KR101575659B1 - 주조방법 - Google Patents

Abstract

상하 이동 할 수 있는 하부 구동식 스토퍼가 메인 챔버에 형성된 구멍을 열어 주조장치의 내부에 수용된 용융금속을 노즐을 통해 주형에 주입하고, 상기 하부 구동식 스토퍼가 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 닫아 상기 주조장치의 내부에 수용된 용융금속의 주입을 중단함으로써 상기 용융금속을 상기 주형에 순차적으로 분할 주입하는 단계; 및 상기 주형 내에 상기 용융금속이 분할 주입되어 상기 용융금속이 점진적 응고되는 단계;를 포함하고, 상기 하부 구동식 스토퍼는, 상기 하부 구동식 스토퍼의 상부가 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 개폐할 수 있도록 형성됨으로써 상기 용융금속의 유동 변화를 최소화할 수 있는, 주조방법을 제공한다.

Description

주조방법{Method of casting}

본 발명은 주조품의 주조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 주조품 내에 수축공이 없으며, 주조회수율이 높은 금속 주조품을 제조할 수 있는 주조방법에 관한 것이다.

기존의 정적 주조(static shape casting) 공정에서는 전체의 용융금속을 1회에 주입한 후 응고가 완료된 다음 주조품을 취출하고 있다. 기존의 주조공정에서는 액체와 고체의 밀도차로 인해 액체에서 고체로 응고하는 과정에서 필수적으로 발생하는 수축공을 주조품 이외의 위치로 유도하기 위해 주조 설계를 통해 압탕, 탕구, 러너 등을 설치하고 응고 후에 이들을 주조품과 분리하는 후공정을 통해 형상을 갖는 주조품을 제조하고 있다. 이에 의하면 전체 주조량에 대해 주조품이 차지하는 비율인 주조 회수율이 60% 정도로 낮고, 후공정에 따른 추가 비용 및 공정시간이 소요되어 주조품 단가 상승의 주요인이 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 주조품 내에 수축공이 없으며, 주조 회수율이 높은 주조품의 주조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 수축공이 없으며, 주조 회수율이 높은 주조품의 주조방법은 상하 이동 할 수 있는 하부 구동식 스토퍼가 메인 챔버에 형성된 구멍을 열어 주조장치의 내부에 수용된 용융금속을 노즐을 통해 주형에 주입하고, 상기 하부 구동식 스토퍼가 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 닫아 상기 주조장치의 내부에 수용된 용융금속의 주입을 중단함으로써 상기 용융금속을 상기 주형에 순차적으로 분할 주입하는 단계; 및 상기 주형 내에 상기 용융금속이 분할 주입되어 상기 용융금속이 점진적 응고되는 단계;를 포함하고, 상기 하부 구동식 스토퍼는, 상기 하부 구동식 스토퍼의 상부가 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 개폐할 수 있도록 형성됨으로써 상기 용융금속의 유동 변화를 최소화할 수 있다.

상기 하부 구동식 스토퍼가 하강하여 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 닫아 상기 주조장치의 내부에 수용된 상기 용융금속의 주입을 차단하고, 상기 하부 구동식 스토퍼가 상승하여 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 열어 상기 주형에 순차적으로 분할 주입할 수 있다.

상기 하부 구동식 스토퍼가 상승하여 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 닫아 상기 주조장치의 내부에 수용된 상기 용융금속의 주입을 차단하고, 상기 하부 구동식 스토퍼가 하강하여 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 열어 상기 주형에 순차적으로 분할 주입할 수 있다.

상기 하부 구동식 스토퍼는, 상기 하부 구동식 스토퍼가 상기 메인 챔버의 구멍과 접하는 부분은 테이퍼가 형성되어 상기 노즐의 개구를 점차적으로 개방하거나 폐쇄할 수 있어 상기 용융금속의 주입속도를 제어할 수 있다.

승하강 이동이 가능한 상기 노즐이 제 1 위치에서 대기하다가 상기 제 1 위치와 레벨(level)이 상이한 제 2 위치로 이동하여, 상기 주조장치의 내부에 수용된 상기 용융금속을 상기 주형에 순차적으로 분할 주입하는 단계; 및 상기 주형 내의 상기 용융금속이 점진적 응고되는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 제 2 위치와 상기 주형과의 거리는 상기 제 1 위치와 상기 주형과의 거리보다 더 가까운 거리에 위치함으로써 상기 주형 내에서 상기 용융금속의 난류 발생을 제어할 수 있다.

상기 제 2 위치는 상기 제 1 위치보다 더 낮은 곳에 위치함으로써 상기 주형 내에서 상기 용융금속의 난류 발생을 제어할 수 있다.

상기 노즐은 배플(baffle)과 결합되어 상기 용융금속이 상기 주형으로 주입될 때, 상기 용융금속이 고르게 분산된 유동을 가질 수 있도록 상기 용융금속의 주입량 및 주입방향을 제어할 수 있다.

상기 점진적 응고는 주조품 내에 수축공의 발생을 억제하기 위하여, 상기 용융금속의 응고속도에 따라 상기 주형에 주입되는 주입속도, 주입량, 주입 간격 및 주입온도 중 어느 하나 이상을 조절하여 상기 주형에 충전된 상기 용융금속의 액상량, 상기 용융금속의 고액계면의 위치 및 곡률 중 어느 하나 이상을 제어할 수 있다.

