KR20120021416A

KR20120021416A - 마그네슘 중력가압 주조장치 및 주조방법

Info

Publication number: KR20120021416A
Application number: KR1020100073993A
Authority: KR
Inventors: 곽기훈; 노시준
Original assignee: 명화공업주식회사
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-03-09

Abstract

본 발명은 마그네슘 벌크재의 성형 및 형상 자유도를 용이하게 얻을 수 있는 중력주조에서 발생되는 주조결함을 줄이기 위하여 용탕을 가압할 수 있도록 가압수단을 구비함으로써, 금형 내의 이물질 및 가스를 제거하여 용탕의 산화와 발화를 방지하고, 주입된 용탕을 가압하여 높은 기계적 강도를 얻을 수 있도록 한 마그네슘 중력가압 주조장치 및 주조방법를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 가압수단을 이용하여 마그네슘 용탕을 가압한 상태에서 불활성 가스로 다시 마그네슘 용탕을 가압하여 줌으로써, 마그네슘 용탕의 표면 전체에 대하여 골고루 가압하는 효과를 얻을 수 있게 되어 균일한 기계적 강도를 얻을 수 있도록 한 마그네슘 중력가압 주조장치 및 주조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

Description

마그네슘 중력가압 주조장치 및 주조방법{MAGNESIUM GRAVITY-PRESSURE CASTING SYSTEM AND THE CASTING METHOD}

본 발명은 마그네슘 중력가압 주조장치 및 주조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 중력 주조방법에 용탕을 가압할 수 있게 하여 기계적 강도를 요구하는 벌크의 제조가 가능하고, 특히 흡입가압장치를 구비하여 고품질의 제품을 주조할 수 있는 마그네슘 중력가압 주조장치 및 주조방법에 관한 것이다.

일반적으로 마그네슘을 이용한 부품의 제조는 중력 주조, 저압 주조, 다이캐스팅(Die-Casting), 틱소포밍(Thixoforming), 그리고 레오포밍(Rheoforming) 등 다양한 제조방법에 의해 수행된다.

이러한 다양한 제조방법 중에서 가장 많이 사용되는 방법으로는 주조공정이 주를 이루고 있으나, 생산성과 비용을 고려한 측면에서는 주조공정보다 다이캐스팅이 주류를 이룬다.

하지만 다이캐스팅의 경우 많은 개선 노력에도 불구하고 제품 수축, 용탕내 가스 혼입 등으로 기공이나 불순물 등에 의한 불량이 만이 발생하여 고품질의 부품을 생산하는데 한계가 있었다. 또한, 다이캐스팅 공법은 특히 생산 제품 크기의 한계, 고가의 설비비 등의 단점을 가지고 있다.

이에 반해 중력 주조 방법은 다이캐스팅 방법과 비교하여 생산성은 조금 떨어지지만 제품 크기에 제약이 없으며, 제품의 강도, 조직의 치밀성이 우수하고, 기공 및 가스 혼입이 적으며, 연신율이 우수한 장점이 있다. 특히 현재까지 개발 및 적용된 마그네슘 부품은 노트북 케이스, 모바일 케이스, 에어백 하우징, 키홀더, 스티어링 휠 그리고 기어 커버와 같이 다양한 부품을 주조하는데 이용되고 있으나, 강도 및 인성 등의 기계적 강도가 요구되는 부품에는 다이캐스팅 공법을 적용하지 못했다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 마그네슘 벌크재의 성형 및 형상 자유도를 용이하게 얻을 수 있는 중력주조에서 발생되는 주조결함을 줄이기 위하여 용탕을 가압할 수 있도록 가압수단을 구비함으로써, 금형 내의 이물질 및 가스를 제거하여 용탕의 산화와 발화를 방지하고, 주입된 용탕을 가압하여 높은 기계적 강도를 얻을 수 있도록 한 마그네슘 중력가압 주조장치 및 주조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 가압수단을 이용하여 마그네슘 용탕을 가압한 상태에서 불활성 가스로 다시 마그네슘 용탕을 가압하여 줌으로써, 마그네슘 용탕의 표면 전체에 대하여 골고루 가압하는 효과를 얻을 수 있게 되어 균일한 기계적 강도를 얻을 수 있도록 한 마그네슘 중력가압 주조장치 및 주조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마그네슘 중력가압 주조장치는, 금형을 지지하여 이형과 합형시켜 주는 베드; 베드 상부에 설치되어 산소와 접촉되지 않으면서 중력으로 마그네슘 용탕을 공급하는 용탕공급조; 및 용탕공급조와 금형 사이에 설치되어 마그네슘 용탕을 공급하는 공급로에 설치되어 용탕을 가압하는 가압수단;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 공급로에는 고주파코일이 구비된 것을 특징으로 한다.

