等軸細晶淬火表面的製作方法

2023-12-07 23:29:06 2

專利名稱：等軸細晶淬火表面的製作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及通過快速冷卻熔融金屬來生產金屬帶或金屬絲的領域；更特別地，涉及獲得快速淬火效果的表面的特性。人們驚奇地發現一個具有細緻的、等軸的、重結晶的微觀組織的呈緊湊的高斯晶粒尺寸分布的淬火表面，可以改善快速凝固的金屬條的表面光潔度。
現有技術描述合金帶的連續澆鑄是通過在旋轉的澆鑄輪上沉積熔融合金來完成的。當熔融金屬流變小並被輪子的運動淬火表面冷卻時，合金條就形成了。因為是連續澆鑄，輪子的淬火表面必須承受機械損傷，這種損傷可能源於澆鑄過程中產生的熱循環所引起的循環應力。可以採用一些方法來提高淬火表面的性能，其中包括使用具有高傳熱性和高機械強度的合金。例如各種銅合金、鋼等。另一方面，象歐洲專利No.EP0024506所公開的那樣，可以在澆鑄輪淬火表面上鍍各種鍍層以提高其性能。在美國專利4,142,571中詳細地闡述了一種合適的澆鑄工藝，該專利公開內容在此作為參考。
現有技術中的澆鑄輪淬火表面一般包括以下兩種形式中的一種單晶的形式或組合的形式。單晶的淬火表面由一塊鑄成了澆鑄輪外形的合金實體塊構成，該澆鑄輪上可以提供冷卻通道。組合的澆鑄輪包括許多構成澆鑄輪的片，在裝配時將其組裝成一個澆鑄輪。正如美國專利NO.4,537,239中所公開的那樣，本公開的澆鑄輪淬火表面改進方法適用於所有的澆鑄輪。
選擇構成澆鑄輪淬火表面的材料時，一般要考慮到某些機械性能，比如硬度、拉伸和屈服強度以及延伸率等，有時和導熱性結合在一起考慮。考慮這些是為了獲得某種給定合金的導熱性和機械性能的儘可能的最佳組合。這樣做有兩重原因1〕在澆鑄時提供高度的淬火；2〕防止淬火表面的機械損傷，這種損傷降低了合金條的幾何定型。為了研製出一種具有優異性能特點的淬火表面，還必須考慮到動態的或周期的機械性能。
選擇材料不當的一個後果是由於凹坑的形成從而導致澆鑄輪表面的迅速惡化。凹坑是一種細小的缺陷，一般在它們深到0.1mm時可以觀察到；在鑄造過程中它們沿縱深方向和徑向生長。這些澆鑄輪表面的不規則在澆鑄帶上引起了相應的缺陷突起。這些突起不僅影響到澆鑄帶的表面光潔度，還影響到澆鑄帶在變壓器鐵心、防盜系統、釺焊物品等方面的應用效果。這些缺陷對快速淬火帶的價值和客戶的滿意度的重要影響是顯而易見的。
表面缺陷限制了澆鑄輪淬火表面的壽命並且降低了澆鑄帶的表面質量。這進而降低了這些澆鑄帶對客戶的可用性，客戶的設計必須要說明與他可能得到的最差的澆鑄帶表面質量相關的特性的用途。即使在選擇了機械和熱特性好的材料時，比如銅(Cu)、鉻(Cr)和銅(Cu)、鈹(Be)類合金，澆鑄輪的淬火表面光潔度也會快速惡化。在本發明技術領域中需要有一種在一更長時間內可抵抗快速惡化並能生產出具有一個無缺陷的表面的澆鑄帶的淬火表面。
發明概述本發明提供了一種用於連續澆鑄合金條的裝置。一般來講，該裝置有一個包含一個快速運動著的淬火平面的澆鑄輪，該淬火平面用以冷卻沉積於其上的合金層使其快速凝固形成一條連續的合金條。淬火表面由傳熱性能好的合金構成，這種合金具有細緻的、等軸的、重結晶的微觀組織，並呈高斯晶粒分布。
