KR101069557B1 - 절삭성이 우수한 케이블 소우 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소우 머신에 사용되는 소우 와이어에 관한 것으로, 인장강도가 3,000~4,500Mpa, 선경 0.05~0.30mmΦ인 와이어 2 내지 7 가닥이 연선된 구조로써, 상기 연선된 와이어의 꼬임 피치가 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 절삭성이 우수한 케이블 소우에 관한 것이다.

3·n·d ≤ P ≤ 20·n·d

(여기서, n은 와이어 개수, d는 와이어의 직경, P는 케이블의 꼬임 피치)

소우 와이어, 절단, 피치, 자전성

Description

절삭성이 우수한 케이블 소우{Cable saw having excellent cuttability}

본 발명은 소우 머신(Saw machine)에 사용되는 소우 와이어(Saw wire)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체나 세라믹 또는 초경합금등의 경질 재료의 절단 및 슬라이스용으로 사용되고, 특히 태양광 발전에 사용되는 다결정 실리콘 잉곳의 크기를 절단하는 스퀘어링 등 고 하중으로 고속 절단을 하는데 적합한 소우 와이어 에 관한 것이다.

소우 머신에 이용되는 소우 와이어는 일반적으로는 탄화규소가루, 다이아몬드 가루 등의 연삭용 입자와 오일 등이 혼합된 연삭액과 함께 피절단물에 적절한 압력으로 접촉하여 주행시켜 절단하는 것이다. 이러한 소우 와이어는 통상 연삭시 받는 높은 장력을 견디기 위하여 3,000~4,000MPa의 고강도를 갖는 0.1 ~ 0.3mmΦ의 고탄소 강선이 이용되고 있다. 그러나 이러한 종래의 소우 와이어는 그 표면이 매우 경하고 매끄럽기 때문에 피절단체로의 연삭용 입자의 보관 및 운반기능이 떨어져 절단 속도를 향상할 수 없어 절단 효율이 저하되는 문제가 나타나기 때문에, 고탄소 강선의 표면에 구리 또는 주석 도금을 하여 비교적 연질인 도금층에 연삭용 입자를 압착시켜 피절단체로의 연삭용 입자의 캐리어(carrier) 기능을 향상시키는 소우 와이어가 제안되었다(예를 들면 일본 특허 공개 소 54-21692호).

최근에는 구리 또는 주석의 연질 금속의 도금과 함께 황동 도금이 널리 사용되고 있다. 특히 황동은 연성이 풍부하여 와이어와 신선용 다이스 사이에서 신선 윤활제의 운반 기능과 더불어 윤활 기능을 부여하여 상대적으로 고정밀도의 선경 공차와 진원도를 유지하면서, 매우 빠른 신선 속도에서도 단선을 억제하여 생산 코스트 측면에서 저가로 소우 와이어를 제조할 수 있게 한다.

이러한 소우 와이어의 일반적인 제조 공정은 선경 1.0∼1.5mmΦ의 고 강도와이어의 외주에 구리, 주석, 황동 등의 도금층(32)을 형성한 뒤, 신선가공에 의해 선경 0.10 ∼0.30mmΦ의 소우 와이어(40)를 얻는다.

소우 와이어(40)를 이용해 경질 재료를 절단하는 경우에 있어서, 와이어를 피절단체에 왕복 주행을 시키거나 한 방향으로 계속하여 주행을 시키더라도 피절단체와 소우 와이어 사이에서 발생하는 마찰에 의해 불가피하게 와이어의 텐션이나 마찰의 변화가 생기게 되고 이로 인하여 소우 와이어에 걸리는 인장 하중의 변화가 발생되어 소우 와이어가 단선이 되는 경우가 발생하게 된다. 특히, 종래의 소우 와이어는 인장하중을 부여하였을 때 파단 시까지 늘어나는 신율이 2.0~2.3%정도로 매우 낮아 슬라이싱 작업 중에 불가피하게 발생되는 작업 조건에 약간의 변동이 발생 되어도 소우 와이어가 단선이 발생되고 이에 따라 실리콘 잉곳의 경우에는 불량이 발생되어 경제적 손실이 매우 커지게 된다. 따라서, 종래의 소우 와이어는 태양광 발전에 사용되는 다결정 실리콘의 잉곳의 형상 절단을 위해 고하중을 적용하여 빠른 속도로 절단하는 용도로는 사용하기가 어렵다는 문제점이 있다.

