KR100538284B1

KR100538284B1 - 메탈중공주조물을제조하는캐스팅몰드및방법과그중공주조물

Info

Publication number: KR100538284B1
Application number: KR1019980013224A
Authority: KR
Inventors: 게오르크 하베거
Original assignee: 베르트질레 슈바이츠 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2006-03-22
Also published as: JPH10305347A; EP0872295A1; CN1199659A; JP4280322B2; KR19980081389A; EP0872295B1; DE59707494D1; CN1168557C; DK0872295T3

Abstract

주물재료(6)로 메탈 중공주물부재를 제조하는 캐스팅몰드는, 형상부여면(7, 8, 9)에 의하여 구획되고 주물재료(6)를 수용하는 주조공간(5)내로 주물재료(6)를주입하는 입구(4)를 가진다. 캐스팅몰드(1)는 고정몰드(3) 및 샌드몰드(2)로 이루어지고, 고정몰드(3)는 제1의 형상부여면(9)을 가지고, 샌드몰드(2)는 주물부재의 형상 및 크기를 결정하는 면(7, 8)을 가진다. 메탈 중공주물부재를 제조하는 방법에 있어서, 중공주물부재의 외측형상은 제1 영역의 고정몰드(3) 및 제2 영역의 샌드몰드(2)에 의하여 형성된다.

Description

메탈 중공주조물을 제조하는 캐스팅몰드 및 방법과 그 중공주조물 {CASTING MOULD AND A METHOD FOR MANUFACTURING METALLIC HOLLOW CASTINGS AND HOLLOW CASTINGS}

본 발명은 각각의 독립 청구항 전제부에 따른 메탈 중공주조물(hollow castings) 즉 주물부재를 제조하는 캐스팅몰드 및 방법, 또한 이 캐스팅몰드 또는 이 방법으로 제조된 벽두께가 상이한 2개의 영역을 가진 중공주물부재에 관한 것이다. 특히 본 발명은 왕복피스톤 연소엔진, 특히 대형 디젤엔진용의 실린더슬리브를 제조하는 캐스팅몰드 및 방법에 관한 것이다.

왕복피스톤 연소엔진, 특히 선박용의 대형 디젤엔진에 있어서, 실린더슬리브는 매우 높은 기계적 및 열적 스트레스를 운전상태에서 받는다. 실린더슬리브는 특히 연료혼합물의 폭발영역에서의 고압 및 고온에 견디어야 한다. 따라서, 실린더슬리브는, 특히 폭발영역에서 고강도를 가져야 연료혼합물의 폭발로 야기되는 스트레스에 견디게 된다.

운전상태에서 연료혼합물의 폭발이 일어나는 영역의 실린더슬리브의 강도를 증대시키기 위하여, 실린더슬리브는 이 영역의 벽을 두껍게 디자인하는 것이 일반적이다. 이것은 이러한 종류의 실린더슬리브는 벽두께가 현저하게 상이한 2개의 영역: 벽두께가 보다 두껍고, 일반적인 전문용어로, 콜러영역(collar region)이라고 지칭하는 제1 영역 및 벽두께가 보다 얇고, 셔츠영역(shirt region)이라고 지칭하는 제2 영역을 실질적으로 가진다는 의미이다.

내연기관용의 실린더슬리브는 주조법에 의하여 주철, 특히 주철합금으로 흔히 제조된다. 주물재료로 사용되는 합금의 화학적 성분 외에, 실린더슬리브의 물리적 및 야금적 성질, 예를 들면 구조, 강도, 신장률(伸張率) 및 마찰공학적 성질 또한 주물재료의 응고과정에서 매우 실질적으로 영향받는다. 따라서 캐스팅몰드 및 사용된 주조법이 실린더슬리브의 성질에 매우 중요하다.

실린더슬리브를 제조하는 2가지 상이한 타입의 주조법이 종래기술에 공지되어 있다. 샌드(sand)주조법에 있어서는, 유동체의 주물재료 즉 조성물을, 제조하고자 하는 주물부재의 원하는 형상에 따라 사전에 형틀이 만들어진 샌드몰드에 충전하고, 필요하다면 잉여재료를 가공 여유분으로 준비한다. 이러한 종류의 샌드몰드는 석영모래 또는 예를 들어 화학적 또는 열적 경화를 통하여 바인더(binder)가 첨가된 모래와 같은 광물질로 제조되고, 일회용으로 사용되도록 디자인 되는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 방식으로 제조된 실린더슬리브의 단점은, 예를 들면 그들의 야금적 구조, 강도 및 신장률과 관련하여, 최신의 왕복피스톤 연소엔진, 특히 고출력엔진의 요구에 대한 만족도가 점차 떨어진다는 것이다. 이것은 주로 샌드몰드에서의 주물재료의 응고과정, 특히 응고시간이 야금적 관점으로 보아 이상적이지 않다는 사실 때문이다.

