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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für eine kontinuierliche Herstellung von Vormaterial mit rundem oder eckigem Querschnitt aus einem Leichtmetall oder aus Leichtmetall- Legierungen.
Bevorzugt bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung für eine kontinuierliche Herstellung von Vormaterial aus Magnesium oder Magnesium-Legierungen, insbesondere aus Magnesium- Knetlegierungen, für eine formgebende Weiterverarbeitung, bestehend im Wesentlichen aus einer Schmelz- und/oder eine beheizbaren Konditioniereinrichtung, einer Giessrinne, einer Stranggiessein- richtung mit einer beidseitig offenen Kokille mit zugehörigen Einrichtungsteilen sowie aus Flüssig- metall- Leitmitteln zwischen den Einrichtungskomponenten und Steuereinrichtungen.
Die Erfindung umfasst weiter ein Gussstück aus einer Magnesium-Knetlegierung für eine Warm- umformung zu einem Formteil.
In den Bereichen der Technik, in denen durch Gewichtseinsparung eine Funktion von Teilen verbessert und/oder eine Reduzierung der Umweltbelastungen im Hinblick auf eine Senkung des Treibstoffverbrauches im Vordergrund steht, ist besonderes Interesse an der Verfügbarkeit von Leichtmetallen mit hohen Güteeigenschaften gegeben.
Wiewohl bei Gusslegierungen zumeist nur eine definierte Materialbereitstellung an verunreini- gungsarmen Leichtmetallen mit gewünschter Zusammensetzung von Bedeutung ist, so betreffen die Forderungen an Vormaterial aus Knet-Legierungen auch die Kornstruktur und eine bestmögli- che Homogenität der Gefügeausbildung des Gussstückes.
Die Leichtmetalle Aluminium und Magnesium besitzen nicht nur eine unterschiedliche Dichte von 2,7 und 1,74, sondern weisen jeweils verschiedene Material- und chemische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur auf, so dass auch die Legierungen auf Aluminium- und Magnesi- um- Basis hinsichtlich deren Herstellung und Verarbeitung teilweise unterschiedliche Anlagentech- nik und dergleichen Technologie erfordern.
Zur Herstellung von Vormaterial aus Leichtmetall - Legierungen ist es aus der US-2,301,027 bekannt geworden, ein zumindest teilweise kontinuierliches Verfahren anzuwenden, bei welchem aus einer elektrisch beheizbaren Giesspfanne über einen Pfannenschnabel Flüssigmetall in eine Giessrinne eingebracht wird, aus welcher das Metall durch ein vertikales Giessrohr in die Kokille eingebracht, darin zu einem Strang erstarren gelassen und dieser nach unten abgezogen wird.
Derartig hergestellte Stränge können jedoch nachteilig einen hohen Einschlussgehalt zumeist in Schlieren oder Hautform besitzen.
Um beim Einlauf in eine Stranggusskokille eine Winkelbildung in der Schmelze zu vermeiden, wird nach EP 0726113 A vorgeschlagen, eine Zulaufdüse zu verwenden, bei welcher sich der Düsenquerschnitt kontinuierlich verringert und die Winkeldifferenz zwischen Seitenwand und Stopfen 1 - 3 beträgt.
Aus der WO 01/49433 A ist ein Einlaufsystem für Aluminium in eine Kokille bekannt, bei wel- chem der Metallfluss mit Unterdruck geregelt wird.
Ein Verfahren zum Zuführen von metallischer Schmelze, insbesondere Stahl, zur in einer verti- kal oszillierenden Kokille befindlichen Schmelze offenbart die WO 96/29164 A. Um insbesondere für Dünnbrammen aus Stahl eine wirbelfreie Metallzufuhr zu erreichen, ist vorgesehen, bei grosser Mündungsöffnung des Tauchrohres die hydraulische Höhe der zugeführten Schmelze auf einen Wert zwischen 50 und 600 mm über dem Giessspiegelniveau einzustellen und die Schmelze isoki- netisch dem flüssigen Teil des Stranges zuzuführen.
