KR20170007444A - 저과열 내지 무가열 온도에서의 주조를 위한 용융 금속의 제조 공정 - Google Patents

Abstract

저과열 내지 무가열 온도에서의 주조를 위한 용융 금속의 제조 공정은 열 추출 프로브를 용융물 내에 배치하는 단계를 포함하며, 동시에 격렬한 대류가 가해져 용융물의 거의 균일한 냉각을 보장한다. 이후, 저과열 또는 무과열 온도에 도달할 때, 열 추출 프로브는 신속하게 제거된다. 마지막으로, 급속 냉각된 용융물을 부품으로 주조하기 위한 주형, 또는 다이 캐비티 내로 주입하기 위한 사출 슬리브로 신속하게 이송된다. 상기 공정은 소량의 고체가 용융물의 일부에 형성하도록 수행될 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 주요 양태는 신속하게 공정을 수행하여, 미세하게 분산된 상태로 입자를 유지시켜, 유동을 지연시키고 제조된 금속 부품의 품질을 향상시키는 것이다. 보다 긴 다이 수명 및 더욱 짧은 사이클 시간으로 인해 제조된 금속 부품의 비용이 절감된다.

Description

저과열 내지 무가열 온도에서의 주조를 위한 용융 금속의 제조 공정 {PROCESS FOR PREPARING MOLTEN METALS FOR CASTING AT A LOW TO ZERO SUPERHEAT TEMPERATURE}

본 발명은 저과열 내지 무가열 온도에서의 주조를 위한 용융 금속 제조 공정에 관한 것이다.

자동차, 전기, 농업, 또는 장난감 산업의 여러 구성 요소, 예컨대 합금 휠, 전기 케이스, 조향 핸들, 또는 압축기 부품은 고압 다이 주조법, 저압 주조법, 또는 중력 주조 공정에 의해 대량으로 생산된다. 이러한 대량 생산 주조 공정에서, 액상 온도보다 실질적으로 높은 온도의 용융 금속 합금을 주입하여 주조한다. 이러한 조업은 이후 주형 또는 다이로부터 제거될 수 있기 전에 주조가 완전히 응고하도록 기다려야 할 필요가 있다. 응고 공정을 가속화하기 위해, 공기 또는 물에 의한 내부 냉각이 흔히 다이에 가해진다. 여러 경우에, 부품이 제거된 후 다이의 표면은 이형제를 가지는 냉각 유체에 의해 분무된다. 다이의 내부 및 외부 냉각 공정은 공정의 사이클 시간을 최소화하도록 사용되어, 생산성을 증가시킨다.

주입 온도와 액상 또는 동결 온도 간의 차이가 '과열 온도(superheat temperature)'로 불린다. 산업 현장에서, 과열 온도는 일반적으로 주조 부품의 복잡성, 크기, 및 단면 두께에 의존하여 80 ℃에서부터 200 ℃의 범위까지 높다. 대량 생산 주조 공정에서의 높은 과열 온도를 가지는 이유는, 예컨대 (1) 다이 캐비티의 완전한 충진을 보장, (2) 수축 기공을 야기하는, 다이 충진 문제 및 일부 영역의 조기 응고를 야기하는 도가니 또는 레이들 내 불균일한 열 손실로 인한 도가니 또는 레이들 금속 축적 방지, (3) 수축 기공이 거의 또는 전혀 없는 부품을 수득하는, 완전한 방향성 응고에 대한 시간 허용, 및 (4) 용융 흐름 동안 포착된 공기 방울이 응고에 의해 포획되기 전에 빠져나가게 하기 위함이다.

