KR100662041B1 - 반용융/반응고 마그네슘합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치및 이를 이용한 마그네슘합금의 제품 제조방법 - Google Patents

반용융/반응고 마그네슘합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치및 이를 이용한 마그네슘합금의 제품 제조방법 Download PDF

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hot water
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이영철
이두호
이도연
윤광일
박형진
박태윤
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Abstract

본 발명에 의한 마그네슘합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치 및 마그네슘합금의 제품 제조방법은 용융 마그네슘합금이 대기에 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 용융 마그네슘합금을 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 다이캐스팅 장치에 있어서, 가열장치를 구비한 용해로와 용융 마그네슘합금을 가압하기 위한 가압장치와 제품의 형상을 성형하기 위한 금형을 기본으로 포함하며, 상기 용해로와 연결되어 액체의 용융 마그네슘합금을 공급하는 급탕로와 상기 금형 사이에 위치한 노즐의 주위에 반용융/반응고 상태로 변화하는 마그네슘합금을 교반하는 전자기 교반장치를 구비하고, 상기 급탕로 또는 상기 노즐의 내부에서 형성되는 반용융/반응고 마그네슘합금 내부의 고상을 파쇄하기 위하여 상기 노즐내경의 일부 또는 전체를 상기 급탕로의 내경보다 작게 구성한다.
고온챔버다이캐스팅, 반응고, 다이캐스팅, 교반기, 주조, 노즐

Description

반용융/반응고 마그네슘합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치 및 이를 이용한 마그네슘합금의 제품 제조방법 {HOT CHAMBER DIE CASTING APPARATUS FOR SEMI-SOLID MAGNESIUM ALLOY AND THE MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}
도 1은 일반적인 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 개략 구조도.
도 2a는 본 발명에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 개략 구조도.
도 2b는 도 2a의 도면번호 100 부위의 확대된 단면도.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 개략 구조도.
도 3b 내지 도 3e는 노즐과 급탕로 내경의 상대적 크기와, 돌출부의 형성 여부에 따른 본 발명의 바람직한 여러 실시예를 나타내는 개략 단면도.
도 4는 노즐 내부의 여러 단면 형태를 나타내는 개략 단면도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들로 제조된 마그네슘 합금의 미세조직 단면의 현미경 사진.
도 5c는 종래기술의 비교예로 제조된 마그네슘 합금의 미세조직 단면의 현미경 사진.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101: 전자기 교반장치 103: 노즐팁
105: 노즐 106: 돌출부
109: 노즐 내부 110: 가동반
120: 고정반 130: 이동 금형
140: 고정 금형 150: 금형의 공동(cavity)
210: 급탕 구멍 220: 급탕로
230: 용해조 240: 용융 금속
250: 플런저 270: 구즈넥 종단부
본 발명은 마그네슘합금용 고온 챔버 다이캐스팅 주조 장치 및 이를 이용한 마그네슘합금의 제품 제조방법에 관한 것으로, 특히 본 발명은 용융 마그네슘합금이 대기에 노출되지 않은 상태에서 가압되어 성형되는 다이캐스팅 장치에 있어서 상기 마그네슘합금을 교반하는 전자기 교반장치와, 그 내경이 조절되고 그 내부에 돌출부가 형성되는 노즐부를 구비하는 고온 챔버 다이캐스팅 주조 장치 및 이를 이용한 마그네슘합금의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 다이캐스팅 주조법에 의한 제조장치는 용해조에 의해 용해된 용융금속이 금형으로 이송되는 방법에 따라 저온 챔버 다이캐스팅 장치와 고온 챔버 다이캐스팅 장치로 분류된다.
특히, 상기 고온 챔버 다이캐스팅 방법은 대기압 이상의 압력으로 용융금속 을 직접 가압하여 다이에 고정된 금형에 주입하는 주조법을 가리키며, 상세하게는 용융된 합금을 정밀한 금형 안에 높은 압력과 속도로 매우 빠르게 주입하여 제품을 성형하는 방법을 가리킨다.
고온 챔버 다이캐스팅 방법은 용해조에 의해 용해된 용융금속을 대기에 노출하지 않고 가압장치에 의해 가압된 용융금속을 노즐을 거쳐 금형에 압입하여 제조하는 방법이다. 이때, 상기 용융금속의 이송 경로는 용해조 내부의 가압실에서 가압되어 구즈넥을 거쳐 노즐에 이르고 노즐에서 다시 금형의 공동(Mold Cavity)으로 압입된다. 이 제조방법은 용융된 금속이 대기에 노출되지 않고 금형으로 압입되므로, 저온 챔버 다이캐스팅 장치에 비하여 제품의 기포결함이 적은 장점이 있다. 또한, 대기에 노출됨이 없이 밀폐되어 주조될 수 있으므로, 마그네슘과 같이 대기 중에서 빠르게 산화되는 재질의 제품 제작에 특히 유리하다.
