KR100244930B1

KR100244930B1 - 부상식 용해법 및 부상식 용해 주조장치

Info

Publication number: KR100244930B1
Application number: KR1019960012157A
Authority: KR
Inventors: 노보루 데무까이; 마사유끼 야마모또; 쥰지 야마다
Original assignee: 간지 도미타; 다이도 도꾸슈꼬 가부시끼가이샤
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 2000-03-02
Also published as: DE69614619T2; EP0751361B1; JP2783193B2; KR970000396A; US5738163A; EP0751361A1; DE69614619D1; JPH0910916A; RU2151207C1; TW285648B

Abstract

본 발명은 부상식 용해에 있어서, 스크랩부재와 같은 각종 형상의 용해재료를 사용할 수 있으며, 동시에 그와 같은 용해재료를 사용하더라도 가열효율을 한층 양호하게 유지할 있게 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 다음과 같이 작동된다. 도가니(13)의 내경과 일치하도록 형성한 스타트재료봉WB를 삽입하고 아르곤 가스로 밀봉하여 용해를 개시한다. (A). 그리고 용탕WM이 형성되면, 주형(31)의 빨아올림관(33)을 용탕WM내로 삽입하고, 감압흡인에 의해 용탕WM의 일부를 주형(31)내에 빨아올려 주조를 행한다 (B). 주조가 완료되면 슬라이드 덮개(15)를 슬라이드시키고, 용해재료 홀더(19)를 도가니(13)의 바로 아래에 위치하도록 세팅시키고, 슬라이드 셔터(35)를 열어 용해재료편WS을 홀더(13)내에 남아 있는 용탕WM 위에 추가 삽입한다 (C). 추가삽입된 용해재료편WS의 격간에 용탕WM이 흘러들어가 조밀한 상태의 덩어리에 대하여 유도가열이 실행된다.

Description

부상식 용해법 및 부상식 용해 주조장치

제1도는 실시예에 있어서의 부상식 용해·주조장치의 구성을 도시한 설명도.

제2도는 실시예에 있어서의 처리순서를 도시한 설명도.

제3도는 실험결과를 기초로 작성한 그래프.

제4도는 종래의 부상식 용해·주조장치의 구성을 도시한 설명도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 용해 주조장치 11 : 유도가열 코일

13 : 수냉식 동 도가니 15 : 슬라이드 덮개

17 : 감압 흡인장치 19 : 용해재료 홀더

21 : 외측통 23 : 내측통

25 : 아르곤 가스흡입구 27 : 감압구

31 : 정밀 주형 33 : 흡입관

35 : 슬라이드 셔터 37 : 주형 누름부

WB : 개시용 재료봉 WM : 용탕

WS : 용해재료편

본 발명은 주변에 유도가열코일을 설치한 수냉식 동 도가니 내에 용해재료를 삽입하고, 도가니 벽면에 용탕이 접촉하지 않도록하여 용해를 행하는 부상식 용해법에 관한 것이다.

종래, Ti와 같은 고 융점 활성금속에 의한 정밀주조를 행할 경우, 제4도에 도시한 바와 같이, 원통형상의 수냉식 동 도가니(101) 주변에 유도가열코일(103)을 설치하고, 도가니(101)의 하방으로부터 용해모재(105)를 삽입함과 동시에 도가니 내부를 아르곤가스로 밀봉하고, 용탕을 도가니 벽면에 접촉시키지 않도록 형성하여, 용탕내에 개재물이 혼입하지 않도록 하면서 정밀주조형틀(107)내로 빨아올려 용해 주조하는 방법(부상식 용해법)이 공지되어 있다(예를 들면, 일본국 특허공개공보 제 41062/92호).

이와 같은 종래의 부상식 용해법을 응용한 용해 주조법에서는 주형에 용탕을 빨아올리면, 다음 주조를 위해서 모재(105)를 밀어 올려 새로운 용탕을 형성하고, 다음 주조를 행하였다.

그러나, 이러한 용해법에서는 도가니(101)에 합치는 특정 단면형상의 모재(105)를 준비해 두어야 하며, 이와 같은 모재(105)를 용해하기 쉬운 형태로 미리 제조해두기 위한 공정이 별도로 필요하였다(예를 들면, 일본국 특허공개공보 제 71416/94호).

