KR101934152B1 - 표면하 인장 잔류 응력을 갖는 성형된 소잉 와이어 - Google Patents

Abstract

경질 재료를 절단하도록 구성된 성형된 소잉 와이어는 그 사이에 세그먼트들을 갖는 절곡부를 갖는 와이어를 포함한다. 와이어는 소잉 중에 와이어의 형상을 유지하기 위한 표면하 인장 잔류 응력을 갖는다. 소잉 와이어는 소잉 프로세스로부터 절단부의 입구 이후로부터 와이어의 출구까지 그 형상을 유지하는데, 이는 상당히 향상된 절단 효율을 나타낸다.

Description

표면하 인장 잔류 응력을 갖는 성형된 소잉 와이어 {A SHAPED SAWING WIRE WITH SUBSURFACE TENSILE RESIDUAL STRESSES}

본 발명은 경질 재료를 절단하도록 구성된 강제 와이어(steel wire)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실리콘 잉곳, 실리콘 웨이퍼, 초경합금(cemented carbide), 자석 재료, 석영 로드, 사파이어 및 세라믹과 같은 재료를 절단하는데 사용되는 강제 와이어에 관한 것이다.

광전지(photovoltaic) 또는 반도체 분야에 있어서 경질 재료의 멀티-와이어 소잉(multi-wire sawing)은 이하와 같이 수행된다.

1. 구동되는 캡스턴(capstan)들 위로 다중 루프로 단일 와이어를 안내,

2. 캡스턴들은 루프들 사이에서 와이어를 오프셋하기 위한 홈을 구비하며, 따라서, 와이어 웨브가 형성됨,

3. 작업편이 와이어 웨브 내로 저속으로 진입하는 동안 와이어 웨브 상에 공급되는 절단제로서 유리상태(loose) 연마 슬러리를 사용,

4. 와이어는 2개의 스풀 사이에서 왕복되거나(전후방향), 대안적으로 와이어는 항상 동일한 방향으로 이동함.

와이어는 소잉 프로세스에서 중요한 역할을 하는 것이 명백하다. 와이어의 기능은 연마 슬러리를 절단부 내로 견인(dragging)하면서 작업편에 대해 마찰하는 것이다. 슬러리 내의 연마제는 작업편 뿐만 아니라 와이어의 일부를 마삭한다. 와이어는 특정 장력을 항상 유지하는 것이 가능해야 하는데, 이는 이 장력이 연마 입자를 작업편 내로 압박하는 수직력으로 변환되기 때문이다.

직선형 와이어에 있어서, 다양한 특허들은 소잉 중에 와이어의 직선성을 유지하기 위해, 낮은 내부 응력(중립 또는 압축) 또는 제로-잔류 응력 구배의 이점을 개시하고 있다. 그러나, 연마 슬러리에 의한 소잉 프로세스에서 와이어는 사용 동안 마모되고 따라서 직경이 감소하기 때문에, 인가된 장력 하에서 파괴되기 전에 교체되어야 한다. 게다가, 직선형 와이어는 절단 중에 그 종축 주위로 회전하는 경향이 있기 때문에, 초기에 와이어와 작업편 사이에 포획되어 있는 연마 입자는 와이어와 작업편 사이로부터 밀려나오는 경향이 있다. 그 결과, 연마제의 양은 절단의 시작 이후에 고갈된다. 와이어와 작업편 사이에 적은 연마제가 존재하면, 절단은 감소되고 와이어와 작업편 사이의 마찰이 발생하기 시작한다. 이 고갈은 400 mm 이하의 절단 길이의 경우에(실리콘 잉곳의 예 참조) 문제가 되지 않지만, 더 긴 길이가 절단될 필요가 있을 때 문제가 된다. 따라서, 절단 동작이 절단부의 출구까지 유지되도록 절단부 내에 충분한 연마제를 혼입하기 위한 방식을 발견하는 것이 와이어 소잉의 분야에서 반복되는 주제이다.

KR 100 888 026 B1호는 소잉 프로세스 중에 와이어 직경의 감소에 의해 발생된 고갈된 절단 성능을 보충하기 위해 직선 형상을 작은 파형 형상으로 변환하기 위해 특정 범위 내의 잔류 응력을 갖는 직선형 와이어를 개시하고 있다. 전술된 바와 같이, 직선형 와이어는 프로세스 도중에 마모되고, 직경은 점진적으로 감소한다. 따라서, 슬러리 견인 능력 뿐만 아니라 절단 효율이 단계적으로 감소된다. 이러한 직선형 와이어 상에 인가된 잔류 응력의 주의 깊은 선택에 의해, 소잉이 진행함에 따라, 직선형 와이어는 더 많은 슬러리를 절단부 내로 혼입하여 절단 효율에 더 기여하게 되는 작은 파형 형상을 갖는 구조화된 소잉 와이어가 된다. 그 때문에, 절단 작용이 유지된다. 문제점은 잔류 응력이 매우 정밀하게 제어되어야 하기 때문에 이러한 특정 직선형 와이어를 제조하는 것이 어렵다는 것이다. 잔류 응력이 매우 정밀하게 제어되지 않으면, 이는 완전히 반대의 효과를 갖게 될 것이다.

