KR20180042269A - 편정 합금을 제조하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 복수의 성분으로 이루어지고 및 일차 상의 액적이 고체화된 상태에서 결정질 매트릭스 내에 균일한 방식으로 분포되는, 편정 합금으로부터 스트랜드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 균일한 분포는: a) 적어도 하나의 매트릭스 성분 및 일차 상을 형성하는 성분으로 이루어진, 합금 성분을 용융시키는 단계, 및 단일의 균질 상이 존재하는 온도로 상기 성분을 가열하는 단계; b) 이송 속도로 수평에 대하여 경사진 이송 방향으로 스트랜드 형태로 용융물 (2)을 이송하는 단계; c) 냉각 존에서 이송시에 결정화 전면을 형성하기 위해, 이송 방향에 수직인, 스트랜드의 하부 면을 이송하면서 용융물 (2)을 냉각시키는 단계; d) 수평 결정화 전면이 형성되고, 및 액적의 형태로 일차 상의 형성 및 냉각에 의해 생성된 마랑고니 힘이, 중력에 역-평행하게 배향되며, 그 결과로 매트릭스 성분에서 일차 상의 액적이 중력의 방향으로 이동하는, 방식으로, 냉각 강도, 이송 방향의 경사 및 이송 속도를 설정하는 단계; 및 e) 냉각 존으로부터, 스트랜드 (9)로 고체화된, 합금을 인출하는 단계의 방법 단계들을 사용하는 제조 공정 동안에 달성될 수 있다.

Description

편정 합금을 제조하는 방법 및 장치

본 발명은, 다수의 성분으로 형성되고 및 일차 상의 액적 (droplets)이 고체화된 상태에서 결정질 매트릭스 내에 균일하게 분포되는 편정 합금 (monotectic alloy)으로부터 스트랜드 (strand)를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 더군다나, 복수의 성분으로 형성되고 및 일차 상의 액적이 고체화된 상태에서 결정질 매트릭스 내에 균일하게 분포되는 편정 합금으로부터 스트랜드를 제조하는 장치에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 편정 알루미늄-비스무트 합금, 특히 플레인 베어링 합금 (plain bearing alloy)에 관한 것이다.

고 응력 플레인 베어링은, 베어링에 대해 어느 정도 모순된 요구 사항을 상당 부분 만족시키기 위해서 복수의 층으로 구성된다. 이러한 플레인 베어링은 종종 스틸-알루미늄 복합물을 사용하여 제작된다.

스틸 백킹 쉘 (steel backing shell)은, 기계적 하중이 흡수되는 것을 가능하게 하고, 및 타이트한 맞춤 (tight fit)을 보장하지만, 플레인 베어링 물질은 다수 및 다양한 마찰공학적 응력 (tribological stresses)을 견뎌야 하고 및 피로 내성 (fatigue resistant)이 있어야 한다. 이들 요건을 만족시키기 위해, 플레인 베어링 물질은, 예를 들어, 실리콘 (silicon) 및 금속간 침전물과 같은 경질 상 (hard phases), 및 다른 한편으로, 연질 상, 예를 들어, 납 또는 주석이 혼입될 수 있는, 알루미늄으로 이루어진, 결정상 매트릭스 (crystal matrix)를 함유한다. 내구성이 강한 다-층 플레인 베어링은 종종 플레인 베어링 물질에 의해 형성된 기능성 층에 전착 (electrodeposition)에 의해 적용된 감마재 층 (antifriction layer)을 부가적으로 갖는다. 이 연질 감마재 층은, 베어링이 우수한 항소부성 (antiseizure properties)을 갖고 및 마모된 입자를 매립할 수 있으며, 따라서 슬라이딩 표면으로부터 떨어뜨리는 것을 보장한다.

환경적 관점은, 플레인 베어링 합금에 대한 역할을 증가시킨다. 납-함유 알루미늄 플레인 베어링 합금에 대한 환경 친화적인 대안으로서, 부가적인 감마재 층 없이 사용되는, 알루미늄-주석에 기초한 플레인 베어링이 고려된 적이 있었다. 그러나, 이들 합금의 기계적 특성, 예를 들어, 피로 내성 및 내열성에는 한계가 있다. 주조 (casting) 동안, 상대적으로 높은 주석 함량은, 이들 합금의 지지 용량 (load bearing capacity)을, 특히 상대적으로 고온에서, 상당히 손상시키는, 결정립계 (grain boundary)에서 응집성 주석 격자의 형성을 초래한다.

비스무스가 알루미늄 매트릭스에서 연질 상으로서 주석보다 장점을 제공하는 것으로 알려져 있다. 비스무스는, 주석보다 더 높은 용융점을 가지며, 따라서, 더 높은 온도에서 사용될 수 있다. 특수 주조 및 열처리 측정의 수단에 의해, 플레인 베어링 합금의 결정립계에서 비스무스의 대량 농축을 피하고, 및 미세구조에서 비스무스 액적의 충분히 균일하고 더 미세한 분포를 얻는 것이 가능하다. 알루미늄-비스무스 합금은, 편정 미세구조를 형성하고, 여기서 상기 비스무스 액적의 질 좋고 균일한 분포는, 지지 용량 및 알루미늄-주석 합금에 대한 마찰공학적 특성에서 개선을 초래한다.

