KR20080078658A - 알루미늄 주괴의 제조방법, 알루미늄 주괴, 및 알루미늄주괴의 제조용 보호가스 - Google Patents

알루미늄 주괴의 제조방법, 알루미늄 주괴, 및 알루미늄주괴의 제조용 보호가스 Download PDF

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유타카 나가쿠라
켄지 토쿠다
마코토 모리시타
히로시 사누이
유지 노무라
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타이요 닛폰 산소 가부시키가이샤
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Abstract

용탕 표면의 산화를 방지하고, 산화물이 적은 알루미늄 주괴의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 관한 알루미늄 주괴의 제조방법은, 지금을 용해하여 용탕으로 하는 용해공정(용해로(1)), 용탕을 보유하는 보유공정(보유로(2)), 용탕으로부터 수소가스를 제거하는 탈수소가스 공정(탈수소가스 장치(3)), 용탕으로부터 개재물을 제거하는 여과공정(여과장치(4)), 및 용탕을 소정 형상으로 고화하는 주조공정(주조장치(5))을 포함하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 알루미늄 주괴에 있어서의 제조공정에 있어서, 각 공정 중 적어도 하나를, 플루오르화가스와, 탄산가스와, 질소가스 및/또는 아르곤가스를 혼합한 보호가스 분위기 중에서 수행한다.
Figure P1020087013871
알루미늄 주괴, 주조, 보호 가스

Description

알루미늄 주괴의 제조방법, 알루미늄 주괴, 및 알루미늄 주괴의 제조용 보호가스{PROCESS FOR PRODUCTION OF ALUMINUM INGOTS, ALUMINUM INGOTS, AND PROTECTIVE GAS FOR THE PRODUCTION OF ALUMINUM INGOTS}
알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 주괴(이하, 간단히 '알루미늄 주괴(Aluminum ingot)'라 한다)는, 지금(지(地)금(金))을 용해하여 용탕(용(溶)탕(湯))으로 하는 용해공정, 용탕을 보유하는 보유공정, 용탕으로부터 수소가스를 제거하는 탈수소가스 공정, 용탕으로부터 개재물을 제거하는 여과공정, 및 용탕을 수냉주형(水冷鑄型)으로 소정형상의 주괴로 성형하여 고화하는 주조공정을 거쳐 주조된다.
알루미늄 주괴는, 지금(地金)으로부터 주괴로 주조하는 과정, 예를 들면, 용해공정이나 주조공정 등에서, 700℃이상으로 가열되어 용탕으로서 취급되게 되는데, 알루미늄은 활성이 많은 금속이기 때문에, 대기 등과 반응하여 산화물이 생성되기 쉽다.
특히, 알루미늄보다도 활성이 많은 마그네슘(Mg)을 첨가한 알루미늄 합금의 용탕에서는, MgO나 MgAl2O4 등의 산화물이 대량으로 생성되어, 응집하여 응집체(드로스(dross))를 형성하는 것이 알려져 있다. 드로스는 상당히 단단하고, 암석 형상 으로 형성되므로 제거하는 데 힘이 들뿐만 아니라, 그 일부가 깨져 용탕 중에 혼입한 알루미늄 주괴를 이용하여 제조된 최종제품(예를 들면, 캔 재료, 디스크 재료 등의 알루미늄 박판)의 표면에 표면결함이나 깨짐이 발생하는 원인이 된다.
그래서, 알루미늄 주괴의 제조에서는, 최종제품의 표면결함이나 깨짐을 방지하고 소정의 성능을 확보하기 위해서, 용해에서 주조까지 동안, 예를 들면 노중 정련(爐中精鍊)이나 인라인 정련, 그리고 주조 직전에 수행되는 필터여과 등, 복수회의 산화물 제거처리를 수행하고 있다. 특히, 필터여과에서는, 10㎛ 정도의 상당히 미세한 사이즈의 산화물까지 제거할 수 있어, 주괴의 품질, 나아가서는 최종제품의 품질을 보증하고 있다.
이와 같은 처리를 수행한 용탕은, 이어서 주조공정으로 넘어가 주괴가 된다.
알루미늄 주괴는, 우선 수냉주형에 용탕을 주탕(注湯)하고, 수냉주형과 접촉하는 용탕을 냉각응고시켜서 응고각(凝固殼)을 형성하고, 이 응고각 및 내부의 용탕을 하방으로 끌어내면서 주형 하방에서 해당 응고각에 또한 냉각수를 직접 분사함으로써, 응고각 내측의 용탕을 응고시키는 반연속 주조 등에 의해 제조된다.
또한, 수냉주형 내에서의 냉각을 1차 냉각, 응고각에 직접 냉각수를 분사하는 공정을 2차 냉각이라 부르고 있다.
이때, 수냉주형은 알루미늄 합금제 또는 동제(銅製)이므로, 용탕과 수냉주형의 직접접촉에 따른 용착을 방지할 필요가 있다. 용착을 방지하기 위해서, 일반적으로는 수냉주형의 내벽에 윤활유를 도포하면서 주조하는 것이 행해지고 있다.
그러나, 종래는 필터여과(여과공정) 이후에 생성되는 산화물, 특히 수냉주형 내 등에서 용탕 표면에 생기는 산화물에 대해서는, 충분한 대책이 이루어져 있지 않았다.
예를 들면, 주조공정에 있어서의 처리를 개시하면, 우선 용탕이 홈통으로부터 수냉주형으로 낙하하게 되는데, 이 용탕 낙하시에 대량의 산화물이 생성되는 경우가 있었다. 또, 주조공정의 처리를 개시한 후에 정상상태(定常狀態)에서 주조를 수행하고 있을 때도, 수냉주형 내에서 용탕 표면에 생긴 산화물이 응집하여, 주괴 표층에 파고들어감과 동시에, 그 부분에서 주괴의 표면에 패임이 생기는 경우가 있었다.
때문에, 주조 개시 시에 제조되는 부분, 즉 주괴의 최하부를 절단 제거하거나, 정상부(定常部)에 있어서도 면삭에 의해 주괴 표면을 필요 이상으로 깎아 내야했다.
이러한 산화물에 기인하는 문제는, 특히 높은 농도의 Mg를 첨가한 합금에서는 현저하다.
그래서, 참조문헌(일본국 특허공개 소63-48935호 공보를 참조. 참조로 설명을 대신한다)에 기재되어 있는 바와 같이, 염소(Cl) 및 육플루오르화황(SF6) 등의 가스를 사전에 용탕에 작용시켜서, 용탕 표면의 산화를 억제하는 방법이 검토되었으나, 이 방법은 인라인 정련 등에서 수행되는 것으로, 주형 내에서의 용탕 표면의 산화를 억제하는 효과가 충분하지 않다.
또한, Cl은 독물이기 때문에 환경면에 문제가 있을 뿐만 아니라 주변장치의 열화를 현저하게 촉진시킨다는 문제가 있다.
다른 한편, SF6은 지구온난화 계수가 20000으로 상당히 높기 때문에 지구온난화 방지의 관점에서 사용은 바람직하지 않다.
또, SF6은 스니프(SNIF: Spining Nozzle Inert Floatation)나 포러스 플러그(Porous plug)를 이용한 탈수소가스 공정에서 용탕 중의 수소가스와 화학반응을 일으켜 플루오르화수소(HF)를 생성한다. HF는 심한 부식성을 갖고 있기 때문에 노가 상하기 쉽고, 또 생체에의 독성도 극히 강하다는 문제가 있다.
