KR100690058B1 - 전자교반장치를 이용한 수평식 레오로지 소재 제조 자동화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조용 및 주조용 Al, Mg 재료를 이용하여 레오로지 소재를 제조하는 전자교반장치를 이용한 수평식 레오로지 소재 제조 자동화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세한 결정립과 균일한 구상화조직을 가지는 반응고 슬러리를 전자기적 교반방식을 이용하여 제조할 수 있는 레오로지 소재를 정량화하여 제조하는 제조장치를 제공코자 하는 것이다.

즉, 본 발명은 용해로에서 용해된 용탕(16)을 전자교반장치(9)의 위치까지 이동시키는 통로 역할을 하는 비자성체내열슬리브(7)와, 상기 비자성체내열슬리브(7)와 연결되어 용해로에서 용해된 용탕(16)을 주입하는 주입슬리브(5)와, 상기 비자성체내열슬리브(7)와 연결되고 비자성체내열슬리브(7)의 처짐을 방지하기 위한 지지슬리브(10)와, 상기 주입슬리브(5)와 지지슬리브(10)의 내부에서 용탕(16)을 이동시키기 위한 충분한 스트로크를 가지는 주입측 유압실리더(2)와 취출측 유압실린더(12)와, 상기 유압실린더(2, 12)를 작동시키기 위하여 충분한 유압을 발생시키는 유압유니트(14)와, 상기 장치들을 제어하는 제어반(13)을 구비하는 것으로서, 결정립의 크기가 40∼120㎛ 까지 제어가 되고, 고상율이 0.0∼0.6 까지 제어가 가능하고, 소재의 종류에 제한을 받지 않는 구조용 및 주조용 Al, Mg의 레오로지 소재를 공급함으로써, 캐스팅머신과 단조프레스 장치 등을 이용한 부품의 제조가 더욱 유리하게 되는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

레오로지 소재, 냉각파이프, 슬리브팁(Sleeve Tip), 비자성체내열슬리브, 전자교반장치, 용탕

Description

전자교반장치를 이용한 수평식 레오로지 소재 제조 자동화장치{Automatic fabrication system of rheology material with horizontality by using electro magnetic stirring equipment}

도 1은 본 발명에 의한 구성을 보인 정단면도

도 2a는 본 발명의 비자성체내열슬리브의 냉각 시스템 구성도

도 2b는 본 발명의 비자성체내열슬리브의 가열 시스템 구성도

도 2c는 본 발명의 비자성체내열슬리브의 가열 및 냉각 시스템을 혼용한 구성도

도 3a는 본 발명의 전자교반장치의 작동 순서도로서 용탕주입 상태를 보인 개요도

도 3b는 본 발명의 전자교반장치의 작동 순서도로서 전자교반 상태를 보인 개요도

도 3c는 본 발명의 전자교반장치의 작동 순서로서 소재취출 상태를 보인 개요도를 보인 개요도

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■

1:프레임 2:유압실린더

2a:실린더로드 2b:냉각파이프

3:슬리브팁(Sleeve Tip) 4:냉각파이프연결부싱

5:주입슬리브 5a:시즈히터

6:용탕주입구 7:비자성체내열슬리브

7a:냉각라인 7b:가열라인

8:슬리브팁(Sleeve Tip) 9:전자교반장치

10:지지슬리브(Support Sleeve) 10a:시즈히터

11:칼라 12:유압실린더

12a:실린더로드 12b:냉각파이프

13:제어반 14:유압유니트

15:래들 16:용탕

17:소재

본 발명은 구조용 및 주조용 Al, Mg 재료를 이용하여 레오로지 소재를 제조하는 전반교반장치를 이용한 수평식 레오로지 소재 제조 자동화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세한 결정립과 균일한 구상화조직을 가지는 반응고 슬러리를 전자기적 교반방식을 이용하여 제조할 수 있는 레오로지 소재를 정량화 하여 제조하는 제조장치를 제공코자 하는 것이다.

전자교반 장치를 이용하여 레오로지 소재를 제조하는 경우 일반적으로 고상율 0∼0.6까지 제조가 가능하고, 소재의 종류에 관계없이 레오로지 소재를 제조할 수 있다.

최근 재료 성능의 다양화, 고도화로 인하여 레오로지 소재의 제조장치 및 제조 기술이 많이 개발되어지고 있으며, 그 중 주목받는 것 중의 하나가 반응고 재료를 이용한 주조 및 단조 공정이다.

