KR100567360B1 - 금속주물부재를제조하는주조법및주조몰드 - Google Patents

Abstract

주조재료로 금속 주조부품을 제조하는 주조법으로서, 액상의 주조 재료를 몰드, 특히 샌드 몰드에 주입한다. 주조재료는 몰드내에서 고화 및 냉각된다. 주조재료의 냉각은 몰드내에서 냉각시스템(3, 4, 60, 91)에 의하여 제어된다. 주조 재료의 냉각을 제어하기 위하여 냉각시스템(3, 4, 60, 91)이 몰드 내에 배치된다.

Description

금속 주조부품을 제조하기 위한 주조방법과 주조몰드 {CASTING METHOD AND A CASTING MOULD FOR THE MANUFACTURE OF METALLIC CAST PARTS}

본 발명은 액상의 주조 재료(casting material)를 주조 몰드(casting mould), 특히 샌드 몰드(sand mould)에 도입하고, 주형의 내부에서 주조 재료를 고화, 냉각시켜, 주조 재료로부터 금속 주조부품(metallic cast part)을 제조하기 위한 주조방법 및 주조 몰드, 특히 샌드몰드에 관한 것이다.

금속 주조부품을 제조하는 주조법에 있어서, 예를 들어 주철, 특히 회색 주철합금과 같은 주조재료가 예를 들어 몰드피트(mould pit), 샌드몰드(sand mould) 또는 중력 다이 캐스트 금형(gravity die casting mould)과 같은 주조 몰드로 액체 상태에서 도입되고, 주조 몰드로 열이 전달되어 고화된다. 고화의 과정에 있어서, 복잡한 화학적 및 물리적 프로세스가 진행된다. 특히 주조재료의 공간적 및 시간적 고화 과정은, 결정(結晶)구조의 성장, 나아가, 주조부품의 기계적 성질에 결정적인 영향을 미친다.

고화가 완료된 후에도, 주조부품은 주조 몰드로부터 꺼내어지기 전에, 주조몰드 내부에서 소위 언패킹(unpacking)온도에 도달할 때까지 냉각되어야 한다. 언팩킹 온도는 주철 합금의 경우, 300℃ 이하이다. 주조재료의 공간적 및 시간적 냉각 과정도, 예를 들어, 주조 부품의 내부 응력(internal stress)이라고 하는 주조 부품의 기계적 성질에 중요한 영향을 미친다. 그러나, 주조 몰드는 주조재료에 의해 점차 가열되기 때문에, 몰드 내부에서 체류시간이 증가하면서 주조 재료의 냉각 속도가 저하되어, 예를 들어, 언패킹온도에 도달하기 전의 시점에서 1 시간 당 1℃ 이하의 값까지 저하된다. 따라서 주조재료의 냉각 시간은 고화에 필요한 시간과 비교할 때 길어지게 된다. 예를 들어 대형 디젤엔진의 모터하우징과 같이 대용적의 주조부품는 수주일간의 냉각시간이 걸리는 경우가 종종 있다. 장소적인 제약으로 인해, 이처럼 대용적의 주조부품을 제조할 수 있는 몰드 피트는 주조 공장내에 단지 제한된 개수만 설치할 수 있으므로, 냉각에 장시간이 소요된다는 것은 실현 가능한 생산능력을 상당히 제한하는 요인이 되어 경제적 관점에서 바람직하지 않다.

종래 주조법의 다른 단점은, 특히 부피가 큰 주조부품에서는 주조재료의 고화과정, 특히 고화시간이 야금학적 견지에서 이상적이지 않으므로 원하는 성질을 갖지 않은 결정 구조가 성장한다는 점이다. 이 때문에, 주조부품을 주조 몰드로부터 꺼낸 후, 주조 부품에 컨버젼 어닐링(conversion annealing) 또는 노말라이징(normalization)과 같이, 시간과 비용이 많이 소요되는 열처리를 수행하여 부품의 결정구조를 변화시켜야 할 필요가 있다.

또한, 종래의 주조방법에서는, 주조부품의 냉각 과정에 의해 상당하게 문제가 되는 내부응력, 특히 인장응력(引張應力)이 주조부품 내부에 종종 일어난다는 단점을 가지고 있다. 이 문제는 예를 들어 대형 디젤엔진용 엔진하우징과 같은 복잡한 구조를 가지는 주조부품에서 특히 두드러진다. 이러한 엔진하우징(예로서 도 1 참조)은 다수의 절결부, 상이한 크기의 내측 공동 및 벽두께가 매우 상이한 격벽을 가지고 있다. 특히 이런 종류의 복잡한 주조부품에서는, 내부 응력에 의해 매우 쉽게 치수의 변경이 생기거나 금이 갈 수 있기 때문에, 주조부품의 어느 정도의 품질을 확보하기 위해서는, 많은 시간이 소모되고, 비용이 많이 드는 열처리, 예를 들면 어닐링으로 응력을 저감하는 것이 필수적이다.

이러한 종래기술로부터, 본 발명의 목적은 전술한 단점을 가지지 않은, 금속 주조부품을 제조하기 위한 주조 방법 및 주조 몰드를 제공하는 것이다. 주조법 및 주조몰드는 금속 주조부품을 가장 경제적으로 제조할 수 있어야 한다. 특히 대용적(大容積)의 주조 부품에서, 특히 냉각시간을 상당히 저감할 수 있어야 한다. 또한, 본 발명의 주조법 및/또는 주조몰드를 사용함에 의해, 후속하여 정교한 열처리를 할 필요없이, 대형 디젤엔진용의 엔진 하우징과 같은 복잡한 구조의 주조부품을 품질은 저하시키지 않고 제조할 수 있어야 한다.

