KR20120085336A - 내크리프성의 내화성 금속 구조 제조방법 - Google Patents

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Abstract

금속 구조 제조방법은 제1 주요면과 제2 주요면을 갖는 금속 시트를 구비한 금속 구조 제조방법으로서, (i) 금속 시트에 응력을 전달하기 위하여 금속 시트의 어닐링 온도보다 낮은 온도에서 금속 시트의 제1 주요면의 일부에 선택적으로 입자-분사하는 단계; 및 (ii) 변형된 금속 시트가 원하는 방향에서 더 높은 강도를 나타내도록 상기 금속 시트를 변형시키기 위하여 금속 시트를 T(어닐)-400℃보다 낮지 않은 온도에서 열처리하는 단계를 포함하며, 상기 T(어닐)는 금속의 어닐링점이다. 본 발명은 특히 유리 용해, 컨디셔닝, 전달 및 성형 작용을 위한 백금 금속 구조 제조에 유리하다.

Description

내크리프성의 내화성 금속 구조 제조방법{METHOD FOR MAKING CREEP RESISTANT REFRACTORY METAL STRUCTURES}
본 출원은 2009년 11월 25일 출원된 미국 가출원 제61/264461호에 대하여 우선권을 주장한다.
본 발명은 고온에서 강도를 증가시키는 내화성 금속의 기계적 처치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고온에서 기계강도를 증가시키는 귀금속 시트 재료와 같은 내화성 금속 시트 재료의 표면 기계적 처지에 관한 것이다. 본 발명은 예를 들어, 용융금속 용해, 컨디셔닝, 전달 및 장치 성형과 같이 고온에 사용되는 내화성 금속 구조를 제작하는데 유용하다.
백금 및 백금-로듐과 같은 귀금속 합금들은 고품질 용해, 컨디셔닝, 전달 및 시스템 성형을 위한 "유리 접촉" 재질로 오랫동안 사용되어 왔다. 이러한 그리고 다른 귀금속들은 유리 시스템에서의 그들 강도 뿐 아니라 가스 및 고체 함유물과 같은 결함이 있는 용융유리의 오염에 대해 그것의 비교적 높은 불활성 작용때문에 사용되고 있다. 이러한 불활성 작용 및 강도는 가격면에서 높은 비용의 귀금속을 초래한다. 비싼 귀금속 때문에, 주어진 유리 용해 시스템에서 귀금속의 전체양을 줄이기 위한 장려책이 항상 있어왔다. 시스템에서 금속양을 줄이기 위한 가장 쉬운 방법은 금속을 얇게 하는 것이다. 유리 접촉결함 생성의 관점으로부터, 이것은 이슈가 아니다. 금속 강도 관점으로부터, 이것은 중요한 이슈를 나타낼 수 있다. 자기 기기의 구조들에 있어서, 금속 응력은 그 두께에 반비례한다. 예를 들어, 금속 두께를 50%까지 줄이면 금속 응력이 2배로 될 것이다. 귀금속의 응력상태에 따라, 새그 또는 크리프(creep)율이 제1 내지 제5 파워로 상승된 응력에 비례하기 때문에 구조적 완전함에 대한 증가된 응력의 충격과 얇아진 구조의 새그(sag)는 합져진다. 만약 시스템이, 상기 크리프율이 제5 파워에 따른 응력에 비례하는 상태에서 작동하면, 응력이 두 배가 되는 것은 금속두께가 50%로 감소함에 따라 크리프율이 32배 더 높아지게 한다.
얇은 구조의 새그 또는 크리프의 문제점은 수많은 산업분야에서 상당히 일반적인 이슈이며, 유리 산업에 한정된 것이 아니다. 이러한 이슈는 구조면을 단순히 두껍게 하는 것 이외에 수많은 방법으로 언급되어 왔다. 가장 일반적인 방법은 물결 형성 또는 이랑 형성이다. 이것은 일반적으로 커피캔과 같은 금속캔에서 볼 수 있으며, 캔을 단단하게 하기 위해 그 둘레 주위에 이랑을 가진다. 또한 이랑을 형성하는 다른 더 특이한 구조들이 있으나 다차원적인 방법이다. 이러한 복잡한 구조들은 금속 두께의 증가없이 구조의 불활성 모멘트를 증가시킨다. 그러나, 구조들에 이랑을 적용하는 것은 금속에 이랑 성형을 허용하는 특성화된 금속 성형장치를 필요로 한다.
그러므로, 특히 고온에서 작동하는 내크리프성 금속 구조를 성형하기 위한 간단하고, 효과적인 방법의 필요성이 존재하며, 그러한 금속 구조는 유리용해, 컨디셔닝, 전달 및 성형 시스템에 사용된다.
본 발명은 이러한 그리고 다른 요구사항들을 만족시킨다.
본 발명의 몇몇 측면들이 여기에 개시된다. 이러한 측면들은 서로 중복되거나 중복되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 한 측면의 일부는 또다른 측면의 범위 내에 있으며, 반대로도 이루어진다. 이 문맥에서 반대로 나타내지 않으면, 서로 다른 측면들은 범위 내에서 서로 중복되는 것으로 이해되어야 한다.
