CN109482845A - 一种用半固态加工方式减少铸锭表面裂纹并细化晶粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用半固态加工方式减少铸锭表面裂纹并细化晶粒的方法，属于半固态加工领域。本发明所述方法为在结晶器侧面固定有多个工具头，每个工具头上先连接超声波变幅杆，变幅杆再连接超声波换能器，超声波换能器对结晶器施加一定功率的超声波，使结晶器产生振动，一部分超声波进入熔体作用半固态区域，避免后续拉锭过程中产生的铸锭拉裂。本发明所述方法减少裂纹效果明显、产品表面质量高、铸锭晶粒细化，铸锭内部缺陷减少，减少了铸锭表面铣去的材料，利用率提高、有利于无锻直轧工艺、减少后续加工步骤，企业效益提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用半固态加工方式减少铸锭表面裂纹并细化晶粒的方法，属于材料加工领域。
背景技术
云南钛业股份有限公司引进国外的大型电子束冷床熔炼炉，以大规格扁锭（8000mm×1050mm×210mm）为研究对象，其主要熔炼高熔点、易氧化的纯金属和合金。通过研究不同熔炼工艺参数对扁锭宏观缺陷和元素偏析的影响规律，探讨扁锭的缺陷及其形成机理等。
一般熔炼钛锭过程中，由于制定工艺不合理或者工作人员控制不当均会影响扁锭的质量，铸锭熔炼完成出炉，经冷却之后放置在翻锭机上，检验毛坯上下表面并记录表面缺陷，经统计扁锭表面的宏观缺陷主要是拉裂、夹杂、气孔、冷凝挂、冷隔、折层等缺陷。拉裂缺陷特征：锭坯表面的长度较短（通常在150mm以内）、裂口较大（通常在、5~15mm）、深度较浅（可以见底）。铸锭中常见的裂纹为热裂纹和冷裂纹。一般认为裂纹形成的因素有：（1）由熔炼不稳定造成液面急剧升高，凝固坯壳变薄，此时拉锭速度必需增加，双重因素影响造成弯月面附近的坯壳被拉断。（2）熔池形态不对称造成的区域应力集中及拉锭不平衡，造成窄面冷裂纹。（3）因合金的固液相线差造成合金比纯钛更容易形成裂纹。（4）因合金成分导致的钛液与结晶器浸润条件变化、粘度系数变化造成与结晶器的摩擦力增大及补缩能力降低。（5）因结晶器内劈面粗糙、有渣块附着造成坯壳与结晶器间的摩擦力增大；（6）在薄坯壳与结晶器存在较大摩擦条件下，大的拉速将凝固坯壳拉开。
实践证明，在浇注前的钛液熔体质量及浇注过程熔炼工艺，是产生铸锭裂纹至关重要的因素。通常扁锭上形成的裂纹有3种：a表面裂纹。钛锭表面裂纹是在熔炼过程中产生的，是结晶凝固末期（固／液区）形成的热裂纹。b侧面裂纹。侧面裂纹是铸锭窄面上的裂纹，金属凝固之后的冷却过程中产生的，属于冷裂纹，多发生于铸锭凝固之后的降温期间，通常发生时结晶器液面有很大振动，严重的造成液体金属飞溅，裂纹起始处常伴有拉裂、分层、夹渣或结晶微裂纹。c底部裂纹。从铸锭底部开始的冷裂纹叫底部裂纹，是在铸造刚开始时产生的，底部裂纹有时会延伸至整个铸锭，严重的使铸锭开裂。
一般通过铣床扒皮去除；拉裂较大、较深，扒皮后仍有残余可先采用砂轮机进行粗修磨，当缺陷打磨干净或粗修磨超过加工坯厚度的５％时，停止砂轮打磨；再用千叶轮直接抛光处理；这样造成大量的材料浪费，并且增加材料成本和加工成本。尽管废料会进行回收利用，但是毕竟增加了生产成本，影响了扁锭质量和生产进度；所以解决裂纹问题对钛及钛合金熔炼领域意义重大。传统解决裂纹的方法主要是基于Procast模拟减小半固态区域、控制拉锭速度等，但裂纹控制仍不稳定，时而出现在扁锭中，而且不同合金又需要重新匹配拉锭速度，也不能细化钛扁锭晶粒减少缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用半固态加工方式减少铸锭表面裂纹并细化晶粒的方法，有效解决钛铸锭表面拉裂，细化晶粒，减少铸锭缺陷这些问题；包括以下步骤：在结晶器的四周侧壁上固定有多个工具头，每个工具头上连接一个超声波变幅杆，变幅杆再与超声波换能器连接，超声波换能器对结晶器施加一定功率的超声波，使结晶器产生振动，一部分超声波进入熔体作用半固态区域，使半固态浆料、熔体以及刚凝固的铸锭与结晶器的接触情况发生变化，接触壁摩擦阻力减小，避免后续拉锭过程中产生的铸锭拉裂。
优选的，本发明所述超声波换能器的工作模式采用脉冲模式。
优选的，本发明所述超声功率为5Kw~50Kw，超声频率≥20000Hz。
