KR20180035398A - 아크 또는 플라즈마를 이용한 합금 용해시 균질합금화를 위한 다단 용해금형 조립체 - Google Patents

아크 또는 플라즈마를 이용한 합금 용해시 균질합금화를 위한 다단 용해금형 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 다단 용해금형조립체는, 복수의 금속이 용융 균질화되어 수용되는 상부가 개방된 금형 바디(110); 상기 금형 바디(110) 내에 다단으로 단차지어 형성되는 복수의 단위 금형(140); 상기 금형 바디(110)의 상부에 배치되는 하나 이상의 플라즈마 건(120); 상기 금형 바디(110) 상으로 복수의 금속 입자들을 공급하는 금속 분말 공급 노즐(130); 및 상기 금형 바디(110))의 하부에 결합되는 틸팅 액츄에이터(160);를 포함하고, 상기 틸팅 액츄에이터(160)의 순차적인 작동에 따라 상기 금형 바디(110)는 반복적으로 좌우측이 틸팅되는 작동이 이루어지고, 이에 따라 복수의 금속 분말 입자들이 용융 균질화된다.

Description

아크 또는 플라즈마를 이용한 합금 용해시 균질합금화를 위한 다단 용해금형 조립체{Multiple-stage mold assembly for melting a homogeneous alloying with arc or plasma melting process}
본 발명은 아크 또는 플라즈마 용해 공정을 이용하여 고융점 또는 용해온도차가 큰 금속의 용해에 필요한 다단 용해금형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 틸팅이 가능한 상태에서 아크 또는 플라즈마를 이용하여 고융점 또는 용해 온도차가 큰 금속을 균질한 합금 상태로 만들게 하는 다단 용해금형조립체에 관한 것이다.
고융점 금속은 대표적으로 W, Ta, Mo, Nb, Zr 및 Hf 등이 있다. 이들 합금은 같은 고융점 금속 또는 보다 낮은 녹는 점을 갖는 금속재료들과 합금화하여 고온용 소재 또는 탁월한 내식성을 이용하여 현대 산업의 핵심소재로 이용되고 있다. 최근에는 반도체 스퍼터링 타겟의 소재로 그 용도가 증대되고 있다.
반도체 스퍼터링 타겟의 경우 소재의 고순도화와 더불어 스퍼터링 타겟의 대면적화가 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해 고온 용해법에 의해 고융점 금속의 분말로부터 봉상형 잉곳을 제조하기 위한 연구가 진행되었다. 스퍼터링 타겟의 경우 소재 내의 불순물이 엄격하게 관리되어 그 순도가 4N(99.99%)급에서 5N(99.999%)급으로 점차 고순도화되고 있지만, 고융점 금속의 높은 용융온도와 고반응성이라는 특성 때문에 고순도화 기술은 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 고융점 금속의 정련은 먼저 습식법으로 분말의 환원법이 있으나 그 순도는 4N급 이하의 한계를 갖는다. 건식법에 의한 정련은 대표적으로 수소 플라즈마 아크 용해법과 전자빔 용해법이 있다.
상기한 고융점 금속 또는 용해 온도차가 큰 합금 간의 용해 공정은 주로 아크용해 또는 플라즈마 용해 공정을 이용하게 된다. 그러나 이들 공정의 특성상 표면에서부터 용해가 시작되기 때문에 표면적이 크거나 두께가 있을 경우에는 대부분 수차례에서 십여차례까지 뒤집어서 용해하여야 균질한 조성을 합금화할 수 있는 단점이 있다.
이에 따라 합금의 용해에 많은 시간과 에너지가 소모된다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 용해금형에 틸팅 기능을 추가하는 방안 등이 적용되고 있으나, 이 역시 수차례의 반복 용해가 불가피하다.
이와 같이, 기존의 아크 용해 및 플라즈마 용해공정은 잉고트의 균질한 합금화를 위해 수차례의 반복 용해에 따른 시간 및 에너지 소비가 많은 것이 문제점이다.
고융점 소재는 대표적으로 W, Ta, Mo, Nb, Zr 및 Hf 등이 있는데, 상기 소재들은 같은 고융점 소재 또는 보다 낮은 녹는 점을 갖는 소재들과 합금화하여 고온용 소재 또는 탁월한 내식성을 이용하여 현대 산업의 핵심소재로 이용되고 있는바, 최근에는 반도체 스퍼터링 타겟의 소재로 그 용도가 증대되고 있다.
