KR870000185B1 - 요변성물질의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

요변성물질의 제조방법

본 발명은 요변성 물질(thixotropic material)의 제조방법에 관한 것이다.

초정 고체보다 융점이 낮고 초정 고체와 다른 금속 조성을 갖는 제 2상중에 균일하게 현탁된 축중 수지상(縮重樹枝狀) 초정 고체 입자를 함유하는 금속 조성물을 형성시키는 것에 관하여 여러가지 방법이 알려져 있다. 이러한 요변성 합금에 있어서, 제2상 및 초정 고체 입자는 둘다 동일한 합금 조성물로 부터 유도된다.

이와 같은 방법에서, 금속 합금은 금속 합금의 액화 온도 이상의 온도로 가열한 다음, 액체 금속 합금을 교반대역 및 냉각대역으로 통과시킨다. 액체 합금은 격렬하게 교반되는데, 그 이유는 금속내에서 서로 연결된 수지상 망상의 형성과 개개의 불균일한 축중 수지상 정(덴드라이트정) 또는 노듈(nodule)을 함유하는 초정 고체의 형성을 방지하기 위해 금속 합금의 일부를 냉각하여 고화시키기 위함이다. 주변의 축중 수지상정(degenerate dendrite) 또는 노듈은 잔류하는 미고화된 액체 합금이다. 그후 이 액체-고체 금속 합금 조성물은 교반대역으로 부터 제거한다. 이러한 액체 및 고체의 혼합물은 통상적으로 요변성 합금으로 불리운다. 상술한 방법의 예는 엠. 씨. 플레밍스 등의 1975년 9월 2일자 미합중국 특허 제3,902,544호에 개시되어 있다.

로버트 메라비안 등의 1976년 2월 3일자 미합중국 특허 제3,936,298호에는 요변성 금속 조성물, 이 액체-고체 합금 금속 조성물의 제조방법 및 이 금속 조성물의 주조 방법이 기술되어 있다. 이 특허에는 제3성분을 갖는 복합 조성물이 기술되어 있다. 이들 조성물은 금속 조성물의 대부분 또는 전부가 액체 상태가 되는 온도로 금속 합금을 가열한 다음, 조성물내의 모든 고체 입자가 거의 타원형태를 갖는 축중 수지상 정 또는 노듈로 전환되도록 금속을 격렬히 교반하면서 냉각시키는 냉각대역으로 액체 금속을 공급함으로써 형성된다. 교반은 금속 조성물이 모두 액체이거나 금속의 일부가 고체일때 시작할 수 있다. 그러나 고체의 수지상 망상 조직의 형성을 촉진하는 양보다 적은 양의 고체를 함유한다.

본 발명에서 제조된 요변성 금속의 형태는 미합중국 특허 제3,902,544호 및 미합중국 특허 제3,936,298호에 기술되어 있다. 그러나, 본 발명에 따른 합금의 제조방법은 상술한 두 특허에 기술된 방법과는 전혀 다르다.

본 발명은 금속을 액체 상태로부터 교반하지 않고 냉동할 때, 수지상 구조를 형성하는 물질로부터 액체-고체 금속 조성물을 형성시키는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 비요변성 구조를 가진 고체를 스크류 압출기에 공급하고, 물질을 공급대역을 통해서 가열 대역내로 통과시키고, 물질을 그의 액화온도 이상의 온도로 가열하고, 형성되는 수지상 구조의 적어도 일부분을 파괴하기에 충분한 전단력을 받게하면서 상기 물질을 그의 액화온도 이하의 온도로 냉각한 다음, 상기 압출기로부터 상기 물질을 제기하는 것을 포함하고 있다. 이러한 처리를 함으로써 개개의 불균일한 축중 수지상 입자 또는 노듈을 갖는 액체-고체 조성물이 생성된다. 이들 입자는 액체-고체 물질 조성물의 약 65중량%까지 함유할 수 있다. 본 발명에 의해 제조된 요변성 물질은 사출 성형방법, 단조방법(forging process) 또는 다이 주조 방법에서 사용될 수 있다.

