KR20090095652A - 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법 - Google Patents

저융점 주조 금속 부품의 보강 방법 Download PDF

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KR20090095652A KR1020097015037A KR20097015037A KR20090095652A KR 20090095652 A KR20090095652 A KR 20090095652A KR 1020097015037 A KR1020097015037 A KR 1020097015037A KR 20097015037 A KR20097015037 A KR 20097015037A KR 20090095652 A KR20090095652 A KR 20090095652A
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더 게이츠 코포레이션
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Abstract

본 발명은, 소정의 융점을 갖는 용융된 금속 재료를 준비하는 것과, 용융된 금속 재료의 융점보다 융점이 높은 보강 재료를 용융된 금속 재료 내에 혼합하는 것과, 용융된 금속 재료를 몰드에 붓는 것과, 보강 재료에 소정 힘을 인가하여 보강 재료가 몰드의 소정 부분 및 이에 따른 주조 금속 부품의 소정 부분을 점유하도록 하는 것과, 용융된 금속 재료를 고화시키는 것을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법에 관한 것이다.

Description

저융점 주조 금속 부품의 보강 방법{METHOD OF REINFORCING LOW MELTING TEMPERATURE CAST METAL PARTS}
본 발명은 소정 공정, 즉 몰드 주물의 소정 부분에 도포되거나 또는 분산되는 고융점 섬유 또는 분말을 이용하여 저융점 주조 금속 부품을 보강하는 공정 및 이 공정을 이용하여 제작되는 부품에 관한 것이다.
알루미늄 합금 및 마그네슘 합금은 보통 산업용 제품의 제작에 사용된다. 이들 합금에 대한 다수의 용도가 있지만, 이들 합금은 두 부품, 즉 알루미늄 코어와 보다 강도가 큰 재료, 예컨대 강으로 제작된 케이스가 함께 접합되는 경우를 제외하고는 강도가 크고 마모가 심한 용례에 대해서 사용될 수 없다. 강제 슬리브를 필요로 하는 알루미늄 블록 엔진이 좋은 예이다. 순수한 금속의 특성을 개선하기 위해, 베이스 금속에 다양한 금속을 첨가하고 원자 스케일에서 금속간 조성물 및 상을 생성함으로써 합금을 제작한다. 그러나, 알루미늄 및 마그네슘 심지어 이들의 합금은, 이들의 낮은 밀도 및 비교적 낮은 융점이 매우 매력적인 특성임에도 불구하고 다수의 용례에 대해 충분한 강도 및 내마모성을 갖지 못한다. 알루미늄 합금 및 마그네슘 합금을 강화하기 위한 종래 기술은 이들 합금에 세라믹을 첨가하는 것이다. 세라믹은 원자 스케일에서 합금과 혼합되지 않으며, 그보다는 매크로 스 케일에서 이들 합금을 보강한다. 세라믹이 첨가된 합금과 관련된 문제는, 이들 합금을 기계가공하기가 매우 곤란하다는 점이다. 그리고, 주물은 대부분 결코 최종적인 형상(net-shape)이 아니므로, 전술한 합금은 단지 마무리 가공을 필요로 하지 않는 특정 용례에 대해서만 적합하다.
기계적 특성 및 내마모성을 향상시키기 위해 용융된 알루미늄 및 마그네슘에 세라믹을 첨가하는 것이 또한 당업계에 알려져 있다. 세라믹으로 보강된 알루미늄과 관련된 문제는, 주조 이후에 해당 부품을 기계가공하기가 매우 곤란하다는 점이다. 또한, 세라믹으로 보강된 합금은 양호한 연성을 갖지 않는다.
대표적인 종래 기술로는, 다이 캐스팅에 의해 섬유로 보강된 경금속 주물을 제작하기 위해 마련되는 공정을 개시하는 U.S. 4586554가 있다. 섬유 몰딩이 보조 몰드 내에 도입되며, 보조 몰드는 경금속의 융점을 넘는 최적 온도까지 가열된다. 보조 몰드는 이후에 끼워 맞춤(positive fit)으로 보조 몰드의 외측 외형에 대응하는 다이 캐스팅 몰드 내에 삽입되며 가압 상태에서 경금속으로 충전된다. 섬유 몰딩은 선택적으로, 보조 몰드가 가열될 때 분해되는 일시적인 유기 바인더에 의해 안정화될 수 있다.
몰드 주물의 소정 부분에 도포되거나 또는 분산되는 고융점 섬유 또는 분말을 이용하여 저융점 주조 금속 부품을 보강하는 방법이 요구된다.
