KR20020055054A - 고압주조용 코어의 제조방법 및 오일 갤러리가 포함된엔진용 피스톤의 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 고압주조용 코어의 제조방법은 용융금속 내에 디핑한 후 즉시 꺼내어 냉각시킴으로써 코어 표면에 응고 금속박막층을 형성하는 공정을 포함함으로써, 기존의 중력주조용으로 제조된 코어를 가압조건하에서 사용하더라도 표면에 형성된 금속박막층에 의해 코어내부로의 용탕 침투가 방지되어 저코스트로도 고압주조에 적합한 코어를 제조하는 것이 가능하고, 또 기존의 고압주조용으로 개발된 분말코어들이 가졌던 문제점, 즉 코어 제거시 용해가 잘 안되어 장시간 용해해야 하는 단점들도 해소되는 점에서 효과가 있다.

Description

고압주조용 코어의 제조방법 및 오일 갤러리가 포함된 엔진용 피스톤의 주조방법{preparation method of high-pressure casting core and casting method of engine piston containing oil gallery}

본 발명은 고압주조용 솔트코어의 제조방법에 관한 것이다.

주조공정은 액체의 유동을 이용하는 것으로 액체를 준비된 용기에 넣어 용기를 채우고 냉각동안 응고하는 재료가공방법의 하나이다.

주조공정(casting process)은 한 단계의 작업만으로 용융가능한 재료를 이용하여 단순하거나 복잡한 형상을 만들 수 있다는 장점이 있다. 용융된 금속재료를 공동(cavity) 또는 응고시 원하는 형상을 가지고 있는 주형(mold)에 주입하는 것으로서, 주물(material)은 다양한 크기와 무게의 구조물이 가능하고, 주형재료(주물사, 금속 또는 다른 재료)와 주입방법(중력, 진공, 저압 또는 고압)에 따라 여러가지 공정이 이용된다. 주조공정은 주형공동(mold cavity)의 형성. 용융공정, 주입공정 및 주형분리 공정 등으로 구성된다. 주형공동은 원하는 형상과 크기를 가진 주형의 공동은 응고 재료의 수축에 따른 적당한 여유율을 가져야 한다. 용융공정은 적정 온도로 용융금속 가열하는 것으로서, 산소의 포화로 생기는 기포 방지하는 것이고, 주입시는 공기나 가스가 제거되도록 준비한다. 응고시에는 응고와 응고수축이 내부기포나 틈을 만들지 않도록 설계한다. 이어서,주형을 분리하고 분리된 후에는 세척, 다듬질, 검사(NDT)를 함으로써 주조공정이 마무리된다.

특히, 주물의 내부 형상을 만들기 위해 주형내에 삽입하는 것을 코어라고 한다. 코어는 중공제품을 제조하는 데 사용된다. 코어는 주조 중에 용융 금속의 열과 압력에 대해 그 형상을 유지하기에 충분한 기계적 강도를 가져야 하는 반면, 주조 후 주조품으로부터 용이하게 제거될 수 있도록 비교적 쉽게 파손되어야 한다. 이러한 코어의 재료로서는 모래, 열경화성 수지(예: foam) 및 솔트(salt)가 일반적으로 사용된다. 모래를 사용하는 방법의 경우, 모래는 바인더와 함께 코어를 형성하는데, 원하는 구조를 코어 주변에 주조한 후에, 코어를 지지하는 바인더 및 모래를 용매를 이용하여 제거하게 된다. 열경화성 수지를 사용하는 방법(foam casting)에서는 코어 재료로서 폼(foam)이 사용된다. 그러나, 이들 방법 들은 각각 환경적 측면 등에서 결점이 있어, 최근에는 솔트(salt)를 재료로 사용하는 솔트 코어 방법이 많이 사용된다. 일반적으로 중력 주조용(대기압하에서 압탕을 이용한 주조)의 경우, 솔트 코어는 약 200-300 m 정도의 입도를 가지는 염화나트륨과 1-2% 정도의 산화마그네슘, 붕사, 활석을 첨가하여 제조된다.

도 1은 종래의 코어를 사용한 주조방법을 설명하기 위한 단면도로서, 도면부호 10은 코어 외표면에 형성된 알루미늄 등의 금속으로 이루어진 용탕의 응고층(최종 주조된 성형층)을 나타내고 있고, 도면 부호 20은 코어를 보인 것이다.