소잉 중에 절단부 내로 더 많은 연마 슬러리를 혼입하기 위한 해결책들 중 하나는 와이어 자체를 구조화하는 것임이 명백하며, 이러한 구조화는 전술된 바와 같은 성형된 것으로 직선형 와이어를 제조하는 것을 의미한다.

WO 2006 067062호는 복수의 크림프(crimp)를 구비한 모노필라먼트 소잉 와이어를 개시하고 있고, 각각의 크림프는 피치 길이 및 진폭을 갖고, 크림프는 적어도 2개의 상이한 평면 내에 배열되어 있다. 소잉 와이어의 외접 포위 직경(circumscribed enveloping diameter)('D')은 와이어 자체의 직경 'd'의 1.05 내지 1.50배이다.

WO 2012069314호는 사이에 절곡부(bend)를 갖는 세그먼트들을 포함하는 나선체형 형상을 갖는 강제 소잉 와이어를 설명하고 있다. 절곡부는 나선체형 형상에 대해 반경방향 외향한다. 소잉 와이어의 이러한 형상은 연마 입자와의 양호한 협력작용을 갖도록 구성된다. 이 종류의 성형된 소잉 와이어는 연마 입자 혼입 및 작용의 상당한 개선을 달성한다.

그러나, 각각의 구조화된 소잉 와이어에서, 형상은 와이어 마모 및 인가된 장력에 기인하여 절단 프로세스 중에 열화될 것이다. 또한, 와이어가 절단부 내로 반복적으로 진입함에 따라, 잉곳 내로 매번 진입할 때마다 오리피스를 통해 인발되는 것과 같이 와이어의 직선화 효과가 존재한다(이는 수천회 이상만큼 일 수 있음). 이는 절단의 시작 이후로부터 절단의 종료까지 형상이 유지될 수 없게 한다. 연마 입자 견인 능력 뿐만 아니라 와이어의 절단 효율은 소잉 프로세스 중에 시간이 경과함에 따라 감소된다는 것이 상기로부터 명백하다.

본 발명의 목적은 전술된 종래의 결점들 중 적어도 하나가 제거되는 성형된 소잉 와이어를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 절단부 진입으로부터 소잉 프로세스로부터의 와이어의 출구까지 그 형상을 유지하는 성형된 소잉 와이어를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 태양에 따르면, 실리콘, 게르마늄, 실리콘 카바이드, 석영 및 글래스, 세라믹 재료, 사파이어, 희토류 자석, 대리석과 같은 자연석 등과 같은 경질 및 취성 재료를 소잉하기에 특히 적합한 성형된 소잉 와이어가 설명된다.

본 발명의 소잉 와이어는 그 가장 일반적인 형태에서, 그 사이에 세그먼트를 갖는 절곡부들을 갖는 강제 와이어이다. 절곡부들 사이의 세그먼트들은 실질적으로 직선형이다. 여기서, 세그먼트들은 임의의 경우에 절곡부에서 와이어의 곡률보다 훨씬 더 작은 소정 곡률을 나타낼 수 있다는 것을 의미한다. 절곡부는 내부 및 외부 곡률부를 갖는다. '내부 곡률부'는 2개의 인접한 세그먼트 사이에 있는 절곡부의 부분을 의미하고, 반면에 '외부 곡률부'는 '내부 곡률부'에 원주방향으로 대향하고 인접한 세그먼트로부터 이격하여 위치된다. 본 발명의 소잉 와이어는 소잉 중에 와이어의 형상을 유지하기 위한 표면하(subsurface) 인장 잔류 응력을 더 갖는다. 용어 "표면하"는 와이어의 외부면으로부터 매우 작은 거리, 예를 들어 외부면으로부터 5 내지 10 ㎛의 깊이가 존재하는 개념으로 이해되어야 한다. 본 출원에 있어서, 성형된 소잉 와이어의 표면하 인장 잔류 응력은 형상 변형을 회피하기 위해 소잉 중에 와이어의 형상을 유지하는 것이다.

상기 세그먼트들 내의 표면하 잔류 응력은 바람직하게는 적어도 1500 MPa, 예를 들어 1800 MPa 초과이고, 본질적으로 인장이다.

바람직하게는, 성형된 소잉 와이어는 절곡부의 내부 곡률부 내에 표면하 인장 잔류 응력을 갖는다. 본 발명의 기본 작동 원리는 다음과 같은데, 절곡부의 가장 돌출한 부분들 - 절곡부의 외부 곡률부 - 이 소잉 프로세스 중에 단계적으로 마모될 때, 절곡부의 반경방향 외부 곡률부 내의 표면하 인장 잔류 응력은 재료가 마모됨에 따라 사라진다. 절곡부의 내부 곡률부 내의 표면하 인장 잔류 응력에 기인하여, 적어도 절곡 정도를 유지하는 굽힘 모멘트가 절곡부에서 발생하고, 이는 상당한 형상 업그레이드를 야기한다. 이는 와이어 마모, 절단부 입구 직선화 효과 및 인가된 장력에 기인하여 절단 프로세스에서의 성형된 소잉 와이어의 형상 열화를 보상할 수 있다. 따라서, 소잉 중에 와이어의 형상은 절단 작용이 절단부의 출구까지 보존된다.