DE 40 03 018 A1은, 주 합금 원소로서 납, 비스무스 또는 인듐 또는 이들의 조합을 선택적으로 함유할 수 있는 알루미늄 합금을 기재하고 있다. 게다가, 20중량% 이하의 상당한 비율로 제공될 수 있는, 하나 이상의 성분, 예를 들어, 실리콘, 주석, 아연, 마그네슘 및 구리를 함유하는 것이 부가적으로 계획된다. 여기서, 필수 개념은, 스트립 (strip) 또는 와이어를 형성하고 및 300 내지 1500 K/s의 높은 냉각 속도를 제공하기 위해 합금을 연속적 및 수직으로 주조하는 것이다. 높은 냉각 속도는, 편석 온도 (segregation temperature)의 언더슈팅 (undershooting)과 매트릭스 금속의 완전한 고체화 (solidification) 사이의 시간에서 소수성 상의 대량 침전물의 형성을 방지하기 위한 것으로 의도된다. 그러나, 매우 높은 냉각 속도로 인해 균열의 상당한 위험성이 있고, 및 일련의 제조에 필요한 공정 안정성이 매우 어려울 수 있다는 것이 알루미늄 합금의 연속 주조에 대한 실제 경험으로부터의 일반적 지식의 입장이다. 개시된 단 하나의 예시적인 구체 예에서, 알루미늄 합금 용융물은, 5% 비스무스 및 5% 실리콘을 함유한다. 높은 실리콘 함량은, 알루미늄 매트릭스의 보강을 초래하지만, 일차 비스무스 상의 크기에 부정적인 영향을 미친다. 비스무스 상의 큰 액적은, 물질의 마찰공학적 특성 및 기계적 지지 용량을 현저히 감소시키는 매우 두꺼운 스트랜드로 후속 압연 공정 (rolling processes)에 의해 변형된다.

EP 0 940 474 A1은, 5 내지 15 중량%의 비스무스 함량 및 총 15 중량%까지의 실리콘, 주석 및 납을 포함하는 군으로부터 적어도 하나의 주 합금 원소를 갖는 편정 알루미늄 플레인 베어링 합금을 개시한다. 단 하나의 예시적인 구체 예는, 비스무스 8 중량%, 주석 1 중량% 및 실리콘 4 중량%뿐만 아니라 이차 합금 원소로서 0.3 중량%의 망간으로 구성되며, 나머지는 알루미늄이다. 이 합금의 구상중에 있는 스트립 주조의 경우, 전자기 장 (electromagnetic field)에서 용융물의 집중적인 교반에 의해 비스무스 상의 균질한 분포가 목표이다. 미세구조의 개량은, 구체적으로 한정되지 않는, 결정립 미세화제 (grain refiner)의 첨가에 의해 가능하다고 한다. 전술된 단점은, 각각, 연질 및 경성 성분으로, 주 합금 원소인, 주석 및 실리콘과 연관된다.

상황은, 4 내지 7 중량%의 비스무스, 1 내지 4.5 중량%의 실리콘 및 5중량%까지의 주석, 아연 및 안티몬을 포함하는 군으로부터의 적어도 하나의 원소뿐만 아니라, 선택적으로 또 다른 부가적 합금 원소를 함유하는, EP 0 190 691 A1으로부터 알려진 합금과 비슷하다. 실리콘 함량에 의해 유발된 알루미늄 매트릭스의 경화는, 일차 상의 액적의 확대를 가져와서, 후속의 압연 동안 언급된 단점을 발생시킨다.

DE 40 14 430 A1은, 압연 후 확대된 작은 판 (platelets)의 형태인, 비스무스 상의 더 미세한 분포를 달성하기 위해 편정 알루미늄-실리콘-비스무스 합금을 575℃ 내지 585℃의 온도에서 열처리하는 것을 개시한다. 열처리는 더욱이 경화 효과에 의해 알루미늄 플레인 베어링 합금의 강도 값을 개선할 가능성을 제공한다. 가능한 경화 효과를 달성하기에 적절한 원소는, 예를 들어, 실리콘, 마그네슘, 아연 및 지르코늄이다. 구리의 첨가는, 경화 속도를 증가시키고 및 이들 원소와 조합하여 사용될 수 있다.

미국 특허 제5,286,445호는, 2 중량% 내지 15 중량%의 비스무스 함량, 0.05 중량% 내지 1 중량%의 지르코늄 함량 및 1.5 중량% 이하의 구리 함량 및/또는 마그네슘 함량을 갖는 알루미늄 플레인 베어링 합금이 개시한다. 부가적으로, 이 합금은 총 0.05 내지 5중량%의 실리콘, 망간, 바나듐, 안티몬, 니오븀, 몰리브덴, 코발트, 철, 티타늄 및 크롬을 포함하는 군으로부터 적어도 하나의 원소, 또는 총 0.05 내지 2 중량%인 주석, 납 및 인듐을 포함하는 군으로부터 적어도 하나의 원소를 함유한다. 주석, 납 및 인듐의 첨가는, 200℃ 내지 350℃의 온도에서 확대된 비스무스 액적을 재응집시켜 침전물을 더 미세하게 하는 것을 뒷받침한다. 지르코늄, 실리콘 및 마그네슘 원소는, 압연 접합 공정 (roll bonding process) 전에 짧게 수행되는, 480℃ 내지 525℃의 온도 범위에서 어닐링 후에 실제 경화 효과를 가져 온다. 전이 원소는, 물질의 기계적 지지 용량에서 부가적인 증가를 보장하기 위해 의도된다.

