KR100215420B1 - Method and device for exhaust valve spindle - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은 전극용해 주조법을 이용하여 엔진에 구비되는 배기밸브의 스핀들 제작 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 배기밸브 스핀들 제작 방법에서는 전극용해 주조법을 이용하고, 또한 시트에 스핀들이 일체로 융작되게 되는 고정주형 내부에 냉각수 통로가 다단계로 점증식으로 구성되어 있으므로, 응력부의 수직 일방향으로만 응고가 되도록 하여 스핀들의 내구성 및 내식성이 향상될 뿐만아니라, 제작비도 감소하게 되는 효과가 있다.The present disclosure relates to a method of manufacturing a spindle of an exhaust valve provided in an engine using an electrode melting casting method. Since the method of manufacturing an exhaust valve spindle according to the present invention uses an electrode melting casting method and is constituted so that the cooling water passages are multi-stage pumped in the fixed mold inside which the spindle is integrally cast on the sheet, So that the durability and the corrosion resistance of the spindle are improved, and the production cost is also reduced.
Description
본 발명은 엔진을 구성하는 배기밸브의 스핀들 제작 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 전극용해 주조법을 이용한 배기밸브 스핀들 제작 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing an exhaust valve spindle constituting an engine, and more particularly, to a method and an apparatus for manufacturing an exhaust valve spindle using an electrode melting casting method.
일반적으로, 배기밸브는 연소된 연소가스가 엔진외부로 배출되는 부분이므로 흡입밸브에 비해 상당한 내열성 및 내식성이 필요하게 된다.Generally, the exhaust valve is a portion where the combusted combustion gas is discharged to the outside of the engine, so that it requires a considerable heat resistance and corrosion resistance as compared with the intake valve.
이러한 배기밸브의 스핀들부분은 종래에는 도1에서 보는 바와같이, 대형 단조기를 사용하여 진공처리된 니켈강(80% Ni-20% Cr 합금강)주괴를 일체형으로 단조하여 제작하거나, 이보다 제작 단가를 낮추기 위해 상부와 하부를 성분이 다른 주괴를 이용하여 단조공정으로 각각 제작한 후 이를 접합하는 방법으로 제작하게 된다. 도1a 및 도1b는 종래의 배기밸브 스핀들을 제작하기 위한 단조기를 보여주는 평면도이다. 단조기(10)는 해머(12)를 갖고 있고, 이 해머(12)는 연결된 동력장치(미도시)에 의해, 제작하고자 하는 스핀들(14)의 종류에 따라 적당하게 타력 및 그 타의 횟수가 조절되어 스핀들이 제작될 수 있게 되는 것이다.As shown in FIG. 1, the spindle portion of such an exhaust valve is manufactured by monolithically forging the ingot of vacuum-treated nickel steel (80% Ni-20% Cr alloy steel) by using a large forging machine, It is manufactured by forging process using upper and lower ingots different in composition and joining them. 1A and 1B are plan views showing a forging machine for manufacturing a conventional exhaust valve spindle. The hammer 12 is connected to the hammer 12 by means of a power unit (not shown) connected to the hammer 12. The hammer 12 is controlled by the power unit (not shown) So that the spindle can be manufactured.
또한, 단조기(10)를 사용하여 합금강을 단조할 경우에는 제작되는 제품의 각 부위는 그 조직이 단조비에 따라 각기 다른 결정립으로 구성되게 된다. 도2는 단조비에 따른 종래의 스핀들 각 부위의 각기 다른 결정립을 보여주는 도면이다. 본 도에서 보는 바와 같이, 종래의 공법으로 제작된 제품은 각 부위의 조직이 단조비에 따라 달라지게 되며, 이들 경계면에 취약부가 형성되어 외부로부터의 타격 및 침식에 약하게 되므로 수명이 단축되게 된다. 특히, 도면의 하부 우측에서 보여지는 결정립은 단조를 위해 가열을 반복함에 따라 나타나게 되는 조직구조이며, 이러한 조직구조는 인성, 강도와 같은 제품의 기계적 특성을 저해하는 요인이 된다.When the alloy steel is forged by using the step 10, each part of the product to be manufactured has different grain sizes depending on the forging ratio. FIG. 2 is a view showing different crystal grains of a conventional spindle angle portion according to a forging ratio. FIG. As shown in this drawing, the products manufactured by the conventional method are different in the structure of each part according to the forging ratio, and the weak part is formed at the interface, so that it is weakened from external impact and erosion, and thus the service life is shortened. Particularly, the crystal grains shown in the lower right of the drawing show a structure of a structure that appears as the heating is repeated for forging, and such a structure is a factor that hinders the mechanical properties of the product such as toughness and strength.
