KR101030882B1

KR101030882B1 - 알루미늄 다이캐스트용 급탕관

Info

Publication number: KR101030882B1
Application number: KR1020087025877A
Authority: KR
Inventors: 준 마스다
Original assignee: 도시바 기카이 가부시키가이샤
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2011-04-22
Also published as: JPWO2007111257A1; US8580187B2; US20100084439A1; KR20080108305A; CN101410205A; MX2008011590A; WO2007111257A1; CN101410205B; JP5015138B2

Abstract

세라믹스제의 내측관(10)과, Ni 합금층(13)을 내주면에 갖고 상기 Ni 합금층(13)의 표면에 TiC 입자(14)가 부착된 강재제 외측관(12)으로 급탕관 본체를 구성하고, 세라믹스제 내측관(10)의 외주면과 강재제 외측관(12)의 내주면의 경계부(19)에 겹치는 둥근 고리 형상의 공간을 형성하는 홈(18)을 급탕관 본체의 양단부에 형성하고, 무기 재료로 이루어지고 가열 팽창하는 성질을 갖는 섬유질 시트(16)를 둥근 고리 형상의 홈(18)에 전체 둘레에 걸쳐 삽입 장착한다. 이에 의해, 세라믹스관과 강재관의 조합에 의해 기계적인 충격에 강하고, 게다가 강재와 세라믹스의 재질의 차이에 의한 열팽창차에 상관없이 알루미늄 용탕의 침입을 방지할 수 있다.

내측관, 외측관, 급탕관, TiC 입자, 섬유질 시트

Description

알루미늄 다이캐스트용 급탕관 {MELT FEED PIPE FOR ALUMINUM DIE CASTING}

본 발명은 용해로로부터 다이캐스트 머신으로 알루미늄 용탕을 보내는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관에 관한 것이다.

종래, 다이캐스트 머신에서는 플런저 슬리브에 알루미늄 용탕을 공급하는 방식으로서 레이들(ladle) 방식이 널리 이용되어 왔다. 이 레이들 방식에서는 용해로로부터 용탕을 레이들로 퍼내어 플런저 슬리브에 급탕(給湯)한다.

최근에는, 레이들 방식 대신에 용해로와 플런저 슬리브를 급탕관으로 직접 연결하고, 이 급탕관을 통과시켜 용탕을 플런저 슬리브에 공급하는 기술이 주목받고 있다. 이 급탕관 방식은, 종래의 레이들 방식에 비하면 Al의 산화 피막이나 파단 응고편의 용탕으로의 혼입을 매우 적게 억제할 수 있으므로, 보다 고품질의 다이캐스트 제품을 주조(鑄造)할 수 있는 이점이 있다.

지금까지 용해로와 플런저 슬리브를 접속하는 급탕관에는, 세라믹스제의 파이프에 히터를 권취한 구조의 것이 이용되고 있었다. 급탕관의 재료에 세라믹스를 이용하는 것은 용손(溶損)되기 어려운 재료이기 때문이다.

한편, 세라믹스는 용탕에 강한 반면에 충격에 대해 약해, 운전 중의 진동이나 유지 보수시의 취급 과오에 의해 파손되는 경우가 있다. 또한, 깨지기 쉬운 성 질이기 때문에 급탕관 접속부에는 충분한 하중을 가하여 체결할 수 없으므로, 접속부로부터 용탕이 누설되는 경우도 있었다.

그런데, 본 출원인은 알루미늄 용탕에 대한 내용손성을 높인 부재로서, 강재제의 기재(基材) 표면에 Ni 합금층을 형성하고, 이 Ni 합금층의 표면에 TiC를 입자의 상태로 접합한 알루미늄 용탕 접촉 부재를 제안하고 있다(예컨대, 일본공개특허 제2005-264306호 공보의 청구항 제4항 등에는 Ni 합금의 조성이 B : 2.6 내지 3.2(％), Mo : 18 내지 28(％), Si : 3.6 내지 5.2(％), C : 0.05 내지 0.22(％), 잔량부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 부재가 개시되어 있음).

