KR102658835B1 - 스테인리스 가압 주조용 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예는, 스테인리스 용탕을 가압함으로써 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도 및 재료강도를 향상시키는 스테인리스 가압 주조용 금형에 관한 것이다.

Description

스테인리스 가압 주조용 금형{MOLD FOR STAINLESS STEEL PRESSURE CASTING}

본 발명의 일실시예는, 스테인리스 용탕을 가압함으로써 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도 및 재료강도를 향상시키는 스테인리스 가압 주조용 금형에 관한 것이다.

알루미늄 가압 주조는 일반적인 알루미늄 주조 대비 용탕의 냉각속도가 빠르고, 금속조직 미세화에 따른 표면정밀도 및 재료강도의 향상 등의 효과가 있어 알루미늄 주조 분야에서는 널리 사용되고 있는 기술이다.

한편, 스테인리스 주조에 있어서, 일반적인 금형은 스틸 소재로 제조되며, 용탕 또한 스테인리스 강(스틸)이므로 가압 주조 시 용탕이 금형의 표면에 눌러붙거나 금형이 파손되는 등 가압 주조가 불가능하다는 기술적 한계점이 있었다.

가압주조에 관한 선행기술문헌에 '스테인리스 용탕에 적용 가능하다'는 등의 기재는 있으나, 이는 '다양한 금속 소재의 용탕에 적용 가능하다'는 것을 시사한 것일 뿐, 실제 스테인리스 가압 주조에서 해당 선행기술이 구현 가능하다는 것을 실증한 것은 아니며, 일반적인 기술 상식에 따르면 종래 기술에 의해서는 스테인리스 가압 주조를 구성할 수 없었다.

KR 10-1724349 B KR 10-2010-0133487 A

본 발명의 일실시예가 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 종래 가압 주조 및 스테인리스 주조의 한계점을 극복하기 위하여, 소정의 금형 구조, 소정의 용탕/금형 합금, 소정의 주조 조건 등을 통해 스테인리스 주조에서 가압 주조를 가능토록 하고, 이에 따라 주물의 금속조직을 미세화하고, 표면정밀도 및 재료강도를 향상시키는 스테인리스 가압 주조용 금형을 제공하는 것이다.

일실시예에 따르면, 프레스장치의 볼스터에 안착되는 제1금형; 상기 제1금형의 상부에 안착되는 인서트; 상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형; 상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형과 밀착되었을 때 소정의 수용공간이 형성되도록 구성되는 제3금형; 및 상기 제2금형 및 제3금형이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간에 삽입됨으로써 소정의 캐비티를 형성하는 제4금형;을 포함하고, 상기 캐비티는: 상기 제2금형 또는 제3금형에 형성된 주입부를 통해 상부로부터 주입된 용탕이, 상기 캐비티의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되는, 스테인리스 가압 주조용 금형을 제공한다.

일실시예에 따르면, 소정의 캐비티가 형성되어 용탕을 주입받는 금형; 및 금형에 소정의 압력을 가하는 프레스장치;를 포함하는, 스테인리스 가압 주조 장치에 있어서, 상기 금형은: 프레스장치의 볼스터에 안착되는 제1금형; 상기 제1금형의 상부에 안착되는 인서트; 상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형; 상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형과 밀착되었을 때 소정의 수용공간이 형성되도록 구성되는 제3금형; 및 상기 제2금형 및 제3금형이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간에 삽입됨으로써 소정의 캐비티를 형성하는 제4금형;을 포함하고, 상기 캐비티는: 상기 제2금형 또는 제3금형에 형성된 주입부를 통해 상부로부터 주입된 용탕이, 상기 캐비티의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되며, 상기 프레스장치는: 상기 금형이 안착되는 공간을 제공하는 볼스터; 상기 금형을 가압하도록 상부로부터 소정의 압력을 가하도록 구비되는 피스톤; 및 상기 피스톤에 동력을 전달하는 유압장치;를 포함하는, 스테인리스 가압 주조 장치를 제공한다.