2번째 타입의 주조법, 이른바 중력다이(gravity die) 주조법에 있어서는, 주철로 제조된 캐스팅몰드(고정몰드)를 대부분 사용하고, 여기에 액상 주물재료를 충전한다. 따라서 주물부재는 주물재료가 응고되는 메탈몰드로부터 그 외측형상이 형성된다. 이러한 고정몰드는 일반적으로 복수회 사용가능하다. 그러나, 중력다이 주조법에 있어서, 제조된 주물부재의 외측형상은, 고정몰드를 주물부재의 응고 또는 냉각 후 이 주물부재로부터 떼어낼 수 있어야 하기 때문에, 비교적 기하학적 제한을 강하게 받게 된다. 이 한계조건 때문에, 주물부재 외측형상의 기하학적 상세는 고정몰드 주조프로세스에서는 적정한 비용 및 노력으로 형성될 수 없는 것이 일반적이다. 따라서, 예를 들어 실리더슬리브를 제조할 때, 주물부재에 비교적 광범위한 가공을 추가로 하여 제조하여야 실린더슬리브의 원하는 외측형상을 실현할 수 있고, 이것은 주물부재가 그 외측형상에 있어서 원하는 최종제품과는 일반적으로 매우 현저하게 벗어나 있다는 의미이다. 이것은 상당량의 재료를, 예를 들면 칩형성가공프로세스에 의하여 제거해야 하는 시간소모 및 고비용의 후속 가공을 필요로 한다. 이러한 추가적인 가공작업에는 상당히 많은 주물재료가 수반되고, 따라서 경제적인 관점에서 바람직하지 않다.

특히 매우 큰 주물부재, 예를 들면 대형의 최신 고출력엔진용의 실린더슬리브의 제조에 있어서는 고정몰드의 중량에 기인하는 문제가 있다. 이러한 종류의 고정몰드에는, 예를 들면 중량으로 수십톤 정도의 주물재료가 충전된다. 대부분의 주물공장에는 이렇게 큰 덩어리를 예를 들면 충전되어 있는 고정몰드를 냉각하기 위하여 다른 장소로 이송하거나 또는 고정몰드를 주물부재로부터 떼어내기 위하여 이동시키는 충분하게 강한 리프팅장치를 가지고 있지 않다. 충분하게 강한 리프팅장치를 설치하는 데는, 광범위하고 고비용의 개조작업이 필요하다.

이러한 종래기술로부터 시작하여, 본 발명의 목적은 주물부재의 공간적 및 시간적 응고진행이 가능한 한 이상적으로 되는 동시에 비교적 적은 양의 재료를 가공여유분으로 하여 메탈 중공주물부재를 제조하는 캐스팅몰드 및 방법을 제공한다. 특히, 본 발명의 목적은 추가의 가공을 비교적 적게하고 최신의 고출력엔진에서 필요로하는 작업스트레스(예를 들면 강도, 신장률)에 대한 그들의 내성을 충족시킬 수 있는 왕복피스톤 연소엔진, 특히 대형 디젤엔진용의 이러한 종류의 실린더슬리브의 제조가 가능한 캐스팅몰드 및 방법을 제공한다.

장치 및 방법 각각에 대하여 이들 목적을 충족하는 본 발명의 요지는 각각의 독립 청구항의 특징부를 특징으로 한다. 주물재료로 메탈 중공주조물을 제조하는, 특히 왕복피스톤 연소엔진, 특히 대형 디젤엔진용의 실린더슬리브를 제조하는 본 발명에 따른 캐스팅몰드는 주물재료를 주조물 즉 형상부여면에 의하여 구획되어 주물재료를 수용하는 주조공간내로 주입하는 입구를 가진다. 본 발명에 따른 캐스팅몰드는 고정몰드 및 샌드몰드로 이루어지고, 고정몰드는 제1의 형상부여면을 가지고 샌드몰드는 잔여의 치수부여 형상면을 형성한다.

본 발명에 따른 캐스팅몰드 및 본 발명에 따른 방법은, 전술한 단점이 없이 샌드캐스팅법 및 고정몰드캐스팅법 양자 모두가 각각 장점을 가지고 있음이 판명된 것은 놀라운 일이다. 본 발명에 따른 고정몰드와 샌드몰드의 결합을 통하여, 주물재료의 공간적 및 시간적 응고진행은, 다음에 상세하게 후술하는 바와 같이, 중공주물부재의 기계적 스트레스 내성(예를 들면 강도 및 경도)이 종래의 캐스팅법 또는 샌드몰드를 각각 사용하여 제조된 주물부재에서 보다 현저하게 크게되도록 최적으로 될 수 있다. 동시에, 본 발명에 따른 캐스팅몰드의 샌드몰드 및 본 발명에 따른 방법에 이를 사용함으로써, 그것에 의하여 형성된 중공주물부재의 외측형성영역에 대한 유동성이 높게 될 수 있고, 이로써 비교적 적은 양의 재료만이 가공여유분으로 필요하다.

본 발명에 따른 캐스팅몰드의 고정몰드는 단일체(single-piece)로 제조되는 것이 바람직하다. 고정몰드가 단일체로 제조되면, 예를 들어 2개의 상호 접하는 고정몰드부재 사이에 경계면이 존재하지 않으므로, 응고중에 콜러영역으로부터 고정몰드(3)로의 열흐름이 공간적으로 매우 균일하게 되고, 이러한 균일한 열흐름은 형성중인 구조의 조직에 긍정적인 영향을 미치게 된다. 따라서 중공주물부재에 대한 열로 인한 손상이 방지될 수 있다.

고정몰드는 열을 흡입 또는 배출하는 유체, 특히 공기용의 도관 즉 통로를 가지는 것이 바람직하다. 이 수단은 고정몰드가, 액상 주물재료가 주입되기 전에 간단한 방식으로 더운 공기를 도관을 통하여 불어넣어 미리 가열될 수 있기 때문에 바람직하다. 또한 뜨거운 고정몰드는 중공주물부재의 제거 후, 예를 들면 차가운 공기에 의하여 간단하고 용이하게 냉각될 수 있고, 따라서 단시간 후에 신규 캐스팅프로세스를 위하여 사용할 수 있다. 또한, 주물재료의 주입 중 및/또는 주입 후에 고정몰드로부터 열의 제거가 가능한 것이 이점이다.

