KR102370907B1 - 고속급랭 사형주조 방법 및 주조용 사형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제조할 제품의 형상에 대응하는 주형 상에 주물사를 채워 상측 사형 및 하측 사형을 제작하는 단계, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형에 살빼기부를 형성하는 단계, 중공이 형성된 코어를 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형 간에 세팅하는 단계, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 합형하는 단계 및 상기 상측 사형에 형성된 주입구를 통해 용탕을 주입하고, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 냉각시키는 단계를 포함하는 고속급랭 사형주조 방법으로서, 본 발명에 의하면, 사형주조의 단점인 급랭이 가능하게 한다.

Description

고속급랭 사형주조 방법 및 주조용 사형{SAND CASTING METHOD WITH HIGH SPEED COOLING AND SAND MOLD}

본 발명은 주물을 만들기 위한 방법 중 사형주조 방법 및 그것을 위한 사형형에 관한 것이다.

다이캐스팅 방법은 높은 양산성 및 저렴한 가격의 장점으로 여러 산업 분야에서 가장 많이 이용되는 성형 공정이다.

특히, 자동차의 경량화를 위해 알루미늄 소재의 부품 제작의 경우에 많이 활용된다.

그런 반면, 강성을 위한 폐단면 구조를 갖는 성형의 경우, 고압주조로 인한 코어 제작이 어렵기 때문에 성형이 불가능하고 제품의 강성면에서 최대한의 효과를 얻기가 힘들다.

그래서, 폐단면의 경우에는 주조품과 압출품을 용접하여 제품을 만들기도 하였다.

또한, 내부 품질이 우수하지 못하며, 금형 제작에 비용이 많이 드는 면이 있다.

특히 소량으로 생산되는 제품에 대해서는 금형에 대한 비용 문제로 제품 가격이 높아지는 결과를 초래하기 때문에 생산성 측면에서 불리한 면이 있다.

본 발명은 일반적인 다이캐스팅과 달리, 소량 생산에 적합하며 비용 면에서 장점이 있으며, 폐단면 구조의 성형이 가능한 사형주조 방법에 관한 것인데, 사형주조 공법의 경우에는 중력주조를 기반으로 하여 용탕을 중력의 힘으로 주입하고 몰드가 사형이라는 단점이 있기 때문에 품질적으로 취약한 면이 있다.

가장 중요한 문제는 조직의 조대화에 따른 물성 저하에 있다. 즉, 금형에 의한 주조와 달리 점결재를 이용하여 사형몰드에 주조하는 사형주조의 경우에, 모래와 점결재의 특성상 방열이 어려우며, 그에 따라 응고열이 외부로 잘 분출되지 않는 문제로 인해 급랭이 이뤄지지 않고 조직이 조대화되어 기계적 물성이 떨어지는 것이다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국공개특허공보 제10-2006-0073787호 일본공개특허공보 제2011-088186호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 사형주조의 단점인 급랭을 가능하게 하기 위한 고속급랭 사형주조 방법 및 주조용 사형을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 고속급랭 사형주조 방법은, 제조할 제품의 형상에 대응하는 주형 상에 주물사를 채워 상측 사형 및 하측 사형을 제작하는 단계, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형에 살빼기부를 형성하는 단계, 중공이 형성된 코어를 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형 간에 세팅하는 단계, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 합형하는 단계 및 상기 상측 사형에 형성된 주입구를 통해 용탕을 주입하고, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 냉각시키는 단계를 포함한다.

상기 주물사는 2단으로 적층되고, 상기 주형에 인접한 주물사에 비해 외측에 적층되는 주물사의 입자가 큰 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 주형에 인접한 주물사의 입자는 200~600㎛이고, 상기 외측에 적층되는 주물사의 입자는 600㎛~2.4mm인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 주물사는 0.5mm~1mm의 스틸볼(steel ball)을 섞어 제조되는 것을 특징으로 한다.

