KR20190069953A

KR20190069953A - 압출용 경합금 빌렛의 제조장치

Info

Publication number: KR20190069953A
Application number: KR1020170170340A
Authority: KR
Inventors: 이인영; 김강형
Original assignee: 이인영
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2019-06-20
Also published as: KR102000844B1

Abstract

본 발명은, 경합금 용탕 내에 임펠러를 설치하여 머쉬존의 응고핵들을 횡방향 뿐만 아니라 종방향으로도 균일하게 분산되도록 교반함으로써 주조편석을 줄이고 저융점 공정상의 조대화를 억제하여 빌렛의 주조품질을 개선하고 압출성을 향상시킬 수 있는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치를 제공한다.

Description

압출용 경합금 빌렛의 제조장치{MANUFACTURING FACILITY FOR LIGHT METAL ALLOY BILLET OF EXTRUSION}

본 발명은 압출용 경합금 빌렛의 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경합금 용탕 내의 머쉬존의 응고핵들을 균일하게 분산시킴으로써 내부 결정립을 미세화하고 합금원소를 균일하게 분포시켜 주조 편석을 감소시키도록 하고, 저융점 공정상의 조대화를 억제하여 빌렛의 주조품질을 개선함으로써 압출성을 향상시킬 수 있도록 한 압출용 경합금 빌렛의 제조장치에 관한 것이다.

휴대용 전자제품의 내장 구조재, 자동차 부품 또는 항공기 부품 등에 사용되는 재료는 경량성, 고강성, 고인성 및 고성형성이 요구되며, 이러한 재료로 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 또는 그 합금을 포함하는 경합금이 사용되고 있다.

상기 실용 경금속 중에서 마그네슘은 경량성에서 가장 유리한 소재이지만 소성변형에 필수적인 슬립시스템이 적은 조밀육방격자 구조를 지니고 있어 소성가공성이 낮은 문제가 있다. 이를 개선하기 위한 마그네슘 합금이 일부 개발되었지만 고용한도와 화합물 형성 외에도 경합금 특유의 합금원소들 간의 비중차이로 인해 합금원소가 편석을 일으키는 문제가 발생된다.

예를 들어, 마그네슘에 알루미늄을 합금한 AZ31, AM20 합금은 가공성이 우수하고 연성이 풍부함에도 불구하고 단상 고용체와 350℃ 이하 저융점인 MgxZny 공정상들이 혼합된 덴드라이트 상들이 존재한다. 따라서, 소성가공 방향에 따른 이방성이 강하고, 가공 중에 마찰 등에 의해 국부적으로 350℃ 이상으로 상승하는 경우 저융점 공정상들의 용융으로 인해 미세 균열이 발생하는 문제 등이 발생된다.

즉, AZ31, AM20과 같은 마그네슘 합금 빌렛의 압출에서 350℃ 이상 온도에서 압출할 경우 다이와의 마찰열로 표면에 미세한 균열이 지문처럼 존재하는 표면결함이 나타날 수 있다. 이렇게 미세한 주름형태의 표면균열이 생기면 피로강도를 저하시키게 되므로 이런 결함을 방지하기 위해서는 압출온도를 300℃ 이하로 해야 한다.

다만, 이 경우 생산속도가 낮아지고 복잡한 형상에서는 불량률이 높아 압출재 가격이 상승하는 원인이 될 수 있다. 특히, 이들 저융점 공정상이 편석되기 쉬운 중심부에서는 주조 후 응고 과정이나 열처리 중에 조대한 저융점 공정상들의 편석으로 인해 중심부 균열이 발생하거나 압출 중에 빌렛이 파괴되는 경우가 있어 이런 편석을 해소할 방안이 요구된다.

상기 실용 경금속 중에서 알루미늄은 다양한 요구에 맞춰 합금이 개발되고 상용화되지만, 주조 중 편석으로 인한 품질의 불균일성을 완벽히 개선하지 못해 이에 대한 연구가 계속되고 있다.

예를 들어, 2000년대에 들어서도 Samaras, Wagstaff 및 Dong과 최근 2017년 MIT에서 Joseph의 학위논문까지 계속되고 있는 연구를 보면 주조 중 미세조직 편석이 실제 현장에서 얼마나 문제가 되고 있는지 알 수 있다.

한편, 마그네슘과 같이 비중이 작은 금속에서는 합금원소와의 비중차이로 인한 편석도 큰 문제가 된다. 압출용 빌렛은 주로 파이프형 주형에 용탕을 주입하여 냉각하는 방식으로 제조하는데, 이 방식에서 용탕이 주형과 접촉할 때 주형면의 습기가 기화하여 용탕이 폭발적으로 비산하는 것을 방지하기 위해 주형을 200℃ 이상으로 예열하여 습기를 제거하고 주입하게 된다.

때문에 주형과 용탕의 온도 차가 적어 냉각속도가 늦어지면 주형 내에서 용탕의 응고시간이 길어지는데, 특히 응고시간이 긴 중력주조에서는 마그네슘과 비중 차이가 큰 원소(예를 들어 아연, 이트륨 등)는 중심부나 주형 아래 쪽에 편석되는 현상이 일어난다. 이런 빌렛에서는 수지상 결정이 조대하게 발달하여 거시적 조성이 불균일해지고 압출성능이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

이때, 편석이 심하면 빌렛 중심부에 열간 균열(Hot Tearing)이 발생하고, 압출과정에서 변형, 균열 및 미세주름 등이 발생하고 압출재의 스트레칭이나 교정작업 중 파단과 피로강도를 저하시켜 제품의 내구성과 신뢰성을 해치게 된다. 이런 내용은 Pokorny 등이 수행한 경합금의 주조 중 열간 균열발생을 예측하는 연구에서 확인할 수 있다.

이런 현상을 개선하기 위해 주형을 냉각조에 침지하여 급속 냉각하는 방안이 사용되지만, 아연과 같이 비중 차가 큰 원소가 5% 이상 함유되는 경우에는 주형 상하부의 분포차를 줄인 균일한 빌렛을 얻기가 어렵다. 이에, 비중 편석을 줄이고 결정립을 미세화하여 주조재의 소성가공성을 개선하는 방법으로 쌍롤 주조법이나 스트립 캐스팅법 등을 적용할 수 있는데, 이들은 판상의 제품에 한해 적용할 수 있어 원형 또는 사각형 단면형상을 가지는 상용 압출재의 생산에 적합하지 않다.

Qui 등은 마그네슘합금에서 소성가공용으로 가장 많이 이용되는 AZ31 합금 연구에서 1차 압출가공 후 압연 가공함으로써 소성가공성을 향상할 수 있다고 보고하고, Rao 등은 AZ31 합금이 300∼350℃ 구간에서 압출하는 것에서 나아가 그 이상의 온도인 450℃에서 압출하게 되면 집합조직이 약해져 소성가공이 용이하고 생산성을 향상할 수 있다고 보고한다. 이와 같이 마그네슘 합금에서 소성가공성을 결정하는 방법이 개시되어 있지만 실제로는 산업상 해결해야 할 문제들을 안고 있다.

예를 들어, Qui 등의 연구에서는 압출 후 압연에서 결정입계와 쌍정입계에 수 미크론 이하 간격으로 미세 균열이 시작되는 것을 관찰할 수 있고, Rao 등의 연구에서는 고온압출에서 저융점 공정상 존재로 인해 발생하는 미세균열 문제를 해결하지 못한다. 특히 AZ계 합금에서 형성되는 Al12Mg17과 MgxZny 저융점 공정상으로 만들어지는 덴드라이트는 조대화되기 쉬워 균열 기점으로 작용하게 된다.

