KR20020096042A - 금속 주조용 장치 및 이 장치를 이용한 금속의 주조 방법 - Google Patents

금속 주조용 장치 및 이 장치를 이용한 금속의 주조 방법 Download PDF

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KR20020096042A
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미야케마츄유키
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가부시키가이샤 니씬
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Abstract

고융점 금속을 주조하는데 적합한 장치 및 이 장치를 사용한 금속의 주조 방법을 제공한다. 본 발명의 금속 주조용 장치에 있어서는, 압력 제어 가능한 주조실 (1) 내에, 도가니(2)와 주형(3)과 아크 방전용의 전극봉(10)이 설치되어 있고, 주형(3)의 주조구(5)에 근접하는 도가니(2)의 유출단부측에 지지축(6)이 존재하고, 도가니(2)가 지지축(6)을 중심으로 경사 가능하고, 도가니(2)의 비유출 단부측에 도가니 경사 수단(7)이 존재하고, 도가니(2) 위에서의 금속(4)의 아크 용융이 개시되고 나서, 용융이 진행하여 도가니(2)가 경사져서 용융 상태의 금속(4)이 낙하하기까지의 시간에, 금속-전극봉 간의 간격이 거의 일정하게 유지되어 금속(4)이 유동하여 낙하하는 시간에도 아크 방전이 계속된다. 이때, 주조실(1)에 감압 펌프 (12)와 가압 가스 공급원(13)을 접속하고, 압력 제어된 가스 공급 압력(P1)을 주조에 필요한 가스 압력(P2)보다도 크게 하여 가스 압력(P2)에 도달한 시점에서 가압 가스의 공급을 차단하는 것이 바람직하다.

Description

금속 주조용 장치 및 이 장치를 이용한 금속의 주조 방법{Metal casting device and metal casting method using the same}
최근까지 충치나 탈락한 치아를 수복할 때에 보철물이 사용되어 오고 있고, 이와 같은 치과용 보철물을 구성하는 재료로서는, 고융점 금속, 예를 들면, 티탄, 지르코늄, 백금 등과 이것들의 합금이 사용되고 있다. 그 중에서도 특히 티탄은 강도, 가벼움, 내식성, 생체 적합성, 가격 등의 점에 있어서 매우 적합한 재료로 널리 사용되고 있다.
그리고 이와 같은 금속을 이용하여 치과용 보철물을 제작할 때에는, 소망하는 형상의 공동부가 형성된 주형이 사용되며, 이 주형의 공동부 내에 상기 금속을 용융시킨 상태에서 직접 주입하여 성형 후, 주형을 파괴하여 주조물을 꺼내는 것이 일반적이다.
지금까지 사용되어 오고 있는 일반적인 금속 주조용 장치로서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 주조 공동(9)이 형성된 주형(3)의 위쪽에 경사 가능한 금속제 도가니(2; crucible)가 배치된 구조의 것이 있다. 이 장치는 도가니(2)의 상면에 탑재시킨 금속(4)을 불활성 가스(예를 들면, 아르곤 가스) 분위기 중에서 아크 용해시키고, 금속(4)이 완전하게 용융된 시점에서, 도가니(2)를 경사시켜서 주형(3)의 주조구(5)로 용융 금속을 붓고, 개폐 밸브(14; 전기식 개폐 밸브)가 열려 압력조정기(17)에 의해서 설정된 압력치로 가압 가스 공급원(13)으로부터 주조실(1)의 내부로 가압 가스를 유입하고, 주조실(1)의 내부가 가스 가압되어 주조를 실시하는 것이다. 이 장치에서는 도가니(2)는 지지축(6; 지지점)을 중심으로 하여 하방측으로 경사지도록 이동하여 2'의 위치에서 정지한다. 이 경우에 있어서, 일반적으로 금속 주조용 장치의 주조 능력은, 이 압력치에 비례하여 향상한다고 되어 있다. 또, 도 2의 장치의 음극측의 전극봉(10)으로서는 일반적인 텅스텐 전극봉이 사용된다.
그렇지만, 이 도 2에 나타나는 금속 주조용 장치에서는, 주형(3)의 위쪽에 배치되는 도가니(2)에서의 지지축(6)이 , 주형(3)의 주조구(5)로부터 먼 쪽에 위치하고 있기 때문에, 도가니(2)와 주형(3)과의 사이에 경사 종료시의 도가니(2)가 주형(3)과 접촉하지 않도록 하기 위한 간격을 설치할 필요가 있으며, 따라서, 용융된 금속은 이 간격보다도 큰 거리를 낙하하게 된다. 일반적으로, 이 간격은 4∼5cm 정도이므로 이와 같은 장치에서는 용융 상태에 있는 금속을 높은 온도 그대로 주형(3) 내의 주조 공동(9)에 낙하시키는 것이 어렵다는 문제점이 있으며, 장치를 소형화하는 것에도 제한이 있다. 더구나, 이와 같은 구조의 장치의 경우에는, 용융된 금속이 일정 폭으로 낙하하기 때문에, 주조구(5)의 주위에 용융된 금속이 부착하거나, 금속의 낙하 위치에 산란이 발생한다는 문제점도 있다.
