DE202016001530U1

DE202016001530U1 - Pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung sowie seine Verwendung

Info

Publication number: DE202016001530U1
Application number: DE202016001530.4U
Authority: DE
Original assignee: TWI GmbH
Current assignee: Lindner Karl Heinz Dr De
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2017-06-12
Anticipated expiration: 2026-03-10

Abstract

Pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer aluminiumfreien Magnesiumlegierung, mit der Zusammensetzung: Mn100-x-y-zAxByCz, worin A Cerium (Ce) und/oder Lanthan (La) oder ein Ce-Mischmetall, B Scandium (Sc), C Zirkonium (Zr) ist und x, y, z die Bereiche der Zusammensetzungen von 0 ≤ x ≤ 37 Gew%, 0 ≤ y ≤ 4 Gew% und 0 ≤ z ≤ 9 Gew% betragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Magnesiumlegierung sowie seine Verwendung.
Die Herstellung von Legierungen erfolgt üblicherweise durch Legieren eines Hauptbestandteils (Reinmetall) mit den Nebenbestandteilen (Zusätzen). Überwiegend erfolgt dies durch Einbringen der Legierungszusätze in Form von Masseln oder Barren in die flüssige Schmelze des Reinmetalls.
Derartige Masseln oder Barren haben aufgrund ihrer kompakten Größe den Nachteil, dass diese, wenn sie einen höheren Schmelzpunkt aufweisen, nur unvollständig aufgeschmolzen werden. Dadurch können im Schmelzbad größere Brocken oder Klumpen anfallen, ohne sich mit den anderen Legierungsbestandteilen zu mischen. Solche als Einschlüsse oder monoelementare Bereiche bezeichnete Brocken eines der Legierungsmetalle können später bei der Weiterverarbeitung des Legierungsmaterials zu Ausfällen führen.
Eine Möglichkeit der Behandlung von Schmelzen ist die Drahtinjektion mittels Fülldraht, mit einem äußeren Mantel aus Metall und einem Füllmaterial, wobei das Füllmaterial ein oder mehrere pulverförmige Metalle oder körnige Metalle aufweist und das als Draht ohne Ummantelung ausgebildet ist.
Fülldrähte zur metallurgischen Behandlung von Schmelzen sind hinlänglich bekannt. Diese Behandlung ist dadurch gekennzeichnet, dass, im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren, die Zugabemenge der Legierungszusätze zur Schmelze exakt gesteuert werden kann. Der Mantel des Fülldrahtes dient dazu, die pulverförmigen oder körnigen Legierungszusätze über eine Drahtinjektionseinrichtung zu transportieren bzw. der Schmelze zuzuführen.
Eine Drahtinjektionseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 37 12 619 A1 bekannt. Fülldrähte zur Behandlung von Schmelzen mittels Drahtinjektion sind beispielsweise aus der DE 199 16 235 A1 , DE 19916234 A1 , DE 100 65 914 A1 , DE 10 2006 048 023 B3 , DE 100 65 914 A1 und EP 0234623 B1 bekannt.
Aus der DE 10 2009 054 072 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagerwerkstoffes bekannt, bei dem ein Halbfabrikat zum Einschmelzen im Rahmen der Herstellung einer Legierung einen Hüllkörper mit eingefüllten stückigen Legierungsbestandteilen, wie z. B. Späne, verwendet wird.
Der Nachteil der Fülldrähte besteht darin, dass die Füllmaterialien oft in Granulat- bzw. Pulverform vorliegen, sodass der Fülldraht in der Regel nicht zu 100% mit dem Füllmaterial gefüllt ist. Hierbei verbleibt ein Lückenvolumen im Fülldraht, das mit Luft gefüllt bzw. die Füllmaterialien mit Luft durchsetzt sind. Mit zunehmender Zeitdauer nimmt die Wirksamkeit des Füllmaterials durch die Reaktion des Sauerstoffanteils der Luft mit dem Füllmaterial ab. Es kann zu Oxidationsreaktionen zwischen dem im Luftvolumen vorhandenen Sauerstoff und dem Füllmaterial kommen.
Bei Füllstoffen, die bei Normalbedingungen nicht oder sehr langsam mit der eingeschlossenen Luft reagieren, kann beim Einbringen des Fülldrahtes in die Metallschmelze durch die Hitze der Metallschmelze eine Reaktion zwischen dem Füllstoff und der eingeschlossenen Luft erfolgen, wodurch der Füllstoff an Wirksamkeit verlieren kann und der Wirkungsgrad beim Einbringen in die flüssige Schmelze sich spürbar verringern kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein manganhaltiges Vormaterial, das auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt ist, zur Verfügung zu stellen, das ohne Ummantelung auskommt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Vormaterial. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Demzufolge weist das pulvermetallurgisch hergestellte manganhaltige Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer aluminiumfreien Magnesiumlegierung eine Zusammensetzung auf, die mit der Formel Mn_100-x-y-zA_xB_yC_z beschrieben wird, worin A für mindestens eines der Elemente Cerium (Ce), Lanthan (La) oder einem Ce-Mischmetall, B für Scandium (Sc) und C für Zirkonium (Zr) steht und x, y, z die Bereiche der Zusammensetzungen von 0 ≤ x ≤ 37 Gew%, 0 ≤ y ≤ 4 Gew% und 0 ≤ z ≤ 9 Gew% betragen.