상기와 같이 얻어진 종래의 소우 와이어는 태양광 발전에 사용되는 다결정 실리콘의 잉곳의 형상 절단을 위해 고하중을 적용하여 빠른 속도로 절단하는 용도로는 사용하기가 어렵다는 문제점이 있으므로, 고 하중을 부여하면서 빠른 절삭 속도를 요하는 곳에는 절삭속도를 높이기 위해 연삭입자의 운반 능력이 우수할 뿐만 아니라 작업 중 하중의 변동이 발생되더라도 소우 와이어가 단선되지 않도록 신율이 높은 소우 와이어가 필요하다. 본 발명은 소우 머신을 사용하는 도중에, 단선 발생이 없이 높은 절단 속도로 피절단체를 절단할 수 있는 절삭성이 우수한 소우 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 인장강도가 3,000~4,500Mpa인 선경0.05~0.30mmΦ인 와이어 2 내지 7 가닥이 연선된 구조로써, 상기 연선된 와이어의 꼬임 피치가 하기의 식을 만족하는 케이블 소우를 제공한다.

3·n·d ≤ P ≤ 20·n·d

(여기서, n은 와이어 개수, d는 와이어의 직경, P는 케이블의 꼬임 피치)

피치가 상기 식의 20·n·d 값보다 큰 경우에는 절단 속도가 저하되면서 절단 정밀도가 저하되고, 피치가 상기 식의 3·n·d 값보다 작은 경우에는 절단 정밀도 가 하락될 뿐만 아니라 , 제품의 생산성도 낮아져서 경제적인 제품을 만들기가 어렵다는 단점이 있다. 상기 와이어의 가닥수는 3가닥인 것이 가장 바람직하다.

또한, 본 발명의 케이블 소우는 자전성이 0.1~1회/m 인 것을 특징으로 하는 케이블 소우가 제공된다.

여러 가닥의 와이어를 꼬아서 만들어진 케이블 소우는 와이어 자체의 신율에 더하여 꼬임 신율이 발생되어 와이어 자체의 신율보다도 높은 신율을 얻을 수 있어 슬라이싱 시에 불가피적으로 발생하는 인장하중의 변동에 대응된 단선을 획기적으로 감소시킬 뿐만 아니라, 와이어를 서로 꼼으로 해서 꼬임 피치에 따라 홈이 발생되어 슬라이싱 시에 연삭제를 보관 운반하는 능력 또한 획기적으로 향상시킬 수 있다.

이러한 케이블 소우의 제조에 있어서 꼬임 방향은 "S" 방향이나 "Z방향" 어느 것이나 좋으나, 케이블을 형성하므로 하여 발생되는 자전성은 0.1~1회/m인 것이 바람직하다. 즉, 10m 길이를 기준으로 하여 10회 이내(1회/m)이하인 것이 바람직하고, 10m 길이에 5회(0.5회/m) 이내인 것이 더욱 바람직하다. 자전성이 1회/m 보다 커지면 연삭입자의 운송능력은 좋아지나 케이블에 비틀림 토크가 발생되어 초기 배선에 어려움이 발생되고, 자전성이 0.1회/m 보다 작으면 생산효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.

본 발명의 소우 와이어는 피절삭체로의 연삭용 입자의 원활한 반입과 슬라이싱 작업중 불가피한 변동에 의한 텐션 변화에 대응한 단선 발생을 억제하기 위한 수단으로 여러 가닥의 와이어를 연선함으로써 절삭속도를 향상시킴과 동시에 양호한 절단 정밀도를 얻을 수 있어 실리콘 잉곳 등의 고가의 피절단체의 수율을 현저하게 증가할 수 있고, 특히 고 하중을 부여하면서 빠른 절삭 속도를 요하는 곳에 사용하는 경우에 더욱 현저한 효과를 나타낸다.

