KR20170022617A - 알루미늄 주조합금의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄 및 규소를 포함하는 주조합금의 제조방법으로서, 용해로에서 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕을 제조하는 용탕 제조단계, 상기 합금용탕을 500 내지 800℃의 온도로 예열된 몰드에 주입하여 합금을 제조하는 주조합금 제조단계 및 상기 합금용탕이 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분에 위치한 용탕부터 응고될 수 있도록, 냉각 유닛을 이용하여 상기 몰드를 냉각시키는 몰드의 냉각단계를 포함하는 알루미늄 주조합금의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, Al-Si 합금 주물의 제조시, Al-Si 합금 주물의 성능을 감소시키는 초정(pro-eutectic) 실리콘의 생성을 최소화하고, 버블링과 기체의 발생을 최소화함으로써, 제조되는 Al-Si 합금이 우수한 기계적 특성을 나타내면서 내부식성, 내마모성, 강성 등의 물성이 향상되도록 하는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, Al-Si 합금 주물의 제조시, Al-Si 합금 주물의 성능을 감소시키는 초정(pro-eutectic) 실리콘의 생성을 최소화하고, 버블링과 기체의 발생을 최소화함으로써, 제조되는 Al-Si 합금이 우수한 기계적 특성을 나타내면서 내부식성, 내마모성, 강성 등의 물성이 향상되도록 하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 알루미늄 주조합금의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Al-Si 합금 주물의 제조시, 최적의 물성을 나타낼 수 있는 Si의 함량인 12 내지 30 중량%의 Si 함량의 가지면서, Al-Si 합금 주물의 성능을 감소시키는 초정(pro-eutectic) 실리콘의 생성을 최소화하고, 버블링과 기체의 발생을 최소화하여 우수한 기계적 특성을 가지면서 내부식성, 내마모성, 강성 등이 우수한 알루미늄 합금주물의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
규소를 포함하는 알루미늄 합금을 주조법으로 구현하는 Al-Si계 주조용 알루미늄 합금은 주조성 및 기계적 특성 등이 우수하여 자동차, 산업기계 등의 부품제조에 다양하게 사용되고 있다.
구체적으로 이러한 규소를 포함하는 알루미늄 합금(이하, 'Al-Si 합금'이라 함)은 엔진 피스톤, 크랭크 축, 실린더 라이너, 브레이크 드럼 등을 위한 재료로 폭넓게 사용되고 있다. Al-Si 합금에서 재료의 기계적 특성에 상당한 영향을 끼칠 수 있는 수축공의 억제는 주요 관심사이다. 실질적으로 사용될 수 있는 범위의 실리콘 함량을 가지는 Al-Si 합금은 고체화 과정에서 발생하는 수축공과 공기방울에 의해 합금 제품의 기계적 특성이 훼손된다는 문제점이 있다.
특히 브레이징용 가재로 사용되는 Al-Si 합금의 주조 시 제품 내부에서 발생하는 수축공은 매우 심각한 문제이며, 자동차, 비행기 등에서 알루미늄이 사용되는 부품과 알루미늄이 주를 이루는 라지에이터 및 열교환기 등의 장비 사용에서 심각한 문제를 발생 시킬 수 있다.
일반적으로, 높은 실리콘 함유량을 가지는 Al-Si 합금에서 실리콘 결정의 정제를 위해 Na, Sr, 희토류 금속, 세라믹 물질 등과 그들의 혼합물질과 같은 다양한 불순물들이 첨가된다. 그러나 이러한 불순물의 사용은 Al-Si합금의 품질을 떨어트리는 버블링(bubbling)과 기체의 발생을 야기할 수 있다. 또한, Al-Si합금에서 합금의 융점과 근사한 고온 열처리는 Si 판상의 크기를 증가시키기 위해 시도되나, 이러한 방법은 마디가 있는 국부화된 실리콘 집합체를 생성시키는 문제점이 있다.
