[發明專利]直冷鑄造金屬的附加淬冷原位均化法

有效

• 申請號: 201380015555.7
• 申請日: 2013-03-14
• 公開（公告）號: CN104203452B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: W.J.芬頓;J.麥德莫特;R.B.瓦斯塔夫
• 申請（專利權）人: 諾維爾里斯公司
• 主分類號: B22D7/00
• 分類號: B22D7/00;B22D30/00;B22D9/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 馮春時,譚祐祥

技術領域

本發明涉及熔融金屬，特別是熔融金屬合金通過直冷鑄造法等方法進行的鑄造。更具體而言，本發明涉及包括原位均化的這類鑄造。

背景技術

金屬合金，特別是鋁合金，通常由熔融形式鑄造以制造錠塊或坯段，鑄錠或鑄坯隨后進行軋制、熱加工和/或其它處理來制造用于生產多種產品的片材或板材制品。錠塊通常通過直冷(DC)鑄造法制造，但也可采用同等鑄造方法，例如電磁鑄造(例如以均授予Goodrich等人的美國專利3,985,179和4,004,631為代表）。術語“直冷”是指在錠塊或坯段進行鑄造時將冷卻液直接施用于其表面。以下論述主要涉及DC鑄造，但相同原理適用于在鑄造金屬中產生相同或同等微結構性質的所有這類鑄造工藝。

用于制造錠塊的金屬(例如鋁和鋁合金-下文統稱為鋁)DC鑄造通常在淺的端開口軸向垂直模具中進行，該模具具有圍繞鑄造腔的模具壁(鑄造表面)。該模具初始時在其底端被可向下移動的平臺(常被稱作底座)封閉，該平臺保持原位，直至一定量的熔融金屬已堆積于模具中(所謂的啟動物料)并已開始冷卻。然后使底座以調控速率向下移動，使得錠塊從模具底端逐步脫出。模具壁通常被冷卻套管圍繞，水之類的冷卻流體連續循環通過該套管，以為模具壁及鑄造腔內與其接觸的熔融金屬提供外部冷卻。將熔融的鋁(或其它金屬)連續引入冷卻模具的上端，以替代隨著底座下降脫離模具下端的金屬。隨著該底座的有效連續移動和相應地向模具連續供應熔融鋁，可制造所需長度的錠塊，其僅受到模具下方可供使用的空間的限制。DC鑄造的進一步細節可獲自授予Ennor的美國專利2,301,027(其公開內容經此引用并入本文)和其它專利。

DC鑄造盡管通常如上所述垂直進行，但也可以水平進行，即模具非垂直取向且通常精準水平取向，并對設備作出一些修改，在這類情況下，由于可隨著錠塊從模具脫出將其切割為所需長度，因而鑄造操作可以是基本連續的。在水平DC鑄造的情況下，可免于使用外部冷卻模具壁。在以下論述中，參照垂直直冷鑄造，但相同構思適用于水平DC鑄造。

在DC鑄造中從模具下端(或出口)脫出的錠塊在外部是固體但在其中心仍然熔融。換言之，模具內的熔融金屬池作為外部固體殼內的熔融金屬貯槽向下延伸到向下移動的錠塊的中心部分直達模具下方的一定距離。隨著錠塊從外表面向內冷卻和固化形成固體外殼，該貯槽的橫截面沿向下的方向逐漸減小，直至其芯部完全變為固體。鑄造金屬產品的具有固體外殼和熔融芯的部分在本文中被稱作錠坯(embryonic ingot)，其在完全固化時變為鑄造錠塊。

如上所述，直冷鑄造通常在具有主動冷卻壁的模具中進行，該主動冷卻壁在熔融金屬接觸壁時啟動對熔融金屬的冷卻。所述壁通常由一級冷卻劑(一般為水)冷卻，該一級冷卻劑從圍繞壁外表面的室流過。使用時，這種冷卻常被稱為金屬的“一級冷卻”。在這些情況下，第一冷卻液(例如水)直接施用于脫出的錠坯被稱為“二級冷卻”。錠塊表面的這種直冷同時有助于使錠塊邊緣部分保持適度固態以形成限制殼和促進錠塊的內部冷卻和固化。二級冷卻通常提供錠塊經受的主要冷卻。

傳統上，在模具下方提供單個冷卻區域。通常，通過沿緊鄰模具出口下方的錠塊邊緣均勻引導基本連續的水流，實現這一區域中的冷卻作用，例如從冷卻套管的下端排出水。在該工藝過程中，水以相當大的力或沖量與錠塊表面呈相當大的角度撞擊該表面并伴隨著連續但遞減的冷卻作用向下流經錠塊表面，直至錠塊表面溫度接近水的溫度。

2009年4月14日授予Wagstaff等人的美國專利7,516,775披露了上述種類的熔融金屬鑄造方法，該方法具有附加特征，即在模具出口下方一定距離處使用擦拭器從錠塊外部去除用于二級冷卻(即直冷)的液體冷卻劑，該擦拭器可以是錠塊經過的環形實心彈性部件，或者替換性地可以是與二級冷卻液流反向以使冷卻流從錠塊表面提起的射流(氣體或液體)形成的擦拭器。從錠塊表面去除二級冷卻劑的原因在于，使錠坯外部固體殼的溫度得以升高并接近仍然熔融的內部的溫度保持使固體金屬中足以發生冶金學變化的時長。發現這些冶金學變化與這種錠塊鑄造并完全冷卻之后所進行的固體鑄件傳統均化過程中發生的變化類似或完全相同。冷卻劑擦除之后殼溫的升高是歸因于與固體外殼的冷卻金屬相比內部熔融金屬的過熱以及由于內部熔融金屬隨著時間的推移不斷固化而產生的潛熱兩者。通過這種再加熱效應，實現了所謂的“原位均化”，從而無需鑄造操作之后額外的傳統均化步驟。該工藝過程的全部細節可獲自美國專利7,516,775，其全部公開內容經此引用并入本文。