반응고 주조 및 단조 공정이란 금속 용탕을 응고시키는 도중에 강력한 교반력을 가하여 고상과 액상이 미세하게 혼재된 상태에 캐스팅과 단조 등의 성형공정을 통해 원하는 제품을 제조하는 것을 말한다. 그리고 이러한 공정은 일반 주조의 특징인 유동성 향상으로 복잡한 형상을 쉽게 제조할 수 있으며, 또한 단조와 같은 소성가공법 이상으로 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있는 새로운 성형공정으로 이에 대한 연구는 활발히 진행되고 있으며, 결정립이 제어된 레오로지 소재를 제조하는 장비 개발이 요구되고 있다.

레오로지 성형법의 특징은 다음과 같다.

1) 응고 도중 고액 공존 영역에서 교반에 의해 기존의 덴드라이트 조직이 파괴되므로 통상의 주조품에 존재하는 덴드라이트 조직 대신에 거의 구형에 가까운 초정 입자들이 균일하게 분산된 미세한 조직을 얻을 수 있다.

2) 내부 결함, 편석 등을 감소시킴은 물론이고, 저고상율(0∼0.5)에서 고고 상율(0.5∼1.0)에 이르기까지 균일한 품질의 제품을 얻을 수 있다.

3) 응고 잠열을 대부분 방출시킨 후 주조되므로 주조장치에 열 부하를 경감시켜 금형을 포함한 장치의 수명을 향상시키고 제조시간을 단축시킬 수 있다.

4) 가공 장치에 열 부하를 감소시키므로 직접 최종 제품에 근접하는 정밀정형 제품의 가공이 가능하다.

5) 통상의 주조법으로는 제조하기 힘든 비중차가 크거나 고용도가 작은 금속 원소가 균일하게 분산된 합금의 제조가 가능하다.

이상의 특징을 가진 반응고 성형법의 실용화로 인해, 1) 금속재료의 품질, 신뢰성, 기능이 향상되고, 2) 난가공성 및 고기능재의 제조 및 제품 양산시의 에너지 절약에 의한 비용절감을 이루며, 3) 새로운 기능의 금속재료 및 복합재료의 제조가 가능하게 될 것이다.

금속합금은 고액 공존 영역에서 교반 및 응고 조건에 따라 합금 슬러리의 점성이 변하게 되며, 이와 같은 금속 합금 슬러리를 제조하기 위한 교반 방법으로 크게 기계적 교반법과 전자기에 의한 교반법이 있다.

기계적 교반법은, 고액상 금속 내에 스크류 모양의 교반자를 넣어 회전 등의 상태에서 덴드라이트를 파괴시키면서 냉각속도의 제어에 의하여 응고시키는 방법으로 높은 전단력을 낼 수 있고, 구형화 조직을 쉽게 얻을 수 있는 장점은 있으나, 연속적인 소재생산과 정밀한 고상율의 제어 한계성 때문에 실용화에 많은 문제가 지적되고 있다.

그리고 Passive 법은, 고액상의 금속이 냉각되는 금속관속에 구형 세라믹 볼 을 채워 넣고 금속을 강제적으로 통과시키는 방법으로, 용기의 크기 및 대량생산성의 문제점, 고상율의 제어 한계, 구상화 크기의 제어성에 있어서의 문제점 및 교반자의 내구성 문제점은 해소할 수 있으나, 금속에 전단력을 제어하지 못하는 단점이 있다.

전자기적 교반법은, 유도전류를 이용한 전자기력으로 용탕을 교반하는 방법으로 용융 금속 중앙부에 있어서 교반 효과의 현저한 저하, 장치가격의 고가화, 온도제어의 어려움 및 각종 용기의 제한성 때문에 부품 제조에 필요한 장치에 응용이 아주 제한적이다.

소재의 점성 때문에 고상율을 0.6 이상으로 하면 전자교반이 불가능하여 결정입의 크기를 제어할 수가 없을 뿐만 아니라, 고상율이 0.6 이상이면 통상적으로 레오로지 성형품으로서의 효과를 기대하기가 어려울 뿐만 아니라 기계적 성질이 균일한 부품을 제조할 수 없다.

