CN104858379A - 一种梯温铸型铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种梯温铸型铸造方法，其特征为：采用梯温铸型，铸型朝向坩埚的部位在加热器或熔体导热作用下被加热至高温，铸型朝向冷却器的部位在加热器或冷却器导热作用下被控制到低温；通过铸型出口设置的冷却器直接对铸坯进行强制冷却；用牵引机构对铸坯进行拉制。本发明方法能够短流程高效生产性能优异、表面光洁度好、内部致密度高，具有取向性组织结构的高质量铸坯，可根据需要进行后续大压下率塑性加工。

Description

一种梯温铸型铸造方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，特别是提供了一种梯温铸型铸造方法。
背景技术
铸型是铸造中的核心部件，熔体在铸型中凝固成为固体，获得所需形状尺寸的铸坯。铸型温度场的分布对铸坯的质量具有重要影响。目前的铸造方法主要为冷型铸造方法和控温铸型铸造方法，所采用的铸型分别为冷却铸型(简称“冷型”)和控温铸型。
现在的传统连铸方法和半连铸方法以及新兴的半固态连铸方法是典型的冷型铸造方法，采用的是冷却铸型，即通过对铸型四周施加循环水进行强制冷却，使得铸型温度远低于材料的固相线温度以下，熔体在此铸型的冷却作用下完成凝固，获得所需形状尺寸的铸坯。采用冷却铸型的连铸方法具有生产效率高、产量大等优点，但是存在着易产生偏析、缩孔和疏松等缺陷，铸坯表面质量较差，后续塑性加工前需要铣面，材料利用率低，工艺流程长，生产成本高，以及铸坯变形性能普遍不好，产品质量难以满足更高使用要求等问题。
先进的热型连铸方法、两相区连铸方法和温型连铸方法则属于控温铸型铸造方法，采用的是控温铸型，即通过对铸型进行加热，同时在铸型出口处设置冷却器对铸坯进行强制冷却，获得高的温度梯度，实现短流程制备高质量铸坯的目的，是近年来开发出的一类先进铸造技术，也是目前铸造领域研究和开发的热点以及未来发展方向。现有的控温铸型铸造方法所采用的铸型都是恒温铸型，在铸造开始之前设定铸型的温度为某一恒定温度，如热型连铸方法是将加热铸型的温度设定为高于材料液相线的某一恒定温度、两相区连铸方法是将两相区铸型的温度设定为材料液相线和固相线之间的某一恒定温度、温型连铸方法是将低热铸型的温度设定为低于材料固相线且高于冷型温度的范围内的某一恒定温度。与冷型铸造方法相比，控温铸型铸造方法制备的铸坯表面光洁度较好、内部致密度较高，一般为取向性微观组织，力学性能、物理性能、化学性能和塑性加工性能较优，综合性能比较突出，具有后续加工工艺流程短、节能降耗和绿色环保等优点。
但是，在现有的控温铸型铸造方法中，由于冷却器设置在铸型出口，尚处于高温状态的刚凝固铸坯一旦离开铸型后，会立即进入冷却器中，受到冷却器的直接强制冷却，将造成铸坯的表面温度发生骤然下降；在这种急剧的温降影响下，铸坯断面内的温度梯度快速增大，热应力和组织应力迅速提高，铸坯表层等会出现较大的应力集中，常常导致铸坯产生表面裂纹和内部裂纹等缺陷，且拉坯速度越高缺陷越多；同时后续塑性加工过程中容易出现问题(如轧制时易开裂、拉拔时易断裂)，难以满足短流程高效成形的需要，也无法生产高质量、高性能、精密的产品。
综上所述，采用现有的冷却铸型和恒温的控温铸型的铸造方法难以高效成形表面和内部质量好、后续塑性加工性能和力学性能等优异的铸坯。因此，针对目前铸造方法存在的问题，开发一种新型结构铸型的铸造新方法，高效率地生产出表面光洁度好、组织致密以及综合性能优异的铸坯，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯温铸型铸造方法，通过铸型不同部位壁厚不均设计和(或)铸型不同部位温度控制方式的不同，使得铸型不同部位之间的温度不一致，为梯度分布，即沿着拉坯方向，铸型的温度呈现出由高向低的分布(以下称此种铸型为“梯温铸型”，称采用梯温铸型的铸造方法为“梯温铸型铸造方法”)。由于梯温铸型铸造方法彻底改变了现有控温铸型铸造方法采用恒温铸型的做法，所采用梯温铸型的温度不是恒定的某个值，而是呈梯度状逐渐平缓变化的，是一个温度范围，这样既可以保证在冷却器和材料固液界面之间产生高的温度梯度，形成沿拉坯方向的热流，获得沿拉坯方向取向性强的柱状晶组织和高质量的铸坯，又可以使刚凝固的铸坯在离开铸型之前能够进一步缓慢降低温度，释放热应力，从而在进入冷却器时不会因极大的温度下降导致产生表面裂纹和内部裂纹等缺陷，得到光滑的表面和致密的内部结构。
