KR20130076545A - 마그네슘 합금 제조 장치 및 방법 - Google Patents

마그네슘 합금 제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밀폐된 전기로 내에 혼합가스를 공급하고 마그네슘 잉곳을 용융시켜 마그네슘 용탕을 형성한 후 이를 응고시켜 마그네슘 합금을 제조하는 과정에서 상기 마그네슘 용탕 또는 상기 도가니에 펄스파 전류를 인가함으로써 마그네슘 합금의 조직을 미세화시키는 마그네슘 합금 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 마그네슘 합금의 물성을 변경시키지 않고 환경 오염도 방지하면서 마그네슘 합금의 조직을 미세화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

마그네슘 합금 제조 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING MAGNESIUM ALLOY}
본 발명은 마그네슘 합금 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네슘 합금의 응고시 조직을 미세화 하여 강도와 연신율을 향상시킬 수 있는 마그네슘 합금 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
마그네슘 합금은 경량 소재인 마그네슘을 주성분으로 하는 합금으로 구조재 또는 전자제품의 외장재 등으로 사용빈도가 점차 증가되고 있다. 그러나 마그네슘 합금을 고강도가 요구되는 분야에 응용하기 위해서는 현재의 강도수준 보다 높은 수준의 강도를 가지는 마그네슘 합금을 개발할 필요가 있다.
일반적으로 마그네슘 합금은 내부 결정구조가 육방최밀격자(HCP) 구조를 갖기 때문에 체심입방격자(BCC) 또는 면심입방격자(FCC) 구조를 가지는 통상적인 금속재료들과 비교하여 깨지기 쉬운 물성을 가지며, 이러한 구조적 특징으로 인하여 소성 가공성이 매우 낮아, 경량 합금임에도 불구하고 다이캐스팅 등 방법에 의하여 용융 상태에서 성형하는 것으로 인식되어 왔다.
용융금속이 응고시 미세화하면, 주조된 조직의 강도와 연신율이 상승하는 장점을 가지고 있다. 종래기술의 경우 마그네슘에 1) 합금원소(Al, Zn, Zr 등)를 첨가하거나, 2) 과열처리를 하거나, 3) 용탕에 탄소를 첨가함으로써 마그네슘 합금 응고시 조직이 미세화 되도록 하였다.
그러나, 상기와 같은 종래기술의 경우 1) 방법은 용탕의 성분을 변경시켜 타 물성(부식성, 기계적 물성)을 변화시키거나 고객이 요구하는 성분 스펙(spec)을 만족시킬 수 없는 문제가 있고, 2) 방법은 잉곳 주조와 같이 배치식 조업에는 적합한 공정으로, 연속으로 조업 하는 박판주조에는 적용할 수가 없는 문제가 있으며, 3) 방법은 염화탄소 중 염소성분이 염소가스를 발생시켜, 환경공해를 유발하므로 실제로 적용하기가 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 조직을 미세화 하여 강도와 연신율을 향상시킬 수 있으면서도 마그네슘 용탕의 성분을 변경시키지 않고, 박판주조에 적용할 수 있으며, 환경공해도 유발하지 않는 마그네슘 합금 제조 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 실시예에서는 마그네슘 합금 제조 장치를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 상기 마그네슘 합금 제조 장치는 마그네슘 잉곳이나 이를 용융시킨 마그네슘 용탕을 수용하는 도가니; 상기 마그네슘 용탕에 혼합가스를 공급하기 위한 혼합가스 공급장치; 상기 도가니 외부에 설치되며 상기 혼합가스를 밀폐하는 전기로; 및 상기 전기로 외부에 구비되어 상기 마그네슘 용탕 또는 상기 도가니에 펄스파 전류를 인가하는 전류펄스 공급장치;를 포함할 수 있다.
