KR102620409B1 - 산소치환 다이캐스팅용 금형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소치환 다이캐스팅용 금형장치에 관한 것이다. 이는, 외부로부터 제공된 용탕이 채워지는 캐비티, 용탕을 캐비티로 안내하는 러너 및 게이트가 형성되어 있는 고정다이와; 고정다이에 대해 진퇴 가능하며, 사출 시 고정다이에 밀착하여 캐비티를 밀폐시키는 이동다이와; 밀착하고 있는 고정다이와 이동다이의 사이에, 산소와 용탕을 유도하는 슬리브를 구비하며, 상기 게이트에는; 러너를 거쳐 캐비티로 유입하는 용탕을 통과시키며 용탕의 흐름을 난류의 흐름으로 변화시키는 난류유도부가 구비된다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 산소치환 다이캐스팅용 금형장치는, 용탕 주입 시, 용탕의 난류성 흐름을 유도함과 아울러 용탕의 스트림라인을 다수로 분리하여, 산소와의 접촉면적 및 접촉시간을 증가시킴으로써, 용탕과 산소와의 반응성을 향상시켜 기포결함을 야기하지 않는다.

Description

산소치환 다이캐스팅용 금형장치{Mold device for oxygen replacing die casting}

본 발명은 다이캐스팅용 금형장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금형 내 게이트의 구조를 변경하여, 캐비티로 유입하는 용탕의 난류 흐름을 유도함으로써, 용탕과 산소와의 반응성을 크게 증대시켜, 성형물 내의 기포결함을 최소화 하는, 산소치환 다이캐스팅용 금형장치에 관한 것이다.

다이캐스팅은, 금형의 성형 공간 내에 용융소재를 고압으로 압입하여, 설계된 성형물을 얻는 고압 주조법이다. 다이캐스팅 방식으로 제작된 성형물은, 치수가 정확하고 기계적 성질이 양호하다는 장점을 가지며, 또한 대량생산이 가능하다.

다이캐스팅에도 여러 방식이 있는데, 그 중에는 산소치환 다이캐스팅도 포함된다. 산소치환 다이캐스팅은, 성형물 내 가스함량을 줄이기 위한 고압주조공법으로서, 용탕의 사출 전, 금형 및 슬리브 내 공기를 활성 산소로 치환하고, 산소 분위기에 용탕을 주입하는 주조법이다. 산소 분위기의 공간에 용탕을 주입하면, 화학반응(2Al(l) + 3/2O₂(g)= 2Al₂O₃)이 진행되어, 금형 캐비티가 순간적으로 진공화 되고, 기포결함이 적은 성형물을 얻을 수 있다.

산소치환 다이캐스팅의 결과는, 치환된 산소와 용탕(알루미늄용탕)의 반응 효율에 따라 크게 달라진다. 산소와 용탕의 반응이 충분히 이루어져야 양호한 결과물을 얻기 때문이다. 또한, 산소와 용탕의 반응 효율을 상승시키기 위해서는 반응면적을 확대하여야 한다. 즉, 짧은 시간 안에 가급적 모든 산소 분자가 용탕과 접하게 하는 것이다.

한편, 종래 다이캐스팅 금형은, 주입 용탕의 난류를 최소화하기 위한 설계가 적용된다. 용탕 충전 시 난류의 흐름이 심할수록 캐비티 내에 외부 공기 혼입이 증가하기 때문이다. 외부공기가 혼입되면 최종 주조품 내부에 가스결함이 발생할 확률이 매우 높아진다.

그런데, 위에 설명한 바와 같이, 산소치환 다이캐스팅 금형에 있어서의 결과물(주조품)의 품질은, 주조 시, 산소와 용탕간의 반응면적이 넓어질수록 좋아지므로, 용탕을 층류의 흐름으로 주입하여서는 치환된 산소와 용탕간의 반응을 충분히 일으키지 못한다. 치환된 산소와 용탕의 반응을 활발하게 유도하기 위하여, 난류흐름을 억제하는 것이 아니라 오히려 적극적인 난류를 발생하는 구조로 설계되어야 하는 것이다.

그런데 종래의 금형장치는, 용탕을 캐비티로 안내하는 게이트가, 도 3에 도시한 바와 같이 단순한 일자형 문턱의 형상을 취하므로, 충분한 난류의 흐름을 만들어내지 못한다는 단점을 갖는다. 산소와 용탕간의 반응면적에 한계가 있을 수밖에 없는 것이다.

