一種溫型鑄造方法與流程
2023-06-24 19:35:26
本發明屬於金屬鑄造技術領域，特別是提供了一種溫型鑄造方法。
背景技術：
鑄造在金屬的生產中具有舉足輕重的地位。隨著金屬材料種類和產品品種的不斷增加，應用領域的快速拓展，以及高新技術的迅猛發展和人們生活水平的日益提高，世界面臨環境惡化、資源與能源短缺的現狀，對金屬鑄造過程的節能降耗、短流程、高效率、低成本以及鑄坯質量的要求越來越高。
鑄型是鑄造中使液態金屬成為固態金屬，獲得所需形狀鑄坯的容器，是鑄造中的關鍵部件和「心臟」，對鑄坯的質量和產量起著重要作用。目前金屬鑄造所採用的鑄型主要有冷卻鑄型(簡稱「冷型」)、加熱鑄型(簡稱「熱型」)和兩相區鑄型。
現在大規模產業化實施的傳統連鑄方法和半連鑄方法就是採用的冷卻鑄型，即通過對鑄型四周施加循環水進行強制冷卻，使得鑄型溫度遠低於金屬的固相線溫度以下，金屬熔體首先在鑄型的急冷作用下凝固，並逐漸向中心生長，最終獲得從鑄坯表面往芯部的微觀組織分別為細小等軸晶、垂直於表面的柱狀晶和粗大等軸晶的鑄坯。採用冷卻鑄型的傳統連鑄方法和半連鑄方法具有生產效率高等優點，但是存在著易形成樹枝狀晶，產生偏析、縮孔和疏鬆等缺陷，鑄坯表面質量較差，後續塑性加工前需要銑面，材料利用率低，工藝流程長，生產成本高，以及鑄坯變形性能普遍不好，產品質量難以滿足更高使用要求等問題；而且對於具有寬固液兩相區的金屬，採用冷型連鑄方法更加難以製備高質量的鑄坯。
採用加熱鑄型的連鑄方法稱作熱型連鑄法(又稱連續定向凝固法)，是將冷型連鑄的冷卻鑄型改為加熱鑄型(即通過對鑄型進行加熱，使鑄型溫度高於金屬的液相線溫度以上)，在鑄型出口附近對已凝固金屬進行強制冷卻，在凝固金屬與未凝固熔體間建立起沿拉坯方向的高溫度梯度，使其具備定向凝固條件，從而連續獲得具有單向凝固的連續柱狀晶或單晶組織的無限長鑄坯。利用熱型連鑄方法可獲得表面光潔度好、具有連續柱狀晶或單晶組織且後續加工性能優異的鑄坯，但是存在著鑄型加熱溫度高、能耗大，易拉漏，生產效率低、產品的橫截面積較小，以及難以用於固液兩相區較寬金屬的鑄造成形等不足[謝建新，等.材料加工新技術與新工藝.北京：冶金工業出版社，2004]。
綜上所述，採用現有的冷卻鑄型、加熱鑄型以及兩相區鑄型的鑄造方法難以同時滿足能源消耗相對較低、生產效率高，成形的鑄坯表面和內部質量好、後續塑性加工性能和力學性能優異等要求。因此，針對目前鑄造方法存在的問題，開發一種節約能源、生產效率和成材率高的新型鑄造方法，使生產出的金屬鑄坯表面光潔度好、組織緻密、成分分布較為均勻，塑性加工性能和力學性能等綜合性能優異，具有十分重要的意義。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種溫型鑄造方法，是將鑄型溫度控制在金屬的低熱溫度區域(即通過對鑄型進行加熱，使鑄型溫度保持在低於金屬的固相線溫度且高於冷卻鑄型溫度的範圍內，以下稱此種鑄型為「低熱鑄型」)的鑄造方法(以下稱作「溫型鑄造」)。由於溫型鑄造的低熱鑄型溫度低於加熱鑄型和兩相區鑄型的溫度，而高於冷卻鑄型的溫度，因此可解決傳統的連鑄、半連鑄和半固態鑄造方法生產的鑄坯表面光潔度及質量和性能較差，熱型連鑄方法生產效率低、能耗較高、難以生產大截面鑄坯、易拉漏，定向凝固方法生產效率低、能耗較高、鑄坯長度有限、產量低，兩相區鑄造方法能耗較高、拉坯速度不能太快，以及半固態鑄造和兩相區鑄造方法無法用於純金屬和共晶合金的製備等問題。
本發明的一種溫型鑄造方法一種溫型鑄造方法，是通過對鑄型進行加熱將鑄型溫度控制在金屬的低熱溫度區域進行鑄造的方法，所述低熱溫度區域是指使鑄型溫度保持在低於金屬的固相線溫度且高於冷卻鑄型溫度的範圍內；溫度控制在金屬的低熱溫度區域的鑄型為低熱鑄型。
所述溫型鑄造方法包括步驟：將金屬熔體從坩堝中流入低熱鑄型；低熱鑄型在加熱器或金屬熔體導熱作用下被加熱至金屬的低熱溫度區域；通過低熱鑄型出口附近設置的冷卻器直接對已完全凝固的金屬 表面進行強制冷卻，在牽引機構的作用下，連續拉制金屬鑄坯；金屬所需的冷卻速度由牽引機構的拉坯速度V、冷卻器的冷卻強度以及加熱器來控制。
進一步的，所述加熱器採用外部熱源或感應加熱線圈。
進一步的，在所述低熱鑄型出口附近設置的冷卻器的基礎上實施二次冷卻。
進一步的：所述坩堝用中間包取代，用於進行連續生產。
優選的，所述的溫型鑄造方法，是將坩堝放置於空氣或真空或充入氮氣或充入惰性氣體保護的環境中進行鑄造；整個鑄造成形過程可以採用人工控制或計算機控制；溫型鑄造方法可以是下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一種；根據需要可採用10％～40％的道次大壓下率直接進行後續塑性加工，以省略中間退火工序。
