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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung einer Metallschmelze gemäß Anspruch 8.
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Beim Leichtmetallguss kommen in zunehmendem Maße so genannte semi-solid Gießverfahren oder Rheogussverfahren zum Einsatz, in denen ein halbfester oder fest-flüssiger Gießbrei verarbeitet wird. Zu diesem Zweck wird eine Metallschmelze auf eine Temperatur unterhalb der Liquidustemperatur herabgekühlt und parallel dazu durch intensives Bewegen, beispielsweise Rühren, ein globulitisches Gefüge des Festkörperanteils im Gießbrei zur verbesserten Fließfähigkeit der unterkühlten Schmelze erzeugt.
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Verbreitet werden kühlbare Rührstäbe aus Graphit oder aus demselben Material wie die Metallschmelze benutzt. In den Dokument
US 6,918,427 und
EP 1 601 481 B1 wird für die Herstellung eines halbfesten Gießbreis einer Aluminiumlegierungsschmelze betont, dass die gute Wärmeleitfähigkeit und die sehr geringe Oberflächenbenetzbarkeit des Graphits diesen Werkstoff als besonders geeignet für den Einsatz in einem Gießverfahren zur Erzeugung eines nicht-dendritischen Festkörperanteils charakterisieren.
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Als nachteilig dabei ist jedoch anzusehen, dass die Graphitstäbe einer hohen Abnutzung unterliegen. Durch das Rotieren des Rührstabs in der Metallschmelze wird das Graphit ausgewaschen und geht in die Metallschmelze über. Dadurch verlieren die Graphitstäbe ihre Leistungskapazität.
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Um die Abnutzung eines Graphitrührstabes, der in eine Aluminiumschmelze eintaucht, zu verringern, ist im Dokument
US 6,508,977 eine schützende Ummantelung um den Rührstab in Form einer Manschette vorgesehen, die aus einem resistenten Material, wie beispielsweise einer Keramik, besteht und sich in einem Bereich oberhalb und unterhalb der Grenzfläche zwischen der Aluminiumschmelze und dem Umgebungsgas erstreckt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze zu schaffen, in welcher die Abnutzung von Rührstäben, insbesondere an der Grenzfläche zwischen der Metallschmelze und dem Umgebungsgas und/oder in der Metallschmelze reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, umfasst: einen Gießschmelzebehälter, der eine Höhlung zur Aufnahme einer Metallschmelze, insbesondere Leichtmetallschmelze, aufweist, und einen Rührstab mit einer Spitze, der wenigstens teilweise derart tief in die mit der Metallschmelze befüllten Höhlung hineinragt, dass wenigstens die Spitze in die Metallschmelze eintaucht. Wenigstens die Spitze des Rührstabes weist einen metallischen Werkstoff auf, welcher schwer löslich in der Metallschmelze ist.
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Der Rührstab ist insbesondere rotierbar ausgeführt. Konkret kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Bewegung des Rührstabes umfassen. Der Rührstab kann Rührarme, beispielsweise in Form von Propellern oder Flügeln, aufweisen. Bevorzugt besteht die Spitze, insbesondere der ganze Rührstab aus dem metallischen Werkstoff. Die Metallschmelze kann fluid, insbesondere fließfähig, flüssig, breiig, schlammig, teigig oder pastös, sein. Die Höhlung kann auch als Vertiefung, konkave Formgebung, Kavität oder dergleichen bezeichnet werden.
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In der Praxis ist ein konkreter metallischer Werkstoff dann als schwer löslich zu bezeichnen, wenn nach 5.000 Benutzungen, bevorzugt 10.000 Benutzungen des Rührstabes im Gießschmelzebehälter, insbesondere Gießschüssen, nur weniger als 0,5 mm, bevorzugt weniger als 0,3 mm abgetragen worden sind.
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Der Gießschmelzebehälter ist insbesondere derart ausgeführt, dass er mit einem Roboter manipulierbar ist. Das Volumen des Gießschmelzebehälters kann insbesondere der für genau einen durchzuführenden Guss oder für eine kleine Anzahl mehrerer durchzuführender Güsse benötigten Metallschmelzemenge entsprechen oder auf diese Menge oder Portionen abgestimmt sein. Anders ausgedrückt, bevorzugt ist der Gießschmelzebehälter in seiner Dimensionierung und/oder seiner Geometrie kein Reservoir (wie beispielsweise ein Ofen), sondern ein Gießwerkzeug. Der Gießschmelzebehälter ist bevorzugt eine Gießkelle. Insbesondere kann der Gießschmelzebehälter eine Tülle oder einen Abfluss aufweisen. Mit anderen Worten, beim erfindungsgemäßen Gießschmelzebehälter handelt es sich bevorzugt um das beim Gießvorgang benutzte Gießschmelzegefäß beziehungsweise um den dem Gießvorgang unmittelbar vorgelagert benutzten Gießschmelzebehälter. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Gießkelle ermöglicht beziehungsweise unterstützt vorteilhaft eine kurzfristige oder finale Behandlung der Metallschmelze möglichst unmittelbar vor dem Gießen. Auf diese Weise kann eine Metallschmelze individualisiert für das zu gießende Bauteil hergestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist der Werkstoff der Spitze des Rührstabes auf den Werkstoff Metallschmelze abgestimmt. Der metallische Werkstoff ist beständig gegen chemische oder physikalische Belastungen, insbesondere Angriffe, durch die Metallschmelze. Erfindungsgemäß erfahren durch den speziell vorgesehenen metallischen Werkstoff die Rührstäbe eine geringere Abnutzung als Rührstäbe aus demselben Werkstoff wie die Metallschmelze oder aus Graphit. Damit erhöht sich die Standzeit oder Lebensdauer der Vorrichtung. In vorteilhafter Konsequenz werden die Kosten der Behandlung der Metallschmelze gesenkt.
