專利名稱：用于減少鑄造合金中的填隙元素的方法以及用于實施所述方法的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于減少鑄造合金中的填隙元素的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及一種用于減少鋼鑄件(casting)中的氫的方法。本發(fā)明還涉及一種用于實施所述方法的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可被集成到鑄模中或連鑄系統(tǒng)中。
背景技術：
在本文本中，稱謂“填隙元素”指的是如下的這些原子，所述原子由于其相對于合金中的主要元素具有小尺寸，能夠填隙式擴散，即，通過金屬晶格中的空間，而不需要移動其他原子在晶格中的位置。在各種合金(諸如鋼)的實例中，諸如氫、氮、碳等原子可表現(xiàn)得如同填隙元素。已知氫是一種能夠導致鋼組分脆變的填隙元素。具體而言，在高強度合金中，對于氫脆變的敏感更加明顯。許多機制已被描述為造成所述脆變的原因。只要溫度未降低到指定閾值以下，使得所討論的填隙元素具有減小的遷移率以及不足的溶度并且往往會與其他元素結合形成脆變化合物，這些機制就不開始出現(xiàn)。已知氫從一個金相到另一個金相具有不同的溶度，同時，隨著溫度增加，在每個金相內(nèi)的溶度增加。例如，在固相鋼的實例中，氫的溶度在以下范圍內(nèi)，即在高溫奧氏體 (14000C )中為8ppm，在室溫鐵素體中小于lppm，以及在1600°C的液相中則為大約30ppm?？梢哉J為，填隙元素的擴散現(xiàn)象主要受晶格中的填隙原子的熱攪動控制，S卩，在較高溫度下，有較大的熱攪動，從而產(chǎn)生較大的擴散概率。盡管通?？紤]的情況是出現(xiàn)從高濃度區(qū)域朝向較低濃度區(qū)域的擴散流動(flux)，但這并不是唯一可能的情形。嚴格來講，擴散流動背后的驅動力是系統(tǒng)的自由能減少。再準確而言，擴散從高化學勢的區(qū)域朝向較低化學勢的區(qū)域進行。但是，能夠看到，只要原子遷移率足夠大，在缺少會導致更大流動的組分差異或其他因素的情況下，高溫度梯度也會導致填隙元素朝向更高溫度區(qū)域的凈流動。產(chǎn)生該效果的一方面原因是，由于處于更高溫度的區(qū)域處于較低飽和態(tài)，它們具有較高的溶度，因此在相同溫度條件下它們將比處于較高飽和的區(qū)域具有較低的化學勢。另一方面原因是，隨著溫度增加，朝向高溫度區(qū)域的流動被原子遷移率的增加所激勵。氫在金屬合金中(尤其是在鋼中)的存在是由于以下多種原因引起的，即，在原材料或設備中存在濕度或者設備中存在的化合物的分解，以及在合金鑄造和提煉過程中進行的動作，例如其中將氫吹過熔融金屬以去除其他元素，最終結果導致使用的氫的一部分保留溶解在熔融金屬中。在鑄造過程中，穿過鑄模的壁或者從鑄造金屬的自由面中，從金屬中抽熱。以這樣的方式，鑄造金屬從鑄件的表面到中心總體冷卻。即，鑄件的中心保持在高于其表面的溫度，產(chǎn)生從表面朝向中心的漸增的溫度梯度。這樣顯著的溫度梯度，在填隙元素諸如氫仍然具有高遷移率的溫度下，產(chǎn)生填隙元素朝向鑄件中心的流動，因為相對于處于較低溫度的鄰近區(qū)域，中心具有較高的溫度以及具有溶解所述元素的較大能力。這樣的擴散流動傾向于將所討論的填隙元素的總含量集中在鑄件的中心區(qū)域中。由于氫對所產(chǎn)生的組件的機械特性具有破壞作用，慣例上使用不同的系統(tǒng)來去除
Μ,ο這些系統(tǒng)可以分為兩類在精煉過程中使用某些添加劑；或者將熔融金屬暴露至較低壓力。這些方法中的第一類包括添加精煉元素或物質(zhì)，所述精煉元素或物質(zhì)會與氫(或其他元素)結合，并且形成可溶性物質(zhì)，接下來這些可溶性物質(zhì)可在精煉過程中被去除。第二類系統(tǒng)包括將熔融金屬暴露至具有較低壓力的環(huán)境下，因為氫在熔融金屬中的可溶性受壓力，以及溫度和晶格的影響。該第二類系統(tǒng)產(chǎn)生較好的氫去除率，但是代價是大幅增加了對必須設備的投入。 就此而言，第一類系統(tǒng)需要小得多的投入，但是它卻具有較低的氫去除率，使得其效率較低。此外，該第一類系統(tǒng)具有額外的問題，即，必然包含對合金組分的修改。因此，顯然需要一種如下的方法，該方法在鑄造過程中減少填隙元素——尤其是氫，而不修改合金組分(除了填隙元素本身)，此外，不需要在真空鑄造和精煉情況下的大投入。

發(fā)明內(nèi)容