本發明中的澆鑄輪可以包括一種冷卻裝置以在熔融金屬在其上沉積和淬火的這段時間裡，使上述淬火表面基本保持恆溫。在靠近淬火表面的地方安裝有一個噴嘴以將熔融合金噴出。熔融合金由噴嘴噴至淬火表面的某個區域，在那裡沉積下來，一個與噴嘴相連的容器中裝有熔融的合金並將合金送到噴嘴處。
優選地，淬火表面由細緻的等軸重結晶粒組成，晶粒呈緊湊高斯晶粒尺寸分布且平均的晶粒尺寸小於80μm。使用具有這些品質的淬火表面顯著地提高了淬火表面的使用壽命。在淬火表面上進行澆鑄的運行次數大大延長了，且每次運轉期間澆鑄的材料的量以3倍或更多的倍數增長。澆鑄到淬火表面上的合金帶上缺陷少得多了，因而壓緊係數(％層迭結構)提高了，用這種合金帶製成的電力分配變壓器的效率也提高了。在兩次澆鑄之間，淬火表面的運轉反應特別連貫。這使得相同期間的運行次數大體上是可重複的，從而使將維護工作列入計劃更容易。有利地，在這種表面上快速凝固的合金帶其屈服強度得到顯著地提高，對表面的維護減到最小，同時工藝的可靠性提高了。
附圖簡述本發明將通過下列描述並參照附圖作出解釋，從而使對本發明的理解更完整其更進一步的優越性也變得明顯了，其中

圖1是用於連續澆鑄金屬帶的裝置的透視圖；圖2示出了雙峰晶粒尺寸分布(以大晶粒所佔的面積百分比表示)，對具有傳統淬火表面的熱鍛澆鑄輪的壽命的影響；圖3是「好的」和「不好的」熱鍛澆鑄輪的晶粒尺寸分布圖，它示出了雙峰晶粒尺寸分布；圖4示出了冷卻加工程度對晶粒平均尺寸的影響；圖5示出了經如上述的冷加工後澆鑄輪獲得的晶粒尺寸分布；圖6是冷鍛輪的顯微照片，示出了重結晶的微觀組織，晶粒的平均尺寸小於30μm。這種輪的標稱澆鑄帶量為2.9；圖7是熱鍛輪的顯微照片，晶粒平均尺寸小於30μm。這種輪的標稱澆鑄帶量為1.7；圖8是冷鍛時效輪的顯微照片，晶粒平均尺寸小於30μm，這種輪的標稱澆鑄帶量為0.3；圖9是通過擠壓而得的晶粒尺寸分布，示出了緊湊的高斯晶粒尺寸分布。
發明詳述本文術語「非晶態金屬合金」是指一種金屬合金，其基本上缺乏任何長程有序特徵，其特徵是X光衍射強度最大，這與對液體或無機氧化玻璃的觀察結果在性質上相似。
文中術語「微晶合金」是指一種晶粒尺寸小於10μm(0.0004英寸)的合金。優選地，這種合金的晶粒尺寸大約為100nm(0.000004英寸)～10μm(0.0004英寸)。最好的大約為1μm(0.00004英寸)～5μm(0.0002英寸)。
文中所用的「晶粒尺寸」由圖象分析儀確定，通過圖象分析可以直接觀察經過拋光和正確腐蝕後露出晶界的合金試樣。在試樣上隨機選定五個不同位置來確定平均晶粒尺寸。在所有場合放大倍數都要減小，以使試樣上的最大晶粒完全包含在整個視野中。如果存在任何不確定性，那麼就用不同的放大倍數來確定晶粒尺寸，以保證其不隨放大倍數而改變。
文中術語「條」是指細長的條狀物體，其橫向尺寸遠小於其長度。此「條」包括絲、帶、薄板等，這些物體均具有規則或不規則的斷面。
文中貫穿了說明書和權利要求的術語「快速凝固」是指金屬的冷卻速率至少為104～106℃/s的冷卻過程。有多種快速凝固技術可用於製造本發明範圍內的合金條，比如向一個激冷麵上進行噴塗沉積、噴霧鑄造和平面流鑄造等。
文中術語「輪」是指這樣的一個物體，它的斷面基本上是圓的，(在軸向)有一個小於其直徑的寬度。相反，輥子通常被理解為寬度小於其直徑。