일실시예에 따르면, 프레스장치의 볼스터에 안착되는 제1금형; 상기 제1금형의 상부에 안착되는 인서트; 상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형; 상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형과 밀착되었을 때 소정의 수용공간이 형성되도록 구성되는 제3금형; 및 상기 제2금형 및 제3금형이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간에 삽입됨으로써 소정의 캐비티를 형성하는 제4금형;을 포함하고, 상기 캐비티는: 상기 제2금형 또는 제3금형에 형성된 주입부를 통해 상부로부터 주입된 용탕이, 상기 캐비티의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되는 스테인리스 가압 주조용 금형을 이용하여 터빈용 패킹 링을 제조하는, 스테인리스 가압 주조 방법에 있어서, 프레스장치의 볼스터에 상기 제1금형을 안착시키는 단계; 상기 제2금형 및 제3금형을 각각 좌측 및 우측으로부터 가압하여 밀착시키는 단계; 상기 제2금형 및 제3금형 사이에 형성된 수용공간으로 제4금형을 삽입하는 단계; 상기 제2금형 또는 제3금형에 형성된 주입부를 통해, 주입부의 상부에서 용탕을 부어 캐비티 내부에 용탕을 주입하는 단계; 및 상기 캐비티 내부에 용탕이 충진된 후, 상기 제4금형을 가압하는 단계;를 포함하는, 스테인리스 가압 주조 방법을 제공한다.

일실시예에 따르면, 상기 스테인리스 가압 주조 방법에 따라 제조된, 터빈용 패킹 링을 제공한다.

또한, 상기 캐비티는: 상기 제1금형 또는 인서트에 형성되며, 호의 중심각을 이루는 중심점이 상부에 배치되는 형태로 소정의 제1 원호형 프로파일이 형성되는 바닥면; 상기 제4금형에 형성되며, 상기 바닥면을 형성하는 호가 소정의 거리만큼 평행이동한 형태의 제2 원호형 프로파일이 형성되는 천장면; 상기 제1 원호형 프로파일 및 제2 원호형 프로파일에 의해 둘러쌓이는 제품부; 상기 제품부의 양단에 형성되는 압탕부; 및 상기 제품부와 압탕부 사이의, 단면적이 달라지는 지점인 목부;를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제2금형 및 제3금형은: 상기 제4금형에 의해 용탕이 가압될 때, 용탕으로부터 압력을 받아 좌우 방향으로 벌어지도록 형성되는 경사면;을 포함하고, 상기 제4금형은: 상기 경사면에 대응되도록 형성되는 쐐기;를 포함할 수 있다.

아울러, 상기 제1금형 내지 제4금형은: 탄소(C) 0.01 내지 0.07 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.50 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.50 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.040 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 19.0 내지 22.0 중량%; 니켈(Ni) 27.5 내지 30.5 중량%; 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 3.0 중량%; 구리(Cu) 3.0 내지 4.0 중량%; 및 철(Fe) 37.35 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 오스테나이트 스테인리스강(Austenitic stainless steel)으로 구성되고, 상기 용탕은: 탄소(C) 0.08 내지 0.15 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.00 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.00 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.030 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 11.5 내지 13.5 중량%; 니켈(Ni) 0.01 내지 0.75 중량%; 및 철(Fe) 37.35 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 마르텐자이트 스테인리스강(Martensitic stainless steel)으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 용탕은: 주입 온도가 1580℃ 내지 1600℃이고, 주입 용탕 체적은 [상기 제1금형 내지 제4금형에 의해 형성되는 압탕부, 게이트 및 캐비티 용적] 대비 85% 내지 90%의 체적이고, 주입 속도는 제1주입시간동안 제1유량으로 유지된 후, 제2주입시간동안 제1유량에서 0으로 유량이 감소하도록 제어되고, 상기 용탕이 충진된 후, 상기 제4금형이 0.7mm/sec 내지 1.3mm/sec의 속도로 15 sec 내지 25 sec 동안 하부로 이송되며 용탕을 가압하도록 제어될 수 있다.

