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铸造参数对7075_6009铝合金铸锭外层厚度的影响

华南理工大学学报(自然科学版)

第37卷第8期Journal of Sou th C hina U n iversity of Technology

V ol .37 N o .82009年8月

(N atu ral Science Edition )A ugust 2009

文章编号:10002565X (2009)0820029206

 

 收稿日期:2008205222

3基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575076);教育部新世纪人才支持计划资助项目(NCET 20720310) 作者简介:郑小平(19782),男,博士生,主要从事轻合金材料制备与成形工艺研究.E 2mail:zhengxp1978@https://www.doczj.com/doc/cc12311282.html,

铸造参数对7075/6009铝合金铸锭外层厚度的影响

3

郑小平 张卫文 罗宗强 赵海东 李元元

(华南理工大学金属新材料制备与成形广东省重点实验室,广东广州510640)

摘 要:采用双流浇注半连续铸造技术制备了7075/6009梯度复合铝合金铸锭,分析了铸造工艺参数对铸锭外层合金厚度的影响.结果表明:内熔体温度、内导管插入结晶器深度及节流片孔径对铸锭外层合金厚度的影响显著;内熔体温度从680℃上升至780℃时,外层合金厚度减小3818%;内导管插入结晶器深度由0mm 增大到15mm 时,

外层合金厚度增大37%;节流片孔径由116mm 增大到118mm 时,外层合金厚度减小了4212%;外熔体温度及铸造速度对铸锭外层合金厚度的影响不明显.文中还分析了双流浇注半连续铸造过程中的液穴形成过程,并探讨了铸造工艺参数对液穴形成过程的影响.

关键词:双流浇注;半连续铸造;液穴

中图分类号:TG14612+

1;TG24917 文献标识码:A

连续铸造技术自上世纪初发展以来,已广泛应用于钢铁和有色金属的大规模生产,其制备方法也在不断完善.连续铸造技术的铸造工艺参数对凝固液穴的形状和铸锭的组织、性能等起决定性作用,因此,连铸工艺参数的研究一直都是连铸工艺的热点研究问题

[124]

.

双流浇注半连续铸造技术是一种新的梯度复合材料制备方法

[5210]

,其工艺参数有:内层合金熔体温

度t in 、外层合金熔体温度t out 、铸造速度υ、冷却水流量q 、内导管插入结晶器深度h 、节流片孔径d .内层合金熔体的加入,致使凝固液穴的形状发生改变,同时影响铸锭组织的分布与性能,因此,双流浇注半连续铸造技术各参数如何影响凝固液穴形状的改变、如何影响铸锭组织的分布与性能,以及如何匹配好各工艺参数,成功制备出优质的铸锭,是个值得深入研究的课题.文中采用双流浇注半连续铸造技术制备7075/6009梯度复合铸锭,观察铸锭宏观组织,分析各工艺参数对铸锭外层合金厚度的影响规律,并

对凝固液穴的形成机理进行初步讨论.

1 试验原理及方法

1.1 试验原理

双流浇注连续铸造技术(DSPCC )生产梯度复合材料的具体步骤是:在传统的立式连续铸造基础上,增加一个内浇包和内熔体导流管系统,内、外浇包盛装不同的合金熔体;外浇包的金属熔体经出水口直接进入结晶器内,受激冷而首先凝固成具有一定厚度的凝固壳;内浇包的熔体则经过节流孔进入内导流管,当脱离内导管出水口时被外熔体凝固壳和富含籽晶及熔断枝晶的剩余外熔体包围;通过调整铸造时的工艺参数,一方面可以控制内、外浇包两种熔体的凝固时间差,促使结晶器内熔体由外向内顺序凝固;另一方面可以抑制不同成分合金间的对流,阻止两种熔体的完全混合,最终得到梯度复合材料.

DSPCC 技术的原理以及工艺参数分布图如图1

所示.

