KR20070115952A - Apparatus and method for mixing, agitating and transporting molten or semi-solid metallic or metal-matrix composite materials - Google Patents
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Abstract
Description
여기에서 기술되는 본 발명은 용융 금속 또는 반고상 금속 또는 합금 또는 금속 기지 복합물(metal-matrix composite, MMC) 재료의 슬러리를 가공 및 펌핑하기 위한 방법과 장치에 관한 것이며, 또한 금속 기지 복합물의 제조를 위하여 첨가물을 혼합하는 것에 관한 것이며, 이 모든 것은 특히 다이 캐스팅(die casting) 및 이와 유사한 공정에 관련된다. The invention described herein relates to a method and apparatus for processing and pumping slurry of molten metal or semisolid metal or alloy or metal-matrix composite (MMC) material, and also relates to the manufacture of metal matrix composites. In order to mix the additives, all of which in particular pertain to die casting and similar processes.
많은 소비재 물품과 다수의 산업 장비들은 사형 주조, 다이 캐스팅, 소위 요변적 주조(thixocasting) 등과 같은 몇몇 형태의 캐스팅에 의하여 제조된 구성 요소를 포함한다. 이러한 공정은 용융된 또는 반용융 순금속, 금속 합금 또는 금속 함유 복합물 재료의 몰드 또는 다이에서의 고형화를 포함한다.Many consumer goods and many industrial equipment include components manufactured by some form of casting, such as sand casting, die casting, so-called thixocasting, and the like. Such processes include solidification in a mold or die of a molten or semi-melt pure metal, metal alloy or metal containing composite material.
요변적 슬러리(thixotropic slurry)를 형성하고 유지하기 위하여 요구되는 교반을 수행하기 위하여 다양한 방법이 시도되었다. 미국 특허 제5,040,589호(브래들리 등)에 기재된 "틱소매트(Thixomat)" 공정에서는 슬러리의 전단(shearing) 또 는 교반이 원통 모양의 케이싱(casing) 또는 배럴(barrel)에 꼭 맞춘 회전 스크류 오거(rotating screw auger)의 회전에 의해서 이루어진다. 또한 상기 오거는 슬러리를 배럴의 노즐 단부로 이송하며 최종적으로는 거기에 축적된 슬러리를 다이 또는 몰드로 밀어 넣는다. 수지상 입자 형성물을 깨뜨리기 위하여 충분히 높은 전단 속도(shear rate)를 달성하는 것과 슬러리를 다이로 분출하기 위하여 상기 오거를 사용하는 것 양자 모두 상기 오거를 배럴에 꼭 맞추는 것을 요구한다. 따라서 틱소매트 기계는 상기 오거의 상당한 마모를 겪게 된다. 슬러리에 의한 침식(예를 들어 슬러리가 알루미늄을 함유하는 경우)은 상기의 마로 문제를 악화시킬 수 있다. 또한 PCT 공개 공보 WO 제01/21343호(팬)와 미국 특허 제5,501,266호(왕 등) 및 제6,065,526호(코노)에 개시된 유사 장치를 참고하라.Various methods have been attempted to perform the agitation required to form and maintain thixotropic slurries. In the "Thixomat" process described in US Pat. No. 5,040,589 (Bradley et al.), The shearing or stirring of the slurry is a rotating screw auger that fits perfectly into a cylindrical casing or barrel. screw auger). The auger also transports the slurry to the nozzle end of the barrel and finally pushes the slurry accumulated therein into a die or mold. Both achieving a sufficiently high shear rate to break the dendritic particle formation and using the auger to eject the slurry into the die require fitting the auger to the barrel. Thus, the thixomat machine suffers a considerable wear of the auger. Erosion by the slurry (for example, when the slurry contains aluminum) can exacerbate the above problem. See also PCT Publication WO 01/21343 (fan) and similar devices disclosed in US Pat. Nos. 5,501,266 (King et al.) And 6,065,526 (Kono).
슬러리의 전단 수단으로서 기계적 교반이 계속적으로 개발되고 있지만(예를 들어 미국 특허 제4,771,818호(케네디), 제5,186,236호(개바술러), 및 제6,470,955호(리처드 등) 참고), 또한 이동 전자기장(moving electromagnetic)에 의한 교반이 소개되었다. Mechanical stirring is continuously being developed as a means of shearing slurry (see, eg, US Pat. Nos. 4,771,818 (Kennedy), 5,186,236 (Gabasuller), and 6,470,955 (Richard et al.)). electromagnetic stirring has been introduced.
미국 특허 제4,321,958호(델라수스)는 몰드 내의 나선형 이동장(helically moving field)을 직접적으로 제공하는 전자기장 인덕터를 개시하고 있다. U.S. Patent No. 4,321,958 (Delasus) discloses an electromagnetic field inductor that directly provides a helically moving field in a mold.
미국 특허 제4,434,837호(윈터 등)는 회전장이 회전하는 축 주위에서 몰드의 슬러리를 교반하기 위하여 사용되는 회전장(rotating field)을 발생시키기 위하여 유도 모터(induction motor)의 고정자(stator)와 유사한 고정자의 사용을 개시하고 있다.US Pat. No. 4,434,837 (Winter et al.) Describes a stator, similar to a stator of an induction motor, to generate a rotating field which is used to stir the slurry of the mold around the axis of rotation. The use of is being started.
미국 특허 제4,877,079(롱 등)는 두 개의 별도의 장 패턴(field pattern)을 생성하기 위하여 배열되고 여자(勵磁)되는 두 개 그룹의 코일을 사용하는 연속 캐스팅 몰드를 위한 "역류(counterflow)" 전자기장 교반 장치를 개시하고 있다. 최종적인 결과는 예를 들어 단순한 회전장에 의하여 생성된 것보다 보다 복잡한, 몰드 내의 유도된 금속 이동의 유형들이다. 개선된 전단 및 혼합 이동이 청구되고 있다.U.S. Patent No. 4,877,079 (Long et al.) Discloses a "counterflow" for a continuous casting mold using two groups of coils arranged and excited to produce two separate field patterns. An electromagnetic field stirring device is disclosed. The end result is, for example, types of induced metal movement in the mold that are more complex than those produced by a simple rotational field. Improved shear and mixing movements are claimed.
미국 특허 제5,219,018호(메이어)는 몰드와 동축으로 몰드의 길이 방향을 따라서 나열된 다수의 환상의 코일의 사용을 개시하고 있다. 다상 교류(AC)에 적절하게 연결될 때, 몰드의 용융 및/또는 반용융 금속을 그 길이 방향을 따라서 선형으로 이동시키는 경향이 있는 이동장(moving field)이 생성된다. 실제적으로는 몰드의 길이 방향 축에 원환형의 순환이 형성되고 중심이 맞추어진다.U. S. Patent No. 5,219, 018 (Meyer) discloses the use of a number of annular coils arranged coaxially with the mold along the length of the mold. When properly connected to a polyphase alternating current (AC), a moving field is created that tends to linearly move the molten and / or semi-molten metal of the mold along its length direction. In practice, an annular circulation is formed and centered on the longitudinal axis of the mold.
미국 특허 제5,135,564호(후지카와 등)는 용융 금속이 비-수지상 슬러리(non-dendritic slurry)를 형성하기 위하여 냉각되고 교반되는 원통형 탱크를 개시하고 있다. (다상 유도 모터 고정자에서와 같이) 회전 자기장의 영향 하에서 회전에 의하여 교반이 제공된다. 매끄러운, 일반적으로 원통형의 코어 부재가 컨테이너로 도입되며 바람직하게는 상기 컨테이너와 동축이다. 슬러리는 내측 컨테이너 벽과 상기 코어와의 사이의 환상의 공간에 수용된다. 코어는 상기 컨테이너 중앙의 교반이 제한된 "데드 존(dead zone)"을 제거하며, 교반의 균등성을 증대시킨다.U. S. Patent No. 5,135, 564 (Fujikawa et al.) Discloses a cylindrical tank in which molten metal is cooled and stirred to form a non-dendritic slurry. Agitation is provided by rotation under the influence of a rotating magnetic field (as in a multiphase induction motor stator). A smooth, generally cylindrical core member is introduced into the container and is preferably coaxial with the container. The slurry is contained in an annular space between the inner container wall and the core. The core eliminates "dead zones" with limited agitation in the center of the container and increases the uniformity of the agitation.