본 발명의 목적은, 구조용 및 주조용 Al, Mg 재료처럼 경량소재의 경우 결정립이 미세하고 균일한 구상화 조직을 얻을 수 있고, 레오로지 소재를 제조하여 정량의 소재를 공급하는 장치를 제공하는 것에 있다.

그리고 이와 같은 본 발명의 목적은, 장치의 단순화 및 전자기적 교반 방식을 이용한 장치에 의하여 달성될 수 있을 것이다.

이러한 본 발명의 장치는 용해된 용탕에서 고액 공존영역으로의 온도제어와, 고액 공존영역에서 전자기적 교반, 그리고 이러한 교반으로 인하여 특정한 온도제어 및 정량 소재 제조를 위한 장치 등의 일련의 연속작업이 가능하게 한 것이다.

그리고 고상율을 제어하기 위하여 비자성체내열슬리브에 구성된 냉각라인을 전체냉각, 전체가열, 가열과 냉각 혼용으로 다양하게 구성하여 소재의 종류에 관계없이 레오로지 소재를 제조할 수 있도록 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명에서는 레오로지 소재 제조 장치를 용해로에서 용해된 용탕을 주입하는 주입슬리브와; 상기 주입슬리브에 주입된 용탕을 전자교반장치가 있는 위치까지 이동시키기 위한 유압실린더와; 상기 유압실린더의 실린더로드와; 상기 실린더로드의 중심부에 위치하고 슬리브팁의 냉각을 위한 냉각파이프와; 상기 실린더로드와 연결되어 직접 용탕에 접촉하는 슬리브팁과; 상기 주입슬리브와 연결되고 슬리브팁에 의해 주입된 용탕이 전자교반장치의 위치까지 이동되는 통로 역할을 하는 비자성체내열슬리브와; 상기 비자성체내열슬리브의 외주에 위치하며 주입된 용탕에 직접적인 전자기적인 교반을 가하는 전자교반장치와; 상기 비자성체내열슬리브와 연결되고 비자성체내열슬리브의 처짐을 방지하기 위한 지지슬리브와; 상기 지지슬리브와 같은 위치에 설치되고 슬리브팁이 소재 취출 시에 소재와의 간섭을 방지하기 위한 칼라와; 상기 칼라와 연결된 유압실린더와; 유압실린더의 실린더로드와; 상기 실린더로드의 중심부에 위치하는 슬리브팁의 냉각을 위한 냉각파이프와; 상기 실린더로드와 연결되어 주입된 용탕이 정확 한 위치에서 전자교반이 되도록 위치를 결정하는 슬리브팁과; 상기 유압실린더를 작동하기 위한 유압을 발생시키는 유압유니트를 구비하는 것을 기술적 특징으로 한다.

그리고 실시예에 의하면, 상기 전자교반장치는 제어반에 의하여 전류와 전압이 제어되고, 전자교반을 용탕에 가하는 시간을 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.

그리고 실시예에 의하면, 상기 비자성체내열슬리브의 내부에 구성된 냉각라인과 가열라인은 각각 전체냉각, 전체가열, 가열과 냉각 혼용으로 사용하는 것을 기술적 특징으로 한다.

이하에서는 도면에 도시된 실시예에 기초하면서, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 프레임(1)에 전체적인 장치가 설치되어 있는 구조로 되어있다. 상기 프레임(1)에 부착된 유압실린더(2)는 유압유니트(14)로부터의 고압의 유압유를 받아 작동하게 된다.

상기 유압실린더(2)의 실린더로드(2a)는 본 발명에 의한 장치의 스트로크를 유지 할 수 있는 길이를 가지고 있고, 실린더로드(2a)의 한 쪽 끝에는 슬리브팁(3)이 연결되어있고, 슬리브팁(3)의 냉각을 위하여 실린더로드(2a)의 내부에 냉각파이프(2b)가 설치되어 냉각수를 슬리브팁(3)까지 보낼 수 있도록 구성되어 있으며, 상기 실린더로드(2a)의 반대쪽 끝에는 상기 냉각파이프(2b)를 연결할 수 있도록 냉각파이프연결부싱(4)이 설치되어 외부 냉각수와 연결할 수 있도록 구성되어 있다.

