KR20080024017A - Manufacturing process of semi-solid slurry by in-ladle direct thermal control rheocasting - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 반응고 금속 슬러리 제조 공정과 가압 성형장치를 보인 개략적 흐름도.1 is a schematic flowchart showing a reaction metal slurry production process and a press molding apparatus according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄합금의 응고제어에 의한 반응고 주조시 래들의 열전도도, 용탕온도, 래들온도 및 래들 두께 변화에 따른 시간 당 금속 슬러리내의 열 변화 추이 결과를 보인 그래프도.Figure 2 is a graph showing the results of the trend of heat change in the metal slurry per hour according to the thermal conductivity, molten metal temperature, ladle temperature and ladle thickness of the ladle during the solidification casting of the aluminum alloy according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따라 반응고 슬러리의 온도 별로 퀀칭한 시편의 미세조직 사진.Figure 3 is a microstructure picture of the specimen quenched by the temperature of the reaction slurry according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따라 응고제어에 의한 반응고 주조 조직제어 후 퀀칭한 미세조직을 이미지 분석한 결과를 보인 그래프도.Figure 4 is a graph showing the results of image analysis of the quenched microstructure after the reaction solidification casting control by solidification control in accordance with the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 래들의 개략적 형상을 보인 사시도.5 is a perspective view showing a schematic shape of a ladle according to another embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 래들 내의 슬러리 온도를 시간경과에 따라 나타낸 온도분포도.6 is a temperature distribution diagram showing the temperature of the slurry in the ladle according to another embodiment of the present invention over time.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 래들의 온도를 시간경과에 따라 나타낸 온도분포도.7 is a temperature distribution diagram showing the temperature of the ladle according to another embodiment of the present invention over time.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 래들(Ladle) 10: Ladle
20 : 가압성형기 21 : 가압플레이트20: press molding machine 21: press plate
22 : 금형 23 : 슬리브22: mold 23: sleeve
본 발명은 반응고(半凝固) 금속 슬러리의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응고 과정중 응고제어에 의해 균일한 구상의 고상 입자 및 비수지상 조직을 얻는 고액 공존 상태의 반응고 금속 슬러리의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a reaction solid metal slurry, and more particularly, a solid reaction metal slurry in a solid-liquid coexistence state that obtains uniform spherical solid particles and non-resin structure by solidification control during the reaction solidification process. It relates to a manufacturing method of.
반응고/반용융 공정(Semisoild Process)이란, 금속 슬러리의 요변성(搖變性)(Thixotropic)을 이용하여 고체와 액체가 공존하는 상태에서의 성형을 지칭하는 것으로 액상율이 거의 100%에 근접해야만 변형저항이 급속히 감소하는 일반적인 주조재의 성질과는 달리 그보다 낮은 액상율이 되어도 액체와 같은 변형 거동을 갖게 되어 매우 낮은 응력으로 성형이 가능하다.Semisoiled Process refers to molding in the state of coexistence of solid and liquid by using thixotropic of metal slurry. Unlike the properties of general castings, where the deformation resistance rapidly decreases, even if the liquidity is lower than that, the deformation behavior is the same as that of the liquid, and molding is possible at very low stress.
반응고/반용융 가압성형에는 반응고 가압성형(Rheocasting)과 반용융 가압성형(Thixocasting)이 있다. There are two types of reaction solid / semi-melting presses: reaction solidification (Rheocasting) and anti-melt pressing (Thixocasting).
반응고 가압성형은 응고과정 중 기계적 교반, 패시브(Passive) 교반, 전자기적 교반 등을 통해 비수지상 조직의 반응고 슬러리를 제조하고, 반응고 슬러리를 직접 가압성형하여 최종제품을 제작하는 방법이며, 이와 달리 반용융 가압성형은 상기의 교반법 이외에 SIMA(Strain Induced Melt Activated)법, 결정립 미세화법, 분무성형법, 급속응고법 등에 의해 반용융 가압성형용 빌렛(Billet)을 제조하고, 이를 적당한 길이의 슬러그(Slug)로 절단 후 소정의 반용융 온도로 재가열하여 최종제품을 제조하는 방법이다.Reactor high pressure molding is a method of producing a final product by preparing the reaction solid slurry of the non-residual tissue through mechanical stirring, passive stirring, electromagnetic stirring during the solidification process, and directly pressing the reaction solid slurry. In contrast, the semi-melt press molding manufactures a billet for semi-melt press molding by SIMA (Strain Induced Melt Activated) method, grain refining method, spray molding method, rapid solidification method, etc. After cutting into (Slug) and reheated to a predetermined semi-melting temperature to produce a final product.
반응고/반용융 가압성형법에서 사용하는 반응고 슬러리의 특징은 고상 입자간에 액상 성분이 존재하여 고상 입자간의 결합력은 거의 없으며 따라서 거시적인 변형 유동에 대한 저항은 현저히 저하된다는 점이다. The characteristics of the solidified slurry used in the reaction solid / semi-melt press molding method are that liquid components are present between the solid particles, so that there is little bonding force between the solid particles, and thus the resistance to macroscopic deformation flow is significantly lowered.
