KR20070095863A

KR20070095863A - 경사 기능 부품 생산 방법

Info

Publication number: KR20070095863A
Application number: KR1020077004580A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 브라운; 스티븐 켈리; 페다르 티에르난; 앤드류 제이. 베이츠; 미셸 스칸란
Original assignee: 유니버시티 칼리지 더블린 내쇼날 유니버시티 오브 아일랜드, 더블린
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-10-01
Also published as: CN101018630A; ATE536228T1; WO2006010601A3; US20080107916A1; WO2006010601A2; US7874344B2; CN101018630B; ES2381197T3; EP1778426A2; EP1778426B1; JP2008507410A

Abstract

본 발명은 경사 기능 부품 생산 방법을 제공하는데, 상기 부품은 제1 재료의 외부층과 제2 재료의 내부 코어를 구비하고, 상기 두 재료 사이의 계면을 교차하여 현미경 조직이 점차적으로 변화하며, 상기 방법은 특히 알루미늄-규소(Al-Si) 시스템에 기초한 하나 이상의 알루미늄 합금들로부터 형성된 부품 생산에 적용되고, 상기 방법은 제1 용융 금속을 주형 안으로 도입하는 단계, 제1 금속층을 주형 벽에 대하여 부분적으로 응고시키는 단계, 제1 금속의 나머지 용융부를 따라 내는 단계 및 제2 용융 금속을 주형 안으로 도입하고 응고시키는 단계를 포함한다.

경사 기능 부품, 외부층, 내부 코어, 현미경 조직, 알루미늄 합금

Description

경사 기능 부품 생산 방법{A METHOD FOR PRODUCING A FUNCTIONALLY GRADIENT COMPONENT}

본 발명은 경사 기능 부품, 특히 두 개 이상의 금속과 같은 재료로 형성된 부품, 더 상세하게는 알루미늄-규소(Al-Si) 시스템 또는, 구리-주석(Cu-Sn) 또는 철-탄소(Fe-C)와 같은 두 개의 성분으로 된 합금 또는 다성분 합금에 기초한 두 개 이상의 알루미늄 합금으로 형성된 부품의 생산 방법에 관한 것이다.

본 기술 분야에서, 경제적 방법으로 생산되고 경량이지만 내마모성을 가진 부품에 대한 분명한 요구가 있다. 전형적으로, 내마모성 재료는 본래 종종 깨지기 쉽고, 따라서 만일 동적 하중이 걸리는 가동부(예를 들어 엔진)에서 사용된다면 부서질 위험이 있다. 이러한 문제를 극복하는 한가지 방법은 강인하고 유연한 코어(core)에 내구성이 있는 외부 코팅, 예를 들어 금속 코어에 세라믹 코팅을 적용하는 것이다. 종래의 내마모성 표면 코팅 제공 수단은 플라즈마(plasma), 예를 들어 물리 기상 증착(physical vapour deposition, PVD), 화학 기상 증착(chemical vapour deposition, CVD) 또는 그와 유사한 것에 기초하고 있고, 따라서 단지 사용중에 빨리 마모되는 일반적으로 마이크로미터 단위의 매우 얇은 층을 증착하는 데에도 고가의 장치가 필요하다. 또한, 코팅된 기재(substrate)에 있어서, 코팅과 그 기재 사이의 열팽창 계수의 부정합 때문에, 부품이 가열 또는 냉각되었을 때 큰 응력이 발생할 수 있다. 이로 인해 코팅이 파괴될 수 있고, 기재-코팅 계면이 얇은 조각으로 갈라질 수 있다.

경량이지만 내마모성을 가진 또 다른 재료로서 금속기 복합 재료(MMC, metal matrix composite)가 있다. 이는 강화 세라믹 입자, 예를 들어 탄화 규소(silicon carbide, SiC) 입자들을 합체시키는 금속 기지(metallic matrix)를 가진 재료이다. 그러나, 금속 기지, 일반적으로 알루미늄과 상기 입자들 사이의 적당한 고착[젖음성(wetting)]을 보장하는 것이 문제이다. 또한, 상기 재료가 주조를 위해 용융되었을 때, 세라믹 입자들이 한 덩어리로 되거나 부품 바닥부로 침전하는 경향이 있다. 다공성은 상기 방식으로 처리된 재료의 특징이고, 이를 방지하기가 매우 힘들다. 또한 원료가 비교적 비싸다.

분무 주조법은 과공정 알루미늄-규소 합금에서 미세 현미경 조직(microstructure)을 형성시킬 수 있는 방법이다. 이 방법은 비활성 기체와 함께 용융된 금속 흐름을 분무화 하는 단계와, 이동 기재 위로 부착(deposition) 시키는 단계를 포함하는데, 이는 본 공정을 비교적 비싸게 만들며, 부품을 그 최종 모양에 유사한 형상이 아닌 단지 예비적 형상으로만 생산할 수 있고 따라서 유용한 부품을 형성하기 위해 후속 공정을 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 특정 물리적 성질을 가진 적어도 하나의 제1 재료 외부층과, 그와 다른 물리적 성질을 가진 제2 재료 내부 코어와, 상기 제1 재료와 제2 재료 사이의 현미경 조직의 점차적인 변화를 포함한 경사 기능 부품의 생산을 위한 신규한 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은, 용융된 상태의 제1 재료를 주형 안으로 도입하는 단계, 상기 제1 재료층을 상기 주형의 벽에 대하여 적어도 부분적으로 응고시키는 단계, 상기 제1 재료의 나머지 용융 부분을 따라 내는 단계 및 용융된 상태의 제2 재료를 상기 주형 안으로 도입하는 단계를 포함하는 경사 기능 부품 생산 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 방법은 적어도 상기 따라 내는 단계를 환원 가스 분위기(reducing gas atmosphere)에서 실시하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 방법은 제1 재료층 산화를 실질적으로 방지하기 위해 제1 재료를 따라 낸 후 충분히 짧은 간격을 두고 제2 재료를 주형 안으로 도입하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 주형 벽의 하나 이상의 위치에서 요구되는 제1 재료층 두께를 달성하기 위해, 제1 재료를 도입하기 전에, 상기 주형 벽의 하나 이상의 위치에서 온도를 변화시키는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 제1 재료를 가압 상태에서 주형으로 도입하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 제2 재료를 가압 상태에서 주형으로 도입하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 제1 재료를 도입하기 전에 적어도 주형의 일부를 예열시키는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 제2 재료가 실질적으로 응고될 때까지 제2 재료를 주형 내에서 가압 상태로 유지하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 제2 재료층을 제1 재료층 위에서 적어도 부분적으로 응고시키는 단계, 제2 재료의 나머지 용융된 부분을 따라 내는 단계 및 용융된 상태의 제3 재료를 주형 안으로 도입하는 단계를 포함한다.

