KR100881689B1

KR100881689B1 - 발포 성장이 균일한 발포 알루미늄의 제조 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100881689B1
Application number: KR1020070035679A
Authority: KR
Inventors: 김민섭; 윤광석; 김동수; 김현철
Original assignee: 주식회사 아론
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2009-02-06
Also published as: KR20080092159A

Abstract

본 발명은 알루미늄 용해, 증점 및 발포 공정을 거쳐 발포 알루미늄을 제조하는 방법과 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발포 알루미늄 제조 방법은, 발포 개시 시점에 용융 알루미늄을 형틀에 주입하는 주입 단계, 용융 알루미늄의 상면을 가압하여 평활화하는 제1 평활화 단계, 용융 알루미늄의 팽창을 진행시키는 발포 성장 단계, 용융 알루미늄의 상면을 가압하여 평활화하는 제2 평활화 단계, 및 용융 알루미늄을 냉각하는 냉각 단계를 포함하며, 발포 알루미늄 제조 장치는, 발포 개시된 용융 알루미늄이 주입되는 형틀과, 형틀 내의 용융 알루미늄의 상면을 가압하여 평활화하는 가압 수단을 포함한다. 본 발명에 따르면, 발포 성장이 균일하고 제품 수율이 향상된 발포 알루미늄을 제조할 수 있다.

발포 알루미늄, 발포 개시, 발포 성장, 가압 수단, 평활화, 누름판

Description

발포 성장이 균일한 발포 알루미늄의 제조 방법 및 그 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING FOAM ALUMINUM HAVING UNIFORM FOAM GROWTH}

도 1은 본 발명에 따라 형틀 내에 용융 알루미늄을 주입한 후에 발포 알루미늄을 제조하는 공정을 순차적으로 나타내는 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 발포 알루미늄 제조 장치의 바람직한 실시 형태를 나타내는 측면도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10: 형틀 20: 뚜껑

30: 누름판 40: 가압봉

50: 이송 장치 60: 가열로

62: 가열로 본체 66: 입구

68: 출구 80: 통로

90: 용융 알루미늄 90': 발포 알루미늄

본 발명은 발포 알루미늄에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 발포 성장이 균 일하고 제품의 수율이 향상된 발포 알루미늄의 제조 방법과 그 장치에 관한 것이다.

발포 알루미늄은 일반 금속 소재에 비해 초경량이면서 에너지 흡수 능력이 뛰어나고, 열이나 전기의 전도성이 작고 액상이나 공기 등의 투과성이 양호하며 뛰어난 기능적 특성을 가지고 있다. 특히, 음향 특성에 있어서도 흡음, 방음, 차음 효과가 뛰어난 특성을 가지고 있다.

발포 금속의 특성을 이용한 항공기, 자동차 등의 수송 기계 분야에서 경량, 고강도, 충격 흡수 특성은 에너지 절약, 안전성이 요구되어 지는 곳에 사용되며, 건축 내외장 및 흡음 분야에서는 내열성, 내구성, 흡음 특성이 요구되어 지는 곳에 사용되고 있다.

종래의 발포 알루미늄 제조 기술은 알루미늄의 용융, 증점, 발포, 주입, 냉각의 과정을 거친 후 후가공에 의해 제품으로서 생산된다. 이 공정 방법 중 소정의 형틀 공간에서 알루미늄이 발포가 되는데 대부분 형틀 상부를 노출하거나 형틀 상부 뚜껑을 덮어서 일정 시간 발포를 시킨 후 냉각을 한다.

이때 품질에 가장 영향을 미치는 요인은 균일한 발포 성장과 성장후의 신속한 냉각이 필수 요건인데, 종래의 기술 중 상부 노출 형틀은 유동성이 매우 낮은 발포 알루미늄의 균일한 발포 성장을 이루기 어려워 제품 수율이 낮아지며, 상부 뚜껑을 덮는 방법은 신속한 냉각이 어려워 냉각 중 발포 알루미늄 셀의 병합이나 용융 알루미늄의 하부 드레인 현상이 나타나 품질 저하로 이어진다.

