DE10342965A1

DE10342965A1 - Halbzeug auf Nickelbasis mit einer Rekristallisationswürfeltextur und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10342965A1
Application number: DE10342965A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Eickemeyer; Dietmar Dr. Selbmann; Ralph Opitz; Bernhard Dr. Holzapfel
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-06-02
Also published as: EP1664361A1; JP4886514B2; CN1849403A; KR20060119955A; WO2005024077A1; CN100523238C; WO2005024077B1; KR101231936B1; JP2007505215A; US20070062613A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbzeug auf Nickelbasis mit einer Rekristallisationswürfeltextur und ein Verfahren zu dessen Herstellung. DOLLAR A Das Halbzeug ist beispielsweise einsetzbar als Unterlage für physikalisch-chemische Beschichtungen mit hochgradiger mikrostruktureller Ausrichtung. Solche Unterlagen sind zum Beispiel als Substrate für keramische Beschichtungen geeignet, wie sie auf dem Gebiet der Hochtemperatur-Supraleitung angewendet werden. Der Einsatz erfolgt in diesem Fall in supraleitenden Magneten, Transformatoren, Motoren, Tomographen oder supraleitenden Strombahnen. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Halbzeug auf Nickelbasis zu entwickeln, das verbesserte Gebrauchseigenschaften bei der Verwendung als Unterlage für physikalisch-chemische Beschichtungen mit hochgradiger mikrostruktureller Ausrichtung besitzt. Insbesondere soll das Halbzeug eine höhergradige, thermisch stabilere Würfeltextur aufweisen und es soll die Bildung von Korngrenzengräben weitestgehend vermieden sein. DOLLAR A Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Werkstoff des Halbzeugs einen Ag-Zusatz im Mikrolegierungsbereich enthält, wobei der Ag-Zusatz maximal 0,3 Atom-% beträgt. DOLLAR A Das Halbzeug ist beispielsweise einsetzbar als Unterlage für physikalisch-chemische Beschichtungen mit hochgradiger mikrostruktureller Ausrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbzeug auf Nickelbasis mit einer Rekristallisationswürfeltextur und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Das Halbzeug ist beispielsweise einsetzbar als Unterlage für physikalisch-chemische Beschichtungen mit hochgradiger mikrostruktureller Ausrichtung. Solche Unterlagen sind zum Beispiel als Substrate für keramische Beschichtungen geeignet, wie sie auf dem Gebiet der Hochtemperatur-Supraleitung angewendet werden. Der Einsatz erfolgt in diesem Fall in supraleitenden Magneten, Transformatoren, Motoren, Tomographen oder supraleitenden Strombahnen.

Bekannt ist, dass polykristalline Metalle mit kubischflächenzentriertem Gitter, wie Nickel, Kupfer und Aluminium, nach vorausgegangener starker Kaltumformung durch Walzen bei der nachfolgenden Rekristallisation eine ausgeprägte Textur mit Würfellage ausbilden können (G. Wassermann: Texturen metallischer Werkstoffe, Springer, Berlin, 1939). Auf diese Weise texturierte Metallbänder, insbesondere Nickelbänder, werden auch als Unterlage für metallische Überzüge, keramische Pufferschichten und keramische Supraleiterschichten benutzt ( US 5,741,377 ). Die Eignung solcher Metallbänder als Substratwerkstoff hängt maßgeblich vom erreichbaren Grad der Texturierung und der Stabilität der Textur im Bereich der Temperaturen ab, bei denen die Beschichtungsverfahren arbeiten.

Es sind bereits texturierte Halbzeuge für die Herstellung von Hochtemperatur-Supraleitern bekannt, die aus Ni-Cr, Ni-Cr-V, Ni-Cu und ähnlichen Legierungen bestehen ( US 5,964,966 ; US 6, 106, 615 ).

Bekannt sind für diese Zwecke auch Ni-Legierungen mit Mo und W ( DE 100 05 861 C1 ).

Die bekannten Halbzeuge haben folgende Nachteile:

– Nickel neigt nach Kaltumformung und Rekristallisationsglühung stark zur Ausbildung eine groben Kornstruktur, die zur Erzielung der hochgradigen Würfeltextur nachteilig ist,
– kaltumgeformte Ni-Bänder neigen bei der Rekristallisations-Wärmebehandlung, insbesondere bei höheren Temperaturen (800...1150°C) stark zur Bildung von Korngrenzengräben,
– die Korngrenzengräben können die Formierung einer hochgradigen biaxialen Würfeltextur erheblich behindern,
– Substratmaterial mit Korngrenzengräben ist wenig geeignet als Unterlage für epitaktische Schichtabscheidungen (z.B. Pufferschichten, Supraleiterschichten).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Halbzeug auf Nickelbasis zu entwickeln, das verbesserte Gebrauchseigenschaften für die Verwendung als Unterlage für physikalisch-chemische Beschichtungen mit hochgradiger mikrostruktureller Ausrichtung besitzt. Insbesondere soll das Halbzeug eine höhergradige und thermisch stabilere Würfeltextur aufweisen und es soll die Bildung von Korngrenzengräben weitestgehend vermieden sein. Eingeschlossen in diese Aufgabe ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung dieses Halbzeugs.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Werkstoff des Halbzeugs einen Ag-Zusatz im Mikrolegierungsbereich enthält, wobei der Ag-Zusatz maximal 0,3 Atom-% beträgt.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann die Ni-Legierung als Legierungselemente Mo und/oder W enthalten.