미국 특허 제6,637,927호(루 노빌 등)는 (다상 유도 모터에서와 같은) 회전장 및 길이 방향 이동장 모두를 발생시키는 코일 스택(stack)에 의해 컨테이너가 둘러싸여 있는 교반 장치를 개시하고 있다. 상기 장의 영향력의 최종적인 결과는 컨테이너 내부에서 컨테이너 벽에 인접한 금속이, 나선형 경로로 이동하며 그리고 그러한 나선형 내부의 대략적으로 선형인 경로를 따라서 재순환된다는 것이다. U. S. Patent No. 6,637, 927 (Lou Nobil et al.) Discloses a stirring device in which a container is surrounded by a coil stack that generates both a rotating field and a longitudinal moving field (as in a multiphase induction motor). The net result of the influence of the field is that the metal adjacent to the container wall inside the container travels in a spiral path and is recycled along a roughly linear path inside that spiral.
또한 전자기 유도의 사용은 용융 금속을 위한 펌프에서도 공지되어 있다. 그러나 이러한 펌프는 난류(亂流) 유동(turbulet flow) 또는 혼합 유동(mixing flow)이 아닌 부드러운 유동을 제공하기 위한 것이다. The use of electromagnetic induction is also known in pumps for molten metal. However, these pumps are intended to provide a smooth flow that is not turbulent flow or mixing flow.
미국 특허 제2,786,416호(페네모어)는, 다수의 나선형의 인터리브된 권선(interleaved winding)이 액체 금속을 수용하는 환상의 덕트 주위에 제공되며 상기 권선이 나선형 이동장을 제공하기 위하여 다상 교류 전원에 연결되는 펌프를 개시하고 있다. 또한 나선형 장(helical field)을 제공하기 위하여 환상의 덕트 중심의 케이싱에 코일이 제공되는 미국 특허 제3,885,890호(다비드슨)를 참조하라. 흐름 교정 베인 또는 배플(flow straightening vane or baffle)이 각 경우에 제공될 수 있다. U.S. Patent No. 2,786,416 (Pennemore) discloses a plurality of spiral interleaved windings provided around an annular duct that receives liquid metal and the windings connected to a multiphase AC power source to provide a spiral moving field. A pump is started. See also US Pat. No. 3,885,890 (Davidson), in which a coil is provided in an annular duct-centered casing to provide a helical field. Flow straightening vanes or baffles may be provided in each case.
미국 특허 제4,212,592호(올리흐)는, 회전장이 회전장의 회전축에 동심인 환상의 덕트에 가해지며 상기 회전장이 상기 덕트에 금속 흐름을 유도하는 펌프를 개시하고 있다. 흐름 교정 베인은 상기 덕트에 제공된다.U.S. Patent No. 4,212,592 (Olich) discloses a pump in which a rotating field is applied to an annular duct concentric to the axis of rotation of the rotating field, the rotating field inducing metal flow to the duct. Flow calibration vanes are provided in the duct.
미국 특허 제4,988,267호(야마다)는 특히 용융된 금속을 주조 기계의 분사 슬리브에 공급하기 위한 펌프를 개시하고 있다. 덕트를 따라서 축 방향으로 금속을 움직이게 하기 위하여 금속이 펌핑되는 덕트 주위에 코일이 제공된다. 모든 이와 같은 펌프는, 환형부와 동심으로 보호망(protective enlcosure)에 제공되는 강자성체 코어를 구비하는 용융된 금속을 위한 환상형의 덕트를 가진다. U.S. Patent 4,988,267 (Yamada) discloses a pump, in particular for supplying molten metal to the spray sleeve of a casting machine. Coils are provided around the duct where the metal is pumped to move the metal in the axial direction along the duct. All such pumps have an annular duct for molten metal with a ferromagnetic core that is provided concentrically with the annular portion to the protective enlcosure.
상기 각각의 특허의 특허 공보의 명세서는 그 전체가 본 명세서에서 참고로서 병합된다.The specification of each patent publication of each patent is incorporated herein by reference in its entirety.
본 발명의 한 태양에 따르면,According to one aspect of the invention,
용융된 또는 반고상의 금속 함유 재료 또는 금속 기지 복합물 재료의 슬러리(총괄적으로 "슬러리")를 수용하기 위한 케이싱과,A casing for receiving a slurry (collectively "slurry") of molten or semisolid metal containing material or metal matrix composite material,
상기 케이싱에 상기 슬러리의 흐름을 유도하기 위한 이동 자기장을 생성하기 위한 상기 슬러리와 자기적으로 소통하는 적어도 하나의 전기 전도체 수단(electrical conductor means), 및At least one electrical conductor means in magnetic communication with the slurry for generating a moving magnetic field for directing the flow of the slurry in the casing, and
상기 이동 자기장에 의해 유도된 슬러리의 흐름 패턴을 변경하는 상기 케이싱 내에 고정되고 상기 케이싱 내에 위치되는 적어도 하나의 형에 맞추어 만든(바람직하게는 단단한) 구성 요소(shaped component)를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융된 또는 반고상의 금속 함유 재료 또는 금속 기지 복합물 재료의 슬러리(총괄적으로 "슬러리")를 혼합, 교반 및 이송하기 위한 장치가 제공된다.A shaped component secured (preferably rigid) to at least one mold positioned in the casing and altering the flow pattern of the slurry induced by the moving magnetic field. An apparatus is provided for mixing, stirring and conveying a slurry (collectively “slurry”) of molten or semisolid metal containing material or metal matrix composite material.
상기 케이싱은 흡입구와 배출구를 구비하는 덕트이거나 또는 그러한 덕트를 포함할 수 있으며, 상기 슬러리는 흡입구로부터 배출구로 흐른다. 상기 케이싱은 상기 이동 자기장의 영향 하에서 상기 슬러리가 그 안에서 흐르는 케이싱 또는 컨테이너이거나 또는 그러한 컨테이너를 포함할 수 있다. The casing may be or include a duct having an inlet and an outlet, and the slurry flows from the inlet to the outlet. The casing may be or include a casing or container through which the slurry flows under the influence of the moving magnetic field.
상기 적어도 하나의 전기 전도체 수단은 교류 전원에 연결될 수 있는 한 조의 권선(winding)을 포함할 수 있다. The at least one electrical conductor means may comprise a set of windings which may be connected to an alternating current power source.
선택적으로, 상기 케이싱 내의 금속 기지 금속 또는 금속 기지 복합물 재료와 유체 냉각재 재킷의 유체 냉각재 사이에서 열을 이송하기 위하여 유체 냉각재가 순환될 수 있도록 하는 유체 냉각재 재킷에 의하여, 상기 케이싱은 적어도 부분적으로 둘러싸인다.Optionally, the casing is at least partially surrounded by a fluid coolant jacket that allows fluid coolant to be circulated to transfer heat between the metal matrix metal or metal matrix composite material in the casing and the fluid coolant of the fluid coolant jacket. .
바람직하게는 상기 구성 요소는 하나 이상의 나선형 스크류 플라이트(screw flight)이다. 상기 케이싱과 상기 나선형 스크류 플라이트는 상기 슬러리의 흐름을 위한 적어도 하나의 나선형 도관(conduit)을 형성한다. 선택적으로, 상기 나선형 도관은 여기에 수용된 슬러리의 유도된 이동 방향으로 기울어진 적어도 하나의 세그먼트(segment)를 포함한다.Preferably the component is one or more helical screw flights. The casing and the helical screw flight form at least one helical conduit for the flow of the slurry. Optionally, the helical conduit comprises at least one segment inclined in the induced movement direction of the slurry contained therein.
상기 케이싱 및/또는 상기 구성 요소는 티타늄 또는 티타늄을 포함하는 재료로 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 티타늄 또는 티타늄 함유 재료의 사용은 특히 바람직할 수 있는 것으로 생각된다. 예를 들어서, 상기 재료는 미국 매사추세츠 벌링터의 다이나메트 테크놀로지사(Dynamet Technology Inc.)에 의하여 개발된 세르메티아이(CermeTi®)와 같은 티타늄 기지 복합물일 수 있다. 또한 세라믹 또는 세라믹 함유 재료는 부품들에 사용하거나 또는 케이싱의 표면 및/또는 상기 케이싱에 수용된 슬러리와 접촉하는 구성 요소(들)에 사용하기에 적합할 수 있다.The casing and / or the component may be at least partially formed of titanium or a material comprising titanium. It is contemplated that the use of titanium or titanium containing materials may be particularly desirable. For example, the material may be a titanium matrix composite, such as a child Sergio methicillin (CermeTi ®) developed by the four dynamic meth Technology of Burlington, Mass., USA emitter (Dynamet Technology Inc.). The ceramic or ceramic containing material may also be suitable for use in parts or for component (s) contacting the surface of the casing and / or the slurry contained in the casing.
