KR100682372B1 - 반응고/반용융 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 장치및 반용융 상태의 마그네슘 합금을 이용한 제품 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 고온 챔버 다이캐스팅의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 새로운 고온 챔버 다이캐스팅 기술로 특히 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 주조 장치와 이를 이용한 마그네슘 합금의 제품 제조 기술에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 주조 장치와 이를 이용한 마그네슘 합금의 제품제조 방법에 있어서, 용해조 이후 금형으로의 용융금속의 이송경로에서 전자기장 또는 초음파를 인가하여 이송경로 내에서 생성된 반응고/반용융 조직을 보다 미세하게 조절하는 장치와 상기 반응고/반용융 조직이 조절된 반응고/반용융 마그네슘 합금을 사출하여 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

주조, 다이캐스팅, 고온, 챔버, 교반기, 전자기장, 초음파

Description

반응고/반용융 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 장치 및 반용융 상태의 마그네슘 합금을 이용한 제품 제조방법 {HOT CHAMBER DIE CASTING APPARATUS FOR SEMI-SOLID METAL ALLOY AND THE MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}

제 1도는 일반적인 저온 챔버 다이캐스팅 장치의 예시도.

제 2도는 일반적인 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 예시도.

제 3도는 제1도의 저온 챔버 다이캐스팅 장치에 교반장치가 결합된 일반적인 예시도.

제 4도는 제2도의 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 교반장치가 결합된 일반적인 예시도.

제 5도는 본원의 교반장치가 결합된 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 개략구조도.

제 6도는 본원의 교반장치 결합부의 확대도.

제 7도는 기존 고온 챔버 다이캐스팅에 의해 제조된 제품의 조직사진(액체상태의 금속을 사출하여 제품을 제조).

제 8도는 기존 고온 챔버 다이캐스팅에 용해조에서 전자기장을 인가하여 제조된 제품의 조직사진(용해조로 부터의 반용융 상태의 금속을 사출하여 제품을 제조).

도 9a 내지 도 9c는 본원기술에 의한 고온 챔버 다이캐스팅에 의해 제조된 제품의 조직사진들(용해조로 부터의 액채상태 금속을 금형으로의 이송경로 사이에서 반응고/반용융 상태로 변화시켜 제품을 제조).

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100: 교반장치가 결합된 노즐 부위

101: 전자기 발생장치 또는 초음파 발생장치

103: 노즐팁 105: 노즐

109: 노즐 내부 110: 가동반

120: 고정반 130: 이동 금형

140: 고정 금형 150: 금형의 공통(Cavity)

210: 급탕 구멍 220: 급탕로

230: 용해조 240: 용융 금속

250: 플런저

270: 구즈넥 또는 급탕로 끝단부

본 발명은 기존의 고온 챔버 다이캐스팅의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 새로운 고온 챔버 다이캐스팅 기술로 특히 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 주조 장치와 이를 이용한 마그네슘 합금의 제품 제조 기술에 관한 것이다. 더욱 상 세하게는 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 주조 장치와 이를 이용한 마그네슘 합금의 제품제조 방법에 있어서, 용해조 이후 금형으로의 용융금속의 이송경로에서 전자기장 또는 초음파를 인가하여 이송경로 내에서 생성된 반응고/반용융 조직을 보다 미세하게 조절하는 장치와 상기 반응고/반용융 조직이 조절된 반응고/반용융 마그네슘 합금을 사출하여 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

다이캐스팅 주조법에 의한 제조장치의 종류는 용해조에 의해 용해된 용융금속을 금형으로의 이송 방법에 따라 저온 챔버 다이캐스팅 장치, 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 2종류로 분류된다. 도 1은 일반적인 저온 챔버 다이캐스팅 장치의 예를 나타내고, 도 2는 일반적인 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 예이다.