이러한 상기 스틸볼의 양은 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형의 중량의 1/10 이하인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 살빼기부를 형성하는 단계는 상기 상측 사형의 살빼기부 간의 간격보다 상기 하측 사형의 살빼기부 간의 간격이 크도록 형성하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 상측 사형의 살빼기부 간의 간격은 400mm 이상으로 하고, 상기 하측 사형의 살빼기부 간의 간격은 500mm 이상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상측 사형에 형성된 주입구를 통해 용탕을 주입하는 단계는 합형된 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 수조 내부에 배치한 후 실시하고, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 냉각시키는 단계는 상기 수조에 냉각수를 채워 상기 하측 사형부터 시간에 따라 잠기게 하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 냉각시키는 단계에 의해, 상기 냉각수는 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형 간에 세팅된 중공 코어를 관통하는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 주조용 사형은, 제조할 제품의 형상에 대응하는 주형 상에 주물사가 채워져 제작되는 상측 사형 및 하측 사형 및 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형 간에 세팅되는 중공 코어를 포함하고, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형에는 살빼기부가 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 상측 사형과 상기 하측 사형의 주물사는 각각 2단으로 적층되고, 상기 주형에 인접한 주물사에 비해 외측에 적층되는 주물사의 입자가 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주물사는 0.5mm~1mm의 스틸볼(steel ball)을 섞어 제조되는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 상측 사형의 살빼기부 간의 간격보다 상기 하측 사형의 살빼기부 간의 간격이 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고속급랭 사형주조 방법 및 주조용 사형에 의하면, 사형주조에 의해 소량 생산에 적합하면서도 고속 급랭이 가능하여 강성 등의 우수한 기계적 물성의 확보가 가능하게 한다.

그리고, 폐단면 성형이 가능하고, 비용 절감이 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 사형주조용 금형을 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 주물사의 구조를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 고속급랭 사형주조 방법을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 7(a)는 SEM사진으로 촬영한 알루미늄 합금의 형상이고, 도 7(b)는 이를 평면으로 현미경 관찰한 마이크로 조직사진이다.
도 8은 DAS(Dendrite Arm Space) 측정에 관해 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

본 발명에 의한 사형주조 방법은 제조하고자 하는 제품 형상에 대응하는 주형을 제작하고, 모래를 채운 후 상온 경화형 점결재를 넣은 뒤 가스로 반응을 일으켜 상온에서 사형 몰드를 제작한다.

본 발명의 사형주조 방법은 고속급랭을 달성하기 위해서 주물사를 2단으로 구성하고, 미세 스틸볼(steel ball)을 주물사에 부가하여 사형 몰드를 제작한다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 용탕과 맞닿는 부분, 즉 주형에 인접한 모래는 입자가 작은 모래를 적층하고, 그 외측으로는 입자가 큰 모래를 적층하여 사형 몰드를 제작한다.

입자가 작은 모래는 mesh 사이즈 기준 200~600㎛로서, 입자가 작은 모래에 의해 용탕의 침투를 방지하고, 입자가 큰 모래는 600㎛~2.4mm로서, 통기도 및 냉각의 효율을 위한 것이다.

입자가 작은 모래(mesh 사이즈 기준 200~600㎛)만을 이용하여 사형 몰드를 만드는 경우에는 용탕 주입시 점결재와 닿아 생기는 가스가 효율적으로 빠지지 못한다. 빠지지 못한 가스는 알루미늄 부품 내부에 들어가게 되어 미세 결함으로 남아서 열처리시 물성 저하를 초래하게 된다.

반대로, 입자가 큰 모래(600㎛~2.4mm)만을 이용하여 사형 몰드를 만드는 경우에는 거친 모래로 인한 알루미늄 부품의 표면조도 불량으로 나타날 수 있으며, 몰드 강성도 약해지게 되어 용탕 주입 시 몰드가 파손되는 경우가 발생되어 생산성을 저해시키게 된다.

나아가, 이와 같이 주물사가 2단으로 구성되는 경우에 코어에 인접한 입자가 작은 모래는 전체 몰드 두께의 10~20% 수준, 예를 들어 몰드 두께가 30cm인 경우 3~6cm인 것이 바람직하다.