일반적인 고온 챔버 다이캐스팅 장치는 도 1과 같은 도면으로 설명될 수 있으나, 통상적으로는 전자기 교반을 위한 코일, 즉 전자기 교반기(87)가 없는 형태로 제작된다.
만일 상기 교반기(87)가 없는 경우, 금속 합금은 용해조(44), 급탕로(43), 구즈넥(45) 및 노즐(41)로 이동되는 동안 액체 상태를 유지하게 된다. 이와 관련한 선행 기술로서 일본 특허공개공보 소55-136554(1980.10.24) 및 미국 특허출원공개공보 US5960854A(1999.10.5) 등에서는 이러한 고온 챔버 다이캐스팅장치에서 용해조로부터 금형으로의 이송경로 상에 열손실을 막기 위하여 전기 가열장치나 단열장치를 구비한 기술이 공개되어 있다. 이 경우 액체 상태의 용융금속을 사용하므로, 최종 다이캐스팅된 제품의 조직이 치밀하지 못하고 강도가 상대적으로 교반처리된 반용융 금속을 사용한 경우보다 낮다는 문제점을 가진다.
그러나, 상기와 같은 문제점이 있는 액상 상태의 모재 대신에 반용융 상태의 모재를 다이캐스팅하게 되면, 보다 기계적 성질이 우수한 제품을 제조할 수 있게 된다. 이는 반용융 또는 반응고 성형법이라고 하며, 이는 고상과 액상의 공존구간으로 냉각하여 미처 응고되지 않은 반응고 상태의 금속 슬러리를 주조 또는 단조하여 빌렛이나 최종 성형품을 제조하는 가공법이다.
이러한 반응고/반용융 성형법은 주조나 용탕단조 등 용융금속을 이용하는 일반적인 성형방법에 비해 많은 장점을 가진다. 예를 들면, 반응고/반용융 성형법에서 사용되는 슬러리는 용융 금속보다 낮은 온도에서 유동성을 가지므로, 이 슬러리에 노출되는 다이의 온도를 용융금속의 경우보다 더 낮출 수 있고, 이에 따라 다이의 수명이 길어질 수 있다. 또한, 슬러리가 실린더를 따라 압출될 때, 난류(turbulence)의 발생이 적어 주조과정에서 공기의 혼입을 줄일 수 있으며, 이에 따라 최종 제품에의 기공발생을 저감할 수 있다. 이외에도, 미세한 조직으로 균일하게 분포되고 조직의 모양이 구상화됨으로써 제품의 기계적 성질이 우수하고 내식성이 향상된다.
특히, 이러한 반응고/반용융 성형법에서는 슬러리를 교반시켜 주는 것이 바람직하다. 도 1에서 전자기 교반기(87)가 없는 경우는 액상 상태에서의 사출이고, 전자기 교반기(87)가 있는 경우는 반용융 상태에서의 사출이 된다. 용융 금속을 냉각시킬 때에 주로 금속의 액상선 이하의 온도에서 교반함으로써 이미 생성된 수지 상 결정조직을 파괴하거나, 또는 초기 응고층으로부터 수지상 조직으로 성장해 나가는 것을 막음으로써 구형의 입자로 만들 수 있다. 이를 위하여 통상적으로 기계적 교반법과 전자기적 교반법 등이 이용된다. 반응고 슬러리 제조시 교반을 적용하는 기술의 예로는 일본 특허공개공보 평11-33692호(1999. 2. 9)나 일본 특허공개공보 평10-128516호(1998. 5.19)에 잘 개시되어 있다.
