AT508003B1 - Verfahren zum herstellen einer vorlegierung und verwendung derselben - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Hersteilen und Verwenden einer Vorlegierung zum Legieren von Aluminium vorgeschlagen. Um günstige Herstellungsverhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass zunächst eine aus Aluminium und wenigstens einem nichteisenmetallischen Legierungselement bestehende Gusslegierung über ein Eingusssieb in eine Gussform eingebracht wird, wonach der vom Gussstück abgenommene und ausgehärtete Anguss mit dem darin enthaltenen und aus wenigstens einem nichteisenmetallischen Legierungselement der Aluminiumlegierung bestehenden Eingusssieb in weiterer Folge eine Vorlegierung für die Aluminiumlegierungsherstellung selbst oder für eine Legierungskorrektur zur Erhöhung des betreffenden Legierungselementes in einem weiteren Verfahrensschritt bildet.

Description

österreichisches Patentamt AT508 003B1 2010-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und Verwenden einer Vorlegierung zum Legieren von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie Filter, Sieb und Eingusssieb sowie Anguss und Angusszapfen werden im folgenden der Einfachheit halber als gleichberechtigte Synonyme angesehen und daher nicht immer nebeneinander angeführt.

[0002] Grundsätzlich ist es bekannt, zum Filtrieren von flüssigem Aluminium und Aluminiumlegierungen, während der Formfüllung in eine Sandform oder Kokille, z.B. im Schwerkraft- oder Niederdruckguss, Siebe oder Filter, sogenannte Eingusssiebe, üblicherweise aus Eisen bzw. Stahl (z.B. DE 20 2006 002 897 U1) oder aus keramischen Materialien (z.B. DE 2848005A1), im Gießsystem, insbesondere im Bereich des Angusssystems, zu verwenden. Dabei ist es unerheblich, ob der Einsatz des Eingusssiebes allein zum Zwecke des Zurückhaltens von Verunreinigungen oder allein zum Zwecke des Herstellens einer laminaren Strömung im flüssigen Metall oder zur Erreichung dieser beiden genannten Funktionen verwendet wird. Im Druckguss kommen aufgrund der hohen Formfüllungsgeschwindigkeiten Eingusssiebe im Allgemeinen nicht zum Einsatz.

[0003] Bei der Herstellung von bestimmten Gussteilen aus Aluminiumlegierungen, beispielsweise von Felgen oder Fahrwerksteilen für Automobile, muss ein vergleichsweise sehr niedriger Eisengehalt in der Schmelze eingehalten werden, um vorgegebene dynamische Festigkeitswerte sicherstellen zu können. Aus diesem Grund muss bei der Zubereitung einer Schmelze für solche Gussteile nicht nur das Einsatzmaterial selbst diesen niedrigen Eisengehalt aufweisen, sondern dürfen auch möglichst keinerlei Eisenanhaftungen im Einsatzmaterial enthalten sein. Felgen oder Fahrwerksteile aus Aluminiumlegierungen werden oftmals im Niederdruckgussverfahren hergestellt (z.B. DE 20 2004 014 151 U1). Dabei steigt das geschmolzene Metall durch ein Steigrohr auf und wird von unten durch eine Düse in eine Gussform geleitet. Das metallische Eingusssieb wird in der Regel in die Düse eingesetzt, wobei das Eingusssieb nach dem Erstarren des Metalls im Anguss in der Regel zusammen mit dem Gussteil aus der Gussform entnommen wird. Im Angusszapfen verbleibt dann das Eingusssieb fest eingegossen. Somit muss vor jedem neuen Abguss ein neues Eingusssieb in die Düse bzw. in den Angussbereich eingesetzt werden, da dieses im erstarrten Angusszapfen des vorhergehenden Gussteils verbleibt.

