復(fù)層鋁合金管坯水平連鑄技術(shù)研究.pdf

1、雙金屬復(fù)層管是利用復(fù)合技術(shù)將兩種具有不同性能的金屬管材以層狀方式在界面處實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)和功能材料。其既能保持原管材的性能優(yōu)勢(shì)，又能通過“相補(bǔ)效應(yīng)”彌補(bǔ)兩種金屬的缺點(diǎn)從而獲得比單一管材更加優(yōu)越的物理化學(xué)力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。例如用作汽車散熱器的3003/4045復(fù)層鋁合金管，就有效結(jié)合了兩種合金的性能優(yōu)勢(shì)，保證芯層具有良好耐蝕性的同時(shí)又提高了管材表面焊接性。
　　目前制備雙金屬復(fù)層管的方法

2、主要有:(1)塑性成形法，包括拉拔、脹接、旋壓、滾壓等冷成型法以及熱軋、熱擠壓等熱成型法;(2)焊接法，包括堆焊、卷焊、釬焊、爆炸焊接法等;(3)鑄造法，包括離心鑄造法和消失模鑄造法等;(4)其它方法，如粉末冶金、激光熔覆、噴射成形等。但是傳統(tǒng)制備技術(shù)存在工藝復(fù)雜，界面結(jié)合質(zhì)量不穩(wěn)定以及受到設(shè)備尺寸約束等缺點(diǎn);采用連續(xù)鑄造法生產(chǎn)雙金屬復(fù)層材料具有生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染小、結(jié)合界面易實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合、可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此受到越來越多的重視。但

3、是目前僅應(yīng)用于復(fù)層板和復(fù)層棒的生產(chǎn)，還未見制備復(fù)層管材的報(bào)道。
　　本文結(jié)合連續(xù)鑄造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和復(fù)層管材的性能特點(diǎn)，以3003/4045復(fù)層鋁合金管為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，突破傳統(tǒng)制備工藝，研究新型的鋁合金復(fù)層管水平連續(xù)鑄造技術(shù)。通過數(shù)值模擬計(jì)算電磁場(chǎng)對(duì)管坯凝固時(shí)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和液相率分布的影響，并結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)，研究復(fù)層鋁合金管坯組織、成分和性能特點(diǎn)，從傳熱學(xué)角度探討結(jié)晶器內(nèi)冷卻區(qū)的傳熱行為，建立復(fù)層管坯的界面結(jié)合機(jī)理，同時(shí)探

4、索復(fù)層鋁合金管軋制過程中組織和性能的變化規(guī)律。本文主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　研究整體結(jié)晶器液—液電磁復(fù)合法制備復(fù)層管坯的新技術(shù)。采用ANSYS軟件模擬旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)管坯凝固過程的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，磁感應(yīng)強(qiáng)度在石墨模具內(nèi)的分布規(guī)律為邊緣大中間小。電磁場(chǎng)均勻了內(nèi)外層合金熔體的溫度場(chǎng)，擴(kuò)大了固液兩相區(qū)，提高了內(nèi)外層合金在環(huán)形石墨擋板出口處的溫度和液相率，有利于在界面處形成良好的冶金結(jié)合。同時(shí)電磁場(chǎng)改變了石墨模具內(nèi)合金熔體的運(yùn)動(dòng)方式，促使

5、熔體沿復(fù)層管坯橫截面產(chǎn)生強(qiáng)迫定向運(yùn)動(dòng)。
　　在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器位置、石墨擋板長度及澆注溫度等參數(shù)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)。當(dāng)3003和4045合金的澆注溫度分別為720℃和650℃，一次冷卻水水量1m3/h，輸入電流強(qiáng)度100 A，鑄造速度為120 mm/min和140 mm/min時(shí)，可制備出外徑86 mm，內(nèi)外層壁厚分別為16 mm和7mm的復(fù)層鋁合金管坯。此時(shí)石墨模具內(nèi)壁和中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為2

6、5.6 mT和7.4 mT。電磁場(chǎng)顯著細(xì)化晶粒，消除復(fù)層管坯凝固組織的各向異性，促進(jìn)了內(nèi)外層合金之間形成冶金結(jié)合。由于實(shí)際鑄造過程中復(fù)層管坯周向散熱的不均勻性，管坯界面處同時(shí)存在機(jī)械附著，擴(kuò)散結(jié)合和混熔三種結(jié)合形式。
　　研究液—固復(fù)合法制備復(fù)層管坯的新技術(shù)，分別提出整體結(jié)晶器法和分體結(jié)晶器法。分析結(jié)晶器冷卻區(qū)的傳熱行為，建立結(jié)晶器一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，得出鑄造速度v與管坯表面溫度Tx之間熱力學(xué)關(guān)系，引入修正系數(shù)K，并通過實(shí)際測(cè)量計(jì)算

7、出K的具體數(shù)值，從而就可以根據(jù)冷卻水進(jìn)出水口溫差理論計(jì)算出不同拉速下管坯表面溫度。對(duì)于整體結(jié)晶器法，當(dāng)3003和4045合金的澆注溫度分別為730℃和650℃，鑄造速度100mm/min，冷卻水量120 L/h，可制備出直徑60 mm，內(nèi)外層壁厚分別為9mm和3mm的復(fù)層鋁合金管坯，在復(fù)層管結(jié)合界面附近存在一層以Al12(FeMn)3Si相為主的彌散顆粒層。對(duì)于分體結(jié)晶器法，采用ANSYS軟件對(duì)中間包內(nèi)的外層合金熔體的凝固行為進(jìn)行模擬計(jì)

8、算，探討了內(nèi)層管坯表面溫度和外層合金澆注溫度對(duì)其凝固過程的影響;當(dāng)3003和4045合金的澆注溫度分別為730℃和690℃，鑄造速度160 mm/min，內(nèi)層冷卻水量1.5 m3/h，外層冷卻水量0.12 m3/h，保護(hù)氣體0.2 MPa時(shí)，成功制備出直徑80 mm，內(nèi)外層壁厚分別為12mm和3mm的復(fù)層鋁合金管坯。建立了復(fù)層管液—固復(fù)合的界面結(jié)合機(jī)理，分析認(rèn)為在界面處4045合金熔體以3003合金表面作為基底發(fā)生非均勻形核，初生α-A

9、l與基底之間形成共格或半共格界面，并以平面狀、胞狀和樹枝狀的生長順序變化。凝固速率對(duì)晶體生長有明顯影響，較快的凝固速率抑制了α-Al的生長;最終在界面形成良好的冶金結(jié)合。
　　拉伸剪切實(shí)驗(yàn)中變形與斷裂均發(fā)生在界面附近強(qiáng)度較低的3003合金側(cè)，界面剪切強(qiáng)度大于3003合金的剪切強(qiáng)度極限，復(fù)層管頂部和底部界面剪切強(qiáng)度值相近且均勻。熱軋?jiān)囼?yàn)結(jié)果表明，3003合金和4045合金在軋制過程中發(fā)生不均勻變形，樣品從15.2mm軋制至1 mm時(shí)