그래서, 산화를 방지하기 위한 가스로서, 탄산가스(CO2)를 주로 포함하는 보호가스를 이용하는 것도 검토되어 있으나, CO2를 대량으로 이용하면, CO2의 일부가 용탕에 환원되어, 일산화탄소, 산소, 탄소를 생성하여, 오히려 용탕 표면의 산화나 탄화를 촉진하여 산화물이나 탄화물 등의 개재물을 생성해 버리는 경우가 있다.
그 밖에도, 현재 주로 행해지고 있는 제조방법으로 알루미늄 주괴를 주조하면, 주괴의 표면에 조대(粗大) 셀층 또는 서브서피스밴드(subsurface band)라고 불리는 거친 조직이 형성되는 경우가 있다. 이 거친 조직은, 수냉주형 내에서 형성되는 응고각이 응고 수축한 후, 주형으로부터 약간 떨어져, 그 결과로 형성된 에어갭에 의해 단열되어 냉각이 완만해지기 때문에 생기는 조직이다.
이 거친 조직이 주괴에 존재하면, 최종제품에 표면결함이나 깨짐이 발생하는 원인이 되기 때문에, 고품위가 요구되는 경우에는 과대한 면삭을 수행하여 제거하는 것이 이루어지고 있다.
이 문제를 해결하기 위해서 몇 가지 수법이 제안되어 있다.
그 중 하나의 수법으로서, 예를 들면, 전자장 주조법이 있다. 전자장 주조법은, 전자기력에 의해 용탕을 소정 형상으로 유지하는 방법으로, 수냉주형에 의한 1차 냉각이 없기 때문에 거친 조직을 형성하지 않고 주괴를 주조할 수 있다. 그러나, 전기를 필요로 하기 때문에 코스트가 들뿐만 아니라, 제어가 상당히 어렵기 때문에, 실용화에 이르지 못했다.
또, 다른 하나의 수법으로서, 수냉주형 내벽의 적어도 용탕과 접촉하는 부분을 흑연으로 형성하는 수법이 있다. 흑연을 내벽에 이용한 주형에서는, 일반적으로 이용되는 알루미늄 합금 혹은 동합금제의 주형에 비교하여, 자기윤활작용 및 자기소모에 의해 용탕과 용착 현상이 일어나기 어렵기 때문에, 후술하는 주형에 도포하는 윤활유의 양(두께)을 저감할 수 있다. 때문에, 용탕과 주형의 접촉상태가 개선됨과 동시에 냉각효과가 높아져, 알루미늄 주괴의 주조시에 거친 조직의 형성을 억제할 수 있으므로, 에어갭의 형성을 억제하는 효과가 있다.
또한, 또 다른 하나의 수법으로서, 예를 들면 hot top법이 있다. hot top법은, 주형 상부에 거의 주형과 같은 형상의 내화물 용기를 설치하고, 그 내화물 용기 내부에 용탕을 모아두면서 주조하는 방법으로, 일반적으로 흑연의 주형이 이용되고 있다. 이 방법에서는 상기한 내화물 용기 내의 용탕에 의해 주형 내에 압력이 걸린다. 즉, 주형에 용탕이 강제적으로 눌려지게 되어, 에어갭이 형성되기 어려워지기 때문에, 지름이 작은 원형 봉 재료를 제조하는 경우에 있어서, 거친 조직의 형성을 억제하는 효과에 우수하며, 실용화도 되어 있다.
그러나, 대형의 주괴를 주조하는 경우에 이를 이용하면, 용탕이 새는 경우가 있기 때문에 실용화에는 이르지 못했다. 때문에, 대형의 주괴를 주조하는 경우는, 상기한 바와 같이 수냉주형 내벽의 용탕과 접촉하는 부위에 흑연을 적용하는 방법이 이용되고 있다.
그러나, 흑연은 산화소모가 두드러지기 때문에, 예를 들어 하루 사용하기만 해도 교환이 필요해지는 등의 문제가 있었다.
이 문제를 해결하기 위해서, 흑연에 윤활유를 스며들게 하거나, 상시 공급하거나 하는 방법이 제안되어 있다.
그러나, 윤활유를 스며들게 하는 방법에서는, 스며들게 한 윤활유가 용탕의 열로 늘 계속해서 연소하는 상태이기 때문에, 흑연의 산화소모 억제효과가 충분하지 않다는 문제가 있다.
또, 윤활유를 상시 공급하는 방법에서는, 과잉의 윤활유가, 응고각을 형성하기 위한 냉각수에 혼입된다는 문제가 있다. 통상, 냉각수는 순환하여 사용하고 있기 때문에, 윤활유가 혼입되면, 혼입된 윤활유를 영양원으로서 대량의 박테리아나 말(藻) 등이 냉각수 회로나 수조 내에 발생해버려, 냉각수 회로가 막히는 경우가 있다. 또, 냉각수 폐기시에 윤활유의 분리에 다대한 코스트가 드는 문제도 있다.
또한, 수냉주형의 내벽을 흑연으로 하는 것 만으로는, 용탕 표면에 생기는 산화물을 억제할 수 없기 때문에, 산화물 생성에 관한 문제를 해결할 수 없다. 때문에, 면삭하는 양을 경감하거나, 면삭 자체를 완전히 없애거나 하는 것은 곤란하다.
따라서, 용탕 표면에 생성되는 산화물의 생성량을 억제할 수 있음과 동시에, 수냉주형의 내벽에 이용되는 흑연의 산화소모를 억제할 수 있는 알루미늄 주괴의 제조방법, 알루미늄 주괴, 및 이와 같은 알루미늄 주괴를 얻는데 바람직한 알루미늄 주괴의 제조용 보호가스의 제공이 요망되고 있다.
발명의 개시
즉, 본 발명의 모든 측면으로서, 다음과 같은 알루미늄 주괴의 제조방법, 알루미늄 주괴, 및 이와 같은 알루미늄 주괴를 얻는데 바람직한 알루미늄 주괴의 제조용 보호가스를 제공한다.
[1] 알루미늄 주괴의 제조방법은, 지금을 용해하여 용탕으로 하는 용해공정, 용탕을 보유하는 보유공정, 용탕으로부터 수소가스를 제거하는 탈수소가스 공정, 용탕으로부터 개재물을 제거하는 여과공정, 및 용탕을 수냉주형으로 소정 형상의 주괴로 성형하여 고화하는 주조공정을 포함하는, 순 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 알루미늄 주괴에 있어서의 제조방법에 있어서, 상기한 각 공정 중 적어도 하나의 공정에 있어서의 처리를, 플루오르화가스를 포함하여 이루어지는 보호가스 분위기 중에서 수행하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법은, 상기한 각 공정에 있어서, 플루오르화가스를 포함하는 용탕 산화 억제용 보호가스 분위기 중에서 지금 또는 용탕을 용해, 보유, 수소가스의 제거, 개재물의 제거, 고화 등의 각 처리를 수행하므로, 용탕 표면에 생성하는 산화물의 생성을 억제할 수 있다.
