KR100360378B1 - 다층복합판재제조용분무주조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 가우시안 피크를 갖도록 액적을 분무하여 미소 돌출부를 다수개 형성시키면서 기판에 적층시켜 균일한 하부 분무주조층을 확보함과 동시에 적층된 표면에 엠보싱을 갖게 하여 상부 분무주조층과 우수한 밀착성을 갖는 다층 복합판재를 제조할 수 있는 분무주조 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판(43)의 이동방향과 수직한 상부에 배치되어 있으며 턴디쉬(51, 56)에 내장된 금속용탕을 기판(43)에 분무할 수 있도록 일정간격을 두고 기판(43)의 이동방향에 배치된 다수의 액적 분무수단을 포함한다. 액적 분사수단은 가스공급관(57)을 통해 공급되는 가스를 이용하여 턴디쉬(51, 56)에 내장된 금속용탕을 기판(43)에 분무하는 다수의 환형가스분무기(41)와, 환형가스분무기(41)를 통해 기판(43)에 분무되는 액적이 다수개의 가우시안 피크를 갖도록 하는 디스크 캠(31)과, 디스크 캠(31)과 다수의 환형가스분무기(41)를 연결하여 디스크 캠(31)의 회전운동을 왕복 및 진동운동으로 변환하여 환형가스분무기(41)를 통해 분무되는 액적이 기판(43)위에 다수의 미소 돌출부를 갖는 합금층을 형성하도록 하는 왕복 운동아암(58) 및 운동전달 플레이트(59)를 포함한다.

Description

다층 복합판재 제조용 분무주조장치{Spray forming apparatus for multi-layer composite plate application}

본 발명은 다층 복합판재 제조용 분무주조장치에 관한 것이며, 특히, 하나의 스프레이내에 다수개의 가우시안 피크(gaussian peak)를 발생시킴으로써 분무주조된 표면층에 다수개의 돌출부를 형성시켜 적층되는 합금층간의 우수한 밀착성을 갖도록 하는 다층 복합판재 제조용 분무주조장치에 관한 것이다.

일반적으로 다층 복합판재 제조법에는 필러(filler)금속을 이종금속의 판재 계면에 장입하여 브레이징(brazing)하는 방법과, 접합하고자 하는 합금을 용접봉으로 제조하여 표면에 육성용접하는 방법 등이 있다.

여기에서, 브레이징 접합법은 기본적으로 용해/주조/열간가공 공정을 거쳐제조된 판재를 이용하여 각 이종재질에 적합한 필러금속을 장입하여 가열하는 복잡한 공정을 거친다. 또한, 브레이징 공법은 광폭의 다층 복합판재의 제조가 어렵고 생산성이 낮다는 단점이 있다. 그리고, 내마모성이 우수한 고크롬계 주철 등과 같은 재질은 판재 가공이 어렵기 때문에 복합판재로 제조하는 것은 매우 난해하다.

그리고, 합금 용접봉을 이용한 육성용접에 의한 다층 복합판재 제조는 난가공성의 고크롬계 주철과 같은 재질로 피복할 수 있지만, 피복층에 균열이 발생할 뿐만 아니라 복합층의 피복률이 시간당 4-15kg으로 생산성이 낮다는 문제점이 있다.

또한, 고효율로 성형체를 제조하는 공법으로는 금속용탕을 고압의 가스로 분무화(atomization)시킨 후, 낙하하는 미세한 분무액적을 반응고 상태로 하부의 기판(substrate)에 적층시켜 봉재, 관재 및 판재 등과 같은 여러가지 형상의 합금 성형체를 제조할 수 있는 분무주조법이 있다.

그러나, 종래의 공법은 주로 동일합금으로 이루어진 합금판재를 제조하는데 그 목적이 있다. 그러므로, 분무주조에 의한 판재제조에 있어서 기판과 제조판재와의 박리성을 양호하게 하기 위하여 금속합금과 반응이 어려운 세라믹 기판을 주로 이용하여 수행되어 왔다.

도 1은 종래기술에 따른 판재 제조용 분무주조장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도로서, 미국특허 제5,240,061호 및 미국특허 제5,343,926호에 기술되어 있다.

