專利名稱：合金均勻化過程中冶金性能的優(yōu)化和控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種方法,其通過在均勻化過程中預測合金轉變的程度(degree oftransformation),用于在均勻化工藝過程中優(yōu)化和控制合金的冶金性能(metallurgicalproperties)。
背景技術：
鋳造后，鋁合金通常要進行均勻化。均勻化工藝的目的是I.溶解沉淀硬化相從而優(yōu)化材料的最終冶金性能，該沉淀硬化相是在鑄造エ藝期間偏析出的。2.將不溶相轉化為優(yōu)選的相，從而有利于后續(xù)的加工操作(如擠壓或軋制)?！?.使得由鋳造エ藝產生的固溶體中的彌散相沉淀至合適的尺寸和分布，從而優(yōu)化材料的最終冶金性能。傳統(tǒng)上，鋁合金的均勻化工藝是通過將目標材料加熱至預定溫度范圍(均熱溫度)并將該材料保持指定時間(均熱時間)來進行控制。該控制方法要么假定材料具有恒定的加熱速率，或者完全忽略在加熱過程中產生的轉變的量。在圖1-3中以圖表形式示出了該控制的傳統(tǒng)方法。圖I描述了用于上述冶金轉變的假設極限(hypothetical limits)。圖2描述了傳統(tǒng)控制的目標，其在均熱期間假設為等溫狀態(tài)。圖3描述了具有動態(tài)溫度和時間狀態(tài)的更實際的控制目標。傳統(tǒng)的控制方法導致了在均勻化后，材料性能的不一致，這是由于沒有考慮エ藝周期的加熱部分的冶金反應部分，以及批次內可能發(fā)生的變化。在相同均熱時間和溫度下，具有較慢加熱速率的較大批量，與具有較快加熱速率的較小批量相比，前者更大的溫度風險。除此之外，在整個批次期間溫度的變化導致難以保證該批次的最冷部分能夠在進行所需冶金反應的溫度下保持足夠的時間，同時該批次的最熱部分可能會在該溫度保持太長時間，從而導致彌散相的粗化。這種情況在圖2和圖3之間的差別中進行了描述，其中溫度作為動態(tài)量進行表示，并且通過控制范圍表示，該控制范圍在整個裝料(load)期間姆次在不同部位獲得。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一方面是提供ー種在加熱爐中優(yōu)化和控制合金均勻化的方法。該方法包括限定轉變的目標程度，從而獲得合金的至少ー種冶金性能。該所需的冶金性能包括，但是并不僅限于，溶解沉淀硬質相，將不溶相轉化為優(yōu)選的相，并且將彌散相沉淀至合適尺寸和分布狀態(tài)。通過對在預定溫度加熱了預定量的時間的多個試樣合金轉變程度進行分析，通過回歸分析，獲得了一種轉變模型(transformation model)從而用來預測合金轉變的程度。該均勻化工藝通過以下方式進行控制和優(yōu)化，即在整個均勻化工藝的加熱和均熱部分期間，步進隨(incremental)時間推移監(jiān)測合金的溫度,從而利用轉變模型步進地計算冶金轉變的程度。記錄冶金轉變程度的每個步進計算從而獲得冶金轉變的總量。利用轉變模型，計算出爐內的吋間總量從而獲得轉變的目標程度。該均勻化整合(integration)エ藝確保了在整個均勻化期間在爐子的能力范圍內，目標冶金反應和性能能夠始終獲得滿足。通過由均勻化整合控制均勻化工藝，與以下性能相關的材料的冶金性能被優(yōu)化至最終用戶所需的目標水平機械性能(包括，但不限于屈服強度，極限強度，延伸率，斷裂韌性和疲勞壽命)；后續(xù)操作的加工性(包括，但不限干擠壓，鍛造和軋制)；和加工后最終產品的改進表面精整度。


根據(jù)下文給出的優(yōu)選實施方式的詳細描述，同時結合

