KR100351204B1 - 합금 및 금속기지 복합재료 제조용 수평 연속주조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합금의 용탕과 플라즈마원을 이용하여 용탕에 금속 및 세라믹입자를 고속으로 투입하여 제조하는 금속기지 복합재료의 용탕을 전자기 교반기와 기공 및 가스를 제거할 수 있는 부상분리부를 이용하여 용탕의 균일한 혼합과 편석 및 기공이 제거된 고품질의 금속-금속 혹은 금속-세라믹의 금속기지 복합재료 및 기존 합금을 제조하기 위한 합금 및 금속기지 복합재료의 수평 연속주조장치에 관한 것으로, 부상분리에 의한 기공의 제거 및 전자기교반기에 의한 편석의 제거와 유동도의 증가를 통하여 건전하고 고품질의 합금 및 균일하고 미세하게 분포된 금속-금속 및 금속-세라믹의 금속기지 복합재료를 짧은 시간에 저렴한 비용으로 제조할 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

합금 및 금속기지 복합재료 제조용 수평 연속주조장치{Horizontal Continuous Casting Equipment for Fabrication of Metal Matrix Composites}

본 발명은 합금 및 금속기지 복합재료 제조용 수평 연속주조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금의 용탕과 플라즈마원을 이용하여 용탕에 금속 및 세라믹입자를 고속으로 투입하여 제조하는 금속기지 복합재료의 용탕을 전자기 교반기와 기공 및 가스를 제거할 수 있는 부상분리부를 이용하여 용탕의 균일한 혼합과 편석 및 기공이 제거된 고품질의 금속-금속 혹은 금속-세라믹의 금속기지 복합재료 및 기존 합금을 제조하기 위한 합금 및 금속기지 복합재료의 수평 연속주조장치에 관한 것이다.

금속이나 합금의 특성을 향상시키기 위해서, 순금속이나 합금에 여러 종류의 금속분말이나 세라믹 분말을 순금속이나 합금에 투입하여 제조한 합금을 금속기지 복합재료라고 한다. 예를 들면, 알루미늄 합금에 융점이 높은 티타늄, 지르코늄, 망간 등을 첨가하거나, 순금속이나 합금(알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 동합금 등)으로 이루어진 기지에 이종의 세라믹 입자(SiC, Al₂O₃)를 강제로 혼합하고 입자를 용융기지금속 내에 균일하게 분산시킨 것을 말하며, 이러한 금속기지 복합재료의 제조는 공정에 따라 크게 액상법과 고상법으로 나눌 수 있다.

고상법은 기지금속을 용융하지 않고 고상상태에서 제조하는 방법이다. 주로 사용되는 방법이 분말야금법으로 입자나 휘스커 형태의 세라믹 분말을 금속분말과 균일하게 혼합하여 냉간 또는 열간압축 시킨 후, 일정 시간동안 소결(sintering)하여 제조하는 방법으로, 금속기지와 강화입자를 균일하게 혼합할 수 있는 장점이 있으나, 제조비용이 다른 공정에 비해 높은 단점이 있다.

이에 비해 액상법은 기존의 금속주조법을 사용하는 것으로서, 알루미늄 및 마그네슘 합금 등 저융점의 기지금속 용탕에 이종의 세라믹 분말이나 금속분말을가압 혹은 무가압으로 투입하여 복합재료를 제조하는 방법이다. 이러한 액상법은 값싸게 부품을 대량 생산할 수 있는 장점이 있으나, 강화재와 기지금속간의 젖음성이나 반응성이 문제가 되고, 특히 제조된 용탕에서 연속적으로 소재를 인출할 경우 편석이나 기공 등의 주조 결함 및 투입된 강화입자가 기지금속에 골고루 분산되지 않는 제조상의 어려움이 있는 등 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속기지 복합재료의 용탕 및 기존의 합금 용탕으로부터 소재를 연속적으로 제조할 때 발생하는 기공 등의 주조결함과 금속기지 복합재료의 기지와 강화재 간의 편석 등을 제거할 수 있고 고품질의 합금 및 금속기지 복합재료의 용탕이 수평 연속주조 장치로 흘러 들어가 소재가 제조되는 동안 용탕의 온도 제어가 가능한 합금 및 금속기지 복합재료 제조용 수평 연속주조장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 합금 및 금속기지 복합재료 제조용 수평 연속주조장치의 개략도,