또한, 고온 챔버 다이캐스팅에 있어서 전자기장이나 초음파와 같은 외부의 교반기를 적용하는 기술로서는 미국특허출원공개공보 US2001/0037868(2001.11.8)에 개시되어 있다. 여기서는 전자기 코일을 용탕보관조(즉, 용해조:44)의 둘레에 설치하여 반용융 상태의 용탕에 전자기장(87)을 인가한다. 이외에도, 상기 전자기 코일과는 별도로 기계적인 교반을 위해 스크류를 돌려 교반을 행하는 방법이 개시되어 있다. 이와 같은 방법은 용해조 내부에 가압장치(42)가 설치되어 있어서 용해조의 둘레를 축소하는데 한계가 있고, 실질적으로 급탕로 내에 이미 공급된 반용융 상태의 금속(46)은 더 이상 전자기장의 영향을 받지 않는다는 문제점을 가진다. 또한, 전자기장을 인가하기에는 상기 용해조가 너무 커서 전자기장이 인가되어도 반용융 금속에 영향을 미치기에는 불충분하다는 문제점을 안고 있다. 또한, 전자기장의 세기를 무작정 증가시키는 데는 장치 제조상의 한계가 있으며 전력의 소비가 너무 크다는 문제점도 있다. 또한, 기계적 교반의 경우는 용탕 속에 스크류를 삽입하여 교반시키므로, 진공이 깨어져 외부로부터의 오염원이 공급될 수 있고, 교반을 통해 초정을 깨고 덴드라이트(dendrite)의 성장을 효과적으로 억제하는 데는 한계가 있다. 또한, 비록 초기에 전자기적 교반이나 기계적인 교반을 통해 반용융 금속의 조 직이 치밀화된 제반여건이 형성되었더라도, 구즈넥(45)을 통해 반용융 금속이 노즐(41)로 향하는 순간 이러한 초기의 여건들이 사라져버리는 현상이 발생한다는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 보다 미세한 다이캐스팅 주조조직을 제조할 수 있어 제품의 고강도화, 박형화 및 경량화를 달성할 수 있는 마그네슘합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치 및 이를 이용한 마그네슘합금의 제품 제조방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 관점에 의한 마그네슘합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치는 용융 마그네슘합금이 대기에 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 용융 마그네슘합금을 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 다이캐스팅 장치에 있어서, 가열장치를 구비한 용해조와 용융 마그네슘합금을 가압하기 위한 가압장치와 제품의 형상을 성형하기 위한 금형을 기본으로 포함하며, 상기 용해조와 연결되어 액체의 용융 마그네슘합금을 공급하는 급탕로와 상기 금형 사이에 위치한 노즐의 주위에 반용융/반응고 상태로 변화하는 마그네슘합금을 교반하는 전자기 교반장치를 구비하고, 상기 급탕로 또는 상기 노즐의 내부에서 형성되는 반용융/반응고 마그네슘합금 내부의 고상을 파쇄하기 위하여 상기 노즐내경의 일부 또는 전체를 상기 급탕로의 내경보다 작게 구성한다.
즉, 상기 노즐의 내경이 상기 급탕로의 내경보다 작고 그 내부에 돌출부가 형성되어 있으므로, 상기 반용융/반응고 금속은 상기 노즐을 통과하며 더욱 높은 압력을 받게 되고 내부 슬러리가 상호 충돌하거나 노즐에 충돌함으로 인해 고상을 파쇄시켜 미세화되는 것이다. 또한, 이때 상기 노즐 부위에 형성되는 전자기 교반장치로 인하여 교반으로 인한 파쇄 효과를 상승시킨다.
또한, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치는 상기 노즐의 내부에 상기 노즐의 내경을 보다 작게 하는 돌출부를 적어도 하나 이상 구비하여 이를 통과하는 상기 반용융/반응고 마그네슘합금이 받는 압력을 더욱 증가시키고, 노즐의 돌출부에 충돌시킴으로써 상기 고상의 파쇄효과를 증가시킨다.
또한, 본 발명의 다른 일 관점에 의하면, 상기 노즐의 내경은 상기 급탕로의 내경과 같거나 또는 이보다 크게 구성하고, 상기 노즐의 내부에 상기 돌출부를 적어도 하나 이상 구비한다.
본 발명에 있어서, 상기 노즐의 단면 형상은 원형 이외에도 모든 형태로도 될 수 있으며, 이는 상기 반용융/반응고 금속이 금형으로의 이송경로 상에서 노즐의 내부 표면에서의 저항을 증가시키기 위한 형상으로 될 수 있다. 또한, 상기 돌출부의 형상은 상기 반용융/반응고 마그네슘합금의 통과에 저항을 줄 수 있는 형태이면 어떠한 형상이라도 가능하다.
또한, 상기 교반장치는 전자기장을 발생시키는 전자기 발생장치나 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치가 사용될 수 있으며, 상기 용융 금속이 금형으로 공급되는 통로에 있어서 상기 용해조 이후 상기 금형 이전까지의 부위에 위치될 수 있다.
또한, 상기 급탕로는 상기 용해조까지만 설치할 수 있다. 또는 상기 용해조 내부로 조금 짧게 함몰하여 형성할 수 있고 또는 상기 용해조 외부로 조금 길게 돌출될 때까지 형성시킬 수도 있다. 그리고, 상기 급탕로의 끝 부위에는 상기 노즐이 위치하고, 이 노즐은 상기 금형으로 연결된다. 또한, 상기 급탕로는 용해조 내부에서부터 돌출되어 상기 금형까지 직접 연결될 수도 있는데, 이 경우에는 상기 용해조로부터 그 외부로 연장된 부위의 상기 급탕로에 상기 교반장치가 위치된다. 만일 상기 급탕로가 상기 용해조의 외부에까지 형성되는 경우는 상기 교반장치가 이를 에워쌀 수 있다. 또한, 상기 노즐이 없이 상기 급탕로만으로 형성된 경우 상기 교반장치는 상기 용해조 외부로 연장된 급탕로를 에워싸게 된다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a는 본 발명에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 바람직한 일 실시예를 나타내며, 도 2b는 도 2a에 있어서 도면부호 100이 가리키는 부분의 확대도를 나타낸다.
