KR20120135214A - 모듈형 압출 다이 - Google Patents

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KR20120135214A
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마르코 파스칼론
모르텐 브로텐
리차드 파랠 딕슨
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노르스크 히드로 아에스아
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Abstract

금속 재료, 특히 알루미늄 또는 그 합금 재료, 혹은 구리 및 그 합금과 같은 기타 비철 금속 재료의 압출을 위한 압출 공구 또는 다이를 개시한다. 이 다이는 인서트(6, 7)가 제공되는 공동(4, 5)을 갖는 다이 바디(2, 3)를 포함하는 모듈형이다.
다이 플레이트(2, 3)를 포함하는 강력한 열 기계적 요건을 추구하는 다이의 영역은 니켈계, 철계, 또는 코발트계 초합금으로 이루어지는 한편, 인서트, 즉 다이의 맨드릴(6) 및/또는 베어링(7)을 포함하는 강력한 마찰 요건을 추구하는 다이의 영역은 내마모성 재료로 이루어지며, 이 내마모성 재료는 고속도강, 석출 경화강, 고합금 열간가공강, 또는 나노입자나 CVD 등의 코팅이 마련된 임의의 적절한 강 종류일 수 있다.

Description

모듈형 압출 다이{MODULAR EXTRUSION DIE}
본 발명은, 금속 재료, 특히 알루미늄 또는 그 합금 재료, 혹은 구리 및 그 합금과 같은 기타 비철 금속 재료의 압출을 위한 압출 공구 또는 다이에 관한 것이다.
압출은 일정한 단면 프로파일의 중실 또는 중공 물품을 제조하는 데에 이용되는 프로세스이다. 그 재료는 원하는 단면의 다이를 통과하게 밀어진다. 기타 다른 제조 프로세스에 비한 압출 프로세스의 2가지 주요한 이점은 매우 복잡한 단면을 생성할 수 있는 한편 우수한 표면 다듬질의 완성 부품을 생성할 수 있는 능력이다.
그 다이는 물론 압출되는 재료 및 그 온도 등에 따라 마모를 겪게 되어, 예를 들면 적절한 다이 재료 및/또는 열처리를 선택하거나, 및/또는 CVD 또는 나노입자 타입의 코팅 등의 다양한 타입의 코팅으로 다이를 코팅함으로써, 압출 다이의 수명을 개선시키려는 수많은 시도가 있어 왔다.
US-04169366으로부터 금속, 특히 알루미늄으로 이루어진 중공 또는 반중공 단면을 압출하기 위한 압출 장치가 공지되어 있다. 이 장치는 적어도 다이 개구 내로 돌출하는 적어도 하나의 맨드릴 지지체를 구비하며, 그 맨드릴의 헤드는 연결 장치에 의해 맨드릴 지지체 상에서 제위치에 유지되는 특수 인서트 타입으로 이루어진다.
US-04773251은 2부분 다이에 관한 것으로, 그 중 하나의 부분은 베어링을 포함하며, 다른 하나는 지지체를 포함하다. 이 해법의 특이성은 2개의 다이 부분이 분말 야금 기술을 이용하여 원자적(atomically)으로 접합된다는 점인 것으로 여겨진다. 또한, "지지" 부분(베어링을 갖지 않는 부분)이 재료 선택의 측면에서, "베어링 유지 부분의 금속 재료와는 다른 조성의 인성을 갖고 연성은 없는 내열강"으로서 비교적 모호하게 정의되어 있다.
또한, JP-06315716은 Ni계 합금으로 이루어지고 열처리 후에 HRC 33보다 높은 경도를 갖는 재료를 포함하는 공구를 갖는 압출 다이에 관한 것이다. 그러한 합금의 이용 목적은 공구 내로 Zn의 침입을 방지, 즉 아연 취화를 방지하는 것이다.
또한, CN-201287153에서는, 다이 공구, 즉 압출 프로파일 개구를 형성하는 부분이 교체 가능하고 내마모성 재료로 이루어진 알루미늄 압출 프로파일 다이를 개시하고 있다.
본 발명에 있어서는, 수명이 매우 상당히 연장되고 이에 따라 교체 및 유지보수 비용이 감소된 압출 다이를 제공한다.
