KR102680142B1

KR102680142B1 - 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법

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Publication number: KR102680142B1
Application number: KR1020230044645A
Authority: KR
Inventors: 정택호; 강현기; 변삼섭; 손재화; 임기만; 이종엽
Original assignee: 터보파워텍(주)
Filing date: 2023-04-05
Publication date: 2024-07-01

Abstract

본 발명은 금형에 용탕(쇳물)을 붓고 프레스와 같은 기구로서 압력을 가하여 주물을 만드는 가압주조방법에 관한 것으로서, 금형의 주입부를 통해 용탕의 주입시 금형의 온도는 180∼350℃로 예열하고, 주입시간은 6초 이내가 되도록 주입구의 직경과 길이를 설계함으로써 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도와 재료강도를 향상시킬 수 있는 것이 특징인 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법은 주물제품에 발생하는 수축공(Shrinkage Cavity), 잔류응력에 의한 균열, 표면거칠기 등의 문제점을 극복하며, 또한 기존 스테인리스 주조 방식(중력 주조, 원심 주조 등) 대비 높은 물성과 회수율을 확보할 수 있으며, 특히 주물의 금속조직을 미세화시키고, 이에 따라 주물의 표면정밀도 및 재료강도를 향상시킬 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법{Pressure casting method to prevent internal defects of cast products by designing gate and riser in metal mould}

본 발명은 용탕을 가압함으로써 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도와 재료강도를 향상시킬 수 있는 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법에 관한 것이다.

주조(Casting)는 액체 상태의 재료를 형틀에 부어 넣어 굳혀 모양을 만드는 가공방법이다, 즉 각종의 로(furnace) 안에서 고철, 선철, 합금철 또는 비철금속 원료를 가열해서 용해하고 적정 성분으로 조정된 쇳물을 모래 또는 금속재의 거푸집(Mould) 속에 부어 넣은 후 냉각 응고시켜 만드는 방법으로서, 원하는 모형으로 만들어진 거푸집의 공동에 용융금속을 주입하여 성형시킨 뒤 용융금속이 굳으면 모형과 동일한 금속물체가 된다. [네이버 지식백과]

이러한 주조(Casting)는 사형주조, 가압주조, 중력주조, 원심주조, 연속주조 등이 있다.

이중, 가압주조는 금형틀에 용탕(쇳물)을 붓고 프레스와 같은 기구로서 압력을 가하여 주물을 만드는 가공방법이다.

특히, 알루미늄 가압 주조는 일반적인 알루미늄 주조 대비 용탕의 냉각속도가 빠르고, 금속조직 미세화에 따른 표면정밀도 및 재료강도의 향상 등의 효과가 있어 알루미늄 주조 분야에서는 널리 사용되고 있는 기술이다.

한편, 알루미늄에 비해 용해 온도가 1495℃ 이상인 스테인리스(STS 410) 주조에 있어서, 일반적인 주조는 용탕의 급속한 응고를 제어하면서 중력을 이용한 사형주조가 널리 적용되고 있으나, 금형을 사용하는 경우 응고 속도가 매우 빨라서 주조품 내부에 수축공(Shrinkage Cavity), 잔류응력에 의한 균열, 표면 거칠기 등의 문제로 금형을 이용한 가압주조의 기술적 한계점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-2186138호(탄성부재를 이용한 가압 원심 주조 장치 및 그의 용탕가압방법, 등록일자 2020년 11월 27일) 대한민국 공고특허공보 제1992-0002106호(주물의 가압주조 방법 및 장치, 1992년 03월 12일) 대한민국 등록특허공보 제10-0304493호(금형으로 가압주조 성형된 비정질합금성형품의 제조방법 및 장치, 등록일자 2001년 07월 23일) 대한민국 등록특허공보 제10-1724349호(용해로 및 이를 포함하는 가압주조장치, 등록일자 2017년 04월 03일)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스테인리스 주조시 최적의 용탕 주입구(Gate)와 압탕(Riser) 설계를 통해 스테인리스 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도 및 재료강도를 향상시킬 수 있는 가압주조방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

즉, 스테인리스 가압주조시 중요한 포인트는 금형공간에 주입된 용탕이 응고하기 전에 가압을 함으로써 이전에 제작된 금형이 주입구가 좁아서 주입되는데 시간이 많이 길어져 응고가 진행된 상태에서 가압하여 주조품 외부 내부에 결함이 존재하는 것을 본 발명은 금형주입구를 넓혀 용탕을 주입하기 때문에 주입하는데 시간을 짧게 하여 응고가 되기 전에 가압하므로 주조품 내외부 결함이 없도록 하는 가압주조방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법은 금형에 용탕(쇳물)을 붓고 프레스와 같은 기구로서 압력을 가하여 주물을 만드는 가압주조방법에 있어서, 금형의 주입부를 통해 용탕의 주입시 금형의 온도는 180∼350℃로 예열하고, 주입시간은 6초 이내가 되도록 주입구의 직경과 길이를 설계함으로써 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도와 재료강도를 향상시킬 수 있는 것이 특징이다.