본 발명의 목적은, 종래의 발포 알루미늄의 제조 기술을 개량하여, 불균일한 발포 성장을 최소화하고 신속한 냉각이 이루어지도록 하여 발포 알루미늄의 품질을 향상시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수율이 증대되고 제조 원가가 저렴한 발포 알루미늄의 제조가 가능하게 하는 것이다.

본 발명자들은, 종래의 제조 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위하여, 상부가 노출된 형틀에 용융 알루미늄을 주입하고 형틀 속의 불균일한 용융 알루미늄 상단 형상을 1차적으로 상부 표면을 평활하게 함으로써, 균일한 발포 성장을 진행할 수 있다는 사실과, 형틀 속에 용융 알루미늄이 충분히 채워질 때 2차적으로 최종 평활 작업을 실시함으로써, 종래의 제조 방법에 비해 발포 알루미늄의 형상이 반듯하여 획기적으로 수율을 향상시킬 수 있으며 신속한 냉각으로 품질 향상에 기여할 수 있다는 사실을 규명하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이러한 지견에 기초한 본 발명에 따른 발포 알루미늄 제조 방법에서는, 발포 개시 시점에 용융 알루미늄을 형틀에 주입하는 주입 단계, 용융 알루미늄의 상면을 가압하여 평활화하는 제1 평활화 단계, 용융 알루미늄을 팽창시키는 발포 성장 단계, 용융 알루미늄의 상면을 가압하여 평활화하는 제2 평활화 단계, 및 용융 알루미늄을 냉각하는 냉각 단계를 포함하는 것을 기본적인 구성으로 한다.

용융 알루미늄의 상면을 평활화하기 위하여, 평탄한 하면을 구비한 누름판이나 가압 롤러를 사용할 수 있다. 누름판을 사용하는 경우에, 제1 평활화 단계 후에 누름판을 용융 알루미늄의 팽창 비율의 설정치에 따른 위치까지 상승시켜 유지하면, 제1 평활화 단계에 의하여 균일하게 발포 성장하는 용융 알루미늄이 누름판과 접촉하면서 제2 평활화 단계가 이루어진다. 이러한 구성에 따르면, 제2 평활화 단계의 시점이 자동으로 설정되므로 특히 바람직하다.

또한, 제1 평활화와 제2 평활화 이외에, 용융 알루미늄의 발포 성장 중에 추가로 용융 알루미늄을 가압하여 용융 알루미늄의 상면을 평활화함으로써, 발포 성장을 더욱 균일하게 하는 것도 물론 가능하다.

용융 알루미늄을 형틀에 주입하기 전에 형틀을 예열함으로써 형틀의 벽면 근방과 그 내부의 발포 조직의 차이를 최소화할 수 있으며, 발포 성장이 완료된 후에는 용융 알루미늄의 신속한 냉각을 위하여 용융 알루미늄이 수용된 형틀을 송풍 장치 등에 의하여 강제 냉각할 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법의 바람직한 실시 형태에 따르면, 롤러식, 컨베이어식, 스텝식 등의 이송 장치를 이용하여 다수의 형틀을 이송시킴으로써, 일련의 단계들을 순차적으로 처리할 수 있다. 특히, 용융 알루미늄의 상면을 평활화하기 위한 가압 수단으로서 누름판을 하나만을 사용하더라도, 이송 장치 상에서 이동하는 다수의 형틀과 차례로 결합되도록 구성할 수 있기에 바람직하다. 이러한 구성에 있어서는, 제1 평활화 단계 내지 제2 평활화 단계를 실시하는 동안에는 이송 장치를 정지시켜 단속적으로 조업할 수 있다.

본 발명의 보다 바람직한 실시 형태에 따르면, 형틀의 가열과 형틀 내에 주입된 용융 알루미늄의 보온을 위하여, 터널형의 가열로 내로 이송 장치 상의 형틀 이 통과하도록 하여 용융 알루미늄을 발포시킬 수도 있다. 또한, 산화성이 강한 합금 원소가 첨가되어 있는 용융 알루미늄을 발포시키는 경우에는, 가열로 내에 불활성 가스를 공급함으로써 산화를 최소화할 수도 있다.

