第32卷 第1期 上 海 有 色 金 属
V o.l 32,No .12011年3月
S HANGHA INO NFERRO U S MET ALS
M arc h ,2011
文章编号:1005-2046(2011)01-0042-03
收稿日期:2010 10 12
作者简介:袁静(1985-),女,山东烟台人,硕士研究生,主要从事单晶铜超细丝制备方面的研究。Te:l 137********,E m a i :l l m myuan@j 126.co m 。
金属连续定向凝固技术
袁 静
(江西理工大学材料与化学工程学院,江西赣州
341000)
摘 要:针对日趋活跃的金属定向凝固技术,阐述定向凝固技术的基本原理,以及其特点。简要说明了金属定向凝固技术的应用。介绍了目前金属定向凝固技术在国内外的发展状况,存在的问题及未来的前景。
关键词:金属;定向凝固;基本原理;技术特点;应用
中图分类号:TG249.7 文献标识码:A
Conti nuous Uni directional Soli dification ofM etal
YUAN Ji ng
(School of M aterials and Che m ical Engineering,J iangx i University of Technology,
Ganzhou 341000,Ch ina)
A bstract :D irecti o na l so li d ification techno logy ofm etal has beco m e i n creasing l y acti v e .Its basic pri n c i p le and characteristics are descri b ed .Its applicati o ns are also overvie w ed .The developm ent state at ho m e and abr oad ,proble m s and fut u re prospects o f d irectional so li d ifi c ation are summ arized.K ey words :m eta;l directional solidificati o n ;basic pr i n ci p le ;techn ical characteristic ;application
0 前 言
近年来,单晶材料其优异的加工及使用性能,越来越被人们所发现,因此也对单晶材料的制备方法展开了深入的研究。传统的单晶制备技术,如Czochra lsk i 法、B ri d ge m an 法和Zone M e lting 法。但是这些方法都无法达到铸件的无限长生产,使得单晶产品难以在电子和通讯业等领域得到广泛的应用。上世纪80年代,出现了一种将连续铸造和定向凝固结合起来的新的连续铸造方法,即热型连铸法,简称OCC 法。该法首先在日本发展起来,并得到了很好的应用。加拿大、韩国等发展也很迅速。目前国内针对单晶研制的工作也在广泛开展,各方面的研究成果众多,但是单晶产品迄今为止还未得到广泛的市场应用。这主要是单晶制备技术的掌握还不够完善,还需更广泛更深入的
研究。我国从1986年开始从事这方面的实验研究工作
[1]
。北京科技大学开发出一种介于HGC
与OCC 法之间的连续定向凝固装置,成功地进行了A l S i 、A l Cu 合金的连续定向凝固。西北工业大学凝固技术国家重点实验室从1994年起开始开发该技术,并已自行研制了小型单晶连铸设备,
现已完成原理性工艺试验[2]
。2000年,常国威等[3]
进行了电渣感应连续定向凝固新方法的研究,其装置结晶器型腔的正锥度与结晶器内温度梯度的存在,使下拉法连续定向凝固重新获得生命力,同时实现了铜合金、铸铁和不锈钢等高熔点的黑色金属或合金的连续定向凝固。2001年,上海大学毛协民等
[4]
利用定向凝固技术成功制备了
Cu Cr 合金电车线线坯,使定向凝固技术应用到了人们的实际生活当中。同年,甘肃工业大学对最具有共晶、过共晶、亚共晶及包晶转变的Zn A l
第1期 袁静:金属连续定向凝固技术43
合金进行了连续定向凝固的试验,总结了对于凝固范围不同的Zn A l 合金柱状晶形成机理。
1 连续定向凝固的基本原理
连续定向凝固技术是热型连铸即OCC 法发展的高级阶段,也是目前应用较多的单晶连铸方法。其基本原理与OCC 法相似,均是将结晶器的温度保持在熔体的凝固温度以上,绝对避免熔体在型壁上形核,完全消除等轴晶的来源,获得了单向凝固的柱状晶连续铸锭,熔体的凝固只在脱离结晶器的瞬间进行。随着铸锭不断离开结晶器,熔体的凝固方向沿热流的反方向进行,这种方法最大的特点是改变传统的连续铸造中冷却结晶器为加热结晶器,熔体的凝固不在结晶器内部进行。
其原理见图1[2]
。
图1 OCC 制备单晶原理
2 连续定向凝固技术的特点
连续定向凝固技术的特点:
(1)在铸型出口端与冷却区之间具有高的温度梯度,型内金属液的热量主要沿拉铸方向单向传输,造成有利于定向凝固的条件,可铸出长度不受限制的单晶和柱状晶铸锭。
(2)铸锭与铸型之间始终存在一层液体膜,铸锭表面在离开铸型出口一小段距离之后才自由凝固,铸锭表面光滑呈镜面状。金属液在铸型出口处凝固结壳,显著地减小铸件与型壁的磨擦磨损,可铸得表面非常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。因此,OCC 技术可以称为一种新型成形技术,可用于制造那些通过塑性加工难以成型的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材及复杂管材等。
(3)凸出的固液界面有利于凝固过程中析出的气体及夹杂不断排向液体,不被卷入铸锭,而
且不存在补缩困难的问题。因此,铸锭组织致密,无气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷。有利于后续
的冷加工,可以减少甚至消除冷加工过程中的中间退火,节省了能源,提高了生产效率。
(4)凸出的固液界面有利于引晶阶段晶体的竞争生长,易于实现多晶组织向单晶的演化。但是,由于铸锭在离开铸型时,表面仍呈液体状态,铸锭的成形依靠液膜表面张力与液体金属静压力和重力的平衡,使得该技术在具体的工艺方案及工艺控制上有其特殊性。
3 连续定向凝固技术的应用
定向凝固技术的实现,对研发新型金属材料和近成型产品,进一步开发金属材料的潜力起到了积极的推动作用。
目前,世界范围内有多家企业采用该技术开发产品,如日本大阪富士公司制造的连铸单晶镁以及用于弧焊的一系列铝合金线;日本O saka Fu ji Kogyo 公司生产的Sn B i 共晶合金的焊丝;三井公司开发的各种复杂形状的热型连铸铜管等。国内也有西北工业大学超晶科技发展有限责任公司、焦作森格高新材料有限责任公司、慧邦科技有限
公司和广州协力创壹科技发展有限公司等几家公司,在从事热型连铸制品的开发。从目前热型连铸的发展状况及技术的特点来看,其制品主要应用在以下几个方面。3.1 金属单晶材料
定向凝固组织对金属材料冷加工性能的改善是非常显著的,因其消除了横向晶界,减少了位错塞积,使得塑性加工更易进行;且减少加工时在晶界处的断裂,尤其是单晶材料更是不会出现晶界断裂的情况。因而定向凝固单晶制品可以加工成超细丝和超薄箔,在集成电路、大型计算机以及电子仪器等领域有很广阔的应用前景,且因其晶界减少,也大大降低了对信号的损耗,因此也是高保真音响设备所需的高新材料。3.2 特种焊接材料
热型连铸技术制得的含钴S tellite 合金焊条,可完全消除气孔、夹杂、缩孔(松)等内部缺陷,且表面质量良好。同时,热型连铸焊条的生产效率高于挤压焊条的生产效率。3.3 复杂界面的薄壁型材、管材
由于热型连铸型内金属呈液态,与型壁无摩