일반적으로 저온 챔버 다이캐스팅 방법은 도 1에서와 같이 용해조(21)에 의해 용해된 용융금속(23)을 대기에 노출된 형태로 가압실(29)에 플런저(25)로 이송하고 금형(15,19)에 용융금속(23)을 압입하여 제조한다. 저온 챔버 다이캐스팅의 장치에 의한 제품 제조는 대기에 노출된 형태로 가압실(29)에 용융금속(23)이 이송되므로 용융금속의 대기 노출부위가 넓고 가압실(29)에서 가압시 공기 유입으로 인하여 제품 제조시 제품에 유입된 공기로 인하여 양질의 제품제조가 쉽지 않은 단점을 갖고 있다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 고온 챔버 다이캐스팅 방법이 적용된다. 도 2에서 볼 수 있듯이 고온 챔버 다이캐스팅 방법은 용해조(44)에 의해 용해된 용융금속(46)을 대기에 노출시키지 않고 가압장치(42)에 의해 가압된 용융금속이 노즐(41)을 거쳐 금형에 압입되어 제조하는 방법으로 상기 용융금속의 이송 경로는 용해조 내부의 가압실(48)에서 가압되어 구즈넥(45)을 거쳐 노즐에 이르고 노즐에서 다시 금형의 공동(Mold Cavity:17)에 압입된다. 이 제조방법은 대기에 용융된 금속이 노출되지 않고 금형에 압입됨으로 인하여 저온 챔버 다이캐스팅 장치에 의해 제조된 제품에 비하여 제품의 기포결함이 적은 장점이 있다. 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 의한 제품제조 방법은 상기에서 설명한 바와 같이 대기에 노출되지 않고 밀폐되어 주조될 수 있으므로 마그네슘과 같이 대기 중에서 빠르게 산화되는 재질의 제품 제작시 특히 효과가 있다.

일반적으로 고온 챔버 다이캐스팅 장치는 도 2와 같은 형태로 제작되거나, 도 2의 장치의 용해조의 주위에 교반장치가 결합된 구조인 도 4(수평형일 경우)의 고온 챔버 다이캐스팅 장치로 제조된다.

한편 다이캐스팅 작업시 제품의 모재가 액상 상태에서 다이캐스팅을 하지 않고, 반용융 상태에서 다이캐스팅 작업을 하여 보다 기계적 성질이 우수한 제품을 제조하기 위한 반용융 성형법이 도입되기도 한다. 반응고 성형법이란 고상과 액상의 공존구간으로 냉각하여 미처 응고되지 않은 반응고 상태의 금속 슬러리를 주조 또는 단조하여 빌렛이나 최종 성형품을 제조하는 가공법이다. 도 4에서 통상적으로 전자기 교반기(87)이 없는 경우는 액상 상태에서 금형으로 사출이 되고, 교반기가 있는 경우 반용융 상태로 사출이 된다.

이러한 반응고/반용융 성형법은 주조나 용탕단조 등 용융금속을 이용하는 일반적인 성형방법에 비해 여러 가지 장점을 갖고 있는데, 예를 들면, 반응고/반용융 성형법에서 사용하는 슬러리(slurry)는 용융 금속보다 낮은 온도에서 유동성을 가 지므로 이 슬러리에 노출되는 금형의 온도를 용융금속의 경우보다 더 낮출 수 있고, 이에 따라 금형의 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 저감시킬 수 있다. 그 외에도 미세한 조직으로 균일하게 분포하고 조직의 모양이 구상화됨으로 인하여 제품의 기계적 성질이 우수하고 내식성이 향상된다. 반응고 슬러리 제조시 교반을 적용하는 기술의 예로는 일본 공개특허공보 특개평11-33692호나 일본공개특허공보 특개평 10-128516호에 개시되어 있다.

이러한 반용융 성형방법을 적용시 슬러리를 교반시켜 주는 것이 바람직하다. 용융 금속을 냉각시킬 때에 주로 금속의 액상선 이하의 온도에서 교반시켜 이미 생성된 수지상 결정조직을 파괴하거나, 슬러리 형태의 용융금속에 외부로부터 용융금속에 교반을 발생시켜 초기 응고층으로부터 수지상 조직으로 성장해 나가는 것을 막음으로써 구형의 입자로 만든다. 상기의 교반방법으로는 기계적 교반법과 전자기적 교반법 등이 이용되고 있다.

고온 챔버 다이캐스팅 장치나 다이캐스팅 방법에 전자기장이나 초음파와 같은 외부의 교반기를 적용하는 장치나 다이캐스팅 방법과 관련된 종래 기술로는 다음과 같은 기술들이 있다.