레이저 형성 및 용융에 의한 고융점 금속 및 합금 정련에 관한 내용을 담고 있는 종래의 문헌으로는, 공개특허 제10-2004-0103920호(2004.12.09)를 참조할 수 있는데, 상기 문헌에서는 고융점 금속에 해당하는 분말을 선형 조사 영역에 있는 기재 표면의 연속적인 점들 상에 공급하고, 기재를 가열하여 부분적으로 용융하고 분말을 완전히 용융시키는 과정을 개시하지만, 공급되는 복수의 금속 분말을 섞는 동시에 안정적으로 연속 용융을 실시하게 하는 방안에 대해서는 별도로 개시하고 있지 않다는 한계가 있다.
(특허문헌 1) KR10-2004-0103920 A
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 고융점 또는 용해 온도차가 큰 복수의 원소재를 용융하여 균질한 합금 상태로 만들게 하는 아크 및 플라즈마 다단 용해금형조립체를 제공하는 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 용해금형의 틸팅이 가능한 기능이 부착된 아크 및 플라즈마 용해로를 이용하여 용해금형 내에서 상부에는 고융점을 갖는 원소재를 위치시키고 하부에는 보다 저융점의 원소재를 위치시킨 상태에서, 아크 또는 프라즈마 용해 건은 필요에 따라 1개의 건을 통해 좌우로 반복 이동하여 용해하거나 각 위치별로 용해 건을 2~3개 설치하여 용해가 가능한 다단 용해금형조립체를 제공하는 것이 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다단 용해금형조립체는, 복수의 금속이 용융 균질화되어 수용되는 상부가 개방된 금형 바디(110); 상기 금형 바디(110) 내에 다단으로 단차지어 형성되는 복수의 단위 금형(140); 상기 금형 바디(110)의 상부에 배치되는 하나 이상의 플라즈마 건(120); 상기 금형 바디(110) 상으로 복수의 금속 입자들을 공급하는 금속 분말 공급 노즐(130); 및 상기 금형 바디(110))의 하부에 결합되는 틸팅 액츄에이터(160);를 포함하고, 상기 틸팅 액츄에이터(160)의 순차적인 작동에 따라 상기 금형 바디(110)는 반복적으로 좌우측이 틸팅되는 작동이 이루어지고, 이에 따라 복수의 금속 분말 입자들이 용융 균질화된다.
상기 복수의 단위 금형(140)은 각각 용탕 풀(142A,142B,142C) 및 용탕 풀(142A,142B)의 일측에 형성되는 가이드 유로(144A,144B)가 형성된다.
상기 금형 바디(110)의 측면 상에서 상기 복수의 단위 금형(140) 각각의 전방 상단을 연결하는 방식으로 경사지게 가공함으로써 상기 금형 바디(110)의 측면 및 정면 부분에 대한 시야를 확보하게 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 다단 용해금형조립체는 일반금형을 이용하여 아크 또는 플라즈마 용해시 작게는 수차례에서 많게 십여차례 잉고트를 뒤집어 다시 용해해야 하는 번거로움과 이에 따른 제조시간 및 에너지 소비를 획기적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명은 복수의 용융온도를 갖는 소재를 다단의 형상을 갖는 금형에서 순차적으로 용해하여 단일공정 내에서 융점차가 큰 소재의 균질한 잉고트를 제조하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 다단 용해금형조립체의 전체적인 구성을 보인다.
도 2는 용해 상황의 확인 및 시야 확보를 위하여 다단 용해금형조립체의 측면 및 정면 부분을 경사지게 가공한 상태를 보인다.
도 3은 다단 용해금형 상에서 상하로 단차지게 형성된 복수의 용탕 풀을 통해 용융된 금속의 유동을 보이는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다단 용해금형의 적용 여부에 따른 잉고트의 모습을 보이는 도면이다.
도 5는 도 4의 400A에서 20분간 용해한 잉고트의 합금 원소를 면분석한 결과를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따라 아크 또는 플라즈마를 이용한 합금 용해시에 균질합금화를 위한 다단 용해금형조립체를 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 다단 용해금형조립체는 복수의 금속이 용융 균질화되어 수용되는 상부가 개방된 금형 바디(110), 금형 바디(110) 내에 다단으로 단차지어 형성되는 복수의 단위 금형(140), 금형 바디(110)의 상부에 배치되는 하나 이상의 플라즈마 건(120), 금형 바디(110) 상으로 복수의 금속 입자들을 공급하는 금속 분말 공급 노즐(130), 금형 바디(110)의 하부에 결합되는 냉각모듈(150), 및 금형 바디(110))의 하부에 결합되는 틸팅 액츄에이터(160)를 포함한다.
본 발명은 탄성계수 60GPa 이하급 Ti 고합금 설계 과정에 이용되거나 모합금 제조를 위한 Cold Herath Moving 형 멀티 플라즈마 시스템 설계에 이용 가능할 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 복수의 금속이 공급된 상태에서 균질한 합금 상태의 도출이 요구되는 공정에서 사용 가능하다.
