熱型連鑄鋅鋁合金的缺陷形成與機(jī)理

1、[文章編號]10040609(2001)S2004707熱型連鑄鋅鋁合金的缺陷形成與機(jī)理①馬穎1郝遠(yuǎn)1閻峰云1劉洪軍2(1.甘肅工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院蘭州7300502.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院武漢430074)[摘要]對5種典型鋅鋁合金在熱型連鑄工藝條件下的連續(xù)定向凝固進(jìn)行了研究探討該工藝下鋅鋁合金線材表面缺陷的產(chǎn)生機(jī)理并對部分缺陷的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顯微分析。結(jié)果表明:只有金屬液壓頭、型口溫度、拉鑄速度和冷卻條件諸工藝參數(shù)在一

2、定范圍內(nèi)的協(xié)調(diào)配合才能拉鑄出表面光滑的鋅鋁合金線材。不合理的工藝參數(shù)將導(dǎo)致熱裂、表面粗糙、糊狀型口和拉漏等缺陷。固液兩相區(qū)的形狀和位置對上述缺陷的形成有重要影響當(dāng)固液兩相區(qū)位于型口或型內(nèi)時凝固界面將向型內(nèi)凸入如果剩余液體不能抵消凝固收縮就會出現(xiàn)表面粗糙若凝固界面深入型內(nèi)較多則使型內(nèi)凝固的鑄錠摩擦力過大形成熱裂固液兩相區(qū)移至型外凝固界面將變成平面容易發(fā)生拉漏。[關(guān)鍵詞]連續(xù)鑄造定向凝固加熱鑄型鋅鋁合金缺陷[中圖分類號]TG249.7[文獻(xiàn)

3、標(biāo)識碼]A熱型連鑄工藝即O.C.C法是由日本學(xué)者大野篤美(A.Ohno)發(fā)明的[1～3]。該方法與傳統(tǒng)的連鑄方法的主要區(qū)別在于將傳統(tǒng)連鑄中的冷卻鑄型改為加熱鑄型[4]。從而避免了合金液在鑄型內(nèi)壁表面的凝固凝固過程中的熱量沿已經(jīng)凝固了的固相一維傳遞形成定向凝固條件可以獲得柱狀晶乃至單晶材料。熱型連鑄方法中由于鑄型溫度高于金屬液的凝固溫度消除了在鑄型內(nèi)壁表面形核的可能性只有在引錠棒端部形核的晶?？梢阅嬷鵁崃鲉蜗蛏L。同時由于表層液體過熱產(chǎn)生

4、一個鑄錠中心先于表層凝固的溫度場凝固界面通常呈向液體中凸出的形狀有利于獲得定向或單晶凝固組織。因為熱型連鑄過程中鑄錠在離開鑄型出口時表層仍呈液體狀態(tài)鑄錠與鑄型之間始終存在一層液體薄層在離開鑄型型口一個很小的距離之后自由凝固形成一個呈鏡面狀光滑的鑄錠表面。同時液體薄層的存在使鑄錠與鑄型間摩擦力很小所需牽引力也很小而且可以連續(xù)抽拉。熱型連鑄工藝的關(guān)鍵在于避免凝固界面附近的側(cè)向散熱維持很強的軸向熱流保證凝固界面凸向液相。維持這樣的導(dǎo)熱條件需要

5、在離開凝固界面的一定位置強制冷卻可采用類似于傳統(tǒng)連鑄工藝的二次冷卻區(qū)的噴水冷卻方式冷卻型外已凝固的鑄錠而在凝固界面附近的液相一側(cè)進(jìn)行加熱。鑒于鋅鋁合金相圖比較復(fù)雜且凝固溫度范圍較寬對熱型連鑄的工藝條件要求苛刻故本文作者選擇鋅鋁合金進(jìn)行研究以深入了解熱型連鑄條件下其表面缺陷的產(chǎn)生機(jī)理并對部分缺陷的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顯微分析。1實驗方法1.1連鑄工裝與材料試驗采用甘肅工業(yè)大學(xué)自制實驗室小型水平式熱型連鑄設(shè)備[5]該設(shè)備包括熔化保溫系統(tǒng)、鑄型加熱