국내 등록특허공보 제10-0187989호 (스퀴즈 병용 산소분위기 다이캐스팅에 의한 주조방법)

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 용탕 주입 시, 용탕과 산소와의 반응면적을 확대하여 반응성을 향상함으로써, 가스의 혼입이 없고 치밀한 조직을 갖는 결과물을 얻을 수 있게 하는, 산소치환 다이캐스팅용 금형장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 과제의 해결수단으로서의 본 발명의 산소치환 다이캐스팅용 금형장치는, 외부로부터 제공된 용탕이 채워지는 캐비티, 용탕을 캐비티로 안내하는 러너 및 게이트가 형성되어 있는 고정다이와; 고정다이에 대해 진퇴 가능하며, 사출 시 고정다이에 밀착하여 캐비티를 밀폐시키는 이동다이와; 밀착하고 있는 고정다이와 이동다이의 사이에, 산소와 용탕을 유도하는 슬리브를 구비하며, 상기 게이트에는; 러너를 거쳐 캐비티로 유입하는 용탕을 통과시키며 용탕의 흐름을 난류의 흐름으로 변화시키는 난류유도부가 구비된다.

또한, 상기 난류유도부는; 용탕의 유동경로상에 고정된 상태로, 캐비티로 유입하는 용탕을 통과시키며, 용탕의 스트림라인을 일시적으로 분할함과 아울러 유속이 가속되게 작용하는 용탕분류가속홈을 갖는 월류댐이다.

그리고, 상기 월류댐은, 일정폭을 갖는 띠형 부재로서 폭방향 일단부가 게이트의 바닥면에 고정되고, 용탕분류가속홈은, 월류댐의 상측에 형성되며 일정피치 간격을 이루는 다수의 V홈이다.

또한, 상기 월류댐은, 일정폭을 갖는 띠형 부재로서 폭방향 일단부가 게이트의 바닥면에 고정되고, 용탕분류가속홈은, 월류댐의 상측에 형성되며 일정피치 간격을 이루는 다수의 I홈이다.

아울러, 상기 월류댐은, 일정폭을 갖는 띠형 부재로서 폭방향 일단부가 게이트의 바닥면에 고정되고, 용탕분류가속홈은, 월류댐의 길이방향을 따라 일정 간격으로 형성된 다수의 관통형 분류구멍이다.

또한, 상기 난류유도부는; 용탕의 유동경로상에 고정된 상태로 캐비티로 이동하는 용탕을 그 사이로 통과시키며 용탕의 스트림라인을 일시적으로 분할함과 아울러 유속이 가속되게 작용하는 다수의 스트림디바이더를 포함한다.

아울러, 스트림디바이더는; 게이트의 바닥면에 고정되며 일정간격으로 이격된 다수의 용탕분류가속돌기이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 산소치환 다이캐스팅용 금형장치는, 용탕 주입 시, 용탕의 난류성 흐름을 유도함과 아울러 용탕의 스트림라인을 다수로 분리하여, 산소와의 접촉면적 및 접촉시간을 증가시킴으로써, 용탕과 산소와의 반응성을 향상시켜 기포결함을 야기하지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소치환 다이캐스팅용 금형장치의 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 고정다이의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금형장치에 내장되는 게이트와 종전 게이트에서의 용탕의 유동 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소치환 다이캐스팅용 금형장치에 적용 가능한 게이트의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 9는 종래 금형장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 금형장치에 의해 제작된 성형물의 내부 조직을 확대한 현미경 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 금형장치는, 금형 내 게이트의 설계를 달리하여, 용탕 충전 시 용탕의 스트림(stream) 개수를 증가시킴으로써, 용탕의 난류를 촉진하고 용탕의 캐비티내 분사거리와 분사시간을 늘려 산소와의 반응성을 크게 향상시킨 것이다. 산소와의 반응성이 향상되면 결과물 내의 기포에 의한 결함이 현저히 감소한다. 게이트의 구성에 관한 설명은 후술된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소치환 다이캐스팅용 금형장치(10)의 전체 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시한 고정다이(21)의 정면도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 산소치환 다이캐스팅용 금형장치(10)는, 고정다이블록(11), 고정다이(21), 이동다이블록(13), 이동다이(23), 슬리브(26), 플런저(27)를 포함한다.

