專利名稱：鑄造金屬的均化和熱處理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬，特別是金屬合金的鑄造，及其處理以使它們適合 形成金屬產品， 例如片材和板材制品。
背景技術：
金屬合金，特別是鋁合金，通常由熔融形式鑄造以產生錠塊或坯段，它們隨后進行 軋制、熱加工或類似加工以產生用于制造許多產品的片材或板材制品。錠塊通常通過直冷 (DC)鑄造法制造，但也可以使用同等鑄造方法，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)。下列論述主要涉及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程序。用于制造錠塊的金屬(例如鋁和鋁合金_下文統(tǒng)稱為鋁)DC鑄造通常在淺的開口 的軸向垂直模具中進行，該模具一開始在其底端被可向下移動的平臺(常被稱作底座)封 閉。該模具被冷卻護套圍繞，水之類的冷卻流體連續(xù)循環(huán)通過該護套以提供模具壁的外部 冷卻。將熔融的鋁(或其它金屬)引入冷卻模具的上端，并隨著熔融金屬在與模具內緣相 鄰的區(qū)域中固化，使該平臺向下移動。隨著該平臺的有效連續(xù)移動和相應地向模具連續(xù)供 應熔融鋁，可以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(jié)可獲自授予Ermor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鑄造也可以水平進行，即模具非垂直取向并對設備作出一些修改，在這類情況 下，鑄造操作可以是基本連續(xù)的。在下列論述中，參照垂直直冷鑄造，但相同原理適用于水 平DC鑄造。在垂直DC鑄造中從模具下端(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(pool)作為熔融金屬貯槽(sump)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固化，該熔融金屬 貯槽(sump)的橫截面從上往下逐漸降低直至其芯部分完全為固體。具有固體外殼和熔融 芯的鑄造金屬產品的部分在本文中被稱作錠坯(embryonicingot)，其在完全固化時變成鑄 造錠塊。作為直冷鑄造法的重要特征，使連續(xù)供應的冷卻液，例如水與正好在模具下方的 推進(advance)中的錠坯的外表面直接接觸，由此導致表面金屬直冷。錠塊表面的這種直 冷有助于使錠塊邊緣部分保持固態(tài)并促進錠塊的內部冷卻和固化。傳統(tǒng)上，在模具下方提供單個冷卻區(qū)域。通常，通過沿緊鄰模具下方的錠塊邊緣均 勻引導基本連續(xù)的水流，實現(xiàn)這一區(qū)域中的冷卻作用，例如從模具冷卻護套的下端排出水。 在這種程序中，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(xù)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。通常，冷卻水在接觸熱金屬時首先發(fā)生兩個沸騰事件。在射流的滯流區(qū)域中直接 在液體下方并與其緊鄰地形成主要為水蒸汽的薄膜，在其任一面的相鄰區(qū)域中和在射流下 方，發(fā)生典型的成核薄膜沸騰。在錠塊冷卻時，氣泡的成核和混合效應平息，流體流和熱邊 界層條件變成沿錠塊體向下強制對流，直至最終，流體動力條件變成在錠塊的最下末端橫 穿錠塊整個表面的簡單自由下落薄膜。由此制成的直冷鑄造錠塊通常經過熱軋和冷軋步驟或其它熱加工程序以制造具 有各種厚度和寬度的片材或板材制品。但是，在多數(shù)情況下，在軋制或其它熱加工程序之前 通常需要均化程序以便將金屬轉化成更可用的形式和/或改進軋制產品的最終性質。進行 均化以平衡微觀濃度梯度。均化步驟包括將鑄造錠塊加熱至升高的溫度(通常高于過渡 溫度，例如合金的固溶線溫度的溫度，通常高于450°c，并通常(對于多數(shù)合金)為500至 6300C )持續(xù)相當長的時間，例如幾小時，通常高達30小時。對這種均化步驟的需要是在鑄造產品中發(fā)現(xiàn)的由固化的早期階段或最終階段引 起的微結構缺陷的結果。在微觀層面上，DC鑄造合金的固化以下列五個事件為特征(1)初 相的成核(其發(fā)生頻率可能與晶粒細化劑的存在相關或不相關)；(2)限定晶粒的多孔狀、 多枝狀結構或多孔狀與多枝狀組合結構的形成；(3)由于占優(yōu)勢的非平衡固化條件，從多 孔狀/多枝狀結構中推出溶質；(4)固化中的初相的體積變化增強了推出的溶質的運動；和 (5)推出的溶質濃縮及其在最終反應溫度下固化(例如共晶)。因此，所得金屬結構相當復雜并以整個晶粒內以及在與金屬間相相鄰的區(qū)域(在 此相對較軟和較硬的區(qū)域在該結構中共存)內的組成差異為特征且如果沒有改性或轉變， 會產生最終產品不可接受的最終規(guī)格(gauge)性質差異。均化是常用于描述旨在校正溶質元素分布中的微觀缺陷和(隨之)改變界面處存 在的金屬間結構的熱處理的通用術語。均化方法的公認結果包括下列1.晶粒內的元素分布變得更均勻。2.在鑄造過程中在晶界和三相點處形成的任何低熔點成分粒子(例如共晶體)溶 解回晶粒中。3.某些金屬間粒子(例如包晶體)經歷化學和結構轉變。4.在鑄造過程中形成的大的金屬間粒子(例如包晶體)在加熱過程中可能斷裂和 變圓。5.在加熱過程中形成的析出物(precipitate)(例如可用于隨后生長以增強該材 料)溶解并隨后在錠塊再冷卻至低于固溶線并保持在恒定溫度和使其成核和生長或冷卻 至室溫并預熱至熱加工溫度時，在溶解和再分布后在整個晶粒中均勻析出。在一些情況下，必須在實際DC鑄造過程中對錠塊施以熱處理以校正鑄造過程中 引起的不同應力場。本領域技術人員將合金按特性分成響應這些應力在固化后裂化或在固 化前裂化。固化后裂紋由鑄造過程中發(fā)展的宏觀應力引起，其在固化完成后導致以穿晶形式 形成裂紋。這通常通過在鑄造過程中將錠塊表面溫度保持在升高水平(由此降低錠塊中的 溫度_因此應變_梯度)和通過在鑄造后立即將傳統(tǒng)鑄成的錠塊轉移到應力消除爐中來校 正(correct)0
固化前裂紋也由鑄造過程中發(fā)展的宏觀應力引起。但是，在這種情況下，通過沿低 熔點共晶網絡在晶粒間撕拉或剪切該結構(與固化時的溶質推出相關)來減輕固化過程中 形成的宏觀應力。已經發(fā)現(xiàn)，使中心到表面的線性溫度梯度差(即，脫出的錠塊的表面到中 心的溫度衍化(derivative))均衡可以成功地減輕這類裂化。這些缺陷使錠塊對許多用途而言不可接受。已經作出各種嘗試以便通過控制鑄 造過程中錠塊的表面冷卻速率來克服該問題。例如，在容易產生固化后裂化的合金中， Zeigler在美國專利2，705，353中在模具下方一定距離處使用擦拭器從錠塊表面去除冷卻 劑以使錠塊的內熱將冷卻的表面再加熱。目的是使表面溫度保持高于大約300° F(149°C) 并優(yōu)選保持在大約400至650° F(204至344°C)的典型退火范圍內。Zinniger在美國專利4，237，961中表明帶有可吹脹彈性體擦拭環(huán)形式的冷卻劑 擦拭裝置的另一直冷鑄造系統(tǒng)。這起到與上述Zeigler專利中所述相同的基本作用，其中 錠塊的表面溫度保持在足以減輕內應力的水平。在Zirmiger專利的實施例中，錠塊表面保 持在大約500° F(260°C)，這仍在退火范圍內。該程序的目的是通過防止在錠塊內產生過 高的熱應力來實現(xiàn)極大橫截面的錠塊的鑄造。在容易產生固化前裂紋的合金中，Bryson在美國專利3，713，479中使用兩個水平 面的具有較低強度的水噴霧冷卻以降低冷卻速率并使其隨著錠塊下降沿錠塊向下延伸更 長距離，并由于該加工，表現(xiàn)出提高該方法中所實現(xiàn)的總鑄造速率的能力。Ohatake等人，在加拿大專利2，095，085中顯示了使用擦拭器去除冷卻水的直冷 鑄造設備的另一設計。在該設計中，使用第一和第二水冷卻射流，然后用擦拭器去除水，擦 拭器后跟著第三冷卻水射流。

