KR101880428B1 - 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자펄스 발생부; 상기 전자펄스 발생부의 하부에 위치하는 용탕교반부; 및 상기 용탕교반부의 하부에 위치하는 전자장 발생부를 포함하는 전자 펄스 발생 장치에 관한 것으로, 조직을 미세화시키고, 편석제어, 금속간 화합물을 제어할 수 있는 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치를 제공할 수 있다.

Description

알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치{A ELECTRON PULSE GENERATOR FOR manufacturing of Al alloy}

본 발명은 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 조직을 미세화하고, 금속간 화합물을 제어할 수 있는 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치에 관한 것이다.

Al 합금은 Al을 기반으로 구리, 마그네슘, 망간, 규소, 주석 및 아연 등이 첨가된 합금이다. Al 합금은 크게 전신재와 주조재로 나뉘며 또한 각각의 소재는 열처리용과 비열처리용으로 나뉜다.

상기 Al 합금의 85% 정도는 압연판재, 호일, 압출재 등 전신재로 사용되며, Al 주조재는 일반적으로 전신재에 비해 강도는 낮지만 융점이 낮기 때문에 경제성이 뛰어난 소재이다.

가장 널리 알려진 Al 주조재는 Al-Si합금이며 합금의 주조성 향상을 위해 일반적으로 4~13%의 Si가 첨가된다.

한편, Al 합금은 특유의 경량성, 내부식성 등의 장점으로 인해 공업용 구조재, 부품류 등에 널리 쓰이고 있다.

예를 들어, Al 합금은 항공기 외장재로 금속을 사용하기 시작하면서 우주, 항공분야에 매우 중요한 소재로 사용되어 왔다.

특히 Al-Mg합금의 경우 다른 Al 합금에 비해 경량성이 뛰어나며 낮은 가연성을 보이는 것으로 알려져 있다.

한편, Al 주물 주조에서 요구물성의 구현을 위해 용해, 주입 및 응고 과정에서 비금속 개재물의 양과 형상 및 분포 양상의 제어가 요구된다. Al 합금 주조에서 용탕 내부에 존재하는 비금속 개제물은 응고과정에서 조직에 매우 악영향을 미친다. 침상형태의 개제물이나 개제물의 응집, 즉 조직내 개제물의 불균질 분포는 크랙, 필름 등의 결함요소를 생성시킨다.

이러한 비금속 개재물의 응집 문제를 해결하기 위해 용해, 주입, 응고과정을 포함한 주조 공정 과정에서의 용탕에 대한 물리적 처리방식의 개발 필요성이 증대되고 있다.

도 1은 일반적인 구조의 전자기장 이용장치에 관한 개략도이고, 도 2는 일반적인 구조의 초음파 발생장치에 관한 개략도이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 기존 가스제어, 미세화제, 개량처리제 등 고가의 첨가제를 사용하고 매우 복잡한 공정으로 제조하는 것을 고가의 재료 투입없이 처리하기 위한, 독일, 프랑스, 일본, 러시아, 우크라이나, 네덜란드에서 연구되는 EMS(electro magnetic stirring; 전자기장 이용장치)이다.

하지만, EMS의 경우에는 용탕의 주위에 고주파 유도코일을 위치시켜 자기장을 형성한다는 점에서 용탕 크기가 커지면 장치 또한 거대화되어야 하며, 장치가 고가이므로 용탕의 크기가 작은 실험실 수준에서만 가능한 문제점이 있다.

다음으로, 도 2를 참조하면, 기존 가스제어, 미세화제, 개량처리제 등 고가의 첨가제를 사용하고 매우 복잡한 공정으로 제조하는 것을 고가의 재료 투입 없이 처리하기 위한 독일, 일본, 러시아, 미국, 네덜란드에서 연구되고 있는 초음파 (ultrasonic)에 관한 장치의 개략도이다.

하지만, 이러한, 초음파 발생장치의 경우에도 초음파와 접촉되는 국소적 부위의 용탕 재질만이 처리되어 실질적으로 생산현장에 적용될 수 없는 문제점이 있었다.

