KR101115625B1 - 입방체 구조를 가진 금속성 플랫 와이어 또는 스트립 제조방법 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 재료 공학 분야에 관련되며, 예를 들면, 물리-화학적 코팅의 베이스로서 사용될 수 있고, 입방체 구조를 가지는 금속성 플랫 와이어 또는 스트립을 제조하는 방법에 관련된다. 본원 발명의 목적은 제품이 최종 제품 폭의 마지막 변형 후 부가적인 에지 가공 없이 제조될 수 있는 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 이를 위하여, 니켈, 구리, 금, 또는 은에 기초된 재료가 냉간-드로잉(cold-drawing) 방법에 의하여 가공되어 와이어를 형성하며, 총 횡단면은 eg = 75%만큼 감소되고 로그 변형은 Fg = 1.4의 로그 변형이 수행되며, 이후 와이어는 추가적인 변형 및 열처리 법에 의하여 보다 가공되어, 입방체 구조 및 정해진 방식으로 조절될 수 있는 폭을 가지는 플랫 와이어 또는 스트립이 형성된다.

Description

입방체 구조를 가진 금속성 플랫 와이어 또는 스트립 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING METALLIC FLAT WIRES OR STRIPS WITH A CUBIC TEXTURE}

본 발명은 재료 공학의 분야에 관계하며, 예컨대 고단위 마이크로구조로 배치되는 물리 화학적 코팅용 베이스로서 이용될 수 있고 입방체 구조를 가지는 금속성 플랫 와이어 또는 스트립의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 구조는 기판상에 증착된 층들의 결정학적으로 배치된 에피텍셜 성장(epitaxial growth)용 베이스로 이용된다. 그러한 베이스는 고온 초전도 분야에서 사용되는 것과 같은, 예를 들어 금속 또는 세라믹 코팅용 기판으로 적합하다. 층-초전도용 상기 기판 스트립은 초전도 자석, 트랜스포머, 모터, 단층 촬영기 또는 초전도 전류관 또는 케이블에 사용된다. 또한, 구조화된 상기 금속성 스트립은 예컨대 고투과성 니켈 철 합금처럼 자석 재료로 이용될 수 있다.

특정 조건 하에서 구리, 니켈, 금 및 은과 같은 큐빅-표면 센터링된 다결정 금속은 강한 냉간 변형 후에 후속 재결정시 박판 또는 평평한 스트립의 압연에 의해 입방체 층을 갖는 형성 구조를 형성할 수 있는 것이 공지되어 있다(G. Wassermann : 금속 재료의 구조, Springer 출판사, 베를린, 1939;H.Hu u.a:Trans. ASM 224(1962)96-105). 기본적인 연구(W. Koelster:Z. Metallkde. 18(1926)112- 116) 및 더 발전된 연구(R. D. Dotherty u.a.:Mater. Sci.Eng. A257(1998)18-36)는 후속 열처리(annelaing)에 의한 스트립 압연으로 실행되었다.

이러한 방식으로 평탄한 변형 상태 및 후속 열처리의 조건하에서 압연에 의해 구조화된 금속성 스트립, 특히 니켈 및 은 스트립은 현재 금속 코팅, 세라믹 버퍼층 및 세라믹 초전도층용 베이스로서 사용된다(A. Goyal u.a.:US Patent 5 741 377, Apr.21, 1998). 기판 재료로서의 상기 금속성 스트립의 적합성은 결정적으로 달성 가능한 구조화(texturizing)의 정도 및 직접 표면에서의 품질에 따라 다르다.

