KR20230081424A - 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법 및 그 장치 - Google Patents

직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 용탕을 주입받아 주조제품을 형성하는 금형부; 및 상기 금형부에 직류전류를 인가하는 용탕처리부; 를 포함하고, 상기 금형부 내의 용탕에 직류전류를 인가함으로써, 상기 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동하도록 하고, 수축공 발생부에 미응고 용탕을 지속적으로 공급함으로써 수축공의 발생을 저감하고, 용탕 내부에 로렌츠 힘을 가함으로써 추가적인 압력을 가하여 압탕부 크기를 최소화 하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 용탕 내의 기포를 제어 또는 수축공을 제거함으로써 결함을 최소화하여 건전한 조직을 얻을 수 있도록 하고, 주조 공정에 있어서 압탕부의 사용량을 최소화하는 주조방법 및 그 장치를 제공하는 효과를 가진다.

Description

직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법 및 그 장치{CASTING METHOD USING DIRECT CURRENT APPLIED MOLTEN METAL CONTROL AND DEVICE THEREFOR}
본 발명은 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용탕에 직류전류를 직접 인가함으로써 용탕 내의 기포를 제어하고, 이를 통해 압탕부의 크기를 감소시킨 주조방법 및 그 장치에 관한 것이다.
주조분야에서 고강도 부품 제조를 위해 건전한 미세조직을 얻을 수 있도록 하는 조직 제어기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이러한 주조제품을 확보하기 위한 종래기술로 대한민국 등록특허 제10-1965768호에 개시된 기계적 진동을 통한 용탕 처리방법 또는 교류전원에 의한 전자기 유도에 의한 진동을 통한 용탕 처리방법 등이 있다.
상술한 종래기술과 같이, 용탕처리방법에는, 개량화제 첨가 또는 기계적 진동방법을 적용하는 용탕처리에 의한 방법이 산업적으로 가장 많이 활용되고 있으나, 용탕유동 저하, 불순물 증가 또는 기공 등에 의한 결함 발생 등의 문제점이 있다.
특히, 주조공정은 그 방법에 따라 고압주조, 중력주조 및 저압주조 등으로 구분될 수 있는데, 이때 중력주조법은 용융금속을 중력방향으로 금형에 주입 후 응고시켜 주조물을 생산하는 기술로, 성형공간인 캐비티(Cavity)를 가지는 금형과, 상기 금형 위에 위치하여 성형공간으로 이어지는 주입구, 및 용탕의 양에 50%에 육박하는 양의 압탕부를 필요로 한다.
이러한 압탕부는 주조물 내부에 수축공 등의 결함이 발생하는 것을 억제하는 역할을 수행하나, 최종적으로 절단되어 제거되는 부분임에도 불구하고 용탕의 50%에 육박하는 과도한 양이 필요하다는 문제점이 있었다.
이에, 주조 분야에서 고품위 부품 제조를 위해 기공과 수축공 등의 결함을 최소화할 수 있는 건전한 미세조직을 얻을 수 있도록 하면서, 이와 동시에 압탕부에 사용되는 양을 최소화 하는 새로운 방식의 용탕 처리방법이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1965768호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 용탕 내의 기포를 제어함으로써 결함을 최소화하여 건전한 조직을 얻을 수 있도록 하는 주조방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 직류전류를 인가함으로써 주조 공정에 있어서 압탕부 사용량을 최소화하는 주조방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 용탕을 주입받아 주조제품을 형성하는 금형부; 상기 금형부에 주입된 용탕에 직류전류를 인가하여 상기 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동시켜 용탕 내에서 발생한 수축공에 미응고 용탕이 공급될 수 있도록 하는 용탕처리부; 상기 용탕 내 추가적인 압력을 가하여 수축영역에 용탕이 주입되도록 하는 압탕부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류전류인가 용탕제어용 주조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용탕처리부는, 직류전류를 인가하는 제1전극군과 제2전극군을 포함하여 구성된 복수전극부; 및 상기 인가되는 직류전류를 제어하는 전류제어부;를 포함하되, 상기 제1전극군은 상기 용탕에 담지되어 직류전류를 용탕에 직접 인가하는 전극쌍으로 이루어진 전극군으로, 1개 이상의 전극쌍을 포함하고, 상기 제2전극군은 압탕부의 일 측면 부위에 위치하여 용탕에 직류전류를 인가하는 전극쌍으로 이루어진 전극군으로, 1개 이상의 전극쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치일 수 있다.
