工業(yè)發(fā)達國家，尤其是美國和德國，早在20世紀70年代末就開展了高溫合金細晶鑄造技術(shù)的研究和應(yīng)用，在20世紀80年代中后期該項技術(shù)發(fā)展趨于成熟，目前正在航空、航天工業(yè)領(lǐng)域中擴大其應(yīng)用范圍，如美國Howmet公司利用細晶鑄造技術(shù)成功地制造了Mod5A、Mar-M247、IN713C、1N718等高溫合金整體渦輪，使渦輪的低周疲勞壽命提高了2~3倍。德國、法國在新型號航空發(fā)動機上也采用了細晶整體渦輪鑄件。國內(nèi)對高溫合金細晶鑄造技術(shù)的研究從20世紀80年代末開始起步，經(jīng)過“八五”和“九五”期間的研究和應(yīng)用，我國航空制造業(yè)建立了專門的細晶鑄造設(shè)備，對高溫合金細晶鑄造工藝進行了較系統(tǒng)的試驗，研制了一批鎳基高溫合金細晶鑄件，并已應(yīng)用于航空發(fā)動機中，在細晶鑄造研究領(lǐng)域內(nèi)取得了重要的進展。
1 細晶鑄造的特點和工藝方法
1.1 細晶鑄造的特點
細晶鑄造技術(shù)或工藝(FGCP)的原理是通過控制普通熔模鑄造工藝，強化合金的形核機制，在鑄造過程中使合金形成大量結(jié)晶核心，并阻止晶粒長大，從而獲得平均晶粒尺寸小于1.6mm的均勻、細小、各向同性的等軸晶鑄件，較典型的細晶鑄件晶粒度為美國標準ASTM0~2級。細晶鑄造在使鑄件晶粒細化的同時，還使高溫合金中的初生碳化物和強化相γ'尺寸減小，形態(tài)改善。因此，細晶鑄造的突出優(yōu)點是大幅度地提高鑄件在中低溫(≤760℃)條件下的低周疲勞壽命，并顯著減小鑄件力學性能數(shù)據(jù)的分散度，從而提高鑄造零件的設(shè)計容限。同時該技術(shù)還在一定程度上改善鑄件抗拉性能和持久性能，并使鑄件具有良好的熱處理性能。
細晶鑄造技術(shù)還可改善高溫合金鑄件的機加工性能，減小螺孔和刀刃形銳利邊緣等處產(chǎn)生加工裂紋的潛在危險。因此該技術(shù)可使熔模鑄件的應(yīng)用范圍擴大到原先使用鍛件、厚板機加工零件和鍛鑄組合件等領(lǐng)域。在航空發(fā)動機零件的精鑄生產(chǎn)中，使用細晶鑄件代替某些鍛件或用細晶鑄造的錠料來做鍛坯已很常見。
1.2 細晶鑄造的工藝方法
細晶鑄造晶核的增殖來源于合金液中已存在的或外加的固體形核基底成形核心作用，因此，細化晶粒的關(guān)鍵是增加合金液中的形核基底的數(shù)量。目前增加形核基底的數(shù)量的基本方法大致可分為三大類：熱控法或改變鑄造參數(shù)法(VCP法)、動力學法(或機械法)和化學法。這也是細晶鑄造的三類基本工藝方法，如表1所示。
表1 細晶鑄造的工藝方法
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類 別 |
熱控法 |
動力學法 |
化學法 |
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工藝原理 |
在靜態(tài)鑄型條件下，通過控制鑄型溫度，降低合金精煉溫度和時間，使分散于熔液中作為形核基底的碳化物保留下來，并較大幅度地降低澆注過熱度，增大鑄件冷卻速度，以達到限制晶粒長大和細化晶粒的目的 |
在澆注和凝固過程中施加外力迫使合金液產(chǎn)生振動、攪動等運動，已凝固的枝晶被破碎并使之遍布于整個熔液中，從而形成更多的有效晶核，并限制了晶粒的長大。常見的方法有：（1）一般方法：旋轉(zhuǎn)鑄型法、機械振動法、超聲波振動法、電磁攪動法等；（2）Grainex法、Mould-Agitation法；（3）Microcast-X法 |
通過向熔液中加入有效形核劑，形成大量的非均勻質(zhì)核心而使晶粒細化。典型的如添加元素B、稀土元素、Ni-Al中間化合物等 |
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工藝參數(shù) |
鑄型溫度(t型)、澆注溫度)t澆)及精煉溫度(t精)等 |
澆注溫度(t鑄)和鑄型旋轉(zhuǎn)振動參數(shù)(速度、頻率)以及鑄型冷卻速率等 |
