KR102430184B1

KR102430184B1 - 반응성 담금질 용액 및 사용 방법

Info

Publication number: KR102430184B1
Application number: KR1020207013775A
Authority: KR
Inventors: 피터 로이드 레드먼드; 테레사 엘리자베스 맥팔레인; 창욱 손; 량량 리; 아만다 오웬스; 케빈 마크 존슨
Original assignee: 노벨리스 인크.
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2022-08-08
Also published as: EP3701052A1; CA3084467A1; MX2020003531A; US20190119798A1; CN111247257A; CN111247257B; JP2020537040A; CA3084467C; WO2019083973A1; US11118253B2; KR20200072505A; JP7041257B2

Abstract

금속을 반응성 용액에 노출시켜 금속의 온도를 낮추고, 예를 들어 재료를 제거하거나 재료를 첨가하여, 화학 반응을 통해 금속의 표면을 개질함으로써 금속을 처리하기 위한 기술이 기재되어 있다. 개시된 기술은 순수를 수반하는 종래의 냉각 기술에 비해 금속의 온도를 낮출 수 있는 속도를 유리하게 증가시킬 수 있고, 금속 제조 속도를 증가시킬 수 있고, 금속 제조 공정의 전체 복잡성을 감소시킬 수 있다. 개시된 기술은 또한 이용 가능한 표면 처리의 범위를 유리하게 확장시킬 수 있고, 더 빠른 표면 처리 공정을 가능하게 할 수 있고, 표면 처리 공정 동안 유해 화학 물질의 사용을 줄이거나 없앨 수 있다. 이러한 이점은 일어나거나 상승 온도에서 더 효율적으로 일어나는 화학 가공처리를 이용함으로써 발생할 수 있다.

Description

반응성 담금질 용액 및 사용 방법

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2018년 10월 23일자에 출원된 미국 가출원 제62/575,611호의 이익 및 이에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 참고로서 원용된다.

기술분야

본 개시내용은 일반적으로 야금에 관한 것으로, 보다 구체적으로 제조 중 금속 표면을 처리하기 위한 기술에 관한 것이다.

표면 양극 산화, 전기 도금, 분말 코팅, 도장, 인쇄, 및 실크스크린 공정과 같은 알루미늄 표면 처리뿐만 아니라 엠보싱 및 연마와 같은 기계적 표면 처리를 위한 다양한 기술이 존재한다. 이러한 공정은 일반적으로 표면을 가공하기 위해 전처리를 필요로 한다. 또한, 이러한 공정은 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용융 또는 고상 온도에 근접한 온도와 같은 고온에 도달할 수 있는 알루미늄 제조 공정 동안 사용하기에 적합하지 않을 수 있다.

본 명세서는, 예를 들어 제조 또는 제작 중, 금속을 처리하기 위한 기술 및 이에 의해 형성된 처리 금속에 관한 것으로 이를 기술한다. 개시된 기술은 재료를 금속의 표면에 첨가하거나 재료를 금속의 표면으로부터 제어된 방식으로 제거하면서 동시에 상승 온도로부터, 예를 들어 금속 또는 금속을 포함하는 합금의 용융 또는 고상 온도에 가까운 온도로부터, 예를 들어 상온과 같은 더 낮은 온도로 금속을 제어된 방식으로 냉각시키는 능력을 제공한다. 냉각 공정은 본원에서 "담금질"로 지칭될 수 있으며, 금속의 온도가 높은 속도로 변화되는, 예를 들어 순수의 사용을 통해 달성될 수 있는 것보다 더 큰 냉각 속도로 감소되는, 공정에 해당할 수 있다. 구현예에서, 개시된 기술은 가열된 금속이 하나 이상의 반응성 용질을 포함하는 용액에 노출되는 공정을 이용한다. 가열된 금속은 용액에 노출되어 냉각될 수 있고, 하나 이상의 반응성 용질은 금속의 표면을 개질시키는 화학 반응과 같은 금속의 표면의 개질을 개시하거나 참여할 수 있다. 일 예로서, 가열된 금속은 반응성 용해된 종 또는 반응성 현탁된 종을 포함하는 수용액에 노출될 수 있으며, 이에 의해 금속의 온도가 감소되고 또한 금속의 표면은 표면에 재료를 첨가하거나 표면으로부터 재료를 제거함으로써 처리를 거친다. 일부 구현예에서, 반응성 용해된 종은 그 자체로 또는 다른 조성물과 반응하여 금속의 표면을 개질할 수 있고, 물과 같은 용매에서 0.5 중량% 초과의 최대 용해도, 예를 들어 0.5 중량% 내지 50 중량%, 1 중량% 내지 45 중량%, 5 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 35 중량%, 0.5 중량% 내지 1 중량%, 1 중량% 내지 2 중량%, 2 중량% 내지 5 중량%, 5 중량% 내지 10 중량%, 10 중량% 내지 15 중량%, 15 중량% 내지 20 중량%, 20 중량% 내지 25 중량%, 25 중량% 내지 30 중량%, 30 중량% 내지 35 중량%, 35 중량% 내지 40 중량%, 40 중량% 내지 45 중량%, 또는 45 중량% 내지 50 중량%의 용해도를 갖는 용질 조성물에 해당할 수 있다. 일부 구현예에서, 반응성 현탁된 종은 그 자체로 또는 다른 조성물과 반응하여 금속의 표면을 개질할 수 있고, 물과 같은 용매에 불용성일 수 있고 및/또는 콜로이드 용액 또는 다른 현탁액과 같은 용매 내의 분자 또는 원자의 현탁된 입자 또는 그룹을 포함하는 조성물에 해당할 수 있다.

일부 예에서, 금속을 처리하는 방법은 금속을 제1 온도로 가열하는 단계; 금속을 반응성 용질을 포함하는 용액에 노출시키는 단계를 포함하고, 예를 들어 금속을 용액에 노출시키는 단계에서는 금속을 약 100 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s, 예를 들어 약 300 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s의 냉각 속도로 냉각시키고, 금속을 용액에 노출시키는 단계에서는 용액에 존재하는 반응성 용질을 수반하는 화학 반응, 예를 들어 금속의 표면을 개질시키는 화학 반응과 같은 금속의 표면의 개질을 개시한다. 일부 구현예에서, 반응성 용질은 물이 아니거나 또는 물 이외의 것이다. 일부 구현예에서, 물은 반응물로서 화학 반응에 참여하지 않는다. 선택적으로, 반응성 용질은 수산화물염 또는 수산화물 이온이 아니거나 또는 수산화물염 또는 수산화물 이온 이외의 것이다. 선택적으로, 수산화물 이온은 반응물로서 화학 반응에 참여하지 않는다. 선택적으로, 화학 반응은 산 에칭 반응, 알칼리 에칭 반응, 열분해 반응, 중합 반응, 산화 반응, 또는 표면 융제(ablation)에 해당한다. 선택적으로, 용액은 담금질 용액으로 지칭될 수 있다. 선택적으로, 용액은 액체 용액이다. 선택적으로, 용액은 기상 용액(즉, 서로 다른 가스의 혼합물)이다.

다양한 담금질 구성은 본원에 기술된 방법에 유용하다. 예를 들어, 금속을 용액에 노출시키는 단계는 용액에 금속을 침지시키거나 용액을 금속의 표면 상에 또는 그를 향해 분무하는 단계를 포함한다. 다른 예로서, 금속을 용액에 노출시키는 단계는 선택적으로 금속을 복수의 상이한 용액에 노출시키는 단계를 포함한다. 금속을 용액에 노출시키면 선택적으로 금속을 일련의 점점 더 낮은 온도로 냉각시킨다. 일부 구현예에서, 금속을 용액에 노출시키는 단계는 금속을 제2 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다. 선택적으로, 본 방법은 금속을 제2 용액에 노출시키는 단계를 더 포함하여, 금속을 제2 용액에 노출시키는 단계에서는 제2 온도로부터 금속을 냉각시키고 금속의 표면을 추가로 개질시키는 제2 화학 반응을 개시한다. 선택적으로, 금속을 제2 용액에 노출시키는 단계에서는 약 50 ℃/s 내지 약 500 ℃/s의 제2 냉각 속도로 금속을 냉각시킨다.

선택적으로, 용액은 100% 반응성 성분이고, 반응성 성분은 금속의 표면과 또는 표면에서 담금질 및 반응 모두를 수행하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 금속은 용매에 용해되지 않은 반응성 단량체에 노출될 수 있고, 반응성 단량체는 금속을 냉각시키고 열적으로 유도된 중합 또는 가교 반응을 거쳐서 중합 또는 가교된 재료를 금속의 표면에 증착시킨다. 이러한 구성은 선택적으로 2단계 담금질 공정의 제2 담금질 단계로서 유용할 수 있다.

다양한 온도 특성이 본원에 기술된 방법에 유용하다. 예를 들어, 금속을 용액에 노출시키면 금속을 25℃와 500℃ 사이의 온도로 냉각시킬 수 있다. 선택적으로, 제1 온도는 금속 또는 금속을 포함하는 합금의 용융 또는 고상 온도보다 낮다. 선택적으로, 제1 온도는 금속 또는 합금의 용융 또는 고상 온도 이상이다. 일부 구현예에서, 제1 온도는 용체화 열처리 온도에 해당한다. 일부 구현예에서, 금속을 가열하는 단계는 금속을 용체화 열처리하는 단계에 해당한다. 선택적으로, 금속은 일정 기간 동안 제1 온도에서 금속을 유지시킴으로써 추가로 열처리될 수 있다. 구현예에서, 제1 온도는 약 500℃ 내지 약 1500℃이다.

다양한 금속 및 금속 제품이 본원에 기술된 방법에 유용하다. 예를 들어, 유용한 금속은 알루미늄이나 알루미늄 합금, 마그네슘이나 마그네슘 합금, 또는 강철을 포함하는 금속을 포함한다. 유용한 금속은 구리, 망간, 마그네슘, 아연, 규소, 철, 크롬, 주석, 지르코늄, 리튬, 및 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 금속과 같은 금속 합금을 포함할 수 있다. 유용한 금속은 균질 합금, 모놀리식 합금, 금속 합금 고용체, 이종 합금, 금속 간 합금, 또는 클래딩된 합금, 또는 클래드 층을 포함하는 금속을 포함한다.

선택적으로, 용액은 물 및 하나 이상의 염, 즉 염 수용액을 포함한다. 수용액에 염을 포함시키면 금속이 수용액의 비등점보다 높은 온도로부터 냉각될 수 있는 담금질 속도 또는 냉각 속도를 조정 또는 최적화할 수 있다. 일부 예에서, 용액은 하나 이상의 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염, 암모늄염, 황산염, 질산염, 붕산염, 인산염, 아세트산염, 또는 탄산염을 포함한다. 일부 예에서, 용액 내 하나 이상의 염 중 하나는 반응성 용질이다. 선택적으로, 용액은 약 5 중량% 염 내지 약 30 중량% 염의 염 농도를 포함한다. 선택적으로, 용액은 포화 또는 과포화 염 용액을 포함한다. 구현예에서, 일부 염은 금속 표면과 반응하지 않거나, 또는 제한되거나 불충분한 속도로, 예를 들어 금속의 표면을 실질적으로 개질시키지 않는 속도로, 금속의 표면에 대한 인식 가능한 변화를 발생시키지 않는 속도로, 또는 이와 달리 비반응성으로 간주되는 속도로, 금속 표면과 단지 반응할 수 있다. 용액을 가열된 금속에 노출시킴으로써 발생된 온도와 같은 상승 온도로의 노출을 통해, 염을 수반하는 반응 속도는 예를 들어 상온에서 염을 수반하는 반응 속도에 비해 증가될 수 있다.

일부 경우에, 특정 이온 종은 일부 금속과 바람직하지 않게 반응하거나 또는 금속이나 금속 제품의 본체나 표면에 바람직하지 않게 혼입될 수 있으므로, 용액에 존재하는 염 또는 이온을 제한하는 것이 유리할 수 있다. 일부 예에서, 용액은 할라이드 이온이 없거나 이를 포함하지 않는다(즉, 배제한다). 선택적으로, 용액 내 할라이드 이온의 농도는 0 중량%와 0.001 중량% 사이와 같이 매우 낮다.

선택적으로, 용액은 하나 이상의 반응성 가스 및 하나 이상의 비반응성 가스의 기상 용액을 포함한다. 일부 경우에, 하나 이상의 반응성 가스는 하나 이상의 비반응성 가스인 용매 내의 용질일 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 반응성 가스는 수소, 암모니아, 산소, 황화수소, 시안화수소, 이산화황, 산화질소, 이산화질소, 또는 실란 중 하나 이상일 수 있다. 일부 구현예에서, 비반응성 가스는 헬륨, 질소, 또는 아르곤 중 하나 이상일 수 있다.

일부 예에서, 용액은 에칭 또는 표면 세정 용액일 수 있거나 또는 금속 표면과 접촉 시 에칭 또는 표면 세정 반응을 유발할 수 있다. 예를 들어, 화학 반응은 선택적으로 금속의 표면으로부터 재료를 제거할 수 있다. 선택적으로, 화학 반응은 금속의 표면의 세정, 에칭, 또는 융제에 해당한다. 예에서, 용액은 선택적으로 알칼리성 수용액을 포함한다. 유용한 용액은 하나 이상의 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아, 또는 암모늄 이온을 포함할 수 있다. 선택적으로, 용액은 산성 수용액을 포함한다. 유용한 용액은 황산, 질산, 인산, 붕산, 또는 술폰산이나 카르복실산과 같은 유기산 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

일부 예에서, 용액은 금속 표면 상에 재료를 코팅 또는 증착시키는 데 유용할 수 있다. 예를 들어, 화학 반응은 선택적으로 금속의 표면 상에 재료를 증착시키거나 또는 금속의 표면 상에 코팅을 형성할 수 있다. 일 예로서, 열분해성 염의 분해에 의해 금속 표면 상에 염의 성분이 증착될 수 있다. 따라서, 유용한 용액은 열분해성 염을 포함하는 용액을 포함한다. 예로서, 용액은 선택적으로 하나 이상의 질산염, 아질산염, 탄산염, 탄산 수소염, 인산염, 인산 수소염, 인산 이수소염, 또는 과망간산염을 포함할 수 있다. 용액의 예로는 하나 이상의 크롬(III) 염, 구리(II) 염, 은(I) 염, 또는 세륨염을 포함할 수 있다. 용액의 다른 예로는 금속의 표면 상에 중합체 필름을 선택적으로 증착시킬 수 있는 하나 이상의 중합체, 중합체 전구체, 또는 열경화성 중합체를 포함할 수 있다.

