DE102021108933B4 - Casting device and casting method for the production of metal matrix composite materials - Google Patents
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Abstract
Gießvorrichtung zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffen, die eine Metallschmelzeinrichtung zum Erzeugen einer Metallschmelze, eine Partikelzuführeinrichtung zum Zuführen von Festkörperpartikeln zur Metallschmelze und eine wenigstens einen mechanischen und/oder elektromagnetischen Rührer (4) aufweisende Mischzone (1) zum Verteilen der Festkörperpartikel in der Metallschmelze aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischzone (1) wenigstens eine in eine Gieß- und Fließrichtung (A) der Gießvorrichtung geneigte Gießrinne (2) mit wenigstens einem eine Senke in der Gießrinne (2) ausbildenden Mischbecken (3) aufweist, wobei in und/oder an dem wenigstens einen Mischbecken (3) jeweils wenigstens einer des wenigstens einen Rührers (4) angeordnet ist.Casting device for the production of metal matrix composite materials, which has a metal melting device for producing a molten metal, a particle feeding device for feeding solid particles to the molten metal and a mixing zone (1) having at least one mechanical and/or electromagnetic stirrer (4) for distributing the solid particles in the molten metal, characterized in that the mixing zone (1) has at least one pouring channel (2) inclined in a pouring and flow direction (A) of the casting device with at least one mixing basin (3) forming a sink in the pouring channel (2), at least one of the at least one stirrer (4) being arranged in and/or on the at least one mixing tank (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffen, die eine Metallschmelzeinrichtung zum Erzeugen einer Metallschmelze, eine Partikelzuführeinrichtung zum Zuführen von Festkörperpartikeln zur Metallschmelze und eine wenigstens einen mechanischen und/oder elektromagnetischen Rührer aufweisende Mischzone zum Verteilen der Festkörperpartikel in der Metallschmelze aufweist.The present invention relates to a casting device for the production of metal matrix composite materials, which has a metal melting device for producing a molten metal, a particle feeding device for feeding solid particles to the molten metal and a mixing zone having at least one mechanical and/or electromagnetic stirrer for distributing the solid particles in has the molten metal.
Die Erfindung betrifft ferner ein Gießverfahren zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffen, bei dem eine Metallschmelze erzeugt wird, der Metallschmelze Festkörperpartikel zugeführt werden und in einem Mischschritt die Festkörperpartikel in der Metallschmelze mittels Rühren durch wenigstens einen mechanischen und/oder elektromagnetischen Rührer verteilt werden, während die Metallschmelze mit den Festkörperpartikeln in einem kontinuierlichen Fluss gehalten wird.The invention also relates to a casting process for the production of metal matrix composite materials, in which a molten metal is produced, solid particles are fed to the molten metal and, in a mixing step, the solid particles are distributed in the molten metal by stirring with at least one mechanical and/or electromagnetic stirrer while the molten metal with the solid particles is kept in a continuous flow.
Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffe (MMC) sind Festkörperpartikel enthaltende Metalle oder Metalllegierungen. Solche partikelverstärkten Metalle oder Metalllegierungen bieten gegenüber ihren unverstärkten Varianten eine wesentlich höhere Verschleißbeständigkeit und eine erhöhte Festigkeit, insbesondere eine erhöhte Warmfestigkeit.Metal matrix composite materials (MMC) are metals or metal alloys containing solid particles. Such particle-reinforced metals or metal alloys offer significantly higher wear resistance and increased strength, in particular increased heat resistance, compared to their unreinforced variants.
Die in MMC-Werkstoffen verwendeten Festkörperpartikel können beispielsweise Keramikpartikel sein. Die Festkörperpartikel können aus Metalloxid(en), vorzugsweise Aluminiumoxid, Metallnitrid(en), Metallcarbid(en), vorzugsweise Siliziumcarbid, Metallsilizid(en), und/oder Glas bestehen. Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffe, insbesondere Aluminium-Matrix-Komposit-Werkstoffe (AMC), wurden erstmals in den frühen 1970er Jahren kommerziell betrachtet. Die Motivation kam vorrangig aus dem Bedarf nach leistungsfähigeren Leichtbauwerkstoffen für die Luft- und Raumfahrt sowie für militärische Anwendungen. Ende der 1980er Jahre führte die Forschung zu ersten praktikablen Herstellungsverfahren.The solid particles used in MMC materials can be ceramic particles, for example. The solid particles can consist of metal oxide(s), preferably aluminum oxide, metal nitride(s), metal carbide(s), preferably silicon carbide, metal silicide(s), and/or glass. Metal matrix composites, particularly aluminum matrix composites (AMC), were first considered commercially in the early 1970's. The motivation came primarily from the need for more efficient lightweight materials for aerospace and military applications. At the end of the 1980s, research led to the first practicable manufacturing processes.
Trotzdem sind bisher nur wenige kommerzielle Anwendungen von MMC erschlossen, da eine zu geringe Robustheit der etablierten MMC-Produktionsprozesse trotz aufwändiger Prozessführung zu schwankenden Werkstoffqualitäten und zusätzlichen Nachbearbeitungsaufwendungen der MMC-Produkte und damit bislang zu hohen MMC-Werkstoffkosten führen. Daher sind MMC-Werkstoffe trotz ihres großen Anwendungspotenzials nur in Nischenanwendungen oder High-End-Technologien zu finden. Momentan ist nicht absehbar, dass einer der weltweit agierenden Anbieter von MMC-Werkstoffen die Hürde des erforderlichen Kosten-Nutzen-Verhältnisses für eine Großserienfertigung überwindet.Despite this, only a few commercial applications of MMC have been developed to date, since insufficient robustness of the established MMC production processes, despite complex process control, leads to fluctuating material qualities and additional post-processing costs for the MMC products and thus to high MMC material costs. Therefore, despite their great application potential, MMC materials can only be found in niche applications or high-end technologies. At the moment it is not foreseeable that one of the global suppliers of MMC materials will overcome the hurdle of the necessary cost-benefit ratio for large-scale production.