따라서, Al-Si 합금과 Al-Si-Cu 합금 등의 주조에서 발생하는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 많은 발명들이 최근 제안되고 있다. 일 예로, 용융 금속 내 용해 되어있는 기체에 의한 기공을 억제하기 위한 방법으로 탈가스제를 첨가하여 주조하는 방법이 제안되고 있지만, 이 방법은 염소와 같은 해로운 기체를 발생시키는 문제점이 있다. 또한, Al-Si 합금의 용융금속 내에 P, Bi, Sb 등과 같은 공정 실리콘의 개량처리 중화제 사용량을 늘릴 경우, 비슷한 수축정도를 얻기 위하여 Sr, Ca, Na와 같은 개량처리제의 첨가량 또한 증가해야 한다. 그러나 공정 조직의 개량처리제의 과도한 첨가는 대규모의 기공과 크랙(crack)의 형성을 야기할 수 있다.
즉, 다양한 방법들이 Al-Si 합금에서 금속간 화합물을 정제하여 Al-Si 합금의 성능을 향상시키는데 사용되고 있으며, 예를 들어, 용융 금속 내에 Sr과 P 같은 성분들의 첨가를 통해 실리콘 입자를 형성시킬 뿐만 아니라 기공을 끌어냄으로써, 우수한 기계적 특성을 갖는 Si-Al 합금을 제조하는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 경우의 실리콘 결정의 형태는 여전히 불규칙한 형태를 보이고 있으며, 무리지어 형성되는 경향을 지니고 있으므로 Al-Si 합금의 전체적인 물성의 개선 정도는 미미한 수준이다.
따라서, 높은 실리콘 함량의 Al-Si 합금의 주조에서 발생하는 기공을 줄임과 동시에 수행자에게 악영향을 끼치는 해로운 가스를 발생시키지 않으며, 내부식성, 내마모성, 강도, 및 기계적 특성이 향상된 알루미늄 합금을 낮은 비용으로 제조할 수 있는 방법에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, Al-Si 합금 주물의 제조시, 최적의 물성을 나타낼 수 있는 Si의 함량인 12 내지 30 중량%의 Si 함량의 가지면서, Al-Si 합금 주물의 성능을 감소시키는 초정(pro-eutectic) 실리콘의 생성을 최소화하고, 버블링과 기체의 발생을 최소화하여 우수한 기계적 특성을 가지면서 내부식성, 내마모성, 강성 등이 우수한 알루미늄 합금주물의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 알루미늄 및 규소를 포함하는 주조합금의 제조방법으로서, 용해로에서 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕을 제조하는 용탕 제조단계, 상기 합금용탕을 500 내지 800℃의 온도로 예열된 몰드에 주입하여 합금을 제조하는 주조합금 제조단계 및 상기 합금용탕이 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분에 위치한 용탕부터 응고될 수 있도록, 냉각 유닛을 이용하여 상기 몰드를 냉각시키는 몰드의 냉각단계를 포함하는 알루미늄 주조합금의 제조방법에 의해 달성된다.
상기 몰드는 주형 몸체부와 상기 주형 몸체부를 감싸는 주형 프레임을 포함하는 것으로 이루어지며, 상기 주형 프레임에는 상기 주형 몸체부의 냉각을 위한 적어도 하나 이상의 냉각 포트가 형성되어 있는 구조의 몰드일 수 있다.
상기 냉각 유닛은 냉각제 유입구 및 상기 냉각제 유입구와 외부가 연통되도록 상기 냉각 유닛의 외주면상에 형성되는 적어도 하나의 냉각관이 형성되어 있는 냉각 유닛일 수 있다.
상기 몰드와 냉각 유닛은 하나의 챔버에 탈착 가능하게 일체화되어 사용될 수 있다.
상기 챔버에는 상기 몰드의 온도조절을 위한 열전대가 형성될 수 있다.
