EP0518815B1 - Verfahren zum Aufheizen eines Werkstückes aus einer Metallegierung - Google Patents
Verfahren zum Aufheizen eines Werkstückes aus einer Metallegierung Download PDFInfo
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- EP0518815B1 EP0518815B1 EP92810382A EP92810382A EP0518815B1 EP 0518815 B1 EP0518815 B1 EP 0518815B1 EP 92810382 A EP92810382 A EP 92810382A EP 92810382 A EP92810382 A EP 92810382A EP 0518815 B1 EP0518815 B1 EP 0518815B1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/34—Methods of heating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase
Definitions
- the invention relates to a method for two-stage heating of a workpiece made of a solid aluminum alloy to an end temperature between solidus and liquidus temperature of the alloy for producing a partially solid, partially liquid, thixotropic state of the workpiece.
- these partially solid, partially liquid metal alloy phases are first cooled to below the solidus temperature of the alloy - generally to room temperature - and are heated to the required processing temperature at which the thixotropic properties appear only shortly before their further processing.
- a similar process is described, for example, in GB 2 112 676 for the production of thin-walled and high-strength cartridge cases made of copper alloys.
- a copper-containing metal alloy is first heated above the liquidus temperature in a reservoir and then passed into a cooling zone in which the metal melt is converted to the thixotropic state.
- the semi-solid metal alloy is also subjected to high shear forces using an agitator.
- the thixotropic alloy emerging from this cooling or stirring zone is then cast, for example, into bolts and cooled.
- the thixotropic alloy can be stirred further during the casting and hardening process, for example by means of an electromagnetic stirrer.
- the bolts thus obtained are then optionally broken up into pieces and by means of a Inductive heating quickly returned to the thixotropic state, in which they are then subjected to a shaping.
- Coarsening of the cast grains is undesirable both in the production of the metal alloy phase with thixotropic properties and in the subsequent heating of the workpieces to the further processing temperature.
- EP 0 158 946 describes a two-stage process for heating non-magnetic metal parts to an elevated processing temperature, the task underlying this process being the provision of non-magnetic workpieces brought to the appropriate forging temperature. In order to avoid the weathering or coarsening of the grain to be expected in the case of long storage of such materials at the corresponding forging temperatures, EP 0 158 946 called for the rapid heating of the workpieces to be forged.
- EP 0 158 946 proposed a two-stage process for heating the workpieces, in which, in a first step, the workpiece was heated in an electric radiant heating oven to a preheating temperature that was significantly below the forging temperature, and immediately afterwards Transfer to an induction heating furnace in a second process step is brought inductively to the selected processing temperature.
- the inventors have set themselves the goal of creating a method of the type mentioned at the outset with which the thixotropic state of a workpiece made of an aluminum alloy can be set inexpensively for its further processing and without having to accept a substantial coarsening of the grain.
- the workpiece in a first step is convective, by heat conduction, heat radiation or Another non-inductive heat transfer is heated to a temperature 10 to 50 ° C below the solidus temperature of the aluminum alloy and in a subsequent second step is inductively heated to the final temperature, with the AC frequency and heating power being matched to one another in the second step in such a way that they are maintained As short a time as possible until the final temperature is reached, the surface temperature of the workpiece never exceeds the desired final temperature.
- the desired final temperature is quickly reached by the inductive heating in the second step, and consequently the dwell time of the workpiece in the partially solid, liquid state, in which the greatest tendency to coarsen the grain is observed, is kept as short as possible. Since in this second step there is only a temperature increase on the workpiece of approximately 30 ° to 100 ° C, the power and thus the size of the induction heating system can also be designed to be relatively small and therefore inexpensive. On the other hand, the energy loss during heating by non-inductive heat transfer in the first step, taking into account the large temperature interval, is significantly less than with a corresponding induction heating.
- the inductive heating of the workpiece in the second step is preferably carried out with an alternating current frequency between 50 and 1000 Hz and a heating power between approximately 10 and 200 kW.
- the alternating current frequency and the heating power are coordinated with one another in such a way that the surface temperature of the workpieces never exceeds the desired final temperature while maintaining the shortest possible time until the final temperature is reached.
- the process according to the invention is expediently carried out continuously under production conditions.