실리콘의 불리한 영향은 또한 여기서 일어난다. 마그네슘의 첨가는, 마그네슘이 비스무스와 함께 금속간 화합물 Mg3B12를 형성하는 단점을 부가적으로 수반한다. 이것은 비스무스 액적으로 혼입되고 및 연마된 입자에 대한 비스무스 액적의 매립 용량 (embedding capacity)을 상당히 감소시킨다. 주석의 첨가는, 비교적 고온에서 플레인 베어링 물질의 기계적 지지 용량을 상당히 손상시킨다.

전술된 비스무스-함유 합금은, 플레인 베어링 쉘을 형성하기 위한 연속 주조 및 후속 추가 공정에 의한 생산 동안 발생하는 복합 공정이 아직 충분히 숙달되지 않았기 때문에, 어떤 실질적인 의의를 달성하지 못한다. 주조 조건에서 일차 상의 미세한 분포에 부가하여, 요구되는 성형 및 압연 접합 공정 후에도 일차 상의 미세한 분포를 생성할 수 있는 가능성은, 알루미늄 플레인 베어링 합금의 최적의 특성 프로파일을 위한 특정 전제 조건으로 간주되어야 한다. 추가 요건은, 높은 강도, 기계적 지지 용량, 심지어 고온에서도, 알루미늄 매트릭스의 내마모성 및 양호한 성형성이다.

US 2010/0221141호는, 비스무스, 구리 및 아연의 주요 합금 원소를 함유하는 무-실리콘 합금을 개시한다. 높은 아연 함량이 일차 비스무스 상의 결정립 조대화 (coarsening)를 초래할지라도, 이것은, 압연 및 열처리 후에 비스무스 내포물 (bismuth inclusions)에서 현저한 감소를 일으킨다. 이 현상은, 알루미늄 매트릭스에서 아연의 높은 확산 이동도 및 연관된 재결정 온도의 연관된 하락에 의해 설명될 수 있다. 변형된 결정립에 대한 대체물로서 새로운 작은 결정립의 형성은, 비스무스 입자의 크기를 감소시킨다. 그러나, 알루미늄 매트릭스 내에 아연의 높은 이동성은, 조기 연화 및 결정립계에서 아연의 축적을 유발한다. 이는 결정립계의 국부적인 취화 (embrittlement)을 결과하고, 따라서 플레인 베어링 물질의 피로 강도를 감소시킨다.

원칙적으로, 마그네슘이 아연과 조합되어 M 상 (MgZn2) 및 T 상 (Al2Mg2Zn3)을 형성하기 때문에, 마그네슘을 합금에 첨가시켜 알루미늄 합금에서 아연의 높은 확산 이동성을 감소시키는 것이 가능하다. 전술된 바와 같이, 그러나, 원하지 않는 Mg3B12 상은, 비스무스를 함유하는 합금에서 형성된다.

편정 알루미늄-비스무스 미세구조의 문제는, 일차 상의 액적이 결정화되는 매트릭스에 분포되는 편정 미세구조에 더 일반적으로 적용되며, 여기서, 유리한 특성, 예를 들어, 마찰공학적 특성을 달성하기 위해 가능한 한 미세하고 균일한 분포는 바람직하다.

따라서, 본 발명의 기본적인 목적은, 편정 합금 자체의 제조 동안에 간단한 수단을 사용하여, 결정화되는 매트릭스에서 일차 상의 액적의 균일한 분포를 가능하게 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 하기의 방법 단계를 갖는 초기에 언급된 타입의 방법으로 달성된다:

a) 적어도 하나의 매트릭스 성분 및 일차 상을 형성하는 성분으로 이루어진, 합금 성분을 용융시키는 단계, 및 단일의 균질 상이 존재하는 온도로 상기 성분을 가열하는 단계;

b) 수평에 대해 기울어진 이송 유닛에서 이송 속도로 스트랜드 형태로 용융물을 이송하는 단계;

c) 냉각 존에서 이송 중에 결정화 전면 (crystallization front)을 형성하기 위해 이송 중에, 이송 방향에 수직인, 스트랜드의 하부 면으로부터 용융물을 냉각시키는 단계;

d) 수평 결정화 전면이 형성되고, 및 액적의 형태로 일차 상의 형성 및 냉각에 의해 생성된 마랑고니 힘 (Marangoni force)이, 중력에 역-평행하게 배향되며, 그 결과로 매트릭스 성분에서 일차 상의 액적이 중력의 방향으로 이동하는, 방식으로, 냉각 강도 (cooling intensity), 이송 방향의 기울기 및 이송 속도를 일치시키는 단계; 및

e) 상기 냉각 존으로부터, 스트랜드로 고체화된, 합금을 인출하는 단계.