지금까지 세라믹스제의 급탕관은 깨지기 쉽다고 하는 결점에 대처하기 위해 세라믹스제 혹은 흑연제의 파이프의 외측에 강재관을 끼워 맞춘 구조를 갖는 급탕관이 검토되고 있다. 그러나 강과 세라믹스, 흑연의 각각의 열팽창 계수가 크게 다르기 때문에, 열팽창의 차이에 의해 내외부 관의 사이에 큰 간극이 발생한다. 이 간극에는 알루미늄 용탕이 간단하게 침입해 버리므로, 단기간에 강재관이 용손하여 구멍이 생겨 버리는 결점이 있다.

그래서 본 발명의 목적은, 상기 종래 기술이 갖는 문제점을 해소하고, 세라믹스관과 강재관의 조합에 의해 기계적인 충격에 강하고, 게다가 강재와 세라믹스의 재질의 차이에 의한 열팽창차에 관계없이 알루미늄 용탕의 침입을 방지할 수 있는 동시에, 알루미늄 용탕에 대한 내용손성도 우수하여 수명을 각별히 연장시키는 것을 실현할 수 있도록 한 알루미늄 다이캐스트용 급탕관을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다이캐스트 머신의 플런저 슬리브와 용해로를 연결하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관에 있어서, 세라믹스제의 내측관과, Ni 합금층을 내주면에 갖고 상기 Ni 합금층의 표면에 TiC 입자가 부착된 강재제 외측관으로 급탕관 본체를 구성하고, 세라믹스제 내측관의 외주면과 강재제 외측관 내주면의 경계부에 겹치는 둥근 고리 형상의 공간을 형성하는 홈을 상기 급탕관 본체의 양단부에 형성하고, 무기 재료로 이루어지는 섬유질 시트를 상기 둥근 고리 형상의 홈에 삽입 장착한 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 섬유질 시트는 그 두께 방향으로 가열 팽창하는 성질을 갖고, 상기 섬유질 시트를 그 팽창하는 방향이 급탕관의 반경 방향으로 되도록 상기 둥근 고리 형상의 홈에 전체 둘레에 걸쳐 삽입 장착된다.

본 발명의 적합한 실시 형태에 따르면, 상기 섬유질 시트는 내열성 무기 섬유를 주체로 유기질 바인더를 혼합하여 제조된 시트로 이루어지고, 미리 상기 둥근 고리 형상의 홈의 깊이에 대응한 폭으로 재단된 가늘고 긴 테이프 형상의 것이 이용된다.

본 발명에 따르면, 강재제의 외측관에 의해 세라믹스제의 내측관을 기계적인 충격으로부터 보호할 수 있는 동시에, 급탕관 단부의 접속부에 충분한 체결 하중을 가하여 용탕의 누설을 방지할 수 있다. 알루미늄 용탕으로부터 가열되어 외측관이 반경 방향으로 팽창하면, 섬유질 시트도 동일한 방향으로 추종하여 팽창하므로, 알루미늄 용탕의 침입을 섬유질 시트에 의해 방지할 수 있다. 또한, 만일 섬유질 시트가 효과를 발휘하지 않아도 외측관의 내주면에는 TiC 입자가 조밀하게 산재되어 있으므로 내용손성이 현저하게 높고, 기계적인 충격에 강한 것과, 알루미늄 용탕에 대한 내용손성이 양립하여 수명을 각별히 연장시키는 것을 실현할 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 알루미늄 다이캐스트용 급탕관의 일 실시 형태를 도시하는 횡단면도이다.

도2는 상기 알루미늄 다이캐스트용 급탕관의 종단면도이다.

도3은 도2의 A부를 확대하여 도시하는 도면이다.

도4는 TiC 입자의 부착 상태를 모식적으로 도시하는 도면이다.

도5는 TiC 입자의 사이에 세라믹스 분말이 부착된 예를 모식적으로 도시하는 도면이다.

