KR20000048913A - 일체형 반용융 재료 제조 및 주조를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반용융 재료를 제조하고 반용융 재료를 부품으로 직접 주조하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 반용융 재료는 용융 재료로부터 형성되고 용융 재료가 용기 내에 유입된다. 반용융 재료는 용융 재료를 교반, 전단 및 열 제어함으로써 생성된다. 반용융 재료는 적절한 열 제어 및 3차원 혼합을 통해 용기 내에서 대체로 등온 상태로 유지된다. 용기로부터 반용융 재료를 제거하는 수단이 용기로부터 연장되고, 제거 수단 내의 반용융 재료의 온도를 제어하는 열 제어 기구를 포함한다.

Description

일체형 반용융 재료 제조 및 주조를 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR INTEGRATED SEMI-SOLID MATERIAL PRODUCTION AND CASTING}

슬러리 캐스팅 또는 레오캐스팅(rheocasting)은 응고가 진행되고 있는 용융 재료를 격렬하게 교반하는 방법이다. 일반적인 (즉, 레오캐스팅이 아닌) 응고 공정 중에, 수지상 조직이 응고하고 있는 재료 내에 형성된다. 기하학적으로, 수지상 조직은 횡방향 가지를 갖는 긴 줄기와 같은 형상을 갖는 응고된 입자이다. 응고 중에 재료, 특히 금속을 격렬하게 교반하면 적어도 일부의 수지상 조직이 제거된다. 그러한 교반에 의해 응고하는 수지상 조직의 팁을 전단함으로써, 수지상 조직의 형상을 저하시킨다. 결과적으로, 재료 슬러리는 액체 매트릭스 내의 비교적 미세한 비수지상 고체 입자로 구성된 고체-액체 조성이다(이하에서는 반용융 재료라 부르기로 함).

성형 단계에서, 반용융 재료로부터 제조된 부품이 종래의 용융된 금속 형성 공정보다 우수한 큰 장점을 갖는다는 것은 주지되어 있다. 이러한 장점은 대부분 반용융 재료 취급에 대한 열 요구 조건이 낮아진 데에서 기인하는 것이다. 반용융 상태의 재료는 액체 상태의 동일한 재료보다 낮은 온도에 있다. 또한, 반용융 재료의 열 함량은 훨씬 낮다. 이와 같이, 작은 에너지가 요구될수록 제거되어야 하는 열도 작게 되므로, 반용융 재료로부터 부품을 형성하는 데 사용되는 주조 장치 또는 주형은 긴 수명을 갖는다. 또한, 냉각 사이클이 짧아지기 때문에 이러한 주조 장치가 소정 시간 내에 보다 많은 재료를 가공할 수 있다는 가장 중요한 장점을 갖는다. 반용융 재료를 사용함으로써 생기는 다른 장점으로는 보다 균일한 냉각, 보다 균질한 조성, 최종 부품 내의 보다 적은 보이드 및 기공이 포함된다.

종래 기술은 반용융 재료의 형성에 사용되는 많은 방법 및 장치를 포함한다. 예컨대, 격렬한 교반을 수행하는 두가지 기본적인 방법이 있다. 그 중 하나는 기계적인 교반이다. 이러한 방법은 회전하는 도가니 내에서 회전하는 블레이드를 개시한 메라비언 등(Mehrabian et al.)에게 허여된 미국 특허 제3,951,651호에 예시되어 있다. 다른 하나의 교반 방법은 전자기 교반에 의해 달성된다. 이러한 방법의 예는 참조를 위해 본 명세서에 포함되어 있는 윈터 등(Winter et al.)에게 허여된 미국 특허 제4,229,210호에 개시되어 있다. 윈터 등의 특허는 AC 유도 또는 펄스형 DC 자기장을 이용하여 반용융 재료에 간접적인 교반을 일으키는 방법을 개시하고 있다.