또, 이 장치의 경우에는, 도가니가 기울기 시작하면, 금속-전극봉 간의 거리가 변동(커진다)하기 때문에 즉시 아크 방전이 정지되어 용융 금속의 적당한 오버히트가 전혀 실현되지 않고, 이것에 의해, 높은 온도의 용융 금속을 주형(3) 내로 주조하는 것이 곤란하다는 문제점도 있다.
또, 이것과는 별도로, 도 2에 나타나는 구조의 장치의 경우에는, 주조 능력에 관계하는 압력치가 압력조정기(17)에 의해 일의적(univocally)으로 결정되기 때문에 보다 높은 주조 능력을 얻으려고 하면, 압력조정기(17)의 설정 압력치를 보다 높은 값으로 할 필요가 있으며, 이것에 동반하여 주조실(1)의 내압력 구조를 보다 강화할 필요가 발생한다는 문제점도 있다. 또 주조실(1)의 내부에는 압력조정기 (17)에 의해 설정된 압력 값에 도달하기까지 가스가 공급되기 때문에, 1회의 주조 공정에 있어서, 보다 다량의 가스가 소비된다는 문제점도 있다.
본 발명은 치과 분야에서 사용되는 금속, 예를 들면 티탄 등의 고융점 금속을 주조하는데 적합한 금속 주조용 장치에 관한 것이다. 또, 본 발명은 이와 같은 장치를 사용하여 보다 높은 주조 능력으로 주조를 수행하는 것이 가능한 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 금속 주조용 장치를 이용하여 주조를 실시할 때의 상태를 나타내는 도면;
도 2는 종래부터 알려져 있는 일반적인 금속 주조용 장치의 내부 구조를 나타내는 도면;
도 3은, (a) 본 발명의 장치를 사용한 경우와, (b) 종래의 장치를 사용한 경에 있어서의, 아크 방전 개시부터 주조 종료까지의 금속-전극봉간의 간격의 시간적 변동 및 아크 방전 전류의 시간적 변동을 나타내는 그래프(좌측 도면) 및 도가니가 경사지는 것에 의해 금속-전극봉간의 간격이 변동하는 상태를 나타내는 도면(우측도면);
도 4는, (a) 본 발명의 장치를 사용한 경우와, (b) 종래의 장치를 사용한 경우에 있어서의, 아크 방전 개시부터 주조 종료까지의 사이의, 아크 방전 전류의 시간적 변동과, 주조실 내의 압력의 시간적 변동을 나타내는 그래프;
도 5는 일반적인 내용적을 가지는 치과 금속 주조용 장치의 주조실 내에, 4kgf/㎠ 및 10kgf/㎠의 압력으로 가스 충전을 실시하였을 때의 주조실의 내부 압력-시간 곡선의 일 예를 나타내는 도면; 및
도 6은 본 발명의 금속 주조용 장치에 있어서의 가압 가스 공급원(13)의 가스 공급 압력(P1)과, 주형(3)의 주형 공동(9)내로 용융 상태의 금속을 주조부족없이 주조하는데 필요한 가스 압력(P2)과의 관계를 나타낸 도면.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고, 아크 방전에 의해서 용융 상태에 있는 고온의 금속, 특히 티탄 등의 치과용 고융점 금속을 온도 저하시키는 일없이 주형 내로 주조 가능한 구조를 가지는 금속 주조용 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
또, 가압 가스를 이용하여 보다 높은 주조 능력을 얻으면서, 경미한 내압력 구조 주조실이 사용 가능하며, 또한 주조 공정에서의 가압 가스의 소비량을 저감시키는 것이 가능한 금속 주조용 장치를 제공하는 것도 본 발명의 과제이다.
또, 본 발명은 상기 장치를 사용하여 보다 높은 주조 능력으로 주조를 수행할 수 있는 방법을 제공하는 것을 과제로 하는 것이기도 하다.
