KR102444623B1 - 다이-캐스팅에서 윤활유로 사용하기 위한 조성물, 상기 조성물의 사용 방법, 및 이로써 제조된 제품 - Google Patents

다이-캐스팅에서 윤활유로 사용하기 위한 조성물, 상기 조성물의 사용 방법, 및 이로써 제조된 제품 Download PDF

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Abstract

다이 내로 주입된 용융 금속으로부터 제품을 캐스팅하기 전에 윤활제 조성물을 다이의 작업 표면에 적용함으로써 다이-캐스팅된 제품을 제조하는 윤활제 조성물 및 방법이 개시된다. 상기 조성물은 다이와 생성된 제품 사이에서 윤활제로서 작용하고, 금속의 산화물과 반응하여 다이-캐스팅 공정 동안 용융물의 표면에 형성되는 산화물 층을 제거하는 하나 이상의 활성 성분을 함유한다.

Description

다이-캐스팅에서 윤활유로 사용하기 위한 조성물, 상기 조성물의 사용 방법, 및 이로써 제조된 제품
본 발명은 일반적으로 다이-캐스팅에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 캐스팅 전에 다이의 작업 표면에 적용되는 윤활제에 관한 것이다.
다이-캐스팅은 많은 복잡한 형상의 금속 컴포넌트의 대량 생산을 위해 일상적으로 사용된다. 다이-캐스팅에 일반적으로 사용되는 금속은 아연, 마그네슘, 알루미늄 및 이들의 각각의 합금을 포함한다. 이러한 공정 동안, 다이(종종 반드시 강철 다이일 필요는 없음)의 캐비티에 액체 금속 (용융물)을 주입하는 데 고압 및 고온이 사용된다. 금속 다이를 용융물과의 반응 또는 용융물로부터의 열화로부터 보호하고 다이의 수명을 연장시키기 위해, 캐스팅 사이클 전에 및 사이에, 다이의 작업 표면 (예를 들어, 캐스팅 중에 용융물과 접촉하는 표면)에 다이 윤활제 (다이 이형 유체(die release fluids)라고도 함)가 일상적으로 분무된다. 당업계에 잘 알려진 시판되는 다이 윤활제는 전형적으로 오일-계 또는 수-계이다.
다이의 작업 표면 상에 윤활제가 존재하면 다이-캐스팅 공정 동안 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 종래의 다이 윤활제는 1회 이상의 캐스팅 사이클 후에 다이의 표면에 제거해야 하는 잔류물을 남길 수 있어, 가동 시간을 감소시키고 생산성을 감소시킨다. 또한, 종래의 다이 윤활제는 일반적으로, 윤활제의 증발로 인해 비교적 많은 양의 가스를 생성한다. 이러한 다이 내의 가스 증가는 다이-캐스팅된 제품에서 바람직하지 않은 내포물(inclusions) 및 기공을 형성하는 경향이 있으며, 이는 스크랩 비율(scrap rate) 증가 및/또는 제품의 조기 불량을 초래할 수 있다. 또한, 내포물 및 기공의 존재는 다이-캐스팅된 제품이 후속 열처리 (예를 들어, 시효 경화(age hardening))에 부적합할 수 있다. 예를 들어, 내포물 및 기공은, 예를 들어 미세 균열 및/또는 블리스터링(blistering)을 형성함으로써 다이-캐스팅된 제품을 가열 중에 열화시킬 수 있다. 이러한 다이-캐스팅된 제품은, 비제한적인 예로서 승용차의 전방 크로스 부재(member) 및 전방 제어 암(arm)과 같은 특정의 중요하거나 까다로운 구조적 용도에 사용되기에는 너무 낮은 연성(ductility)을 갖는다.
