專利名稱：一種7xxx系鋁合金半連續(xù)鑄造裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁合金加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種7xxx系鋁合金半連續(xù)鑄造裝置及使用其裝置的鑄造方法。
背景技術(shù)：
7xxx系鋁合金是重要的航空結(jié)構(gòu)材料，具有高強(qiáng)度、低密度以及較高的斷裂韌性、抗疲勞裂紋擴(kuò)展及應(yīng)力腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中重要的受力構(gòu)件，如機(jī)身框梁、平尾整體壁板、上翼蒙皮、龍骨梁、彈射座椅及其導(dǎo)軌等。在小型空空導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈、大跨度軍用浮橋等方面也具有極大的應(yīng)用潛力。7xxx系鋁合金的制備技術(shù)一直是國內(nèi)外鋁合金加工領(lǐng)域的研究和關(guān)注熱點(diǎn)。
半連續(xù)鑄造工藝是目前生產(chǎn)鋁合金鑄坯的常規(guī)方法之一，盡管存在鑄坯銑面量大、凝固組織粗大、內(nèi)外組織性能均勻性差和偏析嚴(yán)重等問題，增加了后續(xù)加工難度，無法達(dá)到理想的生產(chǎn)要求，但半連續(xù)鑄造法仍然是目前國內(nèi)鋁加工企業(yè)普遍采用的鑄造方法。該法對于7xxx鋁合金板錠鑄造難度極大，除表面質(zhì)量差和內(nèi)外缺陷多之外，由于該系合金兩相區(qū)溫度范圍寬、熱裂傾向大，在高溫脆性區(qū)內(nèi)易形成熱裂紋，同時(shí)硬鋁合金彈性模量大，塑性差，冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，當(dāng)出現(xiàn)裂紋源時(shí)，其強(qiáng)度迅速降低使得裂紋得以迅速擴(kuò)展，因此鑄坯在鑄造和鑄造后的放置過程中經(jīng)常出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，成品率極低。如何獲得表面質(zhì)量好、內(nèi)部組織晶粒細(xì)小、偏析小，尤其是低應(yīng)力、不開裂的7xxx系鋁合金鑄坯制備技術(shù)一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
采用快速凝固/粉末冶金法可制備7xxx系鋁合金，獲得的合金晶粒細(xì)小、成分均勻，強(qiáng)度高，無應(yīng)力集中現(xiàn)象，但該法難以制備大尺寸材料，生產(chǎn)成本高，且含鋅量高時(shí)燒結(jié)困難。
噴射成形是在粉末冶金方法基礎(chǔ)上發(fā)展的合金制坯方法，該法的冷卻速度較高，可達(dá)102～4℃/s，保持了晶粒細(xì)小、組織均勻、應(yīng)力小及能夠抑制偏析等優(yōu)點(diǎn)，但該法成材率低、生產(chǎn)成本高，鑄坯含氣量高，不適合大規(guī)模工業(yè)合金的制備。
在傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造過程中降低鑄造速度、減小二次冷卻強(qiáng)度，采用短結(jié)晶器和熱頂鑄造工藝，來獲得較小的液穴深度，降低半連鑄鑄坯內(nèi)外溫差，可以降低裂紋形成的傾向性。但鑄造速度、結(jié)晶器高度等工藝參數(shù)的選擇受合金種類的限制，同時(shí)多個(gè)工藝參數(shù)的選擇需要統(tǒng)籌考慮，因此在一定的工藝條件下，通過調(diào)整常規(guī)工藝條件來有效解決鑄坯裂紋問題比較困難。
電磁鑄造(EMC，ElectroMagnetic Casting)技術(shù)是通過施加頻率為2000～3000Hz的中頻交變磁場在鋁熔體表面區(qū)域產(chǎn)生的洛侖茲力，向內(nèi)壓迫液態(tài)金屬，使熔體脫離結(jié)晶器，避免一次冷卻，直接二次冷卻凝固成形，獲得無偏析、表面光潔的鑄坯。但該法對鑄機(jī)的穩(wěn)定性要求極高，鑄造機(jī)略一抖動(dòng)，鑄坯表面則形成波紋，且鑄造開始過程的建立十分困難，因此限制了該技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。
