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KR20180118734A - Unit cell titanium casting - Google Patents

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KR20180118734A
KR20180118734A KR1020187028224A KR20187028224A KR20180118734A KR 20180118734 A KR20180118734 A KR 20180118734A KR 1020187028224 A KR1020187028224 A KR 1020187028224A KR 20187028224 A KR20187028224 A KR 20187028224A KR 20180118734 A KR20180118734 A KR 20180118734A
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KR
South Korea
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crucible
mold
inner chamber
outer chamber
vacuum
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KR1020187028224A
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Korean (ko)
Inventor
노옴 스미스
로웰 위케트
잔 파라이소
마크 레포스키
제프 크로스
존 쉬핸
빌 리차드슨
Original Assignee
캘러웨이 골프 컴파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금의 단위 셀 주조를 위한 시스템(5) 및 방법(800)을 개시한다. 상기 시스템(5)은 외부 챔버(45), 상기 외부 챔버(45) 내에 위치된 도가니(10), 상기 도가니 둘레에 위치된 유도 코일(15), 상기 외부 챔버(45) 내에 위치된 내부 챔버(40), 및 상기 내부 챔버(40) 내에 위치된 금형(30)을 포함한다. 상기 외부 챔버(45)는 진공처리되고 상기 진공처리된 외부 챔버(45) 내로 압축 가스가 주입되어 가압된 외부 챔버(45)를 생성한다. 주괴(20)는 유도 코일(15)에 의해 발생된 유도 가열을 이용하여 상기 도가니 내에서 용융된다. 상기 내부 챔버(40)는 진공처리되어 진공 내부 챔버(40)를 생성한다. 상기 주괴(20)의 상기 티타늄 합금 재료는 상기 외부 챔버(45)와 상기 내부 챔버(40) 사이에 생성된 압력차를 이용하여 상기 도가니(10)로부터 금형(30)내로 완전히 이송된다.The present invention discloses a system (5) and a method (800) for unit cell casting of titanium or titanium alloys. The system 5 comprises an outer chamber 45, a crucible 10 located in the outer chamber 45, an induction coil 15 located around the crucible, an inner chamber (not shown) located in the outer chamber 45 40), and a mold (30) located in the inner chamber (40). The outer chamber 45 is evacuated and pressurized gas is injected into the evacuated outer chamber 45 to create the pressurized outer chamber 45. The ingot 20 is melted in the crucible by using induction heating generated by the induction coil 15. The inner chamber 40 is vacuum treated to create a vacuum inner chamber 40. The titanium alloy material of the ingot 20 is completely transferred from the crucible 10 into the mold 30 by using a pressure difference generated between the outer chamber 45 and the inner chamber 40.

Description

단위 셀 티타늄 주조Unit cell titanium casting

본 발명은 정밀 티타늄 주조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 유도 가열을 이용한 정밀 티타늄 주조를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to precision titanium casting. More particularly, the present invention relates to a system and method for precision titanium casting using induction heating.

티타늄 주조에 관한 다양한 방법들이 잘 알려져 있다. 그 한 가지 방법은 납형법(lost wax procedure)을 포함하는 인베스트먼트 주조법(investment casting)이다.Various methods of titanium casting are well known. One such method is investment casting, which involves a lost wax procedure.

진공 전기 아크 제련법(Vacuum electric arc smelting)은 티타늄 주괴(titanium ingot) 도가니 및 수냉식(water-cooled) 구리 도가니를 각각 양극 및 음극으로 사용하여 고전류 상태에서 상호 방전에 의해 발생된 실질적인 열에 의해 티타늄 주괴를 용융시키고, 그로 인해 도가니 내에 용융된 액체 금속을 형성하고 티타늄의 주조를 완성하는 또 하나의 방법이다. Vacuum electric arc smelting uses a titanium ingot crucible and a water-cooled copper crucible as anodes and cathodes, respectively, to generate titanium ingots by substantial heat generated by mutual discharge at high currents. Thereby melting the molten liquid in the crucible, thereby completing the casting of titanium.

또 하나의 방법은 유도 코일이 스플릿 타입(split-type) 수냉식 구리 도가니의 외부에 감겨지는 진공 유도 제련법(vacuum induction smelting)이다. 유도 코일에 의해 발생된 전자기력은 구리 도가니의 스플릿들(splits) 사이의 비금속 격리부(nonmetal isolation portion)를 통과한 다음 도가니 내부에 배치된 티타늄 주괴에 작용한다. 그런 다음, 용융된 금속은 도가니 내부에 용융 금속 액체를 형성하고 티타늄의 주조가 완료된다.Another method is vacuum induction smelting in which the induction coil is wound outside a split-type water-cooled copper crucible. The electromagnetic force generated by the induction coil passes through a nonmetal isolation portion between the splits of the copper crucible and then acts on the titanium ingot disposed within the crucible. The molten metal then forms a molten metal liquid inside the crucible and the casting of titanium is complete.

진공 유도 제련법 및 진공 전기 아크 제련법은 상당한 열의 손실을 초래하는 수냉식 구리 도가니의 사용을 필요로 한다. 소비되는 실제 전력은 매우 적다(전력의 20% 내지 30% 만이 실제로 티타늄에 작용한다). 또한, 몰딩 쉘(molding shell)의 준비는 매우 복잡하고 시간 소모적이어서 비용이 추가된다. 전통적인 주조 기술에서, 단일 노(furnace)의 작동 시간은 일반적으로 60 내지 80분이며, 로딩 및 배출 공정은 많은 사람들의 조정(coordination)을 필요로 한다. 전통적인 주조 기술에서, 왁스 패턴(wax pattern)의 준비에서 몰딩 쉘의 제거까지의 과정은 10일이 걸릴 수 있다.Vacuum induction smelting and vacuum electric arc smelting require the use of water-cooled copper crucibles that result in significant heat loss. The actual power consumed is very small (only 20% to 30% of the power actually works on titanium). In addition, the preparation of the molding shell is very complicated and time consuming, which adds cost. In traditional casting techniques, the operating time of a single furnace is typically 60 to 80 minutes, and the loading and draining process requires coordination of many people. In traditional casting techniques, the process from preparation of the wax pattern to removal of the molding shell can take up to 10 days.

