KR20060073358A - 스트립캐스팅을 이용한 비정질 합금판재의 제조방법 및 그장치 - Google Patents

스트립캐스팅을 이용한 비정질 합금판재의 제조방법 및 그장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스트립캐스팅(Strip Casting) 공정을 이용하여 연속적으로 벌크 비정질 합금판재 혹은 비정질상과 결정질상이 혼합된 합금판재를 제조하는 방법 및 그에 관한 장치를 제공함을 목적으로 한다.
이를 위한 본 발명에 따른 스트립캐스팅을 이용한 비정질 합금판재의 제조방법은, 용해로로부터 공급되는 용융금속이 서로 다른 직경을 갖는 한 쌍의 주조롤에 의해 가압되면서 응고되도록 한 후, 상기 주조롤들 중 단직경을 갖는 주조롤의 후방측에 배열되어 장직경을 갖는 주조롤과 각각 쌍을 이루는 복수개의 냉각롤에 의해 상기 주조롤을 통과한 금속스트립이 연차적으로 접촉되면서 냉각되도록 하여, 상기 용융금속의 용해온도(Tm)와 유리전이온도(Tg) 사이에서의 냉각속도가 적어도 상기 냉각롤의 수에 의해 조절될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 비정질 합금판재의 제조장치는 상기된 주조롤과 냉각롤의 조합을 포함한다.
비정질, 결정질, 스트립캐스팅, 판재

Description

스트립캐스팅을 이용한 비정질 합금판재의 제조방법 및 그 장치{Method for fabricating plate of amorphous metal by using Strip Casting process and the device thereof}
도 1은 통상적인 냉각곡선 그래프로서, 냉각속도에 따른 주조상의 조직변화를 나타내기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 합금판재의 제조장치의 개략도이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비정질 합금판재의 제조방법에 의해 제조된 벌크 비정질 합금의 조직구조를 보인 TEM사진으로서, 도 3에는 비정질상을 갖는 조직구조가 나타나 있으며, 도 4에는 비정질상의 기지에 결정질상이 정출된 조직구조가 나타나 있다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 용해로 2: 용탕공급노즐
3, 4: 주조롤 5: 냉각롤
본 발명은 비정질 합금판재의 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스트립캐스팅(Strip Casting) 공정을 이용하여 연속적으로 벌크 비정질 합금판재 혹은 비정질상과 결정질상이 혼합된 합금판재를 제조하는 방법 및 그에 관한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 비정질 합금은 기존의 결정질 금속과 비교하여 결정구조가 물이나 유리와 같이 원자의 배열이 무질서하고 결정상태로 되어 있지 않는 합금을 말하는 것으로, 결정입계(Grain Boundary)가 없으므로 전자기 특성이 우수하며, 1∼2% 정도의 자유체적(Free Volume)과 가열시 초소성(Super Plasticity)을 나타내어 우수한 강도 및 성형성을 갖는 소재이다.
이러한 비정질 합금의 제조방법으로서, 종래에는 증공증착을 통하여 비정질의 금속박막을 제조하거나 급냉응고를 통하여 박형의 비정질 금속스트립이나 분말을 제조하는 방법이 사용되었으며, 최근들어서는 비정질 형성능이 우수한 팔라듐(Pd), 지르코늄(Zr) 합금계가 개발(미국특허 제5735975, 일본공개공보 제1999-189855호)됨에 따라 칠주조(Chill Casting) 또는 다이캐스팅에 의한 비정질 합금제조방법(미국특허 제5896642호, 제6453977호)이 적용되고 있다.
또한 일본공개공보 제2002-080949호, 제1998-102223호, 제1999-256277호에는 비정질 성형능이 우수한 철(Fe)계 합금이 소개되어 있는데, 이러한 철계 합금의 경우 비정질상을 형성시키기 위해서는 응고시 1000℃/sec 이상의 빠른 냉각이 필요하기 때문에 철계 비정질 합금은 앞서의 팔라듐-지르코늄 합금계에서와 마찬가지로 칠주조(Chill Casting)에 의해 제공된다.
