KR100838043B1 - 용융금속 회전저항 계측시스템 및 그 방법 - Google Patents

용융금속 회전저항 계측시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR100838043B1
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충주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 용융금속 회전저항 계측시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 그 목적은 가열로로 가열된 도가니 내에 모재 금속 단독 또는 모재에 혼입되는 혼입재(또는 강화재)를 혼합 후 가열, 용융하여 일정온도에서 일정 규격으로 설계 제작된 교반자를 계획된 회전속도로 회전시켜 교반자와 용융금속 간의 표면마찰저항을 정밀하게 계측함으로써 용융금속 및 혼입재 투입 후의 변화된 점도를 실시간으로 비교 검출할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 도가니 내에 모재 금속 단독 또는 모재에 혼입되는 혼입재를 혼합 후 가열, 용융하여 일정온도에서 일정 규격으로 설계 제작된 교반자를 계획된 회전속도로 회전시키면서 교반자를 회전시키는 서보-모터에 걸리는 미소한 부하로 인한 서보 모터의 소비전력(전류) 변화량을 측정하여 용융금속의 점도변화를 검출하는 방법 및 이를 수행하는 장치 수단을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.
점도, 용융금속, 회전저항, 계측시스템, 교반자

Description

용융금속 회전저항 계측시스템 및 그 방법{System and Measuring method for Rotation-Resisting Force on the Molten Metal}
도 1은 본 발명 회전저항 계측시스템을 구성하는 혼입재 투입장치의 개략도이고,
도 2a 및 2b는 본 발명의 전체 합금제조장치의 일부 절개단면을 보인 정면도 및 측면 개략도이고,
도 3은 본 발명 회전계측시스템에 사용되는 중공형 교반자의 개략도이고,
도 4a는 도 2에 따라 제작된 본 발명을 포함한 전체 장치사진이고,
도 4b는 도 1에 따라 제작된 본 발명 회전저항 계측 시스템을 구성하는 혼입재 투입장치 사진이고,
도 4c는 용해 중인 경우의 사진이고,
도 5a 및 5b는 본 발명 장치를 사용하여 상용 AZ91합금에 평균 입자가 7μm인 고순도 SiC 입자를 250℃에서 열처리를 한 후 800rev/min의 회전 속도로 교반중인 도가니에 4-8g/min의 속도로 30wt%까지 첨가한 경우의 주사전자현미경 조직사진이고,(배율은 ×200(a), ×500(b)이며, 사진에서와 같이 균일하게 분포된 SiC입자들을 관찰할 수 있다.)
도 6은 Al-6wt%Si합금의 냉각속도 약 3℃/min으로 연속냉각시 점성도(η)에 대한 전단변형속도(
Figure 112006043357574-pat00001
)의 영향을 보여주는 그래프이고,
도 7은 도 6에서 계산한 전단변형속도와 점성도 값의 변화를 대수값으로 나타낸 그래프이고,
도 8은 도 6에서 계산한 전단변형속도와 전단응력(τ) 값의 변화를 대수값으로 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 베이스 커버(Base Cover) (2) : 단열재
(3) : 가열로 (4) : 열전대(Thermocouple)
(5) : 도가니(Crucible) (6) : 열전대
(7) : 교반자 (8) : 커플링(Coupling)
(9) : 서보-모터(AC Servo Motor) (10) : 중공 모터축
(11) : 깔대기 (12) : 고정용 지그(Fixing Jig)
(13) : 상하동작용 모터(Up/Down Motor) (14) : LM 가이드(LM Guide)
(15) : 스케일(Scale) (16) : 리미트 스위치
(19) : 서보-모터 드라이버 (18) : 온도제어-지시계
(17) : 스위치/램프
(20) : 콘트롤러(스위치, 램프, 온도지시계, 서보모터 드라이버)
(21) : 냉각용 압축공기 노즐(Cooling Nozzle)
(22) : 데이터 취득장치(Data Acquisition System)
(71) : 날개 (101) : 나선
본 발명은 용융금속 회전저항 계측시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 자세하게는 용융금속에 일정온도에서 일정 규격으로 설계 제작된 교반자를 계획된 회전속도로 회전시킬 때 교반자와 용융금속의 표면마찰저항을 정밀하게 계측함으로써 용융금속의 점도를 비교 검출하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
종래의 고온용 점도측정장치는 회전저항을 측정시 토오크(Torque) 측정장치를 부착하여 직접 측정함으로써 정밀하나 토오크장비 가격이 고가이며, 또한 정교한 값을 측정키 위해 상대적으로 복잡한 회로설계를 필요로 한다.