[0004] Als Material für Eingusssiebe werden üblicherweise entweder Drahtgeflechte bzw. -gewebe oder Spaltbleche aus Eisen bzw. Stahl oder aus keramischen Fasern verwendet. Es werden auch Einsätze aus offenporigen oder zellularen keramischen Werkstoffen, vorzugsweise an anderen Stellen im Gießsystem z.B. im unteren Bereich des Steigrohres, verwendet. An einen Werkstoff für metallische Eingusssiebe werden beispielsweise folgende Anforderungen gestellt: [0005] Die verwendeten Eingusssiebe dürfen während der Formfüllung und Erstarrung bei den üblichen Gießtemperaturen von Aluminiumlegierungen nicht schmelzen, d.h. deren Schmelzpunkt sollte wesentlich über der Gießtemperatur der verwendeten Aluminiumlegierung liegen.

[0006] Die verwendeten Eingusssiebe dürfen während der Formfüllung und Erstarrung bei den üblichen Gießtemperaturen von der verwendeten Aluminiumlegierung chemisch möglichst nicht angegriffen oder gar aufgelöst werden, d.h. die verwendeten Werkstoffe sollen bei den beim Gießen herrschenden Bedingungen (relativ niedrige Temperaturen und kurze Kontaktzeiten) eine möglichst geringe Löslichkeit aufweisen.

[0007] Die verwendeten Eingusssiebe sollen während der Formfüllung bei der üblichen Gießtemperatur der verwendeten Aluminiumlegierung eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen und der mechanischen Einwirkung der Schmelze beim Durchströmen ohne wesentliche Formveränderung standhalten können.

[0008] Die verwendeten Eingusssiebe sollen andererseits nicht zu spröde und ausreichend 1/6 österreichisches Patentamt AT508 003 B1 2010-10-15 duktil sein, damit nicht während der Formfüllung durch die mechanische Einwirkung des Durch-strömens der Schmelze oder durch die mechanische Belastung durch die Haltevorrichtung für das Eingusssieb Bestandteile des Eingusssiebes abbrechen oder sich ablösen und in den Formhohlraum und damit in das Gussteil gelangen können.

[0009] Die Werkstoffe für die verwendeten Eingusssiebe sollten ausreichend duktil sein, um daraus ausreichend dünnen Draht oder dünnes Blech und in weiterer Folge Geflechte, Gewebe oder Spaltbleche hersteilen zu können, welche geeignet sind, der Geometrie der Düse angepasste Eingusssiebe, z.B. Hütchen, Töpfe oder Körbchen, zu realisieren.

[0010] Eine Gießerei ist aus Kostengründen grundsätzlich bestrebt, soviel wie möglich vom eigenen Gussschrott wieder selbst einzuschmelzen. Dies gilt vor allem für solchen Gussschrott, welcher kompakt ist und ein kleines Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweist, wie z.B. Ausschussteile, Angüsse, Angusszapfen, Gießläufe, Steiger und dergleichen. Späne und Krätzen werden üblicherweise an Sekundärschmelzhütten abgegeben.

[0011] Wird nun Eisen oder Stahl als Werkstoff für Eingusssiebe verwendet, so ist es eine Erfahrungstatsache, dass die diesen Filterwerkstoff beinhaltenden Angusszapfen aufgrund des beim Wiedereinschmelzen unweigerlich daraus resultierenden hohen Eisengehaltes in der Schmelze im eigenen Schmelzkreislauf nicht oder in einem nur sehr geringen Anteil am Gesamteinsatz verwendet werden können. Zudem ist durch den sich beim Wiedereinschmelzen ergebenden hohen Eisengehalt der Wiederverkaufswert der Angusszapfen sehr geschmälert.

[0012] Ausgehend von einem Stand der Technik der eingangs geschilderten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Weiterverwendbarkeit von mit Filtern oder Sieben behafteten Angusszapfen und dergleichen im eigenen Schmelzkreislauf ermöglicht und/oder der Wert des Angusszapfens für den Wiederverkauf in einfacher Weise erhöht werden kann.

