KR100659285B1

KR100659285B1 - 플라즈마 아크 용해법 및 이를 이용한 고융점 활성금속소경봉 제조방법

Info

Publication number: KR100659285B1
Application number: KR1020050084749A
Authority: KR
Inventors: 권혁천; 임성철; 김경훈; 이흥복
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2006-12-20

Abstract

전기 이용율을 최대화할 수 있어 경제적이며 주조 후 얻어지는 소경봉 등의 품질 재현이 우수한 플라즈마 아크 용해법 및 이를 이용한 고융점 활성금속 소경봉 제조방법에 관해 개시한다. 본 발명의 가장 큰 특징은, 플라즈마 아크 용해공정을 행함에 있어서, 챔버의 진공도, 도가니용 냉각수 수압, 플라즈마 토치 건용 Ar 가스 압력, 진공챔버 Ar 가스 압력, 고융점 활성금속 재료와 플라즈마 토치 건 사이의 간격, 용탕 풀의 유지시간과 같은 공정변수를 적정화하였다는 것이다. 본 발명에 따르면, 우수한 품질의 주조품을 경제적으로 얻을 수 있다.

플라즈마, 아크, 용해법, 고융점 활성금속, 소경봉, 지르코늄, 이리듐

Description

플라즈마 아크 용해법 및 이를 이용한 고융점 활성금속 소경봉 제조방법 {Plasma arc melting method and method of fabricating small-diameter rod of high melting point active metal using the same}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 용해법을 적용하기 위한 고융점 활성금속용 플라즈마 아크 용해장치의 개략적 구성을 설명하기 위한 단면도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 제조된 Zr-15wt%Al합금 소경봉의 미세조직을 나타낸 사진; 및

도 3은 본 발명의 실시예에 따라서 제조된 Ti-6Al-4V합금 소경봉의 미세조직을 나타낸 사진이다.

본 발명은 플라즈마 아크 용해법 및 이를 이용한 고융점 활성금속 소경봉 제조방법에 관한 것으로서, 특히 전기 이용율을 최대화할 수 있어 경제적이며 주조 후 얻어지는 소경봉 등의 품질 재현이 우수한 플라즈마 아크 용해법 및 이를 이용한 고융점 활성금속 소경봉 제조방법에 관한 것이다.

에너지 절감, 자원절감, 자원 재활용 등 지구 에너지의 효율적 사용을 위해 산업 전반의 여러 분야에서 새로운 소재의 개발과 응용에 대한 관심이 고조되고 있는 실정이다. 그 중에서도 고융점 활성금속은 재료의 특성면에서 그 유용성이나 성능이 우수하지만 용해주조 및 성형기술이 까다로운 단점이 있다. 고융점 활성금속으로는 Zr, Ir, Hf, Ta, Ni 등이 있는데 지르코늄 및 지르코늄합금은 열중성자에 대한 흡수 단면적이 작고 농확산, 강알칼리, 염산에 강해 내식성이 매우 우수하다. 또한 지르코늄의 융점은 1800℃이상의 고온으로 티타늄(1660℃)보다 높으나 내열성은 약한 특성을 갖는다. 이와 같은 특성을 갖는 지르코늄 및 지르코늄 합금은 원자로의 재료, 전극재료, 진공관용 소재, 사진용 섬광전구소재 등으로 널리 사용되며, 철강업에서는 탈산, 탈황제, 내산재료로도 사용되고 있어 그 수요가 점점 증가하고 있다. 지르코늄 및 지르코늄합금은 일반적인 금속보다 용융점이 높아서 일반적인 용해방법으로는 용해가 곤란한 실정이며, 지르코늄과 하프늄은 동족으로 화학적 성질이 비슷하여 지르코늄에 약 2~3%정도의 하프늄(용융점:2207℃)이 잔존해 있다. 또한 이리듐은 용융점이 높고 강한 내부식 특성을 가지며 고온에서 산화물의 분해로 1100℃이상에서도 산화되지 않으며 미량원소의 첨가에 의해 내산화성이 크게 향상되는 성질을 가지고 있다. 그러나 연성이 적고 취약하여 가공성이 열약하고 용해 및 주조시 불순물의 혼입으로 가공이 어려워지는 단점을 갖고 있다.