6、系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和液面高度控制系統(tǒng)等五個主要組成部分。用6kW電阻爐對坩堝內(nèi)的金屬進(jìn)行加熱和保溫。坩堝由鋼筒焊接而成內(nèi)腔襯為水玻璃石英砂襯刷涂氧化鋅涂料坩堝側(cè)面開孔以便安裝橫向?qū)б芎丸T型。橫向?qū)б芎丸T型均用高強石墨制作橫向?qū)б艿淖饔檬菍③釄逯械慕饘僖阂腓T型尺寸為d45mm210mm外表面纏繞電阻絲進(jìn)行加熱與保溫。試驗中采用型口為d3.5mm的鑄型鑄型溫度的嚴(yán)格控制是獲得表面光滑、內(nèi)部組織為柱狀晶的連鑄線材的關(guān)鍵。由于鑄型

7、有一面向空氣中散熱在連鑄過程中尤其是引錠階段熱流和溫度變化非常大傳熱條件惡劣因此對型口部分的加熱和溫度控制要求迅速、準(zhǔn)確。為達(dá)此要求設(shè)備中對鑄型部分另用電阻絲進(jìn)行單獨集中加熱。設(shè)備中電阻爐、石墨橫引管和鑄型采用分段加第11卷專輯2Vol.11S2中國有色金屬學(xué)報TheChineseJournalofNonferrousMetals2001年11月Nov.2001①[收稿日期]20001227[修訂日期]20010502[作者簡介]馬穎(

8、1966)女副教授碩士.圖1熱型連鑄中出現(xiàn)的缺陷Fig.1Defectsofcastingmadeinheatedmoldcontinuouscasting(a)—Hottear(b)—Leaking(c)—Roughsurface(d)—Mushoutlet(e)—Winding錠之間潤滑劑的作用減小了摩擦而且由于液體薄層最后凝固所以用很小的力就可以拉鑄出表面光滑如鏡的鑄錠。但是如果工藝參數(shù)不合適使液體薄層厚度不足或固液界面深入鑄型過

9、大則已凝固部分直接接觸型壁特別是在型壁表面不光滑的情況下就會使摩擦力太大導(dǎo)致熱裂缺陷。圖2所示為熱裂缺陷的形成示意圖。圖2熱裂的形成Fig.2Fmingofhottear如果液相分?jǐn)?shù)足以填充已形成的熱裂紋這樣熱裂紋可以被消除而不形成缺陷。熱型連鑄工藝中足夠的液相分?jǐn)?shù)還可以減小鑄錠與型壁的摩擦使凝固區(qū)的應(yīng)力最小。液相分?jǐn)?shù)不夠不但增大了機(jī)械摩擦力進(jìn)而使局部應(yīng)力增大熱裂傾向增加還使產(chǎn)生的熱裂紋一直保持到凝固結(jié)束在表面上形成裂紋缺陷。熱型連鑄過

10、程中型口處鑄錠表面液體薄層的厚度和型腔內(nèi)壁的表面狀況是影響熱裂相互作用的兩個重要因素。型腔內(nèi)壁的表面狀況對鑄錠質(zhì)量有著明顯的影響特別對于液層較薄的情況更是如此.型腔內(nèi)表面粗糙時鑄錠與之接觸時摩擦力更大發(fā)生熱裂的傾向變大。如果型腔表面干凈光滑有時即使型口溫度降到合金液相線以下也不會發(fā)生明顯的因摩擦力太大造成的熱裂仍然可以拉鑄出表面光滑的鑄錠。型腔表面狀況不良造成的熱裂缺陷可以通過增大鑄錠表面環(huán)形液相層的厚度來消除。拉鑄過程中液相薄層的厚度

11、隨鑄型的溫度和溶質(zhì)濃度而變化。型口溫度提高固液區(qū)移向型外與型腔內(nèi)壁接觸的鑄錠表面液相分?jǐn)?shù)增加液相層增厚即使型壁粗糙或不干凈的表面也可以形成良好的潤滑層摩擦力大大減小熱裂不會發(fā)生。ZA5很容易出現(xiàn)熱裂缺陷而ZA22和ZA27則幾乎沒有熱裂情況出現(xiàn)。這是因為溶質(zhì)含量越高表面液相潤滑層越厚的緣故?？傊刂聘鞴に噮?shù)尤其是型口溫度與冷卻強度以保證固液界面不要深入型口過大是避免熱裂形成的關(guān)鍵。2.2糊狀型口如果鑄型溫度太低或者冷卻太強共晶成分的Z