KR19980063665A - 금속 합금으로 중공물품 제조방법 및 이에 사용되는 사출성형장치 - Google Patents

Abstract

중량에 대한 높은 강도비, 개선된 칫수 및 표면품질을 갖는 중공금속 성형물이, 요변성, 반-고체 금속 빌렛을 숏트샷(short shot)으로 주형동공(42)내에 주입하고; 상기 금속을 동공표면과 완전히 접촉되게 힘을 가하고 주형내에 중공부(66)을 형성하도록 가압하에 불활성가스를 장입물내에 도입하고;

금속이 고화될때까지 동공(42)내에서 장입물에 대한 가스압력을 유지하며, 성형된 물품 회수를 위해 가스를 배출시켜 형성된다.

Description

금속 합금으로 중공물품 제조방법 및 이에 사용되는 사출성형장치

본 발명은 예를들어 알루미늄, 주석, 구리 또는 마그네슘, 혹은 기타 적절한 기초 금속의 합금으로부터 이같은 합금이 요변성(搖變性, thixotropic) 반고체상태에 있는 동안 중공 물품을 성형하는 방법에 관한 것이며, 보다 상세히는 이같은 요변성 반고체 합금을 성형함에 있어서 가압가스의 도움을 이용하는 방법에 관한 것이다.

낮은 용융상내에 비교적 높은 용융 타원 또는 구상이 분포된 것으로 특징지워지는 다중-상 미세구조를 갖는 특정 금속 합금을 제조하는 방법이 알려져 있다.

이같이 적절하게 제조시, 이같은 합금은 그 합금이 일부는 액체 그리고 일부는 고체인 온도로 가열될수 있다.

이 반-고체 상태에 있는 동안 이들 합금은 비교적 유연하여 낮은 하중하에 쉽게 형상을 이루어 원하는 제조물품으로 완전히 고화 시킬수 있다.

이같은 물품 또는 부품은 수축이 거의 없기 때문에 전형적으로 낮은 기공도를 가지며 그 제조를 완료하기 위하여 가공을 거의 필요로 하지 않는다.

이들 부품들은 이들이 제조되는 합금의 거의 모든 다른 바람직한 성질을 갖는다.

종래에는, 고체 금속 합금을 반-고체 요변성 상태로 처리하여 이들이 유용한 물품으로 저압가공하기에 적합하게 되도록 하는 많은 공정이 안출된 바 있었다.

나무가지 모양의 미세구조를 갖는 고체 합금은 적절히 가열되거나, 혹은 가열되고 기계적 교반되거나, 혹은 가열되고 전자석 교반되어 일부 액체 혼합물 형태로된 타원상을 형성한다.

몇몇 경우에 있어서, 이같은 반-고체 금속은 후속되는 가열 및 형성을 위해 고화되어 빌렛을 이룬다. 다른 경우에 있어서는, 완전 고체상태로 냉각되기 직전에 요변성 반-고체금속이 형성된다.

예를들어, 1987. 9. 22 R. Busk에 부여된 미국특허 4,694,882 요변성재료 제조방법(Method of Making Thixotropic Materials)는 반-고체 금속을 단일 스크류 압출기에서와 같은 전단작용을 거치게 하면서 나무가지 모양의 조직을 갖는 금속합금 입자 또는 칩(chips)을 완전액체와 완전고체상태 사이의 온도에서 제어가열하여 구상조직(球狀組織, spherical grains)을 함유한 요변성 반-고체 물질로 변환시키는 것을 개시하고 있다.

압출기의 전단 작용과 함께 가해진 열은 합금의 나무가지 구조를 파괴하여 비교적 저압에서 유용한 물품으로 형성될수 있는 반-고체 합금을 형성하게 한다.

1991. 4. 23 Laxmanan에 부여된 미국 특허 5,009,884는 나무가지 모양의 하이포 공융점 알루미늄-실리콘 합금 빌렛을, 기계적 가공없이, 그 나무가지 모양이 공융점 유도된 액체상으로 분산된 구상으로 변환되는 반-고체상태로 가열하는 방법을 개시하고 있다. 이 반-고체 합금은 제품을 주로, 압출 또는 성형하는데 사용될수 있다.

