KR101634887B1

KR101634887B1 - 아크 용해로 장치 및 피용해물의 아크 용해 방법

Info

Publication number: KR101634887B1
Application number: KR1020147012829A
Authority: KR
Inventors: 모토히로 가메야마; 요시아키 가와이; 요시히코 요코야마; 아키히사 이노우에
Original assignee: 다이아배큠 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 토호쿠 테크노 아치
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2016-06-29
Also published as: TW201329411A; JPWO2013065378A1; US20140326424A1; EP2774702A4; EP2774702B1; CN104023877A; JP5991982B2; WO2013065378A1; EP2774702A1; CN104023877B; KR20140076627A

Abstract

본 발명의 목적은 작업자에게 다대한 노력을 요하는 일이 없이 효율적으로 용해된 피용해물을 교반할 수가 있는 아크 용해로 장치 및 아크 방전의 제어 방법을 제공한다. 용해실(2)의 내부에 설치된 오목부(3a)를 가지는 주형(3)과, 상기 오목부(3a)에 수용된 피용해물을 가열 용해하는 비소모 방전 전극(5)과, 상기 비소모 방전 전극(5)에 전력을 공급하는 전원부(10)와, 상기 전원부를 제어함으로써 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 제어하는 제어 장치(11)를 구비하고, 상기 제어 장치(11)가 상기 전원부(10)로부터의 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어함으로써, 상기 비소모 방전 전극(5)로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하고, 상기 피용해물이 가열 용해한 용탕을 교반한다.

Description

아크 용해로 장치 및 피용해물의 아크 용해 방법{ARC MELTING FURNACE AND ARC MELTING METHOD FOR SUBSTANCE TO BE MELTED}

본 발명은 아크 용해로 장치 및 피용해물의 아크 용해 방법에 관한 것으로, 예를 들면, 합금 재료 등의 피용해물에 있어서 바람직하게 적용할 수가 있는 아크 용해로 장치 및 피용해물의 아크 용해 방법에 관한 것이다.

아크 방전의 열에너지를 사용하여 주형 내에 수용된 금속 재료, 특히 합금 재료, 및 세라믹 재료 등의 피용해물을 용해하는 아크 용해는 종래로부터 널리 알려져 있다.

이 아크 용해에는 소모형 아크 용해와 비소모형 아크 용해가 있다. 그 중 비소모형 아크 용해는 감압 아르곤의 분위기 내에서 직류 아크 전원을 이용하여 텅스텐 전극을 음극으로 하고, 수랭 주형 상에 둔 피용해물(양극)과의 사이에서 일정한 강도의 직류 아크 방전에 의한 열에너지에 의해 피용해물을 용해하는 것이다.

도 10은 종래 기술의 비소모형 아크 용해로의 구성예를 나타낸다.

도시하는 아크 용해로(200)에 있어서 용해실(210)의 하면에 동주형(copper mold)(201)이 밀착하고, 용해실(210)은 밀폐 용기로 되어 있다. 또, 동주형(201)의 하방에는 냉각수가 순환하는 수조(202)가 설치되고, 동주형(201)은 수랭 주형으로 되어 있다. 또, 도시하듯이 봉상의 수랭 전극(203)이 용해실(210)의 상방으로부터 실내로 삽입설치되고, 음극으로서의 텅스텐제의 선단은 핸들부(204)의 조작에 의해 용해실(210)을 상하, 전후, 좌우로 이동할 수 있도록 이루어져 있다.

이 아크 용해로(200)에 있어서, 예를 들면 금속 용해하여 합금을 생성하는 경우, 우선 칭량한 복수의 다른 금속 재료가 동주형(201) 상에 놓여진다. 그리고, 용해실(210) 내의 공기를 진공 펌프(도시 생략)를 이용하여 배기한 후에 불활성 가스를 도입하고, 불활성 가스 분위기(통상은 아르곤 가스 분위기)로 하고, 수랭 전극(203)의 텅스텐 전극(음극)과 동주형(201) 상의 금속 재료(양극)와의 사이에서 아크 방전을 발생시키고, 그 열에너지에 의해 복수의 다른 금속 재료가 용해하여 합금화 된다. 이러한 아크 용해로에 대해서는 특허 문헌 1에 개시되어 있다.

그런데, 이러한 아크 용해로를 이용한 합금 생성 방법에 있어서는 비중이 큰 금속은 합금된 재료의 저부에 모이기 쉽기 때문에, 균일한 내부 조직의 합금을 생성하기 위해서 합금이 용탕 상태일 때에 잘 교반할 필요가 있다. 또, 단일 조성물에서도 고체화 한 후의 미세 조직의 균일성을 얻으려면 용탕 상태일 때에 잘 교반할 필요가 있다.

그렇지만, 수랭 주형 상에서 피용해물을 용해하고 있기 때문에 주형에 접하는 용탕 저면은 냉각되어 있다. 그 때문에 저부에 위치하는 용해물이 액상으로부터 고상으로 곧바로 변화하여 충분한 교반을 할 수 없다.

그 때문에 용해한 피용해물 M을 냉각 후, 도 11에 나타내듯이, 용해실(210)의 밖으로부터 조작하는 반전봉(205)에 의해 동주형(201) 상에서 재료(피용해물) M을 반전시키고, 다시 용해하고, 그 후에 계속하여 냉각, 반전, 용해의 프로세스를 여러 차례 반복함으로써 교반을 행하고, 재료(피용해물) M의 미세 조직이나 성분의 내부 분포를 균일화 하는 방법이 이용되고 있다.

또, 특허 문헌 2에 나타난 아크 용해로에 있어서는 기대(base)에 대해서 가대(mount)가 좌우, 전후 방향으로 경동(傾動, tilt)이 자유롭게 장착되고, 또한 이 가대에 대해서 용해로가 장착되어 있다.

그리고, 상기 가대에 이 가대를 경동(傾動, tilt)시키는 핸들부(handle part)가 설치되고, 핸들부를 조작함으로써, 용해로를 경동시켜 용해된 피용해물을 요동하여 교반하도록 구성되어 있다.

이러한 아크 용해로에 의하면, 핸들부(handle part)의 조작에 의해 용해로를 경동시킬 수가 있기 때문에 주형 상에서 용해된 피용해물(용탕)을 요동시키고, 그 고상화를 억제하고, 또한 요동의 경사를 크게 함으로써 효과적으로 피용해물을 교반할 수가 있다.

특허 문헌 1 : 일본국 특허공개 2000-317621호 공보 특허 문헌 2 : 일본국 특허공개 2007-160385호 공보

상기한 것처럼 반전봉을 이용하여 용해된 피용해물을 요동, 교반하는 것에 있어서는 용해실의 밖으로부터 반전봉을 조작하여 반전봉의 선단부에 재료를 걸어 반전시킨다고 하는 번거로운 작업을 여러 차례 행하지 않으면 안 되어 작업성이 나쁨과 아울러 작업 시간이 걸린다고 하는 기술적 과제를 가지고 있었다.

또, 가대에 설치된 핸들부를 조작하여 용해로를 경동시킴으로써, 용해된 피용해물을 요동하여 교반하는 경우에는 작업자에게 다대한 노력을 요한다고 하는 기술적 과제를 가지고 있었다.

본 발명자 등은 상기 기술적 과제를 해결하기 위해서, 종래와 같은 기계적 작용에 기초하여 피용해물의 요동, 교반을 행하는 것이 아니라 완전히 새로운 착상에 기초하여 피용해물의 요동, 교반을 행하는 것을 열심히 연구하였다. 그 결과, 아크 방전에 의해 생기는 외력을 이용하여 용해된 피용해물을 요동하여 교반할 수 있는 것을 지견하여 본 발명을 생각해 낸 것이다.

