KR19990007029A - 금속 주물부재를 제조하는 주조법 및 주조몰드 - Google Patents

Abstract

주물재료로 금속 주물부재를 제조하는 주조법으로서, 주물재료를 액체상태로 몰드, 특히 샌드몰드에 주입한다. 주물재료는 몰드내에서 응고 및 냉각된다. 주물재료는 몰드내에서 냉각시스템(3, 4; 60; 91)에 의하여 제어방식으로 냉각된다. 냉각시스템(3, 4; 60; 91)은 주물재료의 냉각을 제어하기 위하여 몰드내에 배설된다.

Description

금속 주물부재를 제조하는 주조법 및 주조몰드

본 발명은 각 독립청구항의 전제부에 따른 금속 주물부재를 제조하는 주조법 및 주조몰드, 특히 샌드몰드에 관한 것이다.

금속 주물부재를 제조하는 주조법에 있어서, 주물재료, 예를 들어 주철, 특히 회색 주철합금을 액체상태로 주조몰드, 예를 들어 몰드피트(mould pit), 샌드몰드(sand mould) 또는 중력 다이주조몰드(gravity die casting mould)내에 주입하고, 여기에서 열을 몰드에 전달하여 응고시킨다. 응고되는 동안에, 화학적 및 물리적 공정이 복합적으로 일어난다. 특히 주물재료의 공간적 및 시간적 응고과정이, 조성되고 있는 결정상(結晶狀)구조 즉 주물부재의 기계적 성질에 결정적인 영향을 미친다.

응고가 완료된 후, 주물부재는 주조몰드내에서 여전히 냉각되어야 하고 이른 바 언패킹(unpacking)온도, 예를 들면 주철합금에 일반적으로 선택되는 300℃ 이하에 이르게 된 후 주물부재는 몰드로부터 제거가능하다. 또한 주물재료의 공간적 및 시간적 냉각과정이, 주물부재의 기계적 성질, 예를 들면 내부응력에 중요한 영향을 미친다. 주물재료가 주조몰드를 점점 더 가열하기 때문에, 주물재료의 냉각속도는 몰드내에 체재시간이 증가하면서 예를 들어 시간당 1℃ 이하의 값으로 하강하여 언패킹온도에 이르게 된다. 따라서 주물재료의 냉각시간은 응고시간에 대하여 비교적 길다. 예를 들어 대형 디젤엔진의 모터하우징과 같은 부피가 큰 주물부재는 수주일간의 냉각시간이 걸리는 경우가 종종 있다. 이렇게 부피가 큰 주물부재를 제조할 수 있는 몰드피트는 공간제한 때문에 주조공장내에 단지 한정된 개수만 설비가능함으로, 냉각에 장시간이 소요된다는 것은 달성가능한 생산능력을 상당히 제한하게 되는 요인이 되고, 따라서 경제성면에서 바람직하지 않다.

종래 주조법의 다른 단점은, 특히 부피가 큰 주물부재에서는 주물재료의 응고과정, 특히 응고시간이 야금술면에서 이상적이지 않으므로 원하는 성질을 갖지 않은 결정상구조가 조성된다는 사실이다. 이 때문에, 주물부재의 결정상구조는 계속해서 시간소모 및 비용이 많이 드는 열처리, 예를 들면 주물부재를 몰드로부터 제거한 후 전환 어닐링 또는 정상화를 통하여 변경하여야 한다.

또한, 오늘날의 주조법은 주물부재의 냉각공정에서 상당하게 문제가 되는 내부응력, 특히 인장응력(引張應力)이 주물부재 내부에 종종 일어난다는 단점을 가지고 있다. 이 문제는 예를 들어 대형 디젤엔진용 엔진하우징과 같은 복잡한 구조를 가지는 주물부재에서 특히 두드러진다. 이러한 엔진하우징(예로서 도 1 참조)은 다수의 절결부, 상이한 크기의 내측 공동 및 벽두께가 매우 상이한 격벽을 가지고 있다. 특히 이런 종류의 복잡한 주물부재에서는, 내부응력이 매우 용이하게 크기를 변경시키거나 금이 가게 할 수 있고, 이로써 적당한 품질의 주물부재를 확보하기 위하여는 많은 시간이 소모되고, 비용이 많이 드는 열처리, 예를 들면 어닐링으로 응력을 저감하는 것이 필수적이다.

이 종래기술로부터 시작하여, 따라서 본 발명의 목적은 전술한 단점을 가지지 않은 금속 주물부재를 제조하는 주조법 및 주조몰드를 제공하는 것이다. 주조법 및 주조몰드는 금속 주물부재를 가장 경제적으로 제조할 수 있어야 한다. 특히 냉각시간을, 특히 부피가 큰 주물부재에서는 상당하게 줄일 수 있어야 한다. 또한, 이 주조법 및/또는 주조몰드의 사용으로, 후속하여 정교한 열처리를 할 필요없는 대형 디젤엔진용의 엔진하우징과 같은 복잡한 구조의 주물부재를 품질은 저하시키지 않고 제조할 수 있어야 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예를 명료하게 하는 몰드피트(mould pit)내의 엔진하우징을 나타내는 도면이고,

도 2는 도 1의 엔진하우징 크랭크케이스로부터 열을 제거하는 튜브시스템의 측면도이고,

도 3은 도 2의 III-III방향에서의 튜브시스템의 평면도이고,

도 4는 도 1의 엔진하우징 베이스를 냉각하는 튜브시스템을 나타내는 도면이고,

도 5 내지 도 9는 주물재료와 열매체 사이에 열을 전달하는 상이한 변형예의 개략도이고,

도 10은 본 발명의 제2 실시예를 명료하게 하는 편심륜(偏心輪)을 나타내는 도면이고,

도 11은 도 10의 섹션라인 IX-IX에 따른 편심륜의 단면도이고,

도 12는 냉각판의 평면도이고,

도 13은 본 발명의 제3 실시예를 명료하게 하는 좁은 보어를 가진 솔리드블록(solid block)의 도면이다.