본 발명의 제1 양태는 몰드 주물의 소정 부분에 도포되거나 또는 분산되는 고융점 섬유 또는 분말을 이용하여 저융점 주조 금속 부품을 보강하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태는 본 발명의 후술하는 설명 및 첨부 도면에 의해 지적되거나 명확해진다.
본 발명은, 소정의 융점을 갖는 용융된 금속 재료를 준비하는 것과, 용융된 금속 재료의 융점보다 융점이 높은 보강 재료를 용융된 금속 재료 내에 혼합하는 것과, 용융된 금속 재료를 몰드에 붓는 것과, 보강 재료에 소정 힘을 인가하여 보강 재료가 몰드의 소정 부분 및 이에 따른 주조 금속 부품의 소정 부분을 점유하도록 하는 것과, 용융된 금속 재료를 고화시키는 것을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법을 포함한다.
본 명세서에 포함되며 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내며 설명과 함께 본 발명의 원리를 해설하는 역할을 한다.
도 1은 제1 방법의 사시도이다.
도 2는 자기적 몰드의 사시도이다.
도 3은 자기적 몰드의 사시도이다.
도 4는 마무리된 부품의 사시도이다.
도 5는 원심 몰드(centrifugal mold)의 사시도이다.
도 6은 장갑 기계의 사시도이다.
도 7은 마무리된 부품의 사시도이다.
도 8은 중력 분리를 이용하여 형성되는 부품의 측면도이다.
도 9는 몰드에 대한 분말 또는 섬유의 도포를 나타내는 사시도이다.
도 10은 금속이 부어져 있는 몰드의 사시도이다.
도 11은 마무리된 부품의 사시도이다.
도 12는 붓기 이전에 섬유 또는 분말이 도포된 자기적 몰드의 사시도이다.
도 13은 충전된 몰드의 사시도이다.
도 14는 마무리된 부품의 사시도이다.
도 15는 2단계 몰드의 사시도이다.
도 16은 코어가 제거된 2단계 몰드의 사시도이다.
도 17은 2단계 몰드의 사시도이다.
도 18은 댐 몰드(dam mold)의 사시도이다.
도 19는 댐을 구비한 몰드의 사시도이다.
도 20은 마무리된 부품의 사시도이다.
본 발명은, 호스트 금속 재료 내에 혼합되는 스테인레스 강 섬유 또는 분말 혹은 다른 고융점 합금 섬유 및/또는 분말을 이용하여 알루미늄, 마그네슘, 아연, 또는 주석 주물 혹은 임의의 다른 저융점 금속 주물의 내구성 보강 및/또는 강도 향상을 위한 방법 및 이 방법을 이용한 제품을 제공한다. 본 발명은 또한 보강용 분말 또는 재료를 용융된 금속 내에 혼합하고 후속하여 자기력, 원심력 또는 중력과 같은 외력에 의해 용융된 금속으로부터 섬유/분말을 분리함으로써 저융점 합금을 보강하는 방법을 포함한다.
이러한 방법은, 금속 복합 혼합물을 형성하기 위해 보강용 섬유 또는 분말이 첨가된 금속 호스트 합금의 사용을 포함한다. 금속 복합 혼합물은 기계적으로 보강된 합금을 포함한다. 혼합물을 제품으로 주조할 때, 이는 기계적인 강도(예컨대, 인장 강도, 압축 강도, 피로 강도, 휨 강도 등)를 향상시킬 것이며 더 큰 내마모성을 가질 것이다.
본 명세서에서 개시되는 이러한 공정은, 경질 크롬 도금 또는 세라믹 코팅을 필요로 하지 않으면서도 강도 및 내마모성이 높은 알루미늄 스프라켓을 제작하는 데 사용될 수 있다. 대체로 기계적 결합 또는 화학적 결합으로 이루어지는 코팅은 본 발명에 따른 공정을 사용하여 제작된 부품보다 강하지 않기 때문에, 개시된 공정은 일반적으로 코팅보다 우수한데, 왜냐하면 본 발명의 공정에서는 층 사이의 "결합"이 필요 없고 이에 따라 상기 부품은 실질적으로 일체이기 때문이다.
