KR101595744B1

KR101595744B1 - 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법과 그에 따른 장치

Info

Publication number: KR101595744B1
Application number: KR1020150057074A
Authority: KR
Inventors: 박정욱; 김우천; 이태엽
Original assignee: 주식회사 디알액시온
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2016-02-19

Abstract

본 발명은 알루미늄을 용해하여 용탕을 제조하는 단계와, 상기 용탕이 보온로에 저장되도록 이송하는 단계와, 상기 보온로에 저장된 용탕을 주조금형에 설치된 주입용기(basin)에 주입하는 단계 및, 상기 주입용기(basin)에 주입된 용탕에 캐비테이션 버블과 이질핵(Ti) 입자가 동시에 형성되도록 초음파 발생수단에 구비된 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)를 침지시킨 후 1 내지 50kHz의 초음파를 인가하여 가진하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법과 그에 따른 장치에 관한 것이다.

Description

초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법과 그에 따른 장치{Method of Aluminum Molten Metal of Reducing Hydrogen Concentration and Grain Refinement and The Apparatus Therewith}

본 발명은 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법과 그에 따른 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 용탕에 캐비테이션 버블과 이질핵(Ti) 입자가 동시에 형성되도록 하여 용탕의 수소농도저하와 입자미세화처리를 동시에 진행할 수 있는 방법과 그에 따른 장치에 관한 것이다.

최근 자동차 부품의 경량화 및 고출력화가 진행됨에 따라 부품들의 강성 및 내구수명, 신율 등과 같은 기계적 특성의 강화가 요구되고 있다.

그 중 기계적 특성을 강화시킬 수 있는 방법은 재질변경, 금형의 냉각효율 증대, 용탕의 품질을 개선하는 방법이 있으나, 일반적으로 용탕의 품질을 개선하기 위해 사용되고 있는 방법은 보온로의 용탕에 입자미세화를 위해 미세화제를 첨가하는 공정과, 수소농도감소를 위한 G.B.F(Gas Bubbling Filteration) 공정이 사용되고 있다.

그러나, 상기한 방법은 알루미늄 제품의 용탕처리 방안 중 일반적으로 사용되는 방법으로서 알루미늄 용탕의 입자미세화를 위해 미세화제를 투입하는 것은 공정을 단순화할 수 있는 장점은 있으나 낮은 첨가제의 효율과 조직의 균일성이 저하된다는 문제점이 있다.

또한, 알루미늄 용탕의 수소농도감소를 위한 G.B.F 공정은 설비 및 부자재의 설치에 따른 많은 비용이 발생 되는 것과, G.B.F 공정시 다량의 드로스와 유해가스가 발생되는 문제점이 있다.

이와 더불어, 알루미늄 용탕의 입자미세화와 수소농도감소를 위해 미세화제를 첨가하는 공정과, G.B.F 공정을 행함으로써 각 공정별로 발생되는 사이클 타입(cycle time)의 증가로 인해 생산성이 저하는 문제점이 있다.