표면하 인장 잔류 응력을 갖는 소잉 와이어는 이러한 유리한 특성을 갖는다는 것은 주목할만 하다. 일반적으로 - 본 출원의 배경기술 섹션에서 설명된 바와 같이 -, 소잉 와이어 용으로는 잔류 압축 또는 기껏해야 낮은 수준의 인장 잔류 응력이 선호된다. 완전하게 반대 방향으로 진행함으로써 이 통상적으로 받아들여진 교시에 맞서는 것이 본 발명자들의 가치이다.

더 바람직하게는, 성형된 소잉 와이어의 절곡부의 내부 곡률부에서 표면하 인장 잔류 응력은 적어도 2000 MPa이다. 응력이 2000 MPa 미만이면, 소잉 중에 절곡부에서 외부 곡률부 재료의 고갈시, 절곡부의 내부 곡률부에서의 응력이 절곡 정도를 유지하기 위해 충분히 크지 않은데, 이는 성형된 소잉 와이어의 형상이 절단 프로세스에서 열화되는 것을 의미한다. 동시에, 소잉의 절단 성능이 감소될 것이라는 것을 알 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 성형된 소잉 와이어 자체는 축 및 하나 이상의 평면에 파형 형상을 갖고, 상기 하나 이상의 평면은 상기 축을 포함한다. 평면 내의 파형 형상이라는 것은 절곡부들이 연속적인 세그먼트들 사이에서 방향을 교번하는 형상을 의미한다. 파형 형상은 실질적인 지그재그 형상을 갖는다. 파형 형상은 예를 들어 와이어에 반복적인 크림프를 제공함으로써, 즉 와이어를 크림프함으로써 얻어질 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 성형된 소잉 와이어는 제1 평면 및 제2 평면에서 파형 형상을 갖고, 제2 평면은 제1 평면과는 상이하다. 도 1a에 도시된 바와 같은 이러한 소잉 와이어(10)는 향상된 연마 재료 혼입 특성을 갖는다. 실제로, 크림프는 연마 재료가 안착할 수 있는 더 많은 리세스를 갖는 소우 와이어(saw wire)를 제공한다.

대안적으로, 성형된 소잉 와이어는 축을 포함하는 고정 평면에 대한 상기 하나 이상의 평면의 각도가 성형된 소잉 와이어의 축방향 길이를 따라 변화하도록 구성된다. 이는 파형 형상이 형성되는 하나 이상의 평면이 와이어의 길이를 따라 전진할 때 성형된 소잉 와이어의 축 주위로 회전되는 것과 같다.

바람직하게는, 축을 포함하는 고정 평면에 대한 상기 하나 이상의 평면의 각도는 상기 소잉 와이어의 축방향 길이를 따라 증가하거나 감소한다. 이는 예를 들어, 하나 이상의 평면에 파형 형상을 제공한 후에 그 자신의 축 주위로 와이어를 비틀리게 함으로써 얻어질 수 있다.

하나의 평면이 성형된 소잉 와이어의 축을 포함하는 고정 평면에 대해 증가하는 각도를 갖는, 하나의 평면 내에 단일의 크림프를 갖는 이러한 성형된 소잉 와이어의 일 가능한 실시예는 도 1b에 도시된 바와 같이 와이어의 축방향 길이를 따라 볼 때 '화초(flower)'처럼 보인다.

대안적으로, 고정 평면에 대한 하나 이상의 평면들 사이의 각도는 교번적으로 제1 길이에 걸쳐 증가하고 이어서 제2 길이를 따라 감소한다. 이는 하나 이상의 평면이 제1 길이에 걸쳐 제1 방향으로 먼저 회전하고 그 후에 제2 길이에 걸쳐 회전 방향을 역전하는 것과 같다. 따라서, 예를 들어 제1 거리에 걸쳐 시계방향에서의 평면(들)의 회전은 와이어의 길이를 따라 제2 거리에 걸쳐 반시계방향에서의 회전으로 이어진다.

다른 바람직한 실시예에 따르면, 성형된 소잉 와이어 자체는 성형된 소잉 와이어의 축 주위에 나선체 형상을 갖고, 상기 와이어의 절곡부는 반경방향 외향으로(평면 내에 파형 변형 없이), 즉 나선체 형상의 대칭축으로부터 이격방향으로 배열된다. 나선체 형상은 병진 이동에 조합하여 특정 각도의 회전 하에서 불변성을 유지하는 공간 곡선이다. 나선은 연계된 병진 이동과 함께 임의의 회전각 하에서 불변성이 유지되는 특정 나선체 형상이다.

와이어는 바람직하게는 50 내지 500 ㎛, 더 바람직하게는 80 내지 150 ㎛의 직경을 갖지만, 전형적인 직경은 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140 및 150 ㎛이다.

바람직하게는, 전술된 실시예에서 언급된 모든 형상에서, 절곡부들 사이의 성형된 소잉 와이어의 축을 따른 거리는 상기 소잉 와이어 자체의 직경('d')의 10 내지 100배이다. 와이어의 축방향 이동과 조합하여, 이는 서로로부터 공간적으로 분리된 절곡부를 생성한다. 성형된 소잉 와이어의 절곡부들 사이의 축을 따른 거리가 소잉 와이어 자체의 직경('d')이 100배 초과이면, 크림프는 절단부 내로 연마 재료의 불충분한 견인을 초래하는 너무 먼 리세스를 갖는 소우 와이어를 제공한다. 이와 달리, 성형된 소잉 와이어의 절곡부들 사이의 축을 따른 거리가 소잉 와이어 자체의 직경('d')의 10배 미만이면, 절곡의 정도는 너무 크고 와이어는 사용 중에 너무 많이 연신할 것이다. 더 바람직하게는, 절곡부들 사이의 성형된 소잉 와이어의 축을 따른 거리는 상기 소잉 와이어 자체의 직경('d')이 25 내지 50배, 예를 들어, 상기 소잉 와이어의 직경('d')의 30배이다.

