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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Aluminium-Lithium-Legierungen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Verfahren zur Herstellung von geschmolzenen Aluminium-Lithium-Legierungen zum Gießen in Block- oder Knüppel-Ausgangsmaterial, das für eine weitere Verarbeitung mittels Strangpressen, Schmieden und/oder Walzen geeignet ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wie nachfolgend verstanden, beziehen sich, wenn nicht anders angegeben, Bezeichnungen von Aluminiumlegierung auf Bezeichnungen der Aluminium Association in den Aluminium Standards and Data und den Registration Records, wie sie von der Aluminium Association 2013 veröffentlicht wurden, und sind dem Fachmann gut bekannt.
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Für jede Beschreibung von Zusammensetzungen einer Aluminiumlegierung oder bevorzugten Zusammensetzungen einer Aluminiumlegierung sind alle Bezüge auf Prozentsätze in Gewichtsprozent, wenn nicht anders angegeben.
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Lithium enthaltende Aluminiumlegierungen sind sehr vorteilhaft bei der Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie, da die zielgerichtete Hinzufügung von Lithium die Dichte der Aluminiumlegierung um etwa 3% verringern und den Elastizitätsmodul um etwa 6% für jedes hinzugefügte Gewichtsprozent Lithium erhöhen kann. Damit diese Legierungen für Luftfahrzeuge ausgewählt werden, muss ihre Leistung bezüglich anderer technischer Eigenschaften so gut wie diejenige üblicherweise verwendeter Legierungen sein, insbesondere bezüglich des Kompromisses zwischen den statischen Festigkeitseigenschaften und den Schadenstoleranzeigenschaften. Im Lauf der Zeit wurde ein breites Spektrum von Aluminium-Lithium-Legierungen entwickelt, mit einem entsprechend breiten Spektrum von thermomechanischen Verarbeitungswegen. Ein Hauptverarbeitungsweg bleibt aber das Gießen von Blöcken oder Knüppeln zur Weiterverarbeitung durch Strangpressen, Schmieden und/oder Walzen. Es hat sich gezeigt, dass der Gießvorgang bei der industriellen Herstellung von Blöcken und Knüppeln ein problematischer Verarbeitungsschritt bleibt. Es gibt zum Beispiel Probleme bezüglich der Oxidation von geschmolzenem Metall in den Öfen, den Übertragungsrinnen und während des Gießens selbst.
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Das
US-Patent Nr. 4,761,266 (an Kaiser Aluminum abgetreten) offenbart ein Verfahren zur Zubereitung einer Aluminium-Lithium-Legierung in einem vorab ausgewählten Verhältnis von Aluminium zu Lithium. Das Verfahren enthält die Zubereitung einer Menge von geschmolzenem Lithium und einer Menge von geschmolzener Aluminiumschmelze. Das geschmolzene Lithium wird unter Verwendung von Edelstahlfiltern gefiltert, um Feststoffe aus dem geschmolzenen Lithium zu entfernen, insbesondere Lithiumoxide und -hydroxide. Die geschmolzene Aluminiumschmelze wird vor dem Mischen mit dem geschmolzenen Lithium durch Entgasen schmelzbehandelt. Das geschmolzene Lithium und das geschmolzene Aluminium werden in einem komplexen Gerät gemischt, das einen Wirbeltopf umfasst. Die Wirbelwirkung des Wirbels bewirkt das Mischen des Aluminiums und des Lithiums, die sich dann als eine homogene Mischung durch einen Austrittsdurchgang an der Basis eines Trichters nach unten fortbewegen. Die Mischung tritt in eine Entgasungskammer ein, wo die Mischung mit Argon gespült wird. Die gespülte Mischung wird dann durch einen Filter geführt, um alle Oxide und feuerfesten Fragmente zu entfernen, die in das System eingetreten sein können. Die geschmolzene Mischung tritt dann in eine Block-Gießstation ein. Alle Bestandteile des Systems werden mit einer inerten Atmosphäre umhüllt. Dieses Verfahren hat verschiedene Nachteile. Zum Beispiel gibt es eine Viskositätsempfindlichkeit der Legierung und somit eine Empfindlichkeit für Schwankungen der Temperatur des Metalls im Wirbeltopf. Obwohl das System mit einer inerten Atmosphäre umhüllt ist, gibt es ein hohes Risiko eines Einschlusses von Gas und Oxiden in dem geschmolzenen Metall, die danach entfernt werden müssen. Das Legierungssystem ist ein komplexes und dynamisches System, wobei kleine Veränderungen im Metallfluss zu unerwünschten Änderungen in der Legierungszusammensetzung im endgültigen Block führen können.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist ein Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung eines geschmolzenen Aluminium-Lithium-Legierung-Ausgangsmaterials bereitzustellen, das zuverlässiger und weniger empfindlich für kleine Schwankungen des Metallflusses ist, oder mindestens ein alternatives Verfahren zur Erzeugung von geschmolzenen Aluminium-Lithium-Legierungen bereitzustellen.