공개특허공보 제10-2010-0008903호 (2010.01.27)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 알루미늄 용탕의 입자미세화와 수소농도 저하를 위해 별도의 미세화제를 첨가하는 공정 및 G.B.F 공정을 생략함으로써 사이클 타입(cycle time)을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법과 그에 따른 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, G.B.F 공정이 생략됨으로써 G.B.F 공정시 발생되는 다량의 드로스와 유해가스가 발생되는 것을 방지할 수 있는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법과 그에 따른 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 및 기타 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 지면에 설치되는 베이스프레임과, 상기 베이스프레임에 회전 가능하게 결합되고, 일측 소정 위치에 주입용기(basin)가 구비된 주조금형 및, 상기 베이스프레임의 일측 소정 위치에 등 거리 이격되게 위치되어 상기 주입용기(basin)에 주입된 용탕에 초음파를 인가하여 가진하는 초음파 발생수단을 포함하되, 상기 초음파 발생수단은 상기 베이스프레임의 일측 소정 위치에 등 거리 이격되게 위치되고, 높이방향을 따라 한 쌍의 레일이 이격되게 구비된 수직프레임과, 상기 한 쌍의 레일에 결합된 승강부재와, 상기 승강부재의 상부에 결합된 회전부재와, 상기 회전부재의 단부에 구비된 연결브라켓에 결합된 컨버터와, 상기 컨버터의 단부에 결합된 부스터와, 상기 부스터의 단부에 결합된 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)로 이루어어져 있어, 상기 주입용기(basin)에 주입된 용탕에 초음파가 인가되어 가진 되면 상기 용탕의 내부에는 캐비테이션 버블이 형성되어 상기 용탕 내부에 존재하는 수소가 상기 캐비테이션 버블 주위로 모여들어 용탕의 상부로 부유되어 용탕의 수소농도가 저하되도록 함과 동시에 상기 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)로부터 티타늄(Ti) 입자가 확산되면서 이질핵(Ti입자) 작용을 하여 용탕 내부에 Al-Ti 핵을 생성하여 용탕의 응고시 입자가 미세화되도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 알루미늄을 용해하여 용탕을 제조하는 단계와, 상기 용탕이 보온로에 저장되도록 이송하는 단계와, 상기 보온로에 저장된 용탕을 주조금형에 설치된 주입용기(basin)에 주입하는 단계 및, 상기 주입용기(basin)에 주입된 용탕의 내부에 캐비테이션 버블이 형성되어 상기 용탕 내부에 존재하는 수소가 상기 캐비테이션 버블 주위로 모여들어 용탕의 상부로 부유되어 용탕의 수소농도가 저하되도록 함과 동시에 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)로부터 티타늄(Ti) 입자가 용탕의 내부로 확산되면서 이질핵(Ti입자) 작용을 하여 용탕 내부에 Al-Ti 핵을 생성하여 용탕의 응고시 입자가 미세화되도록 초음파 발생수단에 구비된 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)를 침지시킨 후 1 내지 50kHz의 초음파를 인가하여 가진하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 알루미늄 용탕의 입자미세화와 수소농도감소를 위해 별도의 미세화제를 첨가하는 공정 및 G.B.F 공정을 생략함으로써 사이클 타입(cycle time)을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, G.B.F 공정이 생략됨으로써 G.B.F 공정시 발생되는 다량의 드로스와 유해가스가 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 알루미늄 용탕의 입자미세화와 수소농도감소를 동시에 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소 농도 저하 및 입자미세화 동시처리장치를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 초음파 발생수단의 측면도.
도 3은 도 1에 도시된 초음파 발생수단의 평면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소 농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법을 도시하는 순서도.
도 5는 종래 입자미세화제가 첨가되고 G.B.F 처리된 용탕의 응고 조직과 본 발명의 일실시예에 따른 초음파가 인가된 용탕의 응고 조직을 비교한 광학현미경 사진.
도 6은 종래 입자미세화제가 첨가되고 G.B.F 처리된 용탕과 본 발명의 일실시예에 따른 초음파가 인가된 용탕 내의 수소농도변화를 측정한 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소 농도 저하 및 입자미세화 동시처리장치를 개략적으로 도시하는 도면, 도 2는 도 1에 도시된 초음파 발생수단의 측면도, 도 3은 도 1에 도시된 초음파 발생수단의 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리장치(100)는 지면에 설치되는 베이스프레임(110)과, 베이스프레임(110)에 회전 가능하게 결합되고, 일측 소정 위치에 주입용기(basin)(122)가 구비된 주조금형(120)과, 베이스프레임(110)의 일측 소정 위치에 등 거리 이격되게 위치되어 주입용기(122)에 주입된 용탕에 캐비테이션 버블(cavitation bubble)과 이질핵(Ti) 입자가 동시에 형성되도록 용탕에 초음파를 인가하여 가진하는 초음파 발생수단(130)을 포함하여 이루어진다.

초음파 발생수단(130)은 베이스프레임(110)의 일측 소정 위치에 등 거리 이격되게 위치되고, 높이방향을 따라 한 쌍의 레일(132a)이 이격되게 구비된 수직프레임(132)과, 한 쌍의 레일(132a)에 결합된 승강부재(134)와, 승강부재(134)의 상부에 결합된 회전부재(136)와, 회전부재(136)의 단부에 구비된 연결브라켓(137)에 결합된 컨버터(138)와, 컨버터(138)의 단부에 결합된 부스터(140)와, 부스터(140)의 단부에 결합된 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)(142)로 이루어진다.

여기서, 승강부재(134)는 한 쌍의 레일(132a)에 결합된 이동프레임(134a)과, 이동프레임(134a)의 상부에 설치되고, 수직프레임(132)의 높이방향 하부 소정 위치에 결합된 브라켓(132b)에 단부가 결합되는 실린더로드(134c)가 구비된 승강실린더(134b)로 이루어진다.