[0013] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass zunächst eine aus Aluminium und wenigstens einem nichteisenmetallischen Legierungselement bestehende Gusslegierung über ein Eingusssieb in eine Gussform eingebracht wird, wonach der vom Gussstück abgenommene und ausgehärtete Anguss mit dem darin enthaltenen und aus einem nichteisenmetallischen Legierungselement des Aluminiums bestehenden Eingusssiebes in weiterer Folge eine Vorlegierung zum Auflegieren von Aluminium in einem weiteren Verfahrensschritt bildet.

[0014] Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, Eingusssiebe aus wenigstens einem nichteisenmetallischen Legierungselement von Aluminium vorzusehen, welche einen höheren Schmelzpunkt als Aluminium aufweist und die vorgenannten Anforderungen in weiten Bereichen erfüllt. Erst bei einem Weiterverwenden der Angüsse, mit dem eingegossenen Eingusssieb als Träger eines Legierungselementes, zum Legieren von Aluminium in weiteren Verfahrensschritten, gegebenenfalls im eigenen oder in einem anderen Schmelzkreislauf, löst sich das Eingusssieb bei einem Einschmelzen der Angusszapfen in der Aluminiumschmelze und dient dabei dann als Legierungselement zum Auflegieren von Reinaluminium oder zum Ergänzen des betreffenden Elementes in einer bereits bestehenden Legierung (Legierungskorrektur).

[0015] Nach dem Aushärten des Gussstücks wird in weiterer Folge der das Eingusssieb enthaltende Anguss in einer herkömmlichen Weise (z.B. Absägen, Ausbohren, Auspressen) vom Gussstück abgenommen.

[0016] Um definierte Verhältnisse hinsichtlich der einzelnen Legierungselemente in dem die Vorlegierung bildenden Anguss vorliegen zu haben, kann es von Vorteil sein, wenn der das Eingusssieb enthaltende Anguss nach einem Aushärten vom Gussstück abgenommen und auf ein vorzugebendes Standardgewicht gebracht, vorzugsweise abgelängt, wird. Damit werden Angüsse aus Aluminium mit einem einen bestimmten Prozentsatz enthaltenden Legierungselement geschaffen.

[0017] Diese Angusszapfen dienen dann als Vorlegierung zum Legieren von Aluminium und können somit ohne Wertminderung der Basislegierung im eigenen Schmelzkreislauf weiterverwendet oder wiederverkauft werden. 2/6 österreichisches Patentamt AT508 003B1 2010-10-15 [0018] Wird ein Angusszapfen mit einem eingegossenen Eingusssieb aus einem Nichteisenmetall als Legierungselement für Aluminium dienenden Element, insbesondere aus Titan oder Titanlegierungen verwendet, werden vorteilhafte Verhältnisse zur Weiterverwendung der Angusszapfen im eigenen Schmelzkreislauf, beispielsweise bei der Felgenherstellung, geschaffen.

[0019] Gemäß der Erfindung besteht der Werkstoff für Eingusssiebe aus einem Material, welches sich beim Durchströmen der Schmelze während des Ausgießens einer Gussform in der Aluminiumlegierung nicht oder nur in einem so geringen Ausmaß löst, dass die Obergrenze für dieses Element sei es als Legierungselement oder als „sonstige Verunreinigung" innerhalb der Vorschrift für die betreffende Legierungszusammensetzung eingehalten werden kann. Beim Wiedereinschmelzen der Angusszapfen sollen sich die Eingusssiebe aber möglichst vollständig in der Aluminiumlegierung lösen.

[0020] Unter diesem letzten Gesichtpunkt können Angusszapfen, welche Eingusssiebe aus einem solchen Material beinhalten, wie eine dieses Element enthaltende Vorlegierung angesehen und auch verarbeitet werden, welche eine bereits in Verwendung befindliche, das betreffende Element enthaltende Vorlegierung, teilweise oder zur Gänze ersetzen könnte. Dadurch wird eine zusätzliche Wertsteigerung erzielt. Das Vorhandensein von beispielsweise Titan bzw. hoch-titanhältigen Legierungen im Anguszapfen in Form eines Eingusssiebes bestehend aus vergleichsweise dünnen Drähten oder Spaltblechen begünstigt die Auflösung des Titans in einer Aluminiumschmelze unter den Bedingungen, wie sie im Schmelzofen bei der Legierungsherstellung herrschen (relativ lange Zeiten, relativ hohe Temperaturen). Der Wert der ursprünglichen Legierung aus welcher diese Angusszapfen zur Hauptsache bestehen, wird somit durch die darin eingegossenen metallischen Eingusssiebe nicht nur nicht gemindert, sondern sogar gesteigert.

