KR100333200B1 - 주조방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본발명은 금속 및/또는 무기질의 다공체 혹은 섬유 및 그 성형체 등을 복합용재료로 하는 경합금복합재료의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고하는 기술적 과제

알루미늄합금 등의 경합금재료를 금속다공체 등의 복차용재료에 의해 복합하는 주조방법을 고가 또한 대형의 설비를 필요로 하는 고압주조법에 의하지 않고 실현한다.

3. 발명의 해결방법의 요지

기공을 가지는 복합용재료(7)을 주물틀(11)내에 보유하며 이 주물틀(11)내에 경합금재료의 용탕을 주입하고, 그 후, 상기 주물틀(11)의 탕구(33)를 폐쇄한 상태로 주물틀(11)내를 기체로 가압하므로서 복합용재료와 복합용재료(7)이 복합화된 복합부를 형성한다.

4. 발명의 중요한 용도

본발명에 의한 경합금복합재료의 제조방법은 종래의 고압주조에 사용되는 대형주조설비가 필요 없게된다.

Description

주조 방법

본 발명은, 금속 및/또는 무기질의 다공체, 혹은 섬유 및 그 성형체 등을 복합용 재료로 이용하는 주조 방법에 관한 것이다.

알루미늄 합금은 경량이고 열전도성이 양호하기 때문에, 자동차용 엔진 부품에 많이 사용되고 있지만, 주철이나 강 등의 철계 재료에 비해서 내열성 및 내마모성이 떨어진다는 약점이 있다. 따라서, 예를 들면 디젤엔진용 피스톤으로서는 내마모성이 요구되는 톱 링(top ring) 홈을 강화하기 위해, 톱 링 홈의 주위에 니켈들의 금속 다공체에 의해 복합 강화부를 형성하는 수법(일본 특허 공보 평 2-30790호) 또는 알루미나 실리카섬유 등의 무기질 섬유로 복합 강화하는 수법(일본 특허 공보 평 2-62776호) 등이 개발되었다. 또, 일본 특허 공개 소 63-53225 호에는, 알루미늄 합금을 무기질 섬유로 강화한 엔진용 실린더 슬리브(cylinder sleeve)가 기재되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 평 2-25700 호에는, 체적 함유율이 약 10~60%인 무기질 섬유 구성체를 주형의 캐비티(cavity) 내의 소정 부위에 배치한 상태로 그 캐비티 내에 알루미늄 합금의 용융 금속을 충전시킨 후, 주탕구(注湯口)를 완전히 폐쇄시켜서 불활성 가스에 의해 최대 약 50kg/㎠의 압력을 압탕부(押湯部)에 부가시키고 용융 금속의 일부를 무기질 섬유 구성체의 공극부내에 충전시켜 복합화 하는 기술이 제안되어 있다.

또, 일본 특허 공개 평 5-47304 호에는, 세라믹 다공체를 주조형의 캐비티 내의 소정 부위에 배치한 상태에서 캐비티 내에 알루미늄 합금의 용융 금속을 충전시킨 후, 주탕구를 완전히 폐쇄시켜 10kgf/cm²정도의 건조 공기에 의해 가압하고 세라믹 다공체의 공극 부분을 용융 금속을 함침시켜 복화하여 빌릿(billet)을 제조하고, 이 빌릿을 단조에 의해 피스톤으로 성형하는 기술이 제안되어 있다.

상술한 종래의 복합 강화부 형성방법은 금속 다공체나 무기질 섬유로 이루어지는 예비 성형체의 기공내에 알루미늄 함금 용탕을 함침시키기 때문에, 고압 주조법이 이용된다. 즉, 소정의 기공율을 갖는 강화재의 에비성형체를 주조형내에 배치하고, 알루미늄합금 용탕을 주입한 후, 가압 펀치나 플런저(plunger) 등의 기계적 수단에 의해 300~1,500kg/cm²정도의 압력을 가해 응고 완료될 때까지 유지하는 것이다.

그러나, 그러한 방법에 의하면 복합화에 고압을 이용하기 때문에, 실시하는데 있어서 다음과 같은 문제점이 있다.

(1) 설비가 대형이고 고가이며, 고압을 부가하기 위한 가압장치나 강력한 주형 조임장치가 필요하게 된다.

