KR20230173158A - 철계 합금박 및 그 제조 방법과 그것을 이용한 부품 - Google Patents

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아츠시 야시로
히로아키 오하라
아야카 사와다
나오키 후지모토
나오야 사와키
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Abstract

본 발명은 전자 부품의 고정밀도화에 사용되는 메탈 마스크에 적용되는 두께 10∼30 ㎛의 극박 철계 합금박에 있어서, 에칭 불량이나 핀홀의 원인을 최대한 저감하는 것을 과제로 한다. 상기 과제를 해결하기 위해서, C: 0.150% 이하, Si: 2.00% 이하, Mn: 10.00% 이하, Ni: 2.00∼50.00%, Cr: 19.00% 이하, N: 0.20% 이하, Al: 0.030% 이하, Co: 5.00% 이하, Mg: 0.0005% 이하, Ca: 0.0005% 이하, Ti: 0.01% 이하, P: 0.035% 이하, S: 0.0300% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 입경 2.00 ㎛ 이상인 개재물의 합계 질량에 대하여, Al2O3: 30 질량% 이하, MgO: 15 질량% 이하이고, 입경 2.00 ㎛ 이상인 개재물 중, 입경 5.00 ㎛ 이하인 개재물의 개수 비율이 80.00% 이상인 철계 합금박으로 했다.

Description

철계 합금박 및 그 제조 방법과 그것을 이용한 부품
본 발명은 철계 합금박 및 그 제조 방법과 상기 철계 합금박을 이용한 부품에 관한 것이다. 예컨대 메탈 마스크, 하드디스크 드라이브 서스펜션 등의 전자 디바이스용 부품이나 전자 디바이스의 제조를 위한 부품에 적용할 수 있다.
전자기기의 소형화 및 고밀도실장화에 따라 상기 전자기기를 구성하는 각 전자 부품의 다운사이징화 또는 경량화가 요구된다.
많은 경우, 전자 부품의 다운사이징화에 동반하여 고정밀도화가 필요하게 된다. 예컨대 포토에칭은 전자 부품의 고정밀도 가공에 많이 이용되는 기술이며, 이것을 이용한 전자 부품의 고정밀도화의 예로서, 메탈 마스크의 마스크 구멍의 미세화에 의한 OLED(유기 발광 다이오드)의 고화소밀도화나 하드디스크 드라이브(HDD)용 서스펜션의 미세화 등을 들 수 있다. 그것에 이용되는 메탈 마스크는, 얇은 금속판의 표면에 포토레지스트법에 의한 패턴을 형성한 후, 에칭에 의해서 금속판을 용해하여 제조된다.
메탈 마스크의 마스크 구멍은, 제조되는 OLED 화소의 RGB에 대하여 1:1로 대응할 필요가 있기 때문에, 마스크 구멍 사이의 피치 간격은 적어도 OLED의 화소 밀도와 같은 정도가 되고, 마스크 구멍의 구멍 직경도 그에 따라서 미세화된다.
통상 메탈 마스크의 마스크 구멍은 원추대형(단면이 테이퍼형)으로 되어 있다. 그와 같이 하기 위해서, 마스크가 되는 금속판의 한쪽의 표면 측을 소구경, 다른 쪽의 표면 측을 대구경이 되도록 드라이 필름으로 마스킹하여, 각각의 표면에서부터 판 두께의 반 정도까지 하프 에칭함으로써 제조된다.
메탈 마스크 제조용의 금속판 내에 에칭액에 대하여 난용성인 개재물이 존재하면 에칭 불량이 생기는 경우가 있다. 예컨대 마스크 구멍이 형성되는 부분에, 금속판의 판 두께의 반 이상의 사이즈를 갖는 개재물이 존재하면, 한쪽에서 하프 에칭할 때에 개재물 주위의 금속 부분이 용해된다.
그리고, 반대측 표면에서 드라이 필름이 배치된 부분도 용해되어 반대측의 드라이 필름이 박리된다. 그리고, 반대측에서 금속판을 하프 에칭했을 때에, 드라이 필름이 박리된 부분의 금속판도 에칭되게 되어, 개재물을 중심으로 하여 부정형의 구멍이 뚫린 상태가 된다.
이것은 일례이지만, 이러한 개재물에 기인하는 에칭 불량은 제조되는 OLED의 화소 밀도가 클수록 현저하게 된다. 왜냐하면, 상술한 것과 같이, 메탈 마스크는, 제조되는 OLED의 화소 밀도에 대응하는 피치 간격과 같은 정도의 판 두께를 갖는 금속판을 에칭함으로써 형성되기 때문이다. 따라서, 화소 밀도가 800∼1000 PPI인 OLED의 경우, 메탈 마스크의 판 두께를 현재의 20.00∼30.00 ㎛에서 12.00∼15.00 ㎛까지 얇게 할 필요가 생긴다. 이 때문에, 개재물의 사이즈를 10.00 ㎛ 미만까지 제한할 필요가 있다.
개재물은, 주로 알루미나(Al2O3)나 마그네슘-알루미늄 스피넬(MgO·Al2O3) 등의 경질계 개재물이나, 실리카(SiO2), CaO 등의 연질계 개재물이다. 경질계 개재물은 계면 에너지가 높아 응집하기 쉽고, 또한 응집 후의 사이즈가 커지기 쉽다. 게다가, 경질계 개재물은 열간 압연이나 냉간 압연에서 미세화되기 어려워, 그 결과로서 사이즈가 큰 개재물 입자로 잔존해 버린다. 따라서, 고정밀도가공화에 동반되는 에칭 불량을 개선하기 위해서는, 금속판에 포함되는 개재물의 사이즈 미세화와 함께 입자수의 저감이 중요하다.
이러한 메탈 마스크를 제조하기 위해서, 특허문헌 1, 2에서는 인바 합금을 이용하는 것이 제안되어 있다.
특허문헌 1은, Fe-Ni계 합금을, 진공 용해, 단조, 열간 압연, 냉간 압연, 중간 소둔을 순차 행한다고 하는, 판 두께 100.00 ㎛ 정도의 OLED용 메탈 마스크의 제조 방법을 개시하고 있다.
특허문헌 2는, 용탕의 산소 농도를 저감하기 위해서, 진공 유도 용해 등에 의해 용탕의 청정도를 높이고 나서 잉곳을 주조함으로써, 메탈 마스크 재료의 에칭 불량을 방지하는 것을 개시하고 있다.
그러나, 연속 주조 및 진공 용해는, 용해한 합금(이하, 「용탕」이라고 한다.)을 턴디시 혹은 용해로로부터 일정 형상의 용기에 흘려 넣어 상기 용기를 냉각함으로써 강편(鋼片)을 제조하는 공정을 포함한다. 연속 주조 및 진공 용해에 의해서 제조되는 강편은 완전히 응고될 때까지 시간이 걸린다. 그 때문에, 연속 주조 및 진공 용해에 의해서 제조된 강편은, 그 중심이 용해된 상태 그대로, 그 외측에서부터 응고하기 때문에, 강편 내부에 개재물이 편석(偏析)하여 응고하기 쉽다.
더구나, 연속 주조의 경우, 턴디시 안의 용융 슬래그를 제거하더라도, 용탕 내에 잔존하는 알루미나 및 스피넬은 계면 에너지가 높기 때문에, 용탕의 냉각 중에 클러스터화하여 조대(粗大)한 개재물로 되기 쉽다.
특허문헌 3, 4는, Fe-Ni 합금 슬라브 내 최대 비금속 개재물의 크기를 추정하여, 최종적으로 얻어지는 압연 시트, 코일이 어떠한 품질 이력을 갖고 있었는지를 밝힐 할 수 있는 에칭 가공용 Fe-Ni 합금판의 제조 방법을 개시한다. 그러나, 특허문헌 3, 4에서, Fe-Ni 합금의 잉곳은, 보통 조괴법(造塊法)에 의해 주조하거나 또는 연속 주조에 의해 주조함으로써 제조되고 있다. 그 때문에, 특허문헌 3, 4에 개시된 제조 방법에 의해 제조되는 강편은, 완전히 응고될 때까지 시간이 걸리므로, 강편 내부에서 개재물이 편석하여 응고하기 쉽다.
