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1、第3章 铝合金的铸造,铸造方法,不连续铸造,无压力,有压力,低压铸造,压铸,挤压铸造,普通模铸,连续铸造,近终成型,静模铸造,动模铸造,无模铸造,立式,水平,电磁铸造等,铸轧等,3.1 概述,应用：形状复杂，受力简单的制件,温 州 大 学,温 州 大 学,温 州 大 学,温 州 大 学,温 州 大 学,温 州 大 学,温 州 大 学,温 州 大 学,温 州 大 学,温 州 大 学,优点： 形状复杂制件 complex in shape 液态金属流动性复杂外形 型芯 复杂内腔 成本低廉cheap in production 工艺灵活,适应范围广adaptability in technology
2、 缺点： 力学性能低于同种材质的锻件lower mechanical properties 铸造组织粗大，有缺陷 工作条件较差worse work condition 废品率较高unstable quality 铸造工序繁多,不连续铸造的特点,温 州 大 学,铝合金铸轧技术（辊模铸造）,动模连续铸造技术,温 州 大 学,铝合金铸轧技术（辊模铸造）,温 州 大 学,近几年，国外铸轧技术的发展并不快，在铸轧产品厚度上，理论计算最薄可达到2.5mm，实际工业生产在3.0mm以上；在轧制速度上，理论计算可达到12m/min以上，实际工业生产在78m/min，产量最大的是8系及纯铝，3系合金及低镁5系少
3、量生产，据资料介绍，国外3004合金罐体料正在研究攻关。意大利法塔亨特公司在铸轧技术上的研究比较深入，装机水平也比较先进，可大量供应幅宽达2300mm超型铸轧机。 与此同时，我国的铸轧生产发展速度很快，铝板带材深加工生产线绝大部分采用铸轧坯料，其产能力可达500kt/a，占可用于现代化冷轧机供坯产能的51.6%。铸轧板厚度一般为610mm，大多数在78mm，轧制速度一般在1.5m/min以下，幅宽2000mm轧机已在使用，板型控制技术大有提高，表面上的质量也有一定进步。大量生产的合金是纯铝、8系以及3系合金。中档双零箔坯料及中低档PS版基料产量较大，但高档产品产量少，且质量不够稳定。,动模连续铸
4、造技术,铝合金轮模铸造铸技术,温 州 大 学,铝合金轮模铸造技术,Hazellet,动模连续铸造技术,温 州 大 学,铝合金铸挤成形技术,动模连续铸造技术,温 州 大 学,动模连续铸造技术的特点,优点： 铸造速度快、生产效率高 能够直接与轧机相连接实现连铸连轧 铸锭头尾少，成品率高 缺点： 设备结构较为复杂，投资大 产品的尺寸规格一般较小，能生产的合金种类有限。 结晶模具常规使用的寿命短,温 州 大 学,低压铸造法的雏形可以追溯到上世纪初。适用于铝合金是1917年在法国，1924年在德国提出的申请，但并没形成大规模的工业生产。为商业的目的而开始生产是在二战以后的1945年，由英国的路易斯先生创立了阿鲁
5、马斯库公司，开始生产雨水管道、啤酒容器等。在那以后的五十年代里，奥地利和德国开始生产气缸头。1958年美国的泽讷拉路默它斯在小型汽车的发动机零件上（气缸头、箱体、齿轮箱）大量运用了铝合金铸件，并采用了低压铸造法。这件事对至今仍广泛采用的低压铸造法而言是不可或缺的推动，特别是在整个世界的汽车工业界引起了极大的反响。,低压铸造,技术特点 （1）浇注时的压力和速度能调节，故可适用于各种不同铸型（如金属型、砂型等），铸造各种合金及各种大小的铸件。 （2）采用底注式充型，金属液充型平稳，无飞溅现象，可避免卷入气体及对型壁和型芯的冲刷，提高了铸件的合格率。 （3）铸件在压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰、
6、表面光洁，力学性能较高，对于大薄壁件的铸造尤为有利。 （4）省去补缩冒口，金属利用率提高到9098%。 （5）劳动强度低，劳动条件好，设备简易，易实现机械化和自动化。,在密闭的保持炉的熔体表面上施加比大气压大0.010.05Mpa的空气压力或惰性气体压力，熔汤通过浸放在熔体里的给汤管(升液管)上升，被压进与炉子连接着的上方的模具内。熔汤是从型腔的下部慢慢开始充填，保持一段时间的压力后凝固。凝固是从产品上部开始向浇口方向转移，浇口部分凝固的时刻就是加压结束的时间。于是就凭借浇口的方向性凝固和从浇口开始的冒口压力效果得到了完美的铸件。最后当铸件冷却至固相温度以下便可从模具中取出产品。,压铸,压铸（
