KR101690551B1

KR101690551B1 - 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형

Info

Publication number: KR101690551B1
Application number: KR1020160035900A
Authority: KR
Inventors: 윤상원; 김효중
Original assignee: (주) 캐스텍코리아
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2016-12-29

Abstract

본 발명은 용탕이 주입되는 탕구와, 상기 탕구를 통해 주입되는 용탕에 의해 터보하우징이 성형되는 공간인 제품성형부로 이루어지되, 상기 탕구와 제품성형부 사이에는 제품성형부의 내부로 용탕이 주입되면서 압력이 가해지는 메인압탕부가 형성되어 있고, 상기 제품성형부의 상단에는 제품성형부의 내부로 추가로 압력을 가하는 보조압탕부로 이루어진 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 상기 메인압탕부의 상면에는 발열슬리브가 장착되어 있는 것이 특징인 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형에 관한 것이다.
따라서, 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형은 탕로에 하부로 갈수록 테어지는 구배각을 1°정도 구현하여 개재물 및 기포발생을 줄여 불량률을 개선하고, 발열슬리브를 사용하여 제품의 회수율을 높이며, 또한 용탕이 주입되는 인게이트를 둘 이상으로 형성함으로써 열원을 분산시켜 도형제 고착을 감소시키는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형{Shell mold die of gravity casting for turbine housing}

본 발명은 용탕이 주입되는 탕구와, 상기 탕구를 통해 주입되는 용탕에 의해 터보하우징이 성형되는 공간인 제품성형부로 이루어지되, 상기 탕구와 제품성형부 사이에는 제품성형부의 내부로 용탕이 주입되면서 압력이 가해지는 메인압탕부가 형성되어 있고, 상기 제품성형부의 상단에는 제품성형부의 내부로 추가로 압력을 가하는 보조압탕부로 이루어진 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형에 관한 것이다.

주조는 주형을 만든 후 용융금속을 주형에 부어서 응고시켜 제품을 만들므로 복잡한 형상의 제품을 만드는데 용이하고 대량 생산을 할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로, 자동차의 실린더 헤드, 실린더 블록, 캠 샤프트, 크랭크 샤프트, 흡기 및 배기 매니폴드, 터빈하우징 등은 쉘몰드(Shell Mold)를 이용한 중력주조법으로 제조되고 있다.

이러한 터보하우징의 주조에 대한 종래기술로는 등록특허공보 제1145629호에 트윈 스크롤부를 갖는 터빈 하우징과 배기 매니폴드를 일체형으로 주조하기 위하여 하형과 상형을 포함하는 중력 주조용 금형에 있어서, 상기 하형과 상형 사이에는 일측과 타측에 배기 매니폴드의 캐비티와 터빈 하우징의 캐비티를 형성함과 동시에, 상기 터빈 하우징의 캐비티와 연결되는 터빈 하우징용 압탕구를 형성하며, 상기 터빈 하우징의 캐비티 하부에 대응하여 상기 하형과 상형 사이에 설치되는 지지금형; 상기 하형과 상형 사이에서, 상기 지지금형에 설치되어 상기 지지금형과 함께, 상기 배기 매니폴드의 캐비티와 상기 터빈 하우징의 캐비티를 연결하는 런너를 형성함과 동시에, 상기 터빈 하우징의 캐비티 하부를 연결하는 다수개의 게이트를 형성하는 게이트 중자; 상기 하형과 상형의 내부 일측에 구성되어 상기 배기 매니폴드의 캐비티와 연결되는 배기 매니폴드측 압탕구를 형성하는 압탕금형; 상기 하형과 상형 사이의 상기 배기 매니폴드의 캐비티 내부에서, 상기 압탕금형 사이에 설치되어 상기 배기 매니폴드의 배기 런너부를 형성하는 배기 런너 중자; 상기 하형과 상형 사이의 상기 터빈 하우징의 캐비티 내부에서, 상기 터빈 하우징용 압탕구와 상기 게이트 중자 사이에 설치되어 상기 터빈 하우징의 내부 공간부로 이루어지는 트윈 스크롤부와 바이패스부를 각각 형성하는 트윈 스크롤부 중자 및 바이패스부 중자를 포함하는 중력 주조용 금형이 등록공개되어 있다.

또 다른 종래기술로는 공개특허공보 제2012-0064452호에 격벽에 의해 구획되는 2개의 스크롤 유로 및 제1격막에 의해 구획되는 바이패스 유로를 가지며, 내부 유로에 제2격막을 갖는 합류부를 통하여 배기 매니폴드와 일체형으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징에 있어서, 상기 격벽은 양측 스크롤 외벽부와 연결되는 연결부에서 상기 스트롤 유로 상의 선단부을 향하여 테이퍼(taper) 형상으로 형성되는 터보 차저용 트윈 스크롤 터빈 하우징이 공개되어 있다.