일실시예에 따르면, 일반적인 터빈용 패킹 링의 제조 공정(단조)에 따랐을 때 제품에 발생하는 잔류응력과, 추가 공정에 의한 제작기간 증가 등의 문제점을 극복할 수 있다.

또한, 기존 스테인리스 주조 방식(중력 주조, 원심 주조 등) 대비 높은 물성과 회수율을 확보할 수 있다.

그리고, 주물의 금속조직을 미세화시키고, 이에 따라 주물의 표면정밀도 및 재료강도를 향상시킬 수 있다.

아울러, 종래 기술에 따라서는 구현하기 어려웠던 스테인리스의 가압 주조를 구성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형을 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형의 일부분을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스 가압 주조용 금형을 나타낸 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스 가압 주조 장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 비교예와 본 발명의 일실시예의 시간에 따른 용탕 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 7은 비교예와 본 발명의 일실시예의 시간에 따른 응고 분율 분포를 나타낸 도면이다.

이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

본 문서에서, "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.

본 문서에서, "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 하나 이상"은, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.

본 문서에서 사용된 "제 1," "제 2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어(operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

본 발명의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

발명의 설명에서 사용되는 용어 "좌우, 전후, 상하, 상부, 하부" 등은 도면을 기준으로 정의한 것이며, 이러한 용어에 의하여 각 구성의 형상 및 위치가 제한되는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

일실시예에 따르면, 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 안착되는 제1금형(1)(하형); 상기 제1금형(1)의 상부에 안착되는 인서트(5); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형(2)(제1측형); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형(2)과 밀착되었을 때 소정의 수용공간(S)이 형성되도록 구성되는 제3금형(3)(제2측형); 및 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간(S)에 삽입됨으로써 소정의 캐비티(C)를 형성하는 제4금형(4)(상형);을 포함하고, 상기 캐비티(C)는: 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해 상부로부터 주입된 용탕(M)이, 상기 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되는, 스테인리스 가압 주조용 금형을 제공한다.

이하, 상기 금형을 이용한 가압 주조 과정을 설명한다.

상기 제1금형(1)이 흔들리지 않도록 상기 볼스터(B)에 고정시키고, 제1금형(1)의 중앙부에 형성된 홈에 주조할 주물에 대응되는 인서트(5)를 삽입한다.

상기 제1금형(1)의 상부에 제2금형(2) 및 제3금형(3)을 안착시키고, 제2금형(2) 및 제3금형(3)에 각각 연결된 가압장치(액추에이터 등)를 동작시켜 제2금형(2) 및 제3금형(3)을 서로 밀착시킨다.

이후, 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성되거나, 제2금형(2) 및 제3금형(3)의 밀착에 의해 형성된 주입부(6)를 통해 용탕(M)을 주입한다. 상기 주입부(6)에는 용탕(M)이 금형의 주변부로 이탈하지 않도록 소정의 주입컵(60)이 체결될 수 있다.

이 때, 상기 캐비티(C)의 형상에 따라 용탕(M)은 도 1에 도시된 충진 방향(D1)과 같이 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진된다.

용탕(M)을 주입을 완료한 뒤, 용탕(M)이 완전히 응고되기 전에 상기 제4금형(4)을 하강시키며 제4금형(4)으로 용탕(M)을 가압한다.

