[논문]비정질합금 박판 제조용 노즐 재료의 내구성평가

강복현; 김기영

doi:10.7777/jkfs.2011.31.5.267

[국내논문] 비정질합금 박판 제조용 노즐 재료의 내구성평가
Durability of Nozzle Materials for Strip Casting of Amorphous Alloys 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.31 no.5, 2011년, pp.267 - 273

강복현 (한국기술교육대학교 신소재공학과) , 김기영 (한국기술교육대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Erosion and thermal shock resistance of several refractory materials have been investigated, which are expected to be used as nozzles in a planar flow casting equipment for amorphous alloys. The test was conducted on five materials; graphite, boron nitride, fused silica, alumina and zirconia. Test specimens were preheated and dipped into the melt of carbon steel and amorphous alloys. Some test specimens were rotated to develop high erosion and to shorten the test periods. Fused silica and boron nitride specimens showed the excellent erosion and thermal shock resistance irrespective of the kind of melt and melting atmosphere.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

또한 용탕이 노즐을 통과하면서 노즐의 온도가 증가하는데, 균일한 두께의 박판을 얻기 위해서는 열에 의한 변형이 최소화 되어야 한다. 이와 같이 박판제조 공법에서 노즐재료는 중요한 역할을 하므로, 벌크비정질합금 박판 제조에 적합한 것으로 보이는 노즐재료를 선정한 후 용탕 침지실험을 통하여 노즐재료의 열충격특성 및 내구성을 평가하였다.
노즐재료의 예열온도는 상온, 500℃, 1,000℃이었고, 침지는 시편의 회전 없이 1, 5, 30, 60초 동안 실시하였으며, 침지시편은 20~25(w) × 100(l) × 5(t) mm의 크기로 제작하였다.
알루미나와 지르코니아는 고온의 내화재료로 많이 사용되어지고 있으나, 열충격성이 매우 떨어져 반드시 예열이 필요한 단점이 있다. 따라서 본 실험에서는 노즐재료 후보 중 시판되고 있는 용융실리카, 지르코니아, 질화보론, 그래파이트, 알루미나를 사용하였으며, 이중 지르코니아는 입방정(지르코니아 결정구조 중 융점이 가장 높은 구조)을 상온까지 유지시키기 위하여 Y₂O₃를 18% 첨가하여 안정화처리를 한 것이다.
열충격특성은 Fig. 1과 같이 고주파유도로에서 합금을 용해 후 노즐재료를 침지 또는 침지 후 회전(용탕 내에서 교반)하여 평가하였는데, 대상재료, 예열온도, 교반 및 분위기에 따라 3차로 나누어 실시하였다.
1차 실험은 용융실리카와 서로 다른 메이커의 안정화 지르코니아 A, B의 세 가지를 선택한 후 탄소강(Fe-0.45%C-0.2%Si-0.6%Mn-0.01%P) 용탕에 침지하였다. 노즐재료의 예열온도는 상온, 500℃, 1,000℃이었고, 침지는 시편의 회전 없이 1, 5, 30, 60초 동안 실시하였으며, 침지시편은 20~25(w) × 100(l) × 5(t) mm의 크기로 제작하였다.
2차 실험에서는 1차실험의 재료 외에 질화보론, 그래파이트 및 알루미나를 추가하여 탄소강 용탕에 침지만 시키거나 또는 침지 후 회전시켜 크랙, 분해, 반응성 등을 관찰하였다. 노즐재료의 예열온도는 500℃와 800℃, 침지조건은 30초 침지, 30초 회전, 90초 회전으로 하였다.
2차 실험에서는 1차실험의 재료 외에 질화보론, 그래파이트 및 알루미나를 추가하여 탄소강 용탕에 침지만 시키거나 또는 침지 후 회전시켜 크랙, 분해, 반응성 등을 관찰하였다. 노즐재료의 예열온도는 500℃와 800℃, 침지조건은 30초 침지, 30초 회전, 90초 회전으로 하였다. 이때 회전속도는 연구용 PFC 장치를 기준으로 0.
3차 실험에서는 함침된 그래파이트 및 고밀도 그래파이트를 사용하여 Fe계 비정질합금(Fe₇₈B₁₃Si₉) 용탕에서 침지실험을 하였다. 3차실험에서는 시편의 회전없이 침지시간을 60, 180, 480초로 하였다.
) 용탕에서 침지실험을 하였다. 3차실험에서는 시편의 회전없이 침지시간을 60, 180, 480초로 하였다. 용탕의 온도는 1,550℃로 유지하였으며, 그래파이트의 산화를 방지하기 위하여 불활성분위기에서 실험을 진행하였다.
3차실험에서는 시편의 회전없이 침지시간을 60, 180, 480초로 하였다. 용탕의 온도는 1,550℃로 유지하였으며, 그래파이트의 산화를 방지하기 위하여 불활성분위기에서 실험을 진행하였다.

대상 데이터

2차 실험에 사용된 그래파이트는 실험결과 우수한 열충격 특성을 가지고 있으나 용탕과의 반응성 및 고온산화문제가 있는 것으로 나타났다. 그러나 그래파이트는 경제성과 제작성을 고려할 때 노즐재로서 가장 효율적이므로 품질을 향상시킨 그래파이트를 3차실험에 사용하였다. Fig.

