KR100653161B1 - 알루미늄기 복합재를 이용한 반고상가압주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금형을 주조할 때 기지금속을 강화하기 위하여 세라믹 등을 첨가한 복합재를 이용, 반고상가압주조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것으로, 특히 신발금형을 주조하는데 채택되는 α형반수석고를 이용하여 주형을 제작하고 알루미늄기의 복합재를 주조, 금형의 물성을 강화시키기 위한, α형반수석고주형에 주조되는 신발금형용 알루미늄기 복합재를 복합화 한 후, 상기 복합재가 분산된 용탕을 주입챔버에 주입하고 반고상 상태까지 적정 온도로 냉각시킨 후 탕구상에 설치된 일정두께의 단열판을 뚫는 정도의 압력을 가하여 반고상 주조금속이 주형에 충진되도록 하는 일련의 과정을 거쳐 주조되도록 하기 위한 알루미늄기 복합재를 이용한 반고상가압주조방법에 관한 것이다.

알루미늄기 복합재, 반고상가압주조방법

Description

알루미늄기 복합재를 이용한 반고상가압주조방법{Pressure-casting method of semisolid Al matrix composite}

도 1은 본 발명에 채택되는 기지금속인 AC4C 알루미늄 합금의 500 배율에 의한 현미경 조직도이고

도 2는 기지금속에 혼합되는 4 ~ 35㎛ 입자크기의 SiC를 10 % 중량부 함유한 상태에서의 현미경 조직도이며,

도 3은 기지금속에 혼합되는 4 ~ 35㎛ 입자크기의 SiC를 15 % 중량부 함유한 상태에서의 현미경 조직도이며,

도 4는 기지금속에 혼합되는 4 ~ 35㎛ 입자크기의 SiC를 20 % 중량부 함유한 상태에서의 현미경 조직도이며,

도 5는 기지금속에 혼합되는 4 ~ 35㎛ 입자크기의 SiC를 25 % 중량부 함유한 상태에서의 현미경 조직도이다.

도 6은 용탕을 주입챔버에 주입하여 교반하는 상태를 개략적으로 도시한 개략 단면도이고,

도 7은 반고상으로 된 용탕을 일정 공기압으로 제공하여 주형내로 주입되도록 하기 위한 상태를 도시한 개략적 단면도이다.

표 1은 본 발명에 채택되는 기지금속인 AC4C 합금의 화학조성을 나타낸 표

표 2는 각 강화재의 종류와 분율에 따른 경도값을 나타낸 표

표 3은 강화재에 따른 복합재의 인장강도를 나타낸 표

※ 도면 중 주요 부호에 대한 간단한 설명

100; 석고주형 110; 주입챔버

120; 금형 130; 단열판

본 발명은 금형을 주조할 때 기지금속을 강화하기 위하여 세라믹 등을 첨가한 복합재를 이용, 반고상가압주조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것으로, 특히 신발금형을 주조하는데 채택되는 α형반수석고를 이용하여 주형을 제작하고 알루미늄기의 복합재를 주조, 금형의 물성을 강화시키기 위한, α형반수석고주형에 주조되는 신발금형용 알루미늄기 복합재를 복합화 한 후, 상기 복합재가 분산된 용탕을 주입챔버에 주입하고 반고상 상태까지 적정 온도로 냉각시킨 후 탕구상에 설치된 일정두께의 단열판을 뚫는 정도의 압력을 가하여 반고상 주조금속이 주형에 충진되도록 하는 일련의 과정을 거쳐 주조되도록 하기 위한 알루미늄기 복합재를 이용한 반고상가압주조방법에 관한 것이다.

알루미늄 용탕을 주조하는 방법을 주조방법에 따라 분류하면 압력금형주조법(die-casting), 중력금형주조법, 압박주조법, 흡입주조법, 진공주조법, 연속주조법 및 이들을 적절히 조합한 조합주조법 등이 있음은 알려진 바와 같다.