상술한 바와 같이 본 발명 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법은 주물제품에 발생하는 수축공(Shrinkinage, Cavity), 잔류응력에 의한 균열, 표면거칠기 등의 문제점을 극복하며, 또한 기존 스테인리스 주조 방식(중력 주조, 원심 주조 등) 대비 높은 물성과 회수율을 확보할 수 있으며, 특히 주물의 금속조직을 미세화시키고, 이에 따라 주물의 표면정밀도 및 재료강도를 향상시킬 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형을 나타낸 측단면도.
도 2는 본 발명의 용탕 주입구와 압탕의 설계변경에 따른 주물제품의 비교 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조방법에 의해 형성되는 주물제품과 이전 주물제품의 비교된 측면도.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형을 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형의 일부분을 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형을 나타낸 분해사시도.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조 장치를 나타낸 도면.
도 8은 비교예와 본 발명의 일실시 예의 시간에 따른 용탕 온도 분포를 나타낸 도면.
도 9는 비교예와 본 발명의 일실시 예의 시간에 따른 응고 분율 분포를 나타낸 도면.

본 발명 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법은 금형에 용탕(쇳물)을 붓고 프레스와 같은 기구로서 압력을 가하여 주물을 만드는 가압주조방법에 있어서, 금형의 주입부(6)를 통해 용탕(M)의 주입시 금형의 온도는 180∼350℃로 예열하고, 주입시간은 6초 이내가 되도록 주입구의 직경과 길이를 설계함으로써 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도와 재료강도를 향상시킬 수 있는 것이 특징이다.

상기 금형은 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 안착되는 제1금형(1); 상기 제1금형(1)의 상부에 안착되는 인서트(5); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형(2); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형(2)과 밀착되었을 때 소정의 수용공간(S)이 형성되도록 구성되는 제3금형(3); 및 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간(S)에 삽입됨으로써 소정의 캐비티를 형성하는 제4금형(4);을 포함하고,

상기 캐비티(C)는 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해 상부로부터 주입된 용탕(M)에 의해 상기 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되어 있는 것이 특징이다.

그리고, 상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에는 진동자를 장착하여 상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성된 캐비티(C) 내에서 형성되는 주물제품의 잔류응력을 제거하기 위해 용탕(M)이 응고될 때, 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 초음파 진동을 가하는 것이 특징이다.

또한, 상기 초음파 진동은 제4금형(4)의 가압후 3초 후부터 진동을 가하되, 초음파의 주파수는 1000∼100MHz이고, 진폭은 10∼100㎛인 것이 특징이다.

또한, 상기 캐비티(C) 중 주물이 형성되는 공간부의 전단에 형성되는 주입부(6)의 체적은 주물이 형성되는 공간부의 체적대비 1∼1.5배 이고, 주물이 형성되는 공간부의 후단에 형성되는 압탕부(C4)의 체적은 주물이 형성되는 공간부의 체적대비 80∼100%인 것이 특징이다.

또한, 상기 용탕(M)은 주입 온도가 1580℃ 내지 1650℃이고, 주입 용탕(M)의 체적은 상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성되는 압탕부(C4), 캐비티(C) 용적 대비 80% 내지 100%의 체적인 것이 특징이다.

또한, 상기 제1금형 내지 제4금형은: 탄소(C) 0.01 내지 0.07 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.50 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.50 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.040 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 19.0 내지 22.0 중량%; 니켈(Ni) 27.5 내지 30.5 중량%; 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 3.0 중량%; 구리(Cu) 3.0 내지 4.0 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하는 오스테나이트 스테인리스강(Austenitic stainless steel)으로 구성되고,

상기 용탕(M)은: 탄소(C) 0.03 내지 0.15 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.00 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.00 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.030 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 10 내지 13.5 중량%; 니켈(Ni) 0.01 내지 0.75 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하는 마르텐사이트 스테인리스강(Martensitic stainless steel)으로 구성되는 것이 특징이다.

또한, 상기 제1금형 내지 제4금형(1, 2, 3, 4)은: 탄소(C) 0.11 중량%; 실리콘(Si) 0.31 중량%; 망간(Mn) 0.5 중량%; 인(P) 0,025 중량%; 크롬(Cr) 2.25 중량%; 몰리브덴(Mo) 0.9 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하도록 구성되고,

상기 용탕(M)은: 탄소(C) 0.08-0.15 중량%; 망간(Mn) 1.0 중량%; 황(S) 0.03 중량%; 인(P) 0.04 중량%; 실리콘(Si) 1.0 중량%; 크롬(Cr) 11.5-13.5 중량%; 니켈 0.75 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하도록 구성되는 것이 특징이다.

