KR102222041B1 - 주조 방법 - Google Patents

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울리치 베츠
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알트 바쿰 테크놀로기즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 도전성 물질의 장전물이 적어도 하나의 교류 전자기장의 영향권 내로 도입되어, 상기 장전물이 부양 상태로 유지되는 주조 방법에서 주조 품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 용융물을 주형에 부어 터빈 블레이드, 인공 보철 또는 터보차저 임펠러를 생산한다.

Description

주조 방법
본 발명은 주조 품을 제조하기 위한 주조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 용융물이 도가니의 재료와 접촉하지 않고, 따라서 도가니 물질에 의한 오염 또는 용융물과 도가니 물질 사이의 반응을 회피하는 것을 가능하게 하는 부양 용융 방법이다.
이러한 종류의 오염을 피하는 것은 용융점이 높은 금속 및 합금의 경우 특히 중요하다. 그러한 금속은 예를 들면 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 탄탈륨, 텅스텐, 하프늄, 니오븀, 레늄, 몰리브덴이다. 그러나 니켈, 철 및 알루미늄과 같은 다른 금속 및 합금의 경우에도 중요하다.
부양 공법은 선행 기술로부터 알려져 있다. 따라서, 도전성 용융 물질이 유도 전류에 의해 가열되고 동시에 전기 역학 효과에 의해 자유롭게 부상 되는 용융 방법이 DE 422 004 A에 이미 개시되어 있다. 상기 문서는 용융된 재료가 자석에 의해 촉진되어 몰드 내로 가압되는 주조 방법을 더 설명한다(전기 역학 다이 캐스팅). 상기 방법은 진공 상태에서 수행될 수 있다. 하지만, 이 문서는 용융된 장전물이 상기 몰드를 채우기에 충분하다는 것을 가르치지 않는다.
또한, 미국 특허 제 2,686,864 A 호는 도전성 용융 물질이 도가니를 사용하지 않고 하나 이상의 코일의 영향하에 부양 상태, 예를 들어 진공 상태를 취하는 방법을 기술하고 있다. 일 실시 예에서, 부양 물질을 안정화시키기 위해 두 개의 동 축 코일이 사용된다. 용융되면, 재료는 몰드로 떨어지거나 쏟아진다. 상기 문서에 설명된 방법은 알루미늄 60g을 현탁 상태로 유지하는 데 적합하다. 전계 강도를 감소시킴으로써 용융된 금속을 인출하여 용융물이 원뿔형 협폭 코일을 통해 하향으로 빠져나간다. 상기 전계 강도가 매우 빠르게 감소하면 상기 금속은 용융 상태에서 장치 밖으로 떨어진다. 이러한 종류의 코일 장치의 "단점"은 코일의 중심에 있으며, 이러한 방식으로 용융될 수 있는 물질의 양이 제한된다는 것은 이미 알려져 있다.
US 4,578,552 A에는 부양 용융 장치 및 방법이 더 개시되어 있다. 동일한 코일은 가열 용도와 용융물 보유 용도로 사용되며, 그와 관련하여, 인가된 교류의 주파수는 전류의 강도가 일정하게 유지되는 동안 가열 전력을 조절하기 위해 변화된다.
부양 용융의 특별한 이점은 다른 방법으로 용융물과 접촉하는 도가니 물질 또는 다른 물질로 용융물이 오염되는 것을 피하는데 있다. 상기 부양 용융물은 예를 들어 진공 또는 보호 가스일 수 있는 주변 대기와만 접촉한다. 도가니 재료와 화학 반응의 위험을 제거하면 용융물을 매우 높은 온도로 가열할 수 있다. 또한, 오염 물질에 관한 폐기물은 냉간 도가니 방법에 의한 용융과 비교하여 특히 감소된다. 그럼에도 불구하고 실제로는 부양 용융이 이루어지지 않고 있다. 이는 용융이 상대적으로 적은 양의 용융 물질만이 부유하게 유지되기 때문이다 (DE 696 17 103 T2, 2 페이지 1 단락 참조).
