KR102499091B1 - 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치는, 상부금형과 하부금형이 결합하여 원반형으로 형성되고, 용해된 금속이 주입되는 중앙의 주입공간과 상기 주입공간 주변 둘레에 형성되는 비정질 형성공간을 포함하는 캐비티(cavity)를 구비하는 몰드; 및 상기 용해된 금속에 원심력이 가해지도록 상기 몰드를 회전시키는 회전부;를 포함하되, 상기 비정질 형성공간에는, 나선형으로 회전하는 홈이 더 구비되고, 상기 비정질 형성공간은 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 가지며, 상기 주입공간과 상기 비정질 형성공간이 만나는 지점에는, 상기 유입된 용해된 금속이 상기 홈을 따라 상기 나선형으로 회전하며 냉각될 수 있도록 지원하는 가이드 월(wall)이 추가적으로 배치되고, 상기 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 홈을 따라 상기 나선형으로 회전하며 상기 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각됨으로써, 와이어가 제조될 수 있다.

Description

원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치 및 제조 방법 {Wire manufacturing apparatus and manufacturing method that can have excellent cooling ability through centrifugal casting}

본 발명은 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 순동 금형에 원심력을 적용하여 액체 금속계 유리질 합금 또는 비정질 합금을 주입하였을 때, 용탕과 몰드의 접촉시간을 증가시켜 냉각능을 높임으로써, 높은 냉각 속도가 요구되는 금속 비정질 합금의 종류를 균일하고 재현성이 높은 새로운 비정질 금속 와이어 제조 장치 및 제조방법에 관한 것이다.

금속계 유리질 합금 (Metallic Glass Alloy) 및 비정질 합금(Amorphous Alloy)은 상온에서도 결정학적으로 규칙적인 주기성이 없이 액체상태의 무질서한 구조를 갖는 금속 재료를 말한다. 금속계 유리질 합금 및 비정질 합금은 일반적인 결정구조를 가진 금속에 비해 인장강도, 경도, 내식성, 내마모성, 영률(Young's Modulus) 등의 특성이 매우 우수한 소재라 할 수 있다.

그러나, 금속계 유리질 합금 또는 비정질 합금은 합금조성에 따라 샘플 전체에 걸쳐 비정질상을 유지할 수 있는 임계 두께가 한정된다. 상온에서도 100% 비정질상을 갖는 임계 두께는 액체상태에서 고체상태로 응고되는 과정에서 냉각속도에 의해서 결정되는데, 임의의 응고조건에서 어떤 비정질 합금이 갖는 임계 두께를 비정질 형성능 (GFA, Glass Forming Ability)이라고 정의한다. 비정질 형성능 지배인자는 유리천이온도(Tg), 결정화 개시온도(Tx), 융점(Tm)과 같은 비정질의 특성온도와, 합금성분의 원자크기 차이, 과냉된 액상의 점도 등을 들 수 있다.

금속 와이어는 자동차 및 항공부품 소재뿐만 아니라 의료기기 등 다양한 분야에서 활발히 사용되고 있다.

또한, 비정질 금속 마이크로 와이어의 거대 자기 임피던스(Giant Magnetoimpedance, GMI)효과는 비정질 금속 와이어의 수 십 %의 자기 임피던스 변화율(Magneto-Impedance Ratio, MIR)에 비해 수 만 %가 넘는 초고감도 자기 임피던스 효과를 나타내어 자기센서에 응용되기에 적합하다.

종래 와이어를 제조하는 장치는 일반적으로 도 1a 및 도 1b로 도시될 수 있다.

도 1 a은 유리 코팅 용융 방사 기술의 개략도를 도시한 것이고, 도 1b는 IN-Roquench 실험실 규모의 와이어 주조 시스템의 일례를 도시한 것이다.

그러나 비정질 합금 와이어 제작에 있어서 높은 냉각속도가 유지하는 것이 요구되지만, 도 1a 및 도 1b에서의 종래 기술에 따르면 휠의 속도 및 사이즈, 노즐과 휠의 간격 및 분사 압력을 통해서 조절되는 냉각속도에는 한계가 있다.

