DE10301363A1

DE10301363A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gussstücken aus einer Legierung durch Spritzgießen

Info

Publication number: DE10301363A1
Application number: DE10301363A
Authority: DE
Inventors: Robert Prof. Dr. Singer; Mark Hartmann; Andreas Lohmüller; Peter Hutmann; Roland Treitler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Neue Materialien Fuerth GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Neue Materialien Fuerth GmbH
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2004-07-22

Abstract

Zur Herstellung von Gussstücken aus einer Legierung werden wenigstens zwei teilchenförmige metallische Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung als Gemisch der Materialzufuhröffnung eines Schneckenextruders zugeführt, in dem sie zumindest teilweise aufgeschmolzen und aus einer Speicherzone über eine Düse ausgestoßen werden. Die Temperatur des Schneckenextruders an der Materialzufuhröffnung wird unter dem Schmelzpunkt bzw. der Solidustemperatur der metallischen Materialien gehalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gussstücken aus einer Legierung durch Spritzgießen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Gegenstand.

Ein derartiges Verfahren ist bereits bekannt ( DE 199 07 118 C1 ). Dabei wird das eine teilchenförmige metallische Material, z. B. eine Magnesiumlegierung, das die Hauptkomponente bildet und dendritische Eigenschaften aufweist, der Materialzufuhröffnung am förderaufwärtigen Ende der Schnecke einer Thixospritzgießmaschine zugeführt, während das andere metallische Material, z. B. Zink oder eine AlZn-Legierung förderabwärts eingespeist wird. In dem Schneckenextruder wird die Magnesiumlegierung über ihre Solidustemperatur erwärmt, damit sie in der Speicherzone in einen thixotropen Zustand vorliegt. Wenn ein niedrig schmelzendes Metall, wie Zink, dem Schneckenextruder vor der Speicherzone zugeführt wird, schmilzt es, ohne sich mit der noch festen Magnesiumlegierung homogen vermischen zu können. Zudem treten kaum beherrschbare Abdichtungsprobleme an der Stelle der Zinkeinspeisung auf.

Die Herstellung von Gussstücken in großen Stückzahlen aus Legierungen erfolgt im allgemeinen durch Druckguss. Die Legierung wird dazu in Form von Giessmasseln eingesetzt, die durch konventionelle Schmelzmetallurgie aus den Legierungskomponenten erhalten werden.

Für den Druckguss muss die gewünschte Legierung also zweimal aufgeschmolzen werden, nämlich einmal zur Herstellung der Gießmasseln und zum anderen in der Druckgussanlage. Bei einer Reihe von Legierungselementen ergeben sich zudem Probleme, durch die die Einhaltung der nominalen Legierungszusammensetzung schwierig oder gar ausgeschlossen ist. So ist durch das Abbrandproblem die Anwendbarkeit von Legierungselementen begrenzt, die eine hohe Sauerstoffaffinität besitzen, z. B. Ca, Si, Hf, Y oder Cer. Gleiches gilt für Legierungselemente, die durch ihren hohen Dampfdruck die Tendenz haben, abzudampfen, z. B. Zn. Andere Legierungselemente sind nur begrenzt oder gar nicht im Basismetall löslich, sodass sie aufschwimmen oder zu Boden sinken. So sind z. B. Zirkon, Titan und Silizium in Magnesium kaum löslich und Eisen, Chrom, Molybdän, Vanadium, Beryllium und Bor unlöslich. Andere Legierungselemente, auch lösliche, mit einem hohen Atomgewicht, insbesondere solche mit einem um ein vielfaches höheren Atomgewicht als das des Basismetalls, neigen zur Schwerkraftseigerung, z. B. Zn. Eine weitere Limitierung stellt beim Druckguss die Eigenschaft mancher Legierungselemente, z. B. von Kalzium, dar, die Warmrissneigung zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach durchzuführendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussteilen aus den unterschiedlichsten Legierungen zur Verfügung zu stellen.

Dies wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. die im Anspruch 11 gekennzeichnete Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben.

Für das erfindungsgemäße Verfahren kann eine handelsübliche Thixospritzgießmaschine verwendet werden, bei der die Schnecke das Materialgemisch zu einer Speicherzone fördert, in der die gebildete Legierung mit der Schnecke, die dazu axial hin- und herverschiebbar ausgebildet ist, durch die Düse in das Spritzwerkzeug mit dem Formhohlraum ausgestoßen wird. Das Gehäuse der Thixospritzgießmaschine wird durch eine Heizung, beispielsweise Heizbänder, auf die erforderliche Temperatur erwärmt, um die metallischen Materialien zumindest teilweise aufzuschmelzen.

