连续定向凝固方式制备柱状晶铜棒

对铸型进行加热，使其温度高于被铸金属的凝固温度，并通过在铸型出口附近强制冷却，或同时对铸型进行分区加热与控制，在凝固金属和未凝固熔体中建立起沿拉坯方向的温度梯度，从而使熔体形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固，获得连续柱状晶组织，甚至单晶组织。
在传统的连铸过程中，铸型同时起到结晶器的作用，金属或合金液首先在铸型的急冷作用下凝固，并逐渐向中心生长。因此在最后凝固的铸锭中心易产生气孔、缩孔、疏松以及低熔点合金元素的偏析。同时，已凝固的固体壳层与铸型之间有较大的摩擦力。而连续定向凝固法采用加热铸型代替传统铸型的冷铸型，可以消除铸型内壁形核的可能性。同时，凝固过程的进行是通过热流沿已凝固的固相导出来维持的，而且凝固界面通常是凸（凹）向液相的，从而形成了定向凝固条件[，]。连续定向凝固可以制备具有连续柱状晶组织的纯铜杆坯，这种杆坯具有优良的塑性加工延伸性能和导电性能，将其进行后续冷塑性加工，可制备电车线、高保真导线、超细丝电磁线等，具有广泛的应用前景。
连续柱状晶组织的铜杆具有优良的塑性加工性能。张鸿[，]等人针对连续柱状晶组织纯铜杆坯的特性进行了孔型冷纯拉拔加工。纯拉拔工艺最终可以制备出Φ19.7 μm的铜丝，其冷加工延伸倍数达到74万倍，真应变大于13.5。这在制备超细铜丝方面是一个突破，因为不论是普通铸造还是上引法，所制备的纯铜都难以达到如此大的冷加工变形能力。此外，制备Φ20μm以下的超细铜丝是目前国际上的最好水平。
Abstract
（摘要等修改完之后再翻译）
T来自百度文库e
Key Words：Unidirectional Solidification，Columnar crystal，Copper Rod，Plastic Deformation
引 言
近年来，随着经济水平的提升，以及科技以前所未有的速度发展，半导体技术、集成电路技术的快速发展和电子元器件的质量不断提升，使得对网络、通信、音视频设备和高清晰度电子产品的品质要求越来越高，必然要求零部件向小型化、精密型方向发展。因此，作为信息传输神经的细线、薄箔、标板及电缆等材料的质量就显得日益突出。具有定向凝固组织或柱状晶（单晶）组织的高纯优质铜杆，因为消除了横向晶界，没有偏析、夹杂和气孔等缺陷，在生产超微细铜丝、网络传输通讯数据线缆以及高保真音视频线缆等方面获得了广泛的应用。传统制备和成形技术存在复杂、高能耗、低效率、高成本和材料性能的提高受到限制等一系列问题。所以具有定向凝固组织的纯铜生产工艺若能得以改造或改进，则将极大地提高其应用能力。
摘
连续定向凝固方式可以制备具有连续柱状晶组织的铜杆。采用这种方式制备的铜杆具有优良的塑性加工性能，将其进行后续冷塑性加工，可以得到广泛的应用。
本课题通过采用真空熔炼和氩气保护下的连续定向凝固方式，通过不同牵引速率，制得不同金相组织的纯铜杆，经过晶相组织观察表明，在该设备条件下，牵引速率（凝固速率）为0.3~0.5mms 时制备出直径Φ15.7mm具有连续柱状晶组织的纯铜杆。
连续柱状晶组织纯铜具有如此优异的冷加工性能与其具有定向排列的组织异向性，并在后续加工中保持并强化这种性能有关。关于纯铜塑性变形机理的研究已有很多，对于柱状晶组织纯铜的研究也多有成果，然而在不同冷变形程度下连续柱状晶纯铜的组织性能变化规律的研究还有待继续。本课题通过自制具有连续柱状晶组织的纯铜（99.95%）铜杆进行多道次冷拉拔实验，取不同拉拔态下的试样进行金相显微组织分析，并做X射线衍射（xrd）取向分析和拉伸试验，测定其各个状态下的力学性能和组织演变，更进一步从微观组织的变化解释这种工艺下金属组织变化规律。
对杆坯进行多道次冷拉拔试验，表明连续柱状晶组织在拉拔过程中发生晶体取向变化。并作X射线衍射试验，分析铸态连续柱状晶和塑性变形条件下晶体取向及变化，表明本次定向凝固实验所得铸态连续柱状晶铜主要晶体取向为[111]方向，次主要取向为[200]。
连续柱状晶组织在塑性变形过程中随着变形量的增大，出现大量孪晶，柱状晶晶粒拉伸为细小纤维晶，并且在拉拔变形过程中，晶体取向不断发生变化；不同拉拔态下铜杆经过拉伸试验发现，铸态连续柱状晶拉伸试样表面及断口出现大量滑移带，说明连续柱状晶组织铜杆塑性变形时是以孪生和滑移方式进行。