티타늄은 매우 반응성이 강한(reactive) 금속이다. 전통적인 주조 공정을 통한 용해 중에는 수냉 환경이 필요하다. 도가니에 균열이 생기면 용융된 티타늄 액체가 물과 직접 접촉하게 되어 치열한 반응을 일으키거나 폭발할 수도 있어 생산 안전에 큰 위협이 된다.Titanium is a highly reactive metal. A water-cooled environment is required during melting through traditional casting processes. If cracks are formed in the crucible, the molten titanium liquid may come into direct contact with water, causing a fierce reaction or explosion, posing a serious risk to production safety.

위의 문제점들을 해결하기 위하여, 낮은 효율, 고비용, 복잡한 기술, 과중한 작업량, 고품질 몰딩 쉘의 제조의 곤란성, 긴 사이클 및 잠재적 위험성 등의 기존 티타늄 합금 주조의 문제점들을 해결하기 위한 새로운 종류의 티타늄 합금 유도 용융 진공 흡입 주조 장치가 시급히 필요하다. In order to solve the above problems, there has been proposed a new kind of titanium alloy induction to solve the problems of existing titanium alloy casting such as low efficiency, high cost, complicated technique, heavy workload, difficulty of manufacturing high quality molding shell, long cycle and potential danger A melt vacuum suction casting system is urgently needed.

현재 예열 패턴 금형의 로딩(loading)은 예열로와 주조로 사이에서 발생한다. 패턴 금형 자체는 현재 포크형 쐐기(wedge)를 사용하여 내부 챔버의 상부 플레이트의 밑면에 부착되어 있다. 상부 플레이트(금형이 부착됨)를 그 상태에서 뒤집어 내부 챔버 몸체 상에 놓는다. 패턴 금형에 하중을 가하는데 소요되는 시간을 줄이고(그에 따라 열손실이 최소화됨), 패턴 금형 파손(쐐기로 인한 스트레스 및/또는 운반 중 손상에 기인함)의 기회를 줄이기 위해서는 금형을 지지하기 위한 받침대(cradle)가 사용되어야 한다. 받침대는 내부 챔버 내에서 생성되며 패턴 금형을 유지하고 방향을 지정하도록 특별히 설계된다. 패턴 금형 자체는 주 게이트의 상단에 깔대기(funnel)를 만들어 재료가 흘러 들어가 금형을 채울 수 있도록 수정된다. 이 특징을 사용하면 부품 간 편차를 최소화할 수 있도록 사이클 시간을 더 빠르고 보다 많이 반복할 수 있다.The loading of the preheating pattern mold now occurs between the preheating furnace and the casting furnace. The pattern mold itself is currently attached to the underside of the top plate of the inner chamber using a forked wedge. The upper plate (with the mold attached) is turned over in this state and placed on the inner chamber body. To reduce the time required to load the pattern mold (thereby minimizing heat loss) and to reduce the chance of pattern mold breakage (due to stresses due to the wedge and / or damage during transport) A cradle should be used. The pedestal is created in the inner chamber and is specially designed to hold and orient the patterned mold. The pattern mold itself is modified to create a funnel at the top of the main gate to allow the material to flow and fill the mold. This feature allows the cycle time to be repeated more quickly and more to minimize component-to-component deviations.

본 발명의 일 태양은 티타늄 또는 티타늄 합금의 단위 셀 주조 방법이다. 상기 방법은 티타늄 합금 주괴를 포함하는 세라믹 도가니가 내부에 위치된 외부 챔버를 진공처리하여 진공 외부 챔버를 생성하는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 진공 외부 챔버 내에 압축 가스를 주입하여 가압된 외부 챔버를 생성하는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 세라믹 도가니 둘레에 위치된 유도 코일에 의해 발생된 유도 가열을 이용하여 상기 세라믹 도가니 내의 티타늄 합금 주괴를 용융시키는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 내부 챔버를 진공처리하여 진공 내부 챔버를 생성하는 것을 포함하며, 내부 챔버 내의 패턴 금형 받침대 내에는 금형이 위치된다. 상기 방법은 또한 외부 챔버와 내부 챔버 사이에 생성된 압력차를 이용하여 상기 완전 용융된 티타늄 합금 재료를 상기 도가니로부터 상기 금형 내로 이송하는 것을 포함한다. 유도 코일에서 발생된 주파수는 1 킬로 헤르츠 내지 50 킬로 헤르츠 범위이고, 전력은 15 킬로 와트 내지 50 킬로 와트 범위이다. 진공 내부 챔버의 대기 압력은 3×10-2 기압 내지 9.87×10-7 기압 범위이다. 진공 내부 챔버의 대기 압력은 9.87×10-7 기압 내지 9.87×10-13 기압 범위이다.One aspect of the invention is a unit cell casting method of titanium or titanium alloy. The method includes vacuuming an outer chamber in which a ceramic crucible containing a titanium alloy ingot is located to create a vacuum outer chamber. The method also includes injecting a pressurized gas into the vacuum outer chamber to create a pressurized outer chamber. The method also includes melting the titanium alloy ingot in the ceramic crucible using induction heating generated by an induction coil located around the ceramic crucible. The method also includes vacuuming the inner chamber to create a vacuum inner chamber, wherein the mold is positioned within the pattern mold pedestal in the inner chamber. The method also includes transferring the fully molten titanium alloy material from the crucible into the mold using a pressure difference created between the outer chamber and the inner chamber. The frequency generated in the induction coil ranges from 1 kilohertz to 50 kilohertz, and the power ranges from 15 kilowatts to 50 kilowatts. The atmospheric pressure of the vacuum chamber is in the range of 3 × 10 -2 atmospheres to 9.87 × 10 -7 atmospheres. The atmospheric pressure of the vacuum chamber is in the range of 9.87 × 10 -7 atmospheres to 9.87 × 10 -13 atmospheres.