Die wenigstens zwei teilchenförmigen metallischen Materialien können zwei unterschiedliche Legierungen oder eine Legierung und ein unlegiertes (reines) Metall oder zwei unlegierte (reine) Metalle sein. Unter Metallen sind dabei auch Halbmetalle zu verstehen, wie Bor oder Silizium.

Der teilweise geschmolzene Zustand, den die Legierung durch Erwärmung und Scherung mit der Schnecke in der Speicherzone aufweist, kann dadurch erreicht werden, dass die als metallisches Material verwendete Legierung auf eine Temperatur zwischen der Solidus- und der Liquidustemperatur erwärmt wird, oder falls z. B. zwei unlegierte gegenseitig unlösliche Metalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten verwendet werden, dass nur das Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt aufgeschmolzen wird. Erfindungsgemäß können die wenigstens zwei metallischen Materialien auch völlig aufgeschmolzen werden, d. h. die als metallisches Material eingesetzte Legierung kann auch über die Liquidustemperatur erwärmt, bzw. wenn als metallisches Material reine unlegierte Metalle verwendet werden, können die Metalle auch ganz aufgeschmolzen werden.

Die teilchenförmigen Materialien, die als Granulat oder Pulver eingesetzt werden, werden erfindungsgemäß als Gemisch der Materialzufuhröffnung in dem Gehäuse des Schneckenextruders am förderaufwärtigen Ende der Schnecke zugeführt. Dazu können die Materialien zuerst gemischt und dann von einem Vorratsbehälter der Materialzufuhröffnung zugeführt werden.

Da z. B. durch eine unterschiedliche Teilchengröße und/oder eine unterschiedliche Dichte der Materialien eine Entmischung im Vorratsbehälter eintreten kann, werden separate Vorratsbehälter für die Materialien vorgezogen, aus denen die Materialien der Materialzufuhröffnung im Gehäuse des Extruders getrennt so zudosiert werden, dass sie sich erst an der Materialzufuhröffnung vermischen.

Die wenigstens zwei metallischen teilchenförmigen Materialien weisen vorzugsweise eine ähnliche Form und Größenverteilung auf. So sollte der mittlere Teilchendurchmesser des einen Materials von dem des anderen nicht mehr als 1:5 bis 5:1 abweichen, um einer Entmischung vorzubeugen.

Die Temperatur des Schneckenextruders an der Materialzufuhröffnung, d. h. des Gehäuses und der Schnecke in diesem Bereich, wird bei Zufuhr von wenigstens zwei Legierungen unter der Solidustemperatur der Legierungen, bei Zufuhr von wenigstens einer Legierung und wenigstens einem Metall unter der Solidustemperatur der Legierung und unter der Schmelztemperatur des Metalls und bei Zufuhr von wenigstens zwei Metallen unter der Schmelztemperatur der Metalle gehalten. Damit wird das feste Gemisch homogen im Extruder verteilt aufgeschmolzen.

Die Temperatur des Schneckenextruders kann von der Materialzufuhröffnung zur Düse hin ansteigen. Sie kann jedoch vor der Speicherzone auch höher als in der Speicherzone sein. So wird die Speicherzone vorzugsweise auf einer Temperatur gehalten, die der optimalen Spritztemperatur entspricht, die jedoch auch niedriger als die Temperatur zum Aufschmelzen liegen kann.

Im allgemeinen stellt ein metallisches Material die Hauptkomponente und das wenigstens andere metallische Material die Nebenkomponente dar. Die Hauptkomponente kann Magnesium oder eine Magnesiumlegierung sein, z. B. AZ91, AM60 oder AS41.

Das erste Material, aus der die Hauptkomponente gebildet wird, kann über ein Dosiereinrichtung, vorzugsweise eine Dosierschnecke, der Materialzufuhröffnung aus einem Aufgabetrichter oder dergleichen Vorratsbehälter zugeführt werden. Dem Vorratsbehälter kann dieses Material beispielsweise mit einem Saugfördergerät zugeführt werden. Die Förderkennlinie der Dosierschnecke, d. h. der Massenstrom dieses Materials in Abhängigkeit von der Schneckendrehzahl muss zur Bestimmung der zuzudosierenden Menge ermittelt werden.