發(fā)明內容
一個示例性形式或方面基于下述觀察——通過使鑄造錠坯的已冷卻外殼和仍然 熔融的內部的溫度會合至等于或高于金屬轉變溫度(在此發(fā)生金屬的原位均化，其對于許 多鋁合金通常為至少425°C )的溫度并優(yōu)選在等于或接近該溫度下保持合適的時長以便發(fā) 生(至少部分發(fā)生)所需轉變，可以為這類錠塊提供與鑄造金屬錠塊的傳統(tǒng)均化過程(要 求在升高溫度下加熱數(shù)小時的程序)中制成的那些相當或相同的冶金性質。令人驚訝地，通常以此方式在相對較短時間(例如10至30分鐘)內產生理想的 冶金學變化，且實現(xiàn)這類結果的程序可以并入鑄造操作本身中，由此不需要額外的昂貴和 不方便的均化步驟。不希望受制于任何具體理論，但這可能是因為，在鑄造合金時通過顯著 的反向擴散效應(在固態(tài)和液態(tài)中的任一或者其二者，以及它們的組合“糊狀”形式)短時 間產生或保持理想的冶金學變化，而非在傳統(tǒng)冷卻過程中具有不理想的冶金性質并隨之要 求在傳統(tǒng)均化步驟中用相當長時間進行校正。即使在傳統(tǒng)鑄造錠塊通常不進行均化的那些情況下，也可能存在具有使錠塊更容 易加工或提供具有改進性質的產品的性質的晶粒。在如上所述的涉及原位均化的鑄造方法之后，可任選在錠塊從鑄造裝置中取出之 前進行淬火操作，例如通過將推進的鑄造錠塊的前導部分浸入冷卻液池中來進行。這在去 除供應到錠坯表面上的冷卻液之后和在留出足以實現(xiàn)合適的冶金學轉變的時間之后進行。本發(fā)明人杜撰出術語“原位均化”以描述這種現(xiàn)象，由此在鑄造過程中實現(xiàn)與通過鑄造和冷卻后進行的傳統(tǒng)均化獲得的那些相當?shù)奈⒔Y構變化。類似地，杜撰出術語“原位淬 火”以描述在鑄造過程中在原位均化后進行的淬火步驟。需要注意的是，實施方案可適用于如2005年1月20日公開的美國專利公開 2005-0011630或2004年3月16日頒發(fā)的美國專利6，705，384中所述的兩種或更多金屬 (或來自兩種不同來源的相同金屬)的復合錠塊的鑄造。這種類型的復合錠塊按照與由一 種金屬制成的單塊錠塊極其相同的方式鑄造，但是鑄?；蝾愃莆锞哂袃蓚€或更多入口，這 些入口被內部模具壁或被并入鑄造錠塊中的連續(xù)進料的固體金屬條分隔開。一旦通過一個 或更多出口離開該模具，就對復合錠塊施以液體冷卻，并可以按照與單塊錠塊(monolithic ingot)相同的方式在相同或相當?shù)男Ч氯コ后w冷卻劑。
由此，某些示例性實施方案可以提供鑄造金屬錠塊的方法，包括下列步驟(a) 將熔融金屬從至少一個來源供應到在邊緣限定熔融金屬的區(qū)域中，由此為熔融金屬提供 邊緣部分；(b)將金屬的邊緣部分冷卻，由此形成具有外部固體殼和內部熔融芯的錠坯 (embryonicingot) ； (c)沿推進方向推進錠坯以遠離在邊緣限定熔融金屬的區(qū)域，同時向 所述區(qū)域供應追加的熔融金屬，由此使固體殼內所含的熔融芯延伸超出該區(qū)域；(d)通過 將冷卻液供應品引導到所述外表面上，將從在邊緣上限定該金屬的區(qū)域中脫出的錠坯的外 表面冷卻；和(e)在錠塊外表面上的一個位置(在此，與推進方向垂直的錠塊橫截面貫穿一 部分熔融芯)處，從錠坯外表面去除有效量(最優(yōu)選所有的)冷卻液以便在去除有效量的 冷卻劑后，來自熔融芯的內熱將與熔融芯相鄰的固體殼再加熱，由此導致芯和殼的溫度各 自接近425°C或更高的會合溫度。在優(yōu)選情況下可以通過測量體現(xiàn)出在去除冷卻液后回彈的溫度的錠塊外表面來 追蹤這種會合。這種回彈溫度應該最高達到高于合金或相的轉變溫度，并優(yōu)選高于426°C。在上述方法中，步驟(a)中的熔融金屬優(yōu)選供應到直冷鑄模的至少一個入口中， 該直冷鑄模由此構成在邊緣限定熔融金屬的區(qū)域，且錠坯在步驟(c)中從直冷鑄模的至少 一個出口推出(advance)，其中錠塊外表面上的在步驟(e)中在此去除顯著量的冷卻液的 位置與模具的至少一個出口間隔一定距離。該鑄造方法(即熔融金屬的供應)可以按需要 連續(xù)或半連續(xù)。可以用擦拭器或其它裝置從外表面上去除冷卻液。優(yōu)選地，提供環(huán)繞錠塊的擦拭 器且如果需要，擦拭器位置在鑄造操作的不同階段中是可變的，例如，從而使會合溫度的差 異最小化，否則在這些不同階段中可能發(fā)生這種差異。根據(jù)另一實施方案，提供了連續(xù)或半連續(xù)直冷鑄造金屬錠塊的裝置，包括具有至 少一個入口、至少一個出口和至少一個模腔的鑄模；用于該至少一個模腔的至少一個冷卻 護套；冷卻液供應源，其設置成使冷卻液沿著從至少一個出口脫出的錠坯的外表面流動； 與該至少一個出口間隔一定距離的用于從錠坯外表面去除冷卻液的工具；和使冷卻劑去除 工具朝向和離開該至少一個出口的裝置，由此能夠在錠塊鑄造過程中改變該距離。另一示例性實施方案提供了制造金屬片材制品的方法，其包括通過上述方法制造 固化金屬錠塊；熱加工該錠塊以產生加工制品；其特征在于在錠塊制造步驟(a)和熱加工 步驟(b)之間沒有將固化的金屬錠塊均化的情況下進行熱加工。熱加工可以例如是熱軋， 如果需要，這之后可以是傳統(tǒng)的冷軋。術語“熱加工”可以包括，例如，如熱軋、擠壓和鍛造 的方法。
另一示例性實施方案提供了在沒有預先均化的情況下制造可以熱加工的金屬錠塊的方法，該方法包括在有效制造具有非帶芯微結構或可選擇地斷裂微結構(金屬間粒子 在鑄造結構中斷裂)的固化金屬的溫度和時間條件下鑄造金屬以形成錠塊。至少在一些示例性實施方案中，在與初始流體冷卻過程中接近淬火至低于轉變溫 度(例如固溶線溫度)的表面的錠塊邊緣處存在的，在固化過程中朝晶胞邊緣偏析的溶質 元素被允許經由穿過枝晶/晶胞的固態(tài)擴散而重新分布，并在固化過程中為通常偏析到在 錠塊中心區(qū)域中的枝晶/晶胞邊緣的那些溶質元素提供時間和溫度以使溶質在生長和變 粗之前從均勻液體反向擴散回枝晶/晶胞中。這種反向擴散的結果從均勻混合物中去除 了溶質元素，使得均勻混合物中溶質的濃度降低，這又使單位枝晶/晶胞邊界處的鑄造金 屬間化合物的體積比例(fraction)最小化，由此降低整個錠塊中的整體宏觀偏析效應。此 時，任何高熔點鑄造成分和金屬間化合物一旦固化，就容易通過金屬中存在的硅(Si)或其 它元素在升高溫度下的本體擴散而改變，在枝晶/晶胞邊界產生溶蝕區(qū)域，等于或接近與 該特定會合溫度下的最大溶度限對應的濃度。類似地，如果在兩個鄰接二元相區(qū)域共享的 混合相區(qū)域中達到并保持會合溫度，高熔點共晶體(或亞穩(wěn)成分和金屬間化合物)可以進 一步變換或在結構上可以進一步變換/轉變。除此以外，標稱的更高熔點鑄造成分和金屬 間化合物可能斷裂和/或變圓，且低熔點鑄造成分和金屬間化合物更可能在鑄造過程中熔 化或擴散到本體(bulk)材料中。另一示例性實施方案提供了加熱鑄造金屬錠塊以使錠塊準備在預定熱加工溫度 下熱加工的方法。該方法包括(a)將錠塊預熱至低于預定熱加工溫度的成核溫度，在此溫 度下在金屬內發(fā)生析出物成核，以致發(fā)生成核；(b)將錠塊進一步加熱至析出物生長溫度， 在此溫度下發(fā)生析出物生長，以在金屬內發(fā)生析出物生長；和(c)如果錠塊在步驟(b)后沒 有處于預定熱加工溫度，將錠塊進一步加熱至所述預定熱加工溫度以備熱加工。熱加工步 驟優(yōu)選包括熱軋，且錠塊優(yōu)選通過DC鑄造法鑄造。根據(jù)該方法，通常在均化和熱軋過程中形成的彌散體以如下方式制成在兩個階 段中將錠塊預熱至熱軋溫度并保持一段時間后，彌散體群體大小和在錠塊內的分布變得類 似于或優(yōu)于在完全均化法后通常發(fā)現(xiàn)的情況，但時間明顯更短。優(yōu)選地，該方法提供了熱加工金屬錠塊的方法，其包括下列步驟(a)將錠塊預熱至與固溶線上的組成對應的溫度，其中(b)在加熱過程中從溶液中析出來的超飽和材料部分有助于析出物的成核，(c)使錠塊在此溫度下保持一段時間，然后(d)將錠塊溫度升至與固溶線上的組成對應的溫度，和(e)使從溶液中析出來的超飽和材料部分在第二階段中加熱以助于析出物的生 長，然后(f)使錠塊在此溫度下保持一段時間以使溶質從較小(熱不穩(wěn)定)析出物中連續(xù) 擴散出來，這增強了更大更穩(wěn)定的析出物的生長，或可選擇地逐漸升高溫度由此提高溶質 濃度，這有助于生長，而不需要保持溫度。附圖發(fā)明

