KR100340801B1 - 와이어 공급장치를 이용한 금속기지복합재료의 제조장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 와이어 공급장치를 이용한 금속기지복합재료의 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 순금속이나 합금으로 이루어진 기지금속을 용해로에서 완전 용해하여 몰드(1)로 공급하고, 불활성가스를 플라즈마건(4)에서 해리시켜 플라즈마제트를 형성하며, 와이어공급장치(9)를 이용하여 강화재(强化材)로 구성된 와이어 코드(7)의 공급속도를 조절하면서 스풀(8)을 통해 상기 플라즈마건(4)에 부착된 와이어포트(5)로 이송시키고, 고온ㆍ고속의 플라즈마제트에 의해 형성된 분말을 용탕(12)에 투입하여 전자기 교반장치(11)로 이 혼합용탕을 회전교반하며, 교반된 용탕을 승ㆍ하강장치(3)로 상기 몰드(1)로부터 인출시킬 수 있어; 고융점금속 및 세라믹소재등 광범위한 강화입자가 사용될 수 있고, 강화재로 구성된 와이어 코드로서 공급되므로 플라즈마제트 발생장치의 전압 및 전류를 조절하면 강화분말의 크기를 다양하게 할 수 있으며, 전자기 교반장치를 이용하여 보다 균일한 혼합이 이루어질 수 있으므로 최종제품의 품질이 우수한 금속기지복합재료를 제조하는 장치 및 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 와이어 공급장치를 이용한 금속기지복합재료의 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 와이어 공급장치를 이용하여 순금속이나 합금 강화재 와이어(wire) 혹은 세라믹분말을 포함하는 플렉시블 와이어(flexible wire)를 공급하되, 플라즈마를 이용하여 공급된 와이어를 분말형태로 만들어 용탕에 분사하여 혼합시키는 금속기지복합재료의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
통상 금속이나 합금의 특성을 향상시키기 위해서, 강화입자(强化粒子)인 금속분말(metal powder)이나 세라믹분말(ceramic powder)을 금속기지(metal matrix) 내에 투입하여 제조한 합금을 금속기지복합재료라 한다. 그 예로서, 알루미늄합금에 융점이 높은 티타늄, 지르코늄, 망간 등을 첨가하거나, 순금속 및 합금(알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 구리 등)내에 이종(異種)의 세라믹입자(SiC, Al2O3등)나 금속입자(철, 티타늄 등)를 강제로 혼합하여 용융금속의 기지내에 균일하게 분산시켜 제조한 복합재료를 들 수 있다.
이와 같은 금속기지복합재료의 제조방법은 공정에 따라 고상법과 액상법으로 대별된다.
고상법은 분말야금법에 의해 금속고체입자나 휘스커(whisker)상태의 세라믹분말을 기지용 금속분말과 균일하게 혼합한 상태에서, 냉간압축 또는 열간압축시킨 후 일정시간 소결(sintering)하는 방법이다. 이 방법은 금속기지내에 강화입자를 균일하게 혼합할 수 있는 장점이 있으나, 제조비용이 다른 방법에 비해 높다는 단점이 있다.
이를 해소하기 위한 액상법은, 종래의 금속주조법을 응용한 것으로서 알루미늄 및 마그네슘합금 등의 저융점의 기지금속 용탕에 이종의 세라믹분말이나 금속분말을 가압 또는 비가압상태에서 투입, 혼합하여 제조하는 방법이다. 이 방법은 염가로 부품을 대량 생산할 수 있다는 장점이 있으나, 분말 강화입자와 기지금속간의 젖음성 및 반응성의 문제로 인해 용융기지금속내에 첨가할 수 있는 강화입자의 종류, 크기 및 부피분율 등에 제한이 있을 뿐 아니라, 공공등의 주조결함이 발생되고 투입된 강화입자가 기지금속에 골고루 분산되지 않는 등 제조상의 어려움도 따랐다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발명의 목적은 강화재료로서 제조단가가 높은 종래의 금속분말이나 분말형태로는 균일한 공급이 용이치 않은 세라믹분말을 금속와이어나 플렉시블 코드로 대체한 후, 고에너지원인 플라즈마제트를 이용하여 분말화시키고 용탕에 투입함으로써, 액상법에서의 단점을 극복하고 투입되는 입자의 종류 및 크기를 자유로이 조절할 수 있고, 균일한 혼합으로 품질이 우수한 금속기지복합재료의 제조장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금속기지복합재료의 제조장치를 도시하는 구성도,
도 2는 본 발명 장치 및 방법에 의해 제조된 Al-30%Ti 복합재료의 미세조직도,
도 3은 본 발명 장치 및 방법에 의해 제조된 Al-13%SiC 복합재료의 미세조직도.
