KR20020020846A

KR20020020846A - 알루미늄 베어링합금의 연속주조방법 및 연속주조장치

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Publication number: KR20020020846A
Application number: KR1020010055254A
Authority: KR
Inventors: 가고하라유키히코; 후지타마사히토; 야마모토고이치; 시바야마다카유키
Original assignee: 한지 세이고; 다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2001-09-08
Publication date: 2002-03-16
Also published as: CN1241701C; JP3881202B2; GB2366531A; EP1188501B1; AU752085B2; AU6556401A; JP2002120047A; DE60125671D1; US6471796B1; GB0022199D0; DE60125671T2; KR100452884B1; BR0103977A; EP1188501A1; BR0103977B1; GB2366531B; CN1347778A; ES2278693T3; ATE350184T1

Abstract

주행하는 한 쌍의 무단벨트 중 거의 평행으로 대향하는 부분의 사이에 주조공간을 형성하고, 이 주조공간에 용융된 Al베어링합금을 공급하여 판상으로 연속적으로 주조하는 방법에 있어서, 상기 Al베어링합금의 응고시의 냉각속도 △T를 3∼6℃/sec로 제어하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조방법이다.

단 △T=(T-500)/t

T: 알루미늄 베어링합금의 주조개시시의 온도(℃)이고,

t: 알루미늄 베어링합금의 온도가 500℃로 저하할 때까지의 주조개시로부터의 시간(sec)이다.

Description

알루미늄 베어링합금의 연속주조방법 및 연속주조장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTINUOUS CASTING OF ALUMINUM BEARING ALLOY}

본 발명은, 벨트주조수단에 의해 알루미늄 베어링합금을 판상으로 연속적으로 주조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이며, 특히 결정화물의 조대화(粗大化)를 방지하도록 한 것에 관한 것이다.

알루미늄, 알루미늄합금, 아연 기타의 비교적 낮은 온도에서 용융하는 금속을 연속적으로 판상으로 주조하는 장치로서, 한 쌍의 무단벨트의 사이에서 주조하는 구조의 벨트주조기는 공지이다.

이 공지의 벨트주조기는, 한 쌍의 무단벨트를 각각 복수의 롤러에 걸쳐, 그 한 쌍의 무단벨트의 거의 평행인 부분의 사이에서 수평 또는 수평에 대하여 근소한 각도만큼 경사진 주조공간을 형성한 구조의 것이다.

이 벨트주조기에서는, 한 쌍의 무단벨트는 냉각장치에 의해 냉각되면서 구동롤러에 의해 구동되어서 주행한다.

용융된 금속은 상기 주조공간 내에 공급되고, 무단벨트에 의해 냉각되어 판상으로 응고되고, 주조공간으로부터 연속적으로 송출된다.

이와 같은 이동주조형식의 벨트주조기는, 고정주조형식의 연속주조장치에 비해 주조속도가 빠르고 생산성이 우수하다.

자동차나 일반산업용기계의 엔진의 베어링으로서는 통상, 알루미늄 베어링합금(이하, 알루미늄합금)을 내장한 베어링(알루미늄합금 베어링)이 사용된다.

이 알루미늄합금 베어링은, 주조공정, 압연공정, 압접공정, 열처리공정, 기계가공공정을 순차로 경유하여 제조된다.

즉, 주조공정에서는 알루미늄 베어링합금을 용융시켜 판상으로 주조한다.

주조한 알루미늄합금의 판재는 이어 압연공정에서 압연되고, 압접공정에서 금속판으로 압접하여 바이메탈로 한다.

그리고, 알루미늄합금의 주조판재와 금속판의 접착강도를 높이기 위해 바이메탈을 소둔하고, 그 후 바이메탈을 기계가공하여 최종적으로 반원통상 또는 원통상의 베어링으로 형성한다.

그런데, 엔진의 베어링의 제조메이커에서는, 알루미늄합금을 판상으로 연속주조하는 장치로서 전술한 벨트주조기를 채용하여, 생산성의 향상을 도모하는 것이 행해지고 있다.

그러나, 벨트주조기는 주조속도가 빠르기 때문에 주조판재의 냉각속도는 늦게되어, 서냉 상태로 된다.

그러면, Sn, Si 등을 함유하는 Al합금에서는, Sn, Si 등의 결정화물의 조대화화 및 편석이 생기기 쉽고, 또 베어링특성을 향상시키기 위해 각종의 원소를 첨가시킨 Al합금도 같은 모양으로 금속간화합물의 결정화물이 조대화하기 쉬운 외에, 편석된다고 하는 문제가 발생한다.

그리고, 이와 같이 Al합금 중에서 결정화물이 편석 혹은 조대화하면, 소성변형성이 저하하여, 그 후의 압연, 압접 등 소성가공을 행하는 경우, 균열이 발생하거나 한다.

또, 베어링특성으로서도, 내피로성, 내마모성이 저하하거나 하여 베어링특성의 향상을 위해 각종의 원소를 첨가한 의미가 없어져 버린다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 벨트주조수단에 의해 Al합금을 판상으로 주조하는 경우에 있어서, 결정화물의 조대화, 및 편석을 방지할 수 있는 알루미늄 베어링합금의 연속주조방법, 및 연속주조장치를 제공하는데 있다.

도 1은, 본 발명의 1실시예에 따른 벨트주조기의 출구측의 단면도.

도 2는, 벨트주조기를 주체로 한 연속주조장치의 단면도.

도 3은, Al-Si-Fe 3원계 금속간화합물을 결정화시킨 주조판재의 현미경사진의 모식도.

