CN103648683A - 多合金立式半连续浇铸法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于立式半连续浇铸含有至少两层铝合金层的复合板坯或坯料的方法，所述方法使用与凝固前沿接触的、在浇铸过程中确保两种合金之间的密封的隔板，在隔板与凝固前沿接触的整个过程中，对所述隔板施加振动，以使隔板不被固态金属捕获并夹带。本发明还提供用于实施所述方法的设备。

Description

多合金立式半连续浇铸法

技术领域

本发明涉及使用半连续立式浇铸法制造铝合金半成品，例如轧制板坯和挤出坯料。

具体而言，本发明涉及一种通过同时浇铸以及借助于至少一个隔板的包含两种或更多种铝合金的板坯或坯料的半连续立式浇铸法。

本发明还涉及用于实施上述方法和制造上述板坯或坯料的设备。

背景技术

铝在航空和汽车制造领域的应用日益增加，应用涉及机身板、翼梁和桁条，用于汽车行业的钎焊车身板和热交换器以减轻重量，光反射器和装甲板，热塑性模制品，锻件和可机加工部件。

特别地，上述铝的应用——其中上述列举并非穷举——需要常常是对立的性能之间实现折衷，例如机械强度与可加工性，机械强度与耐腐蚀性，或钻孔适用性与车削适用性。

除非另作说明，本文中提及的所有铝合金遵循定期出版的“Registration Record Series”中“铝业协会（Aluminum Association）”定义的命名。

使用均质的合金能满足某些要求，然而，如果可能，通过例如控制板材的表面与内核之间组成的变化，或挤出、锻造或机加工的铸锭（lopin）的表面与内核之间组成的变化，实现实质性改善，从而区分表面性能与内核性能。

存在通过热共轧（co-laminage à chaud）法由不同合金制成的两个板材制造的覆层产品用于某些应用，实例包括：

-钎焊板，主要用于热交换器（特别是在汽车行业中）；覆层是熔点比内核低的合金，并且在钎焊过程中成为确保待组装部件之间连接的掺和金属（métal d’apport）。

-用于航空器的板材，其中由合金元素负载低的合金制成的覆层使高负载高机械强度的内核合金具有耐腐蚀性。

-这同样适用于汽车车身板领域，其中由合金元素负载低的合金制成的覆层使高负载高机械强度的内核合金具有优良的可加工性，尤其在冲压、折叠和卷边操作中。

-同样原理也适用于各种其他双层产品，包括光反射器，其中低成本合金覆盖有高纯铝合金，以及在军事领域中在装甲中使用的双层材料。

然而，该热共轧法不适用于所用类型的合金，特别是含有大量锌和/或镁的合金（特别是用于汽车、航空及其他行业的产品），因为富含镁和/或锌的合金表面易受氧化。此外，经常需要双热轧，对生产率和成本产生不利影响。

因此，能够同时浇铸两种合金层的方法——称为双合金浇铸法——已作为半连续立式浇铸提出。

Alcoa Inc.的专利申请WO03/035305A1和美国专利US7,407,713B2以及其他同类申请和专利公开了金属箔形式的隔板的用途，所述隔板在板材下降时被凝固前沿捕获且被固态金属夹带。该隔板留在成品板坯中。

该方案的缺点在于，在技术上难以实施，尤其是因为需要预热很大长度的金属箔，以及涉及占用液态金属供应系统空间的问题，且尤其是，当将两个氧化表面引入液态金属中时，无法保证令人满意的冶金学结合，以及随后不可忽略的分层风险。

由Kaiser Aluminum&Chemical Corporation申请的美国专利4,567,936要求保护双合金浇铸法，在该方法中内核完全包覆在涂层合金层内。外层预先凝固，且内核合金在由此形成的外壳内部浇铸。在该构型中，外部合金需要比内核合金显著更高的液相线。此外，外层的内表面必然被氧化，再次难以确保两层之间令人满意的冶金学结合。此外，上述专利的主权利要求是保护Al-Li型内部合金不受直接水冷的影响。

