專利名稱：用于鑄造復合錠的方法
技術領域：
本發明涉及用于鑄造復合金屬錠的方法和裝置，以及由此而得到的新型的復合金屬錠。
2.背景技術多年來，金屬錠、尤其是鋁或鋁合金錠通過已知為直接冷硬鑄造的半連續鑄造工藝來生產。在該工序中，熔融金屬被澆注入開口端模型的頂部中，在金屬從模型中冒出時，將冷卻劑、通常為水直接施加在金屬的固化表面上。
這種系統常常用于生產較大矩形截面的錠以用于生產壓延產品，例如鋁合金片材產品。對于由兩層或多層不同合金構成的復合錠而言，具有很大的市場。這類錠用于在軋制之后生產包覆片材，以用于各種應用，例如釬焊片材，飛機用板材以及其它的需要表面性能不同于核心性能的應用。
生產這種包覆片材的傳統途徑是將不同合金的板坯熱軋在一起，以便將它們″扣″在一起，然后繼續軋制以生產成品產品。這樣具有的缺點在于，板坯之間的界面在金屬學上來看一般不干凈，因此層與層之間的結合會成為問題。
在鑄造層狀錠以生產易于軋制的復合錠方面，也受到關注。這通常利用直接冷硬(DC)鑄造，或者通過兩股合金流的同時凝固或順序凝固來實現，在依次鑄造中，一種金屬在與第二熔融金屬接觸之前先凝固。在文獻中介紹了許多這種方法，它們已取得不同程度的成功。
在Binczewski的1986年2月4日公布的美國專利4567936中，介紹了通過DC鑄造來生產復合錠的方法，其中更高固相線溫度的外層被鑄造在更低固相線溫度的內層周圍。該公開文獻表明，在更低固相線溫度的合金與其接觸之前，外層必須是″完全固態和堅固的″。
1952年7月24日公布的Keller的德國專利844806中介紹了用于鑄造層狀結構的單個模型，其中內核心比外層要提前鑄造。在該工序中，外層在內合金與其接觸之前已完全凝固。
在1967年11月21日公布的Robinson的美國專利3353934中介紹了一種鑄造系統，其中內隔室設在型腔中，以便基本上分隔不同合金成分的區域。隔板端部設計成可終止在剛好處于錠的凝固部分之上的″糊狀區″。在該″糊狀區″中，合金在隔板端部之下自由地混合，以形成層之間的結合。然而，該方法是不可控的，因為所用的隔板是″被動式的″，并且鑄造取決于槽位置的控制，而這種控制又需通過冷卻系統間接地控制。
在1995年12月21日公布的Matzner的德國專利DE 4420697中介紹了一種鑄造系統，其采用與Robinson的專利中類似的內隔室，其中隔板槽位置受控，以允許界面區的液相混合，從而形成在界面上的連續濃度梯度。
在1965年12月21日公布的Robertson等人的英國專利GB1184764中，提供了可動的隔板以分開共用鑄造槽，并允許鑄造兩種不同的金屬。隔板是可動的，以允許在一個界限內金屬可以完全地相互混合，在另一界限內可以鑄造兩條單獨的絞股。
在2003年5月1日公布的Kilmer等人的公布號為WO2003/035305的專利中介紹了一種鑄造系統，其在兩個不同合金層之間采用薄片材形式的屏障材料。薄片材具有足夠高的熔點，使得它在鑄造過程中保持完整，并且結合在最終的產品中。
1989年5月9日公布的Takeuchi等人的美國專利4828015介紹了一種在單個模型中鑄造兩種液態合金的方法，這是通過磁場在液態區中形成隔室并供給帶有單獨合金的兩個區來實現的。因此，供給至該區上部的合金就在供給至下部的金屬周圍形成了包殼。
Veillette的美國專利3911996介紹了具有外柔性壁以用于在鑄造過程中調節錠形狀的模型。
Steen等人的美國專利5947194介紹了類似于Veillette的模型，但允許更多的形狀控制。
Takeda等人的美國專利4498521介紹了一種金屬液面控制系統，其采用位于金屬表面上的浮標來測量金屬液面，并且反饋至金屬流控制系統。
Odegard等人的美國專利5526870介紹了一種采用了遙控檢測(雷達)探針的金屬液面控制系統。
Wagstaff的美國專利6260602介紹了模型，其具有可變的錐形壁以控制錠的外形。
本發明的一個目的是生產包括兩個或多個層的復合金屬錠，其中在相鄰層之間具有改進的冶金結合。
本發明的另一目的是提供用于控制界面溫度的器具，其中兩個或多個層結合在復合錠中，以改進相鄰層之間的冶金結合。
本發明的另一目的是提供用于控制界面形狀的器具，其中兩種或多種合金組合在復合金屬錠中。
本發明的另一目的是提供用于控制錠模型中的金屬液面的檢測方法，其尤其可用于有限空間中。
發明公開本發明的一個實施例是一種用于鑄造包括由一種或多種合金成分形成的至少兩個層的復合金屬錠的方法。該方法包括，提供具有供料端和出口端的開口端式環形模型，其中熔融金屬在供料端處添加，凝固的錠從出口端排出。分隔壁用于將供料端分成至少兩個單獨的供料室，分隔壁終止于模型的出口端之上，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室。對于各對相鄰的供料室而言，第一合金的第一流供給至這對供料室中的一個，以在第一室中形成金屬熔池，第二合金的第二流被供給而通過這對供料室中的第二室，以在第二室中形成金屬熔池。第一金屬熔池接觸到位于這對室之間的分隔壁以冷卻第一熔池，以形成相鄰于分隔壁的自支撐表面。第二金屬熔池然后與第一熔池相接觸，使得在其中自支撐表面的溫度處于第一合金的固相線和液相線溫度之間的點處，第二熔池首先接觸第一熔池的自支撐表面。兩個合金熔池因此結合成兩個層，并冷卻而形成復合錠。
優選的是，當第二合金的溫度高于第二合金的液相線溫度時，第二合金首先接觸第一合金的自支撐表面。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。
優選的是，在其中自支撐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之處，第二合金的上表面接觸第一熔池的自支撐表面。
在本發明的該實施例中，可通過冷卻第一合金熔池使得其中第二合金首先接觸自支撐表面之處的表面溫度處于液相線溫度和固相線溫度之間，來形成自支撐表面。
本發明的另一實施例包括用于鑄造包括由一種或多種合金成分形成的至少兩個層的復合金屬錠的方法。該方法包括提供具有供料端和出口端的開口端式環形模型，其中熔融金屬在供料端處添加進去，凝固的錠從出口端排出。分隔壁用于將供料端分成兩個單獨的供料室，分隔壁終止于模型的出口端之上，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室。對于各對相鄰的供料室而言，第一合金的第一流供給至這對供料室中的一個室，以在第一室中形成金屬熔池，第二合金的第二流被供給而通過這對供料室中的第二室，以在第二室中形成金屬熔池。第一金屬熔池接觸設在這對室之間的分隔壁以冷卻第一熔池，以形成相鄰于分隔壁的自支撐表面。第二金屬熔池然后與第一熔池相接觸，使得第二熔池在其中自支撐表面的溫度低于第一合金的固相線溫度之處首先接觸第一熔池的自支撐表面，以在兩合金之間形成界面。然后將界面重新加熱至第一合金的固相線和液相線溫度之間的溫度下，使得兩個合金熔池由此而結合成兩個層，并冷卻以形成復合錠。
在該實施例中，優選通過允許第一或第二合金熔池內的潛熱重新加熱表面，來實現重新加熱。
優選的是，當第二合金的溫度處于第二合金的液相線溫度之上時，第二合金最初接觸第一合金的自支撐表面。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。
優選的是，在其中自支撐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之處，第二合金的上表面接觸第一熔池的自支撐表面。