圖1是直冷鑄模的垂直截面圖，其顯示了根據(jù)示例性實施方案的方法的一種優(yōu)選 形式，并特別例示了錠塊在整個鑄造過程中保持熱的情況。
圖2是與圖1類似的截面圖，其例示了一種優(yōu)選變體，其中擦拭器的位置在鑄造過 程中可移動。圖3是與圖1類似的截面圖，其例示了錠塊在鑄造過程中在下端額外冷卻(淬火) 的情況。圖4是J-形鑄模的頂視平面圖，其顯示了示例性實施方案的優(yōu)選形式。圖5是對圖4中所示的模具類型顯示圖1的距離X的圖，X的值對應于在圖4中 從位置S開始以順時針方向測得的圍繞模具邊緣的位置。圖6是設計用于圖4的鑄模的擦拭器的透視圖。圖7是顯示根據(jù)一種形式的示例性實施方案的鑄造程序的圖，其顯示了 A1-1. 5% Mn-O. 6% Cu合金在其DC鑄造并隨后水冷和擦除冷卻劑時隨時間經過的表面溫度和中心溫 度。在錠塊體沒有強制冷卻的情況下，與美國專利6，019，939中類似的A1-1. 5% Mn-O. 6% Cu合金在發(fā)生固化和再熱的區(qū)域中的熱史(下方溫度跡線是表面，上方(虛線)跡線是中 心)。圖8是顯示與圖7相同的鑄造操作但持續(xù)更長時間的圖，并特別顯示了在溫度會 合或回彈后的冷卻期間。圖9是與圖7類似的圖，但顯示了在三個略微不同的時間(如圖中所示的不同錠 塊長度)進行的相同鑄件的溫度測量。實線顯示了三個圖表(plot)的表面溫度，且虛線顯 示了中心溫度?？梢詮母鱾€圖表中確定表面溫度保持高于400°C和500°C的時間，并在每種 情況下大于15分鐘。對于每一情況，顯示了 563、581和604°C的回彈溫度。圖IOa顯示了與美國專利No. 6，019, 939類似的A1-1. 5% Mn-O. 6% Cu合金的透射 電子顯微照片，其具有根據(jù)商業(yè)直冷法的固化和冷卻史，和根據(jù)下列實施例中的樣品A的 熱和機械加工史，顯示了在6毫米厚度處、從表面起25毫米處，和在錠塊中心的典型析出物 分布。圖IOb是圖IOa的片材中相同區(qū)域的顯微照片，但在偏振光中顯示以揭示重結晶 的晶胞大小。圖Ila顯示了與美國專利No. 6，019，939類似的A1-1. 5% Mn-O. 6% Cu合金的透 射電子顯微照片，其具有根據(jù)商業(yè)直冷法的固化和冷卻史，和根據(jù)下列實施例的樣品B的 熱和機械加工史，顯示了在6毫米厚度處、從表面起25毫米處，和在錠塊中心的典型析出物 分布。圖lib是與圖Ila相同的片材區(qū)域的顯微照片，但在偏振光中顯示以揭示重結晶 的晶胞大小。圖12a顯示了與美國專利No. 6，019，939類似的A1-1. 5% Mn-O. 6% Cu合金的透 射電子顯微照片，其具有根據(jù)圖7和圖8的固化和冷卻史，和根據(jù)下列實施例中的樣品C的 熱和機械加工史，顯示了在6毫米厚度處、從表面起25毫米處，和在錠塊中心的典型析出物 分布。圖12b是與圖12a相同的片材區(qū)域的顯微照片，但在光學偏振光中顯示以揭示重 結晶的晶胞大小。圖13a顯示了與美國專利No. 6，019，939類似的A1-1. 5% Mn-O. 6% Cu合金的透 射電子顯微照片，其具有根據(jù)圖9的固化和冷卻史，和根據(jù)下列實施例的樣品D的熱和機械加工史，顯示了在6毫米厚度處、從表面起25毫米處，和在錠塊中心的典型析出物分布。圖13b是與圖13a相同的片材區(qū)域的顯微照片，但在偏振光中顯示以揭示重結晶 的晶胞大小。圖14a顯示了與美國專利No. 6，019, 939類似的A1-1. 5% Mn-O. 6% Cu合金的透射 電子顯微照片，其具有根據(jù)商業(yè)直冷法的固化和冷卻史，和根據(jù)下列實施例中的樣品E的 熱和機械加工史，顯示了在6毫米厚度處、從表面起25毫米處，和在錠塊中心的典型析出物 分布。圖14b是圖14a的片材中的相同區(qū)域的顯微照片，但在偏振光中顯示以揭示重結 晶的晶胞大小。圖15a顯示了與美國專利No. 6，019, 939類似的A1-1. 5% Mn-O. 6% Cu合金的透射 電子顯微照片，其具有根據(jù)商業(yè)直冷法的固化和冷卻史，和根據(jù)下列實施例中的樣品F的 熱和機械加工史，顯示了在6毫米厚度處、從表面起25毫米處，和在錠塊中心的典型析出物 分布。圖15b是圖15a的片材中的相同區(qū)域的顯微照片，但在偏振光中顯示以揭示重結 晶的晶胞大小。圖16是A1-4. 5% Cu的透過固化晶粒結構中心的具有銅(Cu)線掃描的掃描電子 顯微照片，其顯示了傳統(tǒng)直冷鑄造法共有的典型顯微偏析。圖17是在使用擦拭器和在Ziegler，2，705, 353或Zinniger，4，237，961所教導的 范圍內的回彈/會合溫度(300°C )的情況下，A1-4. 5% Cu的具有銅(Cu)線掃描的SEM圖像。圖18是在沒有將錠塊體強制冷卻的情況下根據(jù)示例性實施方案的A1-4. 5% Cu的 具有銅(Cu)線掃描的SEM圖像(見圖I9)。圖19是顯示在沒有將錠塊體強制冷卻的情況下A1-4. 5% Cu合金在發(fā)生固化和再 熱的區(qū)域中的熱史的圖(見圖18)。圖20是在有意延遲后將錠塊體強制冷卻的情況下根據(jù)示例性實施方案的 A1-4. 5% Cu的具有銅(Cu)線掃描的SEM圖像(見圖21)。圖21是顯示在有意延遲后將錠塊體強制冷卻的情況下在A1-4. 5% Cu合金發(fā)生固 化和再熱的區(qū)域中的熱史的圖(見圖20)。圖22是顯示通過三種不同加工途徑比較的鑄造金屬間相的代表性面積比例的 圖。圖23是顯示在沒有將錠塊體強制冷卻的情況下在A1-0. 5 % Mg-O. 45 % Si合金 (6063)發(fā)生固化和再熱的區(qū)域中的熱史的圖。圖24是顯示在有意延遲后將錠塊體強制冷卻的情況下在A1-0. 5 % Mg-O. 45 % Si 合金(AA 6063)發(fā)生固化和再熱的區(qū)域中的熱史的圖。圖25a、25b和25c各自是根據(jù)圖23處理過的合金的衍射圖，且圖24是XRD相識別。圖26a、26b和26c各自是在傳統(tǒng)鑄造的以及根據(jù)圖23和24的程序處理過的錠塊 上進行的FDC技術的圖示。圖27a和27b是根據(jù)示例性實施方案加工的鑄態(tài)(as cast)金屬間A1-1. 3% Mn合金(AA3003)的光學顯微照片，斷裂；圖28是根據(jù)示例性實施方案加工的鑄態(tài)金屬間A1-1. 3% Mn合金的光學顯微照片，改進；圖29是根據(jù)該示例性實施方案鑄造的，通過使Si擴散到粒子中而改性的鑄態(tài)金 屬間相的透射電子顯微照片，顯示出溶蝕區(qū)域；圖30是顯示傳統(tǒng)加工的Al-7% Mg合金的熱史的圖；圖31是顯示在錠塊體沒有強制冷卻的情況下在使用低于貝塔(β )相的溶解溫度 的回彈溫度時Al-7% Mg合金在發(fā)生固化和再熱的區(qū)域中的熱史的圖；圖32是顯示在錠塊體沒有強制冷卻的情況下在使用高于β相的溶解溫度的回彈 溫度時Al-7% Mg合金在發(fā)生固化和再熱的區(qū)域中的熱史的圖；圖33是差示掃描量熱計(DSC)的輸出跡線，顯示了在451_453°C范圍內的存在β 相(傳統(tǒng)直冷鑄造材料)(見圖30)；圖34是差示掃描量熱計(DSC)的輸出跡線，表明不存在β相(見圖31)；且圖35是差示掃描量熱計(DSC)的輸出跡線，表明不存在β相(見圖32)。
