KR101612686B1 - 자유 주조 방법, 자유 주조 장치, 및 주물 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자유 주조 방법은, 외부면에 생성된 표면막 (F) 에 의해 일시적으로 용탕을 유지하도록 공급원에 제공된 도출 영역 (P), 예컨대 용탕의 표면 레벨로부터 용탕을 도출하기 위한 도출 단계, 및 원하는 주물 형상에 따라 설정 경로 (L1) 를 따라 도출되는 유지 용탕 (MS) 을 응고시킴으로써 성형체를 얻기 위한 성형 단계를 포함하고, 상기 유지 용탕은 성형 단계에서 유지된 용탕과 성형체 사이의 경계로서 규정된 응고 계면과 용탕의 표면 레벨 부근의 유지 용탕의 비구속 루트부 사이의 위치에서 용탕에 외력을 인가함으로써 원하는 주물 형상으로 성형된 후 응고된다.

Description

자유 주조 방법, 자유 주조 장치, 및 주물 {FREE CASTING METHOD, FREE CASTING APPARATUS, AND CASTING}

본 발명은 종래에 주조에 필수적인 것으로 생각되었던 주조 몰드를 사용하지 않으면서 주물을 얻을 수 있는 획기적인 주조 방법 (이하, "자유 주조 방법" 이라고 함), 및 이 주조 방법에 적합하게 사용되는 자유 주조 장치, 및 이 방법 및 장치에 의해 얻어진 주물에 관한 것이다.

복잡한 형상으로 형성된 금속 제품은 종종 주조에 의해 제조된다. 주조는, 유동성을 가지는 금속 (용탕) 이 목표 주물을 얻기 위해서 원하는 형상으로 응고되는 제조 프로세스이다. 기술 상식에 의하면 원하는 형상의 목표 주물에 적합한 캐비티 (cavity) 를 가지는 주조 몰드가 주조에 필수적인 기기로 오랫동안 생각되었다. 따라서, 종래에 이용된 주조 방법은 주조 몰드를 사용함으로써 수반되는 여러 가지 문제점들을 종종 유발한다. 문제점들로는, 예를 들어, 주조 결함 (응고 균열, 수축 구멍, 가스 블로우 홀, 등), 응고 구조의 불균일, 재료 수율의 저하, 환경 부하 (burden) 등이다. 미시적 관점에서 종래의 각 문제점들을 해결하기 위해서 많은 기술적 접근법들이 제안되어왔다.

이 기술적 접근법들과는 별개로, 주조 몰드가 사용되는 종래의 주조 방법과는 상이하게 문제점들을 다루는 몇몇 기술적 해결법들이 개시되었다. 이러한 주조 기술의 예시를 나열한 특허 문헌이 하기에 언급된다

특허 문헌 1 : 미심사된 일본 공개 특허 공보 제 63-199050 호 특허 문헌 2 : 미심사된 일본 공개 특허 공보 제 2-205232 호 특허 문헌 3 : 미심사된 일본 공개 특허 공보 제 2-251341 호 특허 문헌 4 : 미심사된 일본 공개 특허 공보 제 9-248657 호

그러나, 특허 문헌 1 에 개시된 방법은 단순한 기둥 및 막대 형상을 가지는 금속 재료만 얻을 수 있고, 높은 형상 자유도를 요구하는 주조는 달성할 수 없다.

또한, 특허 문헌 2 내지 4 에 개시된 방법은, 용탕의 출구가 몰드 및 용탕 공급원 측에서 용탕의 표면 레벨에 제공된 분할 부재에 의해 구조적으로 구속된다는 기술적 단점을 갖는다. 따라서, 비슷하게, 이 방법은 높은 형상 자유도를 요구하는 주조를 달성할 수 없고, 매끄러운 곡면이나 형상을 가지는 주물을 거의 얻을 수 없다. 물론, 이 방법에서는, 몰드 및 용탕의 표면 레벨에 제공된 분할 부재에 산화물 등이 들러붙을 수도 있어서, 원하는 형상 및 품질을 갖는 주물을 신뢰성있게 얻을 수 없다는 문제가 있을 것이다.

본 발명은 전술한 상황을 고려해 발명되었다. 본 발명의 목적은, 종래의 주조 기술에 수반되는 다양한 기술적 문제점들을 근본적으로 해결함으로써 복잡한 형상을 가지는 주물을 용이하게 얻을 수 있는 획기적인 주조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 이 주조 방법에 적합하게 사용되는 장치, 및 이 주조 방법에 의해 얻어진 주물을 제공한다.

