專利名稱：均質(zhì)急冷基底的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于快速急冷熔融合金的裝置和方法。更具體地，涉及用于造鑄金屬帶的鑄盤(pán)(Casting wheel)的急冷表面的特征2.現(xiàn)有技術(shù)的描述通過(guò)將熔融合金澆注在旋轉(zhuǎn)的鑄盤(pán)上可實(shí)現(xiàn)合金帶的連鑄。以熔融合金液流形成的帶由鑄盤(pán)的運(yùn)動(dòng)的急冷表面拉薄并凝固。對(duì)于連續(xù)鑄造，這種急冷表面需要能承受由于在鑄造過(guò)程中熱循環(huán)產(chǎn)生的周期應(yīng)力所造成的機(jī)械損傷?？墒辜崩浔砻娴男阅艿玫礁纳频拇胧┦褂镁哂懈邿醾鲗?dǎo)性和高機(jī)械強(qiáng)度的合金。例子包括各種銅合金、鋼等。作為另一種方法，可以將各種表面鍍?cè)阼T盤(pán)急冷表面上以改善其性能，如在歐洲專利EP0024506中所公開(kāi)的。合適的鑄造工藝的詳細(xì)內(nèi)容公開(kāi)在US4,142,571中，該專利所公開(kāi)的內(nèi)容結(jié)合入本文供參考。
現(xiàn)有技術(shù)中的鑄盤(pán)急冷表面通常是兩種形式整體形或組件形。對(duì)于前一種形式，將一合金固體塊加工成鑄盤(pán)形，或者帶有或者不帶結(jié)合在其中的冷卻通道。而后一種形式是由兩塊或更多塊(當(dāng)組裝時(shí))構(gòu)成鑄盤(pán)的構(gòu)件組成，如公開(kāi)在US 4,537,239中的。本發(fā)明公開(kāi)的鑄盤(pán)急冷表面改進(jìn)措施適用于所有類型的鑄盤(pán)。
現(xiàn)有技術(shù)中的鑄盤(pán)急冷表面通常是由合金制成，該合金鑄造并在制成盤(pán)急冷表面之前以某種方式機(jī)加工。已考慮到某些機(jī)械性能如硬度、拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度以及延伸率，有時(shí)還綜合考慮熱導(dǎo)性。對(duì)于所給定合金努力地得到盡可能最好的機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)性綜合性能。其原因基本上基于兩方面1)提供高至足以產(chǎn)生所希望的鑄帶顯微組織的急冷速率，2)耐急冷表面機(jī)械損傷，機(jī)械損傷會(huì)使帶的幾何尺寸精度降低從而使鑄造產(chǎn)品是不能使用的。
合金帶的鑄造工藝是復(fù)雜的，并且必須考慮動(dòng)態(tài)的或周期的機(jī)械性能，以研究出具有優(yōu)異性能的急冷表面。用于制造作為急冷表面的原料合金的工藝對(duì)隨后帶的鑄造性能有顯著的影響。這可能是由于機(jī)加工量以及隨后熱處理后生成的強(qiáng)化相造成的。這也可能是某些機(jī)加工工藝的方向性或不連續(xù)性造成的。例如，環(huán)形件鍛造和擠壓都使加工工件的機(jī)械性能為各向異性。但遺憾地是，該種產(chǎn)生的取向性的方向一般與急冷表面內(nèi)的最有用的方向不一致。實(shí)現(xiàn)合金重結(jié)晶和晶粒生長(zhǎng)的熱處理和隨合金基體析出的強(qiáng)化相，經(jīng)常不足以改善在機(jī)加工工藝步驟過(guò)程中所造成的缺陷。結(jié)果是急冷表面的顯微組織具有不均勻的晶粒尺寸、形狀及分布。
結(jié)論是具有如上所述那種急冷表面晶粒組織的部件，在用于連鑄鋼帶的過(guò)程中，有過(guò)早地失效的傾向。如所述的那樣，原始晶粒尺寸不均勻?qū)θ魏问褂貌考钠趬勖a(chǎn)生極大的限制發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于連鑄合金帶的裝置。一般說(shuō)來(lái)，該裝置具有提供急冷基底的鑄盤(pán)，用于在快速凝固連續(xù)合金帶過(guò)程中冷卻澆注在其上的熔融合金層。該急冷基底具有晶態(tài)和非晶態(tài)組織。它由熱導(dǎo)性合金組成并具有基本均勻的晶粒尺寸。
