專利名稱：具有立體紋理的金屬扁絲或帶材的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域本發(fā)明涉及材料科學(xué)領(lǐng)域和涉及具有立體紋理(立紋)的金屬扁絲和帶材的制造方法，它們例如可用于有高的精細結(jié)構(gòu)取向的物理-化學(xué)鍍層的襯底。此處的紋理結(jié)構(gòu)用作在基底上沉積層結(jié)晶定向成長的基礎(chǔ)。這樣的襯底例如可適用于金屬或陶瓷鍍層的基底，如應(yīng)用于高溫超導(dǎo)領(lǐng)域，這類鍍層超導(dǎo)體基底帶的應(yīng)用可見于超導(dǎo)磁體、變壓器、馬達、X-射線層析照像機或超導(dǎo)電流傳導(dǎo)路徑或電纜中。此外，這類結(jié)構(gòu)的金屬帶還可作為磁體材料應(yīng)用，例如高導(dǎo)磁率的鎳-鐵合金。
當前技術(shù)現(xiàn)狀具有立體面心晶格的多晶體金屬如銅、鎳、金和在一定條件下也包括銀對片材或扁帶材先進行強力冷軋，而后進行再結(jié)晶，即可在立體方向上形成線條清楚的紋理結(jié)構(gòu)(G.WassermanmTexturewmetallischer werkstoffe，springer，Berlina，1939；H.Hu u.a.Trans.ASM224(1962)96-105)。這項基礎(chǔ)性工作(W KsterZ.Metallkde.18(1926)112-116)和其它重要的試驗(R.D.Doherty u.a.Mater.Sci.Eng.A257(1998)18-36)是用帶有隨后經(jīng)退火處理的帶材軋制工藝進行的。
在平面的形變工況成形和隨后進行退火軋制方法制成紋理結(jié)構(gòu)的金屬帶，特別是鎳-和銀帶材，迄今還用作金屬鍍層、陶瓷緩沖層和陶瓷超導(dǎo)層的襯底(A.Goyal u.auspatent 5741377，Apr.21.1998)。這種金屬帶材適于作基底材料，它與在表面上直接實現(xiàn)的紋理結(jié)構(gòu)程度及其質(zhì)量有決定性關(guān)系。
紋理結(jié)構(gòu)質(zhì)量除了化學(xué)合金的影響外，主要還與用專門的機械成形技術(shù)的前提條件所生成的再結(jié)晶-立紋結(jié)構(gòu)共同有關(guān)，在冷軋時具有高的最小形變是絕對必要的，此時加工成形物優(yōu)選應(yīng)具有細粒的原料結(jié)構(gòu)。對銅而言，其最小形變度為82％(O.Dahl，F(xiàn).pawlekZ.Metallkde.28(1936)266-271)。為了得到較高程度的紋理結(jié)構(gòu)，需達到相當高的形變度，部分厚度縮減超過99％，這種加工成形工藝是非常昂貴的制造技術(shù)，因為數(shù)十年沒有見到可替代的方法出現(xiàn)，目前只能接受此法。在制造具有立紋結(jié)構(gòu)金屬帶材時，有別于軋制的其它成形方法，迄今還沒有實際意義。
然而最近得到證明，借助拉拔工藝方法并進行隨后的退火處理也可使帶材加工成形具有立紋結(jié)構(gòu)(J.Eikemeyer，D.Sellmann，R.Oritz，B.deBoer，B.Holzappel，L.SchultzSchsische Fachtagungumform-technik，04-05，12.2001，Tu Bergakademie Freilerg/sa，s.99-106)，這種工藝方法迄今還未獲得實際應(yīng)用。