[2] 그리고, 이때 이용하는 보호가스는, 플루오르화가스를 0.001∼1 질량％, 탄산가스를 0.01∼10 질량％ 함유하고, 잔부가 질소가스 및 아르곤가스 중 적어도 하나를 포함하여 구성하는 것이 바람직하며, [3] 그 플루오르화가스는, 플루오로케톤으로 하는 것이 보다 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법은, 보호가스의 주요한 성분을 질소가스 및/또는 아르곤가스로 하고 있으므로 용탕 표면의 산화를 방지할 수 있다. 또한, 해당 보호가스는, 종래 이용되어 온 탄산가스를 주체로 하는 보호가스와 비교하여, 함유하는 탄소가스의 함유량이 상대적으로 적기 때문에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 산화를 방지할 뿐만 아니라, 탄화도 저감시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에서는, 플루오르화가스로서 플루오로케톤을 이용함으로써, 용탕의 표면에 플루오르화 알루미늄(AlF3)의 피막을 형성할 수 있으므로, 용탕 표면의 산화를 더 방지하는 것이 가능해진다.
[4] 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법은, 수냉주형 내의 용탕이 접촉하는 적어도 일부가, 흑연 또는 흑연을 포함하는 소재를 이용하여 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 수냉주형 내의 용탕이 접촉하는 적어도 일부를 흑연 또는 흑연을 포함하는 소재를 이용하여 형성하고 있으므로, 용탕의 산화를 방지할 수 있다. 따라서, 산화물의 생성을 더 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에서는, 상기한 보호가스 분위기 중에서 주조를 수행하므로, 해당 흑연의 산화소모를 억제하고, 양호한 상태로 유지할 수 있다. 때문에, 주조되는 주괴는, 산화물의 생성 방지를 도모할 수 있음과 동시에, 거친 조직의 형성을 억제할 수 있으므로, 에어갭 형성의 방지를 도모하는 것이 가능하다.
[5] 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에 있어서의 주조공정에서는, 용탕을 소정의 형상으로 성형할 때, 주조용 윤활유를 이용하지 않고 수행하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 윤활제를 이용하지 않고 주조를 수행하면, 순환하는 냉각수에 윤활유가 혼입되지 않으므로, 박테리아나 말 등의 발생을 방지할 수 있다. 때문에, 냉각수 회로의 막임을 방지할 수 있음과 동시에, 냉각수 폐기시에 있어서 윤활유 분리에 많은 비용이 드는 일도 없어진다.
[6] 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에서는, 지금에 알루미늄 합금을 이용한 경우에는, 해당 알루미늄 합금은, 7∼40 질량％의 Mg를 함유한 것이어도 좋다.
본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에 따르면, 플루오르화가스를 포함하여 이루어지는 보호가스 분위기 중에서 주조 등의 처리를 수행하므로, 활성이 많은 Mg를 고 함유량으로 함유하는 알루미늄 합금이라 하더라도, 용탕 표면에 산화물을 생성시키지않고 알루미늄 주괴를 제조할 수 있다.
[7] 본 발명에 따른 알루미늄 주괴는, 순 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 알루미늄 주괴로, Al2O3 및 MgAl2O4의 함유율이 10ppm 이하, 또한, Al4C3 및 Al2C6의 함유율이 4ppm 이하인 것을 특징으로 하고 있다. [8] 이때, 본 발명의 알루미늄 주괴는, 7∼40 질량％의 Mg를 함유하는 것이어도 좋다.
이와 같이, 본 발명의 알루미늄 주괴는, Al2O3 및 MgAl2O4와 같은 산화물이나 Al4C3 및 Al2C6과 같은 탄화물이 적으므로, 상기 알루미늄 주괴를 이용하면, 예를 들어 캔 재료, 디스크 재료 등의 알루미늄 박판을 제조했을 때, 표면결함이나 깨짐 등을 발생하기 어렵게 할 수 있다.
특히, 활성이 많은 Mg를 고 함유량으로 함유하는 알루미늄 합금이라 하더라도, 산화물 및 탄화물 등을 거의 포함하지 않는 주괴를 얻을 수 있다.
[9] 본 발명에 따른 알루미늄 주괴의 제조용 보호가스는, 플루오르화가스를 0.001∼1 질량％, 탄산가스를 0.01∼10 질량％ 함유하고, 잔부가 질소가스 및 아르곤가스 중 적어도 하나를 포함하여 구성하는 것이 좋다.
이와 같은 알루미늄 주괴의 제조용 보호가스를 이용하면, 보호가스의 주요한 성분이 질소가스 및/또는 아르곤가스이므로, 용탕 표면의 산화를 방지할 수 있다. 또, 이 알루미늄 주괴의 제조용 보호가스는, 종래 이용되어 온 탄산가스를 주체로 하는 보호가스와 비교하여, 함유하는 탄소가스의 함유량이 상대적으로 적기 때문에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 산화를 방지할 뿐만 아니라, 탄화도 저감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에 따르면, 용탕 표면의 산화를 방지할 수 있으므로, 산화물의 응집체(드로스)나 거친 조직을 거의 포함하지 않는 알루미늄 주괴를 제조할 수 있다.
그리고, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 주괴는 드로스를 거의 포함하지 않으므로, 알루미늄 주괴를 면삭하는 경우에 있어서, 면삭하는 양을 경감할 수 있을 뿐만 아니라, 면삭 자체를 없애는 것도 가능하다. 또, 거친 조직을 거의 포함하지 않으므로, 최종제품을 제조했을 때에 표면결함이나 깨짐이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 알루미늄 주괴에 따르면, 산화물(드로스를 포함)이나 거친 조직을 거의 포함하지 않으므로, 이를 이용하여 최종제품을 제조하여도, 해당 최종제품에 표면결함이나 깨짐이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기한 본 발명의 모든 측면 및 효과, 및, 다른 효과 및 다른 특징은, 첨부 도면을 참조하여 후술하는 본 발명의 예시적 또한 비 제한적인 실시형태의 상세한 설명에 의해 한층 더 명백해질 것이다.
도 1은, 지금을 용해하여 알루미늄 주괴를 제조하기까지의 공정 개요를 설명하는 설명도이다.
도 2의 (a)∼(c)는, 모두 보호가스의 공급수단을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3의 (a)∼(c)는, 모두 보호가스의 공급수단을 설명하기 위한 설명도이다.
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 알루미늄 주괴의 제조방법, 이에 따라 제조된 알루미늄 주괴, 및, 알루미늄 주괴를 제조하는데 바람직한 보호가스에 대해서 상세히 설명한다.
또한, 도 1은 지금을 용해하여 알루미늄 주괴를 제조하기까지의 공정 개요를 설명하는 설명도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 지금을 용해하여, 알루미늄 주괴(10)로 하기까지의 어느 공정에 있어서 적용할 수 있는 것이다. 또한, 지금에 대해서는 후에 상술한다.
구체적으로는, 용해공정, 보유공정, 탈수소가스 공정, 여과공정, 및 주조공정을 포함하는 각 공정 중 적어도 하나의 공정에 있어서, 플루오르화가스와, 탄산가스와, 질소가스 및/또는 아르곤가스를 혼합한 보호가스 분위기 중에서 수행하는 것이다.
또한, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법은, 상기한 각 공정 전체에 적용하는 것이 가장 바람직하나, 알루미늄 주괴(10)로 형성하기 직전의 공정인 탈수소가스 공정 및/또는 여과공정에 적용하면 우수한 산화방지 효과를 발휘할 수 있다.
용해공정은, 도 1의 용해로(1)에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 지금을 용해하여 용탕(9)으로 하는 공정이다.
