DE102016002830B4

DE102016002830B4 - Auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes manganhaltiges Vormaterial zu Herstellung einer Leichtmetalllegierung, Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung

Info

Publication number: DE102016002830B4
Application number: DE102016002830.0A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Lindner
Original assignee: TWI GmbH
Current assignee: LINDNER, KARL-HEINZ, DR., DE
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: WO2017152895A1; DE102016002830A1; CN109477163A; EP3426809A1

Abstract

Auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes manganhaltiges Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, wobei dieser als Draht mit der Zusammensetzung: MnABC, ausgebildet ist und worin A Cerium (Ce) und/oder Lanthan (La) oder ein Ce-Mischmetall, B Scandium (Sc), C Zirkonium (Zr) ist, mindestens eines der Bestandteile A, B und C enthaltend ist und x, y, z die Bereiche der Zusammensetzungen von 0 ≤ x ≤ 37 Gew%, 0 ≤ y ≤ 4 Gew% und 0 ≤ z ≤ 9 Gew% betragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes, manganhaltiges Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung und ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung.
Die Herstellung von Legierungen erfolgt üblicherweise durch Legieren eines Hauptbestandteils (Reinmetall) mit den Nebenbestandteilen (Zusätzen). Überwiegend erfolgt dies durch Einbringen der Legierungszusätze in Form von Masseln oder Barren in die flüssige Schmelze des Reinmetalls.
Derartige Masseln oder Barren haben aufgrund ihrer kompakten Größe den Nachteil, dass diese, wenn sie einen höheren Schmelzpunkt aufweisen, nur unvollständig aufgeschmolzen werden. Dadurch können im Schmelzbad größere Brocken oder Klumpen anfallen, ohne sich mit den anderen Legierungsbestandteilen zu mischen. Solche als Einschlüsse oder monoelementare Bereiche bezeichnete Brocken eines der Legierungsmetalle können später bei der Weiterverarbeitung des Legierungsmaterials zu Ausfällen führen.
Eine Möglichkeit der Behandlung von Schmelzen ist die Drahtinjektion mittels Fülldraht, mit einem äußeren Mantel aus Metall und einem Füllmaterial, wobei das Füllmaterial ein oder mehrere pulverförmige Metalle oder körnige Metalle aufweist und das als Draht ohne Ummantelung ausgebildet ist.
Fülldrähte zur metallurgischen Behandlung von Schmelzen sind hinlänglich bekannt. Diese Behandlung ist dadurch gekennzeichnet, dass, im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren, die Zugabemenge der Legierungszusätze zur Schmelze exakt gesteuert werden kann. Der Mantel des Fülldrahtes dient dazu, die pulverförmigen oder körnigen Legierungszusätze über eine Drahtinjektionseinrichtung zu transportieren bzw. der Schmelze zuzuführen.
Eine Drahtinjektionseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 37 12 619 A1 bekannt. Fülldrähte zur Behandlung von Schmelzen mittels Drahtinjektion sind beispielsweise aus der DE 199 16 235 A1 , DE 19916234 A1 , DE 100 65 914 A1 , DE 10 2006 048 028 B3 und EP 0234623 B1 bekannt.
Aus der DE 10 2009 054 972 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagerwerkstoffes bekannt, bei dem ein Halbfabrikat zum Einschmelzen im Rahmen der Herstellung einer Legierung einen Hüllkörper mit eingefüllten stückigen Legierungsbestandteilen, wie z. B. Späne, verwendet wird.
Der Nachteil der Fülldrähte besteht darin, dass die Füllmaterialien oft in Granulat- bzw. Pulverform vorliegen, sodass der Fülldraht in der Regel nicht zu 100 % mit dem Füllmaterial gefüllt ist. Hierbei verbleibt ein Lückenvolumen im Fülldraht, das mit Luft gefüllt bzw. die Füllmaterialien mit Luft durchsetzt sind. Mit zunehmender Zeitdauer nimmt die Wirksamkeit des Füllmaterials durch die Reaktion des Sauerstoffanteils der Luft mit dem Füllmaterial ab. Es kann zu Oxidationsreaktionen zwischen dem im Luftvolumen vorhandenen Sauerstoff und dem Füllmaterial kommen.
Bei Füllstoffen, die bei Normalbedingungen nicht oder sehr langsam mit der eingeschlossenen Luft reagieren, kann beim Einbringen des Fülldrahtes in die Metallschmelze durch die Hitze der Metallschmelze eine Reaktion zwischen dem Füllstoff und der eingeschlossenen Luft erfolgen, wodurch der Füllstoff an Wirksamkeit verlieren kann und der Wirkungsgrad beim Einbringen in die flüssige Schmelze sich spürbar verringern kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein manganhaltiges Vormaterial zu schaffen, das auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt ist, zur Verfügung zu stellen, das ohne Ummantelung auskommt, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Vormaterial sowie durch das in den Patentansprüchen 5 oder 6 beschriebene Verfahren zu seiner Herstellung. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Demzufolge weist das pulvermetallurgisch hergestellte manganhaltige Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer aluminiumfreien Magnesiumlegierung eine Zusammensetzung auf, die mit der Formel Mn_100x-y-zA_xB_yC_z beschrieben wird, worin A für mindestens eines der Elemente Cerium (Ce), Lanthan (La) oder einem Ce-Mischmetall, B für Scandium (Sc) und C für Zirkonium (Zr) steht und x, y, z die Bereiche der Zusammensetzungen von 0 ≤ x ≤ 37 Gew%, 0 ≤ y ≤ 4 Gew% und 0 ≤ z ≤ 9 Gew% betragen.
Das Vormaterial kann als Draht oder als aus einer Vielzahl von miteinander verdrillten Drähten ohne eine Umhüllung oder einem Mantel ausgebildet sein. Die Herstellung der Drähte als Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Magnesiumlegierung, kann auf zwei Wegen erfolgen.
