KR20070115678A - 에어 포켓 생성 방지를 위한 다이캐스팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콜드 챔버(cold chamber)형 다이캐스팅시 발생하기 쉬운 에어포켓이 형성되는 것을 방지하기 위한 다이캐스팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다이캐스팅되는 각도와 속도를 조절함으로써 주물내에 결함으로 작용하는 에어포켓이 형성되는 것을 방지하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 다이캐스팅 방법은 콜드 챔버내에 용융금속을 주입하고 플런저(plunger)로 상기 용융금속을 가압하여 콜드 챔버의 분사구를 통하여 다이 주조기에 상기 용융금속을 주입하여 주물을 제조하는 콜드 챔버형 다이캐스팅 방법으로서, 상기 콜드 챔버를 플런저에서 분사구쪽 방향에서 보아 수평면에 대하여 3~8° 상방으로 향하도록 배치한 후 플런저를 가압하여 주조하는 것을 특징으로 한다.

다이캐스팅, 에어포켓, 비산, 플런저, 가압속도

Description

에어 포켓 생성 방지를 위한 다이캐스팅 방법{DIE CASTING METHOD FOR PREVENTING AIR POCKET FROM FORMING}

도 1은 핫 챔버형 다이캐스팅 장치를 나타내는 개략도,

도 2는 콜드 챔버형 다이캐스팅 장치를 나타내는 개략도,

도 3은 콜드 챔버형 다이캐스팅 장치를 이용하여 주조시 콜드 챔버 내에서 에어포켓이 형성되는 과정을 설명하는 개략도,

도 4는 콜드 챔버형 다이캐스팅 장치의 배치각도가 너무 클 경우 잔탕이 존재하는 원리를 설명하는 개략도, 그리고

도 5는 본 발명에서 규정하는 용어인 가압 초속과 종속을 설명하기 위한 개략도이다.

본 발명은 콜드 챔버(cold chamber)형 다이캐스팅시 발생하기 쉬운 에어포켓이 형성되는 것을 방지하기 위한 다이캐스팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다이캐스팅되는 각도와 속도를 조절함으로써 주물내에 결함으로 작용하는 에어 포켓이 형성되는 것을 방지하는 방법에 관한 것이다.

다이캐스팅은 필요한 제품형상과 일치하도록 정확하게 기계가공된 강제(鋼製)의 금형(金型)에 용융금속을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법이다. 그 제품을 다이캐스트 주물이라고 한다.

치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없는 장점 외에 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능하다는 특징이 있다. 이용되는 금속은 아연 ·알루미늄 ·주석 ·구리 ·마그네슘 등의 합금이며, 다이캐스팅 주조기를 사용하여 공기압 ·수압 ·유압 등에 의해 주입하여 냉각 응고시킨다.

상기 다이캐스팅 주조기는 용융금속을 주입하기 전에 용융금속을 일시저장하는 챔버가 용융금속으로 열을 공급하여 금속을 용해시키는가 아니면 미리 용해된 용융금속을 일시저장하기만 할 뿐 특별한 열공급이 수반되지 않는가에 따라서 핫 챔버(hot chamber)형 다이캐스팅과 콜드 챔버(cold chamber)형 다이캐스팅으로 분류된다.

핫 챔버형 다이캐스팅은 도 1에 도시한 것과 같이 내부에 열원이 삽입되어 있어서 금속을 용융시키고 상기 용융된 금속을 플런저(plunger)를 이용하여 다이내로 분사함으로써 주조하는 방법인데, 챔버 내에서 직접 금속을 용융시켜야 하므로 융점이 높은 금속의 사용에는 적합하지 않다는 단점을 가지고 있다.

콜드 챔버형 다이캐스팅은 도 2에 도시한 바와 같이 미리 외부의 로에서 주조하고자 하는 금속(1)을 용해(鎔解)한 후 이를 수평으로 배치된 실린더 형태의 챔버(2)에 주입하고 상기 주입된 용융금속을 플런저(4)를 이용하여 다이(3) 내로 분사하는 방식의 주조방법이다.

