KR100460644B1

KR100460644B1 - 타이어 몰드 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100460644B1
Application number: KR10-2002-0033808A
Authority: KR
Inventors: 김석원; 이의종
Original assignee: 대한민국(전북대학교 총장); 김석원; 이의종
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-12-08
Also published as: KR20030096788A

Abstract

본 발명은 자동차 타이어를 제조할 때에 사용되는 타이머 몰드를 제조하기 위한 타이어 몰드용 알루미늄 합금과, 이를 이용한 타이어 몰드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 3.0∼6.0중량%의 마그네슘(Mg), 4.0∼5.0중량%의 니켈(Ni), 0.2∼0.5중량%의 망간(Mn) 및 잔부 알루미늄(Al)으로 조성된 것을 특징으로 하는 타이어 몰드용 알루미늄 합금을 제공한다.

Description

타이어 몰드 및 그 제조 방법{Tire Mold And Fabricating Method Thereof}

본 발명은 타이어 몰드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 타이어를 제조할 때에 사용되는 타이머 몰드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

기존에는 자동차 타이어를 제조하기 위한 타이머 몰드(Tire mold) 용으로 스틸 타이어 몰드(steel tire mold)를 많이 사용되어 왔으며, 사형 주조법(sand casting), 금형 주조법(gravity casting)으로 타이어 몰드를 제조하고, 그 타이어 몰드를 주조로 성형할 수 없는 복잡한 부분(complicated parts)을 다시 정밀하게 가공하기 위하여 CNC 5축 밀링 장비를 사용하여 직접 가공하는 방법을 사용하였다.

그러나, 스틸 타이어 몰드의 경우 경도와 강도가 매우 높기 때문에 가공이 어렵고 또한 가공 공수가 많이 필요하여 제조비가 크게 상승되었다.

또 스틸 타이어 몰드의 중량이 크기 때문에 타이어 제조 공정에 있어서 작업이 매우 복잡하였다.

그리고, 현재 타이어 몰드 재료를 스틸로 할 경우 제조 공정상의 어려운 문제 때문에 경량화 현상의 하나로 스틸에서 Al 합금 재료로 교체하는 경향이다.

그에 따라 현재 주조용 타이어 몰드 재료로 사용되는 합금 재료로는 AC4B, AC7A 합금을 사용하고 있다.

AC4B 합금은 주조성이 우수하여 주조용 합금 재료로 널리 사용되고 있고, 이에 비하여 주조성과 경도는 좀 떨어지지만 인성이 좋고 내식성이 뛰어난 AC7A 합금을 타이어 몰드 재료로 사용되고 있는 실정이다.

그러나, 이러한 알루미늄 합금으로 기존의 스틸을 대체하여 생산할 경우에 스틸에 비하여 기계적인 성질이 저하되어서 사용상의 성능(performance ability)에 문제가 발생한다.

그리고, 현재 사용되고 있는 알루미늄 타이어 몰드를 제조하는 방법으로써, 일반 주조용 알루미늄 합금인 AC4B, AC7A를 석고 패턴(pattern)을 이용하여 사형 주조(sand casting), 중력 주조법(gravity casting)으로 타이어 몰드를 제조하는 방법이다.

위와 같은 타이어 몰드 제조법은 치수 정밀도(dimensional accuracy)가 좋지 않기 때문에 타이어 몰드의 정밀한 부분은 알루미늄 합금이 아닌 스틸 플레이트(steel plate) 즉, 스틸 피스(steel piece)를 사용한다. 석고 패턴에 스틸 피스를 삽입하여 제작을 한 뒤, 합금을 석고 패턴 위에 주입하여 몰드를 제조할 때 이 스틸 피스가 액상의 Al 합금에 접합되어 제조되는 방법이다.