- the heating takes place here in the first step preferably in a continuous or tunnel furnace and in the second step intermittently by transferring them into successive induction coils, the throughput speed of the workpieces through the continuous or tunnel furnace, the cycle time of the induction heating system and the cycle time of the subsequent further processing system being coordinated.
- Several lines of induction coils can also be used per continuous or tunnel furnace.
- the method according to the invention is preferably used in the production of workpieces intended for further processing with thixotropic properties, in particular for further processing bolts or ingots in die casting, forging, rolling and pressing systems.
- An alloy of the type AlSi7Mg with 6.9% by weight Si and 0.4% by weight Mg was cast in a continuous casting installation to produce a thixotropic structure to form a strand of 75 mm in diameter and cut into bolts of 180 mm in height.
- the average diameter of the globular cast grains was less than 100 ⁇ m.
- the solidus temperature of the alloy is 555 ° C.
- the bolts were heated to the set furnace temperature of 540 ° C for two hours in a holding oven with air circulation.
- the bolts were then heated in an induction coil with an output of 25 kW and an alternating current frequency of 250 Hz within 6 minutes to the final temperature of approximately 580 ° C - corresponding to a liquid metal content of 30 to 40%.
- Metallographic examination on bolt cross sections showed that there was no significant coarsening of the grain, ie the average grain size was still below 100 ⁇ m.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zweistufigen Aufheizen eines Werkstückes aus einer festen Aluminiumlegierung auf eine zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Legierung liegende Endtemperatur zur Herstellung eines teilfesten-teilflüssigen, thixotropen Zustandes des Werkstückes.
- Bei der Herstellung von Metallegierungsphasen mit thixotropen Eigenschaften ist bekannt, die Temperatur einer Legierungsschmelze auf einen Wert zwischen Solidus- und Liquidustemperatur einzustellen und den hierbei entstehenden Legierungsbrei zur Umwandlung der beim Erstarrungsvorgang sich bildenden Dendriten zu im wesentlichen globulitischen Gusskörnern kräftig zu rühren. Dieses Verfahren sowie die Einsatzmöglichkeiten der damit erzeugten Metallegierungsphase mit thixotropen Eigenschaften ist beispielsweise in der US-A-3 948 650 ausführlich beschrieben.
- Im allgemeinen werden diese teilfesten-teilflüssigen Metallegierungsphasen zunächst unter die Solidustemperatur der Legierung -- im allgemeinen auf Raumtemperatur -- abgekühlt und erst kurz vor deren Weiterverarbeitung auf die erforderliche Verarbeitungstemperatur, bei welcher die thixotropen Eigenschaften in Erscheinung treten, aufgeheizt.
- Ein ebensolches Verfahren wird beispielsweise in der GB 2 112 676 zur Herstellung dünnwandiger und hochfester Patronenhülsen aus Kupferlegierungen beschrieben. Dabei wird eine kupferhaltige Metallegierung in einem Reservoir zuerst über die Liquidustemperatur erhitzt und danach in eine Kühlzone geleitet, in der die Metallschmelze in den thixotropen Zustand überführt wird. Um bei diesem Vorgang die Bildung von Dendriten möglichst zu verhindern, wird auch bei diesem Verfahren die halbfeste Metallegierung mittels einem Rührwerk grossen Scherkräften ausgesetzt. Die aus dieser Kühl- bzw. Rührzone austretende thixotrope Legierung wird dann beispielsweise zu Bolzen gegossen und abgekühlt. Um eine Kornvergröberung möglichst zu vermeiden, kann während des Giess- und Verfestigungsprozesses die thixotrope Legierung beispielsweise mittels einem elektromagnetischen Rührwerk weiter gerührt werden. Die so erhaltenen Bolzen werden dann gegebenenfalls in Stücke zerlegt und mittels einer Induktivheizung schnell wieder in den thixotropen Zustand überführt, in welchem sie dann einer Formgebung unterzogen werden.
- Sowohl bei der Herstellung der Metallegierungsphase mit thixotropen Eigenschaften als auch beim späteren nochmaligen Aufheizen der Werkstücke auf die Weiterverarbeitungstemperatur ist eine Vergröberung der Gusskörner unerwünscht.