精煉溫度(t精)、形核劑加入量及其加入制度等 |
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晶粒細化典型尺寸范圍 |
1.60～0.18mm |
0.36～0.07mm |
1.25～0.12mm |
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優(yōu)缺點 |
工藝簡單，但鑄件容易欠鑄、晶粒度不均勻 |
晶粒度均勻、合金純凈度高、成形能力好，但需要建立專用的細晶鑄造設(shè)備 |
工藝簡單，但容易引進雜質(zhì)、改變合金成分 |
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適用范圍 |
形狀簡單的小尺寸鑄件 |
回轉(zhuǎn)體和厚大截面鑄件 |
形狀簡單的小尺寸鑄件 |
近年來美國Howmet公司研制和發(fā)展的Grainex(簡稱GX法)和Microcast-X(簡稱MX法)細晶工藝代表著國際先進水平的細晶鑄造工藝方法，目前已投入生產(chǎn)應(yīng)用。圖1為GX、MX法的晶粒細化典型尺寸范圍。
其中GX法以動力學法為基礎(chǔ)，是高溫合金細晶鑄造第一代動力學法工藝，它采用較高的過熱溫度，在合金凝固過程中打碎已凝固的枝晶骨架成為結(jié)晶核心，從而細化鑄件晶粒。與熱控法相比，GX法澆注過熱度較大，因而使鑄件薄壁部分容易成形，所獲得的鑄件純凈度高，晶粒度細小而均勻，通常能達到ASTM0～2級。但晶粒形態(tài)仍保留著輕微的樹枝狀，其缺點是不能全面改善鑄件的晶粒形態(tài)，僅使厚截面部位晶粒細化。這種方法適用于鑄造葉盤和其他一些回轉(zhuǎn)體鑄件以及截面厚大的細晶鑄件。MX法是Howmet公司開發(fā)的第二代動力學法細晶鑄造工藝，其特點是將機械擾動與快速凝固相結(jié)合以獲得晶粒更加細小的晶胞組織，用此法鑄造的鑄件晶粒度能達ASTM3~5級或更細，可與變形高溫合金零件的晶粒度相媲美，因而能以比GX法更大的幅度提高鑄件的力學性能。直到目前為止，該工藝仍屬不公開的專利。但從有關(guān)資料分析，其工藝要點主要包括：①合金精煉后靜止降溫，使?jié)沧⑦^熱度保持在20℃以內(nèi)。②澆注時對合金液進行機械或電磁感應(yīng)擾動，使合金液成細小的液滴流注入預(yù)熱鑄型的型腔。③在鑄型內(nèi)擾動合金液并提高鑄型對合金液的冷卻強度，使鑄件在整個截面上都能生成均勻、細小、非枝晶的晶胞組織。MX法現(xiàn)主要用于生產(chǎn)鎳基高溫合金的熔模鑄件、鑄錠和可鍛坯件。
在20世紀90年代中期國內(nèi)研究和開發(fā)了屬于動力學法范疇的細晶鑄造工藝——鑄型攪動法(Mould-Agitation法)，簡稱MA法，并建立了ZGX-25型細晶鑄造真空感應(yīng)爐。利用該設(shè)備可鑄造出外形尺寸達300mm、重量達50kg的細晶鑄件。在該設(shè)備上不但能用化學法和熱控法鑄造細晶葉片、細晶整體結(jié)構(gòu)件，而且還可用鑄型攪動法生產(chǎn)出純凈度較高的細晶整體葉盤、渦輪等回轉(zhuǎn)體鑄件。其工藝原理與GX法相近，如圖2所示。
ZGX-25型細晶鑄造爐具有預(yù)熱鑄型的加熱器，并有能使鑄型單向/雙向旋轉(zhuǎn)功能的機構(gòu)。鑄型攪動法(MA法)細化鑄件晶粒基于在凝固過程中對枝晶破碎、增殖形核質(zhì)點的原理。具體工藝步驟為：將模殼裝卡在專用的鑄型系統(tǒng)中，并預(yù)熱至規(guī)定的型殼溫度。在對合金熔液精煉干凈后，調(diào)整好澆注溫度，然后澆入型殼中，靜止一段時間后，鑄型雙向攪動，直到凝固完畢。
在金屬液凝固過程中，通過鑄型攪動使鑄型壁上最初形成的枝晶被破碎，破碎的枝晶分布于整個合金液中，因而創(chuàng)造了有效的形核核心，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生細小、均勻和等軸的晶粒。此外，鑄型中心到鑄型壁的熱梯度得到降低，因此不管鑄件截面厚度如何變化，都能獲得較均勻的等軸晶。