반용융 슬러리는 고상성분이 고르게 분산되어 있고 액상 성분이 고상입자를 결합하게 되는 형태가 되어 외형의 변화 없이 이송, 유지가 가능하다. 반용융 슬러리에서 액상율이 30%만 되어도 교반이 가능하며 액상율이 더욱 증가하면 이종재 분말, 섬유 등의 혼입이 용이하며, 더욱이 슬러리 내의 고상입자의 마찰로 인해 이종재의 뭉침 현상을 물리적 힘으로 감소시키므로 양호한 복합재료를 만드는 것이 가능하다.Semi-melt slurry is a form in which the solid component is evenly dispersed and the liquid component combines the solid particles, it is possible to transport and maintain without changing the appearance. In the semi-melt slurry, stirring is possible even if the liquidity is only 30%. If the liquidity is further increased, it is easy to mix dissimilar material powders, fibers, etc. Moreover, the aggregation of dissimilar materials is reduced by physical force due to friction of solid particles in the slurry. It is possible to make a good composite material.
이러한 반응고 슬러리의 특징은 성형 가공 시 기술적, 경제적 측면에서 많은 이점을 부여하며 이에 다음과 같은 장점의 획득이 가능하다. The characteristics of such a solid slurry gives a lot of advantages in terms of technical and economic aspects in the molding process, thereby obtaining the following advantages.
층류 유동의 충전거동을 하며, 이에 따라 가스의 혼입이 방지되고, 따라서 열처리와 용접이 가능한 제품을 얻을 수 있다. 또한 응고 잠열의 상당부분을 방출시킨 후 주조가 되므로 주조장치의 열 부하를 경감시키고 장치의 수명을 향상시키며 응고 수축의 감소로 직접 최종제품을 생산 할 수 있다.The filling behavior of the laminar flow is prevented, thereby preventing the incorporation of gas, thus obtaining a product capable of heat treatment and welding. In addition, since a large part of the latent heat of solidification is released, casting is performed to reduce the heat load of the casting apparatus, to improve the life of the apparatus, and to directly produce the final product by reducing the solidification shrinkage.
기존의 반응고 가압성형법은 경쟁 프로세스인 다이캐스팅(Die-Casting)에 비하여 특성이 우수하지만 고가여서, 제품의 단가가 중요한 요인이 되는 자동차 및 전기전자 부품으로서는 경쟁력이 떨어지며, 생산성도 다이캐스팅에 비하여 크게는 10배 이상 낮은 문제점을 안고 있다. The conventional reaction high pressure press method is superior to die-casting, a competitive process, but it is expensive. Therefore, it is less competitive for automobile and electric and electronic parts, in which the cost of products is an important factor. The problem is more than 10 times lower.
이러한 문제점으로 미국, 일본 등의 선진국에서는 반응고 프로세스가 가지고 있는 고유의 장점을 도모하는 동시에, 단가 및 생산성 측면에서도 경쟁력을 갖는 다양한 반응고 프로세스에 대한 연구개발에 많은 투자와 관심을 가져 왔었다.Due to these problems, developed countries such as the United States and Japan have attracted a lot of investment and interest in research and development of various reaction processes, which are inherent in the reaction process, and are competitive in terms of cost and productivity.
그러나, 현재까지 연구 개발된 반응고 프로세스는 기존 다이 캐스팅에 비해서 많은 이점을 가지고 있으나, 반면에 반응고 슬러리의 냉각 및 가열 시스템을 갖추어야 하는 단점이 있고, 이러한 생산설비의 증가로 인해 막대한 초기비용의 부담을 져야 하는 문제가 있다.However, although the solidification process researched and developed to date has many advantages over the existing die casting, on the other hand, there is a disadvantage of having a cooling and heating system of the reaction solid slurry, and due to the increase of production facilities, There is a problem that must be burdened.
이에 따라, 상기의 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 기존의 반응고 가압성형에서의 초기비용을 경감시키고, 보다 미세하고 균일한 구상화 입자를 얻는 동시에 생산성 향상과 제조비 절감 등의 이점을 실현할 수 있는 반응고 금속 슬러리의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention devised to solve the above-mentioned problems can reduce the initial cost in the conventional reaction high pressure molding, and can achieve advantages such as productivity improvement and manufacturing cost reduction while obtaining finer and more uniform spheroidized particles. It is an object of the present invention to provide a method for producing a reactive solid metal slurry.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 주물을 성형하기 위해 용융금속을 적재한 래들의 이송공정 중, 래들 내의 용융금속 응고제어시 래들 내로 주입된 용탕 온도가 용융금속 고유의 액상선 온도 내지 액상선 온도보다 200℃ 높은 범위 이내 로 하고, 래들의 온도는 용융금속 고유의 고상선 온도 이하로 예열시킨 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a molten metal in which the molten metal is injected into the ladle during the molten metal solidification control in the ladle during the transfer process of the ladle loaded with molten metal to form a casting. It is set within the range of 200 degreeC higher than temperature, and the temperature of a ladle is preheated below the solidus temperature intrinsic to molten metal.