본 발명의 또 다른 태양은 다이 또는 몰드에서 슬러리를 주조하기 위한 시스템을 제공한다. 상기의 개시된 장치는 상기 슬러리를 주조 기계 또는 틱소포징(thixoforging) 기계의 다이 또는 몰드로 직접적으로 이송하거나 또는 다이 캐스팅 기계의 샷 슬리브(shot sleeve)로 직접적으로 이송한다. Another aspect of the invention provides a system for casting a slurry in a die or mold. The disclosed apparatus transfers the slurry directly to a die or mold of a casting machine or thixoforging machine or directly to a shot sleeve of a die casting machine.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면,According to another aspect of the invention,
슬러리를 케이싱에 놓는 단계와,Placing the slurry into the casing,
적어도 하나의 전기 전도체 수단에 의하여 상기 케이싱에 슬러리의 흐름을 유도하기 위한 이동 자기장을 슬러리에 가하는 단계, 및Applying a moving magnetic field to the slurry to direct the flow of slurry to the casing by at least one electrical conductor means, and
상기 슬러리의 흐름을 변경하는 상기 케이싱에 고정되고 그 안에 위치되는 적어도 하나의 구성 요소를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러리의 이송 및 슬러리의 상태 제어 방법이 제공된다. 예를 들어, 흐름이 유도될 수 있고, 상기 슬러리 내의 수지상 고체 입자의 성장을 제어, 방지 또는 제한하기 위하여 상기 흐름의 패턴이 수정될 수 있다. 상기 케이싱 내의 슬러리의 온도는, 유체 냉각재를 상기 케이싱을 둘러싸는 냉각재 재킷에 통과시킴으로써 제어될 수 있다.And providing at least one component secured to and positioned in the casing that changes the flow of the slurry. For example, a flow can be induced and the pattern of the flow can be modified to control, prevent or limit the growth of dendritic solid particles in the slurry. The temperature of the slurry in the casing can be controlled by passing a fluid coolant through the coolant jacket surrounding the casing.
본 발명의 또 다른 태양에 의하면 금속 기지 복합물(MMC)을 생성하기 위하여 첨가물을 슬러리에 혼합하는 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention there is provided a method of mixing an additive into a slurry to produce a metal matrix composite (MMC).
따라서 여기에서 개시되는 발명은 금속(금속 합금 포함) 및 금속 기지 복합물(MMC)로부터 구성 요소를 제조하는 것에 관한 것이며, 이러한 제조에 있어서 다이가 사용되며 상기 다이에 들어가는 재료는 요변적 슬러리의 형태이다. 또는 이러한 슬러리는 반고상 금속(semi-solid metal, SSM)으로 알려질 수 있다. 여기에서 이 용어는 금속 기지 복합물을 포함하는 것으로 이해된다. Thus, the invention disclosed herein relates to the manufacture of components from metals (including metal alloys) and metal matrix composites (MMCs), in which a die is used and the material entering the die is in the form of a thixotropic slurry. . Or such a slurry may be known as a semi-solid metal (SSM). This term is understood here to include metal matrix composites.
도 1은 유동적 주조 공정(rheocasting process)과 요변적 주조 공 정(thixocasting process)을 비교하는 플로우 차트.1 is a flow chart comparing the rheocasting process and the thixocasting process.
도 2는 이러한 공정을 실행하는 데 있어서 대안적인 단계들을 보여주는 플로우 차트.2 is a flow chart showing alternative steps in carrying out this process.
도 3은 본 발명에 따른 장치를 포함하는 덕트의 중앙의 길이 방향 축을 포함하는 평면에서 자른 본 발명에 따른 장치를 포함하는 덕트의 횡단면도. 3 is a cross-sectional view of a duct comprising the device according to the invention, cut in a plane comprising a longitudinal axis in the center of the duct comprising the device according to the invention.
도 4는 도 3에서 도시된 상기 덕트의 도 3의 "4-4" 위치에서 자른 횡단면도.4 is a cross-sectional view cut in the "4-4" position of FIG. 3 of the duct shown in FIG.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 상기 덕트의 벽의 내측 표면의 한 부분의 전개도(developed view).5 is a developed view of a portion of the inner surface of the wall of the duct shown in FIGS. 3 and 4.
도 6은 가능한 변형을 나타내는 도 5와 동일한 유형을 나타내는 도면.FIG. 6 shows the same type as FIG. 5 showing possible variations.
도 7은 본 발명에 따라서 구성된 장치의 대안적인 실시예를 포함하는 덕트의 길이 방향 횡단면도.7 is a longitudinal cross-sectional view of a duct comprising an alternative embodiment of a device constructed in accordance with the present invention.
도 8은 본 발명에 따라 구성된 장치의 또 다른 대안적인 실시예를 포함하는 밀폐된 원통형 용기(closed cylindrical vessel)의 길이 방향 횡단면도.8 is a longitudinal cross-sectional view of a closed cylindrical vessel incorporating another alternative embodiment of a device constructed in accordance with the present invention.
도 9는 본 발명에 따라서 제작된 장치의 적용례의 개략적인 다이어그램.9 is a schematic diagram of an application example of an apparatus manufactured according to the present invention.
도 10은 본 발명에 따라서 제작된 장치의 또 다른 적용례의 개략적인 다이어그램.10 is a schematic diagram of another example of application of a device made in accordance with the present invention.
도 11은 본 발명에 따라서 제작된 장치의 대안적인 적용례의 개략적인 다이어그램.11 is a schematic diagram of an alternative application of a device made according to the invention.
도 12는 본 발명에 따라서 제작된 장치의 또 다른 대안적인 적용례의 개략적인 다이어그램.12 is a schematic diagram of another alternative application of an apparatus constructed in accordance with the present invention.
도 13은 본 발명에 따라서 제작된 장치의 또 다른 대안적인 적용례의 개략적인 다이어그램.13 is a schematic diagram of another alternative application of an apparatus constructed in accordance with the present invention.
도 1 및 도 2는 여기에서 개시된 본 발명의 가능한 적용을 나타내는 공정의 플로우 차트이다. 도 1은 본 명세서에 참고로서 병합되는, 예를 들어 미국 특허 제6,432,160호에서 기술되고 서로 구별되는 "요변적 주조" 및 "유동적 주조"로 알려진 공정에서의 단계를 보여준다. 각각의 이러한 공정에서, 금속 합금은 통상 주변 대기압(atmosphere)을 조절한 상태에서 공지의 방식으로 처음으로 용융된다(단계 1). 이 지점에서 합금 액체는 그 액상 온도 보다 높은 온도에 있다. 1 and 2 are flow charts of processes illustrating possible applications of the present invention disclosed herein. 1 shows the steps in a process known as "Rheological Casting" and "Fluid Casting", for example, described in US Pat. No. 6,432,160 and incorporated herein by reference. In each of these processes, the metal alloy is first melted in a known manner, usually with controlled ambient atmosphere (step 1). At this point, the alloy liquid is at a temperature above its liquidus temperature.
