專利名稱：鑄件單向凝固的方法和相關(guān)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鑄造方法，更具體的是，本發(fā)明提供了一種單向凝固鑄件的設(shè)備和方法，以提供均勻的凝固速率，并因此提供了一種具有均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)和較低內(nèi)應(yīng)力的鑄錠。
背景技術(shù)：
為了改進(jìn)鑄件性能，已經(jīng)嘗試了各種使鑄模內(nèi)的鑄件定向凝固的方法。
目前的定向凝固方法的一個實(shí)例包括于1980年7月1日授予M. Ruhle的美國專利4210193，該專利公開了制造鋁硅合金鑄件的方法。熔融金屬被注入底部由錫板制成的鑄模中，水流施加到錫板的底部，穿過錫板插入鑄件的熱電偶用于監(jiān)測鑄件的溫度，并因此適當(dāng)?shù)乜刂评鋮s流。當(dāng)鑄模底部的溫度從575華氏度降低到475華氏度時停止冷卻，直到來自于周圍熔融金屬的熱量使得該區(qū)域的溫度上升到540華氏度為止。當(dāng)把鋁硅合金從鑄模中取出時，錫板已經(jīng)成為了鑄件的一部分。結(jié)果是使鑄件的下部獲得細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)，但該方法不能產(chǎn)生具有低應(yīng)力的均勻的組織結(jié)構(gòu)，并且如果錫板不構(gòu)成最終鑄件的一部分時，必須切除錫板，因此可能導(dǎo)致浪費(fèi)。 1986年4月29日授予H. Kawai等人的美國專利4585047公開了一種用于冷卻鑄模內(nèi)熔融金屬的設(shè)備。該設(shè)備包括鑄模內(nèi)部的供冷卻液流過的管子，管子設(shè)置在鑄模的下部，這樣就導(dǎo)致了從鑄模底部到頂部的金屬定向凝固。 一旦鑄件凝固，就從鑄件上將多余部分切掉，然后將它們?nèi)诨耘c管子分離，以便管子能再使用。必須切掉包圍在管子周圍的那部分鑄件導(dǎo)致增加了制造工序和浪費(fèi)，此外，該設(shè)備不能在鑄件內(nèi)產(chǎn)生由定向凝固提供的均勻的組織結(jié)構(gòu)或低應(yīng)力。 1990年11月13日授予Eric L. Mawer的美國專利4969502公開了一種鑄造金屬的設(shè)備，該設(shè)備包括構(gòu)造成用來往豎直的板上澆注熔融金屬的伸長的澆注裝置，因此耗散了流動的熔融金屬的能量?？商娲氖?，一對伸長的澆注裝置被用于相向地澆注熔融金屬，這樣相向流動的兩種金屬流的交互作用耗散了金屬的能量，其結(jié)果是降低了鑄模內(nèi)的波動作用，因此冷卻的鑄件具有更均勻的厚度，但該設(shè)備不能在鑄件中產(chǎn)生均勻的組織結(jié)構(gòu)，也不能使鑄件內(nèi)的應(yīng)力低。 1991年6月4日授予M. K. Aghajanian等人的美國專利5020583公開了金屬基復(fù)合材料的定向凝固方法。該方法包括把金屬錠放置在大量填充材料之上，然后熔化金屬，使得金屬滲透到填充材料中?？梢杂美珂V的滲透加強(qiáng)物來使金屬合金化，并且可以在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行加熱，從而進(jìn)一步促進(jìn)滲透。滲透后，所產(chǎn)生的金屬基體被放置在熱沉頂部上進(jìn)行冷卻，并在正冷卻的金屬基體周圍放置絕熱物，這樣使熔融合金產(chǎn)生定向凝固。該專利不能控制凝固的速率，也不能在鑄件內(nèi)生成均勻的組織結(jié)構(gòu)或低應(yīng)力。 1991年12月24日授予A. 0hno的美國專利5074353公開了水平連鑄金屬的設(shè)備和方法。該系統(tǒng)包括連接到熱鑄模上的保溫爐，其中熱鑄模的進(jìn)口端具有開口部分。圍繞熱鑄模側(cè)壁和底部的加熱元件將鑄模至少加熱到鑄造金屬的凝固溫度。冷卻噴流施加到熱鑄模的頂部。在上下夾輥之間的引錠件(dummy member)往復(fù)出入鑄模的出口端，以當(dāng)金屬凝固時就把它拉出。由于需要將鑄件從無用金屬(dummymetal)分離，該專利的方法可能導(dǎo)致浪費(fèi)，此外，該設(shè)備不能在鑄件內(nèi)產(chǎn)生由定向凝固導(dǎo)致的均勻的組織結(jié)構(gòu)或低應(yīng)力。
