-
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Masseln aus einer Metalllegierung, bei welchem eine Schmelze gebildet wird, in welcher ein Basismaterial und ein oder mehrere Legierungsbestandteile sich in flüssigem Zustand befinden, aus welcher die Masseln geformt werden.
-
Aluminium oder Aluminiumgusslegierungen werden üblicherweise als Halbzeug in Form von zweiteiligen oder dreiteiligen Masseln für die Weiterverarbeitung durch Gießen zur Verfügung gestellt. Um die Masseln herzustellen, wird eine Schmelze aus der betreffenden Metalllegierung gebildet, die dann in Masselformen gegossen wird.
-
Um die Qualität der Gussstücke, die aus derartigen Masseln hergestellt werden, zu verbessern, ist es auch bekannt (
DE 10002670 A1 ) die Masseln in einem Ofen aufzuschmelzen und dann die Schmelze in einer Behandlungskammer einem rotierenden elektromagnetischen Feld auszusetzen und die auf diese Weise behandelte Schmelze zu vergießen. Dieses Verfahren führt zu einer erheblichen Verbesserung der Gussteile.
-
Aus der
DE 31 1295 C ist ein Verfahren bekannt, bei welchem ein Metall oder eine Legierung geschmolzen und in Formen oder Schalen eingegossen wird. Anschließend wird ein Magnet der Oberfläche eines abgegossenen Metalls genähert und das Gußstück verbleibt in dem magnetischen Feld bis zur vollen Abkühlung.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Masseln zu schaffen, die bei der Weiterverarbeitung zu Gusswerkstücken mit verbesserten Eigenschaften führen, ohne dass Veränderungen an den bisherigen Gießmaschinen vorgenommen werden müssen.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in die flüssige Schmelze vor dem Formen der Masseln während des Abkühlens kurzzeitig Energie mittels eines variablen physikalischen Feldes eingebracht wird, die das Bilden von Mischkristallen steigert, wobei die Dauer des Einbringens von Energie in Abhängigkeit von dem fortschreitenden Prozess der Mischkristallbildung festgelegt wird.
-
Durch die Erfindung wird erreicht, dass zunächst Mischkristall-Elementarzellen entstehen, bei welchen Atome des Basismaterials durch Atome des oder der Zusatzbestandteile substituiert sind. Es wird gezielt die Bildung von angereicherten Mischkristallen erreicht, wobei die Sättigungsgrenze und die Breite des Konzentrations-Temperatur-Intervalls mittels des äußeren variablen physikalischen Feldes kontrolliert wird, so dass mit Fremdatomen übersättigte Mischkristalle entstehen. Die Sättigungsgrenze und die gesteigerte Diffusion von Fremdatomen in das Raumgitter des Basismaterials ist nicht temperaturabhängig. Beim weiteren Abkühlen entsteht ein recht feinkörniges Gefüge aus diesen Mischkristallen.
-
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass das Zuführen von Energie bei einer Temperatur etwa bei der Liquiduslinie dieser Metalllegierung erfolgt.
-
Die Zeit, für die die Energiezufuhr durchgeführt werden soll, ist experimentell zu ermitteln. Sie ist von der speziellen Metalllegierung und auch von den Mitteln abhängig, mit welchen die Energiezufuhr durchgeführt wird. Um die Zeitspanne für die Beaufschlagung mit Energie zu bestimmen, wird gemäß einer ersten Ausführungsform vorgesehen, dass die Mischkristallbildung durch das Messen der dynamischen Viskosität der in der Behandlungskammer befindlichen Schmelze erfasst wird. Die Erfindung geht davon aus, dass ein Optimum der Mischkristallbildung sich dann zeigt, wenn die behandelte Schmelze trotz des Abkühlens einen besonders dünnflüssigen Zustand erreicht hat, der annähernd konstant bleibt und sich dann nicht mehr wesentlich ändert. Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass die Mischkristallbildung mittels Messungen der Liquidustemperatur von Proben festgestellt wird, die der Behandlungskammer entnommen werden. Dabei geht die Erfindung davon aus, dass die tatsächliche Liquidustemperatur sich als eine Knickstelle in der Abkühlkurve erweist, die aufgrund der Kristallisationswärme entsteht. Diese tatsächliche Liquidustemperatur liegt bei erfolgreicher Behandlung unterhalb der nach einem Zustandsdiagramm für diese Metalllegierung gegebenen Liquiduslinie.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass die kurzzeitige Energiezufuhr mittels eines variierenden, vorzugsweise pulsierenden Elektromagnetfeldes erfolgt.