한국공개특허 10-2013-0011206

본 발명은 상기와 같은 기술적 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상술한 전자기 및 초음파 처리기술의 문제점을 해결하기 위하여, 조직을 미세화시키고, 금속간 화합물을 제어할 수 있는 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 전자펄스 발생부; 상기 전자펄스 발생부의 하부에 위치하는 용탕교반부; 및 상기 용탕교반부의 하부에 위치하는 전자장 발생부를 포함하는 전자 펄스 발생 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 전자펄스 발생부는, 방전챔버; 상기 방전챔버의 하부에 위치하는 멤브레인; 및 상기 멤브레인과 연결되는 도파관을 포함하고, 상기 용탕교반부는, 용탕이 주입되는 내부공간을 포함하는 처리용기를 포함하며, 상기 전자장 발생부는, 전자석코어 및 상기 전자석코어를 감싸는 코일을 포함하는 전자석부를 포함하고, 상기 전자석부는 상기 처리용기의 하부에 위치하는 전자 펄스 발생 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 처리용기의 하면과 상기 전자석 코어의 사이에 위치하는 유동성 가스켓을 더 포함하는 전자 펄스 발생 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 알루미늄 합금 성분을 포함하는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계; 상기 알루미늄 합금 용탕을 상기 전자 펄스 발생 장치의 용탕교반부의 처리용기에 장입하는 단계; 상기 용탕교반부의 처리용기에 전자장을 발생시켜 상기 용탕의 비접촉 상승력을 형성하는 단계; 및 상승력이 형성된 상기 용탕교반부의 처리용기에 전자 펄스를 주사하여 교반력을 형성하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 용탕의 처리방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 상승력이 형성된 상기 용탕교반부의 처리용기에 전자 펄스를 주사하여 교반력을 형성하는 단계이후, 상기 전자 펄스 주사를 종료하고, 상기 전자장 발생만을 일정 시간 유지하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 용탕의 처리방법을 제공한다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 상기 도파관을 통해 상기 용탕에 전자 펄스가 제공되고, 이때, 상기 전자 펄스와 상기 전자장 발생부에 의해 형성된 용탕의 비접촉 상승력이 충돌하여, 교반력이 형성되는 것이며, 이를 통해, 도파관에 의한 펄스 적용방식의 경우의 충격효과가 용탕 내부에 장입된 도파관 부위에 국한되는 것을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 조직을 미세화시키고, 편석제어, 금속간 화합물을 제어할 수 있는 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 구조의 전자기장 이용장치에 관한 개략도이고, 도 2는 일반적인 구조의 초음파 발생장치에 관한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 전자 펄스 발생 장치를 통한 알루미늄 합금 용탕의 처리방법을 도시한 흐름도이다.
도 5a는 전자장 발생부로부터 전자장을 발생시켜 용탕의 상승력을 형성하는 것을 도시하는 개략적인 도면이다.
도 5b는 전자펄스 발생부로부터 펄스압을 발생시켜 교반력을 형성하는 것을 도시하는 개략적인 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 7은 Al 합금 용탕에 도파관을 통해 펄스 충격을 가했을 때의 충격 값을 도시한 그래프이다.
도 8은 도파관에 추가 노즐 팁의 부착 여부에 따른 첫 번째 펄스 충격의 진폭과 시간을 도시한 그래프이다.
도 9는 제트 스트림 형태를 띠는 전자장에 의한 유체의 흐름을 도시하는 도면이다.
도 10은 전자석 코어가 위치한 바닥 부위로부터의 용탕의 위치에 따른 유체의 속도를 도시한 도면이다.
도 11은 Al-10%Zr 모합금 잉곳의 주조 조직을 도시하는 도면이다.
도 12는 모합금을 재용해한 후 10~30분 유지시킨 용탕의 응고조직을 도시하는 도면이다.
도 13은 3kg의 Al-10%Zr 모합금 용탕에 대해 전자 펄스를 주입한 경우의 응고조직을 도시한 도면이다.
도 14는 Al-10%Zr 모합금에 대해 전자장 제공과 전자 펄스를 주입한 경우의 응고조직을 도시한 도면이다.
도 15는 Al-10%Zr 모합금으로 용해한 Al-Zn-Mg-Cu(0.2%Zr)합금의 무처리 조직을 도시하는 도면이고, 도 16은 동일 조성의 합금에 3분간 펄스 처리한 응고조직을 도시하는 도면이며, 도 17은 동일조성 합금에 대해 전자장 제공과 전자 펄스를 주입을 동시 적용한 조직을 도시하는 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치를 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치를 도시하는 개략적인 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치(100)는 전자펄스 발생부(110); 상기 전자펄스 발생부(110)의 하부에 위치하는 용탕교반부(120) 및 상기 용탕교반부(120)의 하부에 위치하는 전자장 발생부(130)를 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 전자펄스 발생부(110)는 방전챔버(111) 및 상기 방전챔버(111)이 내부 일정 영역에 위치하는 전극(112)을 포함한다.

