JP4664915B2 - 立方集合組織を有する金属製のフラットワイヤ又はストリップの製造法 - Google Patents
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Description
本発明は材料科学の分野に関し、かつ、例えば高度のミクロ構造的な配向を有する物理化学的なコーティングのためのベースとして使用可能な、立方集合組織を有する金属製のフラットワイヤ又はストリップの製造法に関する。この場合、この集合組織は基体の上に析出された層の結晶学的に配向された成長のためのベースとして用いられる。このようなベースは、例えば高温超伝導の分野で用いられるような金属又はセラミックのコーティングのための基体として適している。層−超伝導体のためのこのような基体ストリップは、超伝導磁石、変圧器、モータ、断層撮影装置又は超伝導的な電流路内で使用することができる。更に、このような集合組織化された金属ストリップを、磁石材料、例えば高透磁性のニッケル−鉄−合金として適用することができる。
先行技術
立方面心格子を有する多結晶の金属、例えば銅、ニッケル、金及び所定の条件下では銀もが、金属薄板又はフラットストリップの圧延による先行する強い冷間変形の後で、これに次ぐ再結晶の際に立方層を有する特徴的な集合組織を構成し得ることは公知である（G. Wassermann：Texturen metallischer Werkstoffe, Springer, Berlin, 1939; H. Huら： Trans ASM 224（1962）96-105）。基礎的研究（W. Koester：Z. Metallkde. 18（1926）112-116）及び更なる実験（R. D. Dohertyら：Mater. Sci. Eng. A257（1998）18-36）は、ストリップ圧延及びこれに次ぐ焼なまし処理を用いて実施された。
立方面心格子を有する多結晶の金属、例えば銅、ニッケル、金及び所定の条件下では銀もが、金属薄板又はフラットストリップの圧延による先行する強い冷間変形の後で、これに次ぐ再結晶の際に立方層を有する特徴的な集合組織を構成し得ることは公知である（G. Wassermann：Texturen metallischer Werkstoffe, Springer, Berlin, 1939; H. Huら： Trans ASM 224（1962）96-105）。基礎的研究（W. Koester：Z. Metallkde. 18（1926）112-116）及び更なる実験（R. D. Dohertyら：Mater. Sci. Eng. A257（1998）18-36）は、ストリップ圧延及びこれに次ぐ焼なまし処理を用いて実施された。
このように安定した変形状態の条件下での圧延と引き続く焼なましとによって集合組織化された金属ストリップ、特にニッケル及び銀ストリップは、今日では金属的なコーティングのベース、セラミック緩衝層及びセラミック超伝導層としても用いられている（A. Goyalら：ＵＳ特許５７４１３７７、１９９８年４月２１日）。このような金属ストリップの基体材料としての適性は、達成可能な集合組織化の度合と直接の表面におけるその品質とに著しく依存する。
集合組織品質に対する化学的な合金の影響の他に、再結晶−立方集合組織の構成は、とりわけ固有の、機械的な、変形技術的な前提条件にも関連している。不可欠であるのは冷間圧延の際の高い最少変形度であり、その際、変形物の微粒状の出発組織が有利である。銅に対しては最少変形度は８２％になる（O. Dahl, F. Pawlek：Z. Metallkde. 28（1936）266-271）。もちろん高度に集合組織化するためには部分的には９９％を超える厚さ減少である本質的に比較的高い変形度が付与される。この変形技術的に極めて費用のかかる製造技術は現在では甘受されており、それというのも代替技術が数十年来認められていないためである。従って、立方集合組織を有する金属ストリップを製造する場合には圧延以外の変形方法は今の時点では実地において重要でない。