이와 같이 스틸을 대신하여 알루미늄 합금을 사용하여 타이어 몰드를 제조하는 기존의 제조 과정은 도 1에서 보는 바와 같이, 주형틀(11)에 형성된 주입구(13)를 통하여 용탕(12)을 투입하여 석고 패턴(10) 위에 타이어 몰드를 형성하는 사형 주조법, 중력 주조법을 채택하고 있다.

그러나 일반 중력 주조법과 사형 주조법으로 타이어 몰드를 제조하면 치수 정밀도가 매우 낮고, 표면이 미려한 제품을 얻기가 어려운 문제점을 안고 있다.

이러한 치수 정밀도 문제를 해결하기 위해서 상술했던 것처럼 스틸 피스가 사용되고 있는 실정이다. 하지만 이럴 경우 제조 공정이 복잡하고 비용을 상승시키는 요인이 되고 있다.

또한 사형 주조법, 중력 주조법으로 제조된 타이어 몰드는 주조 공정 중 낮은 응고 속도로 인하여 조대한 합금 조직(coarse dendrite), 수축(shrinkage) 및 기공(porosity)과 같은 주조 결함과 기계적 특성이 좋지 않아 타이어 몰드의 사용 수명이 짧아지는 문제점이 있다.

그리고, 현재 사용되고 있는 AC4B, AC7A 합금의 경우 각각 전자는 주조성과 후자는 내식성은 좋지만, 경도값이 낮고(주조재 경도값 : AC4B - 60HRB, AC7A - 57.6HRB), 이로 인해 내마모성이 좋지 않은 단점과 고온에서 열팽창으로 인한 치수 불안정과 같은 문제가 있어 타이어 몰드의 수명을 단축시키는 요인으로 작용하고 있다.

사형 주조법, 중력 주조법의 경우 주조 방안(탕구, 탕도, 주입구, 압탕 등)이 복잡하고 응고 중에 응고 수축공의 발생 등으로 인해 타이어 몰드 제조에 필요한 합금량은 타이어 몰드 중량의 1.5배 정도의 많은 양을 용융하여 주조해야하므로 주조 회수율(recovery, %)이 보통 60∼70% 정도로 낮아서 전체적인 생산 원가가 높아지는 문제점이 있었다.

또한, 석고(plaster)의 특성상 통기성이 매우 나쁘고, 열전도도가 좋지 않아 석고 패턴과 용탕의 계면 부분에서 응고 속도(solidification rate)가 떨어지는 요인으로 작용한다. 이로 인해 석고 몰드 부분에서 수축공(macro-micro shrinkage), 편석(segregation) 및 알루미늄 합금이 응고 중 발생하는 가스 결함(pin hole, blow hole) 등의 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 우수한 내마모성, 낮은 열팽창 계수의 기계적 특성과 치수 정밀도가 우수하면서 경제적인 타이어 몰드를 제조할 수 있는 타이어 몰드용 알루미늄 합금과, 이를 이용한 타이어 몰드 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 타이어 몰드 제조를 위한 종래의 사형 주조법을 설명하기 위한 개략도.

도 2는 마스터 패턴(B)과 실리콘 고무 패턴(B)의 사진,

도 3은 석고 패턴의 사진.

도 4는 흡입 가압 주조 장치의 개략도.

도 5는 흡입 가압 주조법으로 제조된 타이어 몰드 세그먼트의 사진.

도 6은 반응고 흡입 가압 주조법(A)과 반용융 흡입 가압 주조법으로 제조된 타이어 몰드 세그먼트의 사진.

도 7은 중력 주조법(A)과 흡입 가압 주조법(B)으로 제조된 AC4B 합금의 타이어 몰드의 현미경 조직 사진.

도 8은 중력 주조법(A)과 흡입 가압 주조법(B)으로 제조된 AC7A 합금의 타이어 몰드의 현미경 조직 사진.

도 9는 중력 주조법(A)과 흡입 가압 주조법(B)으로 제조된 Al-5%Mg-5%Ni-0.5%Mn 합금의 타이어 몰드의 현미경 조직 사진.