본 출원인의 다수의 알루미늄 압출 공장에서 수행된 테스트에서는 본 발명에 따른 다이 재료로서 Ni계 초합금(super alloy)을 선택함으로써 심각한 크랙 발생을 감소시키고, 다이 부품의 교체 또는 유지보수가 필요할 때까지 다이 수명을 백회/2백회의 빌렛 압출에서 천회 또는 그 이상의 빌렛 압출로 향상시키는 것으로 드러났다.
본 발명은 첨부된 독립 청구항 1에 기재된 바와 같은 특징부를 특징으로 한다.
본 발명의 유리한 실시예들은 종속 청구항 2 내지 7에 기재되어 있다.
이하에서 본 발명은 도면을 참조하여 예로서 보다 상세하게 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 압출 다이의 일례를 나타내는 것으로, a)는 조립된 상태를 단면도로, b)는 분해도로 도시하며,
도 2는 도 1의 a)에 도시한 다이 공동 중 하나를 확대 단면도로 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 초합금의 피로 특성과 함께 압출 다이에 이용되는 가장 통상적인 공구강의 소성 변형 범위 대 파괴까지의 사이클의 양대수좌표 상에서의 선형 관계를 나타내는 만손-코핀 선도(Manson-Coffin diagram)를 도시한다.
전술한 바와 같이, 압출은 일정한 단면 프로파일의 중실 또는 중공 물품을 제조하는 데에 이용되는 프로세스이다. 첨부된 도면에서는 이하에서 보다 상세하게 설명할 중공 단면 프로파일을 압출하는 압출 공구 또는 다이(1)의 일례를 도시하고 있다. 도 1의 a) 및 b)에 도시한 바와 같은 압출 다이(1)는 하나의 브리지 다이 바디(2) 및 하나의 플레이트 다이 바디(3)를 포함하며, 이들 각각에는 2개의 공동(4, 5)이 각각 마련되며, 각각의 공동은 인서트(6, 7)에 의해 개구를 획정한다. 도 1에 도시한 다이는 2개의 프로파일을 동시에 평행하게 압출할 수 있는 2공동 다이(two cavity die)인 것으로 정의되는 것을 상징하고 있다. 그러나, 압출 다이는 압출 제품을 형성하는 다이 개구의 타입, 형상(구조) 및 크기는 물론, 압출 장비(램 및 블록; 도면에서는 도시 생략)의 용량에 따라, 1개, 3개 또는 보다 많은 공동을 갖는 타입으로 이루어질 수도 있다.
도 2는 도 1의 a)에 도시한 다이 공동(4, 5) 중 하나를 확대 단면도로 도시하고 있다. 2개의 다이 바디(2, 3)는 조립된 상태에서, 브리지 다이 바디(2) 상의 맨드릴 부분(10)이 다이 플레이트(3)의 공동(5)의 개구 내로 부분적으로 돌출하여, 맨드릴과 다이(3)의 공동(5)의 개구 사이에 개구(11)를 형성하도록 된다. 압출되는 재료는 가압되어 그 개구(11)를 통과하게 되고, 이에 의해 압출된 최종 중공 제품의 형상을 형성하게 된다.
본 발명에 있어서, 맨드릴(10)은 나사(8)에 의해 브리지 다이 바디(2)에 부착되는 별도의 맨드릴 인서트(6)로 이루어진다.
한편, 본 발명에 따르면, 다이 플레이트(3)의 개구는 마찬가지로 제2 나사(9)에 의해 다이 플레이트(3)에 부착되는 별도의 베어링 인서트(7)로 이루어진다. 나사(9)에 의해 연결하는 대신에, 베어링 인서트(7)는 대안으로서 다이 플레이트(3)의 개구(5)의 리세스 내에 열수축에 의해 끼워맞춤될 수도 있다.
본 발명의 근본 개념은, 상이한 재료를 선택하여 그 재료들을 압출 다이의 적정 구역들에서 함께 이용함으로써, 한쪽에서는 열 기계적 요건에 맞추고 다른 쪽에는 마찰 요건에 맞추는 것이다.
열 기계적 요건이 강력한 영역(크리프-저사이클 피로 상황)에서는, 전술한 바와 같이 중공 또는 중실 프로파일인지의 여부에 따라 브리지 바디(2) 및/또는 다이 플레이트 바디(3)를 포함하는 다이의 제1 "모듈"이 초합금으로 이루어진다. 특히, 초합금은 a) 니켈, b) 코발트, 또는 c) 철 중 어느 하나를 기반으로 한다. 니켈, 코발트 및 철계 초합금의 조성 범위는 각각 아래와 같이 정해진다.
