KR100995490B1 - 주조과정을 위한 합금 용융물 처리 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

주조과정에서 용융물 처리를 위하여 용융점 이상의 온도의 갖고 있는 용융물은 용용점 이하의 온도로 가열되어 있는 결정화용기(14)내에 놓이게 된다. 상기 용융물에 상기 결정화용기 내부에서 분말형태의 합금이 첨가되며, 이 경우 상기 용융물은 전기력 및/또는 자기력을 통하여 상기 결정화용기 내부에서 움직인다.
합금, 용융물, 용해로, 결정화용기, 분말, 불활성가스

Description

주조과정을 위한 합금 용융물 처리 방법 및 장치{Method and device for treating a melt of alloy in casting}
도 1은 용해로에 직접 연결된 본 발명에 따른 개략단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 변경된 실시예이다.
도 3은 처리작업을 한 용융물을 수취하기 위한 추가장치를 포함한 본 발명에 따른 장치이다.
도 4는 열역학적 추이를 예측하기 위한 모노그램이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 용해로 11: 용융물
12: 진공장치 13: 주조관
14: 결정화용기 15, 22: 실린더
16: 덮개 17: 투입구
18: 진공관 19, 35: 진공장치
20: 주입기 21, 39, 40: 피스톤
23, 30, 31, 38: 전극 24: 전원
26, 36: 전열장치 27, 37: 자기코일
28: 활판 32, 33: 스위치
34: 운반용기
본 발명은 일부 응고된 상태로 용융물의 전체에 분산된 결정조직을 포함하는 주조과정을 위한 합금 용융물 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
반응고 합금의 생산은 예를 들어 J.P. Gabathuler와 J. Erling의 논문인 "틱소캐스팅 : 성형소재의 생산을 위한 현대적 방법"에 의해 개시되었으며, 본 논문은 1994년 5월 27일자 "자동차 분야의 경량자재로서의 알루미늄"이라는 학술지인 ETH. 쮜리히, 63-77페이지에 수록되어 있다.
본 발명은 합금 용융물을 처리하는 과제를 기초로 하여 상기 용융물이 주형에 들어가지 전에, 용융물의 전체에 가능한 한 조밀하고 균일한 결정조직의 분산이 이루어지는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 이러한 과제는 합금의 용융점 보다 높은 온도에서 발생한 용융물이 용융점 보다 낮은 온도로 가열된 결정화용기에 놓여지게 되고, 상기 결정화용기 내부의 상기 용융물에 분말형태의 합금이 첨가되어, 전기적 및/또는 자기적 힘에 의해 용융물과 분말이 상기 결정화용기 내부에서 서로 혼합됨으로써 해결된다.
특히, 상기 용융물에 의해 즉시 싸이는 상기 분말형태의 합금 입자들은 전기적 및/또는 자기적 힘에 의해 상기 용융물 안에서 분포되는 결정조직을 구성한다.
본 발명의 장점을 갖는 형태에 있어서, 상기 용융물은 분사되어 결정화용기 안으로 유입되고, 전압이 인가된 두개의 전극 사이에 흐름을 이룬다. 소위 말하는 핀치-효과로 인하여 상기 분사된 용융물 흐름은 폭이 좁아지고 중심을 향한 압력을 받으며, 흘러들어가는 동안 이미 부분적으로 각각의 유체 방울로 쪼개진다. 상기 결정화용기는 이와 같이, 용융물이 하나로 집중된 분사방식으로 채워지지 않고, 용융물이 분산된 분사방식으로 채워진다. 이로 인해 용융물의 표면적은 뚜렷이 상승하고, 이 경우 또한 가스제거가 일어난다.
상기 용융물이 상기 결정화용기 내부로 완전히 유입되면, 분사된 용융물의 흐름은 사라지며, 전기의 흐름도 끊어지게 된다. 본 발명의 다른 형태에서는, 합금과 용융물의 분산을 강화시키고 동시에 전기장을 만들기 위해서, 상기 용융물이 유입된 후에 상기 용융물과 전극 사이에 아크가 점화될 수 있다.
