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직접 냉각 주조에서의 초음파 처리: 발표된 실험 결과에서 드러나는 점

sialon2014

2026년 8월 9일 · 읽는 데 11분

수소 다공성, 중심선 분리 현상, 미세구조 변동성은 직류 주조의 주요 문제점이다. 발표된 파일럿 규모 직류 주조 실험 결과에 따르면, 초음파 처리를 통해 이 세 가지 문제를 동시에 해결할 수 있으며, 이를 통해 빌렛 중심부의 결정립 크기를 50% 감소시키고 생산용 빌렛에서 깃털 모양의 결정립 현상을 억제할 수 있는 것으로 나타났다.

요약

수소 다공성, 중심선 분리 현상, 미세구조의 불균일성은 오랫동안 직접 냉각(DC) 주조 공정의 골칫거리로 남아 왔습니다. 이 세 가지 요인이 복합적으로 작용하여 잉곳 크기, 기계적 일관성, 제품 수율을 제한하고 있습니다. 기존의 인라인 탈가스 방법(회전 임펠러, 가스 주입)만으로는 주조 속도나 잉곳 품질을 저하시키지 않고 이 세 가지 문제를 동시에 해결할 수 없습니다.

직류 주조 수조에 직접 적용되는 초음파 처리는 이러한 제약 사항을 해소합니다. 캐비테이션에 의한 기포 형성은 용존 수소를 3분 만에 제거하며, 이는 회전식 공법의 10분 이상 소요되는 시간과 대비됩니다. 동시에, 음향 유동은 결정립 구조를 미세화하고 중심선 분리 현상을 제거합니다. 발표된 파일럿 규모의 DC 주조 시험 결과는 생산용 빌렛에서 다음과 같은 성과를 확인시켜 주었습니다: 빌렛 중심부의 결정립 크기 50% 감소, 깃털 모양 결정립 억제, 잉곳 단면 전반에 걸친 균일한 조성.

NIMA 초음파 발생기는 고출력 초음파 시스템 엔지니어링 전문 기업인 Aktive Arc Ultrasonics와 협력하여 개발된 적응형 다중 주파수 기술을 적용하고 있습니다. 고온용 시알론(Sialon) 세라믹 소노트로드와 결합되어, 운반 가스가 필요 없고 회전 장비의 유지보수 부담 없이도 400kg 이상의 잉곳에 대한 산업 규모 수준의 초음파 처리가 가능합니다.

직접 냉각 주조 이해: 공정 및 과제

직접 냉각 주조는 알루미늄, 구리, 마그네슘 등 비철금속을 위한 기초적인 반연속 주조 방식입니다. 응고 과정을 정밀하게 제어하는 것이 잉곳의 미세구조와 기계적 특성을 직접적으로 결정합니다. 그 원리는 다음과 같습니다:

용융 금속은 바닥이 열린 수냉식 주형에 주입됩니다. 잉곳이 형성되는 과정에서 외피는 응고되지만 중심부는 액체 상태를 유지하여 좁은 응고 전선이 형성됩니다. 잉곳이 주형에서 빠져나올 때, 잉곳 표면에 직접 물을 분사하여 바깥쪽에서 안쪽으로 응고를 완료합니다.

이러한 제어된 응고는 큰 장점입니다. 즉, 개방형 주조에 비해 거시적 분리 현상을 억제하기 때문입니다. 그러나 촉박한 공정 일정과 제한된 형상으로 인해 현대 DC 공정을 괴롭히는 세 가지 상호 연관된 야금학적 문제가 발생합니다:

1. 수소 다공성: 용존 가스 문제

수소는 액체 알루미늄에 용해된 주요 가스입니다. 수소는 용융 금속과 대기 중 수증기 간의 화학 반응을 통해 유입되며, 이 과정에서 알루미나와 H₂ 가스가 생성됩니다. 여기서 중요한 차이점은 수소가 고체 상태보다 액체 알루미늄에 훨씬 더 잘 용해된다는 점입니다. 응고 과정에서 금속이 용해 한계점 이하로 냉각되면 수소가 침전됩니다. 냉각 속도가 너무 느리거나 수소 농도가 너무 높으면 고체 내부에 기포가 발생합니다. 이로 인해 기공이 생기는데, 이는 피로 저항, 인장 강도 및 주조 수율을 저하시키는 결함입니다.