더 높은 주입 속도 및 개선된 다이 충전(die filling)을 달성하기 위해 (즉, 용융물의 불량한 유동성(fluidity)을 극복하기 위해) 더 높은 주입 온도 및 더 높은 압력을 이용함으로써 다이-캐스팅 동안의 가스 생성을 극복하기 위한 노력이 이루어졌다. 그러나, 캐스팅 온도와 압력을 높이면 다이 마모가 증가하고 다이 수명이 단축되어 비용이 증가한다. 특히 알루미늄 다이-캐스팅된 제품들에 대해 시도된 다른 방법들은 용융물의 철 함량을 감소시키는 것을 수반한다. 그러나, 알루미늄 합금의 철 함량을 낮추면 용융물과 강철 다이 사이의 반응이 가속화되어 다이 수명이 단축된다. 열처리가능한 다이-캐스팅된 제품에 대한 수요가 증가함에 따라, 다이-캐스팅에 사용되는 합금은 철과 같은 불순물에 대한 용인도(tolerance)가 감소된다. 이는, 다른 합금 원소의 첨가와 함께, 용융물의 감소된 유동성으로 인해 다이-캐스팅을 더 어렵게 만든다.
상기 사항들을 고려할 때, 내포물 및 기공의 형성 가능성을 감소시키면서도 개선된 다이 충전을 촉진할 수 있어 열처리가능성이 더 높을 수 있는 다이-캐스팅된 제품을 생성하는 다이 윤활제에 대한 요구가 지속적으로 존재함을 이해할 수 있다.
본 발명은, 종래의 다이 윤활제를 사용하여 제조된 다이-캐스팅된 제품에 비해 감소된 내포물 및 다공도를 특징으로 하는 다이-캐스팅된 제품을 제조할 수 있는 윤활제 조성물 및 다이-캐스팅 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 다이-캐스팅 공정 동안 용융 금속을 함유하는 용융물과 접촉하는 다이의 작업 표면을 코팅하기 위한 윤활제 조성물이 제공된다. 상기 조성물은 담체 유체, 및 금속의 산화물과 반응하여 용융물의 표면 상에 형성되는 산화물 층을 제거하는 하나 이상의 활성 성분을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 다이-캐스팅된 제품을 제조하는 방법은, 용융 금속을 함유하는 용융물을 캐스팅하기 위한 다이를 제공하는 단계, 상기 다이의 작업 표면을 하나 이상의 활성 성분을 함유하는 윤활제 조성물로 코팅하는 단계, 상기 용융물이 상기 작업 표면과 접촉하고 상기 하나 이상의 활성 성분이 상기 금속의 산화물과 반응하여 상기 용융물의 표면 상에 형성되는 산화물 층을 제거하도록 일정량의 용융물을 상기 다이에 주입하는 단계; 상기 다이에서 상기 용융물을 고화시켜 다이-캐스팅된 제품을 수득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는, 전술한 윤활제 조성물 및 방법으로 제조된 다이-캐스팅된 제품을 포함한다.
전술한 윤활제 조성물 및 방법의 기술적 효과는 바람직하게는, 종래의 윤활제로 제조된 다이-캐스팅된 제품에 비해 내포물 및 다공도가 감소된 다이-캐스팅된 제품을 생성하는 능력, 및 따라서, 다이-캐스팅된 제품의 특성, 예를 들어 연성을 조절하도록 후속 열처리를 겪을 수 있는 능력을 포함한다.
본 발명의 다른 양태 및 장점은 다음의 상세한 설명으로부터 이해될 것이다.
도 1은 상업적 윤활제를 사용한 다이-캐스팅에 의해 제조된 다이-캐스팅된 제품에서의 기공의 광학 이미지이다.
도 2는 본 발명의 비제한적인 양태에 따른 윤활제 조성물을 사용한 다이-캐스팅에 의해 제조된 다이-캐스팅된 제품에서의 기공의 광학 이미지이다.
본 개시는, 비제한적으로 알루미늄 및 그 합금을 포함하는 다양한 금속 및 금속 합금 (본 명세서에서 간단히 금속으로 지칭됨)을 다이-캐스팅하는데 사용하기에 적합한 윤활제 조성물을 기술한다. 이와 같이, 용어 "금속"은, 이로부터 제조된 용융물 및 다이-캐스팅된 제품을 설명하고 그 조성이 순수한 금속 또는 금속 합금일 수 있거나 적어도 함유할 수 있는 용융물 및 제품을 포괄하기 위해 사용될 것이다. 윤활제 조성물은 다이-캐스팅 전의 다이의 작업 표면에 적용되고, 용융물에 의한 작업 표면의 습윤 증가를 촉진시켜 다이 충전을 개선시키고, 표면 마무리를 개선하며, 생성된 다이-캐스팅된 제품 내의 기공 및 내포물을 감소시킨다. 내포물 및 기공의 감소의 결과로서, 상기 윤활제 조성물을 사용하는 공정에 의해 제조된 다이-캐스팅된 제품은 바람직하게는 열처리가능하고 따라서 구조적 용도와 같은 특정 용도에 적합한 개선된 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 매우 광범위한 공지된 다이 및 다이-캐스팅 장비가 본원에 기재된 윤활제 조성물을 사용할 수 있으므로, 여기서는 그에 대해 상세히 설명하지 않을 것이다.