이러한 높은 과열 주조 공정은 잘 받아들여져 일반적으로 대량 생산에서 사용된다. 그러나, 이러한 공정은 몇 가지 비용의 단점을 야기하여, (1) 긴 사이클 시간, (2) 용융 금속을 용융 및 유지하기 위한 높은 에너지 비용, (3) 냉각수에 대한 높은 에너지 비용, (4) 다이 분무로 인한 높은 수처리 비용, (5) 높은 냉각재 및 다이 이형제 비용, 및 (6) 수축 기공으로 인한 높은 불량률을 포함한다. 이러한 단점은 공정의 비효율성 및 증가된 제조 비용을 야기한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, US6640879, US6645323, US6681836, 및 EP1981668에 개시된 바와 같이, 반-고체 상태의 주조에 관련된 다수의 발명이 제안되었다. 반-고체 금속 주조는 응고된 고체 핵의 일부 분획을 사용한, 액상 또는 동결 온도 미만의 온도에서의 금속의 주조를 포함한다. 사전-응고된 고체 핵은 난류(turbulent flow) 문제 및 수축 기공을 감소시켜, 높은 품질의 주조 부품을 생성한다. 그러나, 낮은 주조 온도 및 반-고체 금속의 높은 점도로 인해, 주조 공정 및 다이 설계는 공정이 성공적으로 적용되기 전에 수정될 필요가 있다. 반-고체 금속 주조에서, 반-고체 금속을 사출 슬리브 내로, 이후 다이 내로 공급하기 위해 특수 금속 이송 장치가 필요할 수 있다. 다이 설계는 또한 다이 캐비티에 반-고체 금속을 완전히 충진하도록 하기 위해 수정될 필요가 있을 수 있다. 일반적으로, 보다 두꺼운 게이트는 보다 짧은 흐름 거리가 필요할 것이다. 따라서, 대량 생산 공정에서 반-고체 금속의 적용은 어느 정도의 시간 및 투자를 필요로 한다. 이러한 반-고체 주조 공정은 비용 효과가 충분하지 않아 아직 주조 산업에서 널리 사용되지 않는다. 따라서, 본 발명의 목적은 높은 과열 온도 및 반-고체 금속 주조를 사용하는 종래의 주조의 단점을 해결하고 저과열 내지 무가열(zero superheat)로 용융 금속을 주조함으로써 높은 생산량으로 금속 주조 산업에 비용 절감을 제공하는 것이다. 저과열 내지 무가열 온도로의 주조가 여러 가지 이점을 가져올 수 있는 것이 명백하지만, 현재의 주조 공정은 대량 생산에 이러한 기법을 단순하게 적용할 수 없다. 주조 도가니 또는 레이들 내의 어느 영역에서도 용융 온도가 균일하도록 제어하는 것이 어렵기 때문에, 임의의 특수한 수정 없이 주조 공정에 저과열 내지 무가열 온도로 용융물을 투입하고 주조하는 것은 단순하지 않다. 실제로, 주조 도가니 또는 레이들의 벽, 중앙, 상부 및 하부에서 용융물의 온도는 동일하지 않다. 따라서, 저과열 온도인 경우, 온도가 가장 낮은 위치에서 응고된 금속 시트 또는 스킨을 형성할 위험이 높다. 이러한 많은 스킨은 이후 다이 캐비티 내로 용융물과 함께 유입하여, 저유동성 및 수축 공급 문제를 야기한다. 결과적으로, 이러한 주조 공정은 결함 및 부분 불량을 야기한다. 도가니 또는 레이들 벽으로부터의 응고된 스킨은 또한 제조 공정에 다른 문제를 일으킨다. 제대로 제거되지 않은 경우, 이러한 응고된 스킨은 도가니의 벽에 축적될 것이다. 따라서, 이들을 제거할 수단 또는 공정이 존재해야 하며, 이는 제조 비용을 증가시킬 것이다. 이러한 문제로 인해, 공정이 제대로 수정되거나 제어되지 않는 경우, 저과열 온도로 금속을 주조하는 것은 실용적이지 않다. 따라서, 저과열 내지 무가열로 주조하기 전에 용융 금속을 제조하는 공정을 가지는 것이 바람직할 것이다. 본 발명의 특정 양태에서, 이러한 조건을 달성하기 위한 공정이 제공된다.