，本發(fā)明的特征和優(yōu)點是顯而易見的，其中圖I圖示了利用傳統(tǒng)控制方法的冶金轉變的假設極限；圖2圖示了假設在整個均熱期間具有等熱條件的傳統(tǒng)控制目標； 圖3圖示了利用傳統(tǒng)控制方法使用動態(tài)溫度和時間條件的更實用控制目標；圖4為圖表，其圖示了用于開發(fā)本發(fā)明均勻化整合模型的代表性時間/溫度研究;圖5為圖表，其圖示了利用本發(fā)明均勻化整合模型時，參數(shù)A(%轉變/秒)隨溫度的變化關系；圖6為圖表，其圖示了利用本發(fā)明均勻化整合模型時，與轉變速率相對于轉變程度的變化關系；和圖7其圖示了利用實驗室均勻化得到的鑄錠、均勻化整合循環(huán)得到的鑄錠和標準均勻化得到的鑄錠的金相檢驗。
具體實施例方式本發(fā)明涉及ー種方法，該方法用來在進ー步的エ藝操作之前，對合金——例如鑄態(tài)合金——的均勻化工藝的優(yōu)化和控制。通過依據(jù)冶金轉變總量對均勻化合金的冶金性能進行表征來完成所述方法。合金的鑄態(tài)試樣以相對快的加熱速率加熱到不同的溫度，保持一定的時間，然后水淬從而阻止任何進ー步的冶金反應(因而消除任何的冷卻速率影響)。然后，每種試樣冶金轉變的程度通過標準實驗室技術確定，如差示掃描量熱法，金相檢驗和掃描電子顯微鏡木。如此，在圖4中給出了在設定溫度下，涉及冶金轉變程度-時間等溫曲線。然后該數(shù)據(jù)被轉化成轉變模型，其作為時間的函數(shù)，基于最優(yōu)曲線擬合針對于設定的溫度。優(yōu)選地，該轉變模型基于指數(shù)回歸法建立，其中數(shù)據(jù)來自于給定時間和給定溫度下具有相關冶金轉變程度的多個合金試樣。假定指數(shù)關系，其給出以下公式ω = e_At其中ω =轉變百分比；Α =溫度特定擬合參數(shù)(單位為秒’ ；t =時間(秒)。接著假定指數(shù)關系，針對每個溫度都計算出A，如圖5中所示結果。利用該信息，未轉變相(Ψ-或者冶金轉變的程度)的實際量可以通過下述公式確定ψ = 1-ω或
Ψ = l-e_At冶金轉變速率必須作為隨時間變化而變化的函數(shù)確定。這可以然后對一段時間進行積分從而預測冶金轉變的程度。如果對長時間進行積分，則該關系式是無效的，這是由于在整個循環(huán)期間溫度的動態(tài)特性影響冶金轉變速率。由此，不將冶金轉變速率作為時間的函數(shù)進行表示，而是將其轉化為冶金轉變程度的函數(shù)，如下所示ψ = l-e_At￥’=d￥/dtψ，= Ae_AtΨ，=Α(1_Ψ)將冶金轉變速率(￥’)相對于冶金轉變的程度(Ψ)作圖，如圖6中所示關系。 由于對于給定溫度，冶金轉變速率取決于Α，圖5的結果用來針對給定溫度確定Α。然后用以下公式完成轉變模型A = BeCTΨ，=Α(1_Ψ)ψ，= A = BeCT(l-￥)其中ψ =冶金轉變的程度；Ψ ’ =冶金轉變速率;A =溫度特定擬合參數(shù)；t =吋間，B和C為取決于合金的常量，其用于表示A相對于溫度(T)的指數(shù)關系。冶金轉變速率可以通過使用以下方式求解即通過使用步進時間周期的預測溫度或實測溫度，并確定該步進時間周期的冶金轉變速率隨轉變累積程度的函數(shù)，直至周期中的該點。這就導致轉變到達新的程度，其作為控制參數(shù)被持續(xù)監(jiān)測并在下一步計算轉變速率中使用。在一種實施方式中，優(yōu)化均勻化工藝的方法使用了計算機程序，其寫入到計算機可讀取介質中(本文也被稱作均勻化整合控制軟件)用于優(yōu)化合金的均勻化工藝，其中合金由輸入原料(input stock)生產，其中，在整個均勻化工藝期間對該生產エ藝進行在線檢測，其中能夠提前計算出合金所預期得到的冶金性能。本領域技術人員應該理解的是，均勻化工藝中時間和合金的溫度可以利用各種已知的設備進行記錄。例如，實際應用中，載荷熱電偶可以在均勻化整合控制軟件中作為輸入端使用。上述每個公式中的計算隨即能夠用來確定冶金轉變的步進程度，同時其可以被添加到累積冶金轉變，該累積冶金轉變從周期的開始建立。另ー種用來進行控制的方法可以為利用空氣熱電偶來監(jiān)測爐內循環(huán)，并利用空氣和載荷溫度之間已建立的關系來預測載荷溫度。然后該信息輸入均勻化整合控制軟件，從而確定所需的周期步進部分的冶金轉變程度。