DE1909579C3

DE1909579C3 - Schnellösliches Zusatzmittel für Aluminiumschmelzen

Info

Publication number: DE1909579C3
Application number: DE1909579A
Authority: DE
Inventors: Charles Mecham Lewiston Brown; Harry James Lewiston Brown; Nicholas James Buffalo Pappas
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Elkem Metals Co LP
Priority date: 1968-02-26
Filing date: 1969-02-26
Publication date: 1974-08-22
Also published as: DE1909579A1; GB1264547A; SU456415A3; US3592637A; BE728694A; PL88899B1; DE1909579B2; NO129408B; SE367437B; CS199224B2; JPS4841405B1; ES364055A1; FR2002638A1

Description

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Die Erfindung betrifft schneilösliche Zusatzmittel für Aluminiumschmelzen.

Bei metallurgischen Verfahren ist es bekannt, die gewünschten Legierungszusammensetzungen durch Zugabe von Feststoffen zu dem geschmolzenen Grundmetall zu erhalten. So wird beispielsweise geschmolzenem Aluminium Mangan in Form von Mangan-Aluminium-Legierungen mit etwa 5 bis 20% Mangan zugesetzt, um erhöhte Festigkeit des gekneteten Aluminiums zu erzielen. Auch Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Eisen, Kobalt, Kupfer, Nickel, Niob und andere Metalle können in vorlegierter Form den .Melallschmelzen zugegeben werden, um Legierungen mit bestimmten Eigenschaften zu erhalten. So wird beiipielsweise Aluminiumschmelzen Chrom zugesetzt, um tine erhöhte Korrosionsbeständigkeit zu erzielen, und Zu Titan werden Molybdän, Eisen, Vanadium und Chrom als Stabilisatoren hinzugefügt.

Aus der französischen Patentschrift 1396 811 ist ferner bekannt, geschmolzenem Stahl zur Entfernung von Desoxidationsprodukten und anderer Arten von Einschlüssen, zur wirksamen Entschwefelung und zur Erhöhung des Mangangehaltes Briketts zuzusetzen, welche Ferromangan, Aluminium, Flußspat und Kalk enthalten können.

Die bisher als Zusatzmittel verwendeten Vorlegierungen sind verhältnismäßig teuer. Ihre Lösungsgeschwindigkeit ist häufig nicht genügend, was bei der Anwendung zu größeren und unef-vünschlen Erniedrigungen der Badtemperatur führt.

Aufgabe der Erfindung sind metallhaltige Zusatzmittel für Aluminiumschmelzen, die wirtschaftlich hergestellt werden können und die von geschmolzenem Aluminium rasch und weitgehend vollständig gelöst werden.

Die erßndungsgemäßen Zusatzmittel bestehen aus einer innigen Mischung aus 10 bis 90% Aluminium und 90 bis 10% zumindest eines der folgenden Metalle Mangan. Chrom, Wolfram. Molybdän. Titan, Vanadium, Eisen. Kobalt. Kupfer. Nickel, Niob. Tantal. Zirkonium, Hafnium, Silber, oder deren Legierungen, die in Form kompakter Stücke mit einer Dichte von 65 bis 95 % der theoretischen Dichte der Mischung vorliegt, deren maximale Dicke 22.2 mm nicht übersteigt.

Ein bevorzugtes Zusatzmittel besteht aus einer Mischung aus 30 bis 70% Aluminium und 70 bis 30% zumindest eines der folgenden Metalle Mangan, Chrom, Wolfram, Molybdän, Titan, Vanadium, Eisen, Kobalt, Kupfer, Nickel, Niob, Tantal, Zirkonium, Hafnium, Silber, oder deren Legierungen.

Weitere bevorzugte Zusatzmiitel bestehen aus einer Mischung aus 10 bis 90% Aluminium und 90 bis 10% Ferromangan bzw. aus einer Mischung aus 10 bis 90",, Aluminium und 90 bis 10% Ferrochrom. Auch diese bevorzugten Ausführungsformen liegen in Form kompakter Stücke mit einer Dichte von 65 bis 95",, der theoretischen Dichte der Mischung vor, deren maximale Dicke 22,2 mm nicht übersteigt.

Die obengenannten Metalle können in dem erfindungsgemäßen Zusatzmittel auch in Form von Legierungen vorliegen, die mindestens 50 Gewichtsprozent eines oder mehrerer dieser Metalle enthalten.

