KR20020080091A - Apparatus for manufacturing metal matrix composites and method of manufacturing aluminum metal matrix composites using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속기지 복합재료의 제조 장치 및 이를 이용한 알루미늄기지 금속복합재료의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강화입자-가스 혼합체의 하부 주입을 이용한 금속기지 복합재료의 제조 장치 및 이를 이용한 알루미늄기지 금속기지 복합재료의 제조 방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 경량 재료인 용융 알루미늄 합금기지에 세라믹(SiC) 강화 입자를 혼합함으로써 알루미늄의 고인성과 SiC 강화입자의 고강도 특성을 결합시켜 높은 비강도, 비강성, 내마모성, 우수한 고온 안정성 등을 지닌 금속기지 복합재료 인고트를 제조할 수 있는 장치 및 이를 이용한 알루미늄기지 금속복합재료의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for manufacturing a metal base composite material and a method for manufacturing an aluminum base metal composite material using the same, and more particularly, to an apparatus for producing a metal base composite material using a bottom injection of a reinforced particle-gas mixture and an aluminum using the same. The present invention relates to a method for producing a base metal base composite material, and more particularly, by mixing ceramic (SiC) reinforced particles with a molten aluminum alloy base, which is a lightweight material, combining high toughness of aluminum with high strength characteristics of SiC reinforced particles to provide high specific strength, The present invention relates to a device capable of manufacturing a metal-based composite material ingot having specific rigidity, abrasion resistance, and excellent high temperature stability, and a method of manufacturing an aluminum-based metal composite material using the same.
금속기지 복합재료는 금속기지의 높은 인성과 산화물, 탄화물, 질화물(Al2O3, SiC, B4C, TiN, AlN) 등 강화입자의 고경도, 고온 안정성, 화학적 안정성 등의 조합에 의해 기존의 금속재료에 비하여 비강도, 탄성계수, 및 인성 등이 크게 향상된 우수한 기계적 성질을 가지면서 고분자 복합재료에 비하여 고온강도, 전기 및 열 전도도와 내마멸 특성이 우수하며, 소재의 재활용율도 고분자 복합재료보다 높아 우주 항공, 자동차 및 방위 산업 등에서 크게 대두되고 있는 재료이다.Metal base composite materials are based on the combination of high toughness of metal base and high hardness, high temperature stability and chemical stability of reinforcing particles such as oxides, carbides and nitrides (Al 2 O 3 , SiC, B 4 C, TiN, AlN). It has excellent mechanical properties with greatly improved specific strength, elastic modulus, and toughness compared to metal materials, and has high temperature strength, electrical and thermal conductivity, and abrasion resistance characteristics compared to polymer composites. Higher materials are emerging in the aerospace, automotive and defense industries.
알루미늄기지 복합재료는 신소재 중에서 기존 철강 및 비철 재료에 비해 경량이면서 높은 비강도, 피로강도, 탄성률, 내마모성, 고온 특성, 낮은 열팽창 계수 등 우수한 특성을 가지고 있는 재료이다.Aluminum base composites are new materials, which are lighter than existing steel and nonferrous materials, and have excellent properties such as high specific strength, fatigue strength, elastic modulus, wear resistance, high temperature characteristics, and low coefficient of thermal expansion.
복합재료의 여러 이점 중 몇 가지를 언급하면 다음과 같다. 먼저 대부분의 복합재료 비중이 강화입자의 첨가로 인해 크게 변화하지는 않으므로 비중의 증감이 적으면서 물성을 증가시킬 수 있다. 강화입자의 부피 분율을 증가시킴으로써 복합재료의 탄성계수를 증가시킬 수 있고 강도 향상이 현저하며, 특히 고온 강도가 우수한 재료를 설계, 제조할 수 있다. 또한 세라믹 강화입자의 도입으로 내마모성을 향상시킬 수 있고 열팽창은 낮추면서 높은 열전도도 및 전기 전도도를 유지시킬 수 있다.Some of the advantages of composite materials are listed below. First, since the specific gravity of most composite materials does not change significantly due to the addition of reinforcing particles, the physical properties can be increased while the specific gravity is decreased. By increasing the volume fraction of the reinforcing particles, the modulus of elasticity of the composite material can be increased, and the strength is remarkably improved. In particular, a material having excellent high temperature strength can be designed and manufactured. In addition, the introduction of ceramic reinforcing particles may improve wear resistance and maintain high thermal and electrical conductivity while lowering thermal expansion.
