KR20120089777A - 틸트 압연에 의해 플레이트 및 시트의 조직을 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

틸트 압연에 의해 플레이트 및 시트의 조직을 제어하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 시트 또는 플레이트(3)를 압연하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 이 방법은 압연 밀(1, 2) 내로 금속 플레이트 또는 시트(3)를 비스듬히 급송하는 단계를 포함한다. 이 장치는 이송 테이블 및 경사진 급송 테이블이 놓일 수 있는 경사진 급송 테이블(4) 또는 에이프런을 갖는 압연 밀을 포함한다. 두께방향에 있어서의 구배 및 전단 조직은 본 발명의 방법 및 장치를 사용하여 개선될 수 있다.

Description

틸트 압연에 의해 플레이트 및 시트의 조직을 제어하기 위한 방법 및 장치 {METHODS AND APPARATUS FOR CONTROLLING TEXTURE OF PLATES AND SHEETS BY TILT ROLLING}
본 발명은 전단 조직 구배(shear texture gradient) 또는 최소의 두께방향의 조직 구배(through-thickness texture gradient), 또는 양자 모두를 갖는 플레이트 및 시트를 생산하기 위한 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
플레이트 또는 시트의 결정학적 조직은 많은 용례에서 중요한 역할을 한다. 스퍼터링율이 결정학적 조직에 따라 결정되기 때문에, 결정학적 구조는 박막을 적층하는데 이용되는 스퍼터링 대상의 성능과 관련하여 중요하다.
불균일한 결정학적 조직을 갖는 스퍼터링 대상으로부터 적층되는 박막의 균일성이 만족되지 않는다. 전체 체적에 걸쳐 균일한 조직을 갖는 플레이트만이 최적의 성능을 제공할 것이다.
타겟 내의 그레인으로부터의 스퍼터링율은 표면에 대한 그 그레인의 결정 평면의 배향에 의존하고[참조 - 장(Zhang) 등의 "그레인 배향이 탄탈 마그네트론 스퍼터링 수율에 미치는 영향(Effect of Grain Orientation on Tantalum Magnetron Sputtering Yield)", J. Vac. Sci. Technol. A 24(4), 2006년 7/8월], 수직인 플레이트에 대한 각 배향의 스퍼터링율이 상이하다. 또한, 특정한 결정학적 방향은 스퍼터링된 원자의 우선 비행 방향(preferred direction of flight)이 된다[참조 - 위커샴(Wickersham) 등의 "마그네트론 스퍼터링된 탄탈에 대한 각도 방출 궤적 측정(Measurement of Angular Emission Trajectories for Magnetron-Sputtered Tantalum)", J. Electronic Mat., Vol 34, No 12, 2005년]. 스퍼터링 타겟의 그레인은 임의 개별 그레인의 배향이 주목할만한 영향을 갖지 않을 정도로 작다(일반적으로 50 내지 100㎛ 직경). 그러나, 더 큰 표면의 소정 영역(대략 5㎝ 내지 10㎝ 직경의 영역)의 조직은 주목할만한 영향을 가질 수 있다. 따라서, 타겟의 표면 상의 한 영역의 조직이 임의의 다른 영역의 조직과 상이하다면, 생산되는 막의 두께가 기판 전체에 걸쳐 균일해지기 어렵다. 또한, 표면 영역의 조직이 타겟 플레이트의 어느 깊이에서 동일 영역의 조직과 상이하다면, (타겟이 그 깊이까지 사용되거나 부식된 후에) 나중의 기판 상에서 생산된 막의 두께는 첫 번째 기판 상에서 생산된 막의 두께와 상이해지기 쉽다.
그리하여, 한 영역의 조직이 임의의 다른 영역의 조직과 유사하기만 하다면, 그 조직이 무엇인지는 중요하지 않다. 환언하면, 모든 그레인이 플레이트 법선 방향(ND)에 대해 평행한 111 배향을 갖는 타겟 플레이트는 모든 그레인이 ND에 평행한 100 배향을 갖는 타겟 플레이트, 또는 혼합물의 비율이 영역들 간에 일정하게 유지되는 한 100, 111 및 기타 그레인의 혼합물로 구성된 타겟 플레이트보다 더 양호하지도 더 나쁘지도 않다.
막 두께의 균일성은 매우 중요하다. 집적 회로에서는, 수백 개의 회로가 실리콘 웨이퍼 상에서 동시에 생성되며, 예를 들어 한 지점에서 너무 얇은 막은 적절한 확산 배리어를 제공하거나, 다른 지점에서 너무 두꺼운 막은 비아(via) 또는 트렌치(trench)를 차단하지 못하며, 또는 후속 단계에서 막이 제거되어야 할 영역이라면, 막의 제거가 불가능할 것이다. 적층된 막의 두께가 설계자에 의해 특정된 범위 내에 있지 않다면, 이 장치는 서비스에 적당하지 않으며 수리 또는 재가공이 일반적으로 불가능하기 때문에, 테스트 시점까지의 총 제조 비용이 손실된다.
타겟이 균일한 조직을 갖지 않는다면, 따라서 예측 가능한 균일한 스퍼터링율을 제공하지 않는다면, 현 기술 상태의 스퍼터링 설비에서는 기판 상의 한 지점과 다른 지점 사이의 두께 변동을 제어하는 것이 불가능하다. 기판들 간의 그리고 타겟들 간의 두께 변동을 전체가 아닌 부분적으로 제어하는 것은 시험편을 사용하여 가능하다. 그러나, 시험편의 사용은 시간 소모적이며, 많은 비용이 든다.
종래 기술에 따라 제조된 타겟에서는, 타겟 플레이트에서 발견되는 조직의 불균일성이 스퍼터링율(충돌하는 아르곤 이온 당 타겟에 스퍼터링되는 탄탈 원자의 평균 개수로 정의됨)의 예측 불가능성 또는 변동을 야기하여, 특정 기판 상에 생성되는 막의 두께의 변동을 유발하고, 또한 기판들 간에 그리고 타겟들 간에 막 두께의 변동을 유발한다.
또한, 결정학적 조직은 재료의 기계적 거동에 영향을 미친다. 이는 다양한 방향으로 시험되었을 때 이방성 재료의 단결정의 기계적 거동의 차이로 인한 것이다. 단결정 재료는 다양한 용례에서 사용되지만, 실제 사용되는 재료의 대부분은 많은 그레인으로 구성되는 다결정이다. 다결정을 형성하는 그레인은 양호한 방향(즉, 결정학적 조직)을 가지면, 재료는 유사한 배향을 갖는 단결정과 유사하게 거동하는 경향이 있다. 재료의 성형성(formability)은 재료의 기계적 거동에 따라 결정되고, 이는 결정학적 조직에 크게 영향을 받는다(strong function).
투자율(magnetic permeability)과 같은 다른 재료 특성도 결정학적 조직에 의해 영향을 받는다. 예컨대, 결정학적 조직은 변압기(transformer) 및 다른 전기 기계용 철심(iron core)으로 주로 사용되는 그레인-배향식 실리콘 강(grain-oriented silicon steel)의 성능에 대한 중요한 인자이다. 그레인-배향식 실리콘 강의 높은 투자율과 같은 개선된 투자율로 인해, 에너지가 절약된다. 양호한 투자율을 얻기 위해, 그레인-배향식 실리콘 강은 강한 <110>//ND 및 <100>//RD(압연 방향) 조직[고스 배향(Goss orientation)]을 가지며, 이는 이후에 압연 방향에서 쉽게 자화될 수 있다.
결정학적 조직은 재료가 소성 변형할 때 전개되고, 소성 변형은 변형 도중 활성화되는 특정 슬립 시스템(slip system)을 따라서만 발생할 수 있다. 수직 및 전단 변형 성분은 온도와 같은 다른 파라미터와 함께 슬립 시스템이 활성화되는 것을 결정한다. 슬립 시스템이 활성화되면 그레인이 특정 방향을 향해 회전되어, 결정학적 조직을 생성한다. 재료의 최종 결정학적 조직은 재료에 야기된 변형 및 초기 조직 모두에 크게 영향을 받는다.
예컨대, 평면 변형 상태에서 플레이트의 압연 도중, 플레이트의 두께에 걸쳐 재료는 동시에 전단 및 수직 변형이 가해진다. 전단 변형의 양은 플레이트의 두께를 통해 크게 변한다. 플레이트의 두께 중간(mid-thickness)은 종래의 압연 공정의 대칭으로 인해 어떠한 전단 변형도 가해지지 않는 반면에, 두께 중간으로부터 떨어진 위치는 전단 및 수직 변형 모두를 겪는다. 그 결과, 플레이트의 두께 중간의 조직은 다른 위치와 상당히 다르다.