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Darüber hinaus kann der metallische Werkstoff der Spitze des Rührstabs in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Auf diese Weise kann eine Temperierung der Metallschmelze besonders effizient über den Rührstab vorgenommen werden. Eine Taktzeitverringerung ist möglich. In bevorzugten Ausführungsformen können konkret als metallischer Werkstoff Wolfram, eine Wolframlegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung zum Einsatz gelangen. In Bezug auf Aluminium weisen Wolfram einen besonders hohen Verschleißwiderstand und Kupfer eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze weist der Rührstab einen Schaft auf, welcher von einer Manschette in einem Bereich ummantelt ist, in welchem die Oberfläche der Metallschmelze, die Grenzschicht zwischen Metallschmelze und Umgebungsgas den Schaft kontaktiert. Die Benutzung einer Manschette reduziert in vorteilhafter Weise die Abnutzung des Rührstabes an besonders exponierter Stelle. Konkret kann die Manschette aus einem keramischen Werkstoff bestehen.
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Alternativ dazu oder darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze eine Einrichtung zur Kühlung des Rührstabes aufweisen. Die Einrichtung kann steuerbar oder regelbar sein. Mit Hilfe der Einrichtung zur Kühlung kann via den Rührstab kontrolliert Einfluss auf die Temperatur der Metallschmelze genommen werden, um bestimmte Eigenschaften der Metallschmelze zu erreichen. Insbesondere kann eine kontrollierte Abkühlung, genauer Unterkühlung unter den Liquiduspunkt, durchgeführt werden, um einen halbfesten Gießbrei, eine semi-solid Metallschmelze, herzustellen.
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Eine Kühlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandelung einer Metallschmelze, insbesondere deren Rührstab, kann mittels eines Kühlfluids, bevorzugt mittels einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise eines Wärmeträgeröls oder Wasser, oder eines Inertgases, beispielsweise eines Edelgases, wie Argon oder Stickstoff, erfolgen. In einem konkreten Aufbau in einer Gießerei kann die Versorgung mit Kühlfluid durch die Ankopplung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an ein existierendes Kühlsystem der Gießerei erfolgen. Auf diese Weise ist eine kostengünstige Realisierung einer Kühlung möglich.
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Des Weiteren oder ebenfalls ergänzend dazu kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung wenigstens die Spitze des Rührstabs, bevorzugt der Rührstab unterhalb der Grenzfläche in der Metallschmelze, porös oder mit Öffnungen versehen zur Abgabe eines Inertgases sein und/oder der Rührstab eine Zuleitung für Inertgas umfassen. Das Inertgas kann beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas sein. In die Metallschmelze ausströmendes Inertgas kann die Metallschmelze von kleinen oder feinen Verunreinigungen befreien, indem diese an die Grenzfläche transportiert werden, dort aufschwimmen und abgeschöpft werden können.
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Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch ein Verfahren zum Behandeln einer Metallschmelze. Erfindungsgemäß wird in einem derartigen Verfahren eine Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze mit einzelnen Merkmalen, einer Gruppe von kombinierten Merkmalen oder allen Merkmalen gemäß dieser Darstellung benutzt.
