專利名稱：一種抑制高合金化鋁合金方坯裂紋的方法與設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及鋁合金鑄造技術領域，具體涉及一種抑制高合金化鋁合金方坯裂紋的方法與設備。
背景技術：
為大幅度提高鋁合金的性能，近年來發展的鋁合金合金元素的添加量不斷增加，例如美國50年代開發的7075合金，Zn，Mg，Cu等合金元素的總含量為10％，70年代開發的7050合金，Zn，Mg，Cu等合金元素的總含量達12％，90年代開發的7055合金，Zn，Mg，Cu等合金元素的總含量達到14％，最近國內開發的超高強鋁合金，Zn，Mg，Cu等合金元素的總含量達到15％，合金的強度從500MPa提高到近800MPa。同時為了大幅度地提高鋁合金的加工生產率和工程上對大規格加工材的需求不斷增加，合金鑄錠的尺寸也不斷增大，60年代高合金化鋁合金的單一錠坯重量為幾噸，70年代可以達到10噸，現在普遍大于10噸，最大為35噸。由于預拉伸板材成為現代制造業的新的結構材料，高合金化鋁合金板材的厚度也在不斷增加，從幾厘米，增加到10厘米以上。所以板坯鑄錠的厚度也不斷增加。目前發達國家的高強鋁合金的板坯尺寸可以達到60厘米。
隨著鋁合金中合金元素的增加，尤其是7000系合金中Zn，Mg，Cu含量的增加，晶界低熔點相增加，鑄錠抗裂紋能力下降。隨著鑄錠尺寸的增加，尤其是板坯厚度的增加，DC鑄造時鑄錠的液穴較深，因此鑄錠內鑄造內應力顯著提高。兩者造成了鑄錠極易開裂，鑄錠的成才率大幅度減低，這已成為高強鋁合金發展的瓶頸問題。
為了抑制裂紋，提高高強鋁合金鑄造的成才率，國內外進行了大量的研究，其基本思路是1)提高合金的抗裂紋能力，主要手段是細化組織，提高合金元素晶內固溶度；2)減少鑄錠的鑄造內應力，主要手段是減少鑄錠的冷卻速度，和降低結晶器內液穴的深度。
近年來，人們開辟了大量新的制坯方法來抑制裂紋快速冷卻方法如噴射成型，但是噴射成形制備大尺寸的鑄錠難度很大，制備大板坯基本不可能；改進結晶器的結構，如引錠桿的形狀，施加擋水板等這些辦法有一定的作用，但是作用有限。
施加外場的方法如凝固時施加超聲波，施加電流，施加磁場等，但是實踐證明這些方法在大尺寸板錠中作用不顯著；大量試驗表明施加磁場是一種高效、經濟容易實現的方法。
電磁鑄造(Electromagnetic Casting，簡稱EMC)的開拓者是前蘇聯的工程師Geiselev ZN，(美國專利，No3467166，1969.9.16)。它利用高頻電磁場在鋁熔體表面產生壓力，使熔體脫離結晶器，避免一次冷卻，直接二次冷卻。該技術也可以稱為無模鑄造或高頻電磁鑄造，其主要特點是鑄錠表面無偏析、光潔度高，但是由于電磁場的作用只限于表面，深入不到內部，因此，不能有效抑制裂紋，尤其是板坯的裂紋，所以只應用于軟合金。在此之后，產生過直流電磁場、交流、直流電流等新的方法，但都未成為工業技術。1986年，法國人Vives等利用工頻電磁場(美國專利No.4,523,628，1985，6)實現了2024鋁合金Φ320mm錠的電磁鑄造，發現晶粒明顯細化，并且他們還進一步使用了直流和交流電磁場共存的電磁震蕩技術(美國專利，4,723,591)使純鋁鑄錠的晶粒細化。開辟了具有工業應用價值的電磁細化的新技術。Vives比較詳細分析了板坯電磁連鑄時，電磁場在角分布的問題，但是沒有進行板坯連鑄的實驗。以后國內發明過脈沖電流、脈沖磁場鑄造技術，但均未形成專利。上述技術基本思想是細化組織，并沒有專門針對鑄錠的裂紋抑制問題。
