一种铸型温度为固液两相区温度的铸造设备与方法技术

一种铸型温度为固液两相区温度的铸造设备与方法，属于金属铸造技术领域。其特征为：铸造设备由坩埚、两相区铸型、加热器、冷却器和牵引机构组成；在坩埚下或上、或旁设置一个或几个两相区铸型，铸型通过加热器进行保温和加热，或者利用进入铸型之前的被铸金属熔体传导的热量加热铸型，使铸型温度保持在被铸金属的固相线温度和液相线温度之间；通过铸型出口附近设置的冷却器或利用铸型出口处的可沿拉坯方向移动的冷却装置对被铸金属进行强制冷却；用牵引机构对金属铸坯进行拉制。本发明专利技术设备结构简单、操作维修方便、生产效率高、适用范围广，能批量工业化生产强度和塑性高、表面光洁度好、尺寸精度较高、致密度高以及低或无偏析的高质量金属铸坯。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属铸造
，特别是提供了一种铸型温度为被铸金属的固液两 相区温度的铸造设备与方法。
技术介绍
随着冶金技术及材料科学与工程技术的不断发展，铸造技术在金属生产中得到了 越来越广泛的应用。铸坯的质量在很大程度上影响金属的成形过程、产品质量及生产成本， 提高铸坯的表面光洁度和塑性加工性能可以有效地提高成形制品的质量和材料的利用率， 表面光洁、组织致密、成分均勻的铸坯可以直接获得应用或直接塑性加工成制品。随着金属 材料及加工技术的发展，对铸坯质量的要求越来越高。具有固液两相区的金属是品种多、用量大、用途广泛的一类材料，如大多数钢铁、 铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等，目前此类金属的铸造成形方法包括传统的连铸或半连 铸、热型连铸和定向凝固等。具有固液两相区的金属的传统连铸和半连铸方法采用的是冷却铸型(结晶器)， 即铸型温度远低于被铸金属的固相线温度以下，金属液首先在铸型的急冷作用下凝固，并 逐渐向中心生长，易形成树枝状晶，产生偏析、缩孔和疏松等缺陷；由于铸坯与铸型壁的摩 擦力，一般还须振动铸型或铸坯以利脱模，成形的铸坯表面光洁度不好，并且后续塑性加工 性能普遍较差，产品的质量和性能难以满足更高性能的使用要求。热型连铸法(又称连续定向凝固法)是将传统连铸的冷却铸型改为加热铸型(即 铸型温度高于被铸金属的液相线温度以上)，在凝固金属与未凝固熔体间建立起沿拉坯方 向的高温度梯度，使其具备定向凝固条件，从而获得具有单向凝固的连续柱状晶或单晶组 织的铸坯。利用该方法可获得表面光洁度好、具有连续柱状晶或单晶组织且后续加工性能 优异的制品。但存在着生产效率低、产品的横截面积较小，以及难以用于固液两相区较宽的 金属的铸造成形等不足。定向凝固方法同样采用的是加热铸型，可以获得具有单向凝固的柱状晶或单晶组 织且性能优异的铸坯，但存在着铸坯长度有限，在铸坯顶部易出现等轴晶，且晶粒粗大，以 及难以用于固液两相区较宽的金属的铸造成形、生产效率低等缺点。因此，针对具有固液两相区的金属，开发一种生产效率高的新的铸造设备与方法， 使生产出的金属铸坯表面光洁度好、组织致密、成分分布较为均勻，塑性加工性能和力学性 能等综合性能优异，将进一步推动具有固液两相区的金属的制备加工，拓展其产品品种和 规格以及应用范围，具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种铸型温度为被铸金属的固液两相区温度(即铸型温 度保持在被铸金属的固相线温度和液相线温度之间，以下称此种铸型为“两相区铸型”)的 铸造设备与方法(以下称作“两相区铸造”)，可解决传统的连铸和半连铸方法生产的铸坯 表面光洁度及质量和性能较差，热型连铸和定向凝固方法难以用于固液两相区较宽金属的 铸造成形以及生产效率低等问题。一种铸型温度为固液两相区温度的铸造设备，其特征在于，铸造设备构成为由坩 埚(2)、两相区铸型(4)、加热器(5)、冷却器(7)和牵引机构(8)组成。在坩埚(2)下(或 上、或旁)设置一个或几个两相区铸型(4)，铸型可以通过外部热源或感应加热线圈等加热 器(5)进行保温和加热，也可以利用进入铸型之前的被铸金属熔体(1)传导的热量使铸型 受热，达到使铸型温度保持在被铸金属的固相线温度和液相线温度之间，在铸型内获得部 分凝固结晶晶粒和被铸金属熔体混合共存的被铸金属固液混合体(3)的目的；坩埚(2)也 可以用中间包取代，以便于进行连续生产；在铸型出口附近设置冷却器(7)，对被铸金属进 行强制冷却，使热量主要沿铸坯轴向由铸型出口向强制冷却区传输，铸坯则沿相反方向进 行凝固；沿着铸坯拉制方向在冷却器(7)后面安装牵引机构(8)，对金属铸坯(6)进行连续 拉制；也可以在铸型出口处设置一个可沿拉坯方向移动的冷却装置，对被铸金属底部进行 强制冷却和连续拉制；还可以在冷却器(7)和牵引机构⑶之间设置二次冷却器。