상기 도가니는 스틸 소재로 형성되고, 상기 전류펄스 공급장치는 상기 마그네슘 용탕에 침적된 제1전극과 상기 도가니에 연결된 제2전극을 통하여 상기 펄스파 전류를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 펄스파 전류는 주파수, 인가전류 및 듀레이션(1 주기 중 전류가 인가되는 시간이 차지하는 비율)에 의해 정해지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 펄스파 전류의 주파수는 100Hz 이하로 하고, 상기 듀레이션은 1% 이상으로 설정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 마그네슘 용탕이 응고되기 직전에 상기 펄스파 전류를 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 혼합가스는 육플루오르화 황(SF6) 및 질소(N2)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 마그네슘 합금 제조 방법을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 상기 마그네슘 합금 제조 방법은 밀폐된 전기로 내에 혼합가스를 공급하는 단계; 마그네슘 잉곳을 상기 전기로 내의 스틸 소재 도가니에 장입하는 단계; 상기 마그네슘 잉곳을 용융시켜 마그네슘 용탕을 형성하는 단계; 및 상기 마그네슘 용탕 또는 상기 도가니에 펄스파 전류를 인가하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 펄스파 전류는 주파수, 인가전류 및 듀레이션(1 주기 중 전류가 인가되는 시간이 차지하는 비율)에 의해 정해지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 펄스파 전류의 주파수는 100Hz 이하로 하고, 상기 듀레이션은 1% 이상으로 설정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 마그네슘 용탕이 응고되기 직전에 상기 펄스파 전류를 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 혼합가스는 육플루오르화 황(SF6) 및 질소(N2)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금 제조 장치 및 방법에 따르면 마그네슘 용탕의 부식 특성이나 기계적 물성을 변화시키지 않고도 마그네슘 합금의 조직을 미세화시킬 수 있으며, 조직을 미세화하는 과정에서 염소가스 등 유해물질을 발생시키지 않으므로 환경 오염 문제도 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금 제조 장치의 구성도이다.
도 2는 펄스파 전류의 특성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금 제조 방법의 흐름도이다.
도 4는 펄스파 전류의 특성을 변화시키면서 실험한 표를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 따른 실험 결과 형성된 마그네슘 합금을 관찰한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금 제조 장치(10)의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금 제조 장치(10)는 마그네슘 잉곳이나 마그네슘 용탕(20)을 수용하는 도가니(100)와, 상기 마그네슘 용탕(20)에 혼합가스를 공급하기 위한 혼합가스 공급장치(200)와, 상기 혼합가스를 밀폐하는 전기로(300) 및 상기 마그네슘 용탕(20)에 펄스파 전류를 인가하는 전류펄스 공급장치(400)를 포함할 수 있다.
상기 도가니(100)는 마그네슘 잉곳(magnesium ingot)과 고온으로 마그네슘 잉곳이 용융되어 형성된 마그네슘 용탕(20)을 수용한다. 따라서, 상기 도가니(100)는 고열 및 그 환경에서 일어나는 화확 작용에 대비하여 산화알루미늄, 흑연, 니켈, 철, 구리, 은, 금 등을 포함하여 형성할 수 있다. 상기 마그네슘 잉곳은 마그네슘만으로 구성될 수도 있고, 마그네슘에 알루미늄(Al), 은(Ag), 아연(Zn), 실리콘(Si), 토륨(Th), 지르코늄(Zr), 희금속(Rare earth Metal), 이트륨(Y) 등을 첨가한 합금 형태로 구성될 수도 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 도가니(100)는 상기 전류펄스 공급장치(400)로부터 공급되는 펄스파 전류를 통전하기 위하여 스틸(Steel) 소재로 형성될 수 있다.
상기 전기로(300)는 전기에너지 즉 전열을 이용하여 상기 도가니(100)의 온도를 상승시키는 장치로서 도가니(100)를 가열하는 방식에 따라 저항로, 아크로, 유도로 등으로 나뉘어 질 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 15g의 마그네슘 잉곳을 상기 스틸 소재의 도가니(100)에 장입한 후 상기 전기로(300)을 이용하여 700도 이상의 온도로 승온시켜 마그네슘 잉곳을 용융시키고 이 상태를 30분 정도 유지시킬 수 있다.
