KR100743077B1

KR100743077B1 - 반고체 금속 슬러리 및 성형된 구성요소를 제조하는 방법및 장치

Info

Publication number: KR100743077B1
Application number: KR1020027003883A
Authority: KR
Inventors: 츠홍연 팬; 마이클 존 베비스; 쇼욱슨 지
Original assignee: 브루넬 유니버시티
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2007-07-26
Also published as: US6745818B1; GB2354471A; AU7031400A; JP2003509221A; DE60008768D1; EP1216114B1; CN1399585A; KR20020063866A; BR0014277A; WO2001021343A1; MXPA02004085A; ATE260724T1; EP1216114A1; GB9922695D0; DE60008768T2; AU774870B2; CN1197671C; CA2385469A1

Abstract

액체 합금을 그것의 틱소트로피(thixotropic) 상태로 전환시키고 이어서 틱소트로피 합금을 다이 캐비티(51)로 사출함으로써 높은 일체성의 구성요소를 제조하는 방법과 장치가 개시된다. 상기 장치는 액체 금속 공급기(20), 높은 전단의 트윈 스크류 압출기(30), 사출 조립체(40) 및 중앙 제어 시스템을 포함한다. 상기 장치와 방법은 다공성이 제로에 가깝고 공융 매트릭스에서 분포가 균일하며 고체 용적 부분의 범위가 큰, 미세한 등각의 입자를 특징으로 하는 그물 형태의 구성요소를 제공할 수 있다.

Description

반고체 금속 슬러리 및 성형된 구성요소를 제조하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING SEMISOLID METAL SLURRIES AND SHAPED COMPONENTS}

본 발명은 액체 금속 합금으로 성형되는 구성요소를 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 액체 금속을 반고체 슬러리로 전환시키는 방법 및 장치에 관한 것으로, 이 후에 상기 반고체 슬러리는 다이 캐비티로 사출되어 성형 구성요소를 제조한다. 상기 장치 및 방법은 반고체 처리에 적합한 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 아연 합금 및 임의의 다른 합금과 같은 경합금에 적용될 수 있다.

금속제의 구성요소를 제조하는 데 사용되는 종래의 방법 중 하나로는 다이 캐스팅이 있다. 종래의 다이 캐스팅 프로세스에 있어서, 액체 금속은 통상 흐름이 난류가 되거나 심지어는 원자화되는 고속으로 몰드 캐비티 내로 가압된다. 그 결과, 공기가 종종 캐비티 내에 포집되어 최종 구성요소의 다공성이 높게 되고, 이는 구성요소의 강도를 저감시키며 기계 가공 후에 구멍이 표면에 생기면 구성요소를 폐기하는 원인이 될 수 있다. 더욱이, 다공성이 높은 구성요소는 일반적으로 열처리가 불가능하기 때문에 용인될 수 없으므로, 그 잠재적인 용도가 제한된다.

직관적으로, 다소 플라스틱의 사출 성형과 유사하게, 금속 흐름의 점성을 증 가시켜 포집되는 공기가 최소화되도록 레이놀즈수를 충분히 감소시키면, 난류 또는 원자화된 흐름으로 인한 다공성을 저감시키거나 심지어는 제거할 수 있다. 그러나, 메츠(Metz)와 플래밍(Flemings)이 반고체 재료(semisolid material; SSM) 처리의 개념을 제의한 1970대 초반까지는 이것을 어떻게 달성할 수 있는지가 분명하지 않았다. 그들은 금속의 고형화가 반고체 상태에서 수행되면 캐스팅의 다공성이 현저하게 감소될 수 있다고 제안하였다. 스펜서(Spencer) 등의 연구에 따르면, 용융 금속이 액화 온도 미만에서의 냉각 동안 교반되면 수지상의 초기 금속이 액체 금속 매트릭스에 현수된 구형 입자 근처에서 파괴된다는 것을 제시하고 있다. 그러한 반고체 슬러리의 고체 부분을 갖는 지수함수적으로 증가된 점성은 다이 캐스팅 프로세스에 의해 완전한 주물을 생산할 수 있다. SSM 프로세스는 구성요소의 제조를 위해 완전 액체 금속 보다는 반고체 금속을 다이 캐비티 내에 사출함으로써 다이 캐스팅법을 개선시켰다. 종래의 다이 캐스팅 루트와 비교하여, SSM 처리는 (1)전체 제조 사이클에 걸쳐 비용의 효율성, (2)거의 그물 형상의 처리, (3)기계적 특성의 일관성 및 완전성, (4)복잡한 구성요소의 형상을 제조하는 능력, (5)합금 대용 및 보다 효율적인 재료의 사용을 통한 중량 감소, (6)높은 생산률, (7)향상된 다이 수명, (8)환경 비용의 저감 등의 장점을 갖는다. 향상된 기계적 특성으로 인해 정제된 입자 크기, 비(非)수지상 형태 및 실질적으로 감소된 다공성 수준과 같은 미세 구조 형태가 개선된다.