<도면부호의 설명>
1... 몰드 2... 전자기 교반장치
3... 승ㆍ하강장치 4... 플라즈마건(plasma gun)
5... 와이어 포트(wire port) 6... 플라즈마발생 제어기
7... 와이어 코드(wire cord) 8... 스풀(spool)
9... 와이어 공급장치 10... 냉각장치
11... 냉각수 12... 용탕
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 용해된 기지금속의 용탕이 수용되는 몰드와; 플라즈마 발생용 가스의 유량 및 속도를 조절하기 위해 플라즈마건에 연결되는 플라즈마발생 제어기와; 용탕을 교반하기 위해 상기 몰드의 외주에 설치한 전자기 교반장치와; 교반된 이 용탕을 인출하기 위한 승ㆍ하강장치와; 인출되는 용탕을 냉각하기 위한 냉각장치로 구성되는 것으로서; 강화재로 구성된 와이어 코드가 와이어 공급장치에 의해 속도가 조절되어 스풀을 통해 플라즈마건에 설치된 와이어 포트(wire port)로 공급되는 것을 특징으로 하는 금속기지복합재료의 제조장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 기지금속을 용해로에서 완전 용해하는 단계와; 상기 용해된 기지금속의 용탕이 몰드로 공급되는 단계와; 불활성가스가 플라즈마건에서 해리되어 플라즈마제트가 형성되는 단계와; 강화재로 구성된 와이어 코드가 와이어공급장치에 의해 속도가 조절되고 스풀을 통해 상기 플라즈마건에 부착된 와이어포트로 공급되는 단계와; 공급된 와이어 코드가 상기 플라즈마제트에 의해 분말화되어 상기 용탕에 투입되는 단계와; 전자기 교반장치에 의해 용탕이 회전교반되는 단계와; 교반된 상기 용탕이 승ㆍ하강장치에 의해 수직으로 설치된 상기 몰드를 통해 인출되는 단계와; 냉각장치에 의해 인출되는 용탕이 냉각되는 단계를 특징으로 하는 와이어 공급장치를 이용한 금속기지복합재료의 제조방법을 제공한다.
이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명 구성의 바람직한 실시예를 첨부한 도 1을 참조하여 설명한다.
먼저, 기지(matrix)가 되는 금속이나 합금을 용해로(미도시)에 장입하고 융점 이상으로 가열하여 완전히 용해시킨 후, 몰드(1)에 붓는다.
다음, 플라즈마발생 제어기(6)에 의해 압력 및 유량이 조절된 플라즈마용 가스(Ar, N2등 불활성가스)가 플라즈마건(plasma gun, 4)에 공급된다. 여기서 플라즈마용 가스의 공급유량은 그 종류에 따라 차이가 있는데, 아르곤(Ar)인 경우 50∼150 ℓ/min 정도이다.
상기 플라즈마건(4)에서 아크가 발생되면 아크열에 의해 공급된 플라즈마용 가스는 해리되면서 플라즈마상태가 형성된다.
한편, 금속와이어 또는 플렉시블 코드(7)는 와이어공급장치(9)로부터 스풀(8)을 통해 플라즈마건(4)에 설치된 와이어포트(wire port, 5)로 공급된다. 이와 같이 공급되는 와이어의 속도는 와이어공급장치(9)에 의해 제어되는데, 요구되는 강화재의 종류 및 크기에 따라 다르다. 예를 들면, 티타늄(Ti) 와이어의 경우 요구되는 강화재의 크기에 따라 5∼50 g/min의 속도로 공급된다. 와이어 공급속도가 너무 느리게 되면 와이어 끝 부분이 와이어포트(5)에 녹아 붙게 되고, 너무 빠르면 플라즈마제트에 의해 와이어가 제대로 녹지 않아 강화재 크기가 제어되기 어려워진다.
플라즈마제트가 분사되면 공급된 플렉시블 코드(7)의 외피막이 녹으면서 세라믹 강화재 분말이 주입된다. 혹은, 금속와이어를 사용할 경우에는 고온의 제트에 의해 분말상태로 되어 용탕(12)으로 고속주입된다.