MMC-Werkstoffe werden derzeit durch Rührgießen, Sintern, Schmelzinfiltration oder Sprühkompaktieren hergestellt.MMC materials are currently manufactured by stir casting, sintering, melt infiltration or spray compacting.
Nur das Rührgießen wurde bisher zur Industriereife entwickelt, und damit hergestellte AMC-Masseln sind die auf dem Markt am häufigsten eingesetzten AMC-Vorprodukte. AMC-Masseln werden in Gießereien wieder aufgeschmolzen und zu Produkten vergossen.Only stir casting has so far been developed to industrial maturity, and AMC ingots produced with it are the most commonly used AMC precursors on the market. AMC ingots are remelted in foundries and cast into products.
In der gattungsbildenden Druckschrift
Das so hergestellte gemischte Kompositmaterial wird unten an dem ersten Mischkessel entnommen und über eine Leitung unten in einen zweiten zylinderförmigen Mischkessel geleitet, wo der Fluss des Kompositmaterials im Gegensatz zum ersten Mischkessel aufwärts verläuft und in dem wiederum eine Durchmischung mit einem Rührflügel erfolgt. Von dem zweiten Mischkessel wird dann das darin gemischte Kompositmaterial einem Halteofen zugeführt.The mixed composite material thus produced is removed from the bottom of the first mixing vessel and fed via a line below into a second cylindrical mixing vessel, where the flow of the composite material is upwards in contrast to the first mixing vessel and in which mixing again takes place with a stirring blade. The composite material mixed therein is then fed from the second mixing vessel to a holding furnace.
Als Alternative zu den senkrecht ausgerichteten Mischkesseln schlägt die Druckschrift
In der Druckschrift
Auch in der Druckschrift
Anstelle von Rührern ist auch der Einsatz von Ultraschalleinrichtungen zur Durchmischung einer fließenden Schmelze mit darin eingebrachten Festkörperpartikeln vorgeschlagen worden. Jedoch sind solche Verfahren nur auf geringe Volumina begrenzt.Instead of stirrers, the use of ultrasonic devices for mixing a flowing melt with solid particles introduced therein has also been proposed. However, such methods are only limited to small volumes.
Aus der Druckschrift
Der einzige großkommerziell verfügbare, mit einem Rührgießverfahren hergestellte AMC-Werkstoff basiert auf einer AlSi9-10Mg0,5-Matrix mit SiC-Verstärkung von 10 bzw. 20 Vol.-% bei fixer SiC-Partikelgröße von etwa 13 µm.The only commercially available AMC material produced using a stir casting process is based on an AlSi9-10Mg0.5 matrix with SiC reinforcement of 10 or 20% by volume with a fixed SiC particle size of around 13 µm.
Mit den bekannten Rührgießverfahren können bisher die für spezifische Anwendungen nötigen AMC-Werkstoffe nicht großtechnisch hergestellt werden. Aktuell ermöglichen diese Verfahren lediglich die Herstellung von 150 bis 160 Liter AMC-Schmelze in einer Charge. Dabei dauert allein der Rührprozess ein bis zwei Stunden pro Charge. Zudem ist der in der Druckschrift
Die bekannten Rührgießverfahren weisen zudem eine zu geringe Prozessflexibilität in Bezug auf Matrix- und Verstärkungswerkstoffe und deren Gehalte auf, benötigen zu lange Prozesszeiten zur Sicherstellungeiner homogenen Partikelverteilung und sind im Hinblick auf den maximal erreichbaren Verstärkungsanteil eingeschränkt.The known stir casting methods also have insufficient process flexibility with regard to matrix and reinforcement materials and their contents, require too long process times to ensure homogeneous particle distribution and are limited in terms of the maximum achievable proportion of reinforcement.
Insbesondere aufgrund der geringen Reproduzierbarkeit von rührgegossenen MMC-Halbzeugen werden zur Erhöhung der Werkstoffqualität und Prozessrobustheit auch alternative MMC-Produktionsvarianten, wie Sintern, Sprühkompaktieren oder Schmelzinfiltration eingesetzt, die jedoch mit einer deutlichen Kostenerhöhung für die hergestellten MMC-Werkstoffe einhergehen.In particular due to the low reproducibility of stir-cast MMC semi-finished products, alternative MMC production variants such as sintering, spray compacting or melt infiltration are used to increase the material quality and process robustness, but these are associated with a significant increase in costs for the MMC materials produced.
Beim Sintern bzw. der Pulvermetallurgie zur Herstellung von AMC wird ein Pulvergemisch aus Keramik-Partikeln und Aluminium-Pulvern verarbeitet. Dadurch lassen sich Hartstoffanteile von bis zu 50 % einstellen.During sintering or powder metallurgy to produce AMC, a powder mixture of ceramic particles and aluminum powder is processed. This allows hard material proportions of up to 50% to be set.