한편, 상기 방전챔버(111)의 내부에는 순환 냉각수(113)를 포함할 수 있으며, 상기 순환 냉각수(113)를 공급하기 위한 파이프 연결부(116a, 116b)를 포함할 수 있다.

한편, 상기 방전챔버(111)의 외부에 위치하는 방음 케이스(115)를 더 포함할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 방음 케이스(115)의 유무를 제한하는 것은 아니다.

계속해서, 도 3을 참조하면, 상기 전자펄스 발생부(110)는 상기 방전챔버(111)의 하부에 위치하는 탄성 멤브레인(117)을 포함하며, 상기 탄성 멤브레인(117)과 연결되는 도파관(118)을 포함한다.

즉, 상기 도파관(118)의 일측 단부는 상기 탄성 멤브레인(117)과 연결되며, 상기 도판관(118)의 타측 단부는 후술하는 용탕교반부(120)의 처리용기(121)의 내부에 위치한다.

한편, 상기 전극(112)의 끝단은 상기 탄성 멤브레인(117)과 약 25 ~ 35mm의 간격을 유지하여 이격될 수 있다.

이상과 같은 전자펄스 발생부(110)의 구성은 당업계에서 자명한 사항이므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

계속해서, 도 3을 참조하면, 상기 용탕교반부(120)는 용탕이 주입되는 내부공간(122)을 포함하는 처리용기(121)를 포함하고, 상기 처리용기(121)의 내부공간(122)에는 상술한 도파관(118)의 타측 단부가 위치한다.

이와 같은 용탕교반부(120)의 구성은 당업계에서 자명한 사항이므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

계속해서, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치(100)는 상기 용탕교반부(120)의 하부에 위치하는 전자장 발생부(130)를 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 전자장 발생부(130)는 상기 용탕교반부(120)의 상기 처리용기(121)의 하부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 전자장 발생부(130)는 전자석부(131)를 포함할 수 있으며, 상기 전자석부(131)는 전자석코어(131a) 및 상기 전자석코어(131a)를 감싸는 코일(131b)로 구성될 수 있으며, 이때, 상기 전자석은 단극 교류 전자석일 수 있다.

다만, 본 발명에서 상기 전자석의 종류를 제한하는 것은 아니다.

또한, 상기 전자장 발생부(130)는 상기 전자석(131)에 전원을 공급하기 위한 전원공급장치(132)를 더 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 전원공급장치(132)는 상기 전자석(131)에 50 ~ 60Hz의 전원을 공급함으로써, 상기 전자석(131)에서 전자장이 발생할 수 있다.

이때, 본 발명에서는 상기 처리용기(121)의 하면과 상기 전자석 코어(131a)의 사이에 위치하는 유동성 가스켓(133)을 더 포함할 수 있으며, 상기 유동성 가스켓(133)은 상기 처리용기(121)와 상기 전자석 코어(131a)의 사이에서 발생되는 기계적 진동을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치(100)는 전자펄스 발생부(110); 상기 전자펄스 발생부(110)의 하부에 위치하는 용탕교반부(120) 및 상기 용탕교반부(120)의 하부에 위치하는 전자장 발생부(130)를 포함한다.

이때, 상기 전자펄스 발생부(110)에서는 펄스압이 발생하고, 상기 전자펄스 발생부(110)로부터 발생된 펄스압은 상기 도파관(118)을 통해 상기 용탕교반부(120)의 상기 처리용기(121)의 내부공간(122)에 주입되는 용탕에 전자 펄스를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 전자펄스 발생부(110)를 통해 상기 용탕에 펄스압을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 전자장 발생부(130)로부터 발생된 전자장을 상기 용탕에 제공할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 전자 펄스 발생 장치를 통한 알루미늄 합금 용탕의 처리방법을 도시한 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 먼저, 본 발명에 따른 전자 펄스 발생 장치를 통한 알루미늄 합금 용탕의 처리방법은 알루미늄 합금 성분을 포함하는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계를 포함한다(S100).

상기 알루미늄 합금 용탕은 Al-Sn 합금 용탕일 수 있고, 또는 Al-Zr 합금 용탕일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 알루미늄 합금 용탕의 종류를 제한하는 것은 아니다.

다음으로, 상기 알루미늄 합금 용탕을 상기 전자 펄스 발생 장치의 용탕교반부의 처리용기에 장입하는 단계를 포함한다(S110).