도6은 급탕관의 단부에 있어서의 홈과 내측관의 외측관의 경계부의 위치 관계의 유형을 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 알루미늄 다이캐스트용 급탕관의 일 실시 형태에 대해 첨부한 도면을 참조하면서 설명한다.

도1은 본 실시 형태에 따른 알루미늄 다이캐스트용 급탕관의 구조를 도시하는 횡단면도이고, 도2는 상기 급탕관의 종단면을 도시하는 도면이다. 이들 도1 및 도2에 있어서, 참조 번호 10은 세라믹스제의 내측관을 나타내고, 참조 번호 12는 강재제의 외측관을 나타내고 있다. 외측관(12)은 내측관(10)에 끼워 맞춤으로써 양자가 일체 구조인 급탕관으로 되어 있다.

내측관(10)에는 알루미늄 용탕에 대한 내용손성이 우수한 세라믹스가 재료로 선택되어 있어, 내측관(10)은 장기간에 걸쳐 용손에 견딜 수 있다. 이러한 세라믹 스 재료에는, 예를 들어 Al₂O₃, SiC, Si₃N₄, MgO, Al₂TiO₅, ZrO₂, 사이알론 중 어느 하나를, 적어도 1종류 이상 포함하는 세라믹스 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

도3은 도2의 A부를 확대하여 도시하는 도면이다. 강재제의 외측관(12)의 내주면은 전면에 걸쳐 Ni 합금층(13)으로 피복되어 있고, 이 Ni 합금층(13)의 표면 전체는 무수한 탄화티탄(TiC)의 입자(14)로 덮여 있다. 이 TiC 입자(14)는 Ni 합금층(13)의 표면으로부터 일부가 돌출되도록 하여 입자의 상태로 부착되어 있다.

이러한 TiC 입자(14)는 다음과 같이 하여 강재제의 외측관(12)의 내주면에 부착시킬 수 있다.

우선, 외측관(12)의 내주면에는 용사 또는 소결에 의해 Ni 합금층(13)을 형성해 둔다. 그리고 용기에 들어있는 TiC 분말을 준비하고, TiC 분말 중에 외측관(12)의 전체가 묻히도록 넣어 둔다.

다음에, 용기마다 외측관(12)을 가열 진공로에 넣고, 가열 진공로 내에서 Ni 합금으로부터 액상(液相)이 발생하는 온도까지 진공 가열하여, Ni 합금층(13)의 표면에 TiC 입자(14)를 접합시킨다. 가열함으로써, 도3에 도시하는 바와 같이 Ni 합금으로부터 발생하는 액상에 의해 TiC 입자(14)는 Ni 합금층(13)의 표면으로부터 돌출된 상태에서 접합된다. 이 경우, 용출된 Ni 합금에 의해 TiC 입자(14) 전체가 덮여 버리는 것은 바람직하지 않다. TiC 입자(14)를 Ni 합금으로 완전하게 덮지 않고, TiC 입자(14)의 일부분이 Ni 합금층(13)으로부터 표면으로 나와 있는 상태에서 강고하게 접합시키기 위해서는, TiC 분말 중의 입자의 평균 입경이 10 내지 500 ㎛의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

Ni 합금으로부터 발생하는 액상에 의해, TiC 입자(14)는 Ni 합금층(13)에 고강도로 접합하고, 또한 Ni 합금은 TiC 입자(14)와의 젖음성도 좋으므로 많은 TiC 입자(14)를 조밀하게 접합시킬 수 있게 된다. 또한, 도4에서는 TiC 입자(14)가 하나씩 평면적으로 나열되어 있도록 모식적으로 나타내고 있지만 이것에 한정되는 것은 아니며, 실제로는 TiC 입자(14)는 다층으로 겹쳐 있는 경우도 있다.

TiC 입자 직경이 10 ㎛보다도 작으면, TiC 입자(14)를 Ni 합금(13)의 액상에 전부 덮이지 않도록 하는 진공 가열 중의 온도 관리가 어려워진다. TiC 입자(14)가 Ni 합금의 액상에 전부 덮여 버리면, TiC의 우수한 내용손성을 발휘할 수 없게 된다.

