CN103100700A - 用于铝合金复合铸锭的包覆铸造装置和包覆铸造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于铝合金复合铸锭的包覆铸造装置和方法，其中包覆铸造装置由芯材结晶器和皮材结晶器组成。用该装置进行包覆铸造时，利用皮材结晶器带分流的热顶使皮材熔体同水平分流，到达界面各处温度相同，界面稳定；利用芯材结晶器将芯材熔体先形成一层凝固壳，然后利用皮材熔体与凝固壳的接触位置无空气存在的特点和通过工艺控制使皮材熔体与芯材凝固壳的接触高度保持5-15mm，以及控制界面两侧的芯材熔体和皮材熔体的液面差小于10mm等措施实现界面金属扩散，获得具有冶金结合界面的复合铸锭。

Description

用于铝合金复合铸锭的包覆铸造装置和包覆铸造方法

技术领域

本发明涉及金属铸造，特别是一种用于半连续铸造铝合金复合铸锭的包覆铸造装置和利用该装置进行铝合金包覆铸造的方法。

背景技术

众所周知，汽车热交换系统包括空调器、水箱散热器、油冷却器、中间冷却器和加热器等，因其位于汽车前端，经受雨水、路面挥发的盐分、汽车排出的废气、砂粒、灰尘和泥浆等的污染和承受反复冷热循环及周期性振动，对这些热交换器在选材、防腐蚀和接合技术等方面有严格的要求。传统的热交换系统采用铜材制造，然而随着汽车轻量化进程的加速及对节能减排、降低油耗、提高燃油效率、减轻环境污染等要求指标的提高，同时由于制造技术与装配技术的进步，使铝材逐渐取代铜材成为制造这些汽车热交换系统零部件的用材。

然而，为满足这一需要，很难找到一种铝合金材料既耐蚀又能够进行钎焊，而采用由3XXX和4XXX两种铝合金构成的复合材料却能较好地满足这一要求。目前，3XXX/4XXX铝合金复合材料主要是以箔材的形式出现，当需要以管材形式出现的该复合材料时，一般采取芯材为3XXX铝合金，皮材为4XXX铝合金，利用前者优良的耐蚀性，管内可以通冷却液体，利用后者的良好的钎焊性，可以进行复杂形状的构建。

目前，生产3XXX/4XXX铝合金复合管材的方法主要有焊接法和挤压法两种。焊接法就是用复合板做成管型进行焊接，这种方法的缺点是有焊缝，在某些情况下不能使用；挤压法是通过挤压将两种合金焊合在一起，这种工艺难度大，且成材率低。为克服这两种方法的缺点，最好的方法是先获得复合铸锭，然后再进行挤压，这样，不仅会大大降低工艺难度，而且可提高成材率。但目前针对铝和铝合金复合铸锭，技术上还比较困难。

另外，在其它领域，铝和铝合金复合材料也有很多用途，典型的如铝锂合金。由于锂元素具有化学活泼的特性，在铸造过程中易与水反应，使其表面氧化，质量不好，并且失锂严重，皮下贫锂层很厚，大大增加了加工时的铣面量。另外，铸锭在均匀化过程中同样会有表面失锂严重的问题，从而使铝锂合金在轧制过程中只能采用包铝轧制。因此，对于铝锂合金来说，如果能在铸锭表面包覆一层纯铝是解决上述问题的好办法。

再有，如目前装潢行业所需要的装饰板和灯光反光板，特别是灯光反光板，经常需用高纯铝制做。但高纯铝成本太高，考虑到它的使用仅仅是表层起反光作用，如果能在工业纯铝的表面复合一层高纯铝就可以很好地解决使用高纯铝反光板成本高的问题。

目前，通过铸造生产铝合金复合铸锭的方法很多，其中最为典型的是美国Novelis公司所使用的复合铸造法（Fusion^TM法）。这些方法都是生产三明治型（ABA型）复合铸锭，不能满足上述铝和铝合金包覆铸锭的要求。

对于铝合金包覆铸造，目前公开报道的都是采用固液复合的包覆铸造方法，即构成复合铸锭的双金属中有一种（一般为芯材）在复合铸造前是以固态形式出现，利用包覆铸造设备将另一液态形式的金属包覆在被加热的固态金属表面，冷却后得到所需复合铸锭。这些包覆铸造方法不但增加了工艺流程，而且存在一致命缺陷：固态形式的金属在预先加热时表面会被氧化，从而使复合铸锭界面处氧化物非常多，直接影响复合铸锭双金属界面冶金结合层的形成，界面结合不牢固，导致产品成材率降低。