[0021] Aufstellung der Eigenschaften von möglichen Werkstoffen für Eingusssiebe für Aluminium-Gusslegierungen für Sand oder Kokillenguss:

Schmelzpunkt Löslichkeit bei Gießtemperatur Festigkeit Duktilität Legierungs element Silizium 1410°C sehr hoch ja nein ja Kupfer 1083°C sehr hoch ja ja teilweise Mangan 1245°C gering ja nein teilweise Magnesium 650°C sehr hoch nein ja ja Eisen 1536°C gering ja ja nein Nickel 1453°C hoch ja ja teilweise Strontium 768°C hoch nein ja ja Titan 1668°C sehr gering ja ja ja Zink 420°C sehr hoch nein nein teilweise Chrom 1875°C gering ja_ ja_ nein [0022] Diese Aufstellung ist nicht erschöpfend und soll beispielhaft verstanden werden.

[0023] Erfindungsgemäß werden die Anforderungen an einen Werkstoff für ein Eingusssieb in idealer Weiser dann erfüllt, wenn dafür als Werkstoff Titan bzw. hoch-titanhältige Legierungen oder Nickel bzw. hochnickelhältige Legierungen verwendet werden. So kann beispielsweise zum Gießen von Aluminiumfelgen auf titanhaltige Vorlegierungen und zum Gießen von Aluminiumkolben auf nickelhältige Vorlegierungen zurückgegriffen werden. 3/6 österreichisches Patentamt AT508 003B1 2010-10-15 AUSFÜHRUNGSBEISPIELE: [0024] Beispiel 1: In einer Gießerei beträgt das Rohgussgewicht von im Niederdruckguss hergestellten Automobilfelgen in Durchschnitt 14.8 kg. Das Gewicht des Angusszapfens beträgt im Durchschnitt 190 g brutto inklusive eines Eingusssiebes aus Reintitandraht, dessen Gewicht 8 g beträgt. Bei der Legierungsherstellung werden die Angusszapfen den übrigen Einsatzmaterialien wie Reinalubarren und Silizium, in etwa demselben Verhältnis wie ein Angusszapfen im Verhältnis zum Rohgussgewicht beigemischt. Man erhält so eine Legierung mit einem Titangehalt von 100*0,008/14,8 = 0.054%.

[0025] Beispiel 2: Eine gängige Preisformel für AISi7Mg Massel aus 99,7% Primäraluminium hergestellt beträgt die LME Notierung für Reinaluminium plus einer Legierungsprämie von 310$ pro Tonne. Der Verkaufserlös von Angusszapfen aus dieser Legierung mit einem Eisenanteil von ca. 6% beträgt dagegen nur z.B. 40-50% der LME Notierung für Reinaluminium. Für Angusszapfen, welche ca. 5% Eingusssiebe aus Titan oder Titanlegierungen enthalten erzielt man aufgrund des erhalten gebliebenen sehr niedrigen Eisengehaltes dieses Vormaterials einen Verkaufserlös von 110% der LME Notierung für Reinaluminium.

[0026] Beispiel 3: Die sich im Laufe einer bestimmten Periode angesammelten Angusszapfen aus AISi7Mg und AISi11 mit aus Spaltblechen hergestellten Siebeinsätzen aus der gängigen Titanlegierung Ti6AI4V werden in einem Mittelfrequenzofen eingeschmolzen. Der durchschnittliche Anteil der Eingusssiebe in den Angusszapfen beträgt 3.6% Nach dem vollständigen Auflösen der Eingusssiebe aus Titan beträgt der Siliziumgehalt der Schmelze 8.71%, der Eisengehalt 0.12%, der Titangehalt 3.04%, sowie der Vanadiumgehalt 0.22%. Diese Schmelze wird in Form von Waffelplatten abgegossen und steht als Al-Si-Ti Vorlegierung für die Zugabe in der Schmelzerei zur Verfügung.