상기 점진적 응고되는 단계는 상기 용융금속을 주입할 때마다 상기 주형 내에 수용된 상기 용융금속의 고액계면의 곡률이 순차적으로 작아지도록, 상기 용융금속을 분할하여 상기 주형에 순차적으로 주입하되, 주입 간격을 두어 불연속적으로 반복해서 주입하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 주입 간격은 상기 용융금속을 복수회 주입하는 동안 상기 주형 내에 수용된 상기 용융금속의 미응고 액상의 상부면이 상기 주형과 이격되지 않고 접할 수 있도록 설정될 수 있다.

상기 분할 주입하는 단계는 상기 용융금속을 순차적으로 정량 분할하여 주입하는 단계를 복수회 반복할 수 있다.

상기 분할 주입하는 단계는 상대적으로 더 큰 용량의 상기 용융금속을 먼저 주입하고 상대적으로 더 작은 용량의 상기 용융금속을 나중에 주입하도록 순차적으로 분할하여 주입하는 단계를 복수회 반복할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구조가 간단한 하부 구동식 스토퍼를 이용함으로써 주조품 내에 수축공이 없으며, 주조 회수율이 높고, 주조장치의 내구성 향상으로 인해 비용절감 효과를 얻을 수 있는 주조품의 주조방법을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법을 구현하는 주조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1c 및 도 1d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주조방법을 구현하는 주조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법을 구현하는 주조장치의 구성 중 배플의 하부면의 구조를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법을 개략적으로 도해하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

본 실시예를 설명하는 과정에서 언급하는 "상의" 또는 "하의"와 같은 용어들은, 도면에서 도해되는 것처럼, 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 상대적인 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 상대적 용어들은 도면에서 묘사되는 방향과 별도로 구조체의 다른 방향들을 포함하는 것으로 이해될 수도 있다. 예를 들어, 도면들에서 구조체의 상하가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하면 상에 존재할 수 있다. 그러므로 예로써 든, "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향을 기준으로, "상의" 및 "하의" 방향 모두를 포함할 수 있다.

또한, 본 실시예를 설명하는 과정에서, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "연결"된다고 언급할 때는, 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소의 직접 상에 위치하거나, 상기 다른 구성요소에 직접 연결되는 것을 의미할 수도 있으나, 나아가, 하나 또는 둘 이상의 개재하는 구성요소들이 그 사이에 존재할 수 있음을 의미할 수도 있다. 하지만, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소의 "직접 상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "직접 연결"된다거나, 또는 다른 구성요소에"직접 접촉"한다고 언급할 때는, 별도의 언급이 없다면 그 사이에 개재하는 구성요소들이 존재하지 않음을 의미한다.

이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법을 구현하는 주조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법을 구현하는 주조장치(1)는 주형(80) 내에 형성된 주조공간(85)을 충전할 수 있는 용융금속(71)을 주입하는 장치이다. 주조장치(1)는 용융금속(71)을 수용할 수 있는 메인 챔버(40), 메인 챔버(40)에 형성된 구멍(40a)과 직접 연통됨과 동시에 메인 챔버(40)의 하부로부터 돌출 설치되어 용융금속(71)의 출입용 유로를 제공하는 노즐(34), 메인 챔버(40)에 형성된 구멍(40a)을 개폐할 수 있도록 메인 챔버(40)의 하부에 형성된 상하 이동 할 수 있는 하부 구동식 스토퍼(41) 및 메인 챔버(40)에 형성된 구멍(40a)을 개폐함으로써 용융금속(71)을 분할하여 주조공간(85)에 복수회에 걸쳐 순차적으로 주입하되, 주형(80) 내에 수용된 용융금속(71)의 미응고 액상의 상부면이 주형(80)과 이격되지 않고 접할 수 있도록 설정된 주입간격을 두어 불연속적으로 주입할 수 있도록 조절하는 제어부(미도시)를 포함한다.

한편, 종래의 스토퍼의 경우 스토퍼의 하부가 메인 챔버에 형성된 구멍을 개폐할 수 있게 설치됨으로써 용융금속 내부에 스토퍼가 잠겨 용융금속의 유동 변화에 많은 영향을 끼칠 수 있다. 반면에, 본 발명의 하부 구동식 스토퍼(41)는 하부 구동식 스토퍼(41)의 상부가 메인 챔버(40)에 형성된 구멍을 개폐할 수 있도록 형성됨으로써 용융금속(71)과 맞닿는 부분이 종래의 스토퍼보다 상대적으로 적어 용융금속(71)의 유동 변화를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 용융금속(71)의 유동 변화가 적으면 점진적 응고가 더 잘 수행될 수 있어, 수축공이 없는 주조품을 제조하는데 용이하다.

주조장치(1)의 노즐(34)은 승하강 이동이 가능한 구조를 갖는다. 주조장치(1)의 메인 챔버(40)의 하부에 홈이 형성되어 상기 홈을 따라 노즐이 업 또는 다운될 수 있다. 여기에서 도시되지 않았으나, 노즐(34)은 구동부(미도시)에 의해 수직으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 도 1a처럼 노즐(34)이 제 1 위치에서 대기할 수 있다. 대기 상태에서는 하부 구동식 스토퍼(41)가 하부로 내려와 메인 챔버(40)에 형성된 구멍(40a)을 닫아 용융금속(71)을 주형으로 주입할 수 없도록 제어하고 있다.

