對我國超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展的分析

王德

摘要：論述了我國超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為我國超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)走健康、穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展的道路提出了建議。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)鋁合金；裝備控制系統(tǒng)；鑄造技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展

中圖分類號：TG146. 21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：HTA

高強(qiáng)度鋁合金（7XXX系列）是航空航天領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料，其具有密度低、強(qiáng)度高、熱處理好等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)代航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展，對高強(qiáng)度鋁合金的強(qiáng)度和綜合性能也提出了更高的要求。因此，材料工作者不斷采用新的鑄造技術(shù)，改善鑄造設(shè)備和控制系統(tǒng)，通過改變合金成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用阻塞的新方法，開發(fā)了各種新型超高強(qiáng)度鋁合金。與國外相比，我國高強(qiáng)度鋁合金的研究起步較晚，整體技術(shù)水平還不足以完善基本理論，技術(shù)和設(shè)備相對落后。為了縮短與國外的差距，趕上世界先進(jìn)水平，高強(qiáng)度鋁合金開發(fā)人員肩負(fù)重任。

1 對我國超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的分析與認(rèn)識

1.1 超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)

1.1.1立式半連續(xù)鑄造

半連續(xù)鑄造工藝過程如圖1所示。

采用半連續(xù)水冷鑄造技術(shù)生產(chǎn)高強(qiáng)度鋁合金板坯的優(yōu)點(diǎn)是鋼坯質(zhì)量高，成型能力好，單機(jī)生產(chǎn)能力大。缺點(diǎn)是超高強(qiáng)度鋁合金的兩相區(qū)域更寬。其合金元素含量高（超過合金總質(zhì)量14%）。大量合金元素以化合物和共晶相的形式存在于晶界，導(dǎo)致裂紋和偏析傾向嚴(yán)重。目前，美國80%的軋制產(chǎn)品都采用這種技術(shù)。Al-zn-m g-Cu是一種具有水冷半連鑄工藝的超高強(qiáng)度鋁合金。

1.1.2氣滑鑄造

氣滑鑄造是近年來鋁合金半連鑄的一種先進(jìn)技術(shù)。原理是在澆鑄過程中（見圖2），壓縮空氣和潤滑油通過模具石墨環(huán)的內(nèi)壁上形成氣體膜石墨環(huán)，在金屬液膜的約束下，石油和天然氣在結(jié)晶器凝固殼中，二次冷卻水，形成鑄錠。氣滑鑄造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是澆注速度快，鑄造表面光滑。缺點(diǎn)是只能提高坯料的表面質(zhì)量，而不能改善內(nèi)部組織。高成本的生產(chǎn)是由于高成本的多孔石墨結(jié)晶器和產(chǎn)生蒸汽的油。

華盛頓州的Wagstaff公司開發(fā)了一種獨(dú)特的空氣SipTM模子的特性，以生產(chǎn)廣泛的合金和高質(zhì)量的鋼錠。氣滑錠的晶粒尺寸要比普通的熱頂鑄造薄得多。特別是“渦輪CRT”系統(tǒng)可以用來改變澆注冷卻水的水流和冷卻能力。

1.1.3電磁鑄造（EMC）

電磁鑄造是使用電磁力來代替正常的半連鑄方法來支持熔體，然后直接水冷卻形成錠（見圖3）。其工作原理為：當(dāng)交流電通過感應(yīng)線圈6 11，I2鑄錠中誘導(dǎo)液5點(diǎn)，在當(dāng)前Il和I2要求產(chǎn)生磁場的液柱內(nèi)外圍（不管如何交流電）總是力f。這就是所謂的“電磁壓力”或“電磁推力”。

1.2、高強(qiáng)鋁合金鑄造裝備及其控制系統(tǒng)

鋁合金鑄造設(shè)備及其控制系統(tǒng)包括鑄造模具、鑄造機(jī)和鑄造設(shè)備控制系統(tǒng)。

1.2.1高強(qiáng)鋁合金鑄造結(jié)晶器

根據(jù)鑄造工藝，可將結(jié)晶器分為直接水冷（DC）澆鑄模具、熱頂鑄造模具和電磁鑄造模具。直接冷連鑄技術(shù)早已出現(xiàn)。所使用的結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)也相對簡單，即通常由內(nèi)套和外套組成，內(nèi)套和內(nèi)套是冷卻水通道，見圖4。在高強(qiáng)度合金和超高強(qiáng)度鋁合金結(jié)晶器的鑄造中，有一個縫隙，主要用于防止側(cè)裂。為了防止扁錠的裂紋，超高強(qiáng)度合金扁錠的寬度和厚度比控制在4左右。

a-鑄造實(shí)心圓滿錠結(jié)晶器； b-鑄造空心圓滿錠結(jié)晶器；c-扁錠結(jié)晶器

1- 芯子；2-結(jié)晶體本體；3-內(nèi)套；4-水套；5二次冷卻水；6-鑄錠

電磁鑄造是一種采用電磁力代替結(jié)晶器的新型連鑄方法。該結(jié)晶器是用來給傳統(tǒng)的結(jié)晶器添加感應(yīng)線圈和電磁屏蔽系統(tǒng)。