1. 한국등록특허 제 10-1124998호(등록일: 2012. 03. 28) 2. 한국등록특허 제 10-0631466호(등록일: 2006. 09. 27)

본 발명에서는 종래의 와이어 제조 장치 및 그의 방법을 개선하기 위해, 순동금형에 중력가속도의 50 ~ 100 배 크기의 원심력을 이용하여 수 백 ~ 수 천 그램(g)의 액체 금속계 유리질 합금 또는 비정질 합금을 주입하였을 때, 용탕과 몰드의 접촉시간을 증가시켜 냉각능을 높임으로써, 높은 냉각 속도가 요구되는 금속 비정질 합금의 종류를 균일하고 재현성이 높은 새로운 비정질 금속 와이어 제조 장치 및 그의 사용방법을 제시하고자 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 용탕 주입은 가스 가압 혹은 푸어링(pouring) 을 통해서 이루어 지며 이때 완전한 형상의 와이어 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에는 가이드 dam을 설치하며, 몰드의 기저면은 2˚ ≤ α ≤ 20˚의 각도를 유지하여 원심력에 의해 용탕이 몰드 밖으로 나가지 않으며, 응고 이후 용이하게 분리할 수 있는 환경을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 와이어 홈의 직경(x1)은 0.5 내지 200 ㎛로, 용탕이 용이하게 흘려 건전한 와이어를 제작할 수 있는 범위이며, 와이어 홈의 간격(x2)은 10 내지 50 mm 의 간격으로 냉각속도에 영향을 주지 않고, 생산성을 최대로 할 수 있는 범위를 제안하고자 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 순동 금형의 각 위치에 작용하는 원심력은 F = mω2r (여기서, F = 원심력, m = 질량, ω = 각속도, r = 금형 중심에서 각 위치까지의 거리]로 정의되는데, 각속도를 높이거나 금형의 반경을 증가시킴으로써 작용하는 원심력을 임의로 제어할 수 있어 비정질 형성능이 떨어지는 비정질 합금에 대해서도 높은 냉각속도를 구현하고자 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 몰드의 와이어 제조 홈(x1)과 제조 홈 간의 간격(x2)의 조절을 통해 와이어의 두께 및 냉각속도를 조절하고자 한다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치는, 상부금형과 하부금형이 결합하여 원반형으로 형성되고, 용해된 금속이 주입되는 중앙의 주입공간과 상기 주입공간 주변 둘레에 형성되는 비정질 형성공간을 포함하는 캐비티(cavity)를 구비하는 몰드; 및 상기 용해된 금속에 원심력이 가해지도록 상기 몰드를 회전시키는 회전부;를 포함하되, 상기 비정질 형성공간에는, 나선형으로 회전하는 홈이 더 구비되고, 상기 비정질 형성공간은 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 가지며, 상기 주입공간과 상기 비정질 형성공간이 만나는 지점에는, 상기 유입된 용해된 금속이 상기 홈을 따라 상기 나선형으로 회전하며 냉각될 수 있도록 지원하는 가이드 월(wall)이 추가적으로 배치되고, 상기 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 홈을 따라 상기 나선형으로 회전하며 상기 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각됨으로써, 와이어가 제조될 수 있다.

또한, 비정질 형성능을 모합금을 용해시키는 용해부; 및 상기 용해부와 몰드 사이에 위치하여 용해된 금속을 몰드에 주입하는 주입부;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 몰드는, 상기 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 상기 캐비티의 반경, 상기 기울기, 상기 홈의 직경 및 상기 나선을 형성한 홈 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킬 수 있다.

또한, 상기 홈의 직경은 0.5 내지 200 ㎛이고, 상기 나선을 형성한 홈 간의 이격 거리는 10 내지 50 mm일 수 있다.

또한, 상기 몰드는, 상기 기울기 α가 2˚ ≤ α ≤ 20˚를 유지하도록 하고, 상기 기울기의 유지를 기초로, 상기 용해된 금속이 상기 홈에 균일하게 퍼지고, 이후 냉각된 상기 용해된 금속의 분리가 가능할 수 있다.

