KR20060036627A

KR20060036627A - 마그네슘합금 반용융 성형가공법을 이용한 자동차 부품제조방법

Info

Publication number: KR20060036627A
Application number: KR1020040085674A
Authority: KR
Inventors: 최완희; 김예식; 김기선
Original assignee: (주)삼기기공
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-05-02

Abstract

본 발명은 마그네슘합금의 반용융 성형가공법에 관한 발명으로서, 특히, 마그네슘 합금의 반용융 성형가공법을 이용하여 자동차 에어컨 컴프레서 등 고기능성 자동차 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 마그네슘합금 지금을 준비하는 단계; 상기 마그네슘합금 지금을 용해하고 고상과 액상이 공존한 상태에서 전자기적으로 교반하여 수지상 조직을 구상화 시키고 균일한 미세조직을 갖는 원소재를 제조하는 단계; 상기 원소재를 제품용적에 맞게 일정한 길이로 절단하는 단계; 상기 절단된 원소재를 고상과 액상이 공존하는 영역으로 급속히 가열하는 원소재 재가열 단계; 상기 재가열된 원소재를 금형에 넣고 가압하는 가압성형 단계;로 구성된 마그네슘 합금 반용융 성형가공법을 제공한다.

마그네슘합금, 반용융 가압성형, 재가열장치, 자동차부품, 에어컨 컴프레서

Description

마그네슘합금 반용융 성형가공법을 이용한 자동차 부품 제조방법{Method for manufacturing the auto-parts with the semi-solid forming process using Magnesium alloys}

도 1은 본 발명의 성형가공방법의 공정도,

도 2는 본 발명의 원소재 재가열장치의 개략도,

도 3은 본 발명의 원소재 가열챔버의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 고주파발진장치 2 : 고주파출력 수냉케이블 3 : 전류박스

4 : 혼합가스공급배관 10 : 가열스테이션 11 : 가열챔버 13 : 가열코일 14 : 원소재받침대

본 발명은 마그네슘 합금의 반용융 성형가공법에 관한 발명으로서, 특히, 마그네슘 합금의 반용융 성형가공법을 이용하여 자동차 에어컨 컴프레서 등 자동차 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 에어컨 컴프레서는 에어컨 시스템에 있어서 사람의 심 장과 같은 역할을 하는 핵심 정밀제품으로서 자동차의 엔진으로부터 동력원을 전달받아 회전하면서 증발기의 저온 저압의 냉매를 고온 고압으로 흡인 압축하여 응축기로 토출하여 순환시키는 작용을 한다. 따라서 자동차의 에어컨 컴프레서 부품은 고온 고압하에서 작동되는 고내압 조건을 만족해야 하므로 제품의 내부 기포나 크랙 등의 주조결함이 없어야 한다.

에어컨 컴프레서 하우징의 종래 제조방법은 다이캐스팅 공법으로서 알루미늄 합금 지금을 용해한 후 금형에 주입하고 가압하여 제품을 제조하여 왔다. 이 방법은 용탕을 직접 가압하는 방식으로서 알루미늄 용탕을 금형에 주입시 고속 고압으로 가압하게 됨에 따라 에어가 포집되어 제품에 포함되게 되므로 기포불량의 발생이 빈번하여 제품 조립 후 압샘(Leak) 불량 발생이 최대 문제로 대두되어 왔다. 특히 하우징의 재질이 알루미늄 합금으로서 자동차 연비 향상과 매연 발생의 저감을 위해 경량금속 재료의 사용이 강하게 요구되고 있다.

최근 자동차의 경량화 추세와 함께 기존의 알루미늄 다이캐스팅 제품보다 30%이상 경량화가 가능한 마그네슘합금의 적용은 필수 불가결한 시점으로 대두되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 알루미늄 합금에 비하여 30%이상 경량화가 가능하여 자동차 연비 향상은 물론 매연 발생을 최소화하고, 또한 제품의 기포 불량을 최소화하는 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 마그네슘합금 지금을 준비하는 단계; 상기 마그네슘합금 지금을 용해하고 고상과 액상이 공존한 상태에서 전자기적으로 교반하여 수지상 조직을 구상화 시키고 균일한 미세조직을 갖는 원소재를 제조하는 단계; 상기 원소재를 제품용적에 맞게 일정한 길이로 절단하는 단계; 상기 절단된 원소재를 고상과 액상이 공존하는 영역으로 급속히 가열하는 원소재 재가열 단계; 상기 재가열된 원소재를 금형에 넣고 가압하는 가압성형 단계로 구성된 마그네슘합금 반용융 성형 가공법을 제공한다.