由Novelis Inc.提出的专利申请US2005/0011630A1和US2010/0025003A1是基于类似的想法，只是内核不完全嵌入涂层合金内。它们描述了一种由于内部合金的临时凝固层充当隔板而产生稳固界面的方法。所述方法在行业内被称为“Fusion^TM”。其适用于其中外部合金的液相线比内部合金低的合金对。在其他合金组合中，需要非常小心控制热瞬变才能获得令人满意的冶金学结合，在某些情况下，这是不可能达到的。

由Leoben的“Institut fur Verformungskunde und Hüttenmaschinen”提出的专利申请DE4420697Al是基于将外源隔板置于靠近凝固前沿的原理。然而，该构型需要将隔板安置且保持在与前沿少量距离处，以避免被凝固捕获。因此，从隔板下方形成明显的对流趋势，使两种合金相对显著地混合，因此两种合金并非真正隔离。

由Aleris Aluminium Koblenz GmbH提交的专利申请WO2009/024601A1也要求保护隔板的用途；其中心部分插入板坯的半厚度处。同样，在该方法中，形成的混合区难以在工业过程中可再现地控制；此外，该方法还由于两层必须设计成相同厚度的事实而受到限制。然而，大部分工业应用需要厚度非常不同的层。

技术问题

本发明旨在通过引入下述隔板而克服上述困难，所述隔板与凝固前沿直接接触，而不被凝固的金属捕获并由固体夹带；如此，通过限制可能的混合确保两种合金之间的密封——经由半固体区，甚至隔板两侧的水平面存在差异。

发明内容

本发明涉及一种用于制造轧制板坯或挤出坯料的半连续立式直接冷却浇铸法，其中使用一个隔板和布置在所述隔板两侧的两个液态金属供应设备，通常为喷口（busette）或槽（goulotte），该方法包括如下步骤：

a)经由第一喷口将第一铝合金浇铸于半连续立式浇铸模具中，

b)将由金属或耐火材料制成的隔板引入模具中，使其与凝固前沿接触，

c)经由第二喷口将第二铝合金浇铸于所述隔板的另一侧，

d)几乎在合金浇铸停止的同时，或略微在所述停止之前，升高所述隔板，从而使合金在板坯或坯料浇铸结束区域中混合在一起，

e)从半连续浇铸模具中移出凝固的板坯或坯料，

其特征在于，至少在隔板与凝固前沿接触的整个过程中，通过使用振动器，对隔板施加振动，以使得所述隔板不被固态金属捕获和夹带。

优选地，略微在浇铸停止之前，升高隔板，使合金在与浇铸结束对应的区域中混合，然后，截去所述区域。

该方法在合金具有不同组成的情况下是特别有利的，能够浇铸双合金板坯或坯料。

有利地，在插入隔板及浇铸第二合金之前获得的浇铸开始区域——由单一的第一合金构成——也被截去。

隔板可为基本上平的板，所述隔板在底部的轮廓（découpe）与延伸穿过模具的凝固前沿的垂直截面匹配，使得能够浇铸具有不同合金的叠加层的板坯或坯料。

隔板也可为中空圆柱体，通常但不是必须遵从产品的几何对称，以浇铸复合坯料；也可为截面基本上为矩形的中空体，以浇铸内部被不同于外部合金的合金填充的板坯。

在后者的情况下，隔板的基本上为矩形的截面可为圆角的（coinarrondis），以与浇铸板坯凝固前沿的水平截面匹配；或为完美矩形截面。在后者的情况下，则所述隔板的底部被平的表面限定，所述平的表面具有卷起的角（angle retroussé）以与拐角中凝固前沿的形状匹配。