고융점 금속을 주조하는데 적합한 본 발명의 금속 주조용 장치는, 내부 압력을 제어 가능한 주조실(1)의 내부에, 도가니(2)와 주형(3)이 설치되어 있고, 상기 도가니(2)의 위쪽에는, 이 도가니(2) 상에 재치되는 금속(4)을 아크 방전에 의해서 용융시키기 위한 전극봉(10)이 설치되어 있고, 상기 도가니(2)가, 지지축(6)을 중심으로 하여 도가니(2) 상에서 용융된 금속(4)을 상기 주형(3)의 주조구(5)로 부어 지도록 경사가능하며, 상기 지지축(6)이 상기 주조구(5)에 근접하는 상기 도가니 (2)의 유출 단부측에 위치하고, 상기 도가니(2)의 비유출 단부측에 위치하고 상기 도가니(2)의 비유출 단부측에 이 비유출 단부를 위쪽으로 끌어 올려서 도가니를 경사시키기 위한 경사 수단(7)이 설치되어 있는 것에 있어서,
상기 지지축(6)이, 상기 도가니(2) 상에서의 아크 방전에 의한 금속(4)의 용융이 개시되고 나서 이 금속(4)의 용융이 진행되고, 용융 상태가 된 금속(4)이 이 도가니(2)의 경사에 의해 유동하여 낙하하기까지의 시간에, 상기 금속(4)과 상기 전극봉(10)의 선단과의 간격이 거의 일정하게 유지되는 위치에 설치되어 있는 것, 및 상기 도가니(2)가 경사지고, 용융 상태가 된 금속(4)이 이 도가니(2) 상을 유동하여 낙하하는 시간에도, 융용 상태에 있는 금속(4)과 상기 전극봉(10) 사이에 아크 방전이 계속되도록 아크 방전이 제어되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은, 상술한 구조를 가지는 금속 주조용 장치에 있어서, 상기 주조실(1)에 이 주조실(1)의 내부를 감압 상태로 하는 것이 가능한 감압 펌프(12)와, 이 주조실(1) 내부로 가압 가스를 공급하는 가압 가스 공급원(13)이 접속되어 있고, 상기 가압 가스 공급원(13)으로부터 상기 주조실(1) 내로 공급되는 가압 가스의 유입이 개폐 밸브(14)에 의해서 제어되고, 상기 가압 가스 공급원(13)으로부터 가스공급압력(P1)이, 상기 주형(3)의 주형 공동(9) 내로 용융 상태의 금속을 주조부족없이 주조하는데 필요한 가스압력(P2) 보다도 크고, 상기 도가니(2)가 경사지는 것에 의해 이 도가니(2) 상에서 용융된 금속(4)이 상기 주형(3)의 주조구(5)로 부어질 때에, 상기 개폐 밸브(14)가 열린 상태가 되고, 상기 가압 가스 공급원(13)으로부터 상기 주조실(1) 내로 가압 가스가 유입하고, 상기 주조실(1)의 내부 압력이 상기 가스 압력(P2)에 달한 시점에서, 상기 주조실(1) 내로의 가압 가스의 유입이 상기 개폐 밸브(14)에 의해서 차단되는 구조인 것을 특징으로 하는 것이기도 하다.
또, 본 발명의 금속 주조 방법은, 내부 압력을 제어 가능한 주조실(1)의 내부에 도가니(2)와 주형(3)이 설치되어 있고, 상기 도가니(2)의 위쪽에는, 이 도가니(2) 상에 재치되는 금속(4)을 아크 방전에 의해서 용융시키기 위한 전극봉(10)이 설치되어 있고, 상기 도가니(2)가 지지축(6)을 중심으로 도가니(2) 상에서 용융된 금속(4)을 상기 주형(3)의 주조구(5)로 부어지도록 경사 가능하고, 상기 지지축(6)이 상기 주조구(5)에 근접하는 상기 도가니(2)의 유출 단부측에 위치하며, 이 도가니(2) 위에서의 아크 방전에 의한 금속(4)의 용융이 개시되고 나서, 이 금속(4)의 용융이 진행되며, 용융 상태가 된 금속(4)이 이 도가니(2)의 경사에 의해 유동하여 낙하하기까지의 시간에, 상기 금속(4)과 상기 전극봉(10)의 선단과의 간격이 거의 일정하게 유지되는 위치에 설치되어 있고, 상기 도가니(2)의 비유출단부측에, 이비유출단부를 위쪽으로 끌어 올려서 도가니를 경사시키기 위한 경사수단(7)이 설치된 구조를 갖는 금속 주조용 장치를 이용하여 금속을 주조하는 방법에 있어서,
상기 도가니(2) 상에 금속(4)을 재치한 후, 상기 금속(4)과 상기 전극봉(10) 사이에 전압을 인가하여 아크 방전을 발생시키고, 이 금속(4)이 용융하여 유동 가능한 상태가 된 시점에서, 상기 도가니(2)를 경사시켜서 용융 상태에 있는 금속(4)을 상기 주형(3)의 주조구(5)로 부어 넣을 때, 용융 상태가 된 금속(4)이 상기 도가니(2) 상을 유동하여 낙하하는 시간에 있어서도, 용융 상태에 있는 금속(4)과 상기 전극봉(10)의 선단과의 사이에 아크 방전을 계속시키는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 상술한 방법에 있어서, 상기 금속 주조용 장치로서, 상기 주조실(1)에 이 주조실(1)의 내부를 감압 상태로 하는 것이 가능한 감압 펌프(12)와, 이 주조실(1)의 내부로 가압 가스를 공급하는 가압 가스 공급원(13)이 접속되며, 상기 가압 가스 공급원(13)으로부터 상기 주조실(1) 내로 공급되는 가압 가스의 유입이 개폐 밸브(14)에 의해서 제어 가능한 구조를 가지는 것을 사용하고, 상기 가압 가스 공급원(13)의 가스 공급 압력(P1)이, 상기 주형(3)의 주형 공동(9) 내로 용융 상태의 금속을 주조부족없이 주조하는데 필요한 압력(P2)보다도 커지도록 하고, 상기 개폐 밸브(14)를 상기 도가니(2)의 경사에 의해서 이 도가니(2) 상에서 용융된 금속(4)이 상기 주형(3)의 주조구(5)로 부어질 때에 열린 상태가 되도록, 또한 상기 가압 가스 공급원(13)으로부터 상기 주조실(1) 내로 가압 가스가 유입하도록 제어하고, 상기 주조실(1)의 내부 압력이 상기 가스 압력(P1)에 달한 시점에서, 상기 주조실(1) 내로의 가압 가스의 유입을 상기 개폐 밸브(14)에 의해서 차단하는 것을 특징으로 하는 것이기도 하다.