이 때, 몰드(1) 외부에 설치된 전자기 교반장치(2)를 구동시키면 이동자기장이 발생되고, 이로 인해 용탕(12)이 회전하므로 주입되는 강화입자를 용탕(12)내에 균일하게 분포시킬 수 있다. 또한, 전자기 교반장치(2)와 연결된 변압기(미도시)를 통해 40V, 10A에서 140V, 130A까지 전압 및 전류의 세기를 달리하여 공정에 따른 교반속도로 제어할 수 있다.
사전 설정된 강화입자의 분포를 가진 용탕이 최종 제조되면, 이 용탕은 몰드(1) 하부에 연결된 승ㆍ하강장치(3)에 의해 아래로 인출되면서, 냉각장치(10)로부터의 냉각수(11)에 의해 표면이 냉각되도록 구성되어 있다.
상술(上述)한 바와 같은 본 발명 장치 및 방법에 따라 강화재분말이 제조되는 2종류의 실시예를 하기와 같이 설명한다.
(제1실시예)
공급되는 순수 티타늄(Ti) 와이어를 플라즈마건(4)에서 발생된 고속의 플라즈마제트에 의해 분말형태로 만든 다음 순수 알루미늄(Al) 용탕에 고속으로 주입하여 Al-Ti복합재료를 제조하는 예이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 순수 알루미늄을 용해로(미도시)에 장입하고 융점 이상으로 가열하여 완전히 용해시킨 후, 몰드(1)에 붓었다.
다음, 플라즈마용 1차 가스로서 아르곤(Ar)을 80ℓ/min로 공급하면서 100A의 전류 및 30V의 전압으로 초기 아크를 발생시킨 후, 다시 플라즈마용 2차 가스로서 질소(N2)를 45 ℓ/min로 공급하여 전류와 전압을 각각 500A, 65V로 증가시켜 아크의 길이와 속도를 증대시켰다. 상기 2차 가스는 전압을 증가시켜 플라즈마 아크의 출력을 향상시키는 역할을 수행한다.
이와 동시에, 와이어 공급장치(9)에 연결된 순수 티타늄 와이어(7)를 30g/min의 속도로 플라즈마건(4)에 부착된 와이어 포트(5)로 공급하였다.
발생된 아크의 고열에 의해 상기 플라즈마용 가스가 해리되면서 고온, 고속의 플라즈마제트가 발생되면, 상기 플라즈마건(4)에 공급되는 티타늄 와이어(7)가 녹으면서 분말상태로 되어 용탕에 고속으로 주입된다. 이 때, 몰드(1) 외부에 설치된 전자기 교반장치(2)를 구동시키고 이 장치(2)와 연결된 변압기를 통해 75V, 50A로 전압 및 전류를 공급함으로써, 용탕을 회전ㆍ교반시켜 강화입자를 용탕내에 균일하게 분포시켰다.
Al-30%Ti의 강화입자 분포를 가진 용탕이 제조되면 몰드(1) 하부에 연결된 승ㆍ하강장치(3)를 이용하여 아래로 인출하면서 냉각수(11)를 분사하여 냉각하였다.
이와 같이 제조된 Al-30%Ti 복합재료의 미세조직 사진을 도 2에 도시하였다.
조직도 중 어두운 부분은 티타늄 입자를 나타내고 밝은 부분은 알루미늄 기지금속을 나타내는 것으로서, 알루미늄기지 내에 티타늄 입자가 매우 균일하게 분포됨을 알 수 있다.
(제2실시예)
공급되는 SiC 플렉시블 코드의 외피(外皮)를 플라즈마건(4)에서 발생된 고온, 고속의 플라즈마제트를 이용하여 녹이고, 남은 SiC 분말을 Al-6.5%Cu-1.7%Mn 합금의 용탕에 고속으로 주입하여 Al-SiC 복합재료를 제조하는 예이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 먼저, 알루미늄, 구리, 망간, 마그네슘을 조성에 맞게 절단하여 용해로(미도시)에 장입하고 융점 이상으로 가열하여 완전히 용해시킨 후 몰드에 부었다.
다음, 플라즈마용 1차 가스로서 아르곤(Ar)을 80ℓ/min로 공급하면서 100A의전류 및 30V의 전압으로 초기 아크를 발생시킨 후, 다시 플라즈마용 2차 가스로서 질소(N2)를 45 ℓ/min로 공급하여 전류와 전압을 각각 500A, 65V로 증가시켜 아크의 길이와 속도를 증대시켰다. 상기 2차 가스는 전압을 증가시켜 플라즈마 아크의 출력을 향상시키는 역할을 수행한다.
