KR101781019B1 - Ａｌ-Ｓｎ 합금 용탕의 전자기 교반장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도와 내구성, 내식성 및 열전도성이 요구되는 베어링소재로 사용되는 Al-Sn합금(4.5~40%Sn)과 같은 불용성 합금의 주조에 있어서, 용탕처리 과정에서 레들 내부의 용탕에 대해1~3방향으로 적용하는 전자장을 통해 용탕의 교반 및 레들의 진동을 발생시킴으로서 알루미늄 기지조직 내에 미세한 Sn 입자가 잘 분산된 균질 조직을 얻을 수 있도록 한 Al-Sn 합금 용탕 처리장치 및 처리기술(용해로, 레들, 교반장치 및 턴디쉬를 포함)을 제공하고자 하는 것으로서,
Al-Sn 합금 용탕을 처리하기 위한 처리장치(1)와, 상기 처리장치의 외측부에 위치한 전자석(6)과, 상기 전자석에 전압을 공급하기 위한 전압 공급원(10)으로 구성된 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕을 균일하게 교반하기 위한 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
용해로에서 Al-Sn 합금 용탕을 제조하는 단계와, 상기 Al-Sn 합금 용탕을 처리장치에 장입하는 단계와, 상기 처리장치의 외측부에 펄스 자기장을 인가시켜 처리장치에 장입된 용탕을 전자기 교반하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕의 균질 교반방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, Al-Sn과 같이 액상에서 혼합되지 않는 2원 합금의 용융금속을 기반으로 하는 주조과정의 용탕처리에 있어서, 레들 내부의 용탕에 대해 1~3방향으로 적용하는 전자장을 통해 용탕의 교반 및 레들의 진동을 발생시켜 용탕 주입온도(570에서 800℃)에서 이미 알루미늄 내의 Sn 중량분률이 넓은 범위에서도 고도의 분산이 이루어지는 효과가 있고, 이에 따라 소재의 요구특성에 맞는 제품 주조가 가능한 효과가 있다.

Description

Ａｌ-Ｓｎ 합금 용탕의 전자기 교반장치 및 방법 {METHODS AND DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC STIRRING OF THE Sn-Al ALLOY }

이 발명은 내연기관에 사용되는 베어링과 같이 고강도 및 우수한 마찰 특성이 요구되는 합금의 주조기술 및 장치에 관한 발명으로서, 전자물리학, 금속응고 조직제어기술 등이 적용되며, 특히 베어링에 사용되는 Al-Sn 합금과 같은 불용성 합금에 대한 주조시 용탕의 합금 성분을 전자기 교반을 통해 균일하게 교반하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄합금 용탕의 탈가스처리 방식은 회전되는 임펠러 안으로 Ar 가스를 주입하면서 회전시키는 기계적 교반방식인 GBF(Gas Bubbling Filtration) 장치를 통해 알루미늄 용탕의 탈 가스 작업을 수행하게 되며 GBF장치는 임펠러가 회전하면서 미세한 버블이 생기며 이 버블은 알루미늄 용탕중에 혼입된 수소가스나 기타 이물질과 함께 부상 분리시키는 역할을 한다.

이러한 아르곤 가스를 주입하면서 흑연봉으로 만든 임펠러를 회전시키면 미세한 버블이 발생하여 용탕내 수소가스나 기타 개재물과 함께 부상분리시킴으로서 제품의 기포 및 기타 주조결함을 제어하게 된다. GBF교반의 경우 용탕에 회전력을 가해 토로이달 형태의 교반이 이루어지는데, 이 경우 회전의 중심부와 가장자리에 적용되는 교반속도에 차이가 발생하여 일관적인 교반이 이루어지지 않는다는 단점이 있다. 이러한 경우 Al-Sn합금과 같이 성분원소간 밀도와 표면장력에 큰 차이가 존재하는 경우 효과적인 용탕 교반을 기대하기 어렵다. 특히 임펠러 교반의 경우 임펠러를 용해로의 바닥으로부터 어느 정도 공간을 두고 그 축을 수직으로 세워서 회전시키는데, 이러한 방식은 Sn과 같이 높은 밀도로 인해 용탕 바닥으로 가라앉는 원소의 교반에 적합하지 않다.

또한, GBF교반의 경우 5~15분 가량 교반을 적용한 후 용탕에 잔류하고 있는 수소가스 포집을 위해 교반없이 용탕을 수 분간 진정시키는데 Ar가스 주입상태로 방치하는데 Al-Sn용탕의 경우 이 시간 동안 Sn입자들이 재결집하여 조대한 상을 만들고 용탕 바닥으로 가라앉게 된다.

