KR101196152B1 - 금속박 가공용 롤러 - Google Patents

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야스타카 고게쓰
다쿠히로 니시무라
히로아키 다카노
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히타치 덴센 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 금속박 가공용 롤러는, 적어도 표층부가, A스케일에서의 로크웰 경도 HRA 81.2～90.0이고, 또한 항절력 3GPa～6GPa인 금속재료를 함유하는 롤러의 둘레면에, 복수의 오목부를 형성한 것이다. 이 금속박 가공용 롤러를 이용하여 금속박을 가압 성형하면, 치수가 수 마이크론으로부터 수십 마이크론이고, 형상이 거의 균일한 볼록부를 금속박 표면에 공업적 규모로 효율적으로 형성할 수 있다.

Description

금속박 가공용 롤러{METAL FOIL MACHINING ROLLER}
본 발명은, 금속박 가공용 롤러에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은, 주로, 표면에 복수의 오목부가 형성되는 금속박 가공용 롤러를 구성하는 금속재료의 개량에 관한 것이다.
종래로부터, 두께가 수십 미크론인 금속박의 표면에 볼록부를 형성하려면, 일반적으로는, 도금법, 에칭법 등이 이용되고 있다. 그러나, 이들 방법에 의해 마이크론 단위의 크기를 가진 볼록부를, 금속박의 표면 1㎠당 수십～수백개 형성하는 경우에는, 다수의 공정을 가진 정밀 가공이 행하여져, 번잡한 조작이 필요하게 되어, 장시간을 요한다. 그런데도 불량품율을 충분히 낮게 할 수 없다. 도금액, 에칭액 등의 사용에 따라서 발생하는 폐수의 처리도 문제가 된다. 또한, 이들 방법에 의해 형성되는 볼록부는, 금속박과의 접합 강도가 충분하지 않고, 외부로부터 응력이 부가되면 금속박으로부터 벗겨져 떨어지는 경우가 많다. 따라서, 도금법, 에칭법 등은, 표면에 볼록부를 가진 금속박을 제조하는데에, 공업적으로 유리한 방법이라고는 말하기 어렵다.
또한, 압접 상태에 있는 한 쌍의 롤러에 의해서 형성되는 압접 니프부 (Press-contact nip portion)에 금속제 판형상물을 통과시켜, 상기 금속제 판형상물을 가압 성형하는 기술이 범용되고 있다. 이러한 가압 성형 기술의 대표예로서, 강재의 냉간압연 등을 들 수 있다.
예를 들면, 크레이터(Crater) 형상 오목부와, 크레이터 형상 오목부의 가장자리를 따라서 볼록한 볼록부(Raised portion)가 표면에 형성된 덜 롤(Dull roller)이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 덜 롤은, 냉간압연 공정과 소둔 공정의 사이에, 냉간압연 된 강판의 표면에, 이른바 덜 마크(Dull mark)를 붙이기 위해서 이용된다. 이에 따라, 소둔 공정이 배치소둔(Batch annealing)인 경우는, 강판이 눌러 붙는 것이 방지된다. 또한, 소둔 공정이 연속 소둔인 경우는, 소둔로내에서 강판을 반송할 때에, 강판의 사행(Meandering)이 방지된다.
또한, 특허문헌 1에는, 덜 롤 표면의 볼록부가 강판 표면에 강하게 밀어붙여지는 것에 의해, 강판 표면에서 강판 재료의 국소적인 소성 유동(Plastic flow)이 발생하여, 덜 롤의 오목부에 강판 재료가 흘러들어가, 강판이 조면화되는 (Roughening) 것이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 1에는, 표면의 평활한 롤을 회전시키면서, 롤 표면에 레이저 펄스를 투사하여, 롤러 표면을 규칙적으로 용융시키고, 규칙적으로 크레이터 형상 오목부를 형성하여, 덜 롤을 제조하는 것이 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1에는, 두께 수백 ㎛～수 mm의 냉간압연 강판의 표면 거칠기를 크게 하기 위한 기술이 개시되어 있을 뿐이며, 두께가 불과 수십 ㎛인 금속박 표면에 볼록부를 형성하는 것에 대해서는 일절 개시되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 1에는, 덜 롤의 재질에 대해서 특별한 기재가 없기 때문에, 덜 롤러는 일반적인 재질로 형성되고 있다고 생각된다. 일반적인 재질이란, 예를 들면, 냉간압연되는 강판보다 경질의 강재이다. 상기 재질의 덜 롤은, 표면의 크레이터 형상 오목부가 마모 등에 의해 소실되기 쉽기 때문에, 공업적인 규모로의 볼록부 형성에는 이용할 수 없다. 또한, 상기 재질의 롤에 레이저 가공을 실시하여 덜 롤을 제조하면, 원하는 개구 형상을 가진 오목부를 형성할 수 없다. 예를 들어, 개구 형상이 마름모형의 오목부를 형성하고자 하면, 오목부의 개구 가장자리가 레이저의 여열(Residual heat)에 의해서 용융하여, 타원형이 된다.
또한, 표면에 요철이 형성되고, 오목부의 깊이가 5～100㎛이며, 표면의 총면적에 대한 볼록부 선단 표면의 합계 면적의 비율이 10～80%인 압연 롤이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 그러나, 특허문헌 2의 기술도, 두께 수백 ㎛～수 mm인 냉간압연 강판의 표면에 덜 마크를 붙이는 것이며, 두께가 수십 ㎛인 금속박 표면에 돌기 형상의 볼록부를 형성하는 것은 아니다. 특허문헌 2에는, 압연 롤의 재질에 대해 특별한 기재가 없기 때문에, 특허문헌 2의 압연 롤도, 특허문헌 1의 덜 롤과 마찬가지로, 공업적인 규모에서의 볼록부 형성에 이용할 수 없고, 또한 원하는 개구 형상을 가진 오목부를 형성할 수 없다.
또한, 둘레방향으로 이어지는 복수의 환상 오목부(볼록조 형성 환상 홈)가 형성된 제1 워크 롤(First work roller)과, 둘레면의 평활한 제2 워크 롤을 포함한 압연 장치가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 3 참조). 특허문헌 3의 압연 장치에서는, 제1 워크 롤과 제2 워크 롤을, 서로의 축선이 평행해지도록 압접시켜 압접 니프부를 형성하고 있다. 이 압접 니프부에 기다란 형상의 금속제 판형상물을 통과시키는 것에 의해, 상기 판형상물에서의 두께 방향의 한쪽의 표면에 복수의 돌기가 형성되어, 편평관(Flat tube) 제조용 금속판을 얻을 수 있다. 이 편평관 제조용 금속판에 절곡 가공 등을 실시하는 것에 의해, 편평관을 얻을 수 있다. 이 편평관은, 콘덴서의 냉매 유통관으로서 이용된다.
특허문헌 3에는, 제1 워크 롤의 재질로서, 초경합금이 제안되어 있다. 또한, JIS V10～60과 같은 초경합금이 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 3의 기술은, 두께 수십 ㎛의 금속박을 가공 대상으로 하는 것은 아니다. 또한, 특허문헌 3에서는 환상 오목부의 형성 방법으로서 구체적으로 기재된 것은, 각설(刻設) 뿐이며, 레이저 가공에 대해서는 일절 기재가 없다. 각설로는, 마이크론 단위의 치수를 가진 복수의 오목부를, 10～50㎛ 정도의 간격으로 형성하는 것은 매우 곤란하다. 또한, 레이저 가공에 의해, 초경합금에 다수의 마이크론 단위의 오목부를 형성하는 경우에도, 오목부의 개구 형상 및 개구 지름이 반드시 균일한 것은 아니다. 또한, 특허문헌 3에서, 초경합금은 환상 오목부의 저면이 마모하는 것을 방지하기 위해서만 이용되고 있는 것에 불과하다.
한편, 레이저 가공에 의해, 세라믹제 그린 시트, 회로기판 등의 전자 부품에 구멍을 뚫는 기술은, 종래부터 잘 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 4 참조). 즉, 레이저 가공을 이용하여, 세라믹층, 수지층 등의 표면에 오목부를 형성하는 것은, 자주 행하여지고 있다. 그러나, 레이저 가공을 이용하여, 금속 표면에 마이크론 단위의 치수를 가진 수백으로부터 수천만개에 이르는 다수의 오목부를 형성하는 기술 사상에 대한 제안 또는 보고는 없다. 게다가, 레이저 가공에 의해, 일반적인 스테인리스강 등의 금속 표면에 다수의 상기 오목부를 형성하면, 금속 표면에서의 오목부의 개구 형상 및 개구 지름이 불균일해진다. 또한, 형성되는 오목부의 기계적 강도, 내마모성 등이 저하하여, 마모, 변형, 파손 등이 일어나기 쉽다고 하는 문제가 있다.