미국공개특허공보 US2001/0037868(2001.11.8)에서는 전자기 코일을 도 4와 같이 용탕보호조(용해조:44)의 둘레에 설치하여 반용융 상태의 용탕에 전자기장(87)을 인가하는 방법이 개시되어 있다. 또한 상기 미국공개특허공보 US2001/0037868에서는 전자기 코일과는 별도로 기계적인 교반을 위해 스크루를 돌려 교반을 행하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법을 통한 제품제조 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 내포하고 있다. 또한 전자기장을 인가하기에는 용해조 또는 용탕보관조가 너무 커서 전자기장이 인가되어 반용융 금속에 영향을 미치기에는 불충분하다는 문제점을 안고 있다. 또한 전자기장의 세기를 무작정 증가시키는 데는 장치 제조상의 한계가 있으며 전력의 소비가 너무 크다는 문제점이 있다. 기계적 교반의 경우는 용탕 속에 스크류를 삽입하여 교반시키므로 진공이 깨어짐으로 인해 외부로부터 오염원이 공급될 수 있고, 교반을 통해 초정을 깨고 덴드라이트의 성장을 효과적으로 억제하는 데는 한계가 있다.

그리고 상기의 경우 비록 초기에 전자기적 교반이나 기계적인 교반을 통해 반용융 금속의 조직이 치밀화된 제반여건이 형성되었더라도 구즈넥(45)을 통해 반용융 금속이 노즐(41)로 향하는 순간 이러한 여건들이 사라져버리는 현상이 발생한다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다이캐스팅 장치에 의해 제조된 제품의 강도를 높이기 위해 보다 미세한 주조조직을 갖는 제품의 생산이 가능한 고온 챔버 다이캐스팅 장치의 개발과 상기 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 활용한 다이캐스팅 제품의 제조 방법의 개발에 있다. 보다 미세한 다이캐스팅 주조조직이 개발될 수 있다면 제품의 강도는 높아지고 따라서 보다 얇은 두께의 제품 제조가 가능하여진다. 결과적으로 최근에 생산되고 있는 고가의 전자제품인 노트북 프레임이나 핸드폰 프레임의 경우 마그네슘 합금 다이캐스팅 방법이 적용되고 있는데, 본 기술의 개발로 인해 보다 얇으면서도 기존 다이캐스팅 제품과 강도가 동일한 제품을 얻을 수 있으므로 비싼 가격의 원재료비를 절감할 수도 있는 반면에 생산될 전자제품의 무게가 가벼워지는 결과를 달성할 수 있다.

먼저 본 발명에 따른 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 용융 마그네슘 합금을 대기에 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 플런저를 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치로 가열장치를 구비한 외부와 차단된 용해조와 용융 마그네슘 합금을 가압하기 위한 가압장치와 제품의 형상을 성형하기 위한 금형과 상기 용해조를 통과한 용융 마그네슘 합금을 수평방향으로 금형에 공급하기 위한 구즈넷(Goose Neck) 형상의 급탕로를 포함하고 매회 사출시 급탕로가 가득 찬 상태에서 용융 마그네슘 합금을 노즐로 공급하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 있어서, 상기 용해조 속에 위치한 급탕로의 구즈넥 끝단부와 금형 사이에서 위치하여 구즈넥과 금형을 수평으로 연결하는 노즐의 둘레에 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 교반하는 전자기 교반장치를 구성한 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 제공한다.

특히 상기 노즐의 내경은 30mm 이하인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 제공한다. 또한 상기 플런저의 용융 마그네슘 합금에 대한 가압의 크기는 2 Mpa 이상이 되는 노즐의 크기를 갖는 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 제공한다.

본원의 고온 챔버 다이캐스팅 장치에서 용해조(230)는 원재료가 공급된 후 가열장치를 작동시켜 원재료를 용해할 수 있다. 또는 먼저 다른 곳에서 용해된 원재료를 직접 용해조에 공급시킬 수도 있다. 제조되거나 공급된 용융 금속(240)은 급탕구멍(210)을 통해 용해조(230) 속에 위치한 급탕로(220) 속으로 공급된다.

