專利名稱：生產金屬帶材的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生產基于鎳、銅、鋁、銀或這些合金的金屬帶材的方法，具有包括立方體層的優(yōu)質退火結構。
該方法基本上可用于所有的在經(jīng)過冷或熱拉伸以及緊接著的再結晶后，趨于形成立方結構的金屬材料。因此，這些包括具有立方面心晶格的金屬材料，如鎳、銅、金和在特殊條件下的銀以及它們合金的部分，包括奧氏Fe-Ni合金。在另一方面，鋁在經(jīng)過軋制熱拉伸后所述的方法才可應用。
用這種新方法所生產制得的帶材，可以用作諸如具有優(yōu)質微結構取向的物理/化學涂層的襯板。在這一點，這種結構作為基質上沉積層晶體相定向生長的基底。這類襯板適用作，例如，可用于高溫超導領域中陶瓷涂層的基材。作為晶體取向生長(epitactic)襯板的基材功能與幾乎完美的結構狀態(tài)相關，因此需要最大可能取向度的多晶結構。這種基質帶材用作層狀超導體，用在超導磁體、變壓器、電動機、斷層X光攝影裝置或超導電流通路中。
背景技術：
已公知的是，具有立方面心晶格的多晶金屬，如銅、鎳、金，和某種特殊條件下的銀，在經(jīng)過軋制而事先強烈冷拉伸后，就可以形成一種具有立方體層明確的結構(G.Wassermann金屬材料的結構，Springer，Berlin，1939；H.Hu等Trans.ASM 224(1962)96-105)?；A工作(W.KsterZ.Metallkde.18(1926)112-116)和進一步的研究(R.D.Doherty等材料科學與工程A257(1998)18-36)則是基于帶材軋制，隨后退火處理進行的。
以這種通過軋制和退火的方式而結構化的金屬帶材，特別是鎳和銀的帶材，如今也可作為金屬涂層、陶瓷過渡層和陶瓷超導層的襯板來用(US 5741377)。金屬帶材作為基質材料的適宜性主要取決于可達到的結構化程度以及直接表面上的品質。
已公知的還有，通過將純金屬和其他元素合金化，結構化程度一般隨著合金含量的增加而大幅下降(R.E.SmallmanJourn.Inst.Metals84(1955-56)10-18)。例如，10到300ppm含量很小的鐵可使鋁的再結晶溫度升高，因此立方結構明顯下降(W.B.Hutchinson，H.-E.Ekstrm材料科學技術6(1990)1103-11 11)。也熟知鎂對結構化鎳的能力具有非常強的負效應(K.Detert等Z.Metallkde.54(1963)263-270)。為避免形成立方結構，少到600原子ppm就足夠了。所述元素也顯示出增加鎳的再結晶溫度(K.Detert，G.Dressler金屬學報13(1965)845-853)。例如，對于鉻和鉬作為合金元素的情況也是同樣的。另一方面，它們對于退火結構的清晰度和熱穩(wěn)定性的具體影響，特別是對于它們在鎳中的可溶解性還不是很清楚?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在鉬含量為3原子％的情況下，就不再可能得到立方結構(K.Detert等Z.Metallkde.54(1963)263-270)。
在更高合金含量的情況下，可以預期，比如，所形成的作為立方結構的鎳初級再結晶結構，就不太象在鎳-鉬以及鎳-鎢合金上所顯示出來的那樣完美(J.Eickemeyer等超導科學與技術14(2001)152-159)。此外，可以預期由于二次再結晶過程，已經(jīng)生長的初級立方結構會分解(R.E.Smallman，C.S.Lee材料科學與工程A184(1994)97-112)。在一般的切割條件下，當在超導層沉積的情況下，存在的事實是可達到700℃到800℃如此更高的溫度。
除了結構品質會受到合金的化學影響外，再結晶立方結構的形成，重要的是，也與具體的機械變形的必要條件相聯(lián)系。在冷軋過程中，高的最小變形度是必不可少的，具有微粒狀初始結構的變形材料是有利的。對于銅來說，最小變形度為82％(O.Dahl，F(xiàn).PawlekZ.Metallkde.28(1936)266-271)。但是，在一些情況下為實現(xiàn)優(yōu)質的結構，要應用明顯更高的變形度，厚度變形超過99％。這種技術上非常昂貴的生產方法目前仍然在使用，原因就在于近幾十年來沒有發(fā)展出可供替代的技術。
