KR20020039325A - 금속 합금의 반고체 농축 방법 - Google Patents

금속 합금의 반고체 농축 방법 Download PDF

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Abstract

금속 합금은 온도가 상승된 초기 금속 합금에서 합금의 액상 온도 이하이고 고상 온도 이상인 반고체 온도까지 냉각되도록 처리되고, 액상에서 분산되는 소구체 고상의 금속 합금에서 반고체 조직을 생성하기 위해 충분한 시간동안 반고체 온도로 유지된다. 냉각은 고상 온도 이하인 도가니 초기 온도를 가지는 도가니를 제공하고, 그 도가니안에 금속 합금을 붓고, 금속 합금과 도가니가 금속 합금의 액상 온도와 고상 온도사이에서 열평형을 이루도록 하는 것에 의해 얻어진다. 또한 상기 방법은 금속 합금의 고체가 농축된 반고체 조직을 형성하기 위해 금속 합금의 반고체 조직에서 존재하는 액상의 일부를 제거하는 단계를 포함하여 형상안에서 고체가 농축된 반고체 조직을 가지는 금속 합금을 형성한다.

Description

금속 합금의 반고체 농축 방법{SEMI-SOLID CONCENTRATION PROCESSING OF METALLIC ALLOYS}
금속을 이용가능한 형상으로 주조하는 방법에는 금속의 녹는점 이상의 온도로 금속을 가열하는 단계, 용융된 금속을 (몰드로 불리어지는)거푸집안으로 놓는 단계 및 금속의 녹는점 이하의 온도로 금속을 냉각하는 단계를 포함한다. 금속은 몰드에 의해 한정되는 형상으로 응고되고, 그런후 몰드에서 제거된다. 이러한 일반적인 가이드라인내에서, 주조 기술의 폭넓은 변화등은 이미 공지되어 있다.
대부분의 금속 합금은 용융 상태에서 냉각될때, 단일 온도로 응고되지 않지만 온도 범위를 초과하지는 않는다. 금속이 냉각될때, 처음에는 합금이 냉각되기 시작하는 액상 온도에 이르게 된다. 온도가 더 감소하게 되면, 금속이 전체적으로 고상 온도 이하의 고체가 될때까지 금속의 고체 비율이 증가하게 된다.
종래의 주조 실시에서는, 금속은 액상 온도와 고상 온도 사이에 온도에서 유지되지 않으면서 액상 온도 이상의 용융 상태에서 고상 온도 이하의 고체 상태까지 냉각된다. 그러나, 금속을 액상 온도와 고상 온도사이에 반고체 온도 범위로 냉각시켜 금속이 반고체 상태가 되도록 그 온도에서 금속을 유지시키는 방법은 공지되어 있다. 대안적으로, 금속을 고상 온도이하의 온도에서 액상 온도와 고상 온도사이의 반고체 온도 범위까지 가열시킬 수 있다. 금속을 이 반고체 온도 범위로 이르게 하는 것에 의해, 반고체 재료는 액상 메트릭스에서 고체의 소구체 조직을 생성한다. 이러한 처리는 강렬한 활동을 포함할 수 있지만, 만일 적절한 상태(예를들면 빠르게 냉각하거나 또는 적절한 입자 순화 기술)에서 많은 결정핵을 얻고자 한다면 단지 숙성 단계만을 포함할 수 있다. 그때 반고체 혼합물은 이 반고체 상태에서 다이 캐스팅에 의해 몰드로 이동되어진다.
종래의 반고체 주조 기술에서는, 가열 및 냉각 요소, 특히 처리 장치에서 유지되는 유지 온도를 초과하는 제어가 필요하다. 본 발명자는 상업적인 목적을 위해 종래의 방법에서 온도를 반고체 처리 온도로 감소시키고 고체의 증가 비율이 감소되는 합금을 이용하였다. 그 결과, 만일 온도의 제어가 얻어지지 않는다면(값비싼 장치가 필요하다), 많은 합금에서 반고체 처리를 할 수 있다. 이러한 제어는 많은 상업적인 반고체 주조 작업에서 불가능하다.
따라서, 처리 요소의 제한을 감소시키고 양질의 최종 생산물을 생성할 수 있는 향상된 금속 합금의 반고체 주조 방법이 필요하다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시키며 또한 많은 이점을 제공한다.
본 발명은 금속 합금의 응고 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 특별하게는 금속 합금의 반고체 처리 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명을 실행하기 위한 블록 흐름도;
도 2는 작용가능한 금속 합금의 상 다이어그램의 제 1 형태를 도시하는 도면;
도 3은 작용가능한 금속 합금의 상 다이어그램의 제 2 형태를 도시하는 도면;
도 4는 붓는 위치의 예를 도시하는 도가니의 개략적인 측면도;
도 5는 액상 제거전에 수직 집중 위치로되는 도 4의 도가니를 도시하는 개략적인 측면도;
도 6은 액상 제거동안에 수직 집중 위치로되는 도 4의 도가니를 도시하는 개략적인 측면도;
도 7은 액체의 제거전에 본 발명의 바람직한 처리에서의 이상적인 금속 합금의 현미경 사진;
도 8은 액체 제거후에 도 7의 금속 합금의 이상적인 현미경 사진;
도 9는 본 발명의 바람직한 형태에 따른 반고체 재료의 독립적으로 서있는 강편의 사시도; 및
도 10은 도 9의 반고체 재료를 형성하기 위한 형성 장치의 개략적인 단면도이다.