일반적으로 불연속 금속기지 복합재료의 제조방법에는 분말야금법(powder metallurgy), 분무성형법(spray forming), 예비성형체 주입법(preform infiltration), 용탕단조법(squeeze casting), 정밀주조법(precision casting), 반응고 성형법(compo-casting or rheo-casting) 등이 있다. 이러한 제조 방법들 중에는 제조 공정이 복잡하거나 비용이 너무 크거나 주조품의 크기에 제한이 있거나 대량생산이 어렵거나 하여 양산체제를 갖추기 위한 방법으로는 부적절하다.In general, methods for producing discontinuous metal base composites include powder metallurgy, spray forming, preform infiltration, squeeze casting, precision casting, and reaction. Compo-casting or rheo-casting. Among these manufacturing methods, the manufacturing process is complicated, the cost is too large, the size of the casting is limited, or the mass production is difficult, so it is not suitable as a method for preparing a mass production system.
이에 반하여 주조 적용성이 우수하고 대량생산에 유리하며, 다른 방법에 비해 비용이 적게 드는 용융 주조법이 경제성 측면에서 유리하다. 하지만 단순한 임펠러를 이용한 단순 혼합이나 강화입자의 단순 주입방법으로는 용탕과 입자의 낮은젖음성 문제 및 비중차이 문제를 극복하기가 쉽지 않다.On the contrary, the melt casting method, which is excellent in casting applicability, is advantageous for mass production, and which is less expensive than other methods, is advantageous in terms of economic efficiency. However, it is not easy to overcome the problems of low wettability and specific gravity difference between molten metal and particles by simple mixing using simple impeller or simple injection of reinforcing particles.
본 발명의 배경이 되는 관련 문헌들로는 (1) T. A. Engh, A. Johnston; 「Injection of non-wetting particles into melts」, Reduction and casting of aluminum, pp. 11-20, (2) P. Rohatgi; 「Cast Metal-Matrix Composites」, Metals Handbook, 9th ed., vol.15, 1988, ASM International, pp. 840-854, (3) T. A. Engh, K. Larsen, and K. Venas;「Penetration of particle-gas jets into liquid」, Iron & Steel Making, No. 6, 1979, pp. 268-273, (4) Sidorenko, M. F.;「Theory and practice of powder injection into metal」, Russian article, 1978 등이 있다. 특히 본 발명과 관련한 특허중 대한민국 특허공개 특2000-024436(2000. 05. 06.)와 특2000-067073(2000. 11. 15.)에서는 강화재 투입모터와 가스를 이용하여 강화입자를 용탕에 주입하는데 그 방식이 회전하는 임펠러의 중앙 내부를 통해 주입되도록 하였다. 하지만 이러한 방식은 고상 강화입자가 액상으로 주입될 때 강화입자의 응집 및 편석 현상을 적절히 억제할 수 없을 뿐만 아니라 강화재 주입시 임펠러 블레이드에 의한 강력한 교반력을 충분히 받을 수 없다는 문제점이 있다. 또한 임펠러의 위치와 주입구의 위치가 고정되어 주입과 교반의 상승작용 효과를 얻기 어려우며, 위치 변화의 범위도 제약이 크다. 더욱이 임펠러의 형상이 단순한 평행한 일자형으로 용탕의 상하를 충분히 교반시키는 데는 제약이 따른다.Related literature which is the background of the present invention includes (1) T. A. Engh, A. Johnston; Injection of non-wetting particles into melts, Reduction and casting of aluminum, pp. 11-20, (2) P. Rohatgi; Cast Metal-Matrix Composites, Metals Handbook, 9th ed., Vol. 15, 1988, ASM International, pp. 840-854, (3) T. A. Engh, K. Larsen, and K. Venas; `` Penetration of particle-gas jets into liquid '', Iron & Steel Making, No. 6, 1979, pp. 268-273, (4) Sidorenko, M. F .; Theory and practice of powder injection into metal, Russian article, 1978. In particular, Korean Patent Publication Nos. 2000-024436 (2000. 05. 06.) and 2000-067073 (2000. 11. 15.) among the patents related to the present invention inject the reinforcing particles into the molten metal using a reinforcing material injection motor and gas. The method is to be injected through the inside of the center of the rotating impeller. However, this method has a problem that it is not possible to adequately suppress the aggregation and segregation of the reinforcement particles when the solid reinforcement particles are injected into the liquid phase, as well as receive a strong stirring force by the impeller blades when the reinforcing material is injected. In addition, since the position of the impeller and the position of the inlet are fixed, it is difficult to obtain a synergistic effect of the injection and agitation, and the range of the position change is also large. Moreover, the impeller has a limitation in sufficiently stirring the upper and lower sides of the molten metal in a straight straight line shape.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 우선 위에서 언급한 여러요인들에 의한 문제점들을 해결하기 위하여 강화입자의 균일한 분포를 가질 수 있도록 하는 금속기지 복합재료 제조 장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a metal-based composite material manufacturing apparatus that can have a uniform distribution of the reinforcing particles in order to solve the problems caused by the above-mentioned factors.
