KR101143015B1 - 구리-니켈-실리콘 2상 캔치 기재 - Google Patents

Abstract

구리-니켈-실리콘 캔치 기재가 용융합금에서 미세결정질 또는 비정질 스트립으로 응고된다. 상기 기재는 열적으로 전도성의 합금으로 조성된다. 상기 기재는 니켈 실리사이드 상의 불연속적인 네트워크로 둘러싸인 구리 리치 영역을 갖는 2상 미세조직을 가진다. 상기 미세조직은 실질적으로 균일하다. 스트립의 주조는 주조시간의 함수로써 최소한의 표면 열화로 확보된다. 각 런(run) 동안 주조된 재료의 양은 구리-베릴륨 기재에 조우 되던 독성 없이 개선된다.

캔치 기재, 비정질스트립, 실리사이드, 2상 조직

Description

구리-니켈-실리콘 2상 캔치 기재{COPPER-NICKEL-SILICON TWO PHASE QUENCH SUBSTRATE}

본 발명은 용융합금의 급속 냉각에 의한 리본 또는 와이어의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 급속 냉각을 확보함에 사용되는 주조 휠 기재의 조성적이고 조직적인 특징, 및 상기 주조 휠이 제조되는 방법에 관한 것이다.

합금 스트립의 연속주조는 용융합금을 회전하는 주조 휠 상으로 놓음으로써 확보된다. 상기 용융합금 스트림이 유지되고 상기 주조 휠의 빠르게 이동하는 캔치 표면에 의한 열의 전도를 통하여 고화됨에 따라 스트립이 형성된다. 그 응고된 스트립은 상기 냉각 휠에 분리되어 권취 기계에 의해 취급된다. 고품질 스트립의 연속 주조를 위해서는, 이러한 캔치 표면(quench surface)은 주기적인 용융금속 접촉과 그 주조표면으로부터 응고된 스트립의 제거에 따른 열적으로 발생되는 기계적인 응력을 이겨내야만 한다. 상기 캔치 표면내의 어떠한 결함도 상기 용융금속에 의해 침투되고, 이에 의해 고화된 스트립의 제거시 상기 냉각 표면 부분을 뜯어내어 그 냉각 표면의 열화를 야기한다. 그 결과, 보다 긴 길이의 스트립이 냉각 휠(chill wheel)상의 주어진 트랙 내에서 주조됨에 따라 스트립의 표면품질이 나빠진다. 고품질 스트립의 주조길이는 상기 휠 재료의 품질에 대한 직접적인 척도를 제공한다.

상기 캔치 표면의 개선된 성능을 위한 주된 인자로는, (i)용융금속으로부터의 열을 뽑아내어 상기 스트립을 응고시킬 수 있도록, 보다 높은 열전전도를 갖는 합금의 사용, 그리고 (ii) 상기 주조표면의 완전성을 유지하기 위해 높은 기계적인 강도를 갖는 재료의 사용, 이는 높은 온도(＞500℃)에서 높은 응력 레벨하에 있음,이 있다. 높은 열전도도를 갖는 합금은 특히, 상승된 온도에서 높은 기계적인 강도를 갖지 않는다. 따라서 열전도도는 적절한 강도 특성을 갖는 합금을 사용하기 위해 타협된다. 순수한 구리는 아주 좋은 열전도도를 가지나, 짧은 길이의 스트립의 주조후 심각한 휠 손상을 나타낸다. 예들은 다양한 종류의 구리합금 등을 포함한다. 또다르게는, 유럽특허 EP0024506에 나타난 바와 같이, 그 성능을 개선하기 위해 다양한 표면들이 그 주조 휠 캔치 표면상에 도금될 수 있다. 적절한 주조 절차가 미국특허 US4,142,571에 자세히 제시되어 있으며, 그 내용은 여기에서 참고로 통합된다.

종래기술의 주조 휠 캔치 표면은 일반적으로 단일, 또는 다중 성분의 두가지 형태중 하나를 포함한다. 이전에는, 고체 블록의 합금이 선택적으로 냉각채널이 제공되는 주조 휠의 형태로 가공된다. 부재 캔치 표면은 미국특허 US4,537,239호에 나타난 바와 같이, 조립될 때 주조 휠을 구성하는 다수의 조각들을 포함한다. 본 개시에서의 주조 휠 캔치 표면 개선은 모든 종류의 주조 휠에 적용할 수 있다.

주조 휠 캔치 표면은 일반적으로 단상의 구리합금, 또는 정합 또는 반정합의 석출물을 갖는 단상의 구리합금으로부터 제조되고 있다. 상기 합금은 주조되어 그로부터 휠/캔치 표면을 제조하기 전에 어떠한 방법으로 기계적으로 가공된다. 경 도, 인장 및 항복강도, 신율과 같은 어떤 기계적인 특성들이 열전도도와의 절충과 조합하여 고려되어 지고 있다. 주어진 합금에서 기계적 강도와 열전도도 특성의 가능한 최적의 조합을 확보하기 위한 노력들이 행하여 지고 있다. 이러한 이유는 기본적으로 두 가지이다: 1)소망하는 주조 스트립 미세조직을 가져올 정도로 충분하게 높은 냉각속도(quench rate), 2)스트립의 기하학적인 정의의 열화를 가져와 그 주조제품을 사용할 수 없게 할 수 있는 캔치 표면의 열적 및 기계적인 손상에 대한 저항. 전형적으로 정합 또는 반정합의 석출물을 갖는 단상을 나타내는 합금은 다양한 조성의 구리 베릴륨 합금과 낮은 농도를 크롬을 갖는 구리 크롬합금을 포함한다. 베릴륨과 크롬 양자는 분위기온도에서 구리에 아주 적은 고용도를 가진다.