도 10은 반응고 흡입 가압 주조법(A)과 반용융 흡입 가압 주조법(B)으로 제조된 타이어 몰드 세그먼트의 현미경 조직 사진.

도 11은 합금 종류 및 주조법 종류별로 경도값 차이를 나타낸 그래프.

도 12는 합금 종류 및 주조법 종류별로 내마모 특성을 나타낸 그래프.

도 13은 합금 종류 및 주조법 종류별로 열팽창계수 차이를 나타낸 그래프.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 3.0∼6.0중량%의 마그네슘(Mg), 4.0∼5.0중량%의 니켈(Ni), 0.2∼0.5중량%의 망간(Mn) 및 잔부 알루미늄(Al)으로 조성된 것을 특징으로 하는 타이어 몰드용 알루미늄 합금을 제공한다.

본 발명은 타이어 몰드용 알루미늄 합금을 준비하는 단계; 타이어 몰드 주조를 위한 패턴을 준비하여 주조 금형에 설치하는 단계; 상기 합금의 액체 상태인 합금과, 상기 합금의 용탕을 냉각시켜서 이루어진 고상/액상 공존 상태의 합금과, 상기 합금의 빌렛을 가열하여 이루어진 고상/액상 공존 상태의 합금 중 선택된 어느 한 상태의 합금을 금형에 주입하는 단계; 금형에 주입된 어느 한 상태의 합금을 가압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 몰드 제조 방법과 이 방법에 따라 제조된 타이어 몰드를 아울러 제공한다.

상기 타이어 몰드용 알루미늄 합금은 3.0∼6.0중량%의 마그네슘(Mg), 4.0∼5.0중량%의 니켈(Ni), 0.2∼0.5중량%의 망간(Mn) 및 잔부 알루미늄(Al)으로 조성된 합금이며, 상기 금형에 주입되는 합금의 상태가 액체 상태이면, 주입 전에 상기 용탕을 탈가스 처리하는 단계를 더 포함하여 이루어지고, 상기 가압 단계에서 상기 패턴이 부착된 금형 쪽에 부압을 형성하여 상기 패턴과 합금 경계면의 냉각 속도를 증가시켜 주조 결함을 감소시켜 주는 단계를 더 포함하여 이루어진다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 타이어 몰드용 알루미늄 합금은 3.0∼6.0중량%의 마그네슘(Mg), 4.0∼5.0중량%의 니켈(Ni), 0.2∼0.5중량%의 망간(Mn) 및 잔부 알루미늄(Al)으로 조성된다.

상기 성분들의 합금 내에서의 역할과 조성비를 상기 수치와 같이 제한하는 이유는 다음과 같다.

Mg은 Al 기지 내 고용 강화 효과를 가져오며 3.0∼6.0중량%가 효과적인 것으로 알려져 있다. Ni은 미세한 NiAl₃금속간 화합물을 생성하여 내열 특성을 향상시키지만, 5.0중량% 이상을 첨가하면 조대한 판성 및 밀집된 NiAl₃상이 석출되어 기계적 특성을 저하시키고, 4.0중량% 이하를 첨가하면 원하는 내열 특성을 얻기 어렵다.

Mn은 고용 강화 효과가 크지만 0.5중량% 이상을 첨가하면 편석 및 조대한 석출상이 생성되어 기계적 특성을 떨어뜨리고, 0.2중량% 이하로 추가하면 고용 강화 효과를 기대하기 어렵다.

한편, 기존의 알루미늄 합금인 AC4B 합금은 주조성이 우수하고, AC7A에 비하여 경도 강도가 우수함 하지만 신률이 낮고, AC7A 합금은 상기 AC4B 합금에 비해서 신률이 우수하고 내식성이 우수하지만 강도가 떨어지는 문제점을 안고 있다.