이때, 상기 복수전극부는, 상기 제1전극군 중 어느 하나의 전극쌍과 및 제2전극군 중 어느 하나의 전극쌍이 용탕유동을 효과적으로 유도할 수 있도록 구성하는 것을 포함하여, 직류전류가 인가되면 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치일 수 있다.
이때, 상기 소정의 방향은, 압탕부 방향 또는 절단부측 방향인 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 실시예의 주조장치를 이용한 주조방법에 있어서, 금형부에 용탕을 주입하는 용탕주입단계; 및 상기 금형부에 유입된 용탕에 용탕처리부를 통해 직류전류를 직접 인가하여 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동시키고 수축공을 방지할 수 있도록 미응고 용탕을 응고부에 지속적으로 보급해주기 위한 직류전류인가단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 직류전류인가단계는, 상기 직류전류인가단계는, 상기 용탕에 직류전류를 직접 인가하여 용탕 내부에 유동을 발생시켜 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동시키고, 응고영역의 수축부에 미응고 용탕을 지속적으로 공급하여 수축공을 최소화 하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법일 수 있다.
이때, 상기 소정의 방향은, 압탕부 방향 또는 절단부측 방향인 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 직류전류인가단계는, 전류의 인가로 용탕 내 로렌츠 힘을 발생시켜 추가적인 압력을 발생시켜 압탕부 크기를 최소화 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 직류전류인가단계는, 용탕이 상기 금형부에 주입된 후, 응고가 진행되기 전부터 인가하기 시작하여, 상기 용탕이 주물로 응고가 진행되는 중 또는 상기 용탕이 주물로 응고가 완료될 때까지 직류전류를 인가하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압탕단계는, 상기 금형부 내에 용탕을 추가로 주입하는 용탕추가주입단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 용탕은, Al을 기반으로 하여 Mg, Si, Cu, Fe, Mn, Cr, Zr, Ti, Ni 등으로 이루어진 금속군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 합금에 적용되는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용탕 내의 기포를 제어함으로써 결함을 최소화하여 건전한 조직을 얻을 수 있도록 하는 주조방법 및 그 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 주조 공정에 있어서 압탕부 사용량을 최소화하는 주조방법 및 그 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치의 예시도면을 보여주는 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 직류전류인가 용탕제어용 주조장치에서, 직류전류인가단계를 거친 경우, 그 작동원리를 보여주는 도면이다.
도3은, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법의 순서도를 나타내는 도면이다.
도4와 도5는 본 실험예1의 실험결과를 보여주는 도면이다.
도6과 도7은 본 실험예2의 실험결과를 보여주는 도면이다.
도8 및 도9는 본 실험예3의 해석결과를 보여주는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
용탕 내의 기포를 제어함으로써 결함을 최소화하여 건전한 조직을 얻을 수 있도록 하고, 주조 공정에 있어서 압탕부 사용량을 최소화하는 주조방법 및 그 장치를 제공하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, 용탕을 주입받아 주조제품을 형성하는 금형부(100); 상기 금형부에 주입된 용탕에 직류전류를 인가하여 상기 용탕 내의 기포(600)를 소정의 방향으로 이동시키는 용탕처리부(200); 및 상기 금형부 상에 위치하는 압탕부(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류전류인가 용탕제어용 주조장치(500)를 제공한다.
일반적으로 중력주조장치의 경우에는, 상부금형과 하부금형으로 구성되는 두벌 금형이 사용되는 것이 일반적이며, 금형부(100) 내의 성형공간(150)으로 이어지는 주입구(500)를 통해 용융금속인 용탕이 중력의 영향으로 주입되면, 상기 용탕은 성형공간(150) 내에서 응고과정을 거치게 된다. 이후 상기 상부금형 또는 하부금형을 개방하는 탈형과정을 거쳐 주조물을 회수하게 된다.
본 발명에서는 전술한 바와 같이, 상기 금형부(100), 상기 용탕처리부(200), 및 상기 압탕부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류전류인가 용탕제어용 주조장치를 제공하고, 금형은 본 발명의 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 채택 가능한 구조 또는 제품을 사용이 가능하여, 이에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명에서는, 교류전류가 아닌, 직류전류를 사용함으로써, 용탕 내의 기포(600)들을 보다 효과적으로 제어 또는 제거할 수 있도록 한다. 교류전류를 사용하게 되는 경우에는, 교류전류 특유의 파동성이 있는 전원이 제공되므로, 용탕 내의 기포(600)들을 제어하는 데 어려움이 생긴다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치(500)(이하, “주조장치(500)”라 한다)의 예시도면을 보여주는 도면이다. 이하 도1을 참조하여 상기 주조장치(500)를 상세히 설명한다.