상기 목적은, 하기의 특색들을 특징으로 하는 초기에 언급된 타입의 장치의 수단에 의해 더욱 달성된다:

i. 이송 속도로 냉각 존을 통해, 단일의 균질 상을 형성하도록 가열된, 스트랜드 형태의 용융물을 이송하는데 사용되는, 이송 유닛;

ⅱ. 상기 냉각 존의 영역에서 수평에 대해 기울기를 갖는, 이송 유닛;

ⅲ. 상기 냉각 존에서, 스트랜드의 하부 면으로부터 용융물의 냉각을 야기하는 냉각 유닛;

ⅳ. 수평 결정화 전면이 형성되고, 및 일차 상의 형성 및 냉각에 의해 생성된 마랑고니 힘이, 중력에 역-평행하게 배향되며, 그 결과로 일차 상의 액적이 중력의 방향으로 이동하는, 방식으로, 서로 일치되는, 냉각 유닛의 냉각 강도 및 이송 유닛의 기울기 및 이송 속도; 및

v. 상기 냉각 존으로부터 고체화된 스트랜드를 인출하는, 인출 유닛.

본 발명에 따라 사용되는 냉각 강도는, 이송 방향의 기울기 및 이송 속도에 의존하지만, 바람직하게는 1 내지 1000 K/s, 바람직하게는 200 내지 600 K/s의 냉각 유닛의 냉각 속도를 가져야만 한다.

하나 이상의 결정립 미세화제는 합금에 첨가되는 것이 바람직하다. 시드 결정을 함유하는 모 합금 (master alloy)이 용융물에 첨가되면, 결정립 미세화제의 첨가량은 최소한으로 줄일 수 있다.

본 발명은, 특히 알루미늄-비스무스 합금인 플레인 베어링 합금을 제조하는데 바람직하게 사용된다. 이 합금은 결정립 미세화제로서 3 중량% 이하의 Al-Ti-B 또는 Al-Ti-C를 함유할 수 있다.

수평에 대한 용융물의 냉각 동안에 이송 방향의 기울기를 1 내지 60°, 바람직하게는 10 내지 30°로 설정하는 것이 가치가 있는 것으로 입증되었다. 특히, 냉각 존의 영역에서의 기울기는, 바람직하게는 1/4 원에 걸쳐 확대되는, 원호 세그먼트 (circular arc segment)로서 설계될 수 있다.

본 발명은 도면의 도에 의해 설명되는, 다음의 통찰 및 상황에 기초한다:
도 1은, 알루미늄-비스무스 합금에 대한 상태도 (state diagram)를 나타낸다;
도 2는, 하부 측에서 냉각되는 잉곳 주조 방법을 위한 냉각 공정의 개략도이다;
도 3은, 측벽으로부터 냉각되는 잉곳 주조 방법에서 냉각 거동의 개략도이다;
도 4는, 수직 방향으로 용융물이 이송하는 종래의 연속 주조 방법에서 냉각 거동의 개략도이다;
도 5는 용융물이 수평 이송하는 연속 주조 방법에 대한 냉각 거동의 개략도이다;
도 6은 본 발명에 따른 연속 주조 방법에서 냉각 거동의 개략도이다;
도 7은 본 발명에 따른 연속 주조 방법을 수행하기 위한 장치의 예시적인 구체 예를 나타낸다;
도 8은 제1 바람직한 플레인 베어링 합금의 주조 미세구조 (cast microstructure)의 현미경 사진을 나타낸다;
도 9는 제2 바람직한 플레인 베어링 합금의 주조 미세구조의 현미경 사진을 나타낸다.

편정 시스템들은, 이들이 용융 상태에서 혼화성 갭 (miscibility gap)을 갖는다는 사실을 특징으로 한다. 용융 상태에서 편석의 이유는, 용융 상태에서도, 구조 및 접합 상태를 붕괴시키는, 원자량의 차이 및 원자 반경의 매우 큰 차이에 주로 있다. 혼화성 갭은, 도 1에 첨부된 상태도에서 알루미늄-비스무스 합금에 대해 약 880℃에서 플롯된 한계 온도 (limiting temperature: T_grenz)를 특징으로 한다. 이 한계 온도 (T_grenz) 이상에서, 즉, 혼화성 갭 이상에서, 편정 합금은 단일-상, 즉, 오직 단일 용융물로 이루어진다. 한계 온도 (T_grenz) 아래에서, 일차 비스무스로 이루어진 일차 상은, 냉각됨에 따라 균일한 용융물로부터 형성된다. 여기서, 알루미늄 매트릭스는 여전히 용융 형태이다. 여전히-용융된 매트릭스는, 용해된 형태에서 낮은 비율의 비스무스를 함유한다. 편정 전환을 위한 온도 (T_mt)가 657℃에 도달하는 경우, 여전히 완전히 용융된 알루미늄 매트릭스에서 0.45 at.%의 비스무스는 여전히 존재한다. 온도 (T_mt) 아래에서, 매트릭스는, 조성물이 Al + 84 at.%의 비스무스일 때까지 비스무스가 감소하는 액체에서 농축되면서, 점차 고체화되어 순수한 알루미늄을 형성한다. 이 액체는 270℃의 온도에서 순수 알루미늄과 순수 비스무스로 전환된다. 이 비스무스는 이차 상으로부터 형성되었기 때문에 이차 비스무스이다.

용융물은 추가의 이차 상, 예를 들어, CuAl2, Al12Mn, Al6Mn, Al3Zr 및 이미 전술된 편정 (이차) 비스무스를 가질 수 있다.

