KR102255440B1 - 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성 개선방법 - Google Patents

전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성 개선방법 Download PDF

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Abstract

115 ksi 초과의 0.2% 오프셋 항복 강도를 갖는 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정이 개시된다. 상기 합금은 약 14.5 내지 약 15.5 wt%의 니켈, 약 7.5 내지 약 8.5 wt%의 주석을 포함하고, 잔량은 구리이다. 상기 구리-니켈-주석계 합금은 5% 내지 15%의 소성 변형을 받도록 기계적으로 냉간 가공된다. 그 다음, 상기 합금은 약 450℉ 내지 약 550℉의 상승된 온도에서 약 3 시간 내지 약 5 시간의 기간 동안 열처리된다. 그 다음, 상기 합금은 후속적으로 4% 내지 12%의 소성 변형을 받도록 다시 기계적으로 냉간 가공된다. 그 다음, 상기 합금은 응력을 완화시키기 위해 약 3 분 내지 약 12 분 사이의 기간 동안 약 700℉ 내지 약 850℉의 상승된 온도로 더욱 열처리된다. 결과적인 합금은 좋은 성형성 비율 및 좋은 항복 강도의 조합을 갖는다.

Description

전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성 개선방법 {IMPROVING FORMABILITY OF WROUGHT COPPER-NICKEL-TIN ALLOYS}
본 출원은 2013년 3월 14일자에 출원된 미국 가 특허출원 제61/782,802호의 우선권을 주장하고, 이의 전체적인 내용은 참조로서 여기에 혼입된다.
본 개시는 공지의 구리-니켈-주석계 합금과 비교하여 실질적으로 동일한 강도 수준을 유지하면서 구리-니켈-주석계 합금의 성형성 특성을 향상시키는 공정에 관한 것이다.
구리-베릴륨계 합금은 적용하는 데 효율성 및 기능성을 증가시키기 위해 한정된 공간 내에 맞고, 또한 감소된 크기, 중량 및 전력 소비 특징을 갖는 합금을 필요로 하는 다양한 산업적 및 상업적 적용에 사용된다. 구리-베릴륨계 합금은 그의 높은 강도, 탄성 (resilience) 및 피로 강도 (fatigue strength)에 기인하여 이들 적용에 사용된다.
몇몇 구리-니켈-주석계 합금들은 구리-베릴륨계 합금의 성질과 유사한 바람직한 성질을 갖는 것으로 확인되고 있고, 감소된 비용으로 제조될 수 있다. 예를 들면, Materion Corporation에 의해 Brushform® 158 (BF 158)로서 제공되는 구리-니켈-주석계 합금은 다양한 형태로 판매되고, 설계자가 상기 합금을 전자 커넥터, 스위치, 센서, 스프링 등으로 형성시키는 것을 허용하는 고-성능, 열처리된 합금이다. 이 합금은 설계자가 주조에 의하기보다는 가공 (working)을 통해 최종 형상으로 합금을 조작하는 전신재 (wrought) 합금 생산물로서 일반적으로 판매된다. 그러나, 이 구리-니켈-주석계 합금은 구리-베릴륨계 합금과 비교하여 성형성 (formability) 제한을 갖는다.
상기 합금의 성형성 특성을 개선시키는 구리-니켈-주석계 합금을 사용하기 위한 새로운 공정을 개발하는 것이 바람직하다.
본 개시는 구리-니켈-주석계 합금의 성형성 특성을 개선시키는 새로운 공정을 제공하고자 한다.
본 개시는 주조 구리-니켈-주석계 합금의 성형성 (즉, 소성 변형에 의해 성형될 수 있는 물질의 능력)을 개선시키기 위한 공정에 관한 것이다. 일반적으로, 상기 합금은 약 5% 내지 약 15%의 %CW (즉, 냉간 가공율) 소성 변형을 받도록 제1 기계적 냉간 가공된다. 그 다음, 상기 합금은 바람직한 성형성 특성을 생산하도록 약 3 분 내지 약 12 분 사이의 기간 동안 약 700℉ 내지 약 950℉ 사이의 상승된 온도로 열처리하여 열적 응력 완화 단계를 받는다.
