KR101658921B1

KR101658921B1 - Method for manufacturing magnesium alloy billet of extrusion

Info

Publication number: KR101658921B1
Application number: KR1020150171326A
Authority: KR
Inventors: 이인영; 김강형; 김대근
Original assignee: 이인영
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2016-09-22
Also published as: KR20160033645A

Abstract

본 발명은 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법에 관한 것으로 특히, 비중이 4 이상인 합금원소를 균일하게 분포하도록 마그네슘 합금 빌렛의 주조방안을 개선함으로써 소성가공성을 개선한 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 빌렛주조용 주형에 마그네슘 합금 용탕을 주입하고, 상기 합금 용탕이 주입된 빌렛주조용 주형의 표면에 냉매를 분사하여 냉각함으로써 용탕을 응고시켜 빌렛으로 주조하는 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법에 있어서, 상기 주형의 상부에는 임펠러 설치용 관통구가 형성되고 차폐가스를 주입하도록 된 가스배관이 구비된 커버가 설치되어 있으며, 상기 주형의 표면을 냉각하는 중에 상기 커버의 관통구를 통하여 삽입된 임펠러로 상기 합금 용탕을 교반하며, 바람직하게는 합금 용탕 중 머쉬존을 교반하여 마그네슘합금 빌렛을 제조하는 방법을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 주형을 냉각하는 중에 합금 용탕을 기계적 교반에 의해 행하되, 기계적 교반을 머쉬존 영역에서 효과적으로 행하여 줌으로서 비중이 큰 아연이나 카드뮴과 같은 합금 원소들을 균일 분산시키는 것이 가능하고, 이에 따라 저온공정상의 편석이 줄어들고 결정립이 미세한 빌렛의 제조가 가능하여 기존의 방식에 의해 제조된 마그네슘 합금 빌렛에 비해 소성가공성이 우수하여 압출이 용이하고, 품질의 균일성이 우수한 효과가 있다. The present invention relates to a method for producing a magnesium alloy billet for extrusion, and more particularly, to a method for producing magnesium alloy billets for extrusion, in which the casting processability of a magnesium alloy billet is improved by uniformly distributing alloying elements having a specific gravity of 4 or more, .
To this end, the present invention relates to a method for manufacturing a magnesium alloy billet in which a molten magnesium alloy is injected into a mold for casting a billet, and a coolant is injected onto the surface of the mold for casting the billet into which the alloy melt has been injected, A cover provided with a gas pipe for injecting a shielding gas is provided at an upper portion of the mold, and an impeller inserted through a through hole of the cover during cooling of the surface of the mold, And stirring the martensite in the molten alloy to produce a magnesium alloy billet.
According to the present invention, it is possible to uniformly disperse alloying elements such as zinc and cadmium having a large specific gravity by performing mechanical stirring in the mash zone region by performing the molten alloy melt while cooling the mold, It is possible to manufacture a billet having a fine grain size with reduced segregation in a low-temperature process, so that it has an excellent plastic working property as compared with a magnesium alloy billet produced by an existing method, and is easy to extrude and has an excellent quality uniformity.

Description

[0001] METHOD FOR MANUFACTURING MAGNESIUM ALLOY BILLET OF EXTRUSION [0002]

본 발명은 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법에 관한 것으로 특히, 비중이 4 이상인 합금원소를 균일하게 분포하도록 마그네슘 합금 빌렛의 주조방안을 개선함으로써 소성가공성을 개선한 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a magnesium alloy billet for extrusion, and more particularly, to a method of manufacturing a magnesium alloy billet for extrusion which improves the casting workability by improving the casting method of a magnesium alloy billet so as to uniformly distribute alloying elements having a specific gravity of 4 or more .

주지된 바와 같이 마그네슘 합금은 현재 실용화되고 있는 금속재료 중 가장 경량의 금속으로 한층 더 경량화를 달성하려는 금속재료 사용처에 있어서 알루미늄을 대체하여 각종 부품의 재료로 급속히 그 사용이 확대되고 있으며, 또한, 환경에 대한 이슈로 리사이클링에 많은 문제가 있는 플라스틱을 대체하여 전자제품에의 수요가 급격히 늘고 있는 추세이다.As is well known, the magnesium alloy is the lightest metal among the metal materials currently practically used, and has been rapidly used as a material for various parts in place of aluminum in the use of metal materials to achieve further weight reduction. In addition, The demand for electronic products has been rapidly increasing as a substitute for plastic, which has many problems in recycling.

마그네슘 합금은 상용되고 있는 구조용 합금 가운데 가장 가벼운 밀도인 1.74g/cc을 가지고 있으며, 이는 알루미늄의 2/3에 해당된다. 또, 마그네슘 합금은 우수한 기계 가공성과 높은 진동 감쇠성, 진동 및 충격에 대한 탁월한 흡수성, 우수한 전자파 차단 기능 등을 구비하고 있다. 또한, 최근 급속히 마그네슘 합금이 컴퓨터나 휴대전화, 자동차 부품 등으로 확대되는 이유는 경량성, 재생성의 우수함과 함께 전자파에 대한 차폐능력을 가지고 있으며, 얇은 형재로서의 성형이 가능하기 때문이다.The magnesium alloy has the lightest density of 1.74 g / cc, which is two-thirds of aluminum, among the commonly used structural alloys. Magnesium alloys also have excellent machinability, high vibration damping properties, excellent absorbency against vibration and impact, and excellent electromagnetic wave shielding. In addition, recently, magnesium alloy is rapidly expanded to computers, mobile phones, automobile parts, and the like because it has excellent lightweight and regenerative properties, shields against electromagnetic waves, and can be molded as a thin shape member.

이를 통해 볼 때 마그네슘 합금은 최근 소비자들로부터 인기를 얻고 있는 휴대용 전자제품의 구조재로 더할 나위 없이 좋은 소재임을 알 수 있다.As a result, it can be seen that the magnesium alloy is a good material as a structural material for portable electronic products, which has recently become popular among consumers.

일반적으로 휴대용 전자제품 내장 구조재, 자동차 부품 또는 항공기 부품 등의 재료는 경량성과 고강도성, 고인성, 고성형성이 요구된다.In general, materials such as interior parts for portable electronic products, automobile parts or aircraft parts are required to have light weight, high strength, high toughness and high quality.

그런데 마그네슘은 소성변형에 필수적인 슬립시스템이 적은 조밀육방격자 구조를 지니고 있어 압출성이나 성형성이 나빠 주조에 의한 성형이 주로 이루어 졌다. However, since magnesium has a dense hexagonal lattice structure with little slip system, which is essential for plastic deformation, extrusion and moldability are poor, and casting is mainly performed.

그러나 사형주조는 형상에 많은 제약이 따르고, 다이캐스팅에 의한 성형은 그 특성상 주조조직이 다공성이므로 후속되는 표면처리 공정에서 많은 문제를 야기한다. 그러던 중 알루미늄을 합금한 AZ31, AM20등의 재료가 개발되면서 알루미늄이 고용된 마그네슘 단상고용체의 연성을 이용한 소성 가공이 가능하게 되었다. However, die casting has a lot of restrictions on the shape, and die casting has many problems in the subsequent surface treatment process because the casting structure is porous due to its characteristics. Then, materials such as AZ31 and AM20, which are alloyed with aluminum, were developed, and plastic processing using the ductility of magnesium single phase solid solution solidified with aluminum became possible.

그런데 이들 합금은 가공성이 우수하고 연성이 풍부함에도 불구하고 단상 고용체에 350℃ 이하 저융점인 MgxZny 공정상들을 포함하게 된다. 따라서 일방향으로 소성변형되는 판재나 형재의 경우 이방성이 강하고, 가공 중에 마찰 등으로 국부적으로 350℃ 이상으로 상승할 경우에는 저융점 공정상들로 인해 미세 균열이 발생하여 현실적으로는 소성가공 중에 문제가 많다. However, these alloys contain MgxZny process phases with a low melting point below 350 ℃ in the single phase solid solution, despite the excellent processability and abundant ductility. Therefore, plate and shape materials which are plastically deformed in one direction are strongly anisotropic, and when they rise locally above 350 ° C due to friction during processing, microcracks are generated due to the low melting point process phases, and in reality, there are many problems during plastic working .

