KR101307233B1 - 반응고 성형에 의한 박판의 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응고(Rheo Casting) 성형에 의한 박판 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반응고 성형으로 박판, 예를 들어 특히 두께 2mm 이하의 박판을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 박판 성형 대상 재료를 용융시키기 위한 도가니가 구비된 전기로; 상기 전기로의 도가니로부터의 용융물을 로봇팔에 의해 이송시켜 전자 교반시킴으로써 상기 용융물로부터의 반응고물을 조직 제어하기 위한 전자교반기; 및 상기 전자교반기로부터의 조직 제어된 반응고물을 투입하여 두께 2mm 이하의 박판으로 다이케스팅하기 위한 슬리브가 구비된 다이케스팅 장치를 포함한다. 상기 로봇팔에는 상기 도가니로부터의 용융물과 상기 전자교반기로부터의 반응고물을 떠서 후공정으로 이송시키기 위한 래들이 구비되어 있고, 상기 로봇팔의 최대 작동 반경 내에 상기 도가니와 상기 전자교반기와 상기 슬리브가 순차적으로 배치되어 있어, 상기 로봇팔의 동작에 의해 상기 래들이 상기 도가니로부터 전자교반기를 거쳐 상기 슬리브에 이르기까지 상기 용융물 또는 반응고물을 순차적으로 이송할 수 있도록 구성된다. 본 발명에 의하면, 유동성 확보에 문제가 없을 뿐만 아니라 제조된 박판의 기공 발생의 가능성이 희박하다.

Description

반응고 성형에 의한 박판의 제조방법 및 장치 {Method and apparatus for preparing thin plate by Rheoforming}

본 발명은 반응고(Rheo Casting) 성형에 의한 박판 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반응고 성형으로 박판, 예를 들어 특히 두께 2mm 이하의 박판을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

오늘날 자동차 산업, 항공기 산업, 전자 및 컴퓨터 부품 산업에서 소재의 종류에 따른 성형 한계성 극복과 친환경 생산 측면에서 경합금 소재의 이용은 점점 증가하고 있는 추세이다. 그러나, 철계 합금에서 경합금으로 전환될 때 파생되는 기계적 성질의 저하와 원가 상승은 경합금 소재의 적용을 어렵게 하는 대표적인 원인이다.

기존 주조 공정은 환경오염과 부품의 기계적 성질의 저하 등을 유발하고, 단조 공정은 최종 부품을 생산하기까지 공정 횟수의 증가, 최종 형상으로의 성형 한계성 및 금형 수명 단축 때문에 환경 친화형 생산이 불가능하다.

이를 개선한 고강도 경량화 소재의 대표적인 복합성형법에는 고액 경계영역에서 소재를 성형하는 반용융 성형법(Thixoforming)과 반응고 성형법(Rheoforming) 이 있다. 반용융 성형 공정과 반응고 성형 공정은 결정 입자의 크기와 운동을 제어하면서 각종 수송 기계의 핵심 부품을 생산하는 고액 공존 경계 영역 성형 기술로서, 기존 주조 공정과 단조 공정의 단점을 획기적으로 개선할 수 있는 기술이다. 특히, 반용융 성형법은 반응고 상태에서 빌렛(billet)을 제조한 후 이 빌렛을 반용융 상태로 재가열하여 단조 또는 다이캐스팅을 실시하여 최종 제품으로 제조하는 가공법을 말하고, 반응고 성형법은 반응고 상태에서 제조된 슬러리(slurry)를 직접 성형 가공하여 최종 제품으로 제조하는 가공법을 말한다.

반용융 또는 반응고 성형용 금속 슬러리는, 반응고 영역의 온도에서 액상과 구상의 결정립이 적절한 비율로 혼재하는 상태에서 틱소트로픽(thixotropic)한 성질에 의해 작은 힘에 의해서도 변형이 가능하고 유동성이 우수하여 액상과 같이 성형가공이 용이한 상태의 금속재료를 의미한다. 빌렛은 재가열에 의해 금속 슬러리 형태의 반용융 상태를 회복할 수 있으므로 반용융 또는 반응고 성형용 금속 재료로서 매우 유용하게 이용된다.

