復層鋁合金管坯水平連鑄技術研究.pdf

1、雙金屬復層管是利用復合技術將兩種具有不同性能的金屬管材以層狀方式在界面處實現(xiàn)牢固結合的新型結構和功能材料。其既能保持原管材的性能優(yōu)勢，又能通過“相補效應”彌補兩種金屬的缺點從而獲得比單一管材更加優(yōu)越的物理化學力學性能，被廣泛應用于石油化工、航空航天、交通運輸?shù)阮I域。例如用作汽車散熱器的3003/4045復層鋁合金管，就有效結合了兩種合金的性能優(yōu)勢，保證芯層具有良好耐蝕性的同時又提高了管材表面焊接性。
　　目前制備雙金屬復層管的方法

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)制備技術存在工藝復雜，界面結合質量不穩(wěn)定以及受到設備尺寸約束等缺點;采用連續(xù)鑄造法生產雙金屬復層材料具有生產成本低、環(huán)境污染小、結合界面易實現(xiàn)冶金結合、可連續(xù)生產等優(yōu)點，因此受到越來越多的重視。但

3、是目前僅應用于復層板和復層棒的生產，還未見制備復層管材的報道。
　　本文結合連續(xù)鑄造的技術優(yōu)勢和復層管材的性能特點，以3003/4045復層鋁合金管為實驗對象，突破傳統(tǒng)制備工藝，研究新型的鋁合金復層管水平連續(xù)鑄造技術。通過數(shù)值模擬計算電磁場對管坯凝固時溫度場、速度場和液相率分布的影響，并結合具體實驗確定最佳工藝參數(shù)，研究復層鋁合金管坯組織、成分和性能特點，從傳熱學角度探討結晶器內冷卻區(qū)的傳熱行為，建立復層管坯的界面結合機理，同時探

4、索復層鋁合金管軋制過程中組織和性能的變化規(guī)律。本文主要研究內容包括:
　　研究整體結晶器液—液電磁復合法制備復層管坯的新技術。采用ANSYS軟件模擬旋轉磁場對管坯凝固過程的影響。數(shù)值模擬結果表明，磁感應強度在石墨模具內的分布規(guī)律為邊緣大中間小。電磁場均勻了內外層合金熔體的溫度場，擴大了固液兩相區(qū)，提高了內外層合金在環(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合。同時電磁場改變了石墨模具內合金熔體的運動方式，促使

5、熔體沿復層管坯橫截面產生強迫定向運動。
　　在數(shù)值模擬的基礎上優(yōu)化設計旋轉磁場發(fā)生器位置、石墨擋板長度及澆注溫度等參數(shù)，并結合實驗確定最佳工藝參數(shù)。當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，輸入電流強度100 A，鑄造速度為120 mm/min和140 mm/min時，可制備出外徑86 mm，內外層壁厚分別為16 mm和7mm的復層鋁合金管坯。此時石墨模具內壁和中心處的磁感應強度分別為2

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

7、出K的具體數(shù)值，從而就可以根據(jù)冷卻水進出水口溫差理論計算出不同拉速下管坯表面溫度。對于整體結晶器法，當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，內外層壁厚分別為9mm和3mm的復層鋁合金管坯，在復層管結合界面附近存在一層以Al12(FeMn)3Si相為主的彌散顆粒層。對于分體結晶器法，采用ANSYS軟件對中間包內的外層合金熔體的凝固行為進行模擬計

8、算，探討了內層管坯表面溫度和外層合金澆注溫度對其凝固過程的影響;當3003和4045合金的澆注溫度分別為730℃和690℃，鑄造速度160 mm/min，內層冷卻水量1.5 m3/h，外層冷卻水量0.12 m3/h，保護氣體0.2 MPa時，成功制備出直徑80 mm，內外層壁厚分別為12mm和3mm的復層鋁合金管坯。建立了復層管液—固復合的界面結合機理，分析認為在界面處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合。
　　拉伸剪切實驗中變形與斷裂均發(fā)生在界面附近強度較低的3003合金側，界面剪切強度大于3003合金的剪切強度極限，復層管頂部和底部界面剪切強度值相近且均勻。熱軋試驗結果表明，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