KR100877760B1

KR100877760B1 - 금속 스트립의 제조방법

Info

Publication number: KR100877760B1
Application number: KR1020047002759A
Authority: KR
Inventors: 아이크마이어요르그; 셀브만디트마르; 옵티츠랄프
Original assignee: 레이베니츠-인스티투트 푸어 페스트코르페르 운트 베르크스토프포르숭 드레스덴 에.파우
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2009-01-12
Also published as: DE10143680C1; CN100518979C; ATE310593T1; EP1420900A1; WO2003024637A1; EP1420900B1; DK1420900T3; US7285174B2; KR20040060920A; ES2254733T3; JP2005501738A; CN1549751A; DE50205053D1; JP4690650B2; US20040238085A1

Abstract

본 발명은 니켈, 구리, 알루미늄, 은 또는 철-니켈 합금을 포함한 이들의 합금을 기초로 고도의 입방조직을 갖는 금속스트립을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 의하면, 후속하는 어닐링 공정중에 통상의 압연성형을 이용해 얻은 것과 같은 품질의 재결정 입방층을 얻을 수 있고 또한 비교적 전체적인 성형도로 더 좋은 입방조직을 만들 수 있다. 이를 위해, 재결정 어닐링 이전에 냉간압연으로 성형하여 고도의 조직을 얻는 성형법이 제공된다.

Description

금속 스트립의 제조방법{Method for producing metallic strips}

본 발명은 니켈, 구리, 알루미늄, 은 또는 이들 금속의 합금을 기제로 하며 입방층과 함께 고도의 어닐링된(annealed) 조직을 갖는 금속 스트립의 제조방법에 관한 것이다.

기본적으로, 상기 방법은 냉간인발(cold drawing) 또는 열간인발(hot drawing)된 다음 재결정화된 후 입방조직을 형성하는 경향이 있는 모든 금속 재료에 적용될 수 있다. 이들은 니켈, 구리, 금 및 특별한 조건하의 은 뿐만 아니라 오스테타이트(austenitic) Fe-Ni 합금을 비롯한 이들의 합금의 일부와 같은, 면심입방격자를 갖는 금속 재료를 포함한다. 한편, 상기 방법은 압연(rolling)으로 열간인발된 알루미늄에 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 신규 방법에 따라 제조된 스트립은 예컨대 고도의 미세구조 배열을 갖는 물리/화학적 코팅용 지지재(backing)로서 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 조직은 기질위의 증착층의 결정방향 성장을 위한 기제로 작용한다. 이러한 지지재는 예컨대 고온 초전도 분야에서 사용된 세라믹 코팅에 대한 기질로서 적합하다. 에피탁틱(eptitactic) 지지재로서의 기질의 기능은 거의 완벽한 조직상태와 관련되어 있으며, 따라서 가능한 최고로 다결정 조직이 정렬되어야 한다. 층을 이룬 초전도체용 기질 스트립은 초전도 자석, 변압기, 모터, 단층촬영기 또는 초전도 전류 통로에 사용된다.

구리, 니켈, 금 및 특정 조건하의 은과 같은 면심입방격자를 갖는 다결정성 금속은 압연으로 강한 냉간인발처리된 후 그다음 재결정화에 의해 입방층을 갖는 선명한 조직으로 성장한다고 알려져 있다(G. Wassermann: Textures of Metallic Materials, Springer, Berlin, 1939; H. Hu 등: Trans, ASM 224(1962) 96-105). 기본연구(W. Koester: Z. Metallkde. 18 (1926) 112-116) 및 추가의 연구(R.D. Deherty 등: Mater. Sci. Eng. A257 (1138) 18-36)는 스트립의 압연에 이은 어닐링 처리를 기초로 하여 실시되었다.

압연 및 어닐링 방식으로 조직화된 금속 스트립, 특히 니켈 및 은 스트립은 현재까지 금속 코팅, 세라믹 버퍼층 및 세라믹 초전도층 지지재로서 사용되고 있다(미국특허 5,741,377호). 이러한 금속 스트립의 기질 재료로서 적합성은 얻을 수 있는 조직도 뿐만 아니라 표면 바로 밑의 조직 품질에 따라 다를 수 있다.