본 발명은 금속 합금의 반고체 처리에 대한 방법을 제공하는 것으로, 이 방법은 반고체 온도 범위에서의 온도 변화와 금속 함유량의 높고 낮음의 변화를 가지는 다양한 금속에서 작동될 수 있다. 본 발명의 방법은 강렬한 스티어링이나 및/또는 반고체 범위에서의 혼합이 필요하지 않고, 그 결과 반고체 재료와 주조 생성물에서 결점이 감소되어 양질의 최종 주조 생성물을 얻을 수 있다. 또한 이러한 접근 방법은 고체와 액체의 상대적인 비율이 온도 변화없이 반고체 조직으로 변화되게하여, 주조 생성물의 조직이 유사하게 변하도록 한다. 또한 주조 플랜트에서 재료의 재이용이 용이하게 된다. 바람직한 실시예에서, 금속 합금의 온도 제어는 현저하게 간단해지고, 그 결과 반고체 상태의 온도 범위에서 작용가능한 재료를 처리할 수 있다.
본 발명에 따르면, 액상 온도와 고상 온도를 가지는 금속 합금이 처리된다. 본 발명은 금속 합금의 액상 온도와 고상 온도 사이에서 반고체 범위를 가지는 금속 합금을 제공하는 단계와, 금속 합금을 완전히 용융시키기 위해 액상 온도 이상의 온도로 가열시키는 단계와, 금속 합금의 온도를 온도가 상승된 초기 금속 합금에서 액상온도 이하이고 고상온도 이상인 반고체 온도로 감소시키는 단계와, 액상에서 분산되는 소구체의 고상의 금속 합금인 반고체 조직을 생성시키기 위해 일정기간동안, 보통 1초 내지 5분동안 상기 금속 합금을 반고체 온도로 유지시키는 단계를 포함한다. 선택적으로 상기 방법은 상기 금속 합금의 고체가 농축된 반고체 조직을 형성하기 위해 금속 합금의 반고체 조직에서 존재하는 액상의 일부를 제거하는 단계를 포함한다. 반고체 조직 또는 고체가 농축된 반고체 조직을 가지는 금속 합금은 그때 형상으로 형성된다.
특히 본 발명의 바람직한 실시예에서, 금속 합금은 고상 온도 이하의 도가니 초기 온도를 가지는 도가니를 제공하고, 그 도가니 안으로 금속 합금을 붓고, 금속 합금과 도가니의 온도가 반고체 온도로 열평형을 이루도록 하는 것에 의해 액상 온도 이상의 온도에서 반고체 온도까지 냉각된다. 금속 합금과 도가니의 상대적인 질량과 그들의 초기 온도는 둘 사이의 열평형이 이루어질때 금속 합금과 도가니가 소정의 반고체 온도가 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 이러한 방법으로, 온도 제어가 간단해지고 온도가 감소되면서 고체 형성의 높은 중량 비율을 가지는 금속 합금을 처리할 수 있다.
특히 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되면, 반고체 혼합물은 응고없이 다이 캐스팅 장치로 이동될 수 있고, 소구체로된 반고체 혼합물을 다이 주조 할 수 있다. 그러나, 주조전에 액상의 일부를 제거하는 단계를 포함하는 것이 바람직하고 이것은 액상이 존재하는 상태하에서 소구체를 발생하게 하여 더욱 효과적으로 열과 질량을 전달한다.
액상의 제거는 필터 또는 다공성 조직을 통해 반고체 재료에서 액체가 배수되도록 하는 것이 바람직하고, 이것에 의해 반고체 재료에서 고체 재료의 상대적인 양을 증가시킨다. 일반적인 경우에, 초기에 반고체 조직은 약 50중량 퍼센트 이하의 고상을 가지고, 바람직하게는 약 20 내지 35 중량 퍼센트를 가지는 것이 바람직하며, 액상은 고체가 농축된 고체 조직이 약 35 내지 55중량 퍼센트를 가질때까지제거되고, 바람직하게는 하기에서 기술되는 절차에 의해 결정되는 바와 같이 약 45 중량 퍼센트의 고상이 존재하는 것이 바람직하다.
고체 하중 비율의 농축이 액상 제거에 의해 수행된 이후, 금속 합금은 틱소트로피(thixotropic)된다. 즉, 이것은 고체의 방법으로 처리되지만 압력 다이 캐스팅과 같이 어떤 작용가능한 액상 처리 기술에 의해 최종 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명은 반고체 범위를 가지는 어떤 재료로 사용될 수 있지만 알루미늄 합금이 사용되는 것이 바람직하다. 이것은 처리를 통해 고체가 남아있는 합금을 처리하여 혼합 재료로 보강된 최종 주조물을 생성할 수 있다.
또한 본 발명은 상기에서 기술된 처리를 적절하게 사용할 수 있는 수정된 합금 조성물을 제공한다. 수정된 합금 조성물은 액상의 일부가 제거되도록 처리될때 소정의 최종 조성물의 고체 생성물을 생산하도록 한다. 본 발명의 한 관점에 따르면, 수정된 합금 조성물은 이것의 액상 온도와 고상 온도사이에 반고체 온도에서 액상과 같은 베이스 합금의 일부를 제거하도록 조절되는 용해 요소를 구비한 베이스 합금을 포함하고, 액상 제거후에 남아있는 재료는 베이스 합금 조성물을 구비한다. 대안적으로, 본 발명은 베이스 합금 조성물을 가지는 베이스 합금을 제공하는 단계에 의해 결정되는 수정된 합금을 제공하고, 시초 재료와 같이 베이스 합금과의 분리 절차를 실행한다. 분리 절차는 이것의 액상 온도 이상으로 시초 재료를 가열하는 단계와, 이것의 액상 온도와 고상 온도사이에서 반고체 온도로 시초 재료를 냉각하는 단계 및 시초 재료의 남아있는 다른 조성물을 가지는 남아있는 부분을 버리기 위해 액상의 일부를 제거하는 단계를 포함하고, 반고체 온도에서 시초 재료는 액체 부분과 액체 부분과 다른 조성물의 고체 부분을 구비한다. 수정된 합금 조성물은 수정된 합금 조성물이 시초 재료와 같이 수정된 합금을 이용하는 분리 절차에 의해 처리될때 결정되고, 이것의 남아있는 조성물은 실질적으로 베이스 합금 조성물이 된다.
