專利名稱：鎂及鎂合金的雙輥鑄造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂及鎂合金(以下一般統(tǒng)稱為“鎂合金”)的雙輥鑄造。
背景技術(shù)：
雙輥鑄造金屬概念的提出比較早，可以至少追溯到HenryBessemer在1900年中期的發(fā)明。但是，其后不到100年，就引起人們對(duì)可以商用的雙輥鑄造開(kāi)始研究。Bessemer提出的概念是基于使用金屬輸送系統(tǒng)的帶材生產(chǎn)，其中熔融金屬向上輸送經(jīng)過(guò)兩個(gè)橫向分開(kāi)的平行輥之間形成的咬入?yún)^(qū)。最近的方案是基于熔融金屬向下輸送到輥上。但是，人們逐漸認(rèn)可的優(yōu)選結(jié)構(gòu)是輥垂直分開(kāi)而不是那些早期方案中的水平分開(kāi)，從而使合金輸送基本沿水平方向。雖然輥是垂直分開(kāi)的，但其軸線優(yōu)選地處于一個(gè)平面中，此平面與垂直方向傾斜一個(gè)小的角度，約為15°。具有這種傾斜，下輥相對(duì)于上輥朝下游位移，即朝向合金輸送到并離開(kāi)咬入?yún)^(qū)的方向。
雖然已經(jīng)有一些商用的雙輥鑄造，但局限在一定范圍內(nèi)。并且其所應(yīng)用的合金范圍也受到局限，因?yàn)槠鋺?yīng)用基本上限制在適合的鋁合金上。迄今，在建立鎂合金雙輥鑄造的適合工藝方面進(jìn)展有限。
為了成功地實(shí)現(xiàn)鎂合金雙輥鑄造的實(shí)用工藝，例如達(dá)到基本上連續(xù)或半連續(xù)生產(chǎn)，尚需要解決幾個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是鎂合金熔體容易氧化和著火，同時(shí)任何來(lái)源的水分都存在爆炸的潛在危險(xiǎn)。使用適合的熔渣或適合的氣氛建立的工藝可以防止氧化和著火的危險(xiǎn)，同時(shí)也能隔離水分。并且，鎂以及不含或僅含有少量鈹?shù)囊恍╂V合金，如AZ31，在熔化狀態(tài)具有高的氧化趨勢(shì)，使傳統(tǒng)熔渣或氣氛控制在雙輥鑄造作業(yè)期間不充分。但是，克服這些問(wèn)題增大了雙輥鑄造工藝復(fù)雜性，使復(fù)雜性成為一個(gè)問(wèn)題。
另一個(gè)問(wèn)題是，與鋁合金相比，鎂合金的熱容使其趨于快速凝固。而且，與鋁合金相比，一些鎂合金，如AM60和AZ91，在固相線和液相線溫度之間具有相當(dāng)寬的凝固范圍或溫度區(qū)間。鎂合金的此范圍或區(qū)間為約70到100℃或更大，而很多鋁合金為約10到20℃。大的凝固范圍或區(qū)間造成鑄造狀態(tài)下雙輥鑄造板的表面缺陷和內(nèi)部偏析缺陷。
重要的是持續(xù)不斷地需要減小操作成本的問(wèn)題，包括消耗材料和鑄造操作的成本，從而使雙輥鑄造比其它技術(shù)更具有競(jìng)爭(zhēng)性，使其更靈活地應(yīng)用于短操作周期(例如，一天)和長(zhǎng)操作周期(例如，數(shù)周)，并使其應(yīng)用范圍拓展。這是雙輥鑄造的普遍問(wèn)題，但考慮到上述的其它問(wèn)題，這對(duì)于鎂合金的鑄造更為嚴(yán)重。在擴(kuò)展雙輥鑄造技術(shù)達(dá)到增強(qiáng)所生產(chǎn)帶材的物理性能時(shí)也存在問(wèn)題。雖然這也是該技術(shù)一個(gè)一般問(wèn)題，但對(duì)于鎂合金特別嚴(yán)重，因?yàn)樵谏a(chǎn)表面質(zhì)量好以及基本無(wú)內(nèi)部偏析缺陷的基本無(wú)裂紋帶材方面存在問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于鎂和鎂合金的雙輥鑄造工藝，至少在優(yōu)選方式下，至少可以改進(jìn)上述問(wèn)題中的一個(gè)或者多個(gè)。
本發(fā)明旨在提供一種雙輥鑄造鎂合金的改進(jìn)工藝，用于生產(chǎn)所需厚度和寬度的鎂合金帶材。本發(fā)明的工藝使帶材的寬度根據(jù)需要達(dá)到并超過(guò)約300mm，例如達(dá)到約1800mm。一般地，帶材的厚度從約1mm或小于1mm，直到約15mm，但優(yōu)選的厚度是約3mm到8mm。
本發(fā)明工藝用于鑄造鎂合金，它是通過(guò)將熔融合金供應(yīng)到噴嘴與一對(duì)輥之間形成的腔室中，該對(duì)輥是反向旋轉(zhuǎn)并基本平行，其內(nèi)部流體冷卻，并且基本彼此上下分開(kāi)，從而在二者之間形成咬入?yún)^(qū)。所述工藝包括通過(guò)噴嘴輸入熔融鎂合金，通過(guò)冷卻輥吸收熱量使鎂合金冷卻，從而在鎂合金通過(guò)輥之間形成的咬入?yún)^(qū)之前，鎂合金在此腔室中達(dá)到基本完全凝固。
本發(fā)明工藝的這些基本特征與鋁合金雙輥鑄造所需的相同。但是，這基本上就是鎂合金與鋁合金的各自工藝之間相似的內(nèi)容。實(shí)際上除了上述相似之處，鋁合金鑄造工藝對(duì)適合于鎂合金的工藝幾乎不提供任何指導(dǎo)。而且，在某種程度上雙輥鑄造已經(jīng)試圖用于其它合金，但發(fā)現(xiàn)這些合金所需的工藝與鋁合金使用的工藝相似，也對(duì)適合于鎂合金的工藝幾乎不提供任何指導(dǎo)。