특허문헌 5는, 진공 유도 용해로에 의해, Fe-31% Ni-5% Co 수퍼 인바계 합금의 강괴(鋼塊)를 제작하고, 그 후 1100℃로 가열하여 고용화 처리를 행하고, 단조와 열간 압연을 실시하여 판재로 하고, 800∼900℃에서 질화니오븀의 석출 처리를 행한 후, 냉간 압연과 소둔을 반복하여 두께 0.1 mm의 냉간 압연재를 제작하는 것을 개시한다. 그러나, 진공 유도 용해로에 의해 강괴를 제작하는 공정과, 그 후의 고용화 처리 공정에서는, 상술한 것과 같이 응고될 때까지 시간이 걸리므로, 강편 내부에서 개재물이 편석하여 응고하기 쉽다.
특허문헌 6에는, HDD(하드디스크 드라이브) 부재나 박막 실리콘 태양전지 기판 등의 정밀기기 부재에 알맞은 스테인리스 강판이 개시되어 있다. 스테인리스 강판의 표면에 분포되어 있는 미소한 피트(pit)의 존재가 스테인리스 강판의 세정성에 크게 영향을 미친다. 이들 미소한 피트는 개재물이나 탄화 입자의 압연 공정에서의 탈락 흔적에 기인한다는 것이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 6에는, MgO-Al2O3계 개재물은, 냉간 압연 공정에서의 변형능이 작기 때문에, 메탈/개재물 계면에 보이드나 공극이 발생하기 쉬워 마이크로피트나 균열의 기점으로 되기 쉽다는 것이 기재되어 있다. 이에 대하여, Mn(O,S)-SiO2를 주성분으로 하는 비금속 개재물을 생성시키며 또한 MgO, Al2O3을 소정의 농도 이하로 조정함으로써, 비금속 개재물을 무해화하는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 7에는, 증착 마스크용 Fe-Ni계 합금판에 있어서, 1 ㎣ 당 1 ㎛ 이상의 입자수를 3000개 이하로, 3 ㎛ 이상의 입자수를 50개 이하로, 또한 1 ㎛ 이상의 입자의 전체 개수에 대한 1∼3 ㎛ 입자의 개수 비율이 70% 이상이 되는 금속판을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 7에 개시되어 있는 금속판의 제조 방법은, 잉곳 제조 시의 응고 중에 개재물이 부상하는 것을 전제로 하고 있고, 통상의 응고 과정에서 생기는 편석(특히 잉곳 중심부로의 편석)을 고려하고 있지 않기 때문에, 실제의 금속판 제조에 적용할 수 없다. 그 때문에, 실질적으로 특허문헌 7에는, 조대 개재물이 적은 금속판을 선택하여 증착 마스크용 금속판에 사용한다고 하는, 당업자가 당연히 해야 할 선택 기준밖에 개시되어 있지 않다.
특허문헌 1: 일본 특허공개 2004-183023호 공보 특허문헌 2: 일본 특허공개 2017-88915호 공보 특허문헌 3: 일본 특허공개 2005-256049호 공보 특허문헌 4: 일본 특허공개 2005-274401호 공보 특허문헌 5: 일본 특허공개 2001-262278호 공보 특허문헌 6: 일본 특허공개 2011-202253호 공보 특허문헌 7: 일본 특허 제6788852호 공보
상술한 것과 같이 개재물에 기인하는 에칭 불량은 전자 부품이 고정밀도화할수록 혹은 다운사이징할수록 현저하게 된다. 예컨대 제조되는 OLED의 화소 밀도가 클수록 HDD용 서스펜션을 소형화할수록 현저하게 된다.
본 발명자들은, 개재물의 사이즈와 메탈 마스크 재료의 에칭 불량의 관계에 관해서 예의 연구를 진행시켰다. 그 결과, 메탈 마스크 재료의 판 두께가 10.00 ㎛ 정도의 극박인 경우, 5.00 ㎛보다 큰 개재물을 저감하면, 메탈 마스크 재료의 에칭 불량이 감소하는 것을 발견했다.
또한, 메탈 마스크 재료에 함유되는 입경 5.00 ㎛보다 큰 개재물을 저감하면 핀 홀도 감소하는 것을 발견했다.
따라서, 본 발명은, 두께 10.00 ㎛ 이상의 극박 철 합금박에 있어서, 입경 5.00 ㎛를 넘는 조대 개재물의 개수를 저감시키는 것을 과제로 하여, 조대 개재물이 저감된 철계 합금박, 그 제조 방법 및 그것을 이용한 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이하, 달리 언급하지 않는 한, 입경 5.00 ㎛를 넘는 개재물을 조대 개재물이라고 부른다.
본 발명자들은 개재물의 기본적인 성분으로서 Al2O3, MgO, SiO2, CaO, Mn(O,S), CrS에 주목했다. 이 중 SiO2, CaO, Mn(O,S), CrS의 적어도 1종으로 이루어지는 개재물은 클러스터화하기 어렵고, 또한, 저융점에서 연질이기 때문에, 열간 압연 공정이나 냉간 압연 공정에서 신전 혹은 파쇄됨으로써 조대 개재물이 저감하는 것을 발견했다.(SiO2, CaO, Mn(O,S), CrS를 연질계 개재물이라고 부르는 경우가 있다.)
한편, 알루미나(Al2O3)나 마그네슘-알루미늄 스피넬(MgO·Al2O3. 이하, 스피넬이라고 하는 경우가 있다.) 등의 개재물은, 계면 에너지가 높고, 응고 중에 편석하여 응집하기 때문에, 응집 후의 사이즈가 커지기 쉽다. 더구나, 알루미나나 스피넬의 개재물은 경질이기 때문에, 열간 압연이나 냉간 압연에 있어서 개재물이 파쇄되기 어려워, 결과적으로 사이즈가 큰 개재물 입자로서 잔존해 버린다.(알루미나나 마그네슘-알루미늄 스피넬을 경질계 개재물이라고 부르는 경우가 있다.)
그래서, 개재물에 함유되는 알루미나나 스피넬의 비율을 저감하여, 철 합금박의 제조 조건, 특히 압연 조건을 재조정하여, 조대한 알루미나나 스피넬 개재물의 개수를 줄이면서 또한 연질인 개재물을 미세하게 분산시킴으로써, 조대 개재물이 감소한 철계 합금박을 얻을 수 있다는 것을 발견했다.
본 발명은 상기한 지견을 기초로 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.
(1)
질량%로,
C: 0.150% 이하,
Si: 2.00% 이하,
Mn: 10.00% 이하,
Ni: 2.00∼50.00%,
Cr: 19.00% 이하,
N: 0.20% 이하,
Al: 0.030% 이하,
Co: 5.00% 이하,
Mg: 0.0005% 이하,
Ca: 0.0005% 이하,
Ti: 0.01% 이하,
P: 0.035% 이하,
S: 0.0300% 이하를 포함하고,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 조성을 갖고,
입경 2.00 ㎛ 이상인 개재물의 합계 질량에 대하여, Al2O3: 30 질량% 이하, MgO: 15 질량% 이하이고,
상기 입경 2.00 ㎛ 이상인 개재물 중, 입경 5.00 ㎛ 이하인 개재물의 개수 비율이 80.00% 이상이고,
판 두께가 10.00∼30.00 ㎛인 것을 특징으로 하는 철계 합금박.
(2)
상기 철계 합금박에 있어서, 질량%로,
Ni: 30.00∼50.00%인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재한 철계 합금박.
(3)
상기 철계 합금박에 있어서, 질량%로,
C: 0.050% 이하,
Ca: 0.0005% 이하,
Mn: 0.30% 이하,
Si: 0.30% 이하,
Mg: 0.0005% 이하,
Al: 0.030% 이하 중 적어도 1종을 만족하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재한 철계 합금박.
(4)
입경 5.00 ㎛를 넘는 개재물이 15 개/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 (1)∼(3)의 어느 한 항에 기재한 철계 합금박.