發明內容
針對大鑄錠裂紋這個高合金化鋁合金發展的瓶頸問題，以及現有技術的不足之處，本發明提供一種抑制高合金化鋁合金方坯裂紋的方法與設備。
本發明所述的抑制高合金化鋁合金方坯裂紋的是一種板坯電磁連鑄結晶器。在結晶器水套內設有電磁線圈，線圈中施加低頻電流，在結晶器中產生低頻磁場，在鋁熔體中產生感生電流，產生洛倫茲力，該力使鋁合金熔體液面凸起，形成彎液面。同時在熔體內產生攪拌，改變常規DC鑄造時熔體的流動方向，使熔體從中部向上沿液面向邊部流動，且在結晶器壁處流動速度大幅度增加，使熔體與結晶器壁的換熱速度增加，熔體溫度降低到合金的液相線溫度附近，且整個熔池內溫度均勻，均在液相線溫度附近，實現電磁過冷。電磁過冷導致1)液穴深度大幅度減低；2)鑄錠橫截面上的溫差顯著減少，3)中部冷卻速度顯著增加，4)板坯的邊角部與中部的結晶速度差大幅度降低，5)結晶組織由于高過冷而顯著細化，6)合金元素晶內高度固溶，晶界低熔點相(裂紋源)顯著減少，7)合金元素宏觀分布均勻，抑制了偏析瘤。
前4項導致板坯鑄錠凝固時內應力顯著降低，鑄錠裂紋趨勢降低；后3項可以提高鑄錠的裂紋抗力，避免裂紋發生。
本發明的結晶器原理圖見圖1。結晶器水箱主要由外壁和內壁組成，電磁線圈置于水箱內，冷卻水由進水管進入，為確保線圈被水充分覆蓋，設置了擋水板。為了避免角部冷卻強度過大，結晶器的大面和小面采用分別供水的方式。兩個大面由一個主水管分別向大面兩側的入水管供水。兩個小面由另一個供水管分別向兩個小面兩側的入水管供水，大面的入水管進入到結晶器外殼，供給線圈的冷卻用水及大面的冷卻水。小面的入水管深入到小面的水腔，只供給小面的冷卻用水，大小面的冷卻水量可以分別控制。結晶器外壁由無磁性的奧氏體不銹鋼，如1Cr18Ni9(Ti)304不銹鋼組成。為減少電磁場在結晶器內壁的渦流損失，內壁用高電阻鋁合金，如AlSiFe合金制造，線圈采用耐酸和堿的，表面附有高壓絕緣膜的銅線制造，擋水板也是304不銹鋼。在鑄錠的角部半徑較小時，如≤R30mm，為了減少電磁場在角部的疊加效應，可以在角部安裝屏蔽體，屏蔽體采用純鋁或銅。經過濾凈化的鋁合金熔體，經過熔體分流器進入結晶器內的熔池。熔體分流器是由輕質耐火材料制作，例如中耐1號。為了防止分流器減緩熔體的流動和小面金屬由于冷卻過快而使該處流動速度減慢，分流器制成橋式，即中部高起，不與彎月面頂部接觸，分流部位在伸到鑄錠中心到小面的2/3處。熔體與結晶器內壁一接觸，結晶開始。為防止熔體在結晶器內壁的一次冷卻過強，而影響熔體的流動，內壁上貼有隔熱膜。
這樣熔體接觸隔熱膜下部的結晶器內壁結晶開始。施加低頻電磁場后，電磁場產生洛倫茲力，水平方向的洛倫茲力使熔體表面凸起，形成彎月面。垂直方向的洛倫茲力與中心軸線有一個角度，產生攪拌力，該力使中部的熔體向上運動，沿熔體表面流動到結晶器壁，如圖1中彎箭頭所示的流動方向。由于在結晶器壁處流體的速度大幅度增加，因此此處換熱加強，冷熔體又沿結晶器內壁流到熔池內，并且向鑄錠中部流動。這種流動與常規DC鑄造的流動方向相反。該流動導致熔體溫度大幅度降低，且整個熔池內溫度相對均勻，均在合金的液相線溫度左右。由于熔池內溫度場均勻，因此液穴深度降低，同時在橫截面上，尤其在板坯的小面與中心的溫度差顯著降低。所以橫截面上的結晶速度差減少，鑄錠結晶后的內應顯著降低，裂紋趨勢顯著減少。同時由于電磁場導致的彎月面使熔體與結晶器內壁的接觸壓力和接觸面積減少，一次冷卻強度降低，也可以使液穴深度降低。同時由于大量冷溶體進入熔池與過熱熔體混合，因此產生強過冷，且由于熔體流動速度增加，合金過冷熔體中的大量異質形核的核心激活，合金組織可以顯著細化，大量合金元素在晶內固溶，晶界處的低熔點相顯著減少，且合金元素分布均勻，因此凝固后的合金高溫強度和塑性增加，鑄錠的抗裂紋能力增加。鑄造內應力的降低和鑄錠的組織細化共同導致鑄錠裂紋的抑制。