しかしながら近年、引抜き法を用いたストリップ材料の変形も後続の焼なまし処理の際に立方集合組織をもたらし得ることが証明された（J. Eickemeyer, D. Selbmann, R. Opitz, B. de Boer, B. Holzapfel, L. Schultz: 8. Saechsische Fachtagung Umformtechnik, 04.-05.12.2001, TU Bergakademie Freiberg/Sa., S. 99-106）。前記方法は今まで実地において採用されていない。
金属、特にニッケル、銅、金及び銀の変形集合組織及び焼なまし集合組織の構成に対する応力及び変形状態の作用に関する一般的に通用する理論は存在しない。従って、変形集合組織及び焼なまし集合組織の構成に対する変形方法の有効性を確実に見積もることは不可能である。更に、変形物体と変形工具との間の摩擦条件も、ストリップ、特に薄いストリップにおける集合組織化に対して、従来予言できなかった形式で影響を及ぼす。
極めて長い準単結晶の基体（超伝導の層導体）としてストリップを使用するために十分に理想的な焼なまし集合組織に対する興味が増長するのに伴って、同時に、ストリップ内部においてのみならず、特にこのようなコーティングベースの表面上でもできるだけ完全な集合組織が要求されている。この理由から、集合組織構成にとって場合によっては有害である全ての影響をクリティカルに評価しかつ出来る限り回避しなければならない。とりわけこれは、従来本質的にストリップ及び金属薄板の圧延の際のパラメータに限られていた材料変形の際の最適な処理条件に対して言えることである。
発明の本質の開示
本発明は、立方集合組織を有する金属製のフラットワイヤ又はストリップの製造法を示すという課題に基づいており、該方法を用いることにより、最後の変形工程及び最終的な焼なまし処理の後の製品は高度の立方集合組織を有する。
本発明は、立方集合組織を有する金属製のフラットワイヤ又はストリップの製造法を示すという課題に基づいており、該方法を用いることにより、最後の変形工程及び最終的な焼なまし処理の後の製品は高度の立方集合組織を有する。
前記課題は請求項に記載された発明により解決される。他の態様は従属請求項の対象である。
立方集合組織を有する金属製のフラットワイヤ又はストリップの本発明による製造法において、ニッケル、銅、金又は銀をベースとする材料を冷間引抜き法を用いて複数の引抜き工程にわたる高度の変形で主に円形の横断面を有するワイヤに加工し、その際、全断面積減少εｇ≧７５％又は対数ひずみφｇ≧１．４が実現される。引き続き、ワイヤを後変形法及び焼なまし法を用いて立方集合組織及び所定の調節可能な幅を有する金属製のフラットワイヤ又はストリップに後加工し、その際、所定の幅をワイヤ横断面及びワイヤの後変形工程の変形度から測定し、かつ調節する。
有利に、冷間引抜き法を全断面積減少εｇ≧９０％又は対数ひずみφｇ≧２．３で実現する。
同様に有利に、冷間引抜き法を滑り引抜きとして引抜きダイスにより引抜き角２α＝２°〜２０°で実現し、その際、引抜き角２α≦１２°は更に有利である。
更に、冷間引抜き法をその都度引抜き方向を変化させて（可逆に）実施することは有利である。
更に同様に、後変形法及び焼なまし法の前のワイヤの中間加工を行わない場合有利である。
本発明による方法では、金属製のフラットワイヤ又はストリップの製造のための出発材料として、冷間加工及びこれに次ぐ再結晶の後に立方集合組織を構成する傾向のある金属ベース材料が使用される。これには、立方面心格子を有する金属材料、例えばニッケル、銅、金及び特別な条件下では銀並びにこれらの合金の一部が含まれる。