따라서 구성에 필요한 회로와 부대설비 등이 고가이며, 전체적인 장비의 구성과 설치비가 비싸게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 보다 간단한 회로설 게와, 저렴한 장치 제작으로 측정 가능토록 가열로로 가열된 도가니 내에 모재 금속 단독 또는 모재에 혼입되는 혼입재를 혼합 후 가열, 용융하여 일정온도에서 일정 규격으로 설계 제작된 교반자를 계획된 회전속도로 회전시켜 교반자와 용융금속 간의 표면마찰저항을 정밀하게 계측함으로써 용융금속 및 혼입재 투입 후의 변화된 점도를 실시간으로 비교 검출할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 도가니 내에 모재 금속 단독 또는 모재에 혼입되는 혼입재를 혼합 후 가열, 용융하여 일정온도에서 일정 규격으로 설계 제작된 교반자를 계획된 회전속도로 회전시키면서 교반자를 회전시키는 서보-모터에 걸리는 미소한 부하로 인한 서보 모터의 소비전류 변화량을 측정하여 용융금속의 점도변화를 검출하는 방법을 특징으로 한다.
상기 서보-모터에 걸리는 미소한 부하로 인한 서보 모터의 소비전류 변화량을 데이터 취득장치를 통해 얻을 수 있으며, 점도값의 보정은 점도값을 알고 있는 상용 표준 점도용액과의 실험수치와 비교하여 환산된 수치에 의해 측정된 전류 변화량을 점도로 환산 계산한다.
본 발명에서 측정코자 하는 용융금속의 점도물성은 용융금속의 온도에 따라 차이가 나는 물성이지만 합금 금속의 종류에 따라서도 차이를 나타내는 물성이다.
따라서 본 발명의 장치 및 방법은 용융금속의 온도를 정밀하게 제어하고 검출하며 교반자의 회전속도를 서보-모터에 의하여 맥동 없이 정밀하게 제어하는 수단을 구비하여 이와 같은 측정이 가능토록 하였다.
일반적으로 운동하고 있는 유체에서는 전단변형의 빠르기에 비례하는 전단응력이 발생하여 변형에 역행하려는 저항이 있게 된다. 이와 같은 성질에서 유체마찰이 생기는 성질을 점성(viscosity)이라 한다.
액체의 점성은 분자운도에 기인한 유체마찰 외에 분자인력(응집력)의 영향에 크게 지배받는다. 유체가 층상을 이루는 것은 이 분자의 응집력을 이겨내서 분자사이에 연속적인 미끄름을 일으키는 운동이라고 볼 수 있다. 즉 액체의 유체마찰의 대부분은 분자의 응집력에 기인한다고 볼 수 있다. 한편, 유체는 온도가 높으면 분자운동이 활발해지지만, 이와 반대로 분자의 응집력은 감소한다.
따라서 분자의 인력에 지배되는 액체에 있어서는 온도의 상승과 함께 점성은 급히 감소한다. 이와 같은 온도의 변화는 분자운동과 분자인력에 대하여 상반되는 효과를 미치고, 그 효과는 전자보다 후자에서 현저하다.
이런 까닭으로 액체의 점성은 온도의 하강과 함께 증대한다. 이와 같이 온도의 변화는 액체와 기체에 있어서 상반되는 효과를 일으킨다. 이러한 마찰력은 유체의 흐름에 나타나기 때문에 이 내부마찰에 이겨 각 층 사이에 미끄름을 일으키는 데는 힘이 필요하게 된다. 이 힘을 F, 전단력이 작용하는 면적을 A라 하면, 각 층 사이에 생기는 전단응력 τ는 식 (1)과 같이 주어진다.
Figure 112006043357574-pat00002
······················ (1)
여기서 F는 실험에 의하여 식 (2)와 같이 나타나며
Figure 112006043357574-pat00003
····················· (2)
여기에서 비례상수 K[kgf·s/m2 또는 N·s/m2]를 점성계수(coefficient of viscosity ) 또는 점도(viscosity)라 한다. 따라서 전단응력 τ는 식 (3)과 같이 점성계수 K와 전단변형속도(
Figure 112006043357574-pat00004
)의 곱으로 표시된다. 식 (3)은 Newton의 점성법칙이라 한다.