图1 DSPCC 技术的原理及工艺参数分布

Fig .1 Sche matic diagram s of technique p rinci p le and para meter

distributi on of DSPCC p r ocess

1—热电偶;2—内浇包;3—外浇包;4—内导管;5—节流孔;6—结晶器

1.2 试验材料

超高强7075铝合金是航空用飞机蒙皮材料,其主要元素成分:Si,014%;Cu,112%~210%;Fe,015%;Mn,013%;Mg,211%~219%;Cr,0118%~0128%;Zn,511%~611%;Ti,012%;其余为A l .高

强耐蚀6009铝合金是汽车车身板材材料,其主要元素成分:Si,016%~110%;Cu,0115%~016%;Fe,015%;Mn,012%~018%;Mg,014%~018%;Cr,011%;Zn,0125%;Ti,011%;其余为A l .

1.3 试验方法

以7075和6009合金为原材料,分别在电阻熔炼炉中熔炼7075和6009合金,依次倒入内、外浇包中;在自制的双流浇注半连续铸造装置上进行7075/6009复合铸锭的制备.铸造过程主要参数如

下:υ为60~200mm /m in,q 为013mL /s,t in 、t out 为680~780℃,d 为116~118mm ,h 为0~15mm ,结晶

器内直径65mm;从约长500mm 的铸锭中间部位截取试样,用10mL HF +5mL HCl +5mL HNO 3+380mL H 2O 腐蚀液进行宏观腐蚀,并用游标卡尺在试样横

截面测量外层合金厚度.

2 试验结果

2.1 节流片孔径对外层合金厚度的影响

当q =013mL /s 、υ=150mm /m in 、t out =730℃、

t in =750℃、h =10mm 时,d 对铸锭组织的影响如图

2所示

.

图2 不同d 值下铸锭的径向宏观组织

Fig .2 Radial macr ostructures of ingots at different d values

用游标卡尺在宏观腐蚀后的铸锭横截面测量外层合金厚度.当d 为116mm 时,外层合金平均厚度为1218mm;当d 为118mm 时,外层合金平均厚度为714mm.d 仅增加012mm ,外层合金平均厚度却减少了4212%.

2.2 内熔体温度对外层合金厚度的影响

当q =013mL /s 、υ=150mm /m in 、t out =730℃、

h =10mm 、d =116mm 时,t in 对铸锭组织的影响如图

3所示.

03华南理工大学学报(自然科学版)第37卷

图3 不同t in 值下铸锭的径向宏观组织

Fig .3 Radial macr ostructures of ingots at different t in values

测量结果表明:当t in 为680℃时,外层合金平均厚度为1314mm;当t in 为730℃时,外层合金平均厚度为1112mm;t in 为780℃时,外层合金平均厚度减为812mm.由此可见,随着t in 的升高,外层合金平均厚度逐渐减薄,780℃时的厚度比680℃时的厚度减薄了3818%.

2.3 内导管插入深度对外层合金厚度的影响

当q =013mL /s 、υ=150mm /m in 、t out =730℃、

t in =750℃、d =116mm 时,h 对铸锭外层合金厚度的

影响如图4所示.

测量结果表明:当h 为0mm 时,外层合金平均厚度为1111mm;h 为10mm 时,外层合金平均厚

图4 不同h 值下铸锭的径向宏观组织

Fig .4 Radial macr ostructures of ingots at different h values

为1313mm;h 为15mm 时,外层合金平均厚度为1512mm.由此可见,随着h 增加,外层合金平均厚度

增大,h 为15mm 时的厚度比h 为0mm 时的外层合金厚度增大了37%以上.

2.4 外熔体温度、铸造速度对外层合金厚度

的影响

当q =013mL /s 、υ=150mm /m in 、t in =750℃、

h =10mm 、d =116mm 时,t out 对铸锭组织的影响如图

5所示.

