KR101341313B1 - 주조 금속의 균질화 및 열처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 추가의 가공, 예컨대 열간 및 냉간 압연에 이용할 수 있는 미세구조를 갖는 금속 잉곳의 주조 방법에 관한 것으로서,
상기 금속은 직접 냉각 주조 몰드 또는 균등물에서 주조되며, 이는 급속한 냉각을 달성하기 위해서 잉곳의 외부면상에 냉각액을 분무한다. 상기 냉각제는 배출된 엠브리오 잉곳이 완전히 응고되지 않는 위치에서 표면으로부터 제거되며, 상기 용융 코어의 응고 잠열 및 현열은 금속의 인사이튜 균질화에 대한 전이 온도 이상인 수렴 온도로 인접한 고상 쉘의 온도를 상승시킨다. 그 후 추가적인 종래의 균질화 단계가 요구되지 않는다. 또한, 본 발명은 열간 가공 이전에 상기 잉곳의 열처리에 관한 것이다.

Description

주조 금속의 균질화 및 열처리 방법{HOMOGENIZATION AND HEAT-TREATMENT OF CAST METALS}
본 발명은 금속, 특히 금속 합금의 주조, 및 이들을 시트와 플레이트 제품과 같은 금속 제품의 제조에 적합하도록 하는 처리에 관한 것이다.
금속 합금, 특히 알루미늄 합금은 대개 용융 형태에서 주조되어 잉곳(ingot) 또는 빌릿(billet)을 형성하고, 이후에 상기 잉곳 또는 빌릿을 압연, 열간 가공 등을 실행하여 여러 제품의 제조에 사용되는 시트 또는 플레이트 제품을 제조한다. 잉곳은 주로 직접 냉각 주조[direct chill(DC) casting]에 의해서 제조되지만, 전자기 주조[예를 들어 미국 특허 제3,985,179호 및 제4,004,631호(둘 다 Goodrich 등)에 예시하고 있음]와 같은 대응하는 주조 방법도 이용될 수 있다. 이후의 설명은 주로 DC 주조에 관한 것이지만, 상기 공정에 의해 주조 금속 내에 동일하거나 또는 균등한 미세구조 특성이 생성되는 모든 주조 공정에 동일한 원리가 적용된다.
잉곳을 제조하기 위한 금속(예를 들면 알루미늄과 알루미늄 합금 - 이후에는 총괄하여 알루미늄이라고 함)의 DC 주조는 하향 이동가능한 플랫폼[주로 바닥 블록(bottom block)이라고 함]에 의해 하단이 처음에는 폐쇄되어 있는, 얕고 개방형이며 축이 수직인 몰드에서 실시되는 것이 통상적이다. 상기 몰드는 냉각 자켓이 주위를 둘러싸고 있으며, 상기 냉각 자켓을 통해서 물과 같은 냉각 유체가 지속적으로 순환하여 몰드 벽의 외부 냉기를 제공한다. 용융 알루미늄(또는 다른 금속)을 냉각된 몰드의 상단으로 주입하고, 용융 금속이 몰드의 내부 주변부에 인접한 영역에서 응고되면 상기 플랫폼이 하향으로 이동한다. 플랫폼이 효과적이고 연속적으로 이동하도록 하고, 동시에 몰드에 용융 알루미늄을 지속적으로 공급하면서 바람직한 길이의 잉곳이 제조될 수 있으며, 단지 몰드 아래의 유용한 공간에 의해서만 제한을 받는다. DC 주조의 추가적인 상세한 설명은 Ennor의 미국 특허 제2,301,027호(참고문헌으로서 본원에 통합됨) 및 다른 특허들에서 확인할 수 있다.
DC 주조는 또한 수평, 즉 몰드를 비-수직으로 배향하여 장치를 약간 변형시켜 실행할 수 있으며, 이러한 경우에 주조 작업은 연속적으로 이루어지는 것이 기본이다. 하기의 설명에서 본 발명은 수직형 직접 냉각 주조(vertical direct chill casting)에 관한 것이지만, 동일한 원리가 수평형 DC 주조(horizontal DC casting)에도 적용된다.
수직형 DC 주조에서 몰드의 하단(유출구)으로부터 배출되는 잉곳은 외관상으로는 고체 상태이지만 이의 중심 코어는 여전히 용융 상태이다. 다시 말해서, 몰드 내의 용융 금속의 풀(pool)은 용융 금속의 저장소(sump)로서 몰드 아래로 약간 거리를 두고 하향 이동하는 잉곳의 중심부로 하향 연장된다. 잉곳은 그 코어 부분이 완전한 고형 상태가 될 때까지 외부면에서 안쪽으로 응고되므로 상기 저장소는 하부 방향으로 단면이 점진적으로 감소한다. 고상 외부 쉘(solid outer shell)과 용융 코어(core)를 갖는 주조 금속 제품의 일부분을 여기에서는 엠브리오 잉곳(embryonic ingot)이라고 하며, 이는 완전하게 응고되는 경우 주조 잉곳이 된다.
직접 냉각 주조 공정의 중요한 특징으로는 물과 같이 연속 공급되는 냉각 유체가 몰드 바로 아래에서 하부로 진행되는 엠브리오 잉곳의 외부면과 직접 접촉하도록 하여 표면 금속이 직접 냉각된다는 것이다. 잉곳 표면의 이러한 직접 냉각으로 잉곳의 주변부는 고형 상태를 유지하고, 잉곳의 응고와 내부 냉각을 촉진한다.
종래에는 단일 냉각 영역이 몰드 아래에 구비되었다. 통상적으로 몰드 바로 아래의 잉곳 주변부를 따라 물이 균일하게 충분히 연속적으로 흐르게하고, 예를 들어 몰드 냉각 자켓의 하단으로부터 물을 배출시킴으로써 상기 영역에서의 냉각 작용을 실시한다. 상기 공정에서 물은 충분한 각도로 잉곳 표면에 상당한 힘 또는 운동력으로 충돌하며, 잉곳 표면의 온도가 대략적으로 물의 온도가 될 때까지 냉각 효과를 감소시키면서 연속적으로 잉곳 표면에서 아래쪽으로 흐른다.
통상적으로 냉각수는 뜨거운 금속에 접촉하면 우선 두번 끓게 된다. 우세한 수증기 필름이 제트(jet)의 정체 영역(stagnant region)내 및 상기 제트의 하부면이나 측면에 직접 인접하는 정체 영역내 액체 바로 아래 형성되며, 종래의 핵 필름 비등(nucleate film boiling)이 일어난다. 잉곳이 냉각되고 상기 버블의 핵생성(nucleation) 및 혼합 효과가 진정되는 경우, 결국 유체 역학 상태가 잉곳의 최하부 선단에서 전체 잉곳 표면을 가로질러 단순한 자유 강하 필름(free falling film)으로 전환될 때까지 유체 유량(fluid flow) 및 열 경계층(thermal boundary layer) 상태가 잉곳의 벌크 아래로 강제 대류로 변경시킨다.
상기 방법으로 제조된 직접 냉각 주조 잉곳은 통상 열간 압연 단계 및 냉간 압연 단계를 거치거나 또는 다른 열간 가공 절차를 거쳐서 다양한 두께 및 너비의 시트 또는 플레이트와 같은 제품을 제조한다. 그러나, 대부분의 경우, 금속을 더 유용한 형태로 전환시키고/시키거나 압연된 제품의 최종 특성을 향상시키기 위해서 압연 또는 다른 열간 가공 공정 이전에 균질화 공정이 통상 요구된다. 균질화는 미세 농도 구배를 평형을 이루기 위해서 실시된다. 균질화 단계는 상당한 시간, 예를 들면 수시간 내지 통상 30시간 이하로 높은 온도(통상, 전이 온도 초과의 온도, 예를 들면 합금의 솔버스 온도(solvus temperature), 종종 450℃ 이상, 전형적으로 (많은 합금에 대해서) 500℃ 내지 63O℃ 범위)로 주조 잉곳을 가열하는 단계를 포함한다.
상기 균질화 단계는 응고의 초기 단계 또는 최종 단계로부터 기인한 주조 제품에서 발견되는 미세구조 결함때문에 요구된다. 미세 수준에서, DC 주조 합금의 응고는 5가지 특징이 있다: (1) 1차 상(phase)의 핵생성[이의 빈도수는 입자 미세화제(grain refiner)의 존재와 관련되거나 또는 관련되지 않을 수 있음]; (2) 입자를 획정하는 셀(cellular) 구조, 덴드라이트(dendritic) 구조, 또는 셀 구조와 덴드라이트 구조의 조합된 형태의 형성; (3) 우세한 비평형 응고 조건에 의해 셀/덴드라이트 구조로부터 용질의 배출; (4) 응고된 1차 상의 부피 변화에 의해서 개선된 배출 용질의 이동; 및 (5) 최종 반응 온도(예를 들면, 공정 온도)에서 배출된 용질의 농축 및 이의 응고.
그러므로, 수득된 상기 금속의 구조는 꽤 복잡하며, 입자에 대한 조성 가변성 뿐만 아니라 비교적 연질 영역과 경질 영역이 상기 구조내에 함께 존재하는 금속간화합물 상(intermetallic phase)에 인접한 영역에서 조성 가변성을 특징으로 하며, 변형되거나 또는 변환되지 않는다면, 최종 제품에서 허용할 수 없는 최종의 게이지 특성 가변성(gauge property variances)을 형성할 것이다.
균질화(homogenization)는 용질 원소의 분포에서 미세 결함을 수정하고 계면에 존재하는 금속간화합물 구조를 (동시에) 변형시키도록 고안된 열처리를 기술하기 위해서 통상 사용되는 일반적 용어이다. 균질화 방법의 허용된 결과는 하기를 포함한다:
1. 입자내 원소 분포는 더 균일해진다.
2. 주조 동안 입자 경계 및 3중점에서 형성된 낮은 용융점 구성 입자[예컨대, 공용화물(eutectics)]는 입자(grain)내로 다시 용해된다.
3. 특정의 금속간화합물 입자[예컨대, 포정화물(peritectics)]는 화학적 및 구조적 변태를 겪는다.
4. 주조 동안 형성된 큰 금속간화합물 입자(예컨대, 포정화물)는 가열 중에 파쇄되고 둥글게 될 수 있다.
5. 가열시 형성된 석출물(이후에 사용되어 상기 물질의 강도를 향상시킬 수 있음)은 용해되고 잉곳이 솔버스 이하로 다시 냉각되고 일정 온도에서 유지하여 핵이 생성되고 성장하거나 또는 실온으로 냉각하고 열간 가공 온도로 예열되어 재용해 및 재분포 이후에 입자를 통해 균일하게 석출된다.
몇가지 경우에, 주조 공정 중에 유발된 시차 스트레스 필드(differential stress field)를 수정하기 위해서 실제 DC 주조 공정 중에 잉곳에 열 처리를 가하 는 것이 필수적이다. 당분야의 통상의 지식을 가진 사람은 상기 스트레스에 대한 반응으로 응고후나 응고전에 합금이 크랙될 수 있는 것을 특징으로 한다.
응고후 크랙은 주조 중에 발생되는 거대 스트레스(macroscopic stress)에 의해서 발생되며, 크랙을 일으켜서 응고가 완료된 이후에 트랜스-그래뉼러 방식(trans-granular manner)으로 형성된다. 이는 전형적으로 주조 공정 중에 높은 수준에서 잉곳 표면 온도를 유지하고(그러므로, 온도가 감소되어 잉곳에서 스트레인-구배가 감소됨) 주조 직후 종래의 주조 잉곳을 스트레스 경감 노(stress relieving furnace)로 전달함으로써 수정된다.
응고전 크랙은 주조 중에 발생된 거대 스트레스에 의해서 또한 발생된다. 그러나, 상기의 경우에, 응고 중에 형성된 거대 스트레스는 낮은 용융점 공용 네트워크(응고 시에 용질 배출과 관련됨)를 따라 입자간에서 상기 구조를 인열 또는 전단에 의해서 경감된다. 중심에서 표면까지 선형 온도 구배 차동을 평준화시킴으로써(예컨대, 배출된 잉곳의 표면에서 중심까지의 온도 함수) 상기 크래킹을 성공적으로 완화시키는 것을 발견하였다.
상기 결점은 잉곳을 수 많은 목적에 허용가능하지 않게 만들었다. 주조 중에 잉곳의 표면 냉각 속도(cooling rate)를 제어함으로써 상기 문제점을 극복하려는 다양한 시도가 있었다. 예를 들면 지글러(Zeigler)의 미국 특허 제2,705,353호에서 응고후 크래킹을 형성하는 경향이 있는 합금에서 와이퍼(wiper)를 사용하여 몰드 아래 일정 거리에서 잉곳의 표면으로부터 냉각제를 제거하여 잉곳의 내부열은 냉각된 표면을 재가열한다. 상기 공정은 의도는 약 300℉(149℃) 이상의 레벨에서 표면 온도를 유지하며, 바람직하게는 약 400℉ 내지 650℉(204℃ 내지 344℃)의 전형적인 어닐링 범위내에서 유지하는 것이다.
지니거(Zinniger)의 미국 특허 제4,237,961호에서는 팽창가능한 엘라스토머성 와이핑 칼라(inflatable, elastomeric wiping collar) 형태의 냉각제 와이핑 장치를 갖춘 또다른 직접 냉각 주조 시스템을 개시한다. 상기는 지글러 특허에 기술된 것과 동일한 기본적 목적을 제공하며, 잉곳의 표면 온도는 내부 스트레스를 경감시키기에 충분한 수준에서 유지된다. 지니거 특허의 실시예에서, 잉곳 표면은 대략 500℉(260℃)의 온도에서 유지되며, 이는 다시 어닐링 범위에 있게 된다. 상기 방법의 목적은 잉곳내에 과도한 열 스트레스의 발생을 막아 매우 큰 단면적의 잉곳을 주조하는 것이다.