鑄型攪動法主要控制的攪動參數(shù)為：澆注后合金液在鑄型內(nèi)的靜止時間τ靜;正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的時間τ正反;正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)之間換向時間τ換;正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速v正反;雙向轉(zhuǎn)動的總時間為τ總。實驗中通過變化合金的澆注過熱溫度Δt澆及攪動參數(shù)來得到不同的晶粒度。
鑄型攪動工藝的優(yōu)點在于采用比熱控法細晶工藝高得多的澆注溫度，因而鑄件純凈度高，薄壁部位容易成形。相比之下，傳統(tǒng)的熱控法細晶鑄造工藝和硼化物沉淀工藝主要依賴于很低的澆注溫度，因而導(dǎo)致了非金屬夾雜物的誘入。
2 細晶鑄造舉例
采用鑄型攪動法細晶鑄造生產(chǎn)了某航空發(fā)動機上在中溫條件(470~750℃)下使用的整體渦輪。該整體渦輪直徑為147mm，鑄件毛重10.5kg，用K418B鎳基高溫合金鑄造，其主要化學成分見表2。
熔模型殼用硅酸乙酯-剛玉砂制殼工藝制成。合金的熔煉和澆注在自制的ZGX-25型細晶鑄造真空感應(yīng)爐內(nèi)進行。鑄型在爐內(nèi)可雙向旋轉(zhuǎn)，對注入型腔內(nèi)的合金液體施加雙向攪動作用。細晶鑄造的工藝參數(shù)見表3。
表2 K418B合金主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)
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C |
Cr |
Mo |
Ti |
Al |
Zr |
B |
Ni |
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0.045 |
12.34 |
4.37 |
0.79 |
5.83 |
0.060 |
0.011 |
余量 |
表3 K418B合金整體渦輪的細晶鑄造工藝參數(shù)
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鑄型溫度t型 /℃ |
澆注過熱度Δt澆 /℃ |
攪動參數(shù) | ||||
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τ靜 / s |
τ正反 / s |
τ換 / s |
v正反 / r﹒min-1 |
τ總 / min | ||
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900~1000 |
60~80 |
45 |
3~5 |
2 |
100 |
5 |
細晶渦輪經(jīng)過熱等靜壓(HIP)和熱處理。熱等靜壓工藝為：1200℃/150MPa/4h;熱處理工藝為:1180℃，2h，空冷+930℃，16h，空冷。在熱處理后渦輪的輪轂部位沿軸向切取性能試棒，測定室溫和高溫抗拉性能、高溫持久性能和低周疲勞性能。低周疲勞試驗在美國MTS-809電液伺服閉環(huán)回路疲勞試驗機上進行。為了便于比較，從K418B合金普通鑄造渦輪上切取試棒，其處理工藝、測試條件與細晶渦輪相同。
1.細晶鑄造對鑄件晶粒度形態(tài)及顯微組織的改善 在上述細晶鑄造工藝條件下，所獲得的K418B合金細晶渦輪各部位晶粒度列于表4。它與普通鑄造條件下的渦輪晶粒度對比示于圖3。
表4 細晶渦輪各部位的晶粒度等級
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部位 |
輪轂 |
輪輻 |
輪葉 |
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ASTM晶粒度級別 |
ASTM0~3 |
ASTM2~ASTM M9 |
ASTM2~4 |
