专利名称：改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法
技术领域：
本发明涉及一种施加超声波改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法，属于铝合金半连铸技术领域。
背景技术：
热顶铸造技术能够克服常规DC铸造存在的质量稳定性差、金属供流和控制难、二次氧化严重等缺点，从而提高铸锭质量和生产效率，因此在铝熔铸行业被广泛地用来铸造工业纯铝及铝合金铸锭。
但是在生产中热顶铸造容易出现以下问题1)铸锭晶粒粗大且不均匀，在挤压时容易造成挤压材表面缺陷、力学性能下降；2)在生产成分复杂、结晶温度区间宽的高强铝合金铸锭时容易产生铸锭开裂、组织不均匀、成分偏析严重的缺陷，从而影响产品质量。为了解决以上这些问题，近年来开发了许多新技术。
例如，在热顶铸造工艺装备基础上发展起来的气滑铸造技术，使压缩空气和润滑油通过嵌在结晶器内壁的多孔石墨环，从而弱化一次冷却强度，减轻铸锭与结晶器内壁之间的摩擦力，能够制备出表面光滑、晶粒细小、表面偏析层极薄的铸锭。但是气滑铸造装备复杂、投资大，对油气等工艺参数要求严格。
电磁铸造是一种无模铸造技术，铝液在电磁约束力的作用下直接成形。采用电磁铸造能够生产出表面非常光滑、组织均匀的铸锭。但是电磁铸造也存在设备复杂、投资大、电磁工艺参数需严格控制的问题，且难以实现多锭同时铸造，因此目前在铝熔铸行业尚难以普及应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种施加超声波改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现 改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法，特点是超声波发生器安装在超声波发生器支架上，静置炉内的铝液达到浇铸温度后开始倾炉，铝液通过分流盘入口进入热顶及结晶器，达到预定的液位深度后启动铸造机开始铸造，当铸造稳定后将超声波发生器支架与铸造平台连接并对中，超声波发生器的工具头进入结晶器热顶并居于中央位置，启动超声波发生器；在铸造结束前关闭超声波发生器，断开超声波发生器支架与铸造平台之间的连接，超声波发生器的工具头从铝液中移走，剩余的铝液通过分流盘出口排至渣箱。
进一步地，上述的改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法，所述超声波发生器的工作频率为15kHz～30kHz，超声波发生器的输入功率为100W～2000W。
更进一步地，上述的改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法，所述超声波发生器工具头的材质为陶瓷、钛、钛合金或镀有涂层的不锈钢。
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 本发明在热顶铸造过程中，利用超声波对结晶器内的铝液进行处理，一方面细化了晶粒组织，减小了溶质元素的扩散距离；另一方面由于空化效应导致局部产生高温高压，提高了溶质元素的扩散系数，减轻元素枝晶偏析偏析；同时由于声流对熔体的搅拌作用，熔体流动性增强，减轻元素宏观偏析。
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明 图1施加超声波装置的铸造设备示意图； 图2常规热顶铸造7055铝合金组织图； 图3本发明施加超声波热顶铸造7055铝合金组织图。
图中各附图标记的含义见下表
具体实施例方式 超声波是一种高频声波，当超声波在金属熔体中传播时熔体会受到周期性交变声场的作用，产生声空化、声流效应，从而引起熔体中流动场、压力场和温度场的变化，具有细化晶粒、抑制合金元素偏析与净化熔体(除气、除渣)、抑制铸锭开裂等效果。
如图1所示，结晶器10的上部为热顶8，结晶器内壁材质为石墨或铝合金，超声波发生器1通过法兰2安装在超声波发生器支架4上，静置炉内的铝液达到浇铸温度后开始倾炉，铝液通过分流盘入口6进入热顶8及结晶器10，达到预定的液位深度后启动铸造机开始铸造，当铸造稳定后将超声波发生器支架4与铸造平台7连接并对中，超声波采用顶部导入的方式，超声波发生器的工具头11进入结晶器热顶8并居于中央位置，工具头11与铸造平台7垂直，工具头端部浸入热顶或结晶器液穴内，工具头11的材质为陶瓷、钛或钛合金、镀有涂层的不锈钢；然后启动超声波发生器1，将频率和功率调制预定值，超声波发生器的工作频率为15kHz～30kHz，超声波发生器的输入功率为100W～2000W；在热顶铸造过程中，利用超声波对结晶器内的铝液进行处理；在铸造结束前关闭超声波发生器，断开超声波发生器支架4与铸造平台7之间的连接，超声波发生器工具头11从铝液中移走，并将其移至安全位置，剩余的铝液通过分流盘出口12排至渣箱。