여기서 사용된 "경사 기능 부품(functionally gradient component)"이라는 용어는, 제1 재료 외부층과 제2 재료 내부 코어를 구비하고, 상기 두 재료 사이의 계면을 교차하는 현미경 조직이 점차적으로 변화되는 부품을 의미한다.

여기서 사용된 "용융된 상태(molten state)"라는 용어는, 일반적으로 재료를 특정 온도 또는 특정 온도 범위 내로 가열하여 얻어지고, 중력의 영향 하에서든지 추가적 도움에 의해서든지 재료를 주형의 모양으로 만들기 위해 재료가, 예를 들어 주형 또는 그와 유사한 것의 내부 또는 외부로 흐르는 것을 허용하는 재료, 예를 들어 금속의 상태를 의미한다.

여기서 사용된 "부품(component)"이라는 용어는, 완성된 제품으로 간주되거나 특정 응용품에서 사용할 준비가 완료되었다고 간주되기 전에 하나 이상의 후속 공정 단계를 필요로 하는 제품을 의미할 뿐만 아니라, 예정된 응용품에서 사용할 준비가 완료된 완성된 제품 또는 실질적으로 완성된 최종 제품을 의미한다.

이하 본 발명을 첨부 도면을 참고 하여 설명한다.

도 1은 본 방법 발명 실시용 장치의 제1 실시예의 사시도이다.

도 2는 본 방법 발명 실시용 장치의 제2 실시예의 측면 단면도이다.

도 3은 본 방법 발명 실시용 장치의 제3 실시예의 측면 단면도이다.

도 4는 도 3의 장치의 일부를 형성하는 도가니의 측면 단면도이다.

도 5는 도 4에 도시된 도가니용 뚜껑의 사시도이다.

도 6은 내부에 위치된 금속 A와 금속 B를 구비한, 도 3에 도시된 장치의 측면 단면도이다.

도 7은 도 3에 도시된 장치와 함께 사용될 수 있는 밸브 블록의 사시도이다.

도 8은 주형이 상승 위치에 있는, 본 방법 발명 실시용 장치의 제4 실시예의 사시 단면도이다.

도 9는 주형이 하강 위치에 있는, 도 9의 장치의 측면 단면도이다.

첨부 도면 중 도 1에는, 본 발명에 따른 경사 기능 부품 생산 방법의 실시를 위한 본 발명에 따른 장치(10)의 제1 실시예가 도시되어 있다. 이하의 설명 전체에 걸쳐서, 본 방법 발명은 알루미늄-규소(Al-Si) 시스템에 기초한 합금, 특히 과공정(hypereutectic) 및 아공정(hypoeutective) 알루미늄-규소 합금의 사용에 대하여 주로 설명된다. 그러나 본 방법 발명은 상기 합금 또는 다른 금속 합금의 사용에 제한되지 않고, 주조를 위해 용융된 상태로 변화될 수 있는 거의 모든 재료, 예를 들어 열가소성 재료 또는 그와 유사한 재료와 함께 사용될 수 있다. 과공정 및 아공정 알루미늄-규소 합금의 선택은 다수의 산업, 예를 들어 자동차, 항공 및 로보 틱스 산업에서 경량성 및 내마모성 부품 제조에 있어서 단순히 그들의 우월성을 나타내는 것에 불과하다.

과공정 합금은 공정 기지(eutectic matrix)에서 실리콘 바늘 현미경 조직을 가지며, 단단하지만 만일 단일체라면 부서지기 쉽다. 아공정 합금은 두 가지 상(phase)의 공정 기지에 의해 포위된 순 알루미늄 상의 현미경 조직을 가진다. 상기 합금들은 일반적으로 강인하고 유연하며 구조용 재료로서 유용하다. 본 방법 발명은 이하 상세히 설명되는 바와 같이, 과공정 구성 및 현미경 조직을 가지는 표면과 아공정 구성을 가지는 중심 코어를 구비하고, 상기 두 구성 사이의 현미경 조직이 점차적으로 변화되는 부품을 생산할 수 있다. 이러한 부품은 내마모성 표면과 강인한 중심부를 가지며, 이는 기계 공학 분야에서 사용되는 많은 부품에 있어서 이상적인 특성이다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같은 장치(10)의 제1 실시예는, 도시된 바와 같이 수직으로 유지되거나 속에 있는 재료를 따라 내기 위해 뒤집어 질 수 있도록 회전 가능한 프레임(F)에 고정된 실질적으로 전통적인 주형(12)을 포함한다. 따라서, 프레임(F)은 주형(12)을 뒤집는 데 적당한 어떠한 모양 및/또는 구성으로 될 수 있음을 알 수 있다.