도 4는, AL-Si-Fe의 3원계 금속간화합물을 포함하는 압연 후의 주조판재의 현미경사진의 모식도.

도 5는, 시험과 냉각비를 사용한 연속주조기형의 시험중의 합금주조의 화합물을 나타내는 도면.

도 6은, 도 5에 나타낸 합금에 관한 주조판재의 압연성과 구조의 시험결과를 나타내고, 또한 상기 합금으로 제조된 베어링에 대한 내피로성, 내마모성, 및 내용착성에 대한 시험결과를 나타내는 도면.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1. 벨트주조기 8, 9. 무단벨트

14. 용탕저장기 17, 18. 수냉재킷

19, 20. 롤러컨베이어 21. 주조판재

22, 23. 물분사파이프 24, 25. 비산방지부재

26, 27. 공기분출파이프

본 발명의 제 1의 형태는, 주행하는 한 쌍의 무단벨트 중 거의 평행으로 대향하는 부분의 사이에 주조공간을 형성하고, 이 주조공간에 용융된 Al합금을 공급하여 판상으로 연속주조하는 방법에 있어서, Al합금의 응고시의 냉각속도 △T를 3∼6℃/sec로 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.

단 △T=(T-500)/t

T: 알루미늄 베어링합금의 주조개시시의 온도(℃)

t: 알루미늄 베어링합금의 온도가 500℃로 저하할 때까지의 주조개시로부터의 시간(sec)

상기 3∼6℃/sec와 같은 냉각속도는, 종래의 벨트주조기의 냉각속도 1∼2℃/sec 에 비해 빠르다.

이와 같은 3∼6℃/sec와 같은 빠른 냉각속도로 Al합금을 응고시키면, 결정화물은 조대화 및 편석되지 않아, 그 후의 압연공정, 압접공정 등에서 균열이 발생하는 등의 불합리함을 발생시키는 일이 없고, 또 베어링특성을 저하시킬 염려도 없다.

본 발명의 제 2의 형태의 주조방법은, 특히 다음의 조성의 Al합금, 즉 3∼40질량%의 Sn, 0.5∼7중량%의 Si, 0.05∼2질량%의 Fe를 포함하고, Al-Si-Fe의 3원계 금속간화합물을 결정화시키는 신규의 Al합금을 주조하는 경우, 또한 본 발명의 제 3의 형태의 주조방법은, 3∼40질량%의 Sn, 0.5∼7중량%의 Si, 0.05∼2질량%의 Fe외에 Mn, V, Mo, Cr, Co, Ni, W중에서 선택된 1종 이상의 원소를 총량으로 0.01∼3질량% 함유하고, Al-Si-Fe에 그 선택된 원소가 첨가된 다원계 금속간 화합물을 결정화시키는 신규의 Al합금을 주조하는 경우에 아주 적당하다.

본 발명의 제 4의 형태에 따르면, 상기 신규의 Al합금에는, B, Ti, Zr중으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 총량으로 0.01∼2질량% 함유시킬 수가 있다.

본 발명의 제5의 형태에 따르면, 또, Cu, Mg, Zn으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 총량으로 0.1∼5질량% 포함시켜도 된다.

여기서 상기 신규의 Al합금을 개발하기에 이른 기술적 배경을 설명한다.

근년에 엔진의 고성능화에 수반하여, 엔진용베어링에는 새로운 내피로성, 내마모성의 향상이 요구되는 경향이 있다.

그 중, 내피로성에 대해서는, Cu, Mn, V 등의 원소를 첨가해서 Al합금을 강화하도록 하고 있다.

또, 내마모성에 관해서는, 일본국 특개소 58-64332호 공보에서 볼 수 있는 바와 같이, Al합금에 Si를 첨가하여 Al합금 중에 결정화되는 Si입자의 크기와 분포를 제어하는 것, 혹은 일본국 특개소 58-67841호에서 보이는 바와 같이, Al합금에 Mn, Fe, Mo, Ni 등을 첨가하여 Al합금 중에 그 Mn 등과 Al과의 금속간화합물을 결정화시키므로서 친화성, 내용착성을 높이고, 나아가서는 내마모성의 향상을 도모하고 있다.

상기 일본국 특개소 58-64332호 공보, 일본국 특개소 58-67841호 공보에서는, Si입자, 금속간화합물이 5㎛이상, 40㎛이하의 크기를 갖는 경우에 효과가 있다고 되어 있다.

그러나, 일반적으로 Al중에 포함되는 경질입자는 균일하게 분산되므로서 강화의 용도에 제공되고, 그 입자의 크기는 미세할수록 효과를 발휘할 수 있다고 되어 있으나, 일본국 특개소 58-64332호 공보, 특개소 58-67841호 공보와 같이 Si이나 금속간 화합물을 5㎛ 이상 40㎛ 이하라는 비교적 큰 직경을 갖는 입자로 제어하면, Al매트릭스의 강도가 저하하고 내피로성이 떨어지는 것으로 되어 버린다.

즉, 결정화입자를 작게 하여 내피로성을 향상시키고자 하면, 내용착성의 향상은 바랄 수가 없고, 역으로 결정화입자를 크게 하여 내용착성, 나아가서는 내마모성을 향상시키고자 하면, 내피로성의 향상은 바랄 수가 없게 된다.

본 발명자는, Al-Si-Fe의 3원계 금속간 화합물 혹은 Al-Si-Fe를 기초로 한 다원계 금속간 화합물을 결정화시키므로서, 내피로성을 손상시키는 일 없이, 내용착성, 및 내마모성을 향상시킬수 있는 Al합금을 발명했다.

