DE19711764B4

DE19711764B4 - Verfahren zum Recycling des metallischen Anteiles von vornehmlich auf der Basis von Aluminium hergestellten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen und von Aluminium mittels Tiegelschmelzextraktion

Info

Publication number: DE19711764B4
Application number: DE1997111764
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.-Ing. Lotze; Günther Dr.-Ing. Stephani; Cris Dipl.-Ing. Kostmann; Frank Dr.-Ing. Lehnert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: DE19711764A1

Abstract

Verfahren zum Recyceln und Wiedergewinnen des metallischen Anteils von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen und zum Reinigen von Metall-Schrotten mittels des Verfahrens der Tiegelschmelzextraktion, wobei der in einem Schmelztiegel befindliche schmelzflüssige Verbundwerkstoff bzw. der schmelzflüssige Metallschrott mit den schneidenförmigen Erhebungen auf dem Umfang einer sich drehenden Walze in Kontakt gebracht wird und dabei der metallische Anteil der Schmelze an den Schneiden der Walze erstarrt, wobei die Erstarrungsfront eine Phasengrenze mit der Schmelze bildet, und anschließend der erstarrte metallische Anteil die Walze in Form von Fasern oder Flakes verlässt.

Description

Der Trend in der Technik geht zu immer kleineren und leichteren Bauteilen, um vor allem bei bewegten Massen Energie einzusparen. Neben der Entwicklung schlanker Konstruktionen führt das zu einer stärkeren Verwendung von Leichtmetallen und Kunststoffen. Die Leichtmetalle haben aber den Nachteil, dass ihre mechanischen Eigenschaften, insbesondere ihr Elastizitätsmodul und ihre Stabilität bei thermischen Belastungen, den gewünschten Anforderungen nur unzureichend entsprechen, wie sie zum Teil von Komponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie gefordert werden. Durch die Verstärkung mit keramischen Partikeln (z. B. Al₂O₃, SiC, B₄C, AlN, Al₄C₃, TiC, TiB₂) oder aber auch mit Graphit können die genannten Eigenschaften hauptsächlich bei den Leichtmetallen Aluminium und Magnesium sowie bei deren Legierungen verbessert werden. Diese partikelverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (Metall Matrix Composites/MMCs) werden gegenwärtig am häufigsten unter Verwendung von Technologien der Pulvermetallurgie, der Schmelzmetallurgie und des Sprühkompaktierens hergestellt. Aufgrund der noch hohen Produktionskosten sind die Einsatzgebiete für derartige Werkstoffe zur Zeit vorrangig in der Luft- und Raumfahrt zu sehen. Eine zukünftige kostengünstigere Herstellung wird aber den Einsatz der partikelverstärkten Verbundwerkstoffe in vielen anderen industriellen Bereichen ermöglichen. Vorrangig die Automobilindustrie und der Schienenfahrzeugbau sind hierfür potentielle Anwender.
Neben den partikelverstärkten Al-Werkstoffen erweitert sich aber auch generell der Einsatz von unverstärkten Al-Legierungen. Dabei werden diese auch in geringen bzw. dünnen Abmessungen (z. B. Getränkeindustrie) verwendet, wodurch ein hoher Verschmutzungsgrad und ein hoher Anteil an oxidischen Oberflächenbedeckungen entsteht.

Für die Wiederverwendung müssen diese partikelverstärkten Verbundwerkstoffe und diese verunreinigten Al-Legierungen in aufwendigen Verfahren beim Wiedereinschmelzen unter Benutzung von Hilfsstoffen getrennt bzw. gesäubert werden.

Mit der zunehmenden Verwendung partikelverstärkter Verbundwerkstoffe und des Einsatzes von Aluminium-Legierungen mit einem hohen Oberflächenanteil gewinnt gleichzeitig das Problem des Recyclings immer mehr an Bedeutung. Beim Recycling der gebrauchten Produkte (Altschrott) müssen die einzelnen Werkstoffkomponenten zurückgewonnen werden. Das primäre Problem ist hierbei die Überführung des metallischen Anteils in eine Qualität, die eine Wiederverwertung rechtfertigt. Ein Trennen der einzelnen Komponenten der partikelverstärkten metallischen Werkstoffe (metallische Matrix und Verstärkungspartikel bzw. Verunreinigungen) ist in diesem Prozess unbedingt erforderlich. Zudem werden sowohl die Rohstoffknappheit als auch die zukünftig schärferen Umweltvorschriften dazu zwingen, eine Wiederverwertung bzw. Aufarbeitung vornehmlich von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen stärker zu beachten und somit eine Rückführung in den Rohstoffkreislauf zu gewährleisten.