이때, 용해로(1) 내의 용탕(9)의 온도는 750∼800℃ 정도가 된다. 일반적으로, 용탕(9)은, 750℃를 초과하면 표면이 산화하여 산화물이 생성되기 쉬운 상태가 된다. 그러나, 후에 후술할 본 발명의 보호가스를 이용하여 용탕(9)의 표면을 보호(이하, 보호가스 분위기 중이라 한다)함으로써, 용탕(9)의 표면이 산화하는 것을 방지할 수 있다.
보유공정은, 도 1의 보유로(2)에서 일시적으로 용탕(9)을 보유하고, 필요에 따라서 마그네슘(Mg) 등의 조성성분의 첨가, 최종 체크나 알루미늄 주괴(10)를 제조하는데 최적의 온도로 조정하는 공정이다.
이때의 용탕(9)의 온도는, 용해공정의 용탕(9)과 거의 동일한 온도로 유지되고 있다. 때문에, 보유공정에서도 용탕(9)의 표면이 산화되기 쉬운 상태가 되어 있다고 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 보호가스를 이용하여 보호가스 분위기 중에서 용탕(9)을 보유함으로써 용탕(9) 표면의 산화를 방지할 수 있다. 본 공정에서는 Mg 등을 첨가했을 때 대량으로 산화물이 생기는 경우가 있으나, 이미 원료가 용해되어 있으므로 버너 등에 의한 과잉의 가열도 없고 대기의 혼란이 적기 때문에, 효율적으로 보호가스를 적용할 수 있다.
탈수소가스 공정은, 도 1의 탈수소가스 장치(3)에서 용탕(9) 중의 수소가스를 제거하는 공정이다.
수소가스는, 연료 중의 수소나 지금 등에 부착되어 있는 수분, 기타 유기물 등으로부터 발생한다. 수소가스가 많이 포함되어 있으면, 알루미늄 주괴(10)를 압연했을 때 핀홀(pin hole)의 원인이 되거나, 제품의 강도가 약해지거나 한다. 또, 압연중에 표면이 부푸는 블리스터(blister)의 원인이 되기도 한다. 때문에, 수소가스는, 용탕 100g 중 0.15ml 이하, 보다 바람직하게는 0.1ml 이하로 할 필요가 있 다.
탈수소가스 공정에 있어서의 수소가스의 제거는, 상기한 온도로 용탕(9)을 플럭싱, 염소정련, 또는 인라인 정련 등을 수행함으로써 바람직하게 수행할 수 있으나, 탈수소가스 장치(3)에 스니프(도 2(a) 참조)나 포러스 플러그(특개 2002-146447호 공보 참조)를 이용하여 수행하면, 보다 바람직하게 제거할 수 있다.
그리고, 이 탈수소가스 공정도 상기와 마찬가지로, 본 발명의 보호가스 분위기 중에서 수행함으로써, 용탕(9) 표면의 산화를 방지할 수 있다.
여과공정은, 도 1의 여과장치(4)에서 주로 산화물이나 비 금속의 개재물을 제거하는 공정이다.
여과장치(4)에는, 예를 들면 1mm 정도 입자의 알루미나가 이용된 세라믹튜브(미도시)가 마련되어 있으며, 여기에 용탕(9)을 통과시킴으로써 상기한 산화물이나 개재물을 제거할 수 있다.
그리고, 여과공정 이후에 보호가스를 이용하면, 그 이후의 공정에 있어서의 산화물 등의 혼입을 억제할 수 있어, 탈수소가스나 여과에 의해 고도로 품질을 확보한 용탕을 그대로 알루미늄 주괴(10)로 할 수 있다. 또 산화물의 퇴적물(드로스)의 퇴적을 억제할 수 있으므로, 드로스 제거의 수고를 저감할 수 있다.
주조공정은, 도 1에 도시된 수냉주형(51)을 포함하여 구성되어 있는 주조장치(5)에서, 용탕(9)을 직방체 형상 등의 소정의 형상으로 형성하여 고화함으로써 알루미늄 주괴(10)를 제조하기 위한 공정이다.
구체적으로는, 수냉주형(51)에 용탕(9)을 주탕하고, 수냉주형(51)과 접촉하 는 용탕(9)을 향해 냉각수를 분사하여 해당 용탕(9)을 냉각 응고시켜서 응고각을 형성하고, 이 응고각 및 내부의 용탕을 지지대(52)에 의해 하방으로 끌어내면서 수냉주형(51)의 하방에서 해당 응고각에 또한 냉각수를 직접 분사함으로써, 응고각 내측의 용탕을 응고시키는 반연속 주조 등에 의해 제조하는 것을 일 예로서 들 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법을 이용함으로써, 종래는 용탕(9) 표면의 산화를 방지하는 것이 곤란했던 주조공정이라 하더라도, 알루미늄 주괴(10) 중에 산화물이 혼입하는 것을 막을 수 있다. 또한, 이 수냉주형(51) 내의 용탕이 접촉하는 적어도 일부, 예를 들면 그 내벽의 일부를 흑연 또는 흑연을 포함하는 소재를 이용하여 형성해도 좋다.
그리고, 상기한 모든 공정에 있어서, 용탕(9) 표면의 산화를 방지하기 위해 본 발명에 따른 보호가스는, 플루오르화가스와, 탄산가스와, 질소가스 및/또는 아르곤가스를 혼합한 것을 이용하고 있다.
보호가스의 조성으로서는, 플루오르화가스를 0.001∼1 질량％, 탄산가스를 0.01∼10 질량％ 함유하고, 잔부가 질소가스 및 아르곤가스 중 적어도 하나를 포함하여 구성되어 있는 것이 바람직하나, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서, 그 밖의 가스를 포함해도 좋다. 그 밖의 가스로서는, 임의로 함유시킨 불활성 가스나 불가피하게 혼입할 수 있는 가스 등을 들 수 있다. 불활성 가스로서는, 예를 들면 아르곤가스나 헬륨가스를 들 수 있으며, 불가피하게 혼입할 수 있는 가스로서는, 탄소가스를 들 수 있다.
보호가스에 있어서의 플루오르화가스의 함유율을 상기한 범위로 함으로써, 용탕(9) 표면의 알루미늄과 결합하여 AlF3의 피막을 형성할 수 있는 결과, 용탕(9)이 산화하는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다.
한편, 플루오르화가스의 함유율이 상기한 범위 미만이면, 플루오르화가스와 용탕(9) 중의 알루미늄과의 반응생성물(AlF3)로 이루어지는 피막의 형성이 불충분해지기 때문에, 용탕(9)의 산화를 방지하는 것이 곤란해진다. 또, 플루오르화가스의 함유율이 상기한 범위를 초과하면, COF2 등의 유해물질이 발생하기 쉬워진다.
또한, 탄산가스의 함유율이 상기한 범위가 되는 것에 대한 이유는, 후술한다.
또, 보호가스의 조성 중 질소가스를 많이 포함하고 있음으로써 산화를 방지할 수 있음과 동시에, 탄소원을 적게 할 수 있기 때문에 용탕(9)의 탄화를 방지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 질소가스와 용탕(9)의 알루미늄이 반응함으로써 질화알루미늄이 생성될 수 있다. 이 질화알루미늄은, 탄화알루미늄을 질소가스 분위기 중에서 가열함으로써 생성되는 것이다. 따라서, 보호가스 중의 탄소가스의 함유량을 줄이고, 탄화알루미늄의 생성량을 적게 하고 있는 본 발명에서는, 이와 같은 질화알루미늄은 생성되기 어렵고, 알루미늄 주괴(10) 안에도 거의 포함되는 경우가 없다.