(2) 붕괴성 중자(崩壞性中子)(disintegrating core)(예컨대, 염중자나 모래중자)의 사용이 곤란하고, 압력에 의해 중자에 용탕이 섞이기도 하고, 중자 자체에 변형과 파손이 생기기 쉽다.

(3) 제품의 자유 형상도가 낮다. 금형 자체가 고압에 견딜 필요가 있고, 형구조에 제약이 있다. 복잡한 형상이나 대형 제품의 제조에 부적합하다.

전술한 사정을 감안하여, 본 발명은 통상의 금형 중력 주조법에서 기체를 매체로 한 가압수단을 이용하여 복합부의 형성을 가능하게 하는 주조방법 및 주조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 기존의 설비를 이용함으로써 보다 저렴한 비용으로 높은 강도와 강인성을 갖는 주조품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상술한 과제를 해결하고 목적을 달성하기 위해, 복합용 재료가 주입된 주조품을 주조하기 위한 본 발명의 방법은, 제품 캐비티(cavity)와, 제품 캐비티의 상방에 위치한 압탕부와, 기공을 갖는 복합용 재료를 제품 캐비티의 내벽에 닿은 상태로 당해 제품 캐비티 내에 유지하는 유지부가 형성된 주형을 이용한다 본 발명에 있어서는, 유지부가 형성된 제품 캐비티의 내벽과 대기를 연통시킨 가스 배기통로를 주형에 형성한다. 그리고, 기공을 갖는 5∼20%의 체적률을 갖는 복합용 재료를 제품의 소정 부위의 형상으로 형성하고, 이 복합용 재료를 가스 배기 통로와 연통하도록 유지부에 유지하고, 주형 내에 경합금 재료의 용탕을 주입하고, 주형을 폐쇄한 상태에서, 상기 주형 내에 주입된 용탕에 0.5∼10kg/㎠의 압력의 에어를 작용시키면서, 가스 배기 통로를 거쳐 상기 복합용 재료의 기공 내의 가스를 주형의 외부로 압출함과 동시에, 용탕을 복합용 재료의 기공 내에 함침 충전시켜, 경합금 재료와 상기 복합용 재료를 복합화시킨다.

또한, 바람직하게는 용탕을 주입하는 탕구에서 상기 에어에 의해 용탕을 가압한다. 또한, 바람직하게는 상기 압탕부에 있어서 상기 에어에 의해 상기 용탕을 가압한다 또한, 바람직하게는 상기 가스 배기 통로는 상기 주형의 틀 맞춤면에 형성되어 있다.

상기 복합용 재료로서는, 니켈 등의 금속의 다공체, 섬유 및 그 성형체, 알루미나 등의 무기질의 다공체, 섬유 및 그 성형체 등을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 복합용 재료의 체적률의 바람직한 범위는, 그 복합용 재료의 재질 및 예열 온도, 용탕 온도 등의 모든 조건에 따라 다르지만, 평균적으로 5∼20%의 체적률, 즉 80~95%의 공극율(기공율)을 갖는 것이 적합하다.

상기 기체에 의한 가압은, 탕구 및/또는 압탕부로부터 헹하는 것이 좋다. 또, 상기 기체에 의한 가압력은 0.5∼30kg/㎠의 범위내에서 행할 수 있다, 특히 바람직한 가압력의 범위는 0.5 내지 10kg/㎠ 내이다. 가압력이 0.5~30kg/㎠의 범위내에서 복합화하는데 바람직한 복합용 재료의 체적률은, 일반적으로 아래의 범위와 같다.

복합용 재료의 종류 복합화하는데 바람직한 체적률 범위

금속 다공체, 금속 섬유 ∼20%

무기질 단섬유, 위스커 ∼10%

무기질 입자 ∼15%

제 1 도는 가압력과 복합용 재료의 체적률과의 관계를 나타내는 그래프이다. 제 1 도를 참조하면, 예를 들면 체적률이 9% 정도인 금속 다공체의 경우, 0.2kg/㎠ 정도의 가압력으로 복합이 개시되고, 2kg/㎠ 정도의 가압력으로 완료되는 것을 나타낸다.