바람직한 실시예에 있어서, 샌드몰드는 샌드코어(sand core) 및 샌드재킷(sand jacket)으로 이루어지고, 주조공간은 샌드코어에 의하여 한 쪽에서 그리고 샌드재킷과 고정몰드에 의하여 다른 쪽에서 경계를 이룬다.

고정몰드는 내벽 및 베이스를 가지고, 이 내벽 및 베이스의 최소한 일부가 제1의 형상부여면을 형성하는 한 쪽이 개방된 용기가 바람직하다. 이러한 수단을 통하여 고정몰드와 주물재료 사이에 생기는 접촉면을 가능한 한 크게 하고, 이를 통하여 주물재료와 고정몰드 사이의 열전달이 향상, 특히 촉진된다.

또한, 고정몰드부재의 베이스에 절결부를 가지고, 이 절결부내로 샌드코어가 연장되는 것이 바람직하다. 이로써 샌드코어는 샌드재킷 및 고정몰드에 대하여 간단한 방식으로 중심에 위치될 수 있고, 이를 통하여 중공주물부재의 반경방향 대칭이 확실하게 된다.

특히 실린더슬리브의 제조에 있어서, 캐스팅몰드는 샌드코어와 고정몰드의 내벽 사이의 간격이 샌드코어와 샌드재킷 사이의 간격 보다 크게 디자인 하는 것이 바람직하다. 따라서 중공주물부재의 두꺼운 벽영역, 즉 실린더슬리브의 콜러영역에 대응하는 영역이 고정몰드에 형성된다. 이것은 두꺼운 벽영역(콜러영역)이 샌드몰드에 의하여 형성된 얇은 벽영역(셔츠영역)만큼 신속하게, 오히려 더욱 신속하게 응고될 수 있으므로 중공 주물부재의 응고과정에 특히 바람직하다.

특히 가장 이상적인 공간적 및 시간적 응고진행에 관해서는, 고정몰드의 디자인을 이 고정몰드에 의하여 둘러싸이는 캐스팅몰드의 영역에 맞추는 것이 바람직하다. 이것은 특히 실린더슬리브의 제조에 있어서, 중공주물부재의 콜러영역의 크기를 고정몰드의 디자인에 고려해야 된다는 의미이다. 따라서 다음의 조치를 취하는 것이 바람직하다.

- 제1 형상부여면이 고정몰드에 의하여 둘러싸이는 영역의 주조공간을 구획하는 캐스팅몰드의 면들중 약 절반을 형성한다. 이로 인하여 커다란 접촉면이 생기고, 이것을 가로질러 열이 주물재료로부터 고정몰드내로 흐른다.

- 중공주물부재의 냉각에 필수적인 고정몰드의 재료체적이 고정몰드로 둘러싸이는 주조공간 영역의 체적에 비하여 최소한 2배만큼 크다. 따라서 고정 몰드의 열용량이 충분하여 콜러영역의 신속한 응고를 가능하게 한다.

- 고정몰드의 벽두께를 샌드코어와 고정몰드의 내벽 사이의 간격의 1.5배이하, 특히 약 0.9배로 한다.

본 발명에 따른 방법은 메탈 중공주물부재, 특히 왕복피스톤 연소엔진, 특히 대형 디젤엔진용의 실린더슬리브를 제조하는 것으로서, 중공주물부재는 제1 및 제2 영역을 가지고, 중공주물부재의 벽두께는 제2 영역 보다 제1 영역이 크다. 본 발명에 따른 방법에 있어서, 주물재료가 캐스팅몰드내에 주입되어 거기에서 응고된다. 본 발명에 있어서, 중공주물부재의 외측형상은 제1 영역의 고정몰드 및 제2 영역의 샌드몰드에 의하여 형성된다.

본 발명에 따른 캐스팅몰드에 관련한 전술한 이유로, 본 발명에 따른 방법에 있어서 다음의 경우가 바람직하다.

- 단일체의 고정몰드가 제1 영역의 중공주물부재의 외측형상을 형성하는 데 사용되는 경 우 ;

- 고정몰드가 유체, 특히 공기에 의하여 주물재료의 주입전에 가열되는 경우;

- 고정몰드가 유체, 특히 공기에 의하여 주물재료의 주입 중 및/또는 주입 후에 냉각되는 경우.

본 발명에 따른 캐스팅몰드 및 본 발명에 따른 방법은, 왕복피스톤 연소엔진, 특히 대형 디젤엔진용의 벽두께가 상이한 2개의 영역을 가진 실린더슬리브를 제조하는 데 특히 적합하다.

본 발명에 따른 캐스팅몰드는 본 발명에 따른 방법을 실행하는 데 특히 적합하다.

또 다른 바람직한 조치 및 바람직한 실시예의 방법은 종속항으로부터 알 수 있다.

다음에, 본 발명의 방법 및 구성양태를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도면에서, 동일하거나 또는 동등한 기능을 가지는 부분은 동일 참조부호로 나타낸다.

주물재료로 메탈 중공주물부재를 제조하는 본 발명에 따른 캐스팅몰드의 예시적인 실시예에 대한 본 발명의 다음 개시는, 제1 및 제2 영역을 가지고 중공주물부재의 벽두께를 제2 영역에서 보다 제1 영역에서 크게 하여 메탈 중공주물부재를 제조하는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예에 대한 개시와 유사하다.