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Dieses und andere Ziele und weitere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung und die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung von geschmolzenen Aluminium-Lithium-Legierungen zum Gießen eines Ausgangsmaterials in Form eines Blocks, der für die Weiterverarbeitung mittels Strangpressen, Schmieden und/oder Walzen geeignet ist, erfüllt oder übertroffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:
- (a) Zubereiten einer ersten geschmolzenen Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung A, die frei von Lithium als zielgerichtetes Legierungselement ist, vorzugsweise wird die geschmolzen Aluminiumlegierung auch mittels Entgasen schmelzbehandelt und vorzugsweise auch durch Filtern, z. B. durch Verwenden eines Schaumkeramikfilters;
- (b) Übertragen der ersten Aluminiumlegierung zu einem Induktionsschmelzofen, vorzugsweise ohne Erzeugung einer Turbulenz in dem geschmolzenen Aluminium, um ein Einschließen neu erzeugter Oxide aufgrund der Turbulenz oder das Aufnehmen von feuerfesten Fragmenten zu vermeiden;
- (c) Hinzufügen von Lithium zur ersten Aluminiumlegierung im Induktionsschmelzofen, um eine zweite geschmolzene Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung B zu erhalten, die Lithium als zielgerichtetes Legierungselement hat,
- (d) optionales Hinzufügen weiterer Legierungselemente zur zweiten Aluminiumlegierung,
- (e) Übertragen der zweiten Legierung (mit optionalen weiteren Legierungselementen) mittels einer Metallförderrinne vom Induktionsschmelzofen zu einer Gießstation, und vorzugsweise ohne Erzeugung einer Turbulenz in dem geschmolzenen Aluminium, um die Bildung von Oxiden in dem geschmolzenen Aluminium zu vermeiden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass ein Induktionsschmelzofen die chargenweise Herstellung großer Volumen (mehrere Tonnen, z. B. 3 bis 10 Tonnen oder mehr) von Aluminium-Lithium-Legierung ermöglicht, was zu einer reproduzierbaren und konsistenten Legierungszusammensetzung für das nachfolgende Gießen eines Blocks führt. In einem Induktionsofen wird das geschmolzene Metall mittels eines oder mehrerer Induktoren in Bewegung gehalten. Der Fluidfluss in dem geschmolzenen Bad kann so zugeschnitten sein, dass die Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums stabil und im Wesentlichen frei von Turbulenz oder Wirbeln gehalten wird, wodurch die Aufnahme von Gas, z. B. Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Feuchtigkeit, oder der Einschluss von Oxiden erheblich verringert wird. Auch die Aufrechterhaltung einer Inertgasatmosphäre über dem geschmolzenen Aluminium kann leicht erhalten werden, verglichen zum Beispiel mit einem gasbefeuerten Schmelzofen. Aufgrund des durch den Induktor/die Induktoren induzierten kontrollierbaren Fluidflusses ist die Einführung von Legierungselementen, und insbesondere Lithium, sehr schnell, und es kann eine sehr gute Homogenität der Schmelze erhalten werden. Es ist noch ein weiterer Vorteil eines Induktionsschmelzofens, dass er nach der Übertragung der ersten Aluminiumlegierung zum Ofen verwendet werden kann, um dickes Schrottmaterial erneut zu schmelzen, einschließlich Li enthaltendes Schrottmaterial. Dünnes Schrottmaterial wie Späne sollte aufgrund einer übermäßigen Schlackenbildung an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls verhindert werden.