이러한 구성에 있어서는, 가열로의 입구의 상류측의 위치에서 형틀에 용융 알루미늄을 주입하여 가열로 내부로 이송시킬 수도 있으나, 가열로 내부에서 형틀의 예열과 더불어 용융 알루미늄의 주입이 이루어지도록, 가열로의 본체를 관통하는 용융 알루미늄의 통로를 마련할 수도 있다. 이를 위하여, 가열로의 본체의 일부를 개방하거나 가열로의 본체를 관통하는 파이프와 같은 탕도를 형성시킬 수 있다.

본 발명에서는, 전술한 바와 같은 발포 알루미늄의 제조 방법을 구현하기 위한 제조 장치를 또한 제공한다.

이하에서 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 구체적인 실시 형태에 대하여 설명한다.

도 1은, 통상의 알루미늄 용해, 증점 및 발포 공정 후에, 본 발명에 따라 형틀(10) 내에 주입한 알루미늄 용탕(90)을 처리하는 단계에 의하여 발포 알루미늄(90')을 제조하는 방법을 나타내는 개략도이다.

도 1의 (a)는, 별도의 교반로(도시 생략)에서 용융 알루미늄에 증점제와 발포제가 투여된 후에 발포가 개시된 용융 알루미늄(90)을 형틀(10) 내에 주입한 상태에서, 발포 성장 초기의 용융 알루미늄(90)의 형상을 나타낸다. 발포 성장이 개시되면, 용융 알루미늄(90)의 상부 표면은 상당히 불규칙한 형상을 가지면서 융기되기 시작하고, 증점 처리되어 있는 용융 알루미늄(90)의 유동성 감소로 인하여, 발포 성장 중에 자중에 의한 평활화가 일어나지 않는다.

이러한 상태가 지속되면서 발포 성장이 진행되면, 최종 발포 알루미늄의 상부 표면의 발포 조직이 불균일해지고, 최종 제품화를 위하여 절단 및 제거되어야 하므로, 수율 또한 현저히 감소하게 된다.

따라서, 본 발명에서는, 도 1의 (b)와 (c)에 도시되어 있는 바와 같이, 형틀(10)의 뚜껑(20)의 내측에 설치한 누름판(30)을 가압 수단으로 사용하여, 발포 초기의 용융 알루미늄(90)의 상부 표면을 1차적으로 가압하여 평활화함으로써, 이후의 발포 성장 중에 용융 알루미늄(90)의 상부 표면이 균일해질 수 있도록 한다.

누름판(30)은 그 형상이 형틀(10)의 내곽에 상응하고 하면이 평탄하며, 알루미나, 탄화규소와 같은 내화성 세라믹 소재나 주철과 같은 내화성 금속 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 누름판(30)은 가압봉(40)에 의하여 압력을 전달 받으며, 가압봉(40)은 뚜껑(20)에 형성된 관통공을 통하여 상방의 승강 장치(도시 생략)에 연결됨으로써, 형틀(30) 내로 승강 가능하게 된다. 가압 중에 누름판(30)의 하강이 원활히 이루어지기 위해서는, 형틀(10) 내의 용융 알루미늄(90) 상방에 존재하는 가스가 형틀(10) 외부로 유출되어야 하며, 이를 위하여 누름판(30)과 뚜껑(20)에는 통기공이 형성되어 있다.

도 1에는 용융 알루미늄(90)의 상부 표면을 가압하기 위하여 누름판(30)을 사용하는 실시 형태가 예시되어 있으나, 형틀(10)의 개방부의 면적이 넓거나 형틀(10)의 상부와 하부의 형상이 동일하지 않은 경우에는, 용융 알루미늄(90)의 상부 표면의 일부를 가압하는 가압 롤러와 같은 수단을 사용할 수도 있다. 이러한 구 성에 있어서는, 롤러의 수평 이동 및 점진적인 하강에 의하여 용융 알루미늄(90)의 상부 표면 전체를 평활화할 수 있다.

또한, 누름판(30)이나 롤러 이외에도, 용융 알루미늄(90)의 상부 표면을 평활화할 수 있다면, 어떠한 가압 수단이라도 본 발명에 채용 가능하다.