自支撐表面也可具有形成于其上的氧化層。它在強度上足以支撐通常會導致金屬在未受約束時展開的展開力。這些展開力包括由第一流的金屬靜力頭形成的力，以及在其中冷卻延伸至固相線以下然后通過重新加熱表面的情形下表面膨脹所產生的力。通過在第一合金仍處于半固態的同時使液態的第二合金首先與第一合金相接觸，或者在備選實施例中，通過確保合金之間的界面重新加熱至半固態，就可在兩合金之間形成不同的但結合在一起的界面層。另外，在第一合金層出現堅硬外殼之前就這樣形成了第二合金層和第一合金之間的界面的事實意味著，在成品產品中通過將冷卻劑直接施加在錠外表面上而產生的應力就得到更好的控制，這在鑄造裂紋敏感合金時是尤其有利的。
本發明的結果在于，在第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度下，在所露出的較短長度的錠上保持了第一合金和第二合金之間的界面。在一個具體實施例中，第二合金供給至模型中，使得模型中的第二合金的上表面與第一合金的表面相接觸，其中該表面的溫度處于固相線溫度和液相線溫度之間，因此就形成了已滿足該要求的界面。在備選實施例中，在第二合金的上表面接觸到第一合金的自支撐表面之后不久，該界面就被重新加熱至處于固相線和液相線溫度之間的溫度下。優選的是，當第二合金首先接觸第一合金的表面時，第二合金的溫度處于其液相線溫度之上。這樣，就保持了界面完整性，同時使某些合金組分足以在界面上遷移運動，以便有助于冶金結合。
如果第二合金接觸到其中第一合金表面的其中所處溫度充分地低于固相線下方(例如在已形成了顯著的固體外殼之后)之處，并且具有足夠的潛熱將界面重新加熱至第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度下，那么合金組分的遷移率就非常有限，從而形成了較差的冶金結合。這可導致在隨后的加工過程中出現脫層。
如果在第二合金接觸第一合金之前，未在第一合金上形成自支撐表面，那么合金就可自由地混合，在界面處就形成了擴散層或合金濃度梯度，使得界面不太清晰。
尤其優選的是，第二合金的上表面保持在分隔壁的底緣下方的位置。如果在模型中第二合金的上表面處于與第一合金表面相接觸的點之上，例如在分隔壁的底緣之上，那么所存在的危險在于，第二合金可能破壞第一合金的自支撐表面，或者甚至因過多的潛熱而完全重熔化該表面。如果出現了這種情況，就可能會在界面處出現合金的過度混合，或在某些情況下穿漏以及鑄造失敗。如果第二合金尤其遠在底緣之上接觸分隔壁，它甚至會過早地冷卻至其中與第一合金的自支撐表面的接觸不再形成高強度的冶金結合的點處。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緣但略處于底緣之上是有利的，因此分隔壁可用作氧化物撇渣器，以防止氧化物從第二層的表面結合在兩個層之間的界面中。這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，上表面位置必須得以小心地控制，以避免上述問題，并且不應在分隔壁底端之上超過大約3毫米。
在所有以上的實施例中，尤其有利的是，在第一合金的固相線溫度和凝聚溫度之間的溫度下使第二合金首先接觸第一合金，或者將這兩合金之間的界面重新加熱至處于第一合金的固相線溫度和凝聚溫度之間的溫度下。凝聚點以及產生凝聚的溫度(在固相線溫度和液相線溫度之間)是熔融金屬凝固過程中的過渡階段。當枝晶在冷卻的熔融金屬中尺寸變大并且開始相互間碰在一起時，就在整個合金體積中積聚起連續的固體網絡。在剪斷固體網絡所需的扭力出現突然增加時的點已知為″凝聚點″。對凝聚點及其定義的描述可見“鋁合金的凝固特性”卷3，第210頁的“枝晶凝聚”。
在本發明的另一實施例中，提供了用于鑄造金屬的裝置，其包括具有供料端和出口端和底部塊的開口端式環形模型，底部塊可配合在出口端中并且可在沿著環形模型軸線的方向上運動。模型的供料端分成至少兩個單獨的供料室，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室，其中相鄰的供料室被可增加或減少熱量的溫度受控的分隔壁分開。分隔壁終止于模型的出口端之上。各室包括金屬液面控制裝置，因此在相鄰對的室中，一個室中的金屬液面可保持在這些室之間的分隔壁下端以上的位置，另一室中的金屬液面可保持在與第一室中的液面不同的位置。
優選的是，另一室中的液面保持在分隔壁下端以下的位置。
分隔壁設計成使得所排出或增加的熱量是已校準的，以便在相鄰于分隔壁的第一室中的金屬上形成自支撐表面，并且在其中第二室中的金屬上表面可得以保持的點處，將第一室中金屬的自支撐表面的溫度控制在處于固相線溫度和液相線溫度之間。
可通過溫度控制流體經過分隔壁的一部分，而從分隔壁中除去熱量，或在其上端與分隔壁相接觸以控制自支撐層的溫度，這樣來小心地控制自支撐層的溫度。
本發明的另一實施例是一種用于鑄造包括至少兩種不同合金的復合金屬錠的方法，該方法包括提供開口端式環形模型，其具有供料端和出口端以及用于將供料端分成至少兩個單獨供料室的器具，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室。對于各對相鄰的供料室而言，第一合金的第一流通過相鄰供料室中的一個被供給進入所述模型中，第二合金的第二流被供給通過相鄰供料室中的另一個。溫度控制分隔壁設在相鄰供料室之間，使得其中第一合金和第二合金最初相互接觸的界面上的點的溫度通過溫度控制分隔壁而保持在第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間，因此合金流就結合成兩個層。使相結合的合金層冷卻，以形成復合錠。
第二合金優選剛好在處于分隔壁底部之下但不會首先接觸分隔壁的位置與第一合金相接觸。在任何情形下，在分隔壁底緣之下不小于大約2毫米但不大于20毫米、優選在分隔壁底緣之下大約4至6毫米的位置，第二合金應接觸到第一合金。
如果第二合金在接觸第一合金之前接觸到分隔壁，它可能會過早地冷卻至其中與第一合金的自支撐表面的接觸不再形成高強度冶金結合的點處。即使第二合金的液相線溫度足夠低而不會發生這種情況，但會存在的金屬靜力頭可導致第二合金供給至第一合金和分隔壁之間的空間內，從而導致鑄造缺陷或失敗。當第二合金的上表面需要處于分隔壁底緣之上(例如用于撇去氧化物)時，它必須小心地控制和定位成實際上盡可能靠近分隔壁的底緣，以避免這些問題。
相鄰對的供料室之間的分隔壁可為錐形的，并且錐形可沿著分隔壁的長度變化。分隔壁可進一步具有曲線的形狀。這些特征可用于補償在分隔壁所分開的室中所用的合金的不同熱性能和凝固性能，并由此而提供了對露出的錠中的最終界面的幾何形狀的控制。曲線形狀的壁也可用于形成帶有特殊幾何形狀層的錠，其可以更少的浪費來進行軋制。相鄰對的供料室之間的分隔壁可制作成柔性的，并且可進行調節，以確保在最終的鑄造和壓延產品中在兩合金層之間的界面是直的而與所用的合金無關，甚至在起始段中也是直的。
本發明的另一實施例是一種用于鑄造復合金屬錠的裝置，包括具有供料端和出口端和底部塊的開口端式環形模型，底部塊可配合在出口端內并且可沿著模型的軸線運動。模型的供料端分成至少兩個單獨的供料室，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室，并且其中相鄰的供料室被分隔壁分開。分隔壁是柔性的，定位裝置連接在分隔壁上，使得模型平面中的壁的曲率可在操作過程中變化預定的量。
本發明的另一實施例是用于鑄造包括至少兩種不同合金的復合金屬錠的方法，其包括提供具有供料端和出口端以及用于將供料端分成至少兩個單獨供料室的器具的開口端式環形模型，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室。對于相鄰對的供料室而言，第一合金的第一流被供給通過相鄰供料室之一而進入模型，并且第二合金的第二流被供給而通過相鄰供料室中的另一個。柔性分隔壁設在相鄰供料室之間，在鑄造過程中對柔性分隔壁的曲率進行調節，以在合金結合成兩層之處控制界面的形狀。然后使所結合的合金層冷卻，以形成復合錠。