본 발명 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법을 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형을 나타낸 측단면도, 도 2는 본 발명의 용탕 주입구와 압탕의 설계변경에 따른 주물제품의 비교 사시도, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조방법에 의해 형성되는 주물제품과 이전 주물제품의 비교된 측면도, 도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형을 나타낸 사시도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형의 일부분을 나타낸 단면도, 도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형을 나타낸 분해사시도, 도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 스테인리스 가압 주조 장치를 나타낸 도면, 도 8은 비교예와 본 발명의 일실시 예의 시간에 따른 용탕 온도 분포를 나타낸 도면, 도 9는 비교예와 본 발명의 일실시 예의 시간에 따른 응고 분율 분포를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명은 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법은 금형에 용탕(쇳물)을 붓고 프레스와 같은 기구로서 압력을 가하여 주물을 만드는 가압주조방법에 관한 것으로, 금형의 주입부(6)를 통해 용탕(M)의 주입시 금형의 온도는 180∼350℃로 예열하고, 주입시간은 6초 이내가 되도록 주입구의 직경과 길이를 설계함으로써 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도와 재료강도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

상기 금형은 제1금형(1) 내지 제4금형(4) 모두 180∼350℃로 예열하도록 한다.

특히, 본 발명에서의 금형은 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 안착되는 제1금형(1); 상기 제1금형(1)의 상부에 안착되는 인서트(5); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형(2); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형(2)과 밀착되었을 때 소정의 수용공간(S)이 형성되도록 구성되는 제3금형(3); 및 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간(S)에 삽입됨으로써 소정의 캐비티를 형성하는 제4금형(4);을 포함하도록 하였다.

본 발명에서는 상기 금형을 통해 스테인리스 재질의 터빈용 실링 세그먼트(Sealing Segment)를 제조하는 것에 대하여 상세히 기술하였다.

이에 따른 본 발명에서의 캐비티(C)는: 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해 상부로부터 주입된 용탕(M)에 의해 상기 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되도록 하였다.

특히, 상기 캐비티(C) 중 주물이 형성되는 공간부의 전단에 형성되는 주입부(6)의 체적은 주물이 형성되는 공간부의 체적대비 1∼1.5배 이고, 주물이 형성되는 공간부의 후단에 형성되는 압탕부(C4)의 체적은 주물이 형성되는 공간부의 체적대비 80∼100% 정도 형성되도록 하였다.

더욱 바람직하게는 상기 금형을 통해 제조되는 스테인리스 재질의 터빈용 실링 세그먼트(Sealing Segment)는 주물의 체적이 1213.178㎤로 형성될 때, 주물이 형성되는 공간부의 전단에 형성되는 주입부(6)의 체적은 1419.729㎤가 되게 형성되고, 주물이 형성되는 공간부의 후단에 형성되는 압탕부(C4)의 체적은 1091.055㎤가 되게 형성되도록 하였다.

본 발명에서의 용탕(M)은: 주입 온도가 1580℃ 내지 1650℃이고, 주입 용탕(M)의 체적은 상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성되는 압탕부(C4), 캐비티(C) 용적 대비 80% 내지 100%의 체적이 되도록 하였다.

또한, 상기 제1금형 내지 제4금형은: 탄소(C) 0.01 내지 0.07 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.50 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.50 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.040 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 19.0 내지 22.0 중량%; 니켈(Ni) 27.5 내지 30.5 중량%; 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 3.0 중량%; 구리(Cu) 3.0 내지 4.0 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하는 오스테나이트 스테인리스강(Austenitic stainless steel)으로 구성된다.

그리고 본 발명의 용탕(M)은: 탄소(C) 0.03 내지 0.15 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.00 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.00 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.030 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 10 내지 13.5 중량%; 니켈(Ni) 0.01 내지 0.75 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하는 마르텐사이트 스테인리스강(Martensitic stainless steel)으로 구성되는 것이 특징으로 하고 있다.

또 다른 실시로서 상기 제1금형 내지 제4금형(1, 2, 3, 4)은: 탄소(C) 0.11 중량%; 실리콘(Si) 0.31 중량%; 망간(Mn) 0.5 중량%; 인(P) 0,025 중량%; 크롬(Cr) 2.25 중량%; 몰리브덴(Mo) 0.9 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하도록 구성되고, 상기 용탕(M)은: 탄소(C) 0.08-0.15 중량%; 망간(Mn) 1.0 중량%; 황(S) 0.03 중량%; 인(P) 0.04 중량%; 실리콘(Si) 1.0 중량%; 크롬(Cr) 11.5-13.5 중량%; 니켈 0.75 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하도록 구성될 수도 있다.