그러나, 일단 반용융 재료가 형성되면, 실제로 모든 종래의 방법은 그 다음에 응고 및 재가열 단계를 추가로 포함한다. 이러한 소위 이중 공정(double processing)에는 반용융 재료를 빌릿(billet)으로 응고시키는 단계가 수반된다. 이중 공정의 많은 예들 중 하나가 케니(Kenney)에게 허여된 미국 특허 제4,771,818호에 개시되어 있다. 이중 공정으로부터 최종적으로 생성된 고체 빌릿(billet)은 용이하게 저장되거나 다음의 추가 공정을 위해 운반된다. 응고 후, 빌릿은 재료가 상기 반용융 성질 및 장점을 회복하도록 재가열되어야 한다. 다음에, 재가열된 빌릿에는 부품으로 형성되도록 다이 캐스팅 또는 성형 등의 작업이 진행된다. 또한, 반용융 재료의 재료 성질을 개질시키기 위해, 이중 공정은 추가의 냉각 및 재가열 단계를 필요로 한다. 효율 및 재료 취급 비용 등의 이유로, 이중 공정이 요구하는 응고 및 재가열 단계를 없애는 것이 바람직할 것이다.

참조를 위해 본 명세서에 포함되어 있는 플레밍즈 등(Flemings et al.)에게 허여된 미국 특허 제3,902,544호는 주조 공정에 통합된 반용융 재료 형성 공정을 개시하고 있다. 이러한 공정은 이중 공정, 즉 응고 단계를 포함하고 있지 않다. 그러나, 플레밍즈 등의 특허에 개시된 공정은 많은 난점을 갖고 있다. 우선, 플레밍즈 등의 공정은 일체로 연결되는 용융 구역 및 교반 구역을 포함하는 복수개의 구역을 필요로 하고 매우 정밀한 열 제어를 필요로 한다는 가장 중요한 난점을 갖는다. 또한, 반용융 재료를 제조하기 위해, 일체로 연결된 구역을 통한 재료 유동이 있다. 반용융 재료는 교반 구역에서의 재료 유동 및 온도 구배의 조합을 통해 제조된다. 이와 같이, 유동하는 재료(가변적일 수도 있음)의 필요한 온도 구배를 측정하는 것은 매우 어렵다. 둘째로, 플레밍즈 등의 공정은 단일 교반 수단을 개시하고 있다. 상기 반용융 특성을 최대화하기 위해서는 철저하고 완전한 교반이 필요하다. 세째로, 플레밍즈 등의 공정은 교반 구역으로부터 주조 장치로의 효과적인 전달 수단 및 유동 조절 기능이 부족하다. 플레밍즈 공정이 갖는 다른 난점과 이에 대한 개선점은 이하의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

본 출원은 1996년 10월 4일에 출원된 "일체형 반용융 재료 제조 및 주조를 위한 장치 및 방법" 제하의 계류중인 가출원(대리인 정리 번호 제0097701-0006호, 속달 제EH408038515US호, 출원 번호 미정)의 이익을 청구한다. "반용융 재료 제조를 위한 장치 및 방법" 제하의 관련 출원(대리인 정리 번호 제0097701-0005, 속달 제 EH408038921호, 출원 번호 미정)이 1996년 10월 4일에 출원되었으며 본 명세서에 참고로 수록되었다.

본 발명은 일반적으로 재료 형성 공정에 사용되는 반용융 재료 슬러리를 제조 및 분배하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 대체로 비수지상(non-dendritic) 반용융 재료 슬러리를 제조하여 이 반용융 재료를 다이 캐스팅 장치에 직접 제공하기 위한 장치에 관한 것이다.

도1은 본 발명에 따른 반용융 재료 제조 장치의 개략 정단면도이다.

도2는 도1의 장치의 개략 측단면도이다.

도3은 본 발명에 따른 제거 수단의 개략 측단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 반용융 재료 주조 장치가 통합된 도1의 장치의 개략 단면도이다.

도5는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도1의 장치의 개략 측단면도이다.

도6은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도1의 장치의 개략 측단면도이다.

본 발명의 주된 목적은 응고 및 재가열 단계없이 반용융 재료의 형성 및 반용융 재료의 주조를 통합한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 반용융 재료 형성에 사용될 수 있는 보다 효율적이고 저렴한 다이 캐스팅 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 부품으로 직접 주조되기에 적절한 반용융 재료의 형성을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 반용융 재료를 부품으로 직접 주조하기 위한 주조 장치와 통합된 반용융 재료 형성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은, 용융 재료의 공급원과, 용융 재료를 수용하는 용기와, 용기의 온도를 조절하기 위해 용기에 장착된 열 제어 수단과, 재료를 교반하는 교반 수단과, 용기에 직접 연결된 주조 장치를 포함하는, 반용융 재료로부터 직접 부품을 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 교반 수단과 열 제어 수단은 용기 내에서 대체로 등방성 반용융 재료를 생성하기 위해 연계하여 작용한다. 용기로부터 반용융 재료를 제거하기 위한 단열된 수단은 반용융 재료를 부품으로 주조하는 캐스팅 장치에 반용융 재료를 직접 제공한다.