그러나, 이와같은 단조기를 사용하여 스핀들을 일체로 제작하는 종래의 제작방법에서는 단조하여 스핀들을 제작하기 위해 스핀들 무게의 2배 이상의 주괴를 사용하여야 하므로 소재 회수율이 30%~40% 정도밖에 미치지 못하게 되어 재료의 손실이 크게 된다. 뿐만 아니라, 대형설비를 이용하여 복잡한 공정을 통해 제작되므로 기계적 특성이 균일하지 않게 되고 생산단가도 비싸게 된다. 게다가, 이러한 공정을 통해 제작된 제품은 다단계의 공정을 거치게 되므로 동시에 여러 특성을 갖는 제품의 제작이 어렵게 되어 양질의 재료만을 사용하여야 하는 문제점이 있었다. 게다가, 스핀들의 상부 및 하부를 각각 제작하여 접합하는 방법에서는 그 접합부의 강도가 떨어지게 될 뿐만 아니라, 그러한 작업이 진공에서 이루어져야 하므로 추가적인 설비 및 공정이 필요하게 되어 부가적인 제작비가 더 증가하게 되는 문제점이 있었다.However, in the conventional manufacturing method of manufacturing the spindle by using such a forging machine, the ingot must be used at least twice the weight of the spindle for producing the spindle, so that the material recovery rate is only about 30% to 40% The loss of material becomes large. In addition, since a large-scale facility is used to manufacture the product through a complicated process, the mechanical characteristics become uneven and the production cost becomes high. In addition, since the products manufactured through such processes are subjected to a multi-step process, it is difficult to produce products having various characteristics, and only a high-quality material must be used. In addition, in the method of manufacturing and bonding the upper and lower portions of the spindle, not only the strength of the joining portion is lowered but also the additional operation and equipment are required because the work must be performed in vacuum, there was.
아울러, 이러한 배기밸브 스핀들은 높은 내열성 및 내마모성이 요구되므로 충분한 강도를 지녀야 하고, 이에 따라 합금강이나 니켈을 주성분으로 하는 초합금(Super Alloy)을 사용해야 한다는 등의 기계적 특성에 대한 제약이 엄격히 다루어지고 있다. 하지만, 종래의 방법으로 제작되는 이러한 스핀들은 재료로 사용되는 합금강에 편석성이 강한 니켈, 크롬이 다량 함유되어 있다. 따라서, 이 편석성에 의해 제작되는 스핀들이 수명의 감소되어 자주 이러한 부품을 교체하여야 하므로 비용부담 및 교체의 불편함이 있었다. 이에, 이러한 문제점들을 해결하여 낮은 제작비로 기계적 특성이 우수한 배기밸브 스핀들 제작 방법 및 장치를 제공하고자 한다.In addition, such exhaust valve spindles are required to have a sufficient strength because they are required to have high heat resistance and abrasion resistance, and accordingly, restrictions on mechanical properties such as the use of super alloys containing alloy steel or nickel as a main component have been strictly handled. However, such a spindle manufactured by a conventional method contains a large amount of nickel and chromium, which are highly segregated in alloy steel used as a material. Therefore, the life span of the spindle produced by this segregation has been reduced, so that such parts have to be replaced frequently, resulting in cost burdens and inconvenience of replacement. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method and an apparatus for manufacturing an exhaust valve spindle having a low manufacturing cost and excellent mechanical characteristics.
본 발명의 목적은 전극용해 주조법을 이용한 배기밸브 스핀들의 제작시 발생되는 성분의 편석을 방지하여 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 배기밸브 스핀들 제작 방법 및 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for manufacturing an exhaust valve spindle capable of preventing segregation of components generated during manufacture of an exhaust valve spindle using an electrode melt casting method, thereby improving mechanical characteristics.