优选的，本发明所述结晶器两个大侧面分别焊接两排工具头，两个大侧面上的工具头交错排布，使得超声波交叉作用整个熔体区域，两个小侧面也焊接两排工具头，两个小侧面上的工具头对称排列；结晶器侧壁与工具头连接的位置为实心结构；超声波装置的个数和排列方式根据实际需求进行设计，需要振动大一点就个数就多一点，反之则少一点。
优选的，本发明所述超声波换能器排列方式如下：结晶器其中一个小侧面上设有溢流口，溢流口左侧的第一排工具头距离结晶器顶端150~250mm，第二排工具头与第一排工具头之间的距离为100~200mm；溢流口右侧的工具探头与左侧交替排列，第一排工具头距离结晶器顶端100~200mm，第二排工具头与第一排工具头之间的距离为100~200mm；两个小侧面左右对称共设有四个探头，第一排工具头到结晶器顶部的距离为150~200mm，第二排工具头到第一排工具头的距离为100~200mm。
本发明所述超声波换能器是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率，是一种输出超声波能量的设备，该过程中换能器作用于变幅杆，变幅杆再作用工具头，工具头负责将超声波振动传导给作用物体，进而对物体进行作用；其本质就是实现结晶器和熔体的振动。
本发明所述超声波变幅杆是配合超声波换能器改变超声波振动幅度的功能组件。其主要作用是改变换能器的振幅(一般是增大)、提高振速比、提高效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命。超声波换能器通过安装变幅杆(超声波变幅器)调整了换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小了谐振阻抗，使其在谐振频率工作提高了电声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。
本发明所述超声波换能器作用于整个铸锭熔炼过程，不会使电子束发生偏转。本发明所述超声波要通过结晶器实心部分，其实心部分依旧与结晶器自身材料相同，超声波装置焊接在实心位置，来避开水道，因为固液界面超声波反射率高，透射率低。
本发明所述工具头采用高品质钢材、钛合金制作，大大减小振动时自身的能量损耗，能耐高温，性能稳定；工具头与结晶器侧壁的连接处采用焊接的方式进行连接，确保接口牢固。
本发明的原理：使用超声波换能器对结晶器施加一定功率的超声波，使结晶器产生振动，使半固态浆料、熔体和刚凝固的铸锭与结晶器之间的接触情况发生变化，接触壁摩擦阻力减小，减少拉锭过程中因较大摩擦而产生的铸锭拉裂，而且超声波还会透过结晶器内部，传播到熔体中作用于半固态区域，细化铸锭晶粒，均匀成分，减少各种熔炼缺陷。
本发明的有益效果：
（1）本发明超声波辅助电子束冷床炉结晶器熔炼出的铸锭具有表面质量优异，裂纹较少较浅；超声波作用熔体后可以使熔体成分更加均匀，铸锭缺陷明显减少。
（2）本发明超声波辅助设备需要使用新型结晶器，不影响电子束偏转，又可以使超声波传入熔体中，作用半固态区域，使得晶粒细化，成分均匀，缺陷减少的优点。
（3）本发明超声波辅助设备极大的降低了铸锭生产成本，缩短了后续加工周期，有益于铸锭无锻直轧，提高了企业效益。
（4）本发明超声波辅助设备适用于一切金属铸锭，特别是金属铸锭。
附图说明
图1是本发明所述新型结晶器的结构示意图。
图2是本发明所述新型结晶器的正视图。
图3是本发明所述新型结晶器侧视图。
图4是电子束冷床炉生产扁锭的工作流程图。
图5是使用了本发明处理过的TC4钛合金扁锭照片。
图6是未使用本发明处理的TC4钛合金扁锭照片。
图7是使用了本发明处理过的Ti80钛合金扁锭照片。
图8是未使用本发明处理的Ti80钛合金扁锭照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明实施例电子束冷床炉结晶器为例进行说明，但本发明所述方法并不限于该设备。
实施例所使用的电子束冷床炉为美国RETECH 公司生产的大型电子束冷床炉，总功率为3200 kW，共有4支电子枪，电子束冷炉床工作流程图如图4；所使用的超声功率为5Kw~50Kw，超声频率≥20000Hz，所述是在电子束冷床炉结晶器上的超声波换能器工作模式采用脉冲模式。
本发明所述新型结晶器的结构如图1~3所示，在结晶器的四周侧壁上固定有多个工具头，每个工具头上连接一个超声波变幅杆，变幅杆再与超声波换能器连接，超声波换能器对结晶器施加一定功率的超声波，使结晶器产生振动，一部分超声波进入熔体作用半固态区域，使半固态浆料、熔体以及刚凝固的铸锭与结晶器的接触情况发生变化，接触壁摩擦阻力减小，避免后续拉锭过程中产生的铸锭拉裂。