다른 첨가제가 용액에 포함될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 용액은 불용성 입자를 포함한다. 선택적으로, 금속을 용액에 노출시키면 표면의 외부 층을 압축하여 압축된 표면을 형성한다. 선택적으로, 금속을 용액에 노출시키면 표면으로부터 재료를 침식시켜 침식된 표면을 형성한다.

개시된 기술의 양태를 제어하기 위해 다양한 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 공정 변수 또는 파라미터는 반응 속도 또는 냉각 속도를 제어하기 위해 선택되고 설정될 수 있다. 선택적으로, 용액의 온도는 냉각 속도 및/또는 반응 속도를 제어하기 위해 선택적으로 선택되고 설정될 수 있는 유용한 공정 파라미터이다. 예를 들어, 금속에 노출되기 전 용액의 온도는, 예를 들어 용액으로부터 열을 추가하거나 제거함으로써, 능동적으로 조절되어 특정 온도를 설정할 수 있다. 선택적으로, 용액은 0℃와 50℃ 사이의 온도를 갖는다. 용액의 유량은 냉각 속도 및/또는 반응 속도를 제어하기 위해 선택적으로 선택되고 설정될 수 있는 유용한 공정 파라미터이다. 용액의 압력은 냉각 속도 및/또는 반응 속도를 제어하기 위해 선택적으로 선택되고 설정될 수 있는 유용한 공정 파라미터이다. 용액의 분무 각도, 분무 방향, 분무 기하학적 구조는 냉각 속도 및/또는 반응 속도를 제어하기 위해 선택적으로 선택되고 설정될 수 있는 유용한 공정 파라미터이다. 금속을 용액에 노출시키는 시간은 냉각 속도 및/또는 반응 속도를 제어하기 위해 선택적으로 선택되고 설정될 수 있는 유용한 공정 파라미터이다. 반응성 용질의 농도는 냉각 속도 및/또는 반응 속도를 제어하기 위해 선택적으로 선택되고 설정될 수 있는 유용한 공정 파라미터이다.

하나 이상의 담금질 후 처리가 본원에 기재된 방법에 유용할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 방법은 금속을 용액에 노출시킨 후 금속의 표면을 물로 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 방법은 표면의 양극 산화, 표면의 분말 코팅, 또는 표면 상의 도장이나 인쇄를 더 포함한다.

또한, 본원에는 제1 온도로 가열되고 약 300 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s와 같은 약 100 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s의 냉각 속도로 금속을 냉각시키고 금속의 표면을 개질시키는 화학 반응을 개시하는 용액에 노출된 금속을 포함하는 처리된 금속 제품과 같은 처리된 금속이 제공된다. 선택적으로, 금속의 표면을 개질시키는 화학 반응은 세정 반응, 에칭 반응, 융제 반응, 코팅 반응, 또는 증착 반응에 해당한다. 선택적으로, 금속의 표면은 화학 반응 동안 세정, 에칭, 융제, 코팅, 또는 증착된다.

구현예 및 이와 유사한 용어는 본 개시내용의 모든 기술요지 및 하기의 청구범위를 광범위하게 지칭하도록 의도된다. 이러한 용어를 포함하는 문구는 본원에 기술된 기술요지를 제한하지 않거나 또는 하기 청구범위의 의미나 범위를 제한하지 않는 것으로 이해해야 한다. 본원에서 보호되는 본 개시내용의 구현예는 본 요약이 아닌 하기의 청구범위에 의해 정의된다. 본 요약은 본 개시내용의 다양한 양태에 대한 고도의 개요이며, 하기의 상세한 설명 부분에서 더 기술되는 개념의 일부를 소개한다. 본 개요는 청구된 기술요지의 핵심 또는 필수적 특징을 식별하기 위한 것이 아니며, 청구된 기술요지의 범위를 결정하기 위해 단독으로 사용되게 하려는 것도 아니다. 본 기술요지는 본 개시 내용의 전체 명세서 중 적절한 부분, 도면의 일부 또는 전부 및 각 청구범위를 참조하여 이해해야 한다.

다른 목적 및 이점은 비제한적인 예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 명세서는 다음의 첨부 도면을 참고로 하고, 다른 도면에서 동일 또는 유사한 구성요소를 설명하는 데 있어 동일한 도면부호를 사용한다.
도 1은 제조 공정의 다양한 단계 동안 시간의 함수로서 금속 온도를 나타낸 플롯이다.
도 2는 가열 및 담금질 공정 동안 시간의 함수로서 금속 온도를 나타낸 플롯이다.
도 3a 및 도 3b는 일부 구현예에 따른 금속을 처리하는 공정의 개략도를 각각 제공한다.
도 4는 일부 구현예에 따른 금속 담금질 작업의 개략도를 제공한다.
도 5는 다단계 담금질 및 표면 처리 공정 동안 시간의 함수로서 금속 온도를 나타낸 플롯이다.
도 6a 및 도 6b는 일부 구현예에 따른 금속 담금질 작업의 개략도를 각각 제공한다.
도 7은 금속 표면으로부터 재료를 제거하는 공정의 개략적인 개요를 제공한다.
도 8은 금속 표면에 재료를 첨가하는 공정의 개략적인 개요를 제공한다.
도 9a는 탈이온수를 사용하여 담금질된 알루미늄 합금 제품의 전자 현미경 사진 이미지를 제공한다.
도 9b 및 도 9c는 Ti/Zr 함유 용액을 사용하여 담금질된 알루미늄 합금 제품의 전자 현미경 사진 이미지를 제공한다.
도 9d는 황산 용액을 사용하여 담금질된 알루미늄 합금 제품의 전자 현미경 사진 이미지를 제공한다.
도 9e는 인산 용액을 사용하여 담금질된 알루미늄 합금 제품의 전자 현미경 사진 이미지를 제공한다.
도 9f 및 도 9g는 수산화칼륨 용액을 사용하여 담금질된 알루미늄 합금 제품의 전자 현미경 사진 이미지를 제공한다.

본원에는 금속을 염 수용액에 노출시켜 금속의 온도를 낮추고 재료를 제거하거나 재료를 첨가하여 금속의 표면을 개질함으로써 금속을 처리하기 위한 기술이 기재되어 있다. 개시된 기술은 순수를 수반하는 종래의 냉각 기술에 비해 금속의 온도를 낮출 수 있는 속도를 유리하게 증가시킬 수 있고, 금속 제조 속도를 증가시킬 수 있고, 금속 제조 공정의 전체 복잡성을 감소시킬 수 있다. 개시된 기술은 또한 이용 가능한 표면 처리의 범위를 유리하게 확장시킬 수 있고, 더 빠른 표면 처리 공정을 가능하게 할 수 있고, 표면 처리 공정 동안 유해 화학 물질의 사용을 줄이거나 없앨 수 있다. 이러한 이점은 예를 들어 일어나거나 또는 상승 온도에서 더 효율적으로 일어나는 화학 가공처리를 이용함으로써 또는 분해성 표면 처리 전구체를 사용함으로써 발생할 수 있다.

정의 및 설명:

본원에서 사용된 "발명", "그 발명", "이러한 발명", 및 "본 발명"이란 용어는 본 특허출원 및 하기 청구범위의 기술요지 모두를 광범위하게 지칭하도록 의도된다. 이러한 용어를 포함하는 문구는 본원에 기술된 기술요지를 제한하지 않거나 또는 하기 특허 청구범위의 의미나 범위를 제한하지 않는 것으로 이해해야 한다.

본 설명에서, AA 번호 및 "시리즈"나 "7xxx"와 같은 다른 관련 지정에 의해 식별된 합금에 대해 설명이 이루어진다. 알루미늄 및 그 합금을 명명하고 식별하는 데 가장 일반적으로 사용되는 번호 지정 시스템에 대한 이해를 위해, 알루미늄 협회에 의해 모두 발행된 "International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys" 또는 "Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and Chemical Compositions Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot"을 참조하고 이는 본원에 참조로서 원용된다.

본원에서 사용된 플레이트는 일반적으로 약 15 mm보다 큰 두께를 갖는다. 예를 들어, 플레이트는 약 15 mm 초과, 약 20 mm 초과, 약 25 mm 초과, 약 30 mm 초과, 약 35 mm 초과, 약 40 mm 초과, 약 45 mm 초과, 약 50 mm 초과, 또는 약 100 mm 초과의 두께를 갖는 알루미늄 제품을 지칭할 수 있다.

본원에서 사용된 쉐이트(시트 플레이트라고도 지칭됨)는 일반적으로 약 4 mm 내지 약 15 mm의 두께를 갖는다. 예를 들어, 쉐이트는 약 4 mm, 약 5 mm, 약 6 mm, 약 7 mm, 약 8 mm, 약 9 mm, 약 10 mm, 약 11 mm, 약 12 mm, 약 13 mm, 약 14 mm, 또는 약 15 mm의 두께를 가질 수 있다.

본원에서 사용된 시트는 일반적으로 약 4 mm 미만의 두께를 갖는 알루미늄 제품을 지칭한다. 예를 들어, 시트는 약 4 mm 미만, 약 3 mm 미만, 약 2 mm 미만, 약 1 mm 미만, 약 0.5 mm 미만, 또는 약 0.3 mm 미만(예를 들어, 약 0.2 mm)의 두께를 가질 수 있다.

본 출원에서는 합금 템퍼 또는 상태를 참조할 수 있다. 가장 일반적으로 사용되는 합금 템퍼 설명의 이해를 위해, "American National Standards (ANSI) H35 on Alloy and Temper Designation Systems"를 참조한다. F 상태 또는 템퍼는 제조된 그대로의 알루미늄 합금을 지칭한다. O 상태 또는 템퍼는 어닐링 후의 알루미늄 합금을 지칭한다. 본원에서 H 템퍼로도 지칭되는 Hxx 상태 또는 템퍼는 열처리(예를 들어, 어닐링)를 하거나 하지 않은 냉간 압연 후의 비열처리 가능한 알루미늄 합금을 지칭한다. 적합한 H 템퍼는 HX1, HX2, HX3 HX4, HX5, HX6, HX7, HX8, 또는 HX9 템퍼를 포함한다. T1 상태 또는 템퍼는 열간 가공으로부터 냉각되고 (예를 들어, 상온에서) 자연적으로 시효된 알루미늄 합금을 지칭한다. T2 상태 또는 템퍼는 열간 가공으로부터 냉각되고, 냉간 가공되고, 자연적으로 시효된 알루미늄 합금을 지칭한다. T3 상태 또는 템퍼는 용체화 열처리되고, 냉간 가공되고, 자연적으로 시효된 알루미늄 합금을 지칭한다. T4 상태 또는 템퍼는 용체화 열처리되고 자연적으로 시효된 알루미늄 합금을 지칭한다. T5 상태 또는 템퍼는 열간 가공으로부터 냉각되고 (예를 들어, 상승 온도에서) 인위적으로 시효된 알루미늄 합금을 지칭한다. T6 상태 또는 템퍼는 용체화 열처리되고 인위적으로 시효된 알루미늄 합금을 지칭한다. T7 상태 또는 템퍼는 용체화 열처리되고 인위적으로 과시효된 알루미늄 합금을 지칭한다. T8x 상태 또는 템퍼는 용체화 열처리되고, 냉간 가공되고, 인위적으로 시효된 알루미늄 합금을 지칭한다. T9 상태 또는 템퍼는 용체화 열처리되고, 인위적으로 시효되고, 냉간 가공된 알루미늄 합금을 지칭한다. W 상태 또는 템퍼는 용체화 열처리 후의 알루미늄 합금을 지칭한다.

본원에서 사용된 "주조 금속 제품", "주조 제품", "주조 알루미늄 합금 제품" 등과 같은 용어는 상호 교환 가능하며 직접 냉경 주조(직접 냉경 동시 주조를 포함) 또는 반연속 주조, 연속 주조(예를 들어, 트윈 벨트 캐스터, 트윈 롤 캐스터, 블록 캐스터, 또는 임의의 다른 연속 캐스터의 사용을 포함), 전자기 주조, 핫 탑 주조, 또는 임의의 다른 주조 방법으로 제조된 제품을 지칭한다.

금속은 선택적으로 금속 제품에 해당할 수 있다. 금속은 예를 들어, 주조 금속 제품, 중간 금속 제품, 압연 금속 제품, 성형 금속 제품, 또는 최종 금속 제품일 수 있다. 예시적인 금속 제품으로는 금속 시트, 금속 쉐이트, 또는 금속 플레이트를 포함한다. 구현예에서, 금속 제품은 균질화된 금속 제품, 열처리된 금속 제품, 부분 압연된 금속 제품, 어닐링된 금속 제품, 전처리된 금속 제품일 수 있다. 금속 및 금속 제품은 본원에 기술된 반응성 담금질 공정 후에 추가적인 가공처리를 거칠 수 있다.

본원에서 사용된 "상온"의 의미는 약 15℃ 내지 약 30℃, 예를 들어 약 15℃, 약 16℃, 약 17℃, 약 18℃, 약 19℃, 약 20℃, 약 21℃, 약 22℃, 약 23℃, 약 24℃, 약 25℃, 약 26℃, 약 27℃, 약 28℃, 약 29℃, 또는 약 30℃의 온도를 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 "대기 조건"의 의미는 대략 상온의 온도, 약 20% 내지 약 100%의 상대습도, 및 약 975밀리바(mbar) 내지 약 1050 mbar의 기압을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상대습도는 약 20%, 약 21%, 약 22%, 약 23%, 약 24%, 약 25%, 약 26%, 약 27%, 약 28%, 약 29%, 약 30%, 약 31%, 약 32%, 약 33%, 약 34%, 약 35%, 약 36%, 약 37%, 약 38%, 약 39%, 약 40%, 약 41%, 약 42%, 약 43%, 약 44%, 약 45%, 약 46%, 약 47%, 약 48%, 약 49%, 약 50%, 약 51%, 약 52%, 약 53%, 약 54%, 약 55%, 약 56%, 약 57%, 약 58%, 약 59%, 약 60%, 약 61%, 약 62%, 약 63%, 약 64%, 약 65%, 약 66%, 약 67%, 약 68%, 약 69%, 약 70%, 약 71%, 약 72%, 약 73%, 약 74%, 약 75%, 약 76%, 약 77%, 약 78%, 약 79%, 약 80%, 약 81%, 약 82%, 약 83%, 약 84%, 약 85%, 약 86%, 약 87%, 약 88%, 약 89%, 약 90%, 약 91%, 약 92%, 약 93%, 약 94%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 약 99%, 약 100%, 또는 그 사이의 임의의 값일 수 있다. 예를 들어, 기압은 약 975 mbar, 약 980 mbar, 약 985 mbar, 약 990 mbar, 약 995 mbar, 약 1000 mbar, 약 1005 mbar, 약 1010 mbar, 약 1015 mbar, 약 1020 mbar, 약 1025 mbar, 약 1030 mbar, 약 1035 mbar, 약 1040 mbar, 약 1045 mbar, 약 1050 mbar, 또는 그 사이의 임의의 값일 수 있다.