플레이트의 두께를 통한 조직의 불균일성은 "두께방향에 있어서의 조직 구배"로 지칭된다. 종래의 압연은 강한 두께방향에 있어서의 조직 구배를 갖는 플레이트 또는 시트를 생성한다. 조직의 주성분 또는 두께방향에 있어서의 조직 구배 모두는 통과 공정들 사이의 회전 및 통과당 두께의 감소%(% reduction)와 같은 종래 압연에서 변화되고 제어되는 파라미터에 의해 크게 변경될 수 없다.
특정한 조직 성분, 즉 "압연 조직(rolling texture)" 성분이 종래 압연에서 지배적이 된다. bcc 금속에 대한 압연 조직 성분은 bcc 금속에 전단 변형이 가해질 때 형성되는 "전단 조직" 성분과 다르다. 전단 변형이 가해지면, bcc 금속 내의 그레인은 <110>//ND를 향해 회전한다. 대체로 반대인 거동이 fcc 금속에서 관찰되며, 이는 전단 변형이 가해질 때 <111>//ND 및 <100>//ND가 주요한 조직 성분이 되게 한다. 작업편 내에 발생되는 전단 변형이 클수록, 전개되는 전단 조직은 더 강해진다.
완전한 랜덤(random) 조직을 갖는 재료(fcc 또는 bcc)에서, 체적의 10.2%(그레인 수의 10.2%)는 ND의 15도 이내에 <100> 축을 갖는다. 체적 중 나머지 13.6%는 ND의 15도 이내에 <111> 축을 가지며, 체적 중 다른 20.4%는 ND의 15도 내에 <110> 축을 갖는다. 그 결과, fcc 재료는 체적의 10.2% 이상이 ND의 15도 내에 <100> 축을 가지고 체적의 13.8% 이상이 ND의 15도 내에 <111> 축을 갖는 경우 전단 조직을 갖는 것으로 간주된다. bcc 재료는 체적의 20.4% 이상이 ND의 15도 내에 <110> 축을 갖는 경우 전단 조직을 갖는 것으로 간주된다.
더 높은 소성 변형 비율(r-값)은 금속의 성형성을 강화하는 것으로 알려져 있으며, <111>//ND 조직 성분이 주를 이루는 bcc 또는 fcc 금속은 더 높은 소성 변형 비율(r-값)을 갖는다. 그 결과, 주요한 성분 중 하나로 <111>//ND을 갖는 전단 조직은 fcc 금속의 성형성을 개선하는데 바람직하다.
플레이트 또는 시트의 두께방향에 있어서의 전단 변형의 양은 종래의 (대칭) 압연 공정에서 비대칭 압연 공정으로의 절환에 의해 변경될 수 있다. 두께방향에 있어서의 전단 변형의 총 양은 증가될 수 있으며, 구체적으로 두께 중간에는 약간 양의 전단 변형이 가해질 수 있으며, 이는 종래의 압연에서는 불가능하다. 종래 기술의 비대칭 압연 방법은 다른 직경을 갖는 롤과, 다른 회전 속도를 갖는 롤과, 다른 표면 특성을 갖는 롤의 사용을 포함하고, 이로 인해 상부 롤과 작업편의 상부 표면 사이와 하부 롤과 작업편의 상부 표면 사이에 다양한 마찰 계수가 초래된다. 마찰 계수를 일정하게 제어하는 것이 어렵기 때문에, 다양한 마찰 계수의 상부 및 하부를 갖는 비대칭 압연은 실현 불가능하고 본원에서 추가로 논의하지 않는다. 또한, 이러한 종래 기술의 방법은 두께방향에 있어서의 조직 구배를 감소시키는데 사용될 수 있다.
전단 조직을 발생시키고 조직 구배를 최소화하기 위한 상술된 유형의 비대칭 압연의 용례는 종래 기술 분야에서 이미 설명되었다. 예컨대, 필드(Field) 등의 탄탈 플레이트의 비대칭 처리시 미세구조 현상(Microstructural Development in Asymmetric Processing of Tantalum Plate)(J. Electronic Mat., Vol 34, No 12, 2005년), 샤(Sha) 등의 비대칭 압연에 의한 배향되지 않은 실리콘 강의 재결정화 조직 및 자기 특성의 개선(Improvement of recrystallization texture and magnetic property in non-oriented silicon steel by asymmetric rolling)(J. Magnetism and Magnetic Mat., Vol 320, 2008년), 리(Lee)와 리(Lee)의 비대칭 압연된 강 시트의 변형 조직의 분석(Analysis of deformation textures of asymmetrically rolled steel sheets)(Internat. J. Mech. Sci., Vol 43, 2001년), 리와 리의 비대칭 압연에 의한 AA1050 알루미늄 합금 시트의 조직 제어 및 그레인 강화(Texture control and grain refinement of AA1050 Al alloy sheets by asymmetric rolling)(Internat. J. Mech. Sci., Vol 50, 2008년), 진(Jin) 등의 상부 롤 및 하부 롤 사이의 다양한 속도비로 비대칭 압연한 후 AA6111 알루미늄 합금 내의 조직의 발전(Evolution of texture in AA6111 Al alloy after asymmetric rolling with various velocity ratios between top and bottom rolls)(Mat. Sci. and Eng., Vol 465, 2007년), 진 등의 AA5754의 비대칭 압연 및 어닐링을 통한 조직 변형에 의한 평면 이방성의 감소(The reduction of planar anisotropy by texture modification through asymmetric rolling and annealing in AA5754)(Mat. Sci. and Eng., Vol 399, 2005년), 킴(Kim) 등의 비대칭 냉간 압연된 후 어닐링된 알루미늄 합금 1100 시트의 조직 및 미세구조의 형성(Formation of textures and microstructures in asymmetrically cold rolled and subsequently annealed aluminum alloy 1100 sheets)(J. Mat. Sci., 2003년), 장 등의 비대칭 압연된 아연 합금 시트의 실험 및 시뮬레이션 조직(Experimental and simulation textures in an as symmetrically rolled zinc alloy sheet)(Scripta Materialia, Vol 50, 2004년) 및 킴 등의 비대칭 열연 압연된 AZ31 마그네슘 합금 시트의 조직 및 미세구조 변화(Texture and microstructure changes in asymmetrically hot rolled AZ31 magnesium alloy sheets)(Mat. Lett. 59, 2005년)를 참조한다.
상술된 비대칭 압연 방법은 상부 및 하부 롤 속도 또는 상부 및 하부 롤 직경에 비대칭을 사용함으로써 플레이트의 두께를 통해 소정량의 전단 변형을 발생시킨다. 상부 및 하부 롤의 롤 직경비 또는 롤 속도비가 증가하면, 플레이트에 발생되는 전단 변형이 증가하지만, 상기한 방법과 함께 채용될 수 있는 상기한 비율들과 전단 변형의 양에 대한 실질적 제한이 존재한다.
따라서, 본 발명은 재료의 성능을 향상시키고 관련된 재료의 특성을 개선하기 위해 재료의 결정학적 조직을 제어하는 장치 및 압연 방법을 제공한다. 본 발명은 플레이트 또는 시트의 두께를 통해 제어된 양의 전단 변형의 발생을 가능하게 하여, 최소의 두께방향에 있어서의 조직 구배를 갖는 플레이트 및 시트를 초래한다. 스퍼터링 대상의 최소의 두께방향에 있어서의 조직 구배는 생성되는 막의 두께의 예측성 및 균일성을 개선하여, 대상의 사용의 용이성을 개선한다.
또한, 전단 변형의 발생은 fcc 금속과 같은 재료의 더욱 양호한 성형성을 초래하는 전단 조직을 제공할 수 있으며, 이로 인해 많은 산업에서 광범위하게 사용되는 성형 작업에 대해 수율을 증가되고 처리 비용을 절감된다.
또한, 개선된 전단 조직은 그레인 배향식 실리콘 강과 같은 재료의 자성(즉, 투자율)을 개선한다. 개선된 투자율로 인해 그레인 배향식 실리콘 강이 변압기 또는 다른 전기 기계용 철심으로 사용될 때 에너지를 절약할 수 있다.