한편, ECAP, ECAE와 같이 난가공재를 다이 내에서 각도를 바꾸는 채널을 거쳐 높은 소성비로 가공하는 방법으로 마그네슘의 집합조직 발달을 억제함으로써 소성가공성을 개선하려는 노력이 있다. 그러나, 이 방법은 다이 구조가 복잡하고 높은 가압력을 요구하기 때문에 압출재의 크기와 생산성이 제한되어 실제 제품 생산에 적용하기 위한 상용화에 적합하지 않다.

따라서, 빌렛에서 주조 중 발생하는 편석과 저융점 공정상의 조대화를 해결하는 것은 압출용 빌렛을 제조하는 분야에서 생산성과 수율 향상에서 중요한 요인이 되는 것이다.

도 1은 종래 도가니 용해 방식으로 제조한 빌렛으로, 용탕을 교반하지 않고 평균 직경 180mm로 주조한 빌렛의 상하부 합금원소 편차로 인한 소성가공성의 차이로 압출 중에 파단된 사례를 나타내고 있다. 이 중 왼쪽의 사진은 주조 후 추출한 빌렛을 보여주고, 가운데 사진은 압출 중에 파단된 상태를 보여주고, 오른쪽 사진은 빌렛의 하부로서 중심부 편석으로 인해 중앙부에 원형으로 열간 균열이 발생된 것을 절삭 가공 중에 발견한 것을 보여준다.

용탕을 외주부에서 급냉하여 응고시키는 직접냉각 연속주조에서는 급냉으로 인해 응고시간이 짧아져 중력주조에 비해 비교적 편석이 적다. 그러나, 이 방법은 합금원소의 양이 적은 빌렛에서나 적용이 가능하고, 합금원소의 양이 많아지면서 외부의 냉각속도가 커지면서 내외부 온도차로 인한 중심부의 편석이 심해지고, 응고시 수축에 의한 응력으로 중심부에서 내부 균열이 발생하기 쉬운 조건이 된다. 도 2는 직접냉각(Direct Chilled) 연속주조 빌렛에서 편석과 수축 응력으로 인해 빌렛 중심부에 발생한 열간균열 사례를 나타낸 것이다.

직경 150mm AZ31 빌렛의 예를 들면, 표면과 중심부를 비교할 때 알루미늄의 편석량이 약 0.7%, 아연의 편석량이 약 0.4% 정도로 비교적 편석량이 적은데, 이는 비중이 1.74인 마그네슘과 비중이 2.7인 알루미늄 간에 비중차가 다른 합금원소보다 적고, 비중이 7.13인 아연의 함량이 적기 때문이다. 그러나 아래 표 1에서 보듯 이트륨-아연과 같이 합금의 양이 늘어나면 편석량 합이 총 1.1%로 AZ합금에 비해 합금원소 편석이 심하게 된다.

이 정도의 편석이라면 압출성능에서는 더 차이가 커서 도 1의 중간 사진처럼 압출 중 파괴되거나 압출이 되어도 휨변형이나 표면결함 발생률이 크다. 더욱이 빌렛의 직경이 커지면 냉각속도도 증가해야 하는데 편석이 심하면 압출 중 빌렛 중심부에 균열이 발생하게 되고, 따라서 비중이 알루미늄보다 큰 원소들이 함유되는 합금에서는 중심부 편석의 정도가 빌렛의 압출성능을 좌우하게 된다.

	성분원소	함량(%)	빌렛에서의 위치
하부	아연	9.8	도 1 중간 사진의 위쪽
하부	이트륨	1.45	도 1 중간 사진의 위쪽
상부	아연	1.56	도 1 중간 사진의 아래쪽
상부	이트륨	0.76	도 1 중간 사진의 아래쪽

AZ합금이나 AM합금 등 알루미늄이나 아연이 합금되는 압출용 마그네슘합금은 합금량이 증가할수록 머쉬존 구간이 넓어져 턴디쉬에서 주형에 주입된 용탕의 온도가 낮아지면서 주형의 라이너에서 빌렛의 마찰력이 높아지기 때문에 빌렛의 표면이 거칠어지거나 균열이 생길 수 있다. 따라서, 고출력의 전자기 주조장치로 용탕의 온도를 높이면서 주형벽에서는 빨리 냉각하여 셸층(shell layer)을 형성해야 하는 어려움 때문에 주조 속도와 생산성이 저하하게 되는 문제점이 있다.

종래 기술에서는 이런 편석을 제거하기 위한 수단으로 주형에 주입하기 전에 금속 막대로 도가니의 용탕을 교반한다. 그러나, 이렇게 용해로의 상부를 개방한 상태에서 인력을 이용하여 교반하는 방법은 마그네슘 용해에 적용하기 어렵고, 열기와 발화위험 때문에 지속적으로 교반하기 어려울 뿐만 아니라 마그네슘합금 용탕을 주형에 주입하고 난 뒤 응고되는 과정에서 다시 편석이 일어나는 것을 억제할 방법이 마땅치 않다.

주조 중 용탕 교반을 위해 유도 코일을 이용하는 전자교반법이 있다. 하지만, 마그네슘은 짝을 이루지 않는 홀 전자가 없어 전자 교반을 해도 자화 강도가 약하기 때문에 다른 금속에 비해 유도자장의 힘이 적고, 용탕의 점성이 높아 교반 효과가 미비하며 중심부 편석이 생기기 쉽다.

예를 들어, 마그네슘합금 빌렛을 20L/분 속도로 주조하기 위해서는 20kHz, 1400A인 고출력 전자기 주조장치(EMC)와 15kHz, 150A인 전자교반장치(EMS)를 필요로 하고, 이는 알루미늄 빌렛 연속주조에 필요한 용량의 4-5 배에 달한다. 이런 이유로 Gao 등은 AZ31의 반연속주조 실험을 수행했는데 30Hz, 120A 전자교반장치로 교반하면서도 추가로 접종재 역할의 Al4C3를 투입함으로써 결정립을 제어할 수 있을 정도로 전자기 교반으로는 마그네슘 합금의 중심부 편석이나 결정립 제어가 어렵다.

한국등록특허공보 10-0679313를 보면, 연속주조 몰드 외부 상부에 고주파 전류 인가용 코일을 설치하고, 하부에 저주파 전자기 교반장치를 설치하여 가열함으로써 내부와 외부의 응고속도를 균일하게 함으로써 표면결함이 감소한 마그네슘 빌렛을 얻는 방법이 개시된다. 그러나, 이 경우 앞서 설명한 바와 같이 마그네슘의 자화 강도가 낮아 전자기장의 출력을 많이 높여야 몰드 내에서의 용탕 교반 효과를 기대할 수 있고, 교반에 의한 용탕 회전 효과가 클수록 내부 응고는 늦어져 결국 편석이 해소되기 어려운 단점이 있다.

최근에는, 알루미늄 빌렛 주조에서 직접냉각 연속주조보다 도 3의 방법과 같은 전자교반 연속주조로 제조하는 추세가 늘고 있다. 그러나, 이 방법의 경우, 철강에 비해 자화 강도가 약하고 높은 전자기력에 의해 용탕 온도가 상승하는 점 때문에 기계적 교반으로 중심부 편석과 조대한 수지상정 발달을 억제하려는 노력이 병행되는데, 기계적 교반은 전자기적 교반에 비해 용탕 온도를 상승시키지 않으면서 교반 효과를 얻을 수 있기 때문에 용탕 온도가 저하하면서 생성된 응고핵들을 소멸시키지 않으면서 분산시키는 장점이 있다. 도 3에서, 도면부호 1은 주형을 지시하고, 도면부호 7은 냉매를 지시하고, 도면부호 41은 EMC 코일을 지시하고, 도면부호 42는 전자교반장치(EMS)를 지시한다.

