KR20130050745A - 비정질 스트립 성형 방법 및 성형 장치 - Google Patents

비정질 스트립 성형 방법 및 성형 장치 Download PDF

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Abstract

비정질 스트립의 손상이나 결함 발생을 최소화하면서 보다 용이하게 가공할 수 있도록, 비정질 스트립을 성형하기 위한 상형과 하부다이, 상기 상형과 하부다이를 감싸는 챔버, 상기 챔버 내에 설치되어 챔버 내부의 비정질 스트립을 과냉액상 상태로 가열하는 가열부를 포함하는 비정질 스트립 성형 장치를 제공한다.

Description

비정질 스트립 성형 방법 및 성형 장치{DEVICE AND METHOD FOR PRESSING AMORPHOUS STRIP}
본 발명은 금속 스트립 성형 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 경도가 높은 비정질 스트립을 보다 용이하게 성형할 수 있도록 된 비정질 스트립 성형 방법 및 성형 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기강판 모터 코어는 프레스를 이용하여 전기강판을 모터 코어의 형상으로 찍어내는 성형 공정과 성형된 전기강판을 요구되는 두께로 적층하는 공정을 거쳐 제조된다.
전기강판의 경도는 비커스 경도로 210Hv정도의 비교적 낮은 경도값을 나타내므로 상온에서 프레스를 이용하여 비교적 쉽게 성형이 가능하다. 또한, 전기강판은 두께가 0.2 mm 이상이기 때문에 성형 도중에 변형되거나 파괴되지 않고 건전한 성형이 가능하다. 전기강판은 우수한 성형성 이외에도 1.8T 가량의 높은 자속밀도를 나타내므로 오랫동안 이용되고 있다. 그러나, 전기강판은 철손이 1.72W/kg정도로 높다는 단점이 있다. 이에 최근들어 전기강판보다 자속밀도는 약간 낮지만 철손에서 우수한 특성을 보이고, 고주파 대역에서의 적용이 가능한 비정질 소재가 각광을 받기 시작했다.
비정질 소재는 금속을 용융상태에서 105K/s의 빠른 냉각속도로 급속 냉각시켜 제조된다. 이에 비정질 소재는 원자가 규칙적으로 배열하여 결정화할 시간이 없이 액상의 무질서한 원자배열 상태를 고체에서까지 유지시키게 된다. 비정질 소재는 통상적인 결정질 합금과는 달리 원자들이 불규칙하게 배열함으로써 결정성을 갖지 않는 액상과 유사한 구조를 지닌다. 따라서 비정질 합금은 결정질 합금의 특징인 결정입계(grain boundary), 전위(dislocation) 등과 같은 결함(defection)이 존재하지 않으며, 같은 조성의 결정질 금속에 비하여 우수한 연자성, 초자왜, 강인성, 내식성, 초전도성 등의 우수한 특성을 갖는다.
비정질 소재는 빠른 냉각속도가 유지되어야 하므로 두께가 25 ㎛ 내외인 스트립 형태로 제조된다.
상기 비정질 스트립을 모터 코어 등에 사용하기 위해서는 성형 가공이 필요한데, 비정질 스트립은 두께가 매우 얇기 때문에 여러 개를 적층하여 성형가공을 하였을 때 파괴되거나 결함이 발생할 확률이 매우 높다.
또한, 비정질 스트립은 전기강판에 비해 900Hv 정도의 매우 높은 경도를 갖고 있어서, 성형이 어려운 단점이 있다. 또한, 성형 가공시 스트립은 물론 금형에도 손상이 발생할 우려가 크다.
이와 같이 비정질 소재는 전기강판에 비해 두께가 얇고 두 재질의 근본적인 물성과 기계적 성질이 다르기 때문에 전기강판과는 다른 성형 공정이 요구된다.
이에, 비정질 스트립의 손상이나 결함 발생을 최소화하면서 보다 용이하게 가공할 수 있도록 된 비정질 스트립 성형 방법 및 성형 장치를 제공한다.
