KR970008033B1 - 금형주조용 주형과 그의 제조방법 및 그것을 사용한 주조방법 - Google Patents

Abstract

요약 없음.

Description

금형주조용 주형과 그의 제조방법 및 그것을 사용한 주조방법

도1은 본 발명의 1실시예인 금형주조용 주형의 구성 및 그의 제조방법을 도시한 단면흐름도,

도2는 금형 표면에 요철을 마련한 경우의 주형 표면부의 주요부의 확대단면도,

도3은 금형 표면에 다른 패턴의 요철을 마련한 경우의 주형 표면부의 주요부 확대단면도.

도4는 금형 표면에 또 다른 패턴의 요철을 마련한 경우의 주형 표면부의 주요부의 확대단면도,

도5는 주조공정의 1예를 도시한 단면흐름도.

본 발명은 금형 주조에 사용되는 주형과 주형의 제조방법 및 그것을 사용한 주조방법에 관한 것으로, 특히 기계장치를 형성하는데 사용되는 정밀 주조품을 제조하는데 적합한 주형과 주형의 제조방법 및 그것을 사용한 주조방법에 관한 것이다.

주지한 바와 같이, 금형주조는 금속제의 주형을 사용하는 것에 의해 실행된다. 금형주조는 정밀한 기계요소 주조품 또는 부품을 대량 및 저코스트로 제조할 수 있는 유효한 주조법으로서 알려져 있다. 금형을 형성하는데 사용되는 금속재료로서는 통상 합금강, 주강, 주철, 동, 동합금 등이 사용되고 있다.

또, 금형의 수명을 연장하기 위해 금형의 표면에 여러종류의 피복재를 도포하여 보호층을 형성하고 금형을 사용하고 있다.

이러한 종류이 피복재로서는 예를들면 일본국 특허공개공보 소화 58-9740호에 기재되어 있는 바와 같이 내열성 및 강도를 향상시키기 이해 서로 재질이 다른 복수층의 두꺼운 피복 및 단층의 피복을 사용하는 경우 이외에도 그을음을 사용하는 예가 있다.

또한, 니켈 함유 주강용의 금형을 마련하도록 복수층의 두꺼운 피복재로서 지르콘 또는 마그네시아계 재료를 사용하는 것이 일본국 특허공개공보 소화 62-240134호에 기재되어 있다.

통상, 이들 피복재는 예를들면 그을음의 경우 아세틸렌을 태워 그의 화염을 금형 표면에 도포하는 방법에 의해 마련된다. 또한, 다른 방법으로서는 미세분말 형상의 피복재에 물 또는 용액을 혼합하여 혼합물을 마련하고 솔로 금형에 칠하는 것이 있다. 또, 다른 방법으로서 분무 노즐을 통해서 피복재를 금형으로 불어넣는 방법도 있다.

이들 방법중 어느 것에 있어서도 금형 표면에 재현성.좋게 소정의 두께로 피복재를 도포하는 것은 곤란하다. 특히, 1mm 정도의 두께를 가는 피복층을 형성하기 위해 피복재 도포작업을 여러번 실행해야만 한다. 높은 신뢰성으로 ±0.2mm 정도의 두께의 재현성을 갖는 피복층을 형성하는 것은 곤란하고 또한 피복재를 마련하는 작업시간도 너무 길어 생산적이지 못하다.

이러한 관점에서 피복재의 도포동작은 번거로우므로, 피복재를 한번 도포한 후 피복재가 가능한 한 장시간 유지되는 것이 바람직하고, 또는 피복재가 장시간의 사용에 견디지 못하는 경우 피복재를 용이하게 도포할 수 있는 것이 바람직하다. 금형을 주조품으로부터 용이하게 분리해서 피복재의 수명을 연장하고 또한 응고 및 수축한 주조품을 금형으로부터 용이하게 인출하기 위해, 금형에 2∼5도의 큰 드래프트(테이퍼)를 마련할 필요가 있으므로 큰 드래프트로 인해 주조품의 형상 정밀도을 향상시킬 수 없다는 문제가 있었다.

한편, 예를들면 1993년 2월 9일에 일본 주물협회 후원하의 주물기술강연회의 텍스트 12 페이지에 주조품의 벽두께의 감축 및 치수정밀도의 향상에 관한 연구사례가 기재되어 있는 바와 같이, 사형(sand mold)을 금형으로 보강하는 소위 백메탈법(back-metal method)도 고정밀도의 주조품을 제조하는 방법으로서 사용되었다. 그러나, 종래 기술에서는 모래층(sand layer)의 두께가 5∼6mm 이상으로 너무 두꺼워서 주조금속의 냉각속도를 금형주조의 냉각속도까지 높게 할 수 없었다. 또, 주조후 모래를 붕괴해서 회수하기 위해 추가 공정이 필요하게 된다. 그러므로, 모래 처리의 설비가 대규모로 된다는 문제가 있었다.

또, 금형의 공동(cavity)면에 표면사(facing sand)를 흡착시키는 방법이 일본국 특허공개공보 평성 4-344850호에 기재되어 있다. 이 방법에 의하면, 상술한 종래의 피복층의 두께보다 표면사의 층두께를 두껍게 할 수가 있다. 그러나, 표면사가 흡입된 후 통기성이 우수한 표면사를 얇은 두께로 흡착하는 것이 곤란하다. 그러므로, 이 공정에서는 흡착이 불확실하게 된다는 문제가 있었다.

