專利名稱：復合錠的鑄造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于鑄造復合金屬錠的方法和設備，該復合金屬錠包括至少兩個分別 由一種或多種合金形成的層。
背景技術：
如在本文以下中理解，除非另有說明，否則鋁合金牌號和狀態(tài)代號是指由鋁業(yè)協(xié) 會于2008年頒布的“鋁標準和數(shù)據(jù)及登記備案”中的鋁業(yè)協(xié)會標號。關于對合金成分或優(yōu)選合金成分的任何說明，提到百分比時都是指重量百分比， 除非另作說明。多年來，金屬錠、尤其是鋁錠一直是利用半連鑄工藝來制造，該工藝被稱為直冷鑄 造或電磁鑄造。在該工藝中，熔融金屬被注入無底結晶器的頂部中，并且在金屬排出時直接 將冷卻介質施加到金屬的固化表面。這樣的系統(tǒng)常被用來制造用于制造軋制產(chǎn)品如鋁合金 板材的大方錠。由至少兩層不同合金構成的復合錠的市場十分廣闊。這樣的鑄錠被用于經(jīng) 軋制來制造用于各種不同用途的包覆板，例如釬焊板、航空器用板、汽車包覆板和期望表面 性能不同于芯材性能的其它用途。獲得這種包覆板的傳統(tǒng)做法是將由不同合金構成的板坯熱軋接合，從而例如通過 焊接將兩者結合，隨后連軋制成最終產(chǎn)品，例如如美國專利US^00709所述。這樣做的缺點 是，板坯之間的界面通常在冶金學層面上是不潔凈的并且層和層的相互接合可能有問題。在文獻資料中描述了用于改善芯錠和包覆層之間接合的幾種替代方法。美國專利申請US 2005/0011630A1描述了在現(xiàn)有技術中也被稱為FUSION 工 藝(Novelis的注冊商標名)的技術，借此，兩種不同的合金在一個上開口式鑄造結晶器中 來澆鑄，并且通過使用特殊布置的分隔件，第一合金液池在這樣的位置接觸第二合金液池， 在該位置處，第一合金的自支承表面的溫度處于第一合金的固相線溫度和液相線溫度之 間，并且這兩個合金液池以兩層的形式接合，并且相互接合的合金層被冷卻而形成了復合
Iio在美國專利US7250221中描述一種適用于軋制制造包覆金屬板的包覆金屬錠的 批量制造方法，其中固體芯錠的軋制上表面形成有許多掏洞，這些掏洞在將包覆層澆鑄到 軋制上表面時被堵住。一旦包覆層成為固態(tài)的，則這些掏洞被開通并被灌進熔融金屬，從而 在其中形成金屬耳以將包覆層附接到芯錠上。據(jù)說這允許包覆層在凝固冷卻過程中無物理 約束地收縮，由此避免產(chǎn)生內應力和可能有的裂紋。這種做法至少部分解決了在復合錠的 處理和軋制過程中的層分離問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是制造由至少兩層構成的復合金屬錠。本發(fā)明的進一步目的是制造由至少兩層構成的復合金屬錠，所述復合金屬錠在接 合的層之間具有改善的冶金接合狀況。
本發(fā)明通過提供一種復合金屬錠的鑄造方法來滿足這些和其它的目的以及其它 優(yōu)點，該復合金屬錠包括至少兩個分別由一種或多種合金形成的層，該方法包括以下步 驟(a)提供由第一合金構成的長條形固體的基材和第二合金的熔體，(b)提供鑄造結晶器，該基材和該鑄造結晶器能彼此相對運動，其中該鑄造結晶器 包括給該鑄造結晶器供應熔融的第二合金的熔體供應端和帶有用于將熔融的第二合金向 下澆鑄到基材上的至少一個出口的輸出端，(c)在使鑄造結晶器和基材連續(xù)彼此相對運動時，在這樣的溫度通過鑄造結晶器 的該至少一個出口將熔融的第二合金向下澆鑄到基材上表面，在該溫度，從重熔區(qū)的基準 點開始，該基材局部至少部分重熔并且至少部分與熔融的第二合金混合而形成合金液池， 并且在重熔后，熔融的合金液池連續(xù)冷卻并在遠離基準點的位置凝固并接合基材，從而在 從鑄造結晶器離開前形成復合錠。本發(fā)明的一個重要特點是，在使鑄造結晶器和基材連續(xù)彼此相對移動時，熔融的 第二合金接觸由第一合金構成的基材的上表面，熔融的第二合金的溫度高到足以保證基材 局部變熱到基材在局部范圍至少部分重熔，由此一來，來自該基材的熔融材料或漿狀金屬 擴散到熔融的第二合金中或與熔融的第二合金混合。因為基材僅在薄表面層中重熔，所以總存在于鋁表面上的鋁氧化皮被破壞，甚至 可能完全消失。