KR101580975B1 - 금속의 연속 압출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속의 연속 압출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속 압출 공정을 강소성가공 공정으로 적용함으로써, 높은 생산성으로 결정립 미세화 효율이 우수한 고품질 압출 제품을 제조할 수 있으며, 연속 압출기에 연속으로 장입되는 원재료의 형상 및 단면적과 장입온도 범위, 그리고 연속 압출기 다이스 챔버의 위치 및 형태를 변경하여 소재와 제품에 극심한 소성변형을 가하고, 소재와 제품의 온도를 정밀하게 관리하여 높은 생산성의 결정립 미세화 효율이 우수한 고품질 압출 제품을 제조할 수 있는 금속의 연속 압출 장치에 관한 것이다.

Description

금속의 연속 압출 장치 및 방법{Continuous extrusion apparatus and method for metal}
본 발명은 금속의 연속 압출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속 압출 공정을 강소성가공 공정으로 적용함으로써, 높은 생산성으로 결정립 미세화 효율이 우수한 고품질 압출 제품을 제조할 수 있으며, 연속 압출기에 연속으로 장입되는 원재료의 형상 및 단면적과 장입온도 범위, 그리고 연속 압출기 다이스 챔버의 위치 및 형태를 변경하여 소재와 제품에 극심한 소성변형을 가하고, 정밀한 온도관리를 통한 높은 생산성으로 결정립 미세화 효율이 우수한 고품질 압출 제품을 제조할 수 있는 금속의 연속 압출 장치에 관한 것이다.
금속재료에서 강도와 인성을 동시에 향상시키는 기술은 궁극의 연구목표 중의 하나이다.
전통적인 금속의 강화기구는 강도를 향상시키면 인성은 일반적으로 감소한다.
금속의 결정립 미세화(grain refinement)는 금속 재료의 강도 및 인성 등 기계적 특성을 향상시키는 매우 유용한 방법 중의 하나이다. 그러나 결정립 미세화를 위하여 압출이나 단조, 압연 등의 기존 소성 가공법을 적용하면 가공량의 증가에 따라 재료의 두께나 단면적이 감소하여, 재료 내에 소정의 변형에너지(strain energy U=V×σ×ε, V:체적(volume), σ:응력(stress), ε:변형량(strain))를 축적하는데 제한이 따를 수밖에 없어 재료의 결정립 크기를 미크론(micron,㎛) 이하로 미세화시킬 수 없다.
금속의 결정립을 미세화하는 대표적인 방법인 강소성가공법(SPD, Severe Plastic Deformation)은 소재에 일반적인 소성가공에 비해 극심한 소성변형을 가함으로써 효과적으로 결정립을 미세화할 수 있는 가공기술이다.
기존의 결정립 미세화 기술로서 가공열처리(thermo mechanical processing), 기계적 합금화(mechanical alloying), 급속응고(rapid solidification), 비정질 분말의 재결정 등이 있으나 충분한 양의 벌크(bulk) 제조가 어렵고 재료 내부에 상당한 양의 기공(porosity)이 존재하는 등 여러 문제가 있어 실제 대량 생산에 적용하기 어려운 한계를 가지고 있다. 강소성가공법은 금속 소재에 대량의 소성 변형을 가하여 소재 내부의 결정립을 미세화시키는 방법으로 대부분의 금속에 적용할 수 있으며, 내부에 결함이 없고 비교적 큰 소재를 제조할 수 있다. 강소성가공법은 공정 후 재료의 단면적이 변하지 않기 때문에 반복 가공을 통하여 원하는 수준까지 변형 에너지를 축적하여 결정립을 미세화시킬 수 있다.
강소성가공법은 초기 형상 변화없이 많은 소성변형을 부가할 수 있도록 고안된 장치 및 방법을 사용한다. 강소성가공법은 제조 공정상의 특징에 따라 단속적인 배치형(batch type) 가공기술과 연속 가공기술로 분류할 수 있다.
도 1a는 종래 배치형 및 연속 가공기술들을 나타내는 도면으로서, 배치형 가공기술로는 도 1a를 참조하면, 등단면각압축(등통로각압축, ECAP, equal channel angular pressing) 또는 명칭을 달리하여 등단면각압출(등통로각압출, ECAE, equal channel angular extrution), 고압비틀림(HPT, high pressure torsion), 반복가압압출(CEC, cyclic extrusion compression), 다방면단조(MDF, multi directional forging) 등이 있으며, 연속 가공기술로는 겹침압연접합(ARB, accumulative roll bonding), 반복주름압연(RCS, repetitive corrugation straightening), 비대칭압연(SR, shear rolling) 등이 있다.
그리고 ECAP-Conform 방식이 있는데, 이 방식은 컨폼 연속압출기( continuous conform machine)를 등단면각압축(ECAP) 공정과 같이 변형한 방식이다.
상기의 강소성가공법들은 단속 공정으로 연속화가 어렵고, 반복 가공을 실시하여야 함에도 대형재료의 제조가 불가능하며, 연속 공정은 제품의 형태가 판재에 한정되고 제품의 가장자리와 표면의 균열(edge and surface crack)의 발생, 두께변화에 따라 결정립 미세화의 불균일성, 겹침면의 접합성 확보를 위한 처리 등의 많은 문제점들로 인하여, 낮은 생산성 및 높은 제조비용 등으로 양산 및 상업화 생산이 곤란한 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 알루미늄 및 구리 제품의 연속 압출에 활용 중인 컨폼 연속압출기(continuous conform machine)를 통하여 강소성가공 효과를 달성하는 것이다.