도 1에 보이듯이, 용해로(11)에서 금속용탕을 상부 턴디쉬(12)에 붓고 상부턴디쉬(12)에 장착된 스토퍼(14)의 제어를 통해서 하부 턴디쉬(13)의 탕면 높이를 일정하게 유지한다. 그리고, 하부 턴디쉬(13)의 용탕 오리피스(15)를 통해 용탕이 하부로 흘러나올 때 고압가스 공급관(16)과 연결된 가스분무기(17)에서 고속의 가스 제트가 분무되어 낙하하는 용탕을 분무화 시킨다. 이 때, 챔버(18)의 하부에 장착된 기판(19)이 양단 롤러(20)의 회전과 함께 수평운동을 하게 되며, 적층된 분무 용탕은 판재(28)를 형성하면서 좌측으로 이동하며 연속적으로 판재를 제조한다.

또한, 생산성을 증가시키기 위해서 도 1에서 도시한 바와 같이 가스분무기 (17)를 2개 장착할 수도 있다. 그리고, 기판(19)의 한 쪽의 측면에는 기판(19)이 차가울 경우 제조되는 판재의 저면에 기공이 발생하는 것을 예방할 수 있도록 가열장치(29)가 설치되어 있다. 이 때, 판재의 두께는 분무용탕 유출속도와 기판의 이동속도의 비에 의해서 결정된다.

아래에서는, 판재 제조용 분무주조장치에 사용되는 환형가스분무기 및 선형가스분무기에 대해 설명하겠다.

먼저, 도 2a에 보이듯이 환형가스분무기는 미국특허 제5,240,061호 및 미국특허 제5,343,926호에 기술되어 있다.

즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 환형가스분무기(21)의 스프레이(22)는 일종의 가우시안 분포를 갖고 있어 중앙에 훨씬 더 많은 질량이 존재하게 된다. 이러한 경우 기판(23)에 적층되는 합금판재(24)의 단면 형상은 중심은 두껍고, 가장자리로 감에 따라 얇아지게 된다.

또한, 도 2b에 보이듯이 선형가스분무기는 N.J. Grant,Casting of Near NetShape Products. Ed. by Y. Sahai et al., Metallurgical Society, Warrendale, PA, pp.203-221 (1988)에 기술되어 있다.

즉, 도 2b에 도시된 바와 같이, 선형가스분무기(25)의 경우에도 선형 스프레이(26)의 질량 분포가 길쭉한 마름모꼴을 나타내기 때문에 적층된 판재(27)의 단면 형상은 길쭉한 이등변 삼각형 모양이 된다.

앞서 설명한 같은 종래의 환형가스분무기 및 선형가스분무기는 일정한 두께를 갖는 판재의 제조에는 효과적이지 못하다. 또한, 광폭의 판재를 제조하기 어렵다는 단점이 있다. 즉, 판재 제조에 있어 일정 수준의 폭은 확보되야 상업적 경제성을 갖게 된다. 그러나, 종래의 환형가스분무기(21)는 스프레이(22)의 폭이 한정되기 때문에 최대 15cm 폭 이상의 판재 제조가 불가능하다. 또한, 선형가스분무기(25)를 적용하는 경우에도 용탕의 표면 장력 때문에 선형 오리피스에서 유출된 용탕이 선형으로 그대로 유지되기 어렵고 선형가스분무기(25)의 길이에 한정되기 때문에 광폭의 판재 제조에는 부적합하다.

특히, 이종금속간의 접합성을 확보하여 다층 복합판재를 제조하는데 있어서는 계면 접합성이 중요하기 때문에 하부에 분무주조된 판재의 표면에 미소한 돌출부를 형성시켜 상부에 분무주조된 판재와의 밀착성을 높여야하는 해결방안이 제시되어야 한다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다수개의 가우시안 피크를 갖도록 액적을 분무하여 미소돌출부를 다수개 형성시키면서 기판에 적층시켜 거시적으로는 균일한 하부 분무주조층을 확보함과 동시에 적층된 표면에 엠보싱(embossing)을 갖게하여 상부 분무주조층과 우수한 밀착성을 갖는 다층 복합판재를 제조할 수 있는 분무주조 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 다수개의 가스분무기를 동시에 적용하여 광폭의 다층 복합판재를 제조하려는 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 판재 제조용 분무주조장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고,