具體實施例方式下列描述涉及鋁合金的直冷鑄造，但僅是舉例說明。本示例性實施方案適用于各 種鑄造金屬錠塊的方法，適用于多數(shù)合金的鑄造，特別是輕金屬合金，尤其是轉變溫度高于 450°C且要求在鑄造后和在熱加工，例如軋制之前均化的那些。除了基于鋁的合金外，可以 鑄造的其它金屬的實例包括基于鎂、銅、鋅、鉛_錫和鐵的合金。該示例性實施方案也可能 適用于純鋁或其它金屬的鑄造，其中可以實現(xiàn)均化法的五個結果之一的效果(參見上述這 些步驟的描述)。附圖的圖1顯示了可用于實施根據(jù)本示例性實施方案的一個示例性形式的方法 的至少一部分的垂直DC鑄造機10的一個實例的簡化垂直橫截面。當然，本領域技術人員 會實現(xiàn)，這類鑄造機可以構成均同時以相同方式運行的更大組的鑄造機的一部分，例如構 成多鑄造臺的一部分。將熔融金屬12通過模具入口 15引入垂直取向的水冷模具14，并作為錠坯16從模 具出口 17脫出。錠坯在固體外殼26內具有液體金屬芯24，該外殼隨錠坯冷卻而變厚(如 線19所示)直至產生完全固體的鑄造錠塊。要理解的是，模具14在邊緣限定并將熔融金屬 冷卻以引發(fā)固體殼26的形成，且冷卻中的金屬以圖1中的箭頭A所示的推進方向移出并遠 離模具。隨著錠塊從模具中脫出，將冷卻液射流18引導到錠塊外表面上以增強冷卻并維持 固化過程。冷卻液通常是水，但對于專用合金，例如鋁_鋰合金，可能可以使用另一液體，例 如乙二醇。所用冷卻劑流量可以是對DC鑄造而言相當常見的，例如每厘米邊緣每分鐘1. 04 升至每厘米邊緣每分鐘1. 78升(0. 7加侖/分鐘(gpm) /英寸邊緣至1. 2gpm/英寸)。在模具出口 17下方間隔距離X處，提供與錠塊外表面接觸的環(huán)形擦拭器20，這具 有從錠塊表面去除冷卻液(表示為流體22)的作用以便隨著錠塊進一步下降，擦拭器下方 的錠塊部分的表面不含冷卻液。冷卻劑流體22顯示為從擦拭器20上流走，但它們與錠塊 16的表面間隔一定距離以致它們不提供冷卻作用。確定距離X以便在錠塊仍然是坯料(即其仍然含有包含在固體殼26內的液體中心24)的同時從錠塊上去除冷卻液。換言之，在擦拭器20的放置位置，與推進方向A垂直截取的錠塊橫截面貫穿錠坯的液體金屬芯24的一部分。在擦拭器20的上表面下方的位 置，錠塊芯內的熔融金屬的繼續(xù)冷卻和固化向固體殼26釋放出固化潛熱和顯熱。潛熱和顯 熱的這種轉移在缺乏連續(xù)強制(液體)冷卻的情況下導致固體殼26溫度(在擦拭器20去 除冷卻劑的位置下方)升高(與剛好在擦拭器上方的其溫度相比)并與熔融芯的溫度會合 在高于金屬發(fā)生原位均化的轉變溫度的溫度。至少對于鋁合金，會合溫度通常等于或高于 425°C，更優(yōu)選等于或高于450°C。出于溫度測量方面的實際原因，“會合溫度”(熔融芯和固 體殼首次達到的共同溫度)被認為與“回彈溫度”相同，回彈溫度是固體殼在該方法中在去 除冷卻液后升至的最大溫度?？梢允够貜棞囟缺M可能高于425°C，通常，溫度越高，原位均化的所需結果越好，但 回彈溫度當然不升至金屬的初熔點，因為冷卻和固化的外殼26從芯中吸收熱并對回彈溫 度施加最高限度。順便提及，通常至少425°C的回彈溫度通常高于金屬的退火溫度(鋁合金 的退火溫度通常為343至415°C )。425°C的溫度是多數(shù)合金的臨界溫度，因為在更低溫度下，金屬元素在固化結構內 的擴散速率太慢以致不能使整個晶粒內的合金化學組成正規(guī)化或均等。在等于和高于該溫 度下，特別在等于和高于450°C下，擴散速率適合產生所需均衡化以引起金屬的理想的原位 均化效應。實際上，確保會合溫度達到高于425°C的某一最小溫度通常是理想的。對于任何特 定合金，通常存在在425°C和合金熔點之間的過渡溫度，例如固溶線溫度或轉變溫度，在該 溫度以上，發(fā)生合金的微結構變化，例如從β-相轉化成α-相成分或金屬間結構。如果會 合溫度超過這種轉變溫度，可以在合金結構內弓丨入所需轉變。通過鑄造參數(shù)，特別是通過擦拭器20在模具下方的定位(即圖1中距離X的大 小)，確定回彈或會合溫度。應該優(yōu)選選擇距離X以致(a)在冷卻劑去除后在芯中留下足夠的液體金屬，和熔融金屬的足夠過溫(過熱) 和潛熱以使錠塊的芯和殼的溫度達到上述所需會合溫度；(b)在冷卻劑去除后使金屬在高于425°C的溫度下暴露足夠時間以便在正常鑄造 速度下在正常的空氣冷卻速率下發(fā)生所需微結構變化；和(c)使錠塊在冷卻液下暴露(即去除冷卻液之前)足以使外殼固化至使錠塊穩(wěn)定 化并防止熔融金屬從內部滲出或涌出的程度的時間。通常難以在擦拭器20與模具出口 17的距離小于50毫米的同時為液體冷卻和外 殼的固化留出足夠空間，因此這通常是距離X的實際下限(最小尺寸)。無論錠塊尺寸如何， 上限(最大尺寸)據(jù)發(fā)現(xiàn)作為實際情況為大約150毫米，從而實現(xiàn)所需回彈溫度，且距離X 的優(yōu)選范圍通常為50毫米至100毫米。擦拭器的最佳位置可以隨合金和鑄造設備的不同而 變(因為不同尺寸的錠塊可以在不同鑄造速度下鑄造)，但始終高于錠塊芯變成完全固體 的位置。對于每一情況，通過計算(使用熱生成和熱損耗公式)或通過表面溫度測量(例 如使用嵌在表面內或作為表面接觸或非接觸探針的標準熱電偶)，或通過試驗和實驗法，確 定合適的位置(或位置的范圍)。對于形成直徑10至60厘米錠塊的正常容積的DC鑄模， 通常使用至少40毫米/分鐘，更優(yōu)選50至75毫米/分鐘(或9. OX 10_4至4. OX 10_3米/ 秒)的鑄造速度。
在一些情況下，需要使鑄造過程中不同時間的距離X變化，即通過使擦拭器20可 移動到更接近模具14或進一步遠離模具。這是要適應在鑄造程序的開始和結束時的瞬變 階段中遇到的不同熱條件。在鑄造開始時，底座堵住模具出口并逐漸下降以弓I發(fā)鑄造錠塊的形成。熱從錠塊流失到底座(其通常由導熱金屬制成)上以及從脫出的錠塊的外表面上流失。但是，隨著鑄 造繼續(xù)進行且錠塊的脫出部分與底座分開的距離越來越大，熱僅從錠塊外表面上流失。在 鑄造結束時，可能需要使外殼比鑄造剛要結束之前的正常溫度低。這是因為，從模具中脫出 的錠塊的最后部分通常用升降裝置夾住以使整個錠塊可以升高。如果外殼較冷且較厚，升 降裝置就不太可能造成可能危害升高操作的變形或撕裂。為了實現(xiàn)這一點，可以在鑄造的 最終階段提高冷卻液的流速。在啟動階段中，由于流失到底座上的熱，與正常鑄造階段相比，從錠塊中去除更多 熱。在這種情況下，可以將擦拭器暫時朝模具移近以降低錠塊表面在冷卻水中暴露的時長， 由此減少熱除去。在一定時間后，可以將擦拭器重新定位至其在正常鑄造階段中的正常位 置。在最終階段中，在實踐中發(fā)現(xiàn)，可能不要求移動擦拭器，但如果必要，可升高擦拭器以補 償由于提高的冷卻液流速而去除的額外熱量。擦拭器移動通過的距離(X的變量，即ΔΧ)和進行移動的時間可以由理論熱損耗 公式計算，由試驗和實驗法評估，或(更優(yōu)選地)基于通過適當傳感器測定的在擦拭器上方 (或可能下方)的錠塊表面的溫度。在后一情況下，異常的低表面溫度可能意味著需要縮短 距離X(更少冷卻)，異常的高表面溫度可能意味著需要增長距離X(更多冷卻)。在2000 年1月11日頒發(fā)給Marc Auger等人的美國專利6，012，507 (其公開經此引用并入本文) 中描述了適合此用途的傳感器。在鑄造開始時，通常只需對鑄造程序的最初50厘米至60厘米調節(jié)擦拭器位置。 可以作出一些小的遞增變化，例如每一情況下增加25毫米的距離。對于68. 5厘米厚的錠 塊，初次調節(jié)可以在錠塊最初的150-300毫米內，然后可以在30厘米和50-60厘米處作出 類似的變化。對于50厘米厚的錠塊，可以在15厘米、30厘米、50厘米和80厘米處作出調 節(jié)。擦拭器的最終位置是正常鑄造程序所要求的位置，因此擦拭器從最靠近模具的位置開 始，然后隨著鑄造繼續(xù)進行而下移。隨著錠塊的脫出部分在鑄造繼續(xù)進行時離底座越來越 遠，其趨近于減少熱損耗。因此，距離X開始時比在正常鑄造階段中短，并逐漸增長至正常 鑄造所需的距離。