（材料加工工程专业论文）单晶铜线材信号传输方向性差异的研究.pdf

单晶铜线材信号传输方向性差异的研究 研究生签宇：苍五炙 指导教师签字：f 例二 摘要 随着国防高新技术的飞速发展和计算机网络技术的广泛应用，对高传输频率、高 带宽、高保真传输导体的需求越来越大，对元器件精密化、微型化的要求也越来越高。 因此，开发具有高保真的传输导线、高传输频率的网络通讯电缆、以及微型器件用的 微细导线具有重要意义。单晶铜线由于具有良好的塑性变形能力以及优异的信号传输 性能，具有广阔的应用前景。因此，单晶铜线材的研究及其应用成为了材料科学领域 研究的热点之一。在高品质的音响线材的开发中，又发现了由单晶铜线制备的音响电 缆对信号传输具有明显的方向性。然而，由单晶连铸技术制备的单晶线材的直径远远 大于这些电缆的导线直径，只有通过塑性变形即多次拉拔才能使用。本文制备了单晶 铜线材和不同变形量的单晶铜线材，并分别测量其正反向电阻。同时，将单晶铜线材 制成了数字通讯用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆，测量了该电缆的电气特性和传输特 性。为了初步地研究产生信号传输方向性差异的微观机制，本文还观察了单晶铜和不 同变形量单晶铜线材的金相显微组织和透射电镜显微组织，并测定了不同变形量的单 晶铜线材的织构。所取得的主要研究结果如下： ( 1 ) 单晶铜线材电阻率确实具有方向性差异，顺单晶铜生长方向的电阻率小于逆 单晶铜生长方向的电阻率，其电阻率差值为16 2 3 1 0 一- - q m 。不同变形量的单晶铜 线材电阻率也具有方向性差异，顺拉拔方向的电阻率小于逆拉拔方向的电阻率。当变 形量为8 5 9 ，9 8 4 和9 9 6 时，正反向电阻率差值分别为3 2 6 1 1 0 。1qm 、 2 4 7 9 1 0 一1 0n 、2 9 0 8 1 0 一1 0 n m ，即随着随变形量的增加，正反向电阻率差值 增大。 ( 2 ) 采用单晶铜制备的数字通讯用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆，其电气特性和 传输特性等各项性能指标均优于采用多晶铜制备的数字通讯用实心聚烯烃绝缘水平 对绞电缆，但两种电缆的电气特性和传输特性的方向性差异没有检测到。 ( 3 ) 单晶铜在变形初期主要是以滑移变形为主，随着变形量的增加，开始出现孪 生变形，孪生改变了晶体的取向从而引发新的滑移或第二次孪生，使变形继续下去。 ( 4 ) 工业单晶铜线材经过冷拔变形之后主要产生 和 丝织构。当变形量 为7 5 时， 丝织构的体积百分数为5 1 3 6 ；当变形量为8 9 4 时， 丝织 构的体积百分数为2 5 7 5 ， 丝织构的体积百分数为1 9 7 3 ；当变形量为9 6 9 时， 丝织构的体积百分数为3 5 0 7 ，而 丝织构的体积百分数为1 8 3 。 也就是说随着变形量的增加， 丝织构先减小后增加，而 丝织构先增加后减 小，且 丝织构可能是产生电阻率方向性差异的一个原因。 ( 5 ) 工业单晶铜线材中的晶体缺陷空位或空位群可能是电阻率产生方向性差异 的一个原因。 关键词：单晶铜线材塑性变形微观组织电阻率电气特性传输特性丝织构 s t u d yo nt h ed i r e c t i o n a ld i f f e r e n c eo fs i g n a lt r a n s m i s s i o n i ns i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e s d i s c i p l i n e ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：上i s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 一鼍岣 似小 a b s t r a c t r e q u i r e m e n to f h i 曲t r a n s m i s s i o nf r e q u e n c y , h i g hb a n d w i d t ha n dh i g hf i d e l i t yt r a n s m i s s i o nc o n d u c t o rw i l lb em o r ea n dm o r ea n dr e q u i r e m e n to fe x a c t i t u d ea n dm i c r o m a t i o n o np a r t so fa na 口p a r a t u sw i l lb ea l s oh i g h e ra n dh i g h e rw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a l d e f e n c ea n da b r o a da p p l i c a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g yt h e r e f o r ei ti si m p o r t a n t t h a th i g hf i d e l i t yt r a n s