또한, 이 공정에 있어서는 자유롭게 진퇴가능한 진퇴가능 패턴판을 금형의 공동 내에 삽입하여 표면사의 두께를 설정한다. 그러나, 패턴판은 그의 지지부재에 의해서만 지지되어 있으므로, 모래를 충전할때 모래의 압력분포의 불균일에 의해 지지부재가 변형되기 쉬워 패턴판은 위치가 불안정하게 된다. 따라서, 흡착되는 표면사의 두께도 크게 변화되기 쉽다. 또한, 지지방법이 한정되어 있으므로, 주조품의 형상도 또한 한정된다.

본 발명은 종래 기술의 상기 문제점을 해결하기 위한 것이다.

본 발명의 제1의 목적은 정밀 주조품의 제조에 적합한 금형주조에 사용되는 개량된 주형, 특히 금형을 보호하는 피복재로서 붕괴성이 우수한 주물사층(molding sand layer)을 소정의 두께 또는 두께 분포로 재현성 좋게 또한 높은 생산성으로 금형 표면에 형성한 주형을 제공하는 것이다. 본 발명에 의하면, 드래프트(테이퍼)가 작고 치수 편차가 작으면 치수 정밀도가 높은 주조품을 용이하게 제조하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 제2의 목적은 제1의 목적이 달성되는 주형을 높은 생산성으로서 용이하게 제조할 수 있는 개량된 주형의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제3의 목적은 상기 제1의 목적이 달성되는 주형을 사용해서 기계가공성이 우수한 정밀 주조품을 제조할 수 있는 주조방법, 특히 공정흑연주철(共晶黑鉛鑄鐵)의 주조품을 용이하게 제조할 수 있는 주조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1의 목적은 표면이 주조품의 형상에 대응하는 형상으로 성형된 금형 및 피복층으로서 금형표면에 부착되어 있고 또한 공정흡연조직을 갖는 주조품을 얻는 얇은 두께의 열경화성 수지에 의해 경화고착된 주물사층을 포함하는 주형에 의해 달성된다. 냉각속도는 주물사(casting sand)의 재질에도 의존하지만, 주조시의 주형의 냉각속도에 영향을 미치는 열전도를 고려해서 금형을 사용하여 구성한 주형의 이점을 최대한으로 발휘시키기 위해서는 주물사층의 두께를 얇게하거나 소정의 두께 분포를 갖는 것이 중요하다. 실용적으로도 주물사층의 두께는 0.5∼3mm 정도가 바람직하다.

또, 주물사층을 구성하는 주물사로서는 규사, 지르콘사(砂), 크로마이트사, 실리콘 탄화규소사, 카본입자 및 세라믹 입자중의 하나 또는 그들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.

또, 주물사층이 금형의 표면에서 박리되는 것을 방지하기 위해, 금형의 표면에 요철을 마련하는 것이 바람직하다. 이 요철형상을 적어도 주물사의 평균입자직경 정도의 크기로 하고, 주물사층의 두께가 크게 변화하지 않도록 가능한 한 작게 한다.

또, 주조품의 품질을 높이기 위해 금형이 드래프트를 1도 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 금형을 구성하는 금속으로서는 열전도가 우수한 예를들면 동 또는 동합금의 금속이 바람직하다.

상기 제2의 목적은 ① 표면이 주조품의 형상에 대응하는 형상으로 성형되고, 또 후공정에서 주물사층이 형성될 금형 표면을 규정하는 금형벽을 거쳐서 형성된 취입구멍(blowing hole)이 표면에 마련된 금형 및 주조품의 형상과 거의 동일한 형상이고 통풍구(vent) 및 가스배출구(vent hole)가 마련되어 있는 성형몰드를 준비하는 공정, ② 후공정에서 소정의 두께 또는 두께분포의 주물사층을 형성하도록 금형과 성형몰드 사이에 소정의 간격을 두고 금형 및 성형몰드를 조합하는 공정, ③ 열경화성수지로 피복된 주물사 또는 열경화성수지와 주물사의 혼합물을 공기 등의 압축기계와 함께 불어넣고 수지피복층 또는 혼합물로 상기 간격(space)을 메우는 공정, ④ 가열에 의해 열경화성 수지를 경화하여 주물사를 금형에 고착시키는 공정, ⑤ 금형으로부터 성형몰드를 분리하는 공정을 포함하고, 이것에 의해 금형 표면에 소정의 두께 및 두께 분포를 갖는 주물사층을 형성하는 주형의 제조방법에 의해 달성된다.

금형의 재질 및 주물사의 조성 등은 본 발명의 제1의 목적 달성 수단중에서 설명한 바와 같다. 열경화성수지로서는 예를들면 페놀수지 등이 사용된다. 또, 통풍구 및 가스배출구가 마련된 성형몰드를 금형과 동일한 물성을 갖는 금속 또는 유사한 금속으로 형성한다. 그리고, 주형 분리를 용이하게 하기 위해서 이형제(mold-release agent)를 성형몰드에 도포하는 것이 바람직하다.