因此，不同于軋制的其他變形方法目前在具有立方結構的金屬帶的制造中沒有任何作用。這里的原因之一就在于，對于用于帶材生產的其他變形方法適合性缺少試驗研究，因為在帶材生產中軋制顯示出的效果，所以以前對此研究不感興趣。
有關應力狀態(tài)和變形狀態(tài)對金屬，更具體的是有關鎳、銅、金和銀的變形和退火結構形成的影響的普適理論目前還沒有。因此也就不可能可靠地估計變形方法對變形和退火結構的影響。另外，被變形材料和變形設備之間的摩擦條件也會以過去還不可預見的方式影響帶材，特別是薄帶材中的結構結構形成。
對于作為很長半單晶基材(超導層導體)場合使用的帶材的在很大程度上理想化的退火結構不斷增加的興趣同時與這樣的要求相聯(lián)系，即，人們要求不僅要在帶材內部，也特別是要在這種涂層襯板的表面上具有幾乎完美的結構。出于這些理由，就需要嚴格評價可能影響結構形成的的全部因素，如果可能，要防止。最后，但也相當重要的是，這些原則適用于優(yōu)化在材料變形過程中以前限制于軋制參數(shù)的工藝條件。
發(fā)明描述本發(fā)明的目的是開發(fā)一種能用于生產具有優(yōu)質立方結構并基于鎳、銅、鋁、銀或這些金屬合金的金屬帶材的方法。與普通軋制變形過程相比，該方法能以較小的總體變形度在隨后退火過程中實現(xiàn)品質相同的再結晶立方態(tài)，或者說該方法在可比總體變形度下生產出品質更優(yōu)的立方結構。
根據(jù)本發(fā)明，將材料通過冷拉在其再結晶退火處理前，進行廣泛的變形，其中作為設備來用的是a)帶有軸向平行的平滑輥輪對的非驅動的輥輪設備，或是帶有兩個輥輪對的繩索飾結構造或者b)固定相互傾斜的拉伸爪。
根據(jù)本發(fā)明所提供的非驅動輥輪對的設備類型記載在如F.Dohmann，R.Kopp和J.MittendorffDurchziehen inUmformatechnik，Plastomechanik and Werkstoffkunde，出版商，W.Dahl，R.Kopp和O.Pawelski，Verlag Stahleisen，Düsseldorf，1993，792頁。
有關非驅動的繩索飾結形設備的知識，本領域的普通技術人員可以在諸如J.A.Schey金屬加工摩擦學，ASM，Metals Park，Ohio，1984，第352頁中找到。
本發(fā)明所提供的固定拉伸爪的描述在諸如S.Kalpakjian的工程材料的制造工藝中，Addison-Wesley出版公司，閱讀材料.，1991，第384頁。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，冷拉伸過程以εh＞50％，優(yōu)選εh＞90％的厚度減少量來進行。
有利的是，冷拉伸可以結合通常用于很難變形合金的軋制變形。
在這一點，主要應使用冷拉伸方法。
有利的是，借助精軋或借助不同的表面精加工方法，特別是借助拋光對帶材的進行最后的表面光潔度處理。
拋光的類型記載在諸如W.Machu的鐵和非鐵金屬的表面預處理，Geest & Portig專業(yè)出版公司，Leipzig，1957，第850頁。
利用本發(fā)明方法處理的金屬材料隨后要經(jīng)在還原或非氧化氣氛中經(jīng)受再結晶退火處理，用以得到立方結構。再結晶退火處理在本領域的普通技術人員公知的溫度下進行。
通過本發(fā)明的方法，在經(jīng)歷冷拉和退火處理之后可實現(xiàn)這樣的立方體層結構化的相對程度，其厚度減少明顯要比當使用以前的冷拉伸時所使用的那些小。深沖相對于軋制所具有的這一優(yōu)點，既能體現(xiàn)在借助輥子設備的輥拉伸中，又能體現(xiàn)在滑動拉伸中，棍拉伸更有效。