Sn이 6.5, 25, 40% 함유된 Al-Sn합금을 GBF처리에 의해 주조할 경우 미세조직 관찰결과 조대하며 균일하지 못한 조직이 형성되며 Sn입자의 크기는 50~85㎛로 관찰되었으며 그리고 조직 내부에 가스 기포가 다수 관찰되었다. 임펠라에 의해 도가니 내부에서 원형의 움직임을 통한 용탕 교반은 용탕 처리 후 Sn입자의 재응집에 의해 입자가 다시 조대해지는 것이므로 조대한 Sn입자의 생성은 GBF처리의 적용 시간에 크게 영향을 받지 않는다.

GBF 교반의 또 다른 단점은 용탕 내부에서 임펠러가 회전하면서 발생시키는 용탕의 오염이다. 임펠러 축을 용해로와 수직으로 하여 회전시키는 경우 축 부위와 가장자리에 인가되는 교반속도의 차이로 인해 용탕표면에 부유해 있던 비금속 개제물이나 산화물이 용탕의 회전 중심부로 빨려들어가는 현상이 발생하게 된다. 또한 일반적으로 임펠러 교반처리가 끝난 후 탈가스를 위해 5~15분정도 용탕을 교반없이 유지시키는데 Al-Sn용탕의 경우 이때 Sn이 재응집하여 조대한 입자를 형성하여 침강하게 된다.

현재 알려진 전자기 교반방식 중 하나는 교반기나 용해로 측면에 연속 자기장을 인가하여 용탕을 용해로 최하부에서 최상단까지 전체적으로 이동시키는 방식이다. (RU № 2113672, IPC F27D23 / 04 06.20.1998). 용탕 표면의 특정층을 상부로 밀어 올려 전체 용탕에 대해 회전력을 가하게 되는데 이러한 경우 용탕의 위치에 따라 다른 압력을 받게 되며 용탕의 위치별로 이동속도도 상이해진다. 이러한 형태의 용탕 회전은 Al-Sn합금과 같이 편석이 잘 일어나는 합금에는 용탕을 편석없이 균일하게 교반시키기에는 부적합하다.

용탕에 전자기 교반을 가하는 또 다른 방식으로 용탕 측면에 연속 자기장을 인가하여 용해로 내부의 용탕을 전체적으로 회전시킴과 동시에 교반을 수행하는 방식이 있다. (UA 89 970 IPC (2014) F27D 27/00, 05.12. 2014). 이 경우 자기장의 방향은 주기적으로 반대로 바뀌며 그에 따라 용탕의 회전방향도 반대가 된다. 이 방식 역시 단점은 인가된 자기장에 의해 직접적으로 교반력을 받는 용탕의 체적이 매우 제한적이라는 점이다. 인가된 자기장은 용해로 표면에 위치한 제한된 영역의 용탕에만 적용된다. 자기장은 용탕을 전체적으로 회전시키기는 효과 정도이며 용탕 전반에 가해지는 진동의 강도도 약하고 에너지의 소비도 심한 편이다.

