Vol.26 No.5 陈亚军等：真空熔炼、氩气保护连续定向凝固技术 ·483· 罩内部压力与外界大气压平衡，等系统稳定几分 至将熔化的金属或合金全部凝固后结束，拉铸过 钟以后，开动牵引机构，驱动轮13便以一定的速 程中既要限制拉速过大以免拉漏，同时又要兼顾 度拉动引锭杆1.由于结晶器出口不远处冷却水 生产效率. 对引钉杆的强制冷却，使金属液向下流动过程中 热量沿引钉杆导出，在结晶器出口附近凝固，铸 锭从结晶器中不断引出，从而可以连续获得表面 光滑、任意长度的定向凝固金属或合金型材. 1.2装置特点 (1)材料的纯净度高.熔炼过程在真空状态下 完成，熔炼后在氩气保护下保温拉铸，所以金属 或合金在整个熔化、铸造过程中避免了氧化，从 78 mm 而提高了材料的纯净度 (2)熔化效率高，合金成分均匀，设备采取感 图2连续定向凝因纯铜的照片 应加热，具有一定的搅拌能力，可以加快脱氧、除 Fig.2 Appearance of pure Cu bar obtained by Continuous 气速率，而且使熔化金属和合金均匀，避免产生 directional solidification 凝固偏析. (1)表面质量.图3是真空熔炼、氩气保护下 (3)产品光洁，精度高.由于铸型受热和冷却 连续定向凝固获得铜棒与普通连续定向凝固方 水的强制冷却，可以获得沿纵向的较大的温度梯 法获得的铜棒的实物照片，通过对比可以看出， 度，并且通过调节冷却距离和冷却水的量调节温 真空熔炼氩气保护环境下连续定向凝固工艺得 度梯度，加上结晶器按正锥度（上部小下部大为 到的制品表面光亮，没有表面裂纹、冷隔、夹杂、 正)设计，使得铸锭可以在脱离结晶器出口以前 表面氧化等缺陷，从真正意义上实现了镜面成 凝固，从而有效的避免了拉漏现象，简化了控制 型，这是普通连续定向疑固工艺所不能达到的. 工艺，也避免了金属或合金液在结晶器内壁上形 (2)纯净度，在以电解纯铜为原料的实验中， 核和铸锭划伤结晶器，实现近净成形生产 原材料氧含量为1.4×10（质量分数）.经过真空熔 (4)生产效率高.该装置下拉机构设计为两 炼定向凝固出的棒材的氧含量为6×10.由此可 流，在同一套牵引系统中设计两组驱动轮，在一 见，该工艺驱除非金属夹杂的力度很大，能很大 部电机的带动下，实现了同步，从而保证了两流 程度上提高材料的纯净度， 工作时相同的工艺参数，加上牵引速度的大范围 (3)组织与性能.图4是系统稳定之后，下拉 调节，可以很大程度上提高生产效率 速度为0.6mm/s时获得连续定向凝固铜棒的组织 2真空连续定向凝固型材质量 照片，可见该工艺得到稳定的柱状晶组织.在一 定的工艺参数下，还可得到单晶， 图2为利用上述装置在一定的工艺参数下获 真空熔炼、氩气保护下连续定向凝固消除了 得的纯铜棒材：中15.7mm,从头部开始，沿A→B→ 铸锭中的横向晶界，没有气孔、缩孔、夹杂、偏析 C一DE方向缠绕在一起，直到尾部，总长为82 等铸造缺陷，有利于冷加工，可以减少甚至消除 m.拉铸开始时，由于引棒受到的激冷作用，温度 加工过程中的中间退火.利用该工艺生产出的铜 梯度很大，牵引速度要慢，晶粒有时间长大，初始 棒，在无任何中间退火的情况下可直接从16mm 晶粒比较粗大.此时由于结晶潜热的放出，在固 拎加工（轧制、拉拔）到Φ3.3mm,真应变e达3.16. 液界面前沿出现负的温度梯度，界面不稳定相当 冷加工之后得到典型的连续纤维晶组织，抗拉强 于加上一个扰动，扰动在一定时间内会加大，使 度大幅度提高，同样由于没有横向晶界，从而消 胞晶固液界面发生破坏，产生与前胞晶间距不同 除了对信号的干扰和散射，故大大改善金属的电 的新的胞晶.