前記の金属ベース材料は、本発明によれば高度の冷間引抜きにより主に円形の横断面を有するワイヤ材料に加工される。前記のワイヤは更に、自由回転可能なローラによる自体公知の圧延引抜きの処理の適用により、又は平行に配置されたドローイングジョー又はローラによる引抜きにより、金属製のフラットワイヤ又は金属製のストリップに加工され、その際、立方集合組織は、その後に続く自他公知の最終的な再結晶焼なましの間に形成される。
金属製のフラットワイヤとは、本発明の範囲内で、有利にワイヤから冷間加工により製造される製品であると解釈され、その際、幅及び厚さは特に初期のワイヤ直径及び施与された変形度により決定される。
金属製のストリップとは、有利に中間製品から冷間加工により製造される製品であると解釈され、その際、ストリップ幅はより幅広の製品の長手部分により得られる。
高度の冷間引抜きは、まず、例えばワイヤ製造の際に慣用であるように引抜きダイスによる出発材料の貫通によって実施される。後続の変形は、圧延によりストリップに加工されるか、又はローラ工具又はドローイングジョーを用いたストリップの引抜きにより実施することができる。引抜きダイスによる滑り引抜きとしての冷間引抜きは、有利に引抜きダイスにより引抜き角２°〜２０°で、特に有利に引抜き角≦１２°で行われる。この場合、ワイヤの冷間引抜きは、同一の方向へ（一方向）か、又は有利にその都度引抜き方向を変化させて（可逆に）実施することができる。
更に、本発明による方法において、ワイヤ引抜き後で、かつ金属製のフラットワイヤ及び金属製のストリップへの後変形の前の、ワイヤの中間加工は不要であり、これは工業的な利点をもたらす。
冷間引抜きによりワイヤにし、後変形によりフラットワイヤ又はストリップにし、最終的に焼なましすることによる本発明による方法によって、従来利用されていた冷間圧延及びローラ工具又はドローイングジョーを用いた冷間引抜きを適用した場合と同様に、同等の厚さ減少で少なくとも立方層の相対的な集合組織度が達成される。強力なワイヤ引抜きにより、後の再結晶−立方集合組織の形成にとって特に有利な組織状態がもたらされる。
新規の方法の利点は特に、所定のワイヤ直径の調節及びワイヤの後続の変形工程の全変形度の調節によって、その他の場合には必要である幅広のストリップの長手部分を必要とすることなく、完成した金属製のフラットワイヤ又は金属製のストリップの幅が調節される点にある。更に、費用のかかるエッジ加工は行われない。それによって、製造工程において、長手部分のための装置もエッジ加工のための装置も削減される。同時に、該方法は、カットされる辺縁ストリップにより必然的に生じるような材料損失なしに、かつエッジ加工の際に不可避である切削生成物なしに行われる。それにより、敏感なストリップの表面品質をも常に損ね得る技術的工程は行われない。
ワイヤ引抜きの処理は古くから公知である変形法であるにも拘わらず、この方法がワイヤから製造された金属製のフラットワイヤ又は金属製のストリップにおける変形集合組織及び焼なまし集合組織に及ぼす影響はこれまでは研究されていなかった。
特殊処理、例えば高度の立方集合組織の達成に関して、意想外にも、立方集合組織を有する金属製のフラットワイヤ又は金属製のストリップの製造に対するワイヤ引抜きのポジティブな影響が明らかになった。このことは、繊維集合組織としての引抜き集合組織は圧延集合組織と根本的に異なり、かつ、公知の通り所定の立方面心金属及びその合金の圧延集合組織から生じる目標となる再結晶−立方層の範囲におけるポジティブな影響を推測することは不可能であるために極めて意想外である。広い寸法範囲に亘るフラットなワイヤ又はストリップへの丸ワイヤの加工の際に生じる不均一な応力及び変形状態ですら、立方集合組織を有する最終製品に対して意想外にも欠点をもたらさない。
