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Verfahren für die Herstellung von Material
aus Metallen und Legierungen, das eine Mikrostruktur oder feine
nichtmetallische Einschlüsse
und weniger Absonderung von Legierungselementen aufweist.
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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren für
die Herstellung einer Materials aus Metallen und Legierungen aus
einer Bramme, wie z.B. einer Metallplatte, wobei das Material eine
Mikrostruktur oder feine nichtmetallische Einschlüsse mit
weniger Absonderung von Legierungselementen aufweist.
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Stand der
Technik der Erfindung
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Im Allgemeinen wird ein Material
aus Metallen und Legierungen, wie eine Metallplatte oder dergleichen
industriell durch die Schritte des Schmelzens → Stranggießens-Heißbearbeitens (Walzen usw.) → Kaltbearbeitens
(Walzen usw.) hergestellt. Bei der oben genannten industriellen
Herstellung ist es sehr schwierig, Material zu produzieren, das
allein durch die Schritte des Schmelzens und Stranggießens homogen
wird. Nun findet eine Absonderung wahrscheinlich beim Verfestigen
während
des Stranggießens
statt und darüber
hinaus führt
die Ausfällung
nichtmetallischer Einschlüsse,
usw. wahrscheinlich zu einer ungleichmäßigen Verteilung. Zur Beseitigung
der durch Stranggießen
verursachten Inhomogenität
von Legierungselementen wird manchmal eine homogenisierende Wärmebehandlung
(Durchwärmen)
bei hoher Temperatur über
einen langen Zeitraum durchgeführt.
Die Ausbreitung der Legierungselemente ist jedoch in vielen Fällen unzureichend, um
homogen zu werden, und sogar bei den Warmbearbeitungsschritten,
die anschließend
ausgeführt
werden, werden nur wenige Legierungselemente diffundiert. Das bedeutet,
dass die Homogenisierung in nur wenigen Fällen ausreichend ist. Bei der
Kristallorientierung wird darüber
hinaus jedes große
Korn, das beim Stranggießen
gebildet wird, wahrscheinlich eine Struktur ausbilden, so dass die
Verteilung der Kristallorientierung des Fertigproduktes sich von
einer Stelle zur anderen unterscheidet.
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Wie nachstehend beschrieben wird,
besteht jedoch eine starke Nachfrage nach einem Material aus Metallen
und Legierungen, das eine feine Mikrostruktur oder feine nichtmetallische
Einschlüsse
und weniger Absonderung von Legierungselementen aufweist. Dies bedeutet,
dass es einige Anwendungsgebiete gibt, bei denen homogene Materialien
aus Metallen und Legierungen gefragt sind, wie nachstehend beschrieben
wird. (1) Wenn viele Löcher
mit derselben Größe durch Ätzen hergestellt
werden, wie bei der Lochmaske für
eine Braun-Farbröhre, ist
es wünschenswert,
dass die Legierungselemente des Materials homogen sind und die Kristallorientierung
des Materials sich nicht von einer Stelle zu der nächsten unterscheidet.
Wenn die Legierungselemente nicht homogen verteilt sind, wird sich
eine Ätzgeschwindigkeit
an einer Stelle von einer Ätzgeschwindigkeit
an einer anderen unterscheiden und die Löcher werden unterschiedliche
Größen aufweisen,
so dass die Leistung einer Braun-Röhre minderwertiger
ist. Darüber
hinaus beeinflusst die Kristallorientierung die Ätzgeschwindigkeit und eine örtliche
Ungleichmäßigkeit
der Kristallorientierung führt
zu einer örtlichen
Ungleichmäßigkeit
von Öffnungsgrößen, so
dass die Leistung einer Braun-Farbröhre minderwertiger ist. (2) Durch
Kaltbearbeitung bekommt ferritischer Edelstahl wie SUS 430 eine
Rautiefe, die als längsrillig
oder streifig bezeichnet wird, und seine Produktqualität ist minderwertig.
