반고체 금속 주조 공정

1. 개요

2, 프로세스 원리

반고체 주조 공정의 원리는 액체 금속이 응고되는 동안 강한 교반을 가함으로써 기존 주조에서 형성된 수지상 네트워크 골격이 깨지고 액상에 매달린 분산 된 과립 조직으로 변형된다는 사실에 있습니다. 고상 비율이 일정 수준(예: 0.5-0.6)에 도달한 이 반고체 슬러리는 여전히 어느 정도의 유동성을 유지할 수 있으므로 다음을 사용할 수 있습니다.다이 캐스팅압출 및 다이 단조와 같은 기존 성형 공정은 금속을 가공하여 주조 품질을 최적화하고 생산성을 높입니다.

3. 합금 준비

반고체 합금을 제조하는 방법에는 기계적 교반 방법 외에도 최근에는 전자기 교반 방법, 전자기 펄스 로딩 방법, 초음파 진동 교반 방법, 외력의 작용으로 곡선 채널을 따라 합금 액체의 강제 흐름, 변형 유도 용융 활성화 방법 (SIMA), 스프레이 증착 방법 (스프레이), 합금 주조 온도 제어 방법 등 여러 가지 방법이 개발되었습니다. 그 중 전자기 교반법, 합금 주조 온도 제어법 및 SIMA 방법은 산업 응용 가능성이 가장 큰 방법입니다.

3.1 기계적 혼합 방법

기계적 교반은 반고체 합금의 제조에 가장 먼저 사용된 방법으로, 플레밍스 등은 톱니가 있는 동심원형 내부 및 외부 실린더로 구성된 교반 세트(내부 실린더가 고정된 상태에서 외부 실린더가 회전)를 사용하여 주석-납 합금의 반고체 슬러리를 성공적으로 제조했고, 레후이(H. Lehuy) 등은 교반 패들을 사용하여 알루미늄-구리 합금, 아연-납 합금을 제조했습니다.알루미늄알루미늄-실리콘 합금 반고체 슬러리. 이후 교반기를 개선하고 나선형 교반기를 사용하여 ZA-22 합금 반고체 슬러리를 제조했습니다. 개선을 통해 슬러리의 교반 효과가 향상되고 금형 내 금속 액체의 전반적인 유동 강도가 강화되었으며 금속 액체에 하향 압력이 발생하여 주입을 촉진하고 잉곳의 기계적 특성을 개선했습니다.

3.2 전자기 교반 방법

전자기 교반은 금속 액체에 회전하는 전자기장을 사용하여 금속 액체를 교반하는 목적을 달성하기 위해 운동의 작용하에 로렌츠 자기력의 금속 액체 인 유도 전류를 생성하는 것입니다. 현재 회전 자기장을 생성하는 두 가지 주요 방법이 있습니다 : 하나는 유도 코일 내부에 교류를 통과시키는 전통적인 방법입니다; 다른 하나는 1993 년 프랑스의 C.Vives가 도입 한 영구 자석 회전 방법이며, 그 장점은 전자기 인덕터가 고성능 영구 자성 재료로 구성되어 있고 내부에서 생성 된 자기장이 고강도이며 영구 자석의 배열을 변경하여 금속 액체가 명백한 3 차원 흐름을 생성하도록 할 수 있다는 것입니다. 교반 효과가 향상되고 교반 중 가스 개입이 감소합니다.

3.3 변형 유도 용융 활성화 방법(SIMA)

변형 유도 용융 활성화(SIMA)는 기존의 잉곳을 압출, 압연 등에 의해 열간 가공하는 등 사전 변형하여 강한 연장 변형 구조를 가진 미세 구조를 가진 반제품 막대로 만든 다음 일정 시간 동안 고액 2상 영역 등온으로 가열하여 연장된 입자를 미세 입자로 만든 다음 급속 냉각하여 비정질 수지상 구조를 가진 잉곳을 얻는 공정입니다. SIMA 공정의 효과는 주로 열간 가공 및 재용융 두 단계의 낮은 온도에 따라 달라지거나 두 단계 사이에 냉간 가공 단계를 추가하면 공정을 더 제어 할 수 있으며, SIMA 기술은 다양한 고온 및 저 융점 합금 시리즈에 적합하며 특히 비 수지상 합금의 고 융점 준비에 독특한 우월성을 가지고 있습니다. 스테인레스 스틸, 공구강 및 구리 합금, 알루미늄 합금 시리즈에 성공적으로 적용되어 합금의 약 20um 비 수지상 조직의 입자 크기를 얻기 위해 반고체 성형 원료를 제조하는 경쟁력있는 방법이되고 있습니다. 그러나 가장 큰 단점은 준비된 블랭크의 크기가 작다는 것입니다.

3.4 최근 몇 년간 개발된 새로운 방법

최근 동남대학교와 일본 아레스티 연구소에서 합금의 주입 온도를 제어하여 초기 수지상 조직을 구상 조직으로 변형시킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 방법은 합금 원소를 첨가하거나 교반할 필요가 없다는 것이 특징이며, V.Dobatkin 등은 액체 금속에 정제제를 첨가하고 초음파 처리하여 반고체 잉곳을 얻는 방법을 제안했는데, 이를 초음파 처리법이라고 합니다.