상기와 같은 콜드 챔버형 다이캐스팅을 이용할 경우 플런저(4)의 가압효과를 높여서 주조되는 금속에 약간의 단조효과까지 얻을 수 있다는 장점이 있다. 상기와 같은 콜드 챔버형 다이캐스팅의 유리한 효과를 얻기 위해서는 핫 챔버에 비하여 플런저의 가압력이 매우 크고 가압속도도 매우 높게 하여야 할 필요가 있다.

그런데 상기와 같이 플런저에 의해 가압되는 가압속도가 높을 경우에는 주물내에 기포가 형성되어 주물의 결함을 유발시키는 경우가 많은데, 이는 플런저에 의해 가압될 때 가압되는 용융금속에 의해 공기가 먼저 다이내로 주입되고 이후 용융 금속이 주입됨으로써 용융금속과 공기가 혼합되지 않고 주조되는 것이 바람직하지만 플런저의 가압속도가 높을 경우 미처 공기가 빠져 나가기 전에 용융금속이 플런저에 의해 가압되어 공기와 혼합되기 때문이다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 콜드 챔버형 다이캐스팅시 플런저에 의해 가압되는 용융 금속과 공기가 혼합되지 않는 적절한 다이캐스팅 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다이캐스팅 방법은 콜드 챔버내에 용융금속을 주입하고 플런저(plunger)로 상기 용융금속을 가압하여 콜드 챔버의 분사구를 통하여 다이 주조기에 상기 용융금속을 주입하여 주물을 제조하는 콜드 챔버형 다이캐스팅 방법으로서, 상기 콜드 챔버를 플런저에서 분사구쪽 방향에서 보아 수평면에 대하여 3~8° 상방으로 향하도록 배치한 후 플런저를 가압하여 주조하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 플런저는 가압시 가압초기의 속도(초속)보다 가압후기의 속도(종속)이 증가하는 가속형 가압을 하는데, 이때 초속은 0.3~0.7m/s이고 종속은 2.0~3.0m/s 인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 발명자들은 상기 종래의 콜드 챔버 사용방식에 대하여 면밀히 검토한 결과 콜드 챔버의 수평 분사 방식의 영향이 가장 크다는 것을 알 수 있었다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 콜드 챔버(2)를 이용하여 다이캐스팅할 경우에는 콜드 챔버(2)에 우선 용융 금속(1)을 장입하게 되는데, 용융금속은 챔버 용량 중 일부분에만 장입되게 된다. 콜드 챔버는 상술한 바와 같이 수평으로 배치된 실린더 형태의 형태를 가지므로 결국 용융금속은 실린더 형태의 챔버에 수평으로 장입된다.

따라서, 챔버 상부에는 공기가 채워지는 공간이 형성되는데, 플런저에 의한 가압시 가압되는 용융금속은 플런저 압력에 의해 플런저와 가까운 부위는 콜드 챔버의 전단면을 모두 채우면서 분사구 쪽으로 이동하게 되고 아직 플런저에 의한 가압유동의 영향을 받지 않은 부위는 수평의 표면을 그대로 유지하게 된다. 그러므로, 극단적으로는 플런저 가까운 부위와 플런저에 먼 부위는 단차 형태를 이루게 된다.

또한, 플런저의 가압에 의해 다이내로 용융금속을 분사하는 분사구쪽에서도 좁은 분사구에 의한 유동 저항으로 인하여 분사구에 인접한 콜드 챔버 전단면은 용융금속으로 완전히 채워지는데 반하여 이로부터 멀어지는 부위에는 용융금속으로 완전히 채워지지 않고 상부에 공기층이 잔류하게 된다. 그러므로 가압시 플런저(4)에서부터 분사구까지 전체 플런저의 길이방향에 걸친 용융금속의 콜드 챔버내 충진 율을 비교해 보면, 플런저 인접부위는 챔버 단면에 대하여 용융금속이 거의 다 채워지고, 플런저 인접부위로부터 멀어질수록 공기층의 비율이 증가하다가, 최 종 분사구에서는 다시 용융금속이 챔버의 단면을 모두 채우고 있는 형상이 된다. 따라서, 챔버 중간의 공기는 주조될 용융금속에 의해 포위되는 형상을 가지게 되며 이들이 용융금속보다 우선 배출되지 못하고 용융금속과 혼합되어 배출됨으로써 최종 주물내에 결함으로 작용하게 되는 것이다.

