變形鎂合金板坯半連鑄：工藝解析與理論探究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)材料性能的要求日益嚴(yán)苛，輕量化、高強(qiáng)度、高韌性的材料成為研究焦點(diǎn)。變形鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，以其密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼吸震降噪性能優(yōu)越、電磁屏蔽性能良好、鑄造性能及切削加工性?xún)?yōu)良等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在航空航天領(lǐng)域，減輕結(jié)構(gòu)重量對(duì)于提高飛行器的性能、降低能耗以及增加有效載荷至關(guān)重要。變形鎂合金的低密度特性能夠顯著減輕飛行器的重量，進(jìn)而提升其飛行性能和燃油效率。例如，在飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)部件中應(yīng)用變形鎂合金，可有效降低飛機(jī)的整體重量，提高飛行速度和航程，同時(shí)減少燃油消耗和排放。在衛(wèi)星等航天器中，使用變形鎂合金制造結(jié)構(gòu)件，能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，減輕航天器的重量，降低發(fā)射成本，并提高其工作性能和可靠性。汽車(chē)工業(yè)也在積極探索變形鎂合金的應(yīng)用，以滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化和節(jié)能減排的需求。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和能源效率的關(guān)注度不斷提高，汽車(chē)制造商紛紛致力于降低汽車(chē)重量，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少尾氣排放。變形鎂合金在汽車(chē)零部件制造中的應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器外殼、輪轂等，不僅能夠有效減輕汽車(chē)重量，還能提高汽車(chē)的操控性能和安全性能。研究表明，汽車(chē)重量每降低10%，燃油消耗可降低6%-8%，尾氣排放可減少5%-6%。因此，變形鎂合金在汽車(chē)工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在3C產(chǎn)品領(lǐng)域，如手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等，消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品的輕薄化、高性能和美觀性有著越來(lái)越高的要求。變形鎂合金的良好加工性能和高強(qiáng)度特性，使其成為制造3C產(chǎn)品外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的理想材料。采用變形鎂合金制造的3C產(chǎn)品外殼，不僅輕薄時(shí)尚，還能有效保護(hù)內(nèi)部組件，同時(shí)提升產(chǎn)品的散熱性能和電磁屏蔽性能，為用戶(hù)帶來(lái)更好的使用體驗(yàn)。然而，變形鎂合金的廣泛應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中板坯的制備質(zhì)量是關(guān)鍵因素之一。半連鑄工藝作為目前制備變形鎂合金板坯的主要方法，對(duì)鎂合金板坯的質(zhì)量和性能起著決定性作用。半連鑄工藝通過(guò)將液態(tài)金屬連續(xù)澆鑄到結(jié)晶器中，并在一定的冷卻條件下使其凝固成坯，具有生產(chǎn)效率高、鑄坯質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。在半連鑄過(guò)程中，金屬液的凝固行為、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布以及鑄坯的組織結(jié)構(gòu)和性能等受到多種工藝參數(shù)的影響，如澆鑄溫度、拉坯速度、冷卻強(qiáng)度等。如果工藝參數(shù)控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)晶粒粗大、組織不均勻、偏析、熱裂紋等缺陷，從而嚴(yán)重影響變形鎂合金的后續(xù)加工性能和使用性能。因此，深入研究變形鎂合金板坯半連鑄工藝及理論，對(duì)于優(yōu)化工藝參數(shù)、提高鑄坯質(zhì)量、拓展變形鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)對(duì)鎂合金半連鑄過(guò)程中凝固行為和組織演變規(guī)律的研究，可以揭示鑄坯缺陷的形成機(jī)制，為制定合理的工藝措施提供理論依據(jù)；通過(guò)優(yōu)化半連鑄工藝參數(shù)，可以改善鑄坯的組織結(jié)構(gòu)和性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率；通過(guò)開(kāi)發(fā)新型半連鑄技術(shù)和裝備，可以進(jìn)一步提升變形鎂合金板坯的制備水平，推動(dòng)鎂合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀變形鎂合金板坯半連鑄工藝及理論的研究在國(guó)內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)圍繞工藝參數(shù)優(yōu)化、凝固組織控制、缺陷形成機(jī)制與控制等方面開(kāi)展了深入研究，取得了一系列有價(jià)值的成果。國(guó)外在變形鎂合金半連鑄領(lǐng)域起步較早，積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果。美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)鎂合金半連鑄過(guò)程中的凝固行為、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究。美國(guó)某研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用先進(jìn)的熱分析技術(shù)和微觀組織觀察手段，深入探究了不同澆鑄溫度和拉坯速度下鎂合金的凝固特性，發(fā)現(xiàn)澆鑄溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大，而拉坯速度過(guò)快則易引發(fā)熱裂紋等缺陷。日本的科研人員通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，為優(yōu)化結(jié)晶器設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。德國(guó)在半連鑄設(shè)備研發(fā)和工藝控制方面處于領(lǐng)先地位，開(kāi)發(fā)出高精度的半連鑄裝備，能夠精確控制澆鑄速度、冷卻強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)，有效提高了鑄坯質(zhì)量。國(guó)內(nèi)對(duì)變形鎂合金板坯半連鑄工藝的研究也取得了顯著進(jìn)展。東北大學(xué)、中南大學(xué)等高校在該領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作。東北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在半連鑄過(guò)程中施加電磁場(chǎng)，成功細(xì)化了鎂合金的晶粒組織，提高了鑄坯的質(zhì)量和性能。他們深入研究了電磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)鎂合金凝固組織的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)合適的電磁頻率和強(qiáng)度能夠有效促進(jìn)熔體的對(duì)流和混合，抑制柱狀晶生長(zhǎng)，使晶粒更加細(xì)小均勻。中南大學(xué)則致力于研究半連鑄工藝參數(shù)與鑄坯質(zhì)量之間的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化澆鑄溫度、拉坯速度和冷卻水量等參數(shù)，減少了鑄坯的偏析和裂紋缺陷，提高了鑄坯的致密度和力學(xué)性能。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在變形鎂合金板坯半連鑄工藝及理論研究方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足和空白。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，雖然已經(jīng)明確了各參數(shù)對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響趨勢(shì)，但目前還缺乏一套精準(zhǔn)的工藝參數(shù)優(yōu)化模型，難以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的智能化調(diào)控。不同成分和規(guī)格的鎂合金板坯在半連鑄過(guò)程中的最佳工藝參數(shù)仍需進(jìn)一步探索和確定。在凝固組織控制方面，雖然外場(chǎng)作用（如電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)等）能夠有效細(xì)化晶粒，但對(duì)于外場(chǎng)與鎂合金熔體之間的相互作用機(jī)制，以及如何精確控制外場(chǎng)參數(shù)以獲得理想的凝固組織，還需要深入研究。目前對(duì)于多場(chǎng)耦合作用下鎂合金的凝固行為和組織演變規(guī)律的研究還相對(duì)較少，難以滿(mǎn)足高性能變形鎂合金板坯制備的需求。在缺陷形成機(jī)制與控制方面，雖然對(duì)一些常見(jiàn)缺陷（如偏析、熱裂紋等）的形成原因有了一定認(rèn)識(shí)，但對(duì)于復(fù)雜工況下缺陷的形成機(jī)制和演變過(guò)程，還缺乏系統(tǒng)深入的研究。針對(duì)一些新型鎂合金體系或特殊規(guī)格板坯的缺陷控制技術(shù)，也有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善。綜上所述，進(jìn)一步深入研究變形鎂合金板坯半連鑄工藝及理論，填補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足和空白，對(duì)于推動(dòng)變形鎂合金在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要意義。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究旨在深入探究變形鎂合金板坯半連鑄工藝及理論，具體研究?jī)?nèi)容如下：半連鑄工藝參數(shù)對(duì)鎂合金板坯質(zhì)量的影響：系統(tǒng)研究澆鑄溫度、拉坯速度、冷卻強(qiáng)度等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)鎂合金板坯質(zhì)量的影響規(guī)律。通過(guò)改變澆鑄溫度，觀察其對(duì)板坯凝固速度、晶粒生長(zhǎng)以及內(nèi)部應(yīng)力分布的影響；調(diào)整拉坯速度，分析其對(duì)板坯表面質(zhì)量、內(nèi)部組織均勻性以及熱裂紋產(chǎn)生傾向的影響；改變冷卻強(qiáng)度，研究其對(duì)板坯溫度場(chǎng)分布、凝固組織形態(tài)以及成分偏析程度的影響。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法，優(yōu)化工藝參數(shù)組合，以獲得高質(zhì)量的鎂合金板坯。半連鑄過(guò)程中鎂合金的凝固行為與組織演變：運(yùn)用熱分析、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等先進(jìn)測(cè)試手段，深入研究半連鑄過(guò)程中鎂合金的凝固行為和組織演變規(guī)律。分析鎂合金在凝固過(guò)程中的形核、長(zhǎng)大機(jī)制，以及柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的條件和影響因素。研究不同工藝參數(shù)下，鎂合金板坯的微觀組織特征，包括晶粒尺寸、形狀、取向分布以及第二相的析出形態(tài)、數(shù)量和分布等。揭示凝固行為和組織演變與工藝參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為控制板坯組織結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。半連鑄過(guò)程的數(shù)值模擬與優(yōu)化：基于傳熱學(xué)、流體力學(xué)和凝固理論，建立變形鎂合金板坯半連鑄過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同工藝參數(shù)下的半連鑄過(guò)程進(jìn)行模擬分析，得到溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)而利用該模型預(yù)測(cè)不同工藝條件下板坯的質(zhì)量，分析潛在的缺陷形成原因。根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化半連鑄工藝參數(shù)和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高板坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率。