Das beim Sintern bzw. in der Pulvermetallurgie entstehende Produkt ist ein hochwertiges massives AMC-Halbzeug, allerdings ohne mögliche Hinterschnitte oder filigrane Konturen, wodurch in der Regel extensive mechanische Nachbearbeitungen nötig sind. Die im Vergleich zu den schmelzmetallurgisch hergestellten AMC überlegenen Eigenschaften der pulvermetallurgisch hegestellten AMC sind jedoch mit höheren Vormaterialkosten sowie einem größeren Aufwand bei der Vorbehandlung und im Herstellungsprozess verbunden. Aus diesen Gründen finden pulvermetallurgisch hergestellte AMC-Halbzeuge vor allem in anspruchsvollen High-Tech-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Rüstungsindustrie Anwendung. Eine pulvermetallurgische Großserienumsetzung von AMC-Halbzeugen mit entsprechend niedrig gehaltenen Werkstoffkosten ist bis heute nicht realisierbar.The product resulting from sintering or powder metallurgy is a high-quality, solid AMC semi-finished product, but without any possible undercuts or filigree contours, which usually requires extensive mechanical post-processing. However, the properties of AMC produced by powder metallurgy, which are superior to those produced by melting metallurgy, are associated with higher input material costs and greater effort in pretreatment and in the production process. For these reasons, powder-metallurgically manufactured AMC semi-finished products are primarily used in demanding high-tech applications in the aerospace and defense industries. A powder-metallurgical large-scale implementation of AMC semi-finished products with correspondingly low material costs is not feasible to this day.
Beim Sprühkompaktieren werden Keramikpartikel mittels eines Gasstrahls in einen Aluminium-Schmelzpartikelstrahl eingebunden. Derzeit können mit diesem Verfahren bis zu 2 m hohe bolzenförmige Halbzeuge mit maximal 300 mm Außendurchmesser erzeugt werden.In spray compacting, ceramic particles are integrated into an aluminum melt particle jet using a gas jet. This process can currently be used to produce bolt-shaped semi-finished products up to 2 m high with a maximum outer diameter of 300 mm.
Mit dem Sprühkompaktieren ist höchstens ein Verstärkungsanteil an Partikeln in einem MMC-Werkstoff von etwa 20 Vol.-% erzielbar. Zudem schränkt neben hohen Herstellungskosten die begrenzte Herstellbarkeit komplizierter Geometrien eine Großseriennutzung dieser Technologie stark ein.With spray compacting, a maximum reinforcement proportion of particles in an MMC material of about 20% by volume can be achieved. In addition to the high production costs, the limited manufacturability of complicated geometries severely limits the large-scale use of this technology.
Bei der Schmelzinfiltration wird die keramische Verstärkungsphase als poröser Schaumkörper vorbereitet und anschließend durch eine Aluminiumschmelze infiltriert. Neben Partikeln können auch Fasern und Schaumkörper mit hohen Verstärkungsanteilen zu endkonturnahen Bauteilen verarbeitet werden.With melt infiltration, the ceramic reinforcement phase is prepared as a porous foam body and then infiltrated with aluminum melt. In addition to particles, fibers and foam bodies with a high proportion of reinforcement can also be processed into near-net-shape components.
Die Schmelzinfiltration eignet sich aufgrund hoher Prozess- und Halbzeugkosten nur für anspruchsvolle Bauteile mit hoher Wertschöpfung. Eine Großserienumsetzung ist derzeit nicht realisierbar.Due to the high process and semi-finished product costs, melt infiltration is only suitable for demanding components with high added value. A large-scale implementation is currently not feasible.
Ferner ist aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren zum Gießen von Metallschmelzen bekannt, bei welchen keine Partikel in die Metallschmelze eingebracht werden. So kommt z. B. in der Druckschrift
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren der eingangs angegebenen Gattung zur Verfügung zu stellen, mit welchen große Mengen an MMC-Werkstoffen mit hohem Partikelfüllgrad und homogener Partikelverteilung zu vergleichsweise niedrigen Kosten hergestellt werden können.It is therefore the object of the present invention to provide a casting device and a casting method of the type specified at the outset, with which large quantities of MMC materials with a high degree of particle filling and homogeneous particle distribution can be produced at comparatively low costs.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß zum einen durch eine Gießvorrichtung zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffen, die eine Metallschmelzeinrichtung zum Erzeugen einer Metallschmelze, eine Partikelzuführeinrichtung zum Zuführen von Festkörperpartikeln zur Metallschmelze und eine wenigstens einen mechanischen und/oder elektromagnetischen Rührer aufweisende Mischzone zum Verteilen der Festkörperpartikel in der Metallschmelze aufweist, gelöst, wobei die Mischzone wenigstens eine in eine Gieß- und Fließrichtung der Gießvorrichtung geneigte Gießrinne mit wenigstens einem eine Senke in der Gießrinne ausbildenden Mischbecken aufweist, wobei in und/oder an dem wenigstens einen Mischbecken jeweils der wenigstens eine Rührer angeordnet ist. The object is achieved according to the invention on the one hand by a casting device for the production of metal matrix composite materials, which has a metal melting device for producing a metal melt, a particle feed device for feeding solid particles to the metal melt and a mixing zone having at least one mechanical and/or electromagnetic stirrer for distribution the solid particles in the molten metal, wherein the mixing zone has at least one pouring channel inclined in a pouring and flow direction of the casting device with at least one mixing basin forming a depression in the pouring channel, wherein in and/or on the at least one mixing basin in each case the at least one Stirrer is arranged.
Die wenigstens eine Gießrinne bildet eine Zwangsführung für die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion. Die Gießrinne hat beispielsweise einen C-, U- oder V-förmigen Querschnitt.The at least one launder forms a restricted guide for the molten metal/solid particle dispersion. The trough has, for example, a C-, U- or V-shaped cross-section.