그러나 위와 같은 비정질 합금 제조방법은 빠른 냉각속도를 보장하기 ㎛두께의 비정질 박판이나 분말을 제공하는 것에 그칠 뿐만 아니라 그 제조공정 또한 불연속적으로 이루어진 것이어서, 두께 1mm 이상의 벌크 비정질 합금판재를 연속공정에 의해 보다 효율적으로 제조하는데 까지 이르지는 못한 한계가 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 스트립캐스팅(Strip Casting)을 이용하여 용해로로부터 공급되는 용용금속을 해당 합금의 유리전이온도(Glass Transition Temperature: Tg) 이하까지 충분히 냉각시켜 비정질 합금판재 또는 비정질상과 결정질상이 혼합된 합금판재를 연속적으로 제조하는 방법 및 그에 관한 장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 두께 1mm 이상의 벌크 비정질 합금판재를 스트립캐스팅에 의해 제공하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 용융금속이 스트립캐스팅 공정의 주조롤에 의해 1mm 이상의 두께로 압연되는 경우 비정질상이 생성되지 않으므로 주조롤의 후방에 추가적인 냉각롤을 설치하여 주조롤을 통과하는 금속스트립과 접촉되면서 금속스트립을 냉각시키도록 하는 구성을 제공한다.
특히, 본 발명은 용해로로부터 공급되는 용융금속을 연속배열된 쌍롤을 사용하여 가압시키면서 냉각시키는 경우, 연속배열된 각 쌍롤간의 이격된 공간에서는 금속스트립의 급속한 냉각을 보장할 수 없다는 것에 착안하여 각 쌍롤간의 이격거리를 최소가 되도록 하여 금속스트립이 복수개의 쌍롤과 접촉되어 급속히 냉각될 수 있도록 한 구성을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스트립캐스팅을 이용한 비정질 합금판재의 제조방법 및 그 장치는, 직경이 상이한 한 쌍의 주조롤과 이 주조롤들 중 단직경을 갖는 주조롤의 후방에 배치되어 한 쌍의 주조롤 중 장직경을 갖는 주조롤과 쌍을 이루며 회전하는 복수개의 냉각롤을 조합하여, 용해로로부터 공급되는 용융금속이 주조롤을 통과하며 1차 응고된 후 복수개의 냉각롤을 통과하며 연차적으로 2차 냉각되도록 한 것을 특징으로 한다.
이때, 주조롤은 금속스트립에 대한 압연과 냉각기능을 동시에 수행하며 냉각롤은 통과되는 금속스트립과의 접촉에 의해 금속스트립을 냉각시키는 기능을 수행하는데, 주조롤을 통과하며 1차 응고된 금속스트립은 복수개의 냉각롤에 의해 용해온도(Tm)와 유리전이온도(Tg) 사이의 온도영역(ΔT=Tm-Tg)에서 급속히 냉각됨으로써, 비결정질 구조를 갖는 판재로 가공된다.
이하 첨부된 도면을 첨부하여 위와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 비정질 합금판재의 제조방법 및 그 장치에 대하여 보다 상세히 살펴본다.
일반적으로 용해온도(Tm) 이상으로 과열(Super Heating)되어 용해된 합금은, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 용해온도(Tm)에서 응고된 후 용해온도(Tm)와 유리전이온도(Tg) 사이의 온도구간(ΔT)에서의 냉각속도에 따라 그 금속구조가 결정된다. 즉, 냉각곡선 A에서와 같이 냉각속도가 늦은 경우에는 해당 금속스트립은 결정질구조를 갖게 되며, 냉각곡선 C에서와 같이 유리전이온도(Tg) 이하 까지 급속히 냉각시키는 경우에는 해당 금속스트립은 비정질구조를 가지게 되며, 냉각곡선 B에 서와 같이 중간정도의 냉각속도로 냉각되는 경우 해당 금속스트립은 비정질상 내에 결정질상이 정출된 혼합구조를 갖게 된다.
한편, 스트립캐스팅 공정은 선속도가 0.1∼1m/sec 정도로서 4∼6mm 두께의 판재의 제조가 가능한데, 이러한 공정속도에서는 냉각속도가 초당 수℃ 정도로서 이에 의해서는 비정질구조가 얻어지지 않는다. 따라서, 스트립캐스팅에 의해 비정질구조의 판재합금을 얻기 위해서는 냉각속도를 증가시키기 위한 조건에 대한 고려가 필요하다.
