DE102004006034B4 - Process for the formation and fine distribution of fine hydrogen bubbles in hydrogen-containing aluminum casting alloy melts - Google Patents

Process for the formation and fine distribution of fine hydrogen bubbles in hydrogen-containing aluminum casting alloy melts Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Ausbildung und Feinverteilung feiner Wasserstoffbläschen in Form von Mikroporen in Wasserstoff enthaltenden Aluminium-Gusslegierungschmelzen,
wobei der Aluminium-Gusslegierungsschmelze ein Mittel zugeführt wird, das einen aus einem Aluminiumpulver mit einem Teilchendurchmesser kleiner 200 µm und einer natürlichen an Luft gebildeten Aluminiumoxidhaut hergestellten hochverdichteten Presskörper umfasst,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Presskörper aus Aluminiumpulver 0,01 bis 1 Gew.-% Metallhydrid enthält, und
dass von dem Mittel weniger als 0,5 Gew.-% bezogen auf die Metallschmelze eingesetzt werden.Process for the formation and fine distribution of fine hydrogen bubbles in the form of micropores in hydrogen-containing cast aluminum alloy melts,
wherein the aluminum casting alloy melt is supplied with an agent comprising a high-density compact made of an aluminum powder having a particle diameter smaller than 200 μm and a natural alumina skin formed in air,
characterized,
that the aluminum powder compact contains from 0.01 to 1% by weight of metal hydride, and
that less than 0.5% by weight, based on the molten metal, of the agent is used.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Ausbildung und Feinverteilung feiner Wasserstoffbläschen in Form von Mikroporen in Wasserstoff enthaltenden Aluminium-Gusslegierungschmelzen, wobei der Aluminium-Gusslegierungsschmelze ein Mittel zugeführt wird, das einen aus einem Aluminiumpulver mit einem Teilchendurchmesser kleiner 200 µm und einer natürlichen an Luft gebildeten Aluminiumoxidhaut hergestellten hochverdichteten Presskörper umfasst.The This invention relates to a method of formation and dispersion fine hydrogen bubbles in the form of micropores in hydrogen-containing cast aluminum alloy melts, wherein the aluminum casting alloy melt is supplied with a means the one of an aluminum powder having a particle diameter less than 200 μm and a natural one comprises air-formed aluminum oxide skin produced high density compacts.

Aufgrund des Dichteunterschiedes von Aluminium-Gusslegierungen von der flüssigen und der festen Phase von ca. 2,4 auf ca. 2,7 g/m3 entstehen je nach der Nachspeisungsmöglichkeit bei der Herstellung von Gussstücken Hohlräume oder Lunker in den Gussstücken, die unerwünscht sind und bis zum Ausschuss dieser Teile führen. Bei der Weiterverarbeitung können Undichtigkeiten durch Abarbeiten entstehen, das Gussteil kann nicht druckdicht sein, Festigkeitsminderungen entstehen, die Eloxierbarkeit kann behindert sein. Jede Aluminium-Gusslegierung enthält unvermeidbar Wasserstoff, der die Neigung hat, sich bei bestimmten Temperaturen der Schmelze im Bereich der Erstarrung zu sammeln, so daß nach der Erstarrung der Schmelze an den Sammelstellen unerwünschte Hohlräume, Makrolunker und Einfallstellen gebildet werden.Due to the density difference of aluminum casting alloys of the liquid and the solid phase of about 2.4 to about 2.7 g / m 3 , depending on the Nachfüisungsmöglichkeit in the production of castings cavities or voids in the castings, which are undesirable and lead to the scrap of these parts. In the further processing leaks can occur by processing, the casting can not be pressure-tight, reduced strength, the anodization can be hindered. Each aluminum casting alloy inevitably contains hydrogen, which tends to collect at certain melt temperatures in the region of solidification, so that after solidification of the melt at the collection points undesirable voids, macro-shrinkage and sink marks are formed.