본 개시의 일 실시 형태에서, 윤활제로서 사용하기 위한 조성물은 담체 유체 및 하나 이상의 활성 성분을 포함한다. 본 개시의 목적 상, 용어 "활성 성분"은, 금속의 산화물과 반응하여 용융물의 표면 상에 형성되는 산화물 층을 제거할 수 있는 윤활제 조성물의 첨가제를 지칭한다. 그렇게 함으로써, 활성 성분은 다이-캐스팅 작업의 하나 이상의 특성 또는 결과, 비제한적인 예로서 용융물에 의한 다이 충전성 개선 및 내포물 및 기공 감소를 촉진시킬 수 있으며, 이로써 열처리가능할 수 있는 다이-캐스팅된 제품을 제공할 수 있다.
윤활제 조성물의 담체 유체는, 상업적인 다이-캐스팅 작업에 통상적으로 사용되는, 오일-계 및 수-계 다이 윤활제 (다이 이형 유체)를 비롯한 하나 이상의 다양한 윤활제일 수 있다. 이러한 담체 유체는 액체와 하나 이상의 다른 성분의 혼합물, 예를 들어 물을 함유하는 에멀젼일 수 있다. 비제한적인 예는 크로스 케미컬 컴퍼니 인코포레이티드(Cross Chemical Company, Inc.)에서 캐스트-라이트(Cast-Rite)® AMZ III라는 상품명으로 시판되는 합성 수용성 다이 이형 유체를 포함하며, 이는 알루미늄, 마그네슘 및 아연을 다이-캐스팅하는 데 적합한 것으로 보고되어 있다.
윤활제 조성물의 활성 성분(들)은 할라이드 염 화합물의 혼합물을 포함하며, 이는 용융물과 접촉할 때, 다이-캐스팅 작업 동안 (예를 들어 용융물이 산소 (공기)에 노출되는 것으로 인해) 형성되는 용융물의 하나 이상의 금속의 하나 이상의 산화물과 반응 또는 상호 작용한다. 비제한적인 예는, 다이-캐스팅 동안 알루미늄 함유 용융물 상에 형성되는 산화 알루미늄 (알루미나, Al2O3)이다. 상기 활성 성분은 특히 산화물과 반응하여 용융물의 표면 상에 형성되는 산화물의 층을 제거하고/하거나 용융물의 표면 상에 산화물 층이 형성될 가능성을 감소시킨다. 생성된 다이 다이-캐스팅된 제품 내의 산화물의 혼입을 감소시키는 것 외에도, 산화물 층의 제거는 용융물의 표면 장력을 감소시켜, 유동성을 개선하고 용융물에 의한 다이 표면의 습윤을 촉진시켜 이로써 다이 충전을 촉진시킨다. 결과적으로, 윤활제 조성물은 용융물의 난류 감소에 기인하여 다이-캐스팅된 제품 내의 기공 및 산화물 내포물을 감소시킬 수 있다. 다이-캐스팅된 제품의 기공 및 내포물은, 제품이 개선된 기계적 특성을 달성하도록 열처리될 수 있는 정도로 감소될 수 있다. 예를 들어, 상기 기술된 윤활제 조성물을 사용하는 공정에 의해 제조된 다이-캐스팅된 제품은 열처리후 개선된 연성을 가질 수 있으며, 따라서 자동차용 엔진 크래들(cradle) 및 스티어링 암 (전형적으로 알루미늄 합금으로 제조됨)과 같은 구조적 용도에 적합한 특성을 가질 수 있다.