일실시예에 따르면, 소정의 캐비티(C)가 형성되어 용탕(M)을 주입받는 금형; 및 금형에 소정의 압력을 가하는 프레스장치(D);를 포함하는, 스테인리스 가압 주조 장치에 있어서, 상기 금형은: 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 안착되는 제1금형(1); 상기 제1금형(1)의 상부에 안착되는 인서트(5); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형(2); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형(2)과 밀착되었을 때 소정의 수용공간(S)이 형성되도록 구성되는 제3금형(3); 및 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간(S)에 삽입됨으로써 소정의 캐비티(C)를 형성하는 제4금형(4);을 포함하고, 상기 캐비티(C)는: 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해 상부로부터 주입된 용탕(M)이, 상기 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되며, 상기 프레스장치(D)는: 상기 금형이 안착되는 공간을 제공하는 볼스터(B); 상기 금형을 가압하도록 상부로부터 소정의 압력을 가하도록 구비되는 피스톤(P); 및 상기 피스톤(P)에 동력을 전달하는 유압장치;를 포함하는, 스테인리스 가압 주조 장치를 제공한다.

여기서, 상기 피스톤(P)에 의해 가압되는 금형은, 제2금형(2) 내지 제4금형(4)일 수 있으며, 상기 유압장치의 유압회로를 제어함에 따라 주조 과정에서 제2금형(2) 내지 제4금형(4) 중 일부분에 대해 가압력을 해제하거나 가압력을 부여할 수 있다.

일실시예에 따르면, 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 안착되는 제1금형(1); 상기 제1금형(1)의 상부에 안착되는 인서트(5); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형(2); 상기 제1금형(1)의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형(2)과 밀착되었을 때 소정의 수용공간(S)이 형성되도록 구성되는 제3금형(3); 및 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간(S)에 삽입됨으로써 소정의 캐비티(C)를 형성하는 제4금형(4);을 포함하고, 상기 캐비티(C)는: 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해 상부로부터 주입된 용탕(M)이, 상기 캐비티(C)의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되는 스테인리스 가압 주조용 금형을 이용하여 터빈용 패킹 링을 제조하는, 스테인리스 가압 주조 방법에 있어서, 프레스장치(D)의 볼스터(B)에 상기 제1금형(1)을 안착시키는 단계; 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)을 각각 좌측 및 우측으로부터 가압하여 밀착시키는 단계; 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3) 사이에 형성된 수용공간(S)으로 제4금형(4)을 삽입하는 단계; 상기 제2금형(2) 또는 제3금형(3)에 형성된 주입부(6)를 통해, 주입부(6)의 상부에서 용탕(M)을 부어 캐비티(C) 내부에 용탕(M)을 주입하는 단계; 및 상기 캐비티(C) 내부에 용탕(M)이 충진된 후, 상기 제4금형(4)을 가압하는 단계;를 포함하는, 스테인리스 가압 주조 방법을 제공한다.

상기 제4금형(4)을 가압하는 단계 후, 소정의 시간이 경과하여 용탕(M)이 충분히/완전히 응고된 후에는 상기 제4금형(4)을 상승시켜 공정을 종료한다.

이렇게 주조된 주물은 표면가공, 표면처리, 절삭 등 후처리 과정을 거쳐 터빈용 패킹 링으로 제조될 수 있다.

또한, 상기 캐비티(C)는: 상기 제1금형(1) 또는 인서트(5)에 형성되며, 호의 중심각을 이루는 중심점이 상부에 배치되는 형태로 소정의 제1 원호형 프로파일이 형성되는 바닥면(C1); 상기 제4금형(4)에 형성되며, 상기 바닥면(C1)을 형성하는 호가 소정의 거리만큼 평행이동한 형태의 제2 원호형 프로파일이 형성되는 천장면(C2); 상기 제1 원호형 프로파일 및 제2 원호형 프로파일에 의해 둘러쌓이는 제품부(C3); 상기 제품부(C3)의 양단에 형성되는 압탕부(C4); 및 상기 제품부(C3)와 압탕부(C4) 사이의, 단면적이 달라지는 지점인 목부(C5);를 포함할 수 있다.

상기 캐비티(C)의 상세 구성은 도 2에 도시되어 있다.

주입부(6)/주입컵(60)을 통해 상부로부터 하부로 주입되는 용탕(M)은, 캐비티(C)의 저점으로부터 상향 충진되어 고점의 압탕부(C4)까지 채워진다.