단계 2("상태 조절 및 수용")에서, 상기 용융된 물질은 그 액상 온도보다는 낮고 그 고상 온도보다는 높게 냉각되며 활발히 교반된다. 냉각으로 인해서 수지상의 고체 입자(dendritic solid particle)는 응집 및 성장을 시작한다. 상기 용융된 물질이 충분히 교반되지 않는 경우에는, 상기 입자는 점진적으로 연결(link)되어 혼합물의 점성도 및 정상적인 경로의 고형화가 점진적으로 증가할 것이다. 교반의 효과는, 상기 수지상 입자를 대략적인 회전 타원체 형태(spheroidal form)의 이산된 퇴화 수지상 입자(discrete degenerate dendritic particle)로 수정되도록 함으로써, 고형화 합금(solidifying alloy)의 미세 구조를 수정하는 것이다. 이러한 입자의 비율이 증가함에 따라서 점성도는 증가한다. 충분한 교반(예를 들어 전단) 및 고상 및 액상 온도 사이에서 유지되는 온도의 정밀한 제어에 의해서, 반고상 슬러리가 생성된다. 비-수지상(non-dendritic) 형태의 금속 합금 및 이들을 실질적으로 주조에 적용하는 것은 본 명세서에 참고로서 병합되는 미국 특허 제3,902,544호(플레밍 등)에 기술되어 있다. In step 2 ("conditioning and receiving"), the molten material is cooled below the liquidus temperature and cooled above its solidus temperature and vigorously stirred. Due to cooling, dendritic solid particles begin to aggregate and grow. If the molten material is not sufficiently agitated, the particles will be gradually linked to gradually increase the viscosity of the mixture and the solidification of the normal pathway. The effect of the agitation is to modify the microstructure of the solidifying alloy by allowing the dendritic particles to be modified into discrete degenerate dendritic particles in approximately spheroidal form. As the proportion of these particles increases, the viscosity increases. By solid stirring (eg shear) and precise control of the temperature maintained between the solid and liquid phase temperatures, a semisolid slurry is produced. Non-dendritic forms of metal alloys and their application to casting substantially are described in US Pat. No. 3,902,544 (Fleming et al.), Which is incorporated herein by reference.
통상 단계 2는 최초 용융이 일어난 컨테이너와 분리된 컨테이너에서 일어난다. 슬러리는 그 상태가 유지된 채 상기 컨테이너에 얼마간 수용될 수 있다. 교반 및 적절한 온도가 유지되는 한 슬러리가 유동성 상태로 유지되나 만일 교반이 정지하거나 또는 온도가 고상 온도 이하로 떨어진다면 유동성을 상실한다는 점에서 슬러리는 요변성(搖變性)이다. 단계 3("이송")에서 상기 슬러리는 슬러리의 상태가 그와 같이 조절되던 컨테이너로부터 분출된다.
요변적 주조에서, 다음으로 슬러리는 빌렛(billet)으로 고형화된다(단계 4a로 도시됨). 이 후 이들은 슬러리 형태로 재용융되며(단계 5a) 그리고 주조된다(단계 6a). 유동적 주조에서는 상기 슬러리가 고형화 및 재용융이 되고 나서 주조되는 것이 아니라 단지 곧바로 주조에 사용된다.In thixotropic casting, the slurry is then solidified into a billet (shown in
유동적 주조에서는, 단계 3에서 분출된 슬러리는 거의 곧 바로 주조된다. 주조 공정은 도 1에서 구분되는 두 가지 형태를 취할 수 있다. 그 중 한 형태에서, 이송/분출(단계 3)은 직접적으로 다이로 행해지며, 따라서 주조 단계(단계 4b)는 결과적으로 단순히 다이로 슬러리가 주입되는 것과 다이에서의 고형화를 의미하게 된다. 나머지 한 형태에서는, 이송(단계 3)은, 콜드 챔버 유형의 다이 캐스팅 기계의 인젝션 (샷) 슬리브(injection (shot) sleeve)와 같은 매개 컨테이너(intermediate container)로 행해진다. 단계 4c는 두 개의 단계를 가진다: 상기 샷 슬리브로 상기 슬러리를 분사하는 단계 및 그 다음으로 고형화 이전에 다이 또 는 몰드로 분사하는 단계.In fluid casting, the slurry ejected in
근본적으로 순수 금속 합금에 관한 요변적 주조와 유동적 주조 공정은 알루미늄 합금과 플라이 애쉬(fly ash)를 바탕으로 한 것을 포함하여 금속 기지 복합물에 적용될 수 있다. 예를 들어 본 명세서에 참고로서 병합되는 미국 특허 제4,888,054호(폰드 1세)를 참조하라. 주요한 차이점은 혼합 단계가 포함되어 있다는 것이다. Essentially, thixotropic casting and fluid casting processes for pure metal alloys can be applied to metal matrix composites, including those based on aluminum alloys and fly ashes. See, for example, US Pat. No. 4,888,054 (Pond I), which is incorporated herein by reference. The main difference is that a mixing step is included.
금속 기지 복합물의 생성을 위하여 (플라이 애쉬와 같은) 첨가물이 용융된 합금에 혼합되는 혼합 단계(도 1a로 도시됨)를 포함하는 것을 제외하고 도 2는 도1과 유사하다. 나머지 단계들은 도 1의 대응하는 단계와 동일하게 번호가 매져겨 있다. 합금과 같은 금속 기지 복합물 재료에 있어서, 교반 과정 및 액상과 고상 사이의 온도로 (최초) 냉각하는 과정은 주조 단계(들)를 위하여 상기 재료를 적절한 굳기의 반고상 슬러리로 조절하는 데 있어서 요구된다.FIG. 2 is similar to FIG. 1 except that it includes a mixing step (shown in FIG. 1A) where the additive (such as fly ash) is mixed into the molten alloy to produce a metal matrix composite. The remaining steps are numbered the same as the corresponding steps in FIG. 1. For metal matrix composite materials such as alloys, stirring and cooling (first) to the temperature between the liquid and solid phases are required to control the material into a suitable solid semisolid slurry for the casting step (s). .
여기에서 사용되는 "플라이 애쉬(fly ash)"라는 용어는 석탄 연소의 부산물을 나타낸다. 상기 재료는 주로 복잡한 알루미노 규산염 유리(aluminosilicate glass), 멀라이트(mullite), 적철석(hematite), 마그네타이트 스핀엘(magnatitie spinel) 및 석명(quartz)으로 구성된다. 플라이 애쉬의 석영(크리스탈린 실리카)의 비율은 석탄의 석영 함량에 의존한다. 또한 여기에서 사용되는 상기 용어는 포조란(pozzolan), 플라이 애쉬, 클래스 에프 플라이 애쉬(Class F fly ash) 및 클래스 씨 플라이 애쉬(Class C fly ash)로 알려진 생성물을 포함한다. 종래에는 플라이 애쉬는 콘크리트나 콘크리트 제품을 위한 보충적인 시멘트성 재료로 사용되어왔다. 또한 플라이 애쉬는 토양 안정화에 사용되었으며 아스팔트 및 다른 산물의 미세 충전물(fine filler)로 사용되어왔다.The term "fly ash" as used herein denotes a byproduct of coal combustion. The material consists mainly of complex aluminosilicate glass, mullite, hematite, magnetite spinel and quartz. The proportion of fly ash quartz (crystallin silica) depends on the quartz content of the coal. The term also used herein includes products known as pozzolan, fly ash, Class F fly ash and Class C fly ash. In the past, fly ash has been used as a supplementary cementitious material for concrete or concrete products. Fly ash has also been used for soil stabilization and as a fine filler for asphalt and other products.