일차 상이 용융물로부터 침전됨에 따라, 알루미늄 (ρ = 2.7 g/㎠)과 비스무스 (ρ = 9.78 g/㎠) 사이에 밀도에서 차이는 효과를 발휘하기 시작한다. 용융 성분은 또한 밀도에서 중요한 차이를 가지므로, 비중 편석 (gravitational segregation)을 결과한다. 더 높은 비중의 비스무스-풍부 용융물은, 용융 용기의 버텀으로 가라앉고, 반면에 더 가벼운 알루미늄-풍부 용융물은 그 위로 올라간다.

부가적으로, 일차 상의 침전된 액적의 성장의 과정은, 용융된 매트릭스에서 이의 이동도에 의해 영향을 받을 것이다. 편석 온도가 언더슈트됨으로 침전되는 일차 상 액적은, 계면 장력의 온도 의존성으로 인해 샘플의 온도 장 (temperature field)에서 이동한다. 이 "마랑고니 운동"은, 가장 가파른 온도 구배와 정반대로 가장 높은 온도의 방향으로 발생한다. 마랑고니 운동의 속도가 액적의 크기에 비례하기 때문에, 더 큰 액적은, 더 작은 액적보다 빠르게 이동할 수 있으며 및 더 작은 액적을 흡수하여 심지어 더 큰 액적을 형성할 수 있다. 마랑고니 표류 속도 (drifting speed)는 반경뿐만 아니라 온도 및 농도 구배에 비례한다. 일차 상의 액적은, 중력에 의해 부가적으로 작용하여, 중력 (Fg) 및 마랑고니 힘의 벡터 합 (vectorial addition)의 결과인 용융 매트릭스에서 일차 상의 액적의 움직임을 결과한다. 이것은 도 2 내지 4에 의한 종래의 주조 방법에 대해 예시된다.

도 2는 움직이지 않는 용융물, 즉, 잉곳 주조 방법에 관한 것이다. 냉각은, 용융 용기의 하부 면에서 발생하여, 예시된 실시 예에서 알루미늄에 의해 형성된, 매트릭스의 수평 결정화 전면이 상부로 이동하는 결과를 낳는다. 중력은 아래 방향으로 작용하고 및 본 실시 예에서 비스무스 (Bi)에 의해 형성된, 일차 상의 침전된 액적의 위쪽으로 마랑고니 힘은 작용한다. 중력이 마랑고니 힘을 초과하기 때문에, 수직 합력 (vertical resultant force)이 존재하고, 이는 결정화 전면에 수직이고 및 결정화 전면을 향하여 액적을 강제한다. 이 경우 비스무스로 구성된 액적은, 중력 (Fg)의 방향으로 작용하는 합력에 의해 고체화 전면을 향하여 강제되고 및 따라서 알루미늄 매트릭스 내에 균일하게 분포된다.

도 3에 예시된, 종래의 주조 방법의 실시 예는, 마찬가지로 용융물이 움직이지 않는 잉곳 주조 방법이다. 그러나, 도 2에 나타낸 실시 예와 대조적으로, 냉각이 버텀 표면을 통해서 발생하지 않고, 주조 용기의 수직 측면을 통해 일어나기 때문에, 개략적으로 예시된 전면 세그먼트들 (segments)에 의해, 도면에 예시된 바와 같이, 결정화 전면이 측면으로부터 안쪽으로 이동하는 결과를 낳는다. 중력 (Fg)은, 일차 상의 액적에 수직 방향으로 작용하지만, 이 경우, 마랑고니 힘 (Fm)은 수평이다. 합력 (Fg + Fm)은 비스듬히 아래로 향하고, 결과적으로 액적은 중력에 의해 고체화 전면을 향하여 강제되지 않고, 실질적으로 주조 용기의 버텀을 향하여 움직인다. 따라서, 비스무스 액적은 균일하게 분포되지 않고 및 편석은 일어난다. 액적들의 움직임이 실질적으로 주조 용기의 버텀을 향하고 있기 때문에, 액적들은 또한, 버텀에서부터 고체화되지 않고, 측벽으로부터 고체화되는, 용융물에서 긴 체류 시간을 갖는다. 이것은 이들이 더 작은 (및 더 느린) 액적과 조합하는 경우 액적의 확대를 결과한다.

도 4는 용융물이 중력의 방향, 즉, 수직 하향으로 이동하는, 연속 주조 방법의 상태를 개략적으로 나타낸다. 이 경우, 냉각은 스트랜드의 측면에서, 즉, 합금의 이동 방향에 수직으로 일어난다. 여기서도 역시, 마랑고니 힘 (Fm)은, 중력 (Fg)에 수직이어서, 실질적으로 전진하는 고체화 전면을 향하지 않는 일차 상 액적들의 움직임을 결과한다. 따라서, 편석 및 확대된 액적, 즉, 고체화된 매트릭스의 일차 상의 미세하지 않는 분포는, 여기에서도 발생한다.