이하에서는, 상기 금형부(100)에 대해 설명한다.
금형부(100)는 내부에 용탕이 주입될 수 있는 성형공간(150) 및 상기 용탕이 주입되는 통로인 용탕주입부(400)를 포함하는 구성이다.
상기 금형부(100)는, 용탕이 주입되어 주물로 응고가 진행하면, 상기 금형부(100) 내부의 형상대로 최종제품이 형성되는 것으로, 금형부(100) 내부의 구조는 최종제품의 형상에 대응되도록 하는 것일 수 있다.
본 발명이 적용될 수 있는 제품은 중력주조를 통해 주물을 생산하는 분야의 제품들이 될 수 있다. 예를 들면, 자동차 부품 중 실린더헤드 등을 포함하는 엔진계 부품, 너클암 및 어퍼암 등을 포함하는 서스펜션 부품 외에 친환경 자동차용 배터리, 모터 등의 하우징부품 등이 있으며, 상기 예시에 한정되지 않으며, 사용자는 제조하려는 상기 제품들의 형태대로 금형부(100) 내부의 구조를 준비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금형부(100)에 포함된 용탕주입부(400)는, 금형부(100)에 하나 이상 포함되는 것으로, 금형부(100)의 크기 및 금형부(100) 내의 형상, 주입되는 용탕의 종류에 따라 용탕주입부(400)는 그 종류, 위치, 및 크기가 달라질 수 있으며, 사용자 사용하려는 목적과 용도에 따라 다양한 형태로 변경이 가능할 것이다.
이하에서는, 상기 용탕처리부(200)에 대해 설명한다.
본 명세서에서 “용탕처리부(200)”는 금형부(100)에 주입된 용탕에 직류전류를 인가하여 상기 용탕 내의 기포(600)를 소정의 방향으로 이동시키는 처리부를 의미하는 것으로서, 전극부를 포함할 수 있으며, 후술할 원리를 통해 용탕 내의 기포(600)의 이동을 위해, 상기 용탕처리부(200)는 제1전극군(210)과 제2전극군(220)을 포함하여 구성되는 복수전극부(230), 및 인가되는 직류전류를 제어하는 전류제어부(240)를 포함하는 것일 수 있다.
이하, 상기 용탕처리부(200)와 용탕처리부(200)의 전류제어부(240)의 작동원리에 대해 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 직류전류인가 용탕제어용 주조장치에서, 직류전류인가단계(S200)를 거친 경우, 그 작동원리를 보여주는 도면이다.
도2를 통해 알 수 있듯이, 상기 직류전류인가 용탕제어용 주조장치에서, 상기 전류제어부(240)를 통해 직류전류인가단계(S200)를 거치게 되면, 용탕 에 로렌츠 힘(Lorentz force)이 작용하게 된다. 이때, 상기 용탕 내에서는 로렌츠 힘의 작용에 따라 용탕의 유동이 발생하게 되며, 기포(600)들 역시 상기 유동에 따라서 이동을 하게(S250) 된다.
특히, 전술한 바와 같이 본 발명에서는, 교류전류가 아닌, 직류전류를 사용함으로써, 용탕 내 유동을 효과적으로 제어할 수 있게 되며, 용탕 내의 기포(600)들도 보다 효과적으로 제어 또는 제거할 수 있도록 한다. 교류전류를 사용하게 되는 경우에는, 교류전류 특유의 파동성이 있는 전원이 제공되므로, 용탕 내의 기포(600)들을 제어하는 데 어려움이 생긴다.
상기 다양한 이유들을 근거로 하여, 용탕 내의 기포(600)들은, 직류전류인가단계(S200)를 통해 소정의 방향으로 이동하게 될 수 있다. 이때 상기 소정의 방향을 제어할 수 있는데, 소정의 방향을 제어하는 방법에 대한 추가적인 원리에 대한 구체적인 설명은 밑에서 설명한다.
이하, 용탕처리부(200)의 제1전극군(210) 및 제2전극군(220)을 포함하는 복수전극부에 대해 설명한다.
