KR20130023266A

KR20130023266A - 복합 재료, 연속 주조용 부품, 연속 주조용 노즐, 연속 주조 방법, 주조재 및 마그네슘 합금 주조 코일재

Info

Publication number: KR20130023266A
Application number: KR1020127031500A
Authority: KR
Inventors: 미치마사 미야나가; 다케시 우치하라; 마사타다 누마노; 유키히로 오이시; 노조무 가와베
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2013-03-07
Also published as: CN102933334B; EP2578334B1; EP2578334A1; CN102933334A; EP2578334A4; CN107052284B; CN107052284A; US9254519B2; WO2011152529A1; US20130089457A1

Abstract

노즐과 가동 주형 사이에 생기는 간극에 용탕이 유입되기 어렵고, 표면 품질이 우수한 주조재를 장기적으로 연속 주조할 수 있는 연속 주조용 부품을 형성하는 데 알맞은 복합 재료를 제공한다. 다수의 빈 구멍을 갖는 다공질체(2)와, 그 다공질체(2)의 표면부 중, 순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용탕에 접촉하는 개소의 적어도 일부에 내재되는 충전재를 구비하는 복합 재료(노즐(1))이다. 다공질체(2)에 내재되는 충전재는 질화물, 탄화물 및 탄소로부터 선택되는 적어도 1종이다.

Description

복합 재료, 연속 주조용 부품, 연속 주조용 노즐, 연속 주조 방법, 주조재 및 마그네슘 합금 주조 코일재{COMPOSITE MATERIAL, COMPONENT FOR CONTINUOUS CASTING, NOZZLE FOR CONTINUOUS CASTING, CONTINUOUS CASTING METHOD, CAST MATERIAL, AND MAGNESIUM ALLOY CAST COIL MATERIAL}

본 발명은 순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 주조재를 제조하는 데 알맞은 연속 주조용 부품, 특히 연속 주조용 노즐에 알맞은 복합 재료에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 연속 주조용 노즐을 이용한 연속 주조 방법 및 그 방법을 이용하여 얻어진 주조재와 마그네슘 합금 주조 코일재에 관한 것이다.

종래, 용해로에서 용해된 금속 용탕을 탕 저장소 등을 통해 롤이나 벨트 등으로 이루어지는 가동(可動) 주형(鑄型)에 공급하고, 이 용탕을 가동 주형에 접촉시킴으로써 냉각하고 응고시켜 주조재를 연속적으로 제조하는 연속 주조가 알려져 있다. 금속 용탕은 노즐을 통해 가동 주형에 공급된다. 이 주조용 노즐로서 예컨대 특허문헌 1이나 2에 기재된 것이 있다. 특허문헌 1에는, 주조시에, 소재의 폭 방향에서의 용탕의 온도 변동을 작게 하기 위해서, 노즐의 선단이 양호한 열전도층, 저(低)열전도층, 고강도 탄성층의 3층 구조로 된 노즐이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 순마그네슘 또는 마그네슘 합금을 연속 주조할 때에 이용하는 데 알맞은 노즐이 개시되어 있다. 마그네슘은 활성의 금속이기 때문에, 마그네슘의 용탕과 노즐의 형성 재료와의 반응을 방지하기 위해서, 노즐의 본체를 산화물 재료로 형성한 경우, 용탕과 접촉하는 면에 저산소 재료로 이루어지는 피복층을 형성한 노즐이 기재되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2006-015361호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2006-263784호 공보

그러나, 금속 용탕이 노즐로부터 가동 주형에 공급될 때, 고온인 금속 용탕과 항상 접촉하기 때문에, 부품의 구성 성분을 용탕에 빼앗기거나 용탕의 열에 의한 산화나 용탕의 스며듦이 원인이 되어 부품이 소모ㆍ열화된다. 경우에 따라서는 부품의 파손에 이른다. 열화에 의한 부품의 변형이나 용탕의 변질은 용탕의 흐름을 불균일하게 하기 때문에, 연속 주조의 장기적인 계속이 곤란하게 된다.

또한, 공급 개소(箇所)에 있어서 노즐과 가동 주형과의 사이에 간극이 생긴다. 이 간극은, 노즐 선단의 내주 가장자리에서 노즐의 축 방향으로 뻗는 연장선과 가동 주형에 의해 둘러싸이는 영역에 생긴다. 간극에 약간 유입된 용탕은 가동 주형에 의해서 냉각되고, 그 간극에서 응고됨으로써 국소적으로 탕 흐름을 어지럽혀, 주조재의 표면 성상의 저하를 초래하는 원인이 된다. 또한, 응고물로 된 용탕은 가동 주형(예컨대 롤)에 부착되어, 주조재의 표면 결함을 발생시키는 원인이라고도 생각된다.

본 발명은, 상기 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적의 하나는, 장시간 제조에 있어서도 부품의 열화나 소모, 용탕의 변질이 생기기 어렵고, 또한 노즐과 가동 주형 사이에 생기는 간극으로 용탕이 유입되기 어렵고, 표면 품질이 우수한 주조재를 장기적으로 연속 주조할 수 있는 연속 주조용 부품을 형성하는 데 알맞은 복합 재료를 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 이 복합 재료를 이용한 연속 주조용 부품, 특히 연속 주조용 노즐을 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 연속 주조용 노즐을 이용한 연속 주조 방법과 그 방법에 의해 얻어진 주조재 및 마그네슘 합금 주조 코일재를 제공하는 데에 있다.

본 발명은, 순마그네슘 또는 마그네슘 합금 등의 용탕에 대하여 기계적 강도가 높고, 용탕과의 반응성이 낮은 다공질체의 적어도 일부에 용탕과의 습윤성이 낮은 충전재를 복합시킴으로써 상기 목적을 달성한다.

본 발명의 복합 재료는, 순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용탕을 연속 주조할 때에 이용되는 연속 주조용 부품의 적어도 일부를 구성하는 복합 재료에 관한 것이다. 상기 복합 재료는, 빈 구멍을 갖는 다공질체와, 그 다공질체의 표면부 중, 상기 용탕에 접촉하는 개소(箇所)의 적어도 일부에 내재되는 충전재를 구비한다. 이 충전재는 질화물, 탄화물 및 탄소로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로서 함유한다. 이들의 재질은 다공질체에 비해서 용탕에 대한 습윤성이 낮은 재질(이하, 발탕재(撥湯材))이다. 여기서, 표면부란, 다공질체의 표면으로부터 어느 정도의 깊이를 지닌 입체적인 영역을 말한다. 충전재는 적어도 그 표면부에 내재되어 있으면 되기 때문에, 본 발명 복합 재료에서는, 표면부에 더하여 다공질체의 내부에도 충전재가 내재되어 있더라도 당연히 상관없다. 또한, 충전재의 주성분이란, 충전재 중, 60 질량% 이상을 차지하는 성분을 말한다.

본 발명 복합 재료에 따르면, 발탕재를 포함하는 충전재를 내재시킨 개소에 있어서 순마그네슘 또는 마그네슘 합금 등의 용탕을 튀게 할 수 있다. 그 때문에, 이 복합 재료를 이용하여 연속 주조용 부품(특히, 연속 주조용 노즐)을 제작함으로써, 주조시의 탕 흐름이 흐트러지는 것을 억제할 수 있고, 그 결과로서 표면 품질이 우수한 주조재를 얻을 수 있다. 또한, 충전재의 존재에 의해, 용탕의 열에 의한 다공질체의 손상이나 용탕의 산화, 다공질체에의 용탕의 스며듦을 억제하기 쉽기 때문에, 본 발명 복합 재료를 이용하여 연속 주조용 부품을 제작하면, 그 연속 주조용 부품이 쉽게 상하지 않는다. 그 결과, 장기적으로 안정된 표면 품질의 주조재를 얻을 수 있다. 또한, 다공질체와 그 빈 구멍에 내재되는 충전재를 구비하는 구성으로 함으로써, 고인성을 가지며 기계적인 파손이 생기기 어려운 복합 재료로 할 수 있다. 본 발명 복합 재료에 따르면, 연속 주조에 알맞은 복잡한 형상이나 박육의 연속 주조용 노즐을 제작할 수 있다. 노즐을 이러한 구조로 함으로써 용탕을 가동 주형에 공급할 때에 형성되는 메니스커스를 작게 할 수 있다. 그 결과, 리플 마크의 대형화나 주조재의 표면 결함의 발생을 억제하는 것이 가능하다.