순수한 금속을 다른 원소와 합금시키면, 조직 형성도는 합금 함량이 증가할수록 현저히 감소한다고 알려져 있다 (R.E. Smallman: Journ. Inst. Metals 84 (1955-56) 10-18). 예컨대, 10 내지 300 ppm 정도의 소량의 철로도 알루미늄의 재결정화 온도는 증가되고 입방조직은 현저히 감소된다(W.B. Hutchinson, H.-E. Ekstroem: Mater. Sci. Technol. 6 (1190) 1103-1111). 마그네슘은 니켈조직에 심각한 악영향을 미친다고 알려졌다(K. Detert 등: Z. Metallkde, 54(1963) 263-270). 600 원자 ppm 정도로 소량으로도 충분히 입방조직의 성장을 방지한다. 원소 들은 또한 니켈의 재결정화 온도를 높이는 것으로 밝혀졌다(K. Detert, G. Dressler: Acta Metall, 13(1965) 845-833). 크롬이나 몰리브덴은 합금원소로서 양호하다. 한편, 특히 니켈에 용해된 함량에 대한 어닐링 조직의 샤프니스(sharpness)와 열적안정성에 미치는 이들의 고유 효과는 분명하지 않다. 입방조직은 3원자%의 몰리브덴을 사용해도 얻을 수 없음이 밝혀졌다(K.Deter 등: Z. Metallkde, 54 (1963) 263-270).

합금함량이 높으면, 입방조직으로서의 니켈의 일차 재결정조직은 니켈-몰리브덴 및 니켈-텅스텐 합금에서 보이는 것처럼 덜 성장된다고 예상된다(J. Eickmeyer 등: Supercond. Sci. Technol. 14 (2001) 152-159). 또한, 이미 성장해버린 일차 입방조직도 이차 재결정과정 때문에 감소가 예상된다(R. E. Smallman, C.S. Lee: Mater. Sci. Eng. Al84 (1994) 97-112). 초전도층을 증착할 때 존재하는 700℃ 내지 800℃의 고온은 통상의 절삭상태에서 도달된다.

조직의 품질에 미치는 합금의 화학적 효과 이외에, 재결정에 의한 입방조직의 성장은 무엇보다도 고유한 기계적 변환조건과 결부된다. 냉간압연하는 동안 높은 최소 변환율은 필수불가결하며, 변환된 물질은 미세입자 출발구조인 것이 유리하다. 구리의 경우, 최소 변환율이 82%이다(O. Dahl, F. Pawlek: Z. Metallkde, 28 (1936) 266-271). 그러나, 경우에 따라서는 99%의 두께 감소를 넘는 상당히 높은 정도의 변환을 적용하여 고급 조직을 얻을 수도 있다. 현재는 이런 기계적으로 아주 값비싼 제조 기술을 이용해야 하는데, 이는 대체 기술이 수십년간 개발되지 않고 있기 때문이다.

따라서, 압연 이외의 성형방법은 현재로서는 입방조직을 갖는 금속 스트립의 제조에서 중요한 역할을 하지 않는다. 그 원인중 하나는 스트립을 제조하는 다른 변환방법의 신뢰성이 실험적으로 입증되지 않았기 때문이고, 이는 스트립 제조시 드러난 압연의 효율성 때문에 다른 변환방법이 전에는 그리 관심을 끌지 않았기 때문이기도 하다.

금속, 특히 니켈, 구리, 금 및 은의 변환 조직 및 어닐링 조직의 성장에 미치는 응력상태와 변형상태의 효과에 관해서는 일반적으로 유효한 이론도 없다. 따라서, 변형조직과 어닐링조직의 성장에 미치는 변환방법의 효과의 신뢰성을 계산할 수 없다. 또한, 변환중인 재료와 변환공구 사이의 마찰 조건은 스트립의 조직 형성에 영향을 주며, 특히 얇은 스트립에서는 과거에는 예상할 수 없었던 방식으로 영향을 준다.

아주 기다란 준(quasi) 단결정 물질(초전도성 층 도체)로서 스트립을 사용하기 위한 아주 이상적인, 어닐링된 조직에 대한 관심의 증가는 스트립의 내부와 코팅물질 표면에 거의 완벽한 조직이 필요할 경우와 관련되어 있다. 이 때문에, 조직 성장을 방해할 수 있는 모든 가능성을 중요하게 추정하고 가능하다면 예방해야 한다. 마지막으로, 이것은 물질의 변환중에 최적의 처리상태를 얻는데도 적용되는데, 전에는 압연하는 동안의 변수로 한정되었었다.

