CN101112715B - 复合锭、用于铸造复合锭的装置和方法 - Google Patents

Abstract

介绍了用于铸造包括由一种或多种合金成分形成的至少两个单独形成层的复合金属锭的方法和装置。开口端式环形模型具有供料端和出口端，以及用于将供料端分成至少两个单独的供料室的分隔壁，其中各供料室相邻于至少另一个供料室。对于各对相邻的供料室而言，第一合金流被供给而通过这对供料室中的一个而进入模型中，第二合金流被供给而通过这对供料室中的另一室。

Description

复合锭、用于铸造复合锭的装置和方法

本申请是于2004年6月23日提交的已进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国国家申请号为200480023704.5，国际申请号为PCT/CA2004/000927，发明名称“用于铸造复合锭的方法”)的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于铸造复合金属锭的方法和装置，以及由此而得到的新型的复合金属锭。

背景技术

多年来，金属锭、尤其是铝或铝合金锭通过已知为直接冷硬铸造的半连续铸造工艺来生产。在该工序中，熔融金属被浇注入开口端模型的顶部中，在金属从模型中冒出时，将冷却剂、通常为水直接施加在金属的固化表面上。

这种系统常常用于生产较大矩形截面的锭以用于生产压延产品，例如铝合金片材产品。对于由两层或多层不同合金构成的复合锭而言，具有很大的市场。这类锭用于在轧制之后生产包覆片材，以用于各种应用，例如钎焊片材，飞机用板材以及其它的需要表面性能不同于核心性能的应用。

生产这种包覆片材的传统途径是将不同合金的板坯热轧在一起，以便将它们″扣″在一起，然后继续轧制以生产成品产品。这样具有的缺点在于，板坯之间的界面在金属学上来看一般不干净，因此层与层之间的结合会成为问题。

在铸造层状锭以生产易于轧制的复合锭方面，也受到关注。这通常利用直接冷硬(DC)铸造，或者通过两股合金流的同时凝固或顺序凝固来实现，在依次铸造中，一种金属在与第二熔融金属接触之前先凝固。在文献中介绍了许多这种方法，它们已取得不同程度的成功。

在Binczewski的1986年2月4日公布的美国专利4567936中，介绍了通过DC铸造来生产复合锭的方法，其中更高固相线温度的外层被铸造在更低固相线温度的内层周围。该公开文献表明，在更低固相线温度的合金与其接触之前，外层必须是″完全固态和坚固的″。

1952年7月24日公布的Keller的德国专利844806中介绍了用于铸造层状结构的单个模型，其中内核心比外层要提前铸造。在该工序中，外层在内合金与其接触之前已完全凝固。

在1967年11月21日公布的Robinson的美国专利3353934中介绍了一种铸造系统，其中内隔室设在型腔中，以便基本上分隔不同合金成分的区域。隔板端部设计成可终止在刚好处于锭的凝固部分之上的″糊状区″。在该″糊状区″中，合金在隔板端部之下自由地混合，以形成层之间的结合。然而，该方法是不可控的，因为所用的隔板是″被动式的″，并且铸造取决于槽位置的控制，而这种控制又需通过冷却系统间接地控制。

在1995年12月21日公布的Matzner的德国专利DE 4420697中介绍了一种铸造系统，其采用与Robinson的专利中类似的内隔室，其中隔板槽位置受控，以允许界面区的液相混合，从而形成在界面上的连续浓度梯度。

在1965年12月21日公布的Robertson等人的英国专利GB1174764中，提供了可动的隔板以分开共用铸造槽，并允许铸造两种不同的金属。隔板是可动的，以允许在一个界限内金属可以完全地相互混合，在另一界限内可以铸造两条单独的绞股。

在2003年5月1日公布的Kilmer等人的公布号为WO2003/035305的专利中介绍了一种铸造系统，其在两个不同合金层之间采用薄片材形式的屏障材料。薄片材具有足够高的熔点，使得它在铸造过程中保持完整，并且结合在最终的产品中。

1989年5月9日公布的Takeuchi等人的美国专利4828015介绍了一种在单个模型中铸造两种液态合金的方法，这是通过磁场在液态区中形成隔室并供给带有单独合金的两个区来实现的。因此，供给至该区上部的合金就在供给至下部的金属周围形成了包壳。

Veillette的美国专利3911996介绍了具有外柔性壁以用于在铸造过程中调节锭形状的模型。

Steen等人的美国专利5947184介绍了类似于Veillette的模型，但允许更多的形状控制。

Takeda等人的美国专利4498521介绍了一种金属液面控制系统，其采用位于金属表面上的浮标来测量金属液面，并且反馈至金属流控制系统。

Odegard等人的美国专利5526870介绍了一种采用了遥控检测(雷达)探针的金属液面控制系统。

Wagstaff的美国专利6260602介绍了模型，其具有可变的锥形壁以控制锭的外形。

本发明的一个目的是生产包括两个或多个层的复合金属锭，其中在相邻层之间具有改进的冶金结合。

本发明的另一目的是提供用于控制界面温度的器具，其中两个或多个层结合在复合锭中，以改进相邻层之间的冶金结合。

本发明的另一目的是提供用于控制界面形状的器具，其中两种或多种合金组合在复合金属锭中。

本发明的另一目的是提供用于控制锭模型中的金属液面的检测方法，其尤其可用于有限空间中。

发明内容

本发明的一个实施例是一种用于铸造包括由一种或多种合金成分形成的至少两个层的复合金属锭的方法。该方法包括，提供具有供料端和出口端的开口端式环形模型，其中熔融金属在供料端处添加，凝固的锭从出口端排出。分隔壁用于将供料端分成至少两个单独的供料室，分隔壁终止于模型的出口端之上，其中各供料室相邻于至少另一个供料室。对于各对相邻的供料室而言，第一合金的第一流供给至这对供料室中的一个，以在第一室中形成金属熔池，第二合金的第二流被供给而通过这对供料室中的第二室，以在第二室中形成金属熔池。第一金属熔池接触到位于这对室之间的分隔壁以冷却第一熔池，以形成相邻于分隔壁的自支撑表面。第二金属熔池然后与第一熔池相接触，使得在其中自支撑表面的温度处于第一合金的固相线和液相线温度之间的点处，第二熔池首先接触第一熔池的自支撑表面。两个合金熔池因此结合成两个层，并冷却而形成复合锭。

