KR20230067187A

KR20230067187A - 자동차용 부품의 동시 주조용 금형 및 그것을 이용한 동시 주조 방법

Info

Publication number: KR20230067187A
Application number: KR1020210153031A
Authority: KR
Inventors: 박훈영
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2021-11-09
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2023-05-16

Abstract

본 발명은 부품 형상에 대응되는 형상의 복수 개의 캐비티가 수평 방향으로 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 부품의 동시 주조용 금형으로서, 본 발명에 의하면, 기존 재료 및 공법 대비 회수율도 높이며 주조불량을 낮출 수 있으며, 압탕을 삭제하여 비용절감이 가능하게 한다.

Description

자동차용 부품의 동시 주조용 금형 및 그것을 이용한 동시 주조 방법{MOLD FOR SIMULTANEOUS CASTING OF AUTOMOBILE PARTS AND SIMULTANEOUS CASTING METHOD USING THE MOLD}

본 발명은 자동차용 엔진 부품을 동시에 주조하기 위한 금형과 그것을 이용한 주조 방법에 관한 것이다.

주철 엔진부품 중 예를 들어 베어링캡에 적용중인 500MPa급 범용 구상흑연주철의 경우, 많은 용량의 압탕으로 낮은 회수율 및 주조결함을 가지고 있다.

선행문헌 한국공개특허 제2010-0031131호의 개발재의 경우, 탄소당량인 C.E값을 낮춰 흑연 미세화 및 펄라이트 미세화로 높은 강도의 회주철이나, 낮은 탄소당량으로 인해 주조 후 빠른 응고가 진행되고, 이로 인해 가스배출이 원활하지 않아 주조불량이 다수 발생한다.

다른 예로 일부 베어링캡에 적용중인 FC250 범용재의 경우, 회수율은 일부 개선되지만 낱개 주조인 저수율 공법으로 30~40% 수준의 제작 및 금형 접촉부의 급냉화로 조직 불량 및 주조불량이 발생할 확률이 높아진다.

이를 해결하기 위해 기존 재료 및 공법 대비 회수율도 높이며, 주조불량을 낮출수 있는 새로운 회주철 성분계 및 공법이 필요하다.

또한, 도 1과 같이 메인베어링캡 주조를 위한 금형(10)은 복수 개의 부품을 한번에 주조하기 위해 용탕 주입구(11)로부터 용탕 분배관(12)을 통해 양 측으로 분배시키고, 용탕 분배관(12)으로주터 복수의 캐비티(1, 2, 3, 4, 5, 6)가 순차적으로 형성되어 있다.

이 같은 금형(10)에 의한 주조는 용탕 분배관(12)으로부터 가장 먼 캐비티(3, 6)에 용탕이 먼저 채워지면서 낱개로 주조되어, 그 다음에 위치한 캐비티(2, 4), 또 그 다음 캐비티(1, 3)가 순차적으로 주조되게 된다.

이 같은 방식에 의하면 도시와 같이 각 캐비티의 입구에 압탕(13)을 과다하게 형성하여야 하며, 그에 따라 회수율 30~40% 대로 비용이 상승하게 된다.

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.

한국공개특허 제2010-0031131호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 기존 재료 및 공법 대비 회수율도 높이며 주조불량을 낮출 수 있으며, 압탕을 삭제하여 비용절감이 가능하게 하는 자동차용 부품의 동시 주조용 금형 및 그것을 이용한 동시 주조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 자동차용 부품의 동시 주조용 금형은, 부품 형상에 대응되는 형상의 복수 개의 캐비티가 수평 방향으로 배열되어 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 복수 개의 상기 캐비티는 수평 방향으로 평행하게 배열된 것을 특징으로 한다.

또한, 복수 개의 상기 캐비티는 이웃하는 캐비티 간 형성된 연통로에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 한다.

나아가, 복수 개의 상기 캐비티는 동일 형상인 것을 특징으로 한다.