또, 주형 내에 지지된 복합용 재료 근방의 주형 부분에, 상기 복합용 재료에연통하는 가스 배기부를 설치하고, 이 가스 배기부를 통하여 복합용 재료내의 가스를 배출하는 것이 바람직하다. 게다가, 주조 후에 복합부에 T6 처리(일예로서, 500℃x4.5시간→물 경화처리→180℃x5시간), T4 처리, T7 처리 또는 어닐링(annealing)등의 열처리를 실시하는 것이 바람직하다.

제 1 도는 본 발명의 방법의 실시에 사용되는 복합용 재료의 체적률과 복합용 재료내에 용탕을 함침시키는데 필요한 가압력과의 관계를 도시한 그래프,

제 2 도는 본 발명의 방법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금제 피스톤의 일부를 단면으로 하여 도시한 정면도,

제 3 도는 복합용 재료 링의 사시도,

제 4 도는 피스톤의 주조에 사용되는 본 발명에 의한 제조장치 전체의 개략적 단면도,

제 5 도는 본 발명의 방법에 의해 피스톤을 주조하는 경우에 이용되는 주형의 일례를 나타내는 단면도,

제 6 도는 제 5 도의 Ⅵ-Ⅵ 선에 따른 단면도,

제 7 도는 본 발명의 방법에 의해 피스톤을 주조하는 경우에 이용되는 주형의 다른 예를 도시한 단면도,

제 8 도는 본 발명의 방법에 의해 직접 분사식 디젤엔진의 피스톤을 주조하는 경우에 이용되는 주형의 단면도,

제 9 도는 종래의 직접분사식 디젤엔진의 피스톤의 단면도,

제 10 도는 직접분사식 디젤엔진의 피스톤을 주조하는 경우 이용되는 종래의주형의 주요부 단면도,

제 11 도는 본 발명의 방법에 의해 주조된 알루미늄합금 주물 소재(피스톤)의 주요부 단면도,

제 12 도는 가압력에 대한 복합부의 비중의 관계를 나타내는 그래프,

제 13 도는 본 발명의 방법에 의해 실린더블록의 베어링 캡을 주조하는 경우에 이용되는 주형의 단면도,

제 14 도는 본 발명의 방법에 의해 커넥팅로드를 주조하는 경우에 이용되는 주형의 단면도,

제 15 도는 제 14 도의 XV-XV 선에 따른 단면도,

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 알루미늄 합금제 피스톤 2 : 피스들 본체

3 : 톱링 홈 6 : 링형상 복합부

7 : 복합용 재료 링 11 : 주형

12L, 12R : 외부 틀 12b, 14a : 압탕부

14 : 상부 틀 15 : 제품부 캐비티

16 : 파이프 21, 24 : 배기 통로

22 : 탕구 23 : 커버

이상과 같이 본 발명에 의하면, 종래의 고압 주조에 사용되는 것과 같은 대형 및 고가의 주조 설비가 불필요하게 되는 이점이 있다. 또, 종래의 고압 주조에 사용되던 대형 및 고가의 주조설비가 불필요함과 아울러 제품의 형상 자유도가 높게 되는 이점이 있다

또, 배기성이 양호하게 되고, 기공내로의 복합용 재료의 용탕의 함침 충전이 용이하게 된다. 또, 종래의 중력 주조법에서 극저압의 기체로 가압하는 것만으로도 복합화가 가능해진다. 또, 기체에 의한 저압의 가압방식이므로, 붕괴성 중자의 사용이 가능하고, 또 금형 자체가 고압에 견딜 필요가 없으므로 형 구조에 제약이 없고, 따라서 제품의 형상 자유도가 높게 되는 이점도 있다.

또, 상기 복합용 재료의 체적률을 5∼20% 범위로 설정했으므로, 복합부에 대한 소망 물성(物性)의 부여 및 복합용 재료의 예비 성형성(형상 유지 특성)의 확보등을 도모하면서 저압의 가압으로 경합금 재료와 복합용 재료의 복합화가 충분히 행해지는 이점이 있다. 또, 상기 기체에 의한 가압을 제품부 등으로부터 행하면, 제품부에 기포가 발생할 염려가 있지만, 상기 기체에 의한 가압을 탕구 및/또는 압탈부로부터 행하면, 제품부에 기포가 발생할 우려가 없이 주조를 행할 수 있다.