또한 본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 금속기지 복합재료 제조 장치를 이용하여 저렴하고 주조 적용성이 우수하며 인고트의 대량생산을 효과적으로 이룰 수 있는 알루미늄기지 복합재료 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, another technical problem of the present invention is to provide an aluminum-based composite material manufacturing method that can be inexpensive, excellent casting applicability, and effective mass production of ingot using the metal-based composite material manufacturing apparatus.
도 1은 본 발명의 실시예에서 사용된 금속복합재료 제조 장치(stir-caster)의 사진이다.1 is a photograph of a metal composite material manufacturing apparatus (stir-caster) used in the embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분말 주입구와 임펠러 위치를 나타낸 제조장치의 개략적인 단면도이다.Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the manufacturing apparatus showing the powder injection port and the impeller position according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에서 강화입자와 가스의 혼합주입을 위해 사용된 주입 수단의 사진이다.Figure 3 is a photograph of the injection means used for the mixed injection of the reinforcing particles and gas in the embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에서 용탕과 강화입자의 혼합을 위해 사용한 임펠러의 사진이다.Figure 4 is a photograph of the impeller used for mixing the molten metal and the reinforcing particles in the embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에서 사용된 SiC 강화입자의 주사전자현미경 사진이다.5 is a scanning electron micrograph of the SiC strengthening particles used in the embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄기지 금속복합재료의 미세조직을 나타내는 광학현미경 사진이다.6 is an optical micrograph showing the microstructure of the aluminum-based metal composite material prepared according to the embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 금속복합재료의 강화입자 분율에 따른 경도 변화를 도시한 그래프이다.7 is a graph showing the change in hardness according to the fraction of the strengthening particles of the metal composite material prepared according to the embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: 용해로10: melting furnace
31: 랜스 33: 노즐31: Lance 33: Nozzle
41: 임펠러41: impeller
본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 금속재료를 수용하기 위한 챔버를 갖춘 용해로, 상기 챔버내 금속재료를 가열하여 금속 용탕을 제조하는 가열 수단, 상기 챔버내에 운반가스 및 강화입자의 혼합체를 주입하는 주입구를 하나 이상 구비하며 상기 주입구가 챔버 기저로부터 용탕 높이의 1/5지점에서부터 3/5지점에까지 위치할 수 있도록 하는 주입 수단 및 교반에 의한 상승작용을 이용하여 강화입자를 용탕 속에 균일하게 분산시키는 교반 수단을 구비하는 금속기지 복합재료 제조 장치를 제공한다.In order to achieve the technical object of the present invention, the present invention is a melting furnace having a chamber for accommodating a metal material, a heating means for heating the metal material in the chamber to produce a molten metal, a mixture of carrier gas and reinforcing particles in the chamber It is provided with at least one injection hole for injecting the injection hole to be positioned from 1/5 to 3/5 of the melt height from the chamber base by using the injection means and the synergistic effect of the stirring to uniformly strengthen the particles in the molten metal It provides a metal base composite material manufacturing apparatus having a stirring means for dispersing.
