KR100187514B1

KR100187514B1 - 다이캐스팅 방법, 장치 및 주조품

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Publication number: KR100187514B1
Application number: KR1019910701081A
Authority: KR
Inventors: 제임스 알. 필즈; 멘 글렌 추; 로렌스 더블유. 시스코; 돈네일 엘. 드레인; 씨. 에드워드 에커트; 조오지 씨. 풀; 토마스 알. 호오넥; 토마스 제이. 캐슨; 마아셸 에이. 클링겐스미스; 리챠드 에이 만지니; 자넬 엠. 밀러; 에이. 빅토르 패저스키; 엠. 케이. 프렘쿠머; 로버트 이. 로빈슨; 토마스 제이. 로점; 제럴드 디. 스코트; 윌리엄 쥐. 트럭크너; 로버트 씨. 웰리스; 모하마드 에이. 제이디
Original assignee: 데이비드 더블유우. 브라운리; 알루미넘 컴파니 오브 아메리카
Priority date: 1989-03-07
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1999-04-01
Also published as: ES2184006T3; BR9007214A; EP0814171B1; ES2158405T3; EP0813922A1; EP0813922B1; DE69034025D1; DE69032853D1; ATE229090T1; ATE202305T1; DE69032853T2; DE69033755D1; ATE174828T1; DE69033755T2; EP0814171A1; KR920700809A; DE69034025T2; ES2125221T3

Abstract

이 발명은 개선된 주조공정, 장비 및 생성물을 제공한다. 이 발명은 다이 캐스팅 특히, 진공 다이 캐스팅에 대하여 특히 잇점이 있다.

장비는 수평 다이 캐스팅 기계, 고정된 체결판(1), 고정된 주형반부(2), 이동 가능한 주형 반부(5), 피스톤(4), 용해 금속을 공급하기 위한 흡입 튜브(6), 균열 용광로(8), 층진실(10), 제어장비를 경유하여 밸브(12)에 의해 작동된 가스를 제거하기 위한 진공라인(11)을 포함한다.

Description

[발명의 명칭]

다이 캐스팅 방법, 장치 및 주조품

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명을 실행하는 데 사용되는 다이 캐스팅기의 부분 측면 단면도.

제2도는 제1도에 도시한 다이 캐스팅기로부터의 주조편을 도시하는 도면.

제3도는 본 발명에 따른 용융 실행을 개략적으로 나타내는 도면.

제4도는 제1도에 도시한 흡인 튜브의 충전 챔버 단부 둘레 영역의 일실시예의 입단면 상세도.

제5a도는 제1도에 도시한 흡인 튜브의 충전 챔버 단부 둘레 영역의 제2실시예의 입단면 상세도.

제5b도는 제1도에 도시한 흡인 튜브의 충전 챔버 단부 둘레 영역의 제3실시예의 입단면 상세도.

제6a도는 피스톤-충전 챔버 계면을 밀봉하는 본 발명에 따른 시일의 입단면 상세도.

제7도는 본 발명의 피스톤의 제2 실시예의 축방향 단면도.

제8도는 본 발명의 피스톤의 제3 실시예의 축방향 단면도.

제9도는 충전 챔버(10)의 축선을 포함하는 제1도의 수평 절단면을 이용하여 보았을 때 다이 캐스팅키의 개략적인 평면 단면도.

제10도는 제9도를 보다 상세하게 도시하고, 다음 작동 단계를 도시하는 도면.

제11도는 제10도의 절단면(XI-XI)을 따라 절취한 단면도.

제12도는 제10도의 절단면(XII-XII)을 따라 절취한 단면도.

제13도는 제10도의 절단면(XIII-XIII)을 따라 절취한 단면도.

제14도는 제13도의 절단면(XIV-XIV)을 따라 절취한 단면도.

제15도는 자유 굽힘 시험 변형을 측정하는 시험 세트의 입면도.

제16도는 본 발명에 따라 제조된 주조품의 사시도.

제17a도는 가열된 충전 챔버 보어의 내부 냉각된 피스톤의 개략적인 부분 단면도.

제17b도 내지 제17d는 제어 다이어그램.

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 캐스팅 방법, 특히 고압 다이 캐스팅 방법과 이에 사용되는 장치 및 이 방법에 의해 제조된 제품에 관한 것이다. 본 발명은 다이 캐스팅 작업을 용이하게 하고, 제품의 품질을 향상시키기 위해 진공이 이용되는 다이 캐스팅 분야에 특히 적용될 수 있다.

[배경기술]

모르겐스턴(Morgenstern)은 미국 특허 제2,864,140호에서 진공 다이 캐스팅기를 개시하고 있다.

모르겐스턴의 다이 캐스팅기와 유사한 구조의 진공 다이 캐스팅기가 독일 바인가르텐에 소재하는 마쉬넨파브릭 뮬러-바인가르텐 아게에 양도된 미국 특허 제 4,476,911호에 개시되어 있다.

미키(Miki) 등의 미국 특허 제 4,583,579호는 플런저 수축을 제어하고, 비정상 작업 상황이 있는지 여부를 결정하기 위하여, 다이 캐스팅기의 플런저, 슬리브 및 스풀 부쉬(spool bush)의 간격을 계산하고 온도를 측정하는 것에 관한 것이다.

[발명의 요약]

본 발명은 개선된 캐스팅 방법, 장비 및 제품을 제공한다. 본 발병은 특히 다이 캐스팅에 대하여 이점이 있다.

본 발명을 포함하는 다이 캐스팅 방법은 다음과 같은 점들을 고려한다.

1. 다이 캐스팅되는 재료의 조성

2, 용탕의 탈가스(degasification) 및 여과(filtration)를 포함하는 용융 작업의 실시

3. 다이 캐스팅기로의 용탕 재료의 공급

4. 충전 챔버 부분

5. 충전 챔버 및 다이용 윤활제와 피복물

6. 주조품의 세정, 열처리 및 주조품의 성질

이들 주제 각각에 대해 다음과 같은 점들을 고려한다.

[다이 캐스팅되는 재료의 조성]

본 발명의 일부는, 예컨대 Mg 합금과 같은 어떤 재료의 다이 캐스팅에 적용되지만, 바람직한 실시예에서는 A1 합금과 관련하여 적용되는데, 예컨대 특히 유리한 실시예는 다음과 같은 조성(%)의 A1-Si-Mg 캐스팅 합금(이하, AlSil0Mg.1합금이라 한다)이다.

Si 9.5∼10.5

Mg 0.11∼0.18

Fe 0.4(최대)

Sr 0.015∼0.030

잔부 Al

이외의 다른 원소들이 불순물로서 존재하여 특정의 목적을 수행할 수 있다. 예컨대, 0.05∼0.10% 범위의 Ti이 존재할 수 있다. B도 존재할 수 있다.

한 실시예의 합금에서, 이들 다른 원소의 합리적인 범위는 이들 원소가 총 0.25%를 초과하지 않는 범위이다. 다른 한계 범위로서 각 원소가 최대 0.05%, 그리고 전체가 0.15%가 되도록 선택할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 단위로서 부(part) 및 퍼센트(%) 모두는 달리 특정하지 않으면 그 기준은 중량이다.

일반적으로, 합금 성분들의 기능은 다음과 같다. Si는 주조품에 강도를 부가할 뿐만 아니라, 용탕에 유동성을 부여하여 캐스팅 작업을 용이하게 한다. Sr은 Si 공정 입자(eutectic particle)를 둥글게 하여 연성을 증대시킨다. Mg은 Mg₂Si 석출에 기초하여 시효 경화를 제공한다.

철을 추가하면, 철을 기초로 한 주형, 주형으로 가는 도중의 철을 기초로 한 도관 또는 컨테이너에 합금이 솔더링되는 것이 억제된다. 솔더링은 주조품이 다이에 부착되게 하고, 다이 및 다이 캐스팅기 충전 챔버의 표면을 거칠게 하며, 밀봉부를 파괴하고, 다이 캐스팅기의 피스톤을 마모시키며, 다이의 거친 표면과 정합되는 주조품의 표면을 거칠게 한다.

솔더링은 다른 캐스팅 기술에 비해 게이트 속도(gate velocity)가 큰 다이 캐스팅시 특히 문제가 된다. 다이 캐스팅은 일반적으로, 게이트를 통과하는 금속의 속도가 약 50∼200 fee/sec(15∼70 m/sec)이다. 여러 가지 이유로 인해 큰 게이트 속도가 요구될 수 있다. 예컨대, 대량 생산 다이 캐스팅을 위해 얇은 게이트가 유리하고 바람직한데, 왜냐하면 트리밍(trimming)하는 동안 캐스팅으로부터 게이트 재료를 제거하기가 간단하기 때문이다. 불행하게도, 얇은 게이트(최대 두께 ≤ 약 2㎜)는 특히 복잡하게 성형된 부품을 캐스팅할 때, 게이트를 통한 금속의 높은 유동 속도, 보다 큰 금속 압력 및 높은 온도를 필요로 하며, 이들 조건은 모두 솔더링을 증대시키는 것으로 발견되었다. 벽이 얇은 주조품, 예컨대 벽의 두께가 5㎜ 이하인 주조품을 제조하기 위해 주형을 완전히 충만시키는 것이 필요하기 때문에 고속의 게이트 속도가 요구될 수 있다.

솔더링을 방지하기 위해 통상 이용되고 있는 대응책은 철의 함유량을 최대 1%, 또는 1.3%까지 증가시키는 것이다.

본 발명에서 사용되는 양호한 조성물의 철의 조성 범위는 게이트 속도가 큰 다이 캐스팅이 통상 사용되는 철의 수준에 비하여 낮다. 이는 저철을 다이 캐스팅하고, 또 비철, 예컨대 경금속 또는 알루미늄을 다이 캐스팅하는 방법, 즉 게이트 속도가 큰 다이 캐스팅의 발견이라고 하는 본 발명의 중요한 한 가지 양태를 제공한다. 철은 일정 범위에서 합금의 연성 및 주조품의 분쇄 시험에 저항하는 능력에 악영향을 줄 수 있다. 기본적인 법칙에 따르면, 철의 함량을 낮게 유지할수록, 연신율이 커지고 분쇄 저항이 좋아진다. 철의 함량이 적은 Al 캐스팅 합금에 대하여 본 발명에 의해 제공되는 바이지만, 상업적으로 받아들일 수 있는 지속 시간 동안 게이트 속도가 큰 다이 캐스팅의 생산 가동을 확보할 수 있다는 것은 Al 구조를 기본으로 하여 차량을 제조한다고 하는 생각을 더욱 매력적으로 해준다. 예컨대, 미국 특허 제 4,618,163호에 개시된 바와 같은 자동차의 공간 프레임의 조인트는 본 발명의 다이 캐스팅으로 제조될 수 있다.

반대로, 게이트 속도가 낮고 게이트가 두꺼운 캐스팅은 솔더링을 야기시킬 염려가 없이 다이 캐스팅을 행할 수 있다. 물론, 이 경우에는 게이트를 부수기보다는 톱으로 잘라야 한다. 게이트 속도가 낮은 다이 캐스팅에는 0.3∼0.4% 범위의 철이 사용되는데, 철의 함량은 0.15% 정도로 낮을 수도 있다.