금속 슬러리나 빌렛을 이용하는 반응고 또는 반용융 성형법은 동일한 조성의 액체 금속합금을 이용하는 경우에 비해 여러 가지 장점을 갖고 있다. 예를 들면, 금속 슬러리는 그러한 액체 금속합금을 완전히 용융시키는데 필요한 온도보다 낮은 온도에서 유동성을 가지므로 다이가 노출되는 온도가 더 낮아질 수 있고, 따라서 다이의 수명이 길어진다. 또한, 금속 슬러리가 압출될 때 난류(turbulence) 발생이 없고 주조 과정에서 공기의 혼입이 적어져 최종 제품에 기공 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 열처리가 가능하여 기계적 성질을 크게 향상시킬 수 있다. 그 외에도 응고 수축이 적고 작업성과 내식성이 개선되며 제품의 경량화가 가능하다.

종래의 반응고 합금 제조방법은 주로 액상선 이하의 온도에서 금속재료를 교반함으로써 이미 생성된 수지상 결정(dendrite) 조직을 파괴하여 반응고 성형에 적합하도록 구형의 입자로 만드는 것이었으며, 교반 방법으로는 기계적 교반(mechanical stirring)과 전자기적 교반 (electromagnetic stirring), 가스 버블링, 저주파, 고주파 또는 전자기파 진동을 이용하거나 전기적 충격에 의한 교반(agitation)과 같은 방법이 이용되었다.

예를 들어, 미국특허 제3,948,650호(특허문헌 1)에서는 대부분의 합금이 액상으로 존재하는 온도까지 합금을 가열한 다음 형성된 금속재료 중의 고체 비율이 40% 내지 65%에 이를 때까지 계속해서 교반하면서 냉각시킴으로써 수지상 결정 조직이 형성되는 것을 방지하거나 1차 고체 입자(primary solid particle)상에 이미 형성된 수지상 결정 조직을 제거하거나 감소시킴으로써 고액 혼합물을 제조한다.

미국특허 제4,465,118호(특허문헌 2)에서는 금속재료가 담긴 용기 내의 고화영역(solidification zone) 전범위에 걸쳐 제공되는 이동형 자기장(moving non-zero magnetic field)에 의해 금속재료를 전자기적으로 혼합한다.

또한, 미국특허 제4,694,881호(특허문헌 3)에서는 합금 중의 모든 금속 성분이 액체 상태로 존재하도록 합금을 가열한 다음, 얻어지는 액체 금속을 액상선과 고상선 사이의 온도로 냉각시킨 후, 전단력을 인가하여 냉각되는 금속재료로부터 형성되는 수지상 결정 조직을 파괴함으로써 반용융 성형재(thixotropic materials)를 제조한다.

일본공개특허공보 평11-33692호(특허문헌 4)에서는 액상선 온도 부근 또는 액상선보다 50℃까지 높은 온도에서 용융금속을 용기에 주입한 다음, 용융금속이 냉각되는 과정에서 금속재료 중의 적어도 일부가 액상선 온도 이하로 되는 시점에서 초음파 진동과 같은 교반 방식에 의해 금속재료에 운동을 가한 후, 금속재료를 서서히 냉각시킴으로써 입자상 결정 형태의 금속조직을 가진 반응고 주조용 금속 슬러리를 제조한다. 이 공개특허문헌에 제시되어 있는 방법으로는, 주탕온도를 액상선 온도보다 높은 수준으로 하므로 입자상의 결정 형태를 얻기가 어려울 뿐만 아니라 용탕을 급속히 냉각시키기도 어려우며, 또한, 표면부와 중심부의 조직이 불균일하게 된다.

또한, 일본공개특허공보 평10-128516호(특허문헌 5)에서는 용융 금속을 용기에 주입한 다음, 진동바를 금속재료 중에 침적시켜 진동력을 금속재료에 전달함으로써, 액상선 온도 이상에서 결정핵을 가진 액체상태의 합금 또는 액상선 이하와 성형온도 이상 사이의 온도범위에서 결정핵을 가진 고액공존상태의 합금을 형성한 후, 소정의 액상율을 나타내는 성형온도까지 금속재료를 용기 내에서 냉각하면서 30초 내지 60분간 유지함으로써 합금 중에 미세한 결정핵을 성장시켜 반용융 금속을 얻는다. 이 공개특허문헌에 개시되어 있는 방법으로 형성되는 결정핵의 크기는 약 100㎛이며, 공정소요시간이 상당히 길고, 소정 크기 이상의 용기에 적용하기가 어렵다.

미국등록특허공보 제3,948,650호 미국등록특허공보 제4,465,118호 미국등록특허공보 제4,694,881호 일본공개특허공보 평11-33692호 일본공개특허공보 평10-128516호

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유동성 확보에 문제가 없는 상태에서 수지상 결정 조직으로부터 구상의 결정립을 용이하게 얻을 수 있고, 형성된 조직이 균일하며, 공정 소요 시간이 짧은 박판의 제조방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.