그리고, 가압수단은, 공급로에 연결된 실린더와 이 실린더에 장착되어 용탕을 가압하는 피스톤을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 이러한 가압수단에는 피스톤을 통하여 캐비티 내부의 가스와 수분제거 및 불활성 가스를 이용하여 용탕을 가압할 수 있도록 흡입가압장치가 더 구비된 것을 특징으로 한다. 또한, 불활성 가스는 N₂ 가스 또는 Ar 가스인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 마그네슘 중력가압 주조장치의 주조방법은, 베드에 설치된 금형을 형합하는 제1단계; 흡입가압장치를 이용하여 금형의 캐비티 내부에 있는 가스와 수분을 제거하는 제2단계; 용탕공급조로부터 중력에 의하여 마그네슘 용탕이 실린더로 공급될 수 있도록 피스톤을 상승시키는 제3단계; 피스톤을 하강시켜 캐비티에 주입된 마그네슘 용탕을 가압하는 제4단계; 주입된 마그네슘 용탕이 균일하게 가입될 수 있도록 불활성 가스를 이용하여 흡입가압장치를 이용하여 가압하는 제5단계; 및 금형을 이형시켜 주조된 벌크를 탈형하는 제6단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 마그네슘 중력가압 주조장치 및 주조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

1) 중력에 의한 주조로 주조금형의 크기 및 주입되는 마그네슘 용탕량에 제한이 없기 때문에 주조하고자 하는 제품의 크기에 상관없이 큰 마그네슘 벌크재를 주조할 수 있다.

2) 마그네슘 용탕의 주입에 앞서 금형 내부의 잔존가스와 수분을 미리 제거한 다음 마그네슘 용탕주입이 이루어지기 때문에 주조품의 내부 기공이라든가 가스 혼입이 적어 양질의 주조품을 얻을 수 있다.

3) 용탕공급로가 금형의 상부에 위치하여 마그네슘 용탕을 금형에 공급하기 때문에 용탕 표면에서 생기는 슬러지 및 산화물 등이 용탕에 혼입되어 금형에 주입되는 것을 방지하여 고품질의 벌크재를 얻을 수 있다.

4) 중력주조 후 가압장치를 이용하여 비응고 주조품에 불활성가스 및 피스톤으로 가압하여 중력주조시 발생될 수 있는 주조수축결함 제거와 치밀한 조직의 마그네슘 벌크재를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마그네슘 중력가압 주조장치의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 가압수단의 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 마그네슘 중력가압 주조장치를 이용한 주조방법을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 4는 본 발명에 따른 흡입가압장치를 이용하여 캐비티 내부의 가스와 수분을 제거하는 상태를 보여주기 위한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 흡입가압장치를 이용하여 불활성 가스로 마그네슘 용탕을 가압하는 상태를 보여주기 위한 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

<주조장치의 구성>

도 1은 본 발명에 따른 마그네슘 중력가압 주조장치의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가압수단의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

본 발명에 따른 마그네슘 중력가압 주조장치는, 크게 금형(M)을 지지하여 이형과 합형이 가능하게 하는 베드(100), 중력에 의해 이 금형(M)에 용탕을 공급하는 용탕공급조(200), 금형(M)에 주입된 용탕을 가압하기 위한 가압수단(300)을 포함하여 구성된다. 특히, 가압수단(300)에는 금형(M) 내의 가스 및 수분의 제거 그리고 불활성 가스를 이용하여 가압력을 높여주는 흡입가압장치(330)가 더 구비된다. 이하, 이들 각 구성요소별로 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

베드(100)는 금형(M)이 장착되는 베이스로서 좌우금형(또는 상하금형)으로 구분되는 금형(M)을 이형과 합형시켜 줄 수 있도록 금형형합수단(110)이 구비된다. 이러한 금형형합수단(110)은 통상의 기술로 이루어진 것을 그대로 사용하며, 예시적으로 실린더를 이용하거나, 실린더를 이용한 대차를 이용할 수도 있다. 도 1에서는 금형형합수단(110)이 대차 형태로서 화살표로 표시한 바와 같이 좌우로 움직이는 것으로 도시하였다.