각각의 측면은 다수의 실시예들로 나타나며, 차례로, 하나 또는 그 이상의 특정 실시예를 포함할 수 있다. 실시예들은 서로 중복되거나 중복되지 않는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 일 실시예의 부분 또는 특정 실시예들은 또다른 실시예 또는 특정 실시예들의 영역 내에 있거나 있지 않으며 반대로도 이루어진다. 이 문맥에서 반대로 나타나지 않으면, 서로 다른 실시예들은 범위 내에서 서로 중복되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 제1 주요면과 제2 주요면을 갖는 금속 시트를 구비한 금속 구조 제조방법으로서,
(i) 금속 시트에 응력을 전달하기 위하여 금속 시트의 어닐링 온도보다 낮은 온도에서 금속 시트의 제1 주요면의 일부에 선택적으로 입자-분사하는 단계; 및
(ii) 단계 (i)이 수행되기 전에 변형된 금속 시트가 원하는 방향에서 더 높은 강도를 나타내도록 상기 금속 시트를 변형시키기 위하여 금속 시트를 T(어닐)-400℃보다 낮지 않은 온도에서 열처리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (ii)에서, 금속 시트는 T(어닐)-300℃보다 낮지 않은 온도에서 열처리하며, 특정 실시예에서는 T(어닐)-200℃보다 낮지 않고, 특정 실시예에서는 T(어닐)-100℃보다 낮지 않으며, 특정 실시예에서는 T(어닐)-50℃보다 낮지 않으며, 특정 실시예에서는 T(어닐)보다 낮지 않으며, 특정 다른 실시예에서는 T(어닐)+100℃보다 낮지 않으며, 특정 다른 실시예에서는 T(어닐)+200℃보다 낮지 않으며, 특정 다른 실시예에서는 T(어닐)+300℃보다 낮지 않으며, 특정 다른 실시예에서는 T(어닐)+400℃보다 낮지 않다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 상기 단계 (i)의 마지막에, 제1 주요면의 입자-분사 부분은 서로 교차하지 않는 제1 배열의 밴드를 구비한다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 상기 단계 (i)의 마지막에, 제1 주요면의 입자-분사 부분은 서로 교차하지 않는 제2 배열의 밴드를 구비하며, 상기 제2 배열의 밴드는 제1 배열의 밴드와 교차하여 웹 패턴을 형성한다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 상기 금속 구조는 상기 금속 시트의 어닐링 온도보다 높은 온도에서 작동한다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (i)에서, 상기 금속 시트의 제1 주요면과 제2 주요면 모두에 완전한 패턴의 입자-분사 영역들을 형성하도록 입자-분사된다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 상기 금속 구조는 금속 시트를 구비한 튜브를 포함한다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 상기 금속 시트는 내화성 금속을 포함한다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 상기 금속 시트는 백금을 포함한다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 상기 금속 구조는 용융 유리 핸들링 시스템의 구성이다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (i)에서, 금속 시트는 입자-분사 전에 상기 구조로 형성된다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (i)에서, 금속 시트의 적어도 일부는 상기 구조로 형성되기 전에 입자-분사된다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (ii) 이후, 금속 시트는 금속의 어닐링 온도 이하의 온도로 냉각된다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (i)는,
(i-1) 금속 시트의 제1 주요면의 전체면에 입자-분사하는 단계;
(i-2) 단계 (i-1)에서 입자-분사된 제1 주요면의 일부에 더 선택적 입자-분사하는 단계; 및 계속해서
(i-3) 무기질 코팅을 상기 금속 시트의 제1 주요면의 적어도 일부에 걸쳐 적용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (i-3)에서, 상기 무기질 코팅은 ZrO2,Al2O3,CaO,MgO 및 TiO2 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (i-3)에서, 상기 무기질 코팅은 플라즈마 스프레이 코팅, 스퍼터링 및 화학적 기상증착으로부터 선택된 방법을 사용하여 적용된다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 상기 금속 시트는 최대 2000im의 두께를 가지며, 특정 다른 실시예에서 최대 1500im, 특정 다른 실시예에서는 최대 1200im, 특정 다른 실시예에서는 최대 1000im, 특정 실시예에서는 최대 800im, 특정 실시예에서는 최대 500im, 특정 다른 실시예에서는 최대 300im의 두께를 갖는다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (i)에서, 입자-분사는 최대 500im의 깊이를 갖는 분사된 표면에 찌그러짐을 야기하며, 특정 실시예에서는 최대 300im이고, 특정 실시예에서는 최대 200im이며, 특정 다른 실시예에서는 최대 100im이다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 금속 시트는 조인트로 함께 결합된 다수의 세그먼트들을 구비하며, 단계 (i)에서 조인트의 적어도 일부는 입자-분사된다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (i)에서, 입자-분사는 상기 조인트를 강화시키는 금속 시트에 응력을 발생시킨다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (i)에서, 입자-분사는 단계 (ii)의 마지막에 조인트를 강화시키는 변형을 야기하는 응력을 발생시킨다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (ii)의 마지막에, 금속 시트의 표면은 200im 내지 500im의 버클을 보이면서 변형되며, 특정 실시예에서는 200im 내지 450im이며, 특정 실시예에서는 250im 내지 450im이며, 특정 실시예에서는 300im 내지 450im이고, 특정 실시예에서는 300im 내지 400im이다.