바람직하게는, 성형된 소잉 와이어는 외접 직경('D')을 갖고, 비 D/d는 1.04 내지 1.40이다. 더 바람직하게는, 비 D/d는 1.05 내지 1.20, 예를 들어 1.10이다. 비 D/d는 제조 제어로서 사용을 위한 편리한 척도이다. 이는 와이어 직경에 대한 와이어의 광학 직경(외접 실린더의 직경에 대응함)의 비이다. 2.0 초과와 같은 큰 D/d 값은 이때 성형된 와이어가 낮은 부하에서 너무 큰 연신율을 얻어서 절단시에 만곡을 형성하므로 유해하기 때문에 덜 바람직하다. 소우 만곡은 작업편의 측면 섹션이 밀 절단되고 반면에 중간부는 여전히 절단되지 않도록 하는 너무 큰 시상부(sagitta)를 나타낸다.

와이어의 중심선은 축방향 길이('L')에 걸쳐 측정될 때 길이('S')를 갖고, 바람직하게는 (S-L)/L은 0.006 내지 0.6 퍼센트이다. 이 (S-L)/L은 와이어의 형상에 기인하여 와이어에 구성된 '여분의 길이(extra length)'이다. 이 '여분의 길이'가 0.006% 미만이면, 와이어의 절곡부 내에 입자를 혼입하기 위한 와이어의 불충분한 변형이 존재하여 연마제의 불충분한 견인을 야기한다. 이 '여분의 길이'가 0.6%를 초과하면, 와이어는 사용 중에 너무 많이 연신할 것이고, 이는 소우 와이어가 소잉 프로세스 중에 처지게 할 것이다.

성긴 연마 소잉을 위해 사용된 연마 입자는 마이크로그릿(microgrit) 유형이다. 이들 입자들은 상이한 크기의 클래스로 스크리닝, 공기중 분류 또는 수중 분류에 의해 분류된다. 클래스당 최소 크기, 중간 및 최대 크기가 무엇인지에 대한 다양한 표준이 존재한다(FEPA, JIS 및 ANSI). 일반적으로, 연마를 위한 '와이어 소우' 범위는 통상적으로 FEPA 500(12.8 ㎛) 내지 600(9.3 ㎛) 또는 JIS 800(14 ㎛) 내지 JIS 2000(6.7 ㎛)으로서 간주된다. 괄호들 사이의 숫자들은 중간 입자 크기를 나타낸다. 중간 입자 크기는 입자의 절반이 그 크기보다 크고 다른 부분은 그 크기보다 작은 크기이다. 더 큰 폭의 절단을 위해, FEPA 360(22.8 ㎛) 내지 최대 FEPA 230(53.0 ㎛)과 같은 더 큰 입자 크기가 바람직하다. 가장 바람직한 것은 29.2 ㎛의 중간 입자 크기를 갖는 FEPA 320이다.

더 바람직하게는, (S-L)/L이 0.01 내지 0.5 퍼센트이면, 소우 와이어는 소우 와이어를 위한 필요한 연신율 특성을 유지하는 동시에, 연마 재료를 수용하여 혼입하기 위한 충분한 크기의 리세스를 구비한다.

이는 와이어의 표면이 와이어의 코어보다 더 연성이면 연마 입자의 견인을 돕지만, 이러한 이유로 와이어의 표면이 나강(bare steel) 상태인 것이 배제되거나 부적합한 것은 아니다. 더 연성의 표면은 와이어의 표면을 처리함으로써 얻어질 수 있다. 예를 들어, 와이어는 강제 와이어 코어보다 연성인 코팅으로 코팅될 수 있다. 적합한 코팅은 철 또는 저탄소강 코팅, 구리, 아연, 니켈, 코발트 또는 주석 코팅 또는 예를 들어 황동(구리-아연) 또는 청동(구리-주석) 코팅과 같은 언급된 금속의 2개 이상을 포함하는 합금 코팅이다.

바람직하게는, 코팅은 다이아몬드, 입방정 질화 붕소, 실리콘 카바이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 니트라이드, 텅스텐 카바이드 또는 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 연마 입자를 더 포함할 수도 있다. 와이어에 연마 입자를 부착함으로써, 이들 연마 입자는 절단부의 길이를 따라 와이어에 더 양호하게 보유된다. 이 방식으로, 입자가 절단부 내에 더 양호하게 공급된다.

본 발명이 이제 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
도 1a는 본 발명의 구조화된 소잉 와이어의 제1 실시예를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 구조화된 소잉 와이어의 제2 실시예를 도시한다.
도 1c는 본 발명의 구조화된 소잉 와이어의 제3 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 성형된 소잉 와이어의 일반적인 작동 원리를 도시한다.
도 3은 기준 와이어와 본 발명의 와이어의 절단 성능을 도시한다.