가압장치의 경우 급탕로(220)를 따라 용융 금속을 노즐(105) 부위를 통과하여 금형(130,140)으로 공급하기 위해 플런저(250)를 이용하여 가압한다. 가압은 공압이나 유압의 실린더를 통해서 구현될 수 있다.

금형(130,140)은 고온 챔버 다이캐스팅장치에서 통상적인 금형을 사용할 수 있다. 또한 이러한 금형은 통상 고정형(140)과 가동형(130)의 2개로 구성할 수도 있다.

교반장치(101)는 전자기장을 발생시키는 전자기 발생장치나 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치가 사용될 수 있다. 상기의 전자기 발생장치나 초음파 발생장치는 이미 연속주조나 스트립 캐스팅 기술분야에서 널리 적용되고 있다. 또한 다이캐스팅 기술 분야에서도 상기의 종래기술에서 언급하였듯이 다양하게 적용되고 있다.

본 발명의 제1 핵심 기술은 상기 교반장치를 위치시키는 장소에 있다. 본 발명에서는 상기 교반장치를 용해조(230) 이후 용융 금속(240)이 금형(130,140)으로 공급되는 통로 부위인 노즐에 위치시킨다. 여기서 용해조 이후 용융 금속이 금형으로 공급되는 통로는 도 6에 도시된 바와 같이 용해조(230) 밖에서 금형 전까지의 경로를 의미한다. 따라서 노즐(105)은 상기의 용해조 밖에서 금형 전까지의 경로에 포함된다. 바람직하게는 급탕로(220)는 용해조까지만 설치할 수 있다. 또는 용해조 안으로 조금 짧게 함몰하여 형성할 수 있고 또는 용해조 밖으로 조금 길게 돌출될 때까지 형성시킬 수도 있다. 그리고 급탕로의 끝 부위에는 노즐이 위치하고, 이 노즐은 금형으로 연결되어 진다. 그러나 특별한 경우 급탕로는 용해조 안에서부터 돌출되어 금형까지 직접 연결될 수도 있는데, 이때에는 용해조로부터 외부로 연장된 부위의 급탕로에 상기 교반장치를 위치시킨다. 즉 본 발명에서는 용융금속이 용해조 밖으로 금형을 향해 통과하는 통로에 교반장치를 설치한다. 만일 급탕로가 용해조까지만 설치된 경우는 교반장치는 노즐 부위만을 덮게 된다. 반면, 급탕로(220)가 용해조의 안에 까지만 설치되는 경우는 노즐(105) 부위를 다 덮지 않을 수도 있고(함몰되는 경우), 밖에까지 형성되는 경우는 연장되어 노즐 부위뿐만 아니라 급탕로 까지도 교반장치(101)가 덮을 수 있다. 또한 노즐이 없이 급탕로 만으로 형성된 경우 용해조 외부로 연장된 급탕로를 덮게 된다.

본원의 제2 핵심은 상기 노즐의 크기는 30mm 이하로 구성한다. 더욱 바람직하게는 20mm 이하가 적당하다. 만일 노즐의 크기가 30mm 이상을 사용하게 되면 노즐 통로에서 고압이 걸리지 않고 노즐 단면내부의 자유공간이 많아 반용융 상태의 슬러리에 난류가 발생할 가능성이 높아 주조제품 내에 난류로 인한 기포가 포함될 가능성이 높아진다. 더욱이 교반기에 의해 전자기나 초음파 교반이 일어날 때, 노 즐의 크기가 커짐에 따라서 슬러리가 움직일 수 있는 자유공간이 노즐 내에 더욱 증대되어 결과적으로 난류의 발생이 심해져서 기포의 발생가능성은 더욱 높아지고 결과적으로 주조품에 결함이 발생하게 된다. 따라서 노즐 부위에 교반기의 설치와 함께 노즐의 크기를 조절해주는 것이 바람직하다. 만일 불가피하게 노즐의 크기가 한계치 이상이 되어 운용되어야 하는 경우 플런저 가압의 정도를 높게 하여 노즐의 크기를 보정하여 줄 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부도면에 근거하여 설명한다. 도 5는 일반적인 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 본원 발명에 따른 교반장치를 용해조 주위에 설치하는 대신 용해조 이후 반응고/반용융 금속이 금형(130,150)으로 공급되는 통로 부위(노즐 부위)에 위치시킨 것을 나타내는 도면이다. 여기서 급탕구멍(210)을 통해 급탕로(220) 안에 들어 있는 용융 금속(240)은 급탕로(220)가 끝나는 부위부터 고액 상태가 공존하는 구조가 되고 전자기장의 영향을 받으면서 또는 받은 후 금형(130,150)에 공급되게 된다. 도 6은 상기 도 5의 핵심 부분에 대한 부분 확대도이다.

