KR101167838B1 - 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법 - Google Patents

탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 금속 함침 주조품은, 용융금속을 가압하여 탄소몰드에 구비된 캐비티에 함침 및 냉각하여 형성된다. 본 발명에 의한 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법은, 금속 함침 주조품의 원재료인 금속을 용해하는 금속용해단계와, 상기 용융금속을 탄소몰드에 구비된 캐비티에 충진하는 함침주조단계와, 상기 탄소몰드를 제거하여 금속 함침 주조품을 형성하는 몰드제거단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법{Method for manufacturing metal infiltration casting product using carbon mold}
본 발명은 진공분위기에서 탄소몰드에 용융금속을 함침하고, 탄소몰드는 고온 산화분위기에서 선택적으로 산화하여 제거함으로써 복잡하고 미세한 형태를 갖는 금속 함침 주조품의 제조가 가능하도록 한 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법에 관한 것이다.
산업이 고도화되면서 정밀 소형부품에 대한 수요가 늘어나고 있다. 금속소재를 이용하여 이러한 기계류 부품을 대량생산하는 대표적인 방법 중의 하나가 금속용탕을 형틀(mold)에 부어 응고시키는 주조법이다.
주조법은 금속 종류에 따른 용융온도 및 용탕점도 등의 특성차이와 제품에서 요구되는 표면 특성 및 기계적 성질에 따라 여러 가지 방법으로 적용된다.
그 중에서도 융점이 높고 고온 내산화성이 우수한 금속소재의 경우, 일반적으로 세라믹 분말을 이용하여 만든 몰드를 이용하여 진공분위기에서 주조가 이루어지며, 대표적인 부품으로 항공기 및 발전용 터빈 블레이드 등이 있다. 터빈 블레이드 등은 냉각용 기체가 흐를 수 있도록 내부에 유로가 형성되어 있으며 표면에는 미세한 구멍이 가공되어 있는 3차원적으로 복잡한 형상을 갖고 있다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 수백 ㎛ 이하의 직경을 갖는 미세한 구멍이 길게 형성된 구조는 기존의 세라믹 분말로 이루어진 몰드를 이용할 경우에는, 금속이 응고된 후 형틀을 제거하는데 어려움이 있다.
이외에 금속용탕에 녹는 재질로 형틀의 내부공간을 채워 용탕 주입 시 용탕에 의해 용해되면서 내부가 비어있는 형태를 가지는 부품을 제조하는 방법도 개시되어 있으나, 이러한 방법 역시 수백㎛이하의 정밀한 형태를 제어하는데에는 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 진공분위기에서 탄소몰드에 용융금속을 함침하고, 고온 산화분위기에서 탄소몰드를 선택적으로 기화시켜 제거함으로써 복잡하고 정밀한 형상의 금속 함침 주조품의 제조가 가능하도록 한 금속 함침 주조품의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 탄소몰드를 이용하여 형틀의 제거가 용이하도록 함으로써 정밀도가 향상되도록 한 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법 을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 금속 함침 주조품은, 용융금속을 가압하여 탄소몰드에 구비된 캐비티에 함침 및 냉각하여 형성됨을 특징으로 한다.
상기 탄소몰드는 산화분위기에서 기화되어 제거됨을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법은, 금속 함침 주조품의 원재료인 금속을 용해하는 금속용해단계와, 상기 용융금속을 탄소몰드에 구비된 캐비티에 충진하는 함침주조단계와, 상기 탄소몰드를 제거하여 금속 함침 주조품을 형성하는 몰드제거단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 몰드제거단계 이후에는, 상기 금속 함침 주조품에 포함된 산화층을 환원하여 제거하는 산화층제거단계가 실시됨을 특징으로 한다.
상기 함침주조단계는, 진공분위기에서 캐비티 내부에 용융금속이 중력에 의해 유입되도록 하거나, 기계적으로 가압하여 용융금속을 함침하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 함침주조단계는, 분사되는 불활성기체로부터 제공된 압력으로 상기 용융금속을 가압하여 캐비티 내부로 유입하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 함침주조단계는, 상기 캐비티 내부와 외부의 기압차이를 이용하여 용융금속을 유입하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 몰드제거단계는, 상기 탄소몰드 및 금속함침 주조품을 가열하여 탄소몰드만 제거하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 산화층제거단계는, 상기 몰드제거단계에서 금속 함침 주조품의 표면에 형성된 산화층을 환원분위기에서 가열하여 제거하는 과정임을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 금속 정밀 주조제품은 진공분위기에서 탄소몰드에 금속용탕을 함침시킨 후, 산화분위기에서 탄소몰드를 일산화탄소 또는 이산화탄소로 기화시켜 제거함으로써 제조된다.