优选的是，当第二合金的温度高于第二合金的液相线温度时，第二合金首先接触第一合金的自支撑表面。第一合金和第二合金可具有相同的合金成分或可具有不同的合金成分。

优选的是，在其中自支撑表面的温度处于第一合金的固相线温度和液相线温度之间之处，第二合金的上表面接触第一熔池的自支撑表面。

在本发明的该实施例中，可通过冷却第一合金熔池使得其中第二合金首先接触自支撑表面之处的表面温度处于液相线温度和固相线温度之间，来形成自支撑表面。

本发明的另一实施例包括用于铸造包括由一种或多种合金成分形成的至少两个层的复合金属锭的方法。该方法包括提供具有供料端和出口端的开口端式环形模型，其中熔融金属在供料端处添加进去，凝固的锭从出口端排出。分隔壁用于将供料端分成两个单独的供料室，分隔壁终止于模型的出口端之上，其中各供料室相邻于至少另一个供料室。对于各对相邻的供料室而言，第一合金的第一流供给至这对供料室中的一个室，以在第一室中形成金属熔池，第二合金的第二流被供给而通过这对供料室中的第二室，以在第二室中形成金属熔池。第一金属熔池接触设在这对室之间的分隔壁以冷却第一熔池，以形成相邻于分隔壁的自支撑表面。第二金属熔池然后与第一熔池相接触，使得第二熔池在其中自支撑表面的温度低于第一合金的固相线温度之处首先接触第一熔池的自支撑表面，以在两合金之间形成界面。然后将界面重新加热至第一合金的固相线和液相线温度之间的温度下，使得两个合金熔池由此而结合成两个层，并冷却以形成复合锭。

在该实施例中，优选通过允许第一或第二合金熔池内的潜热重新加热表面，来实现重新加热。

优选的是，当第二合金的温度处于第二合金的液相线温度之上时，第二合金最初接触第一合金的自支撑表面。第一合金和第二合金可具有相同的合金成分或可具有不同合金成分。

优选的是，在其中自支撑表面的温度处于第一合金的固相线温度和液相线温度之间之处，第二合金的上表面接触第一熔池的自支撑表面。

自支撑表面也可具有形成于其上的氧化层。它在强度上足以支撑通常会导致金属在未受约束时展开的展开力。这些展开力包括由第一流的金属静力头形成的力，以及在其中冷却延伸至固相线以下然后通过重新加热表面的情形下表面膨胀所产生的力。通过在第一合金仍处于半固态的同时使液态的第二合金首先与第一合金相接触，或者在备选实施例中，通过确保合金之间的界面重新加热至半固态，就可在两合金之间形成不同的但结合在一起的界面层。另外，在第一合金层出现坚硬外壳之前就这样形成了第二合金层和第一合金之间的界面的事实意味着，在成品产品中通过将冷却剂直接施加在锭外表面上而产生的应力就得到更好的控制，这在铸造裂纹敏感合金时是尤其有利的。

本发明的结果在于，在第一合金的固相线温度和液相线温度之间的温度下，在所露出的较短长度的锭上保持了第一合金和第二合金之间的界面。在一个具体实施例中，第二合金供给至模型中，使得模型中的第二合金的上表面与第一合金的表面相接触，其中该表面的温度处于固相线温度和液相线温度之间，因此就形成了已满足该要求的界面。在备选实施例中，在第二合金的上表面接触到第一合金的自支撑表面之后不久，该界面就被重新加热至处于固相线和液相线温度之间的温度下。优选的是，当第二合金首先接触第一合金的表面时，第二合金的温度处于其液相线温度之上。这样，就保持了界面完整性，同时使某些合金组分足以在界面上迁移运动，以便有助于冶金结合。

如果第二合金接触到其中第一合金表面的其中所处温度充分地低于固相线下方(例如在已形成了显著的固体外壳之后)之处，并且具有足够的潜热将界面重新加热至第一合金的固相线温度和液相线温度之间的温度下，那么合金组分的迁移率就非常有限，从而形成了较差的冶金结合。这可导致在随后的加工过程中出现脱层。

如果在第二合金接触第一合金之前，未在第一合金上形成自支撑表面，那么合金就可自由地混合，在界面处就形成了扩散层或合金浓度梯度，使得界面不太清晰。

尤其优选的是，第二合金的上表面保持在分隔壁的底缘下方的位置。如果在模型中第二合金的上表面处于与第一合金表面相接触的点之上，例如在分隔壁的底缘之上，那么所存在的危险在于，第二合金可能破坏第一合金的自支撑表面，或者甚至因过多的潜热而完全重熔化该表面。如果出现了这种情况，就可能会在界面处出现合金的过度混合，或在某些情况下穿漏以及铸造失败。如果第二合金尤其远在底缘之上接触分隔壁，它甚至会过早地冷却至其中与第一合金的自支撑表面的接触不再形成高强度的冶金结合的点处。但是，在某些情形下，保持第二合金的上表面接近分隔壁的底缘但略处于底缘之上是有利的，因此分隔壁可用作氧化物撇渣器，以防止氧化物从第二层的表面结合在两个层之间的界面中。这在其中第二合金易于氧化的情形下是尤其有利的。在任何情形下，上表面位置必须得以小心地控制，以避免上述问题，并且不应在分隔壁底端之上超过大约3毫米。

