KR100704705B1 - 고 품질 주물용 주형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용탕이 흐르는 원통형 중공을 갖는 몸통부와, 상기 몸통부의 일단으로부터 동 축으로 연통되게 형성되고 상기 몸통부의 상기 원통형 중공을 통과한 상기 용탕이 연속적으로 흐르는 내관부로서, 상기 내관부의 둘레 외측으로부터 상기 내관부 둘레 내측에 접하는 용탕으로의 가스 유입이 가능하도록 통기성 재질로 된 내관부와, 상기 몸통부의 상기 일단으로부터 상기 내관부와 동축으로 상기 내관부 둘레 외측과의 사이에 고리형 공간을 두고 상기 내관부 둘레 외측을 둘러싸는 외관부 및 상기 고리형 공간을 외부와 차단하고, 상기 고리형 공간으로 불활성 가스를 주입하기 위한 가스 주입구를 갖는 가스 재킷을 포함하고, 여기서, 불활성 가스가 상기 가스 주입구를 통하여 상기 가스 재킷에 의해 외부와 차단된 상기 고리형 공간으로 주입되고, 상기 고리형 공간으로 주입된 상기 불활성 가스는 상기 내관부 둘레를 통하여 상기 내관부 내측의 상기 용탕으로 공급되어 지는 것을 특징으로 하는 주형을 제공한다.

불활성 가스, 다공성 흑연, 주형, 지지대

Description

고 품질 주물용 주형{A mold for casting with high quality}

도 1은 종래의 일 방향 응고 수평연속주조장치의 단면도

도 2a~ 도 2b는 본 발명에 따른 지지대가 있는 주형으로서, 도 1의(10)의 개략도

도 3a~ 도 3c는 본 발명에 따른 다공성 흑연을 이용한 주형으로서 도 1의(10)의 개략도

도 4a~ 도 4c는 본 발명에 따른 다공성 흑연 주형의 가스 재킷 개략도

도 5는 본 발명에 따른 주형의 개략도

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 흑연 도가니 2 : SiC발열체

3 : 냉각수 순환 장치 4 : 냉각수 입구

5 : 냉각수 출구 6 : 급수 온도 측정용 열전대

7 : 배수 온도 측정용 열전대 8 : 핀치 롤

9 : 더미바 10 : 흑연 주형

11 : 칸탈 발열체 12 : 용탕

13 : 가스 분사기 14 : 용탕 표면

15 : 냉각 장치 16 : 레벨러

17 : 블록 18 : 지지대

19 : 인출구 20" : 주형 몸통부

20 : 외관부(고밀도 흑연) 21A : 고리형 공간

21B : 가스 재킷(BN cover) 22 : 내관부(다공성 흑연)

23 : 불활성 가스 주입구(steel plate)

본 발명은 용탕 인출시 누탕을 방지하고, 용탕과 주형 및 외부산소와의 반응을 배제함으로써 표면이 평활 미려할 뿐만 아니라, 응고 조직이 방향성을 갖는 선재를 주조하기 위한 특수 가공 주형에 관한 것이다.

특수 가공 주형을 설치한 가열 주형식 주조장치로서, 특히 전자 및/또는 정밀기계 부품용 봉재를 제조하는데 이용된다.

최근 전자 산업의 집적화에 따라, 그에 사용되는 부품들 역시 소형, 초정밀화되고 있다. 그에 따라 전자 장치의 본딩 와이어도 매우 가늘은 극세선이 사용된다. 이러한 세선은 양호한 품질의 주괴로부터 얻어진다. 즉, 주괴 내부에 거시 편석, 기포 등이 없어야 하는 것이다.

이러한 주괴를 제조하는 방법으로서 연속주조가 사용되고 있으며, 일반적으로 냉각 주형 연속주조는 주형이 냉각수 순환장치에 의해 냉각되기 때문에, 주조시 주형 벽면상에서 우선적으로 안정한 응고 각이 형성된다. 그로 인해, 주형 벽으로 부터 중심부를 향해 수직으로 성장한 주상정이 발달하며, 주괴의 중심부에는 수축 공, 기포 등이 발생하거나 거시 편석을 일으키는 문제가 있다.

이러한 냉각 주형 연속주조의 문제를 보완할 수 있는 연속주조법으로는 가열 주형 방식이 고려될 수 있다. 가열 주형 연속주조는 주형 내벽을 용탕 온도 이상이 되도록 유지시켜서 주형 벽면상에서의 응고 핵 생성을 억제하고, 응고가 주형의 후단부위인 인출구 선단부에서 이루어지도록 제어하는 방법이다. 이러한 방식은 내부에 수축 공이나 기포 등이 발생하지 않는 일 방향 응고재를 얻을 수 있다.