就材料而言，上述隔板可由钢类金属材料或耐火金属（例如钼或钨）制成。

上述隔板也可由基于陶瓷或玻璃纤维增强陶瓷的耐火材料制成。

对于隔板的振动而言，其为低振幅，在约100Hz至超声波频率的频率下通常约为100μm。

振动通过选自气动、电动或超声波振动器的振动器产生，但非限制性的。

优选地，振动频率为100至20,000Hz，且有利地，振动振幅为100至200μm。

根据一个具体方案，上述第一和第二合金具有相同的组成。申请人已观察到，振动通过降低树枝型宏观偏析（meso-ségrégation）而产生有利效果。

通过扩展，该方法可适用于浇铸多于两种合金，在该情况下使用多于一个隔板。

本发明还涉及实施所述方法的手段，即用于板坯或坯料的直接冷却半连续立式浇铸法的设备，所述设备包括管状的圆柱形或矩形半连续立式浇铸模具，其端部为开放式的，除了底端在浇铸开始时用假底（fauxfond）封闭，所述假底在板坯或坯料浇铸过程中借助于下降机构向下移动；顶端设计用于金属供应，底端设计用于板坯或坯料取出；所述顶端配有两个金属供应设备——通常为喷口或槽，以及隔板，该隔板适于插入模具，在液态金属池（marais de métal liquide）中与凝固前沿接触，通过所述隔板使池分成两个不同的区域，其特征在于所述隔板与振动器连接，所述振动器至少在隔板与凝固前沿接触的整个过程中能够赋予隔板以振动——通常是多方向的振动，所述振动在约100Hz至超声波频率——优选100至20,000Hz之间——的频率下为低振幅型——通常约100μm，优选100至200μm。

如上所述，隔板可为基本上平的板、或与截面基本上为圆形的管形模具结合使用的中空圆柱体、或与截面基本上为矩形的管形模具结合使用的截面基本上为矩形的中空体。

在后者的情况下，隔板的基本上为矩形的截面可为圆角的。

上述截面也可为完美矩形，在该情况下隔板的底部限定为平的表面，所述平的表面具有卷起的角以与拐角处凝固前沿的形状匹配。

就材料而言，上述隔板可由钢类金属材料或耐火金属（例如钼或钨）制成，但非限制性的。

上述隔板还可由基于陶瓷或玻璃纤维增强陶瓷的耐火材料制成。

就振动而言，其可由选自气动、电动或超声波振动器的振动器产生。

当然，通过扩展，该装置可包括多于一个隔板、多于两个液态金属供应设备，以浇铸包含多于两种铝合金的板坯或坯料。

附图说明

图1示出了在模具6中浇铸第一合金1的初始阶段的横截面图，所述模具配有由耐火材料制成的栏板（rehausse）7，置于“基座”或“浇铸底”8上，所述“基座”或“浇铸底”还被称为假底；具有标记2的凝固前沿；隔板3，其为矩形或圆柱形，固定于还连有振动器（未示出）的板4。振动器借助于弹簧连至组件5，所述组件通过导杆9在高度上可移动。

图2示出了第二阶段，在该阶段中，使隔板3与凝固前沿接触且启动振动10。

图3示出了第三阶段，在该阶段中，将第二合金12的供应喷口安置就位，且浇铸第二合金。

图4对应于稳态，其中第二合金12形成板坯或坯料内核，第一合金1在待截去的基部以及外围与第二合金混合。

图5示出了实施例2中具有合金AA5083制成的外部和合金AA7449制成的内核的双合金板坯横截面中锌的百分比，与板坯在其厚度方向上的外表面的距离d(mm)的关系，使用火花光谱仪（spectrométried’étincelle）测定。

图6示出了实施例2中具有合金AA6016制成的外部和AA7021制成的内核的双合金板坯横截面中锌的百分比，与板坯在其厚度方向上的外表面的距离d(mm)的关系，使用火花光谱仪测定。

具体实施方式

为避免隔板被固态金属夹带，本发明对隔板施加低振幅（通常为100至200μm）振动，以打破与其接触而形成的任何树突物，将树突型黏着局部地推向更高凝固的部分，从而确保隔板不被固态金属夹带。可使用多种类型的振动器：气动、电动、超声波等等，产生频率通常在100至20,000Hz范围内的振动。