金屬的供給要求進行小心的液面控制，這樣的一種方法是通過管來提供優選為惰性氣體的氣體慢流的，其中該管在相對于環形模型主體的固定點處帶有開口。開口在使用期間浸沒入模型中的金屬表面之下，測量氣體的壓力，并因此而確定管開口之上的金屬靜力頭。因此，所測得的壓力可用于直接控制流入模型中的金屬流，以便保持金屬的上表面處于恒定的液面水平。
本發明的另一實施例是一種鑄造金屬錠的方法，其包括提供具有供料端和出口端的開口端式環形模型，以及將熔融金屬流供給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屬熔池。在相對于模型主體的預定位置處將氣體輸送管端從模型管的供料端浸入金屬熔池中，并且使惰性氣體以足以保持管不會凝固的慢流率而泡狀通過氣體輸送管。測量所述管內的氣體壓力，以確定熔融金屬表面相對于模型主體的位置。
本發明的另一實施例是用于鑄造金屬錠的裝置，其包括具有供料端和出口端和底部塊的開口端式環形模型，底部塊配合在出口端中并且可沿著模型的軸線運動。金屬流量控制器設置成用于控制金屬可從外部源流入模型時的流率，還提供了包括氣體輸送管的金屬液面探測器，氣體輸送管通過氣體流量控制器而連接在氣體源上，并且具有設在模型供料端之下的預定位置處的開口端，因此在使用中，管的開口端通常會處于模型中的金屬液面以下。還提供了用于測量在流量控制器和氣體輸送管開口端之間的氣體輸送管中的氣體壓力的器具，所測得的氣體壓力適于控制金屬流量控制器，以便保持氣體輸送管的開口端所處的金屬位于預定的液面下。
用于測量金屬液面的這種方法和裝置尤其可用于測量和控制有限空間內的金屬液面，例如在多室模型的設計中的一部分或全部的供料室中。它可與采用浮標或類似表面位置監控器的其它金屬液面控制系統一起使用，例如，其中氣體管用于較小的供料室，而基于浮標或類似器件的進給控制系統用于較大的供料室。
在本發明的一個優選實施例中，提供了用于鑄造具有兩層不同合金的復合錠的方法，其中一種合金在由另一合金形成的矩形截面錠的更寬或″軋制″面上形成了層。對于該工序而言，提供了開口端式環形模型，其具有供料端和出口端，以及用于將供料端分成被溫度受控分隔壁分開的單獨相鄰供料室的器具。第一合金的第一流被供給通過供料室中的一個而進入模型中，第二合金的第二流被供給而通過供料室中的另一個，該第二合金具有比第一合金更低的液相線溫度。第一合金通過溫度受控的分隔壁冷卻，以形成延伸至分隔壁下端之下的自支撐表面，在其中自支撐表面的溫度保持在第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的位置，第二合金與第一合金的自支撐表面接觸，從而兩合金流結合成兩個層。然后使所結合的合金層冷卻，以形成復合錠。
在另一優選實施例中，兩個室構造成使得外室完全地圍繞內室，從而形成了其中一種合金的層完全地包圍第二合金核心的錠。
一個優選實施例包括在側面間隔開的兩個溫度受控的分隔壁，它們形成了三個供料室。因此，就提供了其中分隔壁位于每一側上的中心供料室，以及一對位于中心供料室每一側上的外供料室。第一合金流可被供給而通過中心供料室，而第二合金流被供給到兩個側室中。這種設置通常用于在中心核心材料上提供兩層包覆層。
也可以使該工序反過來，使得第一合金流被供給而通過側室，而第二合金流被供給而通過中心室。通過這種設置，鑄造就起始于側供料室，其中第二合金被供給而通過中心室，并且與緊接于分隔壁下方的這對第一合金接觸。
錠截面形狀可為任何傳統的形狀(例如圓形、方形、矩形或任何其它規則或不規則的形狀)，單個層的截面形狀也可在錠中變化。
本發明的另一實施例是包括細長錠的鑄錠產品，其在截面上包括兩個或多個不同成分的單獨合金層，其中相鄰合金層之間的界面為大致連續冶金結合的形式。這種結合的特征在于，在相鄰于界面的第二合金區域中，存在有第一合金的一種或多種金屬間成分的分散顆粒。一般在本發明中，第一合金是自支撐表面首先形成于其上的合金，第二合金在其表面溫度處于第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間時，與該自支撐表面相接觸，或者該界面隨后被重新加熱至第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度下。分散顆粒的直徑優選小于大約20微米，并且在界面的區域可高達大約200微米。
這種結合的特征還可在于，存在有第一合金的一種或多種金屬間成分的羽狀物或滲出物，其從界面延伸進入第二合金中相鄰于界面的區域中。當自支撐表面的溫度在與第二合金相接觸之前未降低至固相線溫度以下，尤其會形成這種特征。
羽狀物或滲出物優選從界面滲入第二合金中達大約100微米以下。
在第一合金的金屬間成分分散或滲入第二合金的位置，在相鄰于第一合金和第二合金之間的界面處，在第一合金中仍存在有包含少量金屬間顆粒的層，該層因此可形成比第一合金更貴的層，并且可使包覆材料具有抗蝕性。該層通常為4至8毫米厚。
這種結合的特征還可在于，在第二合金層中相鄰于界面之處，存在第一合金的合金組分的擴散層。在其中第一合金表面冷卻至第一合金的固相線溫度以下、并且第一合金和第二合金之間的界面被重新加熱至處于固相線溫度和液相線溫度之間的溫度的情形下，尤其會形成這種特征。
盡管并不希望受到任何原理的限制，但可以認為，這些特征的存在是通過在形成于其上的自支撐表面處形成第一合金的金屬間化合物的析出物而產生的，析出物隨后在接觸到該表面之后分散或滲入第二合金中。金屬間化合物的滲入受到界面處的展開力的輔助作用。
通過本發明方法所形成的層之間的界面其另一特征在于，在緊鄰于兩合金之間的界面處，在第一合金的晶界之間，存在來自于第二合金的合金組分。可以認為，當第二合金(一般仍處于其液相線溫度之上)與第一合金(處在第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度)的自支撐表面相接觸時，就會出現這種情況。在這些特殊條件下，第二合金的合金組分可沿著仍為液態的晶界擴散一段較短的距離(一般為大約50微米)，但不會進入已在第一合金表面形成的晶粒。如果界面的溫度處在這兩種合金的液相線溫度之上，就會產生合金的大致混合，并且第二合金組分將出現在晶粒以及晶界內。如果界面的溫度低于第一合金的固相線溫度，就不會出現晶界擴散。
所述的特殊界面特征是固態擴散或元素沿著受限液體通路運動或擴散所引起的特殊特征，并不會影響整個界面的大致清晰的屬性。
不管界面是如何形成的，界面的獨特結構都會在界面處提供強度好的冶金結合，因此該結構適用于軋制成片材，同時沒有與脫層或界面污染的有關問題。
在本發明的另一實施例中，提供了包括至少兩個金屬層的復合金屬錠，其中，通過使第二金屬層接觸第一金屬層的表面，使得當第二金屬層首先接觸第一金屬層的表面時，第一金屬層的表面處于其液相線和固相線溫度之間的溫度下，并且第二金屬層的溫度處于其液相線溫度之上，這樣來形成成對的相鄰層。這兩個金屬層優選由不同合金構成。
類似地，在本發明的另一實施例中，提供了包括至少兩個金屬層的復合金屬錠，其中，通過使第二金屬層首先接觸第一金屬層的表面，使得當第二金屬層首先接觸第一金屬層的表面時，第一金屬層的表面處于其固相線溫度之下的溫度下，并且第二金屬層的溫度處于其液相線溫度之上，而且在這兩個金屬層之間所形成的界面隨后被重新加熱至處于第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度下，這樣來形成成對的相鄰層。這兩個金屬層優選由不同合金構成。
