KR100391563B1 - 금속복합재료 제조용 용탕교반장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속복합재료 제조용 용탕교반장치에 관한 것으로,

도가니(10)와 전기로(9)를 갖춘 금속복합재료의 제조를 위한 용탕교반장치에 있어서, 중공형의 형상을 가지고, 상기 도가니(10) 내의 용탕에 잠겨 회전하는 교반판(7)이 적어도 하나 이상 그 중공형 내면에 형성되면서, 상부의 강화재 주입구(2)와 상측 개구부(8a)를 통해 인입된 강화재를 용탕과 교반, 혼합시키고, 그 혼합된 용탕을 하측 개구부(8b)로 배출시키는 교반관(8)과, 상기 교반관(8)에 회전 동력을 제공하는 모터(1)를 포함하는 것을 구성상의 특징으로 하며,

교반관과 그 내부에 부착된 교반판을 일체형으로 형성하고, 세라믹 강화재의 주입구 역할을 하는 교반관의 내부에서 용탕을 교반 시킴으로써 용탕에 와류를 발생시키지 않아, 용탕내부에 공기나 가스 등의 기공 결함이 혼입되지 않는, 내부조직이 건전한 금속복합재료를 제조할 수 있는 효과를 제공해 준다.

Description

금속복합재료 제조용 용탕교반장치{Mixing apparatus for molten metal of Metal matrix composite}

본 발명은 금속복합재료 제조용 용탕교반장치, 보다 상세하게는 산화물, 탄화물, 질화물 등 세라믹류의 강화재(단섬유, 입자 등)를 금속 용탕 중에 투입하고, 용탕을 교반하여 용탕 중에 강화재를 골고루 분산시킨 후, 소정의 금형에 주입하고 응고시켜 금속복합재료를 제조하기 위한 금속복합재료 제조용 용탕교반장치에 관한 것으로서, 특히 금속복합재료의 물성을 좌우하는 복합재료 내부의 세라믹 강화재의 균일 분산을 유도함으로써 기계적 특성을 향상시켜, 경량, 내마모성을 요구하는 산업용기계 부품이나, 자동차 부품의 성능을 향상시키도록 한 금속복합재료 제조용 용탕교반장치에 관한 것이다.

알루미늄 합금을 고강도의 세라믹 강화재(단섬유, 입자 등)로 강화한 금속복합재료는 비강도를 비롯한 기계적 성질이 우수하기 때문에 각종기계나 구조재료에 적용되고 있다.

이러한 금속복합재료를 제조하는 방법에는 장섬유를 이용하는 방법과 단섬유나 입자 등을 이용하여 제조하는 방법이 있는데, 장섬유는 주로 고분자를 모재로 하여 고분자 복합재료를 제조하는데 이용되고 있으며, 금속복합재료는 주로 세라믹 단섬유나 입자 등을 이용하여 제조되고 있다.

세라믹 단섬유나 입자 등을 이용하여 금속복합재료를 제조하는데는 주로 분말야금법이나 주조법이 이용되고 있는데, 분말야금법은 주조법에 비하여 제조비가 비싼 단점이 있다.

종래의 주조법에 의한 금속복합재료 제조방법으로는 세라믹 단섬유나 입자등을 이용하여 미리 예비성형체를 제조하고, 여기에 고압으로 금속을 주입하여 예비성형체 내부로 금속을 침투시켜 복합화시키는 방법(일본국 공개특허공보 소63-109128호 참조)과, 용해된 금속용탕 중에 세라믹 강화재를 투입하고 용탕을 강제적으로 교반시켜 복합화한 후에 소정의 금형내에 주입하여 복합재료를 제조하는 방법이 널리 사용되고 있다. 특히 지금까지 경제적으로 복합재료를 제조하는 방법 중에서는 상기 용탕교반법에 의한 금속복합재료의 제조가 많이 이용되고 있다.

그런데, 상기 용탕교반법을 사용할 경우, 용탕에 강화재를 투입하고 강제적으로 교반하는 과정에서, 용탕에 혼입된 공기에 의해 복합재료 제조 후의 미세조직에 많은 기공이 발생하게 되고, 결과적으로 기공 결함으로 인해 복합재료의 특성을 제대로 발휘하지 못하는 문제점이 있었다.

도 1은 종래의 금속복합재료 제조용 용탕교반장치의 구조도이다.

종래의 용탕교반장치를 보면, 전기로(9)의 내부에 설치된 도가니(10)에서 금속(알루미늄, 마그네슘 등)을 용해한 후, 모터(1)로 교반봉(28)을 회전시키면서 강화재 주입구(2)를 통하여 세라믹 강화재(단섬유, 입자등)를 주입하여 금속과 세라믹 강화재를 혼합시킨 후, 소정의 시간이 경과한 후에 복합화된 용탕을 금형내에 주입하여 응고시켜 복합재료를 제조하게 된다.

