KR100306679B1 - 플라즈마원을 이용한 금속기지복합재료의 제조장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마원을 이용한 금속기지복합재료의 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 용해로(1)에서 용해된 기지금속의 용탕을 런너(2)를 통해 몰드(3)에 공급하고, 가스제어기(4)에 의해 조절된 불활성가스를 플라즈마 건(5)에 공급하여 아크에 의해 플라즈마 가스화시키는 한편, 강화입자를 입자공급기(6)와 입자공급제어기(9)를 통해 플라즈마 건(5)에 공급하여 상기 플라즈마 가스에 의해 입자를 용탕에 고속 투입하고, 전자기 교반장치(11)를 이용하여 용탕을 회전교반한 후, 몰드(3)를 통해 인출시킴과 동시에, 냉각장치(14)를 통해 상기 몰드(3) 내부로 공급되는 냉각수에 의해 상기 인출된 용탕을 냉각하며, 인출속도제어기(16)에 의해 용탕의 인출속도를 조절함으로써, 금속 및 세라믹분말을 용융기지금속 내에 간단히 투입함으로써 금속기지복합재료를 짧은 시간에 저비용으로 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 플라즈마원을 이용한 금속기지복합재료의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
금속이나 합금의 특성을 향상시키기 위해서, 강화입자(强化粒子)인 금속분말(metal powder)이나 세라믹분말(ceramic powder)을 금속기지(metal matrix) 내에 투입하여 제조한 합금을 금속기지복합재료라 한다. 그 예로서, 알루미늄합금에 융점이 높은 티타늄, 지르코늄, 망간 등을 첨가하거나, 순금속 및 합금(알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 구리 등)내에 이종(異種)의 세라믹입자(SiC, Al2O3등)를 강제로 혼합하여 용융금속의 기지내에 균일하게 분산시켜 제조한 복합재료를 들 수 있다.
이와 같은, 금속기지복합재료의 제조방법은 공정에 따라 액상법과 고상법으로 대별된다.
고상법은 분말야금법에 의해 고체입자나 휘스커(whisker)상태의 세라믹분말을 기지용 금속분말과 균일하게 혼합한 상태에서, 냉간압축 또는 열간압축시킨 후 일정시간 소결(sintering)하는 방법이다. 이 방법은 금속기지내에 강화입자를 균일하게 혼합할 수 있는 장점이 있으나, 제조비용이 다른 방법에 비해 높다는 단점이 있다.
한편, 액상법은 종래의 금속주조법을 응용한 것으로서, 알루미늄 및 마그네슘합금 등의 저융점의 기지금속 용탕에 이종의 세라믹분말이나 금속분말을 가압 또는 비가압상태에서 투입, 혼합하여 제조하는 방법이다. 이 방법은 염가로 부품을 대량 생산할 수 있는 장점이 있으나, 분말 강화입자와 기지금속간의 낮은 젖음성 및 반응성의 문제로 인해 용융기지금속내에 첨가할 수 있는 강화입자의 종류, 크기 및 부피분율 등에 제한이 있을 뿐아니라, 공공등의 주조결함이 발생되고 투입된 강화입자가 기지금속에 골고루 분산되지 않는 등 제조상의 어려움도 따른다.
본 발명은, 플라즈마원(plasma source)을 이용하여 고융점금속분말 및 세라믹 분말을 비롯한 광범위한 종류의 분말 강화입자를 용융기지금속에 투입함으로써, 종래 액상법에서 기계적인 교반을 통해 강화입자를 투입할 경우 발생되는 상기 문제점을 해소하고, 전자기 교반장치를 사용하여 금속-금속 또는 금속-세라믹의 보다 균일한 금속기지복합재료의 제조장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 플라즈마원을 이용한 금속기지복합재료의 수직연속 주조장치를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 플라즈마원을 이용한 금속기지복합재료의 수평연속 주조장치를 도시한 구성도.