본 발명에서, 작업편(플레이트 또는 시트)은 압연 밀 내의 롤의 축에 평행한 축에 대해 미리 규정된 각[틸트 각(tilt angle)]으로 경사진다. 경사진 작업편은 롤들 내로 급송되고 진입 틸트 각은 전체 압연 통과 도중 유지된다. 본원에서, 이러한 공정은 "틸트 압연(tilt rolling)"으로 지칭된다. 작업편의 두께를 통해 재료는 틸트 압연의 결과로 전단된다. 전단 변형의 양은 종래의 압연에서 정상적으로 제어되는 다른 압연 파라미터와 함께 틸트 각에 의해 제어될 수 있다. 다중 통과는 소정의 값으로 작업편의 두께를 감소시키는데 사용된다.
틸트 압연은 다양한 각도로 경사질 수 있는 에이프런(apron)을 갖는 특수하게 설계된 압연 밀에 의해 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 경사진 에이프런은 압연 밀의 중요 부분이다. 이로 인해, 압연 밀은 매우 빠른 전환으로 종래의 압연 및 틸트 압연 모두에 대해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 틸트 압연은 큰 변경 없이 밀에 용이하게 설치될 수 있는 고정물에 의해 종래의 압연 밀 내에서 이행될 수도 있다. 이 실시예에서, 설치를 위한 초기 투자가 더 적으며, 압연 밀은 종래의 압연 및 틸트 압연 모두에 대해 사용될 수 있지만, 전환 시간은 상술된 특수하게 설계된 압연 밀보다 길다. 하지만, 전환에 긴 시간이 요구되어 설치를 위한 정지 시간이 길어지는 대안적 비대칭 압연 공정과는 달리, 두 실시예 모두에서는 종래의 압연과 틸트 압연 사이의 상대적으로 짧은 전환 시간으로 인해 생산 유연성이 제공된다.
따라서, 본 발명의 일 양태에서는 수평면 위로 또는 아래로 2도 내지 20도의 각도를 이루어 압연 밀 내의 롤러들로 플레이트 또는 시트를 급송하는 단계를 포함하는, 금속 플레이트 또는 시트를 압연하는 방법이 제공된다.
다른 양태에서, 본 발명은 소정의 각도로 금속 플레이트 또는 시트를 압연하는 장치가 제공되며, 이 장치는 수평면 위로 또는 아래로 2도 내지 20도의 각도를 이루어 기울어지는 경사진 급송 테이블을 갖는 압연 밀을 포함한다.
본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태는 후속하는 도면, 상세한 설명 및 첨부된 청구항으로부터 더욱 쉽게 이해될 것이다.
본 발명은 후속하는 도면에 의해 추가로 설명될 것이다.
도 1a는 단일 스탠드 밀에서 플레이트를 틸트 압연하는 실시예를 도시하는 도면이고, 도 1b는 다중 스탠드 밀에서 플레이트를 틸트 압연하는 실시예를 도시하는 도면이다.
도 2a는 다른 롤 직경을 갖는 비대칭 압연의 유한 요소 모델링을 도시한 도면이고, 도 2b는 다른 롤 속도를 갖는 비대칭 압연의 유한 요소 모델링을 도시한 도면이고, 도 2c는 틸트 압연의 유한 요소 모델링을 도시한 도면이다.
도 3은 틸트 각이 0도 내지 15도(0도<TR<15도)인 틸트 압연과 직경비가 1 내지 4(1<DR<4)이고 속도비가 1 내지 4(1<SR<4)인 비대칭 압연의 단일 통과(두께의 5% 감소)에 대한 누적 전단(cumulative shear) 대 수직 변형 비율을 도시하는 그래프이다.
도 4는 작업편의 두께를 통해 다양한 위치에서 단일 통과에 대한 누적 전단 대 수직 변형 비율을 도시하는 그래프이다. 상기 위치들은 상부 표면(TS), 상부 표면과 두께 중간 사이의 중간 지점(TQ), 두께 중간(MT), 두께 중간과 하부 표면 사이의 중간 지점(BQ) 및 하부 표면(BS)이다. 상기 그래프는 다양한 감소% 효과를 도시하기 위해 플롯팅되었다.
도 5는 표면(S), 표면과 두께 중간 사이의 중간 지점(Q) 및 플레이트의 두께 중간(M)에서의 평균 누적 전단 대 수직 변형 비율을 도시하는 그래프이다. 도 5에서 S에 대한 값은 도 4에서 TS 및 BS에 대한 값을 평균 내어 얻어지며, 도 5에서 Q에 대한 값은 도 4의 TQ 및 BQ에 대한 값을 평균 내어 얻어진다. 도 5에서 M에 대한 값은 도 4의 MT에 대한 값에 상당한다.
도 6은 50.8㎜(2") 내지 6.35㎜(0.25") 두께로 압연된 작업편 내의 조직 구배를 최소화하기 위한 최적의 감소%를 도시하는 도면이다.
도 7은 압연 후 작업편의 곡률 반경의 역수(reciprocal)인, 컬(curl)에 의해 정량된(quantified) 작업편의 컬링 거동(curling behavior)을 도시하는 그래프이다. 작업편의 다양한 두께에서의 컬링에 대한 두께의 감소%의 효과가 설명된다.
도 8은 틸트 압연에 대한 경사진 에이프런을 갖는 특수하게 설계된 압연 밀의 도면이다.
도 9는 종래의 압연 밀에 설치되는 틸트 압연 장치의 예시적 실시예의 도면이다.
도 10은 롤 내로 작업편의 진입을 설명하는 도면이다. "완전 진입(perfect entry)" 위치가 도시된다. 작업편은 완전 진입 위치에서 동시에 상부 롤 및 하부 롤과 접촉한다.
실시예들에서 사용될 때를 포함하여 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용될 때, 그리고 그렇지 않다는 것이 명시적으로 특정되지 않는다면, 텀(term)이 분명하지 않은 경우도, 모든 숫자들은 "약"이라는 단어가 전제되는 것으로 판독될 수 있다. 또한, 본 명세서에 인용된 임의의 수치 범위는 그에 포함된 모든 하위 범위(sub-range)를 포함하도록 의도되었다.
A- 틸트 롤 공정(tilt-roll process)
도 1에서의 2개의 실시예들, 즉 단일 스탠드 밀(single stand mill)에 대한 도 1a 및 다중 스탠드 밀(multi-stand mill)에 대한 도 1b에서 도시된 바와 같은 본 발명의 틸트 압연 공정은 작업편의 전단 변형을 발생시키는 개선된 방법을 제공한다. 틸트 압연 공정에서, 작업편(3)은 경사진 급송 테이블(4a 내지 4f) 또는 경사진 에이프런을 이용하여 진입 틸트 각을 이루어 압연 밀의 롤(1) 및 롤(2) 내로 급송된다. 경사진 급송 테이블 또는 경사진 에이프런이 작업편의 후단 에지가 수평이 되는 것을 방지하므로, 진입 틸트 각은 전체 압연 공정 동안 유지된다.
틸트 압연에 의해 재료의 두께를 거쳐 발생되는 전단 변형의 양은, 이하에서 설명되는 바와 같이, 각각의 통과 이후에 두께 감소%와 틸트 각과 같은 파라미터를 조정함으로써 제어될 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 작업편에서의 전단 변형의 양을 제어하는 능력은, 플레이트 또는 시트 내에 두 종류의 특정 조직, 즉 1) 최소의 두께방향에 있어서의 조직 구배 및 2) 작업편의 두께 전체에 걸친 전단 조직의 달성을 허용한다.
각도 선택은 틸트 압연 공정을 이용하는 사용자의 주 목적, 즉 두께방향에 있어서의 조직 구배를 최소화하거나 전단 조직을 야기하는 것에 따라 좌우된다. 바람직하게는, 수평면의 위로 또는 아래로의 틸트 각은 2도 내지 20도이다. 두께방향에 있어서의 구배를 최소화하기 위해서, 틸트 각은 바람직하게 3도 내지 7도이다. 전단 조직을 증가시키기 위해서, 틸트 각은 바람직하게 10도 내지 20도이다.