이와는 별개로, 출탕 후 도가니 상부로부터 스크랩부재 등을 삽입하도록 하면 상기한 바와 같은 모재 제조를 위한 수고는 없어지지만, 스크랩부재는 다양한 형상을 가지고 있고 스크랩 사이의 공극이 커 충전효율이 낮기 때문에, 유도가열에 의한 가열효율이 불량하여, 용해속도가 향상되지 않는다는 문제점이 있다. 그리하여, 결국 전체적인 공정수를 줄이는 것은 불충분한 것이 되고 만다.

따라서, 본 발명은 스크랩부재와 같은 다양한 형상의 용해재료를 사용할 수 있으며, 동시에, 그와 같은 용해재료를 사용하더라도 가열효율을 한층 양호하게 유지하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 부상식 용해법은, 주위에 유도가열 코일을 설치한 수냉식 동 도가니내에 용해재료를 삽입하고, 도가니 벽면에 용탕이 접촉하지 않도록 하여 용해를 행하는 부상식 용해법에 있어서, 출탕시에 용탕을 도가니내에 남게 하고, 상기 용탕의 위에 새로운 용해 재료를 추가적으로 삽입함으로써 반복하여 용해를 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 부상식 용해법에 따르면, 출탕되지 않은채 도가니내에 남겨진 용탕의 위에 새로운 용해재료를 추가하므로, 잔존해 있는 용탕이 용해재료의 간격사이로 들어가게 되고, 결과적으로 추가 삽입되는 용해재료의 형상이 불규칙적이며 부피빌도도 낮더라도, 재료의 간격사이에 남은 용탕이 흘러 들어가 전체적으로는 높은 밀도상태를 만들게 된다. 이렇게 한 결과, 용해재료로서 특정한 단면형상을 갖는 것을 준비하지 않아도 되며, 용해재료를 조정하는 공정도 불필요하게 할 수 있다. 또한, 부피밀도가 낮은 불규칙적인 형상의 용해재료를 사용하더라도, 효율적으로 용해를 실시할 수 있으며, 전체적인 공정수도 줄일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 용해재료를 조정하는 비용을 없애고, 전체적인 공정수도 대폭 단축시킬 수 있기 때문에, 예를 들어, 정밀주도 등에 적용할 경우 최종 제품의 비용도 대폭적으로 줄일 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.

상기 부상식 용해법에 있어서는 특히, 상기 도가니내에 남아 있는 용탕의 양이 상기 추가 삽입되는 새로운 용해재료의 간격을 채우기에 충분한 양이어야 바람직하며, 보다 구체적으로는 아래(1)식에 있어서, K〈1.8을 만족시키도록 추가 삽입하는 용해재료의 중량 및 부피 비중과 일회의 출탕량을 설정하면 좋다.

W_S=K·W_M/{K-1+(ρ_M/ρ_S)}…(1)

W_S;추가삽입중량(kg)

W_M;출탕전의용탕중량(kg)

ρ_M;용탕의비중(g/㎤)

ρ_S;용해재료의부피비중(g/㎤)

K ; 조업 변수

여기서, 상기 (1)식을 유도해 내는 과정에 대하여 상세히 설명함으로서 상기 식의 의미를 보다 명료하게 하기로한다.

우선, 추가 삽입되는 용해재료 중의 간격 누적 V_S은, 낱개로 삽입될 경우에는 아래(2)식으로 표시된다.

V_S=(W_S/ρ_S)-(W_S/ρ_M)=W_S(1/ρ_S-1/ρ_M) …(2)

한편, 도가니내에 남은 용탕의 체적V_R은 다음식으로 표시된다.

V_R=(W_M-W_S)ρ_M…(3)

그리고 V_S가 V_R을 크게 상회할 경우에는 재료충전이 엉성한 상태가 되어, 유도가열효과가 저하된다. 본 발명자들의 경험에 따르면, V_S=1.8V_R의 정도에 가열 효율의 천이점이 있으며, V_S 1.5V_R의 범위에서는 거의 확실하게 가열효율의 극단적인 저하를 방지할 수 있으리라 생각된다.