주조에서 기계적 교반을 응용한 예를 살펴보면 다음과 같다. Flemings 등은 미국특허 3,902,544에서 비수지상 초정 조직을 포함하는 고상 또는 액상-고상 금속을 제조하는 방법을 제공하는데, 이 방법은 주조하기 전 액상의 금속을 교반하는 과정을 포함하기 때문에 응고 과정에서 조직을 제어하는 데는 한계가 있다.

Nielsen 등은 미국특허 4,315,538에서 동합금봉 연속주조에서 용탕의 온도편차를 줄이기 위해 주형 다이를 회전시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 소경의 봉재 연속주조에서 용탕과 접촉하는 주형 다이를 회전시킴으로써 마찰력도 줄이고 결정입도를 미세하게 하는 데는 유효하지만 대경의 빌렛에서 중심부 편석을 제어하는 방법으로는 부적합하다.

Yu 등은 미국특허 4,709,747에서 알루미늄합금 용탕이 주입되는 주형 내에 스트레이너 타입의 장치를 삽입하여 편석을 줄이는 방법을 제공한다. Chen도 유사한 원리로 알루미나 도가니 바닥에 작은 구멍을 뚫어 스트레이너 역할을 하고, 이를 통과한 마그네슘합금 용탕이 티타늄과 탄소 분말의 성형체를 적실 때 반응이 일어나 마그네슘합금 기지 내에 TiC 입자가 분산되어 있는 복합재료를 얻는 방법으로 편석과 주조결함을 억제한다.

이런 방식으로 용탕을 주입하면 주형 표면과 접하는 외주부뿐만 아니라 중심부에서 스트레이너와 접했던 용탕도 냉각속도가 빨라져 주형 내에서 중심부와 외주부 모두 균일하게 응고핵이 생성되어 균일한 조직으로 응고되는 효과를 얻을 수 있다. 이 방식으로 제조하면 최종 응고되는 중심부에 합금원소나 불순물의 편석이 집중되던 현상이 억제되고 내부에서도 응고핵들이 존재하므로 전체적으로 균일하게 응고되는 효과가 있다.

그러나, 이 방법은 용탕의 양이 많은 경우 또는 연속주조에 적용하게 되면 스트레이너가 계속 가열되는 상황에 놓이게 되므로 시간이 경과하면서 스트레이너의 냉각능이 떨어지게 되어 빌렛 중심부에서의 핵생성 효과를 지속적으로 기대하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.

알루미늄이나 동합금의 경우와 달리 마그네슘합금 용탕에서의 기계적 교반은 발화사고를 방지하기 위한 대기차단 등의 어려움으로 인해 연구가 많지 않다. 또한, 종래의 마그네슘 연속주조에서는 용탕 보존로로부터 대기와 차단된 경로만 다를 뿐 나머지 과정은 알루미늄 빌렛의 연속주조 설비를 차용한 설계가 일반적이다. 그러다 보니 전자기 교반의 효용성이 적고, 합금원소와의 용융점 차이나 비중차로 인한 편석 문제가 있음에도 불구하고 기존 알루미늄 연속주조 방식에서의 전자기 교반방식을 그대로 차용하므로 기계적 교반방식을 적용하거나 교반효과를 개선하기 어려웠다.

이처럼 융점이 비교적 낮은 경합금 빌렛의 주조에서는 고융점 합금 원소의 온도에 따른 고용도 외에 합금원소와의 비중차로 인해 거시적 편석과 미시적 편석이 모두 문제되고 있다. 이런 점에서 알루미늄이나 마그네슘과 같이 자화강도가 약한 경합금은 주조조직의 개선을 위해 전자 교반보다는 기계적 교반이 좋은 대안이 될 수 있다고 여겨지며 이에 관한 여러 연구자들의 다양한 시도가 있다.

예를 들어, Kamado 등은 반용융 상태에서 사출 성형하는 식소몰딩법에 응용하기 위해, Poddar 등은 SiC를 혼합한 복합재료를 레오캐스트(Rheocast)법으로 얻기 위해 각각 AZ91D합금 용탕을 임펠러로 교반하여 얻은 결과를 발표한다. 그러나, 이 방법들은 모두 일반 판상 임펠러로 용탕을 교반하는데 축에 수직인 전단방향으로만 교반되어 용탕의 종방향으로는 교반이 약해 균일성이 낮고, 주형 안에서 용탕을 고상과 용액 공존상태의 낮은 온도로 유지하면서 30분 동안 장시간 회전시켜 교반하는 방법이라 용융점보다 높은 온도에서 신속히 주조하는 연속주조 빌렛에 적용하기에는 무리한 방법이다.

한국등록특허공보 10-0697855를 참조하면, 망간과 알루미늄이 포함된 부원료를 마그네슘 기지 내에 원활하게 고용시키기 위해 작은 바스켓이 설치된 용탕용 교반장치를 제시하고 있다. 바스켓은 원주면을 따라 작은 돌기와 개구가 형성되어 합금 부원료를 장입하여 용탕 내에 삽입하고 구동모터로 회전축을 회전하면 바스켓 내의 부원료들이 용탕과 접하여 용해되면서 교반되는 식이다. 그러나, 이 방법은 용탕에 부원료를 용해하는 동안에만 작동하며 부원료가 용해되면 교반장치를 장탈하므로 주형 외주면부터 응고가 계속되는 동안 망간과 같이 비중이 크고 융점이 높은 원소들이 빌렛의 중심부와 하부로 모이게 되어 상하부 농도차나 중심부 편석은 해결하지 못한다.

한국등록특허공보 10-1264219를 참조하면, 마그네슘합금 제조에서 모합금을 분쇄물 형태로 합금 용융과정에서 투입하고 교반기로 교반하는 방법을 제안하고 있다. 그러나, 교반방법에 대해서는 구체적으로 제시하지 못하고 있고, 상기 방법은 빌렛 주조보다 잉곳 주조를 위한 내용이 주요 특징이다.

또한, 한국등록특허 10-1658921을 참조하면, 마그네슘 합금의 빌렛 주조에서 대경의 빌렛 내부에 발생하는 중심부 편석을 억제하기 위한 방법이 개시되어 있다. 이 방법은, 주형 상부에서 임펠러를 주형 내의 용탕 머쉬존에 삽입하여 교반함으로써 용탕이 응고하는 과정에서 편석을 줄이는 것을 특징으로 한다.

그런데, 이 방법에서는 임펠러가 케이스가 없이 날개만 있는 형태여서 용탕에 주로 전단효과를 일으키게 되어 용탕을 횡방향으로 회전하는 교반효과가 나타나기 때문에, 연속주조 빌렛에서 교반효과를 더 필요로 하는 중심부보다 외주부에서 오히려 교반속도가 커져 중심부와 외주부에서 균일성에 차이가 생길 수 있다. 이를 개선하기 위해 임펠러를 주형 내에 편심으로 설치하는 경우, 충분히 큰 크기의 임펠러를 사용하기 어렵고 교반효과가 극대화되지 못할 우려가 있다.