이와 같은 고융점 금속의 용해법으로는 진공아크용해법, 전자빔 용해법, 플라즈마 아크용해법 등이 있다. 전자빔 용해법은 합금성분의 증발 손실에 의한 성분조절이 어려운 단점을 갖고 있다. 플라즈마 용해법은, 불활성 기체인 Ar가스를 수 천 도의 높은 온도로 가열하여 Ar원자가 원자핵과 전자로 유리되어 양 극성으로 분리되게 하며 고온의 불꽃을 발생시키고 도가니(Hearth) 부위에 극성을 걸어 고속, 고온의 플라즈마 제트(Zet)를 금속에 직접 분사하여 빠른시간 안에 금속을 용해시키는 방법이다. 플라즈마 용해법은 고융점 활성금속에 오염이나 산화 등의 어떠한 반응도 발생시키지 않으며 이를 쉽게 용해시킬 수 있다는 커다란 장점을 가지고 있다. 더욱이 다른 용해 방법과는 다르게 플라즈마 용해로의 특징은 저진공(10^-3∼10^-1 torr)에서 또는 대기압에서 불활성 가스 분위기에서도 사용이 가능하며, 이를 응용하면 보다 넓은 범위에 걸쳐 용해가 가능하며, 고융점 활성금속을 쉽게 잉곳(INGOT)이나 봉 형태로 제조할 수 있다는 것이다. 또한, 종래의 아크용해법에 비해 용융효율이 높고 전극물질의 침식에 의한 불순물 오염의 걱정이 없으며, 생산수율이 높고 아크의 불안정성이나 소음이 상대적으로 적다는 장점도 갖는다. 하지만 제조단가가 상대적으로 높은 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 취급이 용이하고 전기 이용율을 최대화할 수 있어 경제적이며 주조 후 얻어지는 소경봉의 품질 재현이 우수한 플라즈마 아크 용해법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 지르코늄합금, 이리듐 합금 등 고융점 활성금속의 용해기술과 주조기술을 확립하여 전극재료 등 산업용 지르코늄 및 지르코늄합금 소재와 전기접점재 및 이리듐선재용 소재 등으로 사용되는 고융점 활성금속 소경봉을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 플라즈마 아크 용해법은:

고융점 활성금속의 용해 시 외부 공기와의 접촉을 막고, 플라즈마 아크 생성을 원활히 하기 위한 분위기 제어를 할 수 있는 진공 챔버와, 상기 고융점 활성금속의 재료를 공급받도록 상기 챔버의 내부에 설치된 도가니와, 상기 도가니에 근접하게 설치되며, 상기 도가니에 투입된 고융점 활성금속의 재료를 용융시키는 플라즈마 아크를 생성하는 플라즈마 토치 건(plasma torch gun)을 구비하는 플라즈마 아크 용해장치를 이용하여 고융점 활성금속을 용해하는 방법으로서,

(a) 상기 진공 챔버 내부의 진공도를 2.0Pa 부근으로 유지하는 단계와;