방법 및 장치의 관점에서 상기 목적을 만족시키기 위한 본 발명의 대상은 각 독립 청구항의 특징부를 특징으로 한다. 본 발명에 따른 주조방법은, 주조재료를 액체상태로 주조몰드, 특히 샌드몰드내에 주입하고 이 주조재료를 주조몰드내에서 고화 및 냉각하여 금속 주조부품을 제조함에 있어, 주조 재료의 냉각이 주조 몰드 내부에서 냉각 시스템에 의하여 제어되는 것을 특징으로 한다. 재료의 냉각을 제어함에 의해, 재료의 고화 및/또는 냉각의 공간적 및 시간적 진행을 능동적으로, 그리고, 계획적으로 제어할 수 있다. 이로써, 주조 재료가 언패킹 온도에 도달하는데 소요되는 냉각 시간을 대폭 단축시킬 수 있다. 따라서, 예를 들어, 새로운 주조 과정을 위한, 주조 몰드를 내부에 구비한 몰드피트를 한층 신속하게 보급할 수 있으므로, 장소적인 조건은 변하지 않고 생산능력을 대폭 향상시킬 수 있다.

바람직하게는, 주조 몰드 내부에서, 주조 재료의, 미리 결정된 적어도 하나의 영역으로부터, 제어방식으로, 즉, 제어 냉각에 의해 열을 제거한다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 주조 재료의 고화가, 열의 계획적 제거에 의해 제어될 수 있다. 이러한 수단을 통하여, 주조재료의 적어도 하나의 공간영역을 매우 신속하게 고화시키는 것이 가능하게 된다. 이는, 고화되는 주조재료의 결정구조의 성장에 대하여 국소적으로 효과를 미치는 것이 가능하다는 점에서 유리하다. 따라서, 지향 제어(地向 制御)된 급속한 고화(diracted, controlled and rapid solidification)를 통하여, 예를 들어, 컨버젼 어닐링 또는 전이 어닐링(transformation annealing)과 같이 열에 의한 후처리를 행하지 않고, 주조 재료의 미리 결정된 영역에서 높은 경도를 얻는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 주조법에 있어서, 주조 몰드 내의 주조재료의 미리 결정된 복수개의 영역으로부터 열의 제거를, 제어 냉각(controlled cooling)에 의해 제어하는 것이 바람직하고, 상이한 특정 영역으로부터 제거되는 열량을, 각각의 영역에서 실질적으로 서로 독립적으로 제어하는 것이 가능하다. 이러한 방식은, 고화 및/또는 냉각의 공간적 진행을 능동적으로 제어하는 것이 가능하다고 하는 장점을 가진다. 이와 같이 하여, 주조 부품의 기계적 성질에 대하여 제조의 단계에서부터 영향을 줄 수 있다.

열의 제거는, 유체, 특히 바람직하게는 공기를 이용하여 효과적으로 수행된다. 공기는 취급이 용이하고 경제적이며 안전한 냉매이다.

바람직한 한 방법에 의하면, 주조 재료의 상이한 지점에 배치된 온도 센서에 의해 국소적인 온도가 계속적으로 측정되고, 이로부터 얻어지는 온도 프로파일(temperature profile)이 냉각 공정의 제어를 위해 사용된다. 이와 같이 하여, 재료의 공간상 온도 프로파일은 계속해서 모니터되어, 제어 냉각에 의하여 능동적으로 영향을 받을 수 있다.

특히 주조 재료의 냉각 중에 있어서, 주조 재료에 있어서의 온도 구배(temperature gradient)가 최소로 억제되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 대형 디젤 엔진의 하우징과 같은 복잡한 구조인 주조 부품에서도 인장 응력이, 대폭 감소하고, 응력을 줄이기 위하여 행해지는 어닐링과 같은, 열에 의한 후처리를 생략하는 것이, 품질을 유지하면서 가능해진다. 주조 부품의 내부에서 압축 응력(compressive stresses)을 발생시키는 것도 가능하다.

주조 재료를 주조 몰드 내에서 고화 및 냉각하여 금속 주조부품을 제조하는 본 발명에 따른 주조몰드, 특히 샌드몰드는 주조 재료를 제어 냉각(controlled cooling)하기 위한 냉각 시스템을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이로써, 본 발명에 따른 주조몰드는 본 발명에 따른 주조법을 실행하는 데 적합하다.

바람직하게는, 냉각 시스템은 유체상의 열 매체(fluid heat carrier), 특히 공기를 위한, 튜브 시스템을 하나 이상 포함하고, 상기 튜브 시스템을 통하여 적어도 하나의 미리 결정된 공간 영역에서 주조재료로부터, 제어방식으로, 즉, 제어 냉각에 의해, 열이 제거될 수 있다. 이러한 구조적으로 단순한 수단은, 주조 재료의, 고화 및/또는 냉각의 공간적 및 시간적 과정에 영향을 미칠 수 있다.

주조 재료와 튜브 시스템 간의 직접 접촉은 피하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 튜브 시스템은 샌드 몰드의 샌드 코어의 내부 또는 그 사이에 뻗어있도록 배치될 수 있다. 바람직한 일변형예에 있어서, 냉각 시스템은, 열 교환 매체(transfer medium)를 더 포함하여 튜브 시스템을 주조재료에 열적으로 결합(coupling)시킨다. 가장 간단한 실시예에서, 상기 열 교환 매체는 모래 또는 샌드 코어일 수 있다. 그러나, 열 접촉을 보다 양호하게 하기 위해, 열 교환 매체는, 예를 들어, 그래파이트(graphite)와 같은 보다 우수한 열전도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 튜브 시스템은 주조 재료와 본체가 직접 접촉하고 있는 그래파이트 판 표면 또는 그 내부에 부분적으로 연장될 수 있다.