崔建忠等在半連鑄過程中施加頻率為15～50Hz的低頻電磁場，制備了7075、7A60硬鋁合金鑄坯。低頻磁場產(chǎn)生的電磁約束力降低與結(jié)晶器的接觸壓力，降低了一次冷卻強(qiáng)度，消除表面偏析瘤，提高表面質(zhì)量(見中國專利CN1425520A)。低頻磁場產(chǎn)生的電磁攪拌作用一方面細(xì)化晶粒、消除元素偏析，另一方面降低液穴深度、減小結(jié)晶區(qū)橫斷面上的溫差，鑄坯內(nèi)應(yīng)力減小，裂紋的趨勢減小。采用該法可有效提高7xxx鋁合金鑄坯質(zhì)量，減輕鑄坯鑄造過程中的開裂現(xiàn)象，但在放置過程中爆裂現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生。
韓國專利KR2002091532-A提出在開縫結(jié)晶器外施加高頻電磁場的鋁合金軟接觸電磁半連鑄方法獲得無表面缺陷的鋁合金鑄坯，利用高頻磁場產(chǎn)生的約束力實(shí)現(xiàn)軟接觸，減輕一次冷卻強(qiáng)度，同時(shí)高頻磁場產(chǎn)生的感應(yīng)熱降低初始凝固位置及液穴深度，降低鑄坯橫斷面上的溫差，有利于緩解鑄造過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但強(qiáng)烈的感應(yīng)熱作用使其內(nèi)部組織粗大，元素偏析問題也沒有有效解決；韓國專利KR2005064741-A在韓國專利KR2002091532-A的基礎(chǔ)上添加一旋轉(zhuǎn)攪拌磁場用于細(xì)化內(nèi)部組織，但由于元素密度差異大，旋轉(zhuǎn)磁場仍無法消除元素偏析現(xiàn)象及附帶而來晶界強(qiáng)度低、應(yīng)力集中產(chǎn)生的鑄坯開裂現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種7xxx系列鋁合金半連續(xù)鑄造的裝置以及使用該裝置的鑄造方法，以提高7xxx系列鋁合金半連鑄鑄坯的冶金質(zhì)量。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的一種7xxx系列鋁合金半連續(xù)鑄造裝置，包括結(jié)晶器、冷卻水通道、感應(yīng)線圈和底模；冷卻水通道設(shè)置在結(jié)晶器內(nèi)，包括進(jìn)水口和出水口；冷卻水通道內(nèi)設(shè)有感應(yīng)線圈；底模在結(jié)晶器下部封閉結(jié)晶器，其中感應(yīng)線圈為中頻感應(yīng)線圈。由于設(shè)置了中頻感應(yīng)線圈，中頻感應(yīng)線圈通中頻交流電后產(chǎn)生中頻交變磁場，使得7xxx系列鋁合金熔體在中頻交變磁場中結(jié)晶凝固，能夠大大改善7xxx系列鋁合金鑄坯的質(zhì)量。
優(yōu)化的技術(shù)方案是中頻感應(yīng)線圈由銅板或銅管制成。
進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案中還包括石墨環(huán)和熱頂；石墨環(huán)位于結(jié)晶器的上部，熔體的外圍；環(huán)狀熱頂位于石墨環(huán)的上端。
石墨環(huán)傳熱速度快，可以保證很好的冷卻效果；熱頂保溫性能好，可以減少熔體上部過冷而起殼。
進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案中還包括分水板，分水板位于冷卻水道的入口處。分水板把冷卻水分流，能夠更好的提供冷卻效果。
本發(fā)明提供的一種7xxx系鋁合金半連鑄鑄造方法，包括如下步驟A、將冷卻水接入7xxx系鋁合金半連鑄鑄造裝置的進(jìn)水口；B、將中頻交流電通入7xxx系鋁合金半連鑄鑄造裝置的感應(yīng)線圈，產(chǎn)生交變磁場；C、將溫度為680-740℃的7xxx系鋁合金熔體澆注入7xxx系鋁合金半連鑄鑄造裝置的結(jié)晶器；D、以40～160mm/min的牽引速度牽引7xxx系鋁合金半連鑄鑄造裝置的底模10。
本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案中，中頻交流電的頻率為60-2500赫茲，其在結(jié)晶器內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為0.05～0.35T。實(shí)驗(yàn)證明，采用本技術(shù)方案獲得的鑄坯應(yīng)力低、無裂紋，細(xì)晶、均質(zhì)，表面光潔、無偏析瘤。
進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案中，所通冷卻水的水壓為0.06～0.12MPa?？梢员ＷC良好的冷卻效果，有助于獲得品質(zhì)更好的鑄坯。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例電磁半連續(xù)鑄造裝置結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例電磁半連續(xù)鑄造系統(tǒng)的原理圖。