상기 방법 및 장치에 있어서 이들 목적을 충족시키는 본 발명의 주제는 각 독립청구항의 특징부를 특징으로 한다. 주물재료를 액체상태로 주조몰드, 특히 샌드몰드내에 주입하고 이 주물재료를 주조몰드내에서 응고 및 냉각하여 금속 주물부재를 제조하는 본 발명에 따른 주조법은, 특히 주물재료가 주조몰드내에서 냉각시스템에 의하여 제어방식으로 냉각되는 것을 특징으로 한다. 제어된 냉각을 통하여, 주물재료의 응고 및/또는 냉각의 공간적 및 시간적 진행이 활발히 그리고 의도하는 방식으로 제어될 수 있다. 특히 주물재료가 언패킹온도에 도달하는 데 필요한 냉각시간이 이로써 상당히 줄어들 수 있다. 따라서, 예를 들면 주조몰드가 위치되는 몰드피트를 새로운 주조공정을 위하여 훨씬 신속하게 준비할 수 있으므로, 필요한 공간은 변하지 않고 생산성을 상당하게 증가시킬 수 있다.

열은 주조몰드내 주물재료로부터 최소한 하나의 소정의 공간영역에서 통제 및 제어방식으로 제거되는 것이 바람직하다. 이와 같이 예를 들면 주물재료의 응고는 열의 의도적인 제거에 의하여 제어가능하다. 이 조치를 통하여, 주물재료의 최소한 하나의 공간영역을 매우 신속하게 응고시키는 것이 가능하게 된다. 이것은 응고되는 주물재료로 조성되는 결정상구조가 국부적으로 영향을 받을 수 있다는 장점을 가진다. 따라서 높은 경도치(硬度値)는, 예를 들면 이 목적에 필요한 전환 즉 변환 어닐링과 같은 후속의 열처리없이 통제, 제어 및 신속한 응고를 통하여 예를 들어 주물재료의 소정영역에서 달성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 주조법에 있어서, 실질적으로 서로 독립적인 상이한 공간영역으로부터 제거된 열량의 조절이 가능하면서, 복수의 소정영역의 주조몰드내 주물재료로부터 통제 및 제어방식으로 열을 제거하는 것이 바람직하다. 이것은 특히 응고 및/또는 냉각의 공간적 진행이 제어방식에 강하게 영향을 받을 수 있다는 장점을 가진다. 이와 같이 주물부재의 기계적 특성은 제조중에 이미 영향을 받을 수 있다.

열은 유체, 특히 공기로 제거하는 것이 바람직하며, 그 이유는 공기가 취급에 문제가 없는 경제적이고 안전한 냉매이기 때문이다.

이 방법을 실행하는 바람직한 방식에 있어서, 주물재료내의 상이한 지점에서의 각 국부의 온도를 온도센서에 의하여 계속해서 측정하고, 이것으로부터 한정가능한 온도프로파일이 냉각공정의 제어에 사용된다. 이와 같이 공간의 온도프로파일은 계속해서 모니터되고, 제어냉각에 의하여 강하게 영향을 받을 수 있다.

이 공정, 특히 주물재료가 냉각되는 동안에, 주물재료에 걸쳐 온도변화도가 최소로 되는 것이 바람직하다. 즉 인장응력이, 특히 대형 디젤엔진의 하우징과 같은 복잡한 구조인 주물부재에서도 최소한 상당하게 저감될 수 있고, 이로써 품질은 열화되지 않으면서, 응력을 낮추는 어닐링과 같은 후속의 열처리를 필요없게 할 수 있다. 주물부재의 내부에 압축응력을 발생시키는 것도 가능하다.

주물재료를 주조몰드내에서 응고 및 냉각하여 금속 주물부재를 제조하는 본 발명에 따른 주조몰드, 특히 샌드몰드는 주물재료를 제어 냉각하는 냉각시스템이 배설되는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 따른 주조몰드는 본 발명에 따른 주조법을 실행하는 데 적합하다.

냉각시스템은 유체상태인 열매체, 특히 공기용의 최소한 하나의 튜브시스템을 포함하는 것이 바람직하고, 이를 통하여 열이 최소한 하나의 소정의 공간영역내의 주물재료로부터 통제 및 제어방식으로 제거될 수 있다. 이 구조적으로 간단한 조치는 응고 및/또는 냉각의 공간적 및 시간적 과정에서 주물재료에 영향을 미칠 수 있다.

