铝合金铸造的特点

当前，国内大多数铝合金挤压生产厂家都采用立式半连续铸造方法铸造锭坯，成分合格的熔体经过炉内精炼一一在线精炼一一在结过滤后，通过流槽（或流盘），然后经漂浮漏斗注入结晶器内，或由流盘从结晶上面经漏斗注入（普通多模铸造），或从旁边注入（同水平多模热顶铸造）。结晶器下面先用底座封堵，熔体浇入结晶器后，产生凝壳。待凝壳达到一定厚度后，开通冷却水，启动铸造机。铸造机以一定的速度牵引着结晶锭坯不断平稳下降，熔体则根据结晶速度的要求，以平稳的流速向结晶器内注入等量于结晶所消耗的熔体，于是在结晶器内形成如图所示的液穴。设铸造时的熔体控制为定温，熔体注入结晶的流速和铸锭的下降速度均为匀速，于是便在液穴内建立起稳态的温度场和浓度场。下面讨论熔体在结晶器中的晶体生长过程。



铝合金熔体大多含有多种溶质。在其合金的成分范围内，其绝大多为数的平衡分凝系数Ko ＜1（合金成分含量较高，超过共晶点时，Ko ﹥1）。因此，当最先的熔体注入结晶器时，熔体与结晶器壁发生接触，先在器壁上形核成长（在器壁上形成球冠状核心比在熔体中自发形核需要的激活能小得多，这个问题在《电解铝液铸轧生产板带箔材》（冶金工业出版社，2011）一书中有详细讨论，此处从略），并向结晶前沿排泄溶质，在结晶面前沿形成一溶质富集层，富集层内的溶质浓度，在固液界面处最高，远离固液界面，随距离的增加逐渐减小，直至与整个熔体的平均溶质浓度相等。而溶质富集层的凝固温度，则在固液界面处最低，远离界面时，随距离的增加而升高，至与整个熔体的凝固温度相同为止。在溶质富集层内实际温度低于熔体的凝固温度，这就形成的组分过冷区。随着结晶的继续进行，最先形成的凝壳随底座的向下牵引而下降，注入的熔体在已有的结晶面上成长，或在界面前沿重新形核生长，形成新的组分过冷区。同样，新注入的熔体又在器壁上形成凝壳，产生新的组分过冷。随着时间的延伸，新的结晶层不断产生，已结晶面前沿又不断生长或出现新结晶面，于是凝固层从上至下，由薄增厚；结晶器内的液相区，自上至下由大变小，直至整个截面全部凝成固态，在铸件上方即形成了液穴。对于圆形铸锭，液穴和结晶前沿的组分过冷区呈近似圆锥体状。

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