도1에는 반용융 재료 제조 장치(10)가 도시되어 있다. 이러한 반용융 재료 제조 장치(10)로부터 용융 재료(11)의 공급원이 분리되어 있다. 일반적으로, 반용융 재료(50)로 가공될 수도 있는 소정의 재료는 이러한 반용융 재료 제조 장치(10)에 사용되기에 적절하다. 용융 재료(11)는 알루미늄 또는 마그네슘 등의 순수한 금속, 강 또는 알루미늄 합금 A356 등의 금속 합금, 또는 알루미늄 및 실리콘 카바이드 등의 금속-세라믹 입자 혼합물일 수 있다.

반용융 재료 제조 장치(10)는 원통형 챔버(12), 제1 로우터(14), 제2 로우터(16) 및 챔버 덮개(18)를 포함한다. 챔버(12)는 양호하게는 내화 재료로 제조된 내부 저벽(20) 및 원통형 내부 측벽(22)을 갖는다. 챔버(12)는 바람직하게는 강으로 제조되는 외부 지지층(24)을 갖는다. 챔버(12)의 상부는 챔버 덮개(18)에 의해 덮인다. 챔버 덮개(18)도 마찬가지로 단열 내화 재료층을 갖는다.

열 제어 시스템(30)은 가열부(32) 및 냉각부(34)를 갖는다. 가열부 및 냉각부(32, 34)는 챔버(12)의 외부층(24)에 장착되거나 그 내부에 매설된다. 가열부 및 냉각부(32, 34)는 많은 다른 방식으로 배향될 수도 있지만, 도시된 바와 같이, 가열부 및 냉각부(32, 34)는 챔버(12)의 원주 주위에 산재된다. 또한, 가열부 및 냉각부(32, 34)는 챔버 덮개(18)에 장착된다. 개별적인 가열 및 냉각부(32, 34)는 독립적으로 열을 가하거나 제거하여, 챔버(12)의 내용물의 온도 조절 능력을 향상시킬 수도 있다.

제1 로우터(14)는 로우터 단부(42)와, 로우터 단부(42)로부터 상향으로 연장되는 축(44)을 갖는다. 제1 로우터 축(44)은 챔버 덮개(18)를 통해 연장된다. 로우터 단부(42)는 챔버(12)의 내부에 전체적으로 둘러싸여 잠겨 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 로우터 단부(42)는 로우터 단부(42)의 저부로부터 연장되어 양호하게는 180°로 이격된 2개의 L자형 블레이드(43)를 갖는다. L자형 블레이드(43)는 2개의 부분을 가지며, 이 중 하나는 내부 측벽(22)에 평행하고, 다른 하나는 내부 저벽(20)에 평행하다. L자형 블레이드(43)는 회전될 때에 챔버(12)의 내부 측벽(22) 및 저벽(20) 상에 형성되는 경향이 있는 수지상정을 전단한다. 또한, 블레이드(43)의 회전은 수평면 내에서의 재료의 혼합을 촉진시킨다. 다른 블레이드(43)의 기하학적 형상(예컨대, T자형)은 챔버 내부 측벽(22)과 블레이드(43) 사이의 간극이 작은 한 유효하다. 이 간극은 5.08 ㎝(2 인치) 미만인 것이 바람직하다. 또한, 추가의 전단을 촉진시키기 위해, 챔버 저벽(20)과 블레이드(43) 사이의 간극은 5.08 ㎝(2 인치) 미만이어야 한다. 전단 로우터(14)의 일반적인 회전 속도는 대략 30 rpm이다.

제2 로우터(16)는 로우터 단부(48)와, 로우터 단부(48)로부터 연장되는 축(46)을 갖는다. 로우터 단부(48)의 형상은 반용융 재료(50)의 수직 방향 혼합을 증진시켜 반용융 재료(50)의 전단을 향상시키도록 설계되어야 한다. 로우터 단부(48)는 양호하게는 오거(auger) 형상 또는 나사 형상이지만, 수평면에 대해 경사진 블레이드 등의 많은 다른 형상도 마찬가지로 수행할 것이다. 축(46)은 오거 형상의 로우터 단부(48)로부터 상향 연장된다. 제2 로우터(16)의 회전 방향에 따라, 챔버(12) 내의 재료는 상향 또는 하향으로 강제 이동된다. 제2 로우터(16)의 일반적인 회전 속도는 대략 300 rpm이다.

