KR101742330B1 - 알루미늄 합금의 주조 방법 - Google Patents

알루미늄 합금의 주조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 적어도 약 0.1 질량%의 Mg 및/또는 적어도 약 0.1 질량%의 Li를 함유하는 알루미늄 합금의 주조 방법으로서, 알루미늄 합금의 액체 표면은, 적어도 약 2 체적%의 산소를 포함하고 물의 부분 압력이 고화 과정 대부분에 걸쳐 약 150 Pa 미만인 건조 가스와 접촉하는 것인 알루미늄 합금의 주조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 표면 결함과 오염물이 없는 주조 잉곳을 완전히 전적으로 얻기 위해, 베릴륨 및/또는 칼슘과 같은 첨가제를 사용하는 일 없이, 그리고 고가의 디바이스 및/또는 가스를 이용하는 일 없이 가장 산화 가능한 알루미늄 합금, 구체적으로는 마그네슘 및/또는 리튬을 함유하는 알루미늄 합금을 주조하는 것을 가능하게 한다.

Description

알루미늄 합금의 주조 방법{CASTING METHOD FOR ALUMINIUM ALLOYS}
본 발명은 알루미늄 합금의 주조, 구체적으로는 산화에 민감한 마그네슘 및/또는 리튬을 함유하는 합금의 주조에 관한 것이다.
액상의 알루미늄 합금의 산화는 주조 공정에 불리한 영향을 미친다. 노와 이송 트로프(trough)에서, 금속의 산화는 초기에, 강열감량(loss on ignition)이라고 하는 순 감육(net metal loss)을 초래한다. 추가로, 주조 동안에 용융 금속의 산화가 너무 심하면 잉곳 주물 상의 표면 결함이 생성되고, 이는 제조된 제품이 사용될 때 불리한 영향을 준다. 이러한 문제는 특히 마그네슘 및/또는 리튬을 함유하는 합금에서 매우 두드러진다.
주요 결함은, 섬프 표면 상의 산화물 스킨의 구겨짐에 의해 야기되는 수직 주름이다. 몇몇 경우에, 특히 7xxx 합금을 주조할 때, 이러한 문제가 매우 큰데, 그 이유는 상기 수직 주름은 특히나 이 수직 주림이 길고 깊을 때, 표면 크랙을 쉽게 유발하기 때문이다. 주름과 크랙은 일반적으로 주조 동안에 얻어지는 잉곳을 변형시키기 전에 제거되어야만 한다. 상기 결함은, 예컨대 기계 가공에 의해 제거될 수 있는데, 이러한 기계 가공은 공정비와 결과적으로 발생하는 막대한 감육 모두의 관점에서 경제적으로 매우 만족스럽지는 못한 해법일 수 있다. 몇몇 경우에, 크랙의 존재로 인해 잉곳의 사용이 불가능하며, 잉곳을 재용융시켜야만 한다.
소정 원소를 첨가함으로써 산화를 제한하는 것이 가능해지고 표면의 질을 향상시키는 것이 가능해진다는 것이 오랫동안 알려져 왔다.
1943년에, 미국 특허 제2,336,512호에는 용융 금속 표면의 산화를 제한하기 위해 마그네슘 함유 알루미늄 합금에 매우 적은 양의 베릴륨을 첨가하는 것이 설명되었다.
국제 출원 제WO 02/30822호에는 산화를 제한하고자 하는 동일한 목적으로 베릴륨을 칼슘으로 치환하는 것이 설명되었다.
그러나, 첨가제의 사용은 다른 문제를 유발할 수 있다. 베릴륨은, 예컨대 약간의 독성이 있으며, 이는 식품 패키징으로서 사용되는 알루미늄 함금으로부터의 벨릴륨의 제거를 초래하였다. 칼슘은 고온 압연 동안에 에지 크랙을 유발할 수 있다.
다양한 디바이스를 이용하여 용융 금속의 표면을 보호하는 것도 또한 제안되었다.
미국 특허 제4,582,118호는 알루미늄-리튬 합금을 주조하기 위해, 예컨대 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 질소 또는 이산화탄소의 분위기와 같은 비반응성 및 불연성 분위기를 사용하는 것을 제안하였다. 그러나, 상기 방법을 이용하기에는 너무 비용이 많이 든다.
유럽 특허 출원 제0 109.170 A1호에는 용융 금속 표면을 불활성 가스(통상적으로, 염소 또는 다른 할로겐과 함께 또는 염소 또는 다른 할로겐 없이 질소 및/또는 아르곤)으로 스위핑(sweeping)하기 위해 주조 디바이스의 에지에서 배플을 사용하는 것이 설명되어 있다. 그러나, 이들 가스는 사용하기가 까다롭고, 공정 비용을 현저히 증가시킨다.