- Zum Aufheizen von metallischen Werkstoffen ist allgemein bekannt, oel-, gas- oder widerstandsbeheizte Öfen mit oder ohne Luftumwälzung oder auch Induktionsöfen einzusetzen.
- In der EP 0 158 946 wird ein zweistufiges Verfahren zum Erhitzen von nichtmagnetischen Metallteilen auf eine erhöhte Bearbeitungstemperatur beschrieben, wobei die diesem Verfahren zugrundeliegende Aufgabe die Bereitstellung von auf die entsprechende Schmiedetemperatur gebrachten nichtmagnetischen Werkstücken war. Um die bei langer Lagerung solcher Werkstoffe bei den entsprechenden Schmiede-Temperaturen zu erwartende Oberflächenverwitterung oder Kornvergröberung zu vermeiden, wurde in der EP 0 158 946 die Forderung einer schnellen Erhitzung der zu schmiedenden Werkstücke erhoben. Wegen des niedrigen Wirkungsgrades von Induktivheizungen wurde in der EP 0 158 946 ein zweistufiges Verfahren zum Erhitzen der Werkstücke vorgeschlgen, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt das Werkstück in einem elektrischen Strahlheizofen auf eine Vorwärmtemperatur, die wesentlich unterhalb der Schmiedetemperatur liegt, aufgeheizt und nach dessen sofortiger Überführung in einen Induktionsheizofen in einem zweiten Verfahrensschritt induktiv auf die gewählte Bearbeitungstemperatur gebracht wird.
- Angesichts dieser Gegebenheiten haben sich die Erfinder zum Ziel gesetzt, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit welchem der thixotrope Zustand eines Werkstückes aus einer Aluminiumlegierung für dessen Weiterverarbeitung kostengünstig und ohne Inkaufnahme einer wesentlichen Kornvergröberung eingestellt werden kann.
- Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass das Werkstück in einem ersten Schritt konvektiv, durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder eine andere nicht-induktive Wärmeübertragung auf eine 10 bis 50 °C unterhalb der Solidustemperatur der Aluminiumlegierung liegende Temperatur und in einem anschliessenden zweiten Schritt induktiv auf die Endtemperatur aufgeheizt wird, wobei beim Aufheizen im zweiten Schritt Wechselstromfrequenz und Heizleistung derart aufeinander abgestimmt werden, dass unter Einhaltung einer möglichst kurzen Zeit bis zum Erreichen der Endtemperatur die Oberflächentemperatur des Werkstückes die gewünschte Endtemperatur nie übersteigt.
- Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird einerseits die gewünschte Endtemperatur durch die induktive Aufheizung im zweiten Schritt schnell erreicht und demzufolge die Verweilzeit des Werkstückes im teilfestenteilflüssigen Zustand, in welchem die stärkste Neigung zur Kornvergröberung beobachtet wird, möglichst kurz gehalten. Da in diesem zweiten Schritt nur eine Temperaturerhöhung am Werkstück von etwa 30° bis 100° C erfolgt, kann zudem die Leistung und damit die Grösse der Induktionsheizanlage verhältnismässig klein und damit kostengünstig ausgelegt werden. Andererseits ist der Energieverlust bei der Aufheizung durch nicht-induktive Wärmeübertragung im ersten Schritt unter Berücksichtigung des grossen Temperaturintervalls wesentlich geringer als bei einer entsprechenden Induktionsheizung.
- Die induktive Aufheizung des Werkstückes im zweiten Schritt erfolgt bevorzugt mit einer Wechselstromfrequenz zwischen 50 und 1000 Hz und einer Heizleistung zwischen etwa 10 und 200 kW. Wechselstromfrequenz und Heizleistung werden derart aufeinander abgestimmt, dass unter Einhaltung einer möglichst kurzen Zeit bis zum Erreichen der Endtemperatur die Oberflächentemperatur des Werkstücken die gewünschte Endtemperatur nie übersteigt.