제1 로우터(14) 및 제2 로우터(16)는 반용융 재료(50)의 전단 및 3차원 교반을 향상시키도록 챔버(12)에 대해 그리고 서로에 대해 소정 방향으로 배치된다. 도1를 보면, 제1 로우터(14)가 제2 로우터(16)를 중심으로 회전한다는 것을 알 수 있다. 제2 로우터(16)는 주로 수평 방향 혼합 작용을 하는 제1 로우터(14) 내에서 회전한다. 이러한 구성은 반용융 재료(50)의 철저한 3차원 혼합을 촉진시킨다.

도1은 복수개의 로우터를 도시하고 있지만, 적절한 전단 및 혼합 성질을 제공하는 단일의 로우터가 이용될 수도 있다. 이와 같은 단일 로우터는 용기(12) 내의 반용융 재료(50)가 대체로 균일한 온도로 유지될 수 있도록 전단 및 혼합 작용을 충분히 수행해야 하며 혼합은 3차원적이어야 한다.

로우터(14, 16)가 침지되는 반용융 재료 환경은 매우 열악하다. 로우터(14, 16)는 매우 높은 온도와, 때로는 부식 유발 조건과, 상당한 물리적인 힘에 노출된다. 이러한 상태를 견디기 위한 로우터(14, 16)의 양호한 조성은 고온 내열성 MgZrO₃세라믹이 피복된 스테인리스강과 같은 내열성 및 내식성 합금이다. 또한, Al₂O₃이 피복된 초합금(superalloy) 등의 다른 고온 내열성 재료도 적절하다.

프레임(56)은 챔버 덮개(18)에 장착된다. 프레임(56)은 제1 구동 모터(58) 및 제2 구동 모터(60)를 지지한다. 각각의 모터(58, 60)는 각각의 로우터(14, 16)의 축(44, 46)에 기계적으로 결합된다. 도1에 도시된 바와 같이, 제1 모터(58)는 한 쌍의 감속 기어(62와 64)에 의해 제1 로우터 축(44)에 결합된다. 제1 로우터 축(44)은 베어링 슬리브(66)에 의해 프레임(56) 내에 지지된다. 마찬가지로, 제2 로우터 축(46)은 베어링 슬리브(68)에 의해 프레임(56) 내에 지지된다. 양 모터(58, 60)는 동력 및/또는 토오크 전달을 향상시키기 위해 감속 또는 증속 기어링을 통해 로우터에 연결된다.

전술한 기계적인 교반은 전자기 교반으로 대체될 수 있다. 전자기 교반의 예는 윈터 등의 미국 특허 제4,229,210호에서 찾아볼 수 있다. 전자기 교반은 본 발명에 필요한 등방성 3차원 전단 및 혼합 성질을 실현할 수 있다.

용융 재료(11)는 여러 가지 다른 방식으로 챔버(12)에 전달될 수 있다. 일 실시예에서는, 용융 재료(11)가 챔버 덮개(18) 내의 오리피스(70)를 통해 전달된다. 다르게는, 용융 재료(11)는 측벽(22)(도시되지 않음) 내의 오리피스를 통해 및/또는 저벽(20) 내의 오리피스를 통해 전달된다.

반용융 재료(50)는 제1 로우터(14)와 제2 로우터(16)에 의해 교반되고 열 제어 시스템(30)에 의해 적절히 냉각됨으로써 용융 재료(11)로부터 형성된다. 초기의 시동 사이클 후에는, 공정은 반연속적으로 수행되기 때문에, 반용융 재료(50)가 챔버(12)로부터 제거되고, 용융 재료(11)가 첨가된다. 그러나, 로우터(14, 16)와 열 제어 시스템(30)은 반용융 재료(50)를 대체로 등온 상태로 유지한다.