또, 상기 기체에 의한 가압력을 0.5∼10kg/㎠의 범위 내에 설정한 경우에는 일반적으로 제조 공장에서 사용되고 있는 공장 에어를 사용할 수가 있으므로, 활성가스 등의 가압 기체원을 별개로 준비할 필요가 없고, 주조설비의 더할 나위 없는 저렴화를 도모할 수 있다. 게다가, 주형에 유지된 복합용 재료 근방의 주형 부분에 이 복합용 재료에 연통하는 가스 배기구를 설치하고, 이 가스 배기구를 통하여 복합용 재료내의 가스를 배출하도록 한 경우는 배기성이 양호하게 되고, 복합용 재료의 기공 내로의 용탕의 함침 충전이 쉽게 된다.

게다가, 주조 후에 복합부에 T6 처리 등의 열처리를 실시하는 것에 의하여, 경합금 재료와 복합용 재료의 경계에 금속간 화합물층(고상 확산층)이 생성됨과 아울러, 경합금 모재의 용체와 처리도 행할 수 있으므로, 경합금 재료의 강도 향상 및 내마모성, 내열성의 향상을 도모할 수 있다. 게다가, 주형으로서 분할 주형이 이용되고, 이 분할 주형의 맞춤면에 가스 배기구가 설치되어 있는 경우, 가스 배기에 수반하여 가스 배기구에 침입한 용탕은 주조 종료 후에 주형의 분항에 의해, 플래쉬(plash)로서 용이하게 제거할 수 있다는 이점이 있다.

[발명의 실시형태}]

이하, 본 발명의 실시형태에 관하여 도면을 참조하여 설명한다.

실시형태 1: 디젤엔진용 피스톤의 주조

제 2 도는 본 발명의 방법에 의해 제조된 알루미늄합금제 피스톤(1)을 도시한 것으로서, 피스톤 본체(2)의 외부 원주부는, 톱링을 끼워 장착하는 톱립 홈(3)과, 제 2 링을 끼워 장착하는 제 2 링 홈(4)과, 오일 링을 끼워 장착하는 오일 링 홈(5)이 각각 형성되어 있다.

피스톤(1)의 톱링 홈(3)은, 후술하는 방법으로 형성되는 링형상 복합부(6)상에 형성되고, 이러한 링형상 복합부(6) 이외의 피스톤 본체(2)는 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 상기 피스톤(1)의 제조에 있어서, 우선 제 3 도에 도시한 바와 같이 니켈 다공체(스미토모덴코제의 서멧(cermet): 체적률 약 5%, 평균 기공 직경 0.8mm]에 의해 복합용 재료 링(7)을 형성한다. 이 경우, 톱링 홈(3)은 후속 가공으로 절삭해서 형성하므로, 복하용 재료 링(7)은 단순한 링 모양으로 형성된다.

제 4 도는 디젤엔진용 피스톤의 제조에 이용되는 본 발명에 의한 제조장치 전체의 개략적 단면도이다.

이 장치(10)의 주형(11)은, 좌우로 분할되는 분할형인 외부 틀(12L, 12R)과, 하부에 배치된 중간 틀(13)과, 압탕부(14a)를 구비하여 상부에 배치된 상부 틀(14)로 구성되고, 내부에 제품부 캐비티(15)가 형성되어 있다. 이 주형(11)의 내부에 복합용 재료 링(7)이 유지되고, 또 상부 틀(14)에 형성된 압탕부(14a)에는, 그 압탕부(14a)로부터 에어에 의한 가압을 행하는 파이프(16)가 장착되어 있다. 참조번호(17)은 피스톤 압입공을 형성하는 주물 빼냄 핀이다.

또한, 외부 틀(12L, 12R)은 외부틀용 실린더(18L, 18R)에 의해, 중간 틀(13)은 중간 틀용 실린더(19)에 의해, 상부 틀(14)은 상부틀용 실린더(20)에 의해 각각 구동되도록 되어 있다.

실시형태 1A

제 5 도는 탕구로부터 에어에 의한 가압을 행하는 경우의 주형(11)의 단면도이고, 제 5 도는 제 5 도의 Ⅵ-Ⅵ선에 따른 단면도(일부 생략)를 각각 도시한 것이다. 한편, 제 5 도의 단면은 제 4 도의 단면에 대해 직각이다.