도 2a는 환형가스분무기를 이용한 판재 제조용 분무주조장치의 원리를 도시한 개략도이고,

도 2b는 선형가스분무기를 이용한 판재 제조용 분무주조장치의 원리를 도시한 개략도이고,

도 3은 본 발명에 따른 가스분무기의 스프레이내에 다수개의 가우시안 피크를 형성하는 원리를 나타내는 설명도이고,

도 4는 본 발명에 따른 다수개의 가우시안 피크를 형성시키기 위해 설계된 디스크 캠을 도시한 개략도이고,

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 다층 복합판재 제조용 분무주조장치의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고,

도 6a는 도 5에 도시된 다층 복합판재 제조용 분무주조장치의 정면을 절취한 단면도이며,

도 6b는 도 5에 도시된 다층 복합판재 제조용 분무주조장치의 측면을 절취한단면도.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

31 : 디스크 캠 32 : 캠 프로파일

41 : 환형가스분무기 42 : 스프레이

43 : 기판 51, 56 : 턴디쉬

52 : 오리피스 53 : 하부 합금층

54 : 반응층 55 : 상부 합금층

57 : 가스공급관 58 : 왕복 운동아암

59 : 운동전달 플레이트 60 : 예열장치

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판의 이동방향과 수직한 방향에 배치되어 있으며 턴디쉬에 내장된 금속용탕을 기판에 분무할 수 있도록 일정간격을 두고 기판의 이동방향에 배치된 다수의 액적 분무수단을 포함한다. 그리고, 상기 액적 분사수단은 가스공급관을 통해 공급되는 가스를 이용하여 턴디쉬에 내장된 금속용탕을 기판에 분무하는 다수의 가스분무기와, 상기 가스분무기를 통해 기판에 분무되는 액적이 다수개의 가우시안 피크를 갖도록 하는 디스크 캠과, 상기 디스크 캠과 다수의 가스분무기를 연결하여 상기 디스크 캠의 회전운동을 왕복 및 진동운동으로 변환시키는 변환부재를 포함한다. 그리고, 본 발명은 상기 디스크 캠의 회전운동이 가스분무기의 진동운동으로 변환되어 가스분무기를 통해 분무되는 액적이 기판위에 다수의 미소 돌출부를 형성시키면서 거시적으로는 균일한 하부 합금층을 형성함과 동시에 적층된 표면에 엠보싱(embossing)을 갖게하여 상부에서 분무되어 형성되는 상부 합금층과의 우수한 밀착성을 갖도록 한다.

또한, 본 발명은 상기 하부 합금층의 기공을 방지하기 위해 기판을 예열하는다수개의 예열장치를 더 설치하는 것이 양호하다. 또한, 본 발명은 상기 기판을 합금판재로 하고 표면거칠기 및 예열온도를 조절하여 상기 합금판재와 상기 하부 합금층만으로 다층 복합판재를 제조하는 것도 가능하다.

아래에서, 본 발명에 따른 다층 복합판재 제조용 분무주조장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 3은 본 발명에 따른 가스분무기의 스프레이내에 다수개의 가우시안 피크를 형성하는 원리를 나타내는 설명도이다.

다수개의 가우시안 피크를 얻기 위해서는 하나의 스프레이(22)내에서 도 3의 하단부와 같이 스캔속도를 주기적으로 변화시켜야 한다. 이러한 스캔속도의 변화모드가 모식도에서는 삼각파로 구성되어 있지만 싸인(Sine)파나 코싸인(Cosine)파 형태로 변화시키면 원활한 스캔속도의 변화를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 거시적으로 균일한 두께를 갖는 동시에 다수개의 미소 돌출부를 갖는 분무주조 표면층을 얻을 수 있다. 그리고, 상부 분무주조층은 하부 분무주조층을 형성시키는 스캔속도와 반대로 변화시킴으로써 균일한 두께의 복합판재를 얻을 수 있다. 다시 말하면, 하부층 형성시에 스캔속도를 싸인파 형태로 변화시켰다면 상부층 형성시에는 코싸인파 형태로 변화시킴으로써 최종 복합판재가 균일한 두께를 갖도록 할 수 있다.

도면에서, 도 4는 본 발명에 따른 다수개의 가우시안 피크를 형성시키기 위해 설계된 디스크 캠을 도시한 개략도이다.