또한 종래 고품질의 경합금 주물을 제조하는 경우 등에 있어서, 용탕을 수용한 노내에 공기 또는 불활성가스를 공급하여 노내의 용탕을 가압, 이것으로 용탕을 금형의 캐버티내에 공급하는 저압주조법 등이 널리 채택되고 있다.

이와는 달리 알루미늄이나 알루미늄 합금의 금속용탕에 응고과정에서 고압력을 가하여 주조하는 방법인 용탕가압주조는 중력주조에 의한 방식보다 냉각속도의 증가로 응고시간이 짧고, 주조품의 조직이 치밀하며, 수축공(Shrinkage Cavity)의 억제를 얻을 수 있는 주조법으로서, 건전한 품질의 제품을 얻을 수 있어서 주조품의 실수율을 향상 시킬 수 있는 주조법으로 알려져 있다.

이와같이 금형을 제조할 시 알루미늄 합금을 이용할 경우에는 강재에 비해 경량화와 가공속도를 높이는 것이 목적인바, 절삭 및 방전가공성이 좋고 단기간에 제작이 가능하며, 금형가공비를 대폭 절감할 수 있으며, 열전도성이 좋아 성형사이클을 단축할 수 있는 등 우수한 특성을 가지고 있다.

이러한 알루미늄 합금은 정밀주조법으로 주조품을 정밀하게 제작할 수 있고, 주조결함이 거의 없는 특성을 가지고 있어 근래 들어 다양한 분야에의 실용성이 입증되고 있다.

그러나 이와같이 상기 알루미늄 합금소재를 이용한 금형주조시, 그 무게가 가볍고 열전도성이 좋아 고속 성형이 비교적 잘 되므로 새로운 패턴으로 디자인되는 제품에 해당되는 금형을 신속하게 생산 할 수 있는 장점이 있는 반면에, 경도가 낮아 신발금형과 같은 경우 주로 미드솔 금형에만 적용하게 되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점 등을 해결하기 위한 것으로, 주철이나 주강금형을 대체할 만한 압축강도와 경도를 가질 수 있는 세라믹 강화 알루미늄 복합재 금형을, 가압주조식 석고주형 정밀 주조에 의해 신발 금형 제작시 경도가 낮아 미드솔 금형에만 적용되는 것으로부터 탈피하여 아웃솔 금형에도 적용 가능한 경도를 갖도록 하여, 알루미늄의 장점과 철계 수준의 물성을 같이 공유토록 하므로서 철계금형의 대부분을 대체 할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

신발금형을 공지의 석고주형에 의해 주조하게 되는 주조방법에 있어서,

알루미늄 합금기지금속 대비 4~35 ㎛ 크기의 SiC입자 5~20 % 중량부를 혼합처리하여 얻게 되는 알루미늄기 복합소재를 전자장 교반장치를 이용하여 1차 교반 후, 불활성가스 분위기에서 100rpm으로 2차 교반, 복합화하여서 되는 강화재를 용탕에 650℃의 온도로 주입 분산시켜 고액 공존영역까지 온도가 하강되면 주입뚜껑을 닫은 후, 0.1 ~ 0.5 kg/㎠의 압력으로 가압하여 탕구상부에 설치되는 3mm 정도 두께의 단열판을 파괴하여, α형반수석고 70% 이상을 함유하는 비발포성 석고주형에 충진되도록 하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명은 세라믹강화 알루미늄기 복합소재를 제조하기 위한 복합화 공정과, 상기 복합화 공정으로부터 제조되는 복합소재 즉, 강화재를 석고주형에 가압, 충진하게 되는 가압주조공정으로 이루어지게 된다.

이하, 본 발명을 설명하되 이해를 돕기 위해 복합화공정과 가압주조공정으로 나누어 설명하기로 한다.

( 복합화 공정 )

본 공정은 상술한 바와 같이 세라믹강화 알루미늄기 복합소재를 제조하기 위해 기지금속인 알루미늄 합금에 SiC를 400 mesh( 4 ~ 35 ㎛ 범위내)와 1000 mesh( 1 ~ 15 ㎛ 범위내) 범위내 두 입자의 재료를 대상으로 복합화 시험을 하였다.