본 발명의 발명자들은 이 문제점들을 해결하고자 열심히 노력하였고, 마침내 연구와 실험의 시행 착오를 거듭한 결과 주조 몰드를 사용하지 않으면서 목표 주물을 얻도록 용탕이 원하는 형상으로 응고될 수 있는 주조 방법을 발견하였다. 본 발명자들은 그것의 기술 범위를 더 확장시키도록 연구 결과를 지속적으로 개선하여서, 결국 하기 설명되는 본 발명을 완성하였다.

<자유 주조 방법>

(1) 본 발명에 따른 자유 주조 방법은 주조 몰드를 사용하지 않으면서 주물을 얻을 수 있는 주조 방법으로, 외부면에 생성된 표면막 또는 표면 장력에 의해, 표면 레벨을 통하여 유지 용탕으로 공급되는 용탕을 일시적으로 유지하도록 용탕을 그것의 표면 레벨로부터 도출하기 위한 도출 (lead-out) 단계; 및 원하는 주물 형상에 따라 설정 경로를 따라 도출되는 유지 용탕을 응고시킴으로써 성형체를 얻기 위한 성형 단계를 포함하고, 유지 용탕은, 성형 단계에서 유지 용탕과 성형체 사이의 경계로서 규정된 응고 계면과 용탕의 표면 레벨 부근의 유지 용탕의 비구속 루트부 (root portion) 사이의 위치에서 유지 용탕에 외력을 인가함으로써 원하는 형상으로 형성된 후 응고된다.

(2) 본 발명에 따른 자유 주조 방법은, 주조 몰드가 사용되는 종래의 주조 방법에 의해 불가피하게 발생되는 종래의 기술적 문제점들을 해결할 수 있다. 본 발명은 어떠한 주조 몰드도 생략할 수 있는데, 이것은 응고할 때 용탕이 항상 공급되면서 주물이 제조될 수 있도록 하여, 종래에 몰드에서 발생하는 주조 결함 (예를 들어, 응고 균열, 수축 구멍, 개재물 (가스 블로우 홀)) 을 방지한다. 이런 기술적 장점 때문에, 본 방법은, 종래의 방법이 이용될 때 응고 균열 등을 일으키기 쉬운 합금 (예를 들어, JIS 6000-시리즈 전신용 알루미늄 합금 등) 을 주조하는데 사용될 수 있고, 합금으로 만들어진 복잡한 형상의 주물을 용이하게 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 자유 주조 방법은 주물을 얻는데 더 넓은 범위의 합금을 선택할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법은 주물을 얻는데 어떠한 주조 몰드도 생략할 수 있어서, 주물의 형상 자유도를 현저히 향상시킨다. 따라서, 종래에는 얻기 어려운 이러한 주물이 본 방법에 의해 저비용으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 얻기 어려운 언더컷 형상의 주물 및 길이가 긴 형상의 주물이 본 발명에 따른 자유 주조 방법에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 자유 주조 방법은 주물 또는 주조 몰드의 종류에 따라 사용될 임의의 특정 제조 설비 또는 제조 단계를 준비할 필요가 없도록 한다. 이것은 유리하게도 제조 비용의 감소, 예로 다품종 소량 생산을 가능케 하는 제조 유연성의 개선, 제조 설비의 소형화, 공장 내 환경의 개선 등을 유발한다.

몰드 캐비티의 표면은 본 발명에 따른 자유 주조 방법에서 용탕의 응고에 영향을 미치지 않기 때문에, 냉각 속도 및 응고 방향을 제어하여, 잘 제어된 응고 구조를 갖는 고품질 주물을 얻는 것이 용이하다.

또한, 본 발명에 따른 자유 주조 방법은 제품 자체 이외의 부분에 사용되는 용탕의 양을 크게 감소시킬 수 있어서, 재료 수율을 현저하게 개선하고 회수 스크랩을 크게 감소시킨다. 본 발명에 따른 자유 주조 방법은 요구에 따라 조금씩 원료를 용융시킴으로써 대형 제품을 주조하기 전 다량의 용탕을 용융시켜 유지할 필요가 없도록 한다. 따라서, 본 방법은 금속 재료의 사용을 감소시킬 수 있고 또한 주조에 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 자유 주조 방법은 자원 절약, 에너지 절약, 및 적은 환경 부하 (예를 들어, CO₂ 배출량 감소) 에 크게 기여할 수 있다.

(3) 지금까지 설명한 대로, 본 발명은 종래의 주조 방법에 의해 발생되는 다양한 기술적 문제점들을 근본적으로 해결하는 우수한 주조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 주조 방법의 정확한 메커니즘의 세부는 정확하게 알 수 없지만, 현재 하기 설명되는 것처럼 메커니즘을 고려한다.

