KR20170041623A - 금형 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주물을 주조하여 성형하기 위한 주조금형의 가열장치로서, 금속 용탕이 주입되는 금형을 가열하여 금속 용탕과 금형의 온도차이를 줄임으로써, 금속 용탕과 금형의 온도차에 의한 응고조직의 불균형을 개선하여 주물 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

금형 가열장치{Heating apparatus for casting mold}

본 발명은 주물을 주조하여 성형하기 위한 주조금형의 가열장치로서, 금속 용탕이 주입되는 금형을 가열하여 금속 용탕과 금형의 온도차이를 줄일 수 있는 금형 가열장치에 관한 것이다.

최근에는 스마트폰 등과 같은 휴대단말기를 대화면 박형화하여 제작하고 있다. 이러한 대화면 박형화된 구조를 적용하기 위해서는 구조의 강도를 확보할 필요가 있으며, 구조의 강도를 확보하기 위하여 휴대단말기의 내/외장재로서 금속재를 적용하고 있다.

특히 휴대단말기의 외장 부품은 사용자들의 촉각 또는 시각에 의해 직접적으로 인지되는 부분으로, 심미적 기능, 감성품질 향상, 타제품과의 차별화를 위하여 다양한 소재를 적용할 수 있다. 그러나 외장재의 특성에 따라 가공조건 및 가공방법에 따른 제조원가 상승 품질 저하 등이 발생할 수 있기 때문에 다양한 외장재를 적용하는데 제약이 있다.

등록특허공보 제10-0703491호 및 공개특허공보 제10-2008-0112848호에는 휴대단말기 케이스를 금속으로 제조하는 방법이 개시되어 있다. 종래의 금속 케이스 제조방법에 따르면 니켈(Ni), 구리(Cu), 타이타늄(Ti) 및 스틸 등으로 금속 케이스를 제작하였으며, 최근에는 고급스러운 질감 표현 및 다양한 컬러의 구현을 위하여 휴대단말기 케이스에 아노다이징 처리를 하고 있다.

한편, 금속재는 CNC가공 등의 방식으로 휴대단말기용 케이스와 같은 특정 형상으로 가공될 수 있다. 그러나 CNC가공으로 휴대단말기용 케이스를 가공하면 가공시간이 오래 걸리고, 생산비용이 증가하게 되며, 생산성이 떨어지게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 금속 용탕을 이용하여 케이스를 주조하여 제작할 수 있다. 그러나 금속 용탕을 이용하여 케이스를 주조할 때 금속 용탕과 케이스를 주조하기 위한 금형의 온도차이에 의해 불균형한 조직이 생성되어 아노다이징 품질 및 케이스의 품질이 저하될 우려가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속 용탕과 금형의 온도차이를 최소화함으로써 금속 용탕과 금형의 온도차에 의한 응고조직의 불균형을 개선할 수 있는 금형 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 금형 가열장치는 주물을 주조(鑄造)하여 성형하기 위한 것으로서, 금속 용탕이 주입되는 금형을 가열한다.

그리고 본 발명의 금형 가열장치는, 하부메인블록; 상기 하부메인블록 상부에 결합되는 상부메인블록; 상기 하부메인블록과 상부메인블록 사이에 위치하고, 금속 용탕이 주입되어 케이스를 성형하는 캐스팅블록; 및 발열 코일을 구비하고, 상기 하부메인블록과 캐스팅블록 사이 또는 상기 상부메인블록과 캐스팅블록 사이에 배치되어 상기 캐스팅블록을 가열하는 히팅플레이트를 포함한다.

그리고 상기 캐스팅블록은 케이스를 성형하기 위하여 금속 용탕이 주입되는 캐비티를 형성하는 하부캐스팅블록과 상부캐스팅블록으로 구성되고, 상기 히팅플레이트는, 상기 하부메인블록과 하부캐스팅블록 사이에 배치되어 상기 하부캐스팅블록을 가열하는 하부히팅플레이트와, 상기 상부메인블록과 상부캐스팅블록 사이에 배치되어 상기 상부캐스팅블록을 가열하는 상부히팅플레이트로 구성된다.

