KR100865657B1 - 반응고 금속 슬러리 제조용 주형, 반응고 금속 슬러리 제조장치, 반응고 금속 슬러리 제조 방법 및 반응고 금속슬러리 - Google Patents

반응고 금속 슬러리 제조용 주형, 반응고 금속 슬러리 제조장치, 반응고 금속 슬러리 제조 방법 및 반응고 금속슬러리 Download PDF

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Abstract

반응고 금속 슬러리 제조용 주형, 반응고 금속 슬러리 제조 장치, 반응고 금속 슬러리 제조 방법 및 반응고 금속 슬러리에서, 반응고 금속 슬러리를 제조하기 위해서 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기의 내측면에 금속 용탕을 다수의 줄기로 분리되게 공급하여 상기 용기의 바닥면에 층류 유동을 일으키도록 하여 상이 용기에 상기 금속 용탕을 제공한다. 그리고 상기 용기에 제공된 상기 금속 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득한다. 따라서 산화물이나 공기 포집 등으로 발생되는 불순물의 혼입을 최소화시킬 수 있으며 용융 금속의 냉각 속도와 과냉도를 증가시킴으로서 다수의 미세한 구형의 초정 핵들을 형성 유지할 수 있다.
반응고, 층류 유동, 슬러리, 유지 시간

Description

반응고 금속 슬러리 제조용 주형, 반응고 금속 슬러리 제조 장치, 반응고 금속 슬러리 제조 방법 및 반응고 금속 슬러리{CONTAINER FOR FORMING SEMI SOLID METAL SLURRY, APPARATUS FOR FORMING THE SEMI SOLID METAL SLURRY, METHOD OF FORMING THE SEMI SOLID METAL SLURRY AND THE SEMI SOLID METAL SLURRY}
본 발명은 반응고 금속 슬러리 제조용 주형, 반응고 금속 슬러리 제조 장치, 반응고 금속 슬러리 제조 방법 및 반응고 금속 슬러리에 관한 것이다. 보다 구체적으로 응고 상태와 용융 상태가 동시에 존재하는 반응고 금속 슬러리를 제조하기 위한 금속 슬러리 제조용 주형, 반응고 금속 슬러리 제조 장치, 반응고 금속 슬러리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 반응고 금속 슬러리에 관한 것이다.
도 1a 및 1b는 종래의 반응고 슬러리를 제조하는 방법을 시뮬레이션한 도면이다.
도 1a 및 1b를 순차적으로 참조하면, 금속 용탕이 커버의 중앙부를 통해 용기로 수직적으로 하강하기 때문에 주입 초기에 난류의 발생이 심함을 알 수 있다. 상기 난류가 발생하는 경우 산화물이나 공기의 포집이 일어나기 때문에 후속하여 반응고 슬러리 조성물을 사용하여 주조품을 제조하였을시 결함이 일어나는 문제점 이 있었다.
또한, 종래의 반응고 금속 슬러리 제조 방법으로 제조된 슬러리는 일반적으로 수지상의 조직 형태를 가지기 때문에 반응고 성형용 소재로서 용이하게 적용하수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명의 제1 목적은 상기한 문제점을 해결할 수 있는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 상기 반응고 금속 슬러리 제조용 주형을 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 상기 반응고 금속 슬러리 제조용 주형을 사용하는 반응고 금속 슬러리 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제4 목적은 상기 반응고 금속 슬러리 제조 방법으로 제조된 반응고 금속 슬러리를 제공하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응고 금속 슬러리 제조용 주형은 상부가 개방되며 내측면은 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기 및 개방된 상기 용기의 상부를 덮고 가장 자리를 따라 서로 이격하는 주입구들이 형성된 판형부 및 상기 판형부의 외주에 연결되는 펜스부가 일체로 형성된 커버를 포함한다. 그리고 상기 판형부의 주입구가 형성된 부분 및 상기 용기의 상단부가 서로 맞닿으면서 상기 커버와 상기 용기가 결합되고, 상기 주입구로 상기 용기의 상단부가 부분적으로 노출되고, 상기 용기의 상단부가 상기 주입구를 통해 노출되는 면적은 주입구 면적의 5% 내지 50%일 수 있다.
여기서 용기는 스테인레스강 또는 합금형강을 사용하여 형성되고, 상기 커버 는 내화재로 형성될 수 있다. 상기 주입구들 사이의 각도는 약 10도 내지 약 40도일 수 있다. 상기 주입구들의 개수는 약 10개 내지 약 20개일 수 있다.