Es wird angenommen, dass der Grund hierfür darin liegt, dass die Kristallorientierungen
nicht zufällig
sind, und dass die Kristallorientierungen gruppiert vorkommen. Die
Rillenbildung usw. kann vermindert werden, indem der Grad der Zufälligkeit
der Kristallorientierungen erhöht
wird. (3) Bei Klingenstahl mit hohem Kohlenstoffanteil, neigt Karbid
dazu, sich in einen zentralen Bereich eines Gussblocks abzusondern,
und es wird gewünscht,
dass sich das Karbid fein über
den gesamten Gussblock verteilt. (4) Nichtmetallische Einschlüsse, wie
Metalloxid, Metallnitrid, und Metallsulfid usw. stellen Bereiche
dar, an denen ein Riss oder Gussfehler beginnt, die visuell sichtbar
sind. Mit zunehmender Größe der Einschlüsse werden
sie noch eher Gussfehler darstellen. Während Einschlüsse mit
denselben Volumen vorhanden sind, wenn sie gleichmäßig als
eine größere Anzahl
von feinen Einschlüssen
vorhanden sind, stellen sie keine besonderen Gussfehler dar. Außerdem soll
das Vorhandensein einer größeren Anzahl
von Einschlüssen
in Hinsicht auf die Glätte
der Schnittkanten beim Press-Stanzen und auf die Lebensdauer des
Stempels vorzuziehen sein.
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Die Zusammenfassung in den Patenten
von Japan von JP-58-093812 offenbart ein Verfahren zum Herstellen
eines zusammengesetzten Metalls, das Lagen aus Zunderschichten beinhaltet.
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JP-50-019672 offenbart ein Verfahren
zum Herstellen einer Ti-Pd Legierungsstahlplatte an Ti oder Ti-basierten
Legierungen.
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EP-A2-0 488 222 offenbart ein Verfahren
zum Herstellen einer plattierten Stahlplatte.
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Wie vorstehend dargestellt gibt es
viele Gebiete, bei denen die Homogenität von Materialien aus Metallen
und Legierungen gewünscht
wird. Allerdings steht dafür
bisher kein geeignetes Herstellungsverfahren zur Verfügung. Die
betreffenden Erfinder haben bezüglich
der oben genannten Homogenität
sorgfältige
Studien durchgeführt
und ein bemerkenswertes Verfahren gefunden, welches zu der vorliegenden
Erfindung geführt hat.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren für
die Herstellung eines homogenen Materials aus Metallen und Legierungen
aus einer Bramme zur Verfügung
zu stellen.
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Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren für
die Herstellung eines Materials aus Metallen und Legierungen aus
einer Bramme zur Verfügung
zu stellen, wobei das Material eine feine Mikrostruktur oder feine
nichtmetallische Einschlüsse
und weniger Absonderung der Legierungselemente aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren für
die Herstellung eines Metalls oder Legierungsmaterials zur Verfügung gestellt,
wobei das Verfahren umfasst:
- (a) Verarbeiten
einer Bramme, welche eine geeignete Form zum Warmwalzen in ein Blech
oder in ein gewickeltes Spaltband entweder durch Warmwalzen oder
durch sowohl Warmwalzen als auch Kaltwalzen auf weist, wobei die
Dicke des Blechs oder des Spaltbands ¼ oder weniger der Dicke der
Bramme beträgt;
und
- (b) Schneiden des Blechs oder des Spaltbands zum Anfertigen
von Blechen mit einer vorbestimmten Länge, Reinigen der Oberflächen der
Blechs durch Beizen, Aufstapeln der Bleche und Zusammenfassen der Blechs
durch Verschweißen
am Umfang; und
- (c) Verarbeiten der auf diese Weise erlangten, durch Verschweißen zusammengefassten
Bleche zu einem Blech oder zu einem gewickelten Spaltband entweder
durch Warmwalzen oder durch sowohl Warmwalzen als auch Kaltwalzen.