용탕은 액체 상태 또는 고체-액체 공존 상태로 있어서, 유동성을 갖는다. 따라서, 용탕은 용탕의 형상이 주조 몰드 등 (몰드 캐비티의 표면) 에 의해 규정되지 않는다면 임의의 특정 형상을 갖지 않는데, 이것은 용탕이 보통 임의의 특정 형상으로 메인테인 (유지) 되지 않음을 의미한다.

그러나, 고체 (유도체) 가 용탕의 표면과 접촉하여 천천히 위로 들어올려질 때, 특정 형상의 용탕은 주조 몰드 등을 사용하지 않고 약 수십 밀리미터만큼 함께 위로 들어올려진다. 따라서, 용탕은 상승된 용탕의 표면에서 발생되는 표면막 (예를 들어, 산화막) 또는 표면 장력에 의해 적어도 유지되는 것으로 고려된다.

이렇게 유지되는 용탕 (유지 용탕) 은 응고되지 않고; 따라서, 그것의 형상은 일시적 또는 과도적이다. 따라서, 유지 용탕은, 용탕이 가이드되는 방향이나 경로 또는 외부로부터 용탕에 인가되는 외력 등에 따라 용탕의 형상이 다양하게 변경될 수 있도록 한다. 유지 용탕이 원하는 주물에 적합하게 이렇게 형상화된 후 응고되도록 냉각될 때, 원하는 형상을 갖는 주물은 심지어 주조 몰드를 사용하지 않고 얻을 수 있다. 용탕의 표면 레벨 부근에서 유지 용탕의 루트부는 구속되지 않았기 때문에, 유지 용탕의 형상은 매우 높은 자유도를 갖는다. 따라서, 주물은 복잡한 형상으로 용이하게 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 자유 주조 방법은 주조 결함을 야기하지 않으면서 복잡한 형상의 주물을 효율적으로 얻을 수 있다.

응고될 유지 용탕을 냉각시키는 상이한 방법들이 있는데, 이것의 예로는 용탕에 냉매 가스를 직접 송풍함으로써 유지 용탕을 냉각시키는 방법, 및 금속 유도체 또는 용탕의 기응고된 부분을 사용함으로써 유지 용탕을 간접 냉각시키는 방법이 있다. 이 냉각 방법들 중 하나가 사용될 수도 있고, 또는 이 방법들 중 일부가 조합될 수도 있다.

기응고된 부분을 사용함으로써 유지 용탕이 간접 냉각될 때, 기응고된 부분으로부터 미응고 부분으로 방향성을 가지고 냉각 방법이 적용될 수 있다. 이것은, 수축 구멍과 같은 주조 결함이 회피되는 믿을 만한 주물을 얻는 것을 돕는다. 또한, 본 발명에 따른 자유 주조 방법은, 주조 몰드가 사용되는 종래의 주조 방법에 의해 얻기 어려운 방향성 응고 구조를 갖는 고품질 주물을 용이하게 얻을 수 있다.

주조 몰드에서 용탕이 냉각되지 않는 자유 주조 방법에 따르면, 주조 몰드에 의한 열적 구성의 제한으로 인해 종래의 주조 방법에서 발생될 수 있는 응고 균열이 발생되는 것을 방지한다. 이런 기술적 장점 때문에, 종래의 주조 방법에서 응고 균열을 일으키기 쉬운 6000-시리즈 (JIS) 전신용 알루미늄 합금과 같은 합금으로 만들어진 주물을 본 방법으로 얻을 수 있다.

<자유 주조 장치>

본 발명은 지금까지 설명한 자유 주조 방법뿐만 아니라 이 방법에 적합하게 사용되는 자유 주조 장치에 적용할 수 있다. 본 발명에 따른 자유 주조 장치는, 용탕이 담긴 도가니 (crucible), 및 유지 용탕에 형상을 부여하도록, 도가니 안에 담긴 용탕의 표면 레벨로부터 도출되고 외부면에 생성된 표면막 또는 표면 장력에 의해 일시적으로 유지되는 유지 용탕에 외력을 인가하도록 구성된 형상 부여 부재를 포함한다. 이러한 구조적 특징을 갖는 주조 장치는 자유 주조 방법에 사용될 수 있다.

바람직하게, 자유 주조 장치는 도가니 안의 용탕의 표면으로부터 원하는 주물 형상에 따라 설정 경로를 따라 원하는 주물 형상을 얻기 위해 설계된 기본 형상을 유도하기 위한 고체를 가지는 유도체를 가이드하도록 구성된 구동원을 더 포함한다. 바람직하게, 자유 주조 장치는 유지 용탕의 외부면 또는 유지 용탕을 응고시킴으로써 얻어진 성형체의 외부면에 유체를 송풍하는데 사용되는 노즐을 더 포함한다.