本發(fā)明的鑄盤(pán)任選地具有一冷卻裝置，當(dāng)合金澆注在所述鑄盤(pán)的急冷表面上并急冷時(shí)，該冷卻裝置使所述急冷表面保持在固定溫度。相對(duì)于急冷基底以一定間隔裝有一噴嘴，用于從中噴出熔融合金。由噴嘴將熔融合金定向至急冷基底的區(qū)域，熔融合金澆注在其上面。一個(gè)儲(chǔ)熔融合金液的容器與所述噴嘴連通并將熔融合金送入該噴嘴中。
優(yōu)選地，該急冷基底具有均勻的晶粒尺寸，其特征在于約80％的晶粒具有大于1μm但小于50μm的尺寸，而其余的具有大于50μm但小于300μm尺寸。
使用具有熱導(dǎo)性且基本均勻的晶態(tài)或非晶態(tài)組織的急冷基底，可明顯地提高急冷基底的使用壽命。明顯改善快速凝固在該基底上的帶的產(chǎn)率。減少了維修基底的停工時(shí)間并增加了該工藝的可靠性。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明結(jié)合附圖參照下面的詳述會(huì)更全面地理解本發(fā)明，并且本發(fā)明的其它優(yōu)越性會(huì)更明了。


圖1是連鑄金屬帶的裝置的透視圖。
圖2a是表明急冷基底性能隨著連鑄6.7英寸寬非晶合金帶的時(shí)間而降低(“pipping”)的曲線。
圖2b是表明急冷基底性能隨著連鑄8.4英寸寬非晶合金帶的時(shí)間而降低的曲線。
圖3a是現(xiàn)有技術(shù)的急冷基底的光學(xué)顯微照片，表明其典型的晶粒尺寸和分布。
圖3b是本發(fā)明的急冷基底的光學(xué)顯微照片，表明典型的晶粒尺寸和分布。
本發(fā)明的詳述本文所用概念“非晶態(tài)金屬帶”意指基本上沒(méi)有任何大范圍有序態(tài)的金屬合金，特征是其x射線衍射強(qiáng)度的峰定性地類似于對(duì)液態(tài)或無(wú)機(jī)氧化物玻璃所觀察到的。
本文所用概念“微晶合金”意指晶粒尺寸小于10μm(0.004英寸)的合金優(yōu)選地，這種合金的晶粒尺寸范圍為約100nm(0.000004英寸)10μm(0.004英寸)，最優(yōu)選地為約1μm(0.00004英寸)-5μm(0.0002英寸)本文所用概念“帶”意指細(xì)長(zhǎng)體，其橫向直徑遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度。由此帶包括絲、帶、以及板，其截面為規(guī)則的或不規(guī)則的。
本文說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中所用的概念“快速凝固”是熔體的冷卻速度至少約為104-106℃/s。在本發(fā)明內(nèi)可使用多種快速凝固技術(shù)來(lái)生產(chǎn)帶例如噴注在激冷基底上、噴射鑄造、平面流動(dòng)鑄造等。
本文所用概念“盤(pán)”意指具有寬度(軸向)小于其直徑的基本環(huán)形截面的物體與之相反，一般認(rèn)為軸的寬度大于其直徑。
所用“基本均勻”意指急冷表面上各方向上的晶粒尺寸基本一致。優(yōu)選地，急冷基底是基本均勻的，所含晶粒尺寸均勻，其特征在于約80％晶粒的尺寸大于1μm但小于50μm，且其余晶粒的尺寸大于50μm但小于300μm。
所用概念“熱導(dǎo)性”意指急冷基底具有大于40W/mK但小于約400、優(yōu)選大于60W/mK但小于約400W/mK、最優(yōu)選大于80W/mK但小于400W/mK的導(dǎo)熱率值。
本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，參照位于盤(pán)邊緣且作為急冷基底的鑄盤(pán)部件來(lái)說(shuō)明該位置。應(yīng)理解到地是本發(fā)明的原理同樣可適用于具有形狀和結(jié)構(gòu)不同于盤(pán)的急冷基底機(jī)構(gòu)如帶式急冷基底、或者適用于作為急冷基底的部件不是位于盤(pán)的邊緣而是位于盤(pán)的表面或盤(pán)的其它部分上的鑄盤(pán)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明提供了一種在快速急冷熔融金屬中使用急冷基底的裝置和方法。