因此，需要一種可提供相對均勻、可控的冷卻速率的單向凝固鑄件的改進(jìn)的設(shè)備和方法，這種方法可以在鑄件的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生更大的均勻度，并使鑄件內(nèi)應(yīng)力更低，減少產(chǎn)生裂紋的傾向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種通過以可控的凝固速率沿鑄件厚度方向單向凝固鑄件的方法形成的多層鑄錠，該方法特別適用于鑄造在2xxx系列的鋁合金外覆有l(wèi)xxx合金以及在3xxx合金外覆有4xxx合金的商業(yè)規(guī)格的鑄錠。為了便于描述，這里所說的厚度指鑄件最薄的尺寸。 根據(jù)本發(fā)明的鑄模優(yōu)選為基本水平定向，具有四個側(cè)壁和可構(gòu)造成選擇性地允許或阻止冷卻劑噴射效果的底部。 一種底部構(gòu)造是帶有孔的基底，而孔的大小可使冷卻劑進(jìn)入，同時可阻止熔融金屬離開，這種孔的直徑優(yōu)選至少為約1/64英寸，但是不超過約l英寸。另一種底部構(gòu)造是具有實(shí)心部分和網(wǎng)狀部分的輸送帶。其它的底部構(gòu)造包括有在鑄模底部的熔融金屬的已凝固后可從鑄模的其余部分移走的結(jié)構(gòu)，而網(wǎng)、布或其它可滲透結(jié)構(gòu)保留以支撐鑄件。 用于將熔融金屬從爐輸送的進(jìn)料槽在鑄模的一側(cè)終止，它被構(gòu)造成從爐或其它容器將熔融金屬輸送到沿鑄模一側(cè)布置的熔融金屬進(jìn)料腔。在另一個實(shí)施例中，熔融金屬進(jìn)料腔沿鑄模一側(cè)的頂部布置，這樣就可以按照可控的方式將熔融金屬豎直地注入模腔的頂部。熔融金屬進(jìn)料腔和鑄模被一個或多個閘門互相隔離開。 一種優(yōu)選的閘門是圓柱狀、可旋轉(zhuǎn)地安裝的閘門，閘門中限定了螺旋槽，這樣隨著閘門旋轉(zhuǎn)，熔融金屬就僅在鑄模內(nèi)熔融金屬頂部的水平面水平地釋放入鑄模。另一種優(yōu)選閘門僅僅是在隔離鑄模和進(jìn)料腔的壁的不同高度處的狹槽，這樣熔融金屬添加到進(jìn)料腔中的速率就決定了熔融金屬進(jìn)入鑄模的速率和高度。還有一種優(yōu)選的閘門是位于鑄模和進(jìn)料腔之間的流動通道，其中流動通道的每端具有豎直的滑動件，這樣豎直滑動件阻止了熔融金屬流過鑄模和進(jìn)料腔中的狹槽，而允許熔融金屬流過流動通道。因此，通過設(shè)定通道的高度，就把熔融金屬的流動限定在鑄模內(nèi)的所需高度。 在一些實(shí)施例中，可以在鑄模的另一側(cè)設(shè)置第二進(jìn)料槽和熔融金屬進(jìn)料腔，因而可以在鑄造第一合金時將第二合金引入鑄模，例如在為鑄件施加覆層時。這個過程可以擴(kuò)展到制造具有至少兩種不同合金層的多層鑄錠產(chǎn)品中。鑄模的側(cè)壁優(yōu)選是絕熱的。鑄模的下面設(shè)置了多個冷卻噴嘴，例如空氣/水噴嘴，它們構(gòu)造成往鑄模的底面噴射冷卻劑。
熔融金屬基本上均勻地通過閘門被引入，同時，冷卻介質(zhì)均勻地施加到鑄模的底部區(qū)域。熔融金屬流入鑄模的速率，以及冷卻劑施加到鑄模的速率都是可控的，以便提供相對恒定的凝固速率。冷卻劑可以開始是空氣，然后逐漸由空氣轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝?水霧，最后全部變?yōu)樗?。?dāng)鑄模底部的熔融金屬凝固后，基底的底部可以移動，這樣鑄模下方的實(shí)心部分被具有開口的部分替換掉，因此冷卻劑就可以直接接觸到已經(jīng)凝固的金屬，并維持所需的冷卻速率。對于穿孔板的基底，不需要移走鑄模底部。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種在冷卻過程中定向凝固鑄件的改進(jìn)方法。本發(fā)明的另一個目的是提供一種在鑄件凝固過程中維持相對恒定凝固速率的方
法。
本發(fā)明的另一個目的是提供最少浪費(fèi)的鑄造方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種在材料中產(chǎn)生均勻晶體結(jié)構(gòu)的鑄造方法。本發(fā)明的另一個目的是提供一種使鑄件中應(yīng)力較低、開裂和/或縮孔的可能性減小的鑄造方法。 本發(fā)明的另一個目的是提供具有更均勻結(jié)構(gòu)的鑄件。 本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于在鑄件周圍制造覆層的設(shè)備和方法，該覆層比現(xiàn)有的覆層具有更好的附著力。 本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造具有至少兩層的多層鑄錠產(chǎn)品的設(shè)備和方法。 通過下面的說明和圖例，可以更清楚本發(fā)明的上述和其它目的。