隔板可为中空圆柱体，优选底部被一个水平面界定，其截面与凝固前沿的水平横截面匹配，以形成良好密封。对于矩形板坯而言，隔板的横截面由凝固前沿的3D热建模计算出；根据具体法则，其形成了具有圆角的矩形。如果在离板坯表面恒定距离处——包括在其边缘附近——将合金隔离，则隔板可设计为具有完美矩形截面；在该情况下，不将底部限定为平面，而是限定为平的表面，所述平的表面的角被卷起以匹配角落处前沿的形状。所述表面还可由前沿的3D热建模计算。对于坯料而言，自然地，隔板具有圆形截面。可使用多种类型的隔板：由非金属耐火材料制成，或金属材料（钢，耐火金属如尤其是钼或钨）制成，在一些情况下具有防液态铝侵蚀的保护覆层。

必要时，该构型可遵从双合金板坯或坯料的几何对称和热对称。“填充”板坯或坯料的概念——其中第一合金的内核完全包覆在第二合金内部——也提供了相对于现有方法新的可能性。例如，由于外部合金存在于板坯两侧（Fusion^TM法或共轧法不为此情况），可使用轧制技术加工包含高负载镁(大于5%或甚至7%)、锌(最高达15%或更高)、铜(最高达5%或更高)、锂(最高达2%或更高)、硅(包括过共晶硅内含物)或这些元素的组合的内核合金，同时避免了从边缘开始的破裂——近来在力图热轧这种多层产品时发现的现象。

上述组合物在机械强度与可加工性之间实现良好的折衷，且包覆层还可尤其改善耐腐蚀性和/或可加工性。这为铝、尤其是用于制造形状复杂的部件的铝，尤其是在汽车业、航空业、运输业和机械工程业中，开辟了新的可能应用领域。

在用于汽车车身板的硬化合金元素负载高的AA7xxx族（尤其是AA7021，或也具有高负载的AA5xxx）内核合金与AA6xxx族（尤其是AA6016）外围或覆层合金结合时，尤其如此。

在用于装甲板的硬化合金元素负载高的AA7xxx族（尤其是AA7449）内核合金与AA5xxx族（尤其是AA5083）外围或覆层合金结合时，也如此。

制造填充坯料可获得如下额外益处：使被较不硬的合金的护套所保护的硬质合金极快速挤出，以在简单挤出热下实现硬质合金的固溶：通常由于这种硬质合金不佳的挤出能力而使必要的挤出速度不能实现。由于硬质合金由“软质”合金层包围，组件更容易挤出，且以更高的速度挤出，使得硬质合金在简单挤出热下进行固溶处理。该特征特别是在反向挤出应用中尤其有利。

隔板还可由平板构成，所述平板被切割以使其与平行于板坯一个面（或在坯料的情况下平行于母线）的凝固前沿的垂直截面匹配。在该情况下，结果不是填充板坯或坯料，而是双层产品，或如果使用两个（或更多个）平面隔板，甚至是三层（或更多层）产品。

在所有情况下，隔板可以不遵从板坯或坯料的几何对称和热对称，从而在不同面获得不同的层厚度。

实践中，填充板坯或坯料的浇铸以单一外围合金开始。随后将隔板引入液态金属中，施加振动，并降低直至与凝固前沿接触；同时并行（deconserve）降低内核合金管道槽以向隔板内部提供内核合金。当启动振动时，其避免了隔板被前沿捕获。经验证明，可在隔板的两侧在任一方向上获得水平面差异，只要形成了良好密封。在浇铸结束时升高隔板：使两种合金混合。该区域应当被截去，除非沿浇铸板坯或坯料长度的组成的变化是刻意想要的，相应地选择合金。该方面代表了由振动隔板浇铸法提供的额外的自由度。

如果隔板由“简单的”平板构成以浇铸双层产品（或三层产品，如果使用两个平面隔板），则以单一合金开始浇铸。随后将隔离板引入液态金属中，施加振动，并降低直至与凝固前沿接触；同时并行降低另一种合金的管道槽以向隔板的另一侧提供另一种合金。如前所述执行浇铸法的其余步骤。

自然地，不论是任何构型，填充板坯或坯料，或简单的双层产品，以及具有高机械强度的合金/具有良好可加工性的合金用于汽车车身板或双层装甲板产品的应用，该方法还可用于浇铸多种其他产品，包括用于“高度光泽”应用的具有任何类型合金的内核和高纯度铝合金覆层的双层产品，用于钎焊板应用的覆有涂层合金的内核合金，用于翼梁和桁条的双层产品，所述列举并非穷举。