Es ist bekannt, daß solche Gussstücke aus Aluminiumlegierungen, bei denen die Gefahr der Lunker- oder Porenbildung besteht, mit Wasserstoff abgebenden Salzen oder Tabletten begast werden, siehe z. B. DE-AS 10 23 232 und US-PS 4417923 . Diese Reagenzien enthalten kristallingebundenes Wasser, das sich in Aluminium zu Wasserstoff und Aluminiumoxid umsetzt. Es bilden sich hierdurch große mit Wasserstoff gefüllte Poren aus, die die Funktion der Lunkervermeidung jedoch nur teilweise erfüllen. Die Wasserstoff abgebenden Salze oder Tabletten verstärken zwar die Neigung zur Porenbildung, insbesondere zur Bildung großer Poren, sie gewährleisten jedoch keine gleichmäßige Verteilung der Poren und auch nicht die Ausbildung gleichmäßiger kleiner Poren. Diese bekannte Behandlung von Aluminium-Gusslegierungen mit Wasserstoff abgebenden Salzen oder Tabletten ist nur in einer Transportpfanne oder einem offenen Schmelztiegel möglich, da bei dieser Behandlung eine salzhaltige Krätze entsteht, die nach der Behandlung entfernt werden muß. In einem schwer zugänglichen geschlossenen Gießofen, wie er beispielsweise für Niederdruckguss eingesetzt wird, ist eine Behandlung der Aluminium-Gusslegierungen mit Wasserstoff abgebenden Salzen oder Tabletten nicht möglich.It is known that such castings of aluminum alloys, where there is a risk of cavitation or pore formation, be gassed with hydrogen donating salts or tablets, see, for. B. DE-AS 10 23 232 and U.S. Patent 4,417,923 , These reagents contain crystal-bound water that converts to aluminum and hydrogen in aluminum. As a result, large pores filled with hydrogen are formed, which only partially fulfill the function of voids avoidance. Although the hydrogen donating salts or tablets increase the tendency to pore formation, in particular the formation of large pores, but they do not ensure a uniform distribution of the pores and not the formation of uniform small pores. This known treatment of aluminum casting alloys with hydrogen-releasing salts or tablets is possible only in a transport pan or an open crucible, since in this treatment a saline scabies arises, which must be removed after the treatment. In an inaccessible closed casting furnace, as used, for example, for low-pressure casting, treatment of the aluminum casting alloys with hydrogen-releasing salts or tablets is not possible.

Aus der DE 43 25 622 C1 ist ein Verfahren und Mittel bekannt, um in Aluminium-Gusslegierungen das Ausbilden feiner Poren zu ermöglichen, die zudem in einer feinen möglichst gleichmäßigen Verteilung in den aus den Legierungen herzustellenden Gussstücken sich ausbilden. Hierbei wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das Aluminiumoxid in Gestalt eines aus Aluminiumpulver mit einem Durchmesser der Aluminiumteilchen kleiner 200 µm, wobei jedes Aluminiumteilchen von einer natürlichen an Luft gebildeten Aluminiumoxidhaut umgeben ist, hergestellten hochverdichteten Presskörpers, bei dem die feinen Aluminiumoxidhäute durch den Pressvorgang aufgerissen sind, in die Metallschmelze gegeben wird und beim Aufschmelzen des Presskörpers die aufgerissenen Aluminiumoxidhäute in der Schmelze zu feinen flokkenartigen Aluminiumoxidteilchen mit einer Dicke weit unter 1 µm freigesetzt werden und als Keimbinder für die Ausbildung von von Mikrohohlräumen beim Erstarren der Schmelze wirken, indem sie den Wasserstoff aus der Schmelze an sich binden. Es wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei beginnender Abkühlung einer Aluminium-Gusslegierung der in der Metallschmelze enthaltende Wasserstoff sich zu sammeln beginnt, wobei dann beim Erstarren der Schmelze an den Sammelstellen große Lun ker und Einfallstellen gebildet werden, auf eine besondere Art und Weise. Die Schmelze wird mit feinsten Aluminiumoxidteilchen in möglichst gleichmäßiger Verteilung praktisch geimpft, so dass diese Aluminiumoxidteilchen den sich sammelnden Wasserstoff binden und damit das freie Ansammeln des Wasserstoffes in großen Mengen an unerwünschten Stellen verhindern. Beim Erstarren der Schmelze bilden dann die vielen fein verteilten Aluminiumoxidteilchen mit den jeweils angebundenen Wasserstoffbläschen nur noch kleine Mikrohohlräume aus, die in feiner Verteilung in der erstarrten Schmelze vorhanden sind. Auf diese Weise wird das Ausbilden großer Lunker vermieden. An Stelle großer Lunker wird eine Vielzahl sehr feiner Poren oder Mikrohohlräume in dem Gussteil erreicht.From the DE 43 25 622 C1 For example, a method and means are known for allowing the formation of fine pores in aluminum casting alloys, which also form in a finely even distribution as possible in the castings to be made from the alloys. Here, a method is proposed in which the alumina in the form of a high-density compact made of aluminum powder having a diameter of the aluminum particles smaller than 200 μm, each aluminum particle being surrounded by a natural alumina skin formed in air, in which the fine alumina skins are torn open by the pressing operation are added to the molten metal and melted in the compact, the torn alumina skins are released in the melt into fine flokkenartigen alumina particles with a thickness well below 1 micron and act as a key for the formation of micro voids in the solidification of the melt by the hydrogen from the melt bind to itself. It exploits the fact that at the beginning of cooling of an aluminum casting alloy, the hydrogen contained in the molten metal begins to collect, in which case the solidification of the melt at the collection large Lun ker and sinkholes are formed in a special way. The melt is practically inoculated with the finest alumina particles in a uniform distribution as possible, so that these alumina particles bind the collecting hydrogen and thus prevent the free accumulation of hydrogen in large quantities at undesirable sites. Upon solidification of the melt then form the many finely divided aluminum oxide with the respective connected hydrogen bubbles only small micro voids, which are present in fine distribution in the solidified melt. In this way, the formation of large voids is avoided. Instead of large voids, a multitude of very fine pores or microvoids is achieved in the casting.