도 1a, 1b는 종래의 단조공법으로 제작되는 스핀들 및 그 단조기를 도시한 도면,1A and 1B are views showing a spindle manufactured by a conventional forging method and a forging machine thereof,
도 2는 단조비에 따른 종래의 스핀들 각 부위의 각기 다른 결정립을 보여주는 도면,FIG. 2 is a view showing different crystal grains of a conventional spindle angle portion according to a forging ratio;
도 3은 본 발명에 따른 전극용해 주조법에 의해 제작되는 배기밸브를 도시한 도면,3 is a view showing an exhaust valve manufactured by the electrode melting method according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 2개의 주형이 일조로 연계되어 제작되는 배기밸브를 보여주는 도면이다.FIG. 4 is a view showing an exhaust valve in which two molds according to the present invention are fabricated in a one-tier connection.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
10: 단조기 12: 해머10: Stage 12: Hammer
14: 스핀들 20: 시트14: spindle 20: sheet
22: 고정주형 22a, 22b, 22c: 냉각수 통로22: fixed molds 22a, 22b, 22c: cooling water passage
24: 고정판 30: 용해용 전극24: Fixing plate 30: Dissolving electrode
32: 가이드 34: 이동주형32: Guide 34: Moving mold
36: 선단부 40: 용융슬래그36: tip portion 40: molten slag
42: 풀 50: 지지대42: Full 50: Support
위와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 배기밸브의 스핀들 제작 방법에 있어서, 스핀들의 시트가 주형 내부 바닥에 수용된 상태에서 상기 시트상부를 따라 소정의 스핀들을 형성하기 위하여 축 방향으로 용해용 전극을 위치시켜 그 선단부가 용융슬래그에 잠기도록 하여 용해성 전극이 용융되는 단계; 및 상기 상기 용융 슬래그에 잠긴 용해용 전극의 선단부가 용해되면서 응고됨으로써 상기 용해용 전극의 외주면에 위치한 주형 형상에 따라 상기 스핀들이 제작되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기밸브의 스핀들 제작 방법에 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a spindle for an exhaust valve, the method comprising the steps of: forming a spindle in an axial direction of the spindle, So that the tip of the molten slag is immersed in the molten slag, thereby melting the soluble electrode; And a step of preparing the spindle according to a shape of a mold located on the outer circumferential surface of the dissolution electrode by solidifying while the tip of the dissolution electrode immersed in the molten slag is dissolved .
본 발명은 상기 용해용 전극의 선단부가 용융슬래그에 잠겨 용해되어 응고됨에 따라 상기 시트의 상부가 형성되는 단계가, 상기 용해용 전극의 외주면의 주형 형상을 형성하기 위하여 축 방향으로 이동가능하게 된 이동주형이 가이드를 따라 승하강을 하면서 상기 스핀들을 형성함이 바람직하다.The step of forming the upper part of the sheet as the tip of the electrode for melting dissolves and solidifies by being immersed in the molten slag is performed by moving the shaft in the axial direction to form the mold shape of the outer circumferential surface of the melting electrode It is preferable that the spindle is formed while the mold moves up and down along the guide.
본 발명은 상기 용해용 전극이 용해되면서 응고되어 용해용 전극의 외주면에 위치한 주형 형상에 따라 상기 스핀들이 제작되는 단계는, 상기 스핀들의 내구성 및 내식성을 증가시킬 수 있도록 상기 고정주형의 점층식 다단계 냉각수 통로로써 각 부분의 냉각 조건을 동일하게 하여 상기 스핀들의 내부 결정 성장방향을 응력부의 수직방향으로 일방향 응고시키는 것이 바람직하다.The step of fabricating the spindle according to the shape of the mold located on the outer circumferential surface of the electrode for solidification while dissolving the electrode for dissolution may be performed by increasing the durability and corrosion resistance of the spindle, It is preferable that the inner crystal growth direction of the spindle is one-directionally solidified in the vertical direction of the stressed portion by making the cooling conditions of each part the same as the passage.