도 2a는 종래 연속압출기의 구조를 나타내는 도면으로서, 도 2a를 참조하면, 연속압출기(continuous conform machine)에 의한 컨폼 연속압출법(conform continuous extrusion forming process)은 1972년 영국의 그린(D. Green)에 의해 발명되어 현재 산업 현장에서 양산 적용되고 있는 유일한 연속 압출법이다. 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄 등의 다양한 연속 압출제품 생산에 적용되고 있으며, 주로 제품의 단면적이 작거나, 두께가 얇은 공조용 파이프 및 튜브와 같은 제품에서 높은 경제성을 가진다. 컨폼 압출의 원리는 연속으로 회전하는 압출 휠의 홈(continuous rotating wheel with a groove)에 모양과 치수가 같은 소재(feedstock)를 압인 롤러(coining roll)가 밀어 넣으면, 슈 블록(shoe block)과 압출 휠의 홈에 꽉 끼워진 채로 휠의 회전력과 마찰력에 의해 함께 회전하는 소재를 받침대(abutment)가 휠을 지나 빠져 나가지 못하게 막아서, 휠 홈의 단면과 다이스 챔버(dies chamber) 입구측 단면이 등단면각압출(ECAP/E)과 비슷하게 각각의 통로가 교차각(Φ) 90˚로 교차되어 심한 전단변형에 의해 다이스 챔버에 소재가 채워지고, 압출 금형을 통해 연속적으로 압출이 실행된다. 도 2a 및 도 2b는 컨폼 연속압출기의 개략도이다. 컨폼 연속압출법의 우월성은 소재를 가열할 필요가 없어서, 에너지를 절약할 수 있고, 고 압출비(high extrusion ratio)로 생산 효율성과 균질성이 우수한 긴 길이(원하는 길이)의 제품을 간단한 연속공정으로 생산할 수 있는 데 있다.
현재, 컨폼 연속압출법에서 사용하는 소재는 연속주조압연법(continuous casting & rolling process)에 의해 제조된 선재(rod)를 사용하며, 알루미늄의 경우 선재의 직경은 주로 9.5mm이며, 최대 20mm를 초과하지 않는다. 따라서 생산되는 제품의 크기(단면적)가 제한되고, 원재료의 원가가 상승하는 문제를 개선하기 위하여 발명자는 연속주조공정으로 생산된 주조 바(cast bar)를 컨폼 연속압출기에 연속 장입하여 단조용 압출재를 제조하는 방법 및 장치에 대한 특허를 취득(특허 제 10-1392178호)하였다.
이러한 컨폼 연속압출 공정은 주조 상태의 결정립(grains)들을 잘게 부수고, 조직을 균질하게 미세화한다고 알려졌으며, 이는 주로 등단면각압출(ECAP/E) 공정 동안에 조직학적 개선이 발생한다고 발표되었다.
그리고 본 발명의 발명자는 상술한 바와 같이 단조용 압출재를 연속 주조, 연속 압출하여 연속공정으로 기존의 압출, 주조 공정으로 제조하는 제품보다 더욱 미세한 조직을 갖는 제품의 제조 방법 및 장치를 제안하였으나, 상기 등록 특허는 연속 압출기에 공급되는 원재료(feedstock)의 형상 및 단면적, 그리고 장입 온도 범위와 장치 일부를 변형하지 않으면, 연속적으로 생산성을 확보하여, 미크론(micron,㎛) 이하의 결정립 미세화된 제품을 제조하기 어렵다.
그리고 등단면각압출(ECAP/E) 공정을 이용한 결정립 미세화에 대한 이전의 연구들에 따르면 작은 변형을 반복해서 가하는 것보다는 큰 변형을 한 번에 가하는 것이 유리하다는 것이 이론적으로 밝혀졌다.
등통로각압출(ECAP/E) 가공법은 도 1b에 나타난 바와 같이 동일한 단면적을
갖는 두 개의 채널을 가진 다이(die)를 통해 소재를 압축(pressing, 압출extrusion)하는 가공방법으로, 두 채널이 만나는 교차지점에서 안쪽 교차각(Φ)과 바같쪽 만곡각(Ψ)을 이용해 소재에 강한 단순 전단변형을 부여한다.
이 가공법은 계속적인 반복 공정으로 가공량이 증가하더라도 소재의 단면적 감소를 수반하지 않으므로 재료 내부에 높은 변형 에너지를 축적시킬 수 있어 결정립 미세화를 이룰 수 있다.
하지만, 등통로각압출(ECAP/E) 공정을 이용하더라도, 서브미크론(submicron) 수준의 결정립을 얻기 위해서는 약 8회 이상의 공정을 반복해야 하기 때문에 생산성이 저하되어 시간과 비용이 과다하게 요구된다.
최근의 연구에서 고경각 입계(high angle boundaries)로 나뉘어진 등축정(equiaxial grains)의 초미세 결정립(ultra fine grains)을 생성하고, 결정립 미세화의 효율을 높이기 위해서는, 1회의 공정에서 가능한 큰 소성 변형을 가하는 것이 더 효율적이라는 결과가 보고되었다. 강소성가공 공정을 통한 초미세 결정립 소재의 효율적인 생산을 위해서는 1회 공정에서 가해지는 소성 변형량의 크기를 증가시켜야 하며, 소재의 균일한 소성변형을 축적하기 위한 반복가공 횟수를 최소화하여야 한다.
최근 1회의 강소성가공 공정에서 가해지는 소성 변형량을 최대화하기 위해 등단면각압출(ECAP/E) 공정과 전방압출 공정을 통합한 반통로각압출(HCAE, half channel angular extrusion) 공정이 제안되어 1회의 반통로각압출 공정에서 최대 2.5 이상의 소성 변형량을 소재에 가할 수 있음을 확인하였다.
이는 등통로각압출(ECAP/E) 공정에서 가할 수 있는 소성 변형에 비해 100% 이상 증가된 값이며, 4회 이상의 등통로각압출 공정에서 얻을 수 있는 결정립 미세화 효과를 1 회의 반통로각압출 공정에서 얻을 수 있음을 확인하였다.
도 3 및 도 4는 반통로각압출 공정을 나타내는 도면들로서, 도 3 및 도 4를 참조하면, 반통로각압출 공정은 1회 가공 공정에서 소재에 가해지는 소성 변형량을 증가시키고, 변형을 복합적으로 발생시키기 위해 기존의 등단면각압출 공정과 소재의 단면적이 감소하는 전통적인 압출 공정을 한 공정에 구현함으로써 교차각에 의해 발생하는 전단변형과 더불어 압출공정에서의 전단변형 및 압축, 인장 변형을 복합적으로 소재에 부가한다.
반통로각압출(HCAE) 공정은 등단면각압출(ECAP/E) 공정과 마찬가지로 일정한 교차각(Φ)으로 교차하는 두 개의 채널을 갖지만, 출구채널의 단면적이 일정한 압출각도(α)에 따라 감소하기 때문에 1회 공정을 거친 소재의 단면적이 1/2 이 된다. 소재의 단면 형상이 변하기 때문에 반통로각압출 공정에서 반복가공을 수행하기 위해 도 4에서와 같이 첫번째 성형을 거친 2개의 소재를 동시에 입구채널에 위치시켜 2 번째 성형을 진행시키는 방법으로 반복 반통로각압출 공정을 수행한다. 일반적으로 등통로각압출 공정에서 가능한 가공 경로(processing route)는 시편의 압출방향에 대한 회전 방향에 따라 4 가지로 알려져 있다. 경로 A는 소재의 회전 없이 그대로 반복 공정을 적용하고, 경로 Ba는 재가공시 시편을 압출방향을 중심으로 ±90˚회전시키며, 경로 Bc는 시편을 계속 같은 방향으로 90˚회전시키며 반복가공을 진행하며, 경로 C는 180˚씩 시편을 회전시키며 반복공정을 수행하게 된다.