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Im Schritt (d) kann die geschmolzene Aluminiumlegierung auf ihre erforderliche Endzusammensetzung zugeschnitten werden. Zum Beispiel können kleinere Mengen von Legierungselementen hinzugefügt werden, falls die Legierungszusammensetzung noch nicht in ihrer Zielzusammensetzung ist. Es können auch relativ teure Legierungselemente wie Silber in einem späten Stadium hinzugefügt werden, um jeden Schrott zu minimieren, der solche kostbaren Legierungselemente enthält, oder um jedes mögliche Absetzen von schweren Legierungselementen im Ofen zu verhindern oder zumindest zu verringern.
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Wenn im Zusammenhang mit dieser Erfindung auf einen Block Bezug genommen wird, ist es dem Fachmann klar, dass dies sich sowohl auf einen Walzblock mit einer Länge L, die allgemein die Walzrichtung formt, einer Breite W und einer Dicke T, als auch auf Knüppel bezieht, die zum Strangpressen oder Schmieden verwendet werden können und eine Länge L haben, die allgemein die Strangpressrichtung bildet, und einen im Wesentlichen runden Umfang haben, so dass die Breite und Dicke die gleiche Abmessung sind, die den Durchmesser des Knüppels formt. Wie in der Technik bekannt, kann ein Strangpress-Knüppel auch ellipsenförmig sein.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verschiedene Gießvorgänge, und vorzugsweise auf einen Gießvorgang, der aus Strangguss, waagrechtem Guss, kontinuierlichem (Walz-)Guss von Bändern zwischen Zylindern, und kontinuierlichem Guss von Bändern unter Verwendung einer Bandgießmaschine ausgewählt wird.
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Der einem Fachmann als ”Strangguss mit direkter Kühlung” („direct chill casting”) oder ”DC-Guss” bekannte Vorgang ist ein bevorzugter Vorgang im Kontext dieser Erfindung. In einem solchen Vorgang wird eine Aluminiumlegierung in ein wassergekühltes Blockformwerkzeug mit einem falschen Boden oder Starterblock gegossen, während der falsche Boden senkrecht und kontinuierlich bewegt wird, um einen im Wesentlichen konstanten Pegel von geschmolzenem Metall im Formwerkzeug während der Verfestigung der Legierung aufrechtzuerhalten, wobei die verfestigten Flächen direkt mit einem Kühlmedium gekühlt werden, z. B. Wasser, Glykol oder eine Kombination davon. Die senkrechte Gießrichtung bildet die Längenrichtung des anschließenden gegossenen Blocks.
