[发明专利]一种单晶化金属线液固辊轧柔性制备方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及冶金领域的单晶连铸技术，尤其涉及一种利用连续微熔滴液固辊轧制备单晶化金属线的方法与装置。

背景技术

随着电子信息工业的迅猛发展，在微电子器件、远程通讯和高保真音频设备等领域对单晶金属线材的需求越来越多，单晶金属线材由于具有优异的导电性能及低信号传输衰减性，可用于制备超大集成电路中的铜键合线、高保真通讯设备以及高质量的传输电缆，具有广阔的市场前景。如何制备出超细、无线长的单晶金属线材已经成为国内外研究学者争相研究的制备技术热点。

目前制备单晶金属线材常用的技术方法是单晶连铸技术，如：美国专利4515204《Continuous Metal Casting》和文献《单晶连铸技术研究》（范新会,李建国,傅恒志.材料研究学报,1996 (3)）均对其技术原理进行详细的报道。其原理是将一定量的金属材料熔化于坩埚内，采用加热铸型替代传统的冷铸型，在压力作用下将熔融金属液从铸型中挤出，并通过冷却器强制冷却作用，使热流沿着拉铸方向单项传导，从而形成定向凝固的条件，进而制备出单晶金属线材。虽然这种传统的单晶连铸技术能够避免铸型内壁形核的出现和较好的消除摩擦力，但制备过程需要精确控制固液界面高度，设备复杂控制难度较大，另外由于坩埚和导流管的分体设计，一方面受坩埚容积的限制，拉制金属线材的长度受限，另一方面会存在金属熔液断流的现象，导致超细丝拉丝中断等问题的出现。针对传统单晶连铸技术存在的上述问题，中国专利02145540.6提出了一种改进的单晶连铸技术制备单晶金属线材，如图1所示：该制备方法将坩埚（11-1）和导流管（11-2）合为一体（固液转化器11），通过加设送料系统10以局部熔化代替整体熔化，解决了单晶线材长度受限的技术问题。但该制备方法由于采用局部熔化代替整体熔化，导致线材送丝速度较慢，拉丝成形效率低；另一方面由于将坩埚和导流管合成为固液转化器，使得拉丝直径受限不能随意改变；在防氧化处理方面，其采用的局部低氧环境防氧化处理技术，会存在单晶金属线材局部氧化的问题。

发明内容：

针对目前超细、无线长单晶金属线材制备存在的技术问题，本发明提出一种利用连续微熔滴液固辊轧制备单晶化金属线的新方法和装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种液固辊轧柔性制备单晶化金属线的方法，包括以下步骤：

步骤1：依据成形单晶线材的材料和尺寸要求，选择金属线材和对应微型喷嘴的直径，将选择的金属线材料盘安装到料盘电机上面，并将金属线材的一端穿过线材输送导轮，经过金属线材输送管道，放入熔炼坩埚中；.

步骤2：打开惰性气体压力储蓄瓶和高分子循环泵，对手套箱进行低氧环境处理，使得手套箱内的压强与外界大气压保持基本一致，经过3～ 5h 的除氧处理后，确保手套箱内的氧含量低于1PPM；

步骤3：启动制冷器，通过冷气输送管道将产生的冷气输送到冷气储存腔中，依据热电偶的反馈温度设置冷气排气孔的开后大小，保证冷气强制对流冷却作用满足定向凝固的条件；

步骤4：启动计算机控制系统和多轴运动控制器，分别对左旋转电机、右旋转电机、平移轴伺服电机4、旋转轴伺服电机、料盘电机和导轮电机进行伺服上电；

步骤5：打开触屏人机界面，对每个电机的转速、转向进行设置，多轴运动控制器依据设置的参数对各个电机进行精确控制；

步骤6：启动温度控制器，并根据步骤一中选取的材料，设定环形加热炉的加热温度，使得环形加热炉将进入到坩埚中的金属线材熔化成金属熔液，并通过热电偶将温度信号反馈到温度控制器中，实现温度的闭环控制；

步骤7：启动料盘电机和导轮电机的转动，将金属线材精确定量输送到熔炼坩埚内部，控制坩埚内金属熔液在喷射过程中的液面高度保持不变；

步骤8：启动脉冲信号发生器，将产生的高频脉冲信号输入到高频电磁阀中，高频电磁阀依据脉冲信号进行开启/关闭，使脉冲气压腔内部产生高频脉冲气压，冲击底部的金属熔液，迫使金属熔液微型喷嘴中喷射出来，形成连续均匀的金属熔滴；

步骤9：启动旋转电机，保证均匀连续的金属熔滴沉积到轧制模具内部，控制旋转水冷轧辊的相对转动，完成辊轧成形出单晶线材；

步骤10：启动旋转轴伺服电机和平移轴伺服电机，旋转轴伺服电机带动绕线轮旋转，平移轴伺服电机带动直线滑台在水平方向上往复运动，进而将成形出的单晶线材缠绕在绕线轮上面；

步骤11：当成形出单晶线材缠满绕线轮时，取下绕线轮，安装另外一个绕线轮，继续完成单晶线材的制备。