這允許當在鑄造結晶器和基材連續(xù)彼此相對移動的情況下熔融合金連續(xù) 冷卻凝固時，基材和熔融的第二合金緊密接觸而形成強力接合，產(chǎn)生了復合錠。因為只是 基材的薄表面層被熔化，其厚度一般不到約2毫米，在最佳的例子中厚度為約40微米至60 微米，所以被吸收入第二合金中的合金元素量小，不必造成任何嚴重的冶金學問題。如果合 適，第二合金的成分可被調整以接納重熔的基材并使凝固在基材上的包覆層的最終成分為 預定的目標成分。由第一合金構成的基材和第二合金層之間界面的獨特結構保證了在界面處的強 力冶金接合，一般呈基本連續(xù)的冶金接合形式，因此使得該結構適用于軋制成箔材、薄板材 和中厚板，而不會有與層離或界面污染有關的問題。本發(fā)明方法的一個優(yōu)點是，它不需要如美國專利US7250221先前所述的那樣在由 第一合金構成的基材的表面上形成許多掏洞，這對于工業(yè)規(guī)模用途來說勞動強度非常大并 且不經(jīng)濟劃算。本發(fā)明方法的另一個優(yōu)點是它按照(半)連續(xù)方式進行。


圖1是相對基材移動以形成復合錠的本發(fā)明鑄造結晶器的實施例的橫截面示意 圖；圖2A和圖2B是多個鑄造結晶器實施例的橫截面示意圖；圖3A、圖;3B和圖3C是各復合錠的橫截面的示意圖；圖4是復合錠的橫截面示意透視圖；圖5是圖1所示鑄造結晶器的第一實施例的局部橫截面示意圖；圖6是用在本發(fā)明中的鑄造結晶器的第二實施例的局部橫截面示意圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下步驟(a)提供由第一合金構成的長條形固體的基材和第二合金的熔體，(b)提供鑄造結晶器，該基材和該鑄造結晶器能彼此相對運動，其中該鑄造結晶器 包括給鑄造結晶器供應熔融的第二合金的熔體供應端和帶有用于將熔融的第二合金向下 澆鑄到基材上的至少一個出口的輸出端，(c)在使鑄造結晶器和基材連續(xù)彼此相對運動時，在這樣的溫度通過鑄造結晶器 的該至少一個出口將熔融的第二合金向下澆鑄到基材上表面，在該溫度，自重熔區(qū)的基準 點開始，該基材局部至少部分重熔并且至少部分與熔融的第二合金混合而形成合金液池， 并且在重熔后，熔融的合金液池連續(xù)冷卻并在遠離基準點的位置凝固并接合基材，從而在 自鑄造結晶器離開前形成復合錠。該基材最好在接觸第二合金時不彎曲，因為彎曲會把不希望有的應力帶入在本發(fā) 明的一個優(yōu)選實施例中采用的厚基材中。按照優(yōu)選方式，在將熔融的第二合金澆鑄到基材 上時，保持該基本平坦的表面為基本水平?；纳媳砻鎯?yōu)選就在緊跟著鑄造結晶器的上下 游處以及當基材被輸送經(jīng)過鑄造結晶器時是水平的。優(yōu)選的是，熔融的第二合金從基材上方被送到基材上表面上，此時基材是水平的， 更優(yōu)選的是，鑄造結晶器沒有轉動。在本方法的一個實施例中，基材被預熱到在以攝氏度(°C )為單位的其熔化溫度 的0. 5至0. 95且優(yōu)選是0. 5至0. 80的范圍內的一個溫度，例如對于鋁合金基材，在鑄造結 晶器的入口處被預熱到約400°C溫度或約450°C溫度。適當?shù)募訜釞C構選自包括燒嘴、電子 束、電阻和高頻感應線圈或任何其它局部加熱機構的組。按照工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，優(yōu)選高頻感應 線圈或線圈陣列。通過恰好在第二合金層接合前加熱基材，實現(xiàn)了基材上的氧化皮被削弱， 這使得通過經(jīng)鑄造結晶器出口接觸到基材的熔融的第二合金更容易破壞氧化皮。這樣一 來，氧化皮更容易被破壞，并且熔融的第二合金離開鑄造結晶器輸出端的溫度可被設定在 較低的溫度。理想的是，由第一合金構成的長條形固體的基材具有基本平坦的表面，第二合金 通過本發(fā)明方法被接合到該表面。為了形成雙面包覆基材，按照上述方式在一面被包覆的 基材可以被翻轉，并且本發(fā)明的方法在原先的基材下表面上重復進行。在另一個替代方式中，可以施加另一個層到按照本發(fā)明方法形成的復合錠的上表 面，于是施加到第二合金層的上表面。