Figure 112006043357574-pat00005
····················· (3)
본 발명에 사용된 배치타입 합금제조용 혼입재 투입장치가 부착된 점도측정 장치의 주요 제원은 용해로와 전원공급장치, 교반장치, 점도측정회로, 분위기가스 공급장치 등이며, 개략도를 도 1에 나타내었다. 이 중 교반장치는 속도조절장치, 로터(rotor) 및 타코 제너레이터가 부착된 직류모타를 사용하여 일정한 교반속도를 유지토록 하였으며, 합금제조는 용탕을 일정온도부터 정해진 냉각속도를 유지하며, 흑연교반자(graphite stirrer)를 이용하여 고액구간 내에서 정해진 전단변형속도(shear rate)로 교반하였다. 합금들은 액상선보다 약 50℃ 이상에서 재용해되어 원하는 온도까지 연속교반하였으며 원하는 온도에 도달한 후 등온 교반시키면서, 시간의 변화에 따른 조직변화도 관찰 가능하다. 이때의 조직 관찰은 교반 종료후의 고상입자의 응집(sintering/aggregation)등의 조직의 변화를 방지하기 위하여 즉시 수냉 후 관찰한다.
합금 슬러리(slurry)의 온도측정은 용탕속에 삽입한 열전대(K-type)로 측정하였고, 슬러리온도 및 직류모타의 전류변화는 시간에 따라 기록계에 측정되었다. 냉각속도는 액상선과 주어진 실험온도의 차를 냉각시간으로 나누어 구하였으며, 제조합금의 고상율(고상부피분율, fraction of solid; fs)은 식 (4)의 Sheil식을 이용하여 구하였다.
Figure 112006043357574-pat00006
·········· (4)
(여기서, Tm : 금속의 용융점, TL: 액상선의 온도, T : 고액구간에서 용탕의 담금질(quenching)온도, k : 평형분배계수)
일반적으로 점성도는 Van Wazer로부터 식(5)와 같이 표현되어 진다.
Figure 112006043357574-pat00007
······················· (5)
정상상태(여기서는 전단변형속도가 일정하게 유지되는 상태)에서의 전단변형속도와 점성도의 관계는 Ostwald-de Waele power law 식으로 표현될 수 있으며 식(6)과 같이 나타낼수 있다.
Figure 112006043357574-pat00008
····················· (6)
또한, (6)식은 (5)식을 이용하여 (7)식과 같이 전단응력과 전단변형속도의 관계로 나타낼 수 있다.
Figure 112006043357574-pat00009
··················· (7)
측정된 점도값 등의 리오리지(rheology) 특성은 상용 고온점도계(HAAKE ME1700 Searle measuring system)를 이용하여 전단변형속도 변화에 따른 점성도변화를 측정하여 본 발명장치와 비교 분석하였다. 고온점도 측정은 상용 장비에 대한 기존에 보고된 측정상의 문제점들을 최소화하기 위해 반복실험과 세심한 주의를 기울여 정밀한 측정값을 얻을 수 있도록 주의하여야 한다.