이 Al-Si-Fe의 3원계 금속간화합물 Al-Si-Fe를 기초로 한 다원계 금속간 화합물은, 극히 안정되어 있어, 이면금속판과의 압접 후에 실시되는 열처리에 의해서도 그 기본적인 형태를 변경하는 일이 없다.

즉, Si 자체는 결정화물로서 3차원적으로는 입체적으로 연결된 산호상으로 결정화하지만, 주조 후의 압연, 이면금속판과 압접하는 때의 압연 등에 의해 미세하게 분쇄되어, 그 후의 열처리에 의해서도 형태를 변경해 버린다.

이것은 Si의 특징으로서, 특히 300℃를 초과하는 열처리에서는, 계면장력을 적게하고자 하여 비교적 둥근 모양을 띤 형상으로 변화한다.

특히, Al합금과 같은 Sn을 많이 함유하는 재료에 있어서는 그 경향은 조장된다.

그러나, 상기 3원계 금속간 화합물, 다원계 금속간화합물은, 그 결정화형태(그 일예를 도 3에 나타낸다)를 변경하지 않고, 통상의 열처리온도에서는, 전혀 그 형태에 변화가 없는 것이다.

또, 그 3원계 금속간화합물, 다원계 금속간화합물은, 베어링의 제조공정 중, 소성변형을 수반하는 압연, 압접공정에서 분쇄된다.

그러나, 이 분쇄에 의해, 금속간화합물은 날과 같은 파편과 같이 예리한 둘레를 갖는 형태(그 일예를 도 4에 나타낸다)가 된다.

Si입자에서는, 압연, 열처리를 경유하여 둥근모양을 띠고 미세하게 균열되어버리지만, 상기 3원계 금속간 화함물, 다원계 금속간화합물은, 예리한 둘레를 갖는 공격적인 형태를 갖는 것이다.

이와 같은 3원계 금속간화합물, 다원계 금속간화합물은, 소량으로도 상대축에 대한 중첩작용을 갖고, 특히 초기 마모의 불안정한 축과 베어링의 관계를 안정화시켜 친화성을 높이는데 극히 유효하다.

그 구체적인 작용은, 상대축의 표면의 돌출부나 상대축의 표면의 구상흑연주변의 비어져 나옴 등의 둘레부를 삭감하는 작용, Al합금의 약점인 상대축에의 응착에 의한 마모를 미연에 방지하고, 또한 응착물을 긁어 탈락시켜 용착을 미연에 방지하는 기능이다.

더욱이, 본 발명의 3원계 금속간화합물, 다원계 금속간화합물은, 압연을 경유해도 비교적 조대한 것이 많고, 분쇄되어서 미세화 된 Si입자는 Al매트릭스 중에 분산되어 그 강도를 높이는 효과를 갖는 것과 더불어, 내마모성, 내용착성의 향상과 내피로성의 향상과의 양립을 가능하게 하는 것이다.

이상과 같은 3원계 금속간화합물, 다원계 금속간화합물을, 결정화하는 Al합금을 주조하는 경우, 본 발명의 주조방법에 의해 3∼6℃/sec의 냉각속도로 응고시키면, 상기 금속간화합물이 조대화 하지 않고, 40∼55㎛의 크기의 결정으로 제어할 수 있음과 동시에 Si의 결정화물도 조대화하지 않고, 40㎛이하의 크기로 제어할 수가 있다.

그후에 주조판재로 압연하거나 이면금속판으로 압접시키는 때에, 금속간화합물은 분쇄되어서 1∼20㎛의 크기가 되고, Si의 결정화물은 5㎛이하의 크기의 입자가 된다.

상기 각 성분의 조성의 한정이유를 설명하면 다음과 같다.

(1) Sn(3∼40질량%)

Sn은, 베어링으로서의 내용착성, 친화성, 매립성 등의 표면성능을 개선한다.

Sn의 함유량이 3질량% 미만에서는 그 효과가 없고, 40질량%를 초과하면 베어링합금의 기계적 성질이 저하하여 베어링성능의 저하를 초래한다.

바람직한 Sn의 함유량은 6∼20질량%이다.

(2) Si(0.5∼7질량%)

Si은, Al매트릭스 중에 용해함과 동시에, 단체로 결정화하는 것은 미세하게 분산되고, 재료의 피로강도를 높이며, 또 내용착성, 내마모성의 향상에 기여한다.

한편, Si은 Al-Si-Fe계 금속간 화합물을 구성하는 필수원소로서, 적절한 중첩작용이나 내용착성, 내마모성의 향상에도 효과가 있다.

0.5질량% 미만에서는 Al합금에 용해해 버리고, 그 효과가 없다.

또, 7질량%를 초과하면, 조대 결정화하여, 오히려 베어링합금의 내피로성을 저해한다.

바람직한 Si의 함유량은 2∼6질량%이다.

(3) Fe(0.05∼2질량%)

Fe은 주로 Al-Si-Fe계 금속간화합물로서 결정화하고, 전술한 효과를 초래한다.

그 Fe를 포함하는 금속간화합물은 축과의 용착을 방지하고, 내마모성을 향상시킨다.

그 특성은 0.05∼2질량%가 유효하고, 0.05질량% 미만에서는 그 효과가 없고,2질량%를 초과하면 화합물의 조대화가 일어나고, 베어링합금이 취약하게 되어 압연가공에 문제가 생긴다.

바람직하게는 0.07∼1중량%이다.

(4) Mn, V, Mo, Cr, Co, Ni, W(1종 이상을 총량으로 0.01∼3질량%)

이들은 선택원소이며, 본 발명에 있어서의 다원계 금속간 화합물을 구성한다.