회전부재(136)는 이동프레임(134a)의 상부에 승강실린더(134b)로부터 등 거리 이격되어 일단부가 힌지 결합된 회전프레임(136a)과, 이동프레임(134a)의 상부 소정 위치에 설치되고, 회전프레임(136a)의 길이방향 소정 위치에 결합된 실린더로드(136c)가 구비된 작동실린더(136b)로 이루어진다.

또한, 수직프레임(132)의 일측 소정 위치에는 수직프레임(132)으로부터 등 거리 이격되어 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(142)를 600 ~ 800℃로 예열하는 예열기(150)가 설치되는데, 이는 소노트로드(142)가 주입용기(122)에 저장된 용탕에 침지될 때 소노트로드(142)에 의해 용탕의 온도가 저하되는 것을 방지하기 위함이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법을 도시하는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법은 용탕 제조단계(S110), 용탕 이송단계(S120), 용탕 주입단계(S130), 초음파 가진단계(S140)를 포함하여 이루어진다.

용탕 제조단계(S110)는 알루미늄 잉곳을 용해로에 장입하여 알루미늄 용탕을 제조하는 것이다.

이때, 제조되는 알루미늄 용탕은 구리 0.01 내지 5 중량%, 규소 4 내지 20 중량%, 마그네슘 0.01 내지 0.5 중량%, 아연 0.01 내지 0.2 중량%. 철 0.01 내지 1.0 중량%, 망간 0.01 내지 0.5 중량%, 니켈 0.01 내지 0.1 중량%, 티타늄 0.01 내지 0.5 중량%, 납 0.01 내지 0.3 중량%, 주석 0.01 내지 0.1 중량%, 크롬 0.01 내지 0.2 중량% 및 알루미늄 잔량으로 이루어진다.

용탕 이송단계(S120)는 용탕 제조단계(S110)에서 제조된 용탕이 보온로(미도시)에 저장되도록 이송하는 것이다.

용탕 주입단계(S130)는 보온로에 저장된 용탕을 주조금형(120)에 설치된 주입용기(122)에 주입하는 것이다.

초음파 가진단계(S140)는 주입용기(122)에 저장된 용탕에 초음파 발생수단(130)에 구비된 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(142)를 침지시킨 후 1 내지 50kHz의 초음파를 인가하여 가진 하는 것이다.

또한, 초음파를 가진하는 단계(S140)에서는 소노트로드(142)를 600 ~ 800℃로 예열하는 단계(S150)를 더 포함하는 것이 바람직한데, 이는 소노트로드(142)가 주입용기(122)에 저장된 용탕에 침지될 때 소노트로드(142)에 의해 용탕의 온도가 저하되는 것을 방지하기 위함이다.

여기서, 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(142)는 수소 0.001 내지 0.01 중량%, 산소 0.01 내지 0.2 중량%, 질소 0.01 내지 0.3 중량%, 철 0.01 내지 0.3 중량%, 탄소 0.01 내지 0.1 중량% 및 티타늄 잔량으로 이루어진다.

따라서, 주입용기(122)에 주입된 용탕에 초음파가 인가되어 가진 되면 용탕의 내부에는 캐비테이션 버블이 형성되는데, 이때 용탕의 내부에 형성된 캐비테이션 버블은 용탕 보다 상대적으로 낮은 압력을 갖는다.

즉, 용탕 보다 상대적으로 낮은 압력을 갖는 캐비테이션 버블의 주위로 용탕 내부에 존재하는 수소가 모여들어 용탕의 상부로 부유되기 때문에 용탕의 수소농도가 저하되는 것이다.

이와 더불어, 주입용기(122)에 주입된 용탕에 초음파가 인가되어 가진 되면 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(142)로부터 용탕의 내부에 티타늄(Ti) 입자가 확산되면서 이질핵(Ti입자) 작용을 하여 용탕 내부에 Al-Ti 핵을 생성함으로써 용탕 응고시 입자가 미세화된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였지만, 당해 기술 분야에 숙련된 사람은 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110; 베이스프레임
120; 주조금형
122; 주입용기
130; 초음파 발생수단
132; 수직프레임
134; 승강부재
136; 회전부재
138; 컨버터
140; 부스터
142; 소노트로드
150; 예열기
S110; 용탕 제조단계
S120; 용탕 이송단계
S130; 용탕 주입단계
S140; 초음파 가진단계
S150; 예열단계