在鑄造結束時，如果需要任何調節(jié)，其可以在鑄件的最后25厘米內進行，且通常 只需要調節(jié)1至2厘米一次。擦拭器的擦拭器位置的調節(jié)可以手動進行(例如，如果用具有鏈環(huán)或金屬圈的鏈 支撐擦拭器，擦拭器上的凸起(例如鉤子)穿過該鏈環(huán)或金屬圈，則可以支撐并升高擦拭器 以使這些凸起穿過不同的鏈環(huán)或金屬圈)。或者且更優(yōu)選地，可以用任選通過計算機(或對 等物)連接到上述類型的溫度傳感裝置上的電動、氣動或液力起重器支撐和移動擦拭器以 使擦拭器可以根據(jù)具有內置邏輯的反饋回路移動。這種類型的布置以簡化形式顯示在圖2 中。圖2中所示的裝置與圖1的類似，只是擦拭器20的高度可調節(jié)，例如從實線所示 的上方位置調節(jié)到虛線所示的下方位置。因此，與模具14的出口的距離X可以變動ΔΧ(向上或向下)。因為擦拭器20支撐在可調節(jié)載體21 (該載體是液壓活塞和可通過液壓發(fā)動機23操作的柱形裝置)上，這種可調節(jié)性是可行的。液壓發(fā)動機23本身由計算機25根據(jù)溫 度傳感器27(其檢測模具14出口 17下方緊鄰的錠塊16的表面溫度)輸出的溫度信息控 制。如上所述，如果傳感器27記錄的溫度低于預定值，可以升高擦拭器20，且如果溫度高于 預定值，可以降低擦拭器。理想地，在所有形式的示例性實施方案中，擦拭器20下方的錠塊的會合溫度應該 在原位均化的轉變溫度以上(通常高于425°C)保持允許發(fā)生所需微結構轉變的時間。確 切時間取決于合金，但根據(jù)元素擴散速率和回彈溫度在425°C以上升高的量，優(yōu)選為10分 鐘至4小時。通常，可以在不超過30分鐘，并通常在10至15分鐘后發(fā)生所需變化。這與 合金的傳統(tǒng)均化所需的時間形成明顯對比，其通常為在高于金屬轉變溫度(例如固溶線) (通常550至626°C )的溫度下46至48小時。盡管示例性實施方案的方法的時間比傳統(tǒng) 均化低得多，但是金屬的所得微結構在這兩種情況下基本相同，即示例性實施方案的鑄造 產品在沒有經過傳統(tǒng)均化的情況下具有均化金屬的微結構并可以在不進一步均化的情況 下軋制或熱加工。本發(fā)明的本示例性實施方案因此被稱作“原位均化”，即在鑄造過程中而 非此后進行的均化。由于施加冷卻液并隨后去除，脫出的錠塊表面首先經受薄膜和成核薄膜沸騰狀況 特有的迅速冷卻，由此確保表面溫度迅速降至低水平(例如150°C至300°C )，但隨后去除冷 卻液，由此使錠塊的熔融中心的過溫和潛熱(以及固體金屬的顯熱)將固體殼表面再加熱。 這確保達到理想的微結構轉變所必須的溫度。需要注意的是，如果在從錠塊表面上去除冷卻劑之前使冷卻劑與錠塊接觸的時間 長于理想時間(或如果沒有完全去除冷卻劑)，就不再能利用熔融芯的固化的過熱和潛熱 的顯著作用使錠塊殼再熱至足以實現(xiàn)所需冶金學變化。盡管使用這種程序在整個錠塊內具 有一定的溫度均衡程度，且盡管這可能導致有益的應力降低和裂化降低，但沒有獲得所需 冶金學變化且隨后在將錠塊軋制成規(guī)格或所需厚度之前需要傳統(tǒng)的附加均化程序。如果以 所需方式從錠塊表面上去除冷卻劑，然后在整個錠塊內的溫度均衡之前使追加的冷卻劑與 錠塊接觸，并金屬內已經發(fā)生所需微結構變化，可能發(fā)生相同問題。在一些情況下，冷卻劑(特別是水基冷卻劑)可以通過自然成核薄膜沸騰臨時和 至少部分從錠塊表面上去除，以致在金屬表面上產生的蒸汽將液體冷卻劑從錠塊上去驅 除。但是，通常，隨著發(fā)生進一步冷卻，液體回到表面。如果在這種示例性實施方案中所用 的擦拭器之前發(fā)生冷卻劑的這種暫時去除，錠塊表面可以在其溫度分布圖中表現(xiàn)出雙傾斜 (dip)。冷卻劑將表面冷卻直至其通過成核薄膜沸騰暫時去除，因此溫度隨后升至一些程 度，然后使錠塊表面通過保持在擦拭器上表面上的冷卻劑池(擦拭器可以朝錠塊向內凹進 以利于形成冷卻劑池)，溫度再降低，僅在擦拭器從錠塊表面上去除所有冷卻劑時再一次升 高。這在錠塊外殼的冷卻曲線中產生特有的“W”形狀(如從圖23和24中可以看出的那 樣)。圖1的擦拭器20可以為裝在外圍剛性載體外罩32(例如由金屬制成)內的環(huán)狀 的軟的耐溫彈性體材料30 (例如耐高溫有機硅橡膠)形式。盡管圖1顯示了物理擦拭器20，如果需要，可以使用其它冷卻劑去除裝置。實際 上，提供非接觸式冷卻劑去除法通常是有利的。例如，可以在所需位置提供氣體或不同液體的射流以便去除沿錠塊流動的冷卻劑。或者，可以使用上述成核薄膜沸騰，即可以防止冷卻 劑由于成核薄膜沸騰在暫時去除后又回到錠塊表面。這類非接觸式冷卻劑去除法的實例 例如顯示在授予Zeigler的美國專利2，705，353、授予Moritz的德國專利DE 1，289，957、 授予Kilpatrick的美國專利2，871，529和授予Beke等人的美國專利3，763，921中(這 些專利的公開內容特此引用并入本文)?？梢酝ㄟ^在液體冷卻劑中加入溶解或壓縮氣體， 例如二氧化碳或空氣來輔助成核薄膜沸騰，例如授予Yu的美國專利no. 4，474，225或授予 Wagstaff的美國專利4，693，298和5，040, 595所述(它們的公開內容經此弓|用并入本文)?；蛘撸鋮s劑在流體18中的傳送速率可以控制在錠塊到達模具下方的臨界點(距 離X)之前或在將錠塊表面冷卻至低于臨界表面溫度之前所有冷卻劑從錠塊表面上蒸發(fā)的 程度。這可以使用如1996年12月10日頒發(fā)給Wagstaff等人的美國專利5，582，230 (其 公開內容經此引用并入本文)中所示的冷卻劑源進行。在這種構造中，將冷卻液通過兩排 連接到不同冷卻劑源上的噴嘴供應，這是改變施加到錠塊表面上的冷卻劑的量的簡單方式 以確保冷卻劑在需要時蒸發(fā)(距離X)。或者或此外，可以按照與美國專利6，546，995類似 的方式根據(jù)模具的環(huán)形連續(xù)部件環(huán)形部分進行熱計算以確保按需要蒸發(fā)所施加的水量。
可以根據(jù)示例性實施方案鑄造的鋁合金包括不可熱處理的合金(例如AA1000、 3000,4000和5000系列)和可熱處理的合金(例如AA2000、6000和7000系列)。在以已 知方式鑄造的可熱處理的合金的情況下，Uchida等人在PCT/JP02/02900中教導，均化步驟 和隨后在加熱和熱軋之前淬火至低于300°C的溫度，優(yōu)選至室溫并隨后溶液熱處理和老化， 與傳統(tǒng)加工的材料相比表現(xiàn)出優(yōu)異的性能(抗凹坑性、改進的坯成型值和堅硬性)。出乎 意料地，如果需要，通過在冷卻液去除后經過足以使合金均化的時間(例如至少10至15分 鐘)之后但在錠塊的顯著附加冷卻之前對錠塊(即剛經過原位均化的錠塊部分)施以淬火 步驟，可以在錠塊鑄造程序中在示例性實施方案中重現(xiàn)這種特性。這種最終淬火(原位淬火)顯示在附圖的圖3中，其中進行DC鑄造操作(與圖1 的基本相同)，但錠塊浸在水池34 (被稱作坑池或礦坑水)中，該水池位于從錠塊上去除冷 卻劑用的位置下方的適當距離Y。如上所述距離Y必須足以使所需原位均化繼續(xù)進行有效 時間，但不足以實現(xiàn)顯著的進一步冷卻。例如，剛要浸入池34之前的錠塊外表面的溫度應 該優(yōu)選高于425°C，且理想地為450至500°C。浸漬隨后導致錠塊溫度迅速水淬至一定溫度 (例如350°C )，在該溫度以下，不會以明顯速率發(fā)生固體結構的轉變。此后，將錠塊切成用 于軋制或進一步加工的標準長度。順便提及，為了使錠塊能在其整個長度上被水淬，鑄坑(錠塊從模具中脫出時下 降到該坑中)應該比錠塊長度深，因此當在模具中沒有進一步加入熔融金屬時，錠塊可以 繼續(xù)下降到坑中，并進入池34直至其完全浸沒。或者，錠塊可以部分浸沒至該池34的最大 深度，然后可以在鑄坑中加入更多水以使池表面的水平面升高直至將錠塊完全浸沒。應該注意，示例性實施方案不限于柱形錠塊的鑄造，其可用于其它形狀的錠塊，例 如矩形錠塊或通過如2003年4月15日頒發(fā)給Wagstaff的美國專利No. 