본 발명에 따른 공정은, 소정의 방식으로 용융된 호스트 금속 복합 재료에서 섬유 및/또는 분말을 분리하거나 또는 구분하는 기계적 수단 또는 다른 수단의 사용을 포함한다. 이는 원심력, 중력, 자기력, 또는 정전하(static electric charge)의 사용을 포함할 수 있다. 이들 수단을 사용함으로써, 용융 단계에서 부품의 외부층(또는 다른 원하는 위치)에서의 섬유 및/또는 분말의 농도를 조작할 수 있고 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 전체 부품에서의 섬유 사용을 증가시키지 않고 이에 따라 비용 및 중량을 감소시키면서도 표면 또는 다른 위치 상에서 더 높은 강도 및/또는 더 큰 내마모성을 부여함으로써 사전에 결정된 특정 위치에서 부품에 대한 기계적인 특성이 개선된다.
섬유 또는 분말은, 이러한 공정 동안에, 순수한 혼합 공정에서 예상할 수 있는 바와 같이 금속 복합 재료 전반에 걸쳐 반드시 균일하게 분포되어야만 하는 것은 아니다. 대신, 분말 또는 섬유는 선택적으로 내구성 또는 강도 향상이 요구되는 영역에 집중될 수 있다. 금속 섬유 및/또는 분말의 집중은 주조 공정 동안에 이루어진다.
상기 금속 복합 재료는 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 주석 혹은 이들의 2 이상의 조합을 포함할 수 있다. 섬유 및 분말은 용융된 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 주석에 비해 융점이 매우 높은 스테인레스 강, 합금 강, 저탄소 강, 또는 다른 재료를 비롯하여 금속 복합 재료보다 융점이 높은 금속 재료를 포함한다. 순수한 철의 융점은 1537℃이다. 순수한 알루미늄의 융점은 660℃이며, 순수한 마그네슘의 융점은 650℃이다. 순수한 아연의 융점은 420℃이며, 순수한 주석의 융점은 232℃이다.
재료의 융점의 차이에 의해, 스테인레스 강 섬유 또는 분말은 용융된 금속 복합 재료에서 용융되지 않으며, 오히려 철과 호스트 금속의 조합을 포함하는 금속간 경계층이 섬유 또는 분말 경계에 형성된다.
일반적으로, 철의 밀도가 알루미늄 또는 마그네슘의 밀도의 약 3배이기 때문에, 주조 이전에 그리고 때때로 부품 구성에 따라 주조 이후에(몰드 내 교반) 용융물을 교반하여 섬유 또는 분말이 호스트 용융 금속 복합 재료에서 침전되는 것을 방지한다. 교반은 자기력에 의해 또는 기계적인 수단에 의해 간단하게 행해질 수 있다. 주조는 일반적으로 폐쇄된 몰드에서 그리고 때때로 가압 상태에서(즉, 다이 캐스팅에서) 행해진다. 이는 보다 양호하게 몰드를 충전하는 데 도움이 된다.
섬유의 비율, 섬유의 크기 및 형상, 그리고 섬유의 재료 조성(합금)은, 부품의 요구되는 성능에 따라 변경될 수 있다. 통상의 혼합물은 약 5 체적% 내지 50 체적%의 범위의 섬유 또는 분말을 함유하며, 섬유 크기는 길이가 약 1 미크론 내지 10 mm이고 단면 직경이 약 1 미크론 내지 1.0 mm(1 내지 1000 미크론)이다. 단면은 임의의 형상일 수 있으나, 단순화를 위해 기본적으로 원형으로 간주하였다. 단지 예로서 제시되어 있지만 이러한 크기의 범위는 보강된 합금의 용이한 다이 캐스팅을 가능하게 한다.
또한, 분말은 약 1 미크론 내지 1 밀리미터 크기의 범위에서 변할 수 있지만, 이 범위로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 샌드 캐스트, 영구 몰드 캐스트 등 다이 캐스팅되지 않는 합금의 경우, 섬유 및 분말의 크기는 길이 및 직경 양자 모두에 있어서 더 크게 될 수 있다. 분말, 섬유 또는 양자의 조합을 선택하는 것은 마무리된 부품에서 요구되는 특성을 달성하느냐의 문제이다. 부품의 선택된 농후 영역에서 섬유/분말의 비율은 95 % 정도로 높을 수 있지만, 이러한 비율로 한정되는 것은 아니다. 몰드 주조 공정에서 몰드 상에 적용되는 농후한 층은, 용융되어 주조 후에 균일하게 농후한 층을 생성하는 것을 보장하기 위해 이 층과 혼합되는 약간의 알루미늄 분말을 포함할 수 있다.
예시적인 섬유는 다음을 포함한다.