이와 동시에, 와이어 공급장치(9)에 연결된 SiC 플렉시블 코드를 10g/min의 속도로 플라즈마건(4)에 부착된 와이어 포트(5)로 공급하였다.
발생된 아크의 고열에 의해 상기 플라즈마용 가스가 해리되면서 고온, 고속의 플라즈마제트가 발생되면, 상기 플라즈마건(4)에 공급되는 플렉시블 코드(7)의 외피막이 녹고, 동시에 남아있는 세라믹분말이 용탕에 고속으로 주입된다. 이 때, 몰드(1) 외부에 설치된 전자기 교반장치(2)를 구동시키고 이 장치(2)와 연결된 변압기를 통해 75V, 50A로 전압 및 전류를 공급함으로써, 용탕을 회전ㆍ교반시켜 강화입자를 용탕내에 균일하게 분포시켰다.
Al-13%SiC의 강화입자 분포를 가진 용탕이 제조되면 몰드(1) 하부에 연결된 승ㆍ하강장치(3)를 이용하여 아래로 인출하면서 냉각수(11)를 분사하여 냉각하였다.
이와 같이 제조된 Al-13%SiC 복합재료의 미세조직 사진을 도 3에 도시하였다.
조직도 중 어두운 부분은 세라믹 입자를 나타내고 밝은 부분은 알루미늄 기지금속을 나타내는 것으로서, 알루미늄기지 내에 세라믹 입자가 매우 균일하게 분포됨을 알 수 있다.
상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 고온ㆍ고속의 플라즈마제트를 이용하여 분사하므로 Ni, Cu, Cr, Mo, Fe, Ti 등의 고융점금속 및 SiC, TiC, WC, Cr3C2, SiO2, Al2O3, Cr2O3, C, BN 등의 광범위한 강화입자를 사용할 수 있고, 이러한 강화재로 구성된 와이어 코드로서 연속공급하게 되므로 제조시간이 단축되며, 플라즈마제트 발생장치의 전압 및 전류를 조절함으로써 강화분말의 크기를 다양하게 할 수 있으며, 전자기 교반장치를 이용하여 보다 균일한 혼합을 할 수 있으므로 최종제품의 품질이 매우 우수하다는 잇점이 있다.
Claims (2)
- 금속기지복합재료를 제조하는 장치에 있어서,용해된 기지금속의 용탕이 수용되는 몰드(1)와,플라즈마발생 제어기(6)에 의해 유량 및 속도가 조절된 플라즈마 발생용 가스를 플라즈마제트로 형성하기 위한 플라즈마건(4)과,강화재로 구성된 와이어 코드(7)의 속도를 조절하여 공급하기 위한 와이어 공급장치(9)와,이 와이어 공급장치(9)로부터 스풀(8)을 통해 공급되는 와이어 코드(7)를 최종 안내하기 위해 플라즈마건(4)에 설치되는 와이어포트(5)와,용탕(12)을 교반하기 위해 상기 몰드(1)의 외주에 설치한 전자기 교반장치(2)와,교반된 이 용탕(12)을 인출하기 위한 승ㆍ하강장치(3)와,인출되는 용탕을 냉각하기 위한 냉각장치(10)로 구성되는 와이어 공급장치를 이용한 금속기지복합재료의 제조장치.
- 기지금속을 용해로에서 완전 용해하는 단계와,상기 용해된 기지금속의 용탕이 몰드(1)로 공급되는 단계와,불활성가스가 플라즈마건(4)에서 해리되어 플라즈마제트가 형성되는 단계와,강화재로 구성된 와이어 코드(7)가 와이어공급장치(9)에 의해 속도가 조절되고 스풀(8)을 통해 상기 플라즈마건(4)에 부착된 와이어포트(5)로 공급되는 단계와,공급된 와이어 코드(7)가 상기 플라즈마제트에 의해 분말화되어 상기 용탕(12)에 투입되는 단계와,전자기 교반장치(2)에 의해 용탕이 회전교반되는 단계와,교반된 상기 용탕이 승ㆍ하강장치(3)에 의해 수직으로 설치된 상기 몰드(1)를 통해 인출되는 단계와,냉각장치(10)에 의해 인출되는 용탕이 냉각되는 단계를 특징으로 하는 와이어 공급장치를 이용한 금속기지복합재료의 제조방법.
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