KR100501535B1 - 소실모형 주조법에서의 주물의 조직미세화용 냉각장치 - Google Patents

소실모형 주조법에서의 주물의 조직미세화용 냉각장치 Download PDF

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Abstract

소실모형 주조법에서 주물 부위 중 원하는 국부적 위치에서의 냉각속도를 제어하여 조직을 미세화시키기 위한 냉각장치에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 주물 조직미세화용 냉각장치는, 주물의 부위 중 미세조직을 원하는 부위의 모형면 부근에 근접 설치되며, 자신의 내부에 냉각제 통로를 가지는 냉각금형과; 주조공정이 이루어지는 플라스크의 외부로부터 상기 냉각제를 공급받기 위한 냉각제 유입부와; 상기 냉각제 유입부로부터 유입된 냉각제를 상기 냉각금형으로 이송시키기 위한 유입배관과; 상기 냉각금형을 통과한 냉각제를 배출시키기 위한 배출배관과; 상기 배출배관을 통과하는 냉각제를 상기 플라스크의 외부로 배출하기 위한 냉각제 배출부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

소실모형 주조법에서의 주물의 조직미세화용 냉각장치 {Cooling Apparatus for Microstructural Refinement of Cast Material in the Process of Evaporative Pattern Casting}
본 발명은 냉각장치에 관한 것으로, 특히, 소실모형 주조법에서 주물 부위 중 원하는 국부적 위치에서의 냉각속도를 제어하여 조직을 미세화시키기 위한 냉각장치에 관한 것이다.
소실모형 주조법(Evaporative Pattern Casting)은, 친환경적인 이점과 경제성, 그리고 기계가공 등의 마지막 공정이 거의 필요 없을 정도로 최종 제품에 근사한 형상화(near net shape)가 가능하다는 등의 이유로 인해 기존의 사형주조를 대신할 수 있는 주조방법으로 주목을 받고 있다.
도 1은 일반적인 소실모형 주조법을 설명하기 위한 도면이다. 소실모형 주조법에서는, 우선, 스티로폼과 같은 원료인 발포폴리스티렌(EPS; Expandable Polystyrene)이나 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 원료로 하여 제조하고자 하는 주물제품과 동일한 형상으로 성형되는 모형(100)을 만든다. 모형(100)의 표면에 도형재(110)를 도포시킨 다음, 이를 점결제(binder)를 넣지 않은 주물사인 무점결사(無粘結砂; 120)에 매설한 뒤 용탕(130)을 주입하면, 매설된 모형(100)은 용탕(130)의 열에 의하여 기화되어 모래 속으로 배출되고, 그 공간에 주입된 용탕이 차게 되어 원하는 주물을 얻게 된다. 일반 주조법에서는 용탕이 차게되는 부분은 공간(Cavity)이며 그 주형틀은 점결력이 있는 모래로 형을 구성하고 있지만, 소실모형 주조법에서는 용탕(130)이 차는 부분은 모형(100)으로 구성되어 있고 주위에는 형을 구성할 수 없는 즉, 점결력이 없는 무점결사(120)로 채워져 있다. 따라서, 모형(100)을 지지하는 무점결사(120)는 유동성을 가지고 있어서 진동충전 방식의 조형공정이 완료되기 전까지는 계속적으로 이동하는 특성을 지닌다. 이러한 특성 때문에, 주물의 냉각속도 등을 제어하기 위한 장치를 주형에 설치하는 기술은 아직 구현된 바 없다.
한편, 소실모형 주조법에서 주입된 용탕은 그 열에너지를 이용하여 모형을 분해, 배출시키고 그 자리를 대치하면서 진행한다. 따라서, 용탕 선단의 온도가 우선적으로 강하되면서 비교적 층류의 형태로 주입되는 특성을 지닌다. 기존의 공동(cavity) 주형에서는 용탕의 냉각속도 및 응고형태가 주물의 형상에 좌우되지만, 소실모형 주조법에서는 용탕의 냉각속도 및 응고형태는 용탕의 진행방향 및 주입구와의 거리 등에 많은 영향을 받는다. 특히, 소실모형 주조법을 알루미늄 합금과 같은 저융점 합금에 적용할 경우 그 영향이 더욱 두드러진다.
기존의 소실모형 주조법에서는, 국부적으로 조직의 미세화를 요구하는 주물을 생산해야 될 경우, 미세화되는 부위를 용탕 선단의 최종 도달부에 위치하도록 주조방안을 설계하거나, 혹은 기존의 주물사에 비해 열전도성이 우수한 충전재들로 대체하는 방법을 이용하였다. 그러나, 전자의 경우, 주입온도의 세밀한 관리 및 지나친 저온주입으로 인한 용탕 미충진과 탕경 불량, 그리고 주물형 상자체의 한계 등으로 인하여 그 적용에 문제점이 많았으며, 후자의 경우, 전체적인 냉각효과를 도모하는 방식이기 때문에 과제를 해결하기 어려웠다.