進一步的，所述的溫型鑄造方法是將預製的金屬固液混合體或半固態漿料連續加入溫度處於金屬固液兩相區的中間包中；將中間包放置於空氣或真空或充入氮氣或充入惰性氣體保護的環境中；整個鑄造成形過程採用人工控制或計算機控制；溫型鑄造方法採用下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一種；根據需要可採用10％～40％的道次大壓下率直接進行後續塑性加工，可以省略中間退火工序。
進一步的，所述的溫型鑄造方法是先向金屬熔體中添加入製備含有異質相的複合材料所需的異質相材料；將坩堝(2)放置於空氣或真空或充入氮氣或充入惰性氣體保護的環境中；整個鑄造成形過程採用人工控制或計算機控制；溫型鑄造方法採用下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一種；根據需要可採用10％～40％的道次大壓下率直接進行後續塑性加工，可以省略中間退火工序。
所述的溫型鑄造方法製備出的金屬材料為具有金屬內部平行或近似平行於拉坯方向的柱狀晶與金屬表層的等軸晶並存的微觀組織結構。
本發明的主要優點在於：
1.採用溫型鑄造方法成形的金屬鑄坯表面光潔度好，具有特殊的組織結構(即金屬內部平行或近似平行於拉坯方向的柱狀晶與金屬表層的等軸晶並存的微觀組織結構)，組織緻密、成分分布較為均勻，塑性加工性能、力學性能、物理性能以及化學性能優於相同成分金屬的普通鑄造坯料。
2.溫型鑄造方法適用範圍廣泛，幾乎所有的金屬均可實現溫型鑄造成形，如純金屬、鋼鐵、鋁合金、銅合金、鈦合金、鎂合金等，也可用於此類金屬的層狀複合材料、梯度複合材料以及均質複合材料的成形，而且可以近終成形生產金屬線材、管材、板材、帶材、棒材及型材等產品。
3.溫型鑄造方法具有極大的推廣價值，只要將現有鑄造方法中的冷卻鑄型、加熱鑄型以及兩相區鑄型改為低熱鑄型，都可開發出相應的溫型鑄造方法。
4.溫型鑄造方法節約能源，降低消耗，生產效率高。
5.採用溫型鑄造方法成形的金屬鑄坯可根據需要進行後續大壓下率塑性加工，可以省略進行中間退火工序，大大簡化了工藝，降低了生產成本，提高了產品質量。
具體實施方式
以下結合實施例對本發明進行具體描述，有必要在此指出的是本實施例只用於對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，該領域的熟練技術人員可以根據上述本發明的內容做出一些非本質的改進和調整。
實施例1
直徑為20mm的純鋁棒材溫型連鑄成形。純鋁熔體1從充有氬氣保護的坩堝2中流入低熱鑄型3；調節感應加熱器4的功率，控制低熱鑄型3溫度為550℃；冷卻器6採用溫度為15℃、流量為1000L/h的冷卻水對純鋁進行強制冷卻；牽引機構8以50mm/min的拉坯速度進行連續拉制，獲得純鋁棒材5。所製備的純鋁棒材表面光潔度好，內部組織緻密，微觀形貌主要由純鋁棒材內部平行或近似平行於拉坯方向的柱狀晶與純鋁棒材表層的等軸晶並存的微觀組織構成，且質量和性能優異。
實施例2
外部正方形邊長為20mm、內部圓孔直徑為10mm的純銅型材溫型連鑄成形。純銅熔體從充有氬氣保護 的坩堝中流入低熱鑄型；調節感應加熱器的功率，控制低熱鑄型溫度為900℃；冷卻器採用溫度為18℃、流量為600L/h的冷卻水對純銅進行強制冷卻；牽引機構以100mm/min的拉坯速度進行連續拉制，獲得純銅型材。所製備的純銅外方內圓型材內外表面光潔度好，內部組織緻密，微觀形貌主要由純銅型材內部平行或近似平行於拉坯方向的柱狀晶與純銅型材表層的等軸晶並存的微觀組織構成，且質量和性能優異。
實施例3
寬度為25mm、厚度為5mm的Cu-12wt％Al鋁青銅合金板材溫型連鑄成形。Cu-12wt％Al鋁青銅合金熔體1從坩堝2中流入低熱鑄型3；調節感應加熱器4的功率，控制低熱鑄型3溫度為850℃；冷卻器6採用溫度為20℃、流量為800L/h的冷卻水對Cu-12wt％Al鋁青銅合金進行強制冷卻；牽引機構8以80mm/min的拉坯速度進行連續拉制，獲得Cu-12wt％Al鋁青銅合金板材5。所製備的Cu-12wt％Al鋁青銅合金板材表面光潔度好，化學成分分布較為均勻，內部組織緻密，微觀形貌主要由鋁青銅合金板材內部平行或近似平行於拉坯方向的柱狀晶與鋁青銅合金板材表層的等軸晶並存的微觀組織構成，且質量和性能優異。