Metoda kierunkowego kształtowania struktury materiałów krystalicznych

• Autorzy: Walkowicz M. , Knych T. , Smyrak B.

Warianty tytułu

EN

Method of shaping a directional structure of crystalline materials

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Światowa ekspansja przemysłu metalurgicznego, związanego w sposób nieodłączny z hutnictwem, a także dynamiczny rozwój metod doświadczalnych fizyki ciała stałego, determinują wejście na rynek elektroniczny nowych gatunków materiałów o coraz to wyższych poziomach własności użytkowych. Jednym z przykładów takiego funkcjonalnego materiału jest miedź beztlenowa gatunku Cu-OFE (Oxygen Free Electronic). Z uwagi na brak zawartości tlenków CuO i Cu2O stworzyła nowe możliwości kształtowania własności fizycznych, technologicznych i eksploatacyjnych - jako niezbędnych do zastosowań w różnych dziedzinach inżynierii elektrotechnicznej. Ponadto, z uwagi na proces produkcji polegający na metodzie ciągłego odlewania, materiał ten wykazuje specjalnie ukierunkowaną strukturę charakteryzującą się ziarnami wydłużonymi w kierunku zgodnym z wektorem gradientu temperatury na froncie krystalizacji metalu. W przypadku aplikacji miedzi beztlenowej w konstrukcjach kablowych najwyższej jakości, m.in.: przewodach teleinformatycznych kategorii 6 i 7, kablach głośnikowych, mikrofonowych i do akustyki profesjonalnej, odgrywa to kluczowe znaczenie, ponieważ pozwala na uzyskanie pożądanych własności transmisyjnych na drodze m.in. obniżenia strat pojemnościowych kabla, czy też podwyższenie jakości tłumienia zakłóceń, w porównaniu do tradycyjnie stosowanej na cele elektryczne miedzi gatunku Cu-ETP (Electrolytic Tough Pitch) zawierającej tlen, a wytwarzanej na drodze przeróbki plastycznej na gorąco. I chociaż tlen w miedzi spełnia szereg korzystnych funkcji to jego obecność w miedzi beztlenowej, którą określa się mianem "funkcjonalnie doskonałej" jest niewskazana z powodu zmniejszenia ciągliwości oraz mikrosegregacji. Ponadto, mimo iż walcowanie na gorąco powoduje pełną homogenizację dendrytycznej struktury odlewniczej, to towarzysząca mu wysoka temperatura i powstające na powierzchni tlenki, które są następnie zawalcowywane wykluczają aplikację tego materiału we wspomnianych zaawansowanych kablach do sygnałów o wyższych częstotliwościach. Co więcej zawalcowane tlenki pogarszać mogą parametry elektryczne zewnętrznych warstw drutu (o grubości kilkuset mikronów) po gorącym walcowaniu, podczas gdy w przypadku sygnałów o wyższych częstotliwościach istotną rolę dla przewodzenia sygnału odgrywa rolę efekt naskórkowy. Miedź beztlenowa stanowiąca przedmiot niniejszego artykułu wobec znikomej zawartości tlenu (poniżej 3 ppm wag.) wykazuje znakomite zdolności ciągarnicze nawet przy bardzo głębokim przetwórstwie. W warunkach przemysłowych wytwarzana jest m.in. metodą Upcast lub Rautomead. Zastosowane parametry procesu technologicznego (m.in.: prędkość odlewania, ilość wody chłodzącej krystalizator) decydują o stanie strukturalnym materiału wsadowego, który następnie dedykowany jest m.in. do procesu ciągnienia drutów i mikrodrutów na cele elektryczne. Zainteresowanie takimi materiałami spowodowało wzrost dynamiki prac światowych naukowców nad otrzymywaniem miedzi o wysokiej czystości chemicznej w warunkach laboratoryjnych i jej lepszym poznaniu cech materiałowych. Spośród wielu takich rozwiązań do najbardziej technicznie zaawansowanych zaliczają się metody: japońska - Ohno Continuous Casting i polska - DCC-AGH polegające na nieprzerwanej jednoczesnej realizacji cyklu operacji topienia katod, redukcji tlenu i odlewania miedzi o ukierunkowanej strukturze krystalicznej charakteryzującej się dodatkowo jak najmniejszą ilością ziaren. Przedstawiona w niniejszym opracowaniu tematyka dotyczy drugiego ze wspomnianych laboratoryjnych sposobów otrzymywania miedzi gatunku Cu-OFE. Dokonano charakterystyki nowo opracowanego na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo Hutniczej sposobu ciągłego odlewania miedzi beztlenowej w postaci prętów jako odlewów o ukierunkowanej strukturze. Przedstawiono specyfikę działania i parametry techniczne urządzenia do poziomego, ciągłego odlewania materiałów krystalicznych. Przybliżono opracowanie konstrukcyjne zastosowanego krystalizatora, charakteryzującego się małym współczynnikiem odprowadzania ciepła oraz wydajnej strefy układu chłodzenia wtórnego. Całość opracowania uzupełniają przedstawione makrostruktury przekrojów wzdłużnych i poprzecznych prętów z miedzi beztlenowej uzyskanych w procesie ciągłego odlewania przy zastosowaniu różnych parametrów procesu technologicznego.

