KR20200118651A

KR20200118651A - 이종 재질 주조 방법 및 주조품

Info

Publication number: KR20200118651A
Application number: KR1020190040850A
Authority: KR
Inventors: 김진관
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2020-10-16
Also published as: DE102019217474A1; US20200316681A1; CN111790887A; US10960464B2; CN111790887B

Abstract

본 발명은 주조품 형상에 대응되는 캐비티(cavity)가 형성된 금형의 상기 캐비티 상에 로스트 폼(Lost Foam)을 배치하는 단계, 상기 금형에 형성된 저압 용탕 주입구를 통해 상기 주조품의 저압주조부 형성을 위한 저압주조용 용탕을 주입하는 단계 및 상기 금형에 형성된 중력 용탕 주입구를 통해 상기 주조품의 중력주조부 형성을 위한 중력주조용 용탕을 주입하는 단계를 포함하는 이종 재질 주조 방법으로서, 본 발명에 의하면, 이종 재질의 주조품을 주조하기 위해 2 piece를 별도로 주조하는 것이 아니라 복합 주조 방식에 의해 동시에 주조하여 공정상 유리하게 하고, 이종 재질 간의 접합에 보다 유리하도록 한다.

Description

이종 재질 주조 방법 및 주조품{METHOD FOR MANUFACTURING A HETEROGENEOUS CASTINGS AND THE CASTINGS}

본 발명은 이종 재질을 주조하기 위한 주조 방법과 그 방법에 의해 제조되는 주조품에 관한 것이다.

이종 재질이 적용된 자동차 부품 등은 그 자체 및 완성품인 자동차의 경량화를 가능하게 하고 원가 또한 절감되게 하기 때문에 단일 재질의 부품에 비해 많은 이점을 가진다.

하나의 예로서, 실린더헤드의 경우에도 열적인 부하를 많이 받게 되는 하면에는 알루미늄 합금을 적용하고, 마모에 의한 부하를 많이 받는 상면에는 베이크라이트(bakelite) 고분자 소재를 적용하여 무게를 줄이면서 기능도 보다 향상시킬 수가 있는 것이다.

그러나, 종래에 이러한 실린더헤드와 같은 이종 재질의 주조품을 주조하기 위해서는 재질이 다른 두 부분(2 piece)을 각각 다른 별도의 공정에 의해서 제조하고, 이를 접합하여 제조하여야 하는 바, 공정상 불리할 수밖에 없으며 이종 재질의 두 부분의 접합 강도 또한 문제가 될 수 있다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국등록특허공보 제10-1736150호 한국공개특허공보 제10-2017-0122631호 한국등록특허공보 제10-1256126호 한국공개특허공보 제10-2013-0073542호 한국등록특허공보 제10-0872045호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 이종 재질의 주조품을 주조하기 위해 2 piece를 별도로 주조하는 것이 아니라 복합 주조 방식에 의해 동시에 주조하여 공정상 유리하게 하고, 이종 재질 간의 접합에 보다 유리하도록 하는 이종 재질 주조 방법 및 주조품을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 이종 재질 주조 방법은, 주조품 형상에 대응되는 캐비티(cavity)가 형성된 금형의 상기 캐비티 상에 로스트 폼(Lost Foam)을 배치하는 단계, 상기 금형에 형성된 저압 용탕 주입구를 통해 상기 주조품의 저압주조부 형성을 위한 저압주조용 용탕을 주입하는 단계 및 상기 금형에 형성된 중력 용탕 주입구를 통해 상기 주조품의 중력주조부 형성을 위한 중력주조용 용탕을 주입하는 단계를 포함한다.

그리고, 상기 저압주조용 용탕과 상기 중력주조용 용탕의 재질은 상이한 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 저압주조용 용탕을 주입하는 단계에 의해 주입되는 저압주조용 용탕과 상기 중력주조용 용탕을 주입하는 단계에 의해 주입되는 중력주조용 용탕이 상기 로스트폼에 도달하는 시점은 동일할 수 있다.

또한, 상기 저압주조용 용탕과 상기 중력주조용 용탕이 접합하여 형성되는 계면은 상기 로스트폼이 배치된 위치 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 캐비티 상에 중자를 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 주조품은, 저압주조 용탕에 의해 주조 형성되는 저압주조부, 중력주조 용탕에 의해 주조 형성되는 중력주조부 및 상기 저압주조부 및 상기 중력주조부 사이에 위치하며, 상기 저압주조 용탕 또는 상기 중력주조 용탕에 의해 로스트 폼(Lost Foam)이 녹아서 형성되는 로스트폼 부를 포함한다.