예컨대, 철을 기초로 한 다이가 사용되는 경우, 특히 게이트 속도가 큰 다이 캐스팅의 경우 약간의 철이 존재해야 한다면, 철이 기계적 성질에 미치는 영향을 바꾸는 전술한 조성의 어떤 원소들을 첨가하는 것이 유리할 수 있다. 예컨대, 더 높은 수준의 Fe을 함유한 상태에서 연성을 유지하기 위하여, 판상의 철 함유 입자들의 형상을 작은판 형상으로부터 보다 구형의 형상으로 조직을 변경하는 데에 영향을 미치는 어떤 원소를 첨가할 수도 있다. 철의 영향을 바꾸는 것으로 고려되는 원소들로는 약 0.05∼0.1, 0.2 또는 0.25% 범위의 Ni, Co, Be, B, Mn, Cr 등이 있다.

본절의 서두에서 지적한 바와 같이, 다른 조성물들이 본 발명과 함께 사용될 수 있다. 예컨대, 철의 함량은 0.5% 이하의 범위로 변할 수 있고, 몇몇 경우에 있어서는 철의 함량이 0.2% 정도로 낮을 수 있으며, 심지어는 0.1%까지 떨어질 수 있다. Si은 대량 8%까지 감소될 수 있다. Mg은 0.10%까지 감소될 수 있다.

따라서, 다른 조성 범위는 다음과 같을 수 있다.

Si 7.5∼8.5

Mg 0.08∼0.12

Fe 0.15∼0.25

Sr 0.015∼0.025

잔부 Al

어떤 용례에 있어서, 본 발명은 7∼11%의 Mg을 함유하는 Al 합금류의 다이 캐스팅에 적용될 수도 있다.

본 발명의 변형 실시예로 캐스팅될 수 있는 합금 제품들로는 워싱톤 D.C.에 소재하는 알루미늄 협회에서 발간한 캐스팅 및 인고트 형태의 알루미늄 합금에 대한 화학적 조성 범위 및 알루미늄 협회 합금 설계의 기록부(the Resistration Record of Aluminum Association Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Aluminum Alloys in the Form of Casting and Ingots)에 표시된 것과 같이 356, 357, 369.1, 409.2 및 413.2 등이 있다.

[용탕의 탈가스 및 여과를 포함하는 용융 작업의 실시]

(전술한 AlSil0Mg.1과 같은) 정확한 조성의 재료는 용융되고, 필요하다면 조성이 조절되어 필요에 따라 다이 캐스팅기로 공급되도록 유지된다.

조성을 조정하는 것은 용해된 가스의 제거, 합금 작용제의 추가 및 고체 혼입물(solid inclusion)의 제거를 포함한다.

Al 합금의 경우에, 예컨대 우수한 기계적 성질을 얻고, 열처리하는 동안 블리스터링(blistering)을 피하며, 우수한 용접 특성을 얻는 등의 여러 가지 이유로 인해, 용탕을 처리하여 용해된 수소를 제거하는 것이 중요하다. 이와 같은 방법으로는 진공 용융, 용탕 속으로 버블된 염소와의 반응, 또는 아르곤과 같은 불활성 가스를 용탕 속으로 버블링함으로써 물리적으로 제거하는 것과 같은 다른 방법들이 있다. 염소는, 주조품 내에 고체가 혼입하는 것을 피하기 위하여, 추가로 Na을 제거하고, 양호한 제거에 유리하게 알루미늄 산화물 스킴(skim)을 건조화시킨다. 용융 알루미늄에 의해 습윤된 스킴은 제거하기가 더욱 어렵다.

Si 상(相)의 형태를 변형시키기 위하여 Sr, Na, Ca 또는 Sb와 같은 변형제(modifying agent)가 3∼4% Sr, 잔부는 주로 Al인 조성의 마스터 합금 와이어(master alloy wire) 형태로서, 용융 및 수소 제거가 실행되는 용융로(melting furnace)로부터 캐스팅의 준비를 위해 용탕이 저장되는 보온로(holding furnace)까지 용탕을 안내하는 트러프(trough)에 첨가될 수 있다. 염소가 Sr과 반응하기 때문에, Sr을 첨가하기 전에 가능한 한 많은 염소를 제거하기 위하여, 아르곤과 같은 불활성 가스를 예컨대, 염소와 함께 플럭싱(fluxing)하는 용탕을 통해 버블시키는 것이 유리하다.

공정(共晶) Si의 이러한 변형을 위해서는, 3.5%의 Sr, 잔부가 Al인 마스터 합금 와이어가 9% Sr, 잔부가 Al인 마스터 합금 와이어보다는 효율적인 것으로 판명되었다.

Sr의 추가에 이어서 인큐베이션 기간(incubation period)이 요구된다. 인큐베이션 기간이 경과될 때까지, Si 형태의 변형은 불충분하다. Si 형태를 변형시키는데 Sr의 작용이 더 이상 효율적이지 않기 때문에, 용탕이 유동성이 떨어지는 (stale) 시점이 있다. 이 시점에 도달하면, 캐스팅은 중단된다. 1320∼1400℉의 용융 금속 온도에서, 인큐베이션 기간은 3.5% Sr 마스터 합금에 대하여 약 5분에 달하고, 9% Sr 마스터 합금에 대하여 약 1시간에 달할 수 있다. 1320℉의 유지 온도에서, 예컨대 6∼7 시간의 잔류 시간이 있는데, 이 시간 동안 Si 변형은 만족스러우며, 이러한 잔류 시간에 이어서, 용탕은 유동성이 떨어져서 Si를 변형시키는 데에는 더 이상 효율적이지 못하다. 만족스러운 Si 변형 잔류 시간은 1400℉에서 보다 1350℉에서 더 길다.

효율적인 Si 변형을 위해 용융 금속 및 주조품 내의 Sr 함량은 약 0.01∼0.03% 범위 내인 것이 바람직하다.

용융 레이들(ladle)에서 스킴 제거에 의해 제거되지 않은 고체 혼입물은 예컨대 세라믹 폼(foam), 또는 입자 필터를 통해 여과시킴으로써 제거된다. 이것은 용탕이 트러프로부터 보온로내의 컨테이너 속으로 이동함에 따라 수행될 수 있다.

금속, 예컨대 Al 합금의 캐스팅, 특히 다이 캐스팅의 경우에, 주조품 내의 혼입물은 단위체적(cc)의 금속당 약 20-μ, 바람직하게는 15-μ, 또는 10-μ 혼입물 이하로 한정하는 것이 유리하다. 필터 구멍 및/또는 그릿(grit) 크기는 선택된 기준에 맞도록 선택된다. 다음에, 적절한 필터 면적 및 압력 수두(pressure head)에 의해서, 필요한 필터 통과 유량을 얻는다. 금속 혼입물 함량은, 보온로의 영역으로부터 취출하고 통계학적으로 적절한 샘플을 금속조직학 시험함으로써 결정되는데, 다이 캐스팅기 속으로 들어온 금속이 상기 보온로로부터 취해진다. 상기 샘플은 1979년 4월 27일, 퍼시픽 노쓰웨스트 메탈스 앤드 미네랄스 컨퍼런스에 제공된 알.디. 블랙번(R.D. Blackburn) 등의 논문에 설명된 장치를 사용하여 얻어지는데, 통계학적으로 적절한 양의 금속을 필터를 통해 흡인하고 필터에 남겨진 혼입물을 분석하는 것을 포함한다. 예컨대, 20-μ 시험의 경우에, 발견되는 이러한 혼입물의 수는 필터를 통해 흡인된 금속의 양으로 나누어진다. 20-μ 이상 크기의 혼입물이 있다는 것은 금속이 시험에 실패했다는 것을 의미한다.

[다이 캐스팅기로의 용융 재료의 공급]

용융 재료는 보온로로부터 흡인 튜브(suction tube)를 통해 다이 캐스팅기에 이르게 된다. 흡인 튜브는 보온로 콘테이너의 영역으로 연장되는 것이 좋은데, 상기 보온로 컨테이너에서는 용탕이 캐스팅을 위해 제거됨에 따라, 용탕 압력 수두는 용탕 보충물을 필터를 통해 상기 영역 속으로 이동시킨다. 흡인 튜브는 보온로로부터 유입 오리피스(inlet orifice)라고 불리는 충전 챔버의 홀에서, 셧 슬리브(shot sleeve)라고도 지칭되는 충전 챔버로 연장된다.

흡인 튜브는 용탕이 철로 오염되는 것을 방지하기 위하여, 그리고 흡인 튜브의 유지를 용이하게 하기 위하여, (외표면이 내산화 보호막으로 피복된) 그래파이트 또는 세라믹으로 제조되는 것이 바람직하다.

열전달을 감소시키고, 따라서 유입 오리피스 내에서 금속이 응고되는 것을 방지하며, 그 위치에서의 침식을 방지하기 위하여 질화 붕소와 같은 세라믹제 유입 오리피스 삽입체가 사용될 수 있다. 이 삽입체는 유입 오리피스 내의 셧 슬리브에서 또한 침식을 방지하는 세라믹 삽입체와 커플링 될 수 있다. 침식은 이러한 위치에서 H13형 강 교체 라이너에 의해 조정될 수 있다.

유입 오리피스에서 금속이 응고되는 것을 방지하기 위하여 전기식 유입 오리피스 히터가 사용될 수 있다. 이러한 이른바 팬케이트형 히터는 이하에서 설명하는 방식으로 작동된다.

유입 오리피스 영역으로부터의 열전달을 감소시키기 위하여, 충전 챔버 외측벽 내에, 유입 오리피스를 둘러싸는 외측벽의 일부에 해자(moat)를 사용할 수 있다.

제1 시일(seal)에서의 공기가 흡인 튜브와 셧 슬리브 사이의 접합부의 용탕속으로 누출되는 것을 방지하기 위하여, 제1 시일 외측의 유입 오리피스에 제2의(리본 압착에 의한) 분쇄가능한 다이 성형 그래파이트 섬유 시일을 사용할 수 있다.

[충전 챔버 부분]

다이 캐스팅 방법의 몇몇 중요한 양태로는 다이 캐스팅기의 충전 챔버 또는 셧 슬리브 등이 있다. 예컨대, 충전 챔버는 바람직하게는 베릴륨 구리로 제조되는 피스톤 또는 램(ram)을 안착시킨다. 상기 피스톤은 용탕을 충전 챔버로부터 다이 또는 주형으로 이동시키는 역할을 한다. 다이 캐스팅기의 상기 부분과 추가 관련된 것은 충전 챔버와 피스톤 사이, 그리고 충전 챔버와 용탕 사이의 계면을 점유하도록 피복물 또는 윤활제를 도포하는 수단이다.

a. 피스톤

충전 챔버부의 몇몇 특징은 특히 양질의 다이 캐스팅에 기여한다는 것이다.

피스톤과 관련하여, 하나의 중요한 양태는 해로운 가스원으로부터 보호하고, 예컨대 주위로부터의 공기가 진공 하에서 충전 챔버에 포함된 용융 재료 속으로 누출되는 것을 보호해준다. 피스톤은 용탕을 포함하고 나중에 용탕을 다이로 이동시키는 다른 제1 기능들을 실행할 수 있어야 한다. 피스톤은 이동할 수 있어야 하지만, 충전 챔버 내에 포함된 용탕 속으로 오염물이 들어오는 것을 방지할 수 있도록 가능한 한 밀봉되어 있어야 한다.