적어도 115 ksi의 항복 강도 (yield strength)를 갖는 합금 조성물을 생산하도록 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정이 구체적인 구체예에 개시된다. 상기 합금은 약 14.5 wt% 내지 약 15.5 wt%의 니켈, 약 7.5 wt% 내지 약 8.5 wt%의 주석을 포함하고, 잔량은 구리이다. 상기 공정 단계들은 구리-니켈-주석계 합금을 냉간 가공하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 금속은 약 5% 내지 약 15% 사이의 소성 변형을 받는다. 다음으로, 상기 합금은 약 450℉ 내지 약 550℉ 사이의 상승된 온도에서 약 3 시간 내지 약 5 시간 사이의 기간 동안 열처리된다. 그 다음, 상기 합금은 냉간 가공되고, 여기서 상기 합금은 약 4% 내지 약 12%의 소성 변형을 받는다. 그 다음, 상기 합금은 후속적으로 바람직한 성형성 및 항복 강도 특성을 생산하도록 약 3 분 내지 약 12 분 사이의 기간 동안 약 700℉ 내지 약 850℉ 사이의 상승된 온도로 열처리하여 열적 응력 완화 단계를 받는다.
또한, 적어도 130 ksi의 항복 강도를 갖는 합금 조성물을 생산하도록 주조 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키기 위한 공정이 개시된다. 상기 금속은 약 14.5 wt% 내지 약 15.5 wt%의 니켈, 약 7.5 wt% 내지 약 8.5 wt%의 주석을 포함하고, 잔량은 구리이다. 상기 단계들은 구리-니켈-주석계 합금을 냉간 가공하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 합금은 5% 내지 약 15%의 소성 변형을 받는다. 그 다음, 상기 합금은 바람직한 성형성 및 항복 강도 특성을 생산하도록 약 3 분 내지 약 12 분 사이의 기간 동안 약 775℉ 내지 약 950℉ 사이의 상승된 온도에서 열처리된다. 결과적인 합금은 적어도 130 ksi의 항복 강도 및 폭 방향으로 2 미만 및 길이 방향으로 2.5 미만의 성형성 비율 (formability ratio)을 갖는다.
이들 및 다른 비-제한적인 본 개시의 특성은 아래에서 좀더 특별히 개시된다.
다음은 도면의 간단한 설명으로, 여기서 개시된 예시적인 구체예를 예시할 목적으로 제공된 것이지, 이를 제한할 목적은 아니다.
도 1은 본 개시의 예시적인 공정을 예시하는 흐름도이다.
도 2는 본 개시의 또 다른 예시적인 공정을 예시하는 흐름도이다.
도 3은 길이 방향 및 폭 방향의 모두로 다양한 퍼센트의 냉간 가공 이후, 115 ksi의 최소 0.2% 오프셋 항복 강도를 갖는 본 개시의 합금에 대한 성형성 비율 (R/t) 항복 강도를 나타내는 실험 데이타를 예시하는 선 그래프이다.
도 4는 길이 방향 및 폭 방향의 모두로 다양한 퍼센트의 냉간 가공 이후, 130 ksi의 최소 0.2% 오프셋 항복 강도를 갖는 본 개시의 합금에 대한 성형성 비율 (R/t)를 나타내는 실험 데이타를 예시하는 선 그래프이다.
여기서 개시된 구성요소, 공정 및 장치의 좀더 완전한 이해는 첨부된 도면을 참조하여 얻어질 수 있다. 이들 도면은 본 개시의 시연의 편의성 및 용이성에 기초하여 단지 개략적으로 나타낸 것이고, 그러므로, 기기 또는 그 구성요소의 상대적인 크기 및 치수를 가리키거나 및/또는 예시적인 구체예의 범주를 정의 또는 제한할 의도는 아니다.
구체적인 용어들이 하기의 설명에서 명확성을 위해 사용되지만, 이들 용어들은 도면에서 예시를 위해 선택된 구체예의 특정 구조를 단지 지칭하기 위해 의도된 것이지, 본 개시의 범주를 정의하거나 또는 제한하기 위해 의도된 것은 아니다. 도면 및 하기의 설명에서, 동일한 참조 부호는 동일한 기능의 구성요소를 지칭하는 것으로 이해된다.
맥락이 달리 명확하게 지시하지 않는 한, 단수 형태는 지시 대상물의 복수를 포함한다.
본 명세서 및 청구범위에서 기재된, 용어들 "포함하는 (comprising(s), include(s), contain(s))", "할 수 있는 (can)", "가지는 (having, has)", 및 이들의 변형은, 기재된 성분/단계들의 존재를 필요로 하면서, 다른 성분/단계들의 존재도 허용하는 개방형 전이부 (open-ended transition phrases), 용어, 및 단어들을 의도한 것이다. 또한, 조성물 또는 공정들이 특정된 성분들/단계들로 "이루어진(consisting of)", 및 "필수적으로 이루어진(consisting essentially of)" 으로 개시된 경우, 결과적인 불순물과 함께, 특정 성분의 존재만을 허용하며, 다른 성분들/단계들을 배제하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구항에서 수치들은, 상기 수치를 측정하기 위한 본 출원에 개시된 유형의 통상적인 측정 기술의 실험적인 오차 미만으로 기재된 값들이 다른 경우, 본 명세서 및 청구항의 수치들과 동일한 수치의 중요 도면들 및 수치들에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 개시된 모든 범위는 기재된 끝점을 포함하고 독립적으로 조합가능하다 (예를 들면, “2 grams 내지 10 grams”의 범위는 끝점, 2 grams 및 10 grams, 및 모든 중간 값들을 포함한다).