요변성 상태에서, 상기 물질은 초정 고체(primary solid, 初晶固體)로써 불리우는 다수의 고체 입자로 구성되어 있으며, 또한 제2물질도 함유한다. 이들 온도에서 제2물질은 초정 고체를 둘러싸는 액체 물질이다. 이들 두 물질을 결합시키면 요변성 물질이 된다.

금속 합금을 그의 액화온도 이하의 온도로 냉각할때 액상 금속 합금을 격렬하게 교반시킴으로써 요변성 형태의 금속 합금을 제조할 수 있다는 것은 이 기술분야에 알려져 있다. 이와 같은 방법은 1975년 9월 2일에 허여된 엠. 씨. 플레밍 등의 미합중국 특허 제3,902,544호에 기술되어 있다. 그러나 요변성 형태의 금속 합금은 고체 금속 합금을 공급하여 요변성 금속 합금을 취출하는 일단계 공정으로 제조하는 것이 매우 바람직하다. 이와 같은 방법은 현재까지 본 기술분야에 공지되지 않았다. 본 발명은 비 요변성 형태의 금속합금을 압출기내에 공급할 수 있으며 또한 그 내부에서 요변성 금속 합금을 생성할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 조성물은 액체 상태로 부터 교반하지 않고 냉동시킬 경우 수지상 구조를 형성하는, 그의 화학적 조성에는 무관한 모든 물질계 또는 순수물질로부터 만들 수 있다. 순수물질 및 공융혼합물이 단일 온도에서 융해하더라도 이들 물질을 사용하여 본 발명의 조성물을 형성시킬 수 있는데 그 이유는 융점에서 순수 물질 또는 공융 혼합물이 금속 또는 공융액체의 일부만을 융해하기에 충분한 열을 함유하도록 용융물의 순열 흡입 또는 배출을 조절함으로써 융점에서 액체-고체 평형 상태로 존재한 수 있기 때문이다.

이러한 현상이 발생하는 이유는 본 발명의 주조 방법에서 사용된 슬러리에 용융열이 통상 사용되는 주조의 크기로 인하여 곧바로 완전한 제거를 할 수 없으며, 또한 예를들면 격렬한 교반에 의해 공급된 열에너지와 냉각기 주변 분위기에 의해 제거된 열에너지를 평형을 이루게 함으로써 목적한 조성물이 얻어지기 때문이다.

본 발명에서는 물질을 액체 상태로부터 교반하지 않고 고체 상태로 냉각시킬 때 수지상 구조를 형성하는 물질이면 어느 것이나 적합하다. 대표적인 물질로는 순수금속 및 납합금, 마그네슘 합금, 아연합금, 알미늄합금, 구리 합금, 철합금, 닉켁합금 및 코발트 합금과 같은 금속 합금이 있다. 이들은 합금의 고화 및 액화 온도는 본 기술분야의 문헌에 널리 공지되어 있다. 본 발명은 또한 염화나트륨, 물, 염화칼륨 등과 같은 비금속 물질을 사용하여 조작할 수도 있다. 또한 물-염 및 물-알콜 용액 및 혼합물과 같은 비금속용액 및 혼합물도 유효하다.

본 발명의 바람직한 태양은 금속 및 금속 합금으로서의 용도이다. 이하, 본 발명은 금속합금을 가공하기 위해 사용되는 것으로 기술될 것이다. 그러나, 동일한 가공 단계는 다른 형태의 재료에 사용할 수가 있다.

본 발명을 실시함에 있어서, 비요변성 금속합금이 사용된다. 즉 수지상 구조를 갖는 합금이다. 편리하게는 비요변성 합금은 취급상 편리한 크기를 가진 입자 또는 칩(chip)으로 만들 수 있다. 사용된 입자 크기는 본 발명에서 중요하지 않다. 그러나 열 전달 및 취급면에서, 비교적 작은 입자 크기를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 필요한 전단력은 여러가지 수단으로 얻을 수 있다. 적합한 방법은 스크류 압출기, 회전판 및 고속교반을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 금속합금을 가공하는데 있어서, 편리한 방법은 압출기를 사용하는 것이다. 여기에는 여러형태의 압출기가 시판되고 있다. 본 발명에서는 굴곡 통로 압출기가 적합하다. 그러나 스크류 압출기도 바람직하다. 스크류 압출기에서는 물질을 공급구를 통해 호퍼로부터 스크류채널에 공급한다. 스크류는 배럴내에서 회전한다. 스크류는 모터에 의해 구동된다. 외부 가열기로부터 배럴에 열을 가한 다음 온도를 열전기쌍(thermocouple)으로 측정한다.