일반적으로, 전단 조직은 틸트 각이 증가함에 따라 재료 내에 더욱 효과적으로 발생될 수 있다. 그러나, 두께방향에 있어서의 조직 구배는 더 큰 틸트 각으로 인해 반드시 감소하는 것은 아니다. 두께 감소%와 틸트 각은 최소의 두께방향에 있어서의 조직 구배를 얻기 위해 작업편의 주어진 두께에 대하여 함께 조정되어야 한다. 각각의 중요한 파라미터를 최적화하기 위한 시뮬레이션 방법은 아래에 상세하게 제공되고, 당업자는 여러 가지의 영향들의 균형을 맞추고 원하는 결과, 즉 전단 조직이 현저하거나 조직 구배가 최소인 플레이트 또는 시트의 형태로 된 최종 제품을 달성하도록 추가적인 시뮬레이션에서 이들 파라미터들을 조정할 수 있다.
틸트 각은 통과에 따라 수평면 위에 있거나 아래에 있을 수 있다. 압연 플레이트(단일 스탠드 밀)의 경우에, 이 후 경사진 급송 테이블 상에 작업편을 위치시키는데 중력이 사용되기 때문에 틸트 각은 수평면보다 높아야 한다. 만약 다중 스탠드 밀이 시트를 압연하기 위해 사용되는 경우에, 틸트 각의 방향은 수직 방향에서 공간을 절약하도록 그리고 틸트 압연의 효과를 시트의 상부 반부 및 하부 반부에 균일하게 분포시키도록 바람직하게 교번된다.
작업편 내의 변형은 당업계에 잘 알려진 용어인 "변형 조직(deformation texture)"에 직접적인 영향을 미친다. 재료가 금속 가공 방법(이 경우에 압연)을 이용하여 변형된 후에, 특히 금속 가공 공정이 냉간 상태(cold)(실내 온도 가까이 또는 이하) 또는 온간 상태(warm)(실내 온도 이상 및 재결정 온도 이하)에서 수행되는 경우에, 작업편은 재결정을 달성하도록 재결정 온도 이상으로 작업편의 온도를 증가시킴으로써 바람직하게 어닐링된다. 작업편이 금속 가공 공정 동안 재결정 온도 이상의 온도에 도달하면, 동적 재결정(dynamic recrystallization)이 일어날 수도 있고, 금속 가공 후의 어닐링 단계는 필요하지 않을 수도 있다. 작업편의 조직은 재결정동안 변화할 수도 있고, 최종 생성된 조직은 "재결정 조직"으로서 알려져 있다. 그러나, 작업편의 재결정 조직은 변형 조직에 크게 영향을 받는다. 그러므로, 본 발명의 틸트 압연 방법의 이점이 냉간, 온간 또는 열간 압연에 대하여 실현될 수 있다.
금속 플레이트 또는 시트는 1회보다 많이, 다시 말하면 2회, 3회, 4회, 5회 또는 그 이상의 통과로 경사져서 롤을 통과할 수 있다. 이 통과는 작업편의 원하는 두께가 달성될 때까지 반복된다. 특히, 두께방향에 있어서의 조직 구배를 최소화하기 위하여, 작업편의 두께 중간에 대해 대칭 조직을 원한다면, 최종 두께에 도달하는 통과의 최소 횟수가 바람직하게 적어도 4회 또는 그 이상이도록 두께 감소%는 조정되어야만 한다. 최대 감소%를 위한 다른 고려 사항은 밀에 가해지는 하중이다. 두께 감소%는 밀에 과도한 하중을 초래하는 감소%보다 더 낮게 유지되어야 한다.
유한 요소 시뮬레이션은 본 발명의 틸트 압연 방법 및 다른 비대칭 압연 방법들을 이용하여 압연된 작업편에서 전개된 전단 변형 레벨을 비교하는데 사용된다. 유한 요소 시뮬레이션에 의해 실험으로는 얻기가 매우 어려운 작업편 내의 변형의 양 및 방향을 계산할 수 있다. 유한 요소 시뮬레이션은 다른 비대칭 압연 방법들과 비교할 때 틸트 압연의 영향을 정량화하도록 본 명세서에서 툴(tool)로서 사용된다. 미국 오하이오주 콜럼버스에 소재하는 사이언티픽 포밍 테크롤로지스 코포레이션(Scientific Forming Technologies Corp.)으로부터 입수 가능한 유한 요소 소프트웨어 패키지인 디폼 2-디(Deform 2-D)가 모든 시뮬레이션에 대하여 사용된다.
시뮬레이션은 1회 통과에서 12.7㎜(0.5")의 초기 두께의 작업편을 압연하도록 설정된다. 도 2는 직경비가 4인 압연(도 2a)과, 속도비가 4인 압연(도 2b)과, 틸트 각이 10도인 틸트 압연(도 2c)을 포함하는 각각의 공정에 대하여 설정된 시뮬레이션을 도시한다. 시뮬레이션들 중 하나의 설정에서, 작업편의 두께는 통과당 5%만큼 감소되고, 다른 설정에서는 통과당 10%만큼 감소된다. 0.5의 마찰 계수 및 전단 마찰 모델이 모든 시뮬레이션에서 사용된다.
다른 롤 속도를 갖는 압연의 시뮬레이션의 경우에, 상부 롤 및 하부 롤의 직경은 406.4㎜(16")로 설정된다. 더 빠른 롤(도 2b에서 1)의 회전 속도는 1 라디안/초로 정해지고, 더 느린 롤(도 2b에서 2)의 회전 속도는 원하는 롤 속도비에 기초하여 변화된다. 다른 롤 크기들을 갖는 압연의 시뮬레이션의 경우에, 도 2a에서 대형 롤(1)의 직경은 406.4㎜(16")로 고정되고, 도 2a에서 소형 롤(2)의 직경은 원하는 롤 직경 비에 기초하여 변화된다. 1 라디안/초의 회전 속도는 다른 롤 직경들로 압연하도록 사용된다.
틸트 압연 시뮬레이션에서는 406.4㎜(16")의 롤 직경과 1 라디안/초(대략 10 rpm)의 롤 속도가 사용된다.
마찰 계수, 롤 직경 및 롤 속도는 양적으로 시뮬레이션 결과에 영향을 미치지만, 다른 공정들의 질적 평가를 위한 시뮬레이션 결과들로부터 얻어진 결론은 이들 파라미터들의 선택에 의해 현저히 좌우되지 않는다.
또한, 도 2는 롤들로부터 만곡되어 생성되는 작업편, 즉 컬링으로 알려진 효과를 도시한다.
탄탈륨, bcc 금속은 작업편 재료로서 선택된다. 재료에서 얻어진 전단 변형의 양은 압연 파라미터의 주어진 설정에 대하여 다른 재료에서 매우 유사할 것이다. 그러나, 전단 변형으로 인해 생성된 조직은 재료에 기초하여 변화될 것이다. 그러므로, 전단 변형에 대한 시뮬레이션 결과는 시뮬레이션에서 선택된 재료에 의해 현저히 좌우되지 않는다.
전단 변형은 재료가 롤을 통해 지나갈 때 누적된다. 재료는 입구에서 하나의 방향으로 전단되고, 전단 방향은 재료가 압연 시에 중립 지점을 지나갈 때 변화된다. "누적" 전단 변형은 포지티브 및 네거티브 전단 구성요소의 절대 값의 합계에 의해 계산된다. 두께방향에 있어서의 평균 누적 전단 변형은 작업편의 상부로부터 작업편의 하부면까지 균일하게 이격된 5개의 위치들의 전단 변형을 평균함으로써 계산된다.
도 3은 12.7㎜(0.5")의 초기 두께 및 5의 감소%를 갖는 1회 통과에서 다른 공정들을 위한 수직 변형 비율에 대한 누적 전단을 도시한다. 직경비(DR) 및 롤 속도비(SR)는 1 내지 4의 범위에서 변화된다. 0도 내지 15도의 범위에서의 틸트 각(TR)이 시뮬레이션된다. 1의 직경비(DR) 및 속도비(SR)와, 0의 틸트 각(TR)는 종래의 압연과 등가이다. 도 3에 명시적으로 도시되지 않은 틸트 각, 롤 직경 및 롤 속도비의 값들에 대한 누적 전단 변형을 얻도록 선형 보간법이 행해진다.
도 3은 5도의 틸트 각(TR)을 갖는 틸트 압연이 1.6의 롤 직경비(DR)를 갖는 비대칭 압연을 이용함으로써 얻어진 전단 변형과 유사한 전단 변형을 달성하는 것을 예시한다.