"약 (about)" 및 "실질적으로 (substantially)"와 같은 용어에 의해 수식된 값은 정확한 어떤 특정 값으로 한정될 수 없다. 근사값에 해당하는 용어는 상기 값들을 측정하기 위한 기기의 정확성에 대응하는 것이다. 상기 수식어 “약 (about)”은 또한 2개의 끝점의 절대값에 의해 한정되는 범위를 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 표현 “약 2 내지 약 4 (from about 2 to about 4)”는 “2 내지 4 (from 2 to 4)”를 또한 개시한 것이다.
명확히 달리 기재되지 않는 한, 요소들의 퍼센트는 기재된 합금의 중량 퍼센트인 것으로 여겨져야 한다.
여기서 사용되는 바와 같이, 용어 “스피노달 합금 (spinodal alloy)”은 그의 화학 조성물이 스피노달 분해 (spinodal decomposition)를 받을 수 있는 합금을 지칭한다. 용어 “스피노달 합금”은 물리적 상태가 아니라, 합금의 화학적 성질 (alloy chemistry)을 지칭한다. 그러므로, “스피노달 합금”은 스피노달 분해를 받거나 받지 않았을 수 있고, 스피노달 분해를 받는 공정에 있거나 있지 않을 수 있다.
스피노달 에이징 (aging)/분해는 다중 성분들이 다른 화학적 조성물 및 물리적 성질을 갖는 구별된 영역들 또는 미세구조들 (microstructures) 안으로 분리될 수 있는 메카니즘이다. 특히, 상태도 (phase diagram)의 중앙 영역 내에 벌크 조성물을 갖는 결정은 용리 (exsolution)를 받는다. 본 개시의 합금의 표면에서 스피노달 분해는 표면 경화를 결과한다.
스피노달 합금 구조는 원래의 상들이 소정의 온도 하에서 분리되는 경우 생성되는 균일한 두 개 상의 혼합물 및 상승된 온도에서 도달된 혼화성 간격 (miscibility gap)으로 지칭되는 조성물로 만들어진다. 합금 상은 자발적으로 다른 상으로 분해되고, 다른 상 내에서 결정 구조는 동일하게 남아있고, 그러나 상기 구조 내의 원자들은 개질되고 그러나 유사한 크기로 남아있다. 스피노달 경화는 베이스 금속 (base metal)의 항복 강도를 증가시키고, 조성물 및 미세구조의 고도의 균일성을 포함한다.
여기서 사용된 구리-니켈-주석계 합금은 일반적으로 약 9.0 wt% 내지 약 15.5 wt%의 니켈, 및 약 6.0 wt% 내지 약 9.0 wt%의 주석을 포함하고, 잔량으로 구리를 갖는다. 이 합금은 경화될 수 있고, 다양한 산업 및 상업 적용에 사용될 수 있는 높은 항복 강도 생산물로 좀더 용이하게 형성될 수 있다. 이 고성능 합금은 구리-베릴륨계 합금과 유사한 성질을 제공하도록 설계된다.
좀더 특별하게, 본 개시의 구리-니켈-주석계 합금은 약 9 wt% 내지 약 15 wt%의 니켈 및 약 6 wt% 내지 약 9 wt%의 주석을 포함하고, 잔량으로 구리를 갖는다. 좀더 구체적인 구체예에서, 구리-니켈-주석계 합금은 약 14.5 wt% 내지 약 15.5%의 니켈, 및 약 7.5 wt% 내지 약 8.5 wt%의 주석을 포함하고, 잔량으로 구리를 갖는다. 이들 합금들은 다른 범위들로 합금들을 분리시키는 다양한 성질의 조합을 가질 수 있다. 좀더 구체적으로, “TM04”는 일반적으로 105 ksi 내지 125 ksi의 0.2% 오프셋 항복 강도, 115 ksi 내지 135 ksi의 최대 인장 강도 (ultimate tensile strength), 및 245 내지 345의 비커스 경도 (Vickers Pyramid Number (HV))를 갖는다. TM04 합금을 고려하면, 상기 합금의 항복 강도는 최소 115 ksi이어야 한다. “TM06”는 120 ksi 내지 145 ksi의 0.2% 오프셋 항복 강도, 130 ksi 내지 150 ksi의 최대 인장 강도, 및 270 내지 370의 비커스 경도 (Vickers Pyramid Number (HV))를 일반적으로 갖는 구리-니켈-주석계 합금을 지칭한다. TM06 합금을 고려하면, 상기 합금의 항복 강도는 최소 130 ksi이어야 한다.