기존의 인라인 방식(아르곤 주입, 로터리 탈가스)은 이러한 문제를 해결하지만, 본질적인 장단점이 존재합니다. 아르곤의 경우 운반 가스 장비와 환경적 폐기 처리가 필요합니다. 로터리 임펠러는 체류 시간 지연(10분 이상)을 초래하여 주조 주기를 늦춥니다.

2. 중심선 분리: 잉곳 중심부의 거시적 분리

DC 주조를 특징짓는 협소하고 정밀하게 제어된 응고 과정은 또 다른 문제를 야기합니다. 바로 잉곳의 중심부가 명목 합금 조성에서 벗어나는 현상, 즉 중심선 거시 분리가 발생하는 것입니다. 여기에는 응고 과정 중 대류에 의한 물질 이동, 수축에 의한 유동, 그리고 결정립 침전 등 여러 메커니즘이 기여합니다. 그 결과 잉곳 중심부와 주변부 간에 상당한 물성 차이가 발생하여 후속 공정(압연, 압출)을 복잡하게 만들고, 주조 가능한 잉곳의 크기와 형상을 제한하게 됩니다.

3. 미세구조 제어: 결정립 미세화 및 등축 결정립 형성

거친 2차 상을 포함하는 대형 수지상 결정립은 결함(기공, 내포물, 분리 현상)을 결정계면을 따라 집중시켜, 기계적 특성과 가공성을 저하시킵니다. 모든 방향에서 치수가 동일한 등축 결정으로 이루어진 비수지상 미세 결정립 구조는 다음과 같은 이점이 있으므로 야금학적 목표입니다:

전통적인 결정립 미세화 공정에서는 이종 핵생성 부위를 제공하는 티타늄 기반 마스터 합금(Al-5Ti-1B)이 사용됩니다. 하지만 이 방식은 대형 잉곳에서는 일관된 결과를 내지 못하며, 필요한 결정립 미세화제의 양은 잉곳 크기에 비례하여 증가하므로, 조성 편차를 초래하고 비용이 증가하게 됩니다.

직류 주조에서 기존의 탈기 방법이 한계가 있는 이유

초음파 솔루션을 살펴보기 전에, 기존의 접근 방식이 현대의 DC 운영에 왜 부적합한지 먼저 이해해 볼 필요가 있습니다:

로터리(임펠러) 탈기:

아르곤 또는 질소 주입:

감압 주조:

핵심적인 한계는, 이러한 방법 중 어느 것도 DC 주조에서 잉곳의 품질을 결정하는 세 가지 요소, 즉 수소 제거, 결정립 미세화, 중심선 분리 현상을 동시에 해결하지 못한다는 점입니다. 각 방법은 하나의 문제만을 개별적으로 해결할 뿐입니다.

DC 주조 솥에서 초음파 처리가 작동하는 원리

주조 솥 내에서 직접 적용되는 초음파 처리는 액체 금속 내의 음향 기포가 제어된 방식으로 붕괴되는 현상인 캐비테이션 물리학을 활용하여 이러한 한계를 극복합니다.

캐비테이션 메커니즘

초음파 에너지(일반적으로 주파수 25 kHz)가 소노트로드(공명 세라믹 프로브)를 통해 용융금속에 전달되면, 압축파와 팽창파가 용융금속 내부를 통해 전파됩니다. 이러한 음향 압력은 캐비테이션을 유발합니다. 즉, 팽창(음압) 단계에서 미세한 기포가 형성되고, 압축 단계에서 이 기포들이 격렬하게 붕괴됩니다.

캐비테이션 기포가 붕괴될 때 방출되는 에너지는 엄청나며, 국부적인 압력은 10,000 기압을 초과하고 온도는 3,000 K 이상으로 치솟습니다. 이로 인해 다음과 같은 현상이 발생합니다:

  1. 이종 핵생성 부위 – 붕괴하는 기포는 국부적인 고압 영역을 생성하며, 이곳에서 새로운 고체 결정이 형성되어 용융물 전체에 걸쳐 핵생성 템플릿을 제공한다.


  2. 캐비테이션 보조 분쇄 – 기포 붕괴로 인한 충격파가 성장 중인 수지상 결정체를 물리적으로 분쇄하여, 이를 더 작은 조각들로 나누고, 이 조각들은 독립적인 핵 형성 부위가 된다(결정립 증식).