복합공정은 전자장 교반장치를 이용하여 강화재인 SiC 입자상을 투입한 후 1 차 교반을 하고, 불활성가스 분위기속에서 2차 교반을 수행하였다.

교반시 RPM은 100RPM으로 하였고, 용탕온도는 750℃를 유지하는 것이 가장 적합하다.

여기서, 교반속도가 낮아지게 되면 교반시간이 길어지며, 용탕온도가 설정온도 보다 낮으면 교반이 힘들게 되고 이보다 온도가 높게 되면 산화 및 가스결함 발생률이 높아질 수 있어, 상기의 온도를 유지하는 것이 중요하다.

본 발명에 채택되는 기지금속인 알루미늄합금은 주조성ㆍ내식성ㆍ내압성 등이 우수한 AC4C 합금(Al-7%, Si-3.5%,Mg)을 이용하였다.

표 1은 본 발명에 채택되는 기지금속인 AC4C 합금의 화학조성을 나타낸다.

Material	% Si	% Mg	% Cu	% Zu	% Fe	% Mn	% Ti	% Al
AC4C alloy	7.2	0.3	<0.001	0.016	0.32	<0.001	0.15	Bal

도 1은 이와같은 AC4C 합금의 현미경조직을 500배 확대하여 나타낸 것이다.

이와같은 AC4C 알루미늄 합금을 기지금속으로 하여, 상기 알루미늄 합금기지금속 대비 4 ~ 35 ㎛의 입자크기(약 400mesh)를 갖는 SiC를 하기의 각 중량부(10, 15, 20, 25 % 중량부)에 의해 첨가하여, 상술한 바와 같이 전자장 교반장치를 이용하여 1차 교반 한 다음, 불활성가스 분위기속에서 2차교반하였다.

도 2 내지 도 5는 각각 상기 입자크기를 갖는 SiC를 상술한 화학성분을 갖는 AC4C 알루미늄 합금에 10%, 15%, 20%, 25% 중량부 혼합한 상태에서 나온 결과물을 현미경조직을 통하여 500 배 확대한 상태를 나타낸 것이다.

표 2는 각 강화재의 종류와 분율에 따른 경도값을 나타낸다.

재 료	경 도 HB (평균값)
4 ~ 35 ㎛ 5% 복합재	112.9
4 ~ 35 ㎛ 10% 복합재	117.4
4 ~ 35 ㎛ 15% 복합재	124.2
4 ~ 35 ㎛ 20% 복합재	135.4
4 ~ 35 ㎛ 25% 복합재	162.9

이상에서 알 수 있는 바와 같이, 4 ~ 35 ㎛의 입자크기 범위(400 mesh) SiC 입자를 이용하여 강화시킨 복합재의 경우 5% 중량부 이상만 첨가되면 평균 경도값이 모두 높게 나타났다.

바람직하게는 15% 이상을 첨가하는 것이 안정적인 것으로 나타났다.

표 3은 강화재에 따른 복합재의 인장강도를 나타낸 것이다.

재 료	인장강도 (kg/㎠, 평균값)
4 ~ 35 ㎛ 복합재	31.4

상기와 같은 세라믹 강화재가 분산된 용탕을, 도 6에서 보는바와 같이 주입챔버(110)에 주입하고, 반고상 상태까지 온도를 냉각시키게 되는데 이와같이 온도를 냉각시키는 동안 강화재의 침전을 방지하기 위해 임펠러(111)등으로 교반을 하게 된다.

( 반고상가압주조 공정 )

상기의 용탕이 주입되어질 주형은 국산 내열용 비발포 석고를 이용하게 되는바, 주형용으로 사용되는 소석고를 수증기중에서의 가압, 가열에 의한 소성공정에 의해 얻게 되는 α형반수석고를 이용하여 주형을 제작하도록 한다.