1978. 8. 15 Bercovici에 부여된 미국특허 4,106,956은 중량기준으로 25%미만의 내부액체상을 제공하기 위하여 빌렛을 가열하여 고화된 나무가지 모양의 알루미늄 합금 빌렛의 압출이나 압연을 용이하게 하는 방법을 개시하고 있으며, 이에 의하면 빌렛의 고화특성을 해치지 않고 나무가지 모양이 1차 고체구상으로 전개 되기 시작한다.

1991. 8. 20 N. Bradley 등에 부여된 미국특허 5,040,589 금속합금의 사출성형 방법 및 장치(Method and Apparatus for the Injection Molding of Metal Alloys)는 금속합금을 고체상 및 액체상 온도사이까지 점진적으로 가열하는 가열 구역 및 재료를 준비하고 요변성 슬러리로써 주형내에 사출하여 물품을 형성하는 전단요소를 갖는 사출기를 개시하고 있다.

상기 예 및 다른 예 각각에 있어서는, 반-고체 재료가 즉시 제조물품으로 형성되거나, 혹은 재료가 이송을 위해 고체 빌렛으로 냉각되고 그후 재가열 및 성형될수 있다. 그러나 상기 특허들은 이같은 요변성 반-고체 합금들을 완전히 조밀한 물품으로 형성하고 있는 반면, 사출성형 공정으로 종공부를 갖는 중공물품을 성형하는 방법은 개시된 바 없었다.

나아가, 반-고체 금속 합금을 중량비에 대하여 고강도의 그리고 수축 및 기공도가 보다 적은 개선된 표면을 갖고 보다 낮은 사이클 타임을 갖는 중공체로 사출성형하는 방법은 없었다.

따라서 본 발명의 목적은 가압하에 적절한 기체를 사용하여 요변성, 반-고체 금속합금을 성형하여 중공부품이나 표면특성이 개선된 중공부품을 형성할수 있는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 램 타입(ram-type) 사출성형기 및 중공(中空) 요변성(搖變性) 금속 빌렛을 사출성형하기 위해 성형준비 위치에 있는 주형의 개략단면도

도 2는 사출성형기 및 사출성형 위치에 있는 도 1주형의 개략 단면도

도 3은 도 1과 도 2의 주형 동공내에서 제조된 부품의 사시도

* 도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명 *

10...사출성형기(apparatus for molding)

14...사출챔버(injection chamber)

22...탕구(湯口, sprue)

28...공급호퍼(feed hopper)

42...주형 동공(mold cavity)

44, 46...보완적 주형 부재(complementary mold member)

66...중공부

본발명에 의하면, 액체와 고체 금속합금으로 된 요변성 물질을 불충분장입량(즉, 동공을 채우는데 필요한 량보다 적은 량)으로 성형동공내로 밀어 넣거나 적절히 사출한다. 반-고체 금속 형태는 상기한 것들로 부터 선택된 한가지를 포함하는 어떠한 적절한 실시로 성취된다.

일반적으로, 상기 성형동공은 배열되고 형태를 이루어 성형될 물품의 외표면을 이룬다.

반-고체이나 연질 고체의 특성을 유지하는 가열된 요변성 금속 빌렛은 쉽게 취급되어 성형에 적합한 온도에서 반-고체 빌렛을 가열하거나 유지하는 사출기 챔버로 이송된다.

선택적이나 보다 덜 효율적인 실시에 있어서, 저융점 매트릭스내에서 구상입자를 갖는 냉각되었거나 덜가열된 다중상 빌렛을 사출챔버내에 도입되고 성형용 반-고체 조건까지 가열될수 있다.

상기 다중상 반-고체 빌렛(즉, 장입물)은 그후 바람직하게는 현저한 전단 작용없이 주형내로 사출된다.

사출된 물질의 부피는 주형동공의 체적에 대하여 약간 모자라게 되도록 제어된다. 적절히 가압된 불활성 보조 가스(예를들어 질소)가 그후 주형내의 요변성 물질내로 주입되어 그 물질을 주형벽에 대하여 가압하고 주형벽에서 물질은 고화되어 주형동공면을 복제하는 표면을 갖는 중공 부품을 형성한다.