이하 본 발명의 금속 주조용 장치의 일 예를 도면으로 나타내고 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 금속 주조용 장치를 사용하여 주조를 실시할 때의 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 금속 주조용 장치에서는, 내부 압력을 제어 가능한 구조를 가진 주조실(1)의 내부에, 도가니(2)와 주형(3)이 설치되어 있고, 도가니(2)의 위쪽에는 도가니(2)에 재치되는 금속(4)을 아크 용융시키기 위한 전극봉(10)이 설치되어 있다. 이 전극봉(10)으로는 일반적인 텅스텐 전극봉 등이 사용되고, 도가니(2)로서는 금속 도가니가 사용된다. 그리고, 이 도가니(2)는 그 상면에서 아크 용융된 금속 (4)을 주형(3)의 주조구(5)로 부어 넣을 수 있도록 지지축(6)을 중심으로 경사 가능한 구조를 가지고 있다.
본 발명의 장치에서의 지지축(6)은 주조구(5)에 근접하는 도가니(2)의 유출단부측에 위치하고, 도가니(2)의 비유출 단부측(즉, 주조구(5)에서 먼 측)이 지지축(6)을 중심으로 들어 올려지도록 되어 있으며, 또한 도가니(2) 상에서의 아크 방전에 의한 금속(4)의 용융이 개시되고 나서 금속(4)의 용융이 진행되고, 용융 상태가 된 금속(4)이 도가니(2)의 경사에 의해 유동하여 낙하하기까지의 시간에, 금속(4)과 전극봉(10)의 선단과의 간격이 일정하게 유지되고, 도가니(2)가 경사지기 시작하고 나서도 양자간에 전류가 계속하여 흐르며, 아크 방전을 계속해서 달성할 수 있는 위치에 있고, 도가니(2)가 경사져 용융 상태에 있는 금속(4)이 낙하하는 시간에도 금속(4)-전극봉(10) 간에 전압이 인가되어 금속(4)-전극봉(10) 간의 아크 방전이 계속되도록 제어된다.
도 3에는, (a) 본 발명을 사용한 경우와, (b) 종래의 장치를 사용한 경우에 있어서의 아크 방전 개시부터 주조 종료까지의 금속-전극봉 간의 간격(l)의 시간적 변동과, 아크 방전전류의 시간적 변동을 나타내는 그래프(좌측 도면)와 함께 도가니가 경사지는 것에 의해서 금속-전극봉 간의 간격이 변동하는 상태를 나타내는 도면(우측 도면)이 나타나 있다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치의 경우는, 아크 방전 개시부터 주조 종료까지의 시간에, 도가니가 경사져도 금속-전극봉 간의 간격(l1)이 변동하지 않고 일정하고(실선으로 나타내고 있다), 이 때문에 도가니가 경사지기 시작하여도 아크 방전을 계속할 수 있고, 아크 방전은 도가니의 경사가 종료할 때까지(도가니 상에 금속이 없어질 때까지)달성 가능하며, 아크 방전의 정지 시기를 임의로 선택할 수 있어서 용융 상태에 있는 금속의 온도 저하가 방지된다. 이 도면에서, 점선으로 나타나 있는 것이 아크 방전 전류의 시간적 변동이다.
이것에 대해서, 종래의 장치의 경우에는 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 도가니가 경사지기 전과 후에서는, 금속-전극봉 간의 간격이 (l1)에서 (l2)로 변동하기 때문에 도가니가 경사하기 시작하면 아크 방전이 필연적으로 정지되고, 아크 방전이 정지되고 나서 금속이 주형으로 부어지기까지의 금속의 온도 저하를 방지할 수 없다.
또, 본 발명의 장치에는 도가니(2)의 비유출 단부측에, 이 비유출 단부를 위쪽으로 끌어 올려서 도가니를 경사시키기 위한 경사 수단(7)이 설치되어 있으며, 이 경사 수단(7)의 구조는 도면에 예시한 것에 한정되지 않는다. 이 경사 수단(7)으로서는 도 1에 나타내는 바와 같은 시소와 동일한 구조를 가지는 것이 특히 바람직하며, 도 1에 있어서의 경사 수단(7)은 한쪽의 단부(도가니(2)에 가까운 쪽의 단부)가, 도가니(2)의 비유출 단부측의 바닥면과 접촉하고, 다른쪽 단부에는 지지축(6)을 중심으로 도가니(2)를 끌어올릴 수 있도록 추(15)가 장착되어 있다. 도 1의 장치의 경우, 금속(4)이 용융되기 전의 상태에서는, 실선으로 나타나듯이, 경사 수단(7)의 도가니(2)측이 내려간 상태로 지지되고, 도가니(2)가 수평으로 위치하지만 금속(4)이 완전히 용융하였을 때에는, 경사 수단(7)의 지지가 해제되어 경사 수단(7)의 추(15)가 장착된 측의 단부가 내려가는 동시에, 도가니(2)가 지지축(6)을 중심으로 경사지며, 도가니 및 경사 수단은 각각, 점선으로 나타내고 있는 2', 7'의 위치에 도달한다.