<도면부호의 설명>
1... 용해로 2... 런너(runner)
3... 몰드 4... 가스제어기
5... 플라즈마 건 6... 입자공급기
7... 입자분사장치 8... 진동기
9... 입자공급제어기 10... 용탕
11... 전자기 교반장치 12... 변압기
13... 승ㆍ하강장치 14... 냉각장치
15... 냉각장치제어기 16... 인출속도제어기
17... 등온유지로 18... 인발롤러
19... 절단기 20... 용탕저장소
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 제1실시예로서, 도 1에 금속기지복합재료를 수직연속주조 방식으로 제조할 수 있는 장치가 도시되어 있다.
먼저 기지금속을 용해로(1)에서 충분히 가열, 용해한 후, 런너(runner, 2)를 통해 몰드(3)로 공급한다.
그리고 플라즈마 아크를 발생시키기 위한 플라즈마 가스는 용도에 따라 아르곤(Ar)이나 질소(N2)등의 불활성가스를 사용한다. 이 플라즈마 발생용 가스의 유량 및 속도는 가스제어기(4)를 통해 제어되면서 플라즈마 건(5)으로 공급된다.
한편, 강화입자로 사용하기 위한 SiC, Al2O3, TiC, Cr2O3, Cr3C2, WC, B4C 등의 입자는 입자공급기(6)로부터 공급되고, 입자이송가스를 이용하여 적절한 이송압력으로 플라즈마 건(5)에 부착된 입자분사장치(7)로 이송된다. 이 때, 입자의 균일한 공급을 위해 입자공급기(6) 하부에 설치된 진동기(8)를 이송압으로 구동시킨다. 여기서, 공급되는 입자이송가스와 강화입자의 유량은 입자공급제어기(9)에 의해 제어된다.
다음, 아크가 발생되면 상기 불활성가스는 이온화되어 플라즈마 상태가 되고, 이 고온ㆍ고속의 플라즈마원에 의해 강화입자가 용탕(10)에 고속으로 투입된다.
이어서 몰드(3) 외부에 설치된 전자기 교반장치(11)를 구동시켜 용탕(10)을 회전교반함으로써, 투입되는 강화입자를 용탕(10)내에 균일하게 분포시킨다. 이 용탕(10)은 상기 전자기 교반장치(11)에서 발생된 이동자기장에 의해 정해진 속도로 유동되는데, 전자기 교반장치(11)에 연결된 변압기(12)를 통해 전압 및 전류의 세기를 달리함으로써 공정에 따른 여러 교반속도로 각각 제어할 수 있다.
기설정된 강화입자의 분포를 가진 용탕(10)이 제조되면, 수직으로 설치된 몰드(3)의 출구부와 연결된 승ㆍ하강장치(13)를 이용하여 아래로 인출된다. 그리고 냉각수가 상기 몰드(3) 내부를 통과하여, 인출되는 용탕의 표면에 분출하여 냉각하도록, 냉각장치(14)를 상기 몰드(3)에 연통시켜 설치한다. 여기서, 냉각수의 유량은 냉각장치 제어기(15)에 의해 조절된다.
또한, 상기 승ㆍ하강장치의 승ㆍ하강 속도는 인출속도제어기(16)에 의해 제어된다.
이와 같이, 용해로(1)로부터 용융기지합금을 런너(2)를 통해 몰드(3) 내부로 붓고 강화입자를 플라즈마 상태의 가스로 투입하여 연속적으로 같은 강화입자 분포를 가진 금속기지복합재료를 제조할 수 있다.
본 발명의 제2실시예로서, 도 2에 금속기지복합재료를 수평연속 주조방식에 의해 제조할 수 있는 장치가 도시되어 있다.
먼저, 기지금속을 용해로(1)에서 충분히 가열, 용해시킨 후, 런너(2)를 통해 용탕저장소(20)로 공급하고 등온유지로(17) 내에서 본 제조를 위한 특정온도로 유지시킨다.
그리고, 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용도에 따라 아르곤이나 질소 등의 불활성가스를 사용한다. 플라즈마 발생용 가스의 유량 및 속도는 가스제어기(4)를 통해 제어되면서 플라즈마 건(5)으로 공급된다.