본 발명에 의하면, 먼저 용해조(230)의 내부에는 용해될 고체 금속이나 이미 용융된 액체 금속이 공급되어 수용된다. 이때, 상기 용해조(230)의 가열장치는 보온장치로의 기능을 할 수도 있다. 일정 온도 이상 용융 금속(240)의 온도가 유지되면 급탕로(220) 내부에 위치한 피스톤이나 플런저(250)를 작동시켜 상기 용융 금속을 금형(130,140) 방향으로 가압하여 공급하게 된다. 이때, 상기 가압은 공압이나 유압의 실린더를 통해서 구현될 수 있다. 따라서, 급탕로(220) 내부의 용융 금속(240)은 용해조(230) 내부에 위치한 급탕로(220)의 급탕 구멍(210)을 통하여 이 동하며, 급탕로(220) 종단부 또는 구즈넥(270)으로 이동하게 된다.
구즈넥(270)은 구즈넥(270)과 금형(130,140)을 연결하는 노즐(105)에 연결됨으로써 금형(130,140)과 급탕로(220)를 연결하게 된다. 용융금속(240)은 구즈넥(270) 부위나 급탕로(220) 종단부를 통과하면서 온도가 떨어지게 되고, 이에 따라 고액공존상태가 시작되면서 노즐(105)로 이동하게 된다.
본 발명에 의하면, 전자기 교반장치(101)가 노즐(105)을 에워싸며 위치될 수 있다. 이때, 용해조(230) 내부에 수용되는 용융 금속(240)은 액체 상태이므로 외부의 전자기장의 영향을 거의 받지 않음을 고려하여, 상기 전자기 교반장치(101)는 상기 용융 금속이 고액공존 상태를 유지하며 적절한 고상분율을 가지는 상기 급탕로와 상기 금형 사이의 구역에 배설됨이 바람직하다. 따라서, 상기 고액 상태가 공존하는 구조로 바뀐 용융 금속은 노즐(240)을 통과하며 상기 교반장치(101)에 의해 전자기장의 영향을 받으면서 또는 받은 후에 반응고/반용융 상태로 금형(130,150)으로 공급된다. 이때, 상기 용융 금속은 상기 외부 자기장 등에 의하여 먼저 형성되어 있는 초정 덴드라이트의 생성을 억제하거나 깨트려 보다 미세하고 균일한 결정핵을 형성하도록 유도되며 핵 생성이 된 초정 덴드라이트가 형성되어 성장되어가는 것이 방지된다. 또한, 금형(130,140)에 반응고/반용융 금속이 1차 사출된 후 다음 사출을 위하여 대기하는 사이에도 외부 자기장 등의 영향을 받을 수도 있다. 상기 금형(130,140)은 통상적인 금형을 사용할 수 있으며, 고정형(140)과 가동형(130)의 2개로 구성될 수 있다.
이때, 노즐(105)의 내경(D0)은 구즈넷(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부 의 내경(D1)보다 작게 함(즉, 도 2b에 있어서 D0＜D1)이 바람직하며, 상기 노즐(105)의 내경(D0)은 상기 구즈넥(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부의 내경(D1)의 1/2 이하로 됨이 더욱 바람직하다. 이에 따라, 노즐(240)을 통과하는 반응고/반용융 금속은 더 높은 압력을 받게 되므로, 그 내부의 슬러리의 상호충돌이나 노즐과의 충돌로 인하여 고상이 파쇄되어 미세화되어진다.
도 3a는 본 발명에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 바람직한 일 실시예를 나타낸다.
본 실시예에 있어서 용융금속(240)은 앞서 기술한 바와 같이 노즐(105)의 외부에 위치된 교반장치(101)에 의해 전자기장의 영향을 받으면서 또는 받은 후에 반응고/반용융 상태로 금형(130,150)으로 공급된다. 이때, 상기 노즐(105)의 내면에는 돌출부(106)가 형성되어, 노즐(240)을 통과하는 상기 반응고/반용융 금속의 흐름에 더욱 큰 저항을 부여할 수 있게 된다. 이로써 상기 반응고/반용융 금속이 받는 압력은 증폭되어, 그 내부의 슬러리가 파쇄되는 효과가 증진되며 더욱 미세화될 수 있게 된다. 또한, 상기 돌출부(106)로 인하여 압력이 증폭되므로, 앞서 기술한 바와 같이 반드시 노즐(105)의 내경(D0)을 구즈넥(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부의 내경(D1)보다 반드시 작게 형성해야 할 필요는 없다. 하지만, 돌출부(106)를 형성하고 노즐(105)의 내경(D0)을 구즈넥(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부의 내경(D1)보다 작게 하는 경우에는 상기 반응고/반용융 금속 내부의 슬러리의 파쇄효과를 증가시킬 수 있게 된다.