그러나 상기와 같은 구조의 장치를 사용할 경우, 교반봉(28) 끝에 설치된 교반날개(27)의 회전에 의해 용탕 교반시 용탕내에 와류가 형성되어 공기나 가스가 혼입되기 때문에, 금형에 주입, 응고되어 복합재료가 완성된 후에도 재료 내부에 기공 결함이 존재하게 되어 복합재료의 특성을 나타내지 못하는 문제점을 발생시켰다. 따라서 종래의 장치를 사용한 경우, 상기의 결함을 없애기 위해서 별도의 2차가공(압연, 압출등)을 행하여 기계적 특성을 향상시켜야만 하였다.

도 2는 종래의 용탕교반장치를 사용, 제조한 금속복합재료의 미세조직을 나타낸 단면조직 현미경사진으로서, 금속복합재료내에 기공 결함이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 그 목적은 용탕교반법에 의한 금속복합재료 제조시, 용탕내부에서 종래 장치의 교반날개에 의해 발생된 와류에 의한 공기나 분위기 가스 등의 혼입을 방지하도록 교반판과 교반관을 구성하여, 제조된 복합재료의 내부에 공기나 가스에 의한 기공 결함이 없도록 하는 금속복합재료 제조용 용탕교반장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 금속복합재료 제조용 용탕교반장치의 구조도,

도 2는 종래의 용탕교반장치를 사용하여, 제조한 금속복합재료의 미세조직을 나타낸 단면조직 현미경사진,

도 3은 본 발명의 금속복합재료 제조용 용탕교반장치의 구조도,

도 4는 본 발명의 금속복합재료 제조용 용탕교반장치를 사용하여, 제조한 금속복합재료의 미세조직(SiC입자)을 나타낸 단면조직 현미경사진,

도 5는 본 발명의 금속복합재료 제조용 용탕교반장치를 사용하여, 제조한 금속복합재료의 미세조직(알루미나 단섬유)을 나타낸 단면조직 현미경사진이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 모 터 2 : 강화재 주입구 3 : 가스 주입구

4 : 제어판 5 : 회전수 검출기 6 : 벨 트

7 : 교반판 8 : 교반관 9 : 전기로

10 : 도가니 11 : 용탕면

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 도가니(10)와 전기로(9)를 갖춘 금속복합재료의 제조를 위한 용탕교반장치에 있어서, 중공형의 형상을 가지고, 상기 도가니(10) 내의 용탕에 잠겨 회전하는 교반판(7)이 적어도 하나 이상 그 중공형 내면에 형성되면서, 상부의 강화재 주입구(2)와 상측 개구부(8a)를 통해 인입된 강화재를 용탕과 교반, 혼합시키고, 그 혼합된 용탕을 하측 개구부(8b)로 배출시키는 교반관(8)과, 상기 교반관(8)에 회전 동력을 제공하는 모터(1)를 포함하는 것을 구성상의 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 교반판(7)이 사각형 또는 삼각형, 반원형중의 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명 금속복합재료 제조용 용탕교반장치를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 금속복합재료 제조용 용탕교반장치의 구조도이다.

금속(알루미늄, 마그네슘 등)을 전기로(9) 내의 도가니(10) 내에 장입하고, 금속의 용해온도보다 50~100℃ 정도 높은 온도로 도가니(10)를 가열한다. 그 다음, 교반판(7)을 그 내면에 부착한 교반관(8)을 회전시키면서, 중공형인 교반관(8)의 상부에 위치한 강화재 주입구(2)와 상측 개구부(8a)를 통해 세라믹 강화재를 주입하여, 교반관(8)의 내부에서 용탕과 강화재를 교반, 혼합시킨다.

이때 종래의 교반날개(27, 도 1 참조)에 의해 발생되던 와류를 방지하기 위하여, 중공형인 교반관(8)의 내면에 교반판(7)을 일체형으로 형성하여, 종래의 교반날개(27)의 구조상 필연적으로 발생되던 와류 현상을 억제할 수 있는 구성을 하였다.

또한 상기 교반판(7)의 형상과 설치 각도, 갯수는 용탕과 강화재의 혼합특성을 감안하여 필요에 따라 선택적으로 선정, 설치될 수 있다. 즉, 상기 교반판(7)은 사각형, 삼각형, 반원형 등의 형상으로 제작될 수 있고, 교반관(8)의 내면에 부착될 때 필요에 따라 적절한 각도와 크기, 갯수가 결정되어 부착될 수 있다.

한편, 상기 교반관(8)은 모터(1)의 회전구동력을 벨트(6)를 통해 전달받아 교반력을 얻는데, 이러한 회전구동력의 전달은 상기 벨트(6)외에 기어 장치 등의 여러가지 일반적인 동력 전달 수단에 의해 이루어질 수 있다.