在一個優選實施例中，錠具有矩形的截面，并且包括第一合金的核心和第二合金的至少一個表面層，該表面層施加在矩形截面的長側上。優選對這種復合金屬錠進行熱軋和冷軋加工，以形成復合金屬片材。
在一個特別優選的實施例中，核心的合金是鋁-錳合金，表面合金是鋁-硅合金。這種復合錠在進行熱軋和冷軋加工之后，可形成復合金屬釬焊片材，這種片材可進行釬焊操作，以形成抗蝕的釬焊結構。
在另一特別優選的實施例中，合金核心是廢料鋁合金，表面合金是純鋁合金。這種復合錠在進行熱軋和冷軋以形成復合金屬片材時，提供了便宜的回收產品，其具有改進的抗蝕性能、表面精加工能力，等等。在本文中，純鋁合金是熱導率大于190W/m/K、并且凝固溫度范圍小于50℃的鋁合金。
在另一特別優選的實施例中，合金核心是高強度的不可熱處理的合金(例如Al-Mg合金)，表面合金是可釬焊的合金(例如Al-Si合金)。這種復合錠在進行熱軋和冷軋以形成復合金屬片材時可容易地接受成形操作，并用于可之后進行釬焊或類似結合加工的汽車結構中。
在另一特別優選的實施例中，合金核心是高強度的可熱處理合金(例如2xxx合金)，表面合金是純鋁合金。這種復合錠在進行熱軋和冷軋后，形成了適用于飛機結構的復合金屬片材。這種純合金可選擇用于抗蝕或表面精加工，并且其固相線溫度最好應高于核心合金的固相線溫度。
在另一特別優選的實施例中，合金核心是中等強度的可熱處理合金(例如Al-Mg-Si合金)，表面合金是純鋁合金。這種復合錠在進行熱軋和冷軋之后，可形成適用于汽車封罩的復合金屬片材。純合金可選擇用于抗蝕或表面精加工，并且最好應具有高于核心合金之固相線溫度的固相線溫度。
在另一優選實施例中，錠具有圓柱形的截面，并且包括第一合金的核心和第二合金的同心表面層。在另一優選實施例中，錠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環形表面層。
附圖簡介在說明了本發明的某些優選實施例的附圖中
圖1是部分剖開的正視圖，顯示了單一分隔壁；圖2是合金之間的接觸的示意圖；圖3是類似于圖1的部分剖開的正視圖，但顯示了一對分隔壁；圖4是類似于圖3的部分剖開的正視圖，但其中第二合金具有比供給到中心室中的第一合金更低的液相線溫度；圖5a、5b和5c是平面圖，顯示了可與本發明一起使用的供料室的一些備選設置；圖6是圖1的一部分的部分剖開的放大圖，顯示了曲率控制系統；圖7是模型的平面圖，顯示了分隔壁的可變曲率的效果；圖8是圖1的一部分的放大圖，顯示了合金之間的錐形分隔壁；圖9是模型的平面圖，顯示了分隔壁的尤其優選的構造；圖10是示意圖，顯示了本發明的金屬液面控制系統；圖11是用于本發明的供料室之一的供料系統的透視圖；圖12是模型的平面圖，顯示了分隔壁的另一優選的構造；圖13是利用了本發明方法形成的一對相鄰合金之間的結合面的斷面的顯微照片，顯示了在相對的合金中形成了金屬間顆粒；
圖14是與圖13相同的結合面的斷面的顯微照片，顯示了金屬間羽狀物或滲出物的形成；圖15是在本發明范圍外的條件下加工而成的一對相鄰合金之間的結合面的斷面的顯微照片；圖16是利用本發明方法形成的包覆合金層和鑄造核心合金之間的結合面的斷面的顯微照片；圖17是利用本發明方法形成的包覆合金層和鑄造核心合金之間的結合面的斷面的顯微照片，并且顯示出在結合面處沿著包覆合金的晶界單獨地存在核心合金的組分；圖18是利用本發明方法形成的包覆合金層和鑄造核心合金之間的結合面的斷面的顯微照片，顯示了與圖17所示一樣存在的擴散合金組分；和圖19是利用本發明方法形成的包覆合金層和鑄造核心合金之間的結合面的斷面的顯微照片，并且也顯示了與圖17所示一樣存在的擴散合金組分。
本發明的最佳實施方式參考圖1，矩形鑄造模型組件10具有模型壁11，其形成了其中冷卻水13的流從中分配出的水套12的一部分。
模型的供料部分被分隔壁14分成兩個供料室。配備有可調式節流件32的熔融金屬輸送槽30和輸送噴嘴15將第一合金供給至一個供料室中，配備有側通道、輸送噴嘴16和可調式節流件31的第二金屬輸送槽24將第二合金供給至第二供料室中。可調式節流件31，32或者是手動調節的，或者響應于一些控制信號來調節進入各自供料室的金屬流。可垂直活動的底部塊單元17支撐正在形成的初期復合錠，并且在開始鑄造之前配合入模型的出口端中，隨后降低以允許形成錠。
參考圖2更清楚地所示，在第一供料室中，熔融金屬18的主體逐漸地冷卻，以形成相鄰于分隔壁下端的自支撐表面27，然后形成處于液態和固態之間的區19，其通常被稱為糊狀區。在該糊狀或半固態區之下是固態金屬合金20。具有比第一合金18更低液相線溫度的第二合金液流21供給至第二供料室中。這種金屬也形成糊狀區22，并且最終形成固態部分23。
在金屬與分隔壁14分離時，自支撐表面27典型地承受輕微的收縮，然后在逐漸承受金屬18的金屬靜力頭所引起的展開力時，會發生輕微的膨脹。自支撐表面具有足夠強度來約束這種力，即使表面的溫度會處于金屬18的固相線溫度之上。表面上的氧化層可有助于這種力的平衡。
分隔壁14的溫度通過經過封閉通道33的溫度控制流體而保持在預定的目標溫度，該通道33具有入口36和出口37來用于輸送和排出從分隔壁帶走熱量的溫度控制流體，以便形成用于在分隔壁35的端部之下來控制自支撐表面27溫度的冷卻界面。然后將第二室中的金屬21的上表面34保持在處于分隔壁14的下邊緣35之下的位置，同時將自支撐表面27的溫度保持成使得在其中表面27的溫度處于金屬18的固相線溫度和液相線溫度之間的點處，金屬21的表面34接觸到該自支撐表面27。典型地，表面34被控制在略處于分隔壁14下邊緣35之下的點處，一般離下邊緣大約2至20毫米。這樣，在該點處在兩股合金流之間形成的界面層之間就形成了非常牢固的冶金結合，同時不會出現合金的過度混合。
使金屬18的自支撐表面27的溫度處于所需范圍內所要求的冷卻劑的流量(和溫度)通常通過使用小的熱電偶來憑經驗確定，該熱電偶在金屬錠成形過程中嵌入金屬錠的表面27中，一旦形成了用于金屬18的既定成分和鑄造溫度(鑄造溫度是金屬18傳輸至供料室的入口端處的溫度)，就形成了用于這種合金的鑄造實踐的一部分。已經發現，尤其在通過通道33的固定冷卻劑流量的情形下，在出口37測得的離開分隔壁冷卻劑通道的冷卻劑的溫度與在分隔壁的底緣下方預定位置處的金屬自支撐表面的溫度很好地相關聯，因此，通過在冷卻劑通道的出口提供溫度測量器件如熱電偶或熱敏電阻40，就提供了控制該臨界溫度的簡單且有效的手段。
圖3是與圖1所示基本上相同的模型，但在這種情況下，一對分隔壁14和14a用于將模型的開口分成三個供料室。提供了用于第一金屬合金的中心室和用于第二金屬合金的一對外供料室。外供料室可適用于第二和第三金屬合金，在這種情況下，分隔壁14和14a的下端可定位在不同的位置，并且溫度控制對于兩個分隔壁而言可以不同，這取決于鑄造以及在第一合金和第二合金之間以及在第一和第三合金之間形成高強度結合界面的具體要求。
如圖4所示，也可以使合金倒過來，使第一合金流供給至外供料室中，而使第二合金流供給至中心供料室中。
圖5以平面圖顯示了若干更復雜的室設置。在這些設置中的每一設置中，具有用于模型的外壁11，以及分隔開單獨室的內分隔壁14。相鄰室之間的各分隔壁14必須被定位并且熱控制成使得可保持本文所述的用于鑄造的條件。這意味著，分隔壁可從模型的入口向下延伸并終止于不同位置處，并且可被控制在不同的溫度下，各室中的金屬液面可根據鑄造實踐的要求而被控制在不同的液面下。