7、英文：die casting，全称：压力铸造）是一种金属铸造工艺，是指将熔融合金在高压、高速条件下填充模具型腔，并在高压下冷却成型的铸造方法，是铸造工艺中应用最广、发展速度最快的金属热加工成形工艺方法之一。大多数压铸铸件都是不含铁的，例如锌、铜、铝、镁、铅、锡以及铅锡合金以及它们的合金。制造压铸的零部件相对来说非常容易，这一般只需要四个主要步骤，单项成本增量很低。压铸很适合制造大量的中小型铸件，因此压铸是各种铸造工艺中使用最广泛的一种。同其他铸造技术相比，压铸的表面更为平整，拥有更高的尺寸一致性。压铸作为一种先进的有色合金精密零部件成形技术，适应了现代制造业中产品复杂化、精密化、轻量化、节能
8、化、绿色化的要求，应用领域不断拓宽。随着压铸设备和工艺技术水准不断提高，压铸产品的应用场景范围在现有基础上仍将逐步扩大。特别是汽车工业的迅速发展，带动了我国压铸行业以前所未有的速度向前发展。,A、优秀的尺寸精度：典型的数值为最初2.5厘米尺寸时误差0.1毫米，每增加1厘米误差增加0.002毫米。相比其它铸造工艺，它的铸件表面十分光滑，圆角半径大约为1-2.5微米。相对于沙箱或者永久模铸造来说可以制造壁厚大约0.75毫米的铸件。 B、可以直接铸造内部结构：比如丝套、加热元件、高强度承载面。 C、减少或避免二次机械加工，生产速度快。,压铸最大的缺点为成本很高。铸造设备和模具、模具相关组件相对其它铸造方法
9、来说都很贵。因此制造压铸件时生产大量产品才比较经济。 只适用于流动性较高的金属。 不能进行任何热处理或者焊接。,目前, 工业上应用的压铸铝合金主要有以下 几大 系列:Al-Si、 Al-Mg、 Al-Si-Cu、 Al-Si-Mg 等 。 压铸铝合金具有较高的比强度、抗蚀性能和良好 的铸造性能、加工性能和可再生性, 以及优良的导 电导热性能, 大范围的应用于汽车、航空航天和电器工 业等领域。随着汽车等工业的发展, 铝合金压铸 件的产量每年以将近 13%的速率增长, 其产量占 所有压铸件产量的 75%以上。且铝合金压铸件 向着高强度、高质量方向发展, 这必将对铝合金压 铸技术的逐步发展起到积极的推
10、动作用。压铸铝合金的开发及应用 传统压铸铝合金件不宜进行热处理, 这制约 了压铸铝合金力学性能的提高。目前, 压铸铝合金已大范围的应用于汽车结构件的生产, 但对于车体 等对力学性能要求高的压铸件, 仅靠现有压铸铝 合金尚难满足需要。为提高压铸铝合金的 力学性能, 扩大压铸铝合金的应用场景范围, 国内外研 究人员一直在进行新型压铸铝合金的开发, 主要 包括两个方面: 一是通过合金成分优化或添加合 金元素的方法对现有合金系优化; 二是新型压铸 铝合金系的开发。,挤压铸造,挤压铸造又称液态模锻，是使熔融态金属或半固态合金，直接注入敞口模具中，随后闭合模具，以产生充填流动，到达制件外部形状，接着施以高压，使已
11、凝固的金属（外壳）产生塑性变形，未凝固金属承受等静压，同时发生高压凝固，最后获得制件或毛坯的方法，以上为直接挤压铸造；还有间接挤压铸造指将熔融态金属或半固态合金通过冲头施加的高压，在密闭的模具型腔内结晶凝固成型，最后获得制件或毛坯的方法。,由于高压凝固和塑性变形同时存在，制件无缩孔、缩松等缺陷，组织细密，力学性能高于铸造方法，接近或相当锻造方法；无需冒口补缩和最后清理，因而液态金属或合金利用率高，工序简化，为一具有潜在应用前景的新型金属加工工艺。,挤压铸造是使液态或半固态金属在高压下凝固、流动成形，直接获得制件或毛坯的方法。它具有液态金属利用率高、工序简化和质量稳定等优点，是一种节能型的、具有
12、潜在应用前景的金属成形技术。在我国挤压铸造技术已成功地用于汽、摩托车制造业,航空及兵工领域,在仪表、五金工具 、建筑等行业中也已大量应用。 对结构复杂的零件难以用挤压铸造技术产出，限制了挤压铸造工艺的广泛应用。,在国外，挤压铸造工艺始于1937年的前苏联，上世纪五、六十年代，先后传入我国和世界各国。八十年代，日本宇部公司开发成功HVSC和VSC系列挤压铸造机，使此工艺在日本及欧美各国得到了迅速的发展。目前，宇部挤压铸造机已销售307台，最大设备合模力达3500吨，日本丰田公司的轮毂生产厂拥有14台VSC1500VSC1800挤压铸造设备，已形成年产400万只高档汽车铝轮的生产能力。此外，