本專利或申請包含至少一張彩色制圖，在向?qū)＠终埱蟛⒅Ц端栀M(fèi)用后，由專利局提供有彩色制圖的本專利或?qū)＠暾埞_的副本。 圖1是依據(jù)本發(fā)明的鑄模的頂視等軸測圖，該圖顯示了在鑄模下方的輸送帶的實(shí)心部分。 圖2是依據(jù)本發(fā)明鑄模的部分截面的頂視等軸測圖，該圖沿圖1中的2-2線截取。 圖3是依據(jù)本發(fā)明鑄模的頂視等軸測圖，該圖顯示了在鑄模下方的輸送帶的網(wǎng)狀部分。 圖4是依據(jù)本發(fā)明鑄模的部分截面的頂視等軸測圖，該圖沿圖3中的4-4線截取。 圖5是依據(jù)本發(fā)明的閘門的頂視圖。 圖6是依據(jù)本發(fā)明的閘門的前視圖。 圖7是依據(jù)本發(fā)明的閘門的側(cè)視圖。 圖8是依據(jù)本發(fā)明的另一種鑄模實(shí)施例的部分剖切的側(cè)視等軸測圖。 圖9是依據(jù)本發(fā)明的另一種可替換的鑄模實(shí)施例的剖切側(cè)視等軸測圖。 圖10是根據(jù)圖9的鑄模的側(cè)視等軸測圖。 圖11所示是在實(shí)例凝固過程中鑄件溫度隨時間變化的曲線圖。 圖12是沿依據(jù)本發(fā)明所制造鑄錠的橫截面應(yīng)力分布圖。 圖13所示是采用現(xiàn)有技術(shù)方法制造的鑄錠內(nèi)部不同部位的應(yīng)力圖。 圖14是依據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施例的鑄模和輸送腔的剖視等軸測視圖。
圖15是依據(jù)本發(fā)明的鑄模模腔的剖視前視等軸測圖。 圖16是依據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的鑄模的頂視等軸測圖，該圖顯示了鑄模下方的輸送帶的穿孔部分。 圖17所示是圖16中鑄模的部分截面等軸測頂視圖，該圖沿圖16中的16-16線截取。 圖18所示是圖16中鑄模的部分截面等軸測頂視圖，其中鑄模下方是輸送帶的網(wǎng)狀部分。 圖19A所示是一種具有三層的多層鑄錠的透視圖，該鑄錠用于一種在兩層1050合金中夾有2024合金的面板產(chǎn)品。 圖19B是圖19A中方框內(nèi)部分的顯微照片，顯示了在2024合金和1050合金之間的界面。 圖20A是用于在兩層4343合金之間夾有3003合金的釬焊板產(chǎn)品的三層的多層式鑄錠的透視圖。 圖20B是圖20A中方框內(nèi)部分的顯微照片，顯示了在3003合金和4343合金之間的界面。 各圖中，類似的附圖標(biāo)記表示類似元件。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種鑄件單向凝固的設(shè)備和方法，同時還提供了可控、均勻的凝固速率。 參見圖l-4，鑄模IO包括四個側(cè)壁12U4、16和18，它們之中限定了模腔19。側(cè)壁12、14、16、18優(yōu)選是絕熱的。底部20可以由具有實(shí)心部分22和網(wǎng)狀部分24的輸送帶構(gòu)成，輸送帶20是連續(xù)的，它包裹在輥?zhàn)?6、28、30和32上，這樣不管是實(shí)心部分22還是網(wǎng)狀部分24都可以可選擇地置于側(cè)壁12、14、16、18的下方。輸送帶可以采用具有高熱傳導(dǎo)率的剛性材料制造，例子包括銅、鋁、不銹鋼和Inconal合金。注意網(wǎng)狀部分24是具有孔的部分。 由側(cè)壁36、38、40限定的熔融金屬進(jìn)料腔34是沿側(cè)壁12限定的，與此類似，相似的熔融金屬進(jìn)料腔42是沿側(cè)壁16由側(cè)壁44、46、48限定的。本發(fā)明的一些實(shí)施例可以只具有一個熔融金屬進(jìn)料腔，而其它的實(shí)施例可以具有多個熔融金屬進(jìn)料腔。進(jìn)料槽50和52從熔融金屬的爐(圖中未顯示，在鑄造領(lǐng)域是眾所周知的)分別延伸到每個熔融金屬進(jìn)料腔34、42正上方的位置。流嘴54從進(jìn)料槽50延伸到熔融金屬進(jìn)料腔34內(nèi)，與此類似，流嘴56從進(jìn)料槽52延伸到熔融金屬進(jìn)料腔42內(nèi)。 