文中術語「導熱性」是指淬火表面的導熱係數大於40W/mK而小於400W/mK，優選地是大於60W/mK而小於400W/mK，最好是大於80W/mK而小於400W/mK。
文中術語「標稱澆鑄帶量」是指相對於一個標準的澆鑄輪而言，在一個具體的澆鑄輪上可能澆鑄出的合金帶的數量/或質量。
文中術語「溶解熱處理」是指把合金加熱到一個所有合金添加元素都溶解了的溫度。這通常引起重結晶，重結晶發生在合金添加元素溶解時。實際的溶解熱處理溫度取決於合金。銅鈹(Cu、Be)合金25通常在745℃～810℃間溶解。經過溶解熱處理後，合金被迅速冷卻以保持合金添加元素的溶解狀態。在這種情況下，合金既軟又有韌性且易於加工。
文中術語「時效」是指在低溫下暴露以使合金添加元素從經過溶解熱處理的合金中沉澱出來。強化相的沉澱使合金硬化。優化時效時間和溫度以獲得最大的硬度和由此帶來強度的提高。銅鈹合金25通常要在260℃～370℃間時效1/2到4個小時。過多的時效時間會導致硬度、強度和韌性損失。由於鈹銅合金通常在溶解熱處理狀態下就被出售掉，因此對銅鈹合金的時效一般僅指「熱處理」。
文中術語「高斯」是指一種處於一個平均值周圍的標準正態分布。對於實施例中某些接近零的情況，其分布是正向傾斜的，因為晶粒尺寸不能有負值。出於簡化在本文中這些情況依然是指高斯分布。
文中術語「緊湊的」是指在高斯分布或正態分布周圍變化很小，術語「窄高斯分布」與「寬高斯分布」的意義相反。
在說明書和後續的權利要求中，以位於輪周邊上的用作淬火表面的澆鑄輪的一部分區域作為參照來描述本裝置。可以認為本發明的原理適用於形狀和結構與澆鑄輪的形狀和結構不同的淬火表面，比如帶，或適用於澆鑄輪狀的物體。該輪上用作淬火平面區域處於輪面或別的位置，但不在輪的周邊上。
本發明提供了一種用於快速凝固的淬火表面、一種使用淬火表面來快速凝固金屬條的方法和一種製造淬火表面的方法。
在圖1中標號10總指用來快速凝固金屬條的裝置。裝置10上有一個安裝在其縱軸上的圓形澆鑄輪1，該輪可繞縱軸旋轉，還有一個裝熔融金屬的容器2和一個感應線圈3。容器2和裝在貼近輪狀澆鑄輪1的表面5處的開縫噴嘴4連在一起。容器2上還裝有(未示出)用來擠壓其內熔融金屬的裝置，以影響熔融金屬通過噴嘴4時的噴射狀態。在實際操作中，容器2中處於壓力之下的熔融金屬通過噴嘴4射到澆鑄輪表面5上，在那裡熔融金屬凝固並形成條6。凝固之後，條6與澆鑄輪分離並被從其上甩開，然後由絞車或其它合適的收集設備來收集(未示出)。
澆鑄輪的淬火表面5的材料可能由銅或其它具有相對較高的導熱係數的金屬或合金構成。如果用於製造非晶態或亞穩態條，上述要求特別適用。構成表面5的優選材料包括沉澱硬化銅合金，比如鉻銅或鈹銅、沉積硬化合金以及無氧銅。如果需要，表面5可被高度拋光或鍍鉻等以獲得具有光滑表面特性的條。為提供對侵蝕、腐蝕和熱脆的額外防護，澆鑄輪的表面可能被塗上一層合適的防護層或高熔點金屬。典型地，陶瓷塗層或耐蝕塗層和高熔點金屬塗層較為適用。這樣可使澆到冷卻面上的熔融金屬或合金具有足夠的浸潤性。
澆鑄輪在澆鑄過程中移動時，熔融金屬沉積到淬火表面上，會在表面附近產生很大的徑向熱梯度並產生周期熱應力。這些影響在澆鑄過程中會減弱淬火表面的機械性能。