본 발명에서는, 주형(3)의 구조는 특별히 한정되는 것이 아니라, 도 1 에 나타내는 것과 같은 측벽측에 주조구(5)를 가지고 주조구(5)와 근접하도록 하여 도가니(2)가 배치되고, 주형(3)의 내부에 주조구(5)로부터 경사 하방을 향해서 형성된 체류부(8)를 거쳐 경사 하방으로 주조 공동(9)이 형성된 구조의 것이라도, 주형(3)의 상면측에 주조구(5)가 설치된 일반적인 구조의 것이라도 좋고, 전자의 경우에는이하에 설명하는 가스 압력을 이용한 방법에 의해서 금속 주조를 실시한다. 또, 도 1의 장치에서는 여러 종류의 크기의 주형(3)에 대응할 수 있도록 슬라이드 가능한 고정 부재(1)가 설치되어 있다.
도 1에 나타나는 본 발명의 금속 주조용 장치에 있어서는, 기밀성을 가지는 주조실(1)에, 주조실(1)의 내부를 감압 상태로 하는 것이 가능한 감압 펌프(12)와, 주조실(1)의 내부로 가압 가스를 공급하는 가압 가스 공급원(13; 일반적으로는 아르곤 가스봄베 등의 불활성 가스봄베)이 접속되어 있고, 가압 가스 공급원(13)으로부터 주조실(1) 내로 공급되는 가압 가스의 유입이 개폐 밸브(14)에 의해서 제어되도록 되어 있다. 그리고, 이 장치의 경우, 주조 전에는 개폐 밸브(14)가 폐쇄되어 감압 펌프(12)에 의해서 주조실(1)의 내부가 감압 상태가 되고, 아크 방전에 의해서 용융한 금속을 주형(3)의 주형 공동(9)으로 주조할 때에, 감압 펌프(12)에 의한 감압이 차단되어 개폐 밸브(14)가 열린 상태가 되고, 주조실(1) 내가 소정 압력으로 가압되어 주조가 실시된다. 또, 도 1에 예시한 압력 제어 타입의 본 발명의 장치에서의 주조실(1)에는 주조실(1)의 내부 압력을 검출 가능한 압력검출기(16)와 가압 가스 공급원(13)으로부터의 공급 가스 압력을 미리 일정 압력, 즉, 용융 금속이 유동 가능한 시간 내에 주조 공동(9)으로 주조하는데 필요한 압력으로 조정하기 위한 압력조정기(17)가 설치되어 있다. 본 발명에서는 이와 같은 압력검출기(16)로서 전기식 압력검출기가 사용되는 것이 일반적이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이 도 1의 금속 주조용 장치를 사용하는 경우, 가압 가스 공급원(13)의 가스공급 압력(P1)이 주형(3)의 주형 공동(9) 내로 용융 상태의 금속을 주조부족 없이 주조하는데 필요한 가스 압력(P2)보다도 크고, 도가니(2)가 경사지는 것에 의해서 이 도가니(2) 상에서 용융된 금속(4)이 주형(3)의 주조구(5)로 부어졌을 때에, 개폐 밸브(14)가 열린 상태가 되고, 가압 가스 공급원(13)으로부터 주조실(1) 내로 가압 가스가 유입하고, 주조실(1)의 내부 압력이 가스 압력(P2)에 도달한 시점에서, 압력 검출기(16)에서 개폐 밸브(14)에 제어 신호가 보내지고, 주조실(1) 내의 가압 가스의 유입이 개폐 밸브(14)에 의해서 순시로 차단되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여, 주조실 내가 급속하게 가압되는 구조를 가지는 본 발명의 장치를 이용하여 얻어진 주조품은 균질한 것으로 주조성(패턴의 충실성)의 점에 있어서 우수하고, 주형 공동(9)으로 용융 상태의 금속을 주조부족 없이 주조하는데 필요한 최저의 불활성 가스 소비량으로 할 수 있다. 불활성 가스 소비량이 적다는 것은 바꾸어 말하면, 주조실(1)의 내부 압력도 경감하게 되기 때문에 그 내압 구조도 목적으로 하는 주조에 대해서 필요한 그리고 최저 강도로 충분하게 된다.
본 발명에서는, 이 개폐 밸브(14)에 의해서, 주조실(1)의 내부 압력이 가스 압력(P2)을 넘지 않도록 조정되고, 이 개폐 밸브(14)는 밸브의 개폐가 전기적으로 제어되는 것(전기식 개폐 밸브)이라도, 기계적으로 제어되는 것(기계식 개폐 밸브)이라도 좋다. 또, 이 개폐 밸브(14)는, 압력 검출기(16)로부터의 신호에 의해서 개폐 제어되어도, 압력 검출기(16)로부터의 제어를 받지 않고, 주조실(1)의 내부압력이 가스 압력(P2)에 도달하기까지의 시간 동안만 열리도록 제어되는 시간 제어 타입의 것이라도 좋다.
도 4에는, (a) 본 발명의 장치를 사용한 경우와, (b) 종래의 장치를 사용한 경우에 있어서의, 아크 방전 개시부터 주조 종료까지의 사이의 아크 방전 전류의 시간적 변동과, 주조실 내의 압력의 시간적 변동을 나타내는 그래프가 나타나 있다.
