CN115815571A - 一种含铝合金的固-液双金属铸造界面调控的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含铝合金的固‑液双金属铸造界面调控方法，属于铸造合金的工艺领域。本发明要解决现有含铝合金的固‑液双金属铸造产生沿界面方向裂纹的问题。本发明方法的步骤如下：步骤一，固态金属预制体界面粗糙度控制；步骤二，一体化造型；步骤三，配置交变电磁场与永磁旋转磁场，步骤四，一体化铸造。通过浇注过程配合施加交变电磁场与永磁旋转磁场在两种材料界面处形成渐开线涡团结构来调节充型过程铝合金金属液局部分布状态，可有效避免沿界面方向的裂纹产生，使降低沿界面方向裂纹发生率降低80％以上，并且不增加垂直界面方向裂纹的生成概率。

Description

一种含铝合金的固-液双金属铸造界面调控的方法

技术领域

本发明属于合金铸造工艺领域；具体涉及一种含铝合金的固-液双金属铸造界面调控方法；以及含铝合金双金属复合铸件。

背景技术

含铝合金的固-液双金属铸造是指铝合金熔化后浇注在另一种金属材料固态预制体上形成复合铸件的过程，成形连接前铝合金处于液态另一材料处于固态。这种方法用于连接具有复杂结构的半成品部件。液态金属温度较高，对金属基体表层产生溶解作用，在界面处形成扩散连接层。其对铸造条件要求不高，工艺较为简单，在复合轧辊、复合锤头等方面已有较好应用。

目前，较成熟的工艺为镶铸法、连续浇注法、消失模铸造法和离心铸造法等。这些方法的工艺参数调节手段主要是调控铝合金浇注温度，温度越高冶金结合效果越好，温度越高越容易在两种材料界面区域形成过渡结构，可以有效地缓解两种不同材质差异在垂直于界面方向上引起的应力集中，是目前改善界面应力状态的有效方法。但是随着固态预制体形状越来越复杂，铝合金熔体充型过程的流程越来越长，铝合金熔体对预制体的加热差异也显现出来，金属液流经量大的位置升温较高，而与金属液流程末端接触的预制体温度较低，这样的温度差异导致沿着两种不同材质界面方向产生极大的凝固切应力，当铝合金温度冷却到固液两相区时，凝固切应力就会破坏已经连接好但还没有达到最大强度的界面，产生微裂纹，严重的会使已经结合好的复合铸件沿着界面方向开裂。而目前广泛采用的界面处理方法都是针对垂直于界面方向应力集中的，对沿界面方向的裂纹几乎无效。

目前针对含铝合金的固-液双金属铸造产生沿界面方向裂纹的问题主要从改进预制体与铝合金的包裹关系入手解决，使尽量多的位置形成铝合金金属液全封闭包裹固体金属材料预制体的状态，利用铝合金的凝固收缩将沿界面方向的裂纹压缩焊合。但是这种方法的局限性很大，对于没有形成正确包裹关系的位置，沿界面方向的裂纹仍然没有办法避免，形成包裹关系的位置凝固收缩也会加重垂直界面方向裂纹产生的倾向，而且过多的设计包裹位置会增加在双金属界面制备梯度结构的难度，使工艺本身的难度增加，从而抵消了固-液双金属铸造简便快捷的优势。

发明内容

本发明要解决含铝合金的固-液双金属铸造产生沿界面方向裂纹的问题。本发明提出一种铝合金固-液双金属铸造界面调控的方法，通过浇注过程配合施加交变电磁场与永磁旋转磁场在两种材料界面处形成渐开线涡团结构来调节充型过程铝合金金属液局部分布状态，缓解由于铝合金金属液对固态预制体加热差异产生的凝固切应力，同时通过两种磁场的交互左右使铝合金金属液在凝固到固-液两相区时通过金属液按照渐开线规律流动，最后收敛形成渐开线基圆。这可以使沿界面方向的凝固切应力在基圆周围以基圆为对称中心相互抵消，可有效避免沿界面方向的裂纹产生。本发明方法实现了降低沿界面方向裂纹发生率的目的。