다시 말하면, 기존의 AC4B 합금, AC7A 합금은 고온에서 강도와 내마모성이 떨어지고 높은 열팽창 계수를 갖는 합금이므로 타이어 몰드에 있어서 가장 중요한 특성인 치수 정밀성이 떨어지는 단점이 있다. 이는 타이어 제조 공정 중에 타이어 몰드에 250℃ 이상의 온도를 유지하는 타이어 고무가 주입되기 때문에 타이어 몰드는 높은 내열성 및 내마모성이 요구되는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 AC4B 합금, AC7A 합금이 안고 있는 문제점을 해소하기 위하여 상기 AC4B 합금, AC7A 합금에 비해서 강도, 내열성, 경도, 내마모성 등 우수하고 열팽창계수가 낮아 높은 치수 정밀성을 가지는 타이어 몰드 제조용으로 적합한 Al-5%Mg-5%Ni-0.5%Mn 합금을 개발한 것이다.

그리고, 본 발명은 기계적 특성 및 높은 치수 정밀도 등을 만족하면서 타이어 몰드 제조 공정의 단축 등을 동시에 만족시킬 수 있는 흡입 가압 주조법(suction squeeze casting)과 흡입 반응고/반용융 가압 주조법(suction semi-solid/liquid process)을 이용하여 지금까지 제조해 온 종래의 타이어 몰드보다 훨씬 기계적 특성이 개선된 타이어 몰드를 제조하였다. 타이어 몰드 제조 과정은 다음과 같다.

1. 마스터 패턴(Master pattern; 도 2 (A) 참조) 제작 및 실리콘 고무 패턴(Silicon rubber pattern ; 도 2 (B) 참조) 제작

CNC 밀링 가공을 통해 마스터 몰드(master mold; 도 2a)를 제작한 다음에, 이 위에 실리콘(silicon)을 경화제 0.5%와 섞어서 주입한다. 주입 후 24시간이 경과하면 실리콘 고무 패턴(silicon rubber pattern; 도 2b)이 완성된다.

2. 석고 패턴 제작(도 3 참조)

상기 과정에서 제조된 실리콘 고무 패턴(도 2b) 위에 다시 석고와 적당한 량의 물이 혼합되어 만들어진 석고를 주입하여 석고 패턴을 제작한다. 이 때 석고와 물의 배합은 혼수량(混水量)이 44∼50%가 되도록 혼합을 한다. 이렇게 제작된 석고 패턴은 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 250℃의 온도에서 18시간 이상 건조를 해야 된다.

3. Al 합금 용해 및 타이어 몰드 주조

(1) 흡입 가압 주조 법(Suction squeeze casting)

본 발명에서 이용하는 흡입 가압 주조법을 시행하기 위해서는 도 4에 나타낸바와 같은 흡입 가압 주조 장치를 이용한다.

상기 흡입 가압 주조 장치는 그 내부에 설치된 상기 석고 패턴(24)에 접촉되는 하부면에 다수의 배출구(21)가 형성되고, 상기 다수의 배출구(21)를 진공 라인에 연결시켜 주는 흡입구(22)가 형성된 금형(20), 상기 금형(20) 내부에 설치된 석고 패턴(24) 위에 주입된 액상의 알루미늄(25)에 압력을 가해 주는 플랜저(23)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 흡입 가압 주조 장치를 이용하여 주조하는 과정은 다음과 같다.

상기 과정에서 제조된 석고 패턴(24)을 금형(20)의 내부에 설치한 다음에 알루미늄 합금 용탕(25)을 주입한다.

그리고, 상기 흡입구(22)를 진공 라인에 연결하여 상기 배출구(21)에 부압(負壓)을 형성하고, 프레스 등을 이용하여 상기 플랜저(23)를 가압하여 상기 액상의 알루미늄(25)에 압력을 가하는 것이다.

상기와 같은 공정을 처리하는 과정에서 주어지는 제조 조건(manufacturing conditions)은 다음과 같다.

사용되는 알루미늄 합금은 Al-5%Mg-5%Ni-0.5%Mn의 알루미늄 합금, AC4B 합금, AC7A 합금의 3가지 합금을 이용하였으며, 알루미늄 합금 용탕의 주입온도는 670℃∼720℃, 탈가스 처리에 사용되는 가스는 Ar 가스로써 6∼10분(700℃∼720℃) 동안 시행하였다.