한편 V_S〈V_R인 경우에는 유도가열 효율을 일정한 고 레벨로 유지할 수 있으나 V_S가 V_R보다 극단적으로 작다는 것은 너무 큰 설비가 필요하게 됨을 의미한다. 본 발명자들이 검토한 바에 따르면, V_S의 하한치는 0.5V_R정도로 유지시켜 두면 설비 크기와의 관계에 있어 현실적이라 결론을 내릴 수 있다.

그리고, V_S와 V_R과의 유효한 비율범위를 K로 해두면, V_S와 V_R과의 관계는 다음식으로 표시된다.

V_S= K·V_R…(4)

상기(4)식에 (2)식 및 (3)식을 대입하여 정리하면, 아래(5)~(7)식과같이 변형 할 수 있다.

W_S(1/ρ_S-1/ρ_M)=K·(W_M-W_S)/ρ_M…(5)

W_S(1/ρ_S-1/ρ_M+K/ρ_M)=K·W_M/ρ_M…(6)

W_S=K·W_M/(K-1+ρ_M/ρ_S) …(7)

이렇게 해서 상기(1)식=(7)식인 관계를 도출할 수 있다. 그리고, 상기 한 바와 같이, K는 그 유효범위로서 1.8을 넘지말아야 하며, 보다 확실하게는 설비의 대형화라는 문제점도 고려하여 0.5≤K≤1.5가 되어야 한다.

또한, 본 발명의 부상식 용해법에 있어서는, 추가적으로 삽입해야할 용해재료의 부피비중이 아래(8)식에 있어서 K〈1.8을 만족하도록, 용해재료가 될 재료편 및 재료분을 혼합해 두면 좋다. 이 경우에도, 보다 바람직하게는 0.5≤K≤1.5로 한다.

ρ_S=ρ_M·W_S/{K(W_M-W_S)+W_S}…(8)

W_S;추가 삽입 중량(kg)

W_M;출탕전의 용탕중량(kg)

ρ_M;용탕의 비중(g/㎤)

ρ_S;용해 재료의 부피 비중(g/㎤)

K : 조업 변수

상기한 식은, 상기(7)식을 변형하여 ρ_S에 관해 정리한 것이다.

예를들어, 동일형태의 주형을 사용하여 정밀주조에 의한 대량생산을 행하는 경우 등에 있어서는, 상기 추가삽입중량(W_S)은 주형의 크기에 의해 거의 일정한 값으로 결정되게 된다. 그리고 상기 중량에 맞게 추가삽입용 용해재료를 조정함에 있어서, 상기(8)식을 만족하도록 용해재료로서의 각종 형상의 재료의 혼합비율 등을 결정하면 좋다.

한편, 본 발명의 방법에 있어서는, W_M이 반드시 상수가 될 필요는 없으며, 상기 (1)식이나 (8)을 만족하는 한에서는 다소 증감시키면서 반복 용해를 실시하도록 해도 좋다. 따라서, 추가 삽입하는 용해재료도 상기(1)식이나 (8)식을 만족시키는 범위내에서 삽입량이나 부피비중을 증감시켜도 상관없다.

