CN101664801B - 稳恒磁场作用下铝合金低过热度复合铸造的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种稳恒磁场作用下铝合金低过热度复合铸造的方法及装置，装置由结晶器、电磁线圈、外层合金熔体分配器、冷却水套、换热板、小熔池和大熔池构成。工艺步骤为：合金熔炼、合金精炼，精炼后对合金熔体进行除气、扒杂，然后将熔体分别静置30～60min，启动静磁场，磁场强度30～40mT，开始高温熔体浇铸，浇铸温度高于该合金熔点15℃～30℃；高温熔体液面达到在换热板下沿之上40～50mm时，开始低温熔体开始浇铸，浇铸温度高于该合金熔点80℃～100℃；启动铸造机，开始进行常规的半连续铸造。本发明确保了稳定平直的冶金结合的复合界面的形成，在工艺上，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及铝合金复合铸造技术。
背景技术
铝合金在各个行业和领域的应用越来越广泛，对铝合金及其产品的品种、质量的要求也越来越高，双层或多层复合的铝合金复合材料，特别是板带材在众多领域得到了广泛的应用。但是，目前铝合金复合板带的生产主要是采用固-固复合轧制的方式制备的。由于这种制备方法是将两种或多种铝合金板坯在高温下，通过大压下率创造更多的新表面来实现复合，复合界面处往往存在氧化物和气孔等缺陷，结合强度不高。最终产品易出现气泡、裂纹等缺陷。为彻底解决上述问题，实现不同复合组元间的全面冶金结合，从而大幅度提高复合界面的结合强度，最佳的方法就是采用铸造复合。
目前，关于铸造复合的研究是金属材料成型领域的热点之一。主要的方法有电磁控制法、双结晶器法、充芯连铸法等多种方法，这些方法均存在或多或少的各种弊端。如电磁控制法，虽然可以在一定程度上，抑制金属的流动，但是由于熔融金属一般说来温度均较高，流动性较好，因而会在不同金属的接触界面附近形成混合区域。双结晶器法，顾名思义需要两套结晶器。双结晶器上下垂直布置，芯部金属与包覆金属分别浇注到上下两个结晶器中；先将芯部金属浇入上结晶器中，芯部金属在上结晶器中形成一定厚度的凝固坯壳，在下拉过程中，芯部铸坯进入到下结晶器时，浇注外层包覆金属液；借助金属液的热量使芯部坯表面部分熔化，通过元素的相互扩散形成一定厚度的中间结合层；这样，外层和芯部金属结合成一个整体。该方法工艺过程复杂，不易于工业应用，特别是由于芯部金属已经凝固成固态且凝固坯壳在空气中容易氧化，从而影响复合界面的结合状况。充芯连铸法，由于芯部熔体采用导流管进入结晶器，此前无冷却过程，极易造成熔体的混合，导致复合失败。
发明内容
针对目前铝合金复合铸造技术存在的问题，本发明提供一种稳恒磁场作用下铝合金低过热度铸造复合的方法及装置，达到制造稳定平直的冶金结合复合界面的目的。
本发明的装置由结晶器、电磁线圈、外层合金熔体分配器、冷却水套、换热板、小熔池和大熔池构成。小熔池设置在大熔池外部，在大熔池和小熔池之间的上部位置由内向外依次设置换热板和冷却水套，在小熔池的入口上方设置外层合金熔体分配器，在外层合金熔体分 配器下方、小熔池外部由内向外依次设置结晶器和电磁线圈。
本发明的外层合金熔体分配器设有熔体入口和熔体出口，由侧壁、盖板和底板围成的腔体内设置有分流挡块，分流挡块垂直于盖板和底板。
工作时，电磁线圈通直流电，在熔池内的熔体中形成稳恒磁场，利用稳恒磁场对熔体流动的抑制作用，抑制合金熔体的流动，阻碍不同合金熔体之间的混合，确保不同合金之间复合界面的平直。换热板材质为石墨，冷却水套和换热板沿结晶器大面布置于结晶器内侧，换热板下沿位于结晶器下沿之上；冷却水套和换热板用于隔离不同合金的熔体，并使高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层。一般说来，多层复合材料，其外层合金较薄，复合铸锭的外层合金宽厚比很大，铸造过程中，熔体分配的均匀性很难得到保证。本发明采用特殊的外层合金熔体分配器，以替代传统的铝合金铸造分流方式。内部的分流挡块可以保证熔体在分配器内部均匀分布，外层合金熔体分配器实现在分配器内部分流，在分配器熔体出口端以线式方式为半连续铸造提供合金熔体。
采用上述装置的本发明方法的工艺步骤如下。
(1)合金熔炼：将待复合的两种合金分别熔炼，高熔点合金的熔炼温度为760℃～820℃，低熔点合金的熔炼温度为760℃～820℃。
(2)合金精炼：将待复合的两种合金分别精炼，高熔点合金的精炼温度为740℃～760℃，低熔点合金的精炼温度为740℃～760℃。
(3)精炼后对合金熔体进行除气、扒杂，然后将熔体分别静置30～60min。
