KR20150032196A - 주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 방법 및 장치 - Google Patents

주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 방법으로서, 주조 및 성형 공구(4) 내로 금속 합금 용융물을 주조하는 단계로서, 용융물은 제1 압력(P1)에서 주조 및 성형 공구의 기부(5) 또는 리저버(61) 내로 위로부터 주입되는, 주조 단계와, 용융물이 구성요소로 고화되는 동안에 기부(5)와 상부(6) 사이의 용용물에 압력을 인가하는 단계로서, 고화 중인 용융물은 제1 압력(P1)보다 높은 제2 압력(P2)으로 가압되는, 압력 인가 단계와, 용융물이 적어도 대부분 고화되어 구성요소를 형성할 때, 제2 압력(P2)보다 높은 제3 압력(P3)으로 구성요소를 압축하기 위해 상부에 대해 기부를 상대 이동시킴으로써 구성요소를 압축하는, 압축 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 주조 블랭크를 제조하기 위한 대응하는 장치에 관한 것이다.

Description

주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING A METAL COMPONENT BY USING A CASTING-AND FORMING-TOOL}
본 발명은 주조 및 성형 공구에 의해 금속 구성요소를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
고응력 구성요소를 제조하기 위한 용융, 주조 및 가압 방법이 DE 10 2006 036 369 A1을 통해 공지되어 있다. 이를 위해, 출발재가 불활성 가스 분위기의 폐쇄형 시스템에 도입되어 가열되고 용융되고 정량화된다. 이어서 주재료가 압력 챔버를 통해 주조 몰드의 몰드 공동 내로 수송되어 공동 내에서 증가된 압력 하에서 주조 미세조직이 형성된 상태로 고화된다. 고화 후에 구성요소 미세조직은 변경된 몰드 공동에서 추가로 증가된 압력에 의해 유동하게 되며, 따라서 적어도 부분적으로 반죽 미세조직(kneading microstructure)로 변환된다. 몰드의 추가 냉각 및 개방 후에 최종 치수를 갖는 구성요소를 회수한다.
하부 다이가 주조 및 단조를 위해 사용되는 주조-단조 방법이 DE 38 12 740 A1을 통해 공지되어 있다. 하부 다이는 상부 주조 몰드 부분과 함께 주조 공동을 형성하며, 상부 다이와 함께 단조 몰드를 형성한다. 본 방법에 의하면, 높은 치수 정확도와 높은 강도를 갖는 고품질 금속 구성요소가 신속하게, 그리고 필요한 기계가공의 수효를 줄이면서 제조될 수 있다.
알루미늄 합금으로 차륜용 예비성형체인 원판형 단조 구성요소를 제조하는 방법이 US 5 729 883 A를 통해 공지되어 있다. 본 방법은 소정의 몰드 내로 재료를 주조하는 단계와, 재료를 단조하여 단조 구성요소를 형성하는 단계를 포함한다. 단조 중의 변형도는 15% 이상이다.
단조 공정을 통한 성형에 의해 차륜용 블랭크를 제조하는 방법이 DE 10 2011 119 643 A1을 통해 공지되어 있다. 단순한 금속 실린더와 상이한 형상을 갖는 주조 블랭크를 제조하는 주조 단계가 단조 공정 전에 수행된다. 주조 블랭크는 단조 공정에 의해 최종 형상으로 가압되어 최종 블랭크로 변형된다. 주조는 중력 주조, 저압 주조 또는 사형 주조에 의해 수행될 수 있다. 단조 후, 최종 블랭크의 외측 재료 부분은 전방 림 플랜지와 후방 림 플랜지까지 유동 성형에 의해 림 웰을 제조하기 위해 권취된다.
본 발명의 목적은 주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 방법으로서, 용이하고 비용 절약적으로 수행될 수 있고 고강도의 최종 구성요소를 제공하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 구조가 간단하고 공구비가 적게 들며 강도 특성이 우수한 근사 최종 형상(near-net-shape) 구성요소의 생산을 가능하게 하는 대응 장치를 제공하는 것이다.
주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 방법으로서, 주조 및 성형 공구 내로 금속 합금 용융물을 주조하는 단계로서, 용융물은 제1 압력(P1)에서 주조 및 성형 공구의 기부(base part) 또는 리저버 내로 위로부터 주입되는, 주조 단계와, 용융물이 고화되는 동안에 주조 및 성형 공구의 기부와 상부(upper part) 사이의 용융물에 압력을 인가하는 단계로서, 고화 중인 용융물은 제1 압력(P1)보다 높은 제2 압력(P2)으로 가압되는, 압력 인가 단계와, 용융물이 적어도 부분적으로 고화되어 구성요소를 형성할 때 기부와 상부 중 적어도 하나를 기부와 상부 중 다른 하나에 대해 이동시킴으로써 구성요소를 압축하는 단계로서, 구성요소는 제2 압력(P2)보다 높은 제3 압력(P3)으로 압축되는, 압축 단계를 포함하는 방법이 해법으로 제시된다.
본 방법의 장점은 고강도의 구성요소가 단시간 내에 제조될 수 있다는 것이다. 주조 후의 압력 인가는 작은 결정을 갖는 미세조직의 생성에 기여한다. 용융물에 가해지는 제2 압력(P2) 때문에, 또는 차가운 상부의 기부 내로의 상대 이동 때문에, 결정의 성장이 구성요소-가장자리 외피의 영역에서 저해되고 생성된 결정이 계속해서 부서져서 보다 작은 결정이 된다. 보다 높은 제3 압력(P3)에서 수행되는 후속 압축에 의해 재료의 유동이 초래되어 재료의 기공이 폐쇄되고 새로운 기공의 생성이 방지되거나 최소화된다. 전체적으로 고강도의 미세조직이 생성된다. 압력 인가는 10 kN 미만의 힘으로 수행될 수 있다. 압축 중에는 바람직하게는 1000 kN을 초과하는 힘이 구성요소에 인가된다. 추가적인 장점은 제조된 구성요소가 압축으로 인해 근사 최종 형상을 갖게 되어 재료 활용도를 높일 수 있다는 것이다. 또한, 상기 방법으로 제조되는 제품은 높은 치수 정확도와 표면 평활성을 가진다. 상이한 공정 단계가 단일 공구를 사용하여 수행되기 때문에 공구비가 적게 든다. 본 방법은 특히 자동차용 휠 림을 제조하는 데 적절하나, 여타 구성요소의 제조에도 적용될 수 있음은 물론이다.
구성요소의 재료로는 바람직하게는 단조가능 합금이 사용되나 주조 합금의 사용이 배제되지는 않는다. 알루미늄, 마그네슘 및 티타늄과 같은 경금속의 금속 합금이 바람직한 재료로서 사용된다.
