KR100293000B1 - 스퀴즈 병용 진공다이캐스팅을 이용한 에어컨용 회전사판 제조 방법 - Google Patents

Abstract

에어컨용 회전사판을 스퀴즈 병용 진공 다이캐스팅에 의해 제조하는 방법을 개시한다. 본 발명의 방법은 금형다이의 주물형성부 내를 진공으로 만드는 단계; 에어컨 회전사판 제조용 Al-Si합금의 용탕을 상기 주물형성부 내에 주입하는 단계; 및 상기 주물형성부에 공급된 용탕의 후육부분을 가압하는 단계를 포함한다. 본 발명에 있어서, 용탕을 진공분위기에서 공급하고 후육부분을 가압함으로써 기공 및 수축공의 생성을 억제하고 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.

Description

스퀴즈 병용 진공다이캐스팅을 이용한 에어컨용 회전사판 제조방법

본 발명은 고압주조법에 의해 에어컨용 회전사판(swash plate)을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 용탕의 급탕 전에 주물형성부 내를 진공분위기로 만들고 급탕 후 주물의 후육부를 부분적으로 가압하는 스퀴즈 병용 진공 다이캐스팅에 의한 에어컨용 회전사판의 제조방법에 관한 것이다.

기존의 에어컨용 회전사판은 초정 Si의 입자크기를 50마이크로미터 이하로 규제하고 편석을 허용치 않으며, 내마모성과 표면경도 HRB 65이상의 고강성이 요구되므로 이러한 조건을 만족시키기 위해 열간단조법에 의해 제조되었다. 즉, 예컨대 A390 알루미늄 연속주조제를 소정크기로 절단한 후 이를 열간단조 및 열처리하여 최종 성품을 얻었다. 알려진 바와 같이, 상기 단조법은 소재를 압축 가공함으로써 주조조직 내의 유해한 결함을 압착하여 기계적 성질을 개선하는 동시에 목적하는 형상의 제품을 제조하는 방법으로서, 특히 알루미늄 합금 단조품은 비강도가 크고 연성, 인성, 피로강도 및 내식성 등도 우수하므로 주로 항공기 부품에 사용되어 왔으나 최근에는 연비 향상을 위한 경량화 소재로 주목되면서 항공기 뿐만이 아니라 자동차, 선박, 일반기계 등의 주요 부품에 널리 사용되고 있는 실정이며, 철강 단조품 및 주철제품에 비해 약 50%의 경량화를 이룰 수 있다.

통상적인 알루미늄 단조품 제조방법으로서, 알루미늄 주조제를 균질화 처리한 후 압출한 소재 또는 알루미늄 연속주조제를 열간 단조함으로써 성품을 얻는데, 이러한 방법은 고신뢰성을 가진 제품을 얻을 수 있는 반면, 원소재로부터 마무리된 최종 단조품 완성까지의 공정수가 많고, 고가의 설비를 투자하여야 함은 물론, 형상에 있어서도 단순한 형상으로만 제한되는 등 생산성이 낮고, 제조비용이 높아 제품 경쟁력이 매우 낮은 문제점이 있다.

상기 단조법의 단점을 보완하고자 다이캐스팅에 의해 각종 공업제품 및 자동차 부품을 제조하는 시도가 이루어지고 있다. 일반적으로 다이캐스팅은 용융 금속을 고온상태에서 압입하여 표면이 고정밀도를 가지는 주물을 단시간 내에 대량으로 생산할 수 있는 고압주조법으로서 기계자동화율 및 생산성이 높은 장점을 지닌다.

그러나, 이러한 다이캐스팅은 뛰어난 생산성에 비해 주조조건에 따른 품질의 차이가 현격하기 때문에 에어컨 제조용 알루미늄 합금에 대해서 적용하기에는 용이하지 않다. 즉, 용탕이 고속, 고압으로 충진되기 때문에 내부 함유 가스량의 과다로 인해 내압성이 떨어지고, 주물형성부보다 탕도부가 먼저 응고함으로써 주물의 두께가 가장 두꺼운 소위 '후육부'에 기공이나 수축공을 발생시킨다. 이러한 기공이나 수축공의 결함은 최종 성품의 강도를 저하시킬 뿐만 아니라 후속적인 열처리 및 용접 등의 장애 요인으로 작용한다.