目前，北京科技大学陈亚军等人已利用这套装置成功制备出Φ15.7mm的纯铜棒材。在稳定阶段，其组织主要为连续柱状晶，而且表面质量好，纯净度高，冷加工性能强，具有较高的抗拉强度和导电性能。另有刘美艳等人利用此装置制备出Φ15.4mm的纯铜杆坯[]。邹风雷[]等人也利用之制备出Φ16mm的具有连续柱状晶组织的纯铜杆，效果都很理想。另有多人多次用之成功制备出连续柱状晶纯铜板材、铜管、合金线材、合金管等。
（2）追求高的温度梯度造成生产成本的不断增加，以及获得缓慢的抽拉速度而造成生产周期的延长问题，也日益严重影响传统定向凝固技术的广泛应用与发展。为了进一步细化材料的组织结构，就需提高凝固过程的冷却速率，而冷却速率的提高，可通过提高凝固过程中固液界面前沿的温度梯度和生长速率的比值来实现。如何采用新工艺去实现高温度梯度和高生长速率的定向凝固技术，继而制备具有更优越性能的新材料，是众多研究人员所追求的目标之一。
现代材料科学主要研究各种材料,特别是新型材料的化学成分、组织结构和各种性能之间的关系[]。提高材料性能的途径之一是改变材料内部组织状态。为此，谢建新等人提出了将连续定向凝固与冷强加工工艺相结合的新工艺。采用该方法制备单晶高保真导线。由于消除了横向晶界，即可降低电阻率，减小信号传递损失，提高保真能力，又容易获得足够的强度和优良的柔韧性、抗弯折性，提高高保真导线的综合性能。该制备工艺可提高小直径铜线材成品率、简化生产工艺、降低生产成本、提高导电率。
达到一定冷加工状态的连续柱状晶纯铜，进行再次塑性变形时，由于产生加工硬化，弹性变形几乎为0，这种加工硬化现象随着塑性变形量的进一步加，其增加效果逐渐减弱。
关键词：连续定向凝固，柱状晶，铜杆，塑性变形
Microstructure andProperties of Continuous Unidirectional Solidification Copper Wires
为进一步提高材料性能,有必要对传统定向凝固技术进行改造,吸收其它凝固技术如快速凝固等的优点,发展新型定向凝固技术。继而发展出超高梯度定向凝固法、电磁约束成形定向凝固、深过冷定向凝固（SDS）、经熔体热处理的定向凝固、外场作用下的定向凝固等技术。
定向凝固技术可较好地控制凝固组织晶粒取向，消除横向晶界,提高材料纵向力学性能,己成为富有生命力的工业生产手段。先进定向凝固技术在提高凝固冷却速率,获得少（无）偏析、超细化定向凝固组织以及提高生产效率的同时,还将充分利用熔体结构对凝固组织以及外场对凝固过程的影响,为挖掘材料的性能潜力,开发新型功能材料,降低材料制造成本作出贡献[]。
（1）从强制性晶体生长方式来看，冷却速率受控于固相端热量的导出，这不仅使导出的热量多少受到限制，而且冷却速率还将随拉出距离与铸件长度的增加而变化，均匀冷却速率的获得必须借助于抽拉系统的计算机控制和多区加热等复杂手段，即使在较先进的超高梯度定向凝固中，由于冷速的限制，组织粗大与偏析缺陷也时有发生。
（2）追求高的温度梯度造成生产成本的不断增加，以及获得缓慢的抽拉速度而造成生产周期的延长问题也日益严重影响传统定向凝固技术的广泛应用与发展[]。
下引法排气排渣容易，冷却措施也容易实现，只要控制下引法的合金液不发生泄漏，这种方法所得的铸坯质量是最好的；将供液管设计成虹吸管式见图1-2(b)，可解决拉漏问题，但虹吸式方法的设备的制作及操作非常困难，所以没能发展起来；上引法见图1-2(c)不会产生拉漏现象，有利于成形，但排气、排渣与冷却水的密封困难，此法在实际实验中仍有采用；水平法见图1-2(d)的优点介于前二者之间，其设备简单，容易实现连续单向凝固，但是凝固时排气排渣较困难，它适于生产细线、棒材、直径较小的管材及薄壁板类型材，该法是目前应用最多、最为成功的技术，日本和加拿大铸造界大部分是在水平连续定向凝固设备上开展OCC的研究定向凝固技术,获得柱晶或单晶组织[]。
1.1.3
近30年来定向凝固技术在生产与实验室的实践表明，传统定向凝固技术至少存在两个问题：
（1）从强制性晶体生长方式来看，冷却速率受控于固相端热量的导出，这不仅使导出的热量多少受到限制，而且冷却速率还将随拉出距离与铸件长度的增加而变化，均匀冷却速率的获得必须借助于抽拉系统的计算机控制和多区加热等复杂手段，即使在较先进的超高梯度定向凝固中，由于冷速的限制，组织粗大与偏析缺陷也时有发生。
图1-1（ａ）连续定向凝固 （ｂ）传统连铸法