충전재를 구성하는 주성분 중, 특히 질화물은 저산소성이기 때문에, 마그네슘과의 반응에 의해 침식되기 어렵다. 더욱이 질화물은 고열전도성과 저열팽창성이기 때문에, 용탕으로부터의 열전도에 의한 신축이 작고, 질화물이 다공질체로부터 박리되기 어렵다. 이러한 복합 재료는 높은 인성(靭性)을 지니고 기계적인 파손이 생기기 어렵다. 또한, 용탕이나 대기와의 접촉에 의한 열화도 적고 균일한 탕 흐름을 유지하기 쉽다.

본 발명 복합 재료의 일 형태로서, 다공질체에 있어서의 충전재가 내재되는 부분의 표면에 추가로 피복층을 구비하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 그 경우, 피복층은 질화물, 탄화물 및 탄소로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로서 함유하는 구성으로 한다. 여기서, 피복층의 주성분이란, 피복층 중, 60 질량% 이상을 차지하는 성분을 말한다.

상기 구성으로 함으로써, 피복층을 형성한 부분에서 보다 효과적으로 용탕을 튀게 할 수 있다. 질화물, 탄화물 및 탄소 중, 특히 질화물은 용탕에 젖거나 반응하거나 하지 않고서 용탕을 튀게 하기 쉬워, 화학적 안정성이 우수하다. 또한 질화물은 실질적으로 산소를 포함하고 있지 않은 저산소 재료이기 때문에, 순마그네슘이나 마그네슘 합금의 용탕과의 반응에 의해 침식되기 어렵다. 더욱이 질화물은 고열전도성과 저열팽창성을 갖기 때문에, 용탕으로부터의 열전도에 의한 신축이 작고, 피복층이 다공질체의 표면에서 박리되기 어려워, 쉽게 파손되지 않는다.

상기 피복층을 구비하는 본 발명 복합 재료의 일 형태로서, 상기 피복층은 주성분 이외의 성분으로서 알루미나를 함유하는 구성으로 할 수 있다.

용탕에 대한 피복층의 습윤성을 결정하는 요소로서 피복층의 치밀함도 중요한 요소로서 들 수 있다. 또한, 층의 내구성, 예컨대 박리나 파손, 또한 용탕이나 대기와의 반응성에 있어서도 중요한 요소이다. 알루미나는 이 피복층의 치밀함을 향상시키는 효과를 갖는다.

본 발명 복합 재료의 일 형태로서, 상기 피복층의 상대 밀도는 30% 이상 95% 이하인 것이 바람직하고, 나아가서는 40% 이상 85% 이하가 바람직하다.

피복층이 치밀할수록 보다 용탕을 튀게 할 수 있기 때문에, 이 복합 재료를 연속 주조용 노즐에 적용했을 때에, 그 노즐과 가동 주형과의 사이에 생기는 간극에 용탕이 유입되는 것을 막을 수 있다. 또한, 피복층의 밀도가 상기 상한 이하인 경우, 피복층의 열전도율을 내릴 수 있고, 특히 노즐 부재의 용탕에 접촉하지 않는 선단 영역에 형성한 경우, 노즐 부재로부터 주조 롤에의 발열(拔熱)에 의한 용탕의 온도 저하를 억제하는 것이 가능하여, 안정된 주조를 위해 적합하다. 여기서, 상기 상대 밀도는 (피복층의 밀도)/(주성분의 이론 밀도×성분 비율＋부성분의 이론 밀도×성분 비율)×100(%)로 구해지는 값을 말한다. 이 피복층의 주성분의 밀도는 예컨대 부피 밀도 측정이나 아르키메데스법에 의해 측정되는 값이다.

본 발명 복합 재료의 일 형태로서, 상기 피복층의 두께는 200 ㎛ 이상인 것을 들 수 있다.

복합 재료를 연속 주조용 부품에 적용한 경우, 피복층의 두께는 지나치게 얇으면, 용탕의 진행에 의해서 박리나 파괴의 우려가 있기 때문에, 200 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 300 ㎛ 이상이다. 그러나 피복층의 두께가 지나치게 두꺼우면, 피복층과 노즐 본체와의 밀착성이 엷어져, 피복층이 다공질체로부터 박리될 우려가 있기 때문에, 1000 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 500 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 발명 복합 재료의 일 형태로서, 피복층은 상기 다공질체의 표면에 열처리에 의해서 분체를 고착시킴으로써 형성된 층인 것을 들 수 있다.

피복층의 형성 방법으로서는, 예컨대 피복층의 원료가 되는 분체(즉, 주성분의 분체)에 정해진 량의 용제나 바인더를 혼합하여 슬러리를 제작하여, 다공질체의 표면에 그 슬러리를 도포하여 열처리를 실시하는 방법을 들 수 있다. 도포는 솔로 행하더라도 좋고, 에어스프레이로 분사하여 행하더라도 좋다. 또한, 도포한 슬러리에 열처리를 실시함으로써 분체끼리를 소성 혹은 소결시켜, 다공질체의 표면에 밀착된 고강도ㆍ고경도의 피복층이 형성된다. 분체는 열 처리 후의 피복층의 표면 거칠기(Ra)가 10 ㎛ 이하가 되는 평균 입경인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 분체를 고착시키는 방법에 따르면, 강고하고 또 습윤성이 낮은 피복층을 얻을 수 있는 것 외에, 전술한 밀도의 조정이 용이하게 되기 때문에 바람직하다. 이러한 재료는 노즐 본체에 사용하기에는 강도가 부족했다고 해도 피복층으로서는 적합하게 이용된다. 또한, 분체 고착은 생산성도 우수하다.

기타 피복층의 형성 방법으로서, 그 밖에 CVD법이나 PVD법에 의해서 형성하는 방법도 들 수 있다. 단, 유기 용매 등으로 예컨대 20% 이하로 희석되어, 유기 바인더 등을 이용한 시판되는 이형제(스프레이)는 밀도가 낮고 밀착 강도도 약하기 때문에 내구성이 부족하며, 또한 본원의 목적으로 하는 효과를 충분히 지니지 않기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명 복합 재료의 일 형태로서, 다공질체의 굽힘 탄성률이 90 GPa 이하인 것이 바람직하다.

굽힘 탄성률이 90 GPa 이하인 탄력 있는 다공질체를 구비하는 복합 재료를 이용하여 연속 주조용 노즐을 제작하면, 부재의 결손이나 파손이 적어 박육의 형상이라도 양호한 내구성을 얻을 수 있고, 소형ㆍ박육의 노즐 형상으로 할 수 있어, 장시간의 연속 주조에 적합하다. 이러한 다공질체의 구성 재료로서는 탄화물 또는 탄소를 들 수 있다. 탄화물 및 탄소는 기계적 강도가 높기 때문에, 연속 사용하더라도 소모ㆍ열화되기 어렵고, 내구성이 우수하여, 장기적으로 계속하여 사용할 수 있다. 또한 열전도성이 우수하기 때문에, 용탕과 접촉한 개소에서 온도의 변동을 작게 억제할 수 있다. 더욱이, 산소의 함유량이 낮은 저산소성이기 때문에, 마그네슘이 산소와 결합하는 것을 막을 수 있다. 예컨대, 다공질체는 SiC 섬유 또는 탄소 섬유를 압하(壓下) 성형한 것이나, C/C 콤포지트(Carbon Carbon Composite : 탄소 섬유를 강화재로 하고, 탄소를 매트릭스로 한 복합 재료) 등으로 구성하면 된다.