여기서, 상기 저압주조부와 상기 중력주조부의 재질은 상이할 수 있다.

나아가, 상기 로스트폼 부는 일부는 상기 저압주조 용탕에 의해 녹아서 형성되고, 나머지 일부는 상기 중력주조 용탕에 의해 녹아서 형성될 수 있다.

본 발명의 이종 재질 주조 방법 및 주조품에 의하면, 이종 재질의 각 부분을 2 piece로 별도로 주조하지 않고, 저압주조, 중력주조 및 로스트폼 공법을 다중 복합적으로 적용함으로써 일거에 주조함에 따라 공정, 시간 비용상 보다 유리한 장점을 가진다.

그럼에도, 저압주조에 의한 용탕과 이와 다른 재질의 중력주조에 의한 용탕이 로스트폼에 의해 섞이지 않으면서 주조가 가능하다.

또한, 이종 재질의 용탕이 접합하는 계면의 형성을 위해 용탕의 밀도나 주입 시간 등의 조절이 불필요하므로, 이종 재질 간의 계면 형성 위치에 대한 변수가 커지고, 용탕이 섞이는 것을 지연하는 폼에 의해 이종 재질의 계면이 폼이 위치하던 부분으로 한정되므로 기존의 주조 방법에 비해 양산시 안정적인 위치의 계면 확보에 유리하다.

도 1은 본 발명의 주조 방법에 의해 제조되는 주조품을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 이종 재질 주조 방법 및 주조품을 설명하기로 한다.

본 발명은 이종 재질로 제조되는 부품을 2 piece로 별도 제조하여 접합하는 것이 아니라, 복수의 주조 공법을 적용하여 일거에 다중적이며 복합적으로 주조하는 방법에 관한 것이다.

즉, 저압 주조 공법, 중력 주조 공법과 더불어 로스트폼 공법을 모두 적용하여 주조하는 방법이다.

먼저, 주조할 제품 형상에 대응되는 캐비티(cavity)가 형성된 금형을 준비한다.

금형은 가동 금형과 고정 금형으로 구분되어 합형될 수 있으며, 금형의 상부에는 캐비티로부터 상면을 관통하는 중력 용탕 주입구가 형성되고, 금형의 하부에는 캐비티로부터 하면을 관통하는 저압 용탕 주입구가 형성된다.

이러한 중력 용탕 주입구와 저압 용탕 주입구의 위치는 예시적인 것이며, 제조하는 주조품에 따라 다르게 배치 가능하다.

다음, 금형 합형 이전에 로스트폼(Lost Foam)을 캐비티 내에 배치시킨다.

로스트폼(110)은 중력주조에 의해 형성되는 중력주조부(120)와 저압주조에 의해 형성되는 저압주조부(130)의 경계부, 즉 중력주조 용탕과 저압주조 용탕이 접합되어 계면(111)을 형성할 부분에 형성시킨다. 금형에는 로스트폼(110)의 배치를, 고정을 위한 수단이 강구될 수 있다.

로스트폼(110)은 용탕에 의해 녹을 때까지 중력주조에 의한 중력 용탕과 저압주조에 의한 저압 용탕이 섞이지 않도록 하고, 용탕에 의해 녹게 되어 중력 용탕과 저압 용탕이 접함으로써 로스트폼(110)이 위치하던 부분 내에서 접합하게 된다.

이러한 로스트폼(110)의 두께는 주조품에 따라 달라질 수 있으며, 주입되는 용탕의 양과, 주입 속도 및 녹는 시간을 고려하여 결정될 수 있다.

본 발명은 이 같은 로스트폼(110)이 중자의 기능으로 금형 내 삽입되어 주조하는 방법으로서, 로스트폼의 형상의 설계 자유도가 크기 때문에 주조품 형상 구현에 보다 유리하게 한다.

한편, 로스트폼 외에 중자를 추가로 적용할 수 있으며, 단순한 내부 형상의 경우에는 중자를 활용하여서도 효율적으로 제조할 수 있고, 복잡한 형상의 경우에는 로스트폼을 활용하는 것이 보다 효율적이다.