도 3b 내지 도 3e는 본 발명에 있어서 노즐(105)과 구즈넥(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부의 각 내경의 크기와, 돌출부(106)의 형성여부에 따른 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 나타낸다.
즉, 먼저 본 발명의 일 실시예로서, 노즐(105)의 내경(D0)은 구즈넥(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부의 내경(D1)보다 작으면서 노즐(105) 내부에 돌출부가 형성되지 않을 수 있다(도 3b). 이 경우, 앞서 기술하였듯이 비록 돌출부가 없지만, 노즐(105)의 내경(D0)은 구즈넥(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부의 내경(D1)보다 작아 발생하는 압력으로 인하여 상기 반응고/반용융 금속 내부의 슬러리는 파쇄되고 동시에 노즐 내벽의 표면저항으로부터 슬러리를 파쇄할 수도 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서, 노즐(105)의 내경(D0)은 구즈넥(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부의 내경(D1)보다 작으면서 노즐(105) 내부에 돌출부(106)가 형성된다(도 3c). 이로써 앞서 도 3b의 실시예보다도 상기 반응고/반용융 금속이 받는 압력이 배가되고, 노즐 내벽의 표면저항이 증가되어 내부 슬러리의 파쇄효과가 증가한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예들로서, 노즐(105)의 내경(D0)이 구즈넥(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부의 내경(D1)과 동일하면서 노즐(105) 내부에 돌출부(106)가 형성되거나(도 3d), 또는 노즐(105)의 내경(D0)이 구즈넥(270) 종단부 또는 급탕로(220) 종단부의 내경(D1)보다 오히려 크면서 노즐(105) 내부에 돌출부(106)가 형성될 수도 있다(도 3e). 이 경우, 모두 돌출부(106)로 인하여 상기 반응고/반용융 금속 내부의 슬러리는 파쇄된다.
도 4에서는 본 발명에 있어서 노즐(105) 내부에 형성되면서 다양한 형상을 가지는 돌출부(106)의 여러 실시예들을 나타낸다. 특히, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서 돌출부(106)는 적어도 2개 이상의 통로들로 분기화될 수 있으며, 이에 따라 상기 각각의 내경이 작아진 통로들을 통과하는 상기 반응고/반용융 금속이 받는 압력과 노즐 내벽의 표면저항이 매우 증폭되어 내부 슬러리의 파쇄효과가 극대화될 수 있다.
본 발명에 있어서, 실질적으로 용융 금속(240)이 용해조(230) 내부에서 급탕로(220)를 따라 움직일 때는 액체상태이다. 그러나, 액체상태의 용융 금속(240)이 용해조(230) 외부로 나와 급탕로(220) 종단부 또는 구즈넥(270)을 통과하여 노즐(105)로 이동하면서 온도가 떨어짐에 따라, 액체상태의 용융 금속은 고액 공존 상태의 반응고/반용융 상태로 점차 변화하게 된다.
이때, 노즐(105) 부위의 온도는 고액 공존 상태의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 노즐(105) 부위가 급격히 냉각되는 것을 방지하기 위하여 노즐(105) 부위에 가열장치 또는 단열장치를 적절하게 설치할 수 있다. 또한, 앞서 기술한 바와 같이 상기 용융 금속이 액체금속으로 되어 상기 교반장치(101)에 의한 전자기장의 영향을 받지 않는 일이 없도록 온도를 적절히 조절하여야 한다. 이렇게 함으로써 상기 급격한 냉각을 막을 수 있고 액체 상태의 금속이 적절한 고상분율을 유지하도록 하여 교반에 의하여 보다 미세한 미세조직을 갖는 반응고/반용융 상태의 금속으로 유도된다. 더욱이 동시에 노즐(105) 내경의 상대적 크기 변화 및 노즐(105) 내부의 돌출부(106)가 일으키는 흐름의 저항을 받아 슬러리 속의 고상인 초정은 더욱 미세하게 되어 금형(130, 140)으로 공 급된다.
본 발명에 의하면, 상기 전자기 교반장치(101)는 전자기장 발생기 또는 초음파 발생장치를 사용할 수 있다.