이와 같이 구성된 상기 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 통해 다이캐스팅 주조제품을 제조하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 용융 마그네슘 합금을 대기에 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 플런저를 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조품 제조방법으로 가열장치를 구비한 외부와 차단된 용해조에서 공급되는 용융 마그네슘 합금을 가압장치를 이용하여 가압하여 금형의 형상으로 성형하기 위해 상 기 용해조를 통과한 용융 마그네슘 합금을 구즈넷(Goose Neck) 형상의 급탕로를 통해 수평방향으로 금형에 공급하고 매회 사출시 급탕로가 가득 찬 상태에서 용융 마그네슘 합금을 노즐로 공급하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조품 제조방법에 있어서, 상기 용해조 속에 위치한 급탕로의 구즈넥 끝단부와, 금형 사이에서 위치하여 구즈넥과 금형을 수평으로 연결하는 노즐 둘레에, 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 전자기 교반장치를 이용하여 교반하는 것을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조품 제조방법을 제공한다.

교반장치가 전자기장 발생기인 경우 전자기장의 세기는 최소 50 Gauss 이상이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 200 Gauss ~ 10,000 Gauss가 바람직하다. 본 발명을 위한 실험의 결과 50 Gauss 이하에서는 전자기장의 효과를 충분히 얻지 못했다. 교반의 효과는 전자기장의 세기가 클수록 더 크므로 이론적으로 가능하다면 더 큰 세기의 전자기장을 가하는 것이 효과적이다. 그러나 최대로 인가하는 자기장의 세기는 교반기를 설치할 수 있는 공간이나 투입되는 전기량 등을 고려하여 적절하게 결정되는 것이 바람직하다.

상기의 전자기장 발생기의 전류의 세기는 0.5A 이상이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1A ~ 100A 이다. 본 발명을 위한 실험의 결과 0.5A 이하에서는 충분한 전자기장의 효과를 얻지 못했다. 바람직하게는 보다 센 전류의 세기가 좋으나 이 또한 장치의 한계와 경제적인 논리가 적용된다.

교반장치가 초음파 발생기인 경우 초음파의 세기는 5 kHz 이상이 바람직하 다. 더욱 바람직하게는 13kHz ~ 10MHz 이다. 본 발명을 위한 실험의 결과 5kHz 이하에서는 충분한 교반의 효과를 얻지 못했다. 가능하다면 보다 센 초음파로 가하는 것이 바람직하다.

본원의 다이캐스팅 장치를 이용하여 마그네슘 합금의 주조품 제조방법의 단계는 우선 용해조(230)의 상단의 덮개를 열고 용해될 고체 금속이나 이미 용융된 액체 금속(240)을 공급한다. 용해조의 가열장치는 보온장치로의 역할도 할 수 있다. 일정 온도 이상 용융 금속의 온도가 유지되면 급탕로(220) 안에 위치한 피스톤이나 플런저를 작동시켜 용융 금속을 금형(130,140) 방향으로 공급한다. 이때 급탕로 안의 용융 금속(240)은 용해조(230) 내에 위치한 급탕로(220)의 급탕 구멍(210)을 통해 이동한다. 급탕로(220)의 용융 금속을 플런저(250)를 통해 가압하게 되면 급탕부의 구즈넥(270)이나 급탕부 끝부분 쪽으로 이동하게 된다.

급탕부 끝부분(270) 이후에는 노즐(105)이 위치하여 몰드(130,140)와 급탕부를 연결하게 된다. 따라서 구즈넥(270) 부위나 급탕부 끝부분(270)을 통과하면서 액체용융금속은 온도가 떨어짐에 따라 고액공존상태가 시작되면서 또는 시작과 동시에 노즐(105)로 이동하게 된다. 이렇게 이동 과정에서 전자기 발생기나 초음파 발생기의 영향을 받게 된다. 이러한 영향은 금형(130,140)으로 이동하는 과정에서 받을 수도 있고, 금형에 반응고/반용융 금속이 1차 사출된 후 다음 사출을 위하여 대기하는 사이에도 영향을 받을 수 있다.