본 발명에 따른 성형된 소잉 와이어는 직선형 와이어로부터 시작하여 얻어졌다.

직선형 와이어는 이하와 같이 제조되었다. 시작 제품은 강제 와이어 로드이다. 이 강제 와이어 로드는 이하의 강 조성을 갖는다. 0.65%의 최소 탄소 함량, 0.40% 내지 0.70%의 범위의 망간 함량, 0.15% 내지 0.30%의 범위의 실리콘 함량, 0.03%의 최대 황 함량, 0.30%의 최대 인 함량, 모든 퍼센트는 중량 퍼센트이다. 고인장 강제 와이어에 대한 전형적인 강제 와이어 조성은 대략 0.80 중량 %, 예를 들어 0.78 내지 0.82 중량 %의 최소 탄소 함량을 갖는다.

강제 로드는 요구된 최종 직경 및 요구된 잔류 응력까지 다수의 연속적인 단계에서 인발된다. 인발 단계는 패턴팅(patenting)과 같은 하나 이상의 열처리 단계에 의해 중단될 수도 있다. 와이어의 잔류 응력 조건은 인발 다이 방안에 의해 영향을 받을 수 있다. 이전의 패스에 비교하여 최종 패스에서의 낮은 감축량은 일반적으로 증가된 인장 잔류 응력 조건을 야기할 것이다. 또한, 다이각을 변경함으로써, 인장 잔류 응력은 더 증가될 수 있다(더 높은 다이각은 더 높은 인장 잔류 응력을 제공함).

강제 와이어의 잔류 응력을 시험하기 위한 통상의 방법은 이하의 단계를 포함한다.

· 약 85 mm 길이 와이어 시편을 절단함. 이러한 샘플은 직선화되지 않아야 하는 소정의 곡률을 나타낼 수도 있음,

· 탈염수로 1 리터로 희석된 16 그램(NH₄)₂S₂O₈ 및 120 mL NH₄OH로 제조된 산세(pickling) 용액 내에서 10분 동안 와이어 시편을 산세함,

· 30초 동안 물 헹굼 및 1분 동안 공기 건조,

· 70±1 mm의 테일(tail)이 형성되도록 하나의 단부를 절곡하고 약 90°의 열린 각도(clear angle)를 형성함. 절곡부는 와이어 시편의 평면 내의 와이어 시편에 의해 취해진 곡률의 반경방향 내향으로 형성됨,

· 에나멜 네일 페인트로 짧은 절곡부(15 mm)를 래커칠함(lacquer),

· 에나멜 페인트로 와이어 표면의 내부측을 래커칠하고 1분 동안 공기 건조함. 단면에서 와이어의 원주의 대략 절반이 에나멜 페인트로 커버되어야 함.

· 페이퍼 상에 시편의 형상을 복사함,

· 이하의 식

시간(초) = 186.7×mm 단위의 와이어 직경 - 12.9

에 따라 소정 시간 동안 온도 50±2℃에서 에칭 용액 내에서 시편 에칭함, 여기서 에칭 용액은 일부는 HNO₃로 그리고 일부는 탈염수로 제조됨. 와이어의 직경('d')의 약 10%의 층은 커버되지 않은 부분으로부터 에칭 제거됨.

· 5초 동안 물 헹굼하고 1분 동안 공기 건조함,

· 에칭된 시편의 절곡된 부분을 페이퍼 사본 상의 정확히 그 원래 위치에 배치함. 참조를 위해 시편의 다른 복사본을 작성함. 제2 사본은 에칭 전후의 와이어의 형상을 나타냄.

· 그 중심이 짧은 절곡된 부분과 정렬한 상태로 절곡부에서 접선원을 그림으로써 에칭 전의 샘플의 곡률반경('ρ₀') 및 에칭 후의 샘플의 곡률반경('ρ₁')을 결정한다. 에칭 후에, 와이어 테일이 짧은 절곡된 부분의 방향으로 절곡할 때, 와이어의 외부층 내의 잔류 응력은 본질적으로 인장이다. 에칭 후에, 와이어 테일이 짧은 절곡된 부분으로부터 이격하여 절곡할 때, 와이어의 외부층 내의 잔류 응력은 본질적으로 압축이다.

본 발명의 와이어에 사용을 위해 와이어에 대한 실험을 수행할 때, 에칭 후의 와이어는 작은원(circlet)의 형상을 취한다. 본 출원에 있어서 표면하 잔류 응력('σ₁')을 추정하기 위한 근사식이 이하의 식에 의해 제공된다.

여기서,

d₀는 에칭 전에 원래 와이어 직경이고(mm 단위로 표현됨)

d₁은 에칭 후에 와이어 직경이고(mm 단위)

E는 강에 대해 200,000 N/mm²인 재료의 탄성율이고,

ρ₀는 원래 와이어의 곡률반경이고(mm 단위),

ρ₁은 에칭 후에 와이어의 곡률반경이다(mm 단위).

예를 들어, 에칭 전에 188 mm의 곡률반경을 나타내고 에칭 후에 외주부의 절반이 12 mm의 곡률반경을 갖는 96 ㎛(0.096 mm)의 감소된 직경을 나타내는 120 ㎛(0.120 mm)의 직경을 갖는 와이어는 1550 N/mm²의 표면하 잔류 응력을 갖는다.

