铸造金属的均化和热处理制造技术

铸造具有有利于进一步加工，例如热轧和冷轧的微结构的金属锭的方法。在直冷铸模或同等物中铸造金属，该模具将冷却液喷雾引导到锭块外表面上以实现迅速冷却。在脱出的锭坯仍不完全是固体的位置，从表面上去除冷却剂，以致固化作用的潜热和熔融芯的显热使相邻固体壳的温度升至高于使金属原位均化的过渡温度的会合温度。随之不需要进一步的传统均化步骤。本发明专利技术还涉及这类锭块在热加工之前的热处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属，特别是金属合金的铸造，及其处理以使它们适合 形成金属产品， 例如片材和板材制品。
技术介绍
金属合金，特别是铝合金，通常由熔融形式铸造以产生锭块或坯段，它们随后进行 轧制、热加工或类似加工以产生用于制造许多产品的片材或板材制品。锭块通常通过直冷 (DC)铸造法制造，但也可以使用同等铸造方法，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)。下列论述主要涉及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程序。用于制造锭块的金属(例如铝和铝合金_下文统称为铝)DC铸造通常在浅的开口 的轴向垂直模具中进行，该模具一开始在其底端被可向下移动的平台(常被称作底座)封 闭。该模具被冷却护套围绕，水之类的冷却流体连续循环通过该护套以提供模具壁的外部 冷却。将熔融的铝(或其它金属)引入冷却模具的上端，并随着熔融金属在与模具内缘相 邻的区域中固化，使该平台向下移动。随着该平台的有效连续移动和相应地向模具连续供 应熔融铝，可以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Ermor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铸造也可以水平进行，即模具非垂直取向并对设备作出一些修改，在这类情况 下，铸造操作可以是基本连续的。在下列论述中，参照垂直直冷铸造，但相同原理适用于水 平DC铸造。在垂直DC铸造中从模具下端(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(pool)作为熔融金属贮槽(sump)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固化，该熔融金属 贮槽(sump)的横截面从上往下逐渐降低直至其芯部分完全为固体。具有固体外壳和熔融 芯的铸造金属产品的部分在本文中被称作锭坯(embryonicingot)，其在完全固化时变成铸 造锭块。作为直冷铸造法的重要特征，使连续供应的冷却液，例如水与正好在模具下方的 推进(advance)中的锭坯的外表面直接接触，由此导致表面金属直冷。锭块表面的这种直 冷有助于使锭块边缘部分保持固态并促进锭块的内部冷却和固化。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，例如从模具冷却护套的下端排出水。 在这种程序中，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。通常，冷却水在接触热金属时首先发生两个沸腾事件。在射流的滞流区域中直接 在液体下方并与其紧邻地形成主要为水蒸汽的薄膜，在其任一面的相邻区域中和在射流下 方，发生典型的成核薄膜沸腾。在锭块冷却时，气泡的成核和混合效应平息，流体流和热边 界层条件变成沿锭块体向下强制对流，直至最终，流体动力条件变成在锭块的最下末端横 穿锭块整个表面的简单自由下落薄膜。由此制成的直冷铸造锭块通常经过热轧和冷轧步骤或其它热加工程序以制造具 有各种厚度和宽度的片材或板材制品。但是，在多数情况下，在轧制或其它热加工程序之前 通常需要均化程序以便将金属转化成更可用的形式和/或改进轧制产品的最终性质。进行 均化以平衡微观浓度梯度。均化步骤包括将铸造锭块加热至升高的温度(通常高于过渡 温度，例如合金的固溶线温度的温度，通常高于450°c，并通常(对于多数合金)为500至 6300C )持续相当长的时间，例如几小时，通常高达30小时。对这种均化步骤的需要是在铸造产品中发现的由固化的早期阶段或最终阶段引 起的微结构缺陷的结果。