상기 교반장치(101)가 초음파 발생기인 경우, 초음파의 세기는 5KHz 이상이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 13KHz ∼ 10MHz이다. 본 발명자는 5KHz 이하에서는 충분한 교반의 효과를 얻지 못했다. 가능하다면 보다 고출력의 초음파를 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 교반장치가 전자기장 발생기인 경우, 전자기장의 세기는 최소 50Gauss 이상으로 됨이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 200 ∼ 10,000 Gauss이다. 이 경우, 본 발명자는 50Gauss 이하에서는 전자기장의 효과를 충분히 얻지 못했다. 교반의 효과는 전자기장의 세기가 클수록 더 크므로 이론적으로 가능하다면 더 큰 출력의 전자기장을 가하는 것이 효과적이다. 그러나, 최대로 인가하는 전자기장의 세기는 교반기를 설치할 수 있는 공간이나 공급되는 전력 등을 고려하여 적절하게 결정되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 전자기장 발생기의 전류는 0.5A 이상으로 됨이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 ∼ 100A이다. 본 발명자는 0.5A 이하에서는 충분한 전자기장의 효과를 얻지 못했다. 전류가 클수록 교반의 효과가 비례하나, 이 또한 장치의 한계와 경제적인 논리가 적용된다.
또한, 교반에 소요되는 시간은 상기 기재한 전류의 크기와 인가하는 전자기장의 세기의 범위에서는 통상적인 작업 공정의 시간을 지연시키지 않는다. 즉, 용융 금속이 금형(150)에서 사출되어 응고된 후 금형을 개방하여 응고된 성형된 주조 제품을 취출한 후 금형을 용융 금속이 다시 사출할 수 있는 상태로 복귀시키는 데 소요되는 시간 동안에 충분히 교반의 작용이 발생한다.
또한, 본 발명에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치는 아연, 주석, 납, 알루미늄, 마그네슘 등의 저용융 금속주조에 적합하나 이에 한정되지는 아니한다. 상기 고온 챔버 다이캐스팅 장치에서는 용융 금속이 대기로부터 노출되지 않는 상태에 놓이기 때문에 금속이 고온에서 산화되는 것을 방지하여 품질이 좋은 다이캐스팅 제품의 제조에 적합하므로, 특히 최근에 노트북, 핸드폰 등 고가 전자제품의 프레임(frame)으로 사용되고 있는 마그네슘 합금의 다이캐스팅 제품에 매우 적합하다.
또한, 본 발명에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치는 다양한 마그네슘 합금을 사용할 수 있으며, 이에는 ASTM 기준으로 AZ91A, AZ91B, AZ91D, AM60A, AM60B, AS41A 등이 포함되나 이에 한정되지는 아니한다. 아래 표 1에 상기 다이캐스팅용 마그네슘 합금의 조성예를 나타낸다.
표 1
명부 합　 금　 명
ASTM기호 AZ91A AZ91B AZ91D AM60A AM60B AS41A
화학성분 (중량 %) Al 8.3-9.7 8.3-9.7 8.3-9.7 5.5-6.5 5.5-6.5 3.5-5.0
Zn 0.35-1.0 0.35-1.0 0.35-1.0 0.22 이하 0.22 이하 0.12 이하
Mn 0.15 이상 0.15 이상 0.15 이상 0.13 이상 0.25 이상 0.2-0.5
Si 0.5 이상 0.5 이하 0.1 이하 0.5 이하 0.1 이하 0.5-1.5
Cu 0.1 이하 0.35 이하 0.03 이하 0.35 이하 0.01 이하 0.06 이하
Ni 0.03 이하 0.03 이하 0.002 이하 0.03 이하 0.002 이하 0.03 이하
Fe 　 　 0.005 이하 　 0.005 이하 　
Mg Bal Bal Bal Bal Bal Bal
상기 일반적인 마그네슘 합금들의 완전 용융온도는 대략 590 ∼ 630℃ 범위임을 고려하여 본 발명에 있어서 용해조(230)의 온도는 상기 용융 온도보다 약간 고온의 620 ∼ 750℃ 정도로 운용됨이 바람직하다.
이러한 용융 마그네슘합금은 용해조(230) 내의 급탕로(220)를 지나 노즐(105)부위나 급탕로(220) 종단부 쪽으로 이동되면서 온도가 고액공존구역 내로 떨어지게 된다. 노즐(105) 부위의 온도를 너무 낮게 조절하면 고상의 함량이 액상에 비해 너무 많아 금형(130, 140)으로의 공급이 원활하지 않고 또한 다이캐스팅 된 제품에 주조결함이 발생할 확률이 높다. 반면에, 노즐(105) 부위의 온도를 너무 높게 유지하는 경우 액상의 함량이 고상의 함량에 비해 너무 많아 전자기장이나 초음파의 영향을 상대적으로 덜 받게 된다. 또한, 노즐(105) 내부로 통과하는 반응고/반용융 마그네슘 합금(109)의 실제 온도는 반응고/반용융 상태 마그네슘 합금의 이상적인 온도 범위보다 낮기 때문에, 노즐(105)의 온도 범위는 실질적으로 상기 이상적인 온도보다 높게 운용되며 대략 480 ∼ 620℃의 범위로 운용됨이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예들은 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 상기 실시예로들만 한정되지는 아니한다.
