KR100685233B1 - 마그네슘 압력주조 시스템 및 방법 - Google Patents

마그네슘 압력주조 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이 캐비티를 형성하는 몰드 또는 다이를 가진 압력주물기로 용융 또는 틱소트로피 상태의 마그네슘 합금의 압력주조를 위해, 용융 마그네슘 합금이 다이 캐비티 내에 주입될 수 있는 하나 이상의 러너를 형성하는 다이 또는 몰드 도구 수단을 포함하는 금속유동 시스템을 제공하거나 이용한다. 본 발명의 제1 형태에 있어서, 금속유동 시스템은 유동 시스템 내에 금속 유동 속도를 제어를 제공하는 형태이고, 이에 의해 대체로 다이 캐비티 전체에 걸쳐 흐르는 모든 금속은 점성이고 또는 반고체상태이다.
본 발명은 또한 마그네슘 합금의 주조를 생산하는 방법을 제공하고, 다이 캐비티를 형성하는 몰드 또는 다이를 가진 압력주조기를 이용하여, 또한, 용융마그네슘이 다이 캐비티 내로 주입되는 시스템의 하나 이상의 러너를 형성하는 다이 또는 몰드 도구 수단을 포함하는 금속유동 시스템을 이용하여, 마그네슘 합금을 용융 또는 틱소트로피 상태에서 주조하고, 유동 시스템은 금속유동 속도를 제어하여 다이 캐비티 전체에 걸쳐서 흐르는 실질적으로 모든 금속이 점성 또는 반고체상태의 형태이다.

Description

마그네슘 압력주조 시스템 및 방법{MAGNESIUM PRESSURE CASTING}
본 발명은 용융 또는 틱소트로피 상태에서 마그네슘 합금으로 만들어진 압력주조의 제작에 이용되고, 냉ㆍ열가압실 다이주조기를 포함하는 다양한 형태의 기존 기계와 함께 이용하기에 적합한, 향상된 금속유동 시스템에 관한 것이다.
아연 및 알루미늄 합금에 비해 마그네슘의 열용량이 낮기 때문에, 용융 마그네슘 합금 금속의 조기 응고를 막도록 커다란 러너(runner) 및 게이트(gate)들을 이용할 필요성에 대한 이해가 국제 압력주조 산업에 걸쳐 진전되어 왔다. 사실, 이는 해석이 분분할 수도 있지만, 산업에서 가장 우수한 기술로 여겨진다.
주조산업에서, 마그네슘 합금으로부터 만족할 만한 주조를 제공하기 위한 많은 다양한 설계 방법이 있다. 그러나. 주물이 유용한 품질일지라도, 아연 또는 알루미늄 압력주조에 비교할 때, 이들 방법에 의해 생산된 마그네슘 합금 압력주조는 일반적으로 더 큰 표면결함도를 보인다.
본 발명자들은 본 발명을 이용하여 고품질 마그네슘 합금 압력 주조를 생산할 수 있음을 알아냈다. 이렇게 생산된 주물은 알루미늄 또는 아연 합금의 주조로 얻어지는 것에 비교할 만한 품질을 가질 수 있다. 또한, 본 발명자들은 현재 가장 우수한 기술에 대하여 작은 러너 및 게이트들을 가지는는 금속유동 시스템을 이용하여 주조품질이 향상될 수 있음을 알아냈다. 본 발명의 금속유동 시스템은 주조분야, 즉, 총 충전(shot) 중량에 대한 주조중량 백분율이 실질적으로 향상될 수 있게한다. 따라서, 재생 및 재처리될 필요가 있는 금속의 중량이 실질적으로 감소하여, 제조비용이 절감될 수 있다.
본 발명은 품질을 향상시키고 시스템에 공급되는 금속의 양을 크게 줄이는 마그네슘 합금 주물을 생산하는 금속유동 시스템을 제공하는 방법을 가능하게 하여, 종래 기술에 비해 비용이 절감된다.
본 발명은 다이 캐비티(die cavity)를 형성하는 몰드 또는 다이를 가진 압력주조기로 용융 또는 틱소트로피 상태의 마그네슘 합금을 압력주조하기 위해, 용융 마그네슘 합금이 상기 다이 캐비티 내에 주입될 수 있는 적어도 하나의 러너를 형성하는 다이 또는 몰드 도구 수단을 포함하는 금속유동 시스템을 제공하거나 이용한다. 본 발명의 제1 형태에 있어서, 금속유동 시스템은 유동 시스템 내의 금속 유동 속도를 제어하는 형태이므로, 다이 캐비티 전체에 걸쳐 흐르는 모든 금속은 실질적으로 점성 또는 반고체상태이다.
또한, 본 발명은 마그네슘 합금의 주물을 생산하는 방법을 제공하고, 다이 캐비티를 형성하는 몰드 또는 다이를 가지는 압력주조기를 이용하고, 용융마그네슘 합금이 다이 캐비티내에 주입되는 시스템의 적어도 하나의 러너를 형성하는 다이 또는 몰드 도구 수단을 포함하는 금속유동 시스템을 이용하여, 상기 마그네슘 합금을 용융 또는 틱소트로피 상태에서 주조하고, 상기 유동 시스템은 금속유동 속도를 제어하므로 다이 캐비티 전체에 걸쳐서 흐르는 실질적으로 모든 금속은 점성 또는 반고체상태의 형태이다.
본 발명자들은, 점성 또는 반고체상태의 달성으로, 게이트 또는 주입하는 다른 장소로부터 멀어져 이동하는 금속의 반고체 전면부에 의해 다이 캐비티의 충전이 점진적으로 진행된다는 것을 알아냈다. 이러한 형태의 마그네슘 합금 충전 방법은, 1932년에 프로머(Frommer)에 의해 최초로 설명된 알루미늄 또는 아연 합금의 다이 주조(참고문헌, "다이 캐스팅", H.H.Doehler저, McGraw-Hill Publishing,Inc 출판)에 맞서, 백 필링(back filling)이 뒤따르는 매우 복잡한 액체 주상 충전으로부터 크게 벗어나는 것이다.
본 발명의 제1 형태에 있어서, 상기 러너로부터의 마그네슘 합금의 유동은 금속 유동이 그 주입방향에 대하여 측방으로 퍼질 수 있도록 하는 시스템의 하나 이상의 제어된 시스템 확장영역을 포함하여, 상기 러너내의 속도에 대해 상기 유동속도가 감소한다. 바람직한 구성에 있어서, 상기 유동 시스템의 상기 제어된 확장 영역은 상기 러너로부터 상기 다이 캐비티로 흐르는 금속이 통하는 게이트를 포함한다. 상기 바람직한 구성에 있어서, 상기 게이트 및 러너는 상기 게이트를 통해 흐르는 유동의 유효 단면적이 상기 러너를 통해 흐르는 유동의 유효 단면적을 초과하여, 상기 용융금속은 상기 러너를 통해 흐르는 유동의 상기 유효 단면적을 통과하는 속도가 상기 게이트를 통해 흐르는 유동의 유효 단면적을 통과하는 속도를 초과한다. 이는 현재 권고 사례와 반대이다.
또한, 본 발명의 제1 형태에 따른 바람직한 구성에 있어서, 상기 게이트를 통해 흐르는 유동의 단면적은 상기 러너를 통해 흐르는 유동의 상기 유효 단면적에 대해 상기 단면적의 비율이 약 2:1 내지 4:1의 범위로 크다.
러너를 통해 흐르는 유동의 유효 단면적은 러너의 전체 길이방향 범위에 걸쳐 나타날 수도 있다. 그러나, 유효 단면적은 길이방향 범위의 일부분에서만 나타날 수도 있다. 따라서, 후자의 경우에는, 유동의 유효 단면적이 나타나는 러너의 길이방향의 범위의 부분으로부터 러너 상류를 통해 흐르는 유동의 더 큰 단면적이 있을 수도 있다.
또한, 본 발명의 제1 형태에 따른 또 다른 구성에 있어서, 상기 제어된 확장영역은, 금속이 상기 캐비티로 들어오는 장소에 인접하여 상기 캐비티를 형성하는 표면들에 의해 적어도 부분적으로 캐비티에 의해 그 캐비티내에 형성된다. 이러한 또 다른 구성에 있어서, 상기 장소에서 금속이 러너로부터 캐비티로 흐르게하는 게이트가 있을 수도 있다. 이러한 경우, 상기 게이트는 상기 러너보다 더 큰 유효 단면적을 가지기 때문에 제어된 확장영역을 형성할 필요가 없고, 상기 게이트는 상기 캐비티에서 상기 러너의 출구 단부만을 포함한다. 그러나, 상기 게이트는 상기 다이 캐비티내에 상기 다이 캐비티에 의해 또다른 부분이 형성되는 제어된 확장영역의 부분을 형성할 수도 있다.