Durch die Neigung der wenigstens einen Gießrinne, durch die das geschmolzene und mit den Festkörperpartikeln injizierte Material, also die Verbundschmelze, die Gießrinne entlang fließen kann, ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung ein kontinuierlicher Materialfluss. Durch die Neigung der Gießrinne, in der das wenigstens eine Mischbecken ausgebildet ist, ist dessen Auslauf niedriger als sein Einlauf, wodurch ein kontinuierlicher Ausfluss der Verbundschmelze aus dem jeweiligen Mischbecken in der Neigungsrichtung gegeben ist. Es kann daher mit der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung kontinuierlich ein MMC-Werkstoff produziert werden, ohne dass aufwändige und energieintensive Pumptechnologien in die Prozesslinie integriert werden müssen. Somit kann der jeweilige MMC-Werkstoff sehr effizient produziert werden.Due to the inclination of the at least one casting channel, through which the molten material injected with the solid particles, ie the composite melt, can flow along the casting channel, a continuous flow of material results in the casting device according to the invention. Due to the inclination of the launder, in which the at least one mixing basin is formed, its outlet is lower than its inlet, as a result of which there is a continuous outflow of the composite melt from the respective mixing basin in the direction of inclination. An MMC material can therefore be produced continuously with the casting device according to the invention, without complex and energy-intensive pump technologies having to be integrated into the process line. The respective MMC material can thus be produced very efficiently.
Die erfindungsgemäße Gießvorrichtung ermöglicht ein Rührgießen, bei dem sich die Metallschmelze mit den darin eingebrachten Festkörperpartikeln in einem kontinuierlichen, aber langsamen Fluss befindet, bei dem eine zuverlässige Benetzung und homogene Verteilung der Festkörperpartikel in der Metallschmelze auch bei großen Partikelmengen erfolgen kann. Entsprechend lassen sich mit der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung hochwertige MMC-Werkstoffe mit hohem Partikelfüllgrad, beispielsweise mit einem Partikelfüllgrad von wenigstens 20 Vol.-%, kontinuierlich herstellen.The casting device according to the invention enables stirred casting, in which the molten metal with the solid particles introduced therein is in a continuous but slow flow, in which reliable wetting and homogeneous distribution of the solid particles in the molten metal can take place even with large amounts of particles. Correspondingly, with the casting device according to the invention, high-quality MMC materials with a high particle filling level, for example with a particle filling level of at least 20% by volume, can be produced continuously.
Das wenigstens eine Mischbecken befindet sich bei der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung in einem durch die Gießrinne ausgebildeten Fließweg für die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion. Das heißt, die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion wird in das wenigstens eine Mischbecken zwangsgeführt. Dabei ist das wenigstens eine Mischbecken jeweils durch eine Senke in der Gießrinne ausgebildet. In dem wenigstens einen Mischbecken befindet sich die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion länger als auf einem entsprechend langen, geraden Abschnitt der Gießrinne.In the case of the casting device according to the invention, the at least one mixing basin is located in a flow path for the molten metal-solid-particle dispersion formed by the casting channel. This means that the molten metal/solid particle dispersion is forced into the at least one mixing tank. The at least one mixing basin is formed by a depression in the casting channel. In the at least one mixing tank, the molten metal-solid particle dispersion is longer than on a correspondingly long, straight section of the casting channel.
In dem in dem wenigstens einen Mischbecken jeweils eine höhere Verweilzeit der Metallschmelze als in der Gießrinne gegeben ist, findet darin eine noch bessere Benetzung der Festkörperpartikel mit dem Material der Metallschmelze als in der Gießrinne statt. Die Benetzung wird in dem wenigstens einen Mischbecken noch dadurch verstärkt, dass auf die darin im Fluss befindliche Metallschmelze mit den darin eingebrachten Festkörperpartikeln durch den wenigstens einen Rührer Kräfte ausgeübt und/oder aufgebracht werden. Gerade die Wechselwirkung zwischen nicht stehender Metallschmelze und Rührwirkung des wenigstens einen Rührers führt zu besonders guter Benetzung der Festkörperpartikel in vergleichsweise sehr kurzer Prozesszeit.Since the molten metal remains in the at least one mixing basin longer than in the launder, the solid particles are even better wetted with the material of the molten metal than in the launder. The wetting is intensified in the at least one mixing tank in that forces are exerted and/or applied by the at least one stirrer to the molten metal in the flow therein with the solid particles introduced therein. It is precisely the interaction between the metal melt that is not standing still and the stirring effect of the at least one stirrer that leads to particularly good wetting of the solid particles in a comparatively very short process time.
Ist der wenigstens eine Rührer ein mechanischer Rührer, werden durch diesen Scherkräfte auf die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion ausgeübt, durch welche die Benetzung der Festkörperpartikel mit dem geschmolzenen Metall vorangetrieben wird.If the at least one stirrer is a mechanical stirrer, shearing forces are exerted on the molten metal/solid particle dispersion as a result of this shearing force, which promotes the wetting of the solid particles with the molten metal.
Ist der wenigstens eine Rührer ein elektromagnetischer Rührer mit einer oder mehreren Spulen, entsteht durch das wenigstens eine erzeugte Magnetfeld in Abhängigkeit von der jeweiligen Anordnung eine Verwirbelung in der Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion, die die Benetzung beschleunigt. Mit dem wenigstens einen elektromagnetischen Rührer erfolgt eine kontaktlose Durchmischung der partikelversetzten Metallschmelze und eine Förderung der Benetzung.If the at least one stirrer is an electromagnetic stirrer with one or more coils, the at least one generated magnetic field causes turbulence in the molten metal-solid-particle dispersion, depending on the respective arrangement accelerated wetting. With the at least one electromagnetic stirrer, the metal melt mixed with particles is mixed without contact and the wetting is promoted.
Mit dem wenigstens einen Rührer können bei mechanischem Wirkprinzip im Vergleich zu Ultraschallbehandlungen deutlich größere Scherzonen in der Metallschmelze ausgebildet werden, was die Benetzung der Festkörperpartikel besonders forciert.With the at least one stirrer, significantly larger shearing zones can be formed in the molten metal with a mechanical operating principle compared to ultrasonic treatments, which particularly promotes the wetting of the solid particles.