한편, 강화입자로 사용하기 위한 SiC, Al2O3, TiC, Cr2O3, Cr3C2, WC, B4C 등의 입자는 입자공급기(6)로부터 공급되고, 입자이송가스를 이용하여 적절한 이송압력으로 플라즈마 건(5)에 부착된 입자분사장치(7)로 이송된다. 이 때, 입자의 균일한 공급을 위해 입자공급기(6) 하부에 설치된 진동기(8)를 이송압으로 구동시킨다.여기서, 공급되는 입자이송가스와 강화입자의 유량은 입자공급제어기(9)에 의해 제어된다.
다음, 아크가 발생되면 상기 불활성가스는 이온화되어 플라즈마 상태가 되고, 이 고온ㆍ고속의 플라즈마원에 의해 강화입자가 용탕(10)에 고속으로 투입된다.
이어서, 용탕저장소(20) 외주부에 설치된 전자기 교반장치(11)를 구동시켜 용탕(10)을 회전교반함으로써, 투입되는 강화입자를 용탕(10)내에 균일하게 분포시킨다. 이 용탕(10)은 상기 전자기 교반장치(11)에서 발생된 이동자기장에 의해 정해진 속도로 유동되는데, 전자기 교반장치(11)에 연결된 변압기(12)를 통해 전압 및 전류의 세기를 달리함으로써 공정에 따른 여러 교반속도로 각각 제어할 수 있다.
기설정된 강화입자의 분포를 가진 용탕은 상기 용탕저장소(20)에 연하여 수평으로 설치된 몰드(3)를 따라 인출된다. 그리고 냉각수가 상기 몰드(3) 내부를 통과하여, 인출되는 용탕의 표면에 분출하여 냉각하도록, 냉각장치(14)를 상기 몰드(3)에 연통시켜 설치한다. 여기서, 냉각수의 유량은 냉각장치 제어기(15)에 의해 조절된다.
냉각된 금속기지복합재료는 인발롤러(18)를 통과한 후 절단기(19)로 절단된다.
이와 같은 제조공정을 연속으로 실시하게 되면, 동일한 강화입자의 분포를 가진 금속기지복합재료를 연속적으로 제조할 수 있는 것이다.
상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 고속으로 분사되는 플라즈마 가스를 이용하여 Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, SiC, Al2O3, TiC, Cr2O3, Cr2O3, WC, B4C 등의 광범위한 여러종류의 금속 및 세라믹 분말을 용융기지금속에 투입하여 연속공정으로 제조함으로써 제조시간 및 비용이 절감되고, 전자기 교반장치를 사용함으로써 보다 균일하고 미세하게 분포된 고품질의 금속-금속 및 금속-세라믹의 금속기지복합재료를 제조할 수 있다는 효과를 도모할 수 있다.
Claims (4)
- 금속기지복합재료를 제조하는 장치에 있어서,기지금속을 용해하기 위한 용해로(1)와,상기 용해로에서 용해된 기지금속의 용탕을 수직으로 설치된 몰드(3)로 안내하는 런너(2)와,하부(下部)에 진동기(8)가 설치되는 입자공급기(6)와,플라즈마 발생용 가스의 유량 및 속도를 조절하기 위해 플라즈마 건(5)에 연결되는 가스제어기(4)와,상기 입자공급기(6)와 연결되어 입자이송가스와 강화입자의 유량을 조절하여 상기 플라즈마 건(5)에 공급하는 입자공급제어기(9)와,아크 발생되는 플라즈마 건(5)에 설치되어 상기 플라즈마 상태의 가스와 강화입자를 상기 용탕에 고속 투입하는 입자분사장치(7)와,용탕(10)을 교반하기 위해 몰드(3)의 외주에 설치한 전자기 교반장치(11)와,상기 교반장치에 연결되어 상기 용탕의 교반속도를 조절하는 변압기(12)와,교반된 상기 용탕(10)을 인출하기 위한 승ㆍ하강장치(13)와,인출되는 용탕(10)에 상기 몰드(3)의 내부를 통해 냉각수를 공급하는 냉각장치(14) 및 상기 냉각수의 유량을 조절하는 냉각장치제어기(15)와,상기 용탕의 인출속도를 조절하기 위한 인출속도제어기(16)로 구성된 플라즈마원을 이용한 금속기지복합재료의 제조장치.
