真空熔煉氬氣保護單晶連鑄設備的研制及單晶銅制備

1、碩士學位論文 摘 要 單晶連鑄技術是將定向凝固與連續(xù)鑄造相結合的一項新型材料近凈成形加工技術。在單晶連鑄過程中，金屬的凈化是影響鑄錠性能的一個重要因素。同時，對單晶連鑄各工藝參數(shù)的精確控制也是該技術的關鍵。本文根據(jù)單品連鑄技術的基本原理，設計并制造了一臺橫引式真空熔煉氬氣保護單晶連鑄試驗設備，旨在全面提高金屬材料熔煉保溫過程中的純度和對各工藝參數(shù)的控制精度。在本試驗設備上成功制各出巾的單晶銅線材，并對試驗制各的單晶銅線材的凈化效果和性能進行了初步探討和分析。 自行設計并制造了一臺橫引式真空熔煉氬氣保護單晶連鑄試驗設備，配備了真空熔煉保溫系統(tǒng)以及工藝參數(shù)的控制系統(tǒng)。成功實現(xiàn)了單晶連鑄試驗過程中由

2、真空狀態(tài)向氬氣保護狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)變，確保了單晶連鑄試驗的順利進行。 在本試驗設備上成功連鑄出中的單晶銅線材。制各工藝參數(shù)為：銅液溫度、鑄型型口溫度、連鑄速度、冷卻距離和冷卻水量。 試驗中制備出的單晶銅線材與熔煉前的原材料電解銅相比，含氫量降低了，含氧量降低了，分別達到和；雜質(zhì)總量降低；與實驗室原單晶連鑄試驗設備制備的單晶銅相比，雜質(zhì)總量降低了。 利用本試驗設備制備的單晶銅鑄棒的伸長率和斷面收縮率分別比定向凝固多晶銅的伸長率和斷面收縮率提高了和；抗拉強度和屈服強度分別降低和；電阻率降低：。證明本試驗設備制備的單晶銅線材可以作為優(yōu)質(zhì)的深加工坯料和導體材料。關鍵詞：單晶連鑄設備；金屬凈化；真空熔煉；氬

3、氣保護；單晶銅：性能 真空熔煉氬氣保護單晶連鑄設備的研制及單晶銅制各 （）， 曲 ?椋?業(yè) 伍 ， 小 ， 嘣 甜 鋤 ，把 猢 ， 血 咖 】 啦 岫鋤詛 ， 鋤 ?澹? 跚 試 詛 印 唱 ， 謝 啪 訂 黼 啪 唱 印 鋤 ： 叫 刪 ； ； ； ； 廿 印 ， 趾 ； 時 詛 加 印， 了 印 曲 也 詛 ； 群 垂 ·咖 ； 商 血 幽 （ ： 詛 ； 缸； ； ； ； 蘭州理工大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文

4、的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 名：艫搿 吼少咿月日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權蘭州理工大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 、保密口，在一年解密后適用本授權書。 、不保密團。 （請在以上相應方框內(nèi)打“”） 作者簽名： 日期：弘口莎年 導師簽名： 日期少形年 ，移 月月 、 日曰 碩士學位

5、論文 第章緒論 二十一世紀，隨著半導體技術、集成電路技術的快速發(fā)展和電子元器件的質(zhì)量不斷提升，使得對網(wǎng)絡、通信、音視頻設備和高清晰度電子產(chǎn)品的品質(zhì)要求越來越高，必然要求零部件向小型化、精密型方向發(fā)展。因此，作為信息傳輸神經(jīng)的細線、薄箔、標板及電纜等材料的質(zhì)量就顯得曰益突出。具有定向凝固組織或單晶組織的高純優(yōu)質(zhì)銅桿，因為消除了橫向晶界，沒有偏析、夾雜和氣孔等缺陷，在生產(chǎn)超微細銅絲、網(wǎng)絡傳輸通訊數(shù)據(jù)線纜以及高保真音視頻線纜等方面獲得了廣泛的應用。 直徑在之問的銅線稱為超微細線。超微細線在家電、計算機以及軍工行業(yè)所用微電子產(chǎn)品方面擁有很寬的應用領域，主要用于制造微電子產(chǎn)品（如微型攝像機、微型電視、手