다이 캐비티에 의해 그리고 다이 캐비티 내에 적어도 형성되는 제어된 확장 영역을 금속유동 시스템이 가지고 있는 이 변경 구성은 모든 다이 캐비티 형상에 적합하지는 않다. 또한, 그러한 영역의 달성은 캐비티의 인접면에 대하여 캐비티로 금속이 들어가므로, 유동 방향에 의존한다. 일반적으로, 캐비티 내에서 기능이 제어된 확장을 제공하는 게이트와 유사한 방법으로 기능하기 위하여, 표면들은 제어되면서 확장을 허용할 필요가 있다. 이와 같이, 캐비티에 의해 형성된 제어된 확장영역은 유사 게이트로서 간주할 수 있고, 일반적으로, 게이트에 대한 이하의 기준은, 실제 게이트와 그러한 유사 게이트 모두를 커버한다. 그러나, 3개의 측상에서와 같이 사실상 모든 유동을 포함하는 바람직하겠지만, 금속이 캐비티로 들어가는 유사 게이트를 형성하는 다이 캐비티 표면은 모든 측상의 유동을 포함하지 않는다.
제어된 확장영역은 러너의 유효 단면으로부터 단면이 급격히 단계적으로 증가함으로써 달성될 수도 있다. 그러나, 제어된 확장영역은 그것을 통한 금속 유동의 방향으로 단면이 점진적으로 증가하는 것이 바람직하다. 따라서, 확장영역이 실제 게이트에 의해 형성되는 경우에, 게이트는 이 게이트와 다이 캐비티가 연결되는 최대 단면으로 단면이 바람직하게 증가한다.
본 발명은 냉 및 열 압력 다이캐스팅중 하나에 적용할 수 있다. 다음에 설명하는 바와 같이, 캐스트 수득률의 실질적인 향상을 가능하게 하면서, 각 경우에, 본 발명은 마그네슘 주물의 제작에 실제 비용을 매우 절약할 수 있게 한다. 그러므로, 재생 및 재처리가 필요한 러너/탕구(runner/sprue)의 중량은 상당히 감소되고, 재처리에 주의가 필요한 마그네슘의 주물조 특별히 관련시킨다.
본 발명에 의해 제공되고, 본 발명에 따른 주조 공정에 이용되는 금속유동 시스템은 다이 캐비티의 부분을 형성하는 다이 또는 몰드부 또는 도구에 의해 대체로 제공된다. 그러나, 종래의 압력 캐비티 몰드 및 다이에서와 마찬가지로, 유동시스템은 상호 협동하는 부분 및 도구에 의해 형성될 수도 있다.
본 발명의 시스템은 주어진 기계로서 압력주조에 이용하기 위해 개조될 수 있다. 최소한 이것은 본 발명의 시스템과 방법의 경우이고, 러너를 통과하는 용융금속의 속도는 약 150m/s가 바람직하다. 약 140~165m/s 범위와 같이, 이 속도의 변화는 가능하다. 그러나, 이것이 본 발명의 최소한 어떤 형태에 바람직할지라도, 상기 속도는 러너의 전장을 통해 나타날 필요는 없다. 오히려, 다른 길이 부분에 걸쳐 존재하는 것보다 더 적은 유효단면을 가지는 러너 길이의 일부에 걸쳐 속도가 얻어진다면 충분하다. 제어된 확장영역을 통과하는 용융금속의 유동의 속도는 러너를 통과하는 유동보다 적은 약 25~50%일 수 있다. 많은 예에서, 확장영역을 통과하는 금속속도는 러너에서의 속도의 2/3에 매우 가깝다. 따라서, 약 150m/s의 러너속도이면, 확장영역 속도는 약 100m/s가 바람직하다.
상기한 설명에 있어서, 확장영역과 러너의 물리적인 단면과 차이가 있듯이, 확장영역을 통해, 그리고 러너를 통해 흐르는 유효 단면적에 관련이 있다. 후술하는 실험의 제1 시리즈의 초기 실험에 의해 나타낸 바와 같이, 이 구별은 중요하다. 그들 초기 실험은 마그네슘 합금을 주조하는 종래 기술의 최선의 실시예에 따라서, 그리고, 알루미늄 및 아연 합금을 주조하는 실시예와 유사하게, 큰 러너와 게이트로 실시하였다. 그들 초기 실험의 러너의 실제 유로(flow path)는 설계된 러너의 물리적 단면보다 단면적이 매우 작은 원통형 영역을 통과했다. 유동 영역의 매우 작은 영역은, 용융금속이 러너를 통해 흐르고 실제 벽두께의 적어도 부분적으로 응고된 금속의 슬리브 내에 있는 어느 정도 집중된 코어로 이루어졌다. 주어진 러너 단면적에 대하여, 유동 영역의 단면적은 다이가 고온일 때 더 크다.
러너를 통해 흐르는 유동의 유효 단면적과, 실제 또는 설계된 단면적 사이의 구별은, 종래기술의 최선의 실시예보다 본 발명의 금속유동 시스템의 러너에서 덜 중요하다. 사실상, 본 발명에 따른 제한된 상황에서, 이 구별은 실질적으로 제거될 수 있다. 즉, 제한된 상황에서, 러너는 이 러너를 통해 흐르는 유효 단면적을 대체로 제한하는 상대적으로 작게 설계된 단면적을 가질 수 있다. 이러한 상황을 쉽게 얻기 위하여, 열가압실의 러너 길이의 상류부는 러너를 제한하는 부재의 표면상에 금속의 응고를 막는 온도 사이클의 유지를 가능하게 하는 적당한 세라믹 물질로 형성된 부재에 의해 형성될 수 있다. 또 다르게, 열가압실 또는 냉가압실 시스템의 러너의 길이의 그러한 상류부는 열교환액체의 순환을 위한 부재, 또는 전기 가열장치의 이용에 의해 형성될 수 있어서, 그러한 온도 사이클의 유지를 가능하게 한다.
종래의 실시는 게이트보다 일반적으로 더 큰 단면의 러너를 갖는 큰 러너 시스템이 필요하였으며, 이는 러너의 단면과 제어된 확장영역에 관한 본 발명에 의해 가능해진 것과는 대비된다. 결과적으로, 주어진 주물을 위한 러너/탕구 금속의 양이 상대적으로 큰 양이 되었고, 따라서, 러너/탕구 금속을 재생하고 재처리하는데 높은 비용이 들었다. 일반적으로 종래 기술은 주물 중량의 50%를 초과하여, 그리고 어떤 예에서는 100% 이상의 러너/탕구 금속이 되었다. 즉, 러너/탕구 금속의 양은 주물의 양보다 더 클 수 있다.
종래 기술의 실시예에 반하여, 본 발명은 러너/탕구 금속의 양을 대체로 감소하는 것을 가능하게 하여, 냉가압실용 주물중량의 30% 미만으로 감소되었다. 많은 예에서, 특히 열가압실로서, 본 발명은 러너/탕구 금속의 양을, 예를 들면, 약 5% 또는 심지어 약 2%이하로 낮추게 한다. 물론, 이로 인해, 재생된 재처리의 비용이 절감되어, 중요한 실제 이득을 제공한다.
러너의 설계된 단면의 직접적 축소를 가져오게 됨으로써, 본 발명은 러너/탕구 금속의 양을 대체로 감소하게 하고, 러너 길이의 감소에 의해 다른 감소가 가능하다. 설계된 단면은 러너를 통해 흐르는 유효단면에 대체로 대응하는 정도로 줄일 수 있다. 그러나, 길이의 최소 부분을 따라 있는 것처럼, 유동의 유효단면은 러너의 길이의 부분만을 따라 형성될 필요가 있다. 또한, 주조작업시 응고된 러너의 길이부분은 매우 짧아질 수 있어서, 러너/탕구 금속의 양을 더 줄이게 된다.
본 발명은 재처리비용을 줄이는 이득 이외에 중요한 이득을 달성하게 한다. 이들은 주물 공극과 표면 처리의 관계변수에 중요한 향상을 포함한다. 알루미늄 및 아연 합금의 다이 주조에 비하여, 종래 실시에 의해 제작되는 마그네슘 합금의 주물을 일반적으로 표면처리가 떨어지고, 종종 주물표면에, 또는 근처에 다공을 만든다. 그러나, 본 발명은 대체로 주물 공극을 줄이게 하고, 또한, 일정한 표면처리로 좋은 품질을 얻게 한다.