상기 가열 수단은 고주파 전기 유도 발생 장치인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 통상적으로 사용되고 있는 가열 수단, 예를 들면 유도 용해로 등도 사용할 수 있다.Preferably, the heating means is a high frequency electric induction generating device, but is not necessarily limited thereto, and heating means commonly used in the art, for example, an induction melting furnace and the like, may also be used.
상기 주입 수단은 주입구가 하나일 수도 있으나, 균일한 분배를 위하여 두 개 이상인 것이 바람직하고, 상기 교반 수단을 중심으로 서로 대칭 되도록 위치하는 것이 바람직하다.The injection means may have one injection hole, but two or more injection holes are preferable for uniform distribution, and are preferably positioned to be symmetrical with respect to the stirring means.
상기 주입 수단이 랜스와 랜스 끝에 달린 미세한 구멍들을 가지는 노즐을 구비하는 것이 바람직하다. 구멍의 크기는 0.6∼1.0 mm인 것이 바람직하다. 그 이유는 강화입자가 미세한 노즐 구멍을 통해 주입되어 강화입자의 응집현상을 최대한 억제하도록 함으로써 균일하게 용탕에 분산되도록 하기 위해서이다.Preferably, the injection means has a lance and a nozzle having fine holes at the end of the lance. It is preferable that the size of a hole is 0.6-1.0 mm. The reason is that the reinforcement particles are injected through the fine nozzle hole to minimize the aggregation phenomenon of the reinforcement particles to be uniformly dispersed in the molten metal.
상기 교반 수단은 세 개의 블레이드 프로펠러형인 A-1 형태나 평평한 블레이드 프로펠러형인 R-1 형태의 임펠러 등이 있으나, 블레이드가 45o로 기울어진 네 개의 블레이드 프로펠러형인 A-2 형태의 임펠러가 강력한 교반을 위해서 바람직하다.The stirring means includes three blade propeller type A-1 type or flat blade propeller type R-1 type impeller, etc., but the four blade propeller type A-2 type in which the blade is inclined at 45 o is strongly stirred. In order to be preferable.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 용해로 챔버를 가열하는 수단을 이용하여 알루미늄 용탕을 제조하는 단계, 주입 수단을 이용하여 운반 가스와 강화입자 혼합체를 챔버 기저로부터 용탕 높이의 1/5지점에서부터 3/5지점에까지 위치를 변화시키며 주입할 수 있는 단계 및 교반수단을 이용하여 강화입자를 용탕속에 균일하게 분산시키는 단계를 포함하는 알루미늄기지 금속복합재료 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above another technical problem, the present invention is to prepare a molten aluminum using a means for heating the furnace chamber, the carrier gas and the reinforcing particle mixture by the injection means 1/5 point of the melt height from the chamber base It provides an aluminum-based metal composite material manufacturing method comprising the step of injecting and changing the position from 3 to 3/5 and uniformly dispersing the reinforcing particles in the molten metal using a stirring means.
상기 알루미늄의 용해시 고주파 전기 유도로를 이용하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 가열 방법, 예를 들면 저항로 등을 사용할 수 있다.When the aluminum is dissolved, it is preferable to use a high frequency electric induction furnace, but is not necessarily limited thereto, and a heating method commonly used in the art, for example, a resistance furnace or the like may be used.
상기 노즐은 용탕의 온도에 따라 그 위치를 변화시킬 수 있는 것이 바람직하다.The nozzle is preferably capable of changing its position in accordance with the temperature of the molten metal.
상기 임펠러의 회전 속도 및 주기적 상하운동을 용탕의 양과 온도에 따라 조절할 수 있는 것이 바람직하다.It is preferable that the rotational speed and the periodic vertical movement of the impeller can be adjusted according to the amount and temperature of the melt.
상기 강화입자와 불활성 가스 혼합체를 동시에 주입시, 랜스 끝에 달린 미세한 구멍들을 가지는 노즐을 이용하여 주입하는 것이 바람직하다.When simultaneously injecting the reinforcing particles and the inert gas mixture, it is preferable to inject using a nozzle having fine holes at the end of the lance.
