专利名称：：铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置及其应用方法
技术领域：
：本发明涉及一种抑制超高强铝合金扁锭裂纹的非等高挡水装置，适用于硬铝合金半连续铸造。
背景技术：
：超高强铝合金是指强度在500MPa以上的铝合金，是航空航天工业中重要的结构材料。在世界各国民用飞机上，超高强铝合金的用量大约占据了飞机结构材料总重量的60%80%。上个世纪60年代以前，飞机上主要应用7075合金作为受力的结构材料，该合金Zn、Mg、Cu等合金元素总含量接近10%。近年来，伴随着航空业的不断进步，对飞机用结构材料提出了更高的要求，为了减轻飞机重量，往往希望合金具有更优的综合性能。高合金化是提高铝合金强度的重要手段之一，主要是通过提高Zn、Mg、Cu等元素含量来提高材料的强度。近年来，为了满足材料的高强度要求，在7075合金基础上开发出了强度更高的7050、7150和7055合金，其中Zn、Mg、Cu等主合金元素总含量超过了12%，目前这些合金在飞机上得到了广泛应用。在现阶段，世界各国正致力于开发合金含量更高的超高强铝合金以满足航空业快速发展的需求，如最近开发的应用于制造商业飞机上翼蒙皮的超高强7056铝合金，Zn含量高达9.1。/。，总合金含量更是高达1314%。然而，高合金元素含量给超高强铝合金铸锭的半连续铸造成形带来了困难。合金化元素含量越高，结晶范围温度间隔越大，铸锭凝固收縮的内应力也相应越大。当内应力超过金属能够承受的强度极限时，铸锭即发生开裂。此外，超高强铝合金板材往往采用扁铸锭热轧方式生产，扁铸锭由于在铸造过程中宽面和窄面的冷却速度不一致，铸锭的内部温度场分布非常不均匀，这更加大了超高强铝合金铸锭内应力累积以及开裂倾向。据报道，以7075和7050为代表的硬铝合金扁锭在铸造过程中和铸造完成后开裂的倾向非常大，极易出现铸锭通心开裂，从而使整个铸锭成为废品的现为了抑制超高强铝合金扁铸锭的开裂倾向，美国S.C.I(SpectmliteConsortiumINC.)铝业公司在半连续铸造过程中采用挡水法抑制铸锭裂纹，取得了较好的效果。该方法是在结晶器盖板的下方悬挂一挡水装置，在铸造过程中，结晶器内的冷却水被挡水装置刮离铸锭表面而直接流入铸造井内，在铸造过程中冷却水只对结晶器与挡水装置之间的铸锭实施冷却，而挡水装置下方的铸锭依靠自然对流和外界进行热交换，铸锭与外界的热交换能力由于施加挡水装置而降低，铸锭的凝固内应力得到了释放，开裂倾向有所减少。我国大型铝加工厂也从国外成套引进了硬铝合金铸锭挡水装置，但因挡水装置结构复杂、挡水装置设定位置缺乏技术依据，在实际生产中未达到良好的抑制裂纹效果。此外，国外设计的挡水装置采用等高挡水方式，铸锭宽面和窄面挡水位置均在同一水平面上。但在半连续铸造过程中，扁铸锭宽面和窄面受到的冷却强度不一致，施加等高挡水装置后，宽面和窄面冷却强度的不一致性依然存在，这显然不能达到更充分均匀铸锭温度场，减小扁锭内应力的目的。
发明内容本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置及其应用方法，旨在有效抑制超高强铝合金扁锭的裂纹。本发明的目的通过以下技术方案来实现铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置，特点是呈分体式结构，包括宽面挡水本体和窄面挡水本体，宽面挡水本体通过弹性材料连接，窄面挡水本体也通过弹性材料连接，宽面挡水本体和窄面挡水本体均通过铰链悬挂于结晶器下沿，铰链长度根据工艺要求进行调节，并且保证窄面挡水本体的安装高度高于宽面挡水本体；另外，各挡水本体与铸锭表面相接触的部位设有聚合物材料，以防止冷却水从金属材料与铸锭表面缝隙间渗透o进一歩地，上述铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置，所述宽面挡水本体和窄面挡水本体均采用不易变形的金属材料制作，具体是铸铁、或不锈钢。更进一步地，上述铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置，所述的聚合物材料采用高温橡胶、或塑料、或胶皮垫。