发明内容

本发明的目的是针对上述需求和现有技术存在的问题及缺陷提供一种专用于铝合金复合铸锭的包覆铸造装置和包覆铸造方法。

为实现上述目的，本发明提供的用于铝合金复合铸锭的包覆铸造装置由芯材结晶器和皮材结晶器组成；所述芯材结晶器由石墨内套和水冷铜套构成，石墨内套镶嵌在水冷铜套内；其中皮材结晶器由石墨环、水冷铝套和热顶构成，石墨环镶嵌在水冷铝套内，水冷铝套内壁下端有冷却水眼，热顶由保温材料制成的储液箱构成，安装在水冷铝套和石墨环的上方，热顶底部有通向外部的流道和沿周边均匀分布、通向芯材结晶器的分流孔；芯材结晶器位于皮材结晶器内侧的上方，其内镶嵌石墨内套的水冷铜套坐落在皮材结晶器的热顶内壁的底边上。

利用上述铝合金包覆铸造装置进行铝合金包覆铸造的方法是：先将芯材熔体从浇口浇注到芯材结晶器中，同时通过流道将皮材熔体注入带分流的热顶的储液箱中；待芯材熔体在芯材结晶器冷却水冷却下形成一定厚度的凝固壳时，启动铸造机，使皮材熔体通过热顶底部的分流孔供流，与芯材熔体形成的凝固壳相接触，通过合金元素扩散形成具有冶金结合的界面；随着铸锭的连续进行，到达预定高度时停止供流，冷却后获得芯材铸锭外包覆一定厚度皮材铸锭的复合铸锭。

在包覆铸造过程中，通过控制铸造温度、铸造速度、芯材结晶器冷却水量和皮材结晶器冷却水量工艺参数使皮材熔体与芯材凝固壳的接触高度保持在5-15mm。

根据复合铸锭的不同铝合金材质，所述工艺参数的数值范围：铸造温度为710-730℃，铸造速度为35-150mm/min，芯材结晶器冷却水量为5-15L/min·m，皮材结晶器冷却水量为40-120L/min·m。

在包覆铸造过程中，要控制界面两侧的芯材熔体和皮材熔体的液面差小于10mm。

本发明的有益效果是：

1、利用本发明装置和方法进行铝合金包覆铸造，构成复合铸锭的双金属均采取液态熔体形式，与上述采用固液复合形式的复合铸锭相比，有利于铸锭双金属在界面形成冶金扩散层，提高界面的结合强度。

2、包覆铸造时，通过皮材结晶器带分流的热顶可使皮材熔体同水平分流，熔体到达界面各处温度相同，界面稳定，有利于金属冶金扩散均匀。

3、由于包覆铸造装置的芯材结晶器的水冷铜套坐落在皮材结晶器热顶内壁的底边上，包覆铸造时，皮材熔体与芯材凝固壳的接触位置无空气存在，芯材凝固壳从芯材结晶器拽出时不会被氧化，有利于界面产生冶金结合。