또, 용탕의 요동을 크게 함으로써 보다 교반이 이루어지고, 이 용탕의 요동의 진폭이 방전 전류의 주파수에 크게 의존하는 것을 찾아내어 본 발명을 생각해 낸 것이다.

본 발명의 목적은 작업자에게 다대한 노력을 요하는 일이 없이 효율적으로 용해된 피용해물을 교반할 수가 있는 아크 용해로 장치 및 아크 방전의 제어 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 본 발명과 관련된 아크 용해로 장치는, 용해실의 내부에 설치된 오목부를 가지는 주형과, 상기 오목부에 수용된 피용해물을 가열 용해하는 비소모 방전 전극과, 상기 비소모 방전 전극에 전력을 공급하는 전원부와, 상기 전원부를 제어함으로써 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치가 상기 전원부로부터의 출력 전류와 전류 주파수를 제어함으로써, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하고, 상기 피용해물이 가열 용해한 용탕을 교반하는 것을 특징으로 하고 있다.

여기에 말하는 출력 강도의 변화의 파형은 정현파, 구형파, 삼각파, 펄스 파형 등의 것이며, 주파수는 이 출력 강도의 강약 변화 주기의 역수이다.

이와 같이 본 발명과 관련된 아크 용해로 장치는, 전원부로부터의 출력 강도, 즉 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어함으로써, 상기 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력에 강약을 가한다.

즉, 아크 방전의 출력을 강약시킴으로써, 아크 방전에 의해 생기는 힘에 강약을 주고, 용해된 피용해물을 요동시키고, 교반하는 것이고, 이 요동, 교반에 의해 균일한 조직의 재료나 균일한 조성 분포의 합금 등을 얻을 수 있다.

여기서, 상기 제어 장치는, 상기 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되도록 상기 전원부로부터의 상기 출력 전류와 상기 전류 주파수를 제어하는 것이 바람직하다.

이와 같이 전원부로부터의 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어함으로써, 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되도록 상기 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력에 강약을 가할 수가 있고, 용해된 피용해물을 보다 요동시키고, 교반할 수 있어, 이 요동, 교반에 의해 보다 균일한 조직의 재료나 보다 균일한 조성 분포의 합금 등을 얻을 수 있다.

또, 상기 제어 장치에는 기억부가 설치되고, 상기 기억부에 미리 구해진 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭을 최대로 하는 상기 출력 전류와 상기 전류 주파수가 기억되고, 상기 제어 장치는, 상기 기억부에 기억된 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭을 최대로 하는 상기 출력 전류와 상기 전류 주파수를 독출하고, 상기 독출된 상기 출력 전류와 상기 전류 주파수에 기초하여 상기 전원부를 제어하는 것이 바람직하다.

이와 같이 미리 실험 등에 의해 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭을 최대로 하는 상기 출력 전류와 상기 전류 주파수를 구하고, 그 출력 전류와 상기 전류 주파수에 기초하여 전원부를 제어함으로써 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력에 자동적으로 강약을 가할 수가 있다.

또, 상기 용탕의 형상 변화를 계측하고, 계측한 용탕의 형상에 따른 검출 신호를 상기 제어 장치로 출력하는 용탕 계측 수단을 구비하고, 상기 용탕 계측 수단으로부터 입력되는 검출 신호에 의해 상기 제어 장치가 상기 용탕의 형상에 따라 전원부로부터의 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어하고, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 용탕 계측 수단으로부터 입력되는 검출 신호에 의해 상기 제어 장치가 상기 용탕의 형상에 따라 전원부로부터의 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어하고, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변함으로써, 용탕의 요동을 크게 할 수 있어 보다 교반을 이룰 수가 있다.

특히, 용탕의 형상 변화가 최대(요동 진폭이 최대)가 되도록 전원부로부터의 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어하고, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하는 것이 바람직하다. 또, 용탕의 형상 변화를 계측하고, 계측한 용탕의 형상에 따른 검출 신호를 상기 제어 장치로 출력하는 용탕 계측 수단을 구비함으로써, 노동력을 줄일 수 있어 보다 단시간에서의 용해 작업을 행할 수가 있다.

또, 상기 용탕의 광량 변화를 계측하고, 계측한 용탕의 광량에 따른 검출 신호를 상기 제어 장치로 출력하는 용탕 계측 수단을 구비하고, 상기 용탕 계측 수단으로부터 입력되는 검출 신호에 의해 상기 제어 장치가 상기 용탕의 광량에 따라 전원부로부터의 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어하고, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기한 용탕 형상 변화를 계측하는 용탕 계측 수단에 대신하여 용탕의 광량 변화를 계측하고, 계측한 용탕의 광량에 따른 검출 신호를 상기 제어 장치로 출력하는 용탕 계측 수단을 이용할 수도 있다.

여기서, 용탕의 광량 변화는 아크 방전의 광이 용탕으로부터 반사하여 돌아오는 광량의 변화나, 고온의 피용해물로부터의 복사광 등의 변화이다. 이러한 광량의 계측은, 용탕의 요동 진폭의 평가에 대해서 정확함이 부족하지만, 용탕 형상의 계측(예를 들면, 화상 해석 수단을 이용한 형상 계측)보다 염가로 용이하고 고속으로 계측할 수 있기 때문에 보다 바람직하다.

또, 상기 제어 장치는, 상기 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 대략 최대로 되도록 상기 전원부로부터의 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어하도록 구성되어 있다.

또한, 상기 제어 장치가 전원부로부터의 전류가 편진(片振) 반복 전류(single-sided repetition current)가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

또, 상기 주형에는 복수의 오목부가 형성됨과 아울러 이동 가능하게 형성되고, 또한 상기 주형의 오목부 내의 피용해물을 반전하는 반전 링(ring)이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 반전 링을 이용함으로써 용이하게 피용해물을 반전할 수가 있고, 보다 균일한 조직의 재료나 보다 균일한 조성 분포의 합금 등을 얻을 수 있고, 또한 동력을 이용하여 반전 링을 동작시키는 자동화에도 대응할 수 있게 된다.

또, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 본 발명과 관련된 피용해물의 용해 방법은, 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전에 의해 피용해물을 용해하는 방법으로서, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 전원부로부터 상기 비소모 방전 전극에 공급되는 출력 전류와 이 전류 주파수를 변화시킴으로써 가변하고, 상기 피용해물을 가열 용해하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이 본 발명과 관련된 피용해물의 용해 방법은, 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 공급되는 출력 전류와 이 전류 주파수로 가변함으로써 행한다.

즉, 아크 방전의 출력 강도를 변화시키고, 아크 방전에 의해 생기는 힘에 강약을 주고, 용해된 피용해물을 요동시키고, 교반하는 것이고, 이 요동, 교반에 의해 균일한 조직의 재료나 균일한 조성 분포의 합금 등을 얻을 수 있다.

여기서, 상기 아크 방전의 출력 강도의 가변은 편진 반복 전류를 비소모 방전 전극에 공급함으로써 이루어지는 것이 바람직하다. 편진 반복 전류는 그 파형이 정현파, 구형파, 삼각파, 펄스 파형 등이고, 최대 전류와 최소 전류가 함께 부(negative)의 값, 즉 전류치가 제로점(zero point)을 넘지 않고 부측(negative side)으로 치우쳐 있는 전류 파형을 말한다.