한편, TiC 입자 직경이 500 ㎛보다도 커지면, Ni 합금의 액상이 입자의 하부로밖에 구석구석 퍼지지 않으므로 입자와의 접촉 면적이 부족하고, 접합 강도가 약해 간단히 입자가 탈락되어 버린다.

TiC 입자끼리의 간극에는, 도5에 도시되는 바와 같이 질화붕소(BN), 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 질화규소(Si₃N₄)를 적어도 1종류 이상 포함하는 세라믹스 미립자(15)가 충전되어 있는 것이 바람직하다.

이들 세라믹스 미립자(15)는 바인더와의 혼합 슬러리로 하여 TiC 입자(14)에 도포하여 베이킹할 수 있어, TiC 입자(14)를 접합하고 있는 Ni 합금층(13)의 소지(素地)의 내용손성을 개선할 수 있다.

다음에, 세라믹스제의 내측관(10)의 양단부에는 섬유질 시트(16)를 삽입 장착하기 위한 홈(18)이 주위 방향으로 형성되어 있다. 도2에 도시하는 바와 같이, 세라믹스제의 내측관(10)에 외측관(12)을 끼워 맞춤시킨 상태에서는 내측관(10)의 단부면과 외측관(12)의 단부면은 일치되어 있고, 홈(18)은 단부면에 개방되어 있는 둥근 고리 형상의 공간을 형성하도록 되어 있다.

도2에 도시하는 바와 같이, 내측관(10)과 외측관(12)의 경계부(19)와, 내측관(10)의 단부면에 있는 홈(18)은 동심원적으로 겹치도록 되어 있다. 그리고 홈(18)에는 섬유질 시트(16)가 끼워 넣어져 있다.

홈(18)과 경계부(19)의 관계는 내측관(10)의 단부면의 외주측 부분을 절결하여 홈(18)을 형성하는 경우(도6의 A), 외측관(12)의 단부면의 내주측 부분을 절결함으로써 홈(18)을 형성하는 경우(도6의 B), 내측관(10)과 외측관(10)의 각각 단부면의 일부를 절결하여 형성하는 경우(도6의 C)가 있다. 도6의 A 및 도6의 B는 홈(18)과 경계부(19)가 동심원에서 접함으로써 겹치는 경우이고, 도6의 C는 홈(18)과 경계부(19)가 동심원에서 홈 폭의 범위에서 겹치는 경우이다. 이와 같이 홈과 경계부(19)가 동심원적으로 겹치는 관계는, 도6의 A 내지 도6의 C와 같은 유형이 있지만, 어느 것이라도 좋다.

본 실시 형태에서는, 섬유질 시트(16)는 가열되면 팽창하는 성질을 갖는 무기 재료의 섬유로 이루어지는 시트 부재이다. 구체적으로는, 예를 들어 유리 섬유 등의 내열성 무기질 섬유를 주체로 하여 유기질 바인더를 혼합하여 제조한 시트이다.

섬유질 시트(16)로는, 도2에 도시하는 바와 같이 홈(18)의 깊이에 대응한 폭을 갖는 가늘고 긴 테이프 형상으로 재단된 것을 이용한다. 이 경우, 섬유질 시트(16)가 열팽창하는 방향은 시트의 두께 방향이다. 그리고 섬유질 시트(16)를 도1에 도시하는 바와 같이, 홈(18)에 전체 둘레에 걸쳐 끼워 넣도록 하여 삽입 장착한다. 이러한 방향에서 섬유질 시트(16)를 삽입 장착하면, 열팽창하는 방향이 급탕관의 반경 방향에 일치하게 된다.

이상과 같이 구성되는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관에 따르면, 다음과 같은 작용 효과가 얻어진다.