반통로각압출 공정에서는 공정 후에 소재의 폭이 1/2로 줄어들기 때문에 등단면각압출 공정의 가공 경로를 그대로 적용할 수 없고, 초기 소재의 폭이 두께의 2 배가 되도록 설계하여, 첫번째 공정을 거친 소재의 단면 형상이 정사각형이 되도록 하여, 두 번째 공정을 시작할 때 등단면각압출 공정에서의 가공 경로와 같은 방법으로 시편을 압출되는 축을 중심으로 하여 0˚, 90˚, 180˚인 경우에 각각 경로 A, B, C라고 한다.
초기 소재의 크기는 반통로각압출의 경우는 25×50×80㎣, 등통로각압출의 경우는 25×25×80㎣이며, 첫번째 반통로각압출 후의 경우는 25×25㎟가 된다.
교차각(Φ) 90˚, 만곡각(Ψ) 10˚, 압출각(α) 45˚를 갖는 반통로각압출 금형과 동일한 교차각과 만곡각의 등통로각압출 금형을 사용하여 각각의 압출 공정에 대하여 해석을 수행하였다. 첫번째 성형이 끝난 소재의 앞부분과 뒷부분은 변형률이 불균일하므로 제거하고, 가공경로에 따라 회전시켜 두번째 성형에 적용하였다. 교차각(Φ) 90˚, 만곡각(Ψ) 10˚인 등통로각압출 공정과 동일한 교차각과 만곡각을 가지며, 압출각(α)이 45˚인 반통로각압출 공정의 첫번째 패스를 거친 소재의 유한요소 해석 결과는 도 5에 나타내었다.
소재 내부의 유효 변형률의 분포를 관찰하기 위하여 y 축 방향으로 1/2절단면에 대한 유효 변형률 분포를 표시하였고, 정상 상태라고 할 수 있는 A-A단면 전체에서의 유효 변형률의 분포를 표시하였다. 소재 내부의 유효 변형률은 등통로각압출 공정을 거친 소재의 경우 약 0.7~1.2, 반통로각압출 공정을 거친 소재는 1.6~3.0의 범위에 분포해 있다. 등통로각압출 공정을 거친 소재의 유효 변형률 분포는 단면적방향(Y방향)으로는 거의 일정한 변형률 분포를 나타내지만 길이 방향(Z방향)으로의 유효 변형률의 변화가 크며, 특히 소재의 단면에서 아래 부분에 변형이 집중되고 있다. 반통로각압출 공정을 거친 소재는 단면의 윗면을 중심으로 방사형으로 유효 변형률이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 첫 번째 공정을 거친 소재의 유효 변형률을 유지하고, 소재의 앞부분과 뒷부분을 제거하여 두 번째 공정에 적용하였다. 도 6에 두 번째 공정에 사용한 소재의 형상 및 유효 변형률 분포를 나타내었다.
두 번째 공정에서 압출 방향을 중심으로 0°(경로A), 90°(경로B), 및 180°(경로C) 회전시켜 세 가지 종류의 두 번째 공정을 진행하였다. 도 6의 왼쪽에 나타낸 유효 변형률 분포를 참조하면 등통로각압출 공정의 경우 시편의 단면 형상의 변화가 없지만, 도 6의 오른쪽에 나타낸 유효 변형률 분포를 참조하면 반통로각압출 공정의 경우 두 번째 공정 후에는, 소재의 단면 형상이 12.5×25㎟가 된다.
두 번째 등통로각압출 공정을 거친 소재의 경우, 첫 번째 공정에서 소재의 바닥 부분에 변형이 집중되어 있었기 때문에 두 번째 공정을 거친 소재는 경로에 따라 첫 번째 소재의 바닥 부분이 위치하는 부분에 유효 변형률이 크게 발생하며, 소재 내부의 유효 변형률과 첫 번째 소재의 바닥 부분이 위치한 영역의 유효 변형률 차이가 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 그에 반해, 두 번째 반통로각압출 공정을 거친 소재는 첫번째 공정을 거친 소재에 비해 유효 변형률 분포의 불균일성이 크게 개선되었음을 확인할 수 있다. 등통로각압출과 반통로각압출 모두 경로 B를 거친 소재의 유효 변형률의 불균일성이 가장 두드러진다는 것을 알 수 있다.
그리고 공정 및 경로에 따라 소재에 가해지는 유효 변형률의 크기 및 분포를 정량적으로 비교, 분석하기 위하여 단면에서의 유효 변형률의 평균값을 계산하였다.
또한 단면에서의 유효 변형률 분포의 불균일한 정도를 정량적으로 비교하기 위해 다음의 식 (1)와 같이 변형 불균일 지수(deformation in-homogeneity index), C를 정의하여 각 공정을 거친 소재의 변형 불균일 정도를 비교하였다.
Figure 112015109208785-pat00001
---식 (1)
여기서, εmax와 εmin는 소재의 단면에서 유효 변형률의 최대값과 최소값이며, εave는 유효 변형률의 평균값이다.
공정 및 경로에 따라 평균 유효 변형률, 변형 불균일 지수 등은 도 7에 도시하였으며, 그 결과를 종합해 보면, 반통로각압출과 등통로각압출 모두, 1회 공정으로 소재 내부에 균일한 유효 변형률 분포를 얻을 수 없어서 반복 가공을 통해 변형 불균일 지수가 개선되지만, 반통로각압출 공정의 경우에 등통로각압출 공정에 비해 확연히 균일한 유효 변형률 분포를 발생시키는 것을 알 수 있으며, 반통로각압출과 등통로각압출 모두, 경로 A를 통해 두 번째 가공이 이루어졌을 때 가장 균일한 유효 변형률 분포를 나타냈으며, 경로 B를 이용하였을 때 가장 불균일한 분포를 나타내었다. 두 번째 성형을 거친 소재에서 경로에 상관없이 반통로각압출 공정이 등통로각압출 공정에 비해 거의 일정하게 1.8배 정도 증가된 평균 유효 변형률을 소재에 가할 수 있으며, 이는 소재 내부의 결정립 미세화 시키는데 있어서, 반통로각압출 공정이 등통로각압출 공정보다 훨씬 효율적인 방법임을 확인할 수 있다.