상기 결정화용기의 내부에 존재하는 용융물의 혼합을 더욱 촉진하고 결정조직을 세밀하게 분산시키기 위해서, 결정화용기 내부에 자기장이 형성된다. 상기 자기장 및 상기 전기장은 상기 용융물 및 용융물 내부에 있는 입자에 서로 다르게 반응하며, 이로 인하여 용융물과 용융물 내부의 입자가 혼합되는 효과는 촉진된다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 상기 용융물이 저압의 결정화용기 내부로 흡입되는 것이 고려되어 있다. 상기 결정화용기 내부에 진공상태가 만들어짐으로써 분사된 용융물 흐름은 더욱 분산되고, 각각의 방울로 용해된다. 또한 이와 더불어, 결정조직의 형성이 촉진된다.
본 발명의 또 다른 형태에 있어서, 불활성가스의 공급 상태에서 상기 용융물이 상 기 결정화용기에 공급된다. 특히, 상기 불활성가스가 압력에 의해 공급되는 경우에, 상기 과정은 보다 향상된다. 이와 더불어, 상기 불활성가스는 연속되는 주조과정에 나쁜 영향을 줄 수 있는 대기와 합금의 화학적 반응을 방지한다.
상기 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서, 상기 용융물을 위한 투입구 및 분말형태의 합금을 위한 투입구를 포함하는 결정화용기가 구비되되, 상기 결정화용기는 전열장치를 구비하고 있고, 바닥면과 투입구에는 전원에 연결되는 전극들이 구비되어 있다.
본 발명의 다른 특징들과 장점들은 첨부 도면을 참조하여 실시예에 대한 설명으로부터 명백해질 것이다.
예를 들어, AlSi9와 같은 금속합금의 용융물(11)은 용해로(10)의 내부에서 용융점 이상의 온도로 유지된다. 상기 용해로(10)는 진공상태로 폐쇄되어 있으며, 진공장치(19)를 통하여 진공상태를 유지하고 있다.
상기 용해로(10)는 주조관(13)을 통하여 결정화용기(14)와 연결되어 있다. 상기 결정화용기(14)는 전기적으로 부도체로 0.20 - 1.5W/mk 사이의 열전도율을 갖고 있는 실린더(15)로 구성되어 있다. 상기 실린더(15)는 상부에 덮개(16)로 폐쇄되어 있으며, 또한 상기 덮개는 전기적인 부도체 물질로 만들어져 있다. 상기 덮개에는 상기 주조관(13)이 연결되어 있다. 이와 더불어, 상기 덮개는 전기적으로 도체인 물질로 만들어진 투입구(17)와 연결되어 있다. 상기 투입구(17)는 원추형으로 확장된 흡입구를 포함하고 있다. 상기 덮개(16)에는 진공장치(19)와 연결되어 있는 진공관(18)이 연결되어 있다. 상기 덮개(16)에는 더욱이 깔대기 모양의 주입기(20)가 구비되어 있으며, 이를 통하여 분말합금이 결정화용기(14)의 내부로 유입될 수 있다.
결정화용기(14)의 하단부로서 피스톤(21)이 사용되고 있으며, 상기 피스톤은 항상 전기적으로 부도체인 물질로 구성되어 있다. 상기 피스톤(21)은 결정화용기(14)에 연결된 실린더(22)에 안내되며, 상기 실린더(22)에는 미도시된 배출구가 구비되어 있다. 상기 결정화용기(14)의 실린더(15)는 하단부에 전극(23)이 구비되어 있다. 이미 언급한 바와 같이, 상기 투입구(17)는 전기적으로 도체물질로 구성되어 있다. 상기 전극(23)과 투입구(17) 사이에는 전원(24)이 배치되어 있으며, 전압 및 전류의 강도는 조절 장치(25)를 통하여 제어될 수 있다.
결정화용기(14)에는 전기에 의한 전열장치가 부속되어 있으며, 상기 전기에 의한 전열장치는 제어할 수 있으며, 결정화용기(14)를 미리 선택한 온도로 가열하며, 상기 온도를 유지한다. 이와 더불어, 상기 결정화용기(14)에는 자기코일(27)이 설치되어 있으며, 상기 자기코일로 인하여 결정화용기(14)의 실린더(15)의 내부에 하나의 자기장이 형성될 수 있다.