상기 혼합가스 공급장치(200)는 상기 마그네슘 용탕(20)에 혼합가스를 공급함으로써 마그네슘 용탕(20)이 공기와 반응하여 용융 산화되는 것을 방지한다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 혼합가스는 도 1에 도시된 바와 같이 육플루오르화 황(SF6) 및 질소(N2)로 이루어질 수 있다.
또한, 하나 또는 다수의 실시예에서 도 1에 도시된 상기 혼합가스 공급장치(200)에서 상기 전기로(300) 내부로 공급되는 혼합가스의 공급 속도는 2.5l/min이 될 수 있다.
상기 전기로(300)는 도 1에 실시예로 도시된 바와 같이 상기 도가니(100)를 외부에서 감싸도록 설치되어 상기 혼합가스를 밀폐하는 역할도 한다.
상기 전류펄스 공급장치(400)는 상기 전기로(300) 외부에 구비되어 상기 마그네슘 용탕(20) 또는 상기 도가니(100)에 펄스파 전류를 인가한다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 전류펄스 공급장치(400)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 마그네슘 잉곳에 침적되는 제1전극(410)과 상기 도가니(100)에 연결된 제2전극(420)을 통하여 펄스파 전류를 공급할 수 있다.
도 2는 펄스파 전류의 특성을 설명하기 위하여 파형의 실시예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면 상기 펄스파 전류는 주파수, 인가전류 및 듀레이션(Duration)에 의해 그 특성이 정해질 수 있다. 여기서 상기 듀레이션(Duration)은 1 주기 중 전류가 인가되는 시간(Tp)이 차지하는 비율을 의미한다. 주기는 주파수의 역수이므로 상기 1 주기는 상기 펄스파 전류의 주파수에 의해 정해진다.
하나 또는 다수의 실시예에서 도 4 및 도 5의 실험 결과를 토대로 인가전류 100(A), 주파수 10(Hz) 이하, 듀레이션 1(%) 이상의 펄스파 전류를 마그네슘 용탕(20)에 인가할 수 있다.
한편, 하나 또는 다수의 실시예에서 상기 마그네슘 용탕(20)이 응고되기 직전에 상기 펄스파 전류를 인가함으로써 마그네슘 합금의 조직을 미세화시킬 수 있다.
다른 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 마그네슘 용탕(20)에 펄스파 전류를 인가하면서 용탕을 노냉시킴으로써 마그네슘 합금의 조직을 미세화시킬 수 있다. 즉, 마그네슘 용탕(20)이 응고되기 직전에 펄스파 전류를 인가하는 것이 아니라 응고 과정에서 지속적으로 펄스파 전류를 인가하면서 마그네슘 용탕을(20) 노냉시키는 것이다.
상기와 같이 펄스파 전류를 인가하는 시점이나 펄스파 전류를 인가하는 시간은 상황에 따라 다르게 설정할 수 있으며, 기타 실험이나 그 해석을 통해서 도출된 최적의 값으로 정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금 제조 방법의 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금 제조 방법은 전기로(300) 내에 혼합가스를 공급하는 단계(S10)와, 마그네슘 잉곳을 도가니(100)에 장입하는 단계(S20)와, 상기 마그네슘 잉곳을 용융시켜 마그네슘 용탕(20)을 형성하는 단계(S30) 및 펄스파 전류를 인가하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
도 1에 실시예로 도시된 바와 같이 전기로(300) 내에 혼합가스를 공급한다(S10). 상기 혼합가스는 육플루오르화 황(SF6) 및 질소(N2)로 이루어질 수 있다.
상기 혼합가스가 누출되지 않도록 하기 위하여 상기 전기로(300)가 외부로부터 밀폐되도록 형성할 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 혼합가스의 공급 속도는 2.5l/min이 될 수 있다.
그리고 마그네슘 잉곳을 상기 전기로(300) 내의 스틸 소재 도가니(100)에 장입하고(S20), 상기 전기로(300)를 이용하여 700도 이상의 온도로 승온하여 용융시킴으로서 마그네슘 용탕(20)을 형성한다(S30).