상기 제1전극군(210)은, 용탕에 담지되어 직류전류를 용탕에 직접 인가하는 전극쌍으로 이루어진 전극군으로, 도1을 통해 알 수 있듯이, 한 개 또는 복수개의 전극쌍(211, 212)을/들을 포함한다. 또한, 도1은 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위해 첨부한 개념도로, 도1에 배치된 전극의 개수 및 위치로 한정되는 것이 아님은 물론이다.
상기 제1전극군(210)의 한 개 또는 복수개의 전극쌍(211,212)은/들은 금형부(100) 내의 용탕에 담지되어, 상기 용탕에 직접 직류전류를 인가하게 되며, 용탕에 직류전류를 인가함으로써 용탕의 유동을 극대화하는 효과를 제공할 수 있게 된다.
본 명세서에서 용탕에 “직접 전류를 인가한다”라 함은, 전류를 인가하는 전극이 전류가 인가되는 대상과 접촉하여, 그 전류를 인가하는 것을 의미하는 것으로서, 일 구현예에서는 전극이 용탕에 담지되어 용탕에 직류전류를 인가하는 것일 수 있다.
또한, 상기 제2전극군(220)은, 최종 응고 완료 이후에 절단되는 압탕부에 위치하여 직류전류를 용탕에 인가하는 전극쌍으로 이루어진 전극군으로, 도1을 통해 알 수 있듯이, 한 개 또는 복수개의 전극쌍(221,222,223)을/들을 포함한다.
이때 상기 제2전극군(220)의 한 개 또는 복수개의 전극쌍(221,222,223)은/들은, 최종 응고 완료 이후에 절단되는 압탕부(300)의 일 측면 또는 절단부측 방향에 위치할 수 있으며, 상기 용탕에 직류전류를 인가하게 된다.
이때 제2전극군 중 적어도 1개의 전극쌍이 압탕부나 절단부측 방향에 담지되는 깊이에 따라 인가되는 전류량 및 시간이 달라질 수 있다.
제2전극군(220) 역시 한 개 또는 복수개의 전극쌍(221,222,223)으로 구성되도록 하여, 제1전극군(210)의 한 개 또는 복수개의 전극쌍(211,212)들과 함께, 용탕 내에서 전기력이 작용하도록 함으로써, 용탕 내의 기포(600)들을 소정의 방향으로 이동하도록 하는 효과를 제공할 수 있다.
제1전극군(210)의 전극쌍(211,212)만으로 직류전류를 인가하게 되면, 상기 제1전극군(210)의 전극쌍(211,212)들의 전기력에 의해 용탕 내의 기포(600)들이 일 방향으로만 이동하게 될 것이나, 제2전극군(220)의 전극쌍(221,222,223)들을 상기 제1전극군(210)의 전극쌍(211,212)들과 소정의 방식으로 배열되도록 함으로써, 용탕 내의 기포(600)들을 사용자가 원하는 소정의 방향으로 이동시키는 것이 가능할 것이다.
구체적으로, 상기 제1전극군(210)의 전극쌍(211)과, 상기 제2전극군(220)의 전극쌍(221)을 제품의 형상을 고려하여 임의의 각도로 배열함으로써, 상기 용탕 내의 기포들을 압탕부 혹은 절단부로 이동하게 할 수 있다.
이때 임의의 각도는 제품의 형상에 따라 달라지게 되며parameter study를 통한 예비실험을 통해 도출하거나, 유동 해석을 통해 가장 효과적으로 기포를 이동시킬 수 있는 배열을 고려하여 설정된다.
이와 같이, 상기 소정의 방향들은, 예를 들면, 압탕부(300) 방향 또는 절단부측 방향일 수 있으며, 상기 예시들로 제한되지 아니하며, 제조하려는 제품, 사용하는 용탕의 종류, 및, 장치의 규모 등에 따라서, 상기 방향은 다양하게 제어할 수 있다.
또한, 상기 복수전극부는 용탕이 주입되는 금형부(100) 내의 성형공간(150)의 형상 및 크기에 따라 가장 효과적인 유동 발생을 위해 위치 및 개수가 달라질 수 있다. 이때, 위치 및 개수는 parameter study를 통한 예비실험을 통해 도출하거나, 유동 해석을 통해 효과적인 구성을 선택하도록 한다.
이하, 상기 제1전극군(210)의 전극쌍(211)의 담지되는 깊이 또는 그 위치와 인가되는 직류전류 사이의 관계에 대해 설명한다.
상기 금형부(100) 내의 용탕에 전극이 담지되는 깊이에 따라, 기포를 유도하는 소정의 방향이 달라질 수 있다.