고정다이블록(11)에는 다수의 가이드로드(12)가 수평으로 고정되어 있다. 가이드로드(12)는 이동다이블록(13)을 통과해 수평으로 연장된 것으로서 이동다이블록(13)의 수평 이동을 가이드한다. 이동다이블록(13)은 가이드로드(12)에 지지된 상태로 고정다이블록(11)에 대한 진퇴운동이 가능하다.

고정다이(21)에는, 러너(25), 게이트(24), 캐비티(22)가 마련되어 있다. 캐비티(22)는 외부로부터 제공된 용탕이 채워지는 공간이다. 캐비티의 형상이, 제작할 제품의 모양을 반영함은 물론이다. 러너(25)는 슬리브(26)를 통해 공급된 용탕을 게이트(24)로 유도하고, 게이트(24)는 용탕을 캐비티(22)로 유도하는 통로이다.

이동다이(23)는 고정다이(21)에 대해 진퇴 가능하며, 사출 시 고정다이에 밀착하여 캐비티를 밀폐시키는 역할을 한다. 캐비티(22)와 게이트(24)와 러너(25)는, 고정다이(21)와 이동다이(23)가 밀착한 상태에서, 용탕이 통과하거나 용탕이 채워지는 공간을 형성한다.

슬리브(26)는 용탕과 산소가 통과하는 챔버(26a)를 갖는 도관으로서, 밀착하고 있는 고정다이와 이동다이의 사이에 산소와 용탕을 유도한다. 챔버(26a)내에 공급된 용탕은 플런저(27)에 의해 가압되어 산소와 함께 캐비티(22)측으로 압입된다.

한편, 게이트(24)의 내부에는 난류유도부(31)가 설치된다. 난류유도부(31)는, 러너를 거쳐 캐비티로 넘어가는 용탕의 흐름을 난류로 변화시키는 역할을 한다. 즉, 용탕의 유동경로 상에 설치된 상태로, 용탕과 부딪히며, 용탕의 스트림라인을 불규칙적으로 교란하고, 스트림을 일시적으로 분할함과 아울러 유속이 가속되게 작용하는 것이다. 이러한 작용을 일으키는 이유는 용탕과 산소의 단위 시간당 접촉면적을 확대하기 위한 것이다. 또한 접촉면적을 확대하는 것은 용탕과 산소와의 반응을 촉진하기 위해서이다.

본 실시예에서 난류유도부(31)는 다양한 형상의 월류댐(32)으로 구현되며 세부 구성은 후술된다.

도 1에 도시한 월류댐(32)은, 일정폭을 갖는 띠형 부재로서, 폭방향 일단부가 게이트(24)의 바닥면에 고정되고, 폭방향 타단부, 즉, 상측에 용탕분류가속홈을 갖는다. 용탕분류가속홈은 일정피치 간격을 이루는 다수의 V홈(32a)으로 구현될 수 있다. V홈(32a) 사이의 뾰족한 부분은, 고정다이(21)에 이동다이(23)가 밀착한 상태에서, 이동다이(23)에 접촉할 수 있다. 하지만 이동다이(23)로부터 이격시킬 수도 있다.

V홈(32a)은 캐비티(22)로 향하는 용탕을 화살표 a방향으로 통과시킨다. 용탕은 V홈(32a)을 통과하며 분류(分流)됨과 동시에 가속된다. 월류댐(32)이 용탕의 유동경로 상에 위치하므로, 캐비티를 향하는 용탕의 유동단면적이 좁아지고, 또한, 이 상황에서 용탕이 빠질 수 있는 통로는 V홈(32a)이므로 용탕의 속도가 가속될 수밖에 없는 것이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형장치에 내장되는 게이트와 종전 게이트에서의 용탕의 유동 특성을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a는 본 실시예의 난류유도부(31)가 적용된 게이트, 도 3b는 일반적인 직선형 게이트에서, 용탕이 캐비티(22)에 채워지는 모습을 나타낸다.

도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 난류유도부(31)가 구비된 게이트(24)의 경우, 용탕초기분사위치의 난류유도부(31)로부터의 최대 거리(L1)가, 종전 직선형 게이트(15)의 최대거리(도 3b의 L2)에 비해 멀리 떨어져있다. 용탕초기분사위치라 함은, 용탕분류가속홈을 통과하는 용탕의 분출거리이다.

