单晶连铸技术原理及试验研究
单晶连铸技术原理及试验研究 ①
范新会 魏朋义 李建国 傅恒志
(西北工业大学凝固技术国家重点实验室 , 西安 710072)
摘 要 单晶连铸技术是一项新型的有色金属连铸技术 , 可以连续制造无限长的、表面呈镜面状 ,
内部无缩孔、缩松、气孔、夹杂等铸造缺陷的单晶线材 , 属于近成品形状 (near2net2shape) 生产技术。其
产品金属单晶线材 , 具有优异的塑性加工性能和良好的导电性能 , 是一种可以满足电子工业要求的导
电材料。该文介绍了单晶连铸技术的原理 , 以及利用小型单晶连铸设备制造的纯铝单晶线材的工艺试
验及性能。
关键词 金属单晶 连续铸造 导电线材 工艺试验 技术原理
电子技术的发展 , 对金属导电材料的品质
提出了更高的要求。作为集成电路基板材料和
半导体元件粘接线的金属导体 , 希望采用无晶
界、无缺陷的高级材料 ; 在通信、音像设备中
的电缆导体 , 采用单晶制品 , 可以提高讯号传
递的保真性[1 ] 。因此开发单晶金属制造技术 ,
使金属单晶产品的生产工程化 , 对促进电子技
术及通信技术的发展有着十分重要的意义。
单晶连铸技术就是为了满足这一目的、在
八十年代首先在日本发展起来的一项新型导电
线材生产技术[2 ] 。该技术将先进的定向凝固技
术与高效的连续铸造技术相结合 , 产品具有光
滑如镜面的表面质量 , 内部无任何缩孔、缩
松、气孔、夹杂等铸造缺陷 , 而且可以实现整
个产品为单晶组织。这些优点是传统的连续铸
造方法所无法达到的。产品还具有优异的塑性
加工性能和良好的导电性能 , 可以进一步挖掘
金属导体的潜力[3 ,4 ] 。
单晶连铸技术在国外发展很快 , 在国内则
刚刚起步。我们西北工业大学凝固技术国家重
点实验室从 1994 年起开始开发这一技术 , 现
已在实验室自行设计制造了一台小型单晶连铸
设备 , 并已完成了原理性工艺试验 , 目前已能
成功地每炉拉制出 d8 mm、长 7～10 m 的单晶
铝线材。
本文将介绍单晶连铸技术的原理及我们的
研究进展。
1 单晶连铸技术的原理及特点
单晶连铸技术原理如图 1(b) 所示。与传统
的连续铸造原理相比(图 1 (a) ) , 单晶连铸技术
图 1 连续铸造原理
(a) —传统连铸 ; (b) —单晶连铸 ;
1 —溶液 ; 2 —冷却水 ; 3 —铸型 ; 4 —冷却水喷咀 ;
5 —铸锭 ; 6 —气孔 ; 7 —电炉丝 ; 8 —加热铸型 ;
9 —液体膜 ; 10 —单向凝固铸锭
第 6 卷第 4 期
Vol. 6 No. 4 中国有色金属学报
The Chinese Journal of Nonferrous Metals 1996 年 12 月
Dec. 1996
① 收稿日期 : 1996 - 04 - 08 ; 修回日期 : 1996 - 06 - 05 范新会 , 男 , 31 岁 , 讲师 , 博士研究生
采用加热铸型和一个与之分离的冷却装置代替
传统的水冷结晶器。在冷却装置与加热铸型之
间造成一个轴向温度梯度 , 从而形成定向凝固
条件。该技术的关键在于保持铸型内壁温度高
于金属的溶点 , 避免型壁形核 , 保证晶体单向
生长。由于型壁温度高于金属熔体温度 , 使型
内表层金属液过热 , 铸锭中心先于表层凝固 ,
固液界面向液体中凸出。这样的凝固条件使凝
固过程具有与传统连铸完全不同的特点 :
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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。
2 实验设备及其设计原则
自制的实验室小型单晶连铸设备结构如图
2 所示。设备包括以下几个主要部分 :
(1) 熔化保温系统 : 熔化保温系统包括加
热炉和坩埚。加热炉要求熔化速度快 , 且能长
时间保持所要求的温度。坩埚要求有良好的导
热能力 , 抗氧化烧损 , 且与熔融金属长时间接
触而不发生化学反应 , 对金属无污染。
(2) 加热铸型系统 : 加热铸型的设计是实
现单晶连铸的关键技术。由于冷却器直接冷却
铸锭表面 , 客观上造成表面比中心散热快的条
件 , 而从原理上则要求中心先于表层凝固 , 固
液界面向液体一方凸出。因此合理设计加热铸
型的结构 , 加热元件的安排 , 温度场的精确测
控 , 就成为实现单晶连铸的工艺关键。
(3) 冷却器 : 冷却器的设计要求对铸锭均