采用該板坯電磁連鑄結晶器進行鋁合金鑄造的方法如下首先將已熔化的鋁合金液導入中間包或保溫爐，精煉除氣，將溫度保持在預定溫度，對于7000系合金，一般在710～750℃，保溫一段時間，一般在15～30分，具體視熔體量而定。鑄造開始前，首先向結晶器供水，標準冷卻水量根據鑄錠的斷面積確定，然后啟動低頻電源，線圈的電流頻率和強度根據鑄錠的厚度估算，鑄錠厚度在150～300mm頻率為20～50Hz，磁場強度為10000～40000安匝，鑄錠厚度在300mm以上到450mm時，頻率為10～25Hz，磁場強度為50000～80000安匝，在電源頻率和電流強度達到預定值時，打開中間包鋁合金出水口，合金液經流槽進入結晶器，在結晶器中的鋁合金液面達到結晶器高度的一半時，啟動鑄造機，鑄造開始。鑄造開始的水量一般控制在標準水量的50％左右，小面單位長度的冷卻水量為大面的30～50％，當鑄錠長度超過鑄錠厚度時，冷卻水量升到標準值。鑄造開始時，鑄造機起車速度要低，一般為正常鑄造速度的50％，然后逐漸上升，鑄錠長度達到鑄錠厚度時升到正常值，施加電磁場的鑄造速度可以比常規DC鑄造速度提高20～50％。鑄造過程中要確保液面穩定，液面的快速起伏是熱裂的主要原因。鑄造結束時首先關閉冷卻水，待頂部合金液充分凝固后再停止電磁場。
本發明的高合金化板坯鑄錠裂紋抑制的新方法和裝備，主要特點為1、熔體在電磁場的作用下在結晶器內快速過冷，溫度接近合金的液相線溫度，且整個熔池內溫度均勻，因此，液穴深度大幅度減低；鑄錠橫截面上的溫差顯著減少，板坯的邊角部與中部的結晶速度差大幅度降低。導致鑄錠結晶后內應力顯著降低。導致鑄錠的裂紋趨勢降低。
2、熔體在電磁場的作用下在結晶器內快速過冷，結晶組織由于高過冷而顯著細化，合金元素晶內高度固溶，晶界低熔點相顯著減少，合金元素宏觀分布均勻。導致鑄錠抗裂紋的能力增強。
因此，采用本發明的方法和裝備可以有效地抑制高合金化板坯的裂紋。
圖1為板坯電磁連鑄結晶器主視結構原理圖；圖2為結晶器的水箱俯視結構示意圖；圖3為橋式分流器結構示意圖，其中(a)為俯視圖，(b)為主視圖。
圖中1結晶器外壁，2電磁線圈，3小面入水口I，4結晶器內壁，5隔熱膜，6熔體分流器，7熔池，8熔體，9擋水板，10屏蔽體，11出水口，12低頻電源，13小面水腔I，14大面水腔I，15大面入水口II，16小面水腔II，17小面入水口II，18大面水腔II，19大面入水口I，20分流盤，21分流架，22分流腳。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，本發明的板坯電磁連鑄結晶器包括1結晶器外壁，2電磁線圈，3小面入水口I，4結晶器內壁，5隔熱膜，6熔體分流器，7熔池，9擋水板，10屏蔽體，11出水口，13小面水腔I，14大面水腔I，15大面入水口II，16小面水腔II，17小面入水口II，18大面水腔II，19大面入水口I。結晶器水箱主要由結晶器外壁1和結晶器內壁4組成，電磁線圈2置于水箱內，電磁線圈2與低頻電源12連接，冷卻水由進水管進入，為確保線圈被水充分覆蓋，在水箱內、外壁之間、電磁線圈2內側設置了擋水板10。