상기와 같이 용융금속에 공기가 포위되는 현상을 본 발명에서는 에어 포켓이라고 부르며, 이러한 에어포켓이 형성되지 않도록 하는 것이 본 발명의 목적을 이루는 가장 효율적인 방법인 것으로 판단되어 상기 에어포켓을 형성시키지 않는 효과적인 방법을 제공하고자 하였다.

본 발명의 발명자들은 상기와 같은 에어포켓이 가급적 형성되지 않도록 하기 위해서는 콜드챔버를 완전한 수평으로 유지하지 않고 플런저에서 분사구를 향하는 방향에서 보았을 때 약간 상향으로 하는 것이 효과적이라는 것을 알 수 있었다.

상기와 같이 상향으로 유지할 경우 처음부터 플런저쪽으로 용융금속이 편향되게 되므로 분사구쪽의 용융금속의 충진율은 상대적으로 감소하게 된다. 따라서,플런저에 의해 가압될 경우 플런저에 인접한 용융금속과 먼 위치에 있는 용융금속 사이의 단차(또는 구배)가 발생하는 지점이 플런저에서부터 상당히 후방으로 지연되게 되며, 또한 분사구쪽의 용융금속의 충진율이 감소하게 되므로 중간의 공기가 용융금속에 포위되지 않고 분사구로 우선 배출될 수 있게 된다.

그러므로, 콜드 챔버의 각도를 플런저에서부터 분사구쪽의 방향으로 보아 상향으로 조절하는 것이 바람직하나, 상기 각도를 너무 상향조절하면 다음과 같은 문제가 발생한다.

즉, 각도를 너무 상향으로 조절할 경우 도 4에 도시한 바와 같이 플런저쪽으로 용융금속이 편향되는 정도가 너무 커지게 되고, 그 결과 플런저에 의하여 가압시 용융금속이 챔버 내의 분사구 쪽으로 전량 가압되지 못하고 플런저의 초기 위치에 가까이 위치한 용융금속 주입구로 다시 배출되어 잔탕이나 용융금속 비산 등의 문제가 발생할 수 있다.

그러므로 콜드 챔버의 배치각도는 일정한 범위로 유지될 필요가 있다. 본 발명의 발명자들이 검토한 바로는 상기 콜드 챔버는 플런저에서 분사구 방향으로보아 수평선에 대하여 상방으로 3 ~ 8°를 이루는 것이 바람직하다. 상술하였듯이 상기 각도가 3° 미만이면 에어포켓을 완전히 제거하는 것이 어렵고, 반대로 8°를 초과할 경우에는 분사되지 못하고 주입구 위에 잔탕으로 잔류하거나 비산되어 유실되는 용융금속의 양이 과다하여 적당하지 않다.

본 발명의 발명자들은 또한, 상기와 같은 적절한 배치각도 내에서 에어포켓을 감소시킬 수 있는 보다 바람직한 조건에 대하여 검토한 결과 플런저의 가압속도 도 에어포켓의 생성에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.