즉, Al-Si-Fe에 선택된 원소 α를 첨가한 Al-Si-Fe-α 의 다원계 금속간화합물을 생성한다.

물론, 단량체로 Al매트릭스 중에 용해해서 Al매트릭스도 강화한다.

다원계 금속간 화합물의 생성효과는, 0.01질량% 미만에서는 기대할 수 없고, 3질량%를 초과하면 다원계 금속간 화합물이 지나치게 조대화하여, 베어링합금으로서의 물성의 저하를 초래함과 동시에 압연 등의 소성가공에도 문제가 생긴다.

그 바람직한 함유량은 0.2∼2질량%이다.

(5) B, Ti, Zr(1종 이상을 총량으로 0.01∼2질량%)

이들 선택원소는, Al-Si-Fe계 금속간화합물의 생성에는 기여하지 않고, Al매트릭스에 용해되어 베어링합금의 피로강도를 높이는 효과를 갖는다.

0.01질량% 미만에서는 그 효과가 없고, 2질량%를 초과하면 베어링합금이 취약해진다.

그 바람직한 함유량은 0.02∼0.5질량%이다.

(6) Cu, Mg, Zn(1종 이상을 총량으로 0.1∼5질량%)

이들 선택원소는 Al매티릭스 강도를 향상시키는 첨가원소이며, 용액화처리를 실시하므로서 강제적으로 Al매트릭스에 용해시킬수가 있고, 급냉, 시효시키므로서 미세한 화합물을 석출시킬 수도 있다.

그 효과는 0.1질량% 미만에서는 기대할 수가 없고, 5질량%를 초과하면 조대화된 화합물이 되고 만다.

그 바람직한 함유량은 0.5∼4질량%이다.

본 발명의 제 6의 형태의 연속주조장치는, 주행하는 한 쌍의 무단벨트를 구비하고, 그 한 쌍의 벨트의 거의 평행에 대향하는 부분의 사이에 주조공간을 형성한 벨트주조수단과, 이 벨트주조수단의 상기 주조공간에 Al합금의 용탕을 그 주조공간의 일단측으로부터 공급하는 용탕공급수단과, 주조공간에 공급된 용탕을 한 쌍의 무단벨트를 거쳐 냉각시키는 냉각수단과, 한 쌍의 무단벨트의 주행에 의해 주조공간에서 연속적으로 주조되어 그 주조공간의 타단측으로부터 송출되는 주조판재에 대해 그 표리 양측으로부터 물을 분사해서 냉각시키는 물분사수단을 구비해서 된 것이다.

이 연속주조장치에 의하면, 주조공간으로부터 송출되는 주조판재에 대하여 그 표리 양측으로부터 물을 분사시키기 때문에 주조판재를 급냉시켜 응고시킬수가 있고, 결정화물의 조대화를 방지할 수가 있다.

본 발명의 제 7의 형태의 연속주조장치에서는, 주조판재를 일층 급속하게 냉각시킬 수가 있게 하기 위해, 주조판재에 대해 주조공간으로부터 송출된 직후의 부분에 물이 분사되도록 구성할 수가 있다.

또, 본 발명의 제 8의 형태에 따른 연속주조장치에서는, 물분사수단으로부터 주조판재에 분사된 물의 비산을 방지하는 비산방지부재를 주조공간으로부터 송출되는 주조판재의 표리 양측을 덮도록 배치할 수가 있다.

무단벨트는 용탕에 접촉되어 상당히 고온으로 된다.

이 때문에 물분사수단으로부터 분사된 물이 비산해서 무단벨트에 부착하고, 고온도의 Al합금에 비산되면 그 물이 폭발적으로 증기화 할 우려가 있다.

그러나, 본 발명의 제 8의 형태와 같이 비산방지부재를 설치하여 물분사수단으로부터 분사된 물이 무단벨트에 비산되지 않게 하므로서, 물이 폭발적으로 증기화하는 것을 효과적으로 방지할 수가 있다.

이 경우, 본 발명의 제 9의 형태와 같이, 비산방지부재의 적어도 주조공간측의 단말부를 주조공간측으로 향해 주조판재에 점차로 접근하도록 경사져 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 분사방지판이 경사져 있으면, 주조판재에 분사되어 비산된 물은 비산방지부재에 닿아서 주조공간으로부터 멀어지는 방향으로 튀어 오르기 때문에, 물이 무단벨트에 분사되는 것을 보다 확실히 방지할 수가 있다.

또, 물분사수단으로부터 분사된 물이 무단벨트에 분사되는 것을 보다 완전히 방지하기 위해, 공기분출수단에 의해 에어커튼을 형성해서 물분사수단으로부터 분사되어 비산한 물이 무단벨트에 부착하는 것을 방지하도록 구성할 수가 있다.

(실시예)

다음에 본 발명의 1실시예를 도면을 참조해서 설명한다.

Al합금을 판상으로 주조하는 연속주조장치는 벨트주조수단으로서의 벨트주조기를 주체로 해서 구성되어 있다.

벨트주조기(1)를 나타내는 도 2에 있어서, 기초대(2)에는 복수개의 지주(3)가 세워 설치되어 있고, 이들 지주(3)에 상부 기기틀(4)이 상하이동 가능하게 지지되어 있다.

또, 기초대(2)에는 상부 기기틀(4)의 하측 위치에 하부 기기틀(5)이 고정되어 있다.

그리고, 상하 양 기기틀(4, 5)에는 복수개의 롤러(6a)∼(6e), (7a)∼(7e)가 설치되어 있고, 이들 롤러(6a)∼(6e), (7a)∼(7e)에 상하 한 쌍의 무단벨트(8, 9)가 걸쳐져 있다.