또한, 둘레면에 복수의 오목부가 형성된 세라믹 롤러를 이용하여 수지시트를 가압 성형하여, 수지 시트의 표면에 엠보싱 가공을 하는 것이 일반적으로 행하여지고 있다. 그러나, 둘레면에 오목부가 형성된 세라믹 롤러를 이용하여 금속박을 가압 성형하면, 세라믹 롤러 둘레면에 크랙, 떨어짐, 균열 등이 다수 발생하여, 금속박을 연속적으로 가압 성형할 수 없다.
일본 공개특허 소63-10013호 공보 일본 공개특허 평10-166010호 공보 일본 공개특허 2005-997호 공보 일본 공개특허 2005-111524호 공보
본 발명의 목적은, 둘레면에 복수의 오목부가 형성된 금속박 가공용 롤러로서, 공업적인 규모로 금속박을 가공해도, 오목부의 마모, 변형 등이 일어나기 어렵고, 볼록부를 가진 금속박을 효율적으로 제조할 수 있는 금속박 가공용 롤러를 제공하는 데에 있다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구를 행하였다. 그 과정에서, 금속재료의 다양한 특성중에서, 로크웰 경도 및 항절력과 같은 2개의 특성이, 레이저 가공시에 오목부의 개구 형상 및 개구 지름에 큰 영향을 미치는 것을 발견하였다.
본 발명자들은, 이러한 지견에 기초하여 연구를 더 거듭하였다. 그 결과, 특정의 로크웰 경도 및 항절력을 가진 금속재료로 이루어진 롤러 표면에 마이크론 단위의 오목부를 형성하는 경우에는, 오목부의 개수가 수백개～수천만개에 이르는 다수이더라도, 개구 형상 및 개구 지름의 불균일이 매우 적고, 균일한 오목부를 형성할 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 이 오목부는, 외부로부터 마찰력 등의 응력에 대해서 높은 내구성을 가지며, 마모, 변형, 파손 등이 일어나기 어려운 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉 본 발명은, 레이저 가공에 의해 둘레면에 복수의 오목부가 형성된 금속박 가공용 롤러로서, 적어도 오목부가 형성되는 표층부가, 로크웰 경도가 A스케일로 HRA 81.2～90.0이며, 또한 항절력이 3GPa～6GPa인 금속재료를 함유하는 금속박 가공용 롤러에 관한 것이다.
금속박 가공용 롤러의 둘레면에 수직인 방향에서의 오목부의 단면 형상은, 금속박 가공용 롤러 둘레면으로부터 오목부의 저면을 향해서, 단면폭이 서서히 또는 연속적으로 작아지는 테이퍼 형상인 것이 바람직하다.
금속박 가공용 롤러 둘레면에서의 오목부의 개구 형상은, 거의 원형, 거의 타원형, 거의 마름모형 또는 거의 정다각형인 것이 바람직하다.
금속박 가공용 롤러 둘레면에서의 오목부의 개구 지름은, 1㎛～35㎛인 것이 바람직하다.
금속박 가공용 롤러 둘레면에서의 상기 롤러축선방향의 오목부의 피치는, 4㎛ 이상인 것이 바람직하다.
금속재료의 로크웰 경도는, A스케일로 HRA 83.9～89인 것이 바람직하다.
금속재료의 항절력은, 3.3GP～5.5GPa인 것이 바람직하다
금속재료는, 초경합금(Cemented carbide), 서멧(Cermet), 하이스강(High speed steel), 다이스강(Die steel) 및 단강(Forged steel)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 고융점 금속재료인 것이 바람직하다
금속 가공용 롤러는, 오목부의 저면과, 금속박의 표면이 접촉하지 않도록 이용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 금속박 가공용 롤러는, 그 둘레면에, 레이저 가공에 의해 복수의 오목부가 형성되어 있다. 본 발명의 금속박 가공용 롤러에 있어서, 적어도 오목부를 형성하는 표층부에 상기 범위의 로크웰 경도 및 항절력을 가진 금속재료를 함유시키는 것에 의해서, 상기 롤러 둘레면에서의 개구 형상 및 개구 지름을 거의 균일하게 구비할 수 있다. 또한, 임의의 개구 형상 및 개구 지름으로 조정할 수 있다. 예를 들면, 수 마이크론～수십 마이크론의 크기의 개구 지름을 가진 오목부의 형성이 가능하게 된다. 또한, 거의 진원, 거의 마름모형, 거의 정다각형 등의 개구 형상을 가진 오목부의 형성이 가능하게 된다. 또한, 이러한 오목부를 10～50㎛ 정도의 피치로 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 이 오목부는 외부로부터의 응력에 대해서 매우 높은 내구성을 가지며, 또한, 오목부의 내부 공간에서 성장하는 금속박의 볼록부와의 이형성에도 뛰어나다. 따라서, 금속박의 가공을 공업적으로 연속하여 실시하여도, 마모, 변형 등이 일어나기 어렵고, 거의 동일한 형상을 가진 볼록부를 안정적이고 효율적으로 형성할 수 있다.
[도 1] 금속박 가공 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 측면도이다.
[도 2] 도 1에 도시한 금속박 가공 장치의 주요부의 구성을 확대하여 도시한 사시도이다.
[도 3] 금속박 가공용 롤러의 외관을 도시한 사시도이다.
[도 4] 도 3에 도시한 금속박 가공용 롤러의 표면 영역을 확대하여 도시한 사시도이다.
본 발명의 금속박 가공용 롤러는, 예를 들어, 금속박을 가압 성형하여, 두께 방향의 표면의 한쪽 또는 양쪽에 볼록부를 가진 금속박(이하 '볼록부를 가진 금속박'이라고 한다)을 얻기 위해서 이용된다. 구체적으로는, 본 발명의 금속박 가공용 롤러와, 표면이 평활한 금속제 롤러를 포함한 성형 가공 장치를 사용한다. 금속박 가공용 롤러와, 금속제 롤러는, 서로의 축선이 평행이 되도록 압접되어, 압접 니프부가 형성된다. 이 압접 니프부에, 볼록부를 형성하고자 하는 표면이 금속박 가공용 롤러의 둘레면에 접촉하도록, 금속박을 공급하여 통과시키는 것에 의해, 한쪽의 표면에 볼록부를 가진 금속박을 얻을 수 있다. 또한, 2개의 금속박 가공용 롤러를 압접시켜 이용하는 것에 의해, 양쪽 표면에 볼록부를 가진 금속박을 얻을 수 있다.
본 발명의 금속박 가공용 롤러에 의해 가압 성형되는 금속박은 특별히 제한되지 않고, 구리박, 구리합금박, 주석박, 스테인리스강박, 알루미늄박, 알루미늄 합금박, 연박(Lead foil), 니켈박, 아연박 등을 들 수 있다. 또한, 본 발명의 금속박 가공용 롤러에 의해 가압 성형되는 금속박은, 입계가 변형되기 쉬운, 소둔 온도가 낮다고 하는 특성을 가지고 있는 것이 바람직하다. 또한, 금속박의 두께는 특별히 제한은 없지만, 바람직하게는 10～100㎛, 더 바람직하게는 10～50㎛이다.
본 발명의 금속박 가공용 롤러를 이용하여 구리박, 구리합금박 등으로부터 얻어지는 볼록부를 가진 금속박은, 예를 들면, 리튬 이차전지에서의 음극 집전체로서 바람직하게 사용할 수 있다. 구리박, 구리합금박 등으로부터 얻어지는, 볼록부를 가진 금속박의 개개의 볼록부 표면에는, 진공 증착에 의해, 음극 활물질을 함유하고, 음극 활물질층으로서 기능하는 기둥형상체가 형성된다. 이 때, 음극 활물질로서는, 예를 들어, 규소, 규소 산화물, 규소 함유 합금, 규소 화합물, 주석, 주석 산화물, 주석 함유 합금, 주석 화합물 등을 사용할 수 있다.