在該裝置的優(yōu)選實(shí)施方案中，該鑄盤(pán)的直徑與軸向測(cè)得的鑄盤(pán)的最大寬度之比至少約為1。通過(guò)位于急冷基底附近的軸向管流通冷卻液而實(shí)現(xiàn)金屬帶的快速和均勻的急冷。由于在鑄造過(guò)程隨著盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)熔融合金周期地澆注在急冷基底上，從而產(chǎn)生大的熱循環(huán)應(yīng)力。這在基底表面導(dǎo)致大的徑向熱梯度。為了在其它工藝中由這種大的熱梯度和熱疲勞循環(huán)造成的急冷基底的機(jī)械破壞，該基底由細(xì)小的尺寸均勻的晶粒構(gòu)成。冷卻液通過(guò)軸中兩個(gè)相間隔的軸向孔而輸送至鑄盤(pán)并從鑄盤(pán)中輸送回孔中。液體的入口和出口使液體在孔和兩個(gè)位于盤(pán)中的腔連通。這兩個(gè)腔由從軸延伸至激冷表面的壁所分離。
本發(fā)明的裝置和方法適于形成鋁、錫、銅、鐵、銅、不銹鋼等多晶帶優(yōu)選的金屬合金是一旦由熔體快速冷卻即形成固態(tài)非晶組織的金屬合金這些對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的。這些合金的例子公開(kāi)在US 3,427,154和3,981,722中。
參照?qǐng)D1，示出了用于連鑄金屬帶的裝置10。裝置10具有可旋轉(zhuǎn)地安裝于其軸向軸上的環(huán)狀鑄盤(pán)1、用于儲(chǔ)熔融金屬的容器2以及感應(yīng)加熱線圈3。容器2與開(kāi)槽噴管4相連，開(kāi)槽噴管4于接近于環(huán)狀鑄盤(pán)1的基底5處安裝。容器2還裝有用于將其中所盛的熔融金屬加壓、以有效地將熔融金屬通過(guò)噴管4噴出的裝置(未示出)。在操作過(guò)程中，于容器2中保持在壓力下的熔融金屬通過(guò)噴管4噴射在快速運(yùn)動(dòng)的鑄盤(pán)基底5上，熔融金屬在其上凝固形成帶6。在凝固之后，帶6從鑄盤(pán)上分離并且被甩離鑄盤(pán)由卷取機(jī)或其它合適的收集設(shè)備(未示出)收集。
構(gòu)成鑄盤(pán)急冷基底5的材料可以是銅或具有相當(dāng)高熱導(dǎo)性的其它金屬或合金。如果希望制造非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)帶，則這一要求是特別適用的，優(yōu)選的構(gòu)成基底5的材料包括細(xì)化的均勻晶粒尺寸的沉淀硬化銅合金(例如鉻銅合金或鈹銅合金)、彌散硬化合金、以及不含氧的銅。如果需要，基底5可以拋光或鍍鉻等以得到具有光滑表面特征的帶。為了對(duì)磨損、腐蝕或熱疲勞提供附加的防護(hù)作用，可以用合適的耐蝕或高熔點(diǎn)涂料按常規(guī)方法涂覆鑄盤(pán)的表面。典型地，陶瓷涂料或耐蝕涂料、高熔點(diǎn)金屬是適用的。只要澆注于激冷表面上的熔融金屬或合金的潤(rùn)濕性是足夠的。
如上所述，當(dāng)熔融金屬或合金連續(xù)鑄造成帶時(shí)，急冷表面的晶粒尺寸和分布同時(shí)分別是細(xì)化的和均勻的，這一點(diǎn)是重要的。兩種不同急冷表面的制造方法所相應(yīng)的帶的鑄造性能的比較示于圖2中。在本發(fā)明之外一般造成急冷表面的顯微組織的方法中，在熱機(jī)械加工急冷表面時(shí)使用環(huán)形件鍛造。這種金屬加工方法對(duì)環(huán)形急冷表面進(jìn)行不連續(xù)的錘擊以制備環(huán)形急冷表面，隨后進(jìn)行熱處理以產(chǎn)生高強(qiáng)度。這種機(jī)加工方法的較大的缺點(diǎn)是不連續(xù)、遞增的性質(zhì)。即，并不是急冷表面的所有體積單元都被等量地加工，因而結(jié)果會(huì)出現(xiàn)雙峰態(tài)的晶粒尺寸分布，在細(xì)晶?；w中分散地出現(xiàn)一些大晶粒。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這類雙峰態(tài)晶粒尺寸分布在連續(xù)鑄造金屬或合金帶中對(duì)急冷表面的性能有害。在這種情況下急冷基底破壞的一種特殊方式是在其表面形成非常小的裂紋。隨后，澆注的熔融金屬或合金進(jìn)入這些小裂紋中，在其中凝固，并且當(dāng)在操作過(guò)程中將鑄帶從急冷基底上脫離開(kāi)時(shí)它們與相鄰的急冷基底材料一起被拔出。這種破壞過(guò)程是衰退的，隨著鑄造時(shí)間而逐步惡化。將急冷基底上的開(kāi)裂的或拔出的點(diǎn)稱作“凹點(diǎn)(pits)”，而與之相關(guān)產(chǎn)生的附著在鑄帶底面的凸出物稱作“凸點(diǎn)(pips)”。