용탕공급조(200)는 마그네슘 용탕(W)을 금형(M)의 캐비티(C)에 제공하기 위한 것으로 특히, 중력에 의하여 용탕공급이 이루어질 수 있도록 금형(M) 상부에 위치하게 설치된다. 이를 위하여 용탕공급조(200)는 지지대(220)에 의해 지지설치된다.

또한, 용탕공급조(200)는 마그네슘 용탕(W)이 대기중에 노출되지 않도록 밀폐된 용기 형태로 제작하여 사용한다. 그리고, 이 용탕공급조(200)에는 공기와의 접촉방지와 용탕공급이 원활하게 이루어질 수 있도록 SF6 가스와 같은 대기차단 및 용탕보호가스를 주입하여 사용하게 된다.

그리고, 용탕공급조(200)의 측면 하부에는 중력으로 마그네슘 용탕(W)을 캐비티(C)로 공급하기 위한 공급로(210)가 구비된다. 특히, 이 공급로(210)에는 중력에 의해 상대적으로 긴 시간동안 마그네슘 용탕(W)이 공급되기 때문에 공급되는 시간 동안 굳지 않고 적절한 주조온도를 유지할 수 있도록 고주파코일(211)이 더 구비된다. 공급로(210) 내의 화살표는 마그네슘 용탕(W)의 흐름을 나타낸다.

가압수단(300)은 상기 공급로(210)의 단부에 장착되어 마그네슘 용탕(W)을 가압하게 된다. 이러한 가압수단(300)은 공급로(210)로부터 중력에 의해 마그네슘 용탕(W)을 공급받는 실린더(310)와, 이 실린더(310)에 장착되어 가압력을 제공하는 피스톤(320)을 포함하여 구성된다.

특히, 실린더(310)는 하단부가 금형(M)에 맞닿게 하여 이물질이나 대기가 캐비티(C)로 유입되는 것을 최대한 방지할 수 있게 하는 것이 바람직하다. 그리고, 피스톤(320)은 도 1에서 화살표로 표시한 바와 같이 상하로 움직이는데, 위로 움직이게 되면 마그네슘 용탕(W)을 실린더(310)에 공급받게 되고, 공급된 마그네슘 용탕(W)이 캐비티(C)에 충진되게 되면 아래로 움직여서 이 마그네슘 용탕(W)에 가압력을 가하여 기계적 강도를 높이는데 이용된다.

한편, 본 발명의 바람직한 마그네슘 중력가압 주조장치에는 캐비티(C) 내부의 이물질 및 수분 제거와 마그네슘 용탕(W)의 가압력을 높이기 위하여 흡입가압장치(330)가 더 구비된다.

특히, 흡입가압장치(330)에는 캐비티(C) 내부의 수분 및 공기를 제거할 수 있도록 밸브(331a)가 구비된 흡입관(331)과, 또 다른 밸브(332a)가 구비된 가압관(332)이 구비된다. 특히, 이들 흡입관(331)과 가압관(332)은 피스톤(320) 내부에 형성하여 캐비티(C)를 통해 서로 연통되게 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 흡입가압장치(330)는 가압관(332)을 이용하여 불활성 가스를 주입하였다가 다시 토출시키게 된다. 이때 사용되는 불활성 가스는 피스톤(320)이 하강한 상태, 즉 마그네슘 용탕(W)이 캐비티(C)에 주입하여 피스톤(320)에 의해 1차로 가압된 상태에서 다시 불활성 가스를 이용하여 마그네슘 용탕(W)을 2차로 가압하는데 이용된다. 이러한 불활성 가스로는 N₂ 가스라든가 Ar 가스를 이용할 수 있다.