在所有以上的实施例中，尤其有利的是，在第一合金的固相线温度和凝聚温度之间的温度下使第二合金首先接触第一合金，或者将这两合金之间的界面重新加热至处于第一合金的固相线温度和凝聚温度之间的温度下。凝聚点以及产生凝聚的温度(在固相线温度和液相线温度之间)是熔融金属凝固过程中的过渡阶段。当枝晶在冷却的熔融金属中尺寸变大并且开始相互间碰在一起时，就在整个合金体积中积聚起连续的固体网络。在剪断固体网络所需的扭力出现突然增加时的点已知为″凝聚点″。对凝聚点及其定义的描述可见“铝合金的凝固特性”卷3，第210页的“枝晶凝聚”。

在本发明的另一实施例中，提供了用于铸造金属的装置，其包括具有供料端和出口端和底部块的开口端式环形模型，底部块可配合在出口端中并且可在沿着环形模型轴线的方向上运动。模型的供料端分成至少两个单独的供料室，其中各供料室相邻于至少另一个供料室，其中相邻的供料室被可增加或减少热量的温度受控的分隔壁分开。分隔壁终止于模型的出口端之上。各室包括金属液面控制装置，因此在相邻对的室中，一个室中的金属液面可保持在这些室之间的分隔壁下端以上的位置，另一室中的金属液面可保持在与第一室中的液面不同的位置。

优选的是，另一室中的液面保持在分隔壁下端以下的位置。

分隔壁设计成使得所排出或增加的热量是已校准的，以便在相邻于分隔壁的第一室中的金属上形成自支撑表面，并且在其中第二室中的金属上表面可得以保持的点处，将第一室中金属的自支撑表面的温度控制在处于固相线温度和液相线温度之间。

可通过温度控制流体经过分隔壁的一部分，而从分隔壁中除去热量，或在其上端与分隔壁相接触以控制自支撑层的温度，这样来小心地控制自支撑层的温度。

本发明的另一实施例是一种用于铸造包括至少两种不同合金的复合金属锭的方法，该方法包括提供开口端式环形模型，其具有供料端和出口端以及用于将供料端分成至少两个单独供料室的器具，其中各供料室相邻于至少另一个供料室。对于各对相邻的供料室而言，第一合金的第一流通过相邻供料室中的一个被供给进入所述模型中，第二合金的第二流被供给通过相邻供料室中的另一个。温度控制分隔壁设在相邻供料室之间，使得其中第一合金和第二合金最初相互接触的界面上的点的温度通过温度控制分隔壁而保持在第一合金的固相线温度和液相线温度之间，因此合金流就结合成两个层。使相结合的合金层冷却，以形成复合锭。

第二合金优选刚好在处于分隔壁底部之下但不会首先接触分隔壁的位置与第一合金相接触。在任何情形下，在分隔壁底缘之下不小于大约2毫米但不大于20毫米、优选在分隔壁底缘之下大约4至6毫米的位置，第二合金应接触到第一合金。

如果第二合金在接触第一合金之前接触到分隔壁，它可能会过早地冷却至其中与第一合金的自支撑表面的接触不再形成高强度冶金结合的点处。即使第二合金的液相线温度足够低而不会发生这种情况，但会存在的金属静力头可导致第二合金供给至第一合金和分隔壁之间的空间内，从而导致铸造缺陷或失败。当第二合金的上表面需要处于分隔壁底缘之上(例如用于撇去氧化物)时，它必须小心地控制和定位成实际上尽可能靠近分隔壁的底缘，以避免这些问题。

相邻对的供料室之间的分隔壁可为锥形的，并且锥形可沿着分隔壁的长度变化。分隔壁可进一步具有曲线的形状。这些特征可用于补偿在分隔壁所分开的室中所用的合金的不同热性能和凝固性能，并由此而提供了对露出的锭中的最终界面的几何形状的控制。曲线形状的壁也可用于形成带有特殊几何形状层的锭，其可以更少的浪费来进行轧制。相邻对的供料室之间的分隔壁可制作成柔性的，并且可进行调节，以确保在最终的铸造和压延产品中在两合金层之间的界面是直的而与所用的合金无关，甚至在起始段中也是直的。

本发明的另一实施例是一种用于铸造复合金属锭的装置，包括具有供料端和出口端和底部块的开口端式环形模型，底部块可配合在出口端内并且可沿着模型的轴线运动。模型的供料端分成至少两个单独的供料室，其中各供料室相邻于至少另一个供料室，并且其中相邻的供料室被分隔壁分开。分隔壁是柔性的，定位装置连接在分隔壁上，使得模型平面中的壁的曲率可在操作过程中变化预定的量。

本发明的另一实施例是用于铸造包括至少两种不同合金的复合金属锭的方法，其包括提供具有供料端和出口端以及用于将供料端分成至少两个单独供料室的器具的开口端式环形模型，其中各供料室相邻于至少另一个供料室。对于相邻对的供料室而言，第一合金的第一流被供给通过相邻供料室之一而进入模型，并且第二合金的第二流被供给而通过相邻供料室中的另一个。柔性分隔壁设在相邻供料室之间，在铸造过程中对柔性分隔壁的曲率进行调节，以在合金结合成两层之处控制界面的形状。然后使所结合的合金层冷却，以形成复合锭。

金属的供给要求进行小心的液面控制，这样的一种方法是通过管来提供优选为惰性气体的气体慢流的，其中该管在相对于环形模型主体的固定点处带有开口。开口在使用期间浸没入模型中的金属表面之下，测量气体的压力，并因此而确定管开口之上的金属静力头。因此，所测得的压力可用于直接控制流入模型中的金属流，以便保持金属的上表面处于恒定的液面水平。