②의 성형몰드를 조합하는 공정에 앞서, 예를들면 금형의 표면에 대해서 고압의 공기, 모래, 강입자, 경금속입자, 세라믹입자, 소립자의 글라스 비드 등의 적어도 1개의 유체를 불어넣어 금형 표면에 부착된 모래나 먼지 등을 제거하는 금형청소공정을 실행하는 것이 바람직하다.

가열에 의해 열경화서 수지를 경화하여 주물사를 금형에 고착시키는 공정 ④로서, 간격을 주물사로 충전하는 공정후에 가열공정 ④를 독립적으로 실행하여 수지를 경화해도 좋다. 그러나, 실용적으로 성형몰드를 조합시키는 공정 ②에 앞서 금형 및 성형몰드를 미리 소정의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 수지피복 주물사 또는 주물사와 수지의 혼합물로 간격을 메우는 공정시에 발생하는 냉각온도특성을 고려해서 미리 가열온도를 제어하는 것에 의해, 간격을 주물사로 충전한 후 금형 및 성형몰드로부터 전달되는 열에 의해서 열경화성 수지를 용이하게 경화시킬 수가 있다.

본 발명의 제3의 목적은 ① 금형표면에 주물사층을 각각 갖는 적어도 한쌍의 좌우측의 주형을 조합하고 고정하는 것에 의해 본 발명의 제1의 목적에서 달성된 주형을 마련하는 공정, ② 소정의 온도로 주형의 온도를 제어하는 공정, ③ 소정 온도를 갖도록 제어된 조합 주형에 소정 온도의 용융금속을 주입하고 금속이 응고할 때까지 용융 금속을 유지하는 공정, ④ 주조품을 인출하는 공정을 포함하는 주조방법에 의해 달성된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 주물사 및 열경화성 수지로 이루어지는 주물사층이 주조품과 거의 동일한 형상인 성형몰드를 사용하여 금형표면에 소정의 두께로 형성되므로, 재현성이 우수한 주형을 생산성 좋게 얻을 수가 있다.

또, 본 발명에 의하면, 주물사층을 성형몰드로 정밀도 좋게 형성하고 또 금형에 주물사층을 확고하게 고착할 수 있으므로, 드래프트가 낮고 정밀도가 우수한 주형을 얻을 수 있다. 또한, 금형에 형성된 주물사층은 붕괴성이 우수한 주물사에 의해 형성되므로, 드래프트가 매우 낮은 경우에도 금형을 손상시키는 일 없이 주조품을 용이하게 인출할 수 있는 주형을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 주물사층을 열변형이 작은 금형의 표면에 적절한 냉각속도를 얻을 수 있는 두께로 재현성 좋게 형성할 수 있으므로, 기계가공성이 우수한 공정흑연주철 조직의 주조품을 생산성 좋게 제조할 수 있다.

본 발명에 있어서, 간격을 두도록 성형몰드와 금형을 조합시키고, 이 간격을 고압의 공기를 사용하여 주물사와 열경화성수지의 혼합물 또는 표면이 열경화성수지로 미리 피복되어 있는 다른 주물사로 충전한다. 금형 및 성형몰드는 모두 적절한 온도로 미리 가열되므로, 열경화성수지가 경화하여 주물사 입자를 서로 고착시킴과 동시에 모래의 피복층을 금형에 고착시킨다.

성형몰드를 사용해서 소정의 두께 또는 0.5∼3mm 범위의 두께 분포를 갖는 얇은 주물사층을 재현성 좋게 형성하는 것이 가능하다.

또, 금형의 재료, 주물사의 재료 및 주물사층의 두께를 선정하는 것에 의해, 용융금속을 소정의 냉각속도로 냉각시킬 수 있다.

또, 주조시, 용융금속은 0.5∼3mm 범위의 두께를 갖는 얇은 주물사층내에 포함된 열경화성수지를 용이하게 열분해하여 주물사층을 용이하게 붕괴시킨다. 주조품의 응고 및 냉각시의 열수축은 주조품이 금형에 고착하는 것을 방지하므로, 주조품의 드래프트가 0∼1도인 경우에도 주형품을 주형에서 용이하게 분리할 수 있다. 또한, 금형에 손상을 입히지 않으므로, 금형의 수명을 연장하는 효과도 있다.

또, 주물사층의 두께가 얇으므로 열경화성수지의 양을 저감할 수 있어 주조시에 발생하는 수지의 열분해 가스도 저감할 수 있으므로 불량 주조품을 감소시킬 수 있다. 사용되는 모래의 양이 매우 적고 주물사층의 붕괴성이 양호하므로, 모래의 회수가 용이하다. 그러므로, 본 발명은 자원의 절약에 기여한다. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면에 따라서 설명한다.

<실시예 1>

본 실시예는 주형의 구성 및 그의 제조예를 도시한 것으로, 이하 도 1∼도 4에 따라서 구체적으로 설명한다. 특히, 도 1은 금형표면에 주물사를 피복하는 주형의 일련의 주조공정을 도시한 단면흐름도이다. 도 2∼도 4는 금형 표면부의 일부를 각각 도시한 부분확대도이다. 우선, 도 1의 공정에 따라 실시예 1을 설명한다.