Auf Grund der niedrigen Werkstoffdichte erhalten insbesondere Magnesium und Magnesium- Basislegierungen als Strukturwerkstoff im Leichtteilbau vermehrt Bedeutung. Die Formgebung der Magnesiumwerkstoffe beschränkt sich dabei nicht nur auf ein auf Grund der geringen Viskosität und des geringen Wärmeinhaltes des Flüssigmetalles günstig anwendbares Giessen, sondern auch auf andere Formverfahren wie Walzen, Strangpressen und dergleichen. Dabei wird von den Er- zeugnissen im steigenden Masse eine verbesserte Werkstoffgüte mit geringer Verunreinigung durch Oxide und Nitride verlangt.
Hier will die Erfindung die Mängel beseitigen und setzt sich zum Ziel, eine Einrichtung der ein- gangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher die Güte von kontinuierlich gegossenen Strän- gen im Hinblick auf eine Minimierung auf eine geringere Grösse und auf eine homogene Verteilung von unvermeidbaren Einschlüssen bzw. Reaktionsprodukten mit der Atmosphäre zu steigern ist.
Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, ein Gussstück aus einer Magnesium-Knetlegierung für ei- ne Warm- oder Kaltumformung zu einem Formteil zu kennzeichnen.
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Das Ziel wird bei einer gattungsgemässen Einrichtung dadurch erreicht, dass zumindest die Flüssigmetall-Leitmittel von der Konditioniereinrichtung bis in die Kokille derart ausgebildet und angeordnet sind, dass deren Eintrags- und Austragsöffnungen jeweils unterhalb der Flüssigmetall- spiegel in den Einnchtungskomponenten in einer Tiefe angeordnet sind, die ein Einbringen oder Einwirbeln der Oberfläche und/oder Oberflächenschicht der Giessspiegel vermeidet, wobei die Eintragsöffnung in der Konditioniereinrichtung in einer Höhe zwischen 20% und 85% der Füllhöhe mit Flüssigmetall in dieser angeordnet oder einstellbar ist und das Giessrohr auslaufseitig ein Ver- teilmittel für die in die Kokille eintretende Schmelze besitzt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass eine Leitung des Flüssigmetalles mit Vorteil unter einer schützenden Oberflächenhaut erfolgen kann. Überra- schend wurde gefunden, dass bei geringer Schmelzenüberhitzung und bei weitgehend laminarer Strömung sich eine stabile Oxid- und/oder Oxinitridhaut auf der Metall- bzw. Giessspiegeloberfläche bildet, die mit der Wand der Einrichtungskomponenten eine Verbindung besitzt.
Wird nun das Flüssigmetall unter der Oberfläche des Flüssigmetallspiegels einer Einrichtungskomponente ent- nommen und der nachfolgenden wieder unter die Flüssigmetalloberfläche zugeleitet, wobei die Öffnungen des(der) Leitmittel(s) in ausreichendem Masse unterhalb der Flüssigmetalloberfläche positioniert sind, so bleibt diese Reaktionsprodukte aufweisende dichte Haut statisch und durch die Oberflächenspannung auf der Schmelze stabil bestehen und schützt das Metall vor Reaktionen mit der Atmosphäre. Somit ist eine in einer Konditioniereinrichtung von Einschlüssen weitgehend gereinigte Schmelze im Wesentlichen ohne ein Neukontaminierung in die Kokille einbringbar, wodurch der erstarrte Strang einen geringen Einschlussgehalt bzw. einen gesteigerten Reinheits- grad aufweist.
Erfolgt jedoch bei der Flüssigmetall-Leitung einmal ein Einwirbeln der Haut oder von Hautbereichen, so werden diese und weitere dabei entstehende Einschlüsse durch das hohe spezifische Gewicht der Reaktionsprodukte in der Schmelze bis zur Erstarrung derselben weiterge- führt und bilden oder verursachen unerwünschte Fehler im Strang.