본 발명의 다른 양태는, 상기 래들의 재료가 금속, 세라믹, 그라파이트 중 어느 하나로 제조된 것을 특징으로 한다.Another aspect of the invention is characterized in that the material of the ladle is made of any one of metal, ceramic, graphite.
본 발명의 다른 양태는 상기 래들의 벽 두께를 30mm 이하로 하되 전 면적이 일정한 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.Another aspect of the present invention is characterized in that the wall thickness of the ladle is less than 30mm, but the entire area is formed with a constant thickness.
본 발명의 응고제어에 의한 반응고(半凝固) 금속 슬러리 제조방법에 따르면, 래들로의 용탕 주입 후 응고 제어를 통해 래들 내측 벽면에서 수지상이 형성되는 것이 억제되고, 용탕 내부 전체에 대해 균일하고 급속하게 온도를 저하시켜 용탕 내에 다수의 결정핵이 균일하게 생성, 분포되며, 이와 같은 결정핵 생성밀도의 증가로 결정핵간의 거리가 짧아지게 되고 이에 따라 수지상의 결정이 형성되지 않고 독립적으로 성장하여 수지상이 아닌 구상입자 및 비수지상을 형성하게 되는 것이다.According to the method for producing a reaction solid metal slurry according to the solidification control of the present invention, after the injection of the molten metal into the ladle, the formation of the dendritic phase on the inner wall of the ladle is suppressed through the solidification control, and is uniform and rapid to the entire inside of the molten metal. By lowering the temperature, a large number of crystal nuclei are uniformly generated and distributed in the molten metal, and the distance between the crystal nuclei is shortened due to the increase in the nuclei formation density. As a result, dendritic crystals do not form and grow independently. This will form spherical particles and non-resin phase.
이하, 첨부된 도면을 통하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 반응고 금속 슬러리 제조 공정과 압출 성형장치를 보인 개략적 흐름도이다.1 is a schematic flowchart showing a reaction metal slurry production process and an extrusion molding apparatus according to the present invention.
도 1을 참조하면, 래들(Ladle)(10)은 주조용 용탕을 적재하여 이송시키는 용기(容器)로서 그 이동 과정은 가열로(미도시)에서 용융점 이상으로 가열되어 액상으로 존재하는 주물용 용탕을 래들(10) 내에 주입하는 적재공정과, 래들(10)에 적 재된 주탕을 주조용 압출성형기(20)까지 송기하는 이송공정과, 래들 내의 주탕을 슬리브(23) 내로 주입하는 붓기공정을 포함하며, 본 발명에서는 상기 래들(10)의 이송공정 중 응고 제어를 통해 반응고 슬러리를 제작하여 슬리브(23)에 주입되게 하는 것을 골자로 하며, 이하에서는 이를 '응고제어에 의한 반응고 주조[In-Ladle DTC(Direct Thermal Control) Rheocasting]라 칭하기로 한다.Referring to FIG. 1, a
한편, 상기 압출성형기(20)는 내부에 주조하고자 하는 소정 형상의 내부 공간을 갖도록 상호 형합된 금형(22)를 포함하여, 상기 붓기공정을 통해 슬리브(23)에 충진된 금속 슬러리를 압출하여 금형(22) 내부 공간의 형상대로 주물을 성형시키는 것으로, 슬리브(23) 내의 슬러리는 금형(22) 내로 가압 유입되며, 금형(22)은 그 형합 및 분리를 제어하도록 금형(22)의 거리 조절이 가능하게 하는 한 쌍의 가압플레이트(21) 내에 배치된다.On the other hand, the
여기서 상술한 바와 같이 용탕 이송 중 래들(10)에서 반응고 슬러리를 제어하기 위해서는 래들(10)의 재료, 형상 및 온도와 용탕의 온도에 따른 반응고 슬러리의 온도구배가 규명되어야 하며, 그에 맞는 공정 확립이 요구된다.As described above, in order to control the reaction slurry in the
본 발명자는 응고제어에 의한 반응고 주조 공정 확립을 위하여, 다양한 응고제어 변수에 따른 반응고 슬러리의 온도구배를 고찰하였고, 이를 바탕으로 확립된 최적의 조건으로 반응고 주조에 의한 알루미늄합금의 조직제어를 수행하였으며, 그 실시예는 하기와 같다.In order to establish the reaction solidification casting process by solidification control, the present inventors have studied the temperature gradient of the reaction solid slurry according to various solidification control variables, and based on this, the structure control of the aluminum alloy by the solidification casting with optimal conditions established Was carried out, the examples are as follows.
[ 실시예 ]EXAMPLE
알루미늄합금(A356)의 응고제어에 의한 반응고 주조의 최적 조건을 찾기 위 해 래들의 열전도도, 용탕의 온도, 래들의 온도, 래들의 형상을 변수로 하여 실험하였다.In order to find the optimum conditions for the reaction solidification casting by the solidification control of aluminum alloy (A356), the experiments were conducted using the thermal conductivity of the ladle, the temperature of the molten metal, the temperature of the ladle, and the shape of the ladle.