또한, 소성가공이 가능한 체심입방격자 구조로 변환하여 소성가공성을 개선한 리튬첨가 합금이 있다. 리튬은 마그네슘에 대한 고용도가 크고 효과가 있다. 하지만 온도에 따른 고용도의 차이가 작고 격자상수의 차이가 작아 10~20중량%의 다량을 첨가해야 효과가 있다. 따라서 리튬을 합금한 재료는 고가인데다 특유의 전지반응 특성 때문에 상용으로 이용되지는 않고 있다.In addition, there is a lithium-containing alloy which is converted into a body-centered cubic lattice structure capable of being subjected to plastic working to improve plasticity. Lithium has a high solubility for magnesium and is effective. However, it is effective to add a large amount of 10 to 20% by weight because the difference in solubility according to temperature is small and the difference in lattice constant is small. Therefore, a lithium alloy material is expensive and has not been commercially used because of its unique battery reaction characteristics.

마그네슘 합금 빌렛에서 저융점 공정상들의 존재는 마그네슘 합금 압출에서도 같은 문제를 가져와 350℃ 이상 온도에서 압출할 경우 다이와의 마찰열로 표면에 미세한 균열들이 지문처럼 존재하는 표면결함이 나타나 깨끗하고 결함없는 제품을 얻기가 어려웠다. 이런 미세한 주름형태의 표면균열들은 피로강도를 저하시키므로 이런 결함이 생기지 않도록 350℃ 이하 온도에서 조건에서 압출해야 하므로 생산성이 낮고 복잡한 형상에서는 불량률이 높아 마그네슘 압출재의 가격이 높은 원인이 되고 있다. The presence of low melting point process phases in magnesium alloy billets causes the same problem in the extrusion of magnesium alloy. When extruded at a temperature of 350 ° C or more, surface cracks appear on the surface of the die due to frictional heat, It was difficult to obtain. Such fine wrinkle-like surface cracks degrade the fatigue strength. Therefore, in order to prevent such defects, extrusion is required at a temperature of 350 ° C or less, resulting in a low productivity and a high defect rate in a complicated shape, resulting in a high price of magnesium extrusion material.

최근에 와서 이런 문제를 극복하기 위해 소성가공성을 개량한 마그네슘합금이 등장하거나 용이하게 소성가공할 수 있는 기술들이 개발되고 있다. Recently, magnesium alloys improved in plasticity to overcome such problems have emerged and techniques have been developed that can be easily plasticized.

본 발명자들이 개발한 등록특허 10-0509648은 소성가공성이 우수한 마그네슘합금을 소개하고 있다. 그러나 이 특허 내용에서는 판재를 압연하기 위한 공정이 언급되기는 하였으나, 압출방법에 대해서는 구체적으로 소개하지 못하여 마그네슘 압출재의 상용화가 진행되지 못했다. 더욱이 대경의 빌렛 내부에 미세 고융점 석출상을 분산하거나 중심부 편석을 억제하기 위한 방법은 제시하지 못했다.Patent No. 10-0509648 developed by the present inventors discloses a magnesium alloy excellent in plastic workability. However, although the process for rolling the plate has been mentioned in this patent, the magnesium extrusion material has not been commercialized because the extrusion method has not been specifically disclosed. Furthermore, no method for dispersing the fine high melting point precipitation phase inside the large diameter billet or suppressing the center segregation has been proposed.

종래의 압출용 빌렛은 주로 환봉형 캐비티가 형성된 주철 주형에 용탕을 주입하여 냉각하는 방식으로 제조한다. 이 방식에서는 용탕이 주형과 접촉하면서 온도차와 주형에 흡착된 습기가 기화하면서 용탕이 폭발적으로 비산하게 되기 때문에 방지하기 위해 주형을 200℃ 이상으로 예열하여 습기를 제거하고 주입하게 된다.The conventional extrusion billet is manufactured by a method in which molten metal is injected into a cast iron mold mainly formed with a round bar-shaped cavity and cooled. In this method, since the molten metal comes into contact with the mold and the moisture adsorbed on the mold is vaporized, the molten metal explosively splashes. Therefore, the mold is pre-heated to 200 ° C or higher to remove moisture and inject.

때문에 냉각속도가 늦어 주형 내에서 마그네슘합금의 응고시간이 길어지면서 비중이 4 이상으로 마그네슘과 비중 차이가 큰 원소 예를 들어 아연, 이트륨 등이 중심부나 주형 아래 쪽에 편석되는 현상이 일어나고 수지상 결정이 조대하게 발달하는 문제로 빌렛의 거시적 조성이 불균일해지며 압출성능이 떨어지는 원인이 된다. 편석이 심할 경우 빌렛의 중심부에는 열간 균열(Hot Tearing)이 발생하고, 압출과정에서 변형과 균열, 미세 주름 발생 등의 원인이 될 뿐 아니라 압출재의 스트레칭이나 교정작업 중 파단과 피로강도를 떨어뜨려 내구성과 신뢰성을 해치게 된다. 이를 해결하기 위해 포코르니 등은 마그네슘 합금의 주조 중 열간균열발생을 예측하는 연구를 행하였다. As the cooling rate is slow, the coagulation time of the magnesium alloy in the casting mold becomes longer and the elements having a specific gravity of 4 or more and a large difference in specific gravity between magnesium such as zinc and yttrium are segregated in the central part or under the casting mold. , The macroscopic composition of the billet becomes uneven and the extrusion performance is deteriorated. When segregation is severe, hot tearing occurs in the center of the billet, and it causes deformation, cracks and fine wrinkles in the extrusion process. In addition, it also reduces the fracture and fatigue strength of the extrusion material during stretching or calibrating, And reliability. To solve this problem, Pohnner et al. Conducted a study to predict the occurrence of hot cracking during casting of magnesium alloys.

마그네슘의 낮은 소성가공성을 회피하여 가공하기 위한 방법으로 쌍롤 주조법이나 스트립 캐스팅법 등으로 최종 제품에 가까운 형태로 주조하는 방법을 고안하였는데 이들은 판상의 제품에 한해 적용할 수 있는 단점이 있어 압출재의 생산에는 적합하지 않았다. As a method for avoiding the low plasticity of magnesium, it has been devised a method of casting in a shape close to the final product by the double-roll casting method or the strip casting method. However, these methods have disadvantages that can be applied only to the plate- It did not fit.

Qui 등은 마그네슘합금에서 소성가공용으로 가장 많이 이용되는 AZ31 합금을 압출하고 압연하여 재결정된 미세조직을 얻음으로써 소성가공성을 개선하는 연구를 행했다. 이 연구에서 육안상으로는 문제가 보이지 않았으나 결정립에 수 미크론 이하 간격으로 미세 균열들이 존재하는 것이 관찰되었다. 또한 Rao 등은 AZ31 합금이 300~350℃ 구간에서 압출이 용이하며 생산성을 향상시키기 위해 그 이상의 온도에서 압출하게 되면 집합조직이 취약해진다고 보고하였다.Qui et al. Have conducted research to improve the plasticity by extruding and rolling the AZ31 alloy, which is the most commonly used for plastic working in magnesium alloys, to obtain recrystallized microstructure. In this study, microcracks were observed at intervals of several microns or less in the crystal grains although no visual problems were observed. In addition, Rao et al. Reported that AZ31 alloy is easy to extrude at 300 ~ 350 ° C, and when extruded at a higher temperature to improve productivity, aggregate structure becomes weaker.

그 외에 빌렛을 열처리하고 압출 컨테이너와 다이의 온도를 조절하여 연성이 높은 온도구간에서 압출함으로써 소성가공성을 개선하는 방안에 대한 것도 소개되었으나 마그네슘 합금에 존재하는 저융점 공정상 때문에 압출속도를 낮추어야 하고 형상에 제한이 있는 등 문제점으로 인해 실질적인 개선 방안은 되지 않는다.In addition, the method of improving the plasticity by extruding the billet at high ductility temperature by controlling the temperature of the extruded container and the die was also disclosed, but the extrusion speed should be lowered due to the low melting point process existing in the magnesium alloy, There is a limit to such a problem.