Um in der Giessrinne eine geringe Schmelzenüberhitzung vorsehen zu können, was sich vor- teilhaft auf die Erstarrungsstruktur des Gussstranges auswirkt, kann in günstiger Weise vorgesehen sein, dass die Giessrinne flächig beheizbar ausgebildet ist. Dabei ist von wesentlicher Bedeutung, dass die Beheizung flächig oder grossflächig erfolgt, weil dadurch eine thermisch bedingte Badbe- wegung und ein Aufreissen der Oberflächenhaut vermieden und eine ruhige Flüssigmetallströmung gefördert werden.
Wenn nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Giessrinne eine den Zutritt von Sauerstoff enthaltender Umgebungsluft hindernde Abdeckung und eine unter dieser einmündende Schutzgaszufuhr-Einrichtung aufweist, das Flüssigmetall-Leitmittel eintragseitig als unter das vorgesehene Metallniveau in der Giessrinne einragendes Einleitrohr und das Flüssigme- tall-Leitmittel austragseitig als von der Giessrinne unter den Giessspiegel in die Kokille einragendes Giessrohr ausgebildet ist und das Giessrohr einlaufseitig im Bereich der Verbindung mit der Giessrin- ne oder darunter mit einem Regelmittel zur Einstellung der Durchflussmenge an Flüssigmetall zusammenwirkt und auslaufseitig ein Verteil mittel für die in die Kokille eintretende Schmelze be- sitzt,
so sind niedrigste Einschlussgehalte bei wesentlich verbesserter Erstarrungsstruktur des Metallstranges erreichbar. Dadurch wird auch eine Gütesicherung auf hohem Niveau erreicht.
Durch diese Massnahmen wird das Giesssystem mit einer besonders einschlussarmen Schmelze versorgt, weil, wie früher erwähnt und wie gefunden wurde, sich die Reaktionsprodukte auf Grund ihrer höheren spezifischen Masse absenken bzw. absetzen.
Wenn, wie weiters in günstiger Weise vorgesehen sein kann, das Leitmittel zur Flüssigmetall- Führung von der Konditioniereinrichtung in die Giessrinne eine Flüssigmetallpumpe aufweist, so kann der Metalltransport mit feiner Regelung erfolgen, was einer Ruhighaltung der Schmelzen- strömung förderlich ist.
Im Hinblick auf eine Minimierung des Einschlussgehaltes der Gussstränge ist es von grossem Vorteil, wenn die Kokille eine den Zutritt von Sauerstoff enthaltender Umgebungsatmosphäre hindernde Abdeckung und eine unter diese einmündende Schutzgaszufuhr-Einrichtung aufweist.
Zur Überwachung der Wirkung der Kontrolleinrichtungen, aber auch zur Erkennung von Giess- fehlern ist es günstig, wenn die Giessrinnen- und/oder Kokillenabdeckung teilweise aus durchsichti- gem Material, zum Beispiel aus Glas, gebildet ist.
Um bei erhöhter Wirtschaftlichkeit durch ein gesteigertes Ausbringen an einschlussarmem Flüs-
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sigmetall und um eine verbesserte Erzeugnisgüte mit hoher Sicherheit zu erreichen, kann es von Vorteil sein, wenn im Nebenschluss zur Konditioniereinrichtung mit einem bodenseitigen Auslass und einer unter der Schmelzenoberfläche positionierten Wiederzuführung von Flüssigmetall eine Reinigungseinrichtung, insbesondere eine Zentrifugal-Reinigungseinrichtung, für die Schmelze zur Abscheidung von in dieser befindlichen Partikeln angeordnet ist.