所述结晶器其中一个小侧面上设有溢流口，溢流口高度100mm，溢流口左侧的第一排工具头距离结晶器顶端200mm mm，第二排工具头与第一排工具头之间的距离为150mmmm；溢流口右侧的工具探头与左侧交替排列，第一排工具头距离结晶器顶端125mm，第二排工具头与第一排工具头之间的距离为150mm；两个小侧面左右对称共设有四个探头，第一排工具头到结晶器顶部的距离为175mm，第二排工具头到第一排工具头的距离为150mm。钛合金在熔体顶部（溢流口）往下约300mm基本凝固，所以超声波换能器的作用范围是从结晶器溢流口开始到下方300mm或更多，以覆盖整个熔池，特别是半固态区域。
实施例1
本实施例的处理对象为TC4钛合金，工艺参数为：超声功率为50Kw，超声频率20000Hz，拉锭速度为1000 kg/h 即2.85×10−4m/s。熔炼时启动超声波设备，设置相关参数，直至熔炼过程结束。熔炼结束后得到TC4钛合扁锭，TC4钛合扁锭裂纹明显减少，表面质量优异，且晶粒细小，成分均匀，达到预期目的，如图5所示；未使用超声波换能器处理过的TC4钛合扁锭表面裂纹明显，表面质量较差，如图6所示。
实施例2
本实施例的处理对象为Ti80钛合金，工艺参数为超声功率为5Kw，超声频率20000Hz，拉锭速度为1000 kg/h 即2.85×10−4m/s。熔炼时启动超声波设备，设置相关参数，直至熔炼过程结束。熔炼结束后得到Ti80钛合金扁锭，Ti80钛合金扁锭裂纹明显减少，表面质量优异，且晶粒细小，成分均匀，达到预期目的，如图7所示。未使用超声波换能器处理过的Ti80钛合金扁锭表面裂纹明显，表面质量较差，如图8所示。
上述实施例为本发明具体的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用半固态加工方式减少铸锭表面裂纹并细化晶粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：在结晶器的四周侧壁上固定有多个工具头，每个工具头上连接一个超声波变幅杆，变幅杆再与超声波换能器连接，超声波换能器对结晶器施加一定功率的超声波，使结晶器产生振动，一部分超声波进入熔体作用半固态区域，使半固态浆料、熔体以及刚凝固的铸锭与结晶器的接触情况发生变化，接触壁摩擦阻力减小，避免后续拉锭过程中产生的铸锭拉裂。
2.根据权利要求1所述用半固态加工方式减少铸锭表面裂纹并细化晶粒的方法，其特征在于：超声波换能器的工作模式采用脉冲模式。
3.根据权利要求1所述用半固态加工方式减少铸锭表面裂纹并细化晶粒的方法，其特征在于：超声功率为5Kw~50Kw，超声频率≥20000Hz。
4.根据权利要求1所述用半固态加工方式减少铸锭表面裂纹并细化晶粒的方法，其特征在于：结晶器两个大侧面分别焊接两排工具头，两个大侧面上的工具头交错排布，使得超声波交叉作用整个熔体区域，两个小侧面也焊接两排工具头，两个小侧面上的工具头对称排列；结晶器侧壁与工具头连接的位置为实心结构。
5.根据权利要求1所述用半固态加工方式减少铸锭表面裂纹并细化晶粒的方法，其特征在于：结晶器其中一个小侧面上设有溢流口，溢流口左侧的第一排工具头距离结晶器顶端150~250mm，第二排工具头与第一排工具头之间的距离为100~200mm；溢流口右侧的工具探头与左侧交替排列，第一排工具头距离结晶器顶端100~200mm，第二排工具头与第一排工具头之间的距离为100~200mm；两个小侧面左右对称共设有四个探头，第一排工具头到结晶器顶部的距离为150~200mm，第二排工具头到第一排工具头的距离为100~200mm。
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| CN110512070A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-11-29 | 沈阳工业大学 | 一种非接触式超声振动细化晶粒的设备及方法 |
| CN113231622A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-08-10 | 西北工业大学 | 实时调控的壁面共振超声金属凝固装置与方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190319 |
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