주물재료와 튜브시스템 사이의 직접 접촉은 피하는 것이 바람직하다. 튜브시스템은 예를 들어 샌드몰드의 샌드코어내에 또는 그 사이에 배설될 수 있다. 바람직한 변형예의 냉각시스템은 튜브시스템을 주물재료에 열적으로 결합하는 반송매체를 또한 포함한다. 가장 간단한 실시예로서, 이 반송매체는 샌드 즉 샌드코어일 수 있다. 그러나, 보다 양호한 열접촉을 달성하기 위하여, 반송매체는 양호한 열전도체, 즉 흑연을 또한 함유할 수 있다. 튜브시스템은 예를 들어 주물재료와 본체가 직접 접촉하고 있는 흑연판상에 또는 그 안에 부분적으로 배설될 수 있다.

냉각시스템은 유체상태인 열매체, 특히 공기용의 최소한 2개의 튜브시스템을 포함하는 것이 바람직하고, 이를 통하여 상이한 튜브시스템으로부터 제거되는 열량을 실질적으로 별개로 조절하는 것이 가능하면서, 열이 복수의 소정의 공간영역내의 주물재료로부터 통제 및 제어방식으로 제거될 수 있다. 이 조치를 통하여, 특히 주물재료의 응고 및/또는 냉각 과정에 활성적으로 영향을 미치는 것이 가능하다. 이렇게 하여 야금술면으로 주물재료의 응고 및/또는 냉각의 가장 바람직한 과정이 주물부재, 즉 그 원하는 성질에 따라서 실현가능하다.

주물재료에 걸친 온도변화도가 최소로 되도록, 제거된 열량을 제어하는 제어시스템을 배설하는 것이 특히 바람직하다. 따라서 주물부재내의 인장응력이 상당히 저감될 수 있거나, 또는 예를 들어 응력을 낮추는 어닐링, 즉 스트레스-프리 어닐링(stress-free annealing)과 같은 후속의 열처리를 할 필요없이 압축응력이 발생될 수 있다.

후속의 시간 소모 및 비용이 많이 드는 열처리가 필요하지 않기 때문에, 본 발명에 따른 주조법 및 본 발명에 따른 주조몰드는 특히 경제적이다.

다른 바람직한 수단 및 실시예는 청구의범위 종속항에서 알 수 있다.

다음에, 본 발명을 도면 및 예시적인 실시예를 참조하여 방법론적 양태 및 장치 양자 모두에 관하여 상세하게 설명한다.

금속 주물부재를 제조하는 본 발명에 따른 주조법 및 본 발명에 따른 주조몰드는, 특히 주물재료는 냉각시스템에 의하여 주조몰드내에서 제어방식으로 냉각되고, 주물재료의 제어냉각을 위하여 냉각시스템이 배설되는 것을 각각 특징으로 한다. 제어냉각이라는 용어는 - 주물재료를 피동적으로 흐르게 하여 각각 응고 또는 냉각되게 하는 것과는 달리 - 주조몰드 및/또는 주물재료로부터 열을 능동적으로 제거하고, 제거된 열은 제어방식으로 그 안에 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다.

다음에 개시된 예시적인 실시예에서는, 예를 들어 주철, 특히 회색 주철합금을 주물재료로 사용한다.

본 발명의 제1 실시예는, 예를 들어 선박의 건조 시에 사용되는 대형 디젤엔진용 엔진하우징의 제조에 관한 것이다. 일반적으로 수많은 공동(cavity) 및 절결부 그리고 두께가 상이한 다수의 격벽을 가진 매우 복잡한 구조인 이러한 종류의 엔진하우징은, 제조하려는 주물부재의 원하는 형상에 따라 패턴된 샌드몰드내에서 주조하여 필요한 곳에는 추가의 가공을 하는 것이 일반적이다.

도 1은 다용도의 고정몰드로 디자인된 몰드피트(2)내의 엔진하우징(1)의 일부 개략도이다. 엔진하우징(1)은 크랭크케이스공간(crankcase space)(11) 및 2개의 실린더(122)가 도시되어 있는 실린더공간(12)을 포함한다. 엔진하우징(1)은 쌍을 이루어 순차 배열된 복수개, 예를 들면 10개 또는 12개의 실린더(122)를 포함하는 것이 일반적이다. 도 1에 나타낸 엔진하우징(1)은, 본 발명을 이해하는 데 필수적인 것이 아니고 또한 충분하게 잘 알려져 있기 때문에 여기서는 더 상세하게 설명하지 않는다.

엔진하우징(1)을 제조하기 위하여, 먼저 엔진하우징(1)의 형상을 예를 들어 시멘트모래로 구성되는 복수의 샌드코어로 몰드피트(2)내에 공지된 방식으로 형을 만든다. 이러한 종류의 샌드코어는 접착제가 가해진 석영모래 또는 모래와 같은 다른 광물질을 예를 들어 화학적 또는 열적 경화를 통하여 제조한다. 일반적으로 일회용으로 디자인된 각각의 샌드코어를, 그들 사이에 생기는 공동이 엔진하우징(1)용으로 제조하려는 주물부재의 형상에 전체적으로 대략 대응하도록 몰드피트내에 조립 즉 결합한다. 도 1에 있어서, 대체로 제조하려고 하는 엔진하우징(1)의 모든 공동 및 절결부는 물론 엔진하우징(1)과 몰드피트(2)의 베이스(21) 및 내벽(22) 각각의 사이의 공간은 대응하는 형상의 샌드코어에 의하여 점유된다. 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 도 1에는 샌드코어의 명확한 도시는 생략하는 대신에 샌드코어의 사이 및 그 안의 공동 전체로 형성된 엔진하우징(1)을 도시한다.

