СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.35:548.735.6
ТЕКСТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕНТ-ПОДЛОЖЕК ИЗ БИНАРНЫХ И ТРОЙНЫХ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ
© 2015 г. Ю. В. Хлебникова, Д. П. Родионов, И. В. Гервасьева, Т. Р. Суаридзе, Л. Ю. Егорова, Ю. Н. Акшенцев, В. А. Казанцев
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: Yulia_kh@imp.uran.ru Поступила в редакцию 23.06.2014 г.; в окончательном варианте — 28.07.2014 г.
Проведено исследование процесса текстурообразования в лентах из ряда бинарных и тройных медных сплавов при холодной деформации прокаткой со степенями 98.6—99% и последующем рекри-сталлизационном отжиге. Показана принципиальная возможность создания многокомпонентных сплавов на базе бинарного Cu—30% Ni, дополнительно легированного элементами, упрочняющими ГЦК-матрицу, такими, как железо или хром. Возможность получения совершенной кубической текстуры в тонкой ленте из бинарных и тройных медных сплавов открывает перспективу использования их в качестве подложек в технологии производства ВТСП-кабелей второго поколения. Определены оптимальные режимы отжига, позволяющие получить в сплавах СиМе и Cu(30—40)NiMe (Me = Fe, Cr, Mn) совершенную биаксиальную текстуру с содержанием кубических зерен |001}(100)на поверхности ленты более 94%. Оценка механических свойств текстурованных лент из исследованных сплавов демонстрирует превышение предела текучести в 2.5—4.5 раза по сравнению с текстурованной лентой из чистой меди.
Ключевые слова: бинарные и тройные сплавы меди, холодная деформация прокаткой, отжиг, рекристаллизация, совершенная кубическая текстура, дифракция электронов.
DOI: 10.7868/S0015323015010076
ВВЕДЕНИЕ
К середине XX в. сложились основные представления о формировании кубической текстуры рекристаллизации в ГЦК-металлах. Стало понятно, что после холодной прокатки и рекристалли-зационного отжига в N1, Си, А1, Р1, Рё и некоторых сплавах этих металлов реализуется острая кубическая текстура {100}(001).
Сплавы медь—железо попали в сферу интересов создателей подложек с кубической текстурой рекристаллизации в первую очередь потому, что на них может быть получена совершенная биак-сиальная кубическая текстура, близкая к монокристальной {100} [1, 2]. Использование железа в качестве легирующего элемента в медных сплавах связано также с упрочняющей способностью этой легирующей добавки [3, 4]. Ленты-подложки из сплавов на основе меди с кубической текстурой рекристаллизации могут быть использованы для нанесения многослойных функциональных композиций, в том числе в конструкции высокотемпературных сверхпроводящих проводов второго поколения (ВТСП-кабели второго
поколения) [5]. Технология ВТСП-кабелей второго поколения предполагает эпитаксиальное нанесение буферных и сверхпроводящих YBa2Cu3O7 слоев на протяженную текстурованную металлическую ленту.
Исследовательские работы зарубежных авторов, как правило, ограничены текстурными исследованиями Cu—Ni сплавов в силу их физических особенностей и сохранения кубической текстуры в любом концентрационном интервале меди и никеля [6—10].
Практический интерес могут также представлять сплавы Cu—Cr, несмотря на крайне ограниченную растворимость хрома в меди. Эти сплавы обладают высокой электропроводностью, коррозионной стойкостью, кроме того, хром существенно повышает механические свойства медных сплавов [3, 4]. В наших исследованиях показано, что при соблюдении определенных технологических операций в сплаве Cu—0.4% Cr удается реализовать в лентах-подложках после холодной деформации прокаткой 98.6—99% и последующего отжига совершенную кубическую текстуру рекристалли-
зации [11]. Учитывая, что в лентах-подложках из медно-никелевых сплавов достаточно успешно реализуется острая кубическая текстура во всем концентрационном интервале, появляется возможность создания тройных сплавов на медно-ни-келевой основе дополнительно легированных железом или хромом.
В данной работе исследован процесс текстуро-образования в лентах из бинарных Cu—Ni, Cu—Fe, Cu—Cr и тройных Cu—Ni—Fe, Cu—Ni—Cr и Cu—Ni— Mn сплавов при холодной деформации прокаткой со степенями 98.6—99% и последующем ре-кристаллизационном отжиге. Проведен анализ механических свойств и степени совершенства кубической текстуры методом дифракции обратно отраженных электронов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследования были выплавлены бинарные сплавы Cu—Me и тройные сплавы Cu—Ni—Me на основе чистой, бескислородной меди 99.95%. В числе этих сплавов: Cu—1.2% Fe, Cu—1.6% Fe, Cu—0.4% Cr, серия сплавов Cu—Ni с содержанием 10, 30 и 40% никеля и тройные сплавы Cu—30% Ni—1.5% Fe, Cu—30% Ni-0.7% Cr и Cu-40% Ni-1.5% Mn. Для выплавки лабораторных сплавов Cu-Ni, Cu-Fe, Cu-Cr и тройных сплавов Cu-Ni-Me использовали никель чистотой 99.99%, карбонильное переплавленное железо чистотой 99.94%, хром и марганец чистотой не ниже 99.93%. Состав всех сплавов указан в атомных %, а чистота материалов, использованных при выплавке сплавов - в вес. %. Все сплавы выплавляли в алундовых тиглях в атмосфере аргона в вакуумной индукционной печи. Слитки ковали при температуре в интервале 800-600°С на прутки сечением 10 х 10 мм. После шлифовки получали заготовки, которые отжигали при температуре 550-800°С, 1 ч, температура различалась для разных сплавов. По структуре отожженных заготовок сплавов вычисляли среднюю величину исходного зерна как среднее арифметическое из ~80 измерений. Для выявления микроструктуры образцы травили в смеси концентрированных кислот HNO3, HCl и H3PO4 в равных долях с добавлением 30-40% Н2О2. В заготовке средний размер зерна перед прокаткой не превышал 40 мкм. Для изготовления холоднокатанной ленты использовали также промышленный сплав Cu-20% Ni - мельхиор.