그 다음 상기 마그네슘 용탕(20) 또는 상기 도가니(100)에 펄스파 전류를 인가하여 마그네슘 합금의 조직을 미세화시킨다(S40).
하나 또는 다수의 실시예에서 도 1에 도시된 바와 같이 전류펄스 공급장치(400)를 이용하여 상기 마그네슘 용탕(20)에 침적되는 제1전극(410)과 상기 도가니(100)에 연결된 제2전극(420)을 통해 펄스파 전류를 인가할 수 있다. 예를 들어 제1전극(410)과 제2전극(420)을 각각 양극과 음극으로 형성하고 이를 통해 직류 전류를 펄스형으로 인가함으로써 마그네슘 용탕이 응고되는 과정에서 조직을 미세화시키게 된다.
도 2를 참조하면 상기 펄스파 전류는 주파수, 인가전류 및 듀레이션(Duration)에 의해 그 특성이 정해질 수 있다. 여기서 상기 듀레이션(Duration)은 1 주기 중 전류가 인가되는 시간(Tp)이 차지하는 비율을 의미한다.
하나 또는 다수의 실시예에서 도 4 및 도 5의 실험 결과를 토대로 인가전류 100(A), 주파수 10(Hz) 이하 및 듀레이션 1(%) 이상의 조건을 가진 펄스파 전류를 마그네슘 합금에 인가할 수 있다.
한편, 상기 펄스파 전류의 인가 시점과 관련해서 하나 또는 다수의 실시예에서 상기 마그네슘 용탕(20)이 응고되기 직전에 상기 펄스파 전류를 인가함으로써 마그네슘 합금의 조직을 미세화시킬 수 있다.
다른 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 마그네슘 용탕(20)에 펄스파 전류를 인가하면서 상기 마그네슘 용탕(20)을 노냉시킴으로써 마그네슘 합금의 조직을 미세화시킬 수도 있다.
상기와 같이 펄스파 전류를 인가하는 시점이나 펄스파 전류를 인가하는 시간은 실험이나 그 해석을 통해 최적의 값으로 설정할 수 있다.
도 4는 전류의 주파수와 인가전류 및 듀레이션을 변화시키면서 실험한 표를 도시한 도면이며, 도 5는 도 4의 각 경우 별로 실험하여 응고된 마그네슘 합금을 종단면으로 절단하여 조직을 관찰한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 1번은 인가전류 100(A), 주파수 0(Hz) 조건에서 실험한 경우이고, 2번은 인가전류 100(A), 주파수 100(Hz), 듀레이션 0.1(%)의 조건에서 실험한 경우이며, 3번의 경우는 인가전류 100(A), 주파수 10(Hz), 듀레이션 0.1(%)의 조건에서 실험한 경우이고, 4번은 인가전류 100(A), 주파수 10(Hz), 듀레이션 1(%)의 조건에서 실험한 경우이며, 5번은 인가전류 100(A), 주파수 10(Hz), 듀레이션 10(%)의 조건에서 실험한 경우이다.
도 4를 참조하면 1번 실험은 주파수 0(Hz)로서 종래기술과 같이 펄스파 전류(EPC)를 전혀 가하지 않은 상태에서 실험한 경우이고, 2번 실험은 주파수를 높게하고 듀레이션은 낮은 상태에서 실험한 경우이며, 3번 실험은 2번 실험과 동일한 조건에서 주파수만 낮은 상태에서 실험한 경우이다. 2번과 3번 실험의 경우 도 4에 도시된 바와 같이 인가전류는 100(A)인데 반해 실제 통전전류는 75(A) 밖에 되지 않으므로 전류가 제대로 통전되지 않았음을 알 수 있다. 즉, 주파수가 높은 경우 또는 주파수가 낮더라도 전류가 인가되는 시간(Tp)가 짧으면 펄스파를 형성하기에는 시간적 여유가 없어 인가한 만큼의 전류가 통전되지 않음을 알 수 있다.