따라서 미세하고 복잡한 3차원 구조를 가지는 형상을 가지는 제품을 생산할 수 있는 이점이 있으며 주조공정의 특성상 대량생산 및 원가절감에 유리하다.
도 1 은 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 실물 사진.
도 2 는 본 발명에 의한 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3 은 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 사용되는 바람직한 실시예의 탄소몰드 실물 사진.
도 4a 는 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 일단계인 함침주조단계에 사용되는 진공가열장치의 실물 사진.
도 4b 는 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 일단계인 함침주조단계에서 사용되는 플런저 및 재료를 나타낸 실물 사진.
도 5 는 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 일단계인 주조함침단계가 완료된 탄소몰드 및 금속 함침 주조품의 계면을 나타낸 확대 사진.
도 6 은 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 일단계인 주조함침단계가 완료된 탄소몰드 및 금속 함침 주조품의 계면을 확대한 주사전자현미경 사진.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 구성을 설명한다.
도 1에는 본 발명에 의한 금속 함침 주조품(P)의 실물 사진이 도시되어 있다.
도면과 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 금속 함침 주조품(P)은, 니켈을 포함하는 원재료(M)를 용융하여 가압하고, 도 3에 도시된 캐비티(12)가 구비된 탄소몰드(10)에 용융금속을 함침 및 냉각하여 형성된 것으로, 상기 탄소몰드(10)는 산화분위기에서 기화되어 제거된다.
따라서, 상기 금속 함침 주조품(P)은 첨부된 도 5와 같이 탄소몰드(10)가 제거되어 외측으로 노출되며, 상기 금속 함침 주조품(P)은 탄소몰드(10)에 형성되어 있던 캐비티(12)와 대응되는 형상을 가지게 된다.
첨부된 도 1의 원재료(M)는 본원 발명의 실험을 위해 채택된 니켈계 초합금으로서, 용융된 상태에서 일부는 캐비티(12)에 유입 또는 함침되었으며, 냉각 후에는 캐비티(12)에 유입 또는 함침되지 않은 부위가 원판 모양으로 접합된 형상을 갖게 된 것이다.
따라서, 도 1의 원재료(M)는 캐비티(12)의 부피를 감안하여 정확하게 정량함으로써 금속 함침 주조품(P)을 형성하는데 모두 사용될 수 있도록 구성될 수 있음은 자명하다.
이하 첨부된 도 2를 참조하여 상기 금속 함침 주조품을 제조하는 방법을 첨부된 도 2 를 참조하여 설명한다.
도 2에는 본 발명에 의한 탄소몰드(10)를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 금속 함침 주조품의 제조방법은, 금속 함침 주조품(P)의 원재료(M)인 금속을 용해하는 금속용해단계(S100)와, 상기 용융금속을 가압하여 탄소몰드(10)에 구비된 캐비티(12)에 충진하는 함침주조단계(S200)와, 상기 탄소몰드(10)를 제거하여 금속 함침 주조품(P)을 형성하는 몰드제거단계(S300)로 이루어진다.
상기 금속용해단계(S100)는 탄소몰드(10)를 이용하여 함침 및 주조시에 재료가 되는 원재료(M)를 용해하는 과정으로, 발명의 실시예로 원재료(M)는 니켈 초합금이 적용되었으며, 니켈을 포함하는 금속은 다양하게 변경 적용이 가능하다.
그리고, 상기 탄소몰드(10)는 첨부된 도 3과 같이, 원반형태의 탄소소재를 사용하되, 1㎜ 직경의 구멍을 다수 가공하여 캐비티(12)를 구성하였다.
도 3은 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 사용되는 바람직한 실시예의 탄소몰드(10) 실물 사진이다.
상기 금속용해단계(S100) 이후에는 함침주조단계(S200)가 실시된다. 상기 함침주조단계(S200)는 진공분위기에서 용융된 용융금속을 캐비티(12) 내부에 유입 또는 함침한 후 냉각함으로써 캐비티(12)와 대응되는 형상의 금속 함침 주조품(P)을 형성하는 과정이다.
이때, 상기 용융금속은 캐비티(12) 내부에 유입 또는 함침되도록 하는 범위 내에서 다양하게 변경 실시가 가능하다.
즉, 상기 용융금속은 기계적 가압에 의해 캐비티(12) 내부에 유입되거나, 분사되는 불활성기체에 의해 제공된 압력에 의해 캐비티(12) 내부에 유입되거나, 캐비티(12) 내부와 외부의 기압차이에 의해 빨려 들어가듯이 유입될 수도 있다.
본 발명의 실시예에서는 진공가열장치(100)를 이용하여 금속용해단계(S100) 및 함침주조단계(S200)가 동시에 실시될 수 있도록 하였으며, 상기 진공가열장치(100)는 용융금속이 기계적 가압에 의해 캐비티(12)에 유입될 수 있도록 구성하였다.
