듐 실리케이트의 유리질이 수산화나트륨 용액에서 완전히 분해되어짐을 알 수 있었다.
본 발명의 세라믹 코어는 무기 코팅재를 출발 입자에 코팅시켜 입자간에 형성된 유리질에 의해 강도가 발현된다. 세라믹 코어는 주조 후 수산화나트륨 용액에 함침하여 분해시키며, 분해된 세라믹 코어의 공간을 이용하여 중공형 주조품을 만들 수 있는 것이다. 상기와 같은 결과를 통해 높은 기계적 강도를 가지면서 우수한 용출성을 가지는 세라믹 코어가 제조됨을 알 수 있었다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (18)

  1. 세라믹 입자; 및
    상기 세라믹 입자를 코팅하고 있는 유리질 금속 실리케이트를 포함하는, 세라믹 코어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 입자는 지르코니아, 실리카 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 코어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 코어는 겔-캐스팅 공정으로 제조되는 것인, 세라믹 코어.
  4. 금속 알콕사이드(MOR)와 실리카 전구체, 출발 세라믹 분말 입자, 용매를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1단계;
    상기 혼합용액을 건조시켜, 상기 금속 알콕사이드 및 실리카 전구체에 의해 코팅된 세라믹 분말 입자를 제조하는 제 2단계;
    상기 코팅된 세라믹 분말 입자와 고분자 전구체를 혼합하는 제 3단계;
    상기 코팅된 세라믹 분말 입자와 상기 고분자 전구체를 포함하는 혼합물을 겔-캐스팅하는 제 4단계; 및
    상기 겔-캐스팅에 의해 성형된 성형체를 열처리하는 제 5단계;를 포함하는, 세라믹 코어 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실리카 전구체는, 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilane), 테트라에톡시실란(Tetraethoxysilane), 테트라프로폭시실란(tetrapropoxysilane), 테트라부톡시실란(Tetrabutoxysilane), 테트라이소프록폭시실란(tetraisopropoxysilane), 메톡시트리에톡시실란(methoxytriethoxysilane), 디메톡시디에톡시실란(demethoxydiethoxysilane), 에톡시트리메톡시실란(ethoxytrimethoxysilane), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane), 메틸트리에톡시실란(methyltriethoxysilane), 에틸트리에톡시실란(ethyltriethoxysilane), 디메틸디메톡시실란(dimethyldimethoxysilane), 디메틸디에톡시실란(dimethyldiethoxysilane), 디에틸디에톡시실란(diethyldiethoxysilane), 테트라메톡시메틸실란(tetramethoxymethylsilane), 테트라메톡시에틸실란(tetramethoxyethylsilane) 및 테트라에톡시메틸실란(tetraethoxymethylsilane)으로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 세라믹 코어 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실리카 전구체의 함량은, 상기 제 1단계의 용매 100 중량부에 대해 1 내지 50 중량부인, 세라믹 코어 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 용매는 메틸알콜(methyl alcohol), 에틸 알콜(ethyl alcohol), 프로필 알콜(propyl alcohol), 이소프로필알콜(isopropyl alcohol), 부틸알콜(butyl alcohol), 이소부틸 알콜(isobutyl alcohol), 헥실알콜(hexyl alcohol) 및 사이클로헥실알콜(cyclohexyl alcohol)로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 세라믹 코어 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 금속 알콕사이드의 함량은 상기 제1단계의 용매 100 중량부에 대해, 1 내지 60 중량부인, 세라믹 코어 제조방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 금속 알콕사이드(MOR)의 R은 수소 또는 알킬기이고,
    상기 알킬기는 메틸기(-CH3), 에틸기(-CH2CH3), 프로필기(-CH2CH2CH3), 부틸기(-CH2CH2CH2CH3), 펜틸기(-CH2CH2CH2CH3), 이소프로필기(-CHCH3CH3), 헥실기(-CH2CH2CH2CH2CH3) 및 사이클로 헥실기(-CHCH2CH2CH2CH2CH2)로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 세라믹 코어 제조방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 금속 알콕사이드(MOR)의 금속(M)은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속인, 세라믹 코어 제조방법.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 전구체는 액상인, 세라믹 코어 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고분자 전구체는 망상 구조를 갖는, 세라믹 코어 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 고분자 전구체는 1개 내지 4개의 관능기를 갖고, 하나의 관능기를 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용하는 것인, 세라믹 코어 제조방법.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 전구체 함량은, 상기 제3단계에서 제조된 혼합물 100 중량부에 대해, 1 내지 10 중량부인, 세라믹 코어 제조방법.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 제3단계는 분산제, 개시제, 촉매 중 하나 이상을 더 혼합하는 것인, 세라믹 코어 제조방법.
  16. 제4항에 있어서,
    상기 건조 단계는 80 °C 내지 120 °C 에서 이루어지는 것인, 세라믹 코어 제조방법.
  17. 제4항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 900 °C 내지 1,000 °C 에서 이루어지는 것인, 세라믹 코어 제조방법.
  18. 제4항 내지 제17항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된, 세라믹 코어.
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