本发明的另一实施例是一种铸造金属锭的方法，其包括提供具有供料端和出口端的开口端式环形模型，以及将熔融金属流供给至所述模型的供料端中，以便在具有一表面的所述模型中形成金属熔池。在相对于模型主体的预定位置处将气体输送管端从模型管的供料端浸入金属熔池中，并且使惰性气体以足以保持管不会凝固的慢流率而泡状通过气体输送管。测量所述管内的气体压力，以确定熔融金属表面相对于模型主体的位置。

本发明的另一实施例是用于铸造金属锭的装置，其包括具有供料端和出口端和底部块的开口端式环形模型，底部块配合在出口端中并且可沿着模型的轴线运动。金属流量控制器设置成用于控制金属可从外部源流入模型时的流率，还提供了包括气体输送管的金属液面探测器，气体输送管通过气体流量控制器而连接在气体源上，并且具有设在模型供料端之下的预定位置处的开口端，因此在使用中，管的开口端通常会处于模型中的金属液面以下。还提供了用于测量在流量控制器和气体输送管开口端之间的气体输送管中的气体压力的器具，所测得的气体压力适于控制金属流量控制器，以便保持气体输送管的开口端所处的金属位于预定的液面下。

用于测量金属液面的这种方法和装置尤其可用于测量和控制有限空间内的金属液面，例如在多室模型的设计中的一部分或全部的供料室中。它可与采用浮标或类似表面位置监控器的其它金属液面控制系统一起使用，例如，其中气体管用于较小的供料室，而基于浮标或类似器件的进给控制系统用于较大的供料室。

在本发明的一个优选实施例中，提供了用于铸造具有两层不同合金的复合锭的方法，其中一种合金在由另一合金形成的矩形截面锭的更宽或″轧制″面上形成了层。对于该工序而言，提供了开口端式环形模型，其具有供料端和出口端，以及用于将供料端分成被温度受控分隔壁分开的单独相邻供料室的器具。第一合金的第一流被供给通过供料室中的一个而进入模型中，第二合金的第二流被供给而通过供料室中的另一个，该第二合金具有比第一合金更低的液相线温度。第一合金通过温度受控的分隔壁冷却，以形成延伸至分隔壁下端之下的自支撑表面，在其中自支撑表面的温度保持在第一合金的固相线温度和液相线温度之间的位置，第二合金与第一合金的自支撑表面接触，从而两合金流结合成两个层。然后使所结合的合金层冷却，以形成复合锭。

在另一优选实施例中，两个室构造成使得外室完全地围绕内室，从而形成了其中一种合金的层完全地包围第二合金核心的锭。

一个优选实施例包括在侧面间隔开的两个温度受控的分隔壁，它们形成了三个供料室。因此，就提供了其中分隔壁位于每一侧上的中心供料室，以及一对位于中心供料室每一侧上的外供料室。第一合金流可被供给而通过中心供料室，而第二合金流被供给到两个侧室中。这种设置通常用于在中心核心材料上提供两层包覆层。

也可以使该工序反过来，使得第一合金流被供给而通过侧室，而第二合金流被供给而通过中心室。通过这种设置，铸造就起始于侧供料室，其中第二合金被供给而通过中心室，并且与紧接于分隔壁下方的这对第一合金接触。

锭截面形状可为任何传统的形状(例如圆形、方形、矩形或任何其它规则或不规则的形状)，单个层的截面形状也可在锭中变化。

本发明的另一实施例是包括细长锭的铸锭产品，其在截面上包括两个或多个不同成分的单独合金层，其中相邻合金层之间的界面为大致连续冶金结合的形式。这种结合的特征在于，在相邻于界面的第二合金区域中，存在有第一合金的一种或多种金属间成分的分散颗粒。一般在本发明中，第一合金是自支撑表面首先形成于其上的合金，第二合金在其表面温度处于第一合金的固相线温度和液相线温度之间时，与该自支撑表面相接触，或者该界面随后被重新加热至第一合金的固相线温度和液相线温度之间的温度下。分散颗粒的直径优选小于大约20微米，并且在界面的区域可高达大约200微米。

这种结合的特征还可在于，存在有第一合金的一种或多种金属间成分的羽状物或渗出物，其从界面延伸进入第二合金中相邻于界面的区域中。当自支撑表面的温度在与第二合金相接触之前未降低至固相线温度以下，尤其会形成这种特征。

羽状物或渗出物优选从界面渗入第二合金中达大约100微米以下。

在第一合金的金属间成分分散或渗入第二合金的位置，在相邻于第一合金和第二合金之间的界面处，在第一合金中仍存在有包含少量金属间颗粒的层，该层因此可形成比第一合金更贵的层，并且可使包覆材料具有抗蚀性。该层通常为4至8毫米厚。

这种结合的特征还可在于，在第二合金层中相邻于界面之处，存在第一合金的合金组分的扩散层。在其中第一合金表面冷却至第一合金的固相线温度以下、并且第一合金和第二合金之间的界面被重新加热至处于固相线温度和液相线温度之间的温度的情形下，尤其会形成这种特征。

尽管并不希望受到任何原理的限制，但可以认为，这些特征的存在是通过在形成于其上的自支撑表面处形成第一合金的金属间化合物的析出物而产生的，析出物随后在接触到该表面之后分散或渗入第二合金中。金属间化合物的渗入受到界面处的展开力的辅助作用。

通过本发明方法所形成的层之间的界面其另一特征在于，在紧邻于两合金之间的界面处，在第一合金的晶界之间，存在来自于第二合金的合金组分。可以认为，当第二合金(一般仍处于其液相线温度之上)与第一合金(处在第一合金的固相线温度和液相线温度之间的温度)的自支撑表面相接触时，就会出现这种情况。在这些特殊条件下，第二合金的合金组分可沿着仍为液态的晶界扩散一段较短的距离(一般为大约50微米)，但不会进入已在第一合金表面形成的晶粒。如果界面的温度处在这两种合金的液相线温度之上，就会产生合金的大致混合，并且第二合金组分将出现在晶粒以及晶界内。如果界面的温度低于第一合金的固相线温度，就不会出现晶界扩散。