한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 양상인 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 방법은, 상부금형과 하부금형이 결합하여 원반형으로 형성되고, 중앙의 주입공간과 상기 주입공간 주변 둘레에 형성되는 비정질 형성공간을 포함하는 캐비티(cavity)를 구비하는 몰드의 상기 주입공간으로 용해된 금속을 주입하는 제 1 단계; 회전부를 이용하여, 상기 용해된 금속에 원심력이 가해지도록 상기 몰드를 회전시키는 제 2 단계; 상기 주입공간과 상기 비정질 형성공간이 만나는 지점에 배치된 가이드 월(wall)을 이용하여 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성 공간 상에 구비된 나선형으로 회전하는 홈을 따라 회전하며 이동하는 제 3 단계; 및 상기 용해된 금속이 상기 가장자리 방향으로 회전하여 밀려나면서 냉각되어, 상기 비정질 형성공간의 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기에 따라 두께가 연속적으로 변하는 비정질 금속의 와이어가 제조되는 제 4 단계; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 단계에서, 상기 몰드를 회전시키는 것은, 상기 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 상기 캐비티의 반경, 상기 기울기, 상기 홈의 직경 및 상기 나선을 형성한 홈 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킴으로써 수행될 수 있다.

본 발명은 순동금형에 중력가속도의 50 ~ 100 배 크기의 원심력을 이용하여 수 백 ~ 수 천 그램(g)의 액체 금속계 유리질 합금 또는 비정질 합금을 주입하였을 때, 용탕과 몰드의 접촉시간을 증가시켜 냉각능을 높임으로써, 높은 냉각 속도가 요구되는 금속 비정질 합금의 종류를 균일하고 재현성이 높은 새로운 비정질 금속 와이어 제조 장치 및 그의 사용방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 용탕 주입은 가스 가압 혹은 푸어링(pouring) 을 통해서 이루어 지며 이때 완전한 형상의 와이어 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에는 가이드 dam을 설치하며, 몰드의 기저면은 2˚ ≤ α ≤ 20˚의 각도를 유지하여 원심력에 의해 용탕이 몰드 밖으로 나가지 않으며, 응고 이후 용이하게 분리할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 와이어 홈의 직경(x1)은 0.5 내지 200 ㎛로, 용탕이 용이하게 흘려 건전한 와이어를 제작할 수 있는 범위이며, 와이어 홈의 간격(x2)은 10 내지 50 mm 의 간격으로 냉각속도에 영향을 주지 않고, 생산성을 최대로 할 수 있는 범위를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 순동 금형의 각 위치에 작용하는 원심력은 F = mω2r (여기서, F = 원심력, m = 질량, ω = 각속도, r = 금형 중심에서 각 위치까지의 거리]로 정의되는데, 각속도를 높이거나 금형의 반경을 증가시킴으로써 작용하는 원심력을 임의로 제어할 수 있어 비정질 형성능이 떨어지는 비정질 합금에 대해서도 높은 냉각속도를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 몰드의 와이어 제조 홈(x1)과 제조 홈 간의 간격(x2)의 조절을 통해 와이어의 두께 및 냉각속도를 조절할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 a은 유리 코팅 용융 방사 기술의 개략도를 도시한 것이고, 도 1b는 IN-Roquench 실험실 규모의 와이어 주조 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치를 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 나선형으로 회전하는 홈이 구비되고, 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 갖는 비정질 형성공간의 일례를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 방법의 일례를 도시한 것이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1 a은 유리 코팅 용융 방사 기술의 개략도를 도시한 것이고, 도 1b는 IN-Roquench 실험실 규모의 와이어 주조 시스템의 일례를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치를 나타낸 사시도이다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 나선형으로 회전하는 홈이 구비되고, 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 갖는 비정질 형성공간의 일례를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 방법의 일례를 도시한 것이다.

종래기술의 문제점

금속계 유리질 합금 (Metallic Glass Alloy) 및 비정질 합금(Amorphous Alloy)은 상온에서도 결정학적으로 규칙적인 주기성이 없이 액체상태의 무질서한 구조를 갖는 금속 재료로서, 종래의 결정구조 금속소재에 비해 인장강도, 경도, 내식성, 내마모성, 영률(Young’s Modulus) 등의 특성이 매우 우수한 소재인데, 합금조성에 따라 샘플 전체에 걸쳐 비정질상을 유지할 수 있는 임계 두께가 한정된다.