도 5를 참조하면 상기 도 4의 1번 실험의 경우 가로 방향으로 긴 덴드라이트(dendrite)가 관찰되며, 2번과 3번 실험의 경우도 가로 방향으로 긴 덴드라이트(dendrite)의 흔적이 남아있는 것이 관찰된다. 따라서, 1번 내지 3번의 조건은 마그네슘 합금의 조직을 미세화시키기에는 불충분한 조건임을 알 수 있다. 그러나 4번과 5번 실험의 경우 덴드라이트(dendrite)가 거의 발견되지 않아 펄스파 전류로 인해 마그네슘 합금의 조직이 미세화되는 효과가 나타남을 알 수 있다.
따라서, 상기와 같은 실험의 결과를 참조하면 하나 또는 다수의 실시예에서 주파수 10(Hz) 이하, 듀레이션 1(%) 이상의 펄스파 전류를 마그네슘 합금에 인가하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 다만 이는 인가전류가 100(A)인 조건에서 실험한 결과이므로 인가전류의 크기나 기타 실험 조건이 달라지는 경우에는 그에 맞게 펄스파 전류의 주파수와 듀레이션(Duration)을 설정할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금 제조 장치 및 방법에 따르면 마그네슘 용탕의 부식 특성이나 기계적 물성을 변화시키지 않고도 마그네슘 합금의 조직을 미세화시킬 수 있으며, 조직을 미세화하는 과정에서 염소가스 등 유해물질을 발생시키지 않으므로 환경 오염 문제도 해결할 수 있는 효과가 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 마그네슘 합금 제조 장치 20: 마그네슘 용탕
100: 도가니 200: 혼합가스 공급장치
300: 전기로 400: 전류펄스 공급장치
410: 제1전극 420: 제2전극

Claims (11)

  1. 마그네슘 합금 제조 장치에 있어서,
    마그네슘 잉곳 또는 이를 용융시킨 마그네슘 용탕을 수용하는 도가니;
    상기 도가니 외부에 구비되어 상기 도가니의 온도를 상승시키는 전기로;
    상기 전기로 내부로 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급장치; 및
    상기 마그네슘 용탕 또는 상기 도가니에 펄스파 전류를 인가하는 전류펄스 공급장치;
    를 포함하는 마그네슘 합금 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도가니는 스틸 소재로 형성되고, 상기 전류펄스 공급장치는 상기 마그네슘 용탕에 침적된 제1전극과 상기 도가니에 연결된 제2전극을 통하여 상기 펄스파 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펄스파 전류는 주파수, 인가전류 및 듀레이션(1 주기 중 전류가 인가되는 시간이 차지하는 비율)에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 펄스파 전류의 주파수는 100Hz 이하로 하고, 상기 듀레이션은 1% 이상으로 설정하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 제조 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 마그네슘 용탕이 응고되기 직전에 상기 펄스파 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼합가스는 육플루오르화 황(SF6) 및 질소(N2)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 제조 장치.
  7. 마그네슘 합금 제조 방법에 있어서,
    스틸 소재의 도가니가 구비된 전기로 내부로 혼합가스를 공급하는 단계;
    마그네슘 잉곳을 상기 스틸 소재의 도가니에 장입하는 단계;
    상기 마그네슘 잉곳을 용융시켜 마그네슘 용탕을 형성하는 단계; 및
    상기 마그네슘 용탕 또는 상기 도가니에 펄스파 전류를 인가하는 단계;
    를 포함하는 마그네슘 합금 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 펄스파 전류는 주파수, 인가전류 및 듀레이션(1 주기 중 전류가 인가되는 시간이 차지하는 비율)에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 펄스파 전류의 주파수는 100Hz 이하로 하고, 상기 듀레이션은 1% 이상으로 설정하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 마그네슘 용탕이 응고되기 직전에 상기 펄스파 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 혼합가스는 육플루오르화 황(SF6) 및 질소(N2)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 제조 방법.
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CN113774242A (zh) * 2021-08-18 2021-12-10 北京科技大学 一种利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法

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