냉각 시스템은, 적어도 2개의, 유체 상태 열 매체, 특히 공기의 튜브시스템을 구비하는 것이 바람직하고, 이를 통하여 주조 재료의 미리 결정된 복수개의 영역으로부터 열의 제거를, 제어 시스템의 의해 제어하는 것이 가능하고, 이 때, 상이한 튜브 시스템에 의해, 제거되는 열의 양을 실질적으로 각각 독립하여 조절하는 것도 가능하다. 이러한 수단을 통하여, 특히 주조재료의 고화 및/또는 냉각 과정에 능동적으로 영향을 줄 수 있다. 이와 같은 방식으로, 주조부품에 따라, 다시 말해, 그의 소망하는 특성들에 따라, 야금학적 견지에서 주조재료의 고화 및/또는 냉각에 각각 가장 바람직한 과정이 실현될 수 있다.

특히 바람직하게는, 제거되는 열량을 제어하는 주조 재료에 있어 온도 구배가 최소화 되도록 하는 제어 시스템을 제공한다. 이로써, 주조 부품 내의 인장응력을 상당히 저감시킬 수 있거나, 혹은 압축응력을 발생시킬 수 있으며, 예를 들어 응력을 감소시키거나 제거하기 위해, 어닐링, 즉 스트레스-프리 어닐링(stress-free annealing)과 같은 후속의 열처리를 할 필요가 없다.

본 발명에 따른 주조법 및 본 발명에 따른 주조몰드는, 시간과 비용이 많이 소요되는 열처리를 필요로 하지 않기 때문에, 특히 경제적이다.

다른 바람직한 수단 및 실시예는 청구의 범위 종속항에 기재되어 있다.

이어서, 본 발명을 도면 및 예시적인 실시예를 참조하여 방법론적 양태 및 장치 양자 모두에 관하여 상세하게 설명한다.

금속 주조부품을 제조하는 본 발명에 따른 주조법 및 본 발명에 따른 주조몰드의 경우, 특히 주조 재료가 주조 몰드 내부에서 냉각시스템에 의하여 제어 방식으로 냉각되고, 주조 재료의 제어 냉각을 위하여 냉각 시스템이 제공되는 것을 특징으로 한다. 「제어 냉각」이라는 용어는, 주조 재료를 수동적으로 고화, 혹은 냉각시키는 것이 아니라, 예를 들어 제어 시스템에 의해, 주조 몰드 및 주조 재료 중 적어도 어느 한 쪽으로부터 열을 능동적으로 제거하고, 나아가, 제거되는 열량도 제어되는 것을 의미한다.

이하 설명되는 예시적인 실시예에서, 주조 재료로서는, 예를 들어 주철, 특히 회색 주철합금을 사용한다.

본 발명의 제1 실시예는, 예를 들어 선박의 건조 시에 사용되는 대형 디젤엔진용 엔진하우징의 제조에 관한 것이다. 일반적으로 수많은 공동(cavity) 및 절결부 그리고 두께가 상이한 다수의 격벽을 가진 매우 복잡한 구조인 이러한 종류의 엔진하우징은, 제조하려는 주조부품의 원하는 형상에 따라 패턴된 샌드몰드내에서 주조하여 필요한 곳에는 추가의 가공을 하는 것이 일반적이다.

도 1에는, 다용도의 고정몰드로 디자인된 몰드 피트(2)내부의 엔진 하우징(1)의 일부 개략도이다. 엔진 하우징(1)은 크랭크 케이스 공간(crankcase space)(11) 및 2개의 실린더(122)가 도시되어 있는 실린더 공간(12)을 포함한다. 엔진 하우징(1)은 쌍을 이루어 순차 배열된 복수개, 예를 들면 10개 또는 12개의 실린더(122)를 포함하는 것이 일반적이다. 도 1에 나타낸 엔진하우징(1)은, 본 발명을 이해하는 데 필수적인 것이 아니고 또한 충분하게 잘 알려져 있기 때문에 여기서는 더 상세하게 설명하지 않는다.

엔진하우징(1)을 제조함에 있어, 엔진하우징(1)의 형상은, 우선 몰드피트(2) 내부에 공지된 방법에 의해, 복수개의, 예를 들어 시멘트 모래로 이루어진 샌드 코어로부터 형성된다. 이러한 종류의 샌드코어는 접착제가 가해진 석영모래 또는 모래와 같은 다른 광물질을 예를 들어 화학적 또는 열적 경화를 통하여 제조한다. 일반적으로 일회용으로 디자인된 각각의 샌드코어를, 그들 사이에 생기는 공동이 엔진하우징(1)용으로 제조하려는 주조부품의 형상에 전체적으로 대략 대응하도록 몰드 피트내에 조립 즉 결합한다. 도 1에 기초하면, 제조된 엔진 하우징(1)의 대략 모든 공동 및 절결부는 엔진 하우징(1)과 몰드 피트(2)의 베이스(21) 및 내벽(22)의 사이의 공간과 동일한 형상으로, 적절하게 형성된 샌드코어로 충진된다. 이해를 용이하게 하기 위해, 도 1에는 샌드코어의 구체적으로 도시하지 않았으며, 대신 샌드코어의 사이와 내부의 공간의 전체에 의해 형성된 엔진 하우징(1)을 도시한다.

전술한 방식으로 샌드 몰드를 제조한 후, 액상의 주조 재료, 일반적으로 주철합금을 샌드 몰드 안에 공동 안으로 유입시키고, 재료를 고화하고 냉각하면 엔진 하우징(1)이 완성된다.