상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 일면은,

박판 성형 대상 재료를 용융시키기 위한 도가니가 구비된 전기로;

상기 전기로의 도가니로부터의 용융물을 로봇팔에 의해 이송시켜 전자 교반시킴으로써 상기 용융물로부터의 반응고물을 조직 제어하기 위한 전자교반기; 및

상기 전자교반기로부터의 조직 제어된 반응고물을 투입하여 두께 2mm 이하의 박판으로 다이케스팅하기 위한 슬리브가 구비된 다이케스팅 장치를 포함하여 이루어지되,

상기 로봇팔에는 상기 도가니로부터의 용융물과 상기 전자교반기로부터의 반응고물을 떠서 후공정으로 이송시키기 위한 래들(ladle)이 구비되어 있고, 상기 로봇팔의 최대 작동 반경 내에 상기 도가니와 상기 전자교반기와 상기 슬리브가 순차적으로 배치되어 있어, 상기 로봇팔의 동작에 의해 상기 래들이 상기 도가니로부터 전자교반기를 거쳐 상기 슬리브에 이르기까지 상기 용융물 또는 반응고물을 순차적으로 이송할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반응고 성형에 의한 박판 제조 장치를 제공한다.

상기 로봇팔은 허브에 연결되는 제1로봇팔과 상기 제1로봇팔의 상부에서 상기 제1로봇팔에 대하여 회전 가능하게 연결되는 제2로봇팔로 구성되어 있으며, 상기 제1로봇팔의 상면에는 상기 제2로봇팔의 회전을 구속 및 감지하기 위한 감지부가 돌출된 상태로 구비된다.

상기 감지부에는 상기 제2로봇팔의 회전에 따라 접촉하여 동작하는 스위칭부가 상기 제2로봇팔의 회전 방향에 대하여 양 측면으로 구비되어 있고, 상기 제2로봇팔이 상기 스위칭부 중의 어느 하나와 접촉할 때 상기 제1로봇팔이 설정된 회전 각도로 회전한 후 상기 제2로봇팔이 설정된 회전 각도로 회전할 수 있도록 구성되어 있어, 그 설정된 회전 각도 값에 따라 상기 도가니로부터의 용융물을 상기 전자교반기로 이송시킨 후, 상기 전자교반기로부터의 반응고물을 상기 슬리브로 순차적이고 연속적으로 자동 이송시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은,

(a) 성형 대상 금속을 그 금속의 액상선보다 10 내지 25℃ 높은 온도에서 용융시킨 후, 냉각시켜 반응고물을 생성시키는 단계;

(b) 상기 단계 (a)로부터의 반응고물을 래들(ladle)에 의해 교반기로 옮긴 후, 그 금속의 액상선 보다 10 내지 25℃ 높은 온도에서 교반하면서 냉각시켜 구상화된 결정립을 생성시키는 단계;

(c) 상기 단계 (b)로부터의 구상화된 결정립이 생성된 반응고물을 이송시켜 다이케스팅하여 두께 2mm 이하의 박판을 제조하는 단계; 및

(d) 필요에 따라, 상기 단계 (c)로부터의 박판을 150 내지 350℃의 온도에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응고 성형에 의한 박판 제조방법을 제공한다.

상기 단계 (b)는 전자적 교반에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 단계 (b)에서 사용되는 래들의 컵 부분을 예열시켜 400 내지 500℃의 온도가 되게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 래들의 컵 부분은 2mm 이하의 두께를 갖는 것이 열 손실 측면에서 유리하다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 제공된다:

첫째, 유동성 확보에 문제가 없다.

둘째, 제조된 박판의 기공 발생의 가능성이 희박하다.

셋째, 구상의 결정 조직을 용이하게 얻을 수 있다.

넷째, 형성된 조직이 균일하다.

다섯째, 공정 소요 시간이 짧다.

여섯째, 금형의 열피로 및 열충격을 줄여 금형 수명을 연장한다.

일곱째, 제품의 수축 및 기공에 의한 결함을 최소화하여 기계적 성질이 우수하다.