m i s s i o nl e a d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc a b l e so fh i g ht r a n s m i s s i o n 疗e q u e n c ya n dm i n it h i nw i r e sb ym i n i s i z ep a r t so f a na p p a r a t u sf i r eo p e n e do u t t h es i n g l e c r y s t a lc o p p e rw i r ep r o d u c e db y0 c c ( o h n oc o n t i n u o u sc a s t i n g ) t e c h n i q u eh a st h eb e t t e r a b i l i t y o fp l a s t i c d e f o r m a t i o n ，e x c e l l e n ts i g n a lt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n dw i d e r a p p l i c a t i o np r o s p e c t sb e c a u s eo fn og r a i nb o u n d a r y t h e r e f o r es t u d y i n ga n du s i n go fs i n g l e c r y s t a lc o p p e rw i r eh a sb e e nt h ef o c u s e si nm a t e d a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nh i g h f i d e l i t ya c o u s t i cw i r e s ，d i r e c t i o n a ld i f f e r e n c eo fs i g n a lt r a n s m i s s i o ni ns i n g l ec r y s t a lc o p p e r c a b l eh a sb e e nt h en e w p r o b l e m h o w e v e rt h ed i a m e t e ro ft h es i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e p r o d u c e da tp r e s e n ti sm u c h1 a r g e rt h a nt h ed i a m e t e r so fa c t u a l l yu s e dw i r e sa n di tm u s t n e e dp l a s t i cd e f o l q t l a t i o ns e v e r a lt i m e sb e f o r eb e i n gu s e d i nt h ep r e s e n tw o r k ，t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o ns i n g l ec r y s t a lc o p p e rw e r ep r o d u c e da n d a l o n gp o s i t i v ea n dn e g a t i v ed i r e c t i o nt h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c ew e r em e a s u r e ds e p a r a t e l y a t t h es a m et i m et h ef i g u r ec o m m u n i c a t i o ns o l i dg a t h e ra l k e n ei n s u l a t i o n1 e v e lt w i s tc a b l e s w e r ep r o d u c e du s i n gs i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e sa n de l e c t r i cs p e c i a l i t ya n dt r a n s m i s s i o n s p e c i a l i t yo ft h e s ec 曲l ew e r em e a s u r e d i no r d e rt os t u d ym i c r om e c h a n i s mo fd i r e c t i o n a l d i f r e r e n c eo fs i g n a lt r a n s m i s s i o n m e t a l l u r g i c a lm i c r o s t r u c t u r ea n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p em i c r o s t