그리고, 개량화 처리 및 미세화 처리를 위하여 각각 Al-10%Sr, Al-5%Ti-1%B를 각각 700℃에서 0.3% 첨가하였으며, 가압력은 2MPa∼5MPa로 하였다.

이 때 사용된 합금은 본 연구에서 타이어 몰드 합금으로 개발한 Mg : 5%, Ni : 5%, Mn : 0.5% 및 잔부 Al의 성분의 알루미늄 합금과 일반 주조용 합금 AC4B(Si : 10.2%, Ni : 0.27%, Mg : 0.25%, Ti : 0.1% 및 잔부 Al)와 AC7A(Mg : 3.7%, Si : 0.2%, Mn : 0.02% 및 잔부 Al)를 사용하였다.

그리고, 상기 개량화 처리재인 Al-10%Sr은 공정 실리콘 미세화 처리를 위한 것이며, 상기 입자 미세화 처리재인 Al-5%Ti-1%B는 합금이 응고할 때에 심판 편석에 의해 Ti와 B가 Al의 응고 핵으로 작용하도록 함으로써 더 많은 응고 핵을 생성하여 결정립이 미세화 처리되는 것을 돕기 위한 것이다.

또한, 일반적으로 알루미늄 용탕은 일반 금속에 비해서 수소의 함량이 크다(고상에서의 수소 용해량은 0.05cm³/100g, 700℃의 알루미늄 합금 용탕 내의 수소 용해량은 0.7cm³/100g). 수소 가스가 용탕 내부에 존재한 상태로 응고된다면 미세한 기공(pin hole), 상기 미세 기공보다 더 큰 기공(porosity), 또한 열처리 중 표면에 부풀어오르는 현상 등을 비롯한 결함을 발생하는 주요 요인이 되기 때문에 알루미늄 합금의 주조 처리에서는 탈가스 처리가 중요하기 때문에 일반적으로 Ar가스를 이용하여 7분 이상 주입하여 탈가스 처리를 하였다.

한편, 보통 석고 패턴(24)을 사용하여 주조를 할 경우에 석고가 통기성이 나쁘고 열전도도가 아주 좋지 않기 때문에 석고 패턴(24)과 용탕(25) 사이의 부위에서 응고 속도가 떨어져 결함 발생의 요인이 되기 쉽다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 통기성을 향상시킬 목적으로 금형(20) 밑판에 배출구(21)를 형성하고, 상기 다수의 배출구(21)를 통합하는 흡입구(22)에 진공 펌프와 같은 흡입 장치(흡입력 : 0.1MPa)를 연결하여 석고 패턴(24)의 통기성을 향상시켰다.

상기와 같은 흡입 가압 주조법으로 제조된 타이어 몰드 세그먼트를 도 5에 나타내었다.

(2) 반응고/반용융 흡입 가압 주조법(Suction semi-solid/liquid process)

타이어 몰드 제조에서 또 다른 방법으로는 반응고/반용융 흡입 가압 주조법이다.

반응고/반용융 흡입 가압 주조법이란 액상의 금속을 액상에서 서서히 냉각시켜 고상/액상 공존 영역에서 흡입 가압 주조하는 반응고 흡입 가압 주조법(suction semi-solid process)과 고상의 금속을 서서히 가열하여 액상/고상 공존 영역에서 흡입 가압 주조하는 반용융 흡입 가압 주조법(suction semi-liquid process)을 말한다.

본 발명에서는 흡입 가압 주조법(suction squeeze casting) 외에 위의 두 가지 반응고/반용융 흡입 가압 주조법을 이용하여 또한 자동차용 타이어 알루미늄합금 몰드를 제조하였다.

(가) 반응고 흡입 가압 주조법( Suction semi-solid process)의 제조 조건은 다음과 같다.