또한, 본 발명의 원소재 재가열 단계는 상기 원소재의 자체온도를 585～595℃까지 1～3분 내에 승온시켜 고상율(fs)이 0.4～0.7인 반용융 성형용 슬러리를 제조하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 반용융 성형가공법을 제공한다.

또한, 본 발명은 가압성형 단계는 가압플런저를 초기에는 저속으로 가압하다가 제품부에 도달되면 고속으로 가압하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 반용융 성형가공법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제조 공정도를 나타낸 것이다.

마그네슘의 용해공정에 앞서 마그네슘합금 지금을 준비한다.

마그네슘합금 지금은 AZ91D나 AM60B등의 상용 마그네슘 합금이 사용된다. 전자기교반을 이용한 수평식 반용융 성형용 원소재 연속제조 장치는 최대 직경 3인치의 원소재를 제조할 수 있으며, 마그네슘합금의 대기 및 수분과의 격렬한 반응성을 고려하여 원소재 표면을 직접 냉각하는 방식 대신 수냉 몰드를 이용하여 간접 냉각 방식을 이용한다. 전기저항식 용해로에서 마그네슘합금을 660～780℃의 용해온도, 바람직하기로는 730℃로 가열하여 용해시킨 후 용탕표면이 노출되지 않도록 설계된 런너를 통해 턴디쉬로 용탕을 공급한다. 턴디쉬에서 용탕을 일정한 온도로 유지하면서 용탕을 공급하여 충분한 탕압을 유지한 후 용탕을 몰드로 공급하면 몰드를 둘러싸고 있는 전자기 교반장치에 의해 용탕이 전자기 교반(Electromagnetic stirring)되면서 응고가 진행되도록 하여 반용융 성형용 원소재를 제조한다. 이 때 전자기 교반장치는 입력전압 220V, 입력전류 20A를 공급하여, 출력전압 26V, 출력전류 100A로 출력량을 조절하여 용탕의 조직을 제어한다. 몰드에서 응고된 원소재는 인출바에 연결하여 50～300mm/min, 바람직하기로는 150mm/min의 일정한 속도로 전진 및 후진을 반복하면서 인출하여 연속적으로 원소재를 제조하게 된다. 여기서 인출속도가 300mm/min 이상 너무 빠르게 하면 미응고된 용탕이 터져 나오는 브레이크아웃(Breakout)현상이 일어나며, 50mm/min 이하로 너무 느리면 몰드 내에서 용탕이 완전히 응고되어 전자교반에 의한 조직의 구상화 효과를 얻을 수 없게 된다.

다음은 연속적으로 인출되는 반용융 원소재를 생산할 제품의 충진체적에 맞게 정해진 길이에서 인출되는 반용융 원소재와 함께 움직이면서 휠커터(Wheel Cutter)로 절단한다. 절단 시에는 화재의 위험이 있으므로 물이나 절삭유를 흘리면서 적절한 속도로 절단하게 된다.

다음은 절단된 반용융 원소재를 재가열하는 공정으로서 일정한 길이로 절단된 반용융 원소재는 고주파를 이용한 급속 유도가열 장치를 이용하여 반용융 원소 재의 자체온도를 585～595℃, 바람직하기로는 588℃까지 1～3분 내에 승온시켜 반용융 성형용 슬러리를 제조하게 된다. 이때 반용융 원소재의 고상율(fs)은 0.4～0.7정도가 된다. 원소재의 자체온도를 585℃보다 낮게 하면 고상율(fs)이 높아져 제품의 충진시 유동성이 저하되어 성형 제품에 미성형 및 기포등의 내부결함이 발생되는 문제가 있으며, 원소재의 자체온도를 595℃이상으로 높게하면 제품의 충진시 유동성은 향상되나 고상율(fs)의 저하로 반용융 고유의 구상화 조직이 파괴되어 성형제품의 기계적성질을 저해하는 요인이 되고, 원소재가 녹아내리는 문제가 발생된다. 또한 가열시간을 1～3분으로 한정한 것은 가열시간을 빠르게 하면 할수록 제품의 생산성은 향상되나 원소재의 내부까지 균일하게 가열하는 것이 어렵고, 가열시간이 너무 느리면 생산성이 저하되어 가열스테이션의 수를 늘려야하므로 설비투자 비용의 증가가 예상된다.

상기 급속 유도가열 장치는 고주파 발생장치, 수평식 1채널(혹은 다채널가능) 가열 스테이션, 콘테이너, 원소재 장입 장치로 구성된다.

도 2는 반용융 원소재 재가열장치와 가열스테이션의 개략도이다.

재가열장치는 가열스테이션(10)에 전류를 공급하는 고주파발진장치(1), 고주파출력수냉케이블(2), 전류박스(3)로 구성되고, 가열스테이션(10)의 상부에 혼합가스공급장치(미도시)로부터 혼합가스공급배관(4)을 통하여 혼합가스가 공급된다.