본 발명의 제1 측면의 특정 실시예에서, 단계 (ii)의 마지막에, 단계 (i)에 전달된 응력이 크게 경감된다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들은 하나 또는 그 이상의 다음의 이점들을 가진다. 첫번째로, 기계적으로 강화된 금속 구조는 금속 시트를 변형하기 위한 특별장치가 필요없이 비교적 낮은 비용으로 상기 방법을 사용함으로써 제조될 수 있다. 두번째로, 용접점을 가지는 금속가공품에 사용될 때 상기 방법은 용접점을 강화시킬 수 있고 그러므로 전체 구조를 강화시킬 수 있다. 세번째로, 상기 방법을 사용함으로써 금속 구조에 대한 유도된 굴곡과 변형은 응력 릴리프 온도 이상, 심지어 높은 동작 온도에서 일정한 기계적으로 강한 금속 구조를 제공하는 금속의 어닐링 온도 이상의 온도에서 응력 완화 이후 일정함을 유지한다. 네번째로, 본 발명의 방법은 특히 원하는 방향으로 주어진 내새그성을 선택적으로 증가시키는데 사용될 수 있다. 다섯번째로, 본 발명의 방법은 유연성이 있는 얇은 금속 시트로 이루어진 복잡한 금속 구조에 사용될 수 있다. 추가적으로, 복잡한 표면 패턴이 최종 구조에 대한 원하는 뒤틀림과 보강을 발생시키도록 비교적 쉽게 생성될 수 있다. 금속 구조는 원하는 방향으로 내새그성 또는 내크리프성을 증가시키기 위하여 전체 구조형성 이후 또는 전체 구조형성 전에 본 발명의 방법을 사용하여 강화될 수 있다. 여섯번째로, 백금 및 백금 함유 합금과 같은 귀금속으로 이루어진 금속 구조를 제조하기 위해 사용될 때 본 발명은 실질적으로 동일한 기계성능을 갖는 금속 구조를 제조하도록 더 작은양의 금속을 사용함으로써 상당한 비용감소를 이룰 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징과 이점은 상세한 설명으로부터 우선 설명되며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 알 수 있거나 본 발명의 실시예를 실시함으로써 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이며, 도면 뿐 아니라 청구항의 상세한 설명을 포함한다.
상기의 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 다양한 실시예들을 설명하는 것으로 이해되고 청구된 주요 사항의 본질 및 특징을 이해시키기 위해 개관 또는 뼈대를 제공하기 위한 것이다.
첨부되는 도면들은 다양한 실시예의 이해를 더 제공하기 위해 포함되며 본 명세서의 일부에 병합된다.
도 1은 본 발명의 방법 실시예를 이용하여, 평평하고, 입자-분사되지 않은 금속 시트로부터 형성된 입자-분사된 얇은 백금-로듐 시트의 개략 상면도이다.
도 2는 도 1에 나타난 동일하게 입자-분사된 백금-로듐 시트의 끝부의 사시도이며 입자-분사에 의해 발생된 뒤틀림을 보여준다.
도 3은 본 발명의 방법의 다른 실시예를 이용하여, 평평한 비입자-분사 금속 시트로부터 형성된 얇은 금속 시트의 개략 상면도이다.
도 4는 본 발명의 방법에 따라 준비된 일련의 금속 시트의 면외 굴곡(선택적인 입자-분사 및 후열처리에 의한 금속 시트의 변형)의 함수로서 새그(수평면으로부터 편차)와의 사이의 관계를 나타낸 다이어그램이다.
다르게 표시되지 않으면, 명세서와 청구항에 사용된 특정 물리특성에 대한 성분의 그러한 표현 중량 비율, 치수, 및 수치와 같은 모든 숫자들은 "약"이란 용어에 의해 모든 예시에서 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 명세서와 청구항에 사용된 정확한 수치는 본 발명의 추가적인 예시들을 형성하는 것으로 이해해야 한다. 실시예들에 나타난 숫자값들의 정확성을 보장하기 위해 노력하였다. 그러나, 임의의 측정된 수치는 개별적인 측정기술에서 나타난 표준편차로부터 기인된 특정 오류값을 본질적으로 포함할 수 있다.
여기에 나타난 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명과 청구항에서, 부정 관사 "하나(a)" 또는 "한(an)"의 사용은 "적어도 하나"를 의미하며, 명시적으로 반대로 나타내지 않으면 "단지 하나"로 한정되지 않는다.
본 발명에서 청구항과 상세한 설명을 포함하는 발명의 편의성을 위하여, 백금이란 용어는 단지 순수 백금만은 아니며 백금-로듐 합금과 같은 백금포함 합금을 포함하는 것으로 이해되야 한다.
여기에 나타난 바와 같이, 금속 재료의 응력완화 온도(T(스트론튬))는 T(어닐)-400℃로 정의되며, 상기 T(어닐)은 금속재료의 어닐링 온도이다.