주형(12)은 생산할 부품(도시되지 않음)의 모양과 반대 모양으로 공동(cavity)(14)을 한정하며, 예로써 상기 공동(14)은 단순한 직사각형 블록이다. 과공정 구성의 알루미늄-규소 합금(이하 "재료 A"라 함)이 용융되고 공동(14) 안으로 주입된다. 재료 A의 열은 주형(12)을 통하여 발산되므로 주형(12) 바로 다음에 있는 재료부터 먼저 냉각되고 응고된다. 고체 껍질의 두께는 정확한 두께로 판단될 때까지 시간에 따라 증가하고, 정확한 두께로 판단되면 프레임(F)에 의해 주형(12)을 뒤집음으로써 남아있는 액체 재료 A를 따라 낸다. 따라서 주형(12) 벽을 따라서 응고된 재료 A층이 남게 된다. 재료 A층 두께는 생산된 경사 기능 부품(도시되지 않음)이 어디에 적용되는 지와, 상기 부품의 작동 조건에 따라 달라 지게 된다. 다른 인자, 예를 들어 부품 생산 비용도 물론 재료 A층 두께에 영향을 미친다. 주형(12)으로부터 따라 내어진 재료 A는, 주형(12) 내에서 다음 부품의 생산에 사용되기 위해 바람직하게는 적당한 저장소(도시되지 않음)에 용융된 상태로 보관된다.

그 다음에, 주형(12)은 다시 수직 위치로 복귀되고, 아공정 알루미늄-규소 합금(이하 "재료 B"라 함)이 공동(14) 내의 나머지 공간을 채우기 위해 주입된다. 만일 재료 A가 따라 내어진 후 충분히 짧은 시간 간격으로 재료 B가 공동(14) 내로 주입되었다면, 재료 A층이 산화될 시간이 없으므로 결과적으로 재료 A 외부층과 재료 B 코어 사이에 최종적인 가시적 계면이 형성되지 않는다. 만일 상기 방법이 환원 가스 분위기에서 실시되었다면, 심지어 긴 노출 시간 동안에도 산화가 일어나지 않는다.

또한 재료 A와 재료 B 사이의 계면이 분명하게 형성되지 않는 것은 용융된 재료 B의 추가에 의한 재료 A 노출면의 재용융 때문이다. 액체 영역 내에서의 대류와 혼합은 재료 A와 재료 B 사이의 가파른 구성 기울기를 없앤다. 이러한 방식으로 구성 및 현미경 조직에 있어서 재료 A에서 재료 B까지의 점차적으로 변화, 예를 들어 외부 과공정 층에서 내부 아공정 코어까지의 점차적으로 변화가 나타난다. 그 결과, 특정 기계적 성질, 예를 들어 경질 내마모성을 가진 외부층과, 다른 기계적 성질, 예를 들어 더 연질이나 강인하고 더 큰 연성을 가진 코어를 구비한 경사 기능 재료(FGM, functionally gradient material) 또는 부품이 만들어진다. 또한, 이러한 경사 기능 부품은 가열되거나 냉각되었을 때 형성될 수 있는 응력에 덜 민감한데, 그 이유는 경사 기능 부품을 형성하는 두 재료의 열 계수에 있어서 차이가 있음에도 불구하고 이후 자세히 설명되는 바와 같이 하나의 현미경 조직으로부터 다른 현미경 조직으로의 점차적으로 변화가 상술한 응력의 효과를 최소화시키기 때문이다.

과공정 알루미늄-규소 합금과 아공정 알루미늄-규소 합금에 대해 더 자세히 설명하면, 과공정 외부층은 비교적 빨리 응고되고 그 결과 미세한 내마모성 표면 현미경 조직을 가진다. 내부 액체 과공정 합금을 따라 내었기 때문에 형성될 부품의 중심부에는 과도한 응력이 발생하지 않으며, 또한 중심 합금 또는 코어 합금이 아공정 합금이기 때문에 문제가 되는 큰 실리콘 바늘의 형성이 방지되고 큰 실리콘 바늘이 최종 부품 내에 존재하지 않게 된다. 만일 경질 내마모성 표면을 얻기 위해 부품 전체가 과공정 합금으로 주조되었다면, 부품 표면이 제일 먼저 그리고 비교적 빨리 응고되지만 내부는 더욱 천천히 응고될 것이고, 이로 인해 본질적으로 부서지기 쉬운 큰 실리콘 바늘이 형성될 것이다. 응고와 수축에 의해 발생된 응력으로 인해, 심지어 주형이 완전히 응고되기 전에 깨질 수도 있다. 만일 주형이 깨지지 않더라도, 바늘 모양의 큰 내부 실리콘 결정이 재료를 부서지기 쉽게 만드는 크랙(crack) 확대 경로를 제공할 것이다. 이는 본 방법 발명에 의해 방지되는 문제들 중의 일부이다.

또한, 본 방법 발명에 의해 생산된 부품은, 실리콘을 다량 함유한 과공정 표면으로 인해, 우수한 표면 열 특성, 즉 고온에서의 증가된 강도와 높은 절연성을 가진다. 마모 환경에 있어서, 마찰에 의한 열이 발생하고 그로 인해 고온 조건에서 재료 A가 연질화되지 않는다는 점이 중요하므로, 상기 특성은 유익하다. 또한, 재료 A에서 재료 B로의 구성의 기울기는, 온도 변화에 의해 응력이 변동하거나 교대로 발생하는 조건인 열적 피로에 대해 더욱 내성이 있는 재료로 만든다.

첨부 도면 중 도 2를 참고하면, 대표적인 본 방법 발명 실시 수단인 본 발명에 따른 장치(110)의 제2 실시예가 도시되어 있다. 다시, 장치(110)는 내부에 경사 기능 부품(도시되지 않음) 주조용 공동(114)을 한정하는 주형(112)을 포함한다. 종래의 주형 생산 방법에서와 마찬가지로, 주형(112)은, 공동(114)을 한정하기 위해 다져진 모래(22)로 내부가 채워진 종래 모양의 제1 모래 박스(20)로부터 형성된다. 당연히, 제1 모래 박스(20)와 관련 모래(22)는 적당한 다른 어떤 재료, 예를 들어 공동(114) 내에서 주조될 재료보다 높은 용융점을 가진 금속 재료 또는 세라믹 재료로부터 형성된 주형(도시되지 않음)으로 대체될 수 있음이 이해될 것이다.