Für die rasche und weitgehend vollständige Auflösung der erfindungsgemäßen Zusatzmittel in einer Aluminiumschmelze sind die Dichte und die äußeren Abmessungen des Zusatzmittels \on besonderer Bedeutung. Erfindungsgemäß liegt das Zusatzmittel in kompakten Stücken, etwa in Form von Preßkörpern oder Kügelchen vor, mit einer so großen Dichte, daß diese durch ihr eigenes Gewicht unter die Oberfläche der Metallschmelze herabsinken. Von Bedeutung ist ferner die Teilchengröße der Ausgangsstoffe; diese sollten einen Durchmesser unter 0,85 mm, vorzugsweise unter 0.2 mm, aufweisen, um eine optimale Lösungsgeschwindigkeit zu erreichen. Diese Ausgangsmaterialien werden zu kompakten Stücken verdichtet. Hierbei sind sehr hohe Dichten zu vermeiden, um die besten Werte für die Lösungsgeschwindigkeit zu erhalten. Erfindungsgemäß weisen die kompakten Stücke 65 bis 95% der maximalen theoretischen Dichte der Mischung auf. Zur optimalen Auflösung dieses Materials in geschmolzenem Aluminium ist es erforderlich, daß die Abmessungen der kompakten Stücke bestimmte Werte nicht überschreiten. Erfindungsgemäß beträgt die maximale Dicke dieser Stücke nicht mehr als 22,2 mm.

Die nachstehenden Beispiele beschreiben einige Ausfübiungsformen der Erfindung.

Beispiel 1

2,27 kg Aluminium wurden bei 85O°C in schmelzflüssigem Zustand gehalten. Dieser Schmelze wurden 34 g (1,5%) elcktrolytische Manganschuppen mit Abmessungen von 50 · 3,2 mm zugesetzt. In verschiedenen Zeitabständen wurden Proben aus der Schmelze entnommen und deren Mangangehalt bestimmt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt.

Tabelle I

Zeitdauer nach dem Zusstt	Gelöstes Mn	*Ungelöste Mn**
Minuten	α	O
0	0.02	1.5
2	0.28	1.24
4	0.50	1.02
8	0.84	0.68
15	1.12	0,40

Zusammensetzung der Kögelchen ist in der folgenden Tabellella aufgeführt; die Dichte der Kögelchen und die ermittelten Versuchsergebntsse sind in der Tabelle Il b aufgeführt.

Tabellella

Werden diese Werte unter Verwendung halblogarithmischer Koordinaten aufgetragen, so ergibt sich eine Steigung von —0,039, die als Lösungsgeschwindigkeit Vi bezeichnet wird. Analog wurden die Auflösungsgeschwindigkehen weiterer Zusatzmitiel bestimmt; in allen Fällen bedeuten höhere negative Werte für K größere Auflösungsgeschwindigkeiten.

Beispiel 2

Analog zu Beispiel 1 wurden 34 g Zusatzmittel in Form von Kügelchen mit einem Durchmesser von 22 mm zugesetzt. Diese Kügelchen bestanden aus gepreßten Mischungen, die unttf einem Druck von 1400 kg/cm² zusammengepreßt worden waren. Die

	Zusammensetzung	_o Mn	Ursprünglicher
Material		„Al	Tetlchen-
			durchmesser
Mangan-	100°
Schuppen ...	100°	, Mn, 2% Si.	< 104 μΓΠ
,₅ Aluminium..		, C, Rest Fe)	147 bis
			43 μηι
Ferro-	(90-,	„ Mn.9ⁿ„Si,
mangan I ...	6.7",	^J.,C, Rest Fe)	5 208 μηι

₂₀ Ferro-	(86°
mangan Il	0.05	< 208 μηι

Weitere Stoffe, einschließlich eines .-Härters" aus Mangan mit 5"„ Mn, Rest AI, wurden nach dem Veifahren des Beispiels 1 geprüft. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II b enthalten.

Tabelle Hb

Probe Nr.	Art und I orm der, Zusatzes	Losungsgesch BadUMiipc 760	windigkeit Λ ralur C 850	Dichte der g/cm³	Kügelchen "„ der theore tischen Dichte
1	20% Mn -(- 80% Al	0.50		2,56	83",,
2	50% Mn f 50°;, Al	-0.55		3,53	88",,
3	90% Mn t 10% Al	-0,20		4,26	68",,
4	50% Ferromangan I + 50% Al		-0.75	3,16	64%
5	Ferromangan 1 und Il + 50% Aluminium	-0.60		3,53
6	5%Mn -f 95",,Al, Kügelchen	-0.032		2.41	86",,
7	Ferromangan 1, 3 10 mm		0.005
8	5% Mn-»Härter«, 38-mm-Stücke	-0.152	-0,18
9	Mn-Schuppen. stückig, 50 · 3 mm	-0.0159	- 0.039
10	Mn-Schuppen. 0 0,1 mm	0.256
11	Legierung aus 60% Mn. 40",, Al. 0 10 mm	-0.122	0.235

Die Proben 1 bis 5 fallen unter den Bereich der Erfindung; bei allen Proben 1 bis 11 lag die Manganausbeute bei 95% oder höher.