도 1은 본 개시의 금속 가공 공정의 단계들의 개요를 나타내는 TM04 등급 구리-니켈-주석계 합금에 대한 흐름도를 예시한다. 이들 공정들은 이런 TM04 등급 합금들에 적용된다는 것이 특히 고려된다. 상기 공정은 상기 합금을 제1 기계적 냉간 가공시키는 단계 (100)로 시작한다.
냉간 가공은 소성 변형에 의해 금속의 형상 또는 크기를 기계적으로 변경시키는 공정이다. 이것은 금속 또는 합금의 압연 (rolling), 인발 (drawing), 프레싱 (pressing), 스피닝 (spinning), 압출 (extruding) 또는 헤딩 (heading)에 의해 수행될 수 있다. 금속이 소성 변형되는 경우, 원자들의 전위 (dislocation)가 물질 내에서 발생한다. 특히, 전위는 금속의 결정들을 가로질러 또는 결정들 내에서 발생한다. 전위들은 서로 중첩하고, 물질 내의 전위 밀도는 증가한다. 중첩하는 전위의 증가는 추가적인 전위의 움직임을 더욱 어렵게 한다. 이것은 결과적인 합금의 연성 및 충격 특성을 일반적으로 감소시키면서, 상기 결과적인 합금의 경도 및 인장 강도를 증가시킨다. 냉간 가공은 또한 합금의 표면 마무리 (surface finish)를 증가시킨다. 기계적 냉간 가공은 합금의 재결정화점 미만의 온도에서 일반적으로 수행되고, 보통은 상온에서 행해진다. 냉간 가공율 (%CW), 또는 변형의 정도는 다음의 공식에 따라, 냉간 가공의 전후의 합금의 단면적에서의 변화를 측정하여 결정될 수 있다:
%CW = 100 * [A0-Af]/A0,
여기서, A0는 냉간 가공 전의 최초 또는 원래 단면적이고, Af는 냉간 가공 후의 최종 단면적이다. 단면적에서의 변화는 통상 오로지 합금의 두께에서의 변화에 기인하고, 그래서 %CW는 최초 및 최종 두께를 또한 사용하여 또한 계산될 수 있다는 점이 주목된다.
구체예들에서, 최초 냉간 가공 단계 (100)는 결과적인 합금이 약 5% 내지 약 15%의 범위의 %CW를 갖도록 수행된다. 좀더 특별히, 이 제1 단계의 %CW는 약 10%일 수 있다.
다음으로, 상기 합금은 열처리 단계 (200)를 받는다. 금속 또는 합금을 열처리하는 단계는 생산물 형상을 변화시키지 않고 금속의 물리적 및 기계적 성질을 변경시키도록 금속을 가열 및 냉각시키는 조절된 공정이다. 열처리는 물질의 강도를 증가시키는 것과 연관이 있으나, 냉간 가공 작동 후에 연성을 회복, 성형성을 개선, 또는 기계가공 (machining)을 개선시키 위해서와 같은 소정의 제조가능성 (manufacturability) 목적을 변경시키기 위해 또한 사용될 수 있다. 최초 열처리 단계 (200)는 최초 냉간 가공 단계 (100) 후의 합금 상에 수행된다. 합금은 전통적인 가열로 (furnace) 또는 다른 유사한 어셈블리 내에 놓여지고, 그 다음, 약 450℉ 내지 약 550℉ 범위의 상승된 온도에 약 3 시간 내지 약 5 시간의 시간 동안 노출된다. 좀더 구체적인 구체예에서, 합금은 약 525℉의 상승된 온도에 약 4 시간의 지속기간 동안 노출된다. 이들 온도는 합금이 노출되는 분위기의 온도, 또는 가열로가 설정되는 온도를 의미한다는 점에 주목해야 한다. 합금 자체는 이들 온도에 필수적으로 도달하지 않는다.
열처리 단계 (200) 이후, 결과적인 합금 물질은 제2 냉간 가공 단계 또는 평탄화 (planish)시키는 단계 (300)를 받는다. 좀더 특별히, 합금은 약 4% 내지 약 12%의 범위의 %CW를 얻도록 다시 기계적으로 냉간 가공된다. 좀더 특별히, 이 제1 단계의 %CW는 약 8%일 수 있다. %CW를 결정하도록 사용된 "최초" 단면적 또는 두께는 상기 열처리 이후 이 제2 냉간 가공 단계가 시작하기 전에 측정된다는 점을 주목해야 한다. 바꿔 말하면, 이 제2 %CW를 결정하기 위해 사용된 최초 단면적/두께는 제1 냉간 가공 단계 (100) 이전의 원래 면적/두께가 아니다.
