专利名称：一种温型铸造方法
一种温型铸造方法技术领域
本发明属于金属铸造技术领域，特别是提供了一种温型铸造方法。
背景技术：
铸造在金属的生产中具有举足轻重的地位。随着金属材料种类和产品品种的不断增加，应用领域的快速拓展，以及高新技术的迅猛发展和人们生活水平的日益提高，世界面临环境恶化、资源与能源短缺的现状，对金属铸造过程的节能降耗、短流程、高效率、低成本以及铸坯质量的要求越来越高。
铸型是铸造中使液态金属成为固态金属，获得所需形状铸坯的容器，是铸造中的关键部件和“心脏”，对铸坯的质量和产量起着重要作用。目前金属铸造所采用的铸型主要有冷却铸型(简称“冷型”)、加热铸型(简称“热型”)和两相区铸型。
现在大规模产业化实施的传统连铸方法和半连铸方法就是采用的冷却铸型，即通过对铸型四周施加循环水进行强制冷却，使得铸型温度远低于金属的固相线温度以下，金属熔体首先在铸型的急冷作用下凝固，并逐渐向中心生长，最终获得从铸坯表面往芯部的微观组织分别为细小等轴晶、垂直于表面的柱状晶和粗大等轴晶的铸坯。采用冷却铸型的传统连铸方法和半连铸方法具有生产效率高等优点，但是存在着易形成树枝状晶，产生偏析、缩孔和疏松等缺陷，铸坯表面质量较差，后续塑性加工前需要铣面，材料利用率低，工艺流程长，生产成本高，以及铸坯变形性能普遍不好，产品质量难以满足更高使用要求等问题[张小平，梁爱生.近终形连铸技术.北京:冶金工业出版社，2001];而且对于具有宽固液两相区的金属，采用冷型连铸方法更加难以制备高质量的铸坯。
新兴的半固态连铸方法也是采用的冷却铸型，通过将制备的半固态浆料流入冷却铸型中，使半固态浆料在铸型的四周激冷作用下实现快速凝固，获得微观组织由具有蔷薇花状或类球形的非枝晶的初生相与剩余液相激冷形成的细小共晶体构成的铸坯[FlemingsM C.Behavior of metal alloys in the semisolid state.Metallurgical andMaterials Transactions A, 1991, 22A (5):957-981 ;张奎，等.电磁搅拌法连铸半固态铝合金及其凝固组织分析.中国有色金属学报，2000，10 (1):47-50]。半固态连铸方法适用于具有固液两相区(特别是宽固液两相区)金属铸坯的制备，所得铸坯晶粒细小，不存在宏观偏析，性能均匀，易于近终成形，但是不能用于纯金属和共晶合金的铸造成形，存在着铸坯表面质量较差，铸坯内部容易产生缩孔、疏松等缺陷，生产效率较低、连铸过程工艺参数不易控制、铸坯的综合性能难以满足更高使用要求等不足。
采用加热铸型的连铸方法称作热型连铸法(又称连续定向凝固法)，是将冷型连铸的冷却铸型改为加热铸型(即通过对铸型进行加热，使铸型温度高于金属的液相线温度以上)，在铸型出口附近对已凝固金属进行强制冷却，在凝固金属与未凝固熔体间建立起沿拉坯方向的高温度梯度，使其具备定向凝固条件，从而连续获得具有单向凝固的连续柱状晶或单晶组织的无限长铸坯。利用热型连铸方法可获得表面光洁度好、具有连续柱状晶或单晶组织且后续加工性能优异的铸坯，但是存在着铸型加热温度高、能耗大，易拉漏，生产效率低、产品的横截面积较小，以及难以用于固液两相区较宽金属的铸造成形等不足[谢建新，等.材料加工新技术与新工艺.北京:冶金工业出版社，2004]。定向凝固方法同样采用的是加热铸型，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，可以获得具有单向凝固的柱状晶或单晶组织且性能优异的铸坯，但是存在着铸型加热温度高、能耗大，铸坯长度有限，在铸坯顶部易出现等轴晶，且晶粒粗大，以及难以用于固液两相区较宽金属的铸造成形、生产效率低等缺点[周尧和，胡壮麒，介万奇.凝固技术.北京:机械工业出版社，1998]。两相区铸造方法是发明人等提出的一种新型的铸造技术，已获授权国家发明专利[刘雪峰.一种铸型温度为固液两相区温度的铸造设备与方法.中国发明专利，授权号ZL201010148612.7，授权日2012-10-03]。两相区铸造方法采用的是两相区铸型，是将铸型温度控制在金属的固液两相区温度范围内(即通过对铸型进行加热，使铸型温度保持在金属的固相线温度和液相线温度之间)，并在两相区铸型出口附近对已凝固金属进行强制冷却，获得的铸坯表面光洁度好，组织致密、成分分布较为均匀，具有晶包晶组织，塑性加工性能、力学性能、物理性能和化学性能优良，但是不能用于纯金属和共晶合金的铸造成形，且存在着铸型加热温度高、能耗大、拉坯速度不能太快等不足。综上所述，采用现有的冷却铸型、加热铸型以及两相区铸型的铸造方法难以同时满足能源消耗相对较低、生产效率高，成形的铸坯表面和内部质量好、后续塑性加工性能和力学性能优异等要求。