상기 주조관(13)에는 게이트밸브(28)가 설치되어 있으며, 상기 게이트밸브를 통하여 용해로(19)와 결정화용기(14) 사이의 연결이 개방되거나 차단될 수 있다. 주조관(13)에는 공급관(29)이 연결되어 있으며, 이를 통하여 아르곤과 같은 압력을 갖고 있는 불활성가스가 공급될 수 있다.
용융물의 처리를 위하여, 우선 용융물(11)이 용해로(10)에 채워져야 한다. 상기 용해로(10)는 진공장치(12)를 통하여 0.5mbar - 3mbar의 진공상태에 놓이게 된다. 상기 결정화용기(14)는 전열장치(26)를 통하여 해당 합금의 용융점 보다 3% - 50%까지 낮은 온도까지 상승한다. 상기 결정화용기(14)의 내부에는 진공장치(19)를 통하여 진공상태로 만들어 지며, 상기 진공상태는 상기 용해로(10)의 진공상태 보다 강한 상태이다.
상기 게이트밸브(28)가 개방되는 순간에 용융물(11)은 결정화용기(14)의 내부로 흡입된다. 이 경우 불활성가스가 도관을 통하여 흡입된다. 또한 흡입작용으로 인하여 분말합금은 주입기(20)를 통해 빨아 들여진다. 상기 분말은 용융물 내부에 들어가서 분산된다.
상기 전극(23)과 상기 투입구(17)에는 전압이 발생하며, 그로 인하여 분사된 용융물의 흐름 내부에 전류가 흐르게 되며, 상기 전류의 크기는 10A 보다 작다. 가능한 균일하게 분산된 혼합물을 획득하기 위하여, 자기코일(27)을 통한 자기장이 결정화용기(14)의 내부에 발생하며, 상기 자기장은 상기 용융물의 방사형 움직임이 일어나도록 한다.
상기 전체 용융물이 결정화용기에 흘러들어 간 후에, 우선적으로 회로가 차단된다. 이때 상기 전압은 150V - 400V까지 상승하게 되며, 아크가 점화되며, 상기 아크 내부에서는 1300A(암페어)에 이를 정도로 큰 전류가 흐를 수 있게 된다. 결정이 지향성을 띄는 것을 억제하기 위하여, 상기 자기코일에 의해 만들어 지는 전자기장이 변화하며, 예를 들어 충전방향으로 지속적으로 상승한다.
이러한 방법으로 상기 용융물이 처리되어지고 난 후에, 상기 피스톤(21)은 아래로 내려가며, 이로 인하여 상기 용융물은 실린더(22) 및 배출구를 통하여 외부로 흘러가며, 적절한 방법에 의하여 처리된다. 이 경우 여러 가지 알려진 주조방법들이 사용될 수 있다.
하나의 변경된 실시예에 있어서 상기 전극(23)은 피스톤(21) 내부에 통합되며, 상기 피스톤은 결정화용기(14)의 바닥면을 구성한다.
도 2에 따른 실시예에 있어서 전원(24)은 결정화용기(14)에 있는 실린더(15)의 두개의 전극(30 및 31)에 연결되어 있다. 전원(24)은 다른 한 편으로는 주조관(13)에 연결된다. 상기 실시예에 있어서 상기 피스톤(21)은 상기 용융물이 채워지는 동안에 아래로 움직이게 되며, 이 후에 상기 전극(30 및 31)은 작동하게 되며, 상기 전극들은 피스톤의 움직임과 함께 스위치(32 및 33)를 통하여 연결되거나 차단된다.
도 3에 따른 실시예에 있어서 결정화용기 내부에서 처리된 상기 용융물은 저장용기 또는 운반용기(34)에 옮겨지며, 상기 저장용기 또는 운반용기 내부에서 용융물은 처리된 상태로 유지된다. 상기 용기(34)는 진공장치(35)가 구비되어 있으며, 이로 인하여 상기 용기에 저압이 형성될 수 있다. 상기 용기에는 전열장치(36) 및 자기코일(37)이 구비되어 있다. 상기 용기는 이 경우에도 전극(38)이 설치되어 있다.
