CN101168187A - 一种硬铝合金扁锭的低温中频电磁场辅助铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硬铝合金扁锭的低温中频电磁场辅助铸造方法，首先将工业纯铝在感应炉内熔炼，熔化后加入工业纯锌和工业纯铜，将熔体温度控制在690～700℃范围，加入工业纯镁，搅拌熔体并升温至725～750℃加入铝锰中间合金，熔体温度均匀后转注到保温炉内；熔体温度在730～750℃时用六氯乙烷除气精炼，扒掉熔体表面的氧化渣后静置10～30分钟；在液压式半连续铸造机上进行半连续铸造，铸造温度控制在690～700℃范围，硬铝合金熔体在中频电磁场的作用下铸造成形。铸造过程中，磁场的频率为500～3000Hz，结晶器角部位置的磁场强度在30～50mT，结晶器中心位置的磁场强度在15～25mT。该技术方案采用低温中频电磁场辅助铸造，能显著改善铸锭质量，大大提高产品性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬铝合金扁锭的低温中频电磁场辅助铸造方法，属于铝合金半连续铸造技术领域。
背景技术
高强度铝合金由于具有密度低、强度高、热加工性能好等优点而作为航空航天领域的主要结构用材料。以7×××系为代表的高强铝合金是航空用重要的结构材料，广泛用于制造飞机重要的受力结构件。
半连续铸造工艺是制备7×××系铝合金铸坯的常规方法之一，也是航空铝合金结构件生产的重要前端工序。但是，采用半连续铸造方法制备7×××系铝合金铸锭的难度较大，由于7×××系硬铝合金的合金元素含量较高，有些合金牌号Zn、Mg、Cu等主合金元素的总含量高达12％，铸锭的凝固区间范围宽，脆性区较大，因此，采用常规半连续铸造工艺制备该系合金除铸锭表面质量差，内部缺陷多外，铸锭的开裂现象十分严重，铸造成功率非常低。
发明内容
本发明的目的是提供一种硬铝合金扁锭的低温中频电磁场辅助铸造方法，旨在有效解决硬铝合金扁锭铸造过程中所出现的易开裂、成品率低的问题，能明显减小铸锭热裂倾向，改善铸锭质量、提高产品性能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种硬铝合金扁锭的低温中频电磁场辅助铸造方法，其特点是包括以下步骤——
1)熔炼及合金化：将工业纯铝在感应炉内熔炼，待熔化后加入工业纯锌和工业纯铜，将熔体温度稳定控制在690～700℃范围内并加入工业纯镁，搅拌熔体并升温至725～750℃加入铝锰中间合金，继续搅拌使熔体温度均匀，熔体温度均匀后转注到保温炉内；
2)熔体处理：将保温炉内熔体温度保持在730～750℃，用六氯乙烷除气精炼，扒掉熔体表面的氧化渣并静置10～30分钟，准备浇铸；
3)半连续铸造：首先将结晶器本体安装到半连续铸造平台，引锭头底座安装到液压式半连续铸造平台上，并将感应器与电源连接；结晶器接通冷却水，调节冷却水流量范围在2～5m3/h之间；然后打开电源，保证感应器电流频率范围为500～3000Hz，结晶器角部的磁场强度在30～50mT范围内，结晶器中心位置的磁场强度在15～25mT范围内；将保温炉内的熔体温度控制在690～700℃范围内，倾动炉体将熔体缓缓经浇口倒入结晶器内；待结晶器内液面达到一定高度时，启动铸造机，引锭头向下运动开始铸造，铸造速度范围控制在40～100mm/min之间。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明铸造温度较低，由于硬铝合金扁锭具有很高的热裂和冷裂倾向，而采用较低的铸造温度可以有效的减小铸锭中心和外部的熔体温度差，降低温度梯度，减小内应力，从而降低硬铝合金铸锭在铸造开始以及铸造过程中发生热裂的倾向；