실시예에 따르면, 공구에 의해 형성되는 몰드 챔버 내로 용융물을 주조 또는 충전하는 단계는 상압(P1)에서, 즉 몰드 공동 내의 대기압에서 수행될 수 있다. 이는 바람직하게는 용융물의 전량을 공구의 몰드 챔버 내로 투입하는 데 효과적이다. 바람직하게는, 용융물의 주조 중에 주조 및 성형 공구의 상부는 기부에 대해 부분적으로 개방된 위치에 유지된다. 즉, 기부와 상부는 주조 중에 아직 완전히 폐쇄되지 않고 바람직하게는 그 시점까지는 서로를 향해 이동되며, 그 결과 금속의 충전 수위가 기부의 모든 유동 채널에서 해당 높이가 되고, 후속 압축 및 금속 합금의 유동시 이미 고화된 금속이 서로 면 접촉을 하지 않게 된다. 금속 합금은 재료라고도 지칭될 수 있다.
충전은 요구되는 구성요소를 제조하는 데 필요한 용융물의 체적을 사용할 수 있도록 해주는 충전 용기 또는 주입 유닛을 통해 이루어진다. 주조 공구 내로 용융물을 충전하는 공정이나 주조 후에 충전 용기의 충전을 재개하는 공정은 각각 바람직하게는 센서에 의한 제어 하에서 수행된다. 주조는 바람직하게는 중력 주조의 형태로 수행되는데, 이는 상부에 배열된 충전 용기로부터 하부에 배열된 주조 공구까지 용융물의 중력만을 이용한다는 것을 의미한다. 그러나, 이론상으로는 저압 주조도 가능하다. 주조 유동을 지체시키고 따라서 용융물이 기부 내로 부드럽고 일정하게 유동하도록 하는 필터가 충전 용기와 주조 공구 사이의 유로에 마련될 수 있다. 필터는 예컨대 충전 용기의 하단부에 배열될 수 있는 강재 철망 형태로 마련될 수 있다. 충전 용기의 배출구에는, 용융물이 충전 용기로부터 배출되는 동안 용융물을 냉각시킬 수 있는 냉각 유닛이 마련될 수 있다. 따라서, 기부를 충전하는 동안 액체 금속 합금은 이미 반고체 상태로 전이될 수 있다.
주조 및 성형 공구 내로 용융물을 주조하는 단계는 불활성 가스 분위기에서 수행될 수 있다. 불활성 가스 분위기에 의해, 주조 중에 바람직하지 않은 산화물층이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 불활성 가스의 사용은 가공 대상 합금에 좌우된다. 산화물층을 형성하는 경향이 낮은 금속의 경우에는 불활성 가스의 사용을 생략할 수 있다.
실시예에 따르면, 주조 중 및/또는 주조 후에 진동이 주조 및 성형 공구에 도입될 수 있다. 따라서, 고강도의 향상된 미세조직이 형성될 수 있다. 진동을 도입함으로써, 결정 경계가 조기에 형성되고, 따라서 비교적 작은 결정이 형성된다. 또한, 유입이 보다 신속해지고 기부 내에서 용융물의 수위 상승이 일정하게 이루어지는데, 이 또한 미세조직에 유리한 영향을 미친다.
바람직하게는, 상부의 적어도 일부는 기부의 적어도 일부보다 낮은 온도로 설정된다. 이는 주조 단계 및/또는 압력 인가 단계 및/또는 압축 단계 중 적어도 하나에 적용될 수 있다. 기부의 온도가 더 높기 때문에, 기부 내로 유동하는 용융물은 상부에 접촉하는 용융물의 부분보다 보다 장시간 동안 액체 상을 유지하게 된다. 동시에, 재료의 급속 냉각이 보다 차가운 공구부 또는 공구 부분에서 이루어지는데, 이로 인해 고강도의 미세조직이 실현된다. 고화는 상부에서 시작되어 기부와 공구의 내부를 향해 각각 진행된다.
기부 또는 기부의 적어도 일부는 바람직하게는 금속 합금의 고상선 온도의 2/3 내지 고상선 온도의 ±25%에 해당하는 온도까지 가열된다. 기부의 가열은 주조 전에 예컨대 가열로에서 수행될 수 있다. 주조 중에 상부와 하부 사이의 온도차는 예컨대 200℃보다 클 수 있다.
회전 대칭체를 제조하기 위해, 기부는 기저부(base portion)와 환형 케이스부를 가질 수 있되, 고화 및/또는 압축 중에 케이스부는 바람직하게는 기저부보다 낮은 온도로 설정된다. 기저부와 케이스부는 일체로 형성되거나 차후 서로 연결되는 별개의 부품으로 형성될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 용융물에 대한 압력 인가는 금속 합금의 액상선(TL)보다 낮고/낮거나 고상선(TS)보다 높은 구성요소-외피 온도(T2)에서 수행되는데(TS < T2 < TL), 공정은 일반적으로 액상선(TL)에 도달하기 전에, 예컨대 액상선보다 3% 높은 온도에서 시작될 수도 있다. 이와 관련하여 구성요소-외피 온도는 구성요소가 용융물로부터 고화 중이거나 고화된 층 영역 또는 외피에서 갖는 온도를 의미한다. 고화는 외부에서 내부로 이루어지며, 따라서 고화 중인 구성요소의 온도는 가장자리 층보다 내부에서 높다. 압력 인가 단계는 대기압보다 높고 예컨대 용융물에 작용하는 상부의 하중에 의해 인가될 수 있는 제2 압력(P2)에서 수행된다. 이 압력은 고화 중인 재료의 유동을 초래하는데, 이 때문에 해당 공정은 유동 성형이라고도 지칭할 수 있다. 압력 인가 전에, 또는 압력 인가의 시작 시점에, 재료는 여전히 액체이다. 압력 인가의 종료시 재료는 적어도 부분적으로 가루 반죽 형태이거나, 구성요소의 가장자리층 영역에서 시작하여 구성요소의 내부까지 반죽 미세조직을 가진다. 압력 인가는 기부를 향한 상부의 상대 이동시 이루어질 수 있다. 신속한 공정을 위해, 이 경우에는 압력 인가가 10초 미만의 시간 내에서 두 공구 부분이 서로 소정의 제1 거리만큼 이격될 때까지 수행되는 것이 유리하다. 제1 거리에 도달한 후에는, 용융물이 적어도 상당 부분 고화되고 금속 합금의 반고체 상태가 존재할 때까지 유지 시간이 시작될 수 있다.
압축 단계 중에 구성요소가 용융물로부터 적어도 상당 부분 고화된 후에, 구성요소는 증가된 제3 압력(P3)의 작용을 받게 되는데, 해당 압력 또한 상부를 향한 기부의 상대 이동 또는 기부를 향한 상부의 상대 이동에 의해 생성될 수 있다. 압축 단계는 후압축이라고도 지칭할 수 있다. 적어도 상당 부분 고화되었다는 것은 구성요소가 그 시점까지 액체 상으로부터 이미 냉각되었고, 해당 조직은 적어도 액체 상과 고체 상 사이라는 것을 의미한다. 재료는 이미 부분적으로 고화된 상태에서 반죽 조직을 갖는다. 이 상태는 반고체 상태라고도 지칭할 수 있다.