그림에서 보듯이 가열스테이션(10)은 가열챔버(11) 내의 중앙부에 설치된 가열코일지지대(12)의 위에 가열코일(13)이 설치되고, 가열코일(13) 내부에는 소재받침대(14)를 배설하여 반용용 원소재를 올려 놓게 된다.

가열스테이션(10)은 수평식 혹은 수직식이 가능하나 본 발명에서는 수평식을 채택하였다. 수직식의 경우 반용융 원소재를 가열할 경우 온도가 올라감에 따라 액상이 흘러내리게 되는 문제점이 있으므로 적정 온도까지 가열시키는데 문제점이 있다.

도 3은 도 2의 상기 가열스테이션(10)을 더욱 확대한 것으로서, 원소재가열챔버(11) 내에 가열코일(13)과 내부에 소재받침대(14)로 구성되며, 소재받침대(14)에 원소재(s)가 장입된다. 원소재(s)의 온도조절은 자동온도 조절장치를 이용하며, 이때 마그네슘합금의 가열에 의한 발화를 방지하기 위하여 불활성가스(Ar, SF₆ 등)를 원소재 가열챔버(11) 내로 흘려준다. 제품 양산 공정에서는 이러한 가열스테이션을 5～10개 정도로 구성하여 제품 제조싸이클 타임을 짧게 할 수 있어 생산성이 향상된다.

이렇게 가열된 원소재 슬러리는 제품이송 장치에 의해서 제품 성형공정으로 넘겨진다. 적정온도로 가열된 슬러리는 반용융 성형장치의 주입부(Sleeve)에 놓여지게 되며, 가압플런저(Plunger)에 의해서 고속 고압으로 제품성형용 금형내로 주입되어 완전히 충진되도록 가압한다. 이 때 반용융 슬러리의 충진시 가압플런저의 이동속도는 2단으로 조절되는데 제품의 주입구가지는 0.1～1.0m/s, 바람직하기로는 0.25m/s의 저속으로 전진하다가 제품부에 도달되면 1.0～4.5m/s, 바람직하기로는 2.5m/s의 고속으로 가압하게 된다. 저속속도가 너무 빠르면 슬러리가 이동하면서 공기가 포집되어 제품에 박히게 되는 문제가 발생되며, 너무 느리면 슬러리의 온도 가 떨어져 제품의 성형성에 악영향을 미치게 된다. 고속속도는 제품부의 형상에 따라 미세하게 조절하면서 조절이 가능하다.

반용융 성형장치의 주입부(Sleeve)는 재가열된 반용융 슬러리가 장입되었을때 표면에 응고층이 발생되지 않도록 300～500℃까지 가열하여 유지하여야 한다. 반용융 슬러리의 표면에 응고층이 발생되면 제품에 박혀서 조직이 불균일하게 되므로 기계적 성질을 해치는 요인이 된다. 주입부의 가열방식은 가스토치에 의한 가열방법과 가열용 막대형 코일을 주입부의 외부에 장착하고 전기를 이용하여 가열하는 방법이 있다.

반용융 성형제품은 금형의 중심부에 위치한 제품형상부(Cavity)로 반용융 슬러리가 충진되어 응고함에 의해서 제조된다. 재가열된 슬러리가 반용융 성형장치의 가압플런저에 의해 이동하여 금형의 제품형상부까지 이동될 때 온도가 급강하하게 되어 유동성이 악화된다. 따라서 금형의 온도는 250～300℃로 유지하여야 한다. 금형의 온도조절은 자동온도 조절장치를 이용하게 되며 금형에 온도조절용 회로를 설치하고, 여기에 열매체용 기름을 순환시켜 줌으로써 금형의 온도가 일정하게 유지된다.

이하, 실시예를 상세하게 설명한다.

[실시예]

본 발명의 방법으로 자동차용 에어컨 컴프레서 커버(Air compressor cover)를 제조하였다. 금형의 크기는 680×440×510mm으로 500Ton 반용융 성형장치에서 제작할 수 있도록 제작 하였으며, 금형의 온도를 조절할 수 있도록 제품형상부 (Cavity)에 온도조절용 회로를 설치하였다.

반용융 성형 시제품의 제조 공정은, 먼저 충진 체적을 계산하여 원소재를 절단(직경 65mm×길이 120mm)하고 재료의 중앙부에 열전대를 설치하여 재가열시 원소재의 온도를 측정하였다. 고주파 재가열 시스템의 온도를 590℃로 세팅하고 일정하게 가열하여, 원소재의 온도가 588℃가 되었을 때 성형가공 장치의 주입부에 장입하였다. 이 때 원소재 가열챔버 내로 SF₆ 가스를 흘려주면서 발화되지 않도록 하였다.