본 발명의 피스톤에 주어지는 유리한 특징들은 1) 밀봉의 양태, 2) 피스톤과 피스톤 로드 사이의 조인트, 3) 충전 챔버 보어와 피스톤 외부 사이의 미끄럼 끼워맞춤(sliding fit)을 안정시키기 위하여 온도를 제어하도록 취해지는 조치들을 포함한다.

피스톤 둘레의 양호한 밀봉 양식에 따르면, 시일은 충전 챔버와 피스톤 로드 사이에서 연장된다. 이러한 특징으로 인하여, 피스톤이 이동하는 동안 원하는 대로 오랫동안 밀봉이 확보된다.

피스톤 밀봉의 다른 개선에 있어서, 충전 챔버와 피스톤 로드 사이의 가요성 외피부(flexible envelope)는 다른 정렬 상태의 피스톤과 로드를 수용한다. 이러한 배치는 피스톤의 이동에 의해 생기는 알루미늄 솔더 또는 플래쉬에 의한 밀봉 가스켓의 손상도 방지해 준다.

다른 실시예에 있어서, 피스톤은 충전 챔버의 용탕 속으로 가스가 누출되는 것에 대하여 피스톤-충전 챔버 보어 계면을 보다 좋게 밀봉하기 위하여, 충전 챔버의 구멍에 변화에 대해 적합한 가요성 스커트(skirt)를 포함한다.

피스톤과 피스톤 로드 사이에 스위블(swivel), 또는 볼, 조인트, 또는 관절부(articulation)가 제공될 수 있어서, 피스톤이 충전 챔버의 보어를 따라갈 수 있도록 해준다.

피스톤은 냉각되고, 이는 예컨대 다이의 최종 충전시 피스톤이 부딪히는 이른바 비스킷의 냉각을 도와준다.

온도, 특히 피스톤과 충전 챔버 보어 사이의 온도 차이는 피스톤과 보어 사이의 계면을 통해 가스가 누출됨으로써 용탕이 오염되지 않도록 제어된다. 사용되는 조치는 피스톤 온도를 직접 모니터링하고 제어하는 것을 포함하는데, 이는 차례로 타이밍 또는 냉각 유체 온도에 기초하여 피스톤으로의 냉각 유체 유동을 제어할 수 있도록 해준다.

b. 충전 챔버 그 자체

다이처럼, 충전 챔버 그 자체는 H13 강으로 제조도리 수 있는데, 이온-질화 기술을 이용하여 질화물 코팅이 제공된다.

충전 챔버는 선택적으로, 침식을 감소시키고 해제 작용제(윤활제) 도포를 감소시키고, 또는 열손실을 감소시키는 세라믹 라이닝을 구비할 수 있다. 개시된 본 발명은 다이의 온도가 보온로로부터의 금속이 다이로 이동함에 따라 열을 잃어버리도록 하는 이른바 저온 챔버 기술의 범위에서 주어지지만, 충전 챔버의 온도가 예컨대 용융 금속과 동일한 고온 챔버 기술을 이용하면, 세라믹 라이너가 쪼개지는 것을 방지할 수 있고, 온도 기울기에 의한 다른 기능 저하가 방지된다. 예컨대, 선드위크(Sundwick)의 미국 특허 제 2,671,936호 제1도의 라이너(20)는 캐스팅되는 금속, 특히 Al 합금의 침입에 저항하는 고온 챔버 다이 캐스터를 제공할 목적으로, 용융 금속 공급 장치의 다른 부분을 대체함과 함께 세라믹 형태로 제공될 수 있다. 세라믹 라이너는 Al-Fe 상호반응을 일으키지 않는 조성을 선택할 수 있도록 해주고, 따라서 오랫동안 매끄럽게 유지되는데, 이는 예컨대 가요성 스커트의 마모를 방지하는 이점이 있다.

충전 챔버 부분은 진공을 제공하고 유지하는 수단을 추가로 포함한다. 적절한 펌핑에 의해 진공이 이루어지고, 좀더 중요하게는 진공은 충분한 밀봉에 의해 유지된다. 일반적으로, 펌핑을 증가시키고 시일에 충분한 주의를 기울이지 않는 것은 부적합한 실행 방식이다. 불충분한 밀봉은 다량의 가스가 진공화된 충전 챔버를 통과하여 쓸려가고 동시에 용탕을 오염시킬 가능성이 있다는 것을 의미한다. 진공 상태는 압력 해석(진공 수준은 40∼60 mm Hg 절대 압력, 바람직하게는 50 mm Hg 절대 압력 미만, 25 mm Hg 절대 압력 미만으로 유지된다)에 의해 그리고, 예컨대 아르곤 및/또는 헬륨 추적과 같은 가스 추적, 피드백 또는 작동자 제어하에서 가스 질량 흐름 측정과 같은 조치에 의해 추가적으로 모니터될 수 있다.

c. 피복물 또는 윤활제 도포 수단

충전 챔버부의 중요한 양태는 피복물 또는 윤활제 도포를 포함한다. 이온질화와 같은 조치는 한 번 수행되고, 많은 피복물을 만들어 내는 역할을 한다. 예컨대, 각각의 캐스팅을 형성하기 전에 다른 피복물 및 윤활제가 종종 도포된다.

밸브의 개방에 의해 공급되는 노즐을 사용하여 피복물 및 윤활제를 수동 도포할 수 있다. 또는, 충전 챔버의 보어를 윤활시키기 위하여 피스톤에 올라타는 이른바 라이더 튜브(rider tube)를 사용하여 피복물 및 윤활제를 도포할 수 있다.

라이더 튜브는 통상적으로, 다음에 용탕을 충전 챔버로 충전하기 위한 준비로서 충전 챔버 보어를 윤활시키는 각 다이 공급 스트로크 사이에 비생산 피스톤 스트로크를 이용하는 것을 포함한다. 윤활시키기 위한 다른 선택은 드롭 오일러(drop-oiler) 방법인데, 오일은 피스톤 스트로크 중에 충전 챔버의 보어로 연이어 분배되도록 하기 위해, 피스톤이 노출되면 피스톤의 측면에 놓인다.

본 발명의 특히 유리한 실시예에 따라서, 충전 챔버 다이-단부 윤활유 공급기(lubricator)가 제공된다. 이 윤활유 공급기는 다이의 절반이 개방될 때, 다이와 가장 가까운 충전 챔버의 단부로부터 충전 챔버 보어에 접근하기 때문에 다이 단부 윤활유 공급기라 지칭된다. 다이 단부 윤활유 공급기는 상기 비생산 스트로크를 생략한다. 다이 단부 윤활유 공급기의 다른 중요한 이점은 피복물 및 윤활제의 도포, 물 및/또는 물의 알코올 성분 및/또는 알코올을 기본으로 하는 피복물 및 윤활제의 건조, 솔더 또는 플래쉬, 압축 가스 취입에 의해 충전 챔버로부터 증발된 물 및/또는 알코올의 세정 또는 배출 전체에 걸쳐서 균일하다는 것이다.

[충전 챔버 및 다이용 윤활제와 피복물]

본 발명에서 충전 챔버 및 다이에 사용되는 윤활제 및 피복물은 철이 적은 석출 경화성 Al 합금 부분을 고압력 다이 캐스팅할 수 있다고 하는 특히 유리한 점이 있다는 것이 밝혀졌다. 다이 캐스팅은 가스 함량이 작고, 고항복 강도 및 고분쇄 저항성이 조합된 상태로 열처리될 수 있다.

충전 챔버 보어 및 다이의 캐스팅 금속 수용면에는 바람직하게 이온 질화 기술을 이용하여 질화물 코팅이 제공된다. 플라즈마 질화라고도 알려진 이온 질화는 다이 캐스팅에서 통상적으로 이용되는 표면 처리이다. 이온 질화는 종래의 다이에 사용되어 주로 고속도의 침식에 의해 야기되는 다이의 마모를 감소시킨다. 본 발명에 따라서, 바람직하게는 윤활제, 특히 본 발명의 할로겐-염분 함유 윤활제를 사용하는 것과 함께, 충전 챔버 보어 및 다이를 이와 같이 표면 처리하면 철이 적은 석출 경화성 Al 합금의 고압력 다이 캐스팅시 솔러딩을 방지하는데 특히 효과적이다라는 것이 발견되었다.

윤활 처리는 솔더링, 즉 알루미늄 합금 용탕이 강 충전 챔버 및 다이 벽으로 침범하는 것을 피하는 장기간의 성공적인 조업을 위해 중요하다. 따라서, 대부분의 다이 및 슬리브 윤활제가 다른 기능을 하는 반면에, 이들 윤활제는 솔더링 작용을 최소화한다는 공통 기능을 수행한다.

본 발명의 알칼리 금속의 할로겐화 염분을 다이 및 충전 챔버 윤활제에 첨가하여 특히 철이 적은 알루미늄 실리콘 합금을 다이 캐스팅하는 경우에 솔더링을 상당히 감소시킨다. 예컨대, 윤활제에 첨가된 포타슘 요오드화물(슬리브 윤활제에 2∼7%, 다이 윤활제에 0.5∼3%)은 솔더가 증가되는 것을 방지하고, 실행을 위해 요구되는 윤활제종(lubricating species), 예컨대 유기물을 감소시킨다. (에멀션, 수용성 합성물, 분산 또는 현탁액이) 추가되는 물을 기본으로 하는 윤활제 내의 윤활제종은 다이 상의 부분 해제를 위해 요구되는 마찰을 감소시키고, 슬리브 내의 열 전달을 감소시킨다. 윤활제종의 한 예는 수성액 내의 1% 폴리에틸렌 글리콜이다.

그래파이트는 다른 윤활제종으로서, 다이로부터 주조품을 용이하게 해제시키기 위해 첨가될 수 있다.

알칼리 금속의 할로겐화 염분을 함유하는 윤활제는 주조품의 가스 함량을 전체적으로 감소시킨다.

이러한 주조품 내의 가스 함량을 감소시키는 중요한 단계는 본 명세서에 설명된 다이 단부 윤활유 공급기 장치를 개선시켰는데, 이 장치는 윤활제를 충전 챔버 보어에 도포하는 장치이다. 상기 장치는 물 및/또는 알코올을 기본으로 하는 윤활제를 보어에 사용할 수 있도록 해준다. 따라서, 다이 단부 윤활유 공급기는 윤활제 도포를 일정하게 하고, 포타슘 요오드화물과 같은 무기질 재료를 도포할 수 있게 해준다. 중요하게도, 물의 증발에 의해 발생된 스팀은 노즐로부터 방출된 건조 공기의 세정 작용에 의해 슬리브로부터 제거된다.

[주조품의 세정 및 열처리와 주조품의 성질]

다이로부터 주조품을 제거하면, 주조품은 실온으로 냉각될 수 있고, 원한다면 연이은 처리 중의 가스 효과를 감소시키기 위하여, 예컨대 연이은 열처리 동안의 블리스터링 및 용접하는 동안의 탈가스를 감소시키기 위하여, 표면에 포집된 윤활제를 제거하도록 샌드 블래스터링될 수 있다. 샌드 블래스터링은 다이 캐스팅 상의 표면 미소균열을 제거할 수도 있으며, 이는 다이 캐스팅의 기계적 성질, 특히 분쇄 저항성을 개선시킨다.

AlSil0Mg.1 알루미늄 합금 다이 캐스팅의 열처리는 예컨대, 연성 및 강도를 개선하기 위한 것이다. 열처리는 용체화 열처리 및 시효 처리를 포함한다.

