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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Verbesserung des Gießens
von Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie die daraus durch Zusatz
geringer Mengen an Strontium und/oder Erdalkali-, Seltenerdmetall und/oder Übergangsmetallen
und Kombinationen erzeugten Produkte.
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Seit der Einführung des Hall-Verfahrens und
seiner Vorläufer
hat die Kommerzialisierung von "Aluminium" und "Aluminiumlegierungen" (nachfolgend zusammengefasst
als "Legierungen") einen Giganten
einer Industrie geschaffen. Bei der Kommerzialisierung der Legierungen
hat es sich erwiesen, dass Materialeigenschaften, wie beispielsweise
Festigkeit, Schlagzähigkeit
und Ermüdungsriss-Wachstumsgeschwindigkeiten,
in Abhängigkeit
von der Produktanwendung wichtige Fragen für das Endprodukt sind.
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Von gleicher Bedeutung ist in zahlreichen
Gebieten für
die untereinander abhängigen
physikalischen Eigenschaften in den Legierungen die physikalische
Erscheinungsform des Fertigerzeugnisses. Um die Legierungsindustrie
herum ist eine ganze Heimindustrie gewachsen, einfach nur um die
Legierungen gut aussehen zu lassen. Beispiele für derartige untergeordnete
Industriezweige sind solche, die für Fertigungsmethoden geschaffen
wurden, um einen Rohblock zu schälen
und diesen von Oberflächenfehlern
zu befreien und/oder mit Kantenschneidern den Block von Kantenfehlern
zu befreien, um nur einige zu nennen.
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Es gibt einige Fehler beim Gießen von
Legierungen, die durch kosmetische Reparaturen nicht behoben werden
können.
Einige Fehler führen
dazu, dass das Gussstück
reißt,
bevor es bearbeitet wird. Diese werden von der Fachwelt unterschiedlich
bezeichnet und verschiedene Unternehmen haben ihre eigenen Namen für diese
Fehler entwickelt. Derartige Fehler können vertikale Faltungen, Faltungen,
Grübchen,
Oxidflecke, Oxide oder Oxid-Cluster einbeziehen, ohne auf diese
beschränkt
zu sein, die in die Oberfläche
eines Vollblockes eingebettet sind. Die vertikale Falte ist eine
V-förmige
Einkerbung in die Oberfläche
eines Walzblockes, die in Längsrichtung
des Blockes orientiert ist. Einige Vertikalfaltungen lösen Rissbildung
des Blockes aus. Ein gerissener Block muss umgeschmolzen und umgegossen
werden, da ein solcher Block nicht weiter verarbeitet oder an einen
nachfolgenden Kunden verkauft werden kann. Das Umschmelzen und Umgießen von
Blöcken ist
nicht nur aufwendig, sondern auch kostspielig, wodurch das Leistungsvermögen eines
Legierungshüttenwerks
gemindert wird. Die meisten der Blöcken, wenn nicht alle, werden
in irgendeiner Weise umgeformt, wobei ein Umformen einen gerissenen
Block jedoch nicht zuheilen kann. Andere Oberflächenfehler können ebenfalls
als Rissauslöser
dienen. Wie aus den vorstehenden Ausführungen entnommen werden kann,
bleiben Oberflächenfehler
in Blöcken
ein Problem auf dem Gebiet der Legierungen.
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Das Umformen ist ein Begriff, der
auf dem Gebiet der Legierungen bekannt geworden ist und kann eine
Reihe unterschiedlicher Dinge bedeuten, wie beispielsweise und ohne
auf diese beschränkt
zu sein: Warmwalzen, Kaltwalzen, Strangpressen, Schmieden, Strecken,
Abstreckziehen, Wärmebehandeln,
Altern, Umformen und Recken, um nur einige wenige zu nennen. Beim
Formen oder Umformen einer Legierung wird in das Werkstück Energie
eingebracht, die jedoch nicht immer homogen verteilt wird.
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Das Gießen von Legierungen kann mit
Hilfe einer Reihe von in der Fachwelt bekannten Methoden ausgeführt werden.
Beispiele für
Gießmethoden
sind Direkt-Hartguss (Direct chill, "DC"),
elektromagnetischer Guss (electromagnetic Casting, "EMC"), horizontaler Direkt-Hartguss
(horizontal direct chill, "HDC"), FDC-Guss, Haubenblockgießen, Strangguss,
Stranggießen
mit beschränkter
Stranglänge,
Druckgießen,
Walzenguss und Sandguss. Jede dieser Methoden des Gießens hat
eine Reihe von ihr innewohnenden Problemen, wobei jedoch bei jeder
Methode Oberflächenfehler
noch ein Thema bleiben. Vertikalfaltungen sind ein Problem im Zusammenhang
mit dem DC- und EMC-Gießen.