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In einer alternativen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Schmelzen und Gießen eines Blocks einer Lithium enthaltenden Aluminiumlegierung bereitgestellt, wobei der Block eine Längenrichtung L, eine Breite W und eine Dicke T hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:
- (i) Zubereiten von mindestens zwei geschmolzenen Aluminiumlegierungen in getrennten Öfen, d. h. einer dritten Legierung mit einer Zusammensetzung C, die frei von Lithium als zielgerichtetes Legierungselement ist, und in einem Induktionsschmelzofen der zweiten Legierung mit einer Zusammensetzung B, die Lithium als zielgerichtetes Legierungselement enthält;
- (ii) Übertragen der dritten Legierung über eine Metallförderrinne vom Ofen zu einer Gießstation;
- (iii) Einleiten des Beginns des Gießens eines Blocks und Gießen der dritten Legierung bis zu einer erforderlichen Länge L1 eines Blocks in der Gießrichtung;
- (iv) anschließendes Übertragen der zweiten Legierung über eine Metallförderrinne vom Induktionsschmelzofen zur Gießstation, während gleichzeitig die Übertragung der dritten Legierung zur Gießstation gestoppt wird, und wobei vorzugsweise ein Übergang zwischen den Legierungen C und B erhalten wird, ohne Unterbrechung des geschmolzenen Metallflusses;
- (v) Gießen der zweiten Legierung von einer Endfläche der gegossenen dritten Legierung bei der Länge L1 bis zu einer zusätzlichen erforderlichen Länge L2 in der Gießrichtung; und
- (vi) Abschneiden, z. B. mittels Sägen im Fall eines dicken Blocks, oder durch Abscheren, des gegossenen Blocks an seinem Boden bei einer Länge, die größer als die oder gleich der gegossenen Länge L1 ist.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Gießvorgang mit einer von Lithium als zielgerichtetem Legierungselement freien Aluminiumlegierung eingeleitet, und sobald eine stabile Gießbedingung oder Gießsituation erreicht wurde, wird der Gießvorgang durch Übertragen zur Lithium enthaltenden Aluminiumlegierung B fortgesetzt. Dies hat zur Wirkung, dass der Beginn des Gießvorgangs ohne eine Lithium enthaltende Legierung ist, und vermeidet die damit verbundenen Nachteile. Zum Beispiel werden sonst, wenn direkt mit der Lithium enthaltenden Legierung begonnen wird, vor dem Beginn des Gießvorgangs das Formwerkzeug und der Starterblock gemeinsam, z. B. mittels Sprühen, mit einem Salzflussmittel beschichtet, das sehr hygroskopisch ist. Wenn nicht vorab richtig getrocknet wird, kann vom Salz stammende Feuchtigkeit mit der geschmolzenen Aluminium-Lithium-Legierung reagieren, nachdem sie in die Gießform gegossen wurde, und eine sehr unsichere Umgebung erzeugen. Beim Beginn des Gießens schrumpft das auf den Starterblock gegossene geschmolzene Aluminium bei der Verfestigung, was dazu führen kann, dass Wasserdampf, der zum Kühlen des Gießformwerkzeugs verwendet werden kann, in den Bereich des Formwerkzeugs eintritt, was möglicherweise zu Explosionen führen kann, wenn er mit der geschmolzenen Aluminium-Lithium-Legierung in Kontakt kommt. Weiter können Aluminium-Lithium-Legierungen aufgrund höherer Viskosität zu Beginn zu Problemen mit dem Metallverteilungssystem im Gießformwerkzeug führen, das z. B. aus einer Glasfaserstoffeinlage, zum Beispiel Combo-Bags, besteht, und als Konsequenz einer ungleichmäßigen Metallverteilung sind diese Legierungen für Ausbluten zu Beginn des Gießvorgangs anfällig. Im Fall von Aluminium-Lithium-Legierungen kann Ausbluten katastrophale Wirkungen haben, wenn das geschmolzene Aluminium mit Kühlwasser in Kontakt kommt. Alle diese Nachteile und Gefahren werden durch das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform beseitigt oder zumindest erheblich verringert, da es zu Beginn des Gießvorgangs weder eine geschmolzene Al-Li-Legierung noch eine Notwendigkeit für irgendeine Verwendung von Salzen