それと共に、本発明による方法を基体ストリップ又は磁気的な応用のためのストリップの製造に応用するために、同様か又は改善された製品品質で、工業的により効果的に作り上げる可能性が生じる。必然的に、エネルギー及び作業費用、並びに例えばその他の場合には長手部分及びエッジ加工のために必要であるような特別な装置のためのコストが節約される。
集合組織化すべき金属及び合金の溶融冶金的な製造は、有利に銅製金型への鋳造により行なわれる。冷間等静圧圧縮成形及び熱間等静圧圧縮成形を介した粉末冶金的な製造も、溶融冶金的な製造に代わって出発材料のために有利である。
冶金的に製造された鋳造体又はプレス体は、後続の、慣用の均質化焼なましによる熱間変形が開始される前に、有利な出発組織、並びに最後の強い冷間変形のための粒径の制御された調節を得ることができる。熱間変形度並びに焼なましの温度及び継続時間は容易に当業者によって良好な冷間変形性の構想のもとで他のプロセスにて最適化され得る。再結晶化のための焼なまし雰囲気は有利に還元的であるか又は不活性である。焼なまし温度及び焼なまし時間は合金含有量が増大するにつれて値が変化する傾向にあり、同様に問題なく当業者により調節されることができる。
他の公知の解決法に対する本発明による解決法の差異は、本質的に、最終的に製造すべきフラットワイヤ又はストリップにおける立方集合組織に対して不利な影響を生じることなく、フラットワイヤ又はストリップの製造のための出発製品として、今や、主に円形の横断面を有するワイヤを使用することもできるという点にある。このことは、公知の先行技術によれば予測し得ないことである。
ワイヤにおける引抜き集合組織及び焼なまし集合組織は、繊維集合組織によるそのタイプ及びそれに相応して、唯一の優先方向であるワイヤ軸によって特徴付けられる。従って、繊維集合組織を有する高度に引抜きされたワイヤを比較的わずかな後続の平面変形により二軸再結晶−立方集合組織の形成のために準備することができることは意想外であった。
発明を実施するための最良の形態
本発明を以下に実施例をもとに詳説する。
本発明を以下に実施例をもとに詳説する。
ここで、
図１：φ２０ｍｍの初期ワイヤをφ５ｍｍ（ε＝９３．７５％）に引抜き、中間焼なましの後にφ１．２５ｍｍ（ε＝９３．７５％）に後引抜きした後に、一方向の圧延引抜きにより直径１．２５ｍｍ（ε＝８７．９％）に製造した、８２μｍ厚の集合組織度のニッケル−鉄−ストリップ（Ｎｉ５３Ｆｅ４７）の、ＥＢＳＤを用いた組織写真を示す。
図１：φ２０ｍｍの初期ワイヤをφ５ｍｍ（ε＝９３．７５％）に引抜き、中間焼なましの後にφ１．２５ｍｍ（ε＝９３．７５％）に後引抜きした後に、一方向の圧延引抜きにより直径１．２５ｍｍ（ε＝８７．９％）に製造した、８２μｍ厚の集合組織度のニッケル−鉄−ストリップ（Ｎｉ５３Ｆｅ４７）の、ＥＢＳＤを用いた組織写真を示す。
実施例
実施例１
合金Ｎｉ５３−Ｆｅ４７の円筒状ロッドを従来通りに直径２０ｍｍのロッド又はワイヤ引抜きで多工程で引抜き、直径５ｍｍの主に円形の横断面を有するワイヤにする（１．全減少εｇ＝９３．７５％）。８５０℃での再結晶焼なましの後、更に冷間引抜きし、直径１．２５ｍｍにする（２．全減少εｇ＝９３．７５％）。このワイヤを、引き続き横断面減少εｇ＝８７．４％での一方向の圧延引抜きによって後加工し、幅１．８９ｍｍ及び厚さ８２μｍのフラットワイヤにする。１１００℃で６０分に亘る集合組織焼なましにより、組織中で９４．３％の割合を占める高度の再結晶−立方集合組織が生じ（図１）、その際、全粒界の９３．１％は＜１０°のミスオリエンテーションを有する小角粒界である（図１中の白色部分）。このような集合組織品質は、フラットな製品の一貫したストリップ変形の慣用の作業様式の場合、εｇ＝９９％を上回るストリップ厚の減少の後になって初めて達成される。形成されるフラットワイヤの後加工は不要である。
実施例１
