KR20200104001A - 반응고 성형용 압출 금형 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 반응고 압출 소재를 이용하여 성형변수인 펀치 속도, 고상율, 금형 온도에 따른 최종 제품의 미세조직과 기계적 성질인 경도와 인장강도를 비교할 수 있도록 다이링을 이용하여 다양한 단면의 성형품을 압출하는 반응고 성형용 압출 금형과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 반응고 성형에 필요한 압출 소재를 제조하는 압출 금형에 있어서: 외측에서 내측을 향해 압출 소재가 주입되는 홀이 관통 형성된 상형(2); 상기 상형(2)과 결합되고, 성형품이 압출되는 홀이 관통 형성된 하형(3); 및 상기 상형(2)과 하형(3) 사이의 홀에 결합되고, 압출되는 성형품의 단면을 결정하는 다이링(1)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 상형(2)과 하형(3)은, 금형강 몰리브덴형 또는 텅스텐형 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상형(2)과 하형(3)은, 질화 티타늄, 탄화 티타늄 또는 부분안정화 지르코니아로 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 상형(2)과 하형(3)은, 단조 또는 주조로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기 다이링(1)은, 내경에 따라 성형품의 단면을 변경하는 것을 특징으로 한다.
마지막으로 상기 상형(2)과 하형(3)을 관통하는 홀이 구비되고, 상기 홀 내부에 히터(4)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 금형을 제공한다.
본 발명의 상기 압출 금형으로 압출 소재를 통과시켜 원하는 형상의 압출 성형품을 제조하는 압출 장치에 있어서: 공급된 액상의 용융 금속이 구형의 입자를 갖는 반응고 압출 소재로 전환되도록 상기 용융 금속을 교반하는 교반부; 상기 압출 금형 전단에 구비되고, 압출 소재를 가압하여 성형품을 압출하는 펀치(5); 및 상기 압출 금형의 후단에 결합되고, 압출 공정이 끝난 후 하형(3)에 남아있는 소재를 밀어 제거하는 이젝터핀(6)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 압출 금형의 후단에 구비되고, 잔류하는 압출 소재를 제거하도록 절단하는 나이프를 상하왕복 작동시키는 절단용 실린더부재를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 교반부는 전자기장 또는 초음파를 발생하여 상기 용융 금속을 교반하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 펀치(5)에 수평수압프레스 또는 수직유압프레스와 결합되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 장치를 제공한다.

Description

반응고 성형용 압출 금형 및 장치{Extrusion Die and Device for Semi Solid Forming}
본 발명은 반응고 성형용 압출 금형 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응고 압출 소재를 이용하여 성형변수인 펀치 속도, 고상율 및 금형 온도에 따른 최종 성형품의 미세조직과 경도, 인장강도를 비교하도록 다양한 단면 감소율을 적용할 수 있는 반응고 성형용 압출 금형 및 장치에 관한 것이다.
자동차 산업 분야에서는 연료의 절약 및 환경오염의 문제 등으로 인하여 자동차의 경량화에 대한 중요성이 크게 부각되고 있으며, 이와 같은 자동차의 경량화를 위하여 주로 알루미늄 소재가 널리 이용되고 있다.
이러한 알루미늄 소재를 이용하여 부품을 제조하는 방법은 다양하게 제시되고 있는데, 예를 들면, 주조용 알루미늄합금 등을 이용하여 액체 상태로부터 원하는 형상의 부품을 직접 제조하는 다이캐스팅과, 구조용 알루미늄 합금을 이용하여 고체 상태로부터 부품을 성형하는 단조 성형공정으로 대별된다.
기존의 다이캐스팅에 의한 성형은 두께가 얇고 형상이 복잡하면서도 비교적 강도가 필요하지 않은 부품을 대량으로 생산할 때 용이한 제조방법이다. 그러나, 이러한 다이캐스팅 제조방법은 제품 내부에 편석, 기공 등의 결함을 가지고 있어 고강도를 요구하는 곳의 자동차 부품에는 적합하지 않다.
