СПОСОБ РАЗЛИВКИ ЛИТИЙСОДЕРЖАЩИХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2018 года по МПК B22D11/10 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к способу разливки алюминиево-литиевых сплавов в заготовки, подходящие для дальнейшей обработки посредством прессования, ковки, штамповки и/или прокатки.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как будет ясно ниже, за исключением случаев, когда указано иное, обозначения алюминиевых сплавов и обозначения состояний поставки соответствуют обозначениям Ассоциации производителей алюминия, приведенным в стандартах "Aluminium Standards and Data and the Registration Records", опубликованных Ассоциацией производителей алюминия в 2013 г., и хорошо известным специалистам в данной области.

При любом описании составов алюминиевых сплавов или предпочтительных составов алюминиевых сплавов все приводимые содержания выражены в массовых процентах, если не указано иное.

Алюминиевые сплавы, содержащие литий, очень выгодны для применения в аэрокосмической промышленности, так как целевое добавление лития позволяет снизить плотность алюминиевого сплава на примерно 3% и повысить модуль упругости на примерно 6% на каждый добавленный массовой процент лития. Чтобы эти сплавы выбирались для применения в самолетах, их характеристики с точки зрения других технологических свойств должны быть столь же хорошими, как у обычно применяющихся сплавов, в частности, что касается компромисса между механическими свойствами статической прочности и свойствами стойкости к повреждениям. Со временем был разработан широкий спектр алюминиево-литиевых сплавов с соответствующим широким диапазоном технологических маршрутов термомеханической обработки. Однако, ключевым технологическим маршрутом остается отливка слитков или заготовок для дальнейшей обработки посредством прессования, ковки, штамповки и/или прокатки. Оказалось, что способ разливки остается проблематичным технологическим этапом в производстве слитков и заготовок в промышленном масштабе. Наряду с прочими, существуют проблемы с окислением расплавленного металла в печах, лотковых конвейерах, а также при самом литье. Остаются также проблемы с безопасностью, такие как "промывы" или "прорывы", которые при отливке алюминиево-литиевых сплавов могут привести к намного более бурным реакциям, чем со не содержащими лития сплавами, так как литий делает расплавленный алюминий более реакционноспособным.

Патент US №5415220 (Reynolds Metals Company) раскрывает способ разливки в кристаллизатор с прямым охлаждением алюминиево-литиевых сплавов под солевым покровом (флюсом), чтобы защитить расплавленный металл от окисления кислородом воздуха, который включает: (a) образование защитного покрова из солевого расплава, содержащего композицию солей с хлоридом лития, в печи, содержащей расплавленный алюминиевый сплав, (b) добавление по меньшей мере одного из лития и литийсодержащего алюминиевого сплава в расплавленный алюминиевый сплав через соляной покров с образованием в печи расплавленного алюминиево-литиевого сплава, (c) перенос упомянутого расплавленного алюминиево-литиевого сплава на станцию разливки и (d) разливку в кристаллизатор с прямым охлаждением упомянутого расплавленного алюминиево-литиевого сплава с получением слитка, такого как круглая заготовка или слиток под прокатку. Лотковый конвейер для транспортировки расплавленного металла может содержать фильтр металла, например, фильтр из пеноматериала или фильтр с керамическим слоем, предназначенный как для удаления частиц, так и для дегазации расплавленного металла, проходящего через лотковый конвейер. Сказано, что расплавленный солевой покров особенно хорошо подходит для процессов литья в кристаллизатор с прямым охлаждением, причем солевой покров добавляют в голову слитка в кристаллизаторе. Смесь солей включает LiCl, а предпочтительные смеси солей включают LiCl в сочетании с другими солями, выбранными из KCl, NaCl и LiF. Хлорид натрия менее предпочтителен в плавильной емкости, так как содержащийся в нем натрий имеет тенденцию обмениваться с литием в алюминиевом сплаве, тем самым негативно влияя на сплав, придавая ему содержание натрия как очень нежелательного примесного элемента.

