JP2001518144A - 熱処理可能な金属合金を急冷するプロセス - Google Patents

熱処理可能な金属合金を急冷するプロセス

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、ライデンフロスト温度に等しいか、より高い温度において、金属合金に歪みを起こさせることなく、金属合金を急冷する制御可能な液体急冷手段を有するプロセスに向けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 熱処理可能な金属合金を急冷するプロセス 本発明は、制御可能にして、合金製造の仕上げ時に合金の強度を増加させる、 制御可能な急冷手段を使用したプロセスと、該プロセスによる製品とに向けられ ている。該急冷手段は、合金が加工および/または熱処理された後、液体の使用 を介して空冷が続いて行われる。 合金を加工および/または加熱し、次に加工、加熱された合金を急冷すること が合金の特性を向上させることは金属合金業界では良く知られている。薄いシー ト合金の製造に関する問題は、薄いシート合金の急冷が最終製品に多方向の熱歪 みを起こさせ兼ねないことである。平坦な確固とした製品であったものが、屈曲 した、平坦でない、および/または物理的に歪んだシート合金になる。この問題 は薄いシート合金技術において特に面倒な問題であるが、鍛造、鋳造合金技術に おいても問題である。 熱処理可能合金は、室温における溶解限度を越える量の可溶合金成分を含有し ている。溶体化処理プロセスは、所望の成分を固溶体とするに充分な温度まで合 金を加熱する段階を含んでいる。かくて生じた過飽和固溶体は、析出を防止する に充分なだけ急速に冷却されれば、室温において維持され得る。合金系の成分は 例え少量であっても、合金内で適切な場所に正しい量存在しておれば、特性に対 し顕著な影響を与えることが出来る。室温における機械的物理的特性は、合金成 分が固溶体として残留する範囲に左右される。 昇温急冷はまた、合金の熱収縮による金属ストランドの望ましくない物理的歪 みを生じさせ兼ねない。ストランドは、鉄、マグネシウム、チタン、および/ま たはアルミニウム系、好適にはアルミニウム合金を基礎とするシート、スラブ、 圧延材、または他の加工または熱処理された金属合金である。連続的な、または 、半連続的なプロセスにおいては、歪みの大きさはストランドが冷却される速度 に比例する。急冷段階を伴う溶体化処理により所望の機械的特性を達成すること は、機械的特性の向上と熱誘起された物理的歪みとの間の競合する利害を引き起 こす。 本発明は、高い強度をもつ金属合金を高速度で製造するのに有用である。つい で、これら合金は製造物品を作るために使用される。 制御可能な液体急冷手段が、熱処理の後、空気急冷手段の前に空気急冷手段と 組合わせて、ライデンフロスト温度に等しいかあるいはこれより高い温度におい て金属合金を急冷し、その際、金属合金が金属合金の歪みを起こさせることなく 急冷され、非常に優れた抗張力をもつ金属合金が得られるように使用されている 金属合金製造プロセスが提供されている。このプロセスは、水平ベッド上で金属 合金を仕上げる段階と、溶体化処理炉、1個および/または複数個の制御可能な スプレー孔を備えた液体急冷室と、次にガス急冷室とを順次に通る並進運動段階 とから成る。スプレー孔は金属合金を濡らすためのスプレーまたは霧を作り出す 。仕上げベッドは水平に並進することが好ましいが、本発明は、水平方向にだけ 限定されるものではなく、例えば垂直方向のように、全ての方向の並進運動を包 含している。本発明は特に、孔を通り液体を流す多数のゾーンの使用を可能にす る液急冷室の有効な長さに向けられている。このゾーンとは、液急冷室内におい て独立の複数個の孔が独立して制御される液体急冷室内の領域を意味する。金属 合金、好適にはアルミニウム合金の場合、ゾーンの数および/またはゾーンにお いて費やされる時間は、処理される合金の成分、ストランドの大きさ、並進運動 の速度、または、孔のタイプ、圧力、液体の物理的特性、流速等のような液体処 理または適用手段の操作パラメータ等を考慮して決められる。ガスは空気である ことが好ましいが、不活性または良性のガスでもストランドを冷却するには充分 であろう。 所望の冷却速度はまた析出の運動に依存する。この運動の速さは温度と溶質と に依存する。運動速度定数は温度に依存する。速度定数は高温、低温においてほ ぼ零である。従って、溶体から溶質が失われることによる強度の減少はこれら高 低温において零に近い。いわゆる臨界温度に近い温度状況においては、上記運動 定数は、溶体からの溶質の消失をもたらし、合金の強度ポテンシャルを減少させ るに充分な大きさになる。急冷の重要な役目は、溶体から溶質が失われることを 最小にすることである。従って、特に臨界温度範囲における冷却速度を理解すれ ば、如何にすれば冷却速度が最大になるかの洞察が得られよう。制御可能または 同調可能な急冷を如何にして変化させるかを決めるには、臨界温度付近の温度状 況を知ることが重要である。