챔버(12)의 온도를 조절함으로써 반용융 재료(50)를 대체로 등방성 상태로 유지하는 것에 덧붙여, 열 제어 시스템(30)도 장치(10)의 시동 및 중지의 수단이 된다. 시동 중에, 열 제어 시스템은 챔버(12)와 그 내용물을 용융 재료(11)를 수용하기에 적절한 온도로 상승시킨다. 챔버(12)는 많은 양의 응고된 반용융 재료 또는 이전 공정에서 남은 응고된 (이전에 용융되었던) 재료를 갖고 있다. 열 제어 시스템(30)은 응고된 재료를 재용융시키기에 충분한 동력을 전달할 수 있어야 한다. 마찬가지로, 장치(10)를 중지시켰을 때, 열 제어 시스템(30)은 반용융 재료(50)를 가열하여 챔버(12)를 완전히 비우는 것이 바람직하다. 이어서 반용융 재료(50)를 고체 상태로 조심스럽게 냉각시키는 다른 중지 과정이 수반된다.

도2에 도시된 바와 같이, 챔버(12) 내에 형성된 반용융 재료(50)의 제거는 제거 튜브(72)를 통해 이루어지는 것이 바람직하다. 제거 튜브(72)의 세부는 도3에 도시되었다. 제거 튜브(72)는 제거되는 반용융 재료(50)와 접촉하는 원통형 내벽(74)을 갖는다. 내벽(74)은 내화 재료인 것이 바람직하다. 지지벽(76)은 내벽(74)과 외부층(78) 사이에 개재된다. 지지벽(76)은 내벽(74)과 내부에 수용된 반용융 재료(50)를 지지할 수 있는 주조 철과 같은 재료로 만들어진다. 외부층(78)은 제거 튜브(72)와 반용융 재료(50)를 단열한다. 또한, 제거 튜브(72)는 반용융 재료(50)가 주변 대기에 의해 오염되지 않도록 보호한다. 이와 같은 보호없이는, 산화물이 반용융 재료의 외부에 형성되고 그로부터 만들어진 임의의 부품 중에 산재하게 될 것이다. 제거 튜브의 주위에는 반용융 재료(50)를 소정 온도로 유지하기 위한 가열기(80)가 마련된다.

도2에 있어서, 제거 포트(72)는 챔버 덮개(18)를 통해 장치(10)로부터 연장된다. 다른 바람직한 실시예에 있어서, 제거 포트(72)는 도5에 도시된 바와 같은 출구 오리피스(112)를 갖는 챔버 측벽(22)으로부터 연장된다. 이와는 달리, 도5는 또한 출구 오리피스(113)를 갖는 저벽(20)으로부터 연장된 제거 포트(73)를 도시한다. 양 경우에 모두, 전술한 바와 같이, 제거 포트는 제거되는 반용융 재료(50)를 등방 상태로 유지하기 위한 가열기(80)를 포함한다.

포트(72)를 통한 반용융 재료(50)의 유동은 여러가지 방법을 통해 달성될 수 있다. 진공이 제거 포트(72)에 가해져 챔버(12)로부터 반용융 재료를 흡입하기도 한다. 도5의 포트(73)에 도시된 바와 같이 중력이 이용될 수도 있다. 침지된 피스톤, 나선형 로우터와 같은 기계적인 수단 또는 조절된 비율로 반용융 재료(50)를 이송할 수 있는 다른 용적식 액츄에이터와 같은 다른 이송 방법이 이용될 수 있다.

챔버(12)로부터 전술한 임의의 제거 포트를 통해 유동하는 반용융 재료(50)의 유동을 더욱 조절하기 위해, 포트(72) 내에 밸브(83)가 마련된다. 밸브(83)는 간단한 게이트 밸브이거나 다른 액체 유량 조절 장치일 수 있다. 반용융 재료(50)가 소정 온도로 유지되어 막힘이 방지되도록 밸브(83)를 가열하는 것이 바람직하다.

또한, 유량 조절은 국부 응고에 의해서도 달성될 수 있다. 밸브(83)가 아닌 가열기/냉각기(도시되지 않음)가 반용융 재료(50)를 국부 응고시켜서 유동을 멈추게 할 수 있다. 후에, 가열기/냉각기는 재료가 다시 유동하도록 재가열시킬 수 있다. 이러한 과정은 일반적으로 시동 및 중지 사이클의 일부이며, 전술한 등온 반용융 재료 제조 공정의 필수적인 부분은 아니다.