본 발명에 이용하는 플루오르화가스로서는, 플루오로케톤(fluorinated ketone) 가스를 바람직하게 이용할 수 있다. 특히, 퍼플루오로케톤가스, 수소화 플 루오로케톤가스, 및 이들을 혼합한 가스를 바람직하게 이용할 수 있다.
여기서, 플루오로케톤은, 통상 상온에서 액체이기 때문에, 보호가스로서 이용하기 위해서는 기화시킬 필요가 있다.
기화시킨 보호가스를 얻기 위해서는, 우선, 도 1에 도시한 바와 같이, 내압용기(6)에 소정량(0.01∼10 질량％, 보다 바람직하게는 0.1∼2 질량％)의 액체 플루오로케톤을 넣고, 이어서 잔부가 탄소가스가 되도록 액화 탄산가스를 넣어 액화 원(元)가스를 조제한다. 이에 의해, 플루오로케톤을 액화 탄산가스 중에서 균일화시킬 수 있다. 또한, 탄소가스는 내압용기 내에서 초임계액체가 되며, 플루오로케톤을 균일하게 용해하는 것이다. 이 초임계작용을 갖는 범위에서 질소, 아르곤 등의 다른 가스를 혼합해도 문제는 없다.
그리고, 내압용기(6)에 수용된 플루오로케톤과 액화 탄산가스의 액화 원(元)가스를, 예를 들면 40℃ 이하로 가열하여 가스화하여, 원(元)가스로 한다. 그리고, 이 원가스와 질소가스를 예를 들면 1:9의 혼합비로 혼합함으로써, 플루오르화가스를 0.001∼1 질량％, 탄산가스를 0.01∼10 질량％ 함유하고, 잔부가 질소가스로 구성되는 보호가스를 얻을 수 있다. 또한, 이 질소가스는, 아르곤가스 등의 다른 불활성 가스이어도 좋으며, 또한, 질소가스와 아르곤가스를 혼합시켜서 이용해도 좋다.
이렇게 하여 얻어진 보호가스를 유량계(8) 등으로 모니터하면서, 연속적 또는 간헐적으로 용해로(1) 등에 공급함으로써, 용탕(9) 표면의 산화를 방지할 수 있다.
플루오로케톤의 분자량은, 250 이상인 것이 바람직하며, 300 이상인 것이 보다 바람직하다. 분자량이 이 범위에 있는 것을 사용하면 플루오로케톤이 액화 탄산가스 중에서 균일해지기 쉽다. 또한, 1분자의 플루오로케톤에 포함되는 카르보닐기의 수는 1이 바람직하다.
퍼플루오로케톤으로서는, 탄소수가 5∼9인 것이 바람직하다.
퍼플루오로케톤으로서는, CF３CF２C(O)CF(CF３)２, (CF３)２CFC(O)CF(CF３)２, CF３(CF２)２C(O)CF(CF３)２, CF３(CF２)３C(O)CF(CF３)２, CF３(CF２)５C(O)CF３, CF３CF２C(O)CF２CF２CF３, CF３C(O)CF(CF３)２, 및 퍼플루오르시클로헥사논으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상이 바람직하다. 즉, 이들 중 1종을 이용해도 좋으며, 2종 이상을 혼합하여 이용해도 좋다.
수소화플로오르케톤으로서는, 탄소수가 4∼7인 것이 바람직하다.
수소화플루오로케톤으로서는, HCF２CF２C(O)CF(CF３)２, CF３C(O)CH２C(O)CF３, C２H５C(O)CF(CF３)２, CF２CF２C(O)CH３, (CF３)２CFC(O)CH３, CF３CF２C(O)CHF２, CF３CF２C(O)CH２F, CF３CF２C(O)CH２CF３, CF３CF２C(O)CH２CH３, CF３CF２C(O)CH２CHF２, CF３CF２C(O)CH２CHF２, CF３CF２C(O)CH２CH２F, CF３CF２C(O)CHFCH３, CF３CF２C(O)CHFCHF２, CF３CF２C(O)CHFCH２F, CF３CF２C(O)CF２CH３, CF３CF２C(O)CF２CHF２, CF３CF２C(O)CF２CH２F, (CF３)２CFC(O)CHF２, (CF３)２CFC(O)CH２F, CF３CF(CH２F)C(O)CHF２, CF３CF(CH２F)C(O)CH２F, 및 CF３CF(CH２F)C(O)CF３으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상이 바람직하다. 즉, 이들 중 1종을 이용해도 좋으며, 2종 이상을 혼합하여 이용해도 좋다.
그 중에서도 특히, 펜타플루오로에틸-헵타플루오로프로필케톤, 즉 C３F７(CO)C２F５（예를 들면 CF３CF２C(O)CF(CF３)２, CF３CF２C(O)CF２CF２CF３）를 이용하는 것이 바람직하다.
이상, 설명한 보호가스에 따르면, 용탕 표면의 산화를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 이용되어 온 탄산가스를 주체로 하는 보호가스와 비교해서, 더 용탕 표면의 탄화를 방지할 수 있다.
또, 이 보호가스는, 일산화탄소의 생성량도 낮고, 또한 지구 온난 계수가 낮기 때문에, 안전보안이나 환경보전에 우수하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 보호가스를 이용하여 수행하는 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에 따르면, 특정의 조성을 갖는 보호가스 분위기 중에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용탕(9)을 처리하므로, 조직중에 산화물 등의 개재물을 거의 포함하지 않는 알루미늄 주괴(10)를 제조할 수 있다.
또, 상기한 보호가스 분위기 중에서 주조를 수행하는 본 발명의 알루미늄 주괴의 주조방법에서는, 흑연을 소모하지 않으므로 윤활제를 이용할 필요가 없다. 따라서, 냉각수 회로의 막힘이나 냉각수의 폐기를 용이하게 수행하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 보호가스는, 상기한 용해공정, 보유공정, 탈수소가스 공정, 여과공정, 및 주조공정에서 사용하는 각 로 내 또는 장치 내에서 용탕(9)의 표면을 보호할 뿐만 아니라, 용탕(9)을 운반하기 위한 홈통(미도시)에 대해서도 동일하게 적용하는 것이 바람직하다.
즉, 용탕(9)을 운반할 때, 미리 홈통 내를 본 발명의 보호가스로 채워두고, 그 후에 해당 홈통 내에 용탕(9)을 부어 넣음으로써 용탕(9)의 표면을 보호할 수 있으며, 용탕(9) 표면의 산화를 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법은, 용탕(9) 표면의 산화를 방지하고, 산화물을 거의 포함하지 않는 알루미늄 주괴(10)를 제조할 수 있다.
보다 상세하게는, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 주괴(10)는, JIS H 4000에 규정되는 1000계의 순 알루미늄을 이용하여 제조할 수 있는 한편, 마그네슘(Mg)을 많이 포함하는 JIS H 4000에 규정되는 5000계(Mg 함유율:약 0.5∼5.5 질량％) 등의 알루미늄 합금을 이용하여 제조할 수 있다.
또, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 주괴(10)는, 더 많은 Mg를 함유하는 알루미늄 합금이라 하더라도, 바람직하게 제조할 수 있다.