따라서, 상술한 반통로각압출 공정은 균일하게 유효 변형률을 대폭 증가시키는 효율적인 공정이지만, 대량생산 및 상업화를 위하여서는 단속 공정을 연속 공정으로 개발함이 필요하다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1392178호(2014.05.08.) 2. 대한민국 등록특허 제10-1066817호(2011.09.23.) 3. 대한민국 등록특허 제10-1274502호(2013.06.13.) 4. 대한민국 등록특허 제10-1298013호(2013.08.26.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 금속의 강소성가공에 의한 결정립 미세화 방안으로 연속 압출 공정을 적용함으로써, 높은 생산성으로 결정립 미세화 효율이 우수한 고품질 압출 제품을 제조할 수 있는 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 연속 압출기에 연속으로 장입되는 원재료의 형상 및 단면적과 장입온도 범위, 그리고 연속 압출기 다이스 챔버의 위치 및 형태를 변경하여 소재와 제품에 극심한 소성변형을 가하고, 소재와 제품의 온도를 정밀하게 관리하여 높은 생산성의 결정립 미세화 효율이 우수한 고품질 압출 제품을 제조할 수 있는 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치는 연속 주조기로부터 제공된 주조 바를 연속적으로 장입하여 초미세 결정립 금속 압출재를 연속적으로 압출하기 위한 것으로서, 홈이 형성되는 압출 휠과; 상기 압출 휠의 일측에 배치되어 주조 바를 장입시키는 압인 롤러와, 상기 압출 휠에 장입된 주조 바의 이동을 가이드하는 슈 블록(shoe block)과; 상기 슈 블록의 일단부에 배치되는 받침대와; 상기 슈 블록의 일측에 배치되어 상기 받침대에 의해 절곡되는 주조 바를 수용하는 다이스 챔버와; 상기 다이스 챔버 일측에 배치되어 상기 주조 바의 압출이 이루어지는 금형;을 포함하며, 상기 주조 바는 상기 압출 휠과 슈 블록 사이에 마련되어 상기 주조 바가 장입되는 장입부와, 일측은 상기 장입부에 연통되고 타측은 상기 다이스 챔버와 연통되는 연결부와, 상기 다이스 챔버를 거쳐 금형에서 압출되되, 상기 장입부와 연결부 사이에 마련된 제1절곡 구간을 통과하면서 1차 변형을 하고, 상기 연결부와 다이스 챔버 사이에 마련된 제2절곡 구간을 통과하면서 2차 변형을 하고, 상기 다이스 챔버에서 상기 금형을 통해 압출되면서 3차 변형이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치에 있어서, 상기 제1절곡 구간 및 제2절곡 구간은 각각 직각으로 절곡되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치에 있어서, 상기 제1절곡 구간 및 제2절곡 구간은 서로 동일한 방향으로 절곡되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치에 있어서, 상기 연결부의 단면적은 상기 다이스 챔버의 단면적보다 작게 이루어져 상기 주조 바는 상기 제2절곡 구간을 통과하면서 팽창하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치에 있어서, 상기 주조 바가 알루미늄으로 이루어진 경우, 100~400℃로 제어된 상태에서 상기 장입부로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치에 있어서, 장입부로 장입되는 주조 바의 단면은 사다리꼴 형상으로 이루어지되, 사다리꼴의 아랫면과 양 옆면을 합한 길이를 윗면의 길이로 나눈 값([아랫면(c) + 옆면(b) + 옆면(d)]/윗면(a))이 2.2 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치에 있어서, 상기 장입부에서의 주조 바의 단면적은, 상기 연결부에서의 주조 바의 단면적 및 상기 금형을 통해 나오는 압출 바의 단면적과 연계하여 대응되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치를 이용하는 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 방법에 있어서, 상기 압출 휠과 압인 롤러에 의해 상기 주조 바가 비대칭 압연되면서 인장과 압축되는 장입 공정과; 상기 압출 휠과 슈 블록 사이로 상기 주조 바가 이동하면서 전단변형으로 인장, 압축되거나, 또는 전단변형과 인장, 압축, 팽창되는 이동 공정과; 상기 제1절곡 구간을 통과하면서 상기 주조 바가 절곡되면서 변형하는 1차 변형 공정과; 상기 제2절곡 구간을 통과하면서 상기 주조 바가 절곡되면서 변형하는 2차 변형 공정과; 상기 금형을 통과하면서 상기 주조 바가 변형하는 3차 변형 공정;으로 이루어지며, 상기 제1절곡 구간과 제2절곡 구간에서는 상기 주조 바가 90˚각도로 절곡되어, 'ㄷ'자 형상으로 절곡되면서 변형하고, 상기 1, 2, 3 변형 공정에서는 전단, 팽창, 인장, 압축 중 적어도 두 가지 이상의 복합 소성변형이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치를 이용하는 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 방법에 있어서, 상기 주조 바는 상기 제2절곡 구간을 통과하여 다이스 챔버로 유입되면서 팽창하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치를 이용하는 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 방법에 있어서, 상기 제2절곡 구간이 없이 제1절곡 구간에서 바로 다이스 챔버로 유입되는 연속 압출 방식의 연결부 형태에서도 압출제품 단면적의 대, 소에 따라 주조 바의 단면적과 연결부의 단면적을 대응하여 조절하고, 제1절곡 구간을 통과하여 다이스 챔버로 유입되는 소재의 단면적이 팽창하여 전단, 팽창, 인장, 압축 중 적어도 두 가지 이상의 복합 소성변형이 이루어지는 것으로 소재 내부에 변형에너지 축적량을 최대화할 수 있는 모듈을 만들어 제품별로 관리할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 금속의 연속 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치 및 방법은 연속 압출 공정을 적용함으로써, 높은 생산성으로 결정립 미세화 효율이 우수한 고품질 압출 제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속의 연속 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치 및 방법은 연속 압출기에 연속으로 장입되는 원재료의 형상 및 단면적과 장입온도 범위, 그리고 연속 압출기 다이스 챔버의 위치 및 형태를 변경하여 소재와 제품에 극심한 소성변형을 가하고, 소재와 제품의 온도를 정밀하게 관리하여 높은 생산성의 결정립 미세화 효율이 우수한 고품질 압출 제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 종래 단속(배치형) 및 연속 강소성가공 기술들을 나타내고, 도 1b는 등단면각압출법의 상세 설명 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 종래 연속압출기의 구조와 각 위치별 각각의 소성변형을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 각각 반통로각압출 공정과 가공경로를 나타내는 도면이다.