r u c t u r eo fs i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e sa n dp l a s t i cd e f o r m a t i o no fs i n g l e c r y s t a lc o p p e rw i r e sw e r eo b s e r v e d t e x t u r eo fp l a s t i cd e f o r m a t i o ns i n gc r y s t a lc o p p e r w e r ea l s om e a s u r e d t h em a i nr e s u l t sa c h i e v e df i r ef o l l o w s ： ( 1 ) t h e r ee x i s t st h er e s i s t i v i t yd i f i e r e n e c eo fs i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e si np o s i t i v e a n dn e g a t i v ed i r e c t i o n w h e nt h ec u r r e n ti sa l o n gw i t ht h eg r o w t hd i r e c t i o no fs i n g l ec r y s t a l c o p p e rw i r e s ，t h er e s i s t i v i t yi sl o w e rt h a nt h o s ew h e nt h ec u r r e n ti sr e v e r s e t h ed i f i e r e n c e o f r e s i s t i v i t yi sa b o u tl6 2 3 1 0 一“qm t h e r ea l s oe x i s t st h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y i i i d i f r e r e n c eo fp l a s t i cd e f o r m a t i o ni np o s i t i v ea n dn e g a t i v ed i r e c t i o n w h e nt h ec u r r e n ti s m o n gw i t ht h ed r a w i n gd i r e c t i o n ，t h er e s i s t i v i t yi sl o w e rt h a nt h o s ew h e nt h ec u r r e n ti s r o v e r s e w h e nt h ee x t e n to f d e f o r m a t i o na l e8 5 9 ，9 8 4 a n d9 9 6 t h ed i f f e r e n c e so f t h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ya r e 3 2 6 1 x 1 0 - ”n m z 4 7 9 1 矿o f j - m a n d 2 9 0 8 x l f f ”n m r e s p e c t i v e l y t h e e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yd i f i e r e n c ei n c r e a s e sw h e nt h ee x t e n to fd e f o r m a t i o ni si n c r e a s e s ( 2 ) t h ef i g u r ec o m m u n i c a t i o nc a b l e sh a sb e e nf a b r i c a t e db yu s eo fs i n g l e c r y s t a l c o p p e rw i r e s ，e l e c t r i cs p e c i a l i t ya n dt r a n s m i s s i o ns p e c i a l i t yo f t h e s ec a b l e sa r em u c hb e t 【e r t h a nt h o s ec a b l e sp r o d u c e dw i t hn o r m a lc o p p e rw i r e s ，b u tt h ed i f i e r e n c eo fe l e c t r i c s p e c i a l i t ya n dt r a n s m i s s i o ns p e c i a l i t yo ft h e s ec a b l e sb e t w e e np o s i t i v ea n dn e g a t i v e d i r e c t i o nh a sn o tb e e nf o u n d ( 3 ) i nt h ei n i t i a ls