(b) 상기 플라즈마 토치 건용 Ar 가스의 압력을 7kgf/㎠ 이상으로 하면서, 상기 플라즈마 토치 건과 상기 고융점 활성금속의 재료 사이의 거리를 3∼4㎝로 유지하는 한편, 플라즈마가 발생되어 고융점 활성금속을 녹이는 분위기의 Ar 가스의 압력을 0.04∼0.06Mpa로 유지하는 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 도가니를 냉각시키기 위한 순환식 수냉장치가 상기 도가니 부근 에 설치되며, 상기 플라즈마 아크 용해과정이 진행되는 동안 상기 도가니용 수냉장치의 냉각수의 압력을 5㎏/㎤ 부근으로 유지하며, 그 온도는 45℃가 넘지 않도록 순환시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (b) 단계를 수행하여 형성된 상기 고융점 활성금속의 용탕을 20∼200초 유지하는 단계를 더 거치는 것이 바람직하며, 상기 고융점 활성금속이 지르코늄 합금인 경우, 상기 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간을 50∼110초로, 상기 고융점 활성금속이 티타늄 합금인 경우, 상기 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간을 30∼50초로, 상기 고융점 활성금속이 이리듐 합금인 경우, 상기 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간을 110∼150초로 각각 설정하는 것이 더욱 바람직하다.

상기한 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고융점 활성금속 소경봉 제조방법은 기본적으로 상기한 플라즈마 아크 용해법을 응용하는 것이다. 즉, 본 발명의 고융점 활성금속 소경봉 제조방법은:

고융점 활성금속의 용해 시 외부 공기와의 접촉을 막고, 플라즈마 아크 생성을 원활히 하기 위한 분위기 제어를 할 수 있는 진공 챔버와, 상기 고융점 활성금속의 재료를 공급받도록 상기 챔버의 내부에 설치된 도가니와, 상기 도가니에 근접하게 설치되며, 상기 도가니에 투입된 고융점 활성금속의 재료를 용융시키는 플라즈마 아크를 생성하는 플라즈마 토치 건과, 상기 도가니로부터 용융된 고융점 활성금속을 주입받으며, 작은 직경의 용탕 주입구를 갖는 몰드부와, 상기 몰드부의 용탕 주입구 부근에 설치되어, 상기 용탕 주입구를 통과한 상기 용융된 고융점 활성금속을 급하게 응고시키는 수냉장치와, 상기 응고된 고융점 활성금속을 상기 용탕 주입구 아래로 이송시킴으로써 상기 고융점 활성금속의 소경봉의 길이를 길게 하는 이송장치를 구비하는 고융점 활성금속의 소경봉 제조장치를 이용하여 고융점 활성금속의 소경봉을 제조하는 방법에 있어서,

(b) 상기 플라즈마 토치 건용 Ar 가스의 압력을 7kgf/㎠ 이상으로 하면서, 상기 플라즈마 토치 건과 상기 고융점 활성금속의 재료 사이의 거리를 3∼4㎝로 유지하는 한편, 플라즈마가 발생되어 고융점 활성금속을 녹이는 분위기의 Ar 가스의 압력을 0.04∼0.06Mpa로 유지하는 단계와;

(c) 상기 고융점 활성금속의 용탕을 20∼200초 유지하는 단계와;

(d) 상기 고융점 활성금속의 용탕을 상기 용탕 주입구를 통해 주입시키는 단계와;

(e) 상기 주입된 용탕을 상기 용탕 주입구 부근의 수냉장치에 의해 응고시키면서 0.1∼10㎜/s의 속력으로 하강시키는 동시에 다시 그 위에 상기 고융점 활성금속의 용탕을 계속적으로 공급하는 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 도가니를 냉각시키기 위한 순환식 수냉장치가 상기 도가니 부근에 설치되며, 상기 플라즈마 아크 용해과정이 진행되는 동안 상기 도가니용 수냉장치의 냉각수 및 상기 용탕 주입구 부근의 수냉장치의 냉각수의 압력을 5㎏/㎤ 부근으로 유지하며, 그 온도는 각각 45℃가 넘지 않도록 유지시키는 것이 바람직하 다.