15도의 틸트 각을 갖는 틸트 압연은 2의 롤 직경비를 갖는 비대칭 압연에 의해 달성된 전단 변형과 유사한 전단 변형을 달성한다. 또한, 도 3은 5도의 틸트 각을 갖는 틸트 압연에 의해 달성된 전단 변형이 4의 롤 속도비(SR)를 갖는 비대칭 압연에 의해 달성된 전단 변형보다 더 크다는 것을 도시한다.
틸트 압연을 포함하는, 임의의 비대칭 압연 방법에 의해 발생된 전단 변형의 양은 통과당 두께 감소%와 작업편의 두께에 좌우된다. 예를 들어, 만약 틸트 압연이 동일한 두께[12.7㎜(0.5")]와 더 높은 감소%(예를 들어, 10%)에 대하여 다른 비대칭 압연 방법과 비교하면, 약간 다른 결과가 도 3에서 나타난 결과로부터 얻어진다.
두께 감소%가 통과당 10%일 때, 5도 틸트 압연에 대한 두께방향에 있어서의 평균 전단 변형의 양은 1.65의 직경비 및 4의 속도비를 갖는 비대칭 압연에 의해 얻어진 전단 변형의 양과 등가이다. 10도 틸트 각을 갖는 틸트 압연은 2의 직경비와 유사한 전단 변형을 생성한다.
이들 결과에 비추어, 틸트 압연 공정은 각각의 방법의 한정을 고려하여 다른 비대칭 압연 방법보다 더욱 효과적으로 전단 변형을 발생시킨다는 결론을 내릴 수 있다. 5도만큼 낮은 틸트 각은 1.6의 직경비를 갖는 비대칭 압연 또는 4의 롤 속도비를 갖는 비대칭 압연과 비교할 때 등가이거나 더 큰 전단 변형을 초래한다. 압연 밀에서 공정을 실행하는데 있어서 실제적인 어려움은 1.6의 롤 직경비 또는 4의 속도비를 갖는 비대칭 압연 방법에 대하여 심해질 수도 있고, 반면에 15도 또는 20도의 틸트 각까지의 틸트 압연에 대해서는 실제적인 어려움에 직면하지 않는다.
작업편의 두께방향에 있어서의 전단 변형은 틸트 압연의 1회 통과에서 중간-두께에 대하여 균일하지도 않고 대칭적이지도 않다. 도 4는 5도 틸트 각 및 5-15%의 통과당 감소%를 갖는 틸트 압연에서의 작업편의 두께, 상부 표면(TS), 상부 쿼터(TQ), 두께 중간(MT), 하부 쿼터(BQ) 및 하부 표면(BS)을 통과하는 다른 위치들에서 달성된 전단 변형에 대한 유한 요소 시뮬레이션 결과를 도시한다. 또한 도 4는 통과당 15%가 감소하는 종래 압연에서의 전단 변형을 예시한다.
작업편의 상부 반부 및 하부 반부에 대해 균일하게 전단 변형을 분포시키기 위해서, 작업편은 매 2회 통과 후와 같이 규칙적인 간격으로 또는 각각의 틸트 압연 통과 후에 뒤집힐 수도 있다. 작업편의 뒤집기의 횟수는 작업편의 두께방향에 있어서의 전단 변형의 균일성에 대한 요건에 좌우된다. 두께방향에 있어서의 조직 구배를 최소화하기 위해서, 두께방향에 있어서의 전단 변형의 변화가 감소되어야 한다. 상부 표면 및 하부 표면에 대한 평균 전단 변형(S), 두께의 상부 및 하부 쿼터(Q) 및 두께 중간(M)은 도 5에 도시되어 있다. 시뮬레이션에서, 틸트 압연은 두께 중간(M)에서의 전단 변형을 종래 압연의 경우의 제로(TR = 0도)에서부터 감소%에 약간 의존한 크기이지만 표면(S) 및 두께의 쿼터(Q)의 크기와 유사한 크기까지 명백하게 증가시킨다. 12.7㎜(0.5") 두께의 작업편의 경우에, 두께방향에 있어서의 조직 구배는 통과당 6% 감소율 및 5도의 틸트 각을 이용하여 최소화될 수 있다. 고정된 틸트 각의 경우에, 작업편의 다양한 두께에서 두께방향에 있어서의 조직 구배를 최소화할 최적의 통과당 감소%가 존재한다. 5도의 틸트 각의 경우에, 도 6은 6.35㎜(0.25") 내지 50.8㎜(2")의 두께를 갖는 작업편에 대한 최적의 감소%를 도시한다. 최적의 감소%는 위에서 기술된 바와 같이 시뮬레이션을 이용하여 다른 각도에 대해 결정될 수 있다.
컬링이 작업편을 롤들 내로 급송하는 것을 어렵게 하는 경우에 또는 작업편의 선단 에지가 밀의 출구 측 상의 에이프런을 치거나 손상시키는 경우에, 종래의 압연 동안의 작업편의 컬링은 생산에서의 주요 문제일 수 있다. 이들 실제 어려움에 부가하여, 컬링은 작업편 내의 수직 변형에 영향을 미치고, 추가적인 변형율 및 조직 비균일성을 초래한다. 작업편이 압연 중에 컬링될 때, 컬링으로 인한 추가적인 변형이 재료에 유도된다. 컬링으로 인한 변형은 표면 부근에서 최대에 도달하고 두께 중간에서 제로로 감소한다. 조직에서의 컬링의 영향은 컬링으로 인한 최대 변형을 압연에서의 수직 변형과 비교함으로써 평가될 수도 있다. 또한, 이하에서와 같이 최소화하지 않는다면, 컬링은 틸트 압연 및 다른 비대칭 압연 방법에서 일어날 수도 있다.
작업편의 컬링은 다른 롤 속도를 갖는 비대칭 압연에서 일정한 두께에 대한 감소%를 최적화함으로써 최소화될 수도 있다. 예를 들어, 쉬브푸리(Shivpuri) 등의 "플랫 스톡의 비대칭 압연에서의 컬링의 유한 요소 조사(Finite element investigation of curling in non-symmetric rolling of flat stock)"(Int. J. of Mech. Sci., Vol. 30, 1998년)와, 나이트(Knight) 등의 "열간 압연 동안의 스트립 만곡에 대한 압연 파라미터 및 비대칭 인자의 영향의 조사(Investigations into the influence of asymmetric factors and rolling parameters on strip curvature during hot rolling)"(J. Mat. Proc. Tech., Vol. 134, 2003년)를 참조한다.
동일한 개념이 틸트 압연에 적용될 수 있다. 도 7에서 제공된 (5도 틸트 각에 대한) 시뮬레이션 결과는 다른 두께 및 감소%의 경우에 작업편이 롤을 빠져나갈 때의 작업편의 컬을 도시한다. 시뮬레이션에서의 최대 감소%가 20%라는 것을 주의한다. 컬은 컬링된 작업편의 곡률 반경의 역수를 계산함으로써 정량화된다. 도 7에서의 그래프는 컬이 각각의 두께에 대해 제로인 경우의 감소%와, 몇몇 경우에는 2개의 이러한 감소%들이 존재하는 것을 도시한다. 도 7은 5도 틸트 각으로 압연된 플레이트의 컬링을 최소화하기 위하여 압연 스케줄을 최적화하는 가이드라인(guideline)으로서 사용될 수 있다. 아래의 표 1은 최소의 컬링을 위해 5도 틸트 각으로 압연된 다른 두께에서의 작업편의 감소%의 범위를 열거한다. 왼쪽의 컬럼은 컬링으로 인한 작업편의 표면 부근의 최대 변형이 수직 변형의 20% 미만이 되도록 양호한 감소%를 제공한다. 오른쪽의 컬럼은 컬링으로 인한 최대 변형을 압연으로 인한 수직 변형의 10% 이하로 유지하는데 사용될 수 있는 양호한 감소%를 도시한다.
두께 20% 컬 변형에 대한
감소% 범위		 10% 컬 변형에 대한
감소% 범위
6.35㎜(0.250") 6.5 - 20 8 - 15
9.525㎜(0.375") 3 - 5 또는 9 - 20 3.5 - 4.5 또는 12.5 - 15
12.7㎜(0.500") 4 - 20 4.5 - 7 또는 16 - 20
19.05㎜(0.750") 6 - 14 7 - 11
25.4㎜(1.000") 7.5 - 20 9 - 13.5
50.8㎜(2.000") 11 - 20 15.5 - 20
본 명세서에 사용된 바와 같이, "실질적으로 컬링이 없는(substantially no curling)"이라는 용어는 수직 변형의 10% 이하인 최대 컬 변형을 달성하는 것을 칭한다. 이것은 위에서 설명한 바와 같이 미리 정해진 감소%를 이용함으로써 달성될 수 있다.