본 발명은 저과열 내지 무가열로 주조하기 위한 용융 금속의 제조 공정을 제공한다. 저과열 내지 무가열 온도의 용융물의 바람직한 조건은 용융 용기 내부의 열 추출 프로브를 사용하여 용융물을 교반함으로써 달성된다. 도가니 또는 레이들와 같은 용융 용기는 열 추출 프로브의 열 손실률보다 낮은 열 손실률을 제공하도록 구성된다. 상기 공정은 제어된 양의 열을 제거하기 위해, 초기에 액상 온도보다 높은 온도인 열 추출 프로브를 용융물 내에 배치하는 단계를 포함한다. 이후, 격렬한 대류가 용융물에 가해져, 액상 온도, 또는 이에 매우 근접한 온도로 용융물의 거의 균일한 냉각을 보장한다. 이러한 대류를 획득하는 수단은 불활성 기체를 버블링하는 것 일 수 있다. 열 추출 프로브로부터 기체를 용융물에 직접적으로 주입하는 것은 용융물의 균일한 냉각을 보장하고 프로브 상에 고체 축적을 막는 것에 있어 특히 유리하다. 교반의 다른 형태, 예컨대 회전, 교반, 진동이 또한 사용될 수 있다. 이러한 대류 방법의 조합이 또한 사용될 수 있다. 이후, 바람직한 용융 온도에 도달할 때, 열 추출 프로브는 신속하게 제거된다. 마지막으로, 용융물을 부품으로 주조하기 위한 주형 또는 다이 캐비티 내로 주입하기 위한 사출 슬리브로 신속하게 이송된다.

본 발명에서, 용융물 일부의 온도가 액상 아래로 떨어지게 되는 경우, 작은 분획의 미세 고체 핵이 용융물 내에 생성될 수 있다. 이러한 고체 핵이 작게 남아있으면, 용융물은 여전히 다이 캐비티 내로 잘 흐를 수 있다. 존재하는 경우, 미세 고체 핵은 본 특허의 교시에 따라 제조된 부품에 다른 이점을 부여한다: 이는 (1) 미세 입자 구조를 수득함에 도움이 되는 불균일 핵형성 위치를 제공하고, (2) 주조 불량률을 감소시키는 수축 기공을 감소시키고, (3) 용융물의 점도를 미세하게 증가시켜, 유동 관련 결함을 감소시킨다. 금속 용융물 내의 작은 고체 금속 입자는 “숙성(ripening)”이라 불리는 현상으로 인해 신속하게 성장한다. 따라서, 본 특허의 중요한 교시는 존재하는 임의의 입자를 매우 작게 유지하여, 본 명세서에 기재된 공정이 신속하게 수행되어야 하는 것이다. 예를 들어, 광범위한 금속 합금 용융물에 있어서, 용융물의 매우 작은 고체 입자(10 미크론 이하의 직경인 입자)는 20 초에 약 40 미크론, 및 60 초에 약 70 미크론으로 성장하는 것이 공지되어 있다. 따라서, 예를 들어 본 명세서에 기재된 공정에서, 약 70 미크론의 최대 입자 크기를 보장하기 위해서, 용융물 내로 프로브 투입으로부터 단계에서, 주형 또는 사출 슬리브 내로 용융물 이송 단계까지, 60 초 이내에 수행되어야 한다.

금속 주조 산업에서 본 발명의 이점은 더 낮은 온도에 대한 노출에 기인한 다이 수명 연장, 용융 에너지 절약, 다이 냉각 공정의 에너지 절약, 냉각재 및 이형제 절약, 더 적은 다이 분무의 사용으로부터 수처리 절약, 생산성을 증가시키는 사이클 시간 감소, 수축 감소 및 점도 증가로부터 결함 감소를 포함한다.

도 1은 본 발명의 구체예에 따른 장치의 개략도이다.
도 2는 거의 무과열 온도의 급속 냉각된 용융물의 광학 현미경 사진이며, 급속 응고된 용융물의 매트릭스 내에 미세하게 분산된 고체 핵의 작은 분획을 나타낸다.

본 발명은 저과열 내지 무가열 온도에서 주조하기 위한 용융 금속의 제조 공정을 제공한다.