또한 ECAP, ECAE 같이 난가공재를 다이 내에서 각도를 바꾸는 채널을 거쳐 높은 소성비로 가공하는 방법으로 마그네슘의 소성가공성을 개선하려는 노력이 있었지만 다이 구조가 복잡하고 높은 가압력을 요구하므로 압출재의 크기와 생산성이 제한되어 실제 제품 생산에 적용하기 위한 상용화에는 적합하지 않다.In addition, there has been an effort to improve the plasticity of magnesium by a method of processing a hard material such as ECAP and ECAE through a channel that changes the angle in the die through a high plastic ratio, but since the die structure is complicated and high pressing force is required, the size and productivity of the extruded material And is not suitable for commercialization to be applied to actual product production.

본 발명자들은 이런 문제를 해결하기 위해 한국등록특허 10-1392480호에서 이트륨과 아연을 첨가하여 고융점 석출상을 형성하여 압출온도를 상향하고 압출 다이를 개선함으로써 유동응력을 감소시키고 압출성을 개선하는 방법을 제공하였다. 그러나 이같이 소성가공성이 우수한 합금의 경우에도 빌렛을 제조하는 과정에서 상하부 간에 응고속도의 차이로 인해 합금원소의 편차가 생기고 이 과정에서 비중이 큰 아연과 이트륨이 하부에 편석하게 되는 문제가 있었다. 아래 도 1은 이 방법으로 평균 직경 180mm로 주조한 빌렛의 상하부 합금원소 편차로 인한 소성가공성의 차이로 압출 중에 파단된 사례로서, 도 1은 종래 도가니 주조법에 의해 제조한 빌렛으로 용탕을 교반하지 않고 제조한 빌렛의 사례이다. 왼쪽은 주조 후 추출한 빌렛이고 가운데는 압출 중에 파단된 상태이다. 오른쪽은 절삭 가공한 빌렛의 하부로서 중심부 편석으로 인해 사진처럼 중앙부에 원형으로 열간균열이 발생하는 경우가 있다. 도 1의 가운데 파단된 빌렛에서 화살표가 압출 방향이며 화살표 아래가 빌렛 주조시 상부이다. In order to solve this problem, the Korean Patent No. 10-1392480 discloses a process for producing a high-melting-point precipitate phase by adding yttrium and zinc to improve the extrusion temperature and improving the extrusion die, thereby reducing the flow stress and improving the extrusion property Method. However, even in the case of an alloy excellent in plastic workability, there is a problem that the alloying element is varied due to the difference in the solidification speed between the upper and lower portions during the process of manufacturing the billet, and zinc and yttrium having a large specific gravity are segregated in the lower portion. FIG. 1 shows a case where the billet produced by the conventional crucible casting method does not stir the molten metal with the billet produced by the conventional crucible casting method, This is an example of a billet manufactured. The left side shows the billet after casting, and the middle part is broken during extrusion. The right side is the bottom of the cut billet, and due to the segregation in the center, a hot crack may occur in the center part as shown in the photograph. In the center-broken billet of FIG. 1, the arrow is in the extrusion direction and the arrow is in the upper part of the billet casting.

또한 도 2처럼 직접냉각(Direct Chilled) 연속주조 빌렛의 경우 내외부의 냉각속도 차이가 지나치게 커지면서 중심부 편석이 발생하고, 응고시 수축에 의한 응력으로 편석이 심한 중심부에서 내부 균열이 발생하는 경우도 있다. 도 2는 직접냉각 연속주조에서 편석과 수축 응력으로 인해 빌렛 중심부에 발생한 열간균열의 사례이다. Also, in the case of direct chilled continuous cast billets as shown in FIG. 2, center segregation occurs due to an excessively large difference in cooling speed between the inside and outside, and internal cracks may occur in the center portion where segregation is severe due to stress caused by shrinkage during solidification. Figure 2 is an example of hot cracks occurring in the center of a billet due to segregation and shrinkage stresses in direct cooling continuous casting.

용탕을 외주부에서 급냉하여 응고시키는 직접냉각 연속주조에서는 급냉으로 인해 편석이 비교적 적다. 직경 150mm AZ31 빌렛의 예를 들면 표면과 중심부를 비교할 때 알루미늄의 편석량이 약 0.7%, 아연의 편석량이 약 0.4% 정도로 비교적 편석량이 적은데, 이는 비중이 1.74인 마그네슘과 비중이 2.7인 알루미늄 간에 비중차가 다른 합금원소보다 적고, 비중이 7.13인 아연의 함량이 적기 때문이기도 하다. 그러나 표 1에서 보듯 이트륨-아연과 같이 비중이 4 이상인 합금의 양이 늘어나면 편석량 합이 총 1.1%인 AZ합금에 비해 합금원소 편석이 심하게 된다. 이 정도의 편석이라면 압출성능에서는 더 차이가 커서 도 1처럼 압출 중 파괴되거나 압출이 되어도 휨변형이나 표면결함 발생률이 크다. 더욱이 빌렛의 직경이 커지면 냉각속도도 증가해야 하는데 편석이 심하면 압출 중 빌렛 중심부에 균열이 발생하게 된다. 따라서 비중이 알루미늄보다 큰 원소들이 함유되는 합금에서는 중심부 편석의 정도가 빌렛의 압출성능을 좌우하게 된다. In the direct cooling continuous casting in which the molten metal is quenched and solidified at the outer peripheral portion, segregation is relatively small due to quenching. For example, when compared with the surface of the AZ31 billet having a diameter of 150 mm, the segregation amount of aluminum is about 0.7% and the amount of segregation of zinc is about 0.4%, which is comparatively less segregated. This is because magnesium having a specific gravity of 1.74 and aluminum Is less than other alloying elements, and the zinc content of 7.13 is less. However, as shown in Table 1, when the amount of the alloy having a specific gravity of 4 or more such as yttrium-zinc increases, the elemental segregation of the alloy becomes worse than that of the AZ alloy having a total segregation amount of 1.1%. If this level of segregation is greater, the difference in the extrusion performance is larger, so that the occurrence of bending deformation or surface defect is large even if it is broken or extruded during extrusion as shown in Fig. Furthermore, as the diameter of the billet increases, the cooling rate must increase. If the segregation is severe, cracks will occur in the center of the billet during extrusion. Therefore, in an alloy containing elements having a specific gravity larger than aluminum, the degree of center segregation affects the extrusion performance of the billet.

성분원소Ingredient element 함량(%)content(%) 빌렛에서의 위치Location in billet 하부
bottom
아연zinc 9.89.8 도 1의 화살표 위쪽1, 이트륨yttrium 1.451.45 도 1의 화살표 위쪽1, 상부
Top
아연zinc 1.561.56 도 1의 화살표 아래쪽1 below the arrow 이트륨yttrium 0.760.76 도 1의 화살표 아래쪽1 below the arrow

AZ합금이나 AM합금 등 알루미늄이나 아연이 합금되는 압출용 마그네슘 합금은 합금량이 증가할수록 머쉬 존 구간이 넓어져 턴디쉬에서 주형에 주입된 용탕의 온도가 낮아지면 주형의 라이너에서 빌렛의 마찰력이 높아지기 때문에 빌렛의 표면이 거칠어지거나 균열이 생길 수 있다. 따라서 고출력의 전자기 주조장치로 용탕의 온도를 높이면서 주형벽에서는 빨리 냉각하여 셸층(shell layer)을 형성해야 하는 어려움 때문에 주조 속도와 생산성이 저하하게 되는 문제점이 있다.Magnesium alloy for extrusion such as AZ alloy or AM alloy, which is alloyed with aluminum or zinc, increases the mush zone zone as the alloy amount increases. If the temperature of the molten metal injected into the mold decreases in the tundish, the frictional force of the billet increases in the mold liner The surface of the billet may be rough or cracked. Accordingly, there is a problem that the casting speed and the productivity are lowered due to the difficulty of forming a shell layer by cooling the casting wall rapidly while increasing the temperature of the molten metal with a high-output electromagnetic casting apparatus.