- Unter Produktionsbedingungen wird das erfindungsgemässe Verfahren zweckmässigerweise kontinuierlich durchgeführt. Hierbei erfolgt das Aufheizen im ersten Schritt bevorzugt in einem Durchlauf- oder Tunnelofen und im zweiten Schritt taktweise durch jeweiliges Überführen in aufeinanderfolgende Induktionsspulen, wobei die Durchlaufgeschwindigkeit der Werkstücke durch den Durchlauf- oder Tunnelofen, die Taktzeit der Induktionsheizanlage sowie die Taktzeit der nachfolgenden Weiterverarbeitungssanlage aufeinander abgestimmt werden. Pro Durchlauf- oder Tunnelofen können auch mehrere Linien von Induktionsspulen eingesetzt werden.
- Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Lösung ist darin zu sehen, dass im Falle eines Unterbruchs an der Weiterverarbeitungsanlage weniger Ausschuss an Werkstücken im teilfesten-teilfüssigen Zustand entsteht als bei einem taktweisen Verfahren mit induktiver Aufheizung auch im ersten Schritt, da mit dem erfindungsgemässen Verfahren bei gleicher Produktionsgeschwindigkeit weniger Induktionsspulen erforderlich sind.
- Das erfindungsgemässe Verfahren wird bevorzugt angewendet bei der Herstellung von zur Weiterverarbeitung vorgesehenen Werkstücken mit thixotropen Eigenschaften, insbesondere zur Weiterverarbeitung von Bolzen oder Barren in Druckgiess-, Schmiede-, Walz- und Pressanlagen.
- Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- Eine Legierung des Typs AlSi7Mg mit 6,9 Gew.-% Si und 0,4 Gew.-% Mg wurde in einer Stranggiessanlage unter Erzeugung eines thixotropen Gefüges zu einem Strang von 75 mm Durchmesser vergossen und zu Bolzen von 180 mm Höhe geschnitten. Der durchschnittliche Durchmesser der globulitischen Gusskörner betrug weniger als 100 µm. Die Solidustemperatur der Legierung liegt bei 555° C. Die Bolzen wurden während zwei Stunden in einem Warmhalteofen mit Luftumwälzung auf die eingestellte Ofentemperatur von 540° C aufgeheizt. Anschliessend wurden die Bolzen in einer Induktionsspule mit einer Leistung von 25 kW und einer Wechselstromfrequenz von 250 Hz innerhalb von 6 Min. auf die Endtemperatur von etwa 580° C -- entsprechend einem Flüssigmetallanteil von 30 bis 40 % --aufgeheizt. Die metallographische Untersuchung an Bolzenquerschnitten zeigte, dass keine wesentliche Kornvergröberung eingetreten war, d.h. die durchschnittliche Korngrösse lag immernoch unterhalb von 100 µm.
Claims (7)
- Verfahren zum zweistufigen Aufheizen eines Werkstückes aus einer festen Aluminiumlegierung auf eine zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Legierung liegende Endtemperatur zur Herstellung eines teilfesten bzw. teilflüssigen, thixotropen Zustandes des Werkstückes, wobei
das Werkstück in einem ersten Schritt konvektiv, durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder eine andere nicht-induktive Wärmeübertragung auf eine 10 bis 50 °C unterhalb der Solidustemperatur der Legierung liegende Temperatur und in einem anschliessenden zweiten Schritt induktiv auf die Endtemperatur aufgeheizt wird, wobei im zweiten Schritt Wechselstromfrequenz und Heizleistung derart aufeinander abgestimmt werden, dass unter Einhaltung einer möglichst kurzen Zeit bis zum Erreichen der Endtemperatur die Oberflächentemperatur des Werkstückes die gewünschte Endtemperatur nie übersteigt. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück im zweiten Schritt mit einer Wechselstromfrequenz zwischen 50 und 1000 Hz aufgeheizt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück im zweiten Schritt mit einer Leistung zwischen 10 und 200 kW aufgeheizt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen der Werkstücke im ersten Schritt kontinuierlich in einem Durchlauf- oder Tunnelofen durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen der Werkstücke im zweiten Schritt taktweise in mehreren aufeinanderfolgenden Induktionsspulen durchgeführt wird.
- Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass pro Durchlauf- oder Tunnelofen mehrere Induktionsspulenlinien eingesetzt werden.
- Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung von zur Weiterverarbeitung vorgesehenen Werkstücken mit thixotropen Eigenschaften, insbesondere zur Weiterverarbeitung von Bolzen oder Barren in Druckgiess-, Schmiede-, Walz- und Pressanlagen.
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