또한, 성형 가공시 비정질 스트립의 조직 특성을 유지하여 품질 저하를 방지할 수 있도록 된 비정질 스트립 성형 방법 및 성형 장치를 제공한다.
또한, 비정질 스트립 성형 금형의 손상을 줄일 수 있도록 된 비정질 스트립 성형 방법 및 성형 장치를 제공한다.
이를 위해 본 성형 장치는 비정질 스트립을 성형하기 위한 상형과 하부다이, 상기 상형과 하부다이를 감싸는 챔버, 상기 챔버 내에 설치되어 챔버 내부의 비정질 스트립을 과냉액상 상태로 가열하는 가열부를 포함할 수 있다.
상기 가열부는 상기 챔버 내부에 배치되는 적어도 하나 이상의 할로겐램프를 포함할 수 있다.
상기 할로겐램프는 비정질 스트립이 접하는 상기 하부다이의 바닥면에 설치될 수 있다.
상기 할로겐램프는 상기 챔버의 내측면에 설치될 수 있다.
본 장치는 상기 챔버 내부에 설치되어 비정질 스트립의 온도를 검출하기 위한 열전대를 더 포함할 수 있다.
상기 상형은 내부에 발열체가 더 설치될 수 있다.
상기 챔버 또는 상기 하부다이는 내부에 냉각수가 유통되는 구조일 수 있다.
한편, 본 성형 방법은 비정질 스트립을 과냉액상 상태로 승온시키는 가열단계, 가열된 비정질 스트립을 성형하는 가공단계를 포함할 수 있다.
상기 가열단계는 할로겐램프로 비정질 스트립을 가열하는 구조일 수 있다.
상기 가공단계는 상기 가열단계에서 승온된 비정질 스트립의 결정화 개시 시점 이내에 이루어질 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 실시예에 의하면, 비정질 스트립을 용이하고 손쉽게 성형 가공할 수 있게 된다.
또한, 비정질 스트립 성형 과정에서 스트립이 파괴되거나 결함이 발생되는 것을 방지하고, 금형을 손상을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 비정질 스트립의 결정화로 인한 조직 특성 저하를 방지하고 제품의 품질을 유지할 수 있게 된다.
또한, 얇은 비정질 스트립을 적층하여 성형할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 비정질 스트립 성형 장치의 외형을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 비정질 스트립 성형 장치의 내부 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 비정질 스트립 성형 장치의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 비정질 스트립 성형 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 비정질 스트립 성형 장치의 외형을 도시하고 있으며, 도 2와 도 3은 본 실시예에 따른 비정질 스트립 성형 장치의 내부 구성을 도시하고 있다.
이하 설명에서 비정질 스트립의 성형이라 함은 예를 들어, 펀칭(punching) 가공이나 드로잉(drawing) 가공 등과 같이 판재를 프레스하여 모터 코어 등과 같은 원하는 형태로 가공하는 것을 의미한다.
본 실시예에 따른 성형장치(10)는 비정질 스트립을 과냉액상 상태로 승온시켜 성형하는 구조로 되어 있다.
이를 위해 본 성형장치(10)는 도시된 바와 같이, 비정질 스트립을 성형하기 위한 상형(11)과 하부다이(12), 상기 상형(11)과 하부다이(12)를 감싸는 챔버(20), 상기 챔버(20) 내에 설치되어 챔버(20) 내부의 비정질 스트립을 과냉액상 상태로 가열하는 가열부를 포함한다.
본 실시예에서 상기 챔버(20)는 하부다이(12) 상부에 설치되며, 상면과 전후면 및 좌우측면이 막혀져 내부 공간을 갖는 사각 박스 형태로 이루어진다.
상기 챔버(20)의 좌우측면에는 상기 하부다이(12) 사이에 챔버(20) 내부 공간과 연통되는 입구(21)와 출구(22)가 형성되어, 소재인 비정질 스트립을 출입시킬 수 있는 구조로 되어 있다.