또, 용해실의 내부에 설치된 오목부를 가지는 주형과, 상기 오목부에 수용된 피용해물을 가열 용해하는 비소모 방전 전극과, 상기 비소모 방전 전극에 전력을 공급하는 전원부와, 상기 전원부를 제어함으로써 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 제어하는 제어 장치를 구비한 아크 용해로 장치의 피용해물의 용해 방법으로서, 상기 제어 장치에 의해 전원부로부터 상기 비소모 방전 전극에 공급되는 출력 전류와 이 전류 주파수를 변화시키고, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하고, 상기 피용해물을 가열 용해하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제어 장치에 의해 상기 전류 주파수를 소정의 주파수폭을 가지고 여러 차례 변화시키고, 그 주파수마다의 용탕의 형상의 진폭 혹은 용탕의 광량의 변화폭을 용탕 계측 수단으로 측정하고, 상기 용탕의 형상 변화의 진폭이 최대로 되는 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되는 전류 주파수를 구하고, 상기 구한 전류 주파수에 대해서 일정 범위에 있는 전류 주파수와 출력 전류를 전원부로부터 비소모 방전 전극에 소정 시간 공급하고, 피용해물을 용해하는 것이 바람직하다.

이와 같이 용탕 계측 수단으로 측정하면서, 용탕의 형상 변화의 진폭이 최대로 되는 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되는 전류 주파수를 구하고, 구한 전류 주파수에 대해서 일정 범위에 있는 전류 주파수의 출력 전류를 전원부로부터 비소모 방전 전극에 소정 시간 공급하고, 피용해물의 용해를 위해, 용해된 피용해물을 보다 요동시키고, 교반하는 것이고, 이 요동, 교반에 의해 보다 균일한 조직의 재료나 보다 균일한 조성 분포의 합금 등을 얻을 수 있다.

또, 상기 피용해물을 용해하는 공정이 여러 차례 이루어질 때, 상기 피용해물을 용해하는 공정의 후, 상기 주형의 오목부 내에서 피용해물을 반전시키는 반전 공정이 이루어지고, 그 후에 다시 상기 피용해물을 용해하는 공정이 이루어지는 것이 바람직하다. 이 반전 공정에 의해 보다 균일한 조직의 재료나 보다 균일한 조성 분포의 합금 등을 얻을 수 있다.

또한, 상기 구한 전류 주파수에 대해서 일정 범위에 있는 전류 주파수는, 용탕의 형상 변화의 진폭이 최대로 되는 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되는 전류 주파수로부터 1.5㎐ 작은 범위 내에 있는 전류 주파수인 것이 바람직하다.

용해에 이용하는 전류 주파수의 결정은 전류 주파수를 소정의 주파수폭을 가지고 작은 주파수로부터 차례차례 큰 주파수로 변화시켜 가고, 용탕의 요동이 최대로 되는 주파수를 구하지만, 용탕의 형상 변화의 진폭이 최대로 되는 또 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되는 전류 주파수를 넘으면, 용탕의 요동이 급격하게 감소한다. 그 때문에 오차 등에 의해 최대 전류 주파수를 넘는 일이 없도록 전류 주파수로부터 1.5㎐ 작은 범위 내에 있는 전류 주파수를 최대 주파수(최적 주파수)로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 아크 방전의 출력 강도를 가변함으로써, 아크 방전에 의해 생기는 힘에 강약을 주고, 용해된 피용해물을 요동시키고, 교반할 수가 있다. 그 결과, 균일한 조직의 재료나 균일한 조성 분포의 합금 등을 얻을 수 있고, 종래의 아크 용해로 장치와 같이 작업자에게 다대한 노력을 가하는 일이 없이 효율적으로 용해 작업을 행할 수가 있다.

또한, 본 발명에 있어서 동력을 이용한 피용해물의 반전 공정을 더함으로써 보다 고품질인 합금 등을 사람의 손을 개입시키지 않고 자동으로 제조하는 것이 용이하게 된다.

도 1은 본 발명의 제1의 실시 형태의 아크 용해로 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제2의 실시 형태의 아크 용해로 장치를 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 2의 A-A 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시 형태의 아크 방전의 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 아크 방전의 방전 전류의 바람직한 일례를 나타내는 도이며 정전류(定電流)에 정현파의 전류를 가산한 파형을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 아크 방전의 방전 전류의 다른 일례를 나타내는 도이며 파형으로서 대략 구형파인 경우를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 제1, 제2의 실시 형태의 아크 용해로 장치에 있어서의 제어 장치의 개략 구성을 나타내는 도이다.
도 8은 비교예 1에 있어서의 EPMA 관찰 결과를 나타내는 도이며, (a)는 반전 횟수가 1회, (b)는 반전 횟수가 2회, (c)는 반전 횟수가 3회, (d)는 반전 횟수가 4회인 경우를 나타내는 도이다.
도 9는 실시예 1에 있어서의 EPMA 관찰 결과를 나타내는 도이며, (a)는 용해 시간이 10분, (b)는 용해 시간이 15분인 경우를 나타내는 도이다.
도 10은 종래 기술의 용해로의 단면도이다.
도 11은 도 10 용해로에 있어서 피용해물을 반전시키는 모습을 나타내는 도이다.

이하, 본 발명의 제1의 실시 형태와 관련된 아크 용해로 장치(1)에 대해 도 1에 기초하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 실시 형태의 아크 용해로 장치(1)의 전체 구성을 도 1을 이용하여 설명한다.

도 1에 나타내듯이, 아크 용해로 장치(1)는 용해실(2)의 하면에 동주형(3)이 밀착하고, 용해실(2)은 밀폐 용기로 되어 있다. 또, 동주형(copper mold)(3)의 하방에는 냉각수가 순환하는 수조(4)가 설치되고, 동주형(3)은 수랭 주형으로 되어 있다.

또, 도 중의 부호 5는 봉상의 수랭 전극(비소모 방전 전극)이며, 수랭 전극(5)은 음극으로서의 텅스텐제의 선단부를 구비하고, 용해실(2)의 상방으로부터 실내로 삽입설치되어 있다.

이 수랭 전극(5)의 텅스텐제의 선단부는 동주형(3)의 상면(오목부(3a))과 서로 대향하는 위치에 배치되어 있다. 또, 이 수랭 전극(5)의 선단은 핸들부(도시하지 않음)의 조작에 의해 용해실(2)을 상하, 전후, 좌우로 이동할 수 있도록 이루어져 있다.

또, 상기 수랭 전극(5)은 전원부(10)의 음극에 전기적으로 접속되고, 상기 수랭 전극(5)에 전력을 공급하도록 되어 있다. 또 상기 전원부(10)의 양극측은 용해실(2), 동주형(3)과 함께 접지(earth)되어 있다.

또, 상기 용해실(2)에는 진공 펌프(도시하지 않음)가 장착되고, 이 진공 펌프에 의해 용해실(2)을 진공으로 배기할 수가 있다.

또, 불활성 가스 공급부(도시하지 않음)가 설치되고, 용해실(2)을 진공으로 배기한 후에, 이 불활성 가스 공급부로부터 용해실(2)의 내부에 불활성 가스가 공급, 봉입되고, 용해실(2) 내는 불활성 가스 분위기로 되어 있다.

또, 상기 전원부(10)에는 제어 장치(컴퓨터)(11)가 접속되고, 상기 제어 장치(11)에 의해 전원부(10)로부터의 출력 전류(전류의 강도)와 이 전류 주파수가 제어된다.

즉, 전원부(10)로부터의 전류의 강도와 주파수를 제어함으로써, 아크 방전의 출력 강도를 가변시키고, 아크 방전에 의해 생기는 힘에 강약을 준다. 이 아크 방전에 의해 생기는 힘의 강약에 의해 용해된 피용해물은 요동하고, 교반되어, 균일한 조직의 재료나 균일한 조성 분포의 합금 등으로 된다.

또, 이 아크 용해로 장치(1)에 있어서는 피용해물의 용탕의 형상 변화를 계측하고, 계측한 용탕의 형상에 따른 검출 신호를 상기 제어 장치(11)에 출력하는 용탕 계측 수단(12)이 설치되어 있다.

