KR20030094919A - A process and an apparatus for casting alloy using vibration - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 합금의 주조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주형에 진동을 부가하여 결정립을 미세화시킴으로써, 기계적 특성을 크게 향상시킨 합금의 주조방법 및 그에 이용되는 주조장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to casting of alloys, and more particularly, to an alloy casting method and a casting apparatus used therein, which greatly improve mechanical properties by adding vibration to a mold to refine crystal grains.
일반적으로 합금의 결정립 크기는 고온 기계적 특성, 즉 고온 크리프 특성과 피로 특성에 큰 영향을 준다는 사실은 잘 알려져 있다. 예컨대, 가스터빈에 사용되는 일체형 터빈 로터의 경우 일반적인 주조 공정으로 제조하였을 때, 디스크 부분의 결정립 크기가 조대하여 원하는 고온 기계적 특성을 얻기가 매우 어려웠을 뿐만 아니라 기계적 시험 데이터의 편차가 심해서 부품의 수명을 예측하는데 큰 어려움이 있었다. 따라서, 주조공정에서 결정립 크기의 조절은 매우 중요한 관리항목 중 하나이다.In general, it is well known that the grain size of the alloy has a great influence on the high temperature mechanical properties, that is, the high temperature creep properties and the fatigue properties. For example, in the case of an integral turbine rotor used for a gas turbine, when manufactured by a general casting process, the grain size of the disc part is coarse, which makes it difficult to obtain desired high temperature mechanical properties, and the variation of mechanical test data is so severe that the life of the part is high. There was a great difficulty in predicting this. Therefore, the control of grain size in the casting process is one of the most important control items.
주조공정에서 결정립 크기 조절은 크게 화학적, 기계적, 열적 방법 등 크게 3가지 기본적인 방법으로 이루어진다. 상기 화학적 방법에 의한 결정립 미세화는 코발트 알루미네이트 등을 사용한 주형의 접종처리와 결정립 미세화제 등을 액상금속에 첨가하여 액상 합금의 응고시 고상 핵의 생성위치 수를 증가시키는 방법이다. 그러나, 접종제의 선택은 용탕과의 반응성을 고려해야 하고, 그 효과는 부품의 표면부위에 집중되기 때문에 부품의 두께가 어느 정도 있는 경우 부품 내부에서의 접종효과를 기대하기 어렵다. 예를 들어, 고온용 부품 제조에 사용되는 니켈계 초내열 합금의 경우 결정립 미세화제의 첨가는 원래 합금의 화학조성을 변화시킴으로써 상의 안정도(phase stability)와 고온 기계적 특성을 저하시킬 수 있으므로 일반적으로 사용되지 않는다.Grain size control in the casting process consists of three basic methods: chemical, mechanical, and thermal. Grain refinement by the chemical method is a method of increasing the number of formation sites of the solid phase nuclei during solidification of the liquid alloy by inoculating the mold using cobalt aluminate and the like and adding a grain refining agent to the liquid metal. However, the selection of the inoculant should take into account the reactivity with the molten metal, and the effect is concentrated on the surface of the part, so it is difficult to expect the effect of inoculum inside the part when the part has a certain thickness. For example, in the case of nickel-based super heat-resistant alloys used for the manufacture of high temperature components, the addition of grain refiners is not commonly used because it can degrade the phase stability and high temperature mechanical properties by changing the chemical composition of the original alloy. Do not.
기계적인 방법에 의한 결정립 미세화는 응고가 진행 중인 용탕을 인위적으로 휘젓거나 진동 등을 가해서 성장 중인 고상을 전단시켜 결국 전단된 고상들이 새로운 고상 핵의 생성위치로 작용하도록 하여 고상 핵의 성장보다 생성율을 높임으로써, 결정립 크기를 미세화시키는 방법이다. 이 경우 만일 응고구간이 짧은 합금이나 순금속의 경우 결정립 미세화 효과를 얻기 힘들다. 또한, 임계 진동수 이상으로 용탕을 진동시킬 경우, 대표적인 주조 결함인 미세 기공의 생성율이 증가하여 열간정수압(Hot Isostatic Press) 성형 등의 후처리 공정이 도입되어야 하는 단점이 있다.Grain refinement by mechanical method artificially stirs or vibrates the molten metal during solidification to shear the growing solid phase, which causes the sheared solid phase to act as a new solid nucleus formation site. By increasing, it is a method of making a grain size fine. In this case, it is difficult to obtain a grain refinement effect in the case of an alloy or a pure metal having a short solidification section. In addition, when the molten metal is vibrated more than the critical frequency, there is a disadvantage in that a post-treatment process such as hot isostatic press molding is introduced due to an increase in the generation rate of micropores, which is a representative casting defect.