상기 펜스부의 상부는 상방으로 연장하는 형상을 가지며, 상기 펜스부의 하부는 하방으로 연장하는 형상을 가지고 상기 용기의 외면 상단부와 밀착되어 상기 용기에 커버를 고정시킬 수 있다.
상기 판형부의 직경인 제1 길이(d1)를 기준으로, 상기 주입구의 직경인 제2 길이(d2)는 약 0.05d1 내지 약 0.15d1이고, 상기 펜스부가 갖는 폭인 제3 길이(d3)는 약 0.1d1 내지 약 0.2d1이고, 상기 커버의 직경이 갖는 제4 길이(d4)는 약 1.1d1 내지 약 1.2d1이고 상기 펜스부의 상부가 갖는 높이인 제5 길이(d5)는 약 0.2d1 내지 약 0.3d1이고, 상기 펜스부 전체의 높이인 제6 길이(d6)는 약 0.6d1 내지 약 0.8d1일 수 있다.
상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응고 금속 슬러리 제조 장치는 상부가 개방되며 내측면은 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기, 개방된 상기 용기의 상부를 덮고 가장 자리를 따라 서로 이격하는 주입구들이 형성된 판형부 및 상기 판형부의 외주에 연결되는 펜스부가 일체로 형성된 커버, 상기 용기의 외측벽을 감싸며 상기 용기의 온도를 높이기 위한 코일 및 상기 용기의 외측벽으로부터 이격되고 상기 용기의 온도는 낮추기 위한 쿨러를 포함한다. 여기서 상기 쿨러는 에어 인젝터 또는 가스 인젝터일 수 있다.
상기 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응고 금속 슬러리를 제조하기 위해서 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기의 내측면에 금속 용탕을 다수의 줄기로 분리되게 공급하여 상기 용기의 바닥면에 층류 유동을 일으키도록 하여 상이 용기에 상기 금속 용탕을 제공한다. 그리고 상기 용기에 제공된 상기 금속 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득한다. 여기서 상기 금속 용탕은 약 5분 이하의 유지 시간으로 유지될 수 있다.
상기 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 반응고 금속 슬러리를 제조하기 위해서 상부가 개방되며 내측면은 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기 및 개방된 상기 용기의 상부를 덮고 가장 자리를 따라 서로 이격하는 주입구들이 형성된 판형부와 상기 판형부의 외주에 연결되는 펜스부가 일체로 형성된 커버를 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형을 준비한다. 그리고 상기 커버에 유동성을 갖는 용융 상태인 금속 용탕을 제공한다. 그 후, 상기 금속 용탕이 상기 주입구를 통해서 상기 용기의 경사진 내측면을 타고 내려오면서 층류 유동을 유발시키면서 용기를 채우게 한다. 그리고 상기 용기에 제공된 상기 금속 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득한다.
상기 제4 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응고 금속 슬러리는 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기의 내측면에 금속 용탕을 다수의 줄기로 분리되게 공급하여 상기 용기의 바닥면에 층류 유동을 일으키도록 하여 상이 용기에 상기 금속 용탕을 제공하는 단계 및 상기 용기에 제공된 상기 금속 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득하는 단계를 수행하여 형성되고, 구형화율이 약 1.7 이하이고 초정의 크기가 약 100㎛ 이내일 수 있다. 여기서 상기 유지 시간은 5분 이내일 수 있다. 그리고 상기 반응고 금속 슬러리의 조성은 Al-7%Si- 0.35%Mg일 수 있다.
상기 제4 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응고 금속 슬러리는 상부가 개방되며 내측면은 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기 및 개방된 상기 용기의 상부를 덮고 가장 자리를 따라 서로 이격하는 주입구들이 형성된 판형부와 상기 판형부의 외주에 연결되는 펜스부가 일체로 형성된 커버를 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형을 준비하는 단계, 상기 커버에 유동성을 갖는 용융 상태인 금속 용탕을 제공하는 단계, 상기 금속 용탕이 상기 주입구를 통해서 상기 용기의 경사진 내측면을 타고 내려오면서 층류 유동을 유발시키면서 용기를 채우게 하는 단계 및 상기 용기에 제공된 상기 금속 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득하는 단계를 수행하여 형성되고 구형화율이 약 1.7 이하이고 초정의 크기가 약 100㎛ 이내일 수 있다.
상술한 바와 같이 용융 금속의 주입시 다원채널주입방식을 적용하여 층류형 유동 발생 수단을 사용함으로서 안정적인 층류 형성으로 산화물이나 공기 포집 등으로 발생되는 불순물의 혼입을 최소화시킬 수 있다.