또 다른 비슷한 방식으로 전자기 교반을 일으키는 용해로에 기계적 진동 장치를 추가적으로 결합한 형태가 있다. (CN202216527 U). 이 장치는 반응고 주조를 목적으로 고안되었으며 (CN102062543 B) 연속주조 장치에 적용되기도 한다(CN 2438526 Y). 이 경우 전자기 교반 장치와 진동장치가 독립적으로 설치되는데 이 경우 두 장치에 인가되는 전류의 파동이나 위상을 일괄제어 하는데 어려움이 있으며 이는 장치의 파손 위험을 야기시킨다. 그리고 이 방식 역시 용탕내부에 인가되는 전자장의 양상이 Al-Sn과 같은 불용성 합금을 교반시키기에 충분치 않다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
고강도와 내구성이 요구되는 베어링소재로 사용되는 Al-Sn합금(4.5~40%Sn)과 같은 불용성 합금의 주조에 있어서, 용탕처리 과정에서 레들 내부의 용탕에 대해1~3방향으로 적용하는 전자장을 통해 용탕의 교반 및 레들의 진동을 발생시킴으로서 알루미늄 기지조직 내에 미세한 Sn 입자가 잘 분산된 균질 조직을 얻을 수 있도록 한 Al-Sn 합금 용탕 처리장치 및 처리기술(용해로, 레들, 교반장치 및 턴디쉬를 포함)을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은
Al-Sn 합금 용탕을 처리하기 위한 처리장치(1)와, 상기 처리장치의 외측부에 위치한 전자석(6)과, 상기 전자석에 전압을 공급하기 위한 전압 공급원(10)으로 구성된 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕을 균일하게 교반하기 위한 장치를 제공한다.
여기에서 상기 전자석은 처리장치의 바닥, 또는 측면, 또는 바닥과 측면에 부착되어 있으며,
상기 처리장치와 전자석 사이에는 개스킷(4)이 개재되어 있으며,
상기 전압공급원은 상기 전자석회로망(11)으로부터 전력을 공급받아 코일(5)을 통하여 전자석에 인가되도록 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은
용해로에서 Al-Sn 합금 용탕을 제조하는 단계와, 상기 Al-Sn 합금 용탕을 처리장치에 장입하는 단계와, 상기 처리장치의 외측부에 펄스 자기장을 인가시켜 처리장치에 장입된 용탕을 전자기 교반하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕의 균질 교반방법을 제공한다.
여기에서 상기 Al-Sn 합금용탕을 제조하는 단계는 용해로에서 Sn이 1~40% 함유된 Al-Sn 합금을 660~800℃로 가열하여 용탕을 제조하는 단계와, 상기 합금 용탕에 Ar가스를 주입함과 동시에 임펠러를 이용한 기계적 교반을 5~10분간 실시하는 단계로 구성되며,
상기 전자기 처리장치의 바닥, 또는 측면, 또는 바닥과 측면에 위치한 전자석에 의해 1방향 또는 2방향 또는 3방향으로 생성되는 펄스자기장에 의해 수행되는 전자기 교반 및 기계적 진동으로 행하여지며,
상기 용탕 교반의 기계적 진동은 전자석과 접촉된 용탕이 담긴 철제 처리장치의 표면사이의 인력으로 인해 발생하는 것이며,
상기 전자기 교반이 2방향 또는 3방향으로 인가되는 경우 각각의 전자장은 상호 90도의 각을 이루며,
상기 측면에 위치한 전자석은 서로 0~180도의 각으로 위치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, Al-Sn과 같이 액상에서 혼합되지 않는 2원 합금의 용융금속을 기반으로 하는 주조과정의 용탕처리에 있어서, 레들 내부의 용탕에 대해 1~3방향으로 적용하는 전자장을 통해 용탕의 교반 및 레들의 진동을 발생시켜 용융물을 붓는 온도(570에서 800℃)에서 이미 알루미늄내의 Sn 중량분률이 넓은 범위에서도 고도의 분산이 이루어지는 효과가 있고, 이에 따라 소재의 요구특성에 맞는 제품 주조가 가능한 효과가 있다.