다이캐스팅에 있어서 상기와 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.

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

그러나, 진공 다이캐스팅 및 무공성 다이캐스팅은 기공의 생성은 억제하지만 주물의 후육부분에 발생하는 미세 수축공의 생성을 만족할 정도로 막지는 못한다.

따라서, 다이캐스팅의 특징인 우수한 용탕 충진성 및 고생산성을 유지하면서 주물의 후육부분에 미세 수축공의 발생을 억제할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점 및 요구를 감안하여 창안된 것으로서, 고비용 금속가공법의 하나인 알루미늄 단조법을 이용하여 제조되고 있던 에어컨용 회전사판을 기공 및 미세 수축공의 발생을 제어할 수 있는 소정 조건하의 고압주조법에 의해 제조함으로써 고생산성 및 저비용을 실현할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명에 따른 에어컨용 회전사판 제조방법을 실시하기 위한 스퀴즈 병용 진공 다이캐스팅 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

제2도는 본 발명에 따른 에어컨용 회전사판 제조방법에 의해 제조된 성품의 조직을 나타낸 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 금형다이 11 : 주물형성부

12 : 급탕슬리브 14 : 사출플런져

15 : 후육부 20 : 스퀴즈 실린더

21 : 가압플런져 30 : 진공시스템

35 : 진공탱크 36 : 진공펌프

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 에어컨용 회전사판의 제조방법은, 금형다이의 주물형성부 내를 진공으로 만드는 단계; 에어컨 회전사판 제조용 Al-Si합금의 용탕을 상기 주물형성부 내에 주입하는 단계; 및 상기 주물형성부에 공급된 용탕의 후육부분을 가압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이것은 더욱 구체적으로, (a)에어컨 회전사판 제조용 Al-Si합금 용탕을 주입슬리브의 주입구로 부어 넣는 단계; (b)상기 Al-Si합금 용탕을 사출플런져에 의해 밀어 넣는 단계; (c)상기 사출플런져가 상기 주입구를 통과한 직후 금속다이의 주물형성부 내를 진공으로 만드는 단계; (d)상기 Al-Si합금 용탕을 상기 사출플런져로 밀어 상기 주물형성부 내로 사출시키는 단계; 및 (e)상기 주물형성부 내로 Al-Si합금 용탕의 급탕이 완료되고 소정시간이 지난 후 스퀴즈 실린더에 의해 상기 용탕의 후육부분을 가압하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 단계(d)에서의 사출플런져의 이동속도는 상기 단계(b)에서의 사출플런져의 이동속도보다 고속인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 주물형성부 내의 진공도는 약 200 mmHg이하인 것이 적당하다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 에어컨용 회전사판은 용탕을 급탕하기 전에 주물형성부(cavity) 내부를 진공분위기로 만들고, 이어서 급탕 후에는 주물의 후육부를 부분적으로 가압하는 이른 바, 스퀴즈 병용 진공 다이캐스팅에 의해 제조된다.

본 발명에 따른 에어컨용 회전사판 제조방법을 수행하기 위한 스퀴즈 병용 진공 다이캐스팅 시스템이 도 1에 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 상기 다이캐스팅 시스템은 주물 형성부(11)가 형성된 금형다이(10)를 구비한다. 상기 주물 형성부(11)는 제조하고자 하는 에어컨용 회전사판의 형상에 상응하도록 형성되어 있다. 상기 금형다이(10)의 상부에는 주물 형성부(11)를 진공으로 만들기 위한 매시브 밴트 블럭(Massive Vent Block)(40)이 설치되는데, 상기 매시브 밴트 블럭(40)에는 상기 주물 형성부(11)와 연통되는 배기통로(31)가 형성되어 있다. 참조부호 (41)은 매시브 밴트 블록(40)을 냉각시키기 위한 냉각수 유입/유출 통로를 나타낸다.