Использование солей или солевых смесей при разливке литийсодержащих алюминиевых сплавов имеет несколько недостатков. Большим недостатком является то, что соли оказываются очень коррозионно-активными по отношению к часто используемым пенокерамическим фильтрам ("CFF"), применяющимся для удаления любых частиц из расплавленного металла.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения состоит в том, чтобы предложить способ разливки алюминиево-литиевых сплавов в слитки или заготовки, устраняющий некоторые из связанных с солями проблем, или по меньшей мере предложить альтернативный способ разливки алюминиево-литиевых сплавов.

Эти и другие цели и дополнительные преимущества достигнуты или превышены настоящим изобретением, предлагающим способ отливки слитка из содержащего литий алюминиевого сплава, имеющего длину L в продольном направлении, ширину W и толщину T, включающий этапы:

(a) получение по меньшей мере двух расплавленных сплавов на основе алюминия в отдельных печах, причем первого сплава - с составом A, не содержащим лития в качестве целевого легирующего элемента, а второго сплава - с составом B, который содержит литий в качестве целевого легирующего элемента и который предпочтительно поддерживает защитный солевой покров в соответствующей печи;

(b) перенос первого сплава по лотку для транспортировки металла из печи на станцию разливки;

(c) инициирование начала отливки слитка и разливки первого сплава до требуемой длины L1 слитка в направлении разливки;

(d) затем перенос второго сплава по лотку для транспортировки металла из печи на станцию разливки при одновременном прекращении переноса первого сплава на упомянутую станцию разливки, и при этом предпочтительно переход между сплавами A и B получается без прерывания потока расплавленного металла;

(e) разливка второго сплава от концевой поверхности отлитого первого сплава на длине L1 до дополнительной требуемой длины L2 в направлении разливки; и

(f) обрезка, например, посредством отпиливания в случае толстого слитка, или отрезанием ножницами, отлитого слитка с его нижнего конца на длине, которая больше или равна отлитой длине L1.

В соответствии с настоящим изобретением процесс разливки начинают с алюминиевого сплава, не содержащего лития в качестве целевого легирующего элемента, и после получения стабильных условий литья или режима разливки процесс непрерывного литья продолжают путем перехода к литийсодержащему алюминиевому сплаву.

Этим достигается тот эффект, что начало процесса разливки происходит без литийсодержащего сплава и исключает связанные с ним недостатки. Например, если начинать разливку сразу с литийсодержащего сплава, то до начала процесса разливки кристаллизатор и исходный блок обычно покрывают, например, посредством распыления, солевым флюсом, который очень гигроскопичен. При отсутствии надлежащей предварительной сушки поступающая из соли влага может реагировать с расплавленным алюминиево-литиевым сплавом после заливки его в кристаллизатор и создавать крайне опасную среду. При начале литья расплавленный алюминий, выливаемый на исходный блок, дает усадку при затвердевании, что может привести к попаданию паров воды, использующейся для охлаждения кристаллизатора, в зону кристаллизатора, потенциально ведущую к взрыву при контакте с расплавленным алюминиево-литиевым сплавом. Кроме того, из-за более высокой вязкости алюминиево-литиевых сплавов могут возникнуть проблемы в начале процесса с системой распределения металла в кристаллизаторе, например, выполненной из стеклоткани, например, распределители металла "combo-bag", и, как следствие, из-за неравномерного распределения металлов в этих сплавах они склонны к прорывам в начале процесса разливки. Прорывы в случае алюминиево-литиевых сплавов могут привести к катастрофическим последствиям, если расплавленный алюминий вступит в контакт с охлаждающей водой. Все эти недостатки и риски устраняются или по меньшей мере значительно снижаются в способе согласно данному изобретению, так как в этом случае при пуске процесса разливки нет ни расплавленного Al-Li сплава, ни необходимости в использовании каких-то солей для ослабления окисления кислородом воздуха.