도1은 이원계 합금 교반을 위한 장치의 구조도로서 레들(1)의 바닥에 전자석(6) 극점이 부착된 형태이다. 레들은 용탕(2)의 온도 유지를 위해 유리섬유(Glass wool)로 . 전자석(6)과 (1) 부착한다. 이러한 구조에서 전자기 방향은 수직 형태가 되며 그 반대 로 기계적 진동이 발생한다.
도2는 레들(1) 측면에 전자석(6) 극점이 부착된 형태의 구조도이다. 이러한 구조에서 전자기 교반의 방향은 수평 형태가 되며 그 반대 방향으로 기계적 진동이 발생한다.
도3은 레들(1)의 바닥에 하나의 전자석(6), 측면에 하나의 전자석(6)을 부착한 형태의 구조도이다. 바닥과 측면 모두 glass wool에 의해 층이 만들어지며 전자기 교반의 방향은 수직과 수평이 중첩되어 나타난다.
도4A와 4B는 레들(1) 바닥에 하나의 전자석(6), 측면에 두 개의 전자석(6) 극점을 부착한 형태의 구조도이다. 측면에 부착된 두 개의 전자석은 90도의 각을 이룬다. 각각의 극점에서 전자장과 진동이 발생한다.
도5A는 전자석을 바닥에 위치시킬 경우 레들(1) 내부의 용탕(2)에 인가되는 전자기력(Fem)과 레들 표면에 작용하는 인력에 의한 진동(Fvibr)의 방향 및 그에 따른 용탕의 교반형태(3)를 나타낸 구조도이다.
도5B는 시간에 따른 Fem과 Fvibr의 강도를 나타낸 그래프이다.
도5C는 바닥에 전자기 교반이 적용된 용탕을 나타낸 사진이다.
도6A는 자기장이 레들 측면에 적용되었을 때 나타나는 용탕의 교반 형태(3)이다.
도6B는 시간에 따른 Fem과 Fvibr의 강도를 나타낸 그래프이다.
도6C는 측면에 전자기 교반이 적용된 용탕을 나타낸 사진이다.
도 7A, B, C는 전자장의 위상차가 π/2인 전자장이 바닥과 측면에서 동시에 적용된 경우를 나타내는 구조도로서,
A는 2방향에서 인가된 전자기력에 의한 (3) 및 기계적 진동(15)의 형태를 나타낸다.
도7B는 시간에 따른 Fem과 Fvibr의 강도를 나타낸 그래프이다.
도7C는 위 조건으로 교반되는 용탕의 사진이다.
도 8A, B, C는 전자장의 위상차가 0인 전자기 교반이 바닥과 측면에서 동시에 적용된 경우를 나타내는 그림으로서,
A는 2방향에서 인가된 전자기력에 의한 (3) 및 기계적 진동의 방향(15)을 나타낸다.
도8B는 시간에 따른 Fem과 Fvibr의 강도를 나타낸 그래프이다.
도8C는 위 조건으로 교반되는 용탕의 사진이다.
도 9A, B, C는 전자장의 위상차가 2π/3인 전자기 교반이 바닥과 측면에서 동시에 적용된 경우를 나타내는 그림으로서,
도9A는 2방향에서 인가된 전자기력에 의한 용탕의 교반(3)및 기계적 진동(15)의 방향을 나타낸다.
도9B는 시간에 따른 Fem과 Fvibr의 강도를 나타낸 그래프이다.
도9C는 위 조건으로 교반되는 용탕의 사진이다.
도10A, B, C는 인가되는 두 전자장의 위상차가 각각π/2, 0, 2π /3일 때, 용탕에 적용되는 전자기 교반과 기계적 진동의 강도와 방향을 함께 나타낸 그래프이다.
도11은 전자석과 레들이 반응하여 생성된 진동에 의한 물 표면의 반응을 나타낸 사진으로서,
도11A는 두 전자장 사이의 위상차가 π/2일 때, 도11B는 0, 도11C는 2/3π일 때의 진동을 나타낸다.
도12A, B는 GBF처리한 Al-25%Sn 합금의 조직사진이다. 도12A는 20분간 교반 후 700℃에서 금형몰드에 주입한 조직이며, 도12B는 740℃에서 주입한 조직이다.
도13은 바닥에 작용하는 전자장에 의해 1분간 용탕 교반 후 주조한 Al-25%Sn합금의 조직사진이다. 도13A, B는 각각 716℃, 710℃의 주입온도에서 주조한 조직이다.
도14A, B는 바닥과 측면, 2방향으로 전자장을 적용한 Al-25%Sn합금의 조직사진이다. 교반 적용시간은 1분이며 각각 용탕온도737℃(도14 A), 720℃(도14 B)에서 주입한 조직이다.
도15는 Al-25%Sn합금의 주조에서 용탕 처리 방식에 따른 Sn입자의 최대, 최소 크기를 비교한 그래프이다.
도16은 Al-25%Sn합금 용탕에 대한 전자기 교반 적용 시간에 따른 Sn입자의 크기를 나타낸 그래프이다.

이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명은 Al-Sn합금에서 Sn입자를 미세한 동시에 균일하게 분산시키는 교반장치로서 Al-Sn합금 용탕을 처리하기 위한 처리장치(1)와, 상기 처리장치의 외측부에 위치한 전자석(6)과, 상기 전자석에 전압을 공급하기 위한 전압 공급원(10)으로 구성된 것을 특징으로 하며,
상기 전자석은 처리장치의 바닥, 또는 측면, 또는 바닥과 측면에 부착되어 있으며,
상기 측면에 위치한 전자석은 서로 0~180도의 각으로 위치하며,
상기 처리장치와 전자석 사이에는 개스킷(4)이 개재되어 있으며,
상기 전압공급원은 상기 전자석회로망(11)으로부터 전력을 공급받아 코일(5)을 통하여 전자석에 인가되도록 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 Al-Sn 합금용탕의 균질 교반방법은 용해로에서 Al-Sn 합금 용탕을 제조하는 단계와, 상기 제조된 Al-Sn 합금 용탕을 처리장치에 장입하는 단계와, 상기 처리장치의 외측부에 펄스 자기장을 인가시켜 처리장치에 장입된 용탕의 Sn입자를 미세하고 균일하게 교반하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하며,
상기 Al-Sn 합금용탕을 제조하는 단계는 용해로에서 Sn이 1~40% 함유된 Al-Sn 합금을 60~800℃로 가열하여 용탕을 제조하는 단계와, 상기 합금 용탕에 Ar가스를 주입함과 동시에 임펠러를 이용한 기계적 교반을 5~10분간 실시하는 단계로 구성되며,