상기 기재에서, '원호형 프로파일'이란, 측단면이 소정의 원호 형상을 이루는 곡면을 의미할 수 있다.

그리고, 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)은: 상기 제4금형(4)에 의해 용탕(M)이 가압될 때, 용탕(M)으로부터 압력을 받아 좌우 방향으로 벌어지도록 형성되는 경사면(20, 30);을 포함하고, 상기 제4금형(4)은: 상기 경사면(20, 30)에 대응되도록 형성되는 쐐기(40);를 포함할 수 있다.

상기 경사면(20, 30) 및 쐐기(40)는 도 3에 도시되어 있다.

상기 제4금형(4)이 하중을 전달받아 용탕(M)을 가압하게 되면, 용탕(M)은 모든 방향으로 압력을 가하게 된다. 이 때, 제4금형(4)으로부터 전달되는 모든 하중을 금형이 버티게 되면 금형이 깨지는 등 문제가 발생할 수 있으므로, 상기와 같이 경사면(20, 30)과 쐐기(40)를 활용하여 하중의 일부가 측면 방향으로 분산되도록 유도할 수 있다.

이 때, 상기 제2금형(2) 및 제3금형(3)이 좌우 방향으로 벌어질 수 있도록 제2금형(2) 및 제3금형(3)에 가해지는 압력/가압은 해제하는 것이 바람직하다.

여기서 가압을 해제한다는 것은, 압력을 0으로 만드는 것이 아니라 의도치 않은 변형은 방지하되 필요 이상의 하중은 분산시킬 수 있도록 제2금형(2) 및 제3금형(3)을 지지하는 정도의 압력만을 잔여시키는 것을 의미할 수 있다.

아울러, 상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)은: 탄소(C) 0.01 내지 0.07 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.50 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.50 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.040 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 19.0 내지 22.0 중량%; 니켈(Ni) 27.5 내지 30.5 중량%; 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 3.0 중량%; 구리(Cu) 3.0 내지 4.0 중량%; 및 철(Fe) 37.35 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 오스테나이트 스테인리스강(Austenitic stainless steel)으로 구성되고, 상기 용탕(M)은: 탄소(C) 0.03 내지 0.2 중량%; 망간(Mn) 0.01 내지 1.00 중량%; 규소(Si) 0.01 내지 1.00 중량%; 황(S) 0.01 내지 0.030 중량%; 인(P) 0.01 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 10 내지 13.5 중량%; 니켈(Ni) 0.01 내지 0.75 중량%; 및 철(Fe) 37.35 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 마르텐자이트 스테인리스강(Martensitic stainless steel)으로 구성될 수 있다.

상기와 같은 금형 및 용탕(M)의 조성비에 따르면, 종래의 STS410 소재에 비해 탄소 및 크롬함량을 약간 줄일 수 있어 가압주조시 제품의 중심부까지 가압되며, 가압 주조에도 불구하고 용탕(M)이 금형에 눌러붙는 등의 현상이 발생하지 않고, 정상적으로 주물이 취출된다

이 때, 상기 인서트(5)는 제1금형(1) 내지 제4금형(4)과 동일하게 구성될 수 있다.

여기서, 바람직하게는, 상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)은: 탄소(C) 0.035 내지 0.07 중량%; 망간(Mn) 0.75 내지 1.50 중량%; 규소(Si) 0.75 내지 1.50 중량%; 황(S) 0.020 내지 0.040 중량%; 인(P) 0.020 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 19.0 내지 22.0 중량%; 니켈(Ni) 27.5 내지 30.5 중량%; 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 3.0 중량%; 구리(Cu) 3.0 내지 4.0 중량%; 및 철(Fe) 46.925 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강(Austenitic stainless steel)으로 구성되고, 상기 용탕(M)은: 탄소(C) 0.08 내지 0.15 중량%; 망간(Mn) 0.5 내지 1.00 중량%; 규소(Si) 0.5 내지 1.00 중량%; 황(S) 0.015 내지 0.030 중량%; 인(P) 0.02 내지 0.040 중량%; 크롬(Cr) 11.5 내지 13.5 중량%; 니켈(Ni) 0.0375 내지 0.75 중량%; 및 철(Fe) 37.35 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 마르텐자이트계 스테인리스강(Martensitic stainless steel)으로 구성될 수 있다.