(a) 금형청소공정에서는 금형(1)의 표면에 대해 고압의 공기, 모래, 강입자, 경금속입자, 세라믹입자, 소립자의 글라스비드 중의 적어도 1개의 유체를 불어넣고, 금형표면에 부착되어 있는 모래나 먼지 등을 제거하는 것에 의해 깨끗한 금형표면을 얻는다. 이 공정에 있어서 금형내이 좁고 깊은 부분에는 모래 또는 강입자가 남기 쉬우므로 이 부분에 주물사 취입용 구멍을 마련하고, 압입장치를 사용하여 구멍을 차단하는 주물사층의 일부를 제거한 후에는 구멍이 모래 및 강입자의 통로로 되므로 금형의 세정을 용이하게 실행할 수 있게 된다.

실시예 1에서는 비교적 유연한 동으로 이루어진 금형을 사용하므로, 역시 유연한 아연입자를 금형 세정을 위한 취입을 실행하는데 사용하였다. 아연 입자와 모래 사이의 입자크기를 다르게 하는 것에 의해 모래와 혼합된 아연입자를 모래에서 용이하게 분리할 수 있으며, 이때의 아연의 입자크기는 0.5∼0.6mm, 아연 입자를 불어넣은 공기압은 2kgf/cm², 취입노즐의 내부직경은 6mm, 취입길이는 150mm 정도이다.

(b) 금형온도 제어공정에서는 금형(1) 및 성형몰드(4)를 가열 또는 냉각해서 주형을 소정의 온도로 설정한다. 성형몰드(4)에는 주지의 이형제, 예를들면 Si를 포함하는 무기물 미립자를 물에 분산시킨 용액을 도포한다.

금형 표면의 형상에 관계없이 주조시의 용융금속의 응고 및 수축에 의해 금형표면의 일부분에 변형이 발생한다. 이 경우, 보정금형을 사용하는 것에 의해 부분적으로 변형된 주형을 그때마다 보정하는 부가 공정을 실시해도 좋다.

(c) 성형몰드 조합공정에서는 주조품의 표면과 동일한 형상을 갖는 성형몰드(4)를 금형(1)과 조합하고, 그들 사이에 소정의 두께를 갖는 주물사층을 형성하기 위한 틈(gap)(6)을 규정한다. 성형몰드(4)와 금형(1)을 서로 조합할때, 틈(6)이 소정의 치수로 되도록 금형(1)의 표면형상을 미리 형성한다.

(d) 주물사 취입공정에서는 금형(1)에 마련되어 있는 취입구멍(5)에 취입관(7)을 삽입하고, 이 취입관(7)을 통해서 미리 표면에 열경화성수지가 피복된 주물사(8)를 틈(6)에 충전한다. 취입관(7)은 도시하지 않은 주물사 저장부에 연결되어 있다.

최근, 일반적으로 표면이 열경화성수지로 미리 피복된 주물사(소위, 수지 피복사 : resin-coated sand)를 사용한다. 실시에 1에서도 또한 수지피복사를 사용한다. 또, 공기를 사용하여 좁은 틈에 모래를 충전하므로, 다른 수지를 사용하는 것보다 처리 및 충전시에 실온에서 고체인 열경화성수지를 사용하는 것이 용이하다. 주물사 저장부와 취입구멍(5)가 연통하도록 주물사 취입공정에서는 취입관(7)을 사용하지 않고 패킹에 의해 주물사 저장부를 금형에 직접 인접시키는 것에 의해 주물사(8)을 틈(6)에 충전시킬 수도 있다. 주물사의 취입에는 소위 하측취입(under blow), 상측취입(top blow) 및 측면취입(side blow)의 방법 중 어느 하나를 사용하는 것이 가능하다.

주물사는 예를들면, 1∼5kgf/cm²압력의 공기를 사용하는 것에 의해 틈으로 도입된다. 성형몰드(4)에는 통풍구(2) 및 가스배출구(3)이 미리 마련되어 있으므로, 공기는 주물사(8)을 통과하여 통풍구(2) 및 가스배출구(3)을 통해서 성형몰드(4)의 외부로 배출된다. 주물사(8)은 공기흐름에 따라서 이송된다. 취입구멍(5), 통풍구(2) 및 가스배출구(3)은 금형(1) 및 성형몰드(4)의 형상에 맞는 적절한 위치에 마련되어 있으므로, 틈(6)에 주물사(8)을 거의 완전하게 충전시킬 수 있다.

주물사(8)이 취입관의 내부에 흡착고정되는 것을 방지하기 위해, 주물사(8)에 의한 틈의 충전을 1초 이하의 시간 동안 완성한 후, 주물사 저장부의 압력의 저하, 취입관의 인출 및 압축공기 또는 수냉판을 사용하여 취입관의 냉각을 실행한다.

성형몰드의 재료에 있어서, 주조품을 대량생산방법에 의해 생산할 필요가 없고 그 주조품의 형상이 간단하다면, 성형몰드의 재질로서 열경화성수지에 부착하지 않는 경질이고 내열성의 폴리테트라플루오르에틸렌을 사용할 수 있으므로, 이형제를 사용할 필요가 없다. 또, 취입관을 사용하는 경우 폴리테트라플루오르에 틸렌부에 취입구멍을 마련할 수 있으므로 취입관을 열적으로 절연한 수 있어 주물사가 서로 고착되는 것을 용이하게 방지할 수 있다. 폴리테트라플루오르에틸렌으로 이루어지는 성형몰드의 온도가 실온이고 금형온도가 150℃인 경우, 주형이 성형을 대략 100번 실행할 수 있다.