이에 상기 챔버(20)는 상형과 하부다이를 전체적으로 감싸, 성형을 위해 챔버(20) 내부로 이동된 비정질 스트립을 외부와 차단시켜 설정된 온도로 급속하게 승온시킬 수 있게 된다.
상기 챔버(20)는 비정질 스트립 가열시 발생되는 열에 충분히 견딜 수 있도록 내측면이 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 상기 챔버(20)는 구조나 그 재질에 있어서 특별히 한정되지 않는다.
상기 상형(11)과 하부다이(12)는 비정질 스트립을 원하는 제품 형태로 성형하기 위한 것으로, 쌍을 이루어 구비된다.
본 실시예에서 상기 상형(11)은 챔버(20)의 상단을 관통하여 상하로 이동가능하게 결합된다. 상기 챔버(20) 외측으로 연장된 상형(11) 상단에는 상형 구동을 위한 프레스(14)가 설치된다. 이에 프레스(14)가 구동되면 상형(11)이 하강되어 하부다이(12) 위에 놓여진 비정질 스트립을 가압하여 원하는 형태로 성형하게 된다.
상기 하부다이(12)는 평판구조물로, 챔버(20) 하부에 배치되며 챔버(20)의 내측 바닥면을 이룬다. 상기 하부다이(12)의 중앙부에는 상기 상형(11)과 대응되는 위치에 제품 형태에 맞춰 비정질 스트립 가공을 위한 성형틀(13)이 요부(凹部) 형태로 형성된다. 상기 성형틀(13)은 성형하고자 하는 제품의 형상에 맞춰 다양하게 변형가능하다.
상기 가열부는 상기 챔버(20) 내부에 배치되어 비정질 스트립을 가열하는 적어도 하나 이상의 할로겐램프(30)를 포함한다. 상기 할로겐램프(30)는 성형 전에 비정질 스트립에 열을 가하여 비정질 스트립이 과냉액상 상태가 되도록 한다.
여기서 과냉액상 상태란 용융 금속이 급냉되면서 응고점 이하의 온도에서도 액상을 나타내는 것으로서, 보통 유리천이 온도(Tg)와 결정화 온도(Tx) 사이의 온도 구간에서의 상태를 의미한다. 비정질 스트립의 성분에 따라 상기 구간이 달라져서 온도가 높아지거나 낮아지는 변화를 보이지만, 성분에 관계없이 모든 비정질 스트립은 각각의 과냉액상 상태로 가열되면 동일하게 점성도가 크게 감소하여 경도 및 강도 값이 상온에서 보다 매우 작은 특성을 나타낸다.
따라서 본 성형장치(10)는 상기와 같이, 비정질 스트립이 할로겐 램프(30)에 의해 과냉액상 상태로 가열됨에 따라, 보다 적은 힘을 가하여 비정질 스트립을 성형할 수 있고, 성형시 비정질 스트립과 설비의 파손을 최소화하면서 빠른 속도로 가공이 가능하게 된다.
이와 같은 비정질 스트립의 과냉액상 영역에서 나타내는 특성을 이용하기 위해서는 과냉액상 영역으로 온도를 최대한 빠르게 승온해야 한다. 그렇지 않는 경우, 비정질 스트립이 장시간 열에 노출되어 내부에 결정상이 형성될 수 있다.
따라서 본 성형장치(10)는 언급한 바와 같이 비정질 스트립을 급속 가열할 수 있도록 할로겐램프(30)가 이용된다. 상기 할로겐램프(30)는 비정질 스트립을 최대한 빠르게 과냉액상 상태로 승온시키게 된다.