상기 방법은 상기 내부 챔버 내에 위치된 적외선 가열 장치를 사용하여 상기 금형을 가열하여 가열된 금형을 생성하는 것을 더 포함한다. 상기 방법은 금형 내의 상기 티타늄 합금을 냉각시키는 것을 더 포함한다.The method further includes heating the mold using an infrared heating device located within the inner chamber to produce a heated mold. The method further includes cooling the titanium alloy in the mold.

본 발명의 또 하나의 태양은 티타늄 또는 티타늄 합금의 단위 셀 주조를 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 외부 챔버, 상기 외부 챔버 내에 위치된 세라믹 도가니, 상기 세라믹 도가니의 하부 둘레에 위치된 유도 코일, 상기 외부 챔버 내에 위치된 내부 챔버, 상기 내부 챔버 내의 패턴 금형 받침대, 및 상기 내부 챔버 내의 상기 패턴 금형 받침대 내에 위치된 금형을 포함한다. 상기 외부 챔버는 진공처리되어 진공 외부 챔버를 생성하고, 상기 세라믹 도가니는 내부에 티타늄 합금 주괴가 위치된다. 가압된 외부 챔버를 생성하기 위해 압축 가스가 진공 외부 챔버 내로 주입된다. 상기 티타늄 합금 주괴는 상기 세라믹 도가니 둘레에 위치된 상기 유도 코일에 의해 발생되는 유도 가열을 사용하여 상기 세라믹 도가니 내에서 용융된다. 상기 내부 챔버는 진공처리되어 진공 내부 챔버를 생성한다. 상기 티타늄 합금 재료는 상기 외부 챔버와 상기 내부 챔버 사이에 생성된 압력차를 이용하여 상기 도가니로부터 상기 금형 내로 완전히 이송된다.Another aspect of the present invention is a system for unit cell casting of titanium or titanium alloys comprising an outer chamber, a ceramic crucible positioned in the outer chamber, an induction coil located around the bottom of the ceramic crucible, An inner chamber positioned within the chamber, a pattern mold pedestal within the inner chamber, and a mold positioned within the pattern mold pedestal within the inner chamber. The outer chamber is vacuum treated to create a vacuum outer chamber, and the ceramic crucible is positioned with a titanium alloy ingot therein. Compressed gas is injected into the vacuum outer chamber to create a pressurized outer chamber. The titanium alloy ingot is melted in the ceramic crucible using induction heating generated by the induction coil located around the ceramic crucible. The inner chamber is vacuum treated to create a vacuum inner chamber. The titanium alloy material is completely transferred from the crucible into the mold using a pressure difference generated between the outer chamber and the inner chamber.

상기 압축 가스는 바람직하게는 아르곤이다. 상기 금형은 바람직하게는 카올린 울(kaolin wool) 단열재로 덮여있다. 상기 금형은 바람직하게는 얇은 벽으로 된 골프 클럽 헤드용이다. 상기 금형은 대안적으로 벽 두께가 0.250 인치 미만인 제품용이다. 상기 유도 용융 시간은 바람직하게는 30초 내지 90초 범위이다. 상기 세라믹 도가니는 바람직하게는 2개의 산화이트륨계 주 도가니층들로 구성되며, 제1 주 도가니층은 두께가 0.010 인치 내지 0.060 인치 범위이고, 제2 주 도가니층은 두께가 O.OOl 인치 내지 0.020 인치 범위이다. 세라믹 도가니는 실리카계 백업 층(backup layer)을 더 포함한다. 상기 유도 코일은 바람직하게는 상기 세라믹 도가니의 하부 둘레에 위치된다. 상기 유도 코일은 대안적으로 상기 세라믹 도가니의 상부 둘레에 위치된다. The compressed gas is preferably argon. The mold is preferably covered with kaolin wool insulation. The mold is preferably for a thin walled golf club head. The mold is alternatively for products having a wall thickness of less than 0.250 inches. The induction melting time is preferably in the range of 30 seconds to 90 seconds. The ceramic crucible preferably comprises two yttrium oxide-based crucible layers, wherein the first main crucible layer has a thickness in the range of 0.010 inches to 0.060 inches and the second main crucible layer has a thickness in the range of from 0.001 inches to 0.020 Inch range. The ceramic crucible further comprises a silica-based backup layer. The induction coil is preferably located around the bottom of the ceramic crucible. The induction coil is alternatively located around the top of the ceramic crucible.

도 1은 단위 셀 주조 시스템의 도면이다.
도 2는 도가니의 하부 부분에 유도 코일을 배치한 것을 도시하는, 단위 셀 주조 시스템의 내부 챔버, 도가니, 유도 코일 및 금형의 분리도이다.
도 2a는 도가니의 상부 부분에 유도 코일을 배치한 것을 도시하는, 단위 셀 주조 시스템의 내부 챔버, 도가니, 유도 코일 및 금형의 분리도이다.
도 2b는 금형 주위에 감겨진 절연 물질을 도시하는, 단위 셀 주조 시스템의 내부 챔버, 도가니, 유도 코일 및 금형의 분리도이다.
도 3a는 기술자가 오븐 속 금형을 예열하는 도면이다.
도 3b는 기술자가 예열된 금형을 내부 컨테이너의 뚜껑에 부착하는 도면이다.
도 3c는 기술자가 내부 컨테이너에 뚜껑을 부착하는 도면이다.
도 3d는 내부 컨테이너의 분리도이다.
도 3e는 내부 컨테이너의 뚜껑의 분리도이다.
도 3f는 적외선 히터를 도시하는 내부 컨테이너의 내부 챔버의 분리도이다.
도 4는 외부 챔버 진공처리 단계 동안의 단위 셀 주조 시스템의 도면이다.
도 4a는 외부 챔버 가압 단계 동안의 단위 셀 주조 시스템의 도면이다.
도 4b는 주괴 용융 단계 동안의 단위 셀 주조 시스템의 도면이다.
도 5는 단위 셀 주조 시스템용 PLC 장치 및 컴퓨터의 도면이다.
도 6은 단위 셀 주조 방법의 블록선도이다.
도 7은 단위 셀 주조 시스템용 도가니의 분리도이다.
도 8은 단위 셀 티타늄 주조 방법의 플로우차트이다.Figure 1 is a diagram of a unit cell casting system.
Fig. 2 is a view showing the separation of the inner chamber, the crucible, the induction coil and the mold of the unit cell casting system, in which the induction coil is arranged in the lower part of the crucible.
FIG. 2A is a view showing the separation of an inner chamber, a crucible, an induction coil, and a mold of a unit cell casting system, in which an induction coil is arranged in an upper portion of a crucible.
Figure 2B is a view of the separation of the inner chamber, crucible, induction coil and mold of the unit cell casting system, showing the insulating material wrapped around the mold.
Figure 3a is a view of the engineer preheating the mold in the oven.
Figure 3b is a view of the technician attaching the preheated mold to the lid of the inner container.
Figure 3c is a view of a technician attaching a lid to an inner container.
FIG. 3D is the separation of the inner container.
3E is a view of the lid of the inner container.
3F is an illustration of the inner chamber of the inner container showing the infrared heater.
4 is a diagram of a unit cell casting system during an outer chamber vacuum processing step.
4A is a diagram of a unit cell casting system during an outer chamber pressurization step.
Figure 4b is a view of the unit cell casting system during the ingot melting step.
Figure 5 is a diagram of a PLC device and a computer for a unit cell casting system.
6 is a block diagram of a unit cell casting method.
7 is an illustration of a crucible for a unit cell casting system.
8 is a flowchart of a unit cell titanium casting method.