구체적으로 상기와 같은 기술적 사상을 포함하고 있는 본 발명의 장치 구성은, 합금제조를 위해 용융될 모재 금속과 여기에 투입되는 혼입재가 담긴 도가니를 가열하는 가열로와, 용융된 금속 및 혼입재를 담고 있는 도가니와, 용융된 금속 및 혼입재를 교반하는 교반자를 포함하여 구성되는 합금제조장치를 구비한 후,
상기 도가니 내부에서 용융된 금속을 회전 교반시키는 내부가 중공으로 형성된 교반자와;
상기 교반자를 회전시키는 전동기 축과 교반자의 축을 연결하기 위한 축연결용 커플링과;
상기 교반자의 회전속도를 정밀하게 제어하여 정밀한 일정속도를 유지시키도록 축이 중공 모터축으로 제작된 서보모터와;
혼합 합금 목적으로 투입하는 분말 또는 칩 형태의 성분을 손실 없이 모아주는 기능을 하며 서보모터의 중공축(中空軸)과 중공(中空)형태의 교반자를 통하여 도가니 용융금속에 투입되도록 중공축 상부에 설치 구성된 깔대기와;
하부의 교반자와 교반자를 회전시키기 위한 상부의 서보-모터를 고정시키는 고정용 지그(Fixing Jig)와;
상기 전기 가열로의 온도를 정밀하게 유지시키기 위한 온도계측과 제어용 피드백 신호(Feed Back Signal)로 활용하는 온도 검출계인 열전대와;
상기 도가니의 온도를 정밀하게 유지시키기 위한 온도계측과 제어용 피드백 신호(Feed Back Signal)로 활용되는 온도 검출계인 열전대와;
각 장치를 제어하기 위한 서보-모터 드라이버, 온도제어-지시계, 전기로제어장치, 여러 복수개의 ON/OFF스위치, LM 가이드 상하동작 스위치 및 램프 및 서브모터 공급 전류 측정회로 등이 설치된 전기제어장치인 콘트롤러와;
상기 컨트롤러와 연결되어 용융금속 회전저항 계측장치를 자동으로 제어하고 계측데이터를 취득 저장하기 위한 컴퓨터와 소프트웨어를 포함하여 구성된 데이터 취득장치를 포함하여 구성된다.
상기 온도 측정은 열전대가 이를 데이터 취득장치가 읽어 표시한다. 재료의 점도는 온도에 매우 민감하므로 온도측정은 필수적이다.
상기 고정용 지그를 상하 이동시키도록 일측이 연결된 LM가이드의 리드-스크류(Lead Screw)를 회전 구동시키는 상하동작용 모터와;
상기 고정용 지그를 통하여 서보-모터와 교반자를 상하방향으로 동작시키기 위한 LM 가이드와;
상기 상하동작용 모터를 이용하여 고정용 지그(Fixing Jig)의 위치를 가늠하도록 LM가이드의 일측에 설치된 스케일과;
상기 고정용 지그의 상하동작 한계를 부여하기 위해 LM가이드 상의 임의의 상하 위치에 설치된 리미트 스위치를 더 포함하여 구성된다.
상기 중공(中空)형태의 교반자 내부에 중공단면 직경의 1/2 폭으로 날개를 부착하여 용융금속과 투입성분의 교반을 신속히 하며 회전저항을 증가시켜 용융금속의 점도변화를 정밀하게 비교 검출토록 구성한다.
상기 고온의 도가니 속에서 용융금속과 접하여 회전하는 교반자의 고온이 교반자와 커플링을 통하여 서보-모터까지 전도되는 것을 방지하기 위하여 교반자와 서보-모터 사이를 연결해 주는 플랜지 부분을 상온의 압축공기로 냉각시켜 주는 냉각용 압축공기 노즐을 더 포함하여 구성한다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 회전저항 계측시스템을 구성하는 혼입재 투입장치의 개략도이고, 도 2a 및 2b는 본 발명의 전체 합금제조장치의 일부 절개단면을 보인 정면도 및 측면 개략도인데, 이를 참조하여 본 발명 구성을 설명하면 다음과 같다.
베이스 커버(Base Cover, 1)는 장치의 골격을 지지하는 베이스(Base)와 프레임(Frame)을 내장하고 있는 철판으로 판금 제작되고 볼트로 고정되어 구성된다.
상기 베이스 커버 내부에는 전기 가열로(Furnace)의 고온이 외부로 전달되지 않도록 단열재가 내장되어 구성된다.
단열재(2)는 내부 가열로의 높은 온도가 외부로 전달되지 않도록 세라믹 섬유(Ceramic Form)를 이용하여 원통형의 가열로 외측과 베이스 커버(1) 내부 전체를 채우도록 구성된다.
가열로(3)는 도가니를 간접 가열하여 금속을 용융하기 위한 가열장치로서 인입되는 전력을 정밀하게 제어하여 용융금속의 온도를 목적하는 온도로 정밀하게 유지시키는 기능을 한다.
상기 본 발명 장치에 적용된 전기 가열로의 용량은 15킬로와트이며 최고온도는 섭씨 1,350도까지 분위기 가열이 가능하다.
열전대(Thermocouple, 4)는 전기 가열로의 온도를 정밀하게 유지시키기 위한 온도계측과 제어용 피드백 신호(Feed Back Signal)로 활용하기 위한 온도 검출계로, 상기 열전대는 K(CA)-Type 열전대이며 온도 검출-제어장치가 포함되어 있다.
