KR19990023170A - Zinc-Based Alloy for Molds, Zinc-Based Alloy Blocks for Molds and Manufacturing Method Thereof - Google Patents
Zinc-Based Alloy for Molds, Zinc-Based Alloy Blocks for Molds and Manufacturing Method Thereof Download PDFInfo
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Abstract
금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금 및 아연-기재 합금 블록이 개시되며, 합금은 Al 5 내지 15 중량%, Cu 3 내지 6 중량% 및 Mg 0.01 내지 0.1 중량%와 불가피한 오염물을 제외한 Zn 잔량을 함유하고, Zn-Cu 고용체로 구성된 ε-상이 미립자 상태로 존재한다. 블록은 Al 5 내지 15 중량%, Cu 3 내지 6 중량% 및 Mg 0.01 내지 0.1 중량%와 불가피한 오염물을 제외한 Zn 잔량을 함유하고, Zn-Cu 고용체로 구성된 ε-상이 미립자 상태로 존재하며 25 ℃에서 측정한 인장강도가 25 kgf/mm2이상이며 표면경도가 100 HB이상이다. 합금과 블록은 Al 5 내지 15 중량%, Cu 3 내지 6 중량% 및 Mg 0.01 내지 0.1 중량%와 불가피한 오염물을 제외한 Zn 잔량을 함유한 용융 아연-기재 합금을 일방향으로 응고시킴으로써 제조될 수 있다.Zinc-based alloys and zinc-based alloy blocks for use in the manufacture of molds are disclosed, which alloys contain 5 to 15% by weight of Al, 3 to 6% by weight of Cu and 0.01 to 0.1% by weight of Mg and the remaining amount of Zn excluding unavoidable contaminants. And the ε-phase composed of a Zn-Cu solid solution exists in a particulate state. The block contains 5 to 15% by weight of Al, 3 to 6% by weight of Cu and 0.01 to 0.1% by weight of Mg and the remaining amount of Zn excluding unavoidable contaminants, and the ε-phase composed of a Zn-Cu solid solution is present in a particulate state at 25 ° C. The measured tensile strength is 25 kgf / mm 2 or more and the surface hardness is 100 H B or more. The alloys and blocks can be prepared by solidifying in one direction a molten zinc-based alloy containing 5 to 15 weight percent Al, 3 to 6 weight percent Cu and 0.01 to 0.1 weight percent Mg and the balance of Zn excluding unavoidable contaminants.
Description
본 발명은 금형(mold)의 제조에 사용하는 아연-기재 합금, 금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금 블록(block) 및 이들의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 강도가 적합하며, 기계가공성이 우수하고, 양호한 가공품 품질을 얻으며, 소규모 제조용 금형의 제조에 사용하는데 적합하며, 특히, 사출-성형 플라스틱용 금형의 제조에 사용하는데 적합한, 금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금, 그외에 아연-기재 합금으로 제조된 블록 및 이 합금 또는 블록의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to zinc-based alloys for use in the manufacture of molds, zinc-based alloy blocks for use in the manufacture of molds and methods for their preparation. More specifically, the manufacture of molds with suitable strength, good machinability, good workpiece quality, suitable for use in the manufacture of small-scale manufacturing molds, and in particular for use in the manufacture of molds for injection-molded plastics. The present invention relates to a zinc-based alloy used in the present invention, a block made of a zinc-based alloy, and a method of manufacturing the alloy or block.
플라스틱-사출 성형 분야에서, 종래에 수십만 회의 쇼트(shot)를 견딜 수 있는 대규모 제조용 금형으로서 강 블록을 가공하여 제조된 금형을 사용하였으며, 반면에 대량 생산전 시험 제조용 소규모 제조용 금형으로서 사형(sand mold)에서 아연-기재 합금(이를테면 알루미늄 4.1 중량%, 구리 3.0 중량% 및 마그네슘 0.05 중량%를 함유한, ZAS의 상표명하에 알려진 아연 합금)을 410 내지 450 ℃의 온도에서 주조하여 제조된 것을 사용하였다.In the field of plastic-injection molding, conventionally, a mold manufactured by processing a steel block as a large manufacturing mold capable of withstanding hundreds of thousands of shots was used, while a sand mold as a small manufacturing mold for trial production before mass production. ) Was prepared by casting a zinc-based alloy (such as a zinc alloy known under the trade name of ZAS containing 4.1 wt% aluminum, 3.0 wt% copper and 0.05 wt% magnesium) at a temperature between 410 and 450 ° C.