산화를 제한하기 위한 이산화탄소 또는 연소 가스의 사용이 또한 1977년, C.N. Cochran사 편찬, D.L. Belitskus 및 D.L. Kinosz 저, Metallurgical Transactions B, 제8B권, 제323면 내지 제331면에 의해 알려져 있다.
유럽 특허 출원 제1 964 628 A1호에는, 프로세스의 적어도 하나의 단계가 불화 가스 함유 분위기에서 실시되는, 알루미늄 잉곳의 제조 방법이 설명되어 있다. 그러나, 불화 가스는 사용하기가 까다롭고, 안전에 관한 많은 우려를 안고 있다.
미국 특허 제5,415,220호에는, 주조 동안에 알루미늄-리튬 합금의 표면을 보호하기 위해 염화리튬 및 염화칼륨의 용융 염을 이용하는 것이 설명되어 있다.
그러나, 용융 염을 이용하는 데 있어서의 결점은 용융 금속이 불순물로 오염될 위험과 용융 염을 이용하는 데 있어서의 어려움이다.
미국 특허 제7,267,158호에는, 주물 잉곳의 표면 품질을 향상시키기 위해 용융 금속의 표면 상에, 0.005 kg/m3가 넘는 물을 함유하는 습성 가스를 강제 첨가하는 것이 설명되어 있다. 그러나, 이러한 프로세스는 물과 액체 알루미늄 간의 접촉에 의해 유발되는 폭발의 위험에도 불구하고 수증기와 액체 알루미늄이 서로 접촉하게 된다는 단점을 갖고 있다.
추가로, 유럽 특허 출원 제0 216 393 A1호로부터, 처리 가스가 용융 금속에 주입되고 산화물 코팅을 유발하여 용융 금속의 표면이 파열되는 것을 방지할 때 수소가 용융 금속으로 침투하는 것을 방지하기 위해 액체 알루미늄을 위한 처리 래들에 건조 공기가 사용될 수 있다는 것이 알려져 있다.
본 발명의 과제는 대부분의 산화 가능한 알루미늄 합금, 특히 마그네슘 및/또는 리튬 함유 알루미늄 합금에 적절하고, 상기 문제점들을 갖지 않으며, 전적으로 안전하게 표면 결함과 오염물이 없는 주물 잉곳을 얻는 것을 가능하게 하는 주조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 대상은, 적어도 약 0.1 질량%의 Mg 및/또는 적어도 약 0.1 질량%의 Li를 함유하는 알루미늄 합금의 주조 방법으로서, 알루미늄 합금의 액체 표면은, 적어도 약 2 체적%의 산소를 포함하고 물의 부분 압력이 고화 과정 대부분에 걸쳐 약 150 Pa 미만인 건조 가스와 접촉하는 것인 알루미늄 합금의 주조 방법이다.
본 발명의 제2 대상은, 적어도 약 0.1 질량%의 Mg 및/또는 적어도 약 0.1 질량%의 Li를 함유하는 알루미늄 합금 주조용 설비에서의, 알루미늄 합금의 산화를 최소화하기 위한 알루미늄 합금의 액체 표면 상의 적어도 약 2 체적%의 산소를 포함하고 물의 부분 압력이 약 150 Pa 미만인 건조 가스의 용도이다.
본 발명의 알루미늄 합금의 주조 방법에 따르면, 표면 결함과 오염물이 없는 주조 잉곳을 완전히 전적으로 얻기 위해, 베릴륨 및/또는 칼슘과 같은 첨가제를 사용하는 일 없이, 그리고 고가의 디바이스 및/또는 가스를 이용하는 일 없이 가장 산화 가능한 알루미늄 합금, 구체적으로는 마그네슘 및/또는 리튬을 함유하는 알루미늄 합금을 주조하는 것이 가능하다.
도 1은 반연속적 수직 주조 설비의 개괄적인 다이어그램이다.
도 2는 건조 가스의 흐름을 안내하는 디바이스를 포함하는 반연속적인 수직 주조 실비의 다이어그램이다.
도 3은 주조 플레이트용의 건조 가스의 흐름을 안내하는 디바이스의 다이어그램이다.
도 4는 예 1에서 사용되는 열평형의 다이어그램이다.
도 5는 예 1에서 합금 7449에 대해 실시되는 실험에 있어서 시간에 따라 증가되는 중량을 보여주는 도면이다.
