KR101615709B1 - 적어도 하나의 관통공이 형성되어 있는 주물을 주조하는 방법 - Google Patents

Abstract

설비 측면에서 점유를 최소로 하면서, 적어도 하나의 관통공이 형성되는 주편이 최적의 기계적 특성을 갖도록 주조하는 본 발명에 따른 방법은,
a) 관통공(O1, O2)을 형성하기 위한 것으로, 바인더를 포함하며, 외력 또는 온도의 영향으로 분해되는 주형 소재로 구성되는 적어도 하나의 주형 코어(8-19)가 존재하는 주형(2)을 준비하는 단계,
b) 주편(Z1, Z2)을 형성하기 위해, 주형(2) 내로 용융 금속(S)을 주입하는 단계,
c) 주형(2) 내에서 용융 금속(S)의 액상선 온도 미만이되 고-인장 조직을 형성하기 위한 가속 냉각이 이루어지는 최저 온도보다는 높은 온도까지 냉각하는 단계,
d) 상기 주형 내로 용융 금속을 주입할 때, 관통공(O1, O2) 및 상기 코어의 확장부(V1, V2) 내에 배치되는 주형(2)의 영역을 주형 코어(8-19)의 적어도 어느 정도를, 주형(2) 내로 입열하여 관통공(O1, O2)을 형성하기 위한 주형 소재 내의 주형 코어(8-19)로부터 바인더를 태워버리거나, 기계적으로 파괴시켜 주형(2)의 외부로 개방하여, 주편(Z1, Z2)의 관통공(O1, O2)을 선도하는 관통-채널(G1, G2)을 형성하는 단계,
e) 상기 관통-채널(G1, G2)을 통해 냉각 매체(M1, M2)가 흘러, 주형(2) 내의 주편(Z1, Z2)을 냉각하는 단계를 포함한다.

Description

적어도 하나의 관통공이 형성되어 있는 주물을 주조하는 방법 {METHOD FOR CASTING A CAST PART PROVIDED WITH AT LEAST ONE PASSAGE OPENING}

본 발명은 적어도 하나의 관통공이 형성되어 있는 용융 금속 주편을 주조하는 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 관계되는 주편은 일반적으로 주철 금속으로 주조되는 고성능 연소 엔진용 실린더 크랭크케이스이다.

현대의 연소 엔진은 연료 소모를 줄이는 방향으로 지속적으로 개발되고 있다. 이를 위해서는 부품들의 크기와 중량을 줄이는 것이 핵심이 된다. 이러한 경향은 전문가들 사이에 '다운사이징'으로 서술된다. '다운사이징'의 목표는 예를 들어 종전에는 대형 엔진으로 달성될 수 있는 성능을 소형 엔진으로 달성하도록 하는 것이다.

연소 엔진의 다운사이징을 성공적으로 하기 위해서는, 각 부품들의 기술적 특성을 향상시켜야만 한다. 이에 따라, 동일한 설치 크기를 가지는 경우, 현대의 엔진 디자인에 비해 3배 이상의 성능을 달성할 수 있게 된다.

상기 출력 밀도에서 주철 실린더 크랭크케이스의 적당한 탄성을 얻기 위해, 오늘날에는 통상의 주철 대신 버미큘러 그라파이트 주철이 종종 사용되거나, 필요로 하는 강도를 얻기 위해 고합금 주철 소재가 사용된다.

전술한 종류의 주편은, 복수의 몰드부와 주형 코어로 구성되는 주형 내에서 주조되는 것이 일반적이다. 몰드부들은 일반적으로 주편의 외부 형상을 결정하고, 주형 코어는 주형 내에 위치하여, 주편 내에서 리세스, 캐비티, 관통공 및 이와 유사한 형상을 형성하게 된다.

주편 내 또는 주편 상에서의 몰드부 및 주형 코어의 위치와, 주편이 응고된 후 몰드로부터 이들을 얼마나 쉽게 분리할 수 있는지에 따라, 몰드부 및 주형 코어는 영구형(permanent) 몰드부 및 주형 코어로 구성되거나 소실형(lost) 몰드부 및 주형 코어로 구성된다. 영구형 몰드부 및 주형 코어는 주조 중에 발생되는 응력과 스트레인을 견딜 수 있는 소재로 구성되어 주조 공정에 여러 번 반복적으로 사용될 수 있는 반면, 소실형 몰드부 및 주형 코어는 통상적으로 힘을 가하거나 온도의 영향으로 쉽게 분쇄될 수 있는 몰드 소재로 구성된다. 주형 전체가 소실형 몰드부 및 주형 코어로 구성되거나, 주형의 적어도 실질적인 부분들이 소실형 몰드부 및 주형 코어로 구성되는 경우, 소실형 몰드로 불리우는 것이 일반적이다. 반면 대부분이 영구형 몰드부로 구성되는 주형은 그 내부에 소실형 주형 코어가 일부 사용되는 경우에도 영구형 주형으로 불린다. 소실형 몰드는 일반적으로 주철 주조에 사용되는 반면, 영구형 주형 또는 영구형과 소실형이 조합된 몰드부는 경량 금속 주조에 주로 사용된다.