使分隔壁14具有柔性或能夠在如圖6和7所示的模型平面中具有可變的曲率是有利的。曲率通常在起始位置14和穩態位置14′之間變化，以便在整個鑄造過程中保持恒定的界面。這通過臂25來實現，該臂25在一端連接在分隔壁14頂部上，并且通過線性執行機構26在水平方向上驅動。如果有必要，執行機構將受到熱屏蔽42的保護。
合金的熱性能可出現很大的變化，曲率的變化量和程度根據選擇用于錠中不同層的合金而是預定的。這一般是憑經驗確定的，以作為用于特定產品的鑄造實踐的一部分。
如圖8所示，分隔壁14也可在金屬18的一側上沿著垂直方向呈錐形43。這種錐形可沿著分隔壁14的長度變化，以便進一步控制相鄰合金層之間的界面形狀。這種錐形也可用在模型的外壁11上。這種錐形或形狀可利用例如在美國專利6260602(Wagstaff)中所述的原理來形成，并且也將取決于選擇用于相鄰層的合金。
分隔壁14由金屬(例如鋼或鋁)制造，并且可由石墨部分地制成，例如通過在錐形的表面上采用石墨嵌入體46來制成。油輸送通道48和凹槽47也可用于提供潤滑劑或分離物質。當然，嵌入體和油輸送構造可以本技術領域中已知的方式而用在外壁上。
分隔壁的一個特別優選的實施例如圖9所示。分隔壁14沿著矩形截面錠的一個或兩個長(軋制)面基本上平行于模型側壁11地延伸。在接近模型長側的端部處，分隔壁14具有90°的曲線45，并且終止于長側壁11上的位置50處，而不是完全地延伸至短的側壁。帶有這種分隔壁的包覆錠鑄件可進行軋制，從而與更傳統的軋制包覆工藝相比，可更好地保持片材寬度上的包覆形狀。圖8至所示的錐形也可應用于這種設計，其中，例如高度的錐形可用在彎曲表面45上，中等程度的錐形可用在直線段44上。
圖10顯示了控制鑄造模型中的金屬液面的方法，該方法可用于任何鑄造模型，無論是否用于鑄造分層狀的錠，但尤其適用于控制有限空間內的金屬液面，這種情況會在用于鑄造多層錠的模型中的一些金屬室中遇到。氣體供應源51(典型地為惰性氣體瓶)連接在流量控制器52上，流量控制器52將少量的氣體流傳輸至設在模型內的基準位置54處的帶有開口端53的氣體輸送管。氣體輸送管的內徑在其出口處典型地為3至5毫米之間。基準位置選擇成在鑄造操作過程中處于金屬55的頂面之下，并且該基準位置可根據鑄造實踐的要求而不同。
壓力傳感器56在流量控制器和開口端之間的點處連接在氣體輸送管上，以便測量管中氣體的反壓力。該壓力傳感器56又產生可與基準信號進行比較的信號，以通過本領域的技術人員已知的手段來控制進入該室的金屬流。例如，可以在難熔管58中使用可調的難熔塞子57，難熔管58又可從金屬輸送槽59供給。在使用中，氣體流被調節至較低的水平，其剛好足以保持氣體輸送管端開啟。嵌入在氣體輸送管開口端中的難熔纖維用于抑制因氣泡形成所引起的壓力波動。所測量的壓力然后用于確定氣體輸送管的開口端進入室中金屬表面之下的浸入程度，并因此確定金屬表面相對于基準位置的液面，因此，金屬進入該室的流率受到控制，以保持金屬表面處在相對于基準位置的預定位置。
流量控制器和壓力傳感器是常見的器件。然而，尤其優選的是，流量控制器能夠可靠地對氣體流進行5至10毫升/分鐘范圍內的流量控制。能夠測量大約0.1psi(0.689kPa)壓力的壓力傳感器在本發明中提供了金屬液面控制(至1毫米)的良好手段，即使在通過氣體輸送管開口端的慢起泡而導致壓力出現輕微波動的情形下，該組合也能提供良好的控制。
圖11顯示了本發明模型的頂部的一部分的透視圖。顯示了用于其中一個金屬室的供料系統，其尤其適用于將金屬供給至較窄的供料室中，這可用于在錠上形成包覆表面。在該供料系統中，通道60設置成相鄰于供料室，該供料室具有連接于其上的若干小的向下流槽61，這些流槽61終止于金屬的表面之下。通過本領域中已知的手段利用難熔織物制成的分配袋62安裝在各向下流槽61的出口周圍，以改善金屬分布和溫度的均勻性。通道又從槽68供給，其中單條向下流槽69延伸進入通道中的金屬內，并且在槽68中插入了傳統設計的流量控制塞子(未示出)。該通道定位成并且在水平高度上設置成使得金屬均勻地流向所有的位置。
圖12顯示了分隔壁14的另一優選設置，其用于鑄造在兩個面上都進行了包覆的矩形截面錠。分隔壁具有沿著矩形截面錠的一個或兩個長(軋制)面而基本上平行于模型側壁11的直線段44。然而，在這種情況下，各分隔壁具有彎曲的端部分49，其在位置41處與模型的更短端壁相交。與更傳統的軋制包覆工藝相比，這又可用于保持片材寬度上的包覆形狀。盡管顯示為用于在兩個面上進行包覆，但也可很好地用于在錠的單一面上進行包覆。
圖13是放大15倍的顯微照片，顯示了在本發明的條件下鑄造的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，余量為Al和不可避免的雜質)和Al-Si合金82(AA4147，其包含12％重量的Si，0.19％重量的Mg，余量為Al和不可避免的雜質)之間的界面80。Al-Mn合金具有1190(643℃)的固相線溫度和1215(657℃)的液相線溫度。Al-Si合金具有1070(576℃)的固相線溫度和1080(582℃)的液相線溫度。Al-Si合金被供給至鑄造模型中，使得可保持金屬的上表面，因此該上表面可在其中自支撐表面已形成于Al-Mn合金上的位置處接觸到Al-Mn合金，但該上表面的溫度處在Al-Mn合金的固相線溫度和液相線溫度之間。
在樣品上呈現了清楚的界面，表明沒有發生合金的混合，但作為附加，在相鄰于Al-Mn和Al-Si合金之間的界面80處，在Al-Si合金82中大約200微米的帶內，可見到包含Mn 85的金屬間化合物顆粒。金屬間化合物主要為MnAl6和α-AlMn。
圖14是放大200倍的顯微照片，顯示了與圖13所示相同合金組成的界面80，其中，在Al-Si合金與Al-Mn合金接觸之前，不允許其自身表面溫度降低至低于Al-Mn合金的固相線溫度。可觀察到，羽狀物或滲出物88從Al-Mn合金81中從界面80延伸進入Al-Si合金82中，該羽狀物或滲出物具有包含Mn的金屬間成分，其類似于圖13中的顆粒。羽狀物或滲出物典型地延伸進入相鄰的金屬達100微米。合金之間的所得結合是牢固的冶金結合。包含Mn85的金屬間化合物顆粒也可在該顯微照片中見到，并且具有一般達20微米的尺寸。
圖15是(放大300倍)的顯微照片，顯示了Al-Mn合金(AA3003)和Al-Si合金(AA4147)之間的界面，但其中Al-Mn自支撐表面冷卻至比Al-Mn合金的固相線溫度還要低大約5℃，在該點處，Al-Si合金的上表面接觸到Al-Mn合金的自支撐表面。合金之間的結合線90是清晰可見的，表明因此而形成了較弱的冶金結合。在第二合金中也沒有第一合金的滲出物或分散的金屬間成分。
根據本發明的工藝來鑄造多種合金組合。鑄造條件調節成使得在第二合金的上表面處，第一合金的表面溫度處在第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間。在所有情形下，將合金鑄造成690毫米×1590毫米和3米長度的錠，然后通過傳統的預加熱、熱軋和冷軋來進行加工。該合金組合鑄件在下表1中所示。所采用的傳統用語″核心″是指兩種復合合金中的更厚的支撐層，″包覆層″是指表面功能層。在該表中，第一合金是首先鑄造的合金，第二合金是與第一合金的自支撐表面相接觸的合金。
表1
在這些示例中的每一個中，包覆層是待固化的第一合金，核心合金在已形成自支撐表面但表面溫度仍處于以上給定的L-S范圍內的點處而施加在包覆合金上。這可與其中包覆合金具有比核心合金更低的熔化范圍的上述釬焊片材的示例進行比較，在上述釬焊片材的情形下，包覆合金(″第二合金″)施加在核心合金(″第一合金″)的自支撐表面上。在以上四種鑄件中，獲取包覆層和核心之間的界面的顯微照片。顯微照片放大了50倍。在每一圖像中，″包覆″層在左邊，″核心″層在右邊。