구조 품질에 미치는 화학적 합금 효과 외에도 재결정 입방체 구조의 형성은 특히 특수 금속의, 변형 기술적 전제 조건에 관련된다. 냉간 압연시 높은 최소 변형률이 필요하고, 변형 제품의 미세한 분말의 출발 구조가 바람직하다. 구리의 최소 변형률은 82% 이다(O. Dahl, F. Pawlek:Z. Metallkde. 28(1936)266-171). 물론 고도로 구조화되도록 두께 감소가 99% 이상인 더 높은 변형률이 부분적으로 제공된다. 현재 변형 기술적으로 매우 공정이 복잡한 이러한 제조 기술을 감수하는 이유는 지난 수년간 대안적인 기술이 제공되지 않았기 때문이다. 따라서 입방체 구조를 갖는 금속성 스트립을 제조할 때 압연 이외의 다른 성형 방법은 현재로서는 실질적으로 중요하지 않다.

또한 최근에는 후속하는 열처리 가공시 드로잉 성형(pultrusion)에 의해 스트립 재료의 변형이 입방체 구조를 결과할 수 있다(J. Eickemeyer, D. Selbmann, R. Opitz, B.de Boer, B. Holzapfel, L. Schultz:8. 작센 심포지움 변형 테크닉, 2001년 12월 4-5일, 산업대학교 베르그가카데미 Freiberg/Sa., 99-106 페이지). 이 방법은 지금까지 실질적으로 사용되지 않고 있다.

금속, 특히 니켈, 구리, 금 및 은의 변형 및 열처리 구조(annealing Texture)의 형성에 미치는 인장 및 변형 상태의 작용에 대한 일반적인 이론은 없다. 따라서 변형 및 열처리 구조의 형성에 대한 변형 방법의 작용을 명확히 추정하는 것은 불가능하다. 또한, 지금까지 예측할 수 없었던 방식으로, 변형 제품과 변형 공구 사이의 마찰 조건도 스트립 및 특히 얇은 스트립의 구조 변형에 영향을 미친다.

매우 길면서도 단결정과 유사한 기판 (초전도층)으로서의 스트립에, 광범위하고도 이상적인 글로우 (GLOW) 구조를 적용하는 것에 대한 관심이 커짐과 동시에, 스트립 내부 뿐만이 아닌, 그러한 스트립 내부 코팅층 베이스의 표면층에서도 가능한 한 완벽한 구조에 대한 요구가 더해진다. 이런 이유들 때문에 구조 형성시, 경우에 따라서 방해가 되는 총체적인 영향들은 비판적으로 평가되어야 하며, 그럴 가능성을 막아야만 한다. 특히 이것은 재료 변형시, 지금까지 스트립과 박판(양철)을 압연할 때의 영향력을 본질적으로 구분하는 방법상의 최적 조건이다.

본 발명의 목적은 입방체 구조를 가지는 금속성 플랫 와이어 및 스트립의 제조 방법을 제공하는 것으로, 본 방법에 의하여 최종 단계 및 후속하는 열처리 후 생성물은 고도의 입방체 구조를 갖는다.

이 방법은 청구범위에 제시된 본 발명에 의해 구현된다. 개선예는 종속 청구범위의 대상이다.

입방체 구조를 가지는 금속성 플랫 와이어 또는 스트립을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은 니켈-, 구리-, 금- 또는 은 베이스 재료가 고도로 변형될 때 냉간 드로잉 방법에 의해 다수의 드로잉 단계에 걸쳐 실질적으로 원형인 횡단면을 갖는 와이어로 가공되고, 이 경우 ε_g ≥ 75 %의 전체 횡단면 감소 또는 φ_g ≥ 1.4 의 로그 성형 변형이 구현된다. 후속하여 와이어는 부가적인 변형 및 열처리 방법에 의해 입방체 구조 및 정해진 방식으로 조절될 수 있는 폭을 가지는 금속성 플랫 와이어 또는 스트립으로 가공되고, 정해진 폭은 와이어 횡단면 및 와이어의 부가적인 변형 단계의 변형 정도(deformation degree)로부터 결정된다.

바람직하게는 냉간 드로잉 방법은 εg ≥ 90 % 의 전체 횡단면 감소 또는 φg ≥ 2.3의 로그 성형 변형으로 구현된다.