만약, 제 1 위치에서 용융금속(71)을 주형(80)에 주입한다면, 노즐(34)과 주형(80) 사이의 거리가 멀어 낙차가 크기 때문에 주형(80)에 주입된 용융금속(71)의 내부에 난류(turbulence)가 많이 발생할 수 있다. 난류가 많이 발생한다면, 최종적으로 제조가 완료된 주조품의 내부에 수축공이 많이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 도 1b처럼 노즐(34)이 메인 챔버(40)의 하부에 형성된 가이드(40b)를 따라 이동하여 상기 제 1 위치와 레벨(level)이 상이한 제 2 위치에 배치될 수 있다.

이 때, 하부 구동식 스토퍼(41)가 도 1b처럼 상승하면서 메인 챔버(40)에 형성된 구멍(40a)을 열어 용융금속(71)을 주형(80)으로 주입할 수 있다. 이와 반대로, 하부 구동식 스토퍼(41)가 도 1a처럼 하강하면서 용융금속(71)의 주입을 중단할 수 있다. 이렇게 하부 구동식 스토퍼(41)가 메인 챔버(40)의 하부에 형성됨으로써 하부 구동식 스토퍼(41)의 구조가 간단하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 하부 구동식 스토퍼(41)의 길이나 크기가 종래의 스토퍼의 구조보다 더 작거나 짧게 설계될 수 있다. 하부 구동식 스토퍼(41)가 상하로 이동할 수 있도록 조절할 수 있는 구동부(미도시)도 메인 챔버(40)의 하부에 형성됨으로써 구동부(미도시)는 용융금속(71)에 의해 부식되거나 손상되지 않으므로 구동부(미도시)의 내구성도 향상될 수 있다. 이렇게 노즐(34)과 주형(80) 간 거리가 짧아서 용융금속(71)을 주형(80) 내에 안정적으로 천천히 주입할 수 있다. 이에 주형(80)에 주입된 용융금속(71)은 난류가 적게 발생할 수 있다.

정리하면, 승하강 이동이 가능한 노즐(34)이 제 1 위치에서 대기하다가 노즐(34)이 제 2 위치로 이동하고, 하부 구동식 스토퍼(41)도 상승하면서 메인 챔버(40)에 형성된 구멍이 개방되어, 주조장치(1)의 내부에 수용된 용융금속(71)을 주형(80)에 순차적으로 분할 주입하는 단계 및 주형(80) 내의 용융금속(71)이 점진적 응고되는 단계를 포함하고, 제 2 위치에서 주형(80) 내에 용융금속(71)을 주입함으로써 주형(80) 내에서 용융금속(71)의 난류(turbulence) 발생을 제어할 수 있다.

예를 들면, 제 2 위치와 주형(80)과의 거리는 제 1 위치와 주형(80)과의 거리보다 더 가까운 거리에 위치할 수 있다. 즉, 제 2 위치는 제 1 위치보다 더 낮은 곳에 위치함으로써 주형(80) 내에서 용융금속(71)의 난류 발생을 제어할 수 있다.

도 1c 및 도 1d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주조방법을 구현하는 주조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1c 및 도 1d를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 하부 구동식 스토퍼(41a)를 도시한 것으로, 메인 챔버(40) 내에 수용된 용융금속(71)을 주형(80)에 순차적으로 분할 주입할 때, 하부 구동식 스토퍼(41a)가 도 1d처럼 하강하면서 메인 챔버(40)에 형성된 구멍(40a)을 열어 용융금속(71)을 주형(80)으로 주입할 수 있다. 이와 반대로, 하부 구동식 스토퍼(41a)가 도 1c처럼 상승하면서 용융금속(71)의 주입을 중단할 수 있다. 좀 더 상세하게 살펴보면, 도 1c에 도시된 하부 구동식 스토퍼(41a)의 동작 원리는 도 1a에 도시된 하부 구동식 스토퍼(41)와 동작원리가 상반된다. 하부 구동식 스토퍼(41a)는 도 1a에 도시된 하부 구동식 스토퍼(41)보다 주조장치(1) 내에 수용된 용융금속(71)과 접촉하는 부분이 더 작아 용융금속(71)의 유동 변화를 더 최소화할 수 있는 효과가 있다. 예를 들면, 도 1c 및 도 1d에 도시된 하부 구동식 스토퍼(41a)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 하부 구동식 스토퍼(41)와 반대로, 하부 구동식 스토퍼(41a)가 하강하면서 주조장치(1) 내에 수용된 용융금속(71)을 주형(80)에 주입할 수 있으며, 이와 반대로, 하부 구동식 스토퍼(41a)가 상승하면서 주조장치(1) 내에 수용된 용융금속(71)이 주입을 중단할 수 있다. 이 경우, 도 1c 및 도 1d에 도시된 하부 구동식 스토퍼(41a)가 도 1a 및 도 1b에 도시된 하부 구동식 스토퍼(41)보다 용융금속(71)과 맞닿는 부분이 적어 주조장치(1)에 수용된 용융금속(71)의 유동 변화에 영향을 덜 끼치게 될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법을 구현하는 주조장치의 구성 중 배플의 하부면의 구조를 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 2를 참조하면, 노즐(34)은 배플(baffle, 35)을 포함할 수 있다. 먼저 도 1b의 N부분에 의하면, 도 1b의 N부분은 노즐(34)과 배플(35)의 결합부분을 도식적으로 도해한 도면으로서, 용융금속(71)이 노즐(34)의 상부에서 하부로 화살표 방향을 따라 이동되어 슬릿(35a)으로 배출되는 도면이다. 배플(35)의 하부면의 가장자리에 원형으로 이루어진 슬릿(35a)에 의해 주형(80)에 천천히 주입될 수 있다.