본 발명자는 종래의 반고체 처리 방법은 섭씨당 1중량 퍼센트 고체의 유지 온도에서 고체 변화의 온도율이 절대값을 가지는 합금을 상업적으로 이용하는 것이 제한되는 것을 알았다. 따라서 본 발명은 섭씨당 1중량 퍼센트 고체 보다 크거나 또는 섭씨당 2중량 퍼센트 고체보다 큰 유지 온도에서 고체 퍼센트의 변화의 온도율의 절대값을 가지는 합금의 반고체 처리를 허용한다. 따라서, 본 발명은 상업적으로 사용하기 어렵고 불가능한 많은 합금의 반고체 처리를 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징 및 장점은 첨부된 청구범위와 연결되어 바람직한 실시예를 설명하는 상세한 설명으로부터 더욱 명확히 이해할 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위는 이 실시예에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 방법을 실행하기 위한 바람직한 접근 방법을 도시하는 블록 다이어그램이다. 이러한 접근 방법에서, 고체 금속 합금은 참조부호 "20"으로 나타내어진다. 금속 합금은 액상 온도와 고상 온도사이에서 응고동안 반고체 범위로 존재한다. 도 2와 도 3은 금속 합금의 두 일반적인 형태를 설명하는 알루미늄-실리콘 바이너리 시스템의 부분 온도-조성물 상이고, 여기서 액상 온도는 실리콘용융성분이 증가함에 따라 감소되고(도 2) 액상 온도는 (Al-Si 바이너리 시스템의 다른 부분, 도 3)용융 성분이 증가함에 따라 증가한다. 두 도면에서, 조성물(A)의 금속 합금은 액상 온도(TL)와 고상 온도(TS)를 구비한다. TL이상의 온도에서는 금속 합금은 전체적으로 액상이고, TS이하의 온도에서는 금속 합금은 전체적으로 고상이 된다. TL과 TS사이의 온도 범위 △TSS에서는 합금은 액상 및 고상의 반고체 혼합물이고, 액상과 고상의 상대적인 비율은 레버 규칙에 의해 결정된다.
많은 금속 합금은 도 2와 도 3에 도시되는 상 다이어그램의 특징을 가진다. 특히 본 발명자는 알루미늄 합금의 사용에 관심을 가지지만, 다른 유형의 합금도 마찬가지이다. (여기서 사용되는 것처럼, 합금은 최고의 비율로 존재하는 요소에 의해 특징되고- 이것으로 "알루미늄"합금은 다른 요소보다 더 많은 알루미늄을 구비한다)작용가능한 알루미늄 합금의 예로는 명목상으로 존재하는 알루미늄과, 7.0퍼센트의 실리콘 및 0.3퍼센트의 마그네슘을 가지는 합금 A356; 명목상으로 존재하는 알루미늄과, 1.0퍼센트의 마그네슘, 0.6퍼센트의 실리콘, 0.3퍼센트의 구리 및 0.2퍼센트의 크롬산염을 구비하는 합금 AA6061등이 있다. 바람직하게는, 미량의 순화제가 합금에 첨가된다. 미량의 순화제는 예를들면 합금에서 약 0.03중량 퍼센트 티타늄까지 산출되는 티타늄-붕소 조성물일 수 있다.
금속 합금은 여기에서 논의되는 모든 절차를 통해 고체를 유지시키는 다른 상과 혼합될 수 있다. 이러한 다른 상은 산화물 함유물과 스트링거와 같이 존재할 수 있다. 이러한 다른 상은 또한 알루미늄 산화물 또는 실리콘 카바이드 보강 상과 같이 존재할 수 있다. 이러한 상의 존재는 본 발명의 작용을 방지하지 않고, 액상의 제거전에 혼합물에서 전체 솔리드가 약 50중량 퍼센트 바람직하게는 20에서 35중량 퍼센트까지 유지된다.
다시 도 1을 참조하면, 금속 합금은 단계 "22"에서 합금을 완전히 용융시키기 위해 액상 온도(TL) 이상의 온도인 TI까지 합금을 가열시킨다.
금속 합금의 온도는 단계 "24"에서 초기 금속 합금의 상승된 온도 "TI"에서 반고체 온도 TA까지 액상 온도(TL)보다 작고 고상 온도(TS)보다 큰 범위 △TSS로 감소된다.
가열단계(22) 및 온도 감소 단계(24)는 어떤 작용가능한 방법 및 장치에 의해 얻어질 수 있다. 도 4는 바람직한 장치(40)를 설명한다. 이 경우에, 가열 단계(22)는 용융된 합금을 견딜수 있는 재료로 만들어진 가열 용기(42)에 의해 얻어진다. 가열 용기(42)는 오븐안에서 각각 저항되게, 유도적으로 가열되고, 또는 어떤 다른 작용가능한 가열 소스 또는 수단에 의해 가열된다. 온도 감소 단계(24)는 가열 용기(42)에서 용융된 금속(44)을 도가니(46)안으로 붓는 것에 의해 얻어진다.
