A390合金管坯半连续铸造工艺与理论研究

摘要

本课题旨在利用半连续铸造方法制备出高质量的过共晶Al-Si合金-A390合金管坯，经过热挤压和热处理后制成可替代传统铁质缸套的汽车用发动机缸套。主要研究铸造工艺对半连续铸造过程稳定性和管坯凝固组织的影响，以获得初生Si颗粒细小且均匀分布的A390合金管坯。 本文采用数值模拟和铸造实验研究相结合的方法，研究了截面尺寸为Φ164 mm/Φ60mm的A390合金管坯半连续铸造过程中的流场、温度场、凝固行为、热收缩和低频电磁场的影响，讨论了芯子锥度、芯子与结晶器的相对高度、分流方式、铸造温度、铸造速度和低频电磁场对上述各种物理场和管坯凝固组织的影响，最终确定A390合金管坯半连续铸造的最佳工艺参数。 首先创建了一个能够描述管坯半连续铸造过程中多物理场相互作用的数学模型，通过与铸造实验结果相比较，该模型能够较为准确地模拟A390合金管坯半连续铸造过程中的熔体流动、热量传输、合金凝固和热收缩。 通过对A390合金管坯半连续铸造过程的数值模拟，结果发现芯子锥度对流场和内侧凝固壳形成的起始点位置影响不大，但对温度场和内侧凝固壳与芯子接触状态有影响，随着芯子锥度的减小，液穴深度逐渐减小，内侧凝固壳壁厚明显增加，芯子与管坯内壁之间的气隙宽度减小，为免内侧凝固壳发生热收缩导致“抱芯”出现的可能性，芯子锥度不应小于1.5°;降低芯子位置可以减小熔体与芯子的接触高度，但内侧凝固壳形成起始点的绝对位置保持不变，当芯子上沿与结晶器上沿高度相等时可使熔池中的熔体流动均匀性最佳;分流方式对温度场和热收缩的影响不明显，但对熔体流动有较为明显的影响，当采用四入口改进型分流方式时，可使进入熔池中熔体的流动对称性更好且更均匀;铸造温度的增加可使熔体流动速度稍有增加，使得内外侧凝固壳形成的起始点位置和液穴底部位置稍有下移;铸造速度的增加使得熔体流动速度加快，液穴深度显著增加，内外侧凝固壳形成的起始点位置逐渐下移;低频电磁场的施加使得熔体发生强烈的强制对流，使得整个熔池中的熔体温度均降低至液相线以下，液穴深度有所增加，内侧凝固壳形成的起始点位置显著上移，但其壁厚变薄。 A390合金管坯半连续铸造的实验结果表明:减小芯子锥度可提高管坯内表面质量，为避免发生“抱芯”和管坯内表面漏铝的可能性，芯子锥度应大于1.5°且小于5°;当芯子上沿低于结晶器上沿15mm时，在铸造过程中即产生了热裂纹，而当两者高度相等时管坯铸造过程能够顺利进行;分流方式对初生Si颗粒尺寸影响不大，但采用四入口改进型分流方式时，管坯中初生Si的分布均匀性最佳;提高铸造温度可以改善管坯中初生Si颗粒的分布均匀性并减小颗粒尺寸;铸造速度的增加加重了管坯内壁上的局部重熔现象，当铸造温度为1000K时，提高铸造速度能够改善管坯中初生Si颗粒的分布均匀性并减小颗粒尺寸，而在铸造温度为1050 K时，提高铸造速度对初生Si颗粒尺寸影响不大，但增加了管坯内外壁上贫Si层的厚度;施加低频电磁场使得管坯中初生Si颗粒的宏观分布均匀性变差且平均尺寸增加。 通过研究各种工艺参数对管坯半连续铸造过程和凝固组织的影响，确定截面尺寸为Φ164 mm/Φ60 mm的A390合金管坯半连续铸造过程的最佳参数:铜质芯子锥度为3°，芯子上沿与结晶器上沿高度相等，分流方式采用四入口改进型，铸造温度为1050 K，铸造速度为100-110 mm/min，制备的管坯中初生Si颗粒的宏观分布均匀，初生Si颗粒的平均尺寸不超过27.6μm。 热处理对A390合金中的初生Si颗粒尺寸和分布影响不大，仅使其棱角发生钝化;共晶Si颗粒尺寸有所增加，共晶Si颗粒的形貌更加圆整化;被溶解的亚稳相Al8Mg3FeSi6（π）周围有Al2Cu(θ)和Al5Cu2Mg8Si6(Q)相析出。热挤压处理可使管坯中少量初生Si颗粒发生破碎;热挤压处理能显著地破碎共晶Si颗粒，并使其形貌更加圆整化;被破碎的金属间化合物相细小而均匀弥散分布于整个基体中。 A390合金经过挤压态+T6热处理后在室温(25℃)下的平均抗拉强度、延伸率分别为386.9MPa和1.47％，而在高温(250℃)下的平均抗拉强度、延伸率分别为186.7MPa和2.07％。其力学性能已达到国内某汽车制造厂提出的性能指标。