В конце процесса разливки, когда слиток застыл, отлитый слиток удаляют из станции разливки, после чего низ слитка отрезают. В зависимости от отливаемых сплавов это может быть сделано после разливки или сразу после термообработки, которая может быть также гомогенизирующей термообработкой для снятия напряжений в отлитом слитке. Хотя это и не желательно, но возможно, чтобы при переходе от сплава A к сплаву B образовывалась переходная зона Z, имеющая промежуточный состав между составами первого и второго сплава. В идеале эту переходную зону Z следует отрезать от отлитого слитка.

Когда в контексте данного изобретения говорится о слитке, специалист должен понимать, что это относится как к слитку под прокатку, имеющему длину L, обычно образующую направление прокатки, ширину W и толщину T, а также к круглой заготовке (биллету), которую можно использовать для прессования, ковки или штамповки и которая имеет длину L, обычно образующую направление прессования, и имеет круговую периферию, так что ширина и толщина являются одним и тем же измерением, соответствующим диаметру круглой заготовки.

Настоящее изобретение применяется к различным способам литья, предпочтительно к способу литья, выбранному из литья в кристаллизатор с прямым охлаждением, горизонтального литья, непрерывной разливки полос между цилиндрами и непрерывной разливки полос с использованием установки для ленточного литья.

В контексте данного изобретения предпочтителен способ, известный специалисту как "литье в кристаллизатор с прямым охлаждением" или "DC-литье". В таком способе алюминиевый сплав отливают в охлаждаемый водой кристаллизатор с ложным дном или исходным блоком при непрерывном и вертикальном перемещении ложного дна так, чтобы поддерживать практически постоянный уровень расплавленного металла в кристаллизаторе при отверждении сплава, причем застывающие поверхности напрямую охлаждаются водой. Вертикальное направление литья образует продольное направление отлитого в результате слитка.

Способ согласно изобретению направлен на пуск или инициирование процесса разливки, в частности, процесса литья в кристаллизатор с прямым охлаждением, с использованием безлитиевого сплава. После установления стационарного режима разливки перенос первого алюминиевого сплава может быть заменен переносом второго, литийсодержащего сплава. Для этого в одном варианте осуществления изобретения отлитая длина L1 составляет менее примерно трехкратной толщины T отлитого слитка, предпочтительно L1 меньше примерно 2,5-кратной толщины T слитка, а более предпочтительно L1 меньше примерно двухкратной толщины T слитка.

В одном варианте осуществления отлитая длина L1 + L2 равна длине L отлитого слитка.

В одном варианте осуществления лоток для транспортировки металла (конвейерный лоток, или лотковый конвейер) содержит по меньшей мере один кожух для фильтра металла, предпочтительно пенокерамического фильтра, для поточной обработки расплава в целях удаления неметаллических включений. Известно, что в печах для плавки литийсодержащих алюминиевых сплавов используются солевой покров, который неизбежно уносятся из плавильной печи в конвейерный лоток и очень плохо влияет на пенокерамические фильтры. Это связано с тем, что обычно используемые соли являются очень коррозионно-активными по отношению к керамическим фильтрам. Однако в способе согласно изобретению поточная обработка металла с использованием керамических фильтров для удаления неметаллических включений не вызывает никаких проблем и может с успехом применяться. Так как процесс отливки инициируют с первым алюминиевым сплавом, не содержащим лития, соответственно нет также необходимости использовать солевой покров в плавильной печи. Следовательно, никакая соль из солевого покрова плавильной печи не перемещается или не передается в конвейерный лоток. Поточная система керамических фильтров будет заполнена безлитиевым алюминиевым сплавом, который перемещается дальше на станцию разливки. Когда в ходе процесса разливки происходит переход к переносу второго алюминиевого сплава, уровень расплавленного металла в поточной системе керамических фильтров поддерживают достаточно высоким, чтобы избежать того, что какая-либо соль, переносимая из плавильной печи со вторым сплавом, придет в контакт с керамическим фильтром, когда расплавленный второй алюминиевый сплав проходит через керамический фильтр на станцию разливки.