4. 성형 방법

반고체 합금을 형성하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 주요 방법은 다음과 같습니다:

(1) 리오캐스팅(레오포밍, 레오캐스트) 금속 액체를 특정 고상 분율에서 액상에서 고상으로 냉각하는 동안 강한 교반을 통해 생성된 반고체 금속 슬러리를 직접 다이캐스팅 또는 압출 성형하는 방법. 1 다이캐스팅 합금 2 합금 액체의 연속 공급 3 유도 히터 4 냉각기 5 유변학적으로 주조된 잉곳 6 사출 챔버 7 다이캐스팅 금형 예를 들어, 시바타 R. 등은 전자기 교반법으로 제조된 반고체 합금 슬러리를 다이캐스팅 기계의 사출실에 직접 공급하여 성형에 사용했습니다. 이 방법으로 생산된 알루미늄 합금 주조의 기계적 특성은 압출 주조보다 높고 반고체 요변성 주조와 비슷합니다. 문제는 반고체 금속 슬러리 보존과 배송에 어려움이 있어 실제 적용 사례가 많지 않다는 점입니다.

(2) 요변성 캐스팅(틱소포밍, 틱소캐스트) 고액 영역에서 적절한 점도로 재가열한 후 비수지 조직으로 구성된 준비된 잉곳 빌릿을 다이캐스팅 또는 압출하는 공정입니다. 미국의 EOPCO, HPM사, 프린스 머신, THT 프레스, 스위스의 뵐러, 이탈리아의 IDRA USA와 Italpresse of America, 캐나다의 Producer USA, 일본의 도시바 머신 코프와 UBE 등이 있습니다. 기계 서비스 등은 반고체 알루미늄 합금의 촉각 성형용 특수 장비를 생산할 수 있었습니다. 빌렛 가열 방식은 자동화를 달성하기 쉽기 때문에 오늘날 주요 공정 방법의 반고체 주조입니다.

(3) 사출 성형(반고체 슬러리 처리 후가 아닌) 적절한 온도로 냉각된 용융 금속 액체에 직접 사출 성형하고 특정 공정 조건에 따라 캐비티 사출 성형으로 보완합니다. 미국 위스콘신 주 터치 인 형상 개발 센터에서는 마그네슘 합금의 반고체 주조 방법을 사용했습니다. 미국 코넬 대학교의 K.K. Wang 교수 등은 캐비티에 적절한 냉각 압력을 주입한 후 재료 튜브에서 반고체 슬러리를 결합하는 유사한 마그네슘 합금 샷 주조 성형 장치를 개발했습니다.

(4) 저온 연속 주조 소위 저온 연속 주조는 액체 금속의 과열을 0°C 정도로 제어하고 주조 금형 아래에서 강제 냉각을 실시하는 주조 방식입니다. 연속 주조에서는 중심 분리가 큰 문제이며 선재 연속 압연 시 파손이 발생할 수 있습니다. 따라서 이 공정은 매우 중요합니다.

(5) 스트립 연속 주조 플레밍스는 저융점 금속인 Sn-15% 납으로 스트립 연속 주조 실험을 수행하여 열 전달, 응고 및 변형을 분석했습니다. 그 결과 스트립 두께는 압연 압력, 고상 속도, 유변학적 전단 속도 및 연속 주조 속도와 관련이 있다는 결론을 내렸습니다. 압출 시 비압력이 높으면 미세 분리가 촉진됩니다. 표면 및 내부 품질과 치수 정확도를 보장하기 위해서는 고상 속도, 초기 결정 형태의 크기 및 방출되는 금속의 양과 같은 반고체 금속 제조의 공정 매개 변수를 엄격하게 제어해야 합니다. 인청동 Cu-Sn-P 합금(Cu-8%Sn-0.1%P)과 같은 고융점 금속의 경우 1030℃의 액상 라인 온도, 열간 가공이 어려운 얇은 판으로 만든 이 반고체 합금은 분명한 결과를 가져옵니다. 현재 반고체 스테인리스 스틸 잉곳, 고속 공구강 잉곳의 우수한 조직을 준비 할 수있었습니다.

5 기술적 이점

반고체 다이캐스팅 기술의 장점에는 제품 및 공정상의 이점이 모두 포함됩니다.

(1) 프로세스 이점

(1) 입자 정련제를 첨가하지 않고도 미세한 입자 조직을 얻을 수 있어 기존의 원주상 결정과 거친 수지상 결정을 제거합니다.

2) 낮은 성형 온도(예: 알루미늄 합금은 120°C 이상 낮출 수 있음)로 에너지를 절약할 수 있습니다.

3) 금형 수명 연장. 전단 응력을 형성하는 반고체 슬러리의 온도가 낮기 때문에 기존의 수지상 슬러리보다 3 배 더 작기 때문에 충전이 부드럽고 열 부하가 작고 열 피로 강도가 감소했습니다.