본 명세서에서 사용 시, 구절 “저과열 내지 무가열 온도”는 용융물 내에 약 5-10 ℃ 미만, 바람직하게 미만 5 ℃의 과열 온도를 가지는 일부분이 존재함을 의미한다. 일부 금속 및 합금에서, 과열 온도는 본질적으로 0일수 있어, 적어도 하나의 부분에서 용융물의 온도가 액상이거나 그보다 약간 낮다.

본 발명의 공정은 도 1에 도시된 4 단계를 포함한다.

단계 1은 열 추출 프로브(1)을 열 추출이 낮은 용기(3) 내에 수용된 용융물 (2)에 배치함으로써 시작한다. 용융물은 초기에 액상 온도 보다 높은 온도, 바람직하게는 액상 온도 80 ℃ 이하이다.

단계 2에서, 저과열 온도로 용융물의 거의 균일한 냉각을 보장하기 위해, 격렬한 대류를 용융물에 가한다. 대류는 열 추출 프로브를 통해 분배된 불활성 기체 주입하고 용융물 내부에서 진동, 교반, 회전 또는 이의 조합에 의한 기체 버블을 형성하는 것과 같은 다양한 기법에 의해 수행될 수 있다. 고체 핵(4)은 용융물 내에 점진적으로 형성된다.

단계 3에서, 열 추출 프로브는, 실질적으로 추가적인 냉각을 중단하기 위해 바람직한 온도에 도달할 때, 급속 냉각된 용융물(5)로부터 신속하게 제거한다. 프로브 침지 동안 용융물의 냉각 속도는 분 당 10 ℃ 초과이어야 한다.

단계 4에서, 저과열 내지 무가열 온도를 가지는 일부분을 가지는 급속 냉각된 용융물(5)을 이후 제2 용기(6), 예컨대 다이 주조 공정(7)에서 다이 내로 급속 냉각된 용융물을 주입하도록 설계된 사출 슬리브 또는 중력 주조 (도시되지 않음)에서의 주형으로 신속하게 이송한다. 제2 용기(6) 또는 주조 목적을 위한 다이 또는 주형은 생성된 고체 핵을 안정화시키고 성장시키기 위해 용융물의 온도보다 더 낮은 온도일 필요가 있다.

용융물 내로 열 추출 프로브의 투입에서부터 주형 내로 금속의 투입까지의 기간은 고체 핵이 다이 캐비티 내로 바람직한 유동 거동을 위해 미세한 크기이도록 약 60 초 이내이어야 한다. 각각의 공정 사이클 이후 열 추출 프로브 상에 고체 점착이 없도록 세척 공정이 추가될 수 있다.

저과열 온도에서 급속 냉각된 알루미늄 용융물의 미세 구조가 도 2에 도시된다. 광학 현미경 사진은 매트릭스 내에 균일하게 분산된 밝은 입자의 작은 분획을 나타낸다. 이러한 밝은 입자는 열 추출 프로브 침지 (도 1의 단계 2) 동안 생성된 고체 핵(4)이다. 이러한 고체 핵(4)은 매우 미세한 크기로서, 대략 100 미크론 미만의 직경이다. 대량의 이러한 미세 고체 핵을 생성하기 위해, 짧은 시간에 이를 생성할 필요가 있다. 따라서, 열 추출 프로브 침지 시간은 30 초 이내, 바람직하게 15 초 이내이어야 한다.

다음의 두 가지 예시는 본 발명의 두 가지 구체예를 예시한다. 본 발명의 기타 구체예는 본 명세서에 개시된 명세서 또는 실행을 고려할 때 당업자에게 명백할 것이다.

실시예 1

알루미늄 합금의 고압 다이 주조법

다음은 Al-Mg 합금부의 고압 다이 주조 공정에서, 저과열 온도 및 용융물 내 미세 고체 핵의 작은 분획으로 용융 금속을 주조하는 것에 대한 설명 및 이점이다.

이러한 실시예에서, Al-Mg 합금은 약 640 ℃의 액상 온도를 가진다. 현행의 상용 액체 주조 공정에서, 고압 다이 주조 기계의 사출 슬리브 내로 합급의 주입 온도는 약 740 ℃ (약 100 ℃의 과열 온도)이다.