물질은 스크류 채널에 따라 운반되기 때문에, 액상을 형성하기에 충분한 정도로 가열된다. 그 후, 전단력을 받는 동안 그의 액화 온도이하의 온도로 냉각된다. 압출기 배럴은 저항 또는 유도가열기를 사용하여 전기적으로 가열하거나 또는 오일 또는 기타 열-전달 매체가 순환되는 자켓을 사용하여 전기적으로 가열할 수 있다.

압출기를 통과하는 금속합금의 온도 조절은 각종 가열기구를 사용하여 편리하게 수행할 수 있다. 본 발명에 있어서는 유도 코일형 가열기가 매우 적합하게 사용되는 것으로 판명되었다.

단일-스크류 압출기의 크기는 배럴의 내경으로 표시된다. 통상의 압출기 크기는 2.5 내지 20cm(1 내지 8인치)이다. 더 큰 형태도 통상의 기준이 된다. 이들 용량은 압출기 내경 2.5cm의 경우 약 2.27kg/hr(5lb/hr)에서 부터 압출기 내경 20cm의 경우 약 454kg/hr(1,000lb/hr)까지 이다.

바람직한 압출기의 요부는 스크류에 있다. 이 스크류의 기능은 호퍼로부터 채널을 통해 물질을 운반하는 것이다.

배럴은 물질에 전단력을 부여하는 표면중의 하나와 외부열을 물질에 전달하는 표면을 제공한다. 이들 배럴은 적절한 열-전달 대역을 제공하고 충분한 혼합 및 전단력을 제공하도록 고안되어야 한다.

압출기는 다수개의 가열대역과 냉각 대역으로 세분한다. 물질이 압출기에 들어갈 때 만나는 첫번째 대역은 공급 대역이다. 이 대역은 물질이 그의 액화온도 이상의 온도로 가열되는 가열대역과 연결되어 있다. 그 후, 물질을 세번째 대역으로 운반한다. 세번째 대역은 냉각 대역이다. 이 대역에서, 물질을 그의 액화온도보다 낮은 온도로 냉각한다. 이 대역에서, 재료는 전단력을 받게 된다. 전단력은 형성되는 수지상 구조의 적어도 일부분을 절단할 수 있는 충분한 힘이 있어야 한다. 냉각 때역에서 요변성 -형 금속 구조가 형성된다. 냉각 대역을 거친 후 물질을 압출기 밖으로 운반한다. 생성된 물질중의 고체함량은 고체-액체 조성물의 약 65중량% 이하이다. 바람직하게는 약 20 내지 40중량%의 고체를 갖는 물질이다.