側(cè)壁12包括一個或多個用于控制熔融金屬從進(jìn)料腔34流入模腔19的閘門58、60，與此類似，側(cè)壁16也包括用于控制熔融金屬從進(jìn)料腔42流入模腔19的閘門62和64。閘門58、60、62、64基本上是相同的，圖5-7對此進(jìn)行了詳細(xì)圖示。閘門58包括一對壁66和68，在它們之間限定了一個大致呈圓柱狀的通道70。在壁66和68的相對面上，通道70包括開口側(cè)壁72和74。在通道70內(nèi)設(shè)有圓柱形閘門部件76，該圓柱形閘門部件76基本上是實(shí)心的，且圍繞其圓周限定有螺旋槽78。通道70、圓柱狀閘門部件76以及螺旋槽78被構(gòu)造成一定結(jié)構(gòu)，以使得熔融金屬可以流經(jīng)與壁66和68中的一個緊鄰的一部分螺旋槽
678，而不能從閘門58的任何其它部分通過。驅(qū)動機(jī)構(gòu)80與圓柱狀閘門部件76有效連接， 用于控制圓柱狀閘門部件76的旋轉(zhuǎn)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，合適的驅(qū)動機(jī)構(gòu)80是已 經(jīng)熟知的，因此這里不再贅述。例如，驅(qū)動機(jī)構(gòu)80可以包括通過齒輪傳動系統(tǒng)連接到圓柱 狀閘門部件76上的電機(jī)，該電機(jī)既可以通過操作員觀察鑄造進(jìn)程而手動切換來控制，也可 以利用適當(dāng)?shù)奈⑻幚砥骺刂啤?再次參考圖1-4，輸送帶20內(nèi)布置有冷卻劑集流腔82，用于往模腔19的底部表面 22、24噴射冷卻劑。根據(jù)所需的冷卻速率，優(yōu)選的冷卻劑集流腔82可以提供空氣、水或它們 的混合物。 使用時，輸送帶20將處于圖1-2所示的位置，實(shí)心部分22直接位于模腔19的下 方。熔融金屬通過流嘴54從進(jìn)料槽50引入進(jìn)料腔34。然后閘門58和60的圓柱狀閘門部 件76旋轉(zhuǎn)，使得螺旋槽78的最低部分與壁66或壁68相鄰，從而允許熔融金屬通過大體水 平地流動到輸送帶表面22，從而進(jìn)入模腔19。同時，空氣從冷卻劑集流腔82噴射到輸送帶 表面22的底側(cè)。當(dāng)模腔19充滿熔融金屬后，圓柱狀閘門部件76旋轉(zhuǎn)，使得螺旋槽78的逐 漸提升部分與壁66或壁68相鄰，因此當(dāng)模腔19內(nèi)的金屬水平面升高時，允許熔融金屬通 過的螺旋槽78的部分也升高相應(yīng)的量，從而從進(jìn)料腔34流入模腔19的熔融金屬流始終保 持水平，并總是處于已流入模腔19內(nèi)金屬的頂部。金屬水平地流入模腔19使得熔融金屬 能夠正確找到它自己的水平面，因此確保了在模腔19內(nèi)熔融金屬大致均勻的厚度。
當(dāng)更多的金屬被注入模腔19時，模腔19內(nèi)的金屬冷卻速率將減慢。為維持基本 恒定的冷卻速率，來自于冷卻劑集流腔82的冷卻劑混合物將由空氣轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝?水的霧， 且所含的水量逐漸增多，直至最后全部變?yōu)樗?，此外，?dāng)模腔19底部的金屬凝固時，輸送帶 20將前進(jìn)，使得網(wǎng)狀部分24而非實(shí)心部分22構(gòu)成鑄模10的底部，這樣冷卻劑就可以直接 與凝固的金屬接觸，如圖3-4所示。另外，通過控制閘門58、60的圓柱狀閘門部件76的旋 轉(zhuǎn)，以及/或者控制金屬由進(jìn)料槽50引入進(jìn)料腔34的速率，就可以減緩金屬添加到模腔19 中的速率。典型情況下，冷卻速率保持在約0. 5華氏度/秒到約3華氏度/秒之間，并且冷 卻速率一般從鑄造開始時的3華氏度/秒降低到鑄造結(jié)束時的約0. 5華氏度/秒。與此類 似，隨著鑄造的進(jìn)行，熔融金屬引入模腔19的速率一般將從約4英寸/分鐘的初始速率減 慢到0. 5英寸/分鐘的最終速率。 如果需要的話，可以從進(jìn)料槽52通過流嘴56將第二合金引入進(jìn)料腔42，第二合 金可被用于形成圍繞在第一合金周圍的覆層，例如，覆層可以是耐蝕層。形成覆層的一個例 子可以是，首先通過旋轉(zhuǎn)閘門62、64的圓柱狀閘門部件76，這樣金屬從閘門中的螺旋狀通 道78的底部流入模腔19，從而就將合金從進(jìn)料腔42通過閘門62、64引入了模腔19，然后 關(guān)閉閘門62和64。