소실형 몰드부 및 주형 코어는 일반적으로 적당한 바인더가 혼합된 모래로 구성되는 몰드 소재로 제작되는 것이 일반적이며, 이들은 각 몰드부 또는 주형 코어를 제조할 때에 바인더의 화학 작용으로 경화되어, 주형 세트 내에서 용융 금속이 주조될 때까지 적당한 치수 안정성을 유지하게 된다. 주형 소재의 성분들은, 주편이 냉각될 때에 발생되는 응력과 스트레인에 의해 각 주형 코어 또는 몰드부들이 자동적으로 작은 조각들로 분해되도록 설정될 수 있다. 이와는 다르게, 소실형 몰드부 및 주형 코어의 분해는 기계적으로 힘을 가해 이루어질 수 있다. 예를 들면, 각 주편을 흔들어서(shaking) 주형 코어가 주편으로부터 자동적으로 떨어져 나오도록 작은 조각들로 분쇄되거나, 드릴링, 압출 또는 플러싱(flushing)으로 주형 코어의 파괴를 조장할 수도 있다. 그러나, 이를 위한 전제 조건은, 주편이 실질적으로 완전하게 냉각되어 소실형 주형 코어 및 몰드부가 기계적으로 또는 열적으로 파기될 때에 발생되는 응력 및 스트레인이 주편을 손상시키지 않아야 한다는 것이다.

주편의 냉각 과정은 주편의 기계적 물성에 지대한 영향을 미친다. 소재의 분포가 고르지 않거나 혹은 열 공급이 불규칙함으로 인해, 주편의 여러 영역에서 냉각 속도가 다르게 될 때, 문제들이 발생할 수 있다. 이와 같이 고르지 못한 냉각으로 인해 내부 응력 및 스트레인이 주편 내에 발생할 수 있으며, 이로 인해 주편의 기계적 내하중 능력이 급격하게 열화될 수 있다.

그러한 응력 및 스트레인의 발생을 최소화하기 위해, 살 두께가 심하게 변동하는 주편을 주조할 때에는, 주조 온도로부터 일반적으로 600℃ 미만까지 의도적으로 서냉한다. 실제 조업에 사용되는 주조 설비에는 이러한 목적을 위해 특정 길이의 냉각 섹션이 제공된다. 추가적으로 냉각을 지연시키기 위해, 상기 냉각 섹션은 냉각되는 주편들을 포함한 상태의 주형이 특정 시간동안 체류할 수 있는 냉각 스테이션을 포함할 수 있다. 충분히 서냉할 수 있는 수단을 활용할 수 없거나, 서냉 후에도 주편 내에 지나치게 큰 내부 응력 및 스트레인이 여전히 존재하는 경우, 이들 응력과 스트레인을 줄이기 위해서는 주편을 추가로 어닐링 해야 한다.

실린더 크랭크케이스 내부 영역의 인장 응력을 최소화하기 위한 선택적인 옵션으로, 독일 특허공개공보 DE 10 2008 048 761 A1호는, 먼저 주편 내에서 용융 금속이 응고되도록 하거나 또는 피더 헤드를 향하는 주편의 영역이 응고되도록 방향성 방식으로 주형 내로 주입한 후에 용융 금속을 냉각시키는 공정을 제안하고 있다. 각 주형 상에 제공되어 있는 적어도 2개의 독립적인 냉각 회로에서 냉각 성능을 달리하여 각 주편의 응고에 영향을 미치게 하는 것도 가능하다. 그러나, 이는 각 주형의 냉각 성능이 목표로 하는 방식으로 정해지는 영역이 적어도 영구형 주형으로 구성되는 경우에만 달성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 각 실린더 크랭크케이스의 실린더 구멍을 성형하기 위해 슬리브가 제공되며, 슬리브는 용융 금속이 응고된 후 주편을 손상시키지 않으며 주형으로부터 빼내어 진다. 실린더 구멍 에지의 냉각이 실린더 표면의 냉각과 다른 시각에 시작되고, 실린더 에지가 실린더 표면의 냉각과 강도를 달리하여 냉각될 때에, 응고 후 슬리브를 제거하는 것이 유리한 것으로 판명되었다. 이러한 방식으로, 실린더 구멍 영역 내에서 실린더 크랭크케이스 주물의 응고는, 상기 실린더 크랭크케이스가 응고되었지만 아직은 고온 상태로 있는 시점에서 주형으로부터 제거되도록 수행될 수 있다.