또한, 무단벨트(8, 9)는 강판 혹은 내열섬유 등에 의해 형성되어 있다.

상기 각 기기틀(4, 5)의 롤러(6a)∼(6e), (7a)∼(7e) 중, 상부 기기틀(4)에 대해서는, 우상측의 롤러(6e), 하부 기기틀(5)에 대해서는 우하측의 롤러(7e)는, 각 기기틀(4, 5)에 회전 가능하게 지지된 아암(10, 11)의 선단부에 설치되어 있다.

그리고, 아암(10, 11)은 유압실린더(12, 13)에 의해 각각 화살표 A, B방향으로 회전 가세되어 무단벨트(8, 9)에 장력을 부여하고 있다.

또, 롤러(6a)∼(6e), (7a)∼(7e)는 모터(도시생략)에 연결되어 있어, 그 회전에 의해 무단벨트(8, 9)가 구동되어 각각 화살표 D, E방향으로 주행하도록 되어 있다.

상측의 무단벨트(8)의 롤러(6a 및 6b)간의 부분과 하측의 무단벨트(9)의 롤러(7a 및 7b)간의 부분은 상호 거의 평행으로 대향하고, 이 상하 한 쌍의 무단벨트(8, 9)의 거의 평행으로 대향하는 부분의 사이의 공간은 주조공간(C)으로 되어 있다.

물론, 주조공간(C)의 좌우 양측은 밀봉부재(도시생략)에 의해 폐쇄되어 있다.

그리고, 상기 기초대(2)의 도시한 좌측에는 주조공간(C)의 일단측의 위치에, 용탕공급수단으로서의 용탕저장기(14)가 설치되어 있고, 이 용탕저장기(14)에 주탕기(15)로부터 Al합금의 용탕이 공급된다.

용탕저장기(14)는 노즐(16)을 구비하고, 이 노즐(16)로부터 용탕을 주조공간(C)으로 공급하도록 되어 있다.

이와 같은 벨트주조기(1)는, 무단벨트(8, 9)를 냉각시키는 물냉각용재킷(17, 18)을 구비하고 있다.

이 물냉각용재킷(17, 18)은 상하 양 기기틀(4, 5)에 설치되어, 상하 한 쌍의 무단벨트(8, 9)의 거의 평행인 부분에 대해 주조공간(C)의 반대측으로부터 접촉하고 있다.

그리고, 이 물냉각용재킷(17, 18)은, 주조공간(C)내에 공급된 Al합금의 용탕을 무단벨트(8, 9)를 거쳐 냉각시킨다.

상하 양 기기틀(4, 5)에는, 주조공간(C)의 타단측에 위치해서 상하로 대향하는 롤러컨베이어(19, 20)가 설치되어 있고, 주조공간(C)에서 판상으로 주조된 Al합금(이하, 주조판재)(21)은 그들 롤러컨베이어(19, 20)간에 송출된다.

그리고, 이들 상하 양 롤러컨베이어(19, 20)의 주조공간(C)측의 부위에는, 도 1에도 나타내는 바와 같이 주조공간(C)으로부터 송출된 직후의 주조판재(21)에 대해 상하 양측으로부터 물을 분사하는 물분사수단으로서의, 그 주조판재(21)의 송출방향인 화살표 F방향에 따라 나란한 2개의 물분사파이프(22, 23)가 설치되어 있다.

이 실시예에서는, 주조판재(21)의 판의 두께는 15mm로 설정되어 있으나, 상부 기기틀(4)의 상하방향의 위치를 조절하여 주조간격(C)의 높이를 조절하므로서 변경가능하다.

상하 양 기기틀(4, 5)에는, 물분사파이프(23, 24)로부터 분사된 물이 외부로 비산되는 것을 방지하는 비산방지부재(24, 25)가 설치되어 있다.

이들 상하의 비산방지부재(24, 25)는 얕은 바닥의 편평용기상으로 형성되어 주조판재(21)의 통로인 상하의 롤러컨베이어(19, 20)를 덮어 은폐하도록 설치되어 있다.

이들 비산방지부재(24, 25)의 주조공간(C)측의 단말부는, 그 상하의 간격이 주조공간(C)으로 향해 점차로 좁아지도록, 상부 비산방지부재(24)에 대해서는 상면이 주조공간(C)으로 향해서 하향으로 경사지고, 하부 비산방지부재(25)에 대해서는 하면이 주조공간(C)으로 향해 상향으로 경사지도록 형성되어 있다.

또, 상하의 비산방지부재(24, 25)의 내측에는, 상기 물분사파이프(22, 23) 보다도 주조공간(C)측에 위치해서 공기분출수단으로서의 공기분출파이프(26, 27)가 설치되어 있다.

이 공기분출파이프(26, 27)는, 상하 양측으로 향해 공기를 분사하므로서 비산방지부재(24, 25)와 주조판재(21) 사이에 에어커튼을 형성해서, 물분사파이프(22, 23)로부터 분사된 물이 주조공간(C)측(화살표 F방향과 반대측)으로 향해 진행하여 무단벨트(8, 9)에 부착하는 것을 방지하고 있다.

또한, 롤러컨베이어(19, 20)로부터 송출된 주조판재(21)는, 그후 핀치롤러(28, 29) 사이에 끼워 넣어지고, 최종적으로 도시하지 않은 권취기에 의해 코일형상으로 권취된다.

다음에 상기와 같이 구성한 연속주조장치에 의해 Al합금을 주조하는 경우의 작용을 설명한다.