13、丰田公司还拥有年产120万只复合材料活塞的生产能力，并已在23种车辆得到使用。,在挤压铸造中由于高压凝固和塑性变形同时存在，制件无缩孔、缩松等缺陷，组织细密，力学性能高于铸造方法，接近或相当锻造方法；无需冒口补缩和最后清理，因而液态金属或合金利用率高，工序简化。,无模连续铸造技术（EMC),温 州 大 学,无模连续铸造技术的特点,上世纪60年代，前苏联铝合金专家Getselev在铝合金DC连续铸造的基础上开发了EMC (Electromagnetic Casting)工艺，通过交变电磁场产生的Lorentz力约束金属熔体，并维持一定的液柱高度，替代了结晶器的 支撑作用，实现了无模铸造。 电磁铸
14、造出现后，迅速在捷克斯洛伐克，匈牙利，东德等国率先普及，日本三菱化成公司1972年10月引进了该技术。美国Kaiser、Alusuisse、Alcoa、Reynolds和Pechiney等公司的大型铝厂也都相继在同时期引进了该项专利，其中Kaiser和 Alusuisse两家公司，在引进前苏联专利的基础上，实现了多块铸造和大断面(5001300mm)连续铸造铝合金的技术方面的要求。目前，在美国和欧洲，每年大约120万吨铝合金采用 Alusuisse公司的电磁连铸技术进行生产。 但是，EMC以改善铸锭表面为目标，采用中、高频电磁场来实现无模铸造，对设备控制系统要求比较高，非常有可能会出现拉漏现象。且耗能较
15、大。国 内并未得到普遍应用。,温 州 大 学,静模（DC)连续铸造技术,直接水冷连续铸造技术简称DC铸造技术（Direct chill casting）由德国人Junghaus在1933年首先研制成功，其装置如图1.2.所示。,这项技术的基础原理是将熔体注入一个有水冷却的铸模中，熔体在铸模中开始凝固并凝成一个固态坯壳（一冷），然后将凝固的坯壳牵引出铸模，在坯壳上直接喷水进行冷却（二冷），最终得到所需形状和尺寸的锭坯。,温 州 大 学,静模（DC)连续铸造技术,根据锭坯牵引方向的不同，DC连续铸造技术可分为立式连续铸造技术（vertical direct chill casting）和水平连续铸
16、造技术（horizontal direct chill casting）。,温 州 大 学,1935年，立式连续铸造技术（vertical direct chill casting）被Alcoa公司及VLW公司应用到铝合金的铸造过程中，是现代铝合金连续铸造的开端。经过几代科研工作者的努力，该项技术在结晶器设计，二冷水喷水方式的选择和金属液体的输送等方面逐渐完备和发展 先后开发出了隔热模铸造技术，热顶(Hot-top)铸造技术，并在热顶铸造技术的基础上开发出了铸锭与结晶器壁间喷注润滑油与气体润滑技术，如美国Wag Staff公司的“空气滑动法(Air Slip)”、德国VAW公司的“空气幕法(A
17、ir Veil)”，以及日本昭和铝公司的“空气缓冷法(Air Cushion)”。这些技术的采用有效的提高了立式连续铸造铸锭的质量和成材率。目前立式连续铸造技术已成为各种变形铝合金锭坯生产所广泛采用的方法。,立式连续铸造技术的发展与应用,温 州 大 学,水平连续铸造又称卧式连续铸造或横向连续铸造，其与立式连续铸造最显著的不同点为锭坯是沿水平方向进行牵引的。水平连铸的研究可以追溯到1913年，当时只想用来生产低熔点金属。1940年，第一份关于水平连铸的专利公布于世。1958年，瑞士ALFRED WERTLI有限公司研制出了第一套水平连铸设备并投入生产。迄今为止至少有130条用于有色和黑色金属的
