鋁合金鑄造的特點

當前，國內(nèi)大多數(shù)鋁合金擠壓生產(chǎn)廠家都采用立式半連續(xù)鑄造方法鑄造錠坯，成分合格的熔體經(jīng)過爐內(nèi)精煉一一在線精煉一一在結(jié)過濾后，通過流槽（或流盤），然后經(jīng)漂浮漏斗注入結(jié)晶器內(nèi)，或由流盤從結(jié)晶上面經(jīng)漏斗注入（普通多模鑄造），或從旁邊注入（同水平多模熱頂鑄造）。結(jié)晶器下面先用底座封堵，熔體澆入結(jié)晶器后，產(chǎn)生凝殼。待凝殼達到一定厚度后，開通冷卻水，啟動鑄造機。鑄造機以一定的速度牽引著結(jié)晶錠坯不斷平穩(wěn)下降，熔體則根據(jù)結(jié)晶速度的要求，以平穩(wěn)的流速向結(jié)晶器內(nèi)注入等量于結(jié)晶所消耗的熔體，于是在結(jié)晶器內(nèi)形成如圖所示的液穴。設(shè)鑄造時的熔體控制為定溫，熔體注入結(jié)晶的流速和鑄錠的下降速度均為勻速，于是便在液穴內(nèi)建立起穩(wěn)態(tài)的溫度場和濃度場。下面討論熔體在結(jié)晶器中的晶體生長過程。



鋁合金熔體大多含有多種溶質(zhì)。在其合金的成分范圍內(nèi)，其絕大多為數(shù)的平衡分凝系數(shù)Ko ＜1（合金成分含量較高，超過共晶點時，Ko ﹥1）。因此，當最先的熔體注入結(jié)晶器時，熔體與結(jié)晶器壁發(fā)生接觸，先在器壁上形核成長（在器壁上形成球冠狀核心比在熔體中自發(fā)形核需要的激活能小得多，這個問題在《電解鋁液鑄軋生產(chǎn)板帶箔材》（冶金工業(yè)出版社，2011）一書中有詳細討論，此處從略），并向結(jié)晶前沿排泄溶質(zhì)，在結(jié)晶面前沿形成一溶質(zhì)富集層，富集層內(nèi)的溶質(zhì)濃度，在固液界面處最高，遠離固液界面，隨距離的增加逐漸減小，直至與整個熔體的平均溶質(zhì)濃度相等。而溶質(zhì)富集層的凝固溫度，則在固液界面處最低，遠離界面時，隨距離的增加而升高，至與整個熔體的凝固溫度相同為止。在溶質(zhì)富集層內(nèi)實際溫度低于熔體的凝固溫度，這就形成的組分過冷區(qū)。隨著結(jié)晶的繼續(xù)進行，最先形成的凝殼隨底座的向下牽引而下降，注入的熔體在已有的結(jié)晶面上成長，或在界面前沿重新形核生長，形成新的組分過冷區(qū)。同樣，新注入的熔體又在器壁上形成凝殼，產(chǎn)生新的組分過冷。隨著時間的延伸，新的結(jié)晶層不斷產(chǎn)生，已結(jié)晶面前沿又不斷生長或出現(xiàn)新結(jié)晶面，于是凝固層從上至下，由薄增厚；結(jié)晶器內(nèi)的液相區(qū)，自上至下由大變小，直至整個截面全部凝成固態(tài)，在鑄件上方即形成了液穴。對于圓形鑄錠，液穴和結(jié)晶前沿的組分過冷區(qū)呈近似圓錐體狀。

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