본원에 개시된 모든 범위는 그에 포함되는 임의의 하위 범위 및 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, "1 내지 10"으로 기재된 범위는 최소값 1과 최대값 10 사이(및 이를 포함)의 임의의 하위 범위 및 모든 하위 범위; 즉 1 이상의 최소값으로 시작하여, 예를 들어, 1 내지 6.1, 10 이하의 최대값으로 끝나는, 예를 들어, 5.5 내지 10, 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 간주해야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 원소의 조성량을 나타낼 때 "까지"라는 표현은 그 원소가 선택적이며 그 특정 원소의 0% 조성물을 포함하는 것을 의미한다. 달리 명시되지 않는 한, 모든 조성 백분율은 중량%(wt. %)이다.

본원에서 사용된 "일(a)", "하나(an)", 및 "그(the)"의 의미는 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한, 단수 및 복수 지칭을 포함한다.

본원에서 사용된 "표면"이란 용어는, 금속 시트, 쉐이트, 플레이트, 잉곳, 또는 주조 금속 제품과 같은 다른 금속이나 금속 제품과 같은, 물체의 최외곽 영역을 지칭한다. 구현예에서, 표면은 물체의 종단 및 공기 또는 물과 같은 다른 물질로 천이를 나타내거나, 또는 진공 상태에서 물질이 없는, 물체의 천이 영역 또는 층에 해당할 수 있다. 표면은 물체의 최외곽 주변에서 물체의 2차원 영역에 해당할 수 있다. 표면이 물체의 천이 영역 또는 층을 나타내는 구현예에서, 천이 영역 또는 층은 물체의 본체의 종단을 나타내는 원자 또는 분자의 층에, 및 일부 구현예에서 공기나 물 또는 이의 용해된 성분과 같은 종단 층을 넘어 다른 물질에 노출되거나 또는 이와 달리 이에 영향을 받는 종단 층 아래의 원자 또는 분자의 인접한 층에, 대응하는 두께와 같은 두께를 가질 수 있다. 표면은 물체의 재료와 반응할 수 있는 반응물을 함유하는 용액에 노출될 때 화학 반응을 겪을 수 있는 물체의 외부의 층 또는 두께에 해당할 수 있다. 일 예로서, 알루미늄 물체 또는 합금의 표면은 공기로의 노출에 따라 산화를 겪어 산화알루미늄 층을 형성하는 외부 층에 해당할 수 있다. 다른 예로서, 금속 물체의 표면은 페인트, 박막, 또는 다른 코팅 재료와 같은 다른 물질에 의해 코팅되거나 이와 접촉할 수 있는 금속 물체의 영역에 해당할 수 있다. 예로서, 표면은 물체의 외면으로부터 물체의 내부로 최대 5 μm의 깊이까지, 그러나 일반적으로는 훨씬 적은 깊이까지 연장될 수 있다. 예를 들어, 표면은 외면으로부터(및 외면을 포함) 물체의 내부로, 0.01 μm, 0.05 μm, 0.10 μm, 0.15 μm, 0.20 μm, 0.25 μm, 0.3 μm, 0.35 μm, 0.4 μm, 0.45 μm, 0.50 μm, 0.55 μm, 0.60 μm, 0.65 μm, 0.70 μm, 0.75 μm, 0.80 μm, 0.85 μm, 0.9 μm, 0.95 μm, 1.0 μm, 1.5 μm, 2.0 μm, 2.5 μm, 3.0 μm, 3.5 μm, 4.0 μm, 4.5 μm, 또는 5.0 μm, 또는 그 사이의 임의의 치수의 깊이까지 연장되는 물체의 부분을 지칭할 수 있다. 일부 구현예에서, 표면은 외면으로부터 물체의 내부에서 100 nm 내지 200 nm 범위에 이르는 깊이까지 연장된다. 일부 추가의 이러한 구현예에서, 서브표면은 외면으로부터 물체의 내부에서 100 nm, 110 nm, 120, nm, 130 nm, 140 nm, 150 nm, 160 nm, 170 nm, 180 nm, 190 nm, 또는 200 nm의 깊이까지 연장된다. 표면부를 제외한 물체의 부분(예를 들어, 물체의 나머지)은 본원에서 물체의 "벌크" 또는 "벌크부"로 지칭된다. 알루미늄 합금 시트 또는 쉐이트와 같은 2개의 압연 표면을 갖는 금속 물체(예를 들어, 금속 제품)의 경우, 물체는 그 사이에 벌크부가 위치한 2개의 표면부를 가질 수 있음에 유의해야 한다.

하기의 예에서, 알루미늄 합금 제품 및 그 성분은 원소 조성에 관해서 중량%(wt. %)로 또는 특정 합금 또는 합금 시리즈에 관해서 설명될 수 있다. 각 합금에서, 잔부는 알루미늄이고, 모든 불순물의 합은 최대 0.15 중량%이다.

결정립 미세화제 및 탈산제와 같은 부수적인 원소 또는 다른 첨가제가 합금에 존재할 수 있으며, 본원에 기술된 합금 또는 본원에 기술된 합금의 특성으로부터 벗어나거나 이를 현저히 변화시키지 않고 자체적으로 다른 특성을 첨가할 수 있다.

본원에 기술된 바와 같은 클래드 층은 본원에 기술된 바와 같은 코어 또는 다른 금속 층에 부착되어 임의의 적절한 수단에 의해 클래딩된 제품 또는 클래딩된 합금을 형성할 수 있다. 예를 들어, 클래드 층은 예를 들어, 그 전체가 본원에 참조로서 원용되는 미국 특허 제7,748,434호 및 제8,927,113호에 기술된 바와 같은 직접 냉경 공동 주조(즉, 융합 주조)에 의해; 그 전체가 본원에 참조로서 원용되는 미국 특허 제7,472,740호에 기술된 바와 같은 복합 주조 잉곳의 열간 및 냉간 압연에 의해; 또는 롤 접합에 의해 코어 층에 부착되어, 코어와 클래딩 간의 야금 접합을 달성할 수 있다. 본원에 기술된 클래딩된 합금 제품의 초기 치수 및 최종 치수는 전체적인 최종 제품의 원하는 특성에 의해 결정될 수 있다.

롤 접합 공정은 임의의 적합한 기술을 사용하여 상이한 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 롤 접합 공정은 열간 압연 및 냉간 압연 모두를 포함할 수 있다. 또한, 롤 접합 공정은 1단 공정, 또는 연속적인 압연 단계 중에 재료 치수가 감소되는 다단 공정일 수 있다. 별도의 압연 단계는, 예를 들어 어닐링 단계, 세정 단계, 가열 단계, 냉각 단계 등을 포함하는, 다른 가공처리 단계에 의해 선택적으로 분리될 수 있다.

금속 합금 처리 방법

본원에는, 무엇보다도, 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 마그네슘 복합물, 및 강철을 포함하는 합금과 같은 금속을 처리하는 방법, 및 그에 따라 처리된 금속 및 금속 합금이 기술된다. 일부 예에서, 본원에 기술된 방법에 사용하기 위한 금속은 알루미늄 합금, 예를 들어 1xxx 시리즈 알루미늄 합금, 2xxx 시리즈 알루미늄 합금, 3xxx 시리즈 알루미늄 합금, 4xxx 시리즈 알루미늄 합금, 5xxx 시리즈 알루미늄 합금, 6xxx 시리즈 알루미늄 합금, 7xxx 시리즈 알루미늄 합금, 또는 8xxx 시리즈 알루미늄 합금을 포함한다. 일부 예에서, 본원에 기술된 방법에 사용하기 위한 재료는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘계 재료, 마그네슘 합금, 마그네슘 복합재, 티타늄, 티타늄계 재료, 티타늄 합금, 구리, 구리계 재료, 복합재, 복합재에 사용되는 시트, 또는 임의의 다른 적합한 금속을 포함하는 비철 재료, 비금속, 또는 재료의 조합을 포함한다. 롤 접합된 재료, 클래딩된 합금, 클래드 층, 탄소 섬유 함유 재료와 같은 그러나 이에 제한되지 않는 복합 재료, 또는 다양한 다른 재료와 같은 비모놀리식뿐만 아니라 모놀리식도 본원에 기술된 방법에 유용하다. 일부 예에서, 강철을 함유하는 알루미늄 합금이 본원에 기술된 방법에 유용하다.

비제한적인 예로서, 본원에 기술된 방법에 사용하기 위한 예시적인 1xxx 시리즈 알루미늄 합금은 AA1100, AA1100A, AA1200, AA1200A, AA1300, AA1110, AA1120, AA1230, AA1230A, AA1235, AA1435, AA1145, AA1345, AA1445, AA1150, AA1350, AA1350A, AA1450, AA1370, AA1275, AA1185, AA1285, AA1385, AA1188, AA1190, AA1290, AA1193, AA1198, 및 AA1199를 포함할 수 있다.

본원에 기술된 방법에 사용하기 위한 비제한적인 예시적 2xxx 시리즈 알루미늄 합금은 AA2001, A2002, AA2004, AA2005, AA2006, AA2007, AA2007A, AA2007B, AA2008, AA2009, AA2010, AA2011, AA2011A, AA2111, AA2111A, AA2111B, AA2012, AA2013, AA2014, AA2014A, AA2214, AA2015, AA2016, AA2017, AA2017A, AA2117, AA2018, AA2218, AA2618, AA2618A, AA2219, AA2319, AA2419, AA2519, AA2021, AA2022, AA2023, AA2024, AA2024A, AA2124, AA2224, AA2224A, AA2324, AA2424, AA2524, AA2624, AA2724, AA2824, AA2025, AA2026, AA2027, AA2028, AA2028A, AA2028B, AA2028C, AA2029, AA2030, AA2031, AA2032, AA2034, AA2036, AA2037, AA2038, AA2039, AA2139, AA2040, AA2041, AA2044, AA2045, AA2050, AA2055, AA2056, AA2060, AA2065, AA2070, AA2076, AA2090, AA2091, AA2094, AA2095, AA2195, AA2295, AA2196, AA2296, AA2097, AA2197, AA2297, AA2397, AA2098, AA2198, AA2099, 및 AA2199를 포함할 수 있다.

본원에 기술된 방법에 사용하기 위한 비제한적인 예시적 3xxx 시리즈 알루미늄 합금은 AA3002, AA3102, AA3003, AA3103, AA3103A, AA3103B, AA3203, AA3403, AA3004, AA3004A, AA3104, AA3204, AA3304, AA3005, AA3005A, AA3105, AA3105A, AA3105B, AA3007, AA3107, AA3207, AA3207A, AA3307, AA3009, AA3010, AA3110, AA3011, AA3012, AA3012A, AA3013, AA3014, AA3015, AA3016, AA3017, AA3019, AA3020, AA3021, AA3025, AA3026, AA3030, AA3130, 및 AA3065를 포함할 수 있다.

본원에 기술된 방법에 사용하기 위한 비제한적인 예시적 4xxx 시리즈 알루미늄 합금은 AA4004, AA4104, AA4006, AA4007, AA4008, AA4009, AA4010, AA4013, AA4014, AA4015, AA4015A, AA4115, AA4016, AA4017, AA4018, AA4019, AA4020, AA4021, AA4026, AA4032, AA4043, AA4043A, AA4143, AA4343, AA4643, AA4943, AA4044, AA4045, AA4145, AA4145A, AA4046, AA4047, AA4047A, 및 AA4147을 포함할 수 있다.

알루미늄 합금 제품으로 사용하기 위한 비제한적인 예시적 5xxx 시리즈 알루미늄 합금은 AA5182, AA5183, AA5005, AA5005A, AA5205, AA5305, AA5505, AA5605, AA5006, AA5106, AA5010, AA5110, AA5110A, AA5210, AA5310, AA5016, AA5017, AA5018, AA5018A, AA5019, AA5019A, AA5119, AA5119A, AA5021, AA5022, AA5023, AA5024, AA5026, AA5027, AA5028, AA5040, AA5140, AA5041, AA5042, AA5043, AA5049, AA5149, AA5249, AA5349, AA5449, AA5449A, AA5050, AA5050A, AA5050C, AA5150, AA5051, AA5051A, AA5151, AA5251, AA5251A, AA5351, AA5451, AA5052, AA5252, AA5352, AA5154, AA5154A, AA5154B, AA5154C, AA5254, AA5354, AA5454, AA5554, AA5654, AA5654A, AA5754, AA5854, AA5954, AA5056, AA5356, AA5356A, AA5456, AA5456A, AA5456B, AA5556, AA5556A, AA5556B, AA5556C, AA5257, AA5457, AA5557, AA5657, AA5058, AA5059, AA5070, AA5180, AA5180A, AA5082, AA5182, AA5083, AA5183, AA5183A, AA5283, AA5283A, AA5283B, AA5383, AA5483, AA5086, AA5186, AA5087, AA5187, 및 AA5088을 포함할 수 있다.