실시예 1
본 실시예에 있어서, AZ91D 마그네슘 합금을 사용하였고, 용해조의 온도는 650℃, 플런저의 가압은 10Mpa ,노즐의 온도는 600℃, 인가한 자장의 세기는 700 Gauss, 전류의 세기는 7A, 사출 속도는 2.5m/sec로 하였다. 또한, 본 실시예에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 있어서 노즐의 내경은 급탕로 내경보다 작게 설계되었고 상기 노즐의 내부에는 돌출부를 형성하였다. 이에 따라 제조된 미세 결정 조직을 도 5a에 나타내며, 상기 미세 결정 조직의 크기는 대략 5㎛정도였다.
실시예 2
본 실시예에 있어서, AM60B 마그네슘 합금을 사용하였고, 용해조의 온도를 680℃, 플런저의 가압을 7Mpa, 노즐의 온도는 580℃, 인가한 자장의 세기는 900Gauss, 전류의 세기는 10A, 사출 속도는 1.5m/sec로 하였다. 본 실시예에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치는 실시예 1과는 달리 노즐의 내경은 급탕로 내경보다 작게 설계되었으나, 상기 노즐의 내부에는 돌출부가 형성되지는 않았다. 이에 따라 제조된 미세 결정 조직을 도 5b에 나타내며, 상기 미세 결정 조직의 크기는 대략 5.5㎛ 정도였다.
비교예
비교예에 있어서, AZ91D 마그네슘 합금을 사용하였고, 용해조의 온도를 650℃, 플런저의 가압을 10Mpa, 노즐의 온도는 600℃, 인가한 자장의 세기는 1000 Gauss, 전류의 세기는 15A, 사출 속도는 2.5m/sec로 하였다. 비교예에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치는 종래의 것으로서 실시예 1, 2와 같이 노즐 내경의 급탕로 내경에 대한 상대적인 크기가 조절되지 않았으며, 돌출부 또한 형성되지 않았다. 이에 따라 제조된 미세 결정 조직을 도 5c에 나타내며, 상기 미세 결정 조직의 크기는 대략 40㎛ 정도였다.
상기 실시예들 및 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 본 발명에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치로 제조된 마그네슘 합금의 결정립 크기는 대략 2㎛ ∼ 10㎛로 평균 5㎛ 정도였으며, 이는 종래의 기술로 제조된 비교예의 결정립 크기(대략 40㎛) 보다 훨씬 미세하고 치밀해졌음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의한 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 있어서, 상기 용융 금속은 용해조(230)로부터 노즐(105)로 이동하면서 온도가 떨어짐에 따라 액체상태였던 용융 금속은 고액공존상태의 반응고/반용융 상태로 점차 변화하며, 상기 고액공존상태를 유지하며 노즐(105) 부근의 외부를 둘러싼 전자기 교반장치(101)의 영향을 받아 상기 반응고/반용융 금속 내부 슬러리 내부의 고상인 초정 및 이로부터 성장하는 덴드라이트가 더욱 미세하게 되어 치밀화된다. 그리고, 동시에 노즐(105)을 통과하면서 상기 구즈넥 종단부 또는 상기 급탕로 종단부의 내경(D1)에 비하여 상대적으로 작은 노즐(105)의 내경(D0) 및/또는 노즐(105) 내부에 형성된 돌출부(106)에 기인하는 저항으로 인하여 상기 슬러리 내부의 고상을 파쇄하므로 상기 미세화가 더욱 촉진되어 금형(130, 150)에 공급되므로, 매우 치밀하고 우수한 강도의 조직을 얻을 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 따르면 주조조직이 미세화되어 보다 강도가 높은 제품을 제조할 수 있게 된다.