한국등록특허공보 10-0679313호. 2007. 01. 30 미국특허공보 3,902,544호. 1975. 09. 02 미국특허공보 4,315,538호. 1982. 02. 16 미국특허공보 4,709,747호. 1987. 10. 01 한국등록특허공보 10-0697855호. 2007. 03. 14 한국등록특허공보 10-1264219호. 2013. 05. 08 한국등록특허공보 10-1658921호. 2016. 09. 13

(논문 1) S.N. Samaras and G.N. Haidemenopoulos, Modelling of microsegregation and homogenization of 6061 extrudable Al-alloy, Journal of Materials Processing Technology, 194 (2007), 63-73 (논문 2) Samuel R. Wagstaff and Antine Allanore, Centerline Depletion in Direct-Chill Cast Aluminum Alloys: The Avalanche Effect and Its Consequence for Turbulent Jet Casting, Metallurgical and Materials Transactions B 47, 5, 2016, pp. 3139-4143 (논문 3) Q. Dong et al., Numerical Modeling of Macrosegregation in Round Billet with Different Microsegregation Models, ISIJ International, Vol. 57(2017), No.5, pp. 814-823 (논문 4) Carolyn M. Joseph, Detection of Floating Grains in DC Aluminum Casting, MIT, Thesis, 2017 (논문 5) Wei Qiuet al., Effect of heat treatment on Microstructures and mechanical properties of extruded-rolled AZ31 Mg alloys, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 20(2010), 481-487 (논문 6) S.Y Gao et al., Grain refinement of AZ31 magnesium alloy by electromagnetic stirring under effect of grain-refiner, Bull. Mater. Sci. , Vol. 35, No. 4, 2012, pp.651-655 (논문 7) Kamineni Pitcheswara Rao et al., Hot Deformation Mechanisms in AZ31 Magnesium Alloy Extruded at Different Temperatures: Impact of Texture, Metals 2012, 2, 292-312 (논문 8) Shigeharu Kamado et al., Effects of stirring conditions on? structure and apparent viscosity of semi-solid AZ91D magnesium alloy, 輕金屬, Vol. 42, No. 12, 1992, 734-740 (논문 9) M. Pokorny et al., Prediction of Hot Tear Formation in a Magnesium Alloy Permanent Mold Casting, International Journal of Metalcasting, Fall 2008, 41-53 (논문 10) Liqing Chen et al., Compressive Creep Behavior of TiC/AZ91D Magnesium-matrix Composites with Interpenetrating Networks, J. Mater. Sci. Technol., Vol.23 No.2, 2007, 207-212 (논문 11) P. Poddar et al., The Microstructure and Mechanical Properties of SiC Reinforced Magnesium Based Composites by Rheocasting Process, JMEPEG, (2009) 18, pp. 489-855

본 발명의 출원인은 상기의 문제들을 해결하는 과정에서 응고과정에서 용탕 내에 머쉬존의 응고핵들을 더 균일하게 분산시켜 편석을 감소시키는 것이 가장 효과적인 방안임을 알게 되었다. 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 제거하기 위하여 창출된 것으로서 용탕 내에 머쉬존의 응고핵들을 균일하게 분산시킴으로써 내부 결정립을 미세화하고 합금원소를 균일하게 분포시켜 주조 편석이 감소되도록 하고, 저융점 공정상의 조대화를 억제하여 빌렛의 주조품질을 개선함으로써 압출성을 향상시킬 수 있는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면은, 상부가 개방되어 비중 4 이하의 경합금 용탕이 주입되고, 표면 냉각에 의해 상기 경합금 용탕이 응고되어 빌렛이 되도록 하는 주형; 상기 주형의 상부에 설치되고, 중앙의 관통구와 차폐가스 주입용 배관을 가지는 커버; 및 상기 커버의 관통구에 설치되는 관형의 바디, 상기 바디의 양단부를 관통하여 설치되는 임펠러 축, 상기 임펠러 축에 연결되어 상기 임펠러 축을 구동시키는 모터, 상기 임펠러 축의 하부에 설치되는 임펠러 날개 및 상기 바디의 하부에 상기 임펠러 날개의 상부 및 측면을 커버하도록 설치되는 케이스를 포함하고, 상기 주형의 표면 냉각시 상기 경합금 용탕을 교반하는 임펠러; 를 포함하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치를 제공한다.

본 발명의 다른 측면은, 빌렛주조용 주형에 비중 4 이하인 경합금 용탕을 주입하고, 상기 경합금 용탕이 주입된 빌렛주조용 주형의 표면을 냉각시켜 용탕을 응고시킴으로서 빌렛을 제조하는 경합금 빌렛의 제조장치에 있어서, 상기 빌렛주조용 주형의 상부에는 임펠러 설치용 관통구가 중앙에 형성되고 차폐가스를 주입하도록 된 가스배관이 구비된 커버가 설치되어 있으며, 상기 주형 표면을 냉각하는 중에 상기 커버의 관통구를 통하여 설치된 임펠러로 합금 용탕을 교반하는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 임펠러의 바디는, 외면이 상기 커버의 관통구의 내경에 내접하고, 상기 주형의 내경의 1/5 내지 2/3의 직경을 가질 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 임펠러의 바디는, 상기 커버의 관통구에 분리 가능하게 설치되고, 상기 주형 내의 머쉬존에서 상기 경합금 용탕이 응고되는 속도에 맞춰 상하로 이동되어 상기 경합금 용탕을 횡방향 및 종방향으로 교반시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 경합금 용탕이 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 케이스는, 하면이 상기 경합금 용탕이 유입되도록 개방되고, 상기 경합금 용탕이 분출되도록 복수의 구멍을 가질 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 구멍의 형상은 원형, 다각형, 타원형, 좁고 긴 장방형, 비대칭 다각형, 비대칭 원형 중의 하나이며 이들 형상의 기준선이 기울어지거나 모서리를 둥글게 가공한 것일 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 구멍의 총 면적이 상기 케이스의 표면적에 대해 5 내지 50%일 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 임펠러의 임펠러 날개 및 케이스가 돔형, 원통형, 원뿔형 및 종형 중 어느 하나의 형상을 이루도록 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 임펠러 날개가 2 내지 20개의 임펠러 날개를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 임펠러 날개가 상기 임펠러 축에 기울기 또는 곡률을 갖도록 설치될 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 커버가, 상기 주형의 내경에 내접하여 고정되는 고정턱을 가지도록 중앙에 공간부가 형성되는 고정커버; 및 상기 고정커버의 중앙의 공간부의 내경에 내접하여 고정되도록 탈착턱을 가지며, 중앙에 관통구가 형성되는 탈착커버; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 주형이 연속주조 방식의 구조이고, 상기 주형 주변에 설치되는 전자기 교반장치를 더 포함하고, 상기 커버는 상부에 턴디쉬 노즐이 삽입되도록 용탕주입구가 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 경합금은 비중이 4 이하인 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 또는 이들의 합금이며, 상기 주형 표면의 냉각은 빌렛의 표면온도가 350℃이하로 냉각되도록 냉매를 상기 주형 표면에 15~70도 각도로 분사하여 250~900℃/분, 바람직하게는 300~600℃/분의 속도로 냉각할 수 있다.

본 발명의 압출용 경합금 빌렛의 제조장치에 따르면, 주형을 냉각하는 중에 합금 용탕을 기계적 교반에 의해 행하되, 기계적 교반을 머쉬존 영역에서 효과적으로 행하여 줌으로서 비중이 4 보다 큰 망가니즈, 구리, 이트륨, 란타넘, 아연이나 카드뮴과 같은 합금 원소들을 균일 분산시키는 것이 가능하고, 이에 따라 저온공정상의 편석이 줄어들고 결정립이 미세한 빌렛의 제조가 가능하여 기존의 방식에 의해 제조된 경합금 빌렛에 비해 소성가공성이 우수하여 압출이 용이하고, 품질의 균일성이 우수한 경합금 빌렛을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 중력주조법으로 제조하여 내부편석에 의해 결함이 나타난 빌렛을 나타낸 사진이다.
도 2는 종래 직접 냉각(Direct Chilled) 연속주조로 제조한 빌렛의 중심부 균열을 나타낸 사진이다.
도 3은 종래의 전자교반을 이용한 연속주조 방식의 빌렛주조용 주형을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압출용 경합금 빌렛의 제조장치의 임펠러를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압출용 경합금 빌렛의 제조장치에서 임펠러와 커버의 결합구조를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 교반방법으로 연속주조에서 기계적 교반을 적용한 것을 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 교반방법으로 연속주조에서 전자기 교반과 기계적 교반을 병용한 것을 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 교반방법을 중력주조 주형에 적용한 것을 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압출용 경합금 빌렛의 제조장치에 적용되는 조립식 커버의 일 예를 도시한 평면도 및 단면도이다.