특히, 본 발명은 배기밸브 스핀들 제작장치가, 스핀들의 시트를 주형 내부 바닥에서 수용가능하도록 바닥에서 착탈가능한 고정판; 상기 시트상부를 따라 소정의 스핀들의 주형을 이루도록 소정의 공간을 형성하고, 일측 주형부에는 소정의 다단계 냉각수 통로를 구비한 고정주형; 상기 고정주형의 상기 용해용 전극 위치를 중심축으로 스핀들 스템의 주형을 이루도록 상기 고정주형에 형성된 가이드; 상기 가이드를 따라 승하강되는 이동주형; 및 상기 가이드의 중심축선상 위치하여 소정의 전원인가에 따라 용융되는 용해용 전극을 포함하는 배기밸브의 스핀들 제작장치로 함이 바람직하다.In particular, the present invention relates to an exhaust valve spindle manufacturing apparatus comprising: a stationary plate detachable from the floor so that a sheet of a spindle can be received at a bottom of a mold; A fixed mold having a predetermined space to form a mold of a predetermined spindle along an upper portion of the seat, and a predetermined multistage cooling water passage on one side of the seat; A guide formed on the stationary mold so as to form a mold of the spindle stem with the position of the dissolution electrode of the stationary mold as a center axis; A moving mold lifted and lowered along the guide; And an electrode for melting which is located on the central axis line of the guide and is melted according to a predetermined power application, is preferably used as an apparatus for manufacturing a spindle of an exhaust valve.
이하에서 본 발명에 따른 구성 및 작용을 설명하기 위해 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도3은 본 발명에 따른 전극용해 주조법에 의해 제작되는 배기밸브를 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따라 2개의 주형이 일조로 연계되어 제작되는 배기밸브를 보여주는 도면이다.FIG. 3 is a view showing an exhaust valve manufactured by the electrode dissolution casting method according to the present invention, and FIG. 4 is a view showing an exhaust valve in which two casting molds are connected in a tandem according to the present invention.
일반적으로 스핀들은 스템과 시트의 두 부분으로 나뉜다. 스템은 축 형상을 하고 있으며, 배기밸브가 엔진에 이동가능하게 고정되는 부분이고, 시트는 스핀들의 이동에 따라 연소된 가스가 배출되는 배출구를 개폐하는 부분이다.In general, the spindle is divided into two parts, the stem and the seat. The stem has a shaft shape and is a portion where the exhaust valve is movably fixed to the engine, and the seat is a portion that opens and closes the exhaust port through which the combusted gas is discharged according to the movement of the spindle.
상기 도면에 의한 본 발명은 크게 고정주형(22)과, 이동주형(34)로 이루어진다. 상기 고정주형(22)은 상기 시트(20)상부를 따라 소정의 스핀들의 주형을 이루도록 소정의 공간을 형성한다. 이 고정주형(22)의 내부 바닥은 스핀들의 시트(20)가 수용가능하도록 착탈되는 고정판(24)을 갖는다. 이 고정주형(22)의 축선으로는 스핀들 스템의 주형을 형성하기 위한 가이드(32)가 상기 고정주형(22)에 형성된다. 상기 가이드(32)에는 승하강되는 이동주형(34)을 구비하며, 그 축선 중심부에는 용해용 전극(30)이 위치된다.The present invention is largely composed of a stationary mold 22 and a movable mold 34. The stationary mold 22 forms a predetermined space to form a mold of a predetermined spindle along the upper portion of the sheet 20. The inner bottom of the fixed mold 22 has a fixing plate 24 which is detachably fitted to the seat 20 of the spindle. A guide 32 for forming a mold of the spindle stem is formed on the fixed mold 22 at the axis of the fixed mold 22. The guide 32 is provided with a movable mold 34 which is moved up and down, and the electrode 30 for melting is located at the center of the axis.
이와같이 본 발명 고정주형(22)과 이동주형(34) 및 용해용 전극(30)에 의한 스핀들 제작과정을 설명하면 다음과 같다.The spindle manufacturing process by the fixed mold 22, the movable mold 34 and the dissolving electrode 30 will now be described.