그리고, 용탕이 주입되는 용탕 주입구 및 상기 용탕 주입구로부터 용탕이 분기되는 용탕 분배로가 형성되며, 상기 용탕 분배로는 복수 개의 상기 캐비티 중 일 캐비티의 측면과 연통된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 관점에 의한 자동차용 부품의 동시 주조 방법은, 상기의 자동차용 부품의 동시 주조용 금형에 용탕을 주입하여 복수 개의 상기 캐비티를 충진하여 벌크(bulk)형 부품을 주조하는 단계 및 주조된 상기 벌크형 부품을 취출하여 상기 연통로를 절단하는 단계를 포함한다.

그리고, 상기 벌크형 부품을 주조하는 단계에 의해 복수 개의 상기 캐비티는 동시에 충진되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자동차용 부품의 동시 주조용 금형 및 그것을 이용한 동시 주조 방법에 의하면, 종래 범용 메인베어링캡 제조 공법 대비 주조결함이 개선된다. 즉, 기존 공정은 금형 접촉면적이 많아 급냉화로 인해 조직불량 및 주조불량이 다수 발생하였으나, 본 발명은 Bulk형 주조 및 주입라인 삭제를 통헤 주조불량 저감되며, 기존 양산 공정 불량률 약 42%를 0%로 줄일 수 있다.

그리고, 종래 범용 베어링캡 제조 공법 대비 회수율이 개선된다.

즉, 낱개 주조 대비 주입라인 삭제 및 압탕 삭제(최소화)를 통해 회수율이 개선된다. 예를 들어, 기존 공정 회수율 30~40%대인데 반해 본 발명에 의하면 회수율 70%대가 가능해진다.

또한, 소재 투입량 감소로 공정비 절감되므로, 개당 소재비 약 50%의 절감이 가능하다.

도 1은 종래 메인베어링캡의 금형을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 금형을 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 금형의 부분 측단면 형상을 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 금형의 일부 평단면 형상을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 금형에 의해 주조된 벌크형 부품을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 의해 제조된 메인베어링캡을 도시한 것이다.
도 7은 도 6의 X-X 단면이며, 도 8은 도 7의 Y-Y 단면을 나타낸 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.

도 2는 본 발명의 금형을 도시한 것이고, 도 3은 도 2의 금형의 부분 측단면 형상을 도시한 것이며, 도 4는 도 2의 금형의 일부 평단면 형상을 도시한 것이다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 자동차용 부품의 동시 주조용 금형 및 그것을 이용한 동시 주조 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 자동차용 부품의 동시 주조용 금형은 기존 금형과 달리 복수 개의 부품을 동시에 주조하는 소위 벌크(Bulk) 주조가 가능하도록 하는 금형 장치이다.

도 2는 금형(100)의 하부 형상(Bottom view)으로서, 금형에는 제조할 부품 형상에 대응되는 형상의 복수 개의 캐비티(C1 ~ C14)가 수평적으로 평행하게 배열되어 형성되며, 복수 개의 캐비티(C1 ~ C14)는 이웃하는 캐비티와 연통로(120)에 의해 서로 연결되어 형성됨으로써 주조 후 도 5와 같이 벌크(Bulk)형 주조품(B)으로 주조가 완성되며, 주조 후 연통로(120)를 절단함으로써 각각의 부품으로 제조한다.

금형(100)에는 용탕을 캐비티로 주입하기 위한 용탕 주입구(111)가 형성되고, 용탕 주입구(111)로부터 양 측방으로 용탕을 분배하기 위한 용탕 분배로(112)가 형성되며, 용탕 분배로(112)는 각각 복수 개의 캐비티 중 어느 캐비티(도시에서는 C3, C10)의 일 측면과 연통된다.

본 발명의 금형(100)은 이와 같이 구성됨으로써 용탕 주입구(111)를 통해 용탕 주입시 용탕이 용탕 분배로(112)로 분기되고, 용탕 분배로(112)로부터의 용탕이 연통로(120)를 통해서 수평적으로 평행하게 배열된 복수 개의 캐비티 전체에 동시에 충진이 시작되고 동시에 충진이 완료된다.