한편, 다수 플라스틱 품목의 소규모 제조에 대한 최근의 추세에서 수만회의 쇼트에 상응하는 수명을 가진 금형의 개발이 요구되어 왔다.On the other hand, the recent trend towards the small scale manufacture of many plastic items has required the development of molds with lifetimes corresponding to tens of thousands of shots.
그러나, 강금형의 제조에는 기계가공 또는 방전(electric discharge) 기계가공을 위해 장시간이 필요하다(이러한 금형을 제조하는데 장시간이 걸린다). 추가로, 강 재료는 낮은 열전도율을 가지고 있으며 따라서, 강금형은 금형에 냉각을 위한 복잡한 파이프 라인이 배치되지 않거나 제품 변형에 미리 허용되게 금형이 제조되지 않는다면 원하는 성형 제품을 제공하지 못한다. 따라서, 시의적절한 모델 변경에 대한 조건에 일치하는 수단을 취할 수 없으며 상기 조건에 대처할 수 없다.However, the production of steel molds requires a long time for machining or electric discharge machining (this takes a long time to produce such a mold). In addition, the steel material has a low thermal conductivity and, therefore, the steel mold does not provide the desired molded product unless the mold is manufactured in such a way that no complicated pipelines for cooling are placed in the mold or are already allowed for product deformation. Thus, no means can be taken that match the conditions for timely model changes and cope with such conditions.
더구나, 사형-주조에 의해 제조된 아연-기재 합금의 금형은 플라스틱 성형 제품에 필요한 치수 정밀성을 얻을 수 없으며 단지 수만회의 쇼트에 상응하는 수명만이 있다. 따라서, 사형-주조 금형은 상기 조건에 대처할 수 없다.Moreover, molds of zinc-based alloys produced by sand-casting cannot obtain the dimensional accuracy required for plastic molded products and have only a lifetime corresponding to tens of thousands of shots. Therefore, the sand-casting mold cannot cope with the above condition.
별도의 수단으로서, 알루미늄 합금 블록을 기계가공하여 제조되는 금형이 제안된 바 있으나, 이러한 금형은 원료 알루미늄 합금 블록으로서 인고트(ingot)내에 동공이 형성되기 쉽다는 문제가 있으며 따라서 내부 형성된 이러한 동공을 제거하기 위해 블록을 압연하는 시도가 있었다. 그러나, 압연 방법은 블록의 치수에 제한된다. 더구나, 이 방법은 추가로 기계가공시 에러(error)에 따라 또는 설계 변경에 따라 필요한 보수를 위해 용접하는 것이 어려우며, 압연 처리 후에조차 블록의 두께방향의 중앙부에 동공이 아직 잔존할 수 있으며, 금형을 경면 마무리(mirror-finish) 하기 어렵다는 문제점이 있다.As a separate means, a mold manufactured by machining an aluminum alloy block has been proposed, but such a mold has a problem in that a pupil is easily formed in an ingot as a raw aluminum alloy block, and thus, such a cavity formed inside There was an attempt to roll the block to remove. However, the rolling method is limited to the dimensions of the block. Moreover, this method makes it difficult to weld for the necessary repairs in accordance with errors or machining changes in machining, and even after rolling, the pupils may still remain in the center of the thickness direction of the block, There is a problem that it is difficult to mirror-finish.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 단점이 없고 수만회의 쇼트에 상응하는 수명을 가진 금형을 제조할 수 있는, 금형 제조에 사용하는 아연-기재 합금, 그외에 금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금 블록 및 이 합금 또는 블록의 제조방법을 제공하는 것이며, 보다 구체적으로는 기계가공성이 우수하고, 치수정밀성과 같은 우수한 가공품 품질을 얻고, 강도가 적합하여 금형이 수만회의 쇼트를 견디게 하고, 소규모 제조용 금형의 제조에 사용하는데 적합하며, 특히 사출-성형 플라스틱용 금형의 제조에 사용하는데 적합하며, 핀홀(pinhole)이 없고 예를들어 용접에 의해 쉽게 보수될 수 있는 금형의 제조가 가능한, 금형 제조에 사용하는 아연-기재 합금, 그외에 이 아연-기재 합금으로 제조된 블록 및 이 합금 또는 블록의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a zinc-based alloy for use in the manufacture of molds, and other zinc-based alloy blocks for use in the manufacture of molds, which are capable of producing molds without the above disadvantages and capable of producing lifetimes corresponding to tens of thousands of shots. And a method for producing the alloy or block, and more specifically, it has excellent machinability, obtains excellent workmanship quality such as dimensional precision, and has a suitable strength, so that the mold can withstand tens of thousands of shots, and Suitable for use in manufacturing, in particular for use in the manufacture of molds for injection-molded plastics, for use in the manufacture of molds, without the production of pinholes and for the manufacture of molds which can be easily repaired by welding, for example. A zinc-based alloy, in addition to a block made of this zinc-based alloy and a method for producing the alloy or block.