용체화 처리는, 원하는 연성을 제공하는 실리콘 조대화를 제공하고, 마그네슘 상을 용해시키기에 충분한 시간동안 900∼950℉의 온도 범위에서 실행된다.

이러한 온도 범위의 하한은 블리스터링이 발생하는 경향을 상당히 감소시킨다는 원하는 결과를 제공함이 밝혀졌다. 블리스터링은 유동 응력의 함수이며, 저온 처리(유동 응력이 작다)는 블리스터링을 방지하는 것을 도와준다. 상기 범위의 하한은 또한 실리콘의 조대화를 상당히 제어하도록 해주는데, 조대화 속도는 저온에서 감지할 수 있을 정도로 더 낮다.

용체화 처리에 이어서 시효 또는 석출 경화 처리한다. 시효 처리는 용체화 처리에 사용되는 온도보다 낮은 온도에서 실행되고, Mg₂Si를 석출시켜 강화시킨다.

미국 특허 제 3,645,804호에 개시된 것과 같은 시효 완성기(aging integrator)를 사용하여 시효를 위해 적절한 시간 및 온도를 결정한다. 주조품을 나중에 페인트-베이크 고온 처리하면, 시효 완성기를 적용하여 이러한 처리가 최종 부품의 강도에 확실히 영향을 미치도록 한다.

이러한 용체화 처리 및 시효 처리를 하면, 용체화 처리에 기인하는 고연성 및 시효 처리에 기인하는 고강도를 조합 선택할 수 있어, 예컨대 박스 형태의 주조품에 넓은 범위의 분쇄 저항성이 달성될 수 있다는 것이 발견되었다.

전술한 바와 같이, 용체화 열처리 온도 범위의 하한에서의 용체화 처리 온도가 사용되는 것이 바람직하다. 용체화 처리 온도에서의 시간은 어떤 영향을 미친다. 시효 처리에 의해 얻을 수 있는 항복 강도는 용체화 열처리 온도에서의 시간이 증가함에 따라 감소한다. 얻을 수 있는 항복 강도는 저온, 예컨대 920℉의 용체화 열처리 온도의 시간에 대해서 보다 고온, 예컨대 950℉의 용체화 열처리 온도에 대한 용체화 열처리 온도에서의 시간에 대해서 더욱 빨리 감소된다. 얻을 수 있는 항복 강도는 950℉에서의 용체화 열처리의 경우보다 큰 값에서 시작되지만, 용체화 열처리 온도에서의 시간이 증가함에 따라 920℉에서의 용체화 열처리에 의해 얻을 수 있는 항복 강도 이하로 떨어진다.

상기한 AlSil0Mg.1 합금의 열처리를 따르는 캐스팅 성질들은 다음과 같다 : 인장시(0.2% 오프셋) 항복 강도 ≥ 110 MPa (항복 강도는 통상적으로 120∼135MPa)

연신율(elongation) ≥ 10%(통상적으로 15~20%)

자유 굽힘 시험 변형≥25 ㎜, ≥ 30 ㎜

전체 가스 수준 ≤ 5㎖/100g 금속

용접성 = A 또는 B

내부식성 ≥ EB

항복 강도 및 연신율은 ASTM 방법 B557에 따라 결정된다.

자유 굽힘 시험 변형은 제15도에 도시된 것과 같은 시험 세트를 사용하여 결정된다. 시편이 구부러지는 헤드의 반경은 0.5 인치이다. 두께 2 ㎜, 길이 3인치, 폭 0.6인치의 시편이 약간 구부러져, 시편은 부하 헤드가 서로를 향해 이동될 때 도시된 것과 같이 구부려진다. 두께가 2 ㎜ 이상인 시편에 대하여, 시편은 한쪽 측면만 2 ㎜ 두께로 밀링가공되고, 굽힘부의 외측이 밀링가공되지 않은 측면상에 있도록 구부러진다. 상부 및 바닥의 부하 헤드는 50 ㎜/ min의 제어된 일정한 스트로크 속도에서 폐쇄된다. 시편의 균열이 시작될 때 발생하는 헤드 이동의 ㎜ 수가 자유 굽힘 시험 변형으로서 기록된다. 자유 굽힘 시험 변형은 내저항성의 철도이다.

본 발명을 정의할 때 사용되는 기계적 성질들, 예컨대 항복 강도 및 자유 굽힘 시험은 본질적으로 생주조품(as cast)을 시험하기 위해 준비되는 시험 시편을 직접 캐스팅하는 것과 비교하여, 복잡한 캐스팅 벽으로부터 절단된 시편에 대하여 결정된다.

구성물의 질량 분광 분석을 비롯한 전체 주조품의 금속 융해 가스 분석에 의해 가스 수준이 결정된다. 통상적으로, 가스 수준은 표준 온도 및 압력(STP), 즉 1 atm, 75℉에서 100g의 금속당 5 ㎖ 미만이다. 주조품 전체를 용융시키는 실행은 주조품으로부터 절취된 개개의 부분들을 시험하는 가능성과 비교된다. 주조품 전체의 용융은 캐스팅 장치 및 캐스팅 방법에 의해 얻어지는 실제 질의 양호한 척도를 제공한다.

용접성은 A, B, C 스케일을 사용하여 용접 풀(pool) 버블링을 관찰함으로써 결정된다. 상기 A 스케일은 가스가 보이지 않는 것을, B 스케일은 탈가스되는 양의 빛, 섬광 효과를 나타내지만 여전히 용접가능함으로, C 스케일은 다량의 탈가스 및 수소 폭발을 나타내며, 이는 캐스팅을 용접불가능하게 한다. 선택적으로, 가스 수준은 가스 수준에 반비례하는 용접성의 척도이다.

내부식성은 EXCO 시험, ASTM 표준 G34-72에 의해 결정된다.

AlSil0Mg.1에서 본 발명에 따른 고 게이트 속도의 석출 강화된 다이 캐스팅의 질을 나타내는 것은 다음의 두 조업으로부터 얻어지는 다이 캐스팅에 대한 기계적 시험의 결과들이다.

[본 발명의 실행 양식]

본 발명의 양식(mode)은 다음과 같이 구분하여 설명한다.

a. 일반적인 다이 캐스팅기

b. 용융 장치

c. 유입 오리피스

d. 충전 챔버의 피스톤 로드에의 밀봉

e. 다른 피스톤들

f. 다이 단부 윤활유 공급기

g. 충전 챔버 유극으로의 피스톤 제어

h. 실시예

상기 부분들은 다음과 같다.

[일반적인 다이 캐스팅기]

제1도를 참조하면, 제1도는 저온 챔버와의 관계에서, 수평의 자기 부하 진공 다이 캐스팅기, 본질적으로 고정 다이 또는 주형 절반부(2)를 구비한 고정 클램핑 플레이트(1) 또는 플래튼, 다이 캐스팅기의 이동가능한 다이 또는 주형 절반부(5)를 구비한 이동가능한 클램핑 플레이트(3) 또는 플래튼, 피스톤(4), 용융 금속을 공급하는 흡인 튜브(6), 보온로(8), 충전 챔버(10)를 도시하고 있다.

공기 및 다른 가스들을 화살표 방향으로 제거하는 진공 라인(11)은 다이가 유입 용융 금속에 의해 마지막으로 충전되는 영역에서 다이에 연결된다. 라인(11)은 밸브(12)를 이용하여 개폐되는데, 이 밸브는 제어 장치(도시 생략)에 의해 제어 라인(13)을 통해 작동될 수 있다.

제2도는 예컨대 모자 형태의 트리밍되지 않은 다이 주조편의 일례를 도시하고 있는데, 게이트 영역(14)은 모자부(15)를 탕구(sprue)(16)와 비스킷(17)으로부터 격리시키고 있다. 진공 연결부는 부속무(18)로 나타내었다. 바람직하게는, 게이트 영역(14)은 두께가 예컨대 2 ㎜ 이하로 얇아서, 주조품으로부터 떨어질 수 있다. 진공 부속물의 크기 또한 제거하기 쉽도록 만들어진다.

다시 제1도를 참조하면, 원뿔형 또는 구형의 돌출부(4a)가 피스톤(4)의 전 방면에 제공된다. 피스톤의 후방은 피스톤 로드(21)에 연결된다. 충전 챔버(10)의 후방 영역(10a)은 제6도와 함께 이하에서 상세히 설명할 밀봉 장치(90)를 나타낸다. 흡인 튜브(6)는 클램프(22)에 의해 충전 챔버(10)에 연결된다. 상기 클램프(22)는 하측에 후크 형태의 포크형 텅(forked tongue)(24)을 구비하는데, 이 포크형 텅은 흡인 튜브(6) 상의 환형 플랜지(25) 아래를 통과한다. 위에서 보았을 때, 나사(26)가 클램프(22)를 통해 나사 결합된다. 이는 흡인 튜브(6)의 단부를 충전 챔버(10)의 유입 오리피스에 클램핑할 수 있도록 해준다.

이동가능한 다이 및 플래튼과, 이젝터 다이(도시 생략)가 고정 다이 및 플래튼과 분리될 때, 충전 챔버의 다이 단부로부터 충전 챔버(10)의 보어에 윤활제를 도포하기 위하여 다이 단부 윤활유 공급기(170)가 사용된다. 이 윤활유 공급기와 관련한 추가 내용은 제9도를 참조하면 된다.

제1도에 도시한 다이 캐스팅기의 작동은 일반적으로 제1의 두 단계를 포함하고, 연이은 제3단계가 포함될 수 있다. 단계 1에서, 다이 및 충전 챔버를 진공화하고, 캐스팅을 위해 필요한 금속을 보온로로부터 충전 챔버 속으로 흡인하기 위하여 진공을 가할 수 있다. 단계 1은 용융 충전물을 다이 공동을 향해 이동시키기 위하여 비교적 저속으로 피스톤을 이동시키는 것을 추가로 포함한다. 용융 금속을 다이 공동 속으로 사출하기 위하여 피스톤을 고속으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 단계 2는 최종 부품이 형성되는 공동 속으로 금속이 들어가는 게이트에 금속이 도달할 때, 또는 도달하기 전에 시작된다. 단계 3은 비스킷 상에 피스톤 압력을 증가시키는 것을 포함하며, 피스톤의 이동은 본질적으로 단계 3에서 정지된다.

제1도에 도시한 기계의 여러 양태를 이하에서 보다 상세하게 설명한다.

[용융 장치]

제3도는 다이 캐스팅을 하기 위한 용융 금속, 예컨대 AlSil0Mg.1를 적절히 공급하고, 본 발명에 따라 사용되는 용융 장치의 한 예를 도시하고 있다.

고체 금속은 용융로(40)에서 용융되고, 예컨대 탱크(42,44)로부터 아르곤 및 3 vol.%의 염소를 15분간 유동시키고, 이어서 아르곤만을 15분간 유동시킴으로써 플럭스된다. 용융 금속의 체적에 적절한 체적 유량 및 가스 분배 시스템이 사용된다.

금속 캐스트를 보상하기 위하여 요구되는 바와 같이, 금속은 용융로(40)에서부터, 마스터 합금 와이어(48)로부터 Sr 첨가가 이루어지는 트러프(46) 속으로 유동하게 된다.