실험 대상인 알루미늄합금(A356)의 기초물성인 밀도, 열전도도, 열팽창계수, 잠열, 액상선 및 고상선은 하기 표 1에 나타내었다.Density, thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, latent heat, liquidus and solidus, which are the basic physical properties of the aluminum alloy (A356) to be tested, are shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
래들의 열전도도, 용탕 온도, 래들 온도, 래들 형상의 각 조건에서 시간이 경과됨에 따라 래들 내 용탕의 온도 균일성에 미치는 영향을 고찰하였고, 외부 온도는 25℃로 하여 대기 중 분위기에서 실시하였다. The effects of ladle thermal conductivity, melt temperature, ladle temperature, and ladle shape over time on the temperature uniformity of the molten metal in the ladle were investigated, and the external temperature was 25 ° C., which was performed in an atmosphere of air.
또한 래들의 열전도도는 0.57cal/cm*sec*℃, 0.18cal/cm*sec*℃ 및 0.941cal/cm*sec*℃로 열전도도가 높은 재료와 낮은 재료로 구분하고, 낮은 재료에 대하여 반응고 슬러리의 온도구배를 나타내었다. Also, the thermal conductivity of ladle is 0.57cal / cm * sec * ℃, 0.18cal / cm * sec * ℃, and 0.941cal / cm * sec * ℃, and it is classified into high and low thermal materials and reacts to low materials. The temperature gradient of the high slurry is shown.
용탕 온도는 650℃, 670℃, 700℃로 차이를 두어 최적의 용탕온도를 살펴보았고, 래들 온도는 300℃, 400℃ 및 500℃로 예열하여 일정온도의 용탕을 주입하였을 때 래들 내의 반응고 슬러리의 온도구배를 관찰하였다.The molten metal temperature was 650 ℃, 670 ℃, and 700 ℃, and the optimum melt temperature was examined.The ladle temperature was preheated to 300 ℃, 400 ℃, and 500 ℃, and the reaction slurry in the ladle was injected when a certain temperature of the melt was injected. The temperature gradient of was observed.
용탕온도보다 낮은 래들의 사용은 주입한 용탕의 초기 냉각에 중요한 변수로 작용하므로, 래들의 전체 높이 및 내부 높이는 각각 60mm 및 50mm로 하고 내경은 지름 40mm로 한 공통 조건에서 벽 두께를 3mm(C 타입), 5mm(A 타입) 및 10mm(B 타입)로 각각 변화시켜 적정 래들 형상을 고찰하고, 이러한 변수를 표 2와 도 2에 나 타내었다.The use of ladles lower than the melt temperature acts as an important parameter in the initial cooling of the injected melt, so the overall height and inner height of the ladles are 60 mm and 50 mm, respectively, and the inner diameter is 40 mm in diameter. ), 5 mm (type A) and 10 mm (type B), respectively, to determine the appropriate ladle shape, and these parameters are shown in Table 2 and FIG.
래들 내의 용탕 유동이 없고 용탕이 래들 내에 가득 담겨져 있다고 설정하였으며, 시간에 따른 용탕 중심부의 온도를 측정하고, 결과는 Scheil 방정식에 의한 고상율을 기준으로 검증하였다. It was set that there was no melt flow in the ladle and the melt was filled in the ladle. The temperature of the center of the melt was measured over time, and the result was verified based on the solid phase rate by the Scheil equation.
응고제어에 의한 반응고 주조에서 래들 내의 반응고 슬러리의 온도구배는 매우 중요한데, 이러한 실험은 반응고 슬러리 내부와 외부의 온도차가 발생하지 않고, 동시에 시간이 경과됨에 따라 반응고 슬러리의 온도차가 발생하지 않는 조건을 찾기 위한 것이다.The temperature gradient of the solidified slurry in the ladle is very important in the solidification casting by solidification control. This experiment shows that the temperature difference between the solidified slurry and the inner and outer solidified slurry does not occur, and the temperature difference of the solidified slurry does not occur as time passes. It is to find a condition that does not.
[표 2]TABLE 2
도 2는 알루미늄합금의 응고제어에 의한 반응고 주조시 래들의 열전도도, 용탕온도, 래들온도 및 래들 두께 변화에 따른 시간 당 열 변화 추이를 보인 그래프도로서, 상기 표 2 및 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.FIG. 2 is a graph illustrating heat change per hour according to changes in thermal conductivity, molten metal temperature, ladle temperature, and ladle thickness of a ladle during reaction solidification casting by solidification control of an aluminum alloy. Referring to Table 2 and FIG. 2. More specifically described as follows.