- 금속기지복합재료를 제조하는 장치에 있어서,기지금속을 용해하기 위한 용해로(1)와,상기 용해로에서 용해된 기지금속의 용탕을 용탕저장소(13)로 안내하는 런너(2)와,용탕저장소(13)의 외주부에 설치된 등온유지로(17)와,하부(下部)에 진동기(8)가 설치되는 입자공급기(6)와,플라즈마 발생용 가스의 유량 및 속도를 조절하기 위해 플라즈마 건(5)에 연결되는 가스제어기(4)와,상기 입자공급기(6)와 연결되어 입자이송가스와 강화입자의 유량을 조절하여 상기 플라즈마 건(5)에 공급하는 입자공급제어기(9)와,아크가 발생되는 플라즈마 건(5)에 설치되어 상기 플라즈마 상태의 가스와 강화입자를 상기 용탕에 고속 투입하는 입자분사장치(7)와,용탕(10)을 교반하기 위해 등온유지로(17)의 외주부에 설치한 전자기 교반장치(11)와,상기 교반장치에 연결되어 상기 용탕의 교반속도를 조절하는 변압기(12)와,수평으로 설치된 몰드(3)를 통해 용탕을 연속인출하기 위한 인발롤러(18)와,인출되는 용탕(10)에 몰드(3)의 내부를 통해 냉각수를 공급하는 냉각장치(14) 및 상기 냉각수의 유량을 조절하는 냉각장치제어기(15)로 구성된 플라즈마원을 이용한 금속기지복합재료의 제조장치.
- 기지금속을 용해로(1)에서 완전 용해하는 단계와,상기 용해된 기지금속의 용탕이 런너(2)를 따라 몰드(3) 내부로 공급되는 단계와,가스제어기(4)에 의해 조절된 불활성가스가 플라즈마 건(5)에 공급되는 단계와,강화입자가 입자이송가스를 매개로 입자공급기(6)로부터 입자공급제어기(9)를 경유하여 플라즈마 건(5)에 공급되는 단계와,상기 건(5)에서 아크가 발생하여 플라즈마 상태가 되는 단계와,상기 플라즈마 가스에 의해 상기 강화입자가 입자분사장치(7)를 통해 용탕에 고속 투입되는 단계와,전자기 교반장치(11)에 의해 용탕이 회전교반되는 단계와,교반된 상기 용탕이 승ㆍ하강장치(13)에 의해 수직으로 설치된 상기 몰드(3)를 통해 인출되는 단계와,냉각장치(14)를 통해 상기 몰드(3) 내부로 공급되는 냉각수에 의해, 인출되는 용탕이 냉각되는 단계와,인출속도제어기(16)에 의해 상기 용탕의 인출속도를 조절하는 단계를 특징으로 하는 플라즈마원을 이용한 금속기지복합재료의 제조방법.
- 기지금속을 용해로(1)에서 완전 용해하는 단계와,상기 용해된 기지금속의 용탕이 런너(2)를 따라 용탕저장소(20)로 공급되어, 등온유지로(17)에 의해 등온으로 유지되는 단계와,가스제어기(4)에 의해 조절된 불활성가스가 플라즈마 건(5)에 공급되는 단계와,강화입자가 입자이송가스를 매개로 입자공급기(6)로부터 입자공급제어기(9)를 통해 플라즈마 건(5)에 공급되는 단계와,상기 건(5)에서 아크가 발생하여 플라즈마 상태가 되는 단계와,상기 플라즈마 가스에 의해 상기 강화입자가 입자분사장치(7)를 통해 상기 용탕에 고속 투입되는 단계와,전자기 교반장치(11)에 의해 용탕이 회전 및 교반되는 단계와,용탕이 인발롤러(18)에 의해 수평으로 설치된 몰드(3)를 통해 연속인출되는 단계와,냉각장치(14)를 통해 상기 몰드(3) 내부로 공급되는 냉각수에 의해, 인출되는 용탕을 냉각하는 단계를 특징으로 하는 플라즈마원을 이용한 금속기지복합재료의 제조방법.
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