KR102394868B1 - 원심가압주조장치, 원심가압주조방법 및 그에 의해 주조되는 주조품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합형시 주조품 외형에 대응되는 캐비티 형상으로 가공된 상부 금형과 하부 금형 및 상기 주조품의 일 면에 구현시킬 형상부의 형상에 대응하는 형상을 가진 슬라이드코어를 포함하고, 상기 상부 금형 또는 상기 하부 금형 중 일 금형은 회전축을 기준으로 회전 가능하고, 상기 슬라이드코어는 상기 상부 금형 또는 상기 하부 금형 중 고정되는 일 금형의 일 측을 통해 상기 캐비티에 삽입되는 것을 특징으로 하는 원심가압주조장치로서, 본 발명에 의하면, 별도의 가공 없이 원심주조에 의해서 주조품의 측면 형상을 제조할 수 있어 주조품의 물성을 확보할 수 있게 한다.

Description

원심가압주조장치, 원심가압주조방법 및 그에 의해 주조되는 주조품{CENTRIFUGAL CASTING APPARATUS, CENTRIFUGAL CASTING METHOD AND CASTING}

본 발명은 원심력을 이용하여 제품을 주조하는 원심가압주조장치, 원심가압주조방법 및 그에 의해 주조되는 주조품에 관한 것이다.

중력주조에 복잡한 형상 및 양질의 주물을 생산하기 위해 사용되는 방법이 원심주조방법으로, 많은 자동차 부품 등에 사용된다.

도 1은 자동차 부품 중 댐퍼풀리를 원심주조하기 위한 장치를 도시한 것으로서, 기존의 원심주조 방법은 주물의 외형에 대응하는 내면 또는 외면 형상을 갖는 상부 금형(1)과 하부 금형(2)을 합형하고, 상부 금형(1)의 용탕 주입구(3)를 통해 용탕이 주입되게 하며, 상부 금형(1)과 하부 금형(2)을 회전축을 기준으로 회전시켜서 금형의 형태대로 주물을 제조하게 된다.

그런데, 도 2의 예시와 같은 워터펌프 풀리와 같이 측면 둘레를 따라 탭 형상(T)을 구현하기 위해서는 원심주조에 의해 외형을 주조한 후 가공이나 롤포밍을 진행하여야 하기 때문에, 별도의 탭 형상 공정이 추가되어 비용 및 cycle time이 소요될 수밖에 없다.

또한, 원심주조에 의해 표면 조직을 강화시키는 장점이 있지만, 탭 형상을 별도로 가공하여야 하므로, 탭 형상부의 표면 조직의 chill조직이 없어지게 되어 원심주조의 장점을 살릴 수가 없게 된다.

아울러, 예시와 같이 측면 둘레에 형상부의 가공은 단순히 슬라이드 코어를 적용하여 원심주조하는 것도 불가능하다.

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 제10-2016-0000285호 일본공개특허공보 제2011-229268호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 별도의 가공 없이 원심주조에 의해서 주조품의 측면 형상을 제조할 수 있어 주조품의 물성을 확보할 수 있는 원심가압주조장치, 원심가압주조방법 및 주조품을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 원심가압주조장치는, 합형시 주조품 외형에 대응되는 캐비티 형상으로 가공된 상부 금형과 하부 금형 및 상기 주조품의 일 면에 구현시킬 형상부의 형상에 대응하는 형상을 가진 슬라이드코어를 포함하고, 상기 상부 금형 또는 상기 하부 금형 중 일 금형은 회전축을 기준으로 회전 가능하고, 상기 슬라이드코어는 상기 상부 금형 또는 상기 하부 금형 중 고정되는 일 금형의 일 측을 통해 상기 캐비티에 삽입되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 슬라이드코어는, 상기 고정된 일 금형의 일 측에 형성된 슬라이드코어 삽입홀을 관통하는 몸체부 및 상기 몸체부로부터 끝단으로 갈수로 하향 경사진 테이퍼부를 포함할 수 있다.