상기 주조합금 제조단계는 상기 몰드에 상기 합금용탕이 모두 채워진 상태에서 상기 몰드의 온도가 600 내지 750℃ 의 온도가 되도록 유지하는 과정을 포함할 수 있다
상기 몰드의 냉각 단계는 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분의 온도가 상기 몰드의 다른 부분보다 100 내지 200℃ 낮은 온도가 되도록 냉각시키는 과정을 포함할 수 있다.
상기 몰드의 냉각단계는 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분의 온도가 550 내지 750℃의 온도이고, 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분을 제외한 나머지 부분의 온도가 750 내지 900℃ 의 온도가 되도록 유지하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕의 온도는 1050 내지 1150℃일 수 있다.
상기 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕의 규소의 함량은 8 내지 30 중량%일 수 있다.
본 발명은 또한, 주형 몸체부와 상기 주형 몸체부를 감싸는 주형 프레임을 포함하는 것으로 이루어지며, 상기 주형 프레임에는 상기 주형 몸체부의 냉각을 위한 적어도 하나 이상의 냉각 포트가 형성되어 있는 몰드, 냉각제 유입구 및 상기 냉각제 유입구와 외부가 연통되도록 외주면상에 형성되는 적어도 하나의 냉각관이 형성되어 있는 냉각 유닛 및 상기 몰드와 냉각 유닛을 각각 탈착 가능하도록 일체화시키는 챔버를 포함하는 알루미늄 주조합금의 제조장치에 의해 달성될 수 있다.
상기 주형 몸체부는 서로 분리 가능한 적어도 2개이상의 주형 조립체가 결합되어 있는 구조의 주형 몸체부일 수 있다.
상기 냉각 유닛의 냉각관은 수평면을 기준으로 40 내지 70 도의 각도를 갖는 형태로 상기 냉각 유닛의 외주면에 형성될 수 있다.
상기 챔버에는 상기 몰드의 온도조절을 위한 열전대가 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 알루미늄 주조합금의 제조방법 및 제조장치는 Al-Si 합금 주물의 제조시, Al-Si 합금 주물의 성능을 감소시키는 초정(pro-eutectic) 실리콘의 생성을 최소화하고, 버블링과 기체의 발생을 최소화함으로써, 제조되는 Al-Si 합금이 우수한 기계적 특성을 나타내면서 내부식성, 내마모성, 강성 등의 물성이 향상되도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 챔버의 정면을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 챔버 에 냉각 유닛이 장착되는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 냉각 유닛이 챔버에 결합되어 있는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 몰드와 냉각 유닛이 챔버에 결합되어 있는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 몰드의 주형 조립체가 결합되는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 냉각 유닛의 정면을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 냉각 유닛에 의해 몰드가 냉각되는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 기체 냉각제를 사용한 경우의 몰드가 냉각되는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 챔버의 정면을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 챔버 에 냉각 유닛이 장착되는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 냉각 유닛이 챔버에 결합되어 있는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 몰드와 냉각 유닛이 챔버에 결합되어 있는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 몰드의 주형 조립체가 결합되는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 냉각 유닛의 정면을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 냉각 유닛에 의해 몰드가 냉각되는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 기체 냉각제를 사용한 경우의 몰드가 냉각되는 모습을 나타낸 모식도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 의한 알루미늄 주조합금의 제조방법 및 제조장치에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조방법을 나타낸 블록도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 알루미늄 주조합금의 제조방법은 알루미늄 및 규소를 포함하는 주조합금의 제조방법으로서, 용해로에서 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕을 제조하는 용탕 제조단계(S200), 상기 합금용탕을 500 내지 800℃의 온도로 예열된 몰드에 주입하여 합금을 제조하는 주조합금 제조단계(S210) 및 상기 합금용탕이 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분에 위치한 용탕부터 응고될 수 있도록, 냉각 유닛을 이용하여 상기 몰드를 냉각시키는 몰드의 냉각단계(S220)를 포함하는 것으로 구성된다.