종래에는 주물 용탕의 경로가 길고 복잡하여 용탕의 온도 하락에 따른 주조성 하락 및 주조불량이 과다하였다.

그러나, 본 발명은 주물 용탕 경로를 삭제하여 주입구로부터 직접 용탕 공급이 가능하여, 금형 내에서 양쪽으로 각기 주입되며, 예를 들어 메인베어링캡 소재 7개소를 한번에 Bulk 타입으로 묶음 주조할 수 있다.

종래에 낱개 주조되는 경우는 금형 접촉에 따른 급냉으로 조직 불량 및 수축결함이 과다하였으나, 본 발명에서 Bulk형 주조 및 절단으로 금형 접촉부 최소화를 통해 급냉에 의한 주조결함 발생 최소화 및 개선이 가능하다.

그러므로, 낱개 주조 대비 상대적으로 고온 용탕의 직접 주입이 가능해지면서 압탕의 삭제(최소화)가 가능해지며, 회수율 상승 가능하다.

메인베어링캡 낱개별 압탕 12개 삭제 및 주입경로 삭제를 통해 소재 저감, Bulk 절단면 가공 삭제(종래 기술에서 양쪽 표면 각 1mm 가공 필요) 등으로 기존 회수율 30~40%대에서 65~70%대의 회수율(소재회수/소재투입량)을 증가시킬 수 있다.

다음은 기존 재료 및 공법 대비 회수율도 높이며 주조불량을 낮출 수 있도록 하기 위한 본 발명의 자동차용 부품의 합금 조성물을 살펴본다.

본 발명의 실시예와 비교예의 조성 및 물성을 다음 표 1과 같이 정리하였다.

구분

조성범위(wt%)

물성

C

Si

Mn

P

S

Mo

Cr

Cu

Ni

Mg

인장강도(MPa)

경도(HB)

실시예1

3.2~3.6

1.9~2.3

0.4~0.9

0.1max.

-

0.10~0.30

-

250이상

180~250

비교예1

3.0~3.4

1.8~2.0

0.55~0.90

0.1max.

0.15max.

0.3~0.6

0.35~0.62

0.2max.

-

260이상

197~269

비교예2

3.0~4.0

2.0~3.0

0.2~0.6

0.1max.

0.15max.

-

0.3max.

0.5max.

1.0max.

0.015min.

500이상

170~241

탄소(C)는 주조 유동성과 원활한 가스배출을 위해 비교예1 수준의 탄소 함량인 3.0~3.40 wt%에서 3.20~3.60 wt% 범위로 제한한다.

규소(Si)는 탄소당량 주요결정 원소로서 과도하게 증가할 경우 흑연 정출량이 높아져 흑연성장이 과다해질 수 있으므로 1.8~2.0 wt%에서 1.9~2.3wt%로 제한한다.

인(P)은 응고와 관련된 탄소당량과 연관되어 있다. 과다할 경우, Fe3P가 석출되어 가공성이 나빠질 수 있으므로 비교예 1, 2 수준인 0.1 wt%이하로 제한한다.

그리고, 주입 및 가스 배출을 위해 탄소당량 (C+1/3(Si+P))은 4.0 wt% 이상으로 제한한다.

다음, 망간(Mn)은 조직 내에 분포하여 기지조직인 펄라이트 안정화를 통해 강도를 올려주는 효과가 있다.

허나, 1wt% 이상 첨가되면 강도는 상승하나 흑연형성을 방해하게 되어 비교예1 수준인 0.4~0.9wt% 로 제한한다.

구리(Cu)는 펄라이트 형성을 촉진 및 미세화하고 안정화시키므로 함량을 증대시켰으며, 과도하게 증대할 경우 절삭성 및 가공성이 나빠질 수 있으므로 0.10~0.3wt% 범위로 제한한다.