1차 평활화를 완료하면, 누름판(30)을 형틀(10) 내의 소정 높이까지 상승시키고, 일정 시간 동안 발포 성장을 진행시켜 용융 알루미늄(90)을 팽창시킨다. 이때, 용융 알루미늄(90)의 팽창 비율의 설정치(또는, 최종 발포 알루미늄(90')의 치수를 고려한 설정치)에 따른 위치까지 누름판(30)을 상승시켜 두면, 별도의 조작을 필요로 하지 않더라도, 팽창한 용융 알루미늄(90)은 누름판(30)과 접촉하여 2차 가압을 받게 되어 용융 알루미늄(90)의 상부 표면이 평활화된다.

이러한 2차 평활화를 위한 공정의 예로서, 도 1의 (d)와 (e)에서는, 누름판(30)이 뚜껑(20)과 접촉하는 위치에서 형성되는 내측 공간이 발포 알루미늄의 팽창 공간에 부합되도록 형틀(10)을 설계하여 발포 성장을 진행시킨다.

그 후에, 형틀(10)과 누름판(30)을 분리하고 형틀(10)을 냉각함으로써, 도 1의 (f)에 도시되어 있는 바와 같은 발포 알루미늄(90')을 얻을 수 있다.

도 2는 도 1에 예시된 형틀(10)과 누름판(30)을 포함하는 실시 형태를 보다 바람직하게 활용하기 위한 일례로서, 이송 장치(50)와 가열로(60)를 채용한 구성의 발포 알루미늄 제조 장치를 나타낸다.

도 2에 예시된 실시 형태에 있어서는, 다수의 형틀(10)을 이송 장치(50)에 일정 간격으로 운반하고, 누름판(30)을 이송 장치(50) 상방의 소정 위치에 배치함 으로써, 이송 장치(50)에 의하여 이송되는 다수의 형틀(10)과 하나의 누름판(30)이 차례로 결합하여 형틀(10) 내의 용융 알루미늄의 가압과 평활화가 가능하게 된다.

또한, 형틀(10)의 예열과 더불어 형틀(10) 내의 용융 알루미늄의 온도 제어를 위하여 터널형의 가열로(60)를 사용한다. 가열로(60)는 이송 장치(50)를 에워싸는 본체(62)와 이송 장치(50)의 상류측의 입구(66)와 하류측의 출구(68)를 구비한다.

형틀(10)에 주입하기 위한 용융 알루미늄의 처리는 용해로에서 이루어지며, 용해 공정, 증점 공정 및 발포 개시 공정과 더불어 교반 공정을 거치게 되는데, 이러한 공정에는 공지되어 있는 종래 기술을 이용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 도 2에는, 가열로(60)의 상방에 배치된 경동식 교반로(100)와 용융 알루미늄을 교반하기 위한 교반기(120)가 도시되어 있으며, 교반을 종료한 후에 교반로(100)를 기울여 형틀(10)에 용융 알루미늄을 공급하는 실시 형태가 예시되어 있다.

이러한 구성에 있어서는, 가열로(60)의 본체(62)의 일부를 개방하여 내측으로 연통되는 통로(80)를 형성하고, 호퍼와 같은 부재에 의하여 용융 알루미늄이 가열로(60) 내측에 위치한 형틀(10)에 용이하게 주입될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 가열로(60) 내를 통과하는 형틀(10)에 용융 알루미늄을 공급하면, 가열로(60) 내에서 형틀(10)을 예열할 수 있으므로 바람직하다.

이상과 같이, 가열로(60) 내로의 형틀(10)의 인입, 예열, 용융 알루미늄의 주입 및 본 발명에 따른 발포 성장의 공정을 거친 후에, 형틀을 가열로(60)의 하류 측의 출구(68)를 통해 인출하여 송풍 장치(도시 생략)에 의하여 강제 냉각시키고, 발포 알루미늄과 형틀(10)을 분리함으로써, 발포 성장이 균일하고 제품 수율이 우수한 발포 알루미늄을 제조할 수 있다.