또한, 용융 금속의 냉각 속도와 과냉도를 증가시킴으로서 다수의 미세한 구형의 초정 핵들을 형성 유지할 수 있다는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 반응고 금속 슬러리 제조용 주형, 반응고 금속 슬러리 제조 장치, 반응고 금속 슬러리 제조 방법 및 반응고 금속 슬러리에 대한 실시예들을 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 구성 요소들이 "제1", "제2", "제3", "제4", "제5" 또는 "제6"으로 언급되는 경우 이러한 구성 요소들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 구성요소들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "제3", "제4", "제5" 또는 "제6" 구성 요소들에 대하여 각기 선택적 또는 교환적으로 사용될 수 있다.
반응고 금속 슬러리 제조용 주형
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응고 금속 슬러리 제조용 주형의 단면도이며 도 3은 도 2에 도시된 반응고 금속 슬러리 제조용 주형의 평면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 반응고 금속 슬러리 제조용 주형(100)은 용기(10) 및 커버(20)를 포함한다.
용기(10)는 커버(20)를 통해 투입되는 금속 용탕이 혼합 및 저장되는 공간을 제공하는 역할을 한다. 용기(10)는 상부가 개방된 컵과 같은 형상을 가질 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용기(10)의 내부 폭은 하부에서 상부로 갈수록 커지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 용기(10)의 내측면은 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖도록 구성될 수 있다.
이 경우, 금속 용탕이 용기(10)로 투입될 때 내측면을 따라서 이동되어 용 기(10)를 채우기 때문에 공기의 포집을 줄일 수 있으며 불균일한 핵생성 사이트가 충분히 제공된다는 장점이 있다. 또한, 후속하여 반응고 금속 슬러리를 용기(10)로부터 용이하게 빼낼 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용기(10)는 "SUS 304 스틸"과 같은 스테인레스강 또는 "SKD61종"과 같은 합금형강을 사용하여 형성할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이 용기(10)의 내측면이 양의 기울기를 갖도록 구성되기 때문에 용기(10)의 측벽은 하부에서 상부로 갈수록 폭이 작아지는 형상을 가질 수 있다.
커버(20)는 커버(20)의 위쪽으로부터 제공되는 금속 용탕을 용기(10)에 제공하는 역할을 한다. 그리고 커버(20)는 금속 용탕이 직접적으로 제공되는 부분인 바 열에 상대적으로 강한 내화 벽돌 또는 루미보드와 같은 내화재를 사용하여 형성할 수 있다. 이와 다르게 커버(20)는 용기(10)와 실질적으로 같은 재질을 사용하여 형성할 수 있다.
커버(20)는 용기(10)의 개방된 상부를 덮는 판형부(21) 및 판형부(21)의 외주에 연결되는 펜스부(22)를 포함하며 본 발명의 일 실시예에 따르면 판형부(21) 및 펜스부(22)는 일체로 형성될 수 있다.
판형부(21)의 가장자리에는 다수의 주입구(1)들이 서로 실질적으로 균일하게 이격하여 형성되어 있다. 주입구(1)들을 통해서 판형부(21)로 제공된 금속 용탕이 용기(20)로 이동되게 된다.
서로 인접하는 주입구(1)들 사이의 각도(θ)가 약 10도 미만인 경우, 주입구(1)들 사이의 부분이 상대적으로 좁은 폭을 갖기 때문에 쉽게 열화될 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 서로 인접하는 주입구(1)들 사이의 각도(θ)가 약 40도를 초과하는 경우, 주입구(1)들 사이의 간격이 상대적으로 커서 금속 용탕이 외부로 이탈될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 서로 인접하는 주입구(1)들 사이의 각도(θ)는 약 10도 내지 약 40도일 수 있다.
주입구(1)의 개수가 10개 미만인 경우, 주입구(1)의 개수가 상대적으로 적어서 금속 용탕이 충분히 용기(20)로 배출되지 않고 외부로 이탈될 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 주입구(1)의 개수가 20개를 초과하는 경우, 주입구(1)의 개수가 상대적으로 많아서 주입구(1)들이 형성되는 판형부(21)의 가장자리가 쉽게 열화될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 주입구(1)의 개수는 10개 내지 20개일 수 있다.
펜스부(22)의 상부(22a)는 상방으로 연장하는 형상을 갖기 때문에 금속 용탕이 판형부(21)에 제공될 때 주변으로 금속 용탕이 흘러 이탈하는 것을 방지하는 역할을 한다. 그리고 펜스부(22)의 하부(22b)는 하방으로 연장하는 형상을 갖기 때문에 용기(10)의 외면 상단부와 밀착되어 용기(10)에 커버(20)를 고정시키는 역할을 한다.