독일 특허공보 DE 11 2006 000 627 T5호에는, 각 부품 내에 배치되어 있는 주편 영역을 목표로 하는 바에 따라 가속 냉각하기 위한 다른 옵션이 기재되어 있다. 상기 문헌에는 솔벤트 보다 상세하게는 물, 가용성 바인더로 형성되는 부분과, 상기 각 솔벤트에 의해 용해되지 않는 바인더로 형성되는 다른 부분을 포함하는 알루미늄 합금재 주편을 제조하기 위한 주물사 주형이 공지되어 있다. 주물사 주형부의 분해는 솔벤트에 압력을 가해 부가함으로써, 즉 예컨대 워터 제트로 가압 분사하여 가용성 바인더로 이루어진 코어를 제거할 수 있으며, 그 결과로 솔벤트에 의해 노출된 주편의 내부 영역이 주편의 다른 부분보다 더 빨리 생각된다. 이러한 해법은 주편 내에 존재하는 캐비티에 대해서만 적용할 수 있으며, 다른 주형 소재와 다른 주물사 주형에 대해서는 복잡한 설계가 요구된다.

독일 공개특허공보 DE 10 2010 003 346 A1호에는 경량 금속 주물에 적합하며 특수 분야에 사용하기 위해 설계된, 관통공을 둘러싸는 주편 영역을 가속 냉각하는 방안이 기재되어 있다. 상기 문헌에 기재되어 있는 연소 엔진용 피스톤 주조 방법에서, 피스톤 핀 보어 영역 내의 표면층이 일단 응고되면, 주형으로부터 상기 보어를 제거하기 위해 제공된 슬리브가 후퇴하고, 각 보어 영역이 슬리브들 중 적어도 어느 하나를 통해 공급되는 냉각제에 의해 냉각된다.

전술한 종래 기술의 배경에 대해, 본 발명에 의해 해결하고자 하는 과제는, 장비 측면에서 경비를 최소화하며 최적의 기계적 물성을 갖는 관통공이 형성된 주편을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구항 1에 기재되어 있는 방법을 사용하는, 본 발명에 의해 해결된다.

본 발명의 유리한 실시형태들이 종속항들에 기재되어 있으며, 이하에서 본 발명의 독창적인 사상을 상세하게 설명한다.

적어도 하나의 관통공이 형성되는 용융 금속 주편을 주조하는 본 발명에 따른 방법은,

a) 관통공을 형성하기 위한 것으로, 힘 또는 온도의 영향으로 분해되는 바인더를 포함하는 주형 소재로 구성되는 적어도 하나의 주형 코어가 존재하는 주형을 준비하는 단계,

b) 주편을 형성하기 위해, 주형 내로 용융 금속을 주입하는 단계,

c) 주형 내에서 주편을 용융 금속의 액상선 온도 미만이되 고-인장 조직을 형성하기 위한 가속 냉각이 이루어지는 최저 온도보다 높은 온도까지 냉각하는 단계,

d) 주편의 관통공을 관통하는 관통-채널을 형성하는 단계로, 상기 주형 내로 용융 금속을 주입할 때, 상기 주형 내로의 입열에 의해 관통공을 형성하기 위한 주형 소재 내의 주형 코어로부터 바인더를 태워버리거나, 또는 관통공을 형성하기 위한 주형 코어와 코어의 확장부에 배치되는 주형 영역을 적어도 부분적으로 기계적으로 파괴하여 관통-채널이 주형의 외부로 개방되는, 주편의 관통공을 관통하는 관통-채널을 형성하는 단계, 및

e) 상기 관통-채널을 통해 냉각 매체가 흘러, 주형 내의 주편을 냉각하는 단계를 포함한다.

본 발명은 용융 금속이 몰드 내로 주입된 후 주형 내의 개재요소(intervention)를 통해 주편을 냉각할 때, 향후 내하중 능력의 측면에서 매우 중요한 주편의 내부 영역이, 주형이 통상의 방식에 따라 주물이 주위 온도로 냉각될 때까지 주조가 수행되는 상태에 있는 경우에 주편의 내부 영역이 냉각되는 속도보다 상당히 빠른 냉각 속도로 냉각되는 상태를 형성하는 개념에 기초한다.

이를 위해, 본 발명에 따르면, 주편의 적어도 하나의 관통공을 관통하는 주형을 관통해 가로지르는 관통-채널이, 주편이 완전하게 냉각되지는 않았지만 딱딱한 상태에 있는 시점에서, 주형 내에 제공된다.