gibt, um die Oxidierung durch Umgebungssauerstoff zu Beginn des Gießvorgangs zu verringern. Am Ende des Gießvorgangs, wenn der Block verfestigt wurde, wird der gegossene Block aus der Gießstation entfernt, und danach wird der Boden des Blocks vom Block abgeschnitten. Abhängig von den gegossenen Legierungen kann dies nach dem Guss oder zuerst nach einer Wärmebehandlung durchgeführt werden, die auch eine Homogenisierungs-Wärmebehandlung sein könnte, um den gegossenen Block spannungsarm zu glühen. Obwohl nicht wünschenswert, ist es möglich, dass beim Übergang von der Legierung A zur Legierung B eine Übergangszone Z gebildet wird, die eine Zusammensetzung zwischen der ersten und der zweiten Legierung hat. Idealerweise sollte auch diese Übergangszone Z vom gegossenen Block abgeschnitten werden. Diese Ausführungsform hat zum Ziel, den Gießvorgang, insbesondere den DC-Gießvorgang, unter Verwendung einer von Lithium freien Legierung zu beginnen oder einzuleiten. Sobald eine stabile Gieß-Situation aufgebaut wurde, kann die Übertragung der dritten Aluminiumlegierung durch die Lithium enthaltende zweite Legierung B ersetzt werden, die in einem Induktionsschmelzofen zubereitet wurde, um eine verbesserte Metallqualität gemäß der Erfindung zu erhalten. In einer weiteren Ausführungsform ist die Gießlänge L1 geringer als etwa das Dreifache der Dicke T des gegossenen Blocks, vorzugsweise ist L1 geringer als etwa das Zweieinhalbfache der Dicke T des Blocks, und noch bevorzugter ist L1 geringer als das Doppelte der Dicke T des Blocks.
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In einer Ausführungsform wird vor der Übertragung der geschmolzenen zweiten Aluminiumlegierung (mit optional weiteren Legierungselementen) zu einer Gießstation die geschmolzene Legierung einer Schmelzbehandlung unterzogen, vorzugsweise mittels einer Schmelzbehandlung, die das Entgasen der geschmolzenen Aluminiumlegierung, was den Wasserstoffgehalt reduziert, und das Entfernen von Partikeln aus der geschmolzenen Aluminiumlegierung enthält. Das Gas kann entweder mit einem Spinndüsen-Entgaser, Lanze oder Fluss-Stab eingeführt werden. Der Entgasungsvorgang kann im Induktionsofen durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu ist die Metallförderrinne mit einem Behälter für eine Metallentgasungseinheit versehen, die ein Gas insbesondere zum Inline-Reduzieren des Wasserstoffgehalts und Entfernen von Partikeln aus der geschmolzenen Aluminiumlegierung verwendet.
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In einer Ausführungsform wird die Metallförderrinne für die Metallübertragung vom Induktionsofen zur Gießstation mit mindestens einem Gehäuse für einen Metallfilter, vorzugsweise einen Schaumkeramikfilter, zur Inline-Schmelzbehandlung zur Entfernung von nicht-metallischen Einschlüssen versehen.
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In einer Ausführungsform wird das Hinzufügen von Lithium zur geschmolzenen ersten Aluminiumlegierung, um eine geschmolzene zweite Aluminiumlegierung mit einer zielgerichteten Menge Lithium im Induktionsschmelzofen zu erhalten, unter einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt, zum Beispiel unter Verwendung eines Inertgases wie Helium oder Argon, aber Argon wird am meisten bevorzugt. Noch bevorzugter wurde die Schutzgasatmosphäre vorab getrocknet, wie in der Technik bekannt ist. Dies verhindert außerdem den Einschluss von unerwünschtem Gas, insbesondere Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff, oder die Bildung von Oxiden im geschmolzenen Aluminium.
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In einer Ausführungsform kann ein reduzierter Gasdruck über dem geschmolzenen Aluminium im Induktionsschmelzofen aufrechterhalten werden. Es gibt aber keinen Wunsch zu versuchen, irgendeine Art von Vakuum im Induktionsschmelzofen aufrechtzuerhalten.
