专利名称:一种7xxx系铝合金半连续铸造装置及方法
技术领域：
本发明涉及铝合金加工技术领域：
，特别涉及一种7xxx系铝合金半连续铸造装置及使用其装置的铸造方法。
背景技术：
7xxx系铝合金是重要的航空结构材料，具有高强度、低密度以及较高的断裂韧性、抗疲劳裂纹扩展及应力腐蚀性能，广泛应用于飞机结构中重要的受力构件，如机身框梁、平尾整体壁板、上翼蒙皮、龙骨梁、弹射座椅及其导轨等。在小型空空导弹、反坦克导弹、大跨度军用浮桥等方面也具有极大的应用潜力。7xxx系铝合金的制备技术一直是国内外铝合金加工领域的研究和关注热点。
半连续铸造工艺是目前生产铝合金铸坯的常规方法之一，尽管存在铸坯铣面量大、凝固组织粗大、内外组织性能均匀性差和偏析严重等问题，增加了后续加工难度，无法达到理想的生产要求，但半连续铸造法仍然是目前国内铝加工企业普遍采用的铸造方法。该法对于7xxx铝合金板锭铸造难度极大，除表面质量差和内外缺陷多之外，由于该系合金两相区温度范围宽、热裂倾向大，在高温脆性区内易形成热裂纹，同时硬铝合金弹性模量大，塑性差，冷却过程中产生的热应力大，当出现裂纹源时，其强度迅速降低使得裂纹得以迅速扩展，因此铸坯在铸造和铸造后的放置过程中经常出现爆裂现象，成品率极低。如何获得表面质量好、内部组织晶粒细小、偏析小，尤其是低应力、不开裂的7xxx系铝合金铸坯制备技术一直是人们关注的焦点。
采用快速凝固/粉末冶金法可制备7xxx系铝合金，获得的合金晶粒细小、成分均匀，强度高，无应力集中现象，但该法难以制备大尺寸材料，生产成本高，且含锌量高时烧结困难。
喷射成形是在粉末冶金方法基础上发展的合金制坯方法，该法的冷却速度较高，可达102～4℃/s，保持了晶粒细小、组织均匀、应力小及能够抑制偏析等优点，但该法成材率低、生产成本高，铸坯含气量高，不适合大规模工业合金的制备。
在传统半连续铸造过程中降低铸造速度、减小二次冷却强度，采用短结晶器和热顶铸造工艺，来获得较小的液穴深度，降低半连铸铸坯内外温差，可以降低裂纹形成的倾向性。但铸造速度、结晶器高度等工艺参数的选择受合金种类的限制，同时多个工艺参数的选择需要统筹考虑，因此在一定的工艺条件下，通过调整常规工艺条件来有效解决铸坯裂纹问题比较困难。
电磁铸造(EMC，ElectroMagnetic Casting)技术是通过施加频率为2000～3000Hz的中频交变磁场在铝熔体表面区域产生的洛仑兹力，向内压迫液态金属，使熔体脱离结晶器，避免一次冷却，直接二次冷却凝固成形，获得无偏析、表面光洁的铸坯。但该法对铸机的稳定性要求极高，铸造机略一抖动，铸坯表面则形成波纹，且铸造开始过程的建立十分困难，因此限制了该技术在工业中的应用。
崔建忠等在半连铸过程中施加频率为15～50Hz的低频电磁场，制备了7075、7A60硬铝合金铸坯。低频磁场产生的电磁约束力降低与结晶器的接触压力，降低了一次冷却强度，消除表面偏析瘤，提高表面质量(见中国专利CN1425520A)。低频磁场产生的电磁搅拌作用一方面细化晶粒、消除元素偏析，另一方面降低液穴深度、减小结晶区横断面上的温差，铸坯内应力减小，裂纹的趋势减小。采用该法可有效提高7xxx铝合金铸坯质量，减轻铸坯铸造过程中的开裂现象，但在放置过程中爆裂现象仍时有发生。
韩国专利KR2002091532-A提出在开缝结晶器外施加高频电磁场的铝合金软接触电磁半连铸方法获得无表面缺陷的铝合金铸坯，利用高频磁场产生的约束力实现软接触，减轻一次冷却强度，同时高频磁场产生的感应热降低初始凝固位置及液穴深度，降低铸坯横断面上的温差，有利于缓解铸造过程中产生的应力集中现象，但强烈的感应热作用使其内部组织粗大，元素偏析问题也没有有效解决；韩国专利KR2005064741-A在韩国专利KR2002091532-A的基础上添加一旋转搅拌磁场用于细化内部组织，但由于元素密度差异大，旋转磁场仍无法消除元素偏析现象及附带而来晶界强度低、应力集中产生的铸坯开裂现象。
发明内容本发明的目的是提供一种7xxx系列铝合金半连续铸造的装置以及使用该装置的铸造方法，以提高7xxx系列铝合金半连铸铸坯的冶金质量。