즉, 플런저의 가압은 그 속도가 점점 빨라지는 가속형 가압인데, 플런저의 가압속도가 과다하게 높을 경우에는 공기가 완전히 배출되지 않은 상태에서 분사구쪽의 용융금속의 충진율이 높아지게 되어 공기가 분사구내에 갇히는 에어포켓 현상이 발생하게 된다. 또한, 플런저의 가압속도가 과다하게 높을 경우에는 플런저에 의해 가압되는 용융금속의 운동에너지가 과다하여 같은 각도에서도 용융금속이 주입구 바깥쪽으로 비산되는 양이 증가하게 된다는 문제도 발생한다. 그러므로 플런저의 가압속도의 초기치(초속), 즉, 도 5에서 볼 수 있듯이 플런저가 용융금속을 실질적으로 가압하기 시작하는 지점인 용융금속 주입구의 직후 지점(20)에서의 속도는 일정한 수준 이하로 유지될 필요가 있는데, 본 발명의 발명자들은 연구결과 가압속도의 초속이 0.7m/s 이상일 경우 과다한 용융금속 비산 및 에어포켓 발생으로 인하여 주조에 불리하다는 것을 발견할 수 있었다.

또한, 반대로 플런저의 가압속도가 과다하게 느릴 경우에는 에어포켓의 발생이나 용융금속의 비산 등의 문제는 발생되지 않으나, 별도의 열원이 장착되지 않는 콜드 챔버형 다이캐스팅의 특성상 시간이 경과함에 따라 용융금속의 온도가 감소하고 그에 따라 용융금속의 점도가 감소하게 되는데 이러한 용융금속을 충분히 가압할 수 없어 결과적으로 용융금속이 주입되지 못한채로 응고되어 버린다는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 콜드 챔버를 이용할 경우 단조에 준하는 효과를 얻을 수가 있다는 상술한 장점을 충분히 얻기 어렵다는 단점도 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해서는 플런저의 가압 초속은 0.4m/s 이상은 되어야 한다.

또한, 플런저의 가압 종속이 낮을 경우에도 금속의 응고 현상이 일어나거나 단조효과를 얻지 못하는 등의 문제가 있을 수 있으므로 상기 가압종속은 2.0m/s 이상이 되어야 하며, 현재 콜드 챔버형 다이캐스팅 장치에서는 플런저의 가압속도는 3.0m/s 이상이 될 경우 장치에 이상이 발생할 수 있으며, 또한 특별한 효과상승도 기대하기도 어렵기 때문에 상기 가압 종속은 2.0~3.0m/s로 하는 것이 바람직하다. 여기서 가압종속이라 함은 도 5에서 볼 수 있듯이, 플런저가 용융금속을 가압하는 최후속도를 의미한다. 물론, 도 5에서 볼 수 있듯이 플런저가 용융금속을 가압하는 패턴을 살펴보면 최종(40)적으로는 플런저의 속도는 0m/s가 될 터이지만, 이는 플런저가 분사구의 벽에 도달해서 이로 인하여 더이상 전진할 수 없기 때문에 속도가 급격히 감소되는 현상에 기인한 것으로서, 본 발명에서 의미하는 종속이라 함은 상기 속도가 급격히 감소하기 직전(30)의 속도를 의미한다.

(실시예)

길이 197mm, 반경 12.5mm인 형태를 가지는 스트레이트 콜드 챔버형 다이캐스팅 장비를 이용하여 용융 알루미늄(Al) 50g에 대하여 휴대폰 케이스 형상으로 다이캐스팅을 실시하였다.

다이캐스팅시 상기 콜드 챔버의 각도, 플런저 가압 초속 및 종속 등의 조건은 하기 표 1에 기재된 조건으로 하였다.

구분	각도(°)	가압초속(m/s)	가압종속(m/s)	결함	잔탕	용융금속비산
실시예1	3	0.5	2.6	양호	양호	양호
실시예2	5	0.5	2.6	양호	양호	양호
실시예3	8	0.5	2.6	양호	양호	양호
비교예1	0	0.5	2.6	불량	양호	양호
비교예2	10	0.5	2.6	양호	불량	미흡
비교예3	5	0.3	0.3	금속 응고로 주조 불가
비교예4	5	1.0	2.6	양호	미흡	불량

상기 표에서 실시예1 내지 실시예3은 본 발명에서 규정하는 콜드 챔버 각도와 분사속도를 모두 충족하는 경우를, 비교예1은 초속과 종속은 본 발명의 범위를 만족하지만 콜드 챔버의 각도가 0°로서 본 발명에서 규정하는 범위의 하한보다 낮은 경우를, 반대로 비교예2는 초속과 종속은 본 발명의 범위를 만족하지만 콜드 챔버의 각도가 10°로서 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 경우를, 비교예3은 플런저의 초속과 종속이 낮은 경우를 반대로 비교예4는 플런저의 가압 초속이 너무 높은 경우를 나타낸다.