合金Ｎｉ５３−Ｆｅ４７の円筒状ロッドを従来通りに直径２０ｍｍのロッド又はワイヤ引抜きで多工程で引抜き、直径５ｍｍの主に円形の横断面を有するワイヤにする（１．全減少εｇ＝９３．７５％）。８５０℃での再結晶焼なましの後、更に冷間引抜きし、直径１．２５ｍｍにする（２．全減少εｇ＝９３．７５％）。このワイヤを、引き続き横断面減少εｇ＝８７．４％での一方向の圧延引抜きによって後加工し、幅１．８９ｍｍ及び厚さ８２μｍのフラットワイヤにする。１１００℃で６０分に亘る集合組織焼なましにより、組織中で９４．３％の割合を占める高度の再結晶−立方集合組織が生じ（図１）、その際、全粒界の９３．１％は＜１０°のミスオリエンテーションを有する小角粒界である（図１中の白色部分）。このような集合組織品質は、フラットな製品の一貫したストリップ変形の慣用の作業様式の場合、εｇ＝９９％を上回るストリップ厚の減少の後になって初めて達成される。形成されるフラットワイヤの後加工は不要である。
実施例２
合金Ｎｉ５３−Ｆｅ４７の円筒状ロッドを従来通りに直径２０ｍｍのロッド又はワイヤ引抜きで多工程で引抜き、直径５ｍｍの主に円形の横断面を有するワイヤにする（１．全減少εｇ＝９３．７５％）。８５０℃での再結晶焼なましの後、更に冷間引抜きし、直径１．２５ｍｍにする（２．全減少εｇ＝９３．７５％）。このワイヤを、引き続き横断面減少εｇ＝８７．９％での可逆的な圧延引抜きによって後加工し、幅１．８６ｍｍ及び厚さ７７μｍのストリップにする。１１００℃で６０分に亘る集合組織焼なましにより、組織中で９１．３％の割合を占める高度の再結晶−立方集合組織が生じ、その際、全粒界の９２．８％は小角粒界（ミスオリエンテーション＜１０°）である。このような集合組織品質は、フラットな製品の一貫したストリップ変形の慣用の作業様式の場合、εｇ＝９９％を上回るストリップ厚の減少の後になって初めて達成される。形成されるフラットワイヤの後加工は不要である。
合金Ｎｉ５３−Ｆｅ４７の円筒状ロッドを従来通りに直径２０ｍｍのロッド又はワイヤ引抜きで多工程で引抜き、直径５ｍｍの主に円形の横断面を有するワイヤにする（１．全減少εｇ＝９３．７５％）。８５０℃での再結晶焼なましの後、更に冷間引抜きし、直径１．２５ｍｍにする（２．全減少εｇ＝９３．７５％）。このワイヤを、引き続き横断面減少εｇ＝８７．９％での可逆的な圧延引抜きによって後加工し、幅１．８６ｍｍ及び厚さ７７μｍのストリップにする。１１００℃で６０分に亘る集合組織焼なましにより、組織中で９１．３％の割合を占める高度の再結晶−立方集合組織が生じ、その際、全粒界の９２．８％は小角粒界（ミスオリエンテーション＜１０°）である。このような集合組織品質は、フラットな製品の一貫したストリップ変形の慣用の作業様式の場合、εｇ＝９９％を上回るストリップ厚の減少の後になって初めて達成される。形成されるフラットワイヤの後加工は不要である。
実施例３
合金Ｎｉ５３−Ｆｅ４７の円筒状ロッドを従来通りに直径２０ｍｍのロッド又はワイヤ引抜きで多工程で引抜き、直径１．２５ｍｍの主に円形の横断面を有するワイヤにする（１．全減少εｇ＝９９．６％）。このワイヤを、引き続き横断面減少εｇ＝８７．９％での可逆的な圧延引抜きによって後加工し、幅１．８３ｍｍ及び厚さ８０μｍのストリップにする。１１００℃で６０分に亘る集合組織焼なましにより、組織中で９１．６％の割合を占める高度の再結晶−立方集合組織が生じ、その際、全粒界の８３．６％は小角粒界（ミスオリエンテーション＜１０°）である。形成されるストリップの後加工は不要である。
合金Ｎｉ５３−Ｆｅ４７の円筒状ロッドを従来通りに直径２０ｍｍのロッド又はワイヤ引抜きで多工程で引抜き、直径１．２５ｍｍの主に円形の横断面を有するワイヤにする（１．全減少εｇ＝９９．６％）。このワイヤを、引き続き横断面減少εｇ＝８７．９％での可逆的な圧延引抜きによって後加工し、幅１．８３ｍｍ及び厚さ８０μｍのストリップにする。１１００℃で６０分に亘る集合組織焼なましにより、組織中で９１．６％の割合を占める高度の再結晶−立方集合組織が生じ、その際、全粒界の８３．６％は小角粒界（ミスオリエンテーション＜１０°）である。形成されるストリップの後加工は不要である。