만약 입자가 작은 모래의 두께가 20%를 넘을 경우에는 점결재에서 발생되는 가스가 효율적으로 빠지지 못하게 되며, 10% 미만일 경우에는 용탕의 압력으로 인한 내측 몰드 파손이 발생될 수가 있다.

이는 외측에서 냉각되는 냉각수와 접촉의 가능성이 있어 오히려 더 많은 가스가 생기는 것이다. 즉, 외측에서 내측으로 냉각수 유입시 용탕과 만나면 큰 가스가 발생하게 된다.

따라서, 입자가 작은 모래를 적절한 두께로 유지하여야만 제품을 유지하면서 가스를 효율적으로 빠질 수 있게 하고 냉각을 극대화시킬 수 있다.

그리고, 도 3과 같이 주물사에 0.5~1mm의 스틸볼을 섞어서 제조함으로써 열전달이 손쉽게 일어날 수 있도록 하여 사형 몰드를 제작한다.

여기서, 스틸볼의 양은 전체 사형 몰드 중량의 1/10을 넘어서지 않는 것이 강성 유지를 위해 바람직하다.

일반적으로, 사형 몰드의 경우 모래와 점결재를 혼합하여 상온이나 고온에서 경화하여 얻게 되는데 반해, 본 발명은 급랭되도록 사형 몰드를 제작하기 위해 스틸볼을 주물사에 섞어서 제작한다.

스틸볼의 양은 사형 몰드의 강도를 고려하여야 하는데, 사형 몰드의 강도를 평가하는 방법으로는 항절력 Test를 수행한다.

이 테스트는 모래와 점결재가 얼마나 단단히 고정되어 잇는가를 평가하는 방법으로, 모래 시험편을 절단할 때 얼마만큼의 힘이 필요한지를 확인하여 비교한다.

그런데, 사형 몰드를 제조함에 있어, 모래에 사용하는 점결재가 모래를 결합시키고 스틸볼이 모래 안에 갇혀 있는 구조가 될 수 있고, 이 경우 결합이 되지 않은 스틸볼로 인해서 몰드의 항절력이 저하되게 된다.

그러나, 본 발명과 같이 전체 사용되는 모래의 양에 10% 이하로 스틸볼을 첨가하였을 경우에는 원활한 항절력을 얻고 이로 인해 급랭 효과와 사형 강성 확보가 가능함을 확인할 수 있었다.

그리고, 만일 스틸볼을 10%를 초과하여 사용하였을 경우에는 점결재의 결합력이 저하되어 원활한 사형 몰드의 강성을 확보하지 못하고 파손되는 현상이 발생함을 확인할 수 있었다.

이러한 주물사에 의한 상측 사형(1)과 하측 사형(2)을 합형한 것을 도 1에 도시하였으며, 주입구(3)를 통해서 용탕이 주입이 된다.

그리고, 본 발명의 사형 몰드에는 후술할 냉각수에 의한 침지시 냉각 효과를 극대화시키기 위해 살빼기부(4)를 형성시킨다.

도 1에 도시된 바와 같이, 사형 몰드가 냉각수에 침지될 때 냉각수가 최대한 제품의 근처에 머물러 냉각 효과를 높이기 위한 것이다.

그러나, 이러한 살빼기부(4)는 주입구(3)로부터 최소한의 반경(z)을 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 최소한 반경 700mm 내에는 형성시키지 않는 것이 사형 몰드의 강성 유지를 위해 바람직하다.

그리고, 살빼기부(4)는 원기둥 형상인 것이 보다 바람직하고, 인접한 살빼기부(4) 간의 간격은 상측 사형(1)과 하측 사형(2)에서 달리 설정하는 것이 강성을 위해서 바람직하다.

냉각 효과 및 강성 유지의 관점을 최대한 확보하기 위해서는 상측 사형(1)의 살빼기부 간의 간격(x)은 400mm 이상을 유지시키고, 하측 사형(2)의 살빼기부 간의 간격(y)은 500mm 이상을 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 중공 코어를 사형 몰드 내에 세팅하여 사형을 합형하는 구조를 채택한다.

즉, 중공 코어를 부가함으로써 도 4와 같이 중공 코어(5)를 통해 냉각수가 통과되어 냉각효과를 높일 수 있게 한다.