공극을 줄이고 표면처리를 향상시키면서, 러너/탕구의 양을 줄이는 공통인자는 본 발명에 의해 가능한 용융금속 유동 속도의 이득이다. 그러한 속도로, 제어된 확장영역에 인접하는 다이 캐비티의 영역에서 떨어져, 다이 캐비티내의 금속유동은 용융금속이 점성상태에 있기 때문이다. 따라서, 다이의 유동은 캐비티를 충전하는 동안 상대적으로 일정하게 남아있는 흐르는 금속내에 일정비율의 고체를 갖는 반고체 전면부 충전과 같다. 즉, 캐비티의 충전은 매우 복잡한 주상 충진과, 알루미늄 또는 아연 합금의 주물과 맞부딪힌 백-필링에 반하여, 제어된 확장 영역으로부터 떨어져 이동하는 반고체 전면부에 의해 진행하는 것으로 생각된다.
하기에 설명하는 본 발명은 실험의 범위에 근거한다. 실험의 제1 시리즈는 유동 기구와 마그네슘 합금의 응고의 더 나은 이해를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 실험은 표면처리와 공극레벨의 향상을 특정 주물을 위한 물리적 매개를 제어하는 변화 및/또는 제어에 의해 달성할 수 있다.
상기 제1 시리즈의 어떤 초기실험은 "쇼트 숏(short shot)"기술을 유동 패턴의 이해를 얻도록 이용하였다. 이들 실험으로 그들 사이에 마무리불량 영역을 항상 발생시키는 캐비티 내에 2 개의 유동 패턴의 증명을 가져왔다. 유동 패턴은 아연 또는 알루미늄 압력주조에서 보인 것과 다르다. 마이크로구조의 시험결과 다음 사항을 얻었다.
Figure 112003045596613-pct00001
러너내의 유동은 설계된 물리적 러너단면보다 단면이 매우 작은 원통형 영역을 통과한다. 이것은 또한 유동이 일방향이었던 주물의 섹션에서도 발견되었다.
Figure 112003045596613-pct00002
마그네슘 합금주물(큰 수지상 암 간극을 갖는 수지상결정으로 증명됨)의 고체비율은 약 50%였다.
Figure 112003045596613-pct00003
게이트에 가까운 마그네슘 합금 주물의 마이크로구조는 게이트로부터 50mm~300mm 에서 관찰되는 것과 차이가 있었다.
이들 초기 실험의 결과는 금속은 러너에서 부분적으로 응고된 다음, 캐비티 내에서 반고체로서 거동하고, 점성거동을 수반한다. 러너를 따라 이동하는 첫 금속(전면부)은 액체상태로 캐비티에 들어가게 되고, 따라서 이것은 얻어진 상이한 마이크로구조 및, 대체로 이들 다른 유동 상태 사이에 전이의 주물을 가로질러 공통위치를 설명할 수 있다.
제1 시리즈의 다음 실험에 있어서, 러너의 스타일과 종래 게이팅 필라소피(philosophy) 내에서의 게이팅의 변화는 이득으로 향상된 주물을 만들고, 반면에, 상기 필라소피에 따른 큰 변화가 예측된다. 그러나, 양호하지 않은 표면처리의 영역과 위치는 대체로 변하지 않고 남는다. 주물의 양을 고려해 볼 때, 단일 테이퍼 탄젠셜 러너로의 심한 변화는 매우 좋은 결과를 생산하지만, 러너/탕구 비로 생산은 수용불가능하였다. 이 단계에서 유동 거동의 이해의 일반적 레벨은 매우 한정된다. 그러나, 명백한 것은 마그네슘 합금이 아연 또는 알루미늄 합금과는 상당히 다르게 다르게 거동하는 것이다.
본 실험의 제2 시리즈는 많은 다른 다이와 주물기로 실행하여, 틱소트로피 때문에 거동의 차이가 있는가를 만들려고 하였다. 본 실험은 15그램에서 15킬로그램까지 다양한 주물 크기를 커버했고, 냉ㆍ열가압실 기계상에서 실행했다. 일련의 한 쪽 끝이 열린 박스로 이루어진 매우 긴 주물(약 2m)로 한 본 실험의 하나에 있어서, 주물은 냉가압실에 긴 가장자리를 따라 공급되었다. 탕구로부터 2개의 큰 러너가 긴 반경사진 러너에 공급했다. 점성열때문에, 캐비티에서 금속이 틱소트로피 상태에 있다면, 일단부로부터 주물을 충진할 수 있어야 한다. 이것을 증명하기 위하여, 이전의 캐스트 러너의 섹션은 다이에 놓이고, 따라서 효과적으로 캐비티의 반정도의 금속진입을 막는다. 그러므로, 막힌 러너에 인접하는 캐비티의 임의의 금속은 막히지 않은 쪽으로부터 들어오면서, 1미터를 초과하여 유동 거리를 만들었다. 캐비티의 유로는 매우 복잡하고 방향에서 많은 변화를 보여주었다. 그러나, 기계셋팅의 변화가 없이, 일측 공급시스템으로 주물을 제작했고, 완전한 러너로 생산된 그들에 최대치에서 더 우수한 품질을 얻는다. 주목된 중요한 변화는 금속속도의 증가였다.
작은 열가압실에서 만들어지고, 길고 얇은 러너와 0.15mm 깊이의 매우 얇은 게이트로 공급되는, 주물 280×25×1mm 로 제3 시리즈의 추가실험을 실시했다. 이들 실험은 게이트가 그 길이를 따라 심하게 막혀 저품질주물로 됨을 보여준다. 한 방향으로 220mm로 긴 러너는 러너 내에 10mm 길이의 플러그를 접합하여 100mm의 유효길이로 축소되었다. 이 결과 주물은 전체적으로 채워지고, 금속은 캐비티로부터 0.15 게이트를 통해 러너의 막히지 않는 부분 안으로 캐비티로부터 흘러갔다. 이것은 합금이 캐비티 충전 전체를 통해 매우 저점성임을 증명했다. 아연 또는 알루미늄 합금의 유사한 주물은 이 특성을 나타내지 않았다. 기계는 금속에 단지 14MPa의 압력을 가했다.
길고 얇은 게이트를 이용하는 최선의 실시예에 의해 생산된 마그네슘 주물의 조사는 사실상 작용하지 않는 큰 섹션의 게이트를 보여준다.
제4 시리즈의 다른 실험은 주물 사이즈의 범위 내에서 실행했지만, 게이트와 러너의 크기가 줄어들고 금속속도가 증가할 때 품질은 향상됨을 보여준다. 1×1mm에서 50×50mm의 범위에 있는 러너 단면의 조사는, 많은 주물이 냉ㆍ열가압실 양쪽 상에 제작되는 것으로부터, 중심 원형영역을 각 경우에 드러냈다. 이 특성은 원형 단면 프로파일에 영향받지 않는다. 캐비티가 충전되는 동안, 이 상태에 대한 예측은 금속 유동이 발생하는 영역을 형성하는 것이다. 이 영역은 다이에 원래 절개된 러너채널 보다 단면이 더 작은 영역이기 때문에, 금속유동은 상당히 더 높은 속도를 달성한다. 측정된 금속유동비를 이용하는 계산은 150m/sec 정도에서 형성되는 러너속도에 대한 값이 되었고, 게이트 속도는 러너속도의 약 2/3이었다. 유사영역은 일방향 유동이 있는 주물에서 발견될 수 있다.
실험의 제5 시리즈는 더 작은 게이트 섹션을 점진적으로 길고 두꺼운 주물생산을 수반한다. 원래 게이트 길이는 120mm에서 8mm로 줄어들었고, 주물은 수용할 수 있는 품질이였다. 주물의 마이크로 조사는 충전이 반고체 전면부 필(fill)과 조화를 이루었고, 중전중 고체 비율은 그 부분을 통해 일정하게 유지되었다. 공극은 최소화 되었다.