볼록부 표면에 기둥형상체의 음극 활물질층을 형성하는 것에 의해, 리튬 이온을 흡장 및 방출할 때의 음극 활물질의 팽창 및 수축에 따라서 발생하는 응력이 흡수되어, 음극 집전체, 나아가서는 음극의 변형, 음극 활물질층의 음극 집전체로부터 벗겨져 떨어지는 것 등이 방지된다. 그 결과, 충방전 사이클 특성, 장기적인 안전성 등에 뛰어나며, 게다가 고출력이 가능한 리튬 이온 이차전지를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의해 얻어지는, 볼록부를 가진 금속박은, 예를 들면, 플렉시블 프린트 배선 기판에서의 금속박 또는 금속층, 리드 프레임용의 금속 기판 등에도 바람직하게 사용할 수 있다.
본 발명의 금속박 가공용 롤러는, 2가지 특징을 가지고 있다. 제1의 특징은, 그 둘레면에 복수의 오목부가 형성되어 있는 것이다. 제2의 특징은, 적어도 오목부가 형성되는 표층부가 특정의 특성을 가진 금속재료를 함유하는 것이다.
오목부는, 본 발명의 금속박 가공용 롤러의 둘레면(이하 간단히 '롤러 둘레면'이라 한다)에 개구를 가지며, 롤러 둘레면에서 롤러의 내부로 오목한 또는 움푹 패인 공간 영역이다. 오목부의 저면은, 거의 평탄한 평면이어도 좋고, 또한 돔 형상 등이어도 좋다.
개개의 오목부는, 통상적으로는, 그에 인접한 다른 오목부와는 연결되지 않도록 독립하여 형성되지만, 그에 한정되지 않고, 부분적으로 연결되어 일체화되어도 좋고, 또한 전체로 연결되어 일체화되어도 좋다. 바람직하게는, 개개의 오목부가 연결되지 않도록 독립하여 형성된다.
오목부의 롤러 둘레면에서의 개구의 형상은, 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는, 거의 원형, 거의 타원형, 거의 마름모형, 거의 정다각형 등이다. 정다각형은, 바람직하게는 3～8각형, 더 바람직하게는 4～6각형이다. 한편, 거의 원형이란 원형 및 원형에 가까운 형상을 포함한다. 다른 형상에 대해서도 동일하다.
오목부의 롤러 둘레면에서의 개구 지름은 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 1㎛～35㎛, 더 바람직하게는 2～30㎛이다. 개구 지름이 1㎛ 미만이면, 개개의 오목부의 개구 지름을 거의 균일하게 정돈하는 것이 곤란해진다. 개구 지름이 35㎛를 넘으면, 두께 수십 ㎛ 정도의 금속박의 표면 가공에는 적합하지 않다. 또한, 금속박을 가압 성형할 때에 부가되는 응력에 의해서, 오목부에 마모, 변형 등이 발생할 우려가 있다. 한편, 개구 형상이 거의 원형, 거의 타원형 또는 거의 정다각형인 경우, 개구 지름은, 그 원형, 타원형 또는 정다각형을 내포하는 가장 작은 진원의 직경의 길이이다. 개구 형상이 거의 마름모형인 경우, 개구 지름은, 그 마름모형의 대각선중에서, 긴 쪽의 대각선의 길이이다.
오목부의 깊이는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 금속박 표면에 형성하고자 하는 볼록부의 높이 등에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 바람직하게는 개구 지름의 0.2배～1.5배, 더 바람직하게는 개구 지름의 0.3배～1.2배이다. 오목부의 깊이가 개구 지름의 0.2배 미만이면, 균일한 크기 및 형상을 가진 볼록부를 금속박 표면에 형성할 수 없게 될 우려가 있다. 또한, 오목부의 깊이가 개구 지름의 1.5배를 넘도록 형성하는 것은, 레이저 가공법에서는 극히 곤란하다. 또한 절삭법에서는 오목부 형성에 막대한 시간을 필요로 하거나 또는 실질적으로 불가능하다. 한편, 오목부의 깊이란, 오목부 저면의 가장 오목한 지점으로부터, 오목부의 개구에 존재한다고 가상되는 롤러 둘레면으로 내려그은 수선의 길이이다.
롤러 둘레면에서, 오목부가 형성되는 피치는, 롤러의 축선방향(길이방향) 및 원둘레 방향 모두 특별히 제한되지 않는다. 오목부의 축선방향의 피치는, 오목부의 개구 지름, 개구 형상, 롤러의 길이, 얻고자 하는 볼록부를 가진 금속박의 설계치 등에 따라서 적절히 선택이 가능하지만, 바람직하게는 4㎛ 이상, 더 바람직하게는 8～30㎛, 특히 바람직하게는 15～30㎛이다. 오목부의 축선방향의 피치가 4㎛ 미만이면, 레이저 가공법에서는 오목부끼리가 연결하기 쉬워진다. 그 때문에, 오목부와 그에 인접한 오목부 사이의, 롤러 표면의 면적이 극단적으로 작아진다. 그 결과, 금속박을 가압 성형할 때에 부가되는 응력에 의해서, 오목부와 그에 인접한 오목부 사이의 구분부(Dividing portion)가 변형할 우려가 있다. 한편, 축선방향에서의 피치의 상한치는, 롤러의 길이 등에 따라서 적절히 선택하면 된다.
또한, 오목부의 원둘레 방향의 피치도, 오목부의 개구 지름, 개구 형상, 롤러의 원둘레 길이, 얻고자 하는 볼록부를 가진 금속박의 설계치 등에 따라서 적절히 선택 가능하지만, 바람직하게는 4㎛ 이상, 더 바람직하게는 5～20㎛이다. 오목부의 원둘레 방향의 피치가 4㎛ 미만이면, 레이저 가공법에서는 오목부끼리 연결하기 쉬워진다. 그 때문에 오목부를 구분하는 롤러 표면의 면적이 극단적으로 작아져, 금속박을 가압 성형할 때에 부가되는 응력에 의해서, 오목부 사이의 구분이 변형할 우려가 있다. 한편, 원둘레 방향에서의 피치의 상한치는, 롤러의 원둘레 길이 등에 따라서 적절히 선택하면 좋다.
본 명세서에서, 축선방향(길이방향)의 피치는, 축선방향으로 인접한 2개의 오목부의 중심을 지나, 원둘레 방향으로 이어지는 2개의 평행한 직선간의 거리(길이)이다. 원둘레 방향의 피치는, 원둘레 방향으로 인접한 2개의 오목부의 중심을 지나, 축선방향으로 이어지는 2개의 평행한 직선간의 거리(길이)이다. 오목부의 중심이란, 오목부의 개구의 중심을 의미한다. 개구의 중심이란, 오목부의 개구 형상이 거의 원형, 거의 타원형 또는 거의 정다각형인 경우는, 그 원형, 타원형 또는 정다각형을 내포하는 가장 작은 진원의 중심이다. 또한, 오목부의 개구 형상이 거의 마름모형인 경우, 2개의 대각선의 교점이 개구의 중심이다.
롤러의 둘레면에 수직인 방향에서의 오목부의 단면 형상은, 롤러 둘레면으로부터 오목부의 저면을 향해서, 단면폭이 서서히 또는 연속적으로 작아지는 테이퍼 형상인 것이 바람직하다. 오목부 단면이 테이퍼 형상을 가지는 것에 의해서, 금속박의 가압 성형에 의해 금속박 표면에 볼록부를 형성할 때에, 롤러 둘레면의 오목부와 금속박의 볼록부의 이형성이 현저하게 향상하고, 볼록부의 변형 등의 불량이 매우 일어나기 어렵다.
오목부는 레이저 가공에 의해 형성되지만, 레이저 가공의 상세한 내용에 대해서는, 후기한다.
본 발명의 금속박 가공용 롤러는, 적어도 오목부가 형성되는 표층부가, 특정의 금속재료를 함유한다. 이 금속재료는, 로크웰 경도가 A스케일로 HRA 81.2～90.0, 바람직하게는 HRA 83.9～89.0이며, 또한 항절력이 3GPa～6GPa, 바람직하게는 3.3GPa～5.5GPa이다.