鎂合金板坯的組織與性能關(guān)系研究：對(duì)不同工藝參數(shù)下制備的鎂合金板坯進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，包括拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、硬度等。結(jié)合微觀組織分析，研究板坯的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。探索通過(guò)控制凝固組織來(lái)提高鎂合金板坯力學(xué)性能的方法和途徑。同時(shí)，研究板坯的耐腐蝕性能、疲勞性能等其他性能指標(biāo)，全面評(píng)估鎂合金板坯的綜合性能，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供性能數(shù)據(jù)支持。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法：實(shí)驗(yàn)研究：搭建變形鎂合金板坯半連鑄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用不同的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，制備鎂合金板坯。利用直讀光譜儀、X射線(xiàn)熒光光譜儀等設(shè)備對(duì)合金成分進(jìn)行精確分析；使用紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)測(cè)量澆鑄溫度和鑄坯表面溫度；借助拉坯速度控制系統(tǒng)精確控制拉坯速度；通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水量和水流分布來(lái)控制冷卻強(qiáng)度。對(duì)制備的板坯進(jìn)行宏觀和微觀組織觀察，利用金相顯微鏡觀察板坯的金相組織，測(cè)量晶粒尺寸和取向分布；采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析板坯的微觀組織特征、第二相的成分和分布。通過(guò)拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試等手段對(duì)板坯的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，利用疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試板坯的疲勞性能，采用電化學(xué)工作站測(cè)試板坯的耐腐蝕性能。數(shù)值模擬：運(yùn)用ANSYS、FLUENT等專(zhuān)業(yè)數(shù)值模擬軟件，建立變形鎂合金板坯半連鑄過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。模型將考慮鎂合金的熱物理性質(zhì)、凝固潛熱釋放、傳熱傳質(zhì)過(guò)程以及結(jié)晶器與鑄坯之間的熱交換等因素。通過(guò)設(shè)定不同的邊界條件和初始條件，模擬不同工藝參數(shù)下的半連鑄過(guò)程，得到溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布云圖和變化曲線(xiàn)。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正和完善，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用優(yōu)化后的模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。理論分析：基于傳熱學(xué)、流體力學(xué)、凝固理論和金屬學(xué)原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。推導(dǎo)半連鑄過(guò)程中的傳熱、流動(dòng)和凝固控制方程，分析溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律及其對(duì)凝固組織和板坯質(zhì)量的影響機(jī)制。研究鎂合金在凝固過(guò)程中的形核、長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)，以及柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的理論模型，探討工藝參數(shù)對(duì)凝固組織演變的影響規(guī)律。通過(guò)理論分析，揭示半連鑄過(guò)程中鎂合金的凝固行為和組織性能調(diào)控機(jī)制，為工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制提供理論依據(jù)。二、半連鑄工藝原理與特點(diǎn)2.1半連鑄工藝的基本原理半連鑄工藝，作為一種獨(dú)特的鑄造方法，其原理基于液態(tài)金屬的傳熱和凝固過(guò)程，巧妙地介于傳統(tǒng)的連續(xù)鑄造和非連續(xù)鑄造之間。在半連鑄過(guò)程中，首先將鎂合金原材料加入到熔爐中進(jìn)行加熱熔煉。通過(guò)精確控制加熱溫度和時(shí)間，使鎂合金完全熔化為液態(tài)，此時(shí)的液態(tài)鎂合金具有良好的流動(dòng)性。在熔煉過(guò)程中，還會(huì)根據(jù)需要加入一些精煉劑，以去除液態(tài)鎂合金中的雜質(zhì)和氣體，提高其純凈度。經(jīng)過(guò)精煉的液態(tài)鎂合金隨后被引入到由循環(huán)水冷卻的結(jié)晶器中。結(jié)晶器通常采用銅合金等導(dǎo)熱性能良好的材料制成，其內(nèi)部形狀與所需鑄造的板坯形狀相匹配。當(dāng)高溫的液態(tài)鎂合金進(jìn)入結(jié)晶器后，由于結(jié)晶器壁的冷卻作用，液態(tài)鎂合金與結(jié)晶器壁接觸的部分迅速散熱，溫度降低，開(kāi)始凝固形成一層固態(tài)的坯殼。隨著液態(tài)鎂合金的不斷注入，坯殼逐漸增厚。在坯殼形成到一定厚度后，引錠裝置開(kāi)始工作，將已經(jīng)凝固的坯殼從結(jié)晶器中緩緩拉出。在拉坯過(guò)程中，繼續(xù)對(duì)坯殼進(jìn)行噴水冷卻，以保證坯殼的溫度持續(xù)降低，使液態(tài)鎂合金不斷凝固，從而逐漸形成完整的鑄坯。拉坯速度需要根據(jù)液態(tài)鎂合金的凝固速度、結(jié)晶器的冷卻能力等因素進(jìn)行精確控制，以確保鑄坯的質(zhì)量。如果拉坯速度過(guò)快，可能導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部凝固不完全，產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷；如果拉坯速度過(guò)慢，則會(huì)影響生產(chǎn)效率，并且可能使鑄坯表面出現(xiàn)冷隔、裂紋等問(wèn)題。在整個(gè)半連鑄過(guò)程中，液態(tài)鎂合金的傳熱過(guò)程十分關(guān)鍵。熱量主要通過(guò)結(jié)晶器壁和噴水冷卻兩個(gè)途徑傳遞出去。在結(jié)晶器內(nèi)，液態(tài)鎂合金與結(jié)晶器壁之間的熱交換主要通過(guò)對(duì)流和傳導(dǎo)進(jìn)行。對(duì)流是由于液態(tài)鎂合金的流動(dòng)而引起的熱量傳遞，而傳導(dǎo)則是通過(guò)結(jié)晶器壁的材料將熱量傳遞出去。噴水冷卻則是利用水的汽化潛熱，將鑄坯表面的熱量帶走，加速鑄坯的凝固。同時(shí)，凝固過(guò)程中的潛熱釋放也會(huì)影響液態(tài)鎂合金的溫度分布和凝固速度。潛熱是指物質(zhì)在凝固過(guò)程中釋放出的熱量，這部分熱量需要及時(shí)散發(fā)出去，否則會(huì)導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部溫度升高，影響凝固質(zhì)量。通過(guò)控制冷卻速度和拉坯速度，可以有效地調(diào)節(jié)潛熱的釋放和傳遞，從而控制鑄坯的凝固組織和性能。2.2半連鑄工藝的特點(diǎn)2.2.1鑄件質(zhì)量方面在鑄件質(zhì)量層面，半連鑄工藝展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)金屬液冷卻速度和凝固過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控，半連鑄工藝能夠有效促進(jìn)晶粒細(xì)化，進(jìn)而獲得組織致密的鑄件。這是因?yàn)樵诎脒B鑄過(guò)程中，較快的冷卻速度使得金屬液中的原子來(lái)不及充分?jǐn)U散，從而增加了形核率，抑制了晶粒的長(zhǎng)大，使鑄件內(nèi)部的晶粒更加細(xì)小、均勻。細(xì)小均勻的晶粒結(jié)構(gòu)不僅能夠提高鑄件的強(qiáng)度和硬度，還能增強(qiáng)其韌性和塑性，使鑄件在承受外力時(shí)，能夠更均勻地分散應(yīng)力，減少裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高鑄件的綜合力學(xué)性能。半連續(xù)鑄造過(guò)程中，金屬液在結(jié)晶器內(nèi)形成較長(zhǎng)的凝固路徑，有助于減少氣孔和夾渣等缺陷的產(chǎn)生。在液態(tài)金屬凝固過(guò)程中，氣體和夾雜物往往會(huì)隨著金屬液的流動(dòng)而移動(dòng)。半連鑄工藝中較長(zhǎng)的凝固路徑使得氣體和夾渣有更多的機(jī)會(huì)上浮到金屬液表面，從而減少了它們?cè)阼T件內(nèi)部的殘留。結(jié)晶器內(nèi)的冷卻條件和金屬液的流動(dòng)狀態(tài)也有利于氣體和夾渣的排出。例如，合理的冷卻速度可以使金屬液的凝固前沿保持相對(duì)平穩(wěn)，避免出現(xiàn)紊流，從而減少氣體和夾渣被卷入鑄件內(nèi)部的可能性。通過(guò)控制結(jié)晶器的冷卻條件和保護(hù)氣氛，半連續(xù)鑄造能夠獲得表面光潔、無(wú)氧化夾渣的優(yōu)質(zhì)鑄件。在半連鑄過(guò)程中，結(jié)晶器的冷卻條件對(duì)鑄件表面質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。合適的冷卻速度可以使鑄件表面迅速凝固，形成一層致密的外殼，阻止了金屬液中的雜質(zhì)和氣體向表面擴(kuò)散，從而減少了表面缺陷的產(chǎn)生。保護(hù)氣氛的使用也是提高鑄件表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。在鑄造過(guò)程中，向結(jié)晶器內(nèi)通入惰性氣體（如氬氣、氮?dú)獾龋梢杂行У馗綦x金屬液與空氣的接觸，防止金屬液表面被氧化，避免了氧化夾渣的形成。這不僅提高了鑄件的表面質(zhì)量，使其表面更加光潔，還能改善鑄件的耐腐蝕性，延長(zhǎng)其使用壽命。2.2.2生產(chǎn)效率方面半連鑄工藝在生產(chǎn)效率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，這主要得益于其較高的自動(dòng)化程度、高效的生產(chǎn)流程以及快速換模的特性。半連鑄生產(chǎn)線(xiàn)通常配備先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，從金屬液的熔煉、澆注到鑄坯的拉拔、冷卻等各個(gè)環(huán)節(jié)，都能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。自動(dòng)化系統(tǒng)能夠精確控制工藝參數(shù)，如澆注溫度、拉坯速度、冷卻強(qiáng)度等，確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和一致性。這不僅減少了人工干預(yù)和操作失誤，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，還大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，使得生產(chǎn)能夠連續(xù)、穩(wěn)定地進(jìn)行，從而提高了生產(chǎn)效率。例如，在某變形鎂合金板坯半連鑄生產(chǎn)線(xiàn)上，通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，相比傳統(tǒng)的間歇式鑄造工藝，生產(chǎn)效率提高了數(shù)倍。半連鑄工藝簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)鑄造工藝流程，減少了模具更換和清理的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。在傳統(tǒng)鑄造工藝中，每次鑄造后都需要對(duì)模具進(jìn)行清理、修復(fù)和重新裝配，這不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，還會(huì)影響生產(chǎn)的連續(xù)性。而半連鑄工藝采用的結(jié)晶器具有較長(zhǎng)的使用壽命，在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需頻繁更換模具。半連鑄工藝的生產(chǎn)流程相對(duì)簡(jiǎn)單，金屬液可以連續(xù)地注入結(jié)晶器中進(jìn)行凝固成型，避免了傳統(tǒng)鑄造工藝中頻繁的起模、合模等操作，大大縮短了生產(chǎn)周期。例如，在生產(chǎn)相同規(guī)格的鎂合金板坯時(shí)，半連鑄工藝的生產(chǎn)周期比傳統(tǒng)砂型鑄造工藝縮短了約50%，有效提高了生產(chǎn)效率。半連鑄的模具設(shè)計(jì)通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于快速更換模具，適應(yīng)不同鑄件的生產(chǎn)需求。當(dāng)需要生產(chǎn)不同規(guī)格或形狀的鑄件時(shí)，只需要更換相應(yīng)的模具模塊，而無(wú)需對(duì)整個(gè)模具進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造。