용융된 Al합금을 주탕기(15)로부터 용탕저장기(14)에 주입하면, 그 용탕은 용탕저장기(14)의 노즐(16)로부터 주조공간(C)으로 공급된다.

주조공간(C)에 공급된 용탕은 수냉재킷(17, 18)에 의해 무단벨트(8, 9)를 거쳐 냉각되고, 그 냉각에 의해 점차로 응고하여 판상으로 형성되면서 화살표 D, E방향으로 주행하고 있는 무단벨트(8, 9)에 의해 화살표 F방향으로 송출된다.

그리고, 물분사파이프(22, 23)는 주조판재(21)에 대해서 주조공간(C)으로부터 송출된 직후의 부분에 물을 분사한다.

이와 같이 주조판재(21)는, 주조공간(C)으로부터 나오면, 즉시 분사수에 의해 냉각되기 때문에, 수냉재킷(17, 18)에 의한 냉각에 이어 물분사파이프(22, 23)로부터의 분사수에 의한 냉각도 행해지고, 이 분사수에 의해 주조판재(21)는 급냉되어 응고를 완료하는 것이다.

이 실시예에서는 알루미늄합금으로서는 3∼40질량%의 Sn, 0.5∼7질량%의 Si, 0.05∼2질량%의 Fe를 함유하는 합금, 혹은 3∼40질량%의 Sn, 0.5∼7질량%의 Si, 0.05∼2질량%의 Fe 외에 Mn, V, Mo, Cr, Co, Ni, W중으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 총량으로 0.01∼3질량% 함유하는 합금이 사용된다.

이 Al합금의 용탕은, 약 800℃로 주조공간(C)에 공급된다.

그리고, Sn을 제외한 부분의 응고가 완료되는 약 500℃로 까지 냉각된 시점을 응고의 완료로 한다.

이 응고완료까지 수냉재킷(17, 18)과 물분사파이프(22, 23)의 냉각에 의해 주조판재(21)가 3∼6℃/sec의 냉각속도로 주조개시온도인 800℃로부터 500℃까지 온도저하하도록 수냉재킷(17, 18)의 통수량과 물분사파이프(22, 23)로부터의 분사수량이 설정된다.

이와 같은 냉각속도로 급냉시키므로서, 주조판재(21)의 결정화물의 조대화, 및 편석이 방지된다.

이상으로부터 명백한 바와 같이, 여기서 말하는 냉각속도는, 냉각속도 △T=(주조개시온도 T-500)/(주조판재의 온도가 500℃로 저하하기까지의 주조개시로부터의 시간)로 정의되어 있는 것이다.

그런데, 물분사파이프(22, 23)로부터 분사수에 의한 냉각시에 있어서, 분사수는 주조판재(21)에 닿아서 비산한다.

Al합금은 약 800℃의 고온에서 주조공간(C)에 공급되기 때문에, 무단벨트(8, 9)에 물이 부착하면 Al합금의 용탕에 접촉한 때 그 물이 급격히 증발하여 위험하다.

그러나, 이 물분사는 상하 한 쌍의 비산방지부재(24, 25)의 사이에서 행해지기 때문에, 주조판재(21)에 닿아 비산한 물은 비산방지부재(24, 25)에 의해 차단되어 외부로 비산되는 일은 없어, 무단벨트(8, 9)에 물이 부착할 염려는 없다.

이 경우, 비산방지부재(24, 25)의 주조공간(C)측의 단말부는, 그 상하의 간격이 주조공간(C)으로 향해 점차 좁아지도록, 상부 비산방지부재(24)에 대해서는 상면이 주조공간(C)으로 향해 하향으로 경사지고, 하부 비산방지부재(25)에 대해서는 하면이 주조공간(C)으로 향해 상향으로 경사지도록 형성되어 있기 때문에, 주조공간(C)측으로 향하여 비산하려고 하는 물은, 그 비산방지부재(24, 25)의 경사면(24a, 25a)에 충돌하여 주조공간(C)의 반대측으로 튀어오르게 되기 때문에, 상하의 비산방지부재(24, 25)와 주조판재(21) 사이에 존재하는 간극으로부터 물이 외부로 비산하는 것을 방지할 수 있다.

더구나, 물분사파이프(22, 23)보다도 주조공간(C)측에 설치된 공기분출파이프(26, 27)가, 비산방지부재(24, 25)와 주조판재(21) 사이에 에어커튼을 형성하기 때문에, 물분사파이프(22, 23)로부터 분사된 물이 주조공간(C)방향으로 진행하여 비산방지부재(24, 25)와 주조판재(21) 사이로부터 주조공간(C)측으로 누출되어 무단벨트(8, 9)에 부착하는 것을 일층 확실히 방지할 수가 있다.

또한, 비산방지부재(22, 23)에 의해 받아진 물은, 하부 비산방지부재(23)에 설치된 배출로(도시생략)로부터 배수된다.

그런데, 연속 주조된 주조판재(21)중에는 도 3에 나타내는 바와 같이, Al-Si-Fe의 3원계 금속간화합물, 혹은 Al-Si-Fe에 Mn, V, Mo, Cr, Co, Ni, W 중, 선택된 원소와의 다원계 금속간화합물(Al-Si-Fe-Mn 등)이 결정화함과 동시에 Si 입자가 결정화한다.

그리고, 이 주조공정에서 그 주조판재(21)의 냉각속도를 상기와 같이 3∼6℃/sec로 제어하므로서, 상기 금속간화합물의 결정화물의 크기를 30∼70㎛, Si혼성결정화조직의 크기를 40㎛ 이하로 제어할 수가 있다.