Das Vormaterial kann als Draht oder als aus einer Vielzahl von miteinander verdrillten Drähten ohne eine Umhüllung oder einem Mantel ausgebildet sein. Die Herstellung der Drähte als Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Magnesiumlegierung kann auf zwei Wegen erfolgen.
Zum einen werden in einem ersten Schritt die metallischen Bestandteile des Vormaterials einzeln oder in Kombination durch Gasverdüsung in Pulverform überführt. In einem zweiten Schritt werden die pulverisierten Bestandteile entsprechend der gewünschten Zusammensetzung des Vormaterials gemischt und in einem dritten Schritt in einen Preßzylinder gefüllt und durch heißisostatisches Pressen zu einem Bolzen geformt wird. Beim heißisostatischen Pressen wird der Presszylinder in einen beheizbaren Druck-Kessel eingesetzt, worin dann das Pulver bei Temperaturen von bis zu 2.000°C, vorzugsweise unterhalb der Solidustemperatur des Bestandteils mit der höchsten Schmelztemperatur, und unter Drücken von 100 bis zu 200 MPa unter Schutzgas verdichtet wird. Der Gasdruck wirkt sich so von allen Seiten auf den Bolzen aus, so dass der Bolzen isotrope Eigenschaften erhält.
Durch den allseitig wirkenden Gasdruck und die hohen Temperaturen werden diffusionsgesteuerte Kriechvorgänge wirksam, die zur Verdichtung des Bolzenmaterials führen.
In einem vierten Schritt wird der so erhaltene Bolzen mittels einer Strangpresse mit Lochmatrize zu einem Draht verformt und anschließend der Draht aufgecoilt. Die Lochmatrize kann ein oder mehrere Löcher aufweisen, so dass gleichzeitig mehrere Drähte durch Strangpressen hergestellt werden können.
Zum anderen kann aus den Bestandteilen des Vormaterials eine Schmelze erzeugt werden, die dann mittels eines Zerstäubungsprozesses zu einem sprühkompaktierten Bolzen geformt wird. Der sprühkompaktierte Bolzen weist ebenso isotrope Eigenschaften auf und wird mittels einer Strangpresse mit Lochmatrize zu mindestens einem Draht verformt.
Das zu einem Draht geformte Vormaterial kann zur Behandlung von Schmelzen insbesondere mittels Drahtinjektion zur Herstellung von Leichtmetalllegierungen verwendet werden. Die Legierungen können sowohl Magnesium- als auch Aluminiumlegierungen umfassen.
Das als Draht ausgeformte Vormaterial kann einen Durchmesser von 1 mm bis 25 mm aufweisen. Da die Drähte für die Drahtinjektion bei größerem Durchmesser immer starrer werden, sind diese bevorzugt als verdrillte Drähte in Form von Seilen ausgebildet. Dadurch behalten die Drähte ihre Flexibilität.
Für den Einsatz des als Draht ausgebildeten Vormaterials zur Drahtinjektion von Schmelzen zur Herstellung von Leichtmetalllegierungen kommt es lediglich darauf an, dass das Vormaterial eine definierte Zusammensetzung hat.
Anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher beschrieben werden.
Die Bestandteile des Vormaterials Mangan, Cerium, Lanthan, Scandium und Zirkonium werden einzeln mittels Gasverdüsung unter Schutzgas in Pulverform hergestellt. Anschließend werden die Pulver entsprechend einer bevorzugten Ausführung gemischt. Das Pulvergemisch enthält 60 Gew% Mn, 18 Gew% Ce, 9 Gew% La, 4 Gew% Sc und 9 Gew% Zr. Die so erhaltene Pulvermischung wird in einem Presszylinder gefüllt und mittels heißisostatischen Pressen zu einem Bolzen geformt. Das heißisostatische Pressen erfolgt vorzugsweise unter einem Druck von 150 MPa und einer Temperatur von ca. 1.000°C. Dabei kommt es zu einer fast vollständigen Verdichtung der Partikel und Auffüllung der Porenräume. Da einige der Bestandteile Schmelzpunkte unterhalb der Temperatur von 1.000°C haben, kommt es zu einer Kombination aus Festphasen- und Flüssigphasensintern.
Der so erhaltene Bolzen wird anschließend mittels einer Strangpresse zu einem Draht verformt, der nach Austritt aus der Lochmatrize der Strangpresse aufgecoilt wird. Bevorzugt hat der Draht als Vormaterial für das Legieren der Magnesiumschmelze einen Durchmesser von 2 mm. Das als Draht ausgebildete Vormaterial wird bevorzugt zur Herstellung von Legierungen mittels des Drahtinjektionsverfahrens verwendet.
Die pulvermetallurgische Herstellung des Vormaterials hat den Vorteil, dass Legierungsbestandteile, die nicht oder nur schwer schmelzmetallurgisch zu einer Vorlegierung verarbeitet werden können, trotzdem zu einem Vormaterial in Form eines massiven Drahtes hergestellt werden können, ohne das es einer Umhüllung oder eines Mantels bedarf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3712619 A1 [0006]
DE 19916235 A1 [0006]
DE 19916234 A1 [0006]
DE 10065914 A1 [0006, 0006]
DE 102006048023 B3 [0006]
EP 0234623 B1 [0006]
DE 102009054072 A1 [0007]