도 1에 도시된 바와 같이, 단위 셀 티타늄 주조 시스템(5)은 외부 컨테이너(44), 내부 컨테이너(39), 진공 장치(60), 도가니(10), 유도 코일(15), 코일 발전 장치(coil electrical generation mechanism;25), 및 금형(30)을 포함한다. 외부 컨테이너(44)는 외부 챔버(45)를 정의한다. 내부 컨테이너(39)는 내부 챔버(40)를 정의한다. 진공 장치(60)는 진공 라인(71), 진공 커넥터(70) 및 압력 게이지들(75a 및 75b)을 포함한다. 진공 장치(60)는 내부 챔버(40)와 외부 챔버(45) 사이의 압력차를 발생시키기 위해 외부 챔버(45) 및 내부 챔버(40)를 비우고 가압하는데 사용된다.1, the unit cell titanium casting system 5 includes an outer container 44, an inner container 39, a vacuum device 60, a crucible 10, an induction coil 15, a coil generator (not shown) a coil electrical generation mechanism 25, and a mold 30. The outer container (44) defines an outer chamber (45). The inner container 39 defines an inner chamber 40. The vacuum device 60 includes a vacuum line 71, a vacuum connector 70 and pressure gauges 75a and 75b. The vacuum device 60 is used to evacuate and pressurize the outer chamber 45 and the inner chamber 40 to generate a pressure differential between the inner chamber 40 and the outer chamber 45. [

도가니(10)는 바람직하게는 세라믹 재료로 구성된다. 가장 바람직한 실시예에서, 도가니(10)는 도 7에 도시된 바와 같이 제1층(11a), 제2층(11b) 및 실리카 계 제3층(11c)으로 구성된다. 도가니(10)의 내부에는 금속 주괴(ingot)(20)가 배치된다. 금속 주괴(20)는 바람직하게는 티타늄 합금 재료이다. 도가니(10)의 체적은 바람직하게는 제품을 형성하는데 필요한 금속의 양과 일치한다. 도가니(10)의 내부는 바람직하게는 15 센티미터("cm") 내지 90cm, 보다 바람직하게는 35cm 내지 60cm 범위의 직경을 갖는다. 도가니(10)의 높이는 바람직하게는 30cm 내지 200cm 범위이며, 보다 바람직하게는 60cm 내지 100cm 범위이다. The crucible 10 is preferably made of a ceramic material. In the most preferred embodiment, the crucible 10 is composed of a first layer 11a, a second layer 11b and a silica-based third layer 11c as shown in Fig. A metal ingot (20) is disposed inside the crucible (10). The metal ingot 20 is preferably a titanium alloy material. The volume of crucible 10 preferably coincides with the amount of metal required to form the product. The interior of the crucible 10 preferably has a diameter in the range of 15 centimeters ("cm") to 90 cm, more preferably in the range of 35 cm to 60 cm. The height of the crucible 10 is preferably in the range of 30 cm to 200 cm, more preferably in the range of 60 cm to 100 cm.

도가니(10)의 바닥 개구(도시되지 않음)와 금형(30)을 향한(to) 개구 사이에는 연결 노즐(27)이 연결된다. 연결 노즐(27)은 제품의 주조를 위해 용융된 금속 재료가 주괴(20)로부터 금형(30) 안으로 흐를 수 있도록 한다. 구체적으로, 연결 노즐(27)의 크기는 금형(30)의 캐비티(cavity)의 크기 및 형상에 기초하여 결정되며, 바람직하게는 5cm 내지 100cm, 보다 바람직하게는 15cm 내지 50cm이다.A connecting nozzle 27 is connected between the bottom opening (not shown) of the crucible 10 and the opening to the mold 30. The connection nozzle 27 allows molten metal material to flow from the ingot 20 into the mold 30 for casting of the product. Specifically, the size of the connecting nozzle 27 is determined based on the size and shape of the cavity of the mold 30, and is preferably 5 cm to 100 cm, more preferably 15 cm to 50 cm.

유도 코일(15)은 도가니(10) 둘레에 감겨있다. 유도 코일(15)은 도가니(10) 내의 금속 주괴(20)(예를 들면, 티타늄 합금 주괴)를 용융시키기 위해 통전하여 전자기력을 발생시킨다. 코일 발전 장치(25)는 유도 코일(15)에 전기를 공급한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유도 코일(15)은 도가니(10)의 하부 부분(10b) 둘레에 감겨있다. 이것은 먼저 주괴(20)의 하부(bottom)를 용융시킨다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 유도 코일(15)은 도가니(10)의 상부 부분(10a) 둘레에 감겨있다. 이것은 먼저 주괴(20)의 상부(top)를 용융시킨다.The induction coil 15 is wound around the crucible 10. The induction coil 15 energizes the metal ingot 20 (for example, a titanium alloy ingot) in the crucible 10 to generate an electromagnetic force. The coil generator 25 supplies electricity to the induction coil 15. As shown in Fig. 2, the induction coil 15 is wound around the lower portion 10b of the crucible 10. This first melts the bottom of the ingot 20. As shown in Fig. 2A, the induction coil 15 is wound around the upper portion 10a of the crucible 10. This first melts the top of the ingot 20.

