KR100187989B1 - 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에의한 주조 방법에 관해 개시하고 있다. 본 발명은 미리 탕도부 및 주물형성부를 산소가스로 치환하고 용탕을 급탕한 후 바람직하게는 1.0초인 소정의 가압 개시 시간이 경과한 후, 주물의 후육부분에 대해 바람직하게는 2000kg/㎠의부분적인 스퀴즈 가압을 하는 것으로서 다이캐스팅의 고생산성 및 성형성을 살릴 수 있는 이점이 있다.

Description

스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조 방법

제1도는 가압플런저 및 산소 충진 설비가 설치된 다이캐스팅 장치이다.

제2도는 본 발명에 따른 가압 개시 시간 및 밀도의 상관관계를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 탕도부 12 : 주물형성부

13 : 금형 다이 14 : 가압 플런저

15 : 유압 실린더 16 : 산소 충진 설비

본 발명은 다이캐스팅에 의한 주조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 용탕의 급탕전에 탕도부(sleeve)및 주물형성부(cavity)를 상소분위기로 치환하고, 급탕 후 주물의 후육 부분을 부분적으로 가압함으로써 고품질의 주조품을 생산할 수 있는 수퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 용융 금속을 고온에서 압입하여 표면이 고정밀도를 가지는 주물을 단시간에 대량으로 생산하는 주조법으로서 고압 주조법이 알려져 있다. 그러한 고압 주조법 중에서 가장 널리 사용되는 방법은 다이캐스팅(Die castiong)인데, 이것은 기계 자동화율이 높고 고정밀도 및 고생산성의 생산품을 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서 각종 공업제품 및 자동차 부품이 알루미늄 다이캐스팅에 의해 생산되고 있다.

그러나, 다이캐스팅은 뛰어난 생산성에 비해 주조 조건에 따른 품질의 차이가 현격하다는 단점을 지니고 있다. 즉, 용탕이 고속, 고압으로 충진되기 때문에 내부 함유 가스량의 과다로 인해 내압성이 떨어지고, 주물형성부보다 탕도부가 먼저 응고함으로써 주물의 두께가 가장 두꺼운, 소위 후육부분에 기공이나 수축공을 발생시킨다. 이러한 기공이나 수축공의 결함은 재료의 강도를 저하시킬 뿐만 아니라, 후속적인 열처리 및 용접을 불가능하게 만든다.

다이캐스팅에 있어서상기와 같은 기공 및 수축공을 제어하기 위한 다수의 방법들이 알려졌는데, 진공 다이캐스팅 및 무공성(無孔性)다이캐스팅(Pore-free die casting)등이 그 대표적인 예이다.

진공 다이캐스팅은 주물 형성부를 진공으로 하여 공기의 혼입을 방지하는 방법이며, 무공성 다이캐스팅은 용탕을 주입하기 전에 탕부에 활성 가스인 산소를 취입함으로써 이 산소와, 예컨대 알루미늄과 같은 용탕을 서로 반응시켜 산화물 보호피막이 형성되도록 함으로써 공기의 혼입을 억제하여 기공이 없는 치밀한 주물을 얻는 방법이다.

나아가, 무공성 다이캐스팅은 주물의 응고 후 열처리가 용이하다는 장점도 지니고 있다.

그러나, 진공 다이캐스팅 및 무공성 다이캐스팅은 기공의 생성은 억제하지만 주물의 후육부분에 발생하는 수축 미세공의 생성을 만족할 정도록 막지는 못한다.