또한, 작업편의 컬링은 통과 공정들 간에 또는 작업편들 간에 일관되는 것을 보장하도록 롤 거칠기 및 윤활을 제어하는 것이 필요하다. 상부 롤 및 하부 롤의 롤 거칠기 및 윤활이 다르다면, 상부 롤과 작업편 그리고 하부 롤과 작업편 사이의 마찰 계수는 달라진다. 마찰 계수의 이러한 변화는 컬링 거동에서의 불일치를 초래하고, 감소%가 작업편의 주어진 틸트 각 및 두께에 대하여 최적화되는 경우에도 과도한 컬링이 일어날 수도 있다. 롤 및 작업편에는 마찰 계수의 균일성을 증가시키도록 윤활제가 바람직하게 넘친다.
최종 조직을 결정하는 다른 중요한 인자는 작업편의 초기 조직(starting texture)이다. 만약 작업편의 초기 조직이 좋지 못하다면, 본 발명의 방법에 의한 틸트 압연의 이점을 달성하기 어려울 것이다. 예를 들어, 압연하기 전의 초기 작업편의 조직이 균일하지 않다면, 틸트 압연 이후의 조직은 틸트 압연에서 야기된 변형율이 실질적으로 균일할지라도 불균일하기 쉽다.
최종 제품에 대한 요건에 따라, 작업편은 몇몇 통과 공정에서는 선택적으로 틸트 압연될 수도 있고, 다른 통과 공정들에서는 종래의 방법으로 압연될 수 있다. 종래의 압연에서 사용된 압연 실행은 최종 제품의 추가적인 요건을 충족하도록 바람직하게 적용된다.
B- 틸트 롤 고정물
금속 플레이트 및/또는 시트를 압연하기 위한 종래의 압연 밀은 당업자에게 잘 알려져 있다. 전형적인 압연 밀에서, 각각의 작업 롤은 실질적으로 동일한 직경일 것이고 실질적으로 동일한 압연 속도로 작동할 것이다.
종래의 압연 밀은 롤의 축에 평행한 축을 중심으로 에이프런을 경사지게 하는 것을 허용하도록 재설계되고 제조될 수도 있다. 이러한 압연 밀의 개략도는 도 8에서 도시된다. 상부 롤(1) 및 하부 롤(2)은 밀 프레임(6a 및 6b)에 의해 지지된다. 작업편(3)은 다른 각도에서 선택적으로 경사지는 에이프런(5a 및 5b)에 의해 틸트 각을 이루어 상부 롤(1) 및 하부 롤(2) 내로 급송된다. 에이프런(5a 및 5b)은 위치설정 아암(7a 및 7b)에 의해 경사질 수 있다. 에이프런의 경사는 임의의 방법에 의해 달성될 수도 있고, 당업자에 의해 설계될 수 있다. 또한, 에이프런은 이하에 설명되는 바와 같이 완전 진입을 보장하도록 수직 방향 및 압연 방향 모두로 이동 가능한 것이 바람직하다.
특정하게 설계된 압연 밀에 대한 대안으로서, 틸트 압연은 큰 변형 없이 종래의 압연 밀에 설치될 수 있는 틸트 롤 고정물에 의해 달성될 수 있다. 이것은 생산 설비에 더 많은 유연성(flexibility)을 제공한다.
본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 틸트 롤 고정물의 실시예가 도 9에 도시되는데, 이는 에이프런(8), 밀 프레임(6a 및 6b) 및 작업 롤(1 및 2)을 갖는 압연 밀을 도시한다. 틸트 롤 고정물은 선택적인 이송 테이블(9), 선택적인 크로스바(10) 및 경사진 급송 테이블(4)과 같은 부품들을 포함한다. 경사진 급송 테이블(4)은 롤들의 축에 평행한 축을 중심으로 테이블을 피봇함으로써 특정 틸트 각 또는 가변 틸트 각을 갖도록 제조될 수 있다. 작업편은 진입 틸트 각을 유지함으로써 작업 롤(1 및 2) 내로 급송된다. 작업편이 롤들 사이에서 이동될 때, 작업편은 수평으로 압박되고, 작업편의 후단 에지는 경사진 급송 테이블 상에 아래로 압박되어, 경사진 급송 테이블 상에 항력(drag force)을 발생시킨다. 선택적으로는, 경사진 급송 테이블에는 도 10의 롤러들(12)이 제공될 수 있다. 경사진 급송 테이블 상의 도 10의 롤러들(12)은 작업편과 경사진 급송 테이블 사이의 마찰을 감소시킴으로써 항력을 감소시킨다. 작업편의 롤들 내로의 이송은 이송 테이블(9) 상에 롤러들이 존재하므로 더욱 용이하다.
고정물은 밀 프레임(6a 및 6b)에 부착되는 크로스바(10)에 의해 지지되어서, 고정물이 작업 롤들 내로 당겨지는 것을 방지한다. 크로스바의 대안으로서, 경사진 급송 테이블은 에이프런(8)이 구조적으로 강하게 지지된다면 에이프런(8)에 볼트 결합될 수도 있다. 밀 프레임(6a 및 6b)과 크로스바(10) 사이의 심(11a 및 11b)은 경사진 급송 테이블이 수평으로 조정되는 것을 허용하고, 도 10에서의 에이프런(5)과 경사진 급송 테이블(4) 사이의 심(13)은 수직 방향으로의 조정을 허용한다. 수평 방향 및 수직 방향으로의 조정은 "완전 진입"을 보장하는데 필수적이다. 도 10에 도시된 실시예에서, 틸트 고정물은 선택적으로는 동일한 고정물이 필요에 따라 양측부에 설치될 수 있을지라도, 밀의 한 측부에만 설치되었다. 2개의 틸트 고정물을 이용하기 위해, 제1 고정물은 롤의 일 면에 설치될 수 있고, 제2 고정물은 롤의 절반 폭만을 덮는 대향 면에 설치된다.
작업편은 틸트 압연 공정뿐만 아니라 종래의 압연에서도 컬링되기 쉽다. 작업편이 1회 통과 시에 컬링된다면, 후속 통과를 위해 작업편을 롤들 내로 급송하는 것이 어려워진다. 이는 종래의 압연과 틸트 압연 양자 모두에 심각한 문제점이 될 수도 있다. 이는 틸트 압연을 위해 작업 롤의 폭 절반을 사용하는 것을 도시하는 도 9에 도시된 바와 같이 다뤄질 수 있다. 작업 롤의 나머지 폭 절반은 종래의 압연을 위해 또는 도 9에 도시된 바와 같은 "자유 통과(free pass)"를 위해 이용 가능하다. 이 실시예는 틸트 압연 동안에 1) 작업편을 편평하게 하는 것과, 2) 후속 틸트 롤 통과를 위해 틸트 고정물이 설치되는 측부로 작업편을 이송하는 것인 2가지 목적을 달성할 수도 있다. 자유 통과 동안에, 상부 롤과 하부 롤 사이의 롤 갭은 두께가 감소하지 않거나 매우 약간 감소하게 한다. 작업편의 두께 감소가 없더라도, 작업편은 자유 통과 동안에 편평해진다. 일단 작업편이 틸트 롤 고정물을 사용하여 밀의 측부로 다시 이송된다면, 작업편은 흡인 컵(suction cup)을 갖는 크레인(crane)을 사용하여 또는 수동으로 이송 테이블 상에 위치될 수 있다. 이 후, 작업편은 유압 푸셔(hydraulic pusher)를 사용하여 또는 수동으로 후속 통과를 위해 작업 롤들 내로 용이하게 압박될 수 있다.
작업편 전체에 걸친 틸트 압연으로 인한 장점을 달성하기 위해, 틸트 각은 틸트 압연 동안에 유지되어야 한다. 작업편은 일단 후단 에지가 경사진 급송 테이블을 떠난다면, 수평으로 압박되기 쉽다. 이것이 발생될 때, 종래의 압연에 대한 틸트 압연의 변화와, 틸트 압연의 장점은 압연되고 있는 재료에서 얻어질 수 없다.