한편, 상기 용탕교반부의 처리용기에 알루미늄 합금 용탕을 장입한 이후에, 상기 용탕을 안정화하기 위하여 일정시간 대기하는 단계를 포함할 수 있다.

다음으로, 상기 용탕교반부의 처리용기에 전자장을 발생시켜 용탕의 비접촉 상승력을 형성하는 단계를 포함한다(S120).

즉, 상술한 상기 전자장 발생부(130)로부터 발생된 전자장을 상기 용탕에 제공하여, 용탕의 비접촉 상승력을 형성할 수 있다.

도 5a는 전자장 발생부로부터 전자장을 발생시켜 용탕의 상승력을 형성하는 것을 도시하는 개략적인 도면이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 전원공급장치(132)로부터 상기 전자석(131)에 전원을 공급함으로써, 상기 전자석(131)에서 전자장이 발생할 수 있으며, 이러한 전자장이 상기 처리용기(121)의 저면부로 전달되어, 저면부에서 상향으로 처리용기 내부 전자장(123)이 발생하게 된다.

이러한 내부 전자장(123)은 상부 수직방향으로 향하는 비접촉 상승력의 제트코어(124)를 일으키게 되고, 이러한 상부 수직방향으로 향하는 제트코어(124)의 방향을 따라 용탕의 비접촉 상승력이 발생하게 된다.

다음으로, 상승력이 형성된 상기 용탕교반부의 처리용기에 전자 펄스를 주사하여 교반력을 형성하는 단계를 포함한다(S130).

상기 전자 펄스를 주사하는 것은, 상기 전자펄스 발생부(110)로부터 펄스압이 발생하고, 상기 전자펄스 발생부(110)로부터 발생된 펄스압은 상기 도파관(118)을 통해 상기 용탕교반부(120)의 상기 처리용기(121)의 내부공간(122)에 주입되는 용탕에 전자 펄스를 제공할 수 있다.

도 5b는 전자펄스 발생부로부터 펄스압을 발생시켜 교반력을 형성하는 것을 도시하는 개략적인 도면이다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 도파관(118)을 통해 상기 용탕에 전자 펄스가 제공되고, 이때, 상기 전자 펄스와 상기 전자장 발생부에 의해 형성된 용탕의 비접촉 상승력이 충돌하여, 도 5b에서와 같은 교반력(125)이 형성된다.

즉, 상술한 S130단계의 상기 용탕교반부의 처리용기에 전자장을 발생시켜 용탕의 비접촉 상승력을 형성함과 동시에, 상기 S140 단계의 전자 펄스를 주사하여 용탕에 교반력을 형성할 수 있다.

상기 교반력은 0.1 ~ 1.2 m/s의 속도로, 1 ~ 3분간 약 200 ~ 350회의 순환이 일어나게 된다.

다음으로, 전자장 발생 및 전자 펄스 주사를 통해 상기 용탕을 교반한 후, 상기 전자 펄스 주사를 종료하고, 상기 전자장 발생만을 일정 시간 유지하는 단계를 포함한다(S140).

즉, 용탕의 교반공정이 완료된 이후에, 용탕의 균질화를 위하여, 상기 용탕을 몰드에 주입하기 전에 상기 처리용기 내부에 상기 전자장 발생부(130)로부터 발생된 전자장을 상기 용탕에 제공한 상태에서 일정 시간 유지시킬 수 있다.

이후, 상기 용탕을 몰드에 주입하여 Al 합금을 제조할 수 있다.

일반적으로 용탕 내부의 금속간 화합물에 충격을 가하는 기본적인 메커니즘은 캐비테이션(Cavitation) 발생 과정을 포함하는데 용탕 내부에 Cavitation이 발생하는 과정에서 용탕과 금속간 화합물은 각기 다른 압력을 받게 된다.

일반적으로 경량금속에 대한 기계적 용탕 처리방식으로 초음파 처리방식이 널리 사용되고 있으며, 초음파 처리 방식은 1930년대부터 개발되어 학술적, 산업적으로 많은 관심을 받아 왔다.

이 방식은 5 ~ 15 mm 도파관을 통해 용탕에 고주파(10~100 kHz)를 적용시켜 물리적 충격과 함께 음파작용을 가하여 Cavitation 효과를 일으키는 방식인데 이는 고주파에 의한 진동에너지의 분산 효과이며 용탕 내 Cavitation 효과를 일으키기 위해서는 1.65 ~ 2.0MPa이상의 압력이 필요하다.