도 6는 예 1에서 합금 AA5182에 대해 실시되는 실험에 있어서 시간에 따라 증가되는 지오메트리 중량을 보여주는 도면이다.
도 7은 예 1에서 합금 AA2196에 대해 실시되는 실험에 있어서 시간에 따라 증가되는 중량을 보여주는 도면이다.
도 8은 예1에서의 테스트 7(도 8a) 및 테스트 5(도 8b) 이후에 얻은 표면의 사진이다.
합금의 명명은 당업자에게 알려져 있는 알루미늄 협회의 규칙을 따른다. 표준 알루미늄 합금의 화학적 조성은 예컨대 표준 EN 573-3에 규정되어 있다.
달리 명시되지 않으면, 유럽 표준 EN 12258-1의 규정이 적용된다.
본 명세서에서, "주조 설비"는 정해지지 않은 형태의 금속을 액체 상태를 통해 대략적인 형태의 반제품(semi-finished product)으로 변형시키는 데 사용되는 모든 디바이스인 것으로 간주된다. 주조 설비는 금속을 용융시키거나, 및/또는 금속을 주어진 온도로 유지하거나, 및/또는 용융 금속을 준비하고 조성을 조정하는 데 필요한 하나 이상의 노, 용융 금속에 용해되거나 및/또는 부유하는 불순물을 제거하는 처리 - 이 처리는 "여과 래들"에서 필터 매체를 통해 용융 금속을 필터링하는 것 또는 "탈기 래들"에서 배스로 불활성 또는 비반응일 수 있는 "처리"가스를 유입시키는 것을 포함할 수 있음 - 를 실시하도록 구성된 하나 이상의 래들, 예컨대 직접 냉경주조(direct chill casting), 수평 주조, 선재의 연속 주조, 실린더들 사이에서의 스트립의 연속 주조, 벨트 캐스터를 사용하는 스트립의 연속 주조에 의해 용융 금속을 고화하는 디바이스(또는 "주조 디바이스") - 몰드(또는 "잉곳 몰드"), 용융 금속 안내용 디바이스(또는 "노즐"), 냉각 시스템을 포함할 수 있음 - 와 같은 다수의 디바이스를 포함할 수 있으며, 이러한 다양한 노, 탱크, 고화 디바이스는 용융 금속을 이송할 수 있는 "이송 트로프"라고 명명된 채널에 의해 서로 연결된다.
놀랍게도, 본 발명자들은, 적어도 약 2 체적%의 산소를 포함하고 물의 부분 압력이 약 150 Pa 미만인 건조 가스와 접촉하게 될 때, 액체 알루미늄 표면은 거의 산화되지 않고, 이것은 허용 불가능한 표면 결함이 없는 주물을 생성하는 것을 가능하게 한다는 점에 주목하였다. 이러한 결과는 놀라운 것인데, 그 이유는 이와 대조적으로 일반적으로 공기에 함유된 수분은 액체 상태의 알루미늄 합금의 산화를 제한하는 것을 가능하게 하는 것으로 인정되기 때문이다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 주조 방법에서 이러한 놀라운 효과가 이용된다.
본 발명에 따른 주조 방법은 적어도 약 0.1 질량%의 Mg 및/또는 적어도 약 0.1 질량%의 Li를 함유하는 고도로 산화 가능한 알루미늄 합금에 대해서 유용하다. 본 발명에 따른 주조 방법은, 특히 계획적으로 첨가되는 베릴륨 및/또는 칼슘을 함유하지 않을 때에 2XXX, 3XXX, 5XXX, 6XXX, 7XXX 또는 8XXX 계열의 합금에 특히 유용하다. 본 발명에 따른 주조 방법은, 3 ppm 미만의 베릴륨 또는 심지어는 1 ppm 미만의 베릴륨 및/또는 15 ppm 미만의 칼슘 또는 심지어는 5 ppm 미만의 칼슘을 함유하는 합금에 대해서 특히 유익하다. 본 발명에 따른 주조 방법이 특히 유익한 합금의 예로는 2XXX 합금 계열에서는, 합금 AA2014, AA2017, AA2024, AA2024A, AA2027, AA2139, AA2050, AA2195, AA2196, AA2098, AA2198, AA2214, AA2219 및 AA2524, 3XXX 합금 계열에서는, 합금 AA3003, AA3005, AA3104 및 AA3915, 5XXX 합금 계열에서는, 합금 AA5019, AA5052, AA5083, AA5086, AA5154, AA5182, AA5186, AA5383, AA5754 및 AA5911, 그리고 7XXX 합금 계열에서는, 합금 AA7010, AA7020, AA7040, AA7140, AA7050, AA7055, AA7056, AA7075, AA7449, AA7450, AA7475, AA7081, AA7085, AA7910, 및 AA7975이 있다.