사용합금 : AC4B, 주입온도 : 585℃, 냉각속도 : 0.1℃/sec, 가압력 : 2MPa∼5MPa.

반응고 흡입 가압 주조법은 합금을 650℃까지 가열하여 용융시킨 다음, 액상에서 서서히 응고시키면서 600℃부터 585℃까지 스트링(stirring)을 실시한 후 반용융 상태의 합금을 금형에 주입하여 3MPa 가압력으로 가압 주조하였다.

(나) 반용융 흡입 가압 주조법(Suction semi-liquid process)의 제조조건은 다음과 같다.

사용합금 : A356, 주입온도 : 590℃, 승온속도 : 0.1℃/sec, 가압력 : 2MPa∼5MPa.

반용융 흡입 가압 주조법은 전자기 주조 장비로 고상/액상 공존 영역에서 전자 교반을 이용하여 초정상이 구형으로 제조된 직경 76mm의 A356 합금(Al-6.5∼7.5%Si-0.2∼0.4%Mg)의 빌렛을 모합금으로 사용하였다. 이 때 재가열 온도는 590℃(fs=0.4750)이었다.

합금을 550℃까지 가열한 다음 550℃에서 5분간 유지한 후 공정 온도(578℃)까지는 1℃/sec의 승온 속도로 재가열하여 고상/액상의 비율에서 고상을 약 45%로 유지하였고, 공정 온도에서 주입 온도까지는 0.1℃/sec의 승온 속도로 재가열하였다.

상기와 같이 반응고 흡입 가압 주조법과 반용융 흡입 가압 주조법으로 제조된 타이어 몰드 세그먼트를 도 6에 나타내었다.

5. 시험

상기와 같이 이루어진 본 발명의 특성을 비교 평가하기 위해서 조직 관찰,경도 시험, 내마모 시험, 열팽창 계수 측정 시험을 실시하였다.

(1) 조직관찰

기존의 중력 주조법과 본 발명의 흡입 가압 주조법을 이용하여 AC4B 합금, AC7A 합금 및 Al-5%Mg-5%Ni-0.5%Mn 합금의 타이어 몰드에 대한 광학 현미경 조직 사진을 도 7∼도 9에 각각 나타내었다.

상기 도 7∼도 9에서 보는 것과 같이 중력 주조법으로 제조된 제품의 조직 사진은 조대한 수지상의 모형을 가지고 있으나, 본원 발명의 흡입 가압 주조법(suction squeeze casting)으로 제조한 제품의 조직은 미세한 조직을 가지고 있음을 알 수 있다.

즉, 흡입 가압 주조법(suction squeeze casting)에서는 용탕에 압력을 주기 때문에 금형과 용탕사이의 공기 층이 없어져 냉각 속도를 크게 하는 효과가 있기 때문에 미세한 조직을 얻을 수 있다.

AC4B 합금을 이용하여 흡입 가압 주조법으로 제조된 타이어 몰드의 경우 도 7 (B)에서와 같이 초정 α상과 공정 Si상이 분포되어 있는 것을 볼 수 있으며, 중력 주조재(도 7 A)에 비해 흡입 가압 주조재(도 7 B)의 조직이 미세화 되었음을 알 수 있다.

도 8은 AC7A 합금의 중력 주조재(A)와 흡입 가압 주조재(B)의 조직 사진을 나타낸 것이다. 중력 주조재(도 8 A)의 경우 조대한 초정상과 소량의 공정 Al₆(Mn, Fe) 상이 분포되어 있는 것을 볼 수 있으나, 이러한 조직이 흡입 가압 주조를 하였을 경우 도 8 (B)에서와 같이 초정상과 공정상 모두 미세하게 되었음을 알 수 있다.

도 9는 Al-5%Mg-5%Ni-0.5%Mn 합금의 중력 주조재(A)와 흡입 가압 주조재(B)의 조직 사진으로, 흡입 가압 주조재(도 9 B)가 중력 주조재(도 9A)에 비하여 결정 구조와 Al₃Ni 상이 미세하게 되었음을 알 수 있다.