또한, 기존의 성형공정에 의한 부품들은 소성가공을 하여야 하기 때문에 프레스 용량을 증대시켜야 할 뿐만 아니라 금형의 열피로 현상으로 인하여 수명을 단축시키는 문제점이 야기되고, 나아가 형상이 복잡한 부품에 대해서는 많은 성형공정이 필요하므로 생산원가가 높아지는 단점이 우려된다. 특히, 냉간성형의 경우에는 금형의 마모, 응력집중 등이 국부적으로 생기기 쉽고 금형의 탄성변형이 생겨 정밀한 제품을 생산하기 어렵다.
상술한 바와 같은 부품들을 성형하기 위한 여러가지 방법 및 장치들의 문제점을 해결하기 위하여 반응고 성형 공정이 실시되고 있는 실정이다.
반응고 성형방법은 1970년대 미국의 MIT대의 MC Flemings 팀에서 개발된 것으로 아연, 주석, 납 또는 알루미늄 등의 저용융 금속 및 이들의 합금들의 용융 금속을 응고시키는 도중에 강력한 교반력을 가하여 미세한 구형의 고상과 액상이 미세하게 혼재된 상태를 만들어 이를 직접 또는 일단 응고 후 다시 고액 공존 영역의 온도로 가열한 뒤 성형하여 제품을 생산하는 방법으로 반용융 상태의 알루미늄 빌렛을 만드는 것이 가장 중요한 공정이다.
더욱 상세하게는 금속 슬러리의 요변성(搖變性)(Thixotropic)을 이용하여 고체와 액체가 공존하는 상태에서의 성형을 지칭하는 것으로 액상율이 거의 100%에 근접해야만 변형저항이 급속히 감소하는 일반적인 주조재의 성질과는 달리 그보다 낮은 액상율이 되어도 액체와 같은 변형 거동을 갖게 되어 매우낮은 응력으로 성형이 가능하다.
반응고/반용융 가압성형에는 반응고 가압성형(Rheocasting)과 반용융 가압성형(Thixocasting)이 있다.
반응고 가압성형은 응고과정 중 기계적 교반, 패시브(Passive) 교반, 전자기적 교반 등을 통해 비수지상 조직의 반응고 슬러리를 제조하고, 반응고 슬러리를 직접 가압성형하여 최종제품을 제작하는 방법이며, 이와 달리 반용융 가압성형은 상기의 교반법 이외에 SIMA(Strain Induced Melt Activated)법, 결정립 미세화법, 분무성형법, 급속응고법 등에 의해 반용융 가압성형용 빌렛(Billet)을 제조하고, 이를 적당한 길이의 슬러그(Slug)로 절단 후 소정의 반용융 온도로 재가열하여 최종제품을 제조하는 방법이다
특히 반응고 가공법은 통상의 주조품에 나타나는 조대상 조직 대신에 구형에 가까운 초정입자들을 얻을 수 있고, 유동성이 좋고 변형저항이 낮아 실형상의 제품 제조가 가능한 장점을 갖는다.
대한민국 공개특허공보 2006-0017673호에는 컨테이너의 내부에 투입된 압출소재의 압출작업시 압출소재를 등온으로 유지함으로써 압출 성형제품의 품질 및 생산성을 향상시키고자 하는 압출장치가 개시되어 있다.
또한, 대한민국 등록특허공보 10-0968780호에는 저용융 금속이나 이들의 합금을 다이캐스팅할 수 있는 반응고 저압 주조용 금형 및 이를 이용한 저압주조 장치가 개시되어 있다.
최근에는 경량화 및 난가공재를 이용한 부품 성형공정에 대한 연구가 활발히 진행중이며, 그 중 하나인 반응고 성형은 원소재로부터 최종형상에 가장 가까운 정형제품을 원하는 기계적 성질과 동시에 경제적으로 생산하기에 가장 적절한 공정이다.