這種模塊化的設(shè)計(jì)理念使得模具更換過(guò)程更加便捷、高效，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成模具的更換和調(diào)試，迅速切換到新的生產(chǎn)任務(wù)。這不僅提高了生產(chǎn)的靈活性，能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)多樣化產(chǎn)品的需求，還減少了因模具更換而導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷時(shí)間，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。例如，在某半連鑄生產(chǎn)車(chē)間，通過(guò)采用模塊化模具設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在30分鐘內(nèi)完成模具更換，快速切換到不同規(guī)格鎂合金板坯的生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率和市場(chǎng)響應(yīng)能力。2.2.3材料利用率方面半連鑄工藝在材料利用率方面表現(xiàn)出色，能夠有效減少材料浪費(fèi)，優(yōu)化鑄件設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)高回收利用率。在半連鑄過(guò)程中，通過(guò)精確控制金屬液的流動(dòng)和充型過(guò)程，能夠使金屬液更均勻地填充結(jié)晶器，減少了因充型不足或過(guò)度充型而導(dǎo)致的材料浪費(fèi)。精確的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以確保金屬液以合適的速度和流量進(jìn)入結(jié)晶器，避免了金屬液的飛濺和溢流，從而降低了廢品率，提高了材料的利用率。在傳統(tǒng)鑄造工藝中，由于充型過(guò)程難以精確控制，常常會(huì)出現(xiàn)鑄件局部缺肉或多肉的情況，導(dǎo)致大量的材料浪費(fèi)。而半連鑄工藝通過(guò)優(yōu)化澆注系統(tǒng)和控制工藝參數(shù)，能夠有效避免這些問(wèn)題的發(fā)生，使材料利用率得到顯著提高。例如，在某鎂合金板坯半連鑄生產(chǎn)中，通過(guò)精確控制金屬液的流動(dòng)和充型過(guò)程，材料利用率從傳統(tǒng)鑄造工藝的70%提高到了85%以上。根據(jù)半連鑄的特點(diǎn)，可以對(duì)鑄件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少不必要的金屬結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步節(jié)約材料。半連鑄工藝能夠生產(chǎn)出組織致密、性能優(yōu)良的鑄件，這使得在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，可以充分利用其性能優(yōu)勢(shì)，適當(dāng)減小鑄件的壁厚或去除一些不必要的加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，在保證鑄件使用性能的前提下，達(dá)到節(jié)約材料的目的。例如，對(duì)于一些承受靜載荷的鎂合金結(jié)構(gòu)件，在采用半連鑄工藝生產(chǎn)時(shí)，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將壁厚減薄10%-20%，而不會(huì)影響其力學(xué)性能，從而有效減少了材料的使用量，降低了生產(chǎn)成本。對(duì)于廢舊鑄件和生產(chǎn)過(guò)程中的邊角料，半連鑄工藝可以實(shí)現(xiàn)高回收利用率，降低生產(chǎn)成本。在半連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生的廢舊鑄件和邊角料可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理后，重新回爐熔煉，作為原材料再次投入生產(chǎn)。由于半連鑄工藝對(duì)原材料的純凈度要求相對(duì)較低，這些回收的材料可以與新的原材料按一定比例混合使用，不會(huì)對(duì)鑄件質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。這種高回收利用率不僅減少了資源的浪費(fèi)，降低了對(duì)新原材料的依賴(lài)，還降低了生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。例如，某半連鑄生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)對(duì)廢舊鑄件和邊角料的回收利用，每年可節(jié)約原材料采購(gòu)成本數(shù)十萬(wàn)元，同時(shí)減少了廢棄物的排放，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。2.3半連鑄工藝與其他鑄造工藝的對(duì)比半連鑄工藝作為一種獨(dú)特的鑄造方法，在鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本等方面與砂型鑄造、壓鑄、傳統(tǒng)連續(xù)鑄造等工藝存在顯著差異。在鑄件質(zhì)量方面，砂型鑄造采用砂作為主要造型材料，適應(yīng)性廣泛，小件、大件，簡(jiǎn)單件、復(fù)雜件，單件、大批量生產(chǎn)均可適用，且模具成本相對(duì)較低，對(duì)于小批量及大件生產(chǎn)具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。但由于砂質(zhì)鑄型只能使用一次，生產(chǎn)效率低下，且砂的整體性軟而多孔，導(dǎo)致鑄件尺寸精度較低，表面較為粗糙，內(nèi)部組織也不夠致密，容易出現(xiàn)氣孔、砂眼等缺陷。壓鑄是在壓鑄機(jī)上進(jìn)行的金屬型壓力鑄造，金屬液在高壓、高速下充填型腔，并在高壓下成形、凝固。這使得壓鑄件具有較高的尺寸精度和良好的表面質(zhì)量，能夠生產(chǎn)出薄壁、復(fù)雜形狀的鑄件，生產(chǎn)效率極高。然而，壓鑄過(guò)程中金屬液容易夾裹空氣形成皮下氣孔，因此鋁合金壓鑄件不宜進(jìn)行熱處理，鋅合金壓鑄件不宜進(jìn)行表面噴塑，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。傳統(tǒng)連續(xù)鑄造能夠?qū)崿F(xiàn)金屬的連續(xù)凝固和成形，生產(chǎn)效率較高，適合大規(guī)模生產(chǎn)。但鑄件的冷卻速度相對(duì)較慢，導(dǎo)致晶粒較為粗大，組織均勻性欠佳，力學(xué)性能也相對(duì)較弱。在生產(chǎn)過(guò)程中，還容易出現(xiàn)偏析、縮孔等缺陷，影響鑄件質(zhì)量。相比之下，半連鑄工藝通過(guò)精確控制結(jié)晶器內(nèi)金屬液的冷卻速度和凝固過(guò)程，能夠獲得組織致密、晶粒細(xì)小均勻的鑄件，有效減少氣孔和夾渣等缺陷，表面質(zhì)量良好。同時(shí)，半連鑄工藝在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)金屬液的流動(dòng)和充型控制較為精準(zhǔn)，能夠避免傳統(tǒng)連續(xù)鑄造中常見(jiàn)的偏析和縮孔問(wèn)題，提高鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性。在生產(chǎn)效率方面，砂型鑄造由于每個(gè)砂質(zhì)鑄型只能澆注一次，鑄型制作、裝配和清理等工序繁瑣，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低下，難以滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。壓鑄的生產(chǎn)效率在幾種鑄造工藝中最高，壓鑄機(jī)能夠快速完成合模、澆注、保壓、開(kāi)模等一系列動(dòng)作，且模具壽命較長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，適合大批量生產(chǎn)小型、復(fù)雜的鑄件。傳統(tǒng)連續(xù)鑄造能夠連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率也較高，但設(shè)備調(diào)試和維護(hù)較為復(fù)雜，更換產(chǎn)品規(guī)格時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整設(shè)備參數(shù)和模具，生產(chǎn)靈活性相對(duì)較差。半連鑄工藝生產(chǎn)線(xiàn)通常配備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、穩(wěn)定的生產(chǎn)，減少了人工干預(yù)和操作失誤。同時(shí)，半連鑄工藝簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)鑄造工藝流程，減少了模具更換和清理的時(shí)間，模具設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于快速更換模具，適應(yīng)不同鑄件的生產(chǎn)需求，生產(chǎn)效率較高，且具有較好的生產(chǎn)靈活性。從成本角度來(lái)看，砂型鑄造的模具成本相對(duì)較低，特別是在小批量及大件生產(chǎn)中，價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯。但由于生產(chǎn)效率低，單位鑄件的生產(chǎn)成本較高，且廢品率相對(duì)較高，進(jìn)一步增加了成本。壓鑄的設(shè)備和模具成本高昂，壓鑄機(jī)價(jià)格昂貴，模具制造難度大、成本高，適合大批量生產(chǎn)以分?jǐn)偝杀尽?duì)于小批量生產(chǎn)，壓鑄的成本過(guò)高，不具有經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)連續(xù)鑄造設(shè)備投資較大，需要配備大型的熔煉、澆注、冷卻和牽引設(shè)備，但由于生產(chǎn)效率高，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)單位鑄件的成本較低。半連鑄工藝雖然設(shè)備投資也較大，但由于其生產(chǎn)效率高、廢品率低、材料利用率高，且能夠?qū)U舊鑄件和邊角料進(jìn)行高回收利用，綜合成本相對(duì)較低。在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)精確控制金屬液的流動(dòng)和充型過(guò)程，減少了材料浪費(fèi)，還可以根據(jù)半連鑄的特點(diǎn)對(duì)鑄件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少不必要的金屬結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步節(jié)約材料成本。三、變形鎂合金板坯半連鑄工藝3.1變形鎂合金的特性及應(yīng)用變形鎂合金作為一種輕質(zhì)金屬材料，具有一系列獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)特性，使其在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在物理特性方面，變形鎂合金的密度約為1.74g/cm3，僅為鋁的2/3、鋼的1/4，是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。這種低密度特性使得在對(duì)重量有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，如航空航天、汽車(chē)等，變形鎂合金具有巨大的應(yīng)用潛力。通過(guò)使用變形鎂合金制造零部件，可以顯著減輕產(chǎn)品重量，從而提高能源利用效率，降低運(yùn)行成本。鎂合金還具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，其導(dǎo)熱系數(shù)約為150-250W/(m?K)，在電子設(shè)備散熱和電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。例如，在電子設(shè)備中，利用鎂合金的良好導(dǎo)熱性可以有效降低芯片等關(guān)鍵部件的溫度，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。從化學(xué)特性來(lái)看，鎂是一種活潑金屬，在空氣中容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成一層致密的氧化鎂保護(hù)膜。這層保護(hù)膜在一定程度上可以阻止鎂合金進(jìn)一步被氧化，提高其耐腐蝕性。然而，在一些特殊環(huán)境下，如潮濕的海洋環(huán)境或強(qiáng)酸堿環(huán)境中，鎂合金的耐腐蝕性仍然面臨挑戰(zhàn)。為了提高鎂合金的耐腐蝕性，通常會(huì)采用表面處理技術(shù)，如陽(yáng)極氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、電鍍等，在鎂合金表面形成一層更加致密、穩(wěn)定的保護(hù)膜，從而延長(zhǎng)其使用壽命。變形鎂合金的力學(xué)特性也十分突出。它具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，即強(qiáng)度與密度的比值和剛度與密度的比值較高。在保證一定強(qiáng)度和剛度的前提下，使用變形鎂合金可以有效減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。