고유의 유동 제어를 제공하는 반용융 재료(50)의 다른 이송 방법은, 도6에 도시된 바와 같은 레이들(ladle, 114)을 이용하는 것이다. 레이들(114)은 챔버(12)로부터 반용융 재료(50)를 제거하며, 레이들(114)에 장착된 가열기(82)는 제거되는 반용융 재료(50)의 온도를 유지한다. 레이들(114)의 레이들 컵(115)은 레이들 액츄에이터(116)에 부착된다. 컵(115)은 그 내용물을 부어낼 수 있도록 회전 가능하며, 액츄에이터(116)는 레이들을 수평 및 수직 방향으로 이동시킨다.

챔버(12) 내의 적정 온도 조건을 유지하는 것을 돕기 위해, 반용융 재료(50)의 이송은 연속적인 사이클로 이루어진다. 각 사이클 중에, 전술한 유량 조절은 반용융 재료(50)가 이산량으로 제거될 수 있게 한다. 각 사이클 중에 제거되는 반용융 재료의 양은 챔버(12) 내에 남아 있는 재료에 비해 적어야 한다. 이와 같은 방식으로, 제거 사이클 중에 챔버(12) 내의 열량의 변화는 작게 된다. 통상의 사이클 중에는, 반용융 재료(50)의 10 퍼센트 미만이 제거된다.

다음은 도4를 참조하면, 다이 캐스팅기(84)가 장치(10)로부터 연장되는 제거 튜브(72)에 직접 부착되어 있다. 다이 캐스팅기(84)는 램(ram, 86), 샷 슬리브(shot sleeve, 88) 및 다이(90)를 포함한다. 제거 튜브(72)는 샷 슬리브(92) 내의 개구를 통해 반용융 재료(50)를 샷 슬리브(88)에 직접 전달한다. 샷 슬리브(88)는 2개의 개방 단부(94, 96)를 갖는다. 샷 슬리브는 다이(90)와 램(86) 사이에 위치되며 개방 단부(94, 96)는 다이(90)와 램(86)을 대면한다. 램(86)은 공압식 구동 장치(100)에 의해 공압식으로 작동되는 피스톤(98)에 연결된다. 작동되면, 램(86)은 반용융 재료(50)를 다이(90) 내에 강제 유입시킨다. 반용융 재료(50)는 다이(90) 내의 다이 챔버 입구(104)를 통해 다이 챔버(102)에 유입된다. 다이(90)는, 냉각된 후에 제거되는 다이 캐스팅 부품(110)을 노출시키도록 분리되는 2개의 절반부(106, 108)를 포함한다.

캐스팅 장치(84)는 반용융 재료(50)로부터 부품을 형성할 수 있는 임의의 적절한 장치일 수 있다. 적절한 캐스팅 장치는 미국 특허 제5,287,719호의 명세서 내에 설명된 주형, 단조용 다이 조립체 또는 일반적으로 공지된 다른 다이 캐스팅 기구를 포함한다.

다이 캐스팅기(84)는 도4에 도시된 바와 같은 장치(10)에 대하여 수직인 형태에만 한정되지 않는다. 다이 캐스팅 장치(84)는 임의의 방향으로 장치(10)에 대해 위치될 수 있다. 예를 들어, 중력이 이송 튜브(72)(도시되지 않음)를 통한 반용융 재료(50)의 이송을 보조하도록 다이 캐스팅기(84)는 장치(10)의 하부에 있을 수도 있다. 또는, 수직 방향 대신에, 다이 캐스팅기(84)는 장치(10)(마찬가지로 도시되지 않음)에 대해 수평하게 놓여질 수 있다.

도2와 도4에서, 제거 튜브(72)는 챔버 덮개(18)를 통해 장치(10)로부터 연장될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에 있어서, 제거 튜브(72)는 도5에 도시된 바와 같이 출구 포트(112)를 갖는 챔버 측벽(22)으로부터 연장된다. 이와는 다르게, 도5는 또한 출구 포트(113)를 갖는 하부 층(20)으로부터 연장되는 제거 튜브(73)를 도시한다. 양 경우에, 전술한 바와 같이, 제거 튜브(72)는 다이 캐스팅기(84)에 직접 연결된다.

다른 바람직한 실시예에 있어서, 챔버 측벽(22)은 다이 캐스팅기(84)(도시되지 않음)에 직접 인접해 있어서 이송 튜브(72)가 필요없다. 출구 포트(112)는 반용융 재료(50)를 샷 슬리브(88)에 공급한다. 부품(110)은 전술한 바와 같이 형성된다.