도 3에 도시된 바와 같이 판형부(21)의 주입구(1)가 형성된 부분과 용기(10)의 상단부는 서로 맞닿으면서 커버(20)가 용기(10)와 결합된다. 따라서 커버(20)의 판형부(21) 가장자리에 형성된 주입구(1)에는 용기(10)의 상단부가 부분적으로 노출되게 된다.
용기(10)의 상단부가 주입구(1)를 통해 노출되는 면적이 주입구(1) 전체 면적의 약 5% 미만인 경우 금속 용탕이 용기(10) 내벽을 타고 용이하게 흐리지 못한다는 문제점이 있다. 반면에 용기(10)의 노출되는 상단부의 면적이 주입구(1) 면적의 약 50%를 초과하는 경우 주입구(1)를 통해 용기(20)로 제공될 수 있는 금속 용탕의 양이 상대적으로 적어 금속 용탕이 판형부(21) 주변으로 이탈할 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 용기(10)의 상단부가 주입구(1)를 통해 노출되는 면적은 주입구(1) 전체 면적의 약 5% 내지 약 50%일 수 있다.
판형부(21)의 직경은 제1 길이(d1)일 수 있다. 이 때 판형부(21)의 가장자리에 형성되는 주입구(1)의 직경인 제2 길이(d2)가 약 0.05d1 미만인 경우, 주입구(1)의 크기가 상대적으로 작아 판형부(21)에 주입되는 금속 용탕이 주입구(1)들을 통해 용이하게 용기(10)로 제공될 수 없다는 문제점이 있다. 제2 길이(d2)가 약 0.15d1을 초과하는 경우, 금속 용탕이 다수의 주입구(1)들 중 소수의 주입구(1)들만 통해 용기(10)로 제공될 수 있어 용기(10) 내부에서 금속 용탕이 고르게 섞일 수 없다는 문제점이 있다. 따라서 주입구(1)의 직경인 제2 길이(d2)는 약 0.05d1 내지 약 0.15d1일 수 있다.
펜스부(22)가 갖는 폭인 제3 길이(d3)가 약 0.1d1 미만인 경우 판형부(21)에 제공되는 금속 용탕이 외부로 이탈하는 것을 효과적으로 방지할 수 없으며 금속 용탕이 판형부(21)에 제공될 때 판형부(21)에 가해지는 외력을 지탱할 수 없다는 문제점이 있다. 반면에 제3 길이(d3)가 약 0.2d1을 초과하는 경우 커버(20)의 무게가 증가하여 커버(20)를 효과적으로 용기(10)와 결합시키거나 분리시킬 수 없다는 문 제점이 있다. 따라서 제3 길이(d3)는 약 0.1d1 내지 약 0.2d1일 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 펜스부(22)가 갖는 폭인 제3 길이(d3)가 약 0.1d1 내지 약 0.2d1인 경우, 커버(20)의 직경이 갖는 제4 길이(d4)는 약 1.1d1 내지 약 1.2d1일 수 있다.
펜스부(22)의 상부(22a)가 갖는 높이인 제5 길이(d5)가 약 0.2d1 미만인 경우 판형부(21)에 제공되는 금속 용탕이 펜스부(22)의 상부(22a)를 넘어서 외부로 이탈될 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 제5 길이(d5)가 약 0.3d1을 초과하는 경우 커버(20)의 무게가 증가하여 커버(20)를 효과적으로 용기(10)와 결합시키거나 분리시킬 수 없다는 문제점이 있다. 따라서 제5 길이(d5)는 약 0.2d1 내지 약 0.3d1일 수 있다.
펜스부(22)의 전체 높이인 제6 길이(d6)가 약 0.6d1 미만인 경우 펜스부(22)의 하부(22b)가 갖는 길이가 상대적으로 작아 용기(10)와 결합시키는 역할을 효과적으로 수행할 수 없다는 문제점이 있다. 반면에 제6 길이(d6)가 약 0.8d1을 초과하는 경우 펜스부(22)의 하부(22b)가 갖는 길이가 상대적으로 길어 커버(20)를 효과적으로 용기(10)부터 결합시키거나 분리시킬 수 없다는 문제점이 있다. 따라서 펜스부(22)의 높이인 제6 길이(d6)는 약 0.6d1 내지 약 0.8d1일 수 있다.
