DE2229453B2 - Verfahren zur herstellung einer flüssig-fest-metallmischung für giessprozesse - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer flüssig-fest-metallmischung für giessprozesse

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Description

55
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur :rstellung einer Flüssig-Fest-Metallphase außerhalb r Gießform für Gießprozesse, nach denen eine thitrope Masse verarbeitet wird, und auf danach her-UeIHc Flüssig-Fest-Metallphasen.
Vorhandene Gießverfahren, nach denen ein Metall den schmelzflüssigen Zustand gebracht und dann eine Form gegossen oder eingedrückt wird, haben ic Anzahl von Nachteilen: Das Schrumpfen beim Übergang aus dem flüssigen in den festen Zustand beträgt etwa 5%; der Abkühlvorgang dauert ziemlich lange; die völlig flüssige Schmelze ist gegenüber Formen stark erosiv; auch machen die hohe Temperatur der Schmelze und ihre erosive Wirkung den Formguß einiger Hochtemperaturlegierungen, wie z. B. Kupfer- oder Eisenlegierungen, schwierig. Die genannten Nachteile lassen sich durch Gießen einer Flüssig-Fest-Mischung solcher Legierungen verringern, und dei Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer solchen Mischung außerhalb der Gießform und die erforderlichen Mittel hierzu zu offenbaren. Weiter soll die Erfindung ein Verfahren liefern, nach dem eine solche Mischung zum Gießen verwendet wird.
Es ist an sich bereits bekannt, Metallschmelzen im Subliquidusbereich zu rühren. So beschreibt die US-PS 3300296 ein Verfahren zur Herstellung von Schaummetall, nach dem das Rühren außerhalb der Gießform im fest-flüssigen Zustand erfolgt, um anorganische Verbindungsteilchen, die zwecks Senkung der Fluidität zugesetzt werden, gleichmäßiger in der fest-flüssigen Metallmasse zu verteilen. Das Schäumen kann in der Gießform oder auch außerhalb derselben bewirkt werden.
Nach den US-P1S 3 568 752,2 963 758 und 2 897 557 sind andererseits Verfahren bekannt, wonach festflüssige Metallmassen in der Gießform gerührt werden, und zwar nach der ersten mittels exzentrischer Rotation abwechselnder Drehrichtung zwecks Erzielung eines feineren, äquiaxialen Gefüges, nach der zweiten mittels magnetischen Rührens zum Erhalten eines möglichst kolumnarkornfreien Gefüges und nach der dritten durch Vibration mit Hilfe eines zunächst eingetauchten Kegels zwecks Erzielung gasfreier und segregationsfreier Gußteile. Da das Rühren in der Gießform stattfindet, kommt es dabei nicht darauf an, daß die fest-flüssige Metallmasse nach dem Rühren noch vergießbar ist.
Die obengenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man eine Ausgangsschmelze herstellt, die einen erstarrten Teil aufweist, der kleiner als der zur Bildung eines Dendritnetzwerkes ohne Rühren ausreichende Teil ist, und zur Umwandlung des festen Teils in primäre Festteilchen aus einzelnen degenerierten Dendriten oder Noduln kräftig rührt, bis gegebenenfalls unter fortschreitender Abkühlung maximal etwa 65 Gewichtsprozent der Mischung aus den primären Festteilchen bestehen.
Auf Grund eines erfindungsgemäß ausreichend kräftigen Rührens lassen sich also bis zu etwa 65 Gewichtsprozent primäre Festteilchen enthaltende festflüssige Metallmassen erzeugen, die trotzdem noch für Gießprozesse verarbeitbar sind und somit die Vorteile geringerer Schrumpfung und Zeitdauer bis zum völligen Erstarren in der Form sowie deren geringerei Erosion bieten, während üblicherweise behandelte fest-flüssige Metallmassen schon ab etwa 20 bis 3C Gewichtsprozent Festanteil nicht mehr vergießbai sind.
Vorzugsweise wird die Abkühlung nur so weit ge führt, bis etwa 50% der Mischung flüssig und 50</J fest sind. Bei 40% Festgehalt hat die schlammartigi Flüssig-Fest-Mischung eine Viskosität von etwa 1 bi; 10 Poise. In diesem Zustand kann die Schmelze ver gössen werden, oder man kann sie auch schnell ab kühlen, um ihre völlige Erstarrung zwecks Aufbewah rung und späterer Verwendung zum Gießen herbeizu
führen.
Solche Flüssig-Fest-Mischungen lassen sich aus einer weiten Auswahl von Metalien und Metallegierungen darstellen. Die primären Teilchen umfassen kleine degenerierte Dendriten oder Noduln, die allgemein von kugelförmiger Gestalt sind und als Ergebnis des Rührens der Schmelze gebildet werden, wenn die Sekundärphase flüssig ist. Die primären Festteilchen bestehen aus einer einzelnen Phase oder aus einer Mehrzahl von Phasen, die eine von der DurchschniKszusammensetzung der umgebenden Matrix verschiedene Zusammensetzung aufweisen, wobei die Matrix selbst bei weiterer Erstarrung aus einer oder mehreren Phasen bestehen kann.
Mit dem Begriff »primäre feste Phase« ist die Phase oder sind die Phasen gemeint, die unter Bildung einzelner degenerierter Dendritenteilchen erstarren, wenn die Temperatur der Schmelze unter die Liquidustemperatur der Legierung in den Flüssig-Fest-Temperaturbereich abgesenkt wird, bevor man den so gebildeten flüssig· festen »Schlamm« vergießt. Mit dem Begriff »sekundäre feste Phase« ist die Phase oder sind die Phasen gemeint, die aus der im Schlamm existierenden flussigen Schmelze nach Beenden des Rührens bei einer niedrigeren Temperatur als der erstarren, bei der sich die primären Festteilchen gebildet haben. Die in der Zusammensetzung gemäß der Erfindung erhaltenen primären Festteilchen unterscheiden sich von der normalen Dendritstruktur insofern, als sie aus einzelnen, in der restlichen flüssigen Matrix suspendierten Teilchen bestehen. Normal ohne Rühren erstarrte Legierungen haben in den ersten Stadien der Erstarrung z. B. bis zu 15 bis 20 Gewichtsprozent Festanteil voneinander getrennte verzweigte Dendriten und entwickeln sich zu einem untereinander verfilzten Netzwerk, wenn die Temperatur weiter sinkt und der Festkörperanteil steigt. Die Struktur der Zusammensetzung gemäß der Erfindung verhindert dagegen die Bildung des verfilzten Netzwerks, indem die einzelnen Primärteilchen voneinander durch die flüssige Matrix sogar bis zu Festanteilen von 60 bis 65 Gewichtsprozent getrennt gehalten weroen. Die primären Festteilchen sind degenerierte Dendriten, d. h sie sind durch im Vergleich mit normalen Dendriten glattere Oberflächen und weniger verzweigte Formen gekennzeichnet, womit sie sich einer Kugelform annähern, und sie körnen eine quasidendritische Struktur an ihren Oberflächen aufweisen, die jedoch nicht so ausgeprägt ist, daß eine gegenseitige Durchdringung der Teilchen unter Bildung eines Netzwerkdendritgefüges auftritt. Die Primärteilchen können innerhalb der Teilchen während ihrer Erstarrung Schmelze einschließen oder nicht, was von der Stärke des Rührens und der Zeitdauer abhängt, in der die Teilchen im flüssig-festen Bereich gehalten werden. Jedoch ist das Einschließen von Schmelze gewichtsanteilsmäßig geringer als in normal erstarrten Legierungen, bei der gleichen Temperatur nach bekannten Verfahren zum Erhalten des gleichen festen Gewichtsanteils.
Die sekundäre feste Phase, die sich während der Erstarrung aus der flüssigen Matrix anschließend an die Bildung der primären Festteilchen bildet, enthält eine oder mehrere Phasen der Art, die man auch während der Erstarrung einer schmelzflüssigen Legierung gleicher Zusammensetzung nach derzeit üblichen Gießverfahren erhalten würde. Die sekundäre feste Phase kann also Dendriten, Einzel- oder Mehrphasenverbindungen, feste Lösungen oder Mischungen von Dendriten, Verbindungen und/oder feste Lösungen umfassen.
Die Abmessungen der primären Teilchen hängen von der verwendeten Legierung oder Metal'zusammensetzung, der Temperatur der Fest-Flüssig-Mischung und dem angewendeten Rührgrad ab, wobei sich bei niedriger Temperatur und weniger starkern RührenSchicllmeilchenbilden. So kann die Größe der Primärteilchen von etwa 1 bis etwa 10000 Mikron
ίο reichen. Vorzugsweise soll die Zusammensetzung zwischen etwa 10 und 50 Gewichtsprozent Primärteilchen enthalten, weil dann eine Viskosität vorliegt, die das Gießen vereinfacht oder das Formen fördert.
Die Verfahrensweise gemäß der Erfindung läßt sich unabhängig von der chemischen Zusammensetzung auf jedes Metallegierungssystem oder Reinmetall anwenden. Obwohl reine Metalle und Eutektika bei einer bestimmten Temperatur schmelzen, sind sie verwendbar, da sie am Schmelzpunkt in einem
ao flüssig-festen Gleichgewicht existieren können, indem man die tatsächliche Wärmeaufnahme oder -abgabe der Schmelze so steuert, daß das reine Metall oder das Eutektikum am Schmelzpunkt eine ausreichenck Wärmemenge enthält, um nur einen Teil des Metalls oder des Eutektikums zu schmelzen. Dies ist möglich, da eine vollige Abführung der Schmelzwärme aus einem beim Verfahren gemäß der Erfindung verwendeten Schlamm auf Grund der großen Abmessungen des normalerweise verarbeiteten Gußstücks nicht sofort vor sich geht. Der gewünschte Zustand wird durch Ausgleich der z. B. durch starkes Rühren zugeführten und der durch eine kühlere Umgebung abgeführten Wärmeenergie erreicht. Beispielsweise sind geeignete Legierungen die des Magnesiums, Zinns, Aluminiums. Kupfers, Eisens, Nickels, Kobalts und Bleilegierungen, wie z. B. Blei-Zinn-Legierungen, Zink-Aluminium-, Zink-Kupfer-, Magnesium-Aluminium-, Magnesium-Aluminium-Zink-, Magnesium-Zink-, Aluminium-Kupfer-, Aluminium-Silizium-, Aluminium-Kupfer-Zink-Magnesium-Legierungen sowie Kupfer-Zinn-Bronzen, Messing, Aluminium-Bronzen, Stähle, Gußeisensorten, Werkzeugstähle, rostfreie Stähle, Sinterlegierungen, wie z. B. Nickel-Eisen-, Nickel-Eisen-Kobalt-Chrom- und Kobalt-Chrom-Legierungen. Auch reine Metalle, wie z. B. Eisen, Kupfer oder Aluminium sind geeignet.
Die Erfindungsoll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; darin zeigt
Fig. 1 eine Reproduktion einer Mikroskopauf-
nähme des Gefüges eines Gußstückes aus Zinn mit 10% Blei nach Herstellung unter Anwendung bekannter Verfahren,
Fig. 2 eine Reproduktion einer Mikroskopaufnahme des Gefüges eines Gußstückes der Legierung nach Fig. I nach Hersltellung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 eine teilweise weggeschnittene schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren gemäß der Erfindung,
Fig. 4 eine Reproduktion einer Mikroskopaufn^hme des Gefüges eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußstückes aus Kupfer mit 10% Zinn,
Fig. 5 eine Reproduktion einer Mikroskopaufnähme des Gefüges eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußstückes aus Eisen mit 3% Kohlenstoff und 4% Silizium, und
Fig. 6 eine Reproduktion einer Mikroskopauf-
nähme des Gefüges eines nach dem erfindungsgcmä-Ikn Verfahren hergestellten Gußstückes aus Aluminium mit 8,5% Silizium, 3,5% Kupfer und 1% Eisen. Eine Flüssig-Fest-Phase aus Metallegierungen, die über einen Temperaturbereich erstarren, ist in Fig. 3 mit 1 bezeichnet. Man stellt die Mischung durch Steigern der Temperatur der Legierung in einem Tiegel 2 in einem elektrischen Ofen 3 her, bis ein wesentlicher Teil der Schmelze 1 gänzlich im schmelzflüssigen Zustand ist. Dann werden gegenläufig rotierende Flügel 4 und 4' in die Schmelze 1 eingeführt und mittels eines elektrischen Motors 5 zwecks Erzeugung kräftigen Rührens der Schmelze 1 mit einer Drehzahl von 300 bis 500 U min in Rotation versetzt. Der Tiegel 2 wird durch einen Motor 6 ebenfalls (jedoch mit verringerter Drehzahl von 5 bis 10 U min) in Rotation versetzt. Danach wird die Temperatur der Schmelze verringert, um eine teilweise Erstarrung oder, wenn etwas Festphase bereits existiert, deren Anteil zu erhöhen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Temperatursenkung und das starke Rühren nicht gleichzeitig vorgenommen werden müssen. Die Schmelze kann man auch zunächst abkühlen, um einen kleinen Gewichtsprozentsatz an Festteilchen zu erzeugen, und dann rühren, um die degenerierten Dendriten entweder mit oder ohne Weiterabkühlung entstehen zu lassen. Die Temperatur läßt sich im Sinne der vorliegenden Erfindung senken, bis höchstens etwa 65% primäre Festteilchen in der Mischung vorliegen, und man kann dann das Vergießen vornehmen. Bei 60% fester Phase ist die Viskosität der Mischung etwa 60 Poise und läßt sich etwa wie Zement oder Klebstoff gießen. Bei 40% fester Phase ist die Viskosität etwa 4 Poise und läßt sich etwa wie schweres Maschinenöl bei Raumtemperatur gießen. Die Viskosität bei 50% fester Phase ist etwa 20 Poise. Viskositätsmessungen wurden mit Mischungen aus Zinn mit 15 % Blei vorgenommen. Die vorstehend angegebenen Werte beziehen sich auf diese besondere Legierung und unterscheiden sich etwas davon, wenn andere Legierungen verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt läßt sich die Schmelze unter Anwendung üblicher Gießtechniken vergießen.
Fig. 2 ist eine Reproduktion einer tatsächlichen Mikroskopaufnahme des Gefüges eines Gußstückes aus Zinn mit 10% Blei, was nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gerührt und vergossen wurde, als die Flüssig-Fest-Mischung zu 65% im Zustand der primären festen Phase war. Die körnigen, primären, festen Metallteilchen 10 und die sekundären Festteilchen 12 im Gußstück muß man mit den Dendritteilchen bei 11 in Fig. 1 vergleichen. Der schwarze Teil 13 der primären Festteüchen 10 umfaßt Schmelze, die in den primären Festteüchen während ihrer Bildung eingeschlossen wurde. Die Mikroskopaufnahmen nach Fig. 1 und 2 wurden mit 1Ofacher Vergrößerung hergestellt.
Fig. 4 ist eine Mikroskopaufnahme mit 15facher Vergrößerung eines Gußstückes aus einer Kupferlegierung mit 10% Zinn, die aus einer Zusammensetzung mit etwa 50 Gewichtsprozent primärer Festteüchen 14 vergossen wurde und außerdem sekundäre Festteüchen 15 enthält. Wie man beim Vergleich der Fig. 1 und 4 leicht beobachten kann, enthalten die primären Festteüchen 14 eingeschlossene Schmelze 16 und haben eine von der normalen Dendritstruktur sehr verschiedene Struktur.
Fig. 5 ist eine Mikroskopaufnahme mit 35facher
Vergrößerung eines Gußstückes aus Eisen mit 3% Kohlenstoff und 4% Silizium, das aus einer Zusammensetzung mit etwa 30 Gewichtsprozent primären Festteüchen 17 vergossen wurde und außerdem sckundäre Festteilchen 19 enthält. Die primären Festteüchen 17 enthalten eingeschlossene Schmelze und Graphitplättchen 18 und hsiben eine Nichtdeiidntstruktur.
Fig. 6 ist eine Mikroskopaufnahme mit 50facher ίο Vergrößerung eines Gußstückes aus Aluminium mit 8,5% Silizium, 3,5% Kupfer und 1% Eisen mit etwa 40 Gewichtsprozent primären Festteüchen 20 und sekundären Festteüchen 21. Die primären Festteüchen 20 haben eine nichtdendritische Struktur. Die Flüssig-Fest-Phase Il kann, wenn das gewünschte Flüssig-Fest-Verhältnis erreicht ist, auch sehr schnell abgekühlt werden, um einen erstarrten Körper zur leichten Aufbewahrung zu bilden. Späier kann der Körper auf die Temperatur der Flüssig-Fest-Phase mit dem besonders gewünschten Gewichtsverhältnis erhitzt und dann nach üblichen Methoden vergossen werden.
Ein nach dem gerade erläuterten Verfahren herge stellter abgekühlter Körper besitzt thixotrope Eigena5 schäften, wenn er wieder in den flüssig-festen Zustand erhitzt ist. Er kann so in eine abgewandelte Formgießmaschine oder andere Vorrichtung in anscheinend fester Form eingeführt werden. Jedoch bewirkt die Scherkraft, die auftrit, wenira dieser anscheinend feste Körper in eine Formhöhlung gedrückt wird, daß er sich in ein Material verwandelt, dessen Eigenschaften nahezu die einer flüssigen Schmelze sind.
Es sind in diesem und im folgenden Absatz tatsächliche Werte bezüglich solcher Flüssig-Fest-Phascn enthalten, mit denen gearbeitet wurde, während die restlichen Absätze Erläuterungen allgemeinerer An gewidmet sind. Was die Einzelheiten betrifft, so wurden Flüssig-Fesi-Phasen unter Verwendung einer solchen Vorrichtung hergestellt, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, und mit einer Drehzahl der Rührflügel vor 500 U min gearbeitet. Die Temperatursteuerung de; Ofens 3 wurde unter Verwendung eines Thermoele ments 14 vorgenommen, um Steuereingänge für ein« Ofentemperatursteuereinrichtung 15 in Fig. 3 zu lic fern. Die Temperaturen der Flüssig-Fest-Phase fu 50% Feststoff und 50% Schmelze verschiedener Le gierungen sind in folgender Aufstellung angegeben
Sn- 10% Pb - - -210 C
Sn- 15% Pb - --195 CC
Al- 30% Sn - --586 "C
Al- 4.5 % Cu- --633 °C
Legierung von F i g. 6 — - 549 0C
Legierung von Fig.4 947°C
Legierung von F ι g. 5 etwa 11100C
Änderungen von der Mischung mit 50% primäre Festteüchen und 50% Schmelze nach oben oder unte ergeben sich aus Änderungen der angegebenen Ten peraturwerte.
Ein hergestelltes Gußstück unter Verwendung e ner 50:50-Flüssig-Fest-Phase hat einen Schrump wert von etwa 2.5% im Unterschied zu 5% beim Ve gießen einer völlig flüssigen Metallschmelze, was fi eine Zinn-Blei-Legierung gut Erstarrungsschrump werte anderer Metalle sind: Eisen 4%; Aluminiu 6,6%; Kupfer 4,9%.
Das Gießen des beschriebenen teilweise erstarrten Gemisches läßt sich durch direktes Vergießen, durch Injektion oder auf andere den thixotropen Charakter der Masse berücksichtende Weise vornehmen. Zum Schmieden mit geschlossener Form, zum Heißpressen, zum Vakuumformen (dieses Materials) und zu anderen Zwecken kann es vorteilhaft eingesetzt werden. Die besonderen Eigenschaf ten dieser Schlämme regen dazu an, daß Abwandlungen bisher bekannter Gießverfahren mit Vorteil vorgenommen werden können. Beispielsweise sei darauf hingewiesen, daß sich die effektive Viskosität der Schlämme durch Steuern des Anteils der primären Festteilchen steuern läßt; die hohen möglichen Viskositäten bei Anwendung der Erfindung führen zu geringeren Metallspritzverlusten und Lufteinschlüssen und ermöglichen höhere Gießgeschwindigkeiten bei diesem Gießverfahren. Weiter ergeben sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine gleichmäßigere Festigkeit und eine höhere Dichte der Gußstücke.
Die Rührmittel entsprechend Fig. 3 und nach dei Beschreibung sind gegenläufig rotierende Flügel 4,4' jedoch lassen sich auch elektromagnetisches Rühren Gasblasendurchleiten und andere Rührmechanismer verwenden. Die Rührwirkung muß ausreichend sein um die Bildung ineinander verfilzter Dendritnetz werke zu verhindern oder die schon gebildeten Den dritverzweigungen an den primären Festteilchen irr wesentlichen zu beseitigen bzw. zu verringern. Eim Diskussion der Theorie als Basis dieser Erfindung is in einer Doktorarbeit des Erfinders Spencer unte dem Titel enthalten: »Rheology of Liquid-Solid Mix tures of Lead-Tin«. Eine Anzahl der Eilemcn'e de Vorrichtung in Fig. 3 tragen ohne weiteres verstand liehe Bezeichnungen, und es ist anzunehmen, daß ein< weitere Erläuterung ihrer Funktion überflüssig ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 409539/2

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Flüssig-Fest-Metallphase außerhalb der Gießform für Gießprozesse, bei denen eine thixotrope Masse verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Ausgangsschmelze herstellt, die einen erstarrten Teil aufweist, der kleiner als der zur Bildung eines Dendritnetzwerkes ohne Ruhren ausreichende Teil ist, und zur Umwandlung des festen Teils in primäre Festteilchen aus einzelnen degenerierten Dendriten oder Noduln kräftig rührt, bis gegebenenfalls unter fortschreitender Abkühlung maximal etwa 65 Gewichtsprozent der Mischung aus den primären Festteilchen bestehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schmelze nach dem Rühren vollkommen erstarren läßt und den Festkörper zur Verwendung bei einem Gießprozeß wieder auf die Temperatur aufheizt, bei der der thixotrope Zustand eintritt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze nach dem Rühren direkt vergossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zuerst erstarrte Teil gebildet wird, indem man das Metall oder die Legierung auf eine Temperatur unter Liquidus erhitzt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze bis zur Bildung von 10 bis 50 Gewichtsprozent primärer Festteilchen abgekühlt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kräftig gerührte Flüssig-Fest-Phase zur Erhöhung des Anteils einzelner fester degenerierter Dendriten oder Noduln unter Fortsetzung des Rührens bis zum Erhalten des gewünschten Flüssig-Festteilchen-Verhältnisses und anschließend weiter zur Erstarrung eines Teils der noch vorhandenen Schmelze auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der die Masse thixotrope Eigenschaften aufweist und im Flüssig-Fest-Zustand ist, und daß man auf die scheinbar feste Masse eine Kraft einwirken läßt, wodurch sie zu einem Material umgewandelt wird, dessen Eigenschaften mehr die einer Flüssigkeit sind, um das Material zu vergießen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zuerst erstarrte Teil gebildet wird, indem man das Metall oder die Legierung über Liquidus erhitzt und anschließend abkühlt.
DE2229453A 1971-06-16 1972-06-16 Verfahren zur Herstellung einer zu vergießenden Flüssig-Fest-Metallphase Expired DE2229453C3 (de)

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