為了避免角部冷卻強度過大，結晶器的大面和小面采用分別供水的方式。在兩個大面兩側分別設置大面入水口I19、大面入水口II15，兩個大面由一個主水管分別向在大面入水口I19、大面入水口II15供水。在兩個小面兩側分別設置小面入水口I3和小面入水口II17，兩個小面由另一個供水管分別向小面入水口I3和小面入水口II17供水，大面入水口I19、大面入水口II15進入到結晶器外壁1，分別與大面水腔I14和大面水腔II18連通，供給電磁線圈2的冷卻用水及大面的冷卻水。小面入水口I3和小面入水口II17分別深入到小面水腔I13和小面水腔II16，只供給小面的冷卻用水。大小面的冷卻水量可以分別控制。出水口11設置在結晶器外壁1的底部。結晶器外壁1由無磁性的奧氏體不銹鋼，如1Cr18Ni9(Ti)304不銹鋼制造。為減少電磁場在結晶器內壁4的渦流損失，結晶器內壁4用高電阻鋁合金，如AlSiFe合金制造。電磁線圈2采用耐酸和堿的，表面附有高壓絕緣膜的銅線制造。擋水板9也以304不銹鋼制造。在鑄錠的角部半徑較小時，如≤R30mm，為了減少電磁場在角部的疊加效應，在水箱內、外壁之間、電磁線圈2內側角部安裝屏蔽體10，屏蔽體采用純鋁或銅。在結晶器上部鋁合金熔體入口處設置熔體分流器6，熔體分流器6為橋式分流器，如圖3所示，由分流盤20、分流架21、分流腳22構成。由經過濾凈化的鋁合金熔體，經過熔體分流器6進入結晶器內的熔池8。熔體分流器6是由輕質耐火材料制作，例如中耐1號。為了防止熔體分流器6減緩熔體的流動和小面金屬由于冷卻過快而使該處流動速度減慢，熔體分流器6制成橋式，即中部分流盤20高起，不與彎月面頂部接觸，分流架21與分流盤20所在平面成330°角度。分流部位在伸到鑄錠中心到小面的2/3處，即分流腳22處。熔體8與結晶器內壁4一接觸，結晶開始。為防止熔體8在結晶器內壁4的一次冷卻過強，而影響熔體的流動，結晶器內壁4內側上貼有隔熱膜5。
采用該設備進行鋁合金板坯低頻電磁場半連續鑄造的實施例如下。
實施例17055鋁合金板坯低頻電磁場半連續鑄造試驗7055鋁合金化學成分(wt％)
鑄錠尺寸200×600×1600mm角部半徑R40mm，不屏蔽鑄造條件澆鑄溫度710～725℃，鑄造速度，40mm/min，冷卻水流量大面120升/分鐘，小面60升/分鐘，純鋁鋪底。
電磁場條件 頻率20Hz，電磁場強度25000安匝7055合金低頻電磁鑄造組織與傳統DC鑄造組織比較
合金元素偏析率[合金元素最高處(小面表面)-最低處(中心)]/平均值實施例27050鋁合金低頻電磁場半連續鑄造試驗7050鋁合金化學成分(wt％)
鑄錠尺寸200×600×1600mm角部半徑R40mm，不屏蔽鑄造條件澆鑄溫度710～725℃，鑄造速度，45mm/min，冷卻水流量大面120升/分鐘，小面60升/分鐘，純鋁鋪底。
電磁場條件頻率25Hz，電磁場強度30000安匝7050合金低頻電磁鑄造組織與傳統DC鑄造比較
實施例3超高強鋁合金低頻電磁場半連續鑄造試驗超高強鋁合金化學成分
鑄錠尺寸150×400×1600mm角部半徑R20mm，純鋁屏蔽鑄造條件澆鑄溫度700～720℃，鑄造速度，60mm/min，冷卻水量冷卻水流量大面60升/分鐘，小面30升/分鐘，純鋁鋪底。
電磁場條件頻率30Hz，電磁場強度20000安匝超高強合金低頻電磁鑄造組織與傳統DC鑄造比較
可見采用低頻電磁半連續鑄造后，超高強鋁合金晶粒明顯細化，晶內合金元素固溶度明顯提高，表面偏析瘤等缺陷消除，鑄錠裂紋抑制。
