[发明专利]一种铸型温度为固液两相区温度的铸造设备与方法

说明书

技术领域

本发明属于金属铸造技术领域，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。

背景技术

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、成分均匀的 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[张小平，梁爱生.近终形连铸技 术.北京：冶金工业出版社，2001]。

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[谢建新，等.材料加工新技术与新工艺.北京：冶金工业出版 社，2004]。

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[周尧和，胡壮麒，介万奇.凝固技术.北京：机械工业出版 社，1998]。

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 匀，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。

发明内容

本发明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(8)之间设 置二次冷却器。