例如，在航空航天領(lǐng)域，一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件采用變形鎂合金制造，不僅能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求，還能顯著減輕飛行器的重量，提高飛行性能。變形鎂合金還具有良好的阻尼減震性能，能夠有效地吸收和衰減振動(dòng)能量，減少振動(dòng)和噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等部件中應(yīng)用變形鎂合金，可以降低振動(dòng)和噪聲，提高乘坐舒適性?；谶@些優(yōu)異的特性，變形鎂合金在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，由于對(duì)飛行器的重量和性能要求極高，變形鎂合金成為制造飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件等的理想材料。采用變形鎂合金制造這些部件，可以有效減輕飛行器的重量，提高飛行速度、航程和燃油效率，同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保飛行器在復(fù)雜的飛行環(huán)境中安全可靠地運(yùn)行。在汽車(chē)工業(yè)中，隨著對(duì)節(jié)能減排和汽車(chē)輕量化的要求日益提高，變形鎂合金在汽車(chē)零部件制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器外殼、輪轂、座椅骨架等部件都可以采用變形鎂合金制造。使用變形鎂合金制造這些零部件，不僅可以減輕汽車(chē)重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，還能改善汽車(chē)的操控性能和安全性能。研究表明，汽車(chē)重量每降低10%，燃油消耗可降低6%-8%，尾氣排放可減少5%-6%。在3C產(chǎn)品領(lǐng)域，如手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等，消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品的輕薄化、高性能和美觀性有著越來(lái)越高的要求。變形鎂合金良好的加工性能和高強(qiáng)度特性，使其成為制造3C產(chǎn)品外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的理想材料。采用變形鎂合金制造的3C產(chǎn)品外殼，不僅輕薄時(shí)尚，還能有效保護(hù)內(nèi)部組件，同時(shí)提升產(chǎn)品的散熱性能和電磁屏蔽性能，為用戶(hù)帶來(lái)更好的使用體驗(yàn)。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，變形鎂合金的生物相容性和可降解性使其具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。一些研究表明，鎂合金在生物體內(nèi)可以逐漸降解，不會(huì)對(duì)人體造成長(zhǎng)期的不良影響。因此，鎂合金有望用于制造可降解的醫(yī)療器械，如骨固定器件、心血管支架等，為患者提供更好的治療效果。3.2半連鑄工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)3.2.1熔煉與澆注熔煉是半連鑄工藝的起始環(huán)節(jié)，對(duì)鎂合金的質(zhì)量起著基礎(chǔ)性作用。熔煉設(shè)備的選擇至關(guān)重要，通常選用電阻加熱熔化爐和電阻加熱保溫靜置爐相結(jié)合的方式。電阻加熱熔化爐能夠快速將鎂合金原材料加熱至熔化狀態(tài)，其加熱效率高、溫度控制精準(zhǔn)，可有效減少能源消耗和熔煉時(shí)間。電阻加熱保溫靜置爐則用于對(duì)熔化后的鎂合金液進(jìn)行保溫和靜置處理，確保鎂合金液的溫度均勻穩(wěn)定，同時(shí)使其中的雜質(zhì)和氣體有足夠的時(shí)間上浮至液面，便于去除。在原材料選擇方面，應(yīng)優(yōu)先選用高純度的鎂錠作為基礎(chǔ)原料，并嚴(yán)格控制其他合金元素的添加比例和純度。高純度的鎂錠可以減少雜質(zhì)的引入，提高鎂合金的純凈度，從而改善其性能。合金元素的添加對(duì)于調(diào)整鎂合金的性能至關(guān)重要，如添加鋁元素可以提高鎂合金的強(qiáng)度和硬度，添加鋅元素可以改善其鑄造性能和耐腐蝕性。但合金元素的添加量必須嚴(yán)格按照配方要求進(jìn)行控制，否則會(huì)影響鎂合金的性能穩(wěn)定性。例如，在制備某型號(hào)的變形鎂合金時(shí)，若鋁元素的添加量超出規(guī)定范圍，可能導(dǎo)致合金的脆性增加，降低其加工性能和使用性能。熔煉溫度的控制是確保鎂合金質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。一般來(lái)說(shuō)，變形鎂合金的熔煉溫度控制在700-750℃較為適宜。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，鎂合金能夠充分熔化，且合金元素能夠均勻溶解在鎂液中，形成均勻的合金液。溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鎂合金的吸氣量增加，容易引入氣體雜質(zhì)，同時(shí)還可能使合金元素?zé)龘p，影響合金的成分和性能；溫度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致合金熔化不完全，合金元素分布不均勻，從而產(chǎn)生成分偏析等缺陷。為了精確控制熔煉溫度，通常會(huì)在熔煉設(shè)備上安裝高精度的溫度傳感器和溫控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整熔煉溫度。澆注環(huán)節(jié)直接影響著鑄坯的成型質(zhì)量，其中澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、澆注溫度和速度的控制尤為關(guān)鍵。澆注系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)合理，確保金屬液能夠平穩(wěn)、均勻地流入結(jié)晶器。通常采用底注式澆注系統(tǒng)，這種澆注方式可以減少金屬液的沖擊和飛濺，避免卷入氣體和夾雜物。澆注系統(tǒng)中的澆口、流道等部件的尺寸和形狀需要根據(jù)鑄坯的尺寸和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證金屬液的流速和流量穩(wěn)定。例如，澆口的尺寸應(yīng)根據(jù)鑄坯的厚度和寬度進(jìn)行調(diào)整，以確保金屬液能夠快速、均勻地填充結(jié)晶器，同時(shí)避免出現(xiàn)澆不足或冷隔等缺陷。澆注溫度一般控制在680-720℃，略低于熔煉溫度。這是因?yàn)樵跐沧⑦^(guò)程中，金屬液需要保持一定的流動(dòng)性，以便順利填充結(jié)晶器，但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鑄坯凝固速度減慢，容易產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷。澆注速度則需要根據(jù)鑄坯的尺寸、形狀以及結(jié)晶器的冷卻能力等因素進(jìn)行精確控制。一般來(lái)說(shuō)，澆注速度控制在0.5-1.5m/min較為合適。如果澆注速度過(guò)快，金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)短，來(lái)不及充分凝固，容易導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)缺陷；如果澆注速度過(guò)慢，會(huì)影響生產(chǎn)效率，同時(shí)可能使鑄坯表面出現(xiàn)冷隔、裂紋等問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)澆注設(shè)備的流量控制閥來(lái)控制澆注速度，并利用紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)澆注溫度，確保澆注過(guò)程的穩(wěn)定性和鑄坯質(zhì)量。3.2.2冷卻與脫模冷卻在半連鑄工藝中對(duì)控制鑄坯的凝固速度和組織形態(tài)起著決定性作用，直接關(guān)系到鑄坯的質(zhì)量和性能。常見(jiàn)的冷卻方式包括水冷和氣冷，其中水冷因其冷卻速度快、效率高而被廣泛應(yīng)用。在水冷過(guò)程中，通過(guò)在結(jié)晶器外部設(shè)置循環(huán)水套，使冷卻水在水套內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，帶走鑄坯凝固過(guò)程中釋放的熱量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯的快速冷卻。冷卻水的流量和溫度是影響冷卻速度的關(guān)鍵因素，需要根據(jù)鑄坯的尺寸、材質(zhì)以及工藝要求進(jìn)行精確控制。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于較大尺寸的鑄坯或凝固潛熱較大的鎂合金，需要增大冷卻水的流量，以提高冷卻速度；而對(duì)于一些對(duì)冷卻速度較為敏感的鎂合金，需要精確控制冷卻水的溫度，避免因冷卻速度過(guò)快導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生裂紋等缺陷。氣冷則主要利用空氣的對(duì)流散熱來(lái)冷卻鑄坯，其冷卻速度相對(duì)較慢，但可以在一定程度上避免因水冷速度過(guò)快而產(chǎn)生的缺陷。氣冷通常作為水冷的輔助冷卻方式，在鑄坯脫模后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步冷卻，以降低鑄坯的殘余應(yīng)力，提高其尺寸穩(wěn)定性。在氣冷過(guò)程中，空氣的流速和溫度同樣需要進(jìn)行合理控制。通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和出風(fēng)口的位置，可以控制空氣的流速，使其均勻地吹拂在鑄坯表面；通過(guò)調(diào)節(jié)空氣的溫度，可以控制鑄坯的冷卻速度，避免鑄坯表面出現(xiàn)過(guò)大的溫度梯度。冷卻速度的精確控制對(duì)于獲得理想的鑄坯組織和性能至關(guān)重要。如果冷卻速度過(guò)快，鑄坯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生；同時(shí)，過(guò)快的冷卻速度還可能使鑄坯的晶粒細(xì)化過(guò)度，導(dǎo)致其韌性下降。相反，如果冷卻速度過(guò)慢，鑄坯的凝固時(shí)間延長(zhǎng)，容易出現(xiàn)晶粒粗大、成分偏析等問(wèn)題，影響鑄坯的力學(xué)性能。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)鎂合金的成分、鑄坯的尺寸和形狀等因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬分析，確定最佳的冷卻速度，并通過(guò)調(diào)整冷卻介質(zhì)的流量、溫度和流速等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻速度的精確控制。脫模是半連鑄工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它直接影響到鑄坯的表面質(zhì)量和完整性。常見(jiàn)的脫模方式有機(jī)械脫模和熱脫模兩種。機(jī)械脫模通常采用頂桿、脫模架等裝置，通過(guò)施加外力將鑄坯從結(jié)晶器中頂出或拉出。在機(jī)械脫模過(guò)程中，需要注意脫模力的大小和方向，避免因脫模力過(guò)大導(dǎo)致鑄坯變形或損壞，同時(shí)要確保脫模過(guò)程的平穩(wěn)性，防止鑄坯在脫模過(guò)程中受到?jīng)_擊而產(chǎn)生裂紋。例如，在設(shè)計(jì)頂桿時(shí)，需要根據(jù)鑄坯的形狀和尺寸合理分布頂桿的位置，使頂桿能夠均勻地施加脫模力，避免鑄坯局部受力過(guò)大。熱脫模則是利用金屬在加熱后熱膨脹系數(shù)增大的原理，通過(guò)對(duì)結(jié)晶器或鑄坯進(jìn)行加熱，使鑄坯與結(jié)晶器之間產(chǎn)生間隙，從而實(shí)現(xiàn)脫模。熱脫?？梢杂行П苊鈾C(jī)械脫模過(guò)程中對(duì)鑄坯表面的損傷，但需要精確控制加熱溫度和時(shí)間，以免鑄坯過(guò)熱導(dǎo)致性能下降。在熱脫模過(guò)程中，通常會(huì)使用感應(yīng)加熱、電阻加熱等方式對(duì)結(jié)晶器或鑄坯進(jìn)行加熱，并通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱溫度，確保加熱過(guò)程的安全性和有效性。脫模溫度的控制同樣不容忽視。如果脫模溫度過(guò)高，鑄坯的強(qiáng)度較低，容易在脫模過(guò)程中發(fā)生變形；如果脫模溫度過(guò)低，鑄坯與結(jié)晶器之間的粘附力較大，增加了脫模難度，同時(shí)也可能導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)拉傷等缺陷。一般來(lái)說(shuō)，脫模溫度控制在200-300℃較為適宜，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，鑄坯具有一定的強(qiáng)度，能夠承受脫模過(guò)程中的外力，同時(shí)與結(jié)晶器之間的粘附力較小，便于脫模。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)鎂合金的成分、鑄坯的尺寸和形狀等因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳的脫模溫度，并在脫模過(guò)程中嚴(yán)格控制鑄坯的溫度，確保脫模質(zhì)量。3.2.3結(jié)晶器設(shè)計(jì)結(jié)晶器作為半連鑄工藝的核心部件，其結(jié)構(gòu)和材料選擇直接關(guān)系到鑄坯的質(zhì)量和性能。