건조 가스는 적어도 약 2 체적%의 산소를 함유해야만 하고, 물의 부분 압력이 약 150 Pa 미만, 바람직하게는 100 Pa 미만, 더 바람직하게는 70 Pa 미만이어야만 한다. 매우 유익한 실시예에서, 물의 부분 압력은 심지어 30 Pa 미만이고, 바람직하게는 5 Pa 미만이며, 훨씬 더 바람직하게는 1 Pa 미만이다. 가스의 물의 부분 압력도 역시 증기압이라는 이름으로 알려져 있다. 총 압력(P)의 이상 기체의 혼합물에서 이상 기체(i)의 부분 압력은, 이 이상 기체가 혼합물에 이용 가능한 그 자체의 체적을 점유하는 경우에 이상 기체(i)의 분자에 의해 인가되는 압력으로서 정의된다. 가스의 이슬점은, 가스가 수증기로 포화되는 온도이며, 현재 기압 조건이 변하지 않는 상태로 유지된다. 상기 이슬점은 또한, 스팀 압력이 포화 증기압과 동일한 온도로서 정의될 수도 있다. 150 Pa의 물의 부분 압력은 -17.9 ℃의 이슬점과, 이 온도에서의 0.0013 kg/m3의 물의 양에 해당한다. 100 Pa의 물의 부분 압력은 -22.6 ℃의 이슬점과, 이 온도에서의 0.0009 kg/m3의 물의 양에 해당한다. 70 Pa의 물의 부분 압력은 -26.5 ℃의 이슬점과, 이 온도에서의 0.0006 kg/m3의 물의 양에 해당한다.
건조 공기는 또한, 공기, 헬륨, 아르곤, 질소, 이산화탄소, 일산화탄소, 천연 가스 연소 생성물, 메탄, 에탄, 프로판, 천연 가스, 유기 불화 화합물, 유기 염화 화합물로부터 선택된 적어도 하나의 가스를 포함하는 것이 유익하다. 몇몇 경우에 건조 가스에 이산화탄소를 첨가함으로써 항산화 효과가 향상된다. 본 발명의 일실시예에서, 건조 가스는 1 체적% 내지 10 체적%의 CO2를 포함한다. 그러나, 이것은 효과가 제한되고, CO2를 첨가함으로써 비용이 들기 때문에, 본 발명의 다른 유익한 실시예에서 건조 가스의 CO2 함량은 1 체적% 미만 또는 심지어는 0.1 체적% 미만이다. 본 발명의 유익한 실시예에서, 상기 건조 가스는 소망하는 물의 부분 압력에 도달하기 위해, 주로 임의의 적절한 수단에 의해 건조된 공기이다.
본 발명에 따르면, 건조 가스는 알루미늄 합금의 고화 과정 대부분 동안에 알루미늄 합금의 액체 표면과 접촉하게 된다. 건조 가스는 알루미늄 합금의 액체 표면 위에, 물의 함량이 건조 가스의 물의 함량과 실질적으로 동일하거나, 일반적으로 10 % 또는 20 % 미만으로 상이한 분위기를 확립하기 위해, 즉 상기 분위기 내의 대기로부터 나온 수증기의 상당한 확산을 방지하기 위해 알루미늄 합금의 액체 표면과 접촉하는 것이 바람직하다.
따라서, 건조 가스의 흐름을 사용하여 이러한 접촉이 이루어질 때, 상기 분위기를 확립하기 위하여 이러한 건조 가스의 흐름은 건조 가스의 흐름의 영향을 받는 액체 표면에 관하여 충분한 것이 유익하다. 이러한 흐름이 너무 느리면, 상기 분위기의 조성은 외부 분위기에 의해 너무 큰 영향을 받을 수 있으며, 상기 분위기의 물의 함량은 더 이상 소망하는 함량에 상응하지 못할 것이다.
추가로, 주조품의 표면 품질에 대해 유익한 효과를 얻기 위해, 일반적으로 도 1에 예시된 바와 같이 이용 가능한 알루미늄 합금의 액체 표면(14, 15) 전부가 건조 공기와 접촉하는 것이 필수적인 것은 아니다. 유익하게는, 건조 가스와 접촉하게 되는 알루미늄 합금의 액체 표면은 상기 알루미늄 합금의 전체 액체 표면의 10 % 이상, 바람직하게는 25 % 이상, 더 바람직하게는 50 % 이상을 차지한다.