上述缺點通過本發(fā)明的方法和系統(tǒng)而解決，本發(fā)明具有的其他優(yōu)點將在下文被描述。根據(jù)第一個方面，本發(fā)明的用于減少合金鑄件中的填隙元素的方法包括以下步驟將所述合金注入一個用于形成鑄件或連鑄件的系統(tǒng)中；允許所述合金冷卻；其特征在于，所述鑄件的至少一個外圍區(qū)域被加熱，使得填隙元素的流動朝向所述至少一個外圍區(qū)域進行。由于該特征，一種方法在其中大部分填隙元素集中在鑄件的表面區(qū)域的一個或多個區(qū)域中的情況下實現(xiàn)。然后，借助于鑄件的熱表面處理或表面加工，可從這些區(qū)域輕易去除這樣的填隙元素。優(yōu)選地，在合金冷卻到低得足以形成脆變化合物的溫度之前，至少一個外圍區(qū)域被加熱。根據(jù)不同的優(yōu)選實施方案，所述至少一個外圍區(qū)域以900°C到合金的熔點之間的溫度被加熱。優(yōu)選地，保持對每個外圍區(qū)域的所述加熱，直到工件(the piece)的不同于所述外圍區(qū)域的部分處于低于400°C的溫度為止。根據(jù)不同的優(yōu)選實施方案，所述填隙元素是氫、碳、氮、硼、氬、或者其他填隙元素，或者在合金基質(zhì)中具有高擴散性的其他元素，所述合金是鋼合金、鐵、銅、鎳、鈦、鈷、鉻或具有大于800°C的熔點的其他合金，以及具有較低熔點的合金，諸如鋁合金。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明的用于減少合金鑄件中的填隙元素的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個加熱元件，該加熱元件位于所述鑄件的外圍上。 根據(jù)加熱元件的兩個實施方案，每個所述加熱元件是電阻器或感應線圈，每個所述加熱元件補充有溫度傳感器。根據(jù)完整系統(tǒng)的兩個實施方案，本發(fā)明既可被應用于模鑄系統(tǒng)，也可被應用于連鑄系統(tǒng)。


為了更好理解上述內(nèi)容，隨附了附圖，在附圖中，示意性地以及僅作為非限制性實施例，提供了實施方案的實施例。圖1和2是根據(jù)本發(fā)明的鑄造系統(tǒng)的示意圖，示出了填隙元素的流動以及鑄造合金中的等溫曲線；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明的連鑄系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式首先，必須指出，盡管本說明書對應于在鋼鑄造中減少氫的情況，但本發(fā)明的方法的應用范圍擴展至其中希望減少溶解氫或任何其他填隙元素的數(shù)量的任意合金鑄造，所述其他填隙元素諸如，例如碳、氮、硼等等。與前述技術的方法不同，根據(jù)本發(fā)明的方法，所存在的漸增的溫度梯度被推向工件的表面上的一個或多個點以使得填隙元素的流動朝向表面發(fā)生，而非朝向鑄件的中心。以這樣的方式，將通過簡單擴散通過工件的表面來從鑄件去除填隙元素，其他殘余將集中在表面附近的區(qū)域，使得借助于鑄件的隨后的熱表面處理和/或表面加工將其輕易去除。為了獲得有利于推動填隙元素朝向鑄件表面流動的溫度梯度，需要在凝固和冷卻過程中，將鑄件表面的至少一個區(qū)域保持在足夠高的溫度，使得該區(qū)域被保持在高于鑄件的其他部分的較高溫度，直至所述過程結束。在希望去除諸如氫元素一一所述元素往往會與其他原子結合形成脆變化合物——的情況下，重要的是應確保在工件冷卻到發(fā)生所述脆變化合物生成反應的溫度以前，開始該方法。如附圖中可見，所述系統(tǒng)——在該實例中為鑄?！傮w被表示為數(shù)字參考標記 1，其包括加熱元件2。應指出，盡管出于簡明起見在附圖中示出了一個加熱元件2，但應清楚，視鑄模的形狀和尺寸而定，可以有任意合適數(shù)目的加熱元件。所述或每一個加熱元件2被集成到鑄模壁1中并且在將熔融合金澆注到鑄模中的過程中就開始工作，所述或每一個加熱元件2由電感線圈或電阻器或任意合適的加熱元件組成，所述電感線圈被適當保護以免被液態(tài)金屬破壞。所述加熱元件的一個要求是，其必須被以如下距離構造進鑄模中，所述距離足以靠近鑄模的內(nèi)表面并且可靠地允許工件的表面區(qū)域被保持在合適溫度。所述加熱元件的另一基本要求是其忍受高于合金的熔點的溫度的能力，尤其是忍受在注入鑄模時產(chǎn)生的熱沖擊的能力。例如，在處理鑄鋼工件的情況下，保持的溫度可超過1400°C，熔融金屬的溫度可超過 1600 0C ο在將電阻器用作加熱元件的情況下，其可被構造進入鑄模的壁中，被例如耐高溫合金或者陶瓷耐火材料圍繞和保護，甚至在砂型鑄造的實例中可被集成到鑄模的壁中。與使用電感線圈的實例相比，使用電阻器的加熱元件被認為更堅固且更便宜，并且可能需要更簡單的控制系統(tǒng)，但是它們呈現(xiàn)出較大的熱滯后。如果使用電感線圈來實現(xiàn)加熱元件，周圍的材料必須是非傳導的，以防止產(chǎn)生感生電流，因為這些感生電流會加熱所述加熱元件或者鑄模的壁，而非鑄件的表面。每個加熱元件2連接至溫度傳感器3、控制系統(tǒng)4和能量供給系統(tǒng)5。