最初的OCC技术采用简单的下引方式见图1-1(a)，仅拉出长度50mm左右形状不规整的镜面铸锭，直到1980年，才开发出三种方法，即下引法、上引法和水平法见图1-2:
图1-2 四种OCC法
（a）简单下引式；（b）虹吸管下引式；（c）上引式；（d）水平引锭式
1．1连续定向凝固技术原理及发展
1.1.1连续定向凝固技术原理
材料的使用性能是由其组织形态来决定的。人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能,控制凝固过程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径[]
连续定向凝固法是一种热模铸造技术，铸造过程中，铸模整个被加热，始终保持一定温度，由于铸模被加热，其内壁温度高于金属熔点，因此不会形成晶核。相反由于铸模外金属受到直接水冷，受热传导的作用，铸模内中心的温度低于模壁的温度而首先形成晶核。靠近模壁的金属熔体只能在离开铸模才会凝固。这样就形成了与普通铸造方法相反的“夜穴”形状，即中间凸起，而不是常见的到锥体。由于热传导主要在轴向上进行，晶粒的径向生长受到约束，因而可以实现定向凝固[]。
连续定向凝固技术，即OCC（Ohno Continuous Casting）法，是由大野笃美（A.Ohno）于1986年首次发表的。它是将高效的连铸技术和先进的定向凝固技术相结合而发展起来的一种新型的近净形加工技术。由于综合了连续铸造和定向凝固的优点，又相互弥补各自的不足，从而可以得到具有理想定向凝固组织、任意长度和断面形状的铸锭。它的出现标志着定向凝固技术进入了一个新的阶段。
OCC技术的发展虽然只有三十来年的时间，但发展速度很快，在日本已经投入小批量的工业生产。在加拿大、美国和韩国等国家也都开展了这一技术的开发与应用研究。目前国外应用连续定向凝固法已成功拉制出了具有各种圆形截面及异形截面形状阎，如圆棒、圆管、椭圆管、多边形棒、异形棒等的单晶型材；另外也可生产出有芯材料或同轴异质等复合材料闭。近年来，国内研究连续定向凝固的工作者在以往OCC技术的基础上，对其设备进行了不断的完善和改进，开发了几种新的连续定向凝固方法。如上海大学毛协民等人采用的超高温度梯度连续定向凝固I糊；北京科技大学常国威等人开发的电渣感应连续定向凝固l蝴；西北工业大学凝固技术国家重点实验室开展的单晶连铸技术方面的研究工作等；大连理工大学、广东工业大学、甘肃工业大学以及我国台湾f删等地区也对这一技术展开了研究。上海大学毛协民等人研究自生复合Cu—Cr合金电车线的制备技术时，考虑到普通0CC法存在的液相温度梯度较低的缺陷，在工业生产无氧铜杆的上引法技术中引入了超高温度梯度技术，研制了上引式高温度梯度连续定向凝固装置。并在此基础上开展亚快速定向凝固连续铸造理论与技术研究，以及研制单晶铜线和自生复合铜电车线的连续制备技术。日本等国家已开展了大量的研究工作, F. Chabchoub等人对纯锡水平连铸进行了数学模拟和实验研究,得到了很好的效果;在国内,西北工业大学、甘肃工业大学、广东工业大学等也进行了大量的研究,取得了很好的效果,但他们大多采用的是水平连铸方法,很少采用具有多方面优点的竖直下引连铸法。水平连铸铸锭的尺寸受到限制,气体、夹杂物易于卷入铸锭,产生气孔夹杂、偏析等缺陷,而且铸锭上下方冷却不均匀,造成组织分布不均匀,从而进一步影响铸锭的性能,而竖直下引连铸法完全可以避免以上缺点。
1.1.2传统定向凝固技术
伴随着热流控制技术的发展,定向凝固技术经历了发热铸型（EP）[]功率降低（PD）[]法高速凝固（HRS）[]法液态金属冷却（LMC）[]法（等,其目的是通过改变已凝固金属的冷却方式来有效控制单向热流,获得理想的定向凝固组织。然而，这些方法所能获得的冷却速率都是有限的。近30年来定向凝固技术在生产与实验室的实践表明，传统定向凝固技术至少存在两个问题：
由于连续定向凝固过程中影响铸坯组织的因素很多，除材料本身性质、温度梯度、凝固速率（晶体生长速率）外，还有实验设备和实验环境的影响因素。所以，若要获得特定组织状态的铸坯，须针对该设备进行合理的试验计划。本课题在参考前人研究成果的基础上进行了分析假设，通过对实验室ZGX-50型真空下连续熔铸炉，制定了不同凝固速率下直径Φ15.7mm纯铜定向凝固实验计划，以保证能够得到所需连续柱状晶组织。