또한 바람직하게는 냉간 드로잉 방법은 슬라이딩 드로잉으로서, 2α = 2˚- 20˚의 드로잉 각을 갖는 드로잉 다이(drawing die)에 의해 구현되고, 여기서 2α≤ 12˚의 드로잉 각이 더욱 바람직하다.

또한, 냉간 드로잉 방법은 각각 교차 드로잉 방향(가역)으로 구현되면 바람직하다.

또한, 다른 변형 및 열처리 방법 이전에 와이어의 중간 처리가 생략되면 바람직하다.

본 발명에 따른 방법은 금속성 플랫 와이어 또는 스트립 제조용 출발 물질로서 금속 베이스 재료를 사용하고, 상기 베이스 재료는 냉간 변형과 후속하는 재결정 후에 입방체 구조를 형성하는 경향이 있다. 상기 베이스 재료에는, 예컨대 특수한 조건 하에서 니켈, 구리, 금 또는 은 및 그들의 합금의 일부와 같은, 큐빅-표면 센터링된 격자를 갖는 금속 재료가 속한다.

상기 금속 베이스 재료는 본 발명에 따라 고도의 냉간 드로잉에 의해 원형 횡단면을 갖는 와이어 재료로 가공된다. 또한, 상기 와이어는 자유 회전 가능한 롤러에 의한 공지된 롤 드로잉 방법을 이용함으로써, 또는 병렬로 배치된 드로잉 치크에 의한 드로잉에 의해 또는 압연에 의해 금속성 플랫 와이어 또는 금속성 스트립으로 가공되고, 이에 후속하는 공지의 최종 재결정 열처리 동안 입방체 구조로 제조된다.

금속성 플랫 와이어는 본 발명의 범위에서 냉간 변형에 의하여 와이어로 제조된 생성물이고, 폭과 두께는 초기 와이어 직경 및 제공된 변형 정도에 의해 정확하게 결정된다.

금속성 스트립은 냉간 성형에 의하여 예비 성형물로서 제조된 생성물이고, 스트립 폭은 보다 넓은 생성물의 길이 분할을 통해 얻어진다.

일반적인 와이어 제조에서와 같이. 고도의 냉간 드로잉은 먼저 출발 물질의 관통에 의한 드로잉 다이에 의해 구현된다. 후속 변형은 압연에 의해 스트립으로 또는 롤러툴 또는 드로잉 치크를 이용한 스트립의 드로잉에 의해 구현될 수 있다. 냉간 드로잉은 드로잉 다이에 의한 슬라이딩 드로잉으로서 바람직하게 2˚내지 20˚사이의 드로잉 각을 갖는 드로잉 치크에 의해 이루어진다. 와이어의 냉간 드로잉은 하나 또는 동일한 방향(단방향)으로 또는 바람직하게 각각의 교차 드로잉 방향(진동하는)으로 구현된다.

또한, 본 발명에 따른 방법은 와이어 드로잉 후 금속성 플랫 와이어로의 부가적 변형 이전에 와이어의 중간 처리를 필요로 하지 않으며, 이것은 기술적 장점이 된다.

유사하게는 와이어로의 냉간 드로잉, 플랫 와이어 또는 스트립으로의 변형 및 최종 열처리에 의한 본 발명에 따른 방법에 의한 두께 감소시, 지금까지 사용된 냉간 롤 및 롤러 툴 또는 드로잉 치크를 이용한 냉간 드로잉을 이용 할 때와 같이 입방체 구조의 적어도 상대적인 구조도가 얻어진다. 집중적인 와이어 드로잉은 후속 재결정 입방체 구조의 형성에 특히 바람직한 구조를 결과한다.

특히 신규한 방법의 장점은 후속 변형 단계에서 폭이 넓은 제조 금속성 플랫 와이어 또는 금속성 스트립을 필수적으로 길이 분할할 필요 없이, 정해진 와이어 직경의 조절 및 와이어의 후속 변형 단계에서의 전체 변형 정도의 조절에 의해 폭이 조절될 수 있다는 점이다. 또한, 복잡한 에지 가공이 생략된다. 이로써 제조 과정에서 길이 분할을 위한 장치 및 에지 가공을 위한 장치가 절감된다. 동시에 절단된 가장자리 스트립에 의해 필수적으로 발생하는 재료 손실이 없는 그리고 에지 가공시 제거될 수 없는 칩(chip) 생성물이 없는 방법을 실시한다. 이로써 예민한 스트립의 표면 품질에 항상 영향을 줄 수 있는 기술적 단계가 생략된다.