그리고 상기 슬리브팁(3)은 주입슬리브(5)에 연결되어 있어, 주입슬리브(5)의 용탕주입구(6)로 주입되는 용탕(16)이 빠져나가지 못하도록 하는 역할도 한다. 주입슬리브(5)는 용해로에서 용해된 용탕(16)을 받는 곳으로, 용탕(16)의 온도가 떨어지지 않도록 하기 위하여 시즈히터(5a)가 설치되어 주입슬이브(5)의 온도를 용탕(16)이 고화되지 않는 온도로 유지하도록 구성되어 있다.

상기 주입슬리브(5)에 용탕(16)이 주입될 때에는, 반대측의 취출측 유압실린더(12)를 작동시켜 실린더로드(12a)에 연결된 슬리브팁(8)의 위치를 주입슬리브(5)내에 위치시켜 일정한 양의 용탕(16)을 주입하도록 구성되어 있다.

상기 주입슬리브(5)에 주입된 용탕(16)은 양쪽의 유압실린더의 작동으로 비자성체내열슬리브(7)의 내부를 통하여 전자교반장치(9)가 위치한 위치까지 이동되게 된다. 이때 주입측 유압실린더(2)는 전진하게 되고, 취출측 유압실린더(12)는 후퇴하게 되는데, 이 동작은 제어반에서 이동속도를 제어하게 되도록 구성되어 있다.

그리고 전자교반장치(9)까지 이동된 용탕(16)은 제어반(13)에서의 제어를 통하여 전자교반장치(9)의 작동으로 용탕(16)에 전자기적인 교반을 실시하도록 구성되어 있으며, 전자기적 교반을 실시함과 동시에 냉각을 통한 일정한 고상율을 유지하도록 구성되고, 전자기적 교반과 냉각이 완료되면 양측의 유압실린더의 작동으로 용탕(16)은 소재(17)상태로 취출 되도록 구성되어 있다. 즉, 상기 전자교반장치(9)에 주입되는 용탕(16)은 고상율(0.0~0.6)과 초정의 크기(40~120㎛)가 제어반(13)을 통하여 중앙제어하게 구성되어 있다.

상기 비자성체내열슬리브(7)의 처짐을 방지하기 위하여 지지슬리브(10)에 부착되어 있고, 상기 지지슬리브(10)에는 지지슬리브(10)의 온도를 소재의 온도를 떨 어뜨리지 않도록 하기 위하여 시즈히터(10a)가 설치되어 온도관리를 하도록 구성되어 있다.

상기 취출측 유압실린더(12)는 소재(17)를 취출할 때 슬리브팁(8)이 소재(17)와의 간섭을 방지하기 위하여 슬리브팁(8)을 도피시키기 위한 칼라(11)가 프레임(1)과의 사에 설치되어 취출작업이 용이하도록 구성되어 있다.

상기 취출측 유압실린더(12)의 실린더로드(12a)는 본 발명에 의한 장치의 스트로크를 유지 할 수 있는 길이를 가지고 있고, 상기 실린더로드(12a)의 한 쪽 끝에는 슬리브팁(8)이 연결되어있고, 슬리브팁(8)의 냉각을 위하여 실린더로드(12a)의 내부에 냉각파이프(12b)가 설치되어 냉각수를 슬리브팁(8)까지 보낼 수 있도록 구성되어 있으며, 상기 실린더로드(12a)의 반대쪽 끝에는 상기 냉각파이프(12b)를 연결할 수 있도록 구성되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 레오로지 소재 제조 장치에 적용된 비자성체내열슬리브(7)는 그 내부에 냉각라인(7a) 또는 가열라인(7b)이 설치되어 있는데, 이 냉각라인(7a) 또는 가열라인(7b)은 비자성체내열슬리브(7)의 온도관리를 위하여 각각 냉각라인(7a) 또는 가열라인(7b)만을 선택하여 전체냉각 또는 전체가열 되게 하거나, 냉각라인(7a) 과 가열라인(7b)을 혼용설치하여 가열과 냉각이 혼용되도록 하는 등 다양하게 구성하여 사용함으로써 레오로지 소재 제조 시에 소재의 재질과 고상율을 정밀하게 제어하도록 구성되어 있다.