다음에 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 쉽게 이해할 수 있도록 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 마그네슘 합금 도어 손잡이 제조용 다이 주조 시스템의 일부를 나타내는 단면도;
도 2는 도 1의 시스템의 우측면도;
도 3은 도 1에 대응하는 종래 기술의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 러너/탕구 금속이 부착된 주물 도어 손잡이의 개략도;
도 5는 실험적인 금속유동 시스템의 개략도;
도 6 및 도 7은 본 발명에 이용하기에 바람직한 또 다른 구성을 나타내는 도면;
도 8a는, 통상적으로 이해할 수 있는 바와 같이, 아연 또는 알루미늄 합금을 주조하는 동안 다이 캐비티를 충전하는 것을 개략적으로 나타내는 도면;
도 8b는, 본 발명에 이용에 있어서, 마그네슘 합금을 주조하는 동안 다이 캐비티의 충전을 개략적으로 나타내는 도면;
도 9a~9C는 일반적인 러너의 단면 구조를 나타내는 도면으로서, 그 유효 유동 채널의 각 단면적을 개략적으로 나타내는 도면;
도 10은 본 발명에 따른 마그네슘 합금으로부터의 디쉬 캐스트(dish cast)의 평면도;
도 11은 도 10의 XI-XI 선에 따른, 도 10의 디쉬 및 다이 도구의 단면도;
도 12~도 14는 실험적인 금속유동 시스템들을 각각 나타내는 도면;
도 15는 본 발명에 이용하는 열가압실에 적합한 다이 주조 다이의 단면도; 및
도 16은 냉가압실을 이용하여 도 15의 다이로 만들 수 있는 개량되고 더 큰 주형을 나타내는 도 15와 유사한 도면이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
(10) ‥‥ 시스템 (12),(120) ‥‥ 다이
(14) ‥‥ 캐비티 (16),(116) ‥‥ 고정부
(17),(117) ‥‥ 가동부 (20) ‥‥ 플러그
(21),(42) ‥‥ 홈 (22),(122) ‥‥ 부시
(24),(44) ‥‥ 슬리브 (26),(126) ‥‥ 러너
(28),(128) ‥‥ 게이트 (30) ‥‥ 노즐
(40),(46) ‥‥ 덕트 (62) ‥‥ 러너/탕구 금속
(64) ‥‥ 세그먼트 (82) ‥‥ 스트림
도 1 및 도 2의 시스템(10)에 있어서, 각각의 도어 손잡이(도 4참조)가 주조될 수 있는 반경방향으로 배치된 다수의 캐비티(14)(하나만 도시됨)를 형성하는 다이(12)가 도시되어 있다. 다이(12)는 고정부(16) 및 가동부(17)를 가지고 있고 도면에는 다이(12)가 닫혀있는 상태가 도시되어 있지만, 고정부(16) 및 가동부(17)는 분리선(P)상에서 분리될 수 있다. 다이부(12)에 결합된 플러그(20)에는 슬라이딩가능하게 장착된 배출핀(18)이 구비되어 있다. 배출핀(18)과 적어도 하나의 다른 핀(도시 안됨)은 각 작동사이클의 끝에서 주물을 배출시키도록 연장될 수 있다.
플러그(20) 반대쪽의 다이부(16)는 슬리브(24)와 나란한 보어(22a)와 부시(22)를 구비하고 있다. 플러그(20)와 마찬가지로 부시(22)는 다이(12)의 고정부(16) 및 가동부(17)에 이용되는 것과 같은 적당한 철로 만들어지지만, 슬리브(24)는 부분적으로 안정된 지르코니아 또는 다른 적당한 세라믹 등의 상대적으로 열전도도가 낮은 재료로 만들어지는 것이 바람직하다.
플러그(20) 및 부시(22)의 인접하는 단부는 보완적 프루스토-원뿔(frusto-conical)형상이다. 플러그(20) 및 부시(22)의 인접하는 단부는, 다이(12)가 닫히면, 플러그(20)와 부시(22)가 접촉하는 양쪽 끝면 사이를 밀폐시킨다. 그러나, 플러그(20)의 끝면은 각 다이 캐비티(14)에 대한 각각의 홈(21)을 형성하고, 홈(21)이 부시(22)의 단부와 상호 작용하여 다이 캐비티(14)의 러너(26)를 형성한다. 러너(26)는 게이트(28)를 통해 캐비티(14)와 이어진다.
부시(22)의 보어(22a) 내에서 동심으로, 슬리브(24)는 실질적으로 점차 적어지는 단면의 보어(24a)를 형성한다. 또한, 부시(22)의 외측단은 보어(22a)가 외측으로 벌어지는 확대부를 형성하여, 노즐(30)과 맞물릴 수 있게 한다. 알게되는 바와 같이, 노즐(30)은 거위목/플런저 구성(도시 안됨)의, 열가압실 다이 주조 시스템의 연장부를 형성하고, 용융 마그네슘이 러너(26) 및 게이트(28)를 경유하여, 보어(24a)를 통해 캐비티(14)에 주입될 수 있다.
도 1 및 도 2의 구성으로 주조 사이클을 완성하면, 주입된 마그네슘은 슬리브(24)의 보어(24a) 내단부에서 다시 응고된다. 따라서, 사이클 동안 압력주물이 배출되면, 용융금속이 노즐(30)을 통해 보어(24a)로부터 회수된다.
도 1 및 도 2의 구성에 의해, 각 러너(26)의 길이는 최소화될 수 있다. 또한, 각 러너는 각 러너를 통해 흐르는 유효 금속유동의 단면 정도로 가능한 설계된 단면을 가질 수 있다. 각 러너(26)의 내단부는 다이(12)의 고정부(16), 가동부(17)에 의해 형성된다. 게이트(28)가 플러그(20)와 부시(22) 사이에 형성된 러너(20)의 길이부분보다 더 큰 단면을 갖는 좁고 기다란 형태를 갖도록, 상기 내단부의 길이에 걸쳐서, 러너(26)는 점차 깊이가 감소하지만, 폭은 증가한다.
도 1 및 도 2의 구성의 사용시, 러너/탕구 금속의 고화를 위한 열에너지가 플러그(20) 및 부시(22)를 개재하여 다이(12)의 고정부(16), 가동부(17)로 전도에 의해 방출된다. 냉각수를 순환하여 고화를 이룰 필요가 없을 정도로 러너(26)는 비교적 길이가 작고 단면이 작다. 그러나, 러너(26)가 비교적 길이가 짧아, 캐비티(14)에 슬리브(24)가 근접함에도 불구하고, 슬리브(24)를 형성하는 재료인 세라믹의 절연효과에 의해 보어(24a) 내에 금속의 고화를 방지할 수 있다. 도 1 및 도 2의 전체구성은 중량이 약 30 gm인 마그네슘 합금 손잡이의 주조에 있어서, 각 러너(26)의 길이 및 단면은, 러너/탕구 금속의 양(동시에 2개의 동시 주조 손잡이에 대해)이 약 3 gm으로 감소될 수 있도록 되어 있다.
도 3은 대체로 도 1에 대응하지만, 종래 기술의 실시에 관한 구성을 상세히 나타낸다. 도 3에 있어서, 도 1 및 도 2에 대응하는 구성품은 같은 참조번호에 100을 더하였다.
도 3의 구성에 있어서, 플러그(120)는 절두원추형 스푸르 핀(120a)을 포함하고, 이 스프루 핀은 다이(112)의 고정부(116) 및 가동부(117)가 폐쇄되면서, 부시(122)의 경사 보어(122a) 내로 돌출한다. 플러그(120)에는 부시(122)와 함께 러너(126)를 형성하는 홈(121)이 형성되어 있다. 또한, 플러그에는 물과 같은 냉각수의 순환을 위해 덕트(40)가 형성되어 있는 반면, 부시의 둘레에는 주변홈(42)이 형성되어 있고, 이 홈(42)은 슬리브(44)로 덮여서 냉각수 순환을 위한 또다른 덕트(46)를 형성한다.
알 수 있는 바와 같이, 도 1의 노즐(30)과 유사한 노즐(도면에 나타내지 않음)을 사용하여 용융 마그네슘 합금이 보어(122a)를 통해 주입되어, 러너(126)를 따라 게이트(128)를 통해 다이 캐비티(114) 내부로 들어간다. 충전의 완료시에, 냉각수가 덕트(40,46)를 통해 순환되어, 핀(120a)을 수용하는 경사부와 다이 주조 시스템의 노즐을 수용하는 벌어진 외단부 사이의, 보어(124a)의 최소단면을 통해 러너/탕구 금속을 응고시킨다.
도 3의 종래 기술에 따르면, 러너(126)는 길이가 길고 단면이 크다. 나타낸 바와 같이, 이것은 저열용량의 마그네슘 합금의 조기 냉각의 예상되는 위험을 방지하 위한 것이다. 상기 구성의 경우에, 도 1 및 도 2에 대해서 언급된 손잡이의 형태와 중량이 같은 도어 손잡이의 주조에서, 러너/탕구 중량의 무게는 약 30그램이다. 즉, 도 1 및 도 2의 구성에서 재생될 필요가 있는 금속량의 10배가 도 3의 구성에서는 필요하게 된다.
도 4는 다이 캐비티에서 해제되고 여전히 러너/탕구 금속(62)에 부착되어 있는 마그네슘 합금 도어 손잡이 주물(60)을 개략적으로 나타낸다. 러너/탕구금속(62)은 두개의 주물(60)에 공통이지만, 하나만을 나타내었으며, 다른 주물의 주조를 위한 전체의 러너 금속은 나타내지 않았다.