하지만, 초음파 처리의 경우 처리가능 영역이 매우 제한적이라는 단점이 있다. 추가적인 특수 용탕처리가 동반되지 않는다면 초음파 처리만으로 일반 산업현장에서 대량 주물 생산을 목적으로 사용되는 처리 로에서 100~500kg의 용탕을 균질하게 처리하는 데에는 한계가 있다.

한편, 용탕에 펄스 충격을 가하는 방식은 10~500kg의 용탕에 펄스처리장비의 도파관을 장입한 상태에서 짧은 시간 동안 저주파의 강한 충격을 가하는 방식인데 한 번의 펄스 충격은 주파수와 진폭이 각기 다른 두 가지의 충격양상을 갖는다.

하지만, 이러한 도파관에 의한 펄스 적용방식의 경우 충격효과는 용탕 내부에 장입된 도파관 부위에 국한되며 추가적인 교반작용 없이는 용탕 전체 영역에 균일한 효과를 주지 못한다.

이러한 경우, 펄스에 의한 기계적 충격은 용탕 내부에 미세 기공과 함께 Cavitation을 발생시키게 되며, 이러한 현상은 응고조직 내부에 기공, 비금속 게재물, 수축 결함 발생 등의 형태로 나타나게 된다.

이러한 현상을 방지하게 위해서는 장시간 용탕을 안정시켜야 하지만 이 경우 침전 및 편석의 위험이 따르는데 이를 방지하기 위해서는 추가적인 처리 기법이 필요하다.

이에 따라 본 발명에서는, 기존의 용탕에 펄스 충격을 가하는 방식, 즉, 상술한 전자펄스 발생부로부터 펄스압을 발생하여, 전자 펄스를 용탕에 가하는 방식에 전자장 발생부로부터 전자장을 발생시켜, 상기 용탕에 전자장을 제공하는 공정을 추가한 것이다.

즉, 상술한 바와 같이, 상기 도파관(118)을 통해 상기 용탕에 전자 펄스가 제공되고, 이때, 상기 전자 펄스와 상기 전자장 발생부에 의해 형성된 용탕의 비접촉 상승력이 충돌하여, 도 5b에서와 같은 교반력(125)이 형성되는 것이며, 따라서, 도파관에 의한 펄스 적용방식의 경우의 충격효과가 용탕 내부에 장입된 도파관 부위에 국한되는 것을 해결할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치를 도시하는 개략적인 도면이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치는 후술하는 바를 제외하고는 상술한 제1실시예를 참조할 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치(100)는 전자펄스 발생부(110); 상기 전자펄스 발생부(110)의 하부에 위치하는 용탕교반부(120) 및 상기 용탕교반부(120)의 하부에 위치하는 전자장 발생부(130)를 포함한다.

또한, 상기 전자펄스 발생부(110)는 상기 방전챔버(111)의 하부에 위치하는 탄성 멤브레인(117)을 포함하며, 상기 탄성 멤브레인(117)과 연결되는 도파관(118)을 포함한다.

즉, 상기 도파관(118)의 일측 단부는 상기 탄성 멤브레인(117)과 연결되며, 상기 도판관(118)의 타측 단부는 후술하는 용탕교반부(120)의 처리용기(121)의 내부에 위치한다.

이때, 본 발명의 제1실시예에서는 상기 도파관의 타측 단부에 위치하는 노즐팁(119)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 노즐팁은 100kg 이상의 대용량의 용탕에 펄스처리를 하는 경우에, 상기 도파관의 타측 단부에 부착할 수 있는 것으로, 예를 들어, 상기 노즐팁은 상기 도파관 지름의 1.2 ~ 1.5배 직경의 팁을 부착하는 방식이 적용 가능하다.

이러한 방식은 펄스 충격에너지의 분산을 증대시키므로 펄스 진폭을 감소시키지 않고도 용량 증가에 대응할 수 있다.

도 7은 Al 합금 용탕에 도파관을 통해 펄스 충격을 가했을 때의 충격 값을 도시한 그래프이다.

도 8은 도파관에 추가 노즐 팁의 부착 여부에 따른 첫 번째 펄스 충격의 진폭과 시간을 도시한 그래프이다.

이때, 도파관의 지름은 Φ30mm(1), Φ50mm(2)이며, 도 7 및 8에서 2의 경우, 노즐 팁의 추가장착한 경우로, 즉, 도 7 및 도 8에서는 노즐팁을 추가 장착하지 않은 경우의 Φ30mm(1)과 노즐팁을 추가 장착한 경우의 Φ50mm(2)를 나타내고 있다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 일반적으로, 방전에 의한 펄스충격을 가하기 위해서 LC회로, 고압 변압기, DC 다이오드, 커패시터로 구성된 전압 공급장치(미도시)로부터 고압전류(40~50kV)가 방전챔버(111) 내부의 전극(112)으로 전달된다.