응고전 크랙 경향이 있는 합금에 있어서, 브리슨(Bryson)의 미국 특허 제3,713,479호는 냉각 속도를 감소시키기 위해서 더 적은 강도의 2개 레벨의 물 분무 냉각이 사용되고 잉곳이 하강될 때 잉곳 아래의 거리를 더 크게 연장시키며, 상기 작업의 결과 상기 공정에서 실현될 수 있는 전체 주조 속도를 증가시킬 수 있는 가능성을 입증하였다.
냉각수를 제거하기 위해 와이퍼를 사용하는 직접 냉각 주조 장치의 또다른 형태는 Ohatake 등의 캐나다 특허 제2,095,085호에 개시되었다. 이러한 설계로, 1차 및 2차 물 냉각 제트가 사용된 후에, 와이퍼로 물을 제거하고, 상기 와이퍼의 후에 제3 냉각수 제트가 사용된다.
전형적인 형태 또는 측면은 주조 금속 잉곳의 종래 균질화(상기 공정은 높은 온도에서 수시간의 가열을 요구함) 중에 제조된 금속학적 특성과 균등하거나 또는 동일한 금속학적 특성이 엠브리오 주조 잉곳의 냉각된 셀 및 용융 내부의 온도를 인사이튜(in-situ) 금속 균질화가 발생되는 금속의 변태 온도에서 또는 변태 온도 이상의 온도, 통상 많은 알루미늄 합금에 대해서 425℃ 이상의 온도로 수렴하여, 바람직하게는 목적하는 변태가 발생하는 적당한 시간 동안 상기 온도에서 또는 상기 온도에 근접한 온도에서 유지시킴으로써(적어도 일부) 상기 잉곳에 부여될 수 있다는 관찰에 근거한다.
놀랍게도, 목적하는 금속학적 변화는 상대적으로 짧은 시간(예를 들면, 10분 내지 30분)에 상기 방법으로 부여될 수 있고, 상기 결과를 달성하기 위한 공정은 주조 작업 자체내에 통합됨으로써 추가의 비용이 발생되는 것을 회피하며 불편한 균질화 단계의 필요성을 회피할 수 있다. 특정 이론에 한정되지 않고, 종래의 냉각 중에 형성되는 목적하지 않는 금속학적 특성을 갖는 것보다 더 짧은 시간 동안 후진-확산 효과(고체 상태, 액체 상태 및 이들의 조합된 '페이스트(mushy)' 상태)에 의해서 합금이 주조되는 경우에 목적하는 금속학적 변화가 형성되거나 또는 유지되기 때문에 가능하며, 그 후 종래의 균질화 단계에서 수정을 위한 상당한 시간이 요구된다.
균질화가 종래의 주조 잉곳으로 통상 실시되지 않는 경우에도, 상기 잉곳을 용이하게 처리하거나 또는 제품에 개선된 특성을 제공하는 특성에서의 이득이 있을 수 있다.
상기에 기술된 바와 같이 인사이튜 균질화를 포함하는 주조 공정은 선택적으로 잉곳이 주조 장치로부터 제거되기 전에 급냉 작업, 예를 들면 냉각액 풀로 진행하는 주조 잉곳의 선단부를 침지시킴으로써 선택적으로 실시할 수 있다. 상기는 엠브리오 잉곳의 표면에 공급되는 냉각액의 제거후에 실시하며 충분한 시간 후에 적당한 금속학적 변태를 실시할 수 있다.
용어 "인사이튜 균질화(in-situ homogenization)"는 하기의 주조 및 냉각 후에 실시되는 종래의 균질화에 의해서 수득된 것과 균등한 주조 공정 중에 미세구조 변화가 달성되는 현상을 기술하기 위해서 본 발명자가 만든 용어이다. 유사하게, 용어 "인사이튜 급냉(in-situ quench)"은 주조 공정 중에 인사이튜 균질화 이후에 실시되는 급냉 단계를 기술하기 위해서 만든 용어이다.
미국 특허 공개 2005-0011630(2005.01.20 공개) 또는 미국 특허 제6,705,384호(2004.03.16 등록)에 기술된 바와 같이, 둘 이상의 금속(또는 두개의 상이한 공급원으로부터 동일한 금속)의 복합 잉곳의 주조에 실시양태를 적용시킬 수 있음에 주목하여야 한다. 이러한 종류의 복합 잉곳은 하나의 금속으로부터 제조된 모노리스 잉곳(monolithic ingots)과 동일한 방법으로 주조되지만, 주조 몰드 등은 내부 몰드 벽(internal mold wall) 또는 주조 잉곳으로 통합되는 고체 금속 스트립을 연속-공급함에 의해서 분리된 둘 이상의 유입구를 갖는다. 일단 하나 이상의 유출구를 통해서 상기 몰드에서 배출되면, 상기 복합 잉곳은 액체 냉각되고, 액상 냉각제는 동일하거나 또는 균등한 효과를 갖는 모놀리스 잉곳에서와 동일한 방법으로 제거될 수 있다.
그러므로, 특정의 예시적 실시양태는 하기 단계를 포함하는 금속 잉곳을 주조하는 방법을 제공할 수 있다: (a) 용융 금속을 하나 이상의 공급원으로부터 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역으로 공급시킴으로써 상기 용융 금속에 주변부를 제공하는 단계; (b) 상기 금속의 주변부를 냉각시킴으로써 외부 고상 쉘(shell)과 내부 용융 코어(core)를 갖는 엠브리오 잉곳을 형성하는 단계; (c) 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역에 추가 용융 금속을 공급하면서 상기 엠브리오 잉곳을 상기 영역으로부터 멀어지는 진행 방향으로 진행시킴으로써 상기 고상 쉘내에 수용된 상기 용융 코어를 상기 영역 너머로 연장시키는 단계; (d) 외부면에 냉각액을 공급함으로써 상기 금속의 주변을 한정하는 영역으로부터 배출되는 상기 엠브리오 잉곳의 외부면을 냉각하는 단계; 및 (e) 진행 방향에 수직인 상기 잉곳의 단면이 상기 용융 코어의 일부와 교차하는 상기 잉곳의 외부면 상의 위치에서 상기 냉각액의 유효량(가장 바람직하게는 전부)이 상기 엠브리오 잉곳의 외부면으로부터 제거되어 상기 냉각액의 유효량을 제거한 후에 상기 용융 코어로부터의 내부열이 상기 용융 코어에 인접한 상기 고상 쉘을 재가열함으로써 상기 코어 및 쉘의 온도를 각각 425℃ 이상의 수렴 온도에 도달시키는 단계.
바람직한 경우에, 냉각액이 제거되어진 후에 되돌려진 온도를 나타내는 잉곳의 외부면을 측정함으로써 수렴이 추적될 수 있다. 상기 되돌림 온도(rebound temperature)는 합금 또는 상(phase)의 변태 온도 이상, 바람직하게는 426℃ 이상에서 피크를 이룬다.
상기 방법에서, 단계 (a)에서 용융 금속을 직접 냉각 주조 몰드의 하나 이상의 유입구로 공급되는 것이 바람직하며, 상기 직접 냉각 주조 몰드는 용융 금속의 주변을 한정하는 영역을 형성하며, 엠브리오 잉곳은 직접 냉각 주조 몰드의 하나 이상의 유출구로부터 단계 (c)에서 진행하며, 냉각액의 실질적인 부분이 단계(e)에서 제거되는 잉곳의 외부면 상의 위치는 상기 몰드의 하나 이상의 유출구로부터 일정 거리만큼 이격되어 있다. 상기 주조 방법(즉, 용융 금속의 공급)은 목적하는 바와 같이 연속 또는 반연속일 수 있다.
냉각액은 와이핑(wiping) 또는 다른 수단에 의해서 외부면으로부터 제거될 수 있다. 바람직하게, 잉곳을 둘러싸는 와이퍼가 제공되며, 상기 와이퍼의 위치는 목적한다면 주조 작업의 상이한 국면 동안 예를 들면 상기 상이한 국면 동안 발생될 수 있는 수렴 온도의 차이를 최소화하기 위해 가변될 수 있다.
또다른 예시적 실시양태에 따르면, 하기를 포함하는 금속 잉곳의 연속 또는 반연속 직접 냉각 주조용 장치를 제공한다: 하나 이상의 유입구, 하나 이상의 유출구 및 하나 이상의 몰드 캐비티(cavity)를 구비한 주조 몰드; 하나 이상의 몰드 캐비티용 하나 이상의 냉각 자켓(cooling jacket); 하나 이상의 유출구로부터 배출되는 엠브리오 잉곳의 외부면을 따라서 냉각액이 흐르도록 배치된 냉각액의 공급부; 하나 이상의 유출구로부터 일정 거리로 이격되고, 상기 엠브리오 잉곳의 외부면으로부터 상기 냉각액을 제거하기 위한 수단; 및 하나 이상의 유출구를 향하거나 멀어지는 상기 냉각액 제거 수단을 이동시킴으로써 상기 잉곳의 주조 동안 상기 거리를 변형시킬 수 있는 장치.
또다른 예시적 실시양태는 금속 시트 제품을 제조하는 방법을 제공하며, 상기에 기술된 방법에 의해서 응고된 금속 잉곳을 제조하는 단계; 및 가공 제품을 제조하기 위해 상기 잉곳을 열간 가공하는 단계를 포함하며; 상기 열간 가공은 잉곳 제조 단계(a)와 열간 가공 단계(b) 사이에서 응고된 금속 잉곳의 균질화 없이 실시되는 것을 특징으로 한다. 상기 열간 가공은 예를 들면 열간 압연일 수 있으며, 목적한다면 그 후 종래의 냉간 압연을 실시한다. 용어 "열간 가공(hot-working)"은 예를 들면 열간 압연, 압출 및 단조(forging)와 같은 공정을 포함할 수 있다.
또다른 예시적 실시양태는 사전 균질화 없이 열간 가공될 수 있는 금속 잉곳을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 비(非)코어 미세구조, 또는 선택적으로 파쇄된 미세구조(보여지는 금속간화합물 입자는 주조 구조내에서 파쇄되어 있음)를 갖는 응고된 금속을 제조하기에 유효한 온도 및 시간 조건하에서 금속을 주조하여 잉곳을 형성하는 단계를 포함한다.
예시적 실시양태의 전부 또는 일부에서, 초기 유체 냉각 동안 솔버스 온도와 같은 변태 온도 이하로 급냉된 표면 근처에 잉곳의 가장자리에 존재하는 셀(cell) 가장자리를 향해서 응고되는 중에 분리되는 용질 원소는 덴드라이트/셀을 통해 고체 상태 확산을 통해 재분배되며, 잉곳의 중심 영역에서 덴드라이트/셀의 가장자리로 통상 편석된 용질 원소는 성장 및 거칠어짐 이전에 균질한 액상으로부터 용질을 덴드라이트/셀로 후진 확산시키는 응고 동안 시간 및 온도를 허용한다. 상기 후진 확산(backward diffusion)의 결과로 균질한 혼합물로부터 용질 원소를 제거하고, 단위 덴드라이트/셀 경계에서 주조 금속의 부피 분율을 최소화하는 균질한 혼합물내 용질의 농도를 감소시킴으로써 잉곳을 통한 전체 거대-편석 효과를 감소시킨다. 높은 용융점의 주조 성분 및 금속간화합물(intermetallics)이 일단 응고되면 높은 온도에서 금속내에 존재하는 실리콘(Si) 또는 다른 원소의 벌크 확산에 의해서 용이하게 변형되어 특정의 수렴 온도에서 최대 용해도 한계에 상응하는 농도에 균등하거나 또는 농도에 근접한 덴드라이트/셀 경계에서 무석출 구역(denuded zone)을 수득한다. 유사하게, 수렴 온도는 2개의 인접한 이원 상 영역(binary phase region)에 공통되는 혼합 상 영역에서 수득되고 유지되는 경우 고 용융점 공정화물(또는 준안정성 성분 및 금속간화합물)은 구조에서 추가로 변형될 수 있거나 또는 추가로 변형/변환될 수 있다. 상기에 추가로, 명목상 더 높은 용융점 주조 성분 및 금속간화합물이 파쇄되고/되거나 둥글게 하고, 저 용융점 주조 성분(casting constituent) 및 금속간화합물은 주조 공정 중에 벌크 물질로 용융되거나 또는 확산될 수 있다.
또다른 예시적 실시양태는 소정의 열간 가공 온도에서 열간 가공용 잉곳을 제조하기 위해 주조 금속 잉곳을 가열하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 (a) 핵생성이 발생하도록 금속내 석출물 핵생성이 생기는 상기 소정의 열간 가공 온도 미만의 핵생성 온도로 상기 잉곳을 예열하는 단계; (b) 상기 금속내에서 석출물 성장이 되도록 석출물 성장이 일어나는 석출물 성장 온도로 상기 잉곳을 추가로 가열하는 단계; 및 (c) 상기 잉곳이 단계(b) 이후에 상기 소정의 열간 가공 온도에 있지 않는 경우, 열간 가공을 위해 상기 소정의 열간 가공 온도로 상기 잉곳을 추가로 가열하는 단계를 포함한다. 상기 열간 가공 단계는 바람직하게는 열간 압연을 포함하며, 상기 잉곳은 DC 주조에 의해서 주조되는 것이 바람직하다.
상기 방법에 따르면, 균질화 및 열간 압연 중에 통상 형성되는 분산질(dispersoids)은 2단계로 열간 압연 온도로 상기 잉곳을 예열하고, 일정 시간 동안 유지시킬 때, 상기 잉곳내 분산질 개체 크기 및 분포는 통상 전체 균질화 공정에서 발견되는 것과 유사하거나 또는 더 양호하지만 실질적으로 더 짧은 시간 동안에 형성된다.