즉, 본 발명의 알루미늄 주조합금의 제조방법은 알루미늄의 융점(대략 660℃)을 포함하는 온도범위로 예열된 몰드에 Al-Si 합금용탕을 주입하여, 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분에 위치한 용탕부터 응고될 수 있도록 몰드를 냉각시킴으로써, Al-Si 합금의 미세구조를 합금 전체적으로 균일한 크기와 분포로 생성되도록 하여 제조된 Al-Si 합금의 기계적 특성과 강성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, Al-Si 합금용탕의 냉각 온도, 냉각 속도 및 냉각 비율 등을 조절할 수 있으므로, Al-Si 합금 주물의 성능을 감소시키는 초정(pro-eutectic) 실리콘의 과도한 생성을 방지하고, 버블링과 기체의 발생을 최소화하여 우수한 기계적 특성을 가지면서 동시에 내부식성 및 내마모성 등이 우수한 알루미늄 합금주물을 제조할 수 있다.
여기서, 상기 Al-Si 합금 주물의 주조 재료는 2000계열 알루미늄, 4000계열 알루미늄 합금, 5000계열 알루미늄-마그네슘 합금 및 7000계열 알루미늄-아연 합금으로 이루어진 군에서 선택된 재료를 사용할 수 있다. 또한, 첨가제로서, Ti, B, Sr 및 Na로 이루어진 군에서 선택된 금속을 상기 Al-Si 합금 주물 전체를 기준으로 0.5 내지 2 중량%의 함량으로 포함되도록 사용할 수 있다.
상기 몰드의 형상과 구조 등은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 주형 몸체부와 상기 주형 몸체부를 감싸는 주형 프레임을 포함하는 것으로 이루어지며, 상기 주형 프레임에는 상기 주형 몸체부의 냉각을 위한 적어도 하나 이상의 냉각 포트가 형성되어 있는 구조의 몰드를 사용할 수 있다.
이와 같이 주형 몸체부를 감싸며, 상기 주형 몸체부의 냉각을 위한 적어도 하나 이상의 냉각 포트가 형성되어 있는 주형 프레임을 포함하는 몰드는 냉각 포트를 통해 외부의 냉각제 등과 주형 몸체부의 접촉 면적이 최대화되도록 하여 주형 몸체부의 냉각이 더욱 원활게 이루어지게 함으로써, Al-Si 합금 주물의 성능 개선에 더욱 기여할 수 있다.
상기 냉각 유닛은 냉각제 유입구 및 상기 냉각제 유입구와 외부가 연통되도록 상기 냉각 유닛의 외주면상에 형성되는 적어도 하나의 냉각관이 형성되어 있는 냉각 유닛을 사용할 수 있다. 이러한 냉각 유닛은 외주면 상에 냉각제 유입구와 연통된 냉각관이 형성되어 있어서, 상기 몰드 주변에 냉각 유닛을 배치하고, 상기 냉각제 유입구에 냉각제를 공급함으로써, 몰드에 냉각제를 접촉시켜 용이하고 안정적으로 몰드를 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.
여기서 상기 몰드와 냉각 유닛은 몰드의 냉각을 더욱 편리하고 안정적으로 수행할 수 있도록, 하나의 챔버에 탈착 가능하게 일체화되어 사용될 수 있다. 이러한 챔버의 구조는 특별히 제한되지 않으며, 상기 몰드와 냉각 유닛을 모두 수용하면서 상기 냉각 유닛을 상기 몰드 주변에 안정적으로 배치할 수 있는 구조의 챔버를 사용할 수 있다. 이때, 상기 챔버에는 상기 몰드의 온도조절을 위한 열전대를 형성할 수 있으며, 이러한 열전대는 상기 냉각 유닛에 의해 과도하게 냉각된 몰드의 온도를 상승시켜, 몰드 내부의 Al-Si 합금 주물이 최대한 균일한 미세구조를 가지면서, 기공의 발생은 최소화할 수 있도록 조절하는 역할을 한다.