再进一步地，非等高挡水装置的应用方法，其特点是在超高强铝合金铸造前先将该非等高挡水装置安装于结晶器下方，非等高挡水装置至结晶器之间的距离与扁锭合金成分、扁锭截面积及铸造工艺有关，当扁锭中Zn含量在59%、扁锭截面积500800cm2、铸造速度50100mm/min时，非等高挡水装置的宽面挡水本体至结晶器之间距离为70200mm，当扁锭中Zn含量在59%、扁锭截面积40007000cm2、铸造速度3590mm/min时，非等高挡水装置的宽面挡水本体至结晶器之间距离为5001200mm;并且，窄面挡水本体与宽面挡水本体之间的竖直距离与扁锭的宽厚比有关，当扁锭宽厚比为23时，窄面挡水本体的位置比宽面挡水本体的位置高20200mm，当扁锭宽厚比大于3时，窄面挡水本体的位置比宽面挡水本体的位置高50400mm;在铸造开始阶段，结晶器内冷却水流量小，铸造速度慢，当扁锭长度超过厚度后逐渐增加冷却水流量和铸造速度，铸造进入稳定阶段，冷却水被非等高挡水装置的窄面挡水本体和宽面挡水本体阻挡，铸锭冷却强度减小，当铸造接近结束时，逐渐减小冷却水流量和铸造速度，当结晶器内金属熔体凝固至半固态时停止冷却水，铸锭迅速下移脱离结晶器，铸造出超高强铝合金扁锭。本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在①本发明针对铸锭宽面和窄面单独设计，采用分体式结构，彼此独立工作；窄面挡水本体和宽面挡水本体均通过铰链悬挂于结晶器下沿，铰链长度根据工艺要求进行调节；挡水装置距结晶器的距离与扁锭合金成分、扁锭规格以及铸造工艺有关，窄面挡水本体距结晶器距离小于宽面挡水本体距结晶器距离；窄面挡水本体和宽面挡水本体采用刚度较好、不易变形的金属材料制成，与铸锭接触的工作平面内附聚合物材料，防止冷却水从金属材料与铸锭表面缝隙间渗透；挡水本体采用弹性材料连接，弹性材料松紧适当，既保证挡水本体工作面与铸锭表面保持一定的接触压力，同时也保证挡水本体与铸锭表面的滑动摩擦力小于铸锭自身重力，不阻碍铸造过程；②在超高强铝合金扁锭半连续铸造过程中施加本非等高挡水装置，冷却水对扁锭实施区域冷却，减小扁锭的冷却强度，提高凝固后扁锭内部温度，从而增加铸锭塑性，释放凝固内应力，减小扁锭开裂倾向；③该非等高挡水装置窄面挡水本体安装位置高于宽面挡水本体，与等高式挡水装置相比，施加本发明装置后扁锭宽面和窄面的冷却强度更加接近，铸锭内部的温度场分布更加均匀；对于合金元素含量越高、宽厚比越大的扁锭，本发明技术方案的作用效果尤为明显；因此，本发明能有效地抑制超高强铝合金扁铸锭裂纹，可较好地适合于硬铝合金半连续铸造。下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明图l:本发明挡水装置的结构示意图；图2:铸造过程中施加挡水装置的效果图。图中各附图标记的含义见下表:附图标记含义附图标记含义附图标记含义1窄面挡水本体2宽面挡水本体3聚合物材料4弹性材料铰链6铸锭7结晶器8液态金属液面9冷却水10引锭底座具体实施例方式本发明设计一种可抑制超高强铝合金扁锭裂纹的非等高挡水装置，适用于具有不对称结构的硬铝合金扁锭，该非等高挡水装置的主要作用是在不影响正常铸造的前提下以非等高的方式分别夹紧扁锭宽面和窄面。在铸造过程中，仅结晶器与挡水装置之间的铸锭接受二次冷却，挡水装置下方的铸锭由于冷却水被阻挡而处于"空冷"状态。如图12所示，铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置，为分体式结构，包括窄面挡水本体1和宽面挡水本体2，窄面挡水本体1和宽面挡水本体2采用不易变形的金属材料，如铸铁、不锈钢等加工而成，左右两窄面挡水本体1通过弹性材料4连接，前后两宽面挡水本体2也通过弹性材料连接，窄面挡水本体1和宽面挡水本体2均通过铰链5悬挂于结晶器7的下沿，窄面挡水本体1的安装高度高于宽面挡水本体2，即窄面挡水本体1距结晶器7的距离小于宽面挡水本体2距结晶器7的距离；另外，各挡水本体与铸锭表面相接触的部位设有聚合物材料3，聚合物材料3可选择高温橡胶、塑料、胶皮垫等加工而成。