Bevorzugt wird das Aluminiumoxid in Gestalt feiner flockenartiger Teilchen mit einer Dicke weit unter 1 µm in die Schmelze, vorzugsweise mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 30 bis 80 µm, eingebracht. Es ist möglich, den Wasserstoffgehalt der Gussteile in Abhängigkeit von der Menge des zugegebenen Aluminiumoxids einzustellen. Auf diese Weise ist es möglich, einen stabilen Dichteindex sowohl der Schmelze als auch der hieraus hergestellten Gussteile einzuhalten.Prefers the alumina is in the form of fine flake-like particles with a thickness far below 1 μm in the melt, preferably with an average particle diameter from 30 to 80 μm, brought in. It is possible, the hydrogen content of the castings as a function of the amount of to adjust added alumina. That's the way it is possible, a stable density index of both the melt and the resulting to comply with manufactured castings.

Es werden 0,1 bis 0,5 Gew.-% von gepresstem Aluminiumpulver, bezogen auf die Metallschmelze, der Schmelze zugegeben, um die Bildung von Einfallstellen und Makrolunkern bei gleichzeitiger Ausbildung von Mikrohohlräumen in feiner Verteilung in der erstarrten Schmelze zu verhindern.It are 0.1 to 0.5 wt .-% of pressed aluminum powder, based on the molten metal, the melt added to the formation of sink marks and macro-shrinkage with simultaneous formation of microvoids in to prevent fine distribution in the solidified melt.

DE 197 17 894 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallbauteils. Das Bauteil wird aus einem Roh-Formling in Form eines Presskörpers gefertigt, wobei der Roh-Formling aufgeschäumt wird. Beim Aufschäumen des Roh-Formlings dient Metallhydrid als Treibmittel und soll beim Aufschäumen während einer Erhitzensphase große Wasserstoffansammlungen hervorrufen. DE 197 17 894 A1 describes a method for producing a light metal component. The component is produced from a raw molded article in the form of a compact, wherein the raw molded article is foamed. When foaming the crude molding metal hydride serves as a blowing agent and should cause large amounts of hydrogen during foaming during a heating phase.

Aus der DE 1 166 421 B und der AT 225 362 B ist es bekannt, in die Gussschmelzen, die zum Gießen von metallischen Formkörpern mit porösem Inneren verwendet werden, Treibmittel einzubringen, so dass eine Schaumbildung erfolgt.From the DE 1 166 421 B and the AT 225 362 B It is known to introduce propellants into the cast melts used to cast metal moldings with a porous interior, so that foaming takes place.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Behandeln von Wasserstoff enthaltenden Aluminium-Gusslegierungen zwecks Ausbildung von Mikroporen weiter zu verbessern und effektiver zum machen, insbesondere die notwendige Menge des Mittels für einen gesicherten erfolgreichen Einsatz zu verringern.Of the Invention is based on the object, the treatment of hydrogen containing aluminum casting alloys for the formation of micropores continue to improve and make more effective, especially the necessary amount of agent for to reduce a secured successful deployment.

Überraschend hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst wird, bei dem der Presskörper aus Aluminiumpulver 0,01 bis 1 Gew.-% Metallhydrid enthält, und bei dem von dem Mittel weniger als 0,5 Gew.-% bezogen auf die Metallschmelze eingesetzt werden. Bevorzugt wird erfindungsgemäß als Metallhydrid Titanhydrid eingesetzt.Surprised it turned out that this Task solved by a method is where the compact from aluminum powder containing 0.01 to 1 wt .-% metal hydride, and wherein the agent is less than 0.5 wt .-% based on the molten metal be used. According to the invention, titanium hydride is preferred as the metal hydride used.