상기 과정을 거쳐 혼합된 용탕은 교반관(8)의 하측 개구부(8b)를 통해 배출되며, 이와 동시에 혼합되지 않은 금속용탕이 적절한 순환흐름을 따라 교반관(8)의 내부로 유입되어 상부에서 주입되는 강화재와 교반, 혼합되는 과정이 연속적으로 이루어지게 된다.

상기한 바와 같이, 종래의 교반날개(27)는 교반봉(28)의 말단부에 고정, 설치되어 교반봉(28) 외부의 용탕을 교반시키는 구조이기 때문에 와류가 발생할 수 밖에 없었으나, 본 발명에서는 교반관(8)과 교반관 내면에 일체형으로 형성된 교반판(7)이 동시에 회전되도록 하여, 용탕내부에 와류를 형성하지 않으면서 안정적으로 용탕이 교반되도록 하였다.

또한 종래처럼 용탕으로 인입되는 강화재 주입구(2, 도 1 참조)를 별도로 만들지 않고, 교반관(8)의 상부에 강화재 주입구(2, 도 3 참조)를 설치하도록 되어있어서 장치 제작도 보다 간단하게 되었다.

한편 본 발명의 용탕교반장치는, 분위기 가스를 주입시키는 가스 주입구(3)를 전기로(9)의 상부를 통과하도록 설치하여 내부 용탕의 산화를 방지하도록 하였고, 회전수 검출기(5)와 제어판(4)을 설치하여 교반관(8)의 적절한 회전수를 유지하도록 하였다.

상기와 같은 과정을 거쳐 강화제와 용탕의 혼합이 완료되면, 이 혼합물을 별도로 준비된 금형에 주입한 후 응고시켜, 금속복합재료를 제조하게 된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

[ 실시예 ]

금속복합재료를 제조하기 위하여 모재는 대표적인 주조용 Al합금인 AC8A합금을 이용하였다. 세라믹 강화재는 입자크기가 10㎛, 20㎛, 50㎛인 SiC입자를 이용하였다.

우선 도가니(10)내에 AC8A합금 3 kg을 넣고 전기로(9)의 온도를 720℃로 가열하였다. 이때 내부 용탕의 산화를 방지하기 위하여 가스 주입구(3)를 통하여 질소가스를 주입하면서 가열하게 된다.

용탕의 온도가 720℃에 도달한 후, 모터(1)를 이용하여 교반관(8)의 회전수를 250 rpm으로 하여 용탕을 교반하였다. 교반과 동시에 교반관(8) 상부에 설치된 강화재 주입구(2)를 통하여 소정의 온도로 예열된 SiC를 분당 10g씩 주입하였는데, 총 150g을 주입하여 질량분율이 5%가 되도록 하였다.

15분동안의 강화재의 주입이 종료된 후, 10분정도의 시간동안 교반을 더 행하여 강화재와 알루미늄 모재와의 고른 분산이 되도록 하였다.

교반이 완료된 후, 교반관의 회전을 정지 시키고, 도가니(10)내의 복합화된 용탕을 미리 200℃로 예열된 금형내에 주입, 응고시켜 금속복합재료를 제조하였다.

도 4는 본 발명의 금속복합재료 제조용 용탕교반장치를 사용하여, 제조한 금속복합재료의 미세조직(SiC입자)을 나타낸 단면조직 현미경사진이고, 도 5는 본 발명의 금속복합재료 제조용 용탕교반장치를 사용하여, 제조한 금속복합재료의 미세조직(알루미나 단섬유)을 나타낸 단면조직 현미경사진이다. 금속복합재료의 내부에 결함이 없는 건전한 미세조직이 형성된 것을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명의 금속복합재료 제조용 용탕교반장치는 교반관과 교반관 내부에 부착된 교반판을 일체형으로 형성하고, 세라믹 강화재의 주입구 역할을 하는 교반관의 내부에서 용탕을 교반 시킴으로써 용탕에 와류를 발생시키지 않아, 용탕내부에 공기나 가스 등의 기공 결함이 혼입되지 않는, 내부조직이 건전한 금속복합재료를 제조할 수 있는 효과를 제공해 준다.

Claims (2)

1. 도가니(10)와 전기로(9)를 갖춘 금속복합재료의 제조를 위한 용탕교반장치에 있어서,

   중공형의 형상을 가지고, 상기 도가니(10) 내의 용탕에 잠겨 회전하는 교반판(7)이 적어도 하나 이상 그 중공형 내면에 형성되면서, 상부의 강화재 주입구(2)와 상측 개구부(8a)를 통해 인입된 강화재를 용탕과 교반, 혼합시키고, 그 혼합된 용탕을 하측 개구부(8b)로 배출시키는 교반관(8)과,

   상기 교반관(8)에 회전 동력을 제공하는 모터(1)를 포함하는 것을 구성상의 특징으로 하는 금속복합재료 제조용 용탕교반장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 교반판(7)이 사각형 또는 삼각형, 반원형중의 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 금속복합재료 제조용 용탕교반장치.