Aus der Tabelle Hb ist ersichtlich, daß die erfindungsgcmälien Zusatzmittel (Proben 1 bis 5) sehr rasch aufgelöst werden; d.h., diese Proben zeigen negativere Werte für K. Insbesondere zeigen die erfindungsgcmäßen Zusatzmittel 1, 2, 4 und 5 Auflösungsgeschwindigkeiten, die um ein Mehrfaches höher sind als die Lösungsgeschwindigkeiten der handelsüblichen Zusätze 7 und 8. Die Lösungsgeschwindigkeiten für den Zusatz 2 und den handelsüblichen Härter sind in der Zeichnung graphisch dargestellt. Die Tabelle Hb zeigt, daß erfindungsgemäße Zusatzmittel mit etwa 50% Mn und 50% Al (2 und 4) sehr hohe Auflösungsgeschwindigkeiten aufweisen. Der Zusatz 10 aus elektrolytischem Mangan mit einem

Teilchendurchmesser von 0,1 mm besitzt ebenfalls eine gute Auflösungsgeschwindigkeit. In dieser Form kann Mangan aber nicht zweckmäßig schmelzflüssigem Aluminium zugesetzt werden, da das Mangan die Schlacke auf der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums nur schlecht durchdringt. Es treten Manganverlustc durch Oxidation auf, ferner ergeben sich Schwierigkeiten durch Entflammung und Staubbildung.

i 909

Beispiel 3

Wolframpulver mit Teilchendurchmessern von 7 μπι wurde unter einem Druck von 700 kg/cm* zu Kügelchen von 22 mm Durchmesser gepreßt. Diese δ Kügelchen wurden bei 850°C geschmolzenem Aluminium zugesetzt, in einer solchen Menge, daß ein Wolframgebalt von 1 % erreicht werden sollte. Dabei wurde keine Auflösung des Wolframs festgestellt.

Beispiel 4

Ein Gemisch aus 50% Wolframpulver mit Teilchendurchmessern von 7 μπι und 50% Aluminiumpulver mit Teilchendurchmessern von 147 bis 43 μπι wurde bei einem Druck von 700 kg/cm² zu KQgelchen von 22 mm Durchmesser gepreßt. Diese Kögelchen hatten eine Dichte von 3,7 g/cm³. Sie wurden geschmolzenem Aluminium bei 760⁰C in einer solchen Menge zugegeben, daß die Legierung 1 ",, Wolfram enthalten tollte. Die Lösungsgeschwindigkeit K betrug -0,036. Mehr als 95 % des zugesetzten Wolframs wu-den gelöst.

Beispiel 5

Molybdänpulver mit Teilchendurchmessern von 7 μπι wurde bei einem Druck von 700 kg cm² zu Kügelchen von 22 mm Durchmesser gepreßt. Die so erhaltenen Kügelchen wurden geschmolzenem Aluminium bei 85O⁰C in einer solchen Menge zugegeben, daß die Legierung 1 % Molybdän enthalten sollte. Es wurde kein gelöstes Molybdän festgestellt.

Beispiel 6

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Ein Gemisch aus 50% Molybdänpulver mit Teilchendurchmessern von 7 am und 50% Aluminiumpulver mit Teilchendurchmessern von 1470 bis 43 μπι wurde bei einem Druck von 700 kg/cm⁼ zu Kügelchen von 22 mm Durchmesser gepreßt. Die Kügelchen hatten eine Pichte von 3,3 g/cm³. Sie wurden einem Bad aus geschmolzenem Aluminium bei 760⁰C in einer solchen Menge zugesetzt, daß die Legierung 1% Molybdän enthalten sollte. Die festgestellte Lösungsgeschwindigkeit K betrug -0,029. Mehr als 95",, des zugesetzten Molybdäns wurden gelöst.