어림의 법칙으로서 - 즉, 본 발명을 그에 한정하지 않는 비-구속적 규칙 -, 이 테스트에서 형성된 작은 원의 직경은 와이어의 직경('d')의 적어도 1000배인 곡률반경을 갖는 에칭 전의 와이어로부터 시작할 때 1500 N/mm² 이상의 표면하 인장 잔류 응력을 얻기 위해, 와이어의 직경('d')의 200배 이하여야 한다. 이는 와이어에 대한 관심 직경('d'), 즉 50 내지 300 ㎛에 적용된다.

인장 잔류 응력을 갖는 이러한 직선형 강제 와이어는 이어서 성형된 소잉 와이어로 예비 성형된다. 절곡부가 와이어 상에 유도될 수 있는 다수의 방식이 존재한다. 파형 형태는 적어도 한 쌍의 서로 맞물린 치형휠을 통해 직선형 와이어를 유도함으로써 얻어질 수 있다. 이 방식으로, 지그재그형 크림프가 단일 평면에 형성된다. 크림프는 또한 캠의 세트에 의해 얻어질 수도 있다.

서로 상이한 평면 - 예를 들어, 수직 평면 - 에서 크림프를 조합할 때, 도 1a에 도시된 바와 같은 본 발명의 성형된 소잉 와이어의 제1 실시예(110)가 얻어진다. XZ 평면에서의 절곡은 피크(112)를 발생한다. YZ 평면에서의 절곡은 피크(114)를 생성한다. 와이어는 직경('d')을 갖고, Z-방향에서 축을 갖는 외접 실린더는 직경('D')을 갖는다.

도 1b에 도시된 바와 같은 발명의 성형된 소잉 와이어의 제2 실시예(120)는 일 평면에서 파형 형상을 그에 제공한 후에 그 축 주위로 와이어를 비틀림함으로써 얻어진다. 재차, 와이어는 직경('d')을 갖고, Z-방향에서 축을 갖는 외접 실린더는 직경('D')을 갖는다.

또한, 도 1c에 도시된 바와 같은 본 발명의 구조화된 소잉 와이어의 제3 실시예(130)는 와이어의 축방향 이동 및 회전 이동과 조합하여, 치형휠에 대해 와이어를 압박함으로써 연속적인 절곡부를 갖는다. 이 방식으로, 절곡부(132)는 축에 대해 반경방향 외향으로 배열되고 나선체형 기부 형상을 갖는다.

도 1a 내지 도 1c에서, 필라먼트의 직경('d') 및 외접원의 직경('D')은 실제 축적대로 도시되어 있지 않은데, 실제로 와이어의 직경은 외접원의 직경('D')에 비해 더 크다는 사실을 주목하라.

성형된 소잉 와이어의 형상은 WO 95/16816호에 설명된 것과 같은 KEYENCE LS 3100 처리 유닛과 조합하여 KEYENCE LS 3034 레이저 스캔 시스템에 의해 가장 양호하게 측정될 수 있다. 이 시스템에서, 약 20 cm 길이의 구조화된 소잉 와이어는 1±0.2 N의 힘 하에서 팽팽하게 유지된다. 다음에, 다이오드 레이저 헤드는 그 길이(Z-축)를 따라 와이어를 스캔하고, 와이어의 하부 및 상부 에지는 인덱스 'i'를 갖는 개별 위치('z_i')에서 길이의 함수로서 기록된다. 하부 및 상부 에지값의 평균은 'z_i'의 함수, 즉 x(z_i)로서 'Z-축'에 수직인 X-축을 따라 와이어의 중심의 위치를 제공한다. 다음에, 고정점은 90° 회전되고, 스캔은 반복된다. 이는 'z_i' 좌표의 함수, 즉 y(z_i)로서 Y-축을 따른 와이어의 중심의 위치를 야기한다. 따라서, 파라미터 함수[x(z_i),y(z_i),z_i]는 3개의 차원에서 와이어의 중심의 형상을 규정한다. 스프레드시트 프로그램 내로 로딩함으로써 확대도에서 트레이스를 가시화할 수 있으며, 이는 만입부가 매우 작기 때문에 필요하다. 그에 회전 변환을 적용함으로써 트레이스를 회전시킬 수 있고, 임의의 원하는 각도로부터 투영을 관찰할 수 있다.

또한, 직경('D')의 측정이 측정된 트레이스의 피크간 진폭에 와이어의 직경('d')을 간단히 가산함으로써 트레이스 상에서 수행될 수 있다. 더욱이, 와이어의 중심의 길이('S')는 성형된 소잉 와이어의 특정 축방향 길이('L')에 걸쳐 와이어의 개별 섹션의 개별 길이를 가산함으로써 결정될 수 있다.

시작(직선형 와이어)으로부터 소잉 프로세스(성형된 소잉 와이어)까지의 표면하 인장 잔류 응력의 분포는 'a' 내지 'c'로 도 2에 도시되어 있다.

인장 잔류 응력을 갖는 직선형 강제 와이어(210)가 도 2a에 도시된 바와 같이 얻어진다. 내부 응력 분포는 인장 표면하층(212)이 존재하도록 이루어진다('+' 기호로 지시됨). 응력 균형이 0으로 유지되어야 하기 때문에(그렇지 않으면, 와이어는 휴지 상태에 있지 않을 것임), 와이어의 코어(214)는 압축 잔류 응력('-" 기호로 지시됨)을 갖는다.