-
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass auf diese Weise hergestellte Masseln in der Art eines Memory-Effektes die mit Hilfe der Behandlung in dem elektromagnetischen Feld hergestellte erhöhte Fließfähigkeit auch dann besitzen, wenn sie wieder aufgeschmolzen und in einer Gießmaschine verarbeitet werden. Derart aufbereitete Masseln haben gegenüber den nach konventionellen Verfahren hergestellten Masseln eine erhöhte Fließfähigkeit, so dass Gussstücke mit komplizierten Formen und erhöhter Dichte hergestellt werden können. Die auf diese Weise hergestellten Gussteile besitzen eine erhöhte Festigkeit, ein verbessertes Dehnverhalten und ein verbessertes Verschleißverhalten. Sie können dadurch teilweise Bauteile ersetzen, die bisher geschmiedet werden mussten.
-
Gegenüber dem aus der
DE 10002670 A1 bekannten Verfahren ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nicht jeder Gießmaschine eine entsprechende Behandlungskammer vorgeschaltet werden muss. Es können die gleichen Gießmaschinen eingesetzt werden, mit denen herkömmliche Masseln verarbeitet werden, ohne dass Änderungen an der Maschine vorgenommen werden müssen. Die Gießtemperatur kann herabgesetzt werden, sogar unter die Liquidustemperatur der betreffenden Legierung. Der Temperaturbereich, in welchem ein Gießen möglich ist, wird vergrößert, so dass die Gefahr des Entstehens von Ausschuss aufgrund ungünstiger Gießtemperaturen wesentlich verringert ist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Anlage, die zum erfindungsgemäßen Herstellen von erfindungsgemäßen Masseln geeignet ist.
-
In einem Schmelzofen, der eine Gießöffnung 1 eine Schmelzrinne 2 und eine elektrische Heizung 3 aufweist, werden die Bestandteile eines Metalls oder einer Metalllegierung soweit erhitzt, dass alle Bestandteile geschmolzen sind und eine Schmelze 4 bilden.
-
Diese Schmelze 4 wird durch eine Füllöffnung 19 hindurch in eine Behandlungskammer gebracht. Diese Behandlungskammer besteht aus einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuseteil 18, einem halbkugelförmigen Unterteil 10 und einem etwa halbkugelförmigen Oberteil 7. Der Behandlungskammer ist eine vorzugsweise elektrische Heizung 6 in Form von Heizwendeln zugeordnet, mit welcher die Behandlungskammer auf eine Temperatur im Bereich der und beispielsweise etwas unterhalb der Liquiduslinie der speziellen Metalllegierung aufgeheizt wird, beispielsweise auf etwa die eutektische Temperatur der Metalllegierung. Zusätzlich ist der Behandlungskammer eine Einrichtung 5 Einbringen von Energie, beispielsweise durch Erzeugen eines rotierenden, elektromagnetischen Feldes zugeordnet. Dieses elektromagnetische Feld besitzt beispielsweise eine Feldstärke von 6 bis 20 mT und rotiert mit einer Frequenz von etwa 60 Hz bis 500 Hz. Dadurch entsteht ein hydrodynamischer Druck in der Größenordnung von 150 × 10–4 N/m2. Während der gemeinsamen Einwirkung des isotropen magnetischen Druckes und der magnetischen Spannung, deren optimaler Bereich zwischen 15 und 80 mT liegt, entwickelt sich in der Schmelze der Effekt einer fluidelastischen Anomalie, die durch die höchste Fliessbarkeit der Metallschmelze geprägt ist. Sie hat dann die niedrigste dynamische Viskosität. Gemessen wurde eine dynamische Viskosität von 0,74 mPa/s bei einer Schmelzentemperatur von 580°C. Auch ist eine thermokinetische Annomalie der behandelten Schmelze beobachtbar, die durch die Schrumpfung des Bereiches zwischen Liquidustemperatur und Solidustemperatur auf einen Minimalwert bestimmt ist. Die vollkommene Löslichkeit von mehreren zulegierten Bestandteilen liegt auch noch bei der Solidustemperatur vor. Der zweiphasige Schmelzbereich wird aufgrund sinkender Liquidustemperatur und gleichzeitig steigender Solidustemperatur kontinuierlich geschrumpft, so dass die Konode kürzer wird. Wenn der angestrebte Zustand erreicht wird, wird die Schmelze 11 mittels eines Entnahmeroboters 12 der Behandlungskammer entnommen und in Masselformen 14 gefüllt, die auf einer Masselbahn 13 transportiert werden. An einer Ausleereinrichtung 15 werden die Masselformen 14 geleert, so dass dann leere Masselformen 17 wieder dem Entnahmeroboter 12 zugeführt werden können.