그리고, 이러한 로스트폼은 기존과 달리, 폼을 만들고 폼에 점결제가 포함된 모래를 채운 후 일정 정도 굳혀서 제작하고, 주조 후 모래는 탈사시킬 수 있다.

즉, 폼이 녹지 않는 온도 범위에서 금형 내에 안착시킬 수 있도록 모래를 어느 정도 굳혀야 하는 것이다.

다음, 이렇게 제작된 로스트폼(110)이 배치되고 금형이 합형된 후, 저압주조장치에 의해 저압 용탕 주입구를 통해 저압주조부(130) 형성을 위한 저압주조용 용탕을 주입하고, 중력주조장치에 의해서 중력 용탕 주입구를 통해 저압주조부(130)와는 다른 재질의 중력주조부(120) 형성을 위한 중력주조용 용탕을 주입한다.

저압주조용 용탕과 중력주조용 용탕의 주입 시기는 동시일 수 있고, 주조품 설계에 따라 일정한 간격으로 순차적으로 주입될 수 있다. 그리고, 순차적으로 주입되는 경우에도 저압주조용 용탕과 중력주조용 용탕의 주입 순서는 주조품에 따라 달라질 수 있다. 대신, 저압주조용 용탕과 중력주조용 용탕이 로스트폼(110)에 도달하는 시점은 동일한 것이 보다 바람직하다.

이와 같이 용탕이 주입되어 로스트폼(110)이 녹아서 중력주조부(120)와 저압주조부(130) 간에 접합 계면(111)이 로스트폼(110)이 배치되었던 부분에 형성되고, 냉각 이후에 금형을 분리시켜 완성된 주조품(100)을 취출한다.

기존 방법에 의하면, 이종 재질의 용탕이 접합하는 계면의 형성을 위해 용탕의 밀도나 주입 시간 등의 조절이 필요하였고, 그런 조절에 의해서도 이종 재질 간의 계면 형성 위치에 대한 변수가 클 수밖에 없었다.

이에 반해, 본 발명에 의하면, 용탕이 섞이는 것을 로스트폼이 지연시키므로 이종 재질의 계면이 로스트폼이 위치하던 부분으로 한정되므로 기존의 주조 방법에 비해 양산시 안정적인 위치의 계면 확보에 유리하게 되는 것이다.

그리고, 로스트폼은 용탕에 의해 녹으면서 녹기 전 로스트폼의 표면 형상이 용탕에 옮겨져 남게 된다.

즉, 실제로 주조품은 이종 재질에 의한 2 piece이나 녹은 로스트폼이 형성하는 로스트폼 부를 포함하여 흡사 3 piece와 같은 형상을 갖게 되는 바, 주조품 내부에 중공부의 형상을 로스트폼에 의해 자유롭게 설계할 수가 있다.

본 발명은 이상과 같은 과정을 통해서 중력주조, 저압주조 및 로스트폼 공법을 다중적이면서 복합적으로 수행함으로써 일거에 이종 재질의 주조를 실시하고, 이종 재질 간의 접합을 우수하게 하며, 계면 형성을 보다 용이하게 한다.

즉, 본 발명은 이종 재질을 주조함에 있어 3가지의 주조 공법의 단점을 보완하고 장점을 취할 수 있도록 한 것이다.

저압주조의 경우에는 주물 전체에 해당하는 용탕 양을 하부에서 주입하기 때문에 주입구가 커야 하고, 때문에 하부 미세조직 품질이 중요한 부품의 경우, 즉 실린더 헤드나 실린더 블록은 운전시 연소실 또는 크랭크 보어부의 부하가 심하기 때문에 물성 향상을 위해 미세조직이 치밀해지는 것을 요하는데, 그러한 부품에는 하부 냉각 적용에 한계가 있다.

그러나, 본 발명의 주조 방법에 의하면, 하부의 탕구로 주입되는 용탕이 기존의 저압주조 공법보다 훨씬 적은 양이기 때문에 저압 용탕 주입구를 기존에 비해 작게 설정할 수가 있고, 때문에 남는 면적에서 냉각을 적용할 수가 있어 기존의 저압주조 공법에 비해 미세조직 품질 향상을 통한 물성 향상이 가능해지는 것이다.