接著旋轉(zhuǎn)閘門58和60的圓柱狀閘門部件76，使熔融金屬可以在螺旋 槽78的逐步升高的部分從進(jìn)料腔34流入到模腔19，直到模腔19幾乎被一直充滿到頂部 為止，這時關(guān)閉閘門58和60。接著，閘門62和64的圓柱狀閘門部件76旋轉(zhuǎn)，以允許金屬 在閘門62和64的圓柱狀閘門部件76內(nèi)的狹槽78的最高部分從進(jìn)料腔42流入到模腔19 中，從而允許該熔融金屬流到鑄模中已有金屬的頂部。這樣，由進(jìn)料腔34中的合金所形成 的基底的頂部和底部將具有由進(jìn)料腔42中的合金所生成的覆層。 為了確保在任意兩個連續(xù)層的界面的適當(dāng)結(jié)合，必須遵循下面的規(guī)程在引入了 與基層具有不同成分的新后續(xù)層后，基層的表面溫度必須低于液相線溫度Oh。)并高于共晶溫度(T^)-5(rc，其中T^是基層的液相線溫度，i;ut是基層的共晶溫度。該規(guī)程并不僅
限于覆層。該規(guī)程能夠順序地鑄造多種合金，以生成多層鑄錠產(chǎn)品。 另一種實(shí)施例的鑄模84如圖8所示，該鑄模84包括四個側(cè)壁，圖中顯示了其中的 三個側(cè)壁86、88、90。側(cè)壁86、88、90和第四個大致相同但未顯示的側(cè)壁可以是絕熱的。鑄 模84的底部由布92構(gòu)成，布92可以采用與前面實(shí)施例鑄模10的底部輸送帶20相同的材 料制成。底部的基底94被構(gòu)造成可以在圖8中實(shí)線所示的上位和圖8中虛線所示的下位 之間移動，其中在上位時它支撐著布92，而在下位時基底94從布92移開足夠距離，這樣可 以將噴射箱96和98放置在上下位之間。噴射箱96和98被構(gòu)造成可從布92下方的位置 移動到允許基底94在其上、下位之間移動的位置。取決于基底94是位于噴射箱96和98 的上方還是下方，噴射箱96和98將據(jù)此往基底94的底部或者布92的底部供應(yīng)空氣、水或 兩者的混合物，或者也可能噴射其它冷卻劑。 使用時，基底94將處于其上位，支撐著布92。熔融金屬將被引入鑄模84，而空氣 被施加到基底94的底部以進(jìn)行冷卻。當(dāng)鑄模84充滿熔融金屬并且在底部的熔融金屬凝固 時，暫時將噴射箱96、98從基底94下方的位置撤開，從而可以將基底94從其位于布92下 方的位置移走。然后再將噴射箱96、98放回布92的下方，這樣噴射箱可以往布92的底部 噴射空氣、空氣/水混合物或水，并且隨著鑄造進(jìn)行，越來越多的水噴射到布92底部。
圖9和圖10所示是另一種實(shí)施例的鑄模IOO，它可以使用于本發(fā)明的方法。該鑄 模100包括可以被絕熱的側(cè)壁102、104、106和108，鑄模底部包括固定的底板IIO，該底板 110限定了在側(cè)壁102、 104、 106和108下方的開口，其中可以插入可移除的底板112?？梢?除底板112可以用例如銅之類的材料制作。在一些實(shí)施例中，固定底板110可以限定用于 接收可移除底板112邊緣的插槽114，從而支撐可移除底板112。側(cè)壁102、 104、 106、 108以 及可移除底板112內(nèi)限定了模腔116。 熔融金屬進(jìn)料腔118由壁120、 122、 124以及側(cè)壁108和固定底板110限定。閘門 126被限定于側(cè)壁108內(nèi)，在圖示的實(shí)施例中，它由一對位于側(cè)壁108內(nèi)的狹槽構(gòu)成。進(jìn)料 槽128從熔融金屬爐延伸到直接在熔融金屬進(jìn)料腔118上方的位置，流嘴130從進(jìn)料槽128 延伸到熔融金屬進(jìn)料腔118內(nèi)。 冷卻劑集流腔132位于可移除底板112的下方，該冷卻劑集流腔132優(yōu)選配置成 可選擇地往可移除底板112上噴射空氣、水或空氣和水的混合物。圖示的實(shí)施例還包括位 于進(jìn)料腔118下方的收集盤134，整個鑄模100被支撐在基座136上。 使用時，可移除底板112將被容納在插槽114中，熔融金屬將由進(jìn)料槽128引入進(jìn) 料腔118，直至進(jìn)料腔118中熔融金屬的水平面達(dá)到狹槽126的底部。狹槽126以及以適當(dāng) 選擇的進(jìn)料速率向進(jìn)料腔118中注入，確保了熔融金屬進(jìn)入模腔116的進(jìn)料速率受控。隨 著模腔116中的熔融金屬水平面升高，可以調(diào)節(jié)熔融金屬注入進(jìn)料腔118的進(jìn)料速率，從而 使熔融金屬流出狹槽126直接流到模腔116內(nèi)熔融金屬的頂部，因此確保了熔融金屬基本 水平地流入模腔116。冷卻劑通過冷卻劑集流腔132噴射到可移除底板112上，開始時為空 氣，然后切換成空氣/水混合物，最后全部是水。當(dāng)模腔116底部的熔融金屬凝固時，就可 以將可移除底板112移開，從而使冷卻劑可以直接與模腔116內(nèi)的鑄錠底側(cè)接觸。