도 2는 본 발명에 의한 수평 연속주조장치의 몰드와 결합되는 2차 전자기교반장치를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

22...용탕저장조 24...용탕조절용 리미트스위치

26...1차 전자기교반기 28...1차 히터

30...부상분리부 32...2차 히터

34...진동자 36...몰드

38...냉각수 40...2차 전자기교반기

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 합금 및 금속기지 복합제료 제조용 수평 연속주조장치에 있어서 와이어 공급기로부터 공급되는 금속와이어를 플라즈마원으로 녹여 용탕에 주입하는 플라즈마 합성기;상기 플라즈마 합성기의 하부에 위치한 용해로;상기 용해로에서 공급된 용탕이 주입되도록 상기 용해로에 인접하여 위치하며, 그 하부가 수평방향으로 길게 연장되고, 그 외부에는 1차 전자기교반기와 1차 히터가 순차적으로 설치되며, 상기 1차 히터의 하류에는 상방으로 길게 연장된 부상분리부가 마련되는 용탕저장조;상기 용탕저장조의 연장된 단부에 위치되어 외측면에 2차 전자기교반기가 마련된 몰드 및상기 몰드와 이웃하여 몰드에서 나오는 소재를 추출하기 위한 인발로울러를 포함하고;상기 부상분리부의 외부에는 2차히터가 마련되고, 하부에 진동자가 위치하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 합금 및 금속기지 복합재료 제조용 수평 연속주조장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 의한 수평 연속주조장치의 몰드와 결합되는 2차 전자기교반기를 나타내는 도면이다.

일반적으로 합금을 제조하는 경우, 미리 설정한 합금의 성분에 맞게 재료를 용해로(10)에서 녹여 합금 용탕(12)을 제조한다. 금속기지 복합재료의 경우에는 기지금속을 용해할 수 있는 용해로(10)에서 충분히 가열하여 용해시킨 후, 플라즈마 합성기(14)에 금속 와이어나 플렉시블 코드(18)를 와이어 공급기(16)를 통해 공급하여 고속의 플라즈마원(20)으로 금속 및 세라믹 강화입자를 합금용탕에 주입하여 금속기지 복합재료의 용탕(12)을 제조한다.

이렇게 제조된 금속합금 및 금속기지 복합재료의 용탕(12)을 용탕저장조(22)에 붓는다. 이때 용탕의 양과 높이를 제어하기 위하여 용탕저장조(22)의 상단에 용탕조절용 리미트스위치(24)를 부착하여 항상 일정한 범위의 용탕량을 유지할 수 있도록 한다.

용탕이 용탕저장조(22)에서부터 흘러 들어가는 수평 연속주조장치에는 본 발명에 의한 기술적 사상이 구현되어 있는데, 이를 상세히 살펴 보면, 용탕저장조(22)로부터 몰드(36)를 향해 이동되는 수평 연속주조 라인 상에, 용탕저장조(22) 쪽에서부터 1차 전자기교반기(26)와 1차 히터(28)를 설치한다. 상기 1차 전자기교반기(26)는 전자기를 유발하고 이를 용탕에 부가하여, 용탕에 일정한 요동을 부여함으로써 용탕을 교반시키는 장치이며, 상기 1차 히터(28)는 전기 또는 가열체로 용탕에 일정한 열에너지를 부가하는 장치를 뜻한다.