본 발명의 제조 방법에 대한 일 실시예를 〔도 2〕를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 〔도 2〕에 있어서, 0.7 ~ 1.1wt%의 탄소를 함유하는 5.5mmΦ의 와이어 로드(30)를 사용하여 건식 연속 신선기(3)에서 냉간 신선하여 얻어진 1.0~1.5mmΦ의 와이어(31)를 가열로(9), 납 냉각조(10)를 통과해 열처리(파텐팅)한 뒤, 산세조(16), 수세조(13), 구리도금조(20), 아연도금조(21)를 통과해 구리도금과 아연도금을 한 후, 열 확산조(22)를 통과시켜 도금층을 황동층으로 변화시킨 다음, 인산조(23)에서 표면의 산화층을 제거한 후에 다시 수세조(13)에서 수세되고 열풍로에서 건조되어 황동도금된 중간선을 얻는다. 얻어진 중간선을 습식 연속 신선기(15)에서 복수 개의 다이스(25)로 95%~98%의 고가공도로 신선하여, 인장강도 3000~4500MPa의 초고강도를 갖는 0.05~0.30mmΦ 선경의 와이어(40)를 형성한다. 얻 어진 가는 선경의 와이어를 연선기를 이용하여 서로 연합하여 꼬아서 케이블 소우(45)를 형성한다.

형성된 케이블 소우를 이루는 각각의 와이어는 서로 밀착되어 실리콘 잉곳을 절단시에 잉곳과의 마찰에 의해서도 그 단면 형태의 변화가 없어야 한다. 그러한 목적을 위해 케이블을 이루는 와이어의 개수는 2~7개로 한정하고 그 꼬임 피치는 다음과 같이 한정한다.

3·n·d ≤ P ≤ 20·n·d

(여기서, n은 와이어 개수, d는 와이어의 지름, P는 케이블의 꼬임 피치)

더욱 바람직하게는 상기 케이블의 꼬임 피치가 5·n·d~15·n·d가 되면 코드의 형태와 자전성 및 생산성 측면에서 바람직하다. 또한 바람직하게는 케이블을 이루는 와이어를 3가닥으로 하면 케이블 소우가 와이어간에 밀착이 우수하여 형태의 붕괴가 없어 그 성능을 한층 더 발휘할 수 있다. 최종 연선된 케이블 소우의 꼬임 피치를 한정하는 이유는 케이블 소우를 사용하여 반도체, 세라믹, 초경합금등의 경질 재료를 슬라이스시에 연삭입자를 슬라이스 면으로 잘 반입하여 절단속도와 절단 정밀도를 향상시키고자 하기 위함이다.

〔도1〕의 (가)는 본 발명의 일 실시예인 케이블 소우의 개략도로 4가닥의 고강도 와이어(40)를 서로 연선하여 이루어진 케이블 소우(45)를 나타낸 개략도이다.

-기계적 특성 테스트

하기에서 실험된 여러 테스트의 재질인 발명재1 및 발명재2는 표면에 황동 도금된 선경 0.14mmΦ의 고강도 와이어(AISI1080) 3가닥을 서로 꼬운 다음 자전성과 직선성을 확보하기 위한 치구를 통과하여 안정된 형태의 케이블 소우를 제조하였다. 이 때 꼬임 피치는 와이어 직경의 20, 30 및 40배로 함으로써, 본 발명의 꼬임피치 범위를 만족하고 있으며, 케이블 소우 직경은 0.300mm이었다.

비교재1 내지 4에 기재된 와이어는 다른 조건은 발명재와 동일하게 유지하면서, 비교재1 및 비교재2의 경우는 본 발명의 꼬임피치의 범위를 벗어나도록 제조하여 실험을 하였고, 비교재3 및 비교재4의 경우는 꼬임이 없는 단일 와이어로 제조하되, 와이어의 직경이 각각 케이블 소우를 이루는 와이어와 동일한 직경인 0.14mmΦ와 케이블 소우의 직경과 동일한 0.30mmΦ로써 제조하여 실험을 하였다. 상기한 발명재 및 비교재의 케이블 및 와이어 소우에 대해서 취성 재료인 석영을 1000회 왕복 절단하면서 절단능, 와이어의 단선 및 피절단체의 절단 정밀도 및 각각의 절단하중 및 신율을 측정하여 그 결과를 〔표 1〕에 나타내었다. 석영의 절단을 위한 와이어의 속도는 10m/sec, 하중은 4kgf를 적용하였으며 연삭입자의 크기는 F1200을 사용하였다.