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Außerdem werden gemäß der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise die Schritte (b) und (c) des oben genannten
Verfahrens zwei bis viermal ausgeführt.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Bei der vorliegenden Erfindung wird
eine Bramme gewalzt, um ihre Dicke durch einen Schritt des Warmwalzens
oder durch einen Schritt des Warmwalzens und einen Schritt des Kaltwalzens
zu reduzieren. Wenn die Dicke einer Bramme auf eine geeignete Dicke
durch den Schritt des Warmwalzens alleine reduziert werden kann,
dann wird das auf diese Weise warmgewalzte Blech oder das gewickelte
Spaltband auf eine vorbestimmte Länge geschnitten. Wenn die Dicke
einer Bramme nicht auf eine geeignete Dicke durch den Schritt des
Warmwalzens alleine reduziert werden kann, dann wird außerdem Kaltwalzen
zur Herstellung eines Blechs oder eines gewickelten Spaltbands mit
einer geeigneten Dicke durchgeführt.
Der Ausdruck „geeignete Dicke" bedeutet eine Dicke,
welche ¼ oder
weniger beträgt,
vorzugsweise 1/10 oder weniger von der Dicke ausgehend, welche die
Bramme vor dem Warmwalzen aufwies. Wenn das durch das Walzen erzielte
Blech oder das Spaltband eine geeignete Dicke aufweist, kann die
Anzahl der Wiederholungen der später
beschriebener Schritte (b) und (c) vermindert werden. Vorzugsweise
weist das durch das Walzen erzielte Blech oder Spaltband im Hinblick
auf eine Erleichterung des danach auszuführenden Arbeitsvorganges eine
Breite auf, die ungefähr
der gleichen Wert wie die Breite der Bramme aufweist.
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Das Blech (die Bleche) oder das Spaltband
(die Spaltbänder),
die entweder durch Warmwalzen oder sowohl durch Warmwalzen als auch
durch Kaltwalzen hergestellt wurden, werden auf eine vorbestimmte
Länge geschnitten.
Die Länge
der durch das Schneiden erzielten Bleche wird unter Berücksichtigung
einer einfacheren Verarbeitung bestimmt. Die Oberflächen der
durch das Schneiden erzielten Bleche werden durch Beizen gereinigt
und dann wird eine geeignete Anzahl von Blechen gestapelt.
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Das Verfahren für die oben genannte Oberflächenreinigung
umfasst das Reinigen mit einem Alkali, das Polieren und das Waschen
mit einem Lösungsmittel.
Sollten Fremdstoffe auf den Oberflächen der Bleche vorhanden sein,
ist es schwierig ein Material als ein Endprodukt herzustellen. Wenn Öl oder Fett
auf den Oberflächen
vorhanden ist, wird vorzugsweise mittels Alkali oder mittels Lösungsmittel
gereinigt. Als Lösungsmittel wird
ein flüchtiges
Lösungsmittel
vorgezogen, weil keine Rückstände des
Lösungsmittels
auf der Oberfläche verbleiben.
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Ein Stapel der Bleche wird am Umfang
verschweißt.
Das Verfahren des Verschweißens
am Umfang umfasst einen Schritt, bei dem an den Seiten eines Stapels
mit einer Vielzahl von Blechen eine Schweißraupe angehäuft wird,
und einen Schritt, bei dem ein Kasten aus demselben Material wie
das Material der Bleche hergestellt wird, und die Bleche darin angeordnet
werden. Nach dem Verschweißen
des Umfanges wird vorzugsweise die innerhalb der durch Verschweißen zusammengefassten
Bleche eingeschlossene Luft durch Absaugen entfernt, dies wird im
Hinblick auf das Entfernen von Substanzen vorgezogen, welche Fremdstoffe
zwischen den Blechen darstellen. Die vorgenannte Absaugung nach
dem Verschweißen
kann mit einem Rohr ausgeführt
werden, das zwischen die Bleche des verschweißten Abschnittes gelegt wird,
danach wird die Absaugung ausgeführt
und danach wird das Rohr geschlossen.
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Das Material aus Metallen und Legierungen
bekommt eine feinere Mikrostruktur, als wenn das Verarbeiten wie
das Blechwalzen vorgenommen wird. Bei der vorliegenden Erfindung
wird eine Vielzahl von Blechen mit einer reduzierten Dicke aufgestapelt
und der derart hergestellte Stapel wird gewalzt, um ein Blech oder
einen Bandring mit einer feineren Mikrostruktur herzustellen.