SSM 처리의 개념이 희망적으로 보이지만, 슬러리를 어떻게 제조하는 지와 구성요소를 어떻게 효율적이고 신뢰성 있게 성형하는 지와 같은 중요한 문제가 남아 있다. 1970년대 초반 이래로, 원래의 MIT 레오캐스팅(rheocasting) 프로세스에 대한 수많은 대안이 개발되었다. 현재 사용되고 있는 가장 인기 있는 프로세스 중 하나는 틱소포밍(thixoforming)이며, 이 프로세스에서는 미리 처리된 비수지성 합금 빌릿이 성형 프로세스 전에 반고체 부분으로 재가열된다. 따라서, 이 공정은 2개 스테이지의 프로세스이다. 미리 처리된 비수지성 원료와 재가열 프로세스의 고비용이 이 방법의 완전한 가능성의 개발에 대한 아주 가장 큰 방해물이다. 또한, 플라스틱 사출 성형법은 SSM 처리 분야에 최근에야 도입되었다. 하나의 프로세스는 마그네슘 합금용 "틱소몰딩(thixomoulding)"인데, 이 프로세스는 Dow Chemicals에 의해 개발되어 현재 Thixomat에 의해 판매되고 있으며, 다른 하나는 Cornell University(USA)에서 개발되었다. 그러나, 반고체 슬러리와 최종 구성요소 양자의 품질은 전체적으로 만족스럽지 못했다.

20세기 후반에, 반고체 슬러리를 제조하는 가장 활발한 방법은 기계적 교반이다. 불행하게도, 대부분의 기계적인 교반 방법은 교반 장치의 침식과 관련된 문제, 연속적인 캐스팅 프로세스와 교반의 동기성 문제, 및 미세한 입자를 얻기 위한 부적절한 전단 속도 때문에 당분야에서 인기를 얻지 못했다.

많은 참조 인용물이 틱소몰딩 프로세스를 개시하고 있는데, 이 프로세스에서는 고체 또는 반고체 공급물을 (예컨대, 공급물을 액화시키도록 가열하는 한편 전단을 받게 함으로써) 먼저 처리한 다음, 몰드 내로 사출하여 구성요소를 형성한다. 그러한 참조 인용물의 예로는 유럽특허 제0867246 A1호(Mazda Motor Corporation), 국제공개공보 제WO 90/09251호(The Dow Chemical Company), 미국특허 제5,711,366 호(Thixomat, Inc.), 미국특허 제5,735,333호(The Japan Steel Works, Limited), 미국특허 제5,685,357호(The Japan Steel Works, Limited), 미국특허 제4,694,882호(The Dow Chemical Company) 및 캐나다특허 제2,164,759호(Inventronics Limited)를 포함한다.

그러나, 틱소트로피 상태로 액체 금속을 냉각시키는 공정(레오몰딩; rheomoulding) 보다 고체 미립자를 틱소트로피 상태로 전환시키기 위해 고체 미립자를 가열시키는 공정(틱소몰딩;Thixomoulding)의 단점은 틱소트로피 슬러리의 하위 구조에서 입자 크기와 입자 크기의 분포를 조절하는 것이 매우 어렵다는 것이다. 특히, 틱소몰딩된 슬러리의 입자 크기는 레오몰딩된 슬러리의 입자 크기보다 크기의 순서가 크게 되는 경향이 있으며 크기의 분포가 넓게 된다. 이것은 주조된 구성요소의 구조적 특성에 대해 부정적으로 관련된다.

더욱이, 전술한 참조 인용물들은 틱소트로피 슬러리를 전단시키는 데에 표준의 단일 스크류 압출기를 채택하고 있다. 그 결과, 구성요소의 품질이 저하된다.

많은 참조 인용물들이 레오몰딩 프로세스를 개시하고 있다. 예컨대, 국제공개공보 제WO 97/21509호(Thixomat, Inc.)는 금속 구성물을 성형하는 프로세스에 관한 것인데, 이 프로세스에서는 합금을 그의 액화 온도 이상의 온도로 가열한 다음, 단일 스크류 압출기를 사용하여 2개의 상의 평형 영역으로 냉각시킬 때 액체 금속을 전단시킨다.

미국특허 제4,694,881호(The Down Chemical Company)는 비(非)틱소트로피 타입의 구조를 갖는 재료를 고체 형태로 단일 스크류 압출기에 공급하는 프로세스에 관한 것이다. 재료를 그의 액화 온도 이상의 온도로 가열한 다음, 그의 액화 온도보다는 낮고 그 고화 온도보다는 높은 온도로 냉각하면서 전단 작용을 받게 하는 것이다.

국제공개공보 제WO 95/34393(Cornell Research Foundation, Inc.)도 또한 레오몰딩 프로세스를 개시하고 있는데, 이 프로세스에서는 과열된 액체 금속을 단일 스크류 압출기의 원통체에서 반고체 상태로 냉각시키며, 이 압출기에서 냉각시키면서 전단시킨 후 캐스트로 사출 성형한다.

틱소몰딩 또는 레오몰딩 참조 인용물 중 어떤 것도 충분히 높은 구조적 일체성의 구성요소가 성형될 수 있게 하는 프로세스를 개시하고 있지 않다.