본 발명 복합 재료의 일 형태로서, 다공질체의 평면 방향의 열전도율이 15 W/mㆍK 이상인 것이 바람직하다.

다공질체의 평면 방향의 열전도율이 15 W/mㆍK 이상인 복합 재료를 이용하여 연속 주조용 노즐을 제작하면, 주조시에 있어서의 상기 평면 방향의 연속 주조용 노즐의 온도를 균일적으로 할 수 있다. 그 결과, 주조시에 있어서의 상기 평면 방향의 용탕의 온도도 균일적으로 할 수 있기 때문에, 가동 주형에서의 용탕의 응고가 균일적으로 되어, 표면 성상이 우수한 주조재를 얻을 수 있다. 이러한 다공질체의 구성 재료로서는 역시 탄소나 SiC로 이루어지는 재료를 들 수 있다.

본 발명 연속 주조용 부품은 순마그네슘 또는 마그네슘 합금을 연속 주조할 때에 이용되는 연속 주조용 부품으로서, 순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용탕과 접촉하는 개소의 적어도 일부분이 본 발명의 복합 재료에 의해 형성되어 있다.

본 발명의 복합 재료를 이용하여 연속 주조용 부품을 형성하면, 마그네슘과의 반응을 억제할 수 있고, 용탕에 의한 산화나 용탕의 스며듦에 의해 소모나 열화되기 어려워 내구성을 향상시킬 수 있어, 연속 주조를 보다 장기적으로 계속할 수 있다.

본 발명 연속 주조용 노즐은 순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용탕을 연속 주조용의 가동 주형에 공급하는 연속 주조용 노즐이며, 본 발명의 복합 재료에 의해 형성되어 있다.

본 발명의 복합 재료를 이용하여 연속 주조용 노즐을 형성하면, 마그네슘과의 반응을 억제할 수 있고, 용탕에 의한 산화나 용탕의 스며듦에 의해 소모나 열화되기 어려워 내구성을 향상시킬 수 있어, 연속 주조를 보다 장기적으로 계속할 수 있다. 또한, 용탕의 수송로가 되는 노즐 내부에 있어서, 균일한 탕 흐름을 유지하기 쉽고 국소적으로 탕 흐름이 흐트러지는 것을 막을 수 있다.

본 발명 연속 주조용 노즐의 일 형태로서, 연속 주조용 노즐의 표면 중, 적어도 가동 주형 측의 선단면에서부터 외주면에 걸치는 선단 영역에, 복합 재료의 다공질체와 비교하여 용탕에 대한 습윤성이 낮은 피복층을 구비하는 것을 들 수 있다. 이 경우, 피복층은 질화물, 탄화물 및 탄소로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로서 함유하는 구성으로 한다.

특히, 연속 주조용 노즐의 선단 영역을 본 발명의 복합 재료로 형성함으로써, 노즐과 가동 주형과의 사이에 생기는 간극에 용탕이 흘러들어가기 어렵게 할 수 있다. 따라서, 그 간극에서 국소적으로 탕 흐름이 흐트러지는 일이 없고, 용탕이 응고되는 것을 막을 수 있어, 표면 품질이 우수한 주조재를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명 연속 주조 방법은 본 발명 연속 주조용 노즐과 쌍롤식의 가동 주형을 이용하여 쌍롤 주조를 행하는 것을 특징으로 한다.

쌍롤법에 의해서 연속 주조를 행하면, 주형면(용탕과 접촉하는 주형의 표면)의 위치를 일정하게 유지하기 쉽고, 급속 냉각할 수도 있다. 또한, 롤의 회전에 따라 용탕에 접촉하는 면이 연속적으로 나타나는 구성이기 때문에, 생산성이 우수하여, 주조에 이용된 면이 재차 용탕과 접촉할 때까지 동안에 이형제의 도포나 부착물의 제거 등을 효율적으로 행하여, 이들 도포나 제거 등의 작업을 하는 설비를 간략화할 수 있다. 한편, 당연한 말이지만, 본 발명 연속 주조용 노즐은 쌍롤 주조 이외의 연속 주조에 이용할 수도 있다.

본 발명 연속 주조 방법의 일 형태로서, 연속 주조용 노즐과 쌍롤식의 가동 주형과의 간극에 형성되는 용탕의 메니스커스부의 두께를 D1, 롤 사이의 거리를 D2로 했을 때, D1<1.4×D2가 되도록, 연속 주조용 노즐을 쌍롤식의 가동 주형으로 향하게 하여 쌍롤 주조를 행하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 용탕을 급속히 냉각하여, 장시간 안정된 품질의 주조재를 얻을 수 있다.

연속 주조용 노즐은 가능한 한 가동 주형 근처로 향하게 해 두는 것이 바람직하다. 연속 주조용 노즐과 가동 주형과의 간극이 커지면, 그 간극으로 용탕이 새어나와 버리고, 그 새어나온 응고물로 된 용탕이 가동 주형에 부착되면, 주조재의 표면 결함을 발생시키는 원인이 되기 때문이다. 또 안정적이고 또 급속한 냉각이 어렵게 되어 양호한 품질을 얻기가 어렵게 된다. 그렇다고 해서, 연속 주조용 노즐과 가동 주형이 접촉하면, 연속 주조용 노즐이 냉각됨으로써 그 노즐 안의 용탕도 냉각되어, 용탕이 가동 주형에 접촉하기 전에 응고되어 버릴 우려도 있다. 이에 대하여, D1<1.4×D2가 되도록 연속 주조용 노즐을 가동 주형으로 향하게 해 놓으면, 상기 문제가 생기는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 본 발명 연속 주조용 노즐을 이용하여 상기 D1, D2의 관계를 만족하는 연속 주조를 행함으로써 보다 표면 품질이 우수한 주조재를 제작할 수 있다.

또한, 본 발명 주조재는 상기 본 발명 연속 주조 방법에 의해 얻어진 것을 특징으로 한다.

본 발명 연속 주조 방법에 의해 얻어진 주조재는 그 표면 형상이 균일한 것이다.

또한, 본 발명 마그네슘 합금 주조 코일재는 본 발명 주조재를 휘감음으로써 얻어진 마그네슘 합금 주조 코일재이며, 그 주조재의 길이가 100 m 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명 연속 주조 방법이라면, 100 m 이상에 걸쳐 결함을 갖지 않는 본 발명 주조재를 얻을 수 있다. 그 때문에, 본 발명 주조재를 휘감음으로써, 본 발명 마그네슘 합금 주조 코일재를 제작할 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 순마그네슘이란, 의도적으로 다른 원소를 첨가하지 않고, 질량으로 Mg 성분이 99.0 질량% 이상 포함되는 것으로 하고, 마그네슘 합금이란, 첨가 원소와 잔여부가 Mg 및 불순물로 이루어지는 것으로 한다. 첨가 원소로서는 예컨대 Al, Zn, Mn, Si, Cu, Ag, Y, Zr, Ca, Sr, Sn, Li, Ce, Be, Ni, Au, 희토류 원소(Y, Ce를 제외함) 등의 원소군 중, 적어도 1종의 원소를 들 수 있다. 이러한 첨가 원소는 마그네슘 합금 중에 7.3 질량% 이상 함유되어 있는 것이 바람직하다. 첨가 원소를 포함하는 마그네슘 합금으로서, 예컨대 ASTM 기호에 있어서의 AZ계, AS계, AM계, ZK계 등을 들 수 있다. 특히, Al을 7.3~12 질량% 함유하는 마그네슘 합금, 또한, Y, Ce, Ca, 희토류 원소의 적어도 1종을 합계로 0.1 질량% 함유하는 마그네슘 합금은 고강도이며 내식성이 우수하기 때문에 바람직하다. 기타, 본 발명의 연속 주조용 노즐은 마그네슘 합금과 탄화물로 이루어지는 복합 재료, 마그네슘 합금과 산화물로 이루어지는 복합 재료의 연속 주조에도 이용할 수 있다.