본 명세서에 기술된 방법의 조작에 있어서, 가공할 물질은 스크류 압출기에 의해 간편하게 공급할수 있는 크기로 입상화한다. 입상물질은 예비 가열 호퍼에 넣을 수 있다. 가공할 물질이 쉽게 산화될 경우 호퍼를 밀봉할 수 있으며 또한 산화를 최소로 줄이기 위하여 물질 주변에 보호 대기를 형성시킬 수 있다. 예를들면 물질이 마그네슈 합금인 경우 아르곤은 편리한 보호가스인 것으로 밝혀졌다. 가공할 물질을 미리 가열된 호퍼내에서 미리 가열시키거나 물질을 주변온도에서 스크류 압출기내에 공급할 수 있다. 물질을 미리 가열할 경우, 금속 합금의 고화 온도에 근접한 온도로 가열할 수 있다. 편리한 예비 가열 온도는 마그네슘 합금의 경우 50℃ 내지 500℃ 범위일 수 있다. 물질을 스크류 압출기내로 공급하기 전에 스크류 압출기를 가공할 금속 합금의 고화 온도 부근 또는 그 이상의 온도로 가열할 수 있다. 보호 대기가 필요할 경우, 보호가스는 스크류 압출기 및 예비 가열 호퍼를 통하여 공급하여야 한다. 압출기 실린더가 조작 온도에 도달된 후 예비 가열 호퍼로부터 압출기로 공급을 시작한다. 대역은 고형물이 스크류 압출기에 공급되는 스크류 대역에 액화물이 들어가는 것을 방지하는데 필요하다. 이하, 첫번째 대역은 공급 대역으로 언급한다. 공급 대역은 고형물을 포함하며 또한 스크류 대역으로 액화물이 들어가는 것을 거의 방지한다. 액화물은 가열 대역에서 형성된다. 물질은 스크류 압출기의 두번째 대역을 통해 흐르기 때문에 금속의 온도는 외부에서 가해진 열 및 배럴내에서 마찰에 의해 그의 액화온도 이상의 온도로 올라간다. 스크류 압출기는 스크류를 압출기의 말단을 향하여 회전시킴에 의해서 세번째 대역, 즉 냉각대역으로 물질을 이동시킨다. 이 대역에서, 물질을 그의 액화 온도 이하의 온도로 냉각한다. 냉각도중, 물질은 전단력을 받게된다. 금속의 온도는 이들의 압출기를 통하여 유출할때 측정 및 조절해야 한다. 압출기의 온도 및 전단 작용은 요변성 금속 합금을 형성하게 한다. 이때 요변성 금속은 압출기를 통해 나온 다음 다양한 방법으로 가공할 수 있다.

압출기에 의해 발휘된 전단력은 예를들면 압출기를 통과하는 금속 합금이 배출구를 향하여 작은 채널을 통과하도록 주입될 때 발생한다. 부수적인 전단력은 합금의 일부가 벽에 부착되기 때문에 생기며 또한 스크류의 작용에 의해 벽으로부터 제거된다. 이러한 부착 및 스크류에 의한 제거로 금속 합금상에 전단작용이 생긴다. 본 발명방법에서 필요한 전단 작용의 정도 및 양은 가변적이다. 충분한 전단작용은 형성되는 금속 합금으로 만든 수지상 구조의 적어도 일부를 파괴시키는데 필요하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 방법에서 제조된 물질은 사출성형할 수 있다. 사출성형이 필요할 경우, 요변성 물질을 사출 성형하는데 사용되는 사출성형기는 원료를 가공하여 요변성 합금을 형성시키는 장치로서 사용할 수 있다. 사출 성형기내에 공급하기 전에 압출기내에서 물질을 가공할 필요는 없다. 오히려, 수지상 구조를 갖는 금속합금을 사출성형기내에 직접 공급할 수 있다. 물질은 사출성형기를 통과하기 때문에 가열하여야 하며 또한 사출성형기내의 스크류에 의해 발생된 전단력을 받게 해야 한다. 압출기에 대하여 설명한 바와 같이, 물질의 온도는 냉각되어 전단력을 받기 전 그의 액화온도 보다 높아야 한다. 사출 성형기에 의해 발휘된 전단력과 관련하여, 이러한 온도 제어는 형성되는 금속 합금중의 수지상 구조의 적어도 일부를 파괴한다. 이것은 비 요변성 금속 합금을 요변성 금속합금으로 전환시킨다.

본 발명 방법에 사용하기에 편리한 형태의 사출성형기는 왕복스크류 사출 성형기이다. 수압 클램프를 구비한 왕복 스크류기를 사용하는 성형 공정 단계는 다음과 같다.

1. 물질을 호퍼속에 넣는다.

2. 클램프 램 배후의 오일은 주형을 밀폐하는 이동판을 이동시킨다. 클램프램 배후의 압력은 사출 성형중에 밀폐된 주형을 유지시키는데 충분한 힘을 가하여 생성시킨다.