權利要求
1.一種抑制高合金化鋁合金方坯裂紋的設備，包括結晶器外壁(1)，電磁線圈(2)，結晶器內壁(4)，熔池(7)，其特征在于電磁線圈(2)置于由結晶器外壁(1)和結晶器內壁(4)構成的水箱內，在水箱內、外壁之間、電磁線圈(2)內側設置擋水板(9)，在兩個大面兩側分別設置大面入水口I(18)、大面入水口II(14)，在兩個小面兩側分別設置小面入水口I(3)和小面入水口II(16)，大面入水口I(18)、大面入水口II(14)進入到結晶器外壁(1)內，分別與大面水腔I(13)和大面水腔II(17)連通，小面入水口I(3)和小面入水口II(16)分別深入到小面水腔I(12)和小面水腔II(15)內，出水口(11)設置在結晶器外壁(1)的底部，在水箱內、外壁之間、電磁線圈(2)內側角部安裝屏蔽體(10)，在結晶器上部鋁合金熔體入口處設置熔體分流器(6)，結晶器內壁(4)內側上貼有隔熱膜(5)。
2.按照權利要求1所述的抑制高合金化鋁合金方坯裂紋的設備，其特征在于熔體分流器(6)為橋式分流器，由分流盤(19)、分流架(20)、分流腳(21)構成，中部分流盤(19)高起，分流架(20)與分流盤(19)所在平面成330°角度，分流部位在伸到鑄錠中心到小面的2/3處，即分流腳(21)處。
3.利用權利要求1所述的設備抑制高合金化鋁合金方坯裂紋的方法，其特征在于工藝流程為首先將已熔化的鋁合金液導入中間包或保溫爐，精煉除氣，將溫度保持在預定溫度，對于7000系合金，為710～750℃，保溫15～30分，鑄造開始前，首先向結晶器供水，然后啟動低頻電源，在電源頻率和電流強度達到預定值時，打開中間包鋁合金出水口，合金液經溜槽進入結晶器，在結晶器中的鋁合金液面達到結晶器高度的一半時，啟動鑄造機，鑄造開始，鑄造開始的水量控制在標準水量的50％左右，小面單位長度的冷卻水量為大面的30～50％，當鑄錠長度超過鑄錠厚度時，冷卻水量升到標準值，鑄造開始時，鑄造機起車速度為正常鑄造速度的50％，然后逐漸上升，鑄錠長度達到鑄錠厚度時升到正常值，鑄造過程中確保液面穩定，鑄造結束時首先關閉冷卻水，待頂部濾液充分凝固后再停止電磁場。
4.按照權利要求3所述的方法，其特征在于線圈的電流頻率和強度根據鑄錠的厚度估算，鑄錠厚度在150～300mm頻率為20～50Hz，磁場強度為10000～40000安匝，鑄錠厚度在300mm～450mm時，頻率為10～25Hz，磁場強度為50000～80000安匝。
全文摘要
一種抑制高合金化鋁合金方坯裂紋的方法和設備，所述設備即板坯電磁連鑄結晶器，電磁線圈置于水箱內，在水箱內設置擋水板，結晶器內設置4個供水腔，分別置于結晶器的兩個大面和兩個小面，供水腔分別供水，水量可以分別控制，在角部安裝屏蔽體，在結晶器上部鋁合金熔體入口處設置橋式熔體分流器，結晶器內壁內側上貼有隔熱膜。利用該設備鑄造7000系合金方坯厚度在150～450mm時，頻率選擇10～50Hz，磁場強度選擇10000～80000安匝。供水腔分別供水，水量分別控制，在鑄造開始、鑄造中及鑄造結束時，供給不同的水量。鑄造速度比現有技術提高20～50％。采用本發明的方法和裝備可以有效地抑制高合金化板坯的裂紋。
文檔編號B22D21/00GK1843661SQ20061004645
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月29日 優先權日2006年4月29日
發明者崔建忠, 趙志浩, 左玉波, 張海濤 申請人:東北大學