4) 오염 및 안전하지 않은 요소를 줄입니다. 고온의 액체 금속 환경으로부터 자유롭기 때문입니다.

(5) 작은 변형 저항, 작은 힘을 사용하면 균일 한 가공을 달성 할 수 있으며 가공하기 어려운 재료를 형성하기 쉽습니다.

(6) 더 빠른 응고, 더 높은 생산성 및 더 짧은 공정 주기.

(7) 컴퓨터 지원 설계 및 제조에 적합하여 생산 자동화 수준을 향상시킵니다.

(2) 제품 이점

1)주조 품질높음. 입자 미세화로 인해 조직이 균일하게 분포되어 몸체 수축이 감소하고 열 균열 경향이 감소하며 매트릭스에서 수축 경향이 제거되고 기계적 특성이 크게 향상됩니다.

(2) 응고 수축이 작기 때문에 높은 치수 정확도, 작은 가공 공차, 그물 성형에 가까운 성형 후.

(3) 광범위한 성형 합금. 비철 합금은 알루미늄, 마그네슘, 아연, 주석, 구리, 니켈 기반 합금이며 철 기반 합금은 스테인리스강, 저합금강 등입니다.

(4) 금속 매트릭스 복합재료의 제조. 반고체 금속 고점도를 사용하면 합금으로 만든 금속의 밀도 차이, 고체 용해도뿐만 아니라 새로운 복합 재료로 만든 다양한 재료를 혼합하여 효과적으로 사용할 수 있습니다.

6, 반고체 주조 기술의 개발

6.1 반고체 상태의 마그네슘 합금의 주조 조직에 대한 온도 간격 섭동 및 주입 온도의 영향

정제 처리를 위해 720 ℃ 절연 10 분으로 가열하는 스테인레스 스틸 도가니 저항 용광로의 AZ91HP 마그네슘 합금은 단기 절연 처리 근처의 액상 라인에서 수지상 조직 형성의 경향을 줄일 수 있습니다; 가공 온도를 낮추고, 용융물은 등축 모양 또는 심지어 구형 발달로 입자로 가속화됩니다; 용융 불고 아르곤 (Ar) 처리의 반고체 온도 범위에서 용융물이 핵 형성 속도를 향상시키고 수지상 암 융합 및 입자 등척성을 가속화하기 위해 용융물이 방해받습니다. 수지상 암의 융합과 입자 등가화를 가속화하고, 비 수지상 조직의 균일 한 분포를 얻을 수 있습니다; 이것은 성형 후 반고체 주조를 만들고, 단단하고 취성 β상의 함량이 감소하고, 초기 α 상 입자 경계에서 미세 메쉬 분포로, 마그네슘 합금 반고체 주조의 기계적 특성을 향상시킵니다 (Foundry, 2006, 55(2): 120-125).

6.2 반고체 합금을 위한 고급 펄프화 방법

제안된 고급 슬러리 제조 방법 중 틸트 플레이트 기술은 원리와 장비가 간단하고 공정 제어가 용이하며 비용이 저렴합니다. 틸트 플레이트 방법을 사용하여 반고체 서브 이텍틱 고 크롬 백색 주철 반고체 슬러리 장치를 제조하기 위해 여기 냉각, 오스테 나이트의 작용하에 냉각 체의 금속 액체, 비 균일 한 방식으로 많은 수의 핵 형성 및 성장, 수지상 용융, 접기, 분쇄 및 정제, 구형 오스테 나이트의 형성을위한 금속 액체를 준비합니다.

6.3 알루미늄 합금 반고체 요변성 다이캐스팅(Al-6Si-2Mg)

액상 라인 온도가 615°C, 고상 라인 온도가 557°C인 Al-6Si-2Mg 알루미늄 합금은 우수한 요변성 공정 특성을 가지고 있습니다. 핫 탑 방식, 전자기 교반 수직 반 연속 주조, 직경 60 ~ 70mm를 사용하는 바 빌렛; 중주파 유도 장비 코일 가열의 빌렛, 500 ℃로 급속 가열의 시작, 그리고 느린 가열, 코어가 560 ℃에 도달하고, 코어에서 575 ℃에 도달하여 2800KN 수평 냉실 다이 캐스팅 기계로 이동, 워터 펌프 커버 사용시 자동차 엔진으로 다이 캐스팅. 반고체 다이캐스팅, 다이캐스팅 고속 전단 접촉에서 α-Al을 녹여 형상, 1 차 α-Al 성장의 일부, 미세 구형 2 차 α-Al로 응고의 일부; 연속 주조 조직보다 Mg2Si의 유텍 조직이 더 미세합니다. 비 다공성의 반고체 조직으로 인해 540 ℃, 8 시간의 고용액 처리 후 담금질 한 다음 170 ℃, 6 시간의 인공 노화로 다음을 얻었습니다. 기계적 특성: 인장강도 340MPa, 항복강도 310MPa, 연신율 3.5% (Casting, 2005, 54(5): 475-478).