또한, 본 발명의 소경봉 제조에 있어서도, 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간은 상기한 플라즈마 아크 용해법에서의 용탕 유지시간과 동일하게 설정한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

[플라즈마 아크 용해법]

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 용해법을 적용하기 위한 고융점 활성금속용 플라즈마 아크 용해장치의 개략적 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 도시의 편의를 위해 도 1에서 고융점 활성금속의 소경봉 제조장치를 나타내었는데, 도 1에서, 제2 플라즈마 건(132), 몰드부(180), 소경봉(195), 상하 이송장치(150) 및 지지대(160)는 후술할 고융점 활성금속의 소경봉 제조장치에 포함되는 것으로서 본 발명의 플라즈마 아크 용해장치의 필수 구성요소는 아니다. 따라서, 위에 언급된 구성요소들을 제외하면, 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 용해법을 적용하기 위한 고융점 활성금속용 플라즈마 아크 용해장치를 구현할 수 있다.

플라즈마 아크 용해장치의 각 구성요소에 대한 특징은 다음과 같다.

(1) 진공챔버

본 실시예의 진공챔버(190)는 지름 1000mm, 깊이 1000mm의 용량으로 SUS 304 합금으로 제작되었으며, 플라즈마 사용시 발생되는 열의 방출을 방지하고자 이중 통구조에 의한 수냉 냉각방식을 적용하였다.

(2) 진공시스템

진공챔버(190)는 열교환기(110)를 거쳐 진공펌프에 연결되는데, 진공펌프로서 로터리 펌프(미도시)가 사용되며, 이에 의해 배기속도 1500l/min과 최대 배기진공도 5×10^-3 Torr의 진공능력을 낼 수 있도록 되어 있다.

(3) 전력 공급 시스템×

도 1에는 도시되지 않았지만, 본 플라즈마 아크 용해장치의 전력 공급 시스템의 경우, 입력 380V×3상, 출력 100V의 용량을 가지며 이를 위한 냉각수 사양은 온도 20℃ 이하, 사용압력 3kfg/㎤이다. 불활성가스 사양으로는 사용압력 6kfg/㎤이며, 유량 300l/min의 특징을 가지고 있다.

(4) 제어 시스템

플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 토치 건(130, 132)의 조정에 있어서 불활성 가스의 공급/차단 스위치와 플로우 미터(flow meter)를 장착하고 있으며 후술할 도가니(140) 제어를 위해 도가니 각도조절 스위치와 기울임 속도 제어기(미도시)가 장치되어 있다.

(5) 도가니

도가니(140)에서는 활성금속이 플라즈마에 의해 직접 용해된다. 고온에서 활성금속과 반응도가 낮은 Cu 합금을 이용하여 도가니를 제작하였으며, 고온의 플라즈마로부터 도가니(140)를 보호하기 위해 도가니(140) 내부에 냉각수가 고르게 순환하여 수냉되도록 하였다.

좀 더 구체적으로 고융점 활성금속용 플라즈마 아크 용해장치를 설명하면 다 음과 같다.

도 1을 참조하면, 챔버(190)는 고융점 활성금속의 용해 시 외부 공기와의 접촉을 막고, 플라즈마 생성을 원활히 하기 위한 분위기 제어를 할 수 있도록 진공유지를 위해 열교환기(110)를 통하여 진공펌프(미도시)에 연결된다. 고융점 활성금속의 재료는 깔대기 형상을 갖는 재료 투입장치(120)에 투입되며, 투입된 고융점 활성금속의 재료는 도가니(140)로 들어간다. 도가니(140)의 상부에는 플라즈마 아크를 생성하는 제1 플라즈마 토치 건(130)이 설치되어 있는데, 이는 제1 플라즈마 토치 건 경동장치(131)에 의해 상하방향이나 수평방향으로 그 끝부분이 움직일 수 있게 되어 있어서 도가니(140) 내에 투입된 고융점 활성금속의 재료 중에 용융되지 않은 부분이 있을 경우 그 부분으로 제1 플라즈마 토치 건(130)의 선단을 이동시켜서 그 부분에 집중적으로 플라즈마 아크를 가하여 용융시킬 수 있다. 도 1에서 설명되지 않은 참조번호 170은 챔버(190) 내부의 상태를 육안 관찰할 수 있도록 챔버(190)에 형성된 윈도우이다.