Das Wiedereinschmelzen von reinen Produktionsschrotten (Neuschrott), die bei den unterschiedlichsten Fabrikationsschritten sowohl bei der MMC-Herstellung als auch bei der Aluminiumherstellung, wie z. B. beim Gießen oder bei der Umformung, anfallen, ist eine praktizierte Lösung des Recyclings von partikelverstärkten Verbundwerkstoffen und Metallen. Dabei kann jedoch nur ein nach Art und Zusammensetzung etwa gleichartiges Material wie das recycelbare entstehen. Dieses Verfahren eignet sich nicht für ein Recycling von Altschrott, der ein Gemisch aus verschiedenen Aluminiumknet- und Gusslegierungen, die zudem noch stark verunreinigt sein können, darstellt. Die Zusammensetzung dieses Schrottes ist im allgemeinen nicht bekannt, wodurch erst kostenintensive Verfahren zur Analyse der einzelnen Komponenten und Legierungsbestandteile sowie zum Sortieren der Verbundwerkstoffe notwendig sind. Zudem können Verunreinigungen in Form von organischen Stoffen und Fremdmetallen die sofortige Wiederverwertung von gebrauchten Verbundwerkstoffen und Metallen entscheidend erschweren.

Für das Recycling von MMC-Altschrott existieren verhältnismäßig aufwendige Verfahren (siehe hierzu M.D. Schuster et al. „The Recycling and Reclamation of Metal-Matrix Composites" JOM 1993, 5, S.26-30; T.F. Klimowicz „The Large-Scale Commercialization of Aluminium-Matrix Composites" JOM 1994, 11, S.49-53). Die Salz-Drehtrommelofen-Technologie, die für große Mengen (5 bis 20 t) konzipiert ist, verwendet hierbei eine hohe Zugabe an NaCl (ca. 20 bis 50 Masse% von der Einsatzmasse des MMC-Schrottes). Das Salz verhindert die Oxidation des Aluminiums, bindet die Verunreinigungen des Aluminiums und führt zu einer Verschlechterung der Benetzung der keramischen Partikel. Diese werden in der Salzschlacke gebunden. Durch die Rotation des Drehtrommelofens (ca. 4 bis 5 h) wird die Schmelze durchmischt. Aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen dem Aluminium und der partikelhaltigen Salzschlacke entsteht im Ofen eine Schichtung. Am Ende des Prozesses wird zuerst das Aluminium abgelassen und in einen Halteofen für die weitere Verarbeitung (Analyse, Zulegieren, Reinigen) gebracht. Ein großer Nachteil dieser Technologie sind die erforderlichen hohen Salzmassen, die zudem anschließend aufwendig wiederaufgearbeitet werden müssen (C. Merkel et al. „Rückstandsarme Verwertung von Aluminium-Schrotten" Schriftenreihe der Gesellschaft Deutscher Metallhütten- und Bergleute 1992, 63, S. 375-384). Bei einer anderen Recyclingmethode, die nur geringe Salzmengen (ca. 1 Masse%) benötigt, wird die Schmelze mit Spülgas behandelt. Die Methode ist jedoch äußerst kompliziert. Im Prozessverlauf müssen die Partikel durch einen kontinuierlich in die Schmelze injizierten Gasstrom (Ar oder N₂) an die sich empor bewegenden Blasen gebunden werden. Für das Aufsteigen der Partikel mit dem Gas und dem Salz an die Schmelzbadoberfläche ist es ferner erforderlich, dass die Schmelze ständig gerührt wird. Nach dem Aufschmelzen des Materials beträgt die Prozessdauer für eine derartig aufwendige Trennung der Komponenten ca. 2 h.

Beim Einschmelzen von minderwertigen metallischen Al-Schrotten ist ebenfalls ein Salzbedarf von 30 bis 50 Masse % mit der Trommelofen-Technnologie notwendig (C. Merkel et al. „Rückstandsarme Verwertung von Aluminium-Schrotten" Schriftenreihe der Gesellschaft Deutscher Metallhütten- und Bergleute 1992, 63, S. 375-384). Ein drastisches Senken des Salzbedarfes wird hierbei ebenfalls durch die teure Technologie des Einleiten eines Gasstromes (Ar oder N₂), der zuvor aufwendig mit pulverförmigen Halogensalzen angereichert worden ist, erreicht. Ein Rühren des Aluminiums während des Schmelzvorganges verbessert dabei die Reinigungswirkung (S. King III et al. „Process Provides Cleaner Aluminium" Modern Casting 85, 1995, 4, S. 37-40).