<주물>

본 발명은 또한 자유 주조 방법 및 지금까지 설명한 자유 주조 장치에 의해 얻어진 주물에 적용할 수 있다. 바람직하게, 본 발명에 따른 주물은 응고된 구조가 방향성을 가지고 배치되는 방향성 응고 구조를 갖는다.

<기타>

(1) 본 발명에 따른 주물의 재료, 형상, 및 치수는 특별히 제한되지 않는다.

(2) 별도의 언급이 없는 한, 본 발명의 명세서에서 말하는 "x - y" 는 하한치 (x) 및 상한치 (y) 를 포함한다. 본 발명의 명세서에서 말하는 상한치 및 하한치는 다양하게 조합될 수 있고 "a - b" 와 같은 수치 범위로 표현될 수 있다. 명세서에서 말하는 기술 범위에 포함되는 모든 임의의 수치는 수치 범위를 설정하기 위해서 상한치 및 하한치로서 사용될 수 있다.

도 1 은 자유 주조 장치의 개념도이다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 자유 주조 장치의 부분 확대도이다.
도 3 은 자유 주조에 의해 얻어진 주물의 영상이다.
도 4 는 주물의 미세 구조의 현미경 영상이다. 도 4a 는 R-축선 수직면에서 미세 구조의 현미경 영상이다. 도 4b 는 θ-축선 수직면에서 미세 구조의 현미경 영상이다. 도 4c 는 Z-축선 수직면에서 미세 구조의 현미경 영상이다.
도 5 는 자유 주조에 의해 얻어진 다른 주물의 영상이다.
도 6 은 자유 주조에 의해 얻어진 또 다른 주물의 영상이다.

본 발명은 실시형태로 보다 구체적으로 설명될 것이다. 하기 실시형태에 대한 설명을 포함하는 이 명세서의 상세한 설명은 자유 주조 방법 및 자유 주조 장치뿐만 아니라 본 발명에 따른 방법과 장치에 의해 얻어진 주물에 알맞게 적용될 수 있다. 하나 이상의 다음 구성 요소 특징들이 전술한 본 발명의 구성에 임의로 부가될 수 있다. 주조 방법에 대한 구성 특징은, 프로세스에 의한 제품으로 이해될 때 주물의 특징으로 간주될 수 있다. 가장 알맞은 실시형태는 목표 적용, 요구되는 특징 등에 좌우된다는 것을 주목해야 한다.

<자유 주조 방법>

본 발명에 따른 자유 주조 방법에 포함되는 주요 단계는 도출 단계와 성형 단계이다.

<도출 단계>

(1) 도출 단계는, 원하는 형상의 주물에 따라 용탕을 유지하도록 공급원, 예컨대 용탕의 표면 레벨로부터 도가니와 같은 컨테이너에 담긴 용탕의 일부가 도출되는 단계이다. 주물이 계속 제조될 때, 도출 단계와 성형 단계가 연속적인 단계로서 작용한다.

유지 용탕이 도출되는 도출 영역은, 도가니에 담긴 용탕의 표면 레벨과 유지 용탕 사이의 경계 부근에 위치하고, 유지 용탕의 루트부는 도출 영역 가까이에 형성된다.

(2) 예를 들어 원하는 주물 형상을 얻기 위해 설계된 기본 형상을 유도하기 위해 제공된 유도체를 사용하고, 유도체를 도출 영역에서 용탕과 접촉시키고 유도체를 위로 들어올림으로써 유지 용탕이 바람직하게 도출된다. 그러므로, 유지 용탕은 안정적으로 유지될 수 있고, 주물은 고정적인 형상으로 형성될 수 있다. 이런 식으로 유지 용탕을 도출하는 다른 장점은, 성형 단계에 유도체를 사용함으로써 유지 용탕이 이송될 수 있다는 것이다.

유도체는 기본 형상 (예를 들어, 원형 형상, 고리형 형상) 에 적합한 형상을 갖는다. 유도체는, 용탕이 부착되기만 하면, 어떠한 재료로도 만들어질 수도 있다. 유도체로부터 도출 영역 등을 향한 방향으로 용탕을 방향성 응고시키기 위해, 유도체는 바람직하게 열 전달 (열 전도성, 열 이송) 이 우수한 금속체 (고체 재료) 이다. 그러면, 유도체의 재료는 용탕과 동일한 금속일 필요는 없다.