상기 스트립 주조공정은 복잡하며, 동적이며 또한 주기적인 기계적인 특성들이 우수한 성능특성을 갖는 캔치 표면을 개발하기 위해 심각하게 고려되어야 할 필요가 있다. 캔치 표면으로 사용을 위한 원료 단상합금이 제조되는 공정들은 후속하는 스트립 주조 성능에 현저하게 영향을 줄 수 있다. 이는 기계적인 가공량과 열처리후 발생하는 후속하는 강화상들의 양 때문일 수 있다. 이는 또한 약간의 기계적인 가공공정의 방향성 또는 개개의 속성 때문일 수도 있다. 예를 들면, 링 단조 및 압출 양자는 작업 부재에 이방성의 기계적인 특성을 부여한다. 불행히도, 이로부터 얻어지는 배향의 방향은 전형적으로 상기 캔치 표면 내에 가장 유용한 방향을 따라 배열되지 않는다. 합금 재결정, 결정입 성장 및 상기 단상의 합금매트릭스와 함께 정합상석출의 강화를 확보하기 위하여 채용된 열처리는 종종 상기 기계가공공정 단계들 중에 도입되는 결점들을 개선함에 불충분하다. 상기로부터 얻어지는 캔치 표 면은 비균일한 결정입 크기, 형상 및 분포를 갖는 미세조직을 나타낸다. 미세하고 등축상의 결정입 구조를 확보함에 사용되어온, 이러한 단상의 구리합금들에 대한 공정들의 변화가 미국특허 번호 US5,564,490과 US5,842,511에 제시되어 있다. 상기 미세한 결정입의 단상 조직은 주조 휠 표면내에 큰 피트(pit)의 형성을 감소시킨다. 이들 피트들은 교대로 상기 주조공정 동안 휠에 접촉하는 스트립 표면내에 대응하는 "피트"를 형성한다. 이러한 석출 경화되는 많은 단상의 구리합금들은 그 성분들중 하나로 베릴륨을 함유한다. 상기 주조 표면의 품질을 개선하기 위해 지속적으로 연마되므로, 베릴륨 함유하는 합금의 생물학적 독성 측면은 건강상의 위험을 부여한다. 따라서 표면 열화 없이 우수한 용융금속 냉각 특성을 나타내는 비독성의 합금들을 오랫동안 찾아오고 있다.

다른 원소들의 첨가를 갖는 구리-니켈-실리콘 합금이 미국특허 US5,846,346에 나타난 바와 같이, 전자산업에서 베릴륨 구리합금의 대체로 사용되어 오고 있다. 2상의 석출이 높은 열전도도 및 강도를 제공하기 위하여 억제된다. 일본 공개특허번호 S60-45696호에는 특정한 코르손(Corson)그룹 합금에 아주 미세한 석출물을 제조하기 위하여 14개의 첨가제를 첨가함을 제시하고 있다. 이러한 실질적으로 단상의 합금은 0.5~4중량%의 Ni와 0.1~1중량%의 Si와 함께 Cu를 함유한다. 이러한 실질적으로 단상의 합금들을 위한 주조온도 특성은 급속-냉각(rapid-quench) 주조 표면의 요구 이하이다.

그 결과, 용융합금의 급속응고를 위한 비독성의 주조휠(chill wheel)에 대한 필요가 본 기술분야에 존재하며, 이는 연장된 주조시간 동안 급속한 열화에 저항함 으로써 주조 스트립의 표면 품질을 유지시킨다. 이러한 필요성은 심지어 그 결정입 구조가 잘 제어된 경우에도, 실질적으로 단상의 구리합금들이 존재함에 의해 제조되지 않았다.

본 발명은 합금 스트립의 연속 주조를 위한 장치를 제공한다. 전반적으로 말해서, 상기 장치는 급속응고를 위하여 그 위에 놓여진 용융 합금층을 연속하는 합금 스트립으로 냉각하는 빠르게 이동하는 캔치 표면을 포함하는 주조 휠을 포함한다. 상기 캔치 표면은 미량의 다른 원소들의 첨가와 미량의 다른 상들의 분포를 갖는 2상 구리-니켈-실리콘 합금으로 조성된다.

전반적으로 말해서, 상기 합금은 약 6-8중량%의 Ni, 약 1-2중량%의 Si, 약 0.3-0.8중량%의 Si, 잔여 Cu와 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어지는 조성물을 가진다. 이러한 합금은, 셀 조직을 형성하는 니켈과 크롬 실리사이드의 얇고 잘 결합된 불연속적인 네트워크 영역에 의해 둘러싸인 미세한 결정입의 구리상을 함유하는 2상 미세조직을 가진다. 상기 미세조직은 또한 상기 구리상 내에 니켈 실리사이드와 크롬 실리사이드 석출물을 포함한다. 이러한 미세조직을 갖는 합금들은 특정한 합금-제조 주조와 기계가공방법들, 그리고 최종 열처리를 사용하여 생산된다. 상기 합금의 미세조직은 그 높은 열전도도와 고경도 및 강도를 책임진다. 상기 열전도도는 상기 구리상으로부터 얻어지며 상기 경도는 상기 니켈 실리사이드 및 크롬 실리사이드 상들로부터 얻어진다. 상기 둘러싸는 네트워크 상의 분포는 1~250㎛의 셀 크기를 갖는 셀 조직을 형성하며, 그 용융물에 실질적으로 균일한 캔치 표면을 제공한다. 이러한 합금은 연장된 주조 시간 동안 열화에 저항한다. 긴 길이의 스트립들이 '핍스', 또는 다른 표면 열화와 같은 표면 돌출부의 형성 없이 이러한 용융합금으로부터 주조될 수 있다.

전반적으로 말해서, 본 발명의 캔치 주조 휠 기재(quench casting wheel substrate)는, (a)약 6-8중량%의 Ni, 약 1-2중량%의 Si, 약 0.3-0.8중량%의 Cr, 잔여 Cu와 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어지는 조성물을 갖는 구리-니켈-실리콘 2상 합금빌렛을 주조하는 단계; (b)캔치 주조 휠 기재를 형성하기 위해 상기 빌렛을 기계적으로 가공하는 단계; 및 (c)약 1~1000㎛의 셀 크기를 갖는 2상 미세조직을 확보하기 위해 상기 기재를 열처리하는 단계;를 포함하는 공정에 의해 제조된다.