특히, 상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에는 진동자를 장착하여 상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성된 캐비티(C) 내에서 형성되는 주물제품의 잔류응력을 제거하기 위해 용탕(M)이 응고될 때, 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 초음파 진동을 가하도록 한다.

이때, 상기 초음파 진동은 제4금형(4)의 가압후 3초 후부터 진동을 가하되, 초음파의 주파수는 1000∼100MHz이고, 진폭은 10∼100㎛이내가 되도록 한다.

가압의 시작을 3초후로 하는 것은 용탕(M)이 액상의 상태에서 고상으로 상태가 변하는 시점에 진동을 가하기 위함이다.

이하, 본 발명의 금형을 이용한 가압 주조 과정을 더욱 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에서 제1금형(1)이 흔들리지 않도록 상기 볼스터(B)에 고정시키고, 제1금형(1)의 중앙부에 형성된 홈에 주조할 주물에 대응되는 인서트(5)를 삽입한다.

상기 제1금형(1)의 상부에 제2금형(2) 및 제3금형(3)을 안착시키고, 제2금형(2) 및 제3금형(3)에 각각 연결된 가압장치(액추에이터 등)를 동작시켜 제2금형(2) 및 제3금형(3)을 서로 밀착시킨다.

이후, 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성되거나, 제2금형(2) 및 제3금형(3)의 밀착에 의해 형성된 주입부(6)를 통해 용탕(M)을 주입한다. 상기 주입부(6)에는 용탕(M)이 금형의 주변부로 이탈하지 않도록 소정의 주입컵(60)이 체결될 수 있다.

이 때, 상기 캐비티(C)의 형상에 따라 용탕(M)은 도 1에 도시된 충진 방향(D1)과 같이 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진된다.

용탕(M)을 주입을 완료한 뒤, 용탕(M)이 완전히 응고되기 전에 상기 제4금형(4)을 하강시키며 제4금형(4)으로 용탕(M)을 가압한다.

하나의 실시예로서 소정의 캐비티(C)가 형성되어 용탕(M)을 주입받는 금형; 및 금형에 소정의 압력을 가하는 프레스장치(D);를 포함하는, 스테인리스 가압 주조 장치에 있어서, 상기 금형은: 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 안착되는 제1금형(1); 상기 제1금형(1)의 상부에 안착되는 인서트(5); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형(2); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형(2)과 밀착되었을 때 소정의 수용공간(S)이 형성되도록 구성되는 제3금형(3); 및 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간(S)에 삽입됨으로써 소정의 캐비티(C)를 형성하는 제4금형(4);을 포함하고, 상기 캐비티(C)는: 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해 상부로부터 주입된 용탕(M)이, 상기 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되며, 상기 프레스장치(D)는: 상기 금형이 안착되는 공간을 제공하는 볼스터(B); 상기 금형을 가압하도록 상부로부터 소정의 압력을 가하도록 구비되는 피스톤(P); 및 상기 피스톤(P)에 동력을 전달하는 유압장치;를 포함하는, 스테인리스 가압 주조 장치를 제공하도록 한다.

여기서, 상기 피스톤(P)에 의해 가압되는 금형은, 제2금형(2) 내지 제4금형(4)일 수 있으며, 상기 유압장치의 유압회로를 제어함에 따라 주조 과정에서 제2금형(2) 내지 제4금형(4) 중 일부분에 대해 가압력을 해제하거나 가압력을 부여할 수 있다.

또 다르게는, 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 안착되는 제1금형(1); 상기 제1금형(1)의 상부에 안착되는 인서트(5); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형(2); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형(2)과 밀착되었을 때 소정의 수용공간(S)이 형성되도록 구성되는 제3금형(3); 및 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간(S)에 삽입됨으로써 소정의 캐비티(C)를 형성하는 제4금형(4);을 포함하고, 상기 캐비티(C)는: 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해 상부로부터 주입된 용탕(M)이, 상기 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되는 스테인리스 가압 주조용 금형을 이용하여 터빈용 패킹 링을 제조하는, 스테인리스 가압 주조 방법에 있어서, 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 상기 제1금형(1)을 안착시키는 단계; 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)을 각각 좌측 및 우측으로부터 가압하여 밀착시키는 단계; 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3) 사이에 형성된 수용공간(S)으로 제4금형(4)을 삽입하는 단계; 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해, 주입부(6)의 상부에서 용탕(M)을 부어 캐비티(C) 내부에 용탕(M)을 주입하는 단계; 및 상기 캐비티(C) 내부에 용탕(M)이 충진된 후, 상기 제4금형(4)을 가압하는 단계;를 포함하는, 스테인리스 가압 주조 방법을 제공할 수도 있다.