4、通过控制皮材熔体与芯材凝固壳的接触高度，使界面处金属扩散层达到所需厚度。

5、通过控制界面两侧的液面差小于10mm，使界面受到的压力差较小，界面更加稳定。

6、本发明包覆铸造装置结构简单，造价低，使用操作简便，用其制得的铝和铝合金复合铸锭金属界面扩散层明显，无气孔，结合牢固。

附图说明

图1为本发明包覆铸造装置的结构和使用示意图；

图2为利用本发明包覆铸造装置和方法制得的铝合金复合铸锭（型号1015/7075）界面的微观组织照片；

图3为利用本发明包覆铸造装置和方法制得的另一种铝合金复合铸锭（型号3004/4045）界面的微观组织照片；

图中： 11石墨内套，12水冷铜套，13入水管，14出水管；21水冷铝套，22石墨环，23热顶，24流道，25冷却水眼，26分流孔，27储液箱；31 浇口，32芯材熔体液面，33芯材熔体，34芯材液相线，35芯材两相区，36芯材固相线，37芯材铸锭，38支撑层；41 皮材熔体液面，42皮材熔体，43皮材液相线，44皮材两相区，45皮材固相线，46皮材铸锭；5界面；6复合铸锭。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明用于铝合金复合铸锭的包覆铸造装置如图1所示，由芯材结晶器和皮材结晶器组成，其中芯材结晶器由石墨内套11和水冷铜套12构成，石墨内套镶嵌在水冷铜套12内，水冷铜套12有供冷却水通过的入水管13和出水管14。皮材结晶器由石墨环22、水冷铝套21和热顶23构成，石墨环22镶嵌在水冷铝套21内，水冷铝套21内壁下端有供冷却水通过的冷却水眼25，在水冷铝套21和石墨环22的上方有热顶23，热顶23由保温材料制成的储液箱27构成，安装在水冷铝套和石墨环的上方，热顶底部有通向外部的流道24和沿周边均匀分布、通向芯材结晶器的分流孔26；芯材结晶器位于皮材结晶器内侧的上方，其内镶嵌石墨内套11的水冷铜套12坐落在皮材结晶器的热顶23内壁的底边上。

利用上述包覆铸造装置，按照铸造温度710-730℃、铸造速度35-150mm/min、芯材结晶器冷却水量5-15L/min·m、皮材结晶器冷却水量40-120L/min·m等工艺条件（各项工艺条件的具体数值可根据不同复合铸造材质在所定数值范围内选取）进行铝合金包覆铸造时，先将芯材熔体33从浇口31浇注到芯材结晶器中，同时通过流道24将皮材熔体42注入带分流的热顶23的储液箱27中；待芯材熔体33在芯材结晶器冷却水冷却下形成一定厚度的凝固壳38时，启动铸造机，皮材熔体42通过热顶23底部的分流孔26供流，使皮材熔体与芯材熔体形成的凝固壳38相接触，通过合金元素扩散形成具有冶金结合的界面5；在整个包覆铸造过程中，通过控制铸造温度、铸造速度、芯材结晶器冷却水量和皮材结晶器冷却水量等工艺参数控制皮材熔体42与芯材凝固壳38的接触高度始终保持在5-15mm；要控制界面两侧的芯材熔体液面32和皮材熔体液面41的液面差小于10mm；随着铸锭的连续进行，到达预定高度时停止供流，冷却后即获得芯材铸锭37外包覆一定厚度皮材铸锭46的复合铸锭6。

本发明铝合金包覆铸造的特点是：

1、皮材熔体采用同水平分流方式，皮材熔体42通过流道24进入储液箱27，再通过热顶23底部的分流孔26进入皮材结晶器中，由于分流孔26沿热顶23底部周向均匀分布，保证皮材熔体42到达界面5时各处温度相同，使界面5保持稳定。

2、由包覆铸造装置芯材结晶器的水冷铜套坐落在皮材结晶器热顶内壁的底边上这一结构特点，皮材熔体42与芯材凝固壳38（图1中对应由芯材固相线36和芯材液相线34围成的弧形芯材两相区35的上部外侧）的接触位置始终位于芯材结晶器和热顶23的下方，该位置因无空气存在，当芯材的凝固壳38从芯材结晶器拽出时，不会被氧化，与皮材熔体42接触时润湿性好，有利于界面5发生冶金结合。

3、界面5处皮材熔体42（指位于图1中皮材液相线43和皮材固相线45之间的皮材两相区44上部的皮材熔体）和芯材凝固壳38的接触高度取决于皮材熔体42和芯材凝固壳38的温度。如皮材熔体42或芯材凝固壳38温度过高，都会将已形成的凝固壳38熔穿，使内外两种合金混溶，导致铸造失败；如皮材熔体42或芯材凝固壳38温度过低，会使皮材熔体42与芯材凝固壳38接触高度减少，使元素扩散降低，扩散层减小，甚至没有扩散层。因此，必须通过控制铸造温度、铸造速度和冷却水量等工艺参数控制界面5两侧的温度，使皮材熔体42和芯材凝固壳38的接触高度保持在5-15mm（该数值根据不同铝合金确定），进而控制扩散层的厚度。