圖中1、結(jié)晶器；2、冷卻水通道；3、感應(yīng)線圈；4、石墨環(huán)；5、進(jìn)水口；6、分水板；7、出水口；8、熔體；9、鑄坯；10、底模；11、熱頂。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例提供的7xxx系列鋁合金電磁半連鑄裝置包括結(jié)晶器1，7xxx系列鋁合金熔體8就是澆注在結(jié)晶器1內(nèi)結(jié)晶凝固的。結(jié)晶器1內(nèi)設(shè)有冷卻水通道2，包括進(jìn)水口5、分水板6和出水口7。冷卻水經(jīng)進(jìn)水口5流入冷卻水通道2，并經(jīng)分水板6分流，最后由出水口7流出，從而帶走大量的熱。冷卻水通道2中還設(shè)置了一組感應(yīng)線圈3，感應(yīng)線圈3在本實(shí)施例中由銅板制成，其內(nèi)通有中頻交變電流，從而在結(jié)晶器1內(nèi)產(chǎn)生中頻交變磁場。在鋁合金熔體8和冷卻水通道之間設(shè)有石墨環(huán)4，石墨環(huán)4上端還設(shè)有熱頂11。鋁合金熔體8由結(jié)晶器1上部澆注進(jìn)來，經(jīng)冷卻凝固后形成鑄坯9，結(jié)晶器1下部設(shè)有底模10，底模10和外部的牽引機(jī)構(gòu)連接，將形成的鑄坯9緩慢牽引出結(jié)晶器1。
以下為本發(fā)明提供的7xxx系列鋁合金電磁半連鑄鑄造方法的具體實(shí)施例。
實(shí)施例1 制備Φ200mm的7075鋁合金圓錠，具體步驟如下首先將7075鋁合金在中頻感應(yīng)爐內(nèi)熔化，當(dāng)升溫至700℃～740℃后進(jìn)行去氣、除渣處理；澆鑄前檢查冷卻系統(tǒng)，保證水路通暢，冷卻水壓力為0.08MPa；在690℃～720℃時(shí)將金屬熔體澆注在由熱頂11、石墨環(huán)4、結(jié)晶器1和底模10形成的型腔內(nèi)。澆鑄時(shí)，先啟動(dòng)中頻電源，使中頻電流通過中頻感應(yīng)線圈3，中頻電磁場頻率為500Hz，強(qiáng)度為15000AZ，并以100mm/min的速度向下牽引底模10；當(dāng)鑄坯9達(dá)到要求長度后，停止?jié)沧⒔饘僖海袛嚯娫粗蓄l電源，待鑄坯9離開結(jié)晶器1停止冷卻水供應(yīng)。
與傳統(tǒng)半連鑄制備7075鋁合金相比，采用本發(fā)明制備的7075鋁合金晶粒大小只有不加磁場時(shí)的1/6左右，晶粒形狀由粗大柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S或薔薇狀；晶內(nèi)元素固溶度提高20％，元素宏觀偏析消除；內(nèi)應(yīng)力大幅降低，環(huán)向最大應(yīng)力降低83％，徑向最大應(yīng)力降低76％；表面光潔，消除了表面偏析瘤等缺陷。
實(shí)施例2制備600mm×200mm的7050鋁合金板錠，具體步驟如下首先將7050鋁合金在中頻感應(yīng)爐內(nèi)熔化，當(dāng)升溫至700℃～740℃后進(jìn)行去氣、除渣處理；澆鑄前檢查冷卻系統(tǒng)，保證水路通暢，冷卻水壓力為0.08MPa；在690℃～720℃時(shí)將金屬熔體澆注在由熱頂11、石墨環(huán)4、結(jié)晶器1和底模10形成的型腔內(nèi)。澆鑄時(shí)，先啟動(dòng)中頻電源，使中頻電流通過線圈3，中頻電磁場頻率為200Hz，強(qiáng)度為20000AZ，并以120mm/min的速度向下牽引底模10；當(dāng)鑄坯9達(dá)到要求長度后，停止?jié)沧⒔饘僖?，切斷電源中頻電源，待鑄坯9離開結(jié)晶器1后停止冷卻水供應(yīng)。
與傳統(tǒng)半連鑄制備7050鋁合金相比，采用本發(fā)明制備的7050鋁合金晶粒大小只有不加磁場時(shí)的1/8左右，晶粒形狀由粗大柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S或薔薇狀；晶內(nèi)元素固溶度提高24％，元素宏觀偏析消除；內(nèi)應(yīng)力大幅降低，環(huán)向最大應(yīng)力降低80％，徑向最大應(yīng)力降低72％；表面光潔，消除了表面偏析瘤等缺陷。