연속 주조된 주조판재(21)는, 그후, 냉간에서 15mm로부터 6mm의 판의 두께로 연속 압연되며, 다음에 주조판재(21)에 압착층 형성용의 얇은 Al판을 압접하고, 그후, 주조판재(21)를 이면금속판에 압접해서 바이메탈을 제조한다.

이어서, 주조판재(21)와 이면금속판의 접착력을 높이기 위한 소둔을 행한 후, Al합금을 강화하기 위해 470℃로 20분간 유지하는 용액처리를 행하여, 수냉후 170℃에서 15시간 유지하는 시효처리를 실시한다.

금속간화합물은, 상기 압연, 압접 등에 의해 주조 당초의 크기 40∼55㎛로부터 1∼20㎛정도로 분쇄되어, 도 4에 나타내는 바와 같이, 예리한 둘레를 갖는 각진형상으로 됨과 동시에 그 금속간화합물로 된 경질입자가 1mm²당 6∼200개 분포하도록 한다.

이와 같은 경질입자의 크기 및 분포는 그후의 열처리에 의해 거의 변경되는 일이 없다.

한편, Si입자도 압연, 압접 등에 의해 분쇄되어 시효처리 후의 최종적인 형태에서는 최대직경이 5㎛ 미만의 둥근 모양을 띤 형상으로 1mm²당 200개 이상 분포하도록 한다.

그후, 바이메탈을 기계가공해서 반원통상의 베어링을 제조한다.

도 5는, 시험을 위해 주조를 실시한 합금성분(질량%), 주조에 사용한 연속주조장치의 종류, 냉각속도를 나타낸다.

동 도면의 주조장치 란의 BC1은 물분사파이프를 구비한 본 발명의 연속주조장치, BC2는 물분사파이프가 없는 종래의 연속주조장치를 나타낸다.

도 6은, 도 5의 합금 1∼6(발명품), 합금11∼16(종래제품)에 대해, 주조판재의 조직검사, 압연성의 조사결과, 및 베어링으로서 제조하여 피로시험, 마모시험, 용착시험을 행한 결과를 나타낸다.

피로시험, 마모시험, 용착시험의 조건은 표 1∼3에 나타낸다.

표 1

피로시험 시험조건
시험기	피로시험기
회전수	3250rpm
원주속도수	9.0m/sec
시험시간	20Hours
급유온도	100℃
급유압력	0.49MPa
윤활유	VG68
축재질	JIS-S55C
평가방법	피로가 없는 최대면압

표 2

마모시험 시험조건
회전수	1000rpm
원주속도수	1.0m/sec
시험하중	10MPa
시험시간	10Hours
시험시간	기동 60sec, 정지 30sec
급유량	2ml/min
윤활유	VG22
축재질	JIS-S55C

표 3

용착시험 시험조건
회전수	7200rpm
원주속도수	20m/sec
시험하중	10분마다 10MPa씩 증가
급유온도	100℃
급유량	150ml/min
윤활유	VG22
축재질	JIS-S55C
평가방법	베어링배면온도 200℃를 초과하던가, 토오크변동에 의해 축구동용벨트가 슬립한 때 용착으로 함

우선, 도 6에 나타내는 조직검사 시험결과에 대해 분석해 본다.

동 도면에 있어서, 조직 란의 "○"표는 편석이 없고, 또한 금속간화합물의 결정화물의 크기는 40∼55㎛의 범위로서 균일하게 분산되어 있는 것을 나타내고, "×"표는 편석이 있는 것을 나타낸다.

이 도 6에서 나타내는 편석이란, 주조판재의 조직의 결정입자에 불균일이 있거나, 혹은 Sn이나 Si의 분포가 불균일하거나, 혹은 조대(粗大)한 Al-Si-Fe계의 금속간화합물이 존재하는 상태를 나타낸다.

압연성에 대해서는 압연공정에서 50% 압하한 경우의 주조판재의 단말부의 균열의 깊이로 평가하고, 균열의 깊이가 5mm이하인 것에는 "○"표, 5mm를 초과하는 것에는 " ×"표를 부여하고 있다.

동 도면으로부터 명백한 바와 같이, 냉각속도 3∼6℃/sec로 급냉시키는 발명품은 어느 것이나 조직에 편석은 없고, 냉각속도 3℃/sec 미만에서 서냉상태로 되는 종래제품은 어느 것이나 조직에 편석이 있었다.

그 결과, 발명품은 어느 것이나 압연시의 균열이 경미하여 압연성이 양호하고, 종래품은 큰 균열이 생겨 압연성이 떨어지는 것을 알 수 있다.

이 때문에 발명품에서는 1회당의 압하량을 크게 해서 생산성을 높이는 것이 가능하다.

또, 내피로성, 내마모성, 내용착성에 대해서도, 발명품의 쪽이 종래품보다도 우수한 것이 이해된다.

이와 같이 본 발명은, 용융한 Al합금을 3∼6℃/sec의 냉각속도로 냉각시켜 주조판재(21)를 주조하므로서, 이 주조판재(21)에 결정화하는 금속간화합물 및 Si을 조대화하지 않도록 적당한 크기로 제어하고, 이것으로서 그후의 압연시에 주조판재(21)에 균열이 발생하지 않도록 함과 동시에, 그 압연에 수반하여 생기는 금속간화합물, Si결정화물의 분쇄에 의해 금속간 화합물에 대해서는, 전술한 중첩작용 등을 유효하게 발휘시켜 내용착성 나아가서는 내마모성을 향상시킬 수 있는 크기가 되도록 하고, Si입자에 대해서는 Al매트릭스에 널리 분포해서 내피로성을 향상시킬 수 있는 크기로 되도록 할 수가 있는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 또한 도면에 나타내는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 예를들면, Al-Si-Fe의 3원계 금속간 화합물, Al-Si-Fe에 Mn 등을 첨가한 다원계 금속간 화합물을 결정화하는 알루미늄계 베어링합금을 대상으로 한 것에 한정되지 않고, 통상의 알루미늄계 베어링합금을 대상으로 하는 주조방법, 주조장치에 적용해도 되는 등, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변경해서 실시할 수가 있다.