본 발명을 현행의 상용 제조 공정에 적용함으로써, 주된 동기는 생산성을 향상시키고, 제조 비용을 감소하며, 다이 수명을 연장시키는 것이다. 이러한 실시예에서, Al-Mg 합금을 레이들 내 열 추출 프로브로 약 660 ℃의 온도에서 2 초간 처리한다. 격렬한 대류는 미세한 불활성 기체 버블을 다공성 프로브와 같은 열 추출 프로브 통해 2-10 리터/분의 유동 속도로 흘려줌으로써 달성한다. 용융 금속으로 프로브 침지의 각각 사이클에 있어서, 프로브 온도를 50 ℃ 내지 150 ℃의 범위 내에서 거의 동일하게 제어한다. 처리 후, 용융물 온도는 약 645 ℃로 감소되고, 액상 온도 (약 5 ℃의 과열 온도)보다 약 5 ℃ 높으며, 고체 분획은 약 3-5 중량% 미만으로 추정된다. 용융물은 이후 10 초 이내로 사출 슬리브 내로 신속하게 이송하고 이후 3 초 이내로 주형 내로 주입한다. 용융물 내로 프로브의 투입으로부터 주형 내로 금속의 투입까지의 전체 시간은 약 15 초이다.

본 발명을 통한 대량 생산 공정의 결과는 용융 알루미늄을 위한 천연 가스 사용의 약 25% 감소, 다이 유지 시간의 40% 감소, 다이 분무 시간의 40% 감소, 및 다이 수명의 2 배 이상 연장, 및 주조 불량률의 30%에서 5%로 감소를 포함하여, 몇 가지 예상되는 이점을 나타낸다.

실시예 2

알루미늄 합금의 중력 다이 주조

다음은 Al-Si-Mg 합금 성분의 중력 다이 주조 공정에서, 저과열 온도 및 용융물 내 미세 고체 핵의 작은 분획으로 용융 금속을 주조하는 것에 대한 설명 및 이점이다.

이러한 실시예에서, Al-Si-Mg 합금을 금속 다이 내에서 주조한다. 이러한 합금은 약 613 ℃의 액상 온도를 가진다. 다이는 각각의 주조 사이클 전에 약 400 ℃로 예열한다. 종래의 액체 주조 공정은 용융된 금속 합금을 약 680 ℃ (약 67 ℃의 과열 온도)에서 투입한다. 본 발명에서, 주조 온도는 액상 온도 (약 1 ℃의 과열 온도)보다 약 1 ℃ 높은 약 614 ℃로 감소된다. 이러한 실시예에서, 용융물을 레이들 내 열 추출 프로브로 약 630 ℃의 온도에서 5 초간 처리한다. 격렬한 대류는 미세한 불활성 기체 버블을 다공성 프로브와 같은 열 추출 프로브 통해 2-10 리터/분의 유동 속도로 흘려줌으로써 달성한다. 용융 금속으로 프로브 침지의 각각 사이클에 있어서, 프로브 온도를 50 ℃ 내지 150 ℃의 범위 내에서 거의 동일하게 제어한다. 용융물은 이후 신속하게 이송하고 이후 12 초 이내로 주형 내로 주입한다. 용융물 내로 프로브의 투입으로부터 주형 내로 금속의 투입까지의 전체 시간은 약 17 초이다.

결과는 본 발명이 더 나은 기계적 성질을 가져옴을 나타낸다. 과열 온도가 67 ℃인 액체 주조 공정은 287 MPa의 극한 인장 강도 및 10.5%의 연신율을 부여한다. 본 발명의 주조 공정은 289 MPa의 극한 인장 강도 및 11.2%의 연신율을 부여한다. 또한 본 발명을 사용하는 주조 공정의 생산성이 더 높다. 이것은, 67 ℃의 고과열 온도를 사용하는 종래의 액체 주조에서 주형 내 용융물의 동결 시간이 133 초인 것로부터, 거의 무과열 온도를 사용하는 본 발명에서는 46초로 감소되기 때문이다. 이것은 제조 공정에서 다이 조업 시간이 약 65% 감소될 수 있음을 나타낸다.