도 5는 등통로각압출(등단면각압출) 및 반통로각압출 공정의 첫번째 패스를 거친 소재의 유한요소 해석 결과와 유효 변형률 분포를 나타낸 것이다.
도 6은 등통로각압출(등단면각압출) 및 반통로각압출의 두 번째 공정의 소재 형상 및 유효 변형률 분포와 크기를 나타낸 것이다.
도 7은 등통로각압출 및 반통로각압출의 1, 2 패스 및 가공 경로에 따라 최대, 최소, 평균 유효 변형률, 변형 불균일 지수 등의 분포 표와 가공 경로를 그림으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 연속주조/연속압출공정에 의한 초미세 결정립 금속 압출재의 연속제조장치의 설비 구성도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 연속 강소성가공 공정을 이용한 금속 압출 장치의 일실시예를 도시하는 단면도이고, 도 9b는 도 9a의 연결부와 절곡구간에 대한 상세도이다.
도 10은 본 발명의 다이스 챔버 입구(a)측과 금형의 출구측(b)의 압출 중인 블록 형상과 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 11은 본 발명의 다이스 챔버 입구(a)측과 금형의 출구측(b)의 저경각 입계와 고경각 입계의 분율을 나타내는 그래프이다.
도 12는 등단면각압출법으로 단면적 50㎟, 100㎟의 제품들을 각각 3패스, 4패스 가공한 A6061 단조용 소재(강소성가공재)를 기존의 압출소재, 주조소재들과 소재 가열온도, 소재의 크기 등을 다르게 하여 단조 성형성을 비교한 사진이다.
도 13은 도 12의 단조 소재별로 단조 가열온도와 단조 후 제품별 물성과 입계크기를 정리한 표이다.
도 14는 본 발명의 따른 주조 바의 단면 형상과 각 면의 길이의 비율을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들 및 후술 되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어 지는 것이다.
그리고 본 발명의 설명에서 동일 또는 유사한 구성요소는 동일 또는 유사한 도면번호를 부여하고, 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 본 발명에 따른 연속주조/연속압출공정에 의한 초미세 결정립 금속 압출재의 연속 제조장치의 설비 구성도이고, 도 9는 본 발명에 따른 금속 압출 장치의 일실시예를 도시하는 단면도이다.
먼저, 도 8을 참조하면 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치는 주조 바를 여러 단계의 강한 소성변형을 시키는 것으로써, 초미세 결정립 금속 압출재 연속제조장치의 설비 중 하나를 구성한다.
이러한 연속제조장치(100)는 용탕 형성부(110), 연속 주조기(120), 주조 바 처리기(130), 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치(140), 냉각기(150) 및 교정/절단/권취 및 포장부(160)를 포함한다.
상기 용탕 형성부(110)는 금속 지금을 용융시켜서 원하는 합금조성의 용탕을 형성하기 위한 것으로 반사로(112), 홀딩로(114), 주탕기(또는 래들)(116)를 포함한다.
상기 반사로(112)는 지금 20MT(Metric ton)을 용해시키는 용량을 가지는 것이 좋다.
상기 홀딩로(114)는 반사로(112)로부터 용해된 용탕을 제1탕도(113)를 통해 공급받아 연속 주조기에 주입되는 용탕을 소정 온도로 유지하고, 합금성분이 비중 차이에 의한 불균일을 방지하기 위한 전자교반기(Magnetic Stirrer)를 갖춘 것으로 연속 생산 공정을 위하여 용량 10MT 사이즈의 2세트로 구성될 수 있다.
제1탕도(113)와 홀딩로(114)의 주입구 사이에 슬래그를 제거하기 위한 슬래그(slag) 베셀(vessel)이 구비될 수 있다.
홀딩로(114)의 용탕은 제2탕도(115)를 통해 주탕기(116)에 공급된다. 제2탕도(115)와 주탕기(116) 사이에 탈가스화기(GBF: Gas Bubbling Filter)와 세라믹 필터(Ceramic Filter)를 구비할 수 있다.
연속 주조기(CCM: Continuous Casting Machine)(120)는 용탕 형성부로부터 공급된 용탕을 주조 휠을 통해 연속 주조하여 연속 압출기 장입온도를 유지한 주조 바를 생산하기 위한 것으로 주조 바 처리기(130)는 구체적으로 도시하지 않았지만, 대한민국 등록특허 제10-1392178호에 개시된 바와 같이 인입핀치롤러, 절단기, 교정롤러, 상면 면삭기 및 에지 커터기, 인출핀치롤러, 주조 바 냉각장치 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 도 8 및 도 9를 참조하면 본 발명의 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치(140)는 크게 압출 휠(141)과, 압인 롤러와, 슈 블록(shoe block)과, 받침대(abutment)와, 다이스 챔버(149)와, 금형(150)으로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 장치(140)는 원주 방향으로 형성되는 홈(141a)이 마련되는 압출 휠(141)과, 상기 압출 휠(141)의 일측에 배치되어 주조 바(B1)를 장입시키는 압인 롤러(142)와, 상기 압출 휠(141)에 장입된 주조 바(B1)의 이동을 가이드하는 슈 블록(143)과, 상기 슈 블록(143)의 일단부에 배치되는 받침대(144)와, 상기 슈 블록(143)의 일측에 배치되어 상기 받침대(144)에 의해 절곡되는 주조 바(B1)를 수용하는 다이스 챔버(149)와, 상기 다이스 챔버(149) 일측에 배치되어 상기 주조 바(B1)의 압출이 이루어지는 금형(150)과 압출 중 슈 블록(143)과 압출 휠(141) 사이의 간격으로 연속 배출되는 플래쉬(151)를 연속 절단 제거하는 스크래퍼(152)로 이루어진다.