제1 모래 박스(20)는 그와 유사한 제2 모래 박스(24) 위에 장착되고, 다시 제2 모래 박스(24)는 공동(114)의 기초부로부터 아래로 연장되는 한 쌍의 채널(26)을 한정하기 위해 다져진 모래(22)로 채워진다. 한 쌍의 채널(26)은, 저장소(28)를 한정하기 위해 다져진 모래(22)로 채워진 제3 모래 박스 내에 한정된 저장소(28) 내부로 연장된다.

각 모래 박스(20, 24, 30)에는, 그의 들어올림/위치 결정을 용이하게 하기 위해 서로 반대로 배치된 한 쌍의 핸들이 제공된다. 또한, 각 모래 박스(20, 24, 30)에는 그 각각의 코너에 돌기(34)가 제공되고, 각 돌기에는 그를 관통하는 구멍(36)이 형성된다. 따라서, 모래 박스(20, 24, 30)가 서로 포개어 쌓아 올려지면, 인접 돌기(34)의 구멍(36)들이 정렬되고, 모래 박스(20, 24, 30)를 서로에 대해 고정하기 위해 위치 핀(도시되지 않음)이 구멍(36)들을 관통할 수 있다.

사용에 있어서, 바람직하게는 적당히 높은 용융점을 가진 탄소 또는 다른 어떤 재료로부터 형성된 한 쌍의 로드(38)가 아래로 공동(114)을 관통하여 채널(26) 내부로 삽입되는데, 이는 용융된 재료가 공동(114) 내부로 도입되었을 때 그것이 아래로 채널(26)을 관통하여 저장소(28) 내부로 배출되지 않도록 채널을 폐쇄하기 위함이다.

다시, 장치(110)에 의해 구현된 바와 같은 본 방법 발명에 대한 설명에 있어서, 재료 A는 바람직하게는 과공정 알루미늄-규소 합금을 지칭하고, 재료 B는 바람직하게는 아공정 알루미늄-규소 합금을 지칭한다. 최초에, 재료 A와 재료 B는, 예를 들어 유도로 또는 그와 유사한 적당한 용광로에서 용융된다. 그 다음에 재료 A는 공동(114)을 채우기 위해 공동(114) 내부로 주입된다. 공동(114)은 모양에 있어서, 예를 들어 스테인레스강 또는 그와 유사한 것으로부터 형성된 중심 코어(40)를 구비한 원형이라는 점이 주지되어야 한다. 따라서, 장치(110)는 재료 A로 구성된 내부면을 가진 원형 부품, 예를 들어 부싱(bushing)(도시되지 않음) 또는 그와 유사한 것의 생산에 적합하도록 되어 있다. 재료 A가 공동(114)의 둘레에서 응고되는 동안, 한 쌍의 로드(38)는 도시된 바와 같이 그 위치를 유지한다. 재료 A의 응고층이 요구되는 두께에 도달하면, 한 쌍의 로드(38)는 위를 향하여 채널(26) 외부로 뽑아내어지고, 따라서 나머지 용융된 재료 A가 아래를 향하여 저장소(28) 내부로 배출된다. 한 쌍의 로드(38)는, 채널(26) 내부에 고정될 때, 재료 A의 응고층이 형성되도록 하기 위해 공동(114)의 벽으로부터 충분한 거리를 두고 위치된다.

로드(38)가 제거되고 용융된 재료 A가 저장소(28)로 배출되면, 용융된 재료 B가 공동(114) 내부의 재료 A의 반고체층(semi-solid layer) 둘레로 도입된다. 재료 A의 부피가 저장소(28)와 채널(26)을 모두 채우기에 충분하므로, 재료 B는 채널(26)을 통하여 배출되지 않는다. 로드(38)는, 그 자체의 어떠한 금속 응고라도 방지하기 위해, 가열되거나 절연 재료로 만들어질 수 있다.

용융된 재료 B의 도입은 재료 A와 재료 B 사이의 계면의 재용융에 영향을 미치고, 따라서 재료 A와 재료 B 사이의 미세 구조와 성질에 있어서 계단 변화 대신에 기울기를 발생시킨다. 다시, 상기 방법이 환원 가스 분위기에서 실시되거나, 적어도 재료 A를 따라 내는 단계와 재료 B를 주조하는 단계 내에서 실시되는 것이 바람직하다.

따라서, 장치(110)는 경사 기능 부품을 생산하기 위한 본 방법 발명의 실시를 가능하게 한다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 장치(210)의 제3 실시예가 도시되어 있다. 다시, 상기 제3 실시예를 설명함에 있어서, 특정 기계적 성질을 가지며 바람직하게는 과공정 알루미늄-규소 합금인 재료 A 와, 그와 다른 기계적 성질을 가지며 아공정 알루미늄-규소 합금인 재료 B를 참조한다.

장치(210)는 주조될 부품(도시되지 않음)의 모양과 반대 모양으로 공동(214)을 한정하는 주형(214)을 포함한다. 종래의 주형 생산 방법에서와 마찬가지로, 공동(214)은, 그 모양을 한정하기 위해 다져진 모래(22)로 채워진 제1 모래 박스(220) 내부에 주로 한정된다. 제1 모래 박스(220)는 제2 모래 박스(224) 상부에 장착되며, 제2 모래 박스(224)도 또한 다져진 모래(222)로 채워져 있고 공동(214)의 하부를 한정한다. 공동(214) 전체가 제1 모래 박스(220) 내에 포함될 수 있다는 것이 당연히 이해될 것이다. 모래 박스(220, 224)는 적당한 어떤 재료로부터 형성된 적당한 다른 어떤 주형(도시되지 않음)으로 대체될 수 있음이 또한 이해될 것이다. 이하 상세히 설명되는 바와 같이, 재료 A와 재료 B를 공동(214)으로 도입하고 공동(214)으로부터 제거하기 위해, 한 쌍의 채널(226)이 공동(214)으로부터 연장된다. 또한 바람직하게는 모래 박스(220, 224)의 들어올림과 위치 결정을 위한 한 쌍의 핸들(232)이 모래 박스(220, 224)에 제공된다.