도 2 (a)는 용탕온도 670℃, 래들온도 500℃, 래들두께 5mm(A 타입)이며, 래들의 열전도도가 0.057cal/cm*sec*℃, 0.18cal/cm*sec*℃ 및 0.941cal/cm*sec*℃로 서로 다른 재료로 한 결과를 보인 것이다.Figure 2 (a) is a melt temperature of 670 ℃,
퀀칭온도 610℃ 지점에서는 세 재료 모두 큰 차이를 나태 내지 않았으나, 퀀칭온도 600℃까지 걸린 시간은 열전도도가 0.057cal/cm*sec*℃(Case1)인 재료의 경 우 60초가 소요되고, 0.18cal/cm*sec*℃(Case2)인 재료와 0.941cal/cm*sec*℃(Case3)인 재료는 30초가 소요되었다. 60초 후에는 Case1과 Case2, Case3간에 온도차가 약 15℃로 더 이상의 차이는 발생하지 않았다. At the quenching temperature of 610 ℃, all three materials did not show a big difference, but the time taken to quenching temperature of 600 ℃ took 60 seconds for materials with thermal conductivity of 0.057cal / cm * sec * ℃ (Case1) and 0.18cal The material of / cm * sec * ° C (Case2) and the material of 0.941cal / cm * sec * ° C (Case3) took 30 seconds. After 60 seconds, the temperature difference between
이를 통해 용탕 주입 후 60초 동안 열전도도가 높은 래들일수록 용탕의 온도를 빼앗아 대기 중으로 방출하면서 용탕의 온도가 큰 폭으로 떨어졌음을 알 수 있다.Through this, the ladle with high thermal conductivity for 60 seconds after the injection of the molten metal takes the temperature of the molten metal and releases it into the atmosphere, indicating that the temperature of the molten metal has dropped significantly.
도 2 (b)는 래들로 주입된 용탕의 온도를 650℃, 670℃ 및 700℃로 변화시킨 결과로서 퀀칭온도 600℃까지 냉각되는데 소요되는 시간은 용탕온도 650℃(Case4)일 때 50초, 670℃(Case1)일 때 60초, 700℃(Case5)인 경우 냉각곡선이 점차 완화됨을 관찰할 수 있는데, 이는 잠열방출에 의해 냉각곡선이 둔화되었기 때문으로 보인다.Figure 2 (b) is the result of changing the temperature of the molten metal injected into the ladle to 650 ℃, 670 ℃ and 700 ℃ as the time required for cooling to the quenching temperature 600 ℃ 50 seconds when the
도 2 (c)는 용탕온도 670℃에서 열전도도 0.057cal/cm*sec*℃, 두께 5mm일 때 래들온도를 300℃, 400℃ 및 500℃로 변화시킨 후 래들 내 용탕의 시간에 따른 온도구배를 나타낸 것으로, 퀀칭온도 610℃에서는 예열에 따른 큰 차이를 발견할 수 없지만, 퀀칭온도 600℃까지 도달하는데 걸린 시간은 래들 예열온도 500℃(Case1)는 60초, 400℃(Case6)은 42초, 300℃(Case7)은 30초가 소요되었으며, 래들 예열온도가 500℃를 넘어서면 래들 재료가 급격하게 산화되고 300℃이하로 예열하면 급격히 응고되어 실험에서 배제하였다.Figure 2 (c) is the temperature gradient according to the time of the molten metal in the ladle after changing the ladle temperature to 300 ℃, 400 ℃ and 500 ℃ when the thermal conductivity is 0.057cal / cm * sec * ℃, 5mm thickness at the
도 2 (d)는 용탕온도 670℃, 래들온도 500℃, 열전도도 0.057cal/cm*sec*℃일 경우, 래들의 두께를 3mm, 5mm 및 10mm로 변화시킨 후, 래들 내 용탕의 시간에 따른 온도구배를 보인 것으로, 퀀칭온도 610℃까지 냉각되는데 소요되는 시간은 래들두께 3mm(Case9)일 때 35초, 5mm(Case1)일 때 22초, 10mm(Case8)일 때 17초가 소요되었으며, 래들두께가 3mm와 10mm 간에는 18초의 차이가 나며, 시간이 경과됨에 따라 더 큰 격차를 보였다. 퀀칭온도 600℃까지 도달하는데 소요된 시간은 래들두께 3mm일 때 85초, 5mm는 60초, 10mm는 27초가 소요되었다.Figure 2 (d) is the
이상의 결과로, 응고제어에 의한 반응고 주조 조직제어 실험을 하기 위해서는 0.057cal/cm*sec*℃의 열전도도가 낮은 재료를 선택하여 래들을 제작해야 하며, 용탕의 온도는 670℃, 래들의 예열온도는 500℃가 가장 적합한 것으로 판단되고, 특히 래들의 두께는 얇은 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.As a result, in order to conduct the experiment of solidification casting structure control by solidification control, ladle should be manufactured by selecting material with low thermal conductivity of 0.057cal / cm * sec * ℃, and the temperature of molten metal is 670 ℃ and the ladle is preheated. The temperature is considered to be the most suitable 500 ℃, it can be seen that especially the thickness of the ladle is preferred.
상기와 같은 온도제어에 의해서 도 1의 압출성형기(20)를 통해 주조한 알루미늄합금(A356)의 응고시 상변태 및 응고개시, 응고완료 온도를 구하기 위하여 냉각속도 5℃ /min, 아르곤(Ar)가스 분위기 하에서 DSC(Differential scanning calorimetry)로 열분석 하였다. Phase transformation and solidification initiation during solidification of the aluminum alloy (A356) cast through the
이 때 측정된 응고개시 온도는 617℃이었고, 응고 완료 온도는 552℃이었다. 응고개시 온도 및 응고 완료 온도는 상기 표 1에 나타낸 액상선(615℃) 및 고상선(555℃) 온도와 큰 차이를 보이지 않았다.At this time, the solidification start temperature was 617 ° C and the solidification completion temperature was 552 ° C. The solidification start temperature and the solidification completion temperature did not show a significant difference from the liquidus (615 ° C) and solidus (555 ° C) temperatures shown in Table 1 above.