여덟째, 슬리브내로의 고속 충진에도 난류가 발생하지 않아 생산성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 반응고 성형에 의한 박판 제조 장치의 요부를 보여주는 개략 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치를 다른 각도에서 바라본 개략 사시도이다.
도 3은 도 2의 A 부분 확대도이다.
도 4 내지 도 6은 도가니로부터의 용융물을 떠서 전자교반기로 옮기고 전작교반기로부터의 조직 제어된 반응고물을 다이케스팅 장치에 마련되어 있는 슬리브에 붓는 공정을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에서 사용되는 A356의 액상선을 보여주는 그래프이다.
도 8 내지 도 17은 하기 실시예 1 내지 10의 결과를 보여주는 조직 제어된 반응고물의 전자현미경 사진이다.
도 18은 온도 조건과 시간 조건에 따른 일반 시편의 기포 형성을 보여주는 사진이다.
도 19는 온도 조건과 시간 조건에 따른 레올로지 시편의 기포 형성을 보여주는 사진이다.
도 20은 본 발명의 공정에 따라 사출된 핸드폰 케이스 사출물을 보여주는 사진이다.
도 21은 본 발명의 공정에 따라 사출된 핸드폰 케이스 사출물에서의 기공도를 보여주는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 공정에 의하지 않고 사출된 핸드폰 케이스 사출물에서의 기공도를 보여주는 그래프이다.

이하, 본 발명은 첨부된 예시 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다. 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 반응고 성형에 의한 박판 제조 시스템(또는 장치)이 개략적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 시스템 또는 장치를 다른 각도에서 바라본 모습이 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 A 부분 확대도가 도시되어 있다. 이들 도면에서 전기로(10), 전자교반기(20) 그리고 래들(35)이 따로 따로 떨어져 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의상 복잡성을 피하기 위해 그러한 것일 뿐, 이들 도면을 볼 때에는 이들 구성요소들이 전체 시스템 또는 장치에서는 제 위치에 장착되어 있는 것으로 여겨져야 할 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 반응고 성형에 의한 박판 제조 시스템 또는 장치는 박판 성형 대상 재료를 용융시키기 위한 전기로(10), 상기 전기로(10)로부터의 용융물을 이송시키기 위한 로봇팔(30), 상기 로봇팔(30)의 이송 중에 냉각된 상기 용융물로부터의 반응고물을 조직 제어하기 위한 전자교반기(20) 및 상기 전자교반기(20)로부터의 조직 제어된 반응고물을 투입하여 2mm 이하의 박판으로 다이케스팅하기 위한 다이케이스팅 장치를 포함한다.

상기 전기로(10)에는 도시된 바와 같이 박판 성형 대상 재료를 담아 용융시키기 위한 도가니(12)가 구비되어 있고, 상기 다이케스팅 장치(40)에는 조직 제어된 반응고물이 투입되는 슬리브(50)가 구비되어 있다.

상기 도가니(12)와 상기 전자교반기(20)와 상기 슬리브(42)는 상기 로봇팔(30)의 최대 작동 반경 내에서 순차적으로 배치된다. 바람직하게는, 상기 도가니(12)와 상기 전자교반기(20)와 상기 슬리브(42)는 로봇팔(30)의 회전 중심점을 기준으로 하여 대체로 동일한 간격으로 배치된다.

상기 로봇팔(30)에는 상기 도가니(12)로부터의 용융물과 상기 전자교반기(20)로부터의 반응고물을 떠서 후공정으로 이송시키기 위한 래들(35)이 구비된다. 이러한 래들(35)에는 도시된 바와 같이 별도의 컵 부분이 구비된다. 미설명 도면부호 22는 실질적으로 안착되어 전자교반이 이루어지는 전자교반홀을 나타낸다.

또한, 상기 로봇팔(30)은 허브에 연결되는 제1로봇팔(32)과 상기 제1로봇팔(32)의 상부에서 상기 제1로봇팔(32)에 대하여 회전 가능하게 연결되는 제2로봇팔(34)로 구성된다. 상기 제1로봇팔(32)의 상면에는 상기 제2로봇팔(34)의 회전을 구속 및 감지하기 위한 감지부(36)가 돌출된 상태로 구비된다. 상기 감지부(36)에는 상기 제2로봇팔(34)의 회전에 따라 접촉하여 동작하는 스위칭부(36a, 36b)가 상기 제2로봇팔(34)의 회전 방향에 대하여 양 측면으로 구비된다. 이와 같은 구성에 의해, 상기 제2로봇팔(34)이 상기 스위칭부(36a, 36b) 중의 어느 하나와 접촉할 때 상기 제1로봇팔(32)이 설정된 회전 각도로 회전한 후 상기 제2로봇팔(34)이 설정된 회전 각도로 회전할 수 있게 된다. 따라서, 그 설정된 회전 각도 값에 따라 상기 도가니(12)로부터의 용융물을 상기 전자교반기(20)로 이송시킨 후, 상기 전자교반기(20)로부터의 반응고물을 상기 슬리브(42)로 순차적이고 연속적으로 자동 이송시킬 수 있게 되는 것이다.