상기 압출 휠(141)과 슈 블록(143) 사이에는 주조 바(B1)가 장입되는 장입부(145)가 마련되고, 일측은 상기 장입부(145)에 연통되고 타측은 상기 다이스 챔버(149)와 연통되는 연결부(146)가 마련된다. 상기 주조 바(B1)의 형상은 사다리꼴의 윗면과 기타면(아랫면과 양쪽 옆면)의 길이의 비율을 2.2 이상이 되게 주조하여, 알루미늄은 100~400℃의 온도로 제어된 상태에서 상기 장입부로 공급되는 것을 예시할 수 있다.
상기 압출 휠(141)은 5~10RPM의 속도로 회전하는 것을 예시할 수 있는데, 상기 주조 바는 일측에 배치된 상기 압인 롤러(142)에 의해 이동하고, 비대칭 압연이 이루어진다.
상기 압출 휠(141)의 회전에 의해 압출 휠(141)의 홈 벽면과 슈 블록(143) 사이에서 강한 전단 마찰력이 발생한다.
상기 주조 바(B1)는 홈(141a)에서 압축되면서 상기 받침대(144)를 향해 상기 압출 휠(141)의 호 방향으로 이동한 다음, 상기 받침대(144)에 의해 직각으로 꺾이면서 제1절곡 구간(147)을 통과하고, 이때 심한 소성 변형을 일으키게 된다.
여기서, 제1절곡 구간(147)은 장입부(145)와 연결부(146) 사이에서 직각으로 절곡된 영역을 의미한다.
상기 제1절곡 구간(147)을 통과한 주조 바(B1)는 상기 연결부(146)와 다이스 챔버(149) 사이에 마련된 제2절곡 구간(148)을 통과하면서 다이스 챔버(149)로 유입되는데, 상기 다이스 챔버(149)는 연결부(146)의 단면적보다 크게 이루어지기 때문에 주조 바(B1)는 팽창 및 인장 등의 변형을 일으키게 된다.
여기서, 상기 제1절곡 구간(147)과 제2절곡 구간(148)은 동일한 방향, 예를 들어 반시계 방향으로 연속하여 2회 절곡되기 때문에 균일한 유효 변형률 분포를 가지게 되고, 제1절곡 구간(147)만 마련된 도 2a에 도시된 종래의 컨폼 연속압출 공정(conform contiuous extrusion forming process)에 비해 현저히 큰 소성 변형량을 가지게 되어 금속의 결정립을 미세화할 수 있다.
그리고 본 발명의 금속의 강소성가공 공정을 이용한 연속 압출 방법은 압출 휠(141)과 압인 롤러(142)에 의해 상기 주조 바(B1)가 비대칭 압연되는 인장과 압축 공정과, 상기 압출 휠(141)과 슈 블록(143) 사이로 상기 주조 바(B1)가 이동하면서 전단변형으로 인장, 압축되거나, 또는 전단변형과 인장, 팽창되는 이동 공정과, 장입부(145)와 연결부(146) 사이에 마련된 제1절곡 구간(147)을 통과하면서 상기 주조 바(B1)가 절곡되면서 변형하는 1차 변형 공정과, 연결부(146)와 다이스 챔버(149) 사이에 마련된 제2절곡 구간(148)을 통과하면서 상기 주조 바(B1)가 절곡되면서 변형하는 2차 변형 공정과, 상기 다이스 챔버(149)에서 상기 금형(150)을 통과하면서 상기 주조 바가 변형하는 3차 변형 공정으로 이루어진다. 그리고 상기 제1절곡 구간과 제2절곡 구간에서는 상기 주조 바가 90˚ 각도로 절곡되어, 'ㄷ'자 형상으로 절곡되면서 변형하고, 상기 1, 2, 3 변형 공정에서는 전단, 팽창, 인장, 압축 중 적어도 두 가지 이상의 복합 소성변형이 이루어지면서 축적된 변형 에너지가 커짐으로써, 금속의 결정립의 크기를 미크론(micron,㎛) 이하로 미세화시킬 수 있다.
그리고 상기 제1절곡 구간과 제2절곡 구간에서는 상기 주조 바가 90˚ 각도로 절곡되는 것이 가장 효과적라는 이론적 근거는, 등단면각압출(ECAP/E) 가공법에서 한번의 압축(pressing)으로 소재에 축적되는 전체 변형량은 단순 전단변형에 관계된 변형률을 아래 식 (2)과 같이 Von Mises 항복이론에서의 유효 변형률 ε을 계산할 수 있다.
ε = N/√3[2cot(Φ/2 + Ψ/2) + Ψcosec(Φ/2 + Ψ/2)]---식 (2)
여기서, N : 소재가 다이를 통과한 횟수
위 식 (2)에서 Φ와 Ψ를 정하면 각 압축 조건으로 변형량을 구할 수 있다. N=1 일 경우 Ψ값과 90˚에서 180˚범위의 Φ 값에 대한 변형량을 구한다. 여기서 Ψ 값은 변형량에 영향이 없지만, Φ값의 변화는 변형량에 직접 영향을 준다. 특히 Φ=90˚ 일 경우에 Ψ에 관계없이 한번의 압축으로 약 1에 가까운 변형량을 얻을 수 있어 등단면각압출 가공의 효과가 가장 크다는 것을 알 수 있다.
그리고 본 발명은 컨폼 연속압출공정으로 생산되는 압출재(B2)의 단면적에 따라 공급되는 주조 바(feedstock)의 단면적을 다르게 하고, 다이스 챔버의 단면적을 확대하며, 2패스 등단면각압출(ECAP/E)법 A경로의 90˚ 각도로 2회 절곡 후 연속압출을 시행한다면, 강소성가공 효과는 월등하게 증대되어 압출재(B2)의 결정립은 더욱 균일하게 미세화 될 것이다.
그리고 압출재의 단면적의 대, 소에 따라 주조 바의 단면적과 다이스 챔버의 단면적을 다르게 관리하여, 소재 내부에 변형에너지 축적량을 최대화할 수 있는 모듈(연결부 단면적 대비 제품 단면적 확대, 다이스 챔버 단면적 2배 이상 확대)을 만들어 제품별로 관리하고, 등단면각압출법(ECAP/E)의 1패스와 같은 방식으로 형재 및 파이프 생산에 널리 사용되는 레디얼 타입(Radial type) 컨폼 연속압출방식을, 중심 소재(cored material)의 피복과 클래딩에 적용되는 탄젠샬 타입(tangential type) 컨폼 연속압출 방식으로 다이스 챔버를 개조하고, 등단면각압출법 A타입 경로의 2패스와 같은 방식으로 변경하여, 복합적이고 강한 강소성가공을 부가함으로써 소성 변형량의 크기를 최대화하여 결정립 미세화의 효율을 향상시킬 수 있다.
