СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669:3'24'26'1:539.25
ВЫБОР СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЛЕНТ-ПОДЛОЖЕК С ОСТРОЙ КУБИЧЕСКОЙ ТЕКСТУРОЙ
© 2014 г. Ю. В. Хлебникова, Д. П. Родионов, И. В. Гервасьева, Т. Р. Суаридзе,
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 16.04.2014 г.; в окончательном варианте — 20.05.2014 г.
Показано, что в ряде медных сплавов после холодной деформации прокаткой на 98.6—99% и последующего рекристаллизационного отжига можно получить острую кубическую текстуру. Определены оптимальные режимы отжига, позволяющие получить в сплавах Cu—Ni, Cu—Fe и Cu—Cr острую биаксиальную текстуру с содержанием кубических зерен более 95%, что открывает возможность использования тонких лент из этих сплавов в качестве подложек для пленочных многослойных композиций, в том числе при создании высокотемпературных сверхпроводников второго поколения.
Ключевые слова: сплавы меди, холодная деформация прокаткой, отжиг, рекристаллизация, совершенная кубическая текстура, дифракция электронов.
DOI: 10.7868/S0015323014120031
ВВЕДЕНИЕ
В ряде случаев при соблюдении комплекса технологических приемов в сплавах никеля может быть получена совершенная кубическая текстура рекристаллизации, близкая к ленточному плоскому монокристаллу {100} [1, 2]. Сотрудники Окриджской национальной лаборатории США (OR.NL) первыми в 1996 г. предложили использовать текстурованную никелевую ленту в качестве подложек в архитектуре многослойных сверхпроводников второго поколения [3]. Было исследовано множество сплавов никеля с достаточно протяженной ГЦК-областью, в которых после деформации и отжига формируется совершенная кубическая текстура. В качестве наиболее подходящих для применения в конструкции ВТСП-проводов второго поколения исследователями предлагались бинарные сплавы Ni—W и тройные сплавы №-Сг^ [2].
Однако при этом всегда был интерес к медным сплавам с кубической текстурой в силу их немаг-нитности и дешевизны. Величина энергии дефектов упаковки (ЭДУ) меди имеет значение, близкое к нижней границе, при которой формируется классическая текстура деформации типа "меди", а при отжиге может формироваться острая кубическая текстура. Низкая ЭДУ меди естественным образом ограничивает количество легирующего элемента при создании ГЦК-сплавов на основе меди с биаксиальной кубической текстурой, поскольку легирование всегда снижает ЭДУ [4, с. 210].
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 [5, 6]. В настоящее время в качестве материала для исследования используют также сплавы Cu—Fe (до 2.5 ат. % Fe), так как в этих сплавах достаточно легко реализуется острая кубическая текстура рекристаллизации
[7, 8].
Цель настоящей работы заключалась в исследовании закономерностей формирования кубической текстуры первичной рекристаллизации в сплавах Cu—Me в зависимости от условий отжига. Основным методом исследования в работе был метод дифракции обратно отраженных электронов, позволяющий с высокой точностью оценивать совершенство реализуемой кубической текстуры в металлической ленте.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследования текстурообразования при отжиге деформированных медных сплавов были выплавлены бинарные сплавы Cu—Me на основе чистой, бескислородной меди 99.95 мас. %. В числе этих сплавов (в ат. %): Cu—2.2% Al, Cu—1.6% Ge, Cu-0.5% Fe, Cu-1.6% Fe, Cu-0.4% Cr и серия сплавов Cu—Ni. Для выплавки лабораторных сплавов Cu—Ni с содержанием 10, 30 и 40 ат. % никеля использовали никель чистотой 99.95 мас. %,
сплавов Cu—Fe — карбонильное переплавленное железо чистотой 99.94 мас. %, сплавов Cu—Al, Cu—Ge и Cu—Cr легирующие элементы имели чистоту не ниже 99.93 мас. %. 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 хо-лоднокатанной ленты использовали также промышленный сплав Cu—20% Ni — мельхиор.
Холодную деформацию заготовок осуществляли в два этапа: 1 этап на 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 сплавов Cu—Ni и Cu—Fe исследовали на кварцевом дилатометре Ulvac Sincu-riku в интервале температур от 20 до 850°C со скоростью нагрева 2 град/мин. Образцы вырезали вдоль направления прокатки.