와이어 드로잉 방법이 이미 공지된 변형 방법임에도 불구하고, 와이어로 제조된 금속성 플랫 와이어 또는 금속성 스트립의 변형 및 열처리 구조에 미치는 영향은 지금까지 연구되지 않았다.

고도의 입방체 구조의 구현과 같은 특수 가공을 위해 놀랍게도 금속성 플랫 와이어 또는 입방체 구조를 갖는 금속성 스트립의 제조에 대한 와이어 드로잉의 바람직한 영향이 공지된다. 즉, 섬유조직으로서의 드로잉 조직이 기본적으로 압연조직과는 구별된다는 점과, 아시다시피, 표면에 중심을 맞춘 특정한 입방체 금속의 압연 구조와 그런 금속의 합금으로 형성된 재결정-입방체 구조적 측면에서의 영향은 추측할 수 없을 만큼 긍정적이기 때문에 이것이 매우 놀랄 만한 것이다. 이질적인 인장상태 및 변형상태 자체는, 원형 와이어를 플랫 와이어 또는 스트립으로 가공할 때 입방체 구조를 가진 최종 생성물에 대해 그 상태가 측정영역 이상인 것과 같은, 예상치 못한 결점들을 가져오지 않는다.

본 발명에 따른 방법을 사용하여 동일한 또는 개선된 제품 품질을 가지며, 기술적 측면에서 효과적인, 기판 스트립 또는 전자기적 용도를 위한 스트립 제조 방법이 얻어진다. 필수적인 및 길이 분할 및 에지 가공에 필요한 특수 장치, 필요한 에너지와 공정 과정에 대한 비용이 절감된다.

융용 금속에 의하여 구조화될 금속 및 합금은 바람직하게는 구리 주형에서 주조됨으로써 제조된다. 융용 금속에 의한 제조에 대한 대안으로서, 냉간 및 열간 등압적 가압에 의한 분말 금속의 제조 또한 출발 물질의 제조로서 바람직할 수 있다.

금속으로 제조된 주조 또는 가압 성형 바디는, 후속하는 일반적인 열간 변형의 시작 전에 균일화 열처리에 의해 바람직한 출발 구조를 얻고, 최종 강력 냉간 변형을 위한 입자 크기의 제어된 조절을 통해 얻어질 수 있다. 열처리의 온도 및 기간과 같은 열간 변형률은 다른 프로세스에서 양호한 냉간 변형의 양상하에서 당업자에 의해 간단하게 최적화될 수 있다. 바람직하게는 재결정을 위한 열처리 분위기는 감소되거나 또는 불활성이다. 열처리 온도 및 시간은 증가하는 합금 함량에 따라 값이 변하는 경향이 있으며 마찬가지로 당업자에 의해 문제없이 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 방법과 공지된 다른 방법과의 차이는 최종 제조되는 플랫 와이어 또는 스트립의 입방체 구조에 미치는 바람직하지 않은 작용이 발생하지 않으면서 실질적으로 거의 원형 횡단면을 갖는 와이어도 플랫 와이어 또는 스트립의 제조를 위한 출발 생성물로서 사용될 수 있다는 점이다. 이것은 공지된 선행 기술에 의하면 바람직하지 않았다. 섬유 조직 및 이에 상응하는 유형의 와이어 드로잉 및 열처리 구조는 하나의 선호 방향, 즉 와이어축을 특징으로 한다. 따라서 놀랍게도, 두 개의 축방향 재결정 입방체 구조의 형성을 위하여 비교적 적은 후속 평면 변형에 의해 섬유 조직을 갖는 고도로 드로잉 된 와이어가 제공될 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

본 발명은 하기에서 실시예에 의해 상세히 설명된다.