알루미늄 합금의 액체 표면은 고화 과정의 대부분 동안에 건조 가스와 접촉된 상태로 유지된다. 이에 따라, 용융 금속이 주조 디바이스에 도입되는 즉시, 액체 표면을 건조 가스와 접촉시키는 것이 필수적이지는 않지만, 정적 모드가 확립되는 즉시 이것을 행하는 것이 바람직하다. 예컨대, 집적 냉경주조의 경우, 적어도 더미 저부가 하강하기 시작할 때, 또는 이후의 공정 동안에 절단되지 않는 구역을 주조하기 시작할 때 냉경주조를 행하는 것이 바람직하다. 주조 동안에, 특히 표면 결함이 나타나면, 건조 가스의 흐름을 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 건조 가스의 흐름이 증가함으로써, 몇몇 경우에 주조품에서의 주름을 없어지게 하는 것이 가능해진다. 액체 표면과 건조 가스 사이의 접촉은 가능하다면 주조의 종료 전에, 구체적으로는 후속 공정에서 절단되는 구역에 도달했을 때 제거될 수 있다. 일반적으로 알루미늄 합금의 액체 표면은 고화의 적어도 20 % 또는 심지어 적어도 90 % 동안에 건조 가스와 접촉된 상태로 유지된다.
본 발명은 다양한 주조 공정에 적용되며, 바람직하게는 직접 냉경주조, 수평 주조, 선재의 연속 주조, 실린더들 사이에서의 스트립의 연속 주조, 및 벨트 캐스터를 이용하는 스트림의 연속 주조에 적용된다.
당업자에게 "직접 냉경주조" 또는 "DC 주조"로 알려져 있는 프로세스는 본 발명과 관련하여 바람직한 프로세스이다. 이 프로세스에서, 알루미늄 합금은, 고화 중에 용융 금속의 실질적으로 일정한 레벨을 유지하도록 더미 저부를 수직 방향으로 연속적으로 이동시키면서 더미 저부를 갖는 잉곳 몰드에서 주조되며, 이때 고화되는 면은 물로 직접 냉각된다. 도 1은 이 프로세스를 예시한다. 알루미늄 합금은 도관(4)에 의해 더미 저부(21) 상에 배치된 잉곳 몰드(3)에 공급된다. 알루미늄 합금은 직접 냉각(5)에 의해 고화된다. 알루미늄 합금은 고화될 때(1), 적어도 하나의 고체 표면(11, 12, 13)과 액체 상태의 적어도 하나의 알루미늄 표면을 가지며, 이 액체 상태의 적어도 하나의 알루미늄 표면(14, 15)은 산화물로 덮일 수 있고, 발명의 상세한 설명에서는 이 표면을 "액체 표면"이라고 부른다. 승강기(2)로 인해, 액체 알루미늄 표면(14, 15)의 수직 위치를 실질적으로 일정하기 유지하기 위해 고화되는 알루미늄 합금을 점진적으로 하강시키는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 프로세스는 직접 냉각에 의한 플레이트 및 빌릿(billet)의 주조에 대해서 특히 유익하다. 본 발명에 따른 프로세스는 대형 사이즈의 플레이트, 구체적으로는 섹션이 0.5 m2보다 큰 플레이트의 주조에 대해서 특히 유익하다.
다수의 디바이스가, 본 발명에 따라 건조 가스가 알루미늄 합금의 액체 표면과 집적 접촉하도록 한다. 직접 냉경주조의 경우, 디바이스는 i) 건조 가스를 액체 표면의 에지에서부터 액체 표면의 중앙으로 유입하기 위해 잉곳 몰드에 통합 또는 고정되거나, ii) 건조 가스를 실질적으로 액체 표면에 대해 수직으로 유입하도록 액체 표면 위에 위치되거나, iii) 건조 가스를 액체 표면의 중앙으로부터 액체 표면의 에지로 및/또는 에지로부터 중앙으로 유입하도록 용융 금속 주입기 둘레에 고정되거나, 및/또는 iv) 디바이스는 이러한 디바이스들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다.