도 10은 각각 반응고 흡입 가압 주조법(A)과 반용융 흡입 가압 주조법(B)으로 제조된 타이어 몰드 세그먼트의 조직 사진을 나타낸 것이다.

반응고 흡입 가압 주조재(도 10 A)의 경우 A356 합금에서 나타나는 초정 α 상이 모두 구형으로 된 것을 확인할 수 있다. 또한 반용융 흡입 가압 주조재(도 10 B)의 경우 스트링(stirring)을 실시하며 응고되었기 때문에 수지상정들이 발달되지 못한 상태에서 응고되었기 때문에 수지상들이 많이 파괴되어 있는 것을 알 수 있다.

(2) 경도시험

일반 주조용 합금인 AC4B 합금 및 AC7A 합금과 본 발명에서 타이어 몰드 합금으로 개발된 Al-5%Mg-5%Ni-0.5%Mn 합금의 주조 조건에 따른 경도값을 로크웰 경도기를 사용하여 측정하였다.

도 11은 합금의 종류와 주조 조건에 따른 경도값의 변화를 나타낸 것이다. 도 11에서 보는 바와 같이 중력 주조재의 경우보다 흡입 가압 주조재(Suction squeeze cast)의 경도값이 더 높게 나타남을 알 수 있다.

또한 일반 몰드 주조용 합금인 AC4B 합금이나 AC7A 합금보다 본 발명에서 개발한 Al-5%Mg-5%Ni-0.5%Mn 합금의 경도값이 더 높게 나타났다. 이는 Mn 원소가 기지에 고용되어 경도값을 향상시키는 역할을 하기 때문에 Al-5Mg-5Ni-0.5Mn 합금의 경도값이 높게 나타났다.

또한 중력 주조재보다 흡입 가압 주조재의 경우가 경도값이 더 높게 나타났는데, 이는 가압 주조로 인해 냉각 속도가 증가하여 조직이 미세화 되었기 때문이다.

(3) 마모시험

내마모성을 평가하기 위해서 φ5.5mm×17mm 크기의 시험편을 제작하여 pin on disk type의 마모 시험기를 사용하여 특성을 평가하였다.

도 12는 합금의 종류와 주조 조건에 따른 내마모 특성의 관계를 나타내었다. 도 12에서 보는 바와 같이, 중력 주조법으로 제조된 합금보다 흡입 가압 주조법(suction squeeze casting)으로 제조된 합금의 내마모성이 훨씬 좋은 것으로 실험 결과 나타났다. 이는 조직이 미세화 처리되어 경도값의 증가하였고, 흡입 가압 주조에 따라 기공과 같은 결함이 훨씬 감소되었기 때문이다.

또한 Al-5Mg-5Ni-0.5Mn 알루미늄 합금이 일반 주조재 합금인 AC4B 합금이나 AC7A 합금보다 내마모성이 우수한 것으로 나타났다. 이는 Mn 성분이이 기지에 고용되어 경도값을 향상시키는 역할을 하기 때문이며, 이에 따라 내마모 특성도 더 좋게 나타났다.

(4) 열팽창 계수 측정 시험

φ2mm×14mm 크기의 열팽창 계수 측정 시험편을 제작하여 상온에서 400℃까지 승온 속도 5℃/min의 조건에서 선열팽창 계수 측정 시험을 실시하였다.

도 13은 합금의 종류와 주조 조건에 따른 열팽창 계수의 변화를 나타낸 것이다. 실험한 결과 Al-5Ni-5Mg-0.5Mn 합금이 AC4B 합금이나 AC7A 합금에 비해 더 낮게 나타남을 알 수 있었다. 최근 보고된 바에 의하면, 합금 재료의 열팽창계수는 제 2상의 체적분율과 형상에 의해서 주로 변화된다고 알려져 있다.