그러한 이유 때문에 용융된 물질은 부유한 채로 유지되지 않지만 유사한 원리에 따라 배향되는 반면, 물질은 부양하는 대신 플랫폼 위에 놓여 있는 부분적으로 반(semi) 부양 기법을 사용했다. 이러한 방법은 DE 696 17 103 T2 및 DE 690 31 479 T2에 기술되어 있다. 그러나, 이러한 방식으로 용융된 물질은 몰드에 부어 넣기가 어렵다. 또한, 이러한 공정은 상기 플랫폼과의 접촉에 의해 오염된 쓸모 없는 재료의 상당 부분을 생산한다. DE 690 31 479 T2는 동일한 재료로 폐쇄된 원형 개구를 갖는 플랫폼을 사용한다. 완전히 용융되면, 용융물은 개구부를 통해 용융 영역 밖으로 유출된다.
종래 기술로부터 알려진 방법의 문제점은 다음과 같이 요약될 수 있다. 풀(full) 부양 용융 방법은 소량의 재료에만 사용할 수 있으므로 산업 응용 분야는 아직 성공적이지 못했다. 반(semi) 부양 용융 방법은 플랫폼과 접촉한 재료의 비율을 폐기할 필요가 있다는 단점이 있다. 또한 몰드에 부어 넣기가 어렵다. 결과적으로, 종래에 주조 품의 생산을 위한 풀(full) 부상 용융 방법을 산업적 규모로 수행하는 것이 가능하지 않았다.
따라서, 본 발명은 반(semi) 부양 용융 방법 및 냉각 도가니 방법의 전형적인 재료 손실을 회피하고 부양 용융 기술의 모든 장점을 달성하면서 부양 용융을 산업적으로 사용할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 상기 방법은 높은 처리량을 허용해야 하며, 지지 플랫폼을 사용하지 않고도 충분한 양의 재료를 용융시켜 고품질의 주조 품을 산업적으로 생산할 수 있어야 한다.
상기 목적은 본 발명에 따른 방법으로 달성된다. 본 발명은 도전성 물질의 주조 품을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
-적어도 하나의 교류 전자기장(용융 영역)의 영향권 내로 도전성 물질의 장전물을 도입하여 상기 장전물이 부양 상태로 유지되도록 하는 단계,
-상기 장전물을 용융시키는 단계,
-상기 부양된 장전물 아래의 충전 영역에 몰드를 위치시키는 단계,
-상기 전체 장전물을 몰드에 주입하는 단계,
-상기 응고된 주조 품을 상기 몰드에서 제거하는 단계,
상기 용융 장전물의 볼륨이 상기 주조 품(상기 충전 볼륨)의 제조를 위한 적절한 정도까지 상기 몰드를 충전하기에 충분하다. 상기 몰드가 충전 완료되면 상기 냉각되거나 냉각제를 사용하여 냉각되어 상기 재료가 상기 몰드에서 응고된다. 그런 다음 상기 주조 품을 상기 몰드에서 제거할 수 있다. 상기 주입은 특히 교류 전자기장을 스위치 오프하여 상기 장전물이 떨어지는 것을 허용하거나, 코일을 사용하는 등의 교류 전자기장을 사용하여 상기 주입을 느리게 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 방법은 주입 후에 상기 충전 영역으로부터 상기 충전된 몰드를 제거하는 단계를 포함하지만, 상기 응고된 주조 품을 제거하기 전에 수행된다. 이러한 실시 예는 로스트 몰드를 사용할 때 특히 유리하게 사용되는데, 이는 또 다른 로스트 몰드에 대한 상기 충전 영역을 자유롭게 하기 때문이다. 다른 실시 예에서, 특히 영구 몰드를 사용할 때, 상기 주조 품의 제거는 상기 충전 영역에서 발생할 수 있다.
상기 응고된 주조 품은 다양한 방법으로 제거할 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 몰드는 주조 품을 제거할 때 파괴된다. 이것을 "로스트 몰드(lost mold)" 방법이라고 한다. 다른 실시 예에서, 상기 몰드는 영구 몰드, 특히 영구 다이로 제조될 수 있다. 영구 다이들은 바람직하게는 금속 재료로 제조된다. 이들은 보다 간단한 구성 요소에 적합하다.
영구 몰드는 주조 품을 제거하기 위해 서로 분리될 수 있는 2개 이상의 몰드 부재들을 포함하는 것이 바람직하다. 하나 이상의 이젝터가 영구 몰드에서 탈형을 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, "도전성 재료"는 재료를 유도 가열 및 부양시키기에 적절한 도전성을 갖는 재료로 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, "부양 상태"는 처리되는 장전물이 도가니 또는 플랫폼 등과는 전혀 접촉하지 않도록 완전한 부양 상태로 이해되어야 한다.