세라믹 도가니(10)의 포트(port) 둘레를 밀봉하기 위한 대상 재료의 성능을 최적화하기 위해, 유도 코일(15)은 바람직하게는 주괴(20)의 상부 1/3 위치에 중심이 맞추어져 있다. 이 위치는 유도 코일(15)이 주괴(20)의 상부에서 먼저 작용(상부로부터 아래로 재료를 용융시킴)하여, 용융된 재료가 고형(still-solid) 주괴(20) 둘레에 일렬로 연속(cascade around)되고 유도 코일(15)의 전자기력이 나머지 재료에 영향을 미치기 전에 밀봉을 형성하게 한다.The induction coil 15 is preferably centered on the upper 1/3 position of the ingot 20 in order to optimize the performance of the material to be sealed about the port of the ceramic crucible 10. This position causes the induction coil 15 to first act on the top of the ingot 20 (melt the material from top to bottom) so that the molten material continues in series on the still-solid ingot 20 cascade around and cause the electromagnetic force of the induction coil 15 to form a seal before affecting the rest of the material.

대안적으로, 용융물의 전자기 교반(stirring)을 포함하여 유도 코일(15)의 전자기력을 충분히 이용하기 위해, 유도 코일(15)은 세라믹 도가니(10)의 하부(10b) 쪽으로 위치된다. 이 위치는 용융된 재료가 그 자체로 캐스케이드되기 때문에 균일한 용융이 가능하고, 또한 용융된 재료가 용융 도가니(10)로부터 배출되기 전 전자기력이 상기 용융된 재료에 대해 보다 잘 작용할 수 있기 때문에 용탕 주입(pour)의 균질성(homogeneity)을 증가시킨다.The induction coil 15 is positioned toward the lower portion 10b of the ceramic crucible 10 in order to fully utilize the electromagnetic force of the induction coil 15 including the electromagnetic stirring of the melt. This position allows for uniform melting because the molten material is cascaded by itself and because the electromagnetic force can better act on the molten material before it is discharged from the melting crucible 10, thereby increasing the homogeneity of the pour.

티타늄 합금의 주괴(20)의 용융은 유도 용해(induction melting)를 위해 진공 상태에서 수행된다. 유도 코일(15)은 코일 발전 장치(25)에 연결된다. The melting of the ingot 20 of the titanium alloy is performed in a vacuum for induction melting. The induction coil 15 is connected to the coil generator 25.

세라믹 도가니(10)는 티타늄 합금의 진공 유도 용해에 이용된다. 세라믹 재료는 전자기력의 전계 효과를 방해하지 않으며, 유도 코일(15)에 의해 생성된 전자기 유도 에너지는 티타늄 합금의 주괴를 용융시키는데 완전히 집중된다.The ceramic crucible 10 is used for vacuum induction melting of a titanium alloy. The ceramic material does not interfere with the field effect of the electromagnetic force and the electromagnetic induction energy generated by the induction coil 15 is completely concentrated to melt the ingot of the titanium alloy.

도 2b에 도시된 실시예에서, 절연 재료(31)는 금형(30) 둘레에 감겨있다. 주조하는 동안, 패턴 금형은 금형 자체로의 재료의 흐름을 개선하고 금형(30)을 더 잘 완전히 채워지도록 하기 위해 사용하기 전에 예열된다. 티타늄 재료의 특성 및 용융 공정 자체로 인해, 열 손실이 최소화될수록, 재료가 응고되기 전에 유동하여 금형(30)을 채우는데 더 많은 시간이 소요된다. 이를 위해, 패턴 금형 열(heat)이 단열재(31)(예: 카올린 울(Kaolin wool))의 사용을 통해 유지되고, 그로 인해 용탕 주입 전 금형(30)의 유효 기간이 연장되며 보다 까다로운 금형들(예: 얇은 벽으로 된 주물)의 충전을 포함하여 보다 양호한 충전이 가능해진다.In the embodiment shown in FIG. 2B, the insulating material 31 is wrapped around the mold 30. During casting, the pattern mold is preheated prior to use to improve the flow of material to the mold itself and to better fill the mold 30 completely. Due to the nature of the titanium material and the melting process itself, the more heat loss is minimized, the more time it takes to flow and fill the mold 30 before the material solidifies. To this end, the pattern mold heat is maintained through the use of a thermal insulator 31 (e.g. kaolin wool), thereby extending the useful life of the mold 30 before injection of the molten metal, (E.g., thin-walled castings) can be filled.

도 3a, 3b, 3c, 3d 및 3e에 도시된 바와 같이, 금형(30)은 오븐(80)에서 예열된다. 단위 셀 주조 동안, 패턴 금형들(30)은 금형(30) 자체 내로의 재료의 흐름을 개선하고 금형(30)이 더 잘 완전히 채워지도록 하기 위해 사용 전에 예열된다. 티타늄 재료의 성질 및 용융 공정 자체로 인해, 금형(30)의 온도와 복잡한 및/또는 얇은 벽으로 된 패턴 금형들(30)을 채우기 위한 능력 사이에 상관 관계가 있을 가능성이 있다. 온도 시험은 1050℃, 1060℃, 1100℃, 1150℃, 1200℃, 1250℃ 및 1260℃를 포함한다. 예열된 금형은 오븐(80)으로부터 제거되고 내부 컨테이너(39)의 뚜껑(35)에 부착된다.As shown in Figures 3a, 3b, 3c, 3d and 3e, the mold 30 is preheated in the oven 80. During unit cell casting, the patterning molds 30 are preheated prior to use to improve the flow of material into the molds 30 itself and allow the molds 30 to be more fully filled. Due to the nature of the titanium material and the melting process itself, there is a possibility of a correlation between the temperature of the mold 30 and the ability to fill complex and / or thin wall molds 30. Temperature tests include 1050 占 폚, 1060 占 폚, 1100 占 폚, 1150 占 폚, 1200 占 폚, 1250 占 폚, and 1260 占 폚. The preheated mold is removed from the oven 80 and attached to the lid 35 of the inner container 39.

