KR100700360B1 - 전자교반을 이용한 반응고 모재 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속을 성형하기 위해 재료를 투입할 때, 그 재료를 반응고 상태로 공급하기 위한 장치로써, 액상의 용탕을 공급받아, 이를 전자교반기 및 냉각장치로 용탕을 액상과 고상이 함께 존재하는 반응고 상태의 반응고모재를 형성하고, 이를 이용한 제품의 성형으로 공정 시간 및 금형의 열피로를 줄이고, 제품의 수축 및 기공에 의한 결함을 줄여 우수한 기계적 성질의 제품을 만들 수 있는 것이다.

본 발명은 상·하부에 각각 용탕주입부(11)와 모재공급부(12)를 형성하는 실린더 형상으로, 그 외부둘레로는 세라믹망(13)이 감싸고 있는 챔버(10)와; 중앙이 트인 원판형의 원주부(21′)의 내부로 돌출된 다수개의 코어부(21″)를 일체로 형성하는 강판(21)을 다수개 적층한 코어(22)를 형성하고, 상기 성층된 코어부(21″)에 코일(23)을 일정횟수로 감아낸 전자교반기(20)를 구성하여, 상기 챔버(10)를 전자교반기(20) 내부에 위치시키며, 전자교반기(20)의 과열을 방지하기 위해, 분배기(31) 및 수용기(32)에 연결한 파이프(33)로 배관한 냉각장치(30)를 형성하고, 상기 챔버(10)와 전자교반기(20) 및 냉각장치(30)를 지지하는 프레임(40)과 이들을 제어하는 제어부(50)가 구성되어 반응고모재공급장치(60)의 대략적인 구조를 가진다.

상기와 같이 구성된 반응고모재공급장치는 상기 챔버의 용탕주입구에서 용탕을 공급받아, 챔버 내에서 냉각장치에 의해 적절히 액상과 고상이 같이 존재하는 상태로 바뀌되, 전자교반기에 의해 그 내용물이 교반되어 구성을 균일하게 유지하여, 반응고모재가 형성되고, 이는 모재공급부를 통해 주조기 등의 금형으로 공급될 수 있으며, 이와 같이, 반고상 상태의 모재를 공급함에 따라, 비난류성 금형 충진이 가능하며, 기공 발생이 적어 수축공이 감소되므로 우수한 기계적 특성을 가진 내압부품으로 적용이 가능하며, 또한 금형 충진온도가 낮으므로 제조 사이클 시간이 감소되어 생산성이 향상되고, 금형의 열충격 및 열피로가 감소되어 금형의 수명이 향상되는 특징이 있다.

전자교반, 반응고 성형, 반용융, 주조기, 코일, 전자기력, 용탕

Description

전자교반을 이용한 반응고 모재 공급 장치 { the supplying apparatus of semi-solid slurry with electromagnetic stirring }

도 1은 본 발명에 따른 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 내부 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 실시예.

[ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ]

10 : 챔버 20 : 전자교반기 22 : 코어

23 : 코일 30 : 냉각장치 31 : 분배기

32 : 수용기 33 : 파이프 40 : 프레임

50 : 제어부 60 : 반응고모재공급장치

본 발명은 금속을 성형하기 위해 재료를 투입할 때, 그 재료를 반응고 상태로 공급하기 위한 장치로써, 액상의 용탕을 공급받아, 이를 전자교반기 및 냉각장치로 액상과 고상이 함께 존재하는 반응고 상태의 반응고모재를 형성하고, 이를 이용한 제품의 성형으로 공정 시간 및 금형의 열피로를 줄이고, 제품의 수축 및 기공에 의한 결함을 줄여 우수한 기계적 성질의 제품을 만들 수 있는 것이다.

일반적으로 주조는 금속을 용해한 것을 주형에 주입하고 응고시켜 소요의 형상으로 만드는 것으로, 결함이 없고, 완제품의 원하는 강도와 치수정확도 및 표면정도를 얻기 위해서는 적절한 방법 및 장치를 선정해야한다.

더욱이, 자동차, 비행기 등의 부품 중 철강에 대한 부품은 더 좋은 내식성과 강도를 가지면서도 저중량의 제품을 얻기 위해 알루미늄 합금 및 마그네슘 합금 등의 소재가 주로 쓰이고 있으며, 통상 이의 주조법으로는 저압주조법이 주로 쓰였으나, 이는 생산성이 다이캐스트의 1/3∼1/6 정도에 불과하고, 주조할 수 있는 합금의 종류에 제약이 있으며, 제품의 모양의 중간에 좁은 목이 있으면 아래로부터 용탕이 잘 올라가지 않는 단점이 있고, 액상의 용탕을 주입하면서, 유동형태가 난류로 발달하면서 가스의 발생으로 기포가 발생하며, 응고 완료 시 수축폭이 커지는 등의 문제로 완제품의 기계적 결함이 생기고, 고온의 금속 재료로 금형의 열피로가 발생하여 금형의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.