한편, 배플(35)은 노즐(34)의 일 측에 결합되어 형성될 수 있지만 이격되어 배치될 수도 있다. 배플(35)의 형상은 전체적으로 직선 또는 곡선형으로 이루어질 수 있으나 뿔, 각 또는 돔(dome) 형상 중 어느 하나의 형태로 설계될 수도 있다. 예를 들면, 도 1b에서는 돔 형상처럼 가운데가 위로 볼록한 형태의 배플(35)을 사용하여 도시하고 있다. 배플(35)의 주변은 히터(미도시)에 의해 가열될 수 있다.

또한, 배플(35)은 배플(35)의 중심축을 기준으로 방위각 방향 또는 방사형(radial form)으로 형성된 복수의 슬릿(slit, 35a)을 포함할 수 있다. 슬릿(35a)은 소정의 각도를 갖고, 배플(35)의 상부에서 하부로 관통된 유로로서 용융금속(71)의 이동 경로를 제공할 수 있다. 배플(35)은 배플(35)에 주입된 용융금속의 일부를 슬릿(35a)을 통하여 통과시키고, 용융금속(71)의 다른 일부의 이동을 방해하여 용융금속(71)의 유동 경로 및 유동 속도를 제어할 수 있다. 배플(35)의 직경은 노즐(34)의 직경보다 크거나 유사하게 설계될 수도 있다. 슬릿(35a)은 배플(35)의 중심축을 기준으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 슬릿(35a)은 서로 다른 반경을 가질 수 있다. 슬릿(35a)의 폭은 반경에 따라 다를 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 주조방법은 상술한 구성요소인 배플(35)과 결합된 노즐(34)을 이용함으로써 용융금속(71)의 주입량 및 주입방향을 제어할 수 있다. 슬릿(35a)을 통과한 용융금속(71)은 넓고 고르게 분산된 유동을 가질 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 의한 배플(35)의 구조는 원 형상을 가진 슬릿(35a)이 배플(35)의 가장자리에 형성될 수 있다.

또한, 배플(35)의 하부면의 형상은 원 형상뿐만 아니라 다른 형상으로 슬릿(35a)을 설계할 수도 있다. 이와 같은 다양한 구조의 슬릿(35a)은, 용융금속(71)의 주입량, 주입방향 및 주입되는 속도를 제어할 수 있고, 이에 따라 용융금속(71)의 주입속도가 느려 천천히 주형(80)에 공급될 수 있다. 이는 주형(80) 내에서 용융금속(71)이 충분히 응고될 수 있어 점진적 응고가 더 잘 수행될 수 있다.

한편, 배플(35)의 하부면의 형상은 구형상의 슬릿(35a)이 배플(35)의 중심축을 기준으로 방사상으로 배치될 수도 있다. 주조품의 형상에 따라서 주형(80)의 구조가 변형될 수 있으며, 이에 의해 용융금속(71)의 주입량 및 주입방향을 슬릿(35a)의 배치에 따라 제어할 수 있다. 또, 배플(35)을 사용함으로써 용융금속(71)의 응고속도를 제어하는 효과를 얻을 수도 있다.

주형(80) 내에서 주조품을 제조할 때, 용융금속(71)이 주형(80)에 접하는 부분의 냉각속도가 주형(80)의 주조공간(85)의 중앙부분의 냉각속도보다 더 빠르기 때문에 주조품의 내부에 수축공이 발생할 확률이 용융금속(71)의 냉각속도를 제어한 경우보다 더 높다. 따라서, 주형(80)에 접하는 면의 냉각속도가 빠르기 때문에 주형(80)의 바깥쪽에 온도가 높은 용융금속(71)을 지속적으로 공급할 경우, 용융금속(71)의 냉각속도를 제어하여 점진적 응고가 용이하게 일어날 수 있다. 좀 더 상세한 설명은 도 4를 참조하여 후술한다.

또한, 배플(35)은 용융금속(71)을 더 넓고 고르게 분산시킬 수 있도록 복층 구조를 가질 수도 있다. 복수개의 배플(미도시)은 동일한 곡률반경을 가질 수 있지만 서로 다른 곡률반경을 가질 수도 있다. 복수개의 배플(미도시)은 용융금속(71)을 보다 넓고 고르게 분산시킬 수 있도록 상부에 배치된 배플(미도시)의 곡률반경은 하부에 배치된 배플(미도시)의 곡률반경보다 더 큰 곡률반경을 가질 수 있다.

다시 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 하부 구동식 스토퍼(41)는 메인 챔버(40)의 구멍(40a)을 개폐할 수 있도록 메인 챔버(40)의 하부에 구성된다. 일 실시예에서 하부 구동식 스토퍼(41)는 노즐(34)을 관통하여 케이스 바깥으로 연장되는 봉 형상으로 이루어질 수 있다. 또, 하부 구동식 스토퍼(41)의 승하강이 가능하도록 메인 챔버의 하부에 설치된 공압 실린더(미도시)로 구성되어 있으며, 하부 구동식 스토퍼(41)가 메인 챔버(40)의 구멍(40a)과 접하는 부분은 테이퍼가 형성되어 노즐(34)의 내부 개구를 점차적으로 개방 및 폐쇄하도록 구성될 수 있다.