  3. 음향 스트리밍 – 압력 차이로 인해 유체의 대류 운동이 발생하며, 이로 인해 용해된 수소와 합금 원소들이 용융물 전체로 물리적으로 이동하게 된다.


  4. 마이크로 제팅 – 붕괴되는 기포에서 분출되는 고속 제트가 내포물 표면의 보호 산화막을 파열시켜, 내포물의 부상 및 제거를 촉진합니다.


캐비테이션 기포를 이용한 수소 제거

용해된 수소는 용융 금속에서 팽창하는 캐비테이션 기포로 확산됩니다. 캐비테이션 기포의 방대한 표면적(1 × 10¹¹ 기포/m³) 은 수소 전달에 이용 가능한 기체-금속 계면을 극적으로 증가시킵니다. 수동적인 기포 상승에 의존하는 회전식 탈기 방식과 달리, 캐비테이션은 지속적으로 새로운 기포 표면을 생성합니다. 기포가 붕괴되고 재형성되는 과정에서 수소가 풍부한 기체가 포집되어 용융 금속 표면으로 상승하며, 그곳에서 대기로 방출됩니다.

결과: 회전식 방식에 비해 탈기 효율이 20% 더 높으며, 소요 시간도 3분의 1로 단축되었습니다 (기존 시스템의 10분 이상 대비 3분).

중앙선 분리 현상 해결: 다중 주파수 처리

기존의 단일 주파수 초음파 시스템에는 중대한 한계가 있습니다. 바로 정재파가 발생한다는 점인데, 이는 음압 노드가 집중되는 영역을 형성하여 잉곳 중심부에 처리되지 않은 사각지대를 남기게 됩니다. 중심부는 분리 현상이 가장 쉽게 발생하는 부위인 DC 주조 과정에서, 이러한 현상은 초음파 처리의 본래 목적을 무색하게 만듭니다.

Sialon Ceramics의 NIMA 발생기는 적응형 다중 주파수 기술을 통해 이러한 문제를 해결합니다. 이 시스템은 처리 과정에서 초음파 주파수를 변화시킴으로써 정재파가 형성되는 것을 방지하고, 잉곳 전체 부피에 걸쳐 균일하게 캐비테이션이 발생하도록 보장합니다. 이러한 기능을 통해 산업 규모에서 중심선 분리 현상을 제거할 수 있게 되었으며, 이는 초음파 처리를 거친 잉곳 분야에서 최초의 성과입니다.

NIMA + Aktive Arc Ultrasonics: 10년간의 공동 엔지니어링

700°C 이상의 고온에서 용융 금속을 초음파 에너지로 처리하는 것은 어느 한 기업만으로는 해결할 수 없는 극심한 기술적 난제를 안고 있습니다. 고출력 초음파 시스템 엔지니어링 분야의 전문 기업인 Sialon Ceramics와 Aktive Arc Ultrasonics는 10년 넘게 협력하여 통합 솔루션인 NIMA 시스템을 공동 개발해 왔습니다. Sialon은 세라믹 소노트로드 관련 재료 과학 기술을, Aktive Arc는 음향 스택 및 발생기 아키텍처를 각각 담당했습니다.

그 결과, 모든 구성 요소가 서로 연동되도록 설계된 시스템이 탄생했습니다. 이는 단순히 기성 부품을 끼워 맞춘 것이 아니라, 변환기부터 세라믹 팁에 이르기까지 통합된 엔지니어링 솔루션입니다.

NIMA 생성기: 적응형 다중 주파수 아키텍처

Aktive Arc Ultrasonics와 공동 개발한 NIMA 발생기는 대형 잉곳 직류 주조 처리를 실현 가능하게 하는 핵심 혁신 기술을 제공합니다:

이 아키텍처 덕분에 대형 DC 주조 솥에서 균일하고 전체 용적에 걸친 처리가 가능해지는데, 이는 단일 주파수 방식의 경쟁사들이 해결할 수 없는 문제입니다.