所述的特殊界面特征是固态扩散或元素沿着受限液体通路运动或扩散所引起的特殊特征，并不会影响整个界面的大致清晰的属性。

不管界面是如何形成的，界面的独特结构都会在界面处提供强度好的冶金结合，因此该结构适用于轧制成片材，同时没有与脱层或界面污染的有关问题。

在本发明的另一实施例中，提供了包括至少两个金属层的复合金属锭，其中，通过使第二金属层接触第一金属层的表面，使得当第二金属层首先接触第一金属层的表面时，第一金属层的表面处于其液相线和固相线温度之间的温度下，并且第二金属层的温度处于其液相线温度之上，这样来形成成对的相邻层。这两个金属层优选由不同合金构成。

类似地，在本发明的另一实施例中，提供了包括至少两个金属层的复合金属锭，其中，通过使第二金属层首先接触第一金属层的表面，使得当第二金属层首先接触第一金属层的表面时，第一金属层的表面处于其固相线温度之下的温度下，并且第二金属层的温度处于其液相线温度之上，而且在这两个金属层之间所形成的界面随后被重新加热至处于第一合金的固相线温度和液相线温度之间的温度下，这样来形成成对的相邻层。这两个金属层优选由不同合金构成。

在一个优选实施例中，锭具有矩形的截面，并且包括第一合金的核心和第二合金的至少一个表面层，该表面层施加在矩形截面的长侧上。优选对这种复合金属锭进行热轧和冷轧加工，以形成复合金属片材。

在一个特别优选的实施例中，核心的合金是铝-锰合金，表面合金是铝-硅合金。这种复合锭在进行热轧和冷轧加工之后，可形成复合金属钎焊片材，这种片材可进行钎焊操作，以形成抗蚀的钎焊结构。

在另一特别优选的实施例中，合金核心是废料铝合金，表面合金是纯铝合金。这种复合锭在进行热轧和冷轧以形成复合金属片材时，提供了便宜的回收产品，其具有改进的抗蚀性能、表面精加工能力，等等。在本文中，纯铝合金是热导率大于190W/m/K、并且凝固温度范围小于50℃的铝合金。

在另一特别优选的实施例中，合金核心是高强度的不可热处理的合金(例如Al-Mg合金)，表面合金是可钎焊的合金(例如Al-Si合金)。这种复合锭在进行热轧和冷轧以形成复合金属片材时可容易地接受成形操作，并用于可之后进行钎焊或类似结合加工的汽车结构中。

在另一特别优选的实施例中，合金核心是高强度的可热处理合金(例如2xxx合金)，表面合金是纯铝合金。这种复合锭在进行热轧和冷轧后，形成了适用于飞机结构的复合金属片材。这种纯合金可选择用于抗蚀或表面精加工，并且其固相线温度最好应高于核心合金的固相线温度。

在另一特别优选的实施例中，合金核心是中等强度的可热处理合金(例如Al-Mg-Si合金)，表面合金是纯铝合金。这种复合锭在进行热轧和冷轧之后，可形成适用于汽车封罩的复合金属片材。纯合金可选择用于抗蚀或表面精加工，并且最好应具有高于核心合金之固相线温度的固相线温度。

在另一优选实施例中，锭具有圆柱形的截面，并且包括第一合金的核心和第二合金的同心表面层。在另一优选实施例中，锭具有矩形或方形的截面，并且包括第二合金的核心和第一合金的环形表面层。

附图说明

在说明了本发明的某些优选实施例的附图中：

图1是部分剖开的正视图，显示了单一分隔壁；

图2是合金之间的接触的示意图；

图3是类似于图1的部分剖开的正视图，但显示了一对分隔壁；

图4是类似于图3的部分剖开的正视图，但其中第二合金具有比供给到中心室中的第一合金更低的液相线温度；

图5a、5b和5c是平面图，显示了可与本发明一起使用的供料室的一些备选设置；

图6是图1的一部分的部分剖开的放大图，显示了曲率控制系统；

图7是模型的平面图，显示了分隔壁的可变曲率的效果；

图8是图1的一部分的放大图，显示了合金之间的锥形分隔壁；

图9是模型的平面图，显示了分隔壁的尤其优选的构造；

图10是示意图，显示了本发明的金属液面控制系统；

图11是用于本发明的供料室之一的供料系统的透视图；

图12是模型的平面图，显示了分隔壁的另一优选的构造；

图13是利用了本发明方法形成的一对相邻合金之间的结合面的断面的显微照片，显示了在相对的合金中形成了金属间颗粒；

图14是与图13相同的结合面的断面的显微照片，显示了金属间羽状物或渗出物的形成；

图15是在本发明范围外的条件下加工而成的一对相邻合金之间的结合面的断面的显微照片；

图16是利用本发明方法形成的包覆合金层和铸造核心合金之间的结合面的断面的显微照片；

图17是利用本发明方法形成的包覆合金层和铸造核心合金之间的结合面的断面的显微照片，并且显示出在结合面处沿着包覆合金的晶界单独地存在核心合金的组分；

图18是利用本发明方法形成的包覆合金层和铸造核心合金之间的结合面的断面的显微照片，显示了与图17所示一样存在的扩散合金组分；和

图19是利用本发明方法形成的包覆合金层和铸造核心合金之间的结合面的断面的显微照片，并且也显示了与图17所示一样存在的扩散合金组分。

具体实施方式

参考图1，矩形铸造模型组件10具有模型壁11，其形成了其中冷却水13的流从中分配出的水套12的一部分。

模型的供料部分被分隔壁14分成两个供料室。配备有可调式节流件32的熔融金属输送槽30和输送喷嘴15将第一合金供给至一个供料室中，配备有侧通道、输送喷嘴16和可调式节流件31的第二金属输送槽24将第二合金供给至第二供料室中。可调式节流件31，32或者是手动调节的，或者响应于一些控制信号来调节进入各自供料室的金属流。可垂直活动的底部块单元17支撑正在形成的初期复合锭，并且在开始铸造之前配合入模型的出口端中，随后降低以允许形成锭。