18、生产线年，德国TECHNICA-GUSS公司成立，这是又一家设计、制造水平连铸机的专业公司。TECHNICA连铸机采用了最新设计的铣床和高精度的西门子铸造计算机控制，生产的全部过程的自动化程度和产品的质量都比较高。除TWERTLI和TECHNICA以外，奥地利的METATERM,英国RAUTOMEAD公司也都在一直在改进和推销自已的水平连铸机列。早期的水平连铸大多数都用在铜合金及铸铁的生产，但经过了几十年的发展，该技术已大范围的应用于各种有色及黑色金属的连铸生产，尤其是在以铝合金为代表的轻合金连铸领域占据着逐渐重要的地位。,水平连续铸造技术的发展与应用,温 州 大 学,水平连续铸造
19、与竖直连续铸造,铝合金水平连铸,铝合金竖直连铸,温 州 大 学,铝合金竖直连铸,温 州 大 学,铝合金竖直连续铸造铸锭,铝合金圆铸锭和管坯,温 州 大 学,3.2 DC连续铸造系统,铝合金熔铸系统,传统的DC连铸设备由静置炉、流道、在线除气装置、过滤装置、 金属液分流系统、结晶器系统、以及引锭系统组成。,浇铸系统由金属液分流系统、结晶器系统、以及引锭系统组,扁锭浇铸系统,圆锭浇铸系统,1 、金属液的分配与液面控制,金属液分流系统。是指将金属液平稳、均匀的分配到结晶器的系统。 在工业生产里，为了更好的提高生产率，常进行一机多流浇注，这时金属液的分流系统就决定着连铸生产能否顺顺利利地进行。金属液的分流系统在D
20、C铸造过程中起到两方面的作用，首先，由于DC铸造过程中金属液位较低，分流系统能有效控制连铸过程的金属液位高度，起到均流作用；其次，分流系统在结晶器内按照一定控制的方式水平分配金属液，可以有明显效果地均匀结晶器内的温度场，以便得到组织和性能均同的铸锭。,直接浇铸,浮漂分流,同水平浇铸分流,圆锭铝合金铸造的分流方式,圆锭用浮漂分流,扁锭用浮漂分流,空心锭用浮漂分流,圆锭铝合金铸造同水平分流方式,同水平分流方式,扁锭铝合金铸造的分流方式,接触式铝液控制装置,同水平铸造控制液面,分流袋,2、 铝合金DC铸造用结晶器,结晶器,结晶器是连铸工艺的核心部分。传统连铸工艺的结晶器的主要材质有铝合金、铜合金、不锈钢、
21、石墨等，当结晶器中镶嵌石墨环时，由于石墨的自润滑作用，能大大的提升铸坯的表面上的质量。结晶器首要作用是对铸坯的初始冷却作用，它能确保连铸坯在结晶器内得到合适厚度的初始凝固壳，保证连铸坯在随后的冷却凝固过程中得到理想的铸态组织。,结晶器的设计原则： （1）对铸锭的冷却均匀，在结晶器中所产生冷却强度一定要满足形成足够强度凝壳的要求； （2）脱模容易，能生产表面上的质量良好的铸锭； （3）结构相对比较简单，安装便捷，有一定强度、刚性和抗冲击能力； （4）确定铸锭的收缩率，合金不同，规格不同，收缩率也不相同。一般来说，圆锭1.6-3.1%；扁锭横截面宽度方向1.5-2.0%，厚度方向，在两端处为2.8-4.35%，在中心处
22、为5.5-8.5%； （5）确定结晶器高度，扁锭小面的形状。,传统的冷却工艺中，通过结晶器的冷却作用，金属液在结晶器内形成初凝壳，有足够的强度维持中心的液态金属。在一冷的作用下，液体金属凝固收缩，凝固坯壳与结晶器内壁分开，然后被拉出结晶器外，受到二冷水的快速冷却。结晶器的冷却和结晶器外的二次冷却对铸坯的质量的影响非常显著，可以用冷却区的概念来描述连铸坯在凝固过程中收到的冷却效果。一般来说，当铸造速度较低或者铸造启车阶段，结晶器的冷却效果可以延伸到结晶器外，在这段区域，结晶器对连铸坯起着主要的冷却作用；同样，对于直接喷水冷却，喷水的冷却有一个逆向传热高度，在上传距离内，喷水冷却起着一定的冷却作用
23、。结晶器的冷却和喷水的冷却有可能部分重合也可能分开。因此，根据热流分布特点，铸坯受到的冷却作用可粗略地分为两个区。,一冷区，即金属液与结晶器壁接触区。熔融金属一旦跟冷却壁接触，立即形成一个半固态的凝固坯壳。该区内，刚结晶的外壳在液穴内金属液静压力的作用下，紧贴在结晶器内壁上，初凝壳受到热和机械的作用，拉坯时凝壳与结晶器内壁有摩擦阻力。因此，当初始凝壳较薄时有可能会被拉裂形成表面裂纹，甚至拉断。同时，在摩擦力的作用下，表层的氧化膜也有一定的可能被破坏，高温熔体在静压力的作用下会被挤出铸锭表明产生偏析瘤。从冷却速度上来看，一冷区内任意截面上的冷却速度都是从外向中心逐渐减小，外层收缩最大，低熔点成分通常被挤