반응고 금속 슬러리 제조 장치
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응고 금속 슬러리 제조 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 반응고 금속 슬러리 제조 장치(100)는 도 2 및 3에 도시된 반응고 금속 슬러리 제조용 주형에 코일(30) 및 쿨러(40)를 더 포함한다. 반응고 금속 슬러리 제조용 주형은 도 2 및 3에서 설명된 바와 실질적으로 동일한바 이에 대한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 반응고 금속 슬러리 제조용 주형에 포함되는 용기(10)의 외측벽에 코일(30)이 감기게 된다. 코일(30)은 용기(10)에 커버(20)를 통해서 제공되는 금속 용탕이 반응고 상태가 될 수 있도록 적당한 온도 조건을 만들기 위해 열을 용기(10)에 가하는 역할을 한다.
본 실시예에서는 용기(10)의 온도를 증가시키기 위해서 코일(30)을 사용하였으나 이에 제한되지 않으며 코일(30)을 대신하여 사용될 수 있는 다양한 종류의 히터가 사용될 수도 있다.
쿨러(40)는 코일(30)이 감겨있는 용기(10)의 외측벽과 소정거리 이격되어 위치할 수 있으며 금속 용탕을 반응고 상태로 형성할 때 용기(10)의 온도를 요구되는 수치만큼 낮추는 역할을 한다. 상술한 쿨러(40)의 예로서는 에어 인젝터(air injector) 또는 가스 인젝터(gas injector)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 실시예에 따른 반응고 금속 슬러리 제조 장치는 코일(30) 및 쿨러(40)를 포함하기 때문에 코일(30) 및 쿨러(4)의 상호 작용을 통하여 용기(10)의 온도를 다양한 반응고 금속 슬러리를 제조하는데 요구되는 수치로 형성할 수 있다.
반응고 금속 슬러리 제조 방법
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응고 금속 슬러리 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 반응고 금속 슬러리를 제조하기 위해서 우선 상부가 개방되고 내측면이 경사진 용기 및 상기 용기를 덮고 가장자리를 따라 주입구들이 형성된 커버를 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형을 준비한다(S10).
여기서 상기 반응고 금속 슬러리 제조형 주형은 도 2 및 3에서 이미 설명된 반응고 금속 슬러리 제조형 주형과 실질적으로 동일한바 이에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
이어서 커버에 유동성을 갖는 용융 상태인 금속 용탕을 제공한다(S20). 커버에 금속 용탕을 제공할 때 푸어링(pouring) 법을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
그 후 금속 용탕이 상기 주입구를 통해서 상기 용기의 경사진 내측면을 타고 내려오면서 안정적인 나선형의 층류 유동(laminar flow)을 유발시키면서 용기를 채운다(S30).
그 후 용기에 제공된 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득한다(S40).
용탕은 슬러리의 조직 균일도를 높이기 위해서 소정의 유지 시간 동안 유지되며 도 4를 참조하여 설명된 반응고 금속 슬러리 제조용 주형에 추가로 구성되는 코일 등의 히터와 에어 인젝터 등의 쿨러를 사용하여 반응고 금속 슬러리 제조용 주형의 온도를 요구되는 수치로 조절하여 유지시킬 수 있다. 또한, 유지시간이 약 5분을 초과하는 경우 초정의 크기가 과도하게 커질 수 있는바 유지시간은 약 5분 이내인 것이 바람직하다.
도 6a 내지 6f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응고 금속 슬러리 제조 방법에 의해서 금속 용탕이 용기를 채울 때의 금속 용탕의 흐름을 시뮬레이션한 도면들이다.
도 6a를 참조하면, 상부가 개방되고 내측면이 경사진 용기 및 상기 용기를 덮고 가장자리를 따라 주입구들이 형성된 커버를 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형의 커버에 금속 용탕을 제공하였다.
제공된 금속 용탕은 커버의 가장자리에 형성된 주입구를 통해서 용기로 투입되었으며 보다 구체적으로 용기의 경사진 측벽을 따라서 흘러내렸다. 여기서 금속 용탕이 용기의 경사진 측벽을 따라 흘러내리기는 경우 금속 용융이 미리 냉각되기 때문에 융점 이하의 온도로 과냉시켜 미세하게 생성된 핵들이 다수 존재하는 상태로의 제어가 용이하다는 장점이 있다.
도 6b 내지 6f를 순차적으로 참조하면, 용기의 경사진 내측면을 따라서 흘러 내린 금속 용탕은 용기의 바닥에서 서로 만나서 층류 유동(laminar flow)을 발생시키면서 용기를 채운다.
상술한 바와 같이 다수의 주입구로부터 다중 주입 방식으로 금속 용탕이 용기로 주입되기 때문에 용기로의 주입 초기에 난류의 발생이 최소화된다. 또한, 층류 유동을 발생시키면서 용기가 금속 용탕으로 채워지기 때문에 산화물이나 공기의 포집으로 인해 반응고 금속 슬러리를 사용하여 형성된 제품에서 발생될 수 있는 주조 결함을 줄일 수 있다.
