電子束真空精煉直接定向凝固制備高純銅的研究
以電子束真空熔煉直接定向凝固技術制備5N 高純銅大鑄錠為研究目標, 利用電子束熔煉原材料, 熔體直接定向凝固后得到高純銅鑄錠。采用GDMS-VG9000 輝光放電質譜儀和TCH600 氧氫分析儀研究了金屬雜質及氧氫元素的去除效果,通過EPMA- 1600 電子探針研究了提純后元素的分布情況。結果表明: 真空電子束熔煉直接定向凝固技術可將原料為4N( 99.9988711%) 的電解陰極銅板, 制備出純度5N( 99.9997235%) 、直徑59 mm 大尺寸高純銅鑄錠, 雜質元素總量降低了75506%,中間凝固組織為單晶; 五種含量較高的元素Ag、Cu、O、P 和S 均勻分布, 沒有出現雜質的偏聚現象; 與原材料相比, O、H 元素分別降低了86.47%, 85.00%。研究表明真空電子束精煉直接定向凝固技術能夠制備氧氫含量較低的5N 大尺寸高純銅鑄錠。
高純銅的傳統提純技術主要有電解精煉法、陰離子交換法和區熔精煉法。電解精煉法提純5N-6N 高純銅需要7- 10 天, 質量也不穩定。陰離子交換法工藝復雜, 不利于環保且質量不穩定。區熔精煉法仍然被用來制備高純材料, 但是效率低、能耗高。為此, 一些學者和研究機構開始研究其它制備高純銅的方法。綿陽國家表面物理化學實驗室采用真空垂直區域熔煉精煉99.9% 銅, 使銅的純度達到99.997%。文獻報道了金川公司以4N 電解銅為原料, 制備pH 為2.0~ 3.5 的硝酸銅溶液, 獲得6N 電解銅板, 再通過電子束熔煉使氧含量得到大幅度地降低, 制備出了6N 高純銅鑄錠, 然后金川公司采用電子束熔煉成功生產出純度達到99.9999%、重量為25 kg 的超純銅錠, 該技術是中國高純銅生產的最高水平。文獻報道了采用電解法生產出了8N 高超銅( 不含C、N、O、H、P、S 氣體元素) , 生產周期為20 天, 但是高純銅中較高的氧含量仍然無法去除。英國及日本的學者G.M. Lalev 等利用氫等離子弧經過10 次區域熔煉精煉4N 及6N 銅原料, 發現Si、Ti、Fe 的含量在x / L = 0.03 處明顯降低。
迄今為止, 采用電子束熔煉直接定向凝固技術制備高純銅鑄錠報道還較少。在濺射靶材、電子及通訊行業, 純銅鑄錠中較高的氫氧含量則會影響產品的性能, 提高純度和降低氫氧含量則顯得尤為重要。電子束精煉和定向凝固技術具有去除雜質和氫氧含量的優點, 所以本文的研究具有重要意義。
本文采用4N 電解陰極銅板為原料, 經過電子束精煉和定向凝固制備技術提純后, 研究了大尺寸銅鑄錠的宏觀組織、元素分布、晶粒取向和雜質濃度的變化。
1、 實驗過程
電子束真空精煉直接定向凝固制備高純銅的實驗過程
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2、結果與討論
2.1、凝固組織及晶粒取向
電子束真空精煉直接定向凝固制備高純銅的凝固組織及晶粒取向
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2.2、金屬雜質去除效果
電子束真空精煉直接定向凝固制備高純銅的金屬雜質去除效果
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2.3、氧氫元素去除效果
電子束真空精煉直接定向凝固制備高純銅的氧氫元素去除效果
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3 、結論
(1) 真空電子束熔煉直接定向凝固可以將原料為4N( 99.9988711%) 的電解陰極銅板, 制備出純度5N( 99.9997235%) 、直徑59 mm 大尺寸高純銅鑄錠, 中間組織為單晶。雜質元素總量降低了75.506% , 在晶粒內部五種含量較高的元素Ag、Cu、O、P 和S 均勻分布, 沒有出現雜質的偏聚, 說明此工藝適合制備性能均勻的高純銅鑄錠。
(2) 高純銅鑄錠的氧氫元素有了較大幅度的下降, 與銅原料相比, O、H 分別降低了86.47% ,85.00%。
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