KR101292294B1 - 금속괴 제조 방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은 합금으로 만들어지는 금속괴의 제조 방법에 관한 것으로, 융해 상태에서 혼합결정체의 형성을 증가시키기 위해 변동하는 물리적 장(場)에 의해 냉각 과정에 일시적으로 에너지가 공급되는 금속괴 제조 방법에 관한 것이다.

Description

금속괴 제조 방법{method for the production of pigs}

본 발명은 금속 합금으로 만들어지는 금속괴 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기본 금속에 하나나 그 이상의 구성 성분이 액체 상태에서 녹아들어간 융해물로부터 만들어지는 금속괴 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

알루미늄이나 알루미늄 합금은 주조하여 재가공하기 쉽게 통상적으로 두 부분이나 세 부분으로 된 덩어리 형태의 반제품으로 만들어진다. 이러한 금속괴를 만들기 위해서는 먼저 해당 합금으로 이루어진 융해물을 만들고, 그러고 나서 덩어리 형태로 주조한다.

동일한 금속괴들로부터 만들어지는 주조물(鑄造物)의 질을 향상시키기 위해서 금속괴를 하나의 화로(furnace)에서 녹인 다음 처리실(處理室)에서 전자기장에 두어 만든 용해물로 제품을 주조하는 방식(DE 10002670 A1)은 잘 알려져 있다. 이러한 방식은 주조물품을 현저히 개선시킨다.

본 발병은 재가공할 때에, 기존의 주조 기계를 고치지 않고, 개선된 상태의 주조물품을 만들 수 있는 금속괴 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 혼합결정체 형성을 증가시키기 위해, 유동적인(변화하는) 물리적 장(場)에 의해 금속괴가 되기 전의 냉각 과정에 있는 융해물에 일시적으로 에너지를 공급한다.

이러한 본 발명에 의해서 우선 기본물질 원자가 추가구성성분의 원자에 의해 치환되는 혼합결정 셀 및 기본 셀의 생성이 가능해진다. 이에 따라 강한 혼합결정체가 형성될 수 있다. 이때 농도(용해도)-온도-시간(인터벌)의 폭과 포화 한계치는, 이질 원자(추가구성성분의 원자)가 과포화된 혼합결정체가 생성되지 않도록, 외부의 유동적인 물리적 장(場)에 의해서 조절된다. 기본 물질의 결정격자에 대한 이질 원자 용해량의 증대 및 포화 한계치는 온도에 달려있지 않다. 계속적으로 냉각하는 과정에서 이러한 혼합결정체로부터 미립자처럼 아주 작은 구조가 생성된다.

본 발명에서는 금속합금의 온도 및 액상선(液相線:응고점을 연결한 선)에 따라 에너지의 공급이 일어날 것을 의도하고 있다.

에너지 공급이 실행되어야하는 시기는 실험을 토대로 산출되어야 한다. 그 시기는 특별한 합금의 종류에 따라 다르며, 에너지를 공급하는 방식에 따라서도 다르다. 처리실에 있는 융해물의 역학적인 점착성을 측정하여 혼합결정체의 형성을 파악하는 것이, 에너지 충전의 시기를 결정하기 위해서, 첫 번째 시행 형식에 따라 의도된다. 이 발명은 혼합결정체 형성의 최적 상태가, 취급하고 있는 용해물이 냉각하는 데도 불구하고, 거의 영구적으로 본질적으로 더 이상 변하지 않는, 점도가 낮은 상태에 도달했을 때 나타난다는 사실에서 출발한다.

본 발명에서 혼합결정체의 형성은, 처리실에서 끄집어 낸 표본의 액상선 온도를 측정함으로써 확인될 수 있다. 이 발명은 또한 실제적인 액상선 온도가, 결정화열(結晶化熱: 결정화에 따르는 발열)에 의해 생성되는, 냉각 곡선의 굴절부로 나타난다는 사실에서 출발한다. 성공적으로 취급했을 경우에, 이러한 실제적인 액상선 온도는 합금의 상태도(狀態圖)에 따라 주어진 액상선의 아래에 놓인다.

본 발명은 또한 단기적인 에너지 공급이 변동하는, 특히 역동적인 전자기장에 의해 일어나는 것을 의도하고 있다.