24、到中心。,二冷区，即二次水冷区。从喷淋点上某一位置到铸坯完全凝固为止。二冷区和一冷区相似，从铸坯外壳到铸坯中心的任意截面上的冷却速度都是逐渐降低的。由于铸坯表层具有最大冷却速度，因此，金属液不会再被挤向表层，而是挤向铸坯中心。,传统结晶器,整体式,组合式,结构紧密相连，结晶器的有效冷却长度较短，有利于提高结晶器的冷却效果，能获得理想的内部组织。,结晶器的一次冷却强度受到二次冷却水的影响，铸锭在凝固过程中有可能会出现隐藏式冷隔，表面上的质量很难控制。,拆卸方便，一冷区和二冷区分开，结晶器一次冷却强度不受二次冷却水的影响，有利于灵活控制结晶器的冷却。,结晶器的有效冷却长度较长，连铸坯有可能会出现表面偏析瘤、表面
25、重熔以及拉漏、拉裂等缺陷。,传统DC结晶器,传统DC结晶器,传统DC结晶器,传统DC结晶器的熔铸过程,传统DC结晶器,热顶结晶器,热顶铸造：有效结晶区高度,过大，铸锭表面出现偏析瘤，影响铸锭表面上的质量和结晶组织，失去隔热模的意义。,有效结晶区高度过小，则易使结晶凝壳壁延伸进隔热模内造成铸锭拉裂，严重时会损坏保温材料。,MAL：单靠结晶器壁在铸锭表面上产生的向下的冷却距离，叫做铸模单独冷却距离。,UCD：上流导热距离，表示铸锭由见进水线开始，单纯依靠二次冷却水的冷却作用在铸锭表面上产生的向上的冷却距离。,热顶结晶器,热顶结晶器,隔热模铸造用结晶器是在普通结晶器内壁上部衬一层保温耐火材料，从而使结晶
26、器上部熔体不与器壁发生热交换，缩短了熔体到达二次水冷的距离，使凝壳水冷，减少冷隔、气隙和偏析瘤的形成倾向。结晶器下部为有效结晶区。,3 铝合金DC铸造引锭系统,引锭系统包括引锭头和牵引装置。 引锭头能够准确的通过拉坯方向安装在结晶器的下部或者侧面，引锭头对铸造开始步入结晶器的液体进行冷却，形成凝固坯壳，然后在牵引装置的牵引下向下或者侧面移动。铸坯随引锭头离开结晶器后，受到二冷水的直接喷淋冷却，最后完全凝固。 引锭（底座）在铸造开始时起成形和牵引作用，在铸造过程中起支撑作用。为避免铸造时因受热膨胀而将引锭卡在结晶器内，引锭所有横截面尺寸都应比结晶器下缘相应尺寸小1%-2%。,扁锭引锭,扁锭引锭,圆锭引
27、锭,圆锭引锭,4、液流转注,金属液从静置炉输送到结晶器中的全过程叫转注，合理的转注方法是要使在氧化膜覆盖下平稳地流动，转注的距离要尽可能合理，严禁有敞露的落差和液流冲击。,传统的转注方法如图所示。由于流槽与流盘间、流盘与结晶器间存在落差，金属翻滚严重，容易使已净化的熔体被二次污染。,为避免熔体污染，要最好能够降低转注频次，缩短转注距离，减少落差，在静置炉和流盘间实现水平供流。,铸造机,牵引装置,铸造过程中铝液重量基本压在引锭座上，对结晶器壁的侧向压力较小，凝壳与结晶器壁之间的摩擦阻力较小，且比较均匀。牵引力稳定可保持铸造速度稳定，铸锭的冷却均匀度容易控制。,立式半连续铸造机,液压油缸式,钢丝绳式,
28、丝杠式,液压铸造机牵引力稳定，可按照工艺要求设定各种不同的牵引速度模式，速度控制精度高，铸造井深度比别的形式铸造机大。有内导式和外导式，内导式应用较多。,钢丝绳式铸造机结构相对比较简单，但因钢丝绳磨损快，易被拉长变形，因此导致引锭平台牵引力和铸造速度稳定性差，影响铸锭质量。,丝杠式铸造机由于其悬臂传动和支撑结构特点，不适合于同时铸造多根铸锭。,水平式连续铸造机,与立式铸造机比较： 不需要深的铸造井和高大的厂房，可减少基建投资； 生产小截面铸锭时容易操作； 设备结构相对比较简单，安装维护方便； 容易把铸造、锯切、检查、堆垛、打包和称重等工序连在一起，形成自动化连续作业线。,铝液在重力作用下，对结晶器壁下半部压力
29、较大，凝壳与结晶器壁下半部之间的摩擦阻力较大，影响铸锭下半部表面上的质量。同时，冷却过程中收缩的凝壳与结晶器壁的上半部产生间隙，造成上下表面冷却不均匀，影响铸锭内部组织的均匀性。铸造大规格的合金锭易产生化学成分偏析。,水平式连续铸造机包括铝液分配箱，结晶器、铸锭牵引机构、锯切机和自动控装置，可以与检查装置、堆垛机、打包机、称重装置和铸锭输送辊道装置连在一起，形成自动化连续作业线铝合DC连续铸造的基础原理及主要工艺参数,1、 DC铸造的基础原理,表面细等轴晶区 细等轴晶区是在结晶器壁的强烈冷却和液体金属的对流双重作用下产生的。当液体金属浇入低温的结晶器内时，与结晶器壁接触的液体受到强烈的