전극을 제품부 내부로 깊숙하게 담지하는 경우, 주로 전극 아래에 해당하는 용탕 영역에 직접적인 유동이 야기되어 인가 전류값은 낮아질 수 있지만 전극 윗부분에 해당하는 용탕부에는 오히려 기포 유도 효과가 저감되어 응고부에 수축공을 저지하기 위한 미응고 용탕의 공급이 원할하지 않아 압탕부 저감 효과가 상쇄될 수 있다.
전극을 압탕부나 절단부측 방향에 위치하는 경우, 제품부 내부로 깊숙하게 전극을 담지하는 것보다 필요한 인가전류량은 커질 수 있지만, 기포를 절단부측 방향이나 압탕부로 유도하기 효과적이고, 제품부의 미응고 용탕을 응고 부에 지속적으로 공급하여 수축공을 방지하는데 효과적이다.
다만, 용탕에 인가되는 직류전류의 양이 과도하게 높은 경우에는 용탕 내의 유동이 지나치게 높아져 기포(600)들의 재분산이 발생하거나 응고 지연등의 이유로 기포 발생이 영향을 받을 수 있어 주조공정의 최종제품의 품질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
반대로, 상기 인가되는 직류전류의 양이 과도하게 적은 경우에는, 용탕 내의 기포(600)들이 적절하게 제거되지 않기 때문에 잔류 기포량이 많아져 기포면적의 총합이 높아지게 되며, 이 역시 결국에는 주조공정의 최종제품의 품질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 적절한 전극의 위치 및 전류조건의 선정이 필요하며, 이는 금형 내 주입되는 용탕의 양 및 제품 형상에 따라 다르게 된다.
제1전극군 및 제2전극군의 위치 및 개수는 parameter study를 통한 예비 실험을 통해 도출하거나, 유동 해석을 통해 효과적인 구성을 선택하도록 한다.
본 발명의 다른 일 실시예는, 상기 실시예의 직류전류인가 용탕제어용 주조장치(500)를 이용한 주조방법에 있어서, 금형부에 용탕을 주입하는 용탕주입단계(S100); 및 상기 금형부에 유입된 용탕에 용탕처리부를 통해 직류전류를 직접 인가하여 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동시키고, 응고부에 발생한 수축부위에 미응고 용탕을 지속적으로 공급하여 수축공 발생을 방지하는 직류전류인가단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법(이하, “본 발명의 주조방법”이라 한다)을 제공한다.
도3은, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법의 순서도를 나타내는 도면이다. 이하 도3을 참조하여 상기 본 발명의 주조방법을 설명한다.
이하, 상기 용탕주입단계(S100)에 대해 설명한다.
본 단계에서는 금형부에 용탕을 주입하는 단계이다.
용탕은 금속을 녹여서 만든 용해된 상태의 금속을 의미하는데, 상기 용탕은 유동성이 있는 성질을 가지는 금속들을 포함할 수 있으며, 예를 들면 Al을 포함하는 금속, Al 및 Mg, Si, Cu, Fe, Mn, Cr, Zr, Ti, 및 Ni로 이루어진 금속군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 합금일 수 있으나, 상기 예시들에 한정되는 것은 아니고, 유동성이 있는 성질을 가지는 금속들은 모두 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석해야할 것이다.
이하, 상기 직류전류인가단계(S200)에 대해 설명한다.
직류전류인가단계(S200)에서는, 상기 용탕에 직류전류를 직접 인가하여 용탕 내부에 유동을 발생시켜 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동시키는 단계이다. 상기 작동원리에 대한 상세한 설명은 본 명세서의 상기 설명으로 갈음한다.
또한, 직류전류인가단계(S200)에서는, 상기 금형부 내의 용탕에 일정하게 혹은 가변적으로 직류전류를 인가함으로써, 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동시키는데, 상기 직류전류인가 방향에 대한 설명 및 상기 소정의 방향에 대한 설명은 본 명세서의 상기 설명으로 갈음한다.
일반적으로 용융물들이 응고되는 과정에서는 표면부터 응고가 진행되며, 주조과정에 있어서도 마찬가지이다. 즉, 용탕 내의 금속용융물들은, 금형의 표면부터 응고가 진행되며, 금속용융물들의 내부는 비교적 늦은 시점에 응고가 진행된다.