이러한 영향을 최소화하기 위해, 경사진 급송 테이블의 팁(tip)(15)과 작업롤 사이의 거리를 최소화하는 것이 중요하다. 도 10은 경사진 급송 테이블의 팁(15)의 확대도를 도시한다. 경사진 급송 테이블(4) 상의 롤러들(12a 내지 12c)은 작업편(3)과 경사진 급송 테이블(4) 사이의 마찰을 감소시키는 중요한 기능을 갖는다. 롤들을 지지하는 이용 가능한 공간이 매우 제한되어 있는 경우에 롤(1) 및 롤(2)에 가능한 가깝게 경사진 급송 테이블 상에 롤러를 갖기 위한 요구조건은, 롤러와 경사진 급송 테이블의 설계에 있어서 중요한 고려 사항이다. 경사진 급송 테이블의 팁(15)에서의 테이퍼각(14)은, 적절한 강도를 갖고 롤러를 지지하기에 충분한 공간을 제공하면서 가능한 한 가깝게 롤러들에 접근하는 것이 가능하다.
또한, 작업편의 상부 및 하부 에지가 동시에 상부 및 하부 롤과 접촉하게 하는 경우인 "완전 진입"을 위한 상태로 작업편이 롤들 내로 급송되지 않는다면, 틸트 각은 유지될 수 없다. 완전 진입이 달성되지 않는 경우에, 작업편의 틸트 각은 경사진 급송 테이블의 틸트 각과 상이하다.
틸트 각을 제어하는 것에 더하여, 작업편과 경사진 급송 테이블 사이에 큰 접촉 영역을 유지하기 위해서 완전 진입이 요구된다. 작업편이 완전 진입을 위한 상태로 급송되지 않는다면, 작업편과 경사진 급송 테이블 사이의 접촉은 테이블의 팁에서 또는 작업편의 후단 에지에서 영역 접촉으로부터 라인 접촉으로 감소된다. 라인 접촉은 경사진 급송 테이블 또는 작업편에 과도한 접촉 압력을 야기할 수도 있는데, 이는 테이블 또는 작업편에서의 결함을 야기할 수도 있다.
완전 진입을 달성하기 위해, 경사진 급송 테이블의 팁은 올바르게 위치되어야 하는데, 위치는 통과 당 감소% 및 두께의 함수로서 변할 것이다. 일단 테이블의 팁이 완전 진입을 보장하기 위해 수직 방향으로 위치 설정된다면, 테이블의 팁은 가능한 한 롤들에 가깝게 팁을 이동시키기 위해 수평 방향으로 바람직하게 위치 설정된다. 따라서, 경사진 급송 테이블(4)은 수직 방향 및 압연 방향으로 이동시키기 위해 조정 가능하여야 한다. 경사진 급송 테이블(4)은 도 10에서의 심 높이(13)와 도 9에서의 심(11a 및 11b)을 변경시킴으로써 각각 수직 방향 및 압연 방향으로 조정될 수 있다. 또한, 작업편의 편평도는 완전 진입을 위한 조건에 기여한다. 여기에 설명된 조정은 편평한 작업편을 위해 더욱 정확하게 달성될 수 있다.
고정물의 또 다른 장점은 종래의 압연 밀에 비해 15분 내로 용이하게 설치될 수 있다는 것이다. 이러한 설치는 압연 밀에 대한 많은 변형을 요구하지 않는다. 압연 밀은 종래의 압연을 위해 사용될 수 있고, 이 후 제조 시설의 큰 파손 없이 틸트 압연으로 변경될 수 있다.
일례
본 발명은 이하의 일례들에 의해 추가로 설명되지만, 제한적인 것으로 의도되지 않는다.
이하에 나타난 2가지 일례에서, 분말 야금에 의해 제조된 탄탈륨 작업편은 압연을 위한 초기 작업편 재료로서 사용되었다. 분말 야금에 의해 제조된 작업편의 조직은 랜덤에 가까운 것으로 알려져 있다. 이전의 공정의 영향이 고립되도록 랜덤 조직을 갖는 작업편이 초기 재료로 사용되는 경우에 틸트 압연의 영향이 명확하게 보여질 수 있다.
일례 1(비교)
두께가 7㎜ 내지 8㎜인 3개의 플레이트는 미국특허 제6,521,173호에 따라 제조된 분말로부터 제조되었다. 이하에 주어진 공정(단계 1 내지 단계 6)에 의해, 퍽(puck)이 165㎜의 직경과 81㎜의 두께를 갖게 한다.
구체적으로, 그 작업은
1) 분말을 60% 내지 90% 밀도로 냉간 정압 프레스(CIP; Cold Isostatically Press)하고,
2) 강철 캔(steel can) 내의 가압된 예비 성형체를 캡슐화하고, 캔을 비우고 밀봉하고,
3) 예비 성형체를 100% 밀도를 갖는 빌렛(billet)으로 열간 정압 프레스(HIP; Hot Isostatically Press)하고,
4) 강철 캔을 제거하고,
5) 빌렛을 어닐링하고,
6) 밴드 톱(band-saw) 또는 임의의 유사한 적절한 절삭 장비를 사용하여 플레이트로 압연하기에 적절한, 하키 퍽 형상을 갖는 슬라이스로 절삭하는 것이다.
퍽은 (33㎜ 두께에서 어닐링 단계를 포함하는) 종래 기술을 사용하여 압연되었고, 종래 방식으로 마무리 공정 처리되었다. 압연 시에, 통과 당 15% 감소와 통과 공정들 사이의 90도 회전이 사용되었다. 작업편은 뒤집어 지지 않았다.
플레이트의 중심, 플레이트의 반경 중간 및 플레이트의 에지(잘 분리되는 2개의 샘플)로부터 샘플이 취해졌고, 수평 방향 및 수직 방향 모두로 10㎛ 단계를 사용하여 EBSD에 의해 조직이 결정되었다. 평균 그레인 크기는 약 ASTM 7(28 미크론 ALI)이었다. 일단 샘플의 상부 표면으로부터 하부 표면으로의 조직을 보여주는 조직 맵(texture map)이 얻어졌다면, 조직 맵은 이하와 같이 두께방향에 있어서의 조직 구배를 정량화하기 위해 수학적으로 분석되었다.
1) 맵은 상부 반부(H1) 및 하부 반부(H2)인 2개의 반부들로 분할된다.
2) 높이가 90㎛이지만 전체 폭(1.64㎜)인 절삭 구멍을 갖는 마스크가 맵 위에 위치되어서, 절삭 구멍의 상부가 맵의 상부에 부합한다. 창(window)의 높이는, 대략 3 그레인이지만 EBSD 단계(이 경우에 9단계)의 정수이도록 선택된다.
3) <111>//ND의 15도 내에서 그레인에 의해 점유되는 비율과 같은, <100>//ND의 15도 내에서 그레인에 의해 점유되는 절삭 구멍의 영역의 비율.
4) 마스크는 10㎛만큼 아래로 이동되고, 계산이 반복된다.
5) 절삭 구멍의 하부가 맵의 하부에 부합할 때까지 작업 4가 반복된다.
6) 이 데이터가 두께의 절반 각각에 대해
a) ㎜당 %로 나타내어진 100 데이터를 통과하는 최적 직선의 구배 (100 구배)와,
b) ㎜당 %로 나타내어진 111 데이터를 통과하는 최적 직선의 구배 (111 구배)를 결정하도록 분석된다.
3개의 시험편(specimen)의 절반 두께에 대한 이 분석의 결과는 이하와 같다.
Figure pat00001
일례 2(본 발명)
전술된 것과 동일한 분말 야금 공정(1 단계 내지 6 단계)을 사용하여 7.5㎜ 두께의 플레이트가 제조되어, 165㎜ 직경과 42㎜ 두께의 퍽을 형성하였다.
그 후, 일정 두께로 압연되었다. 5도의 틸트 각이 사용되었다. 작업편의 두께는 각 통과 시에 대략 5% 내지 10%만큼 감소되었다. 작업편은 각 통과 후 수직축을 중심으로 45도로 회전되었다. 작업편은 매 4회 통과 후 뒤집혀 졌다. 압연 후 작업편의 최종 두께는 7.5㎜였다. 마무리 공정 처리(어닐링 등)가 종래 방식으로 실행되었다.
플레이트의 중심, 플레이트의 반경 중간 및 플레이트의 에지로부터 샘플이 취해졌고, 수평 방향과 수직 방향 모두로 15㎛ 단계를 사용하여 EBSD에 의해 조직이 결정되었다. 평균 그레인 크기는 약 ASTM 6과 1/2(32 미크론 ALI)이었다. 결과가 일례 1과 동일한 방식으로 계산되었다.