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Mit zunehmender Anzahl der oben genannten
Schritte des Stapelns und Walzens, werden die Körner als Mikrostruktur feiner,
Ausfällungen
und nichtmetallische Einschlüsse
werden feiner und homogener verteilt und der Grad an Zufälligkeit
von Kristallorientierungen steigt in dem erzielten Material an.
Außerdem
wird ein Absonderungsabstand von Legierungselementen in der Richtung
der Blechdicke kleiner, so dass die Legierungselemente allein durch
Durchwärmen über einen
kurzen Zeitraum oder allein durch Erwärmen beim Warmwalzen homogen
verteilt werden.
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Nun wird erläutert, „wie viele Bleche aufgestapelt
werden". Wenn zwei
oder drei Bleche aufgestapelt werden, wird keine erhöhte Wirkung
auf die Homogenisierung und die Ausbildung einer feineren Mikrostruktur erzielt.
Wenn die Arbeitsvorgänge
des Aufstapelns wiederholt werden, wird eine feinere Ausbildung
der Mikrostruktur unterstützt.
Bei jedem Aufstapeln sind jedoch die Schritte des Walzens, Schneidens,
Verbessern der Ebenheit, Reinigen der Oberfläche und Schweißen erforderlich,
und mit zunehmender Wiederholung der Aufstapelvorgänge steigen
die Herstellungskosten. Deswegen wird industriell vorgezogen, dass
das Verfahren mit einem oder zwei Aufstapelarbeitsgängen durchgeführt wird.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, mindestens vier Bleche aufzustapeln.
So dass im Verlaufe der Arbeitsvorgänge des Warmwalzens oder sowohl
des Warmwalzen als auch des Kaltwalzens vorzugsweise das durch die
Arbeitsvorgänge
erzielte Stahlblech eine Breite aufweist, welche die Bramme vor
den Arbeitsvorgängen
aufwies, und das durch die Arbeitsvorgänge erzielte Blech eine Dicke
von ¼ oder
weniger ausgehend von der Dicke aufweist, welche die Bramme vor
den Arbeitsvorgängen
aufwies. Mit zunehmender Anzahl an gestapelten Blechen nehmen die
Homogenisierung und die Ausbildung einer feineren Mikrostruktur
weiter zu, und deswegen besteht keine bestimmte Obergrenze, die
bezüglich
der Anzahl von aufzustapelnden Blechen festgelegt werden muss. Wenn
allerdings die oben genannte Anzahl bis zum Übermaß ansteigt, ist dies sehr arbeitsintensiv.
Die Anzahl der aufzustapelnden Bleche hat deswegen ihre eigene Grenze
vom Standpunkt aus des Arbeitseinsatzes und der Anforderungen an
die Homogenisierung und die Ausbildung einer feineren Mikrostruktur.
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Ausführungsformen bevorzugter Anwendungen
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Bevorzugte Anwendungen des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben.
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Anwendung 1
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Anwendung bei Material
für eine
Lochmaske
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Eine Lochmaske zur Verwendung in
einer Braun-Röhre
für ein
Computerfarbdisplay weist feine durch Ätzen hergestellte Löcher auf,
durch welche Elektronenstrahlen gehen. In vergangenen Jahren wurde
in vielen Fällen
anstatt Aluminium beruhigten Stahls eine Fe-Ni-Legierung verwendet,
welche eine niedrige Wärmeausdehnungszahl
aufweist. Im Vergleich zu Aluminium beruhigtem Stahl, neigt die
Fe-Ni-Legierung dazu, beim Ätzen
eine Ungleichmäßigkeit
an ihrer Oberfläche
aufzuweisen, und die Oberfläche
einer Maske, welche durch das Ätzen
hergestellt wird, neigt dazu, ein streifenförmiges Muster oder eine andere
Ungleichmäßigkeit
aufzuweisen. Deswegen wird gewünscht,
eine Fe-Ni-Legierung zu entwickeln, welche gleichmäßig geätzt werden kann.