압축 단계는 바람직하게는 압력 인가 단계 중의 금속 합금의 온도보다 낮은 구성요소-외피 온도(T3)에서 수행될 수 있다(T3 < T2). 압축을 수행하기 위한 온도(T3)의 하한은 바람직하게는 금속 합금의 고상선 온도(TS)의 1/2이다(T3 > 0.5TS). 구성요소의 일부 영역은 온도(T3)에서 벗어난 온도를 가질 수도 있다. 압축 공정 중에, 구성요소의 온도, 즉 기부 및/또는 상부 각각의 온도를 제어할 수 있다. 특히, 주조 및 성형 공구의 내벽에 가깝게 장착되는 온도 센서에 의해 온도를 측정할 수 있다. 성형 공정의 종료는 바람직하게는 기부를 향한 상부의 상대 이동의 최종 위치에 도달하고 특정 온도에 도달함으로써 결정된다.
실시예에 따르면, 압축 단계는 구성요소가 압축으로 인해 15% 미만의 변형도, 특히 10% 미만의 변형도, 보다 구체적으로는 5% 미만의 변형도만큼 변형을 겪도록 수행된다. 비교적 낮은 변형도 때문에 변형 속도가 높아서 제조 시간에 유리한 영향을 미친다. 압축 중에 추가로 고화되는 재료는 압력 인가 하에서 신속한 냉각으로 인해 특히 작은 결정을 형성하게 되며, 이로 인해 고품질의 미세조직이 실현된다.
실시예에 따르면, 압축 단계는 상부가 고정 유지된 상태에서 기부를 이동시킴으로써 수행된다. 그러나, 운동학적 반전도 일반적으로 가능한데, 이는 기부를 고정 유지하고 상부를 이동시키는 것을 의미한다. 또한, 양 부분을 서로에 대해 이동시키는 것도 가능하다. 압축 중에는, 주조 중에 기부와 상부 사이에 존재했던 간극이 완전히 폐쇄되거나 적어도 상당 부분 폐쇄된다. 여전히 액체 또는 가루 반죽 형태인, 이미 고화된 영역 하부의 재료가 공구 부분을 서로를 향해 이동시킴으로써 압축되며, 그 결과 수축 공동, 블로우 홀(blow-hole) 또는 미세기공의 형성이 방지되거나 그 크기 및 수효가 최소화된다. 압축 중에, 공동은 구성요소에서 "압출(pressed-out)"될 수 있으며, 이로써 구성요소의 체적이 이에 대응하여 저감된다. 이는 구성요소와 구성요소 영역에 따라서는 공동 또는 기공의 20% 내지 80%에 달할 수 있다. 알루미늄 합금을 사용하는 경우, 구성요소 영역의 체적은 3%를 초과하여 저감될 수 있다. 공동 또는 기공이 저감되고 특성값이 향상된 구성요소가 획득된다.
압축 후의 추가적인 단계로서, 완전히 고화된 구성요소의 부분적 후압축이 제공될 수 있는데, 후압축은 구성요소가 적어도 일부 영역에서 단조 공구에 의해 추가로 압축되어 소성 변형되도록 주조 및 성형 공구의 기부 내로 단조 공구를 이동시킴으로써 수행된다.
부분적 후압축 중에, 구성요소는 압축 도중보다 큰 힘의 작용을 받는다. 차후 보다 높은 하중을 견딜 수 있는 단조 유사 미세조직이 후압축된 영역에 생성된다. 후압축은 단조 공정이라고도 지칭할 수 있다. 후압축을 위해, 주조 및 성형 공구의 상부가 기부로부터 상승되고, 이어서 단조 공구가 기부 내로 이동된다. 구성요소의 일부 영역, 특히 작동 상태에서 보다 높은 하중을 받는 영역이 단조 공구에 의해 소성 변형되고 압축된다. 부분적 단조에 의해, 높은 하중을 받는 영역에서 특히 높은 강도를 갖는 구성요소의 미세조직이 실현된다. 요구되는 변형도나 강도에 따라 하나 이상의 단조 장소가 가능하다. 단조 후에 구성요소는 근사 최종 형상을 갖게 되며, 따라서 유동 성형이나 기계 가공과 같은 후처리 단계를 위한 지출이 저감된다.
압축 및/또는 부분적 후압축 단계는 바람직하게는 구성요소가 상기 압축 또는 후압축 공정에 의해 15% 미만, 바람직하게는 10% 미만, 특히 5% 미만의 변형도만큼 변형되도록 수행된다. 이렇게 하여 구성요소는 요구되는 최종 윤곽에 근접하게 된다.
부분적 후압축 후에는, 구성요소나 구성요소의 일부 영역에 대한 유동 성형 또는 아이어닝(ironing)이 추가 단계로서 제공될 수 있다. 성형 공정에 의해, 사전에 변형된 구성요소에, 그리고 경우에 따라서는 일부 영역이 후단조된 구성요소에 언더컷 있는 외부 또는 내부 형상이 생성될 수 있다. 예컨대 회전 대칭 구성요소의 케이스부는 유동 성형에 의해 자동차의 휠 림의 림 플랜지로 형성될 수 있다.
유동 성형 후에는, 특히 버링, 형상 절삭 또는 기계적 후처리, x-선 촬영과 같은 품질 제어 및/또는 광택제 도포가 후속될 수 있다.
위에서 언급한 목적은 기부와 상부를 갖는 주조 및 성형 공구; 주조 및 성형 공구의 기부 또는 리저버 내로 금속 합금 용융물을 위로부터 충전하기 위한 주입 유닛; 적어도 주조 및 성형 공구 내로 금속 합금을 주조하는 동안에는 기부와 상부를 서로에 대해 소정 위치에 유지하기 위한 배치 수단; 용융 금속 합금으로부터 적어도 부분적으로 고화된 구성요소가 변형 가능하도록 기부와 상부 사이의 상대 이동을 생성하기 위한 힘 인가 메커니즘을 포함하는 금속 구성요소 제조 장치에 의해 추가로 달성된다.
본 장치를 사용하면 위에 언급한 방법을 사용할 때와 동일한 장점이 실현될 수 있는 바, 이에 관해서는 위의 설명을 참조한다.
주조 몰드라고도 지칭할 수 있는 주조 및 성형 공구는 주조 준비 시간을 짧게 유지하기 위해 모듈 설계 시스템에 따라 구성될 수 있다. 여러 생산 장소가 가동될 수 있도록 여러 대의 주조 몰드가 회전식 원형 테이블에 배열될 수 있다. 주조 전에, 주조 몰드는 한 장소에서 공정 온도까지 예열될 수 있다. 주조 몰드는 바람직하게는 롤러, 체인 또는 벨트 컨베이어에 의한 수송을 위해 구성되는 유지 또는 수송 장치에 수용된다. 또한, 로봇 또는 갠트리 적하기에 의한 취급도 운반을 위해 가능하다.
유지 또는 수송 장치는 기부와 상부 중 적어도 하나가 하나의 축을 따라 이동 가능하도록, 즉 유지 또는 수송 장치에 완전히 고정되지 않도록 구성된다. 축의 다른 두 방향으로는 상기 기부 및/또는 상부가 고정된다. 압력 인가 메커니즘은 특히 기부가 상부에 대해 이동 가능하고 상부가 고정 유지되도록 형성될 수 있다. 상부 및/또는 기부에는 냉각 유닛과 온도 센서가 마련될 수 있는데, 이들은 바람직하게는 주조 후에 연결된다.