이러한 직선형 와이어는 이어서 도 2b에 도시된 바와 같이 성형된 소잉 와이어(220)를 야기하는 파형 형상으로 예비 성형된다. 와이어는 더 이상 반경방향 대칭이 아닌 내부 응력 분포에 기인하는 절곡부의 내부측에 곡률반경('r₁')을 갖는다. 절곡 중에 소성 변형은 도 2b에 도시된 바와 같이, 절곡부(222)의 반경방향 외부 곡률부에 감소된 그러나 여전히 인장 잔류 표면하 응력 및 절곡부(224)의 반경방향 내부 곡률부에 증가된 인장 잔류 응력을 야기한다. 이 불균형은 와이어의 영구 변형을 야기한다. 비절곡 세그먼트(226) 내의 표면하 잔류 응력은 직선형 와이어의 것과 동일하게 유지된다. 이러한 성형된 소잉 와이어가 소잉 프로세스에 사용될 때, 절곡부의 가장 돌출한 부분 - 절곡부의 외부 곡률부 - 는 도 2c에 도시된 바와 같이 단계적으로 마모되어 와이어(230)를 생성한다. 절곡부의 반경방향 외부 곡률부 내의 표면하 인장 잔류 응력은 재료(232)가 간단히 마모 제거됨에 따라 사라진다. 즉, 와이어 자체 내의 응력의 균형이 파괴되고 절곡부의 반경방향 내부 곡률부 내의 표면하 인장 잔류 응력은 굽힘 모멘트를 인가하기 시작하여 이에 의해 절곡부에서 와이어의 곡률반경('r₂')을 감소시키거나 적어도 유지한다. 새로운 모멘트 균형이 와이어의 단면 상에 형성될 것이다. 이 메커니즘은 와이어 마모, 절단 입구 직선화 효과 및 인가된 장력에 기인하여, 절단 프로세스에서 성형된 소잉 와이어의 형상 열화를 상쇄한다. 따라서, 소잉 중에 와이어의 형상은 절단 작용이 절단부의 출구까지 우수하게 유지되도록 유지된다.

제1 바람직한 실시예(I1)에 따르면, 1550 MPa의 표면하 잔류 인장 응력을 갖는 0.12 mm 황동 코팅 도금된 고인장 와이어가 2개의 상이한 평면(즉, x-y 평면 및 x-z 평면)에서 복수의 크림프를 구비하였다. 제1 평면에서, 소우 와이어는 레이저 스캐닝에 의해 결정된 바와 같은 30 ㎛의 피크간격(즉, 두배 진폭) 값을 갖는 3.6 mm의 파장을 갖는 크림프를 포함한다. 제2 평면에서, 소우 와이어는 28 ㎛의 피크간격 값을 갖는 3.1 mm의 파장을 갖는 크림프를 포함한다. 이 샘플은 바람직한 범위 내에 있던 1.34의 'D/d' 값을 나타내었다. 이 와이어에 대한 (S-L)/L의 비는 0.029%였다.

제2 -I2 - 및 제3 -I3- 바람직한 실시예에서, 표면하 잔류 인장 응력은 인발 중에 상이한 다이각을 사용함으로써 더 증가되었다. 이는 크림핑에 앞서 직선형 와이어 상에 각각 약 1600 MPa 및 약 1700 MPa의 더욱 더 높은 인장 잔류 응력을 생성하였다. 와이어는 제1 바람직한 실시예에서와 유사한 방식으로 크림프되었다.

그 다음에, 기준 와이어(R1, R2, R3)가 제조되었다. 기준 와이어(R3)는 크림프되지도 절곡되지도 않았던 중립 응력 내지 압축 잔류 응력을 갖는 종래의 소잉 와이어이다. 표면하 잔류 압축 응력 또는 중립 응력은 US4612792호에 설명된 바와 같은 직선화기 장치를 통해 와이어를 안내함으로써 얻어질 수 있다.

기준 와이어(R1)는 와이어(R3)로부터 제조되지만, 약 3.1 mm의 파장 및 35 ㎛의 중심선에 대한 피크간격 값을 갖는 상태로 단일 평면에서 크림프되었다.

기준 와이어(R2)는 동일한 직선형 와이어(R3)로부터 제조되었지만, 이제 서로 대략 수직인 2개의 평면에서 크림프되었다. 소잉 전후에 와이어 상에서 얻어진 바와 같은 기하학적 파라미터는 표 1에 요약되어 있다.

[표 1]

표 1: 'P2P'는 와이어의 중심선의 '피크간격'임

전술된 표 1에 있어서, 본 발명의 와이어(I1, I2, I3)는 소잉 프로세스의 제1 절단 전후에 형상의 양호한 안정성을 나타내는데, 소잉 전후의 피크간격 값은 감소하지만 와이어(R1 또는 R2)에 대해 관찰된 것보다 훨씬 더 적은 정도로 감소한다.