Claims

주행하는 한 쌍의 무단벨트 중, 거의 평행으로 대향하는 부분 사이에 주조공간을 형성하고, 이 주조공간에 용융된 Al베어링합금을 공급하여 판상으로 연속적으로 주조하는 연속주조방법에 있어서,

상기 Al베어링합금의 응고시의 냉각속도 △T를 3∼6℃/sec로 제어하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조방법.

단, △T=(T-500)/t

T: 알루미늄 베어링합금의 주조개시시의 온도(℃)

t: 알루미늄 베어링합금의 온도가 500℃로 저하할 때까지의 주조개시로부터의 시간(sec)
제 1항에 있어서,

상기 알루미늄 베어링합금은, 3∼40질량%의 Sn, 0.5∼7중량%의 Si, 0.05∼2질량%의 Fe 및 잔부가 Al과 불가피한 불순물들로 구성되고, Al-Si-Fe의 3원계 금속간화합물을 결정화시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조방법.
제 1항에 있어서,

상기 알루미늄 베어링합금은, 3∼40질량%의 Sn, 0.5∼7중량%의 Si, 0.05∼2질량%의 Fe 및 잔부가 Al과 불가피한 불순물들로 구성되고, Mn, V, Mo, Cr, Co, Ni, W 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 총량으로 0.01∼3질량% 함유하고, Al-Si-Fe에 그 선택된 원소가 첨가된 다원계 금속간 화합물을 결정화시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조방법.
제 1항에 있어서,

상기 알루미늄 베어링합금은, B, Ti, Zr 중으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 총량으로 0.01∼2질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조방법.
제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 알루미늄 베어링합금은, Cu, Mg, Zn으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 총량으로 0.1∼5질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조방법.
알루미늄 베어링합금을 판상으로 연속적으로 주조하는 연속주조장치에 있어서,

주행하는 한 쌍의 무단벨트를 구비하고, 그 한 쌍의 벨트의 거의 평행으로 대향하는 부분 사이에 주조공간을 형성한 벨트주조수단과,

상기 벨트주조수단의 상기 주조공간에 상기 Al베어링합금의 용탕을 그 주조공간의 일단측으로부터 공급하는 용탕공급수단과,

상기 주조공간에 공급된 용탕을 상기 한 쌍의 무단벨트를 거쳐 냉각시키는 냉각수단과,

상기 한 쌍의 무단벨트의 주행에 의해 상기 주조공간에서 연속적으로 주조되어 그 주조공간의 타단측으로부터 송출되는 주조판재에 대해, 그 표리 양측으로부터 물을 분사하여 냉각시키는 물분사수단을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 6항에 있어서,

상기 물분사수단은, 상기 주조판재에 대해, 상기 주조공간의 타단측으로부터 송출된 직후의 부분에 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 6항에 있어서,

상기 물분사수단으로부터 주조판재에 분사된 물의 비산을 방지하는 비산방지부재가 상기 주조공간으로부터 송출되는 상기 주조판재의 표리 양측을 덮도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 7항에 있어서,

상기 물분사수단으로부터 주조판재에 분사된 물의 비산을 방지하는 비산방지부재가, 주조공간으로부터 송출되는 주조판재의 표리 양측을 덮도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 8항에 있어서,

상기 비산방지부재의 적어도 주조공간측의 단말부는, 주조공간측으로 향하여 주조판재에 점차로 접근하도록 경사져 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 9항에 있어서,

상기 비산방지부재의 적어도 주조공간측의 단말부는, 주조공간측으로 향하여 주조판재에 점차로 접근하도록 경사져 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 6항에 있어서,

상기 물분사수단 보다도 상기 주조공간측에 있어서, 에어커튼을 형성하여 상기 물분사수단으로부터 분사된 물이 상기 무단벨트측으로 비산하는 것을 방지하는 공기분출수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 7항에 있어서,

상기 물분사수단 보다도 상기 주조공간측에 있어서, 에어커튼을 형성하여 상기 물분사수단으로부터 분사된 물이 상기 무단벨트측으로 비산하는 것을 방지하는 공기분출수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 8항에 있어서,

상기 물분사수단 보다도 상기 주조공간측에 있어서, 에어커튼을 형성하여 상기 물분사수단으로부터 분사된 물이 상기 무단벨트측으로 비산하는 것을 방지하는 공기분출수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 9항에 있어서,

상기 물분사수단 보다도 상기 주조공간측에 있어서, 에어커튼을 형성하여 상기 물분사수단으로부터 분사된 물이 상기 무단벨트측으로 비산하는 것을 방지하는 공기분출수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 10항에 있어서,

상기 물분사수단 보다도 상기 주조공간측에 있어서, 에어커튼을 형성하여 상기 물분사수단으로부터 분사된 물이 상기 무단벨트측으로 비산하는 것을 방지하는공기분출수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.
제 11항에 있어서,

상기 물분사수단 보다도 상기 주조공간측에 있어서, 에어커튼을 형성하여 상기 물분사수단으로부터 분사된 물이 상기 무단벨트측으로 비산하는 것을 방지하는 공기분출수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 베어링합금의 연속주조장치.