로크웰 경도가 A스케일로 HRA 81.2 미만이면, 금속박을 가압 성형하더라도, 롤러가 편평화하거나 축방향으로 휘거나 하기 때문에, 금속박에 충분한 압력이 전해지지 않고 볼록부의 형성이 불충분하게 되어, 볼록부 높이가 낮아지거나, 설계치에 거의 가까운 크기 및 형상을 가진 볼록부를 균일하게 형성할 수 없을 우려가 있다. 따라서, 원하는, 볼록부를 가진 금속박을 얻을 수 없을 우려가 있다. 또한, 금속박 가공용 롤러 표면이 마모하여, 오목부의 마모, 변형 등이 일어나기 쉬워진다. 한편, 로크웰 경도가 A스케일로 HRA 90.O를 넘으면, 금속박 가공용 롤러의 오목부에 균열, 떨어짐, 크랙 등이 발생하기 쉬워져, 볼록부의 형상이 변형하거나 불필요한 위치에 볼록부가 형성되는 등, 금속박의 가압 성형이 불충분해질 우려가 있다.
본 명세서에서, 로크웰 경도(HRA)는, JIS Z～2245에 기초하여, 구체적으로는 다음의 식으로부터 산출한 값이다.
HRA=100～0.5h
〔식중, h는 다이아몬드 압자의 침입 깊이의 차 h를 나타낸다.〕
다이아몬드 압자의 침입 깊이의 차 h는, 다음과 같이 하여 구해진다. 선단의 곡률 반지름이 0.2mm이고 원추각 120°의 다이아몬드 압자를 이용하여, 시료 표면에 첫 하중 98.07N를 부가하고, 다음에 시험 하중 588.4N를 부가하며, 다시 첫하중을 부가한다. 전후 2회의 첫 하중에서의 다이아몬드 압자의 침입 깊이를 측정하고, 이들 측정치의 차를, 다이아몬드 압자의 침입 깊이의 차 h로 한다.
또한, 항절력이 3GPa 미만이면, 금속박 가공용 롤러의 오목부에 균열, 깨짐, 크랙 등이 발생하기 쉬워져, 볼록부의 형상이 변형하거나 불필요한 위치에 볼록부가 형성되는 등, 금속박의 가압 성형이 불충분해질 우려가 있다. 따라서, 금속박 가공용 롤러가 장기적인 사용에 견딜 수 없게 되는 동시에, 사용 초기에도 볼록부의 형성이 불충분하게 되어, 불량품율이 증가할 우려가 있다. 한편, 항절력이 6GPa를 넘으면, 금속박을 가압 성형해도, 롤러가 편평화하거나 축방향으로 휘거나 하기 때문에, 금속박에 충분한 압력이 전해지지 않고 볼록부의 형성이 불충분하게 되어, 볼록부 높이가 낮아지거나, 설계치에 거의 가까운 크기 및 형상을 가진 볼록부를 균일하게 형성할 수 없을 우려가 있다. 또한, 금속박 가공용 롤러 표면의 내마모성이 저하하고, 오목부의 마모, 변형 등이 일어나기 쉬워진다. 또한, 금속박의 성형 가공후에, 금속박 가공용 롤러와 금속박의 이형성이 저하하여, 금속박 가공용 롤러에 의해 금속박이 말려 들어가는 등의 불량이 발생할 우려가 있다.
본 명세서에서, 항절력은, JIS Z～2248에 기초하여, 구체적으로는 다음과 같이 하여 측정한 값이다. 시험편에는, 직경 D가 13mm이고 길이가 300mm의 환봉을 이용한다. 항절력 측정 시험은, 만능 시험기와 그에 부속한 구부림 시험 장치를 이용하여 지점간 거리 L을 200mm로 설정하여 3점 구부림 시험으로서 실시한다. 시험편이 파단할 때의 하중을 최대 하중 Wmax로 하면, 항절력 σb는 다음의 식으로부터 산출된다.
σb= 8WmaxL/πD3
본 발명에서는, 상기에 나타낸 소정의 수치 범위의 로크웰 경도 및 항절력을 가진 금속재료로서 초경합금, 서멧, 하이스강, 다이스강 및 단강으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 고융점 금속재료를 이용하는 것이 바람직하다. 이들 중에서도, 초경합금, 하이스강, 단강 등이 더 바람직하고, 단강이 특히 바람직하다. 이들 고융점 금속재료에 속하고, 또한 소정의 로크웰 경도 및 항절력을 가진 금속재료는, 레이저 가공이 가능하고, 형상 및 치수의 재현성에 매우 우수하다. 또한, 이러한 금속재료에 레이저 가공을 이용하여 오목부를 형성하는 것에 의해, 금속박의 성형 가공을 반복 실시해도, 오목부의 마모, 변형, 파손 등이 매우 일어나기 어렵고, 장기 내용성(Level of long-term endurance)이 높다. 금속박 가공용 롤러는 1종 또는 2종 이상의 금속재료를 함유해도 좋다.
초경합금의 구체적인 예로서는 공지의 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 원소 주기율표 4A, 5A, 6A족의 금속의 탄화물 입자를 Fe, Co, Ni 등의 금속 바인더를 이용하여 소결한 초경합금 등을 들 수 있다. 초경합금의 구체적인 예로서는, 예를 들면, WC-Co계, WC-Cr3C2-Co계, WC-TaC-Co계, WC-TiC-Co계, WC-NbC-Co계, WC-TaC-NbC-Co계, WC-TiC-TaC-NbC-Co계, WC-TiC-TaC-Co계, WC-ZrC-Co계, WC-TiC-ZrC-Co계, WC-TaC-VC-Co계, WC-TiC-Cr3C2-Co계, WC-TiC-TaC계, WC-Ni계, WC-Co-Ni계, WC-Cr3C2-Mo2C-Ni계, WC-Ti(C,N)-TaC계, WC-Ti(C,N)계 등의 탄화 텅스텐기 초경합금, Cr3C2-Ni계 등을 들 수 있다.
서멧의 구체적인 예로서는 공지의 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, TiC-Ni계, TiC-Mo-Ni계, TiC-Co계, TiC-Mo2C-Ni계, TiC-Mo2C-ZrC-Ni계, TiC-Mo2C-Co계, Mo2C-Ni계, Ti(C,N)-Mo2C-Ni계, TiC-TiN-Mo2C-Ni계, TiC-TiN-Mo2C-Co계, TiC-TiN-Mo2C-TaC-Ni계, TiC-TiN-Mo2C-WC-TaC-Ni계, TiC-WC-Ni계, Ti(C,N)-WC-Ni계, TiC-Mo계, Ti(C,N)-Mo계, 붕화물계(MoB-Ni계, B4C/(W,Mo)B2계 등)등을 들 수 있다. 이들 중에서도, Ti(C,N)-Mo2C-Ni계, TiC-TiN-Mo2C-Ni계, TiC-TiN-Mo2C-Co계, TiC-TiN-Mo2C-TaC-Ni계, TiC-TiN-Mo2C-WC-TaC-Ni계, Ti(C,N)-WC-Ni계, Ti(C,N)-Mo계 등의 탄질화 티탄기 서멧이 바람직하다.
하이스강은, 철에 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 등의 금속을 첨가하고, 열처리를 더 실시하여, 경도를 높인 재료이다. 하이스강으로서도 공지의 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 철을 주성분으로 하고 또한 탄소, 텅스텐, 바나듐, 몰리브덴 및 크롬을 함유하는 하이스강, 철을 주성분으로 하고 또한 탄소, 텅스텐, 바나듐, 몰리브덴, 코발트 및 크롬을 함유하는 하이스강, 철을 주성분으로 하고 또한 탄소, 바나듐, 몰리브덴 및 크롬을 함유하는 하이스강, 철을 주성분으로 하고 또한 규소, 망간, 크롬, 몰리브덴 및 바나듐을 함유하는 하이스강, 철을 주성분으로 하고 또한 탄소, 규소, 망간, 크롬, 몰리브덴 및 바나듐을 함유하는 하이스강, 철을 주성분으로 하고 또한 탄소, 규소, 망간, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트 및 바나듐을 함유하는 하이스강 등을 들 수 있다.
다이스강으로서는 공지의 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 철, 탄소, 텅스텐, 바나듐, 몰리브덴 및 크롬을 함유하는 다이스강, 철, 탄소, 바나듐, 몰리브덴 및 크롬을 함유하는 다이스강, 철, 탄소, 규소, 망간, 유황, 크롬, 몰리브덴 및/또는 텅스텐, 바나듐, 니켈, 구리 및 알루미늄을 함유하는 다이스강 등을 들 수 있다.