여기서, 할로겐램프(30)를 사용하지 않고 전기로 등과 같은 일반적인 구조를 사용하는 경우에는 비정질 스트립의 급속 가열이 어렵다. 이에 비정질 스트립이 과냉액상 영역보다 낮은 온도로 승온되거나 과냉액상 영역으로 가열된 상태에서 장시간 열에 노출된다. 비정질 스트립이 과냉액상 영역보다 낮은 온도 상태에서는 경도와 강도가 감소되지 않아 성형이 어려워진다. 또한, 비정질 스트립이 과냉액상 영역에서 장시간 열에 노출되는 경우에는 언급한 바와 같이 비정질 스트립 내부에 결정상이 형성될 수 있는데, 이 결정상은 비정질 스트립의 연자성 성질을 저하시키게 된다. 그리고 기계적 성질 측면에서는 취성을 발생시켜 적은 힘으로도 쉽게 파괴될 수 있다. 즉, 일반적인 가열 구조를 통해서는 비정질 스트립을 급속하게 가열하기 어려워 비정질 스트립이 결정화되는 것을 피할 수 없다.
이와 같이, 본 성형장치(10)는 상기 할로겐 램프(30)에 의해 비정질 스트립을 과냉액상 상태로 급속 가열시킬 수 있게 된다. 따라서 비정질 스트립의 성형 이후 다음 성형시 비정질 스트립이 급속 가열되어 비정질 스트립이 장시간 열에 노출되는 것을 피할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 할로겐램프(30)는 비정질 스트립이 지나가는 상기 하부다이(12)의 바닥면에 설치된다. 이에 비정질 스트립은 챔버(20) 내부로 진입되어 하부다이(12)를 따라 진행되는 과정에서 하부다이(12)에 설치된 할로겐램프(30)에 의해 급속 가열된다. 또한, 상기 할로겐램프(30)는 상기 챔버(20)의 내측면에 설치될 수 있다. 상기 챔버(20)의 내측면에 설치되는 할로겐램프(30)는 비정질 스트립을 간접적으로 가열하면서, 챔버(20) 내부 온도를 승온시켜 비정질 스트립의 급속 가열을 보조하게 된다. 상기 할로겐램프(30)는 복수개가 간격을 두고 연속적으로 배치된 구조로 되어 있다.
상기 하부다이(12)에 할로겐램프(30)를 설치하기 위해, 상기 하부다이(12) 윗면에는 할로겐램프(30)가 삽입되는 홈(32)이 간격을 두고 형성된다. 상기 홈(32)은 할로겐램프(30)와 대응되는 크기로 이루어진다. 상기 할로겐램프(30)는 상기 홈(32)에 설치되어 홈 내측에 위치하게 된다. 이에 도 3에 도시된 바와 같이 하부다이(12)의 홈(32)에 설치되는 할로겐램프(30)는 하부다이(12) 위쪽으로 돌출되지 않아 비정질 스트립 이동시 비정질 스트립과 간섭되지 않는다.
또한, 상기 챔버(20) 내부에는 비정질 스트립의 온도를 검출하기 위한 열전대(34)가 더 설치된다. 상기 열전대(34)는 성형이 이루어지는 하부다이(12)의 성형틀에 근접 배치되어 실제 성형시의 비정질 스트립 온도를 정확히 검출하게 된다. 상기 열전대(34)에서 검출된 온도값은 예를 들어, 챔버(20) 외측에 배치된 제어부 등에 인가됨으로써 작업자가 확인 조치할 수 있도록 한다.
또한, 본 성형장치(10)는 상기 상형(11) 내부에 설치되어 상형(11)을 가열하는 발열체(36)를 더 포함한다. 상기 발열체(36)는 예를 들어, 전기에너지를 열에너지로 전환하는 전열선일 수 있으며, 열을 발생하는 구조면 특별히 한정되지 않는다.