EN

Worldwide expansion of metallurgical industries, inseparable connected with the steel industry, as well as the dynamic development of the experimental methods of solid state physics is determined by an electronic entry of new grades of materials with ever higher levels of functional properties. One example of such a functional material is oxygen free copper in the Cu-OFE grade. Due to the lack of content of oxides CuO and Cu2O has created new opportunities to develop physical, technological and operational - as needed for applications in various fields of electrical engineering. Moreover, due to the production process involving continuous casting method, this material exhibits specifically shaped structure which is characterized by grains elongated in the direction of the gradient vector at the front of the crystallization temperature of metal. For applications in the construction of oxygen-free copper cable of the highest quality such as: telecommunication cables category 6 and 7, speaker cables, microphone cables and the professional acoustics cables that is a crucial, since it allows to obtain the desired properties such as transmission through reduce the capacitive cable loss, or enhancing the quality of noise suppression, compared to traditionally used for the purpose of electrical applications - Cu-ETP grade copper which containing oxygen, and which is produced by hot working. And although the oxygen in the copper performs a number of advantageous features include the presence of oxygen-free copper, which is referred to as "functionally perfect" is not advisable because of the reduction in ductility and microsegregation. Moreover, although the hot?rolling results in a complete homogenization of the dendritic structure of the casting is accompanying high temperature and formation of surface oxides, which are then lapping and which then preclude the application of this material in these advanced cables for signals with higher frequencies. What's more lapping oxides may deteriorate the electrical properties of the outer layers of wire (with a thickness of several hundred microns) after hot rolling, while in the case of signals with higher frequencies important role in signal transduction plays a role in skin-effect. Oxygen-Free Copper is the subject topic of this article to several oxygen content (less than 3 ppm) is characterized by an excellent susceptibility to cold plastic processing even at a very deep processing. In the industrial conditions is produced, among others Upcast or Rautomead method. The applied process parameters (such as casting speed, the amount of water cooling crystallizer) determine the structural state of the feedstock, which is then dedicated to such to the process of drawing wires and microwires for electrical purposes. Interest in such materials resulted in increased growth of the world's scientists work on the preparation of high purity copper under laboratory conditions and its better understanding of the characteristics of materials. Among the many such solutions to the most technologically advanced methods include: Japan - Ohno Continuous Casting and Polish - DCC-AGH. They depend on continuous melting of cathodes, oxygen reduction and casting of copper which is characterized by directional structure with a the smallest amount of grains. In the description there were made characteristics of laboratory methods of obtain oxygen free copper. Characterization basic of the new develop method on the AGH - University of Science and Technology in Cracow on Faculty of Non-ferrous metals. In article presents technical parameters for the horizontal continuous casting of crystalline materials. Brought closer to the crystallizer used to develop design characterized by a low coefficient of heat dissipation and efficient secondary cooling zone. The whole development of complementary macrostructures presented longitudinal and cross sections of oxygen-free copper rods obtained in continuous casting process using different process parameters.

Słowa kluczowe

PL

DCC-AGH; Cu-OFE; miedź beztlenowa; metoda ciągłego topienia i odlewania; prędkość odlewania

EN

DCC-AGH; Cu-OFE; oxygen-free copper; method of continuous melting and casting; casting speed

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Rudy i Metale Nieżelazne
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 56, nr 11
• Strony: 719--723
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab., fot.

Twórcy

autor

Walkowicz M.

autor

Knych T.

autor

Smyrak B.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• 1. Knych T. i in.: Sposób ciągłego odlewania materiałów krystalicznych i urządzenie do poziomego, ciągłego odlewania materiałów krystalicznych. Zgłoszenie patentowe P. 393457.
• 2. Knych T. i in.: Sposób i układ do wytwarzania drutów z miedzi beztlenowej — zgłoszenie patentowe P.393656.
• 3. Ohno A.: Method for horizontal continuous casting of metal strip and apparatus therefor — Patent US 5.074.353, 24 Dec. 1991.
• 4. Ohno A.: Process and apparatus for the horizontal continuous casting of a metal molding – Patent US 4.605.056, 12 Aug. 1986.
• 5. Liebermann H. H.: Casting in a low density atmosphere, Patent EP 0124688, 10.02.1984.
• 6. Sommerhofer H.: Continuous casting method, Patent EP 1452252, 28.02,2003.
• 7. Sein C. E., Borzick W. J.: Method and apparatus for the electrolytic production of copper wire — Patent US 5.242.571, 07 Sep. 1993.
• 8. Jacobsen J., Langner B.: Copper wire and method and equipment for the production of copper wire — Patent Application US 0247384, 10 Nov. 2005.
• 9. Hiekkanen I., Renfors T.: Oxygen‐free copper alloy and method for its manufacture and use of copper alloy — Patent Application US 0198757, 07 Sep. 2006.
• 10. Kurosaka A., Chabata S., Tominaga H., Miyauchi K., Koike M., Nishida T., Takemura H., Watanabe T., Kasai K., Tsuboi T.: Copper alloys wire, and insulated electric wires and multiple core paralel bonded wires made of the same — Patent US 5.106.701, 21 Apr. 1992.