KR20200145993A - 금속주물의열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 기술의 주로 공정과 관련된 상기 및 기타 단점을 극
복한다. 일반적으로 말해서, 본 발명은 샌드 코어의 제거 및 재사용을 위한 샌드 코어 재료의 회수를 위해 제공되는 샌드 코어를 갖는 금속 주물을 열처리하는 향상된 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 방법및 장치는 열처리 전에 주물을 치즐링 또는 셰이킹시킬 필요가 없게 하므로 이 단계와 관련된 손상 가능성이 배제된다. 또한 본 발명은 주물사를 깨끗한 상태로 회수한다.

Description

금속주물의열처리방법{Method of heat treatment of metal castings}

본 발명은 일반적으로 중공 금속 주물의 열처리 방법 및 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 샌드 코어의 제거 및 재사용을 위한 샌드 코어 재료의 회수를 위해 마련되는 샌드 코어를 구비하는 금속 주물을 열처리하는 향상된 방법 및 장치에 관한 것이다.

실린더 헤드, 엔진 블럭 등과 같은 중공 금속 주물을 제조하는 방법 및 장치는 공지되어 있다. 종래 기술의 알루미늄 주물 제조 공정은 통상적으로 주형의 내벽 상에 형성된 블럭의 외관을 갖는 플라스크형(flask-type) 주철 주형을 이용한다. 주물사와 유기 결합제의 혼합물로부터 예비 성형되며 외부 표면에의하여 형성된 주물의 내부 형상을 구비한 샌드 코어가 주형 내에 배치된다. 그 다음 상기 주형에 용융 알루미늄 합금이 충전된다.

상기 알루미늄 합금이 응고된 후 주물을 주형으로부터 이탈시킨다. 열처리되지 않은 알루미늄 합금은 기대하는 것보다 더 연성이거나 또는 덜 강하기 때문에 금속을 강화 또는 경화시키기 위해 주물을 열처리하는 것이 종종 필요하다. 종래의 제조 공정에 따르면 주물을 열처리하기 전에 주물의 내부로부터 주물사를 제거한다. 작업자는 공압 끌로 가공물 내부의 주물사를 파낸다. 그 다음 주물을 셰이크아웃(shakeout) 시스템의 진동 테이블 안에 집어 넣어서 주물을 요동시켜서 주물사를 다시 더 파쇄시켜 주물 내부로부터 주물사를 제거한다. 주물사가 제거되면 주물을 고온으로 가열해서 주물을 담금질하는 종래의 방식대로 주물

을 열처리한다. 선택적으로 상기 주물을 낮은 온도에서 또 다시 가열하여 알루미늄을 시효시킬 수 있다.

그 다음, 후속하는 재사용을 위하여 주물의 내부로부터 제거되는 주물사를 회수하는 것이 필요한 경우 주물사를 처리하는 또 다른 단계가 행해진다. 주물을 치즐링(chiseling) 및 셰이킹(shaking)시켜서 제거한 주물사는 주물사 연소 유니트로 보내어서 결합체를 연소시킨다.

본 발명의 목적은 금속 주물을 열처리하는 향상된 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.본 발명의 다른 목적은 금속 주물로부터 샌드 코어를 제거하는 향상된 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 주물을 손상시키는 위험을 최소화하면서 금속 주물로부터 샌드 코어를 제거하는 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.본 발명의 또 다른 목적은 종래의 방법 및 장치보다 노동력이 적게 들며 저렴한, 금속 주물로부터 샌드코어를 제거하는 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

금속 제품을 사형 주조하는 종래의 방법 및 장치와 관련된 일부 단점들을 극복하려는 노력이 있었다. 그 일례가 미합중국 특허 제4,411,709호에 개시되어 있는데, 알루미늄 합금 주물을 제조하는 방법은 용융 알루미늄 합금을 주물사와 유기 수지 결합제로 형성된 샌드 코어를 안에 구비하는 주형에 주입하는 것을 포함한다. 상기 알루미늄 합금이 응고된 후 주물을 요동 또는 진동시켜서 코어를 파쇄시키면 코어를 형성시키는데 사용된 주물사의 약 절반이 주물로주터 용이하게 제거될 수 있다. 후속해서 주물을 가열해서 샌드코어 잔부의 유기 수지 결합제를 연소시킨다. 이에 따라 상기 주물사는 결합이 해제되어 잔류 주물사의 약 80%(총 코어 주물사의 약 40%)가 중력에 의해 주물로부터 떨어져 나간다. 그 후에 주물을 수조에서 담

금질시키고 물이 주물을 통과 유동하게 하여 주물 내의 잔류 주물사를 제거한다.