상기 주조합금 제조단계(S210)는 상기 몰드에 상기 합금용탕이 모두 채워진 상태에서 상기 몰드의 온도가 600 내지 750℃ 의 온도가 되도록 유지하는 과정을 포함할 수 있다. 이러한 몰드의 온도범위 조절과정은 알루미늄의 융점에 더욱 가깝게 몰드의 온도를 조절함으로써, Al-Si 합금용탕이 지나치게 빨리 냉각되거나, 몰드의 온도가 너무 높아 Al-Si 합금용탕의 냉각 시간이 지나치게 길어지지 않도록 하는 역할을 한다.
상기 몰드의 냉각 단계(S220)는 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분의 온도가 상기 몰드의 다른 부분보다 100 내지 200℃ 낮은 온도가 되도록 냉각시키는 과정을 포함할 수 있다. 몰드의 냉각 단계(S220)에서의 이러한 온도 조절은 몰드에 합금용탕을 주입하여 몰드의 용탕 수용부를 합금용탕으로 가득 채웠을 경우 발생하는 몰드의 부분별 온도차를 최소화하여 몰드 전체적으로 균일한 온도 범위를 갖도록 하는 과정이다.
즉, 일반적으로 몰드의 용탕 수용부에 합금용탕이 가득 채워질 경우, 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분은 용탕 주입부로부터의 냉각 공기가 가장 오랫동안 차단되어 몰드의 다른 부분의 온도에 비해 높은 온도를 갖게 되며, 이 부분에 위치한 합금용탕의 냉각 시간은 몰드의 다른 부분에 위치한 합금용탕에 비해 길어지게 되어 Al-Si 합금 주물 전체적으로 불균일한 미세구조를 갖게 하고 기공발생을 촉진하여 Al-Si 합금 주물의 성능을 전반적으로 저하시킨다.
따라서, 이러한 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분의 온도를 몰드의 다른 부분보다 100 내지 200℃ 낮은 온도가 되도록 냉각시킴으로써, 몰드 전체적으로 냉각 시간과 속도를 균일하게 유지하여 제조되는 Al-Si 합금 주물의 성능을 현저히 향상시킬 수 있다. 이때, 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분의 냉각온도 범위는 몰드의 다른 부분보다 바람직하게는 130 내지 170℃ 낮은 온도로 조절함으로써, 제조되는 Al-Si 합금 주물의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 몰드의 냉각 단계(S220)는 알루미늄의 융점인 660 ℃의 온도 등을 고려하여, 바람직하게는 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분의 온도가 550 내지 750℃의 온도이고, 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분을 제외한 나머지 부분의 온도가 750 내지 900℃ 의 온도가 되도록 조절함으로써, 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분의 온도를 몰드의 다른 부분보다 100 내지 200℃ 낮은 온도가 되도록 냉각시키는 과정을 수행할 수 있다.
상기 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕의 온도는 다양하고 정교한 형상으로 캐스팅(Casting)하기 위한 적절한 유동성 확보, 냉각에 의한 균일한 미세구조의 형성 등의 목적을 감안할 때, 바람직하게는 1050 내지 1150℃일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1090 내지 1110 ℃일 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕의 규소의 함량은 바람직하게는 8 내지 30 중량%일 수 있다. 규소의 함량이 8 중량% 보다 낮을 경우, 우수한 물성을 갖는 과공정(hypereutectic) Al-Si합금이 형성되지 않고 Si 미세구조가 대체로 완전한 공정(eutectic) Al-Si합금이 형성되며, 규소의 함량이 30 중량% 보다 높을 경우에는 Al-Si합금에서 Si 미세구조가 거의 형성되지 않고, Si 입자의 크기 및 수가 과도해져 Al-Si 주조합금의 성능이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 또한, 주형 몸체부와 상기 주형 몸체부를 감싸는 주형 프레임을 포함하는 것으로 이루어지며, 상기 주형 프레임에는 상기 주형 몸체부의 냉각을 위한 적어도 하나 이상의 냉각 포트가 형성되어 있는 몰드, 냉각제 유입구 및 상기 냉각제 유입구와 외부가 연통되도록 외주면상에 형성되는 적어도 하나의 냉각관이 형성되어 있는 냉각 유닛 및 상기 몰드와 냉각 유닛을 각각 탈착 가능하도록 일체화시키는 챔버를 포함하는 알루미늄 주조합금의 제조장치에 의해 달성된다.