В одном варианте осуществления конвейерный лоток содержит емкость для установки дегазации металла, использующей газ, в частности, для поточного снижения содержания водорода и удаления частиц из расплавленного алюминиевого сплава. Газ может вводиться через фильерный дегазатор или покрытый флюсом зонд.

В одном варианте осуществления способа согласно данному изобретению, в конце процесса разливки также используется алюминиевый сплав, не содержащий лития в качестве целевого легирующего элемента. На этой стадии процесса разливки конвейерный лоток и любое вспомогательное оборудование, такое как поточные керамические фильтры и дегазационные установки, промываются алюминиевым сплавом, не содержащим лития, и затем могут быть переведены в состояние ожидания, будучи наполненными безлитиевым сплавом, и быть доступными для следующей отливки, тем самым увеличивая срок службы этого оборудования.

Предпочтительно используется тот же самый первый сплав A, в зависимости от его доступности, но это может быть также и другой алюминиевый сплав, не содержащий лития. Такие образом, способ включает такой дополнительный этап, что после отливки длины L2 в направлении разливки второго сплава затем осуществляют перенос первого сплава через конвейерный лоток из печи на станцию разливки с одновременным прекращением переноса второго сплава на упомянутую станцию разливки, и разливают первый сплав от концевой поверхности второго сплава на длине L2 до дополнительной требуемой длины L3 в направлении разливки, после чего операцию разливки завершают. Требуемая длина L3 менее важна для процесса разливки, чем длина L1. Последняя должна обеспечивать надежный и стабильный пуск процесса разливки. В идеале длина L3 может быть меньше толщины T отлитого слитка.

В этом варианте осуществления также будет проводиться обрезка отлитого слитка в его головной части или его концевой части на длине, которая больше или равна отлитой длине L3. И в этом варианте осуществления возможно, чтобы при переходе от сплава B к сплаву A образовывалась переходная зона, имеющая состав, промежуточный между составами первого и второго сплава. В идеале эту переходную зону, если она имеется, следует отрезать от отлитого слитка.

В одном варианте осуществления первый алюминиевый сплав имеет состав A, который включает менее 0,1% лития, предпочтительно менее 0,02%, а более предпочтительно практически не содержит лития. Выражение "практически не содержит" означает, что сколь-либо значительное количество этого компонента не добавляется специально в состав сплава, причем понятно, что в алюминиевом сплаве могут присутствовать следовые количества случайных элементов и/или примесей.

В одном варианте осуществления второй алюминиевый сплав имеет состав B, дополнительно содержащий от примерно 0,1 до 1% серебра, и при этом первый алюминиевый сплав имеет состав A, включающий менее примерно 0,1% серебра.

Это выгодно тем, что сплав A не только имеет очень низкое содержание Li, чтобы позволить начать отливку слитка, но и исключает намеренное добавление довольного дорогого легирующего элемента серебра. На этой стадии процесса разливки добавление серебра не играет целенаправленной роли, и нижний конец отлитого слитка отрезается после окончания разливки и возвращается на повторное использование.

В одном варианте осуществления, за исключением разницы в содержании Li и, необязательно, также в содержании серебра, первый алюминиевый сплав и второй алюминиевый сплав в остальном имеют примерно одинаковый химический состав.

Способ согласно данному изобретению пригоден для литийсодержащих алюминиевых сплавов с содержанием Li в диапазоне по меньшей мере примерно 0,2% Li, а предпочтительно по меньшей мере примерно 0,6%, и которые содержат до примерно 10% Li, а предпочтительно до примерно 4%. В частности, можно получать сплавы семейства серий 2XXX, 5XXX, 7XXX и 8XXX, такие как, например, но без ограничений, сплавы AA2050, AA2055, AA2060, AA2065, AA2076, AA2090, AA2094, AA2095, AA2195, AA2097, AA2197, AA2297, AA2397, AA2098, AA2198, AA2099, AA2199, AA8024, AA8090, AA8091, AA8093.