도가니(Crucible, 5)는 용융금속을 장입하고 용융시키기 위한 용기이며 원형 단면으로 제작되고 그라파이트(Graphite)재질로 구성된다.
상기 도가니는 회전저항을 정밀하게 계측할 목적으로 용기의 밑면은 평면으로 제작하며 원형단면은 정확히 진원도를 유지하도록 제작하며 교반자가 회전하면 도가니 내부의 용융금속도 회전하게 되는데 이때 불필요한 마찰저항을 줄이고 회전저항을 정밀하게 계측할 목적으로 도가니 내부의 표면거칠기(표면조도)를 양호하게 제작한다.
또다른 열전대(6)는 도가니의 온도를 정밀하게 유지시키기 위한 온도계측과 제어용 피드백 신호(Feed Back Signal)로 활용하기 위한 온도 검출계로, 상기 열전대는 K(CA)-Type 열전대이며 온도 검출-제어장치가 포함되어 있다.
교반자(7)는 도가니 내부에서 용융된 금속을 회전시켜 교반하면서 회전저항을 계측하기 위한 것으로, 상기 교반자는 중공(中空)의 파이프로 제작하며 합금 목적으로 혼합하는 분말이나 칩 형태의 성분이 본 교반자의 내부(中空部分)를 통하여 도가니 내부의 용융금속에 투입, 혼합된다. 또한 내부와 외부의 표면 거칠기(표면조도)를 작고 균일하게 가공, 제작하며 용융금속을 고속으로 회전, 교반할 때 도가니 내부의 용융금속이 용출하여 도가니 외부로 흘러넘치지 않도록 하고 회전저항을 가능한 한 크게 하기 위하여 파이프의 내측에 원형단면의 반경 폭의 날개(71)를 부착하여 제작한다.
축연결용 커플링(Coupling, 8)은 교반자를 회전시키기 위한 전동기(AC Servo Motor)축과 교반자의 축을 연결하기 위한 것이다.
상기 커플링은 중공(中空)의 교반자와 중공(中空)의 모터 축을 연결해 주는 기능이므로 본 커플링도 단면의 중앙이 원형단면 중공(中空)으로 설계 제작되며 고속에서의 진동과 동적 평형(Balance)을 고려하여 정밀하게 제작한다.
축이 중공 모터축(中空軸;Hollow Motor Shaft, 10)으로 제작된 서보-모터(AC Servo Motor, 9)는 회전속도를 정밀하게 제어하고 일정속도를 정밀하게 유지시키기 위한 서보제어형 전동기이다.
상기 서보-모터(AC Servo Motor, 9)는 도가니 내부의 온도유지를 저해시키지 않고 일정하게 유지하며 교반자를 회전시키면서 합금 목적으로 혼합, 투입하는 분말이나 칩 형태의 성분을 투입하기 위하여 본 서보-모터의 축을 중공 모터축(中空軸;Hollow Motor Shaft, 10)으로 제작하며 중공 내면에 회전방향에서 아랫방향으로 향하도록 반원형단면의 나선(101)을 가공하여 설계, 제작한다.
또한, 중공(中空)형태의 교반자 내부에 중공단면 직경의 1/2 폭으로 날개를 부착하여 용융금속과 투입성분의 교반을 신속히 하며 회전저항을 증가시켜 용융금속의 점도변화를 정밀하게 비교 검출한다.
따라서 본 발명 서보-모터(Servo Motor)와 교반자가 회전하는 중에도 용융금속의 온도유지를 저해하지 않고 도가니 내부의 용융금속 중앙부분에 혼합 성분을 투입이 신속하고 일정하며 균일하게 혼합할 수 있게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명 장치는 용융금속과 교반자의 표면 마찰저항이 서보-모터의 부하로 작용하며 부하의 변화는 모터의 소비전력(전류)의 변화로 나타나며 본 전류의 미소한 변화를 용융금속의 점도변화로 검출한다.
깔대기(11)는 혼합 합금 목적으로 투입하는 분말 또는 칩 형태의 성분을 손실 없이 모아주는 기능을 하며 모터의 중공축(中空軸)과 중공(中空)형태의 교반자를 통하여 도가니 용융금속에 투입되도록 구성된다.
고정용 지그(Fixing Jig)(12)는 교반자와 교반자를 회전시키기 위한 서보-모터를 고정시키도록 구성된다.