상기 재가열 시스템의 규격은 다음 표 1과 같다.

고주파 유도가열 시스템의 규격

방식(TYPE)	수평식 1채널
구 성	고주파 발생장치
	CT BOX
	원소재 콘테이너
전 원	220V 3상(20KVA)
출 력	20KW
부하결합	유도결합
발진주파수	25KHz
출력제어방식	위상제어 연속가변식
냉각 방식	수냉

이 때 주입부는 가스토치로 하단부를 가열하여 350℃로 온도가 유지되도록 하여 원소재 표면 응고층의 발생을 방지하였다.

또한, 다음 표 2의 규격의 금형온도조절장치를 이용하여 금형의 온도를 280℃로 균일하게 조절하였다.

금형온도조절장치의 규격

방식(TYPE)	열매체유 가열식
히터용량	16KW 2기(고정, 가동)
전 원	380V 3상 60Hz
온 도	350℃이하
냉각능력	~80,000kcal/h/at300℃ ~40,000kcal/h/at200℃

본 실시예에 사용된 반용융성형 장치의 규격을 요약하면 다음 표 3과 같다.

반용융 성형장치의 규격

항목	단위	규격	항목	단위	규격
형체력	Ton	500	저속 사출속도	m/sec	0.1～1.0
사출력	Ton	51.3	고속 사출속도	m/sec	0.1～4.5
플런저 스트로크	mm	580	플런저 직경	mm	70
다이 스트로크	mm	400～560	다이 판	mm	1070×1070

본 실시예에서 제조된 자동차 에어컨 컴프레서 커버의 특성은 표 4와 같이 측정되었다.

마그네슘 반용융 성형제품 특성

평가항목	규격	평가결과
기계적 특성	인장강도 230MPa이상	양호
기계적 특성	연신율 5%이상	양호
내식성	염수분무시험(72시간이상)	양호
내압성	Leak Test 20Kg/㎠ 이상유지	양호
치수검사	소재상태 치수검사	양호
외관검사	제품외관 미성형, 크랙 없을것	양호

즉, 반용융 성형가공 장치를 이용하여 제작한 자동차 에어컨 컴프레서 커버는 외관 형상이 건전하게 충진 되었으며, 내압성으로서 20kg/㎠이상에서의 내압테스트를 통과하고, 기계적 성질로 인장강도 230MPa 이상, 연신율 5%이상을 모두 만족하였다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 공정 면에서 다이캐스팅 방법에 비해 용해공정이 생략되어 에너지 절감효과가 있으며, 액상보다 낮은 온도이므로 응고시 수축감소에 의한 실형상 제어능이 우수할 뿐만 아니라 복잡한 형상의 제품제조가 용이하고 기계적 성질이 우수한 제품 생산이 가능하다.

또한, 반용융 슬러리의 금형 충진시 비난류성 충진이 가능하므로 기공발생이 적어 우수한 기계적 특성을 가진 내압부품의 적용이 가능하고 금형충진 온도가 낮으므로 금형의 수명이 향상되며 제조 사이클이 감소되어 생상성이 향상되는 장점이 있다.

둘째, 본 발명의 방법에 의해 제조된 제품은 마그네슘 합금의 특성인 경량화 효과가 우수하고 진동흡수성 및 전자파 차폐특성을 극대화시킬 수 있어 에너지 절감 및 환경오염 감소에 큰 효과가 있으며, 알루미늄 합금제보다 우수한 비강도 비강성 등의 기계적 특성의 확보가 가능하고, 제품 내부에 기공이나 수축공과 같은 결함을 최소화 할 수 있어 열처리가 가능하고, 특히 내압부품으로서 고품질이 요구되는 제품의 제조가 가능하다.

Claims

마그네슘합금 지금을 준비하는 단계;

상기 마그네슘합금 지금을 용해하고 고상과 액상이 공존한 상태에서 전자기적으로 교반하여 수지상 조직을 구상화시키고 균일한 미세조직을 갖는 원소재를 제조하는 단계;

상기 원소재를 제품용적에 맞게 일정한 길이로 절단하는 단계;

상기 절단된 원소재를 고상과 액상이 공존하는 영역으로 급속히 가열하는 원소재 재가열 단계;

상기 재가열된 원소재를 금형에 넣고 가압하는 가압성형 단계;

로 구성된 마그네슘 합금 반용융 성형가공법.
청구항 1에 있어서,

상기 원소재 재가열 단계는 상기 원소재의 자체온도를 585～595℃까지 1～3분 내에 승온시켜 고상율(fs)이 0.4～0.7인 반용융 성형용 슬러리를 제조하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 반용융 성형가공법.