상기 철의 중량%는, 합금을 구성하는 다른 성분들의 중량%를 먼저 산출한 뒤, 나머지 중량%로써 산출될 수 있다. 예를 들어, 합금을 구성하는 철 이외의 성분들의 중량 %가 62.65 중량%인 경우, 철은 37.45 중량%로 산출되어, 총 중량%가 100%를 이루도록 산출될 수 있다.

또한, 상기 용탕(M)은: 주입 온도가 1580℃ 내지 1600℃이고, 주입 용탕(M) 체적은 [상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성되는 압탕부(C4), 게이트 및 캐비티(C) 용적] 대비 85% 내지 90%의 체적이고, 주입 속도는 제1주입시간동안 제1유량으로 유지된 후, 제2주입시간동안 제1유량에서 0으로 유량이 감소하도록 제어되고, 상기 용탕(M)이 충진된 후, 상기 제4금형(4)이 0.7mm/sec 내지 1.3mm/sec의 속도로 15 sec 내지 25 sec 동안 하부로 이송되며 용탕(M)을 가압하도록 제어될 수 있다.

바람직하게는, 상기 주입 온도가 1588℃ 내지 1592℃이고, 주입 용탕(M) 체적은 [상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성되는 압탕부(C4), 게이트 및 캐비티(C) 용적] 대비 87% 내지 89%의 체적이고, 주입 속도는 제1주입시간동안 제1유량으로 유지된 후, 제2주입시간동안 제1유량에서 0으로 유량이 감소하도록 제어되고, 상기 용탕(M)이 충진된 후, 상기 제4금형(4)이 0.9mm/sec 내지 1.1mm/sec의 속도로 15 sec 내지 25 sec 동안 하부로 이송되며 용탕(M)을 가압하도록 제어될 수 있다.

여기서, 상기 주입 온도는, 용탕(M)을 구성하는 합금의 녹는 범위(Melting Range)가 1482℃ 내지 1532℃를 기반으로 산출되었다.

실시 예에서는, 상기 제1주입시간은 4초, 제2주입시간은 2초로, 총 6초동안 용탕(M)을 주입하였으며, 제1유량은 500cm^3/sec로 제어되었다.

도 6 및 도 7은, 상기 주입 온도가 1590℃이고, 주입 용탕(M) 체적은 [상기 제1금형(1) 내지 제4금형(4)에 의해 형성되는 압탕부(C4), 게이트 및 캐비티(C) 용적] 대비 88%의 체적이고, 주입 속도는 제1주입시간동안 제1유량으로 유지된 후, 제2주입시간동안 제1유량에서 0으로 유량이 감소하도록 제어되고, 상기 용탕(M)이 충진된 후, 상기 제4금형(4)이 1mm/sec의 속도로 15 sec 내지 25 sec 동안 하부로 이송되며 용탕(M)을 가압한 실시 예를 기반으로 분석한 데이터이다.

이에 따라, 총 가압 깊이는 10mm였으며, 이에 따라 주조된 주물의 최종 두께는 30.5mm였다.

도 6 및 도 7은, 상형을 하강시켜 고정한 상태로 용탕(M)을 60초동안 관측한 비교예(상형 고정)와, 상형을 6초동안 하강시켜 용탕(M)을 가압한 뒤, 용탕(M)을 60초동안 관측한 실시예(상형 가압)를 비교하여 분석한 도면이다.

'상형 고정'은 최종 응고에 도달하는 시간이 51.89초로, '상형 가압'은 최종 응고에 도달하는 시간이 60.01초로 확인되었으며, 이를 기반으로 도 6의 온도 확인 지점(30, 42, 48, 51.9, 60초)을 선정하였다.