또한, 본 발명의 금형 가열장치는, 상기 캐스팅블록의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 캐스팅블록의 온도에 따라 상기 발열 코일을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 금형 가열장치는 금속 용탕이 주입되는 금형을 가열하여 금속 용탕과 금형의 온도차이를 최소화함으로써 금속 용탕과 금형의 온도차에 의한 응고조직의 불균형을 개선하여 주물 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금형 가열장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금형 가열장치의 일방향 분해사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금형 가열장치의 타방향 분해사시도.
도 4는 알루미늄 합금의 성분 비율 및 강도향상단계(소성가공)에 따른 인장강도, 항복강도, 연신율을 나타낸 도면.
도 5는 공랭 조직과 수랭 조직을 비교하여 나타낸 도면.
도 6은 도 4의 알루미늄 합금의 성분 비율 및 강도향상단계(소성가공)에 따른 강도, 연신율의 변화를 예시적으로 보여주는 그래프.

본 발명은 주물을 주조하여 성형하기 위한 주조금형의 가열장치로서, 금속 용탕이 주입되는 금형을 가열하여 금속 용탕과 금형의 온도차이를 줄임으로써, 금속 용탕과 금형의 온도차에 의한 응고조직의 불균형을 개선하여 주물 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예 중 휴대단말기용 금속 케이스를 제조하기 위한 금형 가열장치에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 금형 가열장치는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 하부메인블록(100), 상부메인블록(200), 캐스팅블록, 히팅플레이트, 온도센서(미도시) 및 제어부(미도시)로 구성된다.

하부메인블록(100)과 상부메인블록(200)은 상하로 결합되고, 서로 결합되는 하부메인블록(100)과 상부메인블록(200)의 내부에 캐스팅블록 및 히팅플레이트가 결합된다.

캐스팅블록은 하부메인블록(100)과 상부메인블록(200) 사이에 위치하고, 내부에 금속 용탕이 주입되어 케이스를 성형한다. 구체적으로 캐스팅블록은 케이스를 성형하기 위하여 금속 용탕이 주입되는 캐비티를 형성하는 하부캐스팅블록(300)과 상부캐스팅블록(400)으로 구성된다. 하부캐스팅블록(300)은 하부메인블록(100) 상부에 결합되고, 상부캐스팅블록(400)은 상부메인블록(200) 하부에 결합된다. 케이스를 성형하기 위하여 캐비티로 주입되는 용탕은 다양한 금속 소재 중 알루미늄 합금을 용융시켜 이용할 수 있으며, 알루미늄 합금에 대한 자세한 설명은 후술한다.

히팅플레이트는 발열 코일(700)을 구비하고, 하부히팅플레이트(500)와 상부히팅플레이트(600)로 구성된다. 하부히팅플레이트(500)는 하부메인블록(100)과 하부캐스팅블록(300) 사이에 배치되어 하부캐스팅블록(300)을 가열한다. 그리고 상부히팅플레이트(600)는 상부메인블록(200)과 상부캐스팅블록(400) 사이에 배치되어 상부캐스팅블록(400)을 가열한다.

그리고 온도센서는 캐스팅블록의 온도를 측정하고, 제어부는 캐스팅블록의 온도에 따라 발열 코일(700)을 제어하여 캐스팅블록의 온도를 일정하게 유지한다.

상술한 바와 같은 금형 가열장치는 캐스팅블록을 가열하여 금속 용탕과 캐스팅블록의 온도차이를 최소화함으로써 캐비티 내에서 성형되는 케이스의 조직이 균일하게 생성되도록 하여 주물 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

다음은 전술한 금형 가열장치를 이용한 휴대단말기용 금속 케이스의 제조방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 휴대단말기용 금속 케이스 제조방법은 금형가열단계, 주조단계, 냉각단계, 프레스단계, 강도향상단계, 후처리단계 및 아노다이징단계를 포함한다.

금형가열단계는 전술한 바와 같이 캐스팅블록을 가열한다. 이에 따라 알루미늄 합금 용탕과 캐스팅금형의 온도차에 의해 발생할 수 있는 응고조직의 불균형을 개선할 수 있다.