(3) 유지 용탕이 도출되는 분위기는 특별히 제한되지 않는다. 유지 용탕이 대기 또는 산화 분위기 하에 도출될 때, 유지 용탕의 외부면에 표면막으로서 산화막이 생성된다. 유지 용탕이 질소 분위기 하에 도출될 때, 유지 용탕에 표면막으로서 질화막이 생성된다. 유지 용탕이 표면막이 생성되지 않는 분위기 하에 도출될 때에도, 유지 용탕은 용탕의 표면에서 발생된 표면 장력에 의해 유지될 수 있다.

<성형 단계>

(1) 성형 단계는, 원하는 형상을 가지는 성형체 (주물) 를 얻도록 유지 용탕이 주물의 원하는 형상에 따라 가이드되면서 응고되는 단계이다. 앞서 설명한 대로, 일시적으로 유지된 형상을 가질지라도 유지 용탕은 미응고 상태이다. 따라서, 유지 용탕은 도출 단계 후 용탕이 이동하는 경로 및 용탕에 인가되는 외력을 조정 및 조절함으로써 원하는 형상으로 성형될 수 있다.

구속되지 않은 루트부를 갖는 유지 용탕은 다양한 복잡한 형상으로 용이하게 성형될 수 있다. 유지 용탕은, 유지 용탕과 접촉하는 형상 부여 부재 (팔레트, 가이드, 또는 롤러와 같은 공구) 를 사용함으로써 또는 용탕에 유체 압력을 인가하도록 유동 제어되거나 압력 제어된 유체 (가스) 를 송풍함으로써 원하는 형상을 가지도록 가이드된다. 그러면, 유지 용탕은 다양한 복잡한 형상으로 성형될 수 있고, 임의의 형상을 가지는 주물을 결국 얻을 수 있다. 유지 용탕은 유지 용탕의 외부면 측뿐만 아니라 내부면 측에서 원하는 형상을 가지도록 가이드될 수 있다. 유지 용탕이 그것의 외부면과 내부면 측으로부터 원하는 형상을 가지도록 가이드될 때, 유지 용탕의 형상뿐만 아니라 두께가 용이하게 조절 또는 조정될 수 있다.

유지 용탕이 이렇게 형상화되어 성형되므로, 주조 몰드가 사용되는 종래의 주조 방법으로는 지금까지 얻기 어려운 형상을 갖는 주물 (예를 들어, 언더컷 형상의 주물) 을 용이하게 얻을 수 있다. 이것은 하기 설명되는 설정 경로를 따른 유지 용탕의 이동만 단지 제어함으로써 얻기에 어려울 수도 있는 형상을 가지는 주물의 제조를 용이하게 한다.

유지 용탕은 위로 끌어당길 때 (인상 (lift-up) 단계) 보다 용이하게 가이드되고 제어될 수 있으므로, 유지 용탕이 가이드되는 경로는 바람직하게 적어도 상승 성분을 가지는 상승 경로이다. 설정 경로는 연직으로 위로 연장되는 직선, 곡선 또는 나선형 경로일 수도 있다. 설정 경로는 규칙적으로 구성된 경로이거나 불규칙적으로 구성된 경로일 수도 있다.

(2) 유지 용탕을 냉각하기 위한 방법의 예시로는, 유도체 또는 기응고된 부분을 사용하는 방향성 응고, 및 유지 용탕 또는 성형체의 내부면 및 외부면 측으로부터 응고 계면 근방의 유지 용탕 또는 성형체에 임의의 다양한 냉매를 송풍하는 냉각 응고가 있다. 냉매는 유지 용탕을 냉각시킬 뿐만 아니라 형상화하도록 유지 용탕에 송풍될 수도 있다. 냉매의 예시로는 공기, 질소 가스 또는 불활성 가스와 같은 가스, 또는 물과 같은 액체가 있다. 액체가 냉매로서 사용될 때, 유지 용탕은 기화열에 의해 신속하게 효율적으로 냉각될 수 있다. 특히 유지 용탕의 응고 열량에 따라 액체가 분사될 때, 냉매로서 사용된 액체가 용탕에 떨어지는 것이 방지되고, 냉매는 용이하게 회수될 수 있다.

노즐이 유지 용탕의 외측 또는 내측에 제공될 때, 냉매는 용이하게 분사될 수 있다. 제공되는 노즐의 수 및 노즐이 위치하는 장소는, 주물의 임의의 원하는 형상 및 응고 구조에 따라 적절히 결정될 수도 있다. 예를 들어, 복수의 노즐 또는 고리형 노즐이 유지 용탕의 외측에 제공될 때, 전체 유지 용탕은 고르게 냉각될 수 있다. 결과적으로, 정연하게 응고된 구조를 갖는 주물을 얻을 수 있다.