匀冷却 , 并避免引起型壁形核 , 出现杂晶。冷
却器与铸型的间距应能调整 , 以控制温度梯
度。
(4) 牵引系统 : 要求传动平稳 , 速度应在
较宽的范围内能实现连续可调。
(5) 液面高度的测控系统 : 本设备采用水
平连铸方案 , 为了能够良好成型 , 坩埚内液体
金属高度应与铸型型腔上表面齐平 , 使铸型出
口处液体金属静压力与重力之和能与表面张力
相平衡。同时又要保证铸型充满。因此液面高
度应严格测控。
图 2 单晶连铸设备结构示意图
1 —SiC 加热体 ; 2 —坩埚 ; 3 —液体金属 ; 4 —牵引系统 ;
5 —冷却器 ; 6 —铸锭 ; 7 —热电偶 ; 8 —加热铸型 ;
9 —液面高度探测器 ; 10 —液面高度控制棒 ; 11 —热电偶
3 试验结果
3. 1 工艺试验结果
利用自制的实验室小型单晶连铸设备 , 以
工业纯铝为原料进行了原理性工艺试验。结果
表明 , 本文所介绍的实验室小型单晶连铸设
备 , 原理上是成功的 , 所制定的工艺操作规程
是合理的。在熔化温度 TL = 685 ℃(纯铝熔点
660 ℃) 、加热铸型内壁温度 TM = 720 ℃、冷
却器到铸型出口间距 L = 30 mm、冷却水量为
200 L/ h、水温 20 ℃的条件下 , 以 V = 149. 5
·701·第 6 卷第 4 期 范新会等 : 单晶连铸技术原理及试验研究
mm/ min 的速度抽拉出 d8 mm 约 9～10 m 长的
单晶铝棒。单晶棒材直径均匀 , 表面光亮呈镜
面状态。
3. 2 单晶连铸铝棒力学性能
从单晶连铸铝棒上截取试样 , 按 GB2282
76 标准加工成 d5 mm 拉伸试样 , 并与金属型
铸造 d8 mm 同种材料多晶试样进行对比拉伸
试验 , 其结果如附表所示。
4 分析与讨论
4. 1 引锭操作规程
原理性工艺试验表明 , 合理的引锭操作规
程如下 : 当炉内金属熔化完毕后 , 进行除气、
除渣 ; 调整熔体温度 TL 及铸型温度 TM , 使达
到试验所要求的温度 ; 从铸型口插入引晶棒 ;
启动液面高度测控装置 , 提升坩埚内金属液
面 ; 当液面高度达到指定位置 , 并已确定铸型
及引晶头内被金属液充满时 , 启动冷却器冷却
引晶棒 , 同时启动牵引机构 , 连铸过程正式开
始。
引锭操作的关键在于牵引开始时速度跟随
过程。由于引晶棒与铸锭材质差异和结合部的
传热热阻 , 开始时引锭速度要慢 , 逐步加速 ,
直到冷却器直接冷却铸锭。铸型温度稳定之
后 , 进入晶体稳态生长阶段 , 牵引系统速度可
保持恒定。加速过程要合适 , 过快则因冷却能
力跟不上 , 导致铸锭离开铸型而未凝固部分过
长 , 发生弯曲甚至漏液 ; 加速过慢则因冷却太
强而使铸锭表层在铸型内凝固发生卡死现象。
故初期操作是引锭成功的关键。
4. 2 稳定生长阶段工艺参数的配合
单晶连铸进入稳态以后 , 可调整的主要工
艺参数如铸型温度 TM , 液体金属温度 TL , 冷
却器与铸型出口间距 L 、冷却水量及牵引速度
V 可在一定范围内适当调整 , 以期达到最佳配
合。工艺参数配合是否恰当 , 可以通过直接观
察固液界面位置来判定。试验表明 , 当固液界
面与铸锭表面交线距离铸型出口约 2～3 mm
时 , 得到的铸锭表面光亮 , 呈镜面状。工艺参
数是否合理的另一个判据是检查铸锭初期单晶
组织演化情况。合理的工艺参数应能较快得到
单晶组织。
4. 3 单晶连铸铝棒塑性特点
从附表可以看出 , 单晶连铸铝棒抗拉强度
比多晶铸棒低 38. 8 % , 屈服强度则稍高 , 屈强
比σ0. 2/σb 提高 93 % , 延伸率提高 117 %。从拉
伸试样断后形貌 (图 3) 可以看出 , 单晶试验断
口收缩成针尖状。屈强比的提高 , 一方面说明
单晶铸棒的加工硬化程度很小 , 可以预言其具
有很高的塑性加工性能 ; 另一方面 , 如通过该
技术 , 对合金进行改进 , 使σb 保持不变 , 屈强
比的提高则可使零件在机械设计时许用应力提
高[5 ] 。因此有必要采用该技术对其它金属和合
金进行深入研究。
图 3 铝棒拉伸试验断后照片
(a) —单晶连铸棒 ; (b) —金属型铸棒
附表 工业纯铝试样的力学性能
试样
抗拉强度
σb/ MPa
屈服强度
σ0. 2/ MPa
延伸率
δ/ %
断面收缩率
Ψ/ %
屈强比
σ0. 2/σb
单晶连铸棒 52. 8 40. 5 32. 7 - 0. 767