주조단계는 캐스팅금형에 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 케이스를 성형한다. 캐스팅금형은 캐비티 내에서 용탕의 유동이 직선으로 이루어지도록 하고 유동거리를 짧게 하여, 용탕의 흐름에 의한 위치에 따라 열적 불균형을 최소화하고 균일한 조직이 생성되도록 하였다. 용탕의 유동이 직선적이지 않고 와류 등의 흐름이 발생하거나 유동거리가 길면, 용탕이 응고되는 시간 및 위치에 따라 불균형한 조직이 생성되어 아노다이징 품질이 저하될 수 있기 때문이다.

냉각단계는 알루미늄 합금 용탕을 주조금형에 주입하여 케이스를 주조(鑄造)한 후, 수랭(水冷) 방식으로 상기 케이스를 냉각수에 투입하여 냉각시킨다. 전술한 주조단계에서 케이스는 500℃이상, 80MPa이상의 고온, 고압 조건에서 다이캐스팅 제조되며, 40℃이하의 냉각수로 급냉시킨다. 이러한 냉각수는 케이스를 냉각시킴에 따라 온도가 상승할 수 있으며, 최초 공급되는 냉각수의 온도는 20~25℃이다. 이와 같이 케이스를 수랭방식으로 급냉각시킴으로써 도 5에 도시된 바와 같이 공랭방식에 비해 조밀하고 균일한 조직이 형성되도록 할 수 있다.

프레스단계는 케이스 성형 후 불필요한 부분을 제거한다.

강도향상단계는 케이스를 가압하여 케이스의 강도를 향상시킨다. 더욱 상세하게는 케이스를 향하여 직선적인 압력을 가한다. 즉 케이스의 내측이 압착금형에 의해 지지되도록 하고, 케이스의 외측을 내측방향으로 가압하여 압착시킴으로써 케이스의 강도를 향상시킬 수 있다. 그리고 케이스에 가해지는 가압력은 케이스의 외측 표면 중 어느 한 부분을 향하여 직선적으로 작용하거나, 케이스의 외측 표면 중 여러 부분에 동시에 작용할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 강도향상단계를 통해 케이스는 소성변형 전 연신율(strain)이 약 15~25%인데 반해, 소성변형 후 연신율(strain)이 약 10%이하가 된다.

후처리단계는 정밀성이 요구되는 부분 등을 CNC가공하고, 샌딩(sanding) 및 버핑(buffing) 작업을 실시한다.

이후, 아노다이징단계에 따라 케이스 표면을 양극 처리하여 산화피막을 형성한다.

이와 같이 CNC가공을 최소화하여 생산비용을 낮추고 생산성을 형상시킬 수 있으며, 케이스의 강도를 높이면서 아노다이징 품질을 향상시킬 수 있다.

전술한 휴대단말기용 케이스는 다양한 금속 소재 중 알루미늄 합금 소재를 이용하여 제작할 수 있다. 알루미늄 합금은 망간(Mn) 1~3 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%, 타이타늄(Ti) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1 중량%, 마그네슘(Mg) 0.01~1 중량% 및 잔부의 알루미늄(Al)을 포함하여 구성된다.

주물 제품의 표면 처리를 위한 아노다이징 품질을 높이기 위해서는 알루미늄의 순도를 높여야 하지만, 순도가 높은 알루미늄은 강도가 약하여 휴대단말기의 몸체를 이루는 케이스로는 적합하지 않다. 이에 따라 강도를 높이면서 아노다이징 처리도 용이한 알루미늄 합금이 필요하다.

알루미늄의 강도를 높이기 위해 알루미늄 외에 첨가되는 첨가물은 알루미늄의 강도를 높이는 동시에 알루미늄의 순도를 떨어뜨려 아노다이징 품질이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 따라서 알루미늄 외에 알루미늄 합금을 구성하는 첨가물은 엄격히 제한되어야 한다.