t a g e so fp l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt h ec r y s t a lc o p p e r , s l i pi sm a i n m e c h a n i s m t h e n ，w i t hi n c r e a s i n go f t h ed e f o r m a t i o ne x t e n t t w i n i n gw i l lb ec o m ei n t oo u t t w i n i n gc h a n g e st h ec r y s t a lt r o p i s ma n di n d u c e st h en e ws l i po rt w i n i n g ，w h i c hm a k e st h e d e f o r m a t i o ng o i n go n ( 4 ) t h e r ea r e a n d w i r et e x t u r e si nc o l dd r a w i n gi n d u s t r ys i n g l ec r y s t a l c o p p e rw i r e s w h e nt h ed e f o r m a t i o ne x t e n ti s7 5 ，t h ev o l u m ep e r c e n to f w i r e t e x t u r ei s5 1 3 6 ：w h e nt h ed e f o r r n a t i o ne x t e n ti s8 9 4 t h ev o l u m ed e r c e n to f w i r et e x t u r ei s2 5 7 5 a n dt h ev o l u m ep e r c e n to f w i r et e x t u r ei s1 9 7 3 ：w h e nt h e 曲f o r m a t i o ne x t e n ti s9 6 9 ，t h ev o l u m ep e r c e n to f w i r et e x t u r ei s3 5 0 7 a n dt h e v o l u m ep e r c e n to f w i r et e x t u r ei s1 8 3 w 油t h ed e f o r m a t i o ne x t e n tg r a d u a l l y i n c r e a s e s ，t h e w i r et e x t u r eg r a d u a l l yr e d u c e st h e ni n c r e a s e s b u t w i r et e x t u r e g r a d u a l l yi n c r e a s e st l l e nr e d u c e sa n d w i r et e x t u r ei sl i k e l yt ob eo n eo ft h ec a u s e s f o rt h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yp r o d u c i n gd i r e c t i o n a le 虢c t ( 5 ) i nt h ei n d u s t r ys i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e s c r y s t a ld e f e c t ss u c ha sv a c a n c yo r v a c a n c yg r o u pa r el i k e l yt ob eo n eo ft h ec a u s e st h a te l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yp r o d u c e s d i r e c t i o n a ld i f f e r e n c e k e yw o r d s ：s i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e ；p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e ；r e s i s t i v i t y e l e c t r i cs p e c i a l i t y ；t r a n s m i s s i o ns p e c i a l i t y ；w i r et e x t u r e 1 绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 随着国防高新技术的飞速发展和计算机网络技术的广泛应用，对高传输频率、高带宽、 高保真传输导体的需求越来越大，对元器件精密化、微型化的要求也越来越高。另外，随 着人们生活水平的提高，对高保真音响、高清晰度电视、家电网络信息的需求快速增加， 以满足人们学习、生活、娱乐、交流等方面的需要。