도 1은 Φ20 mm의 초기 와이어가 Φ 5 mm로(ε= 93.75%)로 드로잉 되고 중간 열처리 후 Φ1.25 mm(ε= 93.75%)로 드로잉 된 후, Φ1.25 mm(ε= 87.9%)의 단방향 롤 드로잉에 의해 제조된 82 ㎛의 두꺼운 니켈 철 스트립(Ni53Fe47)의 구조도 및 EBSD에 의한 구조 사진.

실시예 1

합금(Ni53-Fe47)의 라운드 바아는 20 mm 직경의 바아 또는 와이어 드로잉에서 일반적으로 여러 단계에서 실질적으로 5 mm 직경의 라운드 횡단면을 갖는 와이어로 드로잉 된다(1. ε= 93.75%의 전체 감소량). 850 ℃에서 재결정 열처리 이후 1.25 mm 직경으로 연속하여 냉간 드로잉 된다(2. ε= 93.75%의 전체 감소량). 상기 와이어는 후속하여 ε= 87.4%의 횡단면 감소를 갖는 단방향 롤 드로잉에 의해 1.89 mm의 폭과 82㎛의 두께를 갖는 플랫 와이어로 가공된다. 60분 동안 1100 ℃에서 구조 열처리는 고도의 재결정 입방체 구조를 생성하고, 상기 구조는 구조물에서 94.3%의 양을 차지한다(도 1). 모든 입자 경계의 93.1 %이 10˚미만의 어긋남 방위를 갖는 작은 각도 입자 경계이다(도 1의 흰 부분). 그러한 구조 품질은 평평한 생성물의 일반적인 스트립 변형의 종래의 작업 방식에서 εg= 99% 이상의 스트립 두께 감소 이후 얻어진다. 생성되는 플랫 와이어의 부가적 가공은 필요 없다.

실시예 2

합금(Ni53-Fe47)의 라운드 바아는 일반적으로 20 mm 직경의 바아 또는 와이어 드로잉에서 여러 단계에서 실질적으로 5 mm 직경의 둥근 횡단면을 갖는 와이어로 드로잉된다(1. ε= 93.75%의 전체 감소량). 850℃에서 재결정 열처리 이후 1.25 mm 직경으로 연속하여 냉간 드로잉 된다(2. ε= 93.75%의 전체 감소량). 상기 와이어는 후속하여 ε= 87.9%의 횡단면 감소를 갖는 가역 롤 드로잉에 의해 1.86 mm의 폭과 77㎛의 두께를 갖는 스트립으로 연속 가공된다. 60분 동안 1100 ℃에서 구조 열처리는 고도의 재결정 입방체 구조를 생성하고, 상기 구조는 구조물에서 91.3%의 양을 차지하고, 모든 입자 경계의 92.8 %이 10˚미만의 어긋남 방위를 갖는 작은 각도 입자 경계이다. 그러한 구조 품질은 εg= 99% 이상의 스트립 두께 감소 이후 평평한 생성물의 일반적인 스트립 변형의 종래의 작업 방식에서 얻어진다. 생성되는 플랫 와이어의 부가적 가공은 필요 없다.

실시예 3

합금(Ni53-Fe47)의 라운드 바아는 일반적으로 20 mm 직경의 바아 또는 와이어 드로잉에서 여러 단계에서 실질적으로 1.25 mm 직경의 라운드 횡단면을 갖는 와이어로 드로잉 된다(1. ε= 99.6%의 전체 감소량). 상기 와이어는 후속하여 ε= 87.4%의 횡단면 감소를 갖는 역방향 롤 드로잉에 의해 1.83 mm의 폭과 80㎛의 두께를 갖는 스트립으로 연속 가공된다. 60 분 동안 1100 ℃에서 조직 열처리는 고도의 재결정 입방체 구조를 생성하고, 상기 구조는 구조물에서 91.6%의 양을 차지하고, 모든 입자 경계의 83.6 %는 10˚미만의 어긋남 방위를 갖는 작은 각도 입자 경계이다. 생성되는 스트립의 부가적 가공은 필요 없다.