상기 제4금형(4)을 가압하는 단계 후, 소정의 시간이 경과하여 용탕(M)이 충분히/완전히 응고된 후에는 상기 제4금형(4)을 상승시켜 공정을 종료한다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 제2금형(2)과 제3금형(3)이 슬라이딩되는 방향으로 제1금형(1)의 상면의 양측 가장자리에는 ‘ㄱ’자 형상의 제1가이드(7)가 구성하고, 이에 대응하는 제2금형(2)과 제3금형(3)의 하단부 양측 측면에는 ‘ㄴ’자 형상의 제2가이드(8)를 구성하였다.

이에, 제2금형(2)과 제3금형(3)에 구성된 ‘ㄴ’자 형상의 제2가이드(8)와 제1금형(1)에 구성된 ‘ㄱ’자 형상의 제1가이드(7)가 체결되어 있는 상태에서 안정적으로 슬라이딩 되도록 하였다.

또한, 상기 ‘ㄱ’자 형상의 제1가이드(7)에는 상하로 관통되는 복수 개의 관통공(도면 미도시)을 형성하고 이에 대응하도록 상기 ‘ㄱ’자 형상의 제1가이드(7)에 형성된 관통공에 수직선 상에 위치하는 ‘ㄴ’자 형상의 제2가이드(8)에도 복수 개의 볼트공(도면 미도시)을 형성하여 제2금형(2)과 제3금형(3)이 슬라이딩되어 서로 접촉시 체결볼트(도면 미도시)로서 ‘ㄱ’자 형상의 제1가이드(7)에 형성된 관통공을 관통시켜 ‘ㄴ’자 형상의 제2가이드(8)에 형성된 볼트공에 체결시키게 되면 매우 견고하게 제2금형(2)과 제3금형(3)이 서로 체결될 수 있게 된다.

이는 상부 측의 제4금형(4)에 의해 제2금형(2)과 제3금형(3)이 상부로부터 가압될 때, 제2금형(2)과 제3금형(3)이 양측으로 벌어지지 않도록 함으로써 보다 정확한 형상의 주물제품이 형성하도록 하기 위함이다.

이렇게 주조된 주물은 표면가공, 표면처리, 절삭 등 후처리 과정을 거쳐 터빈용 패킹 링으로 제조될 수 있다.

또한, 상기 캐비티(C)는: 상기 제1금형(1) 또는 인서트(5)에 형성되며, 호의 중심각을 이루는 중심점이 상부에 배치되는 형태로 소정의 제1 원호형 프로파일이 형성되는 바닥면(C1); 상기 제4금형(4)에 형성되며, 상기 바닥면(C1)을 형성하는 호가 소정의 거리만큼 평행이동한 형태의 제2 원호형 프로파일이 형성되는 천장면(C2); 상기 제1 원호형 프로파일 및 제2 원호형 프로파일에 의해 둘러쌓이는 제품부(C3); 상기 제품부(C3)의 양단에 형성되는 압탕부(C4); 및 상기 제품부(C3)와 압탕부(C4) 사이의, 단면적이 달라지는 지점인 목부(C5);를 포함할 수 있다.

상기 캐비티(C)의 상세 구성은 도 1에 도시되어 있다.

주입부(6)/주입컵(60)을 통해 상부로부터 하부로 주입되는 용탕(M)은, 캐비티(C)의 저점으로부터 상향 충진되어 고점의 압탕부(C4)까지 채워진다.

그리고, 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)은: 상기 제4금형(4)에 의해 용탕(M)이 가압될 때, 용탕(M)으로부터 압력을 받아 좌우 방향으로 벌어지도록 형성되는 경사면(20, 30);을 포함하고, 상기 제4금형(4)은: 상기 경사면(20, 30)에 대응되도록 형성되는 쐐기(40);를 포함할 수 있다.

상기 경사면(20, 30) 및 쐐기(40)는 도 5에 도시되어 있다.

상기 제4금형(4)이 하중을 전달받아 용탕(M)을 가압하게 되면, 용탕(M)은 모든 방향으로 압력을 가하게 된다. 이 때, 제4금형(4)으로부터 전달되는 모든 하중을 금형이 버티게 되면 금형이 깨지는 등 문제가 발생할 수 있으므로, 상기와 같이 경사면(20, 30)과 쐐기(40)를 활용하여 하중의 일부가 측면 방향으로 분산되도록 유도할 수 있다.

이 때, 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 좌우 방향으로 벌어질 수 있도록 제2금형(2) 및 제3금형(3)에 가해지는 압력/가압은 해제하는 것이 바람직하다.

