[发明专利]直冷铸造金属的附加淬冷原位均化法

说明书

技术领域

本发明涉及熔融金属，特别是熔融金属合金通过直冷铸造法等方法进行的铸造。更具体而言，本发明涉及包括原位均化的这类铸造。

背景技术

金属合金，特别是铝合金，通常由熔融形式铸造以制造锭块或坯段，铸锭或铸坯随后进行轧制、热加工和/或其它处理来制造用于生产多种产品的片材或板材制品。锭块通常通过直冷(DC)铸造法制造，但也可采用同等铸造方法，例如电磁铸造(例如以均授予Goodrich等人的美国专利3,985,179和4,004,631为代表）。术语“直冷”是指在锭块或坯段进行铸造时将冷却液直接施用于其表面。以下论述主要涉及DC铸造，但相同原理适用于在铸造金属中产生相同或同等微结构性质的所有这类铸造工艺。

用于制造锭块的金属(例如铝和铝合金-下文统称为铝)DC铸造通常在浅的端开口轴向垂直模具中进行，该模具具有围绕铸造腔的模具壁(铸造表面)。该模具初始时在其底端被可向下移动的平台(常被称作底座)封闭，该平台保持原位，直至一定量的熔融金属已堆积于模具中(所谓的启动物料)并已开始冷却。然后使底座以调控速率向下移动，使得锭块从模具底端逐步脱出。模具壁通常被冷却套管围绕，水之类的冷却流体连续循环通过该套管，以为模具壁及铸造腔内与其接触的熔融金属提供外部冷却。将熔融的铝(或其它金属)连续引入冷却模具的上端，以替代随着底座下降脱离模具下端的金属。随着该底座的有效连续移动和相应地向模具连续供应熔融铝，可制造所需长度的锭块，其仅受到模具下方可供使用的空间的限制。DC铸造的进一步细节可获自授予Ennor的美国专利2,301,027(其公开内容经此引用并入本文)和其它专利。

DC铸造尽管通常如上所述垂直进行，但也可以水平进行，即模具非垂直取向且通常精准水平取向，并对设备作出一些修改，在这类情况下，由于可随着锭块从模具脱出将其切割为所需长度，因而铸造操作可以是基本连续的。在水平DC铸造的情况下，可免于使用外部冷却模具壁。在以下论述中，参照垂直直冷铸造，但相同构思适用于水平DC铸造。

在DC铸造中从模具下端(或出口)脱出的锭块在外部是固体但在其中心仍然熔融。换言之，模具内的熔融金属池作为外部固体壳内的熔融金属贮槽向下延伸到向下移动的锭块的中心部分直达模具下方的一定距离。随着锭块从外表面向内冷却和固化形成固体外壳，该贮槽的横截面沿向下的方向逐渐减小，直至其芯部完全变为固体。铸造金属产品的具有固体外壳和熔融芯的部分在本文中被称作锭坯(embryonic ingot)，其在完全固化时变为铸造锭块。

如上所述，直冷铸造通常在具有主动冷却壁的模具中进行，该主动冷却壁在熔融金属接触壁时启动对熔融金属的冷却。所述壁通常由一级冷却剂(一般为水)冷却，该一级冷却剂从围绕壁外表面的室流过。使用时，这种冷却常被称为金属的“一级冷却”。在这些情况下，第一冷却液(例如水)直接施用于脱出的锭坯被称为“二级冷却”。锭块表面的这种直冷同时有助于使锭块边缘部分保持适度固态以形成限制壳和促进锭块的内部冷却和固化。二级冷却通常提供锭块经受的主要冷却。

传统上，在模具下方提供单个冷却区域。通常，通过沿紧邻模具出口下方的锭块边缘均勻引导基本连续的水流，实现这一区域中的冷却作用，例如从冷却套管的下端排出水。在该工艺过程中，水以相当大的力或冲量与锭块表面呈相当大的角度撞击该表面并伴随着连续但递减的冷却作用向下流经锭块表面，直至锭块表面温度接近水的温度。

2009年4月14日授予Wagstaff等人的美国专利7,516,775披露了上述种类的熔融金属铸造方法，该方法具有附加特征，即在模具出口下方一定距离处使用擦拭器从锭块外部去除用于二级冷却(即直冷)的液体冷却剂，该擦拭器可以是锭块经过的环形实心弹性部件，或者替换性地可以是与二级冷却液流反向以使冷却流从锭块表面提起的射流(气体或液体)形成的擦拭器。从锭块表面去除二级冷却剂的原因在于，使锭坯外部固体壳的温度得以升高并接近仍然熔融的内部的温度保持使固体金属中足以发生冶金学变化的时长。发现这些冶金学变化与这种锭块铸造并完全冷却之后所进行的固体铸件传统均化过程中发生的变化类似或完全相同。冷却剂擦除之后壳温的升高是归因于与固体外壳的冷却金属相比内部熔融金属的过热以及由于内部熔融金属随着时间的推移不断固化而产生的潜热两者。通过这种再加热效应，实现了所谓的“原位均化”，从而无需铸造操作之后额外的传统均化步骤。该工艺过程的全部细节可获自美国专利7,516,775，其全部公开内容经此引用并入本文。