반응고 금속 슬러리의 제조
도 4에 도시된 것과 같은 반응고 금속 슬러리 제조 장치를 준비하였다. 구체적으로 용기는 "SUS 304 스틸"을 사용하여 형성하였으며 커버는 루미보드를 사용하여 형성하였다. 용기와 커버의 무게는 약 3kg이었다.
커버의 가장자리를 따라 형성되는 주입구의 개수는 15개로 하였으며 용기의 상단부가 주입구를 통해 노출되는 면적은 약 25%로 하였다. 그리고 판형부의 직경은 약 75mm로 하였으며 판형부의 가장자리에 형성되는 주입구의 직경은 10mm로 하였다.
펜스부의 폭은 약 12mm로 하여 커버의 전체 직경이 약 87mm가 되도록 하였다. 또한, 펜스부의 전체 높이는 약 52mm로 하였다. 그리고 판형부에 제공되는 용탕이 외부로 이탈하는 것을 방지하는 펜스부의 상부의 높이는 약 20 mm로 하였다. 그리고 히터로서 반응고 금속 슬러리 제조용 주형의 외측벽에 감기는 코일을 채용하였으며 쿨러로서 에어 인젝터를 채용하였다.
상기와 같은 구성을 갖는 반응고 금속 슬러리 제조형 주형의 판형부에 알루미늄-실리콘-마그네슘 합금의 금속 용탕을 제공하였다. 이 때, 상기 금속 용탕을 주형의 판형부로 푸어링하는 방식으로 제공하였다.
보다 구체적으로 알루미늄-실리콘-마그네슘 합금에 포함된 실리콘 및 마그네슘의 중량비는 각각 약 7% 및 약 0.35%이었으며 불가피한 불순물 및 잔량의 알루미늄을 포함하여 구성되었다.
반응고 금속 슬러리를 형성하기 위해서 반응고 금속 슬러리 제조형 주형을 히터 및 쿨러를 사용하여 온도가 약 250도가 되도록 예열시켰다. 알루미늄-실리콘-마그네슘 합금이 판형부로 제공될 때의 온도는 약 650도로 하였으며 약 580도로 하여 초기 조직을 형성하고 약 5분 정도의 시간 동안 유지시켰다.
여기서 알루미늄-실리콘-마그네슘 합금이 판형부로 푸어링된 후 용기의 내측면을 따라서 흘러 용기가 채워졌다. 용기가 채워지는 과정에서 균일한 조직 특성이 가능하도록 층류 유동이 발생되었다.
도 7은 Al-7%Si-0.35%Mg 합금을 다중 주입 방식을 사용하여 주형 예열온도 약 250℃ 주입 온도 약 650℃에서 주입한 뒤 약 580℃에서 수냉시킨 초기 조직사진이다. 도 8은 유지 시간 5분에서의 반응고 알루미늄 합금 슬러리의 미세 조직 사진이다.
도 7 및 8을 참조하면, 초기 조직과 유지 시간 5분에서의 슬러리의 조직 형태는 구형상이다. 그러나 초기 조직에서는 구형상이긴 하지만, 슬러리 소재 전체적으로 볼 때 슬러리의 가장 자리부와 중심부간에 균일한 조직을 보여주지는 않았다. 그러나 유지 시간 5분의 슬러리 조직에서는 전체적으로 균일하면서 구형상인 조직 형태를 보여주었다.
도 9는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형과 인접한 부분에서 촬영한 Al-7%Si-0.35%Mg 합금 슬러리로서 유지 시간을 5분으로 한 미세 조직 사진을 나타낸다. 도 10은 Al-7%Si-0.35%Mg 합금 슬러리로서 유지 시간을 5분으로 하고 중앙부에서 촬영한 미세 조직 사진이다.
도 9 및 10을 참조하면, 반응고 금속 슬러리 제조용 주형과 인접한 부분과 중앙의 미세 조직은 고주파 유도 가열에 의한 급속 균일 가열로 인하여 주형내의 온도 분포가 균일하게 되므로 미세 조직은 균일하였고 초정의 형상은 구형화율이 약 1.7 이하인 구형상의 조직 형태로 나타났으며 크기가 약 100um(마이크로미터)이내였다.
유지 시간에 따른 반응고 알루미늄 합금 슬러리의 초정 크기 실험
상술한 반응고 금속 슬러리의 제조와 같이 반응고 금속 슬러리를 제조하되 유지 온도를 각각 약 580도, 약 590도, 약 600도 및 약 610도로 하고 유지 시간을 증가시키면서 초정 크기를 측정하였다.