즉, 본 발명의 알루미늄 주괴(10)는, 6 질량％를 초과하는 Mg, 보다 바람직하게는 7∼40 질량％의 Mg를 포함하는 고 Mg 함유 알루미늄 합금이라 하더라도, Al２O３나 MgAl２O４ 등의 산화물 함유율이 10ppm 이하, 또한, Al４C３나 Al２C６ 등의 탄 화물 함유율이 4ppm 이하의, 산화물 및 탄화물이 적은 알루미늄 주괴(10)를 제조할 수 있다.
또한, Mg가 40 질량％를 초과하면, 알루미늄 합금의 반응성이 너무 높기 때문에 산화물이 생성되기 쉬워져 바람직하지 않다.
또, 산화물의 함유율이 10ppm을 초과하거나, 탄화물의 함유율이 4ppm을 초과하거나 하면, 산화물이나 탄화물이 많이 포함되기 때문에 바람직하지 않다.
다음으로, 도 2 및 도 3을 참조하여, 보호가스의 공급수단에 대해서 설명한다. 참조하는 도면에 있어서, 도 2(a)∼(c) 및 도 3(a)∼(c)는 모두 보호가스의 공급수단을 설명하기 위한 설명도이다.
또한, 도 2 및 도 3에서는, 보호가스의 공급 예로서, 탈수소가스 장치(3)에 있어서의 보호가스의 공급수단을 나타내고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 용해로(1), 보유로(2), 여과장치(4), 주조장치(5) 및 홈통(미도시)에서도 동일하게 수행할 수 있음은 물론이다.
도 2(a)에 도시한 바와 같이, 탈수소가스 장치(3)는, 용기(31)의 측면 하방측에 마련된 용탕(9)의 도입구(32)로부터 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용탕(9)을 도입하고, 해당 용탕(9)을 스니프 등의 교반수단(33)에 의해 교반하면서 용탕(9) 중에 존재하는 수소가스를 제거한다. 그리고, 도입구(32)와 대향하는 측면 하방측에 마련된 용탕(9)의 배출구(34)로부터 수소가스를 제거한 용탕(9)을 배출한다.
이와 같은 구성의 탈수소가스 장치(3)에 있어서의 보호가스의 공급수단으로 서는, 도 2(a)에 도시한 바와 같이, 보호가스를 공급하기 위한 공급구(35)를, 용기(31)에 마련된 도입구(32)와 같은 측면에 마련하는 구성을 일 예로서 들 수 있다.
이와 같은 구성의 탈수소가스 장치(3)는, 공급구(35)가 도입구(32)에 마련되어 있기 때문에 빠른 단계에서 용탕(9) 표면의 산화를 방지하는 것이 가능하다. 또, 공급구(35)가 용기(31)의 밀폐측을 향하고 있기 때문에, 용기(31) 내에 공급된 보호가스는, 용기(31) 밖으로 배기되기 어렵다. 때문에, 보호가스의 농도를 높게 유지할 수 있다. 그 결과, 용탕(9) 표면을 대기에 접촉되기 어렵게 하는 것이 가능해지며, 용탕(9) 표면의 산화를 방지하는 효과를 높일 수 있다.
또, 보호가스의 공급수단으로서는, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 용탕(9)의 배출구(34) 측 측면에 공급구(35)를 마련하는 구성으로 하는 것이나, 도 2(c)에 도시한 바와 같이, 용기(31)의 상방 중앙부 부근에 공급구(35)를 마련하는 구성으로 하는 것도 다른 일 예로서 들 수 있다. 이들과 같은 공급수단이라 하더라도 용탕(9) 표면의 산화를 유효하게 방지할 수 있다.
또한, 도 3(a)∼(c)에 도시한 바와 같이, 수소가스를 제거한 용탕(9)의 배출구(34)가 대기와 접촉할 수 있는 구성의 탈수소가스 장치(3)라 하더라도 상기와 완전히 동일하게 보호가스의 공급구(35)를 마련할 수 있으며, 용탕 표면의 산화를 방지하는 것이 가능하다.
도 2(a) 및 도 3(b)와 같이, 용탕(9)의 도입구(32) 측에 보호가스의 공급구(35)를 마련하면, 용탕(9)이 도입된 당초부터 높은 산화방지 작용을 얻을 수 있 으므로, 산화물의 드로스 발생 방지에 효과가 있다.
또, 도 2(b) 및 도 3(a)와 같이, 용탕(9)의 배출구(34) 측에 보호가스의 공급구(35)를 마련하면, 용탕 품질의 확보 및 향상을 도모할 수 있다.
또한, 도 3(c)와 같이, 용기(31)의 상방 중앙부 부근에 공급구(35)를 마련하는 구성으로 해도 좋다. 이와 같이 해도 용탕(9) 표면의 산화를 유효하게 방지할 수 있다.
실시예
다음으로, 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법, 이에 따라 제조된 알루미늄 주괴, 및 알루미늄 주괴의 제조방법에 이용하는 데 바람직한 보호가스에 대해서, 하기의 ≪실시예 1≫∼≪실시예 3≫에서 구체적인 검토를 수행하였으므로, 이하에 설명한다.
≪실시예 1≫
대기가스(즉, 보호가스 없음), 비교예 가스(즉, 종래의 보호가스) 및 실시예 가스 중 어느 하나와, 2 질량％ Mg, 7 질량％ Mg 및 10 질량％ Mg 중 어느 하나를 함유하는 알루미늄 합금(표 1에서 각각 Al-2％Mg, Al-7％Mg, Al-10％Mg로 나타냄)과, 보호가스의 공급위치 및 보호가스 등의 환기구 유무를 적절히 조합하여, 표 1에 나타내는 시험 No.1∼13으로 하였다.
또한, 비교예 가스와 실시예 가스는, 원(元) 가스로서 약 1％의 플루오로케톤과 약 99％의 탄산(이산화탄소)가스를 혼합한 (주)대양일산(大陽日酸)사 제조 MG 쉴드(MG shield)(등록상표)를 이용하여 제작하였다.
즉, 비교예 가스는, 이 MG 쉴드를 탄산가스와 혼합하여, 0.1 질량％의 플루오로케톤과 약 100 질량％의 탄산가스로 구성하였다.
또, 실시예 가스는, 질소와 혼합하여, 0.1 질량％의 플루오로케톤과 약 1 질량％의 탄산가스와 약 99 질량％의 질소가스로 구성하였다.
우선, 개구부가 0.9mφ, 길이 1.5m, 용탕 상부의 공간 높이가 0.5m인 용기에, 대기가스, 비교예 가스 또는 실시예 가스 중 어느 하나를 채웠다.
그 후, 상기 용기에 시험 No. 1∼13 중 어느 하나에 나타내는 알루미늄 합금의 용탕을 750℃로 통탕(通湯)하였다. 그때, 대기가스, 비교예 가스 및 실시예 가스는, 모두 10L/분의 유량으로 10분간마다 2분간, 간헐적으로 공급하였다.
상기 조건하, 800kg/분의 유량으로 50t의 용탕을 통탕한 후, 용탕 표면에 생긴 개재물, 즉 산화물 및 탄화물의 생성 유무를 확인하였다.
산화물의 생성 유무는, 통탕 후의 용탕 표면을 용기에 샘플링하여 그대로 굳히고, 수직방향으로 절단하여 목시관찰 및 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer; JEOL 제조 JSM-6340F)에 의한 원소분석을 수행함으로써 확인하였다. 그 결과, 조대한 덩어리 형상의 산화물이 생성된 것을 불량「×」, 일부에 덩어리 형상의 산화물이 확인되거나 두꺼운 피막형상의 산화물이 생성된 것에 그친 것을 양「△」, 얇은 피막형상의 산화물만이 생성된 것을 우량「○」으로 평가하였다.