金属の急速冷却は、金属合金内の望ましくない残留 応力、残留歪みへと導く。冷却速度が増加すれば、熱誘起応力が増加する。これ ら応力が、上昇したストランド温度において生じれば、合金内に永久塑性変形が 生じ兼ねない。熱誘起残留応力と物理的歪みとは、製品冷却速度を減少させるこ とにより減少される。歪みはまた、0.01〜8インチ(0.25〜203mm )の範囲にある金属合金の厚さにより影響される。金属合金のより厚いストリッ プまたはスラブは、より薄いものに比して歪みに対しそれほど敏感でない。 要求されることは、溶質を固溶体内に保持するに充分なだけ速く、しかも、永 久塑性変形へ導くような速度を越えない冷却速度を提供することである。本発明 のマジックは、液体、好ましくは水を上昇された温度において金属合金の表面に スプレーすることにより得られる利点にある。水/グリコール混合体のような他 の液体、または、アルコールのような他の有機液体も、孔から流出しストランド を急冷するための適当なスプレー性と粘性とを有するならば、使用可能であろう 。さらに、CO2のような溶解ガスが液体冷却剤内に使用されよう。液体急冷は 金属の臨界温度を通して、各金属合金の成分構成に従って制御された速度にして 、物理的歪みを生じさせることなく合金の強度ポテンシャルを増加または少なく とも維持し得る速度において、金属を冷却する。今日まで、空気急冷は金属合金 の歪みを最小にしつつ最高強度特性を達成するものと信じられて来た。 連続および/または半連続のストランドまたは金属合金を冷却するために、本 発明は、ストランドが臨界温度以上に留まる時間を制御するために、区画された 水流通過スプレー孔の列を使用している。本発明者は本発明の作動性の特殊な理 論に固執することは望まないが、或る理論は当業者による本教示の理解を助ける であろう。熱処理ストランドの熱フラックスは、金属合金に対応して約350° 〜700°Fの間にあるライデンフロスト温度として知られている温度TL以下 に合金が冷却されるとき、急速な大きさの増大を経験する。TL以上においては 合金が蒸気膜で覆われ、熱の放散が制限される。温度がTL以下に落ちると蒸気 膜が破壊し、表面が水滴により濡らされ熱フラックスが劇的に増加する。TLは 作用的にも作動的にも、具体的なスプレー孔、流速、液体の物理的化学的 特性、好ましくは水である液体に加わる圧力等に関連している。TLはまた、ス トランド表面に接触する小滴の運動量に関連している。小滴運動量は小滴サイズ の増加、衝突速度の増加に伴って増加する。高い運動量の小滴は蒸気膜を容易に 貫通しTLを増大させる。所与の液体、スプレー孔、ノズル形態、流速、圧力に 対しTLは一定である。 本発明の作動性に重要なことは、ストランドがTL以上に留まる時間を最大に するための水急冷機構の作動である。温度をTL以上に維持することは、冷却速 度の急速な増大を、ストランドが塑性撓みに抵抗するに充分なだけ剛固になるま で遅延させる。或る合金および/または或るストランドサイズに対しては、専ら TL以上の温度において水急冷を実施することにより所望の機械的特性が達成さ れ得ることも、本発明の意図範囲内である。或る合金、或るストランドサイズに 対しては液体冷却の必要なく、ガス好ましくは空気による冷却により充分な強度 が達成される。 アルミニウム合金、特に、6000,2000,7000シリーズアルミニウ ム合金として知られる6XXX,2XXX,7XXXシリーズの熱処理可能合金 、好適にはアルミニウム協会登録合金2008,6022,6111が特にガス 好ましくは空気急冷を伴う液体急冷の使用による利点を受ける。 図1は、本発明に使用される一般の装置とステーションとの側面図。 図2は、最大値として臨界温度Tを示す、速度定数対温度のプロット図。 図3は、曲線の鋭い破壊においてTLを示す金属合金に対して採られたデータ の時間対温度プロット図。 図4は、熱フラックスが劇的に増大するときのTLを示す熱フラックス対温度 プロット図。 図5a、5bは、スプレー孔の多数区画列と、ストランド温度と抗張力対炉か らの距離に対応するプロットとを示す。 図6a、6bは、スプレー孔を違って配置した場合の、急冷ステーションと、 ストリップ温度および抗張力対炉出口のプロットとを示す。 図1において、装置1は熱処理室4、液体急冷室10、ガス急冷室15から成 る。ストランド2は入口3において熱処理室4内へと水平に移動し、そこで、合 金は合金により定まる容体化温度、アルミニウム合金に対しては通常600°F 〜1200°Fの溶体化温度以上に加熱される。加熱されたストランドは出日5 において熱処理室から出て、液体急冷室10へ入る。複数個の液体制御ゾーン6 が、ストランドを液体急冷室10、急冷領域7内において液体急冷するように制 御される。各ゾーンは1個または複数個のスプレー孔8を有し、各ゾーンは、単 独に、または複数個が必要に応じ順次協調して、ストランドが液急冷室10内に おいてTLに近くに留まる時間を最大にするように作動される。作動的には、1 個または複数個のゾーン内の孔はサイズが変化してもよい。