상기 강화입자와 운반가스 혼합체를 주입시, 동시에 임펠러의 강력한 교반에 의한 상승작용을 이용하여 강화입자를 용탕 내에 균일하게 분산시켜 복합화할 수 있도록 하는 단계를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.When injecting the reinforcing particles and the carrier gas mixture, at the same time, it is more preferable to further include the step of allowing the composite to uniformly disperse the reinforcing particles in the molten metal by using the synergistic action of the strong stirring of the impeller.
상기 강화입자로 SiC, Al2O3및 TiN 등을 사용할 수 있다.SiC, Al 2 O 3 and TiN may be used as the reinforcing particles.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 자체적으로 설계·제작한 혼합-주조기(stir-caster)의 사진이다. 혼합-주조기는 크게 다음과 같이 다섯 부분으로 나눌 수 있는데, 1) 하부에 가스 주입용 입구를 갖춘 용해로 장치(furnace system), 2) 컨트롤 장치(control system), 3) 고주파 전기 유도 발생 장치(high frequency induced current generator: 60 kW급), 4) 교반 장치(mixing system), 5) 냉각 장치(cooling system)이다. 이 혼합-주조기 장비는 고주파 전기 유도로를 이용해 많은 양의 합금을 빠르게 용해할 수 있으며, 유도현상에 의한 와류를 이용할 수 있다.1 is a photograph of a stir-caster designed and manufactured according to an embodiment of the present invention. Mixing-casting machine can be divided into five parts as follows: 1) Furnace system with gas inlet at the bottom, 2) Control system, 3) High frequency electric induction generator (high) frequency induced current generator: 60 kW), 4) mixing system, 5) cooling system. This mixer-casting machine can quickly dissolve a large amount of alloys using high frequency electric induction furnaces and use vortices caused by induction phenomena.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제조장치의 개략적인 단면도로서, 용해로(10), 주입수단인 렌즈(31)와 노즐(33), 및 교반수단인 임펠러(41)를 나타내고, 노즐(33) 및 임펠러(41)의 위치를 보여준다. 용탕의 양과 온도에 따라 노즐(33)의 위치 변화를 조절할 수 있도록 하였다. 예를 들면, 용탕의 양이 도 2의 A 수준이면 노즐을 C 수준까지 올리고, B 수준이면 D 수준까지, C 수준이면 D 수준이하까지 내린다. 또한 용탕의 온도가 알루미늄 용융점(약 660℃)보다 40∼50℃정도 높으면 노즐을 C 수준까지, 반면에 온도가 용융점(약 660℃)보다 5∼10℃정도 높으면 D 수준정도로 맞춘다. 또한 용탕의 양과 온도에 따라 임펠러(41)의 주기적 상하운동·회전 속도를 조절할 수 있도록 하였다. 임펠러(41)는 챔버기저로부터 용탕 높이의 1/5 지점에서부터 3/4 지점까지 주기적으로 상하 운동하여 교반하였다. 임펠러(41)의 회전 속도는 최저 0 rpm에서 최고 700 rpm의 범위이고, 용탕의 온도가 용융점보다 40∼50℃정도 높으면 유동성이 충분히 좋으므로 450 rpm이상으로 하고, 용융점보다 5∼10℃정도 높으면 유동성이 그리 좋은 편이 아니므로 300 rpm이하로 교반한다.2 is a schematic cross-sectional view of a manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention, showing a melting furnace 10, a lens 31 and a nozzle 33 as injection means, an impeller 41 as a stirring means, and a nozzle 33 ) And the position of the impeller 41. The position change of the nozzle 33 can be adjusted according to the amount and temperature of the molten metal. For example, when the amount of the melt is A level in FIG. 2, the nozzle is raised to C level, B level to D level, and C level to D level or less. Also, if the temperature of the molten metal is about 40 to 50 ° C. higher than the aluminum melting point (about 660 ° C.), the nozzle is set to the C level, while the temperature is about 5 to 10 ° C. above the melting point (about 660 ° C.). In addition, according to the amount and temperature of the molten metal it was possible to adjust the periodic vertical movement, rotational speed of the impeller (41). The impeller 41 was stirred by periodically moving up and down periodically from 1/5 to 3/4 of the melt height from the chamber base. The rotational speed of the impeller 41 is in the range of 0 rpm to 700 rpm, and when the temperature of the molten metal is about 40 to 50 ° C. above the melting point, the fluidity is good enough to be 450 rpm or more and about 5 to 10 ° C. above the melting point. Since the fluidity is not very good, stir below 300 rpm.