因此，根據(jù)本發(fā)明，提供一種利用雙輥鑄造制造鎂合金的工藝，其特征在于所述工藝包括如下步驟(a)將熔融合金從供應(yīng)源供應(yīng)到輸送裝置；(b)將熔融合金從輸送裝置經(jīng)過(guò)噴嘴輸送到噴嘴長(zhǎng)出口與一對(duì)基本平行輥之間形成的腔室，這對(duì)輥上下彼此分開(kāi)，在二者之間形成咬入?yún)^(qū)；(c)沿相反方向旋轉(zhuǎn)所述輥，由此將合金從腔室經(jīng)過(guò)咬入?yún)^(qū)拉出，同時(shí)執(zhí)行步驟(b)的輸送；以及(d)在旋轉(zhuǎn)步驟(c)過(guò)程中使冷卻液體流過(guò)每個(gè)輥，提供輥的內(nèi)部冷卻，從而利用冷卻的輥吸收熱量將腔室中接收的合金冷卻，由此合金經(jīng)過(guò)輥之間形成的咬入?yún)^(qū)之前在腔室中達(dá)到鎂合金基本完全凝固，并由此以熱軋合金帶的形式輸出；并且所述工藝還包括使合金在供應(yīng)源保持在足夠高的溫度，用以使合金在輸送裝置中保持在合金液相線溫度以上的過(guò)熱溫度；使輸送裝置中的熔融合金深度保持在受控的、基本穩(wěn)定的高度，此高度在含有輥軸線的平面中高出咬入?yún)^(qū)中心線約5mm到約22mm；以及在步驟(c)中保持冷卻輥吸收熱能處于足夠水平，用以使從咬入?yún)^(qū)出來(lái)的合金帶表面溫度低于約400℃；從而熱軋的合金帶基本沒(méi)有裂紋并且具有好的表面質(zhì)量。
在本發(fā)明的工藝中，從適合的熔融合金源向中間包供應(yīng)鎂合金，鎂合金可以從包括中間包的輸送裝置供應(yīng)到噴嘴入口端，從噴嘴中流過(guò)并經(jīng)過(guò)噴嘴出口端進(jìn)入腔室。但是，也可以使用浮箱或其它可利用形式的輸送裝置替代中間包。并需要輸送裝置提供受控的、基本穩(wěn)定的熔融鎂合金熔體落差。即，在中間包、浮箱或類似裝置中的熔融合金需要保持在一定深度，從而其中的熔融合金表面處于受控的、基本穩(wěn)定的高度(或熔體落差)，此高度處于噴嘴水平延伸中心面與含有輥軸線的平面相交處以上。相交處基本對(duì)應(yīng)于該平面中輥的咬入?yún)^(qū)中心線，相對(duì)于此相交處，本發(fā)明提供的鑄造上述帶厚度的鎂合金的熔體落差優(yōu)選的是5mm到22mm。對(duì)于鎂和合金元素含量低的鎂合金，例如市售純鎂和AZ31，熔體落差可以是5mm到10mm；對(duì)于合金元素含量高的合金，例如AM60和AZ91，是7mm到22mm。
本發(fā)明需要的熔體落差5到22mm與鋁合金雙輥鑄造所需的落差有較大差異。在后種情況中，熔體落差一般保持在約0到1mm的最小值。這個(gè)本身很明顯的差異，與很多其它重要差異相關(guān)，這將從下面描述中變得清楚。
在本發(fā)明工藝中，供應(yīng)到中間包或其它輸送裝置的鎂合金是過(guò)熱的，在其液相線溫度以上。過(guò)熱的程度可以是液相結(jié)溫度以上約15℃到約60℃。一般地，這個(gè)范圍的低端，例如從15℃到約35℃，優(yōu)選地從約20℃到25℃，比較適合于鎂以及合金元素含量較低的鎂合金。對(duì)于合金元素含量較高的合金，比較適合這個(gè)范圍的高端，一般是從約35℃到約50℃和60℃。
鎂合金的雙輥鑄造所需的過(guò)熱程度與鋁合金所需的相似。對(duì)于鋁合金的雙輥鑄造，過(guò)熱程度為合金液相線以上約20℃到60℃，通常是約40℃，而本發(fā)明中添加元素含量低的鎂合金為15℃到35℃，添加元素含量高的鎂合金為35℃到50℃和60℃。盡管存在這種相似性，但兩個(gè)明顯不同類型的鋁合金和鎂合金之間的重要不同之處，特別是合金元素含量較高的鎂合金，在于液相線與固相線溫度之間的各自溫度范圍。因此，雖然鋁合金的通常液相/固相溫度范圍為約10℃到20℃，但至少是合金元素含量較高的鎂合金的較常見(jiàn)范圍是約70℃到100℃，完全超出鋁合金的范圍。即使鋁合金和鎂合金的凝固范圍相似，例如合金元素含量較低的鎂合金，這些鎂合金也具有遠(yuǎn)比鋁合金好的鑄造性。
在合金元素含量較高的鎂合金的雙輥鑄造中，熔融合金的完全凝固必須控制在噴嘴出口與輥咬入?yún)^(qū)之間的較窄區(qū)域內(nèi)?？紤]到這點(diǎn)，令人意外的是，過(guò)熱明顯超過(guò)合金液相線是適合的?？梢岳斫獾氖?，這種明顯過(guò)熱增大了使合金完全凝固需要從熔融合金中散發(fā)的熱量。另外，鎂合金比較寬的液相線/固相線溫度范圍，例如合金元素含量較高的鎂合金，也使完全控制凝固變得困難。但是，一般地，只要在從輥中軋出的合金帶的表面溫度處于所需范圍內(nèi)的條件下進(jìn)行鑄造，就可以實(shí)現(xiàn)所需控制。特別是，需要從輥中軋出的合金帶的表面溫度低于約400℃。
對(duì)于鎂合金的雙輥鑄造，再次說(shuō)明，熔融合金的凝固必須控制在噴嘴出口與輥咬入?yún)^(qū)之間的較窄區(qū)域內(nèi)。這個(gè)區(qū)域的寬窄程度對(duì)于合金元素含量較低的合金以及合金元素含量較高的合金是不同的。盡管如此，并且較低程度的過(guò)熱適合于合金元素含量較低的合金，但這些合金的過(guò)熱程度是令人意外的，這即使可以接受，但較窄的凝固范圍是適用的。再次說(shuō)明，只要在從輥中軋出的合金帶的表面溫度低于約400℃的條件下進(jìn)行鑄造，就可以實(shí)現(xiàn)所需控制。但是，對(duì)于合金元素含量低的合金，優(yōu)選的溫度是基本低于400℃，例如約180℃到約300℃。
如上所述，帶的表面溫度低于約400℃是必需的。但是，需要低于此溫度值的程度隨合金元素含量而變。對(duì)于合金元素含量較高的鎂合金，為得到具有高表面質(zhì)量的無(wú)裂紋帶材，需要從輥中軋出的合金帶的表面溫度為約300℃到400℃。對(duì)于合金元素含量較低的鎂合金，為得到具有高表面質(zhì)量的無(wú)裂紋帶材，需要從300℃到約180℃的較低表面溫度。