상기 주조단계는 소망하는 크기를 갖는 림(rim)의 생산을 허용함에 충분할 정도의 크기를 갖는 잉곳을 생산해야만 한다. 상기 잉곳은 고순도의 합금 성분으로부터 제조되어야 하며, 그 주조절차는 응고 동안 수지상 사이 영역(interdendritic region)에서 실리사이드 형성을 갖는 조대한 수지상 조직의 발달을 최소화하기 위해 디자인되어야 한다.

상기 기계적인 가공단계는 상기 주조 잉곳의 응고 동안 형성하는 잔류하는 실리사이드 조직을 파괴하고 그 전체에 걸쳐 균일하게 핵 생성 및 결정입 성장을 유도하기 위해 충분한 변형(스트레인)을 생성해야만 한다. 기계적인 가공 동안 상기 잉곳의 온도는 760~955℃에 있어야 한다.

상기 열처리단계는 상기 기계적으로 가공된 미세조직을 균일화하고, 그 소망하는 미세조직을 형성하기 위해 상기 구리 리치 상(copper rich phase)에 대한 균일한 핵 생성과 결정입 성장을 생성해야 한다.

2상 결정질 캔치 기재의 사용은 주조 휠의 가용수명을 증가시킴에 유익하다. 상기 캔치 표면상에 수행되는 주조를 위한 런 타임(run time)이 현저하게 길어지고, 각각의 런(run) 동안 주조되는 재료의 품질은 구리-베릴륨 기재에 조우 되던 독성 없이 개선된다. 상기 캔치 표면상에 주조되는 스트립은 거의 없는 표면 결함, 따라서 증가된 팩 펙터(pack factor:% 라미네이션)를 보이며; 이들 스트립으로부터 제조된 전력분배 변압기의 효율이 개선된다. 주조 동안 상기 캔치 표면의 런 응답(run response)이 하나의 주조로부터 다른 주조에까지 현저하게 일정하며, 그 결과, 실질적으로 같은 런닝 타임이 반복되고 유지 스케쥴이 촉진된다. 유익하게, 상기 기재상에서 급속하게 응고된 스트립의 수율이 현저하게 개선되고, 그 기재의 유지와 관련된 다운 타임이 최소화되며, 그리고 상기 공정의 신뢰성이 증가 된다.

이하, 후속하는 상세한 설명 및 첨부도면을 참조할 때 본 발명은 보다 완전히 이해되고 그 이익이 보다 명백해 질 것이다.

도 1은 금속 스트립의 연속 주조를 위한 장치에 대한 개략도이다.

도 2는 6.7인치 폭 비정질합금 스트립의 연속 스트립주조를 위하여 주조시간의 함수로, 정합 또는 반정합의 석출물을 갖는 Cu 2중량%의 Be 캔치 기재의 성능 열화["핍핑(pipping)"]를 보여주는 그래프이다.

도 3은 Cu 2% Be, 표 I의 조성 2로 제시된 2상 Cu-7%Ni, 그리고 표 I의 조성 3 및 C18000으로 각각 제시된 실질적으로 단상의 Cu-4% Ni 및 Cu 2.5%Ni에 대한, 시간의 함수로써 핍(pip) 성장에 의한 성능 열화를 보여주는 그래프이다.

도 4는 Cu 2% Be, 표 I의 조성 2로 제시된 2상 Cu-7%Ni, 그리고 표 I의 조성 3 및 C18000으로 각각 제시된 실질적으로 단상의 Cu-4% Ni 및 Cu 2.5%Ni에 대한, 시간의 함수로써 림(rim) 평탄 열화(smoothness degradation)에 의한 성능 열화를 보여주는 그래프이다.

도 5는 Cu 2% Be, 표 I의 조성 2로 제시된 2상 Cu-7%Ni, 그리고 표 I의 조성 3 및 C18000으로 각각 제시된 실질적으로 단상의 Cu-4% Ni 및 Cu 2.5%Ni에 대한, 시간의 함수로써 라미네이션 펙터 열화에 의한 성능 열화를 보여주는 그래프이다.

도 6은 21분 동안 스트립의 주조후 피트 형성을 보이는, 표 I에서 조성 C18000로 제시된 실질적으로 단상의 합금 캔치 기재에 대한 현미경사진이다.

도 7은 92분간 스트립 주조후 피트 형성에 대한 저항을 보이는, 표 I에서 합금 2로 제시된 구리-니켈-실리콘 2상 캔치 기재에 대한 현미경사진이다.

여기에서 사용되는 용어 "비정질 금속합금"은 실질적으로 어떠한 장범위 규칙도가 결여되고, 액체 또는 무기산화물 글래스에서 관찰되는 것과 정량적으로 유사한 X-선 회절강도 최대에 의해 특징 되는 금속합금을 의미한다.

여기에서 사용되는 용어, 조직을 갖는 2상 합금은, 1000㎛(0.040인치)미만 바람직하게는 250㎛(0.010인치)미만의 셀 크기를 갖는 셀 조직을 형성하는 니켈과 크롬 실리사이드의 불연속적인 네트워크에 의해 둘러싸인 구리 리치 영역을 갖는 합금을 의미한다. 상기 미세조직은 또한 상기 구리상 내에 니켈 실리사이드와 크롬 실리사이드 석출물을 함유할 수 있다.

여기에서 사용되는 용어 "스트립"은 그 단면 치수가 그 길이 보다 아주 작은 가느다란 몸체를 의미한다. 따라서 스트립은 와이어, 리본, 또는 시트와 같이, 규직적이거나 또는 불규칙적인 단면의 모두를 포함할 수 있다.

명세서와 청구항들에서 사용되는 용어 "급속응고"는 용탕을 적어도 약 10⁴~10⁶℃/초의 속도로 냉각하는 것을 말한다. 예컨대 주조기재상에 스프레이 증착, 제트 캐스팅, 플래너 플로우 캐스팅 등과 같은 다양한 급속응고 기술들이 본 발명의 범위 내에서 스트립을 제조함에 이용될 수 있다.