마지막으로, 열적 방법에 의한 결정립 미세화 기술은 용탕의 과열(액상 합금의 주입온도 - 합금의 용융온도)량을 최소로 줄이거나 주형의 냉각속도를 빠르게 조절함으로써 용탕이 합금의 응고 구간을 지나는 동안의 응고속도를 빠르게 하여 결정립의 성장을 억제시켜 결정립을 미세화시키는 방법이다. 이 방법을 사용할 경우 야기되는 단점 중 하나는, 터빈 블레이드와 일체형 로터 등과 같이 두께가 얇은 부품의 경우 에어 포일 부분에 용탕의 불충진(misrun)이 발생할 가능성이 높다는 것이다.Finally, the grain refinement technique by the thermal method minimizes the amount of superheat (melting temperature of the alloy-melting temperature of the alloy) of the molten metal or adjusts the cooling rate of the mold to a minimum so that the molten metal passes through the solidification section of the alloy. It is a method of miniaturizing grains by inhibiting growth of grains by increasing the solidification rate. One disadvantage of using this method is that in the case of thin parts, such as turbine blades and integral rotors, there is a high possibility of misruns of the melt in the air foil portion.
본 발명의 목적은 액상 금속을 주입 후 적절한 기계적인 진동을 주형에 가하여 합금의 결정립을 미세화시킴으로써, 고온에서의 기계적 특성을 향상시키는 합금의 주조방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a method for casting an alloy to improve the mechanical properties at high temperatures by applying a suitable mechanical vibration to the mold after the injection of the liquid metal to refine the alloy grains.
본 발명의 다른 목적은 일체형 터빈 부품과 같은 고온재료를 정밀주조함에 있어 주형에 기계적 진동을 가하여 결정립 크기를 미세화함으로써, 고온에서의 기계적 특성을 향상시키는 새로운 주조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a new casting method for improving the mechanical properties at high temperatures by applying mechanical vibrations to the mold to refine the high temperature material, such as integral turbine parts, to refine the grain size.
본 발명의 또 다른 목적은 그러한 주조에 적합한 주조장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a casting apparatus suitable for such casting.
도1은 본 발명에 부합되는 주조장치의 구성도이다.1 is a block diagram of a casting apparatus according to the present invention.
도2는 도1의 편심회전체의 상세도이다.FIG. 2 is a detailed view of the eccentric rotating body of FIG. 1. FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 .... 주형2 .... 캠축 3 .... 편심회전체1 .... Mold 2 .... Camshaft 3 .... Eccentric Rotating Body
4 .... 모터5 .... 주파수제어기4 .... motor 5 .... frequency controller
6 .... 지지바7 .... 받침판6 .... Support bar 7 .... Support plate
상기 목적 달성을 위한 본 발명의 주조방법은, 주형에 액상금속을 주입하여 합금을 주조하는 방법에 있어서, 상기 주형에 액상금속을 주입하고, 액상 금속이응고하기 전에, 5Hz∼500Hz의 주파수와 1∼20mm 진폭의 기계적인 진동을 주형에 가하는 것을 특징으로 한다.The casting method of the present invention for achieving the above object, in the method of casting the alloy by injecting the liquid metal in the mold, injecting the liquid metal into the mold, before the liquid metal solidifies, a frequency of 5Hz to 500Hz and 1 A mechanical vibration of ˜20 mm amplitude is applied to the mold.
또한, 본 발명에 따른 주조장치는, 다수개의 지지바를 따라 상하로 자유롭게 슬라이딩(sliding)되며 상부에 주형이 안치되는 받침판과, 상기 받침판의 하부에 연결되어 그 회전에 따라 받침판이 상하 왕복이동되도록 하는 편심회전체와, 상기 편심회전체를 회전시키며 주파수를 변화시키는 주파수제어기가 마련된 모터를 포함하여 구성된다.In addition, the casting apparatus according to the present invention, the support plate sliding freely up and down along a plurality of support bars and the mold is placed on the upper side, and is connected to the lower portion of the support plate so that the support plate is vertically reciprocated according to its rotation. It includes an eccentric rotating body and a motor provided with a frequency controller for rotating the eccentric rotating body to change the frequency.
먼저, 본 발명에 따른 주조장치에 대하여 상세히 설명한다.First, the casting apparatus according to the present invention will be described in detail.