Al-5Ni-5Mg-0.5Mn 합금의 경우 Ni 화합물의 고른 분포로 인해 열팽창 계수가 낮게 나타난 것으로 생각된다. 또한 중력 주조재와 흡입 가압 주조재를 비교해 보았을 때 Al-5Ni-5Mg-0.5Mn 합금과 AC4B 합금 모두 흡입 가압 주조한 시험편의 열팽창 계수가 더 낮게 나타났다. 이는 흡입 가압 주조법으로 주조할 때에 빠른 응고 속도에 기인하여 화합물이 미세하고 균일하게 분포되었기 때문이다.

상기한 시험 결과를 볼 때 기존의 타이어 몰드 제조 방법으로 제조된 타이어 몰드에 비해 본 발명에서 제안한 주조법으로 제조한 타이어 몰드가 더 뛰어난 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 Al-5%Ni-5%Mg-0.5%Mn 합금은 종래의 AC4B 합금이나 AC7A 합금에 비하여 경도 시험, 마모 시험, 열팽창계수 시험에서 훨씬 우수한 특성을 나타내었다.

또한 공기 흡입 장치가 부착된 흡입 가압 주조법(suction squeeze casting)과 반응고/반용융 흡입 가압 주조법으로 타이어 몰드를 제조할 경우 기존에 사용되고 있는 스틸 몰드 즉, 종래의 사형, 중력 주조법으로 제조되고 있는 알루미늄 합금 타이어 몰드에 비해 사용상의 성능이 우수한 타이어 몰드를 제조할 수 있었다.

따라서, 본 발명은 기존의 스틸 피스를 가공하고 접합시키는 공정이 필요가 없어져 제조 공정의 단순화가 이루어졌으며, 기존의 중력 주조에서 나타나는 거대한 수축공 발생이 없다.

그리고, 기존의 타이어 몰드에 비해 기계적 특성(높은 내마모성, 낮은 열팽창계수)이 우수하며 정밀한 몰드 제조 가능함으로 우수한 품질의 몰드를 생산할 수 있다.

또한, 정밀한 몰드 제조 가능함으로 우수한 품질의 몰드를 생산할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

삭제
타이어 몰드용 알루미늄 합금을 준비하는 단계;

타이어 몰드 주조를 위한 패턴을 준비하여 주조 금형에 설치하는 단계;

상기 알루미늄 합금을 액체 상태와 고상/액상 공존 상태 중 어느 한 상태로 변화시키는 단계;

액체 상태와 고상/액상 공존 상태 중 어느 한 상태의 알루미늄 합금을 금형에 주입하는 단계;

금형에 주입된 어느 한 상태의 합금을 가압하는 단계; 및

상기 패턴이 부착된 금형 쪽에 부압을 형성하여, 상기 패턴과 합금 경계면의 냉각 속도를 증가시켜 주조 결함을 감소시켜 주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 몰드 제조 방법.
제 2항에 있어서, 상기 타이어 몰드용 알루미늄 합금은 3.0∼6.0중량%의 마그네슘(Mg), 4.0∼5.0중량%의 니켈(Ni), 0.2∼0.5중량%의 망간(Mn) 및 잔부 알루미늄(Al)으로 조성된 합금인 것을 특징으로 하는 타이어 몰드 제조 방법.
제 2항에 있어서, 상기 금형에 주입되는 합금의 상태가 액체 상태의 용탕이면, 주입 전에 상기 용탕을 탈가스 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 몰드 제조 방법.
제 2항에 있어서, 상기 고상/액상 공존 상태의 알루미늄 합금은 상기 알루미늄 합금의 용탕을 냉각시켜서 이루어진 고상/액상 공존 상태의 일루미늄 합금과, 상기 합금의 빌렛을 가열하여 이루어진 고상/액상 공존 상태의 알루미늄 합금 중 어느 한 상태의 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 타이어 몰드 제조 방법.
제 2항∼제 5항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 타이어 몰드.