Die weitere Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein Gussstück aus einer Magnesi- um-Knetlegierung für eine Warm- oder Kaltumformung zu einem Formteil, wobei das Gussstück mit Vorzug mittels einer Einrichtung gemäss den vorgeordneten Ansprüchen bei einer Überhitzung der Legierung in der Schmelzeinrichtung, einer Schmelzenbehandlung in der Konditioniereinrichtung bei einer Temperatur von mehr als 10 K über der Liquidustemperatur der Metallschmelze, einem Einbringen dieser unter weitgehender Vermeidung von Kontakt mit einer sauerstoffhaltigen Atmo- sphären und von Einwirbeln von oberflächennahen Teilen in die Schmelze und bei im Wesentli- chen laminarer Strömung derselben in eine Giessrinne bei Aufrechterhaltung oder Absenkung der Temperatur auf einen Wert von mindestens 1,
2 K über der Liquidustemperatur am Eintrag in die Kokille und einem Verteilen des Flüssigmetalles im Wesentlichen in horizontaler Richtung in dieser erstellt wird und das Gussstück über den Querschnitt Korngrössen aufweist, die vom Rand zum Zentrum in einem Verhältnis von höchstens 1:4, vorzugsweise von höchstens 1:3, ansteigen.
Der Vorteil eines derartigen erfindungsgemässen Gussstückes ist im Wesentlichen darin be- gründet, dass dieses sowohl durch Warmverformung als auch durch Kaltformgebung in Grenzen im Vergleich mit solchen gemäss dem Stand der Technik besonders effizient und fehlerfrei umform- bar ist und eine verbesserte Materialgüte aufweist. Dabei sind die Gütewerte des Werkstoffes in allen Teilbereichen des Werkstückes etwa gleich hoch und es kann in einer Serienherstellung gleiche Produktqualität erreicht werden.
Im Folgenden soll die erfindungsgemäss Einrichtung und das dergleichen Gussstück anhand bildlicher Darstellungen näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 eine Einrichtung, die nur einen Ausführungsweg der Erfindung darstellt.
Fig. 2 ein Beizbild einer Querscheibe aus einem erfindungsgemässen Gussstück.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung 1 für eine kontinuierliche Herstellung von runden oder eckigen Strängen aus einen Leichtmetall dargestellt. Eine Schmelzeinrichtung 2 dient zur Erschmelzung und gegebenenfalls Überhitzung von Leichtmetall aus Legierungsbestandteilen oder Schrottteilen.
Mittels einer Flüssigmetall-Leitung 20 erfolgt ein Einleiten von Schmelze in eine Konditioniereinrich- tung 3, in welcher eine Reinigung und eine Einstellung der Temperatur bzw. der Überhitzung derselben erfolgen kann.
Zur Konstanthaltung der Schmelzentemperatur oder auch für eine Flüssigmetallerstellung bei Fehlen einer Schmelzeinrichtung 2 kann die Konditioniereinrichtung 3 ein Heizmittel 31 besitzen und weist in einer günstigen Ausführungsform eine Abdeckung 32 auf.
Ein Flüssigmetall-Leitmittel 60, welches beispielsweise als Metallpumpe 606 ausgebildet sein kann, besitzt einen Eintrag 601, welcher unter einem Metallspiegel 30 und in einem Abstand vom Boden der Konditioniereinrichtung 3 angeordnet ist. Ein Austrag 602 vom Flüssigmetall-Leitmittel 60 für eine konditionierend behandelte Schmelze bzw. Legierung ist in einer Giessrinne 4 unter der vorgesehenen Badspiegeloberfläche 40 in dieser angeordnet, wobei ein Querschnitt eines Einleit- rohres 603 gewählt wird, welcher ein ruhiges, im Wesentlichen laminares Strömen in diesem und ein dergleichen Einströmen in das Flüssigmetall in der Giessrinne 4 sicherstellt.
Die Giessrinne 4 ist mit einer grossflächigen Heizung 41 versehen, mit welcher ein Induzieren einer örtlichen thermischen Bewegung der Metallschmelze behindert wird. Weiters weist die Giess- rinne 4 eine Abdeckung 42 auf, unter welcher eine Schutzgaszufuhr- Einrichtung 43 einmündet.
Die Abdeckung 42 kann einen Teil 420 aus durchsichtigem Werkstoff, zum Beispiel Glas, besitzen, wodurch bei Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre die Schmelzenoberfläche 40 beobachtbar ist.