상기 처리장치의 바닥, 또는 측면, 또는 바닥과 측면에 위치한 전자석에 의해 1방향 또는 2방향 또는 3방향으로 생성되는 펄스자기장에 의해 수행되는 전자기 교반 및 기계적 진동으로 행하여지며,
상기 용탕 교반의 기계적 진동은 전자석과 접촉된 용탕이 담긴 철제 처리장치의 표면사이의 인력으로 인해 발생하는 것을 특징으로 한다.
용탕처리의 과정은 다음과 같다. 먼저 알루미늄 잉고트를 570-800℃의 온도로 가열하여 용해한 후 1~40%의 Sn을 장입하여 용해한다. 용탕내부의 수소가스를 제거하기 위해 임펠러를 통해 아르곤 가스를 주입함과 동시에 임펠러를 5-10분간 회전시켜 미세한 버블이 발생하여 용탕내 수소가스나 기타 개재물을 부상분리시크므로서 제품의 기포 및 기타 주조결함을 제어하게 된다. 탈가스 처리 후 용탕을 레들에 장입하고 레들에 산업주파수를 이용한 전자기 교반을 적용시킨다. 용탕에 적용되는 전자장은 레들의 바닥이나 측면에 전자석을 부착시키는 방식으로 생성한다. 전자장은 다양한 강도로 적용이 가능하며 그에 따른 용탕 교반과 진동이 이루어지며 용탕처리가 완료되면 용탕을 몰드에 주입한다.

용탕에 전자장을 인가할 때 레들과 전자석간의 상호작용으로 기계적 진동이 발생하는데 이 진동이 전자기 교반과 결합되어 더욱 강도 높은 교반이 이루어진다. 이 경우 기계적 진동은 전자기 교반과 동일한 주파수와 위상을 갖는다. 기계적 진동은 전자석에 의해 인가된 전자장과 철제 사이에 발생하는 인력으로 인해 생성된다. 그에 따라 전자기 기계적 진동이 중첩되어 적용되는 것이다.

용탕에 인가되는 전자장은 레들의 바닥이나 측면 혹은 바닥과 측면 동시에 적용이 가능하며 다양한 전자장 강도를 적용할 수 있다. 측면과 바닥에 동시에 전자석을 부착하는 경우 두 전자석은 90°의 각도를 유지한다. 이때 적용되는 전자장에 대해 다양한 위상이동( = 0, π/2, 2π/3)을 적용하여 그에 따라 각기 다른 교반 형태를 구현할 수 있다. 두 자기장의 위상차가 0인 경우는 바닥과 측면에서 각각 독립적인 교반력이 발생하고 이 둘이 중첩되어 측면 전자석이 있는 면에서 반대방향으로 원을 그리며 교반된다. 위상차가 π/2인 경우 0인 경우의 역방향으로 교반된다. 위상차가 2π/3인 경우는 위의 두 경우보다 더욱 복합적이며 유용한 교반이 이루어진다.

더욱 효과적인 용탕교반을 통해 균질조직을 얻기 위해 세 방향의 전자장 인가도 가능하다. 이 경우 바닥에 1개, 레이들 측면에 2개의 전자석을 부착한다. 이때 측면에 부착된 전자석은 상호 0~180°의 각을 이룬다. 이 경우에도 각각의 전자장에 0, π/2, 2π/3 등의 위상이동을 적용하여 다양한 형태의 용탕교반 형태를 구현할 수 있다.

이하 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명한다.
발명에 따르면 전자기 교반은 다양한 방식으로 적용이 가능하다(도 1, 2, 3).
도1은 레들의 바닥에 전자석을 부착한 장치의 구조도로서, 레들(1)의 바닥에 전자석(6) 극점이 부착된 형태이다. 레들(1)은 용탕(2)의 온도 유지를 위해 유리섬유(glass wool)로 둘러 쌓여있다. 전자석(6)과 (1) 사이에 내화물로 구성된 부착되어 있다. 레들(1)은 원통형의 철제 용기이며 저탄소강으로 두께는 1~3mm이다. 여기에 공정이 완료된 주입된다. 레들의 내부는 내화제로 . 전자석과 사이에 부착된 전자석과 강자성의 인력이 작용할 때 진동을 발생시킨다.