본 발명의 방법은 금속 시트를 구성하는 모든 금속 구조를 만드는데 사용될 수 있다. 금속 구조는 금속의 T(스트론툼)보다 낮지 않으며, 심지어 T(어닐)보다 낮지 않게 상승된 작동온도에 이롭게 사용된다. 예를 들어, 금속 구조는 T(스트론튬)+100℃보다 낮지 않거나, T(스트론툼)+200℃보다 낮지 않거나, 또는 T(스트론튬)+300℃보다 낮지 않거나, T(스트론툼)+400℃보다 낮지 않거나, 또는 T(스트론튬)+500℃보다 낮지 않거나, T(스트론튬)+600℃보다 낮지 않거나, T(스트론튬)+700℃보다 낮지 않거나, 또는 T(스트론튬)+800℃보다 낮지 않은 온도에서 사용될 수 있다. 그러나, 금속 구조는 T(스트론튬) 또는 T(어닐)보다 낮은 온도에서 작동한다. 본 발명의 방법 중 특히 흥미로운 적용은 용해, 컨디셔닝, 전달 및 유리성형을 포함하는 유리조각을 제조하기 위하여 금속 구조, 특히 귀금속 구조를 제조하는 것이다. 적용에 따라, 금속재료는 백금, 백금-로듐 합금과 같은 백금 포함합금, 철, 니켈, 인코넬과 같은 니켈 함금, 알루미늄 및 합금, 동 및 합금, 티타늄 및 합금, 크롬 및 합금, 아연 및 합금 등 일 수 있다. 백금-로듐은 통상적으로 약 1000℃의 T(어닐), 약 600℃의 T(어닐)를 가진다. 추가적으로, 금속 시트는 동질성의 화학 구성품을 가질 필요는 없다. 특정 실시예에서, 금속 시트는 용접, 리베팅(riveting), 및 다른 물리적 및/또는 화학적 수단들에 의해 함께 결합되는 다수의 더 작은 시트를 포함하는 시트이다. 다른 실시예에서, 금속 시트는 서로 다른 화학 구성품들을 가지는 다수의 층들을 포함한다. 예를 들어, 금속 시트는 아연판 스틸 시트, 금판 동시트, 백금판 스틸시트 등 일 수 있다. 본 발명은 금속 시트에 대한 백금 함유 재질을 사용하는 유리제조 시스템의 문맥에서 더 나타날 것이다. 그러나, 당업자들은 본 발명이 다른 재질 및 금속 재료에 적용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 최대 2000im의 두께를 가지는 금속 시트를 사용하는 금속 구조를 제조하는데 특히 유리하며, 특정 실시예에서는 최대 1500im, 특정 다른 실시예에서는 최대 1200im, 특정 다른 실시예에서는 최대 1000im, 특정 다른 실시예에서는 최대 800im, 특정 다른 실시예에서는 최대 500im, 특정 다른 실시예에서는 최대 300im이다. 본 발명을 사용함으로써 얇은 금속 시트는 낮은 전체 두께를 가지는 방향으로 유연한 경향이 있다. 얇은 시트의 기계적 성능, 특히 내새그성 및 내크리프성에 대한 강화가 증대될 수 있으며, 특히 원하는 방향으로의 시트 전체 두께의 증가는 금속 시트의 원래 두께와 비교하여 현저하다.
특정 실시예에서, 본 발명의 방법은 적어도 10%의 주어진 원하는 방향으로 금속 시트의 두께 증가를 야기할 수 있으며, 특정 실시예에서는 적어도 20%, 특정 실시예에서는 적어도 30%, 특정 다른 실시예에서는 적어도 50%, 특정 다른 실시예에서는 적어도 80%, 특정 다른 실시예에서는 최대 100%이다. 두께 증가(IC%)의 비율은 IC%=((T2-T1)/T1)*100%로 계산되며, 여기서 T2는 단계 (ii)의 마지막에서 금속 시트의 전체 두께이며, T1은 단계 (i) 전에 금속 시트의 전체 두께이다. T2과 T1은 도 2에 나타난다. 명백하게, 전체 두께 증가 때문에, 시트의 끝부에 수직인 방향으로 금속 시트의 내크리프성은 증가한다.
본 발명의 방법의 특정 실시예에서, 단계 (ii)의 마지막에서, 금속 시트의 표면은 200im 내지 500im의 버클을 보이면서 변형되며, 특정 실시예에서는 200im 내지 450im이며, 특정 실시예에서는 250im 내지 450im이며, 특정 실시예에서는 300im 내지 450im이며, 특정 실시예에서는 300im 내지 400im이다. "버클"이 T2 와 T1(즉, T2 - T1) 사이의 차를 의미하여, T2와 T1의 의미는 상기에 나타나 있다.