또, 탄화물의 생성 유무는, 통탕 후의 용탕 표면을 용기에 샘플링하여 그대로 굳히고, 염화제2수은 분해 가스크로마토그래피법에 의해 분석하여 확인하였다. 그 결과, 탄화물이 생성된 것을 불량「×」, 탄화물이 생성되지 않은 것을 우량「 ○」으로 평가하였다.
시험 No. 보호가스 보호가스의 공급위치 분위기 가스 등의 환기구 알루미늄 합금의 조성 용탕 표면의 개재물 비고
산화물 탄화물
1 대기가스 용탕도입구측 없음 Al-5％Mg × ○ 비교예
2 대기가스 용탕도입구측 없음 Al-7％Mg × ○
3 대기가스 용탕도입구측 없음 Al-10％Mg × ○
4 비교예가스 용탕도입구측 없음 Al-2％Mg ○ ×
5 비교예가스 용탕도입구측 없음 Al-7％Mg ○ ×
6 비교예가스 용탕도입구측 없음 Al-10％Mg △ ×
7 실시예가스 용탕도입구측 없음 Al-2％Mg ○ ○ 실시예
8 실시예가스 용탕도입구측 없음 Al-7％Mg ○ ○
9 실시예가스 용탕도입구측 없음 Al-10％Mg ○ ○
10 실시예가스 용탕배출구측 없음 Al-7％Mg ○ ○
11 실시예가스 중앙부 있음 Al-7％Mg △ ○
12 실시예가스 용탕도입구측 있음 Al-5％Mg ○ ○
13 실시예가스 용탕배출구측 있음 Al-7％Mg △ ○
시험 No.1∼3은, 보호가스가 없었기 때문에(대기가스), 산화물이 증가해버려(×), 양호한 결과를 얻을 수 없었다(모두 비교예).
또, 시험 No.4∼6은, 보호가스가 비교예 가스(0.1 질량％의 플루오로케톤과 약 100 질량％의 탄산가스)이었기 때문에 산화물의 생성도 적고(○ 또는 △), 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
그러나, 탄산가스의 농도가 높기 때문에 용탕 표면에 탄화물이 생성되어버려(×), 양호한 결과를 얻을 수 없었다(모두 비교예).
이에 대해, 실시예 가스(0.1 질량％의 플루오로케톤과 약 1 질량％의 탄산가스와 약 99 질량％의 질소가스)를 이용한 시험 No.7∼13은, 모두 산화물의 생성이 적고(○ 또는 △), 또한, 탄화물의 생성도 보이지 않아(○), 양호한 결과를 얻을 수 있었다(모두 실시예).
특히, 시험 No.7∼10에 나타낸 바와 같이, 보호가스 등을 배기하기 위한 환기구를 마련하지 않는 것이, 산화물 및 탄화물의 생성을 방지하는 효과가 높고, 보다 양호한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
≪실시예 2≫
시험용 소형 용해로에서 알루미늄 지금 100kg을 용해하고, 그 후, Al-7％Mg가 되도록 Mg를 첨가하여 용탕을 제작하였다. 그리고, 이 용탕을 정련 및 여과함으로써 해당 용탕 중으로부터 산화물을 제거하였다. 여과에는 약 1mm 메시(mesh)의 유리섬유직물(glass cloth)을 이용하였다.
이어서, 이 용탕을 두께 150×폭 400의 시험용 소형 수냉주형을 이용하여 알루미늄 합금의 알루미늄 주괴를 주조하였다.
이때, 알루미늄 주괴를 주조할 때의 보호가스를 표 2의 시험 No.14∼21에 나타낸 조건으로 다양하게 변경하여, 용탕 표면의 산화물 농도 및 환경부하에 대해서 평가를 수행하였다.
또한, ≪실시예 2≫에 있어서의 수냉주형의 내벽은, 알루미늄 합금제로 하였다. 또, 알루미늄 주괴를 주조할 때에 윤활유(채종유)를 적시에 공급하였다.
그리고, 시험 No.14∼21에 관한 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도 및 환경부하에 대해서 평가를 수행하였다.
알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도는, 요오드 메탄올법, 즉 산화물 추출법에 의해 측정하였다. 측정 결과, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도가 30ppm 이상인 것을 바람직하지 않음(×), 10∼30ppm인 것을 약간 바람직하지 않음(△), 10ppm 이하인 것을 바람직함(○)으로 평가하였다.
환경부하에 관해서는, 지구온난화 가스인 것을 바람직하지 않음(×), 지구온난화 가스가 아닌 것을 바람직함(○)으로 평가하였다.
시험 No.14∼21의 보호가스의 종류, 및 이들의 평가결과를 표 2에 나타낸다.
시험 No. 보호가스 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도 환경부하 비고
14 없음(대기가스) 30ppm 이상(×) ○ 비교예
15 육플루오르화황가스 10ppm 이하(○) ×
16 염소가스 10ppm 이하(○) ×
17 아르곤가스 10∼30ppm(△) ○
18 질소가스 30ppm 이상(×) ○
19 플루오로케톤 100ppm 이산화탄소 약 100％ 10∼30ppm(△) ○
20 플루오로케톤 100ppm 이산화탄소 약 1％ 아르곤 약 99％ 10ppm 이하(○) ○ 실시예
21 플루오로케톤 50ppm 이산화탄소 약 0.5％ 질소 약 99.5％ 10ppm 이하(○) ○
표 2에 나타낸 바와 같이, 시험 No.14∼19는, 본 발명의 요건을 만족하지 않으므로, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도 평가에서 바람직하지 않음(×) 또는 약간 바람직하지 않음(△)이라는 평가결과를 얻게 되고, 환경부하의 평가에서 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과를 얻게 되었다(비교예(비고 참조)).
한편, 시험 No.20, 21은, 본 발명의 요건을 만족하므로, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도 및 환경부하 모두에서 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻을 수 있었다(실시예(비고 참조)).
구체적으로 설명하면, 시험 No.14는, 보호가스가 없었기 때문에(대기가스였음), 환경부하는 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻을 수 있었으나, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도가 30ppm 이상이 되어, 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과가 되었다.
또, 시험 No.15 및 시험 No.16은, 각각 육플루오르화황가스 및 염소가스를 이용했기 때문에, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도는 10ppm 이하가 되어, 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻을 수 있었으나, 환경부하가 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과가 되었다.
시험 No.17은, 아르곤가스를 이용했기 때문에, 환경부하는 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻을 수 있었으나, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도가 10∼30ppm이 되어, 약간 바람직하지 않음(△)이라는 평가결과가 되었다.
시험 No.18은, 질소가스를 이용했기 때문에, 환경부하는 바람직함(○)이라는 평가를 얻을 수 있었으나, 산화방지의 효과가 충분하지 않고, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도가 30ppm 이상이 되어, 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과가 되었다.
그리고 No.19는, 플루오로케톤 100ppm, 이산화탄소(탄산가스) 약 100％이었기 때문에, 환경부하는 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻을 수 있었으나, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도가 10∼30ppm이 되어, 약간 바람직하지 않음(△)이라는 평가결과가 되었다. 이것은, 고농도의 이산화탄소로부터 환원되어 생성한 산소가스(활성산소)에 의한 것으로 생각된다.