通過(guò)熔融急冷基底合金所必需的成分、并將熔體澆注于模中由此形成鑄錠而制造本發(fā)明的急冷基底。用鍛錘重復(fù)鍛打該鑄錠(鍛造)以破碎鑄錠的鑄態(tài)晶粒組織，因此形成金屬坯。用一芯棒將該坯進(jìn)行穿孔以形成用于后續(xù)加工的圓柱體。將圓柱體切成圓柱形段，這更接近于最終急冷表面的形狀。為促進(jìn)細(xì)晶粒的成核和生長(zhǎng)(重結(jié)晶)，將圓柱形段進(jìn)行若干機(jī)械形變處理。這些處理工藝包括(1)環(huán)形件鍛造，在該方法中該圓柱形段由鐵砧(鞍形)支承并用鍛錘重復(fù)錘擊，同時(shí)該圓柱形段在砧上逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此通過(guò)不連續(xù)的沖擊錘打來(lái)處理圓柱形段的內(nèi)部組織；(2)環(huán)形件軋制這類似于環(huán)形件鍛造，不同之處是使用一系列軋輥而不用鍛錘，以更加均勻的方式對(duì)圓柱形段進(jìn)行機(jī)加工；以及(3)旋壓，其中使用一芯棒來(lái)確定急冷表面的內(nèi)徑，并且一系列加工刀具沿圓柱形段的邊緣進(jìn)行加工，同時(shí)沿著圓柱形段移動(dòng)，因此同時(shí)使圓柱形段減薄和伸長(zhǎng)，并同時(shí)產(chǎn)生了延伸的機(jī)械形變。
除了上述機(jī)械形變工藝之外，在機(jī)械形變處理之間或過(guò)程中可以進(jìn)行多種熱處理便于處理和/或以重結(jié)晶急冷表面的晶粒，以及在急冷表面合金中產(chǎn)生硬化相。
可產(chǎn)生急冷表面顯微組織的機(jī)加工工藝的例子包括圓形件軋制，其中環(huán)形急冷表面的所有體積單元都進(jìn)行連續(xù)的機(jī)械形變。另一個(gè)這種機(jī)加工工藝是旋壓，其中金屬均勻形變至很大的程度。這些連續(xù)形變工藝的優(yōu)點(diǎn)是在急冷基底中產(chǎn)生細(xì)化的均勻晶粒尺寸，這種尺寸在本發(fā)明的范圍之內(nèi)圖2中的數(shù)據(jù)表明了急冷基底所表現(xiàn)出的改善的耐凹點(diǎn)性，該基底在熱處理之前進(jìn)行了熱機(jī)械加工如環(huán)形件軋制或擠出，所述的熱處理是為了得到最終性能。
在本發(fā)明范圍之內(nèi)和之外的急冷表面的顯微組織的比較示于圖3a和3b中?，F(xiàn)有技術(shù)的急冷表面(圖3a)表明約50％的晶粒的平均尺寸約為1500μm、而其余50％的晶粒尺寸小于50μm。本發(fā)明的急冷表面(圖3b)的約100％的晶粒具有小于50μm的平均晶粒尺寸。本發(fā)明的急冷表面具有非細(xì)化的均勻的晶粒尺寸以及分布。
下面的實(shí)施例供更完整地理解本發(fā)明。特定的技術(shù)、條件、原料、含量比例以及給出的數(shù)據(jù)是舉例性地說(shuō)明本發(fā)明的原理和應(yīng)用，并不限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1使用安裝在冷卻盤(pán)組件上的鈹銅合金25急冷表面部件來(lái)生產(chǎn)6.7英寸和8.4英寸寬的鐵基非晶態(tài)合金，使用本發(fā)明范圍之外的急冷基底生產(chǎn)一系列的多于八百個(gè)的鐵基非晶態(tài)合金帶鑄件，使用本發(fā)明范圍之內(nèi)的急冷基底生產(chǎn)一系列的多于七十個(gè)鐵基非晶合金鑄件。兩種不同急冷基底晶粒尺寸分布與制造該急冷基底的制造方法有關(guān)。一個(gè)急冷基底制造方法制造出基本一致和均勻的晶粒尺寸和分布，而另一種方法則不然。