바람직한 실시예에서, 도가니(46)의 구성 및 구조적인 매개 변수의 재료는 용융된 금속 합금의 양과 결합된 형태에 따라 주의깊게 선택하고, 용융된 금속 합금이 선택된 TA의 값으로 정확하게 냉각되도록 돕는다. 설계 원리는 도가니 초기 온도에서 TC로 가열되는 것처럼 도가니(46)의 엔탈피 변화(△HC)가 용융된 금속 합금이 T1에서 TA로 냉각될때의 엔탈피 변화(△HM)와 동등한 것을 원리로 한다. △HC의 값은 FS의 값이 결정될때까지 용융된 금속을 도가니안으로 붓을때 복사나 대류에 의해 도가니 표면에서 손실되는 열손실의 양을 보정하는을 적분하여 계산된다(여기서 MC는 도가니의 질량이고, CP,C는 일반적으로 온도 함수인 도가니의 열용량이고, dT는 온도차이이다). 복사 및 대류 열 손실은 도가니의 크기 및 도가니의 표면 방사율 더불어 공지된 대류 열전달 계수에 의해 결정된다. 적분의 범위는 도가니의 초기 온도에서, 일반적으로 실내온도인 TA까지이다. △HM의 값은으로 계산되고, 여기서 MM은 용융된 금속의 질량이고, CP,M은 일반적으로 온도함수인 용융된 금속의 열용량이다. 적분의 범위는 TI에서 TA까지이다. FS는 레버 규칙에 의해 결정되고 TA에서 응고되는 금속 합금의 단편이고, HF는 액체에서 고체로 금속 합금을 변형시키는 용융열이다. 이러한 모든 값은 온도-합성물 상 다이어그램의 관련 부분과 열역학 데이터 편집과 같은 기술정보로부터 쉽게 결정된다.
이러한 방법으로 단계 "24"에서 금속 합금의 냉각되는 온도 TA는 중요한 이점을 가진다. 온도가 상승된 금속 합금의 큰 질량의 냉각은 일반적으로 어렵다. 만일 금속 합금의 큰 질량이 노와 같은 온도-제어 환경안에 위치되면, 시간안에 평형에 도달하도록 하는 것이 필요하다. 즉 다시 말하면, 본 발명에서는 하기에서기술되는 바와같이 TA에서 금속 합금에 관찰되는 고체의 소구체가 조잡하게 존재하는 것은 바람직하지 않다. 본 발명의 접근을 이용하면, 도가니(46)에서 용융된 금속과 도가니(46)의 TA에서의 온도 평형은 몇초내에 얻어진다. 또한, TA의 값은 몇도내에서 정확하게 확립될 수 있다. 이것은 고체의 하중 단편의 온도 변화율이 어떤 합금에 대해 크기때문에 중요하다. 즉 다시 말하면, 온도 TA에서 작은 변화는 반고체 혼합물의 고체 함유량에 큰 변화를 줄 수 있다. 본 발명은 금속 합금의 온도가 정확하게 설립되고 유지되도록 한다. 만일 종래기술을 사용한다면, TA에서 작업가능한 합금에 대한 하중 단편 고체의 온도 변화율은 섭씨당 약 1퍼센트 또는 그 이하이지만, 본원 발명에서는 합금이 섭씨당 1퍼센트를 초과하거나 또는 섭씨당 2퍼센트를 초과하는 하중 단편의 온도 변화율을 가지고, TA에서 반고체 형태나 주조를 사용할 수 있다.
도가니(46)는 용융된 금속 합금에 저항할 수 있는 재료로 만들어진다. 도가니는 T1보다 높은 용융점을 가지는 금속 측면벽으로 구성되는 것이 바람직하고, 이것의 다중-편 내화물 하부 구조는 하기에서 설명한다. 도가니의 외부 표면은 처리동안에 열손실을 감소시키기 위해 부분적으로 또는 전체적으로 절연될 수 있다. 금속 도가니의 사용은 온도 평형을 위한 빠른 열 흐름을 얻을 수 있고, 비용이 절약된다. 운모 도금으로 코팅된 강 도가니(46)는 알루미늄 금속 합금에 사용될 수 있다.
도가니(46)는 원통형 축(48)을 가진 단면이 원통형인 것이 바람직하다. 도가니(46)는 원통형 축(48) 주위에서 도가니(46)를 회전시키는 지지부안에 부착된다. 용융된 금속 합금이 도가니(46)안에 가열 용기(42)로 부어지면, 도가니(46)는 도 4에 도시되는 것처럼 경사진 각도로 방향지어진다. 가능한 빠르게 용융된 금속 합금과 도가니 벽사이에 온도가 평행하게 되도록 한다. 빠른 온도 평형은 도가니 벽에 상대적인 용융된 금속의 질량이동에 의해 얻어지고 이러한 방법으로 도가니 벽에 인접하는 용융된 금속에서 고정 온도 경계층이 방지된다. 새로운 용융된 금속은 도가니 벽에 접촉하여 일정하게 도입되어 용융된 금속에서 열지점 및 냉각지점이 방지되고, 용융된 금속과 도가니 사이에 온도 평형이 빠르게 이루어진다. 용융된 금속은 어떤 방법 또는 이러한 방법을 결합하여 빠른 온도 평형을 증진시키면서 도가니 벽과 상대적으로 이동할 수 있다. 한 이동 방법으로, 도가니는 원통형 축주위로 회전되고 동시에 경사지거나 직립으로 되어진다. 또한 벽에서 금속이 응고되는 것을 방지하기 위해 소용돌이를 제공하거나 액체 금속과 유사한 유동을 부여할 수 있다. 이러한 소용돌이 이동은 경사진 원통형 축을 처리하는 것에 의해, 원통형 축에서 측면적으로 분리된 중심주위에서 원통형 축을 회전시키는 것에 의해, 원통형 축과 수직한 평면으로 놓이는 패턴을 따라 원통형 축을 이동시키는 것에 의해, 경사진 도가니의 경사 각도를 주기적으로 변경하는 것에 의해, 또는 어떤 다른 이동에 의해 얻어질 수 있다. 또 다른 방법으로, 스크래퍼는 도가니(46)의 벽의 내부와 접촉될 수 있다. 일반적으로 이러한 기술중 하나가 사용되면, 용융된금속 합금과 도가니 모두는 열 평형(TA)을 완전하게 부어진 후 몇초내에 도달 할 수 있다.