Изобретение не ограничено вышеописанными вариантами осуществления, которые могут варьироваться в широких пределах в рамках объема изобретения, как оно определено в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при непрерывной разливке алюмниево-литиевых сплавов. Получают в отдельных печах по меньшей мере два сплава на основе алюминия. Первый сплав имеет состав A, не содержащий литий в качестве целевого легирующего элемента. Второй сплав имеет состав B, содержащий литий в качестве целевого легирующего элемента. Сплавы транспортируют каждый по своему желобу из печей на разливку. Сначала разливают сплав состава А до длины L1 слитка в направлении разливки. После установления режима непрерывной разливки разливку сплава состава А прекращают и разливают сплав состава В от концевой поверхности отлитого сплава состава А до длины L2. Обрезают отлитый слиток с его нижнего конца на длину, большую или равную отлитой длине L1. Обеспечивается исключение использования солей при разливке алюминиево-литиевых сплавов. 10 з.п. ф-лы.

1. Способ литья слитка из алюминиевого сплава, содержащего литий, включающий следующие этапы:

(a) получение в отдельных печах по меньшей мере двух сплавов на основе алюминия, первый из которых имеет состав А, не содержащий литий в качестве целевого легирующего элемента, а второй – имеет состав В, содержащий литий в качестве целевого легирующего элемента;

(b) транспортировка первого сплава по транспортировочному желобу из первой из упомянутых печей на участок разливки;

(c) разливка первого сплава состава А, не содержащего литий в качестве целевого легирующего элемента, до достижения стабильных условий литья с получением слитка длиной L1;

(d) транспортировка второго сплава по другому транспортировочному желобу из второй из упомянутых печей на участок разливки при одновременном прекращении транспортировки первого сплава на упомянутый участок разливки;

(e) разливка второго сплава от концевой поверхности слитка длиной L1 из первого сплава до получения слитка длиной L2;

(f) обрезка отлитого слитка с его нижнего конца на длину, большую или равную отлитой длине L1.

2. Способ по п. 1, в котором на упомянутом этапе (с) разливку осуществляют в вертикальный кристаллизатор с прямым охлаждением.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором длина L1 меньше трехкратной толщины T отливаемого слитка, предпочтительно L1 меньше 2,5-кратной толщины T отливаемого слитка.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором осуществляют фильтрацию металла посредством фильтра, установленного в транспортировочном желобе, предпочтительно пенокерамического фильтра.

5. Способ по п. 1 или 2, в котором осуществляют дегазацию металла в емкости, установленной в транспортировочном желобе.

6. Способ по п. 1 или 2, в котором разливку сплавов составов А и В осуществляют без прерывания потока.

7. Способ по п. 1 или 2, в котором после разливки второго сплава на длину L2 осуществляют транспортировку первого сплава по транспортировочному желобу из печи на участок разливки, одновременно с ней прекращают транспортировку второго сплава на упомянутый участок разливки и разливают первый сплав от концевой поверхности слитка, отлитого из второго сплава, до дополнительной длины L3, и завершают операцию разливки.

8. Способ по п. 1 или 2, в котором алюминиевый сплав состава А содержит менее 0,1% лития.

9. Способ по п. 1 или 2, в котором алюминиевый сплав состава В содержит 0,2-10% лития.

10. Способ по п. 1 или 2, в котором алюминиевый сплав состава В содержит 0,1-1% серебра и при этом алюминиевый сплав состава А содержит менее 0,1% серебра.

11. Способ по п. 1 или 2, в котором длина L отлитого слитка составляет L1+L2.