参考图2更清楚地所示，在第一供料室中，熔融金属18的主体逐渐地冷却，以形成相邻于分隔壁下端的自支撑表面27，然后形成处于液态和固态之间的区19，其通常被称为糊状区。在该糊状或半固态区之下是固态金属合金20。具有比第一合金18更低液相线温度的第二合金液流21供给至第二供料室中。这种金属也形成糊状区22，并且最终形成固态部分23。

在金属与分隔壁14分离时，自支撑表面27典型地承受轻微的收缩，然后在逐渐承受金属18的金属静力头所引起的展开力时，会发生轻微的膨胀。自支撑表面具有足够强度来约束这种力，即使表面的温度会处于金属18的固相线温度之上。表面上的氧化层可有助于这种力的平衡。

分隔壁14的温度通过经过封闭通道33的温度控制流体而保持在预定的目标温度，该通道33具有入口36和出口37来用于输送和排出从分隔壁带走热量的温度控制流体，以便形成用于在分隔壁35的端部之下来控制自支撑表面27温度的冷却界面。然后将第二室中的金属21的上表面34保持在处于分隔壁14的下边缘35之下的位置，同时将自支撑表面27的温度保持成使得在其中表面27的温度处于金属18的固相线温度和液相线温度之间的点处，金属21的表面34接触到该自支撑表面27。典型地，表面34被控制在略处于分隔壁14下边缘35之下的点处，一般离下边缘大约2至20毫米。这样，在该点处在两股合金流之间形成的界面层之间就形成了非常牢固的冶金结合，同时不会出现合金的过度混合。

使金属18的自支撑表面27的温度处于所需范围内所要求的冷却剂的流量(和温度)通常通过使用小的热电偶来凭经验确定，该热电偶在金属锭成形过程中嵌入金属锭的表面27中，一旦形成了用于金属18的既定成分和铸造温度(铸造温度是金属18传输至供料室的入口端处的温度)，就形成了用于这种合金的铸造实践的一部分。已经发现，尤其在通过通道33的固定冷却剂流量的情形下，在出口37测得的离开分隔壁冷却剂通道的冷却剂的温度与在分隔壁的底缘下方预定位置处的金属自支撑表面的温度很好地相关联，因此，通过在冷却剂通道的出口提供温度测量器件如热电偶或热敏电阻40，就提供了控制该临界温度的简单且有效的手段。

图3是与图1所示基本上相同的模型，但在这种情况下，一对分隔壁14和14a用于将模型的开口分成三个供料室。提供了用于第一金属合金的中心室和用于第二金属合金的一对外供料室。外供料室可适用于第二和第三金属合金，在这种情况下，分隔壁14和14a的下端可定位在不同的位置，并且温度控制对于两个分隔壁而言可以不同，这取决于铸造以及在第一合金和第二合金之间以及在第一和第三合金之间形成高强度结合界面的具体要求。

如图4所示，也可以使合金倒过来，使第一合金流供给至外供料室中，而使第二合金流供给至中心供料室中。

图5以平面图显示了若干更复杂的室设置。在这些设置中的每一设置中，具有用于模型的外壁11，以及分隔开单独室的内分隔壁14。相邻室之间的各分隔壁14必须被定位并且热控制成使得可保持本文所述的用于铸造的条件。这意味着，分隔壁可从模型的入口向下延伸并终止于不同位置处，并且可被控制在不同的温度下，各室中的金属液面可根据铸造实践的要求而被控制在不同的液面下。

使分隔壁14具有柔性或能够在如图6和7所示的模型平面中具有可变的曲率是有利的。曲率通常在稳态位置14和起始位置14′之间变化，以便在整个铸造过程中保持恒定的界面。这通过臂25来实现，该臂25在一端连接在分隔壁14顶部上，并且通过线性执行机构26在水平方向上驱动。如果有必要，执行机构将受到热屏蔽42的保护。

合金的热性能可出现很大的变化，曲率的变化量和程度根据选择用于锭中不同层的合金而是预定的。这一般是凭经验确定的，以作为用于特定产品的铸造实践的一部分。

如图8所示，分隔壁14也可在金属18的一侧上沿着垂直方向呈锥形43。这种锥形可沿着分隔壁14的长度变化，以便进一步控制相邻合金层之间的界面形状。这种锥形也可用在模型的外壁11上。这种锥形或形状可利用例如在美国专利6260602(Wagstaff)中所述的原理来形成，并且也将取决于选择用于相邻层的合金。

分隔壁14由金属(例如钢或铝)制造，并且可由石墨部分地制成，例如通过在锥形的表面上采用石墨嵌入体46来制成。油输送通道48和凹槽47也可用于提供润滑剂或分离物质。当然，嵌入体和油输送构造可以本技术领域中已知的方式而用在外壁上。

分隔壁的一个特别优选的实施例如图9所示。分隔壁14沿着矩形截面锭的一个或两个长(轧制)面基本上平行于模型侧壁11地延伸。在接近模型长侧的端部处，分隔壁14具有90°的曲线45，并且终止于长侧壁11上的位置50处，而不是完全地延伸至短的侧壁。带有这种分隔壁的包覆锭铸件可进行轧制，从而与更传统的轧制包覆工艺相比，可更好地保持片材宽度上的包覆形状。图8至所示的锥形也可应用于这种设计，其中，例如高度的锥形可用在弯曲表面45上，中等程度的锥形可用在直线段44上。