상기 주물 형성부(11)의 입구는 용탕이 유도되는 급탕 슬리브(12)와 연결되어 있으며, 이 급탕 슬리브(12)의 단부에는 주입구(13)가 형성되어 있다.

한편, 상기 주물 형성부(11)의 후육부(15)에는 부분적인 스퀴즈 가압을 위한 가압 실린더(20)가 설치된다.

또한, 본 시스템에는 상기 주물 형성부(11)의 내부를 진공상태로 만들기 위한 진공시스템(30)이 구비된다. 상기 진공시스템(30)은 배기통로(31)와 연결되어 있으며, 예컨대 200리터 용량의 진공탱크(35)와 진공 구동원인 진공펌프(36)를 포함한다. 도면중 참조부호 32와 33은 필터와 솔레노이드 밸브를 각각 나타낸다.

본 발명의 진공 다이캐스팅 시스템에 있어서, 상기 금형다이(10)의 주물형성부(11)의 후육부(15)에는 예컨대, 유압실린더와 같은 스퀴즈 실린더(20)가 설치되는데, 이는 후술하는 바와 같이 급탕후 주물의 후육부를 부분적으로 가압하기 위한 것이다.

그러면 본 발명에 따라, 상기 진공 다이캐스팅 시스템을 이용한 에어컨용 회전사판 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.

우선, 에어컨용 회전사판을 제조하기 위한 용탕을 주입구(13)를 통해 급탕 슬리브(12)로 공급한다. 급탕 후 사출플런져(14)를 이동시켜 용탕을 주물형성부(11) 내로 공급하는데, 이때 사출플런져(14)의 이동속도는 비교적 저속으로서 약 0.2~0.3 m/s 정도이다. 상기 사출플런져(14)가 주입구(13)를 통과하는 시점 후, 즉 약 200~250 mm의 이동거리를 이동했을 때 상기 진공시스템(30)의 진공펌프(36)를 가동시켜 주물형성부(11) 내를 진공으로 만든다. 여기서, 상기 주물형성부(11)는 그 입구부분에 공급된 용탕에 의해 밀폐된 상태이므로 진공펌프(36)의 작동에 의해 진공이 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 주물형성부(11)의 진공도는 약 20 mmHg이하가 적당한데, 이것은 에어컨용 회전사판은 고강도가 요구되므로 통상적인 진공 다이캐스팅의 진공도보다 고진공이어야 하기 때문이다. 또한, 진공도달시간은 0.3초 이내인 것이 바람직하다. 즉, 상기 진공개시 순간부터 후술하는 고속사출까지의 소요시간은 보통 0.3~0.5초 정도이고, 고속사출부터 충진시간까지는 통상 0.1초 이내이므로, 진공효과를 거두기 위해서는 약0.3초 이내에 원하는 진공도에 도달하는 것이 바람직하다.

다음으로, 진공이 형성된 후 사출플런져(14)를 고속으로 예컨대, 2.0~2.2 m/s의 속도로 이동시켜 용탕을 주물형성부(11) 내로 주입한다. 이때, 상기 주물형성부(14)는 진공상태이므로 용탕 급탕시 공기혼입이 방지되어 주물 내에서 기공이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 이때, 용탕의 탕구 통과속도는 바람직하게 50m/s 이하이다.

이어서, 주물형성부(14)에 용탕이 급탕되고 소정시간 즉, 0.5~2.0초가 경과한 후에는 부분적인 스퀴즈 가압이 행해진다. 즉, 주물형성부(14)의 후육부(15)에 설치된 스퀴즈 실린더(20)의 가압플런져(21)에 의해 주물의 후육부분을 가압한다. 이때, 가압플런져(21)의 가압력은 용탕의 주조압력에 비해 3~4배 큰 2000~3000 kgf/㎠ 이 바람직하다.