도 4에 보이듯이, 디스크 캠(31)은 캠 프로파일(32)을 포함한다. 이런 캠 프로파일(32)에는 스캔속도를 변화시키는데 이용되는 돌출부(33)가 다수개 형성되어있으며, 이런 돌출부(33)의 개수에 따라 하나의 스프레이내에서 형성되는 미소 돌출부의 개수가 결정된다. 그러므로, 하나의 스프레이내에 많은 가우시안 피크를 형성하기 위해서는 캠 프로파일(32)에서 돌출부(33)의 개수를 증가시키면 해결될 수 있다. 그리고, 캠 프로파일(32)에서 돌출부(33)의 곡률에 의해 스캔속도의 증감이 달라지므로 돌출부(33)의 곡률크기를 조정함으로써 하부 분무주조층의 표면돌출부의 높낮이를 제어할 수 있다.

도면에서, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 다층 복합판재 제조용 분무주조장치의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고, 도 6a는 도 5에 도시된 다층 복합판재 제조용 분무주조장치의 정면을 절취한 단면도이며, 도 6b는 도 5에 도시된 다층 복합판재 제조용 분무주조장치의 측면을 절취한 단면도이다.

도 5 및 도 6a에 보이듯이, 본 발명의 다층 복합판재 제조용 분무주조장치는 기판(43)의 이동 방향에 수직한 상부에 환형가스분무기(41)를 다수개 나란히 장착하여 가스분무기(41)를 기판(43)의 이동 방향과 수직한 방향으로 진동 혹은 스캔닝 (Scanning)하도록 되어 있다. 그리고, 턴디쉬(51)의 용탕 오리피스(52)를 통해 용탕이 하부로 흘러나올 때 고압가스 공급관(57)과 연결된 가스분무기(41)에서 고속의 가스 제트가 나와 낙하하는 용탕을 분무화시키도록 구성되어 있다. 이러한 가스분무기(41)는 다수개의 미소 돌출부를 형성하도록 설계된 디스크 캠(31)과 연결되어 있으며, 이런 디스크 캠(31)의 회전운동은 좌우왕복 운동암(58)의 왕복운동으로 변한다. 이 때, 운동전달 플레이트(59)는 진동운동을 하여 플레이트(59)와 연결된 고압가스 공급관(57)이 회전 진동운동을 하게된다. 그러면, 최종적으로 고압가스공급관(57)과 고정된 가스분무기(41)가 진동하며 용탕 스프레이(42)를 상하 진동 또는 좌우 스캔닝하게 된다. 그러면, 하부의 평판 기판(43)위에 뿌려지는 분무액적에 의해 미소 돌출부를 형성하면서 거시적으로 균일한 두께를 갖는 하부 합금층(53)이 형성된다.

그리고, 평판 기판(43)이 일정한 속도로 이동할 경우, 가스분무기(41)를 다수개 장착하기 때문에 각각의 스프레이(42)가 서로 약간 중첩되면서 광폭의 판재를 형성하게된다.

또한, 상부 복합층의 제조를 하기 위해서는 도 5 및 도 6b에 나타낸 바와 같이, 하부 합금층(53)을 형성하기 위해 사용되는 것과 동일한 구조로 후방에 형성되어, 상부 적층용 합금용탕이 내재된 턴디쉬(56)에서 분무된 용탕에 의해 하부 합금층(53)의 상부에 상부 합금층(55)을 형성한다. 이 때, 하부 합금층(53)과 상부 합금층(55)의 사이에는 반응층(54)이 형성된다.

그리고, 이러한 장치구성을 반복하여 다수개의 설치함으로써 이종금속이 2개이상 적층된 다층 복합판재도 제조할 수 있다.