Claims

지면에 설치되는 베이스프레임;
상기 베이스프레임에 회전 가능하게 결합되고, 일측 소정 위치에 주입용기(basin)가 구비된 주조금형; 및,
상기 베이스프레임의 일측 소정 위치에 등 거리 이격되게 위치되어 상기 주입용기(basin)에 주입된 용탕에 초음파를 인가하여 가진하는 초음파 발생수단;을 포함하되,
상기 초음파 발생수단은,
상기 베이스프레임의 일측 소정 위치에 등 거리 이격되게 위치되고, 높이방향을 따라 한 쌍의 레일이 이격되게 구비된 수직프레임과, 상기 한 쌍의 레일에 결합된 승강부재와, 상기 승강부재의 상부에 결합된 회전부재와, 상기 회전부재의 단부에 구비된 연결브라켓에 결합된 컨버터와, 상기 컨버터의 단부에 결합된 부스터와, 상기 부스터의 단부에 결합된 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)로 이루어어져 있어, 상기 주입용기(basin)에 주입된 용탕에 초음파가 인가되어 가진 되면 상기 용탕의 내부에는 캐비테이션 버블이 형성되어 상기 용탕 내부에 존재하는 수소가 상기 캐비테이션 버블 주위로 모여들어 용탕의 상부로 부유되어 용탕의 수소농도가 저하되도록 함과 동시에 상기 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)로부터 티타늄(Ti) 입자가 확산되면서 이질핵(Ti입자) 작용을 하여 용탕 내부에 Al-Ti 핵을 생성하여 용탕의 응고시 입자가 미세화되도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리장치.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 승강부재는,
상기 한 쌍의 레일에 결합된 이동프레임과, 상기 이동프레임의 상부에 설치되고, 상기 수직프레임의 높이방향 하부 소정 위치에 결합된 브라켓에 단부가 결합되는 실린더로드가 구비된 승강실린더로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결합되는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리장치.
청구항 3에 있어서, 상기 회전부재는,
상기 이동프레임의 상부에 상기 승강실린더로부터 등 거리 이격되어 일단부가 힌지 결합된 회전프레임과, 상기 이동프레임의 상부 소정 위치에 설치되고, 상기 회전프레임의 길이방향 소정 위치에 결합된 실린더로드가 구비된 작동실린더로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수직프레임의 일측 소정 위치에는 상기 수직프레임으로부터 등 거리 이격되어 상기 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)를 600 ~ 800℃로 예열하는 예열기가 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리장치.
알루미늄을 용해하여 용탕을 제조하는 단계;
상기 용탕이 보온로에 저장되도록 이송하는 단계;
상기 보온로에 저장된 용탕을 주조금형에 설치된 주입용기(basin)에 주입하는 단계; 및,
상기 주입용기(basin)에 주입된 용탕의 내부에 캐비테이션 버블이 형성되어 상기 용탕 내부에 존재하는 수소가 상기 캐비테이션 버블 주위로 모여들어 용탕의 상부로 부유되어 용탕의 수소농도가 저하되도록 함과 동시에 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)로부터 티타늄(Ti) 입자가 용탕의 내부로 확산되면서 이질핵(Ti입자) 작용을 하여 용탕 내부에 Al-Ti 핵을 생성하여 용탕의 응고시 입자가 미세화되도록 초음파 발생수단에 구비된 티타늄(Ti) 재질의 소노트로드(Sonotrode)를 침지시킨 후 1 내지 50kHz의 초음파를 인가하여 가진하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법.
청구항 6에 있어서,
상기 초음파를 가진하는 단계에서는 상기 소노트로드(Sonotrode)를 600 ~ 800℃로 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법.
청구항 6에 있어서,
상기 용탕은 구리 0.01 내지 5 중량%, 규소 4 내지 20 중량%, 마그네슘 0.01 내지 0.5 중량%, 아연 0.01 내지 0.2 중량%. 철 0.01 내지 1.0 중량%, 망간 0.01 내지 0.5 중량%, 니켈 0.01 내지 0.1 중량%, 티타늄 0.01 내지 0.5 중량%, 납 0.01 내지 0.3 중량%, 주석 0.01 내지 0.1 중량%, 크롬 0.01 내지 0.2 중량% 및 알루미늄 잔량으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법.
청구항 6에 있어서,
상기 소노트로드(Sonotrode)는 수소 0.001 내지 0.01 중량%, 산소 0.01 내지 0.2 중량%, 질소 0.01 내지 0.3 중량%, 철 0.01 내지 0.3 중량%, 탄소 0.01 내지 0.1 중량% 및 티타늄 잔량으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법.