계속적으로 도 2를 참고하면, 본 발명의 제1 목적은 단계 1a 및 단계 2, 그리고 추가적으로 단계 3을 실시할 수 있는 장치의 제공이며, (단계 3의 경우에) 최소한, 이송은 빌렛 주조 장비로 행해지거나 또는 콜드 챔버 주조 기계의 샷 슬리브로 행해진다. 대안적으로, 상기 기술된 장비는 분출(단계 3)이 다이 또는 몰드로 직접적으로 행해지는 경우(즉, 상대적으로 높은 압력인 경우)에 사용될 수 있다. 또 다른 목적은 금속, 요변성 슬러리와 같은 금속 기지 복합물과 금속 합금의 형성, 조절 및 사용을 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다. With continued reference to FIG. 2, a first object of the present invention is the provision of an apparatus capable of carrying out
도 1로 돌아가서, 또한 본 발명은 단계 2 및 단계 3을 실행하는 데에 사용될 수 있으며, 이에 대해서는 도 3과 관련하여 이전 단락에 설명한 것과 동일하게 설명된다. Returning to FIG. 1, the invention can also be used to carry out
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 덕트(1)와 장치(2)의 횡단면도이다. 상기 단면은 상기 덕트(1)의 중앙의 길이 방향 축(3)을 포함하는 평면에서 절단되었다. 바람직하게는 상기 덕트(1)는 원형의 횡단면을 가진다. 도 4는 상기 축(3)에 수직인 평면에서 절단된 도 3에 도시된 장치(2)의 도 3의 "4-4" 위치에서의 횡단면도이다. 긴 중앙의 몸체(4)는 상기 덕트(1) 내에 고정되고 상기 덕트와 동축이다. 상기 덕트의 몸체(4)와 벽(5)은 그 사이에서, 바람직한 실시예에서는 환상형인 공간(6)을 형성한다. 다수의, 바람직하게는 하나 또는 두 개의 인터리브된 아르키메데스 스크류 플라이트(interleaved Archimedean screw flight)(7, 8)는 상기 환상 의 공간(6)에 배열되며, 상기 스크류 플라이트는 (이러한 플라이트가 두 개 있는 경우에) 축(3) 주위로 180 °의 각도 차이로 분리되어 있다. 플라이트들(7, 8)은 상기 벽(5)과 중앙 몸체(4)에 고정되며 그 사이에서 연장한다. 따라서 상기 플라이트들은 덕트(1) 내에서 회전하지 않으며 그러므로 이전에 언급한 특정 선행 기술의 접근법에서의 마모의 문제점을 방지하게 된다. 그러나 상기 플라이트들은 축 방향 흐름의 방향을 수정하며 난류(亂流) 교반과 함께 상기 흐름에 나선형 성분을 부가한다.3 is a cross-sectional view of the
상기 덕트의 용융 슬러리 또는 슬러리를 냉각할 수 있는 유체 냉각재 재킷(9)은 상기 덕트(1)를 둘러싸고 있다. 이러한 종류의 장치에 있어서 냉각을 위한 재킷(9)과 같은 액체 냉각재 재킷의 설계는 그 자체로 복잡한 기술이다. 재킷(9)은 추가적인 구성 요소들을 포함할 수 있거나 그렇지 않으면 도시된 재킷(9)과 다를 수 있다. A fluid coolant jacket 9 capable of cooling the molten slurry or slurry in the duct surrounds the
(도시된 실시예에서) R, Y 및 B로 명칭된 다수의, 바람직하게는 세 개 조의 솔레노이드 유형의 코일(10)은 상기 덕트와 워터 재킷(water jacket)을 둘러싼다. 상기 조들 R, Y 및 B의 각각에 한 개의 상을 연결하여, 삼상 교류 전원이 공지의 방식으로 코일들(10)에 연결될 수 있다. 상기 코일들에 전류가 공급될 때, 그 효과는 상기 덕트(1)에 와상 전류 및 연관된 자기장을 유도함으로써 상기 덕트(1)의 용융 금속 또는 슬러리를 화살표 "X"로 표시된 바와 같이 길이 방향으로 움직이게 하는 이동 자기장을 형성하는 것이다. A plurality of, preferably three, solenoid type coils 10, designated R, Y, and B (in the illustrated embodiment) surround the duct and water jacket. By connecting one phase to each of the jaws R, Y and B, a three phase AC power source can be connected to the
스크류 플라이트들(7, 8)은 상기 공간(6)의 슬러리가 방해 받지 않고 길이 방향으로 이동하는 것을 제한하며, 대신 상기 플라이트들(7, 8), 상기 벽(5) 및 상기 몸체(4)에 의해 형성된 두 통로(11, 12)를 따라서 나선형 경로로 슬러리가 움직이게 한다. 도 3의 화살표 "Y"는 이러한 나선형 흐름의 일반적인 방향을 나타낸다. 그러한 흐름은 자기적 영향 하에서 축 방향 및 원심성(조합되어, 나선형)의 요소를 가진다.
상기 통로들(11, 12)의 각각의 내부에는, 전압이 가해진 장(impressed field)이, 금속 또는 슬러리가 따라가도록 구속되는 일반적으로 나선형인 경로에서 금속 또는 슬러리를 움직이게 하는 경향이 있는 축 방향 사이에 차이점이 있다. 이것의 효과는, 상기 장치(2)의 거동에 관한 어떠한 특정 이론으로 제한됨 없이, 각 통로 내에서 주된 흐름을 일반적으로 횡단하는 순환성 흐름(화살표 "Y")을 부가하는 것으로 생각되며, 따라서 상기 덕트의 슬러리와 벽들 사이에서 혼합 및 열 이송을 강화하는 한 편 수지상 성장을 억제한다. 도 3의 화살표 "Z"는 통로(11)에 부가된 이러한 흐름을 나타낸다. 결과적으로 상기 슬러리는 상기 덕트(1)의 흡입구 단부(13)로부터 배출구 단부(14) 방향으로 이동되거나 또는 펌핑된다.Inside each of the
따라서 도 3 및 도 4에 도시된 장치(2)는 슬러리를 펌핑하기 위해서 그리고 이하의 것을 제공하기 위하여 사용될 수 있다: Thus, the
(a) 수지상 형태 입자가 회전 타원체의 퇴화 수지상 입자(spheroidal degenerate dendritic particle)가 되도록(또는 유지되도록) 그리고 요변성 슬러리가 형성되도록, 상기 재료의 수지상 형태 입자의 형성을 제한하기 위하여 요구되는 흐름 전단과 교반,(a) the flow shear required to limit the formation of dendritic shaped particles of the material such that the dendritic shaped particles become (or maintained) spheroidal degenerate dendritic particles and a thixotropic slurry is formed. And stirring,
(b) 바람직하게는 금속 기지 복합물 재료의 슬러리가 요구될 때, 상기 슬러리를 고상의 첨가물(예를 들어 플라이 애쉬)과 혼합.(b) mixing the slurry with solid additives (eg fly ash), preferably when a slurry of metal matrix composite material is desired.
더욱이, 스크류 플라이트들(7, 8)의 비회전성은 이것들이 겪는 마모를 제한하는 것으로 생각된다. 또한 상기 장치(2)에 있어 주목할 점은, 흡입구(13)와 배출구(14)와의 사이의 금속 또는 슬러리가 따르는 경로들은 순수한 축 방향 흐름 장치의 경우보다 일반적으로 길며, 따라서 혼합 및 교반을 위해 이용 가능한 흐름 경로의 길이는 동일한 길이의 축 방향 흐름 덕트에 있어서보다 길며, 한 편 상기 코일(10)과 냉각재 재킷(9)이 상대적으로 짧을 수 있다는 점이다.Moreover, the non-rotationality of the
대안적인 Alternative 실시예들Examples 및 공정 단계들 And process steps
특정 조건 및 특정의 적용례에 적합하도록 이와 같은 효과들을 강화하거나 그리고/또는 수정하기 위하여 다수의 변경이 가능하다. 일부가 이하의 (a) 내지 (j) 단락에서 기술된다.Many modifications are possible to enhance and / or modify these effects to suit particular conditions and particular applications. Some are described in paragraphs (a) to (j) below.
상기 언급한 특허들에서 개시된 바와 같이 그리고 선행 기술에서 공지된 바와 같이, 본 발명과 함께 사용될 수 있는 서로 다른 코일 장치들이 개발되었다. 예를 들어, 최소한 이하의 (a) 내지 (e)의 대안적 구성들이 개별적으로 또는 적절한 조합으로 적용될 수 있다.As disclosed in the above-mentioned patents and as known in the prior art, different coil arrangements have been developed which can be used with the present invention. For example, at least the following alternative configurations of (a) to (e) may be applied individually or in a suitable combination.