실질적으로 마그네슘 용융 금속이 용해조(230)내에서 급탕로를 따라 움직일 때는 액체상태이다. 그러나 액체상태의 마그네슘 용융금속이 용해조 (230) 밖으로 나와 급탕로 끝부분(270)이나 구즈넥(270)을 통과하여 노즐(105)로 이동하면서 온도가 떨어짐에 따라 액체상태의 용융금속은 고액공존 상태의 반응고/반용융 상태로 점차 변화하게 된다. 즉 노즐 부위의 온도는 고액 공존 상태의 온도를 유지하는 것이 중요하다. 이때에 핵 생성이 된 초정 덴드라이트(dendrite)가 형성되어 성장되어가는 것을 방해하기 위해 외부의 전자기장이나 초음파 진동을 통해 먼저 형성되어 있는 초정 덴드라이트의 생성을 억제하거나, 깨트려 보다 미세하고 균일한 결정핵을 형성하도록 유도하는 것이다. 결과적으로 생성된 제품의 결정립들은 보다 미세하여 조직이 강화되는 결과를 얻는다.

일반적으로 고온 챔버 다이캐스팅에 의한 제품제조 방법에서는 용해조 밖으로 돌출된 노즐부위에서 용융금속이 급격히 열을 발산하여 냉각됨으로 노즐을 가열하는 가열장치를 구비하고 있으며 가열장치를 통해 노즐의 온도를 노즐 내의 용융된 금속이 응고되지 않도록 상기의 종래기술(일본 공개특허공보 소55-136554와 미국 공개특허공보 US 5960854A)등과 같이 전기가열장치나 단열장치를 이용하여 가열 및 온도를 유지한다.

본원에서는 용해조 속에서는 마그네슘합금이 액체금속 상태이므로 외부의 전자기장이나 초음파로부터 영향을 거의 받지 않기 때문에 결정적으로 영향을 받을 수 있는 영역은 본 기술의 핵심부분인 용해조 이후에서부터 금형으로 향하는 통로의 영역에서 교반기를 설치한 것이다. 이렇게 함으로써 급격한 냉각을 막을 수 있고 액체 상태의 마그네슘 합금을 적절한 고상 분율을 가지면서 교반에 의해 보다 미세한 미세조직을 갖는 반응고/반용융 상태의 금속으로 금형으로 공급할 수 있는 것이다. 본원에서도 노즐 부위의 급격한 냉각을 막기 위하여 노즐부위에 가열장치 또는 단열장치를 적절하게 설치할 수 있다.

본 발명에서 교반을 시키는 시간은 상기 기재한 전류의 크기와 인가하는 전자기장의 세기의 범위에서는 통상적인 작업 공정의 시간을 지연시키지 않았다. 즉 용융 금속이 금형 속(150)에 사출되어 응고된 후 금형을 개방하여 응고된 성형된 주조제품을 취출한 후 금형을 용융 금속이 다시 사출할 수 있는 상태로 복귀시키는 데 소요되는 시간 동안에 충분히 교반의 작용이 발생하였다.

본원에서는 다양한 마그네슘 합금을 사용할 수 있다. 마그네슘합금으로 사용될 수 있는 종류로는 ASTM 기준으로 AZ91A, AZ91B, AZ91D, AM60A, AM60B, AS41A 등이 있다. 아래 표 1에는 상기 다이캐스팅용 마그네슘 합금의 조성이 기재되어 있다.