隨著溫度逐漸升高，裂紋、表面缺陷和最終過(guò)熱點(diǎn)等缺陷增多。但是，從輥中軋出的帶達(dá)到此溫度就需要非常高程度的熱量吸收，特別是合金元素含量較低的合金。可以理解的是，吸收熱量需要匹配過(guò)熱產(chǎn)生的熱量，越過(guò)合金液相線和固相線之間溫度范圍所需的熱量，以及滿足表面溫度明顯低于固相線的要求。但是，表面溫度達(dá)到180℃到400℃的全范圍取決于所用合金的固相線溫度。它將隨著帶厚度增大而下降，因?yàn)楸砻鏈囟仍趲е行纳叩焦滔嗑€以下的適當(dāng)溫度。
上述帶表面溫度的上限400℃處于鑄造鎂合金固相線溫度以下約40℃到190℃的水平上。為了保證帶中心的溫度處于適當(dāng)?shù)拇笮?，表面溫度?yōu)選地不低于所用合金固相線溫度以下約85℃。這個(gè)要求不僅是簡(jiǎn)單地保證帶全部凝固，而且，要保證合金帶整個(gè)厚度上具有足夠強(qiáng)度，用于在施加于輥上的所需單位載荷下得到?jīng)]有裂紋或表面缺陷的產(chǎn)品。
要求在生產(chǎn)鎂合金時(shí)使表面溫度達(dá)到低于400℃的上述范圍，是區(qū)別本發(fā)明工藝與生產(chǎn)鋁合金帶工藝的特征。對(duì)于鋁合金，僅需要帶在整個(gè)厚度上凝固，使帶中心達(dá)到剛低于固相線溫度。在這種條件下，鋁合金帶具有足夠強(qiáng)度，使其能夠熱軋。但是，對(duì)于鎂合金帶，需要所有厚度基本上足夠低于固相線溫度，以便將帶熱軋。
單位載荷的大小是本發(fā)明與生產(chǎn)鋁合金帶工藝明顯不同的另一個(gè)特征。本發(fā)明鎂合金工藝中作用在輥上的單位載荷是每毫米輥長(zhǎng)度上約2kg到約500kg。優(yōu)選的范圍是100到500kg/mm。但是，此范圍可以低到約2到約20kg/mm，因此本發(fā)明工藝中的單位載荷比雙輥鑄造生產(chǎn)鋁合金所用的單位載荷低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。對(duì)于鋁合金，通常使用約300到約1200kg/mm的單位載荷。在每種情況下，得到的熱軋合金移動(dòng)到并穿過(guò)輥的咬入?yún)^(qū)。鋁合金所用的單位載荷大小造成熱軋時(shí)厚度減小約20％到約25％。相反，本發(fā)明所需的單位載荷造成生產(chǎn)鎂合金帶時(shí)厚度減小約4％到約9％。
由于合金帶表面溫度范圍為180℃到400℃，所施加的載荷以及得到的厚度減小程度便于生產(chǎn)基本沒(méi)有裂紋并具有好的表面質(zhì)量的鎂合金帶。當(dāng)所施加的載荷以及得到的厚度減小程度較高時(shí)，生產(chǎn)基本沒(méi)有裂紋的帶更難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)表面缺陷也變得更加容易出現(xiàn)。
考慮到液相線/固相線范圍并且也為了避免偏析，從熔體吸收熱量以及鎂合金的凝固進(jìn)行得相當(dāng)快。與每個(gè)輥表面接觸的合金的溫度快速下降到固相線以下，但隨著凝固進(jìn)行到形成的帶中心，冷卻減慢。隨著形成的帶朝輥之間的咬入?yún)^(qū)前進(jìn)，穿過(guò)帶厚度的表示合金在液相線溫度的縱截面線具有V形，V形指向帶前進(jìn)方向并從合金接觸每個(gè)輥處開(kāi)始延伸。表示合金在固相線溫度的那些截面線也具有V形，V形也指向前進(jìn)方向并從那些接觸點(diǎn)開(kāi)始延伸，但V形的臂具有較大的坡口角度。因此，合金在液相線和固相線的那些線之間的溫度范圍在從每個(gè)輥表面到形成的帶的中心這段距離的方向上增大。但需要此范圍的增大保持在最小值。一般可以發(fā)現(xiàn)，如果從輥咬入?yún)^(qū)出來(lái)的帶的表面溫度低于約400℃，例如，在300℃到400℃范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)上述目的。
在噴嘴與輥之間形成的腔室中，平行于穿過(guò)輥軸線平面的截面面積減小，在輥之間的咬入?yún)^(qū)達(dá)到最小值，因?yàn)檩伒谋砻媸菑澢?。噴嘴出口到此平面的距離稱為“縮回”。在經(jīng)過(guò)此縮回距離時(shí)，出口出來(lái)的熔融鎂合金在與輥接觸之前經(jīng)過(guò)縮回距離的一個(gè)短的起始部分。與每個(gè)輥的接觸是沿其表面的縱向線。出口到每個(gè)輥各自接觸線的距離取決于形成出口的噴嘴邊緣的寬度，噴嘴在輥之間裝配的接近程度以及輥的直徑。在本發(fā)明工藝中，縮回也隨輥的直徑而改變，對(duì)于直徑約185mm的輥，縮回可以在約12mm到約17mm的范圍內(nèi)。，縮回隨著輥直徑的增大或減小而增大或減小，例如，對(duì)于直徑約255mm，縮回最優(yōu)選的是約28到約33mm，例如約30mm。
縮回的起始部分，即從噴嘴出口到合金接觸每個(gè)輥表面的上述線，取決于輥的直徑和縮回。但是，縮回的起始部分使得包括鎂合金表面張力和熔體落差的因素能在整個(gè)起始部分長(zhǎng)度上在每個(gè)上和下熔融金屬表面保持凸出的半月形。根據(jù)得到的帶厚度，起始部分可以達(dá)到縮回的約35％，例如從約10％到30％，合金的凝固在其余長(zhǎng)度部分完成，并在輥咬入?yún)^(qū)之前完成。從合金凸出彎月面形狀與輥接觸的線開(kāi)始，優(yōu)選地，合金在上下表面之間的完全凝固在縮回的最后5％到15％預(yù)先完成，隨后立即進(jìn)入輥的咬入?yún)^(qū)。因此，在所形成的帶的整個(gè)厚度上合金完全凝固可以在不大于約50％的縮回距離內(nèi)完成。但是，從過(guò)熱溫度開(kāi)始的一些冷卻將在噴嘴中以及縮回的起始部分中發(fā)生。