방전챔버 내부의 양극과 음극 사이의 공간에 전기 아크 방전이 일어나기 위해서는 커패시터 충전상태에서 50kV의 압력이 필요하며, 이를 통해 챔버 내부에0.5 ~ 2ms의 시간 동안 발생하는 아크방전은 100 ~ 300 kPa 의 압력을 발생시킨다.

이 과정에서 발생한 압력은 멤브레인과 도파관에 전달되어 진동을 일으키는데, 이때의 진폭은 0.7 ~ 8mm이며 이로 인해 1.8~2.2MPa의 압력이 발생하게 되는데 이는 Cavitation 생성조건을 충족하는 압력이다.

방전이 한 차례 완료되면 방전챔버 내부의 냉각수는 Cavitation 효과를 받게 되며 멤브레인과 도파관은 2차 진동을 이어가는데, 이 때의 주파수는 5 ~ 20kHz이며, 약 80 ~ 200ms 동안 유지된다.

일반적으로 고강도의 고주파 충격은 금속간 화합물을 파쇄시키는 역할을 하며, 낮은 진폭의 고주파 충격은 초음파, 음향진동의 효과로 1차 충격에 의해 형성된 Cavitation 효과를 지속시키며 탈 가스, 비금속 개재물 분산 및 정제작용을 하게 된다.

한편, 본 발명에서는, 기존의 용탕에 펄스 충격을 가하는 방식, 즉, 상술한 전자펄스 발생부로부터 펄스압을 발생하여, 전자 펄스를 용탕에 가하는 방식에 전자장 발생부로부터 전자장을 발생시켜, 상기 용탕에 전자장을 제공하는 공정을 추가한 것이다.

즉, 상술한 바와 같이, 상기 도파관(118)을 통해 상기 용탕에 전자 펄스가 제공되고, 이때, 상기 전자 펄스와 상기 전자장 발생부에 의해 형성된 용탕의 비접촉 상승력이 충돌하여, 도 5b에서와 같은 교반력(125)이 형성되는 것이며, 따라서, 도파관에 의한 펄스 적용방식의 경우의 충격효과가 용탕 내부에 장입된 도파관 부위에 국한되는 것을 해결할 수 있다.

도 9는 제트 스트림 형태를 띠는 전자장에 의한 유체의 흐름을 도시하는 도면이다.

도 9를 참조하면, 처리용기 바닥부에서 발생되는 전자기력에 의해 jet stream이 발생되며, 이때, 제트코어는 유속 발생지점에서 직선을 향하며 거리에 따라 일정 경계를 갖는다.

상기 제트코어의 길이는 jet stream 발생 노즐(전자석의 코어)의 단면적에 의해 결정되며, 예를 들어, 0.1 ~ 1 m/s의 유속을 발생시키게 되고, 이 경우 제트코어 영역 내부에서는 일정 유속이 유지될 수 있다.

도 10은 전자석 코어가 위치한 바닥 부위로부터의 용탕의 위치에 따른 유체의 속도를 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 용탕의 위치에 따른 유동실험 결과, 처리용기 하부의 전자석 코어에서 0 ~ 50mm의 공간의 유체는 역방향의 흐름을 보이나(-0.18m/s)~(-1.32m/s), 50 ~ 300mm영역에서는 상향의 유체 흐름이 0.5~0.4 m/s의 유속을 갖게 되고, 350mm이상의 영역에서는 0.175 m/s 정도로 저하된 유속을 보임을 확인할 수 있으며, 이는, 상기 전자 펄스와 상기 전자장 발생부에 의해 형성된 용탕의 비접촉 상승력이 충돌하여, 도 5b에서와 같은 교반력(125)이 형성되었음을 의미한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 기재하기로 한다. 다만, 하기의 실험예는 일예에 해당할 뿐, 본 발명이 하기 실험예에 제한되는 것은 아니다.

[펄스처리가 Al- 10%Zr 모합금의 금속간 화합물 형성에 미치는 영향 실험]

펄스처리효과 분석의 첫 단계로 3 ~ 5 kg의 Al-10%Zr 용탕에 저주파(2.5~3.5Hz) 펄스를 인가하였다. 초기 분석을 위해 Al-10%Zr 모합금의 조직을 관찰하였다.