스테인레스 강 섬유 스테인레스 강 분말
제품 Beki-Shield SF-08 Ametek P410L
합금 AISI 302 AISI 410
직경 8 미크론 100 메쉬
화학 조성
나머지 나머지
크롬 17.0 내지 19.0 12
니켈 8.0 내지 10.0 없음
탄소 0.15 0.02
망간 2 0.2
실리콘 1 0.6
도 1은 제1 방법의 사시도이다. 섬유 또는 분말의 자기적 분리, 원심 분리, 정전기 분리 또는 중력 분리 이전에 몰드 표면(21) 상에서 호스트 금속 복합 재료(10)가 고화되는 것을 방지하기 위해, 몰드(20)는 예열되며 용융된 합금은 과열(superheated)된다(용융점보다 고온임). 이에 따라 고화 과정이 개시되기 이전에 스테인레스 강 섬유/분말의 분리가 가능하게 된다. 요구되는 금속 복합 재료에 적용되는 과열 정도는 약 250 ℃이다. 부어진 금속 복합 재료는 이후에 냉각 가능하게 된다. 일단 주위 상태로 냉각되면 보강된 주조 부품은 몰드(20)로부터 제거된다.
도 1에서 설명한 바와 같이 단순히 보강용 분말 또는 섬유를 혼합하는 대신, 금속 복합 재료의 소정 부분에 섬유 또는 분말 재료를 선택적으로 분산시키는 것은 다양한 공정을 이용하여 달성될 수 있다. 이는, 섬유 또는 분말이 호스트 금속 복합 합금과 혼합되고 이후에 부품 내의 원하는 위치(들)까지 섬유 또는 분말이 이동하도록 하는 자기력을 사용함으로써 섬유 또는 분말을 원하는 위치 또는 농도로 이동시키는 것인 분리 공정을 포함한다.
실제로 주조용 몰드는 폐쇄되며 용융된 금속은 게이트를 통해 일반적으로 가압 상태에서 몰드를 충전한다는 점에 주의해야만 한다. 본 명세서에서의 도면은 도해 및 해설이 용이하도록 개방된 상부 몰드를 나타내고 있다.
도 2는 자기적 몰드의 사시도이다. 몰드(20)는 전자석(22)에 의해 둘러싸여 있다. 호스트 금속 복합 재료(10)를 붓기에 앞서 호스트 금속 복합 재료는 보강용 섬유 또는 분말과 혼합된다. 호스트 금속 복합 합금이 과열되고 몰드(20)가 예열되므로 재료(10)의 조기 고화가 방지된다. 과열 및 예열은 호스트 합금의 융점보다 약 250 ℃만큼 높다. 섬유 및 분말은 이후에 전자석 또는 영구 자석(22)의 힘에 의해 주물 내에서 원하는 위치로 이동하게 된다.
도 3은 자기적 몰드의 사시도이다. 용융된 금속 복합 재료를 몰드에 부은 이후에 자석을 작동시킨다. 전자기장의 영향 하에 있는 동안 섬유 또는 분말(11)은 몰드(20)의 표면(21)을 향해 끌어당겨진다. 이에 따라 섬유 또는 분말의 농도는 부품의 외측 영역에서, 예컨대 벨트가 스프라켓과 맞물리는 외측 마모 (치형부) 표면에서 상당히 증가하게 된다.
도 4는 마무리된 부품의 사시도이다. 섬유(11)는, 섬유에 의해 가능한 향상된 강도 및 마모 특성이 요구되는 부품의 외측 영역, 즉 치형부(102)에 집중된다. 마모 및 강도 면에서의 향상이 요구되지 않는 경우에는 단지 보강되지 않은 금속 재료(101)만이 존재한다.
대안적인 방법에 있어서는, 용융된 금속을 붓기 전에 섬유 또는 분말을 몰드에 직접 도포할 수 있다. 도 12는 붓기 전에 섬유 또는 분말이 도포된 자기적 몰드의 사시도이다. 우선, 전자석(22)을 작동시킨다. 다음에 요구되는 깊이 및 농도로 섬유 또는 분말(11)을 몰드(20) 상에 분사한다. 전자기력은 몰드 내의 요구 되는 위치에 정렬되고 섬유 또는 분말을 상기 위치에 유지시킨다. 다음으로 호스트 합금을 몰드(20) 내에 붓는다. 호스트 합금은 전자석에 의해 적소에 유지되는 섬유 주위로 유동한다.