일반적으로, 본 발명의 방법에서, 주어진 방향으로 금속 시트의 내새그성 또는 내크리프성을 증가시키기 위하여, 주어진 방향으로 수직인 평면의 금속 시트를 교차함으로써 얻어지는 금속 시트의 단면의 전체 두께를 증가시키는 것이 바람직하다. 따라서, 예를 들어, 주요면 중 하나에 서로 수직인 두 주요치수 x, y를 가지는 금속과 관련하여, 만약 더 높은 내크리프성이 x 방향으로 요구되면, 시트가 x방향으로 평행한 평면으로 교차될 때 z 방향으로 금속 시트의 단면의 전체두께가 증가되는 것이 바람직하다. 금속 시트의 주요면의 일부에 선택적으로 입자-분사함으로써, 본 발명의 방법은 원하는 방향으로 금속 시트의 전체 두께 증가로 이어지는 금속 시트로 원하는 변형을 만들수 있으며, 이로써 원하는 방향으로 강도를 증가할 수 있다.
본 발명의 방법의 특정 실시예에서, 단계 (i)의 마지막에, 금속 시트의 제1 주요면의 입자-분사 부분들은 불연속성의 스트라이프, 원, 사각형, 육각형 등과 같은 불연속성의 배열을 형성한다. 도 1은 입자-분사된 대안적인 스트라이프(103)를 생성하는 선택적 입자-분사된 백금 시트(101)의 제1 주요표면의 평면 xoy의 개략 상면도를 나타내며, 105의 대안의 스트라이프는 입자-분사되지 않는다. 모든 입자-분사 스트라이프 및 비입자-분사 스트라이프는 x축의 방향으로 뻗는다. 도 3은 비입자 분사된 영역(305)과 얽힌 다수의 육각형의 입자-분사 부분(303)을 생성하는 선택적 입자-분사된 금속 시트(301)의 주요면의 xoy 평면의 개략 상면도를 나타낸다.
입자-분사는 모래, 금속 비드, 플라스틱 비드 등과 같은 단단한 입자들의 흐름으로 표면에 충돌시키는 것을 포함한다. 입자-분사는 금속표면을 세정하고, 코팅을 위한 표면을 준비하고, 심미적 및/또는 기능적인 표면패턴 특성을 부여하기 위해 금속 처리에 사용되어 왔다. 금속표면에 충돌하는 개별적인 입자의 역학 에너지는 금속표면에 찌그러짐을 야기시키고, 이것은 금속표면이 압축응력을 받기 쉽게 한다. 금속 시트 표면의 압축 응력분포는 금속 시트의 변형을 일으킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 특정 실시예에서, 단계 (i)에서, 입자-분사는 최대 500im의 깊이를 가지는 분사된 표면에 찌그러짐을 야기시키며, 특정 실시예에서는 최대 300im이며, 특정 실시예는 최대 200im이며, 다른 특정 실시예는 최대 100im이다.
그러나, 통상적으로, 선택적인 입자 분사 후에, 금속 시트는 금속의 어닐링 온도 이하의 온도에 유지되며, 압축응력과 최종 강화된 기계 성능이 유지된다. 이는 금속이 T(어닐)보다 낮지 않게 상승된 온도에서, 즉 한정하진 않지만 T(스트론튬)+100℃ 보다 낮지 않은 온도, T(스트론튬)+200℃ 보다 낮지 않은 온도, T(스트론튬)+300℃ 보다 낮지 않은 온도, T(어닐)보다 낮지 않은 온도, T(스트론튬)+500℃ 보다 낮지 않은 온도, T(스트론튬)+600℃ 보다 낮지 않은 온도, T(스트론튬)+700℃ 보다 낮지 않은 온도, T(스트론튬)+800℃ 보다 낮지 않은 온도, 심지어 T(스트론튬)+900℃보다 낮지 않은 온도에서 충분한 시간 동안 어닐 및 릴렉스(relax)되도록 허용된다면, 기계적 성능 향상의 감소 및/또는 완전한 제거를 야기하는 표면 압축응력이 감소되거나 사라진다는 것을 보여주는 것이다.
본 발명은 부분적으로 강화된 기계적 성능, 특히 내새그성과 내크리프성이 있는 금속의 어닐링 온도 이상의 고온을 견디는 구조를 형성하기 위해 변형할 수 있도록 선택적으로 입자-분사된 금속 시트를 발명하는 것에 기초한다. 올바른 입자-분자 패턴을 선택함으로서, 심지어 금속 시트가 금속의 어닐링 온도보다 상당히 더 높은 온도로 가열되면 원하는 방향으로 내크리프성이 증가된다.
입자-분사 장치는 시장에서 널리 사용가능하다. 이러한 장치는 엔지니어가 주어진 금속 시트에 대한 변형 또는 변형없이 본 발명의 방법에 사용될 수 있다. 입자재료, 입자속도, 금속온도, 여러 위치에서의 입자 지체시간은 모두 변동가능하며, 각기 다른 깊이, 너비 및 길이를 갖는 표면형태를 형성하기 위해 금속 시트의 제1 주요면의 여러부분의 선택적인 입자-분사를 달성하기 위해 제어되고 조절될 수 있다. 적용 및 원하는 결과에 따라, 마이크로프로세서에 의해 제어된 수동 입자-분사기 또는 자동 입자-분사기가 사용된다.