몰드의 "충전 볼륨"은 상기 몰드를 사용하여 성형될 하나 이상의 완전한 주조 품을 제조하기에 충분한 정도로 상기 몰드를 충전하는 볼륨으로 이해되어야 한다. 이것은 반드시 상기 몰드의 완전 충전에 대응할 필요는 없고, 주조 품의 생산에 필요한 최소 볼륨에 대응할 필요도 없다. 결정적인 것은 충전 볼륨 이상으로 상기 몰드를 채울 필요가 없다는 것이다. 특히, 본 발명과 관련하여, 상기 몰드는 완전한 주조 품을 제조하기 위해 충전될 필요는 없고, 오히려 상기 몰드 내로 용융물을 부어 넣거나 그 내부에 그것을 분배하는 역할을 하는 채널들 또는 급유 섹션들을 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 몰드는 특히 상기 용융 장전물의 볼륨을 초과하여 충전되지 않는다.
본 발명에 따라 사용되는 상기 몰드들은 제조 될 주조 품의 형상에 상응하는 캐비티들을 갖는다. 본 발명과 관련하여, 하나 이상의 그러한 캐비티를 가지며, 따라서 다수의 주조 품의 동시 생산에 적합한 몰드들을 사용하는 것이 또한 가능하다. 둘 이상의 캐비티를 가지며, 따라서 다수의 주조품의 동시 생산에 적합한 주형을 사용하는 것이 가능하다. 일 실시 예에서, 본 발명에 따라 사용되는 주형은 정확하게 하나의 주조 품을 위한 정확히 하나의 캐비티가 있어야 한다. 일 실시 예에서, 상기 몰드는 충전될 금형의 캐비티보다 큰 직경의 급유 섹션을 갖는다. 이러한 종류의 급유 섹션은 특히 깔대기의 형태로 설계될 수 있다. 용융된 장전물이 상기 몰드에 들어가는 것을 용이하게 하는 역할을 한다.
상기 몰드는 세라믹, 특히 산화물-세라믹, 특히 Al2O3, ZrO2, Y2O3 또는 이들의 혼합물과 같은 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 몰드 재료는 실제로 그 자체로 증명되었고, 특히 로스트 몰드들에 유리하다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 영구 몰드는 금속 재료, 즉 금속 또는 금속 합금으로 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면, 충전된 몰드가 충전 영역으로부터 제거된 후에 다른 빈 몰드가 충전 영역으로 이동되거나, 장전물로 채워진 몰드의 충전 영역으로부터 제거와 전체적으로 또는 부분적으로 동시에 이동될 수 있다. 또는, 특히 영구 몰드의 경우, 상기 몰드를 충전 영역으로부터 제거할 필요 없이 충전 영역에 있는 동안 주조 품을 상기 몰드로부터 제거할 수 있다. 또한, 상기 장전물을 부은 후에, 도전성 재료의 추가 장전물은 교류 전자기장의 영향권 내로 유입될 수 있다. 추가 장전물은 동일하게 용융되어 추가 몰드에 부어 넣을 수 있다. 이러한 절차는 특히 마모될 도가니가 필요 없기 때문에 원하는 만큼 자주 반복될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 전도성 물질의 모든 장전물이 정확하게 하나의 몰드에 할당되는 그러한 리듬으로 수행될 수 있다. 상기 몰드는 하나의 장전물로 적절하게 충전되고 다음 장전물을 받기 위한 다음 몰드를 위한 방법을 만들기 위해 충전 영역으로부터 제거될 수 있다. 이는 부양 방법의 상대적으로 제한된 용량에서도 높은 처리량을 가능케 하는 특히 효율적인 공정을 허용한다.