최적의 조건으로 나타난 열전도율이 0.057cal/cm*sec*℃인 재료로 두께가 3mm인 래들을 제작하였으며 래들은 500℃로 일정하게 예열하여 응고제어에 의한 반응고 주조의 조직제어를 실시하였다. Ladles with a thickness of 3mm were fabricated from materials with a thermal conductivity of 0.057cal / cm * sec * ℃, and the ladles were preheated to 500 ° C.
도 3은 용탕온도 650℃, 670℃ 및 700℃ 상태의 용탕을 래들에 주입하여 공 냉시킨 후, 결과를 바탕으로 Scheil 방정식에 의한 이론 고상율이 0.3인 600℃, 이론 고상율이 1.0인 610℃가 되었을 때 각각 퀀칭한 시편의 미세조직을 나타낸 것이다.FIG. 3 shows that a molten metal having a melt temperature of 650 ° C., 670 ° C., and 700 ° C. is cooled in a ladle, and then cooled to 600 ° C. using a Scheil equation of 0.3 ° C. based on the results, and 610 having a theoretical solid rate of 1.0. When the temperature reaches ℃ it is shown the microstructure of each quenched specimen.
도 3의 (a), (b) 및 (c)는 반응고 슬러리의 온도가 600℃일 때 퀀칭한 시편으로 (a)는 용탕온도 650℃, (b)는 용탕온도 670℃, (c)는 용탕온도 700℃로 주입하였을 때 미세 조직사진을 나타낸 것으로, 전체적으로 둥근 고상의 반응고 조직을 얻을 수 있었으며, 용탕온도가 높을수록 고상이 미세함을 관찰할 수 있다.Figure 3 (a), (b) and (c) is a specimen quenched when the reaction temperature of the slurry is 600 ℃ (a) is 650 ℃ melt temperature, (b) is 670 ℃, (c) Shows a microstructure photograph when injected at a melt temperature of 700 ° C., and a solid solid reaction solid structure was obtained as a whole. The higher the melt temperature, the more the solid phase was observed.
도 3의 (d), (e) 및 (f)는 반응고 슬러리의 온도가 610℃일 때 퀀칭한 시편으로 (d)는 용탕온도 650℃, (e)는 용탕온도670℃, (f)는 용탕온도 700℃로 주입하였을 때 조직사진을 나타낸 것으로, 전체적으로 둥글고 균일한 고상이 관찰되었으며 용탕 온도가 높을수록 고상은 미세하였다.Figure 3 (d), (e) and (f) is a specimen quenched when the reaction temperature of the slurry is 610 ℃ (d) is a melt temperature of 650 ℃, (e) a
이에 따라, 래들 내에 주입되는 용융금속의 온도 정의는, 용융금속의 고유 고상선 온도에서 고유 고상선 온도보다 200℃ 높은 온도 범위로 하면 족하다.Accordingly, the temperature definition of the molten metal injected into the ladle is sufficient if the temperature range is 200 ° C higher than the intrinsic solidus temperature at the intrinsic solidus temperature of the molten metal.
도 4는 응고제어에 의한 반응고 주조 조직제어 후 퀀칭한 미세조직을 이미지 분석한 결과를 나타낸다.Figure 4 shows the results of the image analysis of the quenched microstructure after reaction solidification casting control by solidification control.
도 4의 (a)는 용탕온도 650℃, 670℃ 및 700℃에서 주입하고 반응고 슬러리의 온도가 600℃ 및 610℃일 때 퀀칭한 조건에서의 고상율을 나타내었다. Figure 4 (a) shows the solid phase rate in the conditions quenched when the injection temperature of the melt temperature of 650 ℃, 670 ℃ and 700 ℃ and the reaction slurry slurry of 600 ℃ and 610 ℃.
용탕온도가 650℃에서 0.65의 고상율이 측정되었고 용탕온도가 높아질수록 고상율 0.7로 약간 증가하는 경향을 보였으며 퀀칭 온도에 따른 차이는 크게 나타나지 않았다. The solidus rate of 0.65 was measured at 650 ℃, and it was slightly increased as the solidity ratio was 0.7 as the molten metal temperature increased.
또한, 시편 전체적으로 0.65∼0.7의 높은 고상율이 측정되었고, 높은 고상율에서도 도 3의 미세조직에서 알 수 있듯이 고상과 고상이 떨어져 있음을 볼 수 있는데, 그 결과, 알루미늄합금(A356)의 응고제어에 의한 반응고 주조 공정에서의 응집점(Coherency Point)은 디. 브라바존(D. Brabazon) 등에 의해 보고된 일반 응고시의 알루미늄합금(A356)의 응집점(Coherency Point)인 고상율 0.23보다 매우 낮다는 것을 알 수 있다. In addition, a high solids ratio of 0.65 to 0.7 was measured as a whole, and even at a high solids ratio, as can be seen from the microstructure of FIG. 3, the solid phase and the solid phase were separated. As a result, solidification control of the aluminum alloy (A356) was performed. Coherency Point in reaction solidification casting process by It can be seen that it is much lower than the solid phase rate 0.23, which is the coherency point of the aluminum alloy (A356) during general solidification reported by D. Brabazon et al.