변형례에 있어서는, 정전하를 몰드(20)에 인가한다. 이때 정전하는 호스트 합금이 부어져 고화될 때까지 몰드 상에서 적소에 섬유 또는 분말을 유지시킨다. 이러한 실시예에 있어서, 몰드(20)는 전도성 금속 재료로 제작된다.
도 13은 충전된 몰드의 사시도이다. 이러한 대안적인 공정에 있어서는 어떠한 섬유 또는 분말도 호스트 합금(101) 내에 혼합되지 않으며, 섬유는 단지 몰드 내에서만 용융된 금속과 한 차례 결합된다. 도 14는 마무리된 부품의 사시도이다. 보강된 부분(110)은, 마모 및 강도에 있어서의 바람직한 향상이 요구되는 부품의 외측 영역에 배치된다.
대안적인 방법에 있어서는, 부품에서 원하는 위치(들)로 섬유 또는 분말을 이동시키기 위해 원심력을 사용할 수 있다. 도 5는 원심 몰드의 사시도이다. 섬유 또는 분말을 함유하는 금속 복합 재료(10)를 용융된 상태까지 가열하여 몰드(10) 내에 붓는다. 또한, 이러한 과정 동안, 조기 고화를 방지하기 위해 호스트 금속 복합 합금은 과열되어야만 하고 몰드는 예열되어야만 한다. 일단 몰드(20)가 충전되면, 패스너(24) 또는 클램프를 이용하여 커버(23)를 부착한다. 다음으로 조립체는 장갑(30)에 부착된다. 도 6은 장갑 기계의 사시도이다. 상기 조립체는 충분한 속도로 회전하므로, 섬유 및/또는 분말은 부품의 외측 영역으로 반경방향 외측을 향해 이동하게 된다. 부품 주위에서의 균일한 분리를 달성하기 위해, 속도는 약 30 초의 구간에 걸쳐 1 RPM으로부터 약 3000 RPM까지 점증하며 이후에는 부품이 고화될 때까지 최고 속도로 유지된다.
도 7은 마무리된 부품의 사시도이다. 보강 재료(11)는 치형부(102)의 영역에 배치되므로 해당 부품의 강도 및 내구성을 향상시킨다. 보강 재료의 반경방향 외측을 향한 이동에 의해, 보강되지 않은 재료(101)는 반경방향 내측으로 변위된다.
추가적으로, 섬유 또는 분말 및 금속 복합 재료에 대해 상이한 특정 중력에 기초하여, 즉 중력에 의해 섬유 또는 분말이 부품 상의 원하는 위치(들)로 이동될 수 있다. 도 8은 중력 분리를 이용하여 형성되는 부품의 측면도이다. 금속 복합 재료의 혼합물은 원하는 농도의 섬유 또는 분말과 함께 준비된다. 또한, 조기 고화를 방지하기 위해 호스트 금속 복합 재료는 과열되고 몰드는 예열된다. 이러한 과정 중에 밀도가 큰 분말 또는 섬유(11)는 몰드의 바닥을 향해 가라앉으므로 이에 따라 금속 복합 재료를 보강하게 된다. 용융된 금속 전반에 걸쳐 몰드에서 섬유 또는 분말이 가라앉을 때, 보강되지 않거나 또는 밀도가 작은 보강 재료(101)가 형성된다. 소정량의 침전이 발생하여 급속한 고화에 의한 부적절한 분포를 방지할 때까지 몰드를 가열 상태로 유지할 필요가 있다. 스프라켓과 같이 모든 측부 상에서 균일한 보강을 요구하는 대칭 부품에 대해서는 중력 분리를 사용할 수 없다. 이는 일단부에서 더 큰 내마모성 또는 더 큰 강도를 요구하는 피스톤 및 샤프트와 같은 용례에 적절하다.
코팅 공정에 있어서는, 다양한 수단을 이용하여 섬유 또는 분말을 몰드 내에 배치하며, 이후에 호스트 금속 합금을 몰드에 붓는다. 이는, 몰드를 분말 및/또는 섬유로 덮는 것과, 용융된 금속을 몰드 내에 붓는 것에 의해 달성될 수 있다. 용융된 금속 재료는 섬유 또는 분말 코팅에 침투할 수 있으므로, 단지 마무리된 부품의 표면 상에서만 농후하게 된다.