시아론 세라믹 소노트로드: 이를 가능하게 하는 접점

소노트로드는 가장 정밀하게 제작하기 어려운 부품입니다. 이 부품은 초음파 에너지를 효율적으로 전달하는 동시에 용융 금속의 화학적 반응, 열 사이클링, 지속적인 캐비테이션 응력을 견뎌내야 합니다. Sialon은 이 부품을 자체 생산함으로써, 파트너사가 시스템에서 가장 중요한 인터페이스를 완벽하게 제어할 수 있도록 합니다:

NIMA 발생기의 적응형 주파수 제어 기능과 Sialon의 세라믹 소노트로드는 서로가 없으면 어느 한쪽도 제대로 작동할 수 없는 시스템을 이루며, 10년에 걸친 공동 개발의 결실이 모든 생산 과정에 고스란히 담겨 있습니다.

공개된 DC 캐스팅 오디션에서 드러난 점

초음파 용융 처리는 이제 실험실 단계를 훨씬 넘어, 기록된 파일럿 규모 및 산업 규모의 DC 주조 시험 단계로 접어들었습니다. 브루넬 대학교(Brunel University)의 BCAST 연구팀이 발표한 연구 결과와 동료 심사를 거친 주조 관련 문헌은 빌렛 직경, 합금 체계, 소노트로드 구성에 걸쳐 일관된 증거를 제시하고 있습니다.

직경 주조 빌렛의 결정립 미세화: 직접적인 실험적 증거

‘IOP Conference Series: Materials Science and Engineering’( Eskin 외, 2023)에 게재된 연구에 따르면, 알루미늄 빌렛의 “DC 주조 금형 내 섬프에서 초음파 처리를 통해 결정립 미세화가 성공적으로 이루어졌다”고 보고하고 있다. 초음파 처리는 깃털 모양 결정립의 형성을 직접 억제하고, 빌렛 단면 전체에 걸쳐 측정 가능한 수준의 미세화된 결정립 구조를 형성하는 것으로 나타났다.

JOM (Springer, 2020)에 게재된 또 다른 연구에서는 주입로에 초음파 용융 처리(UST)를 적용하여 직경 152mm 빌렛에 대한 파일럿 규모의 DC 주조를 수행했다. 연구 결과에 따르면, UST는 “빌렛의 주조 직후 조직을 현저히 개선하여 대규모 적용의 길을 열었다”는 것이 밝혀졌으며, 생산 공정에 해당하는 빌렛 직경에서 결정립 미세화 효과가 확인되었다.

실험적 측정 결과를 통해 검증된 수치 모델링( ScienceDirect에 게재됨) 을 통해 해당 효과를 규모별로 정량화한 결과, 초음파 처리를 적용한 경우 빌렛 중심부의 평균 입자 크기가 처리를 하지 않은 경우보다 50% 더 작은 것으로 나타났으며, 특히 기존 DC 주조에서 분리 현상 및 거친 입자 구조가 가장 심각한 문제점으로 지적되는 중심선 부위에서 그 효과가 가장 두드러지게 나타났습니다.

산업 규모의 선례: DC 주조 공정에서 최대 1톤 달성

드미트리 에스킨 교수(브루넬 대학교/BCAST)의 초음파 용융 가공에 대한 개요에 따르면, “대형 잉곳의 직접 냉각 주조 시 용융물 유량이 최대 1톤에 달하는” 사례를 포함하여, 현재 알려진 유일한 산업 규모 초음파 용융 가공 적용 사례들은 모두 자기변형 변환기를 동시에 또는 순차적으로 작동시켜 달성된 것으로 기록되어 있습니다. 이는 상업적으로 의미 있는 규모에서 대형 잉곳의 직접 냉각 주조 처리에 대한 명확한 산업적 선례를 확립합니다.

DC 캐스팅 전반에 걸쳐 이 시연들이 보여주는 것

입자 구조:

탈기:

분리:

경제적 가정 (공개된 데이터를 바탕으로 함):

이 결과는 독립적인 제3자 연구 기관인 브루넬 대학교 BCAST에서 도출한 것으로, 동료 심사를 거친 학술지에 게재되었습니다. 이 결과는 파일럿 및 산업 규모에서 직류 주조 시 초음파 용융 처리에 대한 확립된 성능 범위를 나타냅니다.