(4)将电磁线圈通电，启动静磁场，磁场强度30～40mT。
(5)高熔点合金熔体浇铸，浇铸温度高于该合金熔点15℃～30℃。
(6)高熔点合金熔体液面达到在换热板下沿之上40～50mm时，开始低熔点合金熔体浇铸，浇铸温度高于该合金熔点80℃～100℃。
高熔点合金熔体和低熔点合金熔体分别浇铸在大熔池、小熔池中。
(7)启动铸造机，开始进行常规的半连续铸造。
铸造机采用半连续铸造常规设备。
高熔点合金采用低过热度温度进行浇铸，即浇铸温度高于该合金熔点15℃～30℃。采用低过热度浇铸，可以降低对冷却水套和换热板换热能力的要求，且能保证高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；支持层厚度为5～10mm，支持层的固相率为70％～90％，保证不同合金在复合界面处形成冶金结合。
高熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上40～50mm，通过冷却水套和换热板的冷却作用，使高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和 支持层；低熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上5～10mm，以防止合金在复合界面处发生氧化，同时尽量减轻冷却水套和换热板对低熔点合金熔体的冷却作用。
上述的合金概念包括纯铝及各种牌号的铝合金。本发明采用在稳恒磁场作用下低过热度浇铸的铸造复合方法，具有以下优势：
(1)低过热度浇铸，降低了对冷却水套和换热板换热能力的要求，同时，由于稳恒磁场的引入，进一步确保了稳定平直的冶金结合的复合界面的形成，在工艺上，易于实现。
(2)新型外层合金熔体分配器的引入，为大规格复合板锭的生产提供了可能；因而，该方法更易于实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明的铸造复合装置示意图；
图2为外层合金熔体分配器结构示意图主视图；
图3为外层合金熔体分配器结构示意图俯视图；
图4为外层合金熔体分配器结构示意图A-A向视图；
图5为3004/4045合金复合铸锭宏观形貌，(a)横剖面；(b)纵剖面；
图6为3004/4045合金复合铸锭的微观组织，(a)铸锭边部；(b)复合中心处；
图7为纯Al/7075合金复合铸锭的宏观形貌，(a)横剖面；(b)纵剖面；
图8纯Al/7075合金复合铸锭的微观组织，(a)铸锭边部；(b)复合中心处。
图中：1结晶器，2电磁线圈，3外层合金熔体分配器，4冷却水套，5换热板，6小熔池，7大熔池，8侧壁，9熔体入口，10分流挡块，11盖板，12熔体出口，13底板。
具体实施方式
本发明的装置由结晶器1、电磁线圈2、外层合金熔体分配器3、冷却水套4、换热板5、小熔池6和大熔池7构成。小熔池6设置在大熔池7外部，在大熔池7和小熔池6之间的上部位置由内向外依次设置换热板5和冷却水套4，在小熔池6的入口上方设置外层合金熔体分配器3，在外层合金熔体分配器3下方、小熔池6外部由内向外依次设置结晶器1和电磁线圈2。
本发明的外层合金熔体分配器3设有熔体入口9和熔体出口12，由侧壁8、盖板11和底板13围成的腔体内设置有分流挡块10，分流挡块10垂直于盖板11和底板13。
工作时，电磁线圈2通直流电，在大熔池7和小熔池6内的熔体中形成稳恒磁场，利用稳恒磁场对熔体流动的抑制作用，抑制合金熔体的流动，阻碍不同合金熔体之间的混合，确保不同合金之间复合界面的平直。换热板5材质为石墨，冷却水套4和换热板5沿结晶器1 大面布置于结晶器1内侧，换热板5下沿位于结晶器1下沿之上；冷却水套4和换热板5用于隔离不同合金的熔体，并使高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层。外层合金熔体分配器3内部的分流挡块10可以保证熔体在分配器内部均匀分布，外层合金熔体分配器3实现在分配器内部分流，在分配器熔体出口端以线式方式为半连续铸造提供合金熔体。
以下通过实施例进一步说明本发明内容。
实施例1
4045/3004合金的铸造复合，工艺步骤如下。
(1)合金熔炼：将待复合的两种合金分别熔炼，高熔点合金(3004)的熔炼温度为790℃，低熔点合金(4045)的熔炼温度为790℃。
(2)合金精炼：将待复合的两种合金分别精炼，高熔点合金(3004)的精炼温度为750℃，低熔点合金(4045)的精炼温度为750℃。
(3)精炼后对合金熔体进行除气、扒杂，然后将熔体分别静置45min。
(4)将电磁线圈通电，启动静磁场，磁场强度35mT。