여기서 가압을 해제한다는 것은, 압력을 0으로 만드는 것이 아니라 의도치 않은 변형은 방지하되 필요 이상의 하중은 분산시킬 수 있도록 제2금형(2) 및 제3금형(3)을 지지하는 정도의 압력만을 잔여시키는 것을 의미할 수 있다.

아울러, 상술한 바와 같이 본 발명의 제1금형(1) 내지 제4금형(4)은: 탄소(C) 0.01 내지 0.07 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.50 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.50 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.040 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 19.0 내지 22.0 중량%; 니켈(Ni) 27.5 내지 30.5 중량%; 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 3.0 중량%; 구리(Cu) 3.0 내지 4.0 중량%; 및 철(Fe) 37.35 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 오스테나이트 스테인리스강(Austenitic stainless steel)으로 구성되고, 상기 용탕(M)은: 탄소(C) 0.03 내지 0.2 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.00 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.00 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.030 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 10 내지 13.5 중량%; 니켈(Ni) 0.01 내지 0.75 중량%; 및 나머지는 철(Fe)을 포함하는, 마르텐사이트 스테인리스강(Martensitic stainless steel)으로 구성될 수 있다.

상기와 같은 금형 및 용탕(M)의 조성비에 따르면, 종래의 STS410 소재에 비해 탄소 및 크롬함량을 약간 줄일 수 있어 가압주조시 제품의 중심부까지 가압되며, 가압 주조에도 불구하고 용탕(M)이 금형에 눌러붙는 등의 현상이 발생하지 않고, 정상적으로 주물이 취출된다.

이 때, 상기 인서트(5)는 제1금형(1) 내지 제4금형(4)과 동일하게 구성될 수 있다.

상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)은: 탄소(C) 0.035 내지 0.07 중량%; 망간(Mn) 0.75 내지 1.50 중량%; 규소(Si) 0.75 내지 1.50 중량%; 황(S) 0.020 내지 0.040 중량%; 인(P) 0.020 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 19.0 내지 22.0 중량%; 니켈(Ni) 27.5 내지 30.5 중량%; 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 3.0 중량%; 구리(Cu) 3.0 내지 4.0 중량%; 및 철(Fe) 46.925 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강(Austenitic stainless steel)으로 구성되고, 상기 용탕(M)은: 탄소(C) 0.08 내지 0.15 중량%; 망간(Mn) 0.5 내지 1.00 중량%; 규소(Si) 0.5 내지 1.00 중량%; 황(S) 0.015 내지 0.030 중량%; 인(P) 0.02 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 11.5 내지 13.5 중량%; 니켈(Ni) 0.0375 내지 0.75 중량%; 및 나머지는 철(Fe)을 포함하는, 마르텐사이트계 스테인리스강(Martensitic stainless steel)으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 용탕(M)은: 주입 온도가 1580℃ 내지 1650℃이고, 주입 용탕(M) 체적은 [상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성되는 압탕부(C4), 게이트 및 캐비티(C) 용적] 대비 80% 내지 100%의 체적이고, 주입 속도는 제1주입 시간 동안 제1유량으로 유지된 후, 제2주입 시간 동안 제1유량에서 0으로 유량이 감소하도록 제어되고, 상기 용탕(M)이 충진된 후, 상기 제4금형(4)이 0.5mm/sec 내지 1.5mm/sec의 속도로 15sec 내지 25sec 동안 하부로 이송되며 용탕(M)을 가압하도록 제어될 수 있다.

바람직하게는, 상기 주입 온도가 1588℃ 내지 1592℃이고, 주입 용탕(M) 체적은 [상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성되는 압탕부(C4), 게이트 및 캐비티(C) 용적] 대비 87% 내지 89%의 체적이고, 주입 속도는 제1주입 시간 동안 제1유량으로 유지된 후, 제2주입시간 동안 제1유량에서 0으로 유량이 감소하도록 제어되고, 상기 용탕(M)이 충진된 후, 상기 제4금형(4)이 0.9mm/sec 내지 1.1mm/sec의 속도로 15 sec 내지 25 sec 동안 하부로 이송되며 용탕(M)을 가압하도록 제어될 수 있다.

여기서, 상기 주입 온도는, 용탕(M)을 구성하는 합금의 녹는 범위(Melting Range)가 1482℃ 내지 1532℃를 기반으로 산출되었다.

실시 예에서는, 상기 제1주입 시간은 4초, 제2주입 시간은 2초로, 총 6초동안 용탕(M)을 주입하였으며, 제1유량은 500cm³/sec로 제어되었다.