여기에서 사용되는 용어 "휠"은 그 직경 보다 작은 (축 방향의) 폭을 갖는 실질적으로 원형의 단면을 갖는 몸체를 의미한다. 대조적으로, 롤러(roller)는 일반적으로 직경 보다 큰 폭을 갖는 것으로 이해된다.

여기에서 실질적으로 균일하다는 것은 상기 2상 합금의 캔치 표면이 모든 방향에서 실질적으로 균일한 셀 크기를 가짐을 의미한다. 바람직하게는, 실질적으로 균일한 캔치 기재는, 적어도 그 셀의 약 80%가 1㎛보다 크고 250㎛미만, 그리고 그 잔부가 250㎛ 보다 크고 1000㎛ 보다 작은 크기를 갖는 것으로 특징 되는 구성 셀 크기 균일성을 가진다.

여기에서 사용되는 용어 "열적으로 전도성"은 상기 캔치 기재가 40W/mK 보다 크고 400W/mK 미만, 보다 바람직하게는 80W/mK 보다 크고 400W/mK 미만, 그리고 가장 바람직하게는 100W/mK 보다 크고 175W/mK 미만의 열전도도 값을 가짐을 의미한 다.

본 명세서 및 첨부한 청구항에 있어서, 상기 장치는 상기 휠의 외주부에 위치되어 캔치 기재로 작용하는 주조 휠의 단면을 참조하여 설명된다. 본 발명의 원리는, 휠과는 다른 형상과 구조를 갖는 벨트와 같은 캔치 기재 형태나, 또는 캔치 기재로 작용하는 단면이 상기 휠의 외주부가 아닌 상기 휠의 다른 부분 또는 휠의 표면(face)상에 위치되어 있는 주조 휠 형태에도 또한 적용될 수 있음은 이해되어야 한다.

본 발명은 용융금속의 급속냉각에 있어서 캔치 기재로 사용을 위한 특별한 미세조직의 2상 구리-니켈-실리콘 합금을 제공한다. 상기 합금의 바람직한 실시예에 있어서, Cr의 적은 첨가와 함께 상기 합금원소들 Ni, Si의 비가 확인된다. 전반적으로 말해서, 상기 열전도성 합금은 약 6~8중량%의 Ni, 약 1~2중량%의 Si, 약 0.3~0.8중량%의 Cr, 잔부 구리와 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어지는 구리-니켈-실리콘 합금이다. 바람직하게는, 상기 열전도성 합금은 약 7중량%의 Ni, 약 1.6중량%의 Si, 약 0.4중량%의 Cr, 잔부 구리와 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어지는 구리-니켈-실리콘 합금이다. 모든 재료들의 순도는 표준 상업적인 관례에서 발견되는 것이다.

전반적으로 말해서, 본 발명의 캔치 주조 휠 기재는 (a)약 6-8중량%의 Ni, 약 1-2중량%의 Si, 약 0.3-0.8중량%의 Cr, 잔여 Cu와 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어지는 조성물을 갖는 구리-니켈-실리콘 2상 합금 빌렛을 주조하는 단계; (b)캔치 주조 휠 기재를 형성하기 위해 상기 빌렛을 기계적으로 가공하는 단계; 및 (c)약 1~1000㎛의 셀 크기를 갖는 2상 미세조직을 확보하기 위해 상기 기재를 열처리하는 단계;를 포함하는 공정에 의해 제조된다.

금속 스트립에 대한 급속하고 균일한 냉각은 상기 캔치 기재 근처에 위치된 방사상 도관을 통하여 냉각제 유체의 흐름을 제공함으로써 확보된다. 또한 주조 동안 상기 휠이 회전함에 따라 상기 캔치 기재상으로 용융합금의 주기적인 적치 때문에 큰 주기적인 열응력을 가져온다. 이는 상기 기재 표면 근처에 큰 방사상의 열구배를 가져온다.

이러한 큰 열적 구배와 열피로 주기로부터 그렇지 않다면 초래될 수 있는 상기 캔치 기재의 기계적인 열화를 방지하기 위해, 상기 2상 기재는 불연속적인 니켈 및 크롬 실리사이드의 네트워크로 구리 리치상을 둘러싸는 미세하고, 균일한 크기의 구성 셀을 포함하여 이루어진다. 이러한 상기 캔치 기재의 미세한 2상 세포상 조직은, 상기 캔치 기재로부터 고속으로 분리되는 응고된 스트립에 의해 기재 셀이제거되는 것을 방지한다. 이러한 표면 완전성은 상기 스트립 내에 "핍스(pips)" 또는 "돌출부"를 복제하여 형성할 수 있는 상기 휠 내에 피트(pits)의 발달을 방지한다. 이러한 핍스는 스트립들을 라미네이트하는 능력을 방지함으로써 스트립의 적층 펙터(% 라미네이션)를 감소시키는 라미네이트를 형성한다.

알루미늄, 주석, 구리, 철, 강, 스텐레스강 등으로 된 다결정질 스트립을 형성함에 적합한 장치와 방법들이 수개의 미국 특허들에 제시되어 있다. 용탕으로부터 급속냉각시 고체 비정질조직을 형성하는 금속합금들이 바람직하다. 이들은 본원이 속하는 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 이러한 합금들의 예들이 미국 특허 US3,427,154 및 US3,981,722에 제시되어 있다.

도 1에는, 금속 스트립의 연속주조장치(10)가 일반적으로 나타나 있다. 장치(10)는 그 길이방향 축상에 회전가능하게 탑재된 환상의 주조 휠(1)과, 용융금속을 지지하는 리저버(2), 그리고 유도가열코일(3)을 가진다. 리저버(reservoir:2)는 홈을 갖는 슬롯(2)과 연결되어 있으며, 이는 환상의 주조 휠(1) 기재(5)에 근접하여 탑재되어 있다. 리저버(2)는 그 내부에 함유된 용융금속을 가압하여 노즐(4)을 통하여 그를 방출하는 (도시되지 않은) 수단을 또한 구비하고 있다. 작동시, 가압하에서 리저버(2)내에 함유된 용융금속이 노즐(4)을 통하여 빠르게 움직이는 주조 휠 기재(5)상으로 배출되며, 이때 용융금속이 스트립(6)으로 응고된다. 응고 이후, 스트립(6)은 상기 주조 휠로부터 분리되어 그로부터 내던져져 권취기 또는 다른 적합한 수집장치(도시되지 않음)에 의해 수집된다.