为解决上述含铝合金的固-液双金属铸造产生沿界面方向裂纹的问题，本发明提出了一种含铝合金的固-液双金属铸造界面调控的方法，该方法通过以下步骤实现：

步骤一、对固态金属预制体表面进行处理，使表面粗糙度Ra值达到6.3～12.5微米，并露出新鲜的金属表面；

步骤二、将步骤一处理后固态金属预制体封装，然后进行一体化造型，并形成容纳铝合金熔体的型腔；

步骤三、计算交变电磁场发生器功率P、交变电磁场发生器频率f_交变和产生永磁旋转磁场的旋转永磁体转速n_旋转，根据计算结果配置交变电磁场与永磁旋转磁场设备，然后设置在距离固态金属预制体界面5cm～20cm处，交变电磁场线圈随固态金属预制体表面平行放置，旋转永磁体旋转轴沿固态金属预制体表面法线方向，将磁感应强度控制在1T～3T，旋转永磁体旋转轴与交变电磁场线圈对称轴距离为15cm～20cm；

步骤四、然后将铝合金熔化后，开启交变电磁场和永磁旋转磁场设备，采用一体化铸造方法进行铸造，即完成。

进一步地限定，步骤一中固态金属预制体材料是钛合金、铝合金或铸钢，例如：TA15钛合金，2195铝合金，ZG45铸钢等。

进一步地限定，步骤一中采用抛磨处理实现对固态金属预制体表面处理。

进一步地限定，所述抛磨处理为机械抛磨，或化学抛磨，或者化学抛磨与机械抛磨相结合；所述机械抛磨为喷丸、喷砂或砂纸打磨。

进一步地限定，步骤二中进行一体化造型的操作过程为：

S1：制作模样：按照复合铸件中熔融铝合金需填充部分的形状制作低温模样，将固态金属预制体与低温模样组合成组合模样；

S2：将组合模样放置于低温造型平台上造型，造型材料采用聚氨酯树脂砂，在低温模样附近留出浇注口，砂型硬化后，在负压环境逐渐升温铸型，使铸型中的低温模样沿浇注口流出，而固态金属预制体留在铸型中形成复合铸型。

进一步地限定，步骤三中按公式Ⅰ计算交变电磁场发生器功率：

P＝6.05*G/t(Ⅰ)，

其中，P(单位：kW)为交变电磁场发生器功率，G(单位：Kg)为交变电磁场作用范围内的铝合金熔体质量，t(单位：min)为铝合金熔体凝固到固相线温度时所需的时间。

进一步地限定，步骤三中按公式Ⅱ计算交变电磁场发生器频率：

其中，f_交变(单位：Hz)交变电磁场发生器功率，P为交变电磁场发生器功率，m(单位：m)为复合铸件界面处的热模数，t(单位：min)为铝合金熔体凝固到固相线温度时所需的时间，ρ(单位：Ω·m)为铝合金的平均电阻率，γ(单位：kg/m³)为铝合金的密度，δ(单位：m)为固态金属预制体与铝合金结合界面层的厚度。

进一步地限定，步骤三中按公式Ⅲ计算永磁旋转磁场的转速：

其中，n_旋转(单位：r/min)产生永磁旋转磁场的旋转永磁体转速，G(单位：Kg)为交变电磁场作用范围内的铝合金熔体质量，m(单位：m)为复合铸件界面处的热模数，f_交变(单位：Hz)为交变电磁场的频率。

进一步地限定，步骤四中在680℃～755℃下将铝合金熔化。

本发明还提出了上述方法制备的含铝合金双金属复合铸件。

本发明具有以下有益效果：

本发明的含铝合金的固-液双金属铸造界面调控方法可以有效缓解由于铝合金金属液对固态预制体加热差异产生的凝固切应力。通过浇注过程配合施加交变电磁场与永磁旋转磁场，铝合金金属液在凝固到固-液两相区温度时，液态金属按照渐开线规律流动并收敛形成渐开线基圆形态，沿界面方向的凝固切应力在基圆周围以基圆中心为对称中心可以相互抵消，可有效避免沿界面方向的裂纹产生，使降低沿界面方向裂纹发生率降低80％以上，并且不增加垂直界面方向裂纹的生成概率。

为了能够更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明详细说明与附图，然而所附的附图仅提供参考和说明之用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1是本发明铸型周围配置交变电磁场与永磁旋转磁场示意图，1—交变电磁场发生器，2—交变电磁场线圈，3—电机、4—连杆，5—永磁体，6—浇注口，7—固态金属预制体，8—型腔，9—铸型。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：本实施例铝合金3kg，按质量百分比计，成分如下：Li含量为3％，Cu含量为1％、Mg含量5％、Ti含量为0.2％，Er含量为0.8％，余量为Al；固态金属预制体材料是TA15钛合金；本实施例铝合金固-液双金属铸造界面调控方法是通过以下步骤实现的：