도가니(46)안으로 용융된 금속 합금을 부은 후에 온도 TA에서 평형이 되면, 용융된 금속 합금은 액상에서 분산된 소구체 고상의 금속 합금에서 반고체 조직을 생성하기 충분한 시간동안 온도 TA로 유지된다. 이러한 시간은 금속 합금의 동역학에 따라 약 1초 내지 5초(바람직하게는 약 2초 미만)가 된다. 본 발명자는 일반적인 알루미늄 합금에서 필요한 시간은 단지 몇초이고, 반고체 조직은 처리의 다음 단계가 실행되는 시간에 의해 얻어진다. 효과적으로, 여기에서는 처리에 필요한 지연을 주목할 필요가 없다.
선택적으로, 액체의 일부는 반고체 조직(28)부터 제거된다. 제거는 도 5와 도 6에서 도시된다. 도가니(46)는 그안에 개구부(52)를 구비하는 고체 하부(50)와 함께 형성된다. 본 발명자가 만든 알루미늄 합금처리 장치에서는 개구부(52)의 지름은 약 10밀리미터이다. 다공성 플러그(54)의 형태에서 다공성 재료는 개구부(52)안에 위치된다. 제거가능한 클로져(56)는 다공성 플러그(54) 아래에 놓여진다. 제거가능한 클로져는 스틸 플레이트(58)상에 지지되는 가스켓(57)을 포함하고, 이것은 힌지(59)에 의해 도가니(46)에 지지된다. 가스켓(57)은 예를들어 Kaowool?또는 흑연 펠트와 같은 내화성 펠트로 만들어진다.
다공성 플러그(54)의 다공성 재료는 온도 TA에서 액상 금속 합금이 천천히유동되도록 선택하지만 온도 TA에서 금속 합금에 존재하는 고상이 통과되지 않도록 한다. 바람직한 알루미늄 합금에서는 다공성 재료가 인치당 10 내지 30 기공을 구비하는 세라믹 형태의 필터이거나 또는 약 1밀리미터의 개구부 크기를 가지는 와이어 메시 필터인 것이 바람직하다.
금속이 가열 용기(42)에서 도가니(46)안으로 부어지면, 제거가능한 클로져(56)는 다공성 플러그를 폐쇄하도록 위치된다. 그때 도가니는 경사지고 원통형 축(48)은 도 5에 도시되는 것처럼 제거가능한 클로져(56)와 수직하게 놓여진다. 제거가능한 클로져(56)는 액체 금속이 도 6에 도시되는 바와같이 다공성 플러그(54)를 통해 유동하고 그 자신의 메탈로스테이틱 헤드에서 배수되도록 재이동한다. 이 단계에서 액체 금속의 제거전에 혼합물의 하중 단편 고체 함유량에 불구하고, 만일 도가니가 그 자신의 메탈로스테이틱 헤드로 배수되면, 얻어진 최종 고체 하중은 대략 45중량 퍼센트 고체에서 대략 동일하고, 혼합물은 자유-스탠딩 질량을 형성한다.
도 7은 합금에서 액상의 일부를 제거전에 단계 "26"의 단부에서 금속 합금의 반고체 조직을 설명하고, 도 8은 액상의 일부를 제거한 후에 단계 "28"의 단부에서 금속 합금의 고체가 농축된 반고체 구조물을 설명한다. 이러한 경우에, 액상(62)에서 분산되는 고상(60)의 소구체가 존재한다. 차이점은 고상(60)의 하중 단편이 초기에는 낮지만(도 7) 액상(62)의 제거 후에는 증가한다(도 8). 일정한 온도 TA에서 수용되는 금속 합금은 이것에 의해 금속 합금의 온도 변화 없이 스텝 "26"에서존재하는 고상의 양과 비교되게 집중된다.
반고체 조직은 단계 "26"의 끝에서 고체상(60)의 하중에 의해 약 50퍼센트보다 적은 것이 바람직하고, 가장 바람직한것은 약 20 내지 35퍼센트인 것이 바람직하다. 고상(60)의 상대적으로 낮은 하중 단편은 고상(60)이 액상(62)으로 둘러쌓여질때 확실히 되고, 고상(60)은 성장할 수 있고 원하는 미세한 소구체 조직으로 발전할 수 있다. 고체가 농축된 반고체 조직에서 고상(60)의 하중 단편은 단계 "28"에 의해 약 35 내지 55 퍼센트로 증가할 수 있고, 가장 바람직하게는 약 45중량 퍼센트로 되는 것이 바람직하다.
