KR102456442B1 - 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102456442B1
KR102456442B1 KR1020210012501A KR20210012501A KR102456442B1 KR 102456442 B1 KR102456442 B1 KR 102456442B1 KR 1020210012501 A KR1020210012501 A KR 1020210012501A KR 20210012501 A KR20210012501 A KR 20210012501A KR 102456442 B1 KR102456442 B1 KR 102456442B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mold
molten metal
amorphous
ribbon
space
Prior art date
Application number
KR1020210012501A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220109539A (ko
Inventor
김휘준
이연주
권도훈
차은지
이민우
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020210012501A priority Critical patent/KR102456442B1/ko
Publication of KR20220109539A publication Critical patent/KR20220109539A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102456442B1 publication Critical patent/KR102456442B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/02—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis
    • B22D13/026—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis the longitudinal axis being vertical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/04—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of shallow solid or hollow bodies, e.g. wheels or rings, in moulds rotating around their axis of symmetry
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/12—Controlling, supervising, specially adapted to centrifugal casting, e.g. for safety reasons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C45/00—Amorphous alloys

Abstract

본 발명은 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 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 월(wall)이 더 배치되고, 상기 비정질 형성공간은 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 가지며, 상기 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 월을 따라 상기 나선형으로 회전하며 상기 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각되어 리본이 제조될 수 있다.