종래 기술에서는 이런 편석을 제거하기 위한 수단으로 주형에 주입하기 전에 금속 막대로 도가니의 마그네슘 용탕을 교반하였다. 그러나 이렇게 용해로의 상부를 개방한 상태에서 인력을 이용한 교반 방법은 열기와 발화위험 때문에 지속적으로 교반하기 어려울 뿐만 아니라 마그네슘합금 용탕을 주형에 주입하고 난 뒤 응고되는 과정에서 교반할 수 있는 방법은 없었다. In the prior art, the magnesium melt of the crucible was stirred with a metal rod before being injected into the mold as a means for removing such segregation. However, since the agitation method using gravity in the state of opening the upper part of the melting furnace is difficult to continuously stir due to the risk of heat and ignition, there is no way to stir the magnesium alloy melt in the process of solidifying after injecting the molten magnesium alloy into the mold.

주조 중 교반을 위해 유도 코일을 이용하는 전자교반법이 있다. 하지만 마그네슘은 짝을 이루지 않는 홀 전자가 없어 전자교반을 해도 자화강도가 약하기 때문에 다른 금속에 비해 유도자장의 힘이 적고 용탕의 점성이 높아 교반효과가 미비하고, 중심부 편석이 생기기 쉽다. 예를 들어 마그네슘 합금 빌렛을 20L/분 속도로 주조하기 위해서는 20kHz, 1400A인 고출력 전자기 주조장치(EMC)와 15kHz, 150A인 전자교반장치(EMS)를 필요로 하고, 이는 알루미늄 빌렛 연속주조에 필요한 용량의 4-5 배에 달한다. And an electromagnetic stirring method using an induction coil for stirring during casting. However, because magnesium has no hole-electrons that do not form a pair, magnesium has weak magnetization strength even when it is stirred. Therefore, the strength of the induction magnetic field is low and viscosity of the molten metal is high compared with other metals, so stirring effect is low and center segregation is likely to occur. For example, in order to cast a magnesium alloy billet at a rate of 20 L / min, a high-power electromagnetic casting apparatus (EMC) of 20 kHz and 1400 A and a electromagnetic stirrer (EMS) of 15 kHz and 150 A are required, Of the total.

알루미늄 빌렛 주조에서도 최근에 와서는 직접냉각 연속주조보다는 도 3의 방법과 같은 전자교반 연속주조로 제조하는 추세이지만, 철강에 비해 자화강도가 약한 점을 고려하여 한편에서는 기계적 교반으로 중심부 편석과 조대한 수지상정 발달을 억제하려는 노력이 지속되었다. Aluminum billet casting has recently been produced by continuous casting of electromagnetic stirring similar to the method of Fig. 3, rather than by direct cooling continuous casting. However, considering that the magnetization strength is weaker than that of steel, on the one hand, Efforts to curb the development of presumptive remnants continued.

플레밍 등은 US Pat. 3,902,544에서 비수지상 초정조직을 포함하는 고상 또는 액상-고상 금속을 제조하는 방법에 대해 제공하였는데, 이 방법은 주조하기 전 액상의 금속을 교반하는 과정을 포함하기 때문에 응고 과정에서 조직을 제어하는 데는 한계가 있었다. Fleming et al. 3,902,544 discloses a method for producing solid or liquid-solid metal containing non-aqueous superficial textures, which involves stirring a liquid metal prior to casting, .

닐슨 등은 US Pat. 4,315,538에서 동합금봉 연속주조에서 용탕의 온도편차를 줄이기 위해 주형 다이를 회전시키는 방법을 제공하였다. 이 방법은 소경의 봉재 연속주조에서 용탕과 접촉하는 주형 다이를 회전시킴으로써 마찰력도 줄이고 결정입도를 미세하게 하는 데는 유효하지만 대경의 빌렛에서 중심부 편석을 제어하는 방법으로는 부적합하였다. Nielsen et al. 4,315,538 provides a method of rotating a mold die to reduce the temperature deviation of the melt in continuous casting of copper alloy rods. This method is effective in reducing the frictional force and fine grain size by rotating the mold die in contact with the molten metal in the continuous casting of the small diameter bar but it is not suitable as a method of controlling the center segregation in the large diameter billet.

유 등은 US Pat. 4,709,747에서 알루미늄합금 용탕이 주입되는 주형 내에 스트레이너 타입의 장치를 삽입하는 방법을 제공하였다. 이는 용탕을 주입하면 주형 표면에 접하는 외주부 뿐만 아니라 내부에서 스트레이너와 접한 용탕이 핵생성을 일으켜 주형에서 균일하게 응고가 진행되는 효과가 있다. 종래에는 최종 응고되는 중심부에만 편석이 집중되던 현상이 억제되고 내부에서도 핵생성이 진행되므로 균일하게 응고되는 효과가 있다. 그러나 이런 방법은 계속 용탕이 주입되는 연속주조나 용탕의 양이 많을 경우 스트레이너가 가열되므로 냉각능이 떨어져 결국은 지속적으로 핵생성 효과를 기대하기 어렵다.US Pat. No. 4,709,747 provides a method of inserting a strainer-type device into a mold into which an aluminum alloy melt is injected. This is because when the molten metal is injected, not only the outer circumferential portion contacting the mold surface but also the inner molten metal in contact with the strainer causes nucleation of the molten metal so that the molten metal uniformly coagulates in the mold. Conventionally, the phenomenon that segregation concentrates only in the central portion of the final solidification is suppressed, and nucleation is progressed in the interior, so that there is an effect of uniformly solidifying. However, in this method, when the amount of continuous casting or molten metal continuously injected with the molten metal is high, the strainer is heated, so that the cooling capacity is low and it is difficult to expect the continuous nucleation effect.

알루미늄이나 동합금의 경우와 달리 마그네슘 합금 용탕의 기계적 교반은 대기와의 차단으로 발화사고를 방지해야 하고, 합금원소들이 저융점 공정상을 만드는 경우가 많은 어려움 등으로 연구가 많지 않았다. 따라서 종래에는 마그네슘 용탕 보존로에서 관을 통해 직접 주형에 주입하는 방식을 적용하는 경우가 많아 전자기 교반 외에는 다른 방식을 적용하기 어려웠다. 이렇게 기술발달이 늦은 배경에는 마그네슘 압출재 시장이 적어 상용화가 활발하지 못한 이유도 크다. 그럼에도 불구하고 식소몰딩법이나 고강도 경량 MMC(metal matrix composite)의 개발에서 마그네슘을 기지로 하는 연구를 통해 개발된 사례들이 있었다.Unlike the case of aluminum or copper alloy, the mechanical agitation of the magnesium alloy melt prevented the ignition by interception with the atmosphere, and there were not many studies because of the difficulty in making alloying elements of the low melting point process. Therefore, conventionally, a method of injecting magnesium directly into a casting mold through a pipe in a molten metal storage furnace is often applied, and it is difficult to apply another method other than electromagnetic stirring. In the background of this technological advancement, there are many reasons why commercialization of magnesium extrusion materials is not active. Nevertheless, there have been cases of magnesium-based research in the development of matrix molding or high-strength lightweight MMC (metal matrix composite).

카마도 등은 반용융 상태에서 사출성형하는 식소몰딩법에 응용하기 위해 AZ91D합금을 반용융상태에서 교반하여 얻은 결과를 발표하였다. 그러나 이 방법은 주형 안에서 반고체 상태의 용탕을 일정온도에서 유지하면서 30분 동안 장시간 교반하는 내용으로 연속주조나 빌렛의 제조에 적용하기에는 무리가 있는 방법이었다. Kamado et al. Reported the results obtained by stirring the AZ91D alloy in semi-molten state for application to the injection molding process in semi-molten state. However, this method is a method which is long time stirring for 30 minutes while maintaining the semi-solid state molten metal at a constant temperature in the mold, and it is a difficult method to apply to the production of continuous casting or billet.

이처럼 마그네슘 합금 빌렛의 거시적 편석과 미세조직의 개선을 위해서는 전자교반보다는 기계적 교반이 좋은 대안이 될 수 있다고 여겨지지만 실제에서는 마그네슘 시장의 정체로 인해 구체적인 제조방법을 제시할 정도로 심도있는 연구가 수행된 사례가 없었다. In order to improve the macroscopic segregation and microstructure of magnesium alloy billets, mechanical agitation rather than electromagnetic agitation is considered to be a good alternative. However, in practice, deep research has been conducted to suggest specific manufacturing methods due to the stagnation of the magnesium market .

