간단히 말해, 진공 아크 용해(VAM)는 진공 밀봉된 챔버 내부에서 고전류 전기 아크를 사용하여 금속 및 합금을 녹이는 공정입니다. VAM은 별개의 공정이지만, 극도로 순수하고 고성능의 금속을 생산한다는 근본적인 목표는 아크 대신 전자기 유도를 사용하는 유사한 방법인 진공 유도 용해(VIM)와 공유됩니다. 두 공정 모두 산소 및 질소와의 높은 반응성으로 인해 개방된 공기 중에서 생산할 수 없는 재료를 만드는 데 필수적입니다.
진공에서 금속을 용해하는 근본적인 목적은 뛰어난 순도와 정밀한 화학적 제어를 달성하는 것입니다. 대기 가스를 제거함으로써 공정은 오염을 방지하고 원치 않는 불순물을 제거하며, 이는 고성능 합금 제조에 매우 중요합니다.
진공에서 용해하는 목적
용해 공정을 진공으로 옮기는 주된 이유는 재료의 환경을 제어하기 위함입니다. 이러한 제어는 여러 가지 중요한 제조 문제를 해결합니다.
대기 오염 방지
많은 고급 합금, 특히 니켈, 코발트 또는 티타늄 기반 합금은 산소 및 질소에 대한 강한 친화력을 가지고 있습니다. 이러한 재료를 개방된 공기 중에서 용해하면 산화물과 질화물이 유입되어 최종 제품의 기계적 특성을 심각하게 저하시키는 취성 불순물이 생성됩니다.
바람직하지 않은 원소 제거
진공 환경은 불순물을 효과적으로 제거합니다. 저융점 휘발성 금속과 용해된 가스(수소와 같은)는 용융 금속에서 제거되는데, 이를 탈가스(outgassing)라고 합니다. 이는 기존 방법으로는 불가능한 수준으로 합금을 정화합니다.
정밀한 합금 제어 가능
깨끗한 환경은 합금의 화학적 조성을 정밀하게 제어할 수 있게 합니다. 알루미늄 및 티타늄과 같이 반응성이 높은 원소는 손실을 최소화하면서 추가할 수 있습니다. 이를 통해 까다로운 응용 분야를 위한 특정하고 반복 가능한 특성을 가진 "초합금"을 만들 수 있습니다.
진공 유도 용해(VIM) 공정 설명
귀하의 질문은 아크 용해에 관한 것이었지만, 이 목적을 위한 가장 일반적인 공정은 진공 유도 용해입니다. 환경 제어의 원리는 동일합니다.
용광로 및 핵심 원리
VIM 공정은 밀폐된 수냉식 강철 챔버에서 진행됩니다. 이 챔버 내부에는 일반적으로 내화 재료로 안감 처리된 도가니가 있으며, 여기에 원료 금속이 담깁니다. 도가니 주위에는 유도 코일이 감겨 있지만 도가니에 닿지는 않습니다.
고주파 교류 전류가 코일을 통과하면 강력하고 변동하는 자기장이 생성됩니다. 이 자기장은 금속 자체 내부에 강한 와전류를 유도합니다. 금속의 이러한 전류에 대한 자연 저항은 강렬한 열을 발생시켜 내부에서부터 녹게 만듭니다.
용해 및 정련 단계
먼저, 원료 금속이 도가니에 장전되고 챔버가 밀봉됩니다. 강력한 펌프가 깊은 진공을 생성하여 공기를 제거합니다.
유도 코일에 전력이 공급되면 금속이 녹기 시작합니다. 전자기장은 또한 용융 풀에서 자연스러운 교반 작용을 일으켜 균일한 온도와 화학적 조성을 보장하는 데 도움이 됩니다.
금속이 완전히 녹으면 공정은 정련 기간에 들어갑니다. 고온과 진공의 조합으로 불순물과 용해된 가스가 기포로 빠져나와 진공 펌프에 의해 제거됩니다. 이 단계에서 최종 합금 첨가를 높은 정밀도로 수행할 수 있습니다.
주입 단계
정련 후, 용융 금속은 주형에 부어 잉곳 또는 주물을 만듭니다. 이 또한 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 수행되어 순수한 용융 합금의 재오염을 방지합니다.
장단점 이해: 아크 대 유도
VAM과 VIM은 유사한 목표를 달성하지만, 다른 가열 방법을 사용하므로 약간 다른 응용 분야에 적합합니다.
진공 아크 용해(VAM)
VAM에서 열원은 지속적인 전기 아크입니다. 일반적으로 시작 재료의 고체 전극은 전극과 얕은 수냉식 구리 도가니 사이에 발생하는 아크에 의해 천천히 녹습니다. 전극이 녹으면서 아래로 떨어져 응고되어 순수한 잉곳을 형성합니다. VAM은 종종 VIM 용광로에서 이미 용해된 재료의 2차 정련 단계로 사용됩니다.
진공 유도 용해(VIM)
설명된 바와 같이, VIM은 비접촉식 전자기장을 사용하여 금속 내부에 직접 열을 발생시킵니다. 열원이 재료와 분리되어 있기 때문에 온도 및 화학적 제어에 탁월하며, 광범위한 철, 니켈 및 코발트 기반 초합금의 주요 용해 방법입니다.
목표에 맞는 올바른 선택
올바른 진공 공정을 선택하는 것은 전적으로 재료 요구 사항과 원하는 순도 수준에 따라 달라집니다.
- 원료에서 고순도 초합금의 초기 배치를 생산하는 것이 주요 초점이라면: 진공 유도 용해(VIM)는 탁월한 화학적 및 온도 제어로 인해 업계 표준입니다.
- 기존 잉곳을 추가로 정련하여 최대의 청결도와 특정 결정 구조를 달성하는 것이 주요 초점이라면: 진공 아크 용해(VAM)는 개재물을 제거하고 응고를 제어하기 위한 선호되는 2차 단계입니다.
궁극적으로 진공 처리는 세계에서 가장 진보되고 신뢰할 수 있는 금속 부품을 가능하게 하는 기술입니다.
요약 표:
| 공정 | 가열 방식 | 주요 용도 | 주요 장점 |
|---|---|---|---|
| 진공 아크 용해(VAM) | 전기 아크 | 2차 정련, 결정 구조 제어 | 개재물 제거, 반응성 금속에 이상적 |
| 진공 유도 용해(VIM) | 전자기 유도 | 초합금의 1차 용해 | 탁월한 온도 및 화학적 제어 |
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