CN101838783A - 通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法。本发明克服了传统铝钛碳合金压力加工过程中不能定量优化技术参数的缺陷，证明对加工参数的控制可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量。同时，采用上述方案后，在设定压力加工参数如压力加工前后的温度差、出口线速度和机架数的情况下，通过精确控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比，可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量，晶粒细化能力的变化量越大，在铝钛碳合金压力加工前的晶粒细化能力值AA一定时，则铝钛碳合金压力加工后的晶粒细化能力值AA越小，铝钛碳合金细化铝及铝合金晶粒的能力就越强。
Description
【技术领域】
本发明涉及金属材料的加工工艺，特别涉及在铝钛碳合金的制造中通过控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力变化量的方法。
【背景技术】
铝钛碳合金是全球范围内铝材加工中普遍使用并且最为有效的细化铝及铝合金凝固晶粒的中间合金。铝钛碳合金的晶粒细化能力是决定铝加工材品质好坏的重要因素之一，铝钛碳合金的晶粒细化能力越高，则铝加工材的屈服强度越高、压延塑性越好、韧脆转变温度越低，反之铝加工材品质越差，这一点在铝加工材应用于航空航天上时体现得更加明显。为此，各铝钛碳合金的生产企业和研究机构都在大力加强铝钛碳合金晶粒细化能力的研究，美国铝业协会还特别规定晶粒细化能力值AA(以下简称AA值)，AA值是度量铝钛碳合金晶粒细化能力高低的数量值，AA值越小表示铝钛碳合金细化铝及铝合金晶粒的能力越强，即添加AA值越小的铝钛碳合金后制成的铝及铝合金的晶粒越细小，AA值由最先的250逐渐降为170。现有铝钛碳合金加工技术中，普遍注重材料组分、熔炼工艺等方面的研究，而忽略了铝钛碳合金在轧制压力加工过程中的质量控制；压力加工包括轧机轧制和铸挤机挤压两种，目前片面地认为压力加工对铝钛碳合金的晶粒细化能力无影响，也不知道压力加工前后截面积之比亦即压缩比、压力加工前后的温差、出口线速度、机架数与铝钛碳合金晶粒细化能力变化量的关系，只是凭经验控制压力加工前后截面积之比亦即压缩比、压力加工前后的温差等，没有建立一套可定量优化控制的技术方法。
【发明内容】
本发明提供一种在设定压力加工参数如压力加工前后的温度差、出口线速度和机架数的情况下，通过精确控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比、可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法，解决目前存在的不能定量与优化控制铝钛碳合金压力加工参数的问题以及由此带来的铝钛碳合金晶粒细化能力的变化的技术问题。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：提供一种通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法，该方法包括：
A.首先建立铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA与铝钛碳合金压力加工过程中加工参数的函数关系，即：
ΔAA＝K·D·V÷(ΔT·n)
其中ΔAA＝AA1-AA2，AA1为铝钛碳合金压力加工前的晶粒细化能力值，AA2为铝钛碳合金压力加工后的晶粒细化能力值，K为常数，D为铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比， S1为铝钛碳合金压力加工前的截面积，S2为铝钛碳合金压力加工后的截面积，ΔT为铝钛碳合金压力加工前后的温度差，V为出口线速度，n为机架数；
B.设定加工参数V、ΔT和n，然后通过精确控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比D，以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA。
在铝钛碳合金的制造中有一个国际标准，即最终输出的铝钛碳合金产品的直径为9.5mm，即截面积为70.8mm2。所述函数关系：ΔAA＝K·D·V÷(ΔT·n)既能应用在制造铝钛碳合金的轧机中也能应用在制造铝钛碳合金的铸挤机中，所述函数关系既符合单一机架的计算，也符合多个机架的总计算，同时也符合多个机架中最后一个机架的计算。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：本发明克服了传统铝钛碳合金压力加工过程中不能定量优化技术参数的缺陷，证明对加工参数的控制可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量。同时，采用上述方案后，在设定压力加工参数压力如加工前后的温度差、出口线速度和机架数的情况下，通过精确控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比，可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量；晶粒细化能力的变化量越大，在铝钛碳合金压力加工前的晶粒细化能力值AA一定时，则铝钛碳合金压力加工后的晶粒细化能力值AA越小，铝钛碳合金细化铝及铝合金晶粒的能力就越强。