다이케스팅 장치(40)에서의 그 구성과 공정은 당해기술분야에 널리 공지되어 있어 생략하기로 한다.

이하에서는, 상기한 본 발명에 따른 반응고 성형에 의한 박판 제조 장치에서 뿐만 아니라 다양한 방식으로 수행될 수 있는 본 발명에 따른 반응고 성형에 의한 박판 제조방법이 설명된다. 그러나, 하기의 방법은 상기한 본 발명에 따른 반응고 성형에 의한 박판 제조 장치에서 최적으로 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치를 최적으로 운용할 수 있는 본 발명에 따른 방법도 본 발명의 범위에 속한다.

도 4 내지 도 6에는 도가니로부터의 용융물을 떠서 전자교반기로 옮기고 전작교반기로부터의 조직 제어된 반응고물을 다이케스팅 장치에 마련되어 있는 슬리브에 붓는 공정이 순차적으로 도시되어 있다.

도 1 내지 도 3과 함께 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 반응고 성형에 의한 박판 제조 방법은 용탕 온도 컨트롤 단계, 소재 투입 단계, 조직 제어 단계, 슬리브 투입 단계, 제품 성형 단계, 제품 취출 단계 및 이형제 도포 및 에어 도포 단계를 포함한다.

본 발명에서는 박판 제조용 금속으로 반응고 또는 반용융 성형용으로 이용될 수 있는 금속들 또는 이들의 합금이라면 어떠한 것이라도 이용될 수 있으며, 대표적으로는 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 구리, 구리 합금, 아연, 아연 합금, 철 및 철 합금으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금이 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 구체예에서는, 특히 두께 2mm 이하의 박판이 제조된다. 이하에서는 본 발명이 각 단계별로 상세히 설명된다.

용탕 온도 컨트롤 단계 (S100)

먼저, 박판으로 성형하고자 하는 금속을 용기에 넣고 가열하여 용융시킨다. 용기로는 그 자체가 도가니일 수도 있고, 전기로와 같은 로(furnace)일 수 있다. 성형하고자 하는 금속으로는 상기한 바와 같이 그 제한은 없으며, 반응고 또는 반용융 성형용으로 이용될 수 있는 금속들 또는 이들의 합금이라면 금속 또는 합금이라도 이용될 수 있다. 이들 금속 또는 합금의 비제한적인 대표적인 예로는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 구리, 구리 합금, 아연, 아연 합금, 철, 철 합금 등이 언급될 수 있다.

이때, 박판으로 성형하고자 하는 금속은 적어도 그 금속의 액상선 이상의 온도에서 용융 처리된다. 여기서, 액상선이란 합금의 상태도(狀態圖) 중에서 모든 배합 합금의 응고 개시 온도를 연결한 선으로, 다성분계의 상태도에서 액상과 고상 또는 액상과 증기상이 평형을 유지하며 공존하는 온도와 조성의 관계를 나타내는 곡선을 의미한다. 예를 들어 알루미늄 합금인 A356의 경우에는 도 7에 도시된 그래프에서와 같이 약 615℃의 온도가 액상선이므로, 본 발명의 반응고 성형 공정으로 박판, 특히 두께 2mm 이하의 박판을 제조할 때에는, 적어도 약 615℃ 정도의 온도에서 수행되는 것이다. A356은 ASTM(American Society for Testing & Materials)에서 규정한 원소재의 규격으로, 대부분이 Al이고 여기에 Cu, Zn, Mn, Ni, Mo, Si 등의 성분을 소량을 첨가하여 만든 합금 주물이다.

그러나, 박판, 즉 2mm 이하의 박판을 사출할 때에는 액상선이나 액상선 이하의 온도에서 조직 제어 시 결정립의 구상화는 도면에 제시되어 있는 전자현미경 사진에서와 같이 양호하나 실질적으로 성형 시 칠층(응고층)이 생기고 유동층이 얼마 남지 않아 성형상 많은 어려움이 따른다.

이를 보완하기 위하여, 사실상의 본 발명의 용탕 온도 컨트롤 단계에서는 박판으로 성형하고자 하는 소재의 액상선 보다 약 10℃ 내지 25℃ 높은 온도에서 용탕 온도 컨트롤이 이루어진다. 가령, 상기한 바와 같이 성형 대상 박판의 소재로서 알루미늄 합금인 A356을 사용하고자 한다면, 그 액상점이 약 615℃ 이므로 약 625℃ 내지 640℃의 온도에서, 특히 630℃의 온도에서 용탕 온도 컨트롤이 이루어져야 한다. 도 5에는 본 단계를 수행하기 위한 하나의 예로서 도가니에서 소재가 용융되고, 그 용융물을 로봇팔을 이용하여 다음 단계로 이송한다.