Auf dem Halbzeug kann nach der Erfindung eine würfeltexturierte NiO-Schicht mit einem Texturanteil von > 90% vorhanden sein. Diese Schicht ist als Diffusionssperre geeignet und ermöglicht das Erzeugen qualitativ hochwertiger Beschichtungen.

Mit dem erfindungsgemäßen Ag-Zusatz wird die Formierung einer hochgradigen Würfeltextur begünstigt und die Thermische Bildung von Korngrenzengräben auf der Ni-Oberfläche des Halbzeugs behindert. Außerdem ermöglicht der Ag-Zusatz das Aufwachsen einer hochgradig mit einer Würfeltextur versehenen NiO-Schicht auf dem Halbzeug.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Halbzeugs ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst auf schmelzmetallurgischem oder pulvermetallurgischem Wege unter Einbeziehung des mechanischen Legierens ein Halbzeug hergestellt wird, das aus technisch reinem Ni oder einer Ni-Legierung besteht, in dem ein Ag-Zusatz im Mikrolegierungsbereich enthalten ist, der maximal 0,3 Atom-% beträgt. Danach wird dieses Halbzeug mittels einer Warmumformung mit nachfolgender hochgradiger Kaltumformung von > 80% Dickenreduktion zu Band oder Flachdraht verarbeitet. Schließlich wird dieses Halbzeug einer rekristallisierenden Glühung zur Erzielung einer Würfeltextur unterworfen.

Nach oder während der rekristallisierenden Glühung kann das so hergestellte Halbzeug erfindungsgemäß zum Zwecke des Aufwachsens einer würfeltexturierten NiO-Schicht in einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt werden.

Das Halbzeug kann erfindungsgemäß als Unterlage für physikalisch-chemische Beschichtungen mit hochgradiger mikrostruktureller Ausrichtung, insbesondere zur Herstellung draht- oder bandförmiger Hochtemperatur-Supraleiter, verwendet werden.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, welche die erfolgreiche Erprobung der Erfindung zeigen. Ein Teil der Erprobungsergebnisse ist den 1 und 2 und in der untenstehenden Tabelle 1 dokumentiert.