그러나, 가열 주형을 이용한 일 방향응고법 또한 금속 용탕의 응고 및 주조 속도가 매우 느리고, 표면에 산화 막이 형성될 뿐만 아니라, 조업 중에 누탕되는 사례가 많아 생산성이 많이 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 비 산화성 분위기 가스를 주입하여 용융 금속과 주형과의 반응을 배제함으로써, 내부 결함이나 표면의 변색 및 산화를 방지하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 선재의 단락을 방지하고, 방향성 응고 재의 길이를 제한 없이 연속적으로 얻는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 용탕이 흐르는 원통형 중공을 갖는 몸통부와, 상기 몸통부의 일단으로부터 동 축으로 연통되게 형성되고 상기 몸통부의 상기 원통형 중공을 통과한 상기 용탕이 연속적으로 흐르는 내관부로서, 상 기 내관부의 둘레 외측으로부터 상기 내관부 둘레 내측에 접하는 용탕으로의 가스 유입이 가능하도록 통기성 재질로 된 내관부와, 상기 몸통부의 상기 일단으로부터 상기 내관부와 동축으로 상기 내관부 둘레 외측과의 사이에 고리형 공간을 두고 상기 내관부 둘레 외측을 둘러싸는 외관부 및 상기 고리형 공간을 외부와 차단하고, 상기 고리형 공간으로 불활성 가스를 주입하기 위한 가스 주입구를 갖는 가스 재킷을 포함하고, 여기서, 불활성 가스가 상기 가스 주입구를 통하여 상기 가스 재킷에 의해 외부와 차단된 상기 고리형 공간으로 주입되고, 상기 고리형 공간으로 주입된 상기 불활성 가스는 상기 내관부 둘레를 통하여 상기 내관부 내측의 상기 용탕으로 공급되어 지는 것을 특징으로 하는 주형을 제공한다.

바람직하게는, 상기 내관부를 구성하는 상기 통기성 재질은 다공성 흑연으로 이루어진다.

또한, 바람직하게는, 상기 주형은 상기 내관부로부터 인출되는 응고재를 하방에서 지지하기 위하여 상기 내관부의 하단으로부터 수평방향으로 연장 형성된 지지대를 더 포함한다.

본 발명은 기존의 가열 주형식 연속주조방법과는 달리 주형(10) 내부에서 고·액계면을 유지하면서 100mm/min 이상의 높은 속도로 연속주조한다. 기존의 가열 주형 식 수평연속주조 방식으로 고순도 금속 및 합금을 인출할 경우 응집력이 약하여 누탕 및 선재의 단락을 유발시켜 느린 주조 속도로 인하여 생산성이 저하된다.

본 발명의 가열 주형 식 수평연속주조 방법은 응고 계면을 주형 내 끝 부분 으로 유지하여, 주형 내부에 응고 계면이 있을 때에 핵이 형성되어 주형과 반응하는 종래의 문제가 없이, 인접한 냉각 장치의 이용 및 인출속도 등에 의해 방지한다.

또한 본 발명에서는 이러한 가열 주형 식 수평 연속주조 방법으로서, 응고재의 인출 속도에 따라 간혹 응고 계면이 주형 밖을 벗어나는 단선과 누탕이 일어날 수 있으므로, 이러한 문제들을 해결하기 위해 특수 가공한 지지대를 제공한다. 특수가공한 지지대(18)와 인출구(19)는 도 2에서 나타내었다. 본 발명에 따른 지지대를 만들어줌으로써 누탕 및 선재의 단락 없이 응고 계면을 주형 밖에서 이루어지게 할 수 있다.

지지대가 있는 특수가공한 주형을 사용함으로써 완전히 응고되지 않은 선재의 단락을 방지하도록 설계하였다. 지지대의 길이는 응고 선재의 인출 속도와 누탕 가능성에 따라 길이가 달라질 수 있지만, 너무 길어지면 수 분무 냉각기로부터의 거리가 자연히 멀어지므로 한계가 있으며, 이러한 경우에는 주조 속도가 감소 되므로 적당한 길이를 유지해야 한다. 바람직하게는 2~10mm가 적당하다.

또한, 주형의 내벽으로부터의 핵 형성 영향을 방지하기 위하여 인출구 앞쪽에 가스 재킷과 다공성 흑연을 재료로 한 주형을 사용한다.