이 취입공정에서 사용된 주물사는 지르콘사이고, 그 입도분포는 표 1에 도시한 바와 같다. 또, 열경화성수지에는 페놀수지를 사용하였다. 지르콘사 중량 1에 대해 수지중량이 4중량%를 초과하면, 주조시에 수지가 분해되어 발생한 가스에 의한 주물의 불량이 발생하게 되었다. 또, 수지중량이 0.5중량% 이하로 되면 주물사층 강도가 저하하여 성형불량을 일으키게 되었다. 본 실시예에서는 지르콘사 중량 1에 대해 수지중량이 0.8%인 주물사(8)을 사용하였다.

[표 1]

금형(1) 및 성형몰드(4)를 금형온도 제어공정(b)에서 미리 소정의 온도로 가열하고 틈(6)을 주물사(8)로 충전한 후, 주물사층이 금형(1)의 표면에 흡착되고 반응수지가 모래입자와 서로 결합하는 열경화성 수지의 경화반응이 진행되어, 주물사(8)을 포함하고, 소정이 두께를 갖는 주물사층이 형성된다.

예를들면, 열경화성수지로서 페놀수지를 사용했을때의 금형온도(금형온도와 동일한 값의 성형몰드(온도)와 경화시간의 관계를 표 2에 나타낸다. 금형온도를 250%가 되도록 설정하면 대략 10초의 단시간에 페놀수지가 경화한다.

따라서, 생산성이 높은 주물사층(9)를 형성할 수 있다.

주물사층(9)의 소정의 두께는 주물사(8)의 종류에 따라 변하지만 주물사층(9)의 두께는 공정흑연조직의 주철품을 생산하기 위해서는 0.5∼3mm 범위내의 소저의 값이면 실용상 충분하다. 금형의 특징을 발휘시키기 위해서는 열전도를 고려해서 주물사층(9)의 두께를 얇게하는 것이 중요하다.

[표 2]

수지경화후, 성형몰드 분리공정(e)에 따라 성형몰드(4)를 금형(1)에서 분리하는 것에 의해, 피복층(9)가 형성된 주형(10)이 제조되지만, 대기에 노출되어 있으므로 주형(10)은 냉각 수축된다. 예를들면, 동금형의 열팽창계수는 페놀수지가 지르콘입자에 피복된 주물사의 열팽창계수의 대략 3배이다.

그러므로, 금형표면을 거칠게해서 고정(anchor) 효과를 발생하는 요철을 마련하여 주물사층(9)가 박리되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

도 2, 조 3 및 도 4는 금형표면에 요철을 마련한 금형표면부를 각각 도시한 부분확대도이다. 도면에 있어서, (11), (12) 및 (13)은 서로 다른 패턴의 요철을 나타낸다. 박리방지효과만 고려한다면 요철의 치수(14)는 큰편이 좋다.

그러나, 요철은 요철의 치수에 따라 층두께가 불균일하게 되어 용융금속과 금형(1) 사이의 열전도특성이 장소에 따라서 변화한다. 따라서, 요철지수는 주물사층이 박리되지 않는 범위내로 가능한 한 작게하는 것이 바람직하다. 실험에 의하면, 적어도 주물사(8)의 평균입자 크기와 거의 동일한 치수의 요철(14)를 마련하는 것에 의해 박리를 방지하는 효과가 실현된다.

실용적으로 바람직한 요철(14)의 평균값은 주물사의 평균입자크기로 0.5mm 정도이다. 이 정도의 요철을 마련하는 것에 의해 동으로 이루어진 금형의 온도를 200℃까지 가열하여 주물사층(9)를 형성하는 경우, 100℃까지 냉각해도 주물사층의 박리는 발생하지 않는 것을 확인하였다. 요철의 형상은 상기한 바와 같이 단면이 직각인 요철(11)(엔드밀을 사용하여 단차가공으로 형성된 요철), 가공공구마크의 요철(12)(공구가 금형표면을 기계적으로 가공한 후 금형표면상에 형성된 요철) 및 와이어 그리드로 표면을 거칠게 하는 것에 의해 형성된 요철(13)중 어느것으로도 효과를 발휘할 수 있다.

본 실시예에서는 금형(1)을 순동, 성형몰드(4)를 동합금으로 각각 형성하고, 주물사층(9)의 두께는 1mm, 2mm 및 3mm의 3종류의 것을 제조한다. 어느 경우에도 표면이 평탄하고 양호한 얇은 주물사층(9)를 형성할 수 있다.

실시예 2에서는 상기 실시예 1에서 얻은 주형을 사용하는 주조예를 설명한 것이다. 이하, 도 5의 단면흐름도에 따라 실시예 2를 설명한다.

(a) 주형조합공정에서는 주물사층(9)를 형성한 좌우대칭의 동일구조의 주형을 2개 준비하고, 좌측 주형(15)와 우측 주형(16)을 조합해서 고착한다.