본 발명은 비중 4 이하의 경합금 빌렛을 주조하는데 있어서, 주형 내의 용탕 하부 중앙에 형성되는 머쉬존의 응고핵들을 균일하게 분산시킴으로써 내부 결정립 미세화와 합금원소의 균일분포로 주조 편석을 줄이며, 저융점 공정상의 조대화를 억제하여 빌렛의 주조품질을 개선함으로써 압출성을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에서 제공하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치는 연속주조방식과 중력주조방식을 모두 포함할 수 있다.

본 발명의 압출용 경합금 빌렛의 제조장치는, 주형, 커버 및 임펠러를 포함한다. 상기 주형은, 비중 4 이하의 경합금 용탕이 주입되고, 표면 냉각에 의해 상기 경합금 용탕이 응고되어 빌렛이 되도록 하는 역할을 한다. 상기 커버는, 상기 주형 상부에 설치되고, 중앙의 관통구와 차폐가스 주입용 가스배관을 가진다. 상기 임펠러는, 상기 커버의 관통구를 통해 설치되고, 상기 주형의 표면 냉각시 상기 경합금 용탕을 교반하는 역할을 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시 예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압출용 경합금 빌렛의 제조장치의 임펠러를 도시한 개념도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압출용 경합금 빌렛의 제조장치에서 임펠러와 커버의 결합구조를 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제1 교반방법으로 연속주조에서 기계적 교반을 적용한 것을 개념적으로 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제2 교반방법으로 연속주조에서 전자기 교반과 기계적 교반을 병용한 것을 개념적으로 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제1 교반방법으로 중력주조 주형에 적용한 것을 개념적으로 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압출용 경합금 빌렛의 제조장치에서 조립식 주형 커버의 일 예를 도시한 평면도 및 단면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 실시 예의 압출용 경합금 빌렛의 제조장치는 주형(1), 주형(1)의 상부에 설치되는 커버(3) 및 임펠러(20)를 포함한다.

주형(1)은 상부가 개방되어 비중 4 이하의 경합금 용탕이 주입되는 것이며, 표면 냉각에 의해 상기 경합금 용탕이 응고되어 빌렛이 되도록 하는 역할을 한다. 이때, 상기 경합금 용탕은 바람직하게는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

커버(3)는 중앙에 임펠러(20)가 설치되도록 관통구(55)가 형성되고, 차폐가스 주입용 배관(4)을 가진다. 이때, 주형(1)의 상부에 커버(3)를 설치하는 이유는 커버(3)에 의지하여 임펠러(20)를 안정적으로 설치할 수 있고, 경합금 용탕을 대기로부터 효율적으로 차단하여 작업의 안전성을 극대화할 수 있기 때문이다.

임펠러(20)는, 관형의 바디(25), 임펠러 축(21), 임펠러 축(21)의 상단과 연결되도록 설치되어 임펠러 축(21)을 구동시키는 모터(M), 임펠러 날개(22) 및 케이스(23)를 포함한다.

바디(25)는 커버(3)의 관통구(55)에 설치되고, 양단부가 개방된 통로(25a)를 가진다. 이때, 바디(25)는 커버(3)의 관통구(55)의 내경에 내접할 수 있고, 바디(25)의 직경은 주형(1) 즉 빌렛 직경의 1/5 내지 2/3일 수 있다. 바디(25)의 직경이 빌렛 직경의 2/3을 초과하면 부하로 인해 대형모터를 요구할 수 있고, 바디(25)의 직경이 빌렛 직경의 1/5 미만이면 교반효과가 미미하여 편석방지에 부적합하므로, 바디(25)의 직경은 상기 수치범위로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 바디(25)는 스테인레스강이나 내열강으로 이루어질 수 있으며, 다만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 바디(25)는 철강이 아닌 세라믹재료 또는 복합재료를 사용하거나 또는 철강에 다른 재료를 증착, 도금, 침투하거나 또는 용사코팅하는 것도 본 발명의 범주에 포함될 수 있다. 그리고, 임펠러 축(21), 임펠러 날개(22), 케이스(23) 및 후술하는 조임너트(24)는 바디(25)와 같은 재료로 이루어질 수 있다.

임펠러 축(21)은 바디(25)의 통로(25a)에 양단부를 관통하도록 설치된다. 또한, 임펠러 축(21)은 교반장치로서 모터(M)의 구동에 의해 회전하며, 이때 임펠러 축(21)의 회전속도는 빌렛의 응고속도에 맞춰 가변될 수 있도록 구성될 수 있다.

또한, 임펠러 축(21)은 안정적으로 회전될 수 있도록 임펠러 베어링(551)에 의해 지지되는 구조일 수 있다. 임펠러 베어링(551)은 바디(25)와 임펠러 축(21) 사이에 적어도 한 곳 이상 설치될 수 있고, 예컨대 볼 베어링, 롤러 베어링 및 저널 베어링일 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 동일한 효과를 제공한다면 반드시 베어링이 아니어도 된다. 예를 들어, 필요시 바디(25)에 턱(미도시)을 형성하여 저널 베어링 역할을 대신하는 구조로 구성할 수도 있다.

임펠러 날개(22)는 바디(25)의 하부에 임펠러 축(21)의 하부와 결합되도록 설치된다. 이때, 임펠러 날개(22)의 숫자는 바람직하게 2개 이상 20개 이하로 구성될 수 있고, 더 바람직하게는 3개 이상 8개 이하의 숫자로 이루어질 수 있다. 임펠러 날개(22)가 1개이면 임펠러 날개(22)가 균형을 이루지 못하고 용탕의 유입이 원활하게 이루어지지 않게 되며, 임펠러 날개(22)가 20개를 초과하면 효과 대비 임펠러(20) 제작비가 지나치게 상승되는 문제가 있다.

또한, 임펠러 날개(22)는 임펠러 축(21)에 수직으로 설치될 수 있으며, 다른 예로서 임펠러 축(21)에 기울기 또는 곡률을 갖도록 설치될 수 있다. 임펠러 날개(22)가 수직이로 설치되던 기울기나 곡률을 부여하여 설치되던 임펠러 날개(22)가 회전하면 원심력에 의해 케이스(23)에 형성된 구멍(23a)들을 통해 용탕이 분출되고 케이스(23) 아래 개방구(23b)에는 압력이 낮아지게 되어 아래에 있는 용탕이 저절로 유입되는 흐름이 형성된다. 이때, 임펠러 날개(22)가 임펠러 축(21)에 기울기나 곡률을 갖도록 설치되면 용탕의 분출과 유입이 더 용이해질 수 있다.

케이스(23)는 바디(25)의 하부에 임펠러 바디(25)의 하부와 결합되도록 설치되어 임펠러 날개(22)의 상부 및 측면을 커버하도록 한다. 또한, 케이스(23)는 하면이 상기 경합금 용탕이 유입되도록 개방되고, 상부와 측면에는 상기 경합금 용탕이 분출될 수 있도록 복수의 구멍(23a)이 형성될 수 있다.