상기 주조 휠 캔치 기재(5)를 조성하는 재료는 상대적으로 높은 열전도도를 갖는 단상의 구리 또는 다른 금속 또는 합금일 수 있다. 이러한 요구는 비정질 또는 준안정의 스트립을 제조함이 소망 된다면 특히 적용가능하다. 기재(5)를 위한 구조의 바람직한 재료는 크롬 구리 또는 베릴륨 구리, 분산강화된 합금, 및 산소-프리 구리와 같은 미세하고 균일한 결정입 크기를 갖는 석출경화된 단상의 구리합금을 포함한다. 소망 된다면, 상기 기재(5)는 부드러운 표면특성을 갖는 스트립을 확보하기 위하여 많이 연마되거나 또는 크롬도금처리될 수 있다. 침식, 부식 또는 열적 피로에 대한 추가적인 보호를 제공하기 위하여, 상기 주조 휠의 표면은 적절한 저항제 또는 고융점 코팅을 이용하여 통상적인 방법으로 코팅될 수도 있다. 전형적으로, 상기 주조 휠상에 주조되는 용융금속 또는 합금의 젖음성이 적절하다면, 내식성, 고융점온도 금속 또는 합금의 코팅을 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 용융금속 또는 합금이 연속적으로 스트립으로 주조될 때 상기 캔치 표면의 결정입 크기와 분포는 각각 미세하고 균일해야 한다는 양자가 중요하다. 스트립주조 성능과 관련하여, 2개의 다른 결정입 크기를 사용한 종래의 단상의 캔치 표면들에 대한 비교가 도 2에 나타나 있다. 그 스트립의 찢는 작용(tearing action) 때문에 조대한 결정입의 석출경화된 Cu-2% Be 합금은 급속하게 열화되며, 이는 상기 캔치 표면상에 고속으로 큰 결정입을 찢어 버리게 되고 이에 의해 피트들을 형성한다. 이러한 환경하에서 열화가 발생하는 하나의 기구는 상기 캔치 표면에서 아주 작은 크렉의 형성을 포함한다. 후속하여 적치된 용융금속 또는 합금이 이어 이러한 작은 크렉들에 들어가 그 내부에서 응고되며, 상기 주조 스트립이 주조 조업 동안 상기 캔치 기재로부터 분리될 때 인접하는 캔치 재료와 함께 밖으로 배출된다. 상기 열화공정은 퇴행성으로 주조 시간에 따라 점진적으로 악화된다. 상기 캔치 기재상에 크렉을 갖거나 배출된 점들은 "피트"라고 불리 우며, 그 주조 스트립의 이면에 부착된 관련된 복제 돌출부는 "핍스"라고 불리 운다. 한편, 미세하고 균일한 결정입 조직을 갖는 석출경화된 단상의 구리합금은 미국 특허 US5,564,490에 제시된 바와 같이, 상기 주조 휠 캔치 표면의 감소된 열화를 가져온다.

도 2는 2개의 다른 평균 결정입 크기를 갖는 캔치 기재를 위한 베릴륨 구리 합금에 대한 성능 데이타이다. 스트립의 주조가 점진적으로 상기 캔치 표면을 손상시키기 때문에, 핍스들이 조대한 결정입의 기재상에 주조되는 스트립에 쉽게 발달 된다. 보다 미세한 단상의 합금은 느린 속도로 열화 되며, 이는 핍스 형성 없이 보다 긴 스트립의 주조를 가능하게 한다.

본 발명의 캔치 기재는 미량의 크롬 첨가와 함께 구리-니켈-실리콘의 2상 합금을 함유하는 용탕을 형성하고, 그리고 상기 용탕을 몰드 내에 붓고, 이에 의해 잉곳을 형성함으로써 제조된다. 상기 잉곳은 소망하는 크기를 갖는 림(rim)의 형성을 가능하게 할 정도로 충분한 크기를 가져야 한다. 상기 잉곳은 고순도의 합금 성분으로부터 제조되어야 하며, 그 주조절차는 응고 동안 수지상 사이 영역(interdendritic region)에서 실리사이드 형성을 갖는 조대한 수지상 조직의 발달을 최소화하기 위해 디자인되어야 한다. 상기 니켈 실리사이드 상은 1325℃에서 용융되고 상기 크롬 실리사이드 상은 1770℃에서 용융된다. 상기 니켈 실리사이드 또는 크롬 실리사이드 중 어느 것도 1083℃에서 용융되는 용융구리에 의해 쉽게 용해되지 않는다. 상기 합금을 제조하기 위해 추천된 방법은, 예컨대 30~50중량%의 Ni을 갖는 구리-니켈 마스터합금과 28~35중량%의 Si를 갖는 니켈-실리콘 마스터합금과 같은 마스터합금들의 사용을 포함한다.

이들 합금들의 융점은 구리의 융점에 가깝거나 그 이하이며 상기 구리용탕을 과도하게 과열함이 없이 쉽게 용해될 수 있다. 상기 구리 용탕을 과열하는 것은 상기 합금 용탕내 산소와 수소의 도입이 많이 증가 되기 때문에 이롭지 않다. 산소의 용해는 열전도도를 감소시키며, 수소의 용해는 그 주조의 미세기공을 가져온다.