본원에 기술된 방법에 사용하기 위한 비제한적인 예시적 6xxx 시리즈 알루미늄 합금은 AA6101, AA6101A, AA6101B, AA6201, AA6201A, AA6401, AA6501, AA6002, AA6003, AA6103, AA6005, AA6005A, AA6005B, AA6005C, AA6105, AA6205, AA6305, AA6006, AA6106, AA6206, AA6306, AA6008, AA6009, AA6010, AA6110, AA6110A, AA6011, AA6111, AA6012, AA6012A, AA6013, AA6113, AA6014, AA6015, AA6016, AA6016A, AA6116, AA6018, AA6019, AA6020, AA6021, AA6022, AA6023, AA6024, AA6025, AA6026, AA6027, AA6028, AA6031, AA6032, AA6033, AA6040, AA6041, AA6042, AA6043, AA6151, AA6351, AA6351A, AA6451, AA6951, AA6053, AA6055, AA6056, AA6156, AA6060, AA6160, AA6260, AA6360, AA6460, AA6460B, AA6560, AA6660, AA6061, AA6061A, AA6261, AA6361, AA6162, AA6262, AA6262A, AA6063, AA6063A, AA6463, AA6463A, AA6763, A6963, AA6064, AA6064A, AA6065, AA6066, AA6068, AA6069, AA6070, AA6081, AA6181, AA6181A, AA6082, AA6082A, AA6182, AA6091, 및 AA6092를 포함할 수 있다.

본원에 기술된 방법에 사용하기 위한 비제한적인 예시적 7xxx 시리즈 알루미늄 합금은 AA7011, AA7019, AA7020, AA7021, AA7039, AA7072, AA7075, AA7085, AA7108, AA7108A, AA7015, AA7017, AA7018, AA7019A, AA7024, AA7025, AA7028, AA7030, AA7031, AA7033, AA7035, AA7035A, AA7046, AA7046A, AA7003, AA7004, AA7005, AA7009, AA7010, AA7011, AA7012, AA7014, AA7016, AA7116, AA7122, AA7023, AA7026, AA7029, AA7129, AA7229, AA7032, AA7033, AA7034, AA7036, AA7136, AA7037, AA7040, AA7140, AA7041, AA7049, AA7049A, AA7149,7204, AA7249, AA7349, AA7449, AA7050, AA7050A, AA7150, AA7250, AA7055, AA7155, AA7255, AA7056, AA7060, AA7064, AA7065, AA7068, AA7168, AA7175, AA7475, AA7076, AA7178, AA7278, AA7278A, AA7081, AA7181, AA7185, AA7090, AA7093, AA7095, 및 AA7099를 포함할 수 있다.

본원에 기술된 방법에 사용하기 위한 비제한적인 예시적 8xxx 시리즈 알루미늄 합금은 AA8005, AA8006, AA8007, AA8008, AA8010, AA8011, AA8011A, AA8111, AA8211, AA8112, AA8014, AA8015, AA8016, AA8017, AA8018, AA8019, AA8021, AA8021A, AA8021B, AA8022, AA8023, AA8024, AA8025, AA8026, AA8030, AA8130, AA8040, AA8050, AA8150, AA8076, AA8076A, AA8176, AA8077, AA8177, AA8079, AA8090, AA8091, 또는 AA8093을 포함할 수 있다.

합금은 직접 냉경 주조, 반연속 주조, 연속 주조(예를 들어, 트윈 벨트 캐스터, 트윈 롤 캐스터, 블록 캐스터, 또는 임의의 다른 연속 캐스터의 사용을 포함), 전자기 주조, 핫 탑 주조, 압출, 또는 임의의 다른 주조 방법으로 제조될 수 있다.

본 개시내용의 양태가 알루미늄 합금에 관한 것이지만, 본원에 기술된 개념은 마그네슘 합금과 같은 다른 금속에 적용 가능할 수 있고, 동일하거나 유사한 기술을 사용하여 제조될 수 있고 및/또는 본원에 기술되고 알루미늄 합금에 유용한 동일하거나 유사한 기술을 사용하여 가공처리될 수 있음을 이해할 것이다.

도 1은 일부 구현예에 따른 제조 공정의 다양한 단계 동안 금속의 온도의 예를 나타낸 플롯을 제공한다. 용융 금속이 잉곳, 주조 물품, 또는 다른 고체 물체나 금속 제품으로 형성되는 초기 주조 단계(105)의 일부로서, 용융 금속은 금속의 담금질 또는 냉각을 수반하는 공정으로, 예를 들어 직접 냉경 주조 공정 또는 주조 직후 담금질을 포함하는 연속 주조 공정에서 금속을 물 또는 수용액에 노출시킴으로써, 냉각 및/또는 응고될 수 있다.

주조 단계 후, 금속은 균질화 공정(110)을 거칠 수 있는 데, 이 공정에서 금속은 금속의 용융 또는 고상 온도보다 낮은 온도로 가열된다. 선택적으로, 금속은 기본 금속 및 임의의 합금 원소가 고용체를 형성하는 온도로 가열된다.

균질화 공정 후, 금속은 예를 들어 금속 내에 바람직한 미정질 구조를 형성할 수 있는 하나 이상의 공정에 노출될 수 있다. 이러한 공정은, 예를 들어 금속 잉곳 또는 다른 주조 물품이나 금속 제품으로부터 시트, 플레이트, 또는 쉐이트를 형성하는 공정과 같은, 열간 압연(115) 및/또는 냉간 압연(120)에 해당할 수 있다. 일부 구현예에서, 담금질 또는 냉각 공정에서 금속을 상승 온도에서 물, 수용액, 또는 기상 용액과 같은 용액에 노출시키는 것은 금속의 온도를 후속 공정에 바람직한 또는 유용한 온도로 낮추는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 금속을 물 또는 수용액에 노출시키는 것은 열간 압연 공정(115)과 냉간 압연 공정(120) 사이에서 금속을 냉각시키는 데 유용할 수 있다.

그 후, 금속은 용체화 열처리 공정(125)을 거칠 수 있는 데, 이 공정에서 금속의 온도는 금속이 고용체를 형성하는 온도와 같은 임계 온도보다 높은 온도로 증가되고 일정 기간 동안 임계 온도보다 높게 유지된다. 용체화 열처리 공정(125)의 말기에, 금속은 담금질 공정(130)을 거칠 수 있는 데, 이 공정에서 용해된 불순물은 담금질 공정으로 금속의 온도를 신속하게 감소시킴으로써 제자리에 고정된다. 이러한 담금질 공정(130)은 금속을 물, 수용액, 또는 가스 용액을 포함하는 담금질 용액과 같은 용액에 노출시키는 공정을 수반할 수 있다.

구현예에서, 도 1에 개요된 공정은 금속이 가공처리 단계 사이에서 코일, 필름, 또는 재료의 웹으로서 이송될 수 있는 하나 이상의 연속 가공처리 라인의 일부로서 또는 개별적으로 수행될 수 있다. 금속은, 예를 들어 인장 상태에 있을 수 있는 금속을 하나 이상의 롤러 위에서 또는 그 사이에서 압연함으로써 또는 하나 이상의 컨베이어 상에서 금속을 이송함으로써, 단계 사이에서 이송될 수 있다. 또한, 명시적으로 식별되지 않은 다른 단계가 도 1에서 식별된 임의의 단계 전, 사이, 및/또는 후에 포함될 수 있다. 단계의 다른 예로는 어닐링 단계, 세척 단계, 화학 처리 단계, 또는 마무리 단계를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 일 예로서, 마무리 단계는 표면 양극 산화 단계, 분말 코팅 단계, 도장 단계, 인쇄 단계 등에 해당할 수 있다.

도 2는 일부 구현예에 따른 용체화 열처리(205) 및 담금질 공정(210) 동안 금속의 온도를 나타낸 플롯을 제공한다. 금속은 임의의 적합한 공정을 사용하여 임의의 적절한 속도로 가열되어 임계 온도에 도달할 수 있고, 임의의 적절한 시간 동안 용체화 열처리 중에 특정 온도 이상에서 유지될 수 있다. 금속은 임의의 적절한 담금질 기술을 사용하여 담금질되어 금속의 온도는 하나 이상의 특정 냉각 속도로 냉각될 수 있다. 구현예에서, 금속은 물 및 하나 이상의 염을 포함하는 용액에 금속을 노출시킴으로써 담금질된다. 담금질 직전에 금속은 가공처리를 위한 임의의 적합한 온도를 가질 수 있음을 이해할 것이다. 일 예로서, 금속은 금속 조성에 따라 약 500℃ 내지 약 1500℃의 시작 온도에서 담금질될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 일부 구현예에 따른 금속(300)을 처리하는 공정을 나타낸 개략도를 제공한다. 도 3a에서, 금속(300)은, 예를 들어 용해로를 통해 금속(300)을 이송하거나 또는 금속(300)을 전자기 유도 가열 공정 또는 레이저 가열 공정과 같은 다른 가열 공정을 거쳐서 초기에 가열 공정(310)을 거친 후에, 담금질 공정(320)에 이어 화학 처리 공정(330)이 이어진다. 하나 이상의 추가 공정이 도 3a에 도시된 임의의 공정 사이, 전, 또는 후에 부가될 수 있다. 담금질 공정(320)은 가열 공정(310) 후에 금속(300)의 온도를 예를 들어, 100℃ 미만의 온도로 낮추는 데 사용될 수 있다. 화학 처리 공정(330)은 예를 들어, 금속(300)의 표면이 개질될 수 있는 하나 이상의 공정에 해당할 수 있다. 담금질에 따라 또는 담금질에 의해, 금속(300)은 약 25℃ 내지 약 500℃의 온도 또는 이의 임의의 하위 범위, 예를 들어 25℃ 내지 100℃, 100℃ 내지 200℃, 200℃ 내지 300℃, 300℃ 내지 400℃, 또는 400℃ 내지 500℃와 같은 임의의 적합한 온도로 냉각될 수 있다.

도 3a에 도시된 공정은 예를 들어, 금속을 처리하기 위한 종래의 기술에 해당할 수 있고 도 3b에 도시된 공정과 대조를 이룬다. 도 3b에서, 금속(300)은 초기에 가열 공정(310)을 거친 후에 조합된 담금질 및 화학 처리 공정(340)을 거친다. 다시, 하나 이상의 추가 공정이, 조합된 담금질 및 화학 처리 공정(340) 후 제2 화학 처리 공정과 같은, 도 3b에 도시된 공정 사이, 전, 또는 후에 부가될 수 있다. 조합된 담금질 및 화학 처리 공정(340)에서, 금속(300)의 온도가 감소될 수 있으면서 금속(300)의 표면이 동시에 개질될 수 있다. 예를 들어, 조합된 담금질 및 화학 처리 공정(340)은 금속(300)을 용액에 노출시켜 금속을 약 100 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s의 냉각 속도로 냉각시키고, 금속의 표면으로부터 재료를 제거하는 화학 반응 또는 금속에 재료를 첨가하는 화학 반응과 같은, 금속의 표면을 개질시키는 화학 반응을 개시하는 공정을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 예를 들어 금속의 온도가 목표 값에 도달하면, 100 ℃/분과 100 ℃/s 사이의 냉각 속도가 이용될 수 있다. 선택적으로, 담금질 공정 중에 냉각 속도는 시간의 함수에 따라 변한다. 본원에 기술된 방법에 의해 달성될 수 있는 유용한 냉각 속도는 약 100 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s 또는 이의 임의의 하위 범위, 예를 들어 약 100 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 200 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 300 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 400 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 500 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 600 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 700 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 800 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 900 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 1000 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 100 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 200 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 300 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 400 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 500 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 600 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 700 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 800 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 900 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 1000 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 1000 ℃/s 내지 약 4000 ℃/s, 약 1000 ℃/s 내지 약 5000 ℃/s, 약 1000 ℃/s 내지 약 6000 ℃/s, 약 1000 ℃/s 내지 약 7000 ℃/s, 약 1000 ℃/s 내지 약 8000 ℃/s, 약 500 ℃/s 내지 약 1500 ℃/s, 약 400 ℃/s 내지 약 1400 ℃/s, 약 300 ℃/s 내지 약 1300 ℃/s, 약 100 ℃/s 내지 약 200 ℃/s, 약 200 ℃/s 내지 약 300 ℃/s, 약 300 ℃/s 내지 약 400 ℃/s, 약 400 ℃/s 내지 약 500 ℃/s, 약 500 ℃/s 내지 약 600 ℃/s, 약 600 ℃/s 내지 약 700 ℃/s, 약 700 ℃/s 내지 약 800 ℃/s, 약 800 ℃/s 내지 약 900 ℃/s, 약 900 ℃/s 내지 약 1000 ℃/s, 약 1000 ℃/s 내지 약 1100 ℃/s, 약 1100 ℃/s 내지 약 1200 ℃/s, 약 1200 ℃/s 내지 약 1300 ℃/s, 약 1300 ℃/s 내지 약 1400 ℃/s, 약 1400 ℃/s 내지 약 1500 ℃/s, 약 1500 ℃/s 내지 약 1600 ℃/s, 약 1600 ℃/s 내지 약 1700 ℃/s, 약 1700 ℃/s 내지 약 1800 ℃/s, 약 1800 ℃/s 내지 약 1900 ℃/s, 약 1900 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s, 약 2000 ℃/s 내지 약 2100 ℃/s, 약 2100 ℃/s 내지 약 2200 ℃/s, 약 2200 ℃/s 내지 약 2300 ℃/s, 약 2300 ℃/s 내지 약 2400 ℃/s, 약 2400 ℃/s 내지 약 2500 ℃/s, 약 2500 ℃/s 내지 약 2600 ℃/s, 약 2600 ℃/s 내지 약 2700 ℃/s, 약 2700 ℃/s 내지 약 2800 ℃/s, 약 2800 ℃/s 내지 약 2900 ℃/s, 약 2900 ℃/s 내지 약 3000 ℃/s, 약 3000 ℃/s 내지 약 3100 ℃/s, 약 3100 ℃/s 내지 약 3200 ℃/s, 약 3200 ℃/s 내지 약 3300 ℃/s, 약 3300 ℃/s 내지 약 3400 ℃/s, 약 3400 ℃/s 내지 약 3500 ℃/s, 약 3500 ℃/s 내지 약 3600 ℃/s, 약 3600 ℃/s 내지 약 3700 ℃/s, 약 3700 ℃/s 내지 약 3800 ℃/s, 약 3800 ℃/s 내지 약 3900 ℃/s, 약 3900 ℃/s 내지 약 4000 ℃/s, 약 4000 ℃/s 내지 약 4100 ℃/s, 약 4100 ℃/s 내지 약 4200 ℃/s, 약 4200 ℃/s 내지 약 4300 ℃/s, 약 4300 ℃/s 내지 약 4400 ℃/s, 약 4400 ℃/s 내지 약 4500 ℃/s, 약 4500 ℃/s 내지 약 4600 ℃/s, 약 4600 ℃/s 내지 약 4700 ℃/s, 약 4700 ℃/s 내지 약 4800 ℃/s, 약 4800 ℃/s 내지 약 4900 ℃/s, 약 4900 ℃/s 내지 약 5000 ℃/s, 약 5000 ℃/s 내지 약 5100 ℃/s, 약 5100 ℃/s 내지 약 5200 ℃/s, 약 5200 ℃/s 내지 약 5300 ℃/s, 약 5300 ℃/s 내지 약 5400 ℃/s, 약 5400 ℃/s 내지 약 5500 ℃/s, 약 5500 ℃/s 내지 약 5600 ℃/s, 약 5600 ℃/s 내지 약 5700 ℃/s, 약 5700 ℃/s 내지 약 5800 ℃/s, 약 5800 ℃/s 내지 약 5900 ℃/s, 약 5900 ℃/s 내지 약 6000 ℃/s, 약 6000 ℃/s 내지 약 6100 ℃/s, 약 6100 ℃/s 내지 약 6200 ℃/s, 약 6200 ℃/s 내지 약 6300 ℃/s, 약 6300 ℃/s 내지 약 6400 ℃/s, 약 6400 ℃/s 내지 약 6500 ℃/s, 약 6500 ℃/s 내지 약 6600 ℃/s, 약 6600 ℃/s 내지 약 6700 ℃/s, 약 6700 ℃/s 내지 약 6800 ℃/s, 약 6800 ℃/s 내지 약 6900 ℃/s, 약 6900 ℃/s 내지 약 7000 ℃/s, 약 7000 ℃/s 내지 약 7100 ℃/s, 약 7100 ℃/s 내지 약 7200 ℃/s, 약 7200 ℃/s 내지 약 7300 ℃/s, 약 7300 ℃/s 내지 약 7400 ℃/s, 약 7400 ℃/s 내지 약 7500 ℃/s, 약 7500 ℃/s 내지 약 7600 ℃/s, 약 7600 ℃/s 내지 약 7700 ℃/s, 약 7700 ℃/s 내지 약 7800 ℃/s, 약 7800 ℃/s 내지 약 7900 ℃/s, 약 7900 ℃/s 내지 약 8000 ℃/s, 약 8000 ℃/s 내지 약 8100 ℃/s, 약 8100 ℃/s 내지 약 8200 ℃/s, 약 8200 ℃/s 내지 약 8300 ℃/s, 약 8300 ℃/s 내지 약 8400 ℃/s, 약 8400 ℃/s 내지 약 8500 ℃/s, 약 8500 ℃/s 내지 약 8600 ℃/s, 약 8600 ℃/s 내지 약 8700 ℃/s, 약 8700 ℃/s 내지 약 8800 ℃/s, 약 8800 ℃/s 내지 약 8900 ℃/s, 약 8900 ℃/s 내지 약 9000 ℃/s, 약 9000 ℃/s 내지 약 9100 ℃/s, 약 9100 ℃/s 내지 약 9200 ℃/s, 약 9200 ℃/s 내지 약 9300 ℃/s, 약 9300 ℃/s 내지 약 9400 ℃/s, 약 9400 ℃/s 내지 약 9500 ℃/s, 약 9500 ℃/s 내지 약 9600 ℃/s, 약 9600 ℃/s 내지 약 9700 ℃/s, 약 9700 ℃/s 내지 약 9800 ℃/s, 약 9800 ℃/s 내지 약 9900 ℃/s, 또는 약 9900 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s의 속도를 포함한다. 선택적으로, 담금질 공정 중에 냉각 속도는 담금질 공정의 적어도 일부에 대해 일정하다. 일부 구현예의 경우, 담금질 공정 중에 냉각 속도를 증가시키면 제조 라인 속도가, 예를 들어 종래 순수의 담금질 용액으로 담금질에서 사용 가능한 것보다 더 빠른 속도로, 증가될 수 있다.

