DE2510853C2

DE2510853C2 - Verfahren zur Herstellung eines Metalls oder einer Legierung mit darin homogen verteilten, primär erstarrten nicht-dendritischen Festteilchen

Info

Publication number: DE2510853C2
Application number: DE2510853A
Authority: DE
Inventors: Merton C. Lexington Mass. Flemings; Robert Arlington Mass. Mehrabian; Rodney G. Stoneham Mass. Riek
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1984-07-26
Also published as: US3902544A; FR2277638A1; JPS5620944B2; DE2510853A1; SE422082C; SE7507959L; GB1509062A; JPS519004A; SE422082B; CA1045782A; FR2277638B1; IT1038149B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der Im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art, wie es aus der DE-OS 22 29 453 bekannt ist.

Das bekannte Verfahren sieht vor, solche primär erstarrte Festteilchen enthaltenden Metalle oder Legierungen im chargenweisen Betrieb herzustellen, wobei nach dem Rühren und Abkühlen die Flüssig-Fest-Mischung direkt vergossen oder zunächst zur völligen Erstarrung gebracht und später nach erneutem Aufheizen in diesen Flüssig-Fest-Zusta^d vergossen werden kann.

Aus der DE-OS 23 39 747 ist es zusätzlich bekannt, bei diesem Verfahren mit chargenweisem Betrieb der Flüssig-Fest-Mischung noch feste Teilchen aus einem von dieser abweichenden Material als dritte Phase In einer Menge bis zu etwa 65 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung einschließlich dieser dritten Phase, zuzusetzen sowie homogen in der Flüsslg-Fest-Mlschung zu verteilen.

Es wurde gefunden, daß die nach diesen Verfahren erzeugten Zusammensetzungen bei Gießverfahren

so wesentliche Vorteile im Vergleich mit den bekannten Gießverfahren liefern, bei denen eine völlig flüssige Metallschmelze In eine Form gegossen oder unter Druck eingebracht wird. Es ergeben sich einige Probleme beim Vergießen einer Legierungsschmelze, darunter jenes, daß beim Übergang aus dem flüssigen in den festen Zustand normalerweise eine Metallschrumpfung auftritt und der Abkühlungsvorgang verhältnismäßig lange dauert. Außerdem verhalten sich zahlreiche Legierungsschmelzen gegenüber Formen und Kokillen stark eroslv, und die hohe Temperatur der Schmelzen sowie deren erosive Eigenschaften machen das Vergießen solcher Legierungen, wie Kupfer- oder Eisenlegierungen, In gewisse Formen schwierig oder unmöglich- Durch Vergießen eines die genannten nlcht-dendrltlschen primär erstarrten Festteilchen enthaltenden flüssig-festen Schlammes wird diese Problematik wesentlich gemildert oder beseitigt, da die Form in Berührung mit Metall kommt, das eine

verhältnismäßig niedrige Temperatur aufweist, so daß sowohl das Erosionsproblem als auch die Abkühlungszeiten und die Metallschrumpfung verringert sind.

Die in den genannten Druckschriften besonders beschriebenen Verfahren Hefern Erzeugnisse, die gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile bieten. Jedoch arbeiten die dort im einzelnen offenbarten Verfahren mit chargenweisem Betrieb und weisen insofern noch gewisse Nachteile im Vergleich mit dem vorliegend angestrebten kontinuierlichen Verfahren auf. Bei diesen mit chargenweisem Betrieb arbeitenden Verfahren wird die gesamte Flüssig-Fest-Mischung einschließlich ihrer Oberfläche, die sich in direkter Berührung mit einer gasförmigen Umgebungsatmosphäre befindet, einem kräftigen Rühren unterworfen. Aufgrund dieses kräftigen Rührens ergibt sich das Mitreißen einer gewissen Gasmenge in die erzeugte Metallmischung, was unerwünscht ist, da das mitgerissene Gas daraus erzeugte Gegenstände ungünstig beeinflussen kann. Außerdem ist das Arbeiten mit Chargenweisem Betrieb gewöhnlich langsam, und die Temperatursteuerung ist dabei allgemein schwieriger.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte, aus der DE-OS 22 29 453 bekannte Verfahren so weiterzubilden, daß es kontinuierlich oder halb-kcntlnuierlich durchführbar !st und gleichzeitig eine Gasaufnahme des Metalls oder der Legierung während des kräftigen Rührens verhindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Ausgestaitungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das Überführen der Schmelze aus der ersten Zone in die Rührzone(n) und das Abziehen der abgekühlten Flüssig-Fest-Mischung aus der bzw. jeder Rührzone können kontinuierlich oder halb-kontinuierlich erfolgen. Die aus der Rührzone abgezogene Mischung kann gegossen oder durch eine an die Rührzone angrenzende Formungszone geleitet werden. Die erhaltene Mischung kann die Formungszone entweder völlig fest oder als flüssig-feste Mischung verlassen. In jedem Fall besteht die Mischung aus nicht-dendritischen primär erstarrten Festteilchen, die homogen In einer zweiten Phase verteilt sind, die entweder fest oder flüssig sein kann. Wenn die zweite Phase flüssig ist, kann man die so gebildeten Mischungen abkühlen lassen oder sofort durch Gießen In eine bestimmte Form bringen. Wenn das Enderzeugnis völlig fest Ist, kann es zu einem späteren Zeltpunkt durch Wiedererhitzung In den flüssig-festen Temperaturbereich geformt werden, In dem so es thixotrop sein und durch einwirkende Scherkräfte formbar gemacht werden.

Unter dem Begriff »primär erstarrte Festteilchen« versteht man die ur.ter Bildung einzelner degenerierter Dendritteilchen erstarrte Phase bzw. erstarrten Phasen, wenn die Temperatur der Schmelze unter die Llquldustemperatur der Legierung in den Flusslg-Fest-Temperaturberelch vor dem Gießen des gebildeten Flüsslg-Fest-Schlammes verringert Ist. Mit dem Begriff »sekundär erstarrte Festteilchen« oder »sekundäre Festphase« meint man die Phase oder Phasen, die aus dem im Schlamm vorliegenden schmelzflüsslgen Anteil bei einer niedrigeren Temperatur als der, bei der die primär erstarrten Festteilchen gebildet wurden, erstarren, nachdem das Rühren beendet Ist. Die In den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mischungen enthaltenen primär erstarrten Festteilchen unterscheiden sich von normalen Dendrltgefügen dadurch, daß sie einzelne in der übrigen flüssigen Matrix suspendierte Teilchen darstellen. Normal ohne Llmrühren erstarrte Legierungen enthalten verzweigt Dendriten, die voneinander In den frühen Stadien der Erstarrung, d. h. bis zu etwa 15 bis 20 Gew.-SK Festanteil noch getrennt sind und sich zu einem untereinander zusammenhängenden Netzwerk entwickeln, wenn die Temperatur gesenkt wird und der Festgewichtsanteil steigt. Bei dem Gefüge der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mischungen vermeldet man dagegen die Bildung eines zusammenhängenden Dendritnetzwerkes, indem man durch das starke Rühren bewußt die einzelnen primär erstarrten Festteilchen durch die flüssige Matrix auch bis zu Festgehalten von 60 bis 65 Gew.-% voneinander getrennt hält. Die primär erstarrten Festteilchen sind degeneriete Dendriten, die sich dadurch kennzeichnen, daß sie im Vergleich mit normalen Dendriten glattere Oberflächen und weniger verzweigte Gestallen unter Annäherung an Kugelform aufweisen und allenfalls ein quasi-der/'rritlsches Gefüge an ihren Oberflächen, jedoch nicht in solchem Maße zeigen können, daß eine gegenseitige Verbindung der Teilchen unter Bildung eines dendritischen Netzwerkgefüges auftritt. Die primär erstarrten Festteilchen können noch Schmelzeeinschlüsse in ihrem Inneren während der Teilchenerstarrung festhalten oder nicht, je nachdem, wie stark das Rühren und wie lange die Zeitdauer war, während der die Teilchen im Flüssig-Fest-Bereich gehalten wurden. Jedoch ist der Gewishtsanteil von Schmelzeeinschlüssen geringer als der bei einer normal erstarrten Legierung vorkommende, wenn nach dem bekannten Verfahren gleiche Temperaturen zum Erhalten des gleichen Festanteilgewichts angewandt werden.

Die sekundär erstarrten Festteilchen, die sich während der Erstarrung aus der schmelzförmigen Matrix im Anschluß an die Bildung der primär erstarrten Festteilchen bilden, bestehen aus einer oder mehreren Phasen der Art, die man auch während der Erstarrung einer Legierungsschmelze gleicher Zusammensetzung nach gegenwärtig üblichen Gießverfahren ohne starkes Rühren erhält. Und zwar kann die sekundäre Festphase Dendriten, Einzel- oder Vlelphasenverbindungen, feste Lösungen oder Mischungen vun Dendriten, Verbindungen und/oder festen Lösungen aufweisen.

Die Abmessung der primär erstarrten Festteilchen hängt von den jeweils verwendeten Leglerungs- oder Metallzusammensetzungen, der Temperatur der Fest-Flüsslg-Mlschung und dem angewandten Rührungsstärkegrad ab, wobei sich größere Teilchen bei niedrigerer Temperatur und bei Anwendung weniger starken Rührens bilden. So kann die Größe der primär errtanlüfc Festteilchen im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 000 μιη liegen. Vorzugswelse soll die Flüssig-Fest-Mischung etwa 10 bis 55 Gew.-% primär erstarrte Feslteilchen enthalten, da sich dann eine Viskosität ergibt, die ein leichtes Gießen oder Formen ohne Verursachung von Hltze&chäden an der Form- oder Gießeinrichtung fördert.

Die Begriffe »Rohren« oder »kräftiges Rühren« bedeuten In diesem Zusammenhang, daß die flüssigfeste Mischung einer Rührkraft ausgesetzt wird, die zur Verhinderung der Bildung zusammenhängender Dendritnetzwerke urd zur wesentlichen Beseitigung oder Verminderung bereits an den primär erstarrten Festteilchen gebildeter dendritischer Zweige ausreicht.

Erflndungsgemäß wird also ein Metall oder eine Legierung In einer ersten Zone geschmolzen, die mit

einer Rührzone in Verbindung steht. Die Rührzone Ist mit der ersten Zone verbunden und dieser gegenüber derart abgedichtet, daß ein Mitreißen von Gas In die Metallmischung In der Rührzone verhindert wird. Die Rührzone ist mit Mitteln zum Abkühlen und zum kräftigen Rühren der Metallmischung darin versehen. Der Starkegrad des Rührens in der Rührzone muß ausreichend sein, um die Bildung von zusammenhängenden Dendritnetzwerken aus der Metallmischung, während diese abgekühlt wird, zu verhindern. Welche Elnrlchtung zur Schaffung des starken Rührgrades verwendet wird. Ist nicht von Bedeutung, solange sich die unerwünschten zusammenhangenden Dendritnetzwerke nicht bilden und die angestrebten primär erstarrten Festteilchen entstehen, wenn die Metallmlschung In der Rührzone abgekühlt wird. Der Anteil der primär erstarrten Festteilchen In der Metallmlschung In der Rührzone kann bis zu etwa 65 Csv;. % der Fiüssig-Fest-Metallmischung betragen. Die Fiüsslg-Fest-Metallmischung wird aus der Rührzone durch eine Auslaßöffnung mit etwa der gleichen Durchsatzgeschwindigkeit entfernt, wie geschmolzene Metallmischung in die Rührzone eintritt. Die Flüssig-Fest-Metallmischung kann zur Bildung eines Festkörpers abgekühlt werden, den man später wieder In einen Flüssig-Fest-Bereich zwecks anschlleßenden Formens oder Gießens zu Irgendeiner gewünschten Zelt erhitzen kann, oder die Flüssig-Fest-Mischung kann auch gleich nach der Entfernung aus der Rührzone vergossen werden. Erfindungsgemäß ist es nicht von Bedeutung, daß eine bestimmte Art des Gießens angewandt wird. Jedoch führt die kontinuierliche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dazu, daß Gießtechniken erforderlich sind, die nach dem Stand der Technik nicht In Frage kommen, da die erfindungsgemäß kontinuierlich erzeugten Flüssig-Fest-Mischungen einen Grad von festem Zusammenhalt haben, der einer üblichen völlig flüssigen Metallschmelze nicht eigen ist. Dieser Grad von festem Zusammenhalt macht die Verwendung besonderer Mittel zum Transport und schließenden Formen der Flüssig-Fest-Mischungen erforderlich. Die im Zuge der Erfindung möglichen Gießtechniken sollen Im folgenden noch näher beschrieben werden.

Jedes Legierungssystem oder reine Metall läßt sich ohne Rücksicht auf seine chemische Zusammensetzung beim erfindungsgemäßen Verfahren verwenden. Obwohl reine Metalle und Eutektika bei einer bestimmten Temperatur schmelzen, lassen sich auch diese verwenden, da sie in einem flüssig-festen Gleichgewicht am Schmelzpunki existenzfähig sind, wenn man die Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr zur Schmelze bzw. von der Schmelze so steuert, daß das reine Metall oder Eutektikum am Schmelzpunkt gerade genug Wärme enthält, so daß nur ein Teil des Metalls oder Eutektikums schmilzt. Dies ist praktisch möglich, da eine völlige Abführung der Schmelzwärme bei einem nach dem erfindungsgemäßen Gießverfahren verwendeten Schlamm nicht plötzlich abläuft, weil die Abmessungen der normalerweise verwendeten Formen und Gußstücke zu berücksichtigen sind, und die gewünschte Mischung *° läßt sich unter Ausgleichen der zugeführten Wärmeenergie, z. B. durch starkes Rühren, und der durch eine kühlere Umgebung abgeführten Wärmeenergie erreichen. Beispielsweise geeignete Legierungen umfassen solche von Magnesium, Zink, Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt und Blei, wie z. B. Blei-Zinn, Zink-Aluminium-, Zink-Kupfer-, Magnesium-Aluminium-, Magnesium-Aluminium-Zink-, Magnesium-Zink-, Alumlnlum-Kupfer-, Aluminium-Silizium- und Aluminlum-Kupfer-Zlnk-Magneslum-Leglerungen, sowie Kupfer-Zlnn-Bronzen, Messing, Aluminiumbronzen, Stähle, Gußeisensorten, Werkzeugstähle, rostfreie Stähle, Superleglerungen, wie z. B. Nickel-Eisen-Leglerungen, Nickel-Elsen-Kobalt-Chrom-Leglerungen und Kobalt-Chrom-Leglerungen, oder reine Metalle, wie z. B. Elsen, Kupfer oder Aluminium.

Die Erfindung soll nun anhand der In der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden; darin zeigt

Flg. 1 eine Schnittansicht der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei Rührzonen,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer entsprechenden Vorrichtung mit nur einer Rührzone,

Fig. 3 einen Querschnitt der Vorrichtung in Flg. 2 längs der Linie 3-3,

Flg. 4 eine Reproduktion eines Mlkroskopschllffblldes zur Veranschaulichung des Gefüges eines erfindungsgemäß hergestellten Gußstückes aus einer Kupferlegierung mit 10% Zinn und 2% Zink,

Flg. S eine Reproduktion eines Mlkroskopschllffblldes zur Veranschaulichung des Gefüges eines erfindungsgemäß hergestellten Gußstückes aus einer Zinnlegierung mit 15% Blei,

Flg. 6 eine Reproduktion eines Mikroskopschllffblldes zur Veranschaulichung des Gefüges eines erfindungsgemäß hergestellten Gußeisenstückes mit 2,48% Kohlenstoff und 3,12% Silizium,

FI g. 7 eine Schnittansicht eJner Einrichtung zum kontinuierlichen Gießen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Flüsslg-Fest-Mlschung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zum Gießen bestimmter Teilmengen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Flüsslg-Fest-Mtschung, und

F i g. 9 eine schematische Darstellung einer alternativen Anlage zum Gießen bestimmter Teilmengen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Flüssig-Fest-Mischung.

Gemäß der Darstellung in F1 g. 1 befindet sich eine geschmolzene Legierung 1 ein einem Behälter 2 als erste Zone. Die Legierung 1 kann zweckmäßig mittels des Behälters 2 umgebender Induktionsheizspulen 3 in den Liquiduszustand erhitzt oder auf oder über der Liquidustemperatur gehalten werden. Der Behälter 2 ist mit drei öffnungen 4, 5 und 6 versehen, deren Abmessung oder Öffnungsquerschnitt durch Drosselklappen 7, 8 und 9 reguliert wird. Rührzonen 10, 11 und *5 sind angrenzend an je eine der Öffnungen 4, 5 und 6 angeordnet und mit der Bodenseite des Behälters 2 In einer Weise verbunden, daß ein Vermischen von Gas mit der Legierung entweder im Behälter 2 oder in einer der Rührzonen 10, 11 und 12 verhindert wird. Schnecken 16, 17 und 18 sind innerhalb der Rührzonen 10 bzw. 11 bzw. 12 vorgesehen und an drehbaren Wellen 20, 21 und 22 montiert, die durch geeignete (nicht dargestellte) Mittel angetrieben werden. Jede der Rührzonen 10, 11 und 12 ist mit Induktionsheizspulen 25 bzw. 26 bzw. 27 ausgerüstet und weist einen Kühlmantel 28 bzw. 29 bzw. 32 auf, um die Wärmemenge und die Temperatur der Legierung in der Rührzone 10 bzw. 11 bzw. 12 zu steuern. Jeder Kühlmantel ist mit einem Fiuideinlaß 30 und einem Fluidauslaß 31 versehen. Der Abstand zwischen der inneren Oberfläche 35 der Rührzone 12 und der äußeren Oberfläche 36 der Schnecke 18 sowie die entsprechenden Abstände zwischen den Ober-

flächen 37 und 38 und den Oberflächen 39 und 40 der Rührzonen 11 bzw. 10 sind ausreichend klein gehalten, so daß starke Scherkräfte auf eine flüssig-feste Mischung In den Rührzonen 10, 11 und 12 derart ausreichend zur Einwirkung gebracht werden können, s daß die Bildung von zusammenhängenden Dendritnetzwerken '"jrhindert wird, während gleichzeitig ein Durchlaufen der flüssig-festen Mischung durch die einzelnen Rührzonen 10, 11 und 12 ermöglicht wird. Da das in die FlUsslg-Fest-Mlschung bei einer gegebenen Drehzahl der Schnecke eingeführte Ausmaß von Scherung eine Funktion von sowohl dem Radius der Rührzone als auch dem Radius der Schnecke Ist, variiert der Zwischenraumabstand mit der Abmessung der Schinecke und der Rührzone. Um die notwendigen Scherkräfte aufzubringen, kann man größere Spalte bei entsprechend größeren Schnecken und Rührzonen verwenden. Die Bodenseite der Rührzonen 10. 11 oder 12 Ist jeweils mit einer solchen öffnung 40 bzw. 41 bzw. 42 versehen, daß sich die flüssig-feste Mischung aus den Rührzonen zweckmäßig durch Scherkraft oder, falls, erwünscht, durch Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen der Oberfläche der Metallschmelze 1 Im Behälter 2 und den öffnungen 40, 41 und 42 entfernen läßt. Der wirksame Öffnungsquerschnitt der öffnungen 40, 41 oder 42 läßt sich leicht durch Anheben oder Senken der Welle 20, 21 oder 22 steuern, so daß das unterseitige Schneckenende 44, 45 oder 46 In die Gesamtheit oder einen Teil der zugehörigen Öffnung 40, 41 ofsr 42 eingreift.

Der Betrieb der in Flg. 1 dargestellten Vorrichtung soll unter Berücksichtigung einer darin gezeigten Schnecke beschrieben werden. Ein Legierung 1 wird In den Behälter 2 Im völlig geschmolzenen, teilweise festen oder völlig festen Zustand eingeführt. In jedem Fall wird die Legierung im Behälter 2, falls erforderlich, durch die Heizinduktionsspulen 3 In den völlig geschmolzenen Zustand gebracht. Nachdem die Legierung ganz als Schmelze vorliegt, werden die Drosselklappen 7 geöffnet, um die Legierungsschmelze In die Rührzone 10 einzulassen. Die Drosselklappen 7 halten aucli eine Wanderung von primär erstarrten Festteilcheri aus der Rührzone 10 in den Behälter 2 äußerst gering. Inzwischen wird die Rotation der Welle 20 mit der !Schnecke 16 z. B. mit einer Drehzahl zwischen etwa 100 und etwa 1000 U/mln In Gang gesetzt.

Die Wärme in der Rührzone 10 wird von dort durch Wärmeaustausch mit einem Fluid, wie z. B. Luft oder Wasser, abgeführt, das in den Kühlmantel 28 durch den Einlaß 30 ein- und daraus durch den Auslaß 31 austritt. Die Heizinduktionsspulen 25 sind zur Prozeßsteuerung Im FaI! vorgesehen, daß die Metallmischung In der Rührzone 10 unbeabsichtigt bis zu einem Feststoffanteil Über dem gewünschten, d. h. über etwa 65 Gew.-«, abgekühlt 1st. Die Metallschmelze 1 wird kontinuierlich durch die Öffnung 4 in die Rührzone 10 abgelassen, worin die gewünschte Menge des Wärmeinhalts der Legierung abgeführt wird, um sie teilweise fest und teilweise flüssig zu machen, wobei sich der feste Anteil der primär erstarrten festen Teilchen der besonderen Art bildet. Die Geschwindigkeit, mit der die Flüsslg-Fest-Mlschung die Rührzone 10 verläßt, hängt von dem tatsächlichen Durchlaßquerschnitt in der Öffnung 40 ab, der durch die Stellung des Endes 44 der Schnecke 16 gesteuert wird. Der Wärmeaustausch ^s Innerhalb der Rührzone 10 läßt sich leicht durch Steuern der Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur des Kühlfluids Im Kühlmantel 28. durch Steuern der Stromzufuhr zu den Induktionsspulen 3 und durch Steuern der Strömungsgeschwindigkeit des Metalls durch die Ruhrzone 10 mittels Einsteilens der Lage der Drosselklappen 7 an der öffnung 4 und der Größe der Öffnung 40 mit Hilfe des Endes 44 der Schnecke 16 steuern. (Nicht dargestellte) Thermoelemente lassen sich über die Länge der Ruhrzone 10 verteilt und an deren Ende vorsehen, um die Temperatur der Flüsslg-Fest-Mlschung In der Rührzone 10 zu überwachen. Durch Prozeßführung In dieser Welse dient die Mitallsehmelze 1 in der ersten Zone, d. h. Im Behälter 2, zur Abdichtung der Flüsslg-Fest-Mlschung Innerhalb der Zone 10 von der äußeren Gasatmosphäre, wodurch eine unerwünschte Zufallseinführung von Gas In die FlUsslg-Fest-Mlschung In der Zone 10 verhindert wird

In den Fig. 2 und 3 ist eine alternativ mögliche Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Metallschmelze 50 wird In der erhitzten Zone 51 als erster Zone mit einer öffnung 52 an deren Bodenseite gehalten. Eine drehbare Welle 53 erstreckt sich durch die erhitzte Zone 51 und In eine Rührzone 54, In der In Verbindung mit der Welle 53 eine Schnecke 55 angeordnet Ist. Die Schnecke 55 weist Längsrippen 56 und -nuten über die gesamte Länge durch die Rührzone 54 hindurch auf. Die Rührzone 54 Ist von einem Kühlmantel 58 mit einem Einlaß 59 und einem Auslaß 60 umgeben. Außerdem Ist die Rührzone 54 ganz außen von Heizinduktionsspulen 61 umgeben, so daß der Kühlmantel 58 In Kombination mit den Induktionsspulen 61 zur Regulierung des Wärmeabstroms von der Legierungsmischung In der Rührzone 54 dient. Wie am besten Fl^. 3 erkennen läßt, sehen typische brauchbare Abmessungen der Vorrichtung eine Rührzone 54 mit einem Durchmesser von 31,75 mm, eine Schnecke 55 mit eintTi Durchmesser von 25,4 mm bis 28,58 mm und Nuten zwischen den Längsrippen 56 von 1,59 mm vor. Es versteht sich, daß diese Abmessungen nur beispielhaft gelten und auch größere oder kleinere Abmessungen anwendbar sind, soweit sich eine starke auf das Metall einwirkende Scherkraft erhalten läßt. Der Durchlaßquerschnitt der öffnung 52 läßt sich durch Bewegung der rotierenden Welle 53 und der Schnecke 55 In vertikaler Richtung zum Öffnen oder Schließen der Öffnung 52 mit Hilfe der an der Welle 53 angebrachten Drosselklappe 63 regulieren. Die Heizzone 51 1st von Heizinduktionsspulen 64 umgeben, um die erforderliche Schmelzhitze für die MetaP.zusammensetzung 50 darin zu liefern. Die Rührzone 54 1st mit einer Auslaßöffnung 66 zum Entfernen der Flüsslg-Fest-Mischung mit den primär erstarrten Festteilchen zwecks anschließender Formung versehen.

Flg.4 ist eine Reproduktion eines Mikroskopschliffbildes mit SOfacher Vergrößerung einer in Öl abgeschreckten Kupferlegierung mit 10% Zinn und 2% Zink (Kupferlegierung 905). Diese Legierung wurde mit der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung mit nur einer Schnecke hergestellt. Die Temperatur in der Heizzone 51 wurde über der Llquidustemperatur der Legierung, d. h. 999° C, gehalten. Die Bedingungen der Temperatur und Hitze in der Rührzone 54 wurden so gehalten, daß die Flüssig-Fest-Mlschung etwa 45 Gew.-96 primäre Festteilchen enthielt. Die Probe wurde bei etwa S25°C genommen. Die kugelartigen primär erstarrten Festteilchenbildungen 70 und dendritische sekundär erstarrte Festteilchen 71 zeigen ein Gesamtmetallgefüge, das von dem nach Abkühlen dieser Legierung ohne Rühren beobachteten normalen dendritischen Netzwerk stark abweicht. Der schwarze Teil 72

der primär erstarrten Festteilchen 70 bedeutet Schmelze, die während der Bildung der primär erstarrten Festteilchen In diesen eingeschlossen wurde.

Flg. 5 Ist eine mit lOOfacher Vergrößerung aufgenommene Mlkroskopschllffaufnahme eines Gußstückes aus Zinn mit Ii* Blei, welche Zusammensetzung in der Vorrichtung nach Flg. 1 mit jedoch nur einer Schnecke gerührt wurde, so daß die flüssig-feste Mischung etwa 55 Gew.-% primär erstarrte Festteilchen enthielt. Die Probe wurde bei etwa 19Γ C In der Rührzone gehalten und entnommen. Wie man ohne weiteres beobachten kann, sind die nlcht-dendrltlschen primär erstarrten Festteilchen 73 von einer sekundären Festphase 74 umgeben, die dendritischer Natur Ist.

Flg. 6 ist eine Reproduktion einer Mikroskopschliffaufnahme mit lOOfacher Vergrößerung eines Gußeisens mit 2,48% Kohlenstoff und 3,12% Silizium. Die Legierung wurde mit der In Fig. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung hergestellt. Die Temperatur- und Wärmebedingungen wurden so gehalten, daß die Flüssig-Fest-Mischung etwa 35 Gew.-% primär erstarrte Festtellchen enthielt. Die Probe wurde hierzu auf etwa 1280⁰C gehalten und entnommen. Die kugelförmigen primär erstarrten Festtellchenmetallausbildungen 75 sind von dendritischen sekundär erstarrten Festteilchen 71a umgeben. Der schwarze Teil 72a der primär erstarrten Festteilchen 75 Ist eingeschlossener Graphit, der sich während des Abkühlens ausschied, während der dunklere graue Teil 73a Schmelze bedeutet, die in den primär erstarrten Festtellchen während ihrer Bildung eingeschlossen wurde.

In Flg. 7 ist eine zweckmäßige Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen (Strangguß) der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Flüsslg-Fest-Mlschung dargestellt. Das mittels dieser Figur veranschaulichte Verfahren bringt einen erheblichen Vorteil gegenüber den bekannten Stranggußverfahren, nach welchen Legierungsschmelzen kontinuierlich gegossen werden. Aufgrund der Schmelzwärme In den Metallschmelzen und Ihrer höheren Temperatur im Vergleich mit den erfindungsgemäßen Flüsslg-Primärfestteilchen-Mischungen müssen die Metallschmelzen nach dem bekannten Verfahren durch Wärmeabfuhr mit geringerer Geschwindigkeit als im Fall der Flüsslg-Primärfestteilchen-Mischungen in den festen Zustand überführt werden. Wenn nämlich die Wärme zu schnell aus den zunächst völlig flüssigen Metallschmelzen abgeführt wird, beobachtet man häufig eine unerwünschte Rißbildung der Gußerzeugnisse. Dies hat eine ungünstig niedrigere Metalldurchsatzgeschwindigkeit bei den bekannten kontinuierlichen oder Stranggießverfahren zur Folge. Außerdem erhält man beim bekannten Stranggießen von Metallschmelzen eine unerwünschte Langbereichsegregation (Makrosegregation der Legierungsbestandteil). Im Gegensatz dazu ist beim kontinuierlichen oder Stranggießen der Fiüssig-Primärfestteilchen-Mischungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren viel weniger Schmelzwärme darin verfügbar, die abzuführen ist, und daher lassen sich viel größere Metalldurchsatzraten ohne Rißbildung in den Gußstükken erzielen. Außerdem ist wegen der Anwesenheit der primär erstarrten Festteilchen die Langbereichsegregation äußerst gering oder fehlt völlig. Die Flüssig-Fest-Mischung 76, die aus der Rührzone 10 in Fig. 7 austritt, wird als Mischung 82 in eine Kühlzone geleitet, die durch einen allgemein zylindrischen Kühlmantel 77 gebildet ist, der einen Kühlfluideinlaß 79 und einen Kühlfluidauslaß 78 aufweist. Die Rührzone 10 ist so aufgebaut urd wird so betrieben, wie es oben Im Zusammenhang mit Fig. 1 oder Flg. 2 und 3 beschrieben wurde. Der endgültige stangenförmige oder zylinderförmlge feste Körper 80, der die homogen darin verteilten primär erstarrten Festtellchen enthält, wird gebildet, indem man zuerst eine Platte längs der Bodenfläche des Kühlmantels 77, wie durch die gestrichelte Linie 81 angedeutet, vorsieht, um um Anfang dieses Betriebs einen erstarrten Bereich Innerhalb des Kühlmantels 77 entstehen zu lassen. Nachdem der feste Bereich gebildet Ist, wird die Platte entfernt, und man läßt den festen Körper 80 mittels Schwerkraft aus dem Kühlmantel 77 austreten. Sobald dieses Verfahren in Gang gesetzt 1st, bildet sich eine Grenzfläche zwischen dem festen Körper 80 und der Flüsslg-Fest-Mlschung 82 aus, wie durch die Linie 83 angedeutet 1st. Anschließend an seine Bildung Innerhalb des Kühlmantels 77 wird der feste Körper 80 direkt einem Sprühstrahl von Kühlflüssigkeit ausgesetzt, wie durch die Pfeile 84 angedeutet Ist.

In Fig. 8 Ist eine alternative neue Vorrichtung zum Erfassen und anschließenden Formen, z. B. Gießen, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Produkte schematisch dargestellt. Diese hler veranschaulichte Verfahrenswelse läßt sich in chargenweisem Betrieb oder auf kontinuierlicher Basis durchführen, um jeweils eine bestimmte Teilmenge der Flüsslg-Primärfesttellchen-Mischung zu einer bestimmten Form zu verarbeiten. An oder nahe bei der Auslaßöffnung 40 der Rührzone 1st eine mit einer Heizeinrichtung, wie z. B. Induktionsheizspulen 91 versehene Haltekammer 90 vorgesehen. Die Rührzone ist so aufgebaut und wird so betrieben, wie im Zusammenhang mit der Vorrichtung nach Fig. 1 oder Fig. 2 und 3 beschrieben wurde. In der Haltekammer 90 1st eine allgemein zylindrische Hülse 92 aus einem hitzebeständigen Material angeordnet, um eine besiimnUe Teilmenge der Flüssig-Primärfestteilchen-Mischung aufzunehmen. Eine bestimmte Teilmenge der aus der Öffnung 40 austretenden Flüssig-Fest-Mlschung wird In die Hülse 92 als Masse 93 geleitet. Um den gewünschten Festanteil hi der Legierungsmasse 93 beizubehalten, werden die Heizspulen 91 gespeist, damit die gewünschte Temperatur eingehalten wird. Sobald die gewünschte Menge der Legierungsmasse 93 in die Hülse 92 eindosiert 1st, kann sie In irgendeiner gewünschten Weise geformt oder gegossen werden. So liefert die Einrichtung ein geeignetes Mittel zum Abmessen einer gewünschten Metallteilmenge, die leicht zu einer weiteren Verarbeitung transportabel 1st. Wenn man z. B. die Legierungsmasse 93 zu formen oder zu gießen wünscht, werden die Hülse 92 und die Haltekammer 90 um 90° gedreht, so daß die Hülse 92 leicht aus der Haltekammer 90 entfernt werden kann, wobei die Legierungsmasse 93 in der Hülse verbleibt. Wegen der mechanischen Eigenschaften der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Flüss'.g-Primärfestteilchen-Mischungen beseitigt die Verwendung einer Hülse 92 die Notwendigkeit einer geschlossenen Hülse, wie sie normalerweise beim Gießen verwendet wird, und beseitigt somit auch die Probleme, die mit geschlossenen Hülsen zusammenhängen und sich aus der Notwendigkeit ergeben, unzuträgliche Temperaturgradienten in dem in der geschlossenen Hülse enthaltenen Metall zu vermeiden. Die Flüssig-Primärfestteilchen-Mischung ist ausreichend mechanisch stabil, so daß sie, wenn die Hülse 92 aus der Haltekammer 90 entnommen wird, ohne weiteres mit der Hülse im wesentlichen ohne Leckverluste entfernt

wird. Welter treten auch, wenn die Hülse 92 in eine horizontale Lage gebracht wird, so daß Ihre offenen f. iden einige Zelt unabgedeckt bleiben, keine Leckverluste von der flüssig-festen Mischung auf. Die Hülse 92 und die Legierungsmasse 93 werden dann zwischen einer Form 95 und einem pneumatisch betätigten Kolben 96 angeordnet, der In einer Kolbenführung 97 gleitet. Der Kolben 96 läßt sich zur gewünschten Zelt pneumatisch, z. B. mittels eines Luftzylinders 98 betätigen. Bei Betätigung treibt der Kolben 96 die Legierungsmasse 93 In das Innere 99 der Form 95 unter Bildung des gewünschten Erzeugnisses. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel lassen sich mehrere Haltekammern 90 und lugehörige Hülsen 92 unterhalb der Rührzonenausgangsöffnung 6<> (Flg. 2) auf einem (nicht dargestellten) Trägertisch anordnen und der Reihe nach unter der Auslaßöffnung 66 passend einstellen, um Metall aufzunehmen, das durch Gießen oder Formen weiterve'arbeitet werden soll.

In Flg. 9 ist eine alternativ neue Vorrichtung zum Gießen der nach den erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Mischungen schematich dargestellt. Diese spezielle Vorrichtung läßt sich In chargenweisem Betrieb oder auf kontinuierlicher Basis zur Bildung bestimmter Teilmengen der nach dem erflndungsgemä-Ben Verfahren erzeugten Flüsslg-Prlmärfesttellchen-Mlschungen verwenden. Wie Fig. 9 zeigt, tritt eine Flüssig-Primärfesttellchen-Mlschung 100 aus der Öffnung 40 der nicht völlig dargestellten Rührzone aus. Teilmengen 101 der Flüsslg-Fest-Mlschung 100 brechen dann von deren Hauptstrang I¹BO aufgrund der Schwerkraft ab, und man läßt die abbrechenden Teilmengen zwischen die Formhälften 1OX und 103 fallen. Wenn sich eine Teilmenge ICH zwischen den Formhälften 102 und 103 befindet, werden die Formhälften 102 und 103 zur abgebrochenen Metallteilmenge 101 hin unter pneumatischer Betätigung der Kolben 104 und 1Ö5 geschlossen. Die Kolben 104 und 105 Hassen sich durch irgendwelche geeignete elektronische Einrichtungen, wie z. B. einen photoempfindlichen Detektor, betätigen, den die Metallteilmenge 101 vor dem Erreichen ihrer Lage zwischen den Formhälften 1031, 103 passiert. Nachdem die Metallteilmenge 101 durch Kühlen fertiggeformt Ist, werden die Formhälften 102 und 103 auseinandergezogen, und man entfernt das aus der Metalltellmenge 101 geformte gewünschte Produkt aus der Form. Man kann wiederum auch eine Mehrzahl von Formhälften ähnlich den Formhälften 102 und 103 unter der öffnung 40 kontinuierlich hindurchführea, um nacheinander gebildete abbrechende Metalltetlmengen 101 zu erfassen und sie In der beschriebenen Welse zu formen.

Die Flüsslg-Fest-Mischung kann, wenn das gewünschte Verhältnis ües flüssigen zum festen Anteil erreicht ist, auch rasch abgekühlt werden, um einen festen Rohling zur leichten Aufbewahrung zu bilden. Später kann dieser Rohling auf die Temperatur der Flüsslg-Fest-Mlschung für das jeweils besondere gewünschte Fest-Flüsslg-Anteilsverhältnls erhitzt und dann wie zuvor unter Antwendung der üblichen Techniken gegossen werden. Ein nach dem gerade angedeuteten Verfahren hergestellter Rohling kann thixotrope Eigenschaften in Abhängigkeit von der Wled^raufhelztemperatur und der Zelt aufweisen, die er als Flüssig-Fest-Gebllde entweder vor dem völligen Estarren des Rohlings oder nach dem Wiederaufheizen des vorher erstarrten Rohlings gehalten wird. Eine verlängerte Zeltdauer, die der Rohling als Flüsslg-Fest-Gebilde gehalten wird, fördert ein stärker thixotropes Verhalten des Rohlings. Er kann so In eine modifizierte Formgußmaschine oder andere Vorrichtungen In scheinbar fester Fortn eingeführt werden. Jedoch bewirkt die Scherung, die sich beim Eindrücken dieses anscheinend festen Rohlings In einen Formhohlraum ergibt, daß sich der Rohling in ein Material umwandelt, dessen Eigenschaften mehr denen einer Flüssigkeit ähnlich sind.

Flüsslg-Fest-Mischungen wurden unter Verwendung einer Vorrichtung wie der In Fig. 2 gezeigten und bei Drehzahlen der Schnecke von etwa 500 U/mln hergestellt. Die Temperatursteuerung an der Auslaßöffnung 66 der Rührzone 54 wurde unter Verwendung eines Thermoelements überwacht. Die Temperatur des 50 % flüssigen und 50% festen Zustandes für verschiedene Legierungen Ist im folgenden angegeben:

Sn - 1096 Pb	210°	C
Sn-1596 Pb	195°	C
Al - 3096 Sn	586°	C
Al - 4,596 Cu	633°	C

Abänderungen über oder unter diese 5096 Prlmärfestteilchen-Flüssig-Mlschung erhält man durch Ändern der gegebenen Temperaturwerte.

Das Gießen des teilweise erstarrten Metallschlammes oder der Fiüssig-Fesl-Mischung, die vorstehend beschrieben wurden, kann durch einfaches Gießen, Injektion oder andere Mittel erfolgen; und das beschriebene Verfahren ist für Formguß, Dauerformguß, Strangguß, Geschlossenformschmieden, Heißpressen, Vakuumformen (des Materials) u. a. brauchbar. Die besonderen Eigenschaften dieser Schlämme regcr/> an, daß Abänderungen der gegenwärtig bekannten Gießverfahren nutzbringend angewendet werden können. Zur Erläuterung sei angegeben, daß sich die effektive Viskosität der Schlämme durch Steuern des Anteils der primär erstarrten Festteilchen steuern läßt; die hohen hierbei aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre möglichen Viskositäten führen vortellhafterweise zu geringerem Metaliverspritzen und Mitreißen von Luft beim Druckformguß und ermöglichen höhere Metalieintritts· geschwindigkeiten bei diesem Gießverfahren. Außerdem erzielt man aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens eine gleichmäßigere Festigkeit und dichtere Gußstücke.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Metalls oder einer Legierung mit darin homogen verteilten, primär erstarrten Festteilchen, die aus einzelnen degenerierten Dendriten oder Noduln bestehen, durch Aufschmelzen eines Metalls oder einer Legierung, das bzw. die beim Erstarren aus einer unbewegten Schmelze ein Dendritgefüge bildet, kräftiges Rühren und Abkühlen der Schmelze in der Weise, daß sich bis zu 65 Gew.-% einzelne, primär erstarrte Festteilchen in Form von degenerierten Dendriten oder Noduln bilden und die Entstehung zusammenhängender dendritischer Netzwerke verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall oder die Legierung im aufgeschmolzenen Zustand aus einer ersten nur dem Aufschmelzen dienenden Zone in wenigstens eine mit der ersten Zone verbundenen RSihrzcne überführt wird.₇ die gegenober der ersten Zone zur Verhinderung eines Mitreißens von Gas in die Rührzone abgedichtet ist, nur in der bzw. jeder Rührzone kräftig gerührt und abgekühlt wird und die abgekühlte Flüssig-Fest-Mischung aus der bzw. jeder Rührzone mit einer solchen Durchsatzgeschwindigkeit abgezogen wird, daß sie der Überführungsgeschwindigkeit der Schmelze aus der Aufschmelzzone in die Rührzone entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, diiS die Schmelze so abgekühlt wird, daß sich 10 bis 55 Gew.-% primär erstarrte Festteilchen bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dtr Rührzone entfernte Flüssig-Fest-Mischung welter abgekühlt wird, so daß auch die nach der Bildung der primär erstarrten Festteilchen verbleibende Schmelze erstarrt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Rührzone abgezogene Flüssig-Fest-Mischung vergossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Rührzone abgezogene Flüssig-Fest-Mischung in einem nicht gerührten Zustand bei einer solchen Temperatur gehalten wird, daß sie thixotrope Eigenschaften zeigt und Im flüssig-festen Zustand vorliegt, und die thixotrope Mischung unter Einwirkung einer Kraft, wodurch sie flüssigkeitsähnliche Eigenschaften erhält, vergossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig-Fest-Mischung kontinuierlich aus der Rührzone entfernt wird und kontinuierlich durch eine Kühlzone zur Erstarrung des Schmelzenanteils In der Mischung geführt wird und der durch Erstarren der Mischung erhaltene Festkörper kontinuierlich aus der Kühlzone entfernt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine etwa der zu formenden Menge entsprechende Teilmenge der Flüsslg-Fest-Mlschung aus der Rilhrzone entfernt und in eine Haltekammer gebracht wird, die zum Halten der Mischung In einem Flüssig-Fest-Zustand geeignet ist, bevor sie vergossen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüsslg-Fest-Mlschung in der Haltekammer zur Bildung eines Festkörpers abgekühlt und der Festkörper auf eine Temperatur wiedererhitzt wird, bei der er eine thixotrope Masse oder eine; Flüsslg-Fest-Mlschung Ist, bevor diese

vergossen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig-Fest-Mischung aus der Haltekammer ohne Abkühlen entnommen und formgegossen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig-Fest-Mischung aus der Haltekammer entnommen und formgegossca wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Rührzone entfernte Flüssig-Fest-Mischung in eine hitzebeständige Hülse innnerhalb der Haltekammer eingebracht wird, daß die Hülse innerhalb der Haltekammer eingebracht wird, daß die Hülse Innerhalb der Haltekammer eingebracht wird, daß die Hülse und die Metallmasse aus der Haltekammer entfernt werden und die Mischung zu Formguß verarbeitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig-Fest-Mischung in der Hülse ir. der Kältekammer zur Bildung eines Festkörpers abgekühlt und der Festkörper auf eine Temperatur wiedererhitzt wird, bei der die Masse thixotrop oder eine Flüssig-Fest-Mischung ist, bevor das Gießen der Masse erfolgt.