직접 냉경주조의 경우에 가스를 생성하는 데 유익한 디바이스가 도 2에 도시되어 있다. 이러한 유익한 실시예에서, 건조 가스(7) 흐름이 용융 금속 주입 구역에서 상기 액체 표면의 중앙에서부터 액체 표면의 에지로 및/또는 액체 표면의 에지에서 액체 표면의 중앙으로 안내되도록 건조 가스는 용융 금속 주입기(4) 둘레에 고정된 가스 안내 디바이스(6)를 사용하여 공급된다. 유익하게는, 가스 안내 디바이스는, 용융 금속 주입 구역 둘레에 위치되는 산화물 유지 댐("skim dam")에 고정될 수 있다. 이러한 방식으로, 아마도 산화가 최고인 구역, 즉 용융 금속 주입기 부근의 구역과, 스킴 댐과 잉곳 몰드 사이에 위치되는 구역 - 이 구역은 보다 정확하게 말하자면 주물에 표면 결함이 최대로 생성될 수 있는 구역임 - 에서 보다 많은 양의 건조 가스 흐름을 얻을 수 있다. 이러한 구성은 또한 가스 안내 디바이스의 치수를 제한하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 주조 프로세스로부터의 건조 가스는 또한 주조 플랜트의 다른 부분에서, 산화를 최소화하기 위해 적어도 약 0.1 질량%의 Mg 및/또는 적어도 약 0.1 질량%의 Li를 함유하는 알루미늄 합금의 액체 표면에 대해 사용될 수 있다. 주조 설비는, 내부에서 알루미늄 합금의 액체 표면이 분위기와 접촉하는 다수의 다른 디바이스를 포함한다. 이에 따라, 건조 가스는 노, 구체적으로는 용광로 또는 보온로 내에서의, 여과 래들 또는 탈기 래들과 같은 처리 장치 내에서의, 또는 이송 트로프와 같은 이송 채널 내에서의 알루미늄 합금의 액체 표면의 산화를 제한하는 데 사용되는 것이 유익할 수 있다. 이러한 용도를 위해, 본 발명에 따른 프로세스에서 설명된 것과 유사한 건조 가스 및/또는 알루미늄 합금의 조성을 사용하는 데 관한 조건, 구체적으로는 건조 가스의 준비에 관한 조건이 사용되는 것이 바람직하다.
유익하게는, 본 발명에 따른 주조 프로세스에서 건조 가스는 또한 적어도 하나의 노, 구체적으로는 용광로 또는 보온로에서 및/또는 여과 래들 또는 탈기 래들과 같은 적어도 하나의 처리 탱크에서, 및/또는 이송 트로프와 같은 적어도 하나의 이송 채널에서 사용된다.
본 발명에 따른 프로세스 및/또는 본 발명에 따른 용도에 의해 얻어진 제품은 특히 시트 및 섹션을 얻기 위해, 옵션으로서 구체적으로 롤링, 스피닝 및/또는 단조에 의해 주조될 수 있다.
본 발명은 표면 결함과 오염물이 없는 주조 잉곳을 전적으로 안전하게 얻기 위해, 베릴륨 및/또는 칼슘과 같은 첨가제를 사용하는 일 없이, 그리고 고가의 디바이스 및/또는 가스를 이용하는 일 없이 가장 산화 가능한 알루미늄 합금, 구체적으로는 마그네슘 및/또는 리튬을 함유하는 알루미늄 합금을 주조하는 것을 가능하게 한다.
예
예 1
이 예에서, 용융 금속의 산화는 열무게 분석(thermogravimetric analysis)에 의해 측정되었다. 이러한 테스트에서, 용융 금속을 포함하는 도가니는 제어된 온도로 유지된다. 이러한 도가니는 약 5 kg의 금속을 함유하고, 직경이 100 mm이다. 거시적인 효과를 고려할 수 있는 이러한 실험에 관한 상당한 크기는, 종종 종래 기술에서 보고된 극소량에 대해 실시된 실험과의 차이를 설명할 수 있다. 샘플의 질량은 연속적으로 측정된다. 중량에 있어서의 증가는 용융 금속의 산화로 인한 것이다. 이러한 실험을 나타내는 다이어그램이 도 4에 제시되어 있다.
건조 가스(7)는 내경이 4 mm이고 용융 금속(14)의 표면에 대해 경사지게 배치된 금속관(6)에 의해 이 표면으로 안내된다. 도가니(93)의 중량과, 노(91) 내에서의 그 함량을 인시츄식(in situ)으로 연속 측정하는 데 저울(92)이 사용된다. 금속관의 개구와 용융 금속의 표면 사이의 거리는 120 mm였다. 사용되는 공기는 물의 부분 압력이 70 Pa에 도달할 때까지 건조될 수 있다.
3개의 합금, 즉 합금 AA7449, AA2196 및 AA5182을 연구하였다. 다양한 테스트의 조건이 표 1에 요약되어 있다. 모든 테스트에서, 베릴륨 및 칼슘의 함량은 유사하였으며, 각각 1ppm 미만 및 10 ppm 미만이었다.