임의의 이론에 구속됨이 없이, 본 발명자들은 고온으로부터 금속을 담금질하기 위해 염 수용액을 사용하면 순수를 사용할 때보다 더 높은 냉각 속도를 달성할 수 있음을 발견하였다. 이러한 높은 냉각 속도는 물 및 용해된 염을 포함하는 용액을 사용하여 가능할 수 있는 데, 이는 염을 포함하면 용액의 비등 온도보다 높은 온도를 갖는 재료가 용액에 침지되거나 이와 접촉될 때 일어날 수 있는 기포 형성 및 라이덴프로스트(Leidenfrost) 효과를 감소시킬 수 있기 때문이다. 이러한 높은 냉각 속도는, 예를 들어 고용체를 응고시켜 염기 결정체 또는 결정립 구조의 용해된 합금 금속에 고정하고 합금 클러스터를 최소화하는 데, 유리하다. 또한, 본 발명자들은 담금질과 연관된 고온이 용액 내의 반응성 용질 간의 화학 반응의 속도를, 서로, 표면 또는 금속으로, 또는 반응성 용질의 자기 반응(예를 들어, 열 분해)에 의해 개시, 구동, 또는 증가시키는 데 유용할 수 있음을 발견하였다.

도 4는 일부 구현예에 유용한 담금질 기술의 개략도를 제공한다. 도 4에서, 금속(400)은 복수의 분무 노즐(410)로부터 용액(405)에 노출된다. 용액(405)은 기상 용액 또는 액체 용액에 해당할 수 있다. 금속(400)을 배스 또는 용액(405)의 스트림에 침지시키고, 금속(400) 위로 용액(405)의 스트림을 흐르게 하는 등과 같은, 다른 기술이 금속(400)을 용액(405)에 노출시키는 데 유용할 수 있다. 그러나, 각 노즐(410)에 의해 제공되는 용액(405)의 양 및 분무된 용액(405)의 조성, 농도, 및/또는 온도가 독립적으로 조정될 수 있으므로, 분무 노즐(410)이 유리하게 사용될 수 있다. 용액을 위한 온도의 예로는 0℃ 내지 약 50℃의 온도를 포함하지만, 더 높은 온도의 용액이 일부 구현예에서 유용할 것이다. 일반적으로, 유용한 용액 온도는 용액의 용융 온도와 용액의 비등 온도 사이의 임의의 온도 또는 온도 하위 범위에 해당한다. 금속(400)을 용액(405)에 노출시키면 금속(400)의 온도가 용액(405)의 온도보다 높을 때 금속(400)의 온도가 감소될 것이며; 이에 따라 용액(405)의 온도가 증가될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 구성은 고온에서, 예를 들어 기본 금속 및 합금 금속이 고용체에 존재하거나 또는 금속(400)이 물 또는 용액(405)의 비등점보다 높은 온도에 존재하는 온도에서, 금속(400)이 담금질 단계로 진입할 때에 금속(400)을 신속하게 냉각시키는 데 특히 유용하다.

다양한 용액이 본원에 기술된 다양한 구현예에서 유용하다. 선택적으로, 용액은 액체 용액을 포함한다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 용액은 예를 들어, 수용액에 존재하는 물 및 하나 이상의 염을 포함한다. 물 및 하나 이상의 염을 포함하는 용액을 사용하면, 구현예에서 이러한 용액은 물을 단독으로 사용할 때보다 더 빠른 냉각 속도를 제공할 수 있으므로 유리할 수 있다. 용액의 예로는 하나 이상의 알칼리 금속염(예를 들어, 황산나트륨), 알칼리 토금속염(예를 들어, 황산마그네슘), 암모늄염(예를 들어, 황산암모늄), 황산염(예를 들어, 황산칼륨), 질산염(예를 들어, 질산칼슘), 붕산염(예를 들어, 붕산칼륨), 인산염(예를 들어, 인산리튬), 아세트산염(예를 들어, 아세트산나트륨), 탄산염(예를 들어, 탄산칼슘 또는 탄산알루미늄), 칼슘계 염, 또는 알루미늄계 염을 포함하는 용액을 포함한다. 일부 구현예에서, 이들 및 다른 염은 서로 또는 금속이나 금속 제품의 표면과 상호 작용이나 화학 반응하지 않거나 또는 이와 최소한으로만 상호 작용이나 화학 반응하는 불활성 또는 비반응성 염에 해당할 수 있다. 용액 내 염은 약 5 중량% 염 내지 약 30 중량% 염 또는 이의 임의의 하위 범위, 예를 들어 약 5 중량% 내지 약 25 중량%, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%, 약 5 중량% 내지 약 15 중량%, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%, 약 10 중량% 내지 약 30 중량%, 약 10 중량% 내지 약 25 중량%, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%, 약 10 중량% 내지 약 15 중량%, 약 15 중량% 내지 약 30 중량%, 약 15 중량% 내지 약 25 중량%, 약 15 중량% 내지 약 20 중량%, 약 5 중량% 내지 약 6 중량%, 약 6 중량% 내지 약 7 중량%, 약 7 중량% 내지 약 8 중량%, 약 8 중량% 내지 약 9 중량%, 약 9 중량% 내지 약 10 중량%, 약 10 중량% 내지 약 11 중량%, 약 11 중량% 내지 약 12 중량%, 약 12 중량% 내지 약 13 중량%, 약 13 중량% 내지 약 14 중량%, 약 14 중량% 내지 약 15 중량%, 약 15 중량% 내지 약 16 중량%, 약 16 중량% 내지 약 17 중량%, 약 17 중량% 내지 약 18 중량%, 약 18 중량% 내지 약 19 중량%, 약 19 중량% 내지 약 20 중량%, 약 20 중량% 내지 약 21 중량%, 약 21 중량% 내지 약 22 중량%, 약 22 중량% 내지 약 23 중량%, 약 23 중량% 내지 약 24 중량%, 약 24 중량% 내지 약 25 중량%, 약 25 중량% 내지 약 26 중량%, 약 26 중량% 내지 약 27 중량%, 약 27 중량% 내지 약 28 중량%, 약 28 중량% 내지 약 29 중량%, 또는 약 29 중량% 내지 약 30 중량%의 염 농도와 같은 임의의 적합한 농도로 존재할 수 있다.

일부 구현예에서, 용액은 포화 또는 과포화 염 용액을 포함한다. "포화 염 용액"이란 용어는, 구현예에서, 최대 농도의 특정 용해된 염을 함유하고 추가량의 특정 염이 용해될 수 없는 수용액에 해당한다. 포화 염 용액에서 용해된 염의 최대량은 용액의 온도 및 염의 화학적 성질에 따라 달라질 수 있다. 구현예에서, 포화 염 용액은 포화 상온 염 용액에 해당한다. 포화 용액은 예를 들어, 침전된 양의 염을 포함할 수 있다. "과포화 염 용액"은, 구현예에서, 용액의 특정 용질 및 온도에 대해 달리 정상 포화 농도보다 높은 염 농도를 함유하는 수용액에 해당한다. 과포화 염 용액은 예를 들어, 제1 온도에서 포화 염 용액을 생성하고 침전 또는 결정화 속도보다 빠른 속도로 용액의 온도를 낮춤으로써 얻을 수 있다. 물에서 상이한 염의 용해도는 서로 다를 수 있고 상이한 염은 용액에서 상이한 최대 염 농도를 나타낼 수 있음을 이해할 것이다.

선택적으로, 용액은 용매로서 금속의 표면 및 하나 이상의 비반응성 또는 불활성 가스를 개질시키는 화학 반응에 참여하기 위해 반응성 용질로서 하나 이상의 반응성 가스를 포함하는 용액과 같은 기상 용액을 포함한다. 아르곤, 헬륨, 질소 등과 같은 임의의 적합한 불활성 가스가 기상 용액에서 용매로서 이용될 수 있다. 수소, 산소, 암모니아, 이산화황, 산화질소, 이산화질소, 실란, 또는 황화수소, 시안화수소, 염산, 아세트산, 포름산 등과 같은 기상 산성 종과 같은 다양한 상이한 반응성 가스가 이용될 수 있다. 반응성 가스는 용액에 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%로 존재할 수 있다. 낮은 농도에서도, 반응성 가스는 금속의 표면의 온도가 상승될 수 있으므로 500℃보다 높거나 또는 금속의 용융 온도 또는 고상 온도에 근접한 온도와 같은 금속의 열처리에 적합한 온도에서 표면 개질 반응에 참여할 수 있다.

일부 구현예에서, 용액으로부터 특정 이온을 최소화하거나 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 할라이드 이온의 존재는 용액에 사용하기에 바람직하지 않을 수 있다. 선택적으로, 용액은 할라이드 이온이 없거나 이를 포함하지 않는다(즉, 배제한다). 그러나, 하나 이상의 염을 함유하는 용액으로부터 모든 할라이드 이온을 제거하거나 배제하는 것은 실질적으로 불가능할 수 있다. 따라서, 일부 구현예는 0 중량%와 약 0.001 중량% 사이의 할라이드 이온의 농도를 포함하는 용액을 사용한다.

일부 구현예에서, 금속의 표면과 또는 서로 반응하는 염 또는 다른 반응성 용질이 용액에 존재할 수 있다. 예를 들어, 이러한 용액에 금속을 노출시키면 금속의 표면을 개질시키는 화학 반응을 개시할 수 있다. 반응의 예로는 표면으로부터 재료를 제거하거나 표면 상에 재료를 증착시키는 반응을 포함할 수 있다. 반응의 예로는 금속의 표면을 세정이나 에칭하는 것 또는 금속의 표면에 코팅을 형성하는 것을 포함할 수 있다.

일 예로서, 용액은 알칼리성 수용액 또는 산성 수용액을 선택적으로 포함할 수 있다. 알칼리성 또는 산성 용액을 사용하면 유리할 수 있는 데, 이는 예를 들어, 이러한 용액이 금속 표면의 세정제 또는 에칭제로서 작용할 수 있기 때문이다. 알칼리성 또는 산성 용액은 유리하게는, 산화물 층, 미립자 오염물 등과 같은 금속 표면의 일부에 부착되거나 이를 형성하는 재료를 분해할 수 있다. 산화물 층을 제거하는 것이면 반응성 용질과 금속의 기저 금속 원자 사이의 반응을 가능하게 하는 데 유용할 수 있다. 또한, 알칼리성 또는 산성 용액은 예를 들어, 용액의 다른 염 또는 성분을 수반하는 반응용 촉매를 제공할 수도 있다. 알칼리성 용액의 예로는 수산화물(예를 들어, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등), 암모니아(예를 들어, 수용성 암모니아), 칼슘계 염, 또는 알루미늄계 염을 포함하는 용액을 포함한다. 산성 용액의 예로는 황산, 질산, 인산, 붕산, 또는 술폰산이나 카르복실산과 같은 유기산을 포함하는 용액을 포함한다.