그런 다음, 냉각 매체가 상기 관통-채널을 통해 흐른다. 냉각 매체가 관통-채널을 통해 흐름에 따라, 관통공을 둘러싸는 주편 소재는, 주편이 전술한 냉각 종료 온도에 도달할 때까지 통상적인 방식에 따라 밀봉된 상태로 유지되어 있는 경우보다 더 빠르게 냉각된다. 사용되는 냉각 매체, 냉각 매체의 유속 및 본 발명에 따라 주형 내에 놓이는 관통-채널의 구성 및 안내되는 본질 및 방식에 따라 주형의 외측이 냉각되는 속도보다 더 빠른 냉각 속도가 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 방법을 사용함으로써, 내부 영역 및 외부 영역 간의 온도 구배는 급격하게 줄어들 수 있으며, 이와 동시에 주편의 냉각 속도는 일반적으로 커지게 된다. 이러한 방식으로, 먼저 주편 내의 열-관련 응력 및 스트레인이 최저로 감소되며, 두 번째로, 본 발명에 따른 방식으로 제조되는 주편의 강도는 통상적인 방식으로 주조되어 아무런 추가 대책 없이 주형 내에서 냉각되는 주편의 강도보다 상당히 더 크게 된다.

본 발명에 따른 방법은 용융 주철로 주편을 제조할 때에 특히 효과적인 것으로 판명되었다. 이 경우, 본 발명에 따라 주형 내에 배치되는 관통-채널이 형성될 때까지(단계 c)) 주편이 냉각되는 온도는 주편 조직이 오스테나이트 변태가 일어나는 A₁ 온도로 설정된다. 따라서, 본 발명에 따라 주편 내부에 허용되는 가속 냉각은 오스테나이트 조직 대부분이 마르텐사이트 조직이 되도록 하며, 이는 강도가 상당히 증가하게 하는 데에 기여하게 된다. 실린더 크랭크케이스 주조에 특히 사용되는 주철 합금의 경우, 단계 c)에서 냉각되는 중에 도달되는 상기 최저 온도는 통상적으로 1153℃ 내지 600℃ 사이이다.

냉각 매체는, 일 예로 공기 또는 다른 가스 매체일 수 있다. 예를 들어, 특정하게 높은 최저 냉각 속도가 요구되는 경우, 스팀 또는 공기와 스팀의 혼합물이 냉각 매체로 사용될 수 있다.

본 발명에 따라 논의되는 바와 같이 주형 근방에 있는 관통-채널을 통해 흐르는 가스 냉각 매체의 연속적인 유동은, 대류 현상으로 주편으로부터 관통-채널로 들어가는 가스 냉각 매체로 열이 방출됨에 따라 발생하는 굴뚝 효과(chimney effect)에 의해 시작된다. 주편과 주형을 동일 방향으로 지향시키거나, 주형 내에 삽입되는 관통-채널의 방향이 주로 수직으로 되도록 주형 내에 배치함으로써, 상기 효과가 더 조장될 수 있다. 이 경우, 관통-채널 내에 존재하는 공기 또는 상기 관통-채널 내로 흘러 가열되는 공기가 관통-채널 내에서 아무런 방해를 받지 않으며 상승할 수 있게 된다.

좀 더 빠른 유속이 요구되는 경우, 냉각 매체는 스트림이 가압된 상태로 관통-채널을 관통하도록 안내될 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 냉각 매체 스트림은 운송 장치에 의해 가압될 수 있는데, 상기 운송 장치로는 예컨대 벤틸레이터 또는 펌프 등이 있다. 이를 위해, 상기 각 운송 장치는 예컨대 필요하다면, 외각 표면들 중 어느 한 표면 상에 배치되어 있는 관통-채널 개구부들 중 어느 한 개구부의 상류부에 위치하거나, 또는 관통-채널이 설치된 후 관통-채널 안쪽에 설치될 수 있다.

물론, 본 발명에 따른 상기 방안은 복수의 관통공을 구비하는 주편에도 사용될 수 있다. 이 경우, 관통-채널이 필요한 각 관통공 영역 내에 관통-채널이 형성되며, 본 발명에 따라 가속 냉각을 수행하기 위해 상기 각 관통공 내에서 상기 관통-채널을 통해 냉각 매체가 유동한다.