1.2.2高強(qiáng)鋁合金半連續(xù)鑄造機(jī)

半連續(xù)鑄造機(jī)包括：鑄造平臺、升降臺、傳動裝置、鑄錠底座、水冷系統(tǒng)。

鋁合金半連續(xù)鑄造機(jī)的產(chǎn)量是：鋼絲繩傳動鑄造機(jī)，螺旋傳動鑄造機(jī)，液壓鑄造機(jī)，鏈驅(qū)動鑄造機(jī)等。因?yàn)閼冶蹅鬏數(shù)奶攸c(diǎn)和支持結(jié)構(gòu)，螺桿鑄造機(jī)不適合多個同時錠鑄造。垂直半連續(xù)鑄造機(jī)牽引動力可分為液壓缸式、鋼絲繩型和螺旋型。鋼絲繩傳動半連鑄機(jī)和液壓半連續(xù)鑄造機(jī)，用于超高強(qiáng)度鋁合金扁錠鑄造設(shè)備。鋼絲繩連鑄機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。但是由于鋼絲繩的快速磨損，鋼絲繩的牽引和澆鑄速度較差，從而影響鋼錠的質(zhì)量。

1.2.3鑄造設(shè)備控制系統(tǒng)

連鑄設(shè)備控制系統(tǒng)直接關(guān)系到連鑄坯的質(zhì)量。連鑄工藝的自動化可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高產(chǎn)量、低消耗，提高連鑄生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

早期的連鑄設(shè)備通常簡單的控制系統(tǒng)，如水晶液面控制系統(tǒng)、牽引裝置控制系統(tǒng)等。近年來，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多大型連鑄設(shè)備取得了全面的在線控制，一種新型的熱頂鑄造等瓦格斯塔夫公司沒有準(zhǔn)備，以及合適的zi Hazelett致命獵人公司，例如一些新的有色合金連鑄和軋制設(shè)備。

該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：連續(xù)鑄造和軋制設(shè)備的控制系統(tǒng)被稱為PIC（Properzi Integrated Control）系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由PIC控制，實(shí)現(xiàn)了連鑄過程的數(shù)字控制。它提供了一套完整的人機(jī)界面軟件，實(shí)現(xiàn)了真正的在線控制（在線控制）。

2 積極采用先進(jìn)的超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)，以促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展

高強(qiáng)度鋁合金具有密度低、重量輕、化學(xué)成分復(fù)雜等特點(diǎn)。這是近年來我國輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料研究與開發(fā)中所研究的一種新型鋁合金材料。它在中國航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。研究的發(fā)展主要有以下兩部分：

2.1國外研究和發(fā)展?fàn)顩r

在研究鋁鋅鎂合金的基礎(chǔ)上，研制了高強(qiáng)度鋁合金。但由于合金的耐蝕性較低，在實(shí)際工作中沒有應(yīng)用。隨后，通過加入錳、鉻、鈦合金等微量元素，提高合金的抗應(yīng)力性和耐蝕性，并首次應(yīng)用于飛機(jī)零部件的制造。最后，一些西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開發(fā)出一種高強(qiáng)度鋁合金，其含氮量高達(dá)8%，采用噴霧技術(shù)，在運(yùn)輸中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2國內(nèi)研究和發(fā)展?fàn)顩r

由于我國超高強(qiáng)度鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用起步較晚，高強(qiáng)度鋁合金的發(fā)展技術(shù)和鑄造工藝并不完善。目前，我國所有鋁合金產(chǎn)品均已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。這些合金中有幾種是在航空航天的敏感領(lǐng)域制造的。近年來，由于中國高強(qiáng)度鋁合金工人的不懈努力和創(chuàng)造，高強(qiáng)度鋁合金將被開發(fā)。我相信在不久的將來，中國的高強(qiáng)度鋁合金業(yè)務(wù)將會邁向更高的臺階。

3 結(jié)語

雖然中國的航空航天工業(yè)提高了強(qiáng)度鋁合金的強(qiáng)度和綜合性能的要求，但是在我國，研究和技術(shù)仍處于高強(qiáng)度鋁合金的發(fā)展時期。其整體水平相對落后，技術(shù)和基礎(chǔ)理論不完善。為解決這些實(shí)際問題，應(yīng)積極研究和探索，結(jié)合實(shí)際情況，改進(jìn)金屬材料，創(chuàng)新采用新堵法、成型和熱處理工藝，研制出各種新型超高強(qiáng)度鋁合金。

參考文獻(xiàn)

[1]孫靜，超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].南方金屬，2010（2）：4-8.

[2]肖榕，超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].裝備制造技術(shù)，2013（7）：197-198.

[3]范長龍，針對超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)的研究[J]黑龍江科技信息，2014（10）：95-95.