單晶銅線材單晶化技術(shù)研究

單晶銅線材單晶化技術(shù)研究

自1986年首次報道了大野探測器技術(shù)（occ）生產(chǎn)金屬單元的消息以來，單絲線的制備一直是國內(nèi)外研究的熱點。這主要是因為金屬單元的制造技術(shù)在國外非常先進，在中國也處于緩慢狀態(tài)。目前，該項目的連通性技術(shù)主要集中在一些大學(xué)。1994年，研究團隊與國家大事探測中心合作，開發(fā)了中國第一個單層連通性裝置。銅、鋁單絲金屬絲被成功制作。廣東省工業(yè)大學(xué)于1997年成功生產(chǎn)了直徑為8毫米的單絲金屬絲。蘭州農(nóng)業(yè)大學(xué)于1999年生產(chǎn)直徑為6.8毫米的單絲金屬絲。目前制備單晶金屬線材大都采用單晶連鑄技術(shù),雖然能制備出單晶金屬線材,但是,由于單晶連鑄設(shè)備的限制,單晶制備過程中還存在如下缺點:①由于熔化于坩堝內(nèi)的金屬液,受到坩堝大小的限制,拉制出的單晶金屬線材長度有限;②制備小直徑單晶金屬線材時,依靠坩堝液面高度產(chǎn)生的壓力不易使導(dǎo)流管中的液體得到完全填充,拉制過程中容易發(fā)生斷流等現(xiàn)象.目前國內(nèi)制備的單晶金屬線材直徑均為較大,一般在6～10mm左右,單晶線材必須經(jīng)過多次拉拔才能得到實際應(yīng)用,而多次拉伸勢必會增加單晶金屬線內(nèi)的晶體缺陷,降低了傳輸性能.并且,最近發(fā)現(xiàn),多次拉伸變形后的單晶金屬線應(yīng)用于高保真音響領(lǐng)域中具有方向性,在目前方向性產(chǎn)生的機制還不清楚的情況下,顯著降低了單晶金屬線的市場競爭力.本文主要研究了課題組最近提出的金屬線材單晶化技術(shù),該技術(shù)能克服單晶連鑄技術(shù)對所制備的單晶金屬線材對長度和直徑的限制,能直接制備出小直徑長度不受限制的單晶金屬線材.1小直徑金屬絲的晶化技術(shù)1.1小直徑單晶金屬線材單晶化技術(shù)根據(jù)文獻報道,在連鑄技術(shù)中,金屬線材的雜晶主要來自于兩個方面,鑄型壁的形核以及引晶棒急冷的形核.因此,制備單晶金屬線材的設(shè)備必須滿足以下兩個要求:①為了避免在鑄型壁上形核,采用加熱鑄型和一個與之分離的冷卻器裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水冷結(jié)晶器,其中,加熱型壁的溫度高于金屬的熔點,固液界面位于鑄型外側(cè)附近;②單晶連鑄技術(shù)的鑄型內(nèi)形成的溫度分布使固液界面凸向液相,這樣,即使引晶段形成了多個晶粒,凸向于液相的固液界面能使晶粒之間競爭生長,淘汰后最終形成只有一個晶粒的金屬線材.要解決坩堝容量的限制,制備出無限長單晶金屬線材,小直徑金屬線材單晶化技術(shù)首先要實現(xiàn)“三個連續(xù)”,即送料連續(xù)、加熱熔化連續(xù)、引錠連續(xù).“三個連續(xù)”中最關(guān)鍵是加熱熔化連續(xù),即快速熔化加熱器的選擇.感應(yīng)加熱不僅能實現(xiàn)快速熔化,滿足“送料連續(xù)”的條件,更關(guān)鍵的是如果采用單扎線圈的感應(yīng)加熱器,加熱器與冷卻器共同作用下在熔池內(nèi)產(chǎn)生的溫度場如圖1所示能直接形成凸向液相的固液界面,為引晶階段形成的雜晶提供競爭生長的條件,同時加熱鑄型的條件也得到滿足.圖2為結(jié)合了區(qū)域熔煉和連續(xù)鑄造的單晶化處理系統(tǒng),是圖1的改進結(jié)構(gòu).直徑較粗的多晶金屬線材經(jīng)過區(qū)域熔化,在冷卻器的作用下(水套和冷指),直接轉(zhuǎn)化為直徑較細的單晶金屬線材.只要送料系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)速度之間能保持精確匹配,鑄型內(nèi)的金屬溶液體就能實現(xiàn)動態(tài)平衡.因此,該結(jié)構(gòu)無須單晶連鑄技術(shù)中的液面高度控制裝置,克服制備小直徑單晶金屬線材時,表面張力大引起的金屬液斷流等現(xiàn)象.1.2送料系統(tǒng)設(shè)計小直徑金屬線材單晶化技術(shù)裝置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示,該裝置主要包括以下幾部分:(1)單晶化處理系統(tǒng).區(qū)域熔化和加熱鑄型技術(shù)相結(jié)合的核心部分.