이상, ≪실시예 2≫의 결과로부터, 플루오로케톤을 함유하고, 또한, 불활성가스로서 질소가스를 많이 포함하는 보호가스를 이용하는 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법으로 하면, 환경에 부하를 주지않고 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도를 낮게 할 수 있는, 즉 알루미늄 용탕 표면에 형성되는 산화물(드로스를 포함)의 생성을 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
≪실시예 3≫
≪실시예 3≫에서는, 시험용 소형로에 의해 알루미늄 지금 100kg을 용해하고, 그 후, Al-5％Mg가 되도록 Mg를 첨가하여 용탕을 제작하였다. 그리고, 이 용탕을 정련 및 여과함으로써 해당 용탕 중으로부터 산화물을 제거하였다. 여과에는 약 1mm 메시의 유리섬유직물을 이용하였다.
이어서, 이 용탕을 150L×400W의 시험용 소형 수냉주형을 이용하여 알루미늄 합금의 알루미늄 주괴를 주조하였다.
이때, 알루미늄 주괴를 주조할 때의 보호가스를 표 3의 시험 No.22∼28에 나타낸 조건으로 다양하게 변경하여, 용탕 표면의 산화물 농도 및 환경부하에 대해서 평가를 수행하였다.
또한, ≪실시예 3≫에 있어서의 수냉주형의 내벽은, 흑연제로 하였다. 또, 알루미늄 주괴를 주조할 때 윤활유는 사용하지 않았다.
그리고, ≪실시예 2≫와 마찬가지로, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도와 환경부하의 평가를 수행함과 동시에, 흑연의 소모에 대한 평가를 수행하였다.
알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도와 환경부하의 평가는, ≪실시예 2≫에 준하여 수행하였다.
흑연의 소모에 대한 평가는, 10회 이상 주조가능한 것을 바람직함(○)으로 평가하고, 10회 미만인 것을 바람직하지 않음(×)으로 평가하였다.
시험 No. 22∼28의 보호가스의 종류, 및 이들의 평가결과를 표 3에 나타낸다.
시험 No. 보호가스 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도 흑연의 소모 환경부하 비고
22 육플루오르화황가스 ○ ○ × 비교예
23 염소가스 ○ × ×
24 아르곤가스 △ × ○
25 질소가스 × × ○
26 없음(대기가스) × × ○
27 플르오르케톤 50ppm 이산화탄소 약 100％ △ ○ ○
28 플르오르케톤 100ppm 이산화탄소 약 1％ 질소 약 99％ ○ ○ ○ 본발명
표 3에 나타낸 바와 같이, 시험 No.22∼27은, 본 발명의 요건을 만족하지 않으므로, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도 평가에서 바람직하지 않음(×) 또는 약간 바람직하지 않음(△)이라는 평가결과를 얻게 되고, 환경부하 및 흑연의 소모 중 어느 하나의 평가에서 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과를 얻게 되었다(비교예(비고 참조)).
한편, 시험 No.28은, 본 발명의 요건을 만족하므로, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도, 환경부하 및 흑연의 소모 모두에서 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻을 수 있었다(실시예(비고 참조)).
구체적으로 설명하면, 시험 No.22 및 시험 No.23은, 각각 육플루오르화황가스 및 염소가스를 이용했기 때문에, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도는 10ppm 이하가 되어, 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻음과 동시에, 흑연의 소모도 바람직함(○)이라는 평가를 얻을 수 있었다. 그러나, 환경부하가 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과가 되었다.
시험 No.24는, 아르곤가스를 이용했기 때문에, 환경부하는 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻을 수 있었으나, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도가 10∼30ppm이 되어, 약간 바람직하지 않음(△)이라는 평가결과가 되었다. 또, 흑연 소모 평가에 대해서는, 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과가 되었다.
시험 No.25는, 질소가스를 이용했기 때문에, 환경부하는 바람직함(○)이라는 평가를 얻을 수 있었으나, 산화방지의 효과가 충분하지 않고, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도가 30ppm 이상이 되어, 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과가 됨과 동시에, 흑연 소모 평가에 대해서는, 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과가 되었다.
시험 No.26은, 보호가스가 없었기 때문에(대기가스였음), 환경부하는 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻을 수 있었으나, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도가 30ppm 이상이 되어, 바람직하지 않음(×)이라는 평가결과가 되었다.
그리고 No.27은, 플루오로케톤 100ppm, 이산화탄소(탄산가스) 약 100％이었기 때문에, 환경부하 및 흑연의 소모에 대한 평가는, 바람직함(○)이라는 평가결과를 얻을 수 있었으나, 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도가 10∼30ppm이 되어, 약간 바람직하지 않음(△)이라는 평가결과가 되었다. 이것은, 고농도의 이산화탄소로부터 환원되어 생성한 산소가스(활성산소)에 의한 것으로 생각된다.
이상, ≪실시예 3≫의 결과로부터, 플루오로케톤을 함유하고, 또한, 불활성가스로서 질소가스를 많이 포함하는 보호가스를 이용하는 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법으로 하면, 환경에 부하를 주지않고 알루미늄 주괴 표면의 산화물 농도를 낮게 할 수 있는, 즉 알루미늄 용탕 표면에 형성되는 산화물(드로스를 포함)의 생성을 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또, 상기 보호가스를 이용하는 본 발명의 알루미늄 주괴의 제조방법으로 하면, 수냉주형에 흑연을 이용한 경우에도, 그 소모를 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

Claims (9)

  1. 지금(地金)을 용해하여 용탕으로 하는 용해공정, 상기 용탕을 보유하는 보유공정, 상기 용탕으로부터 수소가스를 제거하는 탈수소가스 공정, 상기 용탕으로부터 개재물을 제거하는 여과공정, 및 상기 용탕을 수냉주형으로 소정 형상의 주괴로 성형하여 고화하는 주조공정을 포함하는, 순 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 알루미늄 주괴에 있어서의 제조방법에 있어서,
    상기한 각 공정 중 적어도 하나의 공정에 있어서의 처리를, 플루오르화가스를 포함하여 이루어지는 보호가스 분위기 중에서 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 주괴의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보호가스는, 상기 플루오르화가스를 0.001∼1 질량％, 탄산가스를 0.01∼10 질량％ 함유하고, 잔부가 상기 질소가스 및 아르곤가스 중 적어도 하나를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 주괴의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 플루오르화가스가, 플루오로케톤인 것을 특징으로 하는 알루미늄 주괴의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 주조공정에서 이용되는 상기 수냉주형 내의 용탕이 접촉하는 적어도 일부가, 흑연 또는 흑연을 포함하는 소재를 이용하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 주괴의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 주조공정에 있어서, 상기 용탕을 소정의 형상으로 성형할 때, 주조용 윤활유를 이용하지 않는 것을 특징으로 하는 알루미늄 주괴의 제조방법.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금이, 7∼40 질량％의 Mg를 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 주괴의 제조방법.
  7. 순 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 알루미늄 주괴로,
    Al2O3 및 MgAl2O4의 함유율이 10ppm 이하, 또한, Al4C3 및 Al2C6의 함유율이 4ppm 이하인 것을 특징으로 하는 알루미늄 주괴.
  8. 제 7항에 있어서,
    7∼40 질량％의 Mg를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 주괴.
  9. 플루오르화가스를 0.001∼1 질량％, 탄산가스를 0.01∼10 질량％ 함유하고, 잔부가 질소가스 및 아르곤가스 중 적어도 하나를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 주괴의 제조용 보호가스.
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