該另一個層可以通過本領域已知的不同技術來施加， 或者作為替代方式，本發(fā)明的澆鑄方法也可以被用來施加另一個層到復合錠上。按照優(yōu)選方式，在將熔融的第二合金澆鑄到基材上時保持該基本平坦的表面為基 本水平?；膬?yōu)選在接觸第二合金時不彎曲。在一個實施例中，該基材的基本平坦的表面由經(jīng)過銑削或剝皮的鑄錠的軋制上表 面形成，該鑄錠例如是通過例如DC鑄造(直冷鑄造)或EMC鑄造(電磁鑄造)方式制成的 鑄錠，這些方式都是現(xiàn)有技術中眾所周知的技術并提供了厚度最大為約500毫米且厚度一 般在約200毫米至450毫米范圍內的基材。理想的是，在施加第二合金層前，基材被剝皮或 銑削，以除去源于錠鑄造的鑄造表面附近的偏析區(qū)，從而表面缺陷將不會被加工到最終產(chǎn) 品中。
根據(jù)合金成分和由復合錠制成的最終產(chǎn)品的用途，基材可以在第二合金層接合之 前被均質處理，或者它可具有非均質化的鑄錠微觀結構。鋁合金的均質熱處理具有以下目 的(i)盡量多地溶解在鑄錠凝固過程中形成的粗溶相，(ii)減少濃度梯度以利于溶解步 驟。本領域技術人員眾所周知的是，根據(jù)工業(yè)實踐處于均質化溫度的保溫時間取決于鋁合 金，通常在約1小時至50小時的范圍內。當制造兩種合金之一的熔點顯著低于另一合金的 熔點的復合金屬錠時，用經(jīng)均質處理的鋁基材來加工對本發(fā)明是非常有意義的。在另一個實施例中，該基本平坦的表面由軋制厚板產(chǎn)品的軋制上表面形成，該軋 制厚板產(chǎn)品例如是通過對按照DC鑄造方法獲得的鑄造材料軋制到中間尺寸而獲得的板 材。該上表面可以被銑削或以其它方式被清潔，從而表面缺陷將不會被加工到最終產(chǎn)品中。根據(jù)本發(fā)明，該復合錠優(yōu)選包含厚度為至少約40毫米且優(yōu)選為至少約70毫米的 鋁合金基材。包覆層厚度(圖1中標記(C))將具有優(yōu)選10毫米的最小厚度。例如當加工 鋁合金如釬焊板時，約15毫米的包覆層被施加到厚約200毫米的基材上，或者約35毫米厚 的包覆層被施加到厚約300毫米的基材上。第二合金層的厚度優(yōu)選處于基材厚度的約2%至30%且優(yōu)選為約4%至20%的范 圍內。在本發(fā)明的另一個實施例中，復合金屬錠通過軋制(熱軋和冷軋)被進一步加工 成最終尺寸的軋制產(chǎn)品，其厚度在接近約5毫米的范圍。 第一合金和第二合金可以具有基本相似的成分。這兩種合金優(yōu)選是由不同的鋁合 金成分構成的鋁合金。在利用本發(fā)明方法加工鋁合金時，典型的澆鑄速度在約50毫米/分鐘至200毫米 /分鐘的范圍內。在一個特別優(yōu)選的實施例中，由第一合金構成的基材是鋁合金，一般是鋁鎂合金， 而第二合金是鋁硅合金。這樣的復合錠經(jīng)過熱軋和冷軋形成復合金屬釬焊板，其可接受釬 焊作業(yè)。在此實施例中，軋制產(chǎn)品的最終規(guī)格一般會在約0.05毫米至4毫米的范圍內。釬 焊板材的最終規(guī)格最好至高達約350微米厚，更優(yōu)選的是約100微米至約250微米厚。在另一個特別優(yōu)選的實施例中，按照本發(fā)明制成的復合錠被軋制成航空器包覆板 材。在又一個特別優(yōu)選的實施例中，由第一合金構成的基材是6000系列合金中的鋁， 而第二合金是6000系列合金中的另一種合金。這樣的復合錠在經(jīng)過熱軋和冷軋時形成復 合板或包覆板材，其構成汽車車體板、汽車車體覆板且優(yōu)選是車體外覆板或碰撞吸能盒結 構。復合板的最終厚度一般會在約0.5毫米至2毫米的范圍內。一個例子就是這樣的包覆 板產(chǎn)品，其具有AA6056或AA6156的芯合金，一面或兩面包覆有AA6016包覆材料，或者是 AA6016的芯合金，一面或兩面包覆有AA6005A合金。這種包覆板材的其它例子在國際專利 申請 W0-2007/128391、W0-2007/128389、W0-2007/128390 和 W0-2009/059826 中有所描述， 所有這四篇專利文獻被引用納入本文。為了改善熔融合金的浸潤性能，可以在被熔融時在第一合金和/或第二合金中添 加浸潤劑以減小表面張力。如果第一合金和第二合金是鋁合金，則優(yōu)選從包含Bi、Pb、Li、 Sb、％、Y和Th的組中選擇至少一種元素，其中鋁合金中的浸潤元素的總量在約0. 005%至