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 약 590℃ ~ 630℃ 사이로 용해조의 온도는 상기 마그네슘 합금의 용융 온도보다 30℃ ~ 100℃ 정도 위에서 결정하는 것이 바람직하다. 용해조의 온도는 620℃ ~ 750℃ 정도로 운용된다. 이러한 용융 마그네슘합금은 용해조(230) 내의 급탕로(220)를 지나 노즐(105)부위나 급 탕로 끝부분 쪽으로 이동되면서 온도가 고액공존구역 내로 떨어지게 된다. 노즐부위의 온도를 너무 낮게 조절하면 고상의 함량이 액상에 비해 너무 많아 금형으로의 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. 여기서 주목하여야 할 점은 노즐의 온도 범위가 실질적으로 반응고/반용융 상태의 마그네슘 합금의 이상적인 온도 범위보다 높게 운용되는데 그 이유는 노즐 내부로 통과하는 반응고/반용융 마그네슘 합금(109)의 실제 온도는 그보다 낮기 때문이다. 노즐 부위로 통과하는 반응고/반용융 상태의 마그네슘 합금(109)의 이상적인 온도 범위는 약 480℃ ~ 620℃ 정도이다.

도 7는 일반 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 의해 제조된 제품의 조직 사진으로 미세조직 입자의 크기는 30㎛ ~ 250㎛로 평균 100㎛ 정도 되는 것을 알 수 있다.

도 8은 전자기장을 용해조 주위에 인가하였을 때의 제품 조직 사진으로 결정입자의 크기가 10㎛ ~ 80㎛로 평균 40㎛ 정도 되는 것을 알 수 있다.

도 9a, 9b는 본원의 기술로 용해조 이후 용융 금속(240)이 금형(130,140)으로 공급되는 통로 부위에 위치한 교반장치(101)를 통해 전자기장을 인가한 경우의 제품의 결정입자의 크기를 나타내는 사진이다. 여기서 결정립의 크기는 2㎛ ~ 18㎛로 평균 10㎛ 정도 되는 것을 알 수 있다.

도 9c는 본원의 기술로 용해조 이후 용융 금속(240)이 금형(130,140)으로 공 급되는 통로 부위에 위치한 교반장치(101)를 통해 초음파를 인가한 경우의 제품의 결정입자의 크기를 나타내는 사진이다. 여기서 결정립의 크기는 5㎛ ~ 25㎛로 평균 15㎛ 정도 되는 것을 알 수 있다.

도 8과 도 9a 내지 도 9c를 비교하여 볼 때 명백히 자기장을 용해조 주위에 인가할 때 얻은 미세조직(도10)보다 용해조 이후 반응고/반용융 금속이 금형으로 공급되는 통로 부위에 걸쳐 전자기장을 인가하면서 노즐 내경의 크기를 조절하여 얻은 미세조직 사진(도 도 9a 내지 도 9c)이 보다 미세하고 치밀해졌다.

이하에서는 본원의 마그네슘 다이캐스팅 방법의 실시 예를 통해 설명하고자 한다. 본원의 실시 예 1은 사용된 마그네슘 합금은 AZ91D, 용해조의 온도를 650℃, 플런저의 가압을 10 Mpa ,노즐의 온도는 600℃, 인가한 자장의 세기는 650 Gauss, 전류의 세기는 6 A, 사출 속도는 2.5m/sec로 하였다. 이러한 실시 예를 거쳐 도 9a의 조직을 얻었고 미세 결정 조직의 크기는 9㎛ 정도였다.

본원의 실시 예 2는 사용된 마그네슘 합금은 AM60B, 용해조의 온도를 680℃, 플런저의 가압을 7 Mpa ,노즐의 온도는 580℃, 인가한 자장의 세기는 800 Gauss, 전류의 세기는 9 A, 사출 속도는 1.5m/sec로 하였다. 이러한 실시 예를 거쳐 도 9b의 조직을 얻었고 미세 결정 조직의 크기는 10㎛ 정도였다.

본원의 실시 예 3은 사용된 마그네슘 합금은 AZ91B, 용해조의 온도를 660℃, 플런저의 가압을 10 Mpa, 노즐의 온도는 610℃, 초음파는 30 kHz, 1.2kW로 가하였고, 사출 속도는 2.5m/sec로 하였다. 이러한 실시 예를 거쳐 도 9c의 조직을 얻었고 미세 결정 조직의 크기는 15㎛ 정도였다.

상기 실시 예 이외에 본원에서 설정한 용해조 및 노즐의 온도 범위와 전자기장 세기 및 전류의 세기 등을 변화하여 본원의 바람직한 범위를 설정하였다.

