关于铜合金的凝固技术

关于铜合金的凝固技术
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1、前言
铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。

铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上。

用于各种电缆和导线，电机和变压器的绕阻，开关以及印刷线路板等；在机械和运输车辆制造中，用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等；在化学工业中广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等；在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等，每生产100万发子弹，需用铜13--14吨；在建筑工业中，用做各种管道、管道配件、装饰器件等。

铜的这种广泛应用使得研究开发高性能的铜合金来满足日益发展的要求显得很有必要。

随着研究的进展，制备高性能铜合金的工艺方法越来越多，并向实用化工业化生产进行，总的来说有合金化法、复合材料法。

合金化法就是传统的固溶强化和析出强化，这种方法虽然在一定程度上提高了铜合金的强度，最高抗拉强度可以达到650Mpa，但由于固溶于铜基体中的原子引起铜原子点阵畸变对电子的散射作用增强，使铜合金电阻增大，因而降低了Cu合金的导电性。

复合材料法包括粉末冶金法、塑性变形法、定向凝固法等。

其中有一些方法还只是停留在实验室阶段，离投入生产有一段距离。

虽然一些新工艺也在高性能铜合金的生产制备方面有所突破，如70年代就有美国SCM公司生产氧化物弥散强化铜合金，确立了此种合金的地位，而且粉末冶金技术也越来越多的应用到制备高性能的铜合金，但一种新的方法由研究到使用毕竟有一段很长的路要走，而以传统的熔炼和铸造技术在制备生产铜合金方面还是占有很大的地位，问题是如何改进这些工艺发展适合我国资源国情和市场需求的铜及合金产品。

尤其是随着电子工业的急速发展，带来了工程中各种机械向着小型化发展的倾向，因而也就强烈的需要我们去开发新的铸造方法以生产那些没有铸造缺陷的优质材料。

现在很多研究都致力于在合金中加入什么样的元素对其机械性能产生怎么样的影响，而且也取得一系列的进展，并且一些还没有应用到实际当中去，说明还是有继续研究的必要，由于这文章是关于凝固技术这门课的，所以将主要关注的在熔炼铸造方面，如何能够制得好的凝固铸件，结合自己的专业，将介绍放在铜合金方面。

2、凝固理论进展
在近几十年中，凝固技术的重要进展有：连续铸造的扩大应用；定向凝固与单晶生长技术的完善；半固态（流变)铸造从研究走向了实际应用；通过凝固过程制备重要的新型材料，如复合材料、自生复合材料、梯度材料等；快速凝固技术的出现与应用。

快速凝固是通过合金熔体的快速冷却或非均质形核的被遏制，使合金在很大的过冷度下发生高生长速率(≥l—100cm/s)的凝固，可制备非晶、准晶、微晶和纳米晶合金，此类新型功能或结构材料正在逐步进入工业应用。

可见，现代凝固技术的发展不仅致力于获得外形完美、内无宏观缺陷的零件，而且追求在材料中形成常规工艺条件下不可能出现的结构与显微组织特征，使其具备一系列特殊优异的使用性能。

从这个意义上说，新凝固技术与新材料的研究和发展已融为一体，最具代表性的例子是快速凝固技术，它的出现和发展直接促进了
新一代金属玻璃与微晶纳米晶合金的形成。

现代凝固技术的研究与应用，迫切要求以液/固相变理论的新成果为指导。

在研究对象的尺度上，不局限于宏观的凝固过程的研究，而是要在原子尺度上对移动的液/固界面的行为进行分析。

与凝固技术的发展相适应，近年来凝固理论的研究在下列方面取得进展：从传热、传质和固/液界面动力学三个方面对凝固动力学过程给出了不断改进的定量描述；固/液界面形态稳定性理论继续完善，可在低速生长至高速生长的较宽范围内，全面估计界面能、界面曲率、结晶潜热等对晶体形貌及显微结构的影响，提供晶体形态转变的定量判据；大过冷和高生长速率下的凝固热力学和动力学研究不断操入，为合金快速凝固过程的分析和设计提供了依据。

3、凝固组织控制
对于铸件而言，凝固组织是决定铸件性能的关键因素之一，优质铸件的获得无不得益于对凝固组织的控制。

合金的凝固组织控制是科研和生产中都非常重视的问题。

在过去的几十年里，为了充分挖掘金属材料潜在的性能，人们研究了很多控制凝固组织的方法, 如定向凝固技术，深过冷技术，雾化法，熔体甩带法，激光表面熔凝法等。

由于快速凝固可以使合金的组织结构发生一些变化，包括固溶度增加，晶粒细化，偏析减少，微晶组织、亚稳相以及高的点缺陷密度结构的形成，甚至非晶形成等，从而给合金带来一系列优异的性能，如强度提高、硬度增大、耐磨性/耐蚀性增加、磁性能变得更加优异等等，因此，近年来，快速凝固技术得到迅猛的发展，成为材料科学与工程研究的一个热点。