본 발명의 복합 재료에 따르면, 충전재를 내재시킨 개소에 있어서 순마그네슘 또는 마그네슘 합금 등의 용탕을 튀게 할 수 있다. 그 때문에, 이 복합 재료를 이용하여 연속 주조용 부품(특히, 연속 주조용 노즐)을 제작함으로써, 주조시의 탕 흐름이 흐트러지는 것을 억제할 수 있고, 그 결과로서 표면 품질이 우수한 주조재를 얻을 수 있다.

도 1의 (A)는 용탕을 가동 주형에 공급하는 연속 주조용 장치의 개략 구성도, (B)는 (A)의 장치에 갖춰지는 연속 주조용 노즐과는 다른 형태의 연속 주조용 노즐의 개략도이다.

이하, 본 발명에 따른 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

<실시형태>

≪복합 재료≫

본 발명의 복합 재료는, 순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용탕을 연속 주조할 때에 이용되는 연속 주조용 부품의 적어도 일부를 구성하는 것이다. 이 복합 재료는, 빈 구멍을 갖는 다공질체와, 그 다공질체의 표면부 중, 상기 용탕에 접촉하는 개소의 적어도 일부에 내재되는 충전재를 구비한다. 여기서, 다공질체의 표면부란, 다공질체의 표면에서부터 깊이 5%까지의 영역으로 한다. 당연히, 이 표면부보다 깊은 위치까지 충전재가 내재되어 있더라도 좋다.

[다공질체]

다공질체로서는, 예컨대 탄화규소 섬유나 탄소 섬유를 압축 성형시키고 구워 굳힘으로써 형성된 것을 사용할 수 있다. 탄소 섬유의 형태는 장섬유, 단섬유 등에 제한은 없다. 혹은, 시판되는 것(예컨대, 평균 기공 직경 5 ㎛ 정도의 다공질 탄소 기판)을 이용할 수 있다. 특히, C/C 콤포지트를 알맞게 이용할 수 있다. 그 밖에, 알루미나 및 알루미나 섬유 등으로 이루어지는 다공질체를 이용할 수도 있다.

다공질체의 크기에 제한은 없지만, 그 빈 구멍 비율은 30~70%인 것이 바람직하다. 빈 구멍 비율을 30% 이상으로 함으로써 충전재를 충분히 빈 구멍 내부에 충전할 수 있고, 70% 이하로 함으로써 기계적 강도를 유지할 수 있다.

[충전재]

상기 다공질체의 빈 구멍 내부에 내재되는 충전재는 다공질체에 비해서 용탕에 대한 습윤성이 낮은 재료(이하, 발탕재(撥湯材)라고 함)를 주성분으로서 함유한다. 이 재료로서는 AlN, BN, SiN 등의 질화물, SiC, TaC 등의 탄화물 혹은 C를 이용할 수 있다. 특히 BN이 바람직하다. 여기서, 주성분이란, 충전재에 있어서의 함유량이 60 질량% 이상인 성분을 말한다.

다공질체 표면부의 빈 구멍에 대한 충전재의 충전 비율은 80% 이상인 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 용탕을 충분히 튀게 할 수 있는 복합 재료로 할 수 있고, 복합 재료의 강도를 향상시킬 수도 있다.

발탕재의 입경은 빈 구멍 내부의 크기에 따라서 평균 입경 20 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 평균 입경을 미세하게 할수록 발탕재의 표면적을 크게 할 수 있어 용탕을 튀게 하는 것을 쉽게 할 수 있기 때문에, 평균 입경은 5 ㎛ 이하인 것이 바람직하지만, 발탕재의 취급 용이성을 고려하면, 평균 입경은 1 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 다공질체에 대한 발탕재의 함유율은 10~70 질량%가 바람직하다. 질화붕소의 함유율을 10 질량%로 함으로써 용탕을 충분히 튀게 할 수 있고, 70 질량% 이하로 함으로써 복합 재료의 기계적 강도를 유지할 수 있다.

충전재는 또한 발탕재 이외의 성분으로서 충전재의 충전 상태를 치밀하게 하는 효과를 갖는 알루미나 등의 고착재를 포함하고 있더라도 좋다. 예컨대, 충전재 속에, 발탕재와 함께 알루미나 등의 고착제를 함유시켜 놓음으로써 그 고착제가 접착제로서 기능하여 발탕재를 강고하게 빈 구멍 내부에 고정할 수 있다.

고착제의 평균 입경은 1 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 고착제의 평균 입경이 1 ㎛ 이하이면, 발탕재를 빈 구멍 내부에 강고하게 고착할 수 있다. 또한, 충전재에 있어서의 고착재의 함유량은 발탕재에 대하여 0.1~30 질량%로 하는 것이 바람직하다. 함유율을 0.1 질량% 이상으로 함으로써 발탕재를 강고하게 빈 구멍 내부에 고착할 수 있고, 30 질량% 이하로 함으로써 발탕재에 대한 배합비를 작게 할 수 있어, 발탕재는 용탕을 충분히 튀게 할 수 있다.

다공질체의 빈 구멍 내부에 충전재를 내재시키는 방법으로서, 예컨대 유기 용매 혹은 수용매 내에 분말형의 발탕재(필요에 따라서 고착제)를 분산시킨 슬러리에 다공질체를 침지하여, 충전재를 빈 구멍 내부에 함침시키는 방법을 들 수 있다. 이 상태에서 잠시 시간을 두면, 충전재가 빈 구멍 내부에 침강되어, 다공질체의 표면부는 물론 내부에까지 충전재가 충전된 상태가 된다. 이 후, 용매를 건조 제거하여, 600~800℃의 온도에서 열처리함으로써 충전재를 빈 구멍 내부에 고착시켜 원하는 복합 재료를 얻을 수 있다.

기타, 다공질체의 빈 구멍 내부에 충전재를 내재시키는 방법으로서, 기상법이나 화학 기상 함침법(Chemical Vapor Infiltration : CVI)을 이용할 수도 있다. 이 CVI법은 밀폐된 챔버 내에 배치한 다공질체 주위에 원료 가스를 도입하여 다공질체의 빈 구멍 내에 충전재를 막 형상으로 석출시키는 방법이다.

[피복층]

본 발명의 복합 재료는, 또한 다공질체에 있어서의 충전재가 내재되는 부분의 표면에, 다공질체에 비해서 용탕에 대한 습윤성이 낮은 피복층을 구비하고 있더라도 좋다. 피복층을 형성함으로써, 이 피복층을 형성한 위치에서의 발탕성(撥湯性)을 보다 높일 수 있다.

피복층의 구성에는 기본적으로 전술한 충전재와 같은 구성을 이용할 수 있다. 즉, 피복층은 전술한 충전재와 마찬가지로 발탕재로서 AlN, BN, SiN 등의 질화물, SiC, TaC 등의 탄화물 및 탄소로부터 선택되는 1종을 함유한다. 또한, 피복층은 발탕재 이외에, 피복층을 치밀하게 하는 효과를 갖는 알루미나 등의 고착재를 포함하고 있더라도 좋다.

피복층에 있어서의 고착재(알루미나)의 함유량은, 피복층의 주성분인 발탕재에 대하여 2~10 질량%인 것(즉, 질량%로 발탕재를 100으로 했을 때, 알루미나가 2~10)이 바람직하다.