원래 형성되는 금속유동 시스템의 러너는 면적이 50mm2 이고, 외부 프로파일이 도 9c에 나타낸 형태에 대응하며, 후술하는 설계된 단면을 갖는다. 도 9c에서 명백하듯이, 러너의 설계된 단면은 일정한 사다리꼴이고, 그러한 단면은 러너의 길이에 걸쳐서 존재한다.
제6 실험은 주조하는 동안 마그네슘합금이 이동하는 거리에 대한 점성유동 효과를 나타내는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 도 5에 나타낸 바와 같이, 표준장력바 부위(B)에서 종결하는 금속유동로를 제공하는 채널(C)로 구성되는 금속유동 시스템(S)을 만들었다. 채널(C)은 4×4mm의 공칭단면과 1230mm의 길이를 가진다.
주물 시험은 250톤 냉가압실 다이 주조기에서, 도 5의 시스템(S)로 실행했다. 기계의 정상 작동조건하에서 시험을 실시하였지만, 다이 온도는 단지 약 120℃ 이었다. 도 5로부터 알 수 있듯이, 채널(C)의 통로는 구불구불한 형상이고, 유동에 대해 높은 저항을 발생한다. 이에 불구하고, 채널(C)의 전장 1230mm를 따라 유동이 이루어지고, 바 부위(B)에 충전의 개시를 가능하게 한다. 1230mm의 유동길이는 제한적인 것으로 고려되지는 않는다. 그러나, 이것은 종래 실시에 따라 설계되어, 4×4mm보다 매우 큰 러너단면을 초래하는 약 700mm의 유동 최대길이와는 대조적이다.
도 4의 도어 손잡이 주물로 시험의 제7 단계를 수행했고, 판매가능한 주물을 생산할 수 있는 러너와 게이트의 최소크기를 결정했다. 실험설정은:
Figure 112003045596613-pct00004
사이펀 파이프를 통해 고정용광로에 연결되는 용융로를 구비한 80톤 프레치(Frech) 열가압실 기계. 이로 인해 안정된 금속온도가 된다.
Figure 112003045596613-pct00005
플런저변위, 속도 및 압력을 제공하는 다이맥(DieMac) 숏(shot) 모니터링 시스템.
Figure 112003045596613-pct00006
바 부위로부터 각각 7mm, 게이트로부터 주조 캐비티내로 10mm, 80mm 의위치에서 다이의 고정 절반부에 있는 두 열전쌍.
Figure 112003045596613-pct00007
시간에 따른 온도변화를 나타내는 챠트레코더.
Figure 112000010669219-pct00008
표면 온도측정을 위한 콘택트 열전쌍.
Figure 112003045596613-pct00009
적외선 디지탈 온도센서.
Figure 112003045596613-pct00010
다이로 변경 및 인서트 준비를 위한 완전하게 구비된 장비실
게이트 속도 약 100m/s로 제7 계열의 다음 실험을 모두 실행했다
1) 2×1mm 게이트의 주물(60)의 끝부에 공급하여 판매는 불가능하지만 어느정도 품질의 주물을 얻었다. 탕구 및 러너부는 중량이 주물과 거의 같았(50% 양품률)
2) 7×2mm 게이트의 주물(60)의 끝부에 공급하여 고품질의 판매가능한 주물을 얻었다. 한 부분에 결합물이 관찰되었고, 이를 극복하기 위하여 그 부분에 다이 온도의 저하효과가 있는 냉각탑을 추가하였다. 러너의 단면은, 대체로 150m/s의 실제러너 속도를 보이는 원통형의 유동 패턴이다(도 9c에 관하여 설명함). 이때 러너의 유효지름이 약 3mm(이것이 관찰되는 원통형 단면의 지름이다)로 줄어든다면, 지름 3mm의 피지컬 포트의 삽입은 주물의 품질에 영향을 주지 않아야 한다. 여기서, 러너의 일부분에 세그먼트(64)가 제공되고, 그것을 통해 지름 3mm의 구멍(64a)을 뚫어 지름 3mm의 유동 채널을 제작하였다. 세그먼트(64)를 게이트에 인접한 러너에 삽입하여, 러너 길이의 일부분을 따라, 금속 유효유동의 단면적이 약 7.1㎟ 이하인 감소된 단면의 구멍(64a)을 형성한다. 또한, 이 실험에서 캐비티내에 금속의 양을 감소시킴으로써 많은 충전 불량이 발생하였다. 부족한 금속으로부터의 충전 불량은 금속 충돌로 발생할 수 있는 스킨부로 이루는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 액체 또는 반고체 어느 하나로부터 발생할 수 있는 100m/s의 높은 게이트 속도때문이다.
3) 세그먼트(64)를 구비하지만, 7×2mm 게이트를 만족하는 러너에 주입되는 지름 3mm의 구멍(64a)이 있는 통상의 러너를 사용했다. 주물은 섹셔닝(sectioning)으로부터 결정되는 바와 같이, 공극이 적은 비교적 고품질이었다. 게이트로부터 가장 멀리 떨어진 영역에 있는 일부 표면 마크들은 유동이 상대적으로 작은 정도로 방해됨을 알려주었다. 이것은 다이온도를 유지하는 각 충전사이에 통상 제작의 6 충전(shot)으로 실행했다. 지름 3mm 구멍으로의 예리한 입구 및 출구가 결점에 원인이 되었을 것이다. 탕구 및 게이트를 통해 금속을 미는데 필요한 압력은 통상의 제작보다 약 20% 더 높았다.
4) 다른 실험에서, 길이가 A이고 일측내로 절결된 3×3mm 채널이 있는 긴 러너피스가 7×2mm 게이트에 주입된다. 러너피스의 단면(66)은 부호 66a으로 나타낸 채널을 구비한다. 유동에 대한 저항을 작게 하도록 러너피스의 입구와 출구부는 제거되었다. 주물의 품질은 매우 양호하였고 판매가 가능한 품질이었다. 러너를 통해 캐비티내부로 금속을 유도하기 위해 필요한 압력은 일반보다 약 30%이상 증가하였다. 러너 인서트를 이용하여 제작된 주물의 한 러너를 절단하였고, 금속이 채널의 벽을 따라 최소응고로서 섹션을 통해 흐르는 것으로 판명되었다. 러너를 통과하는 속도는 150m/s이고, 게이트에서의 속도는 100m/s로 계산되었다.
5) 또 다른 실험에서, 길이 B이고 3×3mm 채널이 있는 전체 러너와 탕구를 이용하여, 3×3mm 섹션을 통해 전장 120mm로서, 7×2mm 게이트를 공급하였다. 탕구영역에서의 금속의 축소된 부피로 인해, 탕구포스트에 대한 냉각수가 제거되었다. 주물은 특별한 품질이였다. 이 주물의 품질은 이전의 어떤 것보다도 우수하였다. 본 순서의 실험 3에 기록된 표면 결함은 이 경우에 나타나지 않았다. 캐비티를 채우는데 필요한 압력은 보통보다 30% 더 높았다. 공급시스템은 주물 중량의 6%였다(94% 양품률)
러너로 들어가는 용융금속은 채널이 형성되도록 러너표면에 빠르게 응고한다. 이 중심지역의 금속이 반고체라면, 고체 백분률을 약 50%이상에 대해 점성의 빠른 증가가 발생한다. 속도가 높게 유지된다면, 점성열이 발생하여 다이 벽에 대한 열의 추가적인 손실을 상쇄한다. 따라서, 금속은 장거리를 흐를 수 있다. 이 작용 전체에 걸쳐서 관찰되는 러너의 각각에 있어서, 기기의 세팅은 변화시키지 않으면, 남은 등가의 러너는 150m/s 정도의 금속속도를 제공한다. 다이 내에 러너부를 삽입함으로써, 러너내의 속도는 출발에서부터 150m/s로 설정되었다. 주물은 "통상"상태 하에서 제작된 것과 적어도 같은 품질이어야만 했다. 관찰된 향상된 품질은 러너 속도 150m/s, 게이트 속도 100m/s의 평형상태로 빠르게 도달하기 때문에 얻을 수 있었다. 캐비티에 도달하기 전의 속도의 이러한 감소를 이용할 수 있어서, 러너로부터 게이트를 통해 캐비티 내로 흐르는 속도가 감소된다.
종래의 최고의 러너설계은 유동로를 따라 연속하여 속도가 증가하여, 분해되는 금속전면부에 공기 포획이 발생하지 않는 것이었다. 러너속도는 러너의 대부분에서 게이트 속도의 50% 이하였다. 그러나, 여기에 설명하는 실험은 주물 품질에 있어서 상응하는 향상을 가져오는 높은 러너속도를 사용할 수 있다.