상기 표에서 결함은 주물의 임의 지역의 단면을 검사하여 기포성 결함이 관찰된 경우를 불량이라고 하고, 그렇지 않은 경우를 양호라고 판단하였다. 잔탕량은 가압후 콜드 챔버의 용융금속 주입부 직상에 위치한 공간에 금속이 잔존하는 양을 계량하여 그 중량이 6g 이상인 경우를 불량, 4g 이하인 경우를 양호, 그 사이를 미흡으로 판정하였다. 또한, 용융금속 비산은 비산되는 용융금속량이 과다하여 용융금속으로 인한 스프래쉬(sprash)가 다량 발생하는 경우를 불량으로, 전혀 비산이 일어나지 않는 경우를 양호로, 비산이 일부 일어나지만 그 스프래쉬 발생량이 많지 않은 경우를 미흡으로 판정하였다.

상기 표 1에서도 확인할 수 있듯이, 본 발명에서 제한하는 각도와 속도 범위를 모두 충족하는 실시예1 내지 실시예3의 경우에는 모든 결과가 양호하였으나, 콜드 챔버가 수평으로 놓여진 비교예1의 경우에는 에어 포켓을 방지하지 못한 결과로 결함이 다량 발생되었으며, 반대로 챔버의 각도가 과다하게 높은 비교예2의 경우에는 잔탕이 다량 존재하였으며, 용융금속도 일부 비산되는 등 양호하지 못한 결과를 나타내었다. 또한, 비교예3의 경우는 플런저의 속도가 낮아 용융금속이 일부 응고 및 고착됨으로써 플런저가 제대로 가압하지 못해 다이캐스팅 자체가 불가하였으며, 반대로 비교예4의 경우에는 용융 금속이 다량비산되어 작업성이 매우 열악해지는 결과를 초래하였다.

따라서, 상기 실험에서 확인할 수 있듯이, 본원에서 규정하는 콜드 챔버형 다이캐스팅시 챔버의 각도와 플런저 가압속도를 조절함으로써 결함이 없는 주물을 효과적으로 제조할 수 있었다.

이러한 본 발명의 대상으로 되는 금속으로는, 그 예로서 알루미늄, 마그네슘, 구리, 주석, 아연 등을 들 수 있지만, 이러한 금속에만 특별히 한정되는 것은 아니며, 다이캐스팅에 의해 제조되는 금속이라면 어떤 금속이든 본 발명의 방법에 의해 주조 가능하다.

본 발명에 의할 경우, 다이캐스팅용 용융금속을 다이 내부로 주입하기 위하여 플런저로 가압할 때, 내부에 에어포켓이 형성되지 않아 결함이 없은 양호한 주물을 생산할 수 있음은 물론이고, 잔탕이나 용융금속 비산 등이 발생되지 않아 양호한 작업환경을 제조할 수 있다는 부가적인 이득도 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 콜드 챔버내에 용융금속을 주입하고 플런저(plunger)로 상기 용융금속을 가압하여 콜드 챔버의 분사구를 통하여 다이 주조기에 상기 용융금속을 주입하여 주물을 제조하는 콜드 챔버형 다이캐스팅 방법에 있어서,

   상기 콜드 챔버를 플런저에서 분사구쪽 방향에서 보아 수평면에 대하여 3~8° 상방으로 향하도록 배치한 후 플런저를 가압하여 주조하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 플런저 가압시 초속이 0.3~0.7m/s이고 종속은 2.0~3.0m/s인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅 방법.

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