본 실시형태에서는, 외부 틀(12L, 12R)의 맞춤면(12a)에, 주형(11)내에 유지된 복합용 재료 링(7)에 연통하는 약 5∼10mm의 폭과, 약 0.2mm의 두께 치수를 갖는 가스 배기 통로(대기 개방)(21)가, 외부 틀(12L, 12R)의 한쪽, 예를 들면 외부 틀(12L)에 형성되어 있다. 그리고, 에어 또는 기체에 의한 가압을 행하기 위한 파이프(16)가, 탕구(22)를 덮는 커버(23)에 장착되어 있다. 이 주형(11)의 경우, 상부틀(14)이 상하로 분할되는 분할 틀로 이루어지고, 압탕부(14a) 까지 용탕이 충전될 때 에어를 배기하는 에어 배기 통로(24)(대기 개방)가 중간 면에 형성되어 있다. 한편, 참조번호(25)는, 탕구(22)에서 제품부 캐비티(15)까지 통하는 탕도이고, 참조번호(26)은 피스톤 내에 냉각용 오일 통로를 형성하기 위해, 도시하지 않은 지지 수단에 의해 지지되어 배치된 염중자이다.

이상의 구성에 있어서 , 탕구(22)로부터 알루미늄 합금(AC 8A)의 용탕을 주입 한 후에, 커버(23)를 내려서 탕구(22)를 밀폐함과 동시에, 커버(23)에 설치된 파이프(16)로부터, 5kg/㎠의 압력을 갖는 공장 에어를 주입하여 용탕을 약 50초 내지 1분간 가압한다. 에어로 가압할 때는, 배기 통로(21, 24)내에 용탕의 일부가 스며 들어, 상기 배기 홈(21, 24)내에서 냉각 응고하여 홈을 밀봉한다. 그리고, 상기 배기 통로(21, 24)내에서 응고한 용탕은 주형(11)의 분할에 수반하여 플래쉬로서 제거 된다.

한편, 에어에 의한 가압은 용탕 주입 후, 10 내지 30초 이내에 개시할 필요가 있지만, 이러한 시간 범위는 일반적으로 용탕의 응고 전에 유효하게 압력이 작용하는 시간 범위내에 설정하면 된다.

실시형태 1B

제 7 도는 제 4 도와 같은 모양으로서, 에어에 의한 가압을 상부 틀(14)에 설치된 압탕부(14a)에서 행하는 경우의 주형(11)의 단면도를 도시한 것이다. 이 경우에, 제 5 도에 도시된 것과 같이 배기 통로(24)를 상부틀(14)에 설치해도 좋지만, 제 7 도에서는 압탕부(14a)를 가압 에어원과 대기로 선택적으로 연통하게 하는 밸브(27)를 파이프(16)의 중간에 설치하고 있다. 그 경우에는, 압탕부(14a)를 밸브(27)를 통하여 대기에 개방한 상태로, 탕구(22)로부터 알루미늄합금의 용탕을 주입한 후, 수냉동괴(水冷銅塊)(28)와 같은 냉각 기구를 설치한 커버(23)를 닫아 탕구(2 )를 밀폐시킴과 동시에, 밸브(27)를 조작하여 파이프(16)를 가압 에어원에 연통하게 해서 , 파이프(16)로부터 공장 에어를 주입해서 용탕을 가압하도록 한다. 제 7 도의 구성의 경우, 피 복합부의 부근을 효과적으로 가압할 수 있는 이점이 있기 때문에 더욱 바람직하다.

실시형태 1C

제 8 도는 제품부 캐비티(15)의 한 쪽에 있어서 외부 틀(12L, 12R)의 사이에압탕부(12b)를 설치하고, 이 압탕부(12b)로부터 에어에 의한 가압을 행하는 경우의 주형(11)의 단면도를 나타낸 것이다. 이러한 주형(11)은, 직접 연료 분사형 디젤 엔진에 이용되고 제 9 도에 도시된 것과 같이 연소실(30)을 정상부에 구비한 피스톤(1)의 주조에 적당한 구조를 갖는다.

일반적으로, 압탕부는 피스톤의 정상부와 같은 두꺼운 부분에 있어서의 기포의 발생을 억제하기 위하여 설치된 것이지만, 그 결과 재료의 수율 지하 뿐만아니라, 제 9 도에 도시한 구성을 갖는 피스톤(1)에서는 연소실(30)을 형성하기 위한 기계가공에 시간을 필요로 한다는 문제가 있다.