하부 몰드라고도 지칭할 수 있는 기부는 바람직하게는 일체로 형성된다. 그러나, 대안으로서, 기부는 여러 개의 별도 부품으로부터 조립될 수 있는데, 단 이들 부품은 제조 공정 중에는 서로 분리될 수 없다. 바람직하게는, 기부는 회전 대칭적으로 형성된다. 기부의 구축 높이는 특히 상부가 폐쇄될 때 액체 금속 전량을 수용할 수 있도록 설정된다.
부분들, 즉 기부와 상부 중 적어도 하나는 채널을 가지며, 그 결과 해당 부분은 소정 온도로 설정될 수 있다. 이렇게 하여, 기부와 상부는 주조 및 고화 중에 각각 상이한 온도로 설정될 수 있는데, 이는 고화 거동에 긍정적인 영향을 미치며, 따라서 고화된 가공물의 미세조직에 긍정적인 영향을 미친다.
바람직한 실시예에 따르면, 주조 및 성형 공구의 부분들 중 적어도 하나, 즉 기부 및/또는 상부는 언더컷 없이 형성된다. 이렇게 하여, 축방향 제거가 가능해진다. 추가적인 장점은 공구가 단지 두 부분만을 필요로 한다는 것이다. 방사상 슬라이더가 생략될 수 있다.
바람직하게는, 본 장치는 상부가 기부로부터 제거될 때 주조 및 성형 공구의 기부 내로 이동될 수 있는 단조 공구를 추가로 포함한다. 구성요소의 일부 영역은 단조 공구에 의해 부분적으로 후압축될 수 있으며, 이로써 상기 영역은 특히 높은 강도를 갖게 된다.
추가적인 실시예에 따르면, 특히 우수한 미세조직을 실현하기 위해 주조 및 성형 공구 내로 진동을 도입할 수 있는 진동 메커니즘이 마련될 수 있다. 이는 알루미늄 반죽 합금과 같은 유동 거동이 불량한 합금에 특히 유리하다.
추가적인 실시예에 따르면, 주조 및 성형 공구 내로 도입되는 금속 용융물의 용융량을 주입할 수 있는 액체 금속 주입 유닛이 마련될 수 있다. 바람직하게는, 주입 유닛은 주조 공정 직전이나 주조 공정 중에만 기부에 접근할 수 있다. 용융물의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서가 충전 용기 상에 또는 충전 용기 내에 마련될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 이용하여 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 제1 실시예의 주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 장치를 종단면도로 도시한다.
도 2는 도 1의 주조 및 성형 공구의 기부를 상세도로 도시한다.
도 3은 제2 실시예의 주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 장치를 종단면도로 도시한다.
도 4는 제3 실시예의 주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 장치를 주조(S10) 중의 종단면도로 도시한다.
도 5는 도 4의 주조 및 성형 공구의 기부를 상세도로 도시한다.
도 6은 추가 실시예의 주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 장치를 압축(S30) 중의 종단면도로 도시한다.
도 7은 상부가 제거되고 단조 공구가 배치된 상태인 부분적 후압축(S40) 중의 도 6에 따른 장치를 도시한다.
도 8은 단계 S10 내지 S50으로 이루어진 것으로, 주조 및 성형 공구에 의해 금속 구성요소를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법을 도시한다.
도 9는 도 8의 방법에 따른 구성요소 제조에 사용되는 금속 합금의 상태도(상도)를 도시한다.
이하, 도 1 내지 도 9를 설명한다. 도 1 내지 도 4에는 제1 실시예의 본 발명에 따른 금속 구성요소 제조 장치(2)가 도시되어 있고, 도 5와 도 6에는 변경된 제2 실시예가 도시되어 있다. 도 7과 도 8은 이에 대응하는 제조 방법과, 제조에 사용되는 금속 합금의 상태도(상도)를 각각 도시한다.
이하의 설명에서는, 본 공구가 서로 대상 특정적인 상이한 단계에 사용되기 때문에 일반적인 용어인 기부(5)와 상부(6), 그리고 주조 및 성형 공구(4)를 선택하였다. 따라서, 주조 및/또는 성형의 사용에 따라, 용어 주조, 주조 몰드, 다이, 성형부, 하부 몰드, 상부 몰드, 기부가 주조 및 성형 공구와 그 필수 구성요소에 부여될 수 있다.
본 장치(2)는 주입 용기(31)를 갖는 충전 및 주입 유닛(3)과, 기부(5)와 상부(6)를 갖는 주조 및 성형 공구(4)를 포함한다. 가열 또는 용융 장치(미도시)가 액체 금속을 성형 공구(4)에 주입하고 충전하는 역할을 하는 주입 유닛(3) 전방에 배열될 수 있다. 금속 용융물은 용융 장치로부터 공급 채널(7)을 통해 주입 용기(31)로 공급된다. 도 1은 액체 금속 용융물(9)로 충전된 주입 용기(31)를 보여준다. 주입 용기(31)는 깔때기 형상으로 형성되고 그 하단부에는 배출 개구(11)를 갖춘 공급 파이프(10)가 마련된다. 필요에 따라 공급 파이프(10)를 선별적으로 개폐하기 위한 배출 밸브(12)가 주입 용기(31)에 마련되며, 따라서 용융물은 선택적으로 주입 용기로부터 하부에 배열된 주조 및 성형 공구(4) 내로 유동할 수 있거나 아니면 해당 유동이 중단될 수 있다. 배출 밸브(12)의 위치를 결정하기 위해, 배출 밸브(12)를 제어하는 제어 유닛과 작동적으로 연결되는 제어 센서(13)가 마련된다. 배출 밸브(12)와 배출 개구(11)는 세라믹 또는 트리아멧(triamet)으로 제조될 수 있다.
또한, 충전 수위를 나타내는 신호를 결정하여 상기 신호를 제어 유닛으로 전송할 수 있는 충전 수위 제어 밸브(14)가 주입 용기(31) 내에 마련된다. 따라서, 충전 중이나 충전 전에 액체 금속의 양을 측정할 수 있다. 또한, 금속의 온도를 나타내는 신호를 결정하도록 구성되는 온도 센서(15)가 마련되는데, 상기 온도 신호 역시 제어 유닛에 의해 처리된다. 용기(31)의 충전 온도는 이상적으로는 주조 중에 필요한 온도보다 높다.
또한, 본 장치(2)는 공급 파이프(17)를 통해 주입 용기(3) 내로 불활성 가스를 공급할 수 있는 불활성 가스 유닛(16)을 포함한다. 주입 용기(3) 내에 불활성 가스 분위기를 생성함으로써 바람직하지 않은 산화물층의 형성이 방지된다. 불활성 가스 분위기에서 공정을 수행하는 것은 선택적이며, 합금에 따라 사용될 수 있다. 주입 용기(3)는 예컨대 하나 이상의 스프링 부재를 포함할 수 있는 요동(swinging) 메커니즘(19)에 의해 고정 구성요소(18)에 요동식으로 부착된다.