<실시예>

용융 알루미늄 금속 50kg을 교반로 내부에 투입한 후 1wt% ~ 2wt%의 금속칼슘을 주입하여 적정수준의 용탕 점도를 상승시키고, TiH₂(발포제)를 1wt% ~ 2wt% 첨가하고 교반을 실시하였다. 발포가 개시된 용융 알루미늄을 형틀에 주입하고, 용융 알루미늄 낙하 후의 상부 표면의 불균일한 형상이 발포 성장에 미치는 영향을 제거하기 위하여 누름판을 사용하여 5초 정도 1차 평활화 작업을 실시하였다. 그 후, 누름판을 상승시킨 후에 약 2분간 유지하여 형틀 내에서 충분한 발포 성장이 이루어지도록 하고 2차 평활화 작업을 실시하였다. 형틀과 누름판을 분리한 후에, 형틀을 가열로 외측으로 배출하고, 형틀의 상하방에 설치한 송풍기에 의하여 강제 냉각함으로써, 발포 알루미늄을 제조하였다. 본 발명에 의해 제조된 발포 알루미늄은 표면의 불균일성 해결과 신속한 냉각의 동시 기능이 가능해져 제품의 수율이 35% 정도 향상되었다.

즉, 기존의 제조방법에서 생산된 발포 알루미늄의 수율(이론상 최대수율 16장)은 발포 알루미늄 판재로 가공되었을 때 9장 ~ 10장 정도 생산되었으나, 본 발명에 의해 제조된 발포 알루미늄은 13장 ~ 14장 정도의 제품생산이 가능하였다.

이상으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명의 범위 가 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 본질 및 필수적인 특징적인 구성을 일탈함이 없이 다양한 변형예가 가능함은 물론이다. 따라서 본 명세서에서 상기한 실시예는 예시적인 것일 뿐 제한적인 의미를 갖지는 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 기재된 사항 및 이로부터 파악될 수 있는 모든 변형예를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따르면, 종래의 발포 알루미늄의 제조 방법에서 문제가 되어 왔던 불균일한 발포 성장을 최소화할 수 있고 수율을 향상시킬 수 있으며, 발포 알루미늄의 품질 향상과 원가 절감에 기여하는 바가 지대하다.

Claims

알루미늄 용해 및 증점 공정 후에, 발포제 투입 및 교반 공정을 거쳐 발포 알루미늄을 제조하는 방법에 있어서,

발포 개시 시점에 용융 알루미늄을 형틀에 주입하는 주입 단계,

용융 알루미늄의 상면을 가압하여 평활화하는 제1 평활화 단계,

용융 알루미늄의 팽창을 진행시키는 발포 성장 단계,

용융 알루미늄의 상면을 가압하여 평활화하는 제2 평활화 단계, 및

용융 알루미늄을 냉각하는 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 평활화 단계와 제2 평활화 단계에서, 평탄한 하면을 구비한 누름판 또는 가압 롤러를 사용하여 용융 알루미늄의 상면을 가압하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 제1 평활화 단계 후에, 상기 누름판을 용융 알루미늄의 팽창 비율의 설정치에 따른 위치까지 상승시켜 유지하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 발포 성장 단계 중에, 추가로 용융 알루미늄을 가압하여 평활화하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 주입 단계 내지 냉각 단계 중에, 상기 형틀을 이송 장치에 의하여 이송하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 주입 단계 내지 제2 평활화 단계를 가열로 내에서 실시하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 가열로 내를 불활성 가스 분위기로 유지하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 냉각 단계에서, 가열로로부터 형틀을 인출하여 송풍에 의하여 강제 냉각하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 발포 알루미늄 제조 방법에 의하여 용융 알루미늄을 처리하여 발포 알루미늄을 제조하는 장치로서,

발포 개시된 용융 알루미늄이 주입되는 형틀과,

형틀 내의 용융 알루미늄의 상면을 가압하여 평활화하는 가압 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 장치.
제9항에 있어서,

상기 가압 수단은 평탄한 하면을 구비한 누름판이거나 가압 롤러인 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 장치.
제10항에 있어서,

상기 누름판은 내화성 금속 소재 또는 내화성 세라믹 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 장치.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 형틀을 이송하는 이송 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 장치.
제12항에 있어서,

상기 이송 장치를 에워싸는 본체와, 이송 장치 상류측의 입구와, 이송 장치 하류측의 출구를 구비하는 터널형 가열로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 장치.
제13항에 있어서,

상기 가열로의 본체에는, 가열로 내에 배치된 형틀에 용융 알루미늄이 주입되는 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 발포 알루미늄 제조 장치.