铝合金快速铸轧新型铍铜材料辊套及其应用性能研究

摘要

采用双辊连续铸轧方法生产铝带坯，是一种集凝固、变形于一体的近终形成型工艺。由于其良好的经济与社会效益，该工艺已成为铝带坯的主要生产方式。但常规铝带坯铸轧工艺的生产效率较低，可铸轧的合金品种有限，铸轧板表面及内部存在偏析，难以生产出高性能和高表面质量的铝合金带箔。应用快速铸轧工艺生产铝合金板带坯，铸轧速度大大提高，带坯厚度减薄，铸轧区铝熔体的凝固速度大幅度提高，并可同时获得具有较大轧制变形率的塑性变形，从而提高铸轧效率，拓宽可生产的合金范围，所获带坯的质量更优。这种成型工艺被国际铝加工行业认为是代表新一代铝加工技术发展的重要方向。 实现铝合金快速铸轧的过程，要求铸轧辊套具有比常规铸轧辊套更优异的导热性能，以完成铝熔体的快速凝固。研究满足铝合金快速铸轧要求的新型材料辊套及其应用性能，是实现铝合金快速铸轧的技术关键之一。 中南大学冶金机械研究所研制的新型Be-Cu合金辊套材料，为突破铝合金快速铸轧技术瓶颈奠定了基础。本研究围绕新型Be-Cu合金材料的成分优化、新型材料辊套的制备及其主要性能，进行了系列实验研究，试图为快速铸轧辊套的高质量制备与应用提供依据。本文涉及如下内容： 1.新型Be-Cu合金辊套材料组分优化实验研究。通过系列组分优化实验，获得了力学性能与现有合金钢辊套材料基本相当、导热系数是合金钢辊套材料3-4倍，且制备工艺性能良好的新型Be-Cu合金辊套材料。 2.新型Be-Cu合金辊套材料制备工艺性能实验研究。探讨了新型Be-Cu合金辊套材料对离心铸造工艺的适应性及其热处理性能，并在工业试验铸轧辊套的制备过程中得到验证；探索性研究了新型Be-Cu合金辊套材料的切削与磨削加工性能，并与现有典型合金钢辊套材料的相应性能进行了对比实验研究。 3.铝合金铸轧辊套工作表面完整性研究。提出并系统阐释了铝合金铸轧辊套工作表面完整性概念；分析了影响辊套工作表面完整性的主要因素；揭示了新型Be-Cu合金辊套具有良好的保持其工作表面完整性的机理。 4.新型Be-Cu合金材料辊套的抗热损伤性能研究。建立了铝合金铸轧辊套温度场数学模型；提出了铸轧辊套温度场近似分析解思想；导出了辊套温度场的近似分析解；对仿真结果进行了实验验证；仿真分析了快速铸轧工况下辊套温度的分布规律。基于辊套温度场的近似分析解，导出了铸轧辊套热应力场的分析解；进行了快速铸轧工况下新型Be-Cu合金辊套热应力仿真分析。 5.新型Be-Cu合金辊套快速铸轧试验。在实验铸轧机及工业铸轧机上进行了快速铸轧试验，对新型Be-Cu合金辊套的冷却能力、使用性能及其变化、所获带坯质量进行了实验与分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1本研究的工程背景

1.1.1双辊连续铸轧技术的特点

1.1.2快速铸轧及其基本特征

1.1.3本研究的选题背景和意义

1.2双辊连续铸轧技术进展

1.3铝带坯铸轧辊套材料及相关理论与技术研究现状

1.3.1铝带坯铸轧辊套材质研究

1.3.2铸轧辊套温度场与热应力研究状况

1.4本文的主要研究内容

第二章新型辊套材料的合金组分优化实验研究

2.1概述

2.2新型辊套材质的成分优化

2.2.1合金元素及杂质元素对高强度Be-Cu合金性能的影响

2.2.2新型辊套材质组分的确定

2.3新型辊套材料的主要性能试验

2.3.1新型辊套材质的主要合金成分

2.3.2新型辊套材质的主要性能试验

2.4本章小结

第三章新型辊套材料的铸造性能与热处理性能实验研究

3.1新型材料辊套坯件的离心铸造制备

3.1.1辊套坯件基本形状的离心铸造制备

3.1.2辊套坯件离心铸造过程的质量保证原理

3.2新型辊套材料的铸造性能

3.2.1流动性

3.2.2造渣性、吸气性、收缩性

3.2.3对离心铸造工艺的适应性

3.3新型辊套材质的热处理性能

3.3.1固溶处理

3.3.2时效处理

3.4辊套离心铸造成型及其热处理实验

3.4.1新型Be-Cu合金铸轧辊套的离心铸造成型试验

3.4.2新型Be-Cu合金铸轧辊套的热处理实验

3.4.3新型Be-Cu合金离心铸造成型辊套的力学性能实验

3.5本章小结

第四章新型辊套材料的切削加工性能研究

4.1引言

4.2辊套材料切削加工性能指标的确定

4.2.1衡量工件材料切削加工性的指标

4.2.2工件材料的相对加工性

4.2.3影响工件材料切削加工性的因素

4.2.4工件材料的磨削加工性能

4.2.5新型辊套材料的切削加工性能指标

4.3新型辊套材料的切削加工性综合分析

4.4辊套材料的切削力实验

4.4.1辊套材料的切削力对比实验

4.4.2辊套材料性能对切削力的影响分析

4.5辊套材料的已加工表面粗糙度实验

4.6辊套的磨削加工与辊套工作表面的完整性

4.6.1磨削加工时磨粒的切削过程

4.6.2辊套表面磨削加工后的表面粗糙度

4.6.3辊套表面的宏观缺陷伤痕

4.6.4辊面的磨削烧伤

4.6.5辊面的磨削裂纹

4.7本章小结

第五章新型材料辊套的抗热损伤性能研究(Ⅰ)——新型铍铜辊套的温度场分析

5.1引言

5.2铸轧过程中辊套的热交换行为研究

5.2.1辊套吸收的热量

5.2.2流出辊套的热量

5.3铸轧辊套温度场分析与实验测试

5.3.1铸轧辊套温度场数学模型

5.3.2模型验证

5.3.3计及局部强外冷效应的辊套温度场分析

5.4快速铸轧辊套温度场的仿真分析

5.5本章小结

第六章新型材料辊套的抗热损伤性能研究(Ⅱ)——新型铍铜辊套的热应力场分析

6.1铸轧辊套的疲劳失效历程

6.2铸轧辊套所受载荷分析

6.2.1装配应力

6.2.2轧制应力

6.2.3热应力

6.3铸轧辊套热应力数学模型

6.3.1辊套热应力场数学描述

6.3.2辊套热应力场数学模型

6.4铸轧辊套热应力仿真分析

6.4.1铸轧速度对辊套热应力的影响

6.4.2辊套内表面与冷却介质的换热系数对热应力的影响

6.4.3辊套材料的导热性能对热应力的影响

6.5本章小结

第七章新型铸轧辊套铸轧试验

7.1铝带坯快速铸轧试验基本工艺

7.1.1铸轧试验设备与工艺

7.1.2铸轧试验工艺参数

7.2新型材料铸轧辊套使用情况

7.2.1冷却能力

7.2.2立板情况

7.2.3使用一段时间后铸轧辊套表面情况比较

7.2.4辊套表面温度分布

7.3新型铜合金辊套铸轧带坯的质量

7.3.1板面质量与晶粒度

7.3.2铜合金辊套铸轧带坯的组织结构

7.3.3带坯的力学性能

7.3.4带坯的深冲性能

7.4本章小结

第八章全文总结

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果