본 발명에 있어서, 주조재료의 제어 냉각을 위해 냉각 시스템이 제공된다. 도 1에 도시된 실시 양태에 있어서, 냉각 시스템은 복수의 튜브시스템을 구비하고, 이들에 의해, 크랭크 케이스 공간 냉각기(3)(도 2 및 도 3 참조) 및 베이스 냉각기(4)(도 4 참조)가 형성된다. 주조재료 및/또는 주조몰드로부터 열을 제거하기 위한 유체상 열 매체가 튜브 시스템을 흐른다. 공기는, 주조 재료가 통상 사용되는 고온 상태에서도 취급이 쉽고, 안전하며, 경제적이고 효율적인 매체이기 때문에, 열 매체로서 바람직하게 사용된다. 공기는, 예를 들어, 팬(fan) 또는 송풍기에 의하여 튜브 시스템 안을 이송된다. 주조 재료로부터 제거된 열의 양은, 공기 유량을 통하여 밸브, 리스트릭터 플랩(restrictor flap) 또는 다른 계량기구(metering apparatus)를 사용하는 간단한 방식으로 제어 가능하다. 따라서 냉각 시스템의 냉각 능력은 예를 들어 공기의 유속을 증가시키거나 또는 공급된 공기의 압력을 증가시킴으로써 강해질 수 있다. 수 기압(bar)의 압축공기를 튜브 시스템으로 공급하는 것이 실용적으로 유효하다. 각각의 튜브 시스템 내에 유입하는 공기량의 제어는, 튜브 시스템의 급기부(給氣部)는 물론 배기부(排氣部)에서 행해질 수 있다. 실용적으로는, 상기 제어는, 배기부에서 행해지는 것이 바람직하다.

제1 실시예에는 2개의 실질적으로 독립된 튜브시스템, 즉 크랭크 케이스 공간 냉각기(3)와 베이스 냉각기(4)가 사용되고 있다. 이에 의해, 주조재료의 상이한 공간영역으로부터의 열의 제거를, 제어 시스템에 의해, 제어하는 것이 가능하게 되고, 상이한 특정 영역으로부터 제거된 열의 양을 각각 독립적으로 제어하는 것이 가능해진다. 이처럼 국소적인 열의 제거에 의해, 주조 재료의 온도 프로파일을 제어하는 것이 가능하다. 주조 몰드의 튜브 시스템에서 튜브의 배치, 형상 및 경로에 의해, 주조재료로부터 열이 제거되는 공간영역이 미리 결정할 수 있다. 도시된 튜브 시스템의 디자인 및 배치는 주조 부품의 외형 및 구체적인 응용에 적합하게 한 것이다.

제1 실시예에서, 크랭크 케이스 냉각기(3)는 크랭크 케이스(11)와 실린더 공간 (12)사이, 즉 주조부품의 외형 때문에 열의 축적이 일어날 수 있는 경계영역의 주조재료로부터 열을 국부적으로 제거하는 기능을 하고, 베이스 냉각기(4)의 기능은 엔진하우징(1)의 베이스 영역으로부터 열을 제거하는 것이다.

또한, 예를 들어 열전(熱電)소자인, 온도 센서(5a, 5b, 5c)가 주조 재료 내에 배치되고, 이것에 의해 상이한 지점에서 주조재료의 국부 온도가 각각의 경우마다 계속해서 측정된다. 제1 실시예에서, 제1 온도센서(5a)는 베이스 영역에 배치되고, 제2 온도센서(5b)는 실린더공간(12)과 크랭크케이스(11) 사이 경계영역의 중앙에 배치되고, 제3 온도센서(5c)는 엔진하우징(1)의 플랜지영역에 배치된다. 어느 시점에서의 주조재료의 온도 프로파일이, 상기 3개의 온도센서(5a, 5b, 5c)의 측정치로부터 결정될 수 있다. 온도센서(5a, 5b, 5c)는 그들의 측정치를 예를 들어 제어 시스템(6)에 전달하고, 이것에 의하여 튜브 시스템 내의 공기량이 제어될 수 있다. 각각의 튜브 시스템을 통과하는 공기량은 제어 시스템(6)에 의해 제어된다. 이러한 제어는, 예를 들어 도시되지 않은 리스트릭터(restrictor)장치에 의해, 주조 부품의 온도 프로파일에 따라, 주조 부품의 특정의 영역으로부터 단위시간 당으로 빼앗기는 열량을 크게하거나 혹은 작게하거나 하여 행해진다. 예를 들어, 제2 온도센서(5b)의 영역이 과가열된 경우, 이러한 상황은, 제2 온도센서(5b)와 제3 온도센서(5c) 사이의 온도차가 커짐에 의해 검지(檢知)되어, 제어 시스템(6)을 매개로 하여, 공기의 유량을 증대함에 의해, 크랭크 케이스 냉각기(3)의 냉각력이 상승되어, 그 결과, 2 지점 사이의 온도차가 작아지게 된다.

도 2는 크랭크 케이스 공간 냉각기(3)를 형성하는 튜브 시스템의 측면도이고, 도 3은, 크랭크 케이스 공간 냉각기(3)를, 도 2 에 있어서 III-III 선을 따라 절단한 것의 평면도이다. 크랭크케이스 공간 냉각기(3)는 단체(單體)의 튜브, 예를 들면 강관으로 구성되는 것이 바람직하다. 크랭크 케이스 공간 냉각기(3)의 급기부(31)는 대략 S자 형상을 가지는 만곡부(33)로 연속된다. S자형 만곡부(33)는, 다른쪽 말단에서 급기관부(31)와 평행하게 연장된 배기관부(32)로 연속한다. 크랭크 케이스 공간 냉각기의 S자형 만곡부(33)는 크랭크 케이스 공간(11)과 실린더 공간(12) 사이에 대략 경계를 형성하는 참조부호(30)로 나타낸 면과 접하도록 주조몰드 내에 배치된다. 상기 면(30)의 형상에 따라, S자형상부(33)의 2개의 만곡부는 도 2의 측면도에서와 같이 V자를 형성하도록 서로 경사를 이루고 있다. S자형상부(33)의 2개의 만곡부는 실린더(122)의 벽을 따르도록 만곡된다. 열전도성이 양호한 복수의 플레이트(34), 예를 들면 흑연을 S자 형상부(33)에 부가하고, 이것에 의하여 크랭크케이스 냉각기(3)가 상기 면(30)과 접한다. 따라서 주조재료로부터 크랭크케이스 냉각기(3)내로 가능한 가장 균일하고 최상으로 열 전달이 확실하게 된다. 이러한 종류의 크랭크케이스 냉각기(3)는 각 쌍의 실린더에 배치된다는 것은 자명하다. 급기부와 배기부(31, 32) 각각은 도 1에서와 같이 면(30)으로부터 크랭크케이스(11)을 통하여 위쪽으로 연장된다. 급기부(31)는 공기공급 수단, 예를 들면 팬 또는 송풍기에 별개로 또는 그들이 개방되어 있는 공통의 중앙선을 거쳐 연결되어 있다. 배기부(32)는 양호한 제어 및 모니터를 위하여 주조몰드로부터 각각 별개로 유도되는 것이 바람직하다.