<용탕>

용탕의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 금속은 철, 알루미늄, 마그네슘, 또는 티타늄, 또는 이 금속들 중 임의의 금속으로부터 얻어진 합금일 수도 있다. 본 발명의 명세서에서 말하는 "용탕" 은, 전체 내용물이 액체상인 금속에 반드시 제한되지 않는다. 용탕은, 고체상이 액체상과 혼재하는 고체-액체 공존 상의 금속일 수도 있고, 이 경우에 고체상 및 액체상은 반드시 동일한 재료로 만들어질 필요는 없다. 용탕은 복합 재료일 수도 있다.

<기타>

본 발명에 따른 주물의 의도된 최종 용도는 특별히 제한되지 않는다. 주물은 거의 최종 제품일 수도 있고 또는 완성되기 전 추후 추가 가공되는 재료 (중간 재료) 일 수도 있다. 본 발명은, 주조 몰드가 사용되는 종래의 주조 방법에 의해 지금까지 얻기에 어려웠던 복잡한 형상 또는 응고된 구조를 가지는 주물을 용이하게 저비용으로 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 주물은, 종래에는 주물이 사용되지 않았던 기술 분야의 다양한 제품에 사용될 수 있다.

실시예 1

본 발명은 실시예를 참고해 더 상세히 설명된다.

<자유 주조 장치>

(1) 도 1 은 자유 주조 장치 (1) 의 개념도이다. 도 2 는 도 1 에 나타낸 자유 주조 장치 일부의 확대도이다. 자유 주조 장치 (1) 는 용탕 (M) 이 담긴 도가니 (10), 도가니 (10) 에서 용탕 (M) 의 표면 레벨 바로 위에 제공된 내형 부여 부재 (111) 및 외형 부여 부재 (112) (통틀어 "형상 부여 부재 (11)" 라고 함), 냉매 (G) 를 대략적으로 고리형으로 송풍시키는, 형상 부여 부재 (11) 의 상방에 제공된 복수의 냉각 노즐 (13), 금속으로 만들어지고 고리형 단면을 가지는 스타터 (14; 유도체), 및 스타터 (14) 를 들어올리는 구동원 (15) 을 가진다.

구동원 (15) 은 스타터 (14) 의 인상 속도 (상승 속도) 및 스타터 (14) 의 인상 방향 (이동 방향) 을 제어할 수 있다. 스타터 (14) 는 임의로 구성된 상승 경로 (설정 경로) 를 따라 이동할 수 있다. 냉각 노즐 (13) 로부터 송풍되는 냉매 (G; 실시예 1 에서는 공기가 사용됨) 의 양 및 그것의 송풍 압력은 별도로 제공된 제어기 (도면에 미도시) 에 의해 임의로 제어될 수도 있다.

(2) 용탕 (M) 이 스타터 (14) 에 의해 가이드되고 도가니 (10) 의 도출 영역 (P) 으로부터 위로 끌어당겨질 때 (인상 단계), 고리형의 얇은 표면막 (F; 산화막) 은 그것의 내부면과 외부면에서 용탕 (M) 의 외부면에 생성된다. 이 표면막 (F) (또는 용탕 (M) 의 표면 장력) 은, 고리형 (원뿔형) 형상으로 도출되어 유지되는 유지 용탕 (MS) 을 형성한다.

유지 용탕 (MS) 은 표면막 (F) 에 의해 유지되므로, 유지 용탕 (MS) 은 도가니 (10) 내 용탕 (M) 의 표면 레벨로부터 대략 높이 (h) 까지 위로 연장된다. 높이 (h) 또는 그것에 가까운 높이는, 액체상이 고체상으로 변하는 응고 계면 (B) 이다. 응고 계면 (B) 의 상방에서, 원하는 형상 (예를 들어, 고리형 형상) 을 가지는 주물 (C1; 성형체) 을 얻도록 유지 용탕 (MS) 이 응고된다. 스타터 (14) 로부터의 열 제거 및 냉각 노즐 (13) 로부터 주물로 송풍되는 냉매 (G) 에 의해 냉각되는 주물 (C1) 의 응고 방향은 스타터 (14) 로부터 도출 영역 (P) 으로 향하는 방향이다. 따라서, 주물 (C1) 은, 주물 (C1) 이 연장되는 방향으로 형성되는 방향성 응고 구조를 갖는다.