Die vorliegende Erfindung löst das Problem des Recyclings vom MMC-Altschrott und minderwertigem Aluminium-Schrott (Altschrott) auf eine andere Art. Da das Verfahren nicht auf dem Trennen durch Sedimentation oder Zentrifugalkraft bzw. nicht auf dem Einbinden von Partikeln in Salze beruht, sind keine zusätzlichen Aggregate und Hilfsstoffe notwendig. Zudem sind auch MMC-Werkstoffe recycelbar, bei denen kaum ein Dichteunterschied zwischen Metall und Verstärkungspartikeln existiert. Beim Recycling unter Verwendung dieses Verfahrens werden gleichzeitig Flakes oder feine Fasern aus dem metallischen Basiswerkstoff gewonnen. Ohne eine zusätzlich erforderliche Bearbeitung können diese Teilchen als Ausgangsmaterial für neue, auf pulvermetallurgischem Weg hergestellte Halbzeuge verwendet werden.

Der Vorteil dieses neuen Verfahrens besteht darin, dass eine einfache und effiziente Methode gefunden worden ist, die es gestattet, sowohl stark verunreinigten Aluminium-Schrott als auch Verbundwerkstoffe mit metallischer Matrix und nichtmetallischen, vornehmlich keramischen Verstärkungspartikeln, so zu zerlegen, dass zumindest der metallische Anteil rein in Form von Flakes oder Fasern vorliegt. Entsprechend den gewünschten Erfordernissen können diese metallischen Teilchen direkt auf pulvermetallurgischem Wege weiterverarbeitet werden. Gegenüber den bisher bekannten Lösungen der Trennung der beiden Hauptkomponenten (metallischer Basiswerkstoff und Verstärkungsphase) der MMCs zeichnet sich das vorgestellte Verfahren durch das Nichtbenötigen von Hilfsstoffen (Ar- bzw. N₂-Gas, Salze) aus. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Prozessführung, die kein kontinuierliches Rühren oder keine Spülgasbehandlung der Schmelze erfordert. Zudem arbeitet dieses Verfahren auch mit kleinen Materialeinsätzen ökonomisch, womit das Recycling von niedrigen Chargengrößen mit einer bedeutenden Zeitersparnis gegenüber den bisher bekannten Methoden möglich ist. Weiterhin muss erwähnt werden, dass mit dem Verfahren keine Gusshalbfabrikate, sondern Flakes bzw. Fasern hergestellt werden. Im Vergleich zu den Gusswerkstoffen der gleichen chemischen Zusammensetzung zeichnet sich das pulvermetallurgisch weiterverarbeitete Material aus den Flakes oder den feinen Fasern durch eine höhere Bruchdehnung aus.

Bekannterweise werden beim Erstarren von metallischen Schmelzen fremde Teilchen (z. B. keramische Partikel), die sich in der Schmelze befinden, durch die fortschreitende Erstarrungsfront in die Restschmelze, d. h. in den noch nicht erstarrten Bereich verschoben (siehe hierzu P. Rohatgi et al. „The Solidification of Metal-Matrix Particulate Composites" JOM 1991, 5, S.35-41; A. Mortensen et al. „Solidification Processing of Metal Matrix Composites" IMR 37, 1992, 3, S. 101-128; P. von den Brincken „Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Dispersionswerkstoffen unter Mikrogravitation – Der Einfluß der Benetzbarkeit" Fortschr.-Ber. VDI Reihe 5, Nr. 209, Düsseldorf, VDI-Verlag 1990, S. 37). Dieses Verhalten der Erstarrungsfront hängt von deren Geschwindigkeit und damit von der Abkühlrate ab. Je höher die Abkühlrate ist, um so größer wird die Wahrscheinlichkeit, dass die in der metallischen Schmelze vorhandenen Teilchen von der sich bewegenden Erstarrungsfront nicht verschoben, sondern von ihr überholt werden. Bei ausreichend hohen Abkühlraten werden diese Teilchen demzufolge in die erstarrende Schmelze eingebaut bzw. eingefroren. Sehr deutlich ist das Verhalten dieser Teilchen an der Erstarrungsfront in Versuchen zur gerichteten Erstarrung einer AlMg-Legierung (D.M. Stefanescu et al. „Behaviour of Ceramic Particles at the Solid-Liquid Metal Interface in the Metal Matrix Composites" Metall Trans. A19, 1988, S. 2847-2855) sowie in Gussversuchen mit verschiedenen AlSi-Legierungen (I. Jin et al. „Solidification of SiC Particulate Reinforced Al-Si Alloy Composites" in Proc. Int. Conf. On Fabrication of Particulates Reinforced Metal Composites, ed. J. Masounave, F.G. Hamel, Materials Park, American Society of Metals International 1990, S. 47-52) nachgewiesen worden, bei denen jeweils SiC-Partikel als Teilchen verwendet worden sind.