본 발명의 발명자들은 다양한 연구를 수행하여 상기한 목적을 성취하고, 특정 조성을 가지고 Zn, Al, Cu 및 Mg를 함유한 용융 아연-기재 합금을 일방향으로 응고시키면, 예를들어 인고트 케이스에서 케이스 하부를 강제로 냉각시키고 케이스 상부를 단열시키거나 가열하면서 용융 합금을 주조하면, Zn-Cu 고용체로 구성된 ε-상(종래 기술에서, 이 상은 입자 경계에 따라 존재함)이 미립자 상태로 존재하며, 이것은 합금 조직을 치밀하게 하여 기계가공성이 우수하고, 치수정밀성과 같은 양호한 가공품 품질을 얻고, 강도가 적합하여 금형이 수만회의 쇼트에 견디게 하며 핀홀이 없고 예를들어 용접에 의해 쉽게 보수될 수 있는 금형의 제조가 가능한 아연-기재 합금을 제공한다는 것을 알아내고, 따라서 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present invention have carried out various studies to achieve the above object, and solidify in one direction a molten zinc-based alloy containing Zn, Al, Cu and Mg with a specific composition, for example in the case of an ingot case. When the molten alloy is cast while forcibly cooling and insulating or heating the case top, an ε-phase composed of a Zn-Cu solid solution (in the prior art, this phase exists along the grain boundaries) is present in the particulate state, which By making the alloy structure more compact, it has excellent machinability, good workpiece quality such as dimensional precision, and the strength is suitable, so that the mold can endure tens of thousands of shots, have no pinhole, and can be easily repaired by welding, for example. It has been found that a zinc-based alloy that can be manufactured is provided, thus completing the present invention.
따라서, 본 발명의 일예에 따르면, Al 5 내지 15 중량%, Cu 3 내지 6 중량% 및 Mg 0.01 내지 0.1 중량%와 불가피한 오염물을 제외한 Zn 잔량을 함유하고, Zn-Cu 고용체로 구성된 ε-상이 미립자 상태로 존재하는, 금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금을 제공한다.Thus, according to one embodiment of the present invention, ε-differential fine particles containing 5 to 15% by weight of Al, 3 to 6% by weight of Cu and 0.01 to 0.1% by weight of Mg and the remaining amount of Zn excluding unavoidable contaminants, and composed of Zn-Cu solid solution Provided are zinc-based alloys for use in the manufacture of molds that exist in a state.
본 발명의 다른 일예에 따르면, Al 5 내지 15 중량%, Cu 3 내지 6 중량% 및 Mg 0.01 내지 0.1 중량%와 불가피한 오염물을 제외한 Zn 잔량을 함유하고, Zn-Cu 고용체로 구성된 ε-상이 미립자 상태로 존재하며 25 ℃에서 측정한 인장강도가 25 kgf/mm2이상이며 표면경도가 100 HB(Brinell 경도) 이상인, 금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금 블록을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, the ε-phase is composed of 5 to 15% by weight of Al, 3 to 6% by weight of Cu and 0.01 to 0.1% by weight of Mg and the remaining amount of Zn excluding unavoidable contaminants, and composed of Zn-Cu solid solution. The present invention provides a zinc-based alloy block for use in manufacturing a mold having a tensile strength of 25 kgf / mm 2 or more and a surface hardness of 100 H B (Brinell hardness) or more.