Titanhydrid ist bei 350°C stabil und gibt dann seinen Wasserstoff ab. Dieser Wasserstoff verstärkt den Effekt der Bildung von Mikroporen gewaltig, so daß man mit wesentlich weniger Einsatzmaterial auskommt und die Anwendung sicherer macht. Erfindungsgemäß werden nun also in die zu behandelnde Schmelze nicht nur die „Keime" für die Bildung von Wasserstoffporen eingegeben, sondern auch der Wasserstoff selbst. Es hatte sich nämlich gezeigt, daß bei dem bekannten Mittel gem. DE 43 25 622 C1 die Schmelze nicht zu gut gesäubert werden durfte, da dann der Effekt der Bildung von Mikroporen nicht so gegeben war. Der erfindungsgemäße Einsatz van Titanhydrid zur Vermeidung von Schwindungslunker in Aluminiumguss und die Bildung von Mikroporen trägt wesentlich zur qualitativen Verbesserung von Aluminium-Gusslegierungen und den hieraus hergestellten Produkten bei.Titanium hydride is stable at 350 ° C and then releases its hydrogen. This hydrogen greatly enhances the effect of microporous formation, allowing for much less feed and making the application safer. According to the invention, therefore, not only the "nuclei" for the formation of hydrogen pores are entered into the melt to be treated, but also the hydrogen itself. It had in fact been found that according to the known means. DE 43 25 622 C1 the melt should not be cleaned too well, because then the effect of the formation of micropores was not so given. The use according to the invention of titanium hydride for preventing shrinkage voids in cast aluminum and the formation of micropores contributes substantially to the qualitative improvement of cast aluminum alloys and the products produced therefrom.

Die Herstellung, Zugabe und Anwendung des erfindungsgemäßen Mittels erfolgt wie in DE 43 25 622 C1 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche entnehmbar.The preparation, addition and use of the agent according to the invention are carried out as in DE 43 25 622 C1 described. Advantageous embodiments are the characterizing features of the dependent claims.

Für die Arbeitsweise in der Gießereitechnik ist das verpresste Aluminiumpulver gemäß der Erfindung in Form einer Stange vorzuziehen, da eine solche Stange in einfacher Weise in einem Gießofen oder Schmelztiegel einführbar ist, wobei das Aluminiumpulver und das Metallhydrid zu einem Presskörper in Stangenform verdichtet sind, dessen Dichte mindestens 70% der Dichte von massivem Aluminium beträgt.For the way of working in foundry technology the compressed aluminum powder according to the invention in the form of a Rod, as such a rod in a simple manner in a casting furnace or Crucible insertable wherein the aluminum powder and the metal hydride are in a compact in Bar form are compacted, whose density is at least 70% of the density of solid aluminum.

Zur Ausbildung feiner Mikroporen genügt es, von dem Mittel weniger als 0,5 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 0,25 Gew.-% bezogen auf die Metallschmelze einzusetzen, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.to Training fine micropores is enough it is less than 0.5% by weight, preferably less as 0.25 wt .-% based on the molten metal to use the desired Effect.

Claims (3)

Verfahren zur Ausbildung und Feinverteilung feiner Wasserstoffbläschen in Form von Mikroporen in Wasserstoff enthaltenden Aluminium-Gusslegierungschmelzen, wobei der Aluminium-Gusslegierungsschmelze ein Mittel zugeführt wird, das einen aus einem Aluminiumpulver mit einem Teilchendurchmesser kleiner 200 µm und einer natürlichen an Luft gebildeten Aluminiumoxidhaut hergestellten hochverdichteten Presskörper umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Presskörper aus Aluminiumpulver 0,01 bis 1 Gew.-% Metallhydrid enthält, und dass von dem Mittel weniger als 0,5 Gew.-% bezogen auf die Metallschmelze eingesetzt werden.A method of forming and finely distributing fine hydrogen bubbles in the form of micropores in hydrogen containing molten aluminum casting molten metal, comprising supplying to the molten aluminum alloy melt a high-density compact made of an aluminum powder having a particle diameter smaller than 200 μm and a natural alumina skin formed in air , characterized in that the compact of aluminum powder contains 0.01 to 1 wt .-% of metal hydride, and that are used by the means less than 0.5 wt .-% based on the molten metal. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Metallhydrid Titanhydrid eingesetzt ist.Method according to claim 1, characterized that is used as the metal hydride titanium hydride. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumpulver und das Metallhydrid zu einem Preßkörper in Stangenform verdichtet sind, dessen Dichte mindestens 70% der Dichte von massivem Aluminium beträgt.Method according to claim 1 or 2, characterized that the aluminum powder and the metal hydride to a compact in Bar form are compacted, whose density is at least 70% of the density of solid aluminum.
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