的范圍內，優(yōu)選在約0.01%至0.5%的范圍內。例如，當利用本發(fā)明的方法制造釬焊板時，約0. 1 %的浸潤元素如Bi可以被加入AlSi 10釬焊層中。在本發(fā)明的另一方面中，本發(fā)明涉及用于實施本發(fā)明方法的設備或鑄造設備，其 包括鑄造結晶器和用于使由第一合金構成的基材相對鑄造結晶器移動的機構和用于給鑄 造結晶器的供應端補充熔融的第二合金原料的機構，其中該鑄造結晶器包括(i)用于給鑄造結晶器供應熔融的第二合金的熔體供應端，(ii)帶有至少一個出口的輸出端，該至少一個出口用于在使基材相對鑄造結晶器 連續(xù)移動時將熔融的第二合金向下澆鑄到基材上并隨后注入由在基材上方的由鑄造結晶 器限定的澆鑄腔的澆道，該輸出端用于在這樣的溫度將熔融的第二合金澆鑄到基材上，在 該溫度，自重熔區(qū)的基準點開始，該基材局部至少部分重熔并且至少部分與熔融的第二合 金混合而形成合金液池或漿狀液池，其中該移動機構包括用于當液池在重熔后連續(xù)冷卻并 在遠離基準點的位置凝固并接合該基材從而在從鑄造結晶器中離開前形成復合錠時移動 合金液池的機構。此外，可以設置恰好在將第二合金澆鑄到基材上之前加熱基材的機構。該鑄造結晶器包括用于為鑄造結晶器供應熔融金屬的熔體供應端和帶有用于將 熔融金屬澆鑄到基材上的至少一個出口的輸出端。鑄造結晶器優(yōu)選如此安置，即，該鑄造結晶器的上表面的至少一部分是平面的。更 優(yōu)選的是，該鑄造結晶器具有固定不動的上表面。該鑄造結晶器優(yōu)選不轉動。在該鑄造設備的一個實施例中，鑄造結晶器的輸出端的定位允許在基材平放時從 基材上方將熔融的第二合金供應到基材上表面。在本發(fā)明的一個實施例中，鑄造結晶器部分或完全由耐火陶瓷、金屬、石墨或涂覆 有耐火物質的金屬制成。鑄造結晶器應該由耐熱材料構成，優(yōu)選的是，與任何熔融金屬接觸 的部分沒有浸潤該熔融金屬，而且沒有粘附其上。在一個實施例中，鑄造結晶器配備有在上游側和橫向側圍繞鑄造結晶器的封閉 面，其密封貼靠由第一合金構成的基材以防止兩者間的泄漏。在該鑄造設備的一個實施例中，用于移動基材的機構具有水平表面，該水平表面 用于就在緊跟著鑄造結晶器的上下游和在輸送基材經(jīng)過鑄造結晶器時水平支承基材下表在利用本發(fā)明方法制造復合錠時可能希望使用金屬焊劑。例如，固體基材可以在 澆鑄熔融的第二合金到基材上之前涂有固體焊劑，例如常用在釬焊作業(yè)中的氟鋁酸鉀，其 清理掉各自表面的氧化物或者至少破壞氧化皮層，并保證金屬在接觸面上的更好的接觸和 轉移。為了獲得此效果，可以加入焊劑站，其用于在鑄造結晶器之前處理該基材。在該鑄造設備的一個實施例中，鑄造結晶器包括用于第二合金的熔融金屬的容器 (例如參見圖1、圖2A和圖2B中的特征4)和澆鑄腔，熔體供應端是該容器的熔體供應端， 帶有至少一個出口的輸出端是該容器的輸出端，并且該澆鑄腔用于從該出口接納第二合金 的熔融金屬，該澆鑄腔由澆道形成，該澆道從上游入口部分延伸到下游出口部分，從而朝向 基本水平定位的可移動的基材，以容納熔融金屬并將熔融金屬成型為與移動的基材接合而 形成復合錠的一層。該容器相對輸出端沿下游方向水平延伸。該澆鑄腔的上壁相對輸出端 沿下游方向水平延伸得比該容器更遠。在該鑄造設備的一個實施例中，該鑄造結晶器包括液體輸入端、帶有至少一個出口的輸出端和用于從該出口接納第二合金的熔融金屬的澆鑄腔，該澆鑄腔由澆道形成，該 澆道從上游入口部分延伸向到下游出口部分，從而朝向基本水平定位的可移動的基材，以 容納熔融金屬并將熔融金屬成型為與移動的基材接合而形成復合錠的一層。