Claims

Pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer aluminiumfreien Magnesiumlegierung, mit der Zusammensetzung: Mn_100-x-y-zA_xB_yC_z, worin A Cerium (Ce) und/oder Lanthan (La) oder ein Ce-Mischmetall, B Scandium (Sc), C Zirkonium (Zr) ist und x, y, z die Bereiche der Zusammensetzungen von 0 ≤ x ≤ 37 Gew%, 0 ≤ y ≤ 4 Gew% und 0 ≤ z ≤ 9 Gew% betragen.
Pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial nach Anspruch 1, umfassend etwa 60 Gew% Mangan, etwa 18 Gew% Cerium, etwa 9 Gew% Lanthan, 4 Gew% Scandium und 9 Gew% Zirkonium.
Pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormaterial aus pulverisierten Bestandteilen durch heißisotatisches Pressen oder durch Sprühkompaktierung erzeugt ist.
Pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormaterial mittels Strangpressen als Draht geformt ist.
Pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormaterial aus mindestens zwei miteinander verdrillten Drähten besteht.
Pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Draht ausgeformte Vormaterial einen Durchmesser von 1 mm bis 25 mm aufweist.
Verwendung des Vormaterials nach Anspruch 1 zur Herstellung einer Legierung mittels Drahtinjektion.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Magnesiumlegierung ist.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Aluminiumlegierung ist.