特別是對于鎳、銅、金和銀而言，關(guān)于應(yīng)力-和形變工況對于金屬成形-和退火紋理結(jié)構(gòu)形成作用的通用理論目前還未見到，因此也就不可能可靠地計算出加工方法對成形-和退火紋理結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系。另外，在加工成形物和成形高模具之間的摩擦條件也以無法預(yù)測的方式影響帶材尤其是薄帶材紋理結(jié)構(gòu)的形成。
隨著較理想的退火紋理在帶材方面應(yīng)用日益增長，作為非常長的準單晶的基底(超導(dǎo)的層型導(dǎo)體)不僅是在帶材內(nèi)部，尤其是在該鍍層襯底的表面也要求有盡可能完美的紋理結(jié)構(gòu)，基于此，需對所有可能干擾紋理結(jié)構(gòu)形成的影響作出嚴格評價，并盡可能避免，這對于材料的加工成形時的優(yōu)化工藝條件也是有用的，它們迄今主要只是局限于帶材和片材軋制過程中。
本發(fā)明本質(zhì)的闡明本發(fā)明的任務(wù)是提供一種具有立紋結(jié)構(gòu)的金屬扁絲或帶材的制造工藝方法，借助這些紋理使成品在經(jīng)過最后加工成形工序和隨后的退火處理，產(chǎn)生高度立紋結(jié)構(gòu)。
此任務(wù)通過在權(quán)利要求中所述發(fā)明獲得解決，其它的內(nèi)容在從屬權(quán)利要求中。
按本發(fā)明的方法為制造具有立紋結(jié)構(gòu)的金屬扁絲或帶材將鎳、銅、金或銀基礎(chǔ)材料借助高形變加工成形的冷拉工藝方法，通過多段操作加工成大部分為圓形截面的線材，此時可實現(xiàn)總截面縮減εg≥75％或?qū)?shù)形變g≥1.4。然后將線材繼續(xù)借助其它加工成形-和退火工藝加工成具有立紋結(jié)構(gòu)的設(shè)定寬度可調(diào)的金屬扁絲或帶材，此處設(shè)定的線材截面的寬度和形變程度是經(jīng)線材的進一步加工成形步驟調(diào)節(jié)和確定的。
冷拉工藝方法是以總截面縮減εg≥90％或?qū)?shù)形變g≥2.3優(yōu)選實現(xiàn)的。
用金剛石拉模作為滑移拉拔的冷拉工藝方法在拉模角2α＝2°-20°時實現(xiàn)是優(yōu)選的，拉模角2α≤12°時更為優(yōu)選。
另外，用更選拉拔方向的冷拉工藝(換向)來實施也是優(yōu)選的。
如果在后加工成形-和退火工藝方法之前省去線材的中間處理也是有利的。
按本發(fā)明方法用于制造金屬扁絲-或帶材的基礎(chǔ)材料是那些經(jīng)冷加工成形和隨后進行的再結(jié)晶易于形成立紋結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，屬于其中的是具有立體面心晶格的金屬材料，如鎳、銅、金和在特殊條件的銀以及它們的一部分合金。
按本發(fā)明的方法將這些金屬基礎(chǔ)材料通過高度冷拉加工成基本上呈圓形截面的線材，這些線材隨后通過應(yīng)用已為熟知的自由轉(zhuǎn)向軋輥的軋拔或通過平行排列拉拔夾具的拉拔或通過軋制加工成一金屬扁絲或金屬帶，其中的立紋結(jié)構(gòu)是在相繼進行的本為已知的再結(jié)晶退火過程逐漸形成的。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)稱謂的金屬扁絲，可理解為那些由線材通過冷加工成形制造的成品，其寬度和厚度主要是通過原料線材的直徑和采用加工程序來決定的。
所稱謂的金屬帶材可理解為那些通過冷加工成形由半成品制造的成品，其帶寬是由更寬幅的制品經(jīng)縱向裁剪得到的。