도 3f에 도시된 대안적인 실시예에서, 적외선 히터들(50a 및 50b)은 내부 챔버(40) 내의 금형(30)의 열을 유지하는데 사용된다. 티타늄 재료의 특성 및 용융 공정 자체로 인해, 열 손실이 최소화될수록 재료가 응고되기 전에 유동하여 금형(30)을 채우는데 더 많은 시간이 소요된다. 이를 위해, 패턴 금형 냉각을 최소화하고 복잡한 및/또는 얇은 벽으로 된 부품들을 주조하기 위한 능력을 향상시키도록 내부 컨테이너(39)의 내부 챔버(40)의 내벽들 내에 배치된 적외선 히터들(50a 및 50b)의 사용을 통해 패턴 금형 열을 유지시킨다. In the alternative embodiment shown in Figure 3f, infrared heaters 50a and 50b are used to hold the heat of the mold 30 in the inner chamber 40. [ Due to the nature of the titanium material and the melting process itself, the more heat loss is minimized, the more time it takes for the material to flow and fill the mold 30 before solidification. To this end, the infrared heaters 50a and 50b disposed in the inner walls of the inner chamber 40 of the inner container 39 are provided to minimize the pattern mold cooling and improve the ability to cast complex and / or thin walled components. 50b to maintain the pattern mold heat.

도 4, 4a 및 4b는 용융된 티타늄 합금 재료가 금형(30) 내로 흐르는 것을 돕기 위해 외부 챔버(45)와 내부 챔버(40) 사이의 압력차를 사용하는 주조 공정을 도시한다. Figures 4, 4a and 4b illustrate the casting process using a pressure difference between the outer chamber 45 and the inner chamber 40 to assist in flowing the molten titanium alloy material into the mold 30.

도 5는 프로그램가능한 로직 컴퓨터("PLC") 및 단위 셀 주조 시스템(5)과 함께 사용되는 오퍼레이터 컴퓨터(91)를 도시한다.Figure 5 shows an operator computer 91 used with a programmable logic computer ("PLC") and a unit cell casting system 5.

도 6은 단위 셀 주조 방법(600)의 블록선도이다. 단계(601)에서, 주조를 위해 주괴(20)가 준비된다. 단일 주괴(20)는 골프 클럽 헤드(29)와 같은 단일 제품을 제조하는데 사용된다. 단일 공정으로 다수의 제품들을 제조하는 것 - 재료의 손실을 초래함 - 과 대조적으로, 본 발명은 각 공정에서 오직 하나의 제품만을 제조한다. 단계(602)에서, 금형(30)은 오븐에서 예열된다. 단계(603)에서, 외부 챔버(45)는 진공처리된다. 단계(604)에서, 외부 챔버(45)는 아르곤 가스로 가압된다. 단계(605)에서, 내부 챔버(40)는 진공처리된다. 단계 606에서, 유도 코일(15)은 통전되고, 단계 607에서, 주괴(20)는 도가니(10) 내에서 용융된다. 단계 608에서, 용융된 재료는 금형(30) 내로 흐른다. 단계 609에서, 탈형(de-molding) 공정이 발생한다. 단계(610)에서, 제품(골프 클럽 헤드)(29)이 완성된다. 유도 코일에서 발생되는 주파수는 1 킬로 헤르츠 내지 50 킬로 헤르츠 범위이며, 전력 범위는 15 킬로 와트 내지 50 킬로 와트이다. 진공 내부 챔버의 대기 압력은 3×10-2 기압 내지 9.87×10-7 기압 범위이다. 진공 내부 챔버의 대기 압력은 9.87×10-7 기압 내지 9.87×10-13 기압 범위이다.6 is a block diagram of a unit cell casting method 600. FIG. In step 601, the ingot 20 is prepared for casting. A single ingot 20 is used to manufacture a single product, such as a golf club head 29. In contrast to the manufacturing of multiple products in a single process - resulting in the loss of material, the present invention produces only one product in each process. In step 602, the mold 30 is preheated in an oven. In step 603, the outer chamber 45 is evacuated. In step 604, the outer chamber 45 is pressurized with argon gas. In step 605, the inner chamber 40 is vacuum treated. In step 606, the induction coil 15 is energized, and in step 607, the ingot 20 is melted in the crucible 10. In step 608, the molten material flows into the mold 30. In step 609, a de-molding process occurs. At step 610, the product (golf club head) 29 is completed. The frequency generated in the induction coil ranges from 1 kilohertz to 50 kilohertz, and the power range is from 15 kilowatts to 50 kilowatts. The atmospheric pressure of the vacuum chamber is in the range of 3 × 10 -2 atmospheres to 9.87 × 10 -7 atmospheres. The atmospheric pressure of the vacuum chamber is in the range of 9.87 × 10 -7 atmospheres to 9.87 × 10 -13 atmospheres.

도 7에 도시된 바와 같이, 제1층(11a) 및 제2층(11b)은 바람직하게는 산화 이트륨(yttrium oxide) 및 기타 재료들로 구성된다. 산화 이트륨은 고온 환경에서 티타늄에 대해 고도로 비활성이어서 두 물질 사이에 화학 반응이 일어나지 않는다. 산화 이트륨은 또한 티타늄 합금의 원활한 용융을 보장하기 위해 용융 공정 동안 티타늄으로부터 세라믹 물질을 분리하여 이들 사이의 반응을 방지한다. 도가니(10)의 제3층(11c)은 바람직하게는 이산화규소 및 기타 재료들로 구성된다. 이산화규소는 도가니의 강도를 보장하도록 용융 공정 동안 금속 팽창 및 열 응력에 저항한다.As shown in FIG. 7, the first layer 11a and the second layer 11b are preferably made of yttrium oxide and other materials. Yttria is highly inert with respect to titanium in a high temperature environment, so no chemical reaction takes place between the two materials. Yttrium oxide also separates the ceramic material from the titanium during the melting process to prevent the reaction between them to ensure smooth melting of the titanium alloy. The third layer 11c of the crucible 10 is preferably comprised of silicon dioxide and other materials. Silicon dioxide resists metal expansion and thermal stress during the melting process to ensure the strength of the crucible.