Von den oben genannten Ungleichmäßigkeiten,
heißt
es beispielsweise bei einem streifenförmigen Muster, das sich in
Walzrichtung erstreckt, und „Streifenmuster" genannt wird, dass
es durch einen örtlichen
Unterschied der Ätzgeschwindigkeit
verursacht wird und eine örtliche
Ungleichmäßigkeit
in Öffnungsgrößen wird durch
eine örtliche
Ungleichmäßigkeit
der Kristallorientierung (Japanisches Patent Nr. 2,672,491) verursacht. Das
oben genannte Phänomen
wird durch örtliche
Ungleichmäßigkeit
der Kristallorientierung verursacht. Die oben genannte Ungleichmäßigkeit
der Kristallorientierung wird durch eine Stranggussstruktur mit
einer spezifischen Orientierung verursacht, wobei diese Struktur
in einer Kokille existiert (JP-A-9-209089). Herkömmlicherweise werden Versuche
zur Beseitigung des oben genannten Fehlers durch Wiedererwärmen bei
den Schritten des Warmwalzens mit kurzer Reduzierung oder durch
Erhöhen
der Anzahl an Wiederholungen des Ausglühens und Kaltwalzens unternommen.
Bei einem TV-Farbbildschirm und einem Computerfarbdisplay werden
höhere
Auflösungen
verlangt und der Lochabstand, der in der Lochmaske hergestellt wird,
wird immer kleiner. Aus diesem Grund wird ein Material gebraucht,
welches homogener ist und eine feinere Struktur aufweist. Die vorliegende
Erfindung funktioniert gut für
die oben genannte Anwendung.
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Anwendung 2
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Klingenmaterial, das fein
verteilte Karbide enthält
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Wenn ein Klingenstahl, der mindestens
1 Gew.-% Kohlenstoff enthält,
durch kontinuierliches Stranggießen hergestellt wird, sondert
sich Karbid in dem zentralen Bereich einer Bramme in der Dickenrichtung
ab. Wenn die derart erzielte Bramme zur Herstellung einer Klinge
gewalzt wird, verbleibt empirisch gesehen, das Karbid in einer Klingenkante,
die durch die Mitte der Materialdicke geht, so dass die Klingenkante
brüchig
ist. Zur Vermeidung des oben genannten Phänomens werden Bleche, die aus
einer Bramme stammen, durch Anwendung der vorliegenden Erfindung
gestapelt und warmgewalzt. In diesem Fall kann ein verformbarer
Klingenstahl hergestellt werden, der feines Karbid enthält, das über die
gesamte Klinge verteilt ist.
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Anwendung 3
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Erzielen feinerer nichtmetallischer
Einschlüsse
durch deren Zerstreuung
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Nichtmetallische Einschlüsse beeinflussen
unterschiedliche Eigenschaften eines Materials. Gewöhnlicher
Edelstahl beispielsweise weist einen hohen Gehalt von nichtmetallischen
Einschlüssen
einer Größe von ungefähr 50 μm auf. Wenn
er zur Ausgestaltung einer Spiegelfläche Oberflächen poliert wird, ist diese
Spiegelfläche
nicht perfekt und weist viele kleine Fehler auf. Solange nichtmetallische
Einschlüsse
des Typs A, welche während
des Warmwalzens verformt werden können, hauptsächlich in
einem Material enthalten sind, so können derartige Einschlüsse durch
Anwendung der vorliegenden Erfindung fein verteilt werden, und es
verbleiben fast keine sichtbaren Fehler mehr auf einer Spiegeloberfläche, die
durch Polieren erhalten wird.
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Nichtmetallische Einschlüsse beeinflussen
die Stanzfähigkeit
eines dünnen
Metallblechs und die Lebensdauer eines Stempels, der zum Stanzen
verwendet wird. Es wird angenommen, dass, sofern die nichtmetallischen
Einschlüsse
immer feiner und homogener verteilt sind, ein Material glattere
Kanten beim Stanzen des Materials aufweist und die Lebensdauer eines
Stempels erhöht
wird. Da ein Material aus Metallen und Legierungen, das durch das
Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, feine und
homogen verteilte, nichtmetallische Einschlüsse enthält, kann die vorliegende Erfindung
ebenfalls gut für
die oben genannte Anwendung eingesetzt werden.