(5)
상기 철계 합금박의 표면에 있어서, 직경 20 ㎛ 이상인 핀홀의 밀도가 5 개/1000 ㎡ 이하인 것을 특징으로 하는 (1)∼(4)의 어느 한 항에 기재한 철계 합금박.
(6)
상기 철계 합금박이, 질량%로,
C: 0.150% 이하,
Si: 0.1∼2.00%,
Mn: 0.10∼1.20%,
S: 0.007% 이하,
Ni: 2.00∼15.00%,
Cr: 15.00∼19.00%,
N: 0.20% 이하,
Al: 0.010% 이하를 포함하고,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 오스테나이트계 스테인리스강이고, 표면에 있어서 직경 20 ㎛ 이상의 핀홀 밀도가 5 개/1000 ㎡이하이고, 0.2% 내력이 700 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재한 철계 합금박.
(7)
상기 2.00 ㎛ 이상의 개재물이 표면에 있어서 면적률로 1∼100 ppm인 것을 특징으로 하는 (6)에 기재한 철계 합금박.
(8)
(1)∼(7)의 어느 한 항에 기재한 철계 합금박으로 이루어지는 메탈 마스크 재료.
(9)
(1)∼(7)의 어느 한 항에 기재한 철계 합금박으로 이루어지는 메탈 마스크.
(10)
(1)∼(7)의 어느 한 항에 기재한 철계 합금박을 갖는 부품.
(11)
(1)∼(7)의 어느 한 항에 기재한 철계 합금박으로 이루어지는 하드디스크 드라이브 서스펜션.
(12)
(10)에 기재한 부품이 이용된 전자 디바이스 밀봉 부재.
(13)
(1)∼(3), (6) 중 어느 하나에 기재한 조성으로 이루어지는 강편을 열간 압연하는 공정과,
상기 열간 압연된 열간 압연 판을, 마무리 압연을 포함하는 냉간 압연을 행하는 공정을 포함하고,
상기 냉간 압연에 있어서의 압하율을 99.0% 이상으로 하고, 상기 마무리 압연에 있어서의 각 압연 패스(이하, 단순히 패스라고 하는 경우가 있다.)의 압하율을 1∼18%로 하는 것을 특징으로 하는 철계 합금박의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 조대한 개재물이 저감되고, 압연 가공 및 에칭 가공 시의 불량이 생기기 어려운 철계 합금박을 제공할 수 있다. 또한, 메탈 마스크나 하드디스크용 서스펜션에 적용한 경우, 에칭 불량이 현저히 저감되고, 고정밀도 가공을 높은 수율로 가능하게 할 수 있다. 또한, 그와 같은 고정밀도 가공에 의해, 보다 다운사이징된 전자 부품을 얻을 수 있다.
도 1은 합금박 표면에서의 개재물 평가 면적의 타당성을 검증하기 위한 일례로, 측정 면적과 그것에 대한 개재물의 개수 밀도의 변동을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 철계 합금박에 관해서 상세히 설명한다. 달리 언급하지 않는 한, 성분에 관한 「%」는 강철 내 질량%를 나타낸다. 특별히 하한을 규정하지 않은 경우는, 함유하지 않는 경우(0%)를 포함하여도 좋다.
[강철의 조성]
본 발명의 철계 합금박은, 질량%로 C: 0.150% 이하, Si: 2.00% 이하, Mn: 10.00% 이하, Ni: 2.00∼50.00%, Cr: 19.00% 이하, N: 0.20% 이하, Al: 0.030% 이하, Co: 5.00% 이하, Mg: 0.0005% 이하, Ca: 0.0005% 이하, Ti: 0.01% 이하, P: 0.035% 이하, S: 0.0300% 이하, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다.
Ni는 내식성 개선이나 가공성 개선 효과를 가지며, 또한 합금의 열팽창 계수를 조정하기 위한 주요 원소이다. 내식성 개선의 관점에서는, Ni 함유량은 2.00% 이상으로 하면 된다. 바람직하게는 Ni 함유량을 5.00% 이상, 10.00% 이상, 15.00% 이상, 20.00% 이상, 25.00% 이상으로 하면 된다. 또한, 열팽창을 억제한다는 관점에서는, Ni 함유량을 바람직하게는 30.00% 이상, 31.00% 이상, 32.00% 이상, 34.00% 이상 또는 35.00% 이상으로 하면 된다.
그러나, Ni는 고가의 원소이고, 함유량이 지나치게 많으면, 열간 압연 후 또는 열간 단조 후에, 강철 중에 베이나이트 조직이 생성되기 쉽게 된다. 따라서, Ni 함유량은 50.00% 이하, 45.00% 이하, 40.00% 이하, 38.00% 이하 또는 37.00% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Cr은 내식성의 개선에 필요한 합금 성분이다. 그러나, Cr이 과잉 포함되면 강재가 경질화하여 가공성이 열화하므로, Cr 함유량은 19.00% 이하로 하면 된다. Cr 함유량의 하한은 특별히 한정하지 않고 0%라도 좋다. 한편, Cr 함유량 15.00% 이상에서 Cr 첨가 효과가 현저하게 되므로, 바람직하게는 15.00% 이상으로 하면 된다.
Co는 Ni량과 관련하여 그 첨가량을 늘리면 합금의 열팽창 계수를 한층 더 저하시킬 수 있는 성분이다. Co는 함유하지 않아도 좋지만, 함유한다면 0.01% 이상, 0.02% 이상 또는 0.05% 이상으로 하면 된다. 한편, 매우 가격이 비싼 원소이기 때문에, Co 함유량의 상한을 5.00%로 하면 좋고, 바람직하게는 4.00% 이하 또는 3.00% 이하로 하면 좋다.
C(탄소)는 함유하지 않아도 되지만, 메탈 마스크 재료 등의 금속박의 강도를 높이기 때문에 함유하여도 좋다. C를 함유한다면 0.001% 이상, 0.003% 이상, 0.005% 이상, 0.010% 이상 또는 0.020% 이상으로 하면 된다. 그러나, C가 과잉 함유되면, 열팽창 계수가 커지며 또한 결정립계에 석출되는 Cr계 개재물(Cr 탄화물)이 증가하여 핀홀이 발생하는 원인이 된다. 따라서, C 함유량은 0.150% 이하, 바람직하게는 0.100% 이하 또는 0.050% 이하로 하면 된다.
Ca는, 황화물에 고용(固溶)되고, 황화물을 미세 분산시켜, 황화물의 형상을 구상화(球狀化)한다. Ca는 함유하지 않아도 되지만, 함유한다면 Ca 함유량은 0.0001% 이상 또는 0.0002% 이상으로 하면 된다. 한편, Ca를 다량으로 함유하면, 황화물에 고용되지 않은 Ca가 조대한 산화물을 형성하여 에칭 불량을 일으킬 우려가 있다. 따라서, Ca량은 0.0005% 이하, 바람직하게는 0.0004% 이하로 하면 된다.
Mn은, 스피넬의 생성을 피하기 위해서, Mg 및 Al 대신에 탈산제로서 적극적으로 이용된다. 그러나, Mn 함유량이 지나치게 많으면, 입계에 편석하여 입계 파괴를 조장하고, 내수소취화성(耐水素脆化性)이 낮아진다. 따라서, Mn 함유량은 10.00% 이하로 하면 좋고, 바람직하게는 5.00% 이하, 2.00% 이하, 1.50% 이하, 1.20% 이하, 1.00% 이하, 0.80% 이하, 0.60% 이하, 0.50% 이하, 0.40% 이하 또는 0.30% 이하로 하면 된다.
Mn은 포함하지 않아도 된다. 그러나, Mn 함유량이 지나치게 적으면 개재물을 Mn(O,S)-SiO2계 조성으로 조절하기 어렵게 된다. 그 때문에, Mn 함유량은 바람직하게는 0.01% 이상, 0.03% 이상, 0.05% 이상 또는 0.10% 이상으로 하면 좋다.
여기서, Mn(O,S)란, MnO 단일체, MnS 단일체 및 MnO와 MnS가 복합된 개재물을 가리키며, O와 S의 비율은 일정하지 않고, 산화물과 황화물이 복합된 개재물임을 의미한다.