然后該軟件記錄冶金轉變的總量，并基于冶金轉變確定爐中時間的量，而不是基于在給定溫度的時間。利用上述限定轉變模型的合金均勻化工藝的控制和優(yōu)化的エ藝，在本文中也被稱為“均勻化整合控制”。在不用考慮批量，在加熱和保溫期間，該轉變模型精確地提供了合金中轉變程度的定量預測，該定量預測以時間和溫度函數(shù)的形式給出。本發(fā)明的轉變模型提供了ー種用來預測獲得具有所需性能所需的轉變的程度的手段。更具體地，本發(fā)明的轉變模型可以用來定量預測鋁合金中轉變的程度。通過實施例，下文公開了 6061鋁合金均勻化工藝的轉變模型的應用。應該理解的是，本發(fā)明轉變模型能夠應用于任何合金組成。本發(fā)明的控制方法不僅在均勻化周期本身之內提供了顯著的生產率收益，而且為均勻化處理后的產品提供了更高的一致性。該一致性允許后續(xù)操作(包括，但不限于擠壓，軋制和鍛造)也能夠被優(yōu)化，而不是要設計用于之前的常規(guī)方法得到的最壞情況的均勻化結構。這就導致了在這些エ藝中同樣獲得顯著的生產率收益。實施例給出下述實施例是用于給 本領域技術人員提供本文全部公開和要求保護的化合物，組合物，エ件，裝置，和/或方法是如何生產和評定的完整說明和描述，是純示意性的，并不會用于限制發(fā)明人要求保護的發(fā)明范圍。在涉及數(shù)值(例如，量，溫度，等)吋，已經(jīng)努カ來確保精確性，但是應該考慮一些誤差和偏差。除非另外指出，份數(shù)均為重量份數(shù)，而壓カ為大氣壓或接近大氣壓。存在條件的多個變化和組合，例如，合金成分，溫度，壓カ和其它范圍和條件，其可以用來優(yōu)化本發(fā)明公開的方法。僅需要合理的和常規(guī)的實驗方法來優(yōu)化這些エ藝條件。實施例I鋁合金6061的鑄態(tài)試樣在1050 °F下在實驗室爐中均勻化4小時，從而確保FelOO %地從β至α轉變以及Mg2Si 100%地從不溶相至溶解相轉變。6061的類似試樣在生產爐中均勻化ー種使用均勻化整合控制，目標為Fe和Mg2Si的100%轉變；另ー種使用常規(guī)的時間和溫度均熱控制。所有三個試樣的結果通過DSC評價從而確定Fe和Mg2Si轉變的程度。結果如表I所示。這些試樣還通過金相學進行了評價，結果如圖7所示。圖7圖示了 6061合金的轉變。注意到所有的Mg2Si相對于鑄態(tài)結構均溶解了。還注意到，F(xiàn)e相從連續(xù)的尖銳錸刀形(sharp sickle)相轉變?yōu)閳A滑的球形(顯示了不溶相的冶金轉變)。
—表1「實驗室-批生產(production)的均勻化整合轉變的DSC分析
_實驗室Fe的β I批生產Fe的β「實驗室溶解的|1=比生產溶解的
_ 至 α _ 至 α _ _ Mg2Si — 一 Mg2Si_
室- 生 OJ/g — OJ/gOJ/g— 0J/T
產的均勻化整合進ー步轉變
所需的能量____
實驗室-常規(guī) 0J/g0.28 J/g0J/g3.24 J/g
控制生產爐的進ー步轉變所
需的能量 ____常規(guī)控制生產爐結果表示相對于所需的程度，F(xiàn)e轉變完成了 38%，同時Mg2Si完成了 40%。與之對比，均勻化整合控制周期完成了 100%轉變。Mg2Si完全溶解在鋁合金6XXX合金中對于以下產品是特別有利的，所述產品為計劃在作為固溶熱處理的熱加工操作(即，擠壓)后進行淬火。這樣在機械性能上提供了更高的一致性，同時限制了 Mg2Si在熱加工操作期間單獨溶解(初溶)的趨勢，后者會導致熱脆性表面裂紋，通常是通過降低擠壓速率克服的，這種做法會降低生產率。該Fe轉變同樣顯著提高了潛在擠壓速率。如鑄態(tài)和常規(guī)均勻化控制周期中所示的長的錸刀形Fe相在金屬進行熱加工、特別是擠壓期間會撕裂金屬表面。表面撕裂的程度與應變速率是成正比的，因而該條件通常通過降低熱加工速率來修正，這種做法會降低生產率。