盡管深沖的方法是早已公知的變形方法，但其對于金屬帶材的變形和退火結構的影響以前未能充分研究。原因在于，從制造和經(jīng)濟方面考慮，帶材的制造明顯屬于軋制變形領域。因此，對于比如要得到優(yōu)質立方結構的特殊處理，拉伸工藝，特別是軋制拉伸工藝的正面影響驚奇地顯現(xiàn)出來。
因此，對于將本發(fā)明的方法用在生產基質帶材上而言，可能會生產出這樣的帶材，由于結構化困難而不能經(jīng)由冷扎和退火處理生產成所需品質。由于前面的冷拉處理促進了退火過程中結構的形成，而因技術的可能性可以拓展。新方法的本質和特別的優(yōu)點就在于此。另外，在立方結構度相同的情況下，拉伸的帶材不需軋制帶材那么多的變形過程。由此導致節(jié)省了必要的能量和生產成本。
待結構化的金屬和合金的冶煉生產，優(yōu)選在銅制鑄模中澆鑄進行。經(jīng)由冷和熱恒壓的粉末金屬冶煉過程，對于原料來說，也是適合于熔融金屬冶煉生產的另一選擇方法。
在隨后的常規(guī)熱拉伸處理開始前，澆鑄體或模制體，可以通過均勻的退火處理以提供有利的初始結構，以及用于隨后苛刻冷拉伸的控制的粒度。熱拉伸度，以及退火的溫度和持續(xù)時間都可以由本領域的普通技術人員從良好的冷拉伸性的觀點出發(fā)很容易地優(yōu)化出來。明智的是，適用于再結晶的退火氣氛是還原或惰性氣氛。退火溫度和時間則隨著合金含量的增加而往往趨于更高的值，并同樣可由本領域的普通技術人員毫無問題地設定。
旨在改善結構形成，在輥拉伸過程中的拉伸變形既可以作為用以結構化的唯一變形方法，又可以作為結合其他方法，如滑動拉伸或軋制的主要方法。本領域的普通技術人員可估計為了能最大限度發(fā)揮本發(fā)明方法的積極效果，待結構化帶材的變形能力能在多大程度上允許輥拉伸或滑動拉伸。
借助于軋制而生產的結構化帶材已經(jīng)以RABiTS(輥壓輔助雙軸結構化基材)的商品名受到了保護。另一方面，申請人為本發(fā)明生產制得的帶材引入了一個新的縮寫名稱DABiTS(拉伸輔助雙軸結構化基材)。
以下將通過實施例進一步詳細闡述本發(fā)明。所附的附圖為

圖1具有立方結構的鎳的X射線(111)的極點圖，所述的結構通過扎拉伸具有不同的厚度減小量(WZ 0.5＝95％；WZ 0.18＝98.2％；WZ 0.08＝99.2％)，且在600℃下在氫氣中再結晶處理30min，圖2具有立方結構的鎳的X射線(111)的極點圖，所述的結構在冷拉(WZ 0.5＝95％；WZ 0.18＝98.2％；WZ 0.08＝99.2％)后具有不同的厚度減小量，且在600℃下在氫氣中再結晶處理30min，圖3具有立方結構的鎳帶材的X射線(111)極點半寬，所述的帶材在輥拉伸、滑動拉伸和軋制后具有不同的厚度減小量，隨后在800℃下在氫氣氛中再結晶處理30min，
圖4變形方法和變形度對鎳帶材中再結晶立方結構形成程度的影響示意圖。在該圖中，使用Lodgering因子I(100)來表征立方結構度而不是極點圖。
實施例1將純度為99.9原子％的鎳和10mm×10mm原始大小的工業(yè)純鎳棒材灼燒軟化。接著，為制造立方結構，通過自由轉動輥將棒輥拉到0.5mm(εh＝95％)的帶材厚度，并在600℃下退火。這樣就形成了一種清晰的立方結構，如圖1所證實。在極點圖(WZ 0.5 RK6)中所測得的強度明顯比以前軋制變形(圖2，W 0.5 RK6)后所測得的要高。在輥拉和退火處理后，強度最大值為1211，而在軋制和退火處理后，最大值為876。因此，輥拉導致最大的強度，其比冷扎得到的強度高38％。表示結構清晰度的半寬(FWHM值)，由于使用拉伸而得到明顯改進(圖3)。在相同的εh＝95％的厚度減小值的情況下，在經(jīng)歷800℃下的熱處理后得到如下FWHM值a)軋制12.21，b)滑動拉伸10.41以及c)輥拉9.46。因此，借助軋制而得到的FWHM值要比借助輥拉得到的值低29％(圖3)。在更低變形率情況下，輥拉的積極效果甚至表現(xiàn)得更為清楚。對于帶厚為1mm(εh＝90％)，輥拉后的Lodgering因子I(100)＝0.88，而軋制后的I(100)＝0.63。通過輥拉處理，相對改善值為40％(圖4)。