또한, 난류유도부(31)를 통과하는 용탕은, 용탕분류가속홈, 즉, V홈(32a), I홈(32c), 분류구멍(32e), 사이통로(33b)을 통과하며, 다수 개로 분류(分流)된다. 러너(25)에서는 하나의 덩어리로 뭉쳐있던 용탕이 난류유도부(31)를 통과하면서 일시적으로 갈라져, 마치 수력발전소의 각 수문에서 물이 분출하듯이 캐비티(22) 내부로 분출하는 것이다. 용탕의 스트림이 다수 개로 분류됨에 따라 용탕과 산소와의 단위 시간 당 접촉 면적이 증가함은 물론이다.

이와 같이, 본 실시예의 금형장치는, 게이트(24) 공간 내에, 난류유도부(31)를 구비하며, 캐비티(22)로 밀려드는 용탕을 분류(分流) 및 가속시킴으로써 용탕과 산소와의 접촉 면적을 확대하고, 위에 설명한 산소와 용탕의 반응 효율을 현저히 상승시키는 것이다. 이러한 작용 효과를 구현하기 위한 월류댐(32) 형상은 얼마든지 변경 가능하다.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소치환 다이캐스팅용 금형장치에 적용 가능한 월류댐의 변형 예를 도시한 도면이다.

도 4에 도시한 월류댐(32)은, 일정폭을 갖는 띠형 부재로서 폭방향 일단부가 게이트의 바닥면에 고정되고, 용탕분류가속홈으로서 다수의 I홈(32c)을 갖는다. I홈(32c)은 일정폭을 가지며 수직방향 상부로 개방된 슬릿으로서 일정한 피치를 이룬다. 용탕은 I홈(32c)을 통과하며 분류(分流)와 동시에 가속되어 캐비티(22)를 채운다. 그 동안 산소와 활발한 결합이 이루어짐은 위에 설명한 바와 같다.

도 5의 월류댐(32)은, 일정폭을 갖는 띠형 부재로서 폭방향 일단부가 게이트의 바닥면에 고정되고, 용탕분류가속홈으로서, 다수의 분류구멍(32e)을 구비한다. 분류구멍(32e)은 월류댐의 길이방향, 즉, 폭방향에 직교하는 방향을 따라 일정 간격으로 형성된 관통구멍으로서 용탕을 통과시킨다. 용탕은 분류구멍(32e) 통과하며 분류(分流)와 동시에 가속되어 캐비티(22)를 채운다. 분류구멍(32e)의 모양이나 개수는 얼마든지 달라질 수 있다. 또한 난류흐름을 촉진하기 위하여 분류구멍(32e) 내측에 메시구조체를 추가할 수도 있다.

도 6은 난류유도부(31)로서 스트림디바이더(33)가 적용된 예를 도시한 도면이다.

스트림디바이더(33)는, 용탕의 유동경로상에 배치된 상태로 캐비티(22)로 이동하는 용탕을 그 사이로 통과시키며 용탕의 스트림라인을 일시적으로 분할함과 아울러 유속이 가속되게 작용하는 것으로서, 다수의 용탕분류가속돌기(33a)를 갖는다.

이웃하는 용탕분류가속돌기(33a)의 사이통로(33b)는, 캐비티로 이동하는 용탕이 통과하는 통로이다. 용탕은 사이통로(33b)를 통과하면서 분류(分流)됨과 동시에 가속된다. 이러한 역할을 수행할 수 있는 한 용탕분류가속돌기(33a)의 모양이나 간격은 얼마든지 변경 가능하다.

도 7 및 도 8은 용탕분류가속돌기(33a)의 평면도로서, 도 7의 용탕분류가속돌기(33a)는 유입부측(러너를 향하는 방향)이 유선형으로 만곡되어 있고, 유출구측(캐비티를 향하는 방향)은 직각으로 형성되어 있다. 또한 도 8의 용탕분류가속돌기(33a)는 삼각형의 형상을 취한다.

도 9는 종래 금형장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 금형장치에 의해 시험 주조된 성형물의 내부 조직을 확대한 현미경 사진이다.