在該鑄造設備的一個實施例中，該鑄造設備包括鑄造結晶器和用于使第一金屬合 金的基材相對鑄造結晶器移動的機構和用于給鑄造結晶器的供應端補充第二金屬合金的 熔融原料的機構，該鑄造結晶器包括用于第二合金的熔融金屬的容器(參見例如圖1、圖 2A和圖2B中的特征4)和澆鑄腔，該容器具有大致豎立的上游壁、與該大致豎立的上游壁對 置的大致豎立的下游壁和從該豎立的下游壁的下端向上游延伸的大致水平的壁；大致水平 的壁的下表面和大致豎立的下游壁的下端均在一個水平假想面的上方間隔一定距離，大致 豎立的上游壁的下端位于該水平假想面上，限定出該澆鑄腔的澆道的上表面；至少一個容 器出口位于該大致水平的壁的上游端上，該至少一個容器出口用于從該容器中向下供應第 二合金的熔融金屬到水平的基材并隨后送入澆鑄腔；澆道在大致水平的壁下方從上游入口 部分到下游出口部分地水平延伸一段大于該豎立的下游壁的厚度的距離；澆道被定位成當 基材基本水平放置且可相對鑄造結晶器移動時朝向該基材，并且容納第二合金的熔融金屬 并將該熔融金屬成型為一個貼附移動的基材的包覆層，從而形成復合錠；澆道具有敞開的 水平底部，其被基材的上表面擋住，以便在大致水平的壁的下表面和該大致水平的基材的 上表面之間容納熔融的第二合金。其中在一個優(yōu)選實施例中，用于從容器將第二合金的熔融金屬向下送入澆鑄腔以 便從該出口獲得熔融金屬的至少一個容器出口由大致豎立的上游壁的內表面和大致水平 的壁的上游端之間的間隙限定。在該鑄造設備的另一個優(yōu)選實施例中，該上游入口部分和該下游出口部分均具有 高于假想平面的高度，可移動的基材的上表面位于該假想平面中，并且該下游出口部分的 高度是該上游入口部分的高度的至少兩倍?，F(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施例，其中圖1是相對基材移動以形成復合錠的鑄造結晶器的實施例的橫截面示意圖；圖2A和圖2B是多個鑄造結晶器實施例的橫截面示意圖；圖3A、圖;3B和圖3C是各復合錠的橫截面示意圖；圖4是復合錠的橫截面透視示意圖；圖5是圖1的鑄造結晶器的第一實施例的局部橫截面示意圖；圖6是用在本發(fā)明中的鑄造結晶器的第二實施例的局部橫截面示意圖?？梢越o鑄造結晶器(3)供應來自于澆包(12)的熔融合金。通常，澆包(12)沿圖 1中弧形箭頭線Z所表示的方向轉動。在替代方式中，可以通過出流系統(tǒng)將熔融金屬從鑄 造熔爐送往鑄造結晶器來給鑄造結晶器(3)供應熔融合金。一般，基材(1)在鑄造結晶器 (3)的下方通過適當?shù)妮斔蜋C構來輸送。典型的輸送機構是如圖1所示的輥道(14)。也可 采用其它合適的輸送機構。根據(jù)本發(fā)明的如圖1所示的鑄造結晶器C3)包括熔體供應端或容器(4)、帶有至 少一個出口(5)的輸出端、用于從該出口接納第二合金的熔融金屬的澆鑄腔，該澆鑄腔具 有澆道(7)，該澆道從上游入口部分(8)延伸至下游出口部分(9)，從而朝向基本水平定位 的可移動(相對鑄造結晶器)的基材(1)，該澆道用于容納熔融金屬并將熔融金屬成型為
9貼靠移動的基材的包覆層O)，由此形成復合錠(6)。該澆鑄腔的上壁由鑄造結晶器(3)的 下壁限定。在使用中，該澆鑄腔的下開口被基材(1)或復合錠(6)封堵住。在使用中，使第 二合金的熔融金屬經(jīng)過該上游入口部分流入該澆鑄腔，由此允許熔融金屬填充澆道(7)，澆 道(7)在通過下游部分時在該下游部分處允許熔融金屬冷卻，從而充分凝固以在離開該下 游出口部分時保持澆道(7)的形狀。圖5示意表示鑄造結晶器(3)的實施例的局部橫截面透視圖。鑄造結晶器(3)的 多個側壁(18)(只示出一個)平行于鑄錠運動方向A延伸，用于在冷卻過程中容納熔融合 金液池(16)的熔融合金。鑄造結晶器(3)的上游壁包括具有高度“X”的下開口，鑄 造結晶器的下游壁03)包括具有高度“Y”的下開口。高度“X”大于高度“Y”。高度“X”容 許至少基材(1)的上部進入鑄造結晶器(3)。高度“Y”容許復合錠(6)的離開并有助于容 納合金液池。圖6表示鑄造結晶器(103)的另一個實施例，它具有下游壁(123)和上游壁 (121)，該下游壁包括具有高度“Y”的下開口，但上游壁不包括具有高度“X”的升高的下開 口。在這個不同的實施例中，上游壁的下端完全與該基材(1)平齊，而且鑄造結晶器鋪布了 比基材(1)的橫向寬度窄的合金(4)幕層，而不是鋪布等于基材(1)寬度的第二合金(4)層。也可以采用其它的鑄造結晶器設計。冷卻凝固用的熱主要通過起散熱器作用的基材⑴來散發(fā)。可以在鑄造結晶器中加入其它冷卻機構例如利用空氣、強風、水冷或者霧冷，優(yōu)選 在下游出口部分的附近，以便從復合錠的正凝固的或已凝固的由第二合金構成的包覆層中 散除熱量。