이때, 케이스(23)에 형성되는 복수의 구멍(23a)은 배열, 형상 및 크기에 구애 받지 않으며 용탕이 통과하는데 장애가 없으면 효과는 거의 동등할 수 있다. 단지 구멍의 크기가 지나치게 크면 용탕 내 덴드라이트 분쇄효과가 감소하고, 지나치게 작으면 용탕 흐름이 원활하게 형성되기 어려우므로 적절한 조절이 필요할 수 있다.

본 실시 예에서는 임펠러(20)의 케이스(23)의 표면적에 대한 구멍(23a)들의 총 면적(면적 합)이 바람직하게 5% 이상 50% 이하일 수 있다. 구멍(23a)들의 총 면적이 5% 미만이면 용탕의 분출이 원활하지 못하면서 임펠러(20)에 부하가 걸릴 수 있고, 50%를 초과하면 임펠러(20)의 임펠러 축(21)을 고속회전 시키지 않는 경우 용탕에 교반효과가 나타나지 않는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 본 실시 예에서, 임펠러(20)의 케이스(23)와 임펠러 날개(22)의 형상은 돔형, 원통형, 원뿔형 및 종형 중 어느 하나의 형상을 이루도록 형성될 수 있으며, 다만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도면부호 24는 임펠러 날개(22)의 분리를 방지하기 위해 임펠러 축(21)의 하단에 결합되는 조임너트(24)를 나타낸다. 이때, 임펠러 날개(22)가 임펠러 축(21)에 일체식으로 고정된다면 조임너트(24)는 필요하지 않을 수 있다.

이와 같이 본 실시 예의 임펠러(20)는 커버(3)에 구비된 관통구(55)에 바디(25)가 관통되도록 결합되고, 바디(25)의 하부에 임펠러 케이스(23)와 임펠러 날개(22)를 달고 조임너트(24)로 고정하는 구조일 수 있다.

임펠러(20)는 주형(1)의 중심부에 마련되는 머쉬존(8)에 위치하고, 임펠러 축(21)이 회전하면서 머쉬존(8)으로부터 점선으로 도시된 부분을 케이스(23) 내로 흡입하여 케이스(23)에 형성된 복수의 구멍(23a)을 통해 분출하는데, 이러한 용탕의 교반과정에서 머쉬존 내에 형성되던 덴드라이트 아암들은 분쇄되어 작은 응고핵으로 작용하므로 결정립의 미세화와 편석 억제 효과를 나타낼 수 있다.

도 7을 더 참조하면, 본 실시 예에서는 주형(1)의 표면을 냉각하여 빌렛(2)을 주조할 때, 주형(1) 외부에 냉각 자켓(11)을 설치하여 주형을 통과하는 경합금 빌렛의 표면온도가 350℃이하로 냉각될 때까지 냉각 자켓(11) 내에 냉매(물, 수용성 폴리머, 열매체유, 질소, 아르곤, 공기, 증기와 같은 유체 또는 이들의 혼합물)를 순환시키거나, 주형(1)과 빌렛(2)의 표면에 냉매(7)를 15∼70° 각도로 접하도록 분사하여 250∼900℃/분의 냉각속도로 조절할 수 있다.

이렇게 냉매분사 각도를 정하는 이유는 15°미만에서는 냉매 중 일부가 분사되면서 주형과 빌렛 표면에 접하지 않을 우려가 있으며, 70°를 초과하면 주형과 빌렛 표면에 맞고 튀어나오는 냉매입자들이 냉매의 원활한 흐름을 방해하여 주형과 빌렛 표면이 빠르고 균일하게 냉각될 수 없기 때문이다.

또한, 냉각속도를 조절하는 이유는 만약 250℃/분 보다 냉각속도가 낮으면 응고 중에 빌렛 중심부에 편석부가 잔류하여 고온에서 압출품의 소성가공성을 불균일하게 하고 불량이 발생하는 원인이 될 수 있으며, 냉각속도가 900℃/분 보다 빠르면 빌렛 표면에 셸의 두께가 지나치게 증가하여 절삭양이 늘어나고 표면에 수축응력으로 인한 균열이 생길 수 있기 때문이다.

직경 100mm 이상의 상용 사이즈인 경합금 빌렛을 제조하는 경우 냉각속도는 250~900℃/분, 바람직하게는 300~600℃/분의 속도로 냉각하는 것이 중심부 편석이나 표면균열 없이 치밀하게 조직이 형성될 수 있다.

한편, 본 실시 예의 임펠러(20)는 필요에 의해 바디(25)가 커버(3)에 고정되지 않고 커버(3)와 분리되어 관통구(55)를 통해 바디(25)가 상하로 움직이며 이동할 수 있도록 설치될 수 있다. 이때, 커버(3)에는 필요시 관통구(55)가 위치하는 곳에 턱(미도시)을 형성하여 임펠러(20)가 안정적으로 상하 이동하도록 할 수 있다.

이 구조에 따르면, 빌렛의 응고속도에 맞춰 머쉬존(8)의 위치에 따라 임펠러(20)를 이동시킴으로써 경합금 용탕을 횡방향 및 종방향으로 교반시켜 응고핵들이 균일하게 분산되는 것을 촉진할 수 있고 더불어 빌렛의 주조품질을 더욱 균일하게 만들 수 있다.

본 실시 예의 주형은 연속주조구조 방식 또는 중력주조구조 방식을 사용할 수 있다.

이 중 연속주조 방식의 경우, 도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, 임펠러(20)를 설치하기 위해 커버(3)에 형성되는 관통구(55)가 중앙에 설치되고, 한쪽으로 치우쳐 턴디쉬와 연결되는 용탕 주입구(5)와 가스주입구가 더 설치될 수 있다. 이때, 이들의 위치나 주입 각도를 바꾸어도 효과에는 큰 차이가 없다.

이러한 연속주조 방식은, 주형(1) 상부에 커버(3)를 씌우고, 주형(1) 하부에 더미블록(6)을 설치하여 주조 준비를 한 다음, 커버(3)의 차폐가스 주입용 배관(4)으로 차폐가스를 주입하면서, 별도의 용해로에서 제조된 경합금 용탕을 커버(3)에 형성된 용탕주입구(5)를 통하여 주형(1) 내부로 주입하고, 주형(1)으로 주입된 용탕은 주형(1)의 표면에 분사되는 냉매(7)에 의해 냉각되면서 빌렛(2)으로 응고되며, 응고된 빌렛은 주형(1) 하부에 설치된 더미블록(6)에 의해 주형(1)으로부터 추출되면서 연속적으로 주조되는 것이다.

이때, 경합금 용탕이 마그네슘과 같은 발화성의 용탕인 경우, 주입되는 주형(1)에는 대기와 차단하기 위한 차단수단이 필요한데, 본 실시 예에서 차단수단은 예컨대 1차 차단수단으로 커버(3)와 같은 밀폐장치가 사용될 수 있고, 2차 차단수단으로 차폐가스가 사용될 수 있다.

상기 차단가스는 예를 들어 SF6, Novec 612, HFC-125, HFC-134, SO₂, N₂, Ar 또는 CO₂를 혼합하거나 단독으로 사용할 수 있다. 이러한 차단가스 분위기에서 대기와 차단된 상태로 마그네슘합금 용탕이 주입되고, 주입된 용탕의 교반은 냉각되는 과정에서 생성되는 용탕 중앙부의 머쉬존(8) 구간에 커버(3)의 관통구(55)를 통하여 설치된 임펠러(20)를 위치시킨 후 모터(M)를 구동하여 이루어지게 된다.