제어부(미도시)는 공압 실린더(미도시)를 통하여 하부 구동식 스토퍼(41)의 움직임을 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(미도시)는, 예를 들어, 메인 챔버(40)에 수용된 용융금속(71)의 무게 및/또는 압력을 측정함으로써, 소정의 용량을 가지는 용융금속(71)을 메인 챔버(40)의 구멍(40a)을 통하여 노즐(34)로 유출될 수 있도록 하부 구동식 스토퍼(41)의 승하강 시간을 결정할 수 있다.

또한, 제어부(미도시)는 하부 구동식 스토퍼(41)의 움직임뿐만 아니라, 노즐(34)의 움직임도 제어할 수 있다. 제어부(미도시)는 메인 챔버(40)의 하부에 돌출되어 형성된 노즐(34)을 상부와 하부로 승하강 이동될 수 있도록 제어하고, 노즐(34)의 위치에 따라 하부 구동식 스토퍼(41)의 동작을 제어함으로써 주형(80)에 주입되는 용융금속(71)의 난류 발생을 제어할 수 있다. 이에 따라 수축공이 없는 주조품을 제조할 수 있다.

상술한 구성요소를 포함하는 주조장치(1)는 다양한 형태로 구현될 수 있으므로, 도 1a 및 도 1b에 도시된 구성에 의하여 본 발명의 기술적 사상에 한정되는 것이 아님을 이해하면서, 주조장치(1)의 나머지 구성에 대하여 설명한다.

주조장치(1)는 케이스(30), 케이스(30) 내부에 설치되는 내화물제 히터부(31), 히터부(31)의 메인 챔버 쪽 내벽면에 매설되는 히터열선(32), 가스주입용 파이프(51) 및 진공형성용 파이프(61)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

케이스(30)는 외부로부터 밀폐된 통형상을 갖는다. 케이스(30) 내부에 설치되는 히터부(31)는 내화물로 만들어져 내부에 수용되는 용융금속(71)의 열이 외부로 방출되는 것을 단열하여 용융금속(71)의 온도 저하를 최소화한다. 또한, 히터부(31) 내부에 매설된 히터열선(32)에는 전원(33)이 연결되는 전열히터로 구성된다. 전원(33)은 히터(32)에 외부 전원을 인가하도록 구성된 전원 및 전기선으로 형성되며, 전기선은 메인 챔버(40)의 벽체 내부에 설치된 히터(32)에서 메인 챔버(40)와 후술하는 케이스(30)를 관통하여 외부로 연장될 수 있다.

가스주입용 파이프(51)는 메인 챔버(40)의 내부로 질소나 불활성 가스를 주입할 수 있도록 제공된다. 진공형성용 파이프(61)는 메인 챔버(40)의 내부에 존재하는 가스 및 공기를 외부로 배출하도록 가스주입용 파이프(51)와 동일하게 케이스(30)를 관통하여 외부로 연결된 관으로 구성된다. 가스주입용 파이프(51)와 진공형성용 파이프(61)에 가스탱크(50)와 진공탱크(60)가 각각 연결된다. 진공탱크(60)는 케이스(30)의 외부로 돌출된 진공형성용 파이프(61)에 연결된 탱크로 구성되며, 진공탱크(60)에 결합된 진공펌프의 동작에 의해 진공탱크(60)에는 진공압이 형성되어 있다.

주조장치(1)는, 경우에 따라서는, 래들의 형태를 가질 수 있으며, 상기 래들은 작업장의 천장에 설치된 레일(10)에 설치된 호이스트 등과 같은 인양설비에 의해 승하강됨과 동시에 레일(10)을 따라 이동될 수도 있다. 이 경우, 케이스(30)는 히터부(31) 및 메인 챔버(40)를 내부에 수용하여 감싸도록 형성되며, 상부에는 고리부재(12)가 형성되어 별도의 와이어 등을 이용하여 레일(10)에 설치된 인양설비에 의해 승하강됨과 동시에 상기 레일(10)을 따라 이동할 수 있다. 한편, 주조장치(1)는 상기 래들의 형태가 아니라 지상에 고정된 메인 프레임 상에 배치될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법을 개략적으로 도해하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법은 1차 용융금속 주입(S10), 1차 응고(S20), 2차 용융금속 주입(S30) 및 2차 응고(S40)되는 단계를 포함할 수 있다. 1차 용융금속 주입(S10)하는 단계는 소정의 용융금속을 분할하여 주조장치에 공급함으로써 배플에 구비된 슬릿을 통과하여 주형 내에 주입될 수 있다. 이렇게 주입된 용융금속은 1차 응고(S20)될 수 있다. 2차 용융금속 주입(S30)하는 단계는 소정의 용융금속 중 나머지를 분할하여 주조장치에 공급할 수 있다. 이렇게 주입된 용융금속은 2차 응고(S40)될 수 있다. 도 3에서는 2차 응고까지만 도시되어 있지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 주조방법은, S10 단계와 S20 단계를 하나의 단위 사이클로 복수회 반복적으로 수행할 수 있다. 상기와 같은 방법을 이하에서 점진적 응고라 할 수 있다. 점진적 응고에 의해 제조된 주조품은 내부에 수축공이 없고, 다양한 형상의 슬릿이 형성된 배플을 이용함으로써 점진적 응고가 보다 더 용이하게 수행될 수 있다.