니켈계 초합금: Ni(최소 39중량% 최대 78중량%), Fe(최소 0중량% 최대 36중량%), Cr(최소 12중량% 최대 25중량%), Al(최소 0중량% 최대 5중량%), Co(최소 0중량% 최대 20중량%), Mo(최소 0중량% 최대 10중량%), Nb(최소 0중량% 최대 5중량%)
코발트계 초합금: Co(최소 34중량% 최대 50중량%), Ni(최소 10중량% 최대 29중량%), Fe(최소 3중량% 최대 26중량%), Cr(최소 3중량% 최대 22중량%), Al(최소 0중량% 최대 6중량%), Nb(최소 0중량% 최대 3중량%), W(최소 0중량% 최대 15중량%)
철계 초합금: Fe(최소 42중량% 최대 74중량%), Ni(최소 0중량% 최대 38중량%), Cr(최소 0중량% 최대 20중량%), Al(최소 0중량% 최대 5중량%), Co(최소 0중량% 최대 15중량%), Mo(최소 0중량% 최대 5중량%), Nb(최소 0중량% 최대 5중량%).
상기한 초합금, 즉 고성능 합금은, 고온에서의 우수한 기계적 강도 및 내크리프성, 양호한 표면 안정성, 내부식성, 및 내산화성을 나타내는 합금이다.
초합금은 고용 강화 또는 석출 강화를 통해 고온 강도를 발전시키는데, 첫 번째 대략적 이유로는, 초합금의 고온 강도가 강화형 입자간 이차상(second phase)의 양 및 분포에 좌우되며, 그 이차상은 니켈계 초합금의 경우에는 γ'이고 코발트계 초합금의 경우에는 카바이드이다.
초합금은 넓은 범위에 걸쳐 강도를 유지하여, 열에 의해 야기된 결정 공공(crystal vacancy)의 결과로 강이 크리프에 굴복하게 되었던 고온 용례에 매력적이다.
내크리프성은 결정 구조 내에서 전위의 속도 감소에 좌우된다. 니켈 및 니켈-철 초합금에 존재하는 체심입방형 감마 프라임상(γ')[Ni3(Al,Ti)]은 전위에 대한 장벽를 제공한다. 알루미늄 및 티타늄과 같은 화학적 첨가물은 감마 프라임상(γ')의 생성을 촉진시킨다. 감마 프라임 상의 크기는 어닐링에 의해 미세하게 조절될 수 있다. 수많은 다른 원소들이 존재할 수 있으며, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 지르코늄, 니오븀, 레늄, 탄소 또는 규소는 그 몇 가지 예이다.
코발트계 초합금과 관련하여, 크롬, 몰리브덴, 또는 텅스텐과 같은 내열 원소의 상당량이 고용 강화 구조 내에 채용될 수 있다. 이들 용질은 회복 억제 능력을 가져, 전위의 이동을 차단한다. 입자 경계에 석출되는 카바이드는 입자 경계들의 미끄러짐(sliding)을 방지하여, 높은 파괴 수명을 가져온다.
기타 중요한 재료 특성으로는 피로 수명, 상 안정성, 내산화성 및 내부식성이 있다.
일반적으로, 고용 강화 합금은 슬립에 대해 증가된 저항 및 향상된 변형 경화 능력으로 인해 피로 균열에 대한 강력한 저항성을 가질 것으로 기대된다.
일반적으로, 고온 피로는 주기적 크리프 파괴 프로세스로 생각할 수 있다. 이러한 이유로, 전술한 미세조직, 크리프 변형 및 피로 간의 관계가 적용될 수 있다.
내부식성 및 내산화성을 살펴보면, 환경적 영향에 대한 강력한 저항성은 알루미늄 및 크롬과 같은 원소에 의해 이루어진 보호 산화물층이 형성되어 그 재료를 에워싸 나머지 성분들을 보호함으로써 제공된다.
비한정적으로 다시 말하면, 아래의 표 1에서 UNS, ISO 또는 AFNOR 표준으로 나타낸 합금들은 전술한 군에 포함되는 예들이다. 표 1에서는 예시를 위해 그 합금들의 정립된 상표명 중 하나를 포함하고 있다.