Холодную деформацию заготовок осуществляли в два этапа: 1 этап на прокатном стане с диаметром валков 180 мм (деформация ~90%, число проходов 35-40); 2 этап - на двухвалковом прокатном стане с полированными валками диаметром 55 мм до толщины 100-80 мкм. Общая степень холодной деформации составляла 98.6-99%.
Температуру начала рекристаллизации деформированных лент из бинарных и тройных сплавов определяли по изменению коэффициента термического расширения сплава [12]. Съемку кривых проводили на кварцевом дилатометре Ulvac Sin-cu-riku в интервале температур от 20 до 850°C со скоростью нагрева 2 град/мин. Образцы вырезали вдоль направления прокатки. Температуры начала первичной рекристаллизации для исследованных сплавов приведены в таблице.
Рекристаллизационные отжиги для получения кубической текстуры проводили в вакууме (2—3) х х 10-5 мм рт. ст. Сплавы отжигали в течение 1ч при температурах: Cu-Ni - 900, 950, 1000, 1050 и 1100°С, Cu-Fe - 700, 800 и 850°С, Cu-0.4% Cr -700°С. Нагрев ленточных образцов, помещенных в вакуумный контейнер, осуществляли посадкой в печь, нагретую до требуемой температуры, охлаждение образцов после отжига - вне печного пространства. Кроме того, для бинарных сплавов Cu-Ni использовали отжиг образцов с медленным нагревом: посадка образцов в нагретую до 500°С печь, дальнейший нагрев со скоростью 2 град/мин до 900-950°С, выдержка 1 ч, далее охлаждение образцов вне печного пространства. Для тройных сплавов Cu-Ni-Ме рекристаллиза-ционные отжиги проводили при температурах 950, 1000, 1050 и 1100°С в течение 1 ч.
Ориентацию зерен на поверхности текстуро-ванного сплава определяли методом дифракции обратно отраженных электронов (EBSD) на сканирующем электронном микроскопе Quanta-200 Pegasus. Область формирования дифракционной картины в точке составляла около 50 нм. Сканирование ориентационных данных осуществлялось с шагом 2 мкм с поверхности площадью примерно 2900 х 3200 мкм.
Рассеяние кубической текстуры в двух взаимно перпендикулярных направлениях определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 методом качания вокруг поперечного направления (ПН) или направления прокатки (НП) по полуширине линии {200} в Со-^а1 излучении. При качании вокруг ПН получали рассеяние вдоль ленты (аПН), а при качании вокруг НП - поперек ленты (аНП). Значения рассеяния аНП для всех исследованных сплавов представлены в таблице.
Электронно-микроскопическое исследование отожженных образцов сплавов Cu-1.2% Fe, Cu-1.6% Fe и Cu-0.4% Cr проводили на микроскопе Tecnai G230 Twin при ускоряющем напряжении 300 кВ. Фольги изготавливали по стандартным методикам. Микроанализ осуществляли с использованием энергодисперсионного спектрометра EDAX для элементного анализа.
Механические свойства текстурованных лент толщиной 80-100 мкм, отожженных в течение 1 ч, определяли при испытаниях на растяжение при
Химический состав, температура начала первичной рекристаллизации, предел текучести при 20°С и параметры текстуры отожженных лент из бинарных и тройных медных сплавов
Состав сплава, ат. %
Температура начала рекристаллизации, °С
Предел текучести а02, МПа*
Параметры текстуры после оптимального отжига
Температура оптимального отжига, °С
Cu 99.95 (вес.%) 200 25 600 95 8.5 6.4
Cu—0.4 Cr 330 65 700 94 7.3 4.8
Cu-1.2 Fe 255 75 850 98 7.4 4.5
Cu-1.6 Fe 260 78 850 97 7.3 4.5
Cu-10 Ni 400 39 500 ^ 900 99 7.0 5.6
Cu-20 Ni 465 61 500 ^ 900 96 7.0 6.3
Cu-30 Ni 520 98 500 ^ 950 96 6.4 4.6
Cu-40 Ni 535 110 1100 100 6.5 5.7
Cu-30 Ni-1.5 Fe 610 120 1000 99 5.4 4.1
Cu-30 Ni-0.7 Cr 670 115 1000 97 4.6 4.4
Cu-40 Ni-1.5Mn 570 114 1050 95 8.0 4.7
Доля кубической ориентировки в текстуре отжига, %
Рассеяние текстуры, аНП, град
Рассеяние текстуры, аПН, град
* Приведено среднее значение по результатам трех измерений.
комнатной температуре образцов длиной 120 мм и шириной 10 мм. Бинарные сплавы были отожжены при 800°С, а тройные — при 1000°С. Предел текучести исследованных бинарных и тройных сплавов на основе меди представлен в таблице.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сплавы Cu—Ni в силу неограниченной взаимной растворимости и значений ЭДУ, необходимых для реализации кубической текстуры рекристаллизации, привлекают наибольшее внимание и представляются перспективными с точки зрения получения немагнитных тек
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.