高冷拉先是將原材料通過金剛石拉模進行拉拔，這在線材制造中是常見的，隨后加工成形可通過軋制成帶材或借助滾壓設(shè)備或拉拔夾具將帶材進行拉拔。作為經(jīng)過金剛石拉模的滑移拉拔進行冷拉，優(yōu)選是通過2°至20°之間拉模角的金剛石拉模，特別優(yōu)選拉模角為≤12°，此時線材的冷拉是在同一方向(單向的)或優(yōu)選是采用更換拉向(換向的)的方式實施的。
此外，用本發(fā)明的方法在拉絲后和下一步加工成金屬扁絲和金屬帶之前的線材勿需進行中間處理，這在工藝技術(shù)上是有利的。
按本發(fā)明的方法經(jīng)冷拉成線材和繼續(xù)加工成扁絲或帶材，而后進行退火，在相應(yīng)的厚度縮減時，至少在立體方位上產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)紋理度，如同迄至目前借助滾壓設(shè)備或拉拔夾具所進行的冷軋和冷拉情況一樣，強力的拉絲所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)狀態(tài)對以后的再結(jié)晶-立紋結(jié)構(gòu)的形成特別有利。
新工藝方法的優(yōu)點主要在于，調(diào)節(jié)所設(shè)定的線材直徑和調(diào)節(jié)隨后進行的線材成形工序能夠控制成品金屬扁絲或金屬帶的寬度，而勿需如以往那樣必須對寬幅的帶材進行縱向剪裁。此外還省去了化費較大的棱邊加工處理，這樣在生產(chǎn)作業(yè)線上既省去縱向剪裁設(shè)備，亦不必對棱邊再加工。同時該工藝在操作中沒有材料損耗，如為剪裁必然產(chǎn)生的邊條，也沒有在修理棱邊時不可避免會產(chǎn)生切削產(chǎn)物，同時還省去了那些對敏感的帶材表面質(zhì)量始終存在損害的工藝步驟。
雖然拉絲工藝是一早為人知的加工方法，但它對于由線材制成的金屬扁絲或金屬帶的加工形變-和退火紋理結(jié)構(gòu)的影響迄今卻未進行研究。
令人感到意外地發(fā)現(xiàn)拉絲在生產(chǎn)具有立紋結(jié)構(gòu)的金屬扁絲或金屬帶過程中并無負面影響，這一點對達到高立紋結(jié)構(gòu)的特殊處理提供了啟示，其所以非常令人驚奇，因為拉拔紋理結(jié)構(gòu)作為纖維紋理完全不同于軋制的紋理，不可想象它對力求得到的再結(jié)晶-立體方位會有正面影響，作為已知是由一定的立體-面心晶格金屬和其合金的軋制紋理產(chǎn)生的。將圓形線材在經(jīng)過大尺寸范圍的加工成扁絲或帶材時存在的非均勻性的應(yīng)力-和變形工況本身對于形成具有立紋結(jié)構(gòu)的最終制品并無害處這一點是出乎意料的。
本發(fā)明在工藝技術(shù)上能更實際有效地制造出相同或較好產(chǎn)品質(zhì)量，所以本發(fā)明的方法在制造底基帶或磁帶用途方面存在可行性，因為它毫無疑問地節(jié)省了通常需要的如縱向剪裁和修飾棱邊的一些專門設(shè)備的能耗、操作費用和成本。
用熔融冶金法制造具有紋理結(jié)構(gòu)的金屬和合金優(yōu)選是通過在銅鑄型中澆鑄實施的。選擇經(jīng)冷態(tài)-和熱態(tài)等壓壓制的粉末冶金法加工原材料替換熔融冶金制造過程是有利的。
冶金制造的鑄造-和壓制件可在隨后進行的常規(guī)熱成形開始之前經(jīng)均勻退火，可得到有利的初始組織結(jié)構(gòu)和對最后的強冷加工成形有調(diào)控意義的顆粒度。熱加工變形程度也包括退火溫度和退火時間，專業(yè)人員易于從它們對后續(xù)過程應(yīng)具有良好的冷加工性方面作出優(yōu)化選擇。再結(jié)晶的退火氣氛以呈現(xiàn)還原性或惰性為有利。退火的溫度和時間隨著合金含量遞增應(yīng)逐漸改變，專業(yè)人員對其調(diào)控也是不成問題的。