상기 가압가스는 주입기노즐이나 탕구를 통해 주형동공내로 도입될수 있다.

상기 가스는 상기 반-고체 금속을 주형벽에 대하여 적절히 힘을 가하고 주형내에 중공공간을 만들도록 제어된 압력하에, 혹은 제어된 소정의 체적으로 혹은 제어된 유속으로 도입될수 있다.

초기에는 액체상이 보다 적기 때문에 부품은 최소 수축률로 냉각되어 완전히 고화된다. 그후 가스는 부품 및 주형으로부터 배출되고 부품은 주형동공으로부터 제거된다.

이와같이, 본 발명의 성형방법 및 장치는 중공물품을 제조하기 위하여 후속되는(혹은 동시적인)가스주입과 함께 반-고체 금속합금의 숏샷(short shot)을 이용하기 때문에 형태를 만들거나 표면 개선을 위해 더 이상의 가공을 거의 요구하지 않는다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 설명한다.

도1은 사출성형기 10과 이에 결합된 주형 12를 예시한 것이다.

성형기 10은 폐쇄된 상류단 16을 갖는 분사배럴 14를 포함한다.

하류단 18은 경사진 노즐 20을 포함하며, 이를 통해 반-고체 금속장입물이 주형 12의 탕구(湯口, sprue) 22내로 들어간다.

배럴 14는 전기 저항 가열수단 24 혹은 기타 적절한 수단에 의해 가열되어 반-고체 장입물을 적절한 성형온도로 가열 하거나 유지시킨다.

요변성 빌렛 26은 도시되지 않은 적절한 수단에 의해 사출성형기 10의 공급호퍼 28내로 이송된다. 빌렛 26은 공급호퍼로 이송시 바람직하게는 반-고체, 요변성 상태로 있는 것이 좋다.

이와같이, 예를들어, 만일 선택된 성형재료가 알루미늄 합금 A357이라면 상기 빌렛은 약 580°~590℃ 온도가 적절할 것이다.

A357은 중량%로 Si 6.5 ~ 7.5%, Mg, Cu 및 Zn 이 각각 0.5% 미만 그리고 잔부가 Al인 아공정(亞共晶) Al-Si 합금이다.

이 합금으로된 빌렛은 적절한 미세구조로 처리되고(예를들어 미국특허 5,009,844에 개시된 Laxmanan의 방법에 의해) 상기 온도까지 가열될 때, 요변성, 연질성이나 자기-유지상태(self-standing state)에 있으며 체적 기준으로 약 30~40% 공융상태 및 나머지 %의 보다 높은 융점의 고형상으로된 구형입자로 구성된다.

이같은 재료는 예시적인 것으로써 통상 본 발명에 의해 성형될수 있는 경량이며 비교적 낮은 용융합금이다.

성형기 10은 유압실린더 32에 의해 도 1에 도시된 바와같은 후퇴 위치로 이동되는 플런저 혹은 램 30을 갖는다.

호퍼 28내의 요변성 빌랫 26은 파워실린더 36에 의해 작동되는 밸브 34를 통해 배럴 14내로 이송된다. 바람직하게는, 상기 빌렛은 배럴 14의 단면을 적절히 채우거나 이용하는 형상으로 제공된다.

빌렛 제공후, 게이트 및 커터 38이 유압실린더 40에 의해 하향으로 이동하여 성형기 10의 배출단 18을 개방시킨다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 사출성형은 램 30을 제어된 속도로 유압력하에 전방(도 1의 우측방향)으로 전진시켜 페이스트와 같은 요변성 재료 26를 주형 12의 성형동공 42의 부피 보다 적은 선택된 퍼어센트의 숏트샷으로 밀어내어 수행된다.

상기 주형은 고정 주형부 44와 가동주형부 46을 포함하며 그 사이에 동공 42를 이룬다.

본 실시예에서 성형된 부품은 전체 길이를 따라 방사상 플랜지 62를 갖는 튜브 60이다(도 3참조).