도 9는 몰드에 대한 분말 또는 섬유의 도포를 나타내는 사시도이다. 분말 또는 섬유(11)를 이용하여 몰드(20) 표면을 덮거나 또는 코팅하는 것은, 분사, 솔질(brushing) 또는 예컨대 스프레이 건(SP)을 이용한 임의의 다른 적절한 방법에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 분말 및 섬유(11)를 물, 용매, 또는 임의의 적당히 끈적끈적한 재료와 같은 액상의 서스펜션 재료와 혼합하여, 용융 금속을 부을 때까지 섬유 또는 분말이 일시적으로 몰드 표면에 부착되도록 할 수 있다. 끈적끈적한 재료는 용융 금속이 접촉할 때 가스를 전혀 발생시키지 않거나 거의 발생시키지 않으면서 쉽게 타버릴 수 있는 유형의 재료이어야만 한다. 서스펜션 및 접착제로부터의 모든 연기는 몰드로부터 배기된다. 주조하는 동안, 용융된 금속은 몰드 표면 상에서 섬유 또는 분말 재료의 세공/캐비티를 충전시켜 호스트 금속 재료와 서로 혼합된 매우 높은 농도의 내구성 재료층을 부품 표면에 형성한다. 이러한 방법에 대해 합금은 섬유 또는 분말과 예혼합되지 않는다는 점에 주목하는 것은 중요하다. 합금은 단지 주조하는 동안에만 몰드 표면에 이미 도포된 섬유 또는 분말과 혼합된다.
도 10은 금속이 부어진 몰드의 사시도이다. 섬유 또는 분말(11)은 몰드 표면에 존재한다. 부어진 금속 재료(101)(섬유 또는 분말 없음)는 섬유 또는 분말 사이에서 혼합되며 이후에 몰드 내에서 냉각된다.
도 11은 마무리된 부품의 사시도이다. 농후한 금속 복합 재료(110)는 부품의 외측면 상에 존재한다. 강화되지 않은 재료(101)는 부품의 내부에 존재한다. 이러한 실시예에 있어서는, 전체 부품을 보강할 필요 없이 단지 부품의 마모면만을 보강한다.
대안적인 방법에 있어서는, 분사된 분말 또는 섬유를 몰드 표면 상에 유지하기 위해서 정전기를 사용할 수 있다. 이러한 방법에 있어서, 섬유 또는 분말은 당업계에 공지된 방식으로 대전되며, 몰드는 분말/섬유와 반대의 전하로 대전되므로, 분말 또는 섬유는 몰드 내에 분사될 때 몰드 표면에 부착된다.
대안적인 방법은 2단계(또는 2 이상의 단계)의 몰딩 또는 주조 공정의 사용을 포함한다. 도 15는 2단계 몰드의 사시도이다. 이러한 몰드는 몰드(20) 및 코어부(25)를 포함한다. 몰드(20)와 코어부(25) 사이에는 캐비티(200)가 배치된다. 캐비티(200)는 고도로 보강된 금속 복합 재료가 부어지는 곳이다. 코어부(25)는 필요에 따라 마무리된 부품의 일부로 보강 재료를 제한하는 수단으로서의 역할을 한다. 2단계 공정에 있어서는, 섬유 및/또는 분말을 함유하는 보강된 금속 복합 재료를 혼합한다. 혼합된 재료는 이제 과열되며 캐비티(200) 내에 부어져 냉각될 수 있고, 이에 따라 보강된 층(201)을 형성한다. 일단 냉각되면 코어부(25)가 제거된다.
도 16은 코어부가 제거된 2단계 몰드의 사시도이다. 층(201)은 고화되어 있다.
도 17은 2단계 몰드의 사시도이다. 이제 회수한 코어부(25)에 의해 생성된 체적 내에 보강되지 않고 과열된 합금(101)을 붓고 냉각하도록 한다.
제1 주물 및 제2 주물이 함께 밀착될 수 있도록 하기 위해, 제2 주물은 "정상" 주물 작업보다 높은 온도에서 행해지며, 즉 제2 주물을 위한 재료는 과열된다. 몰드 유형(예컨대, 금속 몰드, 샌드 몰드, 흑연 몰드 등)에 따라, 과열은 주조 재료의 융점보다 섭씨 100 내지 250 도 사이의 임의의 온도만큼 높은 온도에서 행해진다. 이러한 방법은 코어부를 사용하는 것을 포함하며, 이때 몰드 체적의 대부분은 제1 주물 동안 용융된 금속의 유동에 대해 폐쇄되어, 요구되는 마무리된 부품 표면에서 노출되는 단지 비교적 좁은 층(201)이 남게 되는데, 대부분의 경우에 상기 표면은 보통 외측면이다.