在工艺参数趋于稳定过程中，偏离 信号传输质量.同时，由于真空熔炼很大程度上 轴向生长方向的晶粒要被淘汰，经过开始牵引到 消除了杂质，可进一步优化导电性能.利用该工 系统稳定这个过度阶段之后，保持牵引速度不 艺得到的铜的电导率是传统方式凝固铜的 变，便可连续得到组织稳定的定向凝固型材，直 103%,即使是冷加工后得到的3.3mm线材的电V b l . 2 6 No . 5 陈 亚军 等 : 真空 熔炼 、 缸 气保 护连 续定 向凝 固 技术 罩 内部 压力 与外 界大 气压 平 衡 . 等 系统 稳 定几 分 钟 以后 , 开动 牵 引机构 , 驱 动 轮 13 便 以一 定 的速 度 拉动 引锭 杆 1 . 由于结 晶器 出 口 不远处 冷 却 水 对 引钉杆 的强制 冷 却 , 使金 属液 向下流 动过 程 中 热量 沿 引钉 杆 导 出 , 在 结 晶 器 出 口 附近 凝 固 , 铸 锭从 结 晶器 中不 断 引 出 , 从 而可 以连 续 获得表 面 光滑 、 任意 长 度 的定 向凝 固金 属 或合 金 型材 . L Z 装 里特 点 ( l) 材 料 的纯 净度 高 . 熔炼 过 程在 真 空状 态下 完成 , 熔 炼 后 在氢 气 保 护下 保 温拉 铸 , 所 以金 属 或 合 金在 整 个熔化 、 铸造 过 程 中避 免 了氧化 , 从 而 提 高 了材 料 的纯 净 度 . (2 )熔化 效率 高 , 合 金成 分均 匀 . 设 备采 取 感 应加 热 , 具 有一 定 的搅拌能 力 , 可 以加快 脱氧 、 除 气速 率 , 而 且使 熔化金 属 和 合金 均 匀 , 避 免 产 生 凝 固偏 析 . (3 )产 品光 洁 , 精度 高 . 由于 铸 型受 热和 冷 却 水 的强制 冷却 , 可 以获得 沿 纵 向的较 大 的温 度梯 度 , 并 且通 过调节 冷 却距 离 和冷 却 水 的量调 节温 度梯 度 , 加 上 结 晶器 按 正 锥度 ( 上 部 小下 部 大 为 正 ) 设 计 , 使 得 铸锭 可 以在脱 离 结 晶器 出 口 以前 凝 固 , 从而 有 效 的避 免 了拉 漏 现象 , 简化 了控 制 工 艺 , 也 避免 了金 属 或合 金液 在 结 晶器 内壁上 形 核 和 铸锭 划 伤 结 晶器 , 实现 近 净成 形 生 产 . (4 ) 生产 效 率 高 . 该 装置 下 拉机 构 设 计为 两 流 , 在 同一 套牵 引系统 中设 计两 组 驱 动轮 , 在 一 部 电机 的带动 下 , 实现 了 同步 , 从 而 保证 了两 流 工 作 时相 同的工 艺 参数 , 加 上牵 引速度 的 大范 围 调 节 , 可 以很大 程 度上 提 高 生产 效 率 . 至 将熔化 的金属 或 合金 全 部凝 固后 结束 . 拉 铸过 程 中既 要 限制 拉速过 大 以免拉漏 , 同 时又要 兼顾 生 产 效率 . 图 2 连续 定 向凝 固纯铜 的照片 F i g · 2 A P Pea ar n e e o f P u er C u b a r o b at in ed b y C o n 柱n u o u s d ir 既廿o n . l 5 0 舫d价C皿柱o n 2 真 空连 续 定 向凝 固 型材质 量 图 2 为利用 上述 装 置在 一 定 的工艺 参数 下获 得 的纯铜 棒材 : 拟 5 . 