구분	케이블 경 (mm)	와이어 경 (mm)	와이어 수 (EA)	피치 (mm)	절단하중 (kgf)	신율 (%)	절단면적 (㎟)	절단정밀도 (㎛)	단선 (회)
발명재1 발명재2 발명재3	0.300 0.300 0.300	0.140 0.140 0.140	3 3 3	2.8 4.2 5.6	16.2 16.6 16.8	2.9 2.6 2.4	3,517 3,389 3,174	1.43 1.24 1.52	0 0 0
비교재1 비교재2	0.300 0.300	0.140 0.140	3 3	1.1 11.2	15.4 17.1	3.5 2.1	3,625 2,154	2.65 3.48	0 0
비교재3 비교재4	0.140 0.300	0.140 0.300	1 1	- -	5.8 23.4	2.0 2.0	1,230 1,925	10.19 4.72	4 0

상기 결과로부터 발명재1 내지 3은 와이어의 꼬임이 없도록 제조된 비교재3 내지 4에 비하여 동일한 왕복횟수에서 피절단체의 절단 정밀도(warp)가 매우 양호하게 나타났다(절단 정밀도 수치가 작은 것이 양호한 것임.). 또한, 피절단체의 절단 속도(절단 면적을 통해서 확인됨)에 대해서도 비교재3 내지 4에 비하여 매우 유리하게 나타났다. 비교재3의 0.14mm의 소우 와이어는 4kgf의 절단 하중에서 단선이 빈번하여 작업이 어려웠으며, 단선으로 인하여 절단 정밀도도 현저하게 높게 나타났다. 또한, 비교재4의 0.30mm 소우 와이어는 동일한 조건에서 단선은 없었으나, 절단 속도가 본 발명의 제품에 비해 현저하게 저하되는 것이 확인되었으며 절단 정밀도 또한 현격한 차이를 나타냈다.

본 발명의 케이블 소우에 있어서도 본 발명에서 제한한 범위내의 피치를 갖는 케이블 소우는 절단 정밀도와 절단 속도가 우수하였으나, 본 특허의 범위를 벗어나는 동일한 형태의 비교재1 내지 2에서는 꼬임 피치가 본 발명의 제한된 범위보다 긴 경우에는 절단 속도가 저하되면서 절단 정밀도 또한 저하되고, 꼬임 피치가 본 발명의 제한된 범위보다 짧은 경우에도 비록 절단 속도는 발명재에 비해 약간 증가한 면이 있지만, 절단 정밀도는 현저하게 저하되었고, 꼬임 피치가 짧은 제품은 생산성이 낮다는 단점이 있다.

상기 결과로부터 본 발명의 범위와 같은 꼬임 피치를 갖는 케이블 소우는 피절단체의 절단 작업시 다량의 연삭 입자를 피절단체로 도입을 하여 빠른 절단속도와 양호한 절단 정밀도를 갖는 개선 효과를 확인할 수가 있었다.

도1은 본 발명의 일 실시예인 케이블 소우의 개략도 및 단면도.

(가) 길이방향의 개략도 (나) 2가닥의 단면도

(다) 3가닥의 단면도 (다) 4가닥의 단면도

(라) 5가닥의 단면도 (마) 7가닥의 단면도

도2는 본 발명의 케이블 소우의 제조방법의 공정 개략도.

(가) 1차 및 2차 신선에 대한 개략도

(나) 열처리 및 도금에 대한 개략도

(다) 최종 신선에 대한 개략도

(라) 케이블 소우의 연선에 대한 개략도

(마) 제조된 케이블 소우의 개략도

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

3 건식 연속 신선기 9 가열로

10 납 냉각조 13 수세조

15 습식 연속 신선기 16 산세조

18 열확산조 20 구리 도금조

21 아연 도금조 23 인산조
25 다이스 30 와이어 로드(강선 원재료)
31 도금 열처리전 냉간 신선 와이어 32 도금된 와이어
36 케이블 연합점 40 와이어
42 권취 릴 45 케이블 소우

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Claims (2)

1. 와이어 2 내지 7가닥이 연선된 구조의 케이블 소우에 있어서,

   상기 와이어는 인장강도가 3,000~4,500Mpa, 선경 0.05~0.30mmΦ이며, 상기 연선된 와이어의 꼬임 피치가 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 절삭성이 우수한 케이블 소우.

   3·n·d ≤ P ≤ 20·n·d

   (여기서, n은 와이어 개수, d는 와이어의 직경, P는 케이블의 꼬임 피치)
2. 제1항에 있어서, 상기 케이블 소우의 자전성이 0.1~1회/m 인 것을 특징으로 하는 절삭성이 우수한 케이블 소우.

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