바람직하게, 본 발명의 방법은 하기의 단계를 포함하는 금속 잉곳을 열처리하는 방법을 제공한다:
(a) 솔버스에서 조성에 상응하는 온도로 잉곳을 예열하는 단계;
(b) 가열하는 동안 용액으로부터 석출된 과포화 물질의 일부가 석출물의 핵생성에 기여하는 단계;
(c) 일정 시간동안 상기 온도에서 잉곳을 유지하는 단계;
(d) 그 후 솔버스에서 조성에 상응하는 온도로 상기 잉곳의 온도를 증가시키는 단계;
(e) 제2 스테이지 가열시에 용액으로부터 석출된 과포화 물질의 일부를 석출물의 성장에 기여하도록 하는 단계;
(f) 일정 시간 동안 상기 온도에서 잉곳을 유지하여 더 크게 안정한 석출물의 성장을 향상시켜서 더 작은(열적으로 불안정한) 석출물로부터 용질을 연속적으로 확산시키거나 또는 선택적으로 점차로 온도를 증가시킴으로써 요구되는 온도를 유지시킬 필요없이 성장에 기여하는 용질 농도를 증가시키는 단계.
도 1은 예시적 실시양태에 따른 공정의 하나의 바람직한 형태를 나타내며, 특히 전체 주조 동안 잉곳이 가열 상태로 유지되는 경우를 설명하는 직접 냉각 주조 몰드의 수직 단면도이다.
도 2는 와이퍼의 위치가 주조 동안 이동가능한 바람직한 변형을 설명하는, 도 1의 단면도와 유사한 단면도이다.
도 3은 주조 동안 하단에서 잉곳이 추가로 냉각(급냉)되는 경우를 설명하는, 도 1의 단면도와 유사한 단면도이다.
도 4는 예시적 실시양태의 바람직한 형태를 설명하는 J-형 주조 몰드의 평면도이다.
도 5는 도 4에 개시된 형태의 몰드에 있어서 도 1의 거리 X를 나타내는 그래프이며, X값은 도 4에서 점S로부터 시계 방향으로 측정된 몰드 주변부 근처의 점에 해당한다.
도 6은 도 4의 주조 몰드에 대해서 설계된 와이퍼의 사시도이다.
도 7은 DC 주조된 후 물 냉각 및 냉각액 와이핑 처리되는 경우 Al-1.5%Mn-0.6%Cu 합금의 시간에 대한 표면 온도 및 코어 온도를 나타내는 예시적 실시양태의 하나의 형태에 따른 주조 방법을 설명하는 그래프이다.
Al-1.5%Mn-0.6%Cu 합금의 응고 및 재가열이 일어나는 영역에서 열 이력(thermal history)은 잉곳의 벌크가 강제적으로 냉각되지 않는 경우에 미국 특허 제6,019,939호의 것과 유사하다(아래 온도 곡선은 표면이며, 위 곡선(점선)은 중심임).
도 8은 도 7에서와 동일한 주조 작업을 설명하지만, 더 긴 시간으로 연장하고 특히 온도 수렴 또는 되돌림 후에 냉각 시간을 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 7과 유사한 그래프이지만, 3개의 약간 상이한 시간에서 실시되는 동일한 주조의 온도 측정을 나타내는 그래프이다(도면에 개시된 바와 같이 상이한 잉곳 길이). 실선은 3개 플롯(plot)의 표면 온도를 나타내며, 점선은 코어 온도를 나타낸다. 표면 온도가 400℃ 및 500℃ 이상으로 유지하는 시간은 각 플롯으로부터 측정될 수 있으며, 각 경우에 15분 이상이다. 563℃, 581℃ 및 604℃의 되돌림 온도가 각 경우에 도시된다.
도 10a는 상업용 직접 냉각 공정에 따른 응고 및 냉각 이력 및 하기 실시예에서의 샘플 A에 따른 열 및 기계적 처리 이력에 의해서 미국 특허 제6,019,939호의 것과 유사한 Al-1.5%Mn-0.6%Cu 합금의 투과 전자 현미경 사진을 나타내며, 잉곳의 표면 및 중심으로부터 25 mm에서 발견되는 6 mm 두께의 전형적인 석출물 개체수(precipitate population)를 나타낸다.
도 10b는 도 10a의 시트에서 동일한 영역의 현미경 사진을 나타내지만, 재결정된 셀 크기를 밝히기 위해서 편광을 사용하여 나타낸다.
도 11a는 상업용 직접 냉각 공정에 따른 응고 및 냉각 이력 및 하기 실시예에서의 샘플 B에 따른 열 및 기계적 처리 이력에 의해서 미국 특허 제6,019,939호의 것과 유사한 Al-1.5%Mn-0.6%Cu 합금의 투과 전자 현미경 사진을 나타내며, 잉곳의 표면 및 중심으로부터 25 mm에서 발견되는 6 mm 두께의 전형적인 석출물 개체수를 나타낸다.
도 11b는 도 11a의 시트에서 동일한 영역의 현미경 사진을 나타내지만, 재결정된 셀 크기를 밝히기 위해서 편광을 사용하여 나타낸다.
도 12a는 도 7 및 도 8에 따른 응고 및 냉각 이력 및 하기 실시예에서의 샘플 C에 따른 열 및 기계적 처리 이력에 의해서 미국 특허 제6,019,939호의 것과 유사한 Al-1.5%Mn-0.6%Cu 합금의 투과 전자 현미경 사진을 나타내며, 잉곳의 표면 및 중심으로부터 25 mm에서 발견되는 6 mm 두께의 전형적인 석출물 개체수를 나타낸다.
도 12b는 도 12a의 시트에서 동일한 영역의 현미경 사진을 나타내지만, 재결정된 셀 크기를 밝히기 위해서 광학적 편광을 사용하여 나타낸다.
도 13a는 도 9에 따른 응고 및 냉각 이력 및 하기 실시예에서의 샘플 D에 따른 열 및 기계적 처리 이력에 의해서 미국 특허 제6,019,939호의 것과 유사한 Al-1.5%Mn-0.6%Cu 합금의 투과 전자 현미경 사진을 나타내며, 잉곳의 표면 및 중심으로부터 25 mm에서 발견되는 6 mm 두께의 전형적인 석출물 개체수를 나타낸다.
도 13b는 도 13a의 시트에서 동일한 영역의 현미경 사진을 나타내지만, 재결정된 셀 크기를 밝히기 위해서 편광을 사용하여 나타낸다.
도 14a는 상업용 직접 냉각 공정에 따른 응고 및 냉각 이력 및 하기 실시예에서의 샘플 E에 따른 열 및 기계적 처리 이력에 의해서 미국 특허 제6,019,939호의 것과 유사한 Al-1.5%Mn-0.6%Cu 합금의 투과 전자 현미경 사진을 나타내며, 잉곳의 표면 및 중심으로부터 25 mm에서 발견되는 6 mm 두께의 전형적인 석출물 개체수를 나타낸다.
도 14b는 도 14a의 시트에서 동일한 영역의 현미경 사진을 나타내지만, 재결정된 셀 크기를 밝히기 위해서 편광을 사용하여 나타낸다.
도 15a는 상업용 직접 냉각 공정에 따른 응고 및 냉각 이력 및 하기 실시예에서의 샘플 F에 따른 열 및 기계적 처리 이력에 의해서 미국 특허 제6,019,939호의 것과 유사한 Al-1.5%Mn-0.6%Cu 합금의 투과 전자 현미경 사진을 나타내며, 잉곳의 표면 및 중심으로부터 25 mm에서 발견되는 6 mm 두께의 전형적인 석출물 개체수를 나타낸다.
도 15b는 도 15a의 시트에서 동일한 영역의 현미경 사진을 나타내지만, 재결정된 셀 크기를 밝히기 위해서 편광을 사용하여 나타낸다.
도 16은 종래의 직접 냉각 주조 공정에 공통되는 전형적인 마이크로 편석(microsegregation)을 보여주는 응고 입자 구조의 중심을 통한 Al-4.5%Cu의 구리 라인 스캔(Copper Line Scan)에 의한 주사 전자 현미경 사진이다.
도 17은 Ziegler의 제2,705,353호 또는 Zinniger의 제4,237,961호에 의해서 교시된 범위에서 와이퍼 및 되돌림/수렴 온도(300℃)를 갖고 Al-4.5%Cu의 구리(Cu) 라인 스캔에 의한 SEM 사진이다.
도 18은 잉곳의 벌크가 강제적으로 냉각되지 않은 경우에 예시적 실시양태에 따른 Al-4.5%Cu의 구리(Cu) 라인 스캔에 의한 SEM 사진이다(도 19 참조).
도 19는 잉곳의 벌크가 강제적으로 냉각되지 않은 경우에 응고 및 재가열이 일어나는 영역에서 Al-4.5%Cu 합금의 열 이력을 설명하는 그래프이다(도 18 참조).
도 20은 의도적으로 지연시킨 후에 잉곳의 벌크가 강제적으로 냉각되는 경우 예시적 실시양태에 따른 Al-4.5%Cu의 구리(Cu) 라인 스캔에 의한 SEM 사진이다(도 21 참조).
도 21은 의도적으로 지연시킨 후에 잉곳의 벌크가 강제적으로 냉각되는 경우 Al-4.5%Cu 합금의 응고 및 재가열이 일어나는 영역에서 열 이력을 나타내는 그래프이다(도 20 참조).
도 22는 3개의 다양한 처리 경로를 통해 비교된 주조 금속간화합물 상의 대표적인 면적 분율을 나타내는 그래프이다.
도 23은 잉곳의 벌크가 강제적으로 냉각되지 않는 경우 Al-0.5%Mg-0.45%Si 합금(6063)의 응고 및 재가열이 일어나는 영역에서 열 이력을 나타내는 그래프이다.
도 24는 의도적으로 지연시킨 후에 잉곳의 벌크가 강제적으로 냉각되는 경우 Al-0.5Mg-0.45%Si 합금(AA6063)의 응고 및 재가열이 일어나는 영역에서 열 이력을 나타내는 그래프이다.
도 25a, 도 25b 및 도 25c는 각각 도 23 및 도 24에 따라 처리된 합금의 회절 패턴이고, XRD 상 동정(identification)을 나타낸다.
도 26a, 도 26b 및 도 26c는 종래 주조 공정에 의해 주조된 잉곳 및 도 23 및 도 24의 공정에 따라 처리된 잉곳에 실시된 FDC 기술의 그래프이다.
도 27a 및 도 27b는 예시적 실시양태에 따라 처리된 주조상태의 금속간화합물 Al-1.3%Mn 합금 (AA3003)의 광학 현미경 사진이고, 파쇄되어 있다.
도 28은 예시적 실시양태에 따라 처리된 주조상태의 금속간화합물 Al-1.3%Mn 합금의 광학 현미경 사진이고, 변형되어 있다.
도 29는 예시적 실시형태에 따라 주조되고 입자로의 Si의 확산에 의해서 변형된 주조상태의 금속간화합물 상의 투과 전자 현미경 사진이고, 무석출 영역(denuded zone)을 나타낸다.
도 30은 종래의 공정으로 처리된 Al-7%Mg 합금의 열 이력을 설명하는 그래프이다.
도 31은 베타(β) 상에 대한 용해 온도 이하인 되돌림 온도로 잉곳의 벌크를 강제로 냉각시키지 않은 경우에 응고 및 재가열이 일어나는 영역에서 Al-7% Mg 합금의 열 이력을 설명하는 그래프이다.
도 32는 베타(β) 상에 대한 용해 온도 이상인 되돌림 온도로 잉곳의 벌크를 강제로 냉각시키지 않은 경우에 응고 및 재가열이 일어나는 영역에서 Al-7% Mg 합금의 열 이력을 설명하는 그래프이다.
도 33은 451~453 ℃ 범위(종래 직접 냉각 주조 재료)에서 베타(β) 상의 존재를 나타내는 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC)의 출력 곡선이다(도 30 참조).
도 34는 베타(β) 상의 부재를 나타내는 시차 주사 열량계(DSC)의 출력 곡선이다(도 31 참조).
도 35는 베타(β) 상의 부재를 나타내는 시차 주사 열량계(DSC)의 출력 곡선이다(도 32 참조).
하기 설명은 알루미늄 합금의 직접 냉각 주조를 단지 예로서 나타낸다. 본 예시적 실시양태는 금속 잉곳의 다양한 주조 방법, 대부분의 합금, 특히 경금속 합금, 특히 450 ℃ 이상의 변태 온도를 가지며 주조 이후 및 열간 가공, 예를 들면 압연 이전에 균질화를 요구하는 합금을 주조하는 방법에 적용가능하다. 알루미늄에 기초한 합금에 추가로, 주조될 수 있는 다른 금속의 예로는 마그네슘, 구리, 아연, 납-주석 및 철에 기초한 합금을 포함한다. 예시적 실시양태는 균질화 공정의 5개의 결과 중 하나의 효과가 실현될 수 있는 순수한 알루미늄 또는 다른 금속의 주조에 적용될 수 있다(상술한 이들 단계의 설명을 참조).
첨부된 도면 중 도 1은 본 예시적 실시양태의 하나의 예시적 형태에 따른 방법의 전부 또는 일부를 실시하는데 사용될 수 있는 수직형 DC 주조기(caster)(10)의 실시예의 간략화된 수직 단면도를 나타낸다. 물론, 당분야의 통상의 지식을 가진 사람에 의해서 상기 주조기는 다중 주조 테이블(multiple casting table)의 일부를 형성하는 동일한 방법으로 동시에 작동하는 더 많은 주조기 그룹의 일부를 형성하는 방법으로 실현될 수 있다.