한국공개특허공보 2002-0078936호. 2002. 10. 19.Korean Unexamined Patent Publication No. 2002-0078936. October 19, 2002. 한국공개특허공보 2007-0091239호. 2007. 09. 07Korean Patent Publication No. 2007-0091239. 2007. 09. 07 한국공개특허공보 2008-0085662호. 2008. 09. 24Korean Patent Publication No. 2008-0085662. Sep. 24, 2008 미국특허공보 US 7,028,749호. 2006. 04. 18U.S. Patent No. 7,028,749. Apr. 18, 2006 한국등록특허공보 10-1392480호. 2014. 04. 29Korean Patent Registration No. 10-1392480. Apr 04, 2014 미국특허공보 US 3,902,544호. 1975. 09. 02U.S. Patent No. 3,902,544. September 09, 1975 미국특허공보 US 4,315,538호. 1982. 02. 16U.S. Patent No. 4,315,538. February 16, 1982 미국특허공보 US 4,373,950호. 1983. 02. 15U.S. Patent No. 4,373,950. February 03, 1983 미국특허공보 US 4,709,747호. 1987. 10. 01U.S. Patent No. 4,709,747. October 01, 1987 미국특허공보 US 4,960,163호. 1990. 10. 02U.S. Patent No. 4,960,163. October 10, 1990

(논문 1) Qiu Wei et al., Effect of heat treatment on Microstructures and mechanical properties of extruded-rolled AZ31 Mg alloys, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 20(2010), 481-s487 (1) Qiu Wei et al., Effect of heat treatment on microstructures and mechanical properties of extruded-rolled AZ31 Mg alloys, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 20 (2010), 481-s487 (논문 2 ) Kamineni Pitcheswara Rao et al., Hot Deformation Mechanisms in AZ31 Magnesium Alloy Extruded at Different Temperatures: Impact of Texture, Metals 2012, 2, 292-312(Paper 2) Kamineni Pitcheswara Rao et al., Hot Deformation Mechanisms in AZ31 Magnesium Alloy Extruded at Different Temperatures: Impact of Texture, Metals 2012, 2, 292-312 (논문 3) M. Pokorny et al., Prediction of Hot Tear Formation in a Magnesium Alloy Permanent Mold Casting, International Journal of Metalcasting, Fall 2008, 41-53(Papers 3) M. Pokorny et al., Prediction of Hot Tear Formation in a Magnesium Alloy Permanent Mold Casting, International Journal of Metalcasting, Fall 2008, 41-53 (논문 4) Shigeharu Kamado et al., 輕金屬, Vol. 42, No. 12, 1992, 734-740(Paper 4) Shigeharu Kamado et al., Light Metal, Vol. 42, No. 12, 1992, 734-740 (논문 5) V. Laurent et al., Journal of Materials Science 27, 1992, 4447-4459(Thesis 5) V. Laurent et al., Journal of Materials Science 27, 1992, 4447-4459 (논문 6) 임창동 등, 한국주조공학회지, 제23권, 제3호, 2003.6, pp.130-136(Thesis 6) Lim Chang-dong et al., Journal of the Korean Foundrymen Association, Vol. 23, No. 3, 2003.6, pp.130-136 (논문 7) Liqing Chen et al., J. Mater. Sci. Technol., Vol.23 No.2, 2007, 207-212(Paper 7) Liqing Chen et al., J. Mater. Sci. Technol., Vol. 23 No. 2, 2007, 207-212 (논문 8) Y. X. Jin et al., Materials Science-Poland, Vol.27, No.1, 2009, 171-185(Paper 8) Y. X. Jin et al., Materials Science-Poland, Vol. 27, No. 1, 2009, 171-185

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 제거하기 위하여 창출된 것으로서 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 편석을 줄이고 불량률을 감소시키기 위해 주조방안을 개선하여 결정립을 미세화하고 편석을 줄여 압출성을 향상한 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다. The present invention has been made to overcome the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a magnesium alloy billet which is improved in extrusion by reducing grain segregation and reducing segregation by improving the casting method in order to reduce segregation of magnesium alloy billet for extrusion, And a manufacturing method thereof.

이를 위해 본 발명은 빌렛주조용 주형에 마그네슘 합금 용탕을 주입하고, 상기 합금 용탕이 주입된 빌렛주조용 주형의 표면에 냉매를 분사하여 냉각함으로써 용탕을 응고시켜 빌렛으로 주조하는 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법에 있어서,To this end, the present invention relates to a method for manufacturing a magnesium alloy billet in which a molten magnesium alloy is injected into a mold for casting a billet, and a coolant is sprayed onto the surface of the mold for casting the billet into which the alloy melt has been injected, In this case,

상기 주형의 상부에는 임펠러 설치용 관통구가 형성되고 차폐가스를 주입하도록 된 가스배관이 구비된 커버가 설치되어 있으며, 상기 주형의 표면을 냉각하는 중에 상기 커버의 관통구를 통하여 삽입된 임펠러로 상기 합금 용탕을 교반하며, 바람직하게는 합금 용탕 중 머쉬존을 교반하여 마그네슘합금 빌렛을 제조하는 방법을 특징으로 한다.A cover provided with a gas pipe for injecting a shielding gas is provided at an upper portion of the mold and an impeller inserted through a through hole of the cover during cooling of the surface of the mold, Stirring the molten metal, and preferably stirring the mushroom zone in the molten alloy to produce a magnesium alloy billet.

또한, 상기 마그네슘 합금은 아연과 이트륨을 함유하고 있는 합금이며,Further, the magnesium alloy is an alloy containing zinc and yttrium,

상기 주형 표면의 냉각은 추출되는 빌렛의 표면온도가 350℃이하로 냉각되도록 냉매를 상기 주형 표면과 추출되는 빌렛의 표면에 15~70도 각도로 분사하여 250~900℃/분, 바람직하게는 300~600℃/분의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하고 있으며,The cooling of the mold surface is preferably performed at a temperature of 250 to 900 DEG C / min, preferably 300 DEG C / min, by spraying a coolant onto the surface of the mold and the billet to be extracted so that the surface temperature of the billet to be extracted is cooled to 350 DEG C or less. And cooling at a rate of 600 ° C / minute,

상기 빌렛주조용 주형은 연속주조 방식의 주형인 것을 특징으로 하고 있으며,Wherein the mold for casting the billet is a continuous casting mold,

상기 커버는 고정식커버와 탈착식커버로 구성되어 있되, 고정식커버는 주형의 내경에 내접하여 고정하도록 된 고정턱을 가지며 중앙 공간부가 형성되어 있으며, 탈착식커버는 상기 고정식커버의 중앙 공간부의 내경에 내접하여 고정하도록 된 탈착턱을 가지며 중앙부에 관통구가 형성된 것을 특징으로 하고 있으며,The cover has a fixed cover and a detachable cover. The fixed cover has a fixing jaw which is fixed in contact with the inner diameter of the mold and has a central space portion. The removable cover is in contact with the inner diameter of the central space portion of the fixed cover And a through hole is formed at a central portion thereof,

상기 연속주조 방식의 빌렛주조용 주형은 그 주변에 전자기 교반장치가 더 설치되어 전자기 교반을 함께 수행하며, The casting mold for casting a billet of the continuous casting type is further provided with an electromagnetic stirring device around its periphery to perform electromagnetic stirring together,

상기 연속주조 방식의 주형에 설치된 커버는 그 상부에 턴디쉬 노즐이 삽입되도록 용탕주입구가 더 형성되어 있고,The cover provided in the mold of the continuous casting system is further provided with a molten metal inlet so that a tundish nozzle is inserted thereon,

상기 임펠러는 모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다.And the impeller is driven by a motor.

본 발명의 마그네슘 합금빌렛 제조방법에 따르면, 주형을 냉각하는 중에 합금 용탕을 기계적 교반에 의해 행하되, 기계적 교반을 머쉬존 영역에서 효과적으로 행하여 줌으로서 비중이 큰 아연이나 카드뮴과 같은 합금 원소들을 균일 분산시키는 것이 가능하고, 이에 따라 저온공정상의 편석이 줄어들고 결정립이 미세한 빌렛의 제조가 가능하여 기존의 방식에 의해 제조된 마그네슘 합금 빌렛에 비해 소성가공성이 우수하여 압출이 용이하고, 품질의 균일성이 우수한 효과가 있다. According to the method for producing a magnesium alloy billet of the present invention, molten alloy is subjected to mechanical stirring during cooling of a mold, and mechanical stirring is effectively performed in the mush zone area, thereby uniformly dispersing alloying elements such as zinc and cadmium Thus, it is possible to manufacture a billet having a fine grain size with a reduced segregation in a low-temperature process. Thus, the magnesium alloy billet can be produced more easily than a magnesium alloy billet produced by a conventional method, .