7 ~ , 从头 部 开始 , 沿 A ~ B ~ C ~ D 一 E 方 向缠绕 在 一 起 , 直 到 尾部 , 总长 为 .8 2 m . 拉铸 开始 时 , 由于 引棒受 到 的激 冷 作用 , 温 度 梯 度很 大 , 牵 引速度 要 慢 , 晶 粒有 时 间长 大 , 初 始 晶粒 比较 粗 大 . 此 时 由于结 晶 潜热 的放 出 , 在 固 液 界面 前沿 出现 负 的温 度梯 度 , 界 面不 稳 定相 当 于 加 上一 个扰 动 , 扰 动在 一 定 时 间 内会 加大 , 使 胞 晶 固液界 面 发生 破坏 , 产 生 与前 胞 晶间 距不 同 的新 的胞晶 . 在工 艺 参数 趋 于 稳定 过 程 中 , 偏 离 轴 向生 长方 向的 晶粒要 被淘 汰 . 经 过开 始牵 引到 系 统 稳 定这 个 过 度阶 段 之 后 , 保 持 牵 引 速 度 不 变 , 便 可连 续得 到 组 织稳 定 的 定 向凝 固 型材 , 直 ( l) 表 面质 量 . 图 3 是真 空熔 炼 、 氢气 保 护 下 连 续 定 向凝 固 获得 铜 棒 与 普通 连 续 定 向凝 固 方 法 获得 的铜 棒 的实物 照 片 . 通过 对 比可 以看 出 , 真 空 熔炼 氢 气 保 护 环 境 下 连续 定 向凝 固 工艺 得 到 的制 品表 面光 亮 , 没 有表 面 裂纹 、 冷 隔 、 夹 杂 、 表 面 氧化 等缺 陷 , 从真 正 意义 上 实 现 了镜 面 成 型 , 这 是普 通连 续 定 向凝 固工艺 所 不 能达 到 的 . (2 ) 纯 净度 . 在 以电解 纯铜 为 原料 的实验 中 , 原材 料氧 含量 为 1 . 4x 10 一 5 ( 质量 分数 ) . 经过 真 空熔 炼 定 向凝 固 出的棒 材 的氧 含 量 为 6 xl o 一 4 . 由此 可 见 , 该 工艺 驱 除 非金 属 夹杂 的力度 很 大 , 能 很 大 程 度 上提 高材料 的纯 净度 . (3 ) 组 织与 性 能 . 图 4 是 系统 稳 定之 后 , 下 拉 速度 为 .0 6 m耐 s 时 获得连 续定 向凝固铜 棒 的组织 照 片 , 可 见 该 工艺 得 到稳 定 的柱 状 晶组 织 . 在一 定 的 工艺 参 数下 , 还可 得 到 单 晶 . 真 空熔 炼 、 氢 气保 护 下连 续 定 向凝 固消 除 了 铸锭 中 的横 向晶 界 , 没 有气 孔 、 缩 孔 、 夹 杂 、 偏 析 等铸 造缺 陷 , 有 利 于冷 加 工 , 可 以减 少 甚至 消 除 加工 过程 中的 中间退 火 . 利用 该 工艺 生产 出 的铜 棒 , 在无 任何 中 间退火 的情 况下 可直 接从中16 r n 们n 冷加 工 ( 轧 制 、 拉 拔 ) 到妇 . 3 ~ , 真应 变 : 达 3 . 16 . 冷 加 工之 后得 到 典型 的连 续纤 维 晶组织 , 抗 拉 强 度 大 幅度 提 高 . 同样 由于没 有 横 向 晶界 , 从 而 消 除 了对 信 号 的干扰 和 散射 , 故 大 大改善 金属 的电 信 号 传 输质 量 . 同 时 , 由于真 空熔 炼 很 大程 度 上 消除 了杂 质 , 可进 一 步优 化 导 电性 能 . 利 用 该工 艺 得 到 的 铜 的 电 导 率 是 传 统 方 式 凝 固 铜 的 103 % , 即使 是 冷加 工 后得 到 的帕 . 3 ~ 线 材 的 电