圖16顯示了鑄件#051804的在包覆合金0303和核心合金3104之間的界面。在從包覆材料至更合金化的核心層之間，界面沒有晶粒結構的變化。
圖17顯示了鑄件#030826的在包覆合金1200和核心合金2124之間的界面。這些層之間的界面通過圖中的虛線94來表示。在該圖中，2124合金的合金組分的在離界面較短的距離處存在于1200合金的晶界中。這些合金組分在圖中顯示為間隔開的″指狀物″物質，其中一個指狀物由標號95表示。可以看到，2124合金組分延伸了大約50微米的一段距離，在這些條件下，這樣的距離一般相當于1200合金的單個晶粒。
圖18顯示了鑄件#031013的在包覆合金0505和核心合金6082之間的界面，圖19顯示了鑄件#030827的在包覆合金1050和核心合金6111之間的界面。在這些圖中的每一圖中，可在緊鄰于界面處在包覆合金的晶界中，可見到核心合金的合金組分。
權利要求
1.一種用于鑄造包括由一種或多種合金成分形成的至少兩個層的復合金屬錠的方法，所述方法包括提供具有供料端和出口端的開口端式環形模型，其中，熔融金屬在所述供料端處添加，凝固的錠從所述出口端排出，分隔壁用于將所述供料端分成至少兩個單獨的供料室，所述分隔壁終止于所述模型的出口端之上，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室，對于各對所述相鄰的供料室，第一合金的第一流供給至所述這對供料室中的一個室中，以在所述第一室中形成金屬熔池，第二合金的第二流被供給而通過所述這對供料室中的第二室，以在所述第二室中形成金屬熔池，所述金屬熔池各自具有上表面，使所述第一熔池與所述這對室之間的分隔壁相接觸以冷卻所述第一熔池，以形成相鄰于所述分隔壁的自支撐表面，并允許所述第二金屬熔池與所述第一熔池相接觸，使得在其中所述自支撐表面的溫度處于所述第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的點處，所述第二熔池首先接觸所述第一熔池的所述自支撐表面，從而使兩個合金熔池結合成兩個層，并冷卻所述所結合的合金層，以形成復合錠。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一合金和第二合金具有相同的成分。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一合金和第二合金具有不同的成分。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一合金的自支撐表面的溫度處于所述第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的位置處，所述第二合金的上表面接觸所述第一合金的自支撐表面。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第一合金的自支撐表面的溫度處于所述第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的位置處，所述第二合金的上表面接觸所述第一合金的自支撐表面。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二合金在首先接觸所述第一合金的自支撐表面時的溫度大于或等于所述第二合金的液相線溫度。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的方法，其特征在于，用于分開所述供料端的所述分隔壁包括位于各所述成對的室之間的溫度受控的分隔壁。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述溫度受控的分隔壁用于在其中所述第二合金的上表面接觸所述自支撐表面的位置處控制所述第一合金的自支撐表面的溫度。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，溫度控制流體與所述溫度受控的分隔壁接觸，以經由所述分隔壁來控制所增加或排掉的熱量。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述溫度控制流體流過封閉的通道，通過測量離開所述通道的所述流體的出口溫度，來控制所述自支撐表面的溫度。
11.根據權利要求1-10中任一項所述的方法，其特征在于，所述第二合金熔池的上表面保持在所述分隔壁下端之下的液面水平。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二合金熔池的上表面保持在離所述分隔壁的底緣2毫米之內。
13.根據權利要求1-12中任一項所述的方法，其特征在于，所述分隔壁的曲率在鑄造過程中是變化的。
14.根據權利要求1-12中任一項所述的方法，其特征在于，所述分隔壁在與所述第一合金相接觸的面上設有外錐形。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述錐形沿著所述分隔壁的長度而變化。
16.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，通過提供氣體源來控制一個或多個所述金屬熔池的上表面的位置，將所述氣體傳輸通過開口端式管，其中所述開口端設在室內的基準點處，使得在使用中所述開口端將處于該室中的上表面之下，控制所述氣體的流率以保持通過所述管的氣體具有足以保持所述管開啟的慢流率，測量所述管中的所述氣體的壓力，將所述測量的壓力與預定的目標比較，并調節進入所述室的所述金屬流的流量，以便將所述上表面保持在所需的位置。
17.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述模型具有矩形的截面，并且包括兩個不同尺寸的供料室，其定向成平行于所述矩形模型的長面，以便形成在一個面上具有包覆層的矩形錠。
18.根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一合金供給至所述兩個供料室中較大的那一個室。
19.根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二合金供給至所述兩個供料室中較大的那一個室。
20.根據權利要求17、18或19所述的方法，其特征在于，所述分隔壁基本上平行于所述模型的長面，并且帶有終止于所述模型的長壁處的彎曲端部分。
21.根據權利要求17、18或19所述的方法，其特征在于，所述分隔壁基本上平行于所述模型的長面，并且帶有終止于所述模型的短端壁處的彎曲端部分。
22.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述模型具有矩形截面，并且包括定向成平行于所述矩形模型長面的三個供料室，其中，所述中心室大于所述兩個側室中的任一個側室，以形成在兩個面上具有包覆層的矩形錠。
23.根據權利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一合金供給至所述中心室。
24.根據權利要求22所述的方法，其特征在于，所述第二合金供給至所述中心室。
25.根據權利要求22、23或24所述的方法，其特征在于，所述分隔壁基本上平行于所述模型的長面，并且帶有終止于所述模型的長壁處的彎曲端部分。
26.根據權利要求22、23或24所述的方法，其特征在于，所述分隔壁基本上平行于所述模型的長面，并且帶有終止于所述模型的短端壁處的彎曲端部分。