Description

원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법 {Ribbon manufacturing apparatus and manufacturing method that can have excellent cooling ability through centrifugal casting}
본 발명은 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 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 리본 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.
종래 리본을 제조하는 장치는 일반적으로 도 1a 및 도 1b로 도시될 수 있다.
도 1 a에 도시된 장치는, 단일 롤러 용융 방사 장치의 기본 구성을 나타낸 것이고, 도 1b에 도시된 장치는 용융 방사 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 종래의 멜트스피닝 공정에 의해 제조된 비정질합금은 우수한 기계적 성질, 내식성, 초전도성, 촉매능 및 연자기적 특성을 가지고 있다.
그러나 기존의 비정질리본 제조 공정으로 생산이 가능한 리본의 두께는 약 20 ㎛ 내외이며, 더욱 감소되면 다량의 기공이 발생하여 제품으로서의 가치를 상실하게 되는 문제가 있다.
따라서, 비정질 합금 리본 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 10-1509648호(등록일: 2015. 04. 01) 2. 한국등록특허 제 10-0631466호(등록일: 2006. 09. 27)
본 발명에서는 종래의 리본 제조 장치 및 그의 방법을 개선하기 위해, 순동 금형에 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 리본 제조 장치 및 그의 사용방법을 제시하고자 한다.
또한, 본 발명에서는, 완전한 형상의 리본 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에는 가이드 dam을 설치하며, 몰드의 기저면은 2˚ ≤ α ≤ 20˚의 각도를 유지하여 원심력에 의해 용탕이 wall에 균일하게 퍼지며, 응고 이후 용이하게 분리할 수 있는 환경을 제공하고자 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 구현할 수 있음. 뿐 만 아니라 몰드의 wall의 두께(x1), wall 간의 간격(x2) 및 wall의 높이(x3)의 조절을 통해 와이어의 두께 및 냉각속도의 조절이 가능한 금속 리본 제조 장치 및 그의 사용방법을 제시하고자 한다.
또한, 본 발명이 제시하는 새로운 비정질 리본 제조 장치를 이용하여, 종래의 제조 장치 및 방법으로는 구현할 수 없었던, 20 마이크로미터(㎛] 이하의 박판 시험편도 제조가 가능하기 때문에, 비정질 리본의 사용 범위도 용이하게 확장하고자 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 리본 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 월(wall)이 더 배치되고, 상기 비정질 형성공간은 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 가지며, 상기 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 월을 따라 상기 나선형으로 회전하며 상기 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각되어 리본이 제조될 수 있다.
또한, 상기 주입공간과 상기 비정질 형성공간이 만나는 지점에는, 상기 유입된 용해된 금속이 상기 월을 따라 상기 나선형으로 회전하며 냉각될 수 있도록 지원하는 가이드 월(wall)이 추가적으로 배치될 수 있다.
또한, 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 월의 높이, 두께 및 상기 나선을 형성한 월 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킬 수 있다.
또한, 상기 용해된 금속의 냉각을 통해 제작된 리본은, 두께가 20 마이크로미터(㎛] 이하일 수 있다.
또한, 상기 몰드는, 상기 기울기 α가 2˚ ≤ α ≤ 20˚를 유지하도록 하고, 상기 기울기의 유지를 기초로, 상기 용해된 금속이 상기 월에 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 리본 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 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 비정질 형성공간에 배치된 나선형으로 회전하는 월(wall)을 따라 회전하며 이동하는 제 3 단계; 및 상기 용해된 금속은, 상기 가장자리 방향으로 회전하여 밀려나면서 냉각되고, 상기 비정질 형성공간의 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기에 따라 두께가 연속적으로 변하는 비정질 금속의 리본이 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 월의 높이, 두께 및 상기 나선을 형성한 월 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킴으로써 수행될 수 있다.
본 발명은 순동 금형에 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 리본 제조 장치 및 그의 사용방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 완전한 형상의 리본 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에는 가이드 dam을 설치하며, 몰드의 기저면은 2˚ ≤ α ≤ 20˚의 각도를 유지하여 원심력에 의해 용탕이 wall에 균일하게 퍼지며, 응고 이후 용이하게 분리할 수 있는 환경을 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 있음. 뿐 만 아니라 몰드의 wall의 두께(x1), wall 간의 간격(x2) 및 wall의 높이(x3)의 조절을 통해 와이어의 두께 및 냉각속도의 조절이 가능한 금속 리본 제조 장치 및 그의 사용방법을 제공될 수 있다.
또한, 본 발명이 제시하는 새로운 비정질 리본 제조 장치를 이용하여, 종래의 제조 장치 및 방법으로는 구현할 수 없었던, 20 마이크로미터(㎛] 이하의 박판 시험편도 제조가 가능하기 때문에, 비정질 리본의 사용 범위도 용이하게 확장할 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 a에 도시된 장치는 종래의 단일 롤러 용융 방사 장치의 기본 구성을 나타낸 것이고, 도 1b에 도시된 장치는 종래의 용융 방사 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치를 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 나선형으로 회전하는 월(wall)이 배치되고, 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 리본 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 a에 도시된 장치는 종래의 단일 롤러 용융 방사 장치의 기본 구성을 나타낸 것이고, 도 1b에 도시된 장치는 종래의 용융 방사 장치의 일례를 도시한 것이다.
또한, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치를 나타낸 사시도이다.
또한, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 나선형으로 회전하는 월(wall)이 배치되고, 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 갖는 비정질 형성공간의 일례를 도시한 것이다.
또한, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 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.