용융 금속(12)은 몰드 유입구(15)를 통해 수직으로 배향된 수냉 몰드(14)로 도입되며 몰드 유출구(17)로부터 엠브리오 잉곳(16)으로서 배출된다. 상기 엠브리오 잉곳은 완전한 고체 주조 잉곳이 제조될 때까지 엠브리오 잉곳이 냉각됨에 따라(라인 19로 나타냄) 두꺼워지는 고상 외부 쉘(26)내에 액상 금속 코어(24)를 갖는다. 몰드(14)는 고상 쉘(26)의 형성을 실시하기 위해서 용융 금속의 주변을 한정하고 용융 금속을 냉각하며 냉각되는 금속은 도 1에서 화살표 방향 A로 표시된 진행 방향으로 몰드로부터 밖으로 이동하고 멀어지는 것으로 이해될 것이다. 냉각액 제트(18)는 냉각을 향상시키고 응고 공정을 지속시키기 위해 잉곳이 배출될 때 잉곳의 외부면 상에 주입된다. 상기 냉각액은 통상 물이지만, 알루미늄-리튬 합금과 같은 특정 합금에 대해서 가능한 또다른 액체, 예를들면 에틸렌 글리콜이 사용될 수 있다. 사용된 냉각액 유량(flow)은 예를들면 주변 ㎝당 1분당 1.04 리터 내지 주변 ㎝당 1분당 1.78 리터(0.7 gallons per minute(gpm)/주변(인치) 내지 1.2gpm/inch)의 DC 주조에 대해 통상적일 수 있다.
환상의 와이퍼(20)는 몰드의 유출구(17) 아래에 거리 X로 이격된 잉곳의 외부면과 접촉하여 제공하며, 이는 잉곳이 추가로 하강하는 경우 와이퍼 아래 잉곳의 일부 면에 냉각액이 존재하지 않도록 잉곳 표면으로부터 냉각액(스트림(22)으로 나타냄)을 제거하는 효과를 갖는다. 상기 냉각액의 스트림(22)은 와이퍼(20)로부터 흐르는 것을 나타내지만, 이들은 냉각 효과를 제공하지 않도록 잉곳(16)의 표면으로부터 일정 거리로 이격되어 있다.
잉곳이 여전히 엠브리오 상태(예를 들면 고상 쉘(26)내 함유된 액상 중심(24)을 포함함)에 있는 동안 잉곳으로부터 냉각액의 제거가 일어나도록 거리 X가 형성된다. 달리 말하면, 와이퍼(20)는 진행 방향 A에 수직으로 취해지는 잉곳의 단면이 엠브리오 잉곳의 액상 금속 코어(24)의 일부와 교차하는 위치에 배치된다. 와이퍼(20)의 상부면 아래 위치에서, 잉곳의 코어내 용융 금속의 계속된 냉각 및 응고는 응고 잠열 및 현열을 고상 쉘(26)로 방출시킨다. 계속된 강제 (액상) 냉각 없이, 잠열 및 현열의 전달(transference)은 (와이퍼(20)가 냉각제를 제거하는 위치 아래에서) 고상 쉘(26)의 온도를 (와이퍼 바로 위의 온도와 비교하여) 상승시키며 금속이 인사이튜 균질화하는 변태 온도 이상으로 조정되는 온도에서 용융 코어의 온도로 수렴하게 한다. 적어도 알루미늄 합금에 있어서, 수렴 온도는 425 ℃ 이상, 더 바람직하게는 450 ℃ 이상으로 통상 조정된다. 온도 측정의 관점에서의 실제적 이유로, "수렴 온도(convergence temperature)"(용융 코어 및 고상 쉘에 의해서 먼저 도달되는 공통 온도(common temperature)는 냉각액의 제거 이후에 상기 공정에서 고상 쉘이 상승되는 최대 온도인 "되돌림 온도(rebound temperature)"와 동일하게 취급된다.
되돌림 온도는 425℃ 이상 가능한 높아질 수 있으며 온도가 높아지면 인사이튜 균질화의 결과가 더 좋아지지만, 그러나 되돌림 온도는 냉각 및 응고된 외부 쉘(26)이 코어로부터 열을 흡수하고 되돌림 온도에 상한을 부여하기 때문에 물론 금속의 초기 용융점까지 상승되지 않을 것이다. 첨언하여 말하면 통상 425℃ 이상인 되돌림 온도는 금속의 어닐링 온도보다 높다(알루미늄 합금에 대한 어닐링 온도는 전형적으로 343℃ 내지 415℃이다).
425℃의 온도는 대부분의 합금에 있어서 임계 온도(critical temperature)인데, 그 이유는 더 낮은 온도에서는 응고된 구조내 금속 원소의 확산속도가 너무 느려서 입자(grain)를 통과하여 합금의 화학적 조성을 노말라이징하거나 균등화할 수 없기 때문이다. 상기 온도 이상, 특히 450℃ 이상에서, 확산속도는 금속의 목적하는 인사이튜 균질화 효과를 일으키기 위해 목적하는 균등화(equalization)를 생성하기에 적당하다.
사실, 수렴 온도가 425℃의 특정 최소 온도에 도달하는 것을 보장하는 것이 종종 바람직하다. 특정 합금에 있어서, 일반적으로 425℃와 합금의 용융점 사이에, 예를 들면 솔버스 온도(solvus temperature) 또는 변태 온도(transformation temperature)와 같은 전이 온도(transition temperature)가 존재하고, 이 온도보다 높은 온도에서 예를 들면 β-상에서 α-상으로 성분 또는 금속간화합물의 구조가 변화하도록, 합금의 미세구조 변화가 일어난다. 상기 수렴 온도가 상기 변태 온도를 초과하도록 조정되는 경우, 목적하는 변태적 변화가 합금의 구조로 도입될 수 있다.
되돌림 또는 수렴 온도는 주조 파라미터에 의해서 결정되며, 특히 몰드 아래 와이퍼(20)의 배치(즉, 도 1에서 거리 X의 치수)에 의해서 결정된다. 거리 X는 하기와 같이 선택되는 것이 바람직하다: (a) 냉각액 제거 후에 코어에 액상 금속이 충분히 남아있으며, 그리고 용융 금속의 충분한 과잉 온도(과열(super heat) 및 잠열은 잉곳의 코어 및 쉘의 온도를 상술한 목적하는 수렴 온도에 도달하도록 하며; (b) 목적하는 미세구조 변화가 통상의 주조 속도로 공기중에서 통상의 냉각 속도로 일어나도록 냉각액 제거 후에 충분한 시간 동안 425℃ 이상의 온도로 금속을 노출시키고; 그리고 (c) 잉곳을 안정화하고 내부로부터 용융 금속의 블리딩(bleeding) 또는 파괴를 방지하는 정도로 쉘을 응고시키기에 충분한 시간동안 냉각액에 잉곳을 노출시킨다(예를들면, 냉각액을 제거하기 이전에).
몰드 유출구(17)에 50mm보다 더 가깝게 와이퍼(20)를 배치하면서 액상 냉각 및 쉘 응고를 위한 충분한 공간을 두는 것은 어려우며, 이는 거리 X에 대해 실제 하한(최소 치수)이다. 상한(최대 치수)은 잉곳의 크기에 관계없이 목적하는 되돌림 온도를 달성하기 위해서 실제적인 이유로 약 150mm로 결정되며, 거리 X에 대한 바람직한 범위는 통상 50mm 내지 100mm이다. 와이퍼의 최적 위치는 합금에 따라 다양하고, 주조 설비에 따라 다양하지만(상이한 크기의 잉곳은 상이한 주조 속도로 주조될 수 있음), 그러나 항상 잉곳의 코어가 완전히 응고되는 위치 위에 배치된다. 적당한 위치(또는 위치 범위)는 각각의 경우에 대해서 계산법(열발생 방정식 및 열손실 방정식을 사용함) 또는 표면 온도 측정(예를들면 표면 접촉 또는 비접촉 프로브로서 또는 표면에 삽입된 표준 열전쌍을 사용함), 또는 시험 또는 실험에 의해서 결정될 수 있다. 직경 10cm 내지 60cm의 잉곳을 형성하는 통상의 용량의 DC 주조 몰드에 있어서, 적어도 40 mm/분, 더 바람직하게는 50~75 mm/분(또는 9.0×10-4~4.0×10-3 m/s)의 주조 속도가 통상 사용된다.
몇가지 경우에, 상기 몰드(14)에 더 가까워지거나 또는 상기 몰드로부터 추가로 멀어지도록 상기 와이퍼(20)를 이동가능하게 만들어서 주조 공정 중에 상이한 시간에서 상기 거리 X를 가변시키는 것이 바람직하다. 상기는 주조 공정 개시 및 종료시에 과도적 국면(transient phase) 동안 직면하는 상이한 열 조건에 부응한다.
주조 개시시에, 바닥 블럭(bottom block)은 몰드 유출구를 막고, 점차로 하강해서 주조 잉곳의 형성을 개시한다. 잉곳으로부터 바닥 블럭(통상 열전도성 금속으로 제조됨)으로 열 손실 뿐만 아니라 배출되는 잉곳의 외부면으로부터 바닥 블럭으로 열이 손실된다. 그러나, 주조를 진행하고 잉곳의 배출부는 거리를 증가시킴에 의해서 바닥 블럭으로부터 분리되는 경우, 열은 잉곳의 외부면으로부터만 손실된다. 주조 종료시에, 주조가 종료되기 직전에는 외부 쉘을 통상적인 것보다 더 냉각시키는 것이 바람직할 수 있다. 이는 전체 잉곳을 들어올리도록 리프팅 장치(lifting device)에 의해 몰드로부터 배출되는 잉곳의 최종 부분이 파지될 수 있기 때문이다. 쉘이 더 냉각되고 두꺼워지면, 리프팅 장치는 리프팅 작업을 위태롭게 할 수 있는 변형 또는 인열(tearing)이 덜 일어나게 한다. 상기를 달성하기 위해서, 냉각액의 유속(rate of flow)은 최종 주조 국면(end phase)에서 증가될 수 있다.
개시 국면에서, 바닥 블럭으로 열이 손실되기 때문에 통상의 주조 국면 동안 보다 잉곳으로부터 열이 더 많이 제거된다. 이러한 경우에, 잉곳의 표면을 냉각 수에 노출시켜 열 배출을 감소시키는 시간(length of time)을 감소시키기 위해서 임시적으로 몰드에 와이퍼를 가깝게 이동시킬 수 있다. 일정 시간 이후에, 와이퍼는 통상의 주조 국면에 대한 통상의 위치로 재배치될 수 있다. 최종 국면에서, 실제로 와이퍼의 이동은 요구되지 않을 수 있으며, 필요하다면 와이퍼는 냉각액의 증가된 유속에 의해 제거된 부가 열(additional heat)을 보충하도록 상승될 수 있다는 것을 발견하였다.
상기 와이퍼가 이동하는 거리(X의 변화, 즉 ΔX) 및 이동이 이루어지는 시간은 이론 열-손실 방정식에 의해서 계산될 수 있으며, 시험 및 실험에 의해서 평가되거나, 또는 (더 바람직하게는) 적당한 센서에 의해서 측정되는 와이퍼 위(또는 가능하게는 아래)에서 잉곳 표면의 온도에 기초할 수 있다. 후자의 경우에, 비정상적으로 낮은 표면 온도는 거리 X를 더 짧게 할 필요를 표시할 수 있으며(덜 냉각됨), 비정상적으로 높은 표면 온도는 거리 X를 더 길게 할 필요가 있다(더 냉각됨). 상기 목적에 적당한 센서는 Marc Auger 등의 미국 특허 제6,012,507호(2000.1.11. 등록)에 기술되어 있다(상기 문헌은 본원에 참고문으로 통합한다).
주조 개시시에, 와이퍼 위치의 조정은 단지 주조 공정의 처음 50cm 내지 60cm 동안 통상 요구된다. 몇 개의 작은 증분 변화는 예를 들면 각 경우에 25mm의 거리로 만들어 질 수 있다. 두께 68.5 cm의 잉곳에 대해서, 잉곳의 시작의 150-300 mm 내에서 제 1 조정이 실시될 수 있으며, 그 후 유사한 변화는 30cm 및 50-60 cm에서 이루어질 수 있다. 50cm 두께의 잉곳에 대해서, 조정은 15cm, 30cm, 50cm 및 80cm에서 이루어질 수 있다. 와이퍼의 최종 위치는 통상의 주조 공정에 대해서 요구되는 위치이며, 따라서 와이퍼는 몰드에 가장 가까운 위치에서 시작하여 주조가 진행됨에 따라 아래로 이동한다. 상기 주조가 진행될 때 잉곳의 배출되는 일부가 바닥 블럭으로부터 점점 넓게 분리되는 경우 이는 열-손실의 감소와 근사하게 된다. 그러므로, 거리 X는 통상의 주조 국면에서보다 더 짧게 시작하며, 통상의 주조에 있어서 요구되는 거리로 점차로 길어지게 된다.
주조 마지막에, 조정이 요구되는 경우, 주조의 최종 25cm 내에서 조정될 수 있으며, 통상 1cm 내지 2cm로 단 1번 제어하는 것이 필요하다.
와이퍼의 와이퍼 위치의 조정(adjustment)은 수동으로 조정될 수 있다(예를 들면, 와이퍼에서 돌출부(예컨대, 후크)가 삽입되는 링크 또는 작은 구멍(elylet)을 갖는 사슬에 의해서 상기 와이퍼가 지지되는 경우, 돌출부가 다른 링크 또는 작은 구멍을 통해서 삽입될 수 있도록 와이퍼가 지지되거나 또는 상승될 수 있음). 선택적으로 및 더 바람직하게는, 상기 와이퍼는 컴퓨터에 의해 상술한 형태의 온도 감지 장치에 선택적으로 연결된 전기, 공기 또는 유압 잭에 의해 지지되고 이동될 수 있으며, 상기 와이퍼는 인빌트 로직(inbuilt logic)을 구비한 피드백 루프(feedback loop)에 따라 이동될 수 있다. 상기 형태의 장치는 도 2에서 단순화하여 나타내었다.