【附图说明】
图l为本发明应用通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法的连铸连轧生产工艺的结构示意图；
图2为本发明应用通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法的连铸连挤生产工艺的结构示意图；
图3为本发明应用通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法的轧机的单机架结构示意图；
图4为本发明应用通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法的铸挤机的结构示意图。
图1至图4中有关部位名称为：坩埚10、结晶轮20、轧机30、轧辊31、铸挤机40、冷却液50。
【具体实施方式】
本案申请人经过长期实验摸索后得出结论，在铝钛碳合金压力加工过程中，压力加工参数将直接影响到铝钛碳合金的晶粒细化能力。为此，本申请人通过进口连铸连轧设备、申请人自产的连铸连轧设备、申请人自产的连铸连挤设备进行实验，摸索出压力加工参数与铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA之间的关系；以下为本申请人在实验中得到的部分实验数据列表：
表1
| 960 | 70.8 | 13.6 | 4 | 6 | 8 | 13.0 | 170 | 157 |
| 980 | 70.8 | 13.8 | 4 | 6 | 8 | 13.3 | 170 | 157 |
| 1000 | 70.8 | 14.1 | 4 | 6 | 8 | 13.6 | 170 | 156 |
| 1160 | 70.8 | 16.4 | 4 | 6 | 8 | 15.8 | 170 | 154 |
| 1180 | 70.8 | 16.7 | 4 | 6 | 8 | 16.0 | 170 | 154 |
| 1200 | 70.8 | 16.9 | 4 | 6 | 8 | 16.3 | 170 | 154 |
| 760 | 70.8 | 10.7 | 5 | 9 | 10 | 9.9 | 170 | 160 |
| 780 | 70.8 | 11.0 | 5 | 9 | 10 | 10.2 | 170 | 160 |
| 800 | 70.8 | 11.3 | 5 | 9 | 10 | 10.4 | 170 | 160 |
| 960 | 70.8 | 13.6 | 5 | 9 | 10 | 12.5 | 170 | 157 |
| 980 | 70.8 | 13.8 | 5 | 9 | 10 | 12.8 | 170 | 157 |
| 960 | 70.8 | 13.6 | 4 | 6 | 8 | 13.0 | 170 | 157 |
| 1000 | 70.8 | 14.1 | 5 | 9 | 10 | 13.0 | 170 | 157 |
| 1160 | 70.8 | 16.4 | 5 | 9 | 10 | 15.1 | 170 | 155 |
| 1180 | 70.8 | 16.7 | 5 | 9 | 10 | 15.4 | 170 | 155 |
| 1200 | 70.8 | 16.9 | 5 | 9 | 10 | 15.7 | 170 | 154 |
在铝钛碳合金制造中有一个国际标准，即最终输出的铝钛碳合金产品的直径为9.5mm、即截面积为70.8mm2。表1为使用连铸连轧设备得出的实验数据，连铸连轧设备包括轧机30、冷却压力加工过程中的铝钛碳合金的冷却模块、冷却模块包括检测铝钛碳合金压力加工前后温度的测温器。铝钛碳合金通过轧机30的两个轧辊31配合轧机完成压力加工，铝钛碳合金在压力加工前、后和压力加工过程中都是固态。在压力加工中，存在着两个温度节点，即受压前和解压后；在轧机30的压力加工过程中，铝钛碳合金在受压前的瞬间温度和输入温度近似相等，解压后的瞬间温度和输出温度近似相等，因此，在轧机30上检测铝钛碳合金压力加工前、后两点的温度较为方便。
图1为应用通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法的连铸连轧生产工艺的结构示意图，从坩埚10出来的铝钛碳合金熔体经过结晶轮20形成铝钛碳合金棒，然后棒状的铝钛碳合金进入轧机30压力加工。轧机30的机架数n可以为3、4、5、6、7、8、9、10。如图1所示，轧机30中的机架数n为10。如图3所示，轧机30中的轧辊31能承受铝钛碳合金压力加工前的截面积S1，并能调节轧辊31使得满足铝钛碳合金压力加工后的截面积S2。测温器至少有两个，分别检测铝钛碳合金轧制压力加工前、后的温度，铝钛碳合金压力加工前的温度为300-450℃，铝钛碳合金经过轧机30后温度会升高，冷却模块喷洒冷却液在轧机30的轧辊31和轧制中的铝钛碳合金上；通过控制冷却液50的流量使得铝钛碳合金压力加工前后的温度差ΔT控制在一个合理的范围，冷却液50可以是水；最后铝钛碳合金从轧机30出来后形成铝钛碳合金杆。