금형 바디(110)는 공급되는 복수의 금속이 용융될 수 있는 고온의 환경에서 변형 없이 유지될 수 있는 재질이어야 하며, 균질화된 합금 용액이 그 내부면에 잘 점착되지 않는 성질을 갖는 것이 필요하다.
플라즈마 건(120)은 고온의 플라즈마 입자를 금형 바디(110)를 향하여 하부 방향으로 공급하게 하는 장치로서, 운반매체가 극히 고온 상태의 플라즈마 입자의 흐름으로 되어있고, 상기 플라즈마 흐름은 전형적으로 전기 아아크에 의해 발생되는 것으로, 이 전기 아아크 중에 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스를 통과시키게 되면 불활성 가스가 여기됨에 따라 가스입자 중의 에너지가 증가하게 됨으로써 플라즈마 상태로 된다. 이러한 방식으로 하여 아주 많은 에너지가 흐름매체에 부여되게 되는데, 이와 같이 됨으로써 가스매체는 고속으로 가속될 수 있음과 동시에 추후에 플라즈마에 주입되는 피복재 분말의 가열이 가능해지게 된다.
상기 플라즈마 건(120)은 금형 바디(110)를 따라서 하나 이상이 배치되는 형태일 수 있는데, 일예로는 하나의 플라즈마 건이 복수의 단위 금형(140)을 따라서 이동 배치 가능한 형태일 수 있다. 한편, 다른 실시예로는 금형 바디(110) 일측에 배치되는 금속 분말 공급 노즐(130) 측으로부터 금형 바디(110) 타측을 향해 복수의 플라즈마 건이 소정 간격으로 배치될 수 있다. 상기 복수의 플라즈마 건은 플라즈마 발생기(125)에 연결된 상태에서 실시간으로 생성된 플라즈마를 공급받는다.
복수의 단위 금형(140)은 금형 바디(110) 내의 최상단부에 배치되는 제1 단위 금형(140A), 제1 단위 금형(140A)의 하부 측으로 단차지게 배치되는 제2 단위 금형(140B), 제2 단위 금형(140B)의 하부 측으로 단차지게 배치되는 제3단위 금형(140C)을 포함한다. 복수의 단위 금형(140)은 본 발명의 도면 상에서와 같이 3단으로 이루어지는 형태일 수 있지만, 다른 실시예로서 2단 또는 4단 이상으로 배치 가능할 수 있다.
복수의 단위 금형(140) 상에는 각각 용탕 풀(142A,142B,142C) 및 용탕 풀(142A,142B)의 일측에 형성되는 가이드 유로(144A,144B)가 형성된다. 가이드 유로(144A,144B)는 상기 제1,2 용탕 풀(142A,142B)에 용해된 용탕이 각각 제2,3 용탕 풀(142B,142C) 상으로 안정적으로 유입 가능하게 설계된다. 즉, 가이드 유로(144A,144B)는 용탕 풀(142A,142B)의 중앙부에서 가장자리부로 갈수록 점점 좁아지는 형태로 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 한편, 제3 용탕 풀(142C) 상에는 가이드 유로(144C)가 선택적으로 형성될 수 있다.
용해 과정을 설명하면 다음과 같다.
제1 용탕 풀(142A) 상단에 설치되어 있는 아크 또는 프라즈마 용해건을 이용하여 고융점 소재가 있는 제1 용탕 풀(142A)에서 용해를 시작하고 용해 시에 틸팅 액츄에이터(160)를 이용한 틸팅 기능을 활용하여 좌우 방향으로 금형을 반복적으로 기울여 고융점 소재를 충분히 용해시킨다. 여기에서, 제1 용탕 풀(142A)의 고융점 소재는 대표적으로 W, Ta, Mo, Nb, Zr 및 Hf 등이 있다. 이어 하단부인 제2 용탕 풀(142B)에는 제1 용탕 풀(142A)의 소재들보다 낮은 융점을 갖는 소재를 위치시킨다. 대표적으로는 Ti 및 Cu 등이 있다. 아울러 제2 용탕 풀(142C)에는 제2 용탕 풀(142B)의 소재보다 낮은 융점을 갖는 소재를 위치시킨다.
충분히 용해된 고융점 소재의 용탕은 틸팅 기능을 활용하여 저융점 소재가 위치한 제2 용탕 풀(142B)의 중앙부로 유동시키고, 다시 틸팅 기능을 활용하여 제2 용탕 풀(142B)에서 좌우 방향으로 금형을 반복적으로 기울여 고체 상태의 저융점 소재와 용탕화된 고융점 소재와 충분히 교반 작용이 발생하도록 용해한다.