在根據(jù)本發(fā)明鑄造過程的一個實(shí)例中，采用圖9 10的鑄模100將7085鋁合金 鑄造成9〃 X13" X7〃的鑄錠。金屬的初始溫度是1280華氏度。可移除底板112是用0. 5〃厚的不銹鋼板制成的。沿著鑄錠中心線在離可移除底板112距離為0.25英寸、0.75 英寸、2英寸和4英寸處放置熱電偶。模腔116的初始填充速率是每30秒鐘2英寸，并且 填充速率隨鑄造進(jìn)行而減慢。初始的水流量是每分鐘O. 25加侖，其形式是空氣/水的混合 物。當(dāng)離可移除底板112的距離為0. 25英寸的熱電偶讀數(shù)是1080華氏度時，移開可移除 底板112，此時，將水的流量提高到每分鐘1加侖。 圖ll所示是四個熱電偶的每個處的冷卻速率。從圖中可以看出，冷卻速率在
1. 5 2. 12華氏度/秒的范圍內(nèi)，是大致均勻的冷卻速率。 圖12所示是鑄錠整個橫截面上的殘余應(yīng)力，該數(shù)據(jù)是這樣采集的在9〃的方向 對半切開鑄錠，然后當(dāng)材料內(nèi)的應(yīng)力松弛時測量所產(chǎn)生的表面變形。除了圖12左下角的一 個拉應(yīng)力和中下部的一個壓應(yīng)力之外，整個鑄錠的應(yīng)力大小為0. 6 3ksi。因?yàn)閴簯?yīng)力通 常不會導(dǎo)致裂紋，所以鑄錠底部中央的較大的壓應(yīng)力無關(guān)緊要。該處高的壓應(yīng)力和左下角 的高的拉應(yīng)力可能是由于熔融金屬首先在這些位置沖擊基底，從而導(dǎo)致冷珠以及可能的其 它缺陷的形成。最高的拉應(yīng)力值是+6e，PSI。 參見圖13，該圖顯示了在4英寸乘13英寸7085鋁合金直冷鑄錠的橫截面上的殘 余應(yīng)力。如圖所示，目前的直冷鑄造所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力能夠高達(dá)10ksi。然而，由于在測量 應(yīng)力時鑄錠已經(jīng)具有縱向裂紋，這會使應(yīng)力已經(jīng)松弛，因此該鑄錠中的應(yīng)力可能甚至更高。 圖13中的sigma指拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，tau指剪切應(yīng)力，LT指大致平行于長度的方向，ST指 大致平行于厚度的方向。 將冷卻劑施加到鑄模的底部，以及在一些優(yōu)選實(shí)施例中側(cè)壁12、 14、 16和18上的 絕熱，從而使得從模腔19的底部到頂部產(chǎn)生鑄件定向凝固。優(yōu)選地，熔融金屬引入模腔19 的速率以及冷卻速率將被控制，從而維持任意給定時刻模腔19內(nèi)的熔融金屬為約O. l英寸 (2. 54mm)到約1英寸(25. 4mm)。在一些實(shí)施例中，熔融金屬和已凝固金屬之間的固液兩相 區(qū)也可以保持在大致均勻的厚度。定向凝固、均勻的溫度、薄剖面的熔融金屬和固液兩相區(qū) 的結(jié)果是基本上減少或消除了宏觀偏析現(xiàn)象。 參見圖14，該圖顯示了另一種鑄模組件138。鑄模組件138包括側(cè)壁140、142、144 以及在剖視圖中未顯示出并與側(cè)壁142相對的第四側(cè)壁。側(cè)壁140、142、144和未顯示出的 側(cè)壁這四個側(cè)壁都是絕熱的，優(yōu)選的絕熱材料采用石墨。鑄模138還包括底部146，并且底 部146優(yōu)選包括許多孔148 (見圖15)，孔的直徑要足夠大，以允許諸如空氣或水的典型冷卻 劑通過，同時又要足夠小，從而防止熔融金屬通過?？?48的優(yōu)選直徑約為1/64英寸到約 1英寸。模腔150由側(cè)壁140、142、144、第四個側(cè)壁和底部146限定而成，側(cè)壁144中限定 有狹槽，狹槽的邊緣152在圖14中可見。 熔融金屬進(jìn)料腔154由側(cè)壁156、158、160、第四個未顯示的側(cè)壁和底部162限定而 成。進(jìn)料槽164從熔融金屬爐延伸到直接在熔融金屬進(jìn)料腔154上方的位置，流嘴166從 進(jìn)料槽164延伸到熔融金屬進(jìn)料腔154。 