从表1使用连铸连轧设备得出的实验数据中，申请人经过反复研究和总结后得到的压力加工参数与铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA之间的函数关系为：ΔAA＝K·D·V÷(ΔT·n)
其中ΔAA＝AA1-AA2，AA1为铝钛碳合金压力加工前的晶粒细化能力值，AA2为铝钛碳合金压力加工后的晶粒细化能力值，K为常数，通过表1数值计算得出K为5.13，D为铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比， S1为铝钛碳合金压力加工前的截面积，S2为铝钛碳合金压力加工后的截面积，ΔT为铝钛碳合金压力加工前后的温度差，V为出口线速度，ΔT和V有函数关系：V＝3ΔT-6，V≥1m/s、且出口线速度V目前能达到的最大值为30m/s，n为机架数。
所述函数关系：ΔAA＝K·D·V÷(ΔT·n)符合轧机的多个机架的总计算，也符合轧机的单一机架的计算，如符合轧机的最后一个机架的计算；当n＝1时，必定指的是最后一个机架的计算，最后一个机架中输出的铝钛碳合金产品的截面积为70.8mm2。
在铝钛碳合金制造中，一般压力加工参数如：压力加工前后的温度差ΔT、出口线速度V和机架数n都在设定后固定不变，通过精确控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比D，可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA。如表1所示，在设定ΔT＝4℃，V＝6m/s，n＝8时，通过控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比D从10.7变化到16.9，可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA从10.3变化到16.3，在铝钛碳合金压力加工前的晶粒细化能力值AA1为一定值170时，铝钛碳合金压力加工后的晶粒细化能力值AA2从160变化到154。
表2
| 980 | 70.8 | 13.8 | 149 | 5 | 1 | 2.4 | 170 | 168 |
| 1000 | 70.8 | 14.1 | 149 | 5 | 1 | 2.4 | 170 | 168 |
| 1160 | 70.8 | 16.4 | 149 | 5 | 1 | 2.8 | 170 | 167 |
| 1180 | 70.8 | 16.7 | 149 | 5 | 1 | 2.9 | 170 | 167 |
| 1200 | 70.8 | 16.9 | 149 | 5 | 1 | 2.9 | 170 | 167 |
| 1360 | 70.8 | 19.2 | 149 | 5 | 1 | 3.3 | 170 | 167 |
| 1380 | 70.8 | 19.5 | 149 | 5 | 1 | 3.4 | 170 | 167 |
| 1400 | 70.8 | 19.8 | 149 | 5 | 1 | 3.4 | 170 | 167 |
| 760 | 70.8 | 10.7 | 151 | 6 | 1 | 2.2 | 170 | 168 |
| 780 | 70.8 | 11.0 | 151 | 6 | 1 | 2.2 | 170 | 168 |
| 800 | 70.8 | 11.3 | 151 | 6 | 1 | 2.3 | 170 | 168 |
| 960 | 70.8 | 13.6 | 151 | 6 | 1 | 2.8 | 170 | 167 |
| 980 | 70.8 | 13.8 | 151 | 6 | 1 | 2.8 | 170 | 167 |
| 1000 | 70.8 | 14.1 | 151 | 6 | 1 | 2.9 | 170 | 167 |
| 1160 | 70.8 | 16.4 | 151 | 6 | 1 | 3.3 | 170 | 167 |
| 1180 | 70.8 | 16.7 | 151 | 6 | 1 | 3.4 | 170 | 167 |
| 1200 | 70.8 | 16.9 | 151 | 6 | 1 | 3.5 | 170 | 167 |
| 1360 | 70.8 | 19.2 | 151 | 6 | 1 | 3.9 | 170 | 166 |
| 1380 | 70.8 | 19.5 | 151 | 6 | 1 | 4.0 | 170 | 166 |
| 1400 | 70.8 | 19.8 | 151 | 6 | 1 | 4.0 | 170 | 166 |