目录

声明

摘要

1．1选题意义

1．2过共晶Al-Si合金概述

1．2．2过共晶Al-Si合金中初生Si尺寸和分布的重要性

1．2．3过共晶Al-Si合金中初生Si的变质细化处理

1．2．4过共晶Al-Si合金在汽车发动机用缸套上的应用

1．3铝合金管坯铸造制备方法

1．3．1砂型铸造技术

1．3．2离心铸造技术

1．3．3喷射沉积技术

1．3．4铝合金管坯DC铸造技术

1．3．5电磁场在铝合金DC铸造过程中的应用

1．4铝合金半连续铸造过程的数值模拟技术

1．5本文研究的目的和内容

第2章铝合金管坯半连续铸造过程的数学模型

2．1管坯低频电磁半连续铸造过程中电磁场的控制方程

2．2管坯半连续铸造过程中流场和温度场的控制方程

2．3管坯半连续铸造过程中凝固的数学模型

2．4管坯半连续铸造过程中热变形的数学模型

2．5数值模拟的假设条件

2．6管坯半连续铸造过程模拟的边界条件

2．6． 1电磁场计算的边界条件

2．6．2流场和温度场的边界条件

2．6．3热收缩分析的边界条件

2．7数值模拟的过程和方法

2．8Φ164 mm／Φ60 mm A390合金管坯半连续铸造过程的数学模型

2．8．1实验材料的物性参数

2．8．2初始条件和边界条件

2．8．3物理模型的建立

2．9数学模型的验证

第3章A390合金管坯半连续铸造的实验方法

3．1实验合金及其熔炼

3．2实验设备及方法

3．2．1管坯半连续铸造实验设备

3．2．2管坯挤压设备及方法

3．2．3测温设备及测量方法

3．3管坯样品的分析及检测

3．3．1初生Si宏观分布观察

3．3．2显微组织分析

3．3．3差示扫描量热分析

3．3．4性能检测

第4章Φ164 mm／Φ60 mm管坯半连续铸造过程的数值模拟

4．1管坯内壁处熔体与铜芯接触高度的判定

4．2铜芯锥度大小的影响

4．2．1铜芯锥度对铸造过程中熔体流动的影响

4．2．2铜芯锥度对铸造过程中温度场和热收缩的影响

4．3铜芯与结晶器相对高度的影响

4．3．1铜芯与结晶器相对高度对铸造过程中熔体流动的影响

4．3．2铜芯与结晶器相对高度对铸造过程中温度场和热收缩的影响

4．4分流方式的影响

4．4．1分流方式对铸造过程中熔体流动的影响

4．4．2分流方式对铸造过程中温度场和热收缩的影响

4．5铸造温度的影响

4．5．1铸造温度对管坯铸造过程中熔体流动的影响

4．5．2铸造温度对铸造过程中温度场和热收缩的影响

4．6铸造速度的影响

4．6．1铸造速度对铸造过程中熔体流动的影响

4．6．2铸造速度对铸造过程中温度场和热收缩的影响

4．7低频电磁场的影响

4．7．1低频电磁场的计算结果

4．7．2低频电磁场对管坯铸造过程中熔体流动的影响

4．7．3低频电磁场对铸造过程中温度场和热收缩的影响

4．8本章小结

第5章A390合金管坯半连续铸造的实验结果

5．1 A390合金的变质剂选择

5．2铜芯锥度对A390合金管坯半连续铸造过程的影响

5．3铜芯与结晶器相对高度对A390合金管坯铸造过程的影响

5．4分流方式对A390合金管坯凝固组织的影响

5．5铸造温度对A390合金管坯凝固组织的影响

5．6铸造速度对A390合金管坯铸造过程和凝固组织的影响

5．7低频电磁场对A390合金管坯铸造过程和凝固组织的影响

5．8本章小结

第6章热挤压及热处理对A390合金组织与性能的影响

6．1均匀化处理

6．2管材热挤压

6．2．1管材热挤压实验

6．2．2热挤压实验结果

6．3挤压管材的热处理

6．4 A390合金管坯和管材的性能

6．5本章小结

第7章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所做的工作

作者简介