②铸造过程施加中频交变电磁场，结晶器内置电磁感应线圈，感应线圈靠近熔体，保证了中频磁场的穿透能力，同时，由于线圈距离熔体位置较近，大大提高了磁场的作用效果；
③本发明解决了硬铝合金扁锭铸造易出现的铸锭开裂、成品率低等问题，采用低温中频电磁场辅助铸造方法，显著改善了铸锭质量，明显提高了产品性能。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明方法采用的电磁结晶器的剖视示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 1 | 结晶器内壁 | 2 | 结晶器上壁 | 3 | 内壁缝隙 |
| 4 | 结晶器下壁 | 5 | 结晶器外壁 | 6 | 电磁感应线圈 |
| 7 | 喷水孔 | 8 | 绝缘垫圈 | 9 | 孔 |
| 10 | 内腔 | 11 | 外腔 |
具体实施方式
在铝合金圆锭和扁锭的半连续铸造过程中，电磁结晶器是关键部件，如图1所示，采用锻铝作为结晶器的内壁，提供液态铝合金金属凝固时的支撑，结晶器内壁1采用切缝设计，可以增加电磁场的渗透效果，并且结晶器各个壁面的厚度不一致，其中内壁厚度最小，外壁厚度最大，结晶器上壁2、结晶器下壁4和结晶器外壁5不切缝。在结晶器内部安装电磁感应线圈6，形成内腔10和外腔11，电磁感应线圈6激发高频电磁场，熔体在电磁场的作用下受到指向熔体轴线的“电磁挤压力”，减小铸造过程中熔体和结晶器内壁1的接触压力，提高铝合金铸锭的表面质量。电磁感应线圈6采用上端开孔的铜板设计结构，铜板上侧开孔直径为Φ3mm，即孔9，电磁感应线圈6靠上下两端的绝缘线圈8固定于结晶器内部，此铜板具有双重作用，一是铸造时通入频率范围为500～3000Hz，强度为1000～10000A的中频交变电流，以激发中频交变电磁场；此铜板的另一个作用是上端开孔设计，起到结晶器内部挡水板的作用，使结晶器内部的冷却水积累到一定高度后从结晶器下壁的喷水孔7均匀流出，这样冷却水既冷却了通电感应线圈6，又实现了均匀分布。
实施例1
将工业纯铝在感应炉内熔炼，待熔化后加入工业纯锌和工业纯铜，将熔体温度稳定控制在690～700℃并加入工业纯镁，搅拌熔体，升温至725～750℃加入铝锰中间合金，熔体温度均匀后转注到保温炉内；
将保温炉内熔体温度保持在730～750℃，用六氯乙烷除气精炼，扒掉熔体表面的氧化渣并静置10～30分钟，准备浇铸；
将结晶器本体安装到半连续铸造平台，引锭头底座安装到液压式半连续铸造平台上，并将感应器与电源连接；结晶器接通冷却水，调节冷却水流量在5m3/h；然后打开电源，保证感应器电流频率为3000Hz，结晶器角部的磁场强度在50mT，结晶器中心位置的磁场强度在25mT；将保温炉内的熔体温度控制在690～700℃范围内，倾动炉体将熔体缓缓经浇口倒入结晶器内；待结晶器内液面达到一定高度时，启动铸造机，引锭头向下运动开始铸造，铸造速度控制在100mm/min。
实施例2
将工业纯铝在感应炉内熔炼，待熔化后加入工业纯锌和工业纯铜，将熔体温度稳定控制在690～700℃加入工业纯镁，搅拌熔体并升温至725～750℃加入铝锰中间合金，继续搅拌使熔体温度均匀，熔体温度均匀后转注到保温炉内；
将保温炉内熔体温度保持在730～750℃，用六氯乙烷除气精炼，扒掉熔体表面的氧化渣并静置10～30分钟，准备浇铸；
将结晶器本体安装到半连续铸造平台，引锭头底座安装到液压式半连续铸造平台上，并将感应器与电源连接；结晶器接通冷却水，调节冷却水流量在4m3/h；然后打开电源，保证感应器电流频率为2000Hz，结晶器角部的磁场强度在40mT，结晶器中心位置的磁场强度在20mT；将保温炉内的熔体温度控制在690～700℃范围内，倾动炉体将熔体缓缓经浇口倒入结晶器内；待结晶器内液面达到一定高度时，启动铸造机，引锭头向下运动开始铸造，铸造速度控制在70mm/min。