도 6 및 도 7 각각의 다른 구성은 일반적으로 도 1 및 도 2의 개념으로부터 이해되고, 도 1 및 도 2의 구성에 대응하는 구성품은 도 6의 경우에 같은 참조부호에 200을 더하고, 도 7의 경우에 같은 참조부호에 300을 더하였다.
응고한 러너/탕구 금속으로부터 용융금속을 완전히 제거하여 분리하기 쉽게 하도록 세라믹 슬리브(224)의 보어(224a) 지름이 변한다는 점에서, 도 5의 구성은 도 1 및 도 2의 구성과 다르다. 따라서, 슬리브(224)의 외단부로부터 그 길이의 대부분에 걸쳐서, 보어(224a)는 상응하여 큰 체적의 용융금속이 액체로 유지될 수 있는 큰 지름을 가진다. 그리고, 보어(224a)는 짧은 길이에 걸쳐, 단차가 져서 최소지름으로 좁혀진 다음, 보어(224a)의 내단부를 통해 중간지름으로 증가한다. 러너/탕구 금속 응고를 위한 열에너지의 제거가 보어(224a) 내에 약간의 응고를 발생시키토록 되어 있는 경우, 도 6의 구성은 효과적으로 그 정도를 제한한다. 즉, 보어(224a)의 큰 외단부 부위에 있는 체적의 금속의 열에너지 때문에, 적어도 주조 사이클에서 이용할 수 있는 짧은 시간에서, 응고가 짧은 최소지름부를 넘어서 진행할 수 없다.
도 7의 구성은 도 6의 구성에 유사한 이득을 얻는 데, 응고금속과 여전히 용융된 금속의 분리가 세라믹 슬리브(324)의 보어(324a)의 최소지름에서 발생한다. 그러나, 이것은 전체의 단순화한 형태때문에 바람직하다. 나타낸 바와 같이, 플러그(320), 부시(322) 및 슬리브(324)는 평행한 끝면들을 가지고 있고, 이 끝면들은 다이(312)가 닫혀지면 분할면(P) 상에 접촉한다. 도 3과 비교하여, 약 95%까지 재용융 금속의 상당한 절약을 할 수 있다.
도 8a 및 도 8b의 각각은, 도 8a의 경우에 아연 또는 알루미늄 합금으로 충전되고, 도 8b의 경우에 마그네슘 합금으로 충전되고 본 발명을 이용하는 다이 캐비티의 패턴을 개략적으로 나타낸다. 나타낸 시스템은 몰드캐비티(76a,76b)을 형성하고 분할면(P)상에서 분할되는 부분(72a,74a) 및 부분(72b,74b)이 있는 각각의 다이(70a,70b)를 나타낸다. 각각의 경우에, 러너(78a,78b) 및 게이트(80a,80b)를 포함하는 금속유동 시스템을 통해, 용융합금은 각각의 캐비티(76a,76b) 내에 주입될 수 있다.
도 8a의 경우에 있어서, 러너(78a)는 캐비티(76a)의 체적에 비하여 큰 단면적이고, 용융합금은 러너(78a)로부터 더 작은 단면의 게이트(80a)를 통해 주입된다. 짙은 영역으로 나타낸 합금의 유동은 아연 및 알루미늄 합금의 주조에서 인식되는 종래의 충전패턴에 따른다. 즉, 합금의 스트림(82)이 게이트(80a)로부터 떨어진 캐비티의 영역으로 캐비티(76a)을 통해 주입되고, 합금의 주변 유동(84)는 이때, 캐비티를 백필링(back-filling)한다. 이 복잡한 주변 충진 및 백필링에도 불구하고, 질좋은 주물을 아연이나 알루미늄 합금으로 제작할 수 있다. 그러나, 상기한 바와 같이, 그러한 복잡한 충진은 마그네슘 합금의 최적품질 주물보다는 못하다.
도 8b의 경우에, 러너(78b)는 캐비티(76b)의 체적에 비하여 작은 단면적이다. 용융 마그네슘 합금은 러너(78b)로부터 더 큰 단면의 게이트(80b)를 통해 주입된다. 게이트(80b)의 단면은, 러너(78b)의 단면보다 크고, 또한 주어진 다이 캐비티 체적에 대해 도 8a의 게이트(80a) 단면보다 더 클 수 있다. 역시 짙은 영역으로 나타낸 마그네슘 합금의 유동은 점성 또는 반고체상태이다. 이 상태에서, 유동은 게이트(80b)에서 떨어져서 체적이 증가하는 합금의 바디(86)를 구성하고, 게이트(80b)로부터 캐비티(76b)의 먼 영역으로 이동하는 반고체 전면부(88)을 발생시킨다.
다음에, 본 발명에 따른 실험에 있어서, 주물 형태와 크기의 범위를 상세히 설명한다. 나타낸 바와 같이, 실험은 냉열가압실에서 실시한다. 각 경우에, 다이 캐비티충진은 도 8b에 대하여 설명한 바와 같이 대체로 진행되게 된다. 그러나, 주물의 적어도 일부분에 있어서, 마그네슘 합금의 적은 초기량은 반고체상태에서 보다는 액체상태로 캐비티에 들어가게 된다. 나타낸 상기 초기량은 주물의 나머지 부분에 대해 다소 상이한 마이크로구조(그와같지 않다면 좋은 품질)의 게이트에 인접한 스킨부로 부터 명확하다.
도 8b에 대하여 설명한 유동은 러너에서 합금유속이 약 140~165m/s, 바람직하게는 150m/s이고, 게이트를 통해서는 러너 유속의 약 2/3 정도로 25~50% 작은 경우에서 달성된다. 도 9a ~ 도 9c에 나타낸 것처럼, 이것은 러너를 통해 원통형 코어 영역에서 달성된다. 이들 도면의 각각은 러너(90a,90b,90c)를 각각 나타낸다. 주조작업이 완료되고 러너내의 합금이 응고하고 그 단면을 제공하도록 러너를 커팅하면, 각각 이들 원통형 코어영역(92a,92b,92c)을 나타낸다. 이들 영역은 주조작업에서 다이 캐비티 충전에 걸쳐서 사실상 합금유동이 제한되었던 유효 유동 채널을 각 러너에 대해서 나타낸다. 이 유동제한은 초기 유동의 짧은 기간 이후에 발생하며, 그 동안 짙은 영역으로 나타낸 바와 같이, 적어도 부분적으로 응고된 합금(94a,94b,94c)이 러너의 단면프로파일을 형성하는 표면상에 형성된다.
원통형의 유동 영역(92a,92b,92c)은 이것이 형성되는 러너의 프로파일에 관계없이, 잘 형성된 원형단면임을 알 수 있다. 도 9a ~ 도 9c는 원형 단면 영역(92a,92b,92c)이 얻어진 전형적인 러너 프로파일을 나타낸다. 이들 프로파일로부터 알 수 있는 바와 같이, 영역(92a,92b,92c)의 단면부상에 현저한 충돌없이, 최종 러너/탕구 금속의 양을 감소시킴으로써, 러너의 설계된 프로파일 단면부를 줄일 수 있다. 설계된 러너의 길이를 줄임으로써, 유리하게 상기 양을 더 줄일 수 있다. 이와 같이 달성할 수 있는 감소의 정도를 다음에 상세히 설명한다.
높이 450mm, 폭 400mm 오픈프레임 구조의 형태를 가지고 있고, 벽두께가 2~20mm로 변하고, 매우 깊은 단면을 가진, 1.6kg의 마그네슘 합금 주물을 냉가압실에서 제작한다. 종래 형태의 러너/비스킷을 이용하여, 주조작업에 소비되는 금속의 백분율로 주물이 60%의 수율을 나타내도록, 러너/탕구 금속의 양은 1.1kg이었다. 즉, 소요되는 금속의 약 40%가 재생될 필요가 있다. 본 발명에 따른 러너/비스킷으로, 재생이 필요한 합금의 양에 있어서, 러너/탕구 금속의 양이 0.36kg이면, 수득율이 82%이며, 합금량의 감소는 약 67%이었다.
도 4에 나타낸 형태의 도어 손잡이의 주물을 2 인상주조(impression casting)에 의해 열가압실에서 제작하였다. 각 손잡이의 중량은 28g이고, 주조 사이클당 제품중량은 56g이었다. 종래의 금속유동 시스템으로 제작할 때, 각 사이클은 30g의 러너/탕구를 생산하였고, 수율은 65%이었다. 도 7에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 금속유동 시스템으로, 러너/탕구의 양은 1.5g으로 줄어들었고, 수득율이 97%이었으며, 종래 구성에 비교하여, 재생합금이 95% 감소하였다.