또한, 본 발명은 어떠한 용해재료에 대해서도 적용할 수 있으나, 부상식 용해법 자체의 특징으로서 개재물의 혼힙을 방지할 수 있으므로, Ti, Cr, Mo, Ni 등이나, 이들의 합금과 같은 고 융점활성금속의 용해에 특히 적합하다. 또한 용도로서는 니어네트 형상 주조(절삭등 마무리가공의 양이 극히 적은 최종형상에 근접한 형상 주조, 예를 들어, 정밀주조 등)을 행할 경우의 용해법으로서 특히 적합하다. 물론, 상기 용해재료 이외의 재료를 사용해도 좋으며, 또한, 니어 네트 형상 주조 이외의 주조(예를 들어, 고트 주조, 빌레트 주조)나, 그 밖의 용도에 적용해도 좋다. 아무튼, 거의 일정량만큼식 출탕하면서 부상식 용해를 계속하는 방법이라면, 어떠한 용해재료나 어떠한 용도에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 부상식 용해법을 주조에 적용할 경우, 주위에 유도 가열 코일을 설치한 수냉식 동 도가니의 바닥을 용해재료와 동일한 재료에 의해 폐쇄함과 동시에, 도가니내를 불활성 가스로 밀봉하고, 상기 유도 가열코일에 통전하여 도가니내의 용해재료를 용해하며, 주형의 흡입관을 도가니 상부로부터 용탕내로 삽입하여 감압흡인 주조를 행하도록 구성한 부상식 용해 주조 장치에 있어서, 도가니 내에 삽입해야할 용해재료를 수납하는 용해재료 홀더를 구비하고, 상기 홀더를 상기 감압흡인 주조에 의한 주조가 완료되면 주형대신에 도가니상에 위치시켜 홀더내의 용해재료를 도가니 내에 투입하도록 구성한 것을 특징으로 하는 부상식 용해 주조 장치를 이용하면 좋다. 본 장치가 종래의 부상식 용해 주조 장치와 다른 점은 용해재료 홀더를 채용하여, 홀더 상부로부터 용해재료를 추가 삽입할 수 있도록 한 것이다. 그리고, 이와 같이 용해재료 홀더를 채용함으로서, 상기 (1)식이나 (8)식을 만족시키도록 미리 용해재료를 준비해 둘 수 있으며, 상기한 식을 만족하도록 용해재료의 추가 삽입을 용이하게 하고 있다.

[실시예]

다음으로, 본 발명을 한층 분명히 하기 위하여 실시예를 설명하기로 한다.

실시예는 Ti합금제 골프 클럽 헤드에 대하여, 니어네트 형상의 정밀주조를 행하기위한 용해 주조 장치에 관한 것이다.

상기 용해 주조 장치(10)는 제1도에 도시한 바와 같이, 주위에 유도 가열코일(11)을 설치한 원통형상의 수냉식 동 도가니(13)와, 상기 도가니(13)의 상부에 미끄럼할 수 있도록 설치된 슬라이드 덮개(15)와, 상기 슬라이드 덮개(15)에 설치된 감압흡인장치(17)와, 마찬가지로 상기 슬라이드 덮개(15)에 설치된 용해재료 홀더(19)를 주요한 구성요소로하여 이루어져 있다.

감압흡인장치(17)는, 외측통(21)과 내측통(23)에 의한 내외 이중구조로서, 내측통(23)은 상하로 승강할 수 있도록 되어있다. 또한, 외측통(21)측에는 아르곤 가스 흡입구(25)가 구비되어 있어, 용해·주조시에 외측통(21) 저부의 간격을 통해 도가니(13) 내부를 아르곤 가스로 밀봉하는 역할을 담당한다. 또한 내측통(23)에는 진공 펌프(도시 않음)와 연결된 감압구(27)가 구비되어 있다. 그리고, 상기 내측통(23)에 감압흡인 주조용 정밀주형(31)이 설치되어 있다. 상기 주형(31)에는 하방으로 연장하는 흡입관(33)이 구비되어, 내측통(23)을 하강시킴으로써 빨아올림관(33)을 용탕속에 삽입하며, 상기 감압구(27)로부터 감압흡인을 행함으로써 주형(31)내에 용탕을 빨아올려 주조를 행한다.

용해재료 홀더(19)는 저부에 슬라이드 셔터(35)를 구비하며, 상부로부터 투입한 스크랩과 같이 각종 형상을 가진 용해재료편(WS)을 저부로부터 투하할 수 있도록 되어 있다. 상기 용해재료 홀더(19)에는, (1)식이나 (8)식을 만족시키도록 미리 혼합·계량한 용해재료편(WS)이 투입되어 있다. 한편, 도면 중 도면부호 37은 주형 누름부이다.

이상과 같은 장치를 사용하여, 제2도에 도시한 바와 같은 순서로 용해·주조를 반복 실행한다.