도 11은 유지 시간에 따른 알루미늄 합금 슬러리의 초정 크기를 나타내주는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 초기 조직이 가장 미세하였으나 유지 시간이 길어질수록 초정의 크기가 조대화 기구에 의하여 조대화되는 경향을 나타내었다. 따라서 반응고 알루미늄 합금 슬러리 제조시 유지 시간 5분 이하로 하는 것이 적합함을 알 수있었다.
유지 시간에 따른 반응고 알루미늄 합금 슬러리의 구형화율 실험
상술한 반응고 금속 슬러리의 제조와 같이 반응고 금속 슬러리를 제조하되 유지 온도를 각각 약 580도, 약 590도, 약 600도 및 약 610도로 하고 유지 시간을 증가시키면서 구형화율을 각각 측정하였다.
도 12는 유지 시간에 따른 알루미늄 합금 슬러리의 구형화율을 나타내는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 모든 온도 조건에서 유지 시간에 비교적 무관하게 상대적으로 우수한 구형화율인 약 1.7 이하의 수치를 나타냄을 알 수 있었다.
본 발명에 따르면, 액상의 기지 내에 미세한 초정들이 구형의 입자상으로 분산, 존재하여 반응고 형성에 적합한 틱스트로픽 특성을 가지도록 제어하고 층류 유동을 갖도록 다원채널방식으로 주입한다.
또한 본 발명에 따른 제조 장치를 사용하면 용융 금속의 냉각속도와 과냉도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 다수의 미세한 구형의 초정 핵들을 신속하고 안정적으로 형성하고 층류 유동을 가지도록 함으로서 불순물 혼입을 최소화시킬 수 있다. 따라서 합금 조직의 미세 조직 제어 등 이용 가능성이 무한하고 높은 생산성과 실용화의 가치가 높다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 반응고 금속 슬러리 제조용 주형, 반응고 금속 슬러리 제조 장치, 반응고 금속 슬러리 제조 방법 및 반응고 금속 슬러리에서에 대해서 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 내지 1b는 종래의 반응고 금속 슬러리 제조 방법을 시뮬레이션한 도면들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응고 금속 슬러리 제조용 주형의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 반응고 금속 슬러리 제조용 주형의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응고 금속 슬러리 제조 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응고 금속 슬러리 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6a 내지 6f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응고 금속 슬러리 제조 방법에 의해서 금속 용탕이 용기를 채울 때의 금속 용탕의 흐름을 시뮬레이션한 도면들이다.
도 7은 Al-7%Si-0.35%Mg 합금을 다중 주입 방식을 사용하여 주형 예열온도 약 250℃ 주입 온도 약 650℃에서 주입한 뒤 약 580℃에서 수냉시킨 초기 조직사진이다.
도 8은 유지 시간 5분에서의 반응고 알루미늄 합금 슬러리의 미세 조직 사진이다.
도 9는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형과 인접한 부분에서 촬영한 Al-7%Si-0.35%Mg 합금 슬러리로서 유지 시간을 5분으로 한 미세 조직 사진을 나타낸다.
도 10은 Al-7%Si-0.35%Mg 합금 슬러리로서 유지 시간을 5분으로 하고 중앙부에서 촬영한 미세 조직 사진이다.
도 11은 유지 시간에 따른 알루미늄 합금 슬러리의 초정 크기를 나타내주는 그래프이다.
도 12는 유지 시간에 따른 알루미늄 합금 슬러리의 구형화율을 나타내는 그래프이다.