我們發現，使用晶粒基本上不大於500μm、晶粒尺寸呈緊湊高斯分布的由細緻的等軸重結晶組成的淬火表面，可以將上述機械性能減弱問題降到最小。銅基合金具有典型的雙峰晶粒尺寸分布。事實上，銅基合金是美國測試測量協會晶粒尺寸標準(ASTME112)中唯一允許用兩個尺寸來確定其平均晶粒尺寸的合金。在兩個確定尺寸中，一個是細晶粒尺寸而另一個則是粗晶粒尺寸。這兩個尺寸的典型值分別為100μm和600μm。對於銅合金而言，晶粒尺寸在5～1000μm之間是正常的。
通常由於雙峰晶粒尺寸分布而出現在銅合金中的這種大晶粒尺寸對澆鑄輪的壽命不利。筆者詳細地研究了一系列通過熱鍛法製成的銅澆鑄輪，發現所有這些銅澆鑄輪都有ASTM晶粒尺寸在20～500μm之間的典型的雙峰分布。可以通過量化雙峰分布分程度及用圖象分析儀將粗晶粒尺寸進行列表記錄，以確定澆鑄輪材料中尺寸超過250μm的晶粒所佔的百分比。如圖2所示，具有高粗晶百分比的熱鍛輪的標稱澆鑄帶量值較小，而具有低粗晶百分比的澆鑄輪的標稱澆鑄帶量要大得多。圖3描繪了「好的」和「不好的」澆鑄輪上的晶粒尺寸分布。每一個「好的」和「不好的」澆鑄輪均具有雙峰分布。具有較高標稱澆鑄重量(1.4/0.04)的澆鑄輪中粗晶更少。連續澆鑄金屬或合金條時，明顯的粗晶和雙峰晶粒尺寸分布對淬火表面的性能有害。在這些情況下，淬火表面性能下降產生的特殊方式是在表面裡形成非常小的裂紋。結果，沉積的熔融金屬或合金進入了這些小裂紋裡，在裡面凝固，當實際操作中澆鑄條從淬火表面分離時，陷在裂紋中的合金被拉出來，同時粘附有淬火表面的材料。性能減弱的過程是退化的，隨著時間的增長逐漸變得更差。淬火表面的裂紋和被拉出的點稱為凹坑，而與此相對澆鑄帶底面上的突出物稱為突起。
進一步減少粗晶區的面積對減少雙峰分布是有利的。然而，採用傳統的熱鍛工藝很難獲得本質上100％的細晶。傳統的熱鍛一般包括用間斷的錘擊將金屬加工成圓形的淬火表面，為後續的用以提高其強度的熱處理做好準備。這種機械加工方法的局限基本上是它的不連續增量的本質。那就是並不是淬火表面的所有的體積單元都得到一樣的加工，結果是產生了雙峰晶粒尺寸分布，在細晶基體上出現了粗晶。
因此，人們開始尋求替代的製造方法。這些方法包括向前和向後擠壓、流動成形熱鍛和冷鍛。幾種加工方法提供了均勻的細晶微觀組織。而其中的一些方法提高了輪子的壽命。人們驚奇地發現，甚至是極小的晶粒尺寸條件下(＜30μm)也可獲得非常低的標稱澆鑄重量。即使晶粒尺寸細小一致，性能也依賴於晶粒內的微觀組織。即使在每個輪的平均晶粒尺寸小於30μm且沒有超過250μm的晶粒時，也能得到壽命為好的、中等或非常差的澆鑄輪。
令人驚奇的是，採用形成細緻、等軸、重結晶的晶粒並呈緊湊高斯分布的技術結果最好。這種微觀組織的有利之處不僅在於能延長輪子的壽命，還包括了可以更好地使用設備及生產出具有優異表面的帶狀產品。用磁性合金生產合金帶時，更高的表面光潔度提供了高的壓緊係數，從而提供一種更有效的變壓器。一旦能夠有效地製造出無「突起」的合金帶，那麼與改善了的合金帶質量相關的好處便大大提高了。
以下給出的幾個實施例為本發明提供了更為完整的理解。用於闡明本發明原理及其實際應用的這些特定技術、條件、材料、比例和報告數據是示範性的。不應構成對本發明應用範圍的限制。