용탕의 도출 영역 (P) 부근에 형성된 유지 용탕 (MS) 의 고리형 루트부 (MSa) 는 구속되지 않는다. 유지 용탕 (MS) 과 접촉하는 형상 부여 부재 (11) 가 각각 좌우로 움직일 때, 형상 부여 부재 (11) 의 거동에 따라 루트부 (MSa) 는 그것의 형상을 자유롭게 변화시킬 수 있다. 결과적으로, 유지 용탕 (MS) 은 어떠한 구속도 받지 않고 형상 부여 부재 (11) 에 의해 임의의 복잡한 형상으로 용이하게 변할 수 있다.

<자유 주조>

(1) 자유 주조 장치 (1) 에 의해 실제로 제조된 주물이 하기에 설명된다. 응고 균열 등이 발생하기 쉽기 때문에 종래에는 주조하기에 어려운 금속으로 알려진 전신용 알루미늄 (Al) 합금 (JIS A6063) 이 용탕 (M) 의 금속 재료로 사용되었다. 준비된 금속 재료는 용융되어 도가니 (10) 에 넣은 후, 680 ℃ 로 유지되었다.

용탕 (M) 의 표면에서 부유한 내형 부여 부재 (111) 는, 디스크 형상을 가지고 40 ㎜ 의 직경 (D) x 3 ㎜ 의 두께를 갖는 크기로 형성된 단열 부재이었다. 외형 부여 부재 (112) 는, 링 형상을 가지고 D60 ㎜ 의 내경 x D100 ㎜ 의 외경 x 3 ㎜ 의 두께를 갖는 크기로 형성된 단열 부재이었다. 도출 영역 (P) 은 형상 부여 부재 (11) 에 의해 형성되었고 10 ㎜ 의 간극을 갖는 고리형 형상을 가졌다 (D40 ㎜ 의 내경 x D60 ㎜ 의 외경).

스타터 (14) 는 강으로 만들어지고 D44 ㎜ 의 내경 x D56 ㎜ 의 외경 x 100 ㎜ 의 높이를 갖는 크기로 형성된 원통형 부재이었다. 8 개의 냉각 노즐 (13) 은 형상 부여 부재 (11) 의 상방에서 고리형 형상으로 등간격으로 배치되었다. 각각의 냉각 노즐 (13) 은 약 30 ℃ 에서 200 L/분의 비로 공기를 송풍하였다.

(2) 스타터 (14) 는 도출 영역 (P) 에서 용탕 (M) 의 표면과 접촉하게 되었다. 용탕 (M) 의 응고가 스타터 (14) 의 하단부 측에서 개시되자마자, 8 개의 냉각 노즐 (13) 로부터 공기가 계속해서 송풍되면서 스타터 (14) 는 40 ㎜/분의 상승 속도로 선형 경로 (L1; 설정 경로) 를 따라 위로 들어올려졌다. 그 후, 표면막 (F; 산화막) 에 의해 유지되는 유지 용탕 (MS) 이 도출되었고 (도출 단계, 인상 단계), 원통형 형상을 가지고 응고 계면 (B) 의 상방에서 방향성 응고된 주물 (C1) 이 성형되었다 (성형 단계). 주물 (C1) 은 D55 ㎜ 의 외경 x 5 ㎜ 의 두께를 갖는 크기로 성형되었다.

성형 단계의 중간 스테이지에서, 형상 부여 부재 (11) 가 작동되었다. 다시 말해서, 유지 용탕 (MS) 의 루트부 (MSa) 가 그것의 직경을 확장하도록 내형 부여 부재 (111) 및 외형 부여 부재 (112) 가 이동되었다. 결과적으로, 원통형 형상 및 타원형 단면을 가지고 80 ㎜ 의 최대 외경 x 55 ㎜ 의 최소 외경 x 4 ㎜ 의 두께를 갖는 크기로 형성된 주물 (C2) 을 얻었다. 도 3 은 주물 (C1) 과 주물 (C2) (통틀어 "주물 (C)" 이라고 함) 의 영상이다. 얻어진 주물 (C) 은 수축 구멍 또는 응고 균열과 같은 주조 결함을 나타내지 않았고 매끄럽고 우수한 주조면을 가졌다.

(3) 도 4 는 주물 (C1) 의 미세 구조의 현미경 영상이다. 도 4a 내지 도 4c 는, 각각, 반경 방향으로 수직면 (R-축선 수직면), 원주 방향으로 수직면 (θ-축선 수직면), 및 연장 방향으로 수직면 (Z-축선 수직면) 에서 미세 구조의 현미경 영상이다. 이 영상으로부터 주물 (C1) 이 유리한 방향성 응고 구조를 가지는 것을 알 수 있다. 영상에서, 백색부는 인상 방향으로 성장되는 α 상의 초정 (primary crystal) 인 기둥 구조 (FCC 구조에서 Al) 이고, 흑색부는 기둥 구조의 성장 후 최종적으로 결정화된 Mg₂Si 상이다.