Figure pat00002
데이터 포인트의 개수가 제한될지라도, 종래 기술과 본 발명의 방법의 통계 비교가 유용할 수도 있다. 표 4에서, 일례 1(비교예) 및 일례 2(본 발명)에서의 조직 구배의 변화가 비교된다. 표 2 및 표 3에 나열된 조직 구배 값의 절대 값은 일례 1에서의 플레이트 1, 2, 3과 일례 2에서의 플레이트에 대한 조직 구배의 최소-최대 범위, 평균 및 표준 편차를 얻는데 사용되었다. 표 4는 본 발명에 설명된 방법이 100 및 111 성분 모두에 대한 조직 구배를 크게 감소시켰다는 것을 나타낸다.
Figure pat00003
본 발명의 특정 실시예가 예시 목적으로 전술되었지만, 본 발명의 상세 사항의 다수의 변경이 특허청구범위에 한정된 바와 같이 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수도 있다는 것이 당해 기술분야의 숙련자에게 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 미리 정해진 감소 스케줄로, 1회보다 많은 통과 공정으로, 수평면 위로 또는 아래로 2도 내지 20도의 각도를 이루어 압연 밀의 롤들 내로 도입되는 압연된 플레이트 또는 시트의 작업편을 급송하는 단계를 포함하고,
    작업편은 (a)규칙적인 간격으로 통과 공정들 사이에 뒤집히거나, (b)2개 이상의 압연 밀을 통해 연속적으로 통과되고, 틸트 각의 방향은 연속적인 압연 밀들 사이에서 교번되어,
    작업편의 결정학적 조직이 제어되고,
    각각의 조직 성분 <100>//ND 및 <111>//ND의 두께방향 조직 구배는 ㎜당 4% 이하인
    방법.
  2. 미리 정해진 감소 스케줄로, 1회보다 많은 통과 공정으로, 수평면 위로 또는 아래로 2도 내지 20도의 각도를 이루어 압연 밀의 롤들 내로 도입되는 압연된 플레이트 또는 시트의 작업편을 급송하는 단계를 포함하고,
    작업편은 (a)규칙적인 간격으로 통과 공정들 사이에 뒤집히거나, (b)2개 이상의 압연 밀을 통해 연속적으로 통과되고, 틸트 각의 방향은 연속적인 압연 밀들 사이에서 교번되어,
    작업편의 결정학적 조직이 제어되고,
    전단 조직은 증가되며, <100>//ND 및 <111>//ND의 15도 내에 배열되는 fcc 금속의 단위 체적에서의 그레인의 비율이 각각 10.2%와 13.6%보다 큰
    방법.
  3. 미리 정해진 감소 스케줄로, 1회보다 많은 통과 공정으로, 수평면 위로 또는 아래로 2도 내지 20도의 각도를 이루어 압연 밀의 롤들 내로 도입되는 압연된 플레이트 또는 시트의 작업편을 급송하는 단계를 포함하고,
    작업편은 (a)규칙적인 간격으로 통과 공정들 사이에 뒤집히거나, (b)2개 이상의 압연 밀을 통해 연속적으로 통과되고, 틸트 각의 방향은 연속적인 압연 밀들 사이에서 교번되어,
    작업편의 결정학적 조직이 제어되고,
    전단 조직은 증가되고, <110>//ND의 15도 내에 배열되는 bcc 금속의 단위 체적에서의 그레인의 비율은 20.4%보다 큰
    방법.
  4. 제1항에 있어서,
    작업편은 2개 이상의 압연 밀을 통해 연속적으로 통과되고, 틸트 각의 방향은 연속적인 압연 밀들 사이에서 교번되어, 작업편의 결정학적 조직이 제어되고, 상기 압연 밀은 실질적으로 동일한 압연 속도로 작동되는 작업 롤을 포함하는
    방법.
  5. 압연된 플레이트 또는 시트에서 조직을 제어하는 방법이며,
    i) 수평면 위로 또는 아래로 2도 내지 20도 사이의 틸트 각에서 압연 밀의 대향하는 롤들 사이로, 상부 에지와 하부 에지를 갖는 작업편을 급송하는 단계와,
    ii) 평면 위로 또는 아래로 2도 내지 20도 사이의 틸트 각에서 제2 밀의 대향하는 롤들 사이로, 작업편을 급송하는 단계와,
    iii) 급송 중에 작업편과 경사진 급송 테이블 사이에서 영역 접촉을 유지하는 단계를 포함하는 압연된 플레이트 또는 시트에서 조직을 제어하는 방법으로서,
    상기 방법은 재료의 두께방향에 있어서의 전단 변형 분포를 조정하도록 계산되는 미리 정해진 감소 스케줄로, 2도 내지 20도 사이의 틸트 각으로 롤을 통해 작업편을 통과시키는 복수의 통과 단계를 포함하고, 틸트 각의 방향은 연속적인 압연 밀 사이에서 교번되는
    압연된 플레이트 또는 시트에서 조직을 제어하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    조직은 수평 방향과 수직 방향 모두에서 15㎛ 단계를 사용하여 EBSD에 의해 결정되는
    압연된 플레이트 또는 시트에서 조직을 제어하는 방법.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    틸트 각은 10도 내지 20도 사이이고, 감소 스케줄은 재료 내의 전단 변형의 양을 최대화하도록 조절되며, 이에 의해 전단 조직이 달성되고, 작업편은 금속의 플레이트 또는 시트가 랜덤에 가까운 조직을 갖도록 분말 야금에 의해 제조되는 플레이트 또는 시트이며, <100>//ND 및 <111>//ND의 15도 내에 배열되는 fcc 금속의 단위 체적에서의 그레인의 비율이 각각 10.2%와 13.6%보다 크고, 조직은 수평 방향과 수직 방향 모두에서 15㎛ 단계를 사용하여 EBSD에 의해 결정되는
    압연된 플레이트 또는 시트에서 조직을 제어하는 방법.
  8. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    틸트 각은 10도 내지 20도 사이이고, 감소 스케줄은 재료 내의 전단 변형의 양을 최대화하도록 조절되며, 이에 의해 전단 조직이 달성되고, 작업편은 금속의 플레이트 또는 시트가 랜덤에 가까운 조직을 갖도록 분말 야금에 의해 제조되는 플레이트 또는 시트이며, 1회 초과의 통과 단계 후에 작업편은 증가된 전단 조직을 가지며, <110>//ND의 15도 내에 배열되는 bcc 금속의 단위 체적에서의 그레인의 비율이 20.4%보다 크고, 조직은 수평 방향과 수직 방향 모두에서 15㎛ 단계를 사용하여 EBSD에 의해 결정되는
    압연된 플레이트 또는 시트에서 조직을 제어하는 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    공정은 재결정화를 달성하도록 작업편의 온도를 재결정 온도를 초과하도록 증가시키는 단계를 포함하는
    압연된 플레이트 또는 시트에서 조직을 제어하는 방법.
  10. 금속 플레이트 또는 시트를 압연하기 위한 장치이며,
    제1 압연 방향을 갖는 제1 압연 밀과,
    상기 제1 압연 밀 내로 금속 플레이트 또는 시트를 급송하기 위한 경사진 제1 급송 테이블과,
    제2 압연 방향을 갖는 제2 압연 밀과,
    상기 제2 압연 밀 내로 금속 플레이트 또는 시트를 급송하기 위한 경상진 제2 급송 테이블을 포함하고,
    경사진 급송 테이블은 압연 방향 위로 또는 아래로 2 내지 20도의 틸트 각을 이루어서 상이한 방향으로 경사져 있는
    금속 플레이트 또는 시트를 압연하기 위한 장치.
  11. 금속 플레이트 또는 시트를 경사지게 압연하기 위한 장치이며,
    수평면 위로 또는 아래로 2도 내지 20도의 각도로 기울어진 경사진 급송 테이블을 구비하는 압연 밀을 포함하고,
    경사진 급송 테이블은 압연 밀로부터 제거가능하며, 압연 밀은 경사진 급송 테이블을 지지하기 위한 크로스바와, 작업편을 경사진 급송 테이블로 이송하기 위한 이송 테이블을 더 포함하며,
    경사진 급송 테이블은 작업편의 완전 진입을 보장하기 위한 수평 및 수직 조정부를 포함하는
    금속 플레이트 또는 시트를 경사지게 압연하기 위한 장치.
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