소재 투입 단계 (S200)

상기 용탕 온도 컨트롤 단계로부터의 반용융 금속 또는 합금은 예를 들어 상기한 바와 같이 별도의 로봇팔을 이용하여 래들(ladle)(또는 국자)을 사용하여 전자교반기로 이송되어 전자교반된다. 래들은 도 1 및 도 4 내지 도 6에 예시적으로 도시된 바와 같이 실질적으로 금속 소재의 용융물을 이송시킬 수 있는 컵 부분을 포함한다. 래들로는 소재의 투입 시 고온에 녹지 않으면서 조직 제어 시 간섭이 되지 않는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 후술되어 있는 바와 같이 전자적 교반에 의한 반응고물의 조직 제어 시 전자적 교반에 의한 영향을 받지 않는 비자성제 재질이 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 달성하기 위한 래들로는 예를 들어 그래파이트 재질 또는 SUS316L 등이 언급될 수 있다. 또한, 본 소재 투입 단계에서는, 금속 또는 합금의 액상선 보다 약 10℃ 내지 25℃ 높은 온도, 예를 들어 A356의 경우에는 약 625℃ 내지 640℃의 온도를 일정하게 유지하여야 한다. 이때, 외부 온도에 대한 영향을 최소화하기 위해, 본 단계를 개시하기 전에 래들(ladle)을 충분히 예열하여 컵 부분의 온도가 약 400℃ 내지 500℃ 정도의 온도가 되게 한다. 래들의 두께는 일정한 것이 좋으며, 바람직하게는 약 2mm 이하의 두께로 일정한 것이 열 손실을 최소화하기 위해 더욱 더 좋다.

조직 제어 단계 (S300)

상기한 소재 투입 단계(S200)와 동시에 또는 이후에 예를 들어 로봇팔과 래들에 의해 전자교반기로 이송된 박판 형성 대상 소재인 금속 또는 합금을 전자교반한다. 전자적 교반 외에도 기계적 교반, 초음파 교반이 이용될 수 있으나, 본 발명에서와 같이 예를 들어 두께 2mm 이하의 박판을 성형하고자 할 때에는 전자적 교반이 유리하다. 이러한 전자적 교반의 실시 형태는 특히 도 5를 참조하여 이해될 것이다.

본 발명에서는 특히 전자적 교반을 이용하여 교반이 이루어지기 때문에 반응고물의 조직 제어시 수지상 조직(dendrite)이 형성되는 것을 방지하고, 급속도로 저하되는 온도를 균일하게 유지하여 다수의 결정핵이 균일하게 생성 분포되어 결정핵 생성밀도 증가로 결정핵간의 거리가 짧아지게 되어 수지상 결정이 형성되지 않아 독립적으로 성장하는 수지상이 아닌 구상화 입자를 형성하게 된다. 형성 조건은 예를 들어 출력 전압이 2.3V이고, 출력 전류는 32A로 유지하며 약 320gauss의 자력 발생된 교반기에 약 3초간 교반 시 조직 제어가 완료된다.

슬리브 투입 단계 (S400)

그런 다음, 조직 제어가 완료된 소재, 즉, 반응고 상태의 금속 슬러리를 특히 도 6에 도시된 바와 같이 로봇팔을 이용하여 주조 성형 직전 준비 단계인 슬리브에 투입한다.

제품 성형 단계 (S500)

이후, 반응고 슬러리를 금형에 주입하여 최종 성형에 따라 플런저 속도를 저속으로 전진시켜 제품을 성형한다. 이때, 성형 속도는 형상에 따라 다르지만 통상 1.2 내지 2.5mm/sec 으로 성형한다.

제품 취출 단계 및 이형제 도포 및 에어 도포 단계

박판으로의 성형이 완료된 후에는, 이형제 도포 및 에어 도포 과정을 거쳐 한 사이클을 마치게 된다.

