鋁合金低頻電磁半連續鑄造方法及裝置制造方法及圖紙

一種鋁合金低頻電磁場半連續鑄造方法及裝置，屬于材料加工技術領域，其裝置是在現有結晶器的外部或內部設置一組線圈，向線圈中通入低頻電流，本發明專利技術的方法是采用本發明專利技術的裝置進行鋁合金低頻電磁場半連續鑄造，電磁場頻率為１５－５０Ｈｚ，澆鑄溫度為６８０－７５０℃，鑄造速度為５０－１５０ｍｍ／ｍｉｎ，冷卻水壓為０．０６－０．１２ＭＰａ，本發明專利技術具有明顯細化晶粒，使合金元素在晶內充分固溶，避免裂紋，提高鑄錠成材率，消除偏析瘤，改善表面澆量等優點。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于材料加工
近年來，人們開辟了大量新的制坯方法來實現上述要求。a.快速冷卻方法，如噴射成型，鑄軋，連鑄連軋，鑄擠，汽滑鑄造等；b.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。噴射成形是在粉末冶金方法基礎上發展的合金制坯方法，該方法的冷卻速度較高，可達到102～4，因此可以實現合金元素充分固溶和細晶，尤其適合于高合金化的材料。但是該方法成材率低，生產成本高，錠坯的含氣量高，因此不適合工業合金的制備；由于鑄軋和連鑄連軋容易產生偏析，因此一般合金鑄軋困難，因此，這兩個方法主要應用在純鋁和低合金化鋁合金中；鑄擠應用較少，主要生產小截面積的線材和管材；汽滑鑄造可以生產大斷面錠坯和高合金，但是該方法僅能大幅度改善錠坯表面質量，而對內部組織改善不大，由于多孔石墨結晶器和產生汽霧的油價格昂貴，因此，生產成本高。大量試驗表明電磁鑄造是一種高效、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，它利用高頻電磁場在鋁熔體表面區域產生的洛倫茲力，向內壓迫液態金屬，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，錠坯可以不銑面直接加工，但是，對內部組織影響不大。由于該方法對鑄造機穩定性要求極高，鑄造機略一抖動，表面則出現波紋，且鑄造開始過程的建立十分困難，因此限制了該技術的工業應用。在此之后，產生過直流電磁場、交流、直流電流等新的方法，但都由于效果不明顯，過程復雜等原因，都未成為工業技術。1986年，法國人Vives等利用工頻電磁場實現了2024鋁合金Φ320mm錠的電磁鑄造，發現表面偏析改善，晶粒細化，但是由于工頻磁場的貫穿深度有限，因此對內部組織影響不大，尤其是合金元素的固溶和偏析改善不大。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使鑄錠的晶粒明顯細化，但是，由于振蕩的主頻率是工頻的2倍，因此磁場的貫穿深度有限，對內部組織影響不大，尤其是合金元素的固溶和偏析改善不大。以后國內專利技術過脈沖電流、脈沖磁場鑄造技術，但是由于施加脈沖磁場和電流裝置復雜，施加時攪動較大，雖然可以細化組織，但對錠坯的其他性能改進不大，因此應用有限。本專利技術方法是在特殊設計的結晶器外，安裝一組線圈，線圈通過低頻電流，在結晶器中產生交流磁場，交流磁場將對結晶器中的磁場產生推力，使熔體表面凸起，形成彎月面，減少與結晶器壁的接觸面積和接觸壓力，實現軟接觸。這樣，增加了熔體與結晶器的熱阻，減少結晶器壁的熱流，進而減少一次冷卻強度。消除了偏析瘤，提高表面質量。同時作用于熔體的磁場，將分成兩個分量，一個與主軸形成一個角度，在熔體中產生切向力的羅倫茲力，使熔體在液面不破壞的情況下，產生環流，即產生穩定的攪拌。另一部分磁場產生體積力。在電磁場作用下，由于結晶激活能降低，環流使結晶器壁形成的晶核脫離結晶器，流進熔體。因此可以使大量潛在結晶形核地點激活，因此，結晶形核數量增加。同時，由于在結晶器徑向磁場強度由外向內降低，晶核沿徑向有一個羅倫茲力差，產生轉距。因此晶核轉動，長大速度降低。所以晶粒細化。同時，由于在電磁場作用下，由流槽澆入結晶器的鋁液，產生向外的橫向流動，且隨磁場強度增加，橫向流動量增加，中心向下垂直流動減少，因此，液穴深度降低。結晶區橫斷面的溫差降低，鑄錠的內應力減少，裂紋的趨勢減少。