피복층은 피복층의 원료가 되는 분체를 다공질체의 표면에 열처리에 의해서 고착시킴으로써 형성할 수 있다. 예컨대, 주성분으로서 BN을 포함하며, 주성분 이외의 성분으로서 알루미나를 포함하는 피복층을 형성하는 경우, 우선 BN 분체와 알루미나 분체를 함유하는 슬러리를 제작한다. 이어서, 그 슬러리를 다공질체의 표면에 도포하여 열처리를 한다. BN 분말의 평균 입경은 5 ㎛ 이하, 알루미나 분체의 평균 입경은 1 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 피복층(3)의 표면을 매끄럽게 할 수 있다.

피복층의 두께는 200 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 피복층의 두께가 지나치게 얇으면, 용탕과의 접촉에 의해 다공질체의 표면으로부터 박리될 우려가 있다. 보다 바람직하게는 300 ㎛ 이상이다. 그러나 피복층의 두께가 지나치게 두꺼우면, 피복층과 다공질체와의 밀착성이 엷어져, 피복층이 다공질체로부터 박리될 우려가 있기 때문에, 피복층의 두께는 1000 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 500 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 피복층이 순수한 BN으로 형성되어 있는 경우, 피복층의 두께가 지나치게 두꺼우면, 피복층이 취약하게 되어 깨질 우려도 있다.

≪연속 주조용 장치≫

이어서, 전술한 본 발명 복합 재료를 연속 주조용 장치에 적용한 예를 설명한다. 도 1의 (A)는 순마그네슘의 용탕이나 마그네슘 합금의 용탕(10)을 가동 주형(20)에 공급하는 연속 주조용 장치의 개략 구성도이다. 이 장치는, 순마그네슘이나 마그네슘 합금 등을 용해하여 용탕(10)으로 하는 용해로(도시하지 않음)와, 용해로로부터의 용탕(10)을 일시적으로 저류하는 탕 저장소(30)와, 용해로에서 탕 저장소(30)로 용탕(10)을 수송하는 이송 홈통(31)과, 탕 저장소(30)로부터 가동 주형(20)에 용탕(10)을 공급하는 노즐(1)을 구비한다. 그리고, 용탕(10)을 주조하여 주조재(100)를 형성하는 한 쌍의 롤(21)(가동 주형(20))을 구비한다.

노즐(1)은 통 형상이며, 그 내주 측이 용탕(10)의 수송로가 된다. 노즐(1)에 있어서, 개구부를 갖는 일단 측이 용탕(10)을 가동 주형(20)에 공급하는 탕 주입구(4)로서 이용된다. 탕 주입구(4)는, 주조재(100)의 횡단면에 맞춰, 탕 주입구(4)의 장경(주조재(100)의 폭)≫탕 주입구(4)의 단경(주조재(100)의 두께)이 되는 직사격형 형상이다. 탕 주입구(4)의 장경이나 단경은 원하는 주조재(100)의 폭이나 두께에 대응시켜 적절하게 변경한다. 그 밖에, 예컨대, 탕 주입구(4)의 양측에 둑을 배치시킴으로써 주조재(100)의 폭을 변경할 수도 있다. 노즐(1)의 타단 측은 탕 저장소(30)에 고정된다. 탕 저장소(30)에는 이송 홈통(31)이 접속되어, 용해로부터의 용탕(10)은 이송 홈통(31)을 통해 탕 저장소(30)에 공급된다. 그리고, 용탕(10)은 탕 저장소(30)로부터 노즐(1)에 수송되어, 노즐(1)로부터 롤(21) 사이에 공급된다. 각 롤(21)은 원통형체이며, 정해진 간격을 두고서 대향 배치되어, 도 1의 화살표로 나타내는 바와 같이 서로 반대 방향으로 회전한다. 롤(21) 사이의 간격은 원하는 주조재(100)의 두께에 따라서 적절하게 선택되는데, 노즐(1)의 탕 주입구(4)의 단경과 동일하거나 혹은 약간 좁은 쪽이 바람직하다. 롤(21)의 내부에는 수로(22)가 설치되어 수시로 물이 유통되며, 롤(21)의 표면은 이 물에 의해서 냉각된다. 즉, 롤(21)은 수냉 구조를 구비하는 것이다.

상기 노즐(1) 및 롤(21)을 이용하여 주조함으로써 주조재(100)를 얻을 수 있다. 용탕(10)은 노즐(1) 내에 수송됨으로써 서서히 온도가 저하되기 시작하여, 노즐(1)의 선단의 탕 주입구(4)로부터 롤(21) 사이에 공급된다. 공급된 용탕(10)은 회전하는 롤(21)에 접촉함으로써 급격히 냉각 응고되어, 주조재(100)로서 롤(21) 사이로부터 배출된다. 이와 같이 용탕(10)을 롤(21) 사이에 연속적으로 공급함으로써 긴 길이의 주조재(100)를 얻을 수 있다. 본 예에서는 판형의 주조재(100)가 제조된다.

본 발명이 특징으로 하는 바는 연속 주조용 장치의 부품이 상기 복합 재료에 의해서 형성되어 있다는 점에 있다. 연속 주조용 장치의 부품이란, 예컨대 노즐(1)이나 탕 저장소(30), 이송 홈통(31), 둑(도시하지 않음) 등을 들 수 있다. 이들 연속 주조용 부품의 용탕(10)과 접촉하는 개소의 적어도 일부분이 상기 복합 재료에 의해서 형성되어 있다. 더욱이, 용탕(10)과 접촉하는 개소 모두가 상기 복합 재료에 의해서 형성되어 있으면, 연속 주조용 부품의 소모나 열화를 보다 억제할 수 있다. 또한, 연속 주조용 부품 전체를 본 발명 복합 재료로 형성하더라도 좋다. 예컨대, 노즐(1) 전체를 다공질체(2)로 구성하여, 그 다공질체(2)의 표면부에 충전재를 내재시킴으로써, 용탕(10)의 열에 의한 다공질체(2)(노즐(1))의 손상이나 다공질체에의 용탕(10)의 스며듦 등을 억제할 수 있고, 그 결과로서 주조재(100)의 표면 품질을 향상시킬 수 있다.

상기 노즐(1)은, 노즐(1)과 롤(21)과의 간극에 형성되는 메니스커스부의 두께(최대 두께)를 D1, 롤(21) 사이의 거리를 D2로 했을 때, D1<1.4×D2가 되도록, 노즐(1)을 롤(21)에 향하게 하면 된다. 그렇게 함으로써, 노즐(1)과 롤(21)의 사이즈에 상관없이, 노즐(1)과 롤(21)과의 거리 d를 적정한 값으로 할 수 있다. 이들 D1, D2는 주조를 일단 중단함으로써 확인할 수 있다.

상기 노즐(1)의 다른 형태로서, 도 1의 (B)에 도시하는 것과 같이, 노즐(1)의 선단 영역(1r) 부분(크로스해칭으로 나타낸 부분)에 피복층(3)을 형성하더라도 좋다. 그렇게 함으로써, 노즐(1)과 가동 주형(20) 사이에 생기는 간극에 용탕(10)이 유입되기 어렵게 할 수 있다. 그 결과, 표면 품질이 우수한 주조재(100)를 얻을 수 있다. 여기서, 노즐(1)의 선단 영역(1r)이란, 노즐(1)의 가동 주형(20) 측에 있어서, 노즐(1)의 내주 가장자리와 외주 가장자리 사이의 선단면 및 이 선단면으로부터 연속적으로 노즐(1)의 외주면에 걸치는 영역이다. 이 피복층(3)에는 복합 재료의 항목에서 설명한 것과 같은 것을 사용할 수 있다.

≪효과≫

연속 주조용 부품이 본 발명 복합 재료에 의해서 형성됨으로써 용탕(10)에 의한 산화나 용탕(10)의 스며듦에 의한 소모나 열화가 생기기 어렵게 되어, 이 부품의 내구성을 높일 수 있고, 또한 박육이나 소형 형상 등 양호한 주조를 위해 알맞은 노즐 형상으로 할 수 있다. 따라서, 연속 주조의 지속성을 보다 장기적으로 향상시킬 수 있다.