Рекристаллизационные отжиги для получения кубической текстуры проводили в вакуумной печи при давлении (2—3) х 10-5 мм рт. ст. для сплавов Cu-Ni при температурах 900, 950, 1000 и 1050°С в течение 1 ч, а также при 1050°С в течение 1.5 ч. Для сплавов Cu-Fe рекристаллизационные отжиги проводили при температуре 700, 800 и 850°С в течение 1 ч. Сплавы Cu-Ge, Cu-Al и Cu-Cr отжигали при температуре 700°С в течение 1-1.5 ч. 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 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.
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. Скани-
рование ориентационных данных осуществлялось с шагом 2 мкм с поверхности площадью примерно 2900 х 3200 мкм.
Электронно-микроскопическое исследование отожженных образцов сплава Cu—1.6 ат. % Fe 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 текстурованной ленты толщиной 80—100 мкм отожженной при 800°С в течение 1 ч определяли при испытаниях на растяжение образцов длиной 120 мм и шириной 10 мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
К середине XX века сложились основные представления о кубической текстуре рекристаллизации в ГЦК-металлах. Стало понятно, что после холодной прокатки и рекристаллизационного отжига Cu, Ni, Al, Pt, Pd и некоторых сплавов этих металлов реализуется острая кубическая текстура |100}(001) с незначительной долей двойниковой составляющей |122}(212) [9].
Только исходная текстура холодной прокатки, характерная для меди, может быть основой для получения острой кубической текстуры при последующем отжиге. Формирование текстуры деформации типа "меди" или типа "а-латуни" в значительной степени связано с ЭДУ металла или сплава [10]. При легировании основного металла Cu, Ni, Al и т.д. с образованием области твердого раствора с ГЦК-решеткой происходит снижение ЭДУ сплава. При определенной концентрации легирующего металла в сплаве ЭДУ достигает величины, при которой в сплаве происходит текстурный переход от текстуры деформации типа "меди" к текстуре типа "а-латуни" и, соответственно, кубическая текстура при рекристаллизации не образуется.
Важно то, что при соблюдении комплекса технологических приемов в ленточных образцах из никелевых и медных сплавов может быть получена совершенная кубическая текстура. Из бинарных сплавов на основе никеля с металлами VB, VIB, VIIB и VIIIB групп Периодической системы были созданы текстурованные как немагнитные вплоть до 77 К ленты-подложки (c Cr и V) так и обладающие высокими, в сравнении с чистым никелем, механическими свойствами (с тугоплавкими элементами: W, Mo, Nb, Re) [2].
Создание сплавов на медной основе для тек-стурованных лент с кубической текстурой ограничено по двум причинам. Во-первых, медь практически не образует ГЦК-твердых растворов с большинством тугоплавких металлов, а по этой причине существует ограничение для получения
высокопрочных металлических лент-подложек. Медь образует достаточно протяженные области ГЦК твердого раствора с переходными элементами III и IV групп, а сплавы с этими элементами не представляют интерес для производства тексту-рованных подложек.
Во-вторых, медь имеет значительно меньшую ЭДУ, чем никель, что также ограничивает создание сплавов при условии сохранения текстуры прокатки типа "меди", и, соответственно, кубической текстуры рекристаллизации при последующем отжиге.
На рис. 1 приведены данные о вероятности (частоте) появления дефектов упаковки в сплавах на основе меди [11—14]. Основные элементы, образующие ГЦК-области в сплавах, очень интенсивно снижают ЭДУ сплава, что приводит к переходу от текстуры деформации типа "меди" к текстуре типа "a-латуни". Лишь цинк, никель и марганец — элементы, образующие широкие области ГЦК-твердого раствора в меди слабо снижают ЭДУ сплава. При этом латуни (сплавы Cu—Zn) с точки зрения окисляемости так же, как и сплавы Cu—Mn, не представляют интереса в качестве сплавов для подложек.
Сплавы Cu—Ni в силу неограниченной взаимной растворимости элементов и величины ЭДУ необходимой для получения кубической текстуры рекристаллизации привлекают наибольшее внимание и представляются перспективными с точки зрения получения немагни
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.