또한, 주조조직이 치밀화 되어 주조제품의 두께가 균일한 효과를 갖는 제품을 제조할 수 있게 되며, 특히 다이캐스팅 제품의 경우에 있어서 불량률의 저감과 생산성을 높이는 효과가 뛰어나다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다 양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (12)

  1. 용융 마그네슘 합금이 대기로부터 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 용융 마그네슘 합금을 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 다이캐스팅 장치로 가열장치를 구비한 용해로와 용융 마그네슘 합금을 가압하기 위한 가압장치와 제품의 형상을 성형하기 위한 금형을 기본으로 포함하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 있어서,
    용해로와 연결되어 액체의 마그네슘 합금을 공급하는 급탕로와 금형 사이에 위치한 노즐에 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 교반하는 전자기 교반장치를 구성하고, 상기 급탕로 또는 노즐 속에서 형성되는 반용융 마그네슘 합금 속의 고상을 파쇄하기 위하여 상기 노즐의 내경을 상기 급탕로의 내경보다 작게 구성한 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
  2. 용융 마그네슘 합금이 대기로부터 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 용융 마그네슘 합금을 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 다이캐스팅 장치로 가열장치를 구비한 용해로와 용융 마그네슘 합금을 가압하기 위한 가압장치와 제품의 형상을 성형하기 위한 금형을 기본으로 포함하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 있어서,
    용해로와 연결되어 액체의 마그네슘 합금을 공급하는 급탕로와 금형 사이에 위치한 노즐에 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 교반하는 전자기 교반장치 를 구성하고, 상기 급탕로 또는 노즐 속에서 형성되는 반용융 마그네슘 합금 속의 고상을 파쇄하기 위하여 상기 노즐의 내경을 상기 급탕로의 내경보다 작게 구성하고, 노즐의 내부에 노즐의 내경을 보다 작게 하는 돌출부를 하나 이상 구성한 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
  3. 용융 마그네슘 합금이 대기로부터 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 용융 마그네슘 합금을 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 다이캐스팅 장치로 가열장치를 구비한 용해로와 용융 마그네슘 합금을 가압하기 위한 가압장치와 제품의 형상을 성형하기 위한 금형을 기본으로 포함하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 있어서,
    용해로와 연결되어 액체의 마그네슘 합금을 공급하는 급탕로와 금형 사이에 위치한 노즐에 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 교반하는 전자기 교반장치를 구성하고, 상기 급탕로 또는 노즐 속에서 형성되는 반용융 마그네슘 합금 속의 고상을 파쇄하기 위하여, 상기 노즐의 내경을 상기 급탕로의 내경과 같거나 크게 구성하고 노즐의 내부에 급탕로의 내경보다 노즐의 내경을 작게 하는 돌출부를 하나 이상 구성한 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노즐의 내경은 상기 급탕로 끝단부의 내경의 1/2이하인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노즐은 여러 통로로 분기되어 형성된 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
  6. 삭제
  7. 용융 마그네슘 합금이 대기로부터 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 용융 마그네슘 합금을 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 주조제품의 제조방법으로, 가열장치를 구비한 용해로를 통해 고체 마그네슘 합금을 용해하고, 용해된 용융 마그네슘 합금에 압력을 가하여 금형 방향으로 용해된 마그네슘 합금을 공급할 때,
    용해로와 연결되어 액체의 마그네슘 합금을 공급하는 급탕로와 금형 사이에 위치한 노즐에 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 전자기장을 이용하여 교반하고, 상기 급탕로 또는 노즐 속에서 형성되는 반용융 마그네슘 합금 속의 고상을 급탕로의 내경 크기보다 작은 내경을 갖는 노즐을 통과시키면서 파쇄하는 것을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조제품의 제조방법.
  8. 용융 마그네슘 합금이 대기로부터 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 용융 마그네슘 합금을 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 주조제품의 제조 방법으로, 가열장치를 구비한 용해로를 통해 고체 마그네슘 합금을 용해하고, 용해된 용융 마그네슘 합금에 압력을 가하여 금형 방향으로 용해된 마그네슘 합금을 공급할 때,
    용해로와 연결되어 액체의 마그네슘 합금을 공급하는 급탕로와 금형 사이에 위치한 노즐에 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 전자기장을 이용하여 교반하고, 상기 급탕로 또는 노즐 속에서 형성되는 반용융 마그네슘 합금 속의 고상을 급탕로의 내경 크기보다 작은 내경을 갖는 노즐과 상기 노즐 속에 형성된 하나 이상의 돌출부를 통해서 파쇄하는 것을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조제품의 제조방법.
  9. 용융 마그네슘 합금이 대기로부터 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 용융 마그네슘 합금을 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 주조제품의 제조방법으로, 가열장치를 구비한 용해로를 통해 고체 마그네슘 합금을 용해하고, 용해된 용융 마그네슘 합금에 압력을 가하여 금형 방향으로 용해된 마그네슘 합금을 공급할 때,
    용해로와 연결되어 액체의 마그네슘 합금을 공급하는 급탕로와 금형 사이에 위치한 노즐에 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 전자기장을 이용하여 교반하고, 상기 급탕로 상에서 형성되는 반용융 마그네슘 합금 속의 고상을 급탕로의 내경 크기와 크기가 같거나 큰 내경을 갖는 노즐과 노즐 내에 위치한 하나 이상의 돌출부를 통해서 파쇄하는 것을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용 한 마그네슘 합금의 주조제품의 제조방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기장의 세기는 50 Gauss 이상임을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조제품의 제조방법.
  11. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전지기장을 위한 전류의 세기는 0.5 A 이상임을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조제품의 제조방법.
  12. 제7항 내지 제11항의 어느 한 항의 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조제품의 제조방법으로 제조된 마그네슘 합금의 다이캐스팅 제품.
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