배출 밸브(12)가 개방될 때 용융물이 유입될 수 있는 주조 및 성형 공구(4)가 장치(3) 하부에 배열된다. 용융물의 유동을 지체시키고 기부(5)를 향해 일정한 유동 거동이 이루어지도록 하는 필터(20)가 주입 용기(3)의 배출 개구(11)에 배열된다. 유입 감쇄기라고도 지칭할 수 있는 필터는 스테인레스강으로 제조되는 철망(wire mesh)을 포함할 수 있다. 주조 몰드(4)의 충전은 액체 금속의 온도가 주조 온도까지 냉각되었을 때 시작된다.
상부(6)는 기부(5) 상에 배치되는데, 주조 공구는 바람직하게는 주조 전에는 아직 완전히 폐쇄되지 않는다. 몰드 공동(21)이 주조 및 성형 공구(4)의 부분들(5, 6) 사이에 형성되며, 해당 공동 내로 용융물이 유입되어 공동을 충전할 수 있다. 이 경우, 주조 및 성형 공구(4)는 대략 단지 형상의 공동이 둘러싸이도록 형성된다. 이를 위해, 기부(6)는 배출 개구(11)의 영역에 배열되는 중앙 돌출부(23)를 갖는 기저부(22)와 원주방향으로 연장되는 케이스부(24)를 가진다. 상부 몰드라고도 지칭할 수 있는 상부(6)는 원추 형상부(25)와, 원추 형상부의 상단부에 연결되는 플랜지부(26)와, 기부(5)를 측방으로 둘러싸고 원주방향으로 연장되는 케이스부(27)를 포함한다. 양 공구 부분(5, 6)의 내면 또는 윤곽은 언더컷 없이 형성되며, 따라서 고화된 구성요소(8)를 축방향으로 회수하는 것이 가능하다.
주조 중에 상기 공구 부분들을 소정 위치에, 또는 서로에 대해 소정의 거리에 유지하기 위한 배치 수단(28)이 상부(5)와 기부(6) 사이에 배열된다. 배치 수단(28)은 기부 부재(29)와 기부(6) 사이에 배열되는 환형 부재로서 형성된다. 기부 부재(29)는 환형으로 형성되거나 중앙 개구(30)를 갖는 프레임형으로 형성된다. 기부 부재는 주조 및 성형 공구(4)의 지지체 역할을 하는데, 기부(5)는 개구(30)를 에워싸는 가장자리 상에 하향으로 지지되고 상부(6)는 환형 본체(28)를 통해 기부(5)의 방사상 외부에서 하향으로 지지된다.
또한, 장치(2)는 상부(6)에 대해 기부(5)를 이동시키기 위한 힘 인가 메커니즘(32)을 포함한다. 스트로크 또는 가압 메커니즘이라고 지칭할 수도 있는 힘 인가 메커니즘(32)은 기부 부재(29)에 대해 수직으로 이동 가능한 스트로크 부재(33)와, 탄성 및/또는 감쇄 베어링 수단(35)을 통해 스트로크 부재(33)에 밀착 지지되는 지지 부재(34)를 포함한다. 스트로크 부재(33)와 지지 부재(34)는 기부 부재(29)의 관통 개구(30)를 각각 통과한다. 스트로크 부재(33)를 상승시킴으로써 지지 부재(34)와 그 위에 지지되는 기부(5)는 위쪽을 향해 수직으로 로딩된다. 이 경우, 기부(5)는 고정 유지되는 상부(6)에 접근하며, 주조 및 성형 공구(4)의 두 부분(5, 6) 사이에 형성되는 간극(36)은 적어도 상당 부분 폐쇄된다. 상부(6)를 향해 기부(5)를 이동 또는 로딩함으로써, 이들 사이에 배열되는 구성요소가 압축되어 높은 강도를 갖는 무기공(free of pores) 미립 조직이 생성될 수 있다. 기부(5) 상에 배열되고 개략적으로만 도시되어 있는 진동 메커니즘(37)을 통해 진동이 주조 및 성형 공구(4)로 도입될 수 있다. 또한, 상부(6)는 불활성 가스 유닛의 도관(40)과 흡입 유닛(41)을 연결시키는 관통 개구(38, 39)를 포함한다.
도 1의 실시예에서, 도 2에 상세도로 도시된 기부(5)는 일체로 형성된다. 언더컷이 없음으로 해서 고화가 완료된 후 가공물의 축방향 회수를 가능하게 하는 기부의 형상을 확인할 수 있다. 기부(5)는 회전 대칭적으로 형성된다.
도 3은 변경된 제2 실시예의 본 발명에 따른 장치를 도시한다. 이는 도 1의 실시예와 상당 부분 일치하며, 따라서 공통된 특징에 대해서는 위의 설명을 참조한다. 이 경우, 동일하거나 서로 대응하는 구성요소에는 도 1과 동일한 참조번호가 부여된다.
본 실시예의 핵심적인 차이는 액체 금속 합금이 주입 용기(3)로부터 주조 및 성형 공구(4)로 배출되는 동안 냉각된다는 것이다. 이를 위해, 냉각 유닛(60)이 상부(6)의 내벽부 상에서 공급 파이프(10) 주위에 마련된다. 또한, 금속 합금이 유입될 수 있는 리저버(61)가 기부(5)에 마련된다. 리저버(61)는 소정 온도로 또는 특정 온도 범위 내로 금속의 온도를 유지하는 단열 또는 가열 장치(51)에 의해 각각 둘러싸인다. 리저버(61)는 기부(5)의 중앙부에 부착되고 아래쪽을 향해 수직으로 연장된다. 리저버(61)의 하단부에는 제어가능 피스톤(62)이 마련된다. 실린더 역할을 하는 리저버(61) 내로 피스톤(61)을 집어넣음으로써 리저버 내에 배열된 금속이 몰드 공동(21) 내로 가압될 수 있다.
본 실시예의 작동 모드는 다음과 같다. 용융물(9)은 배출 중에 냉각되며, 배출 속도는 액체 금속 합금이 냉각 유닛(60)에 의해 반고체 상태로 전이되도록 설정된다. 반고체 상태는 합금의 온도가 대략 또는 대체로 액상선 온도(TL) 미만인 상태를 의미한다. 수거 용기(collecting vessel)라고도 지칭할 수 있는 리저버(61)에서, 합금은 반고체 상태로 유지되거나 반고체 상태를 약간 상회하는 상태로 유지되는데, 이는 합금이 액상선 온도(TL)로 유지되거나 액상선 온도보다 약간 높은 온도로 유지된다는 것을 의미한다. 금속 합금에 따라, 해당 상태는 수 도의 온도 범위 내에서 조절되어야 한다. 주입 용기(31)로부터 합금의 배출이 완료된 후에는, 유입구가 폐쇄되고 피스톤(62)이 반고체 상태의 합금을 주조 및 성형 공구(4) 내로 가압한다. 이를 위해, 주조 및 성형 공구의 공구 부분(5, 6)을 고상선 온도보다 낮은, 고상선 온도(TS)의 적어도 10%에 해당하는 온도까지 조절하는 단계가 제공될 수 있다. 충전 후에는, 구성요소의 압축 단계가 주조 및 성형 공구(4)에서 수행되며, 선택적으로 부분적 후압축이 수행된다.
이상의 내용을 제외하면, 도 3에 따른 본 발명의 구조와 작동 모드는 도 1 및 도 2의 구조와 작동 모드와 일치하며, 따라서 이에 대해서는 위의 설명을 참조한다.