상기 주조된 잉곳은, 이어 그 잉곳 형상을 상기 캔치 기재의 최종 크기와 근접하는 형상으로 바꾸기 위해 많은 개개의 단계들로 기계적으로 가공된다. 각 기계적인 가공단계는 상기 기계적인 가공단계 전후, 또는 그 중에 실행되는 열처리단계가 동반된다. 상기 기계적인 가공 및 열처리 단계 함께 상기 주조된 2상 미세조직을 붕괴시키고 큰 니켈-실리사이드 입자들을 재분배하며, 상기 잉곳을 통하여 기계적인 변형을 형성하여 그 전체에 걸쳐 미세한 구리조직의 핵 생성과 결정입 성장을 유도하며, 이에 의해, 니켈과 크롬 실리사이드의 불연속적인 네트워크로 상기 구리 리치 영역을 둘러싸는, 미세하고 균일한 크기의 구성 셀을 포함하여 구성되는 소망하는 2상 미세조직을 형성할 수 있다.

상기 기계적인 가공단계는 상기 주조 잉곳의 응고 동안 형성되는 잔류하는 실리사이드 조직을 붕괴시키고, 그 전체에 걸쳐 핵 생성과 결정입 성장을 균일하게 유도하기 위해 충분한 변형을 형성해야 한다. 기계적인 가공공정 동안 상기 잉곳의 가공 온도는 760~955℃에 있어야 한다.

기계적인 가공은 전형적으로 두 개의 별개의 단계들로 수행된다. 그 1차 기계적인 가공단계는 상기 주조된 잉곳을, 그 외직경이 상기 캔치 기재의 내부 직경과 근접하는 드럼 형상의 빌렛으로 바꾼다. 이러한 1차 기계적인 가공단계는 전형적으로 응고 동안 형성된 잔류하는 실리사이드 조직을 붕괴함에 충분할 정도의 전체 변형으로 상기 주조된 잉곳을 재형상화하기 위해 햄머링(hammering)함에 의한 반복된 단조를 포함한다. 전형적으로, 이러한 변형은 적어도 7:1, 바람직하게는 적어도 15:1, 그리고 30:1을 넘지 않는 면적 오프셋 감소와 실질적으로 동일하다. 상기 1차 기계적인 가공단계 동안 상기 잉곳의 온도는 815~955℃로 유지되어야 한다.

상기 드럼형상의 빌렛은 후속하는 공정을 위하여 실린더형 몸체를 형성하기 위해 맨드릴에 의해 이어 관통된다. 상기 실린더형 몸체는 실린더형 길이로 절단되며, 이는 상기 캔치 기재의 형상에 보다 근접하게 도달한다.

제2 기계적인 가공단계는 상기 실린더형 길이를, 그 외부 및 내부 직경이 최종 캔치 기재의 외부 및 내부 직경과 가까운 원형의 림(rim), 또는 "슬리브(sleeve)"로 바꾼다. 상기 실린더형 길이의 온도는 제2 기계적인 가공 공정 동안 760~925℃로 유지되어야 한다. 상기 제2 기계적인 가공 단계는, (1)상기 실린더형 길이가 앤빌(새들)에 의해 지지되고, 상기 실린더형 길이가 상기 앤빌 주위로 점차적으로 회전함에 따라 햄머에 의해 반복적으로 두드려지는 링 단조, 이에 의해 개개의 충격타를 사용하여 상기 실린더형 길이의 전체 둘레를 처리; (2)햄머 보다는 롤러 세트의 사용으로 보다 일정한 방법으로 상기 실린더형 길이에 대한 기계적인 가공이 확보되는 점을 제외하고는 링 단조와 유사한 링 압연; 또는 (3)상기 캔치 표면의 내직경을 정의하기 위해 맨드릴이 사용되고 작업 툴(tool) 세트가 상기 실린더형 길이를 따라 둘레에 작용하여 동시에 그 실린더형 길이를 따라 전사되는 유동 성형(flow forming), 이에 의해 큰 기계적인 변형을 부여하면서 상기 실린더형 길이를 동시에 얇게 하고 신장시킴, 을 포함한다.

상술한 기계적인 변형공정에 추가하여, 다양한 열처리 단계들이 상기 기계적인 변형후, 그 사이 또는 그 동안 중 어느 하나에 수행된다. 상기 열처리 공정들은 공정을 촉진하고, 구리 리치 영역을 갖는 2상 합금이 니켈 실리사이드와 크롬 실리사이드 상의 불연속적인 네트워크에 의해 둘러싸인 잘 분포된 미세한 셀 조직을 갖는 캔치 표면 합금을 생산함에 사용될 수도 있다. 상기 열처리 단계들은 소망하는 최종 미세조직을 생성하기 위하여 균일한 핵 생성 및 결정입 성장을 형성하여야 한다. 열처리온도는 상기 캔치 기재의 균열 없이 핵 생성 및 결정입 성장을 얻기 위하여 적어도 약 925℃, 약 995℃를 넘지 않는 온도에 있어야 한다.

전형적으로, 상기 제2 기계적인 가공단계에 후속하여, 상기 슬리브는 955~995℃의 온도에서 1~8 시간 동안 열처리 된다. 이러한 열처리의 목적은 그 슬리브를 통하여 핵 생성과 결정입 성장을 유도하기 위함이다. 이상적으로 이러한 열처리를 위한 온도와 시간은 여분의 결정입 성장을 감소시키기 위해 최소화된다. 바람직한 열처리는 970℃에서 4시간이다. 상기 슬리브는 로(furnace)로부터 제거되어 상기 미세조직으로 응고하기 위해 물속에서 신속하게 냉각되어야 한다.

상기 슬리브는 이어, 어떤 용해된 Ni 및 Cr 실리사이드들이 그 매트릭스내에 석출되도록 최종 열처리 될 수도 있다. 이러한 실리사이드들의 형성은 최종 캔치 기재의 기계적 및 물리적인 특성들을 크게 결정한다. 상기 최종 열처리는 440~495℃의 온도범위에서 1~5시간 동안 수행되어야 한다. 바람직한 열처리는 470℃에서 3시간이다. 열처리의 완료후, 상기 슬리브는 공냉되어야 한다.

상기 슬리브가 냉각될 때, 최종 캔치 기재 크기로 가공을 위하여 준비된다.