구체적으로는, CCD 카메라 등에 의해 용탕의 형상을 화상 해석하고, 그 화상 변화(형상 변화)에 따른 검출 신호를 제어 장치에 송출한다. 그리고 상기 제어 장치(11)에 의해 전원부(10)로부터의 출력 전류(전류의 강도)와 이 전류 주파수를 제어하고, 상기 방전 전극(5)로부터의 아크 방전의 출력 강도에 강약을 가하도록 구성되어 있다.

또, 용탕 계측 수단(12)로서는 CCD 카메라 등 이외에도, 광량 센서를 이용할 수가 있다. 이 경우, 용탕의 광량 변화를 광량 센서로 계측하고, 계측한 용탕의 광량에 따른 검출 신호를 제어 장치에 송출하고, 전원부(10)로부터의 전류의 강도와 주파수를 제어하도록 구성해도 좋다.

이 광량 센서를 이용하는 경우에는 CCD 카메라를 이용한 경우에 비해 염가이고 장치의 비용을 억제할 수가 있다. 또, CCD 카메라를 이용한 경우에 비해 용이하고 고속으로 계측할 수 있다.

또, 용해실(2)의 밖으로부터 조작하는 반전봉(6)이 설치되고, 용해한 피용해물을 냉각한 후, 용해실(2)의 밖으로부터 반전봉(6)에 의해 동주형(3)(오목부(3a)) 상에서 재료(피용해물) M을 반전시킬 수가 있도록 되어 있다.

또, 도 1 중에서 부호 7은 용해실(2)의 하면 부분을 조작하는 레버이며, 이 레버(7)을 조작함으로써, 용해실(2)로부터 하면부의 동주형(3)을 떼어낼 수가 있고, 상기 동주형(3) 상(오목부(3a) 내)에 피용해물을 수용하고, 또 오목부(3a) 내로부터 피용해물을 취출할 수가 있다.

이와 같이 구성된 아크 용해로(1)에 있어서 피용해물을 용해하는 경우, 우선 칭량한 피용해물을 동주형(3) 상에 재치(오목부(3a)에 수용)한다.

그리고, 용해실(2) 내를 불활성 가스, 통상은 아르곤 가스 분위기로 한 후에, 수랭 전극(5)의 텅스텐 전극(음극)과 동주형(3) 상의 피용해물(양극)과의 사이에서 아크 방전을 발생시키고, 피용해물을 용해한다.

합금의 제작에 있어서는 복수의 금속 재료를 칭량하여 동주형(3) 상에 재치(오목부(3a)에 수용)한다. 그리고, 상기 경우와 마찬가지로 용해실(2) 내를 불활성 가스, 통상은 아르곤 가스 분위기로 한 후에, 수랭 전극(5)의 텅스텐 전극(음극)과 동주형(3) 상의 합금 재료(양극)와의 사이에서 아크 방전을 발생시키고, 그 열에너지에 의해 복수의 다른 합금 재료가 용해하여 합금화 된다.

이 때의 아크 방전은 정전류로 행해지는 것이 아니라, 출력 전류(전류의 강도)와 이 전류 주파수가 제어되고, 상기 수랭 전극(5)로부터의 아크 방전의 출력 강도가 가변되어 출력 강도에 변화가 생긴다. 이 변화하는 아크 방전의 출력에 의해 용탕은 이른바 외력을 받게 되어 용해된 금속 재료는 교반된다.

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태와 관련된 아크 용해로 장치에 대해 도 2, 도 3에 기초하여 설명한다. 또, 제1의 실시 형태와 관련된 아크 용해로 장치(1)와 마찬가지의 구성인 경우에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

이 제2의 실시 형태와 관련된 아크 용해로 장치(50)는 제1의 실시 형태에 비해 동주형(52)의 상면에 복수의 오목부(52a)가 형성(도면에는 6개의 오목부(52a)가 형성)됨과 아울러, 회전 가능하게 형성되어 있는 점에 있어서 다르다.

즉, 상기 동주형(52)에는 모터(54)가 설치되고, 회전축(54a)을 중심으로 회전 가능하게 설치되어 있다. 또, 동주형(copper mold)(52)의 하방에는 냉각수가 순환하는 수조(53)가 설치되고, 로터리 조인트(rotary joint)(55)를 통해 물을 도입, 배출할 수 있도록 되어 있다.

또, 이 제2의 실시 형태와 관련된 아크 용해로 장치(50)는 제1의 실시 형태의 반전봉(6) 대신에 자동 반전 장치가 설치되어 있는 점에 있어서 다르다.

이 자동 반전 장치는 용해한 피용해물을 냉각한 후, 용해실(2)의 밖으로부터 반전 링(56)을 모터(57)로 회전시킴으로써, 동주형(52)(오목부(52a)) 상에서 재료(피용해물)를 반전시킬 수가 있도록 되어 있다.

또, 부호 57a는 회전축, 부호 57b는 베어링이며, 부호 58은 피용해물을 반전했을 때, 피용해물이 오목부(52a)로부터 외부로 튀어나오는 것을 방지하는 반구상(hemispherical shape)의 비산 방지 도구이다.

또, 용탕 계측 수단(51)으로서는 광량 센서(조도계)(51A)와 CCD 카메라(51B)가 이용되어 있다. 광량 센서(조도계)(51A)의 검출 신호와 CCD 카메라(51B)의 검출 신호의 어느 쪽인가를 제어 장치에 송출하고, 전원부(10)로부터의 전류의 강도와 주파수를 제어한다.　본 실시예에서는 광량 센서(조도계)를 이용하여 용탕이 요동하는 상태를 계측하고, CCD 카메라(51B)는 용탕의 요동의 모습을 목시 관찰할 목적으로 이용하였다. CCD 카메라(51)을 이용하여 용탕의 형상을 화상 해석으로 구할 수가 있는 것은 별도 확인하고 있다.

이 아크 용해로 장치(50)에 있어서는 우선 칭량한 피용해물을 동주형(52)의 오목부(52a)에 수용한다.

그 후에 아크 용해로 장치(50)의 앞문(front door)(59)를 닫아 용해실(2)을 폐쇄하고, 용해실(2) 내를 도시하지 않는 진공 펌프에 의해 진공 상태로 한 후에, 불활성 가스, 통상은 아르곤 가스를 공급하고, 용해실(2) 내를 아르곤 가스 분위기로 한다.

그리고, 도 3에 나타내는 포지션(position)(방전 포지션) P1에 있어서, 수랭 전극(5)로부터의 아크 방전에 의해 피용해물을 용해한다. 용해한 후에 동주형(52)을 회전시키고, 포지션 P2로 송출한다. 그리고, 새로운 피용해물을 포지션 P1에 반입하여 용해한다. 그리고, 용해한 후에 다시 포지션 P2로 송출한다.

이와 같이 동주형(52)을 회전시킴으로써, 포지션 P1, 포지션 P2, 포지션 P3, 포지션 P4, 포지션 P5, 포지션 P6으로 차례차례 이동시킨다.

상기 포지션 P6는 반전 링(56)에 의해 냉각한 피용해물을 반전시키는 포지션이며, 반전된 피용해물은 다시 포지션 P1로 돌아와 재용해된다.

재용해된 피용해물은 포지션 P1로부터 포지션 P2, 포지션 P3, 포지션 P4, 포지션 P5, 포지션 P6으로 차례차례 이동하고, 다시 포지션 P1로 돌아와 재용해된다. 이 용해와 반전 동작이 여러 차례 반복됨으로써 보다 균일화한 피용해물이 얻어진다.

또, 상기 아크 방전은 제1 실시 형태와 관련된 아크 용해로 장치(1)와 마찬가지로 정전류로 행해지는 것이 아니라, 출력 전류(전류의 강도)와 이 전류 주파수가 제어되고, 상기 수랭 전극(5)로부터의 아크 방전의 출력 강도가 가변되어 출력 강도에 변화가 생기게 된다. 이 변화하는 아크 방전의 출력에 의해 용탕은 이른바 외력을 받게 되어 용해된 금속 재료는 교반된다.