實施例2常規(guī)均熱溫度和時間策略是基于加熱爐開發(fā)的，目的是確保能夠得到所有所需的冶金轉變。該エ藝記錄下平均的周期時間確定為520分鐘。然后將均勻化整合控制應用于相同的加熱爐，對于相同的產品，平均周期時間確定為447分鐘。兩個周期都得到了相同的轉變，但是均勻化整合控制提供了更高的目標一致性。同時相對于現(xiàn)有的控制策略獲得了14%的改進。生產率上差別的原因是控制方法必須假定材料的最低可能的加熱速率從而確保完全的冶金轉變。由于均勻化整合控制系統(tǒng)考慮了加熱速率過程中的冶金轉變，獲得較快加熱速率的材料能夠在均熱溫度下保持較短的時間。盡管均熱次數(shù)的變化，產品仍然控制在目標的冶金轉變程度，因而產品的一致性獲得顯著提升。實施例3
鋁坯料的批生產樣品利用使用均勻化整合控制的爐子進行了均勻化，然后該樣品進行擠壓，并與同樣合金的坯料進行對比，所述后ー種坯料在不同爐子上進行了不使用均勻化整合控制(常規(guī)控制)的相同周期時間和目標溫度的均勻化。微觀結構上的差別如圖7中所示。該坯料用于擠壓超過20種不同形狀。對于這些20種形狀的擠壓速率，與常規(guī)控制的坯料相比，利用均勻化整合控制的坯料要快15-25%。不僅擠壓速率顯著的提高，而且擠壓件的表面質量也顯著地提高了。實施例4將利用常規(guī)控制技術均勻化的坯料制成的擠壓件表面糙度，與利用均勻化整合控制的坯料制成的擠壓件相比較。由常規(guī)控制均勻化坯料制成的擠壓件的平均表面糙度為94. 9Ra，而由均勻化整合控制坯料制成的擠壓件的平均表面糙度為33. 3Ra。對于每個坯料條件，對20個產品的每個位置進行檢測得到所述觀測值。雖然本發(fā)明已經(jīng)公開了優(yōu)選的實施方式，應該理解的是，在不脫離所附權利要求書限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以作出眾多其它修改和變化。
權利要求
1.一種優(yōu)化合金均勻化工藝的方法，其包括 a)限定用來獲得合金的至少一種冶金性能的冶金轉變的目標程度； b)提供用來預測合金轉變程度的轉變模型，所述轉變模型通過對在預定溫度進行了預定時間的加熱的多個合金試樣的冶金轉變的程度進行分析而獲得； c)將合金坯料引入均勻化循環(huán)； d)在所述均勻化循環(huán)期間，在步進推移的時間步進測量合金的溫度，從而根據(jù)所述相轉變模型預測冶金轉變的步進程度；和 e)通過以下方式來控制所述合金經(jīng)歷所述均勻化循環(huán)的時間總量累計冶金轉變的每次步進程度，直到均勻化循環(huán)的時間總量能夠提供所需的冶金轉變程度。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述均勻化循環(huán)包括加熱部分和均熱部分。
3.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述轉變模型的數(shù)學表達形式如下所示A = BeCT Ψ，= Α(1- ψ) Ψ，= BeCT(l-￥) 其中，Ψ =冶金轉變的程度；Ψ ’ =冶金轉變速率;A =溫度特定擬合參數(shù)；B和C為取決于合金的常量，B和C用于A相對于溫度(T)的指數(shù)關系。
4.如權利要求I的方法，其特征在于，所述合金為鋁合金。
5.如權利要求I的方法，其特征在于，所述至少一種冶金性能選自溶解沉淀硬化相，將不溶相轉化為優(yōu)選相，和沉淀彌散相至合適的尺寸和分布。
6.如權利要求I的方法，該方法進一步包括 基于所述轉變模型，計算機優(yōu)化和控制所述合金經(jīng)歷均勻化循環(huán)的時間總量，從而得到至少一種冶金性能。
7.如權利要求I的方法，該方法進一步包括 利用數(shù)據(jù)、通過指數(shù)回歸方法建立所述轉變模型，所述數(shù)據(jù)來自在給定時間和給定溫度下，具有冶金轉變相關程度的多個合金試樣。