在铝钛碳合金的制造中有一个国际标准，即最终输出的铝钛碳合金产品的直径为9.5mm，即截面积为70.8mm2。表2为使用申请人自产的连铸连挤设备得出的实验数据。连铸连挤设备包括铸挤机40、冷却压力加工过程中的铝钛碳合金的冷却模块、冷却模块包括检测铝钛碳合金压力加工前后温度的测温器。铝钛碳合金通过在铸挤机40的一个辊内部完成压力加工，铝钛碳合金在压力加工前、后是固态，在压力加工过程中是半固态。在压力加工中，存在着两个温度节点，即受压前和解压后；在铸挤机40的压力加工中，铝钛碳合金在受压前的瞬间温度为摩擦起热点的温度，解压后的瞬间温度为从铸挤机40挤出来时的温度，因此，要注意在铸挤机40上检测铝钛碳合金压力加工前、后两点的温度的准确性。
图2为应用通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法的连铸连挤生产工艺的结构示意图，从坩埚10出来的铝钛碳合金熔体经过结晶轮20形成铝钛碳合金棒，然后棒状的铝钛碳合金经过铸挤机40的压力加工，铸挤机40的机架数n如图2所示为1，如图4所示，铸挤机40能承受铝钛碳合金压力加工前的截面积S1，并能调节使得满足铝钛碳合金压力加工后的截面积S2。测温器至少有两个、分别检测铝钛碳合金压力加工前、后的温度，铝钛碳合金经过在铸挤机40里加工时温度会升高使得铝钛碳合金呈半流态，冷却模块喷洒冷却液到铸挤机40的辊内部，通过控制冷却液的流量使得铝钛碳合金压力加工前后的温度差ΔT控制在一个合理的范围，冷却液可以是水；最后铝钛碳合金从铸挤机40挤出来形成铝钛碳合金杆。
从表2使用连铸连挤设备得出的实验数据中，申请人经过反复研究和总结后得到的压力加工参数与铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA之间的函数关系为：ΔAA＝K·D·V÷(ΔT·n)
其中ΔAA＝AA1-AA2，AA1为铝钛碳合金压力加工前的晶粒细化能力值，AA2为铝钛碳合金压力加工后的晶粒细化能力值，K为常数，通过表1数值计算得出K为5.13；D为铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比， S1为铝钛碳合金压力加工前的截面积，S2为铝钛碳合金压力加工后的截面积，ΔT为铝钛碳合金压力加工前后的温度差，V为出口线速度，n为机架数，n＝1。
所述函数关系：ΔAA＝K·D·V÷(ΔT·n)符合铸挤机的单一机架的计算，当n＝1时，必定指的是最后一个机架的计算，最后一个机架中输出铝钛碳合金产品的截面积为70.8mm2。
在铝钛碳合金制造中，一般压力加工参数如：压力加工前后的温度差ΔT、出口线速度V和机架数n都在设定后固定不变，然后通过精确控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比D，可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA。如表2所示，在设定ΔT＝150℃，V＝4m/s，n＝1时，通过控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比D从10.7变化到19.8，可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA从1.5变化到2.7，在铝钛碳合金压力加工前的晶粒细化能力值AA1为一定值170时，铝钛碳合金压力加工后的晶粒细化能力值AA2从169变化到167。
本发明克服了传统铝钛碳合金压力加工过程中未能定量优化技术参数的缺陷，证明对加工参数的控制可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量。同时，采用上述方案后，在设定压力加工参数、压力加工前后的温度差、出口线速度和机架数的情况下，然后通过精确控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比，可以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量，晶粒细化能力的变化量越大，在铝钛碳合金压力加工前的晶粒细化能力值AA一定时，则铝钛碳合金压力加工后的晶粒细化能力值AA越小，铝钛碳合金细化铝及铝合金晶粒的能力就越强。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种通过控制压缩比来控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量的方法，其特征在于：该方法包括：
A.首先建立铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA与铝钛碳合金压力加工过程中加工参数的函数关系，即：
ΔAA＝K·D·V÷(ΔT·n)
其中K为常数， S1为铝钛碳合金压力加工前的截面积，S2为铝钛碳合金压力加工后的截面积，ΔT为铝钛碳合金压力加工前后的温度差，V为出口线速度，n为机架数；
B.设定加工参数V、ΔT和n，然后通过精确控制铝钛碳合金压力加工前后截面积之比亦即压缩比D，以精确控制铝钛碳合金晶粒细化能力的变化量ΔAA。
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