Bazując na przyjętej koncepcji rozwiązania tezy i tematu pracy zaprojektowano i przeprowadzono szereg badań eksperymentalnych i analiz teoretycznych dotyczących problemów całego ciągu technologicznego wytwarzania materiałów wsadowych i drutów z miedzi w gat. Cu-ETP ze szczególnym uwzględnieniem ich umocnienia i odkształcalności, wnikając w szczegółowe analizy struktury oraz własności wytrzymałościowych i elektrycznych modyfikowane obecnością eutektycznego tlenku Cu2O. Przeprowadzane badania i analizy można podsumować następująco:
W ramach badań pasma wytworzonego w procesie ciągłego topienia i odlewania:
1. W odlewanym paśmie z miedzi w gat. Cu-ETP występuje dyskretny rozkład tlenku Cu2O eutektycznego pochodzenia. Monokryształy tlenku ulokowane są na powierzchniach ziaren, dendrytów oraz w przestrzeniach międzydendrytycznych. 2. Kształt i rozmiary tlenków Cu2O w większości przypadków są równoosiowe
o wymiarze głównym rzędu kilku mikrometrów (2 - 5 µm). Zaobserwować można także tlenki o wydłużonym kształcie dochodzącym nawet do 10 µm długości (bikryształy). 3. Badania jednorodności własności elektrycznych pasma ujawniają wysoką jednorodność
półproduktów po procesie odlewania, pomimo skłonności miedzi w gat. ETP do makrosegregacji tlenu podczas procesu krzepnięcia.
4. Tlenek Cu2O nie jest zwilżalny przez miedź przez co, płaszczyzny międzykrystaliczne są niskowytrzymałe, a krystality ułożone w kierunku prostopadłym do kierunku rozciągania są przyczyną obniżonej wytrzymałości mechanicznej odlewu i wykazują anizotropię plastyczną ujawniającą się zmianą przekroju kołowego próbki w eliptyczny podczas procesu rozciągania.
5. Gęstość odlewanego pasma wynosi 8750 kg/m3, co stanowi 98,4% gęstości walcówki.
W ramach badań walcówki wytworzonej w procesie walcowania:
1. Typowa miedź w gatunku ETP zawiera od 150-200 ppm wag. tlenu, co przy uwzględnieniu, że 80 ppm znajduje się w roztworze, może się przekładać na całkowitą masę tlenku Cu2O od 630-1080 g na tonę walcówki.
2. Walcówka w gat. ETP charakteryzuje się drobną równomierną, zrekrystalizowaną w warunkach dynamicznych osnową o średniej wielkości ziarna od 30-40 µm.
3. W strukturze walcówki w gat. ETP znajdują eutektyczne tlenki Cu2O, a ich wielkość wynosi od 2 do 5 µm. Tlenki posiadają podobne kształty i wymiary do tych, które obserwuje się w odlewanym paśmie i są one szczelnie otoczone miedzianą osnową. 4. W przypadku materiałów badanych porównawczo (OFC, OFC-C) nie zaobserwowano
176
5. Monokryształy Cu2O w materiałach wsadowych posiadają regularne, obłe, kuliste kształty i są szczelnie wypełnione miedzianą osnową.
6. Tlenki Cu2O są wysokowytrzymałe na ściskanie i niskowytrzymałe na rozciąganie, a co za tym idzie wykazują cechy charakterystyczne dla materiałów ceramicznych. Wrażliwość tlenków na siły rozciągające objawia się już w pierwszych etapach procesu rozciągania, niewielkie wydłużenie na poziomie 10% skutkuje pęknięciami cząstek.
W ramach badań drutów wytworzonych w procesie ciągnienia:
1. Podczas procesu ciągnienia następuje fragmentaryzacja cząstek tlenku, zwłaszcza w pierwszych etapach procesu ciągnienia. W materiale bardziej umocnionym przy większych naciskach na ścianę ciągadła i wyższych wartościach sił rozciągających następuje kruche pękanie tlenków Cu2O.