사출물의 힘이 클램프 힘 보다 더 크면 주형은 열릴 것이다. 물질은 주형의 표면상의 일부 라인을 빠르게 통과하는데, 이때 편(片)을 제거하거나 또는 방출 및 재분쇄하는 "플래쉬(flash)"가 형성하게 된다.

3. 물질은 주로 스크류의 회전으로 전단한다. 물질은 성형기를 통과할때 가열된다. 물질은 가열할 때 스크류 플라이트(screw flight)를 따라 스크류의 앞단부로 이동한다. 물질상의 스크류에 의해 발생된 압력은 스크류, 스크류 구동계, 및 수압 모터 백에 힘을 가하게 되며 이때 이 압력은 스크류의 전면에서 물질의 저장기로 부터 없어진다. 스크류는 사출 조립체의 후방운동이 회전을 정지시키는 리미트 스위치를 칠때까지 계속 회전할 것이다. 이 리미트 스위치는 조절할 수 있으며 또한 이들의 위치는 스크류의 전면에 잔류하는 물질의 양("슈트"(shot)의 크기)을 측정한다.

스크류의 펌프 작용은 수압 사출 실린더(스크류의 각측면중의 하나)에 힘을 가하여 준다. 수압 실린더로 부터 오일의 재회전 유출은 적당한 밸브로 조절할 수 있다. 이것은 0 에서 약 28kg/㎠(400psi)까지 조절할 수 있는 "배압(back pressure)"이라 불리운다.

4. 대부분의 기구는 노즐로 부터 "유출"되지 않도록 물질을 감압하는 점에서 스크류를 약간 수축시킨다. 이것은 "흡인 백(suck back)"이라 불리우며 통상 타이머(timer)로 조절한다.

5. 두개의 수압사출 실린더는 물질을 주형 캐비티로 사출하면서 스크류를 나온다. 사출 압력은 소정의 시간 동안 유지시킨다. 대부분 스크류 선단에는 사출도중 스크류의 플라이트 내로 물질의 누출을 방지하는 밸브가 있다. 이것은 스크류가 회전할때 열려서 물질을 스크류의 전방으로 유출시킨다.

6. 두개의 사출 실린더에서 오일 속도 및 압력은 필요한 만큼 빠르게 주형을 충진하는 데 충분한 속도로 상승하며 또한 싱크마크(sinkmark), 플로우마크(flow mark),융착 및 기타 결점이 없는 성형부품을 주형하기에 충분한 압력을 유지시킨다.

7. 물질을 냉각함에 따라 물질은 더욱 점성으로 되며 또한 밸브없이 사출압력을 유지시키는 점으로 고화된다.

8. 주형 내에 천공된 구공을 통하여 냉각매체(통상 물)를 순환시킴에 의해 주형으로부터 열을 계속해서 제거할 수가 있다. 주형으로부터 사출될 수 있도록 주형물의 일부를 고화시키는데 필요한 시간의 양은 클램프타이머로 고정한다. 이 시간 경과 후 이동 가능 판은 그의 원 위치로 되돌아서 주형을 개방한다.

9. 사출기구는 주형으로부터 주형부분을 분리하며 또한 이 기구는 다음 공정 사이클을 시작한다.

그 외에, 물질은 다이주형 기구를 사용하여 주형품으로 성형할 수 있다. 바람직한 형태의 다이주형 기구는 냉각 챔버 고압 다이주형 장치 및 원심주형 장치이다. 고압 다이주형 장치는 일반적으로 약 70kg/㎠(1,000bs/in²) 이상의 사출성형 압력으로 조작한다. 또한, 본 발명의 방법에 의해 형성된 물질은 통상의 단조 방법을 사용하여 성형품으로 성형할 수 있다.

본 발명은 거의 수평형 스크류 압출기에 관한 것이다. 액공급은 이러한 압출기로 수행되지 않는다. 따라서, 공급 물질은 고형 상태로 있어야만 한다. 이하, 본 발명을 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

비요변성 마그네슘 합금 AZ 91B를 요변성 합금으로 제조한다. 마그네슘 합금 AZ 91B는 액화온도 596℃ 및 고화온도 468℃를 갖는다. 마그네슘 합금 AZ 91B의 표준 조성물은 9% 알루미늄 0.7% 아연 0.2% 망간이며 나머지는 마그네슘이다.