(b) 주형온도 제어공정에서는 히터(17)의 열에 의해 조합해서 주형(18)을 소정의 온도로 설정한다. 금형(18)이 상기 주형조합공정에 있어서의 소정의 온도와 동일하거나 그 이상의 온도에 이미 도달한 경우에는 금형(18)을 자연냉각하거나 팬(19)를 사용해서 강제냉각시킨다. 본 실시예에서는 주형을 서로 조합한 후, 주형 온도를 설정한다. 그러나,좌측 주형(15)와 우측 주형(16)의 온도하강특성을 파악한 후 주형조합 전에 하강 온도를 고려해서 온도를 설정해도 좋고, 가열방법으로서 가스연소 가열방식, 냉각방법으로서 주형내의 수냉방식을 사용해도 좋은 것은 물론이다.

(c) 용융금속 주입공정에서는 적절하게 온도관리한 주형(18)에 용융 주조금속(20)을 주입하다. 용융금속을 주입한 후 응고할때까지 주형을 조합시킨 상태로 유지한다.

(d) 주조품 인출공정에서는 좌측 주형(15)와 우측 주형(16)을 서로 분리해서 주조품(21)을 인출한다. 이때, 금형에 주물사층(9)가 고착되어 있는 열경화성수지를 주조금속(20)의 열에 의해서 열분해하므로, 주물사층(9)은 쉽게 붕괴된다. 그러므로, 본 발명에서는 종래와 같이 모래를 붕괴해서 회수하는 어떤 특별한 공정을 필요로 하지 않아 주조품의 인출이 매우 용이하다.

이 주조예에서는 단순한 형상의 링형상의 주조품(21)의 예를 도시하였다. 그러나, 주조품(21)이 복잡한 형상인 경우, 용융금속을 주입할때 금형온도의 균일성을 유지하는 것은 용이하지 않고, 즉 금형이 열변형하기 쉽다. 이와 같은 경우에는 금형재로서 열전도가 양호한 동 또는 동합금을 사용하여 금형내의 온도 구배를 완만하게 하는 것에 의해 열변형 정도를 작게하는 것이 바람직하다.

동으로 이루어진 금형은 철계금속형에 비해 유연하겨 금형의 취급시에 이 유연한 금형이 손상되기 쉽다. 또, 반복해서 자주 금형을 사용하는 경우 주물사의 충전시 모래가 금형표면과 고속으로 충돌하고 이 충돌한 모래의 연삭작용에 의해서 금형표면이 마모된다. 따라서, 주조품을 대량 생산하는 경우 금속이 동보다 열전도율이 작게 되지만, 고온특성과 내마모성이 우수한 금속, 예를들면 동-크롬-실로콘합금, 동-베릴륨합금, 모넬금속 등을 금형재로서 사용해도 좋다. 또, 동의 표면에 니켈 또는 크롬 등의 경질금속을 도금하는 것에 의해서도 내마모성을 대폭으로 향상시킬 수 있다.

이 주조예에서는 주조금속(20)으로서 표 3에 도시한 조성의 주철재를 사용해서 주조를 실행한다. 따라서, 실시예 2에 있어서의 방법의 목적이 공정흑연조직을 얻는 것이므로, 주형온도 제어공정(b)에서는 금형온도를 100~150℃ 정도로 설정한다. 그 이유는 예를들면 실온 ~60℃의 온도에서는 수분이 금형에 부착하기 쉽고, 용융금속의 주입시에 수분이 급격하게 가열되어 증기로 되고 용융주철이 분산될 위험을 발생시키므로서 불량 주조가 발생하기 때문이다. 한편, 온도가 200℃ 이상으로 되면, 주철의 냉가속도가 느려 공정흑연조직을 얻는 것이 곤란하게 되고, 가열 및 냉각시 금형의 열피로가 증가하므로 금형의 수명이 단축된다.

[표 3]

금형은 순동으로 이루어지고 그위에 열전도성이 우수한 얇은 주물사층(9)가 형성되어 있으며, 주물사층의 경우 두께는 1mm, 2mm 및 3mm의 3종류가 적합하다. 따라서, 주조금속(20)의 냉가속도를 높일 수 있고, 주조품(21)의 표면에서 수 mm의 깊이까지의 범위의 공정흑연조직을 얻을 수가 있다.

그러므로, 주조품을 주조한 상태 그대로는 사용할 수 없고 주조품을 기계 가공한 후 기계의 부품으로서 사용하는 경우, 종래의 사형주조기술에서 얻은 편(片)형상 흑연주철조직에 비해 기계가공성이 우수한 공정 흑연주철조직을 얻을 수 있다. 또, 본 발명의 기술에 의해 정밀주조품을 용이하게 제조할 수 있고, 금형표면의 소정의 얇은 두께의 주물사층(9)를 용이하게 형성할 수 있으므로, 일단금형을 마련해 두면 주형은 주물사층(9)를 새롭게 형성하는 것만으로 반복해서 사용할 수 있으며, 따라서 본 발명의 기술은 경제성이 우수하여 가공비를 대폭으로 저감할 수 있다.