27.一種用于鑄造包括由一種或多種合金成分形成的至少兩個層的復合金屬錠的方法，所述方法包括，提供具有供料端和出口端的開口端式環形模型，其中熔融金屬在所述供料端處添加入，凝固的錠從所述出口端排出，分隔壁用于將所述供料端分成至少兩個單獨的供料室，所述分隔壁終止于所述模型的出口端之上，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室，其中，對于各對相鄰的供料室而言，第一合金的第一流供給至所述這對供料室中的一個室，以在所述第一室中形成金屬熔池，第二合金的第二流被供給而通過所述這對供料室中的第二室，以在所述第二室中形成金屬熔池，所述金屬熔池各自具有上表面，使所述第一金屬熔池接觸位于所述這對室之間的分隔壁以冷卻所述第一合金熔池，以形成相鄰于所述分隔壁的自支撐表面，并允許所述第二合金熔池與所述第一合金熔池相接觸，使得所述第二合金熔池在其中所述自支撐表面的溫度低于所述第一合金的固相線溫度的點處接觸所述第一合金熔池的自支撐表面，以在所述第一合金和所述第二合金之間形成界面，以及將所述界面重新加熱至處于所述第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度下，使得所述兩個合金熔池由此而結合成兩個層，并使所述所結合的合金層冷卻，以形成復合錠。
28.根據權利要求27所述的方法，其特征在于，所述界面通過所述第一合金和所述第二合金的潛熱而被重新加熱。
29.根據權利要求27所述的方法，其特征在于，所述第二合金在首先接觸所述第一合金的自支撐表面時的溫度大于或等于所述第二合金的液相線溫度。
30.一種用于生產復合金屬錠的鑄造裝置，包括具有供料端、出口端及活動底部塊的開口端式環形模型，所述底部塊適于配合在所述出口端中并且可在沿著所述環形模型軸線的方向上運動，其中，所述模型的供料端分成至少兩個單獨的供料室，各供料室相鄰于至少另一個供料室，其中，成對的相鄰供料室被終止于所述模型出口端之上的溫度受控的分隔壁分開，還包括用于將金屬傳輸至各供料室的器具，用于控制流向各供料室的金屬流的器具，以及用于各室的金屬液面控制裝置，使得在成對的相鄰室中，所述第一室中的金屬液面可保持在所述溫度受控的分隔壁的下端之上的位置，所述第二室中的金屬液面可保持在與第一室中的金屬液面不同的位置。
31.根據權利要求30所述的鑄造裝置，其特征在于，所述第二室中的金屬液面可保持在所述分隔壁的下端之下的位置。
32.根據權利要求30所述的鑄造裝置，其特征在于，具有入口和出口的用于溫度控制流體的封閉通道與所述溫度受控的分隔壁相連。
33.根據權利要求32所述的鑄造裝置，其特征在于，溫度測量裝置設在所述流體出口處。
34.根據權利要求30-33中任一項所述的鑄造裝置，其特征在于，所述鑄造裝置包括線性執行機構和控制臂，其連接在所述溫度受控的分隔壁上，使得可改變所述分隔壁的曲率。
35.根據權利要求30-33中任一項所述的鑄造裝置，其特征在于，所述溫度受控的分隔壁在面向所述第一室的表面上向外呈錐形。
36.根據權利要求35所述的鑄造裝置，其特征在于，所述錐形沿著所述分隔壁的長度變化。
37.根據權利要求30所述的鑄造裝置，其特征在于，所述鑄造裝置包括石墨嵌入體，其位于所述溫度控制分隔壁的面向所述第一室的表面上。
38.根據權利要求30所述的鑄造裝置，其特征在于，所述鑄造裝置包括流體輸送通道，其用于將潤滑劑或分離層提供至所述分隔壁的表面。
39.根據權利要求35所述的鑄造裝置，其特征在于，所述石墨是多孔的，所述溫度受控的分隔壁中的一個或多個流體輸送通道用于使流體經由所述多孔石墨而傳輸至所述分隔壁的面向所述第一室的所述表面。
40.根據權利要求30所述的鑄造裝置，其特征在于，所述金屬液面控制裝置包括氣體源，用于控制從所述氣體源流出的氣體流量的流量控制器，在一端連接在所述流量控制器上并且在另一端開口的管，以及連接在所述管上以用于測量所述管內氣壓的壓力計，所述管的開口端在相對于所述模型主體的預定位置設在所述室內，使得在使用中，所述管的開口端浸入所述室內的金屬中，其中，響應于從所述壓力計測得的壓力，來控制用于控制流向所述室的金屬流的所述器具，以保持所述金屬液面處在預定位置。
41.根據權利要求30所述的鑄造裝置，其特征在于，用于將金屬傳輸至所述室的所述器具包括金屬輸送槽，以及連接在所述槽上的一個或多個開口端式金屬輸送管。
42.根據權利要求41所述的鑄造裝置，其特征在于，所述一個或多個開口端式管設在所述室內，使得在使用中，所述開口端浸入金屬中。
43.一種復合金屬鑄錠，其包括多個大致平行的縱長層，其中相鄰層由不同成分的合金形成，其中相鄰合金層之間的界面為基本上連續的冶金結合的形式，其特征在于，在相鄰于所述界面的所述相鄰合金之第二合金的區域中，存在有所述相鄰合金之第一合金的一種或多種金屬間成分的分散顆粒。
44.根據權利要求43所述的復合金屬鑄錠，其特征在于，在所述相鄰合金之一中存在有一種或多種金屬間成分的羽狀物或滲出物，其從所述界面延伸進入所述相鄰合金之中的第二合金。
45.根據權利要求43所述的復合金屬鑄錠，其特征在于，在相鄰于所述界面處，存在有所述相鄰合金之所述第二合金的層，其包含分散在所述層內的所述相鄰合金之所述第一合金的元素。
46.一種用于鑄造包括不同合金所形成的至少兩個層的復合金屬錠的方法，所述方法包括，提供具有供料端和出口端的開口端式環形模型，其中，熔融金屬在所述供料端處添加入，凝固的錠從所述出口端排出，分隔壁用于將所述供料端分成至少兩個單獨的供料室，所述分隔壁終止于所述模型的出口端之上，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室，其中，對于各對相鄰的供料室而言，第一合金的第一流供給至所述這對供料室中的一個室，以在所述第一室中形成金屬熔池，第二合金的第二流被供給而通過所述這對供料室中的第二室，以在所述第二室中形成金屬熔池，所述金屬熔池各自具有上表面，其中，用于分隔所述供料端的所述分隔壁包括位于各個所述這對室之間的溫度受控的分隔壁，使得在所述兩股流于所述溫度受控的分隔壁之下相接觸處的界面溫度保持在所述這兩種合金的固相線溫度之上的溫度下，從而使所述兩股合金流結合成兩個層，并冷卻所述所結合的合金層，以形成復合錠。
47.根據權利要求46所述的方法，其特征在于，在所述兩股合金流相接觸之處，所述兩股合金流之一的溫度保持在所述液相線溫度以下的溫度。
48.根據權利要求47所述的方法，其特征在于，在所述兩股合金流相接觸之處，所述兩股合金流之中另一合金流的溫度保持在所述液相線溫度以上的溫度。
49.一種用于鑄造包括不同合金所形成的至少兩個層的復合金屬錠的方法，所述方法包括，提供具有供料端和出口端的開口端式環形模型，其中，熔融金屬在所述供料端處添加入，凝固的錠從所述出口端排出，分隔壁用于將所述供料端分成至少兩個單獨的供料室，所述分隔壁終止于所述模型的出口端之上，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室，其中，對于各對相鄰的供料室而言，第一合金的第一流供給至所述這對供料室中的一個室，以在所述第一室中形成金屬熔池，第二合金的第二流被供給而通過所述這對供料室中的第二室，以在所述第二室中形成金屬熔池，所述金屬熔池各自具有上表面，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狀在鑄造工藝過程中可進行調節，從而使所述兩股合金流結合成兩個層，并冷卻所述所結合的合金層，以形成全部具有均勻界面的復合錠。