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Die Legierungen können alle beliebigen bei der
Aluminum Association eingetragenen Legierungen der Gruppe umfassen,
bestehend aus: 2xxx, 5xxx, 6xxx und 7xxx. Die vorliegende Erfindung
kann auch sehr nützlich
bei beliebigen Gusslegierungen sein. Insbesondere hat sich der Zusatz
von Strontium und Mischungen von Strontium zusätzlich zu den anderen Erdalkalimetallen,
der Reihe der Seltenerdmetalle und der Übergangselemente die Zugabe
geringer Mengen von nicht mehr als 0,5 Gew.-% in Legierungen erwiesen,
wie beispielsweise 2024, 2524, 5042, 5083, 5182, 6013, 6063, 7075,
7x55 und 7x50, um nur einige zu nennen. Die Zusätze hiervon zu den Legierungen
sind förderlich,
nachdem die Legierungen umgeformt wurden, ob es sich bei den Legierungen
um Folie, Blech oder Walzplatte handelt, wobei die Platte dicker
als 0,5 inch bis aufwärts zu
etwa 8 inch oder mehr ist, ob es sich um Flugzeug-Außenhaut
handelt, um Dosenwalzgut, um Stirnwalzblock und/oder Strangpresslingen.
Es wurde festgestellt, dass geringe Zusätze, die zu dem Walzblock vorgenommen
werden, auch über
andere, die Erscheinungsform verbessernde Wirkungen haben, die in
einem Werkstück überdauern,
wenn die Gussoberfläche
aus dem Metall nicht vor dem Umformen entfernt worden ist.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Zusatzes
von Strontium ist festgestellt worden, dass weniger Oxide auf der
Oberfläche
des Blockes erzeugt werden. Die Bedeutung einer Verzögerung der
Erzeugung bestimmter Fehler des Blockes liegt darin, dass es möglich wird,
flachere Schälungen
auszuführen
oder auf diese überhaupt
zu verzichten. Das Blockschälen
ist der Prozess einer Entfernung der Oberflächenschicht von den Stirnseiten
und Seiten eines Guss blockes nach seiner Erstarrung. Die vorliegende
Erfindung gewährt
einen geringeren Legierungsabfall aus dem Block, wenn ein flacheres
Schälen
ausreichend ist.
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Die US-P-5 469 911 befasst sich mit
dem Thema der Oberflächenqualität beim EM-Gießen mit
dem Zusatz geringer Mengen von Calcium zu der Legierung, die vor
der Blockhaube zugesetzt werden. Die US-P-4 377 425 befasst sich
mit Problemen beim DC-Gießen
durch die Verwendung ähnlicher
Mengen von Calcium. In beiden wird eine Oberfläche beansprucht, die frei von
zahlreichen Oberflächenfehlern
ist, die üblicherweise im
Zusammenhang mit Gussblöcken
auftreten, die beide jedoch nicht für Gießmethoden in einem breiten
Umfang wirksam sind. Es sind diese sich quer durch die Gießmethoden
ziehenden Verbesserungen, die die bekannten Ausführungsformen verwirrend machen.
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Die Druckschriften: US-A-4 711 762,
US-A-3 926 690, GB-A-2 090 289, US-A-5 582 659, GB-A-621 617 und
GB-A-625 515 offenbaren den Zusatz von Strontium zu Aluminiumlegierungen.
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Die vorliegende Erfindung hat überraschend
gezeigt, dass geringe Mengen an Strontium in Legierungen nicht nur
viele Oberflächenfehler
und speziell Vertikalfaltungen und Grübchen eliminieren können, sondern auch
das Reflektionsvermögen
der Legierungen verbessern. Ebenfalls ist festgestellt worden, dass
Zusätze von
Strontium und Kombinationen die Oxidation von schmelzflüssigen Legierungen
verringern. Die Eliminierung von Oberflächenfehlern und die Herabsetzung
der Oxidation werden den Produktausstoß in den verschiedenen Verfahrensschritten
erhöhen
und dadurch die Produktionskosten senken und die Leistung der Fertigungseinrichtung
erhöhen.