实施例3
将工业纯铝在感应炉内熔炼，待熔化后加入工业纯锌和工业纯铜，将熔体温度稳定控制在690～700℃加入工业纯镁，搅拌熔体并升温至725～750℃加入铝锰中间合金，继续搅拌使熔体温度均匀，熔体温度均匀后转注到保温炉内；
将保温炉内熔体温度保持在730～750℃，用六氯乙烷除气精炼，扒掉熔体表面的氧化渣并静置10～30分钟，准备浇铸；
将结晶器本体安装到半连续铸造平台，引锭头底座安装到液压式半连续铸造平台上，并将感应器与电源连接；结晶器接通冷却水，调节冷却水流量在2m3/h；然后打开电源，保证感应器电流频率为500Hz，结晶器角部的磁场强度在30mT，结晶器中心位置的磁场强度在15mT；将保温炉内的熔体温度控制在690～700℃范围内，倾动炉体将熔体缓缓经浇口倒入结晶器内；待结晶器内液面达到一定高度时，启动铸造机，引锭头向下运动开始铸造，铸造速度控制在40mm/min。
需说明的是，铸造过程中中频电磁场对铸锭热裂纹的抑制作用主要表现在两个方面，首先，感生电流对熔体具有二次加热作用，处在交变电磁场中的金属熔体会在其内部产生感生电流，由于电磁场的“集肤效应”使感生电流主要集中在边部。这样，边部熔体受到感生电流的加热作用而使该区域温度升高，从而部分弥补了边部区域由于冷却较强而损失的热量，降低了铸锭中心和边部的温度梯度，减小热应力，降低铸锭热裂纹倾向；此外，感生电流和外加电磁场相互作用，使熔体受到指向熔体中心的电磁力作用并在熔体内部形成强制对流搅拌。熔体内部的搅拌有利于铸锭组织由粗大柱状晶向细小等轴晶转变，缩小铸锭的脆性温度区间，提高铸锭的延伸率，减小铸锭发生热裂纹的几率。
本发明采用较低的铸造温度有效的减小铸锭中心和外部的熔体温度差，降低温度梯度，减小内应力，降低硬铝合金铸锭在铸造开始以及铸造过程中发生热裂的倾向。铸造过程施加中频交变电磁场，结晶器内置电磁感应线圈，感应线圈靠近熔体，保证了中频磁场的穿透能力，同时，由于线圈距离熔体位置较近，磁场的作用效果得到显著加强。大大改善了铸锭质量，提高了产品性能。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (3)
1.一种硬铝合金扁锭的低温中频电磁场辅助铸造方法，其特征在于：包括以下步骤——
1)合金化及熔炼：将工业纯铝在感应炉内熔炼，待熔化后加入工业纯锌和工业纯铜，将熔体温度稳定控制在690～700℃范围内并加入工业纯镁，搅拌熔体并升温至725～750℃加入铝锰中间合金，继续搅拌使熔体温度均匀，熔体温度均匀后转注到保温炉内；
2)熔体处理：熔体温度在730～750℃时用六氯乙烷除气精炼，扒掉熔体表面的氧化渣后静置10～30分钟；
3)半连续铸造：在液压式半连续铸造机上进行半连续铸造，熔体的铸造温度控制在690～700℃范围内，电磁结晶器的内壁采用锻铝材质，结晶器内布置电磁感应线圈，电磁感应线圈靠近熔体，硬铝合金熔体在中频电磁场的作用下铸造成形；铸造过程中，磁场的频率为500～3000Hz，结晶器角部位置的磁场强度在30～50mT，结晶器中心位置的磁场强度在15～25mT。
2.根据权利要求1所述的一种硬铝合金扁锭的低温中频电磁场辅助铸造方法，其特征在于：步骤3)半连续铸造中，铸造速度控制在40～100mm/min。
3.根据权利要求1所述的一种硬铝合金扁锭的低温中频电磁场辅助铸造方法，其特征在于：步骤3)半连续铸造中，结晶器的冷却水流量控制在2～5m3/h。
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