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晶粒平均直徑/mm |
0.125~0.36 |
0.18~1.6 |
0.09~0.18 |
a) 細晶鑄造 b) 普通鑄造
觀察結(jié)果表明，普通鑄造渦輪的初生碳化物(MC)呈現(xiàn)塊狀、條狀分布，尺寸較大;而細晶鑄造的初生碳化物(MC)呈顆粒狀彌散分布，尺寸小。這說明該細晶鑄造工藝對初生碳化物(MC)有一定的破碎和細化作用。
細晶渦輪γ'相分布均勻，形態(tài)規(guī)則，主要呈方塊狀，尺寸很小。而普通鑄造渦輪的γ'相則較粗大，形狀也不規(guī)則。因此細晶鑄造的凝固條件改善了γ'相的分布形態(tài)。
|||
2.細晶鑄造對鑄件力學性能的影響
(1)室溫和高溫抗拉性能：K418B合金細晶鑄造和普通鑄造渦輪兩者抗拉性能之間的差距見圖7。
————K418B合金細晶鑄造 ----K418B合金普通鑄造
從圖7可知，在不同試驗溫度下，細晶鑄造(FG)的抗拉性能均優(yōu)于普通鑄造(CC)。在20~750℃范圍內(nèi)，前者的抗拉強度σb比后者平均提高了20%;屈服強度σ0.2前者比后者平均提高了12.5%。
當試驗溫度再提高時，兩者差距縮小。在整個溫度范圍內(nèi)的伸長率，除20℃和650℃時，細晶鑄造比普通鑄造平均提高約20%外，其他溫度下提高均超過30%。至于在不同溫度下的彈性模量E，細晶鑄造與普通鑄造基本相同。
(2)持久性能：K418B合金細晶鑄造渦輪不同溫度的持久試驗數(shù)據(jù)及設(shè)計指標見表10-5。可見，細晶鑄造渦輪的持久性能遠高于設(shè)計指標，從而使鑄件工作性能更可靠。
表5 細晶渦輪持久性能及設(shè)計指標
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試驗溫度/℃ |
760 |
980 |
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試驗應(yīng)力/Mpa |
530 |
150 |
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試驗值壽命/h |
162.8 |
71.5 |
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設(shè)計值壽命/h |
≥50 |
≥30 |
(3)低周疲勞性能：450℃和650℃的低周疲勞試驗結(jié)果見圖10-8(圖中的R為應(yīng)力比)。試驗溫度為450℃和650℃時，在整個應(yīng)變范圍內(nèi)，細晶鑄造(FG)較普通鑄造(CC)的低周疲勞壽命改善的幅度較為穩(wěn)定。其中細晶鑄造渦輪在450℃的低周疲勞壽命，當應(yīng)變幅Δε/2=3×10-3和6×10-3時，分別為普通鑄造的7.41的7.76倍。而在650℃時的細晶鑄造渦輪的低周疲勞壽命，當應(yīng)變幅Δε/2=3×10-3和6×10-3時，分別為普通鑄造的12.12倍和4.44倍。
a) 450℃ b) 650℃
因此，細晶鑄造使K418B合金整體渦輪的低周疲勞壽命得到大幅度提高，在450~650℃范圍內(nèi)至少為普通鑄造的4倍。
細晶鑄造改善材料低周疲勞的原因在于，當循環(huán)外力作用時，滑移在細小、均勻、各向同性的等軸晶粒組織中得以均勻地進行，這便緩和了應(yīng)力集中，從而使疲勞裂紋形成期延長。
在相同的循環(huán)外力作用下，普通鑄造的疲勞波紋間距較寬，即裂紋擴展速率da/dN較大，而細晶鑄造的疲勞波紋間距細小而均勻。斷口的觀察結(jié)果也證實了這一點，如圖9所示。
a) 細晶鑄造 b) 普通鑄造
裂紋在晶內(nèi)向前推進時，一方面受到阻力，另一方面被迫采用不同方向并使疲勞波紋間距減小。所以晶界是疲勞裂紋擴展的一種障礙，晶粒越細小，這種障礙作用越強烈。
總之，細晶粒通過控制滑移的均勻性，約束形變帶，降低疲勞裂紋的擴展速率來改善材料的低周疲勞性能。
細晶鑄造使合金的初生MC型碳化物和γ'相尺寸減小，形態(tài)改善，這同樣有利于低周疲勞性能的提高。