(a) 도 3 및 도 4에 도시된 한 조의 솔레노이드 코일(10) 대신에, 다상 유도 모터(polyphase induction motor)와 유사한 고정자 링 장치(stator ring arrangement)(도시되지 않음)가 제공될 수 있으며, 상기 덕트(1)는 상기 고정자 링을 통과한다. 슬러리에 그와 같이 가해진 회전 자기장은 슬러리를 덕트 축(3)을 중 심으로 회전시키는 경향이 있다. 그러나 상기 스크류 플라이트들(7, 8)의 효과는 그러한 이동이 축 방향 이동까지 유발한다는 것이다. 또한, 부가된 흐름들은 도 3 및 도 4에 도시된 장치(2)에서도 야기될 수 있다.(a) Instead of the set of solenoid coils 10 shown in FIGS. 3 and 4, a stator ring arrangement (not shown) similar to a polyphase induction motor may be provided, The
(b) 사용될 수 있는 또 다른 코일 장치(도시되지 않음)는 나선형 이동장(helically traveling field)을 제공하는 장치이다. 그러한 코일 장치는 예를 들어서 미국 특허 제2,786,416호에 개시되고 있다. 만일 상기 스크류 플라이트들(7, 8)의 비틀림각(helix angle) 및 방향이 전압이 가해진 이동 자기장의 비틀림각 및 방향과 동일하다면, 그 효과는 플라이트 사이의 흐름 통로들(11, 12)을 따라서, 생각건대 비교적으로 낮은 수준의 부가된 순환성 흐름과 혼합으로 금속 또는 슬러리를 움직이게 하는 것이다. 그러나 상기 스크류 플라이트의 비틀림각과 상기 자기장의 비틀림각이 일치하지 않는다면 첫째로 상기 나선형 흐름 통로들(11, 12)을 따르는 흐름과 둘째로 그러한 경로들 내의 부가된 흐름들의 상대적인 비율이 상이하게 되며, 따라서 난류(亂流) 상태를 증대시킨다고 생간된다. 적절한 정도의 불일치가 선택될 수 있다. (b) Another coil device (not shown) that may be used is a device that provides a helically traveling field. Such coil arrangements are disclosed, for example, in US Pat. No. 2,786,416. If the helix angle and direction of the
(c) 서로 다른 유형들의 코일들이 조합되어 사용될 수 있다. 예를 들어 (도 3의 코일(10)과 같은) 길이 방향으로 배열된 솔레노이드 코일들의 "스택"을 상기 (a)에서 기술된 하나 이상의 고정자-링 장치(도시되지 않음)와 조합하여 사용하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 장치(2)의 길이 방향을 따라서 혼합, 교반 및 펌핑의 소정 범위의 수준 및 형태를 가능하게 할 수 있다. (c) Different types of coils may be used in combination. For example, using a "stack" of solenoid coils arranged in the longitudinal direction (such as
(d) 상기 코일들은 다양한 방식으로 여자(勵磁) 된다. 예를 들어 선 주파 수(line frequency)를 변경함으로써, 슬러리의 이동 속도와 (예를 들어 회전 또는 솔레노이드) 자기장의 상기 슬러리로의 관통 정도가 변화될 수 있으며, 결과적으로 흐름 패턴이 변화되고 따라서 펌핑 및 혼합에서도 변화를 가져온다고 생각된다. 또 다른 가능성은 일정한 교류가 아닌 펄스 직류를 사용하는 것이다.(d) The coils are excited in various ways. For example, by changing the line frequency, the rate of movement of the slurry and the degree of penetration of the magnetic field (e.g., rotation or solenoid) into the slurry can be changed, resulting in a change in the flow pattern and thus pumping. It is thought that a change is caused even in a mixture. Another possibility is to use pulsed direct current, not constant alternating current.
(e) 일부 장치에서는 코일들(7, 8)과 같은 외부 코일들 대신으로 하거나 또는 이들 코일에 추가하는 방식 중 어느 하나로 도 3 및 도 4에 도시된 장치의 중앙 몸체(4) 내부에 코일들(도시되지 않음)을 제공하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어 미국 특허 제3,885,890호는, 나선형 이동장을 제공할 수 있고 환상의 흐름 공간 내에서 몸체에 장착될 수 있는 코일들의 장치를 개시하고 있다. 서로 다른 유형들의 코일들을 조합함으로써, 예를 들어 중앙 몸체에는 나선형으로 외측은 솔레노이드형으로 조합함으로써, 넓은 범위의 전단 강도와 유도된 흐름 경로를 생성할 수 있고 따라서 혼합 공정에 영향을 미칠 수 있다. (e) Coils inside the central body 4 of the device shown in FIGS. 3 and 4 in some arrangements, either in place of or in addition to external coils such as
(f) 도 3 및 도 4에서는, 장치(2)는 일정한 피치의 그리고 특정 비틀림각의 단지 두 개의 스크류 플라이트들(7, 8)을 가진다. 그러나 상기 플라이트들의 형태에 변경을 가할 수 있다. 예를 들어서 상기 플라이트들의 수와 비틀림각은 변화될 수 있으며 피치는 덕트 길이 방향을 따라서 변화될 수 있다. 이것은 예를 들어 발생될 있는 난류 특성(turbulence characteristic)에 영향을 미친다. 또한 덕트의 길이 방향을 따라서 흐름의 변화를 증대시키고 혼합을 촉진하기 위하여 상기 스크류 플라이트들의 피치와 코일들의 길이 방향 간격을 의도적으로 불일치시키는 것이 바람직 할 수 있다. (이것은 도 3에 도시 되어 있지 않으며, 도 3에서 플라이트 피 치 길이 당 코일의 수는 정수이다.)(f) In FIGS. 3 and 4, the
또한 스크류 플라이트들에 불연속성(interruption)을 제공하는 것이 가능하다. 한 실시예가 도 5 및 도 6에 도시되고 있다. 참고로서 제공되는 도 5는 벽(5)의 내측 표면(15)이 스크류 플라이트들(7, 8)에 고정되어 있는 벽의 내측 표면의 전개도이다. 도 5를 이해하기 위하여, 벽(5)이 도 4에서 "Q"로 표시된 원주 상의 지점에서 길이 방향으로 절단되고 나서 평평하게 펴졌다고 생각해보자. 도 5에서 표면(15)에 고정된 스크류 플라이트들(7, 8)이 도시되고 있다. 스크류 플라이트들(7, 8)의 전방 가장자리들(16, 17)이 도 3 및 도 5에 표시되어 있다. 도 6은 도 5와 동일한 방식으로 작성되었으며 직접적으로 대조할 수 있도록 하기 위한 것이다. 도 6의 플라이트 배열에 있어서, 네 개의 스크류 플라이트들(18, 19, 20, 21)이 나타나 있다. 플라이트들(18, 19)은 플라이트들(7, 8)보다 짧고 단지 상기 덕트(1)의 세그먼트(22)에서 길이 방향으로 연장한다는 것을 제외하고는, 플라이트들(18, 19)은 도 3, 도 4 및 도 5의 플라이트들(7, 8)과 동일하다. 짧은 길이 방향 틈새(23) 이후에는, 플라이트들(20, 21)은 덕트(1)의 세그먼트(24)를 따라서 시작되고 연장한다. 상기 플라이트들의 비틀림각 "T" 은 플라이트들(18, 19)의 비틀림각과 크기가 동일하게 도시되어 있지만 플라이트들(20 ,21)은 플라이트들(18, 19)과 반대 방향이며 플라이트들(20, 21)의 전방 가장자리(leading edge)(25, 26)는 플라이트들(18, 19)의 후방 가장자리(trailing edge)(27, 28)로부터 원주 방향으로 이동되어 있다. It is also possible to provide interruption to the screw flights. One embodiment is shown in FIGS. 5 and 6. 5, which is provided for reference, is an exploded view of the inner surface of the wall in which the inner surface 15 of the wall 5 is fixed to the
이러한 배열의 효과는, 수용된 금속 또는 슬러리를 (도 6에서 화살표 "P"로 도시된) 덕트의 축 방향으로 움직이게하도록 배열된 (코일들(10)의 조와 같은) 한 조의 솔레노이드 유형의 코일들과 함께 사용될 때, 플라이트 그룹(18/19, 20/21) 내에 축 방향의 힘 성분이 존재한다는 것이다. 금속 또는 슬러리는 상기 덕트(1)를 따라서 이동하지만 그러나, 대체적으로 개선된 전단 교반과 혼합이 특히 첫째로 플라이트들(18, 19) 사이와 둘째로 플라이트들(20, 21) 사이의 영역에 존재하거나 존재하여야 한다.The effect of this arrangement is a set of solenoid type coils (such as a jaw of coils 10) arranged to move the contained metal or slurry in the axial direction of the duct (shown by arrow “P” in FIG. 6). When used together, there is an axial force component within the
수용된 금속 또는 슬러리의 혼합 및 전단/교반을 강화하기 위하여 다른 플라이트 장치들이 고안될 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어 도 6에 도시된 두 개 조(18/19, 20/21)보다 축 방향으로 배열된 더 큰 수의 여러 조들의 플라이트들을 덕트가 가질 수 있다. It will be appreciated that other flight devices may be designed to enhance mixing and shearing / stirring of the contained metal or slurry. For example, the duct may have a larger number of flights of several pairs arranged axially than the two
(g) 도 3 및 도 4에서는 덕트 벽과 중앙 몸체 사이에서 완전히 연장하는 플라이트들(7, 8)이 도시되고 있다. 그러나 또 다른 가능성은, 중앙 몸체에 고정되고 벽을 향해 외측으로 단지 부분적으로 연장하면서 틈새를 남기거나, 또는 벽에 고정되고 중앙 모체를 향해 부분적으로 내측으로 연장하는 플라이트들(도시되지 않음)을 제공하는 것이다. 각각의 경우에, 상기 틈새는 수용된 금속 또는 슬러리의 전단/교반을 강화할 것으로 예상된다. 보다 일반적으로, 플라이트들의 개구부들(구멍, 슬롯 등) 또는 형에 맞추어 만든 프리 에지들(shaped free edge)(이 때 당해 플라이트는 중앙 몸체 또는 벽체 고정되지 않는다)은 수용된 슬러리의 혼합 및 전단/교반을 강화하기 위하여 제공될 수 있다. (g) In Figures 3 and 4 there are shown
상기 덕트 내의 금속 또는 슬러리의 이동이 외부적으로 가해진 이동 자기장 에 의해 유발되기 때문에, 플라이트들과 덕트(또는 중앙 몸체)의 경계선들과의 사이의 틈새는, 플라이트들이 그러한 움직임을 제공하기 위하여 기계적으로 회전되는 경우에서와 같이 작게 유지될 필요가 없다는 점을 주목하자. 따라서 마모가 감소될 수 있다고 생각된다. 또한 흐름 도관들의 횡단면 형상을 변경하기 위하여 케이싱 및/또는 플라이트 형상을 수정하는 것이 가능하다. Since the movement of the metal or slurry in the duct is caused by an externally applied moving magnetic field, the gap between the flights and the boundaries of the duct (or central body) is such that the flights are mechanically provided to provide such movement. Note that it does not have to be kept as small as in the case of rotation. It is therefore believed that wear can be reduced. It is also possible to modify the casing and / or flight shape to change the cross sectional shape of the flow conduits.