R ∝ A/Xm ∝ Sn (식 1)
여기서, R은 냉각속도, X는 판재의 두께, S는 주조롤의 선속도, A, m, n은 주조롤의 설계 및 판두께에 따른 연절달 관련 인자로서, 냉각속도(R)은 판재의 두께(X)에 반비례하고 선속도(S)에 비례한다. 따라서 스트립캐스팅시 냉각속도를 높이기 위해서는 판두께(X)를 얇게 하고 선속도(S)를 높혀야 한다.
이때, 스트립캐스팅의 속도와 관련된 식은 아래와 같다.
t = L/S (식 2)
여기서 t는 주조롤과 냉각되는 금속스트립의 접촉시간, L은 주조롤의 둘레를 따라 금속스트립이 접촉되는 접촉호의 길이, S는 주조롤의 선속도로서, 스트립캐스팅에 따른 냉각속도를 높히기 위해서는 주조롤의 선속도를 1m/sec 이상으로 높일 필요가 있으나, 일정한 접촉호의 길이는 일정하므로 주조롤의 선속도가 빨라지는 경우 금속스트립은 주조롤에 의해 충분히 냉각되지 않은 상태에서 주조롤을 빠져나 와 대기중에서 됨으로써 결정질로 형성될 수 있다.
따라서 본 발명에서는, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 용해로(1)부터 용탕공급노즐(2)을 통하여 공급되는 용융금속이 서로 다른 직경을 갖는 주조롤(3, 4)을 통과한 후, 주조롤의 후방에 배치된 복수개의 냉각롤(5)에 의해 연차적으로 냉각될 수 있도록 하여 비정질 합금판재가 제조될 수 있도록 하였다.
이때, 주조롤 중 하부주조롤(3)은 주조롤에 의한 냉각성능을 높이기 위해서 장직경을 갖도록 하였으며, 상부주조롤(4)은 그 후방에 복수개의 냉각롤(5)이 설치될 수 있도록 함과 아울러 하부주조롤(3)의 둘레에 차례로 배열된 냉각롤(5)과의 간격을 좁히기 위하여 소형으로 제작되었다. 또한, 복수개의 냉각롤(5)은 하부주조롤(3)과 쌍을 이루며 회전될 수 있도록 설치되며, 적어도 상부주조롤(4) 보다 작은 직경을 갖도록 하였다. 미설명된 부호 6은 냉각롤(5)을 통과한 금속스트립을 안내하기 위한 가이드이다.
이와 같이 구성된 비정질 합금판재 제조장치는, 상부주조롤(4)의 후방에 배치된 냉각롤(5)의 갯수를 조절함을 통하여 주조롤(3, 4)를 통과한 금속스트립의 용해온도(Tm)와 유리전이온도(Tg) 사이에서의 냉각속도가 조절될 수 있다. 이하 본 발명의 효과를 확인하기 위한 일실시예를 살펴본다.
실시예
사용된 합금은 철(Fe)계 합금으로서, 두께 1∼2mm의 비정질 합금판재를 제조하기 위하여 주조롤의 선속도는 1∼10m/sec로 조절함과 아울러 하부주조롤(3)과 쌍을 이루도록 설치된 냉각롤(5)은 2∼3개로 조절되도록 하였고, 하부주조롤(3)에는 냉각수를 공급하였다. 사용된 합금성분과 이 합금에 대한 주요한 데이터는 아래의 표 1과 같다.
<표 1>
합금성분 Tx(K) Tg(K) Tm(K) ΔT(Tm-Tg) Trg(Tg/Tm)
Fe63Ni7Zr6Cr8Si3B10W3 859 795 1464 668 0.544
위 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따라 주조롤(3, 4)과 냉각롤(5)을 통과한 Fe63Ni7Zr6Cr8Si3B10W 3의 금속스트립을 DSC(Differential Scanning Calori Meter), DTA(differential theremal analysis)를 이용하여 측정한 결과, 결정화온도(Tx)는 859K, 유리전이온도(Tg)는 795K, 합금용해온도(Tm)은 1464K, 냉각온도구간(ΔT(Tm-Tg))은 668K, 단순유리전이온도 Trg(Tg/Tm)는 0.544로 나타났다. 따라서, 이 합금의 개략적인 냉각속도는 Trg값을 유추해 보면 1000℃/sec이상으로 예측될 수 있었다.