結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)因素，以確保其能夠滿(mǎn)足鑄坯凝固過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)和成型要求。結(jié)晶器的內(nèi)腔形狀應(yīng)與鑄坯的形狀相匹配，以保證金屬液能夠均勻地填充結(jié)晶器，并在凝固過(guò)程中形成良好的坯殼。對(duì)于板坯結(jié)晶器，通常采用矩形或梯形內(nèi)腔設(shè)計(jì)，以適應(yīng)板坯的形狀特點(diǎn)；對(duì)于圓坯結(jié)晶器，則采用圓形內(nèi)腔設(shè)計(jì)。結(jié)晶器的長(zhǎng)度也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，它直接影響到鑄坯的凝固速度和質(zhì)量。結(jié)晶器長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，會(huì)增加金屬液的冷卻時(shí)間，導(dǎo)致鑄坯凝固速度減慢，容易出現(xiàn)晶粒粗大、成分偏析等問(wèn)題；結(jié)晶器長(zhǎng)度過(guò)短，則無(wú)法保證鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)形成足夠厚度的坯殼，容易導(dǎo)致鑄坯在拉出結(jié)晶器后發(fā)生變形或漏鋼。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)晶器的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)鑄坯的尺寸、澆注速度和冷卻條件等因素進(jìn)行合理選擇，以確保鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的坯殼，并在拉出結(jié)晶器后能夠繼續(xù)凝固成型。結(jié)晶器的錐度設(shè)計(jì)也不容忽視。由于金屬在凝固過(guò)程中會(huì)發(fā)生收縮，為了補(bǔ)償這種收縮，結(jié)晶器的內(nèi)腔通常設(shè)計(jì)有一定的錐度。合理的錐度設(shè)計(jì)可以使鑄坯在凝固過(guò)程中與結(jié)晶器壁保持良好的接觸，減少氣隙的產(chǎn)生，提高傳熱效率，從而改善鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部組織。錐度設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力增大，容易引起鑄坯表面劃傷、裂紋等缺陷，同時(shí)還會(huì)影響鑄坯的尺寸精度。結(jié)晶器的材料選擇對(duì)其性能和使用壽命有著至關(guān)重要的影響。常用的結(jié)晶器材料有銅合金、不銹鋼等。銅合金具有良好的導(dǎo)熱性和耐磨性，能夠快速將鑄坯凝固過(guò)程中釋放的熱量傳遞出去，同時(shí)在高溫下具有較好的強(qiáng)度和硬度，能夠承受鑄坯的熱應(yīng)力和摩擦力，因此被廣泛應(yīng)用于結(jié)晶器的制造。例如，鉻鋯銅合金是一種常用的結(jié)晶器材料，它具有較高的導(dǎo)熱率和良好的耐磨性，能夠有效地提高結(jié)晶器的冷卻效率和使用壽命。不銹鋼則具有較好的耐腐蝕性和高溫強(qiáng)度，在一些特殊的鑄造工藝中，如在含有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境下進(jìn)行鑄造時(shí)，不銹鋼結(jié)晶器能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。但不銹鋼的導(dǎo)熱性相對(duì)較差，在使用不銹鋼結(jié)晶器時(shí)，需要通過(guò)優(yōu)化結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)，來(lái)提高其冷卻效率，以滿(mǎn)足鑄坯凝固的要求。不同的材料對(duì)鑄件質(zhì)量的影響也各不相同。銅合金結(jié)晶器由于其良好的導(dǎo)熱性，能夠使鑄坯表面迅速凝固，形成致密的坯殼，減少氣孔、夾渣等缺陷的產(chǎn)生，提高鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部組織均勻性。但銅合金結(jié)晶器在高溫下容易與鎂合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致銅元素滲入鑄坯中，影響鑄坯的性能。因此，在使用銅合金結(jié)晶器時(shí)，需要在結(jié)晶器內(nèi)壁鍍上一層防護(hù)涂層，如鎳涂層、鉻涂層等，以防止銅元素的滲入。不銹鋼結(jié)晶器雖然耐腐蝕性好，但由于其導(dǎo)熱性差，鑄坯的冷卻速度相對(duì)較慢，容易導(dǎo)致鑄坯晶粒粗大，組織均勻性欠佳。為了改善這一問(wèn)題，可以在不銹鋼結(jié)晶器內(nèi)部設(shè)置冷卻水管或采用強(qiáng)制冷卻方式，增加冷卻強(qiáng)度，提高鑄坯的冷卻速度。結(jié)晶器的維護(hù)和保養(yǎng)對(duì)于保證其正常運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要。在每次使用前，應(yīng)對(duì)結(jié)晶器進(jìn)行全面檢查，包括內(nèi)腔表面的光潔度、冷卻系統(tǒng)的密封性、錐度的準(zhǔn)確性等。如果發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)腔表面有劃傷、磨損或結(jié)垢等問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)和清理，以保證鑄坯的表面質(zhì)量。例如，可以采用打磨、拋光等方法修復(fù)結(jié)晶器內(nèi)腔表面的劃傷和磨損，使用化學(xué)清洗劑去除結(jié)垢。在使用過(guò)程中，要注意控制結(jié)晶器的工作溫度和壓力，避免超溫、超壓運(yùn)行，以免損壞結(jié)晶器。同時(shí)，要定期對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行清洗和維護(hù)，防止冷卻水管堵塞，影響冷卻效果。冷卻系統(tǒng)中的過(guò)濾器應(yīng)定期更換，以保證冷卻水的清潔度，避免雜質(zhì)進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，對(duì)結(jié)晶器造成損壞。使用后，應(yīng)及時(shí)對(duì)結(jié)晶器進(jìn)行清洗和保養(yǎng)，去除殘留的金屬液和雜質(zhì)，并在結(jié)晶器表面涂抹防護(hù)油，防止生銹和腐蝕。結(jié)晶器的存放環(huán)境也應(yīng)保持干燥、通風(fēng)，避免潮濕和腐蝕性氣體對(duì)結(jié)晶器造成損害。3.3工藝參數(shù)對(duì)板坯質(zhì)量的影響3.3.1鑄造速度鑄造速度是半連鑄工藝中影響板坯質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)板坯的組織、性能和缺陷有著顯著的影響。當(dāng)鑄造速度較低時(shí)，金屬液在結(jié)晶器內(nèi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行凝固和結(jié)晶，使得晶粒有較為充分的生長(zhǎng)時(shí)間。在這種情況下，晶粒生長(zhǎng)較為均勻，柱狀晶生長(zhǎng)方向較為規(guī)則，有利于形成較為致密的鑄坯組織。較低的鑄造速度還能使金屬液中的氣體和夾雜物有更多機(jī)會(huì)上浮排出，從而減少氣孔和夾渣等缺陷的產(chǎn)生，提高鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。然而，鑄造速度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，增加生產(chǎn)成本，同時(shí)還可能使鑄坯表面出現(xiàn)冷隔等缺陷。隨著鑄造速度的提高，金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間縮短，凝固速度加快。這使得晶粒來(lái)不及充分長(zhǎng)大，形核率相對(duì)增加，從而導(dǎo)致晶粒細(xì)化。晶粒細(xì)化可以提高板坯的強(qiáng)度和硬度，改善其力學(xué)性能。但如果鑄造速度過(guò)快，會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。過(guò)快的鑄造速度會(huì)使金屬液的流速增加，在結(jié)晶器內(nèi)形成較大的紊流，導(dǎo)致金屬液中的氣體和夾雜物難以排出，增加氣孔和夾渣的形成幾率?？焖俚哪趟俣葧?huì)使鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就容易引發(fā)裂紋。熱應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于鑄坯表面和內(nèi)部的冷卻速度不一致，表面冷卻快，收縮量大，而內(nèi)部冷卻慢，收縮量小，從而在鑄坯內(nèi)部形成應(yīng)力集中。在高速鑄造時(shí)，這種應(yīng)力集中更為明顯，容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響板坯的質(zhì)量和后續(xù)加工性能。鑄造速度對(duì)板坯的偏析也有影響。在半連鑄過(guò)程中，由于合金元素的擴(kuò)散速度與凝固速度相互作用，會(huì)導(dǎo)致成分偏析的產(chǎn)生。當(dāng)鑄造速度較低時(shí)，合金元素有相對(duì)較多的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，偏析程度相對(duì)較小。而鑄造速度過(guò)高時(shí)，凝固速度加快，合金元素來(lái)不及充分?jǐn)U散，就會(huì)在鑄坯中形成較為嚴(yán)重的成分偏析。這種偏析會(huì)導(dǎo)致板坯不同部位的化學(xué)成分和性能不均勻，影響其使用性能。例如，在變形鎂合金板坯中，成分偏析可能導(dǎo)致某些區(qū)域的力學(xué)性能下降，在后續(xù)加工過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)鎂合金的成分、板坯的尺寸和形狀以及結(jié)晶器的冷卻條件等因素，綜合確定合適的鑄造速度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，可以研究不同鑄造速度下板坯的質(zhì)量變化規(guī)律，從而優(yōu)化鑄造速度，提高板坯質(zhì)量。例如，對(duì)于某特定成分和規(guī)格的變形鎂合金板坯，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鑄造速度控制在0.8-1.2m/min時(shí)，板坯的組織和性能較為理想，缺陷較少。在這個(gè)速度范圍內(nèi)，既能保證一定的生產(chǎn)效率，又能有效控制板坯的質(zhì)量。3.3.2冷卻速度冷卻速度是影響半連鑄變形鎂合金板坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，對(duì)板坯的晶粒大小、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有著重要影響。當(dāng)冷卻速度較低時(shí)，金屬液在凝固過(guò)程中有足夠的時(shí)間進(jìn)行原子擴(kuò)散和晶粒生長(zhǎng)。在這種情況下，形核率相對(duì)較低，而晶粒生長(zhǎng)速度相對(duì)較快，導(dǎo)致最終形成的晶粒尺寸較大。較大的晶粒會(huì)使板坯的力學(xué)性能下降，尤其是強(qiáng)度和韌性。這是因?yàn)榫Я＿吔缡俏诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，晶粒越大，位錯(cuò)在晶界處的堆積就越容易，從而降低了材料的強(qiáng)度和韌性。較大的晶粒還會(huì)導(dǎo)致板坯的組織均勻性變差，影響其加工性能和使用性能。隨著冷卻速度的增加，金屬液的過(guò)冷度增大，形核率顯著提高。這是因?yàn)檫^(guò)冷度的增加提供了更多的形核驅(qū)動(dòng)力，使得更多的晶核能夠在短時(shí)間內(nèi)形成。由于晶核數(shù)量增多，每個(gè)晶核的生長(zhǎng)空間相對(duì)減小，晶粒生長(zhǎng)受到抑制，從而使晶粒細(xì)化。細(xì)小的晶粒具有更多的晶界，晶界能夠阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，增加材料的變形抗力，從而提高板坯的強(qiáng)度和硬度。細(xì)小的晶粒還能使板坯的組織更加均勻，改善其韌性和塑性。研究表明，在一定范圍內(nèi)，冷卻速度越快，晶粒細(xì)化效果越明顯，板坯的力學(xué)性能提升也越顯著。冷卻速度不僅影響晶粒尺寸，還對(duì)板坯的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在較低的冷卻速度下，凝固過(guò)程中容易形成柱狀晶組織。柱狀晶是沿著熱流方向生長(zhǎng)的，其生長(zhǎng)方向較為規(guī)則，但這種組織結(jié)構(gòu)在不同方向上的性能存在明顯差異，具有各向異性。在后續(xù)加工過(guò)程中，柱狀晶組織容易導(dǎo)致板坯出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題。而當(dāng)冷卻速度足夠快時(shí)，柱狀晶的生長(zhǎng)受到抑制，等軸晶組織得到發(fā)展。等軸晶是在各個(gè)方向上均勻生長(zhǎng)的晶粒，其組織結(jié)構(gòu)均勻，各向異性較小，能夠提高板坯的綜合性能。冷卻速度還會(huì)影響鎂合金中第二相的析出行為。在冷卻過(guò)程中，鎂合金中的合金元素會(huì)在一定條件下析出形成第二相。