Die Verringerung der Oxidation wird Verluste von Metall während des
Schmelzens, Haltens und Gießens
verringern. Diese sind als Abbrand bekannt. Die Erfindung erweist
sich ebenfalls verwendbar bei Konservendosen und anderen Behälterstrukturen,
im Transportwesen, wie beispielsweise Flugzeugen, Zügen, Booten
und Kraftfahrzeugen, wo die Erscheinungsform des Metalls von der
Verbraucheröffentlichkeit
als vorteilhaft wahrgenommen wird.
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Die vorliegende Erfindung, die mit
Anspruch 1 festgelegt ist, richtet sich auf die Zugabe geringer
Mengen an Strontium und wahlweise bis zu etwa 0,25 Gew.-% Kornverfeinerungsmittel
mit dem Rest Erdalkalimetalle, Übergangsmetalle
und/oder Seltenerdmetalle in Kombination mit Aluminium und Aluminiumlegierungen als
eine Schmelze, um die Erscheinungsform zu verbessern und/oder Oberflächenfehler
weitgehend zu eliminieren und/oder Oberflächenoxidation in Aluminium-
und Aluminiumlegierungs-Gussblöcken
zu verringern. Es ist überraschend
festgestellt worden, dass der Zusatz geringer Mengen dieser Zuschläge Vertikalfaltungen, Grübchen und
Blockrisse bei mehr als nur einem Gießverfahren eliminiert. Die
Zusätze
verbesserten außerdem
die Erscheinungsform der Blöcke
einschließlich
des Reflektionsvermögens.
Als Ergebnis können
die Blöcke
unmittelbar nach dem Gießen
tiefgezogen oder umgeformt werden, ohne die Oberfläche beispielsweise durch
Blockschälen
erst zu konditionieren. Die Zusätze
verringerten die Tiefe des Überwalzens
von DC-Gussblöcken.
Die zugesetzte Strontiummenge kann bis herab zu 0,0001 Gew.-% betragen,
sofern eine Kombination mit anderen Metallen und/oder Kornverfeinerungsmitteln
erfolgt. Der Bereich des Strontiumzusatzes schließt ohne
auf diesen beschränkt
zu sein ein: 0,001 Gew.-%-Schritte, wie beispielsweise 0,0011, 0,0012,
0,0013 usw. Als nützlich
können
sich gegebenenfalls Kombinationen von Strontium und Erdalkalielementen
erweisen, wie beispielsweise Magnesium, Calcium, Barium oder Beryllium,
was auch für
Zusätze
der Seltenerdmetalle gilt, wie beispielsweise Holmium, Cer, Erbium,
Lanthan und die anderen Lanthanide und die Reihe der Elemente der
Seltenerdmetalle sowie einige Kombinationen davon und sowie geringe
Kombinationen von Strontium und den Übergangsmetallen, wie beispielsweise
Titan, Scandium und Silber. Beim Kombinieren von Strontium mit den
anderen vorgenannten Metallen ist festgestellt worden, dass Strontium
vorzugsweise mit Zuschlägen
kombiniert wird, die mehr Strontium als die anderen gemischten Metallbestandteile
haben. Beispielsweise liegt Strontium bevorzugt mit mindestens mehr
als 50% von dem vor, was zugesetzt wird. Obgleich dieses bevorzugt
wird, gewähren
kleinere Mengen an zugesetztem Strontium eine brauchbare Verbesserung.
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Ein überraschender Nutzen wurde
festgestellt, als entdeckt wurde, dass das Erdalkalimetall, Beryllium,
aus dem Guss weggelassen werden kann, wenn es einen Zusatz von Strontium
oder Calcium entweder mit oder ohne Kornverfeinerungsmitteln oder
eine Kombination von Kornverteinerungsmitteln gibt. Sehr übel ist
es mit Beryllium als Zuschlag geworden und um den Prozess des Gießens einer
Aluminiumlegierung aufzufrischen, ist festgestellt worden, dass
eine Herausnahme von Beryllium aus dem Prozess erforderlich ist.
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Ein überraschender und bedeutender
Teil der Entdeckung der vorliegenden Erfindung ist die Herabsetzung
der erforderlichen Tiefe des Blockschälens. Normalerweise ist in
Folge der Erzeugung von V-Kerben in der Blockoberfläche ein
Schälen
des Blockes von einer Tiefe von 0,76 bis 1,8 mm (0,3 bis 0,7 inch)
erforderlich. Bei der Ermittlung der Tiefe, mit der geschält werden
muss, können
Tastzirkel oder irgendwelche Messvorrichtungen verwendet werden,
wie beispielsweise Laser, um den tiefsten Punkt auf der Blockoberfläche zu messen.