원하는 입자-분사 패턴은 특히 패턴 마스크의 사용 및/또는 분사된 금속 시트의 표면과 관련한 입자-분사기의 제어된 움직임의 사용에 의해 형성될 수 있다. 플라스틱, 고무 또는 나무로 이루어진 간단한 마스크는 분사를 허용하여 입자가 지나가도록 하는데 사용됨으로써 단지 표면의 선택된 영역에 영향을 준다. 프로그램되거나 또는 프로그램가능한 입자-분사 장치는 마스크의 도움 또는 도움없이 원하는 패턴을 만들기 위하여 효과적으로 사용될 수 있다.
일반적으로, 선형 분사 영역 패턴은 표면에 이방성 응력분포로 이어지며, 이것은 주어진 방향에서 선택적 변형, 버클 및 보강을 야기한다. 예를 들어, 단계 (i)의 마지막에서, 도 1에 나타난 금속 시트에 대하여, y방향의 버클링은 유지될 수 있다. 단계 (ii)의 마지막에서, 변형은 도 2에 개략적으로 나타낸 시트의 끝부에 나타난다. 단계 (i)와 (ii)의 결과로 알 수 있는 바와 같이, 단계 (i)가 수행되기 전에 금속 시트가 필수적으로 평평한 것을 고려하면, z방향(즉, yoz 단면에서 최고-최저 간 거리)의 시트의 전체 두께가 증가된다. 그러므로, 시트의 주어진 방향에서 선택적인 버클링이 필요하다면, 교차하지 않은 많은 스트라이프를 구비하는 선형 분사패턴이 바람직하다.
반면에, 표면에 분사영역이 실질적으로 고르게 분포된다면, x와 y방향으로 모두 실질적으로 같은 패턴을 생성하고, 금속 시트는 x, y 두 방향에서 단계 (i)와 (ii)의 마지막에서 왜곡되고 변형될 것이며, 두 방향에서 시트의 보강으로 이어진다. 예를 들어, 도 3의 복잡한 패턴은 단계 (ii)의 마지막에서 x,y 두 방향으로 시트의 변형을 발생시킨다. 교차 스트라이프와 같은 다른 패턴들은 비슷한 결과를 달성하기 위해 사용될 수 있다.
금속 시트의 한 주요표면의 입자-분사는 많은 경우 단계 (ii)의 마지막에서 원하는 양의 왜곡을 야기시키는데 충분할 수 있다. 특정 실시예에서, 왜곡을 최대화하여 시트에 강화를 발생시키기 위하여, 두 표면에 분사됨으로써 나타난 왜곡이 서로 보강되고 강화되는 방식으로 두 주요면에 입자-분사하는 것이 바람직하다.
입자-분사의 단계 (i)는 금속 시트가 원하는 구조 및 기하학적인 금속 구조로 형성되기 전 또는 후에 수행될 수 있다. 예를 들어, 평평한 시트는 처음에 입자-분사되고, 그후 변형된 시트는 튜브와 같이 원하는 2차원 또는 3차원의 구조로 처리된다. 대안적으로, 평평한 시트는 처음에 튜브와 같은 원하는 2차원 또는 3차원 구조로 형성된 후 입자-분사하는 단계 (i)에 들어간다.
이와 같이, 금속 시트의 열처리의 단계 (ii)는 금속 시트가 원하는 형상과 기하학적인 금속 구조로 형성되기 전 또는 후에 수행될 수 있다. 예를 들어, 평평한 시트는 먼저 입자-분사될 수 있고, 그 후 열처리의 단계 (ii)에서 변형되도록 허용되어, 튜브와 같이 원하는 2차원 또는 3차원 구조 또는 기하학적인 구조로 연속적으로 형성된다. 대안적으로, 평평한 시트는 처음에 입자-분사된 후, 튜브와 같이 원하는 2차원 또는 3차원 구조로 형성된 후, 최종 구조 및 형상으로 변형되도록 단계 (ii)에서 열처리를 한다.
열처리의 단계 (ii)는 단계 (i)의 결과로 금속 시트에 부여된 응력을 완화하기 충분한 온도에서 수행되는 특성을 가진다. 따라서, 단계 (ii)에서의 열처리 온도는 상기 언급된 T(스트론튬)보다 낮지 않으며, T(스트론튬)+100℃보다 낮지 않으며, T(스트론튬)+200℃보다 낮지 않으며, T(스트론튬)+300℃보다 낮지 않으며, T(어닐)보다 낮지 않으며, T(스트론튬)+500℃보다 낮지 않으며, T(스트론튬)+600℃보다 낮지 않으며, T(스트론튬)+700℃보다 낮지 않으며, T(스트론튬)+800℃보다 낮지 않으며, 심지어 T(스트론튬)+900℃보다 낮지 않다. "어닐링 온도에 근접함"은 온도가 T(어닐)-50℃보다 낮지 않다는 것을 의미하며, 여기서 T(어닐)은 금속의 어닐링 온도이다.