도 2에 개시된 장치는 도 1에 개시된 장치와 유사하지만, 와이퍼(20)는 높이가 조정가능하며, 예를 들면 실선으로 표시된 상부 위치에서 점선으로 표시된 하부 위치로 제어가능하다. 그러므로, 몰드(14)의 유출구로부터 거리 X는 ΔX 만큼 (위 또는 아래로) 변형될 수 있다. 유압식 엔진(23)에 의해서 작동되는 실린더 장치와 유압식 피스톤인 조정가능한 지지체(21) 상에 상기 와이퍼(20)가 지지되기 때문에 조정이 가능하다. 상기 유압식 엔진(23) 자체는 몰드(14)의 유출구(17) 바로 아래에서 잉곳(16)의 표면 온도를 모니터하는 온도 센서(27)에 의해서 송달되는 온도 정보에 기초하여 컴퓨터(25)에 의해서 제어된다. 상기에 기술된 바와 같이, 센서(27)에 의해서 기록된 온도가 소정 값보다 더 낮은 경우 와이퍼(20)가 상승될 수 있고, 온도가 소정 값보다 높은 경우 와이퍼가 내려갈 수 있다.
바람직하게, 예시적 실시양태의 모든 형태에서, 와이퍼(20) 아래의 잉곳의 수렴 온도는 목적하는 미세구조 변태가 일어나기에 충분한 시간 동안 인사이튜 균질화(통상, 425℃ 이상)를 위해 변태 온도 이상으로 유지되어야 한다. 정확한 시간은 합금에 따라 다를 수 있지만, 바람직하게는 원소 확산속도 및 되돌림 온도가 425℃ 이상으로 증가되는 양에 따라 10분 내지 4시간의 범위에 있다. 통상, 목적하는 변화는 30분 이내에 일어나며, 종종 10분 내지 15분내에 일어난다. 상기는 통상 금속의 변태 온도(예를들면, 솔버스) 이상의 온도 (종종 550-625℃)에서 통상 46시간 내지 48시간이 요구되는 합금의 종래의 균질화에서 요구되는 시간에 크게 대조된다. 종래의 균질화와 비교하여 예시적 실시양태의 방법의 훨씬 감소된 시간에도 불구하고, 금속의 수득된 미세구조는 상기 두 경우에서 본질적으로 동일하며, 즉 예시적 실시양태의 주조 제품은 종래의 균질화를 실시하지 않고 균질화 금속의 미세구조를 가지며, 추가의 균질화 없이 압연되거나 또는 열간 가공할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 예시적 실시양태는 "인사이튜 균질화"를 나타내며, 즉 나중이 아니라 주조 중에 균질화가 발생한다.
냉각액 적용 및 후속 제거의 결과로서, 배출되는 잉곳 표면은 먼저 필름및 핵 필름 비등(nucleate film boiling regimes)의 급속 냉각 특성을 받게 되어 표면 온도를 낮은 수준(예를들면, 150℃ 내지 300℃)으로 빠르게 감소시키지만, 그러나 냉각액을 제거함으로써 잉곳의 용융 중심의 잠열(고체 금속의 현열도 포함)과 과잉 온도(excess temperature)가 고상 쉘의 표면을 재가열시킨다. 상기는 목적하는 미세구조 전이에 필요한 온도에 도달될 수 있는 것을 보장한다.
냉각제가 잉곳 표면으로부터 제거되기 이전에 바람직한 것보다 더 긴 시간 동안 잉곳에 접촉된다면(또는 냉각제가 전혀 제거되지 않는 경우), 목적하는 금속학적 변화를 충분히 달성하도록 잉곳 쉘을 재가열하기 위해서 용융 코어의 응고의 과열 및 잠열의 실질적인 효과를 더 이상 사용할 수 없게 된다. 상기 방법으로 잉곳을 통하여 약간의 온도 평형이 있을 수 있지만, 또한 상기는 유익하게 스트레스 감소 및 크랙 감소로 이어질 수 있지만, 목적하는 금속학적 변화가 수득되지 않으며, 종래의 추가의 균질화 공정이 상기 잉곳을 게이지 또는 목적하는 두께로 압연되기 이전에 요구된다. 냉각제가 목적하는 방법으로 잉곳의 표면에서 제거되는 경우 동일한 문제가 발생될 수도 있으며, 그 후 추가의 냉각제는 잉곳 전체에 온도 평형 이전에 잉곳과 접촉하며, 금속내 목적하는 미세구조 변화가 일어날 수 있다.
몇가지 경우에, 냉각제(특히 수계 냉각제)는 천연 핵 필름 비등에 의해서 잉곳의 표면으로부터 임시적으로 및 적어도 일부 제거될 수 있으며, 금속 표면에서 발생된 증기는 잉곳으로부터 냉각액을 강제로 제거한다. 그러나, 통상 상기 액체는 냉각이 추가로 일어나는 경우 표면으로 되돌아간다. 상기 냉각제의 임시적 제거가 예시적 실시양태에서 와이퍼가 사용되기에 앞서 일어나는 경우, 잉곳 표면은 이의 온도 프로파일에서 이중 함몰(double dip)을 보일 수 있다. 핵 필름 비등에 의해서 일시적으로 제거될 때까지 상기 냉각제가 표면을 냉각시키며, 그 후 상기 온도는 어느 정도 상승하고, 잉곳의 표면은 그 후 와이퍼의 상부면 상에 유지된 냉각제 풀을 통과하며(와이퍼는 냉각제 풀의 형성을 촉진하기 위해서 잉곳을 향하여 내부로 움푹 들어갈 수 있음), 그리고 온도가 다시 하강하고 와이퍼가 잉곳 표면으로부터 모든 냉각제를 제거하는 경우에만 다시 한번 상승된다. 상기는 잉곳 쉘의 냉각 곡선에서 특징적인 "W" 형태를 생성한다(도 23 및 도 24에서 알 수 있음).
도 1의 와이퍼(20)는 둘러싸는 견고한 지지체 하우징(32)(예를 들면 금속으로 제조됨)안에 유지된 연질의 온도-저항성 엘라스토머 물질(30)(예를 들면, 고온-저항성 실리콘 고무)의 환상 형태일 수 있다.
도 1은 물리적 와이퍼(20)를 설명하지만, 목적한다면 다른 냉각제 제거 수단이 사용될 수 있다. 사실, 비접촉식 냉각제 제거 방법을 제공하는 것이 유익하다. 예를 들면, 가스 또는 상이한 액체 제트가 목적하는 위치에 제공되어 잉곳을 따라 흐르는 냉각제를 제거할 수 있다. 선택적으로, 상기에 기술된 바와 같이 핵 필름 비등을 사용할 수 있으며, 즉 냉각제는 핵 필름 비등에 의해서 일시적으로 제거된 이후에 잉곳 표면으로 되돌아가는 것을 방지할 수 있다. 상기 비접촉식 냉각제 제거 방법의 예로는 예를 들면 지글러(Zeigler)의 미국 특허 제2,705,353호, 모리츠(Moritz)의 독일 특허 제DE 1,289,957호, 킬패트릭(Kilpatrick)의 미국 특허 제2,871,529호, 및 베케(Beke)의 미국 특허 제3,763,921호에 기술되어 있다(상기 특허는 참고문으로 특별히 통합되어 있음). 핵 필름 비등은 용해되거나 또는 압축된 기체, 가령 이산화탄소 또는 공기를 냉각액에 첨가함으로써 도움을 받을 수 있으며, 이는 예를 들면 유(Yu)의 미국 특허 제4,474,225호 또는 와그스태프(Wagstaff)의 미국 특허 제4,693,298호 및 제5,040,595호에 기술되어 있다(상기 문헌은 참고문으로 본원에 통합되었음).
선택적으로, 스트림(18)내 냉각제의 송달율은 잉곳이 몰드 아래의 임계점(거리 X)에 도달하기 이전 또는 잉곳의 표면이 임계면 온도 이하로 냉각되기 이전에 잉곳 표면으로부터 모든 냉각제가 증발되는 시점으로 제어될 수 있다. 상기는 와그스태프(Wagstaff)의 미국 특허 제5,582,230호(1996.12.10 등록)에 개시된 냉각제 공급을 사용하여 실시될 수 있다(상기 문헌은 본원에 참고문으로 통합되어 있음). 상기 배치에서, 냉각액은 다른 냉각제 공급부에 연결된 2열의 노즐을 통해서 공급되며, 목적한다면(거리 X) 냉각제가 증발되도록 잉곳의 표면으로 도입된 냉각제의 양을 간단히 가변시킬 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 열 계산은 증발하는 물의 필요한 공급량을 확실히 하도록 몰드의 환상 부분의 환상 연속부에 기초하여 미국 특허 제6,546,995호에 기술된 것과 유사한 방법으로 실시될 수 있다.
예시적 실시양태에 따라 주조될 수 있는 알루미늄 합금은 비열-처리가능한 합금(예를 들면, AA1OOO, 3000, 4000 및 5000 시리즈) 및 열-처리가능한 합금(예를 들면, AA 2000, 6000 및 7000 시리즈)을 포함한다. 공지된 방법으로 열-처리 가능한 합금 주조의 경우에, 우치다(Uchida)의 PCT/JP02/02900에서는 균질화 단계 이후에 300 ℃ 이하의 온도, 바람직하게는 실온으로 가열 및 열간 압연 이전에 급냉하고, 연이어 용체화 처리(solution heat treatment) 및 에이징하여 종래의 처리 재료와 비교할 때 우수한 특성(덴트 저항성, 개선된 블랭크 형성 값 및 경질 특성)을 나타낸다. 예기치 않게, 상기 특성은 원한다면 잉곳(예를 들면 인사이튜 균질화를 실시하는 잉곳의 일부)을 충분한 시간이 지난 이후에(예를 들면 적어도 10분 내지 15분) 급냉 단계를 실시하고 냉각액을 제거하여 합금을 균질화하지만 실질적으로 잉곳을 추가로 냉각하기 이전에 잉곳 주조 공정 중에 예시적 실시양태로 재현될할 수 있다.
상기 최종 급냉(인사이튜 급냉)은 첨부된 도면의 도 3에 기재되었으며, DC 주조 작업(본질적으로 도 1과 동일함)이 실시되지만, 잉곳은 냉각제가 잉곳으로부터 제거되는 지점 아래의 적당한 거리 Y에서 물 풀(34)(피트 풀(pit pool) 또는 피트 워터(pit water)라고 함)에 침지된다. 상술한 바와 같이, 거리 Y는 목적하는 인사이튜 균질화가 유효한 시간 동안 진행되기에 충분하여야 하지만, 그러나 실질적인 추가의 냉각을 실시하기에는 불충분하다. 예를 들면, 풀(34)에 침지시키기 전전에 잉곳의 외부면의 온도는 425℃ 이상, 바람직하게는 450℃ 내지 500℃의 범위에 있는 것이 바람직하다. 그 후 침지는 잉곳의 온도를 소정 온도(예컨대 350℃)로 급속하게 물로 냉각시키는데, 상기 소정 온도 미만에서는 고체의 변태가 상당한 속도(appreciable rate)로 일어나지 않는다. 상기 이후에, 잉곳을 절단하여 압연 또는 추가의 처리를 위해서 사용되는 표준 길이를 형성할 수 있다.
덧붙여서, 잉곳의 전체 길이에 걸쳐서 잉곳을 물로 급냉하기 위해서, 주조 피트(몰드로부터 배출되는 잉곳이 하강되는 피트)가 잉곳의 길이보다 더 깊어야 하며, 추가의 용융 금속이 몰드로 첨가되지 않는 경우 잉곳을 계속 피트로 내려서 완전히 침지될 때까지 풀(34)로 내린다. 선택적으로, 잉곳은 풀(34)의 최대 깊이로 부분적으로 침지될 수 있고, 그 후 잉곳이 완전히 침지될 때까지 풀 표면의 높이를 상승시키기 위해 주조 피트에 물을 더 도입한다.
예시적 실시양태는 원통형 잉곳의 주조에 제한되지 않으며 다른 형태의 잉곳, 예를 들면 직사각형 잉곳 또는 와그스태프(Wagstaff)의 2003년 4월 15일에 등록된 미국 특허 제6,546,995호(본 특허 명세서는 참고문으로 본원에 통합되었음)의 도 9 또는 도 10에 기술된 성형된 DC 주조 몰드에 의해서 형성된 잉곳에 적용될 수 있다. 상기 특허의 도 10은 본 출원의 도 4로서 재현되었으며, 도 4는 주조 몰드의 내부를 본 상부 평면도이다. 상기 몰드는 대체로 "J"-형태이며, 대응 단면 형상을 갖는 잉곳을 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다. 상기 몰드로부터 제조된 엠브리오 잉곳은 상기 잉곳의 둘레 주위의 점에서 외부면으로부터 상이한 거리만큼 거리를 둔 용융 코어를 가지므로, 잉곳 둘레 주위(거리 X)에서 동일한 냉각을 종료하면, 응고의 과열 및 잠열의 상이한 양은 잉곳 쉘의 상이한 부분으로 전달될 수 있다.
사실, 둘레 주변의 쉘의 모든 부분을 동일한 수렴 온도로 처리하는 것이 바람직하다. 미국 특허 제6,546,995호에서, 몰드 주변의 균등한 주조 특성은 몰드의 주조 표면의 형태(geometry)를 주조 잉곳의 형상에 적합하도록 조정함으로써 보장된다. 예시적 실시양태에서, 각 부분의 엠브리오 잉곳 쉘(냉각 종료 후)은 잉곳 둘레를 잉곳 형상에 따라 가상의 세그먼트(notional segment)로 나누고 상이한 세그먼트내 몰드 유출구로부터 상이한 거리에서 냉각 유체를 제거함으로써 용융 코어로부터의 동일한 열 입력 및 동일한 수렴 온도로 처리하는 것을 보장한다. 일부의 세그먼트(코어로부터 더 높은 열 입력을 받는 세그먼트)는 다른 세그먼트(더 적게 열 노출되는 세그먼트)보다 더 긴 시간 동안 냉각 유체에 노출될 것이다. 그러므로, 일부의 쉘의 세그먼트는 냉각 유체가 제거된 후에 다른 것보다 더 낮은 온도를 가지며, 상기 더 낮은 온도는 코어로부터 상기 세그먼트로 더 높은 열 입력을 보충하여 수렴 온도는 잉곳의 둘레 주위와 동일하게 된다.