1個または複数個の 孔8はゾーン6の内方部に位置され、液体スプレーが急冷領域7内へと内方へス プレーされるように配置されている。ストランドは、好適には水を用いた液体急 冷の後で、ガス急冷室15内においてガス急冷される。ガスは空気であることが 好ましい。ついで、ストランドは出口端16において装置から出る。 本発明の実際においては、熱処理され急冷されるストランドまたは合金の特性 を理解しておくことが重要である。例えば、ストランドが温度TL以上に留まる 時間を最大にすることが好ましい。TL以上のこの滞留時間が冷却速度の急速な 増大を、ストランドが塑性変形に充分耐える強度を得るまで遅延させる。一部TL 以上で、一部TL以下で冷却することが液体急冷段階による利益をもたらすこと も本発明の範囲内である。 TL即ちライデンフロスト温度は実験的に決定可能である。時間対温度曲線は 図3に示すようになる。TL温度は時間対温度曲線の鋭利な破壊部において画定 されている。図4に示す熱フラックス対時間のプロットもTL温度を示している 。TLが、ストランドの冷却時、熱フラックスが劇的に増加する温度として図4 に示されている。このプロットは液体急冷の間、温度が減少するのに対応して右 から左へ読まねばならぬ。TLが決まると、TL温度以上において急冷するのに必 要な滞留時間および/または作動可能な孔の数が決定可能であるから、同調可能 な急冷室の操作が可能になる。ストランドがライデンフロスト温度に等しいかそ れ以上の温度を有して液体急冷手段を出ると、ストランドは液体により誘起され る汚染から実質的に自由であることに注意を要する。これは本製品が予想してい る市場において重要である。TCRIT即ち臨界温度もまた重要である。析出が 強度に与えるインパクトは下記方程式により表される。 dα/dt=K(T)〔σ−σmin(T)〕 ここで、σは強度ポテンシャル、σmin(T)は最小強度ポテンシャル、tは 時間、K(T)は温度により決まる運動速度定数である。図2は速度定数K(T )対温度のプロットである。この曲線の最大値が臨界温度TCRITであると決めら れている。臨界温度より高いか、低い温度において、速度定数は零に近い。溶体 から溶質が失われることによる強度ポテンシャルの損失も、高いか低いかの温度 において零に近い。TCRITまたはその近傍の温度において、運動定数は、溶体か ら溶質を失わせ、強度の減少へと導く程の顕著な大きさを有する。 急冷の目的は溶体からの溶質の消失を最小にすることであるから、冷却速度、特 にTCRITを囲む温度範囲を通しての冷却速度を最大にすべきである。 TL、TCRITを決めるに必要なデータを取得するため、熱電対を取り付けた薄 いサンプルに対し、均一に分布された小滴タイプのスプレーノズルを使用して上 昇温度急冷を行う実験が実行された。図3は、水急冷中に行われた熱電対による 典型的な温度計測を示す。上述したように、曲線中の鋭い破壊部がTLを示して いる。 図4は同じ実験からのデータであり、ここでは、サンプルが温度TL以下に冷 却されるとき、サンプル表面における熱フラックスが急速な大きさの増大を受け ている。TL以上の温度においては、サンプルは蒸気膜に覆われ、熱放散が制限 されている。温度がTL以下に落ちると、蒸気膜が破壊し、ストランドの表面が 水滴により濡らされ、熱フラックスが劇的に増大する。 連続および/または半連続のストランドを冷却するために、本発明は、ストラ ンドが臨界濡れ温度TL以上に留まる時間を制御する区画された水スプレー孔の 列を使用している。図5aは、スプレー孔の多数区画列と、急冷室の上側に対向 して配置された孔21a,22a,23a,24aに対応する水ゾーン21,2 2,23,24が順次作動されたときのストランド温度の反応とを示す。20は 液体急冷がなく空気急冷されたときの曲線である。スプレー孔の多数区画列の番 号は、ストリップ温度対炉出口からの距離のプロットである曲線21b,22b ,23b,24bに対応している。約500°Fにおける曲線24bの鋭い破壊 が、 急速な冷却に起因する金属歪みが始まったことを示していることは注目に値する 。このことは、金属歪みが問題となる以前に、冷却の大きさ、または、液急冷室 内に使用され得る孔の数に対する制限が存在することを示している。 図5bは、抗張力ポテンシャル対炉出口からの距離を示す対応曲線である21 c,22c,23c,24cを収容している。曲線20cは空気急冷曲線であり 、曲線21cは孔が1個の液体急冷曲線である。曲線22cは、スプレー孔を追 加することにより強度ポテンシャルの増大が実現されることを示している。曲線 23c,24cは、スプレーを1個追加することは強度ポテンシャルを同様に増 大させるが、さらにスプレーを追加しても利益は殆ど得られないことを示してい る。勿論、n番目のゾーンが利益をもたらすようなn個のゾーンも存在し得るで あろう。この場合、3ゾーンまでは、ストランド温度をTL以上に維持しつつ急 冷に使用することが出来る。所与の液急冷システムと作動状態とに対し、作動す るゾーンの数はストランド並進速度とストランドの幾何学的寸法とに依存して決 められる。