또한, 다음의 예시적인 특징의 설명은 단지 왕복피스톤 연소엔진, 특히 대형 디젤엔진용의 실린더슬리브를 제조하는 것에 관련된 것이지만 다른 메탈 중공주물부재를 제조하는 것도 유사하다. 중공주물부재라고 하는 용어는 그들의 외측 경계면외에 보디의 내부에 대면하는 최소한 하나의 경계면, 즉 예를 들어 중공실린더, 아주 일반적인 슬리브, 또는 관형구조 형태의 보디들을 가지는 캐스트보디를 의미하는 것으로 이해하면 된다.

오늘날에는 이러한 실린더슬리브를, 특히 대형 디젤엔진용으로 사용하는 것은 일반적이고, 이것은 제1 영역, 이른바 콜러영역 및 제2 영역, 이른 바 셔츠영역을 가지고, 실린더슬리브의 평균 벽두께는 셔츠영역에서 보다 콜러영역이, 예를 들면 2배이상 현저하게 크다. 콜러영역은 연료혼합물의 폭발이 모터의 운전상태에서 일어나는 영역이고, 이로써 가장 높은 압력 및 온도, 따라서 가장 높은 스트레스에 노출된다. 이 스트레스를 견디기 위하여, 콜러영역은 벽을 보다 두껍게하는 것이 일반적이다.

도 1은 전체로서 참조부호(1)로 표시한 본 발명에 따른 캐스팅몰드의 바람직한 예시적인 실시예의 단면도이다. 캐스팅몰드(1)는 주물재료(6)를 주조공간(5)내로 주입하는 입구(4)를 가진다. 주조공간(5)은 형상부여면(7, 8, 9)에 의하여 구획된다. 중공주물부재의 형상에 필수적인 영향을 미치는 이들 일체로 된 면을 형상부여면이라는 용어로 정의하고, 이것은 형상부여면 전체가 주물부재의 형상을 결정한다는 의미이고, 따라서 이것이 주물부재를 형성한다. 형상부여면(7, 8, 9)은 주물재료(6)와 캐스팅몰드(1) 사이의 접촉면과 실질적으로 대응한다.

도 1은 충전상태, 즉 주물재료(6)가 주조공간(5)에 주입되어 주조공간이 충전되어 있는 캐스팅몰드(1)를 나타낸다. 이해를 보다 용이하게 하기 위하여, 주물재료(6)는 상이한 해치(hatching)를 가진 2개의 부분으로 도 1에 나타낸다. 보다 큰 부분(6b)은 완성된 실린더슬리브, 즉 완성된 제품형상을 나타내고, 보다 작은 부분(6a)은 가공 여유부분을 나타낸다. 주물재료(6)를 이 2개의 부분으로 나타내는 것은 상징적인 것으로 이해하는 것이 당연하다.

본 발명에 있어서, 캐스팅몰드(1)는 고정몰드(3) 및 샌드몰드(2)로 이루어지고, 고정몰드(3)는 제1 형상부여면(9)을 가지고, 샌드몰드(2)는 잔여 형상부여면(7. 8)을 가진다.

도 1에 나타낸 예시적인 실시예에 있어서, 고정몰드(3)는 내벽(31) 및 베이스(32)를 가지고 일단부에서 개방된 단일체의 용기이다(도 2 참조). 내벽(31)은 베이스(32)의 부분(32a)과 함께 제1 형상부여면(9)을 형성한다. 고정몰드(3)의 베이스(32)에는 절결부(322)가 배설되고(도 2 참조), 그 기능은 후술한다. 또한, 고정몰드(3)는 유체, 바람직하기로는 공기용의 도관(33)을 가진다. 이들 도관(33)은 고정몰드 벽의 내부의 통로이거나 또는 이 고정몰드 벽의 내부에 주조된 파이프라인일 수 있다. 이들 도관(33)을 통하여 공기가 송풍될 수 있어서 열을 고정몰드(33)에 전달하거나 또는 이로부터 제거한다. 또한, 고정몰드(3)에는 이것을 들어 올릴 수 있는 지지장치가 그 외측벽에 배설된다. 고정몰드(3)는 예를 들어 공지된 방식으로 주철로 제조된다.

도 1에 나타낸 예시적인 실시예의 샌드몰드(2)는 샌드코어(21) 및 샌드재킷(22)으로 이루어진다. 샌드코어(21)는 고정몰드(3)의 베이스(32)의 절결부(322)내로 연장되고, 그 외측면이 형상부여면(7)을 형성한다. 샌드재킷(22)은 대략 중공실린더 또는 중공원뿔대의 형태를 가지고, 샌드코어(21)를 대략 동심으로 둘러싸고 있다. 샌드코어(21)에 가까운 샌드재킷(22)의 경계면이 형상부여면(8)을 형성한다. 제조하고자 하는 중공주물부재의 외측형상에 따라서, 샌드재킷(22)은 단일체이거나 또는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 몰드박스(22a, 22b, 22c)로 조립가능하다. 샌드몰드(2) 그 자체는, 충분하게 알려져 있는 종래의 샌드캐스팅법과 유사한 방식으로 제조될 수 있고, 더 설명이 필요하지 않다. 샌드재킷(22)은 고정몰드(3)에 밀봉적으로 그러나 릴리스가능하게 연결된다. 고정몰드(3)와 샌드재킷(22) 사이에 액상 주물재료가 유출되는 것은 공지의 밀봉수단에 의하여 방지될 수 있다.

따라서, 주조공간(5)은 샌드코어(21) 즉 한 쪽의 형상부여면(7)과 샌드재킷(22) 및 고정몰드(3), 즉 다른 쪽의 결합된 형상부여면(8, 9)에 의하여 구획되고, 이것은 중공주물부재의 외측형상이 고정몰드(3)의 제1의 형상부여면(9) 및 샌드재킷(22)의 형상부여면(8)에 의하여 실질적으로 결정된다는 의미이다.