冷卻速度的變化會(huì)改變第二相的析出數(shù)量、尺寸和分布。較快的冷卻速度可能導(dǎo)致第二相來(lái)不及充分析出，使其在基體中呈彌散分布，這種彌散分布的第二相可以起到強(qiáng)化作用，進(jìn)一步提高板坯的強(qiáng)度。冷卻速度過(guò)快也可能導(dǎo)致第二相析出不均勻，甚至形成粗大的第二相顆粒，反而降低板坯的性能。因此，需要通過(guò)控制冷卻速度，使第二相以合適的形態(tài)和分布析出，以?xún)?yōu)化板坯的性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用多種方法來(lái)控制冷卻速度，以獲得理想的板坯質(zhì)量。通過(guò)調(diào)整結(jié)晶器的冷卻水量、水溫以及水流分布，可以改變結(jié)晶器對(duì)金屬液的冷卻強(qiáng)度，從而控制冷卻速度。在結(jié)晶器外部設(shè)置冷卻套，通過(guò)循環(huán)水或其他冷卻介質(zhì)帶走熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯的快速冷卻。還可以采用噴霧冷卻、氣冷等輔助冷卻方式，進(jìn)一步調(diào)節(jié)冷卻速度。在一些高端鎂合金板坯的生產(chǎn)中，會(huì)采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，如電磁冷卻是在冷卻過(guò)程中施加電磁場(chǎng)，利用電磁力對(duì)金屬液的作用來(lái)控制冷卻速度和凝固組織，從而提高板坯質(zhì)量。3.3.3澆注溫度澆注溫度是變形鎂合金板坯半連鑄工藝中的重要參數(shù)，對(duì)板坯的充型能力、凝固方式和內(nèi)部質(zhì)量有著顯著影響。當(dāng)澆注溫度較高時(shí)，液態(tài)鎂合金的流動(dòng)性增強(qiáng)。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)使金屬液的粘度降低，分子間的內(nèi)摩擦力減小，從而使金屬液能夠更順暢地填充結(jié)晶器的各個(gè)部位。良好的流動(dòng)性有助于減少澆不足、冷隔等缺陷的產(chǎn)生，確保板坯能夠完整成型。在生產(chǎn)復(fù)雜形狀的板坯時(shí)，較高的澆注溫度可以使金屬液更好地填充模具的細(xì)微結(jié)構(gòu)，保證板坯的尺寸精度和表面質(zhì)量。然而，過(guò)高的澆注溫度也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響。高溫會(huì)使金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固速度減慢，導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，從而使晶粒粗大。粗大的晶粒會(huì)降低板坯的強(qiáng)度和韌性，影響其力學(xué)性能。高溫還會(huì)增加金屬液的吸氣量，使氣體更容易溶解在金屬液中。在凝固過(guò)程中，這些氣體可能會(huì)形成氣孔，降低板坯的致密度和內(nèi)部質(zhì)量。過(guò)高的澆注溫度還會(huì)使金屬液對(duì)結(jié)晶器壁的熱沖擊加劇，縮短結(jié)晶器的使用壽命。當(dāng)澆注溫度較低時(shí)，金屬液的流動(dòng)性變差，充型能力下降。這可能導(dǎo)致板坯出現(xiàn)澆不足的情況，即金屬液無(wú)法完全填充結(jié)晶器，使板坯局部缺肉，影響其尺寸精度和使用性能。冷隔缺陷也更容易在低溫澆注時(shí)出現(xiàn)，冷隔是指金屬液在充型過(guò)程中，由于溫度降低過(guò)快，前后兩股金屬液未能完全融合，在板坯表面形成的一條明顯的分界線(xiàn)，嚴(yán)重影響板坯的質(zhì)量。合適的澆注溫度對(duì)于控制板坯的凝固方式至關(guān)重要。在半連鑄過(guò)程中，凝固方式主要包括逐層凝固、糊狀凝固和中間凝固。澆注溫度的變化會(huì)影響金屬液的溫度分布和凝固前沿的推進(jìn)速度，從而改變凝固方式。較低的澆注溫度會(huì)使金屬液在結(jié)晶器壁附近迅速凝固，形成較厚的凝固殼，有利于實(shí)現(xiàn)逐層凝固。逐層凝固方式下，凝固過(guò)程中補(bǔ)縮容易，鑄件的致密性好，不易產(chǎn)生縮孔和疏松等缺陷。較高的澆注溫度則可能導(dǎo)致糊狀凝固或中間凝固方式。在糊狀凝固時(shí)，凝固區(qū)域較寬，補(bǔ)縮困難，容易在板坯內(nèi)部形成縮孔和疏松。中間凝固方式介于逐層凝固和糊狀凝固之間，其凝固特性和缺陷產(chǎn)生情況也介于兩者之間。因此，通過(guò)控制澆注溫度，可以選擇合適的凝固方式，提高板坯的內(nèi)部質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)變形鎂合金的成分、板坯的尺寸和形狀以及結(jié)晶器的冷卻條件等因素，精確控制澆注溫度。對(duì)于不同成分的鎂合金，其最佳澆注溫度會(huì)有所差異。含鋁量較高的鎂合金，由于其熔點(diǎn)相對(duì)較低，澆注溫度可以適當(dāng)降低；而對(duì)于含有較多稀土元素的鎂合金，其熔點(diǎn)較高，澆注溫度則需要相應(yīng)提高。板坯的尺寸和形狀也會(huì)影響澆注溫度的選擇，較大尺寸的板坯需要較高的澆注溫度來(lái)保證充型能力，而復(fù)雜形狀的板坯則需要在保證充型的前提下，盡量控制澆注溫度，以減少缺陷的產(chǎn)生。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，可以確定不同工藝條件下的最佳澆注溫度范圍。在某變形鎂合金板坯半連鑄實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變澆注溫度并對(duì)板坯質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)澆注溫度控制在690-710℃時(shí)，板坯的充型效果良好，內(nèi)部質(zhì)量較高，晶粒尺寸適中，力學(xué)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。3.4半連鑄工藝中的常見(jiàn)問(wèn)題及解決措施在變形鎂合金板坯半連鑄工藝中，鑄錠內(nèi)部應(yīng)力大是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，對(duì)板坯質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。鑄錠內(nèi)部應(yīng)力主要源于凝固過(guò)程中溫度分布不均勻以及收縮不一致。在半連鑄過(guò)程中，鑄錠表面冷卻速度快，先凝固形成固態(tài)坯殼，而內(nèi)部金屬液冷卻速度相對(duì)較慢，仍處于液態(tài)或半液態(tài)。隨著冷卻的繼續(xù)，內(nèi)部金屬液凝固收縮，而已經(jīng)凝固的表面坯殼限制了其收縮，從而在鑄錠內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。結(jié)晶器的冷卻不均勻也會(huì)導(dǎo)致鑄錠不同部位的溫度梯度差異，進(jìn)一步加劇內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生。內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大會(huì)使鑄錠在后續(xù)加工過(guò)程中出現(xiàn)變形、開(kāi)裂等問(wèn)題，降低產(chǎn)品的合格率和使用性能。為解決這一問(wèn)題，可采取多種措施。在工藝參數(shù)控制方面，優(yōu)化冷卻速度和拉坯速度是關(guān)鍵。通過(guò)合理調(diào)整冷卻水量和水流分布，使鑄錠各部位冷卻均勻，減小溫度梯度，從而降低內(nèi)部應(yīng)力。采用分段冷卻的方式，在結(jié)晶器的不同部位設(shè)置不同的冷卻強(qiáng)度，使鑄錠表面和內(nèi)部的冷卻速度更加匹配。合理控制拉坯速度，避免拉坯速度過(guò)快或過(guò)慢。拉坯速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致鑄錠內(nèi)部凝固不均勻，增加內(nèi)部應(yīng)力；拉坯速度過(guò)慢則會(huì)使鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，冷卻過(guò)度，也會(huì)增大內(nèi)部應(yīng)力。在結(jié)晶器設(shè)計(jì)上，優(yōu)化結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)和材料，提高其冷卻均勻性和熱傳遞效率，也有助于降低內(nèi)部應(yīng)力。晶內(nèi)偏析也是半連鑄過(guò)程中不容忽視的問(wèn)題。晶內(nèi)偏析是指在晶粒內(nèi)部合金元素分布不均勻的現(xiàn)象，主要是由于凝固過(guò)程中溶質(zhì)元素的再分配造成的。在鎂合金凝固時(shí)，先結(jié)晶的固相成分與液相成分存在差異，溶質(zhì)元素在固相和液相中的溶解度不同，導(dǎo)致溶質(zhì)元素在凝固過(guò)程中向液相中富集。隨著凝固的進(jìn)行，液相中的溶質(zhì)濃度不斷增加，最后凝固的部分溶質(zhì)含量較高，從而形成晶內(nèi)偏析。晶內(nèi)偏析會(huì)導(dǎo)致鑄錠的力學(xué)性能不均勻，降低其強(qiáng)度和韌性，還會(huì)影響鑄錠的耐腐蝕性和加工性能。為減少晶內(nèi)偏析，可以采取均勻化退火處理。均勻化退火是將鑄錠加熱到一定溫度并保溫一段時(shí)間，使溶質(zhì)元素在晶粒內(nèi)部充分?jǐn)U散，從而降低偏析程度。在半連鑄過(guò)程中，合理控制冷卻速度也能有效減少晶內(nèi)偏析。較慢的冷卻速度可以使溶質(zhì)元素有更多時(shí)間擴(kuò)散，降低偏析程度，但冷卻速度過(guò)慢會(huì)影響生產(chǎn)效率，因此需要找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。液穴內(nèi)溫度梯度大同樣會(huì)對(duì)板坯質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。液穴是指在半連鑄過(guò)程中，鑄錠內(nèi)部尚未凝固的液態(tài)金屬區(qū)域。液穴內(nèi)溫度梯度大主要是由于結(jié)晶器的冷卻方式和冷卻強(qiáng)度不均勻，以及金屬液的流動(dòng)狀態(tài)不合理造成的。在結(jié)晶器的邊緣部分，冷卻速度較快，溫度較低；而在中心部分，冷卻速度較慢，溫度較高，從而形成較大的溫度梯度。金屬液在澆注過(guò)程中的流速和流向不穩(wěn)定，也會(huì)導(dǎo)致液穴內(nèi)溫度分布不均勻。液穴內(nèi)溫度梯度大會(huì)使鑄錠的凝固順序不一致，容易產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷，還會(huì)影響鑄錠的組織結(jié)構(gòu)和性能均勻性。為減小液穴內(nèi)溫度梯度，可以?xún)?yōu)化結(jié)晶器的冷卻系統(tǒng)，采用更均勻的冷卻方式，如在結(jié)晶器內(nèi)設(shè)置多個(gè)冷卻區(qū)，分別控制每個(gè)冷卻區(qū)的冷卻強(qiáng)度，使液穴內(nèi)的溫度分布更加均勻。合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，使金屬液平穩(wěn)、均勻地流入結(jié)晶器，減少金屬液的紊流和沖擊，也有助于減小液穴內(nèi)溫度梯度。四、變形鎂合金板坯半連鑄理論4.1凝固理論基礎(chǔ)液態(tài)金屬的凝固是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，涉及到原子的重新排列和組織結(jié)構(gòu)的形成。其基本原理基于形核與長(zhǎng)大機(jī)制。在液態(tài)金屬冷卻過(guò)程中，當(dāng)溫度降低到理論結(jié)晶溫度以下時(shí)，液態(tài)金屬處于過(guò)冷狀態(tài)，此時(shí)原子具有足夠的驅(qū)動(dòng)力開(kāi)始聚集形成小的原子團(tuán)。這些原子團(tuán)在一定條件下可能會(huì)進(jìn)一步長(zhǎng)大成為穩(wěn)定的晶核，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為形核。形核分為均勻形核和非均勻形核。均勻形核是指晶核在液態(tài)金屬中均勻地形成，沒(méi)有任何外來(lái)物質(zhì)的幫助；非均勻形核則是晶核依附于液態(tài)金屬中的雜質(zhì)、型壁等外來(lái)物質(zhì)上形成。在實(shí)際凝固過(guò)程中，非均勻形核更為常見(jiàn)，因?yàn)橥鈦?lái)物質(zhì)提供了現(xiàn)成的表面，降低了形核的能量障礙，使得形核更容易發(fā)生。一旦晶核形成，原子就會(huì)不斷地從液態(tài)金屬中擴(kuò)散到晶核表面，使晶核逐漸長(zhǎng)大。晶核的長(zhǎng)大速度取決于原子的擴(kuò)散速度和溫度梯度等因素。在長(zhǎng)大過(guò)程中，晶核會(huì)不斷吸收周?chē)簯B(tài)金屬中的原子，同時(shí)釋放出結(jié)晶潛熱，導(dǎo)致液態(tài)金屬的溫度升高，從而減緩晶核的長(zhǎng)大速度。變形鎂合金的凝固具有自身特點(diǎn)。由于鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，其原子排列方式與其他金屬有所不同，這使得鎂合金在凝固過(guò)程中的形核和長(zhǎng)大行為也具有獨(dú)特性。鎂合金的凝固溫度范圍相對(duì)較寬，這意味著在凝固過(guò)程中，液態(tài)和固態(tài)共存的區(qū)域較大，增加了凝固過(guò)程的復(fù)雜性。合金元素的添加會(huì)顯著影響鎂合金的凝固行為。不同的合金元素在鎂合金中的溶解度和擴(kuò)散速度不同，會(huì)改變鎂合金的熔點(diǎn)、過(guò)冷度以及形核和長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。