따라서 최근에는 기존의 방법을 개선하여, 용기가 없이도 독자적으로 형상을 유지할 수 있고, 동시에 낮은 응력으로도 모재의 변형 및 성형이 가능한 반고상 모재(semi-solid slug)를 이용한 성형 개발이 이루어지고 있는데, 이 반고상 성형법(SSF)은 반고상 금속의 유변학적(rheology) 특성인 의가소성(pseudoplastic)과 딕소트로픽(thixotropy) 특성을 이용하여 반고상 상태의 모재를 성형·가공하는 것으로, 이는 용탕의 냉각 도중 성형된 반고상 슬러리(slurry)를 직접 성형하는 기술인 반응고성형법(Rheo-forming)과, 고상 금속을 고액공존영역으로 재가열한 후 성형하는 기술인 반용융성형법(Thixo-forming)이 있으며, 이는 많은 장점이 있으나, 반고상 원소재(rheocast billet)의 고상률 및 미세조직 제어가 어렵고, 고정밀 장치가 요구되므로 제조단가가 높은 단점이 있었다.

더구나, 반용융성형법 중의 하나로 원소재인 빌렛(billet)을 공급받아, 이를 고주파 유도 가열기로 재가열하여 반용융 상태로 공급하는 방법이 있으나, 이는 원소재 빌렛 수급의 불안전성, 재가열 공정에 의한 생산 원가 증가, 생산 사이클 시간 단축의 한계성 및 생산비의 증가와 같은 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기의 문제를 해결하고자, 강판을 다수개 적층하여 형성한 코어에 코일을 일정한 횟수로 감아낸 전자교반기를 구성하여, 그 내부에 용탕주입부와 모재공급부가 형성된 실린더 형상의 챔버를 형성하고, 상기 전자교반기의 과열을 방지하는 냉각장치 및 이들을 제어할 수 있는 제어부로 구성된 반응고모재공급장치를 구성하여, 챔버로 공급된 용탕이 전자교반기에 의해 균일하게 교반되면서 반응고모재를 형성하고, 이를 이용한 반응고 성형이 가능함에 따라, 공정 시간을 줄여 생산성을 높이며, 금형의 열피로 및 열충격을 줄여 금형의 수명을 올리고, 제품의 수축 및 기포에 의한 결함을 줄여 우수한 기계적 성질을 가지도록 하는데 목적이 있다.
또, 상기 챔버를 감싸는 세라믹망이 더 구성되어, 반응고모재를 보온하고 전자교반기 챔버가 절연될 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 반응고모재공급장치는 챔버와 전자교반기 및 냉각장치를 지지할 수 있는 프레임 및 그 바퀴를 형성하여, 이동성이 용이하고, 다양한 주조기에 적용할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 금속을 성형하기 위해 재료를 투입할 때, 그 재료를 반응고 상태로 공급하기 위한 장치로써, 액상의 용탕을 공급받아, 이를 전자교반기 및 냉각장치로 용탕을 액상과 고상이 함께 존재하는 반응고 상태의 반응고모재를 형성하고, 이를 이용한 제품의 성형으로 공정 시간 및 금형의 열피로를 줄이고, 제품의 수축 및 기공에 의한 결함을 줄여 우수한 기계적 성질의 제품을 만들 수 있는 것이다.

본 발명은 상·하부에 각각 용탕주입부(11)와 모재공급부(12)를 형성하는 실린더 형상으로, 그 외부둘레로는 세라믹망(13)이 감싸고 있는 챔버(10)와; 중앙이 트인 원판형의 원주부(21′)의 내부로 돌출된 다수개의 코어부(21″)를 일체로 형성하는 강판(21)을 다수개 적층한 코어(22)를 형성하고, 상기 성층된 코어부(21″)에 코일(23)을 일정횟수로 감아낸 전자교반기(20)를 구성하여, 상기 챔버(10)를 전자교반기(20) 내부에 위치시키며, 전자교반기(20)의 과열을 방지하기 위해, 분배기(31) 및 수용기(32)에 연결한 파이프(33)로 배관한 냉각장치(30)를 형성하고, 상기 챔버(10)와 전자교반기(20) 및 냉각장치(30)를 지지하는 프레임(40)과 이들을 제어하는 제어부(50)가 구성되어 반응고모재공급장치(60)의 대략적인 구조를 가진다.