20世紀60年代，前蘇聯(lián)學者Getselev等依據(jù)電磁感應(yīng)原理發(fā)明了電磁鑄造(Electromagnetic Casting，簡稱EMC)技術(shù)。這一技術(shù)一經(jīng)產(chǎn)生就得到了迅速發(fā)展。1969年前蘇聯(lián)已將此技術(shù)工程化，用EMC技術(shù)制造了ф200-ф500mm的鋁合金圓錠，20世紀70年代EMC技術(shù)在前捷克斯洛伐克、匈牙利、前民主德國等東歐國家首先得到普及，之后，瑞士、美國等歐美國家相繼引進此項技術(shù)并將它進一步提高為用計算機控制的自動化生產(chǎn)的水平。我國于20世紀70年代也試生產(chǎn)過鋁合金圓錠，80年代也掌握了工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)技術(shù)。電磁鑄造首先是在鋁合金中取得成功，然后擴展到銅合金，開始只能生產(chǎn)鑄錠，現(xiàn)在能夠生產(chǎn)具有一定形狀的異型件。目前世界許多國家，包括我國，為開發(fā)鋼的電磁鑄造技術(shù)投入了大量的人力和財力。
1 原理
電磁鑄造的原理示于圖11-1a。當感應(yīng)器線圈中通過電流密度為J0的交變電流時，產(chǎn)生交變電磁場H，電磁場作用于金屬液形成與感應(yīng)器電流反向的密度為J的感生電流，感生電流與勵磁電流相互作用產(chǎn)生磁感應(yīng)強度B和指向感應(yīng)線圈內(nèi)的電磁力
，這樣，金屬液在電磁力的側(cè)向約束下呈半懸浮狀態(tài)。感應(yīng)器下面的冷卻水噴向鑄錠，金屬液在保持自由表面的狀態(tài)下凝固，同時，鑄造機拖動底模和鑄錠向下運動，從而形成連續(xù)鑄造過程。為了獲得側(cè)面垂直的半懸浮金屬液柱，增設(shè)屏蔽罩使液柱側(cè)面的電磁壓力分布接近液柱上的靜壓力分布，如圖11-1b所示。另外，屏蔽罩還可以抑制電磁力對金屬液的過度攪拌，達到穩(wěn)定液柱的目的。
a) 電磁鑄造原理 b) 電磁壓力分布
從上述簡單分析可知，在電磁鑄造中電磁場通過電磁力使導(dǎo)電金屬液形成一定外輪廓形狀，同時引起流動。另一方面，在磁場中運動的導(dǎo)體即金屬液，反過來又引發(fā)電場。因此，電磁鑄造是電場、磁場和速度場相互耦合作用的過程。因此，要從理論上分析EMC技術(shù)，需要聯(lián)立求解描述電磁場規(guī)律的Maxwell 方程和描述流速場規(guī)律的Navier-Stokes方程。但是在多數(shù)情況下，忽略流速場來求解電磁場，再以所得電磁力來推測金屬液流速場。Maxwell的基本方程為：
| #FormatImgID_2# | (1) |
|---|---|
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#FormatImgID_3# |
(2) |
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#FormatImgID_4# |
(3) |
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#FormatImgID_5# |
(4) |
| 式中E —— 電場強度 (V/m)；H —— 磁場強度 (A/m)；J —— 電流密度 (A/m2)；B —— 磁感應(yīng)強度 (T)；t —— 時間 (s)。 | |
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忽略金屬液流動時的歐姆定律為： |
#FormatImgID_6# (5) |
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||| 式中 σ—— 金屬液的電導(dǎo)率(1/Ωm)。 | |
| 在EMC邊界條件下聯(lián)立求解式(1)～式(5)，求得電流密度J和磁感應(yīng)強度。單位體積內(nèi)的電磁力可由下式計算： | |