因此，针对目前铸造方法存在的问题，开发一种节约能源、生产效率和成材率高的新型铸造方法，使生产出的金属铸坯表面光洁度好、组织致密、成分分布较为均匀，塑性加工性能和力学性能等综合性能优异，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温型铸造方法，是将铸型温度控制在金属的低热温度区域(即通过对铸型进行加热，使铸型温度保持在低于金属的固相线温度且高于冷却铸型温度的范围内，以下称此种铸型为“低热铸型”)的铸造方法(以下称作“温型铸造”)。由于温型铸造的低热铸型温度低于加热铸型和两相区铸型的温度，而高于冷却铸型的温度，因此可解决传统的连铸、半连铸和半固态铸造方法生产的铸坯表面光洁度及质量和性能较差，热型连铸方法生产效率低、能耗较高、难以生产大截面铸坯、易拉漏，定向凝固方法生产效率低、能耗较高、铸坯长度有限、产量低，两相区铸造方法能耗较高、拉坯速度不能太快，以及半固态铸造和两相区铸造方法无法用于纯金属和共晶合金的制备等问题。本发明的一种温型铸造方法一种温型铸造方法，是通过对铸型进行加热将铸型温度控制在金属的低热温度区域进行铸造的方法，所述低热温度区域是指使铸型温度保持在低于金属的固相线温度且高于冷却铸型温度的范围内；温度控制在金属的低热温度区域的铸型为低热铸型。所述温型铸造方法包括步骤:将金属熔体从坩埚中流入低热铸型；低热铸型在加热器或金属熔体导热作用下被加热至金属的低热温度区域；通过低热铸型出口附近设置的冷却器直接对已完全凝固的金属表面进行强制冷却，在牵引机构的作用下，连续拉制金属铸坯；金属所需的冷却速度由牵引机构的拉坯速度V、冷却器的冷却强度以及加热器来控制。进一步的，所述加热器采用外部热源或感应加热线圈。进一步的，在所述低热铸型出口附近设置的冷却器的基础上实施二次冷却。进一步的:所述坩埚用中间包取代，用于进行连续生产。优选的，所述的温型铸造方法，是将坩埚放置于空气或真空或充入氮气或充入惰性气体保护的环境中进行铸造；整个铸造成形过程可以采用人工控制或计算机控制；温型铸造方法可以是下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一种；根据需要可采用10% 40%的道次大压下率直接进行后续塑性加工，以省略中间退火工序。进一步的，所述的温型铸造方法是将预制的金属固液混合体或半固态浆料连续加入温度处于金属固液两相区的中间包中；将中间包放置于空气或真空或充入氮气或充入惰性气体保护的环境中；整个铸造成形过程采用人工控制或计算机控制；温型铸造方法采用下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一种；根据需要可采用10% 40%的道次大压下率直接进行后续塑性加工，可以省略中间退火工序。进一步的，所述的温型铸造方法是先向金属熔体中添加入制备含有异质相的复合材料所需的异质相材料；将坩埚(2)放置于空气或真空或充入氮气或充入惰性气体保护的环境中；整个铸造成形过程采用人工控制或计算机控制；温型铸造方法采用下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一种；根据需要可采用10% 40%的道次大压下率直接进行后续塑性加工，可以省略中间退火工序。所述的温型铸造方法制备出的金属材料为具有金属内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶与金属表层的等轴晶并存的微观组织结构。本发明的主要优点在于:
1.采用温型铸造方法成形的金属铸坯表面光洁度好，具有特殊的组织结构(即金属内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶与金属表层的等轴晶并存的微观组织结构)，组织致密、成分分布较为均匀，塑性加工性能、力学性能、物理性能以及化学性能优于相同成分金属的普通铸造坯料。2.温型铸造方法适用范围广泛，几乎所有的金属均可实现温型铸造成形，如纯金属、钢铁、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等，也可用于此类金属的层状复合材料、梯度复合材料以及均质复合材料的成形，而且可以近终成形生产金属线材、管材、板材、带材、棒材及型材等广品。3.温型铸造方法具有极大的推广价值，只要将现有铸造方法中的冷却铸型、加热铸型以及两相区铸型改为低热铸型，都可开发出相应的温型铸造方法。4.温型铸造方法节约能源，降低消耗，生产效率高。5.采用温型铸造方法成形的金属铸坯可根据需要进行后续大压下率塑性加工，可以省略进行中间退火工序，大大简化了工艺，降低了生产成本，提高了产品质量。
图1为本发明的一种温型铸造方法的原理示意图。其中(I)为金属熔体；(2)为坩埚；(3)为低热铸型；(4)为加热器；(5)为金属铸坯；(6)为冷却器；(7)为引锭杆；(8)为牵引机构。
