CN1425520A - 铝合金低频电磁半连续铸造方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种铝合金低频电磁场半连续铸造方法及装置，属于材料加工技术领域，其装置是在现有结晶器的外部或内部设置一组线圈，向线圈中通入低频电流，本发明的方法是采用本发明的装置进行铝合金低频电磁场半连续铸造，电磁场频率为15－50Hz，浇铸温度为680－750℃，铸造速度为50－150mm/min，冷却水压为0.06－0.12MPa，本发明具有明显细化晶粒，使合金元素在晶内充分固溶，避免裂纹，提高铸锭成材率，消除偏析瘤，改善表面浇量等优点。

Description

铝合金低频电磁半连续铸造方法及装置

所属技术领域

本发明属于材料加工技术领域

背景技术

现代材料制备技术追求低成本、高性能，即高性能价格比。现代材料学告诉我们，材料的大量缺陷都是在合金熔铸时产生的，其中相当一部分缺陷是在后续加工和热处理中难以修复的。因此，熔铸已不再只作为材料成型的手段，而更重要的是作为材料质量控制的第一个重要环节。细晶、均质是现代金属材料提高性能的基本方向。现代铝加工行业对铸锭的质量要求越来越高，通常希望在保证成分和尺寸的基础上，避免裂纹，以提高成材率；晶粒细化，提高加工性和产品力学性能，表面光洁，无偏析瘤，以提高成材率；合金元素分布均匀，以保证产品的性能均匀，在高合金化的制品中，更希望合金元素铸态就充分固溶，以提高材料热处理后的性能。

近年来，人们开辟了大量新的制坯方法来实现上述要求。

a.快速冷却方法，如喷射成型，铸轧，连铸连轧，铸挤，汽滑铸造等；

b.施加外场的方法，如凝固时施加超声波，施加电流，施加磁场等。

喷射成形是在粉末冶金方法基础上发展的合金制坯方法，该方法的冷却速度较高，可达到102～4，因此可以实现合金元素充分固溶和细晶，尤其适合于高合金化的材料。但是该方法成材率低，生产成本高，锭坯的含气量高，因此不适合工业合金的制备；由于铸轧和连铸连轧容易产生偏析，因此一般合金铸轧困难，因此，这两个方法主要应用在纯铝和低合金化铝合金中；铸挤应用较少，主要生产小截面积的线材和管材；汽滑铸造可以生产大断面锭坯和高合金，但是该方法仅能大幅度改善锭坯表面质量，而对内部组织改善不大，由于多孔石墨结晶器和产生汽雾的油价格昂贵，因此，生产成本高。

大量试验表明电磁铸造是一种高效、经济、容易实现的方法。

电磁铸造(Electromagnetic Casting，简称EMC)的开拓者是前苏联的工程师Geiselev ZN，它利用高频电磁场在铝熔体表面区域产生的洛伦兹力，向内压迫液态金属，使熔体脱离结晶器，避免一次冷却，直接二次冷却。该技术也可以称为无模铸造或高频电磁铸造，其主要特点是铸锭表面无偏析、光洁度高，锭坯可以不铣面直接加工，但是，对内部组织影响不大。由于该方法对铸造机稳定性要求极高，铸造机略一抖动，表面则出现波纹，且铸造开始过程的建立十分困难，因此限制了该技术的工业应用。在此之后，产生过直流电磁场、交流、直流电流等新的方法，但都由于效果不明显，过程复杂等原因，都未成为工业技术。

1986年，法国人Vives等利用工频电磁场实现了2024铝合金Φ320mm锭的电磁铸造，发现表面偏析改善，晶粒细化，但是由于工频磁场的贯穿深度有限，因此对内部组织影响不大，尤其是合金元素的固溶和偏析改善不大。他们还进一步使用了直流和交流电磁场共存的电磁震荡技术[7]使铸锭的晶粒明显细化，但是，由于振荡的主频率是工频的2倍，因此磁场的贯穿深度有限，对内部组织影响不大，尤其是合金元素的固溶和偏析改善不大。以后国内发明过脉冲电流、脉冲磁场铸造技术，但是由于施加脉冲磁场和电流装置复杂，施加时搅动较大，虽然可以细化组织，但对锭坯的其他性能改进不大，因此应用有限。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种铝合金低频电磁半连续铸造方法及装置，该方法是一种高效经济的铝合金铸态组织调控方法。在铝合金半连续铸造过程中，在结晶器外部或内部，施加低频电磁场，利用低频电磁场的高贯穿能力，生产低内应力、无裂纹、细晶、溶质高度固溶且分布均匀，无偏析，表面无偏析瘤、光洁的铸锭。