因此，开发具有高保真的传输导线、 高传输频率的网络通讯电缆、以及微型器件用的微细导线等，既可满足国防电子、航天航 空、计算机网络等领域对电子器件精密化、小型化、高抗干扰、高传输频率、高保真的技 术要求，又可广泛应用于民用电子、音像设备、高清晰度电视等领域。 由于铜及铜合金具有很高的电导率和热导率、而且抗腐蚀能力强、易于加工、抗拉强 度和疲劳强度好，因此被广泛应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域。 据不完全统计，仅在电气、电子和通讯三个行业中，每年铜的用量占到我国年铜总用量的 5 0 9 6 左右，在西方发达国家这一比例高达7 0 左右“3 。在对铜各种性能的应用上，导电性的 应用占到6 4 。在电子元器件的性能与质量不是很高的情况下，通常不需考虑铜导线对电 子电路的影响。然而，随着半导体技术、集成电路技术和电予元器件质量的突破，越来越 多的专家认为，要提高音像设备的质量，连接电缆己成为不可忽视的影响因素o ，在这方 而所作的第一个努力就是提高导体材料的纯度“。从2 0 世纪4 0 年代开始，随着电解精炼 和区熔精炼等冶金精炼技术的进步，高纯度铜5 n “1 ( n 代表c u 含量百分数中9 的个数，5 n 代表9 9 9 9 9 ，下同) ，6 n 4 1 ，7 n ”甚至g n ”的出现，对高品质通讯电缆的发展起了重要的作 用。但仅靠提高材料的纯度来提高导体材料的性能已不现实，因为材料的纯度不可能得到 无限制的提高，且纯度提高生产成本也会成倍提高。到了2 0 世纪8 0 年代初，金属中的晶 界对电缆质量的影响才被认识到“。单晶铜由于具有良好的塑性、加工性能、导电性能及 高保真信号传输性能，因此很快在电子、通讯、网络、音频、视频设备中得到了应用“o “。 铜单晶音频线的国际价格高达无氧铜的4 5 倍“。因此，近2 0 年来，应用0 c c ( 0 h n o c o n t i n u s c a s t i n g ) 技术“来制备单晶金属材料成为研究的热点，特别是在韩国、美国、日本、加 拿大等国家和我国台湾地区“，这主要是由于单晶金属材料具有良好的塑性变形能力以及 优异的信号传输性能，拥有广阔的应用前景“9 。 西安工业大学硕士学位论文 首先，顺应微型电子产品发展的需要，超微细铜线( 直径小于0 0 5 m m ) 的市场 需求不仅在逐年增大，而且其市场价格是普通铜导线的几十甚至几百倍。目前，国内 所制备的单晶铜线材的直径大多为毋8 m m “，0 6 m m “，远远大于实际应用中的铜线 材直径。单晶铜线材必须经过塑性变形即多次拉拔，才能制成成品。国内电缆行业拥 有低氧铜杆的连铸连轧生产线，也有浸涂成型和上引法的无氧铜杆生产线，所产出的 铜杆其内部组织均匀性不高，细线拉制非常困难。在采用1 8 0 0 m m i n 以上的拉丝速度 时，国外先进技术拉制一公斤m 0 0 2 r a m 的铜丝最多断头一次，而我国拉制规定长度 的0 0 ，0 4 r a m 以下的铜线时较为困难，尤其是很难拉制规定长度的垂o 0 2 m m 及以下的 铜丝。有时虽已制成漆包线等产品，但在用户的高速绕线或自动嵌线设备上应用时， 也常因材料韧性较差而容易断线“。要解决断线问题就必须从原材料、工艺和设备等 方面入手。因此，从原材料方面考虑，有必要研究塑性变形对单晶铜线材性能的影响。 其次，用于音响的电线电缆是影响音响效果的一个不可轻视的因素，而组成线缆的导 电线芯和绝缘材料的材质，以及线缆的结构等因素直接影响音响线材的品质“。传统 的电缆线由于对音质甚至对视频的清晰度有一定影响“”，已很难满足现代生活的需 要。在2 0 世纪7 0 年代，日本先后开发出无氧铜( o f c ) 、线形结晶无氧铜( l c - - o f c ) 8 “”和超长结晶铜( p c o c c ) “”线，用于高保真音响电缆。并且在实际应用中发现， 由单晶铜线材制备的音响电缆传递音频信号是有方向性的，一般用箭头在电缆的绝缘 外层做出标注”o 。，如图1 1 所示。因此，单晶铜导线信号传输方向性问题，成为 个崭新的多学科交叉的研究课题。 图1 1 音响电缆实物图 本文主要研究变形单晶铜线材对信号传输的影响规律，旨在探索单晶铜线材信号 传输方向性差异产生的原因，探讨单晶铜线材信号传输方向性的微观机制，为单晶铜 2 西安工业大学硕士学位论文 线材的应用提供理论依据。 1 2 本课题研究现状 1 2 1 单晶连铸技术结构设备的研究进展 o c c 技术( o h n oc o n t i n u o u sc a s t i n g ) 又称热型连铸法，是由大野笃美( a o h n o ) 于1 9 7 8 年发明，并于1 9 8 6 年”首次发表的。o c c 技术采用热型代替传统连铸中冷 铸型，这样可以消除铸型内壁形核的可能性。同时，由于型外冷却作用，使热流沿着 拉铸方向由铸型出口向冷却区传输，从而形成了定向凝固条件。因此，o c c 技术具 有下述特点”2 “： ( 1 ) 在铸型出口端与冷却区之间有悬殊的温差和高的温度梯度，型内金属液的热 量主要沿拉铸方向单方向传输，造成有利于定向凝固的条件，可铸出长度不受限制的 单晶和柱晶铸锭。 ( 2 ) 金属液在铸型出口端凝固结壳，显著减小铸件与型壁的摩擦磨损，可铸得表 面非常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。