장치(210)는 제2 모래 박스(224)와 분해 가능하게 결합된 도가니(50)를 또한 포함하며, 도가니(50)는 표준 내열 타입이고 재료 A와 재료 B를 각각 수용하기 위한 제1 챔버(52)와 제2 챔버(54)로 분리된다. 도가니(50)는 도 4에 분리되어 도시되어 있다.

장치(210)는, 도 5에 분리되어 도시된 바와 같이 도가니(50)용 뚜껑(56)을 또한 포함한다. 뚜껑(56)은 도가니(50)와 뚜껑(56) 사이에 내압 밀봉을 제공하기 위한 모양과 치수를 가진다. 이를 위해, 밀봉용 혼합물이 제공된 도가니(50) 상단부를 수용하기 위한 림(rim)(58)이 뚜껑(56)에 제공된다.

선택적으로, 개스킷(도시되지 않음)이 뚜껑(56)과 도가니(50) 상부 사이에 사용될 수 있다. 내압 밀봉을 형성하도록 뚜껑(56)과 도가니(50) 사이의 개스킷(도시되지 않음)을 압착하기 위해 가압된다.

선택적으로, 뚜껑(56)은 세라믹 섬유 재료로 만들어질 수 있고, 도가니(50) 상부가 압축되어 내압 밀봉을 형성한다.

사용에 있어서, 제1 챔버(52) 내에 위치된 제1 공급 튜브(60)와, 제2 챔버(54) 내에 위치된 제2 공급 튜브(62)가 뚜껑(56)을 관통하여 연장된다. 제1 공급 튜브(60)와 제2 공급 튜브(62)는 바람직하게는 흑연 또는 세라믹 재료, 또는 용융된 재료 A와 용융된 재료 B로부터의 열에 견딜 수 있는 다른 어떤 재료로 만들어진다. 제1 공급 튜브(60)와 제2 공급 튜브(62)는 도가니(50)의 기초부에 인접한 위치까지 연장되도록 치수가 정해진다.

또한, 사용에 있어서, 제1 챔버(52) 내에 위치된 제1 펌프 튜브(64)와, 제2 챔버(54) 내에 위치된 제2 펌프 튜브(66)가 뚜껑(56)을 관통하여 연장된다. 제1 펌프 튜브(64)와 제2 펌프 튜브(66)는 도가니(50)의 상부 내에서 단부가 형성되도록 치수가 정해진다. 또한, 제1 펌프 튜브(64)와 제2 펌프 튜브(66)는, 제2 모래 박스(224)가 뚜껑(56) 위에 위치되었을 때 접근이 용이하도록 하기 위해, 튜브 둘레의 뚜껑(56)을 빠져나올 수 있도록 위치된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제2 모래 박스(224)가 뚜껑(56)에 장착되면, 각 채널(226)은 제1 공급 튜브(60) 및 제2 공급 튜브(62)와 개별적으로 유체 연결된다. 그에 따라, 제1 저장소(52)로부터 공동(214) 안으로의 경로와, 제2 챔버(54)로부터 공동(214) 안으로의 경로가 제공된다. 제1 챔버(52)와 공동(214) 사이에서 재료 A의 흐름을 허용하거나 차단하는 작동을 할 수 있는 제1 밸브(68)가 제1 공급 튜브(60) 위에 채널(226) 내부에 배치되고, 제2 챔버(54)와 공동(214) 사이에서 재료 B의 흐름을 허용하거나 차단하는 작동을 할 수 있는 제2 밸브(70)가 제2 공급 튜브(62) 위에 채널(226) 내부에 배치된다. 제1 밸브(68)와 제2 밸브(70)는, 사용중 장치(210) 내에서 경험하게 될 온도에 견딜 수 있다면 적당한 어떤 모양이라도 가질 수 있다.

따라서 사용에 있어서 또한 특히 도 6을 참고하면, 다량의 재료 A는 제1 챔버(52) 내에 위치되고, 다량의 재료 B는 제2 챔버(54) 내에 위치된다. 그 다음에, 도시된 바와 같이 뚜껑(56)이 도가니(50) 위에 밀봉되고, 모래 박스(220, 224)가 도가니(50)에 장착된다. 한 쌍의 밸브(68, 70)는 최초 닫힌 상태로 위치된다. 만일 아직 위와 같이 되어 있지 않더라도, 재료 A와 재료 B는, 바람직하게는 도가니(50)를 용광로 내에, 가장 바람직하게는 유도로 내에 위치시킴으로써 용융된다. 선택적으로, 재료 A와 재료 B는 또 다른 용광로(도시되지 않음)에서 용융되고 각각의 공급 튜브(60, 62)를 통하여 도가니(50) 안으로 주입될 수 있다.

그 다음에, 제1 밸브(68)가 개방되고, 가압 가스가 제1 펌프 튜브(64)를 통하여 제1 챔버(52) 안으로 공급된다. 따라서, 상기 가압 가스는 공동(214)을 채우기 위해 용융된 재료 A를 제1 공급 튜브(60) 위로 상승시켜 공동(214) 내부로 주입 되도록 한다. 재료 A가 공동(214)의 표면을 따라서 응고되도록 하기 위해 압력이 특정 시간 구간 동안 유지된다. 응고층 두께는 제1 챔버(52) 내에서 압력이 유지되는 시간에 의해 제어된다. 재료 A의 응고층이 요구되는 두께에 도달되면, 압력이 해제되고, 그에 따라 잔여 액체 재료 A는 제1 공급 튜브(60)를 통하여 아래로 제1 챔버(52) 안으로 다시 복귀된다.