本發(fā)明鎂合金雙輥鑄造的特征比鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)做法具有實(shí)際的效益。這與鑄造循環(huán)開(kāi)始的啟動(dòng)有關(guān)。本發(fā)明的程序使啟動(dòng)不超過(guò)幾分鐘，例如本發(fā)明是從0.5直到3到5分鐘，而鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)做法長(zhǎng)達(dá)50分鐘。
在鋁合金雙輥鑄造的實(shí)際做法中，使用lay-off啟動(dòng)或hard-sheet啟動(dòng)。在lay-off啟動(dòng)中，當(dāng)鑄造循環(huán)開(kāi)始時(shí)輥的旋轉(zhuǎn)速度超過(guò)生產(chǎn)速度，例如超過(guò)40％。熔融合金不能充滿噴嘴和較高速度旋轉(zhuǎn)輥之間形成的腔室。這樣，雖然寬度逐漸變寬，但僅能得到比所需尺寸較薄和較窄的斷板。當(dāng)?shù)玫酵暾麑挾葧r(shí)，輥速度逐漸下降，使板厚度逐漸增大。最終，腔室充滿，在生產(chǎn)輥速度下建立穩(wěn)定運(yùn)行。
對(duì)于hard-sheet啟動(dòng)，輥速度開(kāi)始明顯低于生產(chǎn)速度，例如低40％。低速度使噴嘴和輥形成的腔室充滿，并快速開(kāi)始生產(chǎn)完全厚度和寬度的“hard sheet”。輥速度逐漸增大到生產(chǎn)輥速度下的穩(wěn)定運(yùn)行。
對(duì)于雙輥鑄造鋁合金的這些標(biāo)準(zhǔn)做法形式中的每一種，達(dá)到生產(chǎn)輥速度所需的長(zhǎng)時(shí)間周期回避了對(duì)有效和高效溫度穩(wěn)定化的需求。這樣，生產(chǎn)過(guò)程的啟動(dòng)是過(guò)熱熔融合金供應(yīng)到中間包，接著從中間包流到噴嘴。流入的合金逐漸對(duì)中間包和噴嘴加熱，并且需要長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到整個(gè)鑄造設(shè)備的平衡運(yùn)行溫度。
在本發(fā)明中可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)預(yù)熱中間包或其它輸送裝置以及噴嘴，可以在短時(shí)間內(nèi)有效達(dá)到平衡運(yùn)行溫度。為此，優(yōu)選地將熱空氣吹入和流過(guò)中間包，接著流過(guò)噴嘴從噴嘴出口流出。熱空氣的溫度足以將中間包快速加熱到接近所需運(yùn)行溫度，并且可以從約500℃到655℃，例如從550℃到600℃。在上述達(dá)到的短時(shí)間內(nèi)，將噴嘴加熱到足夠的溫度，此溫度在噴嘴出口下降到約200℃到400℃。例如，當(dāng)噴嘴具有內(nèi)部引導(dǎo)構(gòu)件時(shí)，將合金引導(dǎo)到每一出口端，實(shí)現(xiàn)沿出口長(zhǎng)度均勻的合金流，噴嘴的溫度可以在每一出口端達(dá)到約400℃，因?yàn)闊峥諝獗灰龑?dǎo)構(gòu)件阻擋，在出口的中心區(qū)為約200℃。
本發(fā)明工藝中使用的預(yù)熱平衡運(yùn)行溫度的建立不超過(guò)幾分鐘，例如約3到5分鐘。這樣，lay-off過(guò)程存在熔融合金流過(guò)輥咬入?yún)^(qū)之前未凝固的嚴(yán)重危險(xiǎn)，從而對(duì)于鎂合金，存在嚴(yán)重的著火危險(xiǎn)。而且，hard-sheet過(guò)程更容易保證所有合金經(jīng)過(guò)輥之前凝固，由于增大了熔融合金從噴嘴與輥之間的腔室涌出的可能性而存在著火危險(xiǎn)。本發(fā)明避開(kāi)了對(duì)鋁合金雙輥鑄造所用延遲啟動(dòng)程序的需求，因?yàn)榻囟绕胶馑璧亩虝r(shí)間使啟動(dòng)接近于全運(yùn)行輥速度。這樣，能快速建立全厚度、全寬度板或帶的輸出。
在雙輥鑄造過(guò)程中，根據(jù)本發(fā)明，可以發(fā)現(xiàn)從輥咬入?yún)^(qū)或輥縫輸出的帶或板的寬度上存在明顯溫度變化。此變化是帶的中心區(qū)比邊緣區(qū)熱。此溫度變化可高達(dá)約70℃，一般是超過(guò)約20℃。溫度變化可以造成稱為過(guò)熱線的表面缺陷，和/或能由于熱應(yīng)力導(dǎo)致帶扭曲。類似的溫度變化和結(jié)果可以在鎂合金以外的其它合金中遇到。
我們發(fā)現(xiàn)，利用改進(jìn)形式的噴嘴可以至少減小溫度變化。改進(jìn)噴嘴具有頂板和底板，噴嘴出口的橫向范圍由每塊板的各自邊緣限定。在至少一塊板的中間區(qū)域，其邊緣相對(duì)于邊緣的末端區(qū)縮回。邊緣的中間區(qū)的長(zhǎng)度和位置對(duì)應(yīng)于鑄造帶或板的中間區(qū)。雖然每塊的中間區(qū)可以縮回，但優(yōu)選地僅是頂板具有這種縮回的中間區(qū)。
優(yōu)選地，縮回在中間區(qū)基本上是均勻地，但縮回也可以是彎曲的弧形?？s回優(yōu)選地小于約7mm，例如從2mm到4mm。對(duì)準(zhǔn)所述帶上較高溫度區(qū)域的這種縮回非常有用，能明顯減小或消除帶寬度上的溫度差。因此，減少或阻止了過(guò)熱線，同時(shí)減小或阻止了帶的扭曲。