6，546，995 (該專 利的公開內容經此引用并入本文)的圖9或圖10中公開的成型DC鑄模形成的形狀。該專 利的圖10在本申請中作為圖4重現(xiàn)，其是向鑄模里看的頂視平面圖?？梢钥闯觯＞呤谴?致“J”形并旨在制造具有相應的截面形狀的錠塊。由這種模具制成的錠坯在圍繞錠塊外周 的位置具有與外表面隔開不同距離的熔融芯并因此，假定圍繞錠塊外周具有相同的冷卻終點(距離X)，但向錠塊外殼的不同部分輸遞不同量的固化過熱和潛熱。實際上，理想的是使邊緣四周的所有外殼部分承受相同的會合溫度。在美國專利6，546，995中，通過調節(jié)模具的鑄造表面的幾何形狀以配合鑄造錠塊的形狀，確保模具四周 相同的鑄造特性。在示例性實施方案中，通過將錠塊外周根據(jù)錠塊形狀分成概念片段并在 不同片段中在與模具出口的不同距離處去除冷卻液，可以確保錠坯外殼的各部分(在冷卻 終止后)承受來自熔融芯的相同熱輸入和相同會合溫度。一些片段(承受來自芯的更高熱 輸入)在冷卻液中暴露的時間比其它片段(具有較少熱暴露的那些)長。在去除冷卻液后， 外殼的一些片段因此具有比其它片段低的溫度，這種較低溫度補償了從芯到那些片段的較 高熱輸入，以使圍繞錠塊外周的會合溫度均等?？梢岳缤ㄟ^設計擦拭器來實現(xiàn)這種程序，該擦拭器(a)成型成貼合在成型錠塊 周圍，和(b)在面向模具的擦拭器末端具有不同平面或成型輪廓，該不同平面或輪廓截面 與模具出口具有不同的間距。圖5是顯示圖4的模具外周上的距離X的變化的圖，其設計 成在錠塊四周產生均勻的會合溫度(該圖在圖4中的位置S處開始并以順時針方向繼續(xù))。 然后使用具有相應外周形狀的擦拭器使錠塊邊緣四周的會合溫度實現(xiàn)所需均等化。圖6顯示了可有效鑄造具有與圖4類似的形狀的錠塊的擦拭器20’。可以看出，擦 拭器20’具有復雜形狀，有些部分高于其它部分，由此確保在如下位置從脫出錠塊的外表面 上去除冷卻液該位置設計成使擦拭器20’下方位置處的錠塊四周的會合溫度均等。對于具有不同形狀的每一錠塊，從各種片段上去除冷卻劑的位置和片段本身的寬 度可以通過鑄造錠塊內的熱通量的計算機建模或通過簡單的試驗和實驗法確定。再者，目 標是在錠塊外殼的外緣四周實現(xiàn)相同或非常類似的會合溫度。如上詳述，示例性實施方案至少在其優(yōu)選形式中提供了具有與以傳統(tǒng)方式(沒有 擦拭冷卻液)鑄造并隨后經過傳統(tǒng)均化的相同金屬鑄件類似或相同的微晶結構。因此，示 例性實施方案的錠塊可以軋制或熱加工而不用求助于進一步的均化處理。通常，首先將錠 塊熱軋，這要求將它們預熱至合適溫度，例如通常至少50(TC，更優(yōu)選至少520°C。在熱軋 后，所得具有中間規(guī)格的片材隨后通常冷軋至最終規(guī)格。作為示例性實施方案的另一方面，已經發(fā)現(xiàn)，至少一些金屬和合金獲益于在錠塊 成型之后和熱軋之前的特定任選兩級預熱程序。這種錠塊可通過上述“原位均化”法理想地 制造，或者可以通過傳統(tǒng)的鑄造(cast)程序制造，在這種情況下，仍然獲得有利的改進。這 種兩級預熱程序特別適合要具有“深拉”特性的合金，例如含有Mn和Cu的鋁合金(例如具 有1. 5重量％ Mn和0. 6重量％ Cu的AA3003鋁合金)。這些合金依賴于析出或分散增強。 在該兩級預熱程序中，DC鑄造錠塊通常被刮光，然后置于用于兩級加熱法的預熱爐中，該方 法包括(1)緩慢加熱至低于所涉合金的傳統(tǒng)熱軋溫度的中間成核溫度，和(2)將錠塊繼續(xù) 緩慢加熱至正常熱軋預熱溫度或更低溫度，并將合金在此溫度下保持許多小時。中間溫度 允許金屬的成核和允許不穩(wěn)定的核的再吸收或破壞并使它們被穩(wěn)定的核替代，這些穩(wěn)定的 核構成更強健(robust)的析出物生長所用的中心。在軋制開始之前，保持在較高溫度下的 時間留出了由穩(wěn)定的核生長析出物的時間。加熱法的階段⑴可以包括使溫度保持在成核溫度(開始成核時的最低溫 度)或更理想地，包括將溫度朝階段(2)的較高溫度逐漸提高。此階段中的溫度可以為 380-450更優(yōu)選400-420°C，可以將溫度保持在此范圍內或在此范圍內緩慢升高。升溫速率應該優(yōu)選低于25V /小時，更優(yōu)選低于20°C /小時，并通常持續(xù)2至4小時。加熱至成核溫度的速率可以更高，例如平均大約50°C/小時(盡管最初半小時中的速率可以更快，例 如100-120°C /小時，隨后隨著接近成核溫度而減慢)。在階段(1)后，將錠塊溫度進一步(如果必要)升至熱軋溫度或升至可發(fā)生析出 物生長的較低溫度，通常480-550°C，或更優(yōu)選500-520°C。隨后將該溫度保持恒定或進一 步緩慢升高(例如升至熱軋溫度)，這對于整個兩級加熱過程持續(xù)總共優(yōu)選不少于10小時 且不多于24小時的時間段。盡管將錠塊直接加熱至軋制預熱溫度(例如520°C )使得第二晶體或析出物量高， 所得析出物通常具有小尺寸。在中間溫度下的預熱導致成核，隨后繼續(xù)加熱至等于或低于 軋制預熱溫度(例如520°C )導致二級析出物的尺寸生長，例如，因為更多Mn和Cu從溶液 中析出且析出物繼續(xù)生長。在加熱至熱軋溫度后，通常無延遲地進行傳統(tǒng)熱軋。本文所述的包括原位均化的方法也可用于鑄造如2004年6月23日提交并在2005 年1月20日作為U. S. 2005-0011630公布的美國專利申請系列號No. 10/875，978中所述以 及如2004年3月16日頒發(fā)的美國專利6，705，384中所述的復合錠塊，它們的完整公開內 容經此引用并入本文。在下列實施例和對比例中更詳細描述本發(fā)明，它們僅以舉例說明為目的提供且不 應該被視為限制性的。實施例1在530毫米和1500毫米直冷軋制扁錠模具中以大于3米的最終長度鑄造三個直 冷鑄造錠塊。錠塊具有與美國專利No. 6，019，939 (其公開內容經此引用并入本文)相同的 All. 5% Mn ；6% Cu組成。第一錠塊根據(jù)傳統(tǒng)程序DC鑄造，第二錠塊根據(jù)圖7和8中所示 的程序在原位均化下DC鑄造，其中在從鑄坑中取出后去除冷卻劑并使錠塊冷卻至室溫，第 三錠塊根據(jù)圖9的程序在原位淬火均化下DC鑄造，其中從錠塊表面上去除冷卻劑并使錠塊 再熱然后在模具下方大約1米處的水坑中淬火。更詳細地，圖7顯示了 Al-Mn-Cu合金在DC鑄造和隨后進行水冷和冷卻劑擦拭時 隨時間經過的表面溫度和中心(芯)溫度。表面溫度分布圖顯示隨著錠塊與冷卻劑接觸， 剛鑄好后的溫度的大幅降低，而中心溫度保持幾乎不變。在剛要去除冷卻劑之前，表面溫度 降至低至大約255°C。表面溫度隨后上升并在576°C的會合或回彈溫度下與中心溫度會合。 在會合后(當錠塊是完全固體時)，溫度緩慢降低并與空氣冷卻一致。圖8顯示與圖7相同的鑄造操作但持續(xù)更長時間，并特別顯示在溫度會合或回彈 后的冷卻期間。從該圖中可以看出，固化錠塊的溫度在425°C以上保持多于1.5小時，這足 以實現(xiàn)錠塊的所需原位均化。圖9是與圖7類似的圖，但顯示了在三個略微不同的時間(如圖中所示的不同錠 塊長度)進行的相同鑄件的溫度測量。實線顯示了三個圖的表面溫度，且虛線顯示了錠塊 厚度中心的溫度?？梢詮母鲌D中確定表面溫度保持高于400°C和500°C的時間，并在每種情 況下大于15分鐘。對于每一情況，顯示了 563、581和604°C的回彈溫度。這些錠塊樣品隨后用傳統(tǒng)預熱法軋制至熱軋溫度，或用各種預熱法軋制以證實示 例性實施方案的性質。