6、表、數(shù)碼相機、高精密儀器和醫(yī)療器械等）的電機線圈、振蕩線圈、磁鼓線圈、電磁線圈及傳輸線等”。表為從年到年超微細線市場需求情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。而且平均每年以的速度持續(xù)增長，預計在今后年內(nèi)部分產(chǎn)品的需求量將達到現(xiàn)階段的兩倍以上。 表超微細線市場需求情況 用途 規(guī)格（） 需求量（噸年） 磁頭類 中 繼電器 中叭 類 中 電聲器什類 中 電子手表類 中 其它元件 巾 總計 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊線纜和高保真音視頻線纜的需求量也與日俱增，年國內(nèi)數(shù)據(jù)線纜市場容量約為萬，年達到萬，在年超過萬”。據(jù)預測，二十一世紀初亞太地區(qū)將是網(wǎng)絡信息發(fā)展的熱點地區(qū)。 隨著信息時代的到來和我國信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于網(wǎng)絡信息傳輸?shù)牧愐陨?/p>

7、高性能數(shù)據(jù)傳輸線纜的市場容量必然以更快的速度發(fā)展，開發(fā)高質(zhì)量銅材料，生產(chǎn)高性能數(shù)據(jù)傳輸線纜的市場前景將會非常廣闊。 盡管采用單晶連鑄技術生產(chǎn)的高質(zhì)量銅線桿，具有較好的拉制超微細絲的性能，但在目前的生產(chǎn)工藝及制備條件下，銅桿的質(zhì)量還受到一定的限制，尚不能完全滿足市場的需求。歸納起來，銅桿質(zhì)量一般受以下兩個因素的影響： （）銅的純度 銅桿生產(chǎn)中使用的陰極電解銅，雜質(zhì)元素是不可避免的，這些元素含量很小 （一般其質(zhì)量分數(shù)小于），但在銅桿的深加工過程中，特別是拉制超微細絲 真空熔煉氬氣保護單晶連鑄設備的研制及單晶制制備時，均表現(xiàn)出很大的影響，或者使深加工惡化，或者使深加工后的材料性能降低。銅材中的超微量

8、雜質(zhì)元素（主要是、等）含量很?。ㄐ∮趲撞穫€），一般都是由陰極銅中帶入，部分是由于熔煉工藝不當造成的。隨著電線電纜業(yè)的迅猛發(fā)展，銅桿的深加工（如拉制超微細絲）對銅桿質(zhì)量的要求越來越高，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)盡管銅桿中的微量雜質(zhì)元素在國家標準范圍內(nèi)，但是深加工性能仍然不好，如表現(xiàn)出“冷脆”，銅桿拉絲時塑性低、易出現(xiàn)裂紋等。 因此，引進銅熔體凈化工藝，開發(fā)帶有凈化裝置的制各單晶銅的試驗設備，具有非常重要的現(xiàn)實意義。 （）銅的組織結構 目前電纜行業(yè)擁有低氧銅桿的連鑄連軋生產(chǎn)線，也有浸涂成型和上引法的無氧銅桿生產(chǎn)線，由于它們的工藝不同，生產(chǎn)出的銅桿內(nèi)部組織不均勻，細線拉制非常困難。尤其是在采用以上的拉絲速度時，國

9、外先進技術拉制公斤巾的銅絲最多斷頭一次，而我國拉制規(guī)定長度的由以下的銅線時已經(jīng)比較困難，特別是很難拉制規(guī)定長度的中 及以下的銅絲，有的己制造成漆包線產(chǎn)品，但在用戶引進的高速繞線，自動嵌線設備上應用時，也因材料韌性較差而容易斷線。 日本三菱公司比較了定向凝固與非定向凝固銅桿在拉制直徑中的超微細線時的拉絲性能，見下表： 表定向凝固組織和非定向凝固組織銅桿拉絲質(zhì)量比較 平均每次斷線可拉制重量 平均每次斷線卷線重量 材料 是否定向凝固 （次） （次） 是 一 是 是 否 一 否 一 否 由表可以看出，具有定向凝固組織的銅桿表現(xiàn)出優(yōu)越的拉絲性能。由此可見，銅桿的內(nèi)部組織結構也直接影響著銅桿的深加工性能。

10、 單晶銅制備工藝的研究目前比較成熟，而且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，本文主要從銅熔體的凈化工藝入手，結合已經(jīng)成熟的單晶連鑄工藝，在實驗室原有單晶連鑄試驗設備的基礎上重新設計制造一臺單晶連鑄試驗設備，配備真空熔煉氬氣保護系統(tǒng)，對金屬熔體進行最大程度的凈化和保護。同時，引入自動控制系統(tǒng)，盡可能提高單晶連鑄試驗過程中各工藝參數(shù)的控制精度，以制各出高質(zhì)量的單晶連鑄銅線材。金屬的凈化 許多有色金屬及其合金，在熔煉、鑄造過程中都表現(xiàn)出易于吸氣、氧化的特 碩士學位論又性。因此，導致其中含氣和金屬或非金屬雜質(zhì)元素較多，直接影響其冶金質(zhì)量及產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，時常引起鑄件或型材產(chǎn)生針孔、氣孔、夾渣等一系列缺陷，顯著降低材料的強度、