도 4(a)에 나타내듯이, 본 발명의 장치의 경우에는, 도가니가 경사지기 시작하여도 아크 방전 전류가 일정 값으로 유지되며, 도가니 상의 금속으로의 가열이 계속되어(점선으로 나타내고 있다), 용융 상태의 금속이 주형 내로 부어 지고 나서, 주조실 내가 단시간으로 소정의 압력 값까지 가압되는 것을 알 수 있었다. 이것에 대해서, 종래의 장치의 경우에는, 도 4(b)에 나타나듯이, 도가니가 경사지기 시작하면 거의 동시에 아크 방전이 정지하고, 용융 상태에 있는 금속은 주형으로 부어지는 동안은 전혀 가열되지 않고, 또, 소정의 압력 값에 도달하기까지의 시간도, (a)의 경우보다도 길어져서 고융점의 주조의 경우에는 충분한 주조성을 얻는 것이 곤란하다.
도 5는, 일반적인 내용적을 가지는 치과 금속 주조용 장치의 주조실 내에, 4kgf/㎠ 및 10kgf/㎠의 압력으로 가스 충전을 실시하였을 때의 주조실의 내부 압력-시간곡선의 일 예이다. 가스 충전이란, 즉, 고압측에서 저압측으로의 가스의 흐름으로, 이 압력 차가 클수록 용융 금속이 주형 공동 내로 빨리 강하게 흘러 들어가게 된다. 도 5에 나타내듯이, 주조실 내로 가스 충전을 실시하였을 경우, 가스의 유입에 동반하여 이 압력차가 감소하고, 최종적으로 압력차가 없어진 시점에서 가스의 이동이 없어져서 충전이 종료되고, 10kgf/㎠의 압력으로 가스 충전을 실시하였을 때에 주조실 내의 게이지압(본 발명에서는 주조실의 내부 압력을 대기압과의 압력차로 표시하고 있고, 대기압(1기압)이 0으로, 1기압 이하의 압력을 부의 압력으로 표시하고 있다.)이 3kgf/㎠이 될 때까지의 시간(S1)과 4kgf/㎠의 압력으로 가스 충전을 실시하였을 때에 주조실 내의 게이지압이 3kgf/㎠이 될 때까지의 시간(S2)에서는, (S1)쪽이 (S2)보다도 작으며, 10kgf/㎠의 압력으로 가스충전을 실시하였을 때의 압력상승률(θ1) 쪽이 4kgf/㎠의 압력으로 가스 충전을 실시하였을 때의 압력 상승률(θ2)보다도 크다.
이것을, 금속 주조용 장치로 바꾸어 보면, 주형 공동(9)으로 용융 금속을 밀어 넣는데 필요한 압력이 만약에 4kgf/㎠ 필요로 한다면, 압력조정기(11)의 설정 압력값은 4kgf/㎠으로 좋을 것이지만, 용융 금속은 시간의 경과와 함께 응고하기 때문에, 유동 가능 시간 내에 주조를 실시하지 않으면, 주조부족이 되어 버린다. 특히, 티탄 등과 같이 고융점 금속은 유동가능 시간이 매우 짧고, 압력 상승률(θ2)로는 완전한 주조 성형은 실시할 수 없다는 경우가 발생할 수 있다.
도 6은 본 발명의 금속 주조용 장치에 있어서의, 가압 가스 공급원(13)의 가스 공급 압력(P1)과, 주형(3)의 주형 공동(9) 내로 용융 상태의 금속을 주조부족없이 주조하는데 필요한 가스 압력(P2)과의 관계를 나타낸 것이다.
도 6에 나타내듯이, 본 발명의 장치에 있어서는 가압 가스 공급원(13)의 가스 공급 압력(P1) 쪽이, 주조에 필요하다고 하는 가스 압력(P2)보다도 크고, 가스 공급 압력이 P1일 때에 주조실의 내부 압력이 P2에 도달하기까지의 시간(S1) 쪽이, 용융 금속의 유동 가능 시간(Sp)보다도 작다. 본 발명의 장치를 이용하여 주조를 실시하는 경우에 있어서 일반적인 P2값은 1∼3kgf/㎠이고, (S1)<(Sp)의 조건을 만족시키는데 일반적인 P1값은 5∼9kgf/㎠이다. 다만, P1의 일반적인 상한치가 9kgf/㎠인 것은, 일반적인 주조실의 내압이 10kgf/㎠ 이하로 설정되어 있기 때문이며, 주조실 (1)이 더 큰 압력에도 견딜 수 있는 내압 구조를 가지는 것인 경우에는 P1이 9kgf/㎠을 넘어도 좋다.
상술한 장치를 사용하여 금속을 주조하기 위한 본 발명의 방법에서는, 도가니(2) 상에 금속(4)을 재치한 후, 금속(4)과 전극봉(10)과의 사이에 전압을 인가하여 아크 전압을 발생시키고, 이 금속(4)이 용융하여 유동 가능한 상태가 된 시점에서, 도가니(2)를 경사시켜서 용융 상태에 있는 금속(4)을 주형(3)의 주조구(5)로 부을 때, 용융 상태가 된 금속(4)을 도가니(2) 위를 유동하여 낙하하는 시간(동안)에 있어서도, 용융 상태에 있는 금속(4)과 전극봉(10)의 선단 사이에 아크 방전이 계속하도록 아크 방전 전류를 제어한다(도 3(a) 참조). 또, 가압 가스를 사용하여 금속 주조를 실시하는 본 발명의 방법에 있어서는, 상기 장치의 개폐 밸브(14)를,도가니(2)의 경사에 의해서 이 도가니(2) 상에서 용융된 금속(4)이 주형(3)의 주조구(5)로 부어졌을 때에 열린 상태로 하는 것에 의해서, 가압 가스 공급원(13)으로부터 주조실(1) 내로 가압 가스를 유입하도록 제어하고, 주조실(1)의 내부 압력이 가스 압력(P2)에 도달한 시점에서, 주조실(1) 내로의 가압 가스의 유입을 개폐 밸브(14)에 의해서 차단한다(도 3(b) 참조).