그 다음, 상기 합금은 제2 냉간 가공 단계 (300) 이후 바람직한 성형성 성질을 달성하도록 열적 응력을 완화시키는 처리 (400)를 받는다. 구체예들에서, 상기 합금은 약 700℉ 내지 약 850℉의 범위의 상승된 온도에 약 3 분 내지 약 12 분의 시간 동안 노출된다. 좀더 특별히, 상기 상승된 온도는 약 750℉이고, 상기 시간은 약 11 분이다. 다시 말하지만, 이들 온도들은 합금이 노출되는 분위기의 온도, 또는 가열로가 설정되는 온도를 의미한다. 합금 자체는 이들 온도에 필수적으로 도달할 필요는 없다.
상기 기재된 공정을 받은 후에, TM04 구리-니켈-주석계 합금은 폭 방향으로 1 미만의 성형성 비율 (formability ratio) 및 길이 방향으로 1 미만의 성형성 비율을 보일 것이다. 성형성 비율 (formability ratio)은 보통 R/t 비에 의해 측정된다. 이것은 파손 없이 두께 (t)의 스트립 내에 90°굽힘 (bend)을 형성하는 데 필요한 최소 내부 곡률반경 (R)을 명시한 것이고, 즉, 성형성 비율은 R/t과 같다. 좋은 성형성을 갖는 물질은 낮은 성형성 비율 (즉, 낮은 R/t)를 갖는다. 성형성 비율은 90°V-블록 시험을 사용하여 측정될 수 있고, 여기서 정해진 곡률 반경을 가진 펀치가 시험 스트림을 강제로 90°다이 (die) 안으로 들어가게 하고, 그 다음 굽힘의 외부 반경은 균열이 생겼는지 조사된다. 또한, 상기 합금은 적어도 115 ksi의 0.2% 오프셋 항복 강도를 가질 것이다.
길이 방향 및 폭 방향은 금속 물질의 권취의 면에서 정의될 수 있다. 스트립이 미권취 (unrolled)되는 경우, 길이 방향은 스트립이 미권취되는 방향과 대응하고, 바꿔 말하면, 스트립의 길이를 따라서이다. 폭 방향은 스트립의 너비, 또는 스트립이 미권취되는 경우 돌아가는 축에 대응한다.
도 3은 115 ksi의 최소 항복 강도를 갖는 TM04 구리-니켈-주석계 합금의 성형성 비율 (R/t)을 나타내는 실험 데이타의 선 그래프이다. y-축은 R/t비이고, x-축은 냉간 가공율 (%CW)이다. 선 그래프는 곡선을 얻기 위해, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 및 35% (1 내지 6으로, 각각 번호 매겨짐)의 CW%에서 측정된, TM04 등급 합금에 대해 수행된 여섯 (6) 실험 테스트로부터 구했다. 이들은 열처리 전에 측정되었다. 시리즈 1 (점 선)은 폭 방향의 성형성 비율을 나타내고, 시리즈 2 (대시 선)는 길이 방향의 성형성 비율을 나타낸다. 여기서 보이는 바와 같이, 1 미만의 성형성 비율은 10% 내지 30% 사이의 %CW 이후 얻어질 수 있다.
도 2는 본 개시의 금속 가공 공정의 단계들의 개요를 나타내는 TM06 등급 구리-니켈-주석계 합금에 대한 흐름도를 예시한다. 이들 공정들은 이런 TM06 등급 합금들에 적용된다는 것이 특히 고려된다. 상기 공정은 상기 합금을 제1 기계적 냉간 가공시키는 단계 (100')로 시작한다. 이 구체예에서, 최초 냉간 가공 단계 (100')는 결과적인 합금이 약 5% 내지 약 15%의 범위의 %CW를 갖도록 수행된다. 좀더 특별히, 상기 %CW는 약 10%이다.
다음으로, 상기 합금은 열처리 단계 (400')를 받는다. 단계 400'에서, 이것은 TM04 합금에 적용되었던 열적 응력 완화 단계와 유사하다. 구체예들에서, 상기 합금은 약 775℉ 내지 약 950℉의 범위의 상승된 온도에 약 3 분 내지 약 12 분의 시간 동안 노출된다. 좀더 특별히, 상기 상승된 온도는 약 850℉이다.
