一种含铝合金的固-液双金属铸造界面调控的方法技术

本发明专利技术公开了一种含铝合金的固

【技术实现步骤摘要】
一种含铝合金的固
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液双金属铸造界面调控的方法


[0001]本专利技术属于合金铸造工艺领域；具体涉及一种含铝合金的固
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液双金属铸造界面调控方法；以及含铝合金双金属复合铸件。

技术介绍

[0002]含铝合金的固
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液双金属铸造是指铝合金熔化后浇注在另一种金属材料固态预制体上形成复合铸件的过程，成形连接前铝合金处于液态另一材料处于固态。这种方法用于连接具有复杂结构的半成品部件。液态金属温度较高，对金属基体表层产生溶解作用，在界面处形成扩散连接层。其对铸造条件要求不高，工艺较为简单，在复合轧辊、复合锤头等方面已有较好应用。
[0003]目前，较成熟的工艺为镶铸法、连续浇注法、消失模铸造法和离心铸造法等。这些方法的工艺参数调节手段主要是调控铝合金浇注温度，温度越高冶金结合效果越好，温度越高越容易在两种材料界面区域形成过渡结构，可以有效地缓解两种不同材质差异在垂直于界面方向上引起的应力集中，是目前改善界面应力状态的有效方法。但是随着固态预制体形状越来越复杂，铝合金熔体充型过程的流程越来越长，铝合金熔体对预制体的加热差异也显现出来，金属液流经量大的位置升温较高，而与金属液流程末端接触的预制体温度较低，这样的温度差异导致沿着两种不同材质界面方向产生极大的凝固切应力，当铝合金温度冷却到固液两相区时，凝固切应力就会破坏已经连接好但还没有达到最大强度的界面，产生微裂纹，严重的会使已经结合好的复合铸件沿着界面方向开裂。而目前广泛采用的界面处理方法都是针对垂直于界面方向应力集中的，对沿界面方向的裂纹几乎无效。
[0004]目前针对含铝合金的固
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液双金属铸造产生沿界面方向裂纹的问题主要从改进预制体与铝合金的包裹关系入手解决，使尽量多的位置形成铝合金金属液全封闭包裹固体金属材料预制体的状态，利用铝合金的凝固收缩将沿界面方向的裂纹压缩焊合。但是这种方法的局限性很大，对于没有形成正确包裹关系的位置，沿界面方向的裂纹仍然没有办法避免，形成包裹关系的位置凝固收缩也会加重垂直界面方向裂纹产生的倾向，而且过多的设计包裹位置会增加在双金属界面制备梯度结构的难度，使工艺本身的难度增加，从而抵消了固
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液双金属铸造简便快捷的优势。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决含铝合金的固
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液双金属铸造产生沿界面方向裂纹的问题。本专利技术提出一种铝合金固
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液双金属铸造界面调控的方法，通过浇注过程配合施加交变电磁场与永磁旋转磁场在两种材料界面处形成渐开线涡团结构来调节充型过程铝合金金属液局部分布状态，缓解由于铝合金金属液对固态预制体加热差异产生的凝固切应力，同时通过两种磁场的交互左右使铝合金金属液在凝固到固
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液两相区时通过金属液按照渐开线规律流动，最后收敛形成渐开线基圆。这可以使沿界面方向的凝固切应力在基圆周围以基圆为对称中心相互抵消，可有效避免沿界面方向的裂纹产生。本专利技术方法实现了降低沿界面方向
裂纹发生率的目的。
[0006]为解决上述含铝合金的固
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液双金属铸造产生沿界面方向裂纹的问题，本专利技术提出了一种含铝合金的固
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液双金属铸造界面调控的方法，该方法通过以下步骤实现：
[0007]步骤一、对固态金属预制体表面进行处理，使表面粗糙度Ra值达到6.3～12.5微米，并露出新鲜的金属表面；
[0008]步骤二、将步骤一处理后固态金属预制体封装，然后进行一体化造型，并形成容纳铝合金熔体的型腔；
[0009]步骤三、计算交变电磁场发生器功率P、交变电磁场发生器频率f
交变
和产生永磁旋转磁场的旋转永磁体转速n
旋转
，根据计算结果配置交变电磁场与永磁旋转磁场设备，然后设置在距离固态金属预制体界面5cm～20cm处，交变电磁场线圈随固态金属预制体表面平行放置，旋转永磁体旋转轴沿固态金属预制体表面法线方向，将磁感应强度控制在1T～3T，旋转永磁体旋转轴与交变电磁场线圈对称轴距离为15cm～20cm；