1차로 주물을 부을 때에는, 이미 내부에 분말의 농도가 매우 높은 몰드 내에 용융된 금속 복합 재료를 붓는다. 상기 농도는 약 95 %의 분말 또는 섬유 혹은 양자의 조합까지의 범위일 수 있으며, 즉 약 5%의 합금까지의 범위일 수 있다. 1차로 부은 것이 고화된 후, 2차로 부을 때, 코어부는 제거되며, 이제는 제거된 코어부에 의해 종전에 점유되었던 캐비티 내에 보강되지 않은, 즉 섬유 또는 분말을 함유하지 않는 호스트 금속 합금을 붓는다. 섬유/분말 함유량이 높은 고화된 외층에 2차로 부은 것이 완전히 밀착되도록 하기 위해, 1차로 부은 층의 표면을 부분적으로 용융시켜 2회 동안 부은 것이 함께 고화되도록 외층을 과열시킨다.
또 다른 하나의 대안적인 방법에서는, 호스트 금속 합금으로 제작된 사전 제작형 임시 분리 댐이 몰드 내에 우선 배치되며, 이에 따라 분말 및/또는 섬유가 농 후해야 할 필요가 있는 보강 영역을 부품의 나머지와 구분한다. 도 18은 댐 몰드의 사시도이다. 몰드는 외측 부분(301)과 내측 부분(302)을 포함한다. 내측 부분과 외측 부분 사이에는 캐비티(300)가 배치된다. 댐을 형성하기 위해, 보강되지 않는 금속 재료(101)를 캐비티(300) 내에 붓고 냉각하여 댐(150)을 형성할 수 있도록 한다.
도 19는 댐을 갖춘 몰드의 사시도이다. 댐(150)은 몰드(20) 내에 배치된다. 댐(150)의 치수는 캐비티(200) 및 캐비티(202)를 형성하도록 결정되는 것이 유리하다.
이러한 방법에 있어서, 분말 및/또는 섬유의 농도가 높은 호스트 금속 복합 재료 및 보강되지 않는 호스트 합금을 동시에 각각의 캐비티에 붓는다. 농도가 높은 혼합물을 캐비티(200)에 붓는다. 보강되지 않은 합금을 캐비티(202)에 붓는다. 양자는 충분히 과열되어 임시 분리 댐(150)의 표면을 용융시키므로 이에 따라 임시 댐을 용융시키고 2종의 부어진 재료들에 임시 댐을 밀착시켜 일체인 부품을 생성하도록 한다. 도 20은 마무리된 부품의 사시도이다. 댐(150)은 보강된 재료(201) 및 보강되지 않은 재료(101) 사이에 완전하게 포함된다.
일단 주조 부품을 몰드로부터 제거하면, 일반적으로 최종적인 부품 치수를 생성하기 위한 추가적인 공정이 있다. 이러한 결과를 달성하기 위해 다수의 방법을 이용할 수 있다. 주조 이후에 아이어닝 다이(ironing die)를 사용하여 부품의 크기를 최종적인 치수가 되도록 하는 것 이외에, 표면 층에서 분말 및/또는 섬유의 농도가 매우 높은 부품을 공지된 금속 가공 방법을 이용하여 단조하거나, 스퍼닝시 키거나 또는 기계적으로 가공하여 분말 및/또는 섬유 영역을 추가적으로 컴팩트하게 할 수 있다.
대안적인 방법에 있어서, 보강된 섬유/분말 층은 잠시 매우 높은 온도(섭씨 1100 도 내지 1250 도)에 노출되어 섬유 및/또는 분말 입자들을 함께 소결할 수 있다. 물론, 저융점 호스트 금속 재료 코어부는 높은 소결 온도에 노출될 수 없으므로, 외층을 급속하게 가열하기 위한 적절한 방법은 유도 가열이다. 섬유 및/또는 분말 재료가 약 70 % 내지 95 % 범위이며 나머지는 호스트 금속 재료인 보강층은, 섬유 및/또는 분말 입자의 급속한 소결을 나타낸다. 섬유 및/또는 분말 입자 사이의 틈새에 있는 캐비티/세공에 배치되는 보강층에서의 호스트 합금의 대부분(나머지는 약 25 % 내지 5 %임)은 용융되고 급속하게 고화된다. 소량의 포획된 호스트 금속 재료는 아무런 문제 없이 이 단계에서 부품으로부터 스며나올 수 있다. 본 명세서에서 언급한 일반적인 카테고리, 즉 용융된 금속 복합 재료로부터의 섬유/분말의 분리 및 몰드 코팅은 또한 조합되어, 필요하다면 원하는 영역에서 섬유/분말의 농도를 더 높게 할 수 있다.