다른 예로서, 용액은 반응성 용질로서 열분해성 염과 같은 하나 이상의 열분해성 종을 선택적으로 포함할 수 있다. 금속의 표면 처리로서 금속 또는 다른 재료를 제공하기 위해 열분해성 종이 사용될 수 있다. 일 예로서, 하나 이상의 크롬염(예를 들어, 크롬(III) 염), 구리염(예를 들어, 구리(II) 염), 은염(예를 들어, 은(I) 염), 티타늄염(예를 들어, 티타늄(III) 염, 티타늄(IV) 염), 지르코늄염(예를 들어, 지르코늄(IV) 염), 망간염(예를 들어, 망간(II) 염), 또는 세륨염(예를 들어, 세륨(III) 염, 세륨(IV) 염)과 같은, 하나 이상의 열분해성 금속염이 용액에 포함될 수 있다. 열분해성 금속염 이외에, 과망간산염과 같은, 전술한 금속을 포함하는 열분해성 금속 화합물 또는 이온 종이 용액에서 반응성 용질로 이용될 수 있다. 본원에 기술된 방법에 유용한 일부 분해성 금속염은 종래의 표면 처리에 사용될 수 있는 다른 금속염 또는 이온보다 독성이 적을 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 크롬(III)은 크롬(VI)보다 독성이 적을 수 있다. 다른 또는 관련된 열분해성 염은 예를 들어, 질산염, 아질산염, 탄산염, 탄산 수소염, 인산염, 인산 수소염, 인산 이수소염, 또는 과망간산염을 포함한다. 구현예에서, 용액에 열분해성 금속염을 포함하면, 용액 또는 그 성분의 온도는 상승 온도에서 금속 시트, 쉐이트, 또는 플레이트가 용액에 노출되는 담금질 공정 동안 상승될 수 있으므로, 시트, 쉐이트, 또는 플레이트와 같은 금속의 표면에 분해성 금속염으로부터 금속 또는 금속의 금속 산화물 층을 형성할 수 있다.

다른 예로서, 용액은 하나 이상의 중합체(예를 들어, 열경화성 중합체) 또는 중합체 전구체를 포함할 수 있다. 유용한 중합체 또는 중합체 전구체는 아크릴산, 폴리아크릴산, 비닐 포스폰산, 및 폴리비닐 포스폰산을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 용액에 중합체 또는 중합체 전구체를 포함하면 담금질 공정 동안 금속의 표면에 중합체 층을 증착할 수 있다. 용액이 중합체 전구체를 포함하는 일부 구현예에서, 중합체 전구체를 용해로 또는 가열 단계에서 배출되는 금속에 의해 제공되는 것과 같이 상승 온도 또는 열량에 중합체 전구체를 노출시키면 중합체 전구체의 중합 또는 가교 반응을 개시하여 중합체를 형성할 수 있다. 용액 내 중합체 또는 중합체 전구체 농도의 예로는 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%의 중합체 또는 중합체 전구체를 포함한다.

다른 첨가제가 용액에 포함될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 용액은 불용성 입자를 포함할 수 있다. 불용성 입자는 용액이 흐를 때 용액에 현탁되거나 이와 달리 이에 의해 이송될 수 있는 작은 재료 물체의 형태를 취할 수 있다. 구현예에서, 입자는 예를 들어, 5 nm 내지 500 마이크로미터의 직경과 같은 크기를 특징으로 할 수 있다. 입자가 1 마이크로미터 미만과 같이 매우 작은 직경을 갖는 경우, 입자는 용액에서 콜로이드 또는 현탁액을 형성할 수 있다. 선택적으로, 용액은 반응성 용질의 대안으로 또는 그 외에 현탁된 반응성 매질을 포함한다. 이러한 용액은 용매 내에 현탁된 반응성 매질의 콜로이드 현탁액을 포함할 수 있다. 유동성 유체에 의해 부여된 힘이 중력 또는 관성 공정을 극복하는 벌크 이송 공정을 통해 더 큰 입자가 용액에 의해 이송될 수 있다. 예시적인 불용성 입자는 자연적으로 발생 또는 합성 또는 가공처리되어 직경과 같은 특정 크기의 물체를 형성할 수 있는 금속, 금속 산화물 재료, 또는 플라스틱이나 중합체 재료와 같은 무기 재료를 포함할 수 있다. 불용성 입자의 예로는 유리, 실리카, 플라스틱, 금속, 또는 고무에 해당할 수 있다. 일부 구현예에서, 포화 용액에 존재하는 염의 결정체 또는 양은 불용성 입자에 해당할 수 있다. 일부 구현예에서, 불용성 입자는 금속을 용액에 노출시켜 처리되는 금속의 경도보다 크거나, 작거나, 또는 그와 같은 경도를 갖는다. 일부 예에서, 용액에 금속을 노출시키면 금속의 표면 층에 힘을 부여할 수 있어, 금속의 표면에 응축된, 치밀화된, 또는 이와 달리 압축된 층이 형성될 수 있다. 일부 예에서, 용액에 금속을 노출시키면 금속의 표면 층에 힘을 부여할 수 있어, 에칭, 침식, 융제를 발생시키거나 또는 이와 달리 금속의 표면으로부터 재료를 제거할 수 있다. 이러한 에칭, 침식, 융제, 또는 표면 제거 공정은 일부 구현예에서 새로운(즉, 비산화 또는 미반응) 금속을 노출시키고 새로운 금속과의 더 빠른 에칭 또는 표면 반응을 일으킬 수 있어서 유리할 수 있다.

반응 속도 및/또는 냉각 속도를 제어하기 위해 다양한 공정 파라미터를 선택하고 설정할 수 있다. 예를 들어, 특정 표면 개질 반응의 경우, 반응을 낮은 속도 또는 높은 속도로 진행하는 것이 바람직할 수 있다. 유사하게, 가열된 금속의 담금질이 일어나는 속도를 제어하는 것이, 예를 들어 특정 결정립 구조, 침전물 농도, 침전물 분포, 합금 원소 농도, 합금 원소 분포 등을 제어 또는 설정하는 것이 바람직할 수도 있다. 하나 이상의 공정 파라미터를 선택하고 설정함으로써, 냉각 및/또는 반응 속도는 금속의 목표 특성 및/또는 표면 개질을 달성하도록 제어될 수 있다. 공정 파라미터의 예로는 용액 내 용질 또는 염 농도, 용액 내 용질 또는 염의 화학적 성질, 용액에 대한 유량, 용액의 압력, 가열된 금속을 용액에 노출시키는 동안 사용되는 용액 분무 각도, 분무 방향, 또는 기하학적 구조, 용액 온도(예를 들어, 노출 전 용액의 온도), 금속이 용액에 노출되는 지속 시간, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.

또한, 공정 파라미터는 시간의 함수로서 가변적 및/또는 제어될 수 있다. 예를 들어, 용질 농도는 예를 들어, 에칭 속도 및/또는 증착 속도를 제어하기 위해 시간의 경과에 따라 달라질 수 있다. 다른 예로서, 용액 내 반응성 용질의 화학적 성질은 시간의 경과에 따라 변할 수 있다. 일 구현예에서, 예를 들어 에칭제인 반응성 용질이 초기에 용액에 존재할 수 있다. 가열된 금속을 용액에 노출시키는 동안 에칭 반응이 진행되므로, 에칭제의 농도는 에칭 속도를 조정하도록 변화(예를 들어, 감소)될 수 있다. 선택적으로, 용액은 금속 위에 증착 층을 형성하도록 분해되는 분해성 용질과 같은 제2 반응성 용질을 포함하도록 변경될 수 있다. 또한, 조건에 따라, 분해성 용질의 농도는 시간이 경과하면서 변할 수 있다. 예를 들어, 분해성 용질은 0에서 시작하는 농도를 가질 수 있고, 제1 기간 동안 초기 저속도 증착을 시작하기 위해 낮은 농도로 증가한 후, 제2 기간 동안 더 높은 속도 증착을 위해 더 높은 농도로 증가할 수 있다. 이러한 공정 동안, 초기 온도로부터의 금속의 담금질 또는 냉각이 일어날 수 있다. 또한, 용액 내 비반응성 용질(예를 들어, 염) 농도, 용액 유량, 용액 압력, 또는 다른 공정 파라미터는 금속 내에 특정 담금질 프로파일 또는 온도 프로파일을 설정하기 위해 시간의 함수로서 제어될 수도 있다.

다양한 담금질 공정이 본원에 기술된 구현예에 유용할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 금속을 용액에 노출시키는 것은, 예를 들어 도 2에 도시된 것과 유사한 온도 프로파일을 갖는, 단일 담금질 공정에 해당한다. 다른 구현예에서, 담금질 공정은 더 복잡할 수 있다. 예를 들어, 도 5는 다수의 담금질 단계를 포함하는 예시적인 담금질 공정 동안 금속의 온도를 나타낸 플롯을 제공한다. 예를 들어, 주조 단계, 어닐링 단계, 또는 열처리 공정 후, 금속의 온도를 신속하게 냉각시키는 단계에 대응할 수 있는 제1 담금질 단계(505)가 사용될 수 있다. 제1 담금질 단계(505)에서, 냉각 속도는 최대 냉각 속도에서 시작하여 최소 냉각 속도에서 끝나는 시간의 함수로서 감소한다. 예를 들어, 냉각 속도가 일정하게 유지되는 제2 연속 담금질 단계(510)가 사용될 수 있다. 냉각 속도가 다시 일정하지 않고 최대 냉각 속도에서 시작하여 최소 냉각 속도에서 끝나는 시간의 함수로서 감소하는 제3 담금질 단계(515)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 냉각 속도가 일정하거나 0일 수 있는 제4 단계(520)가 이어진다.

이러한 방식으로, 상이한 온도 및 냉각 방식이 예를 들어, 냉각 요건, 반응 요건, 또는 재료 요건을 충족하도록 사용될 수 있다. 일 예로서, 예를 들어 고용체를 응고시키며 기본 결정체/결정립 구조에서 용해된 합금 금속에 고정시키고 합금 클러스터 또는 다른 침전물을 최소화하기 위하여, 가능한 빠른 냉각 속도로 금속의 온도를 초기에 담금질하는 것이 바람직할 수 있다. 감소된 냉각 속도 또는 일정한 냉각 속도 또는 일정한 온도 방식이, 특정 온도 범위 내에서만 또는 가장 효율적으로 작동하는 반응과 같은, 원하는 화학 반응을 일으키는 데 유용할 수 있다. 특정 온도 또는 온도 범위를 필요로 하는 특정 반응이 완료되면, 예를 들어 후속 담금질을 통해, 금속의 온도를 다른 온도로 신속하게 변경하는 것이 바람직할 수 있다.

도 6a 및 6b는 다수의 담금질 단계를 포함하는 금속 담금질 작업의 개략도를 제공한다. 도 6a 및 6b의 각각에 도시된 구성은, 예를 들어 도 5에 도시된 온도 프로파일을 제공하는 데, 유용할 수 있지만 다른 담금질 기술과 배치를 사용한다.

도 6a에서, 제1 담금질 단계(605)는 제1 담금질 용액(625)을 적용하여, 담금질 단계 전의 용해로 또는 다른 가열 단계(예를 들어, 전자기 유도 또는 레이저 가열 단계)에서 금속(600)이 상승되는 온도에 해당할 수 있는, 용체화 열처리 온도와 같은, 최고 온도로부터 금속(600)을 신속하게 냉각시킨다. 전술한 바와 같이, 예를 들어 화학 반응이 일어나도록 하기 위해, 또는 다른 이유로, 제1 담금질 단계(605) 후의 냉각 속도를 일정하게 제어하는 것이 바람직할 수 있다.

도 6a에 도시된 제2 담금질 단계(610)에서, 금속(600)에는 어떠한 용액도 적용되지 않으며, 예를 들어 열이 활발히 제거되는 금속(600)의 다른 섹션과의 전도성 열 전달을 통해 및 공기와의 대류 열 전달을 통해, 금속(600)은 냉각될 수 있다. 제2 담금질 단계(610)에서, 금속(600)의 표면 상에 보유된 재료는 예를 들어, 담금질 단계(610)에서 마주친 상승 온도에서 금속(600)의 표면과 반응할 수 있다.

제3 담금질 단계(615)에서, 제2 용액(630)이 금속(600)에 적용된다. 제2 용액(630)은 제1 담금질 단계(605)에서 적용된 제1 용액(625)과 동일하거나 다를 수 있다. 또한, 제2 용액(630)의 온도 또는 유량은 제1 담금질 단계(605)에서 제1 용액(625)에 사용된 온도 또는 유량과 동일하거나 다를 수 있다.

제3 담금질 단계(615) 후, 제4 단계(620)가 사용될 수 있는 데, 이 단계에서 어떠한 용액도 다시 적용되지 않는다. 도 6a에서, 제4 단계(620)는 대략 일정한 온도를 나타내고, 이 단계는 추가 냉각이 필요하지 않거나 낮은 속도에서만 필요한 구현예에 유용할 수 있다.

도 6a와 대조적으로, 도 6b는 다수의 영역을 따라 연속적 또는 대략 연속적인 담금질을 도시하고 있지만, 후술하는 바와 같이 상이한 담금질 단계를 포함한다. 각 분무 노즐에서의 용액 조성, 용액 온도, 및 용액 유량은 다른 분무 노즐에서 사용된 용액 조성, 용액 온도, 및 용액 유량과 독립적일 수 있다. 예를 들어, 각 분무 노즐에 사용된 담금질 용액의 조성, 온도, 및 유량은 분무 노즐에서 분무 노즐까지 연속적이고 독립적으로 가변될 수 있다. 선택적으로, 임의의 하나 이상의 노즐에 적용된 용액은 미량의 용해된 염을 갖지 않거나 미량의 용해된 염만을 갖는 물을 포함할 수 있으며, 이는 표면 세척을 제공하거나 인접한 노즐 내의 상이한 조성 용액이 혼합되는 것을 방지하는 데 유용할 수 있다.