Durch den wenigstens einen Rührer können zudem unabhängig vom verwendeten Rührwirkprinzip vorteilhaft Gaseinschlüsse aus der Metallschmelze entfernt werden.The at least one stirrer can also advantageously be used to remove gas inclusions from the molten metal, independently of the active stirring principle used.
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich der Ausgestaltung des jeweiligen Rührers nicht eingeschränkt. Wird wenigstens ein mechanischer Rührer eingesetzt, empfiehlt sich die Verwendung eines Rührers mit Flügelblättern, beispielsweise mit zwei, drei oder mehr als drei Flügelblättern. Die Winkelausrichtung der Flügelblätter ist variabel.The present invention is not restricted with regard to the configuration of the respective stirrer. If at least one mechanical stirrer is used, it is advisable to use a stirrer with blades, for example with two, three or more than three blades. The angular orientation of the blades is variable.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Rührer höhenverstellbar ausgeführt, sodass er/sie beispielsweise am Prozessende aus Schmelzeresten in dem jeweiligen Mischbecken entfernt werden kann/können.The at least one stirrer is preferably designed to be adjustable in height, so that it/they can be removed from melt residues in the respective mixing basin at the end of the process, for example.
Der wenigstens eine mechanische Rührer ist typischerweise elektrisch betrieben.The at least one mechanical stirrer is typically electrically operated.
In oder an dem jeweiligen Mischbecken kann jeweils auch mehr als ein Rührer angeordnet sein. Beispielsweise kann in dem jeweiligen Mischbecken ein mechanischer Rührer und außen an dem Mischbecken ein elektromagnetischer Rührer angeordnet sein. Auch ist es möglich, dass das jeweilige Mischbecken so lang gestaltet ist, dass in oder an ihm mehrere nacheinander angeordnete Rührer vorgesehen sind.More than one stirrer can also be arranged in or on the respective mixing tank. For example, a mechanical stirrer can be arranged in the respective mixing tank and an electromagnetic stirrer can be arranged on the outside of the mixing tank. It is also possible for the respective mixing tank to be designed so long that several stirrers arranged one after the other are provided in or on it.
Die Neigung der Gießrinne und des wenigstens einen Mischbeckens ist grundsätzlich variabel und richtet sich beispielsweise nach einem Startwert der Viskosität der Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion.The inclination of the casting channel and the at least one mixing basin is basically variable and is based, for example, on a starting value for the viscosity of the molten metal-solid-particle dispersion.
Mit der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung können unterschiedlichste flüssige Metalle/Metalllegierungen und Festkörperpartikel, sowohl hinsichtlich des jeweiligen Materials als auch hinsichtlich der jeweiligen Partikelgröße, zu MMC-Werkstoffen verarbeitet werden. Hierzu können die wenigstens eine Gießrinne als auch das wenigstens eine Mischbecken entsprechend dimensioniert werden.With the casting device according to the invention, a wide variety of liquid metals/metal alloys and solid particles can be processed into MMC materials, both with regard to the respective material and with regard to the respective particle size. For this purpose, the at least one casting channel and the at least one mixing basin can be dimensioned accordingly.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung ist in dem wenigstens einen Mischbecken wenigstens ein vertikal in seinem Abstand zu einem Boden des jeweiligen Mischbeckens verstellbarer Schieber angeordnet.In a preferred embodiment of the pouring device according to the invention, at least one slide whose distance from a bottom of the respective mixing basin can be adjusted vertically is arranged in the at least one mixing basin.
Der Abstand einer Unterkante des jeweiligen Schiebers zum Boden des jeweiligen Mischbeckens, durch welchen eine Durchgangshöhe bzw. ein Durchgangsquerschnitt für die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion bestimmt wird, kann durch die vertikale Bewegbarkeit des Schiebers einfach verändert und somit gesteuert werden.The distance between a lower edge of the respective slide and the bottom of the respective mixing tank, through which a passage height or a passage cross section for the molten metal-solid particle dispersion is determined, can be easily changed and thus controlled by the vertical mobility of the slide.
Um eine vorzeitige (Teil-)Erstarrung der Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion durch deren Abkühlung zu verhindern und dadurch die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion dauerhaft im Fluss zu halten, ist es von Vorteil, wenn an der Gießrinne und/oder an dem wenigstens einen Mischbecken wenigstens eine Heizung angeordnet ist.In order to prevent premature (partial) solidification of the molten metal-solid-particle dispersion as a result of its cooling and thereby to keep the molten metal-solid-particle dispersion permanently in flow, it is advantageous if at the casting channel and/or at the at least one mixing basin at least one heater is arranged.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung ist auf die wenigstens eine Gießrinne und/oder auf das wenigstens eine Mischbecken wenigstens ein Deckel aufgebracht. Durch den wenigstens einen Deckel kann ein Spritzen der Metallschmelze aus der wenigstens einen Gießrinne und/oder aus dem wenigstens einen Mischbecken verhindert werden. Wird kein Deckel verwendet, sollten andere Vorkehrungen zum Schutz für Nutzer der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung vor austretender heißer Schmelze getroffen werden.In an advantageous embodiment of the pouring device according to the invention, at least one cover is placed on the at least one pouring channel and/or on the at least one mixing basin. The at least one cover can prevent the molten metal from splashing out of the at least one launder and/or out of the at least one mixing basin. If no lid is used, other precautions should be taken to protect users of the casting device according to the invention from escaping hot melt.