우선, 가장 먼저, 단면의 형상을 도가니(13)의 내경과 일치하도록 형성한 개시용 재료로서의 용해재료 봉(WB)을 삽입한다. 그리고, 도가니(13)의 상부 개구를 감압흡인장치(17)의 외측통(21)부분에서 막도록 슬라이드 덮개(15)를 셋팅시키고, 아르곤 흡입구(25)로부터 아르곤 가스를 흡입하여 도가니(13)내부를 밀봉하고, 코일(11)에 통전하여 용해를 개시한다. 한편, 이때 감압흡인장치(17)의 내측통(23)은 상승위치에 있다 ((A)참조).

이와 같이 부상식 용해를 실행하여, 스타트용 재료봉(WB)에 의한 용탕(WM)이 형성되었으면, 감압흡인장치(17)의 내측통(23)을 하강시키고, 주형(31)의 흡입관(33)을 용탕(WM)내로 삽입한다. 그리고, 감압흡인에 의하여 용탕(WM)의 일부를 주형(31)내로 빨아올려 주조를 행한다. 한편, 이 경우 빨아올린 양은 주형(31)의 크기에 따라 거의 일정한 양이 된다((B참조).

이렇게 하여 주조가 완료되며, 슬라이드 덮개(15)를 미끄럼시키고 용해 재료 홀더(19)를 도가니(13)의 바로 아래에 위치하도록 세팅시킨다. 그리고, 슬라이드 셔터(35)를 열고, 용해재료편(WS)을 도가니(13)내에 남아 있는 요탕(WM) 위에 추가적으로 삽입한다 ((C) 참조).

추가적으로 삽입된 각종 형상의 용해재료편(WS)은 전술한 (1)식이나 (8)식으로 만족시키는 ρs가 되도록 혼합되며, 또한 중량적으로 출탕량과 거의 동일해지도록 계량되어 준비된 것으로서, 그 자체는 간격이 있는 성긴 덩어리이다. 그러나 전술한 바와같이 도가니(13)내에 용탕(WM)이 남아 있기 때문에, 상기 간격내에 용탕(WM)이 흘러들어가서 전체적으로는 조밀한 덩어리가 되어 코일(11)에 의한 가열을 받는다((D참조). 그 결과, 가열효율을 저하시키는 일 없이 신속하게 용해시킬 수 있다.

한편, 용해재료편(WS)을 추가삽입하여 용탕을 형성하고 있는 동안, 다음에 사용하는 주형(31)을 세팅해 둔다. 또한, 감암흡인주조를 행하고 있는 동안에, 다음에 추가삽입해야할 용해재료편(WS)을 홀더 내(19)에 준비해 둔다. 이렇게 해서, 용해감압흡인주조재료 추가삽입감압흡인주조…의 공정을 반복실행하여, 원하는 주조품을 효율적으로 제조할 수 있다.

다음으로, 부상식 용해의 실험예에 관하여 설명하기로 한다. 실험에는 상기한 실시예인 용해·주조장치(10)를 사용하고, 용해재료로서 Ti - 6Al -4V합금을 사용하였다. 그리고, 상기(1)식 등에 사용한 각 변수를 아래의 표 1에 기재된 바와 같이 취하고, 추가삽입한 용해재료를 용해하는데 소요되는 시간을 계측하였다.

그 결과를 그래프에 도시하면 제 3도와 같이 된다. 상기한 그래프로 부터 알 수 있는 바와 같이, No.1~No.3은 용해시간이 약60초 이하로 단시간이었음에 비하여, No.4~No.5가 되면 급격히 용해시간이 장기화 됨을 알 수 있다. 이는, K가 커질수록 추가 삽입된 용해재료편의 간격이 커져, 충분히 용탕이 흘러들어가지 못하고 엉성한 상태인 채로 유도가열이 행해지기 때문이라 생각된다.

또한, K=1.8인 No.4와 No.6에 있어서 용해시간이 94초 및 135초와 같이 약 50%정도 상위하다는 사실로부터, K=1.8 정도에 천이점이 있다고 생각할 수 있다. 또한, K가 일정한 레벨보다 작아지면 각 용해재료편의 간격은 잔존해 있는 용탕에의해 모두 충전된다고 보아도 좋으므로, 용해시간이 변수(K)와 상관없이 거의 일정하게 된다.