전원(10)으로부터 코어에 결선된 전선 코일(5)로 전압이 인가되면, 레들 바닥에서 인가된 전자장에 의해 강자성인 레들에 전자석으로부터 인력이 작용하며 이로 인해 레들의 진동이 일어나고, 용탕의 교반이 이루어진다. 용탕의 움직임은 환상 형태로서 용탕내부의 화살표(3)는 용탕의 교반형태를 나타내며 이 경우 환상 형태를 보인다. 그리고 용탕(2)의 윗부분은 레들(1)의 진동에 의한 공명효과의 영향을 받게 된다.
도2는 전자석(6)을 레들(1) 측면에 부착한 형태를 나타낸다. 측면에서 가해지는 전자기력에 의해 용탕이 교반된다. 이러한 구조에서 전자기 교반의 방향은 수평형태가 되며 그 반대 방향으로 기계적 진동이 발생한다. 도1과 마찬가지로 용탕의 윗부분은 레들 진동에 의한 효과를 받으며 이는 전체 교반에 영향을 미친다. 이러한 형태의 경우 레들의 하부를 개방하여 용탕을 주입할 수 있어 유용하게 사용할 수 있다.

도3은 레들의 바닥과 측면에 전자석을 부착한 형태의 구조로서 2방향으로 전자장을 인가한 형태이며 레들과 전자석 사이에는 부착하여 진동을 유도한다. 하부와 측면의 자기장이 동시에 각각의 방향으로 적용되어 방향은 수직과 수평이 중첩되어 나타난다. 두 전자석은 독립적으로 삼상 전원에 연결되어 있다.

도4는 3방향의 전자장을 인가하는 형태이며 바닥에 하나의 전자석, 그리고 측면에 두 개의 전자석이 부착된다. 측면에 부착되는 두 개의 전자석은 20~90°로 다양한 각도를 만들어 낼 수 있다. 도4A는 측면도, 도4B는 평면도를 나타낸다. 측면의 두 전자석은 90°의 각을 이루고 있다. 측면과 하부 각각의 전자석이 상호 90°의 각도를 유지하는 형태가 실제 주조에서 사용하기 용이하다. 3방향에서 각각의 독립된 전자장이 인가되며 각 전자장의 파형에 따라 다양한 교반형태가 구현된다.

도5A는 전자석을 바닥에 위치시킬 경우 레들 내부의 용탕에 인가되는 전자기력(Fem)과 레들 표면에 작용하는 인력에 의한 진동(Fvibr)의 방향 및 그에 따른 용탕의 교반형태를 나타낸 구조도로서 인가된 전자장에 의해 환상형태의 교반(3)이 이루어진다. 그리고 (1) 바닥의 기계적 진동영역(15)에서 인가된 전자장과 강자성 레들의 상호작용에 의해 레들에 진동이 발생한다. 이 경우 진동의 방향은 인가된 전자장의 방향과 반대이다.

도5B는 전자석에 의해 발생되는 용탕교반 전자기력의 강도와 방향 그리고 그와 반대 방향인 기계적 진동의 강도와 방향을 시간변화에 따라 나타내는 그래프이다. 레들 내부의 용탕을 교반시키는 전자기력과 레들을 진동시키는 힘은 동일한 전자장에 의해 발생하는 힘이다.

도5C는 바닥에 위치한 전자석에 의한 용탕 교반을 나타내는 사진이다.

도6A는 용탕 측면에서 인가된 전자장에 의한 교반효과를 나타낸다. 이 경우도 역시 전자장이 가해지는 방향의 반대 방향으로 기계적 진동이 발생한다.

도6B는 시간에 따른 전자기 교반강도와 기계적 진동의 강도와 방향을 나타낸 그래프이다.

도6C는 측면에 인가된 전자장에 의한 용탕 교반 형태를 보여주는 사진이다. 이 경우 레들 측면 부근의 가장 활발히 움직이는 용탕이 레들 표면에서 약간 이격되는 모습을 보이는데, 이는 레들 안쪽으로 가해지는 전자기력과 반대 방향으로 발생하는 진동의 복합 작용의 결과이다.

도7A는 레들(1)의 바닥과 측면에 함께 전자장을 인가한 경우에 나타나는 용탕 교반의 형태이다. 두 자기장 사이에는π/2의 위상차가 존재하며 이 경우 레들 바닥에서 발생한 자속은 측면의 전자석을 향하는 형태를 보인다. 이때 측면에서 발생한 자속은 용탕의 윗방향을 향하게 된다. 이 두 자속의 방향이 복합적으로 작용하여 그림과 같은 형태의 교반을 만들어낸다.