测量结果表明:t out 为720℃时,外层合金平均厚度为1216mm;t out 为780℃时,外层合金平均厚度为

1

3 第8期郑小平等:铸造参数对7075/6009铝合金铸锭外层厚度的影响

图5 不同t out 下铸锭的径向宏观组织

Fig .5 Radial macr ostructures of ingots at different t out values

1112mm.由此可见,t out 的增加对外层合金厚度的影

响不是很明显.

当q =013mL /s 、t out =730℃、t in =750℃、h =10mm 、d =116mm 时,υ对铸锭外层合金厚度的影响如图6所示. 测量结果表明:υ为210mm /s 时,外层合金平均厚度为1313mm;υ为215mm /s 时,外层合金平均厚度为1416mm;υ为310mm /s 时,外层合金平均厚度为1415mm.由此可见,随着υ的增加,外层合金厚度变化很小.

3 分析与讨论

3.1 双流浇注半连续铸造液穴的形成

由连续铸造技术(DC )凝固原理可知:当金属熔

体进入结晶器后,受到结晶器的激冷作用,在结晶器表面迅速形成一定厚度的凝固壳层;随着凝固的不断进行,在结晶器内形成一个弯月面状的凝固液穴,如图7(a )所示;同时,受自身重力与牵引力的作用,已部分凝固的铸锭被牵引出结晶器,受到二次直接冷却水作用,未凝固的芯部金属熔体迅速发生凝固,形成芯部等轴晶和(或)柱状晶、表层激冷晶的铸锭

.

图6 不同υ下铸锭的径向宏观组织

Fig .6 Radial macr ostructures of ingots at different υvalues

在双流浇注半连续铸造过程中,在结晶器区域存在两股金属熔体,外熔体与结晶器冷却壁接触,凝固成一定厚度的凝固壳,并形成一弯月面状凝固液穴;同时,内熔体受自身重力与液压力作用,从内浇口以一定速度注入结晶器芯部.由于内浇口位于凝固液穴最底端上沿的某个位置,当高温、高速的内熔体与凝固液穴底端附近的低温、半固态熔体相遇后,发生对流传质和热交换,二次加热凝固液穴底端附近的熔体,而邻近的已凝固合金也受热发生部分重熔,致使原凝固液穴形状下凹、扩大、下移,形成一个新弯月面状液穴,如图7(b )所示.在新形成液穴的弯月面上沿处,内外熔体发生对流、扩散和热交换,形成铸锭的内外层合金冶金结合过渡区域.受自重

23华南理工大学学报(自然科学版)第37卷

力与牵引力的作用,已部分凝固的铸锭被牵引出结晶器,受到二次直接冷却水作用,未凝固的芯部内熔体迅速发生凝固,形成内层合金、过渡层合金、外层合金的梯度复合铸锭

.

图7 DC 与DSPCC 凝固液穴示意图

Fig .7 Sche matic diagra m s of liquid pool of DC and DSPCC

p r ocesses

3.2 铸造工艺参数对外层合金厚度的影响

在双流浇注半连续铸造过程中,若在结晶器内无法正常形成一定厚度的凝壳以抵抗熔体的压力,则会发生漏液而不能顺利制备出铸锭,熔体温度、铸造速度、冷却水流量是半连铸成功与否的关键工艺参数,也是影响铸锭表面质量的关键因素.

从试验结果和凝固液穴形成过程可知,新形成凝固液穴的宽度就是内层合金的厚度加过渡区域的宽度,也即铸锭直径减去外层合金的厚度,因此,DSPCC 各工艺参数对外层合金厚度的影响可间接

表征其对新形成液穴的影响.

对于d ,由图2可见,d 的细微变化,对铸锭组织的梯度变化影响显著.这是因为,随着d 的增大,单位时间内的内熔体流量呈指数增加,则单位时间内增加的内熔体能量也呈指数增加,导致芯部已凝固铸锭被重熔的范围大大增加,扩大了新形成凝固液穴的宽度和深度,致使内层合金熔体的影响范围扩大,从而显著减小外层合金的厚度.