필요하지는 않지만, 전체 장치(10)를 조절된 환경(도시되지 않음)으로 유지하는 것이 바람직하다. 산화물은 쉽게 용융 재료와 반용융 재료의 외부층 상에 형성된다. 산화물 외의 오염물질들도 용용 및 반용융 재료 중에 유입된다. 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 환경 내에서는, 산화물의 형성이 적거나 형성되지 않는다. 또한, 불활성 환경은 반용융 재료 중에 오염물질이 보다 적게 한다. 그러나, 용융 재료(11)의 챔버(12)로의 전달부와 같은 장치(10)의 개별 부분으로 조절 환경을 제한하는 것이 보다 경제적이다. 경제적인 환경 조절을 위한 다른 개별 부분으로는 제거 포트(72)(또는 레이들(114))가 있다. 제거 포트(72)에서는, 반용융 재료(50)에 더이상 교반이 수행되지 않으며 재료는 곧 부품으로 주조된다. 이리하여, 이 단계에서 형성되는 산화물층은 용기(12) 내에서의 혼합에 의해 재료 중에 분포되지 않는다. 그 대신, 산화물은 반용융 재료의 외부층 상에 집중된다. 그러므로, 산화물의 형성을 줄이고 동시에 고농도의 산화물 포켓을 줄이기 위해서는, 조절된 질소 환경(또는 다른 적절하고 경제적인 환경)이 제거 포트(72) 단계에 마련되는 것이 바람직하다.

다음은 시동 사이클이 완료된 후의 전술한 공정 및 장치의 예이다. 677 ℃의 적정 온도로 용융된 알루미늄이 이미 대량의 반용융 재료가 수용된 챔버(12) 내에 부어진다. 제1 로우터(14)가 대략 30 rpm으로 회전되어 알루미늄을 시계 방향으로 교반 및 전단시킨다. 제2 로우터(16)는 약 300 rpm으로 회전하고 알루미늄을 전단시키면서 상방 및/또는 하방으로 강제 가압한다. 2개의 로우터(14, 16)의 합동 효과는 알루미늄을 완전히 3차원으로 교반 및 전단한다. 열 제어 시스템(30)은 수지상 조직이 형성되도록 알루미늄의 온도를 대략 600 ℃로 유지한다. 로우터(14, 16)는 수지상 조직이 형성되면 이들을 전단시킨다. 열 제어 시스템이 반용융 알루미늄을 대략 600 ℃로 유지하는 동안에, 로우터(14, 16)는 재료 내의 온도를 대체로 균일하게 유지하면서 반용융 알루미늄을 계속 혼합한다. 상기 특정 공정에 의해 제조되는 고형 입자의 크기는 일반적으로 50 내지 200 미크론 범위 이내이며, 반용융 알루미늄 내에 부유하는 고형물은 대략 20 체적％이다.

반용융 알루미늄은 챔버(12)로부터 이송 튜브(72)를 통해 다이 캐스팅기(84)의 샷 슬리브(88)에 이송된다. 제거 포트 가열기(80) 또한 반용융 알루미늄을 약 600 ℃로 유지한다. 캐스팅기(84) 내의 램(86)은 유압식 구동 장치(100)에 의해 작동되고 반용융 알루미늄은 다이(90) 내에 강제 유입되어 부품(110)으로 형성된다. 부품(110)과 다이(90)가 대략 400 ℃로 냉각되면, 부품이 제거된다.

본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예들로 여겨지는 것에 관해서만 설명하였으나, 당해 분야의 숙련자라면 본 명세서를 통해 본 발명에 가할 수 있는 다른 변형을 쉽게 알 수 있을 것이다. 그러므로, 이와 같은 모든 변형이 본 발명의 기술 사상 및 범주 내에 속하는 것으로 첨부된 청구 범위 내에 확고히 하고자 한다.