샌드 캐스팅 처리용의 종래 기술의 방법 및 장치에 비해 상당한 이점을 제공한다는 것을 명백 히 알 수 있다. 첫째로, 주물에 대한 열처리 전에 코어 재료의 대부분을 제거해야 할 필요성이 없어겼다.따라서, 노동력, 설비, 비용 및 샌드 코어로 수동으로 마무리하거나 공작물에 요동 및 진동을 가하는 것과 관련한 공작물에 대한 손상 또는 불안 위험성이 제거되었다.

샌드 코어 재료에 노 내의 열 및 공기류를 가해줌으로써, 코어 주물사를 녹이는 수지 결합제가 태워진다. 모든 결합체가 실질적으로 연속되도록 하기 위해, 스크린(52)은 예정된 크기 보다 큰 코어 재료의 덩어리(chunk)가 노에서 떨어지는 것을 방지해 주며, 덩어리가 분해되어 스크린을 통과할 수 있을 정도로 충분한 양의 결합제가 태워질 때까지 그러한 덩어리를 가공실(15)내에 보유해 준다. 스크린(52)을통과하기에 충분히 작은 재료 덩어리들은 역 V자형 배플(53)상에 충돌하여 배플의 경사벽 아래로 굴러 떨어지며, 재료를 그 개개의 주물사 입자로 더욱 분해해준다. 따라서, 주물사는 깨끗하고 재사용 가능한 상태로 재생된다.

제1도는 본 발명에 따라서 금속 주물을 열처리, 담금질 및 시효시키는 장치의 제1실시예의 평면도이다.
제2도는 제1도 장치의 열처리로의 측면 절개도(cut-away view)이다.
제3도는 제2도의 열처리로의 단부 절개도이다.
제4도는 제1도 장치의 담금질 조의 측면 절개도이다.
제5도는 제1도 장치의 시효 오븐의 단부 절개도이다.

도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 부재를 나타내고 있는 도면을 참조하면, 제1도는 본 발명에 따른 금속 주물의 열처리 및 시효 장치(10)을 도시하고 있다. 개시된 실시예에서, 금속 주물은 종래의 방법으로 알루미늄 합금으로 주조된 실린더 헤드이다. 주조 공정은 본 기술 분야에서 숙련된 자들에게는 공지되었으며 본 발명의 부분에는 포함되지 않는다. 따라서 주조 공정에 대해서는 간략하게만 설명하겠다.

상기 주조 공정은 실린더 헤드의 외관이 내부면에 형성된 플라스크형 주철 주형을 이용한다. 주물사와 적

당한 결합제 물질을 포함하며 주물의 내부 모양을 한정하는 샌드 코어가 상기 주형 안에 배치된다. 적용예에 따르는 결합제는 페놀수지 결합제, 페놀 우레탄 냉각 박스(cold box) 결합제, 또는 기타 적당한 유기결합제 물질을 포함한다. 그 다음 주형에 용융 알루미늄 합금으로 채운다. 상기 합금이 응고되면 상기주형으로부터 주물을 이탈시켜서 열처리 및 시효시킬 준비를 한다.

상기 열처리 및 시효 장치는 열처리로(11), 담금질 조(12), 및 시효 오븐(13)을 포함한다. 개시된 실시예에서 상기 3가지 구성 요소는 U자형으로 놓이는데, 상기 열처리로(11)는 U자의 한쪽 다리 부분에 포함되며, 담금질 조(12)는 U자의 바닥부에 포함되며, 시효 오븐(13)은 U자의 다른 쪽 다리 부분에 포함된다.

그러나 공간 제한으로 언급하자면 직선 형상 또는 L자형 배열과 같은 기타 다른 형상을 채택할 수 있다.제2도 및 제3도를 참고하면, 열처리로(11)는 그 안에 가공실(15)을 한정한다. 열처리로(11)는 여러가지 다른 구역(16)을 포함하는데, 이것들의 본질과 목적은 이하에서 명확하게 될 것이다. 본 실시예에서는 열처리로는 8개의 구역(16A∼16H)을 포함한다. 그러나 구역(16)의 수는 중요하지 않으므로 별도의 적용례가 필요한 경우에는 상기 구역의 수 보다 많거나 적게 나눌 수도 있다.

열처리로(11)의 각 구역 내에는 한 쌍의 버너(18)가 수직 측벽(19)에 장착되고 반대방향으로 점화되도록 대각선으로 배치되어서 열처리로의 가공실(16)을 가열한다. 상기 버너(18)는 여러가지 다른 제조 회사로부터 상용으로 구입 가능한 종래의 중간 속도 조절식 공기 버너이다. 제3도에서 알 수 있는 바와 같이,각 버너(18)는 천연 가스를 버너로 공급하는 연료 도관(20)을 포함한다. 공기 덕트(22)에 의해 버너와 연결되는 연소 공기 주입기(21)는 연소 공기를 버너에 공급한다. 긍기 덕트(22) 안에 위치된 버터플라이 밸브(23)는 버너(18)에 공급되는 공기 체적을 제어하도록 조정 가능하다.