B e i sp i e I 7

Ein Pulver aus Ferrochrom mit 70% Cr, 2"„ Si, Rest Fe mit Teilchendurchmessern von 104 μηι und darunter wurde in eine Metallfolie eingeschlagen und einer Aluminiumschmelze bei 760⁰C in einer solchen Menge zugesetzt, daß die Legierung 1,5"ή Chrom enthalten sollte. Die Lösungsgeschwindigkeit K betrug -0,002.

eine Metallfolie eingeschlagen und geschmolzenem Aluminium bei 790°C in einer solchen Menge zugegeben, daß die Legierung 3,5% Chrom enthalten sollte. Die festgestellte Lösungsgeschwindigkeii K betrug 0,068.

Beispiel 10

50% Pulver aus elementarem Chrom mit Teilchendurrhmessern von 208 μηι und darunter wurden mit 50% Aluminiumpulver nach Beispiel 6 gemischt. Das Gemisch wurde bei einem Druck von 700 kg/cm* zu Kügelchen von 22 mm Durchmesser gepreßt Die Kügelchen hatten eine Dichte von 3,15g/cm^s. Sie wurden einem Bad aus geschmolzenem Aluminium bei 760⁰C in einer solchen Menge zugegeben, daß die Legierung einen Gehalt von 1,5% Chrom haben sollte. Die erhaltene Lösungsgeschwindigkeit ATbetrug -0,56. Mehr als 95% des zugesetzten Chroms wurden gelöst.

Beispiel 11

Ein Gemisch aus 50 Gewichtsteilen einer puKerförmigen Legierung aus 85% Mn, 9% Si, Rest Fe mit Teilchendurchmessern von 208 μπ) und darunter wurden mit 42 Gewichtsteilen Pulver aus 92% Al und 8% Cr mit Teilchendurchmessern von 208 ;im und darunter gemischt. Das Gemisch wurde bei einem Druck von 700 kg cm² zu Kügelchen von 22 mm Durchmesser gepreßt, die eine Dichte von 3,21 gern¹ hatten. Diese Kügelchen wurden geschmolzenem Aluminium bei 760° C in einer solchen Menge zugesetzt, daß die Legierung 1,5% Mangan enthalten sollte. Die Lösungsgeschwindigkeit K betrug —0,14. Mehr als 95% des zugesetzten Mangans wurden gelöst.

B e i sp i e ! 12

37 % Manganpulver und 63% einer Legierung aus 60% Aluminium und 40",', Vanadium mit Teilchendurchmessern von 208 um und darunter wurden bei einem Druck von 700 kg cm² zu Kügelchen von 22 mm Durchmesser mit einer Dichte von 2,65 gern³ gepreßt. Diese Kügelchen wurden geschmolzenem Aluminium bei 760⁰C in einer solchen Menge zugesetzt, daß die Legierung 1,5% Mangan enthalten sollte. Die festgestellte Lösungsgeschwindigkeit K betrug —0.04.

Weitere Versuche wurden durchgeführt, um den Temperaturabfall bei Zusätzen von 1.5% Mangan zu geschmolzenem Aluminium zu bestimmen. Zur Bestimmung der Temperatur wurde ein Thermoelement verwendet.

Beispiel 8

50% des im Beispiel 7 genannten Ferrochroms wurden mit 50% des im Beispiel 6 erwähnten Aluminiumpulvers gemischt. Das Gemisch wurde bei einem Druck von 700 kg/cm¹ zu Kügelchen von 22 mm Durchmesser gepreßt, die eine Dichte von 3,08 g/cm³ hatten. Diese Kügelchen wurden bei 76O°C geschmolzenem Aluminium in einer solchen Menge zugesetzt, daß die Legierung 1,5% Chrom enthalten sollte. Die festgestellte Lösungsgeschwindigkeit K betrug —0,093. Mehr als 95% des zugesetzten Chroms wurden gelöst.

B ei sp i e 1 9

Pulver aus elementarem Chrom mit einem Teilchendurchmesscr von 104 μπι und darunter wurde in

Tabelle 111

	Temperatuiabfa". "C	76O^CC
Zusätze	Badtemperatur
	73O"C	90
Probe Nr. 8
Handelsüblicher Härter	70	8
Probe Nr. 2
50% Mn + 50% Al ...	8

Die Tabelle 111 zeigt, daß der erfindungsgemäße Zusatz Nr. 2 einen geringeren Tempcraturabfall ver-

ursacht als das handelsübliche Material. Das ist ein bedeutender Vorteil der Erfindung.