본 발명 방법으로 만들어진 금속괴는, 다시 융해되어 주물 기계에서 재가공 될 때에, 전기장에서 다루어지면서 얻게 된 증가된 유동성(流動性)을 일종의 메모리 효과로 또한 갖게 된다는 사실이 놀랍게도 밝혀졌다. 이러한 방법으로 준비된 금속괴는 종래의 방식으로 제조된 금속괴에 비해서 높은 유동성을 갖기 때문에 다양한 형태와 높은 밀도를 갖는 주조물품(鑄造物品)을 제조할 수 있게 된다.

DE 10002670 A1로 알려진 방식과 비교해볼 때에, 모든 주조 기계에 처리실을 연결할 필요가 없다는 장점이 있다. 종래의 금속괴를 가공하는 주조기계를 고칠 필요 없이 그대로 설치해도 된다. 주조 온도는 해당 합금의 액상선 온도 아래까지도 내려갈 수 있다. 주조가 가능한 온도의 영역은 확대되어서 주조온도와 맞지 않아 나오는 불량품의 발생 위험을 줄일 수 있다.

도1은 본 발명의 방법을 실시하기에 적합한 금속괴 제조 장치의 일 예를 나타내는 개략적인 구성도이다.

이하 도면을 참조하면서, 본 발명의 또 다른 특징과 장점을, 본 발명의 금속 괴를 본 발명에 따른 방법으로 제조하기에 적당한 설비에 대해 기술하고 있는 이하의 설명에서 나타내기로 한다.

주조실 입구(1), 융해물 통로(2), 전기 가열기(3)를 구비하는 용광로에서 금속이나 금속 합금의 구성 성분은 모든 성분들이 융해되어 융해물(4)이 될 때까지 가열된다.

이 융해물(4)은 배관(19)을 통해 계속적으로 처리실로 보내진다. 이 처리실은 기본적으로 원통형의 외피부(外皮部:18)와 반구형(半球形)의 하부구조(10), 그리고 반구형의 상부구조(7)를 구비하여 이루어진다. 무엇보다도 열 코일(heating coil)의 형태로 설치되어 있는 전기 가열기(6)가 처리실에 포함된다. 처리실은 전기 가열기(6)에 의해 특정한 합금의 액상선 영역의 온도로, 즉 액상선 바로 밑의 온도로, 예를 들면 공융(共融) 화합물 온도로 서서히 가열된다. 추가로 설비(5)가, 예를 들면 회전하는 전자기장을 형성하도록 처리실에 포함된다. 이러한 전자기장은 예를 들면 6에서 20 mT까지의 자기장 강도를 가지며, 약 60 헤르츠에서 500 헤르츠까지의 주파수로 회전한다. 그럼으로써 15O × 10^-4 N/m² 규모의 유체역학적인 압력이 발생한다. 최적의 영역이 15에서 80 mT 사이인, 등방성(等方性)의 자기압(磁氣壓)과 자기력이 함께 작용하는 동안, 융해물 내에서는 합금의 가장 높은 유동 가능성에 의해 만들어지는 유동성 이상(異狀)의 효과가 생긴다. 그것은 가장 낮은 상태의 역학적 점성이다. 융해 온도가 580℃ 일 때 0.74 mPa/s의 점도(粘度)가 측정된다. 다루고 있는 융해물의 열동력학적인 이상도 관찰가능하다. 점성은 액상선 온도 와 고상선(固相線: 융용점을 연결한 선) 온도 사이에 있는 영역을 축소시킴으로써 최저값으로 정해진다. 합성(합금)된 구성성분들의 완전한 용해성도 또한 고상선 온도일 때 존재한다. 두 개의 위상을 갖는 이것은 낮아지는 액상선 온도와 올라가는 고상선 온도를 바탕으로 계속 축소되기 때문에 코노데(Konode: 혼합 상태도에서 위상평형상태의 점들을 연결한 선. 고체와 액체가 평형을 이룰 때 코노데와 고상선의 교점은 없어진 고체의 구성을 표시하고, 코노데와 액상선의 교점은 남아있는 융해물의 구성을 표시한다)는 더욱 더 짧아진다. 목표 상태에 도달하면 처리실 내의 융해물(11)은 처리실의 적출로봇(12)에 의해 적출되어, 주물궤도를 따라 이동하는, 주형(鑄型:14)에 채워진다. 제거설비(15)에서 주형(14)의 내용물은 제거되고, 그러면 비어있는 주형(17)이 다시 적출로봇(12)에 인도될 수 있다.