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Beispiele
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend
außerdem
unter Bezugnahme auf Beispiele erläutert werden, wobei die vorliegende
Erfindung nicht durch diese Beispiele eingeschränkt sein soll.
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Beispiel 1
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Eine 150 mm dicke Stranggussbramme
einer Fe-Ni-Legierung mit 36 Gew.-% Ni wurde warmgewalzt, um 10
mm dicke warmgewalzte Bleche zu erhalten. Die Bleche wurden bei
950°C ausgeglüht und mit
einer Säure
gebeizt. Davon wurden zehn Bleche aufgestapelt und am Umfang verschweißt und die
zusammengefassten Bleche wurden wiederum warmgewalzt, um ein 4 mm
dickes Blech zu erhalten. Danach wurde das Blech ausgeglüht, gebeizt
und kaltgewalzt. Darüber
hinaus wurde das Blech ausgeglüht,
kaltgewalzt, ausgeglüht
und kaltgewalzt, um ein 0,13 mm dickes kaltgewalztes Blech zu erhalten.
Das Blech wurde zur Erstellung eines Teststückes geschnitten. Ebenfalls
wurde eine Probe vom Stand der Technik hergestellt, wie in der nachfolgenden
Tabelle 1 dargestellt. Eine wässrige
Eisenchloridlösung
wurde zur Bildung von Löchern
auf das Teststück
und die Probe vom Stand der Technik gesprüht, um zu entscheiden, ob Streifenmuster
in einer Lochmaske vorhanden waren oder nicht. Tabelle 1 zeigt die
Ergebnisse.
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Tabelle
1
Verhältnis
zwischen Herstellungsverfahren und Vorhandensein/Fehlen von Streifenmustern
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Wie in Tabelle 1 dargestellt kann
die vorliegende Erfindung ein Material frei von Streifenmustern
für Fe-Ni-Lochmasken
zur Verfügung
stellen.
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Beispiel 2
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Zum Polieren eines SUS 304 Edelstahlblechs
zur Ausgestaltung einer Spiegelfläche, wurde eine 150 mm dicke
SUS 304 Bramme auf 1.200°C
erwärmt,
warmgewalzt, ausgeglüht
und gebeizt, um eine 6 mm dickes, warmgewalztes, gewickeltes Spaltband
zu erhalten. Das gewickelte Spaltband wurde geschnitten, um Bleche
mit einer Länge
von ungefähr
jeweils 6 m zu erhalten, wobei 20 Bleche davon aufgestapelt wurden, wobei
der daraus resultierende Stapel am Umfang verschweißt wurde,
um ihn zusammenzufassen und die Luft darin wurde durch Absaugen
daraus entfernt. Die zusammengefassten Bleche wurden außerdem auf
1.200°C erwärmt, warmgewalzt
und kaltgewalzt, um ein 1,2 mm dickes Edelstahlblech zu erhalten.
Zum Vergleich wurde das so hergestellte Edelstahlblech mit einem
herkömmlich
hergestellten Edelstahlblech verglichen, wobei jedes Blech von einer
Größe von 1
m Breite und 2 m Länge
zur Ausbildung von Spiegelflächen
poliert wurde. Leichte Schleier und Fehler, die durch nichtmetallische
Einschlüsse
verursacht wurden, verblieben auf der Oberfläche des herkömmlich hergestellten
Edelstahlbleches, wohingegen das Blech gemäß der vorliegenden Erfindung
eine schleier- und fehlerfreie, klare Spiegelfläche aufwies.
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Die vorliegende Erfindung erzielt,
wie vorstehend erläutert,
ausgezeichnete Ergebnisse. Gemäß der vorliegenden
Erfindung bedeutet dies, dass ein homogeneres und feineres Metallmaterial
für eine
Lochmaske, ein Klingenmaterial mit fein über die Gesamtheit des Materials
verteiltem Karbid, und ein Material aus Metallen und Legierungen
hergestellt werden kann, das feste;, feiner verteilte nichtmetallische
Einschlüsse
aufweist.