상기 공정이 예를 들면 (a) 성형된 잉곳 주위로 정확하게 맞도록 성형되고, (b) 상이한 평면을 갖거나 또는 몰드와 마주보는 와이퍼의 말단에서 성형된 외형(contour)을 갖는 와이퍼를 설계함으로써 달성될 수 있으며, 상이한 평면 또는 외형의 섹션은 몰드의 유출구로부터 상이한 간격(spacing)을 갖는다. 도 5는 잉곳 주위에 균일한 수렴 온도를 생성하도록 설계된 도 4의 몰드의 둘레 주변에서 거리 X의 변위를 나타내는 도면이다(상기 도면은 도 4의 위치 S에서 시작되어 시계 방향으로 진행됨). 상응하는 주변 형상을 갖는 와이퍼는 잉곳 주변에서 수렴 온도의 소망하는 균등화를 이루는데 사용될 수 있다.
도 6은 도 4와 유사한 형상을 갖는 잉곳을 효과적으로 주조할 수 있는 와이퍼(20')를 설명한다. 와이퍼(20')는 다른 것에 대해서 상승되는 부분을 갖는 복잡한 형상을 가지므로, 냉각액은 와이퍼(20') 아래의 위치에서 잉곳 주위의 수렴 온도를 균등하게 되도록 설계된 위치에서 배출되는 잉곳의 외부면으로부터 제거되는 것을 보장한다는 것을 알 수 있다.
상기 냉각제가 여러 세그먼트로부터 제거되는 위치, 및 세그먼트 자체의 폭은 주조 잉곳내에 열 플럭스(heat flux)의 컴퓨터 모델링에 의해서 결정되거나 또는 상이한 형상의 각 잉곳에 대해서 간단한 시험 및 실험에 의해서 결정될 수 있다. 다시 덧붙이면, 상기 목표는 잉곳 쉘의 주변에서 동일하거나 또는 매우 유사한 수렴 온도를 달성하는 데 있다.
상기에서 상세하게 기술된 바와 같이, 바람직한 형태의 예시적 실시양태는 후속적으로 종래의 균질화 처리를 받는 종래 방법(냉각액의 와이핑은 없음)으로 주조된 동일한 금속의 것과 비슷하거나 또는 동일한 미세결정 구조를 갖는 잉곳을 제공한다. 그러므로, 상기 예시적 실시양태의 잉곳은 추가적인 균질화 처리에 의존하지 않고 압연 또는 열간 가공될 수 있다. 통상, 상기 잉곳은 먼저 열간 압연되고, 상기는 잉곳이 적당한 온도, 예를 들면 통상 500℃ 이상, 더 바람직하게는 520℃ 이상으로 가열되는 것이 요구된다. 열간 압연 이후에, 수득된 중간 게이지 시트는 최종 게이지로 통상 냉간 압연된다.
예시적 실시양태의 추가적 측면으로서, 적어도 일부의 금속 및 합금은 잉곳 형성 이후 열간 압연 이전에 특정의 선택적 2단계 예열 처리로부터 유익하다는 것을 발견하였다. 상기 잉곳은 이상적으로 상기에 기술된 "인사이튜 균질화" 공정에 의해서 생성될 수 있지만, 선택적으로 종래의 주조 방법에 의해서 생성될 수도 있으며, 상기 경우에도 효과적인 개선이 여전히 얻어졌다. 상기 2단계 예열 처리는 "딥-드로우(deep-draw)" 특성을 갖는 합금, 예를 들면 Mn 및 Cu를 함유하는 알루미늄 합금(예컨대, 1.5 중량% Mn 및 0.6 중량% Cu를 갖는 AA3003 알루미늄 합금)에 특히 적당하다. 상기 합금은 석출 또는 분산 강화에 의존한다. 2단계 예열 처리에서, DC 주조 잉곳은 통상 스캘핑된 후 하기의 단계를 포함하는 2단계 가열을 위한 예열노(preheat furnace)에 설치된다: (1) 관련된 합금에 대한 종래의 열간 압연 온도 이하의 중간 핵생성 온도로 천천히 가열하는 단계, 및 (2) 통상의 열간 압연 예열 온도 또는 더 낮은 온도로 천천히 상기 잉곳의 가열을 지속하여 수시간 동안 상기 온도에서 합금을 유지시키는 단계. 상기 중간 온도는 금속의 핵생성 및 불안정한 핵의 재흡수 또는 파괴 및 보다 왕성한 석출물 성장을 위해 중심을 형성하는 안정한 핵으로 대체시킨다. 더 높은 온도에서 유지시킴으로써 압연이 개시되기 이전에 안정한 핵으로부터 석출물 성장을 위한 시간을 허용한다.
가열 공정의 스테이지(1)는 핵생성 온도에서 상기 온도를 유지하고(핵생성이 개시되는 최저 온도), 또는 더 바람직하게는 스테이지(2)의 더 높은 온도로 상기 온도를 점차로 상승시키는 단계를 포함한다. 상기 스테이지 동안 상기 온도는 380-450℃, 더 바람직하게는 400-420℃일 수 있으며, 상기 온도는 상기 범위내에서 유지될 수 있거나 또는 천천히 상승될 수 있다. 온도 증가율은 바람직하게는 25℃/hr 이하, 더 바람직하게는 20℃/hr 이하이어야 하며, 통상 2-4시간 동안 연장된다. 핵생성 온도로의 가열 속도는 예를 들면 평균 약 50℃/hr로 더 높아질 수 있다(비록 최초 30분 정도내의 속도는 예를 들면 100-120℃/hr 실시될 수 있지만, 그 후 핵생성 온도에 도달하면 느려진다).
스테이지(1) 이후에, 잉곳의 온도는 열간 압연 온도 또는 석출물 성장이 일어나는 더 낮은 온도, 통상 480-550℃, 더 바람직하게는 500-520℃로 (필요하다면) 추가로 상승된다. 그 후, 상기 온도는 전체 2 스테이지 가열 공정에 있어서 바람직하게는 전체 10 시간 이상 24 시간 이하의 시간 동안 일정하게 유지되거나 또는 천천히 (예를 들면 열간 압연 온도로) 추가로 상승된다.
상기 압연 예열 온도(예컨대 520℃)로 잉곳을 직접 가열하면 2차 결정 또는 석출물 개체수가 더 높아지지만, 수득된 석출물은 통상 크기가 작다. 중간 온도에서의 예열은 핵생성으로 이어지고 그 후 압연 예열 온도(예를 들면 520℃) 또는 그 이하의 온도로 계속된 가열은 예를 들면 더 많은 Mn 및 Cu가 용액(고용체)으로부터 석출되고 석출물이 계속 성장되는 2차 석출물의 크기의 성장으로 이어진다.
열간 압연 온도로 가열된 이후에, 종래의 열간 압연은 통상 지연 없이 실시된다.
인사이튜 균질화를 포함하는 본원에 기술된 방법은 미국 특허 출원 시리즈 제10/875,978호(2004.06.23 출원), 미국 2005-0011630(2005.01.20 공개) 및 미국 특허 제6,705,384호(2004.03.16 등록)에 기술된 복합 잉곳을 주조하는데 사용될 수 있으며, 상기 전문은 본원에 참고문으로 통합되었다.
본 발명은 하기의 실시예 및 비교 실시예에서 더 상세히 기술되었으며, 이는 단지 본원을 설명하기 위해서 제공되며, 본원의 범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
3미터 이상의 최종 길이를 갖는 3개의 직접 냉각 주조 잉곳이 530 mm 및 1,500 mm의 직접 냉각 압연 슬래브 잉곳 몰드(Direct Chill Rolling Slab Ingot Mold)에서 주조된다. 상기 잉곳은 미국 특허 제6,019,939호에 개시된 1.5% Mn; 6% Cu를 포함하는 Al 합금과 동일한 조성을 갖는다(상기 전문은 본원에 참고문으로 통합됨). 제1 잉곳은 종래의 방법에 따라 DC 주조되며, 제2 잉곳은 도 7 및 도 8에 개시된 방법에 따라 인사이튜 균질화에 의해서 DC 주조되고(여기서 상기 냉각제가 제거되며, 잉곳은 주조 피트로부터 제거된 이후에 실온으로 냉각시킴), 제3 잉곳은 도 9의 공정에 따른 인사이튜 급냉 균질화에 의해서 DC 주조된다.(여기서 상기 냉각제는 잉곳 표면으로부터 제거되며, 상기 잉곳은 재가열된 후 몰드로부터 약 1미터 아래에 있는 물 피트에서 급냉된다.)
더 상세하게, 도 7은 DC 주조된 후에 물로 냉각되고 냉각제로 와이핑되는 경우 Al-Mn-Cu 합금의 시간의 경과에 따른 표면 온도 및 중심(코어) 온도를 나타낸다. 표면 온도 곡선은 잉곳이 냉각제와 접촉될 때 주조 직후 온도에서 깊은 함몰(deep dip)을 보여주지만, 중심에서 온도는 거의 변화가 없다는 것을 보여준다. 상기 표면 온도는 냉각제 제거 직전에 낮은 약 255℃로 급격히 떨어진다. 그 후 표면 온도는 상승하고 576℃의 수렴 온도 또는 되돌림 온도에서 중심 온도와 수렴된다. 수렴 후에(잉곳이 완전히 고상인 때), 상기 온도가 천천히 떨어져서 공냉과 일치하게 된다.
도 8은 도 7과 동일한 주조 작업을 나타내지만, 더 긴 시간으로 연장되고 특히 수렴 또는 되돌림 온도 이후에 냉각 시간을 나타낸다. 상기로부터 응고된 잉곳의 온도는 1.5 시간 이상 동안 425℃ 이상 유지되며, 이는 잉곳의 목적하는 인사이튜 균질화를 달성하는데 충분하다.
도 9는 도 7과 유사하지만, 그러나 3개의 약간 상이한 시간에서 실시된 동일한 주조의 온도 측정을 나타낸다(도면에서 개시된 바와 같이 상이한 잉곳 길이). 실선은 3개 곡선의 표면 온도를 나타내며, 점선은 잉곳 두께의 중심에서 온도를 나타낸다. 표면 온도가 400℃ 및 500℃ 이상으로 유지되는 시간은 각 곡선(plot)에서 결정되며, 각 경우에 15분 이상이다. 563℃, 581℃ 및 604℃의 되돌림 온도가 각 경우에 도시된다.
그 후 상기 잉곳의 샘플은 종래의 예열을 거쳐 열간 압연 온도로 압연되거나 또는 예시적 실시양태의 특성을 입증하기 위해 다양한 예열처리에 의해서 압연되었다.
주조 공정은 전형적인 산업상의 냉각 조건, 예를 들면 60mm/min, 1.5 liters/min/cm, 705℃ 금속 온도하에서 실시된다.
각 잉곳은 중심(중간부)을 따라서 나누어서 각각 너비 250 mm를 갖는 잉곳의 2 부분을 수득하며, 그 후 중심 및 표면에서 열 이력을 유지하면서, 각 250mm의 슬래브(slab)를 75mm 두께, 250mm 너비(원래 잉곳의 ½ 두께) 및 150mm의 길이(주조 방향)를 갖는 다수의 압연 잉곳으로 나눈다.
상기 압연 잉곳은 하기의 방법으로 처리된다.
샘플 A(종래의 열 이력 및 변형된 종래의 균질화에 의한 직접 냉각 주조)는 615℃ 노에 넣고, 여기서 대략 2시간 30분(2.5시간) 이후에 금속 온도가 안정화되고, 615℃에서 추가의 8시간 동안 유지된다. 상기 샘플은 3시간 동안 480℃로 노 급냉(furnace quench)된 후 480℃에서 15 시간 동안 균열된 후 배출되어 6mm의 두께로 열간 압연된다. 상기 6mm 게이지 부분은 그 후 1mm 두께로 냉간 압연되며, 50℃/hr의 속도로 400℃의 어닐링(annealing) 온도로 가열되며, 2시간 동안 유지된 후 노 냉각된다.
제2 석출물 분포를 나타내는 투과전자현미경은 6mm 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 1 인치 안에서 얻어진 길이방향의 단면(section)의 특징이다(도 10a). 재결정화 입자 구조는 1mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 1 인치 안에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 10b).
상기 샘플은 종래의 주조 및 균질화를 나타내며, 단 균질화 단계는 전체 26시간으로 단축되며, 반면에 통상의 종래의 균질화는 48시간동안 실시된다.
샘플 B(종래의 주조 열 이력 및 변형된 2스테이지 예열에 의한 직접 냉각 주조)는 440℃ 노에 넣고, 여기서 대략 2시간 후에 금속 온도가 안정화되고, 440℃에서 추가의 2시간 동안 유지된다. 노 온도는 금속을 2시간 동안 520℃로 가열하기 위해 상승되고 샘플을 20 시간 동안 유지한 이후에 배출하고 6mm 두께로 열간 압연한다. 그 후 상기 6mm 게이지의 부분은 1mm 두께로 냉간 압연되고 50℃/hr의 속도로 400℃의 어닐링 온도로 가열되며, 2시간 동안 유지된 후 노 냉각된다.
제2 석출물 분포를 나타내는 투과전자현미경은 6mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 1 인치내에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 11a). 재결정화 입자 구조는 1mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 1 인치내에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 11b).