金属型铸棒 91. 0 37. 9 15. 1 13. 1 0. 397
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5 结论
(1) 单晶连铸技术是一项新型的金属成形
加工技术 , 属于 near2net2shape 成型技术 , 可进
一步挖掘金属材料的潜力 , 使金属单晶的应用
工程化。
(2) 本研究设计制造的实验室小型水平单
晶连铸设备 , 经原理性工艺试验证明 , 技术原
理是正确的 , 工艺规程是成功的。
(3) 工业纯铝单晶连铸棒材表现出高的延
伸率和高的屈强比 , 预示其具有优异的塑性加
工性能。
参考文献
1 星川雄. 日本音响学会志 , 1991 , 47(2) : 112 - 118.
2 Ohno A. US 4 515 204. 1985.
3 Ohno A. In : Bahai Y (ed) , Casting of Near Net Shape Prod2
ucts. The Metallurgical Society , 1988 : 177 - 184.
4 大野笃美. 轻金属 , 1989 , 39(10) : 735 - 740.
5 许镇宗等编. 机械零件. 北京 : 高等教育出版社 , 1986 : 8.
THE PRINCIPLE AND TECHNOLOGY OF
CONTINUOUS CASTING OF SINGLE CRYSTAL METALS
Fan Xinhui , Wei Pengyi , Li Janguo , Fu Hengzhi
State Key L aboratory of Solidif ication Processing ,
Northwestern Polytechnical U niversity , Xi′an 710072
ABSTRACT The technique of continuous casting of single crystal metals (CCSC) is a new near2net2shape processing
for continuous casting of nonferrous metal wires. The product of CCSC has a smooth surface like mirror and has a charac2
teristic of no casting defects such as shrinkage porosity , gaseous porosity and impurities. The principle of CCSC and the
experimental equipment designed and manufactured by the authors specially for the experiment have been introduced. Us2
ing this equipment , the technological test of CCSC of industrial pure aluminum was completed and a single crystal Al rod ,
8 mm in diameter and 8～10 m in length , was obtained. Mechanical property measurements showed that although theσb
of CCSC rod is lower than that of the die casting rod by 38 % , theσ0. 2/σb is increased by 93 % and the elongation ratio ,
δ, is increased by 117 %. It can be predicted that the product of CCSC has excellent properties for cold working.
Key words single crystal metal continuous casting electric wire technology test principle
(编辑 李克敌)
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