TM04 등급 강화된 (tempered) 합금에 대한 금속 공정과 비교하여, 결과적인 TM06 합금 물질은 열처리 단계 (즉, 도 1의 200) 도는 제2 냉간 가공 공정/평탄화 단계 (즉, 도 1의 300)을 받지 않는다.
위에서 기재된 공정을 받은 이후, TM06 구리-니켈-주석계 합금는 폭 방향으로 2 미만의 성형성 비율 및 길이 방향으로 2.5 미만의 성형성 비율을 보일 것이다. 좀더 구체적인 구체예들에서, TM06 구리-니켈-주석계 합금은 폭 방향으로 1.5 미만의 성형성 비율 및 길이 방향으로 2 미만의 성형성 비율을 보일 것이다. 추가적으로, 구리-니켈-주석계 합금은 적어도 130 ksi의 항복 강도, 및 좀더 바람직하게는 적어도 135 ksi의 항복 강도를 가질 것이다.
도 4는 130 ksi의 최소 항복 강도를 갖는 TM06 구리-니켈-주석계 합금의 성형성 비율 (R/t)을 나타내는 실험 데이타의 선 그래프이다. y-축은 R/t비이고, x-축은 냉간 가공율 (%CW)이다. 선 그래프는 곡선을 얻기 위해, 15%, 20%, 25%, 30%, 및 35% (1 내지 5으로, 각각 번호 매겨짐)의 CW%에서 측정된, TM04 등급 합금에 대해 수행된 여섯 (6) 실험 테스트로부터 구했다. 이들은 열처리 전에 측정되었다. 시리즈 1 (점 선)은 폭 방향의 성형성 비율을 나타내고, 시리즈 2 (대시 선)는 길이 방향의 성형성 비율을 나타낸다.
폭 방향으로 2 미만의 성형성 비율 및 길이 방향으로 2.5 미만의 성형성 비율은 20% 내지 35%의 %CW에서 얻어질 수 있다. 폭 방향으로 1.5 미만의 성형성 비율 및 길이 방향으로 2 미만의 성형성 비율은 25% 내지 30%의 %CW에서 얻어질 수 있다. 균형은 여기서 기재된 공정들의 냉간 가공 단계 및 열처리 단계 사이에서 도달된다. 냉간 가공 및 열처리로부터 얻어진 성형성 비율 및 항복 강도의 양 사이에 이상적인 균형이 있다.
다음의 실시예는 본 개시의 합금, 제품, 및 공정을 예시하기 위해 제공된다. 실시예는 단순히 예시적이고, 본 개시를 거기서 설명된 물질, 조건, 또는 공정 변수로 한정시키도록 의도된 것은 아니다.
실시예
15 wt%의 니켈, 8 wt%의 주석, 및 잔량의 구리를 함유하는 구리-니켈-주석계 합금이 0.010 inch의 최초 두께를 갖는 스트립 (strip)으로 형성되었다. 그 다음, 스트립은 약 6 피트/분 (feet per minute (fpm)) 속도로 주행하는 압연 어셈블리 (rolling assembly)를 사용하여 냉간 가공되었다. 스트립은 냉간 가공되었고, 5% (0.0095 inch), 10% (0.009 inch), 15% (0.0085 inch), 및 20% (0.008 inch)의 %CW에서 측정되었다. 다음으로, 스트립은 700℉, 750℉, 800℉, 또는 850℉의 온도에서 열적 응력 완화 처리를 받았다.
열적 응력 완화 처리 이후, 다양한 성질들은 측정되었다. 그런 성질들은 ksi으로 인장 강도 (T); ksi로 항복 강도 (Y); % 파단 신율 (E); 및 106 psi으로 영률 (M)을 포함한다. 표 1은 측정된 결과를 제공한다.
Figure 112020107532194-pct00001
TM04 합금
다음으로, 스트립은 15 wt%의 니켈, 8 wt%의 주석, 및 잔량의 구리를 함유하고, 115 내지 135 ksi의 항복 강도를 갖는 TM04 등급 구리-니켈-주석계 합금으로부터 형성되었다. 상기 합금은 0.010 inch의 최초 두께를 갖는 스트립으로 형성되었고, 그 다음 10%의 %CW, 즉, 최종 두께 0.009 inch를 얻도록 냉간 가공되었다. 상기 스트립은 6 내지 14 피트/분 (feet per minute (fpm)) 사이의 속도로 주행하는 압연 어셈블리를 사용하여 냉간 가공되었다. 그 다음, 상기 스트립은 750℉ 또는 800℉의 온도에서 열적 응력 완화 처리를 받았다.