그리고, 정해진 폭의 판재 제조에 있어 적층되는 판재의 두께는 전체 용탕 유출속도에 대한 기판의 이동속도 비에 의해 결정된다. 일반적으로, 용탕의 유출 속도보다는 기판의 수평 이동속도를 제어하는 것이 용이하며 공업적으로도 그 운용이 수월할 뿐만 아니라 정확성도 기할 수 있다. 그리고, 판재의 폭은 가스분무기의 개수와 진동 변위량에 따라서 변화시킬 수 있다. 즉, 장착된 가스분무기의 수를 증가시키면 판재의 폭을 증가시킬 수 있으나, 공정에 소요되는 가스 공급량이 기하급수적으로 증가되기 때문에 설비 투자비가 너무 커지는 단점이 있다. 그러므로, 가스분무기의 개수는 4개에서 5개 정도로 고정시키고, 판재의 폭을 넓히고자 하는 경우에는 각 가스분무기의 진동 변위량을 증가시켜 스프레이를 더욱 길쭉하게 늘어나도록 유도함으로서 광폭의 판재 제조가 가능하다. 물론, 이때에 판재의 폭에 맞춰 각 가스분무기 사이의 거리는 알맞게 증가시켜야 한다.

또한, 기판이 너무 차가운 경우 제조되는 판재의 저면에 기공이 발생할 우려가 있다. 이를 방지하기 위해 스프레이가 적층되기 전에 기판을 예열하면 보다 우수한 하부 분무주조층을 얻을 수 있다. 이 때, 예열장치(60)는 산소-아세틸렌 토치, 플라즈마 토치, 유도 가열 장치 등을 사용할 수 있다. 그리고, 광폭의 판재 제조에 있어서, 예열장치 하나로는 부족하며 기판의 폭 방향으로 전체에 걸쳐 고르게 예열할 수 있도록 다수개를 장착할 수 있다.

그리고, 기판(43)을 세라믹 대신에 일반 저가형 합금판재를 장착하고 예열 온도를 보다 높이고 표면거칠기를 조절하여 분무주조되는 하부 합금층과의 밀착성을 확보하여 기판재와 하부 분무주조층으로 이루어진 이중 복합판재 제조도 가능하다. 예를 들면, 일반 연강 판재위에 고크롬계 합금 용탕을 분무하여 연강과 고크롬계 합금이 복합 주조된 이중판재를 제조할 수 있다. 이러한 기술은 현재 널리 행해지고 있는 육성용접기술에 대한 향후 대체 기술로도 응용될 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 다층 복합판재 제조용 분무주조장치는 하나의 스프레이에서 뿌려지는 액적의 양을 다수개의 가우시안 피크를 갖도록디스크 캠을 제어함으로써 다수개의 미소 돌출부를 형성시키면서 기판에 적층시켜 거시적으로는 균일한 하부 분무주조층을 확보함과 동시에 적층된 표면에 엠보싱 (embossing)을 갖게하여 상부 분무주조층과 우수한 밀착성을 갖는 다층 복합판재를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 다층 복합판재 제조용 분무주조장치는 다수개의 가스분무기를 동시에 적용하여 광폭의 복합판재 및 다층 복합판재를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 다층 복합판재 제조용 분무주조장치는 가스분무기의 진동 변위량을 조절하여 판재의 폭을 보다 용이하게 조절할 수 있고, 다수개의 가스분무기를 적용함으로서 작업 생산성이 월등히 우수한 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 다층 복합판재 제조용 분무주조장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims (3)

1. 금속용탕을 고압의 가스로 분무화 시킨 후 기판에 적층시켜 합금판재를 제조하는 분무주조장치에 있어서,

   기판의 이동방향과 수직한 상부에 배치되어 있으며 턴디쉬에 내장된 금속용탕을 기판에 분무할 수 있도록 일정간격을 두고 기판의 이동방향에 배치된 다수의 액적 분무수단을 포함하며,

   상기 액적 분사수단은 가스공급관을 통해 공급되는 가스를 이용하여 턴디쉬에 내장된 금속용탕을 기판에 분무하는 다수의 가스분무기와, 상기 가스분무기를 통해 기판에 분무되는 액적이 다수개의 가우시안 피크를 갖도록 하는 디스크 캠과, 상기 디스크 캠과 다수의 가스분무기를 연결하여 상기 디스크 캠의 회전운동을 왕복 및 진동운동으로 변환하여 상기 가스분무기를 통해 분무되는 액적이 기판위에 다수의 미소 돌출부를 갖는 합금층을 형성하도록 하는 변환부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 복합판재 제조용 분무주조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판을 예열하는 다수개의 예열장치가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 다층 복합판재 제조용 분무주조장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판은 합금판재인 것을 특징으로 하는 다층 복합판재 제조용 분무주조장치.