상온에서도 100% 비정질상을 갖는 임계 두께는 액체상태에서 고체상태로 응고되는 과정에서 냉각속도에 의해서 결정되는데, 임의의 응고조건에서 어떤 비정질 합금이 갖는 임계 두께를 비정질 형성능 (GFA, Glass Forming Ability)이라고 정의할 수 있다.

금속 와이어는 자동차 및 항공부품 소재뿐만 아니라 의료기기 등 다양한 분야에서 활발히 사용되고 있다.

또한, 비정질 금속 마이크로 와이어의 거대 자기 임피던스(Giant Magnetoimpedance, GMI)효과는 비정질 금속 와이어의 수 십 %의 자기 임피던스 변화율(Magneto-Impedance Ratio, MIR)에 비해 수 만 %가 넘는 초고감도 자기 임피던스 효과를 나타내어 자기센서에 응용되기에 적합하다.

그러나 비정질 합금 와이어 제작에 있어서 높은 냉각속도가 유지하는 것이 요구되지만, 도 1a 및 도 1b에서의 종래 기술에 따르면 휠의 속도 및 사이즈, 노즐과 휠의 간격 및 분사 압력을 통해서 조절되는 냉각속도에는 한계가 있다.

따라서 본 발명에서는 종래의 와이어 제조 장치 및 그의 방법을 개선하기 위해, 순동금형에 중력가속도의 50 ~ 100 배 크기의 원심력을 이용하여 수 백 ~ 수 천 그램(g)의 액체 금속계 유리질 합금 또는 비정질 합금을 주입하였을 때, 용탕과 몰드의 접촉시간을 증가시켜 냉각능을 높임으로써, 높은 냉각 속도가 요구되는 금속 비정질 합금의 종류를 균일하고 재현성이 높은 새로운 비정질 금속 와이어 제조 장치 및 그의 사용방법을 제시하고자 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 용탕 주입은 가스 가압 혹은 푸어링(pouring) 을 통해서 이루어 지며 이때 완전한 형상의 와이어 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에는 가이드 dam을 설치하며, 몰드의 기저면은 2˚ ≤ α ≤ 20˚의 각도를 유지하여 원심력에 의해 용탕이 몰드 밖으로 나가지 않으며, 응고 이후 용이하게 분리할 수 있는 환경을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 와이어 홈의 직경(x1)은 0.5 내지 200 ㎛로, 용탕이 용이하게 흘려 건전한 와이어를 제작할 수 있는 범위이며, 와이어 홈의 간격(x2)은 10 내지 50 mm 의 간격으로 냉각속도에 영향을 주지 않고, 생산성을 최대로 할 수 있는 범위를 제안하고자 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 순동 금형의 각 위치에 작용하는 원심력은 F = mω2r (여기서, F = 원심력, m = 질량, ω = 각속도, r = 금형 중심에서 각 위치까지의 거리]로 정의되는데, 각속도를 높이거나 금형의 반경을 증가시킴으로써 작용하는 원심력을 임의로 제어할 수 있어 비정질 형성능이 떨어지는 비정질 합금에 대해서도 높은 냉각속도를 구현하고자 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 몰드의 와이어 제조 홈(x1)과 제조 홈 간의 간격(x2)의 조절을 통해 와이어의 두께 및 냉각속도를 조절하고자 한다.

원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치 및 제조 방법

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 와이어 제조 장치(100)는 상부금형(131)과 하부금형(133)이 결합하여 원반형으로 형성되되 용해된 금속(10a)이 주입되는 중앙의 주입공간(135a)과 상기 주입공간(135a) 주변 둘레에 형성되는 비정질 형성공간(135b)을 포함하는 캐비티(cavity, 135)를 구비하는 몰드(130); 및 용해된 금속(10a)에 원심력이 가해지도록 상기 몰드를 회전(R)시키는 회전부;를 포함할 수 있다.

나아가, 상기 와이어 제조 장치(100)는, 모합금(10b)을 용해시키는 용해부(110); 및 상기 용해부(110)와 몰드(130) 사이에 위치하여 용해된 금속(10a)을 몰드(130)에 주입하는 주입부(120);를 포함할 수 있다.