또는, 상기 슬라이드코어는, 상기 주조품 형상부의 형상에 대응되는 테이퍼부가 수직축을 기준으로 대칭적인 형상을 가지며, 상기 수직축을 기준으로 회전 가능한 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 원심가압주조방법은, 상부 금형을 통해 용탕이 주입되는 단계, 상기 상부 금형 또는 상기 상부 금형과 합형된 하부 금형 중 일 금형을 회전축을 기준으로 회전시키는 단계, 상기 상부 금형 또는 상기 하부 금형 중 고정된 일 금형의 일 측을 통해 슬라이드코어를 캐비티에 삽입하는 단계 및 상기 용탕의 응고 전 상기 슬라이드코어를 제거하는 단계를 포함한다.

그리고, 상기 슬라이드코어는 주조품의 일 면에 구현시킬 형상부의 형상에 대응하는 형상을 가진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬라이드코어를 캐비티에 삽입하는 단계는 상기 용탕의 응고가 시작되는 시점 이후에 삽입하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기의 원심가압주조방법에 의해 주조되는 주조품은, 상기 형상부에 small equiaxed 조직이 생성되고, DAS 길이는 100㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 원심가압주조방법 및 장치에 의하면, 주조품의 측면 둘레의 형상부를 슬라이드코어에 의해서 주조되게 함으로써 원심주조 이후 별도의 가공이나 롤포밍 공정을 요하지 않아 경제적이다.

그리고, 원심주조에 의해 측면 둘레 형상을 주조할 수 있으므로, 가공 등의 기존 공법에 비해 표면 조직이 강화되어 제품의 강성을 증가시킬 수가 있다.

또한, 국부 가압(스퀴즈) 효과에 의해 주조품의 수축 결함을 억제시킬 수가 있다.

도 1은 일반적인 원심주조 공법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 대상이 되는 주조품의 일 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 원심가압주조장치를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 슬라이드코어를 도시한 것이다.
도 5는 도 4(b)가 적용된 본 발명의 일 실시예에 의한 원심가압주조장치이다.
도 6은 온도와 응고 시점의 관계에 대한 일 예를 나타낸 것이다.
도 7은 알루미늄의 응고 조직을 도시한 것이다.
도 8은 기존 방식에 의한 측면 가공 형상의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 의한 측면 주조 형상의 미세조직을 나타낸 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.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 원심가압주조장치를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 적용되는 슬라이드코어를 도시한 것이다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 원심가압주조방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 원심가압주조방법 및 원심가압주조장치는 상부 금형(10) 또는 하부 금형(20)을 회전하여 원심력에 의해 용탕을 가압하여 주조하기 위한 방법 및 장치이다.

특히, 상부 금형(10) 또는 하부 금형(20)이 회전하는 회전축을 기준으로 축대칭을 이루는 형상부가 일 면에 형성되는 주조품을 주조하기 위한 방법 및 장치에 해당한다.

즉, 앞선 도 2의 예시에서 살펴본 워터펌프 풀리와 같이 측면 둘레에 탭 형상과 같은 형상부를 필요로 하는 주조품을 주조하기 위한 것으로서, 주조 후 가공을 요하지 않고 주조시 형상부를 포함하여 주조시키는 방법 및 장치인 것이다.

형성시키고자 하는 형상부는 금형의 회전축을 기준으로 축대칭의 형상을 대상으로 하고, 도 3 이하의 예시에서는 측면에 형성되는 형상부를 예로 들었으나, 주조품의 하면이나 상면에 형상부를 형성하여 주조할 수도 있다.

본 발명은 슬라이드코어(30)를 상부 금형(10) 또는 하부 금형(20)을 통해 삽입하여 형상부를 구현하고자 하나, 기존 방식에 의한 원심주조에 의해서는 슬라이드코어의 적용이 불가능하였다.

즉, 상부 금형과 하부 금형이 동시에 회전하는 기존 방식으로는 슬라이드코어의 유압라인이나 전기 라인의 적용이 불가능하기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 원심가압주조방법은 상형 금형(10) 또는 하부 금형(20) 중 일 금형을 회전시키고, 다른 일 금형은 고정시키는 원심주조 방법을 사용한다.