종래 소실모형 주조법에서는, 냉각속도 제어의 곤란함 및 그 시도로 인해 여러 결함 발생이 발생하였다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 소실모형 주조법을 이용한 알루미늄 합금 등의 주조에 있어서, 주조방안 및 주입온도 등에 제약을 받지 않고 주물 부위 중 원하는 국부적 위치에서의 냉각속도를 제어하여 조직미세화(수지상정의 크기 및 수지상정의 간격 미세화) 등을 이룰 수 있는 조직미세화용 냉각장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 기존의 소실모형 주조장치에 큰 변경을 가하지 않고 설치되어, 병용할 수 있는 조직미세화용 냉각장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 주물 조직미세화용 냉각장치는, 소실모형 주조법에서 사용되는 것으로서, 상기 주물의 부위 중 미세조직을 원하는 부위의 모형면 부근에 근접 설치되며, 자신의 내부에 냉각제 통로를 가지는 냉각금형과; 주조공정이 이루어지는 플라스크의 외부로부터 상기 냉각제를 공급받기 위한 냉각제 유입부와; 상기 냉각제 유입부로부터 유입된 냉각제를 상기 냉각금형으로 이송시키기 위한 유입배관과; 상기 냉각금형을 통과한 냉각제를 배출시키기 위한 배출배관과; 상기 배출배관을 통과하는 냉각제를 상기 플라스크의 외부로 배출하기 위한 냉각제 배출부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 유입배관 및 배출배관이 각각, 상기 냉각금형으로부터 소정 거리 이격되게 위치한 고정배관과; 자신의 일단은 상기 고정배관의 홀과 연결되며, 그 타단은 상기 냉각금형의 냉각제 통로와 연결되어, 상기 냉각금형을 주물 모형의 원하는 위치까지 자유 이동시키는 기능을 함과 동시에 위치고정 후 상기 냉각금형을 지지할 수 있는 역할까지 수행하는 다관절 금속제 호스로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각금형의 위치조절이 더욱 용이하도록, 상기 고정배관의 홀이 서로 다른 위치에 복수 개 형성되며, 상기 홀들 중에 사용하지 않는 것에 대한 밀봉수단을 구비하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 냉각금형은 냉각능을 높이기 위한 것이라면, 재질에는 어떤 것을 사용하여도 무방하나, 일 예로서 동합금을 사용할 수 있다.
상기 유입부 및 배출부는 각각, 외부로부터 냉각제의 공급 및 배출용 호스와 연결하기 위한 피팅(fitting) 장치와; 상기 호스의 탈부착 시 상기 유입배관 및 배출배관에 잔류하는 냉각제가 유출되는 것을 방지할 수 있도록 잠금장치를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 조직미세화용 냉각장치를 보여주는 개략도이다. 도시의 명확화를 위하여 소실모형 주조용 플라스크(200)를 절개하여 나타내었다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 냉각장치는, 자신의 내부에 냉각제 통로(미도시)를 가지는 냉각금형(240), 주조공정이 이루어지는 플라스크(200)의 외부로부터 냉각제를 공급받기 위한 냉각제 유입부(210a), 냉각제 유입부(210a)로부터 유입된 냉각제를 냉각금형(240)으로 이송시키기 위한 유입배관(222a), 냉각금형(240)을 통과한 냉각제를 배출시키기 위한 배출배관(222b), 배출배관(22b)을 통과하는 냉각제를 플라스크(200)의 외부로 배출하기 위한 냉각제 배출부(210b)로 구성되어 있다. 상기 냉각제는 유체형태의 것이라면 어느 것이건 제한없이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 냉각수를 사용하였다. 냉각금형(240)은 주물(미도시)의 부위 중 미세조직을 원하는 부위의 모형면 부근에 근접 설치된다. 유입배관(222a)은, 냉각금형(240)으로부터 어느 정도 이격되게 플라스크(200)의 내벽부근에 위치한 고정 유입배관(220a)과, 자신의 일단은 고정 유입배관(220a)의 홀(250)과 연결되며 그 타단은 냉각금형(240)의 냉각제 통로와 연결되는 다관절 금속제 호스(230)로 이루어진다. 배출배관(222b)도 마찬가지 방식으로 고정 배출배관(220b)과 다관절 금속제 호스(230)로 이루어져 있다. 여기서, "고정"이란 자신의 형태가 변형되거나, 위치가 변동되지 않는 것을 의미한다. 유입 및 배출배관들(222a, 222b)에 포함된 다관절 금속제 호스(230)는 힘을 가할 경우 구부러지기 때문에 냉각금형(240)을 주물 모형의 원하는 위치까지 자유 이동시키는 기능을 수행한다. 이와 더불어 다관절 금속제 호스(230)는 변형에 의해 구부려져서 위치고정이 된 후에는 어느 정도의 중량을 지탱할 수 있기 때문에 냉각금형(240)을 지지할 수 있는 역할까지 수행한다.