사형주조에서의 코어의 적용은 폐단면을 만들 수 있는 장점이 된다.

본 발명은 shell core 방식에 의해 모래에 페놀레진과 포름알데히드를 혼합하여 shell용 모래를 제조한 후 원하는 형상을 금형의 가열을 통해 제작한다.

보통 가열 온도는 250~300℃이며, 형상의 두께와 복잡성을 가지고 가열 시간을 결정한다.

일 예로서, 3~4mm의 박육 차체 폐단면 부품을 제조하는데 있어서, 중공이 가능하도록 온도와 가열시간을 변수로 하여 두께 4~5mm 이상의 중공 구조 shell core를 제작하였다.

금형 표면의 열이 전도되어 쉘 모래의 외곽부터 내측으로 응고되어 가기 때문에 가열시간과 온도를 조정할 경우 중심부의 모래는 굳지 않고 완료시 탈사가 되어 특정 두께를 유지하는 중공 코어를 제조할 수 있다.

위 일 예에서의 온도는 250℃ㅁ10℃이고, 가열시간은 10분ㅁ1분이 된다.

이상과 같은 방법에 의해서 주조 준비를 마친 후, 세팅된 사형 몰드의 주입구(3)를 통해서 용탕을 주입시키며, 그와 함께 사형 몰드를 냉각시킴으로써 주조를 완성하게 된다.

이 과정에서 위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 사형주조에 의해서 부품을 제작하되, 급랭 불가에 의한 주조의 한계를 극복하기 위해서, 2단 구조 및 스틸볼에 의한 사형을 제작하고, 사형에 특정한 살빼기부를 형성시키며, 중공 코어를 적용시킴으로써 냉각 성능을 극대화할 수 있었다.

도 5는 그러한 주조 및 냉각을 순차적으로 도시한 것이다.

냉각 효율을 높이기 위해 수조 내부에서 용탕 주입이 이뤄지게 하며, 냉각수의 온도는 최대 50℃ 미만으로 설정된다.

효율적인 냉각을 위해 용탕이 주입되는 제품의 충진 높이보다 50mm 낮은 수준을 유지하며 낮게 냉각수를 주입하여야 한다.

용탕 충진 높이보다 냉각수의 높이가 높아지면 용탕 선단부가 응고되어 용탕 충진이 원활히 이뤄지지 않게 되기 때문이다.

냉각수는 살빼기부를 채우게 되고, 중공코어를 통해서 냉각수가 흐르며, 사형 몰드 또한 시간에 따라 냉각수에 침지가 됨으로써 급랭의 목적을 달성할 수 있게 된다.

이에 의한 주조의 결과는 도 6과 같다.

도 6 좌측은 일반적인 사형주조를 적용한 알루미늄 조직이며, 이 때 DAS(Dendrite Arm Space, 조직의 성장 수지상의 크기, 작을수록 급냉이 되어 조직성장을 저해함. 치밀한 미세조직일수록 물성이 우수함)의 경우, 일반 사형주조에서는 70~90㎛ 수준임에 반해 우측의 본 발명에 의한 주조시 DAS 수준이 30~40㎛ 수준으로 매우 우수하였다.

도 7(a)는 SEM사진으로 촬영한 알루미늄 합금의 형상이고, 이를 평면으로 현미경 관찰을 할 경우 도 7(b)와 같은 마이크로 조직사진을 얻게 된다.

이때 DAS(Dendrite Arm Space)는 도 8과 같이 측정한다.

2차 가지법으로 명명되는 측정방법은 다음의 방법에 의한다.

1) Dendrite의 2차 arm의 계면에서 계면까지 선을 긋는다. 이때 2차 arm은 5개 이상을 한 조로 한다. 선은 arm의 중앙 부근에서 1차 arm에 평행하도록 한다.

2) 선의 길이를 arm 계면과의 [교점수-1]로 나눈다.

DAS는 조직의 냉각 속도에 따라 치밀하게 나오게 되며, 일반적인 사형 주조의 경우 70~80㎛이나, 본 발명의 경우에는 급랭을 통해서 30㎛ 수준의 DAS를 확보할 수 있었다.