-
Das kurzzeitige Einbringen von Energie in die sich in der Abkühlphase befindliche Schmelze führt dazu, dass die Bildung von Mischkristallen gesteigert wird, bei welcher in den Elementarkristallen Atome des Basismaterials durch Atome des oder der Zusatzbestandteile ersetzt werden. Die Zufuhr von Energie kann dann beendet werden, wenn der Prozess der Mischkristallbildung ein Optimum erreicht hat und eine weitere Energiezufuhr die Mischkristallbildung nicht mehr entscheidend steigert.
-
Dieses Optimum, das den neuen energetischen Zustand der Schmelze charakterisiert, wird bei einer Ausführungsform der Erfindung erfasst.
-
Die höchste Fließfähigkeit oder niedrigste Viskosität, die ein Indiz für die gesteigerte Mischkristallbildung ist, wird mittels eines Viskosimeters 8 online in der Behandlungskammer gemessen, so dass jederzeit festgestellt werden kann, ob der gewünschte Zustand für die Schmelze 11 erreicht worden ist. Durch die äußere energetische Einwirkung wird der energetische Zustand des flüssig-kristallinischen Basiskristalls geändert. Sein Raumgitter wird aufgelockert, so dass sich der Vorgang erleichtert, bei dem neue atomare Gruppierungen gebaut werden. Die Energie und die Verbindungskräfte, die zwischen den Atomen von einzelnen Komponenten und Struktureinheiten der Metalllegierungen auftauchen, gehören zu den ausschlaggebenden Faktoren. Die Viskosität ist eine von diesen Eigenschaften. Der Auf- und Umbau von atomaren Komplexen führt zu einer Freisetzung von starken Verbindungen, die eher im Inneren der Komplexe geschlossen waren. Diese Verbindungen nehmen an dem viskosen Fließen und auch an Versetzungen von Struktureinheiten teil. Eine sinkende Viskosität wird deshalb auf einen atomaren Komplex zurückgeführt, der die geschwächten inneren und die gestärkten äußeren Verbindungen aufweist. Damit werden die technologisch-physikalischen Voraussetzungen geschaffen, unter denen im flüssig-kristallinischen System kollektive Bereiche mit einer einheitlichen Orientierung aufgebaut werden. Die neue Strukturierung und ihre energetische Stabilität werden durch das variable elektromagnetische Feld verstärkt. Das Ergebnis ist die geringere Viskosität, die den energetischen Zustand des Raumgitters bzw. der Mikrostruktureinheiten der Schmelze widerspiegelt. Die Fließfähigkeit kann beispielsweise auf einem Monitor 16 angezeigt werden. Die maximale Fließfähigkeit ist dann erreicht, wenn die Fließfähigkeit nicht mehr wesentlich ansteigt, d. h. den annähernd waagrechten Ast der auf dem Monitor 16 dargestellten Kurve der Fließfähigkeit φ über die Zeit t erreicht hat.
-
Alternativ oder eventuell auch zusätzlich wird vorgesehen, dass aus der Behandlungskammer Proben der Schmelze 11 entnommen und analysiert werden. Es lässt sich anhand dieser Analyse beispielsweise auf einem weiteren Monitor 9 anzeigen, wie sich die Liquidustemperatur TL ändert und gegenüber der Liquiduslinie der speziellen Metalllegierung der Solidustemperatur-Linie Ts angenähert hat. Hierbei kann auf einem Monitor 9 ein Bild der Temperatur T über der Zeit t angezeigt werden. Der Aufbauprozess des übersättigten Mischkristalls, der im flüssigkristallinischen System angefangen hatte, vollendet sich während des Abkühlens der Legierung, so dass die Aufstellung eines realistischen Zustandsschaubildes möglich ist. Durch diese realistische, thermodynamische Darstellung wird ein großes Spektrum von Legierungseigenschaften abgedeckt, beispielsweise Konzentrationsangabe, Liquidus-Soliduslinienanordnung, Sättigungsgrenze (Löslichkeit) usw., die es ermöglichen, die geeigneten technologischen Gießparameter für die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Legierung festzulegen.