由此表明，對(duì)于鎂合金的雙輥鑄造，有幾個(gè)問(wèn)題需要解決。第一個(gè)問(wèn)題是氧化和著火的危險(xiǎn)。本發(fā)明并不回避需要使用基于適合熔渣和氣氛建立的程序。相反，這可以進(jìn)一步減小上述危險(xiǎn)。因此，本發(fā)明提供的有效啟動(dòng)程序基本避免了熔融合金在經(jīng)過(guò)輥之前未完全凝固而產(chǎn)生的著火危險(xiǎn)，或者避免了熔融合金從噴嘴與輥之間腔室涌出。而且，約2到500kg/mm的低軋制載荷和相應(yīng)的低軋制壓下量，以及有限的過(guò)熱和輥之間咬入?yún)^(qū)之前的快速凝固，進(jìn)一步減小了熔融合金經(jīng)過(guò)咬入?yún)^(qū)并且裂紋或表面缺陷暴露于大氣中的危險(xiǎn)。
如上所述，本發(fā)明不回避需要使用適合的氣氛控制著火危險(xiǎn)，但本發(fā)明重要的優(yōu)選形式提供對(duì)建立程序的改進(jìn)。對(duì)于著火控制，通常的做法是使用六氟化硫在干燥空氣中的混合物。SF6/干燥空氣不適合于鋁含量高的鎂合金，同時(shí)在鑄造啟動(dòng)或結(jié)束時(shí)不總是可靠。在每種情況下，我們發(fā)現(xiàn)在混合物中加入百分之幾的氫氟碳化物，例如約2到6％(體積百分?jǐn)?shù))，可以得到明顯改進(jìn)，特別優(yōu)選的是1，1，1，2-四氟乙烷，用符號(hào)HFC-134a表示。但是，可以使用具有或沒(méi)有SF6/HFC-134a的其它氣體。
在鑄造操作過(guò)程中保持SF6/干燥空氣或其它適合氣氛的保護(hù)氣氛，用于防止著火的危險(xiǎn)。當(dāng)鑄造的合金是一種上述混合物提供有限保護(hù)的合金時(shí)，提供的混合物也含有氫氟碳化物，優(yōu)選的是HFC-134a。這明顯提高了防止著火危險(xiǎn)的作用。但是，對(duì)于SF6/干燥空氣普遍有效的合金，一般需要在啟動(dòng)時(shí)的短時(shí)間內(nèi)以及鑄造操作結(jié)束時(shí)增加氫氟碳化物。
過(guò)早凝固的問(wèn)題，由于鎂合金具有好的鑄造性，可以通過(guò)快速建立平衡操作溫度和高速度得到基本解決。對(duì)其產(chǎn)生影響的主要因素是諸如上述的預(yù)熱，以及快速達(dá)到軋制速度，和其它的操作條件。
在具有高合金元素含量的、寬凝固范圍的鎂合金中出現(xiàn)的困難可以由本發(fā)明的特征解決，還便于增強(qiáng)本發(fā)明生產(chǎn)的鎂合金帶的物理性能。這里存在與這些問(wèn)題相關(guān)的很多相關(guān)特征。
對(duì)于鋁合金，通過(guò)熔融合金與輥表面之間好的接觸質(zhì)量可以達(dá)到快速凝固，其中好的接觸質(zhì)量是由于大的軋制壓下量為約20％到25％。但是，對(duì)于鎂合金，這種大小的軋制壓下量不適合，因?yàn)樗鼘⒃斐杀砻嫒毕?，如表面裂紋。凸出的彎月面形狀使熔融鎂合金保持與每個(gè)輥?zhàn)罴呀佑|，并建立均勻凝固前沿，可以進(jìn)行充分的快速凝固。凸出的彎月面形狀是由本發(fā)明所需的大熔體落差實(shí)現(xiàn)的，而合金與輥的接觸仍被避免諸如裂紋的表面缺陷所需的低軋制壓下量增強(qiáng)。對(duì)于鋁合金，大的軋制壓下量以及小的熔體落差(如果存在)不能形成凸出的彎月面形狀，而是得到凹下的或在凹與凸之間變化的彎月面形狀。
利用本發(fā)明為生產(chǎn)鎂合金帶而使用的快速凝固，可以發(fā)現(xiàn)能達(dá)到很多實(shí)際的效益。因此，帶的組織中，初生鎂的二次枝晶臂間距減小到約5到15μm，而傳統(tǒng)鑄造技術(shù)得到的鎂合金組織為25到100μm。這種細(xì)化導(dǎo)致金屬間化合物二次相的均勻分布，從而便于通過(guò)帶的冷加工提高力學(xué)性能。
而且，快速凝固將金屬間化合物二次相的顆粒尺寸細(xì)化到約1μm，而傳統(tǒng)鑄造技術(shù)得到的鎂合金微觀組織高達(dá)約25到50μm。這種細(xì)化減小這些顆粒附近的裂紋生成，還便于通過(guò)帶的冷加工提高力學(xué)性能。
通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)始凝固到凝固結(jié)束時(shí)直到帶厚度中部的冷卻速率，可以控制快速凝固，在形成的帶的整個(gè)厚度上得到α鎂枝晶的等軸生長(zhǎng)。這與諸如晶粒細(xì)化的熔體處理一起，將有害的中心線偏析減小到最低程度，同時(shí)保持鑄態(tài)鎂合金帶的完整性。這對(duì)于鋁合金雙輥鑄造不是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)棣龄X枝晶總是柱形的，這些合金中沒(méi)有偏析問(wèn)題。
另外，本發(fā)明生產(chǎn)的鎂合金非常適合于控制其組織和性能的過(guò)程。因此，可以對(duì)鑄態(tài)帶進(jìn)行熱軋和最后熱處理，細(xì)化得到的最終制品的組織并增強(qiáng)其力學(xué)性能。一些應(yīng)用的典型要求是細(xì)化初生鎂晶粒尺寸，并顯著均勻化縱向和橫向的性能。我們進(jìn)行了一次或兩次縱向冷軋道次，然后是適合的熱處理，可以通過(guò)再結(jié)晶細(xì)化初生鎂晶粒。而且，在一次或兩次縱向冷軋道次之后都施加受控的橫向應(yīng)變，使初生晶粒細(xì)化，并且明顯均勻化縱向和橫向的力學(xué)性能。