또한 물성 평가에서도 고속 급냉 사형주조품의 우수함을 확인 할 수 있었다.

물성평가는 ASTM E8M의 인장시험 방법을 따르며, 정해진 시험편을 부품에서 채취하여, 인장강도, 항복강도 및 신율을 평가할 수 있다.

평균값을 비교하여 볼 때, (AC4CH 대상, 동일 T6 열처리) 일반 사형주조의 경우 YS141MPa, UTS 192MPa, EL2.3%인데 반해 고속 급랭 사형 주조의 경우 YS180MPa, UTS 280MPa, EL12%의 우수한 물성을 나타내었다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

1 : 상측 사형
2 : 하측 사형
3 : 주입구
4 : 살빼기부
5 : 중공 코어

Claims (13)

1. 제조할 제품의 형상에 대응하는 주형 상에 주물사를 채워 상측 사형 및 하측 사형을 제작하는 단계;
   상기 상측 사형 및 상기 하측 사형에 살빼기부를 형성하는 단계;
   중공이 형성된 코어를 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형 간에 세팅하는 단계;
   상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 합형하는 단계; 및
   상기 상측 사형에 형성된 주입구를 통해 용탕을 주입하고, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 냉각시키는 단계를 포함하고,
   상기 살빼기부를 형성하는 단계는 상기 상측 사형의 살빼기부 간의 간격보다 상기 하측 사형의 살빼기부 간의 간격이 크도록 형성하는 것을 특징으로 하며,
   상기 상측 사형에 형성된 주입구를 통해 용탕을 주입하는 단계는 합형된 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 수조 내부에 배치한 후 실시하고, 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 냉각시키는 단계는 상기 수조에 냉각수를 채워 상기 하측 사형부터 시간에 따라 잠기게 하는 것을 특징으로 하는,
   고속급랭 사형주조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 주물사는 2단으로 적층되고, 상기 주형에 인접한 주물사에 비해 외측에 적층되는 주물사의 입자가 큰 것을 특징으로 하는,
   고속급랭 사형주조 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 주형에 인접한 주물사의 입자는 200~600㎛이고, 상기 외측에 적층되는 주물사의 입자는 600㎛~2.4mm인 것을 특징으로 하는,
   고속급랭 사형주조 방법.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 주물사는 0.5mm~1mm의 스틸볼(steel ball)을 섞어 제조되는 것을 특징으로 하는,
   고속급랭 사형주조 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 스틸볼의 양은 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형의 중량의 1/10 이하인 것을 특징으로 하는,
   고속급랭 사형주조 방법.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 상측 사형의 살빼기부 간의 간격은 400mm 이상으로 하고, 상기 하측 사형의 살빼기부 간의 간격은 500mm 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는,
   고속급랭 사형주조 방법.
8. 삭제
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 상측 사형 및 상기 하측 사형을 냉각시키는 단계에 의해, 상기 냉각수는 상기 상측 사형 및 상기 하측 사형 간에 세팅된 중공 코어를 관통하는 것을 특징으로 하는,
   고속급랭 사형주조 방법.
10. 제조할 제품의 형상에 대응하는 주형 상에 주물사가 채워져 제작되는 상측 사형 및 하측 사형; 및
    상기 상측 사형 및 상기 하측 사형 간에 세팅되는 중공 코어를 포함하고,
    상기 상측 사형 및 상기 하측 사형에는 살빼기부가 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 상측 사형의 살빼기부 간의 간격보다 상기 하측 사형의 살빼기부 간의 간격이 큰 것을 특징으로 하는,
    주조용 사형.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 상측 사형과 상기 하측 사형의 주물사는 각각 2단으로 적층되고, 상기 주형에 인접한 주물사에 비해 외측에 적층되는 주물사의 입자가 큰 것을 특징으로 하는,
    주조용 사형.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 주물사는 0.5mm~1mm의 스틸볼(steel ball)을 섞어 제조되는 것을 특징으로 하는,
    주조용 사형.
13. 삭제

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