본 발명에 관한 상세한 설명을 첨부된 도1 및 도2를 참고하여 설명하면, 먼저 먼저, 챔버(10)는 용탕이 수용되는 내열성이 높은 실린더 형상의 용기로, 적정위치에 용탕을 공급받기 위한 용탕주입부(11)와 반응고모재를 공급하기 위한 모재공급부(12)가 형성되며, 이 위치는 일례로 도1에 도시된 바와 같이, 상부에 용탕주입부(11)를 형성하고, 하부에 모재공급부(12)를 형성하여, 챔버(10) 상부로 용탕을 주입하여 반응고모재를 하부로 빼낼 수 있도록 하며, 챔버(10)의 둘레에는 세라믹망(13)이 상기 챔버(10)를 감싸도록 형성되어, 챔버(10)를 보온하고, 이 챔버(10)와 후설할 전기교반기(20)과 절연되도록 한다.

그리고 전자교반기(20)는 중앙이 트인 원판형의 원주부(21′)의 내부로, 돌출된 코어부(21″)를 짝수개의 배수로 다수개 형성한 판형의 강판(21)을 다수개 적층하여 코어(22)를 형성하고, 상기 성층한 코어부(21″)에 코일(23)을 적절한 횟수로 감은 것으로, 이에 각 코일(23)에 전류를 인가 받으면, 코어(22) 및 감긴 코일(23)에 의해 전자기력을 발생하게 되며, 이를 위해, 코어부(21″)는 6개 정도가 효과적이고, 감기는 코일(23)은 적절한 굵기로 같은 횟수로 감도록 하며, 원주부(21′)를 지름방향으로 몇 개로 절단하여 제작하면, 코일(23)을 감는 것이 용이하다.

한편, 상기 전자교반기(20)의 강판(21)은 통상 투자율이 좋은 규소강판(철심코어)가 이용되며, 이에 절연성, 내열성, 내식성이 있는 피막층으로 코팅하는 것이 바람직한데, 이와 같이 코어를 한 덩어리로 만들지 않고, 여러 장으로 겹쳐 만드는 것은, 와전류(맴돌이 전류) 손실을 방지하기 위한 것으로, 사용하는 주파수가 많이 높아질 경우에는 이는 페라이트(ferrite) 코어를 쓰는 것이 바람직하다.

또한, 냉각장치(30)는 전자교반기(20) 주위로 배관된 각 파이프(33)로 물을 분배할 수 있는 분배기(31)와, 분배된 물을 다시 집합하는 수용기(32) 및 파이프(33)로 구성하되, 상기 파이프(33)는 전자교반기(20)에서 발생하는 열을 식힐 수 있도록 적절히 배관하며, 이는 분배기(31)를 통해 물을 공급받아, 각 파이프(33)를 통해 냉각을 하고, 온도가 올라간 물은 다시 수용기(32)에서 빠져, 공랭 또는 기계적인 방법에 의해서 다시 온도를 낮추어 순환되게 하며, 상기 파이프(33)가 구리 등과 같이 전기전도성이 있는 금속일 경우, 내열성이 있는 절연테이프, 또는 절연비닐로 감아 전자교반기(20)의 작동에 영향을 주지 않도록 한다.

다음으로 프레임(40)은 상기 챔버(10)와 전자교반기(20) 및 냉각장치(30)의 하중을 지지할 수 있도록 한 것으로, 하부에 바퀴(41)를 형성하여 이동이 용이하며, 마지막으로, 제어부(50)는 챔버(10) 내로 들어오는 용탕의 속도와 용탕이 일부 응고된 반응고모재의 상태 및 이의 방출 속도를 결정하고, 전자교반기(20) 및 냉각장치(30)가 최적의 상태로 운전할 수 있도록 제어할 수 있도록 하는데, 상기 챔버(10), 전자교반기(20), 냉각장치(30), 프레임(40) 및 제어부(50)가 구비·조립되어 반응고모재공급장치(60)가 구성된다.

이와 같이 형성한 반응고모재공급장치(60)의 사용방법을, 도3의 실시예를 참고하여 설명하면, 이는 먼저, 상기 챔버(10)의 용탕주입구(11)를 용탕이 저장되는 보온로(61)와 연결하고, 모재공급부(12)는 주조기(62)의 금형에 재료가 주입되는 곳과 연결되도록 하며, 이어 보온로(61)에서 용탕이 공급되고, 챔버(10) 내의 용탕은 전자교반기(20)에 의해 내용물이 교반되어, 그 구성이 균일하게 유지되면서 반응고(semi-solid) 상태의 반응고모재를 형성하며, 이는 적절한 비율의 반응고 상태로 챔버(10) 하부의 모재공급부(12)를 통해 주조기(62)의 금형에 공급되어 제품으로 성형된다.