對(duì)于操作成本，可以理解的是，達(dá)到穩(wěn)定凝固和在幾分鐘內(nèi)建立生產(chǎn)是特別重要的。建立穩(wěn)定的熱分布在這一方面具有重要性。在帶生產(chǎn)過(guò)程中充分的鎂熔體保護(hù)減小了操作之間的準(zhǔn)備時(shí)間，并允許節(jié)約成本的小型或中型操作。


為了更容易地理解本發(fā)明，下面將參考附圖進(jìn)行說(shuō)明。在附圖中圖1示意性表示本發(fā)明使用的雙輥鑄造設(shè)備；圖2和3分別以側(cè)剖視圖和俯視圖表示圖1設(shè)備的中間包/噴嘴結(jié)構(gòu)；圖4和5分別以側(cè)視圖和部分俯視圖表示圖1設(shè)備的噴嘴/輥結(jié)構(gòu)；圖6到8表示適合于圖1設(shè)備的另外模塊噴嘴結(jié)構(gòu)；
圖9表示與圖1設(shè)備使用的鋁合金凝固相關(guān)的放大細(xì)節(jié)；圖10表示適合于本發(fā)明使用的噴嘴的改進(jìn)形式；圖11是沿圖10的線XI-XI的剖視圖；以及圖12對(duì)應(yīng)于圖10，但表示另一種形式的噴嘴。
具體實(shí)施例方式
在圖1示意性圖示中，設(shè)備10具有持續(xù)供應(yīng)熔融鎂合金的熔爐12以及中間包14。合金可以在需要時(shí)從熔爐12經(jīng)過(guò)輸送管16流到中間包14，此結(jié)構(gòu)可以操控，用于保持中間包14中基本穩(wěn)定的合金落差(head of alloy)。溢出的合金通過(guò)管道18從中間包14流出，收集在容器20中。熔爐10、中間包14、容器20和管道16中的每一個(gè)都有各自的入口接頭22，由此可以從適當(dāng)?shù)膩?lái)源(未圖示)供應(yīng)如前所述維持保護(hù)性氣氛的氣體。熔爐12和容器20中的每一個(gè)具有出口接頭24，由此氣體可以排出流到回收容器(未圖示)。
圖2和3表示用作中間包14的一種類型中間包26。中間包26具有前和后壁26a和26b，側(cè)壁26c和底26d，這些壁一起形成腔室28。中間包26還有蓋(未圖示)和橫向隔板30，隔板30在壁26c之間延伸，但其下邊緣與底26d隔開(kāi)。隔板30將腔室28分成后部分28a和前部分28b。
設(shè)備10還包括噴嘴30和輥結(jié)構(gòu)32。噴嘴30從中間包26的壁26a向前延伸，進(jìn)入結(jié)構(gòu)32的上輥32a和下輥32b之間的間隙。輥32a、32b沿水平延伸，并垂直分開(kāi)，在二者之前形成咬入?yún)^(qū)或輥縫34。結(jié)構(gòu)32還包括在輥32a、32b遠(yuǎn)離噴嘴30一側(cè)的輸出臺(tái)或輸送器35。
圖2和3的結(jié)構(gòu)以及圖4和5的結(jié)構(gòu)表示噴嘴30的另一種形式。其中對(duì)應(yīng)的零件具有相同的參考數(shù)字。在每種情況下，噴嘴30具有水平放置的、垂直隔開(kāi)的上板36和下板37以及相對(duì)的側(cè)板38。合金流動(dòng)空腔39穿過(guò)噴嘴30，并且由水平板36、37和側(cè)板38圍成。中間包26中的合金能經(jīng)過(guò)中間包26前壁26a的開(kāi)口40流入噴嘴30，合金能從位于板36、37遠(yuǎn)離中間包26的邊緣的長(zhǎng)出口42排出到輥32a、32b之間。如圖2和4的更清楚表示，板36、37和側(cè)板38是逐漸變窄的，從而能延伸到靠近每個(gè)輥32a、32b。但是，出口42從含有輥32a、32b軸線的平面P縮回，從而在噴嘴30與輥32a、32b之間形成一個(gè)腔室44。
使用設(shè)備10時(shí)，先將中間包26和噴嘴30預(yù)熱到如前所述的溫度。為達(dá)到此目的，熱氣槍46(如圖2和3所示)可以插入中間包26的后壁26b的開(kāi)口48。當(dāng)達(dá)到所述溫度時(shí)，槍46縮回并關(guān)閉開(kāi)口48。接著將熔融合金從熔爐12沿管道16流入中間包26。中間包26中的合金在線M代表的水平面上方保持在所需水平，如圖1和2中虛線L所示，其中線M穿過(guò)噴嘴出口42和輥32a、32b的咬入?yún)^(qū)或輥縫的中心。通過(guò)如前所述保持適合的氣氛使熔融合金受到保護(hù)，提供保護(hù)的氣體供應(yīng)到接頭22。氣氛的壓力保持在略高于大氣壓，并從接頭24收集溢流出來(lái)的氣體。
從中間包26，合金在控制速率下流過(guò)開(kāi)口40到達(dá)噴嘴30的空腔39。合金從空腔39經(jīng)過(guò)出口42整個(gè)長(zhǎng)度排入腔室44中，接著流過(guò)輥32a、32b之間的咬入?yún)^(qū)或輥縫34。輥32a、32b是內(nèi)部水冷的，并沿箭頭X所示的各自方向一致地旋轉(zhuǎn)。熔融合金由于輥32a、32b的冷卻作用而在腔室44中逐漸凝固，形成鎂合金帶50(如圖9所示)沿臺(tái)子35移動(dòng)。如圖4和5所示，臺(tái)子35可以在靠近輥32a、32b的邊緣附近具有開(kāi)口35a，由此加壓氣體能供應(yīng)到帶50的下表面，進(jìn)一步冷卻帶材并協(xié)助其在臺(tái)子35上運(yùn)動(dòng)。
圖6和7表示另一種結(jié)構(gòu)，其中噴嘴30的板36、37是由兩個(gè)相似的模塊30a和30b代替。每個(gè)模塊可以從各自的中間包26接收熔融合金，而每個(gè)中間包通過(guò)公共管16(圖6)或各自的管16(圖7)從熔爐12接收合金。