按本發(fā)明的溶液與其它已知溶液的主要區(qū)別在于，作為用于扁絲或帶材制造用的初始制品也是基本上呈圓形截面的線材，它對于在最后制造扁絲或帶材的立紋形成不存在有害的作用，這在已知的現(xiàn)有技術(shù)中是不能預(yù)料到的。
在線材中的拉拔-和退火紋理結(jié)構(gòu)通過沿線軸的唯一擇優(yōu)取向相應(yīng)于纖維紋理結(jié)構(gòu)式樣是很突出的。強力拉拔的具有纖維紋理的線材經(jīng)隨后相應(yīng)較小扁平化形變?yōu)樾纬呻p軸向再結(jié)晶-立紋結(jié)構(gòu)成為務(wù)好的前提，這是令人驚奇的。
實施本發(fā)明最佳途徑借助實例對本發(fā)明作進一步闡明。
此處表示

圖1借助EBSD對82Mm厚的鎳-鐵-帶材(Ni53Fe47)的紋理度組織結(jié)構(gòu)照像。該帶材的制造是先用φ20mm的原料線材拉拔成φ5mm(ε＝93.75％)和經(jīng)過中間退火后再拉拔成φ1.25mm(ε＝93.75％)的線材，而后通過單向軋拔為直徑1.25mm(ε＝87.9％)。
例1一圓條狀的Ni53-Fe47合金依傳統(tǒng)方法在20mm直徑的拉條-或拉絲機中經(jīng)多段操作拉拔成基本上呈直徑為5mm圓截面的線材(第一次總縮減εg＝93.75％)。在850℃時再結(jié)晶退火后，繼續(xù)冷拉成直徑為1.25mm(第二次總縮減εg＝93.75％)，而后，將此線材再經(jīng)單向軋拔加工成εg＝87.4％截面縮減的扁絲，其寬度為1.89mm，厚度為82μm，在1100℃經(jīng)60分鐘的紋理退火產(chǎn)生高度再結(jié)晶立紋，在組織結(jié)構(gòu)中占到94.3％(圖1)，其中偏角取向＜10°的小角晶界占全部晶粒界的93.1％(圖1中的白色)。這樣一種紋理結(jié)構(gòu)質(zhì)量按常規(guī)的連續(xù)帶材加工成扁平制品只有在帶材縮減大于εg＝99％時才能達到，產(chǎn)生的扁絲勿需再作進一步加工處理。
例2一圓條狀的Ni53-Fe47合金依傳統(tǒng)方法在20mm直徑的拉條-或拉絲機中經(jīng)多段操作拔成基本上呈直徑5mm圓形截面的線材(第1次總縮減εg＝93.75％)。在850℃時再結(jié)晶退火后繼續(xù)冷拉成直徑為1.25mm(第2次總縮減εg＝93.75％)，而后，將此線材再經(jīng)換向軋拔加工成εg＝87.9％截面縮減的帶材，其寬度為1.86mm，厚度為77μm。在1100℃經(jīng)60分鐘的紋理結(jié)構(gòu)退火產(chǎn)生高度再結(jié)晶-立紋，在組織結(jié)構(gòu)中占到91.3％，其中小角晶界(偏角取向＜10°)占全部晶粒界的92.8％。這樣一種紋理結(jié)構(gòu)質(zhì)量按常規(guī)的連續(xù)帶材加工成扁平制品只有在帶材縮減大于εg＝99％時才能達到，產(chǎn)生的扁絲勿需再作進一步加工處理。
例3一圓條狀的Ni53-Fe47合金依傳統(tǒng)方法在20mm直徑的拉條-或拉絲機中經(jīng)多段操作拉拔成基本上呈1.25mm直徑圓形截面的線材(第1次總縮減εg＝99.6％)。而后，將該線材繼續(xù)通過換向軋拔成εg＝87.9％截面縮減的帶材，其寬度為1.83mm、厚度為80μm。在1100℃經(jīng)60分鐘的紋理結(jié)構(gòu)退火得到高度再結(jié)晶立紋，在組織結(jié)構(gòu)中占91.6％，其中小角晶界(偏角取向＜10°)占全部晶粒界的83.6％，產(chǎn)生的帶材勿需再作進一步加工處理。