그 다음으로 용탕 내 기공을 제거하기 위한 부상분리부(30)와 상기 부상분리기(30)의 외부에 2차 히터(32)를 설치하며, 상기 부상분리부의 외부로서 상기 2차 히터의 하부에는 진동자를 설치한다. 여기에서 상기 부상분리부(30)는 상방을 향햐여 개구된 원통상으로 형성하며, 2차 히터(32)는 전술한 1차 히터(28)와 동일한 열에너지 부가 장치를 뜻한다.

또한 기공 및 편석이 제거된 용탕으로부터 형상을 유지하며 냉각시킬 수 있는 몰드(36)를 설치하고 그 외부에 2차 전자기교반기(40)를 설치하며, 상기 2차 전자기교반기(40)는 전술한 1차 전자기교반기(26)와 동일하다. 도 2에서 도시한 바와 같이, 용탕의 냉각을 위하여 몰드 내부에는 용탕의 인출방향과 반대방향에서 유입된 냉각수가 일정 위치에서 역전되어 용탕의 인출방향으로 용탕을 향하여 분사되도록 구성하며, 그 외측으로 2차 전자기교반기가 결합되어 설치된다.

그리고 소재가 제조되어 인출되는 몰드(36)의 출구에 더미 바(dummy bar : 주형의 상하부는 개방되어 있으므로, 주조 초기에 하부를 막아 용강이 새지 않도록 해야 하고, 또 주편이 핀치롤에 이르기까지 인발할 필요가 있는데, 이러한 역할을 하는 것)를 역진시켜 수평 연속주조 장치 내의 용탕이 밖으로 흐르지 않도록 위치시킨다.

이하, 상기한 구성의 본 발명의 작용을 설명한다.

상기 용탕저장조(22)에 유입된 용탕은 자중에 의하여 흐르고, 1차 전자기교반기(26)를 통과하는 과정에서 중력에 의해 상, 하 방향으로 다르게 분포된 합금원소 및 강화재의 편석이 제거된다. 또한 용탕 상, 하부의 온도구배가 일정하게 유지되며, 용탕에 전단응력을 부가하여 유동도를 증가시켜 용탕이 보다 잘 흐르게 된다.

그리고 용탕저장조(22)에서부터 흘러나온 용탕은 온도가 저하되지 않도록 가열하는 1차 히터(28)를 통하여 수평 연속주조 장치 전반에 걸쳐 일정한 용탕온도를 유지한다.

상기 1차 히터(28)를 통과한 용탕은 부상분리부(30)에 이르면 용탕 내 기공이 상부로 부상하여 대기중으로 빠져나가게 된다. 이때 부상분리부(30)의 바깥쪽에 부착된 2차 히터(32)는 용탕의 온도를 높여 용탕의 유동도를 높인다. 또한 1차 전자기교반기(26)와 1차 히터(28)를 지나온 용탕에서 기공이나 가스가 몰드(36)쪽으로 유입되지 않도록 2차 히터(32)의 하부에 진동자(34)를 설치하여 보다 빨리 기공이나 가스가 부상분리되도록 한다.

상기 부상분리부(30)를 통하여 기공이나 가스가 제거된 용탕은 몰드(36)를 따라 인출되고 몰드 내부로 냉각수(38)를 순환하도록 장치하여 냉각수(38)를 인출 소재(42) 표면에 분출하여 냉각한다.

몰드(36)를 통과하며 냉각된 합금 및 금속기지 복합재료는 인발로울러(44)를 통과한 후, 절단기(46)로 절단한다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여 소재가 제조되어 나옴에 따라 감소되는 용탕(12)은 용탕저장조(22)의 용탕조절용 리미트스위치(24)의 제어에 의해 용해로(1)로부터 계속 용탕저장조(22)로 용탕(12)이 공급되어 일정한 높이가 유지된다.

이하, 전술한 바와 같은 본 발명의 연속주조장치를 사용하여 알루미늄 빌렛을 제조한 실시예를 설명한다.

(실시예 1)

실시예 1은 A356 합금(Al 7%, Si 0.35%, Mg합금)을 본 발명에 의한 수평 연속주조장치를 사용하여 알루미늄 빌렛을 제조하는 방법을 예시한다.

