铝合金铸造复合

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全国第十四届轻合金加工学术交流会论文集．15．铝合金铸造复合崔建忠(东北大学。辽宁沈阳110004)摘要：介绍铝合金复合锭坯的先进的制备方法——铸造复合，铸造复合的原理，以及复合铸锭的应用。重点介绍东北大学最近开发的新技术——电磁铸造复合。关键词：铝合金；铸造复合；电磁场1前言复合材料是将两种或多种性质不同的材料，加工到一起组成的新材料，由于复合材料可以人为地设计，发挥各组分的优势，所以成为材料的一个新领域。层状复合材料是复合材料中的一种，也是目前在工业上应用最广泛的复合材料。其中复合轧辊是将低合金钢与高速钢铸造复合而成，已在轧制行业广泛应用。铜包铝线或带，是一种新的低成本导电材料，铝与钢、铝与不锈钢、钢与不锈钢复合板、带、管、棒已是工业产品。铝合金(或铝)与铝合金的复合板实际上已是工业上大量应用的产品，如汽车水箱带复合箔，高强铝合金的工艺包铝等，但是传统的铝合金复合材的生产方法是轧制复合，其工艺路线如下：铝合金熔铸铸锭一均匀化一铣面一⋯⋯一包覆铝一热轧一热处理+包覆铝熔铸铸锭一铣面一热轧一表面处理_j由于铝氧化速度很高，在加工中表面可能遗留油污等，所以轧制复合后在复合界面可能产生气孔、夹杂等缺陷，大大降低复合材的质量。如果能在铸造时实现复合，则可以消除这些缺陷，同时缩短工序。因此铸造复合是铝加工工作者多年的愿望。在1935年直接水冷连续铸造法(DCcasting)投入商业运行后约10年左右，铝行业的工程师与材料工作者就想利用DC方法铸造多层复合锭坯，美国铝业公司与前苏联航空材料研究院都为此做了许多工作与探索，但都未获得成功。2006年6月13日美国诺威力公司(NovelisInc．)对外宣布t经过多年的研究开发，该公司的铸造复合法(NovelisFusion删Process)已进人商业化生产，该公司的位于纽约州的奥斯威戈轧制厂(NovelisOswegoMill)已铸造50多种不同规．格的铝合金复合锭。复合扁锭的商业化生产有着相当大的经济与技术意义，在铝合金半连续铸造发展过程中具有里程碑意义，突破了传统的工序多、劳动强度大、结合不甚理想、生产成本较高的压接焊合法，可以生产由任何铝合金组合的复合板带材，产品品质显著提高，大大扩大了复合铝合金板带箔的品种，许多用传统复合法难以生产或甚至根本无法生产的轧制材料现在都可以生产了。与传统的轧制复合工艺相比较，铸造复合工艺具有如下的优点：*可生产传统轧制复合法生产中难以实现冶金结合的复合材；*包覆层较均匀，厚度公差减小；*包覆层／芯材界面十分洁净且无氧化物； ．16·全国第十四届轻合金加工学术交流会论文集*兼顾强度、成形性及耐腐蚀性；*轻量化、降低成本。复合锭铸造法工艺灵活，可铸造所有铝合金复合锭，因此它的潜在市场与产品种类远远超出了传统工艺仅能生产包铝及钎焊板带箔材的范围，可使交通运输、建筑学产品、建筑与结构(工民建)、耐用消费品、电子电器产品可用的铝材大大拓宽，因为可通过芯材与表面材料的选择与完美结合，使材料既具有所要求的力学性能又具有所希望的表面性能和外观特性，这非常有利于用户设计新产品与推出新一代的产品，即对产品的更新换代非常有利。目前诺威力公司奥斯威戈轧制厂集中生产包铝的薄板与钎焊薄板，以及排水管与电缆管道薄板，而主要的潜在应用领域有：*强度与成形性能俱全的汽车薄板；*优秀表面性能与高强度兼备的建筑材料；*既有亮丽表面性能又有更高抗凹陷性能的耐用消费品铝板带；*有高抗腐蚀性与高强度的地下管道材料；*负载容量大及耐磨性能良好的轨道车辆铝材；*耐用性强的与有高技术外观的电子设备外壳薄板与箱体薄板。面对如此巨大的市场前景，自2006年美国诺威力公司宣布其复合锭铸造法已进入商业化生产后，世界各国的铝合金生产厂商和科研工作者都加快了对铝合金铸造复合技术的研究与开发，中国亟需对复合锭铸造工艺进行研究。