Claims (15)

  1. 상부가 개방되는 컵 형상을 가지며 내측면은 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기; 및
    개방된 상기 용기의 상부를 덮고 가장 자리를 따라 서로 이격하는 주입구들이 형성된 판형부 및 상기 판형부의 외주에 연결되는 펜스부가 일체로 형성된 커버를 포함하고,
    상기 판형부의 주입구가 형성된 부분 및 상기 용기의 상단부가 서로 맞닿으면서 상기 커버와 상기 용기가 결합되고, 상기 주입구로 상기 용기의 상단부가 부분적으로 노출되고, 상기 용기의 상단부가 상기 주입구를 통해 노출되는 면적은 주입구 면적의 5% 내지 50%인 반응고 금속 슬러리 제조용 주형.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용기는 스테인레스강 또는 합금형강을 사용하여 형성되고, 상기 커버는 내화재로 형성되는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 주입구들 사이의 각도는 10도 내지 40도인 반응고 금속 슬러리 제조용 주형.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 주입구들의 개수는 10개 내지 20개인 반응고 금속 슬러리 제조용 주형.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 펜스부의 상부는 상방으로 연장하는 형상을 가지며, 상기 펜스부의 하부는 하방으로 연장하는 형상을 가지고 상기 용기의 외면 상단부와 밀착되어 상기 용기에 커버를 고정시키는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 판형부의 직경인 제1 길이(d1)를 기준으로,
    상기 주입구의 직경인 제2 길이(d2)는 0.05d1 내지 0.15d1이고,
    상기 펜스부가 갖는 폭인 제3 길이(d3)는 0.1d1 내지 0.2d1이고,
    상기 커버의 직경이 갖는 제4 길이(d4)는 1.1d1 내지 1.2d1이고
    상기 펜스부의 상부가 갖는 높이인 제5 길이(d5)는 0.2d1 내지 0.3d1이고,
    상기 펜스부 전체의 높이인 제6 길이(d6)는 0.6d1 내지 0.8d1인 반응고 금속 슬러리 제조용 주형.
  7. 상부가 개방되는 컵 형상을 가지며 내측면은 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기;
    개방된 상기 용기의 상부를 덮고 가장 자리를 따라 서로 이격하는 주입구들이 형성된 판형부 및 상기 판형부의 외주에 연결되는 펜스부가 일체로 형성된 커버;
    상기 용기의 외측벽을 감싸며 상기 용기의 온도를 높이기 위한 코일; 및
    상기 용기의 외측벽으로부터 이격되고 상기 용기의 온도는 낮추기 위한 쿨러를 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 쿨러는 에어 인젝터 또는 가스 인젝터인 반응고 금속 슬러리 제조 장치.
  9. 내측면이 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 컵 형상인 용기의 상기 내측면에 금속 용탕을 다수의 줄기로 분리되게 공급하여 상기 용기의 바닥면에 층류 유동을 일으키도록 하여 상이 용기에 상기 금속 용탕을 제공하는 단계; 및
    상기 용기에 제공된 상기 금속 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득하는 단계를 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 금속 용탕을 유지시키는 단계는 5분 이하인 반응고 금속 슬러리 제조 방법.
  11. 상부가 개방되는 컵 형상을 가지며 내측면은 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기 및 개방된 상기 용기의 상부를 덮고 가장 자리를 따라 서로 이격하는 주입구들이 형성된 판형부와 상기 판형부의 외주에 연결되는 펜스부가 일체로 형성된 커버를 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형을 준비하는 단계;
    상기 커버에 유동성을 갖는 용융 상태인 금속 용탕을 제공하는 단계;
    상기 금속 용탕이 상기 주입구를 통해서 상기 용기의 경사진 내측면을 타고 내려오면서 층류 유동을 유발시키면서 용기를 채우게 하는 단계; 및
    상기 용기에 제공된 상기 금속 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득하는 단계를 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조 방법.
  12. 내측면이 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 컵 형상인 용기의 상기 내측면에 금속 용탕을 다수의 줄기로 분리되게 공급하여 상기 용기의 바닥면에 층류 유동을 일으키도록 하여 상이 용기에 상기 금속 용탕을 제공하는 단계 및 상기 용기에 제공된 상기 금속 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득하는 단계를 수행하여 형성되고, 구형화율이 1.7 이하이고 초정의 크기가 100㎛ 이내인 반응고 금속 슬러리.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 유지 시간은 5분 이내인 반응고 금속 슬러리.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 반응고 금속 슬러리의 조성은 Al-7%Si-0.35%Mg인 것을 특징으로 하는 반응고 금속 슬러리.
  15. 상부가 개방되는 컵 형상을 가지며 내측면은 바닥면에 대하여 양의 기울기를 갖는 용기 및 개방된 상기 용기의 상부를 덮고 가장 자리를 따라 서로 이격하는 주입구들이 형성된 판형부와 상기 판형부의 외주에 연결되는 펜스부가 일체로 형성된 커버를 포함하는 반응고 금속 슬러리 제조용 주형을 준비하는 단계, 상기 커버에 유동성을 갖는 용융 상태인 금속 용탕을 제공하는 단계, 상기 금속 용탕이 상기 주입구를 통해서 상기 용기의 경사진 내측면을 타고 내려오면서 층류 유동을 유발시키면서 용기를 채우게 하는 단계 및 상기 용기에 제공된 상기 금속 용탕을 유지시켜 반응고 금속 슬러리를 획득하는 단계를 수행하여 형성되고, 구형화율이 1.7 이하이고 초정의 크기가 100㎛ 이내인 반응고 금속 슬러리.
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