実施例４
合金Ｎｉ５３−Ｆｅ４７の円筒状ロッドを従来通りに直径２０ｍｍのロッド又はワイヤ引抜きで多工程で引抜き、直径５ｍｍの主に円形の横断面を有するワイヤにする（１．全減少εｇ＝９３．７５％）。８５０℃での再結晶焼なましの後、更に冷間引抜きし、直径１．２５ｍｍにする（２．全減少εｇ＝９３．７５％）。このワイヤを、引き続き横断面減少εｇ＝８２．２％での可逆的な圧延引抜きによって後加工し、幅及び厚さ９７μｍのストリップにする。１１００℃で６０分に亘る集合組織焼なましにより、組織中で８２．９％の割合を占める高度の再結晶−立方集合組織が生じ、その際、全粒界の６１．９％は小角粒界（ミスオリエンテーション＜１０°）である。形成されるストリップの後加工は不要である。
合金Ｎｉ５３−Ｆｅ４７の円筒状ロッドを従来通りに直径２０ｍｍのロッド又はワイヤ引抜きで多工程で引抜き、直径５ｍｍの主に円形の横断面を有するワイヤにする（１．全減少εｇ＝９３．７５％）。８５０℃での再結晶焼なましの後、更に冷間引抜きし、直径１．２５ｍｍにする（２．全減少εｇ＝９３．７５％）。このワイヤを、引き続き横断面減少εｇ＝８２．２％での可逆的な圧延引抜きによって後加工し、幅及び厚さ９７μｍのストリップにする。１１００℃で６０分に亘る集合組織焼なましにより、組織中で８２．９％の割合を占める高度の再結晶−立方集合組織が生じ、その際、全粒界の６１．９％は小角粒界（ミスオリエンテーション＜１０°）である。形成されるストリップの後加工は不要である。
実施例５
５原子％タングステンの合金含分を有するニッケルワイヤを初期直径５ｍｍから多工程で直径１ｍｍに引抜く（εｇ＝９６％）。その後、該ワイヤを中間加工なしで冷間圧延し、幅１．９ｍｍ、厚さ６０μｍの最終寸法を有するフラットワイヤにする。該フラットワイヤを最終的に１１００℃で１時間熱処理し、その際に、エピタキシャル成長する層を有するコーティングのためのベースとして使用されるようなシャープな立方集合組織が形成される。
５原子％タングステンの合金含分を有するニッケルワイヤを初期直径５ｍｍから多工程で直径１ｍｍに引抜く（εｇ＝９６％）。その後、該ワイヤを中間加工なしで冷間圧延し、幅１．９ｍｍ、厚さ６０μｍの最終寸法を有するフラットワイヤにする。該フラットワイヤを最終的に１１００℃で１時間熱処理し、その際に、エピタキシャル成長する層を有するコーティングのためのベースとして使用されるようなシャープな立方集合組織が形成される。
Claims (5)
- 立方集合組織を有する金属製のフラットワイヤ又はストリップの製造法において、ニッケル、銅、金又は銀をベースとする材料を冷間引抜き法を用いて複数の引抜き工程にわたる高度の変形で円形の横断面を有するワイヤに加工し、その際、全断面積減少εｇ≧７５％又は対数ひずみφｇ≧１．４を実現し、引き続きワイヤを後変形法及び焼なまし法を用いて立方集合組織及び所定の調節可能な幅を有するフラットワイヤ又はストリップに後加工することを特徴とする、立方集合組織を有する金属製のフラットワイヤ又はストリップの製造法。
- 冷間引抜き法を全断面積減少εｇ≧９０％又は対数ひずみφｇ≧２．３で実現する、請求項１記載の方法。
- 冷間引抜き法を滑り引抜きとして引抜きダイスにより引抜き角２α＝２°〜２０°で実現する、請求項１記載の方法。
- 冷間引抜きを引抜き角２α≦１２°で実現する、請求項３記載の方法。
- 冷間引抜き法をその都度引抜き方向を変化させて（可逆に）実施する、請求項１記載の方法。
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