또한, 상기 비정질 형성공간(135b)의 단면 폭(d)은 가장자리로 갈수록 점차 줄어들거나 늘어나는 경사구배를 가질 수 있다.

또한, 용해된 금속(10a)은, 상기 원심력으로 인해 상기 비정질 형성공간(135b) 내부로 유입되면서 상기 몰드(130)를 통해 냉각되며, 상기 비정질 형성공간(135b)에 대응하여 두께가 연속적으로 변하는 비정질 금속이 제조되고, 제조된 비정질 금속 시편(11)에서 결정화가 시작될 수 있다.

여기서 비정질 형성공간(135b)에는, 나선형으로 회전하는 홈(wall, 140b)이 더 배치될 수 있다.

또한, 비정질 형성공간(135b)은 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간(135b) 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 홈(140b)을 따라 나선형으로 회전하며 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각되어 와이어가 제조될 수 있다.

한편, 주입부(120)의 주입공간과 비정질 형성공간(135b)이 만나는 지점에는, 유입된 용해된 금속이 홈(140b)을 따라 나선형으로 회전하며 냉각될 수 있도록 지원하는 가이드 월(wall, 140a)이 추가적으로 배치될 수 있다.

이때, 몰드(130)는, 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 캐비티(135)의 반경, 비정질 형성공간(135b)의 기울기, 홈(140b)의 직경 및 나선을 형성한 홈(140b) 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킬 수 있다.

용해부(110)는 모합금(10b)이 위치하는 도가니(112)와, 도가니(112) 주변에 위치하여 상기 도가니(112)의 내부에 위치한 모합금(10b)을 용융시키는 가열수단(114)을 포함할 수 있으며, 예로써 가열수단(114)은 유도코일을 적용할 수 있다.

용해된 금속(10a)은 몰드의 캐비티(135)로 주입될 수 있다. 즉, 상부금형(131)과 하부금형(133)이 결합하여 원반형으로 형성된 캐비티(135)의 중앙의 주입공간(135a)으로 용해된 금속(10a)이 주입될 수 있으며, 상기 몰드(130)를 회전시키는 회전부(미도시)에 의해 몰드(130)에는 원심력이 적용되어 상기 주입공간(135a) 주변 둘레에 형성된 비정질 형성공간(135b)에 용해된 금속(10a)이 충진 될 수 있다.

예로써, 용해된 금속(10a) 100 내지 3000g이 상기 캐비티(135)로 주입될 수 있으며, 상기 상부금형(131)과 하부금형(133)은 열전도성이 높은 순동으로 구비되어 냉각속도를 빠르게 할 수 있다.

회전부에 의해 상기 몰드(130)가 회전(R)하는 경우 원심력이 발생하게 되고, 원심력에 의해 몰드(130)의 가장자리까지, 즉 비정질 형성공간(135b)으로 용해된 금속(10a)이 충진될 수 있다. 몰드(130)의 각 위치에 작용하는 원심력은

(여기서, F = 원심력, m = 질량, ω = 각속도, r = 몰드 중심에서 각 위치까지의 거리]로 정의되는데, 각속도를 높이거나 몰드의 반경을 증가시킴으로써 작용하는 원심력을 임의로 제어할 수 있다.

이 경우, 상기 캐비티(135)는, 주입공간(135a)의 단면 폭이 가장자리로 갈수록 점차 줄어드는 경사구배를 가지되, 상기 주입공간(135a)의 경사구배 각(θ)은 상기 비정질 형성공간(135b)의 경사구배 각보다 큰 것일 수 있다.

따라서, 주입공간(135a)에 위치한 용해된 금속(10a)이 원심력에 의한 비정질 형성 공간(135b) 충진에 걸림이 없이 더욱 원활히 이루어질 수 있다.

원심력에 의해 비정질 형성공간(135b)까지 충진된 용해된 금속(10a)은 상하부 금형과 맞닿은 영역부터 냉각되어 비정질합금 와이어가 성형될 수 있다.

즉, 원심력에 의해 용해된 금속(10a)이 비정질 형성공간(135b)에 빠르게 충진 됨과 동시에 최대한 빠르게 냉각될 수 있으며, 알려진 임계 냉각속도보다 빠르게 냉각될 수 있다.