먼저 알루미늄, 규소, 마그네슘을 조성에 맞게 절단하여 용해로에 장입하여 720℃까지 가열하여 완전히 용해한다. 합금이 완전히 용해되면 빌렛이 제조되어 인출되는 몰드 출구 쪽에 더미 바를 역진시켜 용탕 누출을 방지한 후, 용탕을 용탕저장조로 붓는다. 이때 용탕저장조 내의 적절한 위치에 상, 하부 레벨을 감지하는 용탕조절용 리미트스위치를 부착하여 용탕의 양과 높이를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.

공급된 용탕이 용탕저장조에서 1차 전자기교반기로 흐르면 용탕을 회전시켜 1차적으로 용탕의 편석을 제거하고, 중력에 의한 상, 하부의 온도차를 일정하게 유지하게 한다.

그리고, 1차 전자기교반기와 1차 히터를 지나 흘러갈 때 히터의 온도를 750 ∼ 760℃가 되도록 하여 용탕저장조에서부터 흘러나온 용탕의 온도가 균일하게 유지되도록 조절한다.

이 후, 용탕은 부상분리부를 지나면서 용탕 내에 있던 가스나 기공들이 부상분리되어 대기 중으로 날아가며, 이때 부상분리부를 둘러싼 2차 히터의 온도를 760 ∼ 780℃ 정도로 조절하여 용탕의 유동도를 증가시키고, 대기와 접촉하는 부분이 응고되지 않도록 관리한다.

2차 히터의 하부에는 압축공기로 진동자를 구동시켜 기공 및 가스가 몰드 쪽으로 바로 유입되지 않고 보다 빨리 부상분리할 수 있도록 한다. 기공 및 가스가 제거된 용탕은 내부로 냉각수가 순환되도록 장치된 몰드 안에서 응고되며, 소재가 제조되어 나오는 동안 줄어드는 용탕은 용탕 저장조의 용탕조절용 리미트스위치에 의해 제어되므로, 용해로로부터 계속 용탕저장조로 용융기지합금이 공급되어 일정한 높이가 유지되면서 연속적으로 A356(Al-7%, Si-0.35%, Mg)을 제조하게 된다.

(실시예 2)

실시예 2는 Al 순금속에 5% Ti을 함유한 금속기지 복합재료를 플라즈마 발생기가 마련된 본 발명의 수평 연속주조 장치를 사용하여 알루미늄 빌렛을 제조하는 방법을 예시한다.

먼저, Al 순금속을 절단하여 용해로에서 충분히 가열, 용해시킨다. 그리고 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스를 사용하여 플라즈마 발생장치를 통해 고속의 플라즈마 젯을 발생시킨다. 이와 동시에 와이어 공급기로부터 제공된 Ti 와이어를 플라즈마 발생기의 플라즈마 젯이 발생하는 곳으로 공급하여 Ti 분말을 제조하고, 상기 Ti 분말의 강화재를 용탕에 고속으로 주입시켜 Al-Ti 복합재료를 제조한다.

설정된 5% 체적율의 Al-Ti 복합재료가 완전히 제조되면 빌렛이 제조되어 인출되는 몰드 출구쪽에 더미 바를 역진시켜 용탕 누출을 방지한 후, 용탕을 용탕저장조로 붓는다. 이때 용탕저장조 내의 적절한 위치에 상, 하부 레벨 스위치를 갖는 용탕조절용 리미트스위치를 부착하여 용탕의 양과 높이를 일정하게 유지할 수있도록 한다.

공급된 용탕이 용탕저장조에서 1차 전자기교반기로 흐르면 용탕을 회전시켜 1차적으로 Ti 강화입자의 편석을 제거하고, 중력에 의한 상, 하부의 온도차를 일정하게 유지한다. 그리고, 1차 전자기교반기와 1차 히터를 지나 흘러갈 때 히터의 온도를 750 ∼ 760℃가 되도록 하여, 용탕저장조에서부터 흘러온 용탕의 떨어진 온도를 균일하도록 조절한다.