본 발명의 목적은 니켈, 구리, 알루미늄, 은 또는 이들 금속의 합금을 기본으로 하여, 종래의 압연 변환법과 비교해 전체적으로 낮은 변환율에서 후속하는 어 닐링 공정 동안 품질적으로 동등한 재결정된 입방 상태를 만들 수 있거나 또는 비교적 전체 정도의 변환율에서 품질적으로 더 우수한 입방조직을 생성하는 고도의 입방조직을 갖는 금속 스트립의 제조방법을 개발하는 것이다.

본 발명에 따라서, 재결정화 어닐링에 앞서 이전에 이하의 공구로 냉간인발로 재료를 심도있게 변환한다:

a) 평행한 평면 로울러쌍 또는 2개의 로울러쌍을 갖는 터크-헤드(Turk-head) 배열의 피동 로울러 장치; 또는

b) 서로 경사진 정지 인발죠(drawing jaw).

본 발명에 따라 제공되는 피동 로울러쌍의 공구 유형은 예컨대 F. Dohmann, R. Kopp 및 J. Mittendorff: Durchziehen in Umformatechnik, Plastomechanik and Werkstoffkunde (Drawing through in Conversion Technology, Plastomchanics and Material Science), Publisher: W. Dahl. R. Kopp. 및 O. Pawelski, Verlag Stahleisen, Duesseldorf, 1993, page 792에 기재되어 있다.

당업자라면 피동 터크-헤드 공구에 관한 정보를 J.A. Schey: Tribology in Metal Working, ASM, Metals Park, Ohio, 1984, page 352로부터 얻을 수 있을 것이다.

본 발명에 따라 제공되는 정지 인발죠는 예컨대 S. Kalparkjian in Manufacturing Processes for Engineering Materials, Addison Wesley Publishing Company, Reading, Mass., 1991, page 384에 기재되어 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 50% 이상, 바람직하게는 90% 이상의 두께 감소율 ε_h로 냉간인발을 한다.

변환이 어려운 합금에 통상적인 로울러 변환과 냉간인발을 조합하는 것이 유리할 수도 있지만, 주로 냉간인발 방법을 사용해야 한다.

스트립 표면을 매끈하게 마감하는 것은 마무리 밀링, 또는 다른 표면마무리 방법, 특히 버니싱으로 하는 것이 좋다. .

버니싱의 유형은 예컨대 W. Machu in: Oberflaechenvorbehandlung von Eisen und Nichteisenmetallen (Surface pretreatment of ferrous and non-ferrous metals), Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig, Leipzig, 1957, page 850에 기재되어 있다.

이어, 본 발명의 방법으로 처리된 금속물질은 입방조직을 얻기 위하여 환원 분위기나 비산화 분위기에서 재결정화 어닐링 처리된다. 재결정화 어닐링은 당업자에게 공지된 온도에서 실시한다.

본 발명의 방법에 의하여, 냉간인발 및 어닐링후의 상대적인 입방층 조직도는 두께 감소와 함께 달성되고, 이때의 두께감소는 종래의 냉간인발을 이용할 때 보다 상당히 적다. 압연에 비해 인발가공의 이점은 로울러 공구에 의한 롤 인발 뿐만 아니라 슬라이딩 인발에도 존재할 수 있으며, 롤 인발이 더 효과적이다.

상기 인발 방법은 오랫동안 공지된 변환방법이지만, 금속 스트립의 변환율과 어닐링 조직에 미치는 효과는 종래에는 그다지 적절히 연구되지 않았다. 그 이유는 제조 및 경제적 이유로서, 스트립의 제조는 압연에 의한 변환이 대부분이다. 인발 공정의 긍정적인 효과, 특히 압연 공정에 의한 인발의 긍정적인 효과는 고급 입방조직이 필요한 특수 처리분야에서 놀라울 정도로 입증되었다.

본 발명의 방법을 기질 스트립 제조에 이용할 경우, 조직화의 어려움으로 인해 냉간압연과 어닐링으로는 원하는 품질로 제조될 수 없는 스트립을 제조할 가능성이 생긴다. 따라서, 어닐링중의 조직 성장이 사전 냉간인발에 의해 촉진되었기 때문에 기술적 가능성이 확장된다. 여기에 본 발명에 따른 신규 방법의 가장 중요한 특별한 이점이 존재한다. 또한, 동일한 정도의 입방조직의 경우, 인발된 스트립은 압연된 스트립만큼 변환될 필요가 없다. 이때문에 에너지와 공수가 절감된다.