따라서, 다이캐스팅의 특징인 우수한 용탕 충진성 및 고생산성을 유지하면서 주물의 후육부분의 미세수축공을 제어할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안된 것으로서 용탕 주탕후 주물의 후육부분에 발생하는 미세공을 억제하기 위해 부분적인 스퀴즈 가압을 함으로써 다이캐스팅의 우수한 생산성을 최대한 살릴 수있는 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 스퀴즈 가압은 용탕 주탕 후 일정 시간이 경과한 후에 이루어지는데, 그 시간은 가압 개시 시간이라고 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조 방법은, 용탕 주탕 전에 탕도부와 주물형성부 내를 순수 산소가스로 충진시키는 단계; 용탕을 주탕하는 단계; 및 용탕 주탕 후 소정의 가압 개시 시간이 경과한 뒤 가압 플런저에 의해 주물의 후육 부분에 부분적인 스퀴즈 압력을 직접 가하면서 용탕을 냉각시키는 단계를 포함하고, 상기 가압 개시 시간 및 스퀴즈 압력중 적어도 하나는, 상기 유압 실린더가 스트로크 앤드 포인트에 도달하기 전에 용탕이 응고될 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가압 개시 시간은 1.0 내지 1.5초, 상기 스퀴즈 압력은 2000kg/㎠내지 2500kg/㎠범위인 것이 가장 바람직하다. 특히, 가장 우수한 특성을 지니는 주물은 가압 개시 시간이 1.0초이고 스퀴즈 압력은 2000kg/㎠인 것으로 밝혀졌다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 필요한 도면은 제1도 및 제2도에 도시되어 있다.

본 실시예에서 주물 재료로 쓰인 금속은 일반적으로 널리 사용되는 Al-Si 합금이었으며, 이것은 아래 표 1에서 보는 바와 같이 11.0 내지 11.5wt%의 실리콘(Si)을 함유한 알루미늄(Al) 베이스 합금이다.

제1도에는 본 발명에 따른 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅법을 실시할 수 있는 다이캐스팅 설비가 도시되어 있다. 상기 다이캐스팅 설비는 용탕이 투입되는 탕도부(11) 및 주물형성부(12)가 형성된 금형다이(13)를 포함하고, 주물형성부(12)의 후육부분에는 스퀴즈 가압을 위한 가압 플런저(14)가 설치되어 있다. 가압 플런저(14)는 유압실린더(15)에 의해 전진 및 후퇴된다. 한편, 금형 다이(13) 내에 용탕을 주탕하기 전에 미리 산소가스(O)를 충전시킬 수 있도록 가스 충진설비(16)가 포함된다.

본 발명의실시예에 따르면, 용탕 주탕 전에 먼저 탕도부(11) 및 주물형성부(12)가 순수 산소가스로 충진된다. 본 실시예에서 산소가스의 충진 압력은 약 12kg/㎠였다.

이와 같이 산소가스가 충진된 금형 다이(13) 내에 상기 표 1의 조성을 가지는 용탕을 급탕하며 이때의 용탕사출은 850 kg/㎠의 압력으로 0.2 내지 1.8m/s의 속도로 이루어 졌다. 또한, 용탕의 온도는 670℃±5℃였다.

급탕이 이루어지면서 미리 충진되어 있던 산소가스와 용탕이 순간적으로 서로반응하여 용탕 표면에 산화알루미늄(AlO)의 보호피막이 형성되며 이때 발생하는 순간적인 진공상태에서 성형이 진행되므로 주물내에서 기공의 생성을 억제할 수 있다. 이러한 산화알루미늄 산화층은 극히 얇고 소량이어서 최종 주조품의 품질에는 영향을 미치지 않는다.

이어서 주물형성부(12)까지 완전히 급탕된 후 부분적인 스퀴즈 가압이 행해진다. 스퀴즈 가압은 주물의 후육부분에 대해서 부분적으로 가해지며, 가압 개시 시간은 용탕의 급탕이 완료된 후 0.5 내지 2.0초이다.

본 발명에 있어서, 주물의 최종 품질을 향상시키는 중요한 두 가지 인자는 스퀴즈 가압 개시 시간과 스퀴즈 가압력이다.

일반적으로, 주물 내의 기공 생성은 기공의 압력이 주위에있는 용탕의 압력과 용탕의 응집력에 의하여 받는 압력의 합보다 클때 일어난다. 따라서 용탕의 가압력을 증가시키면 용탕의 응집력도 증가한며 그만큼 기공의 생성도 억제할 수 있다. 따라서, 주물의 두께가 두꺼운 후육부분에서 발생할 수 있는 기공의 결함은 용탕을 직접 가압해주는 방법에 의해 제어할 수 있는 것이다.

후육부분의 결함을 제어하기 위한 스퀴즈 가압은 유압 실린더(15)에 의해 구동되는 가압 플런저(14)에 의해 이루어진다. 급탕 완료 후 가압개시 시간이 경과와 동시에 가압 플런저(14)에 의한 스퀴즈 압력이 후육부분에 전달되는데, 이러한 과정동안 용탕은 계속 냉각되어 응고된다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예를 통해, 상기 가압 개시 시간 및 스퀴즈 압력이 주물에 미치는 영향을 살펴보기로 한다.