이하, 본 발명은 하기의 실시예로 보다 상세하게 설명된다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1-10

반응고물의 조직 제어 및 박판의 제조

박판 성형 대상 금속으로는 알루미늄 합금인 A356을 사용하였다. 알루미늄 합금인 A356의 액상선은 약 610℃와 약 615℃ 사이의 온도 범위에 있다는 것은 도 7을 통해 확인할 수 있다. 본 실시예들에서는 도 1 내지 도 3에 도시된 박판 제조 장치를 사용하여 상기한 바와 같은 방식으로 590℃에서부터 670℃까지의 범위에서 반응고물을 전자적 교반에 의해 조직 제어한 후, 상기한 바와 같은 다이케스팅 장치를 이용하여 두께 1.8mm의 박판을 제조하였다. 이때, 반응고물의 조직 제어는 3A의 전류 인가 조건과 3초간의 조직 제어 조건을 사용하였다. 반응고물의 조직 제어 시 사용된 온도에 따른 결과들은 도 8 내지 도 17 및 하기 표 1에 제시되어 있으며, 표 1에 나타나 있는 온도는 반응고물의 조직 제어를 위한 가열온도이고, 상기 온도에서 냉각되면서 반응고물의 조직 제어가 이루어진다. 이들 도면에 제시된 전자현미경 사진과 하기 표 1에 제시된 결과를 통해서 온도가 낮을수록 구상화가 잘 된다는 것을 알 수 있다.

또한, 이때의 박판 성형성은 하기 표 1에 제시되어 있다. 하기 표 1에서 기호 "☆"는 "아주 좋음"(성형상의 결점이 전혀 없는 경우)을 나타내고, 기호 "◎"는 "좋음"(극소의 결점은 있으나 사용상에는 전혀 문제가 없는 경우)을 나타내며, 기호"○"는 "보통"(약간의 미형성이 나온 경우)을 나타내고, 기호 "×"는 "나쁨"(미형성이 많이 나온 경우)을 나타낸다. 검사 조건으로는, 검사 거리: 300mm +/-50mm, 검사 시간: 10 +/- 5 초, 광도: 1000 +/-200 Lux 로 하여, 육안 식별로 이루어졌다.

A356의 박판 성형성 및 조직 제어 비교

실시예	온도 (℃）	성형성	구상화
1	670	☆	×
2	660	☆	×
3	650	☆	×
4	640	☆	○
5	630	◎	◎
6	620	○	◎
7	615	○	◎
8	610	×	☆
9	600	×	☆
10	590	×	☆

상기 표 1을 통해서, 두께 2mm 이하의 박판으로 다이케스팅시 너무 낮은 온도에서 전자적 교반에 의해 반응고물의 조직 제어가 이루어진 경우에는 박판 성형상 미성형이 나올 가능성이 높다는 것을 알 수 있다. 반대로, 두께 2mm 이하의 박판으로 다이케스팅시 너무 높은 온도에서 전자적 교반에 의해 반응고물의 조직 제어가 이루어진 경우에는 성형성은 우수하나 구상화가 되지 않는 단점이 있다. 이에 대해서는 도 8 내지 도 17을 통해서도 확인된다. 즉, 유동성이 어느 정도 확보되고 구상화 조직이 형성되는 구간은 약 620℃ 내지 640℃가 적합하며, 특히 약 630℃ 정도의 온도에서 유동성 확보와 구상화 조직 형성이 우수하였다.

실험예

1) 인장 강도 등의 평가

반응고 성형에 의하지 않은 인장 시편과, 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 제조하되 반응고물의 조직 제어 온도를 630℃로 하여 제조된 인장 시편을 준비하고 인장 시험기를 사용하여 이들 인장 시편의 항복 강도, 극한 강도 및 연신율을 측정하였다. 또한, 반응고 성형에 의해 제조된 인장 시편을 180℃에서 열처리(에이징, aging) 한 후의 항복 강도, 극한 강도 및 연신율을 측정하였다. 이들 결과는 하기 표 2에 제시되어 있다.

	항복 강도 (MPa)	극한 강도 (MPa)	연신율(%)
A (일반)	122.9	236.8	8.5
B (Rheo)	139.7	223.7	6.0
C (Rheo) 열처리	213	278	3

상기 표 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 일반 주조법 보다 반고상 제어를 했을 때 항복 강도가 13% 상승했지만, 열처리를 했을 때 73% 향상되었다.

2) 열처리 온도에 따른 기포 형성 평가

반응고 성형에 의하지 않은 인장 시편(일반 시편)과, 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 제조하되 반응고물의 조직 제어 온도를 630℃로 하여 제조된 인장 시편(레올로지 시편)에 대하여 열처리한 후의 기포 발생 여부를 비교 평가하였다. 열처리 온도 조건과 기포 발생 여부에 대한 결과는 하기 표 3에 제시되어 있다.