특히, 연속 주조용 노즐(1)이 상기 복합 재료에 의해서 형성됨으로써, 용탕(10)의 수송로가 되는 노즐(1)의 내부에 있어서, 균일한 탕 흐름을 유지하기 쉽고 국소적으로 탕 흐름이 흐트러지는 것을 막을 수 있다. 더욱이, 도 1의 (B)에 도시하는 것과 같이, 노즐(1)의 선단 영역(1r)에 피복층(3)을 형성함으로써, 노즐(1)과 가동 주형(20) 사이에 생기는 간극에 용탕(10)이 유입되기 어렵게 할 수 있다. 따라서, 그 간극에서 국소적으로 탕 흐름이 흐트러지는 일이 없고, 용탕(10)이 응고되는 것을 막을 수 있어, 표면 품질이 우수한 주조재(100)를 얻을 수 있다.

<시험예 1>

본 시험예에서는, 제작되는 마그네슘 합금으로 이루어지는 주조재에 미치는 충전재의 영향을 조사했다.

[시료 1]

우선, 탄화규소 섬유를 압축 성형하고 구워 굳혀 상기 노즐(1)의 형상으로 형성한 다공질체(2)를 준비했다. 다공질체(2)의 선단 두께는 1 mm, 폭은 300 mm였다. 또한, 다공질체의 빈 구멍 비율은 45%, 다공질체(2)의 굽힘 탄성률은 90 GPa, 다공질체(2)의 평면 방향의 열전도율은 17 W/mㆍK였다.

이어서, 다공질체(2)의 표면부의 빈 구멍 내부에 평균 입경 1 ㎛의 질화알루미늄을 충전했다. 다공질체(2)의 빈 구멍에 대한 질화알루미늄의 충전 비율은 90%였다. 빈 구멍 내부에 질화알루미늄을 충전함에 있어서, 우선 평균 입경 1 ㎛의 질화알루미늄과 평균 입경 0.8 ㎛의 알루미나 분체를 함유하는 슬러리를 제작했다(질량%로 질화알루미늄 분체를 100으로 했을 때, 알루미나 분체를 5로 함). 이어서, 다공질체(2)를 이 슬러리에 침지하여, 질화알루미늄을 다공질체(2)의 표면부의 빈 구멍 내부에 함침시켰다. 그리고, 용매를 건조 제거하여, 800℃의 온도에서 열처리 함으로써 질화알루미늄을 다공질체(2)의 빈 구멍 내부에 고착시켰다.

AZ91 상당의 마그네슘 합금의 용탕(10)을 노즐(1)로부터 가동 주형(20)에 공급하여, 두께 5 mm×폭 300 mm의 판형의 주조재(100)를 제조했다. 이 때, 메니스커스부의 두께 D1은 롤(21) 사이의 거리 D2의 1.2배였다. 상기 주조재(100)를 제조함에 있어서, 0.5 t/로트의 상기 마그네슘 합금의 용탕(10)을 이용했을 때의 양품률을 산출한다. 양품률이란, 제조된 주조재(100)의 표면 성상을 눈으로 보아 확인하여, 용탕 전량을 주조했 때의 주조재의 길이에 대하여 주조재(100)의 주조 당초부터 표면 성상이 나빠질(깨짐 등에 의한) 때까지의 길이를 산출한 것이다. 양품률 및 노즐(1)의 구성은 표 1에 나타낸다.

또한, 연속 주조 후, 각 연속 주조용 부품(노즐(1), 탕 저장소(30), 이송 홈통(31))의 용탕(10)과 접촉하고 있었던 접촉 개소를 눈으로 확인하여 조사한 바, 용탕의 함침이 보이지 않고, 눈에 띈 열화가 인정되지 않았다.

[시료 2]

시료 2는, 발탕재가 평균 입경 0.6 ㎛의 BN 분말인 점, 다공질체(2)가 탄소 섬유를 압축 성형하고 구워 굳혀 노즐 형상으로 한 것이라는 점이 시료 1과 다르다. 이들 점 이외에는 시료 1과 마찬가지다.

[시료 3]

시료 3은, 충전재가 SiC만으로 형성되어 있는 점, 그 충전재를 화학 기상 함침법에 의해 노즐(1)(다공질체(2))의 표면부 전체에 걸쳐 함침시킨 점이 시료 2와 다르다. 이들 점 이외에는 시료 2와 마찬가지다.

[시료 4]

시료 4는, 충전재가 C만으로 형성되어 있는 점, 그 충전재를 화학 기상 함침법에 의해 노즐(1)(다공질체(2))의 표면부 전체에 걸쳐 함침시킨 점이 시료 2와 다르다. 이들 점 이외에는 시료 2와 마찬가지다.

[시료 5]

시료 5는, 다공질체(2)로서 알루미나 다공체를 이용한 점이 시료 2와 다르다. 알루미나 다공체의 굽힘 탄성률은 180 GPa, 평면 방향의 열전도율은 5 W/mㆍK였다. 본 재료의 노즐은 강도면이 뒤떨어지고 주조 중에 노즐 선단 부분의 열화(결손)가 인정되었다. 또한 D<1.4×D2가 되는 셋팅이 곤란했다.

[시료 6]

노즐(1) 전체가 SiC 섬유재만으로 형성되어 있다는 점이 시료 1과 다르다. 그 밖에 노즐(1)의 치수, 주조 부품, 주조 방법, 양품률의 산출 방법은 시료 1과 마찬가지다. 연속 주조 후, 각 연속 주조용 부품(노즐(1), 탕 저장소(30), 이송 홈통(31))의 용탕(10)과 접촉하고 있었던 접촉 개소를 눈으로 확인하여 조사한 바, 용탕의 함침이 보이고, 열화되어 있음이 판명되었다.

[결과]

이상 설명한 시료 1~6의 개략 구성과 양품률을 표 1에 나타낸다. 한편, 표에서 『충전 비율』은 다공질체(2)의 표면부에 있어서의 빈 구멍이 충전재로 채워지는 비율을 말하며, 본 시험예에서는 단면을 광학현미경으로 관찰함으로써 측정했다.

다공질체(2)에 충전재를 내재시킨 시료 1~5와 그렇지 않은 시료 6을 비교함으로써, 다공질체(2)에 충전재를 내재시킴으로써 양품률을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 이것은, 용탕(10)에 대한 충전재의 습윤성이 낮기 때문에, 용탕(10)이 그 충전재에 의해서 튀어져, 노즐(1)의 내부나 노즐(1)과 가동 주형(20)과의 사이에 생기는 간극에 용탕(10)이 흘러들어가기 어렵게 되고 있기 때문이라고 생각된다. 즉, 부재의 열화나 변형이 없고, 또한 노즐(1)로부터 가동 주형(20)에 공급되는 용탕(10)이 원활하게 유동할 수 있다. 따라서, 노즐(1)과 가동 주형(20) 사이에 생기는 간극에 있어서, 국소적으로 탕 흐름이 흐트러지는 일이 없고, 용탕(10)이 응고되는 것을 막을 수 있어, 장시간 표면 품질이 우수한 주조재(100)를 얻을 수 있다.

또한, 시료 1~4와 시료 5를 비교함으로써, 다공질체(2)의 굽힘 탄성률이 90 GPa 이하, 열전도율이 15 W/mㆍK 이상인 시료 1~4 쪽이 시료 5보다 양품률이 높은 것을 알 수 있었다. 이것은, 고인성, 고열전도성, 저산소성을 가지며 기계적 강도가 우수하기 때문에, 연속 사용하더라도 소모ㆍ열화되기 어렵고, 내구성이 우수하여, 장기적으로 계속해서 사용할 수 있다, 즉 노즐(1)로부터 가동 주형(20)에 공급되는 용탕(10)이 원활하게 유동할 수 있음에 의한 것으로 생각된다.