단강은, 용강을 주형에 주입하여 만들어진 강괴 또는 그 강괴로부터 제조되는 강편을 가열하여, 프레스 및 해머로 단조 또는 압연 및 단조하는 것에 의해 단련 성형하고, 이것을 열처리하는 것에 의해서 제조된 재료이다. 단강으로서도 공지의 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 철을 주성분으로 하고 또한 탄소, 크롬 및 니켈을 함유하는 단강, 철을 주성분으로 하고 또한 규소, 크롬 및 니켈을 함유하는 단강, 니켈, 크롬 및 몰리브덴을 함유하는 단강, 철을 주성분으로 하고 또한 탄소, 규소, 망간, 니켈, 크롬, 몰리브덴 및 바나듐을 함유하는 단강, 철을 주성분으로 하고 또한 탄소, 규소, 망간, 니켈, 크롬 및 몰리브덴을 함유하는 단강 등을 들 수 있다.
이들 고융점 금속재료에서, 함유 성분의 조성을 적절히 선택하는 것에 의해, 소정의 로크웰 경도 및 항절력을 나타내는 금속재료를 얻을 수 있다. 또한, 단강 등의 제조 공정에서 열처리를 행하는 고융점 금속재료에 대해서는, 열처리 온도를 적절히 선택하는 것에 의해, 원하는 로크웰 경도 및 항절력을 가진 재료를 얻을 수 있다.
본 발명의 금속박 가공용 롤러에서, 소정의 로크웰 경도 및 항절력을 나타내는 금속재료를 함유하는 표층부의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는, 5～50mm 정도이다.
상기와 같은 표층부를 가진 금속박 가공용 롤러는, 금속재료가 고융점 금속재료인 경우는, 예를 들면, 고융점 금속재료제 원통을 심용 롤에 열박음(Thermal fitting) 또는 냉박음(Cool fitting)하는 것에 의해 제작할 수 있다. 열박음이란, 안지름이 심용 롤의 바깥지름보다 약간 작아지도록 고융점 금속재료제 원통을 제작하고, 이 고융점 금속재료제 원통을 따뜻하게 하여 팽창시켜, 심용 롤에 끼워 넣는 것이다. 또한, 냉박음이란, 안지름이 심용 롤의 바깥지름보다 약간 작아지도록 제작한 고융점 금속재료제 원통에, 냉각에 의해 수축시킨 심용 롤을 끼워 넣는 것이다. 심용 롤에는, 예를 들면, 스테인리스강, 철 등으로 이루어진 롤을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 금속박 가공용 롤러는, 표층부뿐만 아니라, 전체가 소정의 로크웰 경도 및 항절력을 나타내는 금속재료로 구성되어 있어도 좋다.
본 발명의 금속박 가공용 롤러 둘레면에 존재하는 오목부는, 레이저 가공에 의해 형성된다. 즉, 오목부의 형성에는, 종래의 레이저를 이용한 구멍뚫기 가공법을 이용할 수 있다. 레이저 가공에는, 예를 들면, 롤러 회전 장치, 레이저 발진기, 가공 헤드, 도광로, 마스크부 및 액츄에이터를 포함한 레이저 가공 장치를 사용할 수 있다.
롤러 회전 장치는, 예를 들면, 롤러 지지대 및 구동장치를 포함한다. 롤러 지지대는, 적어도 표층부가 소정의 로크웰 경도 및 항절력을 가진 금속재료를 함유하고, 둘레면에 오목부가 형성되어 있지 않은 롤러를, 그 축선 둘레에 자유로이 회전하도록 지지한다. 구동장치는, 롤러 지지대에 의해 지지되고 있는 롤러(이하, '오목부 형성용 롤러'라 한다)를, 그 축선 둘레에 회전 구동시킨다.
레이저 발진기는, 레이저광을 출력하는 장치이다. 레이저 발진기로는, 공지의 레이저 발진기를 사용할 수 있으며, 예를 들면 YAG 결정(이트륨, 알루미늄, 가넷)이나 YV04 결정에 네오디뮴 이온을 혼입하여 이루어지는 레이저 매체를 사용한 고체 레이저 발진기(Nd:YAG 레이저, Nd:YV04 레이저) 등을 들 수 있다. 이외에도, 탄산 가스 레이저, 엑시머 레이저 등도 사용이 가능하다.
레이저 발진기의 출력은, 예를 들면, 50mW～200W이다. 또한, 레이저광의 주파수는, 바람직하게는 100Hz～100kHz이다. 레이저광의 조사 시간은 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는, 1회당 10ps～200ns이다. 조사 시간이 10ps 미만이면, 레이저광의 조사에 의한 열전도가 발생하지 않고, 원자 1층분밖에 없애지 못하므로, 오목부의 형성이 불충분해질 우려가 있다. 한편, 200ns를 넘으면, 오목부 형성용 롤러의 회전에 의해 레이저광이 오목부 형성용 롤러 표면을 스위프(Sweep)할 우려가 있다.
가공 헤드는, 레이저 발진기에 의한 레이저광 출력 방향에서 도광로보다 하류측에 설치되는 부재이다. 가공 헤드는, 레이저 발진기로부터 출력되어, 도광로를 통하여 보내져 오는 레이저광을 집광하여 오목부 형성용 롤러의 바깥둘레면에 조사한다. 가공 헤드는, 예를 들면, 집광렌즈를 포함한다. 집광렌즈는, 레이저광의 진로에 직교하도록 설치되어 도광로를 통하여 보내져 오는 레이저광을 집광하여 오목부 형성용 롤러의 바깥둘레면에 조사한다. 집광렌즈의 초점거리는 특별히 제한은 없지만, 5mm～200mm의 범위로부터 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 가공 헤드에는, 어시스트 가스(Assist gas)가 도입된다. 어시스트 가스로서는, 예를 들면, 산소, 질소, 헬륨, 아르곤, 이들 2종 이상의 혼합 가스 등을 들 수 있다. 어시스트 가스의 압력은, 예를 들면, 0.1MPa～1MPa의 범위로부터 선택하면 좋다.
도광로는, 레이저 발진기에 의한 레이저광 출력 방향에서 레이저 발진기보다 하류측에 설치되고, 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저광을 가공 헤드까지 유도하는 부재이다. 도광로는, 예를 들면, 복수의 반사 밀러를 포함하고 있다. 복수의 반사 밀러를 적절한 위치에 배치하는 것에 의해, 레이저광이 반사 밀러에 의해 반사되어 가공 헤드까지 유도된다. 복수의 반사 밀러중에서, 가공 헤드에 가장 근접하여, 레이저광을 가공 헤드에 직접 유도하는 반사 밀러는, 가공 헤드의 왕복운동에 연동하도록, 왕복운동이 가능하게 설치되어 있다.
마스크부는, 도광로의 도중에 설치되어, 레이저광의 윤곽을 원하는 형상으로 정형하는 부재이다. 마스크부에는, 형성하고자 하는 오목부와 동일한 개구 형상을 가진 관통구멍인 레이저 통과 구멍이 형성되어 있다. 레이저 통과 구멍을 통과한 레이저광은, 윤곽이 레이저 통과 구멍의 개구 형상으로 성형되어, 가공 헤드의 집광렌즈에 의해 레이저 통과 구멍의 개구 형상과 동일한 상이 오목부 형성용 롤러의 바깥둘레면에 결상된다. 즉, 레이저 통과 구멍의 개구 형상이, 오목부의 개구 형상이 된다.
액츄에이터는, 레이저 발진기, 가공 헤드, 도광로 및 마스크부의 연직 방향 하방에 설치되어, 이들 장치 및 부재를 일체적으로 또한 왕복운동이 가능하도록 지지한다. 액츄에이터는, 이들 장치 및 부재를 오목부 형성용 롤러의 길이방향에 평행하도록 왕복운동시킨다.
이러한 레이저 가공 장치는, 널리 시판되고 있다. 또한, 롤러 회전 장치를 구비하지 않은 레이저 가공 장치에서도, 롤러 회전 장치를 소정의 위치에 장착하는 것에 의해, 오목부 형성을 위한 레이저 가공을 실시할 수 있다.
레이저 가공 장치에 의해, 오목부 형성용 롤러 둘레면에 레이저광을 연속적 또는 간헐적으로, 바람직하게는 간헐적으로 조사하는 것에 의해, 오목부가 형성된다. 오목부가 형성되면, 오목부 형성용 롤러를 회전시키거나, 액츄에이터에 가공 헤드 등을 오목부 형성용 롤러의 길이방향으로 이동시켜, 새로이 오목부가 형성된다. 이러한 조작을 반복하는 것에 의해, 오목부 형성용 롤러의 원하는 영역에 오목부가 형성되어, 본 발명의 금속박 가공용 롤러를 얻을 수 있다.