통상의 실시에서와 같이, 다이 캐비티에 직접 금속이 흐르는 것이 가능한지, 그리고, 다수의 또다른 금속유동 시스템의 효과를 결정하기 위하여 제 8 실험을 행하였다. 이 실험에서, "소프 디쉬(soap dish)" 형태의 다이 캐비티를 사용하였다. 캐비티의 형태는 도 10에 나타낸 바와 같이 캐스트 디쉬 D의 평면도로부터, 그리고 도 10의 ⅩⅠ-ⅩⅠ선에 따른, 도 11에 나타낸 디쉬 D 및 숫다이도구 T를 통해 알 수 있다. 디쉬 D는 길이가 약 140mm, 폭이 약 100mm, 깊이가 약 26mm이고, 벽두께가 약 2mm이다. 이 디쉬는 수평의 주변 플랜지와 이 플랜지에 대해 약 45°기울어진 측벽 및, 평편한 베이스를 갖는다.
종래의 디쉬 D를 생산하는 방법은 기울어진 탄젠셜 러너 내에 공급하는 주러너를 포함하는 금속유동 시스템을 이용하는 것이고, 탄젠셜 러너들은 다이 캐비티의 공통 측방 가장자리를 따라 반대방향으로 연장하여, 그들의 길이를 따라 길고 얇은 게이트를 통해 캐비티로 공급한다. 제1 시험에서, 현재 가장 좋은 실시의 개조된 버전을 도 12에 나타낸 유동 시스템(410)으로 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 시스템(410)에는 도 10의 디쉬 D를 제작하는 다이 캐비티의, 부호(416)에 나타낸 측가장자리를 따라 배치된 2개의 반대로 연장하는 탄젠셜 러너(414) 내에 공급하는 주 러너(412)를 갖는다. 각 러너(414)는 캐비티를 가로질러 향하는 2개의 쐐기 또는 팬 형상 게이트(418)에 공급한다. 각각의 게이트(418)는 그의 러너에서의 단면인 약 6×1mm 로부터 캐비티의 가장자리(416)에서의 단면인 약 10×0.5mm 까지 단면이 변한다. 현재 최고의 종래실시에서는, 각 러너(414)는 약 10×10mm에서 약 8×10mm까지 그 러너를 따라 금속 유동의 방향으로 통상의 단면을 가지게 된다. 그러한 러너(414) 및 게이트(418)로서, 제공할 수 있는 품질의 디쉬 D의 제품은 매우 어렵다. 그러나, 상기한 바와 같이, 시스템(410)은 개조된다.
개조는 3×3mm로 러너(414)의 공칭단면을 축소하는 것이다. 이 개조는 러너단면에 있어서 부분적으로 본 발명에 따른 것이다. 그러나, 각 게이트(418)에 대하여 러너단면이 상기 개조를 초과하기 때문에 본 발명과 일치하지 않는다. 상기 개조에 불구하고, 도 12의 본 시스템(410)은 만족 할만한 주물을 생산하지 못한다.
제8 시리즈의 제2 구성에서는, 도 13과 같은 시스템(420)이 이용되었다. 유일한 입구 치슬게이트(chisel gate; 428)가 제공된다는 점에서, 도 13의 시스템(420)은 도 12의 시스템(410)과 다르다. 나타낸 바와 같이, 캐비티 가장자리(426)와 러너(424)의 최단부에 인접하여, 게이트(428)는 러너 (424)에 대해 약 45도로 배치되지만, 캐비티의 인접 단부가장자리로 향한다. 게이트(428)는 1.5×4mm의 공칭단면을 가지고 있어서, 러너(428)(그리고 그 밖의, 블라인드 러너(428))의 3×3mm 공칭단면보다 작다.
통상의 실시에서와 마찬가지로, 시스템(410)의 게이트(424)가 마그네슘 합금의 방향성 유동을 제공한다면, 시스템(410)은 상당히 불만족스러움이 증명되었다. 즉, 게이트(428)로부터의 금속유동은 인접단부를 따라 캐비티의 먼쪽으로, 그리고 이 먼쪽을 따라 타단부로, 그리고 이 타단부를 따라 가장자리(426)가 있는 가까운쪽으로, 그리고 이 가까운쪽을 따라 게이트(428)를 향하여 진행되었다. 그러나, 다이 캐비티의 중심부분의 불충분한 충진이 이루어졌고, 그 결과 주물이 만족스럽지 못했다. 그러나, 주물이 출하할 만한 품질이 아님에도 불구하고, 시스템(420)은 도 12의 시스템(410)보다 더 향상된 디쉬 D의 주물을 생산하게 되었다.
제8 시리즈의 제3 구성에서는, 도 14에 나타낸 바와 같은 시스템(420a)이 이용되었다. 치슬게이트(428a)가 그 러너에 대해 90도에 있고, 그래서 캐비티의 인접단부 가장자리에 대해 평행하다는 점에서만, 시스템(420a)은 도 13의 시스템(420)과 다르다. 시스템(420)에서와 같이, 게이트(428a)는 1.5×4mm의 공칭단면을 가져서, 그 러너(428a)(그리고 다른, 블라인드 러너(428a))의 3×3mm공칭단면보다 작았다. 도 14의 시스템(420a)은 출하가능한 품질의 완벽하게 우수한 주물을 제공했다.
실험의 제8 시리즈의 각각에서 얻은 유동패턴의 흔적은 캐비티의 마그네슘 합금이 방향성이 없다는 것이다. 즉, 다이 캐비티 충전의 패턴은 도 8a에 관하여 상술한 것과 상당히 다르지만, 가능한 경우에, 유동은 도 8b에 관하여 상술한 바와 같다. 도 12에 나타낸 시도의 경우에, 적당하게 제어된 확장영역이 없었기 때문에, 만족스러운 유동이 달성되지 않았다. 도 13에 나타낸 시도의 경우에, 그리고, 더 명확하게 14에 나타낸 것에서, 그러한 영역이 존재했다. 그러나, 각 경우에, 영역은 도 13의 게이트(428) 또는 도 14의 게이트(428a)에 의해서 보다는 다이 캐비티에 형성되고, 영역은 다이 캐비티의 상하면과 캐비티의 인접 단부가장자리면의 3개의 면에 의해 경계지어 졌다. 또한, 도 13의 경우에, 캐비티의 인접단부로 유도되는 유동에 의해 발생한 난류의 결과로, 다이 캐비티의 확장영역의 유효성이 감소되어 주물 품질을 떨어뜨린 것으로 보인다.
도 13 및 도 14의 시스템에 있어서, 게이트(428) 또는 게이트(428a)는 제어된 확장영역을 제공하지 않는 다는 점에서, 사실상 본 발명에 요구되는 게이트는 아니다. 실제로, 러너(428) 또는 러너(428a) 각각에 관하여, 그것은 유동을 제한하고, 얻어지는 영역은 게이트(428) 및 게이트(428a)의 각각을 넘는다. 따라서, 본 발명에 있어서, 게이트(428,428a)를 각각 러너(424,424a)의 터미널 단부로 간주하여, 제어된 확장영역으로 직접 공급하고 효과적으로 게이트가 존재하지 않는 것이 더 적당하다.
도 11로 돌아가서, 제8 실험과 같이, 마그네슘 합금으로부터 디쉬 D를 생산하는 것에 관한 제9 실험에 대한 개념을 도 11에 나타낸다. 도 11은 본 발명에 따른 금속유동 시스템(430)을 나타낸다. 시스템(430)에 있어서, 마그네슘 합금 유동로(flow path)의 마지막부분을 나타내고, 이것은 도구 T를 통해 게이트부(438)를 거쳐 다이 캐비티와 연결되는, 직경 3mm의 원형단면의 러너(434)를 포함한다. 러너(434)로부터, 게이트(438)는 유동방향으로 직경이 증가하고, 다이 캐비티에 있는 외단부에서 5mm의 직경을 가진다.
제8 실험과 같이, 도 11의 구성으로된 디쉬 D는 냉가압실에서 주조된다. 시스템(430)은 종래의 금속 압력주조기술로부터 기본적으로 벗어난 것이고, 현재 최상의 실시하에서 이용되지 않았다. 이에 불구하고, 시스템(430)은 연속적인 주조 사이클에서 마그네슘 합금의 고품질 디쉬 D를 생산하였고, 상업적 범위에서 고속의 반복적인 주조를 상업적 규모로 생산할 수 있는 실질적인 잠재력을 나타낸다.