在微观层面上，DC铸造合金的固化以下列五个事件为特征(1)初 相的成核(其发生频率可能与晶粒细化剂的存在相关或不相关)；(2)限定晶粒的多孔状、 多枝状结构或多孔状与多枝状组合结构的形成；(3)由于占优势的非平衡固化条件，从多 孔状/多枝状结构中推出溶质；(4)固化中的初相的体积变化增强了推出的溶质的运动；和 (5)推出的溶质浓缩及其在最终反应温度下固化(例如共晶)。因此，所得金属结构相当复杂并以整个晶粒内以及在与金属间相相邻的区域(在 此相对较软和较硬的区域在该结构中共存)内的组成差异为特征且如果没有改性或转变， 会产生最终产品不可接受的最终规格(gauge)性质差异。均化是常用于描述旨在校正溶质元素分布中的微观缺陷和(随之)改变界面处存 在的金属间结构的热处理的通用术语。均化方法的公认结果包括下列1.晶粒内的元素分布变得更均勻。2.在铸造过程中在晶界和三相点处形成的任何低熔点成分粒子(例如共晶体)溶 解回晶粒中。3.某些金属间粒子(例如包晶体)经历化学和结构转变。4.在铸造过程中形成的大的金属间粒子(例如包晶体)在加热过程中可能断裂和 变圆。5.在加热过程中形成的析出物(precipitate)(例如可用于随后生长以增强该材 料)溶解并随后在锭块再冷却至低于固溶线并保持在恒定温度和使其成核和生长或冷却 至室温并预热至热加工温度时，在溶解和再分布后在整个晶粒中均勻析出。在一些情况下，必须在实际DC铸造过程中对锭块施以热处理以校正铸造过程中 引起的不同应力场。本领域技术人员将合金按特性分成响应这些应力在固化后裂化或在固 化前裂化。固化后裂纹由铸造过程中发展的宏观应力引起，其在固化完成后导致以穿晶形式 形成裂纹。这通常通过在铸造过程中将锭块表面温度保持在升高水平(由此降低锭块中的 温度_因此应变_梯度)和通过在铸造后立即将传统铸成的锭块转移到应力消除炉中来校 正(correct)0固化前裂纹也由铸造过程中发展的宏观应力引起。但是，在这种情况下，通过沿低 熔点共晶网络在晶粒间撕拉或剪切该结构(与固化时的溶质推出相关)来减轻固化过程中 形成的宏观应力。已经发现，使中心到表面的线性温度梯度差(即，脱出的锭块的表面到中 心的温度衍化(derivative))均衡可以成功地减轻这类裂化。这些缺陷使锭块对许多用途而言不可接受。已经作出各种尝试以便通过控制铸 造过程中锭块的表面冷却速率来克服该问题。例如，在容易产生固化后裂化的合金中， Zeigler在美国专利2，705，353中在模具下方一定距离处使用擦拭器从锭块表面去除冷却 剂以使锭块的内热将冷却的表面再加热。目的是使表面温度保持高于大约300° F(149°C) 并优选保持在大约400至650° F(204至344°C)的典型退火范围内。Zinniger在美国专利4，237，961中表明带有可吹胀弹性体擦拭环形式的冷却剂 擦拭装置的另一直冷铸造系统。这起到与上述Zeigler专利中所述相同的基本作用，其中 锭块的表面温度保持在足以减轻内应力的水平。在Zirmiger专利的实施例中，锭块表面保 持在大约500° F(260°C)，这仍在退火范围内。该程序的目的是通过防止在锭块内产生过 高的热应力来实现极大横截面的锭块的铸造。在容易产生固化前裂纹的合金中，Bryson在美国专利3，713，479中使用两个水平 面的具有较低强度的水喷雾冷却以降低冷却速率并使其随着锭块下降沿锭块向下延伸更 长距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加热铸造金属锭块以使所述锭块准备在预定温度下热加工的方法，该方法包括：（ａ）将所述锭块预热至低于所述预定热加工温度的成核温度，在此预定热加工温度下在金属内发生析出物成核，以致发生成核；（ｂ）将所述锭块进一步加热至析出物生长温度，在此析出物生长温度下发生析出物生长，以使金属内的析出物生长；和（ｃ）如果所述锭块在步骤（ｂ）后没有处于所述预定热加工温度，将所述锭块进一步加热至所述预定热加工温度以备热加工。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RB瓦格斯塔夫，WJ芬顿，
申请(专利权)人：诺韦利斯公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]