步骤一，固态金属预制体界面粗糙度控制：将TA15钛合金固态金属预制体表面依次进行喷丸50秒、喷砂60秒、600#砂纸打磨后用0.2MPa压缩氮气清除表面残余物然后化学抛磨处理，使表面粗糙度Ra值达到6.3微米，并露出新鲜的金属表面；

步骤二，一体化造型：将TA15钛合金固态金属预制体表面用塑料薄膜封装，进行一体化造型，

首先制作模样：按照复合铸件中熔融铝合金需填充部分的形状制作低温模样，将TA15钛合金固态金属预制体与低温模样组合成组合模样；

然后将组合模样放置于低温造型平台上造型，造型材料采用聚氨酯树脂砂，在低温模样附近留浇注口，砂型硬化后，铸型在800Pa负压环境逐渐升温至60℃，使铸型中的低温模样软化沿浇注口流出，而固态金属预制体留在铸型中形成复合铸型。

步骤三，配置交变电磁场与永磁旋转磁场：依据经验公式计算交变电磁场发生器功率(P)、交变电磁场的频率(f_交变)和产生永磁旋转磁场的旋转永磁体转速(n_旋转)。

交变电磁场发生器功率经验公式如下：P＝6.05*G/t(kW)，依据经计算为6.05kW；

交变电磁场的频率经验公式如下：

(Hz)，依据经计算为1177Hz；

永磁旋转磁场的转速经验公式如下：

(r/min)，依据经计算为1050r/min。

根据计算结果配置交变电磁场与永磁旋转磁场设备，然后在距离TA15钛合金固态金属预制体界面5cm处设置交变电磁场线圈和旋转磁永磁体，交变电磁场线圈随固态金属预制体表面平行放置，旋转永磁体旋转轴沿固态金属预制体表面法线方向，磁感应强度为3T。旋转永磁体旋转轴与交变电磁场线圈对称轴距离为15cm。

步骤四，一体化铸造：将所铝合金熔化到755℃后，开启交变电磁场和永磁旋转磁场设备，采用一体化铸造方法进行铸造，形成铝合金/TA15钛合金双金属复合铸件。

本实施例的含铝合金的固-液双金属铸造界面调控方法可以有效缓解由于铝合金金属液对TA15钛合金固态预制体加热差异产生的凝固切应力，有效避免了沿界面方向的裂纹产生，使降低沿界面方向裂纹发生率降低80％，并且不增加垂直界面方向裂纹的生成概率。

实施例2：本实施例铝合金5kg，按质量百分比计，成分如下：Li含量为1％，Cu含量为3％、Mg含量3％、Ti含量为0.2％，Mn含量为0.2％，余量为Al；固态金属预制体材料是ZG45铸钢；本实施例铝合金固-液双金属铸造界面调控方法是通过以下步骤实现的：

步骤一，固态金属预制体界面粗糙度控制：将ZG45铸钢固态金属预制体表面依次进行喷丸50秒、喷砂60秒、600#砂纸打磨后用0.2MPa压缩氮气清除表面残余物，使表面粗糙度Ra值达到12.5微米，并露出新鲜的金属表面；

步骤二，一体化造型：将ZG45铸钢固态金属预制体表面用塑料薄膜封装，进行一体化造型，

首先制作模样：按照复合铸件中熔融铝合金需填充部分的形状制作低温模样，将ZG45铸钢固态金属预制体与低温模样组合成组合模样；

然后将组合模样放置于低温造型平台上造型，造型材料采用聚氨酯树脂砂，在低温模样附近留浇注口，砂型硬化后，铸型在800Pa负压环境逐渐升温至60℃，使铸型中的低温模样软化沿浇注口流出，而固态金属预制体留在铸型中形成复合铸型。

步骤三，配置交变电磁场与永磁旋转磁场：依据经验公式计算交变电磁场发生器功率(P)、交变电磁场的频率(f_交变)和产生永磁旋转磁场的旋转永磁体转速(n_旋转)。

交变电磁场发生器功率经验公式如下：P＝6.05*G/t(kW)，依据经计算为9.45kW；

交变电磁场的频率经验公式如下：

(Hz)，依据经计算为2525Hz；

永磁旋转磁场的转速经验公式如下：

(r/min)，依据经计算为2564r/min。

根据计算结果配置交变电磁场与永磁旋转磁场设备，然后在距离ZG45铸钢固态金属预制体界面20cm处配置交变电磁场线圈和旋转磁永磁体，交变电磁场线圈随固态金属预制体表面平行放置，旋转永磁体旋转轴沿固态金属预制体表面法线方向，磁感应强度为1T。旋转永磁体旋转轴与交变电磁场线圈对称轴距离为20cm。