도 4에는, 베이스 냉각기(4)를 형성하는 튜브 시스템을 나타낸다. 베이스 냉각기(4)는 몰드피트의 베이스에 배치되고, 엔진하우징(1)의 대략 전체 폭에 걸쳐 연장되는 주관(main line: 41)을 포함한다. 각각이 대체로 U자형상이고, 단지 한쪽의 림이 주관(41)에 연결되어 있는 4개의 튜브(42)가 주관(41)으로부터 분기된다. 도 4에 화살표로 나타낸 바와 같이, 공기는 이들 림을 통하여 U자형상 튜브내로 흐른다. 각각의 U자형상 튜브(42)의 다른쪽 림은 출구(43)에 이르게 되어 공기를 배출한다. 제어 및 모니터가 보다 잘 되도록 하기 위하여, 출구(43)는 주조몰드로부터 별개로 끌어낸다. 복수개의 스틸 플레이트(44)를 U자형상 튜브의 림 사이에, 예를 들어 용접하여 배열시켜 엔진하우징(1)의 베이스영역을 균일하게 냉각한다. 흑연 플레이트(45)와 같은 열 교환 매체를 배치할 수 있어서 주조재료와 베이스 냉각기(4) 사이에 열을 보다 신속하게 전달한다. 흑연플레이트(45)는 스틸플레이트(44)와 베이스에 가장 가까운 주조몰드의 샌드코어내 또는 그 사이의 주조재료 사이에 배열된다. 또한, 공급라인(7)(도 1)이 배치되어 있고, 이를 통하여 찬 공기가 주관(41)레벨까지 유도되어 주관에 공급된다. 베이스 냉각기(4) 튜브는 예를 들어 스틸로 될 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 있어서, 제1의 목적은 엔진하우징(1)의 주조몰드내에서의 냉각시간을 상당히 단축시킴으로써 필요한 생산시간이 상당히 단축되고, 응력을 낮추기 위한 후속 어닐링이 필요 없을 정도로 주조부품내의 내부응력을 저감시키는 것이다.

상기 제1의 목적은 튜브시스템을 통하여 이송된 공기에 의하여 주조재료로부터 열을 능동적으로 제거함으로써 달성된다. 예를 들어 피동적으로 냉각되게 하는 것 보다 훨씬 신속하게 열이 방산된다. 냉각시간, 즉 주조몰드내에서 엔진하우징(1)이 그 언패킹온도에 이르는데 필요한 시간이, 피동적인 냉각에 비하여 1/3이하로 저감될 수 있다. 이는 경제적인 관점에서 상당한 진보된 것이다.

경제적인 관점에서, 튜브 시스템으로부터 배기된 고온의 공기를 다른 주조몰드의 건조에 사용할 수 있어, 고온의 공기 내에 함유된 에너지가 미사용의 상태로 가지 않는다는 것 또한 장점이다.

본 발명의 제2의 목적은 온도센서(5a, 5b)영역의 온도프로파일을 본 발명에 따른 제어냉각에 의하여 온도센서(5c)영역의 온도프로 파일에 일치되게 함으로써 달성될 수 있다. 이는, 크랭크 케이스 냉각기(3) 및 베이스 냉각기(4)를 통과하는 공기량을 제어함에 의해 주조재료에서의 온도구배를 최소화하는 것을 의미한다. 주조재료의 상이한 영역으로부터의 국소적인 열의 제거를 제어하는 것에 의해, 주조재료를 균일하게, 즉 내부 온도차(internal temperature)가 매우 낮도록 냉각하는 것이 가능하다. 열이 지체(stagnation)되는 곳(가령, 온도센서(5b)영역)에서는, 해당 튜브 시스템(크랭크케이스 공간 냉각기(3))의 냉각력을 증가시켜, 국소적인 열의 제거를 통해, 온도센서(5c)영역의 온도에 근접하도록 한다. 이러한 균일 냉각에 의해, 주조 부품의 내부응력이 대폭 저감될 수 있다. 온도 센서(5b)영역을 강하게 냉각시켜서, 온도센서(5c)영역 및 온도센서(5a)영역에서 보다 낮은 온도가 국부적으로 존재하도록 할 수 있다. 이 경우, 온도센서(5b)영역에 압축 응력을 발생시키는 것이 이론적으로 가능하게 된다.

본 발명의 제1 실시양태에 있어서, 이러한 구성에 의해, 냉각의 공간적 과정(온도 프로파일)과 시간적 과정 (냉각속도)의 모두를 제어할 수 있다. 이러한 것은, 제조하고자 하는 주조부품의 기하학적 형상 또는 기계적 성질에 따라, 야금학적 견지에 기초하여, 주조 재료의 공간적 및 시간적 냉각과정을 최적화하는 것이 가능하기 때문에, 주조 기술의 가능성을 대폭 넓히는 것을 의미한다.