<시험예 2>

시험예 2에서는, 도 1(B)에 도시하는 것과 같이, 노즐(1)의 선단 영역(1r)에 추가로 피복층(3)을 형성한 경우에, 그 피복층(3)이 주조재에 미치는 영향에 관해서 조사했다.

우선, 시험예 1의 시료 4의 제작에 이용한 노즐(1)을 준비했다. 한편, 질화붕소 분체에 대하여 5 질량%이고 평균 입경 0.8 ㎛인 알루미나 분체를 질화붕소 분체에 함유하는 슬러리를 제작했다. 이어서, 이 슬러리를 다공질체(2)의 선단 영역(1r)에 스프레이로 도포했다. 그리고, 800℃의 온도에서 열처리하여, 다공질체(2)의 선단 영역의 표면에 질화붕소를 고착시킴으로써 피복층(3)을 완성시켰다. 피복층(3)의 표면 거칠기(Ra)(산술 평균 거칠기)는 5 ㎛이며, 피복층(3)의 두께는 200 ㎛이고, 질화붕소의 상대 밀도는 95%였다. 표면 거칠기(Ra)의 측정 방법은 JIS B 0601에 규정된 방법에 준하여 측정했다. 구체적으로는 측정 길이 3 mm에서 5점 측정한 값의 평균값이다.

이상 설명한 피복층(3)을 구비하는 노즐(1)을 이용하여 연속 주조를 행한 경우, 주조재의 양품률은 99% 이상이었다. 따라서, 다공질체(2)의 표면부 전체에 걸쳐 충전재를 함침시키고, 또한 선단 영역(1r)의 표면에 피복층(3)을 형성하면, 노즐(1)과 롤(21) 사이에 있어서의 용탕(10)의 응고를 효과적으로 억제할 수 있고, 보다 안정적으로 표면 품질이 우수한 주조재를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 즉, 노즐(1)의 선단면에서부터 외주면에 이르기까지의 선단 영역(1r)이 주조재의 표면 품질에 크게 영향을 주는 것이 분명하게 되었다.

<시험예 2-1>

본 시험예에서는, 제작되는 마그네슘 합금으로 이루어지는 주조재에 미치는 피복층의 유무 및 피복층의 두께의 영향을 조사했다. 단, 이 시험예 2-1에서는, 도 1의 (B)에 나타내는 다공질체(2)에 무리하게 충전재를 함침시키지 않고 다공질체(2)(노즐(1))의 선단 영역(1r)에 피복층(3)을 형성하여 시험을 행함으로써 순수하게 주조재에 미치는 피복층(3)의 영향을 조사했다. 이 점은 후술하는 시험예 2-2에서도 마찬가지이다.

[시료 α1]

우선, 다공질체의 카본을 가공하여 노즐(1)의 형상으로 한 부재(이하, 노즐 본체로 함)를 준비했다. 이 노즐 본체의 선단 두께는 1 mm, 폭은 300 mm였다.

이어서, 노즐 본체의 가동 주형(20) 측의 선단 영역에 피복층(3)을 형성하여 노즐(1)을 완성시켰다. 피복층(3)은, 질화알루미늄 분체에 대하여 10 질량%이며 평균 입경 0.3 ㎛인 알루미나 분체를 질화알루미늄 분체에 함유하여 슬러리를 제작하고, 노즐 본체의 선단 영역(1r)에 그 슬러리를 스프레이로 도포한 후, 800℃의 온도에서 열처리를 실시함으로써 형성했다. 열처리 후의 피복층(3)의 표면 거칠기(Ra)(산술 평균 거칠기)는 5 ㎛이며, 피복층(3)의 두께는 300 ㎛이고, 질화알루미늄의 상대 밀도는 65%였다. 표면 거칠기(Ra)의 측정 방법은 JIS B 0601에 규정된 방법에 준하여 측정했다. 구체적으로는 측정 길이 3 mm에서 5점 측정한 값의 평균값이다.

상기 피복층(3)을 지닌 노즐(1)을, 가동 주형(20) 측에 배치되는 노즐(1)의 선단과 가동 주형(20)과의 사이의 거리 d가 50 ㎛가 되도록 배치시켰다. 그리고, AZ91 상당의 마그네슘 합금의 용탕(10)을 노즐(1)로부터 가동 주형(20)에 공급하여 두께 5 mm×폭 300 mm의 판형의 주조재(100)를 제조했다. 이때, 메니스커스부의 두께 D1은 롤(21) 사이의 거리 D2의 1.2배였다. 상기 주조재(100)를 제조함에 있어서, 0.5 t/로트의 상기 마그네슘 합금의 용탕(10)을 이용했을 때의 불량률을 산출한다. 불량률이란, 노즐(1)과 롤(21) 사이로 용탕이 새어나옴에 기인하여, 제조된 주조재(100)의 표면 성형이 나빠진 개소(함몰이나 깨어짐 등이 있는 개소)를 눈으로 보아 확인하여, 용탕 전량을 주조했을 때의 주조재의 길이에 대하여, 불량이라고 판단한 주조재의 길이의 비율을 산출한 것이다. 불량률 및 노즐(1)의 구성은 표 2에 나타낸다.

[시료 α2, α3]

피복층(3)의 두께를 바꿔 측정한 시료 α2, α3은 피복층(3)의 두께만이 시료 α1과 다르고, 그 밖에 카본으로 형성되어 있는 노즐 본체의 치수, 피복층(3)의 두께 이외의 치수, 주조 방법, 불량률의 산출 방법은 시료 α1과 마찬가지다.

[시료 α4]

시료 α4는 피복층(3)이 AlN만으로 이루어지고, 피복층(3)의 두께가 5 ㎛, 상대 밀도가 29%인 점이 시료 α1과 다르다. 이들 점 이외에는 시료 α1과 마찬가지다.

[시료 α5]

시료 α5는 노즐 본체의 선단 영역에 피복층(3)을 구비하고 있지 않는 점이 시료 α1과 다르고, 그 밖에는 시료 α1과 마찬가지다.

[결과]

피복층(3)을 구비하는 노즐(1)을 이용한 시료 α1~4와 피복층(3)을 구비하지 않는 노즐을 이용한 시료 α5를 비교함으로써, 피복층(3)을 구비함으로써 불량률을 저하시킬 수 있음을 알 수 있다. 이것은, 노즐(1)의 선단 영역(1r)에, 용탕(10)에 대하여 습윤성이 낮은 피복층(3)을 형성함으로써, 용탕(10)이 그 피복층(3)에 의해서 튀어지기 때문에, 노즐(1)과 가동 주형(20) 사이에 생기는 간극에 용탕(10)이 유입되기 어렵게 되어 있다고 생각된다. 따라서, 노즐(1)과 가동 주형(20) 사이에 생기는 간극에 있어서, 국소적으로 탕 흐름이 흐트러지는 일이 없고, 용탕(10)이 응고되는 것을 막을 수 있어, 표면 품질이 우수한 주조재(100)를 얻을 수 있다.

또한, 시료 α1~4를 비교함으로써, 피복층(3)의 두께를 200~1000 ㎛의 범위로 함으로써 불량률을 극적으로 저감시킬 수 있음이 분명하게 되었다.

이 시험예 2-1의 결과로부터, 피복층(3)의 두께가 주조재의 품질에 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터, 충전재를 내재시킨 다공질체(2)에 피복층(3)을 형성하는 경우도, 마찬가지로 피복층(3)의 두께를 조절하는 것이 중요하다고 추찰된다.

<시험예 2-2>

노즐(1)과 롤(21)과의 위치 관계를 나타내는 D1의 차이가, 주조재에 미치는 영향을 조사했다. 각 시료의 개략 구성과 결과를 표 3에 나타낸다.