除此之外，還可安裝其它冷卻機構，用于一旦其離開鑄造結晶器就冷卻復合錠， 例如利用空氣、強風、水冷或霧冷。在圖1中，由第一合金構成的水平的基材(1)具有厚度(a)，在使用中，該厚度中的 厚度約為(b)的薄表面層被重熔并形成具有厚度(C)的包覆層O)的一部分，由此形成具 有厚度(d)的復合錠。這些厚度的關系為(d) = ((a)-(b))+ (C)。在圖1的實施例中，澆道(7)在澆道(7)的上側和通過使基材沿方向A移動而形 成的下側之間具有基本恒定的橫截面直徑或恒定的高度。熔融金屬經(jīng)過上游入口部分(8) 流入澆道(7)。當加工鋁合金時，一般，澆鑄速度或沿方向A的運動速度在約50毫米/分鐘至200 毫米/分鐘的范圍內。在使鑄造結晶器(3)和基材(1)連續(xù)彼此相對移動的同時，熔融的 第二合金通過鑄造結晶器(3)的所述一個或多個出口( 在這樣的溫度被澆鑄到基材(1) 上，g卩，該基材由此在重熔區(qū)的基準點“P”局部至少部分重熔，并且至少部分與熔融的第二 合金混合而形成合金液池(16)，第一合金的重熔持續(xù)到點“M”(通常大約在熔融合金液池 或漿狀合金液池的最大深度(b)處)。重熔區(qū)從點“P”延伸至點“M”?；鶞庶c“P”是基材 (1)合金開始至少部分熔化的點。基準點“P”可以在澆鑄腔入口(8)處、略微在澆鑄腔入 口(8)的上游并因而位于鑄造結晶器上游壁和澆鑄腔入口(8)之間、或者略微在澆鑄 腔入口(8)的下游。最大深度點“M”在澆鑄腔內。熔融合金液池(16)在澆鑄腔中的駐留 時間和冷卻足以在復合錠(6)從澆鑄腔出口(9)離開之前完成復合錠(6)的凝固。于是， 在基材(1)部分重熔之后，熔融合金液池(16)持續(xù)冷卻并在遠離重熔區(qū)且因而遠離基準點“P”的位置凝固并接合該基材，從而形成復合錠(6)。合金混合至少發(fā)生于在合金液池16下部的區(qū)域“W”中(用許多χ標示)。為了在由第一合金構成的基材(1)的薄表面層內獲得部分地局部熔化，在流入上 游入口部分時的第二合金的溫度應足夠高。隨著基材(1)的薄表面層熔化，不可避免地出 現(xiàn)在基材表面上的氧化皮被破壞并且允許第二合金形成與該基材的牢固接合，從而當?shù)诙?合金連續(xù)運動經(jīng)過澆道而形成復合錠(6)。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在圖1的實施例中，基材⑴和澆道(7)中的熔融金屬頂面之間的 溫差可能因熱浮力而產(chǎn)生熔融金屬分層(次序為相對冷的金屬在下，相對熱的金屬在上)。 結果，流入澆道(7)的熱金屬將不一定接觸到基材，熱金屬和基材之間的接觸沒有充分進 行。結果，在由第二合金構成的包覆層將凝固到基材上時，基材沒有變得足夠熱，沒有發(fā)生 接合或至少接合程度不夠高。這在圖2B的優(yōu)選實施例中得以克服，圖2B為清楚起見而與 表示圖1所用鑄造結晶器的圖2A—起被示出。如圖2B所示，上游入口部分(8)具有比具 有高度(M)的下游出口部分(9)窄的具有較低高度(hi)的橫截面。上游入口部分(8)同 下游出口部分(9)的高度比(hi h2)應為1比大約2或更高，例如1比大約3，或者1比 大約4，而在圖2A的實施例中，該高度比(hi h2)是約相等的。在根據(jù)本發(fā)明的、特別適用于施加相對厚的第二合金層到由第一合金構成的基材 上的方法和鑄造設備中，一般高度h2是至少10毫米，優(yōu)選為10至約100毫米。更優(yōu)選的 下限為約20毫米，更優(yōu)選的上限為約80毫米。在具有高度hi的上游部分中的熔融金屬的速度預期在約500毫米/分鐘至900 毫米/分鐘的范圍內，這將會導致熔融金屬的基本層流。更優(yōu)選的是，降低的橫截面高度(hi)與在上游入口部分(8)局部處的相對狹窄的 流口或間隙組合。在圖2B的實施例中，熔融金屬的入流被迫以相對高的速度沿由第一合金 構成的基材流動，隨后其流入澆道(7)并以相對高的速度流過上游入口部分(8)。因為在上 游入口部分(8)處的高度(hi)小于在下游出口部分(9)處的高度(h2)，所以熔融金屬在上 游入口部分(8)處以比其從下游出口部分(9)流出的速度更高的速度流動。