그리하여 반응고 성형의 원소재 개발, 성형 해석 등에 대한 정확한 연구를 필요로 하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기 반응고 성형 공정에 대한 정확한 연구를 하기 위해, 반응고 압출 소재를 이용하여 성형변수인 펀치 속도, 고상율, 금형 온도에 따른 최종 제품의 미세조직과 기계적 성질인 경도와 인장강도를 비교할 수 있도록 다이링을 이용하여 다양한 단면의 성형품을 압출하는 반응고 성형용 압출 금형과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 반응고 성형에 필요한 압출 소재를 제조하는 압출 금형에 있어서: 외측에서 내측을 향해 압출 소재가 주입되는 홀이 관통 형성된 상형(2); 상기 상형(2)과 결합되고, 성형품이 압출되는 홀이 관통 형성된 하형(3); 및 상기 상형(2)과 하형(3) 사이의 홀에 결합되고, 압출되는 성형품의 단면을 결정하는 다이링(1)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 상형(2)과 하형(3)은, 금형강 몰리브덴형 또는 텅스텐형 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상형(2)과 하형(3)은, 질화 티타늄, 탄화 티타늄 또는 부분안정화 지르코니아로 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 상형(2)과 하형(3)은, 단조 또는 주조로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기 다이링(1)은, 내경에 따라 성형품의 단면을 변경하는 것을 특징으로 한다.
마지막으로 상기 상형(2)과 하형(3)을 관통하는 홀이 구비되고, 상기 홀 내부에 히터(4)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 금형을 제공한다.
본 발명의 상기 압출 금형으로 압출 소재를 통과시켜 원하는 형상의 압출 성형품을 제조하는 압출 장치에 있어서: 공급된 액상의 용융 금속이 구형의 입자를 갖는 반응고 압출 소재로 전환되도록 상기 용융 금속을 교반하는 교반부; 상기 압출 금형 전단에 구비되고, 압출 소재를 가압하여 성형품을 압출하는 펀치(5); 및 상기 압출 금형의 후단에 결합되고, 압출 공정이 끝난 후 하형(3)에 남아있는 소재를 밀어 제거하는 이젝터핀(6)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 압출 금형의 후단에 구비되고, 잔류하는 압출 소재를 제거하도록 절단하는 나이프를 상하왕복 작동시키는 절단용 실린더부재를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 교반부는 전자기장 또는 초음파를 발생하여 상기 용융 금속을 교반하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 펀치(5)에 수평수압프레스 또는 수직유압프레스와 결합되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 장치를 제공한다.
본 발명은 다이링을 이용하여 압출되는 성형품의 단면을 변경할 수 있는 효과가 있고,
반응고 성형용 압출 금형을 단조 또는 주조 형태로 구성하여 성형 변수인 펀치 속도, 고상율 및 금형 온도에 따라 각각의 성형을 수행한 후 최종 성형품의 미세조직과 경도, 인장강도를 파악할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 반응고 성형용 압출 금형의 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 따른 다이링의 내경에 따라 제조된 다양한 크기의 단면을 가진 성형품을 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 4 는 다이링의 내경에 따라 제조된 단면이 다른 성형품의 입자상태와 고상률을 비교한 것이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물 (equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
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본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
본 발명의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
본 발명의 반응고 성형에 필요한 압출 소재를 제조하는 압출 금형에 있어서: 외측에서 내측을 향해 압출 소재가 주입되는 홀이 관통 형성된 상형(2); 상기 상형(2)과 결합되고, 성형품이 압출되는 홀이 관통 형성된 하형(3); 및 상기 상형(2)과 하형(3) 사이의 홀에 결합되고, 압출되는 성형품의 단면을 결정하는 다이링(1)을 포함하여 구성된다.