샌드몰드를 이런 방식으로 제조한 후에, 일반적으로 주철합금인 액체 주물재료를 샌드몰드에 채우게 되면 공동내로 흘러서, 거기에서 응고 및 냉각되고, 이로써 엔진하우징(1)이 성형된다.

본 발명에 있어서, 냉각시스템을 주물재료의 제어냉각용으로 배설한다. 도 1에 나타낸 예시적인 실시예의 냉각시스템은 크랭크케이스공간 냉각기(3)(도 2 및 도 3 참조) 및 베이스 냉각기(4)(도 4 참조)를 형성하는 복수의 튜브시스템을 포함한다. 주물재료 및/또는 주조몰드로부터 열을 제거하는 유체 열매체는 튜브시스템을 통과한다. 공기가 열매체로서 사용되는 것이 바람직하며, 그 이유는 이 매체가 관리가 용이하고, 안전하고, 경제적이고 그리고 일반적으로 고온의 주물재료에서도 효과적이기 때문이다. 예를 들어, 공기는 팬(fan) 또는 송풍기에 의하여 튜브시스템을 통과할 수 있다. 주물재료로부터 제거된 열의 양은, 공기 유량을 통하여 밸브, 리스트릭터 플랩(restrictor flap) 또는 다른 계량기구(metering apparatus)를 사용하는 간단한 방식으로 제어가능하다. 따라서 냉각시스템의 냉각능력은 예를 들어 공기의 유속을 증가시키거나 또는 공급된 공기의 압력을 증가시킴으로써 강해질 수 있다. 압축공기를 수 바의 압력으로 튜브시스템내에 공급하는 것이 실제로 유용함을 알았다. 각각의 튜브시스템내로 흐르는 공기량은 튜브시스템의 입력단부는 물론 출력단부에서 제어될 수 있다. 실제로는 출력단부에서 제어되는 것이 바람직하다.

제1 실시예에는 2개의 실질적으로 독립된 튜브시스템, 즉 크랭크케이스공간 냉각기(3) 및 베이스 냉각기(4)가 배설되어 있다. 따라서, 실질적으로 서로 독립된 상이한 영역으로부터 제거된 열의 조절이 가능하면서, 상이한 공간영역의 주물재료로부터 열을 통제 및 제어방식으로 제거할 수 있다. 이렇게 열을 국부적으로 제거함으로써 온도프로파일, 즉 주물재료내의 온도분포에 제어방식으로 영향을 미치는 것이 가능하다. 튜브의 배치 및 형상 또는 주조몰드내 튜브시스템의 튜브 통로를 통하여, 주물재료로부터 열이 제거되는 공간영역이 미리 결정될 수 있다. 도시된 튜브시스템의 디자인 및 배치는 주물부재의 외형 및 구체적인 응용에 적합하게 한 것이다.

제1 실시예에서, 크랭크케이스 냉각기(3)는 크랭크케이스(11)와 실린더공간(12)사이, 즉 주물부재의 외형 때문에 열의 축적이 일어날 수 있는 경계영역의 주물재료로부터 열을 국부적으로 제거하는 기능을 하고, 베이스 냉각기(4)의 기능은 엔진하우징(1)의 베이스영역으로부터 열을 제거하는 것이다.

또한, 온도센서(5a, 5b, 5c), 예를 들면 주물재료내에 주조된 열전기부재가 배설되어, 이것에 의하여 주물재료의 국부 온도가 각각의 경우마다 상이한 지점에서 계속해서 측정된다. 제1 실시예에서, 제1 온도센서(5a)는 베이스영역에 배설되고, 제2 온도센서(5b)는 실린더공간(12)과 크랭크케이스(11) 사이 경계영역의 중앙에 배설되고, 제3 온도센서(5c)는 엔진하우징(1)의 플랜지영역에 배설된다. 주물재료의 순간적 온도프로파일은 3개의 온도센서(5a, 5b, 5c)의 측정치로부터 결정될 수 있다. 온도센서(5a, 5b, 5c)는 그들의 측정치를 예를 들어 제어시스템(6)에 전달하고, 이것에 의하여 튜브시스템내의 공기량이 제어될 수 있다. 각각의 튜브시스템을 통과하는 공기량은 제어시스템(6), 예를 들어 도시되지 않은 리스트릭터(restrictor)장치의 대응 구동을 통하여 주물부재의 하나 또는 다른 공간영역으로부터 주물부재의 현행의 온도프로파일에 따라서 보다 많거나 또는 보다 적은 양의 열이 단위시간당 제거되도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 열이 제2 온도센서(5b) 영역에서 발생하는 경우, 이것은 제2 온도센서(5b)와 제3 온도센서(5c)로 측정된 온도간의 보다 큰 차이에 의하여 알 수 있고, 그러면 크랭크케이스 냉각기(3)의 냉각파워가 제어시스템(6)을 통하여 공기 통과량의 증가로 강해지게 되므로 이들 2개의 온도가 서로 근접하게 된다.

