핵심적으로, 진공 용해, 주조 및 재용해 장비의 목적은 탁월하게 순수하고 고성능의 금속 및 초합금을 생산하는 것입니다. 진공 상태에서 재료를 용해함으로써 이 공정은 공기로부터의 오염을 방지하고, 주로 최종 재료의 특성을 저하시키는 산소 및 질소와 같은 반응성 가스인 용해된 불순물을 적극적으로 제거합니다.
진공 처리의 근본적인 이점은 제어입니다. 대기를 제거함으로써 통제되지 않는 변수를 제거하고, 결함 형성을 방지하며, 기존의 공기 용해 기술로는 달성할 수 없는 우수한 강도, 청결도 및 신뢰성을 가진 합금을 생성할 수 있습니다.
근본적인 문제: 대기 오염
기존 야금학에서 금속은 개방된 공기 중에서 또는 단순한 보호 슬래그 아래에서 용해됩니다. 많은 응용 분야에 효과적이지만, 이는 용융 금속을 대기에 노출시키며, 대기는 약 78%의 질소와 21%의 산소로 구성됩니다.
공기가 용융 금속을 어떻게 손상시키는가
용융 금속은 반응성이 매우 높습니다. 고온에서 용융 금속은 공기 중에 존재하는 가스와 쉽게 반응하여 고체화될 때 재료의 미세 구조에 직접 불순물을 유입시킵니다.
산소의 역할: 산화물 생성
산소는 금속 청결도의 주요 적입니다. 이는 용융 금속 및 그 합금 원소와 반응하여 비금속 개재물(산화물)을 형성합니다. 이러한 미세한 세라믹 입자는 응력 집중점으로 작용하여 균열의 시작점이 되고 재료의 피로 수명과 연성을 크게 감소시킵니다.
질소 및 수소의 역할: 취성
질소 및 수소 가스는 용융 금속에 용해될 수 있습니다. 금속이 냉각되고 응고될 때 이러한 가스의 용해도가 감소하여 금속 구조 내부에 갇히게 됩니다. 이는 다공성 및 내부 결함을 유발하여 취성을 일으키고 재료의 전반적인 인성을 감소시킬 수 있습니다.
진공 처리가 솔루션을 제공하는 방법
진공 용해 기술은 공기를 제거함으로써 대기 오염 문제를 직접 해결합니다. 이 공정은 종종 두 가지 주요 단계로 수행됩니다: 1차 용해 후 추가 정제를 위한 2차 재용해.
1단계: 진공 유도 용해 (VIM)
원료의 초기 장입물은 진공 밀봉 챔버 내에 수용된 유도 용광로에서 용해됩니다. 진공은 산화를 방지하고, 금속이 액체가 됨에 따라 저압 환경은 용융물에서 수소 및 질소와 같은 용해된 가스를 끌어내는 데 도움이 됩니다. 이를 탈기라고 합니다.
2단계: 진공 아크 재용해 (VAR)
가장 까다로운 응용 분야의 경우, VIM으로 생성된 잉곳은 2차 정제 공정을 거칩니다. VAR에서 VIM 잉곳은 큰 소모성 전극으로 사용됩니다. 이 전극과 수냉식 구리 도가니 내부의 베이스 플레이트 사이에 강력한 전기 아크가 발생하며, 이 모든 과정은 진공 상태에서 이루어집니다. 금속은 방울방울 용해되어 방향성으로 점진적으로 응고되며, 나머지 불순물을 상단으로 밀어내어 탁월하게 깨끗하고 균일한 최종 잉곳을 만듭니다.
화학적 정제의 원리
단순히 가스를 제거하는 것 외에도, 진공 환경은 증기압이 높은 다른 불필요한 원소를 증발시켜 금속을 정제하는 데 사용될 수도 있습니다. 이는 합금의 최종 화학적 조성에 대한 정밀한 제어를 가능하게 합니다.
절충점 이해
진공 용해는 우수한 재료를 생산하지만 보편적인 해결책은 아닙니다. 이를 사용하기로 결정하는 데는 상당한 기술적 및 경제적 고려 사항이 포함됩니다.
상당한 비용 증가
진공 용광로 및 관련 고진공 펌핑 시스템은 건설, 작동 및 유지 보수가 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 이로 인해 진공 용해 합금은 공기 용해 합금보다 훨씬 더 비쌉니다.
느린 생산 속도
고진공을 달성하고 유지하는 것은 시간이 많이 걸리는 공정입니다. 진공 용해 및 재용해의 사이클 시간은 기존 공정보다 훨씬 길어 생산 처리량을 제한합니다.
휘발성 합금 원소 손실
불순물을 제거하는 것과 동일한 고진공, 고온 환경은 증기압이 높은 바람직한 합금 원소(예: 망간, 크롬)를 증발시킬 수도 있습니다. 이는 관리를 위해 신중한 공정 제어 및 합금 설계가 필요합니다.
진공 용해 합금을 지정해야 할 때
진공 용해 재료를 사용할지 여부는 전적으로 응용 분야의 성능 요구 사항 및 예산에 따라 달라집니다.
- 주요 초점이 임무 수행에 필수적인 성능 및 안전인 경우: 제트 엔진 터빈 디스크, 구조용 항공우주 부품, 의료용 임플란트 또는 발전 터빈과 같이 재료 고장이 허용되지 않는 응용 분야에는 진공 용해 합금을 지정하십시오.
- 주요 초점이 일반 산업용인 경우: 구조용 강철, 자동차 차체 또는 소비재와 같은 응용 분야에는 기존의 공기 용해 금속이 훨씬 저렴한 비용으로 필요한 성능을 제공합니다.
- 주요 초점이 향상된 성능과 비용의 균형인 경우: 단일 공정 진공 처리(VIM만) 또는 VIM/VAR 이중 공정의 전체 비용 없이 공기 용해보다 한 단계 개선된 다른 정제 공정을 지정하는 것을 고려하십시오.
궁극적으로 진공 처리의 역할을 이해하면 비용과 기능에 대한 명확한 정당성을 가지고 올바른 재료를 선택할 수 있습니다.
요약 표:
| 공정 단계 | 주요 기능 | 이점 |
|---|---|---|
| 진공 유도 용해 (VIM) | 진공 하에서의 초기 용해 | 가스 제거, 산화 방지, 불순물 탈기 |
| 진공 아크 재용해 (VAR) | 진공 하에서의 2차 정제 | 순도 향상, 방향성 응고, 균일한 구조 |
| 전반적인 목적 | 고순도 금속 생산 | 중요 응용 분야를 위한 우수한 강도, 청결도, 신뢰성 |
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