(5)高熔点合金熔体(3004)浇铸，浇铸温度高于该合金熔点20℃。
(6)高熔点合金熔体(3004)液面达到在换热板下沿之上45mm时，开始低熔点合金熔体(4045)浇铸，浇铸温度高于该合金熔点90℃。
高熔点合金熔体(3004)和低熔点合金熔体(4045)分别浇铸在大熔池、小熔池中。
(7)启动铸造机，开始进行常规的半连续铸造。
控制铸造速度：100mm/min
控制冷却水套水量：20L/min
控制结晶器二冷水水量：80L/min
高熔点合金采用低过热度温度进行浇铸，即浇铸温度高于该合金熔点20℃。采用低过热度浇铸，可以降低对冷却水套和换热板换热能力的要求，且能保证高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；支持层厚度为8mm，支持层的固相率为80％，保证不同合金在复合界面处形成冶金结合。
高熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上45mm，通过冷却水套和换热板的冷却作用，使高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；低熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上8mm，以防止合金在复合界面处发生氧化，同时尽量减轻冷却水套和换热板对低熔点合金熔体的冷却作用。
图5为3004/4045合金铸造复合锭坯的宏观形貌，图6为3004/4045合金复合铸锭的微观组 织。由两图可见，无论是宏观形貌还是微观组织，均显示：采用本发明的铸造复合方法，很好地实现了3004/4045合金的铸造复合；复合界面平直、稳定，复合界面处无氧化、夹杂，界面结合良好，为冶金结合。
实施例2
4045/3004合金的铸造复合，工艺步骤如下。
(1)合金熔炼：将待复合的两种合金分别熔炼，高熔点合金(3004)的熔炼温度为820℃，低熔点合金(4045)的熔炼温度为820℃。
(2)合金精炼：将待复合的两种合金分别精炼，高熔点合金(3004)的精炼温度为760℃，低熔点合金(4045)的精炼温度为760℃。
(3)精炼后对合金熔体进行除气、扒杂，然后将熔体分别静置60min。
(4)将电磁线圈通电，启动静磁场，磁场强度40mT。
(5)高熔点合金熔体(3004)浇铸，浇铸温度高于该合金熔点30℃。
(6)高熔点合金熔体(3004)液面达到在换热板下沿之上50mm时，开始低熔点合金熔体(4045)浇铸，浇铸温度高于该合金熔点100℃。
高熔点合金熔体(3004)和低熔点合金熔体(4045)分别浇铸在大熔池、小熔池中。
(7)启动铸造机，开始进行常规的半连续铸造。
控制铸造速度：110mm/min
控制冷却水套水量：20L/min
控制结晶器二冷水水量：80L/min
高熔点合金采用低过热度温度进行浇铸，即浇铸温度高于该合金熔点30℃。采用低过热度浇铸，可以降低对冷却水套和换热板换热能力的要求，且能保证高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；支持层厚度为10mm，支持层的固相率为90％，保证不同合金在复合界面处形成冶金结合。
高熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上50mm，通过冷却水套和换热板的冷却作用，使高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；低熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上10mm，以防止合金在复合界面处发生氧化，同时尽量减轻冷却水套和换热板对低熔点合金熔体的冷却作用。
实施例3
4045/3004合金的铸造复合，工艺步骤如下。
(1)合金熔炼：将待复合的两种合金分别熔炼，高熔点合金(3004)的熔炼温度为760℃，低熔点合金(4045)的熔炼温度为760℃。
(2)合金精炼：将待复合的两种合金分别精炼，高熔点合金(3004)的精炼温度为740℃，低熔点合金(4045)的精炼温度为740℃。
(3)精炼后对合金熔体进行除气、扒杂，然后将熔体分别静置30min。
(4)将电磁线圈通电，启动静磁场，磁场强度30mT。
(5)高熔点合金熔体(3004)浇铸，浇铸温度高于该合金熔点15℃。
(6)高熔点合金熔体(3004)液面达到在换热板下沿之上40mm时，开始低熔点合金熔体(4045)浇铸，浇铸温度高于该合金熔点80℃。
高熔点合金熔体(3004)和低熔点合金熔体(4045)分别浇铸在大熔池、小熔池中。