냉각 과정에 있는 융해물에 에너지를 일시적으로(단기적으로) 공급하는 것은, 기본 결정체 내에서 기본 물질의 원자가 부가 요소의 원자에 의해 대체되는, 혼합결정체 형성을 증가하도록 만든다. 혼합결정체 형성이 최적의 상태에 도달하여 에너지를 더 공급하여도 더 이상 혼합결정체 형성을 증가시키지 못하게 되면, 에너지 공급은 중단될 수 있다. 융해물의 새로운 에너지 컨디션(조건)을 특징짓는 최적의 상태는 이 발명의 실시예를 통해 파악될 수 있다.

증가된 혼합 결정체 형성을 위한 징후인 가장 높은 상태의 유동성 또는 가장 낮은 상태의 점성은 점도 측정기(8)에 의해 처리실에서 온라인으로 측정된다. 그럼으로써 융해물(11)을 위해 의도된 상태에 도달했는지 도달하지 못했는지를 매시간 확인할 수 있다. 외적인(외부의) 에너지 작용에 의해 유동적-결정질의 기본결정체 의 에너지 컨디션은 변한다. 기본결정체의 결정격자가 느슨하게 풀어져, 새로운 원자 배열이 일어나는 과정이 쉬워진다. 개별적인 구성 요소의 원자들과 합금의 구조단위 사이에 나타나는 결합력과 에너지는 결정적인 요인에 속한다. 점성은 이러한 특성 중의 하나이다. 원자 복합체의 구성과 재구성은 복합체 내부에 닫혀 있던 강한 결합을 풀어지게 한다. 이러한 결합은 점성이 있는 흐름에 관여하며, 구조단위의 혼합에도 관여한다. 따라서 낮아지는 점성은 약해진 내적 결합과 강해진 외적 결합을 보여주는 원자복합체로 인한 것이다. 이에 따라 유동적-결정질의 시스템에서 통일적인 방향성을 갖는 집합체의 영역이 조직된다는 기술-물리적인 전제를 생각해낼 수가 있다. 새로운 구조 조직과 에너지의 안정성은 변동적인 전자기장에 의해서 강화된다. 그 결과는 융해물의 결정격자 내지 미세구조 단위의 에너지 컨디션을 반영하는 약한 점성이다. 예를 들어 유동성은 모니터(16)에 나타날 수 있다. 유동성이 본질적으로 더 이상 상승할 수 없을 때, 다시 말하자면 모니터(16)에 그려진, 시간 t에 대한 유동성 φ의 곡선이 대략 수평 상태가 되었을 때, 유동성은 최고도에 도달하는 것이다.

처치실에서 융해물(11)의 시료를 채취하여 분석하는 것이, 대체적으로 또는 경우에 따라서 부가적 수단이 될 수 있다. 이러한 분석의 도움으로 예를 들면 또 다른 모니터(9)에서는 액상선 온도 TL이 어떻게 변하며, 특수한 합금의 액상선 온도와 비교해서 고상선 온도 TS에 어떻게 접근했는가를 볼 수 있다. 이때 모니터(9)에는 시간 t에 대한 온도 T의 그림이 나타난다. 유동적-결정질의 시스템에서 시작된, 과포화된 혼합결정체의 구성과정은 합금의 냉각과정 중에 끝나기 때문에, 실제 적인 상황도(狀況圖)가 가능해진다. 이러한 사실적인 열역학적인 묘사에 의해서 합금 특징의 커다란 스펙트럼(구획)이, 예를 들면, 본 발명 방법에 따라 만들어지는 합금을 위해 적당한 기술적인 주조 매개변수를 결정하는 것을 가능하게 하는, 농도의 표시, 구상선 및 액상선 배열, 포화 한계치 (용해성) 등이 커버된다.

앞서 말한 바와 같은 방식으로 만들어지는 금속괴가 재가공될 때에 유익한 관계들이 나타난다는 사실이 놀랍게도 드러났다. 처리를 위해 얻게 된 유동성의 증가는 가역적이지 않다. 왜냐하면 혼합결정체는 안정적이기 때문이다. 재가공할 때에 금속괴를 융해하여 만든 융해물은 개선된 유동성을 가지며, 산화의 경향은 낮다. 금속괴가 융해될 때에 표면에 흠집은 거의 생기지 않는다.