本发明的一种梯温铸型铸造方法，其特征在于，梯温铸型铸造工艺为：熔体从坩埚中流入梯温铸型；梯温铸型朝向坩埚的部位在加热器或熔体导热作用下被加热至材料熔点温度Tm(用摄氏温度表示，单位℃)的0.6～1.2倍之间的高温，梯温铸型朝向冷却器的部位在加热器或冷却器导热作用下被控制到材料熔点温度Tm(用摄氏温度表示，单位℃)的0.4～1.0倍之间的低温；通过梯温铸型出口设置的冷却器直接对已完全凝固的铸坯表面进行强制冷却，或在冷却器的基础上实施二次冷却；在装有引锭杆的牵引机构作用下，连续拉制铸坯；铸坯所需的冷却速度由牵引机构的拉坯速度V、冷却器的冷却强度以及加热器来控制。
所述的一种梯温铸型铸造方法，采用中间包取代所述的坩埚，以便于进行连续生产。
所述的一种梯温铸型铸造方法，所述的梯温铸型采用均匀壁厚梯温铸型或锥形壁厚梯温铸型或梯度壁厚梯温铸型或哑铃结构壁厚梯温铸型或两部分不同壁厚梯温铸型中的任何一种。
所述的一种梯温铸型铸造方法，所述的加热器采用外部热源或感应加热线圈中的任何一种。
所述的一种梯温铸型铸造方法，所述的加热器采用整体式的均匀结构加热器或整体式的锥形结构加热器或整体式的分段不同尺寸加热器或两个独立的加热器中的任何一种。
所述的一种梯温铸型铸造方法，将所述的坩埚放置于空气或真空或充入氮气或充入惰性气体保护的环境中；整个铸造成形过程采用人工控制或计算机控制；梯温铸型铸造方法采用下拉式或弧形式或水平式或上引式中的任何一种；采用10％～40％的道次大压下率直接进行后续塑性加工，省略中间退火工序。
本发明的主要优点在于：
1.采用梯温铸型铸造方法成形的铸坯具有取向性组织结构，表面光洁度好、内部致密度高，无表面裂纹和内部裂纹等缺陷，后续塑性加工性能优异，不易出现开裂和断裂等问题，综合性能比较突出，力学性能、物理性能以及化学性能优于相同成分冷型铸造的铸坯。
2.梯温铸型铸造方法生产效率高，后续加工工艺流程短、节能降耗、绿色环保，生产成本低，有助于生产高质量、高性能、精密的产品。
附图说明
图1为本发明的一种梯温铸型铸造方法的原理示意图。其中(1)为熔体；(2)为坩埚；(3)为梯温铸型；(4)为加热器；(5)为冷却器；(6)为铸坯；(7)为引锭杆；(8)为牵引机构。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
宽度为25mm、厚度为5mm的纯铜板坯梯温铸型连铸成形。温度为1250℃的纯铜熔体(1)从坩埚(2)中流入锥形壁厚的梯温铸型(3)；调节加热器(4)的功率，控制梯温铸型(3)朝向坩埚(2)的部位的温度为940℃，梯温铸型(3)朝向冷却器(5)的部位的温度为800℃；通过梯温铸型(3)出口设置的冷却器(5)采用温度为20℃、流量为800L/h的冷却水直接对纯铜板坯表面进行强制冷却；装有引锭杆(7)的牵引机构(8)以100mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得表面光滑、内部致密、具有沿长度方向取向度高的柱状晶组织、宽度25mm、厚度5mm的纯铜板坯。
实施例2
直径为15mm的纯铜棒坯梯温铸型连铸成形。温度为1250℃的纯铜熔体(1)从坩埚(2)中流入锥形壁厚的梯温铸型(3)；调节加热器(4)的功率，控制梯温铸型(3)朝向坩埚(2)的部位的温度为1140℃，梯温铸型(3)朝向冷却器(5)的部位的温度为950℃；通过梯温铸型(3)出口设置的冷却器(5)采用温度为20℃、流量为1100L/h的冷却水直接对纯铜棒坯表面进行强制冷却；装有引锭杆(7)的牵引机构(8)以50mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得表面光滑、内部致密、具有沿长度方向取向度高的柱状晶组织、直径15mm的纯铜棒坯。
实施例3