도 4와 도 5는 추가 실시예의 본 발명에 따른 장치(2)를 도시한다. 이는 도 1의 실시예와 상당 부분 일치하며, 따라서 공통된 특징에 관해서는 위의 설명을 참조한다. 이 경우, 동일하거나 서로 대응하는 구성요소에는 도 1과 동일한 참조번호가 부여된다.
도 1의 실시예와의 첫 번째 차이는 상부(6)가 기부(5)로부터 제거된 상태에서, 또는 상부가 기부로부터 이격된 상태에서 주조가 수행된다는 점이다. 용융물이 충전된 후에만 상부(6)는 기부(5) 상으로 배치되며, 즉 소정 거리까지 접근되며, 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이 공정이 계속된다.
추가적인 특징은 기부(5)가 두 개의 부품으로 제작된다는 것이다. 즉, 기부는 기저부(22)[기저 본체(base body)]와 케이스부(24)(케이스 본체)로 이루어진다. 기저부(22)와 케이스부(24)는 두 본체를 서로에 대해 중심 일치시키고 지지하기 위한 상보적 원추형 접합면(42, 43)을 가진다. 케이스부(24)의 단부면과 기저부(22)의 방사상 면 사이에는, 방사상 간극(44)이 조립 상태에서 형성된다. 기부 부재(29)에 대해 케이스부(24)를 고정하기 위해 록킹 수단(46)과 결합될 수 있는 환형 요홈(45)이 환형 케이스부(24)의 외주면에 마련된다. 기부 부재(29)는 이 경우에는 원판부와 원통부를 갖는 단지형으로 형성된다. 배치 부재 또는 측면 부재라고도 지칭할 수 있는 배치 수단(28)이 기부 부재(29)와 기부(5) 사이에 방사상으로 개재된다. 록킹 수단(46)은 배치 수단(28)을 관통하여 기부 부재(29)의 환형부에 지지된다. 이상의 사항을 제외하고는, 도 4와 도 5의 실시예는 구성과 작동 모드 면에서 도 1 및 도 2의 실시예와 일치하며, 따라서 이에 관해서는 위의 설명을 참조한다.
도 6은 다른 변경된 제3 실시예의 본 발명에 따른 장치를 도시한다. 이는 도 1의 실시예와 상당 부분 일치하며, 따라서 공통된 특징에 관해서는 위의 설명을 참조한다. 이 경우 동일하거나 서로 대응하는 구성요소에는 도 1 및 도 2와 동일한 참조번호가 부여된다.
도 1의 실시예와의 차이는 상부(6)의 케이스부(27)와 배치 수단(28)이 각각 그 내면에 기부(5)에 대면하는 냉각 유닛(47, 48)을 구비한다는 점이다. 냉각 유닛(47, 48)은 이를 통해 냉각 유체가 유동할 수 있는 냉각 리브 또는 냉각 채널로서 형성될 수 있다. 또한 기부(4)의 기저부(22)는 본 실시예에서 냉각된다. 이를 위해, 기저부(22)에 대면하는 그 상면에 냉각 리브 또는 냉각 채널 형태의 냉각 장치(50)를 갖는 판형 중간 부재(49)가 지지 부재(34)와 기저부(22) 사이에 배열된다. 진동 메커니즘(37)이 중간 부재(49)와 지지 부재(34) 사이에 배열된다. 주조 및 성형 공구(4)의 기부(5)의 열이 냉각 유닛(47, 48, 50)을 통해 배출될 수 있으며, 따라서 구성요소는 보다 신속히 고화된다.
도 6의 장치(2)는 압축 단계(S30)가 진행되는 상태, 또는 압력 인가 후의 상태로 도시되어 있다. 이를 위해 기부(5)는 이 경우에는 기저부와 케이스부를 갖는 지지 프레임으로서 형성되는 고정식 기부 부재(29)로부터 힘 인가 메커니즘(32)에 의해 상승된다. 기부(5)는 상부(6)까지 상승되며, 그 결과 간극(36)이 폐쇄되고 고화 중인 구성요소가 압축된다. 압축 전에 관통 개구(38, 39)가 폐쇄되며, 따라서 고화 중이거나 이미 고화된 재료가 몰드 공동 밖으로 압출되지 않는다. 이를 위해, 관통 개구(38, 39)와 유입구(53) 내로 진입하여 상부(6)에 대한 배압을 생성하는 폐쇄 실린더(52)가 마련된다.
압축 단계 중에, 상부(6)는 고정 유지되는 상부 지지 프레임(54) 상에 지지된다. 모든 구성요소를 지지하는 하부 지지 프레임(29)이 상부 지지 프레임(54)을 향해 상승된다. 본 실시예에서는, 제1 운반 롤러(55)와 제2 운반 롤러(56)가 하부 지지 프레임(29)을 수직 및 수평으로 안내하고 상기 프레임을 전진 방향으로 선형 이동시키기 위해 마련된다. 하부 지지 프레임(29)을 상승시킴으로써 도 6에 도시된 바와 같이 지지 롤러(55)와 하부 지지 프레임(29)의 하면 사이에 소정 거리가 형성된다. 늦어도 압축 단계 후에는 완전히 고화된 구성요소(8)가 존재한다.
도 7은 다음 공정 단계(S40)에 있는 도 6의 장치를 도시한다. 힘 인가 메커니즘(32)은 도 7에서는 개략적으로만 도시되어 있다. 상부 지지 프레임(54), 폐쇄 실린더(52) 및 상부(6)가 나머지 조립체로부터 제거되었음을 확인할 수 있다.
상부 대신에, 여기서는 단조 공구(57)가 구성요소 내로 이동된다. 구성요소의 일부 영역이 단조 공구(57)에 의해 후압축되어 해당 일부 영역이 특히 높은 강도를 갖게 된다. 이 경우, 단조 공구(57)는 구성요소를 압축하고 소성 변형하기 위해 구성요소에 축방향으로 작용하는 환형 단조면(58)을 갖는 환형부를 구비한다. 다이라고도 지칭할 수 있는 단조 공구(57)는 홀더(58)에 부착되어 홀더 상에 축방향으로 지지된다. 이전의 압축에서와 같이 부분적 후압축은 승강 장치에 의해 기부(5)를 포함하는 하부 지지 프레임(29)을 상승시킴으로써 수행된다.
이상의 내용을 제외하면, 본 실시예는 레이아웃과 작동 모드 면에서 도 6의 실시예와 일치하며, 따라서 이에 관해서는 위의 설명을 참조한다.
도 8에는, 본 발명에 따른 금속 구성요소 제조 방법이 단계 S10 내지 S50으로 이루어진 순서도로 도시되어 있다. 단조 가능 합금이 고강도의 미세조직을 실현하기 위해 본 방법에 사용된다.
제1 단계(S10)에서는, 금속 합금 용융물이 제1 압력(P1)에서 주조 및 성형 공구(4) 내로 배출되며, 용융물의 전량 충전이 비가압 상태에서, 또는 대기압에서 수행된다. 용융물은 주입 용기(31)에서 위로부터 주조 및 성형 공구(4) 내로 충전된다. 용융물이 주입 용기(31)로부터 주조 몰드 내로 충전되는 동안, 진동이 주조 몰드로 도입될 수 있다. 액체 금속이 반고체 상태로 전이되도록 냉각 및 배출 속도를 조절함으로써 주입 용기(31)의 배출구의 상태를 제어하는 것도 가능하다.