도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 챔버의 정면을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 챔버 에 냉각 유닛이 장착되는 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 냉각 유닛이 챔버에 결합되어 있는 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 몰드와 냉각 유닛이 챔버에 결합되어 있는 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
또한, 도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 몰드의 주형 조립체가 결합되는 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 냉각 유닛의 정면을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치는 주형 몸체부(111)와 상기 주형 몸체부(111)를 감싸는 주형 프레임(114)을 포함하는 것으로 이루어지며, 상기 주형 프레임(114)에는 상기 주형 몸체부(111)의 냉각을 위한 적어도 하나 이상의 냉각 포트(115)가 형성되어 있는 몰드(110), 냉각제 유입구(122a) 및 상기 냉각제 유입구(122a)와 외부가 연통되도록 외주면상에 형성되는 적어도 하나의 냉각관(121a)이 형성되어 있는 냉각 유닛(120a) 및 상기 몰드(110)와 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)을 각각 탈착 가능하도록 일체화시키는 챔버(130)를 포함하는 것으로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 알루미늄 주조합금 제조장치는 몰드(110)의 주형 수용부(112)에 Al-Si 합금용탕을 주입하고, 몰드(110)의 용탕 주입부(113)에서 가장 멀리 떨어진 부분에 위치한 용탕부터 응고될 수 있도록 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)을 이용하여 몰드(110)를 냉각시킴으로써, Al-Si 합금의 미세구조를 합금 전체적으로 균일한 크기와 분포로 생성되도록 하여 제조된 Al-Si 합금의 기계적 특성과 강성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, Al-Si 합금용탕의 냉각 온도, 냉각 속도 및 냉각 비율 등을 몰드(110) 주변에 배치되는 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)을 통해 조절할 수 있으므로, Al-Si 합금 주물의 성능을 감소시키는 초정(pro-eutectic) 실리콘의 과도한 생성을 방지하고, 버블링과 기체의 발생을 최소화하여 우수한 기계적 특성을 가지면서 동시에 내부식성 및 내마모성 등이 우수한 알루미늄 합금주물을 제조할 수 있다.
여기서, 도 6의 몰드(110)의 경우, 몰드(110)의 용탕 주입부(113)가 몰드의(110) 상단부에 형성되어 있으므로, 상기 몰드(110)의 용탕 주입부(113)에서 가장 멀리 떨어진 부분은 상기 몰드(110)의 하단부를 포함하는 하부가 될 수 있다. 즉, 상기 몰드(110)의 용탕 주입부(113)에서 가장 멀리 떨어진 부분은 몰드(110)에서 용탕 주입부(113)가 형성된 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 용탕 주입부(113)가 몰드(110)의 우측 상단에 형성된다면, 몰드(110)의 용탕 주입부(113)에서 가장 멀리 떨어진 부분은 몰드(110)의 좌측 하단이 될 수도 있다.
이와 같이, 몰드(110)의 용탕 주입부(113)의 형성 위치에 따라 달라지는 몰드(110)의 용탕 주입부(113)에서 가장 멀리 떨어진 부분을 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)에 투입되는 냉각제의 양 등을 조절하여 몰드(110)의 다른 부분에 비해 더 낮은 온도로 냉각함으로써, 이러한 부분에 위치하는 합금용탕이 몰드(110)의 다른 부분에 위치한 합금용탕에 보다 우선적으로 응고되도록 조절할 수 있다.