상기 용기(34)의 두개의 마주보는 벽체는 피스톤(39 및 40)으로 구성되어 있다. 상기 용기(34)는 또한 성형을 위하여 배치될 수 있다.
도 4에서 도시된 모노그램은 열 동력학적 과정을 예측할 수 있게 한다. 상기 도시된 모노그램은 AlSi9Cu3 합금의 경우에 유효하다. 약 125㎛ - 400㎛의 알갱이 크기로 주어지는 분말형태의 합금에 대한 양은 백분율 양으로 첨가된다. [℃]로 표시되는 온도차이
Figure 112010025165914-pat00001
T는 합금의 주조온도와 용융점 사이의 차이이다. 도4의 모노그램의 A 범위 내에 해당하는 양의 분말 합금이 첨가되면, 이는 상기 용융물의 온도를 내리는 작용을 한다. 이와 더불어, 분말형태의 입자들이 결정조직을 구성하지 않으며, 상기 용융물은 반응고 상태에 놓이게 된다. 만약 도4의 모노그램의 B 범위 내에 해당하는 양의 분말 합금에 첨가되면, 분말형태의 입자는 용융되지 않고 부가적인 결정조직을 형성하는 핵으로 작용하게 된다. 도4의 모노그램의 C 범위에 해당하는 양의 분말 합금이 첨가되면, 상기 두개의 과정들이, 즉 용융되지 않은 입자로 인하여 온도를 감소시키는 작용과 결정조직의 핵을 이루는 작용이, 병행하여 일어나다.
합금의 종류가 달라지면 각각의 합금에 대하여 서로 다른 각각의 모노그램이 만들어져야만 하는 것은 당연하다.
따라서, 상기 본 발명에 의하면 합금 용융물을 처리하는 과정에서 상기 용융물이 주형에 들어가지 전에, 용융물의 전체에서 가능한 한 조밀하고 균일한 결정조직의 분산이 이루어지는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 주조과정에서 일부 응고된 상태로 전체 체적을 통하여 분산된 결정조직을 포함하는 합금 용융물 처리 방법으로서,
    합금의 용융점 이상의 온도를 가지는 상기 용융물을 상기 용융점 이하의 온도로 가열된 결정화용기의 내부로 유입하는 단계;
    상기 결정화용기 내부의 상기 용융물에 분말합금을 첨가하는 단계; 및
    전기력과 자기력 가운데 적어도 하나를 통하여 상기 결정화용기 내부에 있는 상기 용융물과 상기 분말합금을 서로 혼합시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 합금 용융물 처리방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용융물이 분사되어 상기 결정화용기 내부로 유입되고, 상기 결정화용기에서 두개의 전극들이 서로 이격되어 있으며, 상기 전극들에서 전압이 공급되는 것을 특징으로 하는 상기 합금 용융물 처리방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용융물을 유입한 후에 상기 용융물과 전극 사이에 아크가 점화되는 것을 특징으로 하는 상기 합금 용융물 처리방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결정화용기 내부에 자기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 합금 용융물 처리방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용융물이 저압의 결정화용기로 흡입되어 유입되는 것을 특징으로 하는 상기 합금 용융물 처리방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용융물은 불활성가스가 흡입되는 상태에서 상기 결정화용기로 유입되는 것을 특징으로 하는 상기 합금 용융물 처리방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 수행하기 위한 합금 용융물 처리장치로서,
    결정화용기(14)에 상기 용융물을 위한 투입구(17) 및 분말형태의 합금을 위한 주입기(20)가 설치되어 있고, 상기 결정화용기는 전열장치(26)를 구비하고 있으며, 바닥면 및 상기 투입구(17)에는 전원(24)에 연결된 전극이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 주조과정에서의 합금 용융물 처리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 결정화용기(14)는 저압을 형성하기 위한 진공장치(19)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 주조과정에서의 합금 용융물 처리장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 결정화용기(14)는 내부에서 자기장을 만들기 위한 자기코일(27)을 구비한 것을 특징으로 하는 상기 주조과정에서의 합금 용융물 처리장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 결정화용기(14)는 불활성가스를 위한 공급관(29)을 구비하고 있는 주조관(13)을 통하여 용해로(10)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 주조과정에서의 합금 용융물 처리장치.
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