在铸造开始前，整个挡水装置预先安装于结晶器下沿，并根据工艺要求调整铰链长度，窄面挡水本体1和宽面挡水本体2独立工作。针对铸锭宽面和窄面单独设计，采用分体式结构，彼此独立工作；窄面挡水本体和宽面挡水本体均通过铰链悬挂于结晶器下沿，铰链长度根据工艺要求进行调节；挡水装置距结晶器的距离与扁锭合金成分、扁锭规格以及铸造工艺有关，窄面挡水本体距结晶器距离小于宽面挡水本体距结晶器距离；窄面挡水本体和宽面挡水本体采用刚度较好、不易变形的金属材料制成，与铸锭接触的工作平面内附聚合物材料，防止冷却水从金属材料与铸锭表面缝隙间渗透。挡水本体采用弹性材料连接，弹性材料松紧适当，既保证挡水本体工作面与铸锭表面保持一定的接触压力，同时也保证挡水本体与铸锭表面的滑动摩擦力小于铸锭自身重力，不阻碍铸造过程。采用本发明的非等高挡水装置进行扁锭铸造时首先，超高强铝合金在720740°C时进行熔炼和合金化处理，保温后转入保温炉静置，重新升高铝液温度至730740°C，往炉内吹氮气进行除气和精炼处理，采用Al-5Ti-lB线杆晶粒细化剂，熔体的铸造温度范围在690750。C;采用铝制矮结晶器，将本发明非等高挡水装置通过铰链悬挂于结晶器下沿。铰链长度与铸锭的合金成分、截面积以及铸造工艺有关。当扁锭中Zn含量在59%、扁锭截面积500800cm2、铸造速度50100mm/min时，非等高挡水装置的宽面挡水本体至结晶器之间距离为70200mm，当扁锭中Zn含量在59%、扁锭截面积40007000cm2、铸造速度3590mm/min时，非等高挡水装置的宽面挡水本体至结晶器之间距离为5001200mm;此外，窄面挡水本体与宽面挡水本体之间的竖直距离与扁锭的宽厚比有关，当扁锭宽厚比为23时，窄面挡水本体的位置比宽面挡水本体的位置高20200mm，当扁锭宽厚比大于3时，窄面挡水本体的位置比宽面挡水本体的位置高50400mm;在半连续铸造开始阶段，结晶器冷却水流量较小，铸造速度较慢，当铸造长度超过扁锭厚度时施加本挡水装置，同时冷却水和铸造速度逐渐升至正常值；在铸造稳定阶段，依靠窄面挡水本体和宽面挡水本体对铸锭实施挡水；当铸造接近结束时，同时减小结晶器冷却水流量和铸造速度，当结晶器内金属熔体凝固至半固态时停止冷却水，铸锭迅速下移脱离结晶器，整个铸造过程结束。在扁锭铸造过程中，铸锭宽面和窄面受到的冷却强度不一样，铸锭宽面冷却强度比窄面相对较弱，这种铸锭宽面和窄面冷却强度的不一致往往会在铸锭凝固过程中积累较大的内应力，当内应力超过金属强度所允许的程度时便引起铸锭开裂。而施加本发明非等高挡水装置后，宽面挡水本体和窄面挡水本体对其冷却强度减小的程度不一致，从而可以部分补偿由于扁锭尺寸不规则而造成的冷却强度的差异。因此，本非等高挡水装置对抑制扁锭的开裂有非常好的效果。以难于铸造成形的7056超高强铝合金作为试验合金，其合金成分范围如表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>将工业纯铝在感应炉内熔炼，合金中所需的Zn、Mg以纯金属的形式加入，其他合金元素以中间合金的形式加入。铸造过程中严格控制Fe、Si含量。熔体中Cu、Mg、Zn元素含量按7056合金名义成分中上限配入。金属完全熔化后转入保温炉静置处理2030分钟，向熔体内加入无钠精炼剂、打渣剂进行精炼处理。扒除熔体表面的氧化渣，当熔体温度在710740°C时加入Al-5Ti-lB线杆晶粒细化剂，静置熔体至铸造温度720°C左右进行半连续铸造。将非等高挡水装置安装于结晶器下端，结晶器规格为180x360mm，挡水装置的宽面挡水本体距结晶器100mm。铸造开始前首先向结晶器内供水，冷却水流量变化范围为410mVh;打开保温炉口，7056金属熔体缓慢流入结晶器内，当结晶器内金属液面升至一半时启动半连续铸造机，铸造过程开始；随着铸锭长度的增加，逐渐增加冷却水流量和铸造速度，当铸锭表面接触挡水装置时，冷却水被阻挡而直接流入铸造井内，铸造过程进入稳态阶段，此阶段结晶器冷却水流量范围为813mVh，铸造速度范围为4090mm/min;当铸锭过程接近结束时，减小铸造速度和结晶器冷却水流量；当结晶器内金属熔体凝固至半固态时关闭冷却水，铸锭迅速下移脱离结晶器，铸造过程结束。