因此，o c c 技术可以称为一种新型成型技 术，可用于制造那些通过塑性加工难于成形的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材 及复杂管材。 ( 3 ) 沿拉铸方向定向凝固补缩良好，且可将金属液中气体和杂质从凝固前沿排斥 到型内金属液中，获得纯净致密铸材，还可获得单晶或柱晶材料。 ( 4 ) 铸锭性能得到改善。o c c 技术消除了铸锭中横向晶界，没有气孔、缩孔、央 杂、偏析等缺陷，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， 节省能源，提高生产效率。 o c c 技术构想于1 9 7 8 年，目的是为了连续地制造与铸型无摩擦的表面异常光洁 的铸锭。1 9 8 0 1 9 8 3 年为o c c 技术发展的第一阶段，研究者主要注意力放在发展连 铸设备上，并且进行低熔点金属锡、锌、铝的铸棒、管和板材的工艺试验。研究部门 主要集中在日本千业工业大学和加拿大多伦多大学，连铸设备开发顺序如图12 所示。 最简单的下引法见图1 2 a ，冷却容易，凝固条件优越，凝固过程中夹杂易上浮， 不易被卷入铸锭。但该法最大的缺点是铸型出口处压力难以控制，液体压力大，容易 抵消和超过表面张力，使铸型出口处内壁和铸锭之间的液膜难于成型和保持，故易发 生漏液事故。为了克服此缺点，将供液管设计成兀形虹吸管式如图1 2 b 所示，但这 种方法使得设备的制作及操作非常困难。因此，在实际试验中没有得到发展。图】2 c 所示的上引法与下引法相反，气体和夹杂在浮力的作用下，始终滞留在固液界面处， 西安工业大学硕士学位论文 图1 2 铸造设备原理结构发展设备 易被卷入铸锭。同时，该法冷却装置设计复杂，尤其对热容量大、熔点高的金属，当 需要用液体冷却剂冷却时，有使冷却剂直接漏到金属液上发生爆炸的危险。但这种方 法凝固界面处液体金属压力易控制，不会发生跑火事故，有利于成形，故在实际试验 中仍有采用。水平引锭法如图1 2 d 所示，其优点则介于前两者之间，设备简单，铸 型温度易于控制，冷却装置易于制造和安装，但该法由于重力作用，铸锭在上下方向 的尺寸受到限制，适于生产细棒材、小直径管材及簿壁板类型材，水平引锭方案是目 前研究和应用最多的，而且也是最为成功的。在水平引锭法的基础上，为了适应大规 模生产的需要，在2 0 世纪8 0 年代末期又发明了回转加热铸型。”和上面开放水平加 热铸型。”带材连铸设备，可以制备定向凝固组织和单晶带材。2 0 世纪9 0 年代初又发 明了双金属连铸装置”“，可以铸出内外层不同的金属材质的管状材料。近年来，在 o c c 设备上根据工作要求也进行一些小的改进，但没有大的进展。 1 2 2 单晶材料工业应用与研究现状 自从单晶连铸技术问世以来，为新型功能材料及其近终成型产品的开发，开辟了 一条新的途径。o c c 产品第一次工业应用是由n i p p o nl i g h tm e t a l s 公司生产的铝硅 合金连接线( d 2 5 i - t m ) 。紧接着另一个工业应用是由f u r a k a w ae l e o t r i e 公司( 古河电 器工业公司) 和s u mi n t o m oe l e c t r i c 公司( 住友电器工业公司) 制造的不同直径 ( d 5 m m 、d 8 m m 、d 1 5 m m ) 的铜线和铜棒，用于生产单晶信号线。晶界在音频信 号传输中相当于许多串联的电容，对信号的传输会起到歪曲和衰减的作用。因此，铜 单晶信号传输线可提高信号传递的清晰度和保真度。目前，用单晶铜线材所制备的精 密电缆已广泛应用到通讯业和音响业中，在日本、美国等地已有此类产品的生产和销 售。 单晶材料对拉丝性能的改善是很显著的。多晶材料拉丝到一定直径时，会在晶界 上断裂，而单晶材料则无此弊病。l j i m a k i n g i n k o g y o 公司对采用o c c 技术制成的1 8 k 金线进行了试验。结果表明，o c c 技术制成的d 8 m m 的1 8 k 金线可以进行冷加工直 接拉制成d 0 2 m m 细丝，而普通多晶材料拉制到d 0 7 m m 就会发生拉断。显然，o c c 西安工业大学硕士学位论文 制品克服了拉制过程中的断丝问题。试验结果还表明，采用o c c 技术制成的1 8 k 金 线拉制到m o 2 5 m m 制成项链时，很容易焊合，并且焊接处不易发现。然而用普通铸 造工艺和轧制生产的金项链在焊接时，表面上不易焊接，焊缝容易在焊接处开裂。当 发生焊接缺陷时，项链的焊接就不能实现自动化，只能采用手工，并且还要在项链结 合处采用刮磨的方法进行修理，费时费工，成本成倍升高。现在珠宝商在项链) j n _ t - 时 已开始应用o c c 技术提供的高质量的铸造产品，并且使熔化、铸造、成形一体化。 普通纯镁的塑性加工性能是很差的，而大阪富士公司o c c 开发室制造的单晶连 铸宽7 5 m m ，厚5 m m 镁板，可轧制成o 0 5 r a m 的簿箔，并深冲成扬声器的振动膜”： 单晶铜拉制的细丝已用于高级视听器材的接线和扬声器线圈等o “。大阪富士公司的 o c c 开发室设计了日本唯一的镁轧制品中心，用以改变完全依赖进口生产的状况。 