금속조직의 입계 구조와 결정립의 형상은 금속 미세조직의 특징을 판단하는 중요한 요소로서, 성형성(plastic formability)과 초소성가공성(superplasticity)에 가장 큰 영향을 준다. 입계구조는 입계 미끄럼을 쉽게 일으키는 고경각 입계(high angle boundaries) 구조를 가지고, 결정립의 형상은 길이와 폭(종/횡)의 크기가 비슷한 등축정(equiaxial grains)일 때 모든 방향으로 큰 입계 미끄럼이 쉽게 일어나서, 파단에 이르기까지 수백%의 연신율을 나타내고, 작은 응력으로 변형되는 특징을 가진다.
도 11을 참조하면 컨폼 연속 압출기 압출 휠의 홈을 통해 다이스 챔버 입구까지 유입된 원재료는 받침대(abutment)에 의해 등통로각압출법과 같이 90˚ 절곡되어 다이스 챔버에 채워지고, 다이스 챔버 내에서 전단, 팽창, 인장, 압축 등의 복합적인 변형을 받으며 금형을 통해 압출이 되는 공정에서, 다이스 챔버 입구측과 금형 출구측의 입계구조를 확인해 보면, 등단면각압출법과 같이 전단변형이 주로 부가된 입구측은 결정립계가 저경각 입계(low angle boundaries)의 분율이 60%를 나타내지만, 다이스 챔버와 금형을 통해 복합적인 큰 소성변형이 부가된 출구측 제품은 고경각 입계의 분율이 73%(고경각의기준＞15˚)로 대폭 증가됨을 알 수 있다. 1회의 ECAP/E 공정을 통해 결정립을 미세화 시키는 경우에는 소성가공에 의해 발생하는 결정립 내부의 전위(dislocation)에 의해 항상 0~5˚ 범위로 결정립들이 결정 축 방향에서 어긋나는 각도(misorientasion angle)로 존재한다는 것을 고려했을 때 40˚ 이상으로 결정립들이 결정 축 방향에서 어긋나는 각도(misorientasion angle) 집단이 대폭 증가한 것은 다이스 챔버와 금형에서 1회의 큰 소성변형 효과임을 입증하고 있다.
등축정과 고경각 입계 구조를 가진 컨폼 연속압출법으로 생산된 단조용 소재는 우수한 성형성을 가지므로 기존 압출소재, 주조소재에 비하여 다음과 같은 경제적 이점을 예상할 수 있다. 강소성가공법으로 생산된 소재는 높은 성형성으로 기존 단조용 소재 대비 낮은 소재가열 온도와 단조소재의 크기를 축소하여도 우수한 단조 품질을 유지할 수 있다. 소재의 가열온도가 낮아짐으로 가열에너지 소비가 절감되고, 재료의 수율이 향상되어 스크랩(trimming scrap) 발생 감소와 이에 따르는 재용해 비용의 감소, 그리고 열간 단조성의 향상으로 보다 작은 압하(lower forging loads)와 소형 설비로 생산이 가능할 뿐만 아니라, 더 큰 제품의 생산이 가능하여서 단조기의 가동비용과 설비투자비용을 절감할 수 있으며, 단조온도가 낮아지므로 단조금형의 마모가 감소하고, 덜 비싼 금형재료의 사용이 가능해 진다. 또한 단조 횟수의 감소와 중간 단계(step)의 감소로 금형의 마모 감소 및 가동비용 절감 등을 예상할 수 있다.
등단면각압출(ECAP/E)법으로 각각 3패스와 4패스 강소성가공한 단조소재의 가열온도를 최대 145℃ 낮추고, 소재의 크기는 15%를 작게 하여도, 기존의 압출소재, 주조소재 대비 우수한 단조 가공성을 보여준다.
도 13을 참조하면 강소성가공법에 의해 결정립이 미세한 단조소재는, 우수한 성형성으로 제조비용을 낮추고, 단조 가공 후 제품의 기계적 특성들이 기존 단조 소재에 비하여 여러 면에서 비교 우위의 우수한 품질을 나타냄을 확인할 수 있다.
이와 같이 결정립이 미세하고 성형성과 기계적 특성들이 우수한 강소성가공 제품를 생산하기 위하여 컨폼 연속압출기에 장입되는 주조 바(feedstock)의 형상은 사다리꼴의 윗면과 기타면(아랫면과 양쪽 옆면)의 길이의 비율을 2.2 이상이 되게 주조하고, 주조 바의 온도는 주조 바 냉각장치에서 알루미늄은 100~400℃ 범위로 냉각하여, 제품의 크기와 형상, 압출 휠의 회전속도에 따라 주조 바의 온도를 조정하여 연속적으로 장입한다. 그리고 컨폼 연속압출기의 슈 블록(shoe block), 압출 휠(extrusion wheel), 받침대(abutment), 다이스 챔버(dies chamber) 등은 냉각수를 내부로 강제 순환하여 과열을 방지하므로, 압출 휠과 슈 블록, 받침대, 다이스 챔버 내의 소재 온도를 적정온도로 관리할 수 있다. 또한 제품의 단면적에 따라 장입되는 주조 바의 단면적을 변경하여, 받침대에서 등단면각압출(ECAP/E)과 유사하게 교차각(Ø) 90˚로 교차되는 단면의 단면적, 그리고 다이스 챔버의 단면적(부피팽창)과 입구와 출구측 양쪽 모서리부(deadzone)형상 등을 모듈화하여 소성 변형량을 최대화할 수 있게 관리한다. 그리고 압출 금형을 통해 생산된 연속 압출제품은 결정립의 성장과 재결정을 최소화하기 위하여 압출 금형 바로 앞에 설치된 제품 연속 냉각장치를 지나면서 급냉(quenching)되어 배출된다. 소성변형량을 최대화하기 위하여 탄젠샬 타입(tangential type) 컨폼 연속압출 방식을 개조하여 등단면각압출법 A 타입 경로의 2패스와 유사한 90˚ 절곡 2회와 단면 확대 다이스 챔버 형상으로 제품의 결정립 미세화의 효율을 최대화 할 수 있다. 컨폼 연속압출기는 압출 중에 발생되는 소재의 표면 산화물들은 플래쉬(flash, scrap) 형태로 받침대를 지나 압출 휠과 함께 회전하며 하부 측으로 연속 배출시켜, 산화물들이 제품에 혼입되는 것을 방지한다. 발생되는 플래쉬의 량(flash level)은 통상 1~8% 범위로, 압출 휠 과 슈 블록(shoe block) 사이의 간격을 조정하여 관리하므로, 향상 균일한 우수한 품질의 제품을 생산할 수 있게 한다.