|
#FormatImgID_7# |
(6) |
| 將式(7-107)帶入式(7-111)，μ為磁導(dǎo)率，通過矢量運算，得如下電磁力的表達式： | |
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#FormatImgID_8# |
(7) |
| 式中右端第一項為旋轉(zhuǎn)力，對熔體起攪拌作用；第二項為非旋轉(zhuǎn)力，起因于電磁壓力： | |
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#FormatImgID_9# |
(8) |
| 其中pm 為液柱表面的磁壓力，#FormatImgID_10# 為通過液柱表面的磁感應(yīng)強度的有效值。式(7)右端第一項為單位體積旋轉(zhuǎn)力，大小為F1，第二項為單位體積非旋轉(zhuǎn)力，大小為F2，它們之間滿足如下關(guān)系： | |
|
#FormatImgID_11# |
(9) |
| 式中 L—— 鑄錠橫截面尺寸；δ—— 電流趨膚深度。#FormatImgID_12# | |
| 可知電流頻率#FormatImgID_13# 越大電磁攪拌作用就越小。電磁鑄造中一般要求L/δ≥10。在電磁鑄造中忽略液柱內(nèi)的流動造成的動壓力時，液柱中存在如下力的平衡關(guān)系： | |
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#FormatImgID_14# |
(10) |
| 式中 #FormatImgID_15# —— 金屬液密度(g/cm)；g—— 重力加速度(cm/s2)；h —— 金屬液柱高度(cm)；#FormatImgID_16# —— 金屬液柱表面張力(N/cm)；r —— 金屬液柱曲率半徑(cm)。 | |
在電磁鑄造中鑄錠尺寸都較大，式(10)右端第二項可以忽略。估算形成一定的金屬液柱高度所需要的磁感應(yīng)強度時，式(10)是很有用的。
從上可知，金屬液具有導(dǎo)電性是實現(xiàn)電磁鑄造的必要條件，在此基礎(chǔ)上金屬密度越小越容易實現(xiàn)電磁鑄造過程。
2 電磁鑄造工藝
圖2為電磁鑄造裝置示意圖，它是由中頻電源，感應(yīng)線圈，屏蔽罩，冷卻水箱，底模，澆注系統(tǒng)和鑄造機組成。鑄造機實際是可調(diào)速的向上和向下運動的機構(gòu)，澆注系統(tǒng)一般由中間包和可控澆口塞組成。感應(yīng)器是用截面為長方形的中空的純銅繞制而成，中空是為通水冷卻所必需。感應(yīng)器一般做成上下傾斜的。這是為了使金屬液柱上方受的磁壓力小于下方，與屏蔽罩協(xié)調(diào)改善金屬液柱形狀和使其穩(wěn)定。屏蔽罩用不銹鋼繞制而成，因鑄造過程中屏蔽罩也需要散熱，設(shè)法在其表面流水冷卻。
鑄造過程如下：首先將底模邊緣的上平面移動到感應(yīng)器半高處，然后啟動中頻電源;澆注;當液面高度達一定值時固定輸出功率，噴水冷卻，底模以一定速度向下移動。
電磁鑄造成敗的關(guān)鍵，是使金屬液柱穩(wěn)定并使其高度保持一定。為達此目的，合理選擇工藝參數(shù)是十分重要的。最重要的參數(shù)有：電流頻率，電流強度，鑄造速度，噴水冷卻強度。提高電流頻率可降低金屬液柱中電磁攪拌引起的流動，但隨著電流頻率的增大感應(yīng)加熱作用迅速增大，不利于提高鑄造速度，無謂地浪費電能。在鋁合金的電磁鑄造中，電流頻率一般取2000～3000Hz。電流強度是根據(jù)所需要的金屬液柱高度而定，金屬液柱高度過低，金屬液柱頂面的邊緣向內(nèi)收縮，鑄造過程不易控制;金屬液柱過高，也造成電能的浪費。金屬液柱高度一般控制在30～50mm是適當?shù)模@時所需要的電流強度為3500～5000A。鑄造速度隨噴水冷卻強度而變，目前一般采用循環(huán)水噴水冷卻，冷卻強度的提高受到制約，因此鋁合金的電磁鑄造速度一般只能達到60～100mm/min。
|||