다음에, 상기 제1의 실시 형태와 관련된 아크 용해로 장치(1), 상기 제2의 실시 형태와 관련된 아크 용해로 장치(50)에 있어서 이 아크 방전의 출력 강도의 변화에 의해 용해된 피용해물이 요동하여 교반되는 것에 대하여 도 4에 기초하여 설명한다.

먼저, 전원부(10)는 정전류 Ic를 송출하도록 구성되고, 상기 제어 장치(11)가 상기 전원부(10)로부터의 출력 전류(전류의 강도)와 이 전류 주파수를 제어하도록 구성되어 있다. 즉, 제어 장치(11)는 정전류 Ic에 진폭 I₀의 정현파를 가산하고, 전원부(10)로부터 아크 방전을 행하는 수랭 전극(5)에 대해서,

I = Ic＋I₀·sinωt (1)

로 하는 전류 I가 공급되도록 제어한다.

또, 수랭 전극은 음극으로 되기 때문에 전류 I를 부의 값으로 도시하였다. 또, 본 발명에서는, 후술과 같이,｜Ic｜＞｜I₀｜를 필요 조건으로 하고 있다. 즉, Ic는 부의 값이며, 또한 Ic＋I₀＜0(부의 값)으로 되고,｜Ic＋I₀｜는 전류의 절대치(전류 강도)의 최소치로 되어 있다. 마찬가지로 ｜Ic-I₀｜는 전류 강도의 최대치로 된다.

이러한 전류가 수랭 전극(5)에 공급되면, 피용해물의 용탕 M에는 전류의 크기에 대응한 힘이 작용하고, 피용해물의 용탕 M이 솟아오른 상태 A와 웅크린 상태 B와의 사이를 변화한다. 이 용탕 형상의 변화는 이하의 식으로 나타낼 수가 있다.

Y=Y₀＋A·sin(ωt＋f) (2)

Y는 용탕의 변위(형상 변화), Y₀는 용탕에 힘이 더해지지 않을 때의 변위(형상), A는 용탕의 형상 변화(요동)의 진폭이며, f는 위상차이다. 이 위상차 f는 용탕의 점탄성(粘彈性) 특성이나 용탕과 동주형의 마찰 등 때문에 생기는 것이다.

즉, 이 아크 방전에 의해 생기는 힘의 강약에 의해 용해된 피용해물은 요동하고, 교반되어, 균일한 합금 등으로 된다. 또, 도 중에서 C는 전류의 값이 평균치인 경우의 형상을 나타내고 있다.

또한, 수랭 전극(5)에 공급되는 전류 I에 대해 도 5에 기초하여 설명한다.

가로축은 시간이며, 세로축은 방전 전류이다. 비소모 방전 전극이 음극이므로 도 5에서는 부(negative)의 전류치로 하였다.

이 방전 전류의 파형의 특징은, 도 5에 나타내듯이 편진(부측)에 치우치고, 또한 강약 변화가 주어지는 것, 나아가서는 그 변조 주파수가 그 용탕의 공진 주파수와 일치하고 있는지, 그 공진 주파수와 가까운 경우에는 용탕을 효율적으로 요동시킬 수가 있다.

이 변조 주파수는 합금 등의 재료, 질량 등에서 변화하고, 예를 들면 합금(금속 유리), 2g에서, 약 40㎐이다. 이 변조 주파수는 통상의 교류의 주파수(50㎐나 60㎐의 주파수)보다 작은 값, 50㎐ 미만으로 설정되는 것이 바람직하다.

이와 같이 방전 전류를 통상의 교류의 주파수(50㎐나 60㎐의 주파수)보다 작은 값의 주파수로 함으로써, 용탕을 효율적으로 요동시킬 수가 있다.

또, 도 5에 있어서의 전류치 Ic＋I₀와 전류치 Ic-I₀은 모두 같은 부호(도 5에서는 부의 값)이다. 그 절대치(전류의 강함)는 값 ｜Ic-I₀｜가 크고, 값 ｜Ic＋I₀｜가 작다. 즉, 강약에 변조되어 있다.

본 발명에 있어서는 이러한 방전 전류를 「편진 반복 전류(single-sided repetition current)」라고 칭한다.

또, 도 6에 나타내듯이 이 방전 전류의 파형을 구형파로 해도 좋다. 이 경우에 있어서도, 도 5에 나타낸 방전 전류와 마찬가지로, 편진(부측)으로 치우치고, 또한 강약 변화가 주어지는 것, 나아가서는 그 변조 주파수가 통상의 교류의 주파수(50㎐나 60㎐의 주파수)보다 작은 값, 50㎐ 미만으로 설정되는 것이 바람직하다.

이 방전 전류의 파형이 구형파인 경우와 정현파인 경우를 비교하면, 금속 유리 등의 동주형과의 젖음성(wetting property)이 좋지 않는 재료인 경우는, 정현파인 경우가 용탕의 요동 진폭을 크게 할 수가 있고, 또 방전 전류의 위상과 용탕 계측 수단으로부터의 검출 신호의 위상의 차(어긋남)로부터도 용탕의 요동 상태의 양부를 판단할 수 있다.

또, 용탕 M의 요동하는 진폭이 최대로 되는 특정의 주파수(공진 주파수)가 존재하고, 이 용탕 M의 최대 요동 진폭은 용탕의 점탄성 거동과 아크 방전의 주파수가 공진함으로써 생긴다.

따라서, 「편진 반복 전류」의 특정의 주파수에 있어서 용탕 M은 최대 요동 진폭으로 되고, 용탕의 요동은 단진동에 가까운 모드로 된다. 또, 「편진 반복 전류」의 특정의 주파수(아크 방전의 방전 주기)와 용탕의 요동 주기의 위상차가 약 90°일 때에 용탕의 요동 진폭이 대략 최대로 된다.

이와 같이 용탕의 요동 진폭이 최대로 될 때에 용탕의 교반 효과가 크기 때문에 용탕(피용해물)의 종류나 용해 목적에 의해 「편진 반복 전류」의 주파수를 적당하게 선택하는 것이 바람직하다.

여기서, 도 7에 나타내듯이 제어 장치(11)는, 전원부(10)를 제어하는 전원 제어부(11a)와, 용탕(피용해물)의 종류, 피용해물의 각 재료의 중량마다, 또한 용해의 반복 횟수마다, 「편진 반복 전류」의 전류치의 최대치, 최소치와, 「편진 반복 전류」의 주파수와, 용해 시간 등의 용해 정보와, 용해로의 동작 프로그램이 기억된 기억부(11c)와, 상기 기억부(11c)에 기억되어 있는 용해로의 동작 프로그램에 기초하여 용해로의 동작을 제어함과 아울러, 상기 용해 정보를 독출하고, 전원 제어부(11a)에 상기 용해 정보를 제공하는 연산 처리부(11b)를 구비하고 있다.

또, 미리 행한 실험 등으로 얻어진 용탕(피용해물)의 종류, 피용해물의 각 재료의 중량마다, 또한 용해의 반복 횟수마다, 「편진 반복 전류」의 전류치의 최대치, 최소치와, 「편진 반복 전류」의 주파수와, 용해 시간 등의 용해 정보를, 기억부(11c)에 입력하기 위한 입력 수단(60)을 구비하고 있다. 또, 이 입력 수단(60)으로부터 용해하는 대상물의 정보를 입력한다.

그리고, 이 입력 수단(60)에 의해 용해하는 피용해물의 종류, 피용해물의 각 재료의 중량이 입력되고, 입력 수단(60)에 의해 동작 개시 신호가 입력되면, 용해로의 동작 프로그램에 기초하여 연산 처리부(11b)는 기억부(11c)로부터 제1회째의 용해에 가장 적합한 「편진 반복 전류」의 전류치의 최대치, 최소치와, 「편진 반복 전류」의 주파수와, 용해 시간의 정보를 얻는다.