도 1 은 상기 구성으로 이루어진 본 발명의 실시 예에 따른 반응고 성형용 압출 금형의 단면도이다.
이때, 상기 상형(2)과 하형(3)은, 금형강 몰리브덴형 또는 텅스텐형 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
몰리브덴형은 약 10% 몰리브덴과 크롬, 바나듐, 텅스텐, 코발트와 기타 합금 원소들로 이루어질 수 있고, 텅스텐형은 12% 내지 18% 텅스텐과 크롬, 바나듐, 코발트와 기타 합금 원소들로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상형(2)과 하형(3)은, 질화 티타늄, 탄화 티타늄 및 부분안정화 지르코니아로 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 질화 티타늄과 탄화 티타늄을 코팅함으로써, 내마모성을 향상시키는 효과가 있고, 상기 부분안정화 지르코니아(PSZ)은 수명을 연장시키는 효과가 있다.
그리고 상기 상형(2)과 하형(3)은, 단조 또는 주조로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기 다이링(1)은, 내경에 따라 성형품의 단면을 변경하는 것을 특징으로 한다.
도 2 와 같이 내경이 다른 다이링을 교체함으로써, 다양한 크기의 단면을 가진 성형품을 제조할 수 있다.
마지막으로 상기 상형(2)과 하형(3)을 관통하는 홀이 구비되고, 상기 홀 내부에 히터(4)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 금형을 제공한다.
도 3 내지 4 에 기재된 상기 반응고 성형용 압출 금형을 통해 제조된 성형품을 살펴보면 A부분의 단면이 줄어들수록 반응고 압출 소재의 유동 속도가 빨라져 소재의 입자(Grain)가 더 미세하고 차지하는 면적(고상률)도 높다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 상기 압출 금형으로 압출 소재를 통과시켜 원하는 형상의 압출 성형품을 제조하는 압출 장치에 있어서: 공급된 액상의 용융 금속이 구형의 입자를 갖는 반응고 압출 소재로 전환되도록 상기 용융 금속을 교반하는 교반부; 상기 압출 금형 전단에 구비되고, 압출 소재를 가압하여 성형품을 압출하는 펀치(5); 및 상기 압출 금형의 후단에 결합되고, 압출 공정이 끝난 후 하형(3)에 남아있는 소재를 밀어 제거하는 이젝터핀(6)을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 반응고 성형용 압출 장치는 상기 압출 금형을 구비하는 챔버를 포함할 수 있다. 상기 챔버는 아연, 주석, 납 또는 알루미늄 등의 저용융 금속이나, 또는, 이들의 합금들의 용융 금속으로 형성될 수 있다.
또한, 용융 금속을 저장하는 보온로, 상기 보온로 내의 용융 금속을 금형에 주입하는 기계 슬리브를 포함한다.
상기 기계 슬리브는 특히 기계 슬리브는 보온로 내의 용융 금속을 압출 금형으로 전달하는 통로로서 고온의 용융 금속에 의해 열화 손상되는 것을 방지하기 위하여 내열성이 양호한 재질로 형성된다. 즉, 기계 슬리브는 용융 금속과 반응하지 않는 재료로 내열강, 스테인레스, 내열 세라믹(ceramic), 써멧(cermet), PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 또는 PCD(Poly Crystalline Diamond)로 형성될 수 있다.
또한, 상기 압출 금형의 후단에 구비되고, 잔류하는 압출 소재를 제거하도록 절단하는 나이프를 상하왕복 작동시키는 절단용 실린더부재를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 교반부는 전자기장 또는 초음파를 발생하여 상기 용융 금속을 교반하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 교반부는 상기 압출 금형 주위에 설치된다.
상기 펀치에 수평수압프레스 또는 수직유압프레스와 결합되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 장치를 제공한다.