드래프트값은 주조품의 형상에 의해서도 변화하지만 종래기술에서는 주조품에 마련된 드래프트(테이퍼)가 2∼5도의 비교적 큰 값을 가져야 하므로, 주조품을 주형에서 분리할 수 있도록 해야한다. 그러나, 본 발명에서는 금형의 표면에 붕괴성이 양호한 얇은 주물사층이 형성되어 있으므로, 주조품의 드래프트(테이퍼)가 0∼1도인 경우에도 금형에 손상을 입히지 않고 금형을 용이하게 분리할 수 있어 드래프트의 감소로 인해 주조품의 품질을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 사실, 본 실시예에서는 주조품(21)의 전면에 있어서 드래프트는 0.5도이다.

또, 종래의 금형주조에서는 주형의 피복층의 두께가 매우 얇고 또한 불균일했기 때문에, 주조품의 두께가 얇은 부분은 급냉되어 칠드화된다. 그러나, 본 발명에 의하면, 칠드화된 부분에 대응하는 주물사층을 국부적으로 두껍게하는 것은 금형(1)을 가공하는 것에 의해 가능하고, 국부적인 냉각속도의 저하가 도모되므로 용이하게 칠드화를 방지하는 것이 가능하게 되었다. 주물사층 두께를 3mm로 성형하고, 주조한 주물의 두께 5mm, 높이 18mm의 리브선단에 칠드를 발생했지만, 칠드화된 부분에 대응하는 주물사층을 국부적으로 4mm로 하는 것에 의해 칠드는 없어졌다. 또, 두께를 늘려 8mm를 초과하게 되면 주조시의 가수발생량이 증가하여 외관 불량이 리브에 나타나게 되었다. 본 실시예에서는 칠드화를 방지하기 위한 국부적인 주물사층의 두께 4mm로 하였다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의해 소기의 목적을 달성할 수 있다. 특히, 복잡한 형상의 주조품을 주조하는 경우, 모래의 코어를 사용하는 종래의 기술에서는 주조품마다 코어를 형성해서 조합해서 하므로 주조품의 생산비가 높다. 또, 코어와 접촉하는 주조금속부는 금형과 접촉하는 다른 부분에 비해 냉각속도가 완만하게 되어 원하는 조직을 얻을 수가 없다. 특히, 코어의 체적이 큰 경우 냉각속도를 높이는 것이 곤란하다.

코어를 사용하지 않는 종래의 다른 금형주조방법에 있어서는 주조품에 대한 드래프트(테이퍼)가 작으면 주조품을 인출할 수가 없다. 주조품을 강제적으로 인출하면 피복층이 손상된다.

종래의 백메탈주조방법(back-metal costing method)에 있어서는 본 발명과 동일한 고속의 냉각속도를 얻는 것이 곤란하고 모래의 양이 많아져 주조후 백메탈에 부착된 모래를 제거하고 회수하는 작업이 곤란하게 된다.

그러나, 본 발명에 있어서는 성형몰드를 사용하여 금형표면에 소정의 두께를 갖는 주물사층이 재현성 좋게 형성된 주형을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로 제조된 주형을 사용하여 주조를 실행할 수 있으므로, 주조품의 형상의 치수 정밀도에 대해 재현성이 우수한 주조품을 얻을 수 있다.

용융금속의 응고후 동작이 실행되는 주조품의 인출동작과 용융금속의 주입 사이의 기간 동안, 열경화성수지가 용융금속의 열에 의해 열경화성수지의 열분해온도 이상의 온도로 가열된다. 따라서, 주형표면에 부착되어 있는 주물사층을 용이하게 붕괴할 수 있다. 그러므로, 모래의 회수도 용이하고 금형표면에 손상을 주는 일 없이 금형에서 주조품을 용이하게 인출할 수 있어 금형의 수명을 현저하게 연장시킬 수 있다.

종래의 기술에 있어서 드래프트의 값이 주조품의 형상에 따라 변하더라도 금형주조시의 드래프트(테이퍼)는 일반적으로 2∼5도 이므로, 응고 및 냉각시 주조 금속이 수축한 후에도 주조품을 주형에서 분리할 수 있다.

그러나, 본 발명에 있어서는 붕괴성이 양호한 얇은 주물사층이 금형의 표면에 형성된다. 그러므로, 주조품의 드래프트가 0∼1인 경우에도 금형에 손상을 주는 일 없이 주형품의 분리를 용이하게 실행할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 열전도성이 우수한 얇은 주물사층을 형성할 수 있으므로, 주조금속의 냉각속도를 높이고, 예를들면 표 3에 도시한 바와 같은 조성을 갖는 주조품의 표면에서 적어도 수 mm의 깊이까지의 범위로 공정흑연조직을 만들 수 있다. 본 발명의 기술에서 얻어지는 이점은 주조품을 주조한 상태 그대로는 사용할 수 없고 주조품을 기계가공하여 정밀가공 기계부품으로서 사용하는 경우, 종래의 사형주조기술에 의해 얻은 편형상 흑연주철조직과 비교해서 기계가공성이 현저하게 우수한 공정흑연주철조직을 제공할 수 있다. 그러므로, 가공비를 현저하게 저감할 수 있다.