본 발명의 추가 일예에 따르면, Al 5 내지 15 중량%, Cu 3 내지 6 중량% 및 Mg 0.01 내지 0.1 중량%와 불가피한 오염물을 제외한 Zn 잔량을 함유하고, Zn-Cu 고용체로 구성된 ε-상이 미립자 상태로 존재하며 핀홀이 합금에 존재하지 않는, 금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금 블록을 제공한다.According to a further embodiment of the present invention, the ε-phase is composed of 5 to 15% by weight of Al, 3 to 6% by weight of Cu and 0.01 to 0.1% by weight of Mg and the remaining amount of Zn excluding unavoidable contaminants, and composed of Zn-Cu solid solution. The present invention provides a zinc-based alloy block for use in the manufacture of a mold, the pin hole being present in the alloy.
본 발명의 다른 추가 일예에 따르면, Al 5 내지 15 중량%, Cu 3 내지 6 중량% 및 Mg 0.01 내지 0.1 중량%와 불가피한 오염물을 제외한 Zn 잔량을 함유한 용융 아연-기재 합금을 일방향으로 응고시키는 단계를 포함하는, 금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금의 제조방법 또는 금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금 블록의 제조방법을 제공한다.According to another further embodiment of the invention, solidifying in one direction a molten zinc-based alloy containing 5 to 15% Al, 3 to 6% Cu and 0.01 to 0.1% Mg and the balance Zn excluding unavoidable contaminants It provides a method for producing a zinc-based alloy used for the production of a mold, or a method for producing a zinc-based alloy block used for the production of a mold comprising a.
도 1은 본 발명에 따른, 금형 제조에 사용하는 아연-기재 합금의 조직(texture)을 나타낸 현미경사진(배율 200X).1 is a micrograph (magnification 200X) showing the texture of a zinc-based alloy for use in mold manufacture according to the present invention.
본 발명에서, 알루미늄은 얻어진 아연-기재 합금의 강도를 개선하는데 효과적이며, 알루미늄의 함량이 증가됨에 따라 합금의 강도 특성이 증가되며 합금 총중량에 기초하여 5 중량% 이하의 양으로 알루미늄을 첨가함으로써 상당히 개선된다. 그러나, 알루미늄 함량이 15 중량%를 초과하면, 얻어진 용융 아연-기재 합금의 유동성이 감소되는 경향이 있다. 추가로, 합금의 알루미늄 함량이 5 내지 15 중량%의 범위를 벗어나면, 의도된 조직과 특성을 가진, 금형의 제조에 사용하는 원하는 아연-기재 합금을 얻기 어렵다.In the present invention, aluminum is effective in improving the strength of the obtained zinc-based alloy, and the strength properties of the alloy increase as the content of aluminum increases and is considerably increased by adding aluminum in an amount of 5% by weight or less based on the total weight of the alloy. Is improved. However, when the aluminum content exceeds 15% by weight, the fluidity of the obtained molten zinc-based alloy tends to decrease. In addition, if the aluminum content of the alloy is outside the range of 5 to 15% by weight, it is difficult to obtain the desired zinc-based alloy for use in the manufacture of the mold with the intended structure and properties.