첫 번째로, 본 실시 형태의 급탕관에서는 세라믹스제의 내측관(10)과 강재제의 외측관(12)을 조합하여 급탕관의 본체를 구성하고 있으므로, 강재제의 외측관(12)에 의해 세라믹스제의 내측관(10)을 외부로부터의 기계적인 충격으로부터 보호할 수 있다. 게다가, 외측관(12)이 강재로 이루어지므로, 급탕관을 접속할 때에 양단부의 접속부에 충분한 체결 하중을 가할 수 있으므로 용탕의 누설을 방지할 수 있다.

두 번째로, 본 실시 형태에 따르면 세라믹스제의 내측관(10)과 강재제의 외측관(12)의 양단부에는 섬유질 시트(16)가 삽입 장착되어 있는 구조로 되어 있으므로, 알루미늄 용탕이 경계부(19)에 침입하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 급탕관은 알루미늄 용탕에 의해 가열되면 세라믹스제의 내측관(10)과 강재제의 외측관(12)에서는 열팽창 계수에 차이가 있으므로 외측관(12)의 쪽이 크게 팽창한다. 이 열팽창에는 길이 방향으로의 팽창과, 반경 방향으로의 팽창이 있다. 외측관(12)이 반 경 방향으로 팽창하면 섬유질 시트(16)도 동일한 방향으로 추종하여 팽창하므로, 간극이 생기지 않도록 폐색할 수 있다. 따라서, 내열성이 높은 무기 재료로 이루어지는 섬유질 시트(16)에 의해 열팽창에 의한 간극으로부터 알루미늄 용탕이 내측관(10)의 외주면과 외측관(12)의 내주면의 경계부(19)에 침입하는 것을 방지할 수 있다.

본 실시 형태의 급탕관에 따르면, 알루미늄 용탕의 침입 방지는 기본적으로 섬유질 시트(16)에 의해 충분히 달성되지만, 만일 섬유질 시트(16)가 용탕에 침해되어 경계부(19)까지 침입한 경우에 대비하고 있다. 즉, 외측관(12)과 내측관(10)의 경계부(19)에서는 발(撥)용탕성을 발휘하는 TiC 입자(14)를 이용하여, 외측관(12)의 본체를 구성하는 모재에 알루미늄 용탕이 직접 접촉하는 것을 방지하여 내용손성을 높이고 있다.

게다가 TiC 입자(14)의 일부분이 Ni 합금층(13)의 표면으로부터 돌출되도록 되어 있으므로, 알루미늄 용탕과의 접촉각이 커져 알루미늄 용탕을 겉돌게 하는 성질을 보다 높일 수 있다.

그리고 TiC가 입자의 상태에서 Ni 합금층(13)에 접합하여 조밀하게 산재하고 있는 구조에서는, 외측관(12)이 열에 의해 팽창, 수축하였을 때라도 TiC 입자(14)에는 큰 열응력이 가해지지 않으므로 박리되는 일 없이 내용손성을 장시간 유지할 수 있다. 이와 같이, 섬유질 시트(16)가 훼손되어 용탕이 침입해도, 내용손 대책이 충분히 강구되어 있으므로 용손에 의한 용탕 누설을 방지할 수 있다.

또한, TiC 입자(14)가 접합되어 있는 Ni 합금층(13)의 소지 자체는 내Al용손 성이 충분하지 않으므로, 도5와 같이 세라믹스 미립자(15)를 부착시킴으로써 내용손성을 개선할 수 있다. 또한, TiC 입자(14) 사이의 간극에 이들 미립자가 부착되어 있으므로, 알루미늄 용탕이 접촉해도 세라믹스 미립자(15)는 제거되기 어렵다. 또한, 세라믹스 미립자(15)는 TiC 입자(14)가 돌출된 부분의 표면에 부착되어도 좋다.