2. Obserwacje kształtu i wymiarów cząstek tlenku Cu2O w drutach z miedzi w gat. ETP wykazały, że kryształy tlenku w początkowych etapach procesu ciągnienia posiadają nieregularne, często czworokątne kształty o ostrych krawędziach.
3. Pokruszone tlenki ułożone są wzdłuż linii plastycznego płynięcia materiału.
4. Poniżej pewnej granicznej średnicy drutu (ok. 2 mm) nie obserwuje się dalszej fragmentaryzacji pokruszonych cząstek tlenku Cu2O, a ich wielkość osiąga wymiar około 1 µm. Z analizy parametrów siłowych procesu wynika, że siły rozciągające w kotlinie są niewystarczające, aby przekroczyć wytrzymałość na rozciąganie tlenków. Brak dalszej fragmentaryzacji tlenków podczas procesu ciągnienia drutów o małych średnicach jest niekorzystny, ponieważ ich udział w przekroju poprzecznym drutu (zwłaszcza mikrodrutów) staje się dominujący i może prowadzić do zerwania. 5. Z obserwacji kształtu tlenków w drutach o małych średnicach wynika, że znikają
ich ostre krawędzie, co może oznaczać, że umocniona osnowa miedziana ściera tlenek (proces szlifowania). Powstający w ten sposób nanościer Cu2O może wpływać negatywnie na wyżarzalność i przewodność elektryczną miedzi. Z kolei owalizacja cząstek jest korzystna z punktu widzenia obniżenia skutków działania wewnętrznych mikrokarbów.
6. W drutach o małej średnicy, które charakteryzują się umocnioną osnową miedzianą następuje utrudnione płynięcie promieniowe i obwodowe materiału wokół tlenku, co jest przyczyną nieciągłości materiału (puste obszary) obserwowanych na linii plastycznego płynięcia tuż przed i za tlenkiem.
7. Analiza obrazów cząstek tlenku obserwowanych w drutach wytworzonych w warunkach przemysłowych z dużą prędkością ciągnienia ukazuje pewien fenomen polegający na braku pustych obszarów wzdłuż linii prądu przed i za cząstką. Może to wynikać z braku poślizgu osnowy o cząstkę, o czym może świadczyć kanciasty (nieoszlifowany) kształt cząstek.
177
8. Z badań analitycznych procesu ciągnienia walcówki na druty wynika, że w kotlinie odkształcenia średnia liczba cząstek, uwzględniając wielkość cząstek i ich masę właściwą, może w miedzi o zawartości 200 ppm wag. tlenu wynosić od kilkudziesięciu milionów do kilku tysięcy w zależności od średnicy drutu i geometrii ciągadła.
9. Występowanie wad wewnętrznych (powiązanych z obecnością tlenku Cu2O) w drucie prowadzi do obniżenia przewodności elektrycznej, gęstości, wytrzymałości na działanie sił rozciągających oraz niejednorodnością lokalnych stanów mikronaprężeń wokół tlenku, co zagraża ryzykiem zrywania się drutów, zwłaszcza na ciągarkach poślizgowych, które charakteryzują się dynamicznym dwustanowym rytmem pracy. 10. Nie stwierdzono istotnej roli tlenku Cu2O na umocnienie materiału. Obecność tlenków
może natomiast ujawniać swój wpływ na podatność miedzi do wyżarzania.
11. Obecność mikro frakcji Cu2O może przyspieszać/aktywizować powstawanie wad typu „central burst”.
12. Obserwacje dotyczące obecności tlenku Cu2O w strukturze drutów miedzianych w przypadku miedzi w gat. Cu-ETP pokazują, że podczas procesu ciągnienia drutów mamy do czynienia ze swoistym rodzajem „kompozytu Cu-Cu2O”.