마지막으로, 흡입가압장치(330)에는 도면에서는 표시하지 않았으나 불활성 가스를 가압관(332)을 통해 주입하였다가 다시 리턴시킬 수 있도록 압송펌프(미도시됨), 그리고 흡입관(331)에 연결되어 캐비티(C) 내부를 진공으로 흡입할 수 있도록 진공펌프(미도시됨)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

<주조방법>

도 3은 본 발명에 따른 마그네슘 중력가압 주조장치를 이용한 주조방법을 설명하기 위한 플로우챠트이고, 도 4는 본 발명에 따른 흡입가압장치를 이용하여 캐비티 내부의 가스와 수분을 제거하는 상태를 보여주기 위한 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 흡입가압장치를 이용하여 불활성 가스로 마그네슘 용탕을 가압하는 상태를 보여주기 위한 단면도이다.

본 발명에 따른 마그네슘 중력가압 주조장치를 이용한 주조방법은 다음의 6단계에 따라 순차적으로 수행된다.

제1단계(S100)는 금형(M)을 베드(100)에 설치하고, 설치된 금형(M)을 합형하는 단계이다. 이때, 금형(M)의 고정금형은 베드(100)에 고정시키고, 금형(M)의 가동금형은 금형형합수단(110)에 장착한 다음 이 가동금형을 고정금형에 형합시킨다. 이때, 금형(M)은 캐비티(C)가 가압수단(300)의 실린더(310) 하부에 위치하도록 설치한다.

제2단계(S200)는 캐비티(C) 내부의 가스와 수분을 제거하는 단계이다. 이는 가압수단(300)의 상부에 연결되는 흡입가압장치(330)에 의해 수행된다.

즉, 흡입가압장치(330)는 금형(M)이 합형후 캐비티(C)에 잔존하는 대기라든가 가스 이물질 그리고 수분 등을 제거하게 된다. 이때의 제거는 흡입가압장치(330)를 가동시킴에 따라 이루어지게 되는데, 도 4에서와 같이 밸브(331a)를 열어 흡입관(331)이 열리게 하고, 나머지 밸브(332a)를 닫아 가압관(332)이 닫히게 한다. 이 상태에서 흡입가압장치를 작동시켜 캐비티(C) 내부의 가스나 이물질이 흡입관(331)을 통해 금형(M) 외부로 제거한다. 도 4에서, 화살표는 가스 및 수분의 흐름방향을 보여준다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 제2단계(S200)는 피스톤(320)이 하사점이 위치에 있을 때에 수행함으로써, 마그네슘 용탕(W)이 실린더(310)로 유입되는 것을 막아주면서 외부로 배출해야 할 가스나 수분량을 최소화하는 것이 바람직하다.

제3단계(S300)는 용탕공급조(200)로부터 마그네슘 용탕(W)이 중력에 의해 캐비티(C)에 공급하는 단계이다. 이러한 마그네슘 용탕(W)의 공급은 피스톤(320)을 위로 상승시킴에 따라 수행된다. 즉, 피스톤(320)이 위로 올라가게 되면, 도 1과 같이 실린더(310)와 연결된 공급로(210)가 개방되어, 용탕공급조(200)에 충진된 마그네슘 용탕(W)이 실린더(310)를 통과하여 캐비티(C)에 충진되게 되는 것이다.

제4단계(S400)는 마그네슘 용탕(W)을 가압하는 단계이다. 마그네슘 용탕(W)의 가압은 도 2와 같이 피스톤(320)을 하강시킴에 따라 수행된다. 이때, 피스톤(320)의 하강은 제품 형성에 알맞은 적정량의 마그네슘 용탕(W)이 캐비티(C)에 충진되었을 때에 이루어진다.

제5단계(S400)는 불활성 가스를 이용하여 마그네슘 용탕(W)을 가압하는 단계이다. 이때의 불활성 가스의 주입과 배출은, 흡입가압장치(330)에 의해 수행된다. 이렇게 주입된 불활성 가스는 마그네슘 용탕(W)의 표면에 대하여 전체적으로 균일하게 가압하여 주게 된다.

