包含鋰的鋁合金的鑄造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及鋁-鋰合金的鑄造方法，將所述鋁-鋰合金鑄造成適于通過擠壓、鍛造和/或乳制進(jìn)行進(jìn)一步加工的原料。
【背景技術(shù)】
[0002]在下文中將會(huì)明了的是，除非另作說明，下文中所有鋁合金牌號和狀態(tài)代號是指在2013年由美國招業(yè)協(xié)會(huì)(Aluminum Associat1n)出版的Aluminum Standards and Dataand the Registrat1n Records 中的 Aluminum Associat1n designat1ns，其對本令頁域技術(shù)人員而言是公知的。
[0003]除非另作說明，對于鋁合金組成或優(yōu)選鋁合金組成的任何描述，所指的百分?jǐn)?shù)均為重量百分?jǐn)?shù)。
[0004]包含鋰的鋁合金在航空航天的工業(yè)用途中是非常有益的，這是由于在有目的性地添加鋰的情況下，加入每lwt%的鋰可降低約3%的鋁合金密度，并提高約6%的彈性模量。為了使這些合金被選用于飛機(jī)，它們在其它工程性質(zhì)方面的表現(xiàn)必須與常用的合金一樣好，尤其是在靜態(tài)機(jī)械強(qiáng)度性質(zhì)和耐損傷性質(zhì)之間的折衷方面更是如此。隨著時(shí)間的推移，已經(jīng)采用大量的熱-機(jī)械加工路線開發(fā)出了大量的鋁-鋰合金。然而，關(guān)鍵的加工路線仍然是錠或坯(ingots or billets)的鑄造，所述錠或坯用于通過擠壓、鍛造和/或乳制進(jìn)行進(jìn)一步加工。已證明在工業(yè)規(guī)模的錠和坯的生產(chǎn)中，鑄造工藝仍然是有問題的加工步驟。在爐中、轉(zhuǎn)移槽中和鑄造本身的過程中，尤其存在熔融金屬發(fā)生氧化的問題。并且在鑄造鋁-鋰合金過程中，安全問題依然是“鑄漏”(bleed outs or runs outs)，同時(shí)由于鋰使恪融的招更加活潑，上述安全問題會(huì)導(dǎo)致比不含鋰的合金發(fā)生更劇烈的反應(yīng)。
[0005]Reynolds金屬公司獲頒的美國專利號5，415, 220公開了在鹽覆蓋物之下直接激冷鑄造鋁-鋰合金，以保護(hù)熔融金屬免受由環(huán)境氧造成的氧化作用的方法，所述方法包含:(a)在包含熔融鋁合金的爐中，形成包含氯化鋰鹽組合物的保護(hù)性熔融鹽覆蓋物；(b)通過鹽覆蓋物向熔融鋁合金中加入鋰和含鋰鋁合金中的至少一種，在爐中形成熔融鋁鋰合金；
(c)將所述熔融鋁鋰合金轉(zhuǎn)移至鑄造工段；以及(d)將所述熔融鋁鋰合金直接激冷鑄造成錠形式，例如坯或乳制用錠。熔融金屬轉(zhuǎn)移槽可包括金屬過濾器，例如設(shè)計(jì)用于除去顆粒和將通過轉(zhuǎn)移槽的熔融金屬脫氣的陶瓷床過濾器或泡沫過濾器。在模具中將鹽覆蓋物加至錠頭部的直接激冷鑄造工藝中，熔融鹽覆蓋層被認(rèn)為是特別有用的。所述鹽混合物包含LiCl，優(yōu)選的鹽混合物包含LiCl與選自KCl、NaCl和LiF的其它鹽的組合。在熔融容器中氯化鈉是不優(yōu)選的，這是由于其中的鈉組分傾向于與鋁合金中的鋰發(fā)生交換，因此鈉在其中作為非常不希望的雜質(zhì)元素對合金含量產(chǎn)生不利的影響。
[0006]在鑄造含鋰鋁合金中使用鹽或鹽混合物具有若干缺點(diǎn)。重要的缺點(diǎn)在于，鹽對用于除去熔融金屬中的任何顆粒的常用陶瓷泡沫過濾器(“CFF”)具有強(qiáng)的腐蝕性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供將鋁-鋰合金鑄造成錠或坯的方法，所述方法避免了與鹽相關(guān)的若干問題，或至少提供了鑄造鋁-鋰合金的替代方法。
[0008]本發(fā)明達(dá)到或超越了此目的和其它目的以及進(jìn)一步的優(yōu)勢，并提供了鑄造包含鋰的鋁合金錠的方法，該錠具有長度L方向、寬度W和厚度T，該方法包含以下步驟:
[0009](a)在單獨(dú)的爐中制備至少兩種熔融的基于鋁的合金，第一合金具有組成A，所述組成A不含作為目的性合金元素的鋰，第二合金具有組成B，所述組成B含有作為目的性合金元素的鋰，并優(yōu)選在單獨(dú)的爐中的第二合金上保持有保護(hù)性的鹽覆蓋物；
[0010](b)通過金屬傳送槽將第一合金從爐轉(zhuǎn)移至鑄造工段；
[0011](C)開始對錠進(jìn)行鑄造，并在鑄造方向上將第一合金鑄造至錠的所需長度LI ;
[0012](d)隨后通過金屬傳送槽將第二合金從爐轉(zhuǎn)移至鑄造工段，同時(shí)停止將第一合金轉(zhuǎn)移至所述鑄造工段，由此優(yōu)選在不中斷熔融金屬流的情況下實(shí)現(xiàn)合金A和B之間的過渡；