Da bei dem aufgeführten Verfahren die ebenfalls in der Aluminium-Matrix vorhandenen Verunreinigungen durch den Erstarrungsvorgang in die Restschmelze zurückgedrängt werden, kann damit auch unverstärkter Aluminium-Schrott effektiv recycelt werden. Die bisher zum Binden der Verunreinigungen benötigten großen Salzzugaben werden durch das Anwenden der vorliegenden Erfindung erheblich reduziert.

Das Verschieben der Teilchen durch die fortschreitende Erstarrungsfront kann für das Recycling von partikelverstärkten Verbundwerkstoffen bzw. von verunreinigtem Aluminium-Schrott ausgenutzt werden. Ein hierfür geeignetes Verfahren ist die Tiegelschmelzextraktion (CME - Crucible Melt Extraction). Das in 1 dargestellte bekannte Prinzip des CME-Verfahrens ( DE 22 25 684 ; R.E. Maringer et al. „Casting of Metallic Filaments and Fibers" J. Vac. Sci. Techn. 11, 1974, 6, S. 1067-1071) beruht auf der Erstarrung von metallischen Flakes oder Fasern. Hierfür taucht eine rotierende, wassergekühlte Walze (1) mit einer oder mehreren Extraktionsschneiden (2) in eine partikelfreie oder partikelhaltige Schmelze (3), die sich üblicherweise in einem induktionsbeheizten Schmelztiegel (4) befindet. Der Prozessverlauf kann in drei grundlegende Abschnitte unterteilt werden (2). In dem ersten Abschnitt kommt es zu einem Kontakt der Extraktionswalze mit der Schmelze, wobei an der Austrittsstelle der Walze aus der Schmelze ein dynamischer Meniskus aus dem schmelzflüssigen Material entsteht. Der zweite, für das Recycling der partikelverstärkten Verbundwerkstoffe interessante Abschnitt ist durch die Erstarrung der flüssigen Metallfäden an den Schneiden der Extraktionswalze gekennzeichnet. Am Ende dieses Abschnittes lösen sich die erstarrten Schmelzfäden (Flakes oder Fasern) infolge der Wärmekontraktion und der auf sie einwirkenden Zentrifugalkraft von den Walzenschneiden. Die weitere Abkühlung der Flakes oder Fasern erfolgt im dritten Abschnitt durch Konvektion. Mit diesem bekannten Verfahren der Schellerstarrung können Abkühlraten in einem Bereich von 10³ bis 10⁵ K/s verwirklicht werden. Bei den verhältnismäßig niedrigen Abkühlraten im Vergleich zu anderen Schnellerstarrungstechniken werden die nichtmetallischen Partikel im zweiten Abschnitt des Prozessverlaufes (2) durch die Erstarrungsfront in die Schmelze des Metalles bzw. des Verbundwerkstoffes zurückgedrängt. Dadurch ist es möglich, metallische Flakes oder Fasern zu extrahieren, die metallisch rein sind und keine Verstärkungspartikel mehr enthalten. Für einen kontinuierlichen Extraktionsvorgang muss das entstehende Massedefizit ausgeglichen werden, wozu meistens der Schmelztiegel mittels einer Hubvorrichtung in Richtung der Extraktionswalze angehoben wird. Die Länge der Erstarrungsprodukte wird durch den Abstand der Trennkerben bestimmt, die periodisch in die Extraktionsschneiden der Walze eingearbeitet sind (1). Die Dicke der extrahierte Flakes oder Fasern hängt von den Betriebsparametern (Temperatur der Schmelze, Walzengeschwindigkeit, Volumenzufluss) ab und liegt üblicherweise zwischen 0,1 und 0,5 mm. Die Abkühlrate wird sehr stark durch die Walzengeschwindigkeit sowie durch die Dicke der Erstarrungsprodukte beeinflusst. Höhere Walzengeschwindigkeiten bedingen bei gleich dicken Fasern höhere Abkühlraten. Die dünneren Fasern weisen allgemein eine höhere Abkühlrate auf. Unter Berücksichtigung dieser Zusammenhänge kann über die Abkühlrate die Geschwindigkeit der Erstarrungsfront und somit das Verhalten der Verstärkungspartikel während der Erstarrung beeinflusst werden.