트러프로부터 유동하는 금속은 보온로(8) 속으로 들어갈 때 유입 필터(50)를 통해 여과되고, 이어서 흡인 튜브(6)를 통해 흡인되기 전에 출구 필터(54)를 통해 여과된다. 선택적으로, 보온로(8)의 별도의 유닛 내에 필터(50)가 제공될 수 있다. 필터 구멍들의 크기는 동일할 수도 있고, 또는 다를 수도 있다. 예컨대, 유입 필터(50)는 조대한 구멍의 세라믹 폼 필터일 수 있고, 출구 필터(54)는 미세한 구멍의 입자 필터일 수 있다. 선택적으로, 두 필터 모두 미세한 구멍의 입자 필터일 수 있다. 필터 구멍의 크기는 주조품 내의 혼입물 함량에 대하여 상기한 특정의 금속 질을 제공하도록 선택된다. 필터(54)는 튜브(6)의 바닥에 위치될 수 있고, 부격실(56)은 생략할 수 있지만, 도시한 구조는 보다 큰 공간의 미세 구멍 필터(54)를 사용할 수 있도록 해주고, 이는 깨끗한 캐스팅용 용융 금속을 보다 쉽게 적절히 공급할 수 있도록 해준다는 점에서 유리하다.

[유입 오리피스]

제4도는 충전 챔버(10) 내의 유입 오리피스(60)의 한 실시예를 상세히 도시하고 있다. 본 실시예의 중요한 3가지 양태는 1) 금속이 유입 오리피스의 벽에 응고되는 것을 보호하고, 2) 용융 금속의 유동에 의해 유입 오리피스 벽이 침식되는 것을 방지하며, 3) 충전 챔버 내의 진공이 감소하는 것을 방지하는 것이다.

질화 붕소 삽입체(62)는 상기 양태(1,2)에 특히 기여한다.

제1시일(64,66)은 특히 상기 양태(3)에 기여하는데, 안착 링(68), 니플(nipple)(70), 세라믹 라이너(72)에서 유입 오리피스를 밀봉한다.

가열 코일(71), 예컨대 전기 저항식 또는 전기 유도식 가열 코일에 의해 니플(70) 속으로 열이 공급된다.

충전 챔버(10)와 니플(70) 사이에서 압착되고, 분쇄가능한 그래파이트 섬유 시일(74)은 제1시일에서 공기가 누출되는 것을 방지한다.

팬케이크 히터(80)에는 홈이 있는 링(82)이 형성된다. 상기 홈은 전기 저항 가열 코일(84)을 지탱한다. 히터는 충전 챔버의 외표면의 외부 상에서 기계 가공된 평평한 표면인 평면(86)에 대하여 유지된다. 강 밴드(steel band)(88)는 히터를 적소에 유지하도록 충전 챔버를 에워싼다.

플랜지(25)가 제공되어 제1도의 클램프(22)는 충전 챔버(10)에 대해 단단히 ，밀봉된 흡인 튜브의 단부를 유지하게 된다.

제5a도는 충전 챔버(10) 내의 유입 오리피스(60)의 제2실시예를 상세히 도시하고 있다. 본 실시예는 유입 오리피스를 에워싸고, 공기가 충전된 해자(76)를 사용한다. 선택적으로, 해자(76)에는 공기 이외의 절연 재료가 충전될 수 있다.

해자는 용탕이 응고되어 충전 챔버 벽의 히트 싱크 작용을 완화시켜서, 용탕이 응고되어 유입 오리피스를 폐쇄하는 경향을 방해한다.

제5a도의 실시예는 또한 충전 챔버의 구멍에 세라믹 또는 교체가능한 강 라이너(78)를 사용하는 것을 도시하고 있다.

제4도의 실시예와 동일하거나 본질적으로 유사한 제5도의 구조에 대한 상세한 설명은 제4도에 사용된 동일한 도면 부호로 주어진다.

제4도 및 제5a도의 설명으로부터, 주요 논지는 유입 오리피스에서 충분히 높은 온도를 유지하는 것임은 명백하다. 제5b도는 독특한 방식으로 이와 같이 온도를 유지하는 데 관심이 있는 본 발명의 일 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에 따라서, 흡인 튜브(6)는 그 길이가 제4도 및 제5a도에 도시한 실시예들에서보다 비교적 짧고, 용융 금속 저장기(reservoir)(130)는 유입 오리피스(60) 근처에 배치되어서, 유입 오리피스(60)는 저장기 내의 용융 금속으로부터의 열전달에 의해 고화된 금속이 없게 유지된다. 저장기는 트러프의 형태로 제공되고, 용융 금속은 저장기를 통과하여 화살표로 나타낸것과 같은 루프식으로 순환한다. 스테이션(132)에서 펌핑 및 열이 만들어진다. 모든 컨테이너는 덮일 수도 있고(도시 생략), 예컨대 흡인 튜브(6)에 접근하기 위한 홀이 제공된다. 루프를 구성하는 금속은 제3도의 조대한 필터(50)에서 나오며, 도시된 것과 같은 미세한 필터(54)가 제공되어서 순환하는 금속을 연속적으로 여과시킨다.

[피스톤 로드에의 충전 챔버의 밀봉]

제6a도는 본 발명의 몇몇 특징을 도시하고 있는데, 한 특징은 대기 및 먼지에 대하여 피스톤-충전 챔버 계면을 밀봉하는데 특히 유리한 시일이다.

제6a도에서, 다이에서 가장 멀리 떨어져 있는 충전 챔버 단부에서 충전 챔버(10) 내에 안착된 피스톤(4)이 도시되어 있다. 유입 오리피스(60)가 도시되어 있다. 제6a도에 도시한 피스톤은 제1도에서 안착한 위치와 동일한 후퇴 또는 후방 위치에 있음은 명백하다. 충전 챔버(10)와 피스톤(4) 사이의 계면에 제공될 수 있는 패킹 보다는 또는 패킹에 추가하여, 제6a도의 실시예에서는 충전 챔버(10)와 피스톤 로드(21) 사이에서 연장되는 시일(90)이 제공된다.

충전 챔버로부터 진행하는 시일(90)은 몇몇 요소들을 포함한다. 먼저, 충전 챔버에 볼트 고정된 충전 챔버 연결 링(92)이 있다. 가스켓(도시 생략)은 링(92)과 충전 챔버 사이의 계면을 차지하여, 링과 챔버 사이의 표면의 불규칙성에도 불구하고 가스의 기밀성을 확보한다.

가요성의 공기 기밀성 외피부(94)가 링(92)과 종동부 연결 링(93) 사이에 기밀식으로 용접된다. 도시된 바와 같이, 외피부(94)는 벨로우(bellow) 형태로 제공된다. 링(93)은 가스켓에 삽입되어 피스톤 로드 종동부(96)에 볼트 고정된다.

공기 기밀성 패킹(98)이 종동부(96)와 로드(21) 사이에 놓인다.

시일(90)의 일부를 형성하는 것은 외피부(94)로부터 진공원까지의 라인(100), 아르공 공급원까지의 라인(102), 그리고 도시된 바와 같이 프로그램 가능한 컨트롤러(108)에 의해 상기 라인들 상에서 제어되는 관련 밸브(104, 106)이며, 상기 밸브에는 다이 캐스팅기의 여러 상태를 나타내는 라인(110) 신호들이 입력된다.

시일(90)은 다음과 같이 작동된다. 종동부(96)는 피스톤이 충전 챔버(10)의 보어에서 다이로 그리고 다이로부터 이동할 때 로드(21)에 올라탄다. 충전 챔버(10)의 보어가 바나나와 같이 만곡되어 있어서, 또는 피스톤 로드가 그 드라이브(도시 생략)의 부하 하에서 굽혀지기 때문에, 그리고 (이하에서 설명하는 실시예들에서 주어지는 바와 같이) 피스톤이 피스톤 로드로 굽혀질 수 있기 때문에, 피스톤 로드는 로드에 수직한 축선을 중심으로 회전하려고 하는 경향이 있을 수 있다. 가요성의 외피부 때문에, 이러한 회전 경향은 패킹(98)에 이해 제공되는 밀봉부 상에 악영향을 주지 않으면서 쉽게 일어날 수 있다. 종동부는 제6a도에서 단순히 상하로 움직이고, 또는 제6a도에서 안팎으로 이동하여, 피스톤 로드가 피스톤 및 충전 챔버 보어의 축선으로부터 어떤 식으로 벗어나든지 간에 피스톤 로드를 따라가게 된다.

컨트롤러(108)에 대해 설명하면, 컨트롤러는 다음의 기능을 수행하는 역할을 한다. 피스톤이 도시된 후퇴 위치에 있을 때, 컨트롤러(108)는 밸브(104)를 개방 상태로, 밸브(106)를 폐쇄 상태로 유지한다. 진공은 충전 챔버의 보어 및 외피부(94) 내에서 우세하다. 필요한 양의 용융 금속이 유입 오리피스(60)를 통해 보어로 들어가고, 그 후에 피스톤 로드(21)로 구동되어 피스톤(4)을 다이를 향해 이동시킨다. 유입 오리피스를 폐쇄하는 위치로 피스톤이 이동할 때 용융 금속의 공급이 끝난다. 피스톤이 유입 오리피스를 넘어 이동하여, 여전히 진공 상태에 있는 외피부(94)의 내부로 유입 오리피스를 개방하도록 피스톤이 다이를 향해 더욱 이동한다면, 용융 금속은 유입 오리피스를 통해 외피부의 내부로 흡인되며, 응고되어 외피부를 손상시키게 된다. 프로그램 가능한 컨트롤러는 라인(110)으로부터 기계 상태 정보를 이용하여 밸브(104)를 닫고, 밸브(106)를 개방함으로써 이를 방지한다. 아르곤이 외피부(94)를 채워 진공을 제거하고, 용탕이 유입 오리피스(60)를 통해 흡인되는 것을 방지한다.

시스템에 존재하는 아르곤은 시일의 효율성을 모니터하는데 사용된다. 헬륨은 이와 같이 사용될 수 있는 다른 가스이다. 예컨대, 충전 챔버 보어와 피스톤 사이의 미끄럼 끼워맞춤의 견고성이 모니터될 수 있고, 또는 제어될 수 있다. 다이 및 충전 챔버에 연결된 진공 라인 내의 헬륨 센서를 이용하여, 그리고 헬륨이 어디로 도입되는지를 알면 충전 챔버 시일까지의 피스톤을 추적하고 결정할 수 있다.

질량 분광계 기술을 이용하는 금속 융해 가스 분석에 의해 주조품내의 아르곤을 검출할 수 있고, 아르곤이 캐스팅하는 동안 어디에 있는지를 알면, 개재 시일의 견고성에 대한 정보를 얻을 수 있다.

제6a도에 도시된 다른 실시예에 있어서, 라인(102)은 피스톤 로드(21)의 외경부 상에 있는 하나 이상의 종방향 슬롯(103)에 의해 대체되거나 증대된다. 로드의 직경을 감소시킴으로써, 슬롯의 다른 효과 또는 보충 효과를 얻을 수 있다.

직경을 감소시키는 것은 슬롯과 비교하여 유리한데, 왜냐하면 슬롯의 엣지(edge)가 둥글게 가공되지 않은 경우 패킹을 절단할 수 있기 때문이다. 슬롯 또는 직경 감소부는 피스톤(4)이 유입 오리피스(60)를 통과하면, 용융 금속이 외피부(94) 속으로 흡인되도록 배치되며, 슬롯은 패킹(98)에 의해 제공된 시일의 바이패스를 개방시킨다. 슬롯(103)에 의해 제공된 바이패스는 대기로 개방된다.