도 3 및 4는 본 발명에 사용된 주요한 장치들을 개별적으로 나타낸 것이다. 도 3(a)는 랜스(31)를, 도 3(b)는 랜스 끝에 있는 노즐(33)을 나타내고, 도 4는 임펠러(41)를 나타낸다. 강화입자와 아르곤 가스의 혼합체를 용탕 내에 미세한 노즐(33)을 통하여 도가니의 하부에서 동시 주입하고, 이와 동시에 45o각도의 블레이드를 가지는 A-2 형태의 임펠러(41)에 의해 강력하게 교반함으로써, 젖음성이 나쁜 SiC 강화입자가 적체되거나 응집이 발생할 가능성을 최소화하여 알루미늄 용탕 내에 강화입자를 균일하게 분산시킬 수 있었다.3 and 4 separately show the main devices used in the present invention. FIG. 3A shows the lance 31, FIG. 3B shows the nozzle 33 at the end of the lance, and FIG. 4 shows the impeller 41. By simultaneously injecting a mixture of the reinforcing particles and argon gas into the molten metal at the bottom of the crucible through a fine nozzle 33, at the same time, by vigorously stirring by an A-2 type impeller 41 having a blade at a 45 ° angle, SiC reinforcement particles with poor wettability could be uniformly dispersed in the aluminum molten metal by minimizing the possibility of accumulation or aggregation.
대한민국 특허공개 특2000-024436호와 특2000-067073호에 대하여 전술한 문제점들이 본 발명에서는 해결되었음을 주목할 필요가 있다. 먼저, 운반가스 및 강화입자의 혼합체를 용탕의 하부에서 미세한 구멍들을 가지는 노즐을 이용하여 주입하는 주입구를 2개 이상 구비할 수 있도록 하여 고상의 액상 주입시 응집이나 편석현상을 억제할 수 있도록 하였다. 또한 임펠러와 주입구를 분리하여 각각 그 위치를 변화시킬 수 있도록 하여 상호 작용에 의한 상승작용 효과를 얻도록 하였으며, 45°각도의 블레이드를 갖는 A-2 형태의 프로펠러형 임펠러를 사용함으로써 보다 강력한 교반에 의해 강화입자가 용탕내에 균일하게 분산될 수 있도록 장치하였다. 이 외에도 임펠러의 교반 속도 변화 및 주기적 상하 운동을 가능하게 하여 강화입자의 균일한 분산을 가지는 알루미늄기지 금속복합재료 인고트를 제조할 수 있도록 하였다.It should be noted that the problems described above with respect to Korean Patent Publication Nos. 2000-024436 and 2000-067073 have been solved in the present invention. First, two or more injection holes for injecting a mixture of a carrier gas and reinforcing particles by using a nozzle having fine holes at the bottom of the molten metal may be provided to suppress aggregation or segregation during solid phase liquid injection. In addition, the impeller and the inlet are separated so that their position can be changed to obtain synergistic effect by the interaction.A-2 type propeller-type impeller with a blade of 45 ° angle is used for stronger stirring. The reinforcing particles were dispersed so as to be uniformly dispersed in the molten metal. In addition, it was possible to manufacture the aluminum-based metal composite ingot having a uniform dispersion of the reinforcing particles by enabling the change of the stirring speed and the periodic vertical movement of the impeller.