일반적으로, 주물 내의 기공 생성은 기공의 압력이 주위에 있는 용탕의 압력과 용탕의 응집력에 의해 받는 압력의 합보다 클 때 일어나는 것으로 알려진다. 따라서, 용탕의 가압력이 크면 클수록 용탕의 응집력은 증가하며 그만큼 기공의 생성이 억제될 수 있다. 따라서, 본 발명에서와 같이 주물의 후육부분을 가압함으로써 용탕의 응집력을 높여 후육부분에서 발생하기 쉬운 기공의 결함을 방지할 수 있는것이다, 동시에, 가압플런저(21)로 주물의 후육부분을 가압함에 따라 용탕은 금형과의 밀착도가 매우 증대되어 급속 냉각되어 응고되므로 조직의 미세화에 따른 기계적 성질의 향상도 가져올 수 있는 것으로 밝혀졌다.

또한, 본 발명에 따르면 용탕을 급탕한 후 0.5~2.0초의 가압개시시간(Time Lag)을 두는 것이 바람직하다. 만약 0.5초 이내로 너무 빨리 가압을 개시하면 가압플런져(21)가 용탕의 저항없이 스트로크 앤드 포인트(Stroke end point)까지 도달하므로 가압의 효과를 얻을 수 없다. 반대로, 2.0초 이상으로 늦게 가압을 하면 충진된 용탕이 이미 응고되어 버려 높은 가압력을 가해도 가압이 제대로 이루어지지 않는다.

이어서, 용탕이 완전히 응고된 후 금형다이(10)를 형개하여 제품을 취출한다.

본 발명의 특징적인 효과는 아래 실험예를 통하여 더욱 명확하게 이해될 수 있다.

[실 험 예]

본 실험에 사용된 에어컨용 회전사판의 재료는 14.0~16.0wt%의 Si을 함유한 과공정 Al-Si합금으로서 구체적인 성분은 다음 표1과 같다.

상기 표1과 같은 조성의 용탕을 만든 후 도 1에 도시된 진공 다이캐스팅 시스템의 주입구(13)를 통해 공급하였다. 용탕을 부은 후 사출플런져(14)를 저속인 약 0.2m/s로 이동시킨 후 사출플런져(14)가 상기 주입구(13)를 통과한 후 진공시스템(30)에 의해 주물형성부(11) 내를 진공으로 만들었다. 이때, 진공도는 20 mmHg였다.

이어서, 사출플런져(14)를 고속인 약 2.0m/s로 이동시켜 용탕을 주물형성부(11) 내로 고속으로 사출하였다. 이때, 용탕사출은 710 kgf/cm²이상의 주조압력으로 이루어졌으며, 용탕의 주물형성부(11) 입구 즉, 탕구 통과속도는 40m/s로 이루어졌다. 또한, 용탕의 온도는 700±5℃ 였다.

주물형성부(11) 내로 급탕이 완료된 후, 부분적인 스퀴즈 실린더(20)에 의해 주물의 후육부분이 부분적으로 가압된다. 이때, 가압 개시 시간은 용탕의 급탕이 완료된 후 0.5초이며, 가압력은 2000 kgf/㎠ 이었다.

이어서, 용탕이 완전히 냉각되어 응고되면 금형다이(10)를 형개하고 제품을 취출한다. 이렇게 취출된 주물제품의 기계적 성질을 다음 표2에 나타내었다. 표2에는 본 발명의 방법에 따라 제조된 제품의 성질을 비교하기 위해 동일한 재료를 사용하여 종래의 다이캐스팅법에 의해 제조한 제품의 기계적 성질을 예시하였다.