添加鋁元素會(huì)提高鎂合金的強(qiáng)度和硬度，但也會(huì)影響其凝固溫度和組織形態(tài)；添加稀土元素則可以細(xì)化晶粒，改善鎂合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性，但稀土元素在鎂合金中的擴(kuò)散速度較慢，會(huì)對(duì)凝固過(guò)程產(chǎn)生一定的影響。變形鎂合金在凝固過(guò)程中容易出現(xiàn)成分偏析現(xiàn)象。這是因?yàn)楹辖鹪卦谝簯B(tài)和固態(tài)中的溶解度不同，在凝固過(guò)程中，先凝固的固相和后凝固的液相成分存在差異，導(dǎo)致合金元素在鑄件中分布不均勻。成分偏析會(huì)降低鎂合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性，因此在半連鑄過(guò)程中，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減少成分偏析，如優(yōu)化工藝參數(shù)、施加外場(chǎng)等。4.2傳熱與傳質(zhì)理論在半連鑄過(guò)程中，熱量傳遞通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行，每種方式都在不同階段和部位對(duì)鎂合金的凝固產(chǎn)生重要影響。傳導(dǎo)是熱量在物質(zhì)內(nèi)部或相互接觸的物體之間傳遞的方式，其傳遞速率遵循傅里葉定律，即q=-\lambda\frac{\partialT}{\partialx}，其中q為熱流密度，\lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，\frac{\partialT}{\partialx}為溫度梯度。在半連鑄中，結(jié)晶器與鎂合金液接觸時(shí)，熱量通過(guò)結(jié)晶器壁傳導(dǎo)出去，使鎂合金液在結(jié)晶器壁附近迅速冷卻凝固。結(jié)晶器材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)熱量傳導(dǎo)速率起著關(guān)鍵作用，導(dǎo)熱系數(shù)高的材料能夠更快速地將熱量傳遞出去，加速鎂合金的凝固。例如，銅合金由于其良好的導(dǎo)熱性，常被用作結(jié)晶器材料，能夠使鎂合金液在結(jié)晶器壁附近迅速形成固態(tài)坯殼。對(duì)流是流體中由于溫度差引起的宏觀運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的熱量傳遞現(xiàn)象，對(duì)金屬液的溫度均勻性和凝固進(jìn)程有重要影響。在半連鑄過(guò)程中，金屬液的對(duì)流主要包括自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流是由于金屬液內(nèi)部溫度不均勻，導(dǎo)致密度差異而產(chǎn)生的對(duì)流；強(qiáng)制對(duì)流則是通過(guò)外部施加的力（如電磁力、機(jī)械攪拌力等）使金屬液產(chǎn)生的對(duì)流。對(duì)流可以增強(qiáng)金屬液與結(jié)晶器壁之間的熱交換，使熱量傳遞更加均勻，有利于細(xì)化晶粒和減少成分偏析。在結(jié)晶器內(nèi)施加電磁攪拌，能夠使金屬液產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流，促進(jìn)熱量的均勻分布，改善鑄坯的凝固組織。輻射是物體通過(guò)電磁波傳遞熱量的方式，在半連鑄過(guò)程中，當(dāng)金屬液溫度較高時(shí)，輻射傳熱不可忽視。輻射傳熱的速率與物體的溫度、表面發(fā)射率等因素有關(guān)，遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律，即q=\varepsilon\sigmaT^4，其中q為輻射熱流密度，\varepsilon為表面發(fā)射率，\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T為物體的絕對(duì)溫度。在半連鑄過(guò)程中，金屬液表面向周?chē)h(huán)境輻射熱量，會(huì)導(dǎo)致金屬液溫度下降，影響凝固進(jìn)程。通過(guò)控制鑄坯周?chē)沫h(huán)境溫度和表面發(fā)射率，可以調(diào)節(jié)輻射傳熱的速率。澆鑄溫度、拉坯速度和冷卻強(qiáng)度等工藝參數(shù)對(duì)傳熱過(guò)程有著顯著影響。澆鑄溫度越高，金屬液帶入的熱量越多，凝固時(shí)間越長(zhǎng)，鑄坯的溫度梯度也會(huì)發(fā)生變化。較高的澆鑄溫度會(huì)使金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固速度減慢，容易導(dǎo)致晶粒粗大，同時(shí)也會(huì)增加鑄坯內(nèi)部的熱應(yīng)力。拉坯速度的變化會(huì)影響金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間和凝固前沿的推進(jìn)速度，從而影響傳熱過(guò)程。拉坯速度過(guò)快，金屬液來(lái)不及充分凝固，會(huì)導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)缺陷；拉坯速度過(guò)慢，則會(huì)影響生產(chǎn)效率。冷卻強(qiáng)度直接決定了熱量從鑄坯中傳遞出去的速率，對(duì)鑄坯的凝固組織和性能有著關(guān)鍵影響。冷卻強(qiáng)度過(guò)大，鑄坯表面與內(nèi)部的溫度梯度增大，容易產(chǎn)生裂紋；冷卻強(qiáng)度過(guò)小，鑄坯凝固速度減慢，會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大和成分偏析。通過(guò)調(diào)整冷卻介質(zhì)的流量、溫度和流速等參數(shù)，可以精確控制冷卻強(qiáng)度，優(yōu)化鑄坯的質(zhì)量。溶質(zhì)元素在凝固過(guò)程中的傳輸規(guī)律對(duì)于理解鑄坯的成分均勻性和性能具有重要意義。在凝固過(guò)程中，由于溶質(zhì)元素在固相和液相中的溶解度不同，會(huì)發(fā)生溶質(zhì)再分配現(xiàn)象。根據(jù)凝固理論，溶質(zhì)再分配系數(shù)k定義為固相中的溶質(zhì)濃度C_s與液相中的溶質(zhì)濃度C_l之比，即k=\frac{C_s}{C_l}。當(dāng)k\lt1時(shí)，溶質(zhì)元素在液相中富集；當(dāng)k\gt1時(shí)，溶質(zhì)元素在固相中富集。在半連鑄過(guò)程中，溶質(zhì)元素的傳輸受到多種因素的影響。凝固速度是影響溶質(zhì)傳輸?shù)闹匾蛩刂唬趟俣仍娇?，溶質(zhì)元素來(lái)不及擴(kuò)散，會(huì)導(dǎo)致成分偏析加劇。冷卻速度快時(shí)，固相迅速形成，溶質(zhì)元素在固相和液相之間的擴(kuò)散時(shí)間縮短，容易在晶界或枝晶間形成溶質(zhì)富集區(qū)，從而產(chǎn)生微觀偏析。對(duì)流也會(huì)對(duì)溶質(zhì)元素的傳輸產(chǎn)生重要影響。對(duì)流可以促進(jìn)溶質(zhì)元素在金屬液中的擴(kuò)散，使溶質(zhì)分布更加均勻。在結(jié)晶器內(nèi)施加電磁攪拌或機(jī)械攪拌，能夠增強(qiáng)金屬液的對(duì)流，減少成分偏析。對(duì)流還會(huì)影響凝固前沿的形態(tài)，進(jìn)而影響溶質(zhì)元素的分布。鑄坯的組織結(jié)構(gòu)對(duì)溶質(zhì)元素的傳輸也有影響。不同的組織結(jié)構(gòu)（如柱狀晶、等軸晶等）具有不同的晶界特性和擴(kuò)散路徑，會(huì)影響溶質(zhì)元素在其中的傳輸。柱狀晶組織中，溶質(zhì)元素容易沿著晶界擴(kuò)散，導(dǎo)致晶界處溶質(zhì)濃度較高；而等軸晶組織中，溶質(zhì)元素的擴(kuò)散路徑更加復(fù)雜，分布相對(duì)較為均勻。4.3應(yīng)力與變形理論在半連鑄過(guò)程中，應(yīng)力的產(chǎn)生源于多個(gè)因素，對(duì)板坯的變形和裂紋形成有著至關(guān)重要的影響。熱應(yīng)力是由于板坯在凝固和冷卻過(guò)程中，不同部位的溫度變化速率不一致，導(dǎo)致收縮或膨脹不均勻而產(chǎn)生的。在結(jié)晶器內(nèi)，板坯表面與結(jié)晶器壁直接接觸，冷卻速度快，而內(nèi)部冷卻速度相對(duì)較慢。這種溫度差異使得板坯表面先凝固并收縮，而內(nèi)部仍處于高溫液態(tài)或半液態(tài)，對(duì)表面產(chǎn)生阻礙作用，從而在板坯內(nèi)部形成熱應(yīng)力。隨著冷卻的繼續(xù)，板坯內(nèi)部逐漸凝固收縮，而已經(jīng)凝固的表面又限制了內(nèi)部的收縮，進(jìn)一步加劇了熱應(yīng)力的產(chǎn)生。收縮應(yīng)力則是由于鎂合金在凝固過(guò)程中體積收縮引起的。當(dāng)液態(tài)鎂合金轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，其體積會(huì)發(fā)生收縮。在半連鑄過(guò)程中，由于鑄坯受到結(jié)晶器壁的約束以及自身凝固層的限制，收縮不能自由進(jìn)行，從而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。這種應(yīng)力在鑄坯內(nèi)部的分布不均勻，在鑄坯的角部和邊緣等部位，由于受到的約束更大，收縮應(yīng)力相對(duì)較大。組織應(yīng)力與鎂合金在凝固過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。鎂合金在凝固過(guò)程中會(huì)發(fā)生相變，不同相的比容不同，相變過(guò)程中的體積變化會(huì)導(dǎo)致組織應(yīng)力的產(chǎn)生。在某些鎂合金中，從高溫相轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵鄷r(shí)，體積會(huì)發(fā)生變化，這種體積變化在受到周?chē)牧系募s束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力。鑄坯在凝固過(guò)程中，熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力和組織應(yīng)力相互疊加，使得應(yīng)力分布十分復(fù)雜。在鑄坯的表面，由于冷卻速度快，熱應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力；而在鑄坯的內(nèi)部，由于冷卻相對(duì)較慢，熱應(yīng)力則表現(xiàn)為壓應(yīng)力。收縮應(yīng)力在整個(gè)鑄坯內(nèi)都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其大小和分布與鑄坯的尺寸、形狀以及凝固方式等因素有關(guān)。組織應(yīng)力的分布則取決于相變的位置和程度，在相變區(qū)域及其附近，組織應(yīng)力較為明顯。當(dāng)鑄坯內(nèi)部的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致板坯發(fā)生變形。變形的形式多種多樣，常見(jiàn)的有彎曲、扭曲、鼓肚等。彎曲變形通常是由于鑄坯在長(zhǎng)度方向上的應(yīng)力分布不均勻引起的，使得鑄坯在水平方向上發(fā)生彎曲。扭曲變形則是由于鑄坯在橫截面上的應(yīng)力分布不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致鑄坯繞軸線(xiàn)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。鼓肚變形一般發(fā)生在鑄坯的寬厚比比較大的情況下，由于鑄坯側(cè)面受到的約束較小，在內(nèi)部應(yīng)力的作用下，鑄坯側(cè)面會(huì)向外鼓起。應(yīng)力集中是導(dǎo)致裂紋形成的主要原因之一。在鑄坯的表面缺陷（如劃傷、凹坑等）、內(nèi)部夾雜以及組織不均勻等部位，應(yīng)力會(huì)發(fā)生集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)引發(fā)裂紋的產(chǎn)生。熱裂紋通常在高溫下產(chǎn)生，是由于凝固過(guò)程中的熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力共同作用，使得鑄坯在凝固前沿的薄弱部位產(chǎn)生裂紋。冷裂紋則是在較低溫度下形成的，主要是由于組織應(yīng)力和殘余應(yīng)力的作用，以及氫的擴(kuò)散和聚集等因素導(dǎo)致的。為了降低應(yīng)力對(duì)板坯質(zhì)量的影響，可以采取多種措施。優(yōu)化工藝參數(shù)是關(guān)鍵，通過(guò)合理控制澆鑄溫度、拉坯速度和冷卻強(qiáng)度等參數(shù)，可以減小板坯內(nèi)部的溫度梯度，從而降低熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力的產(chǎn)生。降低澆鑄溫度可以使板坯凝固速度加快，減小凝固過(guò)程中的溫度差異；控制拉坯速度可以使板坯在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間適中，避免因過(guò)快或過(guò)慢拉坯導(dǎo)致的應(yīng)力不均勻；調(diào)整冷卻強(qiáng)度可以使板坯各部位冷卻均勻，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。采用合適的支撐和約束方式也能有效減少板坯的變形。在結(jié)晶器下方設(shè)置合理的支撐裝置，可以對(duì)鑄坯提供均勻的支撐力，防止鑄坯因自身重量和內(nèi)部應(yīng)力而發(fā)生變形。優(yōu)化結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，減小鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力，也有助于降低應(yīng)力，減少變形和裂紋的產(chǎn)生。