길이 방향 (L90°) 및 폭 방향 (T90°) 모두의 성형성 비율을 포함한 다양한 성질들은 측정되었다. 상기 결과는 아래 표 2에 나타난다.
Figure 112020107532194-pct00002
TM06 합금
다음으로, 스트립은 15 wt%의 니켈, 8 wt%의 주석, 및 잔량의 구리를 함유하고, 135 내지 155 ksi의 항복 강도를 갖는 TM06 등급 구리-니켈-주석계 합금으로부터 형성되었다. 상기 합금은 0.010 inch의 최초 두께를 갖는 스트립으로 형성되었고, 그 다음 15%의 %CW, 즉, 최종 두께 0.0085 inch를 얻도록 냉간 가공되었다. 상기 스트립은 6 내지 10 피트/분 (feet per minute (fpm)) 사이의 속도로 주행하는 압연 어셈블리를 사용하여 냉간 가공되었다. 그 다음, 상기 스트립은 800℉ 또는 850℉의 온도에서 열적 응력 완화 처리를 받았다.
길이 방향 (L90°) 및 폭 방향 (T90°) 모두의 성형성 비율을 포함한 다양한 성질들은 측정되었다. 상기 결과는 아래 표 3에 나타난다.
표 4는, 상기 스트립이 20%의 %CW, 즉 최종 두께 0.008 inch를 얻도록 냉간 가공된 것을 제외하고는 표 3의 것과 유사한 정보를 제시한다.
Figure 112020107532194-pct00003
Figure 112020107532194-pct00004
열처리된 합금
스트립은 15 wt%의 니켈, 8 wt%의 주석, 및 잔량의 구리를 함유하는 TM04 또는 TM06 등급 구리-니켈-주석계 합금으로부터 형성되었다. 상기 합금은 0.010 inch의 최초 두께를 갖는 스트립으로 형성되었고, 그 다음 55%의 %CW, 즉, 최종 두께 0.0045 inch를 얻도록 냉간 가공되었다. 그 다음, 상기 스트립은 시간/온도 열에 나타난 것처럼, 2, 3, 4, 6, 또는 8 시간의 기간 동안 575℉, 600℉, 또는 625℉의 열처리에 적용되었다.
그 다음, 길이 방향 (L90°) 및 폭 방향 (T90°) 모두의 성형성 비율을 포함한 다양한 성질들은 측정되었다. 상기 결과는 아래 표 5에 나타난다.
Figure 112020107532194-pct00005
본 개시의 합금은 전자 커넥터, 스위치, 센서, 전자기적 차폐 가스켓, 및 보이스 코일 모터 콘택트와 같은 전도성 스프링 적용에 최적의 성형성 및 강도 특성을 제공하도록 설계되는 고-성능, 열처리가능한 스피노달 구리-니켈-주석계 합금이다. 하나의 구체예에서, 상기 합금은 예비-열처리된 (밀 경화된 (mill hardened)) 형태로 제공될 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 합금은 열처리 가능한 (시효 경화성 (age hardenable)) 형태로 제공될 수 있다. 또한, 상기 개시된 합금은 베릴륨을 함유하지 않고, 따라서 베릴륨이 바람직하지 않은 적용에 사용될 수 있다.
상기-개시된 및 다른 특징 및 기능의 변종, 또는 이들의 변경은 많은 다른 시스템 또는 적용에 조합될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 다양한 현재 예측하지 못하거나 또는 예상하지 못한 변경, 변형, 변종 또는 그 안의 개선은 후속적으로 당업자에 의해 만들어질 수 있고, 이는 다음의 청구범위에 의해 포함되는 것으로 또한 의도된다.