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In einer bevorzugten Ausführung handelt es sich beim erfindungsgemäßen Verfahren um ein Verfahren zur Herstellung eines halbfesten Gießbreis. Mit anderen Worten, bevorzugt wird im Verfahren zum Behandeln einer Metallschmelze die Metallschmelze zu einem halbfesten (semi-solid) Gießbrei verarbeitet. Insbesondere wird die Metallschmelze, während sie bewegt, bevorzugt gerührt, wird, auf eine Temperatur unter die Liquidus-Temperatur abgekühlt. Die verarbeitete Metallschmelze kann thixotrop sein. Durch die Behandlung können insbesondere globulitische und/oder nicht-dendritische Festkörper, beispielsweise sphäroide oder ellipsoide Festkörper, im flüssigen Phasenanteil erzeugt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Magnesiumlegierungen oder Aluminiumlegierungen. Anders gesagt, im erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Metallschmelze aus einer Magnesiumlegierung oder einer Aluminiumlegierung zur Verfügung gestellt werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze,
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer alternativen Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung einer Metallschmelze. Ein becherförmiger oder topfförmiger Gießschmelzebehälter 10, bevorzugt ein mittels eines Robotorarms manipulierbarer Gießlöffel, weist eine Metallschmelze 12, bevorzugt eine Magnesiumlegierungsschmelze, in seiner konkaven Höhlung 14 auf. Ein im Wesentlichen zylinderförmiger Rührstab 16 erstreckt sich in die Höhlung 14 des Gießschmelzebehälters 10 hinein. Der Rührstab 16 ist mittels einer in 1 nicht zeichnerisch dargestellten Einrichtung rotierbar, hier symbolisiert durch den Pfeil Rotation 18. Die Spitze 20 des Rührstabs 16 taucht in die Metallschmelze 12 ein, so dass die Metallschmelze 12 durch den rotierenden Rührstab 16 aufgrund ihrer inneren Reibung in Rotation versetzt werden kann.
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Der Rührstab 16 ist gleichzeitig gekühlt. Für die Steuerung beziehungsweise Regelung der Temperatur des Rührstabes 16 ist eine nicht in 1 zeichnerisch dargestellte Einrichtung zur Kühlung mit einem Steuerungsgerät beziehungsweise Regelungsgerät vorhanden. Konkret erfolgt die Kühlung des Rührstabs über ein fluides Kühlmittel, zum Beispiel Druckluft, Öl oder Wasser, so dass der Metallschmelze 12 Wärmeenergie entzogen werden kann.
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Die 2 ist die schematische Darstellung einer vorteilhaften Weiterentwicklung. In dieser Darstellung sind bereits im Zusammenhang mit der 1 beschriebene gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Rührstab 16 ist in dieser Weiterentwicklung in dem Sinne porös ausgeführt, wie Öffnungen für Inertgas vorgesehen sind. und umfasst in seinem Inneren eine nicht zeichnerisch dargestellte Zuleitung für Inertgas. Das heißt, er weist an seiner Spitze 20 Poren oder Öffnungen 22 auf, durch welche aus dem Inneren des Rührstabes 16 Inertgas, beispielsweise Stickstoff, in die Metallschmelze 12 unterhalb deren Oberfläche gelangt (durch Pfeile in 2 angedeutet). Einzelne Gasbläschen des Inertgases durchströmen die Metallschmelze 12 und steigen bis zur Oberfläche der Metallschmelze 12 auf, so dass Verunreinigungen ausgetrieben werden und sich an der Grenzfläche zum Umgebungsgas sammeln. Die auf der Grenzfläche schwimmenden Verunreinigungen können von dort abgeschöpft werden.
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Während der Durchströmung mit Inertgas kann gleichzeitig die Metallschmelze gekühlt werden, indem der Rührstab 16, wie oben bereits näher beschrieben, gekühlt wird. Alternativ dazu finden die zwei Behandlungen zeitlich separat voneinander statt. Bevorzugt erfolgt zunächst eine Behandlung zur Reinigung mittels Inertgas und dann eine Behandlung zur Herstellung eines halbfesten Gießbreis mittels Kühlen und gleichzeitigem Rühren.
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Der Rührstab 16 ist zu dieser Doppelfunktionalität doppelwandig ausgeführt. In einer äußeren Verrohrung wird dem Rührstab 16 vom reinen Kühlmedium durchströmt. Im Innenbereich fließt das Inertgas. Je nach Anwendungsbereich können die Durchmesser und die Lage der Verrohrung und der Öffnungen auf die jeweiligen Rührstabvarianten abgestimmt werden. In vorteilhafter Weise sind die Kühlwirkung und die Schmelzebehandlung durch Inertgas kombiniert, ohne dass sie sich in ihrer Wirkung gegenseitig behindern oder aufheben.
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Die 3 zeigt schematisch eine weitere vorteilhafte Weiterbildung. Auch in dieser Darstellung sind bereits im Zusammenhang mit der 1 beschriebene gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Der aus einem metallischen Werkstoff bestehende Rührstab 16 weist an seinem Schaft eine Manschette 24 aus einem keramischen Werkstoff auf, welche in demjenigen Bereich angeordnet ist, in welchem die Grenzschicht zwischen der Metallschmelze 12 und dem Umgebungsgas den Rührstab 16 kontaktiert. Die Keramik ist hitzebeständig und wird von der Metallschmelze weder physikalisch noch chemisch angegriffen. Der Rührstab 116 wird auf diese Weise effizient vor einer starken Abnutzung durch die Metallschmelze 12 geschützt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gießschmelzebehälter
- 12
- Metallschmelze
- 14
- Höhlung
- 16
- Rührstab
- 18
- Rotation
- 20
- Spitze
- 22
- Öffnungen
- 24
- Manschette
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6918427 [0003]
- EP 1601481 B1 [0003]
- US 6508977 [0005]