50.一種用于生產復合金屬錠的鑄造裝置，包括具有供料端、出口端及活動底部塊的開口端式環形模型，所述底部塊適于配合在所述出口端中并且可在沿著所述環形模型軸線的方向上運動，其中，所述模型的供料端分成至少兩個單獨的供料室，各供料室相鄰于至少另一個供料室，其中，成對的相鄰供料室被終止于所述模型出口端之上的分隔壁分開，其中所述分隔壁是柔性的，并且提供了連接在所述分隔壁上的一個或多個線性執行機構和控制臂，以允許在鑄造操作過程中可改變所述分隔壁的形狀。
51.一種用于鑄造金屬錠的方法，所述方法包括，提供具有供料端和出口端的開口端式環形模型，其中，熔融金屬在所述供料端處添加，凝固的錠從所述出口端排出，其中熔融金屬流供給至所述供料端以形成具有上表面的金屬熔池，其中，通過提供氣體源來控制所述上表面的位置，將所述氣體傳輸通過開口端式管，其中所述開口端設在所述模型內的預定基準點處，使得所述開口端將處于所述金屬熔池的上表面之下，控制所述氣體的流率以保持通過所述管的氣體具有足以保持所述管開啟的慢流率，測量所述管內氣體的壓力，將所述測量的壓力與預定的目標比較，并調節進入所述模型的所述金屬流的流量，以便將所述表面保持在所需的位置。
52.一種用于生產金屬錠的鑄造裝置，包括具有供料端、出口端及活動底部塊的開口端式環形模型，所述底部塊適于配合在所述出口端中并且可在沿著所述環形模型軸線的方向上運動，還包括用于將金屬傳輸至所述模型的器具，用于控制流向所述模型的金屬流的器具，以及包括氣體源的金屬液面控制裝置，用于控制從所述氣體源流出的氣體流量的流量控制器，在一端連接在所述流量控制器上并且在另一端開口的管，連接在所述管上以用于測量所述管內氣壓的壓力計，其中，所述管的開口端在相對于所述模型主體的預定位置處設在所述室內，使得在使用中，所述管的開口端浸入所述模型內的金屬中，其中，響應于從所述壓力計測得的壓力，來控制用于控制流向所述模型的金屬流的所述器具，以保持所述金屬液面處在預定的位置。
53.一種用于鑄造包括不同合金成分的至少兩個層的復合金屬錠的方法，其中，通過將熔融狀態下的所述第二合金施加在所述第一合金的表面上，同時使所述第一合金的表面處在所述第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度下，來形成包括第一合金和第二合金的成對的相鄰層。
54.一種復合金屬錠，其包括不同合金成分的至少兩個層，其中，通過將熔融狀態下的所述第二合金施加在所述第一合金的表面上，同時使所述第一合金的表面處在所述第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度下，來形成包括第一合金和第二合金的成對的相鄰層。
55.根據權利要求54所述的復合金屬錠，其特征在于，所述錠的截面為矩形，并且包括所述第一合金的核心層，以及位于所述矩形長側上的所述第二合金的至少一個表面層。
56.根據權利要求55所述的復合金屬錠，其特征在于，所述第一合金是鋁-錳合金，所述第二合金是鋁-硅合金。
57.一種復合片材產品，其包括根據權利要求56所述的經熱軋和冷軋的復合金屬錠。
58.根據權利要求57所述的復合片材產品，其特征在于，所述片材產品包括釬焊片材。
59.根據權利要求58所述的復合片材產品，其特征在于，所述片材產品利用基于焊劑的或無焊劑的釬焊方法而結合在釬焊結構中。
60.根據權利要求55所述的復合金屬錠，其特征在于，所述第一合金是廢料鋁合金，所述第二合金為其熱導率大于190W/m/K、并且凝固溫度范圍小于50℃的鋁合金。
61.一種復合片材產品，其包括根據權利要求60所述的經熱軋和冷軋的復合金屬錠。
62.根據權利要求55所述的復合金屬錠，其特征在于，所述第一合金是鋁-鎂合金，所述第二合金是鋁-硅合金。
63.一種復合片材產品，其包括根據權利要求62所述的熱軋和冷軋的復合金屬錠。
64.根據權利要求63所述的復合片材產品，其特征在于，所述片材產品包括可釬焊的汽車構件。
65.根據權利要求55所述的復合金屬錠，其特征在于，所述第一合金是可熱處理的高強度鋁合金，所述第二合金是其熱導率大于190W/m/K、并且凝固溫度范圍小于50℃的鋁合金。
66.一種復合片材產品，其包括根據權利要求65所述的經熱軋和冷軋的復合金屬錠。
67.根據權利要求66所述的復合片材產品，其特征在于，所述片材產品包括抗蝕的飛機用片材。
68.根據權利要求55所述的復合金屬錠，其特征在于，所述第一合金是鋁-鎂-硅合金，所述第二合金是其熱導率大于190W/m/K、并且凝固溫度范圍小于50℃的鋁合金。
69.一種復合片材產品，其包括根據權利要求68所述的經熱軋和冷軋的復合金屬錠。
70.根據權利要求69所述的復合片材產品，其特征在于，所述片材產品包括汽車封罩面板。
71.一種包括細長錠的鑄錠產品，其在截面中包括兩種或多種不同合金成分的單獨合金層，其中相鄰合金之間的界面為大致連續冶金結合的形式，其特征在于，在相鄰于所述界面的所述相鄰合金之第二合金的區域中，存在有所述相鄰合金之第一合金的一種或多種金屬間成分的分散顆粒。
72.根據權利要求71所述的鑄錠產品，其特征在于，在所述相鄰合金之一的一種或多種金屬間成分上存在有羽狀物或滲出物，其從所述界面延伸進入相鄰于所述界面的相鄰合金之第二合金的區域內。
73.根據權利要求71所述的鑄錠產品，其特征在于，在所述鑄造產品中存在相鄰于所述界面的擴散帶，在相鄰合金層之第二合金層中，包含有來自于相鄰合金層之第一合金層的合金化元素。
74.根據權利要求71所述的鑄錠產品，其特征在于，在所述鑄造產品中存在這樣的層，所述層在所述相鄰合金層之間的界面處，具有比相鄰合金層之第一合金層內所具有的金屬間顆粒量要少的金屬間顆粒。
75.根據權利要求74所述的鑄錠產品，其特征在于，具有較少量金屬間顆粒的所述層的厚度處于4至8毫米之間。
76.一種包括細長錠的鑄錠產品，其在截面中包括兩個或多個在相鄰層中具有不同合金成分的單獨合金層，其中相鄰的第一合金和第二合金合金之間的界面為在所述第一合金和第二合金之間形成大致連續冶金結合的形式，其中所述第二合金的合金組分只出現在相鄰于所述界面的所述第一合金的晶界處。
77.根據權利要求76所述的鑄錠產品，其特征在于，通過將熔融狀態的所述第二合金施加在所述第一合金的表面上，同時使所述第一合金的表面處在所述第一合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度下，所述第二合金的合金組分就會出現在所述第一合金的晶界處。
全文摘要
介紹了用于鑄造包括由一種或多種合金成分形成的至少兩個單獨形成層的復合金屬錠的方法和裝置。開口端式環形模型具有供料端和出口端，以及用于將供料端分成至少兩個單獨的供料室的分隔壁，其中各供料室相鄰于至少另一個供料室。對于各對相鄰的供料室而言，第一合金流被供給而通過這對供料室中的一個而進入模型中，第二合金流被供給而通過這對供料室中的另一室。自支撐表面形成于第一合金流的表面上，第二合金流與第一流接觸，使得第二合金流的上表面保持在一定的位置，使得該上表面在其中自支撐表面的溫度處于第一合金的液相線溫度和固相線溫度之間之處首先接觸該自支撐表面，或者該上表面在其中自支撐表面溫度低于第一合金的固相線溫度之處首先接觸該自支撐表面，但兩合金之間的界面被重新加熱至處于液相線溫度和固相線溫度之間的溫度下，從而使兩股合金流結合成兩個層。所結合的合金層然后冷卻，以形成復合錠。這種復合錠具有在合金層之間大致連續的冶金結合，其中第一合金的一種或多種金屬間成分的分散顆粒在相鄰于界面處出現在第二合金的區域中。
文檔編號B22D11/103GK1852783SQ200480023704
公開日2006年10月25日 申請日期2004年6月23日 優先權日2003年6月24日
發明者M·D·安德森, K·T·庫波, T·F·比肖夫, W·J·芬頓, E·W·里夫斯, B·斯彭德洛夫, R·B·瓦斯塔夫 申請人:諾維爾里斯公司