도 1 및 도 4를 참조하여 더 상세하게 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법은 주형(80) 내에 형성된 주조공간(85)을 충전(filling)할 수 있는 용융금속(71)을 주입하는 주조방법으로서, 용융금속(71)을 분할하여 주조공간(85)에 순차적으로 주입하되, 주입간격을 두어 불연속적으로 복수회 주입하는 단계를 포함한다.

예를 들어, 제 1 차 용융금속을 주입하는 단계, 제 1 차 주입간격 동안 추가적인 용융금속을 주입하지 않고 제 1 차 용융금속의 적어도 일부가 응고하는 단계, 제 2 차 용융금속을 주입하는 단계, 제 2 차 주입간격 동안 추가적인 용융금속을 주입하지 않고 제 2 차 용융금속의 적어도 일부가 응고하는 단계를 순차적으로 수행할 수 있으며, 이와 유사한 방식의 단계들을 계속하여 수행함으로써, 주형(80)의 주조공간(85)을 충전하여 주조품을 형성할 수 있다.

상기 제 1 차 용융금속 내지 상기 제 2 차 용융금속은 각각 동일한 용량을 가질 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법은 주조공간(85)에 충전될 용융금속(71)을 정량분할하여 분할된 상기 용융금속을 각각 주조공간(85)에 순차적으로 주입하되, 주입간격을 두어 불연속적으로 복수회 주입하는 단계를 포함할 수 있으며, 이러한 주조방법을 이하에서 정량주입 방식의 주조방법으로 명명한다.

한편, 상기 제 1 차 용융금속 내지 상기 제 2 차 용융금속 중 적어도 어느 하나는 적어도 다른 어느 하나와 서로 다른 용량을 가질 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법은 주조공간(85)에 충전될 용융금속(71)을 분할하되, 분할된 상기 용융금속의 적어도 어느 하나는 분할된 상기 용융금속의 적어도 다른 어느 하나와 용량이 서로 다르도록 분할하며, 분할된 상기 용융금속을 각각 주조공간(85)에 순차적으로 주입하되, 주입간격을 두어 불연속적으로 복수회 주입하는 단계를 포함할 수 있으며, 이러한 주조방법을 이하에서 가변주입 방식의 주조방법으로 명명한다.

특히, 가변주입 방식의 주조방법 중에서도, 주조공간(85)에 충전될 용융금속(71)을 분할하되, 분할된 상기 용융금속의 적어도 어느 하나는 분할된 상기 용융금속의 적어도 다른 어느 하나와 용량이 서로 다르도록 분할하며, 상대적으로 더 큰 용량의 용융금속을 먼저 주입하고 상대적으로 더 작은 용량의 용융금속을 나중에 주입하도록 순차적으로 주입하되, 주입간격을 두어 불연속적으로 복수회 주입하는 주조방법이 주조품 내에 수축공의 발생을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법은, 주조품 내에 수축공 발생을 억제할 수 있도록 용융금속(71)의 응고속도에 따라 주형(80)에 주입되는 주입속도, 주입량, 주입간격 및 주입온도 중 어느 하나 이상을 조절하여 주조공간(85)에 충전된 용융금속(71)의 액상량, 용융금속(71)의 고액계면의 위치 및 곡률 중 어느 하나 이상을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 특히, 이러한 주조방법을, 이하에서, 계면제어형 점진 주조 공정(IPC, Interface-controlled Progressive Casting)으로 명명한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법은, 용융금속(71)을 분할하여 주조공간(85)에 순차적으로 주입하되, 주입간격을 두어 불연속적으로 복수회 주입하는 단계를 포함하며, 상기 주입간격은, 용융금속(71)을 복수회 주입하는 동안, 주형(80) 내에 수용된 용융금속(71)의 미응고 액상의 상부면이 주형(80)과 이격되지 않고 접할 수 있도록 설정될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 주조방법은, 용융금속(71)을 순차적으로 주입할 때마다 주형(80) 내에 수용된 용융금속(71)의 고액계면(S/L)의 곡률이 순차적으로 작아지도록, 용융금속(71)을 분할하여 주조공간(85)에 순차적으로 주입하되, 주입간격을 두어 불연속적으로 복수회 주입하는 단계를 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 4의 (a)를 참조하면, 주형(80)의 주조공간 내에 소정의 용량을 가지는 제 1 차 용용금속을 주입하고 제 1 차 주입간격 동안 상기 제 1 차 용용금속의 적어도 일부가 응고되도록 유지할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 주입간격이 지난 시점에서, 주형(80) 내에 수용된 상기 제 1 차 용용금속은 응고된 고상(71_1S)과 아직 미응고된 액상(71_1L)으로 구분될 수 있으며, 고상(71_1S)과 액상(71_1L)의 고액계면(S/L)은 제 1 곡률을 가질 수 있다.

도 4의 (b)를 참조하면, 상기 제 1 주입간격 이후에 주형(80)의 주조공간 내에 소정의 용량을 가지는 제 2 차 용용금속을 주입하고, 계속하여, 제 2 차 주입간격 동안 상기 제 2 차 용용금속의 적어도 일부가 응고되도록 유지할 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 주입간격이 지난 시점에서, 주형(80) 내에 수용된 상기 제 1 차 용용금속은 전부 또는 일부가 응고된 고상(71_1S)으로 존재하며, 상기 제 2 차 용용금속은 응고된 고상(71_2S)과 아직 미응고된 액상(71_2L)으로 구분될 수 있으며, 고상(71_2S)과 액상(71_2L)의 고액계면(S/L)은 제 2 곡률을 가질 수 있다.