버너(18)는 열처리로(11)의 가공실(15)을 약 4544 내지 5378℃(850 내지 1000。F)의 온도로 가열하도록 설계된다. 본 실시예에서는 상기 가공실(15)은 약 5267℃(980。F)까지 가열된다. 제1구역(16A) 및 제4내지 제8구역(16D∼16H)용의 버터 플라이 밸브(23)는 그 각각의 버너(18)에 10∼13%의 산소를 도입시키도록 조정된다. 제2 및 제3구역(16B,16C)용의 버터플라이 밸브(23)는 그 각각의 버너에 13∼17%의 산소를 도입시키도록 조정된다. 여러가지 구역(16)에 공급되는 산소의 양을 조절하는 기능 및 목적은 이하에서 설명한다.

열처리로(11)는 가열 구역(16)의 상류측에 배치된 예열실(24)을 더 포함한다. 가열 구역(16)으로부터 나온 배기가스는 예열실(24)을 통하여 보내어져서 상기 예열실을 약 260 내지 3711℃(500 내지 700。F)의 온도까지 예열한다. 버너 보다는 폐기 가스를 이용하여 예열실(24)을 가열시킴으로써 상당한 에너지 절약이 이루어진다. 열처리로(11)는 그 상단부(26)에 인입 도어(25)를 구비하며 그 하단부(28)에 배출 도어(27)를 구비한다. 또 다른 도어(29)는 예열실(24)을 가열 구역(16)으로부터 분리시킨다. 열처리로의 벽을통한 열의 손실을 막기 위하여 세라믹 섬유 절연체(30)층이 열처리로 외벽(31)의 바로 안쪽에 배치된다.

금속 라이너(32)는 세라믹 섬유 절연체의 내측에 배치된다. 금속 라이너(32)의 목적은 이하에서 자세히 설명하기는 하지만, 비산 모래의 연마 효과로부터 상기 절연체(30)를 보호하기 위한 것이다.

열처리로(11)의 가공실(15) 내에는 가공물을 열처리로를 통하여 화살표(38)로 표시된 진향 방향으로 지지 및 이송시키기 위한 복수의 피동 롤러(36)를 포함하는 롤러 허스(roller hearth:34)가 있다. 롤러 허스(34)와 롤러(36)를 구동시키는 구동 기구는 본 기술 분야에서 숙련된 자들이 알고 있는 종래의 설계이다.

열처리로(11)의 입구 및 출구 위치의 롤러 허스(34)는 가공물을 열처리로 안으로 및 밖으로 신속히 보내기 위한 고속 클러치 작동 롤러를 포함한다. 또한 가공물을 예열실(24)로부터 열처리로의 가열 구역(16) 안으로 보내는 롤러 허스(34) 부분도 또한 고속 클러치 작동 롤러를 포함한다. 열처리로(11) 내에 배치된 롤러 허스(34)의 주요 부분은 일정 속도로 구동된다.

주물을 열처리로(11) 안에 용이하게 장입시키고 열처리로를 용이하게 통과 이동시키기 위해 주물을 바스켓(40) 안에 적재시키면 열처리로를 통과 이송되도록 롤러 허스(34) 상에 적재된다. 본 실시예에서 각각의 바스켓(40)은 40 내지 50개의 가공물을 수용한다. 바스켓(40)은 개방 구조로 되어 있어서 가공물로부터 주물사가 자유롭게 바스켓 밖으로 떨어져 나와 제거되게 한다. 가공물로부터 주물사를 용이하게 제거하기 위하여 바람직하게는 가공물을 바스켓(40) 안에서 기울어지게 놓으면 주물사가 보다 용이하게 떨어져 나간다.

롤러 허스(34)에 대해서 더 설명하면, 가공물을 열처리로(11)를 통과 이송시키는 롤러 허스의 속도는 장치(10)의 제조 용량의 함수이다. 따라서 열처리로(11)가 매 35분 마다 새로운 가공물 바스켓을 수용해야하는 본 실시예에서는 상기 롤러 허스(34)는 이전의 가공물 바스켓을 35분 이내에 다음의 가공물 가스켓

을 열처리로 안으로 도입시킬 수 있기에 적어도 충분한 거리 만큼 이송시켜야 한다. 본 실시에에서는 바스켓의 크기 및 장치의 제조 요건에 따라서 롤러 허스(34)는 가공물을 약 1829cm/hr(6ft/hr)의 속도로 열처리로를 통과 이송시킨다.