상기 진공가열장치(100)의 구성은 첨부된 도 4a 및 도 4b와 같다.
도 4a는 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 일단계인 함침주조단계(S200)에 사용되는 진공가열장치(100)의 실물 사진이고, 도 4b는 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 일단계인 함침주조단계(S200)에서 사용되는 플런저(130) 및 원재료(M)를 나타낸 실물 사진이다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 진공가열장치(100)는 진공분위기 조성이 가능한 공간을 구비하고, 이러한 공간에는 내부가 비어있는 중공봉 형상을 가지고 한 쌍으로 구성된 다이(110)와, 상기 한 쌍의 다이(110) 사이에 위치하는 가이드(120)가 외측에 구비되며, 직선상에 놓인 다이(110) 및 가이드(120) 내부에는 플런저(130), 탄소몰드(10) 및 원소재가 위치하게 된다.
그리고, 상기 가이드(120)의 외측에는 원소재를 가열하여 용융하기 위한 가열체(140)가 구비되며, 상기 다이(110)의 상/하측에는 플런저(130)에 기계적 힘을 제공하여 용융금속을 가압하기 위한 가압부(150)가 구비된다.
상기 가이드(120)는 가열체(140)로부터 제공된 열이 원소재에 전달될 수 있도록 함과 동시에 용융금속과 반응하지 않도록 구성된 것으로, 흑연으로 제조되며, 상기 플런의 일단부도 흑연으로 제조된다.
따라서, 상기 원소재 및 탄소몰드(10)는 흑연에 의해 둘러싸인 상태에서 가열되어 캐비티(12) 내부로 용융금속의 유입이 가능하게 된다.
상기 진공가열장치(100)를 이용한 함침주조단계(S200)가 완료되면 냉각과정을 선택적으로 실시하게 되며, 상기 냉각과정 이후에는 몰드제거단계(S300)가 실시된다.
상기 몰드제거단계(S300)는 함침주조단계(S200) 완료시에 도 5와 같은 상태로 형합되어 있는 탄소몰드(10)와 금속 함침 주조품(P) 중 탄소몰드(10)만 제거하는 과정이다.
즉, 상기 몰드제거단계(S300)는 상기 탄소몰드(10)를 가열하여 기화에 의해 제거함으로써 첨부된 도 1과 같이 금속 함침 주조품(P)이 외측으로 드러나도록 하는 과정이다.
한편, 상기 몰드제거단계(S300) 이후에는 산화층제거단계(S400)가 실시될 수 있다. 상기 산화층제거단계(S400)는 몰드제거단계(S300) 중에 금속 함침 주조품(P) 표면에 형성될 수 있는 산화층을 제거하기 위한 과정으로, 금속 함침 주조품(P)을 환원분위기로 가열함으로써 가능하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 일단계인 주조함침단계(S200)가 완료된 탄소몰드(10) 및 금속 함침 주조품(P)의 계면을 나타낸 확대 사진이고, 도 6은 본 발명에 의한 금속 함침 주조품의 제조방법에서 일단계인 주조함침단계(S200)가 완료된 탄소몰드(10) 및 금속 함침 주조품(P)의 계면을 확대한 주사전자현미경 사진이다.
[실시예]
도 3에 도시된 10㎜ 직경의 원반 형태의 탄소소재에 1㎜ 직경의 구멍을 가공하여 캐비티(12)를 형성한 탄소몰드(10)를 준비하고, 상기 탄소몰드(10) 상부와 하부에 10㎜ 직경의 원반형태의 원재료(M)를 준비하였으며, 상기 원재료(M)는 Ni계 초합금(super alloy)을 채택하였다.
그리고, 상기 원재료(M)와 탄소몰드(10)는 첨부된 도 4b와 같이 플런즈 사이에 위치한 상태로 가이드(120) 내부에 장입하였으며, 상기 가열체(140)에 전원을 인가하여 원소재를 가열하였다.
상기 원소재는 가열체(140)로부터 제공된 열에 의해 용융되며(금속용해단계:S100), 이때 상기 플런저(130)로부터 제공된 압력에 의해 상기 캐비티(12) 내부로 유입되면서 함침하였다(함침주조단계:S200).
본 발명의 실시예에서 상기 진공가열장치(100) 내부는 진공분위기이며, 가열체(140)로부터 제공된 열에 의해 용융된 용융금속은 1450℃ 로 15분 동안 가열되었다.
상기 캐비티(12) 내부에 함침된 용융금속은 상온까지 냉각하여 응고시켰으며, 이때 첨부된 도 5와 같이 탄소몰드(10)와 금속 함침 주조품(P)은 서로 합쳐진 형상을 갖게 되었다.