상기 주형 몸체부(111)는 바람직하게는 서로 분리 가능한 적어도 2개이상의 주형 조립체(111a, 111b)가 결합되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 여기서 상기 주형 조립체(111a, 111b)를 감싸는 주형 프레임(114)도 각각 분리 결합이 가능한 조립체(114a, 114b) 형태로 이루어질 수 있다. 이와 같이 서로 분리 가능한 주형 조립체(111a, 111b)는 주형 수용부(112)에 형성되는 Al-Si 주조 합금의 몰드로부터의 분리를 용이하게 하는 장점이 있다. 또한, 상기 주형 조립체(111a, 111b) 및 주형 프레임(114)의 조립체(114a, 114b)들의 결합방법은 후크체결 방법, 볼트너트 체결 방법, 및 열쇠 체결 방법 등의 다양한 체결 방법에 의해 서로 결합될 수 있다.
여기서, 상기 주형 몸체부(111)를 이루는 소재는 강철, 철, 합금강, 및 구리흑연 복합체로 이루어진 군에서 선택된 소재를 사용할 수 있다.
상기 냉각 유닛(120a)의 냉각관(121a)은 수평면을 기준으로 40 내지 70 도의 각도를 갖는 형태로 상기 냉각 유닛(120a)의 외주면에 형성될 수 있다. 이러한 각도를 갖는 형태로 냉각 유닛(120a)의 외주면에 형성된 냉각관(121a)은 냉각제 유입구(122a)로부터 유입된 냉각제를 몰드(110)로 공급함과 동시에 일정 시간 동안 냉각 유닛(120a) 내부에 담지한 상태를 유지하도록 함으로써, 전체적인 냉각 유닛(120a)의 온도를 균일하게 유지하면서, 지속적이고 안정적으로 몰드(110)를 냉각시킬 수 있도록 한다.
여기서, 상기 냉각제의 종류는 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)의 열용량을 증가시킬 수 있는 냉각제이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 공기, 질소, 물, 기름 및 물과 기름의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 재료를 사용할 수 있다.
상기 챔버(130)는 몰드(110)와 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)들을 수용하면서, 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)들로 냉각제를 공급할 수 있는 밸브들(131a, 131b, 131c)과 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)들을 통과한 냉각제 잔류를 배출할 수 있는 배출구(133a, 133b)들이 형성될 수 있다.
또한, 상기 챔버(130)의 개폐 도어(132) 등의 부위에는 몰드(110)의 온도조절을 위한 열전대(135)를 형성할 수 있으며, 이러한 열전대(135)는 상기 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)들로 에 의해 과도하게 냉각된 몰드(110)의 온도를 상승시켜, 몰드(110) 내부의 Al-Si 합금 주물이 최대한 균일한 미세구조를 가지면서, 기공의 발생은 최소화할 수 있도록 조절하는 역할을 한다
도 8에는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 냉각 유닛에 의해 몰드가 냉각되는 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조합금의 제조장치에서 기체 냉각제를 사용한 경우의 몰드가 냉각되는 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)은 몰드(110)의 주변에서 냉각관(121)을 통해 몰드(110)의 주형 프레임(114)에 형성된 포트(115)에 냉각제를 공급하여, 몰드(110)를 냉각시키며, 몰드(110)의 주형 수용부(112)를 포함하는 내부의 열이 포트(115)를 통해 효과적으로 발산되도록 한다. 또한, 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)을 통해 몰드(110)의 부분별로 냉각 온도나 냉각 속도 등을 조절하여, 몰드 내부의 Al-Si 합금 주물이 최대한 균일한 미세구조를 가지면서, 기공의 발생은 최소화하도록 제어할 수 있다.
한편, 냉각 유닛(120a, 120b, 120c)에 기체 냉각제를 사용할 경우, 챔버(130)의 상부에 거꾸로 관(136)을 형성하여 기체 냉각제가 외부로 배출되며 챔버(130) 내부를 순환하도록 할 수 있다.