도 1에 나타낸 바람직한 예시적인 실시예에 있어서, 다른 샌드부재(10)를 고정몰드(30)의 베이스(32)의 절결부(322)내에 고정하여 샌드코어(21)의 일단을 플러시(flush)방식으로 수용한다. 종래의 샌드몰드와 동일한 방식으로 제조가능한 샌드부재(10)는, 샌드코어(21)가 고정몰드(3)에 대하여 중앙이 되도록 성형된다. 중공주물부재의 반경방향 대칭이 이 수단에 의하여 실현될 수 있다.

중공주물부재의 외측형상은 고정몰드(3)에 의하여 제1 영역, 즉 벽두께가 보다 두꺼운 영역(콜러영역)에 형성된다. 따라서, 샌드코어(21)와 고정몰드(3)의 내벽(31) 사이의 간격은 샌드코어(21)와 도 1에 나타낸 캐스팅몰드(1)의 샌드재킷(22) 사이의 간격 보다 크다. 또한, 예시적인 실시예의 캐스팅몰드(1)는 승강주조용으로 디자인되고, 이것은 액상 주물재료가 캐스팅몰드(1)의 하측단부에서 주조공간으로 주입된다는 의미이다. 이를 위하여, 입구(4)는 샌드코어(21)의 대략 중앙을 관통하여 그 종축방향으로 연장되는 입구통로(41)로 이루어진다. 입구통로(41)는 샌드부재(10)의 절결부(322)내에 위치된 분배기(42)내로 개방된다. 분배기(42)가 입구통로(41)와 주조공간(5)을 연결하여, 이로써 액상 주물재료(6)가 입구통로(41) 및 분배기(42)를 통하여 주조공간(5)의 하측단부에 도달한다. 오버플로컨테이너(11)가 주조공간(5)의 상측단부(도 1에 나타낸 바와 같이)에 배설되고, 이것은 주조공간(5)이 충전될 때 주물재료(6)로 또한 충전된다. 오버플로컨테이너(11)는 동시에 보충컨테이너로서 기능하고, 응고중에 주조공간(5)내의 주물재료의 체적이 감소될 때 여기로부터 주물재료(6)가 주조공간(5)내로 다시 흘러들 수 있다.

본 발명에 따른 캐스팅몰드 및 본 발명에 따른 방법은 톱캐스팅용으로, 즉 위로부터 주조공간(5)에 주물재료(6)가 충전되도록 디자인 될 수 있는 것은 자명하다(도 1에 나타낸 바와 같음). 이것은 예를 들어 캐스팅몰드(1)의 상측단부상에 위치된 링피더(ring feeder)에 의하여 이루어질 수 있다.

도 2는 고정몰드(3) 변형예의 단면도이다. 도 2에 나타낸 대부분의 참조부호에 대하여는 이미 설명하였으며, 이들 설명은 도 2를 통하여 다시 명료하게 된다. 도 2에 나타낸 변형예의 고정몰드(3)의 상이점은, 내벽(31)의 디자인이 매끈하지 않고 단차(step)(311)를 가진다는 사실이며, 이를 통하여 블랭크는 최종제품의 형상에 보다 근접하게 일치되어, 필요로하는 후속가공이 더 저감될 수 있다. 도 2에 나타낸 변형예의 고정몰드(3)에 있어서, 유체용의 2개의 도관(331, 332)이 고정몰드(3)의 벽에 배설되어 열을 흡입 및 배출한다. 각각의 도관(331, 332)은 고정몰드(3)의 벽에 주조된 파이프로서 실행되고, 고정몰드(3) 둘레를 원주방향으로 2회 돌아서 배설된다. 제1의 개구(331a 또는 332b) 각각으로부터, 각각 결합된 파이프가 고정몰드(3)의 원주와 평행으로 고정몰드벽의 내부에 연장된 후, 벽을 상향으로 통하고 고정몰드(3) 둘레를 원주방향으로 다시 한 번 돌아서 제2의 개구(331b 또는 332b)에서 각각 종료된다. 유체, 바람직하기로는 공기가 이들 도관(331, 332) 각각을 통과하여 열을 고정몰드에 유입하거나 이로부터 배출시킬 수 있다. 따라서, 예를 들면, 고정몰드(3)를 더운 공기로 간단한 방식으로 예열할 수 있어서, 뜨거운 주물재료와의 접촉중에 열로 인한 손상이 방지된다. 고정몰드(3)는 주물재료(6)를 주입하기 전에 100°C 이상의 온도로 예열하는 것이 바람직한 것이 밝혀졌다. 또한, 차가운 공기를 도관(331, 332)을 통하여 송풍할 수 있어서, 예를 들면 고정몰드(3)는 중공주물부재를 거기로부터 분리시킨 후 더욱 신속하게 냉각된다. 이로써 고정몰드(3)는 다음 캐스팅프로세스를 위하여 더욱 신속하게 준비될 수 있다. 주물재료(3)의 응고 또는 냉각중에 고정몰드(3)로부터 열을 제거하는 것이 또한 가능하여, 예를 들면 중공주물부재의 제1 영역(콜러영역)의 응고를 촉진하게 된다. 또한, 고정몰드는, 예를 들면 분리 및 보호수단을 적용한 후에, 더운 공기로 가열하여 잔류수분을 제거할 수 있다.