도1은 본 발명에 부합되는 주조장치(10)의 개략적인 구성을 보이고 있다. 본 발명의 주조장치(10)는 도1에 도시된 바와 같이, 주형(1)의 냉각속도를 고려하여 설계된 것으로서, 크게 상부에 주형(1)이 안치되는 받침판(7)과, 상기 받침판(7)의 하부에 연결되는 편심회전체(3) 및 상기 편심회전체(3)를 회전시키는 모터(4)를 포함하여 구성된다.1 shows a schematic configuration of a casting apparatus 10 in accordance with the present invention. Casting apparatus 10 of the present invention is designed in consideration of the cooling rate of the mold (1), as shown in Figure 1, the support plate (7) is largely placed on the mold (1), and the support plate (7) It is configured to include an eccentric rotating body (3) and a motor (4) for rotating the eccentric rotating body (3) connected to the lower part of.
상기 받침판(7)은 다각형의 판상으로 다수개의 지지바(6)를 따라 상하로 자유롭게 슬라이딩되며, 그 상부에 위치한 주형안치대(8)에 주형(1)이 안치된다.The support plate 7 is freely slid up and down along a plurality of support bars 6 in the shape of a polygonal plate, and the mold 1 is placed on the mold resttable 8 located thereon.
상기 편심회전체(3)는 상기 받침판(7)의 하부에 연결되어 그 회전에 따라 받침판에 진동을 부여하도록 구성된다. 상기 주형(1)에 가해지는 진동은 진폭 변화 및 진동수의 변화 두 가지 조건으로 나눌 수 있다. 진폭의 조절은 모터(4)와 캠축(2) 사이에 있는 편심회전체(3)를 원하는 진폭만큼 가공해서 사용하면 가능하다. 예를 들어, 약 3mm의 진폭을 원하는 경우 도2에 도시된 바와 같이,편심회전체(3)의 구멍(3a)의 중심을 모터 축의 중심으로부터 약 1.5mm 편심을 주고 가공한 후, 캠축(2)과 연결하면 될 것이다.The eccentric rotating body 3 is connected to the lower portion of the support plate 7 is configured to impart vibrations to the support plate according to the rotation thereof. The vibration applied to the mold 1 can be divided into two conditions, a change in amplitude and a change in frequency. The adjustment of the amplitude can be performed by processing the eccentric rotating body 3 between the motor 4 and the camshaft 2 by the desired amplitude. For example, if an amplitude of about 3 mm is desired, as shown in Fig. 2, the center of the hole 3a of the eccentric rotating body 3 is processed with an eccentricity of about 1.5 mm from the center of the motor shaft, and then the cam shaft 2 ).
진동수의 조절은 모터(4)의 회전수를 조절함으로써 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 모터(4)에는 주파수를 변화시키는 주파수제어기(5)가 마련되어 편심회전체(3)를 회전시킨다.The adjustment of the frequency can be changed by adjusting the rotation speed of the motor 4. That is, the motor 4 is provided with a frequency controller 5 for changing the frequency to rotate the eccentric rotor 3.
이하, 상기 주조장치를 이용하여 본 발명의 합금을 주조하는 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of casting the alloy of the present invention using the casting device will be described in detail.
먼저, 합금을 용해하여 용해된 액상합금을 주형(1)에 주입한다. 그 다음, 합금이 응고되기 전, 상기 주형(1)을 받침판(7)의 주형안치대(1)에 안치한다. 그 후, 전원을 인가하여 모터(4)를 구동하면, 상기 편심회전체(3)가 회전되면서 그 회전에 따라 받침판(7)이 상하 왕복이동되고, 다수개의 지지바(6)를 따라 상하로 자유롭게 슬라이딩되어 주형(1)에 진동이 가해진다. 이때, 모터(4)에 마련된 주파수제어기(5)를 통해 진동수를 바꿀 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 상기 편심회전체(3)를 교환하여 진폭도 변화시킬 수 있다.First, the molten alloy is dissolved and the molten liquid alloy is injected into the mold 1. Then, before the alloy is solidified, the mold 1 is placed on the mold rest 1 of the support plate 7. Thereafter, when the motor 4 is driven by applying power, the eccentric rotating body 3 is rotated, and the support plate 7 is reciprocated up and down according to the rotation thereof, and is moved up and down along the plurality of support bars 6. It freely slides and vibration is applied to the mold 1. At this time, the frequency may be changed through the frequency controller 5 provided in the motor 4. If necessary, the eccentric rotating body 3 can be replaced to change the amplitude.