상기에서 논의되었던 하중 단편을 결정하는데 있어서는 특정 절차가 사용된다. 첫째로 T1의 값이 선택되면, TI-TL의 값이 계산된다. 등가의 시작 온도 T1 Model은 660℃+(TI-TL)로 계산된다. T1 Model에서 660℃까지의 냉각에서 처리되어지는 알루미늄 합금의 양과 동등한 알루미늄의 과열양이 계산된다. 이것의 시작 온도 TC에서 660℃까지의 가열에서 도가니의 엔탈피의 변화를 구하고, 용융된 합금이 도가니내에 있는 동안 도가니의 표면에서의 열손실양을 수정한다. 순수한 알루미늄의 융해 잠열을 이용하는 엔탈피 밸런스는 마지막에 형성된 고체 알루미늄의 양을 계산하기 위해 사용된다. 본 목적을 위해, 이러한 양은 초기 냉각시 합금에서 형성된 고체의 양과 동등하게 얻어진다. 액체를 배수한 후 반고체 질량에서 고체의 하중 단편은 존재하는 재료의 전체양과 비교하여 제거되는 액체 합금의 양을 결정한다. 체적 단편은 고체 및 액체 밀도를 이용하는 하중 단편으로부터 결정될 수 있다. 고체의 밀도는 평방 센티미터당 2.65그램이고, 액체의 밀도는 평방센티미터당 2.3그램이다.
액체-제거 단계(28)는 액상이 용융 성분에서 (만일 도 3처럼 포지티브가 액체에서 경사지면)불충분하거나 또는 (만일 도 2처럼 네거티브가 액상에서 경사지면)과잉되기 때문에 합금의 요소 조성물에서 변화가 일어나도록 한다. 초기 벌크 조성물은 만일 원한다면 이러한 변화를 보상하기 위해 조절될 수 있다. 예를들면, 고체 중량의 30퍼센트에서 45중량 퍼센트의 고체로 되기 위해서 액체를 제거할 수 있으며, 알루미늄-8 중량 퍼센트 실리콘 합금이 알루미늄-7 중량 퍼센트 실리콘의 조성물을 가지는 최종 생산물을 생산하기 위해 사용되어진다.
고상의 이러한 중량 단편에서, 금속 합금은 도 9에 도시되는 바와같이 셀프-서포팅 메스(self-supporting mass)(64)가 된다. 즉 다시 말하면, 메스(64)의 성질은 고체와 유사하게 분해없이 처리되거나 도가니(46)에서 제거될 수 있다. 그때 메스(64)는 또다른 처리를 하도록 사용되어질 수 있다. 이 대신에 메스(64)는 연속처리전에 존재하는 고체의 체적 플랙션을 증가시키기 위해 냉각될 수 있고, 이것에 의해 처리를 위한 메스(64)의 강성을 증가시킨다. 대안적으로 나머지 액체를 응고시키도록 메스(64)를 냉각시킬 수 있고, 나중에 다른 처리를 위해 반고체 범위안에서 메스를 재가열할 수 있다.
그런후 금속 합금은 단계 "30"에서 형상으로 형성된다. 바람직한 형성 방법은 도 10에 도시되는 장치를 이용하는 고압력 다이 캐스팅을 이용하는 것이다. 셀프-서포팅 메스(64)는 한 단부상에 플런저(72)와 다른 단부상에서 몰드(76)와 연결되는 채널(74)을 가지는 다이 슬리브(70)안에 놓여진다. 플런저(72)는 셀프-서포팅 메스(64)의 재료를 다이 공동(80)안으로 강제적으로 (도 10의 오른쪽으로)이동시킨다. 고압력 다이 캐스팅은 TS이상의 온도 및 TL이하의 온도, 일반적으로 TA에서 실행된다. 다이 공동의 형상은 제조를 완전하게 하기 위해서 보통 실내 온도인 TS이하로 냉각되게 한다. 압착 주조와 같은 또 다른 형상 형성의 기술이 사용될 수 있다.
하기에서는 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나 이러한 실시예들은 본 발명을 제한하지 않는다.
실시예 1
상기에서 기술된 장치 및 방법을 이용하여, A356 합금의 반고체 버전을 만든다. 660℃의 A356 합금의 2.8킬로그램을 25℃의 실내 온도인 도가니로 이동시킨다.(약 0.01 퍼센트의 티타늄 조직 순화제가 티타늄과 붕소 조직 순화제 로드의 비율이 5:1이 되도록 첨가된다.) 도가니는 9㎝(3.5인치)의 내부지름과 25㎝(10인치)의 길이를 가진다. 도가니는 16 게이지 스틸 튜브로 만들어지고 956그램이 나간다. 금속은 60초동안 도가니안에서 소용돌이치고, 그때 제거가능한 클로져는 액체를 45초동안 배수하도록 제거된다. 그런후 프리스탠딩 고체 생성물이 도가니에서 재이동되고 측정된다. 이러한 실험은 A356 합금의 세개의 프레시 로트상에서 3번실행된다. 메스 밸런스에 대한 실험 결과는 아래와 같다.
메스 밸런스
실 험 생성물의 중량(그램) 여과액의 중량(그램) 수득률(퍼센트) 전체 중량(그램) 고체의 중량퍼센트
1 1979 860 70 2839 45
2 2002 810 71 2812 45
3 2078 730 74 2809 43
시초 재료, 생성물 및 여과액의 화학적 조성물은 광학적 방출 분광학을 이용하여 결정된다. 분석을 위한 적절한 샘플을 얻기 위해 생성물과 여과액은 재용융되고 샘플은 디스크와 같이 제조할 수 있다.