일 실시 예에서, 상기 몰드는 충전 전에 예열된다. 예열된 몰드는 용융된 장전물이 상기 몰드와의 접촉 시 즉시 응고되지 않는다는 이점이 있다. 특히, 터보차저 용 임펠러들과 관련하여 발생되는 바와 같이 충전될 미세 캐비티의 경우에 있어서, 상기 재료가 응고되기 전에 용융된 장전물이 상기 몰드의 미세 캐비티 내로 퍼지게 하는 온도로 주형을 가열하는 것이 유리하다. 상기 몰드가 용융된 장전물로 채워지기 전에 400 내지 1100℃, 특히 500 내지 800℃ 범위의 온도로 몰드를 예열하는 것이 유리하다는 것이 입증되었다. 너무 낮은 온도는 특정 상황에서 응고를 방지할 수 없다. 온도가 너무 높으면 상기 재료와 상기 몰드 사이에 원하지 않는 반응의 위험이 높아진다. 본 발명은 상기 몰드가 예열되지 않은 구체 예를 더 포함한다. 이러한 유형의 실시 예는 용융된 장전물이 충분히 높은 온도로 과열될 수 있고, 따라서 몰드가 예열되지 않아도 즉시 응고되지 않는다면 수행가능 하다. 당해 기술 분야의 당업자는 금형이 예열되어야 하는지 여부 및 어떤 온도로 예열되는지에 대해 다음과 같은 모든 것이 중요한 역할을 하는 경우 무게를 두어야 할 것이다: 상기 몰드 및 그 캐비티의 크기, 재료의 용융 온도, 이들의 융점 및 온도가 점도, 몰드의 재질 및 재료의 반응성에 미치는 영향.
상기 몰드 내의 용융물의 분배를 가속화하기 위해, 충전 동안, 상기 몰드는 수직 축, 특히 수직 대칭 축을 중심으로 회전될 수 있다. 따라서, 상기 몰드 내의 용융물은 그대로 캐비티 내로 던져진다. 특히 온도가 낮아짐에 따라 점도가 급격히 증가하는 용융 물질의 경우, 상기 몰드가 충분히 채워지기 전에 응고가 이루어지지 않도록 이러한 재료를 몰드의 캐비티에 신속하게 넣는 것이 중요하다. 용융 장전물을 붓자마자 냉각되기 시작한다는 것을 고려해야 한다. 점도가 온도에 매우 의존적인 재료는 티타늄 및 티타늄 합금, 특히 TiAl이며, 따라서 도전성 재료가 티타늄 또는 티타늄 합금 인 경우 특히 상기 몰드가 회전되어야 한다. 상기 몰드에서 용융된 장전물의 보다 빠른 분배뿐만 아니라, 회전은 또한 주조 품의 품질에 매우 부정적인 영향을 미치는 난류(turbulence)를 회피할 수 있다.
상기 몰드의 회전은 분당 회전수 10 내지 1000, 특히 100 내지 500 또는 150 내지 350으로 수행되는 것이 유리하다는 것이 입증되었다. 선택될 회전 속도는 용융된 장전물의 점도 거동 및 몰드의 내부 형상에 의존한다. 냉각 시 재료의 점도가 빨리 증가할수록 금형의 캐비티 속으로 급히 뿌려지는 것이 더 빨라야 한다.
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 도전성 재료의 용융 및 주형의 충전은 모두 진공 하에서 또는 보호 가스 하에 수행된다. 바람직한 보호 가스는 용융될 물질, 질소, 희가스 중 하나 또는 이들의 혼합물에 따라 달라진다. 특히 바람직하게는 아르곤 또는 헬륨으로 제조된다. 보호 가스 또는 진공의 사용은 물질 및 대기 성분, 특히 산소 사이의 원하지 않는 반응을 피하는 역할을 한다. 바람직하게는, 몰드의 용융 및/또는 충전은 진공 하에, 특히 1000 Pa 이하의 압력에서 수행된다.
본 발명에 따른 방법의 하나의 바람직한 실시 예에서, 충전의 순간에, 상기 몰드는 장전물의 주입 방향에 평행하게, 특히 주입 방향으로 병진 이동된다. 즉, 주입 과정에 의해 트리거 되는 몰드가 상향 또는 하향 이동된다. 이는 몰드의 충전 속도를 제어, 즉 가속 또는 감속시킨다. 이러한 이동의 측정은 상술한 회전에 대한 대안으로서 또는 상기 회전과 병행하여 수행될 수 있다. 두 가지 방법 모두 가능한 한 완벽하고 신속하게 충전되는 몰드라는 의미에서 최적의 충전에 기여하며, 동시에 낮은 난류를 가지기 때문에 획득된 주조 품의 품질이 향상된다. 주입 방향으로의 이동은 용융된 장전물이 떨어지는 속도보다 낮은 속도로 발생한다. 상기 몰드의 주입 방향으로의 가속은 상기 장전물이 떨어질 때의 가속도보다 작아야 한다. 또한, 단독으로 또는 회전과 병행하여 상기 이동을 사용하면 용융된 장전물의 튀어 나오거나 넘칠 가능성이 없으며, 그렇지 않은 경우 한 번의 주조 작업으로 몰드를 빠르고 전부 채울 수 있기 때문에 위험할 수 있다.