(h) 대안적인 실시예들에서, 수용된 재료가 통과하는 도관의 어느 것에서나, 플라이트가 아닌 몸체 또는 구조체와 같은 난류 형성을 위한 수단(means for turbulating)을 고정할 수 있으며, 상기 몸체 또는 구조체는 혼합 및/또는 교반을 강화하기 위하여 상기 몸체 또는 구조체를 통과하는 흐름에 난류 또는 전단 또는 다른 교란 작용을 자체적으로 도입한다. (h) In alternative embodiments, in any of the conduits through which the received material passes, it is possible to fix means for turbulating, such as non-flight bodies or structures, wherein the body or structure It introduces itself into turbulent or shear or other disturbing actions in the flow through the body or structure to enhance mixing and / or agitation.
(i) 선택적으로, 상기 중앙 몸체(4)는 상이한 직경으로 제조될 수 있으며 또는 그 직경은 길이 방향에서 변화될 수 있다. 상기 중앙 몸체는 자속 패턴을 변경하기에 적절한 강자성체(또는 다른) 재료 또는 구성 요소를 상기 중앙 몸체(4)와 덕트 벽(5)과의 사이의 환상의 공간(6)에 수용할 수 있다. 중앙 몸체의 외부 표면을 냉각(또는 가열)하기 위한 수단이 상기 중앙 몸체(4)에 제공될 수 있다. 상기 중앙 몸체(4)는 도 7에 도시된 바와 같이 통째로 생략될 수 있기도 하다. 도 7은 덕트 벽의 내측 표면(32)으로부터 내측으로 연장하나 중앙 공간(33)을 남겨두는 나선형 플라이트들(31)을 구비하는 덕트(30)를 길이 방향 횡단면으로 보여준다. 덕트(30)에 흐름이 없다면(예를 들어 덕트가 슬러리를 주조 기계로 유도하는 덕트이고 상기 주조 기계가 샷들(shot) 사이에 있다면) 덕트(30)의 슬러리의 교반과 순환 은 화살표(34)에 의해 도시된 바와 같이 공간(33)을 통과하는 재순환과 함께 플라이트들(31)을 통한 움직임에 의해서 유지될 수 있다. 전단/교반 및 혼합은, 플라이트들 사이와, 그리고 플라이트들의 가장자리들(35)로부터 공간(33)을 분할하는 원통형 표면에서 발생한다. 자기장에 전압을 가하기 위하여 필요한 코일들은 도 7에서 생략되었다.(i) Optionally, the central body 4 can be made of a different diameter or its diameter can be varied in the longitudinal direction. The central body can accommodate a ferromagnetic (or other) material or component suitable for changing the magnetic flux pattern in the annular space 6 between the central body 4 and the duct wall 5. Means for cooling (or heating) the outer surface of the central body may be provided on the central body 4. The central body 4 may be omitted entirely as shown in FIG. 7 shows in a longitudinal cross section a
(j) 상기 덕트에 수용된 슬러리 또는 금속의 특정 화학 작용은, 이것이 자기적 영향을 받기 쉬운 재료를 포함한다면 본 발명에 필수적이지는 않다. 그러나 바람직하게는 슬러리를 적어도 부분적으로 형성하는 금속 또는 금속 기지 재료는 알루미늄 또는 마그네슘 또는 이들의 합금들을 포함한다. (j) The specific chemistry of the slurry or metal contained in the duct is not essential to the present invention if it comprises a material that is susceptible to magnetic influence. However preferably the metal or metal matrix material which at least partially forms the slurry comprises aluminum or magnesium or alloys thereof.
도 8은, 화살표들(43)로 도시된 바와 같은 순환하는 흐름과 교반을 촉진하기 위하여 벽(42)에 스크류 플라이트들(41)이 제공되는 밀폐된 용기(40)를 보여준다. 상기 흐름은 미국 특허 제6,637,927호에서 서로 다른 수단에 의하여 유도된 것과 유사한 것으로 생각된다. 명확성을 위해 자기장에 전압을 가하기 위한 코일은 도 8에서 생략되었다. 8 shows a
다른 실시예들과 방법들Other embodiments and methods
도 9는 본 발명의 장치가 사용될 수 있는 방법을 단순화된 개략적인 방식으로 도해적으로 보여준다. (예를 들어 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이) 본 발명에 따른 장치(53)에 의해서 적어도 부분적으로 형성된 덕트(52)는, 요변적 슬러리(51)(또는 단지 완전히 용융된 금속 또는 금속 합금)를 수용하는 저장조(50)로부터 배출구(54)로 유도한다. 상기 배출구(54)는 금속 또는 슬러리가 주조 기계(56) 의 샷 슬리브(55)로 향하도록 하며, 이로부터 상기 금속 또는 슬러리는 플런저(57)에 의해서 다이(58)로 공지의 방식으로 주입될 수 있다. 여기에서, 상기 장치(53)는 펌프로서 작용하며, 그리고 금속 또는 슬러리(51)를 상기 주조 기계(56)로 전달하기 위하여 주조 사이클 마다 한 번씩 필요할 때 가동된다. 도 9에서는 흐름 제어 밸브, 가열 재킷 또는 다른 장비가 도시되지 않았으나 이러한 것들 또는 다른 구성 요소들이 공지의 방식으로 필요에 따라 제공될 수 있다고 이해된다. 9 shows diagrammatically in a simplified schematic manner how the device of the invention may be used. The duct 52 formed at least in part by the apparatus 53 according to the invention (as shown for example in FIGS. 3 and 4) is a thixotropic slurry 51 (or just a fully molten metal or metal). From the
유사한 적용례(도시 되지 않음)는 틱소포징 기계의 이분된 다이들 사이의 위치로 반고상 금속을 펌핑하기 위하여 장치(53)와 유사한 장치를 사용하는 것이다.A similar application (not shown) is to use a device similar to device 53 to pump semi-solid metal into position between the bisected dies of a thixofoaming machine.