불활성 가스에 의한 가압은 밸브(332a)를 개방함에 따라 가압관(332)을 통해 공급되는 불활성 가스가, 도 5에서와 같이, 피스톤(320)과 마그네슘 용탕(W) 사이 충진됨에 따라 이루어진다. 이렇게 충진된 불활성 가스는, 도 5에서 화살표로 표시한 바와 같이 마규네슘 용탕(W)의 상면을 골고루 가압하게 된다. 이때, 다른 밸브(331a)는 닫혀지게 하여 불활성 가스가 흡입관(331)을 통해 빠져나가는 것을 방지한다.

그리고, 이처럼 마그네슘 용탕(W)을 가압하였던 불활성 가스는 다시 가압관(332)을 통해 화살표와 반대방향으로 유동되어 다시 흡입가압장치(330)로 되돌아 가게 된다. 마지막으로, 불활성 가스가 새지 않도록 상기 밸브(332a)를 닫게 된다.

제6단계(S600)는 금형(M)을 이형시켜 벌크를 탈형시키는 단계이다. 마그네슘 용탕(W)이 굳은 후에 금형형합수단(110)을 이용하여 이형시키고 제품을 탈형시키는 방법은 통상의 기술로 이루어지는 것으로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 중력-가압을 통하여 제품을 제조함으로써, 기존의 주조방법에서 제약을 받았던 성형성과, 부품의 크기, 그리고 형상자유도 등을 만족시켜 박육, 후육, 대형화 부품의 제조가 가능하다. 또한 본 발명은 수축결함제거, 내부기공 최소화 및 조직의 치밀화 등의 건전한 벌크재를 제조할 수 있다.

그리고, 본 발명은 제조장비 및 제조원가절감, 생산성 향상과 고강도, 고인성이 요구되는 부품에 적용 가능하기 때문에 수송기기?스포츠?및 가전?전자부품 등에 다양하게 활용할 수 있는 장점이 있다.

100 : 베드 110 : 금형형합수단
200 : 용탕공급조 210 : 공급로
211 : 고주파코일 220 : 지지대
300 : 가압수단 310 : 실린더
320 : 피스톤 330 : 흡입가압장치
331 : 흡입관 332 : 가압관

Claims

금형을 지지하여 이형과 합형시켜 주는 베드(100);
상기 베드(100) 상부에 설치되어 중력으로 마그네슘 용탕(W)을 공급하는 용탕공급조(200); 및
상기 용탕공급조(200)와 금형 사이에 설치되어 마그네슘 용탕을 공급하는 공급로(210)에 설치되어 용탕을 가압하는 가압수단(300);을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네슘 중력가압 주조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 공급로(210)에는 고주파코일(211)이 구비된 것을 특징으로 하는 마그네슘 중력가압 주조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가압수단(300)은,
상기 공급로(210)에 연결된 실린더(310)와 이 실린더(310)에 장착되어 용탕을 가압하는 피스톤(320)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네슘 중력가압 주조장치.
제 3 항에 있어서,
상기 가압수단(300)에는 상기 피스톤(320)을 통하여 상기 캐비티 내부의 가스와 수분제거를 위하여 밸브(331a)가 구비된 흡입관(331) 및 불활성 가스를 이용하여 용탕을 가압할 수 있도록 밸브(332a)가 구비된 가압관(332)를 포함하는 흡입가압장치(330)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 마그네슘 중력가압 주조장치.
제 4 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 N₂ 가스 또는 Ar 가스인 것을 특징으로 하는 마그네슘 중력가압 주조장치.
베드(100)에 설치된 금형(M)을 형합하는 제1단계(S100);
흡입가압장치(330)를 이용하여 상기 금형(M)의 캐비티(C) 내부에 있는 가스와 수분을 제거하는 제2단계(S200);
용탕공급조(200)로부터 중력에 의하여 마그네슘 용탕이 실린더(310)로 공급될 수 있도록 피스톤(320)을 상승시키는 제3단계(S300);
상기 피스톤(320)을 하강시켜 캐비티(C)에 주입된 마그네슘 용탕(W)을 가압하는 제4단계(S400);
주입된 마그네슘 용탕(W)이 균일하게 가입될 수 있도록 불활성 가스를 이용하여 상기 흡입가압장치(330)를 이용하여 가압하는 제5단계(S500); 및
상기 금형(M)을 이형시켜 주조된 벌크를 탈형하는 제6단계(S600);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네슘 중력가압 주조장치를 이용한 주조방법.