조직화해야할 금속과 합금은 금속학적으로 구리 금형에서 캐스팅하여 제조되는 것이 바람직하다. 출발 물질로는 냉열간 등압 성형에 의한 분말 야금품이 용융 야금품으로 적당할 수도 있다.

통상적인 열간인발을 개시하기 전에, 캐스트나 프레스된 물품을 균질 어닐링하여, 출발구조를 좋게 함은 물론 후속되는 혹독한 냉간압연에 대비해 입경을 조정할 수도 있다. 당업자라면, 열간인발도는 물론 어닐링 온도와 시간을 양호한 냉간인발 관점에서 다른 공정으로 쉽게 최적화할 수도 있을 것이다. 재결정 어닐링 분위기로는 환원 분위기나 불활성 분위기가 바람직하다. 합금의 함량이 증가할수록, 어닐링 온도와 시간이 더 높아지고, 당업자라면 아무 문제없이 이런 온도와 시간을 설정할 수 있을 것이다.

의미상 조직성장 개선작용을 하는 인발에 의한 변환은 유일한 조직변환방법으로 사용될 수도 있고, 슬라이드 인발이나 압연과 같은 다른 방법과 결합되는 메 인 방법으로 사용될 수도 있다. 본 발명의 방법의 긍정적인 효과를 최대화하기 위해, 조직화될 스트립의 변환성능이 롤인발이나 슬라이드 인발을 어느정도 허용할 지를 평가하는 것은 당업자에게 달려있다.

압연으로 생산된 조직화된 스트립은 RABiTS란 명칭으로 (Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate) (미국특허 5,741,377호 참조)의 대상이지만, 본 발명에 따라 제조된 스트립에 대하여는 본 출원인에 의하여 새로운 약어, DABiTS (Drawing Biaxially Textured Substrate)가 도입되었다.

도 1은 수소 가스중 600℃에서 30분간의 롤인발과 재결정으로 두께가 감소한 뒤 입방조직을 갖는 니켈의 x-선(111) 집합조직도(WZ 0.5 = 95%, WZ 0.18-98.2%; WZ 0.08-99.2%);

도 2는 수소 가스중 600℃에서 30분간의 냉간인발과 재결정으로 두께가 감소한 뒤 입방조직을 갖는 니켈의 x-선(111) 집합조직도(WZ 0.5 = 95%, WZ 0.18-98.2%; WZ 0.08-99.2%);

도 3은 수소 가스중 800℃에서 30분간의 롤인발, 슬라이드 인발 및 압연과 재결정으로 두께가 감소한 뒤 입방조직을 갖는 니켈스트립의 x-선(111) 집합조직의 1/2 폭을 보여주는 그래프;

도 4는 재결정 입방조직이 니켈 스트립에서 성장하는 정도에 미치는 변환방법과 변환율의 효과를 보여주는 그래프. 이 도면에서는 입방조직도를 나타내는데 집합조직이 아닌 로트게링 인자 I₍₁₀₀₎을 사용한다.

이하의 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

실시예 1

순도 99.9원자%이고 출발 치수가 10 mm x 10 mm인 순수한 니켈봉을 연화 어닐링했다. 이어, 입방조직을 만들기 위해, 니켈봉을 자유회전 롤을 통해 압연하여 0.5 mm 두께(ε_h = 95%)의 스트립으로 만든 다음 형성한 다음 600℃에서 어닐링하였다. 예리한 입방조직이 형성되었는데, 이것은 도 1에서 확인된다. 집합조직(WZ 0.5 RK6)에서 측정된 세기는 압연에 의한 종래의 변환후(도 2, W0.5RK6)에 얻은 세기보다 분명히 더 높았다. 상기 세기의 최대값은 롤인발 및 어닐링후 1211이었고 또 압연 및 어닐링후 876 이었다. 따라서, 롤 인발에서 최대 세기가 나타나고, 이것은 냉간압연으로 얻을 수 있는 값보다 38% 더 높았다. 인발의 이용으로 인하여, 조직의 샤프니스를 나타내는 1/2폭(FWHM 값)이 현저하게 개선되었다(도 3 참조). 동일한 두께감소 ε_h = 95%에 대해, 800℃에서 열처리한 후 다음 FWHM값을 얻었다: a) 압연: 12.21, b) 슬라이드 인발: 10.41, c) 롤 인발: 9.46. 압연으로 얻은 FWHM값은 롤인발로 얻은 값보다 29% 열등하였다(도 3). 롤인발의 긍정적인 효과는 보다 낮은 변환율일 때 더욱 분명하게 나타난다. 1 mm 스트립 두께(ε_h = 90%)의 경우, 롤 인발 후의 로트게링(Lodgering) 인자는 I₍₁₀₀₎ ≒ 0.88이었고 또 압연후에는 I₍₁₀₀₎ ≒ 0.63이었다. 롤 인발에 의한 상대적 개선도는 40%이었다(도 4).