이와같은 α형반수석고는 소석고를 공기중에서 가열, 소성한 β형석고에 비하여 필요로 하는 혼수량이 적기 때문에 건조시간이 짧아서 경제적이며 강도가 커서 상기 α형반수석고를 주성분으로 하되, 비발포 석고에 통기성과 균열 방지를 위하여 공지된 첨가제를 다수 첨가하여 혼수량 40%로 주형이 제작되도록 한다.

이와같이 제조되는 α형반수석고주형은 200℃ 범위 이내에서 24시간 건조 후 용탕을 주입하는 것이 바람직하며, 상기 α형반수석고주형의 응결팽창량은 0.04 %, 건조시의 수축량은 0.12 %로 나타나 Master Pathern 제조시 이러한 팽창, 수축량을 고려하여 목형의 제작이 가능할 수 있다.

한편, 상기와 같은 주형을 제작한 후 본 발명에 의해 제공되는 알루미늄기 복합소재에 의해 금형이 주조되도록 하는 구성을 제공하게 된다.

상기와 같이 세라믹 강화재가 분산된 상태의 용탕을 도 6에서 보는바와 같이 α형반수석고로 되는 석고주형 상부측에 위치되어지는 주입챔버(110)내에서 침전되는 것을 방지토록 하며 교반한 후, 일정온도 이하로 냉각되면 상기 용탕은 반고상 상태에 있게 된다.

이와같은 상태에서 상기 주입챔버(110)의 뚜껑을 닫은 후 공기압을 이용하여 0.1 ~ 0.5 kg/㎠의 압력으로 가압을 하게 된다.

아울러 도 7에서 보는바와 같이 상기 주입챔버(110) 하단측 즉, 탕구상부에는 약 3mm 정도의 두께를 갖는 단열판(130)을 형성하여, 상기 주입챔버(110)내에서 교반되는 용탕이 석고주형(100)내로 유입되지 않는 상태를 유지하도록 하고, 상술한 바와 같이 상기 주입챔버(110)를 닫은 후 0.1 ~ 0.5 kg/㎠의 적정 공기 압력이 제공되어질 때, 상기 단열판(130)이 파단되어 반고상 상태의 용탕이 주형내로 유입되도록 구성하게 된다.

이때 상기 용탕의 고상율은 10 ~ 40 % 범위에서도 주조가 가능하며, 본 발명의 실시예에서는 40 %선에서 가압되도록 하는 것이 주조품의 품질에 있어서 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다.

상술한 본 발명의 실시예에서는 주로 가압주조에 대하여 설명하고 있으나, 이와는 달리 응고후 주조에 의한 공정에 의해서도 동일한 효과를 가져올 수 있음은 물론이다.

따라서 본 발명에 의하여 제조되는 금형의 경우, 금형 표면의 기포결함 및 외관결함 등이 존재하지 않는 양호한 상태의 금형을 얻을 수 있어, 세라믹 강화 알 루미늄 복합소재로 되는 강화재를 이용하여 알루미늄의 장점과 철계의 물성이 동시에 나타날 수 있는 특성을 얻게 되므로, 신발 금형의 적용시 아웃솔 금형에로도 그 적용이 가능할 수 있어, 철계 금형을 대체할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (2)

1. 알루미늄 합금기지금속 대비 4~35 ㎛ 크기의 SiC입자 5~20 % 중량부를 혼합처리하여 얻게 되는 알루미늄기 복합소재를 전자장 교반장치를 이용하여 1차 교반 후, 불활성가스 분위기에서 100rpm으로 2차 교반, 복합화하여서 되는 강화재를 용탕에 650℃의 온도로 주입 분산시켜 고액 공존영역까지 온도가 하강되면 주입뚜껑을 닫은 후, 0.1 ~ 0.5 kg/㎠의 압력으로 가압하여 탕구상부에 설치되는 3mm 정도 두께의 단열판을 파괴하여, α형반수석고 70% 이상을 함유하는 비발포성 석고주형에 충진되도록 하는 것을 특징으로 하는 알루미늄기 복합재를 이용한 반고상가압주조방법.
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