Si는, 스피넬의 생성을 피하기 위해서 Mg, Al 대신에 탈산으로서 적극적으로 이용된다. 그러나, Si는 합금의 열팽창 계수를 증가시킨다. 메탈 마스크 재료는, 증착원으로부터 방출된 유기 EL 발광 재료가 마스크 구멍을 통과할 수 있도록 200℃ 정도의 온도 환경 하에서 사용되는 경우가 있다. 또한, 탈산 생성물의 MnO-SiO2는 유리화한 연질의 개재물이며, 열간 압연 중에 연신 및 분단되어 미세화된다. 그 때문에, 내수소취화성이 높아진다. 한편, Si 함유량이 2.00%를 넘으면, 강도가 지나치게 높아져 경질화하여, 냉간 가공으로 박판을 제조할 때에 소정 판 두께까지 압연하기 위해서 많은 압연 패스 횟수를 필요로 하여, 생산성이 크게 떨어진다. 그 때문에, Si 함유량은 2.00% 이하, 바람직하게는 1.00% 이하, 0.50% 이하 또는 0.30% 이하로 하면 된다.
Si는 포함하지 않아도 좋다. 그러나, 지나치게 적으면 탈산 부족으로 되고, 개재물 내 Cr2O3 농도가 증가하여, 가공 균열을 유발시키는 개재물이 생성되기 쉽게 된다. 그래서, Si 함유량은 바람직하게는 0.01% 이상, 0.03% 이상, 0.05% 이상 또는 0.10% 이상으로 하면 된다.
Mg는 강철의 탈산에 이용한다. 그러나, Mg 함유량이 0.0005%를 넘으면 조대한 개재물이 생성될 우려가 있다. 또한, 스피넬의 생성을 피하기 위해서 Mg의 함유량은 낮은 쪽이 바람직하기 때문에 포함하지 않아도 좋다. 따라서, Mg 함유량은 0.0005% 이하, 바람직하게는 0.0003% 이하, 0.0002% 이하 또는 0.0001% 이하로 하면 된다.
Al도 강철의 탈산에 이용한다. 그러나, Al 함유량이 0.030%를 넘으면 조대한 개재물이 생성될 우려가 있다. 또한, 스피넬의 생성을 피하기 위해서 Al의 함유량은 낮은 쪽이 바람직하다. 따라서, Al 함유량은 0.030% 이하, 바람직하게는 0.020% 이하, 0.010% 이하 또는 0.005% 이하로 하면 된다.
P 및 S는, 철계 합금 내에서 Mn 등의 합금 원소와 결합하여 개재물을 생성하는 원소이기 때문에, 함유량은 적은 쪽이 바람직하므로, 포함하지 않아도 좋다. 따라서, P 함유량은 0.035% 이하, 바람직하게는 0.010% 이하, 0.007% 이하 또는 0.005% 이하로 하면 되고, S 함유량은 0.0300% 이하, 바람직하게는 0.0100% 이하, 0.0070% 이하 또는 0.0050% 이하로 하면 된다.
Ti는 합금의 열팽창 계수를 증가시키기 때문에 낮은 쪽이 바람직하다. 따라서, Ti는 함유하지 않아도 좋지만, 그 함유량은 0.01% 이하로 하면 된다.
N은 C와 마찬가지로 고용 강화 원소이기도 하다. N이 다량으로 포함되면 0.2% 내력이 상승하지만, 강재가 경질화하여 제조성이 현저히 악화한다. 그 때문에, N은 포함하지 않아도 좋고, N 함유량의 상한을 0.20%로 하면 되며, 바람직하게는 0.10% 이하로 하면 된다.
상기 강철 성분의 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다. 여기서 불가피한 불순물이란, 강철을 공업적으로 제조할 때에, 광석이나 스크랩 등과 같은 원료를 비롯하여 제조 공정의 다양한 요인으로 인해서 혼입되는 성분이며, 본 발명에 악영향을 미치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
[개재물]
개재물은 적은 쪽이 좋고, 전혀 존재하지 않는 것이 이상적이다. 그러나, 제조 과정에서 혼입되거나 강철 성분으로부터 생성되거나 하기 때문에, 전무로 하는 것은 용이하지 않다. 상술한 것과 같이, 메탈 마스크 등의 소재로서 사용하는 경우, 판 두께의 반 정도의 크기의 개재물이 에칭 불량의 원인으로 되어 유해하다. 또한, 압연 중에 표면에 있는 조대 개재물이 탈락하여, 핀홀이나 표면 피트의 원인으로 되기 쉽다는 것도 알 수 있었다. 따라서, 입경이 큰 개재물, 예컨대 판 두께 10 ㎛의 극박 합금박의 경우, 원 상당 입경으로 5 ㎛ 이상의 개재물을 최대한 저감시키는 것이 중요하다.
본 발명자들은 개재물의 기본적인 성분으로서 Al2O3, MgO, SiO2, CaO, Mn(O,S), CrS에 주목했다. 이들 중 SiO2, CaO, Mn(O,S), CrS의 연질계 개재물은 클러스터화하기 어려워 저융점에서 연질이기 때문에, 압연에 의해 신전 혹은 파쇄되어 조대화가 억제되는 것이 알 수 있었다. 한편, 알루미나나 마그네슘-알루미늄 스피넬 등의 경질계 개재물은 계면 에너지가 높고, 응고 과정에서 편석하여 응집하기 쉽기 때문에 응집 후의 사이즈가 커지기 쉽다. 또한, 알루미나나 스피넬의 개재물은 경질이기 때문에, 압연에 있어서 신전이나 파쇄되기 어렵고, 결과적으로 사이즈가 큰 개재물 입자로서 잔존해 버리는 것도 알 수 있었다.
이와 같은 지견에서, 연질계 개재물의 생성을 억제하고, 또한 생성된 연질계 개재물은 압연 조건(예컨대 압하율)을 조정함으로써 미세화하는 것이 중요하다고 생각했다. 한편, 경질계 개재물은 압연에 의한 미세화가 어렵기 때문에, 경질계 개재물을 생성시키지 않으며 또한 혼입시키지도 않는 것과, 설령 생성이나 혼입되었다고 해도 응집시키지 않는(조대화시키지 않는) 것이 중요하다고 생각했다.
우선 연질계, 경질계 모두 개재물을 생성시키지 않고서 합금박으로서의 기계적 강도 등을 담보하기 위해서, 상기한 것과 같은 강철 성분으로 하면 된다.
개재물을 혼입시키지 않기 위해서는 프로세스의 재조정이 중요하게 된다. 예컨대 용탕 처리할 때의 내화물을 재조정하여, Al이나 Mg 등이 적은 내화물을 사용하면 된다.
또한, 개재물의 응집은 예컨대 용탕으로부터 응고할 때의 편석하여 응집하는 것이 원인의 하나이다. 응고 시에 편석하는 것은 피하기 쉽지 않지만, 될 수 있는 한 응집하지 않도록 용탕을 교반시키는 등의 방법을 생각할 수 있다. 또한, 용탕으로부터의 응고 프로세스를 사용하지 않는 프로세스, 예컨대 HIP(열간 정수압 프레스) 등에 의해 잉곳을 제조하면 된다. 제조 프로세스에 관해서는 후에 설명한다.
본 발명의 일 양태의 철계 합금박에 포함되는 개재물은, 측정 상의 이유에서 입경(원 상당 직경) 2.00 ㎛ 이상의 개재물(이하, 달리 언급하지 않는 한 단순히 「개재물」이라고 하는 경우가 있다.)을 대상으로 한다. 입경 5.00 ㎛를 넘는 조대 개재물이 유해하여 최대한 저감하는 편이 좋다. 한편, 입경 2.00∼5.00 ㎛의 개재물은 저감하는 편이 바람직하지만, 직접적으로 유해하게 되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태로서, 입경 2.00∼5.00 ㎛인 개재물의 개수가 입경 2.00 ㎛ 이상인 개재물의 전체 개수에 대한 개수 비율로 80.00% 이상이면 된다. 바람직하게는 85.00% 이상, 90.00% 이상, 95.00% 이상, 97.00% 이상, 98.00% 이상, 99.00% 이상 또는 100%라도 좋다.