11、疲勞抗力、耐腐蝕性、應力腐蝕開裂性能以及塑性等，嚴重時甚至造成產(chǎn)品報廢。因此，在熔煉和鑄造過程中必須采取專門的工藝措施，去除金屬及合金中的氣體和非金屬夾雜物，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 金屬的凈化包括除氣和去除金屬或非金屬雜質(zhì)元素等兩部分內(nèi)容。金屬凈化的概念 在傳統(tǒng)的金屬熔煉及保溫過程中，人們往往向金屬熔體內(nèi)通入某種氣體（氯氣或惰性氣體等）或加入某種氯鹽，以去除合金中的氣體和夾雜物。這一過程稱為“精煉”。 由于現(xiàn)代材料科學技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的旨在純凈液態(tài)金屬的工藝方法，使得原來“精煉”的定義已經(jīng)顯得“陳舊”，為此，在近代科學技術中又引進了“金屬凈化”的概念。所謂金屬凈化，即是利用一定的物理化學原

12、理和相應的工藝措施，去除液態(tài)金屬和合金中的氣體、夾雜物和有害元素的過程“。 隨著科學技術和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，特別是宇航、導彈、航空和電子工業(yè)技術等的飛速發(fā)展，對有色金屬及合金的質(zhì)量要求益嚴格。為了減少氣體和非金屬夾雜物的影響，人們一方面對配制合金的原材料及熔煉過程提出了嚴格要求，另一方面致力于研試應用先進的金屬凈化新技術。凈化已經(jīng)成為許多有色金屬及合金，特別是極易吸氣、氧化，而冶金質(zhì)量又要求很高的有色金屬及合金極其重要的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)。先進的凈化技術對于提高有色金屬及合金的冶金質(zhì)量，提高產(chǎn)品的最終使用性能具有非常重要的意義。 在本文中，主要進行單晶銅的制備和工藝研究，所以下面主要論述銅熔體的凈化提

13、純技術。銅液中的氣體及其危害 銅及銅合金熔煉時，伴隨發(fā)生較嚴重的氧化和吸氣現(xiàn)象。銅的氧化物主要是：，它溶解在銅液中，這是造成銅及銅合金氧化夾雜，并導致“氫脆”的主要原因。銅液的吸氣能力也較強，氫是造成銅及銅合金中氣孔的主要原因。因此在銅熔煉過程中，銅液必須進行除氧去氣處理。氣體的分類 銅熔煉過程中的有關氣體一般劃分為三類： （）單原子氣體（，）（惰性氣體）； （）雙原子氣體（。，。，：）（簡單氣體）； （）復合氣體（，。，。，。，。，。）（復雜氣體）。 單原子氣體，如氬系惰性氣體，在銅液中的溶解度實際上為零，故氬系惰性 真空熔煉氬氣保護單晶連鑄設備的研制及單晶銅制各氣體對這些銅表現(xiàn)為中性。由于

14、這種行為，這些氣體可以作為中性載體，用以去除銅熔體中的氣體及非金屬夾雜物，而在某些場合下又可以作為保護氣體使用。 對于簡單氣體，與銅熔體最易發(fā)生作用的是。和。在復雜氣體中，與銅熔體最易發(fā)生作用的是：。一，。因此，在確定相關的工藝措施時，必須緊緊圍繞去除銅熔體中的：和：以及：。，來達到除氣的效果。氣體的缺陷 在有色金屬及合金的產(chǎn)品中，氣體的缺陷主要分為以下幾類： 、針孔 分布在整個鑄件斷面上，由精煉不良、吸氣、夾雜物含量過多以及凝固速度慢等因素引起。 針孔又分為三種類型： （）點狀針孔； （）網(wǎng)狀針孔； （）綜合性針孔 針孔等級超過一定標準后，材料的機械性能（抗拉強度和疲勞極限）將明顯下降，還影