Bei manchen Anwendungen der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung, wie z. B. dann, wenn ein Gießformwechsel vorgesehen ist, kann es sinnvoll sein, dass die Gießvorrichtung einen Pufferbehälter aufweist, in den die wenigstens eine Gießrinne mündet. Zur Kompensation von Absinkbewegungen der Festkörperpartikel in der Metallschmelze, also einer Sedimentation, ist es dann von Vorteil, wenn in oder an dem in und/oder an dem Pufferbehälter ein Rührer oder eine Ultraschallsonotrode angeordnet ist.In some applications of the casting device according to the invention, such as. B. when a mold change is provided, it may be useful that the casting device has a buffer tank, into which the at least one casting channel opens. In order to compensate for sinking movements of the solid particles in the molten metal, ie sedimentation, it is advantageous if a stirrer or an ultrasonic sonotrode is arranged in or on the buffer container.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Gießverfahren zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffen, bei dem eine Metallschmelze erzeugt wird, der Metallschmelze Festkörperpartikel zugeführt werden und in einem Mischschritt die Festkörperpartikel in der Metallschmelze durch wenigstens einen mechanischen und/oder elektromagnetischen Rührer verteilt werden, während die Metallschmelze mit den Festkörperpartikeln in einem kontinuierlichen Fluss gehalten wird, gelöst, bei dem die Metallschmelze mit den Festkörperpartikeln während des Mischschrittes in wenigstens einer in eine Gieß- und Fließrichtung geneigten Gießrinne fließt und in wenigstens einem eine Senke in der Gießrinne ausbildenden Mischbecken durch den wenigstens einen Rührer durchmischt wird.The object is also achieved by a casting process for the production of metal matrix composite materials, in which a molten metal is produced, solid particles are fed to the molten metal and, in a mixing step, the solid particles are distributed in the molten metal by at least one mechanical and/or electromagnetic stirrer , while the molten metal with the solid particles is kept in a continuous flow, in which the molten metal with the solid particles during the mixing step flows in at least one runner inclined in a pouring and flowing direction and in at least one sink in the runner forming mixing tank is mixed by the at least one stirrer.
Bei dem erfindungsgemäßen Gießverfahren findet eine kontinuierliche Metallschmelzeerzeugung und Festkörperpartikelzuführung statt. Das erfindungsgemäße Gießverfahren ermöglicht daher gegenüber den im Stand der Technik bekannten Batch-Prozessen ein kontinuierliches Gießen von MMC-Werkstoffen mit deutlich gesteigerten Füllgraden an Festkörperpartikeln. Durch die Kontinuität im Prozess lassen sich MMC-Schmelzen oder mit Feststoffen versehene Metallschmelzen effizient herstellen.In the casting method according to the invention, a continuous production of molten metal and supply of solid particles takes place. The casting method according to the invention therefore enables continuous casting of MMC materials with significantly increased filling levels of solid particles compared to the batch processes known in the prior art. Due to the continuity in the process, MMC melts or metal melts containing solids can be efficiently produced.
So weist das erfindungsgemäße Gießverfahren beispielsweise keine Leerzeiten durch Befüllungs- oder Entleerungsvorgänge auf.For example, the casting method according to the invention has no idle times due to filling or emptying processes.
Indem bei dem erfindungsgemäßen Gießverfahren die kontinuierlich fließende Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion mechanisch oder elektromagnetisch in wenigstens einem Mischbecken mit jeweils gegenüber der Gießrinne erhöhter Dispersionsverweilzeit durchmischt wird, kann ein hoher Festkörperpartikelgehalt homogen in die Metallschmelze eingebunden werden.By mechanically or electromagnetically mixing the continuously flowing molten metal/solid particle dispersion in at least one mixing tank with a longer dispersion residence time than the launder in the casting process according to the invention, a high solid particle content can be incorporated homogeneously into the molten metal.
Das wenigstens eine Mischbecken, in das die fließende Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion bei dem erfindungsgemäßen Gießverfahren gezielt geführt wird, bildet jeweils eine intensive Mischzone für den wenigstens einen Rührer. Dadurch ergibt sich eine mögliche Maximierung des Mischungseffektes, womit eine deutliche Reduzierung der Prozesszeit einhergeht.The at least one mixing tank, into which the flowing molten metal-solid particle dispersion is guided in a targeted manner in the casting method according to the invention, forms an intensive mixing zone for the at least one stirrer. This results in a possible maximization of the mixing effect, which is accompanied by a significant reduction in process time.
Bei dem erfindungsgemäßen Gießverfahren erfolgt die Metallschmelzeerzeugung unter Normalatmosphäre oder im Vakuum. Die Metallschmelze wird bedarfsgerecht über ein Leitungssystem mit einem definierten Druckunterschied in eine Prozesskammer gefördert. Das Leitungssystem ist vorzugsweise beheizbar bzw. beheizt.In the casting process according to the invention, the molten metal is produced under normal atmosphere or in a vacuum. The molten metal is conveyed into a process chamber as required via a line system with a defined pressure difference. The line system is preferably heatable or heated.
Die Festkörperpartikel können sich in einem Speicher oder Silo befinden, welcher an die Prozesskammer gekoppelt ist und in dem vorzugsweise gleiche Druckbedingungen wie in der Prozesskammer herrschen.The solid particles can be located in a reservoir or silo which is coupled to the process chamber and in which the same pressure conditions as in the process chamber preferably prevail.
Die Festkörperpartikel können beispielsweise mittels wenigstens einer Schnecke oder eines Rüttlers in das Leitungssystem oder direkt in die Gießrinne gefördert werden. Die Förderstrecke, entlang der die Festkörperpartikel dem Leitungssystem oder der Gießrinne zugeführt werden, ist vorzugsweise beheizbar bzw. beheizt.The solid particles can be conveyed into the line system or directly into the casting channel, for example by means of at least one screw or a vibrator. The conveying section along which the solid particles are fed to the line system or the casting channel is preferably heatable or heated.