실시예
다음에, 도 1에 나타낸 구조의 본 발명에 의한 금속 주조용 장치를 사용하여, (a) 도가니가 경사지기 시작하여 용융 금속이 유동 낙하하는 시간(동안)도 아크 방전을 계속한 경우와, (b) 도가니가 경사지기 시작하는 동시에 아크 방전을 정지한 경우와의 유효 주조 금속량 비교 실험을 실시하였을 때의 실험 결과를 나타낸다.
상기 (a) 및 (b)의 경우의 유효 주조 금속량(유효율)은, 로스트 왁스법에 의해 금속(4; 용융 전의 인고트(ingot))의 체적에 의해 충분하게 큰 주조 공동(9)을 가지는 주형(3)을 이용하여 주조를 실시하고, 주조 공동(9) 및 스프루(sprue)를 채운 금속 중량(이것을 금속(4)의 중량으로 나누어 백분율로 표시한 것)을 계량하였다.
각 경우 모두 2종류의 금속(4; 사이즈·중량)으로 각각 6회의 실험을 실시하고 평가용 샘플을 얻었다.
사용 금속: JIS 2종 티탄
금속 사이즈(중량) : φ30mm × 높이 12mm(40g)
φ25mm × 높이 12mm(25g)
주형재 : 셀리베스트(Celebest)D
스프루 : φ3.2mm × 길이 10mm
패 턴 : φ30mm × 높이 15mm
주형 온도 : 700℃
가압 조건 : 가압 가스 공급원(12)으로부터 감압 상태(-70cmHg, 상압보다도 70cmHg 낮은 압력)의 주조실 내로 공급되는 가압 가스의 압력(P1)과 주조실 내의 게이지압(P2)에 대해서는 다음과 같다.
P1= 4kgf/㎠, P2= 3kgf/㎠
상기 주조 실험에 의해서 얻어진 주조품의 유효 주조 금속량(유효율)을 이하의 표 1에 나타낸다.
도가니의 경사가 개시된후에도 아크 방전을 계속한경우에 의한 유효율( )안은 유효 주조 금속량 도가니의 경사가 개시하는동시에 아크 방전을 정지한경우에 의한 유효율( )안은 유효 주조 금속량
금속(4)의중량 40g 71.3% (28.5g)70.8% (28.3g)70.0% (28.0g)70.5% (28.2g)70.8% (28.3g)72.3% (28.9g) 53.8% (21.5g)55.5% (22.2g)54.3% (21.7g)52.0% (20.8g)55.3% (22.1g)54.5% (21.8g)
평균치 71.0% (28.4g) 54.2% (21.7g)
25g 81.6% (20.4g)81.2% (20.3g)81.2% (20.3g)80.8% (20.2g)81.2% (20.3g)80.4% (20.1g) 69.6% (17.4g)68.0% (17.0g)66.4% (16.6g)61.2% (15.3g)68.6% (17.2g)68.4% (17.1g)
평균치 81.1% (20.3g) 67.1% (16.8g)
상기 표 1의 실험 결과에 나타나듯이, 본 발명의 금속 주조용 장치를 사용한 경우라도, 도가니가 경사지기 시작하여 용융 금속이 유동 낙하하는 시간(동안)에도 아크 방전을 계속한 경우는, 도가니의 경사와 동시에 아크 방전을 정지한 경우(종래의 경사식 금속 주조용 장치를 사용한 경우에 상당한다)에 비해서, 유효 주조 금속량이 크고, 주조 후에 도가니 내에 잔류하는 금속량이 적으므로, 필요 최소한의 양의 금속을 사용하여 매우 효율이 높은 주조를 수행할 수 있다.
본 발명의 금속 주조용 장치에서는, 도가니가 경사지고 있는 시간에도 아크 방전을 실시할 수 있고, 주형 내로 주조될 때에 높은 융점을 가지는 금속과 합금의 용융 상태를 유지할 수 있으며, 또 용융된 금속을 일정 위치로 부어 넣을 수 있기 때문에 품질이 좋은 주조품을 얻을 수 있고, 치과용 보철물로서 특히 뛰어난 재료인 티탄 등의 고융점 금속의 주조에 적합하다. 또, 본 발명의 방법을 사용하는 것에 의해서 용융 상태에 있는 금속의 유동가능 시간 내에서의 주조를 수행할 수 있다.