테스트 합금 가스 유량
(l/min)		 가스 주입 가스의 물의 부분 압력(Pa)
1 AA5182 7.9 건조 공기 < 70 Pa
2 AA5182 0 대기 < 600 Pa
3 AA2196 7.9 건조 공기 < 70 Pa
4 AA2196 0 대기 < 600 Pa
5 AA7449 4.1 건조 공기 < 70 Pa
6 AA7449 3.8 대기 < 600 Pa
7 AA7449 0 대기 < 600 Pa
8 AA7449 4.1 건조 공기 180 Pa
9 AA7449 3.8 건조 공기 600 Pa
열평형에 의해 실시되는 테스트 조건
도 5 내지 도 8은 얻어진 결과를 보여준다.
도 5는 합금 AA7449에 대하여 얻어진 결과를 보여준다. 매우 건조한 공기의 흐름이 사용되는 테스트 5의 경우에는 중량이 매우 소량 증가한다. 물의 부분 압력이 600 Pa(이슬점 -0.2 ℃, 테스트 9) 또는 심지어는 180 Pa(이슬점 -15.6 ℃, 테스트 8)로 유지되는 건조 공기와 액체 표면을 접촉시킴으로써 산화를 상당량 제한하는 것이 가능하다. 동일한 방식으로, 가스 흐름과 관련된 순수한 기계적 효과를 배제하는 대기는 흐름을 이용하거나 흐름을 이용하지 않고(테스트 6 및 7) 산화를 제한하는 것이 불가능하다.
도 6는 합금 AA5182에 대하여 얻어진 결과를 보여준다. 이 합금의 경우에도 역시 매우 건조한 공기의 흐름이 존재할 시에 산화가 현저히 감소된다는 점이 주목된다.
도 7은 합금 AA2196에 대하여 얻어진 결과를 보여준다. 이 합금의 경우에도 또 다시 매우 건조한 공기의 흐름이 존재할 시에 산화가 현저히 감소된다는 점이 주목된다.
도 8a는 테스트 7(대기)의 경우에 테스트 후에 얻어진 표면의 사진이다. 대량의 산화가 관찰되며, 고유한 어두운 색상의 꽃양배추 형상 산화 생성물이 형성된다. 도 8b는 테스트 5(건조 공기)의 경우에 테스트 후에 얻어진 표면의 사진이다. 균일한 연회색 표면이 관찰되며, 이는 미세 산화물막에 해당한다.
예 2
합금 AA7449로 형성된 446 mm × 2160 mm 직사각형 섹션의 플레이트가 AlTiC 제련을 이용하여 DC-주조되었다. 얻어진 플레이트의 길이는 900 mm 내지 4000 mm의 범위였다. 상기 합금의 베릴륨 함량은 1 ppm 미만이었고, 칼슘의 함량은 15 ppm 미만이었다.
도 3은 플레이트가 주조될 때 건조 공기를 공급하는 데 사용되는 가스 안내 디바이스를 예시한다. 가스 안내 디바이스는, 알루미늄 합금의 액체 표면 상에 건조 가스(7)를 주입하는 데 사용되는 개구(63)가 규칙적으로 천공된 4개의 관(611, 612, 621, 622)으로 구성된다. 튜브는 직사각형을 형성하도록 나사 결합형 연결부(9)에 의해 연결된다. 튜브에는 2개의 파이프(81, 82)를 통해 상기 나사 결합형 연결부들 중 2개에 의해 가스가 공급된다. 가스 안내 디바이스의 길이(L)와 폭(l)(L = 1285 mm, l = 300 mm, 개구들 사이의 간격: 20 mm)은 잉곳 몰드의 길이 및 폭의 약 70 %을 차지하며, 이에 따라 건조 가스 흐름의 영향을 받는 표면은 알루미늄 합금의 액체 표면 전체의 약 50 %를 차지한다(총 액체 표면: 0.96 m2, 건조 흐름의 영향을 받는 표면: 0.58 m2).
5 체적%의 CO2를 함유하는 몇몇 경우에, 건조 가스는 물의 부분 압력이 60 Pa인 건조 공기였다.
표 2에는 실시되는 다양한 테스트의 조건과 얻어진 결과가 기재되어 있다.