为实现上述发明目的，本发明提供的一种7xxx系列铝合金半连续铸造装置，包括结晶器、冷却水通道、感应线圈和底模；冷却水通道设置在结晶器内，包括进水口和出水口；冷却水通道内设有感应线圈；底模在结晶器下部封闭结晶器，其中感应线圈为中频感应线圈。由于设置了中频感应线圈，中频感应线圈通中频交流电后产生中频交变磁场，使得7xxx系列铝合金熔体在中频交变磁场中结晶凝固，能够大大改善7xxx系列铝合金铸坯的质量。
优化的技术方案是中频感应线圈由铜板或铜管制成。
进一步优化的技术方案中还包括石墨环和热顶；石墨环位于结晶器的上部，熔体的外围；环状热顶位于石墨环的上端。
石墨环传热速度快，可以保证很好的冷却效果；热顶保温性能好，可以减少熔体上部过冷而起壳。
进一步优化的技术方案中还包括分水板，分水板位于冷却水道的入口处。分水板把冷却水分流，能够更好的提供冷却效果。
本发明提供的一种7xxx系铝合金半连铸铸造方法，包括如下步骤A、将冷却水接入7xxx系铝合金半连铸铸造装置的进水口；B、将中频交流电通入7xxx系铝合金半连铸铸造装置的感应线圈，产生交变磁场；C、将温度为680-740℃的7xxx系铝合金熔体浇注入7xxx系铝合金半连铸铸造装置的结晶器；D、以40～160mm/min的牵引速度牵引7xxx系铝合金半连铸铸造装置的底模10。
本发明优选的技术方案中，中频交流电的频率为60-2500赫兹，其在结晶器内部产生的磁场强度为0.05～0.35T。实验证明，采用本技术方案获得的铸坯应力低、无裂纹，细晶、均质，表面光洁、无偏析瘤。
进一步优选的技术方案中，所通冷却水的水压为0.06～0.12MPa。可以保证良好的冷却效果，有助于获得品质更好的铸坯。
图1是本发明实施例电磁半连续铸造装置结晶器的结构示意图。
图2是本发明实施例电磁半连续铸造系统的原理图。
图中1、结晶器；2、冷却水通道；3、感应线圈；4、石墨环；5、进水口；6、分水板；7、出水口；8、熔体；9、铸坯；10、底模；11、热顶。
具体实施方式本发明实施例提供的7xxx系列铝合金电磁半连铸装置包括结晶器1，7xxx系列铝合金熔体8就是浇注在结晶器1内结晶凝固的。结晶器1内设有冷却水通道2，包括进水口5、分水板6和出水口7。冷却水经进水口5流入冷却水通道2，并经分水板6分流，最后由出水口7流出，从而带走大量的热。冷却水通道2中还设置了一组感应线圈3，感应线圈3在本实施例中由铜板制成，其内通有中频交变电流，从而在结晶器1内产生中频交变磁场。在铝合金熔体8和冷却水通道之间设有石墨环4，石墨环4上端还设有热顶11。铝合金熔体8由结晶器1上部浇注进来，经冷却凝固后形成铸坯9，结晶器1下部设有底模10，底模10和外部的牵引机构连接，将形成的铸坯9缓慢牵引出结晶器1。
以下为本发明提供的7xxx系列铝合金电磁半连铸铸造方法的具体实施例。
实施例1 制备Φ200mm的7075铝合金圆锭，具体步骤如下首先将7075铝合金在中频感应炉内熔化，当升温至700℃～740℃后进行去气、除渣处理；浇铸前检查冷却系统，保证水路通畅，冷却水压力为0.08MPa；在690℃～720℃时将金属熔体浇注在由热顶11、石墨环4、结晶器1和底模10形成的型腔内。浇铸时，先启动中频电源，使中频电流通过中频感应线圈3，中频电磁场频率为500Hz，强度为15000AZ，并以100mm/min的速度向下牵引底模10；当铸坯9达到要求长度后，停止浇注金属液，切断电源中频电源，待铸坯9离开结晶器1停止冷却水供应。
与传统半连铸制备7075铝合金相比，采用本发明制备的7075铝合金晶粒大小只有不加磁场时的1/6左右，晶粒形状由粗大柱状转变为等轴或蔷薇状；晶内元素固溶度提高20％，元素宏观偏析消除；内应力大幅降低，环向最大应力降低83％，径向最大应力降低76％；表面光洁，消除了表面偏析瘤等缺陷。
实施例2制备600mm×200mm的7050铝合金板锭，具体步骤如下首先将7050铝合金在中频感应炉内熔化，当升温至700℃～740℃后进行去气、除渣处理；浇铸前检查冷却系统，保证水路通畅，冷却水压力为0.08MPa；在690℃～720℃时将金属熔体浇注在由热顶11、石墨环4、结晶器1和底模10形成的型腔内。浇铸时，先启动中频电源，使中频电流通过线圈3，中频电磁场频率为200Hz，强度为20000AZ，并以120mm/min的速度向下牵引底模10；当铸坯9达到要求长度后，停止浇注金属液，切断电源中频电源，待铸坯9离开结晶器1后停止冷却水供应。