이때, 상기 용탕 내의 기포(600)들은 적절한 시점에 제거가 되어야 하고, 응고의 진행시 금형의 표면부터 응고가 진행된다는 점을 고려할 때, 직류전류인가단계(S200)는, 용탕이 상기 금형부에 주입된 후 응고가 진행되기 전부터 인가하기 시작하여, 상기 용탕이 응고가 진행되는 중 또는 상기 용탕이 응고가 완료될때까지 직류전류를 인가하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 응고가 진행되기 전에 전류인가단계(S200)가 종결되어 용탕 내의 기포(600)들이 응고가 진행되기 전에 모두 제거되는 것이 바람직하다.
만약 상기 전류인가단계(S200)가 주물로 응고가 완료된 이후에 시작하는 경우에는, 액체상태에서 고체상태로의 변화에 다른 점도 증가에 따라 기포(600)들의 이동이 어렵게 되어 주물 외부, 즉 절단부측 방향이나 압탕부 등으로 이동시키는 것이 불가능하여 최종제품 내에 잔존하여, 결국엔 최종제품의 품질을 저하시키는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다. 이때 상기 응고가 진행되기 전의 시점은, 용탕 부위별 열전대를 설치하여 해당 부위의 용탕 온도를 실시간으로 측정하여 알 수 있다.
또한, 본 직류전류인가단계에서는 제 1전극군과 제 2전극군에서 동시에 전류가 인가될 수도 있고, 캐비티에 채워지는 용탕의 거동과 용탕의 온도를 고려하여 제 1 전극군과 제2전극군 사이의 전류 인가 시점에 시간적 차이가 발생할 수도 있다.
또한, 제1전극군과 제 2전극군에서 인가하는 직류전류의 값과 인가 시간은 용탕 내 유도될 유동을 고려하여 동일하거나 상이할 수 있다.
이때, 용탕 내 인가되는 직류전류량 및 인가시간은, 주물의 크기 및 형상에 따라 효과적인 유동발생을 위해 달라질 수 있다. 적절한 전류값을 도출하기 위해서는 금형 내 용탕 주입 시의 유동해석을 통해 유추할 수 있다.
직류전류인가를 통해 유도된 용탕 내 유동을 통해 기포를 소정의 방향으로 이동할 뿐만 아니라, 미응고 용탕에 로렌츠 힘을 통한 추가적인 압력을 야기함으로써 응고부에 지속적으로 미응고 용탕을 공급하고 추가적인 압력을 인가하게 하는 효과를 가짐으로써 압탕부를 최소화할 수 있다.
또한, 전류인가단계(S200)를 거치면서 상기 용탕이 응고되면, 응고현상에 의한 부피감소 효과와, 이에 더해 용탕 내의 기포(600)가 제거효과까지 추가되어, 고체상의 금속주물의 최종부피는 액상의 용탕보다 현저히 감소하게 된다.
또한, 전류인가단계(S200)는 압탕부(300)에 전극을 위치한 경우에는 직류전류 인가 시 용탕 내 발생한 로렌츠힘에 의해 압탕부의 미응고 용탕을 응고부에 지속적으로 보급하여 주물의 밀도를 높여 최종제품의 품질을 향상시키는 역할을 수행하게 할 뿐만 아니라, 상기 응고중의 용탕에 추가적인 압력을 가하여 압탕부의 크기를 저감시킬 수 있다.
상기 직류전류인가 용탕제어용 주조장치 및 이를 이용한 주조방법을 통해, 용탕 내의 기포를 제어 또는 제거함으로써 건전한 미세조직을 얻을 수 있도록 함과 동시에, 주조 공정에 있어서 압탕부 사용량을 최소화하는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 실시예, 제조예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 실시예, 제조예, 비교예, 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
제조예
본 발명의 일실시예에 따른 직류전류인가 용탕제어용 주조장치를 제조하였다.
구체적인 제조방법은 하기 순서와 같다.
Fe-C-Cr-Mn성분을 포함하는 금형부를 준비하고, Fe-C-Ni-Cr성분을 포함하는 전극을 이용하여 상기 금형부의 압탕부에 위치하여, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치를 제조하였다.
이하에서는 상기 제조예를 통해 제조한 주조장치를 이용한 실험예를 설명한다.
실험예1
본 실험예1에서는, 상기 제조예를 통해 제조한 주조장치를 이용하여, 주조를 진행하였다.
이때 본 실험예1에서는, 상기 주조장치에 전류 인가 유무를 달리하여 실험을 진행하였다. 전극 담지에 의한 효과를 동일하게 고려하기 위해 전류가 인가되지 않는 경우에도 전극을 담지하였다.