본 발명의 주요 목적은 액체 합금을 틱소트로피 상태로 전환시키고 이어서 틱소트로피 합금을 일체화된 한 단계의 프로세스로 몰드 캐비티 내에 사출함으로써 높은 일체성의 구성요소를 제조하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 액체 또는 반고체 상태에서 고도의 부식 및 침식 특성을 갖는 반고체 금속을 제조하는 데 특히 적합한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 반고체 슬러리로부터 높은 일체성의 구성요소를 제조하는 데 적절한 개선된 다이 캐스팅 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제1 양태에 있어서, 합금을 그의 액화 온도 미만의 온도로 냉각시키는 한편, 충분히 높은 전단 속도의 전단과 강렬한 난류를 인가하여 합금을 틱소 트로피(thixotropic) 상태로 전환시키는 단계와, 이어서 합금을 몰드 내로 이동시켜 성형된 구성요소를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 전단은 적어도 부분적으로 상호 치합되는 적어도 2개의 스크류를 갖는 압출기에 의해 합금에 인가되는, 액체 금속 합금으로 성형되는 구성요소를 형성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제2 양태에 있어서, 충분히 높은 전단 속도의 전단과 강렬한 난류를 인가하는 동안 합금을 그의 액화 온도 미만에서 냉각하여 합금을 틱소트로피 상태로 전환시키는 단계를 구비하며, 상기 전단은 적어도 부분적으로 상호 치합되는 적어도 2개의 스크류를 갖는 압출기에 의해 합금에 인가되는, 액체 금속 합금으로부터 반고체 슬러리를 형성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 사실성은, 특히 고품질의 성형된 구성요소가 전단을 합금에 인가하도록 적어도 2개의 스크류를 사용함으로써 형성될 수 있다는 것이며, 상기 스크류는 적어도 부분적으로 상호 맞물린다.

압출기는 트윈 스크류(twin-screw)가 실질적으로 완전히 상호 치합되는 쌍둥이 모양의 스크류 압출기인 것이 바람직하다.

단일 스크류 압출기는 당업계에 널리 공지되어 있지만, 이와 같은 프로세스에서 트윈 스크류 압출기를 사용하는 것은 신규한 것이라고 생각된다. 각 스크류가 압출기의 원통체와 정렬되는 샤프트와, 이 샤프트를 따라 배치된 일련의 플라이트(flight) 또는 베인(vane)을 갖는 것은 일반적이다. 이 플라이트 또는 베인은 나사 또는 나선형 방식으로 연결되어 샤프트 아래로 연속적인 나사부(thread)를 형성할 수 있다. 상기 형태는 원하는 효과에 따라 변화될 수 있다.

적어도 2개의 스크류는 적어도 부분적으로 상호 맞물려야 한다. 이는 적어도 부분적인 상호 맞물림에 의해 한 스크류의 플라이트 또는 베인이 압출기를 통해 합금의 종방향 이동축에 대해 다른 스크류의 플라이트 또는 베인과 적어도 부분적으로 중첩해야 된다는 것을 의미한다. 따라서, 바람직한 실시예에 있어서, 2개의 스크류는 샤프트의 종방향 축선의 "시야선"을 따라 베인이 중첩하도록 배치된 스크류 축선 아래의 연속적인 나선형 베인을 각각 가지며, 샤프트의 종방향 축선은 압출기 원통체의 종방향 축선과 정렬된다.

본 발명의 제3 양태에 있어서, 충분한 전단과 강렬한 난류를 액체 금속 합금에 가하여 틱소트로피 상태로 전환시킬 수 있는 온도 제어식 압출기와, 상기 압출기와 유체 연통하는 사출 조립체 및 상기 사출 조립체와 유체 연통하는 몰드를 구비하며, 상기 압출기는 적어도 부분적으로 상호 치합되는 적어도 2개의 스크류를 구비하는, 액체 금속 합금으로 성형되는 구성요소를 형성하는 장치가 제공된다.

본 발명의 제4 양태에 있어서, 압출기와 유체 연통하는 강렬한 난류와 충분한 전단 속도를 가할 수 있는 온도 제어식 압출기와, 사출 조립체와 유체 연통하는 몰드를 구비하는, 반고체 슬러리로부터 높은 일체성의 구성요소를 제조하는 데 적합한 개선된 다이 캐스팅 시스템이 제공된다.

본 발명의 프로세스에 있어서, 합금을 용융하는 단계와, 합금을 그의 틱소트로피 상태로 전환시키는 단계 및 상기 틱소트로피 합금을 다이 캐비티로 사출하는 단계는 바람직하게는 물리적으로 분리된 기능적 유닛에서 수행된다. 본 발명의 장치는 바람직하게는 액체 금속 공급기와, 높은 전단의 트윈 스크류 압출기와, 사출 조립체 및 중앙 제어 시스템으로 이루어진다. 레오몰딩 프로세스는 액체 금속을 용융 노로부터 트윈 스크류 압출기 내로 공급하는 단계로부터 시작된다. 액체 금속은 트윈 스크류에 의해 기계적으로 전단되어 적절한 온도 제어에 의해 규정된 고체 상의 예정된 용적 부분을 갖는 반고체 슬러리로 전환되는 동안 압출기의 제1 부분에서 SSM 처리 온도로 급냉된다. 이어서, 반고체 슬러리는 사출 조립체를 통해 몰드 캐비티 내로 고속으로 사출된다. 완전히 고형화된 구성요소는 최종적으로 몰드에서 방출된다. 이러한 모든 절차는 연속적인 사이클로 수행되며 중앙 제어 시스템에 의해 제어된다.