실시예 4

합금(Ni53-Fe47)의 라운드 바아는 일반적으로 20 mm 직경의 바아 또는 와이어 드로잉에서 여러 단계에서 실질적으로 5 mm 직경의 라운드 횡단면을 갖는 와이어로 드로잉 된다(1. ε= 93.75%의 전체 감소량). 850℃에서 재결정 열처리 이후 1.25 mm 직경으로 연속하여 냉간 드로잉 된다(2. ε= 93.75%의 전체 감소량). 상기 와이어는 후속하여 ε= 82.2%의 횡단면 감소를 갖는 역방향 롤 드로잉에 의해 1.53 mm의 폭과 97㎛의 두께를 갖는 스트립으로 연속 가공된다. 60분 동안 1100 ℃에서 구조 열처리는 고도의 재결정 입방체 구조를 생성하고, 상기 구조는 구조물에서 82.9%의 양을 차지하고, 모든 입자 경계의 61.9 %이 10˚미만의 어긋남 방위를 갖는 작은 각도 입자 경계이다. 생성되는 스트립의 부가적 가공은 필요 없다.

실시예 5

5원자 질량 % 의 텅스텐의 합급을 포함하는 니켈 와이어는 5 mm 직경으로부터 여러 단계에서 1 mm 직경으로 드로잉 된다(εg = 96%). 이후 와이어는 중간 처리 없이 1.9 mm의 폭과 60㎛의 두께의 단부 치수를 갖는 플랫 와이어로 냉간 압연된다. 플랫 와이어는 최종적으로 1시간 동안 1100 ℃에서 구조 열처리 되고 에피텍셜 성장층으로 코팅하기 위한 베이스 층에 사용되는 것과 같은 날카로운 입방체 구조가 형성된다.

Claims (6)

1. 입방체 구조(cubic texture)를 가진 금속성 플랫 와이어(flat wire) 또는 스트립(strip) 제조 방법으로서, 상기 입방체 구조는 니켈-, 구리-, 금-, 또는 은 베이스 물질이 다수의 드로잉 변형에서 냉간 드로잉(cold-drawing) 방법에 의해 원형 횡단면을 갖는 와이어로 가공되고, ε_g ≥ 75 % 의 전체 횡단면 감소 또는 φ_g ≥ 1.4의 로그 변형이 구현되고, 후속하여 와이어는 부가적인 변형 및 열처리 방법에 의해 입방체 구조를 가지며 조절 가능한 폭을 갖는 플랫 와이어 또는 스트립으로 연속하여 가공되고, 상기 조절에 의해 정해진 폭은 와이어 횡단면 및 와이어의 부가적 변형 단계의 변형 정도로부터 졀정되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉간 드로잉 방법이 ε_g ≥ 75%의 횡단면 감소 또는 φ_g ≥ 1.4의 로그 변형에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 입방체 구조를 가진 금속성 플랫 와이어 또는 스트립 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉간 드로잉 방법은 슬라이딩 드로잉으로서 2α = 2˚- 20˚의 드로잉 각으로 구현되는 것을 특징으로 하는 입방체 구조를 가진 금속성 플랫 와이어 또는 스트립 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 냉간 드로잉은 2α≤ 12˚의 드로잉 각으로 구현되는 것을 특징으로 하는 입방체 구조를 가진 금속성 플랫 와이어 또는 스트립 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉간 드로잉 방법은 각각의 교차 드로잉 방향(가역)으로 실행되는 것을 특징으로 하는 입방체 구조를 가진 금속성 플랫 와이어 또는 스트립 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 부가적인 변형 및 열처리 이전에 상기 와이어의 냉간 드로잉이 생략되는 것을 특징으로 하는 입방체 구조를 가진 금속성 플랫 와이어 또는 스트립 제조 방법.

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