本发明方法是在特殊设计的结晶器外，安装一组线圈，线圈通过低频电流，在结晶器中产生交流磁场，交流磁场将对结晶器中的磁场产生推力，使熔体表面凸起，形成弯月面，减少与结晶器壁的接触面积和接触压力，实现软接触。这样，增加了熔体与结晶器的热阻，减少结晶器壁的热流，进而减少一次冷却强度。消除了偏析瘤，提高表面质量。同时作用于熔体的磁场，将分成两个分量，一个与主轴形成一个角度，在熔体中产生切向力的罗伦兹力，使熔体在液面不破坏的情况下，产生环流，即产生稳定的搅拌。另一部分磁场产生体积力。在电磁场作用下，由于结晶激活能降低，环流使结晶器壁形成的晶核脱离结晶器，流进熔体。因此可以使大量潜在结晶形核地点激活，因此，结晶形核数量增加。同时，由于在结晶器径向磁场强度由外向内降低，晶核沿径向有一个罗伦兹力差，产生转距。因此晶核转动，长大速度降低。所以晶粒细化。同时，由于在电磁场作用下，由流槽浇入结晶器的铝液，产生向外的横向流动，且随磁场强度增加，横向流动量增加，中心向下垂直流动减少，因此，液穴深度降低。结晶区横断面的温差降低，铸锭的内应力减少，裂纹的趋势减少。同时由于晶粒细化，更重要的溶质晶内固溶度增加，晶界低熔点的共晶量减少，结晶后合金的高温和室温强度都增加，因此可以有效避免裂纹的发生。电磁场可能改变铝原子与合金元素的结合力，使凝固后的晶内合金元素固溶度增加。

裂纹的消除无疑大大提高了合金成材率；同时，表面质量的改进，可以大大减少铣面量，也提高成材率；晶粒细化、尤其是合金元素晶内大量固溶，可以提高合金的可加工性能，尤其为以后的力学和其它性能的提高奠定了组织基础。

低频电磁场由于其贯穿能力强，因此使铸锭整个断面组织一致，合金元素分布均匀。更重要的是低频磁场可以使合金元素的固溶度明显增加，这在高合金化的合金中，更为重要。

同时由于电磁场使一次冷却降低，因此铸造速度提高，一般可提高10～20％，但相应的二次冷却水强度要增加。

因此本发明，即在铝合金半连续铸造中施加低频磁场，在高合金，大铸锭的生产中效果更显著。

本发明方法是在结晶器装置上实现。由于同等磁场下，电导率高的材料涡流大，因此该结晶器可以采用电导率低的铝合金，奥氏体不锈钢，最好是钛和钛合金或其它电导率比铝合金低的非磁性材料。

本发明的装置有两种结构：一种结构是一般结构，适用于铸锭尺寸比较小的情况，线圈可采用铜管，铜管外部采用普通的绝缘，通水内部冷却。这种结构安装和调整比较方便。另一种结构，适用于大尺寸铸锭。由于线圈更接近熔体，因此磁场损失小，利用率高。同时线圈置于冷却水中，可以调整线间隔，强化冷却。因此可采用实心线，电流密度也可以提高，线圈的体积比较小，但外部要涂复防水绝缘。但是该装置装卸比较麻烦。

采用本发明的方法进行铝合金低频电磁场半连续铸造，电磁场频率为15～50Hz，；铸造温度为680～750℃，铸造速度为50～150mm/min，冷却水压力为0.06Mpa～0.12Mpa。

采用本发明的低频电磁场半连续铸造方法，可以在不改变铝合金半连续铸造主体设备和工艺参数的前提下，在结晶器的外部和内部装置线圈，通过低频电流，大幅度提高半连续铸坯的冶金质量。本发明的主要特点为：

1)铸锭组织明显细化、更主要的是使合金元素在晶内充分固溶，为合金加工性能的改善和成型热处理后力学性能的提高奠定了良好基础。

2)铸造内应力大幅度降低，避免了裂纹、提高铸锭成材率。尤其对高合金化难铸造合金，效果更明显。

3)消除偏析瘤，改善表面质量，铸锭可以不铣面直接加工，成材率明显提高。

4)大幅度改善铸锭内部的宏观偏析，使合金元素分布均匀。

5)可以提高铸造速度。

本发明是铝合金组织调控的高效、经济方法，尤其在高合金化铝合金中效果更佳。

附图说明

图1为本发明的线圈设置在结晶器外的铝合金低频电磁场半连续铸造装置示意图；

图2为本发明的线圈设置在结晶器内铝合金低频电磁场半连续铸造装置示意图；

图中：1线圈，2冷却水，3结晶器，4铸锭，5保温帽，6石墨环，7熔体。

具体实施方式

本发明的装置如图1、图2所示，有两种结构。参见图1，本发明装置适用于铸锭尺寸比较小的情况，在结晶器3的上部外侧设置线圈1，线圈1采用铜管制成，线圈外壁施以绝缘，内部通水冷却。参见图2，本发明装置适用于大尺寸铸锭的情况，在结晶器3的上端内部设置线圈1，线圈1置于冷却水2中，线圈1可采用实心线，线圈1外部要涂复防水绝缘材料。