또한, 연산 처리부(11b)는 전원 제어부(11a)에 제어 신호를 송출하고, 전원 제어부(11a)에 의해 전원부(10)를 제어하고, 소정의 전류치, 주파수를 가지는 「편진 반복 전류」를 수랭 전극(5)에 공급한다.

그 후도 마찬가지로 용해로의 동작 프로그램에 기초하여 연산 처리부(11b)는 기억부(11c)로부터 제2회째의 용해에 가장 적합한 「편진 반복 전류」의 전류치의 최대치, 최소치와, 「편진 반복 전류」의 주파수와, 용해 시간의 정보를 얻고, 전원 제어부(11a)에 제어 신호를 송출한다. 전원 제어부(11a)로부터 전원부(10)를 제어하는 제어 신호가 송출되고, 전원부(10)로부터 소정의 전류치, 주파수를 가지는 「편진 반복 전류」를 수랭 전극(5)에 공급한다.

그리고, 용해로의 동작 프로그램에 기초하여 소정 횟수 용해한 후에 용해 작업을 종료한다.

또, 상기 설명에서는 제어 장치(11)의 기억부(11c)에 용탕(피용해물)의 종류, 피용해물의 각 재료의 중량마다, 또한 용해의 반복 횟수마다, 「편진 반복 전류」의 전류치의 최대치, 최소치와, 「편진 반복 전류」의 주파수와, 용해 시간 등의 용해 정보가 기억되어 있는 경우에 대해 설명하였다.

그렇지만, 미리 실험 등으로 전류치의 최대치, 최소치와 주파수를 얻는 일 없이 피용해물을 용해할 때마다 전류의 주파수를 소정의 주파수폭으로 변화시키고, 형상 변화 혹은 조도 변화를 용탕 계측 수단(12, 51)으로 계측하고, 최대의 요동 진폭 혹은 최대의 조도를 얻는 주파수를 구하고, 상기 주파수를 구한 후, 이 최대의 요동 진폭 혹은 최대의 조도를 얻는 주파수로 소정 시간 용해를 행하도록 하여도 좋다.

또한, 예를 들면 합금에 있어서는 조성의 혼합 상태에 의해 용탕의 표면장력이나 점탄성 특성이 변화해 가므로 최대의 요동 진폭을 얻는 주파수도 시시각각 변화한다.

상기한 것처럼 피용해물을 용해할 때마다 전류의 주파수를 소정의 주파수폭으로 변화시키고, 형상 변화 혹은 조도 변화를 용탕 계측 수단(12, 51)으로 계측하고, 최대의 요동 진폭 혹은 최대의 조도를 얻는 주파수를 구함으로써 최대의 진폭 변화를 얻는 주파수를 자동 추적, 자동 제어를 행할 수가 있고, 그 주파수가 변화하지 않게 된 시점에서 「용해 작업이 종료했다」라고 판단하게 할 수도 있다.

또, 아크 방전을 정지, 또는 정전류에 정현파의 전류를 가산한(도 5) 파형의 방전 전류에 있어서 정현파의 전류의 가산을 정지했을 때의 용탕의 요동 진폭(용탕 계측 수단으로부터의 검출 신호 출력)의 감쇠 거동으로부터 용탕의 점도를 추정할 수도 있다.

용탕의 점도는 재료의 균일의 중요한 평가치로 되고, 이 점도의 값 또는 점도가 용해 작업의 진행과 함께 변화해 나가는 거동으로부터 용해 작업의 완성도를 알 수 있다.

이와 같이 용탕의 최대의 진폭 변화를 얻는 주파수의 변화, 용탕의 요동 진폭(용탕 계측 수단으로부터의 검출 신호 출력)의 감쇠 거동으로부터 용탕의 점도를 추정하는 것 등에 의해 용해 작업을 효율이 좋게 수행할 수 있고, 또한 용해 작업의 종료를 자동으로 판단할 수도 있다.

<실시예>

(비교예 1)

도 10에 나타내는 종래의 아크 용해로를 이용하여 이하의 실험을 행하였다.

원재료로서 Zr, Cu, Ni, Al를 원자 비율이 55 : 30 : 5 : 10으로, 전량이 25g이 되도록 동주형(201)에 설치한 오목부에 수용하고 진공으로 배기하였다. 그리고, 도달 진공도 2×10^-3Pa로 되었을 쯤에 배기를 정지하고 고순도 Ar 가스를 50kPa까지 도입하였다.

그 후에 직류 전원(정전류)을 이용한 아크 방전에 의해 원재료를 용해하였다. 또, 전류 300A로 5분간의 방전을 행하였다. 방전을 행하면서 조작 레버(204)를 조작하고 용탕 전체에 아크가 맞닿도록 하였다.

1회째의 용해후에 5분간 방치 냉각하고, 용탕이 굳어진 후에 반전봉(205)을 이용하여 조(粗) 합금괴(合金塊)(원재료가 서로 섞여 있지만, 내부 조성의 불균일성이 크다고 생각되는 단계의 합금괴)를 뒤집고, 그 후에 상기와 마찬가지의 아크 용해 조작을 행하여 조(粗) 합금괴를 뒤편으로부터 아크 방전(전류 300A로 5분간)의 방전에 의해 용해하였다.

본 비교예에서는 상기 반전 조작을 1회 행한 합금, 2회 행한 합금, 3회 행한 합금, 4회 행한 합금을 제작하고, 조성의 균일성을 EPMA(전자선 마이크로 애널라이저)로 면분석을 행하여 조사하였다.

이 분석은 합금 시료를 연직으로 절단한 단면의 반으로 행하였다. 특히, 4원소 중에서 현저하게 편석이 관찰된 Ni의 분포를 나타내는 EPMA 관찰 결과를 도 8(a)~도 8(d)에 나타낸다.

또, 도 8(a)은 반전 횟수가 1회, (b)는 반전 횟수가 2회, (c)는 반전 횟수가 3회, (d)는 반전 횟수가 4회인 경우를 나타내는 도이다.

도에 있어서 검은 부분은 Ni 원소가 많이 모인 개소이다. 도로부터 분명하듯이 반전 횟수가 적은 경우는, 조성의 얼룩이 크고, 또 합금괴의 표면에 주름이 많고 표면의 흐림이 현저하였다. 반전 횟수가 4회인 경우는, 거의 만족스러운 균일 조성의 합금으로 되어 있는 것이 인지되고, 또 표면도 금속 광택을 가지고 있었다.

이와 같이 종래의 아크 용해로에 있어서는 4회 정도의 반전을 행할 필요가 있고, 그 경우에 있어서의 방치 냉각 시간, 반전 작업 시간을 제외한 용해 시간(방전 시간)만으로 40분이 필요하게 된다.

(실시예 1)

도 1에 나타내는 아크 용해로를 이용하고, 전원부는 전류를 정현파로 주파수 제어 가능한 구성으로 하고, 용탕 계측 수단으로서 CCD 카메라를 이용하였다.

원재료로서 Zr, Cu, Ni, Al를 원자 비율이 55 : 30 : 5 : 10으로, 전량이 25g이 되도록 동주형에 설치한 오목부에 수용하고 진공으로 배기하였다. 그리고, 도달 진공도 2×10^-3Pa로 되었을 쯤에 배기를 정지하고 고순도 Ar 가스를 50kPa까지 도입하였다.

그 후에 정현파의 전류를 가산한 전류를 전원부(10)로부터 수랭 전극(5)에 공급하고, 상기 아크 방전에 의해 원재료를 용해하였다.

또, 이 때의 최대 전류는 300A, 최소 전류는 200A로 하였다. 전류의 주파수는 12㎐로 하였다.