그리고, 고정된 일 금형에 형성되는 슬라이드코어 삽입홀을 통해서 슬라이드코어를 삽입함으로써, 슬라이드코어에 의해 주조품의 일 면에 형상부를 구현시키는 것이다.

도 3의 일 예시에서는 하부 금형(20)은 회전시키고, 상부 금형(10)은 고정되는 경우이며, 이 경우 슬라이드코어(30)를 상부 금형(10)의 일 측을 통해 캐비티에 삽입함으로써 형상부를 구현하는 것이다.

이 경우에도 형상부를 상부 금형(10)의 상면에 구현할 수도 있을 것이고, 상부 금형(10)을 회전시키고, 하부 금형(20)이 고정되어 하부 금형(20)의 일 측에 슬라이드코어(30)가 삽입되게 할 수도 있을 것이다.

슬라이드코어(30)의 형상은 구현하고자 하는 형상부의 형상에 따라 달라질 수 있는데, 도 4는 주조품에 역구배 탭 형상의 형상부를 구현하기 위한 슬라이드코어의 예시이다.

슬라이드코어(30)는 도 4(a)와 같이 몸체부(31) 및 테이퍼부(32)로 형성될 수 있다.

몸체부(31)는 슬라이드코어 삽입홀을 관통하도록 일정한 강성을 가지도록 마련되고, 테이퍼부(32)는 끝단으로 갈수록 하향 경사지게 구성되어 주조품에 역구배 탭 형상의 형상부를 구현하기 위함이다.

도시와 같이 끝단이 뾰족한 첨단부로 구성될 수도 있을 것이며, 일정 정도까지만 테이퍼지게 구성되어 끝단은 평탄하거나 라운드지게 구현시킬 수도 있을 것이다.

한편, 도 4(b)의 슬라이드코어(40)는 수직축 A를 기준으로 테이퍼부가 대칭적인 구조로 형성된 것이다.

이와 같은 형상의 슬라이드코어(40)는 도 5에 도시된 바와 같이, 일 측만 캐비티로 노출이 되고, 상하단은 지지된 상태에서 수직축 A를 기준으로 회전될 수 있는 슬라이드코어이다.

이러한 소위 '주판알' 형상의 슬라이드코어는 그 자체가 회전할 수 있기 때문에 코어 제거 시점에 따라 마찰 과다로 인한 코어 내구성의 저하 또는 주조 품질 손상을 방지할 수 있는 장점을 가진다.

이와 같은 원심가압주조장치에 의한 주조 방법은 우선, 상부 금형과 하부 금형이 합형된 상태에서 용탕 주입과 함께 상부 금형 또는 하부 금형을 회전축을 기준으로 회전시키게 된다.

어느 일 금형이 회전되는 상태에서 고정된 다른 일 금형의 일 측을 통해서 슬라이드코어가 캐비티 내로 삽입이 되어, 슬라이드코어의 형상에 따라 주조품에 형상부가 구현이 된다.

그런 다음, 응고가 완료되기 전 슬라이드코어를 제거하고, 응고 완료 후 금형을 분리하여 주조품을 취출하는 방법에 의한다.

여기서, 슬라이드코어의 삽입 시점은 도 6에 예시된 응고 과정 중 응고 완료 전 시점일 수 있고, 더욱 바람직하게는 응고가 시작되는 시점에 삽입하는 것이 가압 효과의 극대화를 위해 보다 유리할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명에 의한 원심가압주조장치에 의한 주조방법에 의하면, 주조품의 형상부를 원심주조에 의해 구현할 수 있으므로, 원심주조에 의한 표면 조직이 강화되는 이점을 가질 수 있다.

원심주조와 같이 주입 속도가 빠르고 cycle time이 짧은 주조 공법에서는 응고 속도가 빨라서 미세조직이 재결정되는 시간이 짧다.