图10显示了控制铸造模型中的金属液面的方法，该方法可用于任何铸造模型，无论是否用于铸造分层状的锭，但尤其适用于控制有限空间内的金属液面，这种情况会在用于铸造多层锭的模型中的一些金属室中遇到。气体供应源51(典型地为惰性气体瓶)连接在流量控制器52上，流量控制器52将少量的气体流传输至设在模型内的基准位置54处的带有开口端53的气体输送管。气体输送管的内径在其出口处典型地为3至5毫米之间。基准位置选择成在铸造操作过程中处于金属55的顶面之下，并且该基准位置可根据铸造实践的要求而不同。

压力传感器56在流量控制器和开口端之间的点处连接在气体输送管上，以便测量管中气体的反压力。该压力传感器56又产生可与基准信号进行比较的信号，以通过本领域的技术人员已知的手段来控制进入该室的金属流。例如，可以在难熔管58中使用可调的难熔塞子57，难熔管58又可从金属输送槽59供给。在使用中，气体流被调节至较低的水平，其刚好足以保持气体输送管端开启。嵌入在气体输送管开口端中的难熔纤维用于抑制因气泡形成所引起的压力波动。所测量的压力然后用于确定气体输送管的开口端进入室中金属表面之下的浸入程度，并因此确定金属表面相对于基准位置的液面，因此，金属进入该室的流率受到控制，以保持金属表面处在相对于基准位置的预定位置。

流量控制器和压力传感器是常见的器件。然而，尤其优选的是，流量控制器能够可靠地对气体流进行5至10毫升/分钟范围内的流量控制。能够测量大约0.1psi(0.689kPa)压力的压力传感器在本发明中提供了金属液面控制(至1毫米)的良好手段，即使在通过气体输送管开口端的慢起泡而导致压力出现轻微波动的情形下，该组合也能提供良好的控制。

图11显示了本发明模型的顶部的一部分的透视图。显示了用于其中一个金属室的供料系统，其尤其适用于将金属供给至较窄的供料室中，这可用于在锭上形成包覆表面。在该供料系统中，通道60设置成相邻于供料室，该供料室具有连接于其上的若干小的向下流槽61，这些流槽61终止于金属的表面之下。通过本领域中已知的手段利用难熔织物制成的分配袋62安装在各向下流槽61的出口周围，以改善金属分布和温度的均匀性。通道又从槽68供给，其中单条向下流槽69延伸进入通道中的金属内，并且在槽68中插入了传统设计的流量控制塞子(未示出)。该通道定位成并且在水平高度上设置成使得金属均匀地流向所有的位置。

图12显示了分隔壁14的另一优选设置，其用于铸造在两个面上都进行了包覆的矩形截面锭。分隔壁具有沿着矩形截面锭的一个或两个长(轧制)面而基本上平行于模型侧壁11的直线段44。然而，在这种情况下，各分隔壁具有弯曲的端部分49，其在位置41处与模型的更短端壁相交。与更传统的轧制包覆工艺相比，这又可用于保持片材宽度上的包覆形状。尽管显示为用于在两个面上进行包覆，但也可很好地用于在锭的单一面上进行包覆。

图13是放大15倍的显微照片，显示了在本发明的条件下铸造的Al-Mn合金81(X-904，其包含0.74％重量的Mn、0.55％重量的Mg、0.3％重量的Cu、0.17％重量的，0.07％重量的Si，余量为Al和不可避免的杂质)和Al-Si合金82(AA4147，其包含12％重量的Si，0.19％重量的Mg，余量为Al和不可避免的杂质)之间的界面80。Al-Mn合金具有1190°F(643℃)的固相线温度和1215°F(657℃)的液相线温度。Al-Si合金具有1070°F(576℃)的固相线温度和1080°F(582℃)的液相线温度。Al-Si合金被供给至铸造模型中，使得可保持金属的上表面，因此该上表面可在其中自支撑表面已形成于Al-Mn合金上的位置处接触到Al-Mn合金，但该上表面的温度处在Al-Mn合金的固相线温度和液相线温度之间。

在样品上呈现了清楚的界面，表明没有发生合金的混合，但作为附加，在相邻于Al-Mn和Al-Si合金之间的界面80处，在Al-Si合金82中大约200微米的带内，可见到包含Mn 85的金属间化合物颗粒。金属间化合物主要为MnAl₆和α-AlMn。

图14是放大200倍的显微照片，显示了与图13所示相同合金组成的界面80，其中，在Al-Si合金与Al-Mn合金接触之前，不允许其自身表面温度降低至低于Al-Mn合金的固相线温度。可观察到，羽状物或渗出物88从Al-Mn合金81中从界面80延伸进入Al-Si合金82中，该羽状物或渗出物具有包含Mn的金属间成分，其类似于图13中的颗粒。羽状物或渗出物典型地延伸进入相邻的金属达100微米。合金之间的所得结合是牢固的冶金结合。包含Mn85的金属间化合物颗粒也可在该显微照片中见到，并且具有一般达20微米的尺寸。

图15是(放大300倍)的显微照片，显示了Al-Mn合金(AA3003)和Al-Si合金(AA4147)之间的界面，但其中Al-Mn自支撑表面冷却至比Al-Mn合金的固相线温度还要低大约5℃，在该点处，Al-Si合金的上表面接触到Al-Mn合金的自支撑表面。合金之间的结合线90是清晰可见的，表明因此而形成了较弱的冶金结合。在第二合金中也没有第一合金的渗出物或分散的金属间成分。