당업자들에 의해 이해되는 바와 같이, 열처리의 온도가 더 낮을수록, 응력이 완전히 완화되고 왜곡이 안정되는데 걸리는 시간이 길어진다. 본 발명의 방법을 사용하여 만들어진 금속 구조는 금속 어닐링점보다 더 높거나 근접한 온도에서 작동하며, 금속 구조의 작동 동안 일부 또는 전체적으로 열처리의 단계 (ii)가 수행된다. 예를 들어, 백금 유리 용해, 컨디셔닝, 전달 및 핸들링 시스템은 통상적으로 백금의 어닐링점에 근접하거나 더 높은 온도에서 작동한다. 그러므로, 이러한 금속 구조에 있어서, 단계 (ii)는 유리 용해공정의 작동 중 또는 금속용해공정이 시작되기 전에 수행된다.
특정 실시예에서, 금속 구조에 내산화성, 내수성, 내부식성 등과 같은 바람직한 특성들을 부여하기 위하여 표면 특히 주변대기에 노출된 표면을 코팅하는 것은 바람직하다. 코팅은 유기물, 무기물 또는 둘을 섞은 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 용해유리 전달 및 핸들링 장치는 통상적으로 내산화성을 증가시키기 위하여 표면에 ZrO2와 같은 내화성 산화물의 막으로 코팅된다. 코팅이 필요할 경우, 코팅의 부착성을 증가시키기 위하여 금속 구조의 전체 표면에 입자-분사하는 것이 바람직하며, 다음에 가리지않고, 우선적이며 선택적인 단계 (i)의 입자-분사가 이어지며, 계속해서 표면 일부 또는 전부에 무기물 또는 유기물 코팅을 적용하는 단계가 이어지는 것이 바람직하다. 최종 코팅단계는 열처리의 단계 (ii) 전 또는 후에 수행된다. 특정 실시예에서, 무기물 코팅의 적용 전에 단계 (ii)를 수행하는 것이 바람직하며, 특히 상기 코팅 및 코팅된 금속 시트의 열팽창계수는 상당히 다르다. 이것은 단계 (ii)에서, 금속 구조의 변형이 미리 적용된 코팅의 박리를 일으키기 때문이다. 적용될 수 있는 내화성 무기물 코팅재료는 ZrO2, Al2O3, CaO, MgO, TiO2와 혼합물 및 복합물을 포함하나 이들로 한정하지 않는다. 코팅재료의 적용은 플라즈마 스프레이 코팅, 스퍼터링 및 화학 기상 증착과 같은 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
용접조인트, 리벳조인트, 결합조인트, 나사조인트 등과 같이 기계적 및 화학적으로 형성된 것들을 포함하는 조인트는 금속 구조의 약한 연결부(link)일 수 있다. 이러한 영역에서 끊어짐이 발생하기도 한다. 그러므로, 여러 세그먼트의 금속 구조에서 조인트 강화가 특히 유용하다. 본 발명의 방법은 이러한 효과를 달성하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다. 원하는 방향으로 금속 구조의 조인트영역에 단계 (i)와 (ii)를 진행하게 함으로써, 조인트의 강화가 실현될 수 있다.
실험에서, 20 wt% 로듐(백금-20Rh)을 구비한 3/4 인치(1.90cm) 너비의 백금-로듐 합금 스트라이프에 의한 0.040 인치(1000㎛) 두께의 샘플은 7인치(17.8cm)의 지지되지 않은 스팬을 갖는 내화성 고정부에 그것들을 올려놓음으로써 1265℃에서 내새그성을 테스트한다. 추가적인 중량이 스팬에서 1305 psi(8.998 x 103 kpa)까지 최대응력을 증가시키도록 지지되지 않은 스팬의 중앙에 추가된다.
정기적인 테스트 동안, 샘플들은 용광로로부터 제거되며 본래의 수평평면으로부터의 새그양이 측정된다. 샘플이 새그될수록, 내크리프성 또는 내새그성은 나빠진다. 테스팅 동안, 0.5인치(12.7mm) 내지 1.4인치(3.56cm)의 새그 레벨 범위에 있다는 것을 염두해두자. 게다가, 분석에서는 샘플이 입자분사 때문에 그 길이에 따른 다양한 정도의 비평면 굴곡을 가진다는 것을 나타낸다. 도 4는 샘플의 길이에 따른 이러한 굴곡을 나타낸다. 도 4에서, 수평축은 두께가 증가하는 샘플의 비평면 굴곡을 나타내며, 수직축은 샘플의 최저점부터 실험장치에서 시작되는 수평선까지의 거리의 전체 새그를 나타낸다. 보여지는 바와 같이, 비평면 굴곡이 더 넓어질수록, 새그는 더 작아진다. 비평면 굴곡이 0.02인치(500im)부터 약 0.042인치(약 1067im)까지 증가될 때 새그의 3배 감소가 관찰된다.
이러한 발견은 새그의 3배 감소가 테스트되는 금속 두께의 정도로 굴곡을 보이기 때문에 중요하다.
여기서 다양한 수정 및 변형들은 당업자들에게 본 발명의 청구된 주요 사항의 사상 및 범위 내에 나타난 실시예로 명백해진다. 따라서, 본 발명의 명세서는 나타난 다양한 실시예의 수정 및 변형을 포함하며, 수정 및 변형들은 청구항 및 그러한 것들의 범위 내에 있다.