그 결과는 아래와 같다.
조성물(중량 퍼센트)
시초 조성물 생성물 여과액
실험 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Si 7.26 7.18 6.91 6.36 6.43 6.52 8.58 8.72 8.83
Mg 0.37 0.37 0.35 0.32 0.32 0.44 0.44 0.44 0.46
Fe 0.045 0.045 0.044 0.040 0.041 0.043 0.056 0.057 0.059
Ti 0.14 0.13 0.15 0.16 0.16 0.15 0.073 0.068 0.063
실시예 2
사용되는 (실시예 1에서 기술되는 동일한 입자 순화제가 첨가된)AA6061 합금을 제외하고는 실시예 1를 반복하고 합금의 양은 붓기전에 700℃로 재가열한다.메스 밸런스의 실험 결과는 아래와 같다.
메스 밸런스
실 험 생성물의 중량(그램) 여과액의 중량(그램) 수득률(퍼센트) 전체 중량(그램) 고체의 중량퍼센트
4 2101 640 77 2741 43
5 2045 720 74 2765 41
6 2200 670 77 2870 41
조성물(중량 퍼센트)
시초 조성물 생성물 여과액
실험 4 5 6 4 5 6 4 5 6
Si 0.51 0.51 0.51 0.45 0.44 0.48 0.73 0.63 0.68
Mg 0.88 0.90 0.90 0.80 0.81 0.87 1.12 1.03 1.09
Fe 0.15 0.16 0.15 0.14 0.13 0.15 0.22 0.28 0.29
Cu 0.23 0.23 0.21 0.21 0.20 0.20 0.30 0.28 0.29
Ti 0.17 0.18 0.18 0.19 0.20 0.20 0.029 0.073 0.042
표 2와 표 4는 소정의 베이스 합금 조성물을 얻기 위하여 상기 실시예에서 기술되는 방법에 의해 처리될때 수정된 합금 조성물을 결정하는 일반적인 방법을 설명한다. 표 1과 표 2에서는 시초 재료의 실리콘 함유량이 약 7.26퍼센트이고, 생성물의 실리콘 함유량은 약 6.36퍼센트가 된다. 즉 다시 말하면, 실리콘 함유량은 시초 조성물과 생성물사이에서 약 0.9퍼센트 감소한다. 7.26중량 퍼센트의 실리콘을 구비하는 생성물을 얻기 위해서는 약 7.26+0.9의 수정된 합금 조성물 또는 약 8.16중량 퍼센트 실리콘을 가지고 시작하는 것이 필요하다.
또 다른 소자에 대해서도 유사한 방법으로 사용될 수 있다. 어떤 소자의 퍼센티지는 시초 조성물과 최종 생성물사이에서 감소되는 반면, 다른 요소(예를들면, 이 경우에는 티타늄이)는 증가한다. 이러한 간단한 계산예는 합금 조성물에서 선형 변형으로 가정할 수 있다. 더욱 정확히 하기 위해, 시초 재료를 실시예의 방법으로 반복할 수 있고 선형 계산이 정확한가를 결정하기 위해 최종 생성물을 분석한다. 즉 다시 말하면, 상기의 절자는 반복적으로 실행될 수 있다. 그러나, 많은 경우에 있어 실시예의 단일 절차로 수정된 합금의 필요한 조성물을 충분히 정확하게 산출할 수 있다.
비록 본 발명의 특정 실시예만을 상세하게 기술하였지만, 다양한 수정 및 변경이 첨부된 청구범위의 벗어남이 없이 만들어질 수 있다.

Claims (27)

  1. 금속 합금의 액상 온도와 고상 온도사이에서 반고체 범위를 가지는 금속 합금을 제공하는 단계;
    상기 금속 합금을 완전히 용융시키기 위하여 온도가 상승된 초기 금속 합금을 액상 온도이상으로 가열시키는 단계;
    온도가 상승된 초기 금속 합금에서 액상 온도 이하이고 고상 온도 이상인 반고체 온도까지 상기 금속 합금의 온도를 감소시키는 단계;
    액상에서 분산되는 소구체 고상의 금속 합금에서 반고체 조직을 생성시키기 위해 일정기간동안 상기 금속 합금을 반고체 온도로 유지시키는 단계;
    상기 금속 합금의 고체가 농축된 반고체 조직을 형성하기 위해 금속 합금의 반고체 조직에서 존재하는 액상의 일부를 제거하는 단계; 및
    형상안에서 고체가 농축된 반고체 조직을 구비하는 금속 합금을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 온도와 고상 온도를 가지는 금속 합금의 처리방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금의 중량 비율 변화는 반고체 온도에서 섭씨당 2중량 퍼센트를 초과하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 합금은 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 합금은 고체 보강 상과 혼합되는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도를 감소시키는 단계는 고상 온도이하인 도가니 초기 온도로 도가니를 제공하는 단계;
    상기 금속 합금을 도가니안으로 붓는 단계; 및
    상기 금속 합금과 도가니가 상기 금속 합금의 액상온도와 고상온도사이에 온도로 열평행을 이루도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도를 감소시키는 단계는 상기 금속 합금을 도가니안으로 붓는 단계를 포함하고, 도가니내에 금속 합금은 붓는 단계동안 소용돌이 치는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반고체 온도로 금속 합금을 유지시키는 단계는 상기 금속 합금을 반고체 온도로 1초이상 5분이내로 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액상의 일부를 제거시키는 단계는 반고체 조직을 가지는 금속 합금을 액상은 통과시키지만 고상은 통과시키지 않는 필터와 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    액상의 일부를 제거하기전에 반고체 조직은 50중량 퍼센트 고상이하이고. 상기 액상의 일부를 제거하는 단계는 고체가 농축된 반고체 조직이 약 35 내지 55 중량 퍼센트의 고상이 될때까지 액상을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고체가 농축된 반고체 조직은 프리-스탠딩 메스인것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    액상의 일부를 제거하기 전에 반고체 조직은 약 20 내지 35중량 퍼센트의 고상을 가지고, 액상의 일부를 제거하는 단계는 고체가 농축된 반고체 조직이 약 45중량 퍼센트의 고상이 될때까지 액상을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    형상안에서 형성되는 단계는 고체가 농축된 반고체 조직을 가지는 금속 합금을 다이 캐스팅안으로 위치시키는 단계를 포함하고, 고체가 농축된 반고체 조직을 가지는 금속 합금을 다이 주조하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    형상안에서 형성되는 단계전에, 액상의 일부를 제거하는 단계 후 존재하는 고체의 체적 비율을 증가시키기 위해 고체가 농축된 반고체 조직의 온도를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  14. 금속 합금의 액상온도와 고상온도사이에서 반고체 범위를 가지는 금속 합금을 제공하는 단계;