상기 몰드(130)는, 상부금형(131)과 하부금형(133)의 비정질 형성공간(135b)에 충진되는 용융 비정질 합금에 원심력을 가하여 충진의 효율을 높임으로써 응고되는 비정질 합금 시편의 높이 조절 및 균일한 냉각을 위해 중력가속도의 50 내지 100배 크기의 원심력으로 회전하는 것일 수 있다. 중력가속도의 50배 미만이면, 원심력이 낮아 100㎛의 미세한 갭(d)에 조밀하게 충진되지 않아 표면에 불연속 응고층이 형성되고 불균일하게 냉각 응고된 시편을 얻을 수 있으며, 100배를 초과하면 상기 몰드(130)를 회전시키는 회전부의 구동에 과부하가 걸릴 수고 진동이 심하게 발생하여 오히려 충진을 방해하는 문제을 야기하기 때문에 상기의 원심력을 가지는 것이 바람직하다.

나아가서, 상기 몰드(130)는, 금속의 종류에 따라 몰드(130)의 회전 각속도, 상기 캐비티(135)의 반경, 상기 캐비티(135)의 경사구배 각을 변경시키는 것일 수 있다. 몰드(130)에 주입된 용해된 금속(10a)은 몰드(130)에 맞닿은 영역부터 냉각되며 시편(11)이 형성될 수 있는데, 몰드(130)의 회전 각속도, 상기 캐비티(135)의 반경, 상기 캐비티(135)의 경사구배 각을 변경시킴으로써 비정질 합금의 종류에 따라 다양한 두께의 시편을 서로 다른 냉각조건으로 형성하여, 임의의 냉각속도에서 비정질 합금의 최대 두께를 도출할 수 있는 장점이 있다.

여기에서 냉각속도는 결정질 합금의 dendrite arm spacing (DAS)를 측정하여 구해질 수 있다. 라멜라 조직 내의 층상 간격은

(C는 상수)을 만족하는데, Jackson-Hunt 방법을 이용하여 층상 간격을 측정함으로써 냉각속도를 구할 수 있다. 제조된 비정질 합금의 시편을 광학현미경 또는 전자현미경으로 관찰하여 결정립 생성 여부를 확인할 수 있다.

이 경우, 냉각 속도를 측정하는 방법은 비정질 합금이 아닌 결정질 합금의 dendrite arm spacing (DAS)을 측정하여 구해질 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 비정질 형성공간(135b)에는, 나선형으로 회전하는 홈(140b)이 더 배치될 수 있다.

도 3을 참조하면, 몰드(130)의 비정질 형성공간(135b)과 관련하여, 주입 공간(135a)과 나선형으로 회전하는 홈(140b)이 도시된다.

또한, 도 3을 참조하면, 주입부(120)의 주입공간과 비정질 형성공간(135b)이 만나는 지점에는, 유입된 용해된 금속이 홈(140b)을 따라 나선형으로 회전하며 냉각될 수 있도록 지원하는 가이드 월(wall, 140a)이 추가적으로 배치될 수 있다.

또한, 비정질 형성공간(135b)은 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 가질 수 있고, 본 발명에 따르면, 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간(135b) 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 홈(140b)을 따라 나선형으로 회전하며 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각되어 와이어가 제조될 수 있다.

이때, 몰드(130)는, 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 캐비티(135)의 반경, 비정질 형성공간(135b)의 기울기, 홈(140b)의 직경 및 나선을 형성한 홈(140b) 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킬 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 비정질 형성공간(135b)의 기울기 α와 홈(140b)의 직경인 x1 및 나선을 형성한 홈(140b) 간의 이격 거리 x2가 도시되고, 이 중 적어도 하나를 변경시킬 수 있다.

순동 금형의 각 위치에 작용하는 원심력은 F = mω2r (여기서, F = 원심력, m = 질량, ω = 각속도, r = 금형 중심에서 각 위치까지의 거리]로 정의되는데, 각속도를 높이거나 금형의 반경을 증가시킴으로써 작용하는 원심력을 임의로 제어할 수 있어 비정질 형성능이 떨어지는 비정질 합금에 대해서도 높은 냉각속도를 구현할 수 있다.