ストランドの並進面に対して頂部、底部、側部等のゾーンから成る多 数ゾーンの設置も本発明に包含されている。液体急冷室の長さは、所望の液体急 冷滞留時間の達成と両立しつつ、変更することが出来る。 金属合金が水を使用せず空気急冷されたとき、金属合金の強度ポテンシャルが 、炉出口から約16フート(4.8メートル)以内において、20,100ps i(14.1kg/mm2)から19,650psi(13.8kg/mm2)へ と低下する。単一スプレー孔の場合、強度ポテンシャル損失は急速にではあるが 、液体急冷の無い場合とほぼ同じ強度ポテンシャルに達する。驚くべきことには 、第2スプレー孔を追加すると合金の強度ポテンシャルが少し速く低下し、強度 ポテンシャルの低下は約19,900psi(13.9kg/mm2)である。 これは、単一スプレー孔と空気急冷だけの場合に比して、強度ポテンシャル損失 が約56%少なくなるように改良されている。第3スプレー孔は2個のスプレー 孔に比して強度ポテンシャルをさらに40%増大させ、単一スプレー孔と空気急 冷に比して78%増大させている。この改良は、回避することが望ましい金属合 金ストリップの物理的歪みを伴うことなく実現されている。この場合のストリッ プはアルミニウム協会登録システムに記録された6111シリーズアルミニウム 合 金であり、厚さ0.04インチ(1mm)水平並進速度100fpm(30.5 メートル/毎分)であった。熱処理温度は約1060°Fであった。 本発明をより良く理解するため、実験データがモデル化され図6a,6bに示 す曲線として形成されている。曲線30は液体急冷室内のスプレー孔が炉出口か ら遠く、位置21,22,21a,22aに対応して配置されたときのストリッ プの温度低下を示す。曲線31は、スプレーゾーンが炉出口に近く配置され、ス プレーゾーン位置23,24,23a,24aに対応しているときのストリップ 温度の低下を示す。図6bは曲線32、33を示す。曲線32はストリップ温度 曲線30に対応し、曲線33はストリップ温度曲線31に対応している。曲線3 2は、単にスプレーゾーンを炉出口から遠ざけるだけで、強度ポテンシャルが増 大され得ることを示している。同じ温度低下と同じスプレーゾーンの数の下で、 孔位置を動かすことが150psi(0.1kg/mm2)の強度ポテンシャル の増大をもたらしている。 急冷の速度は、種々の装置1の設計に使用され、種々の加工および/または加 熱された合金に適用される種々の変数により影響されることが注目される。例え ば、滞留時間は、走行長さおよび/または走行時間を変化させることにより変化 させることが出来る。4フィート(1.2m)長さの急冷室に対して走行速度1 00fpm(30.5メートル/毎分)の代わりに、8フィート(2.4m)の 長さの急冷室に対して走行速度50fpm(15.3メートル/毎分)にしても 良い。液体急冷が鍛造、鋳造製品に対して静止モードにおいて実行されることも 本発明の実際において考え得ることである。この依存性はまた、第4孔は図6の 表示においては強度を増加させていないが、孔の数によっても変化しよう。強度 への効果は、TCRITとTLとに依存して合金毎に変化しよう。走行長さおよび/ または液急冷室内の滞留時間に対する最後のインパクトは管理された熱処理であ る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22F 1/06 C22F 1/06 1/18 1/18 H (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,GM,KE,LS,M W,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY ,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM ,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY, CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,E S,FI,GB,GE,GH,GM,GW,HU,ID ,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ, LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,M G,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT ,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL, TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,V N,YU,ZW (72)発明者 モウルテン,ダニエル,ティ. アメリカ合衆国 アイオワ,ベッテンドー フ,レミントン ロード 5121 (72)発明者 ウォーカー,ジーン,アール. アメリカ合衆国 アイオワ,ベッテンドー フ,ノーフォールド プレース 4742