宽度为15mm、厚度为5mm的纯铝板坯梯温铸型连铸成形。温度为780℃的纯铝熔体(1)从坩埚(2)中流入铸型壁厚均匀的梯温铸型(3)；调节加热器(4)的功率，控制梯温铸型(3)朝向坩埚(2)的部位的温度为670℃，在冷却器(5)导热作用下使得梯温铸型(3)朝向冷却器(5)的部位的温度为580℃；通过梯温铸型(3)出口设置的冷却器(5)采用温度为15℃、流量为1200L/h的冷却水直接对纯铝板坯表面进行强制冷却；装有引锭杆(7)的牵引机构(8)以60mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得表面光滑、内部致密、具有沿长度方向取向度高的柱状晶组织、宽度15mm、厚度5mm的纯铝板坯。
实施例4
直径为10mm的CuAg2合金线坯梯温铸型连铸成形。温度为1250℃的CuAg2合金熔体(1)从坩埚(2)中流入铸型壁厚为上厚下窄的梯温铸型(3)；在熔体(1)导热作用下使得梯温铸型(3)朝向坩埚(2)的部位的温度为1200℃，调节加热器(4)的功率使得梯温铸型(3)朝向冷却器(5)的部位的温度为900℃；通过梯温铸型(3)出口设置的冷却器(5)采用温度为20℃、流量为1000L/h的冷却水直接对CuAg2合金线坯表面进行强制冷却；装有引锭杆(7)的牵引机构(8)以100mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得表面光滑、内部致密、具有沿长度方向取向度高的柱状晶组织、直径10mm的CuAg2合金线坯。
实施例5
直径为6mm的CuAg2合金线坯梯温铸型连铸成形。温度为1250℃的CuAg2合金熔体(1)从坩埚(2)中流入铸型壁厚为哑铃结构的梯温铸型(3)；调节加热器(4)的功率，控制梯温铸型(3)朝向坩埚(2)的部位的温度为1230℃，梯温铸型(3)朝向冷却器(5)的部位的温度为950℃；通过梯温铸型(3)出口设置的冷却器(5)采用温度为25℃、流量为800L/h的冷却水直接对CuAg2合金线坯表面进行强制冷却；装有引锭杆(7)的牵引机构(8)以80mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得表面光滑、内部致密、具有沿长度方向取向度高的柱状晶组织、直径6mm的CuAg2合金线坯。

Claims (7)

1.一种梯温铸型铸造方法，其特征在于，梯温铸型铸造工艺为：熔体(1)从坩埚(2)中流入梯温铸型(3)；梯温铸型(3)朝向坩埚(2)的部位在加热器(4)或熔体(1)导热作用下被加热至材料熔点温度Tm的0.6～1.2倍之间的高温，梯温铸型(3)朝向冷却器(5)的部位在加热器(4)或冷却器(5)导热作用下被控制到材料熔点温度Tm的0.4～1.0倍之间的低温，Tm用摄氏温度表示，单位℃；通过梯温铸型(3)出口设置的冷却器(5)直接对已完全凝固的铸坯(6)表面进行强制冷却；在装有引锭杆(7)的牵引机构(8)作用下，连续拉制铸坯(6)；铸坯(6)所需的冷却速度由牵引机构(8)的拉坯速度V、冷却器(5)的冷却强度以及加热器(4)来控制。
2.如权利要求1所述的一种梯温铸型铸造方法，其特征在于，所述的坩埚(2)采用中间包取代。
3.如权利要求1所述的一种梯温铸型铸造方法，其特征在于，所述的梯温铸型(3)采用均匀壁厚梯温铸型或锥形壁厚梯温铸型或梯度壁厚梯温铸型或哑铃结构壁厚梯温铸型或两部分不同壁厚梯温铸型中的任何一种。
4.如权利要求1所述的一种梯温铸型铸造方法，其特征在于，所述的加热器(4)采用外部热源或感应加热线圈中的任何一种。
5.如权利要求1所述的一种梯温铸型铸造方法，其特征在于，所述的加热器(4)采用整体式的均匀结构加热器或整体式的锥形结构加热器或整体式的分段不同尺寸加热器或两个独立的加热器中的任何一种。
6.如权利要求1所述的一种梯温铸型铸造方法，其特征在于，在所述的梯温铸型(3)出口设置的所述的冷却器(5)的基础上实施二次冷却。
7.如权利要求1所述的一种梯温铸型铸造方法，其特征在于，将所述的坩埚(2)放置于空气或真空或充入氮气或充入惰性气体保护的环境中；整个铸造成形过程采用人工控制或计算机控制；梯温铸型铸造方法采用下拉式或弧形式或水平式或上引式中的任何一种；采用10％～40％的道次大压下率直接进行后续塑性加工，省略中间退火工序。
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