以钎焊薄板为例，到2006年中国有14家钎焊箔生产企业，其总的生产能力超过130kt／a，生产能力居全世界之首，采用复合锭轧制这类热交换材料无疑比传统法要优越得多。而在电解铝厂铸造复合锭可以节约能源，更有利于形成优化的产、l匕结构。、2复合铸造的工艺原理复合铸造的原理见图1和图2。两种合金分别熔炼后，经导流管流入结晶器，其中高熔点的合金要先与冷却板接触，先形成凝固壳，低熔点的合金不与冷却板接触，直接与高熔点合金已形成的初凝壳接触，两者形成冶金结合的界面。随着铸锭下移，二冷水冷却，铸锭全部凝固，形成复合铸坯‘1|。图2详细划出了复合铸锭凝固时的界面形成的原理。合金l(高熔点合金)进入结晶器后，与冷却板接触，形成初凝壳，此时的初凝壳是处于半固态(固态体积分数根据合金的成分不同)，但是要确保此初凝壳有较高的支撑强度，内部合金液的静压力不使之破裂而产生泄漏。合金2(低熔点合金)是略低于冷却板后与合金1的初凝壳接触，合金2的液体润湿合金的半固态初凝壳，两者形成冶金结合。所以合金1的初凝壳的厚度，是铸造复合的关键参数。初凝壳太薄(固相率太低)，容易破碎，合金1的液体流入合金2，复合失败；如果初凝壳太厚(固相率太高)则合金2的液体不容易润湿，界面不能实现冶金结合。所以铸造复合的关键参数有三个：一是冷却板的冷却能力，二是铸造温度，三是铸造速度。只有三者匹配，才能产生合适的初凝壳，确保复合界面实现冶金结合，又能保持平直。实际铸造时，一般要使高熔点的合金与冷却板接触，新形成凝固壳，低熔点的合金不与冷却板接触，直接与初凝壳接触。即高熔点的合金液面高，低熔点的合金液面低。为了确保初凝壳表面无氧化或少氧化，低熔点的合金液最好在合金l初凝壳一出冷却板就上，这样也可以确保合金1的液体压力不能将初凝壳冲破。合金l的初凝壳是纯粹的MAL问题，即由一冷(结晶器壁)单独冷却产生的凝固壳，可以 全国第十四届轻合金加工学术交流会论文集圈1铸造蔓台Ⅲ理目目2界面m成的原理通过计算和数值模拟确定。合金2熔体附着合金l的凝固壳后，凝固壳失去冷却，如果合金2与合金1的熔点差距小，可能初凝壳要回熔，所以要二次冷却水快上，使界面处快速冷却、凝固。 全国第十四届轻台盒加工学术交流会论文集3静磁场在铸造复合中的作用根据电磁学，运动的导体切割磁力线，产生感生电流』，感生电流与磁场交互作用产生洛伦兹力，如果磁场强度为B．则洛伦兹力，为㈨：F=JXB由于施加的静磁场与导电流体的流动方向正交，所以产生的洛伦兹力与导电流体的流动方向相反，这就是我们常说的“电磁制动”。铸造复合时施加的磁场与界面平行，所以，如果产生与复合界面非平行的方向流动时，电磁场将产生一个与界面正交的制动力分量．减少或抑制与界面垂直的流动。所以’铸造复合时施加静磁场将减少或消除熔体流动对界面的冲击，确保界面平直、稳定。4铸造复合的初步成果4．13004／4045铝台金的铸造复合铸锭尺寸为150x4l】0mm，3004铝台金的厚度加咖l，4045铝合金的厚度为IIO唧．复合铸锭的宏观照片见图3。卜■*ⅢhH新目目3305114945台盒的复合钳键断面蓊囊j|誊≥⋯j·；hVto∽‘’蒌≥萋囊盏遴j．-_-j 全国第十四届轻合金／jn-r学术交流会论文集．19．面稳定。图4是3004／4045合金的复合铸锭的界面微观组织，可见，界面清晰，无氧化物夹杂和气孔等缺陷，冶金结合良好。5结束语(1)铝合金铸造复合的关键是保持界面平直，实现冶金结合。为了得到良好的界面，必须保证高熔点的合金形成半固态的初凝壳，低熔点的合金快速包覆。(2)冷却板是铸造复合的关键部件，其必须保证有足够的冷却能力，实现理想的初凝壳。(3)铸造复合时施加静磁场可以实现电磁制动，保持界面的稳定。(4)3004／4045铝合金的铸造复合实践表明，其界面清晰、平直，无夹杂和缺陷，冶金结合良好。参考文献：[1]Willard，Mark，TrumanGallemeauh，USPatent20070215312A1．[2]韩自成．电磁冶金学[M]．北京：冶金工业出版社，2001：78—83．