그 다음에, 제1 밸브(68)는 닫히고 제2 밸브(70)가 개방된다. 필요하다면, 제2 공급 튜브(62)를 막고 있는 어떤 응고된 금속이라도 그를 관통하여 구멍을 뚫기 위해 장치(도시되지 않음)가 사용될 수 있다. 제2 펌프 튜브(66)를 통하여 제2 챔버(54)가 가압되고, 그에 따라 용융된 재료 B가 제2 공급 튜브(62)를 통하여 위로 공동(214) 안으로 주입된다. 용융된 재료 B는 공동(214) 내에서 재료 A 표면층을 재용융시키고, 그에 따라 두 재료 A, B 사이에 경사 계면을 형성한다. 제2 챔버(54) 내의 압력은 재료 B가 공동(214) 내에서 응고될 때까지 유지되며, 이는 어떠한 수축 문제라도 그 방지에 기여한다. 그 이후에, 제2 공급 튜브(62) 내의 용융된 재료 B를 다시 제2 챔버(54) 안으로 복귀시키기 위해 압력이 해제된다. 그 이후에, 완성된 경사 기능 부품을 노출시키기 위해 제1 모래 박스(220)는 제2 모래 박스(224)로부터 제거된다.

도가니(50) 또는 더 자세하게는 제1 챔버(52)와 제2 챔버(54)는, 바람직하게는 유도로(도시되지 않음)를 포함한 밀폐된 챔버(도시되지 않음) 내에 수용될 수 있는 분리된 두 개의 도가니(도시되지 않음)로 대체될 수 있다. 재료 A와 재료 B가 주형 안으로 동시에 주입되는 것을 방지하는 데 적당한 밸브 시스템(도시되지 않 음)을 사용하여 재료 A와 재료 B를 주형 안으로 주입하기 위해 챔버는 가압될 수 있다. 선택적으로, 만일 재료 A와 재료 B에 대해 서로 다른 유지 온도가 필요하다면, 상기 분리된 두 개의 챔버(도시되지 않음)는 상기 두 개의 도가니(도시되지 않음)를 수용하는 데 사용될 수 있다.

도 7을 참고하면, 제1 밸브(68)와 제2 밸브(70)는 내부에 제1 관통 구멍(84)과 제2 관통 구멍(86)을 구비한 몸체(82)를 포함한 밸브 블록(80)으로 대체될 수 있으며, 각 관통 구멍(84, 86)은 제1 핸들(88)과 제2 핸들(90) 각각에 의해 작동되는 밸브들(도시되지 않음)과 작동상 관련이 있는 밸브(도시되지 않음)를 구비한다. 또한, 바람직하게는, 밸브 블록(80) 내에서 재료 A 또는 재료 B의 응고를 방지하기 위해 내부에 가열 요소(도시되지 않음)가 삽입될 수 있는 몸체(82)의 내부로 연장되는 하나 이상의 가열 챔버(92)가 밸브 블록(80)에 제공된다. 그러면, 밸브 블록(80)은 바람직하게는 제2 모래 박스(224) 전체와 밸브(68, 70)를 대체할 수 있고, 그 다음에 제1 모래 박스(220)는 밸브 블록(80)에 직접 장착된다. 상기와 같은 배치에 있어서, 공동(214) 전체는 제1 모래 박스(220) 또는 적당한 다른 어떤 주형(도시되지 않음) 내에 위치될 필요가 있다. 밸브 블록(80)의 사용은, 시간이 많이 소모되고 어려운 작업인, 제2 모래 박스(224)의 다져진 모래(222) 내에 밸브(68, 70)를 조심스럽고 정확하게 위치시키는 작업의 필요성을 없애준다.

도 8과 도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 경사 기능 부품 생산 방법의 실시를 위한 본 발명에 따른 장치(410)의 제4 실시예가 도시되어 있다. 이하 설명된 바와 같이 장치(410)는 경사 기능 부품(도시되지 않음)의 진공 주조를 실시하는데 적 합하도록 되어 있다. 장치(410)는, 내부에 경사 기능 부품(도시되지 않음) 주조를 위한 공동(414)을 한정하고, 바람직하게는 다져진 모래로 형성된 주형(412)을 포함한다. 주형(412)은 진공 컵(95) 내에서 고정되거나 유지되며, 유체 밀봉 씰(seal)이 진공 컵(95)과 주형(412) 사이에 위치된다. 도시된 실시예에서 진공 컵(95)이 비록 실질적으로 원형 단면을 가지지만, 적당한 다른 어떤 모양도 사용될 수 있음이 이해될 것이다.

사용에 있어서, 진공 컵(95)을 통하여 주형(412)에 부압(負壓) 또는 진공을 형성할 수 있도록 진공 펌프(도시되지 않음) 또는 그와 유사한 것에 연결된 흡입 튜브(96)가 진공 컵(95)으로부터 연장된다. 주형(412)이 다공성 모래로 형성되었기 때문에, 공동(414) 내에 진공이 형성될 것이다. 주형에는, 공동(414)으로의 외부 통로가 제공된 하부에 게이트(gate) 또는 채널(426)이 제공된다. 또한, 주형(414)에는 그 주위의 다양한 위치에 배치된 냉각쇠(chill)(97)가 제공되며, 이는 주형(414) 내의 재료 응고와 그에 따른 냉각쇠에 인접한 재료 두께를 제어하기 위함이다.