鑄造程序在工業(yè)-典型冷卻條件，例如60毫米/分鐘、1. 5升/分鐘/厘米、705 °C 金屬溫度下進行。將每一錠塊沿中心(中間截面)剖開，每一錠塊產生寬250毫米的兩個部分，然后在中心和在表面上保持熱史的同時，將各個250毫米厚板切成多個軋制錠塊，75毫米厚， 250毫米寬(原始錠塊的1/2厚度)和150毫米長(在鑄造方向上)。軋制錠塊隨后以下列方式處理。樣品A(在傳統(tǒng)熱史和改變的傳統(tǒng)均化下直冷鑄造)置于615°C爐中，在此大約在 2. 5小時后使金屬溫度穩(wěn)定化并在615°C下另外保持8小時。樣品經過3小時爐內淬火至 480°C，然后在480°C下浸泡15小時，然后取出并熱軋至6毫米厚度。然后將這種6毫米規(guī) 格(gauge)的一部分冷軋至1毫米厚度，以50°C /小時的速率加熱至400°C的退火溫度，并 保持2小時，然后爐內冷卻。在從6毫米材料的任一邊緣(表面和中心)起1英寸內截取的縱剖面中表征顯示 二級析出物分布的透射電子顯微照片(圖IOa)。在從1毫米厚材料的任一邊緣(表面和中 心)起1英寸內截取的縱剖面中表征重結晶的晶粒結構(圖IOb)。該樣品代表傳統(tǒng)鑄造和均化，只是將均化步驟縮短至總共26小時，而正常的傳統(tǒng) 均化進行48小時。樣品B (在傳統(tǒng)鑄造熱史和改變的二級預熱下直冷鑄造)置于440°C爐中，在此大 約在2小時后使金屬溫度穩(wěn)定化并在440°C下另外保持2小時。升高爐溫以使金屬經過2 小時加熱至520°C，并使樣品保持20小時，然后取出并熱軋至6毫米厚度。然后將這種6毫 米規(guī)格(gauge)的一部分冷軋至1毫米厚度，以50°C /小時的速率加熱至400°C的退火溫 度，并保持2小時，然后爐內冷卻。在從6毫米厚材料的任一邊緣(表面和中心)起1英寸內截取的縱剖面中表征顯 示二級析出物分布的透射電子顯微照片(圖Ila)。在從1毫米厚材料的任一邊緣(表面和 中心)起1英寸內截取的縱剖面中表征重結晶的晶粒結構(圖lib)。樣品C(在原位均化(根據(jù)圖7和8)鑄造熱史和改變的二級預熱下直冷鑄造)置 于440°C爐中，在此大約在2小時后使金屬溫度穩(wěn)定化并在440°C下另外保持2小時。升高 爐溫以使金屬經過2小時加熱至520°C，并使樣品保持20小時，然后取出并熱軋至6毫米厚 度。然后將這種6毫米規(guī)格(gauge)的一部分冷軋至1毫米厚度，以50°C /小時的速率加 熱至400°C的退火溫度，并保持2小時，然后爐內冷卻。在從6毫米厚材料的任一邊緣(表面和中心)起1英寸內截取的縱剖面中表征顯 示二級析出物分布的透射電子顯微照片(圖12a)。在從1毫米厚材料的任一邊緣(表面和 中心)起1英寸內截取的縱剖面中表征重結晶的晶粒結構(圖12b)。樣品D(在原位均化和迅速淬火(根據(jù)圖9)和二級預熱下直冷鑄造)置于440°C 爐中，在此在2小時后使金屬溫度穩(wěn)定化并在440°C下另外保持2小時。升高爐溫以使金屬 經過2小時加熱至520°C，并使樣品保持20小時，然后取出并熱軋至6毫米厚度。然后將這 種6毫米規(guī)格(gauge)的一部分冷軋至1毫米厚度，以50°C /小時的速率加熱至400°C的 退火溫度，并保持2小時，然后爐內冷卻。在從6毫米厚材料的任一邊緣(表面和中心)起25毫米內截取的縱剖面中表征 顯示二級析出物分布的透射電子顯微照片(圖13a)。在從1毫米厚材料的任一邊緣(表面和中心)起25毫米內截取的縱剖面中表征重結晶的晶粒結構(圖13b)。樣品F(在傳統(tǒng)熱史和改變的傳統(tǒng)均化下直冷鑄造)置于615°C爐中，在此大約在2. 5小時后使金屬溫度穩(wěn)定化并在615°C下另外保持8小時。樣品經過3小時爐內淬火至 480°C，然后在480°C下浸泡38小時，然后取出并熱軋至6毫米厚度。然后將這種6毫米規(guī) 格(gauge)的一部分冷軋至1毫米厚度，以50°C /小時的速率加熱至400°C的退火溫度，并 保持2小時，然后爐內冷卻。在從6毫米材料的任一邊緣(表面和中心)起1英寸內截取的縱剖面中表征顯示 二級析出物分布的透射電子顯微照片(圖14a)。在從1毫米厚材料的任一邊緣(表面和中 心)起25毫米內截取的縱剖面中表征重結晶的晶粒結構(圖14b)。該樣品代表傳統(tǒng)鑄造 和均化，而正常的傳統(tǒng)均化進行48小時。樣品G(在改變的單級預熱下直冷鑄造)置于520°C爐中，在此在大約2小時后使 金屬溫度穩(wěn)定化并在520°C下另外保持20小時，然后取出并熱軋至6毫米厚度。然后將這 種6毫米規(guī)格(gauge)的一部分冷軋至1毫米厚度，以50°C /小時的速率加熱至400°C的 退火溫度，并保持2小時，然后爐內冷卻。在從6毫米厚材料的任一邊緣(表面和中心)起1英寸內截取的縱剖面中表征顯 示二級析出物分布的透射電子顯微照片(圖15a)。在從1毫米厚材料的任一邊緣(表面和 中心)起25毫米內截取的縱剖面中表征重結晶的晶粒結構(圖13b)。對比例1為了例證示例性實施方案與已知鑄造程序的差別，根據(jù)傳統(tǒng)DC鑄造法，根據(jù)授予 Ziegler的美國專利2，705，353或授予Zirmiger的美國專利4，237，961的程序，和根據(jù)示 例性實施方案，鑄造A1-4. 5重量％ Cu合金的錠塊。Ziegler/Zirmiger鑄造使用的擦拭器 定位至產生僅300°C的回彈/會合溫度。示例性實施方案的鑄造法使用的擦拭器定位至產 生453°C的回彈溫度。制造三個所得產品的掃描電子顯微照片并分別顯示在圖16、17和18 中。圖19顯示了根據(jù)示例性實施方案在不淬火的情況下進行的鑄造程序的芯和表面溫度 (見圖18)。SEMs顯示了在不根據(jù)示例性實施方案進行的鑄造程序的產品中整個晶胞內銅濃 度如何變化(圖16和17-注意在峰之間的圖的向上曲線)。但是，在示例性實施方案的產 品的情況下，SEM顯示出晶胞內少得多的Cu含量變化(圖18)。這是經過傳統(tǒng)均化的金屬 的微結構的典型特征。實施例2根據(jù)本發(fā)明鑄造A1-4. 5% Cu錠塊，并在鑄造結束時將錠塊冷卻(淬火)。圖20 是所得錠塊的具有銅(Cu)線掃描的SEM。應注意到在單位晶胞中不存在銅的任何核化。盡 管晶胞略大于圖16的那些，但是在單位晶胞的交叉點具有降低量的鑄造金屬間化合物且 粒子為圓形的。圖21顯示了錠塊鑄造的熱史，其顯示了在鑄造結束時的最終淬火。在這種情況 下，會合溫度(452°C )低于所選組合物的固溶線，但獲得理想的性質。對比例2圖22顯示了鑄造的金屬間相的代表性面積比例，其比較了上述三種不同的加工 途徑(傳統(tǒng)DC鑄造和冷卻(標為DC)、根據(jù)示例性實施方案的無最終淬火的DC鑄造和冷卻(標為原位樣品ID)，和根據(jù)示例性實施方案的具有最終淬火的DC鑄造(標為原位淬火)。 較小的面積被認為對所得合金的機械性質而言更好。這種比較以給定順序顯示了根據(jù)不同 方法鑄造的金屬間相面積遞減的比例(fraction)。傳統(tǒng)的DC途徑產生最高的相面積，具有 最終淬火的本發(fā)明產生最低的相面積。實施例3根據(jù)圖23中所示的方法鑄造A1-0. 5% Mg-O. 45% Si合金(6063)的錠塊。這顯 示在沒有將錠塊體強制冷卻的情況下在發(fā)生固化和再熱的區(qū)域中的熱史。在圖24中所示的條件下鑄造相同的合金(包括淬火)。這顯示了錠塊的溫度演 化，其中表面和芯溫度在570°C下會合，其隨后強制冷卻至室溫。這可以與圖8中所示的程 序進行比較，該程序包括高回彈溫度和緩慢冷卻，這在需要更迅速校正晶胞偏析時或在合 金含有慢速擴散的元素時是理想的。長時間保持的高回彈溫度的使用(明顯高于合金的固 溶線)允許接近晶界的元素相當迅速地擴散到鑄造的金屬間相中，由此能夠改性或更完全 轉變成更有用或有益的金屬間相，和在鑄造的金屬間相四周形成無析出物的區(qū)域。需要注 意的是，圖24顯示了在擦拭器前方的成核薄膜沸騰特有的“W”形外殼冷卻曲線。對比例3圖25a、25b和25c是獲自6063合金的X-射線衍射圖，其與傳統(tǒng)DC鑄造和圖18 和19的兩種原位程序相比具有不同的α和β相的量。各圖的上方跡線代表傳統(tǒng)鑄造的 DC合金，中間跡線代表低于合金轉變溫度的回彈溫度，下方跡線代表高于合金轉變溫度的 回彈溫度。