本专利技术的两相区铸造工艺为温度高于被铸金属液相线温度以上的被铸金属熔体 (1)从坩埚(2)中流入两相区铸型(4)；铸型在加热器(5)或被铸金属熔体(1)导热作用下 被加热至被铸金属的固液两相区温度范围，在铸型内获得被铸金属固液混合体(3)；通过 铸型出口附近设置的冷却器(7)或利用铸型出口处的可沿拉坯方向移动的冷却装置对被 铸金属进行强制冷却，也可以在冷却器(7)或铸型出口处的可沿拉坯方向移动的冷却装置 基础上实施二次冷却；在牵引机构(8)的作用下，连续拉制金属铸坯(6)。被铸金属所需的冷 却速度由牵引机构⑶的拉坯速度V、冷却器(7)的冷却强度以及加热器(5)来控制。此外， 根据需要可将坩埚(2)放置于真空或充入氩气等惰性气体保护的环境中。整个铸造成形过程 可以采用人工控制或计算机控制。两相区铸造法可以是下拉式、水平式或上引式。根据需要 可采用10% 40%的道次大压下率直接进行后续塑性加工，一般无需中间退火等工序。本专利技术的主要优点在于1.采用两相区铸造方法成形的金属铸坯，其表面光洁度好，具有特殊的组织结构 (主要由平行于拉坯方向的柱状晶和与拉坯方向成一定角度的斜生柱状晶构成，且有的柱 状晶晶界存在细小晶粒、大量柱状晶内部包含有一个或若干个其他晶粒以及部分晶粒晶界 呈明显的锯齿状)，且组织致密、成分分布较为均勻，因而具有比相同成分金属的普通连铸 坯料更优良的塑性加工性能，以及力学性能、物理性能和化学性能。2.两相区铸造方法应用范围广泛，凡具有固液两相区的金属均可实现两相区铸造 成形，如大多数钢铁、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等，也可用于此类金属的层状复合材 料、梯度复合材料以及均质复合材料的成形，而且可以近终成形生产金属线材、管材、板材、 带材、棒材及型材等产品。3.两相区铸造方法具有极大的推广价值，只要将传统的连铸方法和半连铸方法的 冷却铸型以及热型连铸方法和定向凝固方法的加热铸型改为两相区铸型，都可开发出相应的两相区铸造方法。4.采用两相区铸造方法成形的金属铸坯，可根据需要，进行后续大压下率塑性加 工，一般无需进行中间退火等工序，大大简化了工艺，降低了生产成本，提高了产品质量。5.两相区铸造设备结构简单、操作维修方便、生产效率高、适用范围广，能够批量 工业化生产强度和塑性高、表面光洁度好、尺寸精度较高、致密度高以及低或无偏析的高质 量金属铸坯。附图说明图1为本专利技术的一种两相区铸造设备配置示意图。其中(1)为被铸金属熔体；(2) 为坩埚；(3)为被铸金属固液混合体；(4)为两相区铸型；(5)为加热器；(6)为金属铸坯； (7)为冷却器；(8)为牵引机构。图2为两相区铸造成形QSn6. 5-0. 1锡青铜的横截面微观组织。图3为两相区铸造成形QSn6. 5-0. 1锡青铜的纵截面微观组织。具体实施例方式以下结合实施例对本专利技术进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对 本专利技术进行进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可 以根据上述本专利技术的内容做出一些非本质的改进和调整。实施例1 直径为10mm的QSn6. 5-0. 1锡青铜线材两相区连铸成形。QSn6. 5-0. 1锡青铜熔 体(1)从坩埚(2)中流入两相区铸型(4)；调节感应加热器(5)的功率，控制铸型温度为 940°C，在铸型内获得QSn6. 5-0. 1锡青铜固液混本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铸型温度为固液两相区温度的铸造设备，其特征在于，铸造设备构成为：由坩埚（２）、两相区铸型（４）、加热器（５）、冷却器（７）和牵引机构（８）组成；在坩埚（２）下或上、或旁设置一个或几个两相区铸型（４），铸型通过加热器（５）进行保温和加热，或者利用进入铸型之前的被铸金属熔体（１）传导的热量使铸型受热，达到使铸型温度保持在被铸金属的固相线温度和液相线温度之间，在铸型内获得部分凝固结晶晶粒和被铸金属熔体混合共存的被铸金属固液混合体（３）的目的；在铸型出口附近设置冷却器（７），对被铸金属进行强制冷却，使热量主要沿铸坯轴向由铸型出口向强制冷却区传输，铸坯则沿相反方向进行凝固；沿着铸坯拉制方向在冷却器（７）后面安装牵引机构（８），对金属铸坯（６）进行连续拉制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪峰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]