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In einer Ausführungsform wird das Hinzufügen von Lithium in die geschmolzene erste Aluminiumlegierung, um eine geschmolzene zweite Aluminiumlegierung mit einer zielgerichteten Menge von Lithium zu erhalten, unter einer Schutzsalzabdeckung durchgeführt. Optional in Kombination mit einer Schutzgasatmosphäre. Vorzugsweise umfasst die Salzmischungsabdeckung LiCl, und bevorzugte Salzmischungen umfassen LiCl in Kombination mit anderen Salzen, die aus KCl, NaCl und LiF ausgewählt werden. Natriumchlorid ist weniger bevorzugt im Schmelzgefäß, da der Natriumbestandteil davon eine Tendenz hat, mit dem Lithium in der Aluminiumlegierung in Wechselwirkung zu treten, wodurch der Legierungsgehalt dann durch Natrium als höchst unerwünschtes Verunreinigungselement nachteilig beeinflusst wird. Auch KCl wird weniger bevorzugt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Schritt (c) das Lithium in flüssiger Form zur geschmolzenen Aluminiumlegierung hinzugefügt, entweder als reines geschmolzenes Lithium oder als Hauptlegierung. Das geschmolzene Lithium kann von einem benachbarten Gefäß oder Ofen geliefert werden, das/der das geschmolzene Lithiummetall enthält. Das geschmolzene Lithium wird in kontrollierten Mengen vom benachbarten Gefäß durch ein Füllrohr in die im Induktionsschmelzofen vorhandene Aluminiumlegierung übertragen. Das Ende des Füllrohrs kann mit einem Disperger oder einem Diffusur versehen sein. In Kombination mit dem Induktionsschmelzofen wird das geschmolzene Lithium leicht und schnell im geschmolzenen Aluminium verteilt, ohne unnötige Erzeugung von Oxiden oder einem Gaseinschluss. Wie dem Fachmann bekannt, hat das geschmolzene Metall aufgrund des Betriebs der Induktoren in einem Induktionsschmelzofen Ströme, die vom Boden bis nahe der Oberfläche nach oben und von der Oberfläche bis nahe dem Boden des Ofens nach unten gehen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das geschmolzene Lithium durch ein Füllrohr in einem nach unten gerichteten Strom in das geschmolzene Aluminium eingeführt, um das schnelle Mischen mit der Aluminiumlegierung zu erleichtern und dadurch eine gute Homogenität der Aluminiumlegierung zu erzeugen.
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In einer Ausführungsform wird im Schritt (c) das Lithium in fester Form zur geschmolzenen Aluminiumlegierung hinzugefügt, entweder als reines Metall oder in Form einer Vorlegierung.
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In einer Ausführungsform hat die geschmolzene erste Aluminiumlegierung eine Zusammensetzung A, die weniger als 0,1% Lithium, vorzugsweise weniger als 0,02% enthält, und ist noch bevorzugter im Wesentlichen frei von Lithium. Der Begriff ”im Wesentlichen frei” bedeutet, dass keine wesentliche Menge dieses Bestandteils absichtlich zur Legierungszusammensetzung hinzugefügt wird, wobei klar ist, dass Spurenmengen von zufälligen Elementen und/oder Verunreinigungen ihren Weg in die Aluminiumlegierung finden können.
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Das Verfahren gemäß dieser Erfindung ist nützlich für Lithium enthaltende Aluminiumlegierungen mit einem Li-Gehalt im Bereich von mindestens etwa 0,2% Li, und vorzugsweise mindestens etwa 0,6%, und die bis zu 10% Li, und vorzugsweise bis zu etwa 4% enthalten können. Insbesondere können Legierungen der Familien der 2XXX, 5XXX, 7XXX und 8XXX-Reihen, wie, aber nicht beschränkt auf, AA2050, AA2055, AA2060, AA2065, AA2076, AA2090, AA2091, AA2094, AA2095, AA2195, AA2196, AA2097, AA2197, AA2297, AA2397, AA2098, AA2198, AA2099, AA2199, AA8024, AA8090, AA8091, AA8093, und Abänderungen davon, erzeugt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, die im Rahmen der Erfindung, wie sie durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist, stark abgewandelt werden können.