이상과 같이 제작된 급탕관을 다이캐스트 머신의 실제 기계에 장착하고, 용해로로부터 급탕관을 통과하여 알루미늄 용탕을 실제 기계의 플런저 슬리브에 공급하여 주조 사이클을 반복하여 행하는 내구 시험을 행하였다. 이때의 시험 조건은, 용탕은 AC4CH, 용탕 온도 720 ℃, 급탕관 히터 온도는 720 ℃이다. 또한, 내구 시험에서는 제1 비교예로서 세라믹스제의 급탕관(조성 : 70 ％SiC-30 ％Si₃N₄)을 제작하고, 제2 비교예로서 흑연제의 관의 외측에 S45C를 재질로 하는 강재제의 관에 가열 끼움한 급탕관을 제작하였다. 그리고 이들 제1, 제2 비교예에 대해서도 각각 실제 기계에 탑재하고, 동일한 조건에서 내구 시험을 행하였다.

시험 결과, 제1 비교예에서는 약 40,000숏에서 급탕관 접합부가 파손되어 용탕이 누출되고, 제2 비교예에서는 약 8,000숏에서 급탕관 접합부가 용손되어 용탕이 누출되었다. 제2 비교예의 경우, 비교적 단기간에 용손이 발생한 것은 흑연제의 관과 강재제의 관에서는 열팽창 계수가 크게 다르기 때문에, 양자의 간극에 용탕이 침입하여 강재제의 관이 용손되어 버린 것이라 생각된다. 이에 반해, 실시예의 급탕관의 경우는 200,000숏을 초과해도 용손 등의 문제는 보이지 않아 계속해서 속행이 가능했다.

Claims

다이캐스트 머신의 플런저 슬리브와 용해로를 연결하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관에 있어서,

세라믹스제의 내측관과, Ni 합금층을 내주면에 갖고 상기 Ni 합금층의 표면에 TiC 입자가 부착된 강재제 외측관으로 급탕관 본체를 구성하고, 세라믹스제 내측관 외주면과 강재제 외측관의 내주면의 경계부에 겹치는 둥근 고리 형상의 공간을 형성하는 홈을 상기 급탕관 본체의 양단부에 형성하고, 무기 재료로 이루어지는 섬유질 시트를 상기 둥근 고리 형상의 홈에 삽입 장착한 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관.
제1항에 있어서, 상기 섬유질 시트는 그 두께 방향으로 가열 팽창하는 성질을 갖고, 상기 섬유질 시트를, 그 팽창하는 방향이 상기 급탕관의 반경 방향에 일치하도록 상기 둥근 고리 형상의 홈에 전체 둘레에 걸쳐 삽입 장착한 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관.
제1항에 있어서, 상기 섬유질 시트는 내열성 무기질 섬유에 유기질 바인더를 혼합하여 제조된 시트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관.
제3항에 있어서, 상기 섬유질 시트는 미리 상기 둥근 고리 형상의 홈의 깊이에 대응한 폭으로 재단된 테이프 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관.
제1항에 있어서, 상기 세라믹스제의 내측관은 SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, MgO, Al₂TiO₅, ZrO₂, 사이알론 중 어느 하나를, 적어도 1종류 이상 포함하는 세라믹스 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관.
제1항에 있어서, 상기 홈과, 상기 외측관 내주면과 내측관의 외주면의 경계부가 동심원적으로 홈 폭의 범위 내에서 겹치거나 혹은 접하도록 상기 외측관과 내측관의 양쪽 혹은 한쪽에 홈이 가공된 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관.
제1항에 있어서, 상기 TiC 입자의 평균 입경이 10 내지 500 ㎛이고, 또한 입자가 Ni 합금에 완전하게 덮이지 않고 입자의 일부가 표면으로부터 돌출되어 있는 상태인 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관.
제1항에 있어서, 상기 Ni 합금층의 조성은 B : 2.6 내지 3.2(중량％), Mo : 18 내지 28(중량％), Si : 3.6 내지 5.2(중량％), C : 0.05 내지 0.22(중량％), 잔량부가 Ni 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관.
제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 TiC 입자끼리의 간극에 질화붕소(BN), 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 질화규소(Si₃N₄)를 적어도 1종 이상 포함하는 분말을 부착시킨 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스트용 급탕관.