상기 고정용 지그는 고속회전에 대응하도록 동심도와 동적 평형을 유지하도록 정밀하게 가공하며 회전에 대응토록 고속형 정밀 베어링이 설치된다.
서보-모터와 교반자는 본 고정용 지그 고정되고 이는 베이스에 수직방향으로 고정된 LM 가이드 운동판(Moving Plate)에 고정되어 상하방향으로 움직이도록 설계, 제작한다.
상하동작용 모터(Up/Down Motor, 13 )는 LM가이드의 리드-스크류(Lead Screw)를 회전 구동시키도록 구성된다.
상기 상하동작용 모터는 고정지그를 상하방향으로 동작시킴으로서 서보-모터와 교반자를 상하방향으로 동작시켜 교반자를 도가니 내부에 목적하는 위치에 적당 히 위치시키며 시험계측이 끝나면 교반자를 도가니에서 이탈시키는 기능을 한다.
LM 가이드(LM Guide, 14)는 고정용 지그를 통하여 서보-모터와 교반자를 상하방향으로 동작시키도록 구성되는데, 이 LM 가이드는 리드-스크류(Lead Screw)와 가이드 레일(Guide Rail)로 구성된다.
상하동작용 모터를 이용하여 고정용 지그(Fixing Jig)의 위치를 가늠하도록 설치된 스케일(Scale, 15)과;
상기 스케일은 스테인리스 자(Stainless Steel Scale Bar)이며 LM 가이드 측면에 고정, 부착한다.
리미트 스위치(Limit Switch, 16 )는 고정용 지그의 상하동작 한계를 부여하기 위한 스위치로 임의의 설정된 위치 상하에 각각 설치된다.
상기 리미트 스위치는 교반자가 동작한계를 이탈하여 도가니의 밑면에 접촉하여 손상시키는 일이 없도록 설치한 안전장치이다.
콘트롤러(스위치, 램프, 온도지시계, 서보모터 드라이버, 20)는 본 발명 상기 장치를 제어하기 위한 전기제어장치이다.
상기 콘트롤러는 서보-모터 드라이버(19), 온도제어-지시계(18), 전기로제어장치, 여러 복수개의 ON/OFF스위치, LM 가이드 상하동작 스위치 및 램프류 등으로 이루어진 스위치/램프(17) 등이 설치된다.
냉각용 압축공기 노즐(Cooling Nozzle, 21)은 교반자가 고온의 도가니 속에서 용융금속과 접하여 회전하므로 고온이 교반자와 커플링을 통하여 서보-모터까지 전도되는 것을 방지하기 위하여 교반자와 서보-모터 사이에서 이를 연결해 주는 플랜지 부분을 상온의 압축공기로 냉각시켜 주는 장치이다.
데이터 취득장치(Data Acquisition System, 22)는 본 발명 용융금속 회전저항 계측장치를 자동으로 제어하고 계측데이터를 취득 저장하기 위한 컴퓨터와 소프트웨어를 포함하여 구성된다.
상기 데이터 취득장치는 서보-모터의 자동/수동제어, 전기가열로 온도의 자동/수동제어, 온도계측-저장 등을 위한 장치이다.
도 3은 본 발명 회전계측시스템에 사용되는 중공형 교반자의 개략도를 도시하고 있는데, 단면이 원통관으로 내부가 중공으로 빈 상태이고, 내부 일측 반경부분에 회전시 젖기 기능을 하는 부재가 형성되어 교반하는 구조임을 알 수 있다.
도 4a는 도 2에 따라 제작된 본 발명을 포함한 전체 장치사진이고, 도 4b는 도 1에 따라 제작된 본 발명 회전저항 계측 시스템을 구성하는 혼입재 투입장치 사진이고, 도 4c는 용해 중인 경우의 사진을 도시하고 있는데, 도 1,2에 도시된 도면 구성에 해당하는 구성이 개시되어 있음을 알 수 있다.
도 5a 및 5b는 본 발명 장치를 사용하여 상용 AZ91합금에 평균 입자가 7μm인 고순도 SiC 입자를 250℃에서 열처리를 한 후 800rev/min의 회전 속도로 교반중인 도가니에 4-8g/min의 속도로 전체무게대비 30wt%까지 첨가한 경우의 주사전자현미경 조직사진이다.