이는 알루미늄합금(A356)의 응고제어에 의한 반응고 주조시 더 넓은 반응고 슬러리 온도구간(반응고 성형 가능 구간)을 형성할 것으로 보인다.This is expected to form a wider reaction solid slurry temperature section (reaction solid moldable section) during solidification casting by solidification control of aluminum alloy (A356).
도 4의 (b)는 각 조건에서의 평균입경을 나타낸 것으로, 평균입경은 전체적으로 25∼40㎛의 미세한 고상 입자를 형성함을 알 수 있으며 용탕온도 670℃, 퀀칭온도 600℃의 실험 조건을 제외하고, 용탕온도가 높아질수록 평균입경은 낮아졌다. Figure 4 (b) shows the average particle diameter in each condition, it can be seen that the average particle diameter forms a fine solid particles of 25 ~ 40㎛ as a whole, except the experimental conditions of the
도 4의 (c)는 응고제어에 의한 반응고 주조 미세조직의 고상형성계수를 나타낸 것이다. 고상형성 계수가 1일 경우 완전 구형이며, 조직제어 시편에서는 1.25∼1.4의 균일한 고상형성 계수를 얻을 수 있었다. Figure 4 (c) shows the solid state formation coefficient of the reaction solid casting microstructure by solidification control. If the solidification coefficient was 1, it was completely spherical, and in the tissue control specimens, a uniform solidification coefficient of 1.25 to 1.4 was obtained.
용탕온도 670℃, 퀀퀀온도 600℃의 실험 조건을 제외하고, 용탕온도가 낮아질수록 고상형성 계수는 낮아져 구형에 가까워지는 것을 알 수 있다.Except for the experimental conditions of the melt temperature of 670 ℃, the quantum temperature of 600 ℃, it can be seen that as the molten temperature is lowered, the solid-state formation coefficient is lowered closer to the spherical shape.
이상 설명한 바와 같이, 알루미늄합금(A356)의 응고제어에 의한 반응고 주조시 최적 조건을 도출하기 위해 실험을 행하였고, 이를 바탕으로 응고제어에 의한 반응고 주조 조직제어를 통해 다음과 같은 결론을 획득할 수 있다.As described above, an experiment was conducted to derive the optimum conditions for the solidification casting by the solidification control of the aluminum alloy (A356), and based on this, the following conclusions were obtained through the solidification control of the solidification casting. can do.
첫째, 응고제어에 의한 반응고 주조를 하기 위한 최적의 조건은 열전도도가 낮은 재료로 래들을 제조해야 하며 래들의 두께는 래들의 용적 또는 크기에 따라 다르기는 하나 가급적 얇게 해야 하며, 래들의 용적 및 크기를 고려하더라도 30mm를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 래들의 Scale-up에 따라 슬러리의 균일한 온도구배를 위해 다양한 디자인이 적용될 수 있을 것이며, 이는 후술하는 도 5 내지 도 7을 통해 일 예를 설명하기로 한다.First, the optimum conditions for the solidification control by solidification control should be ladles made of materials with low thermal conductivity, and the ladle thickness should be as thin as possible, depending on the volume or size of the ladle. Even considering the size, it is desirable not to exceed 30 mm. Various designs may be applied for uniform temperature gradient of the slurry according to the scale-up of the ladle, which will be described below with reference to FIGS. 5 to 7.
또한, 래들의 예열온도는 상기 예시된 알루미늄합금(A356)(고상선 온도: 555℃)의 경우 500℃로 예열하는 것이 가장 적합하였지만, 용융금속에 따라 그 예열온도를 달리 해야 하는데, 이를 위해 래들의 예열온도 정의는 적재되는 용융금속의 고유 고상선 온도보다 낮게 예열시키면 만족한다.In addition, the preheating temperature of the ladle is most suitable to preheat to 500 ℃ in the case of the above-described aluminum alloy (A356) (solid state temperature: 555 ℃), but the preheating temperature should be different depending on the molten metal. These preheating temperature definitions are satisfied by preheating below the intrinsic solidus temperature of the molten metal being loaded.
둘째, 실험 결과를 바탕으로 한 모든 조직제어실험에서 균일한 구(球)상의 고상을 얻을 수 있었고, 이는 상용 합금도 간단한 응고제어에 의해 반응고 가압성형이 가능함을 확인할 수 있었다.Second, in all the tissue control experiments based on the experimental results, uniform spherical solid phases were obtained, and it was confirmed that commercial alloys were also capable of high pressure molding by simple solidification control.