또한, 알루미나나 스피넬과 같은 경질계 개재물은 조대립(粗大粒)으로 되기 쉽기 때문에 최대한 저감시키면 좋다. 그 때문에, 입경 2.00 ㎛ 이상의 개재물의 합계 질량에 대하여, Al2O3을 30 질량% 이하, MgO를 15 질량% 이하로 하면 된다. 이들 경질계 개재물은 적은 쪽이 바람직하기 때문에, Al2O3의 비율은 바람직하게는 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하, 5% 이하, 3% 이하 또는 1% 이하로 하면 된다. 마찬가지로 MgO의 비율은, 바람직하게는 10% 이하, 8% 이하, 6% 이하, 5% 이하, 4% 이하, 3% 이하, 2% 이하 또는 1% 이하로 하면 된다.
개재물의 사이즈는 이하와 같이 측정된다. 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 금속박 표면의 개재물을 관찰한다. SEM에는, 예컨대 닛폰덴시 제조의 JSM-IT500HR을 이용하여도 좋다. SEM의 설정의 일례를 기재한다.
·검출기: 반사 전자 검출기 BED-C
·관찰 배율: 80배
·가속 전압: 20.0 kV
·워킹 디스턴스(WD): 10.0 mm
·조사 전류: 80%
또한, SEM으로 취득한 화상은, 개재물 자동 해석 소프트웨어로 개재물을 검출하여, 에너지 분산형 X선 분광 장치(이하, EDS 장치)로 개재물의 조성 분석을 실시했다. 개재물 자동 해석 소프트웨어는 예컨대 Oxford사 제조의 AZtec의 입자 해석 모드를 사용하여도 좋다. EDS 장치는 예컨대 Oxford사 제조의 ULTIMMAX65를 이용하여도 좋다.
개재물 자동 해석 소프트웨어에 의한 개재물의 식별 공정에 있어서, 처음에 개재물 자동 해석 소프트웨어에서 사용하는 SEM 화상을 취득한다. 이어서, SEM으로 취득한 화상으로부터 개재물 자동 해석 소프트웨어로 원 상당 직경(등면적 원 상당 직경)으로 2.00 ㎛ 이상이면서 또한 EDS로 Al, Mg, Si, Ca, Mn, S 원소 중 1종 이상이 검출된 경우에 개재물로서 식별한다. EDS 분석까지 끝난 화상에 관해서는 소프트웨어 상에서 결합하여 하나의 화상으로서 출력한다. 이때, 개재물 자동 해석 소프트웨어에 의해 식별된 개재물의 원 상당 직경, 원소 조성도 취득한다. 이상의 개재물 식별 수순을 반복하여 실시함으로써 설정한 면적까지 측정을 행한다. 예컨대 화상의 측정 면적은 10 ㎠를 측정 단위인 1 시야로 하여 10 시야 측정을 실시하고, 합계 100 ㎠를 평가 면적으로 하면 된다. 또한, 측정한 개재물의 면적과 동일한 면적을 갖는 원의 직경을 원 상당 직경(원 상당 직경)으로 하여 이것을 「입경」으로 한다.
개재물의 조성은 개재물 자동 해석 소프트웨어로 식별된 각 개재물에 관해서 이하와 같이 계산된다. 우선, EDS 분석에 의해 얻어진 원소 Al, Mg, Si, Ca, Mn, Cr, S의 질량%를 각각 원자량으로 나눠, 원소의 겉보기 물질량을 구한다. 이어서, 상기 7종 원소에 관해서, 개재물의 기본 성분인 산화물 혹은 황화물의 상태로 한다. 개재물 내에서 Al, Mg, Si, Ca는 주로 산화물로서 존재한다.
Mn, Cr은 주로 황화물로 존재하고, Mn은 산화물 MnO로서 존재하는 경우도 있다. S는 상술한 황화물 MnS 이외에, 크롬의 황화물 CrS로서 존재하는 경우도 있다. Mn의 겉보기 물질량보다 S의 겉보기 물질량이 많은 경우, Mn의 겉보기 물질량과 동량의 MnS가 존재하고, 이때, S의 겉보기 물질량으로부터 Mn의 겉보기 물질량을 감산한 물질량의 CrS가 존재한다. Mn의 겉보기 물질량보다 S의 겉보기 물질량이 적은 경우, S의 겉보기 물질량과 동량의 MnS가 존재하고, 이때 Mn의 겉보기 물질량으로부터 S의 겉보기 물질량을 감산한 물질량의 MnO가 존재한다. Mn의 겉보기 물질량과 S의 겉보기 물질량이 완전히 동량 존재하는 경우, Mn 및 S의 물질량과 동량의 MnS가 존재한다.
개재물의 기본 성분인 산화물 혹은 황화물의 상태로 하기 위해서, 각 원소의 겉보기 물질량에 대응하는 원소 O(산소) 또는 S의 물질량을 각각 Al:O=2:3, Mg:O=1:1, Si:O=1:2, Ca:O=1:1, Mn:O=1:1, Mn:S=1:1, S:Cr=1:1의 양론비(量論比)에 기초하여 부여한 후, 각각의 분자량을 곱해 산화물 등 환산 질량을 도출한다. 구한 산화물 등 환산 질량 각각을, 7개의 산화물 등 환산 질량의 합계로 나눔으로써, Al2O3, MgO, SiO2, CaO, MnO, MnS, CrS(이하, 「산화물 등」이라고 하는 경우가 있다.)의 산화물 등 환산 질량%를 구한다. 개재물 자동 해석 소프트웨어로 구한 개재물의 면적에 대하여, 7개의 산화물 등 환산 질량%를 각각 적산하여, Al2O3, MgO, SiO2, CaO, MnO, MnS, CrS의 개재물 면적(㎛2)을 구한다.
이어서, 개재물 자동 해석 소프트웨어로 식별된 전체 개재물에 관해서 개재물 면적을 각각 구하고, 상기 7개의 산화물 혹은 황화물마다 개재물 면적을 합계하여, Al2O3의 면적 합계, MgO의 면적 합계, SiO2의 면적 합계, CaO의 면적 합계, MnO의 면적 합계, MnS의 면적 합계, CrS의 면적 합계를 얻는다. 이 7개의 면적 합계의 총화를 전체 개재물의 면적 합계로 한다. 각 산화물 등의 면적 합계를 전체 개재물의 면적 합계로 나눔으로써 개재물의 조성 비율(질량%)을 산출한다.
[면적률에 관해서]
개재물의 면적률은, 각 산화물 등의 면적 합계 혹은 전체 개재물의 면적 합계를 평가 면적으로 나눠, 각 산화물 등 각각의 면적률 혹은 전체 개재물의 면적률로 한다.
[평가 면적에 관해서]
또한, 금속박 내에서 개재물이 불균일하게 존재하는 경우, SEM으로 관찰하는 부위에 따라 개재물의 존재 상황이 변할 수 있다고 생각된다. 그래서, 이하의 방법에 의해 평가 면적의 타당성을 검증했다. 우선, 200 ㎠의 SEM 측정을 실시하고, 개재물 자동 해석 소프트웨어에 의해 개재물을 식별했다. 이 측정 면적을 격자형으로 200개로 등분한다. 이때 하나의 격자는 한 변 1 cm의 정방형이고, 그 면적은 1 ㎠가 되게 한다. 이어서, 통계수를 늘리기 위해서 200개의 격자로부터 랜덤하게 k개 선택하여, 가상적으로 1 ㎠×k개=k㎠ 측정했을 때의 전체 개재물의 개수 밀도를 도출하고, 이것을 1000회 반복하여, 측정 면적이 k㎠일 때의 개수 밀도를 1000개 얻었다. 여기서, 전체 개재물 개수 밀도는, 측정 면적(k㎠)에서 관측된 전체 개재물의 개수를 측정 면적으로 나눔으로써 도출하고, k는 각각 1, 2, 4, 5, 8, 10, 20, 25, 40, 50, 100, 200으로 했다. 이어서, k=200 ㎠에서의 전체 개재물의 개수 밀도를 도 1의 average(실선)로 나타내고, 얻어진 1000개의 개수 밀도의 최대치 및 최소치를 도 1의 에러바로서 나타냈다. 도 1로부터, 평가 면적 100 ㎠이면 average±10% 이내에 수습되고 있음을 검증했다. 이 결과로부터 바람직한 평가 면적은 100 ㎠라고 생각하여, 상기 평가 면적을 100 ㎠로 결정했다.