본 발명에 따라 논의되는 주편이 연소 엔진용 실린더 크랭크케이스이고, 상기 관통공이 상기 실린더 크랭크케이스 내에 제공되는 적어도 하나의 실린더 구멍인 경우, 본 발명에 따른 공정을 사용함으로써 특히 우수한 작용효과를 얻을 수 있게 된다. 이 경우, 예를 들어 주편이 완전히 냉각되기 전에, 각 실린더 구멍을 형성하는 주형 코어들이 완전하게 제거되고, 실린더 구멍의 확장부에 배치되는 크랭크케이스를 형성하는 주형 코어와 주형의 몰드부들이 적어도 공기나 다른 가스 냉각 매체가 상기 실린더 구멍을 통해 흐를 수 있을 정도로 제거되는 반면, 주편의 다른 부분들은 여전히 주형으로 둘러싸여 있다. 본 발명은 주편 내부를 가속 냉각할 수 있기 때문에, 주편이 주형 내에 밀봉되어 오로지 주형의 외측 위의 열 유동에 의해 냉각되는 통상의 주조 방법에 의한 경우보다 더 큰 강도를 얻을 수 있게 된다. 각 실린더 구멍에 바로 인접하는 영역을 국부적으로 가속 냉각함으로써, 본 발명에 따른 방식으로 냉각 매체에 의해 직접 피복되는 영역보다 더 서냉되는 실린더 구멍에서 멀리 떨어져서 실린더 크랭크케이스를 둘러싸는 영역의 강도보다 더 큰 강도를 얻을 수 있게 되며, 이에 따라 인성도 유지되게 된다.

주형 전체 또는 적어도 관통공 영역의 주형이 코어 패키지로 구성되고, 관통공 영역과 관통공을 형성하는 주형 코어의 확장부 영역에 배치되는 주형의 몰드부들과 주형 코어들이 외력 또는 온도의 영향으로 해체될 수 있는 소재로 구성되기 때문에, 본 발명에 따른 방안은 실제 조업에 특히 용이하고, 비용 측면에서 효율적이며 탄력적으로 적용될 수 있다.

실제 제조 조건에서 본 발명에 따른 방법을 실시할 때, 주형 박스 주조 기술이 생략되고 주형 전체가 코어 패키지로 설계되면, 특히 우호적인 것으로 판명되었다.

본 발명에 따르면, 주형은 적어도 관통-채널이 제공되는 주편의 관통공 영역 내에 소실형 주형 코어와 몰드부로 이루어지기 때문에, 각 주형 코어와 몰드부는, 전술한 바와 같이 모래, 무기질 또는 유기질 바인더로 이루어진 통상적인 주형 재료로 제작된다. 물론, 주형의 특성을 최적화 하기 위해, 주형 재료에 특정 첨가물이 첨가될 수도 있다. 주형 재료 바인더는, 용융 금속이 상기 주형 내로 주입될 때 주형에 전달되는 열에 의해 몰드부와 주형 코어가 탈 때에도 치수 안정성을 보증할 수 있도록 그 자체가 공지되어 있는 방식으로 구성될 수 있다. 이 경우, 각 주형 코어와 몰드부는 자동적으로 작은 조각으로 분해되며, 그런 다음 자동적으로 관통-채널이 노출될 때 주형 또는 주편에서 흘러 나오게 된다.

선택적으로 또는 부가적으로, 주형 내의 관통-채널을 형성하기 위해 필요로 하는, 각 관통-채널에 할당된 몰드부와 주형 코어를 기계적 방식으로 분쇄하도록 하는 것이, 본 발명에 따른 방법이 지향하는 것과 효율성을 증가시킨다는 측면에서 유리할 수도 있다. 주편의 각 관통-채널에 할당된 주형 코어 또는 몰드부는 예컨대 스탬프로 프레스 아웃되거나 또는 드릴을 사용하여 주형 내에 관통-채널이 형성될 수도 있다.

가능하면 강력하면서도 신속하게 각 관통공을 둘러싸는 주편 영역에 있는 재료를 냉각하기 위해, 상기 관통공을 형성하는 적어도 하나의 주형 코어와 상기 주형 코어의 확장부에 배치되는 주형 영역은 관통-채널을 형성할 때에 완전하게 제거되는 것이 일반적이다.

그러나, 냉각 매체가 관통공을 획정하는 주편의 각 표면과 직접 접촉하지 않고, 주편의 각 관통공 영역을 가속 냉각하기 위한 것이라면, 주편의 관통공을 형성하는 주형 코어의 일부만이 제거되는 방식으로 관통-채널이 상기 주편의 각 관통공을 특히 기계적 수단으로 안내될 수 있다. 그런 다음, 관통-채널과 관통공의 내부 표면 사이에 주형 코어 모래가 남아 있게 되며, 이는 여전히 어느 정도의 단열 효과를 갖고 있게 된다. 이에 따라, 잔류하는 주형 코어 재료의 두께에 따라 다르기는 하지만, 관통공을 형성하는 주형 코어가 완전히 제거되고 관통공의 내부 표면이 냉각 매체와 직접적으로 접촉하는 경우에 비해 관통공에 인접하는 영역의 냉각이 덜 신속하게 이루어지게 된다.

주형이 적어도 2개의 주편을 동시에 주조하기 위해 적어도 2개의 캐비티를 구비하고, 용융 금속이 공통의 피더에 의해 주형 캐비티 내로 주입된다면, 본 발명에 따른 방법의 비용 효율성이 한층 더 증가될 수 있다.