상기 사진에서 주사전자현미경의 배율은 ×200(a), ×500(b)이며, 사진에서와 같이 균일하게 분포된 SiC입자들을 관찰할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.
(실시예 1)
도 6은 본 발명장치를 이용하여 Al-6wt%Si합금을 냉각속도 약 3℃/min으로 연속냉각시 점성도(η)에 대한 전단변형속도(
Figure 112006043357574-pat00010
)의 영향을 나타낸 그래프이다. 고상부피분율이 낮은 경우의 점성도는 전단변형속도의 증가에 영향을 크게 받지 않았으나, 고상부피분율이 큰 경우(fs =0.55)에서는 전단변형속도가 370s-1인 경우 점성도는 중유에 해당하는 100Pa·s이며, 150s-1인 경우는 500Pa·s의 값을 나타내었다. 즉 고상부피분율이 큰 경우에는 점성도는 전단변형속도가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있다.
표 1. Slope of shear rate vs. viscosity and shear stress in Al-6wt%Si alloy.
Figure 112006043357574-pat00011
도 7, 8은 연속냉각상태인 도 6에서 구한 전단변형속도, 전단응력 및 점성도 값을 식(6), (7)을 이용하여 양변에 대수값을 취하여 기울기에 의하여 n, m 값을 구한 것으로 fs = 0.3～0.6에서 측정하였다. 각각의 실험으로부터 Al-6wt%Si합금 경우, 기울기 “m" 의 값은 -1.16에서 -1.77, "n"의 값은 -0.16에서 -0.77사이로 나타났다. Ostwald-de Waele power law 식에서 m이 -1이하의 값을 가지면 의가소성성질을 갖는다. 그러므로 정상유동상태에서 Al-6wt%Si 반응고합금은 전단변형속도가 증가함에 따라 점성도가 감소하는 의가소성 성질을 갖고 있음을 알 수 있다.
금속시스템이 반응고상태에서 전단변형속도가 증가함에 따라 점성도가 감소하는 의가소성의 성질을 갖는다는 것은 중요한 의미를 가지고 있다. 즉, 성형시 에너지 절감이 가능하며, 보다 복잡한 형상의 near-net 형상의 주조가 가능하다는 것을 의미하므로 Ostwald-de-Waele power law식에서 구한 “m”의 값은 반응고가공프로세스의 주요변수로 작용한다.
m, n값들은 서로 다른 고온점도 측정방법과 측정시 야기될 수 있는 turbulence, gross solid particle segregation, adsorption, sedimentation, wall slip 등의 문제점들과 각각 고유특성을 가진 서로 다른 합금계에 대한 측정결과를 고려하여야 한다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 회전저항 측정을 부가되는 전류를 직접 측정하여 일반적 공식에 의해 간접적인 방법으로 점도를 손쉽게 측정할 수 있는 장치로 토오크 측정 장치에 비해 상대적으로 매우 저렴한 가격과 간단한 회로설계로 장치를 구성할 수 있으며 얻어지는 물성값은 고온용 점도측정 장치와 거의 동등한 물성값을 얻을 수 있는 장점과,
또한 본 발명에 따라 제조된 합금 소재는 교반 중에 혼합시키는 성분의 분말이나 칩이 손실 없이 용융금속 중에 투입되었다는 장점과,
투입재 혼합 조직이 균일하게 개선되었다는 장점과, 물성 및 기계적 특성 등이 우수한 소재를 효율적으로 제조할 수 있다는 장점과,
또한 도 6, 7, 8에서와 같이 본 발명에서 얻을 수 있는 점성도, 전단응력, 전단변형속도 등의 물성치는 반응고상태의 금속시스템에서 전단변형속도가 증가함에 따라 점성도가 감소하는 의가소성의 성질을 갖는 중요한 의미를 가지고 있으며, 이는 성형시 에너지 절감이 가능하며, 보다 복잡한 형상의 near-net 형상의 주조가 가능하다는 것을 의미함으로 반응고가공프로세스의 주요변수를 얻을 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

Claims (6)

  1. 합금제조를 위해 용융될 모재 금속과 여기에 투입되는 혼입재가 담긴 도가니를 가열하는 가열로와, 용융된 금속 및 혼입재를 담고 있는 도가니와, 용융된 금속 및 혼입재를 교반하는 교반자를 포함하여 구성되는 합금제조장치를 구비한 후,
    상기 도가니 내부에서 용융된 금속을 회전 교반시키는 내부가 중공으로 형성된 교반자와;