본 발명의 또 다른 주된 이점은 용융 에너지의 절약이다. 본 발명에서는, 노의 유지 온도가 약 100 ℃로 감소된다. 이러한 감소는 에너지를 상당히 감소시키고 노의 수명을 연장시킬 수 있다.

상기 설명은 오직 바람직한 구체예의 설명으로만 고려된다. 당업자 및 본 발명을 제조하고 사용하는 이들에게 본 발명의 수정이 발생할 것이다. 따라서, 상기 기재된 구체예는 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 등가물의 교리를 비롯한 특허법의 원리에 따라 해석되는 다음의 청구 범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것이 이해된다.

Claims (15)

1. 다음을 포함하는, 저과열 내지 무가열 온도(low to zero superheat temperature)에서의 주조를 위한 용융 금속의 제조 방법:
   (a) 초기에 액상 온도보다 높은 금속 또는 합금의 용융물을 열 추출이 낮거나 없는 용기에서 제공하는 단계;
   (b) 제어된 양의 열을 제거하기 위해 적어도 하나의 열 추출 프로브를 용융물 내에 배치하는 단계 및 저과열 온도로 용융물의 거의 균일한 냉각을 보장하기 위해 내용물에 격렬한 대류를 적용하는 단계;
   (c) 실질적으로 추가적인 냉각을 중단하기 위해, 바람직한 온도에 도달할 때 냉각된 용융물로부터 신속하게 열 추출 프로브를 제거하는 단계;
   (d) 주조를 위해 제2 용기 내로 냉각된 용융물을 신속하게 이송하는 단계.
2. 제1항에 있어서, 용기는 열 추출 프로브보다 현저히 낮은 속도로 용융물로부터 열을 추출하는 온도 및 물질로 이루어진 도가니 또는 레이들의 형태인 방법.
3. 제1항에 있어서, 용융물의 일부는 액상 온도 미만으로 충분히 냉각되어 고체 핵이 형성될 수 있는 방법.
4. 제1항에 있어서, 용융물 내로 열 추출 프로브의 투입으로부터 냉각된 용융물을 제2 용기로의 투입까지 기간은 60 초 이내인 방법.
5. 제3항에 있어서, 냉각된 용융물 내에 형성된 고체 핵의 분획은 중량으로 0.05 미만인 방법.
6. 제1항에 있어서, 용융물 내의 격렬한 대류는 분 당 1 내지 10 리터의 속도로 열 추출 프로브를 통해 불활성 기체를 버블링함에 의한 기체 흐름에 의해 달성되는 방법.
7. 제1항에 있어서, 용융물 내의 격렬한 대류는 열 추출 프로브의 회전 또는 열 추출 프로브에 의한 용융물의 교반에 의해 달성되는 방법.
8. 제1항에 있어서, 용융물 내의 격렬한 대류는 열 추출 프로브의 진종에 의해 달성되는 방법.
9. 제1항에 있어서, 용융물 내의 격렬한 대류는 제6항, 제7항 또는 제8항에 청구된 용액의 임의의 조합에 의해 달성되는 방법.
10. 제6항에 있어서, 열 추출 프로브는 다공성이며, 불활성 기체를 용융물 내로 분배하도록 설계된 다수의 기체 유출구를 제공하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 용융물은 용융물 내에 열 추출 프로브의 침지 동안 분 당 10 ℃ 초과의 속도로 냉각되는 방법.
12. 제1항에 있어서, 프로브를 제거한 후 용융물의 과열 온도는 10 ℃ 미만인 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 열 추출 프로브는 그래파이트, 세라믹, 금속, 또는 이러한 재료의 복합재로 이루어진 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 용기는 그래파이트, 세라믹, 금속, 또는 이러한 재료의 복합재로 이루어진 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 금속 또는 합금은 알루미늄, 마그네슘, 구리, 철, 아연, 납, 주석, 니켈, 은, 금, 티타늄, 또는 이의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
    

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