도 5는 본 발명의 실시예에 사용된 SiC 강화입자를 주사전자현미경을 이용해 관찰한 사진으로, SiC 강화입자가 날카롭게 각진 다각형 형태를 가지고 있음을 알 수 있다. SiC 강화입자를 아르곤 가스와 함께 미세한 구멍들을 가지는 노즐(33)을 통해 용탕 내부로 불어넣으면서 동시에 임펠러(41)를 이용해 용탕을 강력하게 교반할 수 있다. 이때, 회전하는 임펠러(41)를 주기적으로 상하 운동시킴으로써 좀 더 강한 교반 작용을 발생시킬 수 있다. 아르곤 가스의 분말을 동시에 용탕 내부에 취입할 수 있으며, 임펠러(41)의 회전 속도 및 주기적 상하 운동 조절이 가능하며, 용탕을 교반하면서 동시에 출탕이 가능하도록 장치되어 있다. 이렇게 함으로써, 노즐(33)을 통해 분사·주입되는 강화입자가 용탕과 접촉하는 순간 빠르게 용탕 내에 분산될 수 있도록 하여 적체 및 응집을 방지할 수 있고, 또한 강화입자의 부유 또는 침전을 억제할 수 있어 양호한 알루미늄기지 금속복합재료 인고트를 제조할 수 있다.Figure 5 is a photograph of the SiC reinforced particles used in the embodiment of the present invention using a scanning electron microscope, it can be seen that the SiC reinforced particles have a sharply angular polygonal shape. The molten SiC may be strongly stirred using the impeller 41 while blowing SiC reinforcement particles into the molten metal through the nozzle 33 having fine holes together with the argon gas. At this time, it is possible to generate a stronger stirring action by periodically moving the rotating impeller 41 up and down. The powder of argon gas can be blown into the molten metal at the same time, the rotational speed of the impeller 41 and the cyclic up-and-down movement can be adjusted, and it is equipped so that hot water can be stirred simultaneously with stirring a molten metal. By doing so, the reinforcing particles injected and injected through the nozzle 33 can be dispersed in the molten metal as soon as they come into contact with the molten metal to prevent accumulation and aggregation, and also to suppress the floating or sedimentation of the reinforcing particles. Good aluminum base metal composite ingots can be produced.
도 6은 본 발명 실시예에 따라 제조된 알루미늄기지 금속복합재료의 미세한 광학현미경으로 촬영한 사진으로서 SiC 강화입자가 균일하게 분산되어 있는 양호한미세조직을 보여주고 있다. 가스 + 분말의 혼합체를 하부 주입하는 노즐이 매우 작은 구멍들로 이루어져 있을 뿐만 아니라 노즐의 바로 전면부에서 강력하게 교반작용을 일으키는 고속의 임펠러에 의해 분사 즉시 분산작용을 발생시킴으로써 SiC 강화입자의 응집 및 편석현상을 충분히 억제할 수 있었다.Figure 6 is a photograph taken with a fine optical microscope of the aluminum-based metal composite material prepared according to the embodiment of the present invention shows a good microstructure in which SiC reinforced particles are uniformly dispersed. The nozzle for injecting the mixture of gas + powder is composed of very small holes, as well as agglomeration of SiC-reinforced particles by generating dispersing immediately by spraying with a high speed impeller which is strongly stirred at the front of the nozzle. Segregation could be sufficiently suppressed.
이하 본 발명의 실시예를 들어 보다 상세히 설명한다. 하기 실시예는 단지 예시적인 것으로, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described in detail. The following examples are illustrative only and should not be construed as limiting the invention.
<실시예 1><Example 1>
본 실시예에 사용된 알루미늄 합금은 A356 합금으로서 그 화학조성은 다음과 같다.The aluminum alloy used in this example is an A356 alloy, the chemical composition of which is as follows.
상기 표에서 보여준 A356 알루미늄을 모재로 사용하고, 7 부피%의 SiC 강화입자를 사용하여 알루미늄기지 복합재료를 제조하였다. 본 실시예에서는 0.8 mm의 미세한 구멍들을 가지는 노즐(33)을 사용하여 3∼4 ℓ/min의 주입속도로 아르곤가스 + 강화입자 혼합체를 용탕내에 주입하였다. 본 실시예에 사용한 챔버는 약 100 kg용량의 원통형으로 실제 실험은 30 kg의 알루미늄을 용해하여 실시하였다. 임펠러를 이용한 교반은 용탕의 온도가 700∼710℃, 교반속도가 200-350-500 rpm, 노즐은 용탕 높이의 2/5지점에 위치하도록 하고, 용탕 내부의 용탕의 흐름 및 강화입자의 고른 분산을 위하여 3∼4회 임펠러의 수직왕복운동을 행하여 전체적으로 30분 내지 40분간 교반을 실시하였다. 실시예에서 제조된 알루미늄기지 금속복합재료의경도를 비커스(Vickers) 경도기를 이용하여 10 kg 하중하에서 측정하여 도 7에 도시하였다An aluminum base composite material was prepared using A356 aluminum shown in the above table as a base material and using 7% by volume of SiC reinforced particles. In this embodiment, an argon gas + reinforcing particle mixture was injected into the molten metal at an injection speed of 3 to 4 l / min using a nozzle 33 having a fine hole of 0.8 mm. The chamber used in this example was a cylindrical cylinder having a capacity of about 100 kg, and the actual experiment was performed by dissolving 30 kg of aluminum. Stirring with impeller is to keep the temperature of the melt at 700 ~ 710 ℃, the stirring speed is 200-350-500 rpm, and the nozzle is located at 2/5 of the height of the molten metal. In order to perform the vertical reciprocating movement of the impeller three to four times, stirring was performed for 30 to 40 minutes as a whole. The hardness of the aluminum base metal composite material prepared in Example was measured under a 10 kg load using a Vickers hardness tester, and is shown in FIG. 7.