(7)启动铸造机，开始进行常规的半连续铸造。
控制铸造速度：90mm/min
控制冷却水套水量：20L/min
控制结晶器二冷水水量：80L/min
高熔点合金采用低过热度温度进行浇铸，即浇铸温度高于该合金熔点15℃。采用低过热度浇铸，可以降低对冷却水套和换热板换热能力的要求，且能保证高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；支持层厚度为5mm，支持层的固相率为70％，保证不同合金在复合界面处形成冶金结合。
高熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上40mm，通过冷却水套和换热板的冷却作用，使高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；低熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上5mm，以防止合金在复合界面处发生氧化，同时尽量减轻冷却水套和换热板对低熔点合金熔体的冷却作用。
实施例4
Al/7075合金的铸造复合，工艺步骤如下。
(1)合金熔炼：将待复合的两种合金分别熔炼，高熔点合金(7075)的熔炼温度为790℃，Al的熔炼温度为790℃。
(2)合金精炼：将待复合的两种合金分别精炼，高熔点合金(7075)的精炼温度为750℃，Al的精炼温度为750℃。
(3)精炼后对合金熔体进行除气、扒杂，然后将熔体分别静置45min。
(4)将电磁线圈通电，启动静磁场，磁场强度35mT。
(5)高熔点合金熔体(7075)浇铸，浇铸温度高于该合金熔点20℃。
(6)高熔点合金熔体(7075)液面达到在换热板下沿之上45mm时，开始Al熔体浇铸，浇铸温度高于该合金熔点90℃。
高熔点合金熔体(7075)和Al分别浇铸在大熔池、小熔池中。
(7)启动铸造机，开始进行常规的半连续铸造。
控制铸造速度：62mm/min
控制冷却水套水量：20L/min
控制结晶器二冷水水量：80L/min
高熔点合金采用低过热度温度进行浇铸，即浇铸温度高于该合金熔点20℃。采用低过热度浇铸，可以降低对冷却水套和换热板换热能力的要求，且能保证高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；支持层厚度为8mm，支持层的固相率为80％，保证不同合金在复合界面处形成冶金结合。
高熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上45mm，通过冷却水套和换热板的冷却作用，使高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；低熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上8mm，以防止合金在复合界面处发生氧化，同时尽量减轻冷却水套和换热板对低熔点合金熔体的冷却作用。
图7为Al/7075合金铸造复合锭坯的宏观形貌，图8为Al/7075合金复合铸锭的微观组织。由两图可见，无论是宏观形貌还是微观组织，均显示：采用本发明的铸造复合方法，很好地实现了Al/7075合金的铸造复合；复合界面平直、稳定，复合界面处无氧化、夹杂，界面结合良好，为冶金结合。
实施例5
Al/7075合金的铸造复合，工艺步骤如下。
(1)合金熔炼：将待复合的两种合金分别熔炼，高熔点合金(7075)的熔炼温度为820℃，Al的熔炼温度为820℃。
(2)合金精炼：将待复合的两种合金分别精炼，高熔点合金(7075)的精炼温度为760℃，Al的精炼温度为760℃。
(3)精炼后对合金熔体进行除气、扒杂，然后将熔体分别静置60min。
(4)将电磁线圈通电，启动静磁场，磁场强度40mT。
(5)高熔点合金熔体(7075)浇铸，浇铸温度高于该合金熔点30℃。
(6)高熔点合金熔体(7075)液面达到在换热板下沿之上50mm时，开始Al熔体浇铸，浇铸温度高于该合金熔点100℃。
高熔点合金熔体(7075)和Al分别浇铸在大熔池、小熔池中。
(7)启动铸造机，开始进行常规的半连续铸造。
控制铸造速度：65mm/min
控制冷却水套水量：20L/min
控制结晶器二冷水水量：80L/min
高熔点合金采用低过热度温度进行浇铸，即浇铸温度高于该合金熔点30℃。采用低过热度浇铸，可以降低对冷却水套和换热板换热能力的要求，且能保证高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；支持层厚度为10mm，支持层的固相率为90％，保证不同合金在复合界面处形成冶金结合。
高熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上50mm，通过冷却水套和换热板的冷却作用，使高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；低熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上10mm，以防止合金在复合界面处发生氧化，同时尽量减轻冷却水套和换热板对低熔点合金熔体的冷却作用。
实施例6
Al/7075合金的铸造复合，工艺步骤如下。
(1)合金熔炼：将待复合的两种合金分别熔炼，高熔点合金(7075)的熔炼温度为760℃，Al的熔炼温度为760℃。
(2)合金精炼：将待复合的两种合金分别精炼，高熔点合金(7075)的精炼温度为740℃，Al的精炼温度为740℃。
(3)精炼后对合金熔体进行除气、扒杂，然后将熔体分别静置30min。
(4)将电磁线圈通电，启动静磁场，磁场强度30mT。
(5)高熔点合金熔体(7075)浇铸，浇铸温度高于该合金熔点15℃。
(6)高熔点合金熔体(7075)液面达到在换热板下沿之上40mm时，开始Al熔体浇铸，浇铸温度高于该合金熔点80℃。
高熔点合金熔体(7075)和Al分别浇铸在大熔池、小熔池中。
(7)启动铸造机，开始进行常规的半连续铸造。
控制铸造速度：60mm/min
控制冷却水套水量：20L/min
控制结晶器二冷水水量：80L/min
高熔点合金采用低过热度温度进行浇铸，即浇铸温度高于该合金熔点15℃。采用低过热度浇铸，可以降低对冷却水套和换热板换热能力的要求，且能保证高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；支持层厚度为5mm，支持层的固相率为70％，保证不同合金在复合界面处形成冶金结合。
高熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上40mm，通过冷却水套和换热板的冷却作用， 使高熔点合金在与低熔点合金熔体直接接触之前，形成稳定的具有一定强度的支持面和支持层；低熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上5mm，以防止合金在复合界面处发生氧化，同时尽量减轻冷却水套和换热板对低熔点合金熔体的冷却作用。
Claims (6)
1.一种稳恒磁场作用下铝合金低过热度复合铸造的装置，其特征在于由结晶器、电磁线圈、外层合金熔体分配器、冷却水套、换热板、小熔池和大熔池构成，小熔池设置在大熔池外部，在大熔池和小熔池之间的上部位置由内向外依次设置换热板和冷却水套，在小熔池的入口上方设置外层合金熔体分配器，在外层合金熔体分配器下方、小熔池外部由内向外依次设置结晶器和电磁线圈。
2.按照权利要求1所述的稳恒磁场作用下铝合金低过热度复合铸造的装置，其特征在于外层合金熔体分配器设有熔体入口和熔体出口，由侧壁、盖板和底板围成的腔体内设置有分流挡块，分流挡块垂直于盖板和底板。
3.按照权利要求1所述的稳恒磁场作用下铝合金低过热度复合铸造的装置，其特征在于换热板材质为石墨，冷却水套和换热板沿结晶器大面布置于结晶器内侧，换热板下沿位于结晶器下沿之上。
4.采用权利要求1所述的装置进行铝合金低过热度复合铸造的方法，其特征在于工艺步骤如下：
(1)合金熔炼：将待复合的两种合金分别熔炼，高熔点合金的熔炼温度为760℃～820℃，低熔点合金的熔炼温度为760℃～820℃；
(2)合金精炼：将待复合的两种合金分别精炼，高熔点合金的精炼温度为740℃～760℃，低熔点合金的精炼温度为740℃～760℃；
(3)精炼后对合金熔体进行除气、扒杂，然后将熔体分别静置30～60min；
(4)将电磁线圈通电，启动静磁场，磁场强度30～40mT；
(5)高熔点合金熔体浇铸，浇铸温度高于该合金熔点15℃～30℃，
(6)高熔点合金熔体液面达到在换热板下沿之上40～50mm时，开始低熔点合金熔体浇铸，浇铸温度高于该合金熔点80℃～100℃；
(7)启动铸造机，开始进行常规的半连续铸造。
5.按照权利要求4所述的铝合金低过热度复合铸造的方法，其特征在于高熔点合金熔体和低熔点合金熔体分别浇铸在大熔池、小熔池中。
6.按照权利要求4所述的铝合金低过热度复合铸造的方法，其特征在于低熔点合金熔体的液面，在换热板下沿之上5～10mm。
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