이 후, 용탕은 상부에 대기와 접촉이 되도록 구멍이 뚫린 부상분리부를 지나면서 용탕 내에 존재하던 가스나 기공들이 부상분리되어 대기중으로 날아가도록 하는데, 이때 부상분리부를 둘러 싼 2차 히터의 온도를 760 ∼ 780℃ 정도로 조절하여 용탕의 유동도를 증가시키고 대기와 접촉하는 부분이 응고되지 않도록 관리한다.

2차 히터의 하부는 압축공기로 진동자를 구동시켜 기공 및 가스가 몰드 쪽으로 바로 유입되지 않고 보다 빨리 부상분리할 수 있도록 한다.

기공 및 가스가 제거된 용탕은 내부로 냉각수가 순환되도록 장치된 몰드 안에서 응고되고 소재가 몰드 외부로 나올 때 소재 표면에 직접적으로 냉각수를 뿜어 완전히 응고시킨다. 이때, 몰드 외부에 부착된 2차 전자기교반기를 사용하여 소재 내부에 강화입자의 편석이 완전히 제거되도록 한다.

냉각된 소재는 인발로울러를 통과한 후 절단기로 절단한다. 소재가 제조되어 나옴에 의해 줄어드는 용탕은 용탕저장조의 용탕조절용 리미트스위치에 의해 제어되면서 용해로로부터 계속 용탕저장조로 용탕이 공급되어 일정한 높이를 유지하면서 연속적으로 Al-5% Ti 금속기지 복합재료를 제조한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 효과는 다음과 같다.

본 발명에 의한 수평 연속주조기는 수평 연속주조시 부상분리에 의해 용탕 내에 유입된 기공 및 가스를 제거하고, 전자기교반기를 사용함으로써 합금의 합금원소 편석 및 금속기지 복합재료에서 강화입자의 편석을 제거하며, 또한 용탕에 전단응력을 부가하여 유동도를 증가시켜서 건전하고 고품질의 합금 및 균일하고 미세하게 분포된 금속-금속 및 금속-세라믹의 금속기지 복합재료를 제조할 수 있도록 한다.

또한, 금속기지 복합재료의 경우, 고속의 플라즈마원을 이용하여 강화입자를 기지금속에 투입함으로써 Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, Al₂O₃, TiC, Cr₂O₃, Cr₃C₂, WC, B₄C 등의 광범위한 여러 종류의 금속 및 세라믹 분말과 금속와이어나 플렉시블 코드를 사용하여 용융기지금속에 투입할 수 있어 제조시간의 단축 및 제조단가 저감의 효과를 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 합금 및 금속기지 복합재료 제조용 수평연속주조장치에 있어서,

   와이어공급기(16)로부터 공급되는 금속와이어(18)를 플라즈마원으로 녹여 용탕(12)에 주입하는 플라즈마 합성기(14);

   상기 플라즈마 합성기(14)의 하부에 위치한 용해로(10);

   상기 용해로(10)에서 공급된 용탕이 주입되도록 상기 용해로에 인접하여 위치하며, 그 하부가 수평방향으로 길게 연장되고, 그 외부에는 1차 전자기교반기(26)와 1차 히터(28)가 순차적으로 설치되며, 상기 1차 히터(28)의 하류에는 상방으로 길게 연장된 부상분리부(30)가 마련되는 용탕저장조(22);

   상기 용탕저장조(22)의 연장된 단부에 위치되어 외측면에 2차 전자기교반기(40)가 마련된 몰드(36) 및

   상기 몰드와 이웃하여 몰드에서 나오는 소재를 추출하기 위한 인발로울러(44)를 포함하고;

   상기 부상분리부(30)의 외부에는 2차히터(32)가 마련되고, 하부에 진동자(34)가 위치하는 것을 특징으로 하는 합금 및 금속기지 복합재료 제조용 수평연속주조장치.