Von einer Giessrinne 4 gelangt die Schmelze in eine Kokille 51 mittels eines senkrecht ange- ordneten weiteren Flüssigmetall- Leitmittels 61, welches als Giessrohr ausgebildet sein kann. Ein Schmelzeneintrag in das Giessrohr 61 erfolgt kontrolliert durch ein Regelmittel 62 im Giessrinnenbe- reich 611, wobei im gegenüberliegenden Kokillenbereich 612 das Flüssigmetall unterhalb eines Giesspiegels 50 durch ein Verteilermittel 63 umgelenkt und beruhigt in die Kokille 51 einströmen
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gelassen wird. Eine Kontrolle einer Flüssigmetalleinbringung in eine Kokille kann auch durch ein im Mittelbereich eines Leitmittels 61 angeordnetes Regelmittel, zum Beispiel ein Schieber, bewerkstel- ligt werden.
Eine Kokille 51 in einer Giesseinrichtung 5 weist, wie in der Darstellung gezeigt, eine Kokille- nabdeckung 52 gegebenenfalls mit einem Sichtfenster 520 und eine unter die Kokillenabdeckung 52 einmündende Schutzgaszufuhr-Einrichtung auf.
Eine Giesseinrichtung 5 besitzt, wie an sich bekannt, eine primäre, durch eine Kokille 51 be- werkstelligte, und eine sekundäre Flüssigkeitskühlung, deren Intensität zumeist getrennt regelbar ist sowie einen Abzug und eine Teileinrichtung für einen durcherstarrten Strang.
Fig. 2 zeigt ein Ätzbild einer Beizscheibe aus einer Legierung aus in Gew. -% 3,12 AI, 0,34 Mn, 0,95 Zn, Mg und Verunreinigungen als Rest mit einem jeweils vergrössert dargestellten Rand und Zentrumsbereich (die Ätzung erfolgte mit einer M1 Ätzlösung bestehend aus 100 g Pikrinsäure mit einem H20-Gehalt von etwa 40% gelöst in Ethanol, vermengt mit 50 ml H20 und mindestens 50 ml Eisessig).
Das Verhältnis der Korngrösse am Rand und im Zentrum der Beizscheibe wurde mit 1:2,9 ermit- telt. Ein aus dem Gussstück abgelängtes Vormaterial wurde einer Warmpressumformung unterwor- fen und zeigte gute Verformbarkeit und gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Materialgü- te.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung (1) für eine kontinuierliche Herstellung von Vormaterial mit rundem oder ecki- gem Querschnitt aus einem Leichtmetall oder aus Leichtmetall-Legierungen, vorzugsweise aus Magnesium oder Magnesium-Legierungen, insbesondere aus Magnesium-Knet-
Legierungen für eine formgebende Weiterverarbeitung, bestehend im Wesentlichen aus einer Schmelz- (2) und/oder einer beheizbaren Konditioniereinrichtung (3), einer Giessrinne (4), einer Stranggiesseinrichtung (5) mit einer beidseitig offenen Kokille (51) mit zugehöri- gen Einrichtungsteilen, sowie aus Flüssigmetall-Leitmitteln (20,60, 61) zwischen den Ein- richtungskomponenten (2,3, 4,5) und Steuereinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Flüssigmetall-Leitmittel (60, 61) von der Konditioniereinrichtung (3) bis in die Kokille (5) derart ausgebildet und angeordnet sind,
dass deren Eintrags- (601,611) und Austragsöffnungen (602,612) jeweils unterhalb der Flüssigmetallspiegel (30,40) in den Einrichtungskomponenten (3,4, 5) in einer Tiefe angeordnet sind, die ein Einbringen oder Einwirbeln der Oberfläche- und/oder Oberflächenschicht der Giessspiegel (30,40) vermeidet, wobei die Eintragsöffnung (601) in der Konditioniereinrichtung (3) in einer Höhe zwischen 20% und 85% der Füllhöhe mit Flüssigmetall in dieser angeordnet oder einstell- bar ist und das Giessrohr (61) auslaufseitig ein Verteilmittel (63) für die in die Kokille (5) ein- tretende Schmelze besitzt.