如圖4所示，在歷經(jīng)輥拉后，在厚度減小量為95％后已經(jīng)得到I(100)≈1.0，而對于軋制則須要達到約99％。為了能夠通過軋制也能達到由于輥拉而得到的材料厚度為500μm的結構狀態(tài)，有必要再進一步變形到約100μm(圖4)。
如圖3和4中所證實，為了在鎳中形成立方結構，輥拉和滑動拉伸都比軋制要更有利。滑動拉伸的這種有益效果是驚人的，因為早先，銅的滑動拉伸效果等同于軋制的效果(W.M.BaldwinASM學報39(1947)737-739)，這也就使得其在工業(yè)上不具有吸引力并且顯然也因此不會對其進行進一步研究。
實施例2純度為99.9原子％的工業(yè)純鎳澆鑄入約40mm×40mm截面積的銅制鑄模中后，通過去毛刺再加工，然后熱軋成20mm×20mm的尺寸，并在1050℃下退火以使其均勻。為提供微粒狀結構，冷扎10mm×10mm的橫截面并退或以使其結晶。從10mm厚度開始，樣品被滑動拉伸成2.5mm的厚度。隨后通過輥拉冷變形到最終厚度為0.25mm。緊接著在800℃下接受熱處理，以在鎳帶材中制造出優(yōu)質的立方結構。
實施例3含有5原子％鎢的鎳合金從(20×20)mm2的截面尺寸冷軋到3mm的厚度，并在850℃下進行再結晶以形成微晶結構。3mm的厚度被輥拉到0.15mm的厚度，并在1000℃下退火以得到優(yōu)質的立方結構。但也可以只將輥拉進行到0.20mm的厚度，用精扎輥最后軋制到0.15mm，以得到具有最小粗糙度且表面品質盡可能高的帶材來。
實施例4厚度為10mm的銅制薄片在初始退火處理后，然后再通過自由轉動的輥將其冷拉至0.08mm的最后尺寸，以制造出柔軟的結構。在隨后400℃下半小時的熱處理中，在帶材中形成清晰的立方結構。
權利要求
1.一種用于生產具有再結晶立方結構基于鎳、銅、鋁、銀或這些金屬合金，包括奧氏鐵鎳合金的金屬帶材的方法，特征在于在其再結晶退火處理前，使材料通過冷拉而被廣泛地變形，a)具有軸向平行的平滑輥對的非驅動輥輪設備，或是具有兩個輥輪對的繩索飾結形構造，或者b)固定且相互傾斜的拉伸爪，作為設備。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于冷拉以εh＞50％，優(yōu)選εh＞90％的厚度減少量進行。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于將冷拉和通常適用于難轉化合金的軋制變形結合。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其特征在于對于結合的冷拉和軋制變形，主要使用冷拉法。
5.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于通過精軋或通過不同的表面精加工方法，特別是通過拋光，對帶材進行最后表面光潔度的處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于生產具有優(yōu)質立方結構并基于鎳、銅、鋁、銀或這些金屬合金，包括奧氏鐵鎳合金的金屬帶材的方法。本發(fā)明的方法使得可以在后續(xù)的退火處理過程中，以及在較低的總體變形度情況下，得到其品質與使用常規(guī)輥壓變形而得到產品相當?shù)脑俳Y晶立方體層，并且還能制得具有相當總體變形度的更高質量的立方結構。為此目的，提供一種變形方法，在該方法中將材料通過冷拉而在其再結晶退火處理前變形，由此使其具有高品質。
文檔編號B21C37/02GK1549751SQ02816977
公開日2004年11月24日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權日2001年8月30日
發(fā)明者約爾格·艾克邁爾, 迪特馬爾·澤爾布曼, 拉爾夫·奧皮茨, 奧皮茨, 爾 澤爾布曼, 約爾格 艾克邁爾 申請人:德累斯頓協(xié)會萊布尼茨固體材料研究所