因此，单晶连铸制品可以加工成超细的线和超薄的箔，作为生产集成电路、大型计算 机以及电子仪器、音响设备所需的高级材料的原材料。采用o c c 技术也可以制造高 纯度的材料。例如，o c c 技术可以制各纯度为9 9 9 9 9 的铝铸件，作为雾化沉积材料； 还能制备纯度为9 9 9 9 9 或较高纯度的铜材料等”“。 o c c 技术可生产表面光洁，尺寸精度很高的金属型材，也可生产硬质合金、不 锈钢和高硬度铝铜合金焊条( 丝) 等。日本大阪富士公司用o c c 技术生产的高硬度 a i 一3 5 c u 合金焊条，己用于柴油机活塞环槽的硬面堆焊及铝合金件的焊补；o c c 技 术连铸的含钴的s t e l l i t e 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，o c c 技术连铸焊条的生产效率高于挤压焊条的生产效率。在 o s a k af u j ik o g y o 公司生产s n b i 共晶合金的焊料线，s n b i 焊料通常采用s n b i 合 金坯料，拉伸成m 0 7 m m 细线而制备焊丝，但拉伸效率很低，每天仅拉伸1 5 妇，而 o c c 技术可以直接连铸出0 0 7 m m 焊丝，在这方面o c c 技术提供一种很好的替代工 艺。大阪富士公司采用o c c 技术生产用于弧焊的一系列铝合金线( a 1 一c u ，a 1 。m g ， a 1 m n ) 等，这些合金应用在堆焊硬质敷层和修补铸件上“3 “。 上世纪9 0 年代初，o c c 技术的研究开始向高熔点材料发展。o c c 研究中心和 o s a k af u j ik o g y o 公司9 0 年代初开始进行了钴基合金棒材和板材的试验研究，同时也 进行了n i t i ，n i - a l 合金和纯s i 的连铸试验1 。共晶成分的s n z n 合会是公认的塑 性加工性能差的材料。普通铸造方法生产的s n z n 合金在压缩3 0 时就出现裂纹，而 采用o c c 连铸技术生产的这种金属压缩到1 0 0 时仍不出现裂纹，连铸0 4 m m 的s n z n 线材，可以直接拉伸成m l m m 的丝而无须中间退火“。此外，o c c 产品具有很好的 抗疲劳性能。例如，a 1 1 c u 合金分别采用金属型铸造和o c c 技术所生产的0 6 m m 西安工业大学硕士学位论文 铸棒，再进行9 0 。的弯曲试验对比。结果表明，金属型线材弯曲3 5 次就断了，而 o c c 技术铸出的铸棒可弯曲3 0 次啪1 。o c t 技术制造的5 m m 厚的磷青铜板( ( c u 6 s n 1 p ) ，可以压延成1 0 0 9 i n 的薄板。在日本成功制备z n 2 2 a 1 合金，并含有少量 c u ，s i 和m g 的阻尼材料“”，同采用铸铁铸型铸造的材料比具有更好的加工性能。 1 9 8 8 年在多伦多大学建立了o c c 研究室，具有一套完整的熔化和铸造系统，并己在 水平铸造设备上完成了低熔点a i ，s n ，b i 和他们的合金，高熔点n i c o 基合金、不 锈钢和超硬合金等的连铸，目前己超过3 0 种。 o c c 技术也可以制造截面形状复杂的薄箔型材。日本三井公司采用o c c 技术制 造带有内部翅片，双层壁，多通道等特征的铜管，其翅片厚度仅o 3 m m ，管壁厚o 5 m m ， 可用作高性能换热器、热管和加热线圈等。用作空调换热器的带翅片铜管的传热系数 是无翅铜管的3 5 倍”3 ”。近年来，双金属连铸装置可以铸出内外层不同的金属材 料的管状材料。目前己成功的制备出中心为s n b i ，s n p b ，s n z n 共晶金属，外层为 纯s n 、中心为a 1 c u 合金和外层为a 1 的管状材料，并对其工艺过程进行了研究。 采用o c c 技术己成功用s n 和铝合金包铸光纤。“”，而且光纤完好无损，经检验证 明能正常传递信号，改进了用不锈钢管套光纤的方法。同时，o c c 技术成功制备 a i c u a l 2 和a 1 y 合金铸棒。“。由于o c c 技术生产出的铸锭具有完全单向组织， 其产品具有极好的耐腐蚀、耐疲劳和抗高温蠕变形能，以及优异的磁学性能和电学性 能。因此，对于制造磁性材料，以及共晶复合材料将发挥巨大的作用。 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，国内也相继开展了对单晶连铸技术的研究工作。刑建 东m 1 、黎沃光。”等人在实验室里开展了用单晶连铸技术研制a 1 ，c u ，s n 单晶线材的试 验研究。1 9 8 5 年西安交通大学邢建东教授首次将单晶连铸技术介绍到中国，并进行了 单晶连铸s n 、a 1 线材的研究工作。西北工业大学于1 9 9 4 年起开展单晶连铸技术研究“。1 ， 由范新会等人成功研制出国内第一台单晶连铸设备，并成功地研制出直径为( i ) 8 m m 的 单晶铝线材。广东工业大学1 9 9 8 年也成功制备出了直径为( 1 ) 8 m m 的单晶铜线材，其性 能指标已经达到日本公布的指标，即最大含氧量： 5 p p m ；最大含氢量： o 5 p p m 。 目前，他们已与广东鑫威电器有限公司合作开发单晶铜线“3 。