對比例4圖26a、26b和26c是FDC技術的圖示，其中圖26a代表傳統(tǒng)DC鑄造的錠塊，圖26b 代表圖23的合金，圖26c代表圖24的合金。這些圖顯示了在回彈溫度經過轉變溫度時理 想的α-相存在的增加。順便提及，關于FDC和SiBut/XRD技術以及它們在相變研究中的應用的更多信息 可以獲自“Intermetallic Phase Selection andTransformation in Aluminium 3xxx Alloys " , H. Cama, J. Worth, P. V. Evans, A. Bosland 禾口 J.M.Brown 著，Solidification Processing, Proceedings of the4th Decennial International Conference on Solidification Processing, University of Sheffield, 1997 年 7 月，eds J. Beech and H. Jones，第555頁(其公開內容經此引用并入本文)。實施例4圖27a和27b顯示了根據(jù)本發(fā)明加工的鑄造金屬間A1-1. 3% Mn合金(AA3003)的 兩個光學顯微照片?？梢钥闯?，金屬間化合物(圖中的深色形狀)裂化或斷裂。圖28是與圖27a和27b的那些類似的光學顯微照片，其仍表明，金屬間化合物裂 化或斷裂。粒子的大區(qū)域是ΜηΑ16。棱紋表明Si擴散到金屬間化合物中，形成AlMnSi。實施例5圖29是如圖31中所示的，無最終淬火地鑄造的AA3104合金的鑄態(tài)金屬間相的透射電子顯微TEM圖。通過使Si擴散到粒子中，使金屬間相改變，表現(xiàn)出溶蝕區(qū)域。從冷卻 劑的初始施加使粒子成核的表面上提取樣品。但是，回彈溫度改變粒子和改變結構。對比例5
圖30顯示傳統(tǒng)加工的Al-7% Mg合金的熱史?？梢钥闯觯捎诔掷m(xù)存在冷卻劑，外殼溫度沒有回彈。圖31和32顯示在鑄造過程中沒有將錠塊冷卻的情況下Al-7% Mg合金的熱史。 該合金構成圖30的基礎。對比例6圖33是來自差示掃描量熱計(DSC)的跡線，其顯示了傳統(tǒng)直冷鑄造合金在450°C 范圍內的β相存在，該合金構成圖30的基礎。β-相在軋制過程中引起問題。隨著吸熱使 β-相轉化成α-相，通過剛剛高于450°C的跡線中的小幅下傾，可以看出β相的存在。降 至620°C的大幅下傾代表合金熔融。圖34是與圖33的類似的跡線，其表明在根據(jù)本發(fā)明鑄造的材料中不存在β相， 其中錠塊在鑄造過程中保持熱(無最終淬火)(見圖31)。圖35也是與圖33類似的根據(jù)本發(fā)明鑄造的材料的跡線，其中在鑄造過程中錠塊 保持熱(無最終淬火)(見圖32)。該跡線表明不存在β相。
權利要求
一種加熱鑄造金屬錠塊以使所述錠塊準備在預定溫度下熱加工的方法，該方法包括(a)將所述錠塊預熱至低于所述預定熱加工溫度的成核溫度，在此預定熱加工溫度下在金屬內發(fā)生析出物成核，以致發(fā)生成核；(b)將所述錠塊進一步加熱至析出物生長溫度，在此析出物生長溫度下發(fā)生析出物生長，以使金屬內的析出物生長；和(c)如果所述錠塊在步驟(b)后沒有處于所述預定熱加工溫度，將所述錠塊進一步加熱至所述預定熱加工溫度以備熱加工。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于所述錠塊在步驟(a)中的溫度在成核溫度范圍 內逐漸升高。
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2的方法，其特征在于該錠塊的所述溫度以低于25°C的 速率升高。
4.根據(jù)權利要求1至3任一項的方法，其特征在于金屬是鋁合金。
5.根據(jù)權利要求4的方法，其特征在于所述鋁合金具有深拉特性。
6.根據(jù)權利要求4的方法，其特征在于所述鋁合金選自AA3003和AA3104。
7.根據(jù)權利要求4至6任一項的方法，其特征在于開始成核時的所述溫度為380至 4500C，且錠塊在所述溫度下保持2至4小時。
8.根據(jù)權利要求4至7任一項的方法，其特征在于開始析出物生長時的所述溫度為 480至550°C，且錠塊在所述溫度下保持至少10小時。
9.根據(jù)權利要求1至8任一項的方法，其特征在于所述錠塊是由權利要求1的方法制 成的錠塊。
10.一種熱軋通過DC鑄造法制成的錠塊的方法，包括下列步驟(a)從升高的鑄造溫度將通過直冷鑄造制成的錠塊淬火；(b)將所述錠塊預熱至對熱軋有效的溫度；和(c)在對熱軋有效的所述溫度下熱軋所述錠塊；其特征在于步驟(b)的所述預熱在兩個步驟中進行，第一步驟包括將所述錠塊加熱至 低于對熱軋有效的所述溫度的成核溫度并在所述成核溫度下保持有效引起所述錠塊內的 成核的時間，第二步驟包括將所述錠塊從所述成核溫度加熱至所述對熱軋有效的溫度，并 使所述錠塊在步驟(c)的所述熱軋之前在所述對熱軋有效的溫度下保持允許晶體生長的 時間。
11.根據(jù)權利要求10的方法，其特征在于所述第一步驟包括將所述錠塊加熱至380至 450°C的溫度。
12.根據(jù)權利要求10或權利要求11的方法，其特征在于所述第一步驟中的所述溫度保 持2至4小時。
13.根據(jù)權利要求10至12任一項的方法，其特征在于將所述錠塊以大約50°C/小時 的平均速率加熱至所述成核溫度。
14.根據(jù)權利要求10至13任一項的方法，其特征在于所述第二步驟包括將所述錠塊加 熱至480至550°C的溫度。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其特征在于所述第二步驟中的所述溫度保持的時間將整個預熱步驟延長至10-24小時。
16.根據(jù)權利要求14或權利要求15的方法，其特征在于將所述錠塊以大約50°C/小 時的速率從所述成核溫度加熱至對熱軋有效的所述溫度。
17.—種制造可以在不預先均化的情況下熱軋的金屬錠塊的方法，該方法包括在有效制造具有非帶芯微結構的固化金屬的溫度和時間條件下鑄造金屬以形成錠塊。
18.根據(jù)權利要求17的方法，其特征在于所述條件包括在所述金屬的所述鑄造過程中 使所述錠塊在高于有效導致原位均化的轉變溫度的溫度下保持10至30分鐘。
19.根據(jù)權利要求18的方法，其特征在于所述條件包括使所述錠塊在高于有效導致原 位均化的轉變溫度的溫度下保持15至20分鐘。
20.一種制造可以在不預先均化的情況下熱軋的金屬錠塊的方法，該方法包括在有 效制造具有斷裂微結構的固化金屬的溫度和時間條件下鑄造金屬以形成錠塊。
21.一種制造可以在不預先均化的情況下熱軋的金屬錠塊的方法，該方法包括在有 效制造具有轉化的微結構的固化金屬的溫度和時間條件下鑄造金屬以形成錠塊，其中該轉 化的微結構通過在錠塊冷卻后的獨立的均化步驟產生。
22.根據(jù)權利要求21的方法，其特征在于所述條件包括在所述金屬的所述鑄造過程中 使所述錠塊在高于有效導致原位均化的轉變溫度的溫度下保持10至30分鐘。
23.根據(jù)權利要求21的方法，其特征在于所述條件包括使所述錠塊在高于有效導致原 位均化的轉變溫度的溫度下保持15至20分鐘。
全文摘要
鑄造具有有利于進一步加工，例如熱軋和冷軋的微結構的金屬錠的方法。在直冷鑄?；蛲任镏需T造金屬，該模具將冷卻液噴霧引導到錠塊外表面上以實現(xiàn)迅速冷卻。在脫出的錠坯仍不完全是固體的位置，從表面上去除冷卻劑，以致固化作用的潛熱和熔融芯的顯熱使相鄰固體殼的溫度升至高于使金屬原位均化的過渡溫度的會合溫度。隨之不需要進一步的傳統(tǒng)均化步驟。本發(fā)明還涉及這類錠塊在熱加工之前的熱處理。
文檔編號B22D11/049GK101823133SQ201010145760
公開日2010年9月8日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權日2005年10月28日
發(fā)明者R·B·瓦格斯塔夫, W·J·芬頓 申請人:諾韋利斯公司