Bei dem zweiten Material, also der Nebenkomponente kann es sich z. B. um ein Reinelement handeln. Das zweite Material kann gleichfalls aus einem Aufgabetrichter oder dergleichen Vorratsbehälter über eine Dosiereinrichtung, vorzugsweise ein Schneckendosierer oder ein Kammerdosierer, der Materialzuführöffnung zugeführt werden. Die Förderkennlinie dieser zweiten Dosiereinrichtung muss gleichfalls ermittelt werden.

Durch ein Inertgas, das der Materialzufuhröffnung zugeführt wird, wird der Zutritt von Luft in den Schneckenextruder verhindert. Dazu kann an der Materialzufuhröffnung ein Ansatz vorgesehen sein, der mit einer Inertgaszuführung versehen ist, um den Ansatz mit Inertgas zu füllen. Als Inertgas wird vorzugsweise Argon verwendet, da es eine höhere Dichte als Luft aufweist und damit die Luft aus dem Ansatz verdrängt.

Der Ansatz kann dazu, bis auf die Inertgaszuführung und die Austrittsöffnungen der Dosiereinrichtungen geschlossen ausgebildet sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Legierungselemente zulegiert werden, die beim herkömmlichen schmelzmetallurgischen Verfahren zu Abbrandproblemen aufgrund der hohen Schmelztemperatur und/oder der hohen Sauerstoffaffinität führen, beispielsweise Kalzium, Silizium, Hafnium, Yttrium und Cer. Die Sauerstoffaffinität des zulegierten metallischen Materials kann größer als die von Magnesium sein. Die Sauerstoffaffinität eines Metalls entspricht im allgemeinen dessen Normalpotenzial in der Spannungsreihe. Erfindungsgemäß können ohne weiteres Legierungselemente mit einem Normalpotenzial zulegiert werden, das negativer als –2 Volt ist, insbesondere Legierungselemente mit einem Normalpotenzial, das negativer als das von Magnesium (–2,37 V) ist, beispielsweise Kalzium, Hafnium, Yttrium oder Cer. Desgleichen können Legierungselemente mit einem hohen Schmelzpunkt von mehr als 1000°C zulegiert werden, beispielsweise Silizium.

Ferner können erfindungsgemäß Legierungselemente zulegiert werden, die durch ihren hohen Dampfdruck die Tendenz haben, abzudampfen, z. B. Natrium, Kalium, Zink. So hat Zink z. B. einen Dampfdruck von etwa 100 mbar bei 620°C und etwa 1000 mbar bei 900°C. Erfindungsgemäß können also ohne weiteres Legierungselemente mit einem Dampfdruck von mehr als 10 mbar bei 600°C oder von mehr als 100 mbar bei 900°C eingesetzt werden. So kann das zulegierte metallische Material bei einer Temperatur, bei der sich die Hauptkomponente im teilflüssigen oder flüssigen Zustand befindet, einen höheren Dampfdruck als Magnesium aufweisen. Auch ist es erfindungsgemäß möglich, Legierungselemente zu verwenden, die nur begrenzt oder gar nicht in dem Basismetall löslich sind, sodass sie aufschwimmen oder zu Boden sinken. So können Magnesium als Basismetall z. B. Zirkon, Titan und Silizium zulegiert werden, die bis zu einer in der Schmelzmetallurgie üblichen Temperatur von 1000°C eine Löslichkeit von deutlich weniger als 10 Gew.% in geschmolzenem Magnesium besitzen, ferner Eisen, Chrom, Molybdän, Vanadium, Beryllium und Bor, die in Magnesium unlöslich sind.

Ferner können erfindungsgemäß Legierungselemente, auch lösliche, mit einem hohen Atomgewicht, insbesondere solche mit einem um ein vielfaches höheren Atomgewicht als das Basismetall verwendet werden, ohne dass eine Schwerkraftseigerung auftritt. Je nach Zahl der durch metallographische Untersuchung feststellbaren Phasen bzw. Gefügebestandteile können erfindungsgemäß einphasige (homogene) oder mehrphasige Legierungen entstehen.