주조재료(10)와, 공기인 것이 바람직하고 튜브시스템중 하나의 라인(8)으로 이동하는 열매체와의 사이에 열을 전달하는 상이한 변형예를 도 5 ∼ 도 9에 개략적으로 나타낸다.

열매체 공기는 화살표로 각각의 경우에 상징적으로 나타낸다. 가장 간단한 경우(도 5 참조), 라인(8)이 샌드코어(9)의 내부에 연장되고, 이로써 샌드가 튜브시스템을 주조재료에 열적으로 결합하는 전달매체를 형성한다. 또한 열을 보다 잘 전도하는 물질, 바람직하기로는 흑연(20)을 전달매체로서 사용하는 것도 가능하다(도 6, 도 7 및 도 9 참조). 도 6에 나타낸 변형예에 있어서, 라인(8)은 흑연(20)으로 완전하게 둘러싸인다. 이것은, 예를 들면 라인(8)이 그 길이의 최소한 일부에 걸쳐서 흑연보디내에 형성되는 것을 실현할 수 있다. 도 7에 나타낸 변형예에 있어서, 흑연(20)이 또한 라인(8)과 주조재료(10) 사이에 전달매체로서 위치되어 있으나, 라인(8)은 주조재료(10)로부터 떨어진 그 측면의 샌드코어(9)에 인접하고 있다. 이 변형예를 실현하기 위하여, 도 9의 단면도에 나타낸 바와 같이, 한 편으로는 라인(8)을 샌드코어(9)내에 부분적으로 묻고 이것을 다른 쪽의 흑연(20), 예를 들면 흑연플레이트와 접하게 하여 일체로 하는 것이 또한 가능하다. 열을 보다 양호하게 전달하기 위하여, 흑연(20), 라인(8) 및 샌드코어(9) 사이의 중간공간은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 열을 잘 전도하는 형성가능매체(22)로 채우는 것이 바람직하다. 여기에 적합한 것으로는 예를 들어 흑연분말, 흑연입자 또는 푸란바인더(furan binder)와 같이 열을 잘 전달하는 수지와 혼합된 흑연분말 및/또는 흑연입자가 있다. 도 8에 나타낸 변형예에서 라인(8)은 아이언보디(21)로 둘러싸이고, 예를 들면 아이언보디(21)내에 주조되어 있다. 흑연(20)이 아이언보디 (21)와 주조재료(10) 사이에 또한 배치된다.

본 발명의 제2 실시예는, 예를 들어 자동차프레스와 같은 대형프레스에 사용되는 대형 편심륜(eccentric wheel)의 제조에 관한 것이다.

제1 실시예는 어떻게 주조재료의 냉각공정이 본 발명의 수단에 의하여 제어될 수 있는 가를 주로 나타내는 반면, 제2 실시예는 어떻게 본 발명이 주조재료의 고화공정을 제어하는 데 바람직하게 사용가능한 가를 주로 나타낸다.

도 10은 외측 톱니형성 림(51)을 가진 공지의 편심륜(50)의 절반부를 나타낸다. 보다 이해를 돕기 위하여, 도 11은 도 10의 단면라인 XI-XI에 따른 편심륜(50)의 다른 단면도이다. 이러한 종류의 편심륜(50)은 대응하게 틀이 짜인 샌드몰드내에서 또한 주조되는 것이 일반적이다. 이해를 보다 용이하게 하기 위하여, 샌드몰드는 도 10 및 도 11에 나타내지 않는다.

이러한 종류의 편심륜(50)은 특히 톱니형성 림(51)에 매우 양호한 기계적 성질, 특히 매우 높은 경도를 일반적으로 가져야 장기간에 걸친 동작에 견디게 된다. 따라서 톱니모양의 림(51)영역의 결정상구조에는 시멘타이트(cementite) 퇴적물이 또한 없어야 한다. 결정상구조에 반드시 필요한 이들 조건들은 공지의 주조법으로는 실현될 수 없어서, 주조부품의 결정상구조는 몰드로부터 제거후에 후속의 정교한 열처리(예를 들어 공기중의 냉각으로 정상화 및 응력을 낮추는 후속 어닐링)에 의하여 전환되어야 예를 들어 원하는 경도를 달성하게 된다. 공정비용에 있어서 커다란 단점은, 높은 경도를 가져야 하는 영역만이 아닌 편심륜(50) 전체의 결정상구조가 후속 열처리에 의하여 전환된다는 것이다.

본 발명에 따른 제어냉각을 통하여, 높은 경도를 가져야 하는 영역, 즉 톱니형성 림(51)에서의 고화는 이 톱니형성 림(51)이 공융셀을 가진 매우 미세한 결정상구조를 가지고 완전하게 펄라이트형(perlitic)이 되도록 열의 직접 제거를 통하여 가속될 수 있다. 제어냉각을 통하여, 원하는 경도는 편심륜(50)의 나머지는 실질적으로 영향을 받지않고 후속 열처리없이 톱니형성 림(51)에서 이 방식으로 실현될 수 있다.

냉각시스템의 제2 실시예는 편심륜(50)의 외주를 따라 배열된 복수의 냉각기플레이트(60)를 포함한다. 열전달이 잘 되도록 하기 위하여, 열전도성이 양호한 재료, 예를 들면 흑연부재(70)가 각각의 쿨러플레이트(60)와 편심륜(50) 사이에 배열되고, 흑연부재(70)의 한쪽 면은 각각 편심륜의 만곡부에 합치된다.