Claims (28)

  1. 전신재 (wrought) 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정으로서,
    구리-니켈-주석계 합금 상에 5% 내지 15%의 냉간 가공율 (%CW)로 제1 기계적 냉간 가공을 수행하는 단계;
    상기 제1 냉간 가공 단계 이후 구리-니켈-주석계 합금을 열처리하는 단계;
    4% 내지 12%의 %CW로 구리-니켈-주석계 합금 상에 제2 기계적 냉간 가공을 수행하는 단계; 및
    열처리를 통해 상기 합금 내의 응력을 완화시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 제2 기계적 냉간 가공을 수행하는 단계는 상기 열처리를 통해 합금 내의 응력을 완화시키는 단계 전에 수행되며,
    상기 전신재 구리-니켈-주석계 합금은 적어도 115 ksi (792.9 MPa)의 0.2% 오프셋 항복 강도 (yield strength)를 갖는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금 내의 응력을 완화시키기 위한 열처리는 700℉ (371.1℃) 내지 950℉ (510℃)의 범위의 온도에서 3 분 내지 12 분의 기간 동안 수행되는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 응력을 완화시키기 위한 열처리 이후, 상기 합금은 적어도 130 ksi (896.3 MPa)의 항복 강도를 갖는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 응력을 완화시키기 위한 열처리 이후, 상기 합금은 폭 방향으로 2 미만의 성형성 비율을 갖거나; 또는
    상기 응력을 완화시키기 위한 열처리 이후, 상기 합금은 길이 방향으로 2.5 미만의 성형성 비율을 갖는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 응력을 완화시키기 위한 열처리 이후, 상기 합금은 적어도 130 ksi (896.3 MPa)의 항복 강도, 폭 방향으로 2 미만의 성형성 비율, 및 길이 방향으로 2.5 미만의 성형성 비율을 갖는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 응력을 완화시키기 위한 열처리 이후, 상기 합금은 폭 방향으로 1.5 미만의 성형성 비율 갖거나; 또는
    상기 응력을 완화시키기 위한 열처리 이후, 상기 합금은 길이 방향으로 2 미만의 성형성 비율을 갖는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  7. 청구항 1에 있어서,
    열처리 이후, 상기 합금은 폭 방향으로 1.5 미만의 성형성 비율, 및 길이 방향으로 2 미만의 성형성 비율을 갖는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 냉간 가공 단계 이후 열처리하는 단계는 450℉ (232.2℃) 내지 550℉ (287.8℃)의 온도에서 3 시간 내지 5 시간의 기간 동안 합금을 노출시킴으로써 수행되거나; 또는
    상기 합금 내의 응력을 완화시키기 위한 열처리는 700℉ (371.1℃) 내지 850℉ (454.4℃)의 범위의 온도에서 3 분 내지 12 분의 기간 동안 수행되는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 응력을 완화시키기 위한 열처리 이후, 상기 합금은 폭 방향으로 1 미만의 성형성 비율을 갖거나; 또는
    상기 응력을 완화시키기 위한 열처리 이후, 상기 합금은 길이 방향으로 1 미만의 성형성 비율을 갖는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 응력을 완화시키기 위한 열처리 이후, 상기 합금은 적어도 115 ksi (792.9 MPa)의 항복 강도, 폭 방향으로 1 미만의 성형성 비율, 및 길이 방향으로 1 미만의 성형성 비율을 갖는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 구리-니켈-주석계 합금은 9 wt% 내지 15.5 wt%의 니켈, 및 6 wt% 내지 9 wt%의 주석을 포함하고, 잔량으로 구리를 갖는 전신재 구리-니켈-주석계 합금의 성형성을 개선시키는 공정.
  13. 폭 방향으로 2 미만인 성형성 비율을 갖는 청구항 1의 공정에 의해 성형성이 개선된 구리-니켈-주석계 합금이며, 상기 구리-니켈-주석계 합금은 9 wt% 내지 15.5 wt%의 니켈, 및 6 wt% 내지 9 wt%의 주석을 포함하고, 잔량으로 구리를 갖는 구리-니켈-주석계 합금.
  14. 청구항 13에 있어서,
    길이 방향으로 2.5 미만인 성형성 비율을 또한 갖는 구리-니켈-주석계 합금.
  15. 청구항 13에 있어서,
    폭 방향으로 1.5 미만인 성형성 비율을 갖는 구리-니켈-주석계 합금.
  16. 청구항 13에 있어서,
    폭 방향으로 1.5 미만인 성형성 비율 및 길이 방향으로 2 미만인 성형성 비율을 갖는 구리-니켈-주석계 합금.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 청구항 13에 있어서,
    적어도 130 ksi (896.3 MPa)의 0.2% 오프셋 항복 강도를 또한 갖는 구리-니켈-주석계 합금.
  21. 길이 방향으로 2.5 미만인 성형성 비율을 갖는 청구항 1의 공정에 의해 성형성이 개선된 구리-니켈-주석계 합금이며, 상기 구리-니켈-주석계 합금은 9 wt% 내지 15.5 wt%의 니켈, 및 6 wt% 내지 9 wt%의 주석을 포함하고, 잔량으로 구리를 갖는 구리-니켈-주석계 합금.
  22. 청구항 21에 있어서,
    폭 방향으로 2 미만인 성형성 비율을 또한 갖는 구리-니켈-주석계 합금.
  23. 청구항 21에 있어서,
    길이 방향으로 2 미만인 성형성 비율을 갖는 구리-니켈-주석계 합금.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 청구항 21에 있어서,
    적어도 130 ksi (896.3 MPa)의 0.2% 오프셋 항복 강도를 또한 갖는 구리-니켈-주석계 합금.
  28. 삭제
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