제1층(11a)의 바람직한 두께는 0.5mm 내지 1.5mm이며, 도가니(10)의 바람직한 두께 범위는 5mm 내지 15mm이다.The preferred thickness of the first layer 11a is 0.5 mm to 1.5 mm, and the preferred thickness range of the crucible 10 is 5 mm to 15 mm.

티타늄 또는 티타늄 합금의 단위 셀 주조를 위한 방법(800)이 도 8에 도시되어 있다. 블록(801)에서, 외부 챔버가 진공처리되어 진공 외부 챔버를 생성하고, 여기에 티타늄 합금 주괴를 포함하는 세라믹 도가니가 위치된다. 블록(802)에서, 가압된 가스가 진공 외부 챔버 내로 주입되어 가압된 외부 챔버를 생성한다. 블록(803)에서, 티타늄 합금 주괴는 세라믹 도가니 주위에 위치된 유도 코일에 의해 발생된 유도 가열을 이용하여 세라믹 도가니 내에서 용융된다. 블록(804)에서, 내부 챔버는 진공처리되어 진공 내부 챔버를 생성하고, 상기 내부 챔버 내에는 금형이 위치된다. 블록(805)에서, 완전히 용융된 티타늄 합금 재료가 외부 챔버와 내부 챔버 사이에 생성된 압력차를 이용하여 도가니로부터 금형 안으로 이송된다. A method 800 for unit cell casting of titanium or titanium alloys is shown in FIG. At block 801, the outer chamber is evacuated to create a vacuum outer chamber, where a ceramic crucible containing a titanium alloy ingot is located. At block 802, the pressurized gas is injected into the vacuum outer chamber to create a pressurized outer chamber. At block 803, the titanium alloy ingot is melted in the ceramic crucible using induction heating generated by an induction coil located around the ceramic crucible. At block 804, the inner chamber is evacuated to create a vacuum inner chamber, in which the mold is located. At block 805, the fully molten titanium alloy material is transferred from the crucible into the mold using the pressure difference created between the outer chamber and the inner chamber.

Claims (20)