Figure pct00001
표 1: 본 발명에 의해 커버되는 고온 성능 초합금들의 주요 목록
전술한 합금에 추가로, 그 상표명 및 상세한 화학적 조성으로 나타낸 표 2에 기재한 이하의 합금들도 역시 제1 "모듈", 즉 다이에서의 높은 열 기계적 요건 추구 영역에 이용되는 명백히 커버되는 재료에 속한다. 표 2에 열거한 재료들은 앞서 정의한 Ni계 초합금의 일부이다.
Figure pct00002
표 2: 상세한 화학적 조성 및 정립된 상표명으로 나타낸 Ni계 초합금
전술한 합금에 추가로, 그 상표명 및 화학적 조성으로 나타낸 이하의 합금들도 역시 제1 "모듈", 즉 다이에서의 높은 열 기계적 요건 추구 영역에 이용되는 명백히 커버되는 재료에 속한다. 표 3에 제시한 재료는 앞서 정의한 Ni계 초합금의 일부이다.
Figure pct00003
표 3: Ni계 초합금 AEREX350의 화학적 조성
한편, 강력한 마찰 요건을 추구하는 영역, 다시 말해 성형될 합금의 통과로 인한 마찰 및 마모가 발생하는 영역에서, 인서트, 즉 소위 인서트(6, 7)의 베어링을 이루는 다이의 모듈(압출되는 프로파일이 최종 형상을 취하게 되는 다이의 영역)은 내마모성 재료로 제조된다. 그러한 재료는, 고속도강; 석출 경화강; 고합금 열간가공강; 표준 단조 공정, 분무 성형 기법, 또는 분말 야금 기법에 의해 얻어지는 합금; 질화 또는 유사한 공정을 통해 표면 경화되거나, 화학적 기상 증착(CVD), 플라즈마 보조/향상 화학적 기상 증착(PACVD/PECVD), 물리적 기상 증착(PVD) 또는 기타 분사 공정(화염 분사, 저온 분사/고속 분사, 플라즈마 분사, 고속 산소-연료 분사 등)와 같은 표면 코팅 기법이 적용된 그러한 강 또는 재료 타입의 임의의 재료와 같은 임의의 공지의 내마모성 다이 재료일 수 있다.
전술한 군에 속하는 니켈, 철 또는 코발트계 초합금과는 다른 재료를 다이 인서트를 위해 선택하는 것이 본 발명의 개념의 근본 요건이다. 이러한 특정 조합은, 1) 다이 바디 부분(2, 3)의 초합금이 우수한 고온 기계적 특성을 갖지만 마찰 마모 특성은 낮은 한편, 2) 인서트 베어링 영역(6, 7)의 내마모성 재료는 우수한 마찰 마모 특성을 갖지만 고온 기계적 특성이 낮기 때문에, 본 발명의 개념의 전체적 성능에 있어 중요하다. 결과적으로, 본 발명에서는 국부적 재료 선택과 국부적 기계적 및 마찰 요건 간의 가능한 최선의 맞춤이 달성된다.
응력이 소성 변형을 야기하기에 충분히 높은 경우, 코핀-만손(Coffin-Manson) 관계에 의해 저사이클 피로를 특징으로 하는 것이 바람직할 수 있다.
Figure pct00004
여기서:
- Δεp/2는 수명의 절반에서의 소성 변형률 진폭;
- εf'는 피로 연성 계수로서 알려진 경험 상수, 1회 반전의 경우에는 파괴 변형률;
- 2N은 파괴까지의 반전 횟수(N 사이클);
- c는 피로 연성 지수로서 알려진 경험 상수.
열 기계적 응력이 가해지는 다이의 영역에 실시된 FEA(Finite Element Analyse : 유한 요소 해석) 시뮬레이션에서는 브리지에서 맨드릴로의 전이부에서 항복 한계를 초과하는 응력 집중(그 구역을 "핫 스폿"이라 부름)이 발생하는 것으로 입증되었는데, 이는 비탄성 시뮬레이션을 통해 역시 입증된 재료의 소성 변형을 나타낸다. 압출 공구의 사이클 거동 및 기록된 수명은 압출 공정 중에 인장 및 압축 소성 변형이 존재함을 보여준다. 이러한 이유로, 소성 변형의 존재에 대해, 다이 재료의 피로 특성을 논의하고 상이한 다이 구성을 비교 평가하기 위해 만손-코핀 관계를 채용하는 것이 적절하다.