도 14를 참조하면 연속압출기에 연속 장입되는 소재(feedstock)인 주조 바의 형상은 윗변이 아랫변보다 긴 사다리꼴인 것이 바람직하다.
구체적으로 슈 블록(shoe block)과 마찰되는 윗면(a)은 아랫면(c), 양쪽 옆면(b, d)과의 비율에 따라 마찰열에 의한 소재의 과열과 산화피막의 증가 등에 직접적인 원인이 되므로, 윗면 비율을 적정하게 관리하여야 압출 휠의 회전속도(RPM)를 크게 하여 생산성을 높일 수 있고, 산화피막 발생량을 최소화할 수 있어 고품질을 유지할 수 있다. 주조 바의 윗면과 아랫면과 양쪽 옆면의 길이의 비율을 아래와 같이 2.2 이상이 되게 설계한다.
2.2 ≤ (아랫면(c) + 옆면(b) + 옆면(d)) / 윗면(a)
즉, 슈 블록과 마찰 되는 주조 바(feedstock) 윗면의 면적비가 크면 클수록 발생되는 마찰열이 증가하여 소재가 과열된다. 또한, 주조 바의 높이(b, d)가 작으면 제1, 2절곡 구간에서 전단 변형량이 감소하게 된다.
즉, 주조 바의 윗면과 기타면(아랫면과 양쪽 옆면)의 길이의 비율을 2.2 이상이 되게 관리하여, 높은 생산성과 회수율 그리고 고품질을 유지할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
140 : 연속 압출 장치
141 : 압출 휠 141a : 홈
142 : 압인 롤러 143 : 슈 블록
144 : 받침대 145 : 장입부
146 : 연결부 147 : 제1절곡 구간
148 : 제2절곡 구간 149 : 다이스 챔버
150 : 금형 151 : 플래쉬
152 : 스크래퍼 B1 : 주조바
B2 : 압출재

Claims (10)

  1. 연속 주조기로부터 제공된 주조 바를 연속적으로 장입하여 초미세 결정립 금속 압출재를 연속적으로 압출하기 위한 것으로서,
    홈이 형성되는 압출 휠과;
    상기 압출 휠의 일측에 배치되어 주조 바를 장입시키는 압인 롤러와,
    상기 압출 휠에 장입된 주조 바의 이동을 가이드하는 슈 블록(shoe block)과;
    상기 슈 블록의 일단부에 배치되는 받침대와;
    상기 슈 블록의 일측에 배치되어 상기 받침대에 의해 절곡되는 주조 바를 수용하는 다이스 챔버와;
    상기 다이스 챔버 일측에 배치되어 상기 주조 바의 압출이 이루어지는 금형;을 포함하며,
    상기 주조 바는 상기 압출 휠과 슈 블록 사이에 마련되어 상기 주조 바가 장입되는 장입부와, 일측은 상기 장입부에 연통되고 타측은 상기 다이스 챔버와 연통되는 연결부와, 상기 다이스 챔버를 거쳐 금형에서 압출되되,
    상기 장입부와 연결부 사이에 마련된 제1절곡 구간을 통과하면서 1차 변형을 하고, 상기 연결부와 다이스 챔버 사이에 마련된 제2절곡 구간을 통과하면서 2차 변형을 하고, 상기 다이스 챔버에서 상기 금형을 통해 압출되면서 3차 변형이 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1절곡 구간 및 제2절곡 구간은 각각 직각으로 절곡되는 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1절곡 구간 및 제2절곡 구간은 서로 동일한 방향으로 절곡되는 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연결부의 단면적은 상기 다이스 챔버의 단면적보다 작게 이루어져 상기 주조 바는 상기 제2절곡 구간을 통과하면서 팽창하는 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 주조 바가 알루미늄으로 이루어진 경우, 100~400℃로 제어된 상태에서 상기 장입부로 공급되는 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 장입부로 장입되는 주조 바의 단면은 사다리꼴 형상으로 이루어지되, 사다리꼴의 아랫면과 양 옆면을 합한 길이를 윗면의 길이로 나눈 값([아랫면(c) + 옆면(b) + 옆면(d)]/윗면(a))이 2.2 이상인 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 장입부에서의 주조 바의 단면적은,
    상기 연결부에서의 주조 바의 단면적 및 상기 금형을 통해 나오는 압출 바의 단면적에 대응하여 조절되는 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 금속의 연속 압출 장치를 이용하는 금속의 연속 압출 방법에 있어서,
    상기 압출 휠과 압인 롤러에 의해 상기 주조 바가 비대칭 압연되면서 인장과 압축되는 장입공정과;
    상기 압출 휠과 슈 블록 사이로 상기 주조 바가 이동하면서 전단변형으로 인장, 압축되거나 또는 전단변형과 인장, 압축, 팽창되는 이동 공정과;
    상기 제1절곡 구간을 통과하면서 상기 주조 바가 절곡되면서 변형하는 1차 변형 공정과;
    상기 제2절곡 구간을 통과하면서 상기 주조 바가 절곡되면서 변형하는 2차 변형 공정과;
    상기 금형을 통과하면서 상기 주조 바가 변형하는 3차 변형 공정;으로 이루어지며,
    상기 제1절곡 구간과 제2절곡 구간에서는 상기 주조 바가 90˚각도로 절곡되어, 'ㄷ'자 형상으로 절곡되면서 변형하고,
    상기 1, 2, 3 변형 공정에서는 전단, 팽창, 인장, 압축 중 적어도 두 가지 이상의 복합 소성변형이 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주조 바는 상기 제2절곡 구간을 통과하여 다이스 챔버로 유입되면서 팽창하는 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2절곡 구간이 없이, 제1절곡 구간에서 바로 다이스 챔버로 유입되는 금속의 연속 압출 방법의 연결부 형태에서도 압출제품 단면적의 대, 소에 따라 주조 바의 단면적과 연결부의 단면적을 대응하여 조절하고, 제1절곡 구간을 통과하여 다이스 챔버로 유입되는 소재의 단면적이 팽창하여 전단, 팽창, 인장, 압축 중 적어도 두 가지 이상의 복합 소성변형이 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속의 연속 압출 방법.

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