제9 실험과 마찬가지로, 제10 실험은 핀게이트를 통해 직접 공급하여 마그네슘 합금 주물의 제작을 유도하였다. 이 경우에, 도 15에 나타낸 바와 같이, 넓고 평편한 영역(440a)이 있는 커다란 주물(440)과, 크로스-리브(cross-rib)(440c) 및 보스(boss)(440d)가 있는 복잡한 박스 형상영역(440b)이, 프레치(Frech) 80톤 열가압실에서 제작되었다. 주물(440)의 돌출영역은, 상기 열가압실용 프레치에 장려되는 것 보다 더 큰 390㎠이었다.
도 15의 주물(440)은 복잡한 형상으로 유동 거리, 유동 특성의 효과를 테스트하도록 설계되었다. 주물(440)용 캐비티 다이를 형성하는데 이용된 도구(442)는 단일 핀게이트(448)를 통해 직접 주조가능한 3플레이트 다이였다. 그러나, 도구(442)는, 도시바(Toshiba) 250톤 냉가압실에서, 3개의 핀 게이트 (448,448a,448b)를 이용하여, 주물(440) 또는 도 16에 나타낸 바와 같이 큰 형태의 주물(450)을 가능하게 한다.
도 15에서와 같이 만족스러운 주물이 제작되었다. 그러나, 압력주조의 보통 기대치 내에 방향성이 제어되지 않았다. 실제 유동은 상기 실험에 따라 플라스틱 주조에서 발견된 것과 유사한, 많은 별개의 연속 전면부 충전 패턴을 나타냈다. 제6 실험상에 관찰된 것과 매우 일치하는 확장된 유동 길이가 있었다. 보스(440d)의 복잡한 형상을 통한 유동은 압력 다이 주조의 유동과는 대조적으로, 플라스틱 주조와 유사함을 보였다. 제10 실험에 있어서, 크고 복잡한 형태의 주물이 만들어졌음에도 불구하고, 다이의 플래싱(flashing)이 없었다. 주조하는 마그네슘 합금이 종래 액체로서 거동하지 않는다는 점이 관찰된다. 제10 실험의 다른 두드러진 점은 다이 캐비티내의 압력은 용융상태, 즉, 액체에서 마그네슘 합금에 대해 예측되는 것보다 상당히 적다는 것이 명백하였다. 전체 기계 주입 압력에서도, 390㎠ 투영면적의 주물은, 공칭폭발력(액체라고 가정)이 본 프레치기계의 잠금력상태보다 더 큼에도 불구하고 플래싱되지 않았다.
특히, 제10 실험은 본 발명으로 얻을 수 있는 더 실제적인 이익을 강조한다. 플래싱이 없다는 것은, 공칭폭발력, 즉, 액체에 대해 기대되는 것이, 본 발명에 따른 마그네슘 합금주조에서 우세한 실제 힘보다 매우 더 높음을 나타낸다. 결과적으로, 기대되는 것보다 더 큰 주물을 주어진 기계상에 제작할 수 있다.
본 발명에 의해 얻을 수 있는 유동 거리 및 주물의 품질은 다이 온도와 비교적 독립적으로 보인다. 그러나, 가열 및 냉각 모두에 주의해야만 하는 열가압실 주조의 다이 영역이 있을 수 있다. 제9 및 제10 실험의 직접 공급과 제8 실험의 가장자리 공급러너에 모두에 있어서, 용융금속은 다이로부터 제거가능하게 하지만용융금속이 거위목으로 되돌아 가도록 하는 위치에서 응고되야만 한다. 통상의 고압 다이 캐스팅에서와 같이, 냉각매개와 가열매체의 이용은 결과를 효과적으로 하도록 다이로의 입구에 적용되야만 한다. 이용되는 방법은 다이의 복잡성과 크기뿐만 아니라 기계의 제작과 크기에 의해 결정될 것이다.
마지막으로, 알 수 있듯이, 본 발명의 정신과 범위에 벗어나지 않고, 전술한 부분들의 구조 및 구성에 다양한 개조, 변경 및/또는 추가가 가능하다.

Claims (33)

  1. 다이 캐비티를 형성하는 몰드 또는 다이와, 용융 상태의 합금 공급부를 가지는 압력 주조기를 이용하여, 반고체 또는 틱소트로피 상태의 마그네슘 합금의 압력주조에 사용하는 금속유동 시스템으로서, 융융 마그네슘 합금이 다이 캐비티 내로 주입될 수 있도록 시스템의 하나 이상의 러너를 형성하는 다이 또는 몰드 도구 수단을 포함하고, 상기 다이 캐비티를 통해 흐르는 모든 금속이 반고체 상태가 되도록 내부의 금속유동속도를 제어하는 형태로 되어 있고, 상기 형태는 상기 시스템이, 금속 유동이 그 주입방향에 대하여 측방으로 퍼질 수 있도록 하는 하나 이상의 제어된 확장 영역을 포함하는 것에 기인한 것으로, 상기 러너내의 속도에 대해 합금 유동속도가 결과적으로 감소되고, 따라서 상기 합금의 상태가 상기 용융 상태에서 상기 반고체 상태로 변화되는 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어된 확장영역은 상기 다이 캐비티로 금속이 흐를 수 있도록 통해있는 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 게이트 및 상기 러너는, 상기 게이트를 통해 흐르는 유동의 유효 단면적이 상기 러너를 통해 흐르는 유동의 유효 단면적을 초과함으로써, 상기 러너를 통해 흐르는 유동의 상기 유효 단면적을 통과하는 속도가 상기 게이트를 통해 흐르는 유동의 상기 유효 단면적을 통과하는 속도보다 빠른 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 게이트를 통해 흐르는 유동의 단면적은 상기 러너를 통해 흐르는 유동의 상기 유효 단면적에 대해 상기 단면적의 비율이 2:1 내지 4:1의 범위로 큰 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어된 확장영역은 상기 다이 캐비티내의 전체 또는 일부에 대해 형성되고, 또한 합금이 상기 캐비티로 들어오는 장소에서 상기 캐비티의 표면들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 장소에는 게이트가 구비되고, 상기 게이트는 상기 제어된 확장영역에 포함되지 않고 상기 러너의 출구 단부를 제공하는 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 장소에는 게이트가 구비되고, 상기 게이트는 상기 제어된 확장영역에 포함되는 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  9. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 러너의 상기 유효 단면적으로부터 단면이 순차적으로 증가함으로써 상기 제어된 확장영역이 제공되는 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  10. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어된 확장영역은 상기 확장영역을 통해 흐르는 합금의 유동방향으로 단면이 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  11. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 러너를 통과하는 용융금속의 속도가 140m/s 내지 165m/s 의 범위가 되도록 조작가능한 압력주조기의 압력주조에 이용되는 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 속도는 150m/s 인 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  13. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 제어된 확장영역을 통과하는 합금의 유동 속도가 상기 러너를 통해 흐르는 유동속도보다 25% 내지 50% 낮도록 조작가능한 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어된 확장영역을 통과하는 상기 속도는 상기 러너를 통과하는 상기 속도의 2/3인 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  15. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 러너는 상기 러너를 통해 흐르는 유동의 유효 단면적을 형성하도록 설계된 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  16. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 합금의 반고체 전면부를 이동시켜 상기 다이 캐비티를 충전하도록 조작가능한 것을 특징으로 하는 금속유동 시스템.
  17. 마그네슘 합금의 주물을 제조하는 방법으로서, 다이 캐비티를 형성하는 몰드 또는 다이와 용융상태의 상기 합금의 공급부를 가지는 압력 주조기를 이용하여, 반고체 또는 틱소트로피상태로 주조되고, 또한, 상기 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 금속 유동 시스템을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
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  25. 마그네슘 합금의 주물을 제조하는 방법으로서, 다이 캐비티를 형성하는 몰드 또는 다이와 용융상태의 상기 합금의 공급부를 가지는 압력 주조기를 이용하여, 반고체 또는 틱소트로피상태로 주조되고, 또한, 상기 제9항에 기재된 금속 유동 시스템을 사용하여, 상기 제어된 확장 영역에서 금속유동속도가 단계적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 마그네슘 합금의 주물을 제조하는 방법으로서, 다이 캐비티를 형성하는 몰드 또는 다이와 용융상태의 상기 합금의 공급부를 가지는 압력 주조기를 이용하여, 반고체 또는 틱소트로피상태로 주조되고, 또한, 상기 제10항에 기재된 금속 유동 시스템을 사용하여, 상기 제어된 확장 영역에서 금속유동속도가 순차적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
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  32. 삭제
  33. 마그네슘 합금 주조를 위한 압력주조기로서, 용융상태의 합금을 수용하는 공급수단과, 다이캐비티를 형성하는 몰드 또는 다이와, 합금이 상기 공급수단에서 상기 다이캐비티로 유동될 수 있는 청구항 제1항 또는 제3항 내지 제8항에 기재된 금속 유동 시스템을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마그네슘 합금 주조를 위한 압력주조기.
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