도 2는 크랭크케이스 냉각기(3)를 형성하는 튜브시스템의 측면도이고, 도 3은 도 2의 III-III방향에서 본 평면도이다. 크랭크케이스 냉각기(3)는 단체(單體)의 튜브, 예를 들면 스틸튜브로 구성되는 것이 바람직하다. 크랭크케이스 냉각기(3)는 거의 닫힌 S자형상을 가지는 만곡부(33)로 변형되는 공급림(supply limb)(31)을 가진다. S자형상부(33)의 타단은 공급림과 대체로 평행으로 연장되는 추출림(extraction limb)(32)으로 변형된다. 크랭크케이스공간 냉각기의 S자형상부(33)는 크랭크케이스공간(11)과 실린더공간(12) 사이에 대략 경계를 형성하는 참조부호(30)로 나타낸 면과 접하도록 주조몰드내에 배열된다. 이 면(30)의 형상에 따라, S자형상부(33)의 2개의 만곡부는 도 2의 측면도에서와 같이 V자를 형성하도록 서로 경사를 이루고 있다. S자형상부(33)의 2개의 만곡부는 실린더(122)의 벽을 따르도록 만곡된다. 열전도성이 양호한 복수의 플레이트(34), 예를 들면 흑연을 S자형상부(33)에 부가하고, 이것에 의하여 크랭크케이스 냉각기(3)가 면(30)과 접한다. 따라서 주물재료로부터 크랭크케이스 냉각기(3)내로 가능한 가장 균일하고 최상으로 열 전달이 확실하게 된다. 이러한 종류의 크랭크케이스 냉각기(3)는 각 쌍의 실린더에 배설된다는 것은 자명하다. 공급 및 추출림(31, 32) 각각은 도 1에서와 같이 면(30)으로부터 크랭크케이스(11)을 통하여 위쪽으로 연장된다. 공급림(31)은 공기공급수단, 예를 들면 팬 또는 송풍기에 별개로 또는 그들이 개방되어 있는 공통의 중앙선을 거쳐 연결되어 있다. 추출림(32)은 양호한 제어 및 모니터를 위하여 주조몰드로부터 각각 별개로 유도되는 것이 바람직하다.

도 4는 베이스 냉각기(4)를 형성하는 튜브시스템을 나타낸다. 베이스 냉각기(4)는 몰드피트의 베이스에 배열되고, 엔진하우징(1)의 대략 전체 폭에 걸쳐 연장되는 메인라인(41)을 포함한다. 각각이 대체로 U자형상이고, 단지 한쪽의 림이 메인라인(41)에 연결되어 있는 4개의 튜브(42)가 메인라인(41)으로부터 분기된다. 도 4에 화살표로 나타낸 바와 같이, 공기는 이들 림을 통하여 U자형상 튜브내로 흐른다. 각각의 U자형상 튜브(42)의 다른쪽 림은 출구(43)에 이르게 되어 공기를 배출한다. 제어 및 모니터가 보다 잘 되도록 하기 위하여, 출구(43)는 주조몰드로부터 별개로 끌어낸다. 복수개의 스틸플레이트(44)를 U자형상 튜브의 림 사이에, 예를 들어 용접하여 배열시켜 엔진하우징(1)의 베이스영역을 균일하게 냉각한다. 흑연플레이트(45)와 같은 반송매체를 배설할 수 있어서 주물재료와 베이스 냉각기(4) 사이에 열을 보다 신속하게 전달한다. 흑연플레이트(45)는 스틸플레이트(44)와 베이스에 가장 가까운 주조몰드의 샌드코어내 또는 그 사이의 주물재료 사이에 배열된다. 또한, 공급라인(7)(도 1)이 배설되어 있고, 이를 통하여 찬 공기가 메인라인(41)레벨까지 유도되어 메인라인에 공급된다. 베이스 냉각기(4) 튜브는 예를 들어 스틸로 될 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 있어서, 제1의 목적은 엔진하우징(1)의 주조몰드내에서의 냉각시간을 상당히 단축시킴으로써 필요한 생산시간이 상당히 단축되고, 응력을 낮추기 위한 후속 어닐링이 필요 없을 정도로 주물부재내의 내부응력을 저감시키는 것이다.

상기 제1의 목적은 튜브시스템을 통하여 이송된 공기에 의하여 주물재료로부터 열을 능동적으로 제거함으로써 달성된다. 예를 들어 피동적으로 냉각되게 하는 것 보다 훨씬 신속하게 열이 방산된다. 냉각시간, 즉 엔진하우징(1)이 그 언패킹온도에 이르도록 주조몰드내에서의 필요한 시간이, 피동적인 냉각에 비하여 1/3이하로 저감될 수 있다는 것을 실제로 나타낸다. 이것은 경제적인 관점에서 보아 상당한 진전이다.

경제적인 관점에서 보면, 튜브시스템으로부터 유입되는 가열공기를 다른 주조몰드를 건조시키는 데 사용가능함으로써 가열공기내에 함유된 에너지가 재사용된다는 것이 또한 장점이다.