圖8與圖6相似，但不是一對(duì)模塊通過(guò)公共管16接收合金，而是有兩對(duì)模塊，每對(duì)模塊具有其模塊公用的相應(yīng)管道16。
現(xiàn)在看圖9，其中表示了平面P和M。平面N平行于平面P并經(jīng)過(guò)噴嘴30的出口42，平面P與平面N之間的距離S限定了腔室44的水平范圍。此距離稱為縮回(set-back)，而平面M上面的線L的高度(見(jiàn)圖1和2)稱為熔體落差。如前所述，縮回、熔體落差、輥32a、32b的旋轉(zhuǎn)速度以及輥32a、32b對(duì)合金施加的載荷是可控的，從而對(duì)于給定的輥直徑達(dá)到所需的合金流速。這些參數(shù)和從合金吸收熱能的速率是可控的，從而在出口42與在每個(gè)輥32a、32b的各個(gè)接觸52a、52b之間，熔融合金形成54所示的凸出彎月面形狀。通過(guò)與每個(gè)輥32a、32b的接觸，從接觸52a、52b連線開(kāi)始，合金的表面完全凝固。但是，在線56a、56b上游合金基本是完全熔化的，而線58a、58b下游合金基本完全凝固，在這兩套線之間合金僅是部分凝固的。每套線在合金/帶運(yùn)動(dòng)方向D匯聚的相對(duì)速率，決定合金從其接觸每個(gè)輥32a、32b的表面到平面M凝固的速率。線58a、58b在平面M的匯聚點(diǎn)代表基本完全凝固，如前所述，這是在合金到達(dá)咬入?yún)^(qū)或輥縫34(即，平面P)之前完成的。
圖10和11表示具有頂板136、底板137和側(cè)板138的噴嘴130。板在其向前的邊緣形成長(zhǎng)的噴嘴出口142。底板137具有向前的在板138之間線性延伸的邊緣137a。在一個(gè)通常的結(jié)構(gòu)中，頂板136將具有對(duì)應(yīng)的邊緣，但具有這種通常結(jié)構(gòu)的鑄造帶的中心區(qū)比邊緣區(qū)熱。為了避免這種情況，頂板136的邊緣具有中心區(qū)136a，從其各自邊緣區(qū)136b向后凹陷。這種結(jié)構(gòu)，如前所述，使鑄造帶整個(gè)寬度的溫度變化減小，從而減小或避免了這種變化的不良后果。
由圖10和11和描述將理解圖12所示的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，頂板136的前邊緣在邊緣區(qū)136b之間的兩個(gè)中心區(qū)136b縮回，在兩個(gè)區(qū)域136a之間形成中間區(qū)136c。此結(jié)構(gòu)適合于板136、137之間的內(nèi)隔板產(chǎn)生的更加復(fù)雜的溫度變化。在圖11的情況下，可以有兩個(gè)中心隔板，趨于形成兩個(gè)中心熱區(qū)，這兩個(gè)中心熱區(qū)被一個(gè)中間區(qū)隔開(kāi)，中間區(qū)的溫度在熱區(qū)和較冷的邊緣區(qū)之間。
最后，可以理解的是，在不偏離精神或范圍的情況下，可以對(duì)上述的零件結(jié)構(gòu)和設(shè)置進(jìn)行不同的替代、修改和/或增加。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)雙輥鑄造生產(chǎn)鎂合金帶的工藝，其特征在于所述工藝包括如下步驟(a)將熔融合金從供應(yīng)源供應(yīng)到輸送裝置；(b)將熔融合金從輸送裝置經(jīng)過(guò)噴嘴輸送到噴嘴長(zhǎng)出口與一對(duì)基本平行輥之間形成的腔室，這對(duì)輥上下彼此分開(kāi)，在二者之間形成咬入?yún)^(qū)；(c)沿相反方向旋轉(zhuǎn)所述輥，由此將合金從腔室經(jīng)過(guò)咬入?yún)^(qū)拉出，同時(shí)執(zhí)行步驟(b)的輸送；以及(d)在旋轉(zhuǎn)步驟(c)過(guò)程中使冷卻液體流過(guò)每個(gè)輥，用于提供輥的內(nèi)部冷卻，從而利用冷卻的輥吸收熱量將腔室中接收的合金冷卻，由此在合金經(jīng)過(guò)輥之間形成的咬入?yún)^(qū)之前在腔室中獲得鎂合金基本完全凝固，并由此以熱軋合金帶的形式輸出；并且所述工藝還包括使合金在供應(yīng)源保持在足夠高的溫度，用以使合金在輸送裝置中保持在合金液相線溫度以上的過(guò)熱溫度；使輸送裝置中的熔融合金深度保持在受控的、基本穩(wěn)定的高度，此高度在含有輥軸線的平面中高出咬入?yún)^(qū)中心線5mm到22mm；以及在步驟(c)中保持冷卻輥吸收熱能處于足夠水平，用以使咬入?yún)^(qū)出來(lái)的合金帶表面溫度低于約400℃；由此熱軋合金帶基本沒(méi)有裂紋并具有好的表面質(zhì)量。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于保持在供應(yīng)源中的合金的溫度足以保持輸送裝置中的合金處于合金液相線溫度以上約15℃到約60℃的溫度。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于冷卻步驟(c)中吸收的熱量足以保持所述表面溫度基本低于400℃。
4.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于步驟(c)中吸收的熱量足以保持所述表面溫度為約180℃到約300℃。
5.如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的工藝，其特征在于所述表面溫度在合金固相線溫度以下不低于約85℃。