30、冷却，并在结晶器壁附近的过冷液体中产生大量的晶核，为细等轴晶区的形成创造了热力学条件；同时由于浇注时，液流引起的对流及液体内外温差引起的温度起伏，使结晶器壁表面晶体脱落和重熔，增加了凝固区的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。 其宽窄与浇注温度、结晶器壁温度及导热能力、合金成分等有关。,柱状晶区 随着液体对流的减弱，结晶器壁与凝固层上晶体脱落减少，加上结晶潜热的析出使界面前沿熔体温度上升，细等轴晶区不能扩展。这时结晶器壁与铸锭之间形成气隙，降低了导热速度，使结晶前沿过冷度减小，结晶只能靠细等轴晶的长大来进行。这时那些一次晶生成的方向与凝固方向一致的晶体，由于拥有非常良好的散热条件而优先长大，其析出
31、的潜热又使其它支晶前沿的温度上升，从而抑制其它晶体的长大，使自己向内延伸成柱状晶。,中心等轴晶区 中心区域的热力学条件满足等轴晶形成与长大的条件，其晶核来源有三：,液面的晶体组织,柱状晶支晶的熔断和游离,表面游离晶,非平衡组织,晶界与枝晶界存在不平衡结晶,以4.2%Cu的Al-Cu二元合金为例，在平衡凝固时，合金到b点完全凝固，b-d组织为均匀的固溶体，d点以下固溶体分解为Al+CuAl2。而非平衡条件下，晶体的实际成份也不能按平衡固相线变化。受溶质再分配影响，在晶界和枝晶上存在少数的不平衡共晶组织。,枝晶偏析,枝晶偏析的形成与不平衡共晶的形成相似。由于溶质元素来不及析出，在晶粒内部造成成
32、分不均匀现象，即枝晶偏析。在共晶型的合金中，枝晶中心的元素含量低，从中心至边缘逐渐增多。,枝晶内过饱和的难熔元素,由于冷速很大，在熔体中处于溶解状态的难熔合金元素，如Mn、Ti、Cr、Zr等，由于来不及析出而形成过饱和固溶体。冷去速度越大，合金元素含量越高，固溶体过饱和程度越严重。,晶粒细化,理想的铸锭组织是整个截面上具有均匀细小的等轴晶，是因为等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、性能优异、塑性好，利于铸造及随后的塑性加工。要得到这种组织，晶粒细化是最佳手段，需对熔体做处理。,过冷度,过冷度增加，形核率与长大速度都增加，但两者的增加速度不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率。在一般金属结晶
33、时的过冷范围内，过冷度越大，晶粒越细小。铝合金铸锭生产中增加过冷度的主要方法：降低铸造速度，提高液态金属的冷却强度、降低浇注温度。,动态晶粒细化,振动或搅拌,机械搅拌,电磁搅拌,超声振动,机械振动,电磁振荡,晶粒细化剂,增加形核率，非自发,TiZrB C,铝硅合金变质剂,2 DC铸造的主要工艺参数,当DC铸造过程中的金属液分流系统、结晶器系统、以及引锭系统，以及铸锭的合金成分规格尺寸确定以后。铸造过程中还有一些主要的工艺参数。他们分别是浇铸温度、铸造速度，以及冷却强度，液位高度。 铸造温度：浇铸过程中铝容易流入结晶器是的温度。 铸造速度：铸造过程中牵引机的牵引速度一般用每分钟多少米表示。 冷却
34、强度：即冷却水的强度，一冷水腔内水的流速、以及二冷水的流量。 液位高度（结晶器高度）：浇铸过程中液面在结晶器内的位置。,冷却强度对铸锭质量的影响,组 织,力学性能,裂纹倾向,表面上的质量,随冷却强度提高，结晶速度提高； 过冷度大，晶核增多，晶粒细小； 致密度高，疏松减小； 减小区域偏析。,一般说来，铸锭的力学性能随冷却强度的增大而提高。,强度和均匀性,弱，偏析瘤；过强，冷隔。,铸造速度,在一些范围内，随着铸造速度的提高，铸锭凝固组织细小。但过高的铸造速度会使液穴变深，两相区变宽，凝固组织粗化，中心疏松倾向增大，区域偏析加剧。,随着铸造速度的提高，铸锭的平均力学性能增大。,随铸造速度提高，冷裂倾向降
35、低，热裂倾向升高。因已凝固部分温度上升，塑性好，冷裂倾向就低；但两相区变大，温度更加不均匀，脆性区变大，热裂倾向升高。,随铸造速度提高，液穴变深，结晶壳壁变薄。过高，产生金属瘤、漏铝和拉裂；过低，易形成冷隔，严重造成冷裂。合理范围内，提高表面上的质量。,在满足技术标准的前提下，尽可能提高铸造速度,（1）扁锭铸造速度的选择以不形成裂纹为前提。对冷裂倾向大的合金，随铸锭宽厚比增大，应提高铸造速度，对冷裂倾向小的软合金，随铸锭宽厚比增大适当降低铸造速度。在铸锭厚度和宽度比一定时，随合金热裂倾向的增加，铸造速度应适当降低。 （2）实心圆铸锭：对同种合金，随直径增大，铸造速度逐渐减小；对同规格不同合金，铸造