13. W świetle powyższych wniosków korzystnie jest obniżać zawartość tlenu w miedzi w gat. Cu-ETP, przy czym jego zawartość powinna być zoptymalizowana do rodzaju i stężenia atomów pierwiastków zanieczyszczeń i przeznaczenia walcówki jeśli chodzi o średnicę końcową drutu. Jednocześnie mniejsza zawartość tlenu pozwala na większą rozpuszczalność wodoru w ciekłej miedzi, co stwarza zagrożenie zwiększoną porowatością pasma i spotęgowania wad typu „central burst”.
Wyszczególnione wyniki badań i analizy zmierzające do udowodnienia przyjętej tezy pracy, która zakłada, że nieodkształcalne plastycznie i słabo związane z miedzianą osnową
tlenki miedzi Cu2O, które są miejscami nieciągłości struktury oraz źródłem lokalnych naprężeń
wewnętrznych prowadzących do rozwoju mikropęknięć podczas odkształcenia i w skutku do ryzyka całkowitego zniszczenia umocnionej osnowy podczas procesu ciągnienia drutów, zwłaszcza o małych średnicach, stanowią oryginalny materiał badawczy pozwalający
na głębsze poznanie szeregu niewyjaśnionych dotychczas materiałowych przyczyn ograniczonej odkształcalności miedzi w rzeczywistych warunkach technologicznych procesu ciągnienia drutów, zwłaszcza o małych średnicach.
W pracy uzyskano informacje o wpływie czystości chemicznej, struktury oraz obecności tlenu w miedzi na jej własności fizyczne, mechaniczne i technologiczne. W znaczącym stopniu rozpoznano problem wpływu obecności nieodkształcalnych plastycznie eutektycznych kryształów tlenku Cu2O w miedzi na jej odkształcalność w procesie ciągnienia i zidentyfikowano wielkość, kształt oraz rozkład cząstek Cu2O w objętości walcówki, a także ich ewolucję w procesie ciągnienia drutów zwłaszcza o małych średnicach.
178
Pozyskana wiedza stworzyła bazę informacji umożliwiających wyjaśnienie przyczyn i mechanizmów często obserwowanej w praktyce przemysłowej ograniczonej odkształcalności oraz limitu przewodności elektrycznej i własności mechanicznych umocnionych drutów miedzianych.
Przedstawione w niniejszej pracy wyniki badań nie zamykają tematu wpływu tlenku Cu2O na zachowanie się i ewolucję własności miedzi w gat. Cu-ETP w procesie ciągnienia. Mając na uwadze złożoność tego wieloetapowego, dynamicznego procesu i różne możliwości optymalizacji jego technologii, uzyskane wyniki badań mogą stanowić, zdaniem Autora, inspirację do podjęcia dalszych badań nad gromadzeniem nowej wiedzy na temat wpływu parametrów procesowych, a w tym kształtu stożka roboczego ciągadła na skłonność do fragmentaryzacji oraz ewolucję kształtu i wielkości cząstek tlenku Cu2O w ciągnionych drutach. Szczególnie istotne mogą się okazać modelowe analizy komputerowe tworzenia się nieciągłości na granicy faz miedź-tlenek . W praktyce przemysłowej typowe ciągadła posiadają oczko o stałym kącie na długości kotliny. W przypadku miedzi kąt ten wynosi 9 o. Łukowy kształt ciągadła wprowadza inny charakter płynięcia, inny rozkład nacisku metalu na ścianę ciągadła oraz inną charakterystykę prędkości odkształcenia na długości kotliny w porównaniu z ciągadłem stożkowym, co w powiązaniu z badaniami wpływu dużych prędkości ciągnienia może stworzyć podstawy do praktycznej modyfikacji technologii w obszarze ciągnienia mikrodrutów z miedzi w gat. Cu-ETP. Taki program powinien uwzględniać głównie badania drutów uzyskanych w rzeczywistych warunkach przemysłowych wykorzystujących wysokowydajne agregaty do wielodrutowego ciągnienia.
179