본 발명에서, 구리는 아연-기재 합금내에 Zn-Cu 고용체로 구성된 미립자 ε-상을 형성하기 위한 필수 성분이며, 아연-기재 합금의 강도(인장강도)를 개선하는데 효과적이며, 강도 특성은 합금의 구리 함량이 증가함에 따라 증가되고 합금 총 중량에 기초하여 3 중량% 이상의 양으로 구리를 첨가함으로써 상당히 개선된다. 그러나, 구리 함량이 6 중량%를 초과하면, 아연-기재 합금은 보다 높은 초기 응고 온도를 가지며 초기 응고 온도와 최종 응고 온도 사이의 큰 차이가 생긴다. 더구나, 구리 함량이 3 내지 6 중량%의 범위를 벗어나면, 의도된 조직과 특성을 가진, 금형의 제조에 사용하는, 원하는 아연-기재 합금을 얻기 어렵다.In the present invention, copper is an essential component for forming the particulate ε-phase composed of Zn-Cu solid solution in the zinc-based alloy, and is effective in improving the strength (tensile strength) of the zinc-based alloy, and the strength characteristic of the alloy is It increases with increasing copper content and is significantly improved by adding copper in an amount of at least 3% by weight based on the total weight of the alloy. However, if the copper content exceeds 6% by weight, the zinc-based alloy has a higher initial solidification temperature and there is a large difference between the initial solidification temperature and the final solidification temperature. Moreover, if the copper content is outside the range of 3 to 6% by weight, it is difficult to obtain the desired zinc-based alloy, which is used for the production of the mold, with the intended structure and properties.
본 발명에서, 마그네슘은 알루마늄-함유 아연-기재 합금에서 발생되기 쉬운 입자간 마모를 억제하는 효과가 있을 뿐만아니라, 합금계에서 발생된 노화 반응(aging reaction)을 억제하는 효과가 있다. 한편, 합금의 인장강도는 마그네슘 첨가량이 증가함에 따라 약간 증가되지만, 그의 충격치는 감소되기 쉽다. 따라서, 실제적으로 마그네슘의 유효량은 합금 총중량에 기초하여 0.01 내지 0.1 중량%이다.In the present invention, magnesium not only has an effect of suppressing intergranular wear, which is likely to occur in an aluminum-containing zinc-based alloy, but also has an effect of suppressing an aging reaction generated in an alloy system. On the other hand, the tensile strength of the alloy slightly increases as the amount of magnesium added increases, but its impact value tends to decrease. Thus, in practice the effective amount of magnesium is 0.01 to 0.1% by weight, based on the total weight of the alloy.
본 발명의 아연-기재 합금에서, Zn-Cu 고용체로 구성된 ε-상이 입자 형태로 그 상에 존재하며, Cu가 풍부한 Zn-Cu 고용체로 구성된 미립자 ε-상의 평균입도가 바람직하게는 10 내지 50 ㎛이다라는 사실이 필수적이다. 이러한 미립자 ε-상은 용융 아연-기재 합금을 일방향으로 응고시킴으로써 제조될 수 있다.In the zinc-based alloy of the present invention, the ε-phase composed of a Zn-Cu solid solution is present in the form of particles, and the average particle size of the particulate ε-phase composed of a Cu-rich Zn-Cu solid solution is preferably 10 to 50 µm. The fact that it is necessary is essential. These particulate ε-phases can be prepared by solidifying the molten zinc-based alloy in one direction.
추가로, 본 발명에 따른 아연-기재 합금은 바람직하게는 25 ℃에서 측정한 인장강도가 25 kgf/mm2이상이며 표면경도가 100 HB이상이고 또한 합금내에 핀홀이 존재하지 않는 것이 바람직하다.In addition, the zinc-based alloy according to the present invention preferably has a tensile strength of 25 kgf / mm 2 or more, a surface hardness of 100 H B or more, and no pinholes present in the alloy.
본 발명에 따라 금형을 제조하기 위한 아연-기재 합금 또는 그의 블록을 제조하는 방법은 종래의 공지 방법을 이용하여 특정 조성을 가진 상기 용융 아연-기재 합금을 일방향으로 응고시키는 단계를 포함한다. 예를들어, 인고트 케이스(case)에서 케이스의 하부를 강제로 냉각시키고 케이스의 상부를 단열시키거나 가열하면서 용융 합금을 주조함으로써 합금 또는 블록을 제조할 수 있다.The method for producing a zinc-based alloy or a block thereof for producing a mold according to the present invention includes the step of solidifying in one direction the molten zinc-based alloy having a specific composition using conventionally known methods. For example, an alloy or block may be made by casting a molten alloy while forcibly cooling the bottom of the case in an ingot case and insulating or heating the top of the case.