閘門168是H型結(jié)構(gòu)，具有一對豎直的狹槽閉合部件170和172，狹槽部件170和 172被水平部件174連接起來，而水平部件174限定了穿過其的通道176。狹槽閉合部件 170被構(gòu)造成可基本上封閉模腔150側(cè)壁144中的狹槽，而閉合部件172則被構(gòu)造成可基本 上封閉熔融金屬進(jìn)料腔154側(cè)壁156中限定的狹槽。閘門168被構(gòu)造成可在下位與上位之 間滑動，在下位時，通道176與模腔150的底部146相鄰，而上位與模腔150頂部相應(yīng)。狹槽閉合部件170、172被構(gòu)造成用于阻止熔融金屬在任意時刻從側(cè)壁144U56中限定的狹槽 流過，而只是從通道176流過，不管閘門168處于什么位置。 冷卻劑集流腔178設(shè)置于底部146的下方，冷卻劑集流腔178優(yōu)選設(shè)置成可選擇 地向底部146噴射空氣、水或空氣和水的混合物。 激光傳感器180設(shè)置在模腔150的上方，并且優(yōu)選被構(gòu)造成用于監(jiān)測模腔150內(nèi) 熔融金屬的水平面。 使用時，熔融金屬通過進(jìn)料槽164引入進(jìn)料腔154，然后熔融金屬可通過通道176 流入模腔150。隨著模腔150內(nèi)的熔融金屬水平面上升，閘門168也提升，使熔融金屬總是 從進(jìn)料腔154水平地直接流動到模腔150中已有熔融金屬的頂部。熔融金屬進(jìn)入模腔150 的進(jìn)給速率可以隨冷卻進(jìn)行而減慢，從而控制冷卻速率。另外，從冷卻劑集流腔178流出 的冷卻劑隨著鑄造進(jìn)行將從空氣轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝?水的混合物直至全部為水，從而控制進(jìn)料腔 150中熔融金屬的冷卻速率。由于冷卻劑可以直接沖擊進(jìn)料腔150中的金屬，因此在鑄造過 程中不需要移開底部146。 圖16所示是本發(fā)明另一種實(shí)施例的鑄模的等軸測頂視圖，該圖顯示了鑄模下方 輸送帶的穿孔部分。圖16的所有元件都是與圖1所示相同，并用相同附圖標(biāo)記表示。鑄模 IO包括四個側(cè)壁12、14、16、18，它們限定了模腔19。側(cè)壁12、14、16、18優(yōu)選是絕熱的。底 部20可以由具有穿孔部分22和網(wǎng)狀部分24的輸送帶構(gòu)成。輸送帶20是連續(xù)的，繞在輥 子26、28、30和32上，這樣就可以有選擇性地將穿孔部分22或網(wǎng)狀部分24置于側(cè)壁12、 14、16和18的下方。輸送帶可以用具有高的熱傳導(dǎo)率的剛性材料制造，例如銅、鋁、不銹鋼 禾口 Inconal合金。 圖17所示是圖16中鑄模的部分截面等軸測頂視圖，該圖沿圖16中的線16-16截取。 圖18所示是圖16中鑄模的部分截面等軸測頂視圖，其中輸送帶的網(wǎng)狀部分位于 鑄模之下。 圖16U7、18與圖1、2、4類似，它們之間主要的不同在于圖1、2和4分別顯示了鑄 模下方的輸送帶的實(shí)心部分和網(wǎng)狀部分，而圖16、17和18則分別顯示了鑄模下方的輸送帶 的穿孔部分和網(wǎng)狀部分。 圖19A所示是一種三層的多層式鑄錠，該鑄錠用于一種在兩層1050合金之間夾有 2024合金的面板產(chǎn)品。這里，2024合金的液相線溫度是1180華氏度，共晶溫度是935華氏 度，而1050合金的液相線溫度是1198華氏度，共晶溫度是1189華氏度。在本例中，在鑄造 了層厚0. 75英寸的1050合金的第一覆層后，以0. 7ipm(英寸/每分鐘)的控制速率澆注 3. 5英寸厚的芯部合金2024，確保界面溫度上升到1148華氏度和1189華氏度之間的值，芯 部金屬鑄造完畢后，再澆注0. 75英寸厚的第二合金覆層，確保界面溫度上升到885華氏度 和1180華氏度之間的值。 圖19B所示是圖19A中三層的多層式鑄錠在方框內(nèi)部分的2024合金和1050合金 之間界面的顯微照片，顯示出2024合金和1050合金之間界面結(jié)合良好。
圖20A所示是三層的多層式鑄錠，該鑄錠用于一種在兩層4343合金中夾有3003 合金的釬焊板產(chǎn)品。這里，3003合金的液相線溫度是1211華氏度，共晶溫度是1173華氏 度，而4343合金的液相線溫度是1133華氏度，共晶溫度是1068華氏度。在本例中，在鑄造