도 6b에 도시된 구현예에서, 제1 담금질 단계(655)는, 일반적으로, 예를 들어 최고 온도로부터 금속(600)을 신속하게 냉각시키기 위해, 제1 담금질 용액이 적용되는 도 6a의 제1 담금질 단계(605)에 해당할 수 있다. 제1 담금질 단계(655)에서 각 분무 노즐은 예를 들어, 동일한 유량으로 동일한 조성 및 온도 용액을 적용할 수 있다.

제1 담금질 단계(655) 후, 제2 담금질 단계(660)는 금속(600)에 제2 담금질 용액을 적용한다. 제1 담금질 단계(655)에서 달성된 것과 다른 냉각 속도를 달성하기 위해, 예를 들어 제1 담금질 단계(655)에서 적용된 제1 담금질 용액과, 다른 조성 또는 다른 온도를 가질 수 있는 제2 담금질 용액이 적용된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제2 담금질 용액은 제1 담금질 용액과 동일한 조성을 가질 수 있지만, 더 낮은 유량에서 적용될 수 있다. 이러한 구성은 유리하게는, 목표 냉각 속도를 원하는 대로 달성할 수 있다.

제3 담금질 단계(665)는 제1 담금질 단계(655)에서 사용된 제1 담금질 용액 또는 제2 담금질 단계(660)에서 사용된 제2 담금질 용액과 동일하거나 다를 수 있는 제3 담금질 용액을 적용할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제3 담금질 용액의 온도 또는 유량은 다른 담금질 단계에서 사용된 용액의 온도 또는 유량과 다를 수 있다.

제4 담금질 단계(670)는 제4 담금질 용액을 적용할 수 있고, 제4 담금질 용액의 조성, 온도, 및 유량은 목표 냉각 속도를 달성하도록 다시 최적화될 수 있다. 선택적으로, 임의의 하나 이상의 노즐은 유량이 0일 수 있고, 담금질 용액의 선택적 적용을 효과적으로 가능하게 하거나 하지 않을 수 있다.

일부 구현예에 유용한 도 6b의 구체적 구현예로서, 제1 담금질 용액은 알칼리성 용액, 예를 들어 수산화나트륨 및/또는 수산화칼륨의 수용액에 해당할 수 있다. 이러한 용액은 담금질에 의해 금속(600)의 온도를 감소시키는 것 외에 금속(600)의 표면을 세정 또는 에칭하는 데 유용할 수 있다. 제2 담금질 용액은, 예를 들어 일정한 냉각 속도를 달성하기 위해 적용되지만 점점 희석되는 농도로 적용되는, 알칼리성 용액에 해당할 수 있다. 제3 담금질 용액은, 예를 들어 열분해성 염의 염 용액에 해당하여, 제3 담금질 용액에 존재하는 염을 열분해함으로써 담금질 동안 금속(600)의 표면에 코팅을 형성할 수 있다. 제4 담금질 용액은 예를 들어, 순수 세척수에 해당할 수 있다.

하기의 실시예는 본 발명을 추가적으로 예시하도록 기능하는 것이지만 동시에 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하지 않는다. 반면에, 본원의 설명을 이해한 후에 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 당업자에게 시사할 수 있는 다양한 실시예, 변형, 및 균등물이 있을 수 있음을 명확히 알 수 있을 것이다. 하기의 실시예에서 기술된 연구 동안, 달리 명시되지 않는 한, 종래의 절차를 따랐다. 그 절차 중의 일부를 예시적으로 아래에서 설명한다.

실시예 1: 금속 표면 세정을 위한 반응성 담금질

7xxx 시리즈 알루미늄 합금이 용체화 열처리를 위해 주조되어 제조된다. 알루미늄 합금은 알루미늄 합금이 약 450℃의 온도에 도달할 때까지 용해로를 통해 알루미늄 합금을 통과시킴으로써 용체화 열처리를 거친다. 온도는 450℃와 고상 온도 사이에서 0.5와 120분 동안, 이를 포함해서, 유지된다. 다양한 7xxx 시리즈 알루미늄 합금에 대한 고상 온도의 예로는 약 470 내지 약 650℃를 포함한다. 용체화 열처리 공정 후, 알루미늄 합금은 다음과 같이 담금질된다.

약 450℃에서 열처리된 알루미늄 합금은 약 25℃에서 약 5-35 중량%의 수산화칼륨을 함유하는 염 수용액에 침지되면서 그 온도가 모니터링된다. 50 ℃/s와 400 ℃/s 이상 사이의 냉각 속도가 관찰될 수 있다. 알루미늄 합금은 약 50℃ 이하의 최종 온도까지 냉각될 수 있다. 이러한 공정에서는 알루미늄 합금의 표면에서 재료의 층을 제거한다.

도 7은 담금질 전(위) 및 후(아래)의 알루미늄 합금(700)의 개략적인 단면도를 제공한다. 도 7에서, 알루미늄 합금(700)은 담금질 전에 표면 층(705)을 갖는다. 담금질 동안, 표면 층(705)은 수산화칼륨 용액과의 반응을 통해 제거된다. 표면 층(705)은 별개의 층으로서 도 7에 개략적으로 도시되어 있지만, 표면 층(705)은 담금질 동안 제거되는 알루미늄 합금(700)의 연속 영역에 해당할 수 있음을 이해할 것이다. 일 예로서, 표면 층(705)은 두께가 최대 5 μm일 수 있다.

실시예 2: 금속 표면 코팅을 위한 반응성 담금질

7xxx 시리즈 알루미늄 합금이 용체화 열처리를 위해 주조되어 제조된다. 알루미늄 합금은 알루미늄 합금이 약 450℃의 온도에 도달할 때까지 용해로를 통해 알루미늄 합금을 통과시킴으로써 용체화 열처리를 거친다. 온도는 450℃와 고상 온도 사이에서 0.5와 120분 동안, 이를 포함해서, 유지된다. 용체화 열처리 공정 후, 알루미늄 합금은 다음과 같이 담금질된다.

약 450℃에서 열처리된 알루미늄 합금은 약 25℃에서 약 5-35 중량%의 크롬(III) 질산염을 함유하는 염 수용액에 침지되면서 그 온도가 모니터링된다. 50 ℃/s와 400 ℃/s 이상 사이의 냉각 속도가 관찰될 수 있다. 알루미늄 합금은 약 50℃ 이하의 최종 온도까지 냉각될 수 있다. 이러한 공정에서는 크롬 함유 층을 알루미늄 합금의 표면에 증착시킨다.

도 8은 담금질 전(위) 및 후(아래)의 알루미늄 합금(800)의 단면도를 제공한다. 도 8에서, 알루미늄 합금(800)은 담금질 동안에 형성되며, 용액 내 크롬(III) 질산염의 열분해에 의해 형성된 크롬(III) 산화물 층에 해당하는 표면 층(805)을 갖는다. 일 예로서, 크롬(III) 질산염에 대한 열분해 반응은 다음과 같다:

실시예 3: 반응성 담금질의 평가

6111 시리즈 알루미늄 합금의 변이 샘플이 반응성 담금질을 위해 제조되었다. 초기에, 알루미늄 합금을 주조하고 시트로 압연하였다. 냉간 압연 후, 시트는 약 2 mm의 게이지를 가졌다. 반응성 담금질을 위한 제조에서 샘플을 헥산으로 처리하여 탈지하였다. 하나의 샘플은 제조 그대로의 탈지 밀 마무리 조건에서 유지되었고 가열 및 담금질을 거치지 않았다. 다른 샘플은 반응성 담금질 공정을 거쳤으며, 이 공정에서 알루미늄 합금 제품의 샘플은 약 300℃로 유지되는 용해로 내에 샘플을 배치하여 약 7분에 걸쳐 주위 온도로부터 약 300℃까지 초기에 가열되었다.

약 300℃의 온도에서, 샘플은 상이한 용액에 노출로 담금질을 거쳤다. 대조군으로서, 하나의 샘플은 약 65℃의 온도에서 약 5초 동안 탈이온수(DI)에 노출로 담금질되었다. 다른 샘플은 반응성 용질을 포함한 다양한 용액에 노출로 담금질되었다. 예를 들어, 탈이온수 내 약 1 부피%의 티타늄/지르코늄염을 포함하는 용액에 약 5초 동안 노출시켜 두 샘플을 담금질하였고; 용액 중 하나는 약 65℃이었고, 다른 하나는 약 주위 온도이었다. 탈이온수 내 약 3 부피%의 황산(H₂SO₄) 용액 또는 탈이온수 내 약 3 부피%의 인산(H₃PO₄) 용액에 약 5초 노출시켜 약산성 조건을 사용하여 두 샘플을 담금질하였고, 양자는 약 65℃에서 약산성 용액이다. 약 65℃에서 용액으로 약 3 부피%의 수산화칼륨(KOH) 용액에 약 5초 노출시켜 약염기성 조건을 사용하여 두 샘플을 담금질하였고; 담금질 후에 수산화칼륨 용액에 노출된 샘플 중 하나를 주위 온도 탈이온수로 세척하고 탈이온수 내 약 20 g/L 질산(HNO₃) 용액에 약 5초 동안 노출시켜 디스멋하였다. 약 200 ℃/s와 약 400 ℃/s 사이의 초기 담금질 속도가 모든 담금질된 샘플에 대해 관찰되었다. 그 후, 모든 담금질된 샘플을 추가 평가를 위해 상온 탈이온수로 세척하였다.

샘플에 대한 정성 정보를 제공하기 위해 샘플의 전자 현미경 사진 이미지를 수득하였다. 도 9a는 65℃ 탈이온수를 사용하여 담금질된 샘플의 전자 현미경 사진 이미지를 제공하고, 이는 압연 라인이 보이는 비교적 깨끗한 표면을 나타내며 밀 마감 샘플(미도시)과 필적할만 한다. 도 9b는 65℃ Ti/Zr 용액을 사용하여 담금질된 샘플의 전자 현미경 사진 이미지를 제공하고, 도 9c는 주위 온도 Ti/Zr 용액을 사용하여 담금질된 샘플의 전자 현미경 사진 이미지를 제공하고, 이는 압연 라인이 보이는 비교적 깨끗한 표면을 다시 나타내고 있다. 도 9d는 65℃ 황산 용액을 사용하여 담금질된 샘플의 전자 현미경 사진 이미지를 제공하고, 이는 물 담금질된 샘플과 비교할 때 압연 라인의 약간의 분해가 뚜렷하게 나타나며, 표면의 에칭을 반영한다. 도 9e는 65℃ 인산 용액을 사용하여 담금질된 샘플의 전자 현미경 사진 이미지를 제공하고, 이는 표면의 더 강한 에칭을 뚜렷하게 나타내고 있다. 도 9f는 65℃ 수산화칼륨 용액을 사용하여 담금질된 샘플의 전자 현미경 사진 이미지를 제공하고, 도 9g는 65℃ 수산화칼륨 용액을 사용하여 담금질된 후에 세척 및 디스멋된 샘플의 전자 현미경 사진 이미지를 제공한다. 수산화칼륨 담금질된 샘플은 시험된 모든 샘플 중에서 가장 강하게 에칭된 표면을 갖는 것으로 보인다.

반응성 담금질의 효과를 더 판단하기 위해, 샘플을 또한 표면 x선 광전자 분광법에 적용해서 샘플의 표면에서 일어나는 조성 변화를 조사하였다. 전체 결과는 표 1에 제공되어 있다. 반응성 담금질에 의한 에칭의 효과를 평가하기 위해, 탄소(예를 들어, 샘플 표면의 표면 미세 구조 상에 또는 그 내에 존재하는 잔류 압연 오일 또는 헥산에 상응함) 및 마그네슘에 대해 140 nm 깊이까지의 통합 XPS 신호를 수득했다. 대조군 샘플(DI 물 담금질)에 대한 통합 탄소 XPS 신호는 336의 값을 갖는 반면, 통합 마그네슘 XPS 신호는 대조군 샘플에 대해 42이었다. 인산 및 황산 담금질된 샘플은 각각 25 및 61의 통합 탄소 XPS 신호 및 각각 9 및 23의 통합 마그네슘 XPS 신호를 가졌다. 수산화칼륨 담금질된 샘플은 44의 통합 탄소 XPS 신호 및 46의 통합 마그네슘 XPS 신호를 가졌으나, 수산화칼륨 담금질 후 디스멋된 샘플은 25의 통합 탄소 XPS 신호 및 23의 통합 마그네슘 XPS 신호를 가졌고, 이는 수산화칼륨 담금질이 표면으로부터 탄소를 제거할 수 있었지만, 디스멋 후에도 마그네슘을 제거하는 데 그다지 효과적이지 않음을 나타낸다. 현미경 사진 이미지와 조합된 이러한 결과는 산성 및 염기성 반응성 담금질 용액이 알루미늄 합금 제품의 표면을 에칭하는 데 유용하다는 것을 보여준다.

반응성 담금질에 의한 전처리(예를 들어, 증착)의 효과를 평가하기 위해, 지르코늄에 대해 140 nm 깊이까지의 통합 XPS 신호를 수득했다. 대조군 샘플(DI 물 담금질), 수산화칼륨 담금질된 샘플, 황산 담금질된 샘플, 및 인산 담금질된 샘플 모두에 대한 통합 지르코늄 XPS 신호는 Ti/Zr 담금질된 샘플에 대해 결정된 것보다 적은 통합 지르코늄 XPS 신호를 가졌다. Ti/Zr 담금질된 샘플은 각각 65℃ 및 주위 온도 용액에 대해 30 및 10의 통합 지르코늄 XPS 신호를 가졌다. 다른 샘플에 대한 통합 지르코늄 XPS 신호의 범위는 0 내지 7이었다. 이러한 결과는 반응성 담금질이 알루미늄 합금 제품의 표면 상에 재료를 증착(즉, 전처리)하는 데 유용함을 보여준다.

예시

이하에서 사용된 바와 같이, 일련의 예시에 대한 임의의 언급은 그러한 예의 각각을 분리하여 언급하는 것으로 이해되어야 한다(예를 들어, "예시 1 내지 예시 4"는 "예시 1, 예시 2, 예시 3, 또는 예시 4"로서 이해되어야 함).

예시 1은 금속을 처리하는 방법으로서, 금속을 제1 온도로 가열하는 단계; 및 금속을 용액에 노출시키는 단계를 포함하고, 금속을 용액에 노출시키는 단계에서는 약 100 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s(예를 들어, 약 300 ℃/s와 약 2000 ℃/s 사이)의 냉각 속도로 금속을 냉각시키고, 금속을 용액에 노출시키는 단계에서는 금속의 표면을 개질시키는 화학 반응을 개시한다.