이때 전극의 깊이는 용탕 최상단으로부터 60mm 깊이로 담지하였다.
용탕 소재는 Al-17Si계 과공정 알루미늄 합금이며, 용탕 온도가 660℃에 도달하였을 때 전류 인가를 시작하였다. 이때 인가하는 전류는 600A로 설정하였고, 응고가 완료되는 시점을 고려하여 60초간 전류를 인가하였다.
응고 이후 주물 내 잔존하는 기포양을 측정하였으며 구체적인 측정방법은 3차원 computer tomography(CT)를 활용하여 측정하였다.
도4와 도5는 본 실험예1의 실험결과를 보여주는 도면이다.
도4와 도5를 통해 알 수 있듯이, 직류전류를 인가하는 경우에는 직류전류를 인가하지 아니하는 경우에 비하여 용탕 내의 기포의 부피가 현저히 감소되는 것을 알 수 있다. 특히, 전류 미인가 경우에 비해 전류를 인가한 경우 약 65%의 기공 저감이 확인되었다.
실험예2
본 실험예2에서는, 상기 제조예를 통해 제조한 주조장치를 이용하여 주조를 진행하였다.
이때 본 실험예2에서는, 상기 주조장치에 담지된 전극쌍의 깊이를 변수로 하여, 실험을 진행하였다.
그 구체적인 실험방법은 상기 실험예1에서, 전극쌍의 깊이를 달리하는 것을 제외하고는 동일한 방식으로 실험 및 분석을 진행하였다. 용탕에 담지되는 전극의 깊이는 용탕 최상단으로부터 60mm와 20mm 깊이로 담지하였다. 이때, 인가되는 전류의 조건은 실험예 1과 동일하게 인가하였다.
도6과 도7은 본 실험예2의 실험결과를 보여주는 도면이다.
도6과 도7을 통해 알 수 있듯이, 용탕 내 담지되는 전극의 깊이가 용탕 최상단으로부터 얕을수록 용탕내 잔존하는 기포의 양이 저감되었다. 본 실험예 2의 경우, 전극 깊이 60mm 대비 전극 깊이 20mm 인 경우 주물 내 잔존하는 기포의 부피가 약 8% 감소하였다.
또한, 전극 깊이가 20mm인 경우 주물 내 잔존하는 기포가 압탕부에 해당하는 상단부로 이동해 있는 것을 확인할 수 있으며, 용탕에 전류를 인가함에 따라 기포를 소정의 방향으로 이동하는 것이 유리함이 확인된다.
실험예3
본 실험예3에서는, 상기 제조예를 통해 제조한 주조장치를 이용하는 경우, 직류전류를 인가하지 아니하는 경우와 비교할 때의 효과에 대해 전산모사를 수행하는 방식으로 진행하였다.
도8 및 도9는 본 실험예3의 해석결과를 보여주는 도면이다.
그 구체적인 전산모사 방법은 유체역학을 기반으로 COMSOL software를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석을 위한 구체적인 물리식은 아래와 같다.
인가되는 전류는 하기 수식1로 표시되는 식을 활용하였다.
[수식1]
Figure pat00001
J는 전류밀도, σ는 전기전도도, ε0는 진공유전율, ε는 상대유전율, E 는 전기장이다.
자기장은 하기 수식2로 표시되는 식을 활용하였다.
[수식2]
Figure pat00002
이때 A는 자기장벡터 포텐셜, B는 자속밀도, μ 0 는 진공투자율, μ r 는 상대투자율이다.
이를 활용하여 용탕내 발생하는 유속은, 하기 수식3으로 표시되는 Naviere-Stokes식을 통해 도출하였다.
[수식3]
Figure pat00003
이때, ρ는 밀도, u는 용탕유속, p는 압력, η는 역학점도, F g 는 중력밀도이다. 본 전산모사 예에서는 인가전류값을 700A로 하였다.
도8에서 보는 바와 같이 전류 미인가의 경우 용탕 내 유동이 거의 없는 것이 확인되나, 전류 인가의 경우 용탕 내 유동이 발생하여 등온 곡선의 출렁거림이 관찰된다. 이때, 전류를 인가한 경우 전극 하부로 최대 0.2m/s에 해당하는 하강 유동이 발생하고, 하강유동은 주형의 바닥을 치고 다시 최대 0.1m/s에 해당하는 상승유동을 이루며 캐비티 내에서 순환유동이 발달하는 것이 확인되었다.