도 3은 시간의 함수로써 핍스 성장에 의한 성능 열화를 나타내는 그래프이다. 상기 그래프는 Cu 2% Be, 표 I에서 조성 2로 제시된 2상 Cu-7% Ni와, 표 I에서 조성 3과 C18000으로 각각 제시된 실질적으로 단상의 Cu-4%Ni과 Cu 2.5%Ni 합금에 대한 시간의 함수로써 핍스 성장에 의한 성능 열화를 나타낸다. 이러한 단상의 합금은 상기 캔치 주조 표면의 급속한 열화 때문에 낮은 주조시간을 가진다. 상기 ' 핍스'는 단일 트렉상의 스트립의 주조 동안 휠 피팅(pitting)의 직접적인 결과이다. 2상 구리-7%니켈-실리콘 합금을 위한 데이타는 상기 Cu-2중량% Be합금으로 조성된 미세한 결정입을 갖는 단상의 석출경화된 캔칭 기재의 그것과 매우 잘 비교된다.

도 4는 Cu 2% Be, 표 I의 조성 2로 제시된 2상 Cu-7%Ni, 그리고 표 I의 조성 3 및 C18000으로 각각 제시된 실질적으로 단상의 Cu-4% Ni 및 Cu 2.5%Ni 합금에 대한, 시간의 함수로써 림(rim) 평탄 열화(smoothness degradation)에 의한 성능 열화를 보여주는 그래프이다. 이러한 단상의 합금들은 상기 캔치 주조표면의 급속한 열화 때문에 낮은 주조시간을 가진다. 상기 휠의 림(rim)은 상기 캔치 기재상에 주조된 응고된 스트립의 지속적인 분리 때문에 피트된다(pitted). 2상의 구리-7%니켈-실리콘 합금에 대한 데이타는 상기 Cu-2중량% Be 합금으로 조성된 미세한 결정입을 갖는 단상의 석출경화된 캔치 기재의 그것과 매우 잘 비교된다.

도 5는 Cu 2% Be, 표 I의 조성 2로 제시된 2상 Cu-7%Ni, 그리고 표 I의 조성 3 및 C18000으로 각각 제시된 실질적으로 단상의 Cu-4% Ni 및 Cu 2.5%Ni 합금에 대한, 시간의 함수로써 라미네이션 펙터 열화에 의한 성능 열화를 보여주는 그래프이다. 상기 스트립상의 '핍스'는 스트립 적층을 방해하며, 라미네이션 펙터를 감소시킨다. 라미네이션 펙터는, 1992 Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.04의 비정질 자기 스트립의 라미네이션 펙터를 위한 표준 테스트 방법인 ASTM 표준 900-91에 제시된 테스트방법을 사용하여 용이하게 측정된다. 2상의 구리-7%니켈-실리콘 합금에 대한 데이타는 상기 Cu-2중량% Be합금으로 조성된 상기 미세한 결정입을 갖 는 단상의 석출경화된 캔칭 기재의 그것과 매우 잘 비교된다.

도 6에는, 21분 동안 스트립의 주조후 얻어진 합금 C18000으로 조성된 캔치 표면의 미세조직이 나타나 있다. 합금 C18000은 균일하고 미세한 결정입 분포를 나타내는 단상의 합금이다. 그 묘사된 현미경사진 마크는 100㎛의 길이를 가지며, 그 이미지는 1.4mm(1400㎛) 폭을 가진다. 상기 현미경사진에는 현저한 피트 발달을 볼 수 있다. 일반적으로 30으로 나타낸 각 피트는 광택 영역으로 나타나 있다. 일반적으로 40으로 나타낸 크렉들은 피트(30)로 발전하는 경향이 있다.

도 7은 92분간 스트립 주조 후 균일한 미세 셀 분포를 나타내는 표 I에서 합금 2로 제시된 조성물을 가지는 2상 합금에 대한 현미경사진이다. 그 묘사된 현미경사진 마크는 100㎛의 길이를 가지며, 그 이미지는 1.4mm(1400㎛) 폭을 가진다. 광택 영역은 제2상의 네트워크를 나타낸다. 상기 현미경사진에는 어떠한 현저한 피트 발달을 볼 수 없다.

미량의 Cr이 첨가된 구리-니켈-실리콘 합금은 베릴륨과 같은 해로운 원소들을 함유하지 않는다. 백만(million)당 일부로서 구리, 니켈, 실리콘, 크롬 및 베릴륨에 대한 OSHA 한계가 공기 오염원 1910.1000 Table Z-1 및 Z-2에 대한 OSHA 한계하에서 나타내었으며, 이하와 같이 재생성된다.

[OSHA 한계]

재료	원소	㎍/cubic meter
구리 먼지	(Cu)	1000
니켈 금속 및 화합물	(Ni)	1000
실리콘 호흡가능한 먼지	(Si)	5000
크롬 금속 및 화합물	(Cr)	1000
베릴륨 및 화합물	(Be)	2

이러한 한계들은 베릴륨의 높은 독성 위험을 나타낸다.

이하의 실시예들은 본 발명의 보다 완전한 이해를 제공하기 위하여 제공된다. 본 발명의 원리와 구현을 설명하기 위하여 제시된 특정한 기술, 조건, 재료, 비 및 보고된 데이타는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다.

(실시예)

5개의 구리 니켈 및 실리콘 합금들이 연구를 위하여 선택되었으며, 표 I의 합금번호 1,2,3,C18000 및 C18200와 같이 나타낸다. 이들 합금들의 각 조성이 표 I에 제시되어 있다.