Da erfindungsgemäß die Legierung mit einer niedrigeren Temperatur dem Werkzeug zugeführt werden kann als beim Druckguss, wird die Warmrissneigung und die Tendenz der Legierung zu kleben, die insbesondere durch bestimmte Legierungselemente, wie z. B. Kalzium, hervorgerufen wird, herabgesetzt.

Wenn Magnesium oder eine Magnesiumlegierung als Hauptkomponente verwendet wird, können damit erfindungsgemäß Legierungen auf Magnesiumbasis ohne die in der Schmelzmetallurgie bestehenden Limitierungen mit folgenden Legierungselementen als Nebenkomponenten hergestellt werden: Alkali- und Erdalkalimetalle, z. B. Natrium, Kalium, Lithium, Strontium, Beryllium und Kalzium, Elemente der Gruppe 2B des Periodensystems, wie Zink, der Gruppe 3, wie Bor, der Gruppe 3A, wie Yttrium oder die Lantaniden, wie Cer, der Gruppe 4, wie Silizium, der Gruppe 4A, wie Titan, Zirkon oder Hafnium, der Gruppe 5A, wie Vanadium, der Gruppe 6A, wie Chrom oder Molybdän, sowie Eisenmetalle, insbesondere Eisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bildet im allgemeinen das eine metallische Material die Hauptkomponente, während das wenigstens eine andere metallische Material die Nebenkomponente bildet. Der Gewichtsanteil der Hauptkomponente beträgt mindestens 50 %, vorzugsweise 80% und mehr der hergestellten Legierung.

Die Maximaltemperatur des Schneckenextruders wird so eingestellt, dass sie bei einer Legierung als Hauptkomponente oberhalb der Solidustemperatur, insbesondere zwischen der Solidus- und der Liquidustemperatur der Legierung liegt und bei einem reinen Metall als Hauptkomponente oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls.

Vorzugsweise weist die Hauptkomponente eine Solidustemperatur oder einen Schmelzpunkt auf, der unterhalb der Solidustemperatur oder dem Schmelzpunkt der wenigstens einen Nebenkomponente liegt.

Wenn die Nebenkomponente in der Hauptkomponente löslich ist, wird erfindungsgemäß der Schneckenextruder auf eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur bzw. der Schmelztemperatur der Hauptkomponente erwärmt und damit die Nebenkomponente in der Hauptkomponente gelöst. Aufgrund der starken Durchmischung im Schneckenextruder kann erfindungsgemäß auch mit einer hochschmelzenden Nebenkomponente bei einer relativ niedrigen Betriebstemperatur des Schneckenextruders eine homogene, einphasige Schmelze erhalten werden.

So kann z. B. bei einer Temperatur des Schneckenextruders von 600 bis 620°C mit einer Magnesiumlegierung als Hauptkomponente und Kalzium als Nebenkomponente nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Magnesiumlegierung mit Kalzium erhalten werden, obgleich der Schmelzpunkt von Kalzium 840°C beträgt. Damit ist zudem ein sehr hoher Gehalt des Kalziums in einer Magnesiumlegierung von z. B. 10 Gew.% oder mehr herstellbar.

Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
Der Materialzufuhröffnung eines Schneckenextruders werden mit einer Dosierschnecke jeweils 95 Gewichtsteile einer Magnesiumlegierung AM60, als Granulat der Qualität TIX06 und 5 Gewichtsteile Zink als kugelförmiges Granulat mit einer Teilchengröße von < 2 mm zudosiert. Die Temperatur des Gehäuses des Extruders wurde förderabwärtig von der Zufuhröffnung auf maximal 620° eingestellt. Es wurde eine homogene einphasige Schmelze erhalten, d. h. das Zink hatte sich in der Flüssigphase der überwiegend aufgeschmolzenen Magnesiumlegierung homogen gelöst.
Beispiel 2
Das Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass 90 Gewichtsteile der Magnesiumlegierung und 10 Gewichtsteile Zink verwendet wurden. Es wurde ebenfalls eine homogene einphasige Legierung erhalten.
Beispiel 3
Das Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass 97 Gewichtsteile der Magnesiumlegierung und 3 Gewichtsteile Kalzium verwendet wurden. Es wurde eine homogene einphasige Legierung erhalten, die sich durch hohe Kriechfestigkeit auszeichnet.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert, deren einzige Figur schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht eines Schneckenextruders zum Thixospritzgießen zeigt.
Der Schneckenextruder weist danach in einem Gehäuse 1 eine Schnecke 2 auf, die durch eine Antriebseinheit 3 angetrieben wird. Ferner ist ein Druckspeicher 4 vorgesehen, durch den die Schnecke 2 mit einem nicht dargestellten Kolben axial hin- und hergeschoben werden kann. In der Zeichnung ist die Schnecke 2 in der Position nach dem Ausstoßen der Legierung aus der Speicherzone dargestellt. Wenn die Schnecke zurückgezogen ist, entsteht zwischen ihr und der Düse 5 die Speicherzone, in der sich die Legierung sammelt, die über die Düse 5 in den Formenhohlraum 6 des Werkzeugs 7 ausgestoßen wird, um das nicht dargestellte Gussstück zu bilden.
Das Gehäuse 1 weist an dem förderaufwärtigen Ende der Schecke 2 eine Materialzuführöffnung 8 auf, die mit einem stutzenförmigen Ansatz 9 versehen ist, der an seinem von der Zufuhröffnung 8 abgewandten Ende verschlossen ist.
An den Ansatz 9 sind zwei Dosierschnecken 10, 11, angeschlossen. Mit der einen Dosierschnecke 10 wird von einem Aufgabetrichter 12 das metallische Material A der Materialzuführöffnung 8 zudosiert. Mit einem Saugfördergerät 13 wird es dem Aufgabetrichter 12 zugeführt. Mit der anderen Dosierschnecke 11 wird das metallische Material B von einem Aufgabetrichter 14 der Materialzuführöffnung 8 zudosiert.
Unterhalb der beiden Eintrittsöffnungen 15, 16 der Dosierschnecken 10, 11 weist der Ansatz 9 eine Inertgaszuführung 17 auf. Mit Heizbändern 18, die förderabseits von der Materialzuführöffnung 8 an dem Gehäuse 1 und der Düse 5 angeordnet sind, wird der Extruder erwärmt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Gussstücken aus einer Legierung durch Spritzgießen, bei dem wenigstens zwei teilchenförmige metallische Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung, die aus wenigstens zwei Legierungen oder wenigstens einer Legierung und wenigstens einem reinen Metall oder wenigstens zwei reinen Metallen bestehen, einem Schneckenextruder mit einem mit einer Heizung und am förderaufwärtigen Ende der Schnecke mit einer Materialzufuhröffnung versehenen Gehäuse zugeführt, im Schneckenextruder zumindest teilweise aufgeschmolzen und aus einer Speicherzone über eine Düse ausgestoßen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die teilchenförmigen metallischen Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung als Gemisch der Materialzufuhröffnung zugeführt werden und die Temperatur des Schneckenextruders an der Materialzufuhröffnung unter dem Schmelzpunkt des wenigstens einen Metalls oder der wenigstens zwei Metalle oder unter der Solidustemperatur der wenigstens einen Legierung oder der wenigstens zwei Legierungen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches Material die Hauptkomponente und das wenigstens ein anderes metallisches Material die Nebenkomponente bildet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im flüssigen Zustand bis 1000 °C die Nebenkomponente in der Hauptkomponente keine Löslichkeit besitzt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im flüssigen Zustand bis 1000 °C die Nebenkomponente in der Hauptkomponente eine Löslichkeit von maximal 10 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkomponente Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein metallisches Material eine höhere Sauerstoffaffinität als Magnesium aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein metallisches Material bei einer Temperatur, bei der sich die Hauptkomponente im teilflüssigen oder flüssigen Zustand befindet, einen höheren Dampfdruck als Magnesium aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der metallischen Materialien ein Metall ist oder enthält, dessen Atomgewicht mindestens doppelt so groß, wie das der Hauptkomponente der Legierung ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Materialzufuhröffnung ein Inertgas zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Inertgas Argon verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Materialzuführöffnung (8) ein Ansatz (9) vorgesehen ist, dem die wenigstens zwei metallischen Materialien (A, B) über jeweils eine Dosiereinrichtung zugeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Dosiereinrichtung durch eine Dosierschnecke (10, 11) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (9) mit einer Inertgaszuführung (17) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertgaszuführung (17) an dem Ansatz (9) unterhalb der Eintrittsöffnung (14, 15) der Dosierschnecke (10, 11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (9) geschlossen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (18), mit der das Gehäuse (1) versehen ist, förderabwärts der Materialzuführöffnung (8) angeordnet ist.