步骤四，一体化铸造：将所铝合金熔化到700℃后开启交变电磁场和永磁旋转磁场设备，采用一体化铸造方法进行铸造，形成铝合金/ZG45铸钢双金属复合铸件。

本实施例的含铝合金的固-液双金属铸造界面调控方法可以有效缓解由于铝合金金属液对ZG45铸钢固态预制体加热差异产生的凝固切应力，有效避免了沿界面方向的裂纹产生，使降低沿界面方向裂纹发生率降低85％，并且不增加垂直界面方向裂纹的生成概率。

实施例3：本实施例与实施例1不同的是：

铝合金3kg，按质量百分比计，成分如下：Si含量为5.8％，Li含量为1％，Cu含量为0.2％、Mg含量3％、Ti含量为0.2％，余量为Al；

固态金属预制体材料是2195铝合金；交变电磁场发生器功率5.85kW，交变电磁场的频率3411Hz，永磁旋转磁场的转速1788r/min；

步骤四中铝合金熔化到680℃后开启交变电磁场和永磁旋转磁场设备。其它步骤和参数均与实施例1相同。

本实施例的含铝合金的固-液双金属铸造界面调控方法可以有效缓解由于铝合金金属液对2195铝合金固态预制体加热差异产生的凝固切应力，有效避免了沿界面方向的裂纹产生，使降低沿界面方向裂纹发生率降低87％，并且不增加垂直界面方向裂纹的生成概率。

Claims (10)

1.一种含铝合金的固-液双金属铸造界面调控的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对固态金属预制体表面进行处理，使表面粗糙度Ra值达到6.3～12.5微米，并露出新鲜的金属表面；

步骤二、将步骤一处理后固态金属预制体封装，然后进行一体化造型，并形成容纳铝合金熔体的型腔；

步骤三、计算交变电磁场发生器功率P、交变电磁场发生器频率f_交变和产生永磁旋转磁场的旋转永磁体转速n_旋转，根据计算结果配置交变电磁场与永磁旋转磁场设备，然后设置在距离固态金属预制体界面5cm～20cm处，交变电磁场线圈随固态金属预制体表面平行放置，旋转永磁体旋转轴沿固态金属预制体表面法线方向，将磁感应强度控制在1T～3T，旋转永磁体旋转轴与交变电磁场线圈对称轴距离为15cm～20cm；

步骤四、然后将铝合金熔化后，开启交变电磁场和永磁旋转磁场设备，采用一体化铸造方法进行铸造，即完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中固态金属预制体材料是钛合金、铝合金或铸钢。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中采用抛磨处理实现对固态金属预制体表面处理。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述抛磨处理为机械抛磨，或化学抛磨，或者化学抛磨与机械抛磨相结合；所述机械抛磨为喷丸、喷砂或砂纸打磨。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中进行一体化造型的操作过程为：

S1：制作模样：按照复合铸件中熔融铝合金需填充部分的形状制作低温模样，将固态金属预制体与低温模样组合成组合模样；

S2：将组合模样放置于低温造型平台上造型，造型材料采用聚氨酯树脂砂，在低温模样附近留出浇注口，砂型硬化后，在负压环境逐渐升温铸型，使铸型中的低温模样沿浇注口流出，而固态金属预制体留在铸型中形成复合铸型。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中按公式Ⅰ计算交变电磁场发生器功率：

P＝6.05*G/t (Ⅰ)，

其中，P为交变电磁场发生器功率，G为交变电磁场作用范围内的铝合金熔体质量，t为铝合金熔体凝固到固相线温度时所需的时间。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中按公式Ⅱ计算交变电磁场发生器频率：

其中，P为交变电磁场发生器功率，m为复合铸件界面处的热模数，t为铝合金熔体凝固到固相线温度时所需的时间，ρ为铝合金的平均电阻率，γ为铝合金的密度，δ为固态金属预制体与铝合金结合界面层的厚度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中按公式Ⅲ计算永磁旋转磁场的转速：

其中，n_旋转产生永磁旋转磁场的旋转永磁体转速，G为交变电磁场作用范围内的铝合金熔体质量，m为复合铸件界面处的热模数，f_交变为交变电磁场的频率。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中在680℃～755℃下将铝合金熔化。

10.一种权利要求1-9任意一项方法制备的含铝合金双金属复合铸件。

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