본 명세서에서 설명한 보강 공정은 단지 부품에 대칭적으로만 적용될 필요가 없으며, 또한 부품의 특정 부분 상에 국한될 수 있다. 예를 들면, 국소 보강 또는 강화는 강도를 더 높일 필요가 있거나 내마모성을 더 크게 해야 할 필요가 있는 한정된 영역을 갖지만 전체 부품에 대해 이를 요구하지는 않는 샤프트 또는 다른 부품 상에서 행해질 수 있다. 예를 들면, 샤프트의 특정 영역이 다른 부분과 진동식으로 접촉하는 경우에는, 그 결과로서 내마모성의 향상이 요구된다. 단지 하나의 공정, 즉 자기적 코팅에 대해서만 비대칭 양태를 나타내었지만, 국소 보강은 본 명세서에서 설명되는 모든 공정에 대해 사용될 수 있다.
본 명세서에서 본 발명의 여러 형태를 설명하였지만, 본 명세서에서 설명한 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고도 부품의 구성과 관계 및 방법에 있어서 여러 변형을 행할 수 있음은 당업자에게 명확할 것이다.

Claims (11)

  1. 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법으로서,
    소정의 융점을 갖는 용융된 금속 재료를 준비하는 것과,
    용융된 금속 재료의 융점보다 융점이 높은 보강 재료를 용융된 금속 재료 내에 혼합하는 것과,
    용융된 금속 재료를 몰드에 붓는 것과,
    보강 재료에 소정 힘을 인가하여 보강 재료가 몰드의 소정 부분 및 이에 따른 주조 금속 부품의 소정 부분을 점유하도록 하는 것과,
    용융된 금속 재료를 고화시키는 것
    을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  2. 제1항에 있어서, 자기력을 인가하는 것을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  3. 제1항에 있어서, 원심력을 인가하는 것을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  4. 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법으로서,
    소정의 융점을 갖는 용융된 금속 재료를 준비하는 것과,
    용융된 금속 재료의 융점보다 융점이 높은 보강 재료를 몰드에 추가하는 것과,
    보강 재료에 소정 힘을 인가하여 보강 재료가 몰드의 소정 부분 및 이에 따른 주조 금속 부품의 소정 부분을 점유하도록 하는 것과,
    용융된 금속 재료를 몰드 내에 붓는 것과,
    용융된 금속 재료를 냉각시키는 것
    을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  5. 제4항에 있어서, 자기력을 인가하는 것을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  6. 제4항에 있어서, 원심력을 인가하는 것을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  7. 제4항에 있어서, 정전하(static electric charge)를 몰드 표면에 인가하는 것을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  8. 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법으로서,
    소정의 융점을 갖는 용융된 금속 재료를 준비하는 것과,
    용융된 금속 재료의 융점보다 융점이 높은 보강 재료를 몰드 내의 소정 위치 에 추가하는 것과,
    용융된 금속 재료를 몰드 내에 붓는 것과,
    용융된 금속 재료를 냉각시키는 것
    을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  9. 제8항에 있어서, 자기력을 인가함으로써 몰드 내의 소정 위치에 보강 재료를 유지하는 것을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  10. 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법으로서,
    소정의 융점을 갖는 용융된 금속 재료를 준비하는 것과,
    용융된 금속 재료의 융점보다 높은 융점을 갖는 소정량의 보강 재료를 용융된 금속 재료에 혼합하는 것과,
    용융된 금속 재료를 몰드의 소정 부분 내에 붓는 것으로서, 상기 소정 부분은 몰드의 전체 체적보다 작게 구성되는 것과,
    소정의 융점을 갖는 제2의 용융된 금속 재료를 준비하는 것과,
    제2의 용융된 금속 재료를 몰드의 잔여부에 붓는 것과,
    용융된 금속 재료 및 제2의 용융된 금속 재료를 고화시키는 것
    을 포함하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
  11. 제10항에 있어서, 몰드의 잔여부를 점유함으로써 몰드의 소정 부분과 몰드의 잔여부를 구분하여 용융된 금속 재료를 몰드의 소정 부분에 붓는 동안 용융된 재료가 몰드의 잔여부에 침범하지 못하도록 하는 것인 저융점 주조 금속 부품의 보강 방법.
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