그러나, 터빈하우징은 가솔린 터보차저의 확대 적용에 따라 배기계통의 내구성 및 효율 개선을 위해, 스크롤(scroll)이 형성된 터빈하우징으로 주조하기 위한 기술개발이 진행되어 왔으며, 종래의 터빈하우징을 주조하기 위한 주형은 하나의 주형에서 단일 주조물만을 주조할 수 있는 구조에 국한되어 있어 주조 생산성 및 회수율의 저하가 발생되고 있을 뿐만 아니라 회수율의 저하는 용탕주입구 제거 등과 같은 후처리 비용의 증가를 초래하게 되며, 용탕주입구가 주형에 함몰 형성됨에 따라 용탕주입구의 대향면에 커버 역할을 하는 외형커버주형이 추가로 필요함에 따라 주형 제작비가 상승하는 문제점이 있어 왔다.

이와 같은 상황에서 최근 차량의 다변화, 경량화 및 제작 비용 절감의 추세에 따라 싱글 스크롤(sing scroll) 터빈하우징 대량 생산의 필요성이 대두되는 바, 이에 따리 싱글 스크롤을 주조하기 위한 주형을 개발이 진행되고 있으며, 이와 함께 주형에서 단일 주조물만을 주조할 수 있는 구조에 국한되었던 종래의 주형을 개선하여 주조 생산성 및 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 후처리 비용을 절감할 수 있고, 외형커버주형의 감소로 인해 주형 제작단가를 절감할 수 있는 주형의 개발과 이를 이용한 주조 방법의 개발이 절실한 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 구배각을 1도 구현하여 개재물 및 기포불량개선을 하고, 발열슬리브를 사용하여 제품의 회수율을 높이며, 인게이트를 복수개로 분할시켜 열원을 분산시킴으로써 도형제 고착을 감소시키는 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 용탕이 주입되는 탕구와, 상기 탕구를 통해 주입되는 용탕에 의해 터보하우징이 성형되는 공간인 제품성형부로 이루어지되, 상기 탕구와 제품성형부 사이에는 제품성형부의 내부로 용탕이 주입되면서 압력이 가해지는 메인압탕부가 형성되어 있고, 상기 제품성형부의 상단에는 제품성형부의 내부로 추가로 압력을 가하는 보조압탕부로 이루어진 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형에 있어서, 상기 메인압탕부의 상면에는 발열슬리브가 장착되어 있는 것이 특징이다.

본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형은 탕로에 하부로 갈수록 테어지는 구배각을 1°정도 구현하여 개재물 및 기포발생을 줄여 불량률을 개선하고, 발열슬리브를 사용하여 제품의 회수율을 높이며, 또한 용탕이 주입되는 인게이트를 둘 이상으로 형성함으로써 열원을 분산시켜 도형제 고착을 감소시키는 등의 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 사시 개요도.
도 2는 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 정면개요도
도 3은 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 측면개요도.
도 4는 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 평면개요도.
도 5는 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형에 장착되는 발열슬리브를 나타낸 일부분 상세 개요도.
도 6은 본 발명 도 1은 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 인게이트를 나타낸 일부분 상세 개요도.

본 발명 용탕이 주입되는 탕구(200)와, 상기 탕구(200)를 통해 주입되는 용탕에 의해 터보하우징이 성형되는 공간인 제품성형부(400)로 이루어지되, 상기 탕구(200)와 제품성형부(400) 사이에는 제품성형부(400)의 내부로 용탕이 주입되면서 압력이 가해지는 메인압탕부(300)가 형성되어 있고, 상기 제품성형부(400)의 상단에는 제품성형부(400)의 내부로 추가로 압력을 가하는 보조압탕부(600)로 이루어진 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형에 있어서, 상기 메인압탕부(300)의 상면에는 발열슬리브(500)가 장착되어 있는 것이 특징이다.

상기 탕구(200)의 내측면은 하부방향으로 0.5∼3°의 기울기로 테이퍼지게 형성되어 있는 것이 특징이다.

그리고 상기 메인압탕부(300)를 통해 제품성형부(400)로 용탕이 주입될 때, 제품성형부에(400)는 용탕이 주입되는 입구인 인게이트(410)가 둘 이상 형성되어 있는 것이 특징이다.

이하, 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 사시 개요도, 도 2는 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 정면개요도, 도 3은 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 측면개요도, 도 4는 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 평면개요도, 도 5는 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형에 장착되는 발열슬리브를 나타낸 일부분 상세 개요도, 도 6은 본 발명 도 1은 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형의 인게이트를 나타낸 일부분 상세 개요도이다.

도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형은 용탕이 주입되는 탕구(200)와, 상기 탕구(200)를 통해 주입되는 용탕에 의해 터보하우징이 성형되는 공간인 제품성형부(400)로 이루어져 있다.