電磁鑄造成敗的另一個關(guān)鍵，是澆注速度和鑄造速度(拉坯速度)相協(xié)調(diào)，使金屬液柱高度保持不變。為達此目的一般采用以液面高度傳感器反饋控制澆注速度的辦法。
澆注溫度和冷卻水溫度的變化，電源的波動以及中間包中的金屬液量的變化，也都引起鑄造過程的不穩(wěn)定，因此大規(guī)模先進的電磁鑄造生產(chǎn)，已實現(xiàn)了計算機控制的全自動化生產(chǎn)，并且一機同時拉多錠(3～5錠)。表11-1是一組典型的電磁鑄造工藝參數(shù)。
表1 典型的鋁合金電磁鑄造工藝參數(shù)
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鑄錠尺寸/mm |
感應(yīng)圈電流/A |
感應(yīng)圈電壓/V |
頻率 / Hz |
功率 / kW |
金屬液柱高度/mm |
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300×1100 |
5000 |
55 |
2000 |
40-50 |
55 |
|
φ340 |
4970 |
29 |
2000 |
35 |
29 |
|
482×1143 |
— |
40-50 |
2400-3000 |
— |
38 |
|
φ345 |
3400-3800 |
— |
2500 |
— |
— |
3 鑄造組織和性能
在電磁鑄造中，鑄錠是在保持液態(tài)金屬自由表面的情況下凝固，因此鑄錠表面光滑，幾乎接近鏡面。由于凝固前沿始終存在電磁攪拌作用，凝固又是在直接噴水冷卻的條件下快速完成，所以凝固組織致密，幾乎無偏析。另外，噴水冷卻部位在金屬液柱底部，宏觀上看凝固是自下而上進行，因此凝固組織接近定向凝固的組織，橫截面易形成等軸晶。圖3是電磁鑄造和金屬型中鑄造的鋁合金凝固組織的比較。
a) 電磁鑄造 b) 金屬型鑄造
材料的力學性能也得到明顯的改善，特別是材料的壓力加工性能得到大幅度的提高。表2和表3是上述兩種鑄造方法所得材料力學性能的比較。
表2 金屬型鑄造的鋁合金力學性能
|
模 鑄 |
方 向 |
位 置 |
抗拉強度σb/ |
斷后伸長率δ(%) |
|
MPa | ||||
|
縱 向 |
1 |
109.18 |
7.75 | |
|
2 |
116.98 |
11.38 | ||
|
3 |
122.25 |
7.5 | ||
|
平 均 |
116.24 |
8.88 | ||
|
橫 向 |
表 面 |
128.60 |
9.80 | |
|
中 心 |
125.40 |
10.70 | ||
|
平 均 |
127.00 |
10.25 |
表3 電磁鑄造的鋁合金力學性能
|
電磁鑄造 |
方 向 |
位 置 |
抗拉強度σb/ |
斷后伸長率δ(%) |
斷面收縮率ψ(%) | ||
|
MPa | |||||||
|
縱 向 |
1 |
162.8 |
16.2 |
32.4 | |||
|
2 |
166.7 |
19.0 |
34.9 | ||||
|
3 |
162.1 |
25.0 |
38.9 | ||||
|
4 |
159.9 |
17.5 |
34.9 | ||||
|
5 |
165.8 |
18.7 |
32.4 | ||||
|
6 |
158.0 |
18.5 |
25.4 | ||||
|
橫 向 |
表 面 |
159.8 |
18.0 |
35.5 | |||
|
中 心 |
164.8 |
17.5 |
25.4 | ||||
|
平 均 值 |
162.49 |
18.8 |
32.48 | ||||
4 生產(chǎn)應(yīng)用實例
圖4為我國某實驗室試生產(chǎn)的鋁合金扁錠和圓錠，其生產(chǎn)條件如下：
合金種類：3004, 2024
尺寸：0.52 m×0.13m;φ0.18m
金屬液柱高度：0.038~0.04m
鑄造速度：0.08 m/min
電流頻率：2.5 kHz
電流：4200 A
電壓：26 V
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