주입 시에 몰드의 시작 위치로부터 시작하여 최대 4m, 특히 최대 3m, 최대 2m, 특히 바람직하게는 최대 1m의 거리에서 병진 이동을 수행하는 것이 적절하다는 것이 판명되었다. 이러한 거리는 필요한 장치가 과도하게 커지지 않으면서, 주조 품의 품질에 대한 병진 운동의 이점을 달성하기에 충분하다. 전체 장전물이 몰드로 들어갔을 때 이동을 중단하는 것이 바람직하다.
특히, 회전 및/또는 병진 운동은 장전물의 주입에 의해 트리거 된다. 이를 위해, 주입되는 것을 검출하고 몰드에서 회전 및/또는 병진 이동을 트리거 하는 구동 장치에 신호를 전송하는 센서를 제공하는 것이 가능하다. 적절한 센서들은 예를 들어 교류 전자기장의 변화 또는 소멸, 또는 용융 영역과 몰드 사이의 전이 영역에서 용융된 장전물의 존재를 검출(가령, 라이트 게이트들을 통해)할 수 있다. 해당 신호를 트리거 하기 위해 매우 많은 다른 센서가 더 고려될 수 있다.
하나의 바람직한 실시 양태에서, 본 발명에 따라 사용된 도전성 물질은 하기 그룹으로부터의 하나 이상의 고-융점 금속을 포함한다: 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 탄탈륨, 텅스텐, 하프늄, 니오븀, 레늄, 몰리브덴. 또는, 니켈, 철 또는 알루미늄과 같이 저-융점 금속을 사용하는 것도 가능하다. 사용되는 도전성 물질은 또한 하나 이상의 상기 언급된 금속을 갖는 혼합물 또는 합금일 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속은 도전성 물질의 적어도 50 중량%, 특히 적어도 60 중량% 또는 적어도 70 중량%의 비율을 포함한다. 이들 금속들은 특히 본 발명의 이점으로부터 이익을 얻는 것으로 밝혀졌다. 하나의 특히 바람직한 실시 양태에서, 도전성 물질은 티타늄 또는 티타늄 합금, 특히 TiAl 또는 TiAlV이다. 이들 금속 또는 합금은 그 점도가 특히 온도에 좌우되기 때문에 특히 유리하게 작용할 수 있고, 특히 몰드의 재료들과 관련하여 특별히 반응성이 있기 때문에 특히 유리하게 작용할 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 몰드의 극단적인 급속 충전에 의해 부양하는 동안 비 접촉식 용융을 결합하기 때문에, 특히 그러한 금속들에 대해 특별한 이점이 있다. 본 발명에 따른 방법은 몰드의 재료와 반응하는 용융물로부터 특히 얇은 산화물 층을 갖는 주조 품 또는 심지어 이를 전혀 사용하지 않는 주조 품을 제조하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 유리한 일 실시 예에서, 도전성 물질은 용융 동안 물질의 융점보다 적어도 10 ℃, 적어도 20 ℃ 또는 적어도 30 ℃ 높은 온도로 과열된다. 이러한 과열로 인해 온도가 융점 이하인 몰드와의 접촉 즉시 재료가 응고되는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 재료의 점도가 너무 높아지기 전에 상기 몰드에 상기 장전물이 확산될 수 있다. 부양 용융의 이점은 용융물과 접촉하는 도가니를 사용할 필요가 없다는 것이다. 따라서, 도가니 성분에 의한 용융물의 오염과 같이 냉간 도가니 방법의 높은 물질 손실이 방지된다. 또 다른 장점은 진공 상태 또는 보호 가스 하에서 작동할 수 있고 반응성 물질과의 접촉이 없기 때문에 용융물을 비교적 높은 온도로 가열할 수 있다는 것이다. 그러나 대부분의 재료는 몰드와의 격렬한 반응의 위험을 감수하기 때문에 어떤 온도에서도 간단하게 과열될 수 없다. 