Al-12.6％Si薄带双辊快速凝固成形试验研究

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承, 目前应用的许多铝及铝合金薄带,其厚度在0.1～0.5mm范围内,然而,这些薄带目前主要采用传统的熔铸、均匀化、轧制及退火工艺或采用双辊连续铸轧冷轧及多种辅助工序制造。这两种方法生产的产品成品率低、价格高，有的产品组织不均匀性严重［1］。为此，西方一些工业发达国家率先开展了厚度1～6mm薄板带双辊连续铸轧近终成形技术研究，从90年代起已引起世界上众多研究机构和铝业公司的高度重视［2～6］。采用的主要技术手段是提高轧辊辊面线速度。 为了将液态铝及铝合金直接一次成形为0.1～0.5mm厚的薄带,使其接近制品使用厚度,我们开展了双辊快速凝固技术制造铝薄带的研究和设备研制工作。本文介绍了铝薄带双辊快速凝固成形原理、试验设备设计中的关键问题及几个重要参数的估算方法，给出了针对Al-Si共晶合金的试验结果，并进行了分析。1　铝薄带双辊快速凝固成形原理及特点　　 图1为研制的铝薄带双辊快速凝固成形设备示意图。两辊直径相等，且内部通水强制冷却。熔体在惰性气体气压作用下经喷嘴喷射到两相对旋转轧辊缝隙处，建立起一个熔池，熔体从辊面处开始快速冷却、凝固，形成稳定的凝固壳。在不断转动的轧辊辊面摩擦力的作用下，两凝固壳向下移动，至最小缝隙处相遇成薄带。　　与目前生产中大量应用的双辊铸轧法及国内外研究的1～6mm厚薄板带双辊铸轧新技术相比，0.1～0.5mm厚铝带双辊快速凝固成形具有如下特点： 　　(1) 成形带坯厚度与制品使用厚度接近，从而大大减少冷轧道次和辅助工序，缩短薄带生产流程，减少了厂房、设备投资及能源消耗。 　　(2) 辊面线速度大大提高，为2～8.5m／s，冷却速度为104～106℃／s,从而细化了薄带坯晶粒组织，并且大大减轻了偏析。 [img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-7/20087151532.gif[/img]图1　铝薄带双辊快速凝固成形原理示意图1-熔体容器；2-加热线圈；3-熔体；4-熔池；5-薄带；6-辊；7-喷嘴；8-加压N2气入口Fig.1　Schematic of apparatus used for preparation ofrapidly solidified Al strips by double-roller method　　(3) 适用于各种铝合金材料，克服了双辊铸轧中铝合金种类的限制。对于常规铸态脆性较大的铝合金，用此法可制得韧性较好的薄带。2　试验设备设计及几个重要参数的估算2.1　熔体喷射装置及喷速计算　　如图1示，熔体喷射装置由熔体保温装置、喷嘴、惰性气体（如N2气）加压装置构成。喷出熔体温差应控制在±5℃范围内，否则将导致薄带在长度方向上出现较大的厚度波动。目前主要采用浸入式热电偶测量保温容器内熔体温度，并用红外测温法对喷出熔体温度进行实时监测。对于单个圆孔喷嘴(孔径为d),设熔体高度为H,喷射气压为Pe，熔体密度为ρ?l。假定熔体为理想液体，则根据Benoulli方程可得从喷嘴处喷出熔体速度Vl为： 　　　　V1=｛2(Pe／ρ?1＋gH)｝1/2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)式中g为重力加速度。 　　对于偏离理想液较大的熔体，可用下式计算其喷出速度［7］：　　　　V1=｛2／ρ?1(Pe＋ρ?lgH-σ／R)＋［8ηL／(ρ?1R2)］2｝1/2－8ηL／(ρ1R2)　(2)式中，σ为熔体表面张力，R为喷嘴孔半径，η为熔体动力粘度，L为喷嘴孔长度。2.2　辊的结构及冷却速度和界面传热系数估算　　为了获得快速凝固效果，需采用导热性好的辊套材料，并在辊内通水强制冷却。采用的辊套材料有紫铜、铍铜合金等。冷却水槽可采用多种结构型式［8］，其设计原则是保证辊面沿其轴向和圆周方向能得到迅速而均匀的冷却。　　根据无量纲Nusselt数计算［9］，可判定熔体冷却特性。对于本文情况，熔体传热介于牛顿冷却与理想冷却之间，但接近于牛顿冷却。为简化计算，假定熔体传热属于牛顿冷却。根据文献［9］，合金熔体在凝固过程中热流平衡为：　　h(T-TA)＝CPρ1Z0dT／dt＋ΔHmρ1dx／dt　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)式中，T为熔体温度，TA为辊面温度，Cp为熔体定压比热，Z0为薄带厚度的一半，ΔHm为释放的熔化潜热，h为界面传热系数。　　 假定凝固过程中熔化潜热的释放是均匀的，则可得： 　　h＝｛ρ1Z0(CP+ΔHm／ΔT1)｝／｛(T-TA)｝　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-7/200871515332.jpg[/img]式中，ΔT1为合金凝固温度范围，T*为熔体开始凝固后的平均冷速。而T*可根据枝晶间距求出。3　试验结果及分析3.1　试验材料及主要参数 　　试验材料为Al-12.6％Si(Al、Si均为工业纯原料)，保温器内熔体温度高于其熔点40～60℃。双辊辊套为紫铜，辊径φ325mm。轧辊转速0～800r/min，可连续调节。初始辊缝为0.06mm。喷嘴为单孔，孔径分别为1，1.5和2mm。喷射熔体的N2气气压为0.01～0.2MPa，可连续调节。3.2　薄带几何尺寸与辊面线速度和喷嘴孔径的关系3.2.1　薄带厚度　　薄带是依靠依附于两辊面凝固形成的稳定凝固壳相遇融合在一起形成的，将这一相遇点称为全凝固点。