36、速度应按照软合金锻造铝合金高镁合金硬合金超硬合金的顺序递减。 （3）空心锭：同种合金，内径或外径 相同，随壁厚增加而降低。其他条件相同，软合金空心锭比同外径实心锭速度提高约30%，硬合金提高50%-100%。 （4）对同种合金、同规格铸锭，采用隔热模、热顶、横向铸造时，其铸造速度高于普通铸造。,铸造温度,提高铸造温度，使铸锭晶粒粗化倾向增加。降低铸造温度，熔体黏度增加，补缩条件变差，疏松、氧化膜缺陷增多。,在一些范围内，温度提高，硬合金力学性能相应提高，软合金降低。,提高铸造温度，液穴变深，温度梯度增大，合金热脆性增加，裂纹倾向变大。,温度提高，凝固壳变薄，易形成拉痕、拉裂等，但冷隔趋势变小。
37、,铸造温度选择,液位高度（结晶器高度）,铸造速度对表面上的质量的影响,(a),(c),(d,120mm/min;,130mm/min;,160-180mm/min;,150mm/min;,铸造速度对铸锭皮下偏析层的影响,120mm/min;,140mm/min;,160mm/min;,180mm/min;,铸造速度对液穴形貌的影响,120mm/min;,160mm/min;,180mm/min;,铸造过程,开始阶段,铺底和假铺底,平稳阶段,控制液面、打渣、润滑、观察、最终成分分析、控制铸造温度,结束阶段,自回火：对需要回火的铸锭，在铸锭未脱离结晶器下缘前停车、停水，将铸锭浇口部位依靠液态金属的余热
38、加热到350以上。目的是提高浇口部位的塑性，防止浇口部位冷裂纹。,铸造技术的发展的新趋势,电磁铸造技术EMC,低频电磁铸造技术LFEC,东北大学崔建忠等人开发了轻合金的低频电磁半连续铸造法（LFEC）。L FEC工艺与EMC法相比较，电磁场的施加方式与CREM法相似，因而，同样具有实现“软接触”，提高铸锭表面上的质量，细化晶粒的作用；同时，由于外加的电磁场频率更低，集肤效应更小，可以使处于结晶前沿的熔体获得更为均匀的温度场和应力场，进而达到更有效地细化晶粒、提高溶质的固溶度、抑制裂纹产生的作用。目前，LFEC法在高强度铝合金2XXX系、超高强铝合金7XXX系的半连续铸造中得到了很好的应用。,电磁振荡铸
39、造技术EVC,在铝合金制备过程中同时施加稳恒磁场和交流电流以及同时施加稳恒磁场和周期流磁场用以在熔体中产生振荡的方法，由于具有1）细化晶粒；2）弥散溶质元素；3）除气，降低孔积率；4）增加金属熔体流动性，提充型能力等方面的优势，也得到开发和利用。这种通过使凝固熔体产生受迫振荡，从而抑制枝晶生长，细化晶粒的方法。,脉冲水,在铸造开始阶段，采用脉冲水冷却，降低直接水冷强度，可减少铸锭底部翘曲和缩颈，目前脉冲水采用自动化控制和最新的旋转脉冲阀。,加气铸造,加气铸造与脉冲水铸造具有同样的效果，即在铸造开始阶段，在冷却水中加入二氧化碳或空气、氮气，将这种加气冷却水喷到铸锭表面上形成一层气体隔热膜，从
40、而减缓冷却强度，之后再逐步减少气体量，持续不断的增加冷却效率。,气滑铸造,气滑铸造是在热顶铸造的基础上增加油气润滑系统而成，优点是铸造速度快、铸锭表面十分光滑。,Wagstaff的VariMold可调式扁锭铸造工艺是在一个可调的结晶器里采用LHC平台。一个VariMold，可以铸造达20个不一样的尺寸，减少了为生产一系列的轧制扁锭尺寸所需的结晶器装置数量。,扁锭用结晶器,可调结晶器,一套结晶器可生产多种宽度的扁锭,传统铸造和低液位铸造液穴高度与热量传递比较,低液位铸造过程,低液位组合结晶器结构特点,低液位铸造的实现,低液位与传统DC铸锭质量比较,空气滑动法(Air Slip)”,LHC低液位扁锭结晶器,扁锭
41、用结晶器,LHC低液位合成铸造技术是Wagstaff的旗舰扁锭铸造产品，并被发展把扁锭质量和铸井回收提升到最高。 LHC扁锭铸造技术的好处： 不需要结晶器润滑油系统 减低结晶器冷却水处理成本 优质的扁锭表面 长久的结晶器寿命 SplitJet锭尾翘曲减少技术减低锭尾翘曲，导致泄漏减少，创做一个更安全的铸造环境 大部份的普通合金能够最终靠相同的结晶器铸造 减低铣面,铸锭表面上的质量,大铸锭生产的主体问题及措施,裂纹问题 对于高强度铝合金裂纹问题特别显著 解决措施：使用气刀抑制裂纹的产生 偏析问题 大尺寸不可避免的问题 解决措施：使用电磁场配合合理的分流方式减小偏析的产生,气刀半连续铸造,高强铝合金DC