8.—種控制鋁合金均勻化的方法，該方法在均勻化循環(huán)的時間和溫度將步進冶金反應整合起來。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該控制方法用于得到位于溶液中的可溶解相的目標百分比。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該控制方法用于得到不溶相的目標百分比轉變。
11.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該控制方法用于得到彌散相最優(yōu)的尺寸和分布。
12.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該控制方法用于得到后續(xù)操作的最優(yōu)表面精整；所述后續(xù)操作包括擠壓，鍛造和軋制。
13.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該控制方法用來獲得后續(xù)操作的最大生產率；所述后續(xù)操作包括擠壓，鍛造和軋制。
14.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該控制方法用于獲得最優(yōu)的機械性能；包括屈服強度，極限強度，伸長率，斷裂韌性和耐疲勞強度。
15.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該控制方法用于優(yōu)化均勻化操作的生產率。
16.一種計算機程序，其在計算機可讀取介質上實施，用于優(yōu)化合金的均勻化工藝，所述合金由輸入原料制造，在整個均勻化工藝期間對生產條件進行在線檢測，提前計算出合金的預期冶金性能，包括 a)限定用來獲得合金的至少一種冶金性能的冶金轉變的目標程度； b)提供用來預測合金轉變的程度的轉變模型，所述轉變模型通過對在預定溫度進行了預定量時間的加熱的多個合金試樣的冶金轉變的程度進行分析而獲得； c)在均勻化循環(huán)過程中，在步進推移的時間，步進測量合金的溫度，從而根據(jù)轉變模型預測冶金轉變的步進程度；和 d)通過以下方式來控制所述合金經(jīng)歷所述均勻化循環(huán)的時間總量累計冶金轉變的每次步進程度，直到均勻化循環(huán)的時間總量能夠提供所需的冶金轉變程度。
17.如權利要求16所述的在計算機可讀取介質上實施的計算機程序，其特征在于，所述相轉變模型的數(shù)學表達形式如下所示A = BeCTΨ，= Α(1- ψ) Ψ，= BeCT(l-￥) 其中，Ψ =冶金轉變的程度；Ψ ’ =冶金轉變速率;A =溫度特定擬合參數(shù)；B和C為取決于合金的常量，B和C用于A相對于溫度(T)的指數(shù)關系。
18.如權利要求16所述的在計算機可讀取介質上實施的計算機程序，其進一步包括 利用數(shù)據(jù)、通過指數(shù)回歸方法建立轉變模型，其中所述數(shù)據(jù)來自于在給定時間和給定溫度下，具有冶金轉變相關程度的多個合金試樣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化和控制合金的均勻化周期的方法，其通過限定轉變的目標程度來得到合金的至少一種冶金性能。所需的冶金性能包括，但不限于，溶解沉淀硬化相，將不溶相轉化為優(yōu)選相，和沉淀彌散相至合適的尺寸和分布狀況。利用回歸分析方法，通過分析在預定溫度進行了預定量時間的加熱對多個試樣合金轉變程度，獲得了一種轉變模型，用于預測合金轉變的程度。
文檔編號C22F1/04GK102732813SQ201210189768
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權日2011年4月4日
發(fā)明者D·J·休梅克, M·沙巴夫, R·A·馬圖斯卡, S·M·威廉姆斯 申請人:愷撒鋁業(yè)公司