이상과 같은 본 발명의 합금 조성 및 금형에 의한 주조 방법에 대한 주조 결함 확인을 위해 절단 검사를 비교 실시하였다.

구분	조성범위(wt%)										불량율(%)	회수율(%)	물성
구분	C	Si	Mn	P	S	Mo	Cr	Cu	Ni	Mg	불량율(%)	회수율(%)	인장강도(MPa)	경도(HB)
실시예1+본발명 금형	3.4	2.2	0.61	0.05	0.05	-	-	0.2	-	-	0	약70	261	188
비교예1+종래금형	3.2	1.95	0.66	0.04	0.03	-	0.2	0.51	-	-	42	약40	279	195
비교예2+종래금형	3.67	2.76	0.45	0.041	0.011	-	0.01	0.34	0.02	0.036	90	약30	548	194

위와 같이 본 발명의 실시예1과 비교예1의 결과를 통해 공정에 따른 주조불량률 절단 검증 결과, 42% → 0% (5/12EA → 0/12EA) 으로 주조결함이 크게 개선되었음을 알 수 있다.

주입구 위치 변경 및 압탕 삭제(최소화)를 통한 소재 투입량 감소를 통한 회수율 개선 (약 40% → 약 70%) 확인하였다.

비교예2의 경우, 주조불량률 90% 수준이며, 회수율은 약 30% 수준으로 확인하였다. 비교예2의 구상흑연주철 특성 상, 회주철 대비 수축이 많이 발생하여 주조불량이 다량 발생하고 회수율 또한 낮은 것으로 확인되었다.

다음, 도 6은 본 발명에 의해 제조된 메인베어링캡(P)을 도시한 것이며, 도 7은 도 6의 X-X 단면이며, 도 8은 도 7의 Y-Y 단면을 나타낸 것이다.

이상과 같은 합금 조성 및 본 발명의 금형에 의한 주조 방법에 의해서 본 발명은 수평 주조 적용 및 탄소당량의 조성범위를 4.0 wt% 이상으로 제한하여 시험주조한 결과, 단면부에서 주조결함이 관찰되지 않은 것을 확인할 수 있다.(불량률 0%, 0대 불량/12EA 주조)

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 : 금형
111 : 용탕 주입구
112 : 용탕 분배로
120 : 연통로
C1 ~ C14 : 캐비티

Claims

부품 형상에 대응되는 형상의 복수 개의 캐비티가 수평 방향으로 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는,
자동차용 부품의 동시 주조용 금형.
청구항 1에 있어서,
복수 개의 상기 캐비티는 수평 방향으로 평행하게 배열된 것을 특징으로 하는,
자동차용 부품의 동시 주조용 금형.
청구항 2에 있어서,
복수 개의 상기 캐비티는 이웃하는 캐비티 간 형성된 연통로에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 하는,
자동차용 부품의 동시 주조용 금형.
청구항 3에 있어서,
복수 개의 상기 캐비티는 동일 형상인 것을 특징으로 하는,
자동차용 부품의 동시 주조용 금형.
청구항 3에 있어서,
용탕이 주입되는 용탕 주입구; 및
상기 용탕 주입구로부터 용탕이 분기되는 용탕 분배로가 형성되며,
상기 용탕 분배로는 복수 개의 상기 캐비티 중 일 캐비티의 측면과 연통된 것을 특징으로 하는,
자동차용 부품의 동시 주조용 금형.
청구항 3의 자동차용 부품의 동시 주조용 금형에 용탕을 주입하여 복수 개의 상기 캐비티를 충진하여 벌크(bulk)형 주조품으로 주조하는 단계; 및
주조된 상기 벌크형 부품을 취출하여 상기 연통로를 절단하는 단계를 포함하는,
자동차용 부품의 동시 주조 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 벌크형 주조품을 주조하는 단계에 의해 복수 개의 상기 캐비티는 동시에 충진되는 것을 특징으로 하는,
자동차용 부품의 동시 주조 방법.