<실시예 2><Example 2>
11 부피%의 SiC 강화입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 알루미늄기지 금속복합재료를 제조하고, 그 경도를 측정하여 도 7에 도시하였다.An aluminum-based metal composite material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 11% by volume of SiC-reinforced particles were used, and the hardness thereof was shown in FIG. 7.
<실시예 3><Example 3>
14 부피%의 SiC 강화입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 알루미늄기지 금속복합재료를 제조하고, 그 경도를 측정하여 도 7에 도시하였다.An aluminum-based metal composite material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 14% by volume of SiC-reinforced particles were used, and the hardness thereof was shown in FIG. 7.
<비교예 1>Comparative Example 1
상기 A356합금을 모재의 경도를 측정하여 도 7에 도시하였다.The A356 alloy is shown in Figure 7 by measuring the hardness of the base material.
<비교예 2>Comparative Example 2
Duralcan사의 모래-주조용 SiC 강화 알루미늄 복합재료를 사용하여 경도를 측정하여 도 7에 도시하였다.The hardness was measured using Duralcan's sand-casting SiC reinforced aluminum composite material and is shown in FIG. 7.
도 7에 도시된 바와 같이, SiC 강화입자의 분율이 증가할수록 경도는 증가하였으며, 함량에 따라 모재인 A356합금에 비해 2배정도 증가한 높은 값을 가질 수도 있다는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 7, as the fraction of the SiC reinforcing particles increases, the hardness increases, and it may be seen that the content may have a high value increased by about two times compared to the base material A356 alloy.
본 발명에 따른 금속기지 복합재료의 제조 장치 및 이를 이용한 알루미늄기지 금속복합재료 제조 방법은 알루미늄 용탕내에서 강화입자의 편석현상이나 응집현상을 방지하고, 화학적·물리적 조건을 만들어 줌으로써 효과적인 젖음성을 가지고 강화입자가 균일하게 분포할 수 있도록 한다. 또한 상기 제조 방법 및 장치를 통해 주조품의 크기에 제한을 받지 않고, 저비용의 제조공정을 통해 주조 적용성이 우수한 양호한 복합재료 인고트를 대량으로 생산할 수 있도록 한다.The manufacturing apparatus of the metal base composite material according to the present invention and the aluminum base metal composite material manufacturing method using the same to prevent segregation or agglomeration of the reinforcement particles in the aluminum molten metal, and to strengthen with effective wettability by making chemical and physical conditions Ensure that the particles are evenly distributed. In addition, through the manufacturing method and apparatus is not limited to the size of the cast, it is possible to produce a large amount of good composite ingots excellent in casting applicability through a low cost manufacturing process.
본 발명을 통해 분산강화 복합재료를 이용하는 경량화가 필요한 여러 산업에 기본재인 복합재료 인고트를 저렴한 비용으로 공급할 수 있게 되어 경제성이 확보됨으로써, 우수한 성능을 위한 복합재료 기술 개발·응용 및 실제 적용에 커다란 이점이 될 수 있다.According to the present invention, it is possible to supply composite ingots, which are basic materials, to various industries that require weight reduction using dispersion-reinforced composite materials at low cost, thereby securing economic feasibility, thus greatly improving composite technology development, application, and practical application for excellent performance. This can be an advantage.
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