또, 연소실(30)의 립(lip)부(30a)는, 내열 피로성의 점에서 , 금속 조직이 미세한 것(응고 속도가 빠른 것)이 바람직함에도 불구하고, 정상부에 압탕부가 존재하면, 립부(30a)의 응고 속도가 늦고, 금속 조직이 거칠고 엉성하게 되며, 내열 피로강도의 점에서 뒤떨어지게 된다.

그 점에서, 제 10 도에 도시한 바와 같이, 제품부 캐비티(15)의 한 쪽에 압탕부(12b)를 설치하는 것이 고려되지만, 일반적인 디젤엔진용 피스톤에서는 톱링 홈(3)의 내마모성을 확보하기 위해 레지스트 주철제 내마모 링(31)을 주조할 필요가 있으므로, 압탕부(12b)로부터 제품부 캐비티(15)에 이르는 탕도(32)의 단면적에 제약이 생긴다. 또, 측면으로부터의 압탕이기 때문에, 피스톤 정상부의 두꺼운 부분에 대한 압탕 효과가 적다. 게다가, 주철제 내마모 링(31)은 알루미늄합금 용탕보다도 저온의 상태로 주형에 배치되기 때문에, 탕도(32) 내부의 용탕의 응고가 촉진되고, 제품보다도 빠르게 응고한다. 그 결과, 제품부에 대한 충분한 압탕 효과를기대할 수 없게된다.

그에 비교하여, 본 실시 형태에 있어서는, 종래의 주철제 내마모 링(31) 대신에 이용되는 금속 다공체로 이루어진 복합용 재료 링(7)은 기공율이 80% 이상으로 높기 때문에, 그 자체의 단열성이 높고, 알루미늄 합금 용탕을 주형(11)에 충전시켰을 때 탕도(32)를 보온하는 효과가 있고, 그 결과 탕도(32) 내부의 용탕의 응고를 늦출 수가 있다. 그리고, 그와 아울러 압탕부(12b)를 기체로 가압하는 것에 의해 복합용 재료 링(7)의 기공 내에 알루미늄 합금 용탕이 함침되고 복합부가 형성됨과 동시에, 충분한 가압력을 제품부에 전달하는 것이 가능하며, 내부 품질 및 복합부 품질이 우수한 피스톤을 제조할 수 있다. 또한, 이경우에 연소실(30)의 일부를 형성하는 주물 배출부(33)를 설치할 수 있으므로, 연소실(30)의 립부(30a)의 금속 조직을 미세화할 수 있고, 피스톤(1)의 열피로 수명을 연장할 수 있다. 또, 연소실(30)을 형성하기 위한 기계 가공시간을 단축할 수 있고, 또 재료의 수율이 향상된다.

이상의 실시 형태 1A~1C에 의해, 제 11 도에 도시된 것과 같이, 피스톤 본체(2)의 일부에 링형상 복합부(6)를 주조한 알루미늄 주물 소재(8)가 형성된다. 상기 링형상 복합부(6)는 니켈 다공체로 이루어진 복합용 재료 링(7)의 기공 내에 알루미늄 합금이 충전되어 형성된 것이다.

다음으로, 이 알루미늄합금 주물소재(8)를 가열로에 넣고, 온도 500℃로 4,5시간을 가열하는 것에 의해, 링형상 복합부(6)에 있어서 니켈 다공체와 알루미늄합금의 경계에 금속간 화합물 층을 생성시킴과 동시에, 알루미늄 합금 모재의 용체화처리(solution treatment)를 실시한 후, 물 경화(water-hardened) 처리를 행하고, 온도 180℃로 5시간 동안 어닐링(annealing) 처리를 실시한다.

이와 같은 T6 처리를 실시한 알루미늄합금 주물소재(8)에 대하여 기계절삭 가공을 행하여, 링형상 복합부(6) 및 피스톤 본체(2)의 외부 원주면을 절삭함과 동시에, 제 1 도에 도시한 것과 같이, 링형상 복합부(6)에 톱링 홈(3)을 형성하고, 또 제 2 링 홈(4) 및 오일링 홈(5)을 형성한다.