따라서, 사용에 있어서, 진공 컵(95) 내에서 유지되는 주형(412)은 용융된 재료 A를 포함한 용광로(450), 바람직하게는 유도로 위에 위치된다. 그 다음에, 도 9에 도시된 바와 같이 주형(414)은 재료 A 안으로 하강하고, 흡입 튜브(96)를 통하여 화살표(V) 방향으로 공기를 끌어올림으로써 진공 컵(95)과 공동(414)에 진공이 형성된다. 따라서, 재료 A는 공동(414) 안으로 끌려 올라가고 공동(414)의 벽에 대하여 응고되기 시작한다. 재료 A가 요구되는 두께에 도달된 후, 진공 컵(95)에서 진공이 해제되고, 공동(414) 내의 재료 A의 용융 부분이 중력에 의해 용광로(450) 안으로 다시 복귀된다.

주형(412)과 진공 컵(95)은, 비록 용융된 재료 B(도시되지 않음)를 포함하지만 바람직하게는 제1 용광로(450)와 동일한 타입의 제2 용광로(도시되지 않음)로 빠르게 이동된다. 그 다음에, 주형(412)이 재료 B 안으로 하강하고 재료 A의 외피(skin) 내에서 코어를 형성하도록 공동(414) 안으로 용융된 재료 B를 끌어당기기 위해 공동(414)에 진공이 형성되는 상기 공정이 반복된다. 진공은 재료 B가 완전히 응고될 때까지 유지된다.

재료 B가 부분 응고된 후 제2 용광로(도시되지 않음) 안으로 다시 복귀되고 제3 재료(도시되지 않음)가 공동(414) 안으로 주입될 수 있는 점 등등이 당연히 이해될 것이다.

상기 타입의 진공 주조법은 일반적으로 반중력 저압 공기 용융(CLA, countergravity low pressure air melt) 공정으로 알려져 있다. 이에 대한 일반적인 변형으로써 반중력 저압 진공 용융(CLV, countergravity low pressure vacuum melt) 공정이 있다. 상기 두 공정의 차이는, CLA 공정에서는 금속이 대기중에 개방된 상태에서 용융되고, CLV 공정에서는 금속이 진공 상태에서 용융된다는 점이다. 따라서, 일반적으로 CLV 공정은 공기 중에서 용융될 수 없는 반응성 금속(reactive metal)을 위해 사용된다.

상술한 실시예들은 본 방법 발명의 비교적 단순한 실시 수단이며, 그 수단에 대한 다양한 변형 또는 개량이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 재료 A와 재료 B의 응고 속도를 제어하기 위해, 특히 공동(214) 내의 재료 A 및/또는 재료 B의 전방에 위치한 탕도(runner)가 응고되면 수축 문제와, 생산 실행에 있어서 제2 주형(도시되지 않음) 사용의 어려움이 발생하므로 이를 방지하기 위해, 일반적으로 압탕구(feeder)(도시되지 않음)로 알려진 적당한 고온 재료 저장소가 제공될 수 있다. 또한, 응고 속도를 제어하고, 재료 A를 생산될 부품의 특정 영역, 예를 들어 특정 표면 또는 표면의 일부에 위치시키기 위해 적당한 냉각쇠(도시되지 않음)가 주형(212) 주위에 제공될 수 있다. 선택적으로, 금속 주형(도시되지 않음) 또는 적당한 다른 어떤 재료의 주형도 응고를 제어하기 위해 가열부 또는 냉각부와 함께 사용될 수 있다.

적당한 다른 어떤 주조 공정도 본 발명에 따른 방법과 함께 사용하기에 적합하도록 될 수 있음이 또한 명백하다. 예를 들어, 히치너 공정(hitchiner process)은, 주형 주위에서 밀폐 공기 챔버를 부분 진공 상태로 만들어서 용융 금속이 주형(도시되지 않음) 안으로 끌어 올려지는 인베스트먼트 주조 공정(investment casting process)이다. 튜브(도시되지 않음)는 주형으로부터 아래로 용융 금속의 탕욕(bath) 또는 도가니 안으로 연장되고, 그에 따라 주형 안으로 용융 금속의 흡입을 촉진한다. 상기 방식으로 용융 금속을 주형 안으로 끌어올리는 것은 매우 잘 제어된 주입 속도와, 주조품(도시되지 않음) 내에서 매우 낮은 불순물 레벨을 필요로 한다. 따라서, 본 방법 발명은, 하나는 재료 A를 포함하고 다른 하나는 재료 B를 포함하는 두 개의 용융 금속 탕욕을 제공함으로써 히치너 공정에 적합하도록 될 수 있다. 주형(도시되지 않음)은 표준 히치너 공정과 유사한 방법으로 마련될 수 있으나, 재료 A의 응고점을 증가시키기 위해 요구되는 위치에 삽입된 냉각쇠(도시되지 않음)를 가질 수 있다. 그 다음에, 주형은, 용융된 재료 A의 표면 아래에 있는 게이트 튜브와 함께 재료 A의 탕욕 위에 배치된다. 그 다음에, 주형을 진공 상태로 만들어서 재료 A를 주형 안으로 끌어올리고, 특정 시간 후, 충분한 양의 재료 A가 주형(도시되지 않음) 벽에서 응고되었거나 단지 냉각쇠(도시되지 않음) 상에서만 응고되었다면, 진공을 해제하고 재료 A의 나머지 용탕을 탕욕 또는 도가니(도시되지 않음) 안으로 따라낸다. 그 다음에, 주형 또는 도가니를 이동시켜서, 주형이, 용융된 재료 B를 포함하는 제2 탕욕 또는 도가니(도시되지 않음) 위에 재료 B의 표면 아래로 연장되는 튜브와 함께 위치되도록 한다. 주형의 나머지 부분을 채우기 위해 재료 B를 위로 끌어올리는 데 진공이 다시 사용된다. 재료 B는 죽 모양의 재료 A의 노출 표면층과 결합하여 경사도(gradient)를 가진 현미경 조직을 형성한다. 재료 B가 주형 내에서 완전히 응고되면 진공이 해제된다. 만일 필요하면, 제작 공정을 돕기 위해 개개의 부품이 응고된 후 그러나 탕도(도시되지 않음)는 응고되기 전에 진공이 해제될 수 있다.