Weitere Versuche wurden mit verschiedenen gepreßten Zusatzmitteln aus elektronischem Mangan und elementarem Aluminium durchgeführt, die nach

dem Beispiel 2 hergestellt worden waren. Lediglich die Dichten der Preßkörper wurden geändert, um die Wirkung dieser Änderungen auf die Auflösungsgeschwindigkeit festzustellen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle IV aufgeführt.

Tabelle IV

	%der theoretischen Dichte	Drchte	g/cm³	Lösungsgeschwindigkeit K
Zusatzmittel			g/cm³	bei einer Badtemperatur von 7150" C
Nr. 2	88	3,53	g/cm³
50%Mn + 50%AI	61	2,4	g/cm³	-0,55
50%Mn + 50%Al	•91	3,6	-0,45
50% Mn + 50% Al	95 +	3,95	-0,042
50% Mn + 50% Al			-0,027

Die Tabelle zeigt, daß Dichten über 95% der theoretischen vermieden werden sollen, da hierbei die Lösungsgeschwindigkeit scharf absinkt. Gemäß der Erfindung liegen die Dichten für die Preßkörper zwischen 65 und 90% der theoretischen Dichte.

Weitere Versuche wurden durchgeführt, um den Einfluß der Teilchendurchmesser der Ausgangsstoffe auf die Lösungsgeschwindigkeit festzustellen. Hierzu wurden je 34 g Preßkörper mit einem Durchmesser von 22 mm aus 50% Mangan und 50% Aluminium mit einer Dichte von etwa 3,50 ± 0,05 g/cm³ verwendet. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle V aufgeführt.

Tabelle V

Durchmesser der Manganteilchen

(μτη)

833
208
104

Lösungsgeschwindigkeit K bei 760⁰C

Aluminium-Teilchendurchmesser 833 bis 208 μτη

833 μηι

-0,069

-0,313
-0,465

104 μηι

-0,63

833 μιη liegen. Vorzugsweise sollte dec Teilchendurchmesser unter 208 μηι liegen.

Auch die Abmessungen der Preßkörper, welche als Zusatzmittel dienen, haben wesentlichen Einfluß auf

as die Aültösungsgeschwindigkeit. Die Preßkörper aus Mischungen sollten in einer Dimension nicht mehr als etwa 22 mm groß, vorzugsweise nicht mehr als etwa 12,5 mm groß sein, d. h., bei zylindrischen Preßkörpern sollte entweder der Durchmesser oder die Länge nicht mehr als 22 mm betragen. Die optimalen Abmessungen liegen zwischen etwa 6 bis 12,5 mm. Die folgende Tabelle VI bringt diie Auflösungsgeschwindigkeiten für zylindrische Preßkörper mit einer Dichte von 3,40 ± 0,15 g/cm³ aus elektrolytischein Mangan mit Teilchendurchmessern von 104 μιη und darunter und aus Aluminiumpulver mit Teilchendurchmessern von 147 bis 43 μιη.

Die Tabelle zeigt, daß die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die Teilchendurchmesscr unter

Tabelle VI	40	Kleinste	Auflösungs-
Preßkörpcr-Abmessung	gcschwiindigkeit K
(mm)	bei 76O⁰C
45 6	-0,71
12,5	-0,64
18	-0,55
22	-0,30

409634/95

Claims

Patentansprüche:

1. SchnellösHches Zusatzmittel für Aluminiumschmelzen, gekennzeichnet durch eine innige Mischung aus 10 bis 90 % Aluminium und 90 bis 10% zumindest eines der folgenden Metalle Mangan, Chrom, Wolfram, Molybdän, Titan, Vanadium, Eisen, Kobalt, Kupfer, Nickel, Niob, Tantal, Zirkonium, Hafnium, Silber, oder deren Legierungen, das in Form kompakter Stücke mit einer Dichte von 65 bis 95% der theoretischen Dichte der Mischung vorliegt, deren maximale Dicke 22,2 mm nicht übersteigt.

2. Zusatzmittel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mischung aus 30 bis 70% Aluminium und 70 bis 30"_o zumindest eines der folgenden Metalle Mangan, Chrom, Wolfram, Molybdän, Titan, Vanadium, Eisen, Kobalt, Kupfer, Nickel. Niob, Tantal, Zirkonium, Hafnium, Silber, oder deren Legierungen.

3. Zusatzmittel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mischung aus 10 bis 90% Aluminium und 90 bis 10% Ferromangan.

4. Zusatzmittel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mischung aus 10 bis 90% Aluminium unJ 90 bis 10% Ferrochrom.

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