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 金属合金を製造するプロセスにして、制御可能な液体冷却手段が、熱処理 の後、空気冷却手段の前に空気冷却手段と組み合わせて、金属合金のライデンフ ロスト温度に等しいか、より高い温度において、金属合金を急速に冷却させるた めに使用されており、前記金属合金が金属合金の歪みを生じさせることなく急冷 され、優れた抗張力特性をもつ金属合金を提供することを特徴とするプロセス。 2. 請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記制御可能な液体急冷手 段が1個または複数個の液体急冷ゾーンから成り、該ゾーンが液体急冷ゾーンの 数に依存して変動する長さの霧状物と、液体を加える手段に依存して変動する冷 却強さとを形成していることを特徴とするプロセス。 3. 請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記液体が水と溶解ガスと から成ることを特徴とするプロセス。 4. 請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記液体が水とグリコール との混合物から成ることを特徴とするプロセス。 5. 請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記液体が水と有機溶媒と から成ることを特徴とするプロセス。 6. 請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記液体が水から成ること を特徴とするプロセス。 7. 請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、冷却速度が固溶体内に溶質 を保持するに充分なだけ高く、しかし、永久塑性変形へ導く速度を越えないこと を特徴とするプロセス。 8. 請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記金属合金がアルミニウ ム合金であることを特徴とするプロセス。 9.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記金属合金が2XXX,6 XXX,7XXXシリーズのアルミニウム合金から成るグループから選択されて いることを特徴とするプロセス。 10.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記金属合金が熱処理可能 であることを特徴とするプロセス。 11.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記金属合金が6111, 2008,6022シリーズのアルミニウム合金から成るグループから選択され ていることを特徴とするプロセス。 12.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記制御可能な液体急冷手 段が、液体急冷ゾーンの上方バンクと下方バンクとから成ることを特徴とするプ ロセス。 13.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記制御可能な液体急冷手 段が、液体急冷ゾーンの上方バンクと下方バンクとから成り、該ゾーンが複数個 の液体分配ノズルを有することを特徴とするプロセス。 14.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記金属合金が、断面厚さ 約0.03〜8インチ(0.8〜203.1mm)の範囲の金属ストランドであ ることを特徴とするプロセス。 15.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記制御可能な液体急冷手 段が、ストランドの厚さとストランドの並進速度とに依存して1,2,3,4. ..n個のゾーンから選択された複数個のゾーンを有することを特徴とするプロ セス。 16.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記熱処理が金属合金を約 600°F〜1200°Fの範囲の温度において加熱する段階を有することを特 徴とするプロセス。 17.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、前記ライデンフロスト温度 が約350°F〜700°Fであることを特徴とするプロセス。 18.請求の範囲第1項に記載のプロセスにおいて、ライデンフロスト温度に等 しいが、より高い温度においてストランドが液体急冷手段から出るとき、ストラ ンドは実質的に液体誘起汚染がないことを特徴とするプロセス。
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