그 때문에, 과열은 도전성 재료의 융점보다 300℃ 이하, 특히 200℃ 이하, 특히 바람직하게는 100℃ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 용융은 바람직하게는 0.5분 내지 20분, 특히 1분 내지 10분 동안 수행된다. 상기 장전물에 열을 매우 효율적으로 도입할 수 있고, 유도된 와전류로 인해 매우 짧은 시간 내에 매우 양호한 온도 분포가 일어나기 때문에 이러한 용융 시간은 부양 용융 방법에서 쉽게 이루어질 수 있다. 완전히 용융되면 용융된 장전물은 몰드에 주입된다. 주입은 용융된 장전물이 떨어지도록 구성할 수 있거나, 이러한 목적에 적합한 (추가의) 코일을 사용하는 전자기 영향에 의해 제어될 수 있다. 상기 충전된 몰드는 멀리 이동하고 새로운 몰드로 교체하여 상기 몰드들을 몇 분 간격으로 충전할 수 있다. 본 발명에 따르면, 도전성 물질의 장전물은 바람직하게는 50g 내지 2kg, 특히 100g 내지 1kg의 질량을 가질 수 있다. 일 실시 예에서, 질량은 적어도 200g이다. 이들 질량은 터빈 블레이드, 터보차저 임펠러 또는 인공 보철의 생산에 충분하다. 그러나, 다른 어떠한 형상도 고려될 수 있는데, 이는 상기 방법이 미세하고 분지화 된 캐비티로 복잡한 형상을 생성할 수 있기 때문이다. 고-융점과 저-점도의 조합, 반응을 피하기 위한 진공 또는 보호 가스, 몰드 내에서 용융물의 빠른 분포를 위한 회전, 최적의 충전 속도 설정을 위한 변환 및 단 하나의 충전 단계에서 몰드의 클럭 충전 등은 몰드 충전을 통해 용융물 및 사용된 몰드에 따라 최적화할 수 있는 매우 다양한 방법을 제공한다.
바람직하게는, 장전물의 부양 상태를 가져오기 위해, 상이한 교류 주파수의 적어도 2개의 전자기장이 사용된다. 기존의 부양 공법은 필요한 전자기장을 생성하기 위해 하나 이상의 원추형 코일을 사용한다. 본 발명에 따르면, 원추형 코일과 같은 종래의 부양 용융 방법을 사용하는 것도 가능하다. 그러나, 이는 대칭축의 영역에서 용융된 장전물이 그의 표면 장력에 의해서만 흘러 나가는 것이 방지되므로 장전물의 크기를 크게 제한한다. 이러한 단점은 서로 다른 주파수의 적어도 2개의 전자기장을 사용함으로써 피할 수 있다 (Spitans et al., Magnetohydrodynamics Vol.51 (2015), No.1, pp.121-132 참조). 하중이 없는 경우, 자기장은 바람직하게는 수평으로, 특히 서로 직각으로 실행되어야 한다. 이는 완전 부양 방식으로 비교적 큰 질량의 도전성 재료를 처리하는 것을 가능하게 한다. 다른 주파수의 사용은 샘플 회전을 방지한다. 각각의 경우 적어도 1 kHz의 주파수 차이가 바람직하다.
본 방법의 바람직한 일 실시 예에서, 자기장을 집중시키고 장전물을 안정화시키기 위해, 적어도 하나의 강자성체가 상기 장전물이 용융되는 영역 주위에 수평으로 배치된다. 상기 강자성체는 용융 영역 주위에 환형으로 배열될 수 있는데, "환형"은 원형 요소뿐만 아니라 각형, 특히 직사각형 또는 다각형 환형 요소를 포함한다. 상기 강자성체는 특히 용융 영역의 방향으로 수평으로 돌출하는 다수의 바 섹션을 가질 수 있다. 강자성체는 강자성 물질로 제조되며, 바람직하게는 진폭 투과율 μa> 10, 보다 바람직하게는 μa> 50, 특히 바람직하게는 μa> 100을 갖는다. 진폭 투과율은 특히 25℃ ~ 100℃의 온도 범위에서 0 ~ 400 mT 사이의 자속 밀도에서의 투과율과 관련이 있다. 진폭 투과율은 특히 연 자성 페라이트(예: 3C92)의 진폭 투과율의 적어도 1/100, 특히 적어도 1/10 또는 1/25이다. 적합한 물질은 당업자에게 공지될 것이다.