同時由于晶粒細化，更重要的溶質晶內固溶度增加，晶界低熔點的共晶量減少，結晶后合金的高溫和室溫強度都增加，因此可以有效避免裂紋的發生。電磁場可能改變鋁原子與合金元素的結合力，使凝固后的晶內合金元素固溶度增加。裂紋的消除無疑大大提高了合金成材率；同時，表面質量的改進，可以大大減少銑面量，也提高成材率；晶粒細化、尤其是合金元素晶內大量固溶，可以提高合金的可加工性能，尤其為以后的力學和其它性能的提高奠定了組織基礎。低頻電磁場由于其貫穿能力強，因此使鑄錠整個斷面組織一致，合金元素分布均勻。更重要的是低頻磁場可以使合金元素的固溶度明顯增加，這在高合金化的合金中，更為重要。同時由于電磁場使一次冷卻降低，因此鑄造速度提高，一般可提高10～20％，但相應的二次冷卻水強度要增加。因此本專利技術，即在鋁合金半連續鑄造中施加低頻磁場，在高合金，大鑄錠的生產中效果更顯著。本專利技術方法是在結晶器裝置上實現。由于同等磁場下，電導率高的材料渦流大，因此該結晶器可以采用電導率低的鋁合金，奧氏體不銹鋼，最好是鈦和鈦合金或其它電導率比鋁合金低的非磁性材料。本專利技術的裝置有兩種結構一種結構是一般結構，適用于鑄錠尺寸比較小的情況，線圈可采用銅管，銅管外部采用普通的絕緣，通水內部冷卻。這種結構安裝和調整比較方便。另一種結構，適用于大尺寸鑄錠。由于線圈更接近熔體，因此磁場損失小，利用率高。同時線圈置于冷卻水中，可以調整線間隔，強化冷卻。因此可采用實心線，電流密度也可以提高，線圈的體積比較小，但外部要涂復防水絕緣。但是該裝置裝卸比較麻煩。采用本專利技術的方法進行鋁合金低頻電磁場半連續鑄造，電磁場頻率為15～50Hz，；鑄造溫度為680～750℃，鑄造速度為50～150mm/min，冷卻水壓力為0.06Mpa～0.12Mpa。采用本專利技術的低頻電磁場半連續鑄造方法，可以在不改變鋁合金半連續鑄造主體設備和工藝參數的前提下，在結晶器的外部和內部裝置線圈，通過低頻電流，大幅度提高半連續鑄坯的冶金質量。本專利技術的主要特點為1)鑄錠組織明顯細化、更主要的是使合金元素在晶內充分固溶，為合金加工性能的改善和成型熱處理后力學性能的提高奠定了良好基礎。2)鑄造內應力大幅度降低，避免了裂紋、提高鑄錠成材率。尤其對高合金化難鑄造合金，效果更明顯。3)消除偏析瘤，改善表面質量，鑄錠可以不銑面直接加工，成材率明顯提高。4)大幅度改善鑄錠內部的宏觀偏析，使合金元素分布均勻。5)可以提高鑄造速度。本專利技術是鋁合金組織調控的高效、經濟方法，尤其在高合金化鋁合金中效果更佳。采用本專利技術的方法在本專利技術的裝置上進行鋁合金低頻電磁場半連續鑄造例17075鋁合金低頻電磁場半連續鑄造7075鋁合金化學成分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 余量鑄錠尺寸200鑄造條件澆鑄溫度680～720℃，鑄造速度80mm/min，冷卻水壓0.08Mpa，鋁合金引錠桿，不鋪底。電磁場條件頻率30Hz，在第一種結構結晶器上實現，電磁場強度20000At7075合金低頻電磁鑄造組織與傳統DC鑄造比較 #宏觀偏析率＝(該元素邊部分析成分-該元素心部分析成分)/合金平均成分##內應力值為數值模擬的結果可見采用低頻電磁半連續鑄造后，晶粒明顯細化，晶粒形狀轉化為等軸或薔薇狀，晶內合金元素固溶度明顯提高，內應力大幅度降低，裂紋消除，宏觀偏析消除，表面偏析瘤等缺陷消除，同時材料加工后的力學性能明顯提高。例2超高強鋁合金低頻電磁場半連續鑄造超高強鋁合金化學成分Zn Mg Cu Zr Fe Si Al8.8～102.0～3.02.0本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋁合金低頻電磁場半連續鑄造裝置，由保溫帽、結晶器、石墨環及冷卻裝置組成，其特征在于結晶器的外部或內部設置一組線圈，向線圈中通入低頻電流，電磁場頻率為１５Ｈｚ－５０Ｈｚ。結晶器內部邊緣磁場強度為０．０５－０．３０Ｔ。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：崔建忠，張北江，許光明，路貴民，秦克，
申請(專利權)人：東北大學，
類型：發明
國別省市：89[中國|沈陽]