다공성 흑연 주형을 사용한 경우에는 비 산화성 가스가 주형 내부의 응고 계면 부근에 주입되므로 고온으로 인한 산화를 방지할 수 있고, 비교적 빠른 속도로 냉각할 수 있는 장점이 있으며, 흑연 주형과 용탕의 반응에 의한 주형 내부의 표면을 줄일 수 있으므로 바람직하다.

고순도 금속 선재 및 합금을 인출할 경우, 반응성이 높아서 대기에서 표면이 쉽게 산화되고, 변색이 이루어지게 된다. 종래의 가열 주형 식 수평 연속주조 방식으로 응고 계면을 주형 외부에 이루어지게 할 경우, 응집력이 약한 금속일 경우에는 대기 노출시 냉각보다 단락이 우선적으로 이루어지게 된다.

단락을 방지하기 위하여 주형 내부에 응고 계면을 이룰 경우, 핵 형성시 주형과의 반응을 배제할 수 없다. 그리하여, 도 3에서와 같이, 내경과 외경을 갖는 원통형 주형의 몸통부(20")와, 주형의 몸통부와 동일한 내경과 동 축을 가지며,주형의 끝단 쪽으로 연장되어 다공성 흑연으로 된 주형의 내관부(22)가 형성한다.

여기에서, 주형의 내관부를 다공성 흑연으로 제조하는 이유는, 다공성 흑연의 경우 불활성 가스가 주형 내부의 응고 계면 부근으로 주입되므로 고온으로 인한 산화를 방지할 수 있으며, 비교적 빠른 속도로 냉각할 수 있는 장점도 있으며, 흑연 주형과 용탕의 반응에 의한 주형 내부의 표면손상을 줄일 수 있어서 바람직하다.

또한 주형의 몸통부와 동일한 외경과 동 축을 가지며, 주형의 끝단 쪽으로 연장되어, 고밀도의 흑연으로 된 주형의 외관부(20)를 형성한다. 주형의 외관부는 주형의 내관부 사이에 고리형 공간(21A)을 두고 주형의 내관부를 둘러싼다. 이때 생긴 고리형의 공간을 가스재킷(21B)으로 밀폐한다. 가스재킷은 밀폐한 고리형의 공간으로 불활성 가스를 주입할 수 있도록 불활성 가스 주입구(23)를 구비한다.

즉, 주형(20)의 끝단 내부에 설치한 다공성 흑연(22)을 이용하여, 불활성 가스를 주형의 외관부와 내관부 사이에 형성된 고리형 공간 (21A) 안으로 불어 넣어 준다. 그럼으로써, 주형 내부에서 응고 계면이 형성되더라도, 주형의 다공성 흑연으로 된 내관부의 두께를 관통하는 수많은 기공들을 통하여 비 산화성 분위기 가스가 주형 내관부의 안쪽으로 균일한 압력으로 스며들어 용탕과 주형과의 계면에 주입된다. 이러한 구조로 용탕과 주형과의 화학 반응을 제거할 수 있어서 평활 미려하며 방향성을 가진 선재를 제조하는 것이 가능하다.

또한, 내관부와 외관부 사이에 형성된 고리형 공간 내의 압력 유지와 밀폐를 위한 가스 재킷(21B)을 흑연 주형 끝으로부터 압착하여 밀착성을 유지하도록 설치한다.

그 후, 인출 속도 및 주형 내의 온도 구배를 이용하여 결정을 성장시킨다. 이렇게 성장을 하던 결정들 중에서 우선 성장 방위를 가진 결정이 다른 결정들을 잠식해가고, 이러한 경쟁 성장은 몇 개의 결정들만이 남아서 방향성 성장을 한다.

주형 내부에 고르게 불활성 가스 분위기를 만들어 주기 위해서, 고리형의 가스재킷 상에 복수 개의 불활성 가스 주입구를 대칭적으로 형성한다. 이러한 복수 개의 불활성 가스 주입구로 주입된 불활성 가스는 다공성 흑연 주형을 통해 불활성 가스가 주입되어 일정한 압력으로 분사한다.

이하 본 발명의 실시예를 설명한다.

(실시예)

종래의 수평 연속주조장치(도 1) 및 본 발명에 따른 주형(도 5)을 이용하여 제조된 수평 연속주조장치를 사용하여 본 발명의 내용과 같이 실험을 하였다.

먼저, 은 구리 합금(Ag₇₂Cu₂₈) 5Kg을 흑연 도가니(1)에 장입한 후, SiC발열체(2)를 사용하여 가열하였다. 용탕의 온도는 900℃를 유지하였으며 용탕 보호 가스로 Ar을 흘려주었다.