또한, 몰드(130)의 비정질 형성공간(135b)의 기울기 α, 홈(140b)의 직경인 x1 및 나선을 형성한 홈(140b) 간의 이격 거리 x2 중 적어도 하나를 조절하여 와이어의 두께 및 냉각속도의 조절이 가능하다.

본 발명에서는, 완전한 형상의 와이어 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에 가이드 dam(140a)을 설치하는 것이고, 몰드(130)의 기저면은 2˚ ≤ α ≤ 20˚의 각도를 유지하여 원심력에 의해 용탕이 wall(140b)에 균일하게 퍼지며, 응고 이후 용이하게 분리할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 와이어 홈의 직경(x1)은 0.5 내지 200 ㎛로, 용탕이 용이하게 흘려 건전한 와이어를 제작할 수 있는 범위가 될 수 있고, 와이어 홈의 간격(x2)은 10 내지 50 mm 의 간격으로 냉각속도에 영향을 주지 않고, 생산성을 최대로 할 수 있는 범위가 될 수 있다.

결국, 본 명세서에서 제안하는 발명은, 높은 냉각 속도가 요구되는 금속 비정질 합금을 몰드와의 접촉시간을 증가시켜 냉각속도를 증가시킴으로써, 박판의 완전한 비정질 와이어로 제조 할 수 있는 새로운 개념의 주조기술로서, 몰드의 설계 기술 및 주입구 설계 기술, 와이어의 두께 및 와이어 홈의 간격 제어 기술 및 주입량 제어 기술을 핵심으로 한다.

이를 통해, 기존의 냉각속도로 제조 불가능한 다양한 금속 비정질 와이어를 높은 냉각속도를 통해 제조 가능해질 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 방법은, 도 5를 참조하면, 가장 먼저, 상부금형과 하부금형이 결합하여 원반형으로 형성되고, 중앙의 주입공간과 상기 주입공간 주변 둘레에 형성되는 비정질 형성공간을 포함하는 캐비티(cavity, 135)를 구비하는 몰드(130)의 상기 주입공간(135a)으로 용해된 금속을 주입하는 제 1 단계(S110)가 수행된다.

이후, 회전부를 이용하여, 상기 용해된 금속에 원심력이 가해지도록 상기 몰드(130)를 회전시키는 제 2 단계(S120)가 진행된다.

이때, 상기 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간(135b) 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 비정질 형성공간에 배치된 나선형으로 회전하는 홈(140b)을 따라 회전하며 이동하는 제 3 단계(S130)가 진행된다.

또한, 용해된 금속은, 상기 가장자리 방향으로 회전하여 밀려나면서 냉각되고, 상기 비정질 형성공간(135b)의 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기에 따라 두께가 연속적으로 변하는 비정질 금속의 와이어가 제조되는 제 4 단계(S140)가 진행된다.

한편, S120 단계에서, 몰드(130)를 회전시키는 것은, 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 상기 캐비티의 반경, 상기 기울기, 상기 홈의 직경 및 상기 나선을 형성한 월 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킴으로써 수행될 수 있다.

이를 통해, 와이어의 두께 및 냉각속도의 조절이 가능하다.