특히, 금형과 직접 접촉하는 부위에서는 냉각 효과가 뛰어나 미세조직이 길이 방향 또는 등축 방향으로의 성장이 억제되어 기계적 성질이 우수한 매우 작은 grain 조직이 나타나는데, 이를 chill 조직이라 한다.

도 7은 알루미늄 응고 조직에 대한 참고도이며, 다음의 Hall-petch equation에 의해 항복강도는 grain size가 작아질수록 높아지는 것을 알 수 있다.

(

:다결정 금속의 항복강도,

:단결정 금속의 항복강도,

:상수,

:결정 입장의 크기(직경)임.)

미세조직 관찰 결과, 도 8의 기존 공법에 의한 워터펌프 풀리의 경우, Columnar zone 조직이 나타나는데 반해, 도 9의 본 발명에 의한 워터펌프 풀리의 경우, Chill 조직 생성으로 인해 Columnar zone 조직이 아닌 small equiaxed 조직이 나타나며, grain size를 측정하는 기준인 DAS는 114㎛에서 83㎛로 감소하여 grain size가 감소함을 볼 수 있었다.

그리고, 표면 경도의 측정 결과는 기존의 경우 102HB인데 반해, 본 발명의 경우에는 110HB로 8HB 증가하였다.

이와 같이, 본 발명의 원심가압주조장치에 의한 주조방법에 의하면, Chill 조직을 확보할 수 있으며, grain size 감소에 의한 기계적 물성(경도)이 높아져서 롤포밍 등의 후 공정을 삭제하는 것이 가능해진다.

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.

10 : 상부 금형
20 : 하부 금형
30, 40 : 슬라이드코어
31 : 몸체부 32 : 테이퍼부

Claims (7)

1. 합형시 주조품 외형에 대응되는 캐비티 형상으로 가공된 상부 금형과 하부 금형; 및
   상기 주조품의 일 면에 구현시킬 형상부의 형상에 대응하는 형상을 가진 슬라이드코어를 포함하고,
   상기 상부 금형 또는 상기 하부 금형 중 일 금형은 회전축을 기준으로 회전 가능하고,
   상기 슬라이드코어는 상기 상부 금형 또는 상기 하부 금형 중 고정되는 일 금형의 일 측을 통해 상기 캐비티에 삽입되는 것을 특징으로 하는,
   원심가압주조장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 슬라이드코어는,
   상기 고정된 일 금형의 일 측에 형성된 슬라이드코어 삽입홀을 관통하는 몸체부; 및
   상기 몸체부로부터 끝단으로 갈수로 하향 경사진 테이퍼부를 포함하는,
   원심가압주조장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 슬라이드코어는, 상기 주조품의 일 면에 구현시킬 형상부의 형상에 대응되는 테이퍼부가 수직축을 기준으로 대칭적인 형상을 가지며, 상기 수직축을 기준으로 회전 가능한 것을 특징으로 하는,
   원심가압주조장치.
4. 상부 금형을 통해 용탕이 주입되는 단계;
   상기 상부 금형 또는 상기 상부 금형과 합형된 하부 금형 중 일 금형을 회전축을 기준으로 회전시키는 단계;
   상기 상부 금형 또는 상기 하부 금형 중 고정된 일 금형의 일 측을 통해 슬라이드코어를 캐비티에 삽입하는 단계; 및
   상기 용탕의 응고 전 상기 슬라이드코어를 제거하는 단계를 포함하는,
   원심가압주조방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 슬라이드코어는 주조품의 일 면에 구현시킬 형상부의 형상에 대응하는 형상을 가진 것을 특징으로 하는,
   원심가압주조방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 슬라이드코어를 캐비티에 삽입하는 단계는 상기 용탕의 응고가 시작되는 시점 이후에 삽입하는 것을 특징으로 하는,
   원심가압주조방법.
7. 청구항 5의 원심가압주조방법에 의해 주조됨으로써, 상기 형상부에 small equiaxed 조직이 생성되고, DAS 길이는 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는,
   주조품.

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