상기 방법은 미세하고 균일한 고체 입자를 가지며 고체 용적 부분의 범위가 넓은(5% 내지 95%, 바람직하게는 15% 내지 85%인) 반고체 슬러리를 제공할 수 있다. 상기 장치와 방법은 또한 다공성이 제로에 가까운 그물 형태의 금속 구성요소를 제공할 수 있다. 상기 방법은 바람직하게는,

(a)상기 금속을 액체 상태로 제공하고 상기 액체 금속을 공급기를 통해 온도 제어식 압출기로 주입하는 단계,

(b)상기 액체 금속을 적어도 부분적으로 상호 치합되는 2개 이상의 스크류를 갖는 압출기에 의해 제공된 높은 전단 속도에 의해 그것의 틱소트로피 상태로 전환하는 단계,

(c)압출기의 일단부에 배치된 제어 밸브를 개방시킴으로써 상기 틱소트로피 합금을 압출기로부터 사출 슬리브로 이동시키는 단계, 및

(d)피스톤을 충분한 속도로 전진시킴으로써 상기 틱소트로피 슬러리를 사출 슬리브로부터 몰드 캐비티 내로 사출하는 단계를 포함한다.

일반적으로, 상기 공급기는 원하는 온도로 액체 합금을 압출기로 공급하는 데 사용된다. 공급기는 용융 노 또는 래들(ladle) 및 연결 튜브일 수 있다. 공급 호스는 연결 튜브 내에 배치된 밸브나, 정압 또는 부압 제어기에 의해 제어될 수 있다.

일반적으로, 원통체과, 한쌍의 적어도 부분적인 스크류 및 구동 시스템으로 이루어지는 트윈 스크류 압출기는 대체로 압출기의 일단부를 향해 배치된 유입구를 통해 액체 금속을 수용하도록 되어 있다. 압출기의 통로 내에 있다면, 액체 합금은 예정된 온도로 냉각되거나 유지된다. 어느 한 상태에 있어서, 처리 온도는 합금이 압출기 내에서 반고체 상태에 있도록 재료의 고화 온도보다 높고 그것의 액화 온도보다 낮다.

합금의 액화 온도와 고화 온도에 좌우되는 처리 온도는 합금마다 변화될 것이다. 그 적절한 온도는 당업자에게 명백할 것이다. 일예로서, 합금 Al-7중량% Si-0.5%Mg(규소 7중량%와 마그네슘 0.5중량% w/w를 갖는 알루미늄)의 경우, 합금을 650℃ 내지 750℃의 온도로 압출기 내로 주입하고, 560℃ 내지 610℃의 온도로 압출기에서 처리해야 한다.

압출기에서 합금은 전단을 받는다. 전단 속도는 수지상 형태의 고체 입자가 반고체 상태로 완벽하게 형성되는 것을 방지하기에 충분한 것이다. 전단 작용은 원통체 내에 배치된 동반 회전하는 한쌍의 스크류에 의해 유발되며, 스크류의 본체 상에 형성된 나선형 스크류 플라이트에 의해 더욱 활성화된다. 향상된 전단은 원 통체와 스크류 플라이트 사이와 2개의 스크류의 플라이트 사이의 환형 공간에서 발생된다.

트윈 스크류 압출기 내에서 액체 합금 또는 반고체 슬러리의 유체 유동은 스크류의 주변 둘레에서 도 "8"의 운동을 특징으로 하며, 그것은 한 피치에서 다음의 피치로 이동하여, 도 "8"에 형성된 나선을 이루며 유체를 스크류의 축방향을 따라 가압한다. 이것은 확실한 변위 펌핑 작용이라 불리운다. 이러한 연속적인 유체장에서, 유체는 한 스크류에서 다른 스크류로 재료가 인계되는 동안 흐름에 대해 인장, 절곡 및 재배향 처리의 사이클을 받는다. 밀접하게 상호 맞물린 트윈 스크류 압출기 내의 유체 흐름은 축방향 부분 상의 원형 유동 패턴이며, 이것은 낮은 점성의 액체 금속 및/또는 반고체 금속을 위한 높은 강도의 난류를 형성할 수 있다. 또한, 압출기 내의 유체는 스크류와 원통체 사이 간극의 연속적인 변화로 인해 전단 속도의 사이클이 변화되며, 이는 압출기 내의 재료가 전단 속도의 사이클 변화에 의해 전단 변형을 받게 한다. 따라서, 밀접하게 상호 맞물리고 자체 와이핑하며 동반 회전하는 트윈 스크류 압출기 내의 유체 유동은 높은 전단 속도, 높은 세기의 난류 및 전단 속도의 사이클 변화를 특징으로 한다.