도7B는 용탕과 레들에 인가되는 전자장의 파동을 나타낸 그래프이다. 그래프의 상단은 용탕 교반에 적용되는 전자기력인데 이 경우 두 전자장의 파동이 이상적으로 배치된다. 하단은 레들에 작용하는 진동의 양상을 나타낸다.

도7C는 위의 조건으로 교반이 적용된 용탕의 움직임을 나타내는 사진이다.

도8도 역시 용탕의 바닥과 측면에 2방향에서 전자기 교반이 적용된 형태인데 이 경우 두 전자장간의 위상차를 0으로 만든 것이다. 이 조건에서 두 전자석에서 발생한 자속이 서로를 밀어내는 형태가 발생한다. 그 결과 전체적인 교반의 양상은 왼쪽에서 오른쪽으로 원형을 그리는 방식이 된다. 이러한 형태는 용탕의 흐름이 용탕표면의 산화물을 용탕내부로 끌어들이는 위험을 감소시킨다.

도9는 특수한 형태의 교반인데 두 자기장간 위상차를 2π/3 로 만든 경우이다. 이 경우 용탕 교반에 적용되는 자기장과 마찬가지로 기계적 진동도 동일한 위상차를 보이게 된다. 이 방식의 경우 용탕내부에 난류를 발생시켜 더욱 강도 높은 교반이 가능해 진다.

도10 A, B, C는 각각 전자기력의 세가지 인가 방식(Co-Phase, Anti-Phase, Two-Phase)에 따른 용탕과 레들의 진동 상태를 나타낸다. 도10A는 Co-Phase에서의 진동 양상을 나타내는데, 내부 용탕의 경우는 상단 좌측방향으로, 기계적 진동은 하단 우측방향으로 일어난다. 이 두 진동은 그래프상의 영점에서 서로 반대방향을 향한다.

도10B는 반위상(Anti-Phase)의 경우로 바닥부의 전자석 결선을 반대로 하여 전자기장 진동과 기계적 진동의 위상각이 ‘0’이 된 상태이다. 두 전자기장 교반의 충돌없이 용탕 하부에서 왼쪽으로, 상부에서 오른쪽으로 용탕이 교반된다. 레들의 진동방향은 전자기장 진동 방향과 평행을 이룬다.

특수한 경우 전자기장의 위상을 2π/3으로 바꾸었을 때, 도10C와 같이 타원형의 진동 양상을 보인다. 이러한 형태는 위상에 의해 내부 용탕에서 발생하는 난류와 레들의 복합적인 진동에 의해 형성된다.

도11은 용탕 대신 레들에 물을 장입하고 기계적 진동의 표면효과를 관찰한 사진이다. 도11A, B, C는 각각 in-phase, two-phase 그리고 반위상(antiphase mode)를 적용한 진동 형태를 나타낸다. 레들 표면에 의해 발생하는 공명으로 인해 물 표면에 다양한 패턴이 형성된다.

도12는 700℃(도12A)와 740℃(도12B)에서 GBF 처리한 Al-25%Sn합금의 미세조직이다. 용탕온도 720-750℃에서 Ar가스의 주입과 동시에 10분정도 처리 후 160-190℃로 예열된 금형 몰드에 주입하였다. 전체적으로 Sn입자가 분산되어 있으나 입자의 크기가 50~95㎛로 조대하며 국부적으로 기포에 의한 기공이 발견된다.

도13은 한 방향의 전자기 교반과 기계적 진동이 적용된 동일 합금의 미세조직이다. 710℃와 740℃(도13A, 13B)에서 1분간 적용되었다. 균질한 Sn입자의 분포를 보이며 입자의 크기는 5~40㎛로 GBF처리한 주물에 비해 미세하며 기포에 의한 기공도 현저히 감소하였다.

도14는 두 방향에서의 전자기 교반 및 기계적 진동 적용으로 용탕처리된 동일 합금의 미세조직이다. 적용시간은 1분 이하이며 용탕질량은 4Kg이다. 한 방향 교반에 비해 더욱 균질한 조직 분포와 Sn입자 크기가 5~25㎛로 미세화 됨을 확인할 수 있다.