實施例一在700℃對一錠銅鈹合金25進行熱側鍛後鑽孔，此後進行了熱鍛，最後冷鍛成型，其尺寸為澆鑄輪的尺寸。特別地，將坯段熱鍛至一中間尺寸然後冷縮30％達到輪子最終尺寸。圖4示出了在標準的溶解熱處理之前經過標準的熱鍛然後冷鍛至不同收縮量的試樣中的平均晶粒尺寸。所獲得的晶粒尺寸在一個大的冷加工範圍內保持不變，並且可以認為在圖4中的範圍之外也僅有輕微的變動。
在機加工到準確的輪子尺寸和公差之前，對30％冷加工的澆鑄輪隨後進行了標準溶解熱處理和時效。最終的高斯晶粒尺寸分布如圖5所示。這些細緻的、等軸的和重結晶晶粒如圖6中所示，它們使得這個輪子具有極長的壽命。圖5和圖6中所描述的澆鑄輪的標稱澆鑄帶量為2.9，這大約是圖2中所示的「最好」的熱鍛輪的兩倍。
在絕大多數場合，用這種輪子生產出的合金帶沒有突起，這使得它的層迭係數提高了。因此很明顯，這種合金帶是令人滿意的。
用上述方法又製造出一些澆鑄輪。在所有場合，輪子的微觀組織由呈緊湊高斯分布晶粒尺寸的、細緻的、等軸的重結晶晶粒組成。以標稱澆鑄合金帶重量來衡量，這些輪子均表現出了優異的鑄造性能，信息列在表1之中。
表1
表1中所報告的晶粒尺寸是通過輪子表面的塑性複製試樣獲取的，這種方法的優越之處在於它是一種無損技術。這種技術所得到的晶粒尺寸與本文所有其它晶粒尺寸的測量所使用破壞性技術相比稍大(～+10μm，與這些微觀組織相比)。
實施例二如實施例一中所述，在700℃對一錠銅鈹合金25進行熱側鍛並打孔。在這個實施例中，坯段被熱鍛至澆鑄輪的最終尺寸。這樣得到的微觀組織均勻，平均晶粒尺寸非常小，不超過30μm。但是，由於沒有經過冷作加工，晶粒並非全是等軸的，在晶粒中發現有退火孿晶，從形狀上看，晶粒尺寸分布也不是高斯分布。圖7示出了這種輪子的微觀組織，即使澆鑄輪的微觀組織均勻並且晶粒尺寸非常細小(小於30μm)，輪子的標稱澆鑄合金帶重量也僅為1.7。這個標稱澆鑄合金帶重量遠小於實施例一中所得到的值2.9。除了最終的冷作加工，實施例二中的輪子的加工方法與實施例一基本相同。
實施例三和實施例一一樣，在700℃對一錠銅鈹合金25進行熱側鍛後鑽孔。將坯段熱鍛到中間尺寸然後進行30％的冷縮直到輪子的最終尺寸。冷作加工後，對材料進行時效。與實施例一中的溶解熱處理和時效材料不同，在這裡並未生成重結晶的微觀組織。在這個實施例中，輪子具有細緻均勻的微觀組織，其中有高度變形的晶粒，平均晶粒尺寸為15μm，晶粒尺寸呈高斯分布且沒有大於200μm的晶粒。圖8中所示的這種均勻細緻的微觀組織可能被認為具有很高的標稱澆鑄合金帶重量。但是，這種輪子的標稱澆鑄合金帶重量值非常小，僅為0.3。這比晶粒尺寸大得多的標準輪子要小得多。
實施例一、二、三中所述的輪子的平均晶粒尺寸均小於30μm，但其微觀組織非常不同。只有按照本發明的實施例一中的輪子有優異的鑄造性能，它具有晶粒尺寸呈緊湊高斯分布的細緻的、等軸的、重結晶晶粒的微觀組織。
實施例四澆鑄輪通過直接熱壓管而形成。將一錠銅鈹合金25熱鐓粗然後放入擠壓容器中。在它還熱的時候鑽孔，鑽至欲擠壓管的內徑處。鑽孔之後，使坯段冷卻下來了，對其進行檢查然後重新加熱到擠壓溫度650℃。選擇擠壓容器的尺寸以獲得大約10∶1的收縮比，這樣可以確保合金錠產生一樣高的變形。對擠壓管進行標準溶解熱處理和時效，然後切開它，每一切塊均製得與澆鑄輪的準確尺寸和公差一樣。