控制系統(tǒng)4被要求用于調(diào)整加熱外圍區(qū)域(或熱點)的溫度，并且可類似于通常用于自動表面感應熱處理的那些系統(tǒng)。另外，溫度傳感器3的類型和布置必須適于防止由感應線圈所產(chǎn)生的磁場使溫度測量失真，并且該溫度傳感器必須被定位使得其直接測量鑄件的表面的溫度。在這方面而言，與基于電阻器的加熱元件相比，基于感應線圈的加熱元件2被認為需要稍微更高的投入，但是具有允許更快且準確調(diào)節(jié)所獲得的溫度的優(yōu)點。圖1的鑄模1的替代實施方案被呈現(xiàn)在圖3中，圖3描述了將所述方法應用于連鑄系統(tǒng)。在該實施方案中，相同的數(shù)字參考標記被保持用于標記與前述實施方案中相同的元件。圖3中示出了一個連鑄系統(tǒng)10，其主要功能與鑄模1的功能相同。在該實例中，熔融金屬被沉積在分配槽11中，從該分配槽中所述熔融金屬借助于冷卻錠模(cooled ingot mould) 13形成鑄造條12。在錠模13的出口，鑄造條12的一側借助于冷卻部分14被冷卻，而加熱元件2被定位接觸鑄造條12的其中一個表面。加熱元件的理想布置是鄰近于錠模13的出口以及沿著制冷部分14在該制冷部分的相對側。盡管對在施加熱量用于去除填隙元素的側面(加熱的外圍區(qū)域或熱點)進行保護以免受所述冷卻過程，但是可能用水噴射流或噴霧冷卻鑄造條12，如同常規(guī)實踐一樣。表1包括對于不同合金，在本發(fā)明的方法中隱含的溫度范圍的一些實施例。必須指出，從實際角度而言，鑄模的外圍區(qū)域應保持的溫度需要盡可能高，但是適當小于合金的熔點。表1 :對于不同合金，熔融溫度、鑄件表面上的熱點應被保持的溫度以及臨界中心溫度的示例值。
權利要求
1.用于減少合金鑄件中的填隙元素的方法，該方法包括以下步驟澆注所述合金用于形成鑄件；允許所述合金冷卻；其特征在于，所述鑄件的至少一個外圍區(qū)域被加熱，使得填隙元素的流動朝向所述至少一個外圍區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在合金冷卻到足以形成脆變化合物的溫度之前對至少一個外圍區(qū)域進行加熱。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中至少一個外圍區(qū)域以400°C到鑄造合金的熔點之間的溫度被加熱。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，保持對所述外圍區(qū)域或每個外圍區(qū)域的所述加熱，直到工件的不同于所述外圍區(qū)域的部分處于低于400°C的溫度為止。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述填隙元素是氫、碳、氮、硼、氬以及其他在合金基質(zhì)中具有高擴散性的元素。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述合金是鋼、鐵、銅、鎳、鈦、鈷、鉻或其他具有大于800°C的熔點的合金，以及具有較低熔點的合金，諸如鋁合金。
7.用于減少合金鑄件中的填隙元素的系統(tǒng)(1；10)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個加熱元件O)，該加熱元件位于所述系統(tǒng)(1 ； 10)的外圍上。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)(1；10)，其中所述或每個加熱元件(2)是電阻器或感應線圈。
9.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)(1； 10)，其中所述或每個加熱元件( 連接至一個溫度傳感器⑶。
全文摘要
用于減少合金鑄件中的填隙元素的方法包括以下步驟澆注所述合金用于形成鑄件；允許所述合金冷卻；其特征在于，所述鑄件的至少一個外圍區(qū)域被加熱，使得填隙元素的流動朝向所述至少一個外圍區(qū)域。用于減少合金鑄件中的填隙元素的系統(tǒng)(1；10)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個加熱元件(2)，該加熱元件位于所述系統(tǒng)(1；10)的外圍上。一種方法在大部分填隙元素集中在鑄件的表面區(qū)域的一個或多個區(qū)域的情況下實現(xiàn)。然后，借助于鑄件的熱表面處理或表面加工，可從這些區(qū)域輕易去除填隙元素。
文檔編號B22D27/04GK102325910SQ201080008910
公開日2012年1月18日 申請日期2010年2月23日 優(yōu)先權日2009年2月24日
發(fā)明者丹尼爾·瓜迪福格羅拉斯 申請人:丹尼爾·瓜迪福格羅拉斯