본 실시예에서는 배관부의 배치형상 및 금형의 개수가 특정되었지만, 배관부의 배치형상 및 금형의 개수 등은 플라스크의 형상(직육면체 혹은 원통형)과 주조방안에 따른 모형의 배치 등에 따라서 변형 또는 추가삭제가 가능함은 물론이다.
한편, 본 실시예의 장치에서, 냉각제 유입부(210a) 및 냉각제 배출부(210b)는 내경이 대략 20∼30㎜인 것으로서, 외부로부터 냉각제의 공급 및 배출용 호스와 연결되게 피팅 장치(미도시)가 되어 있으며, 이러한 호스의 부착 및 탈착시 유입 및 배출배관들(222a, 222b) 내에 잔류하는 냉각제가 새어나오지 않도록 잠금장치(미도시)를 가지고 있다. 피팅 장치 및 잠금 장치는 유체의 공급, 배출 설비에서 통상적으로 사용되는 것과 별 차이가 없으므로 이에 대한 별도의 설명은 생략한다.
플라스크(200) 내부에 설치된 고정 유입 및 배출배관(220a, 220b)에는 일반 용도의 강관류를 사용한다. 또한, 고정 유입 및 배출배관(220a, 220b)에는 몇 개의 홀(250)이 형성되어 있는데, 이에는 필요할 경우 다관절 금속제 호스(230)가 연결되어 냉각금형(240)을 포함하는 냉각지그를 설치하게 된다.
한편, 고정 유입 및 배출배관(220a, 220b)에는 서로 다른 위치에 여러 개의 홀(250)이 형성되어 있어서, 다관절 금속제 호스(230)를 다양한 높이로 연결할 수 있다. 여러 개의 홀들 중에서 다관절 금속제 호스(230)에 연결되는 것을 제외한 나머지 홀들은 밀봉수단에 의해 밀봉된다. 이와 같은 홀(250)들은 냉각금형(240)의 높이를 용이하게 조절할 수 있게 해준다. 만약 어느 홀(250)에도 다관절 금속제 호스(230)를 연결하지 않고 밀봉한다면, 도 2의 플라스크(200)는 일반적 용도의 플라스크로 사용될 수도 있다.
냉각금형(240)은 냉각능을 높이기 위하여 동합금으로 만들었으며, 내부에는 냉각제의 순환로(미도시)를 만들어 냉각제가 유입 및 배출되면서 냉각효과를 발휘할 수 있도록 한다. 이러한 냉각금형(240)은 주물의 냉각부위에 따라 다양한 형태로 제작된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조직미세화용 냉각장치가 설치된 플라스크에서 소실모형 주조공정을 실시하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도시의 명확화를 위하여, 플라스크(200)의 일부를 절개여 도시하였다. 도 3을 참조하면, 주물의 한 곳만 냉각시킨다는 가정 하에 하나의 냉각금형(240)만을 나타내었다. 우선, 냉각금형(240)은 미세조직을 원하는 주물부위의 모형(310)의 면에 근접 설치된다. 이 때, 냉각금형(240)이 모형(310)의 면에 밀착되지 않도록 주의를 요한다. 만약, 냉각금형(240)이 주물부위의 모형(310)의 면에 밀착된다면, 주조 시 주물과 냉각금형(240) 사이에 융착이 발생하거나, 냉각금형(240)이 모형분해가스의 배출에 영향을 주어서 주조 불량의 문제를 발생시킬 수 있기 때문이다. 이어서, 무점결사(120)를 이용하여 조형을 완료한 뒤, 주물 주입 전에 냉각제가 냉각금형(240)을 통과하여 순환할 수 있도록, 냉각제 유입부(210a) 및 냉각제 배출부(210b)를 외부의 냉각제 공급 및 배출호스에 각각 연결한다. 냉각제를 순환시키면, 냉각제는 냉각제 유입부(210a), 고정 유입배관(220a), 고정 유입배관용 다관절 금속제 호스(230), 냉각금형(240) 내의 냉각제 통로, 고정 배출배관용 다관절 금속제 호스(230), 고정 배출배관(220b) 및 냉각제 배출부(210b)를 차례로 거치게 된다. 이와 같이 냉각 준비가 완료된 상태에서 용탕 주입을 실시하면, 주입 후 미응고된 주물 중 냉각금형(240)에 접하고 있는 부위의 응고속도가 빨라진다. 따라서, 알루미늄 합금의 경우, DAS(Dendrite Arm Space)가 줄어드는 등 원하는 부위의 조직미세화를 실현할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 조직미세화용 냉각장치는 그 부품들의 각각을 탈, 부착이 가능하게 구성할 수 있으므로 작업조건에 따라 가변적으로 장착할 수도 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 주조방안 및 주입온도 등에 제약을 받지 않고 주물 내의 원하는 부위의 냉각속도를 제어하여 조직의 미세화를 이룰 수 있는 효과가 있다. 실제적으로, 자동차용 주물 중 하나인 실린더 헤더의 경우 실린더에 접하는 부위는 치밀하고 미세한 조직이 요구되어 DAS(Dendrite Arm Space)의 관리가 중요한 요소임에도 불구하고, 종래의 소실모형 주조법에서는 그것을 관리하기가 곤란하여 쉽사리 접근이 안되기도 하는 현실이다.