예시 2는 금속을 처리하는 방법으로서, 금속을 제1 온도로 가열하는 단계; 및 금속을 반응성 용질을 포함하는 용액에 노출시키는 단계를 포함하고, 금속을 용액에 노출시키는 단계에서는 약 100 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s(예를 들어, 약 300 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s)의 냉각 속도로 금속을 냉각시키고, 금속을 용액에 노출시키는 단계에서는 금속의 표면의 개질을, 선택적으로 금속의 표면을 개질시키는 반응성 용질을 수반하는 화학 반응을 개시한다.

예시 3은 금속을 처리하는 방법으로서, 금속을 제1 온도로 가열하는 단계; 및 금속을 반응성 용질을 포함하는 용액에 노출시켜 금속을 냉각하면서 금속의 표면을 개질하는 단계를 포함하고, 금속을 용액에 노출시키는 단계에서는 약 100 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s의 냉각 속도로 금속을 냉각시키고; 금속의 표면의 제어된 개질을, 선택적으로 금속의 표면의 제어된 개질을 수행하도록 반응성 용질을 수반하는 화학 반응을 개시한다.

예시 4는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액 내 용질 또는 염 농도, 용액의 유량, 용액의 압력, 노출 동안 사용된 용액 분무 각도나 기하학적 구조, 용액 온도, 금속을 용액에 노출되는 지속 시간, 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상과 같은 공정 파라미터를 선택 및 설정하여 냉각 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다.

예시 5는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액 내 반응성 용질의 농도, 노출 동안 금속의 온도, 용액의 온도, 금속을 용액에 노출시키는 지속 시간, 노출 동안 용액의 유량, 용액의 압력, 노출 동안 사용된 용액 분무 각도나 기하학적 구조, 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상과 같은 공정 파라미터를 선택 및 설정하여 화학 반응의 반응 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다.

예시 6은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 반응성 용질은 물이 아니거나 또는 물 이외의 것이다.

예시 7은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 물은 반응물로서 화학 반응에 참여하지 않는다.

예시 8은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 반응성 용질은 수산화물염 또는 수산화물 이온이 아니거나 또는 수산화물염 또는 수산화물 이온 이외의 것이다.

예시 9는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 수산화물은 반응물로서 화학 반응에 참여하지 않는다.

예시 10은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 상기 용액은 물 및 하나 이상의 염을 포함한다.

예시 11은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 하나 이상의 염은 반응성 용질을 포함한다.

예시 12는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 하나 이상의 염은 반응성 용질 및 하나 이상의 비반응성 또는 실질적으로 비반응성 염을 포함한다.

예시 13은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 하나 이상의 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염, 암모늄염, 황산염, 질산염, 붕산염, 인산염, 아세트산염, 또는 탄산염을 포함한다.

예시 14는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 약 5 중량% 염과 약 30 중량% 염 사이의 염 농도를 포함한다.

예시 15는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 포화 또는 과포화 염 용액을 포함한다.

예시 16은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 할라이드 이온이 없거나 이를 포함하지 않고, 또는 용액 내 할로겐 이온의 농도는 0 중량%와 0.001 중량% 사이이다.

예시 17은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 알칼리성 수용액을 포함한다.

예시 18은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아, 또는 암모늄 이온 중 하나 이상을 포함한다.

예시 19는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 반응성 용질은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아, 또는 암모늄 이온 중 하나 이상을 포함한다.

예시 20은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 산성 수용액을 포함한다.

예시 21은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 황산, 질산, 인산, 붕산, 또는 유기산 중 하나 이상을 포함한다.

예시 22는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 반응성 용질은 황산, 질산, 인산, 붕산, 또는 유기산 중 하나 이상을 포함한다.

예시 23은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 유기산은 술폰산 또는 카르복실산이다.

예시 24는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 열분해성 염을 포함한다.

예시 25는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 반응성 용질은 열분해성 염을 포함한다.

예시 26은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 하나 이상의 질산염, 아질산염, 탄산염, 탄산 수소염, 인산염, 인산 수소염, 인산 이수소염, 또는 과망간산염을 포함한다.

예시 27은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 반응성 용질은 하나 이상의 질산염, 아질산염, 탄산염, 탄산 수소염, 인산염, 인산 수소염, 인산 이수소염, 또는 과망간산염을 포함한다.

예시 28은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 하나 이상의 크롬염, 구리염, 은염, 또는 세륨염을 포함한다.

예시 29는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 반응성 용질은 하나 이상의 크롬염, 구리염, 은염, 또는 세륨염을 포함한다.

예시 30은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 하나 이상의 중합체, 중합체 전구체, 또는 열경화성 중합체를 포함한다.

예시 31은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 반응성 용질은 하나 이상의 중합체, 중합체 전구체, 또는 열경화성 중합체를 포함한다.

예시 32는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 하나 이상의 가스를 포함하고, 반응성 용질은 반응성 가스를 포함한다.

예시 33은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 0℃와 50℃ 사이의 온도를 갖는다.

예시 34는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 용액은 불용성 입자를 포함한다.

예시 35는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 용액에 노출시키면 표면의 외부 층을 압축하여 압축된 표면을 형성한다.

예시 36은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 불용성 입자에 노출시키면 표면의 외부 층을 압축하여 압축된 표면을 형성한다.

예시 37은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 용액에 노출시키면 표면으로부터 재료를 침식하여 침식된 표면을 형성한다.

예시 38은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 불용성 입자에 노출시키면 표면으로부터 재료를 침식하여 침식된 표면을 형성한다.

예시 39는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 화학 반응은 상기 금속의 표면으로부터 재료를 제거한다.

예시 40은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 화학 반응은 금속의 표면의 세정, 에칭, 또는 융제에 해당한다.

예시 41은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 화학 반응은 금속의 표면 상에 재료를 증착시킨다.

예시 42는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 화학 반응은 금속의 표면 상에 코팅을 형성하는 반응에 해당한다.

예시 43은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 화학 반응은 산 에칭 반응, 알칼리 에칭 반응, 열분해 반응, 중합 반응, 산화 반응, 또는 표면 융제에 해당한다.

예시 44는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 화학 반응은 금속의 표면의 산화물 층의 산 분해 또는 금속의 표면의 산화물 층의 알칼리 분해에 해당한다.

예시 45는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 화학 반응은 금속 표면 층을 노출시키기 위해 금속의 표면의 산화물 층을 제거 또는 개질시키는 반응을 포함하고, 화학 반응은 금속 표면 층을 개질시키는 반응을 더 포함한다.

예시 46은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 용액에 노출시키는 단계는 용액에 금속을 침지시키거나, 금속의 표면에 용액을 분무하거나, 또는 금속의 표면을 용액의 스트림에 노출시키는 단계를 포함한다.

예시 47은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 용액에 노출시키는 단계는 금속을 복수의 상이한 용액에 노출시키는 단계를 포함한다.

예시 48은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 용액에 노출시키는 단계는 금속을 일련의 점점 더 낮은 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다.

예시 49는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 용액에 노출시키는 단계는 최대 냉각 속도로부터 시작하여 최소 냉각 속도로 끝나는 감소하는 냉각 속도로 금속을 냉각시키는 단계를 포함한다.

예시 50은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 용액에 노출시키는 단계는 금속을 제2 온도로 냉각시키는 단계를 포함하고, 그 방법은 금속을 제2 용액에 노출시키는 단계를 더 포함하며, 금속을 제2 용액에 노출시키는 단계에서는 제2 온도로부터 금속을 냉각시키고 금속의 표면을 추가로 개질시키는 제2 화학 반응을 개시한다.

예시 51은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 제2 용액에 노출시키는 단계에서는 금속을 50 ℃/s와 500 ℃/s 사이의 제2 냉각 속도로 냉각시킨다.

예시 52는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 용액에 노출시키는 단계에서는 금속을 25℃와 500℃ 사이의 제2 온도로 냉각시킨다.

예시 53은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 제1 온도는 금속의 용융 온도보다 낮다.

예시 54는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 제1 온도는 금속의 용융 온도 이상이다.

예시 55는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 제1 온도는 용체화 열처리 온도에 해당하거나 또는 금속을 가열하는 단계는 금속의 용체화 열처리에 해당한다.

예시 56은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로, 금속을 냉각시키는 단계는 금속을 포함하는 고용체 내에서 합금 원소 농도를 고정하는 단계를 포함한다.

예시 57은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 가열 전에 금속을 포함하는 고용체 내 합금 원소 농도는 반응성 용질을 포함하는 용액에 금속을 노출시킨 후 금속을 포함하는 고용체 내 합금 원소 농도보다 작다.

예시 58은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속은 합금 원소 분포를 가지며, 가열 전 합금 원소 분포는 반응성 용질을 포함하는 용액에 금속을 노출시킨 후의 합금 원소 분포보다 덜 균질하다.

예시 59는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 제1 온도는 500℃와 1500℃ 사이이다.

예시 60은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 일정 기간 동안 제1 온도에서 금속을 유지시킴으로써 금속을 열처리하는 단계를 더 포함한다.

예시 61은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속은 알루미늄이나 알루미늄 합금, 마그네슘이나 마그네슘 합금, 또는 강철을 포함한다.

예시 62는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속은 균질 합금, 모놀리식 합금, 금속 합금 고용체, 이종 합금, 금속 간 합금, 또는 클래딩된 합금을 포함한다.

예시 63은 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속은 구리, 망간, 마그네슘, 아연, 규소, 철, 크롬, 주석, 지르코늄, 리튬, 및 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다.

예시 64는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 금속을 용액에 노출시킨 후 금속의 표면을 물로 세척하는 단계를 더 포함한다.

예시 65는 임의의 이전 또는 후속 예시의 방법으로서, 표면의 양극 산화, 표면의 분말 코팅, 또는 표면 상의 도장이나 인쇄를 더 포함한다.

예시 66은 제1 온도로 가열되고 약 100 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s(예를 들어, 약 300 ℃/s와 약 2000 ℃/s 사이)의 냉각 속도로 금속을 냉각시키고 금속의 표면을 개질시키는 화학 반응을 개시하는 용액에 노출된 금속을 포함하는 처리된 금속이다.

예시 67은 제1 온도로 가열되고 반응성 용질을 포함하는 용액에 노출된 금속을 포함하는 처리된 금속으로서, 용액은 약 100 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s(예를 들어, 약 300 ℃/s 내지 약 2000 ℃/s)의 냉각 속도로 금속을 냉각시키며 반응성 용질을 수반하는 화학 반응을 개시하고, 화학 반응은 금속의 표면을 개질시킨다.

예시 68은 제1 온도로 가열되고 금속을 반응성 용질을 포함하는 용액에 노출시킴으로써 냉각하면서 제어된 표면 개질을 거친 금속을 포함하는 처리된 금속으로서, 금속을 용액에 노출시키는 것에서는 약 100 ℃/s 내지 약 10000 ℃/s의 냉각 속도로 금속을 냉각시키고; 금속의 표면의 제어된 개질을 수행하도록 반응성 용질을 수반하는 화학 반응을 개시한다.

예시 69는 임의의 이전 또는 후속 예시의 처리된 금속으로서, 금속의 표면을 개질시키는 화학 반응은 세정 반응, 에칭 반응, 융제 반응, 코팅 반응, 또는 증착 반응에 해당한다.

예시 70은 임의의 이전 또는 후속 예시의 처리된 금속으로서, 금속의 표면은 화학 반응 동안 세정, 에칭, 융제, 코팅, 또는 증착된다.

예시 71은 임의의 이전 예시의 방법 중 하나에 의해 형성되는 처리된 금속이다.

위에서 인용된 모든 특허, 공개, 및 초록은 그 전체가 본원에 참고로서 원용된다. 도시된 구현예를 비롯하여 구현예에 대한 위의 설명은 예시 및 설명의 목적으로만 주어진 것이며 포괄적이거나 또는 개시된 정확한 형태를 제한하지는 않는다. 이에 대한 많은 수정, 변경, 및 사용이 당업자에게는 자명할 것이다.

Claims

금속을 처리하는 방법으로서,
금속을 제1 온도로 가열하는 단계; 및
상기 금속을 반응성 용질을 포함하는 용액에 노출시키는 단계를 포함하되,
상기 금속은 알루미늄 합금이고,
상기 용액은 물을 포함하며,
상기 반응성 용질은 하나 이상의 크롬 염을 포함하고,
상기 제1 온도는 300 ℃ 이상이며,
상기 금속을 상기 용액에 노출시키는 단계에서는 300 ℃/s 내지 2000 ℃/s의 냉각 속도로 25 ℃ 내지 500 ℃의 온도까지 상기 금속을 냉각시키고, 상기 금속을 상기 용액에 노출시키는 단계에서는 상기 반응성 용질을 수반하는 화학 반응을 개시하고, 상기 화학 반응은 상기 금속의 표면을 개질시키는, 금속을 처리하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 용액은 하나 이상의 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염, 암모늄염, 황산염, 질산염, 붕산염, 인산염, 아세트산염, 또는 탄산염을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 용액은 5 중량% 염 내지 30 중량% 염의 염 농도를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 용액은 알칼리성 수용액을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 반응성 용질은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아, 또는 암모늄 이온 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 용액은 산성 수용액을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 반응성 용질은 황산, 질산, 인산, 붕산, 또는 유기산 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 반응성 용질은 열분해성 염을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 반응성 용질은 하나 이상의 질산염, 아질산염, 탄산염, 탄산 수소염, 인산염, 인산 수소염, 인산 이수소염, 또는 과망간산염을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 반응성 용질은 하나 이상의 구리염, 은염, 또는 세륨염을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 화학 반응은 상기 금속의 표면으로부터 재료를 제거하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 화학 반응은 상기 금속의 표면의 세정, 에칭, 또는 융제에 해당하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 화학 반응은 상기 금속의 표면 상에 재료를 증착시키거나 상기 금속의 표면 상에 코팅을 형성하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 화학 반응은 산 에칭 반응, 알칼리 에칭 반응, 열분해 반응, 중합 반응, 산화 반응, 또는 표면 융제에 해당하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속을 상기 용액에 노출시키는 단계는 상기 금속을 복수의 상이한 용액에 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
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