성능/효과

A사 지르코니아의 경우 1,000℃이상 예열한 시편만 고온에서 견디는 것으로 나타났다. 그 외에 예열 없이 상온상태에서 침지하면 침지와 동시에 분해되는 현상이 발생하였으며, 500^oC예열 후 침지하면 비록 분해는 크게 발생하지 않았으나, 조직이 매우 취약해져 작은 충격에도 파단이 일어나는 것을 확인하였다. Fig.
4~5의 침지시편은 B사 지르코니아로 내화재로 주로 이용되는 재질이다. B사 지르코니아의 경우 예열온도에 관계없이 열충격에 강한 특성을 나타내었으나, 침지시간이 길어짐에 따라 분해 및 변형이 일어나는 것이 확인되었다. Fig.
Table 4는 2차 실험 대상재료별 열충격특성 평가를 한 결과이다. 용융실리카, 질화보론의 경우는 예열온도에 관계없이 크랙, 분해, 용탕과의 반응 등이 발견되지 않았고(Fig. 8(c)는 외부충격에 의한 파단임), 용융실리카의 경우는 800^oC로 예열한 결과 자기소결특성으로 인하여 강도가 증가되는 것을 확인하였다.
8(c)는 외부충격에 의한 파단임), 용융실리카의 경우는 800^oC로 예열한 결과 자기소결특성으로 인하여 강도가 증가되는 것을 확인하였다. 그래파이트는 500^oC로 예열한 경우는 노즐재료의 산화, 변형은 발견되지 않았으나, 용탕 침지 후 흑연이 용탕과 반응하여 많은 양이 분해되어 나간 것을 확인하였다. 또한 800^oC로 예열한 경우는 Fig.
10에 나타낸 바와 같이 노즐재료의 대기 중의 산소와의 반응에 의하여 산화가 심하게 일어난 것을 알수 있었다. 따라서 그래파이트는 가공 및 열충격성은 높으나, 용탕과의 반응성, 고온 산화특성으로 인하여 본 연구에서의 노즐재료로는 적합하지 않는 것으로 사료된다. Fig.
2차 실험에 사용된 그래파이트는 실험결과 우수한 열충격 특성을 가지고 있으나 용탕과의 반응성 및 고온산화문제가 있는 것으로 나타났다. 그러나 그래파이트는 경제성과 제작성을 고려할 때 노즐재로서 가장 효율적이므로 품질을 향상시킨 그래파이트를 3차실험에 사용하였다.
노즐재료 내구성 평가의 일환인 용탕 침지실험은, 용탕을 탄소강, 비정질합금으로 달리 하고, 용해분위기를 대기 중과 무산화분위기로 하여 실시하였는데, 용탕의 종류와 분위기에 관계없이 용융실리카, 질화보론이 내구성 및 용탕 반응 측면에서 가장 뛰어났으며, 그래파이트의 경우도 적절한 처리를 및 합금을 통하여 노즐재료로의 사용이 적합한 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정질합금의 특징은?	비정질합금은 기존의 합금에 비하여 매우 높은 2GPa이상의 강도를 가지고 높은 기계적, 전기적 특성 때문에 얇은 박판으로서의 용도가 기대되어 왔다[1,2]. Table 1은 박판제조 공정을 나타낸 것인데, 단롤법(Single roll) 및 쌍롤법(Twin roll)은 표면성상이 양호한 리본을 만들어 낼 수 있는 가장 기본적인 급냉응고법이다.
	단롤법의 이점은?	Table 1은 박판제조 공정을 나타낸 것인데, 단롤법(Single roll) 및 쌍롤법(Twin roll)은 표면성상이 양호한 리본을 만들어 낼 수 있는 가장 기본적인 급냉응고법이다. 특히 단롤법은 용탕을 연속적으로 분사하고 롤을 고속 회전시키는 방법으로 일정한 품질을 갖는 박판을 연속적으로 얻을 수 있는 이점이 있다. 단롤법 중에서도 0.
	Planar Flow Casting 공법이란 무엇이며 적절하게 활용하기 위해서 요구되는 것은?	이 중에서 5 mm이상의 광폭의 판재를 제조할 수 있는 공법은 PFC공법이다. PFC공법은 고온의 용탕을 높은 압력을 가하여 노즐 사이로 밀어내는 방법[7]으로, 노즐은 고온·고압의 용탕으로 인하여 매우 극한적인 환경에서 사용된다. 따라서 노즐재료는 용탕과의 반응성이 적어야하고, 열충격특성과 고온에서의 강도가 요구된다. 또한 용탕이 노즐을 통과하면서 노즐의 온도가 증가하는데, 균일한 두께의 박판을 얻기 위해서는 열에 의한 변형이 최소화 되어야 한다. 이와 같이 박판제조 공법에서 노즐재료는 중요한 역할을 하므로, 벌크비정질합금 박판 제조에 적합한 것으로 보이는 노즐재료를 선정한 후 용탕 침지실험을 통하여 노즐재료의 열충격특성 및 내구성을 평가하였다.

참고문헌 (8)

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P. Ochin, V. Kolomytsev, A. Pasko, A. Sezonenko, Ph. Vermaut, F. Prima, R. Portier : J. of Alloys and Compounds, "Amorphous multielementary alloys: A preparation route for shape memory alloys", 434 (2007) 268-271
S. H. Moon, K. S. Lee, K. H. Oh, H. Y. Ra, Y. S. Song, M. C. Kim : J. of Korean Inst. of Met. & Meter, "Effect of PFC parameters on the thickness and surface defect of amorphous alloy ribbon", 34 (1996) 1282-1289
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S. J. Savage, F. H. Force : J. of Metals, "Production of rapidly solidified metals and alloys", 35 (1984) 20-33
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상세보기
A. B. Bichi, W. R. Smith, J. G. Wissink : J. of Chemical Engineering Science, "Solidification and downstream meniscus prediction in the planar-flow spin casting process", 63 (2008) 685-695

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T. W. Choi, : Shinjinpress, "Ceramic structural materials", (2003)

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