도 3에서는 소성 변형 범위 대 파괴까지의 사이클의 양대수좌표 상에서의 선형 관계를 도시하고 있다. 이 선도는 압출 다이에 이용되는 가장 통상적인 공구강의 피로 거동을 초합금의 피로 특성과 비교 평가할 수 있게 한다. 고온에서 적용된 소성 변형이 동일할 때에, 초합금이 공구강보다 큰 피로 수명을 보인다는 점은 명백하다. 그러한 결과는 초합금의 우수한 내피로성을 강조하는 것으로, 강력한 열 기계적 요건을 추구하는 다이의 영역의 구현에 대한 그 재료들의 양호한 적응성을 확인시키고 있다.
청구 범위에 정의된 바와 같은 본 발명은 다이 인서트(6, 7)를 기반으로 하는 중공 프로파일을 압출하기 위한 전술한 바와 같은 2개의 공동의 갖는 다이의 예에 한정되는 것이 아니라, 1개, 3개 또는 그 이상의 공동을 갖는 타입일 수 있고 또한, 중실 프로파일을 압출하기 위한 하나 또는 그 이상의 공동의 다이 플레이트로 이루어질 수도 있다.
청구 범위에 정의된 바와 같은 본 발명은 또한 도면에 도시하고 전술한 바와 같이 나사에 의해 다이 부분과 인서트를 서로 연결하는 것에 관한 구조에 한정되는 것이 아니라, 수축 끼워맞춤 또는 기타 연결 수단에 의해 서로에 고정되거나 서로 연결될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 금속 재료, 특히 알루미늄 또는 그 합금 재료, 혹은 구리 및 그 합금과 같은 기타 비철 금속 재료의 압출을 위한 압출 공구 또는 다이로서, 상기 다이는 인서트(6, 7)가 제공되는 공동(4, 5)을 갖는 다이 바디(2, 3)를 포함하는 모듈형인 것인 압출 다이에 있어서,
    다이 바디(2, 3)를 포함하는 강력한 열 기계적 요건을 추구하는 다이의 영역은 니켈계, 철계, 또는 코발트계 초합금으로 이루어지는 한편, 인서트, 즉 맨드릴(6) 및/또는 베어링(7)을 포함하는 강력한 마찰 요건을 추구하는 다이의 영역은 내마모성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압출 다이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이는 2개 이상의 공동을 갖는 다이인 것을 특징으로 하는 압출 다이.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초합금은, Ni 39 - 78중량%, Fe 0.0 - 36중량%, Cr 12중량% - 25중량%, Al 0.0중량% - 5중량%, Co 0중량% - 20중량%, Mo - 10중량%, Nb - 5중량%를 함유하는 니켈계 초합금인 것을 특징으로 하는 압출 다이.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초합금은, Co 34 - 50중량%, Ni 10 - 29중량%, Fe 3 - 26중량%, Cr 3 - 22중량%, Al 0.0 - 6중량%, Nb 0.0 - 3중량%, W 0.0 - 15중량%를 함유하는 코발트계 초합금인 것을 특징으로 하는 압출 다이.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초합금은, Fe 42 - 74중량%, Ni 0.0 - 38중량%, Cr 0.0- 20중량%, Al 0.0중량% - 5중량%, Co - 15중량%, Mo 0.0중량% - 5중량%, Nb 0.0 - 5중량%를 함유하는 철계 초합금인 것을 특징으로 하는 압출 다이.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내마모성 재료는, 고속도강, 석출 경화강, 고합금 열간가공강, 또는 표준 단조 공정, 분사 성형 기법, 분말 야금 기법에 의해 얻어진 합금인 것을 특징으로 하는 압출 다이.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내마모성 재료는, 질화 또는 유사한 공정을 통해 표면 경화되거나, 화학적 기상 증착(CVD), 플라즈마 보조/향상 화학적 기상 증착(PACVD/PECVD), 물리적 기상 증착(PVD), 또는 화염 분사, 저온 분사/고속 분사, 플라즈마 분사, 고속 산소-연료 분사 등의 기타 분사 공정을 기반으로 한 표면 코팅이 마련되는 것을 특징으로 하는 압출 다이.
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