부호 없음

Claims (10)

1. 결합제 물질로 서로 결합된 주물사 입자를 최소한 포함하며 금속 주물 내에 캐비티를 한정하는 샌드코어를 구비하는 주물을 열처리하는 방법에 있어서, 상기 샌드 코어를 구비한 상기 금속 주물을 노 안으로 도입시키는 단계와, 상기 노를 상기 결합제 물질의 연소 온도를 초과하는 온도까지 가열시키는 단계와, 상기 가열된 노 안에 산소 풍부 분위기를 마련하는 단계와, 상기 결합제 물질이 연소되게 해서 샌드 코어의 주물사 입자가 상기 샌드 코어로부터 떨어져 나가도록 상기 산소 풍부 분위기의 가열 노 안에 상기 샌드코어를 구비한 금속 주물을 수납시키는 단계와, 상기 캐비티로부터 떨어져 나온 주물사 입자를 제거하는 단계와, 상기 결합제 물질이 연소되기 전에 상기 주물로부터 떨어져 나오는 샌드 코어 재료 덩어리를 포집하는 단계와, 상기 떨어져 나온 샌드 코어 재료 덩어리를 상기 노 안에 유지시켜서 상기 결합제 물질을 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 캐비티로부터 떨어져 나온 주물사 입자를 제거하는 상기 단계는 적어도 공기 유동이 상기 캐비티로부터 떨어전 나온 주물사 입자를 떨어뜨리도록 상기 주물이 상기 노 안에 수납되어 있을 때에 상기 주물에 대해 공기 유동을 보내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
3. 제2항에 있어, 상기 주물이 상기 노 내에 수납되어 있을 때에 상기 주물에 대해 공기 유동을 보내는 단계는 적어도 9144m/min(3000ft/min)을 초과하는 공기 유동 속도로 상기 주물에 대해 공기 유동을 보내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 캐비티로부터 떨어져 나온 주물사 입자를 제거하는 상기 단계는 적어도 상기 떨어져 나온 주물사 입자의 적어도 일부분이 중력에 의해 금속 주물 밖으로 떨어지게 하기 위하여 상기 노 내에 상기 금속 주물을 경사키기는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 주물로부터 떨어져 나온 주물사 입자의 부분을 수집하고 상기 노 밖으로 이송시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 떨어져 나온 샌드 코어 재료의 덩어리를 포집하고 유지하는 단계는 적어도 소정의 크기의 샌드 코어 재료 덩어리가 통과할 정도로 충분히 크지 않은 구멍을 갖춘 스크린을 상기 금속 주물 아래에 배치하여 마련하는 단계를 포함하는 것을 특징은로 하는 열처리 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 스크린을 통과한 소정의 크기 보다 작은 샌드 코어 재료 덩어리를 표면 상에 부딪치게 하여 상기 덩어리를 파쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 소정의 크기 보다 작은 샌드 코어 재료 덩어리를 표면 상에 부딪치게 하는 단계는 적어도 상기 스크린을 통과한 소정의 크기 보다 작은 샌드 코어 재료 덩어리를 경사 표면 상에 부딪치게하고 상기 경사 표면으로부터 굴러 떨어지게 하여 상기 덩어리를 파쇄하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
9. 결합제 물질로 서로 결합된 주물사 입자를 적어도 포함하며 금속 주물 내에 캐비티를 한정하는 샌드코어를 구비하는 주물을 열처리하는 방법에 있어서, 상기 금속 주물 내의 캐비티로부터 상기 실질적인 샌드코어 부분을 제거하기 전에 상기 금속 주물을 노 안으로 도입시키는 단계와, 상기 노를 상기 결합제 물질의
   연소 온도를 초과하는 온도까지 가열시키는 단계와, 상기 노 안에 산소 풍부 분위기를 마련하는 단계와,상기 결합제 물질이 연소될 수 있게 상기 가열된 노 안의 상기 산소 풍부분위기 내에 샌드 코어를 구비하는 상기 금속 주물을 수납시키는 단계를 포함하여 상기 금속 주물이 노 안에 있는 동안에 샌드 코어 부분이 상기 샌드 코어로부터 떨어져서 상기 캐비티로부터 떨어지도록 한 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 결합제가 상기 금속 주물로부터 연소되기 전에 상기 금속 주물로부터 떨어져 나오는 샌드 코어 부분을 상기 노 안의 산소 풍부 분위기 내에 현수시키는 단계와, 상기 결합제가 상기 샌드코어 부분으로부터 일단 연소되면 상기 현수된 샌드 코어 부분의 현수를 해제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.

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