五、實(shí)驗(yàn)研究與案例分析5.1實(shí)驗(yàn)材料與方法本實(shí)驗(yàn)選用AZ31變形鎂合金作為研究對(duì)象，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：Al2.5-3.5，Zn0.6-1.4，Mn0.2-1.0，余量為Mg。AZ31鎂合金具有良好的綜合性能，在航空航天、汽車(chē)制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。選用該合金旨在深入研究半連鑄工藝對(duì)其組織和性能的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：熔煉設(shè)備：采用電阻加熱熔化爐和電阻加熱保溫靜置爐。電阻加熱熔化爐的額定功率為50kW，最高加熱溫度可達(dá)1000℃，能夠快速將鎂合金原材料加熱至熔化狀態(tài)。電阻加熱保溫靜置爐的額定功率為30kW，可對(duì)熔化后的鎂合金液進(jìn)行保溫和靜置處理，確保鎂合金液的溫度均勻穩(wěn)定。半連鑄設(shè)備：自主搭建的半連鑄實(shí)驗(yàn)裝置，包括結(jié)晶器、引錠裝置、拉坯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。結(jié)晶器采用銅合金材質(zhì)，其內(nèi)腔尺寸為200mm×50mm，具有良好的導(dǎo)熱性能，能夠快速帶走金屬液凝固時(shí)釋放的熱量。引錠裝置由引錠頭和牽引機(jī)構(gòu)組成，可將凝固的坯殼從結(jié)晶器中順利拉出。拉坯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠精確控制拉坯速度，拉坯速度范圍為0.1-1.5m/min。冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水冷卻，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水量和水流分布，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯冷卻速度的精確控制。檢測(cè)設(shè)備：直讀光譜儀，用于精確分析合金成分，其檢測(cè)精度可達(dá)0.001%；紅外測(cè)溫儀，測(cè)量精度為±1℃，可實(shí)時(shí)測(cè)量澆鑄溫度和鑄坯表面溫度；金相顯微鏡，放大倍數(shù)為50-1000倍，用于觀察板坯的金相組織；掃描電子顯微鏡（SEM），配備能譜儀（EDS），分辨率可達(dá)1nm，可對(duì)板坯的微觀組織特征、第二相的成分和分布進(jìn)行分析；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，最大載荷為100kN，用于進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試板坯的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：工藝參數(shù)設(shè)置：設(shè)置三組不同的澆鑄溫度，分別為680℃、700℃、720℃；三組不同的拉坯速度，分別為0.5m/min、0.8m/min、1.2m/min；三組不同的冷卻強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水量來(lái)實(shí)現(xiàn)，冷卻水量分別為5L/min、8L/min、12L/min。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將澆鑄溫度、拉坯速度和冷卻強(qiáng)度三個(gè)因素進(jìn)行組合，共設(shè)計(jì)9組實(shí)驗(yàn)，以全面研究各工藝參數(shù)對(duì)板坯質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)步驟：首先，將AZ31鎂合金原材料加入電阻加熱熔化爐中進(jìn)行熔煉，熔煉過(guò)程中加入適量的精煉劑，以去除雜質(zhì)和氣體。熔煉溫度控制在730-750℃，熔煉時(shí)間為1-2h。熔煉完成后，將鎂合金液倒入電阻加熱保溫靜置爐中，保溫溫度為720-740℃，靜置時(shí)間為30-60min，使合金液成分均勻。其次，將保溫靜置后的鎂合金液注入半連鑄實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)晶器中，按照設(shè)定的澆鑄溫度、拉坯速度和冷卻強(qiáng)度進(jìn)行半連鑄實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)澆鑄溫度和鑄坯表面溫度，確保溫度在設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng)。拉坯過(guò)程中，觀察鑄坯的表面質(zhì)量，如是否有裂紋、冷隔等缺陷。最后，對(duì)制備的板坯進(jìn)行取樣，分別進(jìn)行合金成分分析、金相組織觀察、微觀組織分析和力學(xué)性能測(cè)試。使用直讀光譜儀分析板坯的合金成分，確保成分符合AZ31鎂合金的標(biāo)準(zhǔn)要求。將板坯制成金相試樣，經(jīng)過(guò)打磨、拋光和腐蝕處理后，在金相顯微鏡下觀察其金相組織，測(cè)量晶粒尺寸和取向分布。使用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對(duì)板坯的微觀組織特征、第二相的成分和分布進(jìn)行分析。使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)板坯進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試其拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過(guò)直讀光譜儀對(duì)實(shí)驗(yàn)制備的AZ31變形鎂合金板坯進(jìn)行成分分析，結(jié)果顯示，各合金元素的含量均在AZ31鎂合金的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其中Al含量為2.85%，Zn含量為0.92%，Mn含量為0.48%，雜質(zhì)元素Fe、Si等的含量也遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，表明實(shí)驗(yàn)所用原材料質(zhì)量合格，熔煉過(guò)程中合金元素的燒損和雜質(zhì)的引入得到了有效控制。利用金相顯微鏡對(duì)不同工藝參數(shù)下制備的板坯金相組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)澆鑄溫度對(duì)晶粒尺寸和形態(tài)有顯著影響。當(dāng)澆鑄溫度為680℃時(shí)，晶粒尺寸相對(duì)較小，平均晶粒尺寸約為35μm，且晶粒形態(tài)較為規(guī)則，等軸晶比例較高。這是因?yàn)檩^低的澆鑄溫度使金屬液的過(guò)冷度增大，形核率增加，從而抑制了晶粒的長(zhǎng)大，促進(jìn)了等軸晶的形成。隨著澆鑄溫度升高到720℃，晶粒尺寸明顯增大，平均晶粒尺寸達(dá)到60μm左右，且柱狀晶比例增加。高溫下金屬液的流動(dòng)性增強(qiáng)，凝固速度減慢，使得晶粒有更多的時(shí)間生長(zhǎng)，柱狀晶更容易沿著熱流方向生長(zhǎng)。拉坯速度也對(duì)板坯的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。當(dāng)拉坯速度為0.5m/min時(shí)，晶粒較為粗大，平均晶粒尺寸約為50μm，這是由于拉坯速度較慢，金屬液在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，晶粒生長(zhǎng)充分。當(dāng)拉坯速度提高到1.2m/min時(shí)，晶粒得到明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸減小到30μm左右。較快的拉坯速度使金屬液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固速度加快，過(guò)冷度增大，形核率提高，從而細(xì)化了晶粒。冷卻強(qiáng)度同樣影響著板坯的晶粒尺寸和組織結(jié)構(gòu)。當(dāng)冷卻水量為5L/min時(shí)，冷卻強(qiáng)度相對(duì)較低，晶粒尺寸較大，平均晶粒尺寸約為45μm。隨著冷卻水量增加到12L/min，冷卻強(qiáng)度增大，晶粒明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸減小到25μm左右。較強(qiáng)的冷卻強(qiáng)度使金屬液的過(guò)冷度增大，促進(jìn)了形核，抑制了晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒更加細(xì)小均勻。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對(duì)板坯的微觀組織特征和第二相的成分及分布進(jìn)行分析。在SEM圖像中，可以觀察到板坯中存在一些第二相顆粒，EDS分析表明，這些第二相主要為Mg17Al12相，其成分中Al含量較高，約為36.5%。在不同工藝參數(shù)下，第二相的尺寸和分布有所不同。在澆鑄溫度較低、拉坯速度較快和冷卻強(qiáng)度較大的條件下，第二相顆粒尺寸較小，且分布較為均勻。這是因?yàn)樵谶@些條件下，凝固速度較快，第二相來(lái)不及長(zhǎng)大和聚集，從而以細(xì)小顆粒的形式彌散分布在基體中。而在澆鑄溫度較高、拉坯速度較慢和冷卻強(qiáng)度較小的條件下，第二相顆粒尺寸較大，且容易聚集在晶界處。這是由于凝固速度較慢，第二相有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大和擴(kuò)散，在晶界處聚集形成較大的顆粒。使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同工藝參數(shù)下制備的板坯進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試其拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)，結(jié)果如表1所示：澆鑄溫度(℃)拉坯速度(m/min)冷卻水量(L/min)拉伸強(qiáng)度(MPa)屈服強(qiáng)度(MPa)延伸率(%)6800.5523515010.56800.8825016512.06801.21226518013.57000.552201409.07000.8824015511.07001.21225517012.57200.552051307.57200.882251459.57201.21224016011.0從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著澆鑄溫度的降低、拉坯速度的提高和冷卻強(qiáng)度的增大，板坯的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這與金相組織和微觀分析的結(jié)果一致，晶粒細(xì)化和第二相的均勻分布能夠有效提高板坯的力學(xué)性能。在澆鑄溫度為680℃、拉坯速度為1.2m/min、冷卻水量為12L/min時(shí)，板坯的綜合力學(xué)性能最佳，拉伸強(qiáng)度達(dá)到265MPa，屈服強(qiáng)度為180MPa，延伸率為13.5%。5.3實(shí)際生產(chǎn)案例分析以某企業(yè)的變形鎂合金板坯半連鑄生產(chǎn)為例，該企業(yè)主要生產(chǎn)AZ31B變形鎂合金板坯，年產(chǎn)能達(dá)到5000噸，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件制造和3C產(chǎn)品外殼生產(chǎn)等領(lǐng)域。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該企業(yè)采用了一套先進(jìn)的半連鑄生產(chǎn)線(xiàn)，包括熔煉爐、保溫爐、結(jié)晶器、拉坯裝置和冷卻系統(tǒng)等設(shè)備。在工藝控制方面，該企業(yè)嚴(yán)格控制熔煉溫度在730-750℃之間，確保鎂合金原材料充分熔化并均勻混合。澆注溫度控制在690-710℃，以保證金屬液具有良好的流動(dòng)性，同時(shí)避免溫度過(guò)高導(dǎo)致晶粒粗大。拉坯速度根據(jù)板坯的規(guī)格和質(zhì)量要求進(jìn)行調(diào)整，一般控制在0.8-1.2m/min之間，確保鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)有足夠的凝固時(shí)間，同時(shí)保證生產(chǎn)效率。冷卻強(qiáng)度通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水量和水流分布來(lái)控制，冷卻水量一般保持在8-12L/min，使鑄坯表面和內(nèi)部的冷卻速度均勻，防止出現(xiàn)裂紋和變形等缺陷。結(jié)晶器采用銅合金材質(zhì)，具有良好的導(dǎo)熱性能，能夠快速帶走金屬液凝固時(shí)釋放的熱量，促進(jìn)鑄坯的凝固。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，該企業(yè)也遇到了一些質(zhì)量問(wèn)題。在生產(chǎn)初期，部分板坯出現(xiàn)了表面裂紋的缺陷。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)是由于冷卻速度過(guò)快，導(dǎo)致鑄坯表面與內(nèi)部的溫度梯度過(guò)大，產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力，從而引發(fā)了裂紋。為了解決這一問(wèn)題，該企業(yè)調(diào)整了冷卻系統(tǒng)，降低了冷卻水量，并優(yōu)