도 4에 의하면, 95% 두께 감소 후 롤인발하여 I₍₁₀₀₎ ≒ 1.0이 얻어지는 반면, 압연의 경우에는 약 99%가 필요하다. 두께 500 ㎛에서 롤인발로 상기 조직 상태를 얻으려면, 약 100 ㎛까지 변환시킬 필요가 있다(도 4).

도 3 및 4의 결과로부터 확인되듯이, 롤 인발 뿐만 아니라 슬라이드 인발은 니켈에서 입방조직을 형성하는데 있어서 압연에 비하여 훨씬 더 유리하다. 슬라이드 인발의 이러한 유리한 효과는 예전에는 구리에서 슬라이드 인발의 효과가 압연의 효과와 동일(W.M. Baldwin: Trans. ASM 39(1147) 737-739)하였기 때문에 공업적으로 매력적이지 않은 것이었고 그러한 이유로 더 이상 실시되지 않았기 때문에 놀라운 것이다.

실시예 2

약 40 mm x 40 mm 단면을 갖는 구리 금형에서 캐스팅한 후 순도 99.9 원자%의 순수 니켈을 깨끗이 한 다음 20 mm x 20 mm로 열간압연한 뒤, 1050℃에서 어닐링하여 균질화시켰다. 미세 입자구조를 제공하기 위하여, 10 mm x 10 mm 단면을 냉간압연 및 어닐링하여 재결정했다. 샘플을 10 mm 두께에서 2.5 mm 두께로 슬라이드 인발했다. 이어 냉간 롤인발로 최종 두께 0.25 mm로 만들었다. 800℃에서 열처리하여 니켈 스트립에 고도의 입방조직을 형성했다.

실시예 3

5원자%의 텅스텐을 함유하는 니켈 합금에 미세결정구조를 형성하기 위해 20 x 20 m²의 단면 치수로부터 3 mm 두께로 냉간압연하고 850℃에서 재결정했다. 3 mm 두께를 0.15 mm 두께로 롤 인발한 다음 1000℃에서 어닐링하여 고도의 입방조직을 얻었다. 그러나, 거칠기가 최소인 가능한한 최고의 스트립 표면 품질을 얻기 위하여, 0.20 mm 두께로 롤인발을 실시하고 연마된 로울러를 사용하여 0.15 mm로 최종 압연할 수도 있다.

실시예 4

초기 어닐링 후, 10 mm 두께의 구리판을 연화 구조를 얻기 위하여 자유회전 롤을 통하여 0.08 mm의 최종 두께 치수까지 냉간인발했다. 이어 400℃에서 30분간 열처리하는 동안, 스트립 재료에 예리한 입방조직이 형성되었다.

Claims

니켈, 구리, 알루미늄, 은 또는 오스테나이트 철-니켈 합금을 비롯한 이들 금속의 합금을 기본으로 하는, 재결정 입방구조를 갖는 금속 스트립의 제조방법에 있어서:

상기 금속 스트립은 재결정 어닐링 처리되기 이전에,

a) 평행한 평면 로울러 쌍 또는 2개의 로울러 쌍을 갖는 터크-헤드(Turk-head) 배열로 된 피동 로울러 장치; 또는

b) 상호 경사진 정지 인발죠(drawing jaw);를 이용한 냉간인발처리를 받는 것을 특징으로 하는 금속 스트립의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 냉간인발에 의해 두께감소율(ε_h)이 50% 이상 95% 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 금속 스트립의 재료가 합금일 경우, 상기 냉간인발과 함께 압연을 조합하여 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
제 1항에 있어서, 버니싱에 의해 상기 금속 스트립 표면을 매끄럽게 마무리하는 것을 특징으로 하는 방법.