본 발명은 순동금형에 중력가속도의 50 ~ 100 배 크기의 원심력을 이용하여 수 백 ~ 수 천 그램(g)의 액체 금속계 유리질 합금 또는 비정질 합금을 주입하였을 때, 용탕과 몰드의 접촉시간을 증가시켜 냉각능을 높임으로써, 높은 냉각 속도가 요구되는 금속 비정질 합금의 종류를 균일하고 재현성이 높은 새로운 비정질 금속 와이어 제조 장치 및 그의 사용방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 용탕 주입은 가스 가압 혹은 푸어링(pouring) 을 통해서 이루어 지며 이때 완전한 형상의 와이어 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에는 가이드 dam을 설치하며, 몰드의 기저면은 2˚ ≤ α ≤ 20˚의 각도를 유지하여 원심력에 의해 용탕이 몰드 밖으로 나가지 않으며, 응고 이후 용이하게 분리할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 와이어 홈의 직경(x1)은 0.5 내지 200 ㎛로, 용탕이 용이하게 흘려 건전한 와이어를 제작할 수 있는 범위이며, 와이어 홈의 간격(x2)은 10 내지 50 mm 의 간격으로 냉각속도에 영향을 주지 않고, 생산성을 최대로 할 수 있는 범위를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 순동 금형의 각 위치에 작용하는 원심력은 F = mω2r (여기서, F = 원심력, m = 질량, ω = 각속도, r = 금형 중심에서 각 위치까지의 거리]로 정의되는데, 각속도를 높이거나 금형의 반경을 증가시킴으로써 작용하는 원심력을 임의로 제어할 수 있어 비정질 형성능이 떨어지는 비정질 합금에 대해서도 높은 냉각속도를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 몰드의 와이어 제조 홈(x1)과 제조 홈 간의 간격(x2)의 조절을 통해 와이어의 두께 및 냉각속도를 조절할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 상부금형과 하부금형이 결합하여 원반형으로 형성되고, 용해된 금속이 주입되는 중앙의 주입공간과 상기 주입공간 주변 둘레에 형성되는 비정질 형성공간을 포함하는 캐비티(cavity)를 구비하는 몰드; 및
   상기 용해된 금속에 원심력이 가해지도록 상기 몰드를 회전시키는 회전부;를 포함하되,
   상기 비정질 형성공간에는, 나선형으로 회전하는 홈이 더 구비되고,
   상기 중앙의 주입공간의 위치를 수평 기준으로 하여, 일정 기울기에 따라 상기 비정질 형성공간은 가장자리로 갈수록 더 높은 곳에 배치되는 경사구배를 가지며,
   상기 주입공간과 상기 비정질 형성공간이 만나는 지점에는, 상기 유입된 용해된 금속이 상기 홈을 따라 상기 나선형으로 회전하며 냉각될 수 있도록 지원하는 가이드 월(wall)이 추가적으로 배치되고,
   
   상기 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 홈을 따라 상기 나선형으로 회전하며 상기 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각됨으로써, 와이어가 제조되는 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   모합금을 용해시키는 용해부; 및
   상기 용해부와 몰드 사이에 위치하여 용해된 금속을 몰드에 주입하는 주입부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 몰드는, 상기 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 상기 캐비티의 반경, 상기 기울기, 상기 홈의 직경 및 상기 나선을 형성한 홈 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시키는 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 홈의 직경은 0.5 내지 200 ㎛이고,
   상기 나선을 형성한 홈 간의 이격 거리는 10 내지 50 mm인 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 몰드는, 상기 기울기 α가 2˚ ≤ α ≤ 20˚를 유지하도록 함으로써, 상기 용해된 금속이 상기 홈에 균일하게 퍼지고, 이후 냉각된 상기 용해된 금속의 분리가 가능한 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치.
   
6. 상부금형과 하부금형이 결합하여 원반형으로 형성되고, 중앙의 주입공간과 상기 주입공간 주변 둘레에 형성되는 비정질 형성공간을 포함하는 캐비티(cavity)를 구비하는 몰드의 상기 주입공간으로 용해된 금속을 주입하는 제 1 단계;
   회전부를 이용하여, 상기 용해된 금속에 원심력이 가해지도록 상기 몰드를 회전시키는 제 2 단계;
   상기 주입공간과 상기 비정질 형성공간이 만나는 지점에 배치된 가이드 월(wall)을 이용하여 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성 공간 상에 구비된 나선형으로 회전하는 홈을 따라 회전하며 이동하는 제 3 단계; 및
   상기 용해된 금속이 상기 가장자리 방향으로 회전하여 밀려나면서 냉각되고, 상기 중앙의 주입공간의 위치를 수평 기준으로 하여 일정 기울기에 따라 상기 비정질 형성공간이 가장자리로 갈수록 더 높은 곳에 배치되는 경사구배를 이용하여, 두께가 연속적으로 변하는 비정질 금속의 와이어가 제조되는 제 4 단계; 를 포함하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 제 2 단계에서, 상기 몰드를 회전시키는 것은,
   상기 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 상기 캐비티의 반경, 상기 기울기, 상기 홈의 직경 및 상기 나선을 형성한 홈 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 원 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 방법
   

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