또한, 종래의 공지 방법에 따라 본 발명의 아연-기재 합금 블록을 기계가공함으로써 이전에 언급된 특성을 가진 금형을 제조할 수 있다.In addition, by machining the zinc-based alloy block of the present invention according to a conventional known method, a mold having the characteristics mentioned previously can be produced.
이후 본 발명을 제한되지 않는 다음의 실시예에 관련하여 보다 상세히 기술할 것이나, 본 발명이 이들 구체적인 실시예에 한정되지 않는다.The invention will now be described in more detail with reference to the following examples which are not intended to be limiting, but the invention is not limited to these specific examples.
실시예 1 내지 2 및 비교예 1Examples 1-2 and Comparative Example 1
흑연 도가니에서, 다음 표 1에 제시된 양(중량%)으로 전기 아연(Zn), Al, Cu 및 Mg를 함유한 균일한 용융 금속을 제조한다음 얻어진 용융 금속을 160 ㎜×160 ㎜×160 ㎜ 크기의 금형에 부었다. 이와 관련하여, 실시예 1 및 2에서 금형의 하부를 물로 냉각시키고, 금형의 측면을 단열시키고 금형의 상부를 가열함으로써, 주조를 수행하였다. 더구나, 비교예 1에서 금형을 자연냉각하면서 주조를 수행하였다.In the graphite crucible, a uniform molten metal containing electrolytic zinc (Zn), Al, Cu, and Mg was prepared in the amounts (% by weight) shown in the following Table 1, and then the molten metal obtained was 160 mm × 160 mm × 160 mm in size. Poured into the mold. In this regard, casting was performed in Examples 1 and 2 by cooling the bottom of the mold with water, insulating the sides of the mold and heating the top of the mold. Moreover, casting was performed while the mold was naturally cooled in Comparative Example 1.
이와 같이 제조된 각 주조품에서 인장시험용 시편 등을 제조하고, 이어서 시편의 인장강도와 표면경도(Brinell 경도: HB)를 측정하고 편석(segregation)과 핀홀의 존재에 대해 검사하였다. 얻어진 결과를 다음 표 2에 제시한다.Tensile test specimens and the like were prepared from each of the castings manufactured as described above. Then, the tensile strength and the surface hardness (Brinell hardness: H B ) of the specimens were measured and examined for segregation and the presence of pinholes. The results obtained are shown in Table 2 below.
실시예 1에서 제조된 아연-기재 합금의 조직을 나타낸 현미경사진(배율 200×)을 도 1에 제시한다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, Zn-Cu 고용체로 구성된 ε-상이 확실히 입자 형태로 존재한다.A micrograph (magnification 200 ×) showing the structure of the zinc-based alloy prepared in Example 1 is shown in FIG. 1. As can be seen in Figure 1, the ε-phase composed of Zn-Cu solid solution is certainly present in the form of particles.
상기에 상세히 기재한 바와 같이, 본 발명에 따른, 금형의 제조에 사용하는 아연-기재 합금 및 그의 블록은 기계가공성이 우수하며, 치수정밀성과 같은 양호한 가공품 품질을 얻고, 강도가 적합하여 수만회의 쇼트에 금형이 견딜 수 있게 하며 소규모 제조용 금형의 제조에 사용하는데 적합하며, 특히 사출-성형 플라스틱용 금형의 제조에 사용하는데 적합하고, 핀홀이 없고, 예를들어, 용접에 의해 쉽게 보수될 수 있는 금형의 제조가 가능하며; 시의적절한 모델 변화를 위한 조건에 부합할 수 있다.As described in detail above, the zinc-based alloy and its block for use in the manufacture of the mold according to the present invention are excellent in machinability, obtain good workpiece quality such as dimensional precision, and are suitable in strength, thus making tens of thousands of shots. Molds that can withstand molds and are suitable for use in the manufacture of small-scale manufacturing molds, in particular for the production of molds for injection-molded plastics, are free of pinholes and can be easily repaired by, for example, welding Can be prepared; Meet the conditions for timely model changes.
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