따라서, 상기 제조예를 통해 제조한 주조장치를 이용하는 경우에는 용탕 내 유동이 활발히 일어나는 것으로 확인되었으며, 이를 통해 용탕 응고부에 미응고 용탕을 지속적으로 공급하는 효과를 유도할 수 있음을 확인할 수 있다.
도9에서 보는 바와 같이 전류를 인가하는 경우 전극부 주변에서 최대 1.03Х106 N/mm3에 해당하는 힘이 가해지는 것이 확인된다. 따라서 전류 인가에 따라 용탕에 추가적인 힘이 가해져 응고부에 압력을 가하는 압탕부 역할을 할 수 있음이 확인된다. 이를 통해, 압탕부 크기를 최소화하는데 영향을 줄 수 있음이 확인된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 금형부
150 : 성형공간
200 : 용탕처리부
210 : 용탕에 담지되는 제1전극군
211, 212 : 제1전극군 내의 전극쌍
220 : 압탕부에 해당하는 위치에 설치되는 제2전극군
221, 222, 223 : 제2전극군 내의 전극쌍
230 : 복수전극부
240 : 전류제어부
300 : 압탕부
400 : 용탕주입부
500 : 직류전류인가 용탕제어용 주조장치
600 : 용탕 내 기포

Claims (10)

  1. 용탕을 주입받아 주조제품을 형성하는 금형부;
    상기 금형부에 주입된 용탕에 직류전류를 인가하여 상기 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동시켜 용탕 내에서 발생한 수축공에 미응고 용탕이 공급될 수 있도록 하는 용탕처리부; 및
    상기 용탕 내 추가적인 압력을 가하여 수축영역에 용탕이 주입되도록 하는 압탕부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류전류인가 용탕제어용 주조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용탕처리부는,
    직류전류를 인가하는 제1전극군과 제2전극군을 포함하여 구성된 복수전극부; 및 상기 인가되는 직류전류를 제어하는 전류제어부;를 포함하되,
    상기 제1전극군은 상기 용탕에 담지되어 직류전류를 용탕에 직접 인가하는 전극쌍으로 이루어진 전극군으로, 1개 이상의 전극쌍을 포함하고,
    상기 제2전극군은 압탕부의 일 측면 부위에 위치하여 용탕에 직류전류를 직접 인가하는 전극쌍으로 이루어진 전극군으로, 1개 이상의 전극쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수전극부는,
    상기 제1전극군 중 어느 하나의 전극쌍과 및 제2전극군 중 어느 하나의 전극쌍이 용탕유동을 효과적으로 유도할 수 있도록 구성하는 것을 포함하여, 직류전류가 인가되면 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동하도록 하고, 응고영역의 수축공 발생부에 미응고 용탕을 지속적으로 공급함으로써 수축공의 발생을 최소화하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 소정의 방향은, 압탕부 방향 또는 절단부측 방향인 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어용 주조장치.
  5. 제1항의 직류전류인가 용탕제어용 주조장치를 이용한 주조방법에 있어서,
    금형부에 용탕을 주입하는 용탕주입단계; 및
    상기 금형부에 유입된 용탕에 용탕처리부를 통해 직류전류를 직접 인가하여 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동시키고, 응고부에 발생한 수축부위에 미응고 용탕을 지속적으로 공급하여 수축공 발생을 방지하는 직류전류인가단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 용탕은
    Al 및 Mg, Si, Cu, Fe, Mn, Cr, Zr, Ti, 및 Ni로 이루어진 금속군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 합금에 적용되는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 직류전류인가단계는, 상기 용탕에 직류전류를 직접 인가하여 용탕 내부에 유동을 발생시켜 용탕 내의 기포를 소정의 방향으로 이동시키고,
    응고영역의 수축부에 미응고 용탕을 지속적으로 공급하여 수축공을 최소화 하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 직류전류인가단계는, 전류의 인가로 용탕 내 로렌츠 힘을 발생시켜 추가적인 압력을 발생시켜 압탕부 크기를 최소화 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 소정의 방향은, 압탕부 방향 또는 절단부측 방향인 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 직류전류인가단계는, 용탕이 상기 금형부에 주입된 후, 응고가 진행되기 전부터 인가하기 시작하여, 상기 용탕이 주물로 응고가 진행되는 중 또는 상기 용탕이 주물로 응고가 완료될 때까지 직류전류를 인가하는 것을 특징으로 하는, 직류전류인가 용탕제어를 이용한 주조방법.
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