도 8과 도 9는 상기 주입 온도가 1590℃이고, 주입 용탕(M) 체적은 [상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성되는 압탕부(C4), 게이트 및 캐비티(C) 용적] 대비 88%의 체적이고, 주입 속도는 제1주입 시간 동안 제1유량으로 유지된 후, 제2주입 시간 동안 제1유량에서 0으로 유량이 감소하도록 제어되고, 상기 용탕(M)이 충진된 후, 상기 제4금형(4)이 1mm/sec의 속도로 15sec 내지 25sec 동안 하부로 이송되며 용탕(M)을 가압한 실시 예를 분석한 데이터를 기반으로 하였다.

이에 따라, 총 가압 깊이는 10mm였으며, 이에 따라 주조된 주물의 최종 두께는 30.5mm였다.

즉, 도 8 및 도 9는, 상형을 하강시켜 고정한 상태로 용탕(M)을 60초동안 관측한 비교예(상형 고정)와, 상형을 6초 동안 하강시켜 용탕(M)을 가압한 뒤, 용탕(M)을 60초 동안 관측한 실시예(상형 가압)를 비교하여 분석한 도면이다.

‘상형 고정’은 최종 응고에 도달하는 시간이 51.89초로, ‘상형 가압’은 최종 응고에 도달하는 시간이 60.01초로 확인되었으며, 이를 기반으로 도 9의 온도 확인 지점(30, 42, 48, 51.9, 60초)을 선정하였다.

일반적인 가압 주조는 일반 주조에 비해 응고 시간이 빨라지지만, 본 발명의 실시예에서는 ‘상형 고정’의 최종 응고 도달 시간이 더 짧게 측정되었으며, 이는 ‘상형 가압’에서 상형의 하강 시점 전까지 제품부(C3) 용탕(M) 단면적이 상대적으로 크기 때문에 응고 시간 지연이 발생하는 것으로 사료된다.

도 8의 용탕(M) 온도 분포 비교를 참고하면, 30초 이후 ‘상형 고정’에서 런너부 표면이 1150℃에 도달한 것을 확인할 수 있다. 42초에서는 ‘상형 고정’ 및 ‘상형 가압’ 모두에서 게이트 지점 온도가 1200℃에 도달하였으며, 48초에서는 ‘상형 고정’ 및 ‘상형 가압’에 따라 제품부(C3)의 온도 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이후 51.9초에서도 ‘상형 고정’ 및 ‘상형 가압’ 간 압탕부(C4)에서의 온도차이가 확인된다.

도 9의 응고 분율 비교를 참고하면, 6초에서 ‘상형 고정’ 및 ‘상형 가압’ 모두 게이트 부근에서 응고가 시작되는 것을 확인할 수 있다. 12초에서는 ‘상형 고정’ 및 ‘상형 가압’ 모두 표면부분 응고분율이 0.5에 도달하고, 중심부 부근에서는 응고 분율이 0.25 근처인 것을 확인할 수 있다. 24초에서는 ‘상형 고정’에서 게이트가 막히는 것을 확인할 수 있으며, ‘상형 가압’에서는 게이트가 막히지 않는 것을 확인할 수 있다. 30초에서는 ‘상형 고정’에서는 제품부(C3)/압탕부(C4) 사이 탕도(목부(C5))가 닫히는 것이 확인되나, ‘상형 가압’에서는 제품부(C3)/압탕부(C4) 사이 탕도가 닫히지 않았다. 36초에서는 ‘상형 가압’에서 제품부(C3) 응고가 완료된 뒤에 압탕부(C4) 경로가 닫히는 것을 확인할 수 있다.

비교예인 ‘상형 고정’에서는 제품부(C3) 전체가 응고되기 이전에 압탕부(C4) 근처의 탕도가 막혀, 제품부(C3)에서의 미세수축공 발생 가능성이 있으나, 실시예인 ‘상형 가압’에서는 이러한 미세수축공 발생 가능성이 거의 없다.

이는 가압 방식이 응고 수축을 일부 보상하는 것에 따른 것으로 보인다.

상술한 바와 같이 본 발명 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법은 주물제품에 발생하는 수축공(Shrinkage Cavity), 잔류응력에 의한 균열, 표면거칠기 등의 문제점을 극복하며, 또한 기존 스테인리스 주조 방식(중력 주조, 원심 주조 등) 대비 높은 물성과 회수율을 확보할 수 있으며, 특히 주물의 금속조직을 미세화시키고, 이에 따라 주물의 표면정밀도 및 재료강도를 향상시킬 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

1 : 제1금형 2 : 제2금형
3 : 제3금형 20, 30 : 경사면
4 : 제4금형 40 : 쐐기
5 : 인서트 6 : 주입부
60 : 주입컵
7 : 제1가이드 8. 제2가이드
D1 : 충진 방향 D2 : 슬라이딩 방향
D3 : 가압 방향
S : 수용공간 M : 용탕
C : 캐비티 C1 : 바닥면
C2 : 천장면 C3 : 제품부
C4 : 압탕부 C5 : 목부
D : 프레스장치 B : 볼스터
P : 피스톤