종래 기술의 프로세스에 사용된 것처럼 단일의 스크류 압출기에서 이동되는 점성 제동이 유발되는 타입의 재료의 유동과 달리, 밀접하게 상호 치합되는 트윈 스크류 압출기 내에서의 이동 거동은 다소 확실한 변위 타입의 이송이며, 얼마간 재료의 점성과 무관하다. 트윈 스크류 압출기 내에서 재료의 속도 프로파일은 설명하기에 매우 복잡하고 어렵다. 기본적으로 4개 그룹의 힘이 존재한다. 제1 그 룹은 관성력 및 원심력의 스케일에 관한 것이며, 제2 그룹은 중력의 스케일에 관한 것이고, 제3 그룹은 내부 마찰의 스케일을 포함하며, 제4 그룹은 처리되는 재료의 탄성 및 플라스틱 변형 거동의 스케일을 가리킨다. 레오몰딩 처리 동안 2개의 스크류 사이와 스크류와 원통체 사이의 액체 또는 반고체 합금에 작용하는 주요한 힘은 압축, 파열, 전단 및 탄성이다.

5000 내지 10,000s^-1의 전단 속도가 트윈 스크류 압출기에 의해 달성될 수 있고, 이는 크게 향상된 결과를 초래한다는 것이 판명되었다. 그러나, 난류의 세기가 충분히 크면, 이러한 향상된 결과는 약 400s^-1의 전단 속도에서도 달성될 수 있다.

트윈 스크류 압출기의 내부 환경은 고마모, 고온 및 합성 응력을 특징으로 한다. 고(高)마모는 스크류들 사이 뿐만 아니라 원통체와 스크류 사이의 밀접한 끼워 맞춤의 결과이다. 따라서, 원통체와 스크류 및 기타 구성요소에 적합한 재료는 마모, 고온 크리프 및 열 피로에 대해 양호한 내성을 보여야 한다. 압출기의 내부 환경은 또한 부식 및 침식이 높다. 이것은 대부분의 금속 재료를 용해 및/또는 침식시킬 수 있는 알루미늄과 같은 액체 또는 반고체 금속의 고반응성에 의해 유발된다. 강도 시험 및 평가 후에, 본 발명은 머신 자체의 어떠한 심각한 열화가 없으면서도 알루미늄 마그네슘, 구리 및 아연 합금과 같은 높은 부식성 및 침식성 재료가 그것의 틱소트로피 상태로 조절될 수 있게 하는 신규한 머신 구조를 개발하였다.

트윈 스크류 압출기의 원통체는 부식성 및 침식성에 대해 내성을 갖는 제2 재료의 내부층에 의해 정렬되는 크리프에 대해 내성을 갖는 제1 재료의 외부층으로 구성된다. 바람직하게는, 외부층 재료는 H11, H13 또는 H21 강철이고 내부층 재료는 사이알론이다. 내부층과 외부층의 부착은 가열 끼워 맞춤에 의해 또는 그들 사이의 완충층에 의해 달성된다. 압출기의 원통체는 또한 사이알론의 단일 부품으로 구성될 수 있으며, 이는 작은 머신에 더욱 편리하다.

트윈 스크류는 압출기의 통로 내에 배치된다. 스크류의 회전은 용융 합금이 높은 전단을 받게 하여 압출기의 원통체를 통해 재료를 병진시킨다. 상기 스크류는 기계적으로 또는 물리적으로 함께 부착되어 크리프, 마모, 열 피로, 부식 및 침식에 대한 최대의 내성을 얻을 수 있는 사이알론 구성요소로 구성된다. 배출 파이프, 배출 밸브 본체 및 밸브 코어를 비롯하여 압출기의 추가 구성요소도 또한 사이알론으로 구성된다. 트윈 스크류 압출기는 기어 박스를 통해 전기 모터 또는 유압 모터에 의해 구동되어 원하는 회전 속도를 유지한다.

사출 슬리브는 압출기의 일단부와 밀접하게 연결되거나 사출 조립체에 별개로 배치되어 압출기로부터 반고체 슬러리를 수용할 수 있다. 사출 슬리브의 반고체 슬러리는 실린더를 통해 피스톤을 이동시킴으로써 몰드 캐비티로 고속으로 사출될 수 있다.

본 발명의 바람직한 다수의 실시예를 이하에서 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 원리에 따라 액체 합금을 틱소트로피 슬러리로 전환시켜 높은 일체성의 구성요소를 제조하는 장치의 실시예의 개략도.

도 2는 본 발명의 원리에 따른 트윈 스크류 원통체의 개략적인 횡단면도.

도 3은 본 발명의 원리에 따른 스크류 구조의 단면도.

도 4는 트윈 스크류 압출기에서 반고체 슬러리의 단면 흐름의 개략도.

도 5는 트윈 스크류 압출기에서 반고체 슬러리의 축방향 흐름의 개략도.

도 6은 상이한 용적 부분의 레오몰딩된 마그네슘 30중량% 아연 합금의 미세 구조를 도시하는 도면.

도 7은 본 발명에 따라 성형된 레오몰딩된 케스팅의 포토그래프.