본 발명에 의하면, 설비 측면에서 경비가 최소화되며 최적의 기계적 물성을 갖는 관통공이 형성된 주편을 제조할 수 있다.

도 1은 2개의 주편을 주조하기 위한 장치의 종단면을 나타낸다.
도 2는 용융 주철을 주입하는 중에 있는, 도 1에 따른 장치의 측면을 나타낸다.
도 3은 용융 주철이 응고된 후, 도 1에 따른 장치의 도 1에 대응되는 측면을 나타낸다.
도 4는 관통-채널을 제조하는 중에 있는, 도 1에 따른 장치의 도 1에 대응되는 측면을 나타낸다.
도 5는 냉각 매체가 관통-채널을 통과하는 중에 있는, 도 1에 따른 장치의 도 1에 대응되는 측면을 나타낸다.

실시형태를 나타내는 도면들을 사용하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면들은 스케일에 맞춰 도시된 것이 아니고, 개략적이며 단순화되어 있는 것이다.

2개의 주편(Z1, Z2)을 동시에 주조하는 장치(1)는 프레임(3) 상에 지지되는 주형(2)을 포함한다. 주편(Z1, Z2)은 통상적으로 직렬 4기통 연소 엔진용으로 사용되는 실린더 크랭크케이스로 설계된다.

코어 패키지로서의 주형(2)은 외부 몰드부(4, 5, 6, 7) 및 주형(2) 내부에 배치되는 주형 코어(8-19)를 포함한다. 외부 몰드부(4-7)가 주편(Z1, Z2)의 외부 형상을 결정지으며, 주형 코어(8, 9)는 크랭크샤프트 베어링(L1, L2)을 구비하는 크랭크케이스(K1, K2)의 내부 형상을 형성하며, 주형 코어(10-17)는 관통공(O1, O2)으로 구성되는 주편(Z1, Z2)의 실린더 구멍을 형성한다. 몰드부(5, 7)는 옆으로 배치되어 각 주편(Z1, Z2)의 일 전방부를 형성하고, 각 외부 몰드부(5, 7)와 마주보게 배치되어 있는 주형 코어(18) 각각은 주형(2) 안쪽에 배치되어 있는 각 주편(Z1, Z2)의 전방부를 형성한다. 다른 주형 코어(19)는 예를 들면 주편(Z1, Z2) 내에 물 또는 오일 채널을 형성한다. 주형(2)은 관통공(O1, O2)이 수직 방향(V)을 따르는 메인 방향(H)으로 지향되어 있다.

주형이 비워져 있을 때, 몰드부(4-7) 및 주형 코어(8-19)에 의해 획정되는 주형(2)의 캐비티(20, 21)는 주형(2) 내의 중앙에서 수직으로 정렬 배치되어 있는 공통 게이트(22)를 구비하는 부분(미도시)에 의해 연결되어 있다. 중앙 게이트(22)는 주형(2)의 상측부 상의 중앙에 배치되어 있는 피더(23)에 연결되며, 피더(23)에 의해 주형(2)이 용융 주철(S)로 충진된다. 게이트(22)와 도면에는 도시되어 있지 않은 주형(2)의 다른 부분은 캐비티(20, 21)가 중력의 유효 장력(R)에 의해 충진되도록 위치한다.

주형(2)은 스테이(24)에 의해 지탱되는 프레임(3)의 그리드(25) 상에 안착되어 있다.

외부 몰드부(4, 5, 6, 7)와 주형 코어(8-19)는 상업적으로 이용 가능한 무기질 바인더와 모래의 혼합물로 형성되며, 주조 공정 중에 발생하는 힘을 견디고 주형(2)을 지지하기에 충분한 치수 안정성을 가질 때까지 이들 혼합물에 열을 가하고 수분을 제거함으로써 경화된다. 그러나, 용융 주철(S)을 주형 내로 주입할 때 온도가 상승하여, 용융 주철(S)의 주입 열에 직접적으로 노출되는 부분 특히 상기 몰드부(4, 5, 6, 7)와 주형 코어(8-19)가 해체되기 시작한다.

주형(2)이 용융 주철(S)로 채워지면(도 2), 주편(Z1, Z2)은 850℃ 내지 650℃ 사이의 최저 온도로 냉각된다. 한편으로 상기 최저 온도에서 주조 재료가 경화되며, 다른 한편으로 주편(Z1, Z2)의 온도는 가속 냉각을 통해 마르텐사이트 조직이 얻어질 수 있을 정도로 충분히 높은 상태에 있다. 이상적으로는, 상기 온도는 주편(Z1, Z2)의 조직 전반이 여전히 오스테나이트가 되도록 충분히 높은 상태이다.

