Способ изготовления монокристаллической металлической проволоки

 

Изобретение относится к области металлоизделий промышленного назначения, а именно металлической проволоки. Способ заключается в равномерной пластической деформации проволоки со степенью выше 98% путем скручивания двух проволок в спираль с углом наклона витков спирали к ее продольной оси в 20-58^oC с заданной скоростью скручивания во времени при термической обработке и дальнейшей очистке полученной проволоки от поликристаллических остатков металла. В отдельных случаях деформацию металлической проволоки проводят при температуре (-200)-400^oС. Все параметры режима обработки устанавливаются экспериментально. Монокристалличность проволоки подтверждается рентгенофазовым анализом. Способ позволяет изготовить металлическую проволоку из тугоплавких металлов, таких, как вольфрам, молибден в виде тонких нитей диаметром 0,1-5 мкм с монокристалличностью по всей длине проволоки. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлоизделий промышленного назначения, а именно металлической проволоки, и касается способа изготовления тонкой металлической монокристаллической проволоки диаметром 0,01-5 мкм.

Проволока изготовляется диаметром от нескольких микрон и по размерам делится на: а) наитончайшая менее 0,1 мм, б) тончайшая от 0,10 до 0,4 мм, в) тонкая от 0,4 до 1,6 мм, г) средняя от 1,6 до 6,0 мм, д) толстая от 6,0 до 8,0 мм, е) особо толстая более 8,0 мм.

Технологический процесс изготовления холоднотянутой проволоки в основном состоит из удаления с поверхности катанки (металлическая заготовка после прокатки слитка) окалины, волочения и термической обработки (если она требуется), оцинкования, лужения и др. Подготовленная к волочению катанка проходит протяжку на волочильных станах до среднего размера. В зависимости от диаметра готовой проволоки волочение ее осуществляется на станах однократного или многократного волочения. Среднее и тонкое волочение проводится на многократных машинах. Волочение проволоки до диаметра 0,8 мм ведется через волочильные стальные доски, а более тонкой - через алмазные фильеры (волоки) (Техническая энциклопедия, т. 17, Москва, ОГИЗ РСФСР, 1932 г.).

Известен целый ряд изобретений, связанных с усовершенствованием устройств для многократного волочения проволоки (а.с. СССР 1759496, МПК 5 В 21 С 1/14, 17.08.90, патент РФ 2116851, МПК 6 В 21 С 1/02, 06.01.97, патент РФ 2144854, МПК 7 В 21 С 1/08, 15.06.98 и др.) или тягового механизма волочильной машины (а.с. СССР 1759495, МПК 5 В 21 С 1/14, 17.08.90).

Известен способ изготовления проволоки (патент РФ 2056245, МПК 6 В 23 К 20/04, В 21 С 37/04, 07.09.93, БИ 8,96) из металлических материалов путем получения заготовки и дальнейшего волочения заготовки, заготовку получают путем прокатки ленты, ее продольной резки на прямоугольные в сечении заготовки и округления их кромок. Перед округлением кромок производят стыковую сварку нескольких заготовок.

Сверхтонкий провод (микропровод) диаметром до 0,5 мкм обеспечивает существенное снижение массы и габаритов элементов из микропровода, уменьшает их механическую, тепловую и электрическую инерционность. Изготавливается микропровод литьем в стеклянной изоляции. Известные работы описывают получение литья микропровода. Приводятся сведения о формировании капилляра, заполнении его жидким металлом, о конструкции установок для литья микропровода, отдельных узлов установки: микропечи, механизма подачи стекла и металла, приемного механизма, системы контроля и пр. (Микрометаллургия и микротехнология, Ленинград, 1959 г.).

Известен способ производства литого микропровода из сплавов металлов в стеклянной изоляции (а. с. СССР 237941, МКИ Н 01 В 13/06, 10.09.64, БИ 9, 1969 г. ) путем взвешенной плавки токами высокой частоты навески шихтового металла, помещенного в стеклянную трубку, из которой с помощью вращающейся бобины вытягивают готовый микропровод в виде охлажденного тонкого стеклянного капилляра со сплошным металлическим заполнением, значение погонного сопротивления которого контролируется и корректируется за счет автоматических изменений скорости приема микропровода и давления над каплей металла в микропечи. С целью улучшения качества микропровода конец стеклянной трубки формируют в донце, подобном по форме капле навески металла с последующей обработкой трубки обезжиривающим составом и шихтовой металл подвергают вакуумной термообработке. Предлагается также состав стекла в зависимости от погонного сопротивления получаемого литья микропровода.

Известна установка для литья микропровода в стеклянной изоляции (а.с. СССР 240797, МКИ Н 01 В 13/06, 31.08.64, БИ 13, 1969). Установка содержит высокочастотный генератор для плавки металла, механизмы подачи стекла, шихтового металла и приема микропровода и обрыва жилы. Проводились исследования структуры микропроводов. Так установлено, что жила медного микропровода диаметром менее 14 мкм является по сечению монокристаллом. При больших диаметрах структура будет поликристаллической с крупными зернами (ФТТ, 1960, вып. 12, с.3048-49).

Разработана технология получения монокристаллических нитей висмута цилиндрической формы диаметром от 5 до 1 мкм и длиной до нескольких сотен метров (Приборы и техника эксперимента, 1976 г., 3, с.256-257).

Наиболее близким способом-прототипом является способ получения монокристаллических токовводов из вольфрама и молибдена (SU 447458, МПК C 22 F 1/18, 04.03.1975) путем гидроэкструзии монокристаллов с последующим отжигом, при этом предварительно шлифованные и электрополированные монокристаллы подвергают обжатию при 200^o на 40-70% с последующим ступенчатым отжигом в вакууме или защитной среде при 1200, 1500 и 2400^oС в течение часа при каждой температуре.