도면에 표시된 Conventional gate는, 종래 다이캐스팅금형으로 여러 가지 방법을 통해 제작된 성형물 시편의 확대된 모습이고, Comb gate는 본 실시예에 따른 다이캐스팅금형으로 여러 가지 방법으로 제작된 성형물 시편의 확대된 조직 구조를 나타낸다. CDC는 일반다이캐스팅, VDC는 진공다이캐스팅, ORDC는 산소치환 다이캐스팅을 의미한다.

도 9의 상부 3개의 사진은, 종래 다이캐스팅금형을 이용해, 일반다이캐스팅공법, 진공다이캐스팅공법, 산소치환다이캐스팅공법으로 얻은 성형물의 확대 사진이다. 또한, 아래쪽 3개의 사진은, 본 실시예의 다이캐스팅금형을 이용해, 일반다이캐스팅공법, 진공다이캐스팅공법, 산소치환다이캐스팅공법으로 얻은 성형물의 확대한 모습을 나타낸다.

각 공법은 시험주조에 앞서 용탕 청정화를 위해 8분 동안 300rpm속도로 탈가스처리(Gas Bubbling Filtration, GBF)를 하였으며, 표면의 개재물 및 산화물을 제거하였으며 공정별 Density index(DI)값을 측정하여 용탕의 청정도를 확인하였다.

또한, 다이캐스팅 주조 시 슬리브 내 주입온도는 710℃로, 저속속도는 3구간으로 나누어 0.1→0.2→0.25m/s로 점진적으로 가속시켰으며, 고속속도는 고속 절환위치에서 1.5m/s로 주조하였다. 각 공법별 주입온도, 저속 및 고속속도, 전환위치는 동일하게 적용하였으며, 진공 다이캐스팅 시 100mbar의 진공도 다이캐스팅 주조를 진행하였다.

다이캐스팅 주조(ORDC)시 일반 주조조건은 일반다이캐스팅 공정과 동일하게 진행하였으며, 슬리브 내 용탕 주입구가 닫힐 때 산소가 5bar의 압력으로 2.5초 동안 주입하였고, 주입산소량은 내부 부피를 계산한 뒤 내부 부피의 1.5배로 계산하였다.

6가지 공정을 수행하여 얻은 각각의 시편을 분석한 결과, 일반 다이캐스팅 대비 산소치환 다이캐스팅 방식이 적용되었을 때 내부의 기포결함이 감소하였음을 확인할 수 있다.

또한, 본 실시예의 난류유도부를 갖는 다이케스팅용 금형장치로 제작된 성형물의 경우, 산소치환 다이캐스팅 공법으로 제작된 성형물에서 기포결함이 확연히 감소함을 알 수 있었다. 이러한 결과는, 난류유도부(31)를 적용하여 용탕과 산소와의 단위시간당 접촉면적을 최대로 확대한 결과이다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10:금형장치 11:고정다이블록 12:가이드로드
13:이동다이블록 15:직선형게이트 21:고정다이
22:캐비티 23:이동다이 24:게이트
25:러너 26:슬리브 26a:챔버
27:플런저 31:난류유도부 32:월류댐
32a:V홈 32c:I홈 32e:분류구멍
33:스트림디바이더 33a:용탕분류가속도기 33b:사이통로

Claims (7)

1. 외부로부터 제공된 용탕이 채워지는 캐비티, 용탕을 캐비티로 안내하는 러너 및 게이트가 형성되어 있는 고정다이와;
   고정다이에 대해 진퇴 가능하며, 사출 시 고정다이에 밀착하여 캐비티를 밀폐시키는 이동다이와;
   밀착하고 있는 고정다이와 이동다이의 사이에, 산소와 용탕을 유도하는 슬리브를 구비하며,
   상기 게이트에는;
   러너를 거쳐 캐비티로 유입하는 용탕을 통과시키며 용탕의 흐름을 난류의 흐름으로 변화시키는 난류유도부가 구비되고,
   상기 난류유도부는;
   용탕의 유동경로상에 고정된 상태로, 캐비티로 유입하는 용탕을 통과시키며, 용탕의 스트림라인을 일시적으로 분할함과 아울러 유속이 가속되게 작용하는 용탕분류가속홈을 갖는 월류댐이고,
   상기 월류댐은, 일정폭을 갖는 띠형 부재로서 폭방향 일단부가 게이트의 바닥면에 고정되고,
   용탕분류가속홈은, 월류댐의 상측에 형성되며 일정피치 간격을 이루는 다수의 V홈인,
   산소치환 다이캐스팅용 금형장치.
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