코어를 이용한 주조방법은 특히 복잡한 형상의 중공제품의 주조에 사용되며, 예를 들어, 자동차 엔진용 피스톤에 적용되는 오일갤러리의 주조시에 유용하다. 엔진용 피스톤은 실린더 내에서 발생한 연소 폭발력을 받아 피스톤 핀과 커넥팅 로드를 통하여 크랭크 축에 전달하는 부품으로서, 엔진용 피스톤의 설계시 냉각장치로서 중공 형상의 오일 갤러리를 설치하는 경우가 있다. 오일 갤러리는 탑 링 구르부의 온도를 강하시켜 피스톤 링과의 소착을 방지하고 핀 보수 부위의 온도를 강하시켜 고온강도를 확보하며 피스톤 크라운 연소실 표면 부위의 온도를 낮추어 열피로 균열을 방지하기 위한 것이다.

한편, 피스톤의 미세조직 치밀화를 통한 피로강도 향상과 피스톤의 경량화를 달성하기 위한 수단으로서 피스톤 제조시 고압주조, 예를 들어 스퀴즈 주조(Squeeze Casting : 1000kgt/cm²)같은 고압주조를 적용하는 사례가 점점 늘고 있다.

이러한 고압주조에 있어서, 종래의 모래를 이용한 코어나 염 코어는 주조압에 의해 용융금속이 코어 내부로 침투되거나, 코어가 고압에 견디지 못하고 붕괴되므로 고압으로 주조하는 주조공법에는 적용이 불가능하기 때문에, 이들 고압주조에 사용할 수 있는 몇가지 종류의 코어 제조기술이 개발되어 있다.

예를 들면, 미국 특허 3963818호는 염화나트륨(sodium chloride), 염화칼륨(potassium chloride) 등의 수용성 염 분말에 1%정도의 수분을 함유시킨 후 1.8∼4.0톤/㎠의 고압으로 성형하여 100∼300℃의 온도에서 20분 정도 소성시켜 코어를 제조하는 기술을 개시하고 있고, 미국 특허 4438804호에는 수용성 염 분말에 지르콘 샌드(Zircon sand) 등의 경질 분말을 혼합하고, 결합제로서 탄산칼륨(potassium carbonate)과 탄산바륨(barium cabonate) 혹은 알칼리 규산염(alkali silicate)를 사용하여, 고압으로 코어를 성형하는 방법이 개시하고 있으며, 미국 특허 3407864호에는 염화나트륨, 염화칼륨 등의 수용성 염 분말에 3wt%의 붕사, 1wt%의 산화마그네슘.1wt%의 활석을 혼합하여 고압으로 코어를 가압 성형하는 기술을 제시하고 있고, 독일특허 2156720는 수용성 염 분말을 정수압(isostatic)을 이용해 코어를 제조하는 방법이 개시하고 있다.

이러한 방법들은 높은 가압력과 정수압을 이용하므로, 염 분말과 분말 사이의 공극이 최소화되고 결합력도 강함으로서 일반적으로 5,000∼20,000psi 정도의 주조압력에도 코어형태가 변형되지 않고, 용융금속이 코어 내부로 침투되는 것을 억제시킬 수는 있는 장점이 있는 반면, 가압성형 할 수 있는 코어의 크기와 형상에 한계가 있고, 염 분말의 입도를 매우 세밀하게 조절되야 함으로서 제조 코스트가 비싸다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 마련된 것으로서, 코어를 이용한 중공제품의 고압주조에 있어서, 기존의 코어 재료를 그대로 사용하면서도 고압환경으로 인한 코어로의 용탕침투 현상을 방지할 수 있도록 하는 코어제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고압주조용 코어의 제조방법에 있어서, 용융금속 내에 디핑한 후 즉시 꺼내어 냉각시킴으로써 코어 표면에 응고 금속박막층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한, 상기 용융금속은 상기 코어가 설치된 주형에서 고압주조하고자 하는 금속의 소재와 동일한 재질인 방법을 더욱 제공한다.

또한, 상기 금속이 알루미늄인 방법을 더욱 제공한다.

또한, 상기 코어는 솔트 코어인 방법을 더욱 제공한다.

또한, 상기한 코어 제조공정 중 하나를 포함하는, 오일 갤러리가 포함된 엔진용 피스톤의 주조방법을 더욱 제공한다.

도 1은 기존의 코어 및 그 표면에 주조된 금속성형층을 보인 단면도.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 코어를 사용하여 표면에 금속성형층을 주조한 예를 보인 단면도.

이하, 본 발명을 도면을 참조로 하여 상세히 설명하도록 한다.