施加本发明非等高挡水装置采用上述铸造方法，经试验检验，铸造成功率大大提高。而进行对比试验，采用相同工艺但未施加本发明的非等高挡水装置进行铸造时，7056合金扁锭出现了通心裂纹。综上所述，在超高强铝合金扁锭半连续铸造过程中施加本非等高挡水装置，冷却水对扁锭实施区域冷却，减小扁锭的冷却强度，提高凝固后扁锭内部温度，从而增加铸锭塑性，有效释放凝固内应力，减小扁锭开裂倾向。该非等高挡水装置窄面挡水本体安装位置高于宽面挡水本体，与等高式挡水装置相比，施加本发明装置后扁锭宽面和窄面的冷却强度更加接近，铸锭内部的温度场分布更加均匀。对于合金元素含量越高、宽厚比越大的扁锭，本技术方案的作用效果越明显。因此，本发明可以有效地抑制超高强铝合金扁铸锭裂纹，适合于硬铝合金半连续铸造。以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。权利要求1.铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置，其特征在于呈分体式结构，包括窄面挡水本体和宽面挡水本体，窄面挡水本体通过弹性材料连接，宽面挡水本体也通过弹性材料连接，窄面挡水本体和宽面挡水本体均通过铰链悬挂于结晶器的下沿，窄面挡水本体的安装高度高于宽面挡水本体，即窄面挡水本体距结晶器的距离小于宽面挡水本体距结晶器的距离；另外，各挡水本体与铸锭表面相接触的部位设有聚合物材料。2.根据权利要求1所述的铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置，其特征在于所述窄面挡水本体和宽面挡水本体均采用不易变形的金属材料制作，具体是铸铁或不锈钢。3.根据权利要求1所述的铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置，其特征在于所述的聚合物材料采用高温橡胶、塑料或胶皮垫。4.权利要求1所述的非等高挡水装置的应用方法，其特征在于在超高强铝合金铸造前先将该装置安装于结晶器下方，非等高挡水装置至结晶器之间的距离与扁锭合金成分、扁锭截面积及铸造工艺有关，当扁锭中Zn含量在59%、扁锭截面积500800cm2、铸造速度50100mm/min时，非等高挡水装置的宽面挡水本体至结晶器之间距离为70200mm，当扁锭中Zn含量在59%、扁锭截面积40007000cm2、铸造速度3590mm/min时，非等高挡水装置的宽面挡水本体至结晶器之间距离为5001200mm;并且，窄面挡水本体与宽面挡水本体之间的竖直距离与扁锭的宽厚比有关，当扁锭宽厚比为23时，窄面挡水本体的位置比宽面挡水本体的位置高20200mm，当扁锭宽厚比大于3时，窄面挡水本体的位置比宽面挡水本体的位置高50400mm;在铸造开始阶段，结晶器内冷却水流量小，铸造速度慢，当扁锭长度超过厚度后逐渐增加冷却水流量和铸造速度，铸造进入稳定阶段，冷却水被非等高挡水装置的窄面挡水本体和宽面挡水本体阻挡，铸锭冷却强度减小，当铸造接近结束时，逐渐减小冷却水流量和铸造速度，当结晶器内金属熔体凝固至半固态时停止冷却水，铸锭迅速下移脱离结晶器，铸造出超高强铝合金扁锭。全文摘要本发明涉及铸造超高强铝合金扁锭的非等高挡水装置及其应用方法，非等高挡水装置包括窄面挡水本体和宽面挡水本体，窄面挡水本体通过弹性材料连接，宽面挡水本体也通过弹性材料连接，窄面挡水本体和宽面挡水本体均通过铰链悬挂于结晶器的下沿，窄面挡水本体的安装高度高于宽面挡水本体，各挡水本体与铸锭表面相接触的部位设有聚合物材料。在超高强铝合金扁锭铸造过程中施加本非等高挡水装置，冷却水对扁锭实施区域冷却，减小扁锭的冷却强度，提高凝固后扁锭内部温度，从而增加铸锭塑性，有效释放凝固内应力，显著减小扁锭开裂倾向，抑制铸锭裂纹；对于合金元素含量越高、宽厚比越大的扁锭，其效果更为明显。文档编号B22D11/11GK101306463SQ200810123969公开日2008年11月19日申请日期2008年5月30日优先权日2008年5月30日发明者乐永康,吴文祥,炼李,郭世杰,逸韩申请人:苏州有色金属研究院有限公司