本機構(gòu)主要包括鑄型、中頻磁感應(yīng)加熱器、石英管、冷卻器銅水套以及冷指等.本裝置工作時,送料系統(tǒng)將直徑較粗多晶金屬線材通過導(dǎo)向管送入單晶化處理系統(tǒng),牽引系統(tǒng)直接拉制出直徑較細的單晶金屬線材.其中,中頻感應(yīng)加熱器要求功率可調(diào),為了避免型壁形核,線材中出現(xiàn)雜晶,冷卻器的設(shè)計要求對鑄錠均勻冷卻,冷指與鑄型的間距以及水套的流量的設(shè)計要求可以調(diào)節(jié).(2)送料系統(tǒng)與牽引系統(tǒng).送料系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)設(shè)計要求傳動平穩(wěn),為了能在低速下運轉(zhuǎn),送料系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)的電機要求配有變速器,其電機的速度要求在較寬的范圍內(nèi)能實現(xiàn)可調(diào),送料系統(tǒng)應(yīng)對多晶金屬線材有校直作用.(3)控制系統(tǒng).主要控制送料系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)速與電源,送料速度與牽引速度之間匹配,以及中頻感應(yīng)加熱器的輸出功率等.2連鑄速度對單晶金屬線材表面質(zhì)量的影響由于本裝置加熱器功率和連鑄速度對線材質(zhì)量的影響最為突出,本文初步探討了功率和連鑄速度對銅線材表面質(zhì)量的影響.圖5為感應(yīng)加熱電源的頻率分別為8kHz,冷卻器到鑄型出口的間距230mm,冷卻水量0.4L/min,水溫20℃時,功率與連鑄速度配合對直徑為2mm的銅線材表面質(zhì)量的影響.加熱器的功率的變化實際上就相當于鑄型溫度的變化.從圖5可以看出,鑄型溫度與連鑄速度的適當配合,可在一個較大的范圍內(nèi)獲得表面光滑的單晶金屬線材.由圖5可知溫度越高,連鑄速度越低.在鑄型溫度一定的情況下,連鑄速度低于下限時,銅線材表面出現(xiàn)擦傷甚至于卡死出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象,連鑄速度高于上限時,金屬線材開始出現(xiàn)表面凹凸不平,然后發(fā)生金屬液泄漏現(xiàn)象.表面擦傷以及線材被拉斷主要是因為連鑄速度低于下限造成相對冷卻強度過大,固液界面向鑄型內(nèi)推移,鑄錠表面與鑄型之間出現(xiàn)較大的摩擦力,使線材擦傷,當摩擦力很大時,金屬線材被拉斷.在連鑄過程中,已凝固的鑄錠與鑄型之間的金屬液柱靠表面張力來維持,當連鑄速度超過上限時,由于相對冷卻能力減弱,固液界面離開鑄型較遠,由于金屬液的重力作用使金屬液柱向下彎曲,使線材表面凹凸不平.繼續(xù)增大連鑄速度,相當于增加了金屬液柱的重力,表面張力再也無法維持金屬液柱的重力,因而出現(xiàn)金屬液泄漏現(xiàn)象.3單晶金屬線材的制備(1)區(qū)域熔化形成的溫度場能形成一個凸向于液相的固液界面,滿足制備單晶對溫度場的要求;(2)根據(jù)區(qū)域溶化技術(shù)和連續(xù)鑄造技術(shù),本研究開發(fā)出的小直徑單晶化技術(shù)實現(xiàn)“三個連續(xù)”,即送料連續(xù)、加熱熔化連續(xù)、引錠連續(xù)能解決單晶連鑄技術(shù)對所制備的單晶線材直徑和長度方面的限制;(3)當鑄型溫度與連鑄速度的適當配合時,可在一個較大的范圍內(nèi)獲得表面光滑的單晶金屬線材.圖4(a)為利用上述原則制備的小直徑金屬線材單晶化設(shè)備.利用該設(shè)備,以直徑為6.0mm的工業(yè)純銅、鋁為原料進行原理性實驗,成功制備出直徑分別為0.5mm、1.0mm、2.0mm、3.0mm的單晶銅、鋁線材.直徑為2.0mm的銅線材樣品如圖4(b)所示,由圖4(b)可知,制備的銅線材直徑均勻,表面光亮呈鏡面狀態(tài).圖4(c)為制備的單晶銅線材的金相組織,金相顯微組織分析表明,制備的銅線材確實為單晶線材.其中,0.5mm單晶銅線材的制備工藝參數(shù)為:感應(yīng)加熱電源的功率和頻率分別為7.5kw、8kHz,送料速度0.65mm/min,牽引速度94mm/min,冷卻器到鑄型出口的間距230mm,冷卻水量0.4L/min,水溫20℃.0.5mm單晶鋁線材的制備工藝參數(shù)為:感應(yīng)加熱電源的功率和頻率分別