일반적인 가압 주조는 일반 주조에 비해 응고 시간이 빨라지지만, 본 발명의 실시예에서는 '상형 고정'의 최종 응고 도달 시간이 더 짧게 측정되었으며, 이는 '상형 가압'에서 상형의 하강 시점 전까지 제품부(C3) 용탕(M) 단면적이 상대적으로 크기 때문에 응고 시간 지연이 발생하는 것으로 사료된다.

도 6의 용탕(M) 온도 분포 비교를 참고하면, 30초 이후 '상형 고정'에서 런너부 표면이 1150℃에 도달한 것을 확인할 수 있다. 42초에서는 '상형 고정' 및 '상형 가압' 모두에서 게이트 지점 온도가 1200℃에 도달하였으며, 48초에서는 '상형 고정' 및 '상형 가압'에 따라 제품부(C3)의 온도 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이후 51.9초에서도 '상형 고정' 및 '상형 가압' 간 압탕부(C4)에서의 온도차이가 확인된다.

도 7의 응고 분율 비교를 참고하면, 6초에서 '상형 고정' 및 '상형 가압' 모두 게이트 부근에서 응고가 시작되는 것을 확인할 수 있다. 12초에서는 '상형 고정' 및 '상형 가압' 모두 표면부분 응고분율이 0.5에 도달하고, 중심부 부근에서는 응고 분율이 0.25 근처인 것을 확인할 수 있다. 24초에서는 '상형 고정'에서 게이트가 막히는 것을 확인할 수 있으며, '상형 가압'에서는 게이트가 막히지 않는 것을 확인할 수 있다. 30초에서는 '상형 고정'에서는 제품부(C3)/압탕부(C4) 사이 탕도(목부(C5))가 닫히는 것이 확인되나, '상형 가압'에서는 제품부(C3)/압탕부(C4) 사이 탕도가 닫히지 않았다. 36초에서는 '상형 가압'에서 제품부(C3) 응고가 완료된 뒤에 압탕부(C4) 경로가 닫히는 것을 확인할 수 있다.

비교예인 '상형 고정'에서는 제품부(C3) 전체가 응고되기 이전에 압탕부(C4) 근처의 탕도가 막혀, 제품부(C3)에서의 미세수축공 발생 가능성이 있으나, 실시예인 '상형 가압'에서는 이러한 미세수축공 발생 가능성이 거의 없다.

이는 가압 방식이 응고 수축을 일부 보상하는 것에 따른 것으로 사료된다.

1 : 제1금형
2 : 제2금형
3 : 제3금형
20, 30 : 경사면
4 : 제4금형
40 : 쐐기
5 : 인서트
6 : 주입부
60 : 주입컵
D1 : 충진 방향
D2 : 슬라이딩 방향
D3 : 가압 방향
S : 수용공간
M : 용탕
C : 캐비티
C1 : 바닥면
C2 : 천장면
C3 : 제품부
C4 : 압탕부
C5 : 목부
D : 프레스장치
B : 볼스터
P : 피스톤

Claims (5)