Claims (15)

1. 그 표면이 주조품의 형상에 대응하는 형상으로 성형된 금형 및 열경화성 수지와 주물사를 갖는 일체형의 주물사층을 포함하며, 상기 주물사층은 상기 금형 표면에 흡착되어 있고, 상기 주물사층은 그 표면이 주조품의 형상과 동일한 형상으로 되어 있고, 0.5∼3mm 범위의 두께분포로 되어 있는 주형.
2. 제1항에 있어서, 주철을 주조해서 주조품을 생산할때 적어도 상기 주조품의 일부는 공정흑연조직으로 이루어지는 주형.
3. 제1항에 있어서, 상기 금형의 표면에는 주물사의 평균입경 내지 0.5mm 범위의 요철이 마련되어 있는 주형.
4. 제1항에 있어서, 상기 주물사층에 포함되어 있는 주물사는 규사, 지르콘사, 크로마이트사, 탄화규소사, 카본입자 및 세라믹 입자군에서 선정된 적어도 1종류로 되고, 상기 열경화수지는 페놀수지로 이루어지는 주형.
5. 제1항에 있어서, 상기 주물사층내에 포함되어 있는 열경화성수지는 상기 주물사층내에 포함되어 있는 주물사의 중량에 대해서 0.5∼4중량%인 주형.
6. 제1항에 있어서, 상기 금형은 동 또는 동합금으로 이루어지고, 상기 금형에 1도 이하의 드래프트가 마련되어 있는 주형.
7. 제1항에 있어서, 상기 주물사 층은 성형몰드가 1도 이하의 드래프트를 갖는 동 또는 동합금으로 이루어지는 성형몰드를 사용하여 형성되는 주형.
8. 제1항에 있어서, 상기 주물사 층은 성형몰드가 1도 이하의 드래프트를 갖는 경질 및 내열성의 폴리테트라플루오르에틸렌으로 이루어진 성형몰드를 사용하여 형성되는 주형.
9. 제1항에 있어서, 상기 주물사 층은 금형의 표면에 흡착되어 있고 국부적으로 4∼8mm 범위의 소정의 두께로 마련되어 있는 주형.
10. 그 표면에 소정의 두께분포의 주물사층이 형성되어 있는 금형을 갖는 주형제조방법으로서, 모래, 가입자, 경금속입자, 세라믹입자 및 글라스입자로 구성되는 군에서 선택된 적어도 하나를 불어넣는 것에 의해, 금형 표면에 흡착되어 있는 모래등의 퇴적물을 제거하는 금형청소공정, 주조품의 형상에 대응하는 형상이고 후공정에서 주물사층이 형성될 금형표면과 연통하는 취입구멍을 갖는 금형 및 주조품의 형상과 동일한 형상이고 통풍구 및 가스배출구를 갖는 성형몰드를 준비하는 공정, 소정의 간격이 주물사층의 두께분포와 동일하게 되도록 상기 금형과 상기 성형몰드를 조합하는 공정, 열경화성수지가 피복된 주물사 또는 열경화성수지와 주물사의 혼합물을 금형에 마련된 취입구멍을 통해서 고압의 공기와 함께 불어넣고 상기 주물사 또는 상기 혼합물로 상기 간격을 충전하는 공정, 가열에 의해 열경화성수지를 경화하여 상기 주물사 또는 상기 혼합물을 금형에 부착시키는 공정 및 상기 금형으로부터 상기 성형몰드를 분리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 주형제조방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 주물사의 청소공정에 앞서 취입구멍의 끝부 또는 취입구멍의 내부에 부착된 모래를 제거하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 금형청소공정 후, 보정금형을 사용하여 소정의 형상을 갖도록 주물사층이 형성될 상기 금형표면을 보정하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형제조방법.
13. 제10항에 있어서, 가열에 의해 상기 열경화성수지를 경화하여 상기 주물사 또는 상기 혼합물을 금형에 부착시키는 상기 공정은 상기 간격을 충전하는 공정후에 실행되는 가열공정을 마련하는 것에 실행하거나, 또는 상기 금형과 상기 성형몰드를 조합하는 공정에 앞서 상기 간격을 상기 열경화성수지로 피복된 주물사 또는 상기 열경화성수지와 상기 주물사의 혼합물로 충전하는 동안에 냉각이 발생하는 가열된 금형과 가열되 성형몰드의 냉각의 냉각제어온도특성을 고려하여 설정된 소정의 온도까지 상기 금형 및 상기 성형몰드를 가열하는 금형온도제어공정을 마련하여 실행하고, 상기 간격의 충전후 상기 금형 및 상기 성형몰드에서 전달되는 열에 의해 상기 열경화성수지를 경화하는 것을 특징으로 하는 주형제어방법.
14. 각각의 주형이 금형 상에 주물사층을 갖는 청구범위 제1항의 주형을 조합하고 상기 주형을 고정하는 공정, 상기 주형이 소정의 온도를 갖도록 상기 주형의 온도를 제어하는 공정, 소정의 온도를 갖도록 제어된 상기 조합된 주형에 용융금속을 주입하고 용융금속이 응고할때까지 상기 주형을 유지하여 주조품을 제조하는 공정 및 상기 주조품을 인출하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 주형제조방법.
15. 제14항에 있어서, 적어도 상기 주조품의 일부가 공정흑연조직을 갖도록 철을 그의 주성분으로서 포함하는 철합금인 것을 특징으로 하는 주형제조방법.