图2为温型铸造成形纯铜的纵截面微观组织。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。实施例1
直径为20_的纯铝棒材温型连铸成形。纯铝熔体I从充有氩气保护的坩埚2中流入低热铸型3 ;调节感应加热器4的功率，控制低热铸型3温度为550°C;冷却器6采用温度为15°C、流量为1000L/h的冷却水对纯铝进行强制冷却；牵引机构8以50mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得纯铝棒材5。所制备的纯铝棒材表面光洁度好，内部组织致密，微观形貌主要由纯铝棒材内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶与纯铝棒材表层的等轴晶并存的微观组织构成，且质量和性能优异。实施例2
外部正方形边长为20mm、内部圆孔直径为IOmm的纯铜型材温型连铸成形。纯铜熔体I从充有氩气保护的坩埚2中流入低热铸型3 ;调节感应加热器4的功率，控制低热铸型3温度为900°C;冷却器6采用温度为18°C、流量为600L/h的冷却水对纯铜进行强制冷却；牵引机构8以100mm/min的拉还速度进行连续拉制,获得纯铜型材5。所制备的纯铜外方内圆型材内外表面光洁度好，内部组织致密，微观形貌主要由纯铜型材内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶与纯铜型材表层的等轴晶并存的微观组织构成，且质量和性能优异。实施例3
宽度为25mm、厚度为5mm的Cu_12wt%Al铝青铜合金板材温型连铸成形。Cu-12wt%Al铝青铜合金熔体I从坩埚2中流入低热铸型3 ;调节感应加热器4的功率，控制低热铸型3温度为850°C;冷却器6采用温度为20°C、流量为800L/h的冷却水对Cu_12wt%Al铝青铜合金进行强制冷却；牵引机构8以80mm/min的拉还速度进行连续拉制,获得Cu_12wt%Al招青铜合金板材5。所制备的Cu-12wt%Al铝青铜合金板材表面光洁度好，化学成分分布较为均匀，内部组织致密，微观形貌主要由铝青铜合金板材内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶与铝青铜合金板材表层的等轴晶并存的微观组织构成，且质量和性能优异。实施例4
直径为IOmm的Al-4.5wt%Mg铝镁合金线材温型连铸成形。Al_4.5wt%Mg铝镁合金熔体I从坩埚2中流入低热铸型3 ;调节感应加热器4的功率，控制低热铸型3温度为500°C;冷却器6采用温度为17°C、流量为1300L/h的冷却水对Al-4.5wt%Mg铝镁合金进行强制冷却；牵引机构8以40mm/min的拉还速度进行连续拉制,获得Al_4.5wt%Mg招镁合金线材5。所制备的Al-4.5wt%Mg铝镁合金线材表面光洁度好，化学成分分布较为均匀，内部组织致密，微观形貌主要由铝镁合金线材内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶与铝镁合金线材表层的等轴晶并存的微观组织构成，且质量和性能优异。实施例5
外径为12mm、壁厚为2mm的BFelO-1-1白铜合金管材温型连铸成形。BFelO-1-l白铜合金熔体I从坩埚2中流入低热铸型3 ;调节感应加热器4的功率，控制低热铸型3温度为920°C ;冷却器6采用温度为15°C、流量为900L/h的冷却水对BFelO-1-1白铜合金进行强制冷却；牵引机构8以120mm/min的拉还速度进行连续拉制,获得BFelO-1-1白铜合金管材5。所制备的BFelO-1-1白铜合金管材内外表面光洁度好，化学成分分布较为均匀，内部组织致密，微观形貌主要由白铜合金管材内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶与白铜合金管材表层的等轴晶并存的微观组织构成，且质量和性能优异。
实施例6 直径为IOmm的Cu-4.7wt%Sn锡青铜合金线材温型连铸成形。固相体积分数为10%的Cu-4.7wt%Sn锡青铜合金半固态浆料I从充有氩气保护的坩埚2中流入低热铸型3 ;调节感应加热器4的功率，控制低热铸型3温度为830°C;冷却器6采用温度为20°C、流量为1000L/h的冷却水对Cu-4.7wt%Sn锡青铜合金进行强制冷却；牵引机构8以60mm/min的拉还速度进行连续拉制，获得Cu-4.7wt%Sn锡青铜合金线材5。所制备的Cu_4.7wt%Sn锡青铜合金线材表面光洁度好，化学成分分布较为均匀，内部组织致密，微观形貌主要由锡青铜合金线材内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶、位于锡青铜合金线材表层的等轴晶以及球状晶并存的微观组织构成，且质量和性能优异。