용융물이 주조 및 성형 공구(4) 내로 완전히 충전된 후에는, 충전 및 주입 유닛(3)과 주조 및 성형 공구(4)가 서로 분리되고 진공 메커니즘(37)이 정지된다. 주조 및 성형 공구(4)는 운반 유닛에 실려 다음 공정 장소로 이동될 수 있다.
다음 단계(S20)에서는, 몰드 공동에 배열된 금속 합금에 압력이 인가된다. 이를 위해, 기부(5)와 상부(6) 사이에는 대기압 또는 제1 압력(P1)보다 높은 압력(P2)이 조성된다. 압력(P2)은 예컨대 상부(6)의 사하중에 의해 생성될 수 있다. 재료가 의도치 않게 공구 밖으로 압출되지 않도록 주조 및 성형 공구(4)의 모든 개구는 힘 인가 전에 폐쇄되어야 한다. 용융물에 압력을 인가하는 단계는 금속 합금의 고상선(TS)보다 높고 대략 액상선(TL)보다 낮은 구성요소-외피 온도 범위(T2)에서 수행될 수 있는데, 이는 TS < T2 < TL임을 의미한다. 압력 인가 전에, 재료는 여전히 액체이다. 압력 인가 단계의 종료시 재료는 적어도 부분적으로 가루 반죽 같은 상태이다.
필요에 따라, 기부(5) 및/또는 상부(6)의 대응하는 가열에 의해, 단계 S20 중에 일어나는 재료 고화의 진행 과정에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 기부(5)는 상부(6)보다 높은 온도까지 가열될 수 있으며, 이 경우에는 상부에서 금속 합금의 고화가 보다 빨리 일어난다. 가열 또는 냉각을 위해, 주조 및 성형 공구(4)의 부분들(5, 6)은 하나 이상의 냉각 순환로를 구비할 수 있으며, 적어도 하나의 온도 센서가 각각의 냉각 순환로에 배정된다. 냉각은 구성요소 특유의 고화 과정을 보장하기 위한 요건에 따른 비율로 섞인 물-공기 혼합물로 수행될 수 있다.
압력 인가 단계(S20) 후에, 금속이 적어도 부분적으로 가루 반죽 형태이거나 대부분이 고화된 상태가 되어 구성요소를 형성하면, 상기 구성요소의 압축이 다음 단계(S30)에서 수행된다. 압축 단계는 단계 S20의 제2 압력(P2)보다 큰 제3 압력(P3)이 생성되도록 상부(6)를 향해 기부(5)를 상대 이동시킴으로써 수행된다. 압축은 강한 힘으로 상부(6)의 방향으로 하부(5)를 가압으로써 수행된다. 압축은 바람직하게는 금속 합금이 적어도 대부분 고화되었을 때, 또는 반고체 상태가 되었을 때만 시작된다. 압축은 압력 인가 단계(S20) 중의 금속 합금의 구성요소-외피 온도(T2)보다 낮은 구성요소-외피 온도(T3)에서 수행될 수 있다. 또한, 온도(T3)의 하한으로서, 금속 합금의 고상선 온도(TS)의 1/2이 사용될 수 있는데, 이는 T2 > T3 > 0.5TS임을 의미한다. 성형 공정의 종료는 기부를 향한 상부의 상대 이동이 종료 위치에 도달하고 소정 온도에 도달함으로써 정해진다. 압축 단계(S30) 중에, 구성요소는 15% 미만, 특히 10% 미만, 또는 5% 미만의 비교적 정도가 낮은 변형만을 겪는다. 구성요소의 기공이 압축 중에 폐쇄되며, 그 결과 가공물의 미세조직이 향상된다.
추가 단계(S40)로서, 완전히 고화된 구성요소의 부분적 후압축이 압축 단계(S30) 후에 제공된다. 부분적 후압축은 주조 및 성형 공구의 기부 내로 단조 공구를 도입하거나 단조 공구(다이)에 대해 기부(5)를 상승시킴으로써 수행된다. 따라서, 구성요소의 일부 영역이 압축되고 소성 변형된다. 부분적 후압축 중에, 구성요소는 압축 단계(S30) 중에 가해지는 힘보다 큰 힘을 다시 받다. 특히, 높은 하중을 견딜 수 있는 단조 유사 미세조직이 후압축된 영역에 생성된다.
부분적 후압축(S40) 후에는, 구성요소의 일부 영역에 대한 유동 성형이 추가 단계(S50)에서 수행될 수 있다. 유동 성형에 의해, 언더컷을 구비한 외부 또는 내부 윤곽이 변형된 구성요소에 생성될 수 있다.
유동 성형(S50) 후에는, 추가 단계, 특히 버링, 금속 절삭 또는 기계적 후처리, x-선 촬영과 같은 품질 제어 및/또는 광택제 도포가 후속될 수 있다.
본 발명에 따른 방법과 장치를 사용함으로써, 주조 블랭크가 주조(S10), 후속 압력 인가(S20), 후속 압축/변형(S30) 및 선택적인 부분적 재료 후압축(S40)에 의해 동일한 기부에서 여러 단계를 거쳐 신규한 방식에 의해 제조될 수 있다. 압력 인가(S20)는 사용되는 합금의 고상선 온도보다 높은 온도에서(액체 상태 내지 가루 반죽 상태에서) 이루어진다. 도 9는 본 발명에 따른 방법 또는 장치에 의한 구성요소 제조에 사용되는 금속의 상태도(상도)를 도시한다. x-축 상에는, 금속 A의 XA%와 금속 B의 XB%를 포함하는 금속 합금의 함량비(WL)가 명시되어 있다. Y-축 상에는 온도(T)가 주어진다. 바람직하게는, 액상선 온도(TL)보다 낮고 고상선 온도(TS)보다 높은 압력 인가 단계의 온도 범위(T2)(TL < T2 < TS)가 도 9에 수평 평행선으로 표시되어 있다. 압력 인가(S20)시의 공정 시간에 따라, 15% 미만의 잔류 변형도가 후속 압축(S30)에서도 그대로 유지된다. 압축 단계(S30)는 특히 온도(T2) 내지 고상선 온도의 1/2(0.5TS)의 온도 범위(T3) 내에서 수행된다(T2> T3 > 0.5TS). 해당 범위는 도 9에 좌측 상부에서 우측 하부를 향하는 평행선으로 표시되어 있다. 선택적으로, 부분적 금속 후압축(S40)이 응력에 노출된 구성요소 영역에서 수행될 수 있는데, 이는 다이를 위로부터 도입함으로써 이루어질 수 있다. 이는 특히 온도(T3)보다 낮은 온도(T4), 구체적으로 고상선 온도의 90%보다 낮은 온도에서 수행된다(T3 > T4 및/또는 T4 < 0.9 TS). 해당 온도 범위는 도 9에 수직 평행선으로 표시되어 있다.