도 1. 종래 중력주조법으로 제조한 빌렛의 사례를 나타낸 사진
도 2. 종래 직접 냉각(Direct Chilled) 연속주조로 제조한 빌렛의 중심부 균열 사진
도 3. 종래의 전자교반을 이용한 마그네슘 연속주조장치 개념도
도 4. 본 발명의 제1 교반방법으로 연속주조에서 EMC와 기계적 교반을 병용한 개념도
도 5. 본 발명의 제2 교반방법으로 연속주조에서 기계적 교반만 적용한 개념도
도 6a. 본 발명의 탈착식 커버에 설치된 임펠러의 개념도
도 6b. 본 발명 주형 커버의 예
도 7. 교반을 거친 마그네슘 빌렛의 단면조직 예
도 8. 종래 기술로 제조한 빌렛의 중심부 주조조직 사진
도 9. 본 발명에 의해 제조한 빌렛의 중심부 주조조직 사진
도 10. 본 발명에 의해 제조한 빌렛의 압출재 외관사진
도 11. 본 발명에 의해 제조한 압출재의 단면 조직사진
도 12. 본 발명에 의해 제조한 압출재의 인장곡선Figure 1. Photograph of a billet manufactured by conventional gravity casting method
Figure 2. Center crack crack of a billet produced by conventional direct cooling (continuous chilled) continuous casting.
Figure 3. Conceptual diagram of magnesium continuous casting system using conventional electromagnetic stirring
4. Fig. 4 is a conceptual diagram in which EMC and mechanical stirring are used in continuous casting by the first stirring method of the present invention
Fig. 5 is a schematic view showing only the mechanical stirring in the continuous casting by the second stirring method of the present invention
6a. The concept of the impeller installed on the removable cover of the present invention
6b. Example of Mold Cover of the Present Invention
Figure 7. Example of cross-section of magnesium billet after agitation
Fig. 8. Photograph of the central casting structure of the billet manufactured by the prior art
Fig. 9. Photograph of the central casting structure of the billet produced by the present invention
10. Picture of the extruded material of the billet manufactured by the present invention
Figure 11. Cross-sectional photograph of the extruded material produced by the present invention
12. The tensile curve of the extruded material produced by the present invention

이하 본 발명을 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 마그네슘 합금 빌렛을 주조하는데 있어서, 주조하는 중에 주형내의 용탕을 기계적 수단으로 교반을 행함으로서 용탕이 응고하는 과정에서 생성되는 결정립을 미세화하여 편석을 줄이는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 제공하는 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법은 연속주조방식인 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that when casting a magnesium alloy billet, the molten metal in the casting mold is agitated by mechanical means during casting, thereby reducing the segregation by making fine grains produced during solidification of the molten metal finer. The magnesium alloy billet produced by the present invention is characterized by being a continuous casting system.

연속주조방식의 경우에는 도4 및 도5에 나타난 바와 같이 주형(1) 상부에 커버(3)를 씌우고, 주형하부에 더미블록(6)을 설치하여 주조 준비를 한 다음, 커버(3)의 차폐가스 배관으로 차폐가스(4)를 주입하면서, 별도의 용해로에서 제조된 합금용탕을 연속주조기의 커버에 형성된 용탕주입구(5)를 통하여 주형(1)으로 주입하고, 주형에 주입된 합금 용탕은 주형 표면에 분사되는 냉매(7)에 의해 냉각되면서 빌렛(2)으로 응고되고, 응고된 빌렛은 주형 하부에 설치된 더미블록(6)에 연이어 주형으로부터 추출되면서 연속적으로 주조된다. 이 때 마그네슘 합금 용탕이 주입되는 주형(1)에는 대기와 차단하기 위해 차단기구 예를 들어 커버(3)와 같은 밀폐장치로 1차 차단하며, 2차로는 차폐가스(4) 예를 들어 SF₆, Ar 또는 CO₂를 혼합하거나 단독으로 사용하는 분위기에서 대기와 차단한 상태로 마그네슘 합금 용탕을 주입하며, 주입된 용탕의 교반은 냉각되는 과정에서 생성되는 용탕의 중앙부의 머쉬존(8) 구간에 커버(3)의 관통구를 통하여 삽입된 임펠러(22)를 위치시키고 모터로 구동하여 용탕을 교반한다.In the case of the continuous casting method, as shown in Figs. 4 and 5, the cover 3 is placed on the upper part of the mold 1, the dummy block 6 is provided on the lower part of the casting mold, The molten alloy produced in the separate melting furnace is injected into the mold 1 through the molten metal injection port 5 formed in the cover of the continuous casting machine while injecting the shielding gas 4 into the shielding gas pipe, Cooled to the billet 2 while being cooled by the coolant 7 sprayed on the mold surface, and the solidified billets are continuously cast while being extracted from the mold in succession to the dummy block 6 provided at the lower portion of the mold. In this case, the mold 1 into which the magnesium alloy melt is injected is firstly cut off by a sealing device such as a cover 3, for example, to block the atmosphere, and the second passage is closed with a shielding gas 4, for example SF ₆ , Ar or CO ₂ , or in a single use atmosphere, the magnesium alloy melt is injected while being blocked from the atmosphere, and the stirring of the molten melt is performed in the mush zone 8 of the central portion of the molten metal produced during the cooling process The impeller 22 inserted through the through hole of the cover 3 is positioned and driven by a motor to stir the molten metal.

본 발명에서 주형을 냉각시키어서 용탕을 응고시키는 과정 중 용탕을 교반하는데 있어서 특히 용탕 내에서도 고상과 액상이 공존하는 영역인 머쉬존(mush zone) 구간을 임펠러와 같은 기계적 수단으로 교반을 실시하는데, 그 이유는 냉각 중에 생성되는 석출물이 존재하는 머쉬존 구간을 교반하면 석출물이 균일하게 혼합되게 하는 것은 물론 냉각 중에 생성되는 석출물을 미세하게 분산시키는 것이 가능하여 고용체 내부에 치환형 격자결함을 만들어 적층결함, 쌍정과 부분전위가 쉽게 생성되게 하여 슬립시스템을 증가시킴으로써 소성 가공성이 우수한 빌렛의 제조가 가능하기 때문이고, 마그네슘과 같이 자화가 약한 본 발명의 용탕에서는 이러한 교반의 효과 즉, 석출물의 미세 분산을 극대화시키는 것은 주형 외부에서 자장으로 교반하는 전자교반방식으로는 기대할 수 없기 때문이다. In the present invention, in stirring the molten metal during the process of cooling the molten metal by stirring the molten metal, the mush zone, which is a region where the solid phase and the liquid phase coexist in the molten metal, is stirred by a mechanical means such as an impeller. The reason for this is that stirring the mushroom zone in which precipitates formed during cooling are present allows the precipitates to be uniformly mixed and finely disperse the precipitates formed during cooling to form substitutional lattice defects in the solid solution, It is possible to manufacture a billet having excellent plastic workability by increasing the slip system by allowing twinning and partial dislocation to be easily generated. In the melt of the present invention having weak magnetization such as magnesium, the effect of such stirring, that is, It is the electromagnetic stirring room which stirs from the outside of the mold with the magnetic field In because they can not be expected.

또한 기계적 수단만이 정확하게 머쉬존(8) 구간을 교반하는 것이 가능하여 냉각 중에 생성되는 석출물의 미세 분산을 극대화시킬 수 있기 때문이다.Also, only the mechanical means can accurately stir the section of the mush zone 8, thereby maximizing the fine dispersion of the precipitate formed during cooling.

이와 같은 교반에 의해 생성된 결정핵들이 고르게 분산되면 빌렛 표면으로부터 내부의 응고속도가 빨라져 결정립이 미세하게 되며 편석도 줄어드는 효과가 있게 되고, 이에 따라 빌렛의 응고에 소요되는 시간이 단축되는 효과가 있다. When the crystal nuclei generated by the stirring are dispersed evenly, the solidification rate inside the billet is increased, and the crystal grains become finer and the segregation is reduced, thereby shortening the time required for solidification of the billet .