本發(fā)明方法是在特殊設(shè)計(jì)的結(jié)晶器內(nèi)安裝一組中頻感應(yīng)線圈，內(nèi)通過中頻交變電流，在結(jié)晶器中產(chǎn)生中頻交變磁場。中頻交變磁場對合金受到兩方面作用，一是熱作用，由集膚效應(yīng)引起，另一方面是力作用，由洛侖茲力引起，包括垂直于鑄坯表面由外向內(nèi)的有勢分力(表現(xiàn)為提升作用的電磁壓力)和軸向旋轉(zhuǎn)分力(表現(xiàn)為攪動(dòng)作用的電磁攪拌力)。一方面較強(qiáng)的集膚效應(yīng)對初始凝固坯殼的熱作用；另一方面由于電磁壓力的作用，減弱金屬與結(jié)晶器間的接觸壓力，降低換熱強(qiáng)度，兩方面綜合作用可降低鑄坯的初始凝固位置，提高初始凝固坯殼的強(qiáng)度，減小液穴深度，降低鑄坯橫截面上的溫度梯度大而產(chǎn)生的應(yīng)力，有利于提高鑄坯的抗開裂能力。另外，電磁攪拌力促進(jìn)熔池內(nèi)溫度場和溶質(zhì)場更加均勻，感應(yīng)熱提升凝固坯殼的溫度，凝固前沿形成較小的溫度梯度，獲得有利于等軸晶形核長大的條件，凝固組織也得到細(xì)化，偏析得到控制。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種7xxx系鋁合金電磁半連鑄鑄造裝置及使用其裝置的鑄造方法，經(jīng)濟(jì)、高效，能有效控制7xxx系鋁合金鑄坯應(yīng)力開裂及鑄態(tài)組織不良。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種7xxx系鋁合金半連鑄裝置，包括結(jié)晶器1、冷卻水通道2、感應(yīng)線圈3和底模10；冷卻水通道2設(shè)置在結(jié)晶器1內(nèi)，包括進(jìn)水口5和出水口7；冷卻水通道2內(nèi)設(shè)有感應(yīng)線圈3；底模10在結(jié)晶器1下部封閉結(jié)晶器1，其特征在于所述感應(yīng)線圈3為中頻感應(yīng)線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的7xxx系鋁合金半連鑄裝置，其特征在于所述感應(yīng)線圈為銅板或銅管制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的7xxx系鋁合金半連鑄裝置，其特征在于還包括石墨環(huán)4和熱頂11；所述石墨環(huán)4位于結(jié)晶器1的上部，熔體8的外圍；環(huán)狀熱頂11位于石墨環(huán)4的上端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的7xxx系鋁合金半連鑄裝置，其特征在于還包括分水板6，所述分水板6位于冷卻水道2的入口處。
5.一種7xxx系鋁合金半連鑄方法，包括如下步驟A、將冷卻水接入權(quán)利要求1至4之一所述的進(jìn)水口5；B、將中頻交流電通入權(quán)利要求1至4之一所述的感應(yīng)線圈3，產(chǎn)生交變磁場；C、將溫度為680-740℃的7xxx系鋁合金熔體澆注入權(quán)利要求1至4之一所述的結(jié)晶器1；D、以40～160mm/min的牽引速度牽引權(quán)利要求1至4之一所述的底模10。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的7xxx系鋁合金半連鑄方法，其特征在于所述中頻交流電的頻率為60-2500赫茲，其在結(jié)晶器內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為0.05～0.35T。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的7xxx系鋁合金半連鑄方法，其特征在于所述通冷卻水的水壓為0.06～0.12MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種7xxx系鋁合金的半連鑄裝置及使用其裝置的鑄造方法。本發(fā)明提供的一種7xxx系鋁合金的半連鑄裝置包括結(jié)晶器1；結(jié)晶器1內(nèi)設(shè)有冷卻水通道2，包括進(jìn)水口5和出水口7；冷卻水通道2內(nèi)設(shè)有感應(yīng)線圈3；結(jié)晶器1下部設(shè)有底模10。本發(fā)明提供的一種7xxx系鋁合金的半連鑄方法，包括如下步驟將冷卻水接入進(jìn)水口5；將中頻交流電通入感應(yīng)線圈3，產(chǎn)生交變磁場；將溫度為680－740℃的7xxx系鋁合金熔體澆注入結(jié)晶器1；以40～160mm/min的牽引速度牽引底模10。采用本發(fā)明提供的7xxx系鋁合金半連鑄裝置實(shí)現(xiàn)的鑄造方法，能夠大大改善7xxx系列鋁合金鑄坯的質(zhì)量。
文檔編號(hào)B22D11/11GK1994623SQ20061015765
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者李丘林, 劉偉 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院