먼저, 스퀴즈 가압력은 1500, 2000, 2500 및 3000 kg/㎠으로 구분하고, 이들 각각에 대해서 동일 가압력에 대한 가압 개시 시간을 0.5, 1.0 1.5및 2.0초로 변화시킴으로써 주물의 특성을 비교하였다.

최종 주조품의 밀도는 전자비중계에 의해 측정되었으며, 이에 대한 결과가 제2도의 그래프로 주어졌다.

그래프에서 보는 바와 같이, 스퀴즈 가압력이 1500kg/㎠인 경우에는 가압 개시 시간이 길어질수록 밀도는 감소하였다. 반대로 가압력이 3000kg/㎠일 때에는 가압 개시 시간이 길어질수록 밀도가 증가하지만 만약 가압 개시 시간이 1.5 초보다 크면 다시 밀도가 현저하게 가소하는 것을 볼 수 있다. 한편, 가압력이 2000 내지 2500kg/㎠이고 가압 개시 시간은 약 1.0 초일 때 밀도가 가장 높았으며 가압 개시 시간이 이보다 길거나 짧은 경우에는 밀도가 감소하였다.

이상고 같은, 스퀴즈 가압력과 가압 개시 시간의 상호 관계는 상기 가압 플런저(14)의 전진 거리를 고찰함으로써 이해될 수 있다.

금형 다이(13) 내에 공급된 용탕은 급속한 응고과정을 거치게 되는데, 만약 용탕 급탕 후 가압 개시 시간이 너무 길면 용탕은 이미 충분한 응고가 이루어진 상태이므로 가압 플런저(14)에 의해 스퀴즈 압력을 가하더라도 가압 플런저(14)는 주물을 충분히 가압하지 못하고 응고층의 변형 저항력 대문에 플런저 스트로크(stroke)는 원래의 그것보다 현저히 짧아지게 되어 가압 효과가 충분히 달성되지 못한다. 미세 조직적으로는, 가압 개시 시간이 길어질수록 초정 Al수지상이 많이 발달하고 이것은 가압에 의한 파괴가 용이하지 않으므로 응고수축에 대한 용탕 보충이 나빠 기공을 혼입한 다소 불건전한 조직으로 응고가 되는 것으로 생각된다.

마찬가지로, 가압력이 매우 낮은 경우에도 스퀴즈 가압력이 응고층의 변형 저항력보다 작아 가압 플런저의 전진 거리는 짧아지게 된다.

반면에, 응고층의 변형 저항력보다 가압력이 지나치게 높거나 가압개시 시간이 짧으면, 오히려 가압 플런저가 순간적으로 전진하여 초대 전진 거리인 스트로크 앤드 포인트(stroke end point)까지 도달하게 되고, 그 후에 비로소 응고가 진행되므로 또 다른 부위에 최종 응고부를 형성하여 수축공을 유발하기 때문에 그 결과 최종 주조품의 밀도가 감소하는 것으로밝혀졌다.

결론적으로, 가압 플런저의 전진 거리는 스퀴즈 가압력이 클수록, 가압 개시 시간이 짧을수록 길어진다.

이상과 같은 사실로부터 본 발명의 가장 바람직한 실시예는 가압플런저가 가압 과정중에 스트로크 앤드 포인트에 도달하지 않는 범위내에서 정해진다는 것을 알 수 있으며, 이것은 가압 개시 시간 및 스퀴즈 압력의 상호 조절에 의해 달성될 수 있다.

다시 말해, 상기 가압 개시 시간 및 스퀴즈 압력중 적어도 하나는, 상기 유압 실린더가 스트로크 앤드 포인트에 도달하기 전에 용탕이 응고될 수 있도록 조절되는 것이 중요하다. 가장 바람직한 조건은 스퀴즈 가압력이 2000kg/㎠이고 가압 개시 시간은 1.0초일 때인데, 이때는 응고과정중에 조대한 침상형 공정의 정출이 감소하였고, 결정입계 부근에 아주 미세한 입자상의 공정 Si이 형성되었음을 현미경 조직으로부터 확인할 수 있었다. 합금의 강도는 일반적으로 결정립의 크기에 의존하며 실온에 있어서 결정립에 미세할수록 강도는 증가한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅 주조 방법에 의한 효과를 살펴보기 위해 다른 주조법, 예컨대 일반적인 다이캐스팅법(Ordinary die casting)과 비교하기로 한다.