망간(Mn)은 중량비가 1% 미만일 경우 알루미늄 합금 용탕의 유동성이 불량하고 금형의 소착이 발생하여 고품질의 케이스를 주조하는데 어려움이 있다. 한편, 전술한 바와 같이 첨가물의 비율이 증가할수록 알루미늄의 순도가 떨어지기 때문에, 알루미늄 합금 용탕과 금형의 소착이 발생하지 않고 유동성을 향상시켜 케이스 내부에 기공이 발생하지 않도록 하기 위하여 망간의 중량비를 1~3%로 제한하였다.

그리고 지르코늄(Zr)과 타이타늄(Ti)은 알루미늄 합금의 결정립이 미세화되도록 하여 용탕의 유동성을 향상시킨다. 이러한 지르코늄과 타이타늄은 중량비가 0.5%를 초과할 경우 충분히 용해되지 않아 불균일한 조직 형태로 존재하기 때문에 오히려 알루미늄 합금 용탕의 유동성을 저하시키게 된다. 이에 따라 지르코늄과 타이타늄의 중량비를 각각 0.01~0.5%로 제한하였다.

실리콘(Si)과 마그네슘(Mg)는 알루미늄 합금의 구성 성분으로 포함되어 알루미늄 합금의 강도를 높일 수 있다. 그러나 이러한 실리콘과 마그네슘은 아노다이징 품질을 저하시킬 수 있기 때문에 각각 중량비를 0.01~1%로 제한할 필요가 있다.

도 4는 알루미늄 합금의 성분 비율에 따른 인장강도(UTS), 항복강도(YTS), 연신율(EL)을 비교하여 나타낸 도면이다.

한편, 알루미늄 합금은 구리(Cu), 철(Fe) 중 어느 하나 이상을 더 포함하여 구성될 수 있다. 그러나 구리, 철 또한 아노다이징 품질을 저하시키는 요소이기 때문에, 알루미늄 합금에 포함되는 구리(Cu)의 중량비는 0.05% 이하로 제한되고, 철(Fe)의 중량비는 0.2% 이하로 제한된다.

이러한 알루미늄 합금은 불순물 첨가를 최소화하기 위하여 연속주조를 통해 빌렛 형태로 제작된다.

바람직하게는 알루미늄 합금에 구리, 철 등의 불순물이 첨가되지 않도록 하고, 망간 1~3 중량%, 지르코늄 0.01~0.5 중량%, 타이타늄 0.01~0.5 중량%, 실리콘 0.01~1 중량%, 마그네슘 0.01~1 중량% 및 잔부의 알루미늄으로 알루미늄 합금을 구성하는 것이다.

본 발명에 따른 금형 가열장치는 전술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

100 : 하부메인블록, 200 : 상부메인블록, 300 : 하부캐스팅블록, 400 : 상부캐스팅블록, 500 : 하부히팅플레이트, 600 : 상부히팅플레이트, 700 : 코일

Claims (4)

1. 주물을 주조(鑄造)하여 성형하기 위한 주조금형의 가열장치에 있어서,
   금속 용탕이 주입되는 금형을 가열하는 것을 특징으로 하는 금형 가열장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   하부메인블록;
   상기 하부메인블록 상부에 결합되는 상부메인블록;
   상기 하부메인블록과 상부메인블록 사이에 위치하고, 금속 용탕이 주입되어 케이스를 성형하는 캐스팅블록; 및
   발열 코일을 구비하고, 상기 하부메인블록과 캐스팅블록 사이 또는 상기 상부메인블록과 캐스팅블록 사이에 배치되어 상기 캐스팅블록을 가열하는 히팅플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 가열장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 캐스팅블록은 케이스를 성형하기 위하여 금속 용탕이 주입되는 캐비티를 형성하는 하부캐스팅블록과 상부캐스팅블록으로 구성되고,
   상기 히팅플레이트는,
   상기 하부메인블록과 하부캐스팅블록 사이에 배치되어 상기 하부캐스팅블록을 가열하는 하부히팅플레이트와,
   상기 상부메인블록과 상부캐스팅블록 사이에 배치되어 상기 상부캐스팅블록을 가열하는 상부히팅플레이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 금형 가열장치.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 캐스팅블록의 온도를 측정하는 온도센서와,
   상기 캐스팅블록의 온도에 따라 상기 발열 코일을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 가열장치.

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