본 발명에 따른 철계 합금박은, 스피넬계 개재물의 개수 비율은 매우 저감되기 때문에 조대한 개재물이 존재하기 어렵다. Mn, Si가 탈산제로서 주로 사용되고 있는 경우, MnO-SiO2계 개재물의 개수 비율이 많아진다. 이것은, MnO-SiO2계 개재물은 클러스터화하기 어렵고, 또한 저융점에서 연질이기 때문에, 열간 압연 공정이나 냉간 압연 공정에서 신전 혹은 파쇄되기 쉬워, 조대한 개재물로서 존재하기 어렵기 때문이다.
또한, 입경이 5.00 ㎛를 넘는 개재물의 개수 밀도를 15 개/㎠ 이하로 할 수 있다. 이 때문에, 에칭 불량을 일으키는 사이즈의 개재물이 저감되고 있다. 입경이 5.00 ㎛를 넘는 조대 개재물은 적은 편이 좋으며, 바람직하게는 12 개/㎠ 이하, 10 개/㎠ 이하, 8 개/㎠ 이하, 6 개/㎠ 이하, 5 개/㎠ 이하로 하면 된다.
[판 두께]
상술한 것과 같이 연질계 개재물은 압연 과정에서 신전, 파쇄되고 미세화되어 5.00 ㎛ 이상의 조대립을 저감할 수 있다. 이 때문에 철계 합금박의 압연 과정에서 압하율을 높이면 좋다. 그 때문에, 철계 합금박의 판 두께는 특별히 한정되지 않지만, 통상의 제조 공정에서 잉곳(주괴)의 크기는 어느 정도 필요하므로, 판 두께는 30.00 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 27.50 ㎛ 이하, 25.00 ㎛ 이하 또는 22.50 ㎛ 이하로 하면 된다. 한편, 판 두께가 10.00 ㎛ 미만인 경우, 에칭 가공 시 또는 압연 가공 시에 취급 난이도가 커지기 때문에 주름 등의 결함이 생길 우려가 있으므로, 판 두께는 10.00 ㎛ 이상으로 하면 좋다.
[핀홀]
조대 개재물이 합금박의 표면에 존재하고 있으면, 압연 시 등에 탈락하여, 그 부분이 오목부로 된다. 그대로 압연하면 오목부가 확대되어, 원 상당 직경으로 20 ㎛(φ20 ㎛) 정도 이상의 핀홀로 된다. 본 발명에 따른 철계 합금박은, 조대 개재물이 감소하기 때문에, 조대 개재물의 탈락에 기인한 핀홀도 감소하여, φ20 ㎛ 이상의 핀홀을 5 개/1000 ㎡ 이하로 할 수 있다.
[내력(耐力)]
상기에 규정한 조성이면 0.2% 내력을 700 MPa 이상으로 할 수 있다. 700 MPa 이상의 0.2% 내력이라면, 통상의 사용 조건 하에서 굽힘 자국이 생기지 않고서 메탈 마스크 등에 적용할 수 있다.
[철계 합금박의 제조 방법]
본 발명에 따른 철계 합금박은 예컨대 다음과 같이 제조할 수 있다. 이하에 나타내는 방법은 예시이며, 이것에 한정되는 것을 의도하지 않는다.
예컨대 10-1(Torr) 이하의 진공 분위기 내에서 소정의 조성으로 조정한 원료를 진공 용해하여, 목적으로 하는 합금 조성의 용탕을 얻는다. 이때, 용탕을 탈산하기 위해서, 슬래그 제거 후의 용탕의 Mn 및 Si 함유량이 각각 소정의 함유량이 되도록 Mn 및 Si를 첨가한다.
이어서, Ar 또는 N2 가스 등의 불활성 가스를 사용하여, 가스 아토마이즈에 의해 아토마이즈(분체화)를 행한다. 가스 아토마이즈 시의 용탕 온도는, 용탕의 점성을 내리기 위해서, 융점+50℃∼200℃의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 가스 아토마이즈 시의 가스 유량(㎥/분)/용탕 유량(kg/분)의 비가 0.3(㎥/kg) 이상이면 된다. 가스 유량(㎥/분)/용탕 유량(kg/분)의 비가 0.3(㎥/kg) 미만이면, 용적(溶滴)의 냉각 속도가 늦어지기 때문에, 주괴 표면에 충돌했을 때의 액적의 액상율이 지나치게 높아, 개재물이 조대화한다.
그 때문에, 가스 유량과 용탕 유량의 비는 0.3(㎥/kg) 이상, 바람직하게는 0.5 이상, 0.7 이상, 0.9 이상, 1.0 이상, 1.5 이상 또는 2.0 이상으로 하는 것이 좋다. 가스 유량(㎥/분)/용탕 유량(kg/분)의 비의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 5.0(㎥/kg) 이상이면 냉각 능력이 포화하기 때문에, 상한은 5.0(㎥/kg)으로 하면 된다.
상기 아토마이즈 공정에 의해서 얻어진 합금 분말을 핫프레스법이나 HIP법에 의해 소결하여 잉곳을 제조한다. 소결 방법은 특별히 한정되지 않는다. 통상의 방법인 핫프레스법 등에 따라서 적절하게 조건을 설정하면 된다.
합금 분말은, 그 입경이 작아질수록 소결이 진행되기 쉽게 되지만, 입경이 큰 합금 분말과 비교하여 생산성이 낮아진다. 그 한편, 합금 분말의 입경이 커질수록 노재(爐材)로부터의 불순물이 혼입되기 쉽게 될 우려가 있다. 그 때문에, 합금 분말은, 입경 300 ㎛ 이하, 바람직하게는 250 ㎛ 이하, 200 ㎛ 이하, 150 ㎛ 이하 또는 100 ㎛ 이하로 하는 것이 좋다.
상기한 아토마이즈(분체화)법에 의해 Al이나 Mg의 함유를 억제할 수 있다. 또한 고상(固相)으로 처리되는 소결법이라면 응고법(주조법)과 같이 내화물로부터의 Al이나 Mg의 혼입도 없기 때문에, 조대(예컨대 5 ㎛ 이상) 개재물의 생성이 억제된다. 이러한 점에서, 최종적으로 Al2O3이나 스피넬계 개재물 자체가 저감되고, 특히 5 ㎛ 이상의 조대 개재물의 생성을 현저하게 억제할 수 있다.
이어서, 제조된 합금 잉곳을 열간 단조, 절삭 혹은 연삭 등에 의해 강편을 제조한다. 그리고, 상기 강편을 3.0 mm∼200 mm 두께가 될 때까지 압연한다. 상기 압연은 열간 압연이라도 냉간 압연이라도 좋다. 3.0 mm∼200 mm 두께의 상기 압연판은 더욱 압연 공정을 반복하여 행함으로써 철계 합금박으로 성형된다.