도 12는 이러한 종류의 냉각기 플레이트(60)의 평면도이다. 냉각기 플레이트(60)는 대체로 장방형 평행관으로 된 형상이고, 본 예시적인 실시예에서 일체(一體)인 도관(conduit)(61)으로 실시된 튜브시스템을 가진다. 도관(61)은 차가운 공기의 입구(62)로부터 장방형 평행관 형상을 가진 냉각기 플레이트(60)의 내부를 통하여 출구(63)에 이른다. 냉각기 플레이트(60)의 내부에서, 도관(61)은 냉각기 플레이트(60)의 외주와 평행으로 먼저 연장된 후, 냉각기 플레이트(60)의 중앙쪽으로 구부러져서 출구(63)와 반대방향으로 다시 뒤쪽으로 연장된다. 도 11 및 도 12의 화살표는 공기의 흐름방향을 나타낸다. 냉각기 플레이트(60)는 예를 들어, 도관(61)이 그 안에 주조되어 있는 솔리드스틸 즉 아이언으로 제조된 장방형 평행관으로 구성될 수 있다.

각각의 냉각기 플레이트(60)(도 10 참조)에는 공기가 입구(62)를 통하여 개별적으로, 그룹으로 또는 공동으로 공급될 수 있다. 단위시간당 냉각기 플레이트(60)를 통과하는 공기량을 제어함으로써, 톱니형성 림(51)영역의 주조부품로부터 제거된 열의 양은 원하는 방식으로 제어될 수 있다. 따라서 주조재료의 고화는 제어되어 국부적으로 가속될 수 있다. 열을 계획적으로(intentionally) 제어하여 제거함으로써 고화를 가속해야 하는 주조부품 영역은, 대응하는 냉각기 플레이트(60) 또는 유사한 냉각부재를 배치하여 미리 결정할 수 있다.

따라서, 본 발명은 제어방식으로 주조재료의 공간적 및 시간적 고화진행을 가능하게 한다. 마찬가지로 고화 도중에 일어나는 결정상구조에 대한 의도적, 국부적 영향이 실현될 수 있기 때문에, 기술적 주조가능성이 확대된다.

본 발명의 제3 실시예는, 비교적 좁은 보어가 배치된 견고하고 두꺼운 부재 즉 블록을 가진 주조부품의 제조에 관한 것이다. 도 13은 비교적 좁은 보어(81)가 배치된 견고한 블록(80)(해치로 나타냄)을 가진 이러한 종류의 주조부품 섹션을 나타낸다. 도 13의 단면도에 나타낸 주조부품는 도시되지 않은 샌드몰드에 또한 주조된다. 주조부품이 나중에 좁은 보어(81)를 가지게 되는 주조몰드의 그 공간으로부터 액체 주조재료를 지지하는 샌드코어(90)는 좁은 보어(81)를 실현하기 위하여 배치된다. 종래의 주조법에서는, 이러한 종류의 좁은 보어(81)영역에 열의 하강 또는 상승이 상당하게 발생할 수 있다는 것은 공지된 문제이다. 이것은 샌드코어(90)의 샌드를 과열시키는 경우가 종종 있고, 이로써 샌드의 침투온도가 초과되어 주조재료가 샌드몰드(90)내로 침투된다. 이로 인한 샌드혼합물 및 주철은 주조부품을 몰드로부터 제거한 후 힘들게 끌로 파내어야 하므로, 이것은 시간이 많이 소요되는 작업이고 또한 작업자의 관절을 해치게 된다.

또한, 이 문제는 본 발명에 따른 제어냉각으로 해소될 수 있다. 이를 위하여, 좁은 보어(81)를 가진 주물부품의 공간영역으로부터 샌드몰드(90)의 내부에 연장되고, 이를 통하여 공기가 열 매체로서 이동하는 튜브시스템에 의하여 열을 계획적으로 제거한다. 이와 같이 하여, 한 편으로는 주조재료의 고화 및/또는 냉각이 좁은 보어(81)영역에서 가속되고, 관통하는 공기량의 대응 조절을 통하여 또한 제어될 수 있고, 다른 한 편으로는 샌드코어(90)의 그 침투온도 이상으로의 가열이 효과적으로 방지될 수 있다.

도 13에 나타낸 솔리드블록에서. 냉각용 튜브시스템은 이중 U자형 튜브(91)로서 실시되어 있다. 튜브(91)를 관통하는 공기를 화살표로 나타낸다. 이러한 종류의 이중 U자형 튜브(91)는 먼저 직선 튜브를 U자로 구부린 후 U자의 둥근 단부를 U자의 개방 단부를 향하여 구부려서 제조할 수 있다.

여기 개시된 예시적인 실시예는 각각 샌드 주조법 및 샌드 주조몰드에 관한 것이지만, 본 발명은 당연히 이러한 예에만 한정되는 것은 아니다. 마찬가지로, 중력 다이주조법 및 몰드(메탈 주조몰드는 대부분 주철로 제조됨) 또는 주물부품의 한쪽 부분은 중력 다이주조법으로 다른 한쪽 부분은 샌드폼으로 형성하는 주조법 및 주조몰드에도 적합하다. 중력 다이주조몰드를 사용할 때, 예를 들면, 열매체용 튜브시스템을 중력 다이주조몰드의 벽에 배치할 수 있다. 예를 들어 튜브시스템은 중력 다이주조몰드내에 주조될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 주조법 및 본 발명에 따른 주조몰드 각각은 주조부품의 공간적 및 시간적 고화 및/또는 냉각진행이 제어냉각에 의하여 제어방식으로 영향을 받게 한다. 특히 대형 주조부품의 냉각시간이 이로써 현저하게 줄어들 수 있다. 또한, 매우 고품질의 금속 주조부품을 후속의 정교한 열처리, 예를 들면 내부응력의 감소를 위하여 응력을 낮추는 어닐링 또는 결정상구조의 변형을 위한 정상화를 할 필요없이 제조할 수 있다. 이것은 시간 및 비용을 상당히 절감하는 것이다.