셋째, 알루미늄합금(A356)의 슬러리 변이 지점이 응고제어에 의한 반응고 주조를 통하여 0.65∼0.7의 고상율로 낮아짐을 이미지 분석을 통해 확인할 수 있었고, 이는 알루미늄합금(A356)의 응고제어에 의한 반응고 주조 시 더 넓은 슬러리 온도구간(반응고 성형 가능 구간)을 형성할 수 있음을 예측하였다.Third, it was confirmed through image analysis that the slurry transition point of the aluminum alloy (A356) was lowered to a solid phase rate of 0.65 to 0.7 through the solidification casting by the solidification control, which was a reaction by the solidification control of the aluminum alloy (A356). It was predicted that a wider slurry temperature range (reactive moldable section) could be formed during high casting.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 래들의 개략적 형상을 보인 사시도로서, 대형 주물의 제조 또는 대량 제조가 가능하도록 래들의 스케일을 확장시킨 변형된 래들의 디자인이 개시된다.FIG. 5 is a perspective view showing a schematic shape of a ladle according to another embodiment of the present invention, in which a modified ladle is disclosed, in which a scale of the ladle is expanded to enable a large casting or a mass production.
래들(10)의 스케일이 확장될 경우, 래들(10)에 주입된 용탕의 위치별 온도 하락 속도가 래들(10)의 내부 벽면과 내부 하단으로부터 근접할수록 빠르고 멀수록 느리게 되는, 래들 내부의 위치별 온도구배가 커서 소기 목적의 슬러리 응고제어를 실현할 수 없게 되므로, 도 5에 도시된 바와 같이 래들(10)의 내부 하단 중심에 열흡수수단(11)을 수직한 방향으로 장착시킬 수 있다.When the scale of the
상기 열흡수수단(11)은 도시된 바와 같이 원형의 봉 형상을 취할 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 그 재료는 앞서 언급한 래들(10)의 재료와 같이 금속, 세라믹, 그라파이트 중 어느 하나에서 선택할 수 있고, 상기 래들(10)과 열흡수수단(11)은 각각 동일 재료를 취하거나 서로 다른 재료로 선택될 수 있다.The
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 래들 내의 슬러리 온도를 시간경과에 따라 나타낸 온도분포도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 래들의 온도를 시간경과에 따라 나타낸 온도분포도로서, 도 5에 도시된 열흡수수단(11)이 장착된 래들(10)을 이용하여 래들 내부의 용탕 온도와 래들의 온도를 실험한 것이다.6 is a temperature distribution diagram showing the temperature of the slurry in the ladle according to another embodiment of the present invention over time, Figure 7 is a temperature distribution diagram showing the temperature of the ladle according to another embodiment of the present invention over time, FIG. The
여기서 도 6 및 도 7의 (a)는 용탕이 주입된 초기 상태를 나타내고 (b)는 일정 시간이 경과한 상태를 나타내며 (c)는 측정 종료 시점의 상태를 나타낸다.6 and 7 (a) shows an initial state in which the molten metal is injected, (b) shows a state after a predetermined time has elapsed, and (c) shows a state at the end of the measurement.
용탕이 주입된 초기의 (a)시점은 도 6과 같이 래들(10) 내부 전체 위치에서 균일한 온도분포를 보이고 있으며, 이때 시간이 경과한 (b)시점에서 래들(10)과 근접한 곳일수록 온도가 가장 낮고 멀수록 높은 온도 분포를 보이고 있으며, 따라서 도 7 (b)와 같이 래들(10)의 온도보다 열흡수수단(11)의 온도가 더 높은 것을 확인할 수 있으며, 이는 래들(10)보다 열흡수수단(11)에서 더 많은 양의 열을 흡수하였기 때문이다.The initial (a) time point at which the molten metal was injected shows a uniform temperature distribution at the entire position inside the
그 결과, 열흡수수단(11)은 도 6의 (c)시점과 같이 래들(10) 내부에 주입된 용탕 전체에서 균일한 온도분포가 나타나도록 제어하는 것이 가능하다.As a result, the
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 응고제어에 의한 반응고 금속 슬러리 제조방법에 의하면, 기존의 반응고 슬러리 제조 공정에서 래들에 설치되던 냉각장치 및 가열장치의 설치를 배제하면서도 용탕의 이송 중에 래들 내의 온도제어만으로도 간단하게 반응고 슬러리를 수득할 수 있게 되어 반응고 공정이 가지는 고유의 장점을 유지하면서도 생산 단가 및 생산성 측면에서 경쟁력의 우위를 점할 수 있는 효과가 있으며, 게다가 이러한 효과는 간이한 구조의 설비만으로도 달성되며, 따라서 설비의 유지 및 보수가 용이한 효과를 가진다.As can be seen from the above description, according to the method for producing a solidified metal slurry by the solidification control according to the present invention, it is possible to eliminate the installation of a cooling device and a heating device installed in a ladle in a conventional solidified slurry production process. By controlling the temperature in the ladle simply during the transfer, it is possible to obtain the reaction slurry in a simple manner, thereby maintaining the inherent advantages of the reaction solidification process and gaining a competitive advantage in terms of production cost and productivity. Even with a simple structure of the equipment, it is possible to easily maintain and repair the equipment.
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