위와 같은 구조를 가진 고융점 활성금속용 플라즈마 아크 용해장치를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 용해법을 구현하는 것은 다음과 같다.

플라즈마 아크 용해(PAM) 방법은 아크열로 인한 비활성가스의 플라즈마 상을 형성하여 플라즈마 토치 건(130)의 노즐에서 플라즈마를 분출하게 되기 때문에 노즐에 인가하는 비활성가스의 압력이 중요하며, 플라즈마가 형성되는 분위기 제어를 통해서 불꽃의 건전성의 만들어 줄 수 있다. 이렇게 만들어진 플라즈마를 고융점 활성금속에 인가 시 적정한 거리의 제어로 인해 용해도중 용탕이 굳지 않고 열전달에 의해 주변에 풀(Pool)이 형성되어지기 때문에 고융점 활성금속과 플라즈마 토치 건의 노즐(Nozzle) 간의 적정한 간격이 매우 중요하다. 이와 함께 수반되는 용해가 이루어지는 챔버의 적정압력과 도가니 역할을 하는 Cu로 만들어진 도가니 부분의 적정한 수냉으로 인한 도가니의 용해방지제어 기술 주조를 하기위한 적정온도를 가진 용탕 풀을 형성하는 플라즈마 인가시간 제어기술 또한 중요한 요소이다. 따라서 적정한 플라즈마를 분출하기 위한 플라즈마 토치 건용 불활성 Ar 가스의 적정 압력은 7kgf/㎠이상을 유지하여야 했으며, 플라즈마가 발생되어 고융점 활성금속을 녹이는 분위기의 Ar가스 적정 압력을 0.04~0.06Mpa로 설정하여 플라즈마 불꽃의 건전성을 높일 수 있었다. 발생된 플라즈마를 고융점 활성금속에 인가하여 용융시킬 때 플라즈마 토치 건의 노즐과 고융점 활성금속간의 거리가 3∼4㎝일 때 고융점 활성금속의 용융속도나 도가니(140)에 미치는 영향 등을 고려해 볼 때 가장 적절하였다. 최초에 진공 챔버의 진공도는 2.0Pa로 설정하였으며 도가니의 수냉을 위한 적정 수압을 5kg/㎤로 하여 건전한 용해과정을 얻을 수 있었다. 한편, 도가니 부분의 용탕가열로 고융점 활성금속의 용융 풀을 형성하게 되는데, 이 용융 풀의 온도가 주조하기에 적합한 유동성을 충분히 갖게 되었을 때 적정 용탕 주입온도로 설정하는 것이 좋다. 이 온도값을 얻기 위해 풀 형성 후 플라즈마 유지시간에 따른 유동성 측정을 한 결과, 지르코늄 합금인 경우, 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간이 50∼110초일 때, 티타늄 합금인 경우, 용탕의 유지시간이 30∼50초일 때, 이리듐 합금인 경우, 용탕의 유지시간이 110∼150초일 때 가장 좋은 유동성을 얻을 수 있었다. 아래의 표 1에는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 용해법에서의 주요 공정 변수에 대한 최적 설정조건을 요약하여 나타내었다.

진공도	2.0Pa
도가니용 냉각수 수압	5kg/㎤
플라즈마 토치 건용 Ar 가스 압력	7kgf/㎠
진공챔버 Ar 가스 압력	0.04~0.06Mpa
고융점 활성금속 재료와 플라즈마 토치 건 사이의 간격	3∼4㎝
용탕 풀의 유지시간	1) 지르코늄 합금: 50∼110초 2) 티타늄 합금: 30∼50초 3) 이리듐 합금: 110∼150초

고융점 활성금속은 일반금속과 달리 용해하는 온도가 높고 주변의 환경에 노출되면 반응하여 품질이 저하되므로, 이를 주조(금속을 용해하여 일정한 형상을 갖는 물질로 만드는 과정)하는 것은 매우 어렵다. 잘 용해하는 것도 어렵고 또한 주조하는 과정에서 쉽게 굳어버려 특정 형상을 만들기 어려우며, 더욱이 연속적으로 길게 소경봉을 제조하기가 매우 까다롭다. 표 1의 조건은 주조하기 까다로운 고융점 활성금속을 잘 용해하여 어려운 주조를 할 수 있게 하는 정교한 조건인 것이다. 이러한 조건을 찾아내기가 어려우나 본 발명자들은 여러 번의 반복 실험 끝에 고융점 활성금속의 용해 및 소경봉 제조를 위한 적정한 조건을 얻은 것이다.