6.如權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于所述輥對(duì)經(jīng)過(guò)咬入?yún)^(qū)的凝固合金施加的單位載荷是每毫米輥長(zhǎng)度約2到約500kg。
7.如權(quán)利要求6所述的工藝，其特征在于單位載荷為每毫米輥長(zhǎng)度約100到約500kg。
8.如權(quán)利要求6或7所述的工藝，其特征在于施加的單位載荷導(dǎo)致熱軋帶的厚度壓下量為約4％到9％。
9.如權(quán)利要求1到8中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于在從噴嘴出口到包含輥軸線平面的縮回距離的起始部分，合金在噴嘴出口到每個(gè)輥表面之間具有相應(yīng)的凸出彎月面形狀。
10.如權(quán)利要求9所述的工藝，其特征在于每個(gè)彎月面形狀從噴嘴出口開(kāi)始伸出至少所述縮回距離的約35％。
11.如權(quán)利要求10所述的工藝，其特征在于每個(gè)彎月面形狀從噴嘴出口開(kāi)始伸出所述縮回距離的10％到30％。
12.如權(quán)利要求1到11中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于在從噴嘴出口到所述包含輥軸線平面的縮回距離的最后5％到15％之前，合金在上下表面之間達(dá)到完全凝固。
13.如權(quán)利要求1到12中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于在步驟(a)之前，將輸送裝置和噴嘴中的每個(gè)預(yù)熱到接近所需操作溫度。
14.如權(quán)利要求13所述的工藝，其特征在于預(yù)熱是通過(guò)將熱空氣吹過(guò)輸送裝置和噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
15.如權(quán)利要求13或14所述的工藝，其特征在于輸送裝置預(yù)熱到從約500℃到約655℃的溫度，噴嘴預(yù)熱到從約200℃到400℃的溫度。
16.如權(quán)利要求1到15中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于在輸送步驟(b)，合金從噴嘴出口的中間區(qū)輸出，相對(duì)于從出口的橫向外邊緣流出的合金，該中間區(qū)稍微靠向合金流過(guò)噴嘴方向的上游一小段距離，由此減小或基本消除了熱軋帶寬度上的溫度變化。
17.如權(quán)利要求16所述的工藝，其特征在于所述一小段距離小于約7mm。
18.如權(quán)利要求1到17中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于在熔融合金上保持保護(hù)氣氛，用于防止氧化和著火危險(xiǎn)，并且所述氣氛包括少量比例的適當(dāng)?shù)臍浞蓟铩?br> 19.如權(quán)利要求18所述的工藝，其特征在于所述氫氟碳化物是1，1，1，2-四氟乙烷。
20.如權(quán)利要求18或19所述的工藝，其特征在于氫氟碳化物在氣氛中占約2到6％(體積百分?jǐn)?shù))。
21.如權(quán)利要求18到20中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于具有氫氟碳化物的所述氣氛包括SF6/干燥空氣混合物。
22.利用權(quán)利要求1到21中的任一項(xiàng)所述的工藝生產(chǎn)的鎂合金帶，其特征在于所述鑄態(tài)帶的微觀組織中初生鎂的二次枝晶臂間距為約5到15μm，并且金屬間化合物二次相基本均勻分布。
23.如權(quán)利要求22所述的鎂合金帶，其特征在于所述金屬間化合物二次相的顆粒尺寸為約1μm。
24.如權(quán)利要求22或23所述的鎂合金帶，其特征在于所述微觀組織在整個(gè)帶厚度上具有等軸α鎂枝晶。
全文摘要
一種利用雙輥鑄造生產(chǎn)鎂合金帶的工藝，包括如下步驟將熔融合金從供應(yīng)源供應(yīng)到輸送裝置；將熔融合金從輸送裝置輸送到噴嘴長(zhǎng)出口和一對(duì)基本平行輥，這對(duì)輥彼此分開(kāi)，在二者之間形成咬入?yún)^(qū)；旋轉(zhuǎn)所述輥，由此將合金從腔室經(jīng)過(guò)咬入?yún)^(qū)拉出；以及使冷卻液體流過(guò)每個(gè)輥，從而利用冷卻的輥吸收熱量將腔室中接收的合金冷卻，由此合金在經(jīng)過(guò)咬入?yún)^(qū)成為熱軋合金帶之前在腔室中達(dá)到合金基本完全凝固。合金在供應(yīng)源保持在足夠高的溫度，用以使合金在輸送裝置中保持在過(guò)熱溫度；熔融合金深度在含有輥軸線的平面中高出咬入?yún)^(qū)中心線約5mm到約22mm；以及保持冷卻輥吸收熱能處于足夠水平，用以使咬入?yún)^(qū)出來(lái)的合金帶表面溫度低于約400℃；由此熱軋合金帶基本沒(méi)有裂紋并具有好的表面質(zhì)量。
文檔編號(hào)B22D11/06GK1684784SQ03823264
公開(kāi)日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月29日
發(fā)明者D·D·梁, W·博百德格, D·R·伊斯特, R·V·艾倫 申請(qǐng)人:聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織