한편, 전술한 바와 같이, 피스톤의 제조에 있어서, 주조 후에 링 형상 복합부(6)의 외부 원주 부분을 상당량 절삭하여 제거한다. 따라서, 이러한 제거된 외부 원주 부분에 있어서의 알루미늄 합금의 충전 상태가 다소 불완전해도 품질에 영향을 줄 염려는 없으므로, 그만큼 기체에 의한 가압력을 낮게 해도 좋다.

이상은 본 발명의 의한 주조품, 주조방법 및 주조장치를 사용하여 디젤엔진용 피스톤을 주조하는 실시형태의 설명이고, 이 실시 형태에서는 탕구(22)로부터 알루미늄 합금의 용탕을 주입한 후, 커버(23)를 닫아 탕구(22)를 밀폐함과 동시에, 커버(23) 또는 압탕부(14a, 12b)에 설치된 파이프(16)로부터, 5kg/㎠ 정도의 압력을 갖는 공장 에어를 주입하여 용탕을 가압하지만, 가압력에 대한 복합부의 비중의 관계를 나타내는 제 12 도로부터 명백한 바와 같이, 가압력이 1kg/㎠ 이상이 되면 복합부의 비중이 일정하다. 즉, 복합용 재료 링(7)의 기공내에 알루미늄 합금이 충분히 충전된다. 그리고, 가압력이 0.5kg/㎠ 미만일 때에는 양호한 복합화가 곤란하지만, 가압력이 0.5kg/㎠ 이상이 되면 양호한 복합화가 달성된다. 그러나, 가압력이 30kg/㎠을 넘으면, 분할 주형의 중간 면으로부터의 용탕의 분출을 방지하기 위하여, 주형의 조임력이 크게 필요하게 되어 바람직하지 않으므로, 가압력은 30kg/㎠ 이하로 설정하는 것이 좋다. 특히, 10kg/㎠ 이하이면 주형의 조임력을 그다지 크게 하지 않아도 용탕의 분출을 방지할 수 있으므로, 가압력을 0.5∼10kg/㎠의 범위내로 설정하는 것이 더욱 바람직하다.

또, 전술한 실시형태 1에서는, 체적률 55%의 니켈 다공체로 이루어진 복합용 재료 링(7)을 이용하지만, 그 대신에 스테인레스 섬유성형체로 이루어진 복합용 재료 링(7)을 사용할 수가 있다.

이 경우는, 평균 직경 30㎛ 정도의 스레인레스 섬유를 소정 형상으로 프레스 성형한 후, 부탄 변성가스 분위기 중에 1130℃의 온도로 2 시간을 유지해 소결시켜서, 10%의 체적률을 갖는 복합용 재료 링(7)을 제작했다. 그리고, 이러한 복합용 재료 링(7)을 전술한 바와 같이 주형(11)에 배치하고, 알루미늄 합금(AC8A)을 주입한 후에, 탕구(22)를 밀봉하고 압탕부에 대하여 응고 완료시 까지 3kg/㎠의 기압을 가해 링형상 복합부(6)를 형성했다.

실시형태 2: 실린더블록의 베어링캡(bearing cap)의 주조

제 13 도는, 엔진의 실린더블록에 설치되는 베어핑부와의 맞춤면에 본 발명에 의한 방법을 이용하여 복합부를 형성한 베어링캡을 주조하는 경우의 주형의 개략적 단면도이다.

이 경우의 주형(41)은 상부 틀(42)과 하부 틀(43)로 구성되고, 제품부 캐비티(44)와 압탕부(42a)가 상부 틀(42)에 형성되어 있다. 그리고, 예를 들면 알루미나 단섬유로 이루어진 다공성 복합용 재료 성형체(체적률 100%)(45)가 하부 틀(43)위에 배치됨과 동시에, 상부 틀(42)과 하부 틀(43)의 중간 면에 복합용 재료 성형체(45)에 연통하는 배기 통로(46)가 형성되어 있다.

그리고, 탕구(47)로부터 제품부 캐비티(44) 내에 알루미늄 합금의 용탕을 주입한 후, 커버(48)를 내려서 탕구(47)를 밀폐함과 동시에 압탕부(42a)로부터 파이프(16)를 통하여 공장 에어를 주입하여 용탕을 가안하는 것에 의해, 복합용 재료 성형체(45)의 기공 내에 알루미늄 합금을 함침시켜, 베어링 캡의 중간 면을 복합화하고 열팽창을 억제하도록 구성되어 있다.