Claims

금형에 용탕(쇳물)을 붓고 프레스로서 압력을 가하여 주물을 만드는 가압주조방법으로 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 안착되는 제1금형(1); 상기 제1금형(1)의 상부에 안착되는 인서트(5); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형(2); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형(2)과 밀착되었을 때 소정의 수용공간(S)이 형성되도록 구성되는 제3금형(3); 및 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간(S)에 삽입됨으로써 소정의 캐비티(C)를 형성하는 제4금형(4);을 포함하고,
상기 캐비티(C)는: 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해 상부로부터 주입된 용탕(M)에 의해 상기 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되어 있는 금형의 가압주조방법에 있어서,
상기 금형의 주입부(6)를 통해 1580℃ 내지 1650℃의 용탕(M)의 주입시 금형의 온도는 251∼350℃로 예열하고, 주입시간은 5초 미만이 되도록 주입구의 직경과 길이를 설계함으로써 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도와 재료강도를 향상시킬 수 있도록 하며,
상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에는 진동자를 장착하여 상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성된 캐비티(C) 내에서 형성되는 주물제품의 잔류응력을 제거하기 위해 용탕(M)이 응고될 때 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 초음파 진동을 가하는 것으로, 상기 초음파 진동은 제1금형(1) 내지 제3금형(3)의 체결에 의해 형성된 캐비티(C) 내에 용탕(M)을 충진시키고 상기 제4금형(4)이 하강하여 용탕(M)을 상부에서 가압한 3초 후부터 진동을 가하되, 초음파의 주파수는 1000∼100MHz이고 진폭은 10∼100㎛이며,
상기 제1금형 내지 제4금형은: 탄소(C) 0.01 내지 0.07 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.50 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.50 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.040 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 19.0 내지 22.0 중량%; 니켈(Ni) 27.5 내지 30.5 중량%; 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 3.0 중량%; 구리(Cu) 3.0 내지 4.0 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하는 오스테나이트 스테인리스강(Austenitic stainless steel)으로 구성되고,
상기 용탕(M)은: 탄소(C) 0.03 내지 0.15 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.00 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.00 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.030 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 10 내지 13.5 중량%; 니켈(Ni) 0.01 내지 0.75 중량%;와 나머지는 철(Fe)을 포함하는 마르텐사이트 스테인리스강(Martensitic stainless steel)으로 구성되어 있으며,
상기 캐비티(C)는: 상기 제1금형(1) 또는 인서트(5)에 형성되며, 호의 중심각을 이루는 중심점이 상부에 배치되는 형태로 소정의 제1 원호형 프로파일이 형성되는 바닥면(C1); 상기 제4금형(4)에 형성되며, 상기 바닥면(C1)을 형성하는 호가 소정의 거리만큼 평행이동한 형태의 제2 원호형 프로파일이 형성되는 천장면(C2); 상기 제1 원호형 프로파일 및 제2 원호형 프로파일에 의해 둘러쌓이는 제품부(C3); 상기 제품부(C3)의 양단에 형성되는 압탕부(C4); 및 상기 제품부(C3)와 압탕부(C4) 사이의, 단면적이 달라지는 지점인 목부(C5);를 포함하는 것으로,
상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)은: 상기 제4금형(4)에 의해 용탕(M)이 가압될 때, 용탕(M)으로부터 압력을 받아 좌우 방향으로 벌어지도록 형성되는 경사면(20, 30);을 포함하고, 상기 제4금형(4)은: 상기 경사면(20, 30)에 대응되도록 형성되는 쐐기(40);를 포함함으로써 제4금형(4)이 하중을 전달받아 용탕(M)을 가압하게 되면, 용탕(M)은 모든 방향으로 압력을 가하게 될때, 경사면(20, 30)과 쐐기(40)에 의해 하중의 일부가 측면 방향으로 분산되도록 유도하여 금형이 깨지는 것을 방지하도록 하며,
상기 제2금형(2)과 제3금형(3)이 슬라이딩되는 방향으로 제1금형(1)의 상면의 양측 가장자리에는 ‘ㄱ’자 형상의 제1가이드(7)가 구성하고, 이에 대응하는 제2금형(2)과 제3금형(3)의 하단부 양측 측면에는 ‘ㄴ’자 형상의 제2가이드(8)를 구성함으로써 제2금형(2)과 제3금형(3)에 구성된 ‘ㄴ’자 형상의 제2가이드(8)와 제1금형(1)에 구성된 ‘ㄱ’자 형상의 제1가이드(7)가 체결되어 있는 상태에서 안정적으로 슬라이딩 되도록 한 것이 특징인 용탕 주입구와 압탕 설계에 의한 주조품 내부 결함을 방지하는 가압주조방법.
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