    온도가 상승된 초기 금속 합금을 액상 온도이상으로 가열시키는 단계;
    온도가 상승된 초기 금속 합금에서 액상온도 이하이고 고상온도 이상인 반고체 온도로 금속 합금의 온도를 감소시키는 단계; 및
    액상에서 분산되는 소구체 고상의 금속 합금에서 반고체 조직을 생성시키기 위해 일정기간동안 상기 금속 합금을 반고체 온도로 유지시키는 단계를 포함하고,
    상기 온도를 감소시키는 단계는 고상 온도이하의 도가니 초기 온도로 도가니를 제공하는 단계;
    상기 금속 합금을 도가니안으로 붓는 단계; 및
    상기 금속 합금과 도가니가 상기 금속 합금의 액상온도와 고상온도사이에 온도로 열평행을 이루도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 합금의 중량 비율 변화의 온도율은 반고체 온도에서 섭씨당 2중량 퍼센트의 범위인 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 금속 합금은 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  17. 제 14 항, 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 금속 합금은 고체 보강 상과 혼합되는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도를 감소시키는 단계는 상기 금속 합금을 도가니안으로 붓는 단계를 포함하고, 도가니내에 금속 합금은 붓는 단계동안 소용돌이 치는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반고체 온도로 금속 합금을 유지시키는 단계는 상기 금속 합금을 반고체 온도로 1초이상 5분이내로 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  20. 제 14 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 합금을 반고체 온도로 유지시키는 단계후에, 고체가 농축된 반고체 조직 형상을 가지는 금속 합금을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  21. 제 14 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 합금을 반고체 온도로 유지시키는 단계후에, 고체가 농축된 반고체 조직을 가지는 금속 합금을 다이 캐스팅안으로 놓는 단계를 포함하고, 고체가 농축된 반고체 조직을 가지는 금속 합금을 다이 주조하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  22. 제 14 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 합금을 반고체 온도로 유지시키는 단계후에, 반고체 조직을 가지는 금속 합금을 액상은 통과시키나 고상은 통과시키지 않는 필터와 접촉시키는 절차에 의해 금속 합금의 고체가 농축된 반고체 조직을 형성하도록 금속 합금의 반고체 조직에서 존재하는 액상의 일부를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 액상의 일부를 제거하기전에 반고체 조직은 50중량 퍼센트 이하의 고상를 구비하고, 상기 액상의 일부를 제거하는 단계는 고체가 농축된 반고체 조직이 약 35 내지 55 중량 퍼센트의 고상이 될때까지 액상을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 고체가 농축된 반고체 조직은 프리-스탠딩 메스인 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  25. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 고체가 농축된 반고체 조직은 약 20 내지 35 중량 퍼센트의 고상을 구비하고, 상기 액상의 일부를 제거하는 단계는 고체가 농축된 반고체 조직이 약 45 중량 퍼센트의 고상이 될때까지 액상을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금의 처리방법.
  26. 변형된 합금 조성물의 액상 온도와 고상 온도사이에 반고체 온도에서 액상과 같이 베이스 합금의 일부를 제거하도록 조절되는 용융된 성분을 구비하는 베이스 합금을 포함하고, 액상의 제거후에 남은 재료는 베이스 합금 조성물인 것을 특징으로 하는 변형된 합금 조성물.
  27. 베이스 합금 조성물을 구비하는 베이스 합금을 제공하는 단계;
    시초 재료와 같이 베이스 합금과 분리 절차를 실행하는 단계; 및
    변형된 합금 조성물이 시초 재료와 같이 변형된 합금을 이용하는 분리 절차에 의해 처리될때 남아있는 조성물이 베이스 합금 조성물이 되도록 변형된 합금 조성물을 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 분리 절차는 시초 재료를 액상 온도 이상의 온도로 가열하고, 반고체 온도에서 시초 재료가 액상 부분과 액상 부분과 다른 조성물의 고상 부분을 구비하도록 액상 온도와 고상 온도사이에 반고체 온도로 액체를 냉각하는 단계, 및
    남아있는 부분이 시초 재료와 다른 조성물을 구비하도록 액상의 일부를 제거하는 단계에 의해 변형된 합금의 조성물을 결정하는 방법.
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