도 10은 본 발명에 따른 장치(60)의 또 다른 가능한 사용예를 단순화된 개략적인 방식으로 보여준다. 장치(60)에 의해서 적어도 부분적으로 형성된 덕트(63)는 요변적 슬러리(또는 단순히 완전히 용융된 금속)(62)를 수용하는 저장조(61)로부터 노즐(64)로 유도한다. 슬러리(62)는 노즐(64)로부터 직접적으로 다이(65)로 통과한다. 도 9에 도시된 적용례와 비교하면, 이 경우에는 장치에 의해서 발생되는 압력은 보다 높을 필요가 있으며 그리고 이것은 여러 면에서 설계에 반영된다. 이전과 같이 본 적용례의 세부 사항에 따라 요구될 수 있는 다른 구성 요소들은 이 단순화된 다이어그램에는 도시되지 않았다. 10 shows yet another possible use example of the
도 10에 도시된 것과 유사한 적용례(도시되지 않음)에서는, 슬러리는 압출 다이(extrusion die)의 윗 방향 흐름 부분을 향하도록 할 수 있으며, 상기 장치는 상기 재료를 압출하기 위하여 필요한 압력과 연속 또는 반연속 부피 유량(volume flow)을 제공한다. In an application similar to that shown in FIG. 10 (not shown), the slurry may be directed towards the upward flow portion of the extrusion die, the apparatus being continuous or half with the pressure required to extrude the material. Provide a continuous volume flow.
본 발명에 따른 장치의 또 다른 적용례는 용융 금속을 미립자 첨가물과 혼합하는 것과, 그리고 슬러리를 형성하고 연속적인 주조를 위하여 슬러리를 적절한 상태로 유지하기 위하여 상기 혼합물을 상태 조절하는 것이다. 예를 들어, 도 11은 본 발명에 따른 (상기한 적절한 형태들 중 어느 한 형태의) 여러 장치들(71, 72, 73), 용융 금속(76)의 컨테이너(75) 및 미립자 첨가물(78)의 컨테이너(77) 소통하는 흡입구 단부(74)를 포함하여 덕트(70)를 구비하는 장치(69)를 개략적으로 보여준다. 상기 용융 금속(76)과 첨가물(78)은 각기 (예를 들어) 알루미늄 기지 합금 또는 마그네슘 기지 합금, 및 플라이 애쉬(또는 다른 첨가 물질)일 수 있으며, 금속 기지 복합물 재료의 구성 성분일 수 있다. Another application of the device according to the invention is to mix the molten metal with the particulate additive and to condition the mixture to form a slurry and to keep the slurry in proper condition for continuous casting. For example, FIG. 11 shows
이 적용례에서, 장치들(71 내지 73)은 다음의 세 가지의 기능들을 수행한다: 금속(76)과 첨가물(78)의 결합; 비-수지상 요변성 슬러리의 형성에 요구되는 혼합물의 냉각 중에 교반 공정의 제공; 및 상기 덕트(70)의 배출구 단부(79)로 상기 혼합물을 이송 - 상기 단부로부터 상기 슬러리는 필요에 따라 또 다른 가공 지점(예를 들어 주조 또는 틱소포징 기계)으로 향할 수 있음 .In this application, the devices 71-73 perform three functions: combining the
덕트의 길이 방향을 따라서, 서로 다른 작동 특성들이 서로 다른 지점에서 바람직한 것으로 밝혀질 수 있다는 사실을 강조하기 위하여 세 장치들(71 내지 73)이 도시되고 있다. 그러나 이것은 세 개의 장치가 요구된다거나 또는 각각의 장치가 하나의 한정된 기능을 수행한다는 것을 의미하려는 것은 아니다-각각의 장치는 이송, 혼합 및 교반 기능들의 여러 가지를 서로 다른 정도로 기여할 수 있다. 각각의 적용례는 당해 장치들의 수와 모든 파라미터들을 결정한다. Along the longitudinal direction of the duct, three
장치(69)는, 금속 및 첨가물이 한 번 통과하고 특정 특성의 슬러리가 "필요한 경우 즉시" 사용될 준비가 된 상태로 또는 또 다른 가공을 위하여 준비된 상태로 상기 배출구로부터 빠져 나온다는 점에서 "일과식(once through)" 장치이다. 장치(69)는 예를 들어 미국 특허 제5,501,266호와 제6,065,526호에 나타난 유형의 기계들의 오거 및 배럴의 대용물일 수 있다.
도시되지 않았지만 공지의 방식으로 금속 또는 합금 그 자체를 전자기 유도 용융하기 위하여 인용 부호 53, 60 및 69와 같은 장치들에 변화를 가하는 것이 가능하다. 이것은, 고상 금속이 한 흡입구에 부가되며 금속과 혼합하기 위한 첨가물이 또 다른 흡입구에 부가되며(금속 기지 복합물이 생성된다면) 그리고 요변성 슬러리가 배출구로부터 연속적으로 또는 반연속적으로 밖으로 이송되는 장치들의 또 다른 가능한 형태를 제공한다. Although not shown, it is possible to make changes to devices such as
도 12는, 용융 또는 반용융 금속, 금속 합금 또는 금속 기지 복합물 재료를 이송 및 교반하기 위한 장치(102)와 저장 용기(101)를 포함하는 장치(100)를 개략적으로 도시하고 있다. 장치(102)는 예를 들어 도 3에 도시된 유형일 수 있다. 장치(102)와 용기(101)는 덕트들(103, 104)에 의해 연결되며 따라서 (화살표 "A"로 도시된 바와 같이) 용기(101)의 내용물이 장치(102)를 통과해서 순환될 수 있다. 따라서 용기(101)의 내용물의 상태는 시간이 경과해도 장치(102)에 의해서 유지될 수 있으며(또는 필요하다면 조절될 수 있다). 용기(101)는 그 내용물을 위한 별도의 배출구와 흡입구를 구비할 수 있다(도시되지 않음).FIG. 12 schematically illustrates an
도 13은 금속 기지 복합물 재료의 생산을 위한 그리고 계속해서 상기 금속 기지 복합물 재료를 수용하고 주조 공정(예를 들어 다이 캐스팅)에서 사용되기에 적절한 상태로 상기 금속 기지 복합물 재료를 유지하기 위한 가능한 장치(105)를 도시하고 있다. 장치를 통과하는 상기 재료를 혼합, 이송 및 교반하기 위한 장치(107)와 저장 용기(106)가 제공된다. 장치(107)는 예를 들어 도 3에 도시된 유형일 수 있으며, 혼합을 강화하기 위하여 도 6에 도시된 것과 같이 변경하는 것이 가능하다. 장치(107)는 덕트들(109, 110)에 의하여 용기에 연결되며, 따라서 용기(106)의 내용물이 화살표(B)로 표시된 바와 같이 장치(107)를 통과하여 순환적으로 이송될 수 있다. 용기(106)로부터 덕트(110)를 통해서 장치(107)를 지나는 금속 또는 금속 합금으로 첨가물(예를 들어 플라이 애쉬)을 도입하기 위한 수단(108)이 제공된다. 장치(107)는 이를 통과하는 재료를 이송, 혼합 및 교반한다. 용기(106)는 장치(107)와는 독립적으로 그 자신의 가열 및 냉각 수단에 적합하게 될 수 있다. 적절한 시간이 경과되면, 금속 기지 복합물 재료가 이런 식으로 생성될 수 있으며 이 후에 사용되기 위한 적절한 상태가 주어질 수 있으며 요구되는 그러한 적절한 상태로 유지될 수 있다.FIG. 13 shows a possible apparatus for the production of a metal matrix composite material and subsequently for retaining the metal matrix composite material in a state suitable for receiving the metal matrix composite material and for use in a casting process (eg die casting). 105 is shown. A
여기에서 개시된 본 발명의 여러 가지 가능한 변경들은 당업자에게 자명하며, 이들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는다. 본 발명의 실시예들이 설명되고 기술되었지만, 이들 실시예들이 본 발명의 모든 가능한 형태를 설명하고 기술한다는 것을 의미하는 것은 아니다. 오히려, 본 명세서에서 사용된 용어들은 한정하는 것이라기보다는 예시적인 용어이며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는다면 다양하게 변경될 수 있는 것으로 이해된다.Various possible modifications of the invention disclosed herein are apparent to those skilled in the art, and they do not depart from the spirit and scope of the invention. Although embodiments of the invention have been described and described, it is not meant that these embodiments describe and describe all possible forms of the invention. Rather, the terms used herein are exemplary terms rather than limiting, and it is understood that various changes may be made without departing from the spirit and scope of the present invention.
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2005
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