采用本发明的方法在本发明的装置上进行铝合金低频电磁场半连续铸造：例1：7075铝合金低频电磁场半连续铸造：

               7075铝合金化学成分Zn         Mg         Cu         Cr          Mn       Fe      Si      Al5.1～6.1   2.0～3.0   1.2～2.0   0.16～0.3   ≤0.15   ≤0.5   ≤0.5   余量铸锭尺寸：200铸造条件：浇铸温度680～720℃，铸造速度80mm/min，冷却水压：0.08Mpa，铝合金引锭杆，不铺底。电磁场条件：频率30Hz，在第一种结构结晶器上实现，电磁场强度：20000At

      7075合金低频电磁铸造组织与传统DC铸造比较

铸造方法	晶粒尺寸mm	晶粒形状	晶内Zn含量％	Zn宏观偏析率％#	Mg宏观偏析率％#	Cu宏观偏析率％#	内应力最大值环向Mpa##	内应力最大值径向Mpa##	裂纹	表面	挤压材性能CS
													σb Mpa	δ，％
											DC	0.3～1			柱状、枝晶	2.9	16	9	11	82	85	环状	偏析瘤	505～556	6.0～7.5
低频电磁	0.05～0.1	等轴、蔷薇状	3.9	2.1	1.33	1.25	50	46	无	无偏析瘤，光洁			558～602	7.3～9.1

         #宏观偏析率＝(该元素边部分析成分-该元素心部分析成分)/合金平均成分

                           ##：内应力值为数值模拟的结果

可见采用低频电磁半连续铸造后，晶粒明显细化，晶粒形状转化为等轴或蔷薇状，晶内合金元素固溶度明显提高，内应力大幅度降低，裂纹消除，宏观偏析消除，表面偏析瘤等缺陷消除，同时材料加工后的力学性能明显提高。例2：超高强铝合金低频电磁场半连续铸造：

             超高强铝合金化学成分Zn         Mg          Cu          Zr           Fe       Si       Al8.8～10    2.0～3.0    2.0～2.5    0.1～0.15    ≤0.3    0.1     余量铸锭尺寸：200铸造条件：浇铸温度700～720℃，铸造速度，80mm/min，冷却水压：0.08Mpa，铝合金引锭杆，不铺底。电磁场条件：频率30Hz，在第二种结晶器上实现，电磁场强度：20000At超高强合金低频电磁铸造组织与传统DC铸造比较

铸造方法	晶粒尺寸	晶粒形状	晶内Zn含量％	裂纹	表面	挤压材性能CS
							DC	0.1～0.6mm	柱状、枝晶	4.0	纵裂	偏析瘤
低频电磁	0.02～0.09mm	等轴、蔷薇状	8.0	无	无偏析瘤，光洁	σb，803Mpaδ＝6.3％

可见采用低频电磁半连续铸造后，超高强铝合金晶粒明显细化，晶粒形状转化为等轴或蔷薇状，晶内合金元素固溶度明显提高，裂纹消除，表面偏析瘤等缺陷消除，同时材料加工后的力学性能明显提高。而采用传统的DC铸造，发生纵向劈裂，铸造过程不能完成。

Claims (3)

1、一种铝合金低频电磁场半连续铸造装置，由保温帽、结晶器、石墨环及冷却装置组成，其特征在于结晶器的外部或内部设置一组线圈，向线圈中通入低频电流，电磁场频率为15Hz-50Hz。结晶器内部边缘磁场强度为0.05-0.30T。

2、根据权利要求1所述的铝合金低频电磁场半连续铸造装置，其特征在于线圈的设置有两种：

a.设在结晶器外侧的上部，线圈由金属管制成，内通冷却水，外壁施以绝缘，

b.设在冷却水中，线圈采用实心线，线圈外部涂复防水绝缘材料。

3、一种采用权利要求1所述装置的铝合金低频电磁场半连续铸造的方法，其特征在于其电磁场频率为15-50HZ，铸造温度为680～720℃，铸造速度为50-150mm/min，冷却水压为0.06-0.12Mpa。

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