연속 주조 방법의 경우와 유사한 패턴은 도 5에 나타내며, 여기서 냉각은 하부 면으로부터 중력에 정반대로 발생한다. 이 경우, 마랑고니 힘은, 가장 큰 온도 구배의 방향으로 정렬되고, 및 고체화 전면으로부터, 비스듬하게 위쪽으로 향하며, 이는 이동 방향에서 크기를 증가시킨다. 따라서, 일차 상의 액적의 움직인 방향은, 아직 고체화되지 않은 대로의 용융물의 영역을 향하며, 그 결과로, 용융물 내의 일차 상의 액적의 체류 시간은 길다. 결과적으로, 미세한 분포와 모순되는, 편석 및 큰 액적은, 여기에서도 형성된다.

본 발명에 따른 방법은, 도 6에 개략적으로 예시된다. 이는 연속 주조 방법이며, 여기서, 용융물은 중력에 대해 경사각으로 스트랜드의 형태로 이동된다. 냉각은, 용융물의 움직임의 방향에 수직으로 일어난다. 이동의 거리가 증가함에 따라, 형성되는 매트릭스 고체화 전면은 증가한다. 여기서, 용융물의 냉각 및 이송은, 이동의 거리에 걸쳐 실질적으로 수평인 결정화 전면이 형성되는 방식으로 서로 일치된다. 가장 큰 온도 구배가 (수평) 결정화 전면으로부터 멀어지는 방향으로 형성되기 때문에, 마랑고니 힘 (Fm)은 수평 결정화 전면, 즉 수직 반대 반향을 가리킨다. 대조적으로, 중력은 수직이고 및 마랑고니 힘을 초과하며, 그 결과로, 일차 상 (여기서: 비스무스)의 액적은 중력 (Fg)의 방향에서 합력에 의해 실질적으로 수평으로 형성되는 결정화 전면을 향하여 강제된다. 따라서, 일차 상의 액적은, 용융된 용융물에서 최소 체류 시간으로 결정화 매트릭스에 흡수되며 및 따라서 매트릭스 (여기서: 알루미늄 매트릭스)에서 여전히 미세하게 분포된다. 따라서, 본 발명에 따른 조치, 즉, 수평에 대해 경사각으로 용융물을 이송하는 단계 및 이를 스트랜드의 하부 측에서 냉각시키는 단계에 의해, 결정화된 매트릭스에서 일차 상의 액적의 미세하고 균일한 분포를 달성하는 것, 즉, 예를 들어, 연속 주조 장치 자체에 의해, 미세하게 분포된 알루미늄-비스무스 합금을 얻는 것은 가능하다.

본 발명의 요점으로서, 용융물의 스트랜드 형태의 이송 경로가, 직선일 필요는 없으며, 즉, 경사가 일정할 필요는 없다는 점에 유의해야 한다. 반대로, 이런 방식으로 고체화 전면의 가속 진행을 고려하기 위해, 이송 경로에 대한 기울기를 증가시키는 것이 가치가 있다.

본 주제의 그 성질에 의해, 위의 설명에서, 용어 "수평적", "수직적" 및 "서로 수직적으로"가 사용되는 경우, 수학적으로 정확한 기하학적 관계를 준수할 필요는 없다. 반대로, 이들 용어는, 허용 오차를 갖는 표시로서 이해되어야 하며, 이의 허용되는 최대 크기는, 기술분야의 당업자가 편정 합금에 대한 무-편석 미세구조의 본 발명에 따른 성과를 달성하기 위해 용이하게 결정할 수 있다. 특히, 형성되는 결정화 전면이, 예를 들어, 수평과 ±30도의 작은 각을 둘러싸는 경우에도, 편석은 현저한 정도로 회피된다.

스트랜드 형태로 용융물에 대한 이송 유닛의 이송 속도는, 일정할 필요는 없고, 이송 경로에 따라 변할 수 있다. 더군다나, 고체화 후에 연속적으로 스트랜드를 인출하지 않고, 이 방식에서 간헐적으로 작동시켜, 미세구조의 고형화 후에 한정된 형태로 냉각을 가능하게 하거나 또는 심지어 후속 열처리를 가능하게 하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 장치의 예시적인 구체 예는, 도 7에 예시된다.

합금의 용융물 (2)은, 저장조 (1) 밖으로 아래에 배열된 계량 용기 (3)로 유동하며, 여기서, 용융물 (2)은 미리 결정된 수준으로 유지된다. 이 목적을 위해, 계량 용기 (3)로 저장조 (1)로부터 주입구 (6) 내에 폐쇄 밸브 (5)에 연결된, 계량 용기 (3) 내에 용융물 (2) 상의 부유체 (4)는 사용된다. 계량 용기 (3)는, 용융물이 점성 형태로 직사각형 스트랜드의 형태로 빠져나오는, 직사각형 배출구 (7)를 갖는다. 배출구 (7)는, 계량 용기 (3)로부터 빠져나오는 스트랜드가 안내되는, 중공 롤 (8)의 원주면 상의, 가장 높은 지점에서 빠져나온다. 중공 롤 (8)은, 예를 들어, 구리로 구성될 수 있는, 수-냉각 쉘 (10)을 갖는다. 냉각으로 인하여, 배출구 (7)로부터 빠져나오는 용융물은, 본 발명에 따라 기재된 방식으로 신속하게 결정화되어, 원주면 상에 중공 롤의 원주의 반 이상에 걸쳐 안내된, 스트랜드 (9)을 얻고, 그 다음 인출된다. 이 목적을 위해, 중공 롤 (8)은, 기어드 모터 (geared motor: 11)에 의해 베어링 롤러 (18)를 통해 중심 축 (12)을 중심으로 회전하도록 설정되며, 그 결과로, 용융물 또는 스트랜드 (9)는, 중공 롤 (8)의 원주면에 대해 어떤 움직임을 수행할 필요가 없다. 원주면의 제1 사분면에서, 용융물 (9) 또는 고체화 스트랜드는, 무한 순환하는 스틸 벨트 (13)의 한 색션에 의해 원주면의 상부 측 상에서 안내된다. 스틸 벨트 (13)의 이 섹션은, 다수의 접촉 압력 롤러 (14)에 의해 중공 롤 (8)의 원주면에 대해 한정된 압력으로 가압되며, 그 결과로, 형태화 및 운반력 (conveying force)은, 스틸 벨트 (13)를 통해 스트랜드 (9)에 대해 가해진다. 스틸 벨트 (13)는, 스틸 벨트 (13)의 섹션이 중공 롤 (8)의 원주면에 대해 상대 속도 없이 이동되는 속도로 구동 롤러 (15)에 의해 구동된다.