101: 백금 시트 103, 105: 스트라이프
301: 금속 시트 303: 입자 분사 부분
305: 비입자 분사 부분

Claims (23)

  1. 제1 주요면과 제2 주요면을 갖는 금속 시트를 구비한 금속 구조 제조방법으로서,
    (i) 금속 시트에 응력을 전달하기 위하여 금속 시트의 어닐링 온도보다 낮은 온도에서 금속 시트의 제1 주요면의 일부에 선택적으로 입자-분사하는 단계; 및
    (ii) 변형된 금속 시트가 원하는 방향에서 더 높은 강도를 나타내도록 상기 금속 시트를 변형시키기 위하여 금속 시트를 T(어닐)-400℃보다 낮지 않은 온도에서 열처리하는 단계를 포함하며,
    상기 T(어닐)는 금속의 어닐링점인 금속 구조 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 (i)의 마지막에, 제1 주요면의 입자-분사 부분은 서로 교차하지 않는 제1 배열의 밴드를 구비한 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 (i)의 마지막에, 제1 주요면의 입자-분사 부분은 서로 교차하지 않는 제2 배열의 밴드를 구비하며, 상기 제2 배열의 밴드는 제1 배열의 밴드와 교차하여 웹 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 구조는 상기 금속 시트의 어닐링 온도보다 높은 온도에서 작동하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i)에서, 상기 금속 시트의 제1 주요면과 제2 주요면 모두는 완전한 패턴의 입자-분사 영역들을 형성하도록 입자-분사된 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 구조는 금속 시트를 구비한 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 시트는 내화성 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 시트는 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 구조는 용융 유리 핸들링 시스템의 구성인 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i)에서, 금속 시트는 입자-분사 전에 상기 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i)에서, 금속 시트의 적어도 일부는 상기 구조로 형성되기 전에 입자-분사된 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ii) 이후, 금속 시트는 금속의 어닐링 온도 이하의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i)는,
    (i-1) 금속 시트의 제1 주요면의 전체면에 입자-분사하는 단계;
    (i-2) 단계 (i-1)에서 입자-분사된 제1 주요면의 일부에 더 선택적 입자-분사하는 단계; 및 계속해서
    (i-3) 무기질 코팅을 상기 금속 시트의 제1 주요면의 적어도 일부에 걸쳐 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    단계 (i-3)에서, 상기 무기질 코팅은 ZrO2,Al2O3,CaO,MgO 및 TiO2 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  15. 청구항 13 또는 14에 있어서,
    단계 (i-3)에서, 상기 무기질 코팅은 플라즈마 스프레이 코팅, 스퍼터링 및 화학적 기상증착으로부터 선택된 방법을 사용하여 적용되는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  16. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 시트는 최대 2000im의 두께를 가지며, 특정 다른 실시예에서 최대 1500im, 특정 다른 실시예에서는 최대 1200im, 특정 다른 실시예에서는 최대 1000im, 특정 실시예에서는 최대 800im, 특정 실시예에서는 최대 500im, 특정 다른 실시예에서는 최대 300im의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i)에서, 입자-분사는 최대 500im의 깊이를 갖는 분사된 표면에 찌그러짐을 야기하며, 특정 실시예에서는 최대 300im이고, 특정 실시예에서는 최대 200im이며, 특정 다른 실시예에서는 최대 100im인 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    금속 시트는 조인트로 함께 결합된 다수의 세그먼트들을 구비하며, 단계 (i)에서 조인트의 적어도 일부는 입자-분사되는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    단계 (i)에서, 입자-분사는 상기 조인트를 강화시키는 금속 시트에 응력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  20. 청구항 18 또는 19에 있어서,
    단계 (i)에서, 입자-분사는 단계 (ii)의 마지막에 조인트를 강화시키는 변형을 야기하는 응력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  21. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ii)의 마지막에, 금속 시트의 표면은 200im 내지 500im의 버클을 보이면서 변형되며, 특정 실시예에서는 200im 내지 450im이며, 특정 실시예에서는 250im 내지 450im이며, 특정 실시예에서는 300im 내지 450im이고, 특정 실시예에서는 300im 내지 400im인 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  22. 청구항 1 내지 21 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ii)에서, 금속 시트는 T(어닐)-50℃보다 낮지 않은 온도에서 열처리하며, 특정 실시예에서는 T(어닐)보다 낮지 않고, 특정 실시예에서는 T(어닐)+100℃보다 낮지 않으며, 특정 실시예에서는 T(어닐)+200℃보다 낮지 않으며, 특정 실시예에서는 T(어닐)+300℃보다 낮지 않으며, 특정 다른 실시예에서는 T(어닐)+400℃보다 낮지 않은 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
  23. 청구항 1 내지 22 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ii)의 마지막에, 단계 (i)에 전달된 응력이 크게 경감된 것을 특징으로 하는 금속 구조 제조방법.
KR1020127016378A 2009-11-25 2010-11-15 내크리프성의 내화성 금속 구조 제조방법 KR101900506B1 (ko)

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