도 4의 (c)를 참조하면, 상기 제 2 주입간격 이후에 주형(80)의 주조공간 내에 소정의 용량을 가지는 제 3 차 용용금속을 주입하고, 계속하여, 제 3 차 주입간격 동안 상기 제 3 차 용용금속의 적어도 일부가 응고되도록 유지할 수 있다. 이 경우, 상기 제 3 주입간격이 지난 시점에서, 주형(80) 내에 수용된 상기 제 2 차 용용금속은 전부 또는 일부가 응고된 고상(71_2S)으로 존재하며, 상기 제 3 차 용용금속은 응고된 고상(71_3S)과 아직 미응고된 액상(71_3L)으로 구분될 수 있으며, 고상(71_3S)과 액상(71_3L)의 고액계면(S/L)은 제 3 곡률을 가질 수 있다.

또한, 용융금속(71)을 복수회 주입하는 동안, 주형(80) 내에 수용된 용융금속(71)의 미응고 액상의 상부면이 주형(80)과 이격되지 않고 접할 수 있도록(도 4에서 점선으로 표시된 A영역 참조) 상기 주입간격을 설정하는 경우, 수축공의 발생이 억제되거나 최소화될 수 있다.

예를 들어, 상기 제 1 차 용용금속을 주입하는 단계와 상기 제 2 차 용융금속을 주입하는 단계 사이에 개재되는 상기 제 1 차 주입간격은 주형(80) 내에 수용된 제 1 차 용융금속의 미응고 액상(71_1L)의 상부면이 주형(80)과 이격되지 않고 접하도록 설정될 수 있다. 만약, 상기 제 1 차 주입간격을 도과한 시점에서 상기 제 2 차 용융금속을 주입한다면, 상기 제 2 차 용융금속을 주입하기 이전에 상기 제 1 차 용융금속의 미응고 액상(71_1L)에 대하여 응고가 더 진행되어 미응고 액상(71_1L)의 상부면과 주형(80)이 이격되면서 용탕의 수평면에 나란한 방향으로 응고가 진행되면서 수축공이 용이하게 발생할 수 있다.

한편, 용융금속(71)을 주형(80)에 순차적으로 주입할 때마다, 예를 들어, 주형(80) 내에 수용된 제 1 차 용융금속의 고상(71_1S)과 액상(71_1L)에 의하여 정의되는 고액계면(S/L)의 상기 제 1 곡률보다 제 2 차 용융금속의 고상(71_2S)과 액상(71_2L)에 의하여 정의되는 고액계면(S/L)의 제 2 곡률이 더 작고, 제 3 차 용융금속의 고상(71_3S)과 액상(71_3L)에 의하여 정의되는 고액계면(S/L)의 상기 제 3 곡률이 상기 제 2 곡률보다 더 작아지도록, 용융금속(71)을 분할하여 주조공간(85)에 순차적으로 주입하는 경우, 수축공의 발생이 억제되거나 최소화될 수 있음을 확인하였다. 여기에서 곡률이라 함은 곡률 반경의 역수이며, 곡률 반경은 곡선(고액계면)의 일부분을 원호로 간주할 때 상기 원호의 반지름을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 주조방법은 주조장치의 하부에 형성된 상하 이동 할 수 있는 하부 구동식 스토퍼를 이용하여 용융금속을 주형 내로 주입할 수 있다. 하부 구동식 스토퍼는 하부 구동식 스토퍼의 상부가 메인 챔버에 형성된 구멍을 개폐할 수 있도록 메인 챔버의 하부에 형성됨으로써 주형 내에 수용된 용융금속의 유동 변화를 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 하부 구동식 스토퍼가 메인 챔버의 구멍과 접하는 부분은 테이퍼가 형성되어 노즐의 개구를 점차적으로 개방하거나 폐쇄할 수 있다. 이에 따라, 주형으로 주입되는 용융금속의 주입속도를 제어할 수 있다.

또한, 주조장치의 상하로 승하강 이동이 가능한 노즐을 이용함으로써 주형 내에 용융금속의 주입 속도를 조절할 수 있다. 또, 노즐과 주형과의 낙차가 작아 주형에 주입된 용융금속의 난류 발생을 제어할 수 있다. 승하강이 가능한 노즐은 1차적으로 용융금속의 난류 발생을 제어하고, 용융금속의 주입경로와 주입속도를 조절할 수 있어 점진적 응고가 용이하게 일어날 수 있도록 할 수 있으며, 수축공이 없는 주조품을 제조하는데 큰 이점이 있다.

한편, 슬릿이 형성된 배플을 이용함으로써 용융금속의 유동을 넓고 고르게 분산시킬 수 있으며, 이를 토대로 점진적 응고가 용이하게 수행될 수 있다.

용융금속이 주조장치에 공급되고, 상기 용융금속은 노즐을 따라 이동되어 상기 배플을 통과하여 주형 내에 천천히 넓고 고르게 분산 주입될 수 있다. 상기 배플은 용융금속의 주입량 및 주입방향을 제어하여 점진적 응고가 쉽게 수행될 수 있도록 하며, 주입된 용융금속은 주형 내에서 점진적 응고 과정을 거쳐 수축공이 없는 주조품을 제조할 수 있다.