상기 잉곳을 열간 압연, 열간 단조 혹은 냉간 압연의 전후에 소둔하여도 좋다. 또한, 상기 소둔 공정, 열간 단조 공정 및 열간 압연 공정에서의 온도는, 개재물의 응집을 막기 위해서, 철계 합금의 융점 미만의 온도이며, 바람직하게는 철계 합금의 융점 온도-500℃ 이상, 철계 합금의 융점 온도-200℃ 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
열간 압연 또는 열간 단조 후에는 냉간 압연을 행하면 좋다. 냉간 압연 도중에 중간 소둔을 행하여도 좋다. 압연에 의해 개재물을, 특히 연질계 개재물을 신전, 파쇄하기 때문에, 개재물을 미세화할 수 있다. 개재물의 미세화는, 열간 압연보다 냉간 압연이 더욱 판 두께가 얇은 쪽이 효과적이다. 그 때문에, 열간 압연 후의 판 두께(냉간 압연 직전의 판 두께)를 기준으로 하여 냉간 압연의 총 압하율을 97.0% 이상으로 하면 된다. 바람직하게는 98.0% 이상, 99.0% 이상, 99.5% 이상으로 하면 된다. 또한, 각 압연 패스의 압하율이 높은 쪽이 개재물의 미세화 효과를 기대할 수 있기 때문에, 예컨대 의도하는 판 두께로 만드는 최종 압연이나 형상 교정 압연을 제외하고, 각 압연 패스에 있어서의 압하율은 20% 이상으로 하면 된다. 이러한 압하율로 냉간 압연함으로써, 연질인 개재물을 신전, 파쇄에 의해 미세화하여 분산시킬 수 있다.
한편, 판 두께가 어느 정도까지 얇아지고, 개재물이 어느 정도 미세화된 후의 압연(마무리 압연)에서는, 개재물의 탈락으로 인해 표면 오목부나 합금박을 관통하는 핀홀이 생성되는 경우가 있다는 것을 알 수 있었다. 그 때문에, 최종 판 두께의 2∼3배 혹은 40 ㎛ 정도부터 최종 판 두께(예컨대 10 ㎛나 20 ㎛)까지의 마무리 압연(다단 냉간 압연)에서는 압하율을 낮춘 마일드한 압연으로 하면 된다. 예컨대 마무리 압연의 각 패스에 있어서의 압하율을 1∼18%로 하고, 누적 압하율을 50% 이상으로 하면 된다. 마무리 압연의 누적 압하율이 50% 미만이면, 합금박의 강도가 발현되지 않는 경우가 있다. 마무리 압연의 누적 압하율의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 통상의 박(箔) 압연기의 능력에서 98% 이하로 하면 된다.
즉, 냉간 압연에 있어서 총 압하율을 97.0% 이상으로 하고, 마무리 압연 전의 냉간 압연에서는 압하율을 20% 이상으로 하여 연질 개재물을 미세화하고, 마무리 압연에서는 마일드한 압연으로 하여 개재물의 탈락을 억제하면 된다.
일반적으로 최종 판 두께의 10배 정도의 판 두께에서부터 최종 판 두께까지의 압연(냉간 압연)을 박 압연이라고 불러, 열간 압연 후의 냉간 압연과 구별하는 경우가 있다. 이 경우, 열간 압연 후의 냉간 압연, 그것에 이어지는 박 압연 중 마무리 압연 전까지의 압연, 그리고 최종의 마무리 압연의 순으로 압하율을 내려가면 더욱 좋다. 예컨대 각 패스의 압하율을, 열간 압연 후의 냉간 압연은 40% 이상으로 하고, 마무리 압연 전의 박 압연은 20% 이상으로 하고, 박 압연 중 마무리 압연은 20% 미만으로 하면 된다.
여기서, 압하율이란, 압연 전의 판 두께를 t1, 압연 후의 판 두께를 t2로 했을 때에 이하의 식으로 표시된다.
압하율=(t1-t2)/t1
예컨대 마무리 압연이 다단 압연이라도, 그 누적 압하율은, 마무리 압연 전의 판 두께를 t1, 마무리 압연 후의 판 두께를 t2로 하여 산출하면 된다. 각 패스의 압하율은, 각 압연 패스 전의 판 두께를 t1, 상기 압연 패스 후의 판 두께를 t2로 하여 산출하면 된다.
또한, 마무리 압연에서의 각 패스의 단위 압연 하중(kN/mm)은 적정 영역으로 컨트롤하면 된다. 단위 압연 하중이란, 압연 롤로부터 피가공재에 걸리는 하중을 피가공재의 판의 폭으로 나눈 것이다. 바람직한 단위 압연 하중은 0.4∼1.3 kN/mm이다. 단위 압연 하중이 0.4 kN/mm 미만이면, 압연에 동반되는 가공 발열이 적고, 피가공재인 합금박의 유연성이 저하하기 때문에, 개재물과 합금박의 계면에 크랙이 생겨, 개재물의 탈락이 많아진다. 또한, 단위 압연 하중이 1.3 kN/mm를 넘으면, 가공 발열이 많아지지만, 합금박의 소성 변형량 자체가 커지기 때문에, 개재물과의 계면에 크랙이 발생하여, 개재물의 탈락이 많아진다. 그 때문에, 상기한 압하율 대신에 단위 압연 하중을 제어하여도 좋다. 물론 압하율과 단위 압연 하중을 조합하여 제어하여도 좋다.
또한, 마무리 압연(최종 압연) 후에 왜곡 잡기를 위해서 소둔하여도 좋다.
이어서, 하드디스크 드라이브 서스펜션, 전자 디바이스 밀봉 부재 등의 부품에 이용하는 경우는, 비자성(非磁性)이 요구되기 때문에, 이하의 성분 함유량을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강으로 하면 된다.
즉, 질량%로 C: 0.150% 이하, Si: 0.1∼2.00%, Mn: 0.10∼1.20%, S: 0.007% 이하, Ni: 2.00∼15.00%, Cr: 15.00∼19.00%, N: 0.20% 이하, Al: 0.010% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 오스테나이트계 스테인리스강.
이 경우도, 상기한 설명과 마찬가지로, 알루미나나 스피넬계의 개재물을 저감할 수 있어, 에칭성이 좋고, 고정밀도 가공성이 우수한 합금박을 얻을 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이 실시예에 나타내는 양태에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
시험재 1, 2, 4에 관해서는, 진공 유도 용해로에 의해 표 1에 나타내는 성분으로 조정한 철계 합금 조성의 용탕을 조제하여, N2 가스에 의한 가스 아토마이즈에 의해 분말화했다. 가스 아토마이즈 시의 용탕 온도는, 용탕의 점성을 내리기 위해서, 액상선 온도+50℃∼액상선 온도+200℃의 범위로 했다. 또한, 가스 아토마이즈 시의 가스 유량(㎥/분)/용탕 유량(kg/분)의 비는 1.0∼3.0(㎥/kg)이 되도록 조정했다.
이어서, 얻어진 합금 분말을 금속 용기에 봉입하여, 공지된 HIP 처리 방법에 의해 시험재 1, 2, 4의 잉곳을 제조했다.
시험재 3도 진공 유도 용해로에 의해 표 1에 나타내는 성분으로 조정한 철계 합금 조성의 용탕을 조제했지만, 그 후 용탕을 주형으로 옮겨, 주형 내에서 응고시켜 잉곳을 제조했다. 이 동안에, 용탕을 넣은 턴디시나 주형 내벽의 내화물은 통상 조업에서 사용하는 것과 동등한 내화물을 사용했다.
얻어진 각 잉곳을 열간 단조하여 단면이 80 mm×80 mm인 강편을 제조하고, 상기 강편을 3.0 mm 두께가 될 때까지 열간 압연하고, 그 후 냉간 압연하여 판 두께 0.30 mm의 강판을 얻었다. 얻어진 강판을 소위 박 압연(냉간 압연이지만, 열간 압연 후의 냉간 압연과 구별하여 박 압연이라고 부른다.)하여, 판 두께 20 ㎛의 합금박(강박)을 제조했다. 이때, 의도하는 판 두께로 만드는 최종 압연이나 형상 교정 압연을 제외하고, 냉간 압연에서의 각 패스의 압하율을 40∼50%로, 박 압연에서 판 두께 40∼50 ㎛ 정도가 될 때까지의 각 패스의 압하율을 20∼50%로, 그 후 판 두께 20 ㎛가 될 때까지를 1∼18%로 했다. 또한, 박 압연을 포함하는 냉간 압연에 의한 왜곡 제거를 위해서 적절하게 소둔을 실시했다.
시험재 1∼4 각각의 표면을 SEM(닛폰덴시 제조의 JSM-IT500HR)을 이용하여 금속박 표면의 개재물을 관찰했다. SEM의 설정은 이하와 같다.