티타늄 또는 티타늄 합금의 단위 셀 주조 방법으로서,
상기 방법은,
티타늄 합금 주괴를 포함하는 도가니가 내부에 위치된 외부 챔버를 진공처리하여 진공 외부 챔버를 생성하는 것;
상기 진공 외부 챔버 내에 압축 가스를 주입하여 가압된 외부 챔버를 생성하는 것;
상기 도가니 둘레에 위치된 유도 코일에 의해 발생된 유도 가열을 이용하여 상기 도가니 내의 티타늄 합금 주괴를 용융시키는 것;
금형이 내부에 위치된 내부 챔버를 진공처리하여 진공 내부 챔버를 생성하는 것; 및
상기 외부 챔버와 상기 내부 챔버 사이에 생성된 압력차를 이용하여 상기 완전 용융된 티타늄 합금 재료를 상기 도가니로부터 상기 금형 내로 이송하는 것을 포함하고,
상기 유도 코일에서 발생된 주파수는 1 킬로 헤르츠 내지 50 킬로 헤르츠 범위이고, 전력은 15 킬로 와트 내지 50 킬로 와트 범위이며;
상기 진공 내부 챔버의 대기 압력은 3×10-2 기압 내지 9.87×10-7 기압 범위이고;
상기 진공 내부 챔버의 대기 압력은 9.87×10-7 기압 내지 9.87×10-13 기압 범위인 단위 셀 주조 방법.1. A unit cell casting method of titanium or titanium alloy,
The method comprises:
A crucible containing a titanium alloy ingot is subjected to a vacuum treatment of an outer chamber located therein to create a vacuum outer chamber;
Injecting a pressurized gas into the vacuum outer chamber to create a pressurized outer chamber;
Melting the titanium alloy ingot in the crucible using induction heating generated by induction coils located around the crucible;
Evacuating the inner chamber of the mold located inside the mold to create a vacuum inner chamber; And
And transferring the fully molten titanium alloy material from the crucible into the mold using a pressure difference created between the outer chamber and the inner chamber,
The frequency generated in the induction coil ranges from 1 kilohertz to 50 kilohertz and the power ranges from 15 kilowatts to 50 kilowatts;
The atmospheric pressure of the vacuum inner chamber is in the range of 3 x 10 < -2 > to 9.87 x 10 < -7 >
Wherein the atmospheric pressure of the vacuum inner chamber is in the range of 9.87 × 10 -7 atmospheres to 9.87 × 10 -13 atmospheres. 제 1항에 있어서,
상기 압축 가스는 아르곤인 것을 특징으로 하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the compressed gas is argon. 제 1항에 있어서,
상기 금형은 카올린 울(kaolin wool) 단열재로 덮여있는 것을 특징으로 하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the mold is covered with a kaolin wool insulation material. 제 1항에 있어서,
상기 내부 챔버 내에 위치된 적외선 가열 장치를 사용하여 상기 금형을 가열하여 가열된 금형을 생성하는 것을 더 포함하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
Further comprising heating the mold using an infrared heating apparatus located in the inner chamber to generate a heated mold. 제 1항에 있어서,
상기 금형은 얇은 벽으로 된 골프 클럽 헤드용인 것을 특징으로 하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the mold is for a thin-walled golf club head. 제 1항에 있어서,
상기 금형은 0.250 인치 미만의 벽 두께를 갖는 제품용인 것을 특징으로 하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the mold is for a product having a wall thickness of less than 0.250 inches. 제 1항에 있어서,
상기 유도 용융 시간은 30초 내지 90초 범위인 것을 특징으로 하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the induction melting time is in the range of 30 seconds to 90 seconds. 제 1항에 있어서,
상기 도가니는 2개의 산화이트륨계 주 도가니층들로 구성되며, 제1 주 도가니층은 두께가 0.010 인치 내지 0.060 인치 범위이고, 제2 주 도가니층은 두께가 O.OOl 인치 내지 0.020 인치 범위인 것을 특징으로 하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the crucible is comprised of two yttrium oxide-based crucible layers, wherein the first main crucible layer has a thickness in the range of 0.010 inches to 0.060 inches and the second main crucible layer has a thickness in the range of from 0.001 inches to 0.020 inches Characterized in that a unit cell casting method is provided. 제 7항에 있어서,
실리카계 백업 층(backup layer)을 더 포함하는 단위 셀 주조 방법.8. The method of claim 7,
The method of claim 1, further comprising a silica-based backup layer. 제 1항에 있어서,
상기 금형 내에서 상기 티타늄 합금을 냉각시키는 것을 더 포함하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
And cooling the titanium alloy in the mold. 제 1항에 있어서,
상기 유도 코일은 상기 도가니의 하부 둘레에 위치되는 것을 특징으로 하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the induction coil is positioned around a lower portion of the crucible. 제 1항에 있어서,
상기 유도 코일은 상기 도가니의 상부 둘레에 위치되는 것을 특징으로 하는 단위 셀 주조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the induction coil is positioned around the upper portion of the crucible. 티타늄 또는 티타늄 합금의 단위 셀 주조를 위한 시스템으로서,
상기 시스템은,
외부 챔버;
상기 외부 챔버 내에 위치된 세라믹 도가니;
상기 세라믹 도가니 둘레에 위치된 유도 코일;
상기 외부 챔버 내에 위치된 내부 챔버;
상기 내부 챔버 내의 패턴 금형 받침대(cradle); 및
상기 내부 챔버 내의 상기 패턴 금형 받침대 내에 위치된 금형을 포함하고,
상기 외부 챔버는 진공처리되어 진공 외부 챔버를 생성하고,
상기 세라믹 도가니는 내부에 티타늄 합금 주괴가 배치되고;
가압된 외부 챔버를 생성하기 위해 상기 진공 외부 챔버 내에 압축 가스가 주입되고;
상기 티타늄 합금 주괴는 상기 세라믹 도가니 둘레에 위치된 유도 코일에 의해 발생되는 유도 가열을 사용하여 상기 세라믹 도가니 내에서 용융되고,
상기 내부 챔버는 진공처리되어 진공 내부 챔버를 생성하고;
상기 티타늄 합금 재료는 상기 외부 챔버와 상기 내부 챔버 사이에 생성된 압력차를 이용하여 상기 도가니로부터 상기 금형 내로 완전히 이송되는 것을 특징으로 하는 시스템.A system for unit cell casting of titanium or titanium alloy,
The system comprises:
An outer chamber;
A ceramic crucible positioned within said outer chamber;
An induction coil disposed around the ceramic crucible;
An inner chamber positioned within the outer chamber;
A pattern mold cradle in the inner chamber; And
And a mold positioned in the pattern mold support in the inner chamber,
The outer chamber is vacuum treated to create a vacuum outer chamber,
Wherein the ceramic crucible has a titanium alloy ingot disposed therein;
A compressed gas is injected into said vacuum outer chamber to create a pressurized outer chamber;
The titanium alloy ingot is melted in the ceramic crucible using induction heating generated by an induction coil located around the ceramic crucible,
Wherein the inner chamber is vacuum treated to create a vacuum inner chamber;
Wherein the titanium alloy material is fully transferred from the crucible into the mold using a pressure difference created between the outer chamber and the inner chamber. 제 13항에 있어서,
상기 내부 챔버 내에 적외선 가열 장치를 더 포함하며, 상기 금형은 가열된 금형을 생성하기 위해 상기 내부 챔버 내에 위치된 적외선 가열 장치를 사용하여 가열되는 것을 특징으로 하는 시스템.14. The method of claim 13,
Further comprising an infrared heating device in the inner chamber, wherein the mold is heated using an infrared heating device located in the inner chamber to produce a heated mold. 제 13항에 있어서,
상기 금형은 얇은 벽으로 된 골프 클럽 헤드용인 것을 특징으로 하는 시스템.14. The method of claim 13,
Characterized in that the mold is for a thin walled golf club head. 제 13항에 있어서,
상기 금형은 벽 두께가 0.250 인치 미만인 제품용인 것을 특징으로 하는 시스템.14. The method of claim 13,
Wherein the mold is for a product having a wall thickness of less than 0.250 inches. 제 13항에 있어서,
상기 세라믹 도가니는 2개의 산화이트륨계 주 도가니층들로 구성되며, 제1 주 도가니층의 두께는 O.Ol 인치 내지 0.060 인치 범위이고, 제2 주 도가니층의 두께는 O.OOl 인치 내지 0.020 인치 범위인 것을 특징으로 하는 시스템.14. The method of claim 13,
Wherein the ceramic crucible is comprised of two yttrium oxide-based crucible layers, wherein the thickness of the first main crucible layer ranges from 0.01 inches to 0.060 inches, the thickness of the second main crucible layer ranges from 0.001 inches to 0.020 inches ≪ / RTI > 제 13항에 있어서,
상기 유도 코일은 상기 세라믹 도가니의 하부 둘레에 위치되는 것을 특징으로 하는 시스템.14. The method of claim 13,
Wherein the induction coil is located around a lower circumference of the ceramic crucible. 제 13항에 있어서,
상기 유도 코일은 상기 세라믹 도가니의 상부 둘레에 위치되는 것을 특징으로 하는 시스템.14. The method of claim 13,
Wherein the induction coil is located around the top of the ceramic crucible. 제 13항에 있어서,
상기 금형은 카올린 울 단열재로 덮여있는 것을 특징으로 하는 시스템.14. The method of claim 13,
Characterized in that the mold is covered with kaolin wool insulation.
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