열처리 온도(℃)	열처리 시간(hr)	일반 시편	레올로지 시편
520	3	기포발생	기포발생
500	3	기포발생	기포발생
500	0.5	기포발생	기포발생
470	3	기포발생	기포발생
460	0.5	기포발생	기포발생
450	0.5	기포발생	양호
440	0.3	기포발생	기포발생
430	1.5	기포발생	기포발생
420	2	기포발생	기포발생
400	2	기포발생	기포발생
380	2	기포발생	기포발생
350	1	기포발생	양호
300	3	기포발생	양호
300	1	기포발생	양호
180	2	양호	양호
180	1	양호	양호

상기 표 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 반응고물의 조직 제어를 통해 제조된 레올로지 시편이 열처리 온도 측면에서 180℃에서 뿐만 아니라 350℃까지 광범위하게 분포되어 있어 반응고물의 조직 제어가 없는 인장 시편 보다 유리하다. 즉, 본 발명에 따라 반응고 성형에 의해 제조되는 사출물이 인장 강도 측면 뿐만 아니라 기포 발생 측면에서도 매우 유리하다.

3) 핸드폰 케이스 사출물에 대한 기공도 평가

반응고 성형에 의하지 않고서 제조한 핸드폰 케이스 사출물과 반응고 성형에 의하여 제조한 핸드폰 케이스 사출물에 대한 기공도를 평가하였다. 그 결과는 도 21 및 도 22에 그래프로 제시되어 있다. 도 21과 도 22는 대구기계부품연구원의 시험 성적서 번호 TE-11-00934에 의한다. 도 21은 본 발명에 따라 반응고 성형에 의하여 제조한 핸드폰 케이스 사출물의 기공도를 나타내고, 도 22는 반응고 성형에 의하지 않은 비교용의 핸드폰 케이스 사출물의 기공도를 나타낸다. 여기에서, x-축은 기공의 크기를 나타내고, y-축은 기공의 수를 나타낸다.

이들 그래프를 통해, 본 발명에 의해 제조한 핸드폰 케이스 사출물이 기공의 수가 작고 그 기공의 크기도 작음을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 구체예 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 전기로 12 : 도가니
20 : 전자교반기 22 : 전자교반홀
30 : 로봇팔 32 : 제1로봇팔
34 : 제2로봇팔 35 : 래들
36 : 감지부 36a, 36b : 스위칭부
40 : 다이케스팅 장치 42 : 슬리브

Claims (8)

1. 박판 성형 대상 재료를 용융시키기 위한 도가니가 구비된 전기로;
   상기 전기로의 도가니로부터의 용융물을 로봇팔에 의해 이송시켜 전자 교반시킴으로써 상기 용융물로부터의 반응고물을 조직 제어하기 위한 전자교반기; 및
   상기 전자교반기로부터의 조직 제어된 반응고물을 투입하여 두께 2mm 이하의 박판으로 다이케스팅하기 위한 슬리브가 구비된 다이케스팅 장치를 포함하여 이루어지되,
   상기 로봇팔에는 상기 도가니로부터의 용융물과 상기 전자교반기로부터의 반응고물을 떠서 후공정으로 이송시키기 위한 래들(ladle)이 구비되어 있고, 상기 로봇팔의 최대 작동 반경 내에 상기 도가니와 상기 전자교반기와 상기 슬리브가 순차적으로 배치되어 있어, 상기 로봇팔의 동작에 의해 상기 래들이 상기 도가니로부터 전자교반기를 거쳐 상기 슬리브에 이르기까지 상기 용융물 또는 반응고물을 순차적으로 이송할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반응고 성형에 의한 박판 제조 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 로봇팔은 허브에 연결되는 제1로봇팔과 상기 제1로봇팔의 상부에서 상기 제1로봇팔에 대하여 회전 가능하게 연결되는 제2로봇팔로 구성되어 있으며, 상기 제1로봇팔의 상면에는 상기 제2로봇팔의 회전을 구속 및 감지하기 위한 감지부가 돌출된 상태로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 반응고 성형에 의한 박판 제조 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 감지부에는 상기 제2로봇팔의 회전에 따라 접촉하여 동작하는 스위칭부가 상기 제2로봇팔의 회전 방향에 대하여 양 측면으로 구비되어 있고, 상기 제2로봇팔이 상기 스위칭부 중의 어느 하나와 접촉할 때 상기 제1로봇팔이 설정된 회전 각도로 회전한 후 상기 제2로봇팔이 설정된 회전 각도로 회전할 수 있도록 구성되어 있어, 그 설정된 회전 각도 값에 따라 상기 도가니로부터의 용융물을 상기 전자교반기로 이송시킨 후, 상기 전자교반기로부터의 반응고물을 상기 슬리브로 순차적이고 연속적으로 자동 이송시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 반응고 성형에 의한 박판 제조 장치.
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