본 발명은 용융금속을 시트(20)의 형상으로 형성된 고정주형(22)에 주입시킨 뒤 응고시켜 1차 시트(20)를 제작한다. 이때 내부에는 다단계로 구분되어 점층식으로 구성되어 있는 고정주형(22)의 3단 냉각수 통로(22a, 22b, 22c)를 통하여 소정의 냉각이 이루어지며, 각 부분은 냉각 조건이 동일하게 구성되어 금속 결정의 성장 방향을 응력부의 수직 일방향으로 응고되도록 한다. 이것은 스핀들의 내구성 및 내식성을 증가시켜 제품 수명을 연장케 한다.In the present invention, molten metal is injected into a stationary mold (22) formed in the shape of a sheet (20) and solidified to manufacture a primary sheet (20). At this time, predetermined cooling is performed through the three-stage cooling water passages (22a, 22b, 22c) of the fixed mold (22) divided into a plurality of stages in a multistage manner, and each part has the same cooling condition, So that the growth direction of the crystal is solidified in one vertical direction of the stress portion. This increases the durability and corrosion resistance of the spindle, extending the life of the product.
이어서 고정주형(22) 내부에 축방향으로 위치한 용해용 전극(30)의 선단부(32)에 용융슬래그(slag)(40)를 주입하여 그 선단부(32)가 일부가 잠기도록 한다.Molten slag 40 is then injected into the distal end 32 of the dissolution electrode 30 located axially within the stationary mold 22 so that the distal end 32 is partially immersed.
이후에, 용해용 전극(30)에 전류를 인가하게 되면, 선단부(36)에서의 전류 흐름이 용융슬래그 및 고정판(24)사이에서 차단되게 된다. 따라서, 선단부(36)에서 주울열(Joule heat)이 발생하게 되고, 이로인해 용해용 전극(30)이 가열되어 용해되게 된다. 이렇게 용해되는 금속은 물방울 형상을 하고 높은 표면적으로 인해 내부의 불순물을 표면쪽으로 이동시키게 된다. 이 불순물은 용융슬래그(40)를 통과하게 되고, 슬래그 성분과 반응하게 되어 불순물이 제거되게 된다. 이리하여, 고순도의 용융금속만이 하부에 점차적으로 용해용전극(30)의 용융으로 이동주형(34)가 이동하므로서 용해용 전극의 용융물은 상부 일방향으로만 응고를 진행시키게 되면서 시트와 일체로 되는 스템부를 형성하게 되는 것이다.Thereafter, when a current is applied to the dissolution electrode 30, the current flow at the tip end portion 36 is blocked between the molten slag and the fixed plate 24. Therefore, Joule heat is generated in the tip portion 36, whereby the electrode for dissolution 30 is heated and dissolved. This dissolving metal is in the form of droplets, and the high surface area moves the internal impurities towards the surface. This impurity passes through the molten slag 40, reacts with the slag component, and the impurities are removed. Thus, only the high-purity molten metal is gradually transferred to the lower portion of the molten electrode 30 due to the melting of the molten electrode 30, so that the molten material of the molten electrode is allowed to solidify only in the upper one direction, Thereby forming a stem portion.
한편, 본 발명은 첨부 도면4에서 보는 바와같이, 주형 2개를 지지대(50)로 연계하여 일조로 구비하여 생산성을 배가 할 수 있다.In the meantime, as shown in FIG. 4, the present invention can provide productivity by doubling the two molds by connecting the molds to the support platform 50.
이와같이, 본 발명에 따른 배기밸브 스핀들 제작 방법에서는 전극용해 주조법을 이용하고, 또한 시트에 스핀들이 일체로 융착되게 되는 고정주형 내부에 냉각수 통로가 다단계로 점층식으로 구성되어 있으므로, 응력부의 수직 일방향으로만 응고가 되도록 하여 스핀들의 내구성 및 내식성이 향상될 뿐만 아니라, 제작비도 감소하게 되는 효과가 있다.Thus, in the method of manufacturing an exhaust valve spindle according to the present invention, since the electrode melting method is used and the cooling water passages are multistage-structured in a multistage manner inside the fixed mold in which the spindles are integrally welded to the seat, So that the durability and corrosion resistance of the spindle are improved, and the production cost is also reduced.
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