1. 프레스장치의 볼스터에 안착되는 제1금형;
   상기 제1금형의 상부에 안착되는 인서트;
   상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형;
   상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형과 밀착되었을 때 소정의 수용공간이 형성되도록 구성되는 제3금형; 및
   상기 제2금형 및 제3금형이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간에 삽입됨으로써 소정의 캐비티를 형성하는 제4금형;을 포함하고,
   상기 캐비티는:
   상기 제2금형 또는 제3금형에 형성된 주입부를 통해 상부로부터 주입된 용탕이, 상기 캐비티의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되며,
   상기 제2금형 및 제3금형은:
   상기 제4금형에 의해 용탕이 가압될 때, 용탕으로부터 압력을 받아 좌우 방향으로 벌어지도록 형성되는 경사면;을 포함하고,
   상기 제4금형은:
   상기 경사면에 대응되도록 형성되는 쐐기;를 포함하는,
   스테인리스 가압 주조용 금형
2. 청구항 1항에 있어서,
   상기 캐비티는:
   상기 제1금형 또는 인서트에 형성되며, 호의 중심각을 이루는 중심점이 상부에 배치되는 형태로 소정의 제1 원호형 프로파일이 형성되는 바닥면;
   상기 제4금형에 형성되며, 상기 바닥면을 형성하는 호가 소정의 거리만큼 평행이동한 형태의 제2 원호형 프로파일이 형성되는 천장면;
   상기 제1 원호형 프로파일 및 제2 원호형 프로파일에 의해 둘러쌓이는 제품부;
   상기 제품부의 양단에 형성되는 압탕부; 및
   상기 제품부와 압탕부 사이의, 단면적이 달라지는 지점인 목부;를 포함하는,
   스테인리스 가압 주조용 금형
3. 삭제
4. 청구항 1항에 있어서,
   상기 제1금형 내지 제4금형은:
   탄소(C) 0.01 내지 0.07 중량%;
   망간(Mn) 0.01 내지 1.50 중량%;
   규소(Si) 0.01 내지 1.50 중량%;
   황(S) 0.01 내지 0.040 중량%;
   인(P) 0.01 내지 0.040 중량%;
   크롬(Cr) 19.0 내지 22.0 중량%;
   니켈(Ni) 27.5 내지 30.5 중량%;
   몰리브덴(Mo) 2.0 내지 3.0 중량%;
   구리(Cu) 3.0 내지 4.0 중량%; 및
   철(Fe) 37.35 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 오스테나이트 스테인리스강(Austenitic stainless steel)으로 구성되고,
   상기 용탕은:
   탄소(C) 0.03 내지 0.15 중량%;
   망간(Mn) 0.01 내지 1.00 중량%;
   규소(Si) 0.01 내지 1.00 중량%;
   황(S) 0.01 내지 0.030 중량%;
   인(P) 0.01 내지 0.040 중량%;
   크롬(Cr) 10 내지 13.5 중량%;
   니켈(Ni) 0.01 내지 0.75 중량%; 및
   철(Fe) 37.35 내지 48.45 중량%;를 포함하는, 마르텐자이트 스테인리스강(Martensitic stainless steel)으로 구성되는,
   스테인리스 가압 주조용 금형
5. 프레스장치의 볼스터에 안착되는 제1금형;
   상기 제1금형의 상부에 안착되는 인서트;
   상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되는 제2금형;
   상기 제1금형의 상부에서 슬라이딩되도록 배치되며, 상기 제2금형과 밀착되었을 때 소정의 수용공간이 형성되도록 구성되는 제3금형; 및
   상기 제2금형 및 제3금형이 밀착된 상태에서, 상부로부터 이송되어 수용공간에 삽입됨으로써 소정의 캐비티를 형성하는 제4금형;을 포함하고,
   상기 캐비티는:
   상기 제2금형 또는 제3금형에 형성된 주입부를 통해 상부로부터 주입된 용탕이, 상기 캐비티의 저점으로부터 고점까지 상향 충진되도록 소정의 경사 또는 곡률을 가지도록 형성되며,
   상기 용탕은:
   주입 온도가 1580℃ 내지 1600℃이고,
   주입 용탕 체적은 [상기 제1금형 내지 제4금형에 의해 형성되는 압탕부, 게이트 및 캐비티 용적] 대비 85% 내지 90%의 체적이고,
   주입 속도는 제1주입시간동안 제1유량으로 유지된 후, 제2주입시간동안 제1유량에서 0으로 유량이 감소하도록 제어되고,
   상기 용탕이 충진된 후, 상기 제4금형이 0.7mm/sec 내지 1.3mm/sec의 속도로 15 sec 내지 25 sec 동안 하부로 이송되며 용탕을 가압하는,
   스테인리스 가압 주조용 금형