例如Cu-Cr 合金强度与导电率是矛盾的两方面，用普通方法制取的Cu-Cr 合金很难保证既有高的强度又有高的导电率。

用热型连铸工艺的定向凝固法制备的Cu-Cr 合金由于采纳了用Cu 基体承担导电，用Cr 纤维承担强度的思想，因而强度及导电率都比较高, 具有广泛的应用前景。

但用热型连铸定向凝固方法制取Cu-Cr 合金有最大的困难就是Cr 的易氧化性、难溶性、高熔点，因此这是有待进一步解决的问题。

许多应用领域要求所用材料需高导电性及高强度兼备，研制、开发高强度、高导电铜基导电材料一直是铜合金研究的热点之一。

通过添加稀土、引入第二相质点等的多元合金化手段已经越来越多的成为研究的热点，这些也是为了能够得到更好的组织性能，如细小的晶粒、稳定的结构。

就熔炼铸造这方面而言，控制工艺参数能够得到更优异、致密的组织结构，抑制缩松、气孔、偏析形成。

因此在实际生产中应当把熔炼、铸造工艺、后续加工很好的衔接起来，因为每一个工序都会影响到材料的最终性能，只有每一部分都解决好了，最后的好结果才是我们所要的。

4、水平连铸技术
水平连铸技术的研究起始于19世纪中叶，到1930年该技术在一些国家用于浇铸铜、铝等有色金属和铸铁。

50年代开始，苏联、美国等开始对钢的水平连铸技术进行开发研究，中国在50年代后期也进行过试验研究。

60年代美国大众汽车公司(General Motors、简称GM公司)开始做中间试验，1977年德国古斯技术公司(Technica简称TG公司)引进GM公司的基本专利进行开发研究、取得成功。

并有10多台水平连铸机在世界各地的钢厂投入使用。

与此同时英国戴维(Davy—Loewy)公司与日本钢管公司(NKK)共同开发研究，并在福山钢铁厂建设了工业生产铸机。

此外在70年代后期到80年代前期，联邦德国的德马克
(Demag)公司、克虏伯(Krupp)公司、意大利的丹尼利(Danieli)公司和前苏联相继发展了各有特色的水平连铸机。

铜合金水平连续铸造主要用来生产铸锭、线坯、棒坯、管坯和板坯等。

在铜合金水平连续铸造过程中，铸锭从结晶器内拉出时将受两次冷却。

一次冷却是指在结晶器中，冷却水通过共内套对金属的间接冷却；二次冷却是指从结晶器外缘喷出的冷却水的直接冷却。

在连铸过程中，因为结晶器内套的导热能力有限，而且结晶器内壁与金属之间的气隙限制了热传导。

所以，一般来讲，一次冷却使铜液形成一层凝固客，而二次冷却使金属凝固。

在结晶过程中，外层金属冷却凝固产生收缩，对内部产生压应力，当内部金属在结晶温度以上，处于塑性状态时，收缩应力使内部金属产生塑性变形，外层径向裂纹不会产生。

如内部金属处于再结晶温度以下，外层金属收缩受阻，在外层出现拉应力，有可能在外层出现径向裂纹。

因此应采取措施防止铸锭表面裂纹。

由于水平连铸铸锭质量的好坏与排气除氧、拉停间隔时间、拉速、频数、冷却强度、浇铸温度、结晶器长短等有关，可采用致密度高的高纯石墨做结晶器内套，并且加强结晶器内套工作表面上的润滑；适当减小二次冷却水与铸锭表面的夹角，使液穴处于二次冷却水带以外；在不使引锭拉漏的情况下，适当提高引锭频率，这样可使铸锭内部各部分之间的温度差较小等来防止铸锭表面裂纹。

5、结语
近30年来，借助于物理化学、金属学、非平衡热力学与动力学、高等数学和计算数学，从传热、传质和固液界面几个方面进行研究，使金属凝固理论有了很大的发展，这不仅使人们对许多条件下的凝固过程和组织特征有了深入的认识，而且促使了许多凝固技术和液态凝固成形方法的提出、发展和生产应用，随着科学技术的不断进步和交叉学科研究的进展，凝固技术也将不断产生新的生长点。

这些新的理论技术也必将发挥重要的作用，带动我们的社会向前发展。