[0027] Zusammengefasst wird es als erfindungswesentlich angesehen, dass die abgenommenen Angusszapfen aus vorangegangenen Abgüssen, welche diese Eingusssiebe beinhalten, zum einen als teilweiser oder vollkommener Ersatz für eine bereits in Verwendung stehende handelsübliche Vorlegierung dienen, die einer Schmelzcharge zur Erhöhung desjenigen Legierungselementes in der Schmelze zugegeben wird, aus dem das Eingusssieb selbst hauptsächlich besteht. Damit wird der Wiederverkaufswert von Angusszapfen welche keine Eisensiebe, sondern die erfindungsgemäßen Eingusssiebe aus einem Nichteisenmetall enthalten, das als Legierungselement für Aluminium dient, wesentlich erhöht.

[0028] In den Zeichnungen sind beispielhaft Varianten möglicher Eingusssiebe dargestellt, wie sie in einem erfindungsgemäßen Verfahren Verwendung finden können. Es zeigen: [0029] Fig. 1 u. 2 ein derartiges Sieb aus einem Geflecht oder einem Spaltblech im Querschnitt und in Draufsicht und [0030] Fig. 3 u. 4 eine Siebvariante aus einem Drahtgewölle im Querschnitt und in Draufsicht.

[0031] Die beiden folgenden Schaubilder zeigen die Löslichkeit von Titan (Bild 1) bzw. von Eisen (Bild 2) in Abhängigkeit der Temperatur im Vergleich.

[0032] Bild 1 zeigt die Löslichkeit von Titan in Aluminium im Vergleich zur Löslichkeit von Eisen im flüssigen Aluminium, welche im Bild 2 dargestellt ist. Daraus ergibt sich, dass die Löslichkeit von Titan im Aluminium bei üblichen Gießtemperaturen von beispielsweise 700°C relativ gering ist. Bei höheren Temperaturen steigt jedoch die Löslichkeit an und sorgt für ein gutes Auflösungsverhalten des Titans während der Legierungsherstellung. 4/6

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT508 003 B1 2010-10-15 Bild 1: Löslichkeit von Titan in flü. AI: Bild 2: Löslichkeit von Eisen in flü. AI: 300 'YSehmeke 800 600 - Schmelz 1 $chmeizs+.%Ii nni* OTV & 700 \m% m°c / SohmekPAljFs — /«16% 600 βΛ1·3% ^ 500 / AhAl37t 1 ! 1 m n*oß% m m l 500 m -1-1-1_i_ m { f 2 3 0 i Tifananfeil'm % der Hasse 2 « S 8 10 Eimanfsl in % der tim Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen einer Vorlegierung zum Legieren von Aluminium und Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine aus Aluminium und wenigstens einem nichteisenmetallischen Legierungselement bestehende Gusslegierung über ein Eingusssieb in eine Gussform eingebracht wird, wonach der vom Gussstück abgenommene und ausgehärtete Anguss mit dem darin enthaltenen und aus wenigstens einem nichteisenmetallischen Legierungselement der Aluminiumlegierung bestehenden Eingusssieb in weiterer Folge eine Vorlegierung für die Legierungsherstellung einer Aluminiumlegierung in einem weiteren Verfahrensschritt bildet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der das Eingusssieb enthaltende Anguss nach einem Aushärten vom Gussstück abgenommen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anguss auf ein vorzugebendes Standardgewicht gebracht, vorzugsweise abgelängt, wird.
4. 4. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Angusszapfens als Vorlegierung zum Legieren von Aluminium.
5. 5. Verwendung nach Anspruch 4 mit einem in den Angusszapfen eingegossenen Eingusssieb aus einem Nichteisenmetall als Legierungselement für Aluminium dienenden Element, insbesondere aus Titan oder Titanlegierungen. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 5/6