Zum einen werden in einem ersten Schritt die metallischen Bestandteile des Vormaterials einzeln oder in Kombination durch Gasverdüsung in Pulverform überführt. In einem zweiten Schritt werden die pulverisierten Bestandteile entsprechend der gewünschten Zusammensetzung des Vormaterials gemischt und in einem dritten Schritt in einen Preßzylinder gefüllt und durch heißisostatisches Pressen zu einem Bolzen geformt wird. Beim heißisostatischen Pressen wird der Presszylinder in einen beheizbaren Druck-Kessel eingesetzt, worin dann das Pulver bei Temperaturen von bis zu 2.000°C, vorzugsweise unterhalb der Solidustemperatur des Bestandteils mit der höchsten Schmelztemperatur, und unter Drücken von 100 bis zu 200 MPa unter Schutzgas verdichtet wird. Der Gasdruck wirkt sich so von allen Seiten auf den Bolzen aus, so dass der Bolzen isotrope Eigenschaften erhält.
Durch den allseitig wirkenden Gasdruck und die hohen Temperaturen werden diffusionsgesteuerte Kriechvorgänge wirksam, die zur Verdichtung des Bolzenmaterials führen.
In einem vierten Schritt wird der so erhaltene Bolzen mittels einer Strangpresse mit Lochmatrize zu einem Draht verformt und anschließend der Draht aufgecoilt. Die Lochmatrize kann ein oder mehrere Löcher aufweisen, so dass gleichzeitig mehrere Drähte durch Strangpressen hergestellt werden können.
Zum anderen kann aus den Bestandteilen des Vormaterials eine Schmelze erzeugt werden, die dann mittels eines Zerstäubungsprozesses zu einem sprühkompaktierten Bolzen geformt wird. Der sprühkompaktierte Bolzen weist ebenso isotrope Eigenschaften auf und wird mittels einer Strangpresse mit Lochmatrize zu mindestens einem Draht verformt.
Das zu einem Draht geformte Vormaterial kann zur Behandlung von Schmelzen insbesondere mittels Drahtinjektion zur Herstellung von Leichtmetalllegierungen verwendet werden. Die Legierungen können sowohl Magnesium- als auch Aluminiumlegierungen umfassen.
Das als Draht ausgeformte Vormaterial kann einen Durchmesser von 1 mm bis 25 mm aufweisen. Da die Drähte für die Drahtinjektion bei größerem Durchmesser immer starrer werden, sind diese bevorzugt als verdrillte Drähte in Form von Seiten ausgebildet. Dadurch behalten die Drähte ihre Flexibilität.
Für den Einsatz des als Draht ausgebildeten Vormaterials zur Drahtinjektion von Schmelzen zur Herstellung von Leichtmetalllegierungen kommt es lediglich darauf an, dass das Vormaterial eine definierte Zusammensetzung hat.
Anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher beschrieben werden.
Hergestellt werden soll eine Magnesiumlegierung mit der Zusammensetzung 96,75 Gew% Mg, 1,9 Gew% Mn, 0,6 Gew% Ce, 0,3 Gew% La, 0,15 Gew% Sc und 0,3 Gew% Zr. Die Legierungsbestandteile Mangan, Cerium, Lanthan, Scandium und Zirkonium werden einzeln mittels Gasverdüsung unter Schutzgas in Pulverform hergestellt. Anschließend werden die Pulver entsprechend einer bevorzugten Ausführung gemischt. Das Pulvergemisch enthält 60 Gew% Mn, 18 Gew% Ce, 9 Gew% La, 4 Gew% Sc und 9 Gew% Zr. Die so erhaltene Pulvermischung wird in einem Presszylinder gefüllt und mittels heißisostatischen Pressens zu einem Bolzen geformt. Das heißisostatische Pressen erfolgt vorzugsweise unter einem Druck von 150 MPa und einer Temperatur von ca. 1.000°C. Dabei kommt es zu einer fast vollständigen Verdichtung der Partikel und Auffüllung der Porenräume. Da einige der Bestandteile Schmelzpunkte unterhalb einer Temperatur von 1.000°C haben, kommt es zu einer Kombination aus Festphasen- und Flüssigphasensintern.
Der so erhaltene Bolzen wird anschließend mittels einer Strangpresse zu einem Draht verformt, der nach Austritt aus der Lochmatrize der Strangpresse aufgecoilt wird. Bevorzugt hat der Draht als Vormaterial für das Legieren der Magnesiumschmelze einen Durchmesser von 2 mm. Als Hauptbestandteil (Reinmetall) wird reines Magnesium (HP-Qualität), das frei von Verunreinigungen ist, eingesetzt und in einem metallurgischen Gefäß aufgeschmolzen. Das Legieren der Magnesiumschmelze erfolgt mittels des Drahtinjektionsverfahrens. Die Legierungsbestandteile, die nunmehr als Vormaterial in Drahtform vorliegen, werden vom Coil abgezogen und mittels einer Drahtvorschubeinrichtung in die Schmelze eingeführt.
Durch Zugabe von 3,33 % des Vormaterials in Drahtform in die Magnesiumschmelze wird die oben genannte Zusammensetzung der Magnesiumlegierung erhalten. Die Zugabemenge des Vormaterials kann über die Drahtvorschubeinrichtung exakt gesteuert und somit reproduzierbar in die Schmelze eingebracht werden.
Der eingeführte Draht schmilzt in der Magnesiumschmelze sofort auf, wodurch die den Draht bildenden Legierungszusätze in die Schmelze eingebracht werden.
An dieser Stelle zeigt sich der besondere wirtschaftliche Vorteil gegenüber den bislang verwendeten Legierungsverfahren, bei denen die Legierungsbestandteile in Form von Masseln oder Barren in die Schmelze eingebracht werden.
Es erfolgt ein vollständiges Aufschmelzen der Legierungszusätze, wodurch eine Agglomeration von Legierungsbestandteilen sicher vermieden wird.
Die pulvermetallurgische Herstellung des Vormaterials hat weiterhin den Vorteil, dass Legierungsbestandteile, die nicht oder nur schwer schmelzmetallurgisch zu einer Vorlegierung verarbeitet werden können, trotzdem zu einem Vormaterial in Form eines massiven Drahtes hergestellt werden können, ohne das es einer Umhüllung oder eines Mantels bedarf.