둘째, 본 발명의 장치는 기존의 소실모형 주조장치의 큰 변경 없이 설치가능하며, 또한 필요에 따라 사용 및 미사용 할 수 있어 다양한 공정에 적용할 수 있다.
셋째, 주물 아이템, 형상 및 주조방안의 변화 등에 쉽게 대처할 수 있다. 이러한 경우 다관절 금속제 호스의 변형 및 배관 파이프의 다양한 위치에 형성되어 있는 홀들을 이용함으로써 쉽게 대처할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 일반적인 소실모형 주조법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 조직미세화용 냉각장치를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조직미세화용 냉각장치가 설치된 플라스크에서 소실모형 주조공정을 실시하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 *
100 : 모형
110 : 도형재
120 : 무점결사
130 : 용탕
200 : 플라스크
210a : 냉각제 유입부
210b : 냉각제 배출부
220a : 고정 유입배관
220b : 고정 배출배관
230 : 다관절 금속제 호스
240 : 냉각금형
250 : 고정 유입배관에 형성된 홀
310 : 미세조직을 원하는 주물부위의 모형

Claims (5)

  1. 소실모형 주조법에서의 주물의 조직미세화용 냉각장치에 있어서,
    상기 주물의 부위 중 미세조직을 원하는 부위의 모형면 부근에 근접 설치되며, 자신의 내부에 냉각제 통로를 가지는 냉각금형과;
    주조공정이 이루어지는 플라스크의 외부로부터 상기 냉각제를 공급받기 위한 냉각제 유입부와;
    상기 냉각제 유입부로부터 유입된 냉각제를 상기 냉각금형으로 이송시키기 위한 유입배관과;
    상기 냉각금형을 통과한 냉각제를 배출시키기 위한 배출배관과;
    상기 배출배관을 통과하는 냉각제를 상기 플라스크의 외부로 배출하기 위한 냉각제 배출부;
    를 구비하는, 주물의 조직미세화용 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유입배관 및 배출배관이 각각:
    상기 냉각금형으로부터 소정 거리 이격되게 위치한 고정배관과;
    자신의 일단은 상기 고정배관의 홀과 연결되며, 그 타단은 상기 냉각금형의 냉각제 통로와 연결되어, 상기 냉각금형을 주물 모형의 원하는 위치까지 자유 이동시키는 기능을 함과 동시에 위치고정 후 상기 냉각금형을 지지할 수 있는 역할까지 수행하는 다관절 금속제 호스;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는, 주물의 조직미세화용 냉각장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 냉각금형의 위치조절이 더욱 용이하도록, 상기 고정배관의 홀이 서로 다른 위치에 복수 개 형성되며, 상기 홀들 중에 사용하지 않는 것에 대한 밀봉수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는, 주물의 조직미세화용 냉각장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각금형이 냉각능을 높이기 위해 동합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 주물의 조직미세화용 냉각장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유입부 및 배출부가 각각:
    외부로부터 냉각제의 공급 및 배출용 호스와 연결하기 위한 피팅장치와;
    상기 호스의 탈부착 시 상기 유입배관 및 배출배관에 잔류하는 냉각제가 유출되는 것을 방지할 수 있도록 잠금장치;
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 주물의 조직미세화용 냉각장치.
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