急冷表面的機(jī)械破壞以及隨后降低鑄帶的產(chǎn)品質(zhì)量是通過(guò)形成表面裂紋和凹點(diǎn)來(lái)表現(xiàn)出來(lái)的，表面裂紋和凹點(diǎn)是在帶鑄造過(guò)程急冷表面遭受幾次熱循環(huán)而形成的。在帶鑄造過(guò)程中連續(xù)產(chǎn)生這種相同的表面缺陷。因此，隨時(shí)間造成的急冷表面的機(jī)械破壞由鑄帶底面中的“凸點(diǎn)”的尺寸來(lái)表示。凸點(diǎn)是帶底面上的細(xì)小的凸出物，它是由急冷表面中的裂紋和凹點(diǎn)所造成的。圖2中的數(shù)值曲線示出了在鑄帶底面上的凸點(diǎn)的尺寸隨鑄造時(shí)間增大的變化情況，這是對(duì)兩種急冷表面制造方法以及對(duì)兩種鑄帶寬度的測(cè)量結(jié)果。在本發(fā)明范圍之內(nèi)和本發(fā)明范圍之外的急冷表面的光學(xué)顯微組織示于圖3a和3b中。
因此，已經(jīng)相當(dāng)詳細(xì)地說(shuō)明了本發(fā)明，應(yīng)理解地是，不必嚴(yán)格遵守這種詳述，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可建議出各種變化和改變，所有這些均落入由本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)所界定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于將熔融合金快速凝固成具有微晶或非晶態(tài)組織的帶的急冷基底，所述的急冷表面由導(dǎo)熱合金組成以及所述組織基本上均勻。
2.權(quán)利要求1的急冷基底，其中所述的導(dǎo)熱合金是銅基合金。
3.權(quán)利要求2的急冷基底，其中所述的導(dǎo)熱合金是沉淀硬化的銅基合金。
4.權(quán)利要求2的急冷基底，其中所述的導(dǎo)熱合金是彌散硬化的銅基合金。
5.權(quán)利要求3的急冷基底，其中所述的導(dǎo)熱合金是鈹銅合金。
6.權(quán)利要求1的急冷基底，其中所述的合金的晶粒尺寸的均勻性為尺寸大于1μm而小于1000μm。
7.一種用于制造權(quán)利要求6的急冷基底的機(jī)械成形/熱處理工藝
8.權(quán)利要求7的工藝，其中所述的急冷表面在進(jìn)行所述的熱處理步驟之前進(jìn)行圓環(huán)件軋制。
9.權(quán)利要求7的工藝，其中所述的急冷表面在進(jìn)行所述熱處理步驟之前被擠壓。
10.權(quán)利要求1的急冷基底，其中的晶粒尺寸的均勻性典型地為尺寸大于1μm但小于300μm。
11.一種用于制造權(quán)利要求10的急冷基底的機(jī)械成形/熱處理工藝
12.權(quán)利要求11的工藝，其中所述的急冷表面在進(jìn)行所述熱處理步驟之前進(jìn)行圓環(huán)件軋制。
13.權(quán)利要求11的工藝，其中所述的急冷表面在進(jìn)行所述熱處理步驟之前被擠壓。
14.權(quán)利要求1的急冷基底，其中所述的合金具有晶粒尺寸的均勻性的特征在于，約80％所述晶粒具有大于1μm但小于50μm的尺寸，而其余的大于50μm但小于300μm。
15.一種用于制造權(quán)利要求14的急冷基底的機(jī)械成形/熱處理工藝。
16.權(quán)利要求15的工藝，其中所述的急冷表面在進(jìn)行所述熱處理步驟之前進(jìn)行圓環(huán)件軋制。
17.權(quán)利要求15的工藝，其中所述的急冷表面在進(jìn)行所述熱處理步驟之前被擠壓。
全文摘要
一種用于將熔融合金快速凝固成具有微晶或非晶態(tài)組織的帶的急冷基底。該基底由導(dǎo)熱合金組織并且該組織基本上均勻。
文檔編號(hào)B22D27/04GK1188436SQ96194917
公開(kāi)日1998年7月22日 申請(qǐng)日期1996年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月24日
發(fā)明者H·H·利伯曼, D·F·特勒 申請(qǐng)人:聯(lián)合訊號(hào)公司