Claims

Auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes manganhaltiges Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, wobei dieses als Draht mit der Zusammensetzung: Mn_100-x-y-zA_xB_yC_z, ausgebildet ist und worin A Cerium (Ce) und/oder Lanthan (La) oder ein Ce-Mischmetall, B Scandium (Sc), C Zirkonium (Zr) ist, mindestens eines der Bestandteile A, B und C enthaltend ist und x, y, z die Bereiche der Zusammensetzungen von 0 ≤ x ≤ 37 Gew%, 0 ≤ y ≤ 4 Gew% und 0 ≤ z ≤ 9 Gew% betragen.
Auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes manganhaltiges Vormaterial nach Anspruch 1, umfassend 60 Gew% Mangan, 18 Gew% Cerium, 9 Gew% Lanthan, 4 Gew% Scandium und 9 Gew% Zirkonium.
Verfahren zur Herstellung eines auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten manganhaltigen Vormaterials nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - in einem ersten Schritt die metallischen Bestandteile des Vormaterials einzeln oder in Kombination durch Gasverdüsung in Pulverform überführt werden, - in einem zweiten Schritt die pulverisierten Bestandteile entsprechend der Zusammensetzung gemischt werden, - in einem dritten Schritt das Pulvergemisch in einen Preßzylinder gefüllt wird und durch heißisostatisches Pressen zu einem Bolzen geformt wird, - in einem vierten Schritt der Bolzen mittels einer Strangpresse zu mindestens einem Draht verformt wird und anschließend aufgecoilt wird.
Verfahren zur Herstellung eines auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes manganhaltigen Vormaterials nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den einzelnen Bestandteilen des Vormaterials hergestellte Schmelze mittels eines Zerstäubungsprozesses zu einem sprühkompakten Bolzen geformt wird und der Bolzen mittels einer Strangpresse zu mindestens einem Draht verformt und anschließend aufgecoilt wird.
Verwendung des Vormaterials nach Anspruch 1 und des nach Anspruch 3 oder 4 hergestellten Vormaterials zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung mittels Drahtinjektion.
Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Magnesiumlegierung ist.
Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Aluminiumlegierung ist.