이 상태에 도달하면(도 3), 관통-채널(G1, G2)이 주형(2) 내로 도입된다(도 4). 각 관통-채널(G1, G2)은 주편(Z1, Z2)의 관통공(O1, O2)에 할당되어 있다. 이를 위해, 이 시점에서 이미 작은 조각들로 해체된 주편(Z1, Z2)의 관통공(O1, O2)을 형성하는 주형 코어(10-17)와 상기 코어(V1, V2)의 확장 예정부 내에서 주형(2)의 커버를 형성하는 외부 몰드부(4)의 상측에 놓인 부분들, 그리고 확장 예정부 내에서 크랭크샤프트 베어링(L1, L2)과 크랭크케이스(K1, K2)를 형성하는 하부 주형 코어(8, 9) 및 확장부(V1, V2) 내에서 주형 코어(8, 9)의 아래에 있는 부분과, 주형(2)의 베이스를 형성하는 하부 몰드부(6)들은, 주편(Z1, Z2)의 관통공(O1, O2)에 각각 할당되는 푸셔(26, 27)에 의해 주형(2) 밖으로 밀어내어 진다. 관통공(O1, O2)을 관통하는 방식으로 형성된 관통 채널(G1, G2)은 커버 몰드부(4)의 상부 외부면으로 형성된 외측부 상을 개방시키고, 하단부는 베이스 몰드부(6)의 하부 외부면으로 형성되는 주형(2)의 하측부 상에 위치하게 된다.

이 과정에서, 밀어내어진 몰드부 부분들과 분쇄된 주형 코어 조각들은 자유-유동의 단면 소재(M)로 해체되어 프레임 그리드를 관통 낙하하여 주형(2) 아래에 있는 바닥 위에 포집된다. 주형(2)에서 떨어져 나온 몰드 소재(M)의 흐름은, 필요하다면, 이미 공지되어 있는 쉐이킹, 노킹 또는 다른 기계적 작용으로 보조될 수 있다. 주형(2)으로부터 낙하된 몰드 소재(M)는 여기에는 도시되지 않은 컨베이어 장치로 제거될 수 있다.

이렇게 관통 채널(G1, G2)이 노출되어 주편(Z1, Z2)이 관통 채널을 통해 수직 방향(V)으로 흐르게 되면, 노즐 어셈블리(28)가 주형(2) 아래에 위치하여, 팬(미도시)에 의해 가속되는 냉각 매체 유동(M1, M2)이 수직 방향 아래에서부터(R) 주형(2) 내로 취입된다(도 5). 여기서 설명되는 실시형태에서 냉각 매체는 공기이다.

각 냉각 매체 유동(M1, M2)은 주편(Z1, Z2)의 관통공(O1, O2)을 통과하는 관통 채널(G1, G2)을 통해 흘러, 상기 냉각 매체로 코팅된 주편(Z1, Z2)의 벽 부분을 가속 냉각한다. 이에 따라, 특히 관통공(O1, O2) 영역, 크랭크샤프트 베어링(L1, L2) 및 상기 크랭크샤프트 베어링(L1, L2)을 지지하는 각 텐션 로드(A1, A2) 내에 조립의 밴드 모양의 펄라이트로 특징되는 조직이 형성된다. 상기 조직의 강도는 주형의 외부 몰드부를 통해 오로지 자연적인 열 손실을 통하는 통상적인 방식으로 냉각되어 주편 내에 얻어지는 강도보다 더 크다. 관통공(O1, O2)에 인접하는 주편(Z1, Z2)의 안쪽에 배치되는 영역들, 크랭크샤프트 베어링(L1, L2) 및 상기 크랭크샤프트 베어링(L1, L2)을 지지하는 각 텐션 로드(A1, A2)와, 이들로부터 멀리 떨어져 있으며 살 두께가 덜 두꺼워서 상당한 냉각 속도로 냉각되는 주편(Z1, Z2)의 외부 영역 사이의 온도 차이가 최소화 된다.

전반적으로, 이러한 방식으로 수행되는 공정은 주편(Z1, Z2)의 외부 영역과 내부 영역 간의 온도 구배가 작게 유지되도록 한다. 온도 구배가 작게 됨으로써, 내부 영역 내의 잔류 인장 응력도 감소된다. 이와 동시에, 냉각 속도가 더 빠르게 되면, 주철 소재의 인장 강도도 커지게 되어, 결과적으로 본 발명에 따른 공정에 의하면, 주편(Z1, Z2)의 내부하 능력(loading capacity)이 주형 내에서 서냉되는 통상의 방식에 따라 제조되는 실린더 크랭크케이스의 내부하 능력보다 50% 커지게 된다.