도 11은 Al-10%Zr 모합금 잉곳의 주조 조직을 도시하는 도면이다.

도 11을 참조하면, 50~150㎛ 크기의 조대한 침상 또는 직사각형의 Al-10%Zr이 불균질하게 분포된 모습을 보인다.

즉, Al₃Zr의 형상과 크기가 다양하며 분포 역시 불균질하여, 50~150㎛의 직사각형 또는 침상의 형태를 보이는데, 이러한 침상의 금속간 화합물은 응고조직에 해로운 영향을 미치게 된다.

도 12는 모합금을 재용해한 후 10~30분 유지시킨 용탕의 응고조직을 도시하는 도면이다.

도 12를 참조하면, 길이 50~100㎛, 두께 10~25㎛의 침상 Al₃Zr 입자가 국부적으로 응집한 상태를 나타내고 있다.

도 13은 3kg의 Al-10%Zr 모합금 용탕에 대해 전자 펄스를 주입한 경우의 응고조직을 도시한 도면이다.

즉, 도 13에서는 전자장을 제공하는 것이 없이 전자 펄스만을 주입한 경우로, 3분간 주파수 2.5~3.5 Hz의 펄스압을 적용한 경우의 응고조직이며, 이 공정을 통해 금속간 화합물(Al₃Zr)이 파쇄되는 효과가 나타난다.

침상의 50~100㎛ 크기인 조직이 직사각형태의 10~50㎛의 크기를 갖는 형태로 약 3~5배 미세화된 효과를 보이고 있으며, 3분의 처리시간을 통해 해당 용적의 용탕 내부의 금속간 화합물은 3~5㎛의 입자가 약 40%, 10~30㎛ 입자가 약30%, 나머지는 30~50㎛의 입자가 내부 크랙을 보유한 상태로 존재하였다.

도 14는 Al-10%Zr 모합금에 대해 전자장 제공과 전자 펄스를 주입한 경우의 응고조직을 도시한 도면이다.

도 14를 참조하면, 전자장 제공과 전자 펄스를 주입을 동시에 진행한 경우는, Al₃Zr의 미세화 효과가 극대화되었음을 알 수 있다.

즉. 70~75%의 입자는 3~10㎛의 크기를 보이고 있으며, 30~35%의 입자는30~50㎛의 크기로 존재하였다.

[고강도 Al 주조 합금에서 펄스처리에 의한 조직 미세화 효과 분석]

두 번째 단계로 Al-Zn-Mg-Cu (7075)합금 용탕에 대한 전자기 교반의 추가 적용여부에 따른 펄스 처리 효과를 분석하였다. 일반적으로 고강도 합금 빌렛 연속주조공정에서의 용탕 처리는 턴디쉬에 의한 용탕 이송 전, 후에 이루어진다.

도 15는 Al-10%Zr 모합금으로 용해한 Al-Zn-Mg-Cu(0.2%Zr)합금의 무처리 조직을 도시하는 도면이고, 도 16은 동일 조성의 합금에 3분간 펄스 처리한 응고조직을 도시하는 도면이며, 도 17은 동일조성 합금에 대해 전자장 제공과 전자 펄스를 주입을 동시 적용한 조직을 도시하는 도면이다.

이때, 도 15 내지 도 17에서 a, b, c는 Al₃Zr의 위치 및 형태 분석을 위해 각각의 조직에 대해 100, 200, 500배율로 촬영한 조직 사진을 도시하였다.

먼저, 도 15를 참조하면, 용탕 처리되지 않은 Al-Zn-Mg-Cu(7075계)의 미세조직에서 수지상이 균질하지 못한 형상을 보이며, 결정립의 크기는 450~650㎛로 나타났다. 또한, Al₃Zr은 3~50㎛ 크기의 침상형태로 Al결정립 내부에 불균질하게 분포하였다.

다음으로, 도 16을 참조하면, 5kg 용탕에 3분간 펄스처리한 경우는, non-dendrite 조직을 나타내었으며, 평균 결정립 크기는 80~120㎛에 해당하였다. 시료 표면과 중심부에 균질한 구상의 결정립이 분포하는 것을 확인할 수 있다.

이 경우 Al₃Zr는 결정립 내부에 3~7㎛ 정도의 크기로, 준 안정 상태로 존재하였으며, 상기 도 15와 비교시, 4~5배의 결정립 미세화 효과가 나타났으며, non-dendritic 형상으로의 변형이 확인되었다.