例4一圓條狀的Ni53-Fe47合金依傳統(tǒng)方法在20mm直徑的拉條-或拉絲機中經(jīng)多段操作拔成基本上呈5mm直徑圓形截面的線材(第1次總縮減εg＝93.75％)。在850℃經(jīng)再結(jié)晶退火后繼續(xù)冷拉成直徑為1.25mm(第2次總縮減εg＝93.75％)，而后，將該線材繼續(xù)通過換向軋拔成εg＝82.2％截面縮減的帶材，其寬度為，厚度為97μm。在1100℃經(jīng)60分鐘的紋理結(jié)構(gòu)退火產(chǎn)生高度再結(jié)晶-立紋結(jié)構(gòu)，在組織結(jié)構(gòu)中占82.9％，其中小角晶界(偏角取向＜10°)占全部晶粒界的61.9％。產(chǎn)生的帶材勿需再作進一步加工處理。
例5原材直徑為5mm的含有5原子％鎢合金的鎳線經(jīng)多段拉拔成1mm直徑(εg＝96％)。此后將該線材不經(jīng)中間處理軋制成最終尺寸寬度為1.9mm，厚度為60μm的扁絲，而后將扁絲在1100℃經(jīng)1小時的熱處理，此時形成清晰的立紋，它可用于外延生長層鍍層的襯底。
權(quán)利要求
1.制造具有立紋結(jié)構(gòu)的金屬扁絲或帶材的方法，將鎳、銅、金或銀基礎(chǔ)材料借助高形變加工成形的冷拉工藝經(jīng)多段操作加工成基本上呈圓形截面的線材，此時可實現(xiàn)總截面縮減εg≥75％或?qū)?shù)形變g(shù)≥1.4，而后，繼續(xù)將線材借助其它加工成形和退火工藝加工成具有立紋結(jié)構(gòu)設(shè)定寬度可調(diào)的金屬扁絲和帶材，此處的線材截面設(shè)定的寬度和形變程度是經(jīng)線材的繼續(xù)加工成形步驟調(diào)節(jié)和確定的。
2.按權(quán)利要求1的方法，其中冷拉工藝方法可實現(xiàn)總截面縮減εg≥90％或?qū)?shù)形變g(shù)≥2.3。
3.按權(quán)利要求1的方法，其中作為滑移拉絲的冷拉工藝是通過拉模角2α＝2°-10°的金剛石拉模實現(xiàn)的。
4.按權(quán)利要求3的方法，其中冷拉用拉模角2α≤12°實現(xiàn)的。
5.按權(quán)利要求1的方法，其中冷拉工藝分別是用更換拉向(換向)方式進行的。
6.按權(quán)利要求1的方法，其中繼續(xù)加工成形和退火工藝之前，可取消線材的中間處理過程。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料科學(xué)領(lǐng)域和涉及制造具有立體紋理結(jié)構(gòu)的金屬扁絲或帶材的一種工藝方法，它們用作物理化學(xué)鍍層的襯底。本發(fā)明的任務(wù)是提供一種工藝方法，借助于該法，經(jīng)最后加工成形步驟得到的制品勿需對棱邊再進行加工。該項任務(wù)的解決是通過一種方法，其中將鎳、銅、金或銀基礎(chǔ)材料借助冷拉工藝加工成線材，可實現(xiàn)總截面縮減ε
文檔編號C22F1/08GK1842380SQ200480024640
公開日2006年10月4日 申請日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月25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, 伯恩哈德·霍爾茨阿普費爾, 霍斯特·文德羅克 申請人:德累斯頓協(xié)會萊布尼茨固體材料研究所