필요하면, 주형의 크기 및 형상에 따라, 상기 주형부들을 전기적 수단이나 기타 적절한 수단에 의해 동공 42 부근부위에서 가열하여 주입된 반-고체 재료의 고화를 제어할수 있다.

램 30이 전진하여 요변성 재료 26을 주형동공 42내로 밀어낸 후 그 요변성재료 장입물뒤에서 게이트 38이 닫힌다.

게이트 38은 램 30의 하향 원뿔면 31에 대하여 활강 폐쇄하도록 되어 탕구 22내의 재료를 주형동공 42를 향해 밀게 한다.

상기 원뿔면 31은 경사노즐 20과 맞물려 장입물을 탕구 22내로 밀어넣게 한다. 게이트 38이 닫힌 후 램 30은 그 상류 위치로 후퇴한다.

장입물이 주형동공 42내에 들어가자 마자, 불활성(금속장입물에 대하여 화학적으로 불활성)저압 가스, 예를들어 도시되지 않은 탱크로부터 나오는 질소 가스,가 발브 48 및 가스 분사노즐 50을 지나 동공 42의 원통부 52로 숏트샷 주입된다.

상기 가스의 압력은 금속장입물의 유동성 및 부품설계와 같은 매개 변수에 따라 약 100psi이상이다.

가스 주입시 노즐 50은 주형 동공 42의 단변을 통해 약1/3~1/2 지점에 위치한다(도 1참조).

숏샷의 요변성 금속 재료는 가스 압력에 의해 주형동공 42의 내측벽에 대하여 힘을 받는다. 도시된 바와같이, 가스는 부품 64의 중공튜브부 60을 이루고 동공의 플랜지부 54를 채우도록 장입물을 밀도록 동공 42의 원통부 52내로 주입된다.

부품 64는 주형냉각에 의해 고화된다.

고화가 진행시, 가스 주입 유니트의 노즐과 제어밸브는 도2에 도시된 바와같이 가스 주입 위치로 부터 부품의 외경에 있는 지점까지 이동하여 후퇴노즐에 의해 남은 동공내부로 금속이 흘러들어 가게 한다.

동시에 혹은 직후에, 가스는 노즐을 통해 배출된다.

상기 노즐은 그후 개방위치까지 후퇴하여 주형부품 44와 46의 분리 평면에 형성된 개구부를 통해 가스가 배출되게 한다.

도 3에 도시된 고형부 64는 분출되거나 주형으로 부터 회수된다.

도면에서 방사상 방향의 플랜지 62를 갖는 중공튜브부 60(66에서 중공) 형태로 되어 있는 중공부품은 기공이나 손상을 일으키는 실리콘이나 기타 비금속개재물을 갖지 않은 양질의 표면을 갖는다.

주형의 탕구부는 부품으로부터 제거되며 도 3에서는 도시되어 있지 않다.

일반적으로, 가스 주입의 위치는 성형되는 부품의 형상에 좌우된다.

부품 64를 갖는 상기 실시예에서와 같이 만일 중공부가 부품의 일부분에만 있으며불활성 가압가스를 그 부품의 중공부 부위에서 동공내로 직접 도입하는 것이 좋다. 통상, 가스를 주형 동공내로 도입하는 것이 바람직할 것이다.

그러나, 예를들어 여러개의 부품이 하나이상의 런너에 연결된 동공내에서 성형되는 경우에는 런너내로 혹은 그 런너를 공급하는 사출노즐을 통해 가스를 도입하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 중량에 대한 강도가 크고 칫수안정성이 개선될 뿐만아니라 표면 품질이

우수하고 수축율이 보다 낮은 중공금속물품을 성형함에 있어서의 유용성을 갖는다.

불활성 기체의 압력으로 인해 반-고체금속이 힘을 받아 고화도중 주형면과의 접촉이 양호하게 된다. 그 결과, 성형물품에 대하여 더 이상의 가공이 필요없게 된다.

나아가 본 발명의 방법은 요변성, 다중상, 반-고체물질 형태로 제조될수 있는 다양한 합금에 적용가능하다.