实施例7 直径为15mm的铝基复合材料线材温型连铸成形。Al2O3颗粒固相体积分数为15%的铝基复合材料熔体I从充有氩气保护的坩埚2中流入低热铸型3 ;调节感应加热器4的功率，控制低热铸型3温度为570°C;冷却器6采用温度为18°C、流量为1200L/h的冷却水对铝基复合材料进行强制冷却；牵引机构8以40mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得铝基复合材料线材5。所制备的铝基复合材料线材表面光洁度好，Al2O3颗粒分布较为均匀，内部组织致密，微观形貌主要由铝基复合材料线材内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶、位于铝基复合材料线材表层的等轴晶以及Al2O3颗粒并存的微观组织构成，且质量和性能优异。
权利要求
1.一种温型铸造方法，其特征在于:所述温型铸造方法是通过对铸型进行加热将铸型温度控制在金属的低热温度区域进行铸造的方法，所述低热温度区域是指使铸型温度保持在低于金属的固相线温度且高于冷却铸型温度的范围内；温度控制在金属的低热温度区域的铸型为低热铸型。
2.根据权利要求1所述的一种温型铸造方法，其特征在于:所述温型铸造方法包括步骤:将金属熔体(I)从坩埚(2)中流入低热铸型(3);低热铸型(3)在加热器(4)或金属熔体(I)导热作用下被加热至金属的低热温度区域；通过低热铸型(3)出口附近设置的冷却器(6)直接对已完全凝固的金属表面进行强制冷却，在牵引机构(8)的作用下，连续拉制金属铸坯(5);金属所需的冷却速度由牵引机构(8)的拉坯速度V、冷却器(6)的冷却强度以及加热器(4)来控制。
3.如权利要求2所述的一种温型铸造方法，其特征在于，所述加热器(4)采用外部热源或感应加热线圈。
4.如权利要求2所述的一种温型铸造方法，其特征在于，在所述低热铸型(3)出口附近设置的冷却器(6)的基础上实施二次冷却。
5.根据权利要求2所述的一种温型铸造方法，其特征在于:所述坩埚(2)用中间包取代，用于进行连续生产。
6.根据权利要求2所述的一种温型铸造方法，其特征在于:所述的温型铸造方法，是将坩埚(2)放置于空气或真空或充入氮气或充入惰性气体保护的环境中进行铸造；整个铸造成形过程可以采用人工控制或计算机控制；温型铸造方法可以是下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一种；根据需要可采用10% 40%的道次大压下率直接进行后续塑性加工，以省略中间退火工序。
7.根据权利要求1或2所述的一种温型铸造方法，其特征在于:所述的温型铸造方法是将预制的金属固液混合体或半固态浆料连续加入温度处于金属固液两相区的中间包中；将中间包放置于空气或真空或充入氮气或充入惰性气体保护的环境中；整个铸造成形过程采用人工控制或计算机控制；温型铸造方法采用下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一种；根据需要可采用10% 40%的道次大压下率直接进行后续塑性加工，可以省略中间退火工序。
8.根据权利要求1或2所述的一种温型铸造方法，其特征在于:所述的温型铸造方法是先向金属熔体中添加入制备含有异质相的复合材料所需的异质相材料；将坩埚(2)放置于空气或真空或充入氮气或充入惰性气体保护的环境中；整个铸造成形过程采用人工控制或计算机控制；温型铸造方法采用下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一种；根据需要可采用10% 40%的道次大压下率直接进行后续塑性加工，可以省略中间退火工序。
9.根据权利要求1所述的一种温型铸造方法，其特征在于:所述的温型铸造方法制备出的金属材料为具有金属内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶与金属表层的等轴晶并存的微观组织结构。
全文摘要
本发明提供了一种温型铸造方法，其特征为铸型通过加热器进行加热，或者利用进入铸型之前的金属熔体传导的热量加热铸型，使铸型温度保持在低于金属的固相线温度且高于冷却铸型温度的范围内；通过铸型出口附近设置的冷却器对金属进行强制冷却；用牵引机构对金属铸坯进行拉制。本发明方法适用范围广泛，有极大的推广价值，能够低能耗、高效生产性能优异、表面光洁度好、尺寸精度高、致密度高、成分较均匀，具有金属内部平行或近似平行于拉坯方向的柱状晶与金属表层的等轴晶并存微观组织的高质量金属铸坯，可根据需要进行后续大压下率塑性加工。
文档编号B22D11/055GK103170588SQ201310140939
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者刘雪峰, 章鸣, 罗继辉, 伍伟玉, 谢建新 申请人:北京科技大学