일반적으로 고온 챔버 다이캐스팅 방법은 아연, 주석, 납, 알루미늄, 마그네슘 등 저용융 금속주조에 적합하다. 고온 챔버 다이캐스팅 장치에서는 용융 금속이 대기로부터 노출되지 않는 상태에 놓이기 때문에 금속이 고온에서 산화되는 것을 방지하여 품질이 좋은 다이캐스팅 제품의 제조에 적합하다. 특히 마그네슘 합금의 다이캐스팅 제품에 적합하다. 따라서 본 발명의 장치 및 방법을 운용하는데 특히 마그네슘 합금뿐만 아니라 필요에 따라서는 알루미늄이나 아연, 주석, 납과 같은 저융점의 합금들이 적용될 수도 있다.

이상과 같이 상기에 기재한 본 발명의 구성 및 작용에 따른 본원 발명의 효과는 주조 조직이 미세화되어 보다 강도가 높은 제품을 제조할 수 있게 되었다. 또한 주조 조직이 치밀화되어 주조제품의 두께가 균일한 효과를 갖는 제품을 제조할 수 있게 되었으며, 특히 마그네슘 다이캐스팅 제품의 경우에 있어서 불량률의 저감과 생산성을 높이는 효과가 기대된다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (10)

1. 용융 마그네슘 합금을 대기에 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 플런저를 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치로 가열장치를 구비한 외부와 차단된 용해조와 용융 마그네슘 합금을 가압하기 위한 가압장치와 제품의 형상을 성형하기 위한 금형과 상기 용해조를 통과한 용융 마그네슘 합금을 수평방향으로 금형에 공급하기 위한 구즈넷(Goose Neck) 형상의 급탕로를 포함하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치에 있어서,

   상기 용해조 속에 위치한 급탕로의 구즈넥 끝단부와 금형 사이에서 위치하여 구즈넥과 금형을 수평으로 연결하는 노즐의 둘레에 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 교반하는 교반장치를 구성한 반응고/반용융 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 노즐의 내경은 30mm 이하인 것을 특징으로 하는 반응고/반용융 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 플런저의 용융 마그네슘 합금에 대한 가압의 크기는 2Mpa 이상이 되는 노즐의 크기를 갖는 반응고/반용융 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 교반장치는 전자기 발생 장치인 것을 특징으로 하는 반응고/반용융 마그네슘 합금용 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 교반장치는 초음파 발생 장치인 것을 특징으로 하는 반응고/반용융 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 장치.
6. 용융 마그네슘 합금을 대기에 노출되지 않은 상태에서 대기압 이상의 압력으로 플런저를 가압하여 금형의 형상으로 성형하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조품 제조방법으로 가열장치를 구비한 외부와 차단된 용해조에서 공급되는 용융 마그네슘 합금을 가압장치를 이용하여 가압하여 금형의 형상으로 성형하기 위해 상기 용해조를 통과한 용융 마그네슘 합금을 구즈넷(Goose Neck) 형상의 급탕로를 통해 수평방향으로 금형에 공급하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘 합금의 주조품 제조방법에 있어서,

   상기 용해조 속에 위치한 급탕로의 구즈넥 끝단부와 금형 사이에서 위치하여 구즈넥과 금형을 수평으로 연결하는 노즐의 둘레에 반용융 상태로 변화하는 마그네슘 합금을 교반장치를 이용하여 교반하는 것을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 반응고/반용융 마그네슘 합금의 주조품 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 교반장치는 전자기 발생 장치이고 전자기장의 세기는 50 Gauss 이상임을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 반응고/반 용융 마그네슘합금의 주조제품의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 전류의 세기는 0.5 A 이상임을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 반응고/반용융 마그네슘합금의 주조제품의 제조방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 교반장치는 초음파 발생 장치이고 초음파의 세기는 5 kHz 이상임을 특징으로 하는 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 반응고/반용융 마그네슘합금의 주조제품의 제조방법.
10. 제6항 내지 제9항의 어느 한 항의 고온 챔버 다이캐스팅 장치를 이용한 마그네슘합금의 주조제품의 제조방법으로 제조된 반응고/반용융 마그네슘합금의 다이캐스팅 제품.

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