특히 이트륨을 합금하면 고온 석출물이 형성되므로 머쉬 존 구간이 줄어들어 응고속도가 빨라지고 높은 온도에서 빌렛을 추출할 수 있어 주조속도를 높일 수 있어 생산성이 증가하며, 후 공정에서 합금원소의 균일 확산을 위한 확산열처리와 유지시간을 줄일 수 있는 이점이 있다. In particular, when yttrium is alloyed, high temperature precipitates are formed, so that the mush zone zone is shortened, the solidification rate is increased, the billet can be extracted at a high temperature, the casting speed can be increased and the productivity is increased, and the diffusion for uniform diffusion There is an advantage that heat treatment and holding time can be reduced.

또한, 본 발명은 기계적 교반을 임펠러로 행하는 것을 특징으로 하고 있는데, 그 이유는 커버를 관통하여 용탕에 삽입하고, 빌렛의 응고속도에 맞춰 이동하는 것이 용이하기 때문이다. 임펠러는 도6a에 나타난 바와 같이 스텐레스강으로 만든 레버(21)에 작은 임펠러(22)를 단 교반장치로서 모터에 의해 작동되도록 되어있으며, 임펠러를 도가니 커버(3)를 관통하여 용탕에 삽입하고 빌렛이 응고되는 속도에 맞춰 이동하는 이유는 합금성분이 균일하게 분산 고용되는 것을 촉진함은 물론 용해 중에 용탕을 교반하는 과정을 생략할 수 있는 이점이 있기 때문이다.Further, the present invention is characterized in that the mechanical stirring is performed with an impeller, because it is easy to insert the molten metal through the cover and move it in accordance with the solidification speed of the billet. As shown in FIG. 6A, the impeller is driven by a motor using a small impeller 22 as a stirring device, and the impeller is inserted into the molten metal through the crucible cover 3, Is moved in accordance with the solidifying speed because it has the advantage of promoting uniform dispersion and solidification of alloy components and omitting the process of stirring the molten metal during melting.

본 발명에 사용되는 임펠러(22)는 다른 금속이나 세라믹재료, 복합재료를 사용하거나 임펠러에 다른 재료를 증착, 도금, 침투하거나 용사코팅하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다. 임펠러의 직경은 빌렛 직경의 1/5~2/3로 하며, 이보다 크면 부하로 인해 대형모터를 요구하게 되므로 제한한다. 또한 빌렛 직경의 1/5미만에서는 교반효과가 미미하여 편석방지에 부적합하므로 제한한다.It is also within the scope of the present invention that the impeller 22 used in the present invention may be made of other metals, ceramic materials, or composites, or may be deposited, plated, impregnated or spray coated with other materials in the impeller. The diameter of the impeller should be 1/5 to 2/3 of the diameter of the billet. If it is larger than this, the large motor is required because of the load. Also, when the diameter is less than 1/5 of the diameter of the billet, the stirring effect is insignificant, which is not suitable for the release paper.

또한, 본 발명에서는 주형(1)의 표면을 냉각하여 빌렛(2)을 주조할 때, 주형을 통과하여 추출되는 빌렛의 표면온도가 350℃이하로 냉각될 때까지 냉매(물, 수용성 폴리머, 열매체유, 질소, 아르곤, 공기, 증기와 같은 유체 또는 이들의 혼합물)를 주형에 접하도록 냉각 자켓을 설치하여 순환시키거나, 주형과 추출되는 빌렛의 표면에 냉매(7)를 15~70도 각도로 접하도록 분사하여 250~900℃/분의 냉각속도로 조절하는 것을 특징으로 하는데, 냉매분사 각도를 정하는 이유는 15°미만에서는 냉매 중 일부가 분사되면서 주형과 빌렛 표면에 접하지 않을 우려가 있으며, 70°를 초과하면 주형과 빌렛 표면에 맞고 튀어나오는 냉매입자들이 냉매의 원활한 흐름을 방해하여 주형과 빌렛 표면이 빠르고 균일하게 냉각될 수 없기 때문이다. 또한 냉각속도를 조절하는 이유는 만약 250℃/분 보다 냉각속도가 낮으면 응고 중에 빌렛 중심부에 편석부가 잔류하여 고온에서 압출품의 소성가공성을 불균일하게 하고 불량이 발생하는 원인이 될 수 있으며, 냉각속도가 900℃/분 보다 빠르면 빌렛표면에 셸의 두께가 지나치게 증가하여 절삭양이 늘어나고 표면에 수축응력으로 인한 균열이 생길 수 있기 때문이다. In the present invention, when cooling the surface of the mold 1 and casting the billet 2, the coolant (water, a water-soluble polymer, a heating medium A coolant jacket may be installed and circulated so as to contact the mold, or the coolant 7 may be supplied to the mold and the billet to be extracted at an angle of 15 to 70 degrees The reason for determining the coolant spray angle is that when the coolant spray angle is less than 15 °, a part of the coolant may be sprayed and may not contact the surface of the mold and the billet, Beyond 70 °, the coolant particles that hit and protrude on the mold and billet surfaces interfere with the smooth flow of refrigerant, and the mold and billet surface can not be cooled quickly and uniformly. The reason for controlling the cooling rate is that if the cooling rate is lower than 250 ° C / min, the segregation part remains in the central part of the billet during solidification, which may cause unevenness in plastic workability of the extruded product at high temperature, If the speed is higher than 900 ° C / min, the thickness of the shell on the billet surface is excessively increased, resulting in increased cutting amount and cracking due to shrinkage stress on the surface.

본 발명에서는 직경 100mm 이상의 상용 사이즈인 빌렛을 제조할 때 250~900℃/분, 바람직하게는 300~600℃/분의 냉각속도가 중심부 편석이나 표면균열없이 치밀하게 조직이 형성되는 것으로 확인되었다.In the present invention, it has been confirmed that a cooling rate of 250 to 900 ° C / min, preferably 300 to 600 ° C / min, when forming a billet having a commercial size of 100 mm or more in diameter, forms a dense structure without center segregation or surface cracking.

또한 본 발명은 주형(1)에 커버(3)를 씌우되, 커버에는 도6b에 나타난 바와 같이, 임펠러 삽입이나 용탕을 주입하기 위한 관통구(11)가 하나 이상 형성되고 차폐가스 배관이 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있는데, In the present invention, a cover 3 is placed on the mold 1, and as shown in FIG. 6B, at least one through-hole 11 for inserting an impeller or injecting molten metal is formed in the cover, and a shielding gas pipe is installed And,

커버(3)를 설치하는 이유는 커버를 통하여 임펠러를 안정적으로 설치하고, 용탕을 대기로부터 효율적으로 차단하여 작업의 효율을 극대화할 수 있는 이점이 있기 때문이다.The reason for installing the cover 3 is that the impeller can be stably installed through the cover and the molten metal can be effectively cut off from the atmosphere, thereby maximizing the efficiency of the operation.

이때 커버에 형성된 임펠러 삽입용 관통구(11)는 연속주조장치의 주형(1)의 경우, 턴디쉬로 연결되는 용탕 주입구(5)를 중앙에 설치하고 임펠러 삽입용 관통구(11)를 한 쪽으로 치우쳐 설치할 수도 있다. 물론 이들의 위치를 바꾼다고 해서 효과가 줄어들지는 않는다.At this time, in the case of the mold 1 of the continuous casting apparatus, the impeller insertion through-hole 11 formed in the cover is provided with a molten metal inlet 5 connected to the tundish at the center and the impeller insertion through- You can also install it biased. Of course, changing their position does not diminish their effectiveness.