또, 용해한 합금 재료를 냉각 후, 용해실(2)의 밖으로부터 반전봉(6)에 의해 동주형(3) 상에서 재료 M을 반전시키는 반전 조작을 1회 행하였다.

반전의 전후의 아크 방전 시간은 동일하게 하고, 또한 만들어진 합금(시료)의 표면 상태(주름상의 불균일 부분의 유무)를 목시 관찰하고, 또 단면 EPMA 면분석을 행하였다. 단면 EPMA 면분석의 결과를 도 9에 나타낸다. 도 9(a)는 10분의 시료이며, 도 9(b)는 15분의 시료이다. 15분 이상은 모두 도 9(b)와 같은 면분석 결과였으므로 도시를 생략하였다. 이 도 9로부터 분명하듯이 반전 전후의 용해 시간의 합계가 15분 이상에서 균일한 조성의 합금을 얻을 수 있는 것을 확인하였다.

또, 만들어진 합금괴의 표면의 광택은 용해 시간이 길수록 맑은 광택을 나타내고, 20분과 25분과 30분에서는 차가 없었다.

(실시예 2)

원재료로서 Zr, Cu, Ni, Al를 원자 비율이 55 : 30 : 5 : 10으로, 전량이 2g, 3g, 4g, 30g인 경우에 대해 이하의 실험을 행하였다.

우선, 상기 원재료를 동주형에 설치한 오목부에 수용하고 진공으로 배기하였다. 그리고, 도달 진공도 2×10^-3Pa로 되었을 쯤에 배기를 정지하고 고순도 Ar 가스를 50kPa까지 도입하였다. 그 후에 정현파의 전류를 가산한 전류를 전원부(10)로부터 수랭 전극(5)에 공급하고, 상기 아크 방전에 의해 원재료를 용해하였다.

이 때의 최대 전류는 300A, 최소 전류는 200A로 하고, 전원부로부터의 전류를 정현파로 하고 주파수를 2㎐, 5㎐, 10㎐, 20㎐, 30㎐, 40㎐, 50㎐, 60㎐로 바꾸어 갔다. 반전 조작은 1회 행하는 것으로 하고, 용해 시간은 반전 조작의 전후 각각 7.5분간, 합계 15분간으로 하였다.

그리고, 또 만들어진 합금(시료)의 표면 상태(철상(綴狀)의 불균일 부분의 유무)를 목시 관찰하였다.

그 결과, 원재료가 2g인 경우에는 40㎐, 3g인 경우에는 30㎐, 4g인 경우에는 30㎐, 30g인 경우에는 10㎐로 용해한 합금이 가장 균일하고, 합금괴의 표면에 광택이 있는 것을 확인할 수가 있었다.

또, 이 용탕의 공진 주파수가 질량의 평방근에 반비례하는 것으로 하여 계산한 값은 원재료가 2g인 경우에는 42.6㎐이며, 3g인 경우에는 34.8㎐이며, 4g인 경우에는 30.1㎐이며, 30g인 경우에는 11㎐이다.

즉, 상기 합금의 균일성의 타당한 평가인 합금괴의 표면 광택의 결과로부터 변조 주파수가 용탕의 공진 주파수에 가까운 주파수, 또 용탕의 공진 주파수와 동일한 주파수인 경우에는 용탕을 효율적으로 요동시킬 수가 있어 매우 적합하다고 하는 것이 인정되었다.

(실시예 3)

도 1에 나타내는 아크 용해로를 이용하고, 전원부는 전류를 정현파로 주파수 제어 가능한 구성으로 하고, 용탕 계측 수단으로서 조도계를 이용하였다.

원재료로서 Zr, Cu, Ni, Al를 원자 비율이 55 : 30 : 5 : 10으로, 전량이 15g, 20g, 25g, 30g, 35g, 40g인 경우에 대해 이하의 실험을 행하였다.

우선, 상기 원재료를 동주형에 설치한 오목부에 수용하고 진공으로 배기하였다. 그리고, 도달 진공도 2×10^-3Pa로 되었을 쯤에 배기를 정지하고 고순도 Ar 가스를 50kPa까지 도입하였다. 그 후에 제1의 공정으로서 정전류 300A의 직류 전류를 60초간 전원부(10)로부터 수랭 전극(5)에 공급하고, 상기 아크 방전에 의해 원재료를 용해하고, 그 후에 피용해물을 반전하였다.

제2 공정으로서 정전류 300A의 직류 전류를 10초간 전원부(10)로부터 수랭 전극(5)에 공급하고, 상기 아크 방전에 의해 원재료를 용해하고, 용해에 적절한 제1회째의 주파수의 서치(search)를 행하였다. 이 서치는 개시 주파수를 8㎐로 하고, 0.3㎐씩 상승시키면서, 조도계에 의해 그 용탕으로부터의 광량을 측정했다(측정 종료 주파수 13.7㎐).

그리고, 개시 주파수를 8㎐로부터 측정 종료 주파수 13.7㎐의 사이에서 가장 광량의 변화폭이 커지는 주파수(최대 진폭을 주는 주파수)를 구하였다. 또, 이 때의 최대 전류는 350A, 최소 전류는 250A로 하였다.

또한, 가장 광량의 변화폭이 커지는 주파수(최대 진폭을 주는 주파수)로 120초간 전원부(10)로부터 수랭 전극(5)에 공급하고, 상기 아크 방전에 의해 원재료를 용해하고, 그 후에 냉각 후에 피용해물을 반전하였다.

또한, 제3 공정으로서 정전류 300A의 직류 전류를 10초간 전원부(10)로부터 수랭 전극(5)에 공급하고, 상기 아크 방전에 의해 원재료를 용해하고, 용해에 적절한 제2회째의 주파수의 서치를 행하였다. 이 서치는 개시 주파수를 8㎐로 하고, 0.3㎐씩 상승시키면서, 조도계에 의해 그 용탕으로부터의 광량을 측정했다(측정 종료 주파수 13.7㎐).

즉, 제3 공정으로서 상기 제2 공정과 동일한 공정, 즉 제2회째의 주파수의 서치를 행하고, 또 가장 광량의 변화폭이 커지는 주파수(최대 진폭을 주는 주파수)를 구하고, 그 후에 냉각 후에 피용해물을 용해, 반전하였다.

또, 제4 공정으로서 상기 제2, 제3 공정과 동일한 공정(제3회째의 주파수의 서치)을 행하고, 또 가장 광량의 변화폭이 커지는 주파수(최대 진폭을 주는 주파수)를 구하고, 그 후에 냉각 후에 피용해물을 용해, 반전하였다.

또, 제5 공정으로서 상기 제2, 제3, 제4 공정과 동일한 공정(제4회째의 주파수의 서치)을 행하고, 또 가장 광량의 변화폭이 커지는 주파수(최대 진폭을 주는 주파수)를 구하고, 그 후에 냉각 후에 피용해물을 용해, 반전하였다.

또, 표 1에 각 시료 중량의 각 회의 가장 광량의 변화폭이 커지는 최대 주파수(최대 진폭을 주는 최대 주파수)를 나타낸다. 또, 단위는 ㎐이다.

또, 표 2에 시료 중량이 15g과 40g의 제1회째의 서치와 제4회째의 서치 결과(조도 측정치)를 상세하게 나타낸다. 또, 광량은 조도계(코니카미놀타센싱 주식회사제 T-10형 조도계)를 이용하여 측정하였다. 조도계의 출력 전압이 광량에 비례하고, 광량의 변화폭은 조도계 출력 전압의 변화폭으로 나타난다. 표 2의 수치는 이 조도계 출력 전압의 변화폭(volt)이다.