한편, 레이저 가공에 의해 오목부를 형성하면, 오목부의 롤러 둘레면에서의 개구의 가장자리를 따라서 융기가 형성되는 경우가 있다. 이러한 융기는, 예를 들면, 연마 가공 등으로 제거하는 것이 바람직하다. 연마 가공은 공지의 방법에 따라서 실시할 수 있다. 예를 들면, 연마재로서 다이아몬드 입자를 이용하고, 또한 연마 패드를 구비한 연마 장치를 이용하여 물 등의 매체의 공급하에 행하여진다.
다음에, 본 발명의 금속박 가공용 롤러를 이용하는, 볼록부를 가진 금속박의 제조에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 금속박 가공장치(10)의 구성을 모식적으로 도시한 측면도이다. 도 2는 도 1에 도시한 금속박 가공장치(10)의 주요부{가공 수단(4)}의 구성을 확대하여 도시한 사시도이다. 도 3은 금속박 가공용 롤러(1)의 외관을 도시한 사시도이다. 도 4는 도 3에 도시한 금속박 가공용 롤러(1)의 표면 영역(1x)을 확대하여 도시한 사시도이다.
볼록부를 가진 금속박(2)은, 표면에 볼록부(9)가 형성된 금속박이며, 예를 들면, 도 1에 도시한 금속박 가공장치(10)에 의해 제조할 수 있다. 금속박 가공 장치(10)는, 금속박 공급 수단(3), 가공 수단(4) 및 금속박 감기 수단(5)을 포함한다.
금속박 공급 수단(3)은, 구체적으로는, 금속박 공급 롤러이다. 금속박 공급 롤러는, 도시하지 않은 지지수단에 의해 축선 둘레에 회전이 가능하도록 축지지되고 있다. 금속박 공급 롤러의 둘레면에는, 금속박(8)이 감겨져 있다. 이 금속박(8)은, 가공 수단(4)의 압접 니프부(6)에 공급된다.
가공 수단(4)은, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 2개의 금속박 가공용 롤러(1)를 포함하고 있다. 2개의 금속박 가공용 롤러(1)는, 서로의 축선이 평행이 되도록 압접된다. 이에 따라, 압접 니프부(6)가 형성된다. 압접 니프부(6)는, 금속박(8)과 같은 얇은 두께 시트형상물이 통과할 수 있다. 또한, 금속박 가공용 롤러 (1)는, 각각, 도시하지 않은 지지수단에 의해 회전이 가능하도록 축지지되고, 도시하지 않은 구동 수단에 의해 축선 둘레에 회전 구동이 가능하도록 설치되어 있다. 2개의 금속박 가공용 롤러(1)는 양쪽 모두를 구동 롤러로 해도 좋고, 또는 한쪽을 구동 롤러로 하고, 다른쪽을 구동 롤러의 회전에 따라서 회전하는 종동 롤러로 해도 좋다.
한편, 금속 가공용 롤러(1)가 굴곡 변형하는 것을 방지하기 위해서, 도시하지 않은 백 롤러가 각각의 금속 가공용 롤러(1)에 압접되어 있다. 금속 가공용 롤러(1)와 백업 롤러는, 서로의 축선이 평행하게 되어 있다. 2개의 금속박 가공용 롤러(1)의 회전 구동에 의해, 금속박(8)이 압접 니프부(6)의 입구로부터 출구로 유도되어, 금속박(8)에 가압 성형이 실시된다. 이에 따라, 금속박(8)의 표면에 볼록부 (9)가 형성된 볼록부를 가진 금속박(2)을 얻을 수 있다.
금속박 가공용 롤러(1)는, 둘레면에 복수의 오목부(1a)가 형성된 본 발명의 롤러이다.
금속박 가공용 롤러(1) 둘레면에서의 오목부(1a)의 배열 패턴은, 본 실시형태에서는 다음과 같다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 금속박 가공용 롤러(1)의 길이방향에 복수의 오목부(1a)가 피치 P1로 늘어선 열을 1개의 행 단위로 한다. 복수의 행 단위(7)는, 금속박 가공용 롤러(1)의 원둘레 방향으로 피치 P2로 배열되어 있다. 피치 P1 및 피치 P2는, 임의로 설정할 수 있다. 한편, 금속박 가공용 롤러(1)의 원둘레 방향에서, 1개의 행 단위(7)와, 그에 인접한 행 단위는, 오목부(1a)가 금속박 가공용 롤러(1)의 길이방향에 어긋나도록 배열되어 있다.
본 실시형태에서는, 오목부(1a)의 길이방향의 차이는 0.5P1이지만, 이에 한정되지 않고, 임의의 설정이 가능하다. 또한, 본 실시형태에서는, 금속박 가공용 롤러 1둘레면에서의 오목부(1a)의 개구 형상은, 거의 원형이지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 거의 타원형, 거의 마름모형, 거의 정삼각형, 거의 정방형, 거의 정육각형, 거의 정팔각형 등이어도 좋다.
오목부(1a)의 금속박 가공용 롤러 1둘레면에 수직인 방향의 단면은, 상기 단면의 금속박 가공용 롤러 1둘레면에 평행한 방향의 폭이 금속박 가공용 롤러 1둘레면으로부터 오목부(1a)의 저부를 향해서 서서히 작아지는 테이퍼 형상을 가지고 있다. 이에 따라, 가압 성형 종료후에서의, 볼록부를 가진 금속박(2)의 금속박 가공용 롤러(1)로부터의 이형성이 향상한다.
금속박 가공용 롤러(1)의 직경은 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 30mm에서 200mm정도이다. 또한, 2개의 금속박 가공용 롤러(1)의 압접압(선압)은 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는, 5kN?cm～20kN?cm 정도이다.
한편, 본 실시형태에서는, 압접 니프부(6)를 형성하는 2개의 롤러를 본 발명의 금속박 가공용 롤러(1)로 하고 있지만, 그에 한정되지 않는다. 예를 들면, 2개의 롤러의 한쪽을 본 발명의 금속박 가공용 롤러(1)로 하고, 다른쪽을, 표면에 오목부가 형성되지 않고, 표면이 평활한 롤러로 해도 좋다. 그 경우, 두께 방향의 한쪽의 표면에 볼록부가 형성된 볼록부 형성용 금속박을 얻을 수 있다.
또한, 상기와 같이, 압접 니프부(6)에 통과시켜 금속박(8)을 압축 가공하는 것에 의해, 오목부(1a)와 금속박(8)의 표면으로 둘러싸인 밀폐 공간이 형성되어, 이 밀폐 공간에는 공기가 잔류한다. 금속박 가공용 롤러(1)에 의한 금속박(8)에의 가압력(압접압)이 상기에 나타낸 적절한 범위에 있는 경우, 이 밀폐 공간은, 금속박(8)이 가공되고 있는 동안 유지되어, 오목부(1a)의 저면과 금속박(8)의 표면은, 잔류하는 공기가 개재하는 것에 의해, 비접촉 상태가 유지된다.
금속박 감기 수단(5)은, 구체적으로는, 금속박 감기 롤러이다. 금속박 감기 롤러는, 도시하지 않은 지지수단에 의해 축선 둘레에 회전이 가능하도록 축지지되고 있다. 또한, 금속박 감기 롤러는, 도시하지 않은 구동 수단에 의해 회전 구동된다. 금속박 감기 롤러는, 회전하면서, 가공 수단(4)에 의해 형성된 볼록부를 가진 금속박(2)을 그 둘레면에 감아 빼낸다.
금속박 가공 장치(10)에 의하면, 금속박(8)을 가압 성형하는 것에 의해, 볼록부를 가진 금속박(2)이 제조된다.