Im typischen Fall ist dies die V-Kerbe, bei der es sich um die im
Allgemeinen in der Mitte des Blockes liegende Stelle handelt, wo
der Block nicht gut ausgeformt wurde. In der vorliegenden Erfindung
wird die Ausbildung der V-Kerbe gehemmt und/oder weitgehend von
der Blockoberfläche
entfernt. Dementsprechend ist die abgeschälte Schicht wesentlich kleiner.
Die abgeschälte
Schicht ist jetzt kleiner als 0,3, 0,2, 0,1 inch oder die Schälung wird
insgesamt eliminiert. In Folge der wesentlich verringerten Oxid-Oberflächenschicht
wird zusätzlich
die Notwendigkeit eines Blockschälens
weiter herabgesetzt, die Oberfläche
der Blockseiten zu verbessern.
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1 ist
eine Darstellung einer DC-Blockguss-Aluminiumlegierung 5083 ohne
Zuschlagsänderung;
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2 ist
eine Darstellung der gleichen DC-Blockguss-Aluminiumlegierung 5083
mit einer Zugabe von 0,0023 Gew.-% Strontium;
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3 ist
eine Darstellung einer DC-Blockguss-Aluminiumlegierung 7050 ohne
eine Zuschlagänderung;
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4 ist
eine Darstellung der gleichen DC-Blockguss-Aluminiumlegierung 7050
mit einer Zugabe von 0,027 Gew.-% Strontium (außerhalb des Geltungsbereichs
der Erfindung).
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Nachdemdie erfindungsgemäßen Ausführungsformen
beschrieben worden sind, gilt als selbstverständlich, dass die Erfindung
auf andere Weise innerhalb des Geltungsbereichs der beigefügten Patentansprüche verkörpert werden
kann. Strontium wird einer Legierung der Reihe 5083 während des
DC-Gießens
zugesetzt. In der ersten Reihe von Beispielen wurde in einem der
Güsse kein
Zusatz vorgenommen und in vier Güssen
ein Strontium-Zusatz ausgeführt.
Es wurden nach dem Direkt-Hartgussvertahren oder dem DC-Gießen Blöcke mit
einem Querschnitt von 16 inch × 60
inch vertikal gegossen. Die Blöcke
wurden mit einer Geschwindigkeit von 2 inch/min gegossen und hatten
im typischen Fall eine Gusslänge
von 180 inch. Schmelzflüssige Aluminiumlegierung
fließt
von einem Halteofen durch eine Gießrinne in eine einstufige,
dazwischen geschaltete Entgasungsanlage, die als der A622-Prozess
bekannt ist. Danach strömt
die Legierung durch ein Keramikfilter mit 30 Poren/inch. Beim letzten
Schritt des Gießens
strömt
die schmelzflüssige
Legierung durch eine Gießschnauze
und in die Kokille. In einem der Güsse wurde dem Metall kein Strontium
zugesetzt, während
in vier anderen Güssen
Strontium kontinuierlich während
des Gießens
der Entgasungseinheit und dadurch dem schmelzflüssigen Metall zugesetzt wurde.
Das Strontium wird in Stabform mit 15 Gew.-% Strontium und 85 Gew.-%
Aluminium zugesetzt. Der Strontiumstab wird zugesetzt, wenn die
Schmelze durch die zuführende Gießrinne fließt. Der
15 Gew.-% Strontium enthaltende Stab wurde dem schmelzflüssigen Strom
der Aluminiumlegierung mit einer Menge von 4, 8, 23 und 46 inch/min
zugeführt.
Die in diesen 4 Güssen
resultierenden Nennmengen der Zugabe waren 0,0035 Gew.-%, 0,0070
Gew.-%, 0,0200 Gew.-% und 0,0400 Gew.-% Strontium in der Aluminiumlegierung.
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In Tabelle 1 sind die Gussblöcke zusammengestellt,
die bei diesen Güssen
erzeugt wurden, und eine qualitative Bewertung des Aussehens der
Blockoberfläche
gegeben.
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Diese Probegüsse zeigten, dass selbst eine
Zugabe von lediglich 0,0023 Gew.-% Sr die Bildung großer Vertikalfaltungen
verzögerte
und dadurch das Reißen
des Blockes abhielt. Größere Mengen
an Strontium verringerten die Zahl und die Größe der Faltungen weiter, jedoch
mit geringer werden Einflüssen
im Bezug auf die erhöhte
Strontiummenge.