이 표 2로부터 분명하듯이 주파수가 가장 광량의 변화폭이 커지는 주파수(최대 변화폭을 주는 주파수)를 넘으면 광량의 변화폭(조도계의 출력 전압의 변화폭)이 급격하게 떨어지는 경향이 있다.

그 때문에 실제의 아크 용해에 있어서는 오차 등을 고려하여 표 1에 나타낸 가장 광량의 변화폭이 커지는 최대 주파수(최대 진폭을 주는 최대 주파수)보다 1.5㎐ 이내의 폭으로 작은 주파수로 하는 것이 바람직하고, 본 실시예의 실험에서는 약 0.5㎐ 줄인 표 3에 나타내는 주파수를 최적 주파수로 하였다.

이와 같이 하여 구한 최적 주파수를 아크 용해로 제어 장치(컴퓨터) 내의 기억 수단에 기억하고, 기억된 최적 주파수를 독출하고, 전원부를 제어함으로써 최적인 피용해물의 용해를 행할 수가 있다.

또, 이 실시예 3에 나타냈을 경우와 같이 최적 주파수를 구하면서, 상기 최적 주파수로 전원부를 제어함으로써 피용해물을 용해해도 좋다.

1　　아크 용해로 장치 2　　용해실
3　　동주형 4　　수조
5　　수랭 전극(비소모 방전 전극) 6　　반전봉
7　　하면부 조작 레버 10　　전원부
11　　제어 장치 12　　용탕 계측 수단
50　　아크 용해로 장치 51　　용탕 계측 수단 51A　조도계 51B　CCD 카메라
52　　동주형 52a　오목부
53　　수조 54　　모터
55　　로터리 조인트(rotary joint)
56　　반전 링(ring) 57　　모터
58　　비산 방지 도구
P1　　용해 포지션(position) P6　　반전 포지션(position)

Claims

용해실의 내부에 설치된 오목부를 가지는 주형과, 상기 오목부에 수용된 피용해물을 가열 용해하는 비소모 방전 전극과, 상기 비소모 방전 전극에 전력을 공급하는 전원부와, 상기 전원부를 제어함으로써 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 제어 장치는, 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되도록 상기 전원부로부터의 출력 전류와 전류 주파수를 제어함으로써, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하고, 상기 피용해물이 가열 용해한 용탕을 교반하는 것을 특징으로 하는 아크 용해로 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어 장치에는 기억부가 설치되고, 상기 기억부에 미리 구해진 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭을 최대로 하는 상기 출력 전류와 상기 전류 주파수가 기억되고,
상기 제어 장치는, 상기 기억부에 기억된 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭을 최대로 하는 상기 출력 전류와 상기 전류 주파수를 독출하고,
상기 독출된 상기 출력 전류와 상기 전류 주파수에 기초하여 상기 전원부를 제어하는 것을 특징으로 하는 아크 용해로 장치.
제1항에 있어서,
상기 용탕의 형상 변화를 계측하고, 계측한 용탕의 형상에 따른 검출 신호를 상기 제어 장치로 출력하는 용탕 계측 수단을 구비하고,
상기 용탕 계측 수단으로부터 입력되는 검출 신호에 의해 상기 제어 장치가 상기 용탕의 형상에 따라 전원부로부터의 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어하고, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하는 것을 특징으로 하는 아크 용해로 장치.
제1항에 있어서,
상기 용탕의 광량 변화를 계측하고, 계측한 용탕의 광량에 따른 검출 신호를 상기 제어 장치로 출력하는 용탕 계측 수단을 구비하고,
상기 용탕 계측 수단으로부터 입력되는 검출 신호에 의해 상기 제어 장치가 상기 용탕의 광량에 따라 전원부로부터의 출력 전류와 이 전류 주파수를 제어하고, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하는 것을 특징으로 하는 아크 용해로 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어 장치가 전원부로부터의 전류가 편진 반복 전류가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 아크 용해로 장치.
제1항에 있어서,
상기 주형에는 복수의 오목부가 형성됨과 아울러 이동 가능하게 형성되고, 또한 상기 주형의 오목부 내의 피용해물을 반전하는 반전 링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 아크 용해로 장치.
비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전에 의해 피용해물을 용해하는 방법으로서,
상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를, 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되도록 전원부로부터의 출력 전류와 전류 주파수를 변화시킴으로써 가변하고, 상기 피용해물을 가열 용해하는 것을 특징으로 하는 피용해물의 용해 방법.
제9항에 있어서,
상기 아크 방전의 출력 강도의 가변은 편진 반복 전류를 비소모 방전 전극에 공급함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 피용해물의 용해 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서,
용해실의 내부에 설치된 오목부를 가지는 주형과, 상기 오목부에 수용된 피용해물을 가열 용해하는 비소모 방전 전극과, 상기 비소모 방전 전극에 전력을 공급하는 전원부와, 상기 전원부를 제어함으로써 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 제어하는 제어 장치를 구비한 아크 용해로 장치의 피용해물의 용해 방법으로서,
상기 제어 장치에 의해 전원부로부터 상기 비소모 방전 전극에 공급되는 출력 전류와 이 전류 주파수를 변화시키고, 상기 비소모 방전 전극으로부터의 아크 방전의 출력 강도를 가변하고, 상기 피용해물을 가열 용해하는 것을 특징으로 하는 피용해물의 용해 방법.
제11항에 있어서,
상기 제어 장치에 의해 상기 전류 주파수를 소정의 주파수폭을 가지고 여러 차례 변화시키고, 그 주파수마다의 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 용탕의 광량의 변화폭을 용탕 계측 수단으로 측정하고, 상기 용탕의 형상 변화의 진폭이 최대로 되는 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되는 전류 주파수를 구하고,
상기 구한 전류 주파수에 대해서 일정 범위에 있는 전류 주파수와 출력 전류를 전원부로부터 비소모 방전 전극에 소정 시간 공급하고, 피용해물을 용해하는 것을 특징으로 하는 피용해물의 용해 방법.
제12항에 있어서,
상기 제어 장치에 의해 상기 전류 주파수를 소정의 주파수폭을 가지고 여러 차례 변화시키고, 그 주파수마다의 용탕의 형상 변화의 진폭 혹은 용탕의 광량의 변화폭을 용탕 계측 수단으로 측정하고, 상기 용탕의 형상 변화의 진폭이 최대로 되는 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되는 전류 주파수를 구하고,
상기 구한 전류 주파수에 대해서 일정 범위에 있는 전류 주파수와 출력 전류를 전원부로부터 비소모 방전 전극에 소정 시간 공급하고, 피용해물을 용해하는 공정이 여러 차례 이루어지는 것을 특징으로 하는 피용해물의 용해 방법.
제13항에 있어서,
상기 피용해물을 용해하는 공정이 여러 차례 이루어질 때, 상기 피용해물을 용해하는 공정의 후, 상기 주형의 오목부 내에서 피용해물을 반전시키는 반전 공정이 이루어지고,
그 후에 다시 상기 피용해물을 용해하는 공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 피용해물의 용해 방법.
제14항에 있어서,
상기의 반전 공정의 반전 조작이 동력을 이용하여 자동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피용해물의 용해 방법.
제12항에 있어서,
상기 구한 전류 주파수에 대해서 일정 범위에 있는 전류 주파수는, 용탕의 형상 변화의 진폭이 최대로 되는 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되는 전류 주파수로부터 1.5㎐ 작은 범위 내에 있는 전류 주파수인 것을 특징으로 하는 피용해물의 용해 방법.
삭제
제13항에 있어서,
상기 구한 전류 주파수에 대해서 일정 범위에 있는 전류 주파수와, 용탕의 형상 변화의 진폭이 최대로 되는 혹은 상기 용탕의 광량의 변화폭이 최대로 되는 전류 주파수로부터 1.5㎐ 작은 범위 내에 있는 전류 주파수인 것을 특징으로 하는 피용해물의 용해 방법.