이와 같이, 전자교반을 이용한 간접교반은 액상금속내에 교반자를 넣어 회전하는 직접교반의 단점인 교반자의 마모, 불순물의 개입, 품질의 저하, 공정제어의 난이성, 경제성 등을 보완하고, 가스, 불순물 및 산화물 등의 개입을 억제하며, 정확한 전달력과 열의 제거를 예측 제어할 수 있는데, 일례로 제조된 반응고 알루미늄 합금에서 고상입자의 크기는 기계적 교반법에 비해 매우 작은 약 30마이크로미터(㎛) 정도까지 얻어질 수 있어, 제품의 기계적 성질을 향상시키고, 이를 통해, 경쟁력 있는 주조 속도로 고품질의 반응고가공조직을 얻을 수 있는 특징이 있다.

또한, 상기와 같이 반고상 상태의 모재를 공급함에 따라 주조기에서 반고상 성형이 가능하고, 이는 액상보다 낮은 온도, 즉, 상당량의 응고 잠열이 방출된 상태로, 액상보다 높은 점도를 가지게 되어, 고상 성형 응력보다 낮은 성형응력으로 성형이 이루어지므로 비난류성 금형 충진이 가능하며, 기공 발생이 적어 수축공이 감소되므로 우수한 기계적 특성을 가진 내압부품으로 적용이 가능하고, 또한 금형 충진 온도가 낮으므로 제조 사이클 시간이 감소되어 생산성이 향상되며, 금형의 열충격 및 열피로가 감소되어 금형의 수명이 향상되는 특징이 있어, 알루미늄 합금으로는 로커암, 엔진마운트, 풀리, 브레이크 실린더, 클러치 실린더, 너클, 서스펜션 암, 벨트 커버, 휠, 피스톤, 모터 하우징 등과 같은 자동차 부품 등에 쓰일 수 있으며, 마그네슘합금으로는 노트북 및 카메라 등의 케이스와 같은 전자 부품으로 적용될 수 있다.

이와 같이 본 발명은, 강판을 다수개 적층하여 형성한 코어에 코일을 일정한 횟수로 감아낸 전자교반기를 구성하여, 그 내부에 용탕주입부와 모재공급부가 형성된 실린더 형상의 챔버를 형성하고, 상기 전자교반기의 과열을 방지하는 냉각장치 및 이들을 제어할 수 있는 제어부로 구성된 반응고모재공급장치를 구성하여, 챔버로 공급된 용탕이 전자교반기에 의해 균일하게 교반되면서 반응고모재를 형성하고, 이를 이용한 반응고 성형이 가능함에 따라, 공정 시간을 줄여 생산성을 높이며, 금형의 열피로 및 열충격을 줄여 금형의 수명을 올리고, 제품의 수축 및 기포에 의한 결함을 줄여 우수한 기계적 성질을 가지는 효과가 있다.
또, 상기 챔버를 감싸는 세라믹망이 더 구성되어, 반응고모재를 보온하고 전자교반기 챔버가 절연하는 효과가 있다.

또한, 상기 반응고모재공급장치는 챔버와 전자교반기 및 냉각장치를 지지할 수 있는 프레임 및 그 바퀴를 형성하여, 이동성이 용이하고, 다양한 주조기에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 중앙이 트인 원판형의 원주부(21′)의 내부로 돌출·형성하는 다수개의 코어부(21″)를 일체로 형성하는 강판(21)을 다수개 적층하여 코어(22)를 구성하고, 성층된 코어부(21″)에 코일(23)을 일정횟수로 감아낸 전자교반기(20)를 구성하며; 용탕주입부(11)와 모재공급부(12)가 형성된 실린더형의 챔버(10)가 구비되어, 이 챔버(10)를 상기 전자교반기(20) 내부에 위치되고, 분배기(31) 및 수용기(32)에 연결된 파이프(33)를 전자교반기(20)에 적절히 배관한 냉각장치(30)를 구성하고, 이들을 제어하는 제어부(50)로 구성되는 반응고모재공급장치(60)를 구성하여,

   용탕이 챔버에 공급되어 전자교반기에 의한 균일한 교반으로 형성된 반응고모재를 이용한 제품의 성형으로, 금형의 수명을 높이고, 기계적 성질이 우수한 제품을 생산할 수 있음을 특징으로 하는 전자교반을 이용한 반응고 모재 공급장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 챔버(10)를 감싸는 세라믹망(13)이 더 구성되어,

   반응고모재의 보온과 전자교반기와의 절연을 담당함을 특징으로 하는 전자교반을 이용한 반응고 모재 공급장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 챔버(10)와 전자교반기(20) 및 냉각장치(30)를 지지하는 프레임(40) 및 그 바퀴(41)를 형성하여, 이동이 용이하고, 다양한 주조기에 적용할 수 있음을 특징으로 하는 전자교반을 이용한 반응고 모재 공급장치.

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