한편, 점진적 응고되는 단계는, 적정 주입 간격을 두어 용탕을 정량으로 분할 주입하거나, 순차적으로 주입되는 용탕의 용량은 큰 용량부터 작은 용량이 공급될 수 있도록 조절하여 주입할 수 있다. 이렇게 주입된 소정의 용융금속은 주형 내에서 용융금속의 적어도 일부가 응고될 수 있고, 상기 응고가 진행된 후 주입 간격을 두어 용융금속을 추가 주입할 수 있다. 추가 주입된 용융금속의 적어도 일부가 응고되는 과정을 반복 수행하여 수축공이 없는 주조품을 제조할 수 있다. 이 점진적 응고방식은 용탕의 낭비를 줄여 비용 절감 효과를 얻을 수 있는 주조품을 제조할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1 : 주조장치 10 : 레일
12 : 고리부재 30 : 케이스
31 : 히터부 32 : 히터열선
33 : 전원 34 : 노즐
35 : 배플 35a : 슬릿
40 : 메인 챔버 40a : 구멍
40b : 가이드 41,41a : 하부 구동식 스토퍼
50 : 가스탱크 51 : 가스주입용 파이프
60 : 진공탱크 61 : 진공형성용 파이프
71 : 용융금속 80 : 주형
85 : 주조공간

Claims (13)

1. 상하 이동 할 수 있는 하부 구동식 스토퍼가 메인 챔버에 형성된 구멍을 열어 주조장치의 내부에 수용된 용융금속을 노즐을 통해 주형에 주입하고, 상기 하부 구동식 스토퍼가 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 닫아 상기 주조장치의 내부에 수용된 용융금속의 주입을 중단함으로써 상기 용융금속을 상기 주형에 순차적으로 분할 주입하는 단계; 및
   상기 주형 내에 상기 용융금속이 분할 주입되어 상기 용융금속이 점진적 응고되는 단계;를 포함하고,
   상기 하부 구동식 스토퍼는, 상기 하부 구동식 스토퍼의 상부가 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 개폐할 수 있도록 형성됨으로써 상기 용융금속의 유동 변화를 최소화할 수 있고,
   상기 점진적 응고되는 단계는 상기 용융금속을 주입할 때마다 상기 주형 내에 수용된 상기 용융금속의 고액계면의 곡률이 순차적으로 작아지도록, 상기 용융금속을 분할하여 상기 주형에 순차적으로 주입하되, 주입 간격을 두어 불연속적으로 반복해서 주입하는 단계를 포함하는, 주조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하부 구동식 스토퍼가 하강하여 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 닫아 상기 주조장치의 내부에 수용된 상기 용융금속의 주입을 차단하고, 상기 하부 구동식 스토퍼가 상승하여 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 열어 상기 주형에 순차적으로 분할 주입하는,
   주조방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 하부 구동식 스토퍼가 상승하여 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 닫아 상기 주조장치의 내부에 수용된 상기 용융금속의 주입을 차단하고, 상기 하부 구동식 스토퍼가 하강하여 상기 메인 챔버에 형성된 구멍을 열어 상기 주형에 순차적으로 분할 주입하는,
   주조방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 하부 구동식 스토퍼는, 상기 하부 구동식 스토퍼가 상기 메인 챔버의 구멍과 접하는 부분은 테이퍼가 형성되어 상기 노즐의 개구를 점차적으로 개방하거나 폐쇄할 수 있어 상기 용융금속의 주입속도를 제어할 수 있는, 주조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   승하강 이동이 가능한 상기 노즐이 제 1 위치에서 대기하다가 상기 제 1 위치와 레벨(level)이 상이한 제 2 위치로 이동하여, 상기 주조장치의 내부에 수용된 상기 용융금속을 상기 주형에 순차적으로 분할 주입하는 단계; 및
   상기 주형 내의 상기 용융금속이 점진적 응고되는 단계;
   를 더 포함하는,
   주조방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 위치와 상기 주형과의 거리는 상기 제 1 위치와 상기 주형과의 거리보다 더 가까운 거리에 위치함으로써 상기 주형 내에서 상기 용융금속의 난류 발생을 제어할 수 있는, 주조방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 위치는 상기 제 1 위치보다 더 낮은 곳에 위치함으로써 상기 주형 내에서 상기 용융금속의 난류 발생을 제어할 수 있는, 주조방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 노즐은 배플(baffle)과 결합되어 상기 용융금속이 상기 주형으로 주입될 때, 상기 용융금속이 고르게 분산된 유동을 가질 수 있도록 상기 용융금속의 주입량 및 주입방향을 제어할 수 있는, 주조방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 점진적 응고는 주조품 내에 수축공의 발생을 억제하기 위하여, 상기 용융금속의 응고속도에 따라 상기 주형에 주입되는 주입속도, 주입량, 주입 간격 및 주입온도 중 어느 하나 이상을 조절하여 상기 주형에 충전된 상기 용융금속의 액상량, 상기 용융금속의 고액계면의 위치 및 곡률 중 어느 하나 이상을 제어하는, 주조방법.
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 주입 간격은 상기 용융금속을 복수회 주입하는 동안 상기 주형 내에 수용된 상기 용융금속의 미응고 액상의 상부면이 상기 주형과 이격되지 않고 접할 수 있도록 설정되는, 주조방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할 주입하는 단계는 상기 용융금속을 순차적으로 정량 분할하여 주입하는 단계를 복수회 반복하는, 주조방법.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할 주입하는 단계는 상대적으로 더 큰 용량의 상기 용융금속을 먼저 주입하고 상대적으로 더 작은 용량의 상기 용융금속을 나중에 주입하도록 순차적으로 분할하여 주입하는 단계를 복수회 반복하는, 주조방법.

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