샘플 C((도 7 및 도 8에 따른) 인사이튜 균질화 주조 열 이력 및 변형된 2스테이지 예열에 의한 직접 냉각 주조)는 440℃ 노에 넣고, 여기서 대략 2시간 후에 금속 온도가 안정화되고, 440℃에서 추가의 2시간 동안 유지된다. 노 온도는 금속을 2시간 동안 520℃로 가열하기 위해 상승되고 샘플을 20 시간 동안 유지한 후에 배출하고 6mm 두께로 열간 압연한다. 그 후 상기 6mm 게이지 부분을 1mm 두께로 냉간 압연시키고, 50℃/hr의 속도로 400℃의 어닐링 온도로 가열하며, 2시간 동안 유지한 후 노 냉각한다.
제2 석출물 분포를 나타내는 투과전자현미경은 6mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 1 인치내에서 얻어된 길이방향의 단면이 특징이다(도 12a). 재결정화 입자 구조는 1mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 1 인치내에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 12b).
샘플 D((도 9에 따른) 인사이튜 균질화 및 2스테이지 예열에 의한 급속 급냉에 의한 직접 냉각 주조)는 440℃ 노에 넣고, 여기서 2시간 후에 금속 온도가 안정화되고, 440℃에서 추가의 2시간 동안 유지된다. 노 온도는 금속을 2시간 동안 520℃로 가열하기 위해 상승되고 20 시간 동안 유지한 후에 배출되고 6mm 두께로 열간 압연된다. 그 후 상기 6mm 게이지 부분을 1mm 두께로 냉간 압연시키고, 50℃/hr의 속도로 400℃의 어닐링 온도로 가열하며, 2시간 동안 유지시킨 후 노 냉각한다.
제2 석출물 분포를 나타내는 투과전자현미경은 6mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 25mm내에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 13a). 재결정화 입자 구조는 1mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 25mm내에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 13b).
샘플 F(종래의 열 이력 및 변형된 종래의 균질화에 의한 직접 냉각 주조)는 615℃ 노에 넣고, 여기서 대략 2시간 30분(2.5시간)후에 금속 온도가 안정화되고, 615℃에서 추가의 8시간 동안 유지된다. 상기 샘플은 3시간 동안 480℃로 노 급냉된 후 38 시간 동안 480℃에서 균열되고, 그 후 배출되어 6mm 두께로 열간 압연된다. 상기 6mm 게이지 부분은 1mm 두께로 냉간 압연되며, 50℃/hr의 속도로 400℃의 어닐링 온도로 가열되며, 2시간 동안 유지된 후 노 냉각된다.
제2 석출물 분포를 나타내는 투과전자현미경은 6mm 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 1 인치내에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 14a). 재결정화 입자 구조는 1mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 25mm 안에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 14b). 상기 샘플은 종래의 주조 및 균질화를 나타내며, 반면에 통상의 종래의 균질화 단계는 48시간 동안 실시된다.
샘플 G(변형된 단일 스테이지 예열에 의한 직접 냉각 주조)는 520℃ 노에 넣고, 여기서 대략 2시간 후에 금속 온도가 안정화되고, 520℃에서 20 시간 동안 유지된 후, 배출되고, 6mm 두께로 열간 압연된다. 상기 6mm 게이지 부분은 1mm 두께로 냉간 압연되며, 50℃/hr의 속도로 400℃의 어닐링 온도로 가열되며, 2시간동안 유지된 후 노 냉각된다.
제2 석출물 분포를 나타내는 투과전자현미경은 6mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 1 인치내에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 15a). 재결정화 입자 구조는 1mm 두께 재료의 각 가장자리(표면 및 중심)로부터 25mm내에서 얻어진 길이방향의 단면이 특징이다(도 15b).
비교 실시예 1
공지된 주조 방법으로부터 예시적 실시양태의 차이점을 설명하기 위해서, Al-4.5중량% Cu 합금의 잉곳은 종래의 DC 주조, 지글러(Ziegler)의 미국 특허 제2,705,353호 또는 지니거(Zinniger)의 미국 특허 제4,237,961호의 방법, 및 예시적 실시양태에 따라서 주조된다. 지글러/지니거 주조는 오직 300℃의 되돌림/수렴 온도를 발생하도록 배치된 와이퍼를 사용한다. 예시적 실시양태의 주조 공정은 453℃의 되돌림 온도를 발생하도록 배치된 와이퍼를 사용한다. 3개의 수득된 제품의 주사 전자 현미경 사진이 생성되며, 각각 도 16, 도 17 및 도 18에 개시되어 있다. 도 19는 급냉 없이 예시적 실시양태에 따라 실시되는 주조 방법의 코어 및 표면 온도를 나타낸다(도 18 참조).
상기 SEM은 예시적 실시양태에 따라서 실시되지 않는 주조 공정의 제품에서 셀(cell)을 가로질러 구리의 농도가 어떻게 변하는지를 보여준다(도 16 및 도 17 - 피크들 사이에서 곡선의 상향 커브에 주목). 그러나 예시적 실시양태의 제품의 경우에, SEM은 셀내 Cu 함량의 훨씬 적은 변화를 나타낸다(도 18). 이는 종래의 균질화가 실시된 금속의 전형적인 미세구조를 나타낸다.
실시예 2
Al-4.5% Cu 잉곳은 본 발명에 따라 주조되며, 상기 잉곳은 주조 종료시에 냉각(급냉)된다. 도 20은 수득된 잉곳의 구리(Cu) 라인 스캔(Copper (Cu) Line Scan)에 의한 SEM이다. 단위 셀에서 구리의 코어 형성(coring)이 없다는 것에 유의해야 한다. 셀은 도 16의 것보다 약간 더 크다고 할지라도, 단위 셀의 교차점에서 주조 금속간화합물의 양이 감소되며, 입자가 둥글어진다.
도 21은 주조 종료시에 최종 급냉을 설명하는 잉곳의 주조 열 이력을 나타낸다. 이 경우에서 수렴 온도(452℃)는 선택된 조성에 대한 솔버스 아래이지만, 목적하는 특성이 수득되었다.
비교 실시예 2
도 22는 상술한 바와 같이 3개의 다양한 처리 경로[종래의 DC 주조 및 냉각(DC로 표시), 예시적 실시양태에 따른 DC 주조 및 최종 급냉이 없는 냉각(인 사이튜 샘플 ID로 표시), 및 예시적 실시양태에 따른 최종의 급냉을 포함하는 DC 주조(인 사이튜 급냉으로 표시)]와 비교하여 주조된 금속간화합물 상의 대표적인 면적 분율을 나타낸다. 더 작은 면적은 수득된 합금의 기계적 특성에 대해서 상당히 더 좋아진다고 생각된다. 상기 비교는 주어진 순서로 상이한 방법에 따라 감소되는 주조된 금속간화합물 상 면적 분율을 보여준다. 가장 높은 상 면적은 종래의 DC 경로에 의해서 제조되며, 가장 낮은 것은 최종 급냉을 갖는 본 발명에 의해 제조된다.
실시예 3
Al-O.5%Mg-0.45%Si 합금(6063)의 잉곳이 도 23의 그래프에서 도시된 바와 같은 공정에 따라 주조된다. 상기는 잉곳의 벌크가 강제적으로 냉각되지 않는 경우에 응고와 재가열이 일어나는 영역에서의 열 이력을 나타낸다.
동일한 합금이 도 24에 개시된 조건(급냉을 포함함)하에서 주조된다. 상기는 표면 및 코어 온도가 570℃의 온도로 수렴되고, 그 후 실온으로 강제로 냉각되는 잉곳의 온도 전개(temperature evolution)를 나타낸다. 상기는 높은 되돌림 온도 및 느린 냉각을 포함하는 도 8에 개시된 공정과 비교될 수 있으며, 이는 셀의 편석(cellular segregation)의 보다 빠른 수정이 요구되는 경우 또는 상기 합금이 느린 속도로 확산하는 원소를 포함하는 경우 바람직하다. 연장된 시간 동안 유지되는 높은 되돌림 온도의 사용(합금의 솔버스보다 상당히 높음)은, 입자 경계 근처의 원소를 주조된 금속간화합물 상으로 상당히 빠르게 확산되도록 함으로써 더 유용하거나 또는 유익한 금속간화합물 상으로 변형 또는 더 완전히 변태되도록 하며, 상기 주조된 금속간화합물 상 주위에 석출물이 없는 구역(zone)이 형성되게 한다. 도 24는 와이퍼 앞에 핵 필름 비등의 쉘 특성에 대한 "W"형 냉각 곡선을 나타내는 것에 주목한다.
비교 실시예 3
도 25a, 25b 및 25c는 종래의 DC 주조 및 도 18 및 도 19의 두 개의 인사이튜 방법과 대비하여 α상 및 β상의 양에 차이가 있는 6063 합금으로부터 얻어진 X-선 회절 패턴이다. 각 도면의 상부 선은 종래의 주조 DC 합금을 나타내며, 중간 선은 합금의 변태 온도 이하의 되돌림 온도를 나타내고, 하부 선은 합금의 변태 온도 이상의 되돌림 온도를 나타낸다.
비교 실시예 4
도 26a, 26b 및 26c는 FDC 기술의 그래프 표시이며, 여기서 도 26a는 종래의 DC 주조 잉곳을 나타내며, 도 26b는 도 23의 합금을 나타내며, 도 26c는 도 24의 합금을 나타낸다. 상기 도면들은 되돌림 온도가 변태 온도를 초과하는 경우 바람직한 α-상의 존재가 증가하는 것을 보여준다.
덧붙여서 말하면, FDC 기술 및 SiBut/XRD 기술에 대한 정보, 뿐만 아니라 상 변태의 연구에 대한 이들의 응용은 하기로부터 얻어질 수 있다: "Intermetallic Phase Selection and Transformation in Aluminium 3xxx Alloys", by H.Cama, J.Worth, P.V. Evans, A.Bosland and J.M.Brown, Solidification Processing, Proceedings of the 4th Decennial International Conference on Solidification Processing, University of Sheffield, July 1997, eds J. Beech and H.Jones, p.555(이는 본원에서 참고문으로 통합됨).
실시예 4
도 27a 및 도 27b은 본 발명에 따라 처리된 Al-1.3%Mn 합금(AA3003)의 주조된 금속간화합물에 대한 2개의 광학 사진을 나타낸다. 금속간화합물(도면에서 어두운 형상)은 크랙되거나 또는 파쇄되어 있는 것을 알 수 있다.
도 28은 금속간화합물이 크랙되거나 또는 파쇄되어 있는 것을 다시 보여주는 도 27a 및 도 27b의 광학 사진과 유사한 광학 사진이다. 입자의 큰 영역은 MnAl6이다. 골이 진 특징부(ribbed feature)는 금속간화합물로 Si가 확산되어 AlMnSi를 형성하는 것을 보여준다.
실시예 5
도 29는 도 31에 개시된 바와 같이, 최종 급냉 없이 주조된 AA3104 합금의 주조상태의 금속간화합물 상의 투과 전자 현미경 TEM 상이다. 금속간화합물 상은 Si의 입자로의 확산에 의해 변형되어 무석출 구역(denuded zone)을 보여준다. 상기 샘플은 냉각제의 초기 적용으로 입자를 핵생성시키는 표면으로부터 얻어진다. 그러나, 되돌림 온도는 입자를 변형시키고 구조를 변형시킨다.
비교 실시예 5
도 30은 종래 방법으로 처리된 Al-7%Mg 합금의 열 이력을 보여준다. 계속되는 냉각제의 존재에 인해 쉘 온도의 되돌림이 없다는 것을 알 수 있다.
도 31 및 32는 주조 동안 잉곳이 냉각되지 않는 Al-7%Mg 합금의 열 이력을 보여준다. 상기 합금은 도 30의 기초를 형성된다.
비교 실시예 6
도 33은 도 30의 기초를 형성하는 종래의 직접 냉각 주조 합금의 450℃ 범위에서 베타(β) 상 존재를 나타내는 시차주사열량계(DSC)로부터 얻어진 도면이다. 상기 β상은 압연 중에 문제를 일으킨다. 베타 상의 존재는 β-상을 α-상으로 변환시키기 위해서 열이 흡수되는 경우 450℃ 바로 위의 곡선에서 작은 함몰(dip)에 의해 알 수 있다. 620℃로 하강하는 큰 함몰은 합금의 용융을 나타낸다.
도 34는 도 33의 곡선(trace)과 유사하지만, 잉곳이 주조 중(도 31 참조)에 가열상태(최종 급냉이 없음)로 남아 있는 본 발명에 따라 주조된 재료에서 베타(β) 상이 존재하지 않는다는 것을 보여준다.
도 35는 또한 주조 동안(도 32 참조) 잉곳이 가열상태(최종 급냉이 없음)로 남아 있는 본 발명에 따라 주조된 재료에 대해 도 33의 곡선과 유사한 곡선이다. 다시 덧불이면, 상기 곡선은 베타(β) 상의 부재를 나타낸다.