본 발명에서 주형에 가해지는 진동은 5Hz∼500Hz의 주파수와 1∼20mm 사이의 진폭을 가하는 것이 바람직하다. 이러한 진동 조건은 미세기공 분율 증가를 최대한 억제할 수 있는 범위이다. 즉, 진동 주파수가 5Hz 이하이면 진동부여 효과가 미흡하며, 500Hz를 초과하면 오히려 마이크로수축공(micro-shrinkage) 등이 발생되고, 이에 따라 후처리로서 열간 정수압 성형 등이 필요하게 되어 바람직하지 않다. 또한, 진폭이 너무 작으면 진동부여 효과가 미흡하며, 너무 크면 주형의 액상금속이넘치는 등 바람직하지 않다.In the present invention, the vibration applied to the mold is preferably applied to the frequency of 5Hz to 500Hz and an amplitude between 1 and 20mm. This vibration condition is a range capable of suppressing the increase of the micropore fraction as much as possible. In other words, if the vibration frequency is 5 Hz or less, the vibration imparting effect is insufficient, and if it exceeds 500 Hz, micro-shrinkage or the like is rather generated. If the amplitude is too small, the vibration imparting effect is insufficient. If the amplitude is too large, the liquid metal of the mold overflows, which is not preferable.
한편, 본 발명에서는 제품의 두께가 매우 두꺼운 경우 상기한 기계적인 진동을 주형에 가하면서 표면에서 통상적인 접종 처리하게 되면 제품 두께가 두꺼운 부분의 결정립을 더 미세화할 수 있다.On the other hand, in the present invention, when the thickness of the product is very thick, when the normal inoculation treatment on the surface while applying the above-mentioned mechanical vibration to the mold, it is possible to further refine the grains of the thick part of the product.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 아래의 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 아래의 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to the following examples according to the gist of the present invention.
[실시예]EXAMPLE
종래예1Conventional Example 1
진공 유도용해로에서 Ni계 초내열 합금(CM247LC)을 용융시키고, 액상 합금의 온도가 1470℃에 도달한 뒤, 약 15분간 용탕을 안정화한 후, 950℃로 예열된 주형에 상기 액상 금속을 주입하였다. 이때, 주형은 일반적으로 정밀주조에 사용되는 주형이었으며, 주조제품은 고온용 터빈에 사용되는 일체형 터빈 로터로서, 직경이 61mm, 두께 약 15mm, 그리고 에어 포일 부분의 길이는 약 10mm이었다.Ni-based superheat-resistant alloy (CM247LC) was melted in a vacuum induction furnace, and after the liquid alloy temperature reached 1470 ° C, the molten metal was stabilized for about 15 minutes, and then the liquid metal was injected into a mold preheated to 950 ° C. . At this time, the mold was generally a mold used for precision casting, and the cast product was an integral turbine rotor used for a high temperature turbine, and had a diameter of 61 mm, a thickness of about 15 mm, and an air foil portion having a length of about 10 mm.
발명예1Inventive Example 1
상기한 종래예1과 동일한 용탕을 주입한 후, 곧바로 주형을 도1과 같은 장치로 이동한 뒤, 10Hz의 진동수, 4mm의 진폭으로 합금이 응고할 때까지 진동처리하였다. 이때, 결정립 미세화에 미치는 다른 영향을 없애기 위해, 용탕의 초기온도와주형 예열온도는 동일하게 설정하였다.After injecting the same molten metal as in the prior art example 1, the mold was immediately moved to the apparatus as shown in FIG. 1, and then vibrated until the alloy solidified at a frequency of 10 Hz and an amplitude of 4 mm. At this time, in order to eliminate other influences on the grain refinement, the initial temperature and the mold preheating temperature of the molten metal were set to be the same.
종래예2Conventional Example 2
상기한 종래예1과 발명예1에서의 주형 대신 1차 face coat에 코발트 알루미네이트로 접종한 주형을 준비하여 동일한 조건에서 로터를 제조하였다.Instead of the molds in the above-described conventional example 1 and invention example 1 was prepared a mold inoculated with cobalt aluminate in the primary face coat to prepare a rotor under the same conditions.
발명예2Inventive Example 2
종래예2와 같이 접종한 주형을 사용하여 액상 금속의 주입 후, 발명예1과 같은 조건으로 진동을 가하여 로터를 제조하였다.After injecting the liquid metal using the mold inoculated as in the conventional example 2, a rotor was prepared by applying vibration under the same conditions as the invention example 1.
도3은 위의 4가지 조건에서 주조한 일체형 터빈 로터의 마크로(Macro) 조직사진을 나타낸 것이다.Figure 3 shows a macrostructure photograph of the integrated turbine rotor cast under the above four conditions.