야금학적 영향: 수소 제거에서 주조 특성 개선까지

직류 주조에서 초음파 처리가 미치는 누적 효과는 수소 제거를 넘어 잉곳의 근본적인 금속학적 특성을 재구성하는 데까지 미칩니다:

미세구조 변태

초음파 처리 전: 잉곳 주변부에서 중심을 향해 기둥 모양으로 성장한 거친 수지상 결정립; 큰 2차 수지상 가지 간격(SDAS); 수지상 간 영역에 집중된 합금 원소; 응고 전선과 일직선을 이루는 분리 띠.

초음파 처리 후: 미세하고 등축성(모든 방향에서 크기가 동일한) 결정립; SDAS 감소; 합금 원소의 균일한 분포; 잉곳 중심부의 분리 띠 현상 제거.

이러한 변화는 다음과 같은 이유로 매우 중요합니다:

표면 마감 및 가공 손실 감소

초음파 처리는 압연 전에 고가의 표면 처리(스칼핑, 화학 세정)가 필요했을 표면 결함(산화물 함유물, 기공, 피팅)을 줄여줍니다. 발표된 연구 결과와 캐비테이션 물리학에 따르면 다음과 같습니다:

합금의 일관성 및 기계적 특성의 예측 가능성

초음파 처리의 음향 유동 효과는 합금 원소를 균일하게 분포시킵니다. 이는 특히 다음과 같은 경우에 유용합니다:

이것이 중요한 이유: 실험실에서 생산 현장까지

회전식 탈가스 또는 가스 주입 방식에서 초음파 처리 방식으로의 전환은 단순히 효율성 향상만을 의미하는 것이 아닙니다. 이는 직류 주조의 근본적인 제약 조건에 대한 변화를 나타냅니다:

  1. 속도: 3분짜리 처리 주기와 10분 이상의 용광로 체류 시간을 비교할 때, 전자가 더 빠른 주조 속도를 가능하게 하며, 이는 대량 생산에 있어 매우 중요합니다.


  2. 대량 생산에서의 품질 확보: 과거 정재파 간섭으로 인해 제한되었던 400kg 이상의 잉곳에 대한 초음파 처리가 이제 가능해졌습니다. 발표된 실험 결과를 통해 파일럿 및 산업 규모에서 이 사실이 입증됨에 따라, 기존의 탈기 공정으로는 일관된 물성을 확보할 수 없었던 대형 잉곳 시장에 새로운 시장이 열리게 되었습니다.


  3. 환경적 책임: 아르곤/질소 운반 가스의 사용 중단과 슬래그의 획기적인 감축은 제조 분야의 지속가능성 목표와 부합합니다.


  4. 간편한 유지보수: 고정식 세라믹 소노트로드(회전 부품 없음)는 회전식 임펠러에 비해 장비 유지보수 부담을 줄여줍니다.


  5. 공정 신뢰성: 다중 주파수 적응 제어 방식은 단일 주파수 시스템에서 필요한 시행착오 방식의 튜닝을 없애줍니다.


항공우주, 자동차, 고성능 선박 등 까다로운 산업 분야에 공급되는 주조 공정의 경우, 이러한 장점들은 주조 수율 향상, 신합금에 대한 인증 주기 단축, 그리고 기계적 특성의 일관성 제고로 직접 이어집니다.

시아론 세라믹스를 사용해 보세요

Sialon Ceramics는 NIMA 적응형 다중 주파수 발생기부터 산업 생산 환경에서도 견딜 수 있는 고온 세라믹 소노트로드에 이르기까지, DC 주조 및 연속 주조 공정을 위한 완벽한 초음파 탈기 시스템을 제공합니다. 초음파 야금 분야에서 20년 이상 쌓아온 경험과 자체 세라믹 소노트로드 제조 역량을 바탕으로, 실험실 단계의 시험에서 본격적인 양산 단계에 이르기까지 초음파 처리를 확대하는 데 필요한 통합적인 전문 지식을 제공합니다.

DC 주조 장비를 운영 중이며 수소 기공, 중심선 분리 현상 또는 결정 조직 불균일성 등의 문제를 겪고 계신다면, 초음파 처리를 검토해 볼 만한 유력한 대안이 될 수 있습니다. Sialon Ceramics에 직접 문의하여 귀사의 주조 적용 사례에 대해 논의하고, 생산량에 맞춘 맞춤형 처리 시스템을 알아보시기 바랍니다.

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