또한, 칸탈 발열체(11)를 사용하여 흑연 주형(10)을 가열하였으며, 주형의 온도는 주형의 내부에 K-type 열전대(5)를 삽입하여 온도를 측정하였다. 그리고 주형 끝단은 수냉시켜 온도 편차가 크게 유지시켜 주었으며, 열 충격이 주형(10)에 심하게 가해지지 않도록 특히 주의하였다.

은-구리 합금이 녹은 후에, 더미바(9)를 흑연 도가니(1) 내부 15mm까지 넣고, 압력을 걸어주기 위하여 레벨러(16)를 최대한 내려서 블록(17)을 흑연 도가니(1)바닥까지 내린 후 용탕 높이(14)가 흑연 주형(10)보다 5 mm정도 약간 높게 하였다.

용탕의 높이(14)가 올라가면 핀치롤(8)을 사용하여 더미바(9)를 100mm/min이상의 속도로 인출을 하면서 흑연 주형(10)의 각 부위의 온도를 측정하였다. 그 결과 응고 속도가 높고, 표면이 미려하며, 방향성으로 응고된 6mm 직경의 선재를 인출할 수 있었다.

본 발명에 따르면, 금속 세선 제조에 있어서 용융 금속으로부터 직접 방향성 을 가진 선재를 고속으로 연속주조할 때, 생산성의 향상과 아울러, 세선 제조시 열간·냉간 가공 및 열처리 등의 공정을 간략화한 일 방향 단결정 제품을 제조할 수 있다.

또한, 중간 공정의 간소화에 따른 설비비의 절감 및 주조 수율의 향상이라는 경제적인 이점 외에도 칸탈선으로 가열되는 주형 부분과 냉각되는 주형 부분의 온도편차를 효율적으로 조절하여, 냉각 속도를 높여 생산성의 향상 및 빠른 인출속도로 선재 또는 봉상을 제조하며, 급냉의 효과를 얻어 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있다.

본 발명은 표면의 산화와 변색을 방지하여 표면 상태를 향상시키며, 냉각 주형 사용시 발생하는 응고소재의 내부 결함을 제거할 수 있어서, 내부 품질이 우수한 주물을 제조할 수 있다는 이점도 동시에 취할 수 있다.

더욱이, 국내에서는 고강도이면서 고기능성을 가진 전자부품, 정수기 에어컨 및 공기청정기 필터용 세선 제조는 난 가공성이면서 다품종 소량생산에 속하기 때문에 제조공정 기술이 확보되어 있지 못하고, 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이며, 전 세계적으로도 이러한 소재를 생산하고 있는 국가는 일본, 미국, 독일 등의 선진국에 지나지 않는다.

따라서, 본 발명은 특수 고안된 주형을 사용함으로써, 단락 및 누탕을 방지하고, 표면 및 내부 결함이 없어 표면 상태를 최상으로 유지하며, 방향성 응고를 바탕으로 한 고속 연속주조공정으로서 산업 수요가 매우 큰 비철계 합금을 생산 및 국산화하는데 큰 파급 효과가 기대되는 바이다.

Claims (3)

1. 용탕이 흐르는 원통형 중공을 갖는 몸통부;

   상기 몸통부의 일단으로부터 동 축으로 연통되게 형성되고 상기 몸통부의 상기 원통형 중공을 통과한 상기 용탕이 연속적으로 흐르는 내관부로서, 상기 내관부의 둘레 외측으로부터 상기 내관부 둘레 내측에 접하는 용탕으로의 가스 유입이 가능하도록 통기성 재질로 된 내관부;

   상기 몸통부의 상기 일단으로부터 상기 내관부와 동축으로 상기 내관부 둘레 외측과의 사이에 고리형 공간을 두고 상기 내관부 둘레 외측을 둘러싸는 외관부; 및

   상기 고리형 공간을 외부와 차단하고, 상기 고리형 공간으로 불활성 가스를 주입하기 위한 가스 주입구를 갖는 가스 재킷을 포함하고,

   여기서, 불활성 가스가 상기 가스 주입구를 통하여 상기 가스 재킷에 의해 외부와 차단된 상기 고리형 공간으로 주입되고, 상기 고리형 공간으로 주입된 상기 불활성 가스는 상기 내관부 둘레를 통하여 상기 내관부 내측의 상기 용탕으로 공급되어 지는 것을 특징으로 하는 주형.
2. 제 1항에 있어서, 상기 내관부를 구성하는 상기 통기성 재질은 다공성 흑연으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주형.
3. 제 1항에 있어서, 상기 주형은 상기 내관부로부터 인출되는 응고재를 하방에서 지지하기 위하여 상기 내관부의 하단으로부터 수평방향으로 연장 형성된 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형.

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