[0013](e)在鑄造方向上，從已鑄造的第一合金長度LI處的端面開始，將第二合金鑄造至額外的所需長度L2;以及
[0014](f)在鑄錠底部大于等于鑄造長度LI的長度處裁切鑄錠，例如使用剪切或者對于厚規(guī)格的鑄錠使用鋸切。
[0015]依據(jù)本發(fā)明，鑄造工藝從不含作為目的性合金元素的鋰的鋁合金開始，一旦達(dá)到穩(wěn)定的鑄造條件或鑄造狀態(tài)，通過轉(zhuǎn)為含鋰的鋁合金使連續(xù)鑄造工藝?yán)^續(xù)進(jìn)行。
[0016]這實(shí)現(xiàn)了在不使用含鋰的合金的情況下開始鑄造工藝的效果，并避免了其相關(guān)的缺點(diǎn)。例如，如果反之直接使用含鋰的合金開始，在鑄造工藝開始之前，通常例如通過噴涂的方式，使用非常吸濕的恪鹽(salt flux)對模具和起動(dòng)塊(starter block)進(jìn)行涂覆。如果未事先進(jìn)行適當(dāng)干燥，一旦傾倒入鑄造模具中，由鹽產(chǎn)生的濕氣會(huì)與熔融的鋁-鋰合金反應(yīng)，產(chǎn)生非常不安全的環(huán)境。在鑄造開始時(shí)，傾倒入起動(dòng)塊的熔融鋁在固化時(shí)收縮，這會(huì)導(dǎo)致用于冷卻鑄造模具的水蒸汽進(jìn)入模具中的區(qū)域，當(dāng)與熔融鋁-鋰合金接觸時(shí)可能導(dǎo)致爆炸。此外，鋁-鋰合金較高的粘度會(huì)對鑄造模具(例如，由玻璃纖維織物線制成，如Combo-bags)中的金屬分布體系在開始時(shí)造成問題；由于不均勻的金屬分布，使得這些合金在鑄造工藝開始時(shí)容易發(fā)生鑄漏。如果鋁-鋰合金發(fā)生鑄漏，當(dāng)熔融鋁與任何冷卻水接觸時(shí)將會(huì)造成災(zāi)難性的后果。本發(fā)明的方法克服了或至少明顯降低了所有的這些缺點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)樵阼T造工藝開始時(shí)，既不需要熔融的Al-Li合金，也不需要使用減少由環(huán)境氧造成的氧化作用的任何鹽。
[0017]在鑄造工藝結(jié)束時(shí)，一旦錠已經(jīng)固化，將鑄錠從鑄造工段上移除，此后將錠的底部從錠上進(jìn)行裁切。取決于所鑄造的合金，可在鑄造之后進(jìn)行裁切或先進(jìn)行熱處理后裁切，熱處理也可以是均質(zhì)化熱處理，從而使得鑄件得以消除應(yīng)力。雖然不期望，但可能在從合金A到合金B(yǎng)的過渡中形成過渡區(qū)Z，過渡區(qū)Z具有介于第一合金和第二合金之間的中間組成。在理想的情況下，應(yīng)將此過渡區(qū)Z從鑄錠中裁切掉。
[0018]當(dāng)本發(fā)明上下文提及錠時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，該錠涉及:具有長度L (通常形成乳制方向)、寬度W和厚度T的乳制用錠；以及用于擠壓或鍛造的坯，該坯具有通常形成擠壓方向的長度L，并具有基本上為圓形的外周，從而使得寬度和厚度為形成坯直徑的相同尺寸。
[0019]本發(fā)明適用于各種鑄造工藝，該鑄造工藝優(yōu)選選自于:直接激冷鑄造、水平連鑄、柱間薄帶連鑄(continuous casting of strips between cylinders)和使用帶式鑄造機(jī)的薄帶連鑄。
[0020]本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的“直接激冷鑄造”或“DC鑄造”工藝是本發(fā)明上下文中優(yōu)選的工藝。在該工藝中，招合金在具有假底(dummy bottom)或起動(dòng)塊的水冷錠模具中鑄造，同時(shí)垂直地連續(xù)移動(dòng)假底，從而在合金固化期間維持熔融金屬在模具中保持基本恒定的水平，用水對固化面直接冷卻。垂直的鑄造方向隨后形成了鑄錠的長度方向。
[0021]本發(fā)明的方法旨在使用不含鋰的合金開始或啟動(dòng)鑄造工藝，尤其是DC鑄造工藝。一旦建立穩(wěn)定的鑄造狀態(tài)，第一鋁合金的轉(zhuǎn)移過程可由包含鋰的第二合金代替。對此，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，鑄造長度LI小于鑄錠厚度T的約三倍，優(yōu)選LI小于錠厚度T的約2.5倍，更優(yōu)選LI小于錠厚度T的約兩倍。
[0022]在實(shí)施方式中，鑄造長度L1+L2等于鑄錠長度L。
[0023]在實(shí)施方式中，金屬傳送槽包含至少一個(gè)用于金屬過濾器、優(yōu)選陶瓷泡沫過