    상기 교반자를 회전시키는 전동기 축과 교반자의 축을 연결하기 위한 축연결용 커플링과;
    상기 교반자의 회전속도를 정밀하게 제어하여 정밀한 일정속도를 유지시키도록 축이 중공 모터축으로 제작된 서보모터와;
    혼합 합금 목적으로 투입하는 분말 또는 칩 형태의 성분을 손실 없이 모아주는 기능을 하며 서보모터의 중공축(中空軸)과 중공(中空)형태의 교반자를 통하여 도가니 용융금속에 투입되도록 중공축 상부에 설치 구성된 깔대기와;
    하부의 교반자와 교반자를 회전시키기 위한 상부의 서보-모터를 고정시키는 고정용 지그(Fixing Jig)와;
    상기 전기 가열로의 온도를 정밀하게 유지시키기 위한 온도계측과 제어용 피드백 신호(Feed Back Signal)로 활용하는 온도 검출계인 열전대와;
    상기 도가니의 온도를 정밀하게 유지시키기 위한 온도계측과 제어용 피드백 신호(Feed Back Signal)로 활용되는 온도 검출계인 열전대와;
    상기 각 장치를 제어하기 위한 서보-모터 드라이버, 온도제어-지시계, 전기로제어장치, 여러 복수개의 ON/OFF스위치, LM 가이드 상하동작 스위치/램프 및 서보모터공급전류 측정회로 등이 설치된 전기제어장치인 콘트롤러와;
    상기 컨트롤러와 연결되어 용융금속 회전저항 계측장치를 자동으로 제어하고 계측데이터를 취득 저장하기 위한 컴퓨터와 소프트웨어를 포함하여 구성된 데이터 취득장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용융금속 회전저항 계측시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정용 지그를 상하 이동시키도록 일측이 연결된 LM가이드의 리드-스크류(Lead Screw)를 회전 구동시키는 상하동작용 모터와;
    상기 고정용 지그를 통하여 서보-모터와 교반자를 상하방향으로 동작시키기 위한 LM 가이드와;
    상기 상하동작용 모터를 이용하여 고정용 지그(Fixing Jig)의 위치를 가늠하도록 LM가이드의 일측에 설치된 스케일과;
    상기 고정용 지그의 상하동작 한계를 부여하기 위해 LM가이드 상의 임의의 상하 위치에 설치된 리미트 스위치를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용융금속 회전저항 계측시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 중공(中空)형태의 교반자 내부에 중공단면 직경의 1/2 폭으로 날개를 부착하여 용융금속과 투입성분의 교반을 신속히 하며 회전저항을 증가시켜 용융금속의 점도변화를 정밀하게 비교 검출토록 구성한 것을 특징으로 하는 용융금속 회전저항 계측시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    고온의 도가니 속에서 용융금속과 접하여 회전하는 교반자의 고온이 교반자와 커플링을 통하여 서보-모터까지 전도되는 것을 방지하기 위하여 교반자와 서보-모터 사이를 연결해 주는 플랜지 부분을 상온의 압축공기로 냉각시켜 주는 냉각용 압축공기 노즐을 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 용융금속 회전저항 계측시스템.
  5. 상기 1항 내지 3항 중 어느 한항에 따른 용융금속 회전저항 계측시스템을 구비한 후, 도가니 내에 모재 금속 단독 또는 모재에 혼입되는 혼입재를 혼합 후 가열, 용융하여 일정온도에서 일정 규격으로 설계 제작된 교반자를 계획된 회전속도로 회전시키면서 교반자를 회전시키는 서보-모터에 걸리는 미소한 부하로 인한 서보 모터의 소비 전류 변화량을 측정하여 용융금속의 점도변화를 검출하는 방법을 특징으로 하는 용융금속 회전저항 계측방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 서보-모터에 걸리는 미소한 부하로 인한 서보 모터의 소비 전류 변화량을 데이터 취득장치를 통해 얻고, 점도값의 보정은 점도값을 알고 있는 상용 표준 점도용액과의 실험수치 비교에 의한 환산된 수치에 의해 측정된 전류 변화량을 점도로 환산 측정하는 방법을 특징으로 하는 용융금속 회전저항 계측방법.
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