상기 반응고 성형용 압출 장치의 작동은 먼저 용융 금속을 저장하는 보온로 내에 압력을 가하게 되면, 용융 금속이 기계 슬리브를 통해 상승하여 상기 상형의 성형 공간으로 충진된다. 상기에서 보온로 내의 용융 금속은 실질적으로 완전한 액상 상태로 기게 슬리브로 공급된다. 이때, 용융 금속은 기계 슬리브 속에서는 완전한 액상 상태로 유지되는데, 기계 슬리브의 주위에 교반부가 설치되면 용융 금속은 액상 상태가 아닌 반응고 상태로 유지될 수도 있다.
상기에서 기계 슬리브를 통과한 액상 상태의 용융 금속이 상형으로 이동하면서 온도가 떨어짐에 따라 액체 상태에서 고액공존 상태의 반응고 상태로 점차 변화하게 된다. 이에 반응고 상태의 용융 금속에 결정핵이 생성되어 초정 덴드라이트가 형성되는 데, 교반부에서 인가되는 전자기장이나 초음파 진동을 통해 용융 금속에 생성되는 초정 덴드라이트의 생성을 억제하거나 용융시켜 결정핵을 보다 미세하고 균일하게 하여 최종 성형품은 결정립이 미세하고 조직이 강화된다.
본 발명의 실시 예에 따른 반응고 성형용 압출 금형 및 장치를 이용하여 성형변수인 펀치 속도, 고상율, 금형 온도에 따른 최종 성형품의 미세조직과 경도와 인장강도를 비교할 수 있는 특징이 있다.
1 : 다이링
2 : 상형
3 : 하형
4 : 히터
5 : 펀치
6 : 이젝터핀

Claims (10)

  1. 반응고 성형에 필요한 압출 소재를 제조하는 압출 금형에 있어서:
    외측에서 내측을 향해 압출 소재가 주입되는 홀이 관통 형성된 상형(2);
    상기 상형(2)과 결합되고, 성형품이 압출되는 홀이 관통 형성된 하형(3); 및
    상기 상형(2)과 하형(3) 사이의 홀에 결합되고, 압출되는 성형품의 단면을 결정하는 다이링(1)을 포함하여 구성되는 반응고 성형용 압출 금형.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상형(2)과 하형(3)은,
    금형강 몰리브덴형 또는 텅스텐형 형성되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 금형.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상형(2)과 하형(3)은,
    질화 티타늄, 탄화 티타늄 또는 부분안정화 지르코니아로 코팅되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 금형.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상형(2)과 하형(3)은,
    단조 또는 주조로 형성되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 금형.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다이링(1)은,
    내경에 따라 성형품의 단면을 변경하는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 금형.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상형(2)과 하형(3)을 관통하는 홀이 구비되고, 상기 홀 내부에 히터(4)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 금형
  7. 상기 압출 금형으로 압출 소재를 통과시켜 원하는 형상의 압출 성형품을 제조하는 압출 장치에 있어서:
    공급된 액상의 용융 금속이 구형의 입자를 갖는 반응고 압출 소재로 전환되도록 상기 용융 금속을 교반하는 교반부;
    상기 압출 금형 전단에 구비되고, 압출 소재를 가압하여 성형품을 압출하는펀치(5); 및
    상기 압출 금형의 후단에 결합되고, 압출 공정이 끝난 후 하형(3)에 남아있는 소재를 밀어 제거하는 이젝터핀(6)을 포함하여 구성되는 반응고 성형용 압출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압출 금형의 후단에 구비되고, 잔류하는 압출 소재를 제거하도록 절단하는 나이프를 상하왕복 작동시키는 절단용 실린더부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 교반부는 전자기장 또는 초음파를 발생하여 상기 용융 금속을 교반하는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 펀치에 수평수압프레스 또는 수직유압프레스와 결합되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 압출 장치.
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KR20230059384A (ko) 2021-10-26 2023-05-03 주식회사 한밭중공업 수직가압식 용탕단조에 의한 제품 성형 방법

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