제6b도의 다른 실시예에 있어서, 슬롯(103)은 기본적으로 구조적 아이템(92,93,96,98)의 중복부(90A)의 내부로 개방되는데, 상기 중복부는 라인(102) 및 밸브(106)의 기초하에 본질적으로 대기압의 아르곤을 함유하고 있다. 예컨대 슬롯(103)이 접근함으로 인해 체적이 점점 커짐에 따라 라인(102)을 통한 아르곤 보충이 금속의 높이를 유입 오리피스(60) 아래로 떨어뜨리고 유지하는데 필요한 압력을 유지할 수 있을 정도로 빠르지 않다면, 대기압 이상의 압력이 사용될 수 있다. 중복부의 가요성 외피부(94) 및 슬롯(103)의 길이는 충분히 길고, 따라서 아르곤은 비스킷에 대해 피스톤이 정지되는 곳까지 오른쪽으로 실린더(10)로 공급될 수 있다. 아이템(92)의 중복부는 제6a도에 도시한 구조체의 종동부(96)에 연결된다. 이러한 중복 구조체의 외피부는 또한 충분히 길게 선택되어서, 피스톤이 그 후퇴 위치, 즉 제6b도에 도시한 위치에 있을 때, 슬롯(103)은 (아로곤을 제공하는) 아르곤 챔버를 외측 공기로 개방하지 않는다.

제6a도의 다른 특징부는 종동부(96) 상의 보충 시일(112)이다. 피스톤은 피스톤이 그 후퇴 위치에 있을 때 시일(112)을 압박한다.

피스톤으로 냉각 유체(예컨대, 물 및 에틸렌 글리콜)를 공급하고 이 유체가 복귀하는 동심원의 공급 라인 및 복귀 라인(114, 116)이 제6a도에 도시되어 있다.

충전 챔버 벽, 피스톤 금속 접촉 벽 및 보어 접촉 벽 내의 열전대(thermocouple)(도시 생략)(이들 열전대의 선단부는 냉각 유체 라인을 통해 후방에서 나사 결합된다), 그리고 물 스트림 내의 열전대들은 충전 챔버 보어와 피스톤 사이의 미끄럼 끼워맞춤을 안정시키는 루프를 개폐하는데 사용된다. 피스톤과 보어 사이의 계면을 통해 가스가 누출되는 것을 최소화하기 위하여 미끄럼 끼워맞춤을 안정시키도록 구조를 모니터하고 제어할 때, 피스톤을 이동시키는데 필요한 힘(이는 보어와 피스톤 사이 마찰의 척도이다), 또는 다이 및 충전 챔버에 연결된 진공 라인에서 나타나는 아르곤의 양과 같은 다른 요인들을 이용하는 것이 좋다.

본 발명의 다른 특징은 제6a도에 도시되어 있다. 피스톤의 후방 엣지에는 플래쉬, 또는 솔더 반응 생성물 제거기(118)가 제공된다. 이 제거기는 보다 경질의 재료로 제조되는데, 제거기 엣지(120)의 날카로움은 높은 열전도성과 같은 다른 설계 범주를 기초로 하여 선택된 기본 피스톤 재료보다 좋다. 피스톤 후퇴 스트로크시, 제거기(118)가 작동되어서, 피스톤의 전방 쪽으로의 금속 공급 스트로크 동안 좌측의 느슨한 플래쉬 또는 솔더를 긁어내고 또는 절단한다. 전방의 엣지(122)를 날카롭게 유지하도록 주의를 기울여야 하는데, 이는 제거기(118)의 경우에 쉬운 작업이다.

[다른 피스톤들]

제7도는 본 발명에 따른 피스톤의 제2실시예를 도시하고 있다. 피스톤(4)을 대체하는 것을 나타낼 목적으로 도면 부호 4'로 표시한 상기 피스톤은 충전 챔버 보어의 변화에 대하여 적합한 가요성 스커트(140)를 포함한다.

스커트(140)는 예컨대, 피스톤과 동일한 재료로 제조된다. 스커트는 피스톤의 나머지 부분과 비교하여 얇고, 길다는 점에서 가요성이다. 스커트의 두께는 예컨대, 0.015 인치이고, 이는 피스톤의 나머지 부분 이상임을 나타낸다. 즉, 스커트의 외경은 피스톤의 나머지 부분의 외경보다 큰 예컨대 0.030 인치이다. 바람직하게는, 스커트의 외경은 충전 챔버(10) 보어의 내경보다 큰 약 0.001 인치이다.

즉, 스커트에는 보어와의 명목상 억지 끼워맞춤부가 있다. 스커트는 가요성이 있어 어떤 속박을 피한다.

스커트(140)는 압축시 비교적 취약하다는 것을 이해할 것이다. 피스톤의 후퇴 스트로크시 솔더 또는 플래쉬가 스커트를 붕괴시키지 않도록 하기 위하여, 스커트는 헴(hem)(142)을 포함한다. 헴(142)의 내경은 피스톤 본체 상의 인접 선반부(144)의 내경보다 작다. 스커트가 후방 피스톤 스트로크시에, 스커트에 압축 부하를 가하는 어떤 중요한 저항에 직면하면, 헴은 이러한 부하를 피스톤의 본체부에 전달하고 따라서 어떤 붕괴 위험으로부터 스커트를 보호하게 된다.

피스톤을 조립하기 위해 나사부(146,148)가 사용된다. 스패너 렌치를 사용하도록 홀(150)이 제공된다.

조립하기 전에, 금속 스핀 기술을 사용하여 스커트(140)의 얇은 부분이 외측으로 부풀도록 한다. 금속 스핀은 스커트의 원통형 축선을 중심으로 고속으로 스커트를 회전시키고, 성형 공구, 예컨대 경재(硬材)편을 스커트(140)의 얇은 부분의 내부와 접촉하게 하여, 직경을 외측으로 팽창시키는 것을 포함한다. 이는 충전 챔버 보어와의 명목상 억지 끼워맞춤을 증가시키고, 재료의 두께는 보어에서의 피스톤의 속박을 방지한다. 이러한 부풀어오름은 스커트의 밀봉 효과를 증대시킨다.

제8도는 본 발명에 따른 피스톤의 제3 실시예를 도시하고 있다. 이 피스톤(4)은 제7도에 도시한 피스톤(4')의 특징 외에 몇몇 특징을 제공한다. 예컨대, 피스톤(4)은 피스톤 로드를 피스톤에 연결시키는 볼 또는 스위블(swivel) 조인트 관절부(160)를 포함한다.

제8도에서 헴과 선반부를 향하는 표면들은 원뿔형 표면으로 기계 가공되어, 도면에서 A로 표시한 것처럼, 스커트가 최대 약 0.90°회전 편향될 때 개선된 수용부를 제공한다.

피스톤(4)의 조립은 다음과 같이 수행된다. 볼 조인트의 소켓은 피스톤 면(266)과 피스톤 측벽(268)에 의해 제공되는데, 상기 피스톤 면과 측벽은 나사부(269)에 의해 결합된다. 쐐기 또는 스페이서(270)는 그 두께에 의해 나사부가 체결되는 정도를 제어하여, 볼과 소켓 사이에 적절한 끼움부를 제공한다. 피스톤 면(266) 부분의 외경부에 클램프 렌치를 가하고, 측벽(268)의 후방으로 종방향 절단된 슬롯(272)에 스패너 렌치를 가함으로써, 견고한 나사 체결을 얻는다.

다음에, 홀(278)에 스패너 렌치를 사용하여 볼의 테일부(276) 위로 칼라(collar)(274)를 나사 결합한다. 볼은 육각형 단면의 보어(280)에 삽입된 알렌 렌치의 육각형 핸들을 삽입함으로써, 칼라에 대해 회전되는 것이 방지된다.

다음 조립 단계는 나사부(284)를 이용하여 스커트(282)를 측벽(268)과 나사 체결되도록 위치시키는 것이다.

플래쉬 제거기 링(286)이 적소에 위치된 피스톤 로드(285)를 칼라(274)와 나사 체결시킨다. 칼라의 보어에 있는 환형의 리세스(recess)(288)는 테일부(276)와 피스톤 로드(285) 사이를 견고하게 체결시킨다. O링(290)은 냉각 유체가 누출되지 않도록 밀봉한다.

[다이 단부 윤활유 공급기]

제9도는 본 발명의 다이 단부 윤활유 공급기(170)의 일반도이다. 윤활유 공급기는 고정 클램핑 플레이트(31)에 부착되고, 다이의 절반이 개방되었을 때 유압식 또는 공압식 실린더(172)에 의해 점선으로 나타낸 작동 위치로 회전될 수 있다. 작동 위치에서, 노즐(174) 형태의 헤드는 충전 챔버의 보어와 부딪혀 그 애플리케이터를 작동시켜, 건조 및 세정 기능을 수행시킬 준비가 되어 있다.

제10도는 다이 단부 윤활유 공급기를 보다 상세히 도시하고 있다. 프로그램 가능한 컨트롤러(108)는 라인(110)을 통해 다이 캐스팅기로부터 정보를 이미 받았는데, 다이 캐스팅기는 적절한 상태(즉, 다이의 절반이 개방되어 있고 마지막 주조품이 배출됨)에 있고, 라인(178)을 통해 유체 압력 유닛(176)과 상호작용하여 유압식 실린더가 윤활유 공급기를 그 작동 위치로 이동시키도록 한다.

추가하여, 상기 컨트롤러는 타이밍 밸트(184)를 구동시키도록 라인(182) 상의 서보 모터(180)에 지시를 보내고, 이에 의해서 풀리(186)와 이 풀리에 견고히 연결된 아암(188)을 회전시켜, 노즐(174)이 충전 챔버(10)의 보어 소으로 이동하게 된다.

노즐(174)과 아암(188)과의 상호 연결부는 예컨대 네 개의 튜브(192)(이하에서 192a, 192b, 192c, 192d)를 운반하는 일정 길이의 가요성 튜브(190)를 포함하는데, 상기 4개의 튜브들은 이하에서 설명하는 여러 목적을 수행한다.

노즐(174)은 이 노즐을 충전 챔버(10)의 보어에서 안내하는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 칼라(194)를 지탱한다. 상기 칼라는 일반적으로 다각형의 단면, 예컨대 도시된 바와 같은 정사각형 단면을 가지며, 다각형의 코너에서 보어와 접촉만 하고, 따라서 간극(196)을 남겨 두게 되며, 간극의 목적은 다음의 설명을 통해 명백해질 것이다.

제12도에서, 가요성 도관(190)은 아암(188)에 의해 구동됨에 따라, PTFE트랙(200,201,202)을 포함하는 채널(198)에 의해 원형 경로로 이동하도록 강제됨이 도시되어 있다. 제12도는 또한 이제 특정되는 4개의 튜브를 도시한다. 튜브(192a,192b)는 예컨대, 물을 기본으로 하는 윤활제 또는 피복물을 노즐(174)에 공급하는 공급 및 복귀 라인이다. 튜브(192c)는 노즐 공기 공급부이고, 튜브(192d)는 노즐(174) 내의 밸브(204)(제13도)용 유압식 파워 공급 라인이다. 튜브(192)는 아암(188)에 대한 피벗 포인트를 향해 내측으로 지점(206)의 시작점까지 도관(190)을 통해서, 노즈(174) 사이에서 연장된다. 상기 지점(206)에서, 가요성 튜브(도시 생략)가 튜브(192) 위로 연결되고, 공기 및 윤활제 공급 용기(도시 생략)까지 연장된다.