정리하자면, 플라즈마 토치 건과 녹이려는 고융점 활성금속과의 거리는 30~40mm가 적정하다. 너무 멀게 되면 고융점 활성금속이 부분적으로만 용해되거나 빨리 굳어 버려서 도가니를 기울여서 소경봉 연속제조장치에 부을 때 들어가지 않는다. 또한 너무 가까이 하면 용탕이 밖으로 튀게 되고, 비록 수냉은 되지만 Cu로 제작된 도가니에 무리가 가게 되어 위험하다. 합니다. 또한 위의 장치에서 고융점 활성금속의 용해를 위해 플라즈마 토치 건에서 발생하는 플라즈마를 가장 잘 생성하게 하기 위한 조건(고융점 활성금속을 잘 용해할 수 있는 플라즈마 조건)은 플라즈마 소스(Source)인 플라즈마 토치 건용 Ar의 압력은 7kgf/㎠이상 이고 주변의 진공챔버의 Ar 압력은 0.04∼0.06Mpa이다. Cu로 제작된 도가니는 고융점 활성금속을 담고, 그 안에서 용해시키는 그릇으로서, Cu 용융점 이상의 상당한 열을 받게 된다. 따라서 적정한 수냉을 해주지 않으면 도가니가 녹아버리게 된다. 이런 현상을 방지하고자 수냉을 하게 되는데, 이 때 적정한 수냉 압력은 5kg/㎠이다.

[고융점 활성금속의 소경봉 제조방법]

본 발명의 실시예에 따른 고융점 활성금속의 소경봉 제조방법을 구현하기 위해서는, 도 1에 도시된 고융점 활성금속의 소경봉 제조장치가 그 구성요소의 누락없이 전체적으로 사용된다. 그 과정에서, 고융점 활성금속을 용융시키고 용탕 풀의 유지시간을 표 1과 같이 설정하는 것까지는 위에 설명한 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 용해법과 동일하므로 중복을 피하기 위해 추가적인 설명을 생략한다. 도 1을 다시 참조하면, 용융된 고융점 활성금속은, 도가니 경동장치(미도시)에 의해 기울여진 도가니(140)로부터 용탕 주입구를 가지는 몰드부(180)로 주입된다. 용탕 주입구는 깔대기 형상으로 이루어져 있어서 이를 통과한 용융액이 응고할 경우 작은 직경의 봉이 만들어지도록 되어 있다. 한편, 몰드부(180)의 용탕 주입구에서 원하지 않게 응고된 고융점 활성금속은 몰드부(180)의 상부에 설치된 제2 플라즈마 건(132)에 의해 재용융될 수 있다. 제2 플라즈마 건(132)에는 상하 이동장치(미도시)가 설치되어 상하로 이동가능하다. 몰드부(180)의 용탕 주입구 부근에는 이를 통과한 용융된 고융점 활성금속을 급하게 응고시킬 수 있도록 수냉장치(미도시)가 설치된다. 이렇게 응고된 고융점 활성금속은 지지대(160)에 놓여진 후, 회전 모터를 포함하는 상하 이송장치(150)에 의해 작업자가 원하는 속도로 용탕 주입구 아래로 이송되는데, 이렇게 하면 고융점 활성금속의 소경봉(195)이 길게 성장할 수 있다.