換句話說，在 圖2B的實施例中，熔融金屬在上游入口部分(8)處沿水平方向(例如圖1的方向A)以高 于在上游入口部分(8)處的基材(1)的速度流動。相比之下，基材(1)在上游入口部分(8) 和下游出口部分(9)處均具有恒定速度，并且基材(1)和凝固的包覆層( 在下游出口部 分(9)處具有相同速度。熔液更猛烈地流向基材表面并沿基材表面流動保證了更好的表面 局部變熱和相對薄的表面層的重熔，這又能在其流過澆道時實現(xiàn)基材和凝固的熔融金屬之 間的更好接合，以形成復合錠。而且如果需要，出口(5)的尺寸可被選擇成能提供這樣的面積，熔融金屬流過該 面積的速度在流經(jīng)hi的熔融金屬速度的士25%內。圖3A至圖3C示出了復合錠的示意圖，該復合錠具有至少兩個由不同的合金分別 形成的層。利用本發(fā)明的方法，可以在復合錠的軋制方向上獲得由第二合金構成的層的不 同邊緣形狀。利用本發(fā)明的方法，可以根據(jù)軋制過程中的塑性流動性來調整形狀，由此控制 或限制溢流量，因而控制或限制切邊需求。這樣一來，可以限制當生產(chǎn)薄板時在軋制作業(yè)中 得到的廢料量。圖4示出了復合錠的示意圖，該復合錠具有至少兩個由不同的合金分別形成的層，并且固體基材由此由已成型的基材構成，而第二合金層利用本發(fā)明方法被澆鑄到該基 材的成型表面。替代形狀是可行的。 雖然現(xiàn)在已充分描述了本發(fā)明，但本領域技術人員將顯然認識到，在不超出如本 文所述的本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以做出許多的變化和改動。
權利要求
1.一種鑄造復合金屬錠的方法，該復合金屬錠包括至少兩個由一種或多種合金分別形 成的層，該方法包括(a)提供由第一合金構成的長條形固體的基材和第二合金的熔體，(b)提供鑄造結晶器，該基材和該鑄造結晶器能彼此相對運動，其中該鑄造結晶器包括 給該鑄造結晶器供應熔融的第二合金的熔體供應端和帶有用于將該熔融的第二合金向下 澆鑄到該基材上的至少一個出口的輸出端，(c)在使該鑄造結晶器和該基材連續(xù)地彼此相對運動時，在這樣的溫度通過該鑄造結 晶器的該至少一個出口將該熔融的第二合金向下澆鑄到該基材的上表面，其中在該溫度， 自重熔區(qū)的基準點開始，該基材局部至少部分重熔并且至少部分與該熔融的第二合金混合 而形成合金液池，并且在重熔之后，熔融的合金液池連續(xù)冷卻并在遠離該基準點的位置凝 固并接合該基材，從而在離開該鑄造結晶器前形成該復合錠。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是，該復合錠包括鋁合金基材，該鋁合金基材的 厚度為至少40毫米，該第二合金層的厚度為該基材的厚度的2%至30%。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征是，由第一合金構成的該基材由鋁合金構 成，該鋁合金在該熔融的第二合金被澆鑄到該基材上之前被均質處理。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征是，由第一合金構成的該基材在該 熔融的第二合金被澆鑄到該基材上之前被銑削。
5.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征是，由第一合金構成的該基材由軋 制板材的軋制上表面部構成。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征是，該基材被預加熱到位于以攝氏 度為單位的其熔化溫度的0. 5至0. 95范圍內的溫度。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征是，該基材通過燒嘴、電子束、電阻或高頻感應 線圈被預加熱。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征是，該第一合金和該第二合金是具 有不同成分的鋁合金。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征是，在該基材平放時，更優(yōu)選的是 該鑄造結晶器不轉動時，該熔融的第二合金從該基材的上方被供應到該基材的上表面。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的方法，其特征是，該鑄造結晶器是平面的，優(yōu)選 是不轉動。