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In Tabelle 1 handelte es sich bei
dem Legierungsguss um die Legierung 5083 nach Vorgabe der Aluminum
Association. Wie aus den Kommentaren in Tabelle 1 entnommen werden
kann, hatte der Zusatz sehr geringer Mengen Strontium zu der 5083
Legierung starke Einflüsse
auf die Hemmung der Bildung von Faltungen und dadurch auf die verringerte
Gefahr der Blockrissbildung. Die Oberfläche der Blöcke mit zugesetztem Strontium
war stark verbessert, wie aus einem Vergleich von 1 und 2 entnommen
werden kann. 1 enthält kein
Strontium und zeigt zahlreiche tiefe Faltungen entlang der Längsachse.
Wenn man die Blockoberfläche
von 1 mit der Blockoberfläche von 2 vergleicht, so wird der
drastische Unterschied sofort offensichtlich. 2 ist die gleiche 5083 Legierung wie 1 mit der Ausnahme, dass
in dem Block von 2 Strontium
vorhanden ist.
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Unter Verwendung der 5042 Legierung
und unter Anwendung des Verfahrens des EMC-Gießens wurde eine zweite Reihe
von Probegüssen
ausgeführt.
Die Güsse
erfolgten mit und ohne Strontium. Die Strontium-Mengen betrugen
in diesen Reihen: 0,0035 Gew.-%, 0,0150 Gew.-%, 0,0200 Gew.-% und
0,0400 Gew.-%. Es wurde schmelzflüssige 5042 Legierung in einer
einstufigen, zwischengeschalteten Entgasungseinheit und einem Schüttgutfilter
behandelt. Tabelle 2 liefert eine Übersicht über diese Reihen der Probegüsse.
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Diese Ergebnisse zeigen, dass 0,0018
Gew.-% Sr die Erzeugung von stationären Faltungen hemmte, die beim
EMC-Gießen
auftreten können,
und bei größeren Strontium-Zugaben
die Bildung weitgehend sämtlicher
Faltungen gehemmt wurde, die beim EMC-Gießen auftreten können, und
zwar sowohl stationäre
Faltungen als auch Anfangsfaltungen. Stationäre Faltungen sind Faltungen,
die über
die ganze Länge
des Blockes verlaufen und im Allgemeinen in der Nähe des Zentrums
der Breite auftreten. Anfangsfaltungen sind Faltungen die innerhalb
der ersten 30 inch der Blocklänge
auftreten und zumeist an beliebiger Stelle der Breite auftreten können, sich
in der Regel jedoch vom Blockende um nicht mehr als 30 inch erstrecken.
Die Neigung eines Blockes zum Reißen von einer stationären Faltung
ist größer als
die Neigung zum Reißen
von einer Anfangsfaltung.
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Es wurde eine dritte Reihe von Probegüssen unter
Verwendung der 7050 Legierung gegossen. Die Blöcke wurden unter Anwendung
der DC-Gießmethode
erzeugt. Bei diesen Güssen
wurde die schmelzflüssige Legierung
mit einer einstufigen Entgasungsanlage behandelt und strömte durch
ein Keramik/Metallschmelzefilter. Es wurden mehrere Güsse ohne
jeglichen Strontium-Zusatz ausgeführt. Die Blöcken zeigten kleine, tiefe Faltungen
oder Grübchen
auf der Oberfläche,
wobei beide Blöcke
während
des Gießens
als Folge der Grübchen
und Faltungen rissen. Es wurde ein Guss aus der gleichen 7050 Legierung
ausgeführt,
wobei Strontium kontinuierlich in Form eines Stabes mit 15 Gew.-%
Strontium und Rest Aluminium zugesetzt wurde. Der nominelle Gehalt
an Strontium in dem Block betrug 0,022 Gew.-%. Eine chemische Analyse
dieses Blockes ergab 0,027 Gew.-% Strontium in dem Block, was außerhalb
des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung liegt. Diese Güsse zeigten
ebenfalls, dass geringe Mengen Zugaben von Strontium die Bildung
weitgehend aller Grübchen
und Faltungen auf der Oberfläche
hemmte, wodurch die Bildung von Rissen auf der Oberfläche der 7050
Legierung gehemmt wurde.
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In 3 werden
die Risse auf der Oberfläche
des Blockes ohne jeglichen Strontium-Zusatz gezeigt. 4 zeigt das Fehlen von Rissen
und Grübchen
bei dem 7050 Block mit Strontium-Zugaben. Es ist eindeutig, dass
Strontium einen starken Einfluss auf die Oberfläche der gegossenen Blöcke bei
Zugabe in geringen Mengen ausübt.