상기 제품성형부(400)의 형상은 제조되는 터보하우징의 형상에 따라 다양한 형성으로 제작된다.

탕구(200)의 상면에는 용탕의 주입이 용이하도록 탕구(200)의 직경보다 넓은 직경의 주입구(100)가 형성되어 있으며, 상기 주입구(100)로부터 탕구(200)까지는 직경이 점점 작아지도록 형성되게 된다.

그리고, 상기 탕구(200)와 제품성형부(400) 사이에는 제품성형부(400)의 내부로 용탕이 주입되면서 압력이 가해지는 메인압탕부(300)가 형성되어 있고, 상기 제품성형부(400)의 상단에는 제품성형부(400)의 내부로 추가 압력을 가하는 보조압탕부(600)로 이루어져 있는 것이다.

상기 보조압탕부(600)는 중력에 의해 용탕의 상부에 압력을 가하는 것으로서, 하중이 있는 중량체로 제조되거나 상부와 하부가 개구된 용기에 제품성형부(400) 내에 있는 용탕과 동일한 용탕으로 이루어져 있으며, 자체 하중에 의해 하부의 제품성형부(400) 내에 있는 용탕에 압력을 가하는 것이다.

즉, 수직으로 직립한 탕구(200)의 하부 측 외주연에는 복수 개의 메인압탕부(300)가 형성되고, 상기 메인압탕부(300)에는 터보 하우징이 성형되는 공간인 제품성형부(400)가 형성되어 있다.

또한, 상기 제품성형부(400)의 상면에는 제품성형부(400)로 하중을 가하는 보조압탕부(600)가 장착되는 것으로, 상기 보조압탕부(600)는 용탕이 주입되어 응고될 때, 부피수축이 크게 일어나는 부분에 대해 금형의 설계시 파악하여 적절한 수를 장착하도록 한다.

한편, 상기 용탕은 중량비로서 C 0.3∼ 0.5%, Cr 18.0∼ 23.0%, Ni 8.0∼ 12.0%, Nb 1.3∼ 1.7%, Si 0.8∼ 1.5%, Mn 2.0%이하, Mo 0.5%이하, Co 0.5%이하, P 0.04%이하, S 0.04%이하이며, 잔부가 Fe로 이루어지되, 상기 Mn, Mo, Co, P, S는 모두 0중량%를 초과하여 포함되어 있다.

이때, 상기 메인압탕부(300)의 상면에는 발열슬리브(500)가 장착되어 있어 제품의 회수율을 높일 수 있게 된다.

상기 발열슬리브(500)는 발열 반응을 일으키는 물질로 만들어진 원통형상으로 알루미늄 파우더와 산화철 그리고 알루미나 계열의 내화물을 혼합하여 사용하는 것으로, 용탕이 메인압탕부(300)를 가득 채우면 상기 발열슬리브(500)는 발열되고, 메인압탕부(300)의 냉각을 더디게 하여 주므로 압탕효과가 개선되는 것이다.

이러한 상기 발열슬리브(500)는 상부가 개구된 공간이 형성되어 있는 형틀에 알루미늄 파우더와 산화철 그리고 알루미나 계열의 내화물을 혼합하여 채운 후, 상부에서 압력을 가해 견고하게 굳히는 것이다.

또한, 상기 탕구(200)의 내측면은 하부방향으로 0.5∼3°의 기울기로 테이퍼지게 형성되어 있어, 용탕이 탕구(200)를 통해 하부의 메인압탕부(300)로 주입될 때, 급하게 주입되지 않고 경사면을 따라 서서히 주입되도록 함으로써 주입되는 용탕 내에 기포가 발생하는 것을 방지하여 제품의 불량률을 개선하였다.

탕구(200)의 테이퍼진 경사면이 0.5°미만으로 경사지면 기존의 수직으로 이루어진 탕구(200)와 별다른 차이 없이 급격하게 탕구(200)의 하부에 위치한 메인압탕부(300)로 용탕이 들어가게 되므로 메인압탕부(300)에는 기포가 발생하게 되고, 3°를 초과하게 되면 용탕이 탕구(200)를 통해 메인압탕부(300)로 서서히 스며들어가기 때문에 이동도중에 용탕의 온도가 떨어질 우려가 있다.

그리고 상기 메인압탕부(300)를 통해 제품성형부(400)로 용탕이 주입될 때, 제품성형부에(400)는 용탕이 주입되는 인게이트(410)가 둘 이상 형성되어 있어 용탕주입시 열원을 분산시켜 도형제 고착 및 기타 불량을 감소시켰다.