Claims (70)

  1. 금속 잉곳(ingot)의 주조 방법으로서,
    (a) 용융 금속을 하나 이상의 공급원으로부터 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역으로 공급함으로써 상기 용융 금속에 주변부를 제공하는 단계;
    (b) 상기 용융 금속의 주변부를 냉각시킴으로써 외부 고상 쉘(shell)과 내부 용융 코어(core)를 갖는 엠브리오 잉곳을 형성하는 단계;
    (c) 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역에 추가 용융 금속을 공급하면서 상기 엠브리오 잉곳을 상기 영역으로부터 멀어지는 진행 방향으로 진행시킴으로써 상기 고상 쉘내에 수용된 상기 용융 코어를 상기 영역 너머로 연장시키는 단계;
    (d) 외부면에 냉각액을 공급함으로써 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역으로부터 배출되는 상기 엠브리오 잉곳의 상기 외부면을 냉각하는 단계; 및
    (e) 냉각액의 유효량을 제거한 후에 상기 용융 코어로부터의 내부열이 상기 용융 코어에 인접한 상기 고상 쉘을 재가열함으로써 상기 코어 및 쉘의 온도를 적어도 10분의 시간 동안 각각 425℃ 이상의 수렴 온도에 도달시키도록 상기 진행 방향에 수직인 상기 잉곳의 단면이 상기 용융 코어의 일부와 교차하는 상기 잉곳의 외부면 상의 위치에서 상기 냉각액의 유효량을 상기 엠브리오 잉곳의 외부면으로부터 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 상기 용융 금속을 직접 냉각 주조 몰드(direct chill casting mold)의 하나 이상의 유입구로 공급함으로써 상기 직접 냉각 주조 몰드가 용융 금속의 주변을 한정하는 영역을 획정하며, 상기 엠브리오 잉곳은 단계 (c)에서 상기 직접 냉각 주조 몰드의 하나 이상의 유출구로부터 진행하고, 상기 냉각액의 유효량이 단계 (e)에서 제거되는 상기 잉곳의 외부면 상의 위치는 상기 몰드의 하나 이상의 유출구로부터 일정 거리 만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 금속 잉곳의 주조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 용융 금속은 2 이상의 공급원으로부터 공급되며, 각 공급원으로부터의 용융 금속은 상기 몰드의 다른 유입구로 공급되는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 거리는 상기 수렴 온도가 450℃ 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 거리는 2인치 내지 6인치의 범위인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 거리는 2인치 내지 4인치의 범위인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각액의 유효량이 제거되기 이전에 상기 엠브리오 잉곳의 외부면의 온도를 350℃ 미만으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속의 적어도 일부가 균질화되기에 유효한 적어도 10분의 시간 동안 425℃ 이상의 수렴 온도로 상기 코어 및 쉘의 온도를 유지하도록 상기 잉곳의 외부면 상의 위치를 선택하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시간은 상기 금속이 완전히 균질화되기에 유효하고, 상기 시간은 적어도 10분인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 시간은 적어도 15분인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 시간은 적어도 20분인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 시간은 적어도 30분인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 시간 이후에, 상기 잉곳은 추가의 냉각액과 접촉됨으로써 급냉(quenching)되는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 잉곳은 추가의 냉각액과 접촉될 때 425℃ 이상의 온도에 있는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각액은 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치에서 엠브리오 잉곳으로부터 냉각액을 와이핑(wiping)함으로써 엠브리오 잉곳의 표면으로부터 냉각액을 제거하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    잉곳의 외부면으로 냉각액의 공급 속도(rate of supply)를 제어함으로써 상기 위치에서 엠브리오 잉곳의 표면으로부터 냉각액을 제거하여, 상기 위치에서 엠브리오 잉곳으로부터 냉각액이 완전히 증발되도록 하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치에서 엠브리오 잉곳의 표면으로부터 핵 필름 비등(nucleate film boiling)에 의해서 냉각액이 제거되는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 핵 필름 비등을 개선하기 위해서 상기 냉각액에 기체(gas)를 첨가하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치에서 냉각액에 대항하여 기체를 분사함으로써 엠브리오 잉곳의 표면으로부터 냉각액이 제거되는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 영역에 공급된 금속은 하나 이상의 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 알루미늄 합금은 비(非)열 처리가능한 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 알루미늄 합금은 열 처리가능한 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 AA1000 시리즈 합금, AA3000 시리즈 합금, AA4000 시리즈 합금, AA5000 시리즈 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 합금인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 AA2000 시리즈 합금, AA6000 시리즈 합금 및 AA7000 시리즈 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 합금인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  27. 삭제
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 AA3003 및 AA3104로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각액을 제거한 이후에, 상기 엠브리오 잉곳이 냉각되거나 또는 상기 엠브리오 잉곳을 냉각시켜 완전히 응고된 주조 잉곳을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 완전히 응고된 주조 잉곳은 외부 형태가 후속 압연을 위한 형태로 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  31. 제 2 항에 있어서,
    상기 엠브리오 잉곳의 외부면은 주조 몰드에 의해서 단면이 비(非)원형으로 제조되며, 상기 하나 이상의 유출구로부터의 거리는 외부면 주변의 상이한 점들에서 가변되어 상기 잉곳의 외부면 주변에 균등한 수렴 온도를 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 외부면 주변의 거리의 변화는 상기 점들에 인접한 액상 코어에서 이용가능한 잠열에 비례하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  33. 금속 잉곳의 주조 방법으로서,
    (a) 용융 금속을 하나 이상의 공급원으로부터 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역으로 공급함으로써 상기 용융 금속에 주변부를 제공하는 단계;
    (b) 상기 용융 금속의 주변부를 냉각시킴으로써 외부 고상 쉘과 내부 용융 코어를 갖는 엠브리오 잉곳을 형성하는 단계;
    (c) 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역에 추가 용융 금속을 공급하면서 상기 엠브리오 잉곳을 상기 영역으로부터 멀어지는 진행 방향으로 진행시킴으로써 상기 고상 쉘내 수용된 상기 용융 코어를 상기 영역 너머로 연장시키는 단계;
    (d) 외부면에 냉각액을 공급함으로써 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역으로부터 배출되는 상기 엠브리오 잉곳의 상기 외부면을 냉각하는 단계; 및
    (e) 냉각액의 유효량을 제거한 후에 상기 용융 코어로부터의 내부열이 상기 용융 코어에 인접한 상기 고상 쉘을 재가열함으로써 상기 쉘의 외부면의 온도를 하강 전에 최대 되돌림 온도에 도달시키도록 상기 진행 방향에 수직인 상기 잉곳의 단면이 상기 용융 코어의 일부와 교차하는 상기 잉곳의 외부면 상의 위치에서 상기 냉각액의 유효량을 상기 엠브리오 잉곳의 외부면으로부터 제거하는 단계를 포함하고, 상기 되돌림 온도는 적어도 10분의 시간 동안 425 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 금속 시트 제품(metal sheet article)의 제조 방법으로서,
    (a) 제 1 항에 따른 방법에 의해서 주조 금속 잉곳을 제조하는 단계; 및
    (b) 가공 제품을 제조하기 위해서 잉곳을 열간 가공하는 단계를 포함하며,
    상기 열간 가공은 잉곳 제조 단계 (a)와 열간 가공 단계 (b) 사이에서 응고된 금속 잉곳의 균질화 없이 실시되는 것을 특징으로 하는 금속 시트 제품의 제조 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 잉곳을 단계 (b)에서 열간 압연하고, 상기 열간 압연은 상기 잉곳의 금속의 균질화 온도 미만의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 금속 시트 제품의 제조 방법.
  38. 삭제
  39. 삭제
  40. 삭제
  41. 삭제
  42. 삭제
  43. 삭제
  44. 삭제
  45. 삭제
  46. 삭제
  47. 금속 잉곳의 주조 방법으로서,
    (a) 용융 금속을 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 하나 이상의 영역으로 공급함으로써 상기 용융 금속에 주변부를 제공하는 단계;
    (b) 상기 금속의 주변부를 냉각시킴으로써 외부 고상 쉘과 내부 용융 코어를 갖는 엠브리오 잉곳을 형성하는 단계;
    (c) 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역에 추가 용융 금속을 공급하면서 상기 엠브리오 잉곳을 상기 영역으로부터 멀어지는 진행 방향으로 진행시킴으로써 상기 고상 쉘내에 수용된 상기 용융 코어를 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역 너머로 연장시키는 단계;
    (d) 외부면에 냉각액을 공급함으로써 상기 용융 금속의 주변을 한정하는 영역으로부터 배출되는 상기 엠브리오 잉곳의 외부면을 냉각하는 단계;
    (e) 상기 용융 코어로부터의 내부열이 상기 잉곳의 일부분의 용융 코어에 인접한 상기 고상 쉘을 재가열함으로써 상기 코어 및 쉘의 온도를 425℃ 이상의 수렴 온도에 각각 도달시키도록 상기 진행 방향에 수직인 상기 잉곳의 단면이 상기 용융 코어의 일부와 교차하는 상기 잉곳의 외부면 상의 위치에서 상기 냉각액의 유효량을 상기 엠브리오 잉곳의 외부면으로부터 제거하여 상기 냉각액이 없는 상기 잉곳의 일부분을 제조하는 단계; 및
    (f) 상기 잉곳의 일부분의 균질화에 유효한 10분 이상의 시간 동안 상기 수렴 온도에서 상기 일부분을 유지시킨 이후에 상기 잉곳의 일부분을 급냉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    단계 (a)에서 상기 용융 금속을 직접 냉각 주조 몰드의 하나 이상의 유입구로 공급함으로써 상기 직접 냉각 주조 몰드가 용융 금속의 주변을 한정하는 영역을 형성하며, 상기 엠브리오 잉곳은 단계(c)에서 상기 직접 냉각 주조 몰드의 하나 이상의 유출구로부터 진행하며, 냉각액의 충분한 양이 단계(e)에서 제거되는 잉곳의 외부면상의 위치는 상기 몰드의 하나 이상의 유출구로부터 일정 거리 만큼 이격되 어 있는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
  49. 제 47 항 또는 제 48 항에 있어서,
    상기 수렴 온도는 425 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 주조 방법.
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  59. 사전 균질화 없이 열간 압연될 수 있는 금속 잉곳을 제조하는 방법으로서,
    비(非)-코어 미세구조를 갖는 응고된 금속을 제조하기에 유효한 온도 및 시간 조건하에서 금속을 주조하여 잉곳을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 조건은 상기 금속의 주조 동안 적어도 10분의 시간 동안 비-코어 미세구조를 제조하기에 유효한 온도에서 상기 잉곳을 유지하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 제조 방법.
  60. 제 59 항에 있어서,
    상기 조건은 상기 금속을 주조하는 동안 10분 내지 30분의 시간 동안 인사이튜 균질화하기에 유효한 수렴 온도에서 상기 잉곳을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 제조 방법.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 조건은 15분 내지 20분의 시간 동안 인사이튜 균질화하기에 유효한 수렴 온도에서 상기 잉곳을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 제조 방법.
  62. 사전 균질화 없이 열간 압연될 수 있는 금속 잉곳을 제조하는 방법으로서,
    파쇄된 미세구조(fractured microstructure)를 갖는 응고된 금속을 제조하기에 유효한 온도 및 시간 조건하에서 금속을 주조하여 잉곳을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 조건은 상기 금속의 주조 동안 적어도 10분의 시간 동안 파쇄된 미세구조를 제조하기에 유효한 온도에서 상기 잉곳을 유지하는 것을 특징으로 하는 금속 잉곳의 제조 방법.
  63. 삭제
  64. 삭제
  65. 삭제
  66. 주조가능한 금속으로 제조된 잉곳을 연속 또는 반연속 직접 냉각 주조하는 방법으로서,
    (a) 하나 이상의 몰드 유입구 및 하나 이상의 몰드 유출구를 갖는 직접 냉각 주조 몰드를 준비하는 단계;
    (b) 용융 금속을 상기 주조 몰드의 하나 이상의 유입구에 공급하는 단계;
    (c) 상기 용융 금속의 주변부를 응고시키기 위해 상기 몰드를 냉각함으로써 외부 고상 쉘 및 내부 용융 코어를 갖는 엠브리오 잉곳을 형성하는 단계;
    (d) 상기 엠브리오 잉곳을 상기 몰드의 하나 이상의 유출구 너머로 연속적으로 진행시킴으로써 상기 고상 쉘내에 수용된 상기 용융 코어를 상기 몰드의 하나 이상의 유출구 너머로 연장시키는 단계;
    (e) 응고를 계속하기 위해서 상기 엠브리오 잉곳의 외부면 상에 냉각액을 공급함으로써 상기 몰드로부터 배출되는 상기 엠브리오 잉곳을 냉각하는 단계;
    (f) 상기 용융 코어로부터의 내부열이 상기 코어에 인접한 고상 쉘을 재가열함으로써 상기 코어 및 쉘의 온도를 수렴 온도에서 평형을 이루도록 상기 잉곳이 완전한 고상 잉곳으로 변환되지 않은 위치에서 상기 엠브리오 잉곳의 표면으로부터 와이퍼에 의해 냉각액을 제거하는 단계(상기 수렴 온도를 425℃ 이상이 되도록 상기 하나 이상의 몰드 유출구로부터 일정 거리에서 상기 표면으로부터 냉각액이 제거됨); 및
    (g) 주조의 상이한 국면 동안 와이퍼 아래에서 상기 수렴 온도의 차이를 최소화하기 위해 상기 잉곳의 주조의 상이한 국면에서 상기 단계 (f)에서의 상기 와이퍼의 위치를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 냉각 주조 방법.
  67. 제 66 항에 있어서,
    상기 위치는 후속 상에서보다 초기 주조 상 동안 상기 몰드에 더 가깝게 이동하는 것을 특징으로 하는 직접 냉각 주조 방법.
  68. 제 66 항에 있어서,
    상기 위치는 최종 주조 상 동안 상기 몰드에 대해서 이동하는 것을 특징으로 하는 직접 냉각 주조 방법.
  69. 금속 잉곳의 연속 또는 반연속 직접 냉각 주조용 장치로서,
    하나 이상의 유입구, 하나 이상의 유출구 및 하나 이상의 몰드 캐비티(cavity)를 구비한 주조 몰드;
    상기 하나 이상의 몰드 캐비티용 하나 이상의 냉각 자켓(cooling jacket);
    상기 하나 이상의 유출구로부터 배출되는 엠브리오 잉곳의 외부면을 따라서 냉각액이 흐르도록 배치된 냉각액의 공급부;
    상기 하나 이상의 유출구로부터 일정 거리로 이격되고 상기 엠브리오 잉곳의 외부면으로부터 상기 냉각액을 제거하기 위한 수단; 및
    상기 하나 이상의 유출구로 향하거나 상기 하나 이상의 유출구로부터 멀어지게 상기 냉각액 제거 수단을 이동시킴으로써 상기 잉곳의 주조 동안 상기 거리를 변형시킬 수 있는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 냉각 주조용 장치.
  70. 제 69 항에 있어서,
    상기 주조 몰드는 직접 냉각 주조 몰드인 것을 특징으로 하는 직접 냉각 주조용 장치.
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