11.根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的方法，其特征是，該鑄造結晶器部分或完全由 耐火陶瓷、金屬、石墨或者涂覆有耐熱物質的金屬制成。
12.根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的方法，其特征是，該鑄造結晶器包括熔體供應 端、帶有至少一個出口的輸出端和用于從該出口接納該第二合金的熔融金屬的澆鑄腔，該 澆鑄腔由澆道形成，該澆道從上游入口部分延伸至下游出口部分，從而朝向基本水平放置 的可移動的基材，以容納熔融金屬并將該熔融金屬成型為與移動的該基材相接合而形成復 合錠的一層。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征是，該上游入口部分和該下由出口部分具有 基本相同的橫截面面積。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征是，該上游入口部分和該下游出口部分分別具有就可移動的基材的距離而言的高度(hl，h2)，其中該下游出口部分的高度(M)是該上 游入口部分的高度(hi)的至少兩倍。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征是，該下游出口部分的高度(M)為至少10毫 米，優(yōu)選為至少20毫米。
16.根據(jù)權利要求1至15中任一項所述的方法，其特征是，該鑄造結晶器靠近該下游出 口部分配備有冷卻機構，用于從該復合錠的凝固的第二合金層散熱。
17.一種用于實施根據(jù)權利要求1至16中任一項所述的方法的鑄造設備，包括鑄造結 晶器和用于相對該鑄造結晶器移動由第一合金構成的基材的機構和用于給該鑄造結晶器 的供應端補充第二合金的熔融原料的機構，其中該鑄造結晶器包括給該鑄造結晶器供應 熔融的第二合金的熔體供應端；帶有至少一個出口的輸出端，該至少一個出口用于在基材 相對于該鑄造結晶器連續(xù)移動時將該熔融的第二合金向下澆鑄到該基材上并隨后注入由 在該基材上方的鑄造結晶器限定的澆鑄腔的澆道中，該輸出端用于在這樣的溫度將熔融的 第二合金澆鑄到該基材上，其中在該溫度，自重熔區(qū)的基準點開始，該基材局部至少部分重 熔并至少部分與熔融的第二合金混合而形成合金液池；該移動機構包括用于當該液池在重 熔之后連續(xù)冷卻并在遠離該基準點的位置上凝固并接合該基材而在從該鑄造結晶器離開 前形成該復合錠時移動該熔融合金液池的機構。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于鑄造復合金屬錠的方法和設備，該復合金屬錠包括至少兩個由一種或多種合金分別形成的層，該方法包括提供由第一合金構成的長條形固體的基材和第二合金的熔體；提供鑄造結晶器，該基材和鑄造結晶器可彼此相對移動，其中該鑄造結晶器包括給鑄造結晶器供應熔融的第二合金的熔體供應端和帶有用于將熔融的第二合金向下澆鑄到基材上的至少一個出口的輸出端，在使鑄造結晶器和基材連續(xù)彼此相對移動時，通過鑄造結晶器的至少一個出口在這樣的溫度將熔融的第二合金向下澆鑄到基材上表面，在該溫度，在重熔區(qū)的基準點開始，該基材局部至少部分重熔并且至少部分與熔融的第二合金混合而形成合金液池，在重熔后，熔融的合金液池連續(xù)冷卻并在遠離基準點的位置凝固并接合該基材，從而在從鑄造結晶器離開之前形成復合錠。
文檔編號B22D19/00GK102089101SQ200980124851
公開日2011年6月8日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權日2008年7月4日
發(fā)明者A·博格, A·滕卡特, I·G·克羅弗, J·C·斯道姆 申請人:阿勒里斯鋁業(yè)科布倫茨有限公司