对于t in ,由图3可见,随着t in 的升高,外层合金厚度逐渐减小.这是由于t in 的升高,内熔体的黏度减小,单位时间内流入凝固液穴的内熔体量增多,其携带的热量增多,芯部已凝固铸锭被重熔的范围增大,从而使新形成凝固液穴宽度增大,内层合金熔体影响范围扩大,导致外层合金厚度减小.

对于h ,由图4可见,随着h 增大,外层合金厚度不断增大.这是因为h 的加大,内熔体出水口更加接近凝固液穴底部,会加深新形成凝固液穴的深度,但由于内外熔体的流量没有发生改变,不能扩大凝固液穴的宽度,反而会因为在相同冷却水流量条件

下,致使新形成凝固液穴的宽度减小,内熔体溶质流动范围受限,增大了外层合金厚度.

对于t out 和υ,由图5、6可见,它们的变化对外层合金厚度的影响不大.t out 影响的是凝固液穴在结晶器内的位置;当外熔体温度升高,凝固液穴在结晶器内的位置随之降低,但t out 不能增加过多,否则会发生漏液现象,这样凝固液穴位置下移量少而有限;而凝固液穴内部是内层合金的影响范围,主要受到t in 、d 和h 的影响,所以t out 对外层合金厚度的敏感度不高.对于铸造速度,由于铸造速度与凝固液

穴深度有线性关系,随着υ的提高,凝固液穴深度加大,而凝固液穴在结晶器内的位置改变取决于冷却强度大小和t out ;冷却强度和t out 不变,t in 、d 和h 不变,则内熔体对凝固液穴的影响不变,所以目前的工艺参数范围内,外层合金厚度不随υ的变化而变化.

4 结论

(1)在双流浇注半连续铸造制备7075/6009梯

度复合铸锭过程中,内熔体温度、内导管插入结晶器深度及节流片孔径的变化对铸锭外层合金厚度的影响显著,外熔体温度及铸造速度对铸锭外层合金厚度的影响不明显.

(2)与常规半连续铸造工艺的凝固液穴不同,

双流浇注半连续铸造工艺的凝固液穴中间存在一个内熔体形成的凝固液穴,与外熔体形成的凝固液穴一起影响并决定着内外层合金组织的分布.参考文献:

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Effect of Processi n g Parameters on the Thi ckness of Outsi de

Layer of7075/6009Alu m i n u m Alloy I ngots

Zheng X iao2ping Zhang W ei2w en L uo Zong2qiang Zhao Ha i2dong L i Yuan2y uan

(Guangdong Key Laborat ory for Advanced Metallic Materials Pr ocessing,South China University of

Technol ogy,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:The7075/6009composite ingotswith dia meter of65mm were p repared by double2strea m2pouring contin2 uous casting.The effect of p r ocessing para meters on the thickness of outer layer of7075/6009composite ingot was analyzed.The results show that the melt te mperature in the inside ladle,the dep th of the submerged entry nozzle in the mold and the dia meter of the thr ottle bore re markably affect the thickness of outer layer of the composites.when the te mperature of the melt in the inside ladle increases fr om680℃t o780℃,the thickness of outer layer reduced by3818%;when the dep th of the sub merged entry nozzle in the mold increases fr om0mm t o15mm,the thickness of outer layer increases by37%;when the dia meter of the thr ottle bore increases fr om116mm t o118mm,the thickness of outer layer decreased4212%.However,the para meters,such as the melt te mperature in the outside ladle and casting s peed,have little effect on the thickness of outer layer.This paper als o analyzed the shape of the liquid pool during the double2strea m2pouring se m i2continuous casting.The r ole of the p r ocessing parameters in double2strea m2pouring continuous casting was analyzed based on the shape variati on of liquid pool.

Key words:double2strea m2pouring;se m i2continuous casting;liquid pool

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