제13도는 다이 단부 윤활유 공급기의 노즐(174)을 좀더 상세하게 도시하고 있다. 화살표(B) 방향에서 보았을 때 원형인 노즐 헤드(208)는 그 둘레에 분포된 충분한 수의 스프레이 오리피스(210)를 구비하는데, 이는 뒤쪽으로 향하는 연속 원뿔형 스프레이 시트를 제공한다. 직경이 2.25 인치인 노즐 헤드의 한 예는 등간격으로 떨어져 있는 18개의 오리피스로서, 각각은 0.24 인치 직겨의 보어를 구비하고 있다. 각도(C)는 바람직하게는 40°이다. 30∼50°, 바람직하게는 35∼45°범위의 각도가 본 발명의 목적을 위해 만족될 것이다.

노즐 혼합 챔버(212)는 유압식 라인(192d)에 의해 나타내는 것처럼 밸브(204)가 튜브(214)를 개방 또는 폐쇄했는지에 따라서, 예컨대 물을 기본으로 하는 윤활제 또는 코팅을 튜브(214)로부터, 튜브(216)로부터 공기를, 또는 튜브(216)로부터 공기만을 수용한다.

노즐(174)은 접합부(218)에서 가요성 튜브에 연결된다. 라인(192c)은 튜브(216)까지 곧장 뻗어 있다. 라인(192a,192b)은 접합부에서 단락되어, 윤활제 또는 피복물이 연속적으로 순환될 수 있도록 해주며, 이는 부유물 또는 에멀션이 가라앉는 것을 방지하는데 유용하다. 단락부(220)는 제14도에 도시되어 있다. 튜브(214)는 단락부까지 계속 개방되어 있지만, 밸브(204)에 의해 나타내어진 포인트로부터 끌어당겨지고, 그때에 컨트롤러(108)는 복귀 라인 내의 솔레노이드 밸브(도시 생략)를 폐쇄시켜, 윤활제 또는 피복물을 노즐로 최대로 공급하게 된다.

제10도의 프로그램 가능한 컨트롤러(108)는 라인(192c)용 유압식 압력 공급부와 상호 작동하여 공기를 보내 밸브(204)를 개방시켜서, 노즐이 보어 내의 다이를 향해 이동할 때 윤활제 또는 코팅 에어로졸이 충전 챔버의 보어 위로 스프레이 된다. 컨트롤러는 노즐을 구동시키는 서보 모터를 작동시키지 않아서, 유입 오리피스(60) 아래로 윤활제를 스프레이할 것이다. 노즐은 상기 포인트에 못 미쳐 정지되지만, 충분한 에어로졸이 상기 영역에 발현되어 유입 오리피스에서 보어 부분은 적절히 코팅된다. 코팅이 어려운 부분에 원하는 만큼의 보다 많은 코팅을 제공하기 위하여, 컨트롤러는 보어를 따라 노즐 속도를 변화시킬 수 있다.

노즐이 일단 가능한 한 멀리 단지 유입 오리피스에 못미치게 이동하면, 노즐은 후퇴된다. 후퇴하는 동안에, 컨트롤러는 유압식 밸브(204)가 윤활제, 피복물의 공급을 차단하도록 하여, 라인(192c), 튜브(216)로부터의 공기만이 오리피스(210)를 통해 빠져나가게 된다. 이렇나 공기는 보어 상의 물을 기본으로 하는 윤활제, 피복물로부터 물을 건조시키고, 미고착 솔더 또는 플래쉬와 함께 보어로부터 물을 가스 형태로 씻어버린다. 노즐이 다시 제9도에 점선으로 도시한 그 후퇴 위치로 돌아가면, 컨트롤러(108)는 실린더(172)를 작동시켜 윤활유 공급기를 방해가 되지 않는 곳으로 회전시키고, 다이 절반이 폐쇄되며, 다이 캐스팅기는 다음의 캐스팅을 준비한다.

간극(196)은 노즐로부터 흐르는 가스가 충전 챔버의 다이 단부에서 빠져나갈 수 있도록 공간을 허용한다.

[충전 챔버 유극으로의 피스톤 제어]

본 발명은 진공 다이 캐스팅기에서 만들어진 주조품 내의 가스원으로서 피스톤의 금속 공급 스트로크 동안에 피스톤과 충전 챔버 사이의 끼워맞춤에 집중함으로써, 상기 미키 등의 미국 특허 제 4,583,579호에서 벗어난다.

상기 특허의 제5a도 및 명세서의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 종래의 실행 방식에서는 용융 금속을 다이 속으로 사출하는 금속 공급 스트로크를 통해 피스톤이 이동함에 따라, 충전 챔버 보어, 즉 슬리브의 온도에 비하여 피스톤 또는 플런저의 온도가 상측으로 상당히 편향된다. 따라서, 상기 특허의 제5a도를 참조하면, 피스톤 및 충전 챔버 보어의 온도가 거의 동일한 시점으로부터, 상기 보어의 온도는 최고로 올라가고 다음에 떨어지며, 피스톤 온도는 훨씬 높은 온도까지 상승하고, 그후 보어 온도가 다시 피스톤 및 보어의 온도가 같은 상태로 돌아가면서 떨어진다.

상기 특허에서 언급한 바와 같이, 보어에 비해 피스톤의 온도가 상대적으로 상승함으로써, 피스톤과 보어는 억지 끼워맞춰지고, 따라서 피스톤의 후퇴는 냉각에 의해 억지 끼워맞춤이 해제될 때까지 지연된다.

본 발명에 따라서, 피스톤의 공급 스트로크 동안에 피스톤과 보어 사이의 끼워맞춤은 피스톤-보어 계면을 통해 가스가 금속 속으로 누출되지 않도록 제어되는데, 상기 금속은 진공 하에서 피스톤에 의해 다이 속으로 강압된다. 이러한 제어를 달성하기 위해 다른 조치가 취해질 수 있다. 하나의 조치는 캐스팅 사이클 도중에 피스톤의 온도 변동이 감소되도록 피스톤의 냉각을 조절하는 것이다. 따라서, 체결된 억지 끼워맞춤부는 수용될 수 없고, 피스톤의 온도를 유지하도록 냉각이 조절될 수 있어, 느슨하고 가스가 출입하는 끼워맞춤부 대신에 가스 누출이 최소로 되는 미끄럼 끼워맞춤부가 얻어진다.

제1조치와 함께 이용될 수 있는 제2조치는 기준 온도, 예컨대 실온에서 충전 챔버 보어에 피스톤의 억지 끼워맞춤부 또는 그렇지 않으면 빽빽한 또는 미끄럼 끼워맞춤부를 제공하고, 피스톤이 충전 챔버 보어 내의 단단한 끼워맞춤부와 함께 이동할 수 있도록 충전 챔버를 가열하는 것을 포함한다. 충전 챔버가 가열됨으로써, 피스톤의 온도는 보어의 온도에 비해 상측으로 덜 변동하고, 좀더 견고한 가스저항 끼워맞춤부가 금속 공급 스트로크 동안에 유지될 수 있다.

상기 조치들은 특정 재료의 구조, 예컨대 재료를 특징지우는 열팽창 계수에 따라서 개조될 수 있다. 개조의 토대는 피스톤의 공급 스트로크 동안에 충전 챔버보어와 피스톤 사이를 가스 기밀 상태로 유지하는 것이며, 피스톤을 이동시키는 데 필요한 힘 및 피스톤과 충전 챔버 보어의 마모 제어를 위한 조건과 균형을 이루어야 한다.

제17a도 내지 제17d도는 충전 챔버 유극에의 피스톤 제어를 도시한다. 피스톤(4)은 공급 라인(114) 및 복귀 라인(116)을 통해 들어가는 물 또는 다른 유체에 의해 내부가 냉각 또는 가열된다. 수동 작동식 밸브(302) 및 체크 밸브(304)를 포함하는 바이 패스 라인(300)을 통해 물이 연속적으로 유동하도록 하는 제공이 이루어진다. 컨트롤러(306)는 선단부가 라인(114 또는 116)으로부터 컨트롤러까지 나사결합될 수 있는 열전대(310)로부터 받은 정보 및 프로그램에 기초하여, 온-오프, 또는 가변 위치 밸브(308)(비례, 비례-인테그랄, PID 등의 경우에 사용)를 작동시킨다. 선택적으로, 히터 또는 냉각기(312)가 충전 챔버(10) 상에 제공되어, 열전대(314)를 이용하는 컨트롤러(306)로부터 제어된다.

제17b도 내지 제17d도는 피스톤 온도를 제어하는 데 사용될 수 있는 다른 제어 계획의 일례이다. 일반적으로, 피스톤과의 상호 작용을 통해 피스톤을 충전 챔버 유극에 제어하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 피스톤의 구리 재료 및 피스톤의 크기가 더 작아서 피스톤의 충전 챔버보다 빨리 응답하기 때문이다.

제17b도를 참조하면, 제어는 열전대(310)로부터의 피스톤 온도 정보를 이용하는 폐쇄 루프 제어일 수 있다. 이력(hysteresis)이 있는 온-오프 제어가 도시되어 있다. 작동자는 피스톤 온도 설정 지점(Tsp), 온도 편이(△2,△1)를 선택하는데, 상기 온도 편이는 차등 간격을 결정하도록 합산된다. 제17b도에 따른 제어의 변화시, 피스톤 유출수 온도에 기초한 폐쇄 루프 제어가 이용되고, 따라서 물 온도에 대한 설정 지점이 있게 된다. 피스톤 유출수 온도는 피드백 신호이다.

제17c도 및 제17d도는 작동자에 의해 입력된 가변 펄스 폭(τ1,τ2)을 갖는 개방 루프 제어를 도시한다. 시점(320)은 금속이 일단 게이트에 도달하면, 또는 거의 도달하면 진공이 시작되는 또는 단계 2가 시작되는 시점인데, 단계 2는 큰 피스톤 이동 속도가 이용되는 피스톤 금속 공급 스트로크 부분이고, 상기 게이트는 실제 부품이 형성되는 주형 공동 부분으로 들어가는 곳이다. 시점(322)은 진공이 끝나는 시점이다.

[실시예]

본 발명의 또 다른 예를 이하에서 설명한다.

[실시예 1]

본 발명을 예시하는 복잡한 주조품은 제16도에 도시한 형태를 갖는다. 지칭하기 위해, 모자 캐스팅이라고 한다. 상기 캐스팅은 5 ㎜ 두께 벽의 100 ㎜ 부분(330)과, 2 ㎜ 두께 벽의 200 ㎜ 부분(332)으로 구성된다. 상기 캐스팅은 높이(334)와 폭(336)이 120 ㎜이다. 메인 게이트(342)는 단면이 4 ㎜ × 60 ㎜이고, 두 개의 측방향 게이트(344)는 각각 단면이 2 ㎜ × 10 ㎜이다. 다음의 변수들을 사용하는 제1도의 진공 다이 캐스팅기에서 95 캐스팅 조업 중 32번째 캐스팅으로 주조품이 만들어진다. 사이클 타임은 0.9분, 단계 1에서의 진공은 약 20 ㎜ Hg 절대 압력, 피스톤의 직경은 70 ㎜, 단계 1의 피스톤 속도는 약 325 ㎜/sec, 단계 2의 피스톤 속도는 약 1785 ㎜/sec, 단계 3의 금속 압력은 12,580 psig(868 bar), 다이 면 상의 1% KI 윤활제 141 ㎖, 충전 챔버 보어 상의 5% KI 윤활제 7.6 ㎖, 보온로의 금속 온도는 1310℉이다. 보온로의 금속을 분석하면, Si 10.1%, Fe 0.3%, Mg 0.13%, Sr 0.03%, Ti 0.052%이다. 다이 캐스팅기는 제6도의 벨로우 시일, 제9도 내지 제14도의 다이 단부 윤활유 공급기를 포함한다. 그러나, 오버 플로우(338)와 비스킷 부분(340)으로의 게이트의 전체 주조 트리밍된 부분은 전체 부품을 용융시켜 가스 함량을 시험하였고 다음의 결과를 얻었다. 알루미늄 합금 100g 당 가스(㎜)(표준 온도 및 압력)로서, 1.29 수소, 1.66 질소, 0.74 질소, 기타 0.72, 총 4.4 = 0.5㎖/100g, 캐스팅을 950℉에서 1시간 동안 열처리하고, 100℉의 Ucon-A 40% 수용액, 유니언 카바이트의 폴리글리콜 제품 속으로 급냉하고, 이어서 1시간 동안 400℉에서 열처리한 후에, 몇몇 캐스팅의 2㎜ 두께 벽 부분으로부터 시험 시편을 절단하여 얻어진, 조업을 위한 기계적 성질은 다음과 같다.

Claims

철을 함유하는 다이에서 철 함유 알루미늄 합금을 진공 다이 캐스팅하는 방법으로서, 용융 금속에 노출될 때 가스를 발생시키는 윤활제종(lubricating species)을 포함하는 윤활제를 다이 캐스팅기의 하나 이상의 다이(2,3)와 충전 챔버(10)에 도포하는 단계와, 공기를 빼내고 용융 금속을 충전 챔버 속으로 흡인하기 위하여 상기 충전 챔버 침 다이에 진공을 가하는 단계와, 충전 챔버 내의 용융 금속을 다이 속으로 충전하여 다이에서 주조품을 형성하는 단계를 포함하는 진공 다이 캐스팅 방법에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 0.5% 미만의 철을 포함하고, 상기 윤활제는 물을 기초로 한 윤활 유체이며, 물과, 가스의 함량이 상기 주조품 내의 합금 100g 당 10 ㎖ 미만으로 되는 농도의 상기 윤활제종과, 상기 합금이 상기 다이 또는 충전 챔버에 솔더링되는 것을 방지할 수 있는 농도의 할로겐화 염분을 포함하며, 상기 진공 다이 캐스팅 방법은 상기 도포한 윤활 유체로부터 물을 증발시키는 단계와, 상기 진공을 충전 챔버 및 다이에 가할 때 공기가 상기 충전 챔버 속으로 흡인되는 것을 방지하도록 상기 충전 챔버를 꽉 밀봉하는 단계를 포함하며, 상기 용융 금속은 15m/sec 이상의 게이트 속도에서 상기 충전 챔버로부터 상기 다이 속으로 충전되는 것을 특징으로 하는 진공 다이 캐스팅 방법.
다이부(2)와; 제1단부에서 상기 다이부와 연통하고 제2단부에 인접한 유입 개구부(60)와 연통하는 보어를 구비하는 충전 챔버(10)와; 상기 보어 내에서, 상기 제2단부를 향해 상기 유입 개구부를 넘는 후퇴 위치와, 상기 제1단부를 향하는 연장 위치 사이에서 활주가능하며, 상기 충전 챔버(10)의 제2단부를 넘어 상기 보어로부터 연장되는 피스톤 로드(21)를 구비하는 피스톤(4)과; 상기 유입 개구부를 통해 상기 충전 챔버 보어 속으로 용융 금속을 흡인하기 위하여, 후퇴 위치에 있는 피스톤 전방의 충전 챔버 보어 내에 진공을 발생시키는 압력 제어 수단(108)을 포함하는 진공 다이 캐스팅기에 있어서, 상기 피스톤 로드와 맞물리는 피스톤 로드 시일(98)과, 상기 충전 챔버(10)의 제2단부로부터 상기 피스톤 로드 시일까지 연장하여 상기 피스톤 뒤에 기밀식 밀폐부를 형성하는 밀폐 수단을 포함하며, 상기 압력 제어 수단(108)은 용융 금속을 상기 충전 챔버 보어 속으로 끌어 들이기 위하여 피스톤 전방의 충전 챔버 보어 내에 진공이 만들어질 때 상기 피스톤(4) 뒤의 상기 밀폐 수단에 진공을 동시에 가하는 것을 특징으로 하는 진공 다이 캐스팅기.
제2항에 있어서, 상기 압력 제어 수단(108)은 상기 피스톤이 상기 연장된 위치를 향해 이동할 때, 그리고 상기 피스톤이 상기 유입 개구부(60)를 통과하기 전에 상기 피스톤(4) 뒤의 밀폐 수단(96) 내의 진공을 주변 압력 상태의 가스로 대체하는 수단(106)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 다이 캐스팅기.
제3항에 있어서, 상기 압력 제어 수단은 상기 피스톤(4)이 연장될 때 그리고 상기 피스톤이 상기 유입 개구부(60)를 통과하기 전에 상기 밀폐 수단 내의 압력을 주변 압력으로 조정하도록 상기 피스톤 로드 시일(98)과 정렬되는 단면 감소부를 구비하는 상기 피스톤 로드(21) 상에 밸브 부분(valving section)(103)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 다이 캐스팅기.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 밀폐 수단 내의 진공을 주변 압력 상태의 가스로 대체하는 상기 수단(106)은 상기 밀폐 수단 속으로 주변 압력 상태의 불활성 가스를 도입시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 다이 캐스팅기.
철의 함량이 0.5 wt.% 미만이고, 가스의 함량이 알루미늄 100g 당 5 ㎖ 이하이며(STP), 알루미늄 합금(cc)당 20μ 이하의 혼입물이 있으며, 인장 항복 강도(0.2% 오프셋)가 110 MPa 이상이고, 자유 굽힘 변형은 25 ㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 주조품.
제1단부에서 다이(2)와 연통하는 보어를 구비한 충전 챔버(10)와, 용융 금속을 상기 다이 속으로 충전하기 위하여 상기 보어 내에서 연장가능한 피스톤(4)과 상기 피스톤에 연결되고 상기 충전 챔버의 제2단부로부터 연장되는 피스톤 로드(21)와, 상기 충전 챔버의 제2단부를 밀봉하는 밀봉 수단(90)을 포함하는 진공 다이 캐스팅기에 있어서, 상기 피스톤 로드와 맞물리는 피스톤 로드 시일(98)과, 상기 충전 챔버(10)로부터 상기 피스톤 로드 시일(98)까지 연장하여 상기 피스톤 로드 시일과 함께 상기 충전 챔버의 제2단부에 기밀식 밀폐부를 형성하는 밀폐 수단(94)을 포함하며, 상기 밀폐 수단(94)은 상기 충전 챔버(10)에 대해 상기 피스톤 로드(21)와 피스톤 로드 시일(98)이 측방향으로 이동하는 것을 수용할 수 있도록 측방향으로 가요성이 있는 것을 특징으로 하는 진공 다이 캐스팅기.
보어를 구비하며 이 보어를 통해 용융 금속이 진공에 의해 흡인되는 충전 챔버(10)와, 피스톤의 전방 행정시 상기 용융 금속을 다이 속으로 충전시키도록 상기 충전 챔버의 상기 보어에서 활주가능한 피스톤(4')을 포함하는 진공 다이 캐스팅기에 있어서, 상기 피스톤과 상기 충전 챔버의 보어 사이에 위치하며, 상기 피스톤에 고정된 전방 엣지와 부동(浮動)하는(floating) 후방 엣지를 구비하는 가요성의 긴 원통형 스커트 시일(140)을 포함하며, 이 스커트 시일은 충전 챔버의 상기 충전 챔버의 보어와 밀봉 체결되도록 하는 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 진공 다이 캐스팅기.
다이(2) 속으로 개방되는 충전 챔버(10)의 다이 단부와 정렬되어 있는 다이 캐스팅기의 충전 챔버(10)의 보어를 윤활시키는 방법으로서, 서비스 부재(174)를 상기 다이 단부로부터 상기 충전 챔버(10) 보어 속으로 이동시키는 단계와, 상기 충전 챔버(10)의 보어에 윤활제를 스프레이하도록 상기 서비스 부재(174)를 작동시키는 단계와, 상기 서비스 부재(174)를 상기 다이 단부를 통해 상기 충전 챔버의 보어로부터 후퇴시키는 단계를 포함하는 다이 캐스팅기의 충전 챔버 보어의 윤활 방법에 있어서, 상기 서비스 부재가 상기 충전 챔버(10)의 보어 속으로 이동할 때 상기 충전 챔버의 보어를 윤활제로 스프레이하기 위하여, 그리고 상기 서비스 부재가 상기 충전 챔버의 보어로부터 후퇴할 때 보어의 상기 다이 단부로부터 임의의 미고착 솔더 또는 플래쉬와 함께 증발 윤활제를 세정하는 원뿔형 가스 스프레이를 형성하도록 상기 다이 단부를 향해 반경 방향 외측으로 그리고 축방향으로 상기 보어 둘레 주위로 가스를 취입하기 위하여 상기 서비스 부재(174)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 윤활 방법.
용융 금속을 다이(2,3) 속으로 충전하는 피스톤(4)이 유입 개구부(60)를 넘어 충전 챔버(10)의 보어에서 후퇴되고, 후퇴 위치 전방의 충전 챔버 보어에 진공을 가하여 용융 금속을 유입 개구부를 통해 충전 챔버 보어 속으로 흡인하는 다이 캐스팅기를 작동시키는 방법에 있어서, 상기 피스톤의 전방에 진공을 가하는 동안 상기 피스톤 뒤에 진공을 가하는 것을 특징으로 하는 다이 캐스팅기 작동 방법.
다이 단부에서 다이(2) 속으로 개방되는 다이 캐스팅기 충전 챔버(10)의 보어를 윤활시키는 윤활 장치로서, 긴 부재(190)와; 이 긴 부재를 상기 다이 단부로부터 상기 충전 챔버(10) 보어 속으로 연장시키고, 상기 긴 부재를 상기 다이 단부를 통해 후퇴시키는 수단(188)과; 상기 긴 부재에 의해 운반되고, 윤활제를 상기 충전 챔버 보어에 스프레이 시키는 수단을 구비하는 윤활수단(174)을 포함하는 윤활 장치에 있어서, 상기 윤활 수단(174)은 상기 충전 챔버 보어의 상기 다이 단부를 향하는 압축 가스의 원뿔형 스프레이로 상기 충전 챔버 보어에 스프레이시키는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 윤활 장치.
제11항에 있어서, 상기 긴 부재(190)는 가요성이 있으며, 상기 장치는 상기 충전 챔버 보어와 정렬되어 이 보어와, 상기 다이 단부에 인접한 충전 챔버보어 측방향의 경로 사이에서 상기 가요성의 긴 부재를 안내하는 안내 수단(198)을 추가로 포함하며, 상기 수단(188)은 상기 경로를 따라서, 그리고 상기 충전 챔버 보어 안팎으로 상기 가요성의 긴 부재를 전진 및 후퇴시키는 것을 특징으로 하는 윤활 장치.