전체 장치는, 토대 (17) 상에 견고하게 고정된, 지지대 (16)에 위치된다.

도 7의 예시는, 명확성을 위해 개략적으로 이루어졌다. 쉘 (10)의 수 냉각, 스틸 벨트 (13)의 구동 및 속도 조절과 같은, 세부 사항은 당업자에게 공지되어 있으며 및 명료성을 위해 예시되지 않는다.

실시 예 1

도 8은, 바람직한 예시적인 구체 예로서 구체화된 AlCu4Bi6TiZrMn 플레인 베어링 합금의 주조 미세구조를 나타낸다. 짙은 회색으로 나타낸 비스무스 상은 액적의 형태이다. 상기 액적은 약 10㎛ 이하의 직경을 갖는다. 도 8의 주조 미세구조는, 도 7에 나타낸 장치로 제조된다. 이 공정 동안, 스트랜드 (9)는, 10 mm x 220 mm의 단면으로 인출된다. 플레인 베어링의 생산을 위해, 스트랜드 (9)은 그 다음 브러싱된다. 알루미늄 합금으로 구성된 탈지된 접착 촉진제는 롤 스트랜드에서 제1 압연 패스 (rolling pass)에 의해 브러싱된 및 탈지된 스트랜드 상으로 롤-접합된다. 롤-접합된 피드스톡 스트립의 두께는 4 mm이다. 그 다음, 이것은 5 압연 패스에서 1.3mm에 이르기까지 압연된다. 롤 접합을 위한 알루미늄 베어링 물질의 스트립의 적합성을 개선하기 위해, 이것은 370℃에서 최대 3시간 동안 회복 어닐링 작업 (recovery annealing operation)에 적용된다. 다음 공정 단계에서, 알루미늄 베어링 물질의 스트립 및 플레인 베어링용 백킹 물질 (backing material)로서 스틸 스트립은, 롤-접합 밀에서 함께 결합된다. 생산된 물질 접합은 그 다음 360℃의 온도에서 3시간 동안 열 처리에 적용되고, 여기서, 스틸과 알루미늄 베어링 물질 사이에 접합은 확산 공정에 의해 향상되며, 및 롤 접합 작업 후 플레인 베어링 합금의 알루미늄-구리 매트릭스에 크게 확대된, 비스무스 스트랜드는, 25㎛까지의 크기로 미세 구형 액적으로 완전히 전환된다. 예비 열처리는, 42 HB 2.5/62.5/30 이상의 높은 경도를 결과한다. 열처리 후에, 롤-접합된 스트립은, 세분화되고 및 플레인 베어링 쉘로 성형될 수 있다.

실시 예 2

또 다른 바람직한 구체 예에 따르면, 플레인 베어링 물질을 제조하기 위해, 10 mm × 220 mm의 단면을 갖는 주조 스트립은, 도 7에 나타낸 연속 주조 설비 상에서 제조된다. 주조 전 5분, 1% AlTi3C0.15 모 합금은, 도가니 (용융 용기 (3))에 AlCu4Bi6TiMnCr 합금에 주입되고, 상기 용융물은 완전히 혼합된다. 본 발명에 따라 제조되고 냉각된 스트랜드는 브러싱되고 및 탈지된다. 알루미늄 합금으로 구성된 브러싱된 및 탈지된 접착 촉진제는 제1 압연 패스에 의해 스트랜드 상으로 롤-접합된다. 롤-접합된 피드스톡 스트립의 두께는 4 mm이다. 이것은, 그 다음 몇 번의 압연 패스에서 1.3mm에 이르기까지 압연된다. 이 목적을 위해, 5 압연 패스는 요구된다. 롤 접합을 위한 알루미늄 베어링 물질의 스트립의 적합성을 개선하기 위해, 이것은 최대 3시간 동안 370℃에서 회복 어닐링 작업에 적용된다. 다음 공정 단계에서, 스틸 스트립 및 알루미늄 베어링 물질의 스트립은 롤-접합 밀에서 함께 결합된다.