15、響耐蝕和陽極氧化性能，以致使鑄件報廢，其中網(wǎng)狀針孔成串地分布在晶界及枝晶問，割裂了組織問的聯(lián)系，對機械性能的危害比點狀針孔更大“。 、皮下氣孔 當潮模中局部區(qū)域水分過高，砂型透氣性又差，涂料中含有發(fā)氣或冷鐵表面未處理干凈時很容易形成皮下氣孔“。 、單個集中大氣孔 氣孔內(nèi)壁光滑，具有較大的容積，分布沒有規(guī)律。產(chǎn)生這種氣孔的原因或者是工藝設計不合理，鑄型、型芯在澆注時排氣不暢，或者由于操作不小心，都容易形成單個集中大氣孔，這種氣孔與鑄錠產(chǎn)品質(zhì)量無關”。銅液的凈化 銅熔體的凈化主要有化學凈化、熔劑凈化、電磁凈化以及物理凈化等四種凈 化方案。化學凈化 銅熔體的化學凈化是通過化學反應來達到去除熔體中雜質(zhì)

16、的目的，如使用脫氧劑以及氣體凈化等。 、銅熔體的氧化與脫氧 一般所說的銅中含氧，實際上指的是含有氧化亞銅（。），因為銅中的氧大都是以這種形式存在。在熔煉的高溫下，銅液表面很容易被空氣中的氧氧化，其氧化反應方程式如下： 碩士學位論文反應產(chǎn)物是氧化亞銅：，它具有如下兩個顯著特性”“”： （）。能溶解于銅液中 。在銅液表面生成以后，能不斷溶于銅液中。氧化亞銅在銅液中的溶解度，與爐氣的氧分壓、熔煉溫度、保溫時問呈正比。如果熔體表面覆蓋不嚴或者熔體攪動劇烈，也會增加銅液被氧化的機會，且隨著銅液溫度的升高，氧化亞銅在銅液中的溶解度也急劇升高，見表。 表氧化亞銅在銅液中的溶解度 溫度（） 氧化亞銅在銅液中的

17、溶解度（） 銅液凝固時所析出的：對純銅以及錫青銅、鉛青銅等具有很大的危害性，這是因為。在凝固階段析出時，以低熔點的共晶體分布在晶界處，從而使純銅產(chǎn)生熱脆性。如果銅液中含有氫，則。與氫反應從而引起純銅嚴重脆化，危害性更大，這種現(xiàn)象稱為“氫脆”“。圖為“氫脆”缺陷組織圖。 圖“氫脆”缺陷組織（鑄態(tài)，未腐蝕） （）。具有很高的分解壓力 某些金屬氧化物的分解壓力與溫度的關系曲線如圖所示。由圖可見，不同金屬氧化物的分解壓力相差較大，：的分解壓力較高，它比鋁、鎂、硅、錳等元素的氧化物分解壓力要高許多。在純銅熔煉過程中，銅液被氧化，銅液中溶有大量的。，如果在除去。之前加入合金元素，由于：的分解壓力很高，因此

18、能很快將銅液中的合金元素氧化，而本身被還原，生成的氧化物懸浮彌散在銅液中，危害性極大。 因此，在銅及銅合金熔煉過程中，必須首先徹底除去。，然后再加入其它合金元素。因為。存在上訴兩個特點，因此必須進行“脫氧”處理。 ”南 。卜 一濠 馨 一“一 ：睦 一 瓣鬻 蘿：厙 “ 般： 慷 四 勰 利一 峙嗣澎撈鋪陪 抖 淬洲爭爭 洋粕 湖， ，秀 樹· 檔， 艚 ， 姆口 鰳攤 一 蕊愛。 圖某些金屬氧化物的分解壓力與溫度的關系 銅液的脫氧就是使銅液中的。被還原的過程，常用的脫氧方法主要是脫氧劑法。根據(jù)脫氧劑的不同性能，銅液的脫氧主要有三種方法： ）沉淀脫氧 加入的脫氧劑能溶解于銅液中，使脫氧反應在整個熔池內(nèi)進行。這種脫氧速度快，脫氧徹底。用磷脫氧即屬于沉淀脫氧。但脫氧產(chǎn)物不能清除時將增加銅液中的雜質(zhì)含量。 ）擴散脫氧 就是把不溶解于銅液中的脫氧劑加到銅液表面，即脫氧反應主要在銅液表面進行。擴散脫氧的作用比較緩慢，并且達到完全脫氧的時間較長，但對銅液的成分無影響。用作覆蓋劑的煅燒木炭，就是一種典型的擴散脫氧劑。木炭中的碳及其所產(chǎn)生的氧化碳等氣體，在高溫下對銅液有脫氧作用： ，一 （） 。 （） 生成的二氧化碳氣體從熔體中逸出，還原