아래의 바람직한 실시예의 설명에 있어서, 다이 캐스팅은 알루미늄(Al) 합금 잉곳으로 트윈 스크류 레오몰딩 머신에 의해 제조된다. 본 발명은 알루미늄 합금에 제한되지 않으며 마그네슘 합금, 아연 합금 및 반고체 금속 처리에 적절한 어떤 다른 합금과 같은 어떤 다른 타입의 합금에도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 바람직한 실시예의 설명에서 예증된 특정 온도 및 온도 범위는 알루미늄 합금에만 적용될 수 있지만, 기타 합금에 적응되기 위해서 본 발명의 원리에 따라 당업자에 의해 쉽게 변경될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 트윈 스크류 레오몰딩 시스템(10)을 도시하고 있다. 상기 시스템(10)은 공급기(20), 트윈 스크류 압출기(30), 사출 조립체(40) 및 몰드 체결 유닛(50)의 4개의 부분을 갖는다. 액체 합금은 공급기(20)로 공급된다. 공급기(20)에는 플런저(21), 소켓(22) 및 도가니(crucible)(24)의 외주부 둘레에 배 치된 일련의 가열 요소(23)가 마련된다. 상기 가열 요소(23)는 어떤 종래의 타입이며 공급기(20)를 통해 공급되는 합금을 액체 상태로 유지하기에 충분히 높은 온도로 공급기(20)를 유지하도록 동작한다. 알루미늄 합금의 경우, 이 온도는 600℃ 이상이다. 그 후에, 액체 합금은 플런저(21)가 선택적으로 상승될 때 중력에 의해 트윈 스크류 압출기(30)로 공급된다.

상기 압출기(30)는 다수의 가열 요소(31, 32)와 압출기(30)의 길이를 따라 분산된 냉각 요소(32, 34)를 구비한다. 조화된 가열 요소(31, 33)와 냉각 요소(32, 34)는 일련의 가열 및 냉각 영역을 각각 형성한다. 가열 및 냉각 영역은 반고체 처리를 위해 원하는 온도로 압출기를 유지한다. 알루미늄 합금을 위해 설계된 레오몰딩 시스템(10)의 경우, 가열 요소(33)와 냉각 채널(34)은 압출기의 상부를 약 585℃의 온도로 유지하고, 가열 요소(31)와 냉각 요소(32)는 압출기의 하부를 약 590℃의 온도로 유지한다. 가열 및 냉각 영역은 또한 압출기 축선을 따라 복합 온도 프로파일을 유지할 수 있게 하며, 이는 반고체 처리 동안 특정한 미세 구조의 효과를 달성하는 데 필요하다. 각각의 개별 영역의 온도 제어는 중앙 제어 시스템에 의해 가열 및 냉각 전력 입력의 평형을 맞춤으로써 달성된다. 가열 방법은 저항 가열, 유도 가열이거나 어떤 다른 가열 수단일 수 있다. 냉각 매체는 처리 요건에 따라 물, 가스 또는 수증기일 수도 있다. 단 2개의 가열/냉각 영역이 도 1에 도시되어 있지만, 압출기(30)는 별개로 제어 가능한 1 내지 10개의 가열/냉각 영역을 구비할 수 있다.

압출기(30)는 또한 물리적인 경사 또는 기울기를 갖고 있다. 기울기는 통상 사출 방향에 대해 0 내지 90°이고 바람직하게는 20 내지 90°이다. 기울기는 압출기(30)로부터 사출 슬리브(42)로 반고체 합금의 전달을 보조하도록 설계된다.

압출기(30)에는 또한 기어 박스(26)를 통해 전기 모터 또는 유압 모터(25)에 의해 구동되는 트윈 스크류(36)가 마련된다. 트윈 스크류(36)는 미세하고 균일하게 분포되는 고체 입자를 달성하기 위해 필요한 높은 전단 속도를 마련하도록 설계된다. 또한, 고속의 전단 혼합과 확실한 변위 펌핑 작용을 제공하는 어떤 장치가 또한 트윈 스크류를 대신하여 사용되어도 좋다.

틱소트로피 합금은 밸브(39)를 통해 압출기(30)에서 사출 조립체(40)로 배출된다. 상기 밸브(39)는 중앙 제어 시스템으로부터의 신호에 반응하여 동작한다. 밸브(39)의 선택적인 개방은 처리 요건에 부합해야 한다. 틱소트로피 합금의 사출은 사출 슬리브(42) 내에 배치된 피스톤(41)에 의해 구멍(44)을 통해 몰드 캐비티(51)로 행해진다. 피스톤(41)의 위치와 속도는 다른 프로세스, 재료 및 최종 구성요소에 의한 요건에 적합하도록 조절될 수 있다. 일반적으로, 사출 속도는 완벽한 몰드 충전을 위해 충분한 유동성을 제공하도록 충분히 높아야 하지만, 공기를 포집할 정도로 너무 높아서는 않된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 가열 요소(43)는 또한 사출 슬리브(42)의 길이를 따라 마련된다. 알루미늄 합금을 처리하는 레오몰딩 시스템의 바람직한 실시예에 있어서, 사출 슬리브는 합금을 예정된 반고체 상채로 유지하도록 압출기 온도에 가까운 온도로 유지되는 것이 바람직하다.