[실시예]
이하에 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
레이저 가공 장치(Spectra?Physics(주) 제품)에, 레이저 발진기로서 Nb:YAG 레이저를 장착했다. 가공 헤드로부터 출력되는 레이저광의 강도를 1회의 조사당 23μJ로 설정했다. 또한, 집광렌즈 및 초점거리를 조정하여, 가공 헤드의 결상 배율을 16배로 설정했다. 즉, 가공 헤드의 결상 사이즈는, 레이저 가공용 마스크의 개구의 1/16배가 된다. 레이저 가공용 마스크로서는, 두께 0.3mm, 치수 22mm×22mm 의 스테인리스강판(SUS304)에 방전 가공을 실시하여, 형상이 거의 마름모형인 레이저 통과 구멍을 형성한 것을 이용했다. 레이저 통과 구멍의 마름모형의 개구 지름(긴 쪽의 대각선의 길이)은, 0.32mm였다. 짧은 쪽의 대각선의 길이는 0.16mm였다.
이 레이저 가공 장치의 롤러 회전 장치와 테일스톡(Tailstock) 사이에, 단강 롤러(Daido Machinery (주) 제품, 직경 50mm, 롤러 폭 100mm, 단강의 로크웰 경도: A스케일로 HRA 84.9, 항절력:4.0GPa , 단강 조성: 중량 비율로, 탄소 1%, 실리콘 0.24%, 망간 0.36%, 크롬 1.46% 및 잔부 철)를 장착하고, 상기 단강 롤러 표면에, 조사 시간 50나노초, 조사 간격 1밀리세컨드로, 레이저광을 조사했다. 레이저광의 조사 후, 레이저광 조사 영역을 단강 롤의 길이방향으로 20㎛ 또는 원둘레 방향으로 29㎛ 이동시켜, 마찬가지로 레이저광을 조사했다. 한편, 원둘레 방향의 이동은, 단강 롤러를 회전시키는 것에 의해 행하였다. 원둘레 방향으로 이동하여 5400개의 오목부를 형성한 후, 길이방향으로 20㎛ 이동하고, 원둘레 방향으로 14.5㎛ 회전시킨 후, 원둘레 방향으로 5400개의 오목부를 형성하는 작업을 반복했다. 롤러의 폭방향으로 4500회 이동시켜 90mm 가공했다. 이렇게 해서 오목부 2430만개를 갈지자 형상으로 형성하여, 본 발명의 금속박 가공용 롤러를 제작하였다.
형성된 오목부의 개구 형상은 거의 마름모형이며, 개구 지름(마름모형의 긴 쪽의 대각선의 길이)는 20㎛였다. 마름모형의 짧은 쪽의 대각선 길이는 10㎛이었다. 또한, 오목부의 저면은 돔 형상이며, 오목부의 깊이는 약 12㎛였다. 오목부의 긴 방향(단강 롤의 폭방향)의 피치는 약 20㎛, 짧은 방향(단강 롤의 원둘레 방향)의 피치는 약 29㎛였다.
이 금속박 가공용 롤러 2개를 금속박 가공 장치(10)에 장착했다. 금속박 가공 장치(10)의 압접 니프부에 있어서의 가압력을 선압으로 약 14.7kN?cm (1500kgf /cm)로 설정하고, 폭 80mm, 두께 26㎛의 터프 피치(Tough pitch) 구리박을 압접 니프부에 통과시켜 가공을 행하였다. 가공후의 구리박 표면에, 금속박 가공용 롤러의 오목부에 대응하는 볼록부가 형성되었다. 볼록부 10개의 평균 높이를 레이저 현미경(상품명:VK-9500, Keyence사 제품)으로 측정한 결과, 7.0㎛였다. 구리박을 각 롤러당 100m 길이씩 20롤러로 2000m 가공을 행하였지만, 구리박 표면에 형성된 볼록부의 형상은 거의 동등하고, 볼록부 높이도 7.0㎛였다. 금속박 가공용 롤러의 표면을 레이저 현미경으로 관찰한 결과, 크랙이나 칩핑은 발생하지 않았다.
(실시예 2)
초경합금제 롤러(Fuji Die (주) 제품, 직경 50mm, 폭 100mm, 로크웰 경도: A스케일로 HRA 90.0, 항절력: 3.1GPa , 탄화텅스텐 입자 및 코발트(결착제)를 함유)를 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 금속박 가공용 롤러를 제작했다.
이 금속박 가공용 롤러 2개를 금속박 가공 장치(10)에 장착하고, 압접 니프부에서의 압력을 약 14.7kN?cm(1500kgf/cm)로부터 약 9.8kN?cm(1000kgf/cm)로 변경하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 폭 80mm, 두께 26㎛의 터프 피치 구리박을 가공했다. 가공후의 구리박 표면에는, 금속박 가공용 롤러의 오목부에 대응하는 볼록부가 형성되어 있었다. 레이저 현미경(VK-9500)으로 측정된 볼록부 10개의 평균 높이는, 6.5㎛였다. 구리박을 각 롤러당 100m 길이씩 10롤러로 1000m 가공을 행하였지만, 구리박 표면에 형성된 볼록부의 형상은 거의 균일하고, 볼록부 높이는 6.7㎛였다. 또한, 가공후의 금속박 가공용 롤러의 표면을 레이저 현미경으로 관찰한 결과, 크랙이나 칩핑의 발생은 인정되지 않았다. 계속해서 구리박을 누계 2000m 가공하였다. 구리박 표면에 형성된 볼록부의 형상은 초기와 거의 동등하고, 볼록부의 높이는 6.5㎛였다. 한편, 금속박 가공용 롤러의 표면을 현미경으로 관찰한 결과, 일부에 탄화텅스텐 입자가 탈락한 칩핑 개소가 관찰되었다.
(실시예 3)
초경 롤러(Fuji Die 주식회사 제품, 직경 50mm, 폭 100mm, 로크웰 경도: A스케일로 HRA 89.0, 항절력: 3.3GPa, 탄화텅스텐 입자 및 코발트(결착제)를 함유)를 이용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 금속박 가공용 롤러를 제작했다.
이 금속박 가공용 롤러 2개를 금속박 가공 장치(10)에 장착하고, 압접 니프부에서의 압력을 약 14.7kN?cm(1500kgf/cm)로부터 약 9.8kN?cm(1000kgf/cm)로 변경하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 폭 80mm, 두께 26㎛의 터프 피치 구리박을 가공했다. 가공후의 구리박 표면에, 금속박 가공용 롤러의 오목부에 대응하는 볼록부가 형성되어 있다. 레이저 현미경(VK-9500)으로 측정된 볼록부 10개의 평균 높이는, 6.3㎛였다. 또한, 구리박을 각 롤러당 100m 길이씩 20롤러로 2000m 가공을 행한 바, 구리박 표면에 형성된 볼록부의 형상은 초기와 거의 동일하고, 볼록부 10개의 평균 높이는 6.4㎛였다. 가공후의 금속박 가공용 롤러의 표면을 현미경으로 관찰한 결과, 크랙이나 칩핑의 발생은 관찰되지 않았다.
(실시예 4)
단강 롤러(Daido Machinery (주) 제품, 직경 50mm, 폭 100mm, 로크웰 경도: A스케일로 HRA 83.9, 항절력: 5.5GPa)를 이용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 금속박 가공용 롤러를 제작했다. 단강의 조성은 중량 비율로 탄소 1.1%, 실리콘 0.22%, 망간 0.38%, 크롬 1.76% 및 잔부 철이었다.
이 금속박 가공용 롤러 2개를 금속박 가공 장치(10)에 장착하고, 압접 니프부에서의 압력을 약 9.8kN?cm(1000kgf/cm)로부터 약 19.6kN?cm(2000kgf/cm)로 변경하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 폭 80mm, 두께 26㎛의 터프 피치 구리박을 가공했다. 가공후의 구리박 표면에는, 금속박 가공용 롤러의 오목부에 대응하는 볼록부가 형성되어 있었다. 레이저 현미경(VK-9500)으로 측정된 볼록부 10개의 평균 높이는, 5.8㎛였다. 또한, 구리박을 각 롤러당 100m 길이씩 20롤러로 2000m 가공을 행한 바, 구리박 표면에 형성된 볼록부의 형상은 초기와 거의 동일하고, 볼록부 10개의 평균 높이는 5.7㎛였다. 가공후의 금속박 가공용 롤러의 표면을 현미경으로 관찰한 결과, 크랙이나 칩핑은 발생하지 않았다.
(실시예 5)
다이스강 롤러(Daido Machinery (주) 제품, 직경 50mm, 롤러폭 10Omm, 로크웰 경도: A스케일로 HRA 81.2, 항절력: 5.8GPa)를 이용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 금속박 가공용 롤러를 제작했다. 다이스강의 조성은, 탄소 1.4%, 실리콘 0.4%, 망간 0.6%, 크롬 11.2%, 몰리브덴 0.9%, 바나듐 0.3% 및 잔부 철이었다.