Claims (4)

  1. 고융점 금속을 주조하는데 적합한 금속용 주조용 장치에 있어서, 내부 압력을 제어 가능한 주조실의 내부에 도가니와 주형이 설치되어 있고, 상기 도가니의 위쪽에는 이 도가니 상에 재치되는 금속을 아크 방전에 의해서 용융시키기 위한 전극봉이 설치되어 있고, 상기 도가니가 지지축을 중심으로 하여 도가니 상에서 용융된 금속을 상기 주형의 주조구로 부어지도록 경사 가능하고, 상기 지지축이 상기 주조구에 근접하는 상기 도가니의 유출 단부측에 위치하고, 상기 도가니의 비유출 단부측에, 이 비유출 단부를 위쪽으로 끌어 올려서 도가니를 경사지게 하기 위한 경사 수단이 설치되어 있는 것에 있어서,
    상기 지지축이 상기 도가니 상에서의 아크 방전에 의한 금속의 용융이 개시되고 나서, 이 금속의 용융이 진행되고 용융 상태가 된 금속이 이 도가니의 경사에 의해 유동하여 낙하하기까지의 시간, 상기 금속과 상기 전극봉의 선단과의 간격이 거의 일정하게 유지되는 위치에 설치되어 있는 것, 및 상기 도가니가 경사지고 용융 상태가 된 금속이 이 도가니 위를 유동하여 낙하하는 시간도, 용융 상태에 있는 금속과 상기 전극봉의 선단과의 사이에 아크 방전이 계속되도록 아크 방전이 제어되는 것을 특징으로 하는 금속 주조용 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 주조실에, 이 주조실의 내부를 감압 상태로 하는 것이 가능한 감압 펌프와, 이 주조실의 내부로 가압 가스를 공급하는 가압 가스 공급원이 접속되어 있고, 상기 가압 가스 공급원으로부터 상기 주조실 내로 공급되는 가압 가스의 유입이 개폐 밸브에 의해서 제어되고, 상기 가압 가스 공급원의 가스 공급 압력(P1)이, 상기 주형의 주형 공동 내로 용융 상태의 금속을 주조부족없이 주조하는데 필요한 가스 압력(P2)보다도 크고, 상기 도가니가 경사지는 것에 의해 이 도가니 상에서 용융된 금속이 상기 주형의 주조구로 부어질 때에, 상기 개폐 밸브)가 열린 상태가 되고, 상기 가압 가스 공급원으로부터 상기 주조실 내로 가압 가스가 유입되고, 상기 주조실의 내부 압력이 상기 가스 압력(P2)에 달한 시점에서, 상기 주조실 내로의 가압 가스의 유입이 상기 개폐 밸브에 의해서 차단되는 구조인 것을 특징으로 하는 금속 주조용 장치.
  3. 내부 압력을 제어 가능한 주조실의 내부에 도가니와 주형이 설치되어 있고, 상기 도가니의 위쪽에는, 이 도가니 상에 재치되는 금속을 아크 방전에 의해서 용융시키기 위한 전극봉이 설치되어 있고, 상기 도가니가 지지축을 중심으로 도가니 상에서 용융된 금속을 상기 주형의 주조구로 부어지도록 경사 가능하고, 상기 지지축이 상기 주조구에 근접하는 상기 도가니의 유출 단부측에 위치하며, 이 도가니 위에서의 아크 방전에 의한 금속의 용융이 개시되고 나서, 이 금속의 용융이 진행하며, 용융 상태가 된 금속이 이 도가니의 경사에 의해 유동하여 낙하하기까지의 시간에, 상기 금속과 상기 전극봉의 선단과의 간격이 거의 일정하게 유지되는 위치에 설치되어 있고, 상기 도가니의 비유출 단부측에, 이 비유출 단부를 위쪽으로 끌어 올려서 도가니를 경사지게 하기 위한 경사 수단이 설치된 구조를 갖는 금속 주조용 장치를 이용하여 금속을 주조하기 위한 방법에 있어서,
    상기 도가니 상에 금속을 재치한 후, 상기 금속과 상기 전극봉 사이에 전압을 인가하여 아크 방전을 발생시키고, 이 금속이 용융하여 유동 가능한 상태가 된 시점에서, 상기 도가니를 경사지게 하여 용융 상태에 있는 금속을 상기 주형의 주조구로 부어넣을 때, 용융 상태가 된 금속이 상기 도가니 상을 유동하여 낙하하는 시간에 있어서도, 용융 상태에 있는 금속과 상기 전극봉의 선단과의 사이에 아크 방전을 계속시키는 것을 특징으로 하는 금속의 주조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 주조용 장치로서, 상기 주조실에 이 주조실의 내부를 감압 상태로 하는 것이 가능한 감압 펌프와, 이 주조실의 내부로 가압 가스를 공급하는 가압 가스 공급원이 접속되며, 상기 가압 가스 공급원으로부터 상기 주조실 내로 공급되는 가압 가스의 유입이 개폐 밸브에 의해서 제어 가능한 구조를 가지는 것을 사용하고, 상기 가압 가스 공급원의 가스 공급 압력(P1)이, 상기 주형의 주형 공동 내로 용융 상태의 금속을 주조부족없이 주조하는데 필요한 압력(P2)보다도 커지도록 하고, 상기 개폐 밸브를 상기 도가니의 경사에 의해서 이 도가니 상에서 용융된 금속이 상기 주형의 주조구로 부어질 때에 열린 상태가 되도록, 또한 상기 가압 가스 공급원으로부터 상기 주조실 내로 가압 가스가 유입하도록 제어하고, 상기 주조실의 내부 압력이 상기 가스 압력(P2)에 달한 시점에서, 상기 주조실내로의 가압 가스의 유입을 상기 개폐 밸브에 의해서 차단하는 것을 특징으로 하는 금속의 주조 방법.
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