상기 표 2에서 보듯이 본 발명의 방법에 의해 제조된 에어컨용 회전사판은 종래의 다이캐스팅법에 의해 제조된 것에 비해 인장강도, 연신율, 경도 등의 기계적 성질이 우수한 것으로 나타났다. 이것은 용탕급탕시 주물형성부(11) 내를 진공상태로 유지함으로써 공기의 혼입을 방지하고, 동시에 주물의 후육부분을 부분적으로 가압함으로써 용탕의 응집력을 높여 기공의 생성을 억제할 수 있기 때문이며, 또한 스퀴즈 가압에 의해 용탕과 금형 사이의 밀착력을 높여 주물이 급속냉각됨으로써 응고된 조직이 도 2의 사진과 같이 편석이 없고 미세수축공이 억제된 균일한 미세조직을 가지기 때문이다.

추가적으로, 상기 취출된 제품에 대해 용도에 따라 예컨대, T5, T6, T7, CQA(Cast Quenched Artificial Aging) 등의 각종 열처리를 할 수 있다. 이것은 본 제품의 내부주조결함이 억제되기 때문에 가능하다.

본 발명에 따른 에어컨용 회전사판의 제조방법은, 기존의 단조법이 공정이 복잡하고 제조비용이 고가인 것에 비해, 제조공정이 쉽고 비용이 저렴한 다이캐스팅을 적용하였으며, 동시에 기존의 다이캐스팅에서 발생하는 주물 내의 미세수축공 및 기공 생성 등의 문제점을 제거하여 기계적 성질이 우수한 최종 성품을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 성품의 내부결함이 억제되므로 각종 열처리를 할 수 있어 그 가공 적용폭이 넓어진다. 나아가, 본 발명자의 경험에 따르면 기존 단조법에 비해 약30% 이상의 생산성 향상과 50%이상의 원가절감 효과를 달성할 수 있는 것으로 나타났다.

본 발명은 비록 첨부된 도면을 참조로 하여 한정된 조성을 가진 알루미늄 합금에 대해 설명되었으나, 이것에 제한되지 않고 범용적인 Al-Si합금에 적용될 수 있으며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 다양한 변형예가 있을 수 있는 것으로 이해되어야만 한다.

Claims (6)

1. 금형다이(10)의 주물형성부(11) 내를 진공으로 만드는 단계; 에어컨 회전사판 제조용 Al-Si합금의 용탕을 상기 주물형성부(11) 내에 주입하는 단계; 및 상기 주물형성부(11)에 공급된 용탕의 후육부분(15)을 가압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어컨 회전사판 제조방법.
2. (a) 에어컨 회전사판 제조용 Al-Si합금 용탕을 주입슬리브(12)의 주입구(13)로 부어 넣는 단계;

   (b) 상기 Al-Si합금 용탕을 사출플런져(14)에 의해 밀어 넣는 단계;

   (c) 상기 사출플런져(14)가 상기 주입구(13)를 통과한 직후 금속다이(10)의 주물형성부(11) 내를 진공으로 만드는 단계;

   (d) 상기 Al-Si합금 용탕을 상기 사출플런져(14)로 밀어 상기 주물형성부(11) 내로 사출시키는 단계; 및

   (e) 상기 주물형성부(11) 내로 Al-Si합금 용탕의 급탕이 완료되고 소정시간이 지난 후 스퀴즈 실린더(20)에 의해 상기 용탕의 후육부분(15)을 가압하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어컨용 회전사판의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 단계(d)에서의 사출플런져(14)의 이동속도는 상기 단계(b)에서의 사출플런져(14)의 이동속도보다 고속인 것을 특징으로 하는 에어컨용 회전사판의 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 단계(e)에서 상기 주물형성부(11) 내로 Al-Si합금 용탕의 급탕이 완료되고 0.5~2.0초의 시간이 지난 후 가압하는 것을 특징으로 하는 에어컨용 회전사판의 제조방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 주물형성부(11) 내의 진공도는 약 200mmHg이하인 것을 특징으로 하는 에어컨용 회전사판의 제조방법.
6. 제2항에 있어서,

   (f) 응고된 제품을 취출하는 단계; 및

   (g) 취출된 상기 제품을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어컨용 회전사판의 제조방법.