Nach Zuführung der Festkörperpartikel zur Metallschmelze fließt die mit den Festkörperpartikeln injizierte Metallschmelze in der wenigstens einen geneigten Gießrinne bedingt durch die Schwerkraft nach unten.After the solid particles have been fed to the molten metal, the molten metal injected with the solid particles flows downwards in the at least one inclined casting channel due to gravity.
Bei dem erfindungsgemäßen Gießverfahren wird für eine homogene Verteilung und Benetzung der Festkörperpartikel in der Metallschmelze und eine gleichzeitige Entgasung der Metallschmelze die Metallschmelze mit den darin eingebrachten Festkörperpartikeln gerührt. Dabei kann die fließende Metallschmelze mit den darin eingebrachten Festkörperpartikeln sowohl mechanisch als auch elektromagnetisch gerührt werden.In the casting method according to the invention, the molten metal with the solid particles introduced therein is stirred for homogeneous distribution and wetting of the solid particles in the molten metal and simultaneous degassing of the molten metal. The flowing molten metal with the solid particles introduced therein can be stirred both mechanically and electromagnetically.
Vorzugsweise ist die Geometrie der wenigstens einen Gießrinne und des wenigstens einen Mischbeckens so gestaltet, dass die Verweilzeit der durchlaufenden, die Festkörperpartikel enthaltenden Metallschmelze in dem wenigstens einen Mischbecken maximiert wird. Dennoch bleibt die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion jederzeit in einem kontinuierlichen Fluss. Ein „kontinuierlicher Fluss“ bedeutet bei der vorliegenden Erfindung, dass die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion während des Mischschrittes zu keinem Zeitpunkt stehen bleibt, die jeweilige Geschwindigkeit, mit der die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion während des Mischschrittes fließt, ist jedoch in dem/den Mischbecken geringer als sonst in der wenigstens einen Gießrinne.The geometry of the at least one launder and of the at least one mixing basin is preferably designed in such a way that the dwell time of the molten metal that is passing through and contains the solid particles is maximized in the at least one mixing basin. Nevertheless, the molten metal-solid particle dispersion remains in a continuous flow at all times. A "continuous flow" in the present invention means that the molten metal-solid particle dispersion does not stop at any time during the mixing step, but the respective speed at which the molten metal-solid particle dispersion flows during the mixing step is in the / the Mixing basin less than usual in the at least one launder.
Dadurch wird bei dem erfindungsgemäßen Gießverfahren kontinuierlich eine Benetzung der Festkörperpartikel durch das Material der Metallschmelze, eine Entgasung der Metallschmelze und eine Homogenisierung der Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion gewährleistet.In the casting method according to the invention, this ensures continuous wetting of the solid particles by the material of the molten metal, degassing of the molten metal and homogenization of the molten metal/solid particle dispersion.
In dem erfindungsgemäßen Gießverfahren kann eine Dosierung der Festkörperpartikel, die Injektion bzw. Zuführung der Festkörperartikel zur Metallschmelze als auch der Mischschritt, in dem eine Benetzung der Festkörperpartikel mit der Metallschmelze stattfindet, sowohl im Vakuum als auch unter Schutzgasatmosphäre erfolgen.In the casting method according to the invention, metering of the solid particles, injection or feeding of the solid articles to the molten metal and the mixing step, in which the solid particles are wetted with the molten metal, can take place both in a vacuum and in an inert gas atmosphere.
Die in dem Mischschritt erzeugte Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion kann beispielsweise in einen Pufferbehälter geleitet werden, in dem kein kontinuierlicher Schmelzestrom mehr stattfindet.The metal melt/solid particle dispersion produced in the mixing step can, for example, be fed into a buffer container in which there is no longer a continuous flow of melt.
Ferner ist es möglich, die in dem Mischschritt erzeugte Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion abschließend in wenigstens eine, vorzugsweise beheizte, Dauerkokille abzugießen, in welcher anschließend eine Erstarrung der Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion zu einem festen MMC-Werkstoff oder einem für eine Weiterverarbeitung geeigneten MMC-Halbzeug oder einem endkonturnahen Produkt aus MMC-Werkstoff stattfindet.It is also possible to finally pour the molten metal-solid-particle dispersion produced in the mixing step into at least one, preferably heated permanent mold, in which the molten metal-solid-particle dispersion then solidifies to form a solid MMC material or an MMC semi-finished product suitable for further processing or a near-net-shape product made of MMC material.
Alternativ kann die erzeugte, homogenisierte Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion im schmelzflüssigen Zustand in eine Druckgießmaschine eingeleitet werden, in der endkonturnahe Komponenten aus MMC-Werkstoff gefertigt werden können.Alternatively, the generated, homogenized molten metal-solid-particle dispersion can be fed into a die-casting machine in the molten state, in which near-net-shape components can be manufactured from MMC material.
Darüber hinaus ist es möglich, die in dem Mischschritt erzeugte Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion in ein geeignetes, aktiv oder passiv beheiztes Transportsystem abzufüllen.In addition, it is possible to fill the molten metal/solid particle dispersion produced in the mixing step into a suitable, actively or passively heated transport system.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießverfahrens wird die mit den Festkörperpartikeln versehene Metallschmelze in dem Mischschritt kontinuierlich fließend von mehreren in der Gieß- und Fließrichtung hintereinander angeordneten Rührern durchmischt. So kann nach und nach der Benetzungsgrad und die Homogenität der Festkörperpartikeleinbindung in die Metallschmelze erhöht werden. Die jeweiligen Rührer können mit gleicher oder mit unterschiedlicher Drehzahl die Verbundschmelze mischen.In a preferred embodiment of the casting method according to the invention, the molten metal provided with the solid particles is continuously mixed in a flowing manner in the mixing step by a plurality of stirrers arranged one behind the other in the direction of casting and flow. In this way, the degree of wetting and the homogeneity of the solid particle incorporation into the molten metal can be gradually increased. The respective stirrers can mix the composite melt at the same speed or at different speeds.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießverfahrens wird durch eine Höhenverstellung wenigstens eines in dem wenigstens einen Mischbecken angeordneten Schiebers ein Materialvolumen in dem jeweiligen Mischbecken gesteuert.In an advantageous embodiment of the casting method according to the invention, a material volume in the respective mixing basin is controlled by adjusting the height of at least one slider arranged in the at least one mixing basin.