다음으로, 도 17을 참조하면, 전자장 제공과 전자 펄스를 주입을 동시 적용한 조직의 경우, 650㎛의 결정립 크기를 80~90㎛ 로 약 5~8 배 미세화시킬 수 있었으며 수지상의 형상은 non-dendritic형상으로 변화되었다.

결정립은 전 구간에 걸쳐 균질 형상으로 보이며 이러한 용탕 처리 효과는 처리 후 약 50~70분 정도 지속되었다.

이러한 결과를 바탕으로, 본 발명에서와 같이, 처리용기 내부의 용탕에 전자장 제공과 전자 펄스를 주입을 동시 적용한 경우, 응고 조직의 결정립 크기는 650㎛에서 80~90㎛로 5~8배 미세화되며 수지상은 non-dendritic 형태로 변형됨을 확인할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 상기 도파관(118)을 통해 상기 용탕에 전자 펄스가 제공되고, 이때, 상기 전자 펄스와 상기 전자장 발생부에 의해 형성된 용탕의 비접촉 상승력이 충돌하여, 교반력(125)이 형성되는 것이며, 이를 통해, 도파관에 의한 펄스 적용방식의 경우의 충격효과가 용탕 내부에 장입된 도파관 부위에 국한되는 것을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 조직을 미세화하고, 금속간 화합물을 제어할 수 있는 알루미늄 합금 제조용 전자 펄스 발생 장치를 제공할 수 있다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (5)

1. 전자펄스 발생부;
   상기 전자펄스 발생부의 하부에 위치하는 용탕교반부; 및
   상기 용탕교반부의 하부에 위치하는 전자장 발생부를 포함하고,
   상기 전자펄스 발생부는, 방전챔버; 상기 방전챔버의 하부에 위치하는 멤브레인; 및 상기 멤브레인과 연결되는 도파관을 포함하고,
   상기 용탕교반부는, 용탕이 주입되는 내부공간을 포함하는 처리용기를 포함하며,
   상기 전자장 발생부는, 전자석코어 및 상기 전자석코어를 감싸는 코일을 포함하는 전자석부를 포함하고,
   상기 전자석부는 상기 처리용기의 하부에 위치하며,
   상기 전자석부에서 발생된 전자장이 상기 처리용기의 저면부로 전달되어, 저면부에서 상향으로 상기 처리용기에 내부 전자장이 발생하고,
   상기 내부 전자장은 상부 수직방향으로 향하는 비접촉 상승력의 제트코어를 일으키고, 상기 제트코어의 방향을 따라 용탕의 비접촉 상승력이 발생하며,
   상기 도파관을 통해 상기 용탕에 전자 펄스가 제공되고,
   상기 전자 펄스와 상기 용탕의 비접촉 상승력이 충돌하여, 교반력이 형성되는 전자 펄스 발생 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 처리용기의 하면과 상기 전자석 코어의 사이에 위치하는 유동성 가스켓을 더 포함하는 전자 펄스 발생 장치.
4. 알루미늄 합금 성분을 포함하는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계;
   상기 알루미늄 합금 용탕을 전자 펄스 발생 장치의 용탕교반부의 처리용기에 장입하는 단계;
   상기 용탕교반부의 처리용기에 전자장을 발생시켜 상기 용탕의 비접촉 상승력을 형성하는 단계; 및
   상승력이 형성된 상기 용탕교반부의 처리용기에 전자 펄스를 주사하여 교반력을 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 용탕교반부의 처리용기에 전자장을 발생시켜 상기 용탕의 비접촉 상승력을 형성하는 단계는,
   전자석부에서 발생된 전자장이 상기 처리용기의 저면부로 전달되어, 저면부에서 상향으로 상기 처리용기에 내부 전자장이 발생하고, 상기 내부 전자장은 상부 수직방향으로 향하는 비접촉 상승력의 제트코어를 일으키고, 상기 제트코어의 방향을 따라 용탕의 비접촉 상승력이 발생하는 것이고,
   상기 상승력이 형성된 상기 용탕교반부의 처리용기에 전자 펄스를 주사하여 교반력을 형성하는 단계는,
   상기 용탕에 전자 펄스가 제공되고, 상기 전자 펄스와 상기 용탕의 비접촉 상승력이 충돌하여, 상기 교반력이 형성되는 것인 알루미늄 합금 용탕의 처리방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 상승력이 형성된 상기 용탕교반부의 처리용기에 전자 펄스를 주사하여 교반력을 형성하는 단계이후,
   상기 전자 펄스 주사를 종료하고, 상기 전자장 발생만을 일정 시간 유지하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 용탕의 처리방법.

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