윤활제 조성물에 바람직한 활성 성분은 다이-캐스팅 공정 동안 용융될 수 있는 것들이다. 이러한 특징을 갖는 활성 성분의 주목할만한 예는 다양한 플루오라이드 염의 혼합물, 예컨대 비제한적으로 LiF, NaF, AlF3, KF, TiF4, BF3, ZrF4, 및 CaF2와 같은 플루오라이드 화합물 중 하나 이상의 화합물을 포함한다. 이러한 화합물의 특정의 비제한적인 예는 KAlF4 (KF 및 AlF3의 화합물), K2TiF6 (KF 및 TiF4의 화합물) 및 KBF4 (KB 및 BF3의 화합물)와 같은 복합 염이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 윤활제 조성물은 윤활제 조성물의 활성 성분으로서 다른 할라이드 염 (예를 들어, 브로마이드 화합물 및 클로라이드 화합물)을 함유하는 하나 이상의 혼합물을 함유할 수 있다. 활성 성분은 담체 유체에 고체로서 첨가될 수 있고, 교반하여 현탁액 또는 용액을 형성함으로써 담체 유체에 혼입될 수 있다. 담체 유체에 현탁되는 경우, 윤활제 조성물을 다이의 작업 표면에 적용하는데 사용될 수 있는 스프레이 노즐이 막힐 위험을 감소시키기 위해, 활성 성분에 적합한 입자 크기는 일반적으로 30 마이크로미터 미만 정도이다.
담체 유체와 혼합되는 활성 성분(들)의 양은 담체 유체의 조성에 따라 달라질 수 있다. 충분한 양의 활성 성분은, 사전-결정된 다이 크기 및 용융물 부피에 대응하는 용융물의 노출된 표면 상의 산화물 층을 (완전하지 않다면) 효과적으로 제거하는 것으로 실험적으로 결정될 수 있는 양이다. 실제로, 상기 할라이드 염 화합물 중 하나 이상은 갤런 당 약 1 그램 (리터당 약 0.26 그램) 이하, 예를 들어 갤런 당 약 0.5 내지 1 그램 (리터당 약 0.13 내지 0.26 그램)의 양으로 담체 유체와 조합될 수 있는 것으로 여겨진다.
활성 성분 이외에, 본 발명의 윤활제 조성물은 조성물 또는 생성된 다이 다이-캐스팅된 제품의 다양한 특성을 촉진시키는 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, TiB2의 불활성 나노입자와 같은 다이 보호제(protector)가, 다이의 작업 표면에 다이-캐스팅된 제품이 접착되는 것을 억제함으로써 다이의 수명을 보호 및 연장시키기 위해 윤활제 조성물에 첨가될 수도 있다. 다이 보호제 및/또는 다른 첨가제는 담체 유체에 첨가되기 전에 활성 성분(들)과 혼합될 수 있거나, 또는 담체 유체에 개별적으로 혼합될 수 있다. 활성 성분과 마찬가지로, 다이 보호제 및 임의의 다른 첨가제의 입자 크기는, 입자가 다이의 작업 표면 상에 윤활제 조성물을 분무하는데 사용되는 스프레이 노즐을 막지 않도록 충분히 작아야 한다. TiB2와 같은 다이 보호제 입자의 바람직한 입자 크기는 100 나노미터 미만, 보다 바람직하게는 수 나노미터이다.
도 1 및 2는 유사한 다이-캐스팅 공정 및 상업용 윤활제로 사전-코팅되거나 또는 할라이드 염의 혼합물을 활성 성분으로서 함유하는 윤활제 조성물로 사전-코팅된 다이를 이용하여 제조된 다이-캐스팅된 제품에서의 기공의 분포 및 형태를 나타내는 광학 이미지이다. 도시된 바와 같이, 활성 성분을 함유하는 윤활제 조성물을 사용하여 제조된 다이-캐스팅된 제품에서 기공 크기가 상당히 감소되었다.