[시료 α6]

시료 α6은 피복층(3)의 주성분이 SiC, 피복층(3)의 두께가 200 ㎛, 상대 밀도가 70%인 점이 시료 α2와 다르고, 그 밖에는 시료 α2와 마찬가지다.

[시료 α7]

시료 α7은 피복층(3)의 주성분이 BN, 상대 밀도가 95%인 점이 시료 α6과 다르고, 그 밖에는 시료 α6과 마찬가지다.

[시료 α8]

시료 α8은 몰리브덴으로 이루어지는 노즐 본체(다공질체가 아님)를 이용한 점, D1=1.3×D2인 점이 시료 α6과 다르고, 그 밖에는 시료 α6과 마찬가지다.

[시료 α9]

시료 α9는 알루미나로 이루어지는 노즐 본체를 이용한 점, 피복층(3)의 주성분이 BN, 피복층(3)의 상대 밀도가 80%인 점, D1=1.5×D2인 점이 시료 α6과 다르다. 그 밖에는 시료 α6과 마찬가지다.

[시료 α10]

시료 α10은 D1=1.5×D2인 점이 시료 α6과 다르다. 그 밖에는 시료 α6과 마찬가지다.

[결과]

시료 α6~10을 비교함으로써, D1<1.4×D2로 함으로써 주조재의 불량률을 저감시킬 수 있음을 알 수 있었다. 이것은, 노즐(1)과 롤(21)과의 거리가 지나치게 멀어지면, 양자의 간극으로 용탕이 새어나와, 그 새어나온 용탕이 응고되어 노즐(1)에 부착되는 것과 양호한 냉각 조건을 얻을 수 없다는 것이 원인이라고 추찰된다.

이 시험예 2-2의 결과로부터, 노즐(1)과 롤(21)의 위치 관계를 나타내는 D1의 차이가 주조재의 품질에 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터, 충전재를 내재시킨 다공질체(2)의 경우도, 마찬가지로 D1을 조절하는 것이 중요하다고 추찰된다.

<시험예 3>

이 시험예에서는, 노즐(1) 이외의 연속 주조용 부품에도 본 발명 복합 재료가 유효한지 여부를 조사했다.

연속 주조용 부품인 탕 저장소(30)와 이송 홈통(31)도 탄소 섬유를 압축 성형하여 구워 굳힌 다공질체(C/C 콤포지트)를 이용하여, 시료 1의 탕 저장소와 이송 홈통과 같은 형상으로 형성했다. 그리고, 각각 용탕과 접촉하는 개소에 있어서, 탄소 섬유의 빈 구멍 내부에 질화붕소와 알루미나를 혼합한 충전재를 충전했다. 탕 저장소(30)와 이송 홈통(31)의 형성 재료가 시료 1과 다르고, 그 밖에 노즐(1)의 형성 재료나 치수, 탕 저장소(30)와 이송 홈통(31)의 치수, 주조 방법은 시료 1과 마찬가지다.

전술한 탕 저장소(30)와 이송 홈통(31)을 이용하여 연속 주조를 행한 후, 각 연속 주조용 부품(노즐(1), 탕 저장소(30), 이송 홈통(31))의 용탕(10)과 접촉하고 있었던 접촉 개소를 눈으로 확인하여 조사했다. 그 결과, 용탕(10)과 접촉하고 있었던 각 접촉 개소는 용탕의 함침이 보이지 않고, 눈에 띈 열화가 인정되지 않았다.

전술한 실시형태는 본 발명의 요지를 일탈하지 않고서 적절하게 변경하는 것이 가능하며, 본 발명의 범위는 전술한 구성으로 한정되지 않는다.

본 발명의 복합 재료는 순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 연속 주조를 행하는 연속 주조용 부품을 형성하는 재료로서 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 이 복합 재료에 의해 형성된 연속 주조용 부품, 특히 연속 주조용 노즐은 표면 성상이 우수한 주조재를 장기적으로 연속 주조하는 데 최적이다.

1 : 노즐(연속 주조용 노즐) 1r : 선단 영역
2 : 다공질체 3 : 피복층
4 : 탕 주입구 10 : 용탕
100 : 주조재 20 : 가동 주형
21 : 롤 22 : 수로
30 : 탕 저장소 31 : 이송 홈통

Claims

순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용탕(溶湯)을 연속 주조할 때에 이용되는 연속 주조용 부품의 적어도 일부를 구성하는 복합 재료로서,
빈 구멍을 갖는 다공질체와,
그 다공질체의 표면부 중, 상기 용탕에 접촉하는 개소(箇所)의 적어도 일부에 내재되는 충전재를 구비하고,
상기 충전재는 질화물, 탄화물 및 탄소로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로서 함유하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항에 있어서, 상기 다공질체에 있어서의 상기 충전재가 내재되는 부분의 표면에 피복층을 더 구비하며,
상기 피복층은, 질화물, 탄화물 및 탄소로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로서 함유하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제2항에 있어서, 상기 피복층은 주성분 이외의 성분으로서 알루미나를 함유하는 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 피복층의 상대 밀도는 30% 이상 95% 이하인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층의 두께는 200 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층은 상기 다공질체의 표면에 열처리에 의해서 분체를 고착시킴으로써 형성된 층인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질체의 굽힘 탄성률은 90 GPa 이하인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질체의 평면 방향의 열전도율은 15 W/mㆍK 이상인 것을 특징으로 하는 복합 재료.
순마그네슘 또는 마그네슘 합금을 연속 주조할 때에 이용되는 연속 주조용 부품으로서,
순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용탕과 접촉하는 개소의 적어도 일부분이, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 복합 재료에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 부품.
순마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용탕을 연속 주조용의 가동(可動) 주형(鑄型)에 공급하는 연속 주조용 노즐로서,
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 복합 재료에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 노즐.
제10항에 있어서, 상기 연속 주조용 노즐의 표면 중, 적어도 상기 가동 주형 측의 선단면으로부터 외주면에 걸친 선단 영역에, 상기 복합 재료의 다공질체에 비해서 상기 용탕에 대한 습윤성이 낮은 피복층을 구비하며,
상기 피복층은 질화물, 탄화물 및 탄소로부터 선택되는 적어도 1종을 주성분으로서 함유하는 것을 특징으로 하는 연속 주조용 노즐.
제10항 또는 제11항에 기재된 연속 주조용 노즐과 쌍롤식의 가동 주형을 이용하여 쌍롤 주조를 행하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 방법.
제12항에 있어서, 상기 연속 주조용 노즐과 쌍롤식의 가동 주형과의 간극에 형성되는 용탕의 메니스커스부의 두께를 D1, 상기 롤 사이의 거리를 D2로 했을 때,
D1<1.4×D2가 되도록, 상기 연속 주조용 노즐을 쌍롤식의 가동 주형으로 향하게 하여 쌍롤 주조를 행하는 것을 특징으로 하는 연속 주조 방법.
제12항 또는 제13항에 기재된 연속 주조 방법에 의해 얻어진 것을 특징으로 하는 주조재.
제14항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은, Al, Zn, Mn, Si, Cu, Ag, Y, Zr, Ca, Sr, Sn, Li, Ce, Be, Ni, Au, 희토류 원소(Y, Ce를 제외함)로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 합계 7.3 질량% 이상 함유하고, 잔여부가 Mg 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주조재.
제15항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은 Al을 7.3 질량% 초과 12 질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 주조재.
제16항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은, Y, Ce, Ca 및 희토류 원소(Y, Ce를 제외함)로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 합계 0.1 질량% 이상 함유하고, 잔여부가 Mg 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주조재.
제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 주조재를 휘감음으로써 얻어진 마그네슘 합금 주조 코일재로서,
상기 주조재의 길이는 100 m 이상인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 주조 코일재.