1 2개의 주편(Z1, Z2)을 동시에 주조하는 장치
2 주형(casting mould)
3 프레임(frame)
4-7 주형(2)의 외부 몰드부(external mould part)
8-19 주형 코어(casting core)
20, 21 주형 내 캐비티(cavity)
22 주형(2)의 중앙 케이트(central gate)
23 주형(2)용 피더(feeder)
24 프레임(3)용 스테이(stay)
25 프레임(3)용 그리드(grid)
26, 27 푸셔(pusher)
28 노즐 어셈블리(nozzle assembly)
A1, A2 주편(Z1, Z2)용 텐션 로드(tension rod)
G1-G2 주형(2)의 관통-채널(through-channel)
H 관통공(O1, O2)의 주방향(main direction)
K1, K2 주편(Z1, Z2) 내 크랭크케이스(crankcase)
L1, L2 주편(Z1, Z2) 내 크랭크샤프트 베어링(bearing)
M 주형 소재(moulding material)
M1, M2 냉각 매체 유동(cooling medium flow)
O1, O2 주편(Z1, Z2) 내 관통공(실린더 구멍)(through-opening)
R 중력의 유효 장력(effective pull of gravity)
S 용융 주철(molten cast iron)
V 수직 방향(vertical direction)
V1, V2 주형(2) 내 관통공(O1, O2)의 예정 확장부(intended extension)
Z1, Z1 주편(cast piece)(실린더 크랭크케이스)

Claims (10)

1. 용융 금속(S)으로 적어도 하나의 관통공이 형성되는 주편(Z1, Z2)을 주조하는 방법으로,
   a) 관통공(O1, O2)을 형성하기 위한 것으로, 바인더를 포함하며, 외력 또는 온도의 영향으로 분해되는 주형 소재로 구성되는 적어도 하나의 주형 코어(8-19)가 존재하는 주형(2)을 준비하는 단계,
   b) 주편(Z1, Z2)을 형성하기 위해, 주형(2) 내로 용융 금속(S)을 주입하는 단계,
   c) 용융 금속(S)의 액상선 온도 미만이되 고-인장 조직을 형성하기 위한 가속 냉각이 이루어지는 온도보다는 높은 온도까지 주형(2) 내의 주편(Z1, Z2)을 냉각하는 단계,
   d) 주편(Z1, Z2)의 관통공(O1, O2)을 관통하는 관통-채널(G1, G2)을 형성하는 단계로, 상기 주형 내로 용융 금속을 주입할 때, 상기 주형(2) 내로의 입열에 의해 관통공(O1, O2)을 형성하기 위한 주형 소재 내의 주형 코어(8-19)로부터 바인더를 태워버리거나, 또는 관통공(O1, O2)을 형성하기 위한 주형 코어와 코어의 확장부(V1, V2)에 배치되는 주형(2) 영역을 적어도 부분적으로 기계적으로 파괴하여 관통-채널(G1, G2)이 주형(2)의 외부로 개방되는, 주편(Z1, Z2)의 관통공(O1, O2)을 관통하는 관통-채널(G1, G2)을 형성하는 단계, 및
   e) 상기 관통-채널(G1, G2)을 통해 냉각 매체(M1, M2)가 흘러, 주형(2) 내의 주편(Z1, Z2)을 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용융 금속은 용융 주철이고, 상기 단계 c)에서 냉각이 종료되는 온도는 용융 금속의 A₁ 온도에 대응되는 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 용융 금속은 용융 주철이고, 상기 단계 c)에서 주형(2) 내에서 주편(Z1, Z2)이 1153℃ 내지 600℃ 사이로 냉각되는 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 주편(Z1, Z2)은 연소 엔진의 실린더 크랭크케이스이고, 관통공(O1, O2)은 상기 주편(Z1, Z2) 내에 형성되는 실린더 구멍인 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 주형(2)은, 관통공(O1, O2)을 형성하기 위한 주형 코어(8-19)의 관통공(O1, O2) 및 확장부(V1, V2) 영역에 배치되는 코어 패키지로 구성되되, 상기 코어 패키지의 몰드부 및 주형 코어(8-19)는 외력 또는 온도에 의해 분해되는 주형 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 관통-채널(G1, G2)의 주 방향(H)은 수직방향인 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 관통공(O1, O2)을 형성하기 위한 주형 코어(8-19)와, 상기 코어의 확장부(V1, V2)에 배치되는 주형(2)의 영역이 완전하게 제거되는 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.
8. 제1항에 있어서,
   냉각 매체(M1, M2)가 가압 스트림 내에서 가속되어 상기 관통-채널(G1, G2)을 통과하는 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 매체는 가스인 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 주형(2)은 적어도 2개의 주편(Z1, Z2)을 동시에 주조하기 위한 적어도 2개의 캐비티(20, 21)를 구비하고, 용융 금속(S)은 공통 피더(23) 또는 게이트(22)에 의해 캐비티(20, 21) 내로 안내되는 것을 특징으로 하는 주편 주조 방법.

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