실시예 2

<자유 주조 방법>

도 5 및 도 6 은 자유 주조 장치 (1) 에 의해 얻어진 다른 주물의 영상이다. 도 5 에 나타낸 주물 (C3) 을 얻기 위해서, 스타터 (14) 의 수평 (좌우) 이동 속도와 스타터 (14) 의 상승 속도는 1 : 1 로 설정되었고, 유지 용탕 (MS) 은 연직 방향으로부터 약 45 도만큼 기울어진 지그재그 경로 (설정 경로) 를 따라 가이드된 후 성형되었다. 주물 (C3) 은 또한 방향성 응고 구조를 가졌다. 주물 (C3) 은 수축 구멍 또는 응고 균열과 같은 주조 결함을 나타내지 않았고, 매끄럽고 우수한 주조면을 가졌다.

도 6 에 나타낸 주물 (C4) 을 얻기 위해서, 지그재그 형상을 가지는 스타터 (14) 의 이동 경로 (유지 용탕 (MS) 의 가이드 경로) 는 나선형 형상을 가지는 경로 (설정 경로) 로 변경되고, 유지 용탕 (MS) 은 그 후 성형된다. 보다 구체적으로, 스타터 (14) 는 도출 영역 (P) 에서 용탕 (M) 과 접촉하게 되었고, 스타터 (14) 는 그 후 84 ㎜/분의 상승 속도로 조금 들어올려졌다 (도출 단계, 인상 단계). 상승 속도가 계속 유지되면서, 스타터 (14) 는 10 ㎜ 반경 (D20 ㎜) 의 외주를 따라 28 ㎜/분의 원주 속도로 이동되었다. 이렇게 얻어진 주물 (C4) 은 또한 방향성 응고 구조를 가졌다. 주물 (C4) 은 수축 구멍 또는 응고 균열과 같은 주조 결함을 나타내지 않았고, 매끄럽고 우수한 주조면을 가졌다.

도 5 및 도 6 에 나타낸 주물을 성형하기 위해서 형상 부여 부재가 사용될 때, 극도로 복잡한 형상을 가지는 주물이 효율적으로 얻어질 수 있고 동시에 높은 제품 품질이 보장되었다.

1 자유 주조 장치
10 도가니
11 형상 부여 부재
13 냉각 노즐 (노즐)
14 스타터 (유도체)
15 구동원
M 용탕
MS 유지 용탕
MSa 루트부
C1, C2 주물
L1 경로 (설정 경로)
G 냉매

Claims (4)

1. 주조 몰드를 사용하지 않고 주물을 얻을 수 있는 자유 (free) 주조 방법으로서,
   외부면에서 생성된 표면막 또는 표면 장력에 의해, 표면 레벨을 통하여 유지 용탕 (retained molten metal) 으로 공급되는 용탕을 일시적으로 유지하도록 상기 용탕의 표면 레벨로부터 상기 용탕을 도출하기 위한 도출 (lead-out) 단계; 및
   원하는 주물 형상에 따라 설정 경로를 따라 도출되는 상기 유지 용탕을 응고시킴으로써 성형체를 얻기 위한 성형 단계를 포함하고,
   상기 성형 단계에서는, 상기 유지 용탕과 상기 성형체 사이의 경계로서 규정된 응고 계면과 상기 용탕의 표면 레벨 부근의 상기 유지 용탕의 비구속 루트부 (root portion) 사이의 위치에서 상기 유지 용탕의 표면에 형상 부여 부재의 곡면 부분을 접촉시킴으로써 상기 유지 용탕에 외력을 인가하여 형상을 부여한 후에, 상기 유지 용탕이 응고되는 자유 주조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 형상 부여 부재는 상기 유지 용탕의 표면 위를 이동할 수 있는 자유 주조 방법.
3. 자유 주조 장치로서,
   용탕이 담긴 도가니, 및
   유지 용탕에 형상을 부여하도록, 상기 도가니 안에 담긴 상기 용탕의 표면 레벨로부터 도출되고 외부면에 생성된 표면막 또는 표면 장력에 의해 일시적으로 유지되는 유지 용탕에, 이동함으로써 외력을 인가하도록 구성된 형상 부여 부재를 포함하고,
   상기 형상 부여 부재는, 상기 유지 용탕에 접촉하는 곡면 부분을 갖고,
   상기 자유 주조 장치는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 자유 주조 방법을 위해 사용될 수 있는 자유 주조 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 형상 부여 부재는, 내형 부여 부재와 외형 부여 부재로 이루어지는 자유 주조 장치.

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