또한, 기존의 중력주조에 의하면 용탕을 주입하는 과정에서 와류가 발생할 수 있으나, 본 발명에 의하면 와류 발생 또한 개선될 수가 있다.

그리고, 저압주조나 중력주조 주물의 경우, 중자를 이용하여 복잡한 워터자켓 및 오일자켓 형상을 만드는데, 이 경우 중자를 만들 때 중자 금형의 언더컷(under-cut)이 발생하거나 중자 모래로 형성하기 어려운 수준의 얇은 형상은 만들 수가 없다.

그러나, 본 발명의 주조 방법에 의하면, 주물의 중간 부분에 형상을 자유롭게 만들 수가 있는 로스트폼을 적용함으로써, 로스트폼의 장점에 의해 설계 형상이 보다 자유로운 장점을 갖게 된다.

통상의 로스트폼 주조는 폼(foam)을 모래 안에 묻고(사형주조) 용탕을 주입하는 공정이므로, 주물의 냉각속도가 느려서 미세조직 품질을 향상시키기는 어렵다. 또한, 폼이 타면서 발생하는 기체가 주물의 건전성을 해치는 단점이 잇다.

그러나, 본 발명의 주조 방법에 의하면, 중력 주조와 저압 주조를 기본으로 하기 때문에 사형주조에 비해 전반적인 미세조직 품질 수준이 높고, 주물의 중간 부분만 폼으로 형성하기 때문에 폼이 타면서 발생하는 기체 또한 적다.

그러므로, 사형 로스트폼 주조와는 다르게 금형에 형성되는 벤트(vent)를 통해서 발생하는 기체를 흡입해줄 수 있고 통상의 로스트폼 공법에 비해 상부 압탕 면적이 크기 때문에 기존의 공법과 대비하여 기공율이 낮은 건전한 주물을 얻을 수가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 각각의 주조 공법을 별도로 실시하여 접합 등을 하는 것이 아니라, 다중적(multiple)으로 적용시켜서 일거에 이종 재질을 갖는 주조품을 주조하고, 그러면서도 접합 및 미세조직상 품질이 보다 향상된 주조품을 제조할 수가 있게 하는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

100 : 주조품
110 : 로스트폼
111 : 계면
120 : 중력주조부
130 : 저압주조부

Claims

주조품 형상에 대응되는 캐비티(cavity)가 형성된 금형의 상기 캐비티 상에 로스트 폼(Lost Foam)을 배치하는 단계;
상기 금형에 형성된 저압 용탕 주입구를 통해 상기 주조품의 저압주조부 형성을 위한 저압주조용 용탕을 주입하는 단계; 및
상기 금형에 형성된 중력 용탕 주입구를 통해 상기 주조품의 중력주조부 형성을 위한 중력주조용 용탕을 주입하는 단계를 포함하는,
이종 재질 주조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 저압주조용 용탕과 상기 중력주조용 용탕의 재질은 상이한 것을 특징으로 하는,
이종 재질 주조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 저압주조용 용탕을 주입하는 단계에 의해 주입되는 저압주조용 용탕과 상기 중력주조용 용탕을 주입하는 단계에 의해 주입되는 중력주조용 용탕이 상기 로스트폼에 도달하는 시점은 동일한 것을 특징으로 하는,
이종 재질 주조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 저압주조용 용탕과 상기 중력주조용 용탕이 접합하여 형성되는 계면은 상기 로스트폼이 배치된 위치 상에 형성되는 것을 특징으로 하는,
이종 재질 주조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 캐비티 상에 중자를 배치하는 단계를 더 포함하는,
이종 재질 주조 방법.
저압주조 용탕에 의해 주조 형성되는 저압주조부;
중력주조 용탕에 의해 주조 형성되는 중력주조부; 및
상기 저압주조부 및 상기 중력주조부 사이에 위치하며, 상기 저압주조 용탕 또는 상기 중력주조 용탕에 의해 로스트 폼(Lost Foam)이 녹아서 형성되는 로스트폼 부를 포함하는,
주조품.
청구항 6에 있어서,
상기 저압주조부와 상기 중력주조부의 재질은 상이한 것을 특징으로 하는,
주조품.
청구항 6에 있어서,
상기 로스트폼 부는 일부는 상기 저압주조 용탕에 의해 녹아서 형성되고, 나머지 일부는 상기 중력주조 용탕에 의해 녹아서 형성되는 것을 특징으로 하는,
주조품.