커버(3)는 도6b에 나타난 바와 같이 고정식 커버(12)와 탈착식 커버(13)로 이루어지고, The cover 3 is composed of a stationary cover 12 and a removable cover 13 as shown in FIG. 6B,

탈착식 커버(13)는 아랫면에 탈착턱(16)을 가져 고정식 커버(12)의 내접원에 고정할 수 있게 하며, 임펠러 날개가 통과하기에 충분한 직경인 관통구(11)를 가진다. 또한 탈착식 커버는 관통구(11)를 중심으로 이분할하여 분할과 탈착이 가능하도록 분리하여 설치되며, 관통구(11)는 임펠러의 축이 통과할 정도의 내경을 가진다. 탈착식 커버(13)는 하면에 탈착턱(16)이 형성되어 있어 고정식 커버(12)에 고정되며 필요시에는 분할면에 다우얼과 핀, 또는 서로 결합되는 요철을 형성하여 조립될 수 있게 하여 이탈이나 분리를 방지한다. 만약 임펠러 직경에 비해 주형의 직경이 크게 차이 나지 않을 정도라면 커버는 탈착식 한조만으로 구성될 수 있다. The removable cover 13 has a through hole 11 having a diameter sufficient to allow the impeller vanes to pass therethrough, which allows the detachable cover 13 to be secured to the inscribed circle of the stationary cover 12 with a detachable jaw 16 on its underside. In addition, the removable cover is divided and installed so as to be divided and detachable around the through-hole 11, and the through-hole 11 has an inner diameter enough for the axis of the impeller to pass through. The detachable cover 13 is fixed to the fixed cover 12 with a detachable jaw 16 formed on the lower surface thereof. When necessary, the detachable cover 13 can be assembled by forming dowels and pins, And prevent separation. If the diameter of the mold is not significantly different from the diameter of the impeller, the cover may be composed of a detachable structure.

고정식 커버(12)는 아랫면에 고정턱(15)을 가져 주형의 내접원에 고정할 수 있게 하며, 중앙부는 탈착식 커버(13)를 고정시킬 수 있도록 공간부가 형성되어 있다. The stationary cover 12 has a fixing jaw 15 at its lower surface to be fixed to the inscribed circle of the mold and has a central portion formed with a space for fixing the removable cover 13. [

또한 커버(3)에는 필요시 차폐가스 주입을 위한 가스 주입구와 용탕주입구를 추가로 형성할 수 있다. 이들 주입구의 위치는 중앙이나 한 쪽에 치우쳐 있거나 임펠러 관통구와 위치를 바꾸어도 효과에는 차이가 없다.The cover 3 may further include a gas inlet and a melt inlet for injecting a shielding gas, if necessary. The position of these injection ports is centered or offset to one side, and the effect is not different even if the position of the impeller penetrator is changed.

본 발명에서는 도 5와 같이 간단한 장치로 기계적 교반만을 행해도 응고속도의 향상으로 주조 생산성을 향상시키면서도 편석을 줄이고 균일한 조직을 얻을 수 있지만, 도4에 나타난 바와 같이, 주형 주변에 1000A 이하의 저출력 EMC를 설치하여 기계적 교반과 함께 동시에 실시할 수도 있고, 이 경우 교반의 효과를 극대화 시킬 수 있다. In the present invention, even if only mechanical stirring is performed with a simple apparatus as shown in Fig. 5, segregation can be reduced and a uniform structure can be obtained while improving the casting productivity by improving the solidification rate. However, as shown in Fig. 4, EMC may be installed and simultaneously performed with mechanical stirring. In this case, the effect of stirring can be maximized.

이와 같은 공정에 의해 제조된 빌렛의 성분조성이 표2에 나타나 있고, 그 빌렛의 중심부 주조조직사진이 도9에 나타나 있으며, 종래기술로 제조된 빌렛의 중심부 주조조직 사진이 도8에 나타나 있는데, 표2에서 보듯 1번 빌렛은 상하부의 성분차이 합이 0.37%, 2번 빌렛은 0.35%에 그쳐 균일한 조성으로 빌렛이 제조되었음을 보여주고 있으며, 도9에 나타난 바와 같이 본 발명으로 제조된 빌렛의 중심부 주조조직이 도8의 종래 기술로 제조된 빌렛 중심부 조직사진에 나타난 것보다 미세 석출물들이 보다 균일하게 분포한 것을 볼 수 있다.The composition of the billet produced by such a process is shown in Table 2, the photograph of the central casting structure of the billet is shown in FIG. 9, and the photograph of the central casting structure of the billet produced in the prior art is shown in FIG. As shown in Table 2, the number of the first billet was 0.37%, and the number of the second billet was 0.35%, indicating that the billets were manufactured in a uniform composition. As shown in FIG. 9, It can be seen that the microstructure is more uniformly distributed than the central casting structure shown in the photograph of the central structure of the billet manufactured by the conventional technique of FIG.

성분원소Ingredient element 1번 빌렛1 billet 2번 빌렛Billet 2 상부Top 아연(%)zinc(%) 4.74.7 4.34.3 이트륨(%)yttrium(%) 0.950.95 1.391.39 하부
bottom
아연(%)zinc(%) 4.64.6 4.14.1 이트륨(%)yttrium(%) 1.221.22 1.241.24

또한, 도10에는 본 발명의 빌렛을 200℃(위)와 250℃에서 압출한 압출재들의 외관사진이 나타나 있으며, 도11에는 압출재의 단면에 대한 조직사진으로 좌측은 중앙부의 단면, 우측은 압출재의 가장자리 조직사진이 나타나 있고, 도12에는 5mm 두께의 압출상태에서 가공한 시편(5t)과 이 소재의 양면을 1.5mm씩 절삭 가공하여 얻은 2mm 두께 판재 시편(2t)의 인장시험결과가 나타나 있다. Fig. 10 shows a photograph of the extruded material obtained by extruding the billet of the present invention at 200 DEG C and 250 DEG C, and Fig. 11 is a photograph of the cross section of the extruded material. In Fig. 11, Fig. 12 shows the tensile test results of the specimen (5t) processed in the extruded state of 5 mm thickness and the 2 mm thick plate specimen (2t) obtained by cutting the both sides of the specimen by 1.5 mm.

도10 및 도11에 따르면 본 실시예로 제조된 빌렛으로 압출한 압출재들이 변형이 적고 미려한 외관을 얻을 수 있도록 된 균일한 조직임을 알 수 있고, 도12에 따르면 본 발명의 압출재를 절삭가공하여 얻은 시편의 인장시험결과 소성가공성이 우수함을 알 수 있다. According to FIGS. 10 and 11, it can be seen that the extruded material extruded into the billet manufactured in this embodiment is a uniform structure in which a deformation is small and a beautiful appearance can be obtained. Referring to FIG. 12, As a result of the tensile test of the specimen, it is found that the plasticity is excellent.

따라서 본 발명에 의해 제조된 빌렛은 기계적 교반에 의해 비중이 큰 원소들의 균일 분포가 가능하고, 이에 따라 미세 고온석출물의 균일 분산이 이루어져 가공경화성과 소성가공성이 우수하여 압출용으로 사용시 우수한 성능을 나타내게 된다.Therefore, the billet produced by the present invention can uniformly distribute the elements having a large specific gravity by mechanical stirring, thereby uniformly dispersing the fine high-temperature precipitates, and is excellent in work hardenability and plastic workability, do.

1 : 주형 2: 빌렛 3: 커버
4 : 차폐가스 5 : 용탕주입구 6 : 더미블록
7 : 냉매 8 : 머쉬존 11 : 관통구
12 : 고정식 커버 13 : 탈착식 커버 15 : 고정턱
16 : 탈착턱 22 : 임펠러1: Mold 2: Billet 3: Cover
4: shielding gas 5: molten metal inlet 6: dummy block
7: refrigerant 8: mush zone 11: through hole
12: stationary cover 13: removable cover 15: stationary jaw
16: detachable jaw 22: impeller

Claims

A step of producing a magnesium alloy melt containing zinc and yttrium in a melting furnace,
Injecting shielding gas through a gas pipe while injecting the magnesium alloy melt through a molten metal inlet of a cover provided on a mold casting mold for a billet casting of a continuous casting machine,
The mold for casting a billet into which the molten metal is injected is prepared by spraying a coolant at an angle of 15 to 70 degrees on the surface of the mold and the surface of the billet to be cooled so that the surface temperature of the extracted billet is cooled to 350 DEG C or less, Cooling,
Inserting the impeller into a mash zone where the molten metal solidifies through a through hole for inserting an impeller formed in the upper cover of the mold during the cooling step of the mold,
The stirred molten metal is solidified to be made into a billet, and the solidified billet is continuously casted while being extracted to the dummy block
Wherein the magnesium alloy billet for extrusion is made of a magnesium alloy.