이때 여러개의 플라즈마 용해 건을 사용하면 제1 용탕 풀(142A)과 제2 용탕 풀(142B)에서 별도로 고융점 소재 및 저융점 소재를 동시에 용해시켜 충분히 용해된 고융점 소재의 용탕을 저융점 소재의 용탕부 중앙으로 유동시킬 수도 있다.
한편, 다단 용해금형조립체를 이루는 금형 바디(110)는 도 2에서와 같이, 용해 상황의 시야 확보를 위하여 금형 바디(110)의 측면 및 정면 부분을 경사화 가공을 통해 보다 용이하게 용해 상황을 확인할 수 있다. 구체적으로는, 금형 바디(110)의 측면 상에서 복수의 단위 금형(140) 각각의 전방 상단을 연결하는 방식으로 구성 가능하다.
본 발명의 용해 금형은 도 3과 같은 형상을 통하여 용해된 소재의 유동을 보다 용이하게 할 수 있다.
복수의 단위 금형(140) 상에 각각 형성되는 용탕 풀(142A,142B,142C)은 용해되는 소재의 용탕을 원할히 형성할 수 있는 반구 형상이며, 용탕 풀(142A,142B)의 일측에 형성되는 가이드 유로(144A,144B)를 통하여 완전히 용해된 고융점 소재의 용탕이 하단부에 있는 저융점을 갖는 소재의 중심부로 유동 형성이 가능하게 된다.
한편, 가이드 유로(144A,144B)는 인접하는 용탕 풀 간에 용탕의 원활한 유동이 가능한 정도의 길이를 갖게 함으로써 저융점 소재부로의 용이한 유동을 가능하도록 한다. 이때 용탕 풀(142A,142B,142C)의 형상이 각형인 경우에는 모서리 부분에서 용융되지 못하는 문제점이 발생하게 되는바, 이를 방지하기 위하여 반구형의 형상을 적용한다.
도 4는 고융점 소재로 Nb와 저융점 소재로 Ti을 이용하여 동일한 공정조건의 아크 용해를 통하여 본 발명의 금형을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우에 제조된 잉고트를 보여주고 있다.
도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 금형 형태를 적용한 경우에는 동일한 조건에서 잉고트의 상면 하면이 균일하게 용해된 것을 알 있다. 아울러 일반금형을 사용한 경우 잉고트의 하면에 용해되지 않은 부분이 있는 것을 확인할 수 있으며, 이는 공정을 중단하고 잉고트를 뒤집어 하면을 다시 용해하여야 하는 번거로움과 이에 따른 공정시간 및 에너지 소비를 가져오게 된다는 불리함이 있다.
도 5는 도 4의 400A에서 20분간 용해한 잉고트의 합금원소를 면분석한 결과이다.
결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 금형을 적용한 경우 동일한 공정 조건에서 고융점 소재인 Nb와 저융점 소재인 Ti이 매우 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있으나, 일반 금형을 사용한 경우 도 5의 하단부에 표시한 화살표와 같이 매우 불균질한 성분분포를 보이는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다단 용해금형조립체는 일반금형을 이용하여 아크 또는 플라즈마 용해시 작게는 수차례에서 많게 십여차례 잉고트를 뒤집어 다시 용해해야 하는 번거로움과 이에 따른 제조시간 및 에너지 소비를 획기적으로 감소시킬 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 복수의 금속이 용융 균질화되어 수용되는 상부가 개방된 금형 바디(110);
    상기 금형 바디(110) 내에 다단으로 단차지어 형성되는 복수의 단위 금형(140);
    상기 금형 바디(110)의 상부에 배치되는 하나 이상의 플라즈마 건(120);
    상기 금형 바디(110) 상으로 복수의 금속 입자들을 공급하는 금속 분말 공급 노즐(130); 및
    상기 금형 바디(110))의 하부에 결합되는 틸팅 액츄에이터(160);를 포함하고,
    상기 틸팅 액츄에이터(160)의 순차적인 작동에 따라 상기 금형 바디(110)는 반복적으로 좌우측이 틸팅되는 작동이 이루어지고, 이에 따라 복수의 금속 분말 입자들이 용융 균질화되는,
    다단 용해금형조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 단위 금형(140)은 각각 용탕 풀(142A,142B,142C) 및 용탕 풀(142A,142B)의 일측에 형성되는 가이드 유로(144A,144B)가 형성되는,
    다단 용해금형조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금형 바디(110)의 측면 상에서 상기 복수의 단위 금형(140) 각각의 전방 상단을 연결하는 방식으로 경사지게 가공함으로써 상기 금형 바디(110)의 측면 및 정면 부분에 대한 시야를 확보하게 하는,
    다단 용해금형조립체.
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