Claims (30)

1. 반용융 재료로부터 부품을 직접 제조하기 위한 장치에 있어서,

   용융 재료의 공급원과,

   용융 재료를 수용하는 용기와,

   용기의 온도를 제어하는 열 제어 수단과,

   대체로 등방성인 반용융 재료를 생성하기 위해 열 제어 수단과 연계하여 작용하고 용기 내의 재료를 교반하는 교반 수단과,

   열 제어되면서 용기로부터 반용융 재료의 일부를 제거하는 수단과,

   제거 수단으로부터의 반용융 재료의 일부를 수용하고 반용융 재료로부터 부품을 주조하기 위해 제거 수단에 직접 연결된 주조 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 교반 수단은 전자기 교반 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항에 있어서, 교반 수단은 상기 반용융 재료 내에 잠긴 기계적 교반 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제3항에 있어서, 기계적 교반 장치는 제1 교반 요소와 제2 교반 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 제1 교반 요소는 상기 용기의 측벽에 대체로 평행한 제1 부분을 갖는 아암을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제5항에 있어서, 제1 교반 요소의 상기 아암은 용기의 저벽에 대체로 평행한 제2 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제5항에 있어서, 제2 교반 요소는 오거 형상이며 제2 교반 요소의 축을 따라 반용융 재료의 혼합을 증진시키는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 주조 수단은 다이 캐스팅 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제8항에 있어서, 기계적 교반 장치는 세라믹이 피복된 스테인레스강인 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제1항에 있어서, 반용융 재료는 알루미늄 또는 그 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제1항에 있어서, 반용융 재료는 강 또는 그 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제1항에 있어서, 반용융 재료는 마그네슘 또는 그 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제1항에 있어서, 제거 수단은 이송 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제13항에 있어서, 이송 튜브는 내부 단열층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 이송 튜브는 단열층을 둘러싸는 지지 튜브와, 상기 지지 튜브를 둘러싸는 외부층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제15항에 있어서, 이송 튜브는 이송 튜브를 통해 통과하는 반용융 재료의 온도를 유지하는 가열 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제16항에 있어서, 이송 튜브는 이송 튜브를 통과하는 반용융 재료의 유동을 조절하는 유동 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제17항에 있어서, 이송 유동 제어 수단은 제거 사이클당 반용융 물질의 10분의 1 이하가 제거되도록 이송 튜브를 통한 반용융 재료의 유동을 조절하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제17항에 있어서, 이송 튜브는 챔버 내의 덮개를 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제17항에 있어서, 이송 튜브는 챔버 내의 측벽을 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제1항에 있어서, 주조 수단은 다이와, 램과, 그 사이에 배치되는 샷 슬리브를 포함하고, 샷 슬리브는 상기 반용융 재료의 일부를 수용하고 램은 부품을 형성하기 위해 상기 반용융 재료의 일부를 다이 내에 강제 유입시키는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 반용융 재료로부터 부품을 직접 제조하기 위한 장치에 있어서,

    반용융 재료의 공급원과,

    반용융 재료를 수용하는 용기와,

    반용융 재료의 온도를 제어하는 열 제어 수단과,

    용기 내의 반용융 재료를 교반하기 위해 상기 용기와 협력하는 교반 수단과,

    반용융 재료의 응고 전에 반용융 재료를 직접 부품으로 주조하기 위해 상기 용기에 연결된 다이 캐스팅 장치를 포함하며,

    상기 교반 수단과 열 제어기는 반용융 재료를 대체로 등온 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제22항에 있어서, 교반 수단은 전자기 교반 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제22항에 있어서, 교반 수단은 반용융 재료 내에 잠긴 기계적 교반 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제24항에 있어서, 기계적 교반 장치는 제1 교반 요소와 제2 교반 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제25항에 있어서, 제1 교반 요소는 용기의 측벽에 대체로 평행한 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
27. 제26항에 있어서, 제2 교반 요소는 오거 형상인 것을 특징으로 하는 장치.
28. 제27항에 있어서, 주조 수단은 다이 캐스팅 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
29. 제28항에 있어서, 기계적 교반 장치는 세라믹이 피복된 스테인레스강인 것을 특징으로 하는 장치.
30. 부분적으로 응고된 반용융 재료로부터 부품을 직접 제조하는 방법에 있어서,

    용기 내에 용융 재료를 수용하는 단계와,

    용융 재료를 교반 수단 및 열 제어 수단에 의해 반용융 재료로 형성하는 단계와,

    반용융 재료를 교반 수단 및 열 제어 수단에 의해 대체로 등온 상태로 유지하는 단계와,

    반용융 재료의 일부를 주조 장치에 직접 이송하는 단계와,

    상기 반용융 재료의 일부가 완전히 응고되기 전에 반용융 재료의 일부를 부품으로 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.