Mit geringen Salzzugaben (z. B. KCl, NaCl, CaSO₄), die die oberflächlichen Schlacken binden, kann der Vorgang der Schmelzextraktion verbessert werden. Die durch das Salz gebundene Schlacke erleichtert das Eindringen der Walzenschneiden in die metallische Schmelze, wodurch das Extrahieren feinerer Fasern und Flakes mit Erstarrungsdicken unter 0,1 mm möglich wird. Gleichzeitig wird durch die gebundene Schlacke ein eventuelles Mitreißen von Schlackepartikeln, die sich an den entstehenden Fasern oder Flakes beim Erstarren anlagern können, vermieden. Je nach Partikelgehalt und Verschmutzungsgrad kann die Salzzugabe bis zu 30% der Masse betragen.

Das CME-Verfahren ist für alle Metalle und metallischen Verbundwerkstoffe, wie z.B. Al-, Mg-, Cu-, Ag-, Pb-, Sn-, Zn-, Ni-, und Fe-Legierungen, mit nichtmetallischen Verstärkungspartikeln bzw. Verunreinigungen, die sich nicht in der Matrix lösen bzw. nicht mit ihr reagieren, wie z.B. Nitride, Boride, Karbide, Oxide und Graphite, zum Wiedergewinnen des metallischen Anteils geeignet. Wird die Tiegelschmelzextraktion unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt, sind auch Leigerungen und Verbundwerkstoffe aus hochschmelzenden und reaktiven Metallen, wie z.B. Mo-, Ta-, Ti-, und Nb-Basiswerkstoffe, recycelbar. Da das CME-Verfahren generell zum Herstellen von Flakes und dünnen Fasern verwendet wird, können beim Abtrennen des metallischen Anteils der Verbundwerkstoffe sofort Ausgangsprodukte für die pulvermetallurgische Herstellung von Halbzeugen gewonnen werden.

Ausführungsbeispiele
1. Beispiel
Eine mit 20% Vol% Al₂O₃ partikelverstärkte Aluminiumlegierung 6061 (Masseprozente Si 0,6; Fe 0,7; Cu 0,3; Zn 0,3; Mg 1,0; Cr 0,2; Zn 0,3; Rest Al) wird in einem Schmelztiege bei 750°C flüssig gehalten. Die wassergekühlte Extraktionswalze aus Cu (Durchmesser 300 mm) mit 10 Schneiden (Schneidenspitzenwinkel 60°) rotiert mit 5 m/s, wobei der Schmelztiegel mit einer Geschwindigkeit, die einem Volumenfluß von 0,8 cm³/s entspricht, an die Walze gefahren wird. Die extrahierten Fasern mit einer Länge von 4 mm und einer Dicke von 0,15 mm sind frei von Al₂O₃-Partikeln.
2. Beispiel
Eine mit 15 Vol% SiC partikelverstärkte Aluminiumlegierung A356 (Masseprozente: Si 6,8; Fe 0,1; Mg 0,3; Ti 0,2; Rest Al) wird bei 750°C flüssig gehalten. Eine wassergekühlte Cu-Walze (Durchmesser 300 mm) mit 3 Schneiden (Schneidenwinkel 60°) rotiert mit 5 m/s. Mit einem Volumenfluß von 0,16 cm³/s wird der Schmelztiegel an die Extraktionswalze gehoben. Die extrahierten Fasern haben eine Länge von 10 mm und eine mittlere Dicke von 0,13 mm. In der lichtmikroskopischen Aufnahme in 3 ist das geätzte Fasergefüge im Querschliff gezeigt. Das Gefüge der Fasern das aus den Dendriten des Al-Mischkristalls (helle Bereiche) und dem zweiphasigen Eutektikum (dunkle Bereiche) besteht, weist keine SiC-Partikel auf.
3. Beispiel
Eine mit 20 Vol% SiC partikelverstärkte Aluminium-Gußlegierung (AlSi9Mg0,5) F3S.20S (Masseprozente: Si 0,9; Mg 0,55; Fe 0,2; Cu 0,2; Ti 0,2; Rest Al) wird in einem Schmelztiegel bei 750°C flüssig