如圖9所示，所得的微觀組織是等軸的並呈緊湊高斯晶粒尺寸分布。晶粒重結晶並且沒有與冷作、熱作加工這種合金時相隨而產生的位錯。
實施例五使用實施例四中所述的工，對一錠銅鈹合金25進行熱鐓粗、鑽孔，然後向前擠壓到管狀，之後將此管冷流動成形至所需的澆鑄尺寸，達到50％的收縮。如圖4中所示，可以冷縮20％～70％以獲得優化的晶體尺寸。對冷流動成形管進行標準溶解熱處理、時效並加工到所需的公差。其微觀組織有呈緊湊高斯晶粒尺寸的等軸晶組成，平均晶粒尺寸大約為30μm。
可以用其它的機械加工方法代替流動成形，其中一種是馬鞍型擴孔鍛造。這種方法可以獲得重結晶晶粒，並呈非常緊湊的高斯晶粒尺寸分布。平均晶粒尺寸為20μm。這種輪子具有高的標稱澆鑄合金帶重量值--2.0。另一種機加工方法是環鍛，這種方法對圓形澆鑄輪的每一體積元素都施加了連續的機械變形。這些連續變形的工藝產生了與本發明一致的相當細緻的均勻的晶粒尺寸。
除了上述機加工方法之外，在機械變形各工藝之間或工藝過程中進行的各種熱處理步驟，可能被用來促進加工和/或重結晶淬火表面，從而在淬火表面合金中產生硬化相。
經過對本發明進行如此全面而詳細的描述，可以這樣理解不必嚴格遵守上述細節，但本領域技術人員可以對其進行變通和修正。所有包含在本發明範圍之內的信息均如附加的權利要求中所述。
權利要求
1．一個用於快速凝固熔融合金以形成具有微晶或非晶態組織的合金條的淬火表面，上述淬火表面由具有良好的導熱性能的合金構成，該合金的微觀組織由細緻的、等軸的、重結晶晶粒構成，上述晶粒的平均晶尺寸小於200μm，並且沒有大於500μm的晶粒，上述晶粒具有緊湊的高斯晶粒尺寸分布。
2．權利要求1所述的淬火表面，其特徵在於上述導熱性良好的合金是銅合金。
3．權利要求2所述的淬火表面，其特徵在於上述導熱性良好的合金是沉澱硬化的銅合金。
4．權利要求2所述的淬火表面，其特徵在於上述導熱性良好的合金是沉積硬化的銅合金。
5．權利要求2所述的淬火表面，其特徵在於上述導熱性良好的合金是鈹銅合金。
6．權利要求1所述的淬火表面，上述合金具有基本上均勻的微觀組織，其特徵在於上述平均晶粒尺寸小於100μm。
7．權利要求1所述的淬火表面，上述合金具有基本上均勻的微觀組織，其特徵在於上述平均晶粒尺寸小於30μm。
8．權利要求1中用於製造淬火表面的機械成型/熱處理工藝，其特徵在於在最後的熱處理步驟之前對上述淬火表面施加擠壓然後進行環鍛。
9．權利要求11所述的工藝，其特徵在於在上述最終溶解熱處理步驟和時效之前，在低溫下對上述淬火表面進行了中等擠壓比的擠壓。
10．權利要求11所述的工藝，其特徵在於在上述最終溶解熱處理步驟和時效之前，對上述淬火表面進行了熱鍛和冷鍛。
全文摘要
一種淬火表面,用於將熔融合金快速凝固以形成具有微晶或非晶態結構的合金條。該表面由導熱性好的、具有均勻的由細緻等軸重結晶晶粒組成的微觀組織的合金構成。上述晶粒呈緊湊的高斯晶粒尺寸分布。
文檔編號B22D11/06GK1233198SQ97198650
公開日1999年10月27日 申請日期1997年8月19日 優先權日1996年8月19日
發明者D·雷布爾德, C·F·常, D·特勒, H·H·利伯曼, N·J·德克裡斯託法羅 申請人:聯合訊號公司