10了層厚0. 75英寸的4343合金的第一覆層后，以0. 7ipm(英寸/每分鐘)的控制速率澆注 5. 5英寸厚的芯部合金3003，確保界面溫度上升到1018華氏度和1083華氏度之間的值，芯 部金屬鑄造完畢后，再澆注0. 75英寸厚的第二合金覆層，確保界面溫度上升到1123華氏度 和1211華氏度之間的值。 圖20B所示是圖20A中三層的多層式鑄錠在方框內(nèi)部分的3003合金和4343合金
之間界面的顯微照片，顯示出3003合金和4343合金之間的界面結(jié)合良好。 本發(fā)明中的多層鑄錠產(chǎn)品并不限于兩層或三層合金，也可以具有超過三層合金。 因此，本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)定向凝固鑄錠并以可控的且相對恒定的冷卻速
率冷卻鑄錠的設(shè)備和方法。本發(fā)明可以在無需應(yīng)力釋放的情況下鑄造無裂紋鑄錠。本發(fā)明
的方法減少或消除了鑄錠組織的宏觀偏析，因此鑄錠具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還能生
產(chǎn)具有大致均勻厚度的鑄錠，并且本發(fā)明生產(chǎn)的鑄錠可以比采用其它鑄造方法得到的鑄錠
更薄。與冷卻劑接觸的更大表面積可得到相對更快的冷卻，從而提高產(chǎn)量。 雖然本發(fā)明對特殊的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，
在本發(fā)明公開的啟發(fā)下，可以對那些細(xì)節(jié)做出各種修改和替代，因此，本發(fā)明的特殊的實(shí)例
僅僅是為了進(jìn)行說明，并不意味著限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書中以及
任意和所有的等同來涵蓋。
權(quán)利要求
一種鑄造金屬的方法，包括提供鑄造設(shè)備，該鑄造設(shè)備包括限定了模腔的多個側(cè)壁和一個底部，其中，底部具有兩個表面，包括第一表面和第二表面；與模腔相鄰的至少一個金屬進(jìn)料腔；位于進(jìn)料腔和模腔之間的至少一個閘門，該閘門被構(gòu)造成用于控制被引入模腔的熔融金屬的流量；其中，所述底部包括具有(a)足夠尺寸和(b)多個孔的基底，以便底部(i)允許冷卻介質(zhì)流過所述孔并直接接觸金屬，其中，冷卻介質(zhì)流動方向是從底部的第一表面流入模腔；以及(ii)同時阻止起初被直接澆注到底部第二表面上的金屬通過所述孔離開而到達(dá)底部的第一表面；將熔融金屬從進(jìn)料腔經(jīng)入口引入模腔，該入口構(gòu)造成用于把熔融金屬直接引入到模腔的底部上并隨后引入到模腔中已有金屬之上；持續(xù)將熔融金屬引入到模腔中已有的金屬上，直至達(dá)到所需厚度；并且同時把冷卻介質(zhì)導(dǎo)引到模腔的底部上；這樣熔融金屬就在其厚度方向被單向冷卻。
2. —種多層鑄錠產(chǎn)品，包括基合金層和布置在該基合金層上的至少第一附加合金層； 其中，該基合金層和第一附加合金層具有不同的合金成分， 其中，基合金是用鑄造方法制成；其中，首先鑄造基合金，然后通過把熔融狀態(tài)的第一附加合金施加到基合金的表面上， 第一附加合金層就直接與基合金層結(jié)合到了一起；其中，當(dāng)鑄造第一附加合金層時，基合金沒有完全凝固。
全文摘要
熔融金屬以可控的速率按照水平或豎直方向從進(jìn)料腔均勻地注入鑄模，并直接流到鑄模中已有金屬的頂部。冷卻介質(zhì)施加到基底的底面上，在鑄造過程中，冷卻介質(zhì)的類型和流量發(fā)生改變，以產(chǎn)生可控的冷卻速率。注入熔融金屬的速率和冷卻介質(zhì)的流量都是被控制的，以便鑄模內(nèi)達(dá)到相對均勻的凝固速率，從而在鑄件內(nèi)生成均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)以及低應(yīng)力。本發(fā)明還提供了多層鑄錠產(chǎn)品，該種鑄錠產(chǎn)品包括基合金層和至少第一附加合金層，這兩種合金層具有不同的合金成分，當(dāng)基合金的表面溫度低于其液相線溫度并高于其共晶溫度-50攝氏度時，通過將熔融狀態(tài)的第一合金施加到基合金的表面，第一附加合金層就被直接結(jié)合在了基合金層上。
文檔編號B22D7/06GK101780529SQ20091025344
公開日2010年7月21日 申請日期2006年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月12日
發(fā)明者A·吉羅恩, H·俞, J·J·肖, K·J·卡拉厄, M·G·朱 申請人:美鋁公司