도15는 용탕 교반 처리방식에 따른 Al-25%Sn합금의 Sn입자 크기 비교를 나타낸 막대 그래프이다. 왼쪽 막대부터 순서대로, 20분간 GBF처리, 바닥 혹은 측면에서의 일방향 전자기 교반 처리, 바닥 혹은 측면에서의 일방향 전자기 교반처리와 기계적 진동 적용, 두 방향에서의 전자기 교반 처리와 기계적 진동 적용에 따른 Sn입자 크기를 나타낸다. 용탕 주입 온도는 700~740℃이다. 각 처리 조건별로 Sn입자의 최소 크기와 최대 크기가 표시되어 있다. GBF처리 조직의 경우 Sn입자의 크기가 60~95㎛로 조대한 동시에 불균일하게 나타났다. 일방향 전자기 교반 적용시 15~60㎛로 미세화됨을 관찰되었으며 일방향 교반과 기계적 진동을 함께 적용했을 때, 5~60㎛으로 입자가 더욱 미세화된 동시에 균일하게 분포됨을 확인되었다. 2방향의 교반과 진동 적용할 경우 Sn입자의 크기는 5~50㎛로 미세화된 동시에 균일하게 분포됨을 관찰할 수가 있었다.

도16은 Al-25%Sn합금에서 전자기 교반의 적용 시간에 따른 Sn입자의 크기 변화를 나타낸 그래프이다. 처리시간은 0~2.5분이며 적용 방식은 일방향 교반과 진동적용, 이방향 교반과 진동적용이다. 용탕 주입 온도는 680~760℃이며 용탕 질량은 3~5kg이다.
전자교반처리 시간에 따른 Sn입자의 크기 변화는 1분 정도후 최저 크기에 도달하였고 그 이후 더 많은 시간동안 처리해도 큰 효과가 없는 것으로 나타났다.

이와 같이 Al-Sn합금 용탕을 본 발명에 따라 교반을 실시한 후 용탕을 금형에 붓고 주조하면 알루미늄 기지 내 주석의 크기는 매우 미세화된 동시에 균일한 분포를 보여주고 있으므로 메탈 베아링용 소재로서 우수하고 안정된 소재임을 확인되었다.

1 : 용탕처리장치(레들) 2 : 용탕
3 : 4 :
5 : 코일 6 : 전자석

Claims (11)

1. Al-Sn합금 용탕을 처리하기 위한 철제로 된 용탕처리장치와,
   상기 용탕처리장치의 외측부 바닥에 1개, 측면에 2개가 설치된 전자석과,
   상기 전자석과 용탕처리장치 접합면 사이에 설치된 개스킷과,
   상기 전자석에 전압을 공급하기 위한 전압공급원으로 구성된 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕을 균일하게 교반하기 위한 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 측면에 위치한 2개의 전자석은 서로 20~90도의 각도로 위치한 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕을 균일하게 교반하기 위한 장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 개스킷은 내화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕을 균일하게 교반하기 위한 장치.
5. 삭제
6. 용해로에서 Sn이 1~40% 함유된 Al-Sn 합금을 660~800℃로 가열하여 Al-Sn 합금용탕을 제조하는 단계와,
   상기 제조된 Al-Sn 합금용탕을 철제로 된 처리장치에 장입하는 단계와,
   상기 처리장치의 외측부에 펄스자기장을 인가시켜 처리장치에 장입된 용탕을 교반하는 단계로 구성하되,
   상기 용탕 교반은 상기 처리장치의 바닥과 측면에 위치한 전자석에 의해 1방향 또는 2방향 또는 3방향으로 생성되는 펄스자기장에 의해 수행되는 전자기 교반으로 이루어지고, 동시에 상기 전자석과 철제 처리장치 표면 사이의 인력으로 전자석과 철제 처리장치 접합면에 위치한 개스킷이 진동됨으로서 발생하는 기계적 진동에 의해 교반이 이루어지는 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕의 균질교반방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제6항에 있어서,
    상기 전자기 교반이 2방향 또는 3방향으로 인가되는 경우 각각의 전자장은 상호 90도의 각을 이루며, 전자기력에 의한 전자기 교반과 기계적 진동의 위상각은 π/2, 또는 0, 또는 2π/3인 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕의 균질교반방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 전자기 교반이 3방향으로 인가되는 경우 레들의 측면에 설치된 두 개의 전자석은 서로 180도의 각을 이루며, 상기 위상각이 π/2이면 전자기장의 교반방향과 처리장치의 진동방향이 서로 반대방향이 되어 전체적인 교반이 왼쪽에서 오른쪽으로 원형을 그리며,
    상기 위상각이 0이면 전자기장의 교반방향과 처리장치의 진동방향이 평행이 되어 전체적인 교반이 충돌없이 용탕하부에서 왼쪽으로 상부에서 오른쪽으로 교반하며,
    상기 위상각이 2π/3이면 전자기장의 교반방향과 처리장치의 진동방향이 복합적이 되면서 내부 용탕에서 난류가 형성되어 타원 형상의 교반이 이루어지는 것을 특징으로 하는 Al-Sn 합금용탕의 균질교반 방법.

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