종종 상기 합금은 저밀도로 되어 있으며, 나아가 중공물품이 성형될수 있으므로 중량감소를 이룰수 있다.

상기 실시예에서는 성형기의 동공내에 위치시키기 전에 반-고체금속 장입물이 제조된 것으로 기술하였으나, 본 발명에 따라 가스-사용 성형을 위하여 적절한 금속합금을 챔버내에서 가열하여 반고체 요변성 장입물로 변환시킬수도 있을 것이다.

다시말해서, 합금을 챔버내에 도입하고 주형동공내로의 장입물에 대한 적절한 반-고체 조건으로 미국특허 5,009,884에 기술된 Laxmanan 방법으로 열처리 할수도 있을 것이다.

다른 실시예에서는, 적절한 합금 입자나 칩을 히터 및 왕복스크류 압출기 달린 챔버내로 이송하고 Busk의 미국특허 4,694,882 혹은 Bradley 등의 미국특허 5,040,589에 개시된 방법에 의해 반-고체 상태로 가열할수도 있을 것이다.

상기와같이, 본 발명의 바람직한 특정 실시예에 대하여 기술하였으나 이분야에서 숙련된 자는 본 발명의 범위내에서 그 변형이 가능할 것이다.

Claims (6)

1. 요변성, 반-고체 금속으로된 장입물(26)을 제품 형상표면을 갖고 보완적인 주형부재(44, 46)로 이루어진 주형동공(42)내에 장입물 체적이 상기 동공(42)의 체적보다 적게 주입하는 단계;

   상기 장입물을 상기 동공(42)내에 감금하고 상기 금속에 상기 동공면에 대하여 힘을 가하고 그 금속 장입물내에 중공부(66)를 만들도록 상기 금속에 대하여 화학적으로 불활성인 가스를 주입하는 단계;

   상기 장입물에 대한 가스압력을 유지하면서 상기 반-고체 금속 장입물을 냉각시켜 고화시키는 단계;

   상기 금속의 고화후 주형동공으로부터 가스를 배출시키는 단계; 및

   상기 동공(42) 및 주형(44, 46)으로부터 상기 고화된 성형물(64)를 회수하는 단계;

   를 포함하는, 금속 합금으로부터 성형된 중공부품 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스는 상기 동공(42)내의 지점(52)으로 부터 장입물내로 주입됨을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 반-고체금속 장입물은 챔버(14)와 동공(42)를 연결하는 탕구(22)를 통해 챔버(14)로부터 주형 동공(42)내로 주입되며, 상기 가스는 상기 탕구(22)를 통해 장입물 내부로 주입됨을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 반-고체 금속 장입물은 챔버(14)와 동공(42)를 연결하는 노즐(20)과 런너(runner)(22)를 통해 챔버(14)로 부터 주형동공(42)내로 주입되며, 상기 가스는 상기 노즐(20)을 통해 상기 장입물내로 주입됨을 특징으로 하는 방법.
5. 주형 폐쇄위치에서 주형 표면과 주형동공(42)를 이루는 보완적 주형부(44, 46);

   요변성, 반-고체 금속합금으로된 장입물(26)을 함유하고 그 장입물을 반-고체 상태로 일시적으로 유지하는 사출챔버(14);

   상기 동공과 챔버(14)를 연결하는 탕구(湯口, sprue)(22);

   상기 장입물 체적이 상기 동공체적보다 적도록 상기 장입물(26)을 챔버(14)로부터 동공(42)내로 밀어내는 압압 수단(30, 32); 및

   상기 장입물이 동공(42)내에 있을 때 가압하에 가스를 장입물내로 도입하여 금속 장입물을 주형면에 대하여 밀어 장입물내에 중공부(66)을 형성하는, 발브를 포함한 통로(50);

   를 포함하는 중공금속 물품 성형장치(10).
6. 제 5항에 있어서, 상기 통로(50)은 후퇴 가능하며 가스 도입위치에서 주형 동공(44)와 직접 연결되며, 가스 배출을 위해 상기 가스 도입위치로부터 후퇴 가능함을 특징으로 하는 장치.