采用顶部导入法将超声波导入结晶器，当超声波在结晶器中传播时，铝液受到周期性交变压力的作用。当交变压力超过空化阈时，铝液内产生空化泡，空化泡在长大过程中将从周围吸收能量，造成局部过冷，有利于微小晶体质点的形成，从而有利于晶体形核。同时，在交变压力作用下，大量的空化泡将发生崩溃。在空化泡崩溃过程中，产生的强烈冲击波又会击碎初生晶体和正在长大的晶体，使之成为破碎的晶体质点，这些破碎的晶体质点也将成为凝固时的核心。另一方面，由于声波与铝液中粘性力的交互作用导致超声波振幅衰减，从而使铝液内部从声源处开始形成一定的声压梯度，促进铝液流动，有利于改善铸锭温度场，使凝固过程趋于同时凝固，提高铸锭凝固组织的均匀性。
对铝液进行超声处理，一方面细化了晶粒组织，减小了溶质元素的扩散距离；另一方面由于空化效应导致局部产生高温高压，提高了溶质元素的扩散系数，同时超声波声流对熔体起到搅拌作用，促使熔体流动性增强，所以能够减轻宏观及微观元素偏析。
实施例 将7055铝合金按Al-8.0Zn-2.3Mg-2.6Cu-0.20Zr(均为质量分数％)配料，在燃气熔化炉内熔化到750℃，化验成分合格后将其导入静置炉进行精炼，除渣后静置20min，当铝液温度为710℃开始倾炉。铝液通过流槽、分流盘入口6进入分流盘5。达到要求的液位深度后开始铸造，冷却水通过水箱9均匀进入结晶器，铸造速度为110mm/min，冷却水量为3500l/min。当铸锭长度达到200mm时将超声波发生器支架4与铸造平台7连接，启动超声波发生器1，其频率为20kHz，输入功率为800W。超声波速度振幅经变幅杆3放大后由工具头11将超声波能量导入铝熔体。当铸坯达到长度要求后关闭超声波发生器1，断开超声波发生器支架4与铸造平台7的连接，停止铸造，分流盘5内剩余的铝液通过分流盘出口12排至渣箱。
图2为普通热顶铸造和超声波作用热顶铸造7055合金铸锭的金相组织照片。可以看出普通热顶铸造铸锭组织为明显的枝晶组织，晶粒粗大。图3是经超声波处理后的7055合金热顶铸造铸锭组织，可以看出晶粒形为细小均匀的等轴晶组织。
综上所述，本发明利用超声场对凝固区间的铝液进行处理，解决了热顶铸造铸锭晶粒粗大、组织不均匀、生产成分复杂高强铝合金铸锭质量差的问题。
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。
权利要求
1.改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法，其特征在于超声波发生器安装在超声波发生器支架上，静置炉内的铝液达到浇铸温度后开始倾炉，铝液通过分流盘入口进入热顶及结晶器，达到预定的液位深度后启动铸造机开始铸造，当铸造稳定后将超声波发生器支架与铸造平台连接并对中，超声波发生器的工具头进入结晶器热顶并居于中央位置，启动超声波发生器；在铸造结束前关闭超声波发生器，断开超声波发生器支架与铸造平台之间的连接，超声波发生器的工具头从铝液中移走，剩余的铝液通过分流盘出口排至渣箱。
2.根据权利要求1所述的改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法，其特征在于所述超声波发生器的工作频率为15kHz～30kHz，超声波发生器的输入功率为100W～2000W。
3.根据权利要求1所述的改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法，其特征在于所述超声波发生器工具头的材质为陶瓷、钛、钛合金或镀有涂层的不锈钢。
全文摘要
本发明涉及改善铝及铝合金铸锭质量的铸造方法，超声波发生器安装在超声波发生器支架上，静置炉内的铝液达到浇铸温度后开始倾炉，铝液通过分流盘入口进入热顶及结晶器，达到预定的液位深度后启动铸造机开始铸造，当铸造稳定后将超声波发生器支架与铸造平台连接并对中，超声波发生器的工具头进入结晶器热顶并居于中央位置，启动超声波发生器；在铸造结束前关闭超声波发生器，断开超声波发生器支架与铸造平台之间的连接，超声波发生器的工具头从铝液中移走，剩余的铝液通过分流盘出口排至渣箱。利用超声波对结晶器内的铝液进行处理，细化了晶粒组织；由于空化效应导致局部产生高温高压和声流效应导致熔体产生紊流，减轻了宏观及微观元素偏析。
文档编号B22D27/00GK101758206SQ20091021293
公开日2010年6月30日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者李新涛, 张建平, 王家淳, 吴文祥 申请人:苏州有色金属研究院有限公司