Beispiel 1
Technisch reines Nickel mit einem Reinheitsgrad von 99,9 Atom-% Ni wird unter Zulegieren von 0, 01 Atom-% Silber in eine Kokille abgegossen. Der Ingot wird bei 1000°C an die Vierkantabmessung (22 × 22)mm² gewalzt, homogenisierend geglüht und abgeschreckt. Anschließend wird das Vierkantmaterial spanabhebend überarbeitet, um eine fehlerfreie Oberfläche für die folgende Kaltumformung durch Walzen zu erhalten. Das Kaltwalzen wird mit einem Abwalzgrad von über 80% Dickenreduktion durchgeführt, in diesem Fall mit 99,6%. Das resultierende Nickelband hat eine Dicke von 80 μm und ist hochgradig walztexturiert. Es wird darauf bei 550°C einer 30-minütigen Glühbehandlung in nicht oxidierender Gasatmosphäre unterzogen.
Das Ergebnis ist eine außerordentlich scharfe Rekristallisationswürfeltextur, wie aus dem Bild gemäß der 1 ersichtlich ist. Der Anteil der Kristallite mit Würfellage beträgt 98% und der Anteil der Kleinwinkelkorngrenzen ist ebenfalls 98%. Die Halbwertsbreite der Intensität der (111)-Pole bei der Röntgenbeugung beträgt FWHM = 4,4°.
Beispiel 2
Technisch reines Nickel mit einem Reinheitsgrad von 99,9 Atom-% Ni wird unter Zulegieren von 0,01 Atom-% Silber in einem Vakuuminduktionsofen geschmolzen und in eine Kokille abgegossen. Der Ingot wird bei 1000°C an die Vierkantabmessung (22 × 22)mm² gewalzt, homogenisierend geglüht und abgeschreckt. Anschließend wird das Vierkantmaterial spanabhebend überarbeitet, um eine fehlerfreie Oberfläche für die folgende Kaltumformung durch Walzen zu erhalten. Das Kaltwalzen wird mit einem Abwalzgrad von über 80% Dickenreduktion durchgeführt, in diesem Fall mit 99,6%. Das resultierende Nickelband hat eine Dicke von 80 μm und ist hochgradig walztexturiert. Es wird darauf bei 550°C einer 30-minütigen Glühbehandlung in reduzierender Gasatmosphäre unterzogen.
Das Ergebnis ist eine nahezu vollständige Rekristallisationswürfeltextur. Anschließend wird das Band in reinem Sauerstoffgas bei 1150°C einer 5-minütigen Oxidation ausgesetzt.
Die entstandene Nickeloxidschicht weist eine Würfeltextur auf, bei der 97% der Körner die Würfellage haben. Diese Textur ist um 95° gegenüber der Textur des Nickelbandes gedreht (siehe 2). Der FWHM-Wert des (111)-Poles liegt bei 6,2°.
Beispiel 3
Technisch reines Nickel wird unter Zulegieren von 0,1-% Silber geschmolzen und in eine Kokille abgegossen. Der Ingot wird bei 1100°C an die Vierkantabmessung (22 × 22)mm² gewalzt, homogenisierend geglüht und abgeschreckt. Anschließend wird das Vierkantmaterial spanabhebend überarbeitet, um eine fehlerfreie Oberfläche für die folgende Kaltumformung durch Walzen zu erhalten. Das Kaltwalzen wird mit einem Abwalzgrad von 85° Dickenreduktion durchgeführt. Das resultierende Nickelband hat eine Dicke von 3 mm und wird anschließend bei 850°C einer 30-minütigen Glühbehandlung zum Rekristallisieren unterzogen. Danach wird die Oberfläche gereinigt und das Band weiter an 80 μm Dicke kalt umgeformt. Abschließend wird bei 850°C über 45 Minuten in reduzierender Atmosphäre zur Erzeugung der Würfeltextur geglüht.
Beispiel 4
Technisch reines Nickelpulver wird unter Zugabe von 4,0 Atom-% Wolframpulver und 0,1 Atom-% Silberpulver pulvermetallurgisch prozessiert. Dabei wird nach dem Verpressen, Tempern und Warmumformen ein Stabmaterial von (12 × 12)mm² erhalten. Die Oberfläche wird spanabhebend überarbeitet, um eine fehlerfreie Oberfläche für die folgende Kaltumformung durch Walzen zu erhalten. Das Kaltwalzen wird ausgehend von einer Abmessung von (10 × 10)mm² bis an die Fertigabmessung von 80 μm Dicke durchgeführt. Die Randbereiche des Bandes werden abgetrennt und verworfen. Das erhaltene Nickelband wird anschließend zunächst bei 550°C einer 30-minütigen Glühbehandlung zum Rekristallisieren in reduzierender Atmosphäre unterzogen. Danach wird das Band in einer zweiten Glühung über 8 Minuten bei 1100°C in reduzierender Atmosphäre behandelt, um eine thermisch hoch belastbare Würfellage einzustellen.
Die nachstehende Tabelle 1 zeigt mit den Werten der Substrate Nr. 5 und 6 den positiven Einfluss des erfindungsgemäßen Ag-Zusatzes auf die FWHM(111)-Werte im Vergleich zum Stand der Technik (Substrate Nr. 1 bis 4).

Claims

Halbzeug auf Nickelbasis mit einer Rekristallisationswürfeltextur, bestehend aus technisch reinem Ni oder einer Ni-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff einen Ag-Zusatz im Mikrolegierungsbereich enthält, wobei der Ag-Zusatz maximal 0,3 Atom-% beträgt.
Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ni-Legierung als Legierungselemente Mo und/oder W enthält.
Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbzeug eine würfeltexturierte NiO-Schicht mit einem Texturanteil von > 90% vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst auf schmelzmetallurgischem oder pulvermetallurgischem Wege unter Einbeziehung des mechanischen Legierens ein Halbzeug hergestellt wird, das aus technisch reinem Ni oder einer Ni-Legierung besteht, in dem ein Ag-Zusatz im Mikrolegierungsbereich enthalten ist, der maximal 0,3 Atom-% beträgt, dass danach dieses Halbzeug mittels einer Warmumformung mit nachfolgender hochgradiger Kaltumformung von > 80% Dickenreduktion zu Band oder Flachdraht verarbeitet wird und dass schließlich dieses Halbzeug einer rekristallisierenden Glühung zur Erzielung einer Würfeltextur unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug nach oder während der rekristallisierenden Glühung zum Zwecke des Aufwachsens einer würfeltexturierten NiO-Schicht in einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt wird.
Verwendung des Halbzeuges gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 als Unterlage für physikalisch-chemische Beschichtungen mit hochgradiger mikrostruktureller Ausrichtung, insbesondere zur Herstellung draht- oder bandförmiger Hochtemperatur-Supraleiter.