그리고, 중력주조 방식으로 주조하는 경우, 도 8에 나타난 바와 같이, 커버(3)는 관통구(55)가 중앙에 형성되고 필요시 용탕 주입구(5)나 차폐가스 주입용 배관(4)과 같은 다른 유입구를 주변에 설치할 수 있다. 이때, 이들의 위치나 주입 각도를 바꾸어도 효과에는 큰 차이가 없다.

용해로 내에 도가니 주형(1')을 위치시켜 도가니 주형(1')에 마그네슘 지금과 합금원소들을 투입하여 합금용탕을 제조한 후, 합금 용탕이 들어 있는 도가니 주형(1')의 상부에 커버(3)를 씌운다. 다음으로 도가니 주형(1')을 용해로로부터 인출하여 냉각조(31)로 이동하여 주형 받침대(32)에 안치시킨 후, 도가니 주형(1')에 냉매를 분사하여 합금 용탕을 냉각시켜 빌렛을 제조한다.

이때, 냉각조(31)는 순환 펌프(33), 냉매분사노즐(34) 및 받침대(32)를 포함하고, 냉각조(31) 하부의 냉매를 펌프(33)로 끌어올려 냉매분사노즐(34)을 통하여 도가니 주형(1')에 분사시키는 과정을 통하여 냉매가 순환되면서 도가니 주형(1')을 냉각시키게 된다.

또한, 합금 용탕은 커버(3)에 형성된 차폐가스 주입용 배관(4)을 통하여 주입되는 차폐가스에 의해 대기와 차단되고, 대기와 차단된 용탕은 냉각되면서 머쉬존 구간이 형성되고, 이 머쉬존 구간에 커버(3)에 형성된 관통구를 통하여 설치된 임펠러가 위치하여 모터의 구동에 의해 기계적으로 교반을 행하게 된다. 이때, 교반된 용탕이 하부에서 응고되면서 빌렛으로 제조되고, 이에 따라 머쉬존 구간도 상승하므로 응고속도에 따라 임펠러를 상승시키면서 교반을 하게 된다.

한편, 도 9를 참조하면, 본 실시 예의 커버(3)는 조립식 커버일 수 있다.

조립식 커버는 고정커버(12)와 탈착커버(13)를 포함한다. 탈착커버(13)는 아랫면에 탈착턱(16)을 가져 고정커버(12)의 내접원에 고정될 수 있고, 임펠러(20)의 바디(25)가 통과하기에 충분한 직경의 관통구(55)를 가질 수 있다. 또한, 탈착커버(13)는 관통구(55)를 중심으로 이분할되어 분할과 탈착이 가능하도록 설치되고, 이때 관통구(55)는 임펠러(20의 바디(25)가 통과할 정도의 내경을 가진다. 탈착커버(13)는 하면에 탈착턱(16)이 형성되어 고정커버(12)에 고정될 수 있고 필요시 분할면에 다우얼과 핀, 또는 서로 결합되는 요철을 형성하여 이탈이나 분리가 방지되도록 할 수 있다. 연속주조에서는 탈착커버(13)에 추가로 용탕주입구(5)를 형성하여 턴디쉬 노즐을 삽입하여 용탕을 주입할 수 있다.

고정커버(12)는 아랫면에 고정턱(15)을 가져 주형(1)의 내접원에 고정할 수 있으며, 중앙부는 탈착커버(13)를 고정시킬 수 있는 공간부가 마련될 수 있다.

한편, 도 8에서와 같이, 중력주조 방식에서 도가니 주형을 활용하는 경우라면 임펠러 설치용 관통구 외에 용탕주입구가 별도로 필요하지 않을 수 있으므로, 이때 커버는 일체식 한 조 만으로 구성될 수 있다. 또한 연속주조 주형에서도 임펠러를 수시로 장탈할 필요가 없는 경우에는 도 5 내지 도 7에서와 같이 일체식 커버를 사용할 수 있다.

본 발명에서는 도 5에 도시한 간단한 교반장치로 도 6과 같이 기계적 교반만을 행하는 제1 교반방법에 의해 편석을 줄이고 균일한 조직을 얻어 빌렛 주조 품질을 향상시킬 수 있지만, 합금원소가 첨가되는 경우에는 합금원소에 의한 자화강도 증가로 전자기 교반 효과를 추가로 기대할 수 있다. 이런 경우 도 7에 나타난 바와 같이, 주형 주변에 1000A 이하의 저출력 EMC 코일을 설치하여 기계적 교반과 함께 동시에 전자기 교반을 실시하는 제2 교반방법을 적용할 수 있다. 이 경우에는 EMC 코일의 출력을 조절함으로써 용탕온도와 빌렛 응고속도를 조절하여 빌렛 주조품질을 향상시킬 수 있다.

이하, 마그네슘 합금 빌렛을 제조하는 실시예 1을 통해 본 발명을 설명한다.

엘리베이터식 전기용해로에서 평균직경 180mm, 길이 700mm인 스테인리스강 도가니에 마그네슘 지금을 넣고 도 9의 조립식 커버로 덮은 상태에서 Ar 가스에 SF6 가스가 부피비로 2∼3% 혼합된 가스를 주입하여 대기로부터 차폐시킨 분위기에서 가열하여 용해시킨다.

마그네슘 용탕이 조성되면 용해로 온도를 700∼750℃로 유지하여 아연지금과 같은 저융점 합금 원소를 투입하고, 저융점 합금재료가 모두 녹으면 용탕온도를 상승하여 750∼850℃로 유지하면서, 무게비로 이트륨 25% 농도인 이트륨 모합금과 망가니즈 모합금 같은 고융점 합금 원료를 투입하여 충분히 용해되도록 유지한다.

이후, 용해로 조립식 커버를 차폐 가스로 용탕을 보호하면서 임펠러가 장착된 일체식 커버로 교체하여 150∼200rpm 회전속도로 용탕을 약 5초간 교반한다. 이때, 일체식 커버는 도 8과 같이 스테인리스 강으로 된 축에 직경 75mm, 길이 60mm인 임펠러 날개 4개를 조립한 임펠러를 조립하고 바디에는 케이스를 장착하였다.

용탕의 교반이 끝나면 도가니를 엘리베이터로 인출하여 도 8과 같이 냉각조에 장입하였다. 냉각조에 장착한 후 냉각수를 도가니 표면에 대해 15∼70° 각도로 분사하면서 250~900℃/min, 바람직하게는 300∼600℃/min의 냉각속도로 도가니 표면을 냉각하는 중에 적외선 온도계로 도가니 표면 온도를 측정하여 머쉬존 온도구역인 500∼650℃에 도달하면 임펠러를 아래로부터 위로 약 10~15초 동안 천천히 이동하면서 용탕을 교반하고 다시 조립식 커버로 교체한다.

냉각 중에 도가니 표면 온도가 200℃ 이하에 도달하면 도가니를 추출하여 공냉하고 상온까지 냉각된 후, 빌렛을 추출하여 열처리로에서 380℃의 온도로 3시간 가열한다.

표 2는 이와 같은 공정에 의해 제조된 빌렛의 성분조성을 나타내고, 종래기술로 제조된 빌렛의 중심부 조성은 표 2에서 보듯 1번 빌렛은 상하부의 성분차이 합이 0.17%, 2번 빌렛은 0.20%에 그쳐 균일한 조성으로 빌렛이 제조되었음을 보여주고 있으며, 이와 같이 본 발명으로 제조된 빌렛의 중심부 주조조직이 종래 기술로 제조된 빌렛 중심부 조직보다 균일하여 편석이 적은 조직임을 확인할 수 있다.

