[发明专利]直接冷却铸造材料的超声增强

说明书

提供了一种用于金属和金属合金的直接冷却铸造的方法和设备，其包括将振动能量施加到端部开放的模具中的熔融材料以及模具的出口处。在一方面，该方法涉及铸造铝合金的生产。

技术领域

本发明涉及金属和金属合金、特别是铝和铝合金的直接冷却(direct chill，DC)铸造，其中，直接得到适合于形成金属产品(例如片状和板状制品)的均质的产品。

背景技术

金属和金属合金，特别是铝和铝合金被从熔融相进行铸造，以生产锭体或坯料，锭体或坯料随后被进一步处理，例如轧制或热加工，以生产可被转变成最终产品的片状或板状制品。贯穿以下的整个说明，术语“坯料(billet)”将被用于描述DC铸造工艺的产品。坯料代表长形的金属铸造产品，通常为圆柱形，并且具有与其长度相比较小的直径。然而，本文所应用的原理和操作也可以适用于锭体(ingot)的生产。通常，生产坯料或锭体的DC铸造是在浅的、端部开放的，轴向竖直的模具中进行的，该模具最初在其下端处由能够向下移动的平台(通常称为底部块)封闭。模具被冷却套(cooling jacket)围绕，冷却流体，如水，穿过该冷却套连续地循环以提供模具壁的外部冷却。熔融铝(或其他金属)被引入到被冷却的模具的上端，并且随着熔融金属在邻近模具内周的区域中固化时，所述平台向下移动。通过平台的有效地连续的运动以及熔融铝的到模具的相应地连续的供应，可以生成具有所期望的长度的坯料。

图1(现有技术)示出了传统的竖直DC铸造机10的示例的示意性横截面。熔融金属12通过模具入口15被引入到竖直定向的水冷的端部开放的模具14中并且作为坯料16从模具出口17出现。坯料16的上部具有熔融金属芯24，该熔融金属芯24在固体外壳26内形成向内锥状的洼部19，随着坯料冷却，固体外壳26随着与坯料出口17的距离的增加而变厚，直到在模具出口17下方一定距离处形成完全固化的铸造坯料。模具14由于液体冷却剂流过周围的冷却套而具有液体冷却的模具壁(浇铸表面)，该液体冷却的模具壁对熔融金属进行冷却，模具14在外围限制并冷却熔融金属以开始固体壳26的形成，并且进行冷却的金属沿箭头A所示的前进方向通过模具出口17从模具中移出并离开模具。随着坯料从模具中出现，冷却液的喷流(jets)18被从冷却套引导到坯料16的外表面上，以提供使壳26变厚的直接冷却以增强了冷却过程。冷却液通常是水，但是其他合适的流体也可以被用于特定的合金。可以提供与坯料形状相同的固定的环形刮拭器20，刮拭器20接触坯料的与模具的出口17下方隔开一定距离X的外表面，并且这具有从坯料表面去除冷却剂液体(由流22表示)的作用，从而随着坯料进一步前进，坯料的在刮拭器下方的部分的表面没有冷却液。

竖直DC铸造中的从模具下(输出)端出来的坯料外部呈固体，但在它的中心芯部中仍处于熔融状态。换句话说，模具内的熔融金属池(pool)向下延伸到向下移动的锭体的中央部分中，并在铸模下方作为熔融金属的洼部(sump)延伸一定距离。随着锭体从外表面向内固化直到其芯部部分完全变实，该洼部在向下方的向上具有逐渐减小的横截面。

以这种方式生产的直接冷却铸造坯了通常将被进行热轧和冷轧步骤，或其他热加工程序，以生产具有所需形状的制品。然而，常规上必须进行均质化处理以将金属转化为更可用的形式。在DC铸造合金的固化期间，在微观结构中发生了多个事件。首先，金属相以晶粒的方式成核，其可以是蜂窝状的(cellular)、树枝状的(dendritic)或它们的组合，并且常规地添加化学晶粒细化化学品以辅助该过程。这样的化学品增加成本并在操作中产生问题，甚至可能不利地影响最终产品的性能。此外，在存在非平衡固化条件(non-equilibriumsolidification conditions)的情况下，合金成分可能会从正在成形晶粒中排出，并集中在微观结构中的小囊(pockets)中，因此也会对产品的性能产生不利的影响。这些事件不仅在横跨晶粒的范围中导致的成分变化，而且在与金属间相(intermetallic phases)相邻的区域(其中同时存结构上相对较软和较硬的区域)中导致的成分变化，并且如果不使其改变或变形，将产生对最终产品来说不可接受的属性差异。