本发明还适用于通过使用多重隔板制造具有多于两层铝合金层的铸锭、板坯或坯料。

本发明的细节将借助于如下实施例更容易地理解，但这些实施例并不是限制性的。

实施例

实施例1

所述初次试验与本发明不一致，因为平板式隔板不穿过模具且仅执行单一合金浇铸；该试验的目的是证明振动对避免平板被凝固金属夹带的有效性。

在铸池中引入由玻璃纤维和耐火复合材料制成的整块平板且施加振动，以获得横截面为1100x300mm的AA1050合金轧制板坯。

耐火平板宽为200mm。使其平行于大的轧制表面在离模具壁65mm处插入。

借助于“Netter NTC”型气动振动器——如用于卸空谷仓和谷斗——对耐火平板施加振动。该振动装置产生低振幅、多方向振动。

使振动平板与凝固前沿接触且保持所述接触。

使用棒进行探测以确保有效接触。测试多个气动振动器压力（2bar至4bar）从而在考虑了设备固有振动频率的情况下，在频率约为100Hz时获得约100至200μm的振动振幅。

在浇铸结束时，在凝固前沿处（设置为4bar）用平板浇铸400mm之后，停止供应压缩空气，停止振动。

平板立即被凝固前沿夹带。

实施例2

在该试验中浇铸如下材料：

-具有AA5083合金外围和AA7449合金内核的双合金板坯，常规用于装甲板应用。

-具有AA6016合金外围和AA7021合金内核的双合金板坯，常规用于汽车车身板应用。

板坯的总横截面尺寸为1100x300mm。

对于这些试验，制造由玻璃纤维/耐火复合材料制成的整块隔板，横截面基本上为矩形，在水平面上与凝固前沿匹配。使用所述隔板，获得在板坯外围处厚度为75mm的合金外层。

在拐角附近的弧形部件中，取决于那些区域中凝固前沿的形状，内核与具有常规尺寸950x150mm的总截面位似。

隔板的厚度在总高度上为12mm，并且在底端处逐渐减小至4mm，于15mm高度上。

实践中，当以外围合金开始之后，将隔板插入池中且下降至与凝固前沿接触，同时对其施加与实施例1条件相同的振动，以避免被固态金属夹带。

使用相同的气动振动器产生振动，用螺丝固定至支撑隔板的金属架。支撑架能够沿垂直导杆滑动，且使用蜗轮传动装置（système de vis sansfin）使其机械化。

然后，降低内核合金管道槽且填充由隔板形成的内腔。

形成了有效密封，确保使合金保持隔离；这由在浇铸过程中隔板内部和外部之间的水平面差异——由于合金各自流速的轻微波动而观察到——而证明。在板坯切片中观察到，粒状结构在紧邻隔板处局部更加精细，或许是由于对树突物的振动机械作用。

使用火花光谱仪测定两类板坯横截面的锌含量，与板坯在其厚度方向上外表面的距离d(mm)的关系。

组成分布图示于图5和6，表明合金被有效分离。

Claims (27)