(실험례)

미세조직 관찰을 위한 시편제작을 위하여 도 1의 소경봉 제조장치의 도가니에 소재 Zr-15wt%Al, Ti-6Al-4V합금을 장입한 후 균일한 조성을 얻기 위하여 5번 반복 용해하였으며, 용해 후 몰드에 주입시켜 인출속도 10mm/min의 속도로 소경봉을 주조하였다. 제조된 소경봉을 횡단방향으로 절단한 후 미세연마 하였으며, 미세조직관찰을 위해 Zr-15wt%Al합금은 증류수(Dist. Water) 45ml, 질산(Nitric acid) 45ml, 불산(Hydrofluoric acid)(40%) 10ml으로 Ti-6Al-4V합금은 Kroll's reagent를 사용하여 부식한 후 광학현미경을 사용하여 조직을 관찰하였다. 그 결과인 Zr-15wt%Al합금 소경봉의 미세조직 사진을 도 2에 나타내었다. 도 2에서 관찰할 수 있듯이 Zr합금의 일반주조재와 크게 차이가 나지 않고 미세한 침상조직이 나타남을 알 수 있다. 또한, 도 2의 (a) X500의 사진에서 미세한 침상구조의 조직이 작은 입자들로 배열되어 있음을 관찰할 수 있다.

한편, 도 3은 Ti-6Al-4V합금 소경봉의 미세조직사진으로 티타늄합금의 다양한 미세조직 중 미세등축정조직이 나타남을 알 수 있다. 도 2의 Zr-15wt%Al합금보다 더 미세한 조직을 관찰할 수 있으며, 또한 이런 미세한 등축정 조직을 가지는 재료는 균열생성에 대한 저항이 강하기 때문에 고주기 피로성질이 좋다. 도 1의 장치를 이용하여 제조한 Zr-15wt%Al합금과 Ti-6Al-4V합금 소경봉의 미세조직 관찰결과, 다른 진공장비를 이용하여 제조한 주조재와 크게 차이가 나지 않으므로 제조한 소경봉의 성질 또한 크게 차이가 나지 않음을 예측할 수 있었다. 인장특성 측정결과 고융점 이리듐 활성금속의 경우 평균 980Mpa의 인장강도 값은 나타내었으며, 고융점 지르코늄 활성금속의 경우 평균 523Mpa값을 나타내었다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 우수한 품질의 주조품을 경제적으로 얻을 수 있다.

Claims

고융점 활성금속의 용해 시 외부 공기와의 접촉을 막고, 플라즈마 아크 생성을 원활히 하기 위한 분위기 제어를 할 수 있는 진공 챔버와, 상기 고융점 활성금속의 재료를 공급받도록 상기 챔버의 내부에 설치된 도가니와, 상기 도가니에 근접하게 설치되며, 상기 도가니에 투입된 고융점 활성금속의 재료를 용융시키는 플라즈마 아크를 생성하는 플라즈마 토치 건을 구비하는 플라즈마 아크 용해장치를 이용하여 고융점 활성금속을 용해하는 방법에 있어서,

(a) 상기 진공 챔버 내부의 진공도를 2.0Pa 부근으로 유지하는 단계와;