동일한 재료인 Al-Si합금을 사용해 본 발명에 의한 방법 및 일반적인 다이캐스팅 방법으로 주물을 제조하였다. 본 발명에 따른 주물은 2000kg/㎠의 스퀴즈 가압력 및 1.0초의 가압 개시 시간의 조건하에서 제작되었다. 제작된 각각의 주조품은 인장시편으로 만들어져 인장강도 및 연신율 등이 측정되었으며, 그 결과가 표 2에 나타나 있다.

표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 주조법은 기존의 다이캐스팅법에 비해 항복강도, 인장강도, 밀도 등에 있어서 우수한 효과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 더욱이, 연신율의 경우에는 본 발명에 따라 제작된 주조품이 기존의 다이캐스팅에 의해 제조된 것에 비해 무려 2배이상의 연신 특성을 가진다.

이러한 재료 특성의 향상은 본 발명의 미세한 초정상의 형성과 기공 및 수축공의 감소로부터 비롯된 것이라고 생각된다. 즉, 일반적인 다이캐스팅에 있어서는 조대 Al상의 발생이 많고 공정상도 이들 조대상 사이에 편재되어 있는 불균일한 조직을 가질 뿐만 아니라 기공 및 수축공의 생성으로 인해 강도가 현저히 떨어지는 것으로 알려졌다.

본 발명의 또 다른 효과는, 본 발명인 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의해 제조된 주조품에 대한 열처리가 용이하고 이로인한 기계적 특성도 현저히 향상된다는 것이다.

일반적인 다이캐스팅에 의해 제조된 주조물은 열처리를 하면 수축 미세공과 기공 등의 내부결함의 팽창으로 인해 표면에 블리스터(blister)가 생성되기 대문에 열처리가 용이하지 않다. 그러나, 본 발명에 의해 제조된 주조품은 내부 기공의 생성이 억제되므로 열처리가 용이할 뿐만 아니라 열처리를 거치면 기계적 강도가 더욱 향상된다.

아래 표 3은 본 발명에 따른 방법으로 제작된 시편에 대해 열처리, 예컨대 약 510℃에서 4시간 용체화처리를 한 후 170℃에서 10시간 동안 유지시켜 인공시효를 거치는 소위 T6열처리를 행한 후의 특성을 나타낸 것이다.

상기 표 3과 전술한 표 2를 상호 비교한다면, 열처리에 의해 기계적 특성의 현저한 향상을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의한 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조 방법은 다이캐스팅의 고정밀도 및 고생산성을 살리면서, 또한 그것으로부터 발생할 수 있는 기공 등의 내부 결함을 산소 치환 및 부분적인 스퀴즈 가압을 이용해 제어함으로써 강도 및 연신율 등의 기계적 성질이 우수한 주조품을 생산할 수 있게 한다.

비록, 본 발명을 도면 및 상세한 설명에 한정하여 설명하였으나 이것에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 다양한 변형예는 재료에 따라 얼마든지 이루어질 수 있다.

Claims (3)

1. 용탕 주탕 전에 탕도부와 주물형성부 내를 순수 산소가스로충진시키는 단계; 용탕을 주탕하는 단계; 및 용탕 주탕 후 1.0~1.5초의 가압 개시 시간이 경과한 뒤 가압 플런저에 의해 주물의 후육 부분에 2000~2500 kg/㎠으로 부분적인 스퀴즈 압력을 직접 가하면서 용탕을 냉각시키는 단계를 포함하고, 상기 유압 실린더가 스트로크 앤드 포인트에 도달하기 전에 용탕이 응고되는 것을 특징으로 하는 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가압 개시 시간은 1.0초이고, 상기 스퀴즈 압력은 2000kg/㎠인 것을 특징으로 하는 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조 방법.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주물용 용탕은 Al-Si합금인 것을 특징으로 하는 스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조 방법.