当全凝固点位于两辊中心连线上时（如图2a示），薄带厚度与辊缝相当。当全凝固点位于两辊中心连线上方时（如图2b示），薄带先凝固成形，再进行固态轧制，由于此时带的强度低、摩擦大，这将会导致薄带边缘出现裂纹。当全凝固点位于两辊中心连线下方时（如图2c示），则不能成形要求厚度的薄带，甚至形成挂漏现象。为了避免后两种情况发生，将初始辊缝定为0.06mm，并将左边辊轴固定，而使右边辊轴能在一定分离力作用下控制在一定范围内向右移动（最大移动距离为0.5mm）。　　下表给出不同辊面线速度和喷嘴孔径、喷射气压条件下试验所得薄带的厚度。可见,当喷嘴孔径为1mm时,薄带厚度随辊面线速度减小而增大。图3是喷嘴孔径为1mm、喷射气压为0.04MPa时薄带厚度t与辊面线速度Vr的对数关系。薄带厚度t正比于Vr-1/2，这与文献［10,11,12］的结果相符。　　由下表还可知，只要辊面线速度相同，则喷嘴孔径和喷射气压对于薄带厚度影响较小。这可作如下分析：对于一定温度的熔体，假定它沿辊缝流动时热量不散失，则不论喷入辊缝中熔体流量为多大，它在辊缝中形成的熔池的高度是基本相同的。因此，只要辊面线速度（熔体结晶凝固时间）和辊面导热条件一致，则成形薄带厚度一样。但实际上，熔体沿辊缝流动时有散热，故导致薄带厚度随喷嘴孔径、喷射气压等的变化而出现较小变化。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-7/200871515413.gif[/img]图2　全凝固点的位置Fig.2　Illustration of three cases of roll-kiss point表　薄带厚度和宽度与工艺参数的对应关系Table 　Dependence of strip thickness and width on process variables喷嘴直径mm喷射气压MPa辊面线速度m/s薄带厚度mm薄带宽度mm计算熔体喷速m/s计算薄带宽度/mm10.042.120.325.445.015.4510.044.240.214.325.014.1510.046.810.163.605.013.3910.048.500.133.265.013.351.50.064.240.2012.966.6613.041.50.068.500.148.826.669.3020.034.240.2313.744.8214.59　　试验过程中曾希望制备厚度在0.1mm以下的薄带，但即使是在转速为800 r/min(即辊面线速度为13.6m/s)时，薄带厚度也超过了0.1mm。事实上，通过提高转速缩短了结晶凝固时间，但却增大了冷却速度。因此，我们将双辊快速凝固成形薄带 的最小厚度定为0.1mm。而0.1mm以下薄带则由单辊快速凝固法制备。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-7/20087151554.gif[/img]图3　带厚与辊面线速度的关系Fig.3　Variation of strip thickness with the roll surface velocity3.2.2　薄带宽度　　上表给出了试验所得薄带宽度。由上表可见，当喷嘴孔径为1mm、喷射气压为0.04MPa时，试验所得薄带宽度随辊面线速度降低而增大，且喷射气压和喷嘴孔径大小对其值有明显影响。根据质量守恒定律，应有ρ?1AVl＝ρstVrB，故： 　　　　 B=ρ1AVl／(ρstVr)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)式中，B为薄带宽度，ρl为熔体密度，ρs为薄带密度，A为喷嘴孔横截面积，Vl为熔体喷速，Vr为辊面线速度，t为带厚。 　　上表亦给出了不同参数条件下由式(2)计算的熔体喷速和由式(5)计算的薄带宽度。计算中各参数取值为：ρl＝2.5×103kg／m3，ρ?s＝2.66×103kg／m3，H＝0.1m，g＝9.8m／s2，σ＝0.84N／m，η＝25×10-3Pa。s，L＝2×10-3m。上表中B的计算值与实测值基本一致。这说明由式(2)计算的Vl值与实际情形相符。　　 我们也采用多个喷嘴结构(喷孔孔心位于辊缝中线上)制备了宽度较大的薄带(如20～50mm)。只要合理设计喷孔孔心距,即可获得满意的效果。这方面的研究结果将另文介绍。3.3　薄带组织与性能　　前期研究表明［13］，双辊快速凝固成形薄带组织为初晶α-Al和极细小的共晶体（α-Al＋Si）。初晶α-Al分为明显的三层，与辊面接触的两侧晶粒极细小，中央呈菊花状。Si颗粒极细小，扫描分析表明Si呈弥散分布状态。由于Al-Si合金的伪共晶区偏向Si方向，故过冷度越大，初生α-Al比例越大。由于快速凝固效应改善了薄带显微组织，尤其是Si相的形态、尺寸及其分布状态，从而使薄带获得了明显的强韧化效果。薄带抗拉强度较未变质铸态时平均提高了39％，也比变质处理的效果显著。弯曲试验表明其塑性亦得到了明显改善。4　结论　　 (1) 双辊快速凝固成形方法可直接将液态铝硅共晶合金制备成0.1～0.5mm厚的薄带,且带宽可调。也适用于其它金属材料的近成形研究。 　　 (2) 薄带厚度强烈依赖于辊面线速度Vr，且正比于Vr-1/2；薄带宽度随辊面线速度降低或熔体喷射流量增大而增大。 　　 (3) 薄带组织为极细小的α-Al和共晶体(α-Al＋Si),塑性和抗拉强度得到明显提高。

上一篇：捷达轿车转向系统有异响故障维修

下一篇：UC3637在焊接送丝系统中的应用