다음에, 캐스팅몰드(1)로 대형 디젤엔진용 실린더슬리브를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 샌드코어(21)(도 1), 샌드부재(10) 및 샌드재킷(22), 및/또는 샌드재킷(22)을 형성하는 몰드박스(22a, 22b, 22c)를 원하는 형태의 중공주물부재에 따라 이미 알려진 방식으로 주조한다. 그 후, 캐스팅몰드(1)를 개별부재 및 고정몰드(3)로 조립하고, 샌드코어(21)를 조정 및/또는 중앙에 위치시키고, 샌드재킷(22)을 고정몰드(3)에 견고하게 연결, 예를 들어 스크류로 조이고, 샌드재킷(22)과 고정몰드(3) 사이의 연결부재를 밀봉수단으로 밀봉한다.

고정몰드(3)는 예를 들어, 도관(33)을 통하여 흡입된 더운 공기에 의하여 예를 들어 100°C 이상으로 미리 가열된다. 또한, 캐스팅몰드(1)의 조립 전에 미리 가열될 수 있는 것도 당연하다. 일반적으로 주철합금인 액상 주물재료(6)를 입구통로(41) 및 분배기(42)를 통하여 주조공간(5)내에 주입한다.

주물재료(6)가 주조공간(5)에서 응고되고, 이로써 중공주물부재가 형성된다. 중공주물부재의 외측형상이 고정몰드(3)의 제1 형상부여면(9)에 의하여 제1 영역(콜러영역) 및 샌드몰드(2)의 샌드재킷(22)에 의하여 제2 영역(셔츠영역)에 형성된다. 주물재료(6)의 응고가 완료된 후, 샌드몰드(2)를 고정몰드(3)로부터 중공주물부재와 함께 들어올려서 냉각을 위하여 다른 위치에 내려놓을 수 있다. 따라서, 고정몰드(3)는 다음 주조공정을 위하여 미리 준비가 될 수 있다. 중공주물부재가 샌드몰드(2)내에서 충분하게 냉각된 후, 이를 몰드로부터 제거하여 공정 후 처리를 행할 수 있어서 실린더슬리브가 그 최종형상을 가지게 된다.

고정몰드(3)와 샌드몰드(2)를 협동하게 되면, 특히 바람직한 시간적 및 공간적인 주물재료(6)의 응고가 달성될 수 있기 때문에, 벽두께가 현저하게 상이한 2개의 영역을 가진 실린더슬리브 또는 중공주물부재의 제조에 특히 유리하다. 제1의, 즉 벽이 두꺼운 영역(콜러영역)에서, 열은 샌드몰드(2)에 비하여 열의 전도성이 보다 양호한 고정몰드(3)를 통하여 중공주물부재로부터 제거되고, 이로써 주물재료와 고정몰드(3) 사이의 접촉면에 대하여 커다란 열흐름(heat flux)이 존재하게 된다. 따라서, 중공주물부재가 콜러영역에서 매우 신속하게 응고된다. 콜러영역의 응고시간은, 보다 미세한 구조, 즉 작은 공융(共融) 셀(eutectic cell)이 중공주물부재에 일어나기 때문에, 야금적 관점에서 보아 짧은 것이 바람직하다. 양호한 기계적성질, 예를 들면 고강도 및 높은 신장률등은 거기로부터, 정확하게는 콜러영역, 즉 실린더슬리브가 운전상태에서 가장 높은 스트레스를 받는 영역에서 생긴다.

셔츠영역, 즉 중공주물부재의 벽두께가 작은 영역에는, 응고를 위하여 분산될 단위 표면영역당 열이 보다 적기 때문에, 주물재료(6)와 샌드몰드(2) 사이의 접촉면에 있어서 보다 적은 열흐름으로 충분하다. 또한, 운전상태의 실린더슬리브상의 기계적 스트레스가 셔츠영역에서는 콜러영역에서 보다 높지 않기 때문에, 이로써 셔츠영역의 짧은 응고시간이 콜러영역에서 만큼 필수적은 아니다. 따라서 샌드몰드 주조의 이점, 특히 중공주물부재의 외측형상에 대한 상당한 유연성을 셔츠영역 용으로 이용할 수 있다. 또한, 캐스팅몰드의 중량은 전체가 고정몰드로 된 것에 비하여 감소되고, 이로써 캐스팅몰드의 조작이 단순화된다.

샌드몰드(2)를 고정몰드(3)와 결합함으로써, 샌드몰드(2)와 고정몰드(3)의 상이한 열전도성으로 인하여, 특히 중공캐스팅부가 제2 영역(셔츠영역)에서 보다 제1 영역(콜러영역)에서 보다 신속하게 응고될 수 있다. 이러한 타입의 공간적 응고는, 주물재료(6)가 콜러영역에서 응고가 이미 진행중일 때 셔츠영역에는 유동상태로 그대로 있고, 이와 같이 유동 상태의 주물재료(6)가 셔츠영역으로부터 콜러영역으로 다시 흘러서 응고로 인한 주물재료의 감소체적을 보충하기 때문에 매우 바람직하다. 따라서 파이프 또는 수축홀(shrink-hole)이 바람직하지 않게 형성되는 것이 실질적으로 방지되고, 이것은 콜러영역에서의 실린더슬리브의 기계적 성질에 긍정적인 영향을 미친다.

고정몰드(3)는, 응고중에 콜러영역으로부터 고정몰드(3)로의 열흐름이 공간적으로 매우 균일하기 때문에 단일체로 디자인되는 것이 특히 바람직하고, 이것은 형성중인 구조의 조직에 긍정적인 영향을 미친다.