(b) 상기 플라즈마 토치 건용 Ar 가스의 압력을 7kgf/㎠ 이상으로 하면서, 상기 플라즈마 토치 건과 상기 고융점 활성금속의 재료 사이의 거리를 3∼4㎝로 유지하는 한편, 플라즈마가 발생되어 고융점 활성금속을 녹이는 분위기의 Ar 가스의 압력을 0.04∼0.06Mpa로 유지하는 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 용해법.
제1항에 있어서, 상기 도가니를 냉각시키기 위한 순환식 수냉장치가 상기 도가니 부근에 설치되며, 상기 플라즈마 아크 용해과정이 진행되는 동안 상기 도가니용 수냉장치의 냉각수의 압력을 5㎏/㎤ 부근으로 유지하며, 그 온도는 45℃가 넘지 않도록 순환시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 용해법.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계를 수행하여 형성된 상기 고융점 활성금속의 용탕을 20∼200초 유지하는 단계를 더 거치는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 용해법.
제3항에 있어서, 상기 고융점 활성금속이 지르코늄 합금인 경우, 상기 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간이 50∼110초인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 용해법.
제3항에 있어서, 상기 고융점 활성금속이 티타늄 합금인 경우, 상기 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간이 30∼50초인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 용해법.
제3항에 있어서, 상기 고융점 활성금속이 이리듐 합금인 경우, 상기 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간이 110∼150초인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 용해법.
고융점 활성금속의 용해 시 외부 공기와의 접촉을 막고, 플라즈마 아크 생성을 원활히 하기 위한 분위기 제어를 할 수 있는 진공 챔버와, 상기 고융점 활성금속의 재료를 공급받도록 상기 챔버의 내부에 설치된 도가니와, 상기 도가니에 근접하게 설치되며, 상기 도가니에 투입된 고융점 활성금속의 재료를 용융시키는 플라즈마 아크를 생성하는 플라즈마 토치 건과, 상기 도가니로부터 용융된 고융점 활성금속을 주입받으며, 작은 직경의 용탕 주입구를 갖는 몰드부와, 상기 몰드부의 용탕 주입구 부근에 설치되어, 상기 용탕 주입구를 통과한 상기 용융된 고융점 활성금속을 급하게 응고시키는 수냉장치와, 상기 응고된 고융점 활성금속을 상기 용탕 주입구 아래로 이송시킴으로써 상기 고융점 활성금속의 소경봉의 길이를 길게 하는 이송장치를 구비하는 고융점 활성금속의 소경봉 제조장치를 이용하여 고융점 활성금속의 소경봉을 제조하는 방법에 있어서,

(a) 상기 진공 챔버 내부의 진공도를 2.0Pa 부근으로 유지하는 단계와;

(b) 상기 플라즈마 토치 건용 Ar 가스의 압력을 7kgf/㎠ 이상으로 하면서, 상기 플라즈마 토치 건과 상기 고융점 활성금속의 재료 사이의 거리를 3∼4㎝로 유지하는 한편, 플라즈마가 발생되어 고융점 활성금속을 녹이는 분위기의 Ar 가스의 압력을 0.04∼0.06Mpa로 유지하는 단계와;

(c) 상기 고융점 활성금속의 용탕을 20∼200초 유지하는 단계와;

(d) 상기 고융점 활성금속의 용탕을 상기 용탕 주입구를 통해 주입시키는 단계와;

(e) 상기 주입된 용탕을 상기 용탕 주입구 부근의 수냉장치에 의해 응고시키면서 0.1∼10㎜/s의 속력으로 하강시키는 동시에 다시 그 위에 상기 고융점 활성금속의 용탕을 계속적으로 공급하는 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 하는 고융점 활성금속의 소경봉 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 도가니를 냉각시키기 위한 순환식 수냉장치가 상기 도가니 부근에 설치되며, 상기 플라즈마 아크 용해과정이 진행되는 동안 상기 도가니용 수냉장치의 냉각수 및 상기 용탕 주입구 부근의 수냉장치의 냉각수의 압력을 5㎏/㎤ 부근으로 유지하며, 그 온도는 각각 45℃가 넘지 않도록 유지시키는 것을 특징으로 하는 고융점 활성금속의 소경봉 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 고융점 활성금속이 지르코늄 합금인 경우, 상기 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간이 50∼110초인 것을 특징으로 하는 고융점 활성금속의 소경봉 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 고융점 활성금속이 티타늄 합금인 경우, 상기 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간이 30∼50초인 것을 특징으로 하는 고융점 활성금속의 소경봉 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 고융점 활성금속이 이리듐 합금인 경우, 상기 고융점 활성금속의 용탕의 유지시간이 110∼150초인 것을 특징으로 하는 고융점 활성금속의 소경봉 제조방법.