이상과 같은 사실을 염두에 두고, K=1.8정도를 중심으로 천이점이 있다는 사실과, 일정한 수치 이하에서는 K에 관계없이 용해시간이 거의 일정해진다는 사실로부터 그래프에 실선을 그려보면, 도시한 바와 같이 K=1.5보다 아래에서는 용해시간을 충분히 단축시킬수 있다고해도 지장이 없음을 알 수 있다.

한편, K의 값이 작다는 것은, 출탕량의 비율을 작게하고 남기는 용탕량을 크게 함을 의미한다. 따라서, K를 너무 작게 설정할 경우에는 큰 도가니가 필요하게 되어 실제의 조업에 문제가 발생하게 된다.

이상과 같은 관점을 통해, K의 상한치로서 1.8을 넘지 않을 것, 보다 바람직하게는 1.5이하로 되어 있을 것, 보다 더 바람직하게는 1.2이하로 되어 있어야 하며, K의 하한치로서는 0.5정도로 억제되어 있을 필요가 있다.

이상, 본 발명의 실시예를 설명하였는데, 본 발명은 이에 국한되지 않고 각종 다양한 형태로 실시할 수 있음은 물론이다.

Claims

주위에 유도가열 코일(11)을 설치한 수냉식 동 도가니내에 용해재료를 삽입하고, 도가니 벽면에 용탕이 접촉하지 않도록 하여 용해를 행하는 부상식 용해법에 있어서, 주조 후에 새로 투입되는 용해재료의 간격의 총합보다 큰 양의 용탕(WM)을 도가니(13) 내에 남도록 하고, 상기 용탕(WM) 위에 추가로 삽입되는 용해재료를 반복 용해하여 주조를 수행하는 것을 특징으로 하는 부상식 용해법.
제1항에 있어서, 아래 식에서 K〈1.8을 만족하도록, 추가 삽입하는 용해재료의 중량 및 부피 비중과, 일회의 출탕량을 설정하는 것을 특징으로 하는 부상식 용해법.

W_S=K·W_M/{K-1+(ρ_M/ρ_S)}

W_S;추가삽입중량(kg)

W_M;출탕전의용탕중량(kg)

ρ_M;용탕의비중(g/㎤)

ρ_S;용해재료의부피비중(g/㎤)

K ; 조업 변수
제1항에 있어서, 추가 삽입할 용해재료의 부피비중이 아래 식에 있어서, K〈1.8을 만족하도록, 용해재료가 될 재료편 및 재료분을 혼합해 두는 것을 특징으로하는 부상식 용해법.

ρ_S=ρ_M·W_S/{K(W_M-W_S)+W_S}

W_S;추가삽입중량(kg)

W_M;출탕전의용탕중량(kg)

ρ_M;용탕의비중(g/㎤)

ρ_S;용해재료의부피비중(g/㎤)

K;조업 변수
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 조업 변수가 0.5≤K≤1.5를 만족하는 것을 특징으로 하는 부상식 용해법.
주위에 유도가열 코일(11)을 설치한 수냉식 동 도가니(13)의 바닥을 용해재료와 동일한 재료로 폐쇄함과 동시에, 도가니(13) 내부를 불활성 가스로 밀봉하고, 상기 유도가열 코일(11)에 통전하여 도가니(13) 내의 용해재료를 용해하고, 주형(31)의 흡입관(33)을 도가니 상부로부터 용탕내로 삽입하여, 감압흡인 주조를 행하도록 구성한 부상식 용해 주조 장치에 있어서, 도가니(13)내에 삽입할 용해재료를 수납하는 용해재료 홀더(19), 및 상기 감압흡인 주조에 의한 완료시 상기 홀더(19)를 주형 대신에 도가니(13) 위에 위치시켜 상기 홀더(19)내의 용해재료를 도가니(13)내에 투입하도록 상기 홀더(19)를 미끄럼 이동시키는 슬라이드 덮개(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 부상식 용해 주조 장치.