4、保持界面两侧液面差小于10mm，可使界面受到压力差较小，保证界面稳定。如两侧液面相差较大，凝固壳38就会受到单向压力，导致其破坏，使得皮材和芯材互熔。

以下为采用本发明包覆铸造装置和包覆铸造方法制备铝合金复合铸锭的实施例。

实施例1：1015/7075铝合金包覆铸造

设备条件：铸锭截面尺寸为1300×440mm，包覆层厚度为20mm。

工艺条件：浇注温度：730℃，铸造速度：65mm/min，芯材结晶器冷却水量：7L/min·m，皮材结晶器冷却水量：90L/min·m。

采用本发明包覆铸造装置和方法制得的复合铸锭界面如图2所示，界面为冶金结合，无气孔和氧化膜缺陷。

实施例2：3004/4045铝合金包覆铸造

设备条件：铸锭直径140 mm，包覆层厚度为20mm。

工艺条件：浇注温度：710℃，铸造速度：150mm/min，芯材结晶器冷却水量：15L/min·m，皮材结晶器冷却水量：120L/min·m。

采用本发明包覆铸造装置和方法制得的复合铸锭界面如图3所示，界面为冶金结合，无气孔和氧化膜缺陷。

实施例3：纯铝/7055铝合金包覆铸造

设备条件：铸锭截面尺寸为1300×440mm，包覆层厚度为20mm。

工艺条件：浇注温度：730℃，铸造速度：35mm/min，芯材结晶器冷却水量：5L/min·m，皮材结晶器冷却水量：40L/min·m。

采用本发明包覆铸造装置和方法制得的纯铝/7055铝合金复合铸锭，界面为冶金结合，无气孔和氧化膜缺陷。

实施例4：纯铝/8024铝合金包覆铸造

设备条件：铸锭截面尺寸为1300×440mm，包覆层厚度为20mm。

工艺条件：浇注温度：730℃，铸造速度：50mm/min，芯材结晶器冷却水量：10L/min·m，皮材结晶器冷却水量：80L/min·m。

采用本发明包覆铸造装置和方法制得的纯铝/8024铝合金复合铸锭，界面为冶金结合，无气孔和氧化膜缺陷。

实施例5：高纯铝/工业纯铝包覆铸造

设备条件：铸锭截面尺寸为1500×620mm，包覆层厚度为30mm。

工艺条件：浇注温度：730℃，铸造速度：80mm/min，芯材结晶器冷却水量：12L/min·m皮材结晶器冷却水量：100L/min·m。

采用本发明包覆铸造装置和方法制得的高纯铝/工业纯铝复合铸锭，界面为冶金结合，无气孔和氧化膜缺陷。

Claims (5)

1.一种用于铝合金复合铸锭的包覆铸造装置，由芯材结晶器和皮材结晶器组成，其特征在于：

所述芯材结晶器由石墨内套（11）和水冷铜套（12）构成，石墨内套镶嵌在水冷铜套内；其中皮材结晶器由石墨环（22）、水冷铝套（21）和热顶（23）构成，石墨环（22）镶嵌在水冷铝套（21）内，水冷铝套内壁下端有冷却水眼（25），热顶（23）由保温材料制成的储液箱（27）构成，安装在水冷铝套和石墨环的上方，热顶底部有通向外部的流道（24）和沿周边均匀分布、通向芯材结晶器的分流孔（26）；芯材结晶器位于皮材结晶器内侧的上方，其内镶嵌石墨内套（11）的水冷铜套（12）坐落在皮材结晶器的热顶（23）内壁的底边上。

2.一种利用权利要求1所述包覆铸造装置进行铝合金包覆铸造的方法，其特征在于：

先将芯材熔体（33）从浇口（31）浇注到芯材结晶器中，同时通过流道（24）将皮材熔体（42）注入带分流的热顶（23）的储液箱（27）中；待芯材熔体（33）在芯材结晶器冷却水冷却下形成一定厚度的凝固壳（38）时，启动铸造机，使皮材熔体（42）通过热顶（23）底部的分流孔（26）供流，与芯材熔体形成的凝固壳（38）相接触，通过合金元素扩散形成具有冶金结合的界面（5）；随着铸锭的连续进行，到达预定高度时停止供流，冷却后获得芯材铸锭（37）外包覆一定厚度皮材铸锭（46）的复合铸锭（6）。

3.根据权利要求2所述铝合金包覆铸造的方法，其特征在于：在包覆铸造过程中，通过控制铸造温度、铸造速度、芯材结晶器冷却水量和皮材结晶器冷却水量工艺参数使皮材熔体（42）与芯材凝固壳（38）的接触高度保持在5-15mm。

4.根据权利要求3所述铝合金包覆铸造的方法，其特征在于：所述铸造温度为710-730℃，铸造速度为35-150mm/min，芯材结晶器冷却水量为5-15L/min·m，皮材结晶器冷却水量为40-120L/min·m。

5.根据权利要求2所述铝合金包覆铸造的方法，其特征在于：在包覆铸造过程中，控制界面（5）两侧的芯材熔体（33）和皮材熔体（42）的液面差小于10mm。

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