고압주조용 코어의 제조방법에 있어서, 용융금속 내에 디핑한 후 즉시 꺼내어 냉각시킴으로써 코어 표면에 응고 금속박막층을 형성하는 공정을 포함한다. 고압주조는 스퀴즈 캐스팅(1000kgt/cm²) 등을 예로 들 수 있다. 상기 코어(2)는 기존의 중력주조에 사용되는 것과 동일한 것으로서, 즉 입자크기가 약 200-300 m 인 것을 사용할 수 있다. 상기 주조에 사용되는 금속재료는 알루미늄이나 마그네슘 같은 경량 금속인 경우가 많다.

상기 코어(2)는 코어 성형틀에 주입하여 응고시키거나 미세한 분말 상태로 가공하여 코어용 형틀에서 가압 성형하여 제조한다. 코어(2)의 금형(성형틀)의 재질로는 열전도 특성이 우수한 흑연이 바람직한데, 상기 흑연 재질은 용융염의 주입특성이 우수해지고, 응고속도가 높아져 코어표면의 응고조직이 치밀하기 때문이나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 방법에 의해 성형된 코어(2)를 이번에는 알루미늄 또는 마그네슘과 같은 용융금속에 짧은 시간 침지시켰다가 꺼낸다. 이러한 침지공정은 일반 대기압하에서 일어나므로 코어(2) 내부로의 알루미늄 등의 용탕의 침투는 발생하지 않게 된다. 또, 이러한 침지 공정은 열적인 코어의 변형이 발생하지 않을 정도의 매우 짧은 시간에 이루어지도록 한다. 이러한 침지 공정 이후, 꺼내어진 코어에는 표면에 얇은 층의 알루미늄 또는 마그네슘의 금속층이 묻어나게 된다. 이 코어를 즉시 공기 중에서 강제 냉각시키면 코어(2) 표면의 금속층은 응고하여 얇은 박막층(3)을 형성하게 된다.

이러한 공정에 의해 제조된 솔트 코어(2)를 고압주조에 사용하게 된다. 도2는 본 발명에 의한 코어를 이용한 주조 공정 중에 있는 코어, 금속박막층 및 주조용 용탕의 구성을 보인 단면도이다. 금형내에서 코어(2)의 표면에는 금속박막층(3)이 형성되어 있고, 금속 용탕(1)이 그 위에 위치하게 된다.

이 때, 용탕(1)에 의해 코어가 받는 하중은 내부에 존재하는 기존의 중력주조용 솔트 코어(2)가 지지하게 되나, 코어 내부로의 용탕 침투는 코어 표면에 형성된 응고된 얇은 금속박막층(3)이 지지하게 된다. 이 때, 코어 표면에 형성되게 되는 금속박막층(3)으로서 이후 고압주조에 사용하게 되는 용융금속과 동일하게 재질을 사용하면, 이 박막층이 최종 성형품과 일체를 이루게 되므로 최종 성형품(1)에 다른 재질의 금속층이 묻어나오는 등의 단점을 미리 방지할 수 있어 더욱 유리하다.

이러한 방법에 의하여 고압주조용 코어를 제조하는 경우, 기존에 사용되고 있는 저코스트의 코어재료를 사용하면서도 품질문제를 해결할 수 있다. 또, 이와 같이 전처리된 솔트 코어를 고압주조에 사용하게 되면, 기존의 고압주조용으로 개발되었던 코어들이 가졌던 문제, 즉 미세한 입자의 솔트를 사용함에 따라 코어 제거시 용해가 잘 안되고 오랜 시간 용해하여야 하는 문제점들도 해소할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 고압주조용 코어의 제조방법은 용융금속 내에 디핑한 후 즉시 꺼내어 냉각시킴으로써 코어 표면에 응고 금속박막층을 형성하는 공정을 포함함으로써, 기존의 중력주조용으로 제조된 코어를 가압조건하에서 사용하더라도 표면에 형성된 금속박막층에 의해 코어내부로의 용탕 침투가 방지되어 저코스트로도 고압주조에 적합한 코어를 제조하는 것이 가능하고, 또 기존의 고압주조용으로 개발된 분말코어들이 가졌던 문제점, 즉 코어 제거시 용해가 잘 안되어 장시간 용해해야 하는 단점들도 해소되게 되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 용융금속 내에 디핑한 후 즉시 꺼내어 냉각시킴으로써 코어(2) 표면에 금속박막층(3)을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압주조용 코어의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 용융금속은 상기 코어가 설치된 주형에서 고압주조하고자 하는 금속의 소재와 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 고압주조용 코어의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 고압주조용 코어의 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어는 솔트 코어인 것을 특징으로 하는 고압주조용 코어의 제조방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 코어 제조공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 오일 갤러리가 포함된 엔진용 피스톤의 주조방법.