Um möglichst wenig thermische Energie während des Mischschrittes zu verlieren, werden vorzugsweise bei dem erfindungsgemäßen Gießverfahren schmelzeberührende Komponenten der verwendeten Gießvorrichtung, wie die Gießrinne und/oder das wenigstens eine Mischbecken, beheizt und/oder zumindest teilweise aus wärmeisolierendem Material hergestellt. Hierdurch gibt es keine Erstarrungsvorgänge während der Prozessführung, stattdessen bleibt die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion schmelzflüssig bis zum Prozessende.In order to lose as little thermal energy as possible during the mixing step, components of the casting device used that come into contact with the melt, such as the casting channel and/or the at least one mixing basin, are preferably heated and/or at least partially made of heat-insulating material in the casting method according to the invention. As a result, there are no solidification processes during the process, instead the molten metal/solid particle dispersion remains molten until the end of the process.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung wird im Folgenden anhand von
Dabei zeigt
An den Abschnitt der Gießvorrichtung, der die Partikelzuführeinrichtung aufweist, schließt sich eine Mischzone 1 der Gießvorrichtung an. Eine mögliche Ausführungsform dieser Mischzone 1 ist in
Die Mischzone 1 weist eine Gießrinne 2 auf. Die Gießrinne 2 ist in einer Gieß- und Fließrichtung A der Gießvorrichtung in einem Neigungswinkel α zu einer horizontalen Aufstellfläche 7 der Gießvorrichtung geneigt. Entsprechend fließt eine in die Gießrinne 2 geleitete Metallschmelze mit darin eingebrachten Festkörperpartikeln aufgrund der Schwerkraft die Gießrinne 2 hinab.The mixing
In die Gießrinne 2 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere Mischbecken 3 in Form von Senken eingebracht. Die Böden 31 der Mischbecken 3 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls in dem Neigungswinkel α zu der horizontalen Aufstellfläche 7 der Gießvorrichtung geneigt. Die Neigung der Böden 31 der Mischbecken 3 begünstigt das Fließen der Verbundschmelze innerhalb und aus dem jeweiligen Mischbecken 3. Alternativ können die Böden 31 auch horizontal, d. h. parallel zur Aufstellfläche 7 der Gießvorrichtung, ausgerichtet sein.In the exemplary embodiment shown, a plurality of mixing
In jedem der Mischbecken 3 befindet sich ein Rührer 4. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Rührer 4 vorzugsweise höhenverstellbare mechanische Rührer, können in anderen Ausführungsformen der Erfindung aber auch elektromagnetische Rührer sein.A
Die mechanischen Rührer 4 weisen jeweils Rührblätter 41 auf, die bei gefülltem Mischbecken 3 in mechanischem Kontakt mit der darin befindlichen Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion sind. Durch das Drehen der Rührer 4 werden mittels der Rührblätter 41 Scherkräfte in die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion eingetragen, die zu einer homogenen Verteilung der Festkörperpartikel in der Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion und zu einer guten Benetzung und damit zu einer guten Anbindung der Festkörperpartikel an das Material der Metallschmelze führen.The
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeder der Rührer 4, wie es durch den Doppelpfeil schematisch gezeigt ist, höhenverstellbar.In the exemplary embodiment shown, each of the
Während des stattfindenden Mischschrittes befindet sich die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion stets in fließender Bewegung. Beispielsweise kann die Fließgeschwindigkeit der Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion in der Gießrinne 2 10 l/min betragen.During the mixing step that takes place, the molten metal-solid-particle- Dispersion always in fluent movement. For example, the flow rate of the molten metal/solid particle dispersion in the
Übersteigt die Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion in dem jeweiligen Mischbecken 3 dessen Überlauf 32, fließt sie weiter entlang der Gießrinne 2.If the molten metal-solid particle dispersion in the
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist an der Gießrinne 2 eine Heizung 6 angeordnet.In the embodiment shown, a
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich ferner in jedem der Mischbecken 3 ein Schieber 5. Dabei entspricht die Breite jedes der Schieber 5 einer Innenbreite des jeweiligen Mischbeckens 3. Anstelle eines Schiebers 5 können jedoch auch mehrere Schieber 5 pro Mischbecken 3 vorgesehen sein.In the exemplary embodiment shown, there is also a slider 5 in each of the
Jeder der Schieber 5 ist, wie es durch den Doppelpfeil schematisch gezeigt ist, höhenverstellbar, sodass ein Abstand a zwischen einer unteren Kante des jeweiligen Schiebers 5 zu einem Boden 31 des jeweiligen Mischbeckens 3 und damit ein Durchflussquerschnitt für die in das jeweilige Mischbecken 3 fließende Metallschmelze-Festkörperpartikel-Dispersion veränderbar und damit mittels des Schiebers 5 steuerbar ist.As shown schematically by the double arrow, each of the slides 5 is adjustable in height so that there is a distance a between a lower edge of the respective slide 5 and a bottom 31 of the
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