도 3에는 본 발명에 의한 레오로지 소재 제조 장치의 작동순서를 도시하고 있다. 용해로에서 용해된 용탕(16)을 래들(15)을 이용하여 주입슬리브(5)에 주입하 고, 주입측 유압실린더(2)와 취출측 유압실린더(12)의 전진과 후퇴 동작으로 용탕을 비자성체내열슬리브(7)내로 이동시키게 되고, 전자교반장치(9)의 위치까지 이동된 용탕(16)에 전자교반장치(9)의 동작으로 전자기적인 교반을 가하게 된다. 교반과 냉각이 완료된 소재(17)는 주입측 유압실린더(2)와 취출측 유압실린더(12)의 전진과 후퇴 동작으로 소재(17)를 취출하도록 구성되어 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 장치는 다이캐스팅 및 단조 등과 같은 성형장치에 공급되는 반고상의 소재를 제조하는 장치로써, 미세하고 균일한 구상화 조직을 얻기 위해 전자기적 교반방식이 적용된다. 그리고 용탕에서 고액공존상태를 얻기 위한 구조를 가지고 있으며, 보다 강력한 전단력과 정량의 제어가 용이한 구조와 전가기적 교반장치를 구비하고 있다.

이러한 본 발명의 장치에 의하여 얻어지는 결정립이 제어된 레오로지 소재의 정량제어를 통해 다이캐스팅 및 다조 등의 성형장치에 반고상의 슬러리를 제공하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의한 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당 업계의 통상의 기술자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다. 그리고 본 발명은 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 구조용 및 주조용 Al, Mg 소재의 제조가 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 장치를 이용하는 것에 의하여, 결정립의 크기가 40∼120㎛ 까지 제어가 되고, 고상율이 0.0∼0.6 까지 제어가 가능하고, 소재의 종류에 제한을 받지 않는 구조용 및 주조용 Al, Mg의 레오로지 소재를 공급함으로써, 캐스팅머신과 단조프레스 장치 등을 이용한 부품의 제조가 더욱 유리하게 되는 효과를 기대할 수 있다.

기존 기계식교반장치에 의한 레오로지 소재장비를 본 장비로 대체할 수 있으며, 또한 기존 단조장치와 다이캐스팅 장비를 활용하여 경량화 부품생산이 가능한 효과를 가져 올 수 있다.

본 발명은 기존 부품 성형 공정(단조, 캐스팅 공정)을 레오로지 캐스팅 공정으로 대체할 수 있으며, 또한 기존 공법의 단점을 해결할 수 있는 새로운 공법이다.

이상에서 설명한 본 발명에 의한 레오로지 소재의 제조 장치를 이용하여, 용융금속으로부터 결정립과 고상율이 제어되어진 소재를 이용하여 특허 제0360685호 또는 특허 제0227415호에 게시되어 있는 장치로 소정형상의 부품을 만들 수 있다.

Claims (3)

1. 용해로에서 용해된 용탕(16)을 전자교반장치(9)의 위치까지 이동시키는 통로 역할을 하는 비자성체내열슬리브(7)와;

   상기 비자성체내열슬리브(7)와 연결되어 용해로에서 용해된 용탕(16)을 주입하는 주입슬리브(5)와;

   상기 비자성체내열슬리브(7)와 연결되고 비자성체내열슬리브(7)의 처짐을 방지하기 위한 지지슬리브(10)와;

   상기 주입슬리브(5)와 지지슬리브(10)의 내부에서 용탕(16)을 이동시키기 위한 충분한 스트로크를 가지는 주입측 유압실린더(2)와 취출측 유압실린더(12) 및;

   상기 유압실린더(2, 12)를 작동시키기 위하여 충분한 유압을 발생시키는 유압유니트(14)와;

   상기 장치들을 제어하는 제어반(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자교반장치를 이용한 수평식 레오로지 소재 제조 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 비자성체내열슬리브(7)의 내부에는 온도관리를 위하여 냉각라인(7a) 내지 가열라인(7b)을 단독 또는 혼용 설치하여 전체냉각, 전체가열, 가열과 냉각 혼용으로 다양하게 사용함으로써 레오로지 소재 제조시에 소재의 고상율(0.0∼0.6)과 초정의 크기(40∼120㎛)를 정밀하게 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 전자교반장치를 이용한 수평식 레오로지 소재 제조 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전자교반장치(9)는 주입되는 용탕(16)의 고상율(0.0∼0.6)과 초정의 크기(40∼120㎛)를 제어반(13)을 통하여 제어하는 것을 특징으로 하는 전자교반장치를 이용한 수평식 레오로지 소재 제조 장치.

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