테스트
주조 길이
[mm]		 건조 공기의 유량
[m3/h]
(주조 길이)		 건조 공기
흐름의
% CO2
관찰
21 917 없음 - 길고(~ 200 mm) 깊은 수직 주름

22
2776
 없음
(시작)		 - 길고(~ 200 mm) 깊은 수직 주름
22
(1150 mm)		 5 % 주름 없음


23

3575

 22
(시작)		 0 % 소수의 짧고(~ 40 mm) 얕은 수직 주름
27
(1150 mm)		 0 % 소수의 짧고(~ 40 mm) 얕은 수직 주름
32
(2500 mm)		 0 % 주름 없음
주조 테스트의 조건과 얻어진 결과
건조 공기의 효과가 다수의 상황에 대해 제시되었으며, 테스트 22 동안에 액체 표면이 건조 공기와 직접 접촉함으로써 깊은 주름이 사라지게 되는 것이 가능하였다. 동일한 방식으로, 테스트 23에서 건조 공기의 존재는 테스트의 시작에 있어서 플레이트 주조에 대한 만족스러운 표면 품질을 얻는 것을 가능하게 하였다[몇몇 짧고(~40 mm) 얕은 수직 주름]. 추가로, 이 테스트의 경우에는 건조 공기의 흐름에 있어서의 증가가 주름이 사라지게 되는 것을 가능하게 하였다. 표면 품질에 대한 건조 가스 내의 CO2의 존재의 효과는 CO2가 존재한다면 물의 부분 압력의 효과에 비해 2 제곱배이다. 따라서 테스트 23에 있어서, CO2의 부재하에 만족스러운 결과를 얻었다.
2 : 승강기
3 : 잉곳 몰드
4 : 도관 또는 용융 금속 주입기
5 : 금속관 또는 가스 안내 디바이스
7 : 건조 가스
91 : 노
92 : 저울
93 : 도가니

Claims (15)

  1. 적어도 0.1 질량%의 Mg나, 적어도 0.1 질량%의 Li이나, 또는 적어도 0.1 질량%의 Mg와 적어도 0.1 질량%의 Li를 함유하는 알루미늄 합금의 주조 방법으로서, 상기 알루미늄 합금의 액체 표면은, 적어도 2 체적%의 산소를 포함하고 물의 부분 압력이 150 Pa 미만인 건조 가스와 고화 과정의 일부 또는 전체에 걸쳐 접촉하는 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 건조 가스의 물의 부분 압력은 100 Pa 미만인 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액체 표면 위에, 물의 함량이 건조 가스의 물의 함량과 동일한 분위기가 확립되도록, 상기 건조 가스는 상기 액체 표면과 접촉하는 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 건조 가스 흐름의 영향을 받는 상기 알루미늄 합금의 액체 표면은 알루미늄 합금의 액체 표면 전체의 적어도 10 %를 차지하는 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 2XXX, 3XXX, 5XXX, 6XXX, 7XXX 또는 8XXX 계열의 합금인 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 베릴륨이나, 칼슘이나, 또는 베릴륨과 칼슘의 의도적인 첨가를 포함하지 않는 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 건조 가스는 또한 공기, 헬륨, 아르곤, 질소, 이산화탄소, 일산화탄소, 천연 가스 연소 생성물, 메탄, 에탄, 프로판, 천연 가스, 유기 불화 화합물, 유기 염화 화합물로부터 선택된 적어도 1종의 가스를 포함하는 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 건조 가스는 공기인 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 건조 가스의 CO2 함량은 1 체적% 미만인 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금의 주조 방법은 직접 냉경주조(direct chill casting), 수평 주조, 선재 연속 주조, 실린더들 사이에서의 스트립의 연속 주조 및 벨트 캐스터를 사용하는 스트립의 연속 주조로부터 선택되는 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 알루미늄 합금의 주조 방법은, 상기 건조 가스가 용융 금속 주입기(4) 둘레에 고정된 디바이스(6)를 사용하여 공급되어 상기 건조 가스 흐름이 용융 금속 주입 구역에서 상기 액체 표면의 중앙부로부터 액체 표면의 에지를 향하도록, 또는 액체 표면의 에지로부터 액체 표면의 중앙부를 향하도록, 또는 상기 건조 가스 흐름이 용융 금속 주입 구역에서 상기 액체 표면의 중앙부로부터 액체 표면의 에지를 향하도록 그리고 액체 표면의 에지로부터 액체 표면의 중앙부를 향하는 직접 냉경주조 방법인 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 건조 가스는 또한 적어도 하나의 노(爐), 적어도 하나의 처리 탱크 및 적어도 하나의 이송 채널 중 하나 이상에서 사용되는 것인 알루미늄 합금의 주조 방법.
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