Недостатком всех известных способов является производство литого микропровода из легкоплавких металлов и сплавов, что определяется температурой плавления стекла для изготовления капилляров - оболочек микропровода, а также получение поликристаллической по сечению проволоки.

Задачей изобретения была разработка способа изготовления металлической проволоки в виде тонких нитей диаметром 0,1-5 мкм, сохраняющей монокристалличность по всей длине проволоки, а также изготовление проволоки из тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден.

Поставленная задача решается путем равномерной пластической деформации проволоки выше 98% скручиванием двух проволок в спираль с углом наклона витков спирали к ее продольной оси в 20-58^o с заданной скоростью скручивания во времени при термической обработке и дальнейшей очистке полученной проволоки от поликристаллических остатков металла.

Поставленная задача решается также тем, что деформацию металлической проволоки проводят при температуре (-200)-400^oС.

Указанная задача решается также тем, что скручивание проволок ведут со скоростью, обеспечивающей изменение угла наклона витков спирали и продольной оси 0,1-0,5^o/мин.

Аналогов подобного способа получения монокристаллической металлической проволоки не найдено.

Степень деформации, угол наклона витков спирали к ее продольной оси, а также скорость скручивания для каждого металла устанавливалась экспериментально. Было установлено, что степень деформации определяется скоростью скручивания, в зависимости от скорости скручивания получается или монокристаллическая проволока, или проволока с большим количеством дислокации. Монокристалличность проволоки по всей длине проверялась рентгенофазовым анализом.

Промышленная применимость способа подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Для изготовления вольфрамовой проволоки диаметром 2 мкм с монокристаллической структурой используют проволоку диаметром 40 мкм, полученную волочением через фильеры. Берут две проволоки одинаковой длины. С одной стороны концы проволок зажимают на подвижной каретке, а с другой стороны закрепляют на валу электродвигателя с регулируемыми в широком интервале оборотами. Задают скорость скручивания проволок такую, чтобы изменение угла наклона витков спирали к продольной оси составляло 0,5^o/мин. После скручивания проволока представляет собой набор тонких монокристаллических нитей диаметром 2 мкм, равномерно расположенных по сечению в поликристаллической фазе. От поликристаллической основы проволоку очищают электрохимичесим травлением в растворе щелочи, после чего получают два жгута металлических нитей.

Рентгенофазовым анализом было установлено, что металлическая нить на протяжении всей длины имеет монокристаллическую структуру.

Пример 2. Для получения вольфрамовой монокристаллической проволоки большего диаметра (5 мкм) две вольфрамовые проволоки диаметром 1 мм, каждую скручивали в двойную спираль в режиме постоянного подогрева проволок до температуры 400^o пропусканием электрического тока. Скорость скручивания задавали путем изменения угла оси витков проволоки к продольной оси спирали со скоростью 0,1-0,12^o/мин. Полученную спираль охлаждают и электрохимическим травлением очищают от поликристаллической основы, в результате получают скрученную в спираль проволоку, состоящую из набора монокристаллических нитей (усов) диаметром 5 мкм.

Пример 3. Для получения молибденовой монокристаллической проволоки диаметром 1,3 мкм используют молибденовую проволоку диаметром 50 мкм. Две проволоки скручивают в спираль со скоростью изменения угла между осью витков проволоки к продольной оси спирали 0,35-0,4^o/мин.

Пример 4. Для получения железной монокристаллической проволоки диаметром 1,5 мкм используют проволоку диаметром 100 мкм. Две проволоки закреплялись к электродвигателю аналогично примеру 1. Процесс скрутки проводили при охлаждении проволоки до температуры -70^oС со скоростью изменения угла между осью витков проволоки к продольной оси спирали 0,1^o/мин. Очистка и рентгенофазовый анализ проводятся аналогично примерам 1 и 2. Длина полученной проволоки составляла от нескольких сантиметров до десятков метров и может быть получена любая длина проволоки.

Было установлено, что для изготовления монокристаллических нитей из таких металлов, как никель, железо, медь, алюминий, индий процесс скручивания необходимо проводить при охлаждении. Например, для железной проволоки требуется охлаждение до (-30)-(-70)^oC, для медной проволоки - до (-70)-(-100)^oC, для индиевой проволоки - до (-170)-(200)^oC.

После перевода поликристаллической основы в монокристаллическую скручиванием остаток поликристаллической фазы составляет 2-10% от общего объема в проволоке. Этот поликристаллический остаток можно удалить электрохимическим травлением в растворах щелочи или солей металлов.

Таким образом, были получены сверхпрочные монокристаллические металлические нити вольфрама, молибдена, меди, железа, никеля, алюминия, индия, которые могут применяться для создания высокотемпературных сверхпроводников, для армирования металлических изделий, а также изделий из пластика.

Формула изобретения

1. Способ изготовления монокристаллической металлической проволоки, включающий равномерную пластическую деформацию при термической обработке, отличающийся тем, что пластическую деформацию проволоки осуществляют со степенью деформации выше 98% путем скручивания двух проволок в спираль с углом наклона витков спирали к ее продольной оси 20-58^o с заданной скоростью скручивания во времени при термической обработке и проводят очистку полученной проволоки от поликристаллических остатков металла.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что деформацию проволоки проводят при температуре (-200)-400^oС.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что скручивание проволок ведут со скоростью, обеспечивающей изменение угла наклона витков спирали к продольной оси 0,1-0,5^o/мин.