본 방법은 공지된 주조 방법과 같이 구성 및 형상과 관련하여 보다 큰 자유도를 제공하며, 미가공 주조 부품의 제조와 관련해서는 주조 특정 단면이 공지된 주조 방법에서 필요한 정도까지는 불필요하다. 전체 제조 공정은 다이(57)의 선택적 사용을 겸하면서 간단한 기부(5)에서 수행된다. 상부(6)와, 해당되는 경우 선택적으로 사용될 수 있는 하나 이상의 측면 부품은 유동 공정의 시작시에는 기부(5)보다 현저히 낮은 온도를 갖는다(고상선 온도의 50%까지의 온도차를 보인다). 본 제조 공정에 의해, 기계적 특성이 보다 우수한 반죽 조직을 갖는 미세조직이 급속 냉각형 주조 미세조직을 통해 실현될 수 있다.
2: 장치 3: 주입 유닛 4: 주조 및 성형 공구
5: 기부 6: 상부 7: 공급 채널
8: 구성요소 9: 용융물 10: 공급 파이프
11: 배출 개구 12: 배출 밸브 13: 제어 센서
14: 충전 수위 제어 유닛 15: 온도 센서
16: 불활성 가스 유닛 17: 공급 파이프
18: 구성요소 19: 요동 메커니즘 20: 필터
21: 몰드 공동 22: 기저부 23: 돌출부
24: 케이스부 25: 부분 26: 플랜지부
27: 케이스부 28: 배치 수단 29: 기부 부재
30: 개구 31: 충전 용기 32: 힘 인가 메커니즘
33: 스트로크 부재 34: 지지 부재 35: 베어링 수단
36: 간극 37: 진동 메커니즘 38: 관통 개구
39: 관통 개구 40: 도관 41: 흡입 유닛
42: 접합면 43: 접합면 44: 방사상 간극
45: 환형 요홈 46: 록킹 수단 47: 냉각 유닛
48: 냉각 유닛 49: 중간 부재 50: 냉각 유닛
51: 단열 장치 52: 폐쇄 실린더 53: 유입 개구
54: 상부 지지 프레임 55: 운반 롤러 56: 운반 롤러
57: 단조 공구 58: 홀더 60: 냉각 유닛
61: 리저버 62: 피스톤 P: 압력
S: 방법 단계 T: 온도

Claims (15)

  1. 주조 및 성형 공구를 사용하여 금속 구성요소를 제조하는 방법이며,
    주조 및 성형 공구(4) 내로 금속 합금 용융물(9)을 주조하는 단계(S10)로서, 용융물은 제1 압력(P1)에서 주조 및 성형 공구(4)의 기부(5) 또는 리저버(61) 내로 위로부터 주입되는, 주조 단계(S10)와,
    용융물이 고화되는 동안에 주조 및 성형 공구(4)의 기부(5)와 상부(6) 사이의 용용물에 압력을 인가하는 단계(S20)로서, 고화 중인 용융물은 제1 압력(P1)보다 높은 제2 압력(P2)으로 가압되는, 압력 인가 단계(S20)와,
    용융물이 적어도 대부분 고화되어 구성요소를 형성할 때, 기부(5)와 상부(6) 중 적어도 하나를 기부(5)와 상부(6) 중 다른 하나에 대해 이동시킴으로써 구성요소를 압축하는 단계(S30)로서, 구성요소는 제2 압력(P2)보다 높은 제3 압력(P3)으로 압축되는, 압축 단계(S30)를 포함하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 주조 및 성형 공구(4)의 상부(6)는 용융물(9)의 주조 중에 기부(5)에 대해 부분적으로 개방된 위치에 유지되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 주입 유닛(3)이 기부(5) 내로 용융물을 주조하기 위해 마련되며, 용융물은 주입 유닛(3)의 배출구에 있는 냉각 유닛(60)에 의해 주조 단계(S10) 중에 냉각되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고화 중인 용융물에 압력을 인가하는 단계(S20)는 금속 합금의 액상선(TL)보다 낮고 고상선(TS)보다 높은 구성요소-외피 온도(T2)에서 수행되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 단계(S30)는 압력 인가 단계(S20) 중의 구성요소-외피 온도(T2)보다 낮은 온도(T3 < T2)와 금속 합금의 고상선 온도(TS)의 최소 1/2인 온도(T3 > 0.5TS) 중 적어도 하나인 구성요소-외피 온도(T3)에서 수행되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 단계(S30)는 기부(5)와 상부(6) 사이의 상대 이동에 의해 수행되며, 주조 및 성형 공구(4)의 기부(5)와 상부(6) 중 하나는 고정 유지되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 인가 단계(S20)와 압축 단계(S30) 중 적어도 한 단계 중에 상부(6)는 기부(5)보다 낮은 온도로 설정되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 기부(5)는 기저부(22)와 환형 케이스부(24)를 갖고, 압력 인가 단계(S20)와 압축 단계(S30) 중 적어도 한 단계 중에 케이스부(24)는 기저부(22)보다 낮은 온도로 설정되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 단계(S30) 후에 그리고 구성요소가 완전히 고화되었을 때,
    완전히 고화된 구성요소(8)를 후압축하는 단계(S40)를 추가 단계로서 포함하고, 후압축 단계는 구성요소가 적어도 일부 영역에서 단조 공구(57)에 의해 압축되어 소성 변형되도록 주조 및 성형 공구(4)의 기부(5) 내로 단조 공구(57)를 이동시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 압축 단계(S30)와 부분적 후압축 단계(S40) 중 적어도 한 단계는 구성요소가 15% 미만의 변형도만큼 변형되도록 수행되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 후압축 단계(S40) 후에,
    최종 윤곽을 생성하기 위해 구성요소를 유동 성형하는 단계(S50)를 추가 단계로서 포함하는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하는 방법.
  12. 금속 구성요소를 제조하기 위한 장치이며,
    기부(5)와 상부(6)를 갖는 주조 및 성형 공구(4)와,
    위로부터 주조 및 성형 공구(4)의 기부(5) 또는 리저버(61) 내로 금속 합금 용융물(9)을 충전하기 위한 주입 유닛(3)과,
    적어도 주조 및 성형 공구(4) 내로 금속 합금을 주조하는 동안에는 기부(5)와 상부(6)를 서로에 대해 소정 위치에 유지하기 위한 배치 수단(28)과,
    용융 금속 합금으로부터 적어도 부분적으로 고화된 구성요소가 변형 가능하도록 기부(5)와 상부(6) 사이의 상대 이동을 생성하기 위한 힘 인가 메커니즘(32)을 포함하는
    금속 구성요소를 제조하기 위한 장치.
  13. 제12항에 있어서, 주조 및 성형 공구(4)의 기부(5)와 상부(6) 중 적어도 하나는 언더컷이 없는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하기 위한 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상부(6)가 기부(5)로부터 제거될 때, 주조 및 성형 공구(4)의 기부(5) 내로 이동 가능한 단조 공구(57)가 마련되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하기 위한 장치.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 힘 인가 메커니즘(32)은 기부(5)가 상부(6)에 대해 이동 가능하도록 구성되되, 상부(6)는 고정 유지되는 것을 특징으로 하는
    금속 구성요소를 제조하기 위한 장치.
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