이 금속박 가공용 롤러 2개를 금속박 가공장치(10)에 장착하고, 실시예 4와 동일하게 하여, 폭 80mm, 두께 26㎛의 터프 피치 구리박을 가공했다. 가공후의 구리박 표면에는, 금속박 가공용 롤러의 오목부에 대응하는 볼록부가 형성되어 있다. 레이저 현미경(VK-9500)으로 측정된 볼록부 10개의 평균 높이는, 4.9㎛였다. 또한, 구리박을 각 롤러당 100m 길이씩 20롤러로 2000m 가공을 행한 바, 구리박 표면에 형성된 볼록부의 형상은 초기와 거의 동일하고, 볼록부 10개의 평균 높이는 5.0㎛였다. 가공후의 금속박 가공용 롤러의 표면을 현미경으로 관찰한 결과, 크랙이나 칩핑은 발생하지 않았다.
(비교예 1)
초경합금 롤러(Fuji Die (주) 제품, 직경 50mm, 폭 100mm, 로크웰 경도: A스케일로 HRA 94.0, 항절력: 1.5GPa , 탄화텅스텐 입자 및 코발트(결착제)를 함유)를 이용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 금속박 가공용 롤러를 제작했다. 이 금속박 가공용 롤러 둘레면의 오목부는, 개구 형상 및 개구 지름에 불균일이 관찰되었다. 특히 개구 형상은, 거의 마름모형인 것도 관찰되었지만, 타원 형상의 것이 다수 관찰되었다.
이 금속박 가공용 롤러 2개를 금속박 가공장치(10)에 장착하고, 압접 니프부에서의 압력을 약 14.7kN?cm(1500kgf/cm)로부터 약 9.8kN?cm(1000kgf/cm)로 변경하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 폭 80mm, 두께 26㎛의 터프 피치 구리박을 가공했다. 가공후의 구리박 표면에는, 금속박 가공용 롤러의 오목부에 대응하는 볼록부가 형성되어 있다. 즉, 볼록부의 형상에는 불균일이 있다. 레이저 현미경(VK-9500)으로 측정된 볼록부 10개의 평균 높이는, 7.2㎛였다. 또한, 구리박을 각 롤러당 100m 길이씩 10롤러로 1000m 가공을 행한 바, 구리박 표면에 형성된 볼록부에는, 변형한 것이 다수 관찰되었다. 볼록부 10개의 평균 높이는 6.2㎛였다. 가공후의 금속박 가공용 롤러의 표면을 현미경으로 관찰한 결과, 탄화텅스텐(WC)의 입자가 벗겨져 떨어지고, 오목부의 변형이나 롤 표면이 거친 상태가 관찰되었다.
(비교예 2)
다이스강 롤러(Daido Machinery (주) 제품, 직경 50mm, 폭 100mm, 로크웰 경도: A스케일로 HRA 78.0, 항절력: 8GPa)를 이용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 금속박 가공용 롤러를 제작했다. 다이스강의 조성은, 탄소 0.4%, 실리콘 1.1%, 망간 0.5%, 크롬 5.0%, 몰리브덴 1.0%, 바나듐 1.0% 및 잔부 철이었다. 이 금속박 가공용 롤러 둘레면의 오목부는, 개구 형상 및 개구 지름에 불균일이 관찰되었다. 특히 개구 형상은, 거의 마름모형인 것도 관찰되었지만, 타원 형상의 것이 다수 관찰되었다.
이 금속박 가공용 롤러 2개를 금속박 가공 장치(10)에 장착하고, 압접 니프부에서의 압력을 약 9.8kN?cm(1000kgf/cm), 약 14.7kN?cm(1500kgf/cm) 또는 약 19.6kN?cm(2000kgf/cm)로 설정하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 폭 80mm, 두께 26㎛의 터프 피치 구리박을 가공했다. 가공후의 구리박 표면에는, 금속박 가공용 롤러의 오목부에 대응하는 볼록부가 형성되어 있다. 즉, 볼록부의 형상에는 불균일이 있다. 레이저 현미경(VK-9500)으로 측정된 볼록부 10개의 평균 높이는 각각 2.2㎛(약 9.8kN?cm), 2.3㎛(약 14.7kN?cm), 2.3㎛(약 19.6kN?cm)이었다. 압접 니프부에서의 압력을 높여도, 볼록부 높이가 증가하지 않는 것이 판명되었다. 이것은 압력을 높일수록 금속박 가공용 롤러가 편평화하고, 상기 롤러 표면과 구리박이 접하는 면적이 증가하여, 구리박에 실제로 가해지는 가중이 높아지지 않기 때문이라고 생각된다.
실시예 1～5 및 비교예 1～2의 결과로부터, 본 발명의 금속박 가공용 롤러를 이용하면, 1000m 이상의 구리박에 대하여 높이 4㎛ 이상이고, 형상이 거의 균일한 볼록부를, 수천만개 단위로 안정적으로 형성할 수 있는 것이 분명하다. 본 발명의 금속박 가공용 롤러란, 로크웰 경도가 A스케일로 HRA 81.2～90.0이며, 또한 항절력이 3GPa～6GPa인 금속재료를 함유하는 롤러에 오목부가 형성된 것이다.
또한, 로크웰 경도가 A스케일로 HRA 81.2 이하 또는 항절력이 3GPa 이하인 금속재료를 함유하는 금속박 가공용 롤러를 이용하면, 롤러가 편평화하고, 압접 니프부에서의 압력을 높여도, 구리박에 높이 3㎛ 이상의 볼록부를 형성할 수 없는 것이 명백하다. 또한, 로크웰 경도가 A스케일로 HRA 90.0 이상 또는 항절력 6GPa 이상인 금속재료를 함유하는 금속박 가공용 롤러를 이용하면, 칩핑이 발생하여 오목부가 변형하여, 롤 표면이 거칠어지기 때문에, 안정적으로 가공할 수 없는 것을 알 수 있었다.
[산업상이용가능성]
본 발명의 금속박 가공용 롤러는, 각종 금속박의 표면에 볼록부를 형성하기 위해 바람직하게 이용할 수 있다. 특히, 본 발명의 금속박 가공용 롤러는, 높은 내구성을 나타내므로, 볼록부를 가진 금속박을 양산하는 경우에도, 효율적이고 매우 낮은 불량품율로 제조할 수 있어 공업적으로 유리하다.

Claims (9)

  1. 레이저 가공에 의해 둘레면에 복수의 오목부가 형성된 금속박 가공용 롤러로서, 오목부의 개구 지름이 1㎛～35㎛이고, 상기 둘레면에 수직인 방향에서의 상기 오목부의 단면 형상이, 상기 둘레면으로부터 상기 오목부의 저면을 향해서, 단면폭이 서서히 또는 연속적으로 작아지는 테이퍼 형상이며, 적어도 오목부가 형성되는 표층부가, 로크웰 경도가 A스케일로 HRA 81.2～90.0이며 또한 항절력이 3GPa～6GPa인 금속재료를 함유하고,
    상기 금속박이 구리박 또는 구리합금박인 리튬이온 이차전지용 음극 집전체이며, 상기 금속박을 누름으로써, 두께가 10~100㎛인 금속박에 상기 오목부와 대응하는 기둥형상의 볼록부를 형성하는 금속박 가공용 롤러.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 금속박 가공용 롤러 둘레면에서의 오목부의 개구 형상이, 원형, 타원형, 마름모형 또는 정다각형인 금속박 가공용 롤러.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 금속박 가공용 롤러가 원통형상이고, 그 둘레면에서의 상기 롤러의 축선방향의 오목부의 피치가 4㎛ 이상인 금속박 가공용 롤러.
  6. 제 1 항에 있어서, 금속 재료의 로크웰 경도가 A스케일로 HRA 83.9～89.0인 금속박 가공용 롤러.
  7. 제 1 항에 있어서, 금속재료의 항절력이 3.3GPa～5.5GPa인 금속박 가공용 롤러.
  8. 제 1 항에 있어서, 금속재료가 초경합금, 서멧, 하이스강, 다이스강 및 단강으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 고융점 금속재료인 금속박 가공용 롤러.
  9. 제 1 항에 있어서, 오목부의 저면과 금속박의 표면이 접촉하지 않도록 이용되는 금속박 가공용 롤러.
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