비정질 스트립은 성형 공정이 끝날 때까지 과냉액상 상태를 유지할 필요가 있다. 이에 상기 발열체(36)는 상형(11)을 가열함으로써, 상형(11)의 온도를 적정하게 유지하게 된다. 따라서 성형 과정에서 비정질 스트립을 가압하는 상형(11)에 의해 비정질 스트립의 온도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 챔버(20) 또는 상기 하부다이(12)는 내부로 냉각수가 유통되는 구조로 되어 있다. 이를 위해, 상기 챔버(20) 또는 상기 하부다이(12) 내부에는 냉각수 유통을 위한 냉각유로(16)가 형성되며, 상기 냉각유로(16)는 냉각수 공급부(18)와 연결되어, 필요시 냉각수를 순환시키게 된다. 챔버(20) 또는 하부다이(12)로 냉각수가 유통됨에 따라 챔버(20)와 하부다이(12)의 온도를 비정질 스트립 성형을 위한 최적으로 조건으로 유지할 수 있게 된다.
이하, 도 4를 참조하여 비정질 스트립의 성형 방법에 대해 살펴보면 다음과 같다.
본 실시예의 성형 방법은 비정질 스트립을 과냉액상 상태로 가열하는 가열단계(S100)와, 가열된 비정질 스트립을 성형하는 가공단계(S200)를 포함한다.
비정질 스트립은 챔버(20) 내부에서 하부다이(12)를 지나면서 하부다이(12)에 설치된 할로겐램프(30)의 고열에 의해 급속 가열된다.
상기 가열단계에서는 할로겐램프(30)를 통해 비정질 스트립의 온도를 과냉액상 영역으로 승온시키게 된다.(S100)
과냉액상 상태의 비정질 스트립은 하부다이(12)에 형성된 성형틀로 이동된다. 그리고 성형틀 상부에 배치된 상형(11)이 프레스에 의해 눌려짐에 따라 성형된다. (S200)
이와 같이, 상기 비정질 스트립이 과냉액상 상태로 승온됨에 따라, 비정질 스트립의 경도 및 강도값이 낮아져 성형이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
여기서 상기 가공단계는 상기 가열단계에서 승온된 비정질 스트립의 결정화 개시 시점 이내에 이루어진다. 즉, 본 성형 방법은 비정질 스트립의 온도를 과냉액상 영역으로 승온시킨 후 성형 공정이 완료되는 시점까지의 공정 시간이 비정질 스트립 승온 후 결정화가 시작되는 시점보다 짧은 구조로 되어 있다. 이에 상기 공정 시간이 비정질 스트립의 결정화 개시 시점보다 길어지는 것을 피할 수 있게 된다.
따라서 본 성형 방법은 비정질 스트립을 급속 가열하여 열에 장시간 노출시키지 않고 바로 성형함으로써, 과냉액상 상태에서 비정질 스트립을 성형할 수 있고, 성형 과정에서 비정질 스트립에 결정상이 형성되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10 : 성형장치 11 : 상형
12 : 하부다이 13 : 성형틀
16 : 냉각유로 20 : 챔버
30 : 할로겐램프 32 : 홈
34 : 열전대 36 : 발열체

Claims (6)

  1. 비정질 스트립을 성형하기 위한 상형과 하부다이, 상기 상형과 하부다이를 감싸는 챔버, 상기 챔버 내에 설치되어 챔버 내부의 비정질 스트립을 과냉액상 상태로 가열하는 가열부를 포함하는 비정질 스트립 성형 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 내부에 설치되어 비정질 스트립의 온도를 검출하기 위한 열전대를 더 포함하는 비정질 스트립 성형 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상형 내부에 발열체가 더 설치된 비정질 스트립 성형 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 챔버 내부에 배치되는 적어도 하나 이상의 할로겐램프를 포함하는 비정질 스트립 성형 장치.
  5. 비정질 스트립을 과냉액상 상태로 승온시키는 가열단계와,
    가열된 비정질 스트립을 성형하는 가공단계
    를 포함하는 비정질 스트립 성형 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가공단계는 상기 가열단계에서 승온된 비정질 스트립의 결정화 개시 시점 이내에 이루어지는 비정질 스트립 성형 방법.
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