마그네슘 합금 AZ 91B를 약 50 메쉬 이상의 적당한 메쉬 크기를 갖는 불규칙 형태의 칩으로 성형한다. 스크류 압출기에 부착된 예비 가열 호퍼중에 상당량의 AZ 91B 합금 칩을 넣는다. 호퍼를 밀봉하고 마그네슘 AZ 91B 합금의 산화를 내부적으로 최소로 줄이기 위해 아르곤의 불활성 대기 상태하에 방치한다. 칩을 스크류 압출기의 챔버 내로 공급한다. 스크류 압출기 챔버의 내경은 5.7cm(2-1/4인치)이다. 스크류는 AISI H-21 스틸로 만들어 열처리한다. 이와 마찬가지로, 실린더로 AISI H-21 스틸로 만들어 열처리한다. 스크류는 5.7cm(2.25인치)의 일정 핏치 4.04cm(1.591인치)의 일정 루트(root) 및 112.5cm(44.3인치)의 전체 길이를 갖는다. 10마력의 1,800rpm 모타는 기어 박스를 통하여 스크류에 힘을 제공한다. 기어박스는 약 0rpm 내지 27rpm의 속도로 스크류를 회전시킨다. 22개의 열전기쌍은 스크류 실린더의 표면에 부착되어 있으며 또한 내측 표면으로 부터 약 0.16cm(인치당 1/16) 정도 실린더내에 삽입되어 있다.

압출기 스크류의 rpm은 15.1로 고정한다. 압출기는 시간당 약 10kg(22파운드)의 AZ 91B 합금의 공급 속도로 공급된다. 스크류 압출기를 통하여 통과할 때 합금의 온도는 최대온도 620℃에 도달한다. 이것은 AZ 91B 합금의 액화온도 이상이다. 전단력을 받으면서 AZ 91B 합금을 581℃의 온도로 냉각한 다음, 물질을 오리피스를 통한 압출기의 말단으로부터 압출한다. 물질은 수지상 구조를 갖는 합금을 요변성 형태의 액체-고체 구조를 갖는 합금으로 전환시킨다. 융점은 약 20%의 고체중량%에 해당하는 585℃이다.

Claims (9)

1. (정정)(a) 수지상 구조를 갖는 고형 금속 합금을 스크류 압출기내에 공급하고, (b) 상기 합금을 상기 압출기 내의 공급대역을 통해 통과시키고, (c) 상기 금속 합금을 상기 압출기중의 가열대역을 통과할 때 그의 액화 온도의상의 온도로 가열하고, (d) 상기 합금을 합금의 고화 온도 이상 및 액화 온도 미만의 온도 범위로 냉각하고, (e) 상기 냉각된 금속 합금을, 형성되는 수지상 구조의 적어도 일 부분을 파괴할 수 있는 힘으로 스크류 압출기내에서 전단한 다음 (f) 상기 합금을 상기 압출기로부터 제거함을 특징으로 하는 액체-고체 금속 합금의 제조 방법.
2. (삭제)
3. (정정) 제1항에 있어서, 고형 금속 합금이 마그네슘 합금의 방법.
4. 제3항에 있어서, 마그네슘 합금이 AZ 91B인 방법.
5. (삭제)
6. (정정) 고압, 냉각 챔버 다이 주조기를 사용하여 제1항의 제거된 금속 합금을 일정 형상으로 형성시키는 방법.
7. (정정) 제1항에 있어서, 압출기가 사출 성형기인 방법.
8. (정정) 제1항에 있어서, 제거된 합금을 사출성형에 의해 일정 형상으로 형성시키는 단계를 포함하는 방법.
9. (정정) 제1항에 있어서, 제거된 합금을 단조방법(forging)에 의해 일정형상으로 형성시키는 단계를 포함하는 방법.