실시형태 3: 커넥팅 로드의 주조

제 14 도는 큰 말단과 작은 말단의 쌍방의 핀 구멍의 주위에, 본 발명에 의한 방법을 이용하여 각각 복합부를 형성한 커넥팅로드를 주조하는 경우의 주형의 개략적 단면도이고, 제 15 도는 제 14 도의 XV-XV 선에 따른 단면도이다.

이 경우의 주형(51)은, 좌우의 외부 틀(52L, 52R)로 구성되고, 제품부 캐비티(53) 내의 큰 말단과 작은 말단에 각각 대응하는 부위에, 대소의 예를 들면 알루미나 단섬유의 형성체의 이루어진 다공성 복합용 재료 링(54, 55)이 각각 주물 배출 핀(56, 57)에 지지되어 배치된다. 이 경우는 큰 말단과 작은 말단의 쌍방에 압탕부(52a, 52b)를 설치하고, 이들 압탕부(52a, 52b)에 각각 기체 가압용의 파이프 (16)를 연통하게 해서, 복합부의 근방을 가압하도록 구성되어 있다. 또, 외부 틀(52L, 52R)과 주물 배출 핀(56, 57)의 사이에 각각 배기 통로(58)가 설치된다.

그리고, 탕구(59)로부터 제품부 캐비티(53) 내에 알루미늄 합금의 용탕을 주입한 후, 커버(60)를 내려 탕구(59)를 밀폐함과 동시에 압탕부(52a, 52b)로부터 파이프(16)를 통하여 공장 에어를 주입하여 용탕을 가압하는 것에 의해, 복합용 재료 링(54, 55)의 기공 내에 알루미늄 합금을 함침시켜 복합부를 형성하고, 열 팽창을 억제하도록 구성되어 있다. 한편, 주조된 커넥팅로드의 큰 말단으로부터 베어링캡부가 절단된 후, 절삭 가공이 실시된다.

이상은 본 발명의 실시 형태의 설명이지만, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 알루미늄 합금 주물 소재는 전술한 실시 형태와 같은 디젤엔진용 피스톤이나 베어링 캡 또는 커넥팅로드에 한정되는 것은 아니다. 또, 알루미늄합금 주물 소재 이외에, 예를 들면 마그네슘 등의 다른 경합금 주물소재도 본 발명에 의해 제조 가능하다.

Claims (2)

1. 제품 캐비티와, 상기 제품 캐비티의 상방에 위치한 압탕부와, 기공을 갖는 복합용 재료를 상기 제품 캐비티의 내벽에 접촉한 상태로 상기 제품 캐비티 내에 유지하는 유지부가 형성된 주형을 이용하여 복합용 재료가 주입된 주조품을 주조하는 방법에 있어서,

   상기 유지부가 형성된 제품 캐비티의 내벽과 대기를 연통시킨 가스 배기통로를 상기 주형에 형성하는 단계와,

   기공을 갖고 5 내지 20%의 체적률을 갖는 복합용 재료를 제품의 소정 부위의 형상으로 형성하는 단계와,

   상기 복합용 재료를 상기 가스 배기 통로와 연통하도록 상기 유지부에 유지하는 단계와,

   상기 주형 내에 경합금 재료의 용탕을 주입하는 단계와,

   상기 주형을 폐쇄한 상태에서, 상기 주형 내에 주입된 용탕에 0.5 내지 10kg/㎠의 압력의 에어를 작용시키면서 상기 가스 배기 통로를 거쳐 상기 복합용 재료의 기공 내의 가스를 주형의 외부로 압출하는 동시에, 용탕을 상기 복합용 재료의 기공 내에 함침 충전시켜, 상기 경합금 재료와 상기 복합용 재료를 복합화시키는 것을 특징으로 하는 주조 방법
2. 제1항에 있어서

   상기 주형은 틀 맞춤면에서 분할된 분할형 주형이고,

   상기 가스 배기 통로는 상기 주형의 틀 맞춤면에 형성되어 있는 것을 특징으 주조 방법.