생산된 물질 접합은, 360℃의 온도에서 3시간 동안 열처리에 적용되고, 여기서, 스틸과 알루미늄 베어링 물질 사이에 접합은, 확산 공정에 의해 향상되며, 및 롤 접합 작업 후에 알루미늄-구리 매트릭스에 크게 확대된, 비스무스 스트랜드는, 32㎛까지의 크기로 미세 구형 액적으로 완전히 전환된다. 열처리로부터 마찬가지로 결과하는 적어도 38 HB 2.5/62.5/30의 높은 경도는, 유리한 효과를 갖는다. 이 열처리 후에, 롤-접합된 스트립은 세분화되고 및 베어링 쉘로 성형될 수 있다.

도 9는 주조에 의한 생산 후에 합금의 미세구조를 나타낸다. 알루미늄 매트릭스 내에 균일하게 분포된 방식으로 매립된, 액적-형태의 일차 비스무스 상은, 명확히 볼 수 있다. 놀랍게도, 본 실시 예에 따른 모 합금의 사용은, 결정립 미세화제로서 지르코늄을 생략하는 것이 가능하다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 플레인 베어링 합금으로 플레인 베어링의 제조에 대한 설명은, 연속 주조에 의해 형성된 합금으로 플레인 베어링의 제조 단계가 기술분야의 당업자에게 공지되어 있기 때문에, 전적으로 예시로서 제공되며, 및 본 발명에 따른 합금의 사용에 사용될 수 있은 모든 가능한 변형은 당업자에게 친숙하다.

Claims (10)

1. 복수의 성분으로 형성되고 및 일차 상의 액적이 고체화된 상태에서 결정질 매트릭스 내에 균일하게 분포되는 편정 합금으로부터 스트랜드 (9)를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
   a) 적어도 하나의 매트릭스 성분 및 일차 상을 형성하는 성분으로 이루어진, 합금 성분을 용융시키는 단계, 및 단일의 균질 상이 존재하는 온도로 상기 성분을 가열하는 단계;
   b) 수평에 대해 기울어진 이송 유닛에서 이송 속도로 스트랜드 형태로 용융물 (2)을 이송하는 단계;
   c) 냉각 존에서 이송 중에 결정화 전면을 형성하기 위해 이송 중에, 이송 방향에 수직인, 스트랜드의 하부 면으로부터 용융물 (2)을 냉각시키는 단계;
   d) 수평 결정화 전면이 형성되고, 및 액적의 형태로 일차 상의 형성 및 냉각에 의해 생성된 마랑고니 힘이, 중력에 역-평행하게 배향되며, 그 결과로 매트릭스 성분에서 일차 상의 액적이 중력의 방향으로 이동하는, 방식으로, 냉각 강도, 이송 방향의 기울기 및 이송 속도를 일치시키는 단계; 및
   e) 냉각 존으로부터, 스트랜드 (9)로 고체화된, 합금을 인출하는 단계를 포함하는, 편정 합금을 제조하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉각 유닛에서의 냉각 속도는, 1 내지 1000 K/s, 또는 200 내지 600 K/s로 설정되는, 편정 합금을 제조하는 방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   시드 결정을 함유하는 모 합금은 용융물에 첨가되는, 편정 합금을 제조하는 방법.
4. 청구항 1 내지 3중 어느 한 항에 있어서,
   플레인 베어링 합금을 제조하는데 사용되는, 편정 합금을 제조하는 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 플레인 베어링 합금은 알루미늄-비스무스 합금인, 편정 합금을 제조하는 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 합금은, 결정립 미세화제로서 3 중량% 이하의 Al-Ti-B 또는 Al-Ti-C를 함유하는, 편정 합금을 제조하는 방법.
7. 청구항 1 내지 6중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수평에 대해 상기 용융물의 냉각 동안 이송 방향의 기울기는, 1 내지 60°, 또는 10 내지 30°로 설정되는, 편정 합금을 제조하는 방법.
8. 복수의 성분으로 형성되고 및 일차 상의 액적이 고체화된 상태에서 결정질 매트릭스 내에 균일하게 분포되는, 편정 합금으로부터 스트랜드 (9)를 제조하는 장치로서, 상기 장치는:
   i. 이송 속도로 냉각 존을 통해, 단일의 균질 상을 형성하도록 가열된, 스트랜드 형태의 용융물을 이송하는데 사용되는, 이송 유닛;
   ⅱ. 상기 냉각 존의 영역에서 수평에 대해 기울기를 갖는, 이송 유닛;
   ⅲ. 상기 냉각 존에서, 스트랜드의 하부 면으로부터 용융물의 냉각을 야기하는 냉각 유닛;
   ⅳ. 수평 결정화 전면이 형성되고, 및 일차 상의 형성 및 냉각에 의해 생성된 마랑고니 힘이, 중력에 역-평행하게 배향되며, 그 결과로 일차 상의 액적이 중력의 방향으로 이동하는, 방식으로, 서로 일치되는, 냉각 유닛의 냉각 강도 및 이송 유닛의 기울기 및 이송 속도; 및
   v. 냉각 존으로부터 고체화된 스트랜드 (9)를 인출하는, 인출 유닛을 포함하는, 편정 합금을 제조하는 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 이송 유닛은, 상기 냉각 존의 영역에서 원호 세그먼트로서 설계되는, 편정 합금을 제조하는 장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 원호 세그먼트는 1/4 원 상에 확대되는, 편정 합금을 제조하는 장치.

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