제2의 목적은 온도센서(5a, 5b)영역의 온도프로파일을 본 발명에 따른 제어냉각에 의하여 온도센서(5c)영역의 온도프로파일에 일치되게 함으로써 달성될 수 있다. 이것은 주물재료에 걸친 온도변화도가 크랭크케이스 냉각기(3) 및 베이스 냉각기(4)를 통과하는 공기의 조절을 통하여 최소로 된다는 것을 의미한다. 주물재료의 상이한 영역으로부터 열을 제어하여 국부적으로 제거함으로써, 주물재료를 매우 균질화된 상태, 즉 내부온도차를 매우 낮게 냉각하는 것이 가능하다. 어디에서나, 예를 들어 온도센서(5b)영역에서 열이 식게 되든, 대응 튜브시스템(크랭크케이스공간 냉각기(3))의 냉각파워는 온도가 열의 국부적 제거를 통하여 온도센서(5c)영역에 근접하도록 강해진다. 주물부재의 내부응력은 이 균질화된 냉각을 통하여 상당하게 저감될 수 있다. 온도센서(5b)영역을 강하게 냉각시키는 것이 또한 가능하여, 온도센서(5c)영역 및 온도센서(5a)영역에서 보다 낮은 온도가 국부적으로 존재하게 된다. 따라서 압축응력을 온도센서(5b)영역에 발생시키는 것이 이론적으로 가능하다.

이와 같이 공간적 냉각과정(온도프로파일) 및 시간적 냉각과정(냉각속도) 양자 모두가 본 발명의 제1 실시예에 제어방식으로 영향을 미칠 수 있다. 이것은 주물재료의 공간적 및 시간적 냉각과정이 제조하려는 주물부재의 외관 및 원하는 기계적 성질에 따른 야금술적 양태에 따라서 최적화될 수 있기 때문에 기술적 주조가능성이 상당히 확대되는 것을 의미한다.

주물재료(10)와, 공기인 것이 바람직하고 튜브시스템중 하나의 라인(8)으로 이동하는 열매체와의 사이에 열을 전달하는 상이한 변형예를 도 5 ∼ 도 9에 개략적으로 나타낸다.

열매체 공기는 화살표로 각각의 경우에 상징적으로 나타낸다. 가장 간단한 경우(도 5 참조), 라인(8)이 샌드코어(9)의 내부에 연장되고, 이로써 샌드가 튜브시스템을 주물재료에 열적으로 결합하는 전달매체를 형성한다. 또한 열을 보다 잘 전도하는 물질, 바람직하기로는 흑연(20)을 전달매체로서 사용하는 것도 가능하다(도 6, 도 7 및 도 9 참조). 도 6에 나타낸 변형예에 있어서, 라인(8)은 흑연(20)으로 완전하게 둘러싸인다. 이것은, 예를 들면 라인(8)이 그 길이의 최소한 일부에 걸쳐서 흑연보디내에 형성되는 것을 실현할 수 있다. 도 7에 나타낸 변형예에 있어서, 흑연(20)이 또한 라인(8)과 주물재료(10) 사이에 전달매체로서 위치되어 있으나, 라인(8)은 주물재료(10)로부터 떨어진 그 측면의 샌드코어(9)에 인접하고 있다. 이 변형예를 실현하기 위하여, 도 9의 단면도에 나타낸 바와 같이, 한 편으로는 라인(8)을 샌드코어(9)내에 부분적으로 묻고 이것을 다른 쪽의 흑연(20), 예를 들면 흑연플레이트와 접하게 하여 일체로 하는 것이 또한 가능하다. 열을 보다 양호하게 전달하기 위하여, 흑연(20), 라인(8) 및 샌드코어(9) 사이의 중간공간은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 열을 잘 전도하는 형성가능매체(22)로 채우는 것이 바람직하다. 여기에 적합한 것으로는 예를 들어 흑연분말, 흑연입자 또는 푸란바인더(furan binder)와 같이 열을 잘 전달하는 수지와 혼합된 흑연분말 및/또는 흑연입자가 있다. 도 8에 나타낸 변형예에서 라인(8)은 아이언보디(21)로 둘러싸이고, 예를 들면 아이언보디(21)내에 주조되어 있다. 흑연(20)이 아이언보디(21)와 주물재료(10) 사이에 또한 배설된다.

본 발명의 제2 실시예는, 예를 들어 자동차프레스와 같은 대형프레스에 사용되는 대형 편심륜(eccentric wheel)의 제조에 관한 것이다.

제1 실시예는 어떻게 주물재료의 냉각공정이 본 발명의 수단에 의하여 제어될 수 있는 가를 주로 나타내는 반면, 제2 실시예는 어떻게 본 발명이 주물재료의 응고공정을 제어하는 데 바람직하게 사용가능한 가를 주로 나타낸다.

도 10은 외측 톱니형성 림(51)을 가진 공지의 편심륜(50)의 절반부를 나타낸다. 보다 이해를 돕기 위하여, 도 11은 도 10의 단면라인 XI-XI에 따른 편심륜(50)의 다른 단면도이다. 이러한 종류의 편심륜(50)은 대응하게 틀이 짜인 샌드몰드내에서 또한 주조되는 것이 일반적이다. 이해를 보다 용이하게 하기 위하여, 샌드몰드는 도 10 및 도 11에 나타내지 않는다.

이러한 종류의 편심륜(50)은 특히 톱니형성 림(51)에 매우 양호한 기계적 성질, 특히 매우 높은 경도를 일반적으로 가져야 장기간에 걸친 동작에 견디게 된다. 따라서 톱니모양의 림(51)영역의 결정상구조에는 시멘타이트(cementite) 퇴적물이 또한 없어야 한다. 결정상구조에 반드시 필요한 이들 조건들은 공지의 주조법으로는 실현될 수 없어서, 주물부재의 결정상구조는 몰드로부터 제거후에 후속의 정교한 열처리(예를 들어 공기중의 냉각으로 정상화 및 응력을 낮추는 후속 어닐링)에 의하여 전환되어야 예를 들어 원하는 경도를 달성하게 된다. 공정비용에 있어서 커다란 단점은, 높은 경도를 가져야 하는 영역만이 아닌 편심륜(50) 전체의 결정상구조가 후속 열처리에 의하여 전환된다는 것이다.