기준 와이어('R1', 'R2' 및 'R3') 및 본 발명의 와이어('I1', 'I2' 및 'I3')는 16 N의 장력에서 600 m/s의 와이어 속도로 전후방으로 진행하는 183 m의 와이어로 왕복 모드에서 단일 와이어 소우(RTS 480) 상에서 시험되었다. 와이어는 1.0 mm/min의 속도에서 125×125 mm²의 크기의 단결정질 실리콘 블록을 통해 하강되었다. 1:0.9 중량비의 JIS 1500 실리콘 카바이드를 갖는 PEG의 혼합물이 절단 슬러리로서 사용되었다. 중간 입자 크기는 10 ㎛이다. 절단의 종료시에 형성된 굴곡 높이 또는 시상부('BH', mm 단위로 표현됨)는 와이어의 절단 효율에 대한 척도로서 사용되었다. 절단의 종료시에 굴곡 높이가 낮을수록, 절단 효율이 더 양호하다.

이제 상이한 와이어에 소잉 작업을 실시할 때, 종래의 크림프된 기준 와이어(R1, R2)에 비교할 때 절단의 종료시에 굴곡 높이는 본 발명의 와이어(I1, I2, I3)에 대해 상당히 낮은 것이 관찰된다.

도 3은 동일한 와이어로 1(C1) 또는 2(C2) 후속 절단부 이후에 기준 와이어(R1, R2, R3) 및 본 발명의 와이어(I1, I2, I3)의 성능을 도시한다. 모든 와이어는 와이어의 형상 변경에 기인할 수 있는 반복된 사용 후의 증가된 굴곡부를 나타낸다. 높은 인장 잔류 표면하 응력을 갖는 본 발명의 와이어는 6개의 와이어들 중에 가장 양호한 절단 효율을 갖는다는 것이 도 3으로부터 명백할 것이다. 이는 표 1에 예시되어 있는 바와 같이 와이어의 더 양호한 형상 보유에 따른다. 높은 인장 잔류 표면하 응력을 갖는 성형된 와이어는 소잉시에 이들의 형상을 더 양호하게 유지하여 이에 의해 더 양호한 절단 효율을 야기한다.

따라서, 절단 전의 피크간격 값의 절반을 초과하는 피크간격 값을 절단 후에 나타내는 성형된 와이어가 본 발명의 청구범위 하에 있는 것으로 고려되는 것이 단언된다.

Claims (16)

1. 세그먼트들을 사이에 갖는 절곡부들을 구비한 직경('d')의 와이어를 포함하는 성형된 소잉 와이어이며,
   상기 성형된 소잉 와이어에 외접하는 외접 실린더는 직경('D')를 갖고, 상기 성형된 소잉 와이어의 축은 상기 외접 실린더의 축과 일치하며,
   상기 와이어는 상기 축을 포함하는 하나 이상의 평면에서 절곡에 의해 유도된 파형 형상을 가지며,
   비 D/d는 소잉 전에 1.04 내지 1.40 이고,
   상기 와이어는 소잉 중에 성형된 소잉 와이어의 형상을 유지하기 위한 표면하 인장 잔류 응력을 상기 와이어의 외부층에 갖는 것을 특징으로 하는 성형된 소잉 와이어.
2. 제1항에 있어서, 상기 와이어는 상기 와이어의 외부면 아래의 10μm의 깊이까지 상기 와이어의 외부층에 표면하 인장 잔류 응력을 갖는 성형된 소잉 와이어.
3. 제1항에 있어서, 상기 세그먼트들 내의 상기 표면하 인장 잔류 응력은 적어도 1500 MPa인 성형된 소잉 와이어.
4. 제1항에 있어서, 상기 소잉 와이어는 상기 절곡부의 내부 곡률부 내에 표면하 인장 잔류 응력을 갖는 성형된 소잉 와이어.
5. 제4항에 있어서, 상기 절곡부에서 내부 곡률부에서의 상기 표면하 인장 잔류 응력은 적어도 2000 MPa인 성형된 소잉 와이어.
6. 제1항에 있어서, 상기 와이어는 제1 평면 및 제2 평면에서 각각 절곡에 의해 유도된 파형 형상을 갖고, 상기 제2 평면은 상기 제1 평면과는 상이한 성형된 소잉 와이어.
7. 제1항에 있어서, 상기 축을 포함하는 고정된 평면과 상기 하나 이상의 평면 사이의 각도는 상기 소잉 와이어의 축을 따라 증가하거나 감소하는 성형된 소잉 와이어.
8. 제1항에 있어서, 상기 절곡부들 사이의 상기 축을 따른 거리는 상기 와이어의 직경('d')의 10 내지 100배인 성형된 소잉 와이어.
9. 제1항에 있어서, 상기 와이어의 중심선은 축방향 길이('L')에 걸쳐 측정될 때 길이('S')를 갖고, (S-L)/L은 0.006 내지 0.6 퍼센트인 성형된 소잉 와이어.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어의 표면은 나강(bare steel)인 성형된 소잉 와이어.
11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어의 표면은 구리, 아연, 주석, 니켈, 코발트 또는 이들의 합금을 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 코팅으로 커버되는 성형된 소잉 와이어.
12. 제11항에 있어서, 상기 코팅은 다이아몬드, 입방정 질화 붕소, 실리콘 카바이드, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 니트라이드, 텅스텐 카바이드 또는 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 연마 입자를 더 포함하는 성형된 소잉 와이어.
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