알루미늄을 주재료로 하고 주요 합금성분이 규소인 합금의 경우에, 이러한 기계와 합금에 규정된 온도보다 섭씨 약 100도 정도 낮은 온도인, 섭씨 637도의 주조 온도로 실린더 헤드를 성공적으로 주조하는 것이 가능해졌다. 낮은 주조온도에도 불구하고 주물 내부의 공동(空洞)이나 공기구멍, 칼트라우프(Kaltlauf) 등에 의한 질의 저하는 없으며, 거친 물건도 나오지 않는다.

이 발명은 외부의 에너지 작용에 의해, 다시 말하자면 외부의 전자기장과 결정체 내부의 전자기장 사이의 상호작용에 의해, 융합과정의 강화와 원자 상호간의 결합이 영향을 받는다는 사실에서 출발한다. 이러한 상호작용의 결과가, 융해 상태에서 결정체가 광범위한 배치 내지는 원격 배치의 성격을 띠는, 합금의 구성이다. 이러한 상호 작용은 자기감수율(磁氣感受率)에 의해 기본 재료와 구별되는 합금구성성분을 추가함으로써 조절할 수 있다.

이 발명은 특히 기본소재를 알루미늄으로 하고 주요첨가요소를 규소로 하는 합금에 적당하다. 그러나 이 발명은 근본적으로 구성 성분의 자기감수율(磁氣感受率)과 관계없이 모든 합금에 적용가능하다. 외부 에너지의 작용은, 실시예에서, 변동적이고 약동적인 전자기장에 의해 일어난다. 그러나 외부 에너지 작용은 다른 변동적인 물리적 장에 의해 주어질 수 있다. 예를 들면 초음파에 의한 작용이 있다. 이때 이 장(場)은 앞서 설명한 전자기장을 따르는 조건들이 또한 유지되도록 설치된다.

본 발명에 따른 금속괴는 모든 주조 과정에 적합하다. 이 경우 중력주조(重力鑄造)를 할 때는 높은 유동성이 특별한 장점이고, 반면에 금형주조(金型鑄造, die-casting)를 할 경우에는 가변형성(可變形性)이 특별한 장점이 된다. 융합에 의한 사전 조치로 얻게 된, 결정격자 내의, 새로운 원자 배열이, 금속괴를 융해하는 어떤 경우에도, 합금 구성성분의 원자들이 알루미늄 결정격자 내의 자기 자리를 잃어버리지 않고, 유지된다는 사실이 인정된다.

본 발명에 의하면 금속괴라는 표현으로는 금속괴의 상관습(商慣習) 상의 형태만을 의미하는 것이 아니다. 오히려 주조과정에서 준비된 융해물이 상품 제조를 위해 재융해되기 전에 주조되는 모든 형태로 이해해야 한다.

Claims (6)

1. 기본 금속에 하나 이상의 구성 성분이 액체 상태로 녹아들어간 금속 합금의 융해물을 만들고, 상기 융해물로 금속괴를 만들며,

   상기 금속괴가 형성되기 전의 냉각 과정 중의 상기 융해물에, 혼합결정체의 형성을 증가시키기 위해 변동적인 물리적 장에 의해 일시적으로 에너지를 공급하고,

   상기 혼합결정체의 형성 정도는 처리실에 있는 상기 융해물의 역학적인 점성 측정을 통해 파악하고,

   상기 융해물로의 에너지 공급은 일단 상기 혼합결정체의 형성 과정이 더 이상의 에너지 공급이 상기 혼합결정체의 형성을 더 이상 증가시키지 못하게 되는 최적점에 도달하면 종결되는 금속괴 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 에너지의 공급은 상기 금속 합금의 온도 및 액상선(液相線)에 따라 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 금속괴 제조 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 혼합결정체의 형성 정도를, 상기 에너지의 공급이 이루어지는 처리실의 상기 융해물 가운데에서 추출한 표본의 액상선 온도를 측정함으로써 확인하는 것을 특징으로 하는 금속괴 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 에너지의 공급이 변동하는 전자기장에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속괴 제조 방법.
6. 삭제

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