즉, 메인압탕부(300)와 제품성형부(400) 간에는 용탕이 이동하는 연결통로(310)가 제품성형부(400)에 형성된 인게이트(410) 수와 동일하게 형성되어 각각의 연결통로(310)에 연결된 인게이트(410)를 통해 제품성형부(400)로 용탕이 주입되게 되는 것이다.

이러한 상기 터보하우징 쉘몰드 금형을 제조하는 공정으로는 주물사로 제작된 외부 몰드를 예열하는 1공정, 상기 예열된 외부 몰드에 주물을 주입하는 2공정, 주물이 주입된 외부 몰드를 냉각하는 3공정, 주물사를 제거하는 4공정으로 이루어져 있다.

이때, 상기 터보하우징 쉘몰드 금형은 FC45로 제작된다.

FC는 KS규격에서 GC라고 부르는 회주철품으로 비중이 대략 7.1∼7.3 사이이다.

상기 1공정은 외부 몰드에 고온의 주물을 주입시 외부 몰드에 크랙이 형성되지 않도록 하는 것으로, 외부 몰드는 130∼160℃ 사이에서 예열하도록 한다.

그리고 외부 몰드에 주물을 주입하는 2공정에서 출탕온도는 1660℃에서 ±20℃에서 진행하며, 주입온도는 1620℃에서 ±20℃로 진행되도록 하며, 주입시간은 45초 이내로 한다.

한편, 주물을 주입시 탈산을 하기 위해 주입래들로서 주물을 주입시 주물 30중량부에 대하여 Al 0.02∼0.04중량부, Ca-Si는 0.1∼0.15중량부를 주입하도록 한다.

Ca-Si은 30∼40:70∼60의 중량비 이루어져 있다.

또한 주물이 주입된 외부 몰드를 냉각하는 3공정은 공랭으로 진행하되, 1시간 이상으로 공랭하도록 한다.

100. 주입구 200. 탕구 300. 메인압탕부
310. 연결통로 400. 제품성형부 410. 인게이트
500. 발열슬리브
600. 보조압탕부

Claims

용탕이 주입되는 탕구(200)와, 상기 탕구(200)를 통해 주입되는 용탕에 의해 터보하우징이 성형되는 공간인 제품성형부(400)로 이루어지되, 상기 탕구(200)와 제품성형부(400) 사이에는 제품성형부(400)의 내부로 용탕이 주입되면서 압력이 가해지는 메인압탕부(300)가 형성되어 있고, 상기 제품성형부(400)의 상단에는 제품성형부(400)의 내부로 추가로 압력을 가하는 보조압탕부(600)로 이루어진 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형에 있어서,
상기 메인압탕부(300)의 상면에는 발열슬리브(500)가 장착되어 있고,
상기 탕구(200)의 내측면은 하부방향으로 0.5∼3°의 기울기로 테이퍼지게 형성되어 있으며,
상기 메인압탕부(300)를 통해 제품성형부(400)로 용탕이 주입될 때, 제품성형부에(400)는 용탕이 주입되는 입구인 인게이트(410)가 둘 이상 형성되어 있는 것으로,
상기 용탕은 중량비로서 C 0.3∼ 0.5%, Cr 18.0∼ 23.0%, Ni 8.0∼ 12.0%, Nb 1.3∼ 1.7%, Si 0.8∼ 1.5%, Mn 2.0%이하, Mo 0.5%이하, Co 0.5% 이하, P 0.04%이하, S 0.04%이하, 잔부가 Fe로 이루어지되, 상기 Mn, Mo, Co, P, S는 모두 0중량%를 초과하여 포함되며,
상기 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형을 제조하는 공정으로는 주물사로 제작된 외부 몰드를 예열하는 1공정, 상기 예열된 외부 몰드에 주물을 주입하는 2공정, 주물이 주입된 외부 몰드를 냉각하는 3공정, 주물사를 제거하는 4공정으로 이루어진 것으로,
상기 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형은 FC45으로 제작되되,
상기 1공정은 외부 몰드에 고온의 주물을 주입시 외부 몰드에 크랙이 형성되지 않도록 하는 것으로, 외부 몰드는 130∼160℃ 사이에서 예열하고,
외부 몰드에 주물을 주입하는 2공정에서 출탕온도는 1660℃에서 ±20℃에서 진행하며, 주입온도는 1620℃에서 ±20℃로 진행되도록 하며, 주입시간은 45초 이내로 하되,
주물을 주입시 탈산을 하기 위해 주입래들로서 주물을 주입시, 주물 30중량부에 대하여 Al 0.02∼0.04중량부, 30∼40:70~60의 중량비로 이루어진 Ca-Si는 0.1∼0.15중량부를 주입하도록 하며,
주물이 주입된 외부 몰드를 냉각하는 3공정은 공랭으로 진행하되, 1시간 이상으로 공랭하는 것이 특징인 터보하우징 중력주조 쉘몰드 금형.
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