与传统半连铸制备7050铝合金相比，采用本发明制备的7050铝合金晶粒大小只有不加磁场时的1/8左右，晶粒形状由粗大柱状转变为等轴或蔷薇状；晶内元素固溶度提高24％，元素宏观偏析消除；内应力大幅降低，环向最大应力降低80％，径向最大应力降低72％；表面光洁，消除了表面偏析瘤等缺陷。
本发明方法是在特殊设计的结晶器内安装一组中频感应线圈，内通过中频交变电流，在结晶器中产生中频交变磁场。中频交变磁场对合金受到两方面作用，一是热作用，由集肤效应引起，另一方面是力作用，由洛仑兹力引起，包括垂直于铸坯表面由外向内的有势分力(表现为提升作用的电磁压力)和轴向旋转分力(表现为搅动作用的电磁搅拌力)。一方面较强的集肤效应对初始凝固坯壳的热作用；另一方面由于电磁压力的作用，减弱金属与结晶器间的接触压力，降低换热强度，两方面综合作用可降低铸坯的初始凝固位置，提高初始凝固坯壳的强度，减小液穴深度，降低铸坯横截面上的温度梯度大而产生的应力，有利于提高铸坯的抗开裂能力。另外，电磁搅拌力促进熔池内温度场和溶质场更加均匀，感应热提升凝固坯壳的温度，凝固前沿形成较小的温度梯度，获得有利于等轴晶形核长大的条件，凝固组织也得到细化，偏析得到控制。本发明实施例提供的一种7xxx系铝合金电磁半连铸铸造装置及使用其装置的铸造方法，经济、高效，能有效控制7xxx系铝合金铸坯应力开裂及铸态组织不良。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种7xxx系铝合金半连铸装置，包括结晶器1、冷却水通道2、感应线圈3和底模10；冷却水通道2设置在结晶器1内，包括进水口5和出水口7；冷却水通道2内设有感应线圈3；底模10在结晶器1下部封闭结晶器1，其特征在于所述感应线圈3为中频感应线圈。
2.根据权利要求
1所述的7xxx系铝合金半连铸装置，其特征在于所述感应线圈为铜板或铜管制成。
3.根据权利要求
2所述的7xxx系铝合金半连铸装置，其特征在于还包括石墨环4和热顶11；所述石墨环4位于结晶器1的上部，熔体8的外围；环状热顶11位于石墨环4的上端。
4.根据权利要求
3所述的7xxx系铝合金半连铸装置，其特征在于还包括分水板6，所述分水板6位于冷却水道2的入口处。
5.一种7xxx系铝合金半连铸方法，包括如下步骤A、将冷却水接入权利要求
1至4之一所述的进水口5；B、将中频交流电通入权利要求
1至4之一所述的感应线圈3，产生交变磁场；C、将温度为680-740℃的7xxx系铝合金熔体浇注入权利要求
1至4之一所述的结晶器1；D、以40～160mm/min的牵引速度牵引权利要求
1至4之一所述的底模10。
6.根据权利要求
3所述的7xxx系铝合金半连铸方法，其特征在于所述中频交流电的频率为60-2500赫兹，其在结晶器内部产生的磁场强度为0.05～0.35T。
7.根据权利要求
3所述的7xxx系铝合金半连铸方法，其特征在于所述通冷却水的水压为0.06～0.12MPa。
专利摘要
本发明公开了一种7xxx系铝合金的半连铸装置及使用其装置的铸造方法。本发明提供的一种7xxx系铝合金的半连铸装置包括结晶器1；结晶器1内设有冷却水通道2，包括进水口5和出水口7；冷却水通道2内设有感应线圈3；结晶器1下部设有底模10。本发明提供的一种7xxx系铝合金的半连铸方法，包括如下步骤将冷却水接入进水口5；将中频交流电通入感应线圈3，产生交变磁场；将温度为680－740℃的7xxx系铝合金熔体浇注入结晶器1；以40～160mm/min的牵引速度牵引底模10。采用本发明提供的7xxx系铝合金半连铸装置实现的铸造方法，能够大大改善7xxx系列铝合金铸坯的质量。
文档编号B22D11/11GK1994623SQ200610157657
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月15日
发明者李丘林, 刘伟 申请人:清华大学深圳研究生院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan