DE2510853C2 - Verfahren zur Herstellung eines Metalls oder einer Legierung mit darin homogen verteilten, primär erstarrten nicht-dendritischen Festteilchen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Metalls oder einer Legierung mit darin homogen verteilten, primär erstarrten nicht-dendritischen FestteilchenInfo
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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 (12)
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.
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