-
Es hat sich überraschend gezeigt, wenn Masseln, die nach dem vorstehenden Verfahren hergestellt worden sind, weiterverarbeitet werden, sich vorteilhafte Verhältnisse ergeben. Die aufgrund der Behandlung erhaltene Erhöhung der Fließfähigkeit ist nicht reversibel, weil die Mischkristalle stabil sind. Die bei der Weiterverarbeitung aus aufgeschmolzenen Masseln hergestellte Schmelze hat eine verbesserte Fließfähigkeit und eine geringere Neigung zu Oxidation. Beim Aufschmelzen der Masseln entsteht weniger Krätze an der Badoberfläche.
-
Bei einer Metalllegierung mit dem Basismaterial Aluminium und dem Hauptlegierungsbestandteil Silizium ist es möglich gewesen, Zylinderköpfe noch mit einer Gießtemperatur von 637°C erfolgreich abzugießen die damit um etwa 100°C niedriger lag, als die für diese Maschine und diese Legierung vorgeschriebene Gießtemperatur. Trotz der geringeren Gießtemperatur gab es keine Qualitätsminderungen durch Lunker, Gasporosität oder Kaltlauf und keine grobe Gefügebildung.
-
Die Erfindung geht davon aus, dass durch die äußere energetische Einwirkung, d. h. durch die Wechselwirkung zwischen einem äußeren elektromagnetischen Feld und einem inneren elektromagnetischen Feld des Kristalls, eine Verstärkung des Diffusionsprozesses und interatomare Verbindungen beeinflusst werden. Das Ergebnis dieser Wechselwirkung ist ein Aufbau einer Legierung, deren Kristalle im geschmolzenen Zustand eine weitreichende Ordnung bzw. Fernordnung besitzen. Diese Wechselwirkung kann auch dadurch gesteuert werden, dass ein Legierungsbestandteil zugegeben wird, das sich von dem Basismaterial durch die magnetische Suszeptibilität unterscheidet.
-
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Metalllegierungen, bei welchen das Basismaterial Aluminium und der Hauptzusatzbestandteil Silizium ist. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch für alle Metalllegierungen anwendbar, unabhängig von der magnetischen Suszeptibilität der Bestandteile. Die äußere energetische Einwirkung erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel mittels eines variierenden, pulsierenden elektromagnetischen Feldes. Es sind jedoch auch ohne weiteres andere Möglichkeiten zur äußeren energetischen Einwirkung mittels eines variablen physikalischen Feldes gegeben, beispielsweise eine Einwirkung mittels Ultraschall. Dabei wird das Feld so ausgelegt, dass sich die zu dem vorstehend erläuterten elektromagnetischen Feld ergebenden Bedingungen ebenfalls erhalten werden.
-
Die erfindungsgemäßen Masseln eignen sich für alle Gießprozesse. Dabei ist bei einem Kokillenguss die hohe Fließfähigkeit von besonderem Vorteil, während beim Druckguss die hervorragende Verformbarkeit von besonderem Vorteil ist. Es wird angenommen, dass bei einem Aufschmelzen der Masseln die neue atomare Anordnung im Raumgitter, die durch die Vorbehandlung durch Diffusion erhalten wurde, auch bei dem Aufschmelzen der Masseln beibehalten wird, ohne dass die Atome der Legierungsbestandteile ihre Plätze im Aluminium-Raumgitter aufgeben.
-
Unter dem Ausdruck Masseln werden gemäß der Erfindung nicht nur die handelsüblichen Formen von Masseln verstanden. Vielmehr soll darunter jegliche Form verstanden werden, in die eine aufbereitete Schmelze vor einem Wiederaufschmelzen für einen Gießvorgang abgegossen wird.