본 발명에 따른 제어냉각을 통하여, 높은 경도를 가져야 하는 영역, 즉 톱니형성 림(51)에서의 응고는 이 톱니형성 림(51)이 공융셀을 가진 매우 미세한 결정상구조를 가지고 완전하게 펄라이트형(perlitic)이 되도록 열의 직접 제거를 통하여 가속될 수 있다. 제어냉각을 통하여, 원하는 경도는 편심륜(50)의 나머지는 실질적으로 영향을 받지않고 후속 열처리없이 톱니형성 림(51)에서 이 방식으로 실현될 수 있다.

냉각시스템의 제2 실시예는 편심륜(50)의 외주를 따라 배열된 복수의 냉각기플레이트(60)를 포함한다. 열전달이 잘 되도록 하기 위하여, 열전도성이 양호한 재료, 예를 들면 흑연부재(70)가 각각의 쿨러플레이트(60)와 편심륜(50) 사이에 배열되고, 흑연부재(70)의 한쪽 면은 각각 편심륜의 만곡부에 합치된다.

도 12는 이러한 종류의 냉각기 플레이트(60)의 평면도이다. 냉각기 플레이트(60)는 대체로 장방형 평행관으로 된 형상이고, 본 예시적인 실시예에서 일체(一體)인 도관(conduit)(61)으로 실시된 튜브시스템을 가진다. 도관(61)은 차가운 공기의 입구(62)로부터 장방형 평행관 형상을 가진 냉각기 플레이트(60)의 내부를 통하여 출구(63)에 이른다. 냉각기 플레이트(60)의 내부에서, 도관(61)은 냉각기 플레이트(60)의 외주와 평행으로 먼저 연장된 후, 냉각기 플레이트(60)의 중앙쪽으로 구부러져서 출구(63)와 반대방향으로 다시 뒤쪽으로 연장된다. 도 11 및 도 12의 화살표는 공기의 흐름방향을 나타낸다. 냉각기 플레이트(60)는 예를 들어, 도관(61)이 그 안에 주조되어 있는 솔리드스틸 즉 아이언으로 제조된 장방형 평행관으로 구성될 수 있다.

각각의 냉각기 플레이트(60)(도 10 참조)에는 공기가 입구(62)를 통하여 개별적으로, 그룹으로 또는 공동으로 공급될 수 있다. 단위시간당 냉각기 플레이트(60)를 통과하는 공기량을 제어함으로써, 톱니형성 림(51)영역의 주물부재로부터 제거된 열의 양은 원하는 방식으로 제어될 수 있다. 따라서 주물재료의 응고는 제어되어 국부적으로 가속될 수 있다. 열을 의도적으로 제어하여 제거함으로써 응고를 가속해야 하는 주물부재 영역은, 대응하는 냉각기 플레이트(60) 또는 유사한 냉각부재를 배설하여 미리 결정할 수 있다.

따라서, 본 발명은 제어방식으로 주물재료의 공간적 및 시간적 응고진행을 가능하게 한다. 마찬가지로 응고 도중에 일어나는 결정상구조에 대한 의도적, 국부적 영향이 실현될 수 있기 때문에, 기술적 주조가능성이 확대된다.

본 발명의 제3 실시예는, 비교적 좁은 보어가 배설된 견고하고 두꺼운 부재 즉 블록을 가진 주물부재의 제조에 관한 것이다. 도 13은 비교적 좁은 보어(81)가 배설된 견고한 블록(80)(해치로 나타냄)을 가진 이러한 종류의 주물부재 섹션을 나타낸다. 도 13의 단면도에 나타낸 주물부재는 도시되지 않은 샌드몰드에 또한 주조된다. 주물부재가 나중에 좁은 보어(81)를 가지게 되는 주조몰드의 그 공간으로부터 액체 주물재료를 지지하는 샌드코어(90)는 좁은 보어(81)를 실현하기 위하여 배설된다. 종래의 주조법에서는, 이러한 종류의 좁은 보어(81)영역에 열의 하강 또는 상승이 상당하게 발생할 수 있다는 것은 공지된 문제이다. 이것은 샌드코어(90)의 샌드를 과열시키는 경우가 종종 있고, 이로써 샌드의 침투온도가 초과되어 주물재료가 샌드몰드(90)내로 침투된다. 이로 인한 샌드혼합물 및 주철은 주물부재를 몰드로부터 제거한 후 힘들게 끌로 파내어야 하므로, 이것은 시간이 많이 소요되는 작업이고 또한 작업자의 관절을 해치게 된다.

또한, 이 문제는 본 발명에 따른 제어냉각으로 해소될 수 있다. 이를 위하여, 좁은 보어(81)를 가진 주물부재의 공간영역으로부터 샌드몰드(90)의 내부에 연장되고, 이를 통하여 공기가 열매체로서 이동하는 튜브시스템에 의하여 열을 의도적으로 제거한다. 이와 같이 하여, 한 편으로는 주물재료의 응고 및/또는 냉각이 좁은 보어(81)영역에서 가속되고, 관통하는 공기량의 대응 조절을 통하여 또한 제어될 수 있고, 다른 한 편으로는 샌드코어(90)의 그 침투온도 이상으로의 가열이 효과적으로 방지될 수 있다.