멜트스피닝 공정에 의해 제조된 비정질합금은 우수한 기계적 성질, 내식성, 초전도성, 촉매능 및 연자기적 특성을 가지고 있으나 기존의 비정질리본 제조 공정으로 생산이 가능한 리본의 두께는 약 20 ㎛ 내외이며, 더욱 감소되면 다량의 기공이 발생하여 제품으로서의 가치를 상실하게 된다.
따라서, 비정질 합금 리본 제작에 있어서 높은 냉각속도가 유지하는 것이 요구되지만, 휠의 속도 및 사이즈, 노즐과 휠의 간격 및 분사 압력을 통해서 조절되는 냉각속도에는 한계가 존재한다.
따라서 본 발명에서는 종래의 리본 제조 장치 및 그의 방법을 개선하기 위해, 순동 금형에 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 리본 제조 장치 및 그의 사용방법을 제시하고자 한다.
또한, 본 발명에서는, 완전한 형상의 리본 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에는 가이드 dam을 설치하며, 몰드의 기저면은 2˚ ≤ α ≤ 20˚의 각도를 유지하여 원심력에 의해 용탕이 wall에 균일하게 퍼지며, 응고 이후 용이하게 분리할 수 있는 환경을 제공하고자 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 구현할 수 있음. 뿐 만 아니라 몰드의 wall의 두께(x1), wall 간의 간격(x2) 및 wall의 높이(x3)의 조절을 통해 와이어의 두께 및 냉각속도의 조절이 가능한 금속 리본 제조 장치 및 그의 사용방법을 제시하고자 한다.
또한, 본 발명이 제시하는 새로운 비정질 리본 제조 장치를 이용하여, 종래의 제조 장치 및 방법으로는 구현할 수 없었던, 20 마이크로미터(㎛] 이하의 박판 시험편도 제조가 가능하기 때문에, 비정질 리본의 사용 범위도 용이하게 확장하고자 한다.
원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리본 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 리본 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(미도시)에서 결정화가 시작될 수 있다.
여기서 비정질 형성공간(135b)에는, 나선형으로 회전하는 월(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 월(140b)을 따라 나선형으로 회전하며 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각되어 리본이 제조될 수 있다.
한편, 주입부(120)의 주입공간과 비정질 형성공간(135b)이 만나는 지점에는, 유입된 용해된 금속이 월(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, 월(140b)의 높이, 월(140b)의 두께 및 나선을 형성한 월(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
Figure 112021011634068-pat00001
(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 리본이 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
Figure 112021011634068-pat00002
(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 월(wall, 140b)이 더 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 몰드(130)의 비정질 형성공간(135b)과 관련하여, 주입 공간(135a)과 나선형으로 회전하는 월(wall, 140b)이 도시된다.
또한, 도 3을 참조하면, 주입부(120)의 주입공간과 비정질 형성공간(135b)이 만나는 지점에는, 유입된 용해된 금속이 월(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 월(140b)을 따라 나선형으로 회전하며 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각되어 리본이 제조될 수 있다.
이때, 몰드(130)는, 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 캐비티(135)의 반경, 비정질 형성공간(135b)의 기울기, 월(140b)의 높이, 월(140b)의 두께 및 나선을 형성한 월(140b) 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킬 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 비정질 형성공간(135b) 기울기 α와 월(140b)의 높이인 x3와 월(140b)의 두께인 x1 및 나선을 형성한 월(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) 기울기 α와 월(140b)의 높이인 x3와 월(140b)의 두께인 x1 및 나선을 형성한 월(140b) 간의 이격 거리 x2 중 적어도 하나를 조절하여 리본의 두께 및 냉각속도의 조절이 가능하다.
본 발명에서는, 완전한 형상의 리본 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에 가이드 월(140b)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.
따라서, 본 발명이 제시하는 새로운 비정질 리본 제조 장치를 이용하여, 종래의 제조 장치 및 방법으로는 구현할 수 없었던, 20 마이크로미터(㎛] 이하의 박판 시험편도 제조가 가능하기 때문에, 비정질 리본의 사용 범위도 용이하게 확장할 수 있다.
결국, 본 명세서에서 제안하는 발명은, 높은 냉각 속도가 요구되는 금속 비정질 합금을 몰드와의 접촉시간을 증가시켜 냉각속도를 증가시킴으로써, 박판의 완전한 비정질 리본로 제조 할 수 있는 새로운 개념의 주조기술로서, 몰드의 설계 기술 및 주입구 설계 기술, 리본의 두께 및 리본 폭의 간격 제어 기술 및 주입량 제어 기술을 핵심으로 한다.
이를 통해, 기존의 냉각속도로 제조 불가능한 다양한 박판의 금속 비정질 리본을 높은 냉각속도를 통해 제조 가능해질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 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 월(wall, 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 리본이 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 월의 높이, 두께 및 상기 나선을 형성한 월 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킴으로써 수행될 수 있다.
이를 통해, 리본의 두께 및 냉각속도의 조절이 가능하다.
본 발명은 순동 금형에 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 리본 제조 장치 및 그의 사용방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 완전한 형상의 리본 제작을 위하여 용탕 주입부와 와이어 홈 사이에는 가이드 월을 설치하며, 몰드의 기저면은 2˚ ≤ α ≤ 20˚의 각도를 유지하여 원심력에 의해 용탕이 wall에 균일하게 퍼지며, 응고 이후 용이하게 분리할 수 있는 환경을 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 있음. 뿐 만 아니라 몰드의 wall의 두께(x1), wall 간의 간격(x2) 및 wall의 높이(x3)의 조절을 통해 와이어의 두께 및 냉각속도의 조절이 가능한 금속 리본 제조 장치 및 그의 사용방법을 제공될 수 있다.
또한, 본 발명이 제시하는 새로운 비정질 리본 제조 장치를 이용하여, 종래의 제조 장치 및 방법으로는 구현할 수 없었던, 20 마이크로미터(㎛] 이하의 박판 시험편도 제조가 가능하기 때문에, 비정질 리본의 사용 범위도 용이하게 확장할 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 있음