하나의 바람직한 실시 예에서, 전자기장은 축이 수평으로 배향된 적어도 2쌍의 유도 코일에 의해 발생되며, 따라서 코일의 도체는 바람직하게는 수평 코일 형성기에 각각 권취된다. 상기 코일들은 각각의 경우에 강자성체의 용융 영역의 방향으로 돌출하는 바 섹션 주위에 배열될 수 있다. 상기 코일들은 클런트 냉각 컨덕터를 가질 수 있습니다.
본 방법의 특히 바람직한 실시 예에서, 수직 대칭 축을 갖는 코일, 특히 원추형 코일은 용융될 장전물 아래에 배치되어 주입 속도에 영향을 미친다. 바람직한 일 실시 예에서, 이러한 코일은 제3교류 주파수의 전자기장을 생성할 수 있다(Spitans et al., 금속의 대규모 전자기장 부양에 대한 수치적 및 실험적 연구, Conference Paper 제10차 PAMIR 국제 회의 - 기본 및 응용 MHD, 2016년 6월 20-24일, 이탈리아 Cagliari). 이러한 코일은 바람직하게는 과도한 열의 영향으로부터 강자성체를 보호하는 역할을 할 수 있다. 이를 위해 쿨런트를 상기 코일의 도체를 통해 흐르게 할 수 있다.
도 1은 강자성체, 코일 및 도전성 물질의 장전물을 갖는 용융 영역 아래의 주조 몰드의 측면도이다.
도 2는 도 1의 설정 단면도이다.
도 3은 도 1의 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 코일 장치의 평면도이다.
도 5는 용융 영역 내의 장전물을 갖는 충전 영역 내의 영구 몰드의 사시도이다.
도 6은 용융 영역의 장전물을 갖는 충전 영역의 영구 몰드 단면도이다.
도면들은 바람직한 실시 예를 도시한다. 그것들은 단지 설명의 목적으로만 사용된다.
도 1은 코일들(3)의 도움으로 생성되는 교류 전자기장(용융 영역)의 영향권 내에 위치한 도전성 물질의 장전물(1)을 도시한다. 장전물(1) 아래에는 홀더(5)에 의해 충전 영역(filling region)에 유지되는 빈 몰드(2)가 있다. 홀더(5)는 도면에서 화살표로 표시된 회전 및/또는 병진 운동으로 몰드(2)를 움직일 수 있다. 강자성체(4)는 코일(3)의 영향권 주위에 배치된다. 본 발명에 따른 방법에서, 장전물(1)은 부양하면서 용융되고, 용융되면 몰드(2) 내로 주입된다. 몰드(2)는 깔때기 형상(funnel-shaped)의 급유 섹션(7)을 포함한다.
도 2는 도 1과 동일한 구성들을 도시한다. 도 2는 용융 영역의 방향으로 돌출하고 코일(3)이 배열되는 바 섹션들(6)을 더 도시한다. 이러한 바람직한 실시 예에서, 바 섹션들(6)은 강자성체(4)의 부분들이고 코일(3)의 코어를 형성한다. 코일 쌍들(3)의 축은 수평으로 그리고 서로 직각으로 배향되고, 각각 2개의 반대 코일들(3)이 한 쌍을 이룬다.
도 3은 도 1 및 도 2와 동일한 구성을 도시하며, 도 3은 바 섹션들(6) 및 상기 코일 축들의 직교 배치를 명확히 도시한다.
도 4는 강자성체(4) 내의 코일(3)의 배열을 더 도시한다. 강자성체들(4)은 8각형 환형 부재의 형태를 제공한다. 각각의 경우, 축들(A, B) 상의 2개의 코일(3)이 코일 쌍을 형성한다. 몰드의 급유 섹션(7)은 상기 코일 에렌인지먼트 아래에 나타난다. 코일 축들(A, B)은 서로 직각으로 배치된다.