즉, 상기 캐비티(12) 내부에 함침된 용융금속이 응고되어 캐비티(12)와 대응되는 형상의 금속 함침 주조품(P)이 형성되었다.
이후 도 5와 같은 상태의 탄소몰드(10) 및 금속 함침 주조품(P)은 대기분위기에서 750℃ 로 2시간 동안 가열하여 탄소몰드(10)만 선택적으로 기화되어 제거되며(몰드제거단계:S300) 첨부된 도 1과 같이 금속 함침 주조품(P)의 상/하측에 위치한 원재료(M)가 캐비티(12)를 채웠었던 기둥 형상에 의해 연결된 형태로 완성되었다.
상기와 같은 과정에 따라 금속 함침 주조품(P)의 제조는 완료되며, 전술한 바와 같이 상기 몰드제거단계(S300) 이후에는 금속 함침 주조품(P)의 표면에 형성될 수 있는 산화층을 제거하기 위한 산화층제거단계(S400)가 선택적으로 실시될 수도 있다.
그리고, 첨부된 도 6을 참조하여 용융금속과 탄소몰드(10)의 계면반응을 살펴보면, 탄소몰드(10)에 형성된 미세한 틈새에도 용융금속이 침투하여 충진되어 있음을 알 수 있으며, 수 ㎛ 이하의 형태를 관찰할 수 있는 배율에서도 용융금속(Ni계 초합금)과 탄소몰드(10) 간의 계면반응물을 발견되지 않았다.
이러한 결과는 Ni계 초합금 용탕은 탄소소재로 이루어진 탄소몰드(10)와 반응하지 않으므로 탄소소재를 몰드로 하여 함침 주조공정을 수행할 수 있음을 의미하며, 미세하고 협소한 캐비티(12)에 대해서도 유입 및 함침이 가능한 것으로 증명하는 것으로 볼 수 있다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
10. 탄소몰드 12. 캐비티
100. 진공가열장치 110. 다이
120. 가이드 130. 플런저
140. 가열체 150. 가압부
M. 원재료 P. 금속 함침 주조품
S100. 금속용해단계 S200. 함침주조단계
S300. 몰드제거단계 S400. 산화층제거단계

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 금속 함침 주조품의 원재료인 금속을 용해하는 금속용해단계와,
    불활성기체로부터 제공된 압력으로 탄소몰드에 구비된 캐비티 내부에 상기 용융금속을 충진하여 캐비티와 대응되는 형상의 금속 함침 주조품을 형성하는 함침주조단계와,
    상기 탄소몰드 및 금속함침 주조품을 산화분위기에서 가열하여 탄소몰드만 기화시켜 제거함으로써 금속 함침 주조품을 형성하는 몰드제거단계와,
    상기 몰드제거단계에서 금속 함침 주조품의 표면에 형성된 산화층을 환원분위기에서 가열하여 제거하는 산화층제거단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법.
  4. 금속 함침 주조품의 원재료인 금속을 용해하는 금속용해단계와,
    진공분위기에서 탄소몰드에 구비된 캐비티에 상기 용융금속이 중력에 의해 유입되도록 하거나 기계적 힘으로 충진하여 캐비티와 대응되는 형상의 금속 함침 주조품을 형성하는 함침주조단계와,
    상기 탄소몰드 및 금속함침 주조품을 산화분위기에서 가열하여 탄소몰드만 기화시켜 제거함으로써 금속 함침 주조품을 형성하는 몰드제거단계와,
    상기 몰드제거단계에서 금속 함침 주조품의 표면에 형성된 산화층을 환원분위기에서 가열하여 제거하는 산화층제거단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법.
  5. 금속 함침 주조품의 원재료인 금속을 용해하는 금속용해단계와,
    탄소몰드에 구비된 캐비티의 내부와 외부의 기압 차이에 의해 상기 용융금속을 캐비티 내부로 충진하여 캐비티와 대응되는 형상의 금속 함침 주조품을 형성하는 함침주조단계와,
    상기 탄소몰드 및 금속함침 주조품을 산화분위기에서 가열하여 탄소몰드만 기화시켜 제거함으로써 금속 함침 주조품을 형성하는 몰드제거단계와,
    상기 몰드제거단계에서 금속 함침 주조품의 표면에 형성된 산화층을 환원분위기에서 가열하여 제거하는 산화층제거단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원재료는 니켈계 초합금인 것을 특징으로 하는 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 함침주조단계에서,
    상기 용융금속은 캐비티 내부에 다수 방향을 통해 충진됨을 특징으로 하는 탄소몰드를 이용한 금속 함침 주조품의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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