[표 I]

합금조성
합금 번호	Cu	Ni	Si	Cr	Fe	Mn
1	잔부	7.00%	1.60%	0.40%	∠0.1%
2	잔부	7.10%	1.70%	0.70%	0.05%
3	잔부	4.00%	1.10%	0.00%	0.10%	0.01%
C18000	잔부	2.50%	0.60%	0.50%	0.20%
C18200	잔부	0.00%	0.10%	0.90%	0.10%

합금 1 및 2가 아래의 공정들에 의해 캔치 기재로 제조되었다. 소망하는 조성의 잉곳들이 고순도의 합금 성분으로부터 제조되었다. 상기 잉곳들은 드럼형상 빌렛을 형성하기 위해 적어도 7:1의 오프셋 경감으로 815~955℃의 가공온도에서 단조되었다. 상기 빌렛들은 실린더형 몸체를 형성하기 위해 맨드릴에 의해 관통되었다. 상기 실린더형 몸체는 그 축방향으로 대략 12인치로 측정되는 실린더형 길이로 절단되었다. 이어, 상기 실린더형 몸체는 약 2:1의 영역에서 경감으로 1400~1700℉의 가공온도에서 새들 단조에 의해 "슬리브"로 형성되었다. 상기 슬리브는 970℃에서 대략 4간 열처리되었으며 그 미세조직으로 응고시키기 위해 물속에서 빠르게 냉각되었다. 이어, 상기 슬리브는 Ni과 Cr 실리사이드들이 그 매트릭스내에 석출하여 성장하도록 최종 열처리되었다. 상기 최종 열처리는 470℃에서 대략 3시간 수행되었다. 상기 열처리의 완료시 상기 슬리브는 공냉처리되었다. 이어, 상기 슬리브는 최종 캔치 기재 크기로 절단되었다.

5~250㎛의 미세한 셀구조를 갖는 합금 1 및 2는 예외적으로 잘 실험되었다. 이들은 니켈 실리사이드 상의 불연속적인 네트워크에 의해 둘러싸인 구리 리치 영역을 갖는 2상 합금이다. 캔치 기재 합금(2)의 성능은 도 3의 5를 통하여 나타난 바와 같이, Cu-2중량% Be합금의 그것에 비교된다. 합금 3은 단상의 구리-니켈-실리콘 합금이며, 12% 미만의 내구성으로 빠르게 마손된다. 이는 상기 캔치 표면을 쉽게 열화시키는 '피트'를 형성한다. C18000은 합금 3과 유사한 단상의 합금이며, 보다 낮은 니켈과 실리콘 함량 때문에 심지어 합금 3 보다 열화된다. 합금 2의 주조시간의 6% 이내에 열화를 나타낸다. C18200은 니켈을 갖지 않으며, 합금 2의 주조시간으 2% 이내에 캔치 표면 열화를 나타내는 시리즈에서 가장 나쁜 실험재이다.

상기와 같이 본 발명은 보다 상세히 기술되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위 내라면 본 기술분야의 당업자가 제시할 수도 있는 추가적인 변화와 개조도 본 발명의 범위에 속함은 이해되어야 할 것이다.

Claims (11)

1. 니켈 실리사이드와 크롬 실리사이드 상들의 불연속적인 네트워크로 직접적으로 둘러싸인 구리 리치 영역의 셀들을 갖는 2상 미세조직을 가지는 열전도성 합금을 포함하고,

   상기 열전도성 합금은 6~8중량%의 Ni, 1~2중량%의 Si, 0.3~0.8중량%의 Cr, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 구리-니켈-실리콘 합금인, 용융합금의 스트립으로의 급속응고용 구리-니켈-실리콘 캔치 기재.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 열전도성 합금은 7중량%의 Ni, 1.6중량%의 Si, 0.4중량%의 Cr, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 구리-니켈-실리콘 합금인 구리-니켈-실리콘 캔치 기재.
4. 제 1항에 있어서, 상기 2상 조직의 셀은 1~1000㎛ 범위의 크기를 가지는 구리-니켈-실리콘 캔치 기재.
5. 제 4항에 있어서, 상기 2상 조직의 셀 조직은 1~250㎛ 범위의 크기를 가지는 구리-니켈-실리콘 캔치 기재.
6. 6~8중량%의 Ni, 1~2중량%의 Si, 0.3~0.8중량%의 Cr, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성물을 갖는 구리-니켈-실리콘 2상 합금 빌렛을 주조하는 단계;

   캔치 주조휠 기재를 형성하기 위하여 상기 빌렛을 기계적으로 가공하는 단계; 및

   상기 기재를 열처리함으로써 1~1000㎛ 범위의 셀 크기를 갖는 2상 미세조직을 확보하는 단계;를 포함하고,

   상기 기계적인 가공은 760~955℃의 온도에서 수행되며, 그리고 상기 열처리는 440~955℃의 온도에서 수행되는, 캔치 주조 휠 기재의 제조방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 기계적인 가공단계는,

   그 주조 잉곳의 응고 동안 형성되는 잔류하는 실리사이드 조직을 붕괴시키고, 그 전체에 걸쳐 핵 생성과 결정입 성장을 균일하게 유도하기 위하여 변형을 형성하기 위하여 상기 빌렛을 압출하는 단계를 포함하는 캔치 주조 휠 기재의 제조방법.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 기계적인 가공단계는,

   그 주조 잉곳의 응고 동안 형성되는 잔류하는 실리사이드 조직을 붕괴시키고, 그 전체에 걸쳐 핵 생성과 결정입 성장을 균일하게 유도하기 위하여 변형을 형성하기 위하여 상기 빌렛을 링 압연하는 단계를 포함하는 캔치 주조 휠 기재의 제조방법.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 기계적인 가공단계는,

   그 주조 잉곳의 응고 동안 형성되는 잔류하는 실리사이드 조직을 붕괴시키고, 그 전체에 걸쳐 핵 생성과 결정입 성장을 균일하게 유도하기 위하여 변형을 형성하기 위하여 상기 빌렛을 새들 단조(saddle forging)하는 단계를 포함하는 캔치 주조 휠 기재의 제조방법.
10. 제 6항에 있어서, 상기 기계적인 가공단계는 적어도 7:1 ~ 30:1의 면적 감소와 동등한 변형을 낳는 캔치 주조 휠 기재의 제조방법.
11. 제 6항에 있어서, 상기 열처리는 2단계 공정이며, 그 1단계는 955~995℃의 온도에서 1~8 시간 동안 열처리하고, 그리고 제2단계는 440~495℃의 온도에서 1~5 시간 동안 상기 실리사이드 상들을 핵 생성하고 성장시키는 열처리인 캔치 주조 휠 기재의 제조방법.

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