몰드 캐비티(51)를 형성하는데는 몰드 클램프(50)가 사용된다. 따라서, 몰 드 클램프는 필요 온도로 다이를 유지하도록 2개의 절반 다이(52), 고정 요소(53), 유동 시스템(54) 및 가열 요소(55)로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 2는 바람직한 실시예에 사용된 원통체의 개략적인 단면도이고, 이 원통체는 외부 강철 셸(37)과 사이알론 라이너(38)로 이루어진다. 상기 사이알론 라이너(38)는 열팽창 동안 상이한 계수에 의해 외부 셸(37)내로 가열되어 끼워 맞춤될 수 있다. 가열된 강철 셸 내로 저온의 사이알론 라이너(38)를 가열하여 끼워 맞춤하는 온도는 열전달 효율을 보증하기 위해 원통체와 그 라이너 사이의 타이트한 끼워 맞춤이 처리 온도에서 달성되도록 선택된다. 여기에서, 상기 사이알론은 양호한 마모, 부식 및 침식에 대한 내성을 제공하도록 원통체 라이너로서 선택되는 한편, 처리 온도에서 필요한 강도와 인성을 보유한다. 크기가 작은 원통체인 경우, 원피스형(일체형) 사이알론 구조가 사용될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 원리에 따른 스크류 구조의 단면도이다. 레오몰딩 시스템(10)용 스크류(36)는 적절한 형태를 갖는 사이알론 스크류 부분의 기계적 조립체로서 제조될 수 있다. 원하는 프로파일을 갖는 구성요소(46, 48)가 함께 조립된 다음에 필요한 정렬로 샤프트(47)상에 장착된다. 바람직하게는, 허용 오차가 작은 타이트한 조립체가 사용된다. 크기가 작은 스크류의 경우, 단일의 사이알론 스크류가 사용될 수 있다.

도 4와 도 5는 본 발명에 따른 트윈 스크류 압출기에서 단면 방향 및 축방향 유체 유동을 각각 도시하고 있다.

도 6은 상기 장치에 의해 제조된 마그네슘 30중량% 아연의 한 반고체 합금의 미세 구조를 도시하고 있다. 특히, 포토그래프는 고체 부분을 40% 갖는 합금의 미세 구조를 도시하는데, 이는 본 발명의 레오몰딩 프로세스가 미세하고 균일하게 분포된 입자를 갖는 반고체를 생산할 수 있다는 것을 확인한다.

도 7은 마그네슘 30% 아연의 합금으로부터 상기 장치에 의해 제조된 주물을 도시하고 있다. 실험은 제조된 주물이 종래의 주물보다 다공성이 더 낮다는 것을 확인한다.

실시예는 또한 공급기(20)가 압출기(30) 아래에 배치될 때 공급기(20)로부터 압출기(30)로 액체 합금의 공급을 위해 액체 합금에 압력을 인가하도록 공급기(20)에 부착된 장치를 포함할 수도 있다. 그러한 압력은 적당량의 액체 합금이 공급기(20)로부터 압출기(30)로 흐르는 것을 보증하도록 적절하게 제어되어야 한다.

실시예는 또한 산화를 최소화하기 위해 보호 가스를 공급하도록 공급기(20), 압출기(30), 사출 조립체(40) 및 몰드 클램프(50)에 부착된 장치를 포함할 수도 있다. 그러한 가스는 아르곤, 질소 또는 어떠한 다른 적절한 가스이어도 좋다.

일반적으로, 레오몰딩 시스템은 모든 기능을 제어하는 제어 장치를 구비한다. 상기 제어 장치는 반고체 상태의 원하는 고체 용적이 쉽게 달성될 수 있도록 프로그래밍되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 제어 시스템(도 1에 도시되지 않음)은 쉽고 빠르게 다시 프로그래밍되어 처리 인자를 변화시킬 수 있는 마이크로프로세서를 구비할 수도 있다.

실시예

순도가 99%이상인 공업적으로 순수한 마그네슘과 아연을 사용하여 노에서 마그네슘 30중량% 아연 용융물을 성형하였다. 상기 용융물을 20℃ 과열된 예정 온도로 흑연 도가니에서 유지하였다. 그후, 용융물을 410℃에서 압출기로 급송하고 20초 동안 1000s^-1의 속도로 전단시켜 용융물을 반고체 슬러리로 전환시켰다. 이이서, 압출기의 일단에 있는 밸브를 개방시킨 다음 피스톤을 전방으로 이동시켜 반고체 슬러리를 온도 제어식 다이 내로 사출함으로써 반고체 슬러리를 사출 조립체로 이동시켰다. 반고체 슬러리를 완벽하게 냉각시킨 후에, 주물(도 7)을 다이로부터 방출시켰다. 시료를 주물로부터 절단하고 표준 금속 현미경 방법을 사용하여 연마 및 광택 처리하였다. 광학 현미경을 사용하여 미세 구조 검사를 수행하고 그 결과를 도 6에 도시하였는데, 여기서 입자는 압출기에서 고형화되어 전단된 주요 상(像)이다.