42、铸造过程中的裂纹裂纹的种类,高强铝合金铸锭的生产方法,目前主要有两种方法： 1.前苏联体系的生产方法：主要是通过带豁口铜结晶器，分开的大小面冷却水配合三次冷却水。 优点：首先让小面先见水，这样使小侧面的体积比长侧面中腰部分体积更提前开始凝固，小侧面部分在收缩时所遇到的阻力就可以大幅度地减少。此时的长侧面部分温度很高，塑性好，从而避免了侧裂的发生；大小面冷却水分开可以越来越好的控制小面的三面冷却所带来下面冷却过强，导导致表面缺陷（冷隔）的出现，另外还会致小面沿铸造方向温度梯度过大，使其沿这个方向的铸造应力过大，这两个缺点都会大幅度提升冷裂纹的出现，因此，小面水必须下调；三次冷却水的使用，最大的目的是将铸锭
43、中心液穴根部位置向上移动，这样减少了内外温度差，由此减少了中心热裂纹的产生。 缺点：a)小面豁口加工难度增加，并且只适合小面为圆弧或近圆弧形的结晶器，但是随着现代轧制技术的发展，要求铸锭形状是小面要求为直边； b)由于使用的是铜结晶器，冷却大，易引起表面严重的冷隔，成为冷裂纹的起源； c)三次冷却水对于铸锭厚度较小的铸锭是一种很有效的手段，但是随工业的需要和轧机能力的增加，对于铸锭厚度要求慢慢的变大，因此使用三次冷却水来控制裂纹的效果随着铸锭厚度的增加也会慢慢的差。 2.欧美体系的生产方法：铝质结晶器，脉冲水和卡水板的使用。 优点：这种方法主要是通过脉冲水分散释放和消除铸锭底部应力，减弱冷
44、却强度。可防止铸锭底部翘曲时产生冷隔而导致小面侧裂。因此它与槽型底座相配合取代了老式铸造中铺纯铝底的繁杂工艺。脉冲水的作用主要在铸造开始阶段，所以必须把握脉冲冷却水的时限件，及时转换为正常冷却水铸造；图2显示了卡水板的使用，当金属液体在强冷成形凝固后，卡水板将铸锭周边卡。住使冷却水不再接触铸锭，来提升了铸锭表面温度，即用铸锭门身余热进行低温回火，增加铸锭的塑性，防止铸锭冷裂纹的产生。 缺点：a）在于卡水板在铸造开始阶段受到butt swell的影响比较大，很容易出现挂锭的危险； b）由于铸锭表面就有很多表面缺陷，如偏析瘤，冷隔，这些缺陷在通过卡水板时，会产出漏水现象，导致铸锭在该处产生裂纹,
45、另外卡水板所使用的胶皮是易损件。,未解决这个局限性，更好的开发出适合工业生产的设备和方法。这里我们为了更好地实现高强铝合金的生产我们引入了一个新的设备，即气刀。,气刀的应用实例,气刀半连续铸造,气刀半连续铸造示意图,气刀半连续铸造,气刀对半连续铸造过程温度场的影响,气刀半连续铸造,a无气刀；b气刀位于结晶器下350mm； c气刀位于结晶器下250mm,液穴的变化,5501600 AA7B50,气刀对半连续铸造过程应力场的影响,气刀半连续铸造,从图中能够准确的看出施加气刀后铸造应力明显减小。,5501600 AA7B50,气刀半连续铸造实验结果,气刀半连续铸造,a),b),7050合金铸锭,低倍组织
46、 金相组织,电磁-气刀半连续铸造,电磁-气刀半连续铸造示意图,电磁-气刀半连续铸造,电磁场对熔体流动的影响,电磁-气刀半连续铸造,电磁场对温度的影响,电磁-气刀半连续铸造,气刀施加后流场，温度场的变化,电磁-气刀半连续铸造,气刀施加后应力应变场的变化,电磁-气刀半连续铸造,电磁场和气刀对裂纹的影响,电磁-气刀半连续铸造,DC铸锭,电磁-气刀铸锭,电磁场和气刀对微观组织的影响,电磁-气刀半连续铸造,DC铸造,电磁-气刀铸造,电磁铸造,气刀铸造,电磁场和气刀对宏观偏析的影响,电磁-气刀半连续铸造,结论,使用气刀代替卡水板，减少了设备的维护，并能起到比卡水板更好的抑制铸造裂纹的效果； 低频电磁场的施加能够显著的细化晶粒和减少宏观偏析； 低频电磁场和气刀同时施加，电磁场对晶粒细化的效果并没有减弱； 无论是气刀半连续铸造还是电磁-气刀半连续铸造都被证明是一种有效生产大尺寸铸锭的新方法。,
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