[0010]步骤四、然后将铝合金熔化后，开启交变电磁场和永磁旋转磁场设备，采用一体化铸造方法进行铸造，即完成。
[0011]进一步地限定，步骤一中固态金属预制体材料是钛合金、铝合金或铸钢，例如：TA15钛合金，2195铝合金，ZG45铸钢等。
[0012]进一步地限定，步骤一中采用抛磨处理实现对固态金属预制体表面处理。
[0013]进一步地限定，所述抛磨处理为机械抛磨，或化学抛磨，或者化学抛磨与机械抛磨相结合；所述机械抛磨为喷丸、喷砂或砂纸打磨。
[0014]进一步地限定，步骤二中进行一体化造型的操作过程为：
[0015]S1：制作模样：按照复合铸件中熔融铝合金需填充部分的形状制作低温模样，将固态金属预制体与低温模样组合成组合模样；
[0016]S2：将组合模样放置于低温造型平台上造型，造型材料采用聚氨酯树脂砂，在低温模样附近留出浇注口，砂型硬化后，在负压环境逐渐升温铸型，使铸型中的低温模样沿浇注口流出，而固态金属预制体留在铸型中形成复合铸型。
[0017]进一步地限定，步骤三中按公式Ⅰ计算交变电磁场发生器功率：
[0018]P＝6.05*G/t(Ⅰ)，
[0019]其中，P(单位：kW)为交变电磁场发生器功率，G(单位：Kg)为交变电磁场作用范围内的铝合金熔体质量，t(单位：min)为铝合金熔体凝固到固相线温度时所需的时间。
[0020]进一步地限定，步骤三中按公式Ⅱ计算交变电磁场发生器频率：
[0021][0022]其中，f
交变
(单位：Hz)交变电磁场发生器功率，P为交变电磁场发生器功率，m(单位：m)为复合铸件界面处的热模数，t(单位：min)为铝合金熔体凝固到固相线温度时所需的时间，ρ(单位：Ω
·
m)为铝合金的平均电阻率，γ(单位：kg/m3)为铝合金的密度，δ(单位：m)为固态金属预制体与铝合金结合界面层的厚度。
[0023]进一步地限定，步骤三中按公式Ⅲ计算永磁旋转磁场的转速：
[0024][0025]其中，n
旋转
(单位：r/min)产生永磁旋转磁场的旋转永磁体转速，G(单位：Kg)为交变电磁场作用范围内的铝合金熔体质量，m(单位：m)为复合铸件界面处的热模数，f
交变
(单位：Hz)为交变电磁场的频率。
[0026]进一步地限定，步骤四中在680℃～755℃下将铝合金熔化。
[0027]本专利技术还提出了上述方法制备的含铝合金双金属复合铸件。
[0028]本专利技术具有以下有益效果：
[0029]本专利技术的含铝合金的固
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液双金属铸造界面调控方法可以有效缓解由于铝合金金属液对固态预制体加热差异产生的凝固切应力。通过浇注过程配合施加交变电磁场与永磁旋转磁场，铝合金金属液在凝固到固
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含铝合金的固
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液双金属铸造界面调控的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、对固态金属预制体表面进行处理，使表面粗糙度Ra值达到6.3～12.5微米，并露出新鲜的金属表面；步骤二、将步骤一处理后固态金属预制体封装，然后进行一体化造型，并形成容纳铝合金熔体的型腔；步骤三、计算交变电磁场发生器功率P、交变电磁场发生器频率f
交变
和产生永磁旋转磁场的旋转永磁体转速n
旋转
，根据计算结果配置交变电磁场与永磁旋转磁场设备，然后设置在距离固态金属预制体界面5cm～20cm处，交变电磁场线圈随固态金属预制体表面平行放置，旋转永磁体旋转轴沿固态金属预制体表面法线方向，将磁感应强度控制在1T～3T，旋转永磁体旋转轴与交变电磁场线圈对称轴距离为15cm～20cm；步骤四、然后将铝合金熔化后，开启交变电磁场和永磁旋转磁场设备，采用一体化铸造方法进行铸造，即完成。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中固态金属预制体材料是钛合金、铝合金或铸钢。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中采用抛磨处理实现对固态金属预制体表面处理。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述抛磨处理为机械抛磨，或化学抛磨，或者化学抛磨与机械抛磨相结合；所述机械抛磨为喷丸、喷砂或砂纸打磨。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中进行一体化造型的操作过程为：S1：制作模样：按照复合铸件...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹鹑鸣，金宗岳，王宏伟，魏尊杰，朱兆军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：