본 발명에 따른 특정 실시예를 위에서 예시 및 설명하였지만, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 본 발명이 다양한 형태 및 실시예를 취할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

Claims

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합금을 그의 액화 온도 미만의 온도로 냉각시키는 한편, 합금을 틱소트로피(thixotropic) 상태로 전환시키는 전단 속도의 전단과 난류를 인가하는 단계와,

이어서 합금을 몰드 내로 이동시켜 성형된 구성요소를 형성하는 단계를 포함하며,

상기 전단은, 적어도 부분적으로 상호 치합되는 적어도 2개의 스크류를 갖는 압출기에 의해 적어도 400s^-1의 전단 속도로 합금에 인가되는 것을 특징으로 하는, 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소의 형성 방법.
제 21항에 있어서,

상기 전단 속도는 5,000 ∼ 10,000 s^-1 인 방법.
제 21항 또는 제 22항에 있어서,

상기 스크류는 완전히 상호 치합되는 방법.
제 21항 또는 제 22항에 있어서,

상기 합금은 그의 액화 온도보다 높은 온도로 압출기 내로 공급되는 방법.
제 21항 또는 제 22항에 있어서,

상기 합금은 몰드 내로 이동되기 전에, 합금을 몰드 내로 사출하는 사출 조립체 내로 이동되는 방법.
제 21항 또는 제 22항에 있어서,

상기 합금의 온도는 전단되는 동안 합금의 액화 온도와 고화 온도 사이에서 유지되어 합금이 반고체 상태로 되는 방법.
제 26항에 있어서,

상기 합금의 고체 용적 부분은 압출기 내에 있는 동안 5 내지 95%인 방법.
충분한 전단과 강렬한 난류를 액체 금속 합금에 가하여 틱소트로피 상태로 전환시킬 수 있는 온도 제어식 압출기와, 상기 압출기와 유체 연통하는 사출 조립체, 및 상기 사출 조립체와 유체 연통하는 몰드를 포함하며,

상기 압출기는, 적어도 400s^-1의 전단 속도로 작동할 수 있으며, 적어도 부분적으로 상호 치합되는 적어도 2개의 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항에 있어서,

상기 전단 속도는 5,000 ∼ 10,000 s^-1 인 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

액체 금속 합금을 압출기 내로 공급하는 공급기를 더 포함하는 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 30항에 있어서, 상기 공급기는 상기 합금을 수용하여 액화 온도 이상의 온도로 유지하는 수단을 구비하는 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

상기 압출기는 원통체와 한쌍의 스크류를 구비하고, 상기 원통체의 내부면과 상기 스크류의 외부면은 액체 합금에 의한 부식과 침식에 대해 내성을 가지며, 상기 스크류는 적어도 하나의 베인을 그 위에 구비하며, 상기 베인은 상기 샤프트 둘레에 나선을 적어도 부분적으로 형성하여 상기 원통체를 통해 합금을 추진시키는 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

상기 합금이 반고체 상태에 있는 동안 상기 스크류를 회전시켜 수지상 구조를 완벽하게 형성하기에 충분한 전단 속도와 강렬한 난류로 상기 합금을 전단시키는 전기 모터 또는 유압 모터를 구비하며, 상기 전기 모터 또는 유압 모터에 의한 상기 스크류의 회전은 상기 원통체의 일단부로부터 타단부로 합금이 이동될 수 있게 하는 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

상기 합금의 액화 온도와 고화 온도 사이의 온도에서 상기 합금이 반고체 상태에 있도록 상기 압출기의 원통체, 스크류 및 합금으로 열을 전달하는 온도 제어 가능한 수단을 포함하는 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

상기 압출기로부터 실린더-피스톤 조립체의 사출 슬리브로 합금을 방출하기 위한 제어 밸브를 압출기와 사출 조립체 사이에 구비하는 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

상기 압출기 원통체는 가열 끼워 맞춤에 의해 상기 원통체의 외부층에 기계적으로 부착되는 내부층을 구비하는 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

상기 압출기의 원통체는 사이알론 세라믹으로 형성되는 단일의 구성요소인 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

반고체 합금과 접촉 상태에 있는 상기 장치의 모든 표면과 내부층은 사이알론 세라믹으로 형성되는 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

상기 원통체의 외부층은 공구 강철 H11, H13 또는 H21인 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

상기 스크류는 가열 끼워 맞춤에 의해 기계적으로 부착된 스크류 부분인 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
제 28항 또는 제 29항에 있어서,

상기 스크류는 사이알론 세라믹의 단일 구조인 액체 금속 합금으로부터 성형되는 구성요소를 형성하는 장치.
높은 전단 속도의 전단과 난류를 인가하는 동안 합금을 그의 액화 온도 미만에서 냉각하여 합금을 틱소트로피 상태로 전환시키는 단계를 구비하며; 상기 전단은, 적어도 부분적으로 상호 치합되는 적어도 2개의 스크류를 갖는 압출기에 의해 적어도 400s^-1의 전단 속도로 합금에 인가되는 것을 특징으로 하는, 액체 금속 합금으로부터 반고체 슬러리를 형성하는 방법.
제 42항에 있어서,

상기 전단 속도는 5,000 ∼ 10,000 s^-1 인 방법.
상기 제 42항 또는 제 43 항에 기재된 반고체 슬러리를 형성하는 단계; 및 상기와 같이 형성된 상기 슬러리를 고형화시켜 일정 형태의 물품을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속 합금으로부터의 물품 형성 방법.