도3a에 도시된 바와 같이, 일반 주조 공정을 사용한 종래예1의 경우 디스크 부분의 조대한 결정립은, 도3b의 발명예1과 같이, 진동처리를 함으로써 3배 이상 결정립이 미세해짐을 확인할 수 있었다. 아울러, 도3c와 d와 같이 접종한 주형과 접종 + 진동 조건에서 제조된 일체형 로터의 경우, 일반 주형에 진동처리만 가한 경우보다 더욱 결정립이 미세해짐을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 3A, in the case of the conventional example 1 using the general casting process, the coarse grains of the disk portion were confirmed to be fined three times or more by vibrating as in the first example of FIG. 3B. . In addition, in the case of the mold inoculated as shown in Figure 3c and d and the integrated rotor manufactured under the inoculation + vibration conditions, it was confirmed that the crystal grains become finer than when only the vibration treatment is applied to the general mold.
이상에서 확인한 바와 같이, 본 발명에서 고안한 주형의 진동처리와 진동 + 접종의 복합 처리를 사용하여 일체형 터빈로터 디스크 부분의 결정립을 크게 미세화시킬 수 있음을 확인하였다.As confirmed above, it was confirmed that by using the vibration treatment of the mold and the vibration + inoculation of the mold devised in the present invention, it was possible to greatly refine the grains of the integral turbine rotor disk portion.
이와 같이 제조한 합금에 대하여 각각 상온과 760℃에서의 인장시험 결과와 주조후 경면 연마한 시편에서 측정한 미세기공 분율을 표 1에 정리하였다.Table 1 shows the results of the tensile test at room temperature and 760 ° C. and the micropore fraction measured on the mirror polished specimens after casting for the alloy thus prepared.
표1에 나타난 바와 같이, 상온강도의 경우 본 발명예1의 합금이 기존의 주조공정에 의해 제조한 종래예1의 합금보다 40MPa 정도 항복강도가 향상되었으며, 발명예2의 경우 종래예2의 합금에 비하여 약 100MPa 이상 향상되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 760℃의 고온에서는 본 발명예2에 따라 제조한 합금의 인장 특성이, 종래예2에 비해서 40MPa 정도 향상되었으며, 종래예1에 비하여는 무려 100MPa 가까이 향상된 매우 우수한 기계적 특성을 나타냈다. 아울러, 본 발명에 따른 주조방법으로 제조된 부품의 미세 기공 분율은 모두 0.05% 이하의 매우 낮은 값으로 확인되었으며, 따라서 미세기공 제어를 위한 열간 정수압 성형 등의 후처리 공정 없이 사용이 가능한 것으로 확인되었다.As shown in Table 1, in the case of room temperature strength, the yield strength of the alloy of Inventive Example 1 was improved by about 40 MPa compared to the alloy of Conventional Example 1 manufactured by a conventional casting process, and in the Inventive Example 2, the alloy of Conventional Example 2 was improved. It can be confirmed that compared to about 100MPa or more. In addition, at a high temperature of 760 ° C., the tensile properties of the alloy prepared according to Example 2 of the present invention were improved by about 40 MPa compared to the prior art, and showed a very good mechanical property improved by almost 100 MPa compared with the prior art. In addition, all of the fine pore fraction of the parts manufactured by the casting method according to the present invention was confirmed to be a very low value of 0.05% or less, and therefore it was confirmed that it can be used without a post-treatment process such as hot hydrostatic pressure molding for micropore control. .
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 진동을 부가한 주조방법에 의하면, 기존의 주조공정에 비해 미세한 결정립을 갖는 부품의 주조가 가능함을 확인하였다. 특히, 본 발명은 고강도를 요구하는 구조부품이나 가스터빈의 일체형 터빈 로터 등 미세한 결정립 크기를 요구하는 터빈 부품의 제조에 매우 적합하다.더욱이, 이렇게 제조된 합금은, 상온 및 고온에서의 인장특성이 기존 공정에 비해 매우 우수하여 이들 부품들의 수명을 증가시키는 효과를 갖는다.As described in detail above, according to the casting method with the vibration according to the present invention, it was confirmed that casting of parts having fine grains compared to the existing casting process is possible. In particular, the present invention is very suitable for the production of turbine components requiring minute grain size, such as structural components requiring high strength and integral turbine rotors of gas turbines. Furthermore, the alloys thus produced have excellent tensile properties at room temperature and high temperature. It is very good compared to the existing process and has the effect of increasing the life of these parts.
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