·검출기: 반사 전자 검출기 BED-C
·관찰 배율: 80배
·가속 전압: 20.0 kV
·워킹 디스턴스(WD): 10.0 mm
·조사 전류: 80%
또한, SEM으로 취득한 화상은, 개재물 자동 해석 소프트웨어(Oxford사 제조의 AZtec의 입자 해석 모드)로 개재물을 검출하고, EDS 장치(Oxford사 제조의 ULTIMMAX65)로 개재물의 조성 분석을 실시했다.
개재물 자동 해석 소프트웨어에 의한 개재물의 식별 공정에 있어서, 처음에 개재물 자동 해석 소프트웨어로 사용하는 SEM 화상을 취득한다. 이아서, SEM으로 취득한 화상은 개재물 자동 해석 소프트웨어로 원 상당 직경으로 2.00 ㎛ 이상인 개재물이 검출되며 또한 EDS로 Al, Mg, Si, Ca, Mn, S 원소를 적어도 1종 이상이 검출된 경우에 개재물로서 식별한다. EDS 분석까지 끝난 화상에 관해서는 소프트웨어 상에서 결합하여 하나의 화상으로서 출력한다. 이때, 개재물 자동 해석 소프트웨어에 의해 식별된 개재물의 입경, 원소 조성도 취득한다. 평가 면적은 100 ㎠로 하여, 원 상당 직경을 개재물의 입경으로 했다.
개재물의 조성은, 상기 개재물 자동 해석 소프트웨어로 식별된 개재물에 관해서 Al2O3, MgO, SiO2, CaO, MnO, MnS, CrS의 산화물 등 환산 질량%를 계산하고, 상기 개재물 자동 해석 소프트웨어로 구한 개재물의 면적을 곱하여 각 개재물의 개재물 면적(㎛2)을 구했다. 이어서, 전체 개재물에 관해서 상기한 처리를 실시하여 산화물마다 면적 합계를 구하고, 전체 개재물의 면적 합계로 나눠, 개재물의 조성 비율을 산출했다.
각각의 메탈 마스크 재료에 관해서, 100 ㎠당 개재물의 평가 결과를 표 2와 표 3에 나타낸다.
시험재 1∼4를 100 mm×100 mm로 절단하여, 1000 PPI의 OLED 메탈 마스크를 상정한 마스크 구멍 패턴으로 판 두께의 반까지 에칭(하프 에칭)했다. 하프 에칭 후의 시험재 1∼4에 관해서, 100 ㎠로 10 곳, 합계 평가 면적 1000 ㎠로 에칭 불량을 평가했다. 또한, 핀홀에 관해서는 시험재 1∼4의 금속박(압연 후의 강대(鋼帶))의 전체 길이에 걸쳐 평가하여, φ20 ㎛ 이상인 핀홀의 수를 측정했다. 에칭 불량 평가와 핀홀 평가의 결과를 표 4에 기재한다.
시험재 2는 개재물의 면적률 합계(ppm)가 시험재 3보다 크다. 그러나, 표 2에 나타내는 것과 같이 시험재 1 및 2는, 입경이 2.00 ㎛ 이상 5.00 ㎛ 이하의 범위 내인 개재물, 즉 에칭에 악영향을 미치지 않는 사이즈의 범위 내에서 개재물의 비율이 많다. 한편 시험재 1 및 2는, 에칭에 악영향을 미칠 가능성이 있는 사이즈, 즉 입경이 5.00 ㎛를 넘는 개재물의 개수 밀도는 시험재 3보다 매우 적다.
또한, 표 3에 나타내는 것과 같이, 시험재 3에 함유되는 입경이 2.00 ㎛ 이상인 개재물의 평균 조성은 Al2O3: 30 질량% 초과, MgO: 15 질량% 초과를 포함하고 있기 때문에, 개재물로서 알루미나나 스피넬이 많이 존재한다는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 시험재 1, 2 및 4의 개재물의 평균 조성에서는, MgO의 함유량이 7.0% 정도로 낮게 억제되며 또한 Al2O3 함유량이 20.0% 이하였기 때문에, 시험재 1, 2 및 4에서 알루미나나 스피넬이 매우 저감되고 있다는 것을 알 수 있다.
그 결과, 표 4에 나타내는 것과 같이, 시험재 1, 2 및 4의 에칭성, 핀홀수 등이 현저히 개선되고 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 조대한 개재물이 저감되고, 압연 가공 및 에칭 가공 시의 불량이 생기기 어려운 철계 합금박을 제공할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 철계 합금박은, 전자 부품의 다운사이징화 또는 경량화에 유용하며, 또한 고선명 해상도 OLED의 제조 등에 적합하게 사용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 질량%로,
    C: 0.150% 이하,
    Si: 2.00% 이하,
    Mn: 10.00% 이하,
    Ni: 2.00∼50.00%,
    Cr: 19.00% 이하,
    N: 0.20% 이하,
    Al: 0.030% 이하,
    Co: 5.00% 이하,
    Mg: 0.0005% 이하,
    Ca: 0.0005% 이하,
    Ti: 0.01% 이하,
    P: 0.035% 이하,
    S: 0.0300% 이하
    를 포함하고,
    잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 조성을 갖고,
    입경 2.00 ㎛ 이상인 개재물의 합계 질량에 대하여, Al2O3: 30 질량% 이하, MgO: 15 질량% 이하이고,
    상기 입경 2.00 ㎛ 이상인 개재물 중, 입경 5.00 ㎛ 이하인 개재물의 개수 비율이 80.00% 이상이고,
    판 두께가 10.00∼30.00 ㎛인 것을 특징으로 하는 철계 합금박.
  2. 제1항에 있어서, 상기 철계 합금박에 있어서, 질량%로
    Ni: 30.00∼50.00%인 것을 특징으로 하는 철계 합금박.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 철계 합금박에 있어서, 질량%로
    C: 0.050% 이하,
    Ca: 0.0005% 이하,
    Mn: 0.30% 이하,
    Si: 0.30% 이하,
    Mg: 0.0005% 이하,
    Al: 0.030% 이하 중
    적어도 1종을 만족하는 것을 특징으로 하는 철계 합금박.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 입경 5.00 ㎛를 넘는 개재물이 15 개/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 철계 합금박.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 철계 합금박의 표면에 있어서, 직경 20 ㎛ 이상인 핀홀의 밀도가 5 개/1000 ㎡ 이하인 것을 특징으로 하는 철계 합금박.
  6. 제1항에 있어서, 상기 철계 합금박은, 질량%로
    C: 0.150% 이하,
    Si: 0.1∼2.00%,
    Mn: 0.10∼1.20%,
    S: 0.007% 이하,
    Ni: 2.00∼15.00%,
    Cr: 15.00∼19.00%,
    N: 0.20% 이하,
    Al: 0.010% 이하
    를 포함하고,
    잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 오스테나이트계 스테인리스강으로서,
    표면에 있어서 직경 20 ㎛ 이상인 핀홀의 밀도가 5 개/1000 ㎡ 이하이고,
    0.2% 내력이 700 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 철계 합금박.
  7. 제6항에 있어서, 상기 2.00 ㎛ 이상인 개재물은 표면에 있어서 면적률로 1∼100 ppm인 것을 특징으로 하는 철계 합금박.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재한 철계 합금박으로 이루어지는 메탈 마스크 재료.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재한 철계 합금박으로 이루어지는 메탈 마스크.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재한 철계 합금박을 갖는 부품.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재한 철계 합금박으로 이루어지는 하드디스크 드라이브 서스펜션.
  12. 제10항에 기재한 부품이 이용된 전자 디바이스 밀봉 부재.
  13. 제1항 내지 제3항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재한 조성으로 이루어지는 강편을 열간 압연하는 공정과,
    상기 열간 압연된 열간 압연 판을, 마무리 압연을 포함하는 냉간 압연을 행하는 공정
    을 포함하고,
    상기 냉간 압연에 있어서의 압하율을 99.0% 이상으로 하고,
    상기 마무리 압연에 있어서의 각 패스의 압하율을 1∼18%로 하는 것을 특징으로 하는 철계 합금박의 제조 방법.
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