<실시예>
아래의 표 1 및 표2와 같은 조건에 의해 Al-Si 합금 주물을 제조하였다.
| 주조 조건 | |
| 주조 온도 | 1100? |
| 주형 온도 | 700 - 800? |
| 주형 채우는 시간 | 15-20 초 |
| 가열 속도 | 10?/분 |
| Al-Si 합금성분 | 함량비 |
| Al | 69 wt% |
| Si | 20 wt% |
| Cu | 10 wt% |
| Zn | 0.5 wt% |
| Bi or Sr or Na or B or Ti | 0.5 wt% |
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 몰드
120: 냉각 유닛
130: 챔버
120: 냉각 유닛
130: 챔버
Claims (14)
- 알루미늄 및 규소를 포함하는 주조합금의 제조방법으로서,
용해로에서 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕을 제조하는 용탕 제조단계;
상기 합금용탕을 500 내지 800℃의 온도로 예열된 몰드에 주입하여 합금을 제조하는 주조합금 제조단계; 및
상기 합금용탕이 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분에 위치한 용탕부터 응고될 수 있도록, 냉각 유닛을 이용하여 상기 몰드를 냉각시키는 몰드의 냉각단계;
를 포함하는 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 몰드는 주형 몸체부와 상기 주형 몸체부를 감싸는 주형 프레임을 포함하는 것으로 이루어지며, 상기 주형 프레임에는 상기 주형 몸체부의 냉각을 위한 적어도 하나 이상의 냉각 포트가 형성되어 있는 구조의 몰드인 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 냉각 유닛은 냉각제 유입구 및 상기 냉각제 유입구와 외부가 연통되도록 상기 냉각 유닛의 외주면상에 형성되는 적어도 하나의 냉각관이 형성되어 있는 냉각 유닛인 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 몰드와 냉각 유닛은 하나의 챔버에 탈착 가능하게 일체화되어 사용되는 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 챔버에는 상기 몰드의 온도조절을 위한 열전대가 형성되어 있는 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 주조합금 제조단계는 상기 몰드에 상기 합금용탕이 모두 채워진 상태에서 상기 몰드의 온도가 600 내지 750℃ 의 온도가 되도록 유지하는 과정을 포함하는 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 몰드의 냉각 단계는 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분의 온도가 상기 몰드의 다른 부분보다 100 내지 200℃ 낮은 온도가 되도록 냉각시키는 과정을 포함하는 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 몰드의 냉각단계는 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분의 온도가 550 내지 750℃의 온도이고, 상기 몰드의 용탕 주입부에서 가장 멀리 떨어진 부분을 제외한 나머지 부분의 온도가 750 내지 900℃ 의 온도가 되도록 유지하는 과정을 포함하는 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕의 온도는 1050 내지 1150℃인 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금용탕의 규소의 함량은 8 내지 30 중량%인 알루미늄 주조합금의 제조방법. - 주형 몸체부와 상기 주형 몸체부를 감싸는 주형 프레임을 포함하는 것으로 이루어지며, 상기 주형 프레임에는 상기 주형 몸체부의 냉각을 위한 적어도 하나 이상의 냉각 포트가 형성되어 있는 몰드;
냉각제 유입구 및 상기 냉각제 유입구와 외부가 연통되도록 외주면상에 형성되는 적어도 하나의 냉각관이 형성되어 있는 냉각 유닛; 및
상기 몰드와 냉각 유닛을 각각 탈착 가능하도록 일체화시키는 챔버;
를 포함하는 알루미늄 주조합금의 제조장치. - 제11항에 있어서,
상기 주형 몸체부는 서로 분리 가능한 적어도 2개이상의 주형 조립체가 결합되어 있는 구조의 주형 몸체부인 알루미늄 주조합금의 제조장치. - 제11항에 있어서,
상기 냉각 유닛의 냉각관은 수평면을 기준으로 40 내지 70 도의 각도를 갖는 형태로 상기 냉각 유닛의 외주면에 형성되는 알루미늄 주조합금의 제조장치. - 제11항에 있어서,
상기 챔버에는 상기 몰드의 온도조절을 위한 열전대가 형성되어 있는 알루미늄 주조합금의 제조장치.
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