1.一种用于制造轧制板坯或挤出坯料的半连续立式直接冷却浇铸法，其中使用一个隔板和布置在隔板两侧的两个液态金属供应设备，通常是喷口或管道，该方法包括如下步骤：

a)经由第一喷口将第一铝合金浇铸于半连续立式浇铸模具中，

b)将由金属或耐火材料制成的隔板引入模具中，使其与凝固前沿接触，

c)经由第二喷口将第二铝合金浇铸于隔板的另一侧，

d)几乎在合金浇铸停止的同时，或略微在所述合金浇铸停止之前，升高隔板，使合金在板坯或坯料浇铸结束区域中混合在一起，

e)从半连续浇铸模具中移出凝固的板坯或坯料，

其特征在于，至少在隔板与凝固前沿接触的整个过程中，通过使用振动器，对隔板施加振动，以使得所述隔板不被固态金属捕获和夹带。

2.权利要求1的方法，其特征在于，略微在浇铸停止之前，升高隔板，使合金在与浇铸结束对应的区域中混合，并且其特征在于，然后截去所述区域。

3.权利要求1或2任一项的方法，其特征在于，所述合金具有不同的组成。

4.权利要求1至3任一项的方法，其特征在于，也截去在插入隔板及浇铸第二合金之前的开始区域。

5.权利要求1至4任一项的方法，其特征在于，隔板为基本上平的板，所述板的轮廓与延伸穿过模具的凝固前沿的垂直截面匹配。

6.权利要求1至4任一项的方法，其特征在于，隔板为中空圆柱体。

7.权利要求1至4任一项的方法，其特征在于，隔板为截面基本上为矩形的中空体。

8.权利要求7的方法，其特征在于，基本上为矩形的截面为圆角的，以与浇铸板坯凝固前沿的水平截面匹配。

9.权利要求7的方法，其特征在于，中空体具有完美矩形截面且底部由平的表面限定，所述平的表面具有卷起的角以与拐角中凝固前沿的形状匹配。

10.权利要求1至9任一项的方法，其特征在于，隔板由钢类金属材料或耐火金属如钼或钨制成。

11.权利要求1至9任一项的方法，其特征在于，上述隔板由基于陶瓷或玻璃纤维增强陶瓷的耐火材料制成。

12.权利要求1至11任一项的方法，其特征在于，对隔板施加的振动振幅小，在约100Hz至超声波频率的频率下通常约为100μm。

13.权利要求1至12任一项的方法，其特征在于，振动由选自气动、电动或超声波振动器的振动器产生。

14.权利要求1至13任一项的方法，其特征在于，振动频率在100至20,000Hz范围内。

15.权利要求1至14任一项的方法，其特征在于，振动振幅在100至200μm范围内。

16.权利要求1或2任一项的方法，其特征在于，第一和第二合金具有相同的组成。

17.权利要求1至16任一项的方法，改造该方法以使用多于一个隔板浇铸多于两种合金。

18.板坯或坯料的半连续直接冷却立式浇铸设备，包括管状的圆柱形或矩形半连续立式浇铸模具，其端部为开放式的，除了底端在浇铸开始时用假底封闭，所述假底在板坯或坯料浇铸过程中借助于下降机构向下移动；顶端设计用于金属供应，底端设计用于板坯或坯料取出；所述顶端配有两个金属供应设备——通常为喷口或槽，以及隔板，该隔板适于插入模具，在液态金属池中与凝固前沿接触，通过所述隔板使池分成两个不同的区域，其特征在于所述隔板与振动器连接，所述振动器至少在隔板与凝固前沿接触的整个过程中能够赋予隔板以振动——通常是多方向的振动，所述振动在约100Hz至超声波频率——优选100至20,000Hz之间——的频率下为低振幅型——通常约100μm，优选100至200μm。

19.权利要求18的设备，其特征在于，隔板为基本上平的板。

20.权利要求18的设备，其特征在于，隔板为与截面基本上为圆形的管状模具结合使用的中空圆柱体。

21.权利要求19的设备，其特征在于，隔板为与截面基本上为矩形的管状模具结合使用的截面基本上为矩形的中空体。

22.权利要求20的设备，其特征在于，隔板的基本上为矩形的截面是圆角的。

23.权利要求21的设备，其特征在于，隔板的截面为完美矩形，且底部限定为平的表面，所述平的表面具有卷起的角以与拐角处凝固前沿的形状匹配。

24.权利要求18至23任一项的设备，其特征在于，隔板由钢类金属材料或耐火材料如钼或钨制成。

25.权利要求18至23任一项的设备，其特征在于，上述隔板由基于陶瓷或玻璃纤维增强陶瓷的耐火材料制成。

26.权利要求18至25任一项的设备，其特征在于，振动由选自气动、电动或超声波振动器的振动器产生。

27.权利要求18至26任一项的设备，改造该设备以使其具有多于一个隔板和多于两个液态金属供应设备，以浇铸包含多于两种铝合金的板坯或坯料。

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