根据本发明的工艺来铸造多种合金组合。铸造条件调节成使得在第二合金的上表面处，第一合金的表面温度处在第一合金的固相线温度和液相线温度之间。在所有情形下，将合金铸造成690毫米×1590毫米和3米长度的锭，然后通过传统的预加热、热轧和冷轧来进行加工。该合金组合铸件在下表1中所示。所采用的传统用语″核心″是指两种复合合金中的更厚的支撑层，″包覆层″是指表面功能层。在该表中，第一合金是首先铸造的合金，第二合金是与第一合金的自支撑表面相接触的合金。

表1

在这些示例中的每一个中，包覆层是待固化的第一合金，核心合金在已形成自支撑表面但表面温度仍处于以上给定的L-S范围内的点处而施加在包覆合金上。这可与其中包覆合金具有比核心合金更低的熔化范围的上述钎焊片材的示例进行比较，在上述钎焊片材的情形下，包覆合金(″第二合金″)施加在核心合金(″第一合金″)的自支撑表面上。在以上四种铸件中，获取包覆层和核心之间的界面的显微照片。显微照片放大了50倍。在每一图像中，″包覆″层在左边，″核心″层在右边。

图16显示了铸件#051804的在包覆合金0303和核心合金3104之间的界面。在从包覆材料至更合金化的核心层之间，界面没有晶粒结构的变化。

图17显示了铸件#030826的在包覆合金1200和核心合金2124之间的界面。这些层之间的界面通过图中的虚线94来表示。在该图中，2124合金的合金组分的在离界面较短的距离处存在于1200合金的晶界中。这些合金组分在图中显示为间隔开的″指状物″物质，其中一个指状物由标号95表示。可以看到，2124合金组分延伸了大约50微米的一段距离，在这些条件下，这样的距离一般相当于1200合金的单个晶粒。

图18显示了铸件#031013的在包覆合金0505和核心合金6082之间的界面，图19显示了铸件#030827的在包覆合金1050和核心合金6111之间的界面。在这些图中的每一图中，可在紧邻于界面处在包覆合金的晶界中，可见到核心合金的合金组分。

Claims (12)

1.一种用于铸造包括不同合金所形成的至少两个层的复合金属锭的方法，所述方法包括，提供具有供料端和出口端的开口端式环形模型，其中，熔融金属在所述供料端处添加入，凝固的锭从所述出口端排出，分隔壁用于将所述供料端分成至少两个单独的供料室，所述分隔壁终止于所述模型的出口端之上，其中各供料室相邻于至少另一个供料室，其中，对于各对相邻的供料室而言，第一合金的第一流供给至所述这对供料室中的第一供料室，以在所述第一供料室中形成第一金属熔池，第二合金的第二流被供给而通过所述这对供料室中的第二供料室，以在所述第二供料室中形成第二金属熔池，所述第一金属熔池和所述第二金属熔池各具有上表面，其中，用于分隔所述供料端的所述分隔壁是柔性的，并且所述分隔壁的形状在铸造工艺过程中能够进行调节，从而使所述两股合金流结合成两个合金层，并冷却所述所结合的合金层，以形成全部具有均匀界面的复合锭。

2.一种用于生产复合金属锭的铸造装置，包括：具有供料端、出口端及活动底部块的开口端式环形模型，所述底部块适于配合在所述出口端中并且能够在沿着所述环形模型轴线的方向上运动，其中，所述模型的供料端分成至少两个单独的供料室，各供料室相邻于至少另一个供料室，其中，成对的相邻供料室被终止于所述模型出口端之上的分隔壁分开，其中所述分隔壁是柔性的，并且提供了连接在所述分隔壁上的一个或多个线性执行机构和控制臂，以允许在铸造操作过程中能够改变所述分隔壁的形状。

3.根据权利要求2所述的铸造装置，其中，所述分隔壁为温度受控的分隔壁；并且所述铸造装置包括用于将金属传输至各供料室的器具；用于控制流向各供料室的金属流的器具；以及用于各供料室的金属液面控制装置，使得在成对的相邻供料室中，所述成对的相邻供料室中的第一供料室中的金属液面保持在所述分隔壁的下端之上的位置，所述成对的相邻供料室中的第二供料室中的金属液面保持在所述分隔壁的下端之下的位置。

4.根据权利要求3所述的铸造装置，其特征在于，具有入口和出口的用于输送和排出温度控制流体的封闭通道与所述分隔壁相连。

5.根据权利要求4所述的铸造装置，其特征在于，温度测量装置设在所述出口处。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的铸造装置，其特征在于，所述分隔壁在面向所述第一供料室的表面上向外呈锥形。

7.根据权利要求6所述的铸造装置，其特征在于，所述锥形沿着所述分隔壁的长度变化。

8.根据权利要求3所述的铸造装置，其特征在于，所述铸造装置包括石墨的嵌入体，所述嵌入体位于所述分隔壁的面向所述第一供料室的表面上。

9.根据权利要求3所述的铸造装置，其特征在于，所述铸造装置包括流体输送通道，所述流体输送通道用于将润滑剂或分离物质提供至所述分隔壁的表面。

10.根据权利要求3所述的铸造装置，其特征在于，所述金属液面控制装置包括气体源，用于控制从所述气体源流出的气体流量的流量控制器，在一端连接在所述流量控制器上并且在另一端开口的管，以及连接在所述管上以用于测量所述管内气压的压力计，所述管的开口端设在所述模型内的基准点处，使得在使用中，所述管的开口端浸入所述供料室内的金属中，其中，用于控制流向所述供料室的金属流的所述器具响应于从所述压力计测得的压力控制流向所述供料室的金属流，以保持所述金属液面处在预定位置。

11.根据权利要求3所述的铸造装置，其特征在于，用于将金属传输至所述供料室的所述器具包括金属输送槽，以及连接在所述槽上的一个或多个开口端式金属输送管。

12.根据权利要求11所述的铸造装置，其特征在于，所述一个或多个开口端式金属输送管设在所述供料室内，使得在使用中，所述金属输送管的开口端浸入金属中。

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