Claims (8)

  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, 나선형 모양의 월(wall)이 더 배치되고,
    상기 비정질 형성공간은 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기를 갖는 경사구배를 가지며,
    상기 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 월을 따라 상기 나선형으로 회전하며 상기 가장자리 방향으로 밀려나면서 냉각되어 리본이 제조되는 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주입공간과 상기 비정질 형성공간이 만나는 지점에는, 상기 유입된 용해된 금속이 상기 월을 따라 상기 나선형으로 회전하며 냉각될 수 있도록 지원하는 가이드 월(wall)이 추가적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치.
  3. 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 리본 제조 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 몰드는, 상기 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 상기 캐비티의 반경, 상기 기울기, 상기 월의 높이, 두께 및 상기 나선을 형성한 월 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시키는 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 용해된 금속의 냉각을 통해 제작된 리본은, 두께가 20 마이크로미터(㎛] 이하인 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 몰드는, 상기 기울기 α가 2˚ ≤ α ≤ 20˚를 유지하도록 하고,
    상기 기울기의 유지를 기초로, 상기 용해된 금속이 상기 월에 균일하게 퍼지고, 이후 냉각된 상기 용해된 금속의 분리가 가능한 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치.
  7. 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 회전으로 인한 원심력을 기초로, 상기 비정질 형성공간 내부로 유입된 용해된 금속이, 상기 비정질 형성공간에 배치된 나선형으로 회전하는 월(wall)을 따라 회전하며 이동하는 제 3 단계; 및
    상기 용해된 금속은, 가장자리 방향으로 회전하여 밀려나면서 냉각되고, 상기 비정질 형성공간의 가장자리로 갈수록 늘어나거나 줄어드는 기울기에 따라 두께가 연속적으로 변하는 비정질 금속의 리본이 제조되는 제 4 단계; 를 포함하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서, 상기 몰드를 회전시키는 것은,
    상기 용해된 금속의 종류에 따라 회전 각속도, 상기 캐비티의 반경, 상기 기울기, 상기 월의 높이, 두께 및 상기 나선을 형성한 월 간의 이격 거리 중 적어도 하나를 더 변경시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 방법.
KR1020210012501A 2021-01-28 2021-01-28 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법 KR102456442B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210012501A KR102456442B1 (ko) 2021-01-28 2021-01-28 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210012501A KR102456442B1 (ko) 2021-01-28 2021-01-28 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220109539A KR20220109539A (ko) 2022-08-05
KR102456442B1 true KR102456442B1 (ko) 2022-10-21

Family

ID=82826596

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210012501A KR102456442B1 (ko) 2021-01-28 2021-01-28 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102456442B1 (ko)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS594948A (ja) * 1982-06-29 1984-01-11 Sumitomo Electric Ind Ltd ＮｉＴｉ合金線の製造方法
JPH04105755A (ja) * 1990-08-24 1992-04-07 Honda Motor Co Ltd 非晶質金属製線材の製造方法
FR2716130B1 (fr) * 1994-02-14 1996-04-05 Unimetall Sa Procédé et dispositif de coulée continue de fils métalliques de très faible diamètre directement à partir de métal liquide.
JPH1099953A (ja) * 1996-09-30 1998-04-21 Riken Corp 遠心鋳造方法
US7645397B2 (en) 2004-01-15 2010-01-12 Nanosys, Inc. Nanocrystal doped matrixes
KR100631466B1 (ko) 2004-09-22 2006-10-04 학교법인연세대학교 다성분계 합금 조성에서 비정질 형성능 예측 및 평가방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220109539A (ko) 2022-08-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5605870A (en) Ceramic fibers, and methods, machines and compositions of matter for making same
US4781771A (en) Amorphous Co-based metal filaments and process for production of the same
JP5227979B2 (ja) 非晶質合金の熱可塑鋳造
JPS5926685B2 (ja) 金属またはセラミツクのフイラメントおよびその製造法
KR102499091B1 (ko) 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 와이어 제조 장치 및 제조 방법
US9004149B2 (en) Counter-gravity casting of hollow shapes
US4290993A (en) Method and apparatus for making nodule filament fibers
KR102456442B1 (ko) 원심주조를 통한 우수한 냉각능을 가질 수 있는 리본 제조 장치 및 제조 방법
JP3392509B2 (ja) 非晶質合金被覆部材の製造方法
US9101977B2 (en) Cold chamber die casting of amorphous alloys using cold crucible induction melting techniques
KR102456026B1 (ko) 비정질 형성능 측정장치 및 그를 이용한 비정질 형성능 측정방법
USRE33327E (en) Melt overflow system for producing filamentary and film products directly from molten materials
KR102414763B1 (ko) 응고수축에 의한 균열 방지용 비정질 형성능 측정장치 및 그를 이용한 비정질 형성능 측정방법
KR101372301B1 (ko) 진공 원심 주조법에 의한 벌크 비정질 합금 로드의 제조 방법
KR102270609B1 (ko) 비정질 금속 와이어 제조방법
JP4036033B2 (ja) 中炭素鋼の高速鋳造方法
US4813472A (en) Melt overflow system for producing filamentary and film products directly from molten materials
JPH0260752B2 (ko)
JPS649906B2 (ko)
KR100586870B1 (ko) 벌크응고 비정질합금의 연속주조방법 및 그 주조물
RU2817067C1 (ru) Способ получения микропроводов в стеклянной изоляции с жилой из сплава системы Ni-Cr-Si
JP2895536B2 (ja) 連続鋳造方法
JPS649907B2 (ko)
JPH0113945B2 (ko)
JPH11170006A (ja) アモルファス金属連続体の製造方法及びアモルファス金属の連続体へのコーティング方法とその製造装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right