실험은 Fe63Ni7Zr6Cr8Si3B10W3 합금을 용해로(1)에 장입하고 용해한 후 공급관을 통하여 용탕공급노츨(2)에 공급하고, 공급된 용탕은 용탕공급노즐의 선단을 통하여 쌍롤식의 주조롤(3, 4) 사이에 주입되어 가압되면서 냉각되도록 하였다. 이때, 주조롤 중 하부주조롤(3)에는 냉각수를 공급하여 주조롤에 의한 냉각효과를 증가시켰으며, 주조롤 사이에서 응고된 금속스트립은 하부주조롤(3)의 둘레를 따라 설치된 복수개의 냉각롤(5)에 의해 추가적으로 냉각되도록 하였다.
이때, 얻어지는 합금판재의 두께는 주조롤(3, 4)에 의해 결정되도록 하였으 며, 냉각롤(5)과 하부주조롤(3) 사이의 간격은 이를 통과되는 합금판재가 롤에 접촉되어 냉각될 수 있는 정도로만 조절되었다.
이러한 실험의 결과 하부주조물(3)에 공급되는 냉각수의 양, 주조롤의 선속도 및 냉각롤의 수를 조절함을 통하여 ΔT(Tm-Tg) 온도구역에서 도 2의 B와 C곡선에 해당하는 냉각속도를 얻을 수 있었다. 도 3과 도 4에는 본 실험에 따라 얻어진 철계 비정질 합금판재의 미세조직을 TEM(Transmission Electron Microscopy)으로 촬영한 사진이 도시되어 있으며, 각 공정변수의 조절에 따라 도 3에서와 같이 비정질 합금상이 현저하게 나타나거나, 도 4에서와 같이 비정질상 기지에 결정질 상들이 정출되기도 하였다.
상기한 바와 같은 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 설명된 것으로 각 구성들에 대한 다양한 변형이 가능함이 이해되어야 하며, 본 설명 및 특허청구범위에서 기재하고 있는 비정질 합금판재의 제조방법에서 비정질 합금판재에는 비정질상과 결정질상이 혼합된 합금판재가 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 스트립캐스팅을 이용한 비정질 합금판재의 제조방법 및 그 장치에 따르면, 두께 1mm 이상의 벌크 비정질 합금판재를 스트립캐스팅을 이용하여 연속적으로 제조할 수 있게 된다.
특히, 상부주조롤이 하부주조롤의 직경 보다 작은 직경을 갖도록 하고, 하부주조롤의 둘레에 상부주조롤 보다 작은 직경의 냉각롤이 배열되도록 함으로써, 연 차배열된 각 롤간의 이격간격이 작아지게 되어 냉각롤을 통한 고온 금속스트립의 냉각기능이 향상된다.

Claims (4)

  1. 스트립캐스팅을 이용한 비정질 합금판재의 제조방법에 있어서,
    용해로로부터 공급되는 용융금속이 서로 다른 직경을 갖는 한 쌍의 주조롤에 의해 가압되면서 응고되도록 한 후, 상기 주조롤들 중 단직경을 갖는 주조롤의 후방측에 배열되어 장직경을 갖는 주조롤과 각각 쌍을 이루는 복수개의 냉각롤에 의해 상기 주조롤을 통과한 금속스트립이 연차적으로 접촉되면서 냉각되도록 하여, 상기 용융금속의 용해온도(Tm)와 유리전이온도(Tg) 사이에서의 냉각속도가 적어도 상기 냉각롤의 수에 의해 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 비정질 합금판재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주조롤들과 냉각롤들을 통과하여 제조된 비정질 합금판재의 두께는, 상기 한 쌍의 주조롤에 의해 결정되도록 한 것을 특징으로 하는 비정질 합금판재의 제조방법.
  3. 스트립캐스팅을 이용한 비정질 합금판재의 제조장치에 있어서,
    서로 다른 직경을 가지며 용해로로부터 공급되는 용융금속을 가압시키면서 1차 냉각시키는 한 쌍의 주조롤과,
    상기 주조롤을 통과한 고온의 금속스트립이 연차적으로 접촉되면서 냉각되도 록, 상기 주조롤들 중 단직경을 갖는 주조롤의 후방측에서 장직경을 갖는 주조롤의 둘레를 따라 배열되며 장직경을 갖는 주조롤과 각각 쌍을 이루는 복수개의 냉각롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 합금판재의 제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각롤들의 직경은 상기 한 쌍의 주조롤 중 단직경의 주조롤의 직경 보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 비정질 합금판재의 제조장치.
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