兰州理工大学1 9 9 2 年 开始着手研究单晶连铸技术，于1 9 9 5 年完成了单晶连铸过程温度场数值模拟工作， 1 9 9 8 年设计了一台单晶连铸试验设备，并用此设备制备出了单向凝固柱状晶组织纯 a 1 、a 卜c u 合金线材”“3 ：1 9 9 9 年对该设备又进行了改进，提高了设备的机械稳定性 及对温度、拉丝速度的控制精度，并成功制备出了铝单晶线材；2 0 0 1 年又成功设讨并 制造出了一台横引式单晶连铸设备，制备出了直径为( 1 ) 3 ( i ) 6 m m 的单晶铜线材“7 ”。 6 西安工业大学硕士学位论文 此外，北京科技大学利用热型连铸技术开发出了高导电、高强度的c u c r 合金；上海 大学毛协民等人采用上引式热型连铸法进行了单晶铜的研究工作。为了制备直径细小 且足够长的单晶线材，西安工业大学提出了区域融炼与传统热型连铸相结合的思想， 成功地研制出一台横引式热型连铸设备，并拉制出直径0 1 0 3 m m 长度不受限制的单 晶铜线材。 1 2 3 单晶线材制备工艺研究 单晶连铸领域的基础性研究主要集中于如何制各出单晶导线，即如何控制固液界 面的形状和位置，以及单晶制备初期的组织演化过程。 ( 1 ) 固液界面形状以及位置的控制 这种固液界面向液相区凸出是铸件演化为单 晶组织的必要条件。这种固液界面对温度场的横向 及纵向都有要求“：在横向上，铸件中心的温度必 须低于截面四周处的温度；在纵向上，要求有较高 的温度梯度。范新会等人采用如图1 3 所示的示意 图来实现”，冷却器近距离极冷可满足纵向上温度 场的要求。横向温度场从两个方面实现：铸型加热 温度高于导流管的加热温度：铸型长度越短越好。 文献指出采用导流管的金属液体温度在熔点以上 5 0 1 0 0 左右，铸型内的金属液通过加热器温度在 熔点以上1 0 0 2 0 0 左右的工艺时，可以成功制备 出单晶导线。“。 图1 3固液界面的位置对单 晶质量的影响” 固液界面的位置显著影响单晶导线的质量。“。如图1 3 所示，如果固液界面离开 铸型出口处太远，铸件易出现弯曲，形成凹凸 不平的铸锭表面，甚至于发生金属泄露现象。 如果铸件进入铸型，由于铸型表面形核，无法 得到单晶，同时使铸锭表面易檫伤、卡死，甚 至于拉断。根据准静压平衡关系( 如图所示1 4 ) 铸锭中心与铸型口之间的距离l 。应满足( 1 1 ) 式： 厶= 4 a ( 2 p g r ) ( 1 1 ) 其中，p 为金属液体的密度，r 表示铸件半径， l f l r 1 t t l _ i 1r g 1r | ： 图1 4 同液界面的受力行为示意图” 西安工业大学硕士学位论文 ol 。是固液界面张力。图1 4 中，g 为这段金属膜受到的自身重力，f s 是液体金属的 静压力，f r 为铸型口断面上液体中的切变粘性阻力，f 。是液膜铸锭间的界面张力：研 究表明，单晶铝铸锭表面凝固点与铸型出口处的最大距离控制在2 m m 范围内。 固液界面的位置主要由单晶制备环境的温度场决定，而该温度场与铸锭温度、抽 拉速度、冷却水量、铸型与冷却器之间的距离等有密切的联系。研究表明”。1 ，以铝线 材为研究对象，在铸型与冷却器之间的距离为3 0 m m 以及冷却水量为2 5 0 1 1 1 时，铸型 温度与牵引速度之间的关系如图1 5 所示；在铸型与冷却器之间的距离为3 0 m m 以及 铸型温度为7 0 0 。c 时，牵引速度与冷却水量满足如图1 6 所示的关系曲线：在铸型与 冷却器之间的距离为3 0 m m 以及牵引速度为1 3 0 m m m i n 的情况，冷却水量与铸型温 度满足1 7 所示的关系曲线。要获得优良的单晶铝线材，铸型温度、冷却水量以及牵 引速度三者之间的配合关系可用图1 8 予以表示。后来，丁雨田”采用相似的单晶连 铸设备，以铝为原料，得出相似的工艺研究结果。其工艺参数之间的配合如图1 9 所 示。 g e e 6 幽1 5 铸型温度与连铸速度之间的配合 对金属表面质量的影响”“ 母 j 嘲 * 肃 赍 u ，i i t d l - m b 。 图1 6 连铸速度与冷却水量之间的配合 对金属表面质量的影响” 西安工业大学硕士学位论文 ? j 二 、 簟 * 罱 童 i ，n 1 1 ul 5 0n n ；l o 如 _ _ _ _ - - _ _ 一 萃日i 逛度m a ，1 几j n 图l7 铸型温度与冷却水量之间的配合 图1 8 工艺参数对表面质量的综合影响” 对金属表面质量的影响”“ 5 咝篓茎筮蕉煎叁 图19r 艺参数对表面质量的综合影响“” ( 2 ) 组织演化 单晶连铸过程中涉及到组织演变的过程，即铸锭由多晶演变成单晶的过程。文献 指出“，在忽略晶体生长动力学因素的情况下，一个靠近铸锭中心的晶粒界面移动至 表面所需要的时间t 服从( 1 2 ) 所示的关系式： f ：二f j + 一11 ( 1 2 ) 矿l万 其中r 为铸锭半径；v 为牵引速度；6 形状界面因子。可见铸锭半径大，单晶连铸过 程中的组织演变越长；牵引速度越快演变过程越短；另外演变时间还与界面因子有关。 9 西安工业大学硕士学位论文 1 2 4 单晶线材性能研究 目前对单晶线材的研究主要集中在单晶线材力学性能和电学性能两个方面，而划 微观组织的研究较少，大量的微观组织研究主要是对循环变形单晶铜的微观组织与位 错组态变化的研究“”1 。研究发现，单晶铝线材的抗拉强度比多晶铝线材降低3 8 8 。 但是，屈服强度不但没有减小，反而稍有增加”。单晶铝线材