냉각시스템의 배치 및 공간 경로는, 제조할 주조부품의 기하학적 형상이나 특정의 용도, 즉, 목적하는 야금학적 효과에 따라 결정된다. 이러한 기준에 따라, 열의 제거를 제어하고 계획적으로 행하는 주조 재료의 특정의 영역을 미리 결정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 구현예를 도시하기 위한 것으로, 몰드피트 (mould pit)내부의 엔진 하우징을 나타내는 도면이다.

도 2는 도 1의 엔진 하우징 크랭크 케이스로부터 열을 제거하기 위한 튜브 시스템의 측면도이다.

도 3은 도 2의 III-III 방향으로부터 본 튜브 시스템의 평면도이다.

도 4는 도 1의 엔진 하우징의 저부를 냉각하기 위한 튜브 시스템을 도시한 도면이다.

도 5 내지 도 9는 주조 재료와 열 매체 사이에 열교환을 수행하는 구성에 대한 다양한 변형 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 10은 본 발명의 제2 구현예를 도시하기 위한 것으로 편심륜(偏心輪)을 나타내는 도면이다.

도 11은 도 10의 편심륜의 섹션라인 IX-IX에 따른 단면도이다.

도 12는 냉각판의 평면도이다.

도 13은 본 발명의 제3 구현예의 이해를 돕기 위해, 좁은 보어(bore)를 구비한 솔리드 블록(solid block)의 단면도이다.

Claims (14)

1. 액상의 주조 재료(cast material)를 몰드(mold) 내로 도입하고, 몰드 내부에서 상기 주조 재료를 고화 및 냉각시켜 주조 재료로부터 금속 주조 부품을 제조하는 방법으로서,

   몰드 내에서 주조 재료의 냉각을 냉각 시스템(3, 4; 60; 91)에 의하여 제어하고,

   주조 부품의 기하(geometry) 및 소망하는 야금학적 효과에 따라 주조 부품에서 하나 이상의 국부적 공간 영역을 미리 정하고, 상기 정해진 공간 영역에서 몰드 내의 상기 주조 재료로부터의 열의 제거를 계획적으로(intentionally) 제어하고

   상기 냉각 시스템의 위치와 형태를 조정하여 상기 국부적 공간 영역에서의 열의 제거를 제어하며,

   상기 국부적 공간 영역으로부터 열의 제거를 제어하는 것은, 흐르는 유체에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 주조법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 몰드는 샌드 몰드인 것을 특징으로 하는 주조법.
3. 제1항에 있어서,

   몰드 내 주조 부품의 상기 미리 정해진 공간 영역에서 주조 재료로부터 열의 제거를 계획적으로(intentionally) 제어하고, 상이한 상기 공간 영역 각각으로부터 제거되는 열의 양은 서로 독립적으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 주조법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 흐르는 유체는 공기인 것을 특징으로 하는 주조법.
5. 제1항에 있어서,

   주조 재료의 복수개의 지점에서 주조 재료의 국부 온도(local temperature)를 온도 센서(5a, 5b, 5c)로 계속 계측함에 의해 온도 프로파일을 수득하고, 수득된 온도 프로파일은, 제어 시스템(6)에 의한 냉각의 제어에 사용하는 것을 특징으로 하는 주조법.
6. 제5항에서,

   주조 재료에서 상기 미리 정해진 공간 영역들간의 온도구배(temperature gradient)가 냉각의 제어에 의해 최소화되는 것을 특징으로 하는 주조법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   주조 재료의 고화가 열의 계획적 제거에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 주조법.
8. 액상의 주조 재료를 몰드 내에서 고화 및 냉각시켜 상기 주조 재료로부터 금속 주조 부품을 제조하기 위한 주조 몰드로서,

   상기 몰드는 주조 재료의 제어 냉각을 위한 냉각 시스템 (3, 4, 60, 91)을 포함하고,

   상기 냉각 시스템은, 유체인 열 매체(fluid heat carrier)를 위한 하나 이상의 튜브 시스템 (3, 4; 61; 91)을 포함하여, 상기 튜브 시스템을 통해 열이 제거될 수 있으며,

   상기 주조 부품의 기하 및 소망하는 야금학적 효과에 따라 주조 부품 내 하나 이상의 국부적 공간 영역을 미리 정하고, 상기 미리 정해진 공간 영역에서 상기 몰드 내의 상기 주조 재료로부터 열의 제거를 계획적으로 제어하고

   상기 냉각 시스템의 위치와 형태를 조정하여 상기 국부적 공간 영역으로의 열의 제거를 제어하는 것을 특징으로 하는 주조 몰드.
9. 제8항에서,

   상기 몰드는 샌드 몰드인 것을 특징으로 하는 주조 몰드.
10. 제8항에 있어서,

    냉각 시스템(3, 4, 60, 91)이 열교환 매체(9; 20; 21; 22)를 구비하여 튜브 시스템(3, 4; 61; 91)과 주조 재료(10)가 열적으로 결합(coupling)하는 것을 특징으로 하는 주조 몰드.
11. 제10항에서,

    상기 열 교환 매체(20; 21; 22)는 흑연(graphite)을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조몰드.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    냉각 시스템(3, 4, 60, 91)은, 유체인 열 매체(fluid heat carrier)를 위한 튜브 시스템(3, 4)을 2개 이상 포함하고, 상기 튜브 시스템을 통하여 열이 제거될 수 있으며,

    복수개의 상기 미리 정해진 공간 영역에서 주조 재료로부터의 열의 제거는 계획적으로 제어되며, 상기 2개 이상의 튜브 시스템(3, 4)에 의해 제거되는 열의 양은 서로 독립적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 주조 몰드.
13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    주조 재료에서 상기 미리 정해진 공간 영역들간의 온도 구배가 최소화 되도록 제거되는 열량을 제어하는 제어 시스템(6)을 구비하는 것을 특징으로 하는 주조 몰드.
14. 제12항에 있어서,

    유체인 열 매체는 공기인 것을 특징으로 하는 주조몰드.