전술한 내용에 비추어볼 때, 본원에 기술된 바와 같은 윤활제 조성물을 사용하여 다이-캐스팅된 제품을 제조하는 방법은 일반적으로, 관심있는 특정 금속 조성물의 제품을 캐스팅하기에 적합한 다이를 제공하는 단계, 상기 다이의 내부 다이 캐비티 표면을 상기 윤활제 조성물로 코팅하는 단계, 용융물이 상기 다이의 작업 표면에 접촉하고 활성 성분이 상기 금속 조성물의 금속의 산화물과 반응하여 상기 용융물의 표면에 형성되는 산화물 층을 제거하도록, 상기 금속 조성물의 용융된 양 (용융물)을 상기 다이 캐비티 내로 주입하는 단계, 상기 다이 내의 용융물을 고화시켜 다이-캐스팅된 제품을 생성하는 단계를 수반한다. 다양한 금속 조성물이 이 공정을 사용하여 캐스팅될 수 있으며, 이의 특정의 비제한적인 예는 알루미늄 및 그 합금이다.
전술한 바와 같이, 본원에 기술된 방법에 의해 제조된 다이-캐스팅된 제품은 바람직하게는, 충분히 낮은 수준의 내포물 및/또는 기공을 나타낼 수 있어 제품이 열처리에 적합하도록 하여, 원하는 기계적 특성, 예컨대 비제한적으로, 증가된 연성을 달성할 수 있게 한다. 적합한 열처리는 비제한적으로 시효 경화 처리를 포함한다.
전술한 내용에 비추어 볼 때, 다이-캐스팅 공정에서 전술한 바와 같은 유형의 윤활제 조성물을 사용하는 이점은, 사출 온도 저하로 인한 연장된 다이 수명, 다이 충전에 필요한 힘/압력의 감소, 최종 다이-캐스팅된 제품에서의 감소된 기공 및 내포물, 열처리가능한 제품, 및 비교적 높은 연성을 나타내는 다이-캐스팅된 제품, 예컨대 비제한적으로 구조적 용도에 적합한 다이-캐스팅된 알루미늄 부품 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명은 특정 실시 형태의 관점에서 설명되었지만, 당업자에 의해 다른 형태가 채택될 수 있음이 명백하다. 예를 들어, 상기 윤활제 조성물 내의 성분 및 이의 양은 예를 들어 상기 성분 및 의도된 용도에 따라 달라질 수 있고, 언급된 것 이외의 재료 및 공정/방법이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은, 상이한 개시된 실시 형태의 하나 이상의 특징 또는 양태가 배제되거나 조합될 수 있는 추가의 실시 형태를 포함한다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (20)

  1. 다이-캐스팅(die-casting) 공정 동안 용융 금속(molten metal)을 함유하는 용융물과 접촉하는 다이의 작업 표면을 코팅하기 위한 윤활제 조성물로서,
    담체 유체; 및
    상기 금속의 산화물과 반응하여 상기 용융물의 표면 상에 형성되는 산화물 층을 제거하는 하나 이상의 활성 성분을 포함하되,
    상기 담체 유체는 다이 윤활제(die lubricant)이고,
    하나 이상의 활성 성분은 K2TiF6 및 KBF4 중 하나 이상을 포함하는 할라이드 염 화합물의 혼합물이며,
    할라이드 염 화합물의 혼합물은 리터당 0.13 내지 0.26g의 양으로 담체 유체와 조합되는, 윤활제 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 활성 성분이 상기 담체 유체에 현탁된 고체인, 윤활제 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 활성 성분이 30 마이크로미터 미만의 입자 크기를 갖는 것인, 윤활제 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    TiB2의 나노입자를 추가로 포함하는 윤활제 조성물.
  5. 다이-캐스팅된(die-cast) 제품을 제조하는 방법으로서,
    용융 금속을 함유하는 용융물을 캐스팅하기 위한 다이를 제공하는 단계;
    상기 다이의 작업 표면을, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 윤활제 조성물로 코팅하는 단계;
    상기 용융물이 상기 작업 표면과 접촉하고 상기 하나 이상의 활성 성분이 금속의 산화물과 반응하여 상기 용융물의 표면 상에 형성되는 산화물 층을 제거하도록 소정량의 상기 용융물을 상기 다이에 주입하는 단계; 및
    상기 다이에서 상기 용융물을 고화시켜 상기 다이-캐스팅된 제품을 수득하는 단계
    를 포함하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다이-캐스팅된 제품의 연성(ductility)을 증가시키기 위해 상기 제품에 열처리를 수행하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속이 알루미늄 또는 알루미늄 합금이고, 상기 다이-캐스팅된 제품은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되는, 방법.
  8. 제 5 항의 방법으로 제조된 다이-캐스팅된 제품.
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