본 방법 발명과 함께 사용하는 데 적합하도록 될 수 있는 추가적인 주조 공정으로서 저압 주조 공정의 변형 공정인 코스워드 공정(cosworth process)이 있다. 본 발명과 코스워드 공정과의 주된 차이점은 용융된 금속을 주형(도시되지 않음) 안으로 전달하기 위해 밀봉된 도가니(도시되지 않음)에 가스 차압을 적용하기보다 금속 펌프를 사용하는 것이다.

본 발명에 따른 경사 기능 부품 생산 방법이 주로 완성된 제품 또는 실질적 으로 완성된 제품(도시되지 않음) 생산을 목적으로 하지만, 본 방법 발명은 또한 가공 금속(wrought metal) 제품 또는 그와 유사한 제품의 생산을 위한 블룸(bloom), 슬래브(slab), 빌렛(billet)(도시되지 않음) 등등의 생산을 위해서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 상술한 공정들 중 어느 하나의 공정을 사용하는 본 방법 발명에 따라서 잉곳(ingot)(도시되지 않음)이 생산될 수 있고, 경사 기능 가공 금속 제품(도시되지 않음)이 다수의 사출 공정 또는 그와 유사한 공정, 예를 들어 열간 압연, 냉간 인발 등 중 하나 이상의 공정을 이용하여 생산될 수 있다. 상기 잉곳(도시되지 않음)은 단조 공정, 예를 들어 낙하 단조 또는 그와 유사한 것에 또한 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 벌크 금속 유리(BMG, bulk metallic glass) 부품 또는 벌크 금속 유리 외부층을 구비한 부품 생산에 또한 사용될 수 있다. BMG는, 다수의 유익한 특성과 함께 현저한 고강도, 내마모성, 내부식성 및 탄성을 구비한 유리 고체를 형성하기 위해 과냉각 액체 금속에 의해 생산된 비교적 새로운 재료이다. 상기 새로운 타입의 재료는 1960년 캘리포니아 공과대학교에서 발견되었고 특히 지난 십년 동안 많은 연구와 상업적 활동의 주제가 되었다. 그러나, BMG는 열전도가 느리고 따라서 요구되는 냉각 속도는 단지 주물 두께가 비교적 작은 경우에서만 달성될 수 있다. 본 방법 발명은, 요구되는 냉각 속도를 만족하면서 주어진 시간에서 응고되는 얇은 층에 의해 층들 사이에서 BMG 부품이 형성되는 것을 허용하는 직렬 주조 및 디켄팅(decanting)을 통해 BMG를 생성하는 데 사용될 수 있다. 또한 상기 방법은, 부분적으로 유리질 영역인 중간층 또는 천이층을 가진 결정 재료 를 BMG와 혼합하는데 적합하도록 될 수 있다. 상기 공정은, 주형(도시되지 않음)의 벽 또는 주형의 벽 일부에서 충분히 큰 냉각 속도를 이용하여 초기 BMG층을 주조하는 것과, 그 다음에 잔여 액체 재료를 따라 내는 것과, 이어서 BMG 층 내부에 결정 코어를 주조하는 것을 포함한다. 따라서 BMG 외부층과 결정 코어 사이의 천이 층은 부분적으로 유리질 영역이 될 것이다.

따라서, 본 발명은, 경사 기능 부품, 특히, 특별한 성질 예를 들어 내마모성을 가진 외부층과, 그와 다른 성질 예를 들어 내충격성 또는 그와 유사한 성질을 가진 적어도 하나의 내부층 또는 코어를 구비한 두 개 이상의 알루미늄 합금으로부터 형성되는 경금속 부품의 생산을 위한 비교적 단순한 방법을 제공한다.

Claims

용융된 상태의 제1 재료를 주형 안으로 도입하는 단계,

상기 제1 재료층을 주형의 벽에 대하여 적어도 부분적으로 응고시키는 단계,

상기 제1 재료의 나머지 용융된 부분을 따라 내는 단계, 및

용융된 상태의 제2 재료를 주형 안으로 도입하는 단계를 포함하는 경사 기능 부품 생산 방법.
제1항에 있어서,

적어도 상기 따라 내는 단계를 환원 가스 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 경사 기능 부품 생산 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제2 재료를 도입하는 단계에서, 제1 재료층 산화를 실질적으로 방지하기 위해 제1 재료를 따라 낸 후 충분히 짧은 간격을 두고 제2 재료를 주형 안으로 도입하는 것을 특징으로 하는 경사 기능 부품 생산 방법.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

주형 벽의 하나 이상의 위치에서 요구되는 제1 재료층 두께를 달성하기 위해, 제1 재료를 도입하기 전에, 상기 주형 벽의 하나 이상의 위치의 온도를 변화시 키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 경사 기능 부품 생산 방법.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 재료를 도입하는 단계에서, 제1 재료를 가압 상태에서 주형으로 도입하는 것을 특징으로 하는 경사 기능 부품 생산 방법.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 재료를 도입하는 단계에서, 제2 재료를 가압 상태에서 주형으로 도입하는 것을 특징으로 하는 경사 기능 부품 생산 방법.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

제1 재료를 도입하기 전에 적어도 주형의 일부를 예열시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 경사 기능 부품 생산 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,

제2 재료가 실질적으로 응고될 때까지 제2 재료를 주형 내에서 가압 상태로 유지하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 경사 기능 부품 생산 방법.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,

제2 재료층을 제1 재료층 위에서 적어도 부분적으로 응고시키는 단계,

제2 재료의 나머지 용융된 부분을 따라 내는 단계, 및

용융된 상태의 제3 재료를 주형 안으로 도입하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 경사 기능 부품 생산 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라서 생산된 경사 기능 부품.