도 5는 몰드(2)로서 영구 몰드를 사용하는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치를 나타낸다. 영구 몰드(2)는 탈형(de-moulding)을 위해 서로 분리될 수 있는 2개의 몰드 부재들(8, 9)을 포함하는 영구 다이이다. 이젝터(10)는 몰드 부재(8) 중 하나를 통해 안내되어 탈형을 지지한다. 영구 몰드(2)는 로스트 몰드 형태인 몰드의 경우에서와 같이 홀더(5) 상에 배치되어, 몰드(2)가 회전 및/또는 병진 운동을 할 수 있게 한다. 영구 몰드(2)의 탈형은 상기 충전 영역에서 발생할 수 있다.
도 6은 2개의 몰드 부재들(8, 9) 및 이젝터(10)를 포함하는 영구 몰드(2)를 사용하여 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 단면도이다. 또한, 영구 몰드(2)는 깔때기 형상의 급유 섹션(7)을 포함한다.
1: 장전물 2: 몰드
3: 코일 4: 강자성체
5: 홀더 6: 바 섹션
7: 급유 섹션 8, 9: 몰드 부재들
10: 이젝터

Claims (22)

  1. 도전성 물질의 주조 품들을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 도전성 물질의 장전물(1)을 적어도 하나의 교류 전자기장의 영향권 내로 도입하여 상기 장전물(1)이 부양 상태로 유지되도록 하는 단계;
    상기 장전물(1)을 용융시키는 단계;
    상기 부양 장전물(1) 아래의 충전 영역에 몰드(2)를 위치시키는 단계;
    상기 전체 장전물(1)을 상기 몰드(2)에 주입하는 단계;
    응고된 주조 품을 몰드(2)로부터 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 용융 장전물(1)의 볼륨이 상기 주조 품의 제조를 위한 적절한 정도까지 상기 몰드(2)를 충전하기에 충분하고, 상기 충전하는 동안, 상기 몰드(2)는 상기 장전물(1)의 주입 방향에 평행하게 병진 이동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전된 몰드(2)는 상기 장전물(1)을 주입한 후에 상기 주조 품을 제거하기 전에 상기 충전 영역으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 충전된 몰드(2)가 상기 충전 영역으로부터 제거된 후에 혹은 제거와 동시에 전체적으로 혹은 부분적으로 다른 빈 몰드(2)가 상기 충전 영역 내로 이동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 몰드(2)는 충전 전에 예열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 몰드(2)는 충전하는 동안 수직 축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 회전은 분당 회전 수 10 내지 1000의 회전 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 장전물(1)의 용융 및 상기 몰드(2)의 충전은 진공 하에, 또는 보호 가스 하에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전하는 동안, 상기 몰드(2)는 주입 방향으로 병진 이동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 병진 이동은 장전물(1)의 주입에 의해 트리거 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 물질은 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 탄탈륨, 텅스텐, 하프늄, 니오븀, 레늄, 몰리브덴, 니켈, 철, 알루미늄 그룹으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속은 도전성 물질의 50 중량% 이상의 비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 물질은 티타늄 또는 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 물질은 용융 중에 상기 재료의 융점보다 적어도 10℃, 적어도 20℃ 또는 적어도 30℃ 높은 온도로 용융되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 몰드(2)는 금속 또는 세라믹 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융은 0.5분 내지 20분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 장전물(1)의 부양 상태를 야기하기 위해, 교류 주파수가 서로 다른 적어도 2개의 전자기장이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    부하가 없을 때, 생성된 상기 자기장은 수평 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    부하가 없을 때, 생성된 상기 자기장은 서로 직각으로 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 자기장을 집중시키고 상기 장전물(1)를 안정화시키기 위해, 강자성 물질로 제조된 적어도 하나의 강자성체(4)는 장전물(1)이 용융되는 상기 충전 영역 주위에 수평으로 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 전자기장은 축들(A, B)이 수평으로 배향된 적어도 두 쌍의 유도 코일들(3)을 사용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    수직 코일 축을 갖는 코일(3)은 주입 속도에 영향을 주기 위해 용융될 장전물(1) 아래에 더 배열되고, 상기 코일은 제3교류 주파수의 전자기장을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 몰드(2)는 둘 이상의 몰드 부재들(8, 9)를 갖는 영구 다이이며, 상기 영구 다이로부터 상기 주조 품을 제거하는 단계는 상기 몰드 부재들(8, 9)의 분리를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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