도 13에 나타낸 솔리드블록에서. 냉각용 튜브시스템은 이중 U자형 튜브(91)로서 실시되어 있다. 튜브(91)를 관통하는 공기를 화살표로 나타낸다. 이러한 종류의 이중 U자형 튜브(91)는 먼저 직선 튜브를 U자로 구부린 후 U자의 둥근 단부를 U자의 개방 단부를 향하여 구부려서 제조할 수 있다.

여기 개시된 예시적인 실시예는 각각 샌드 주조법 및 샌드 주조몰드에 관한 것이지만, 본 발명은 당연히 이러한 예에만 한정되는 것은 아니다. 마찬가지로, 중력 다이주조법 및 몰드(메탈 주조몰드는 대부분 주철로 제조됨) 또는 주물부재의 한쪽 부분은 중력 다이주조법으로 다른 한쪽 부분은 샌드폼으로 형성하는 주조법 및 주조몰드에도 적합하다. 중력 다이주조몰드를 사용할 때, 예를 들면, 열매체용 튜브시스템을 중력 다이주조몰드의 벽에 배설할 수 있다. 예를 들어 튜브시스템은 중력 다이주조몰드내에 주조될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 주조법 및 본 발명에 따른 주조몰드 각각은 주물부재의 공간적 및 시간적 응고 및/또는 냉각진행이 제어냉각에 의하여 제어방식으로 영향을 받게 한다. 특히 대형 주물부재의 냉각시간이 이로써 현저하게 줄어들 수 있다. 또한, 매우 고품질의 금속 주물부재를 후속의 정교한 열처리, 예를 들면 내부응력의 감소를 위하여 응력을 낮추는 어닐링 또는 결정상구조의 변형을 위한 정상화를 할 필요없이 제조할 수 있다. 이것은 시간 및 비용을 상당히 절감하는 것이다.

냉각시스템의 배치 및 공간 통로는, 제조할 주물부재의 외형 및 특정 용도. 즉 원하는 야금적 효과에 따른다. 이들 기준에 따라, 주물재료의 공간영역은 미리 결정되고, 이들로부터 열이 의도적 및 제어방식으로 제거된다.

Claims (13)

1. 주물재료를 몰드, 특히 샌드몰드내에 액체상태로 주입하여, 몰드내에서 응고 및 냉각시켜 금속 주물부재를 제조하는 주조법으로서, 주물재료는 몰드내에서 냉각시스템(3, 4; 60; 91)에 의하여 제어방식으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 주조법.
2. 제1항에 있어서, 열은 몰드내의 최소한 하나의 소정의 공간영역의 주물재료로부터 의도적으로 및 제어방식으로 제거되는 것을 특징으로 하는 주조법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열은 몰드내의 복수의 소정의 공간영역의 주물재료로부터 의도적으로 및 제어방식으로 제거되고, 실질적으로 서로 독립된 각각의 공간영역으로부터 제거된 열의 양을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 주조법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 열의 제거는 유체, 특히 공기에 의하여 실행되는 것을 특징으로 하는 주조법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 부분의 온도는 온도센서(5a, 5b, 5c)에 의하여 주물재료내의 상이한 포인트에서 계속해서 측정되고, 여기로부터 측정가능한 온도프로파일은 냉각의 제어에 사용되는 것을 특징으로 하는 주조법.
6. 제5항에 있어서, 주물재료에 걸친 온도변화도가 최소로 되는 것을 특징으로 하는 주조법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 주물재료의 응고는 열을 의도적으로 제거함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 주조법.
8. 액체 주물재료를 몰드내에서 응고 및 냉각시켜 금속 주물부재를 제조하는 주조몰드, 특히 샌드몰드로서, 주물재료의 제어냉각용 냉각시스템(3, 4; 60; 91)을 특징으로 하는 주조몰드.
9. 제8항에 있어서, 냉각시스템은 유체 열매체, 특히 공기용의 최소한 하나의 튜브시스템(3, 4; 61; 91)을 포함하고, 이를 통하여 열이 최소한 하나의 소정의 공간영역의 주물재료로부터 의도적으로 및 제어방식으로 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 주조몰드.
10. 제9항에 있어서, 냉각시스템(3, 4; 60; 91)은 튜브시스템(3, 4; 61; 91)을 주물재료(10)에 열적으로 결합하는 전달매체(9; 20; 21; 22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조몰드.
11. 제10항에 있어서, 전달매체(20; 21; 22)는 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조몰드.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각시스템(3, 4; 60; 91)은 유체 열매체, 특히 공기용의 최소한 2개의 튜브시스템(3, 4)를 포함하고, 이를 통하여 열이 복수의 소정의 공간영역의 주물재료로부터 의도적으로 및 제어방식으로 제거될 수 있고, 제거된 열의 양은 실질적으로 서로 독립적인 각각의 튜브시스템(3, 4)에 의하여 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 주조몰드.
13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 주물재료에 걸친 온도변화도가 최소로 되도록 제거된 열의 양을 제어하는 제어시스템(6)이 또한 배설되는 것을 특징으로 하는 주조몰드.