	성분원소	1번 빌렛	2번 빌렛
상부	아연(%)	3.87	4.12
상부	이트륨(%)	0.92	1.02
하부	아연(%)	3.75	4.03
하부	이트륨(%)	0.97	1.13

이와 같이, 본 발명의 압출용 경합금 빌렛의 제조장치에 의해 제조된 빌렛은 기계적 교반에 의해 비중이 큰 원소들의 균일 분포가 가능하고, 이에 따라 미세 고온석출물의 균일 분산이 이루어져 가공경화성과 소성가공성이 우수하여 압출용으로 사용시 우수한 성능을 나타내는 것이다.

본 발명에서 주형을 냉각시키어서 용탕을 응고시키는 과정 중 용탕을 교반하는데 있어서, 특히 용탕 내에서도 고상과 액상이 공존하는 영역인 머쉬존(mush zone) 구간을 임펠러와 같은 기계적 수단으로 교반을 실시한다.

이는, 냉각 중에 생성되는 석출물이 존재하는 머쉬존 구간을 교반하면 고상인 응고핵이 균일하게 용탕 중에 혼합되어 결정립이 미세해지는 것은 물론, 냉각 중에 생성되는 고융점 석출물을 균일하게 분산시키는 것이 가능하여 고용체 내부에 치환형 격자결함을 만들어 적층결함, 쌍정과 부분전위가 쉽게 생성되게 하여 슬립시스템을 증가시킴으로써 소성 가공성이 우수한 빌렛의 제조가 가능하기 때문이다.

또한, 마그네슘합금과 같이 자화가 약한 용탕에서는 이러한 교반의 효과, 즉 석출물의 미세 분산을 극대화시키는 것은 주형 외부에서 자장으로 교반하는 전자교반 방식으로는 기대할 수 없기 때문이다.

따라서, 자화가 약한 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등의 경합금 빌렛 제조에서는 기계적 수단만이 정확하게 머쉬존 구간을 교반하는 것이 가능하여 냉각 중에 생성되는 석출물의 균일한 분산효과를 극대화시킬 수 있으며, 특히 본 실시 예의 임펠러는 용탕을 종래기술과 같이 횡방향으로만 교반하는 것이 아니라 종방향으로도 교반하여 편석에 의해 중심부에 조대한 석출물이 형성되는 것을 억제하므로 빌렛 주조품질의 균일성을 극대화할 수 있다.

이와 같은 교반에 의해 생성된 응고핵들이 고르게 분산되면 빌렛 표면으로부터 내부의 응고속도가 빨라져 결정립이 미세하게 되며 편석도 줄어드는 효과가 있고, 이에 따라 빌렛의 응고에 소요되는 시간이 단축되는 효과를 기대할 수 있다.

특히 마그네슘합금에서는 이트륨이나 희토류 원소를 합금하면 고온 석출물이 형성되므로 머쉬존 구간이 줄어들어 응고속도가 빨라지고 높은 온도에서 빌렛을 추출할 수 있어 주조속도를 높임으로써 생산성이 증가하며, 후 공정에서 합금원소의 균일 확산을 위한 확산열처리와 유지시간을 줄일 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에서 임펠러로 행하는 기계적 교반은 주형 커버를 관통하여 용탕에 삽입하고, 빌렛 주조품의 내부 머쉬존에서 임펠러에 의해 용탕이 횡방향 뿐만 아니라 종방향으로도 이동하기 때문에 응고핵의 분산이 균일해지는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

1 : 주형 2 : 빌렛
3 : 커버 4 : 차폐가스 주입용 배관
5 : 용탕주입구 6 : 더미블록
7 : 냉매 8 : 머쉬존
11 : 냉각 자켓 12 : 고정커버
13 : 탈착커버 15 : 고정턱
16 : 탈착턱 20 : 임펠러
21 : 임펠러 축 22 : 임펠러 날개
23 : 케이스 24 : 조임너트
25 : 바디 25a : 통로
31 : 냉각조 32 : 받침대
41 : EMC 코일 55 : 관통구
551 : 베어링

Claims

상부가 개방되어 비중 4 이하의 경합금 용탕이 주입되고, 표면 냉각에 의해 상기 경합금 용탕이 응고되어 빌렛이 되도록 하는 주형;
상기 주형의 상부에 설치되고, 중앙의 관통구와 차폐가스 주입용 배관을 가지는 커버; 및
상기 커버의 관통구에 설치되는 관형의 바디, 상기 바디의 양단부를 관통하여 설치되는 임펠러 축, 상기 임펠러 축에 연결되어 상기 임펠러 축을 구동시키는 모터, 상기 임펠러 축의 하부에 설치되는 임펠러 날개 및 상기 바디의 하부에 상기 임펠러 날개의 상부 및 측면을 커버하도록 설치되는 케이스를 구비하고, 상기 주형의 표면 냉각시 상기 경합금 용탕을 교반하는 임펠러; 를 포함하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
빌렛주조용 주형에 비중 4 이하인 경합금 용탕을 주입하고, 상기 경합금 용탕이 주입된 빌렛주조용 주형의 표면을 냉각시켜 용탕을 응고시킴으로서 빌렛을 제조하는 경합금 빌렛의 제조장치에 있어서,
상기 빌렛주조용 주형의 상부에는 임펠러 설치용 관통구가 중앙에 형성되고 차폐가스를 주입하도록 된 가스배관이 구비된 커버가 설치되어 있으며, 상기 주형 표면을 냉각하는 중에 상기 커버의 관통구를 통하여 설치된 임펠러로 합금 용탕을 교반하는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 임펠러의 바디는, 외면이 상기 커버의 관통구의 내경에 내접하고, 상기 주형의 내경의 1/5 내지 2/3의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 임펠러의 바디는, 상기 커버의 관통구에 분리 가능하게 설치되고, 상기 주형 내의 머쉬존에서 상기 경합금 용탕이 응고되는 속도에 맞춰 상하로 이동되어 상기 경합금 용탕을 횡방향 및 종방향으로 교반시키는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 경합금 용탕이 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 케이스는, 하면이 상기 경합금 용탕이 유입되도록 개방되고, 상기 경합금 용탕이 분출되도록 복수의 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제6항에 있어서, 상기 구멍의 형상은 원형, 다각형, 타원형, 좁고 긴 장방형, 비대칭 다각형, 비대칭 원형 중의 하나이며 이들 형상의 기준선이 기울어지거나 모서리를 둥글게 가공한 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제6항에 있어서, 상기 구멍의 총 면적이 상기 케이스의 표면적에 대해 5 내지 50%인 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 임펠러의 임펠러 날개 및 케이스가 돔형, 원통형, 원뿔형 및 종형 중 어느 하나의 형상을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 임펠러 날개가 2 내지 20개의 임펠러 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 임펠러 날개가 상기 임펠러 축에 기울기 또는 곡률을 갖도록 설치되는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커버가, 상기 주형의 내경에 내접하여 고정되는 고정턱을 가지도록 중앙에 공간부가 형성되는 고정커버; 및 상기 고정커버의 중앙의 공간부의 내경에 내접하여 고정되도록 탈착턱을 가지며, 중앙에 관통구가 형성되는 탈착커버; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주형이 연속주조 방식의 구조이고,상기 주형 주변에 설치되는 전자기 교반장치를 더 포함하고, 상기 커버는 상부에 턴디쉬 노즐이 삽입되도록 용탕주입구가 형성되는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.
제4항에 있어서, 상기 경합금은 비중이 4 이하인 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 또는 이들의 합금이며, 상기 주형 표면의 냉각은 빌렛의 표면온도가 350℃이하로 냉각되도록 냉매를 상기 주형 표면에 15~70도 각도로 분사하여 250~900℃/분의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 압출용 경합금 빌렛의 제조장치.