또한, 전술한 실시예에 있어서, 주물재료의 응고중에 콜러영역의 고정몰드(3)로부터 열을, 예를 들면 차가운 공기를 도관(33)을 통하여 흡입시켜서 제거할 수 있다. 따라서, 고정몰드 벽을 가로지르는 온도변화에 영향을 줄 수 있고, 중공주물부재의 응고가 콜러영역에서 더 촉진될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 형상부여면(9)이 고정몰드(3)의 베이스(32)의 부분(32a)으로 이루어진다면, 콜러영역의 중공주물부재가 신속하게 응고되어 바람직하다. 이렇게 하여, 주물재료(6)로부터 고정몰드(3)로 열이 흐를 수 있는 접촉면이 가능한 한 크게 되고, 이것은 또한 콜러영역이 신속하게 응고되게 한다.

최상의 공간적 및 시간적 응고진행의 달성, 특히 콜러영역의 신속한 응고에 있어서, 한 편으로는, 제1 형상부여면(9)이 고정몰드(3)로 둘러싸이는 영역의 주조공간(5)을 구획하는 캐스팅몰드(1)의 이들 면의 약 절반을 형성하는 것이 바람직하고, 이것은 제1 형상부여면(9)이 열을 방출하는 콜러영역의 표면의 약 절반크기라는 의미이다. 다른 한 편으로는, 중공캐스팅부의 냉각에 필수적인 고정몰드(3)의 재료체적이 고정몰드(3)로 둘러싸이는 주조공간(5)영역의 체적의 최소한 2배 크기인 것이 바람직하고, 이것은 열의 제거에 필수적인 고정몰드(3)의 재료체적이 콜러영역의 체적의 최소한 2배 크기라는 의미이다. 고정몰드(3)의 벽두께는 샌드코어(21)와 고정몰드(3)의 내벽(31)사이의 간격의 1.5배이하, 특히 약 0.9배가 바람직하다. 이 간격은 콜러영역의 중공주물부재의 벽두께와 동일하다.

이들 바람직한 방법은 도 3을 참조하여 다시 명확하게 될 것이다. 도 3은 중공주물부재의 대칭으로 회전가능한 콜러영역의 일부(좌측) 및 도시된 콜러영역의 외측형상을 형성하는 고정몰드(3)의 일부(우측)를 나타내는 단면개략도이다. 도 3은 도 1의 하단 우측코너에서의 단면에 대략 대응한다.

도 3에서 고정몰드(3)의 벽두께는 참조부호 DK로 나타내고, 냉각에 필수적인 고정몰드(3)의 재료체적은 참조부호 VK로 나타낸다. 냉각에 필수적인 재료체적이라는 용어는 형상부여면(9)으로 직접 구획된 고정몰드 벽의 체적영역의 의미로 이해하면 된다. 예를 들면, 지지장치(34) 및 샌드코어(21) 아래에 배열되고, 도 1에 나타낸 바와 같이 그 위에 고정몰드(3)가 위치된 부분은 냉각에 필수적인 재료체적의 일부분으로서 생각되지 않는다.

도 3의 좌측에 나타낸 중공주물부재의 콜러영역은 VG로 나타낸 체적 총계 및 DG로 나타낸 벽두께를 가진다. 주물재료(6)의 응고중에, 열은 콜러영역의 열분산면 DG를 통하여 배출가능하고, 도 1의 샌드코어(21)의 좌측부분의 면 OG 및 고정몰드(3)의 하단 우측부분의 면 OG 양쪽 모두를 통하여 흘러들 수 있다. 열분산면 OG는 고정몰드로 둘러싸인 주조공간의 영역과 구획된 캐스팅몰드(1)의 면들과 그 크기가 동일한 면을 가진다.

도 3에 나타낸 구체적인 예에 있어서, 응고를 최적으로 하는 전술한 바람직한 방법은 다음과 같다.

- 고정몰드(3)의 내벽(31) 및 고정몰드(3)의 베이스의 일부분(32a)으로 형성된 제1 형상부여면(9)은 콜러영역의 열분산면 OG의 약 절반 크기이다. 이로 인하여, 콜러영역과 고정몰드(3) 사이의 접촉면이 가능한 한 크게 되고, 열전도가 양호하게 된다.

- 고정몰드의 재료체적 VK는 콜러영역의 영역체적 VG의 최소한 2배 크기이다. 따라서 고정몰드(3)의 열용량은 콜러영역을 신속하게 응고하는 데 충분하다.

- 고정몰드(3)의 벽두께 DK는 콜러영역의 벽두께 DG의 1.5배 이하, 특히 약 0.9배이다.

또한, 도관(33)을 고정몰드의 내벽에, 고정몰드(3)의 내벽(31)으로부터의 그들의 간격 DL이 고정몰드(3)의 벽두께 DK의 약 1/3이 되도록 배열하는 것이 바람직함을 실질적으로 알 수 있다.

또한, 냉각부재(15)(도 1 참조)를 캐스팅몰드(1)의 콜러영역과 셔츠영역 사이의 전이영역에, 예를 들면 메탈 냉각플레이트 형태로 배설하여 콜러영역의 신속한 응고를 향상시키는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 따른 캐스팅몰드 및 본 발명에 다른 방법을 사용하여, 실린더슬리브를 왕복피스톤 연소엔진, 특히 디젤엔진용으로 제조가능하고, 이것은 특히 주물재료(6)의 최적의 공간적 및 시간적 응고로 인하여 매우 양호한 기계적 성질, 예를 들면 고강도 및 높은 신장률을 가지게 되고, 따라서 이러한 종류의 실린더슬리브는 최근의 고출력기관용으로도 적합하다.

도 1은 본 발명에 따른 캐스팅몰드의 충전상태의 예시적인 실시예의 단면도이다.

도 2는 도 1의 예시적인 실시예의 고정몰드의 변형예의 단면도이다.

도 3은 실린더슬리브의 일부 및 고정몰드의 일부를 나타내는 단면개략도이다.

Claims

메탈 중공주물부재를 제조하기 위한 캐스팅몰드로서,

상기 중공주물부재는 제1 영역 및 제2 영역을 구비하고, 상기 제1 영역의 벽면이 상기 제2 영역의 벽면보다 더 두꺼우며,

상기 캐스팅몰드(1)는, 형상부여면(7, 8, 9)에 의하여 구획되어 있으며 주물재료(6)를 수용하는 주조공간(5) 내로, 상기 주물재료(6)를 주입하는 입구(4)를 포함하고,

상기 캐스팅몰드(1)는 제1 형상부여면(9)을 가지는 고정몰드(3) 및 주조부품의 형상 및 크기를 결정하는 제2 형상부여면(7, 8)을 가지는 샌드몰드(2)로 이루어져 있으며,

상기 제1 형상부여면(9)은 상기 제1 영역 내 상기 중공주물부재의 외측 형상을 형성하며, 상기 샌드몰드(2)의 제2 형상부여면(7, 8)은 상기 제2 영역 내 외측 형상 및 상기 중공주물부재의 내측 경계면을 형성하는 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제1항에서,

상기 고정몰드(3)는 단일체(單一體)로 제조되는 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제1항 또는 제2항에서,

상기 고정몰드(3)는 유체용도관을 가지고 열을 유입 또는 유출하는 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제1항 또는 제2항에서,

상기 샌드몰드(2)는 샌드코어(21) 및 샌드재킷(22)으로 이루어지고, 주조공간(5)은 샌드코어(21)에 의하여 한 쪽에서 샌드재킷(22) 및 고정몰드(3)에 의하여 다른 쪽에서 구획되는 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제1항 또는 제2항에서,

상기 고정몰드(3)는 내벽(31) 및 베이스(32)를 가지고 한 쪽이 개방된 용기이고, 내벽(31) 및 베이스(32)의 최소한 일부분(32a)이 제1 형상부여면(9)를 형성하는 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제5항에서,

상기 고정몰드(3)의 상기 베이스(32)는 절결부(322)를 가지고, 상기 샌드코어(21)가 상기 절결부내로 연장되는 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제5항에서,

상기 샌드코어(21)와 상기 고정몰드(3)의 상기 내벽(31)사이의 간격은 상기 샌드코어(21)와 상기 샌드재킷(22)사이의 간격 보다 큰 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제5항에서,

상기 제1 형상부여면(9)은 상기 캐스팅몰드(1)의 이들 면의 절반을 형성하고, 상기 고정몰드(3)로 둘러싸인 영역의 상기 주조공간(5)을 구획하는 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제5항에서,

상기 중공주물부재의 냉각에 필수적인 상기 고정몰드(3)의 재료체적(VK)은, 상기 고정몰드(3)로 둘러싸인 주조공간(5)영역의 체적(VG)의 최소한 2배만큼 큰 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제5항에서,

상기 고정몰드(3)의 벽두께(DK)는 상기 샌드코어(21)와 상기 고정몰드(3)의 내벽(31)사이의 간격의 1.5배 이하인 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
메탈 중공주물부재를 제조하는 방법으로서,

상기 중공주물부재는 제1 및 제2 영역을 가지고, 상기 제1 영역의 상기 중공주물부재의 벽두께는 제2 영역에서 보다 크고, 주물재료(6)가 캐스팅몰드(1)내에 주입되어 거기에서 응고되고,

상기 제1 영역 내 상기 중공주물부재의 외측형상은 고정몰드(3)에 의하여 형성되며, 상기 제2 영역 내 외측 형상 및 상기 중공주물부재의 내측 경계면은 샌드몰드(2)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 메탈 중공주물부재의 제조방법.
제11항에서,

상기 중공주물부재의 외측형상을 제1 영역에 형성하는 데 사용되는 상기 고정몰드(3)가 단일체로 형성된 것을 특징으로 하는 메탈 중공주물부재의 제조방법.
제11항 또는 제12항에서,

상기 고정몰드(3)는 상기 주물재료(6)의 주입 전에, 유체에 의하여 데워지는 것을 특징으로 하는 메탈 중공주물부재의 제조방법.
제11항 또는 제12항에서,

상기 고정몰드(3)는 주물재료(6)의 주입 중 및/또는 주입후에 유체에 의하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 메탈 중공주물부재의 제조방법.
벽두께가 상이한 2개의 영역을 가지고, 제1항 또는 제2항에 따른 캐스팅몰드(1)로 제조되는 왕복피스톤 연소엔진용 실린더슬리브.
벽두께가 상이한 2개의 영역을 가지고, 제11항 또는 제12항에 따른 방법으로 제조되는 왕복피스톤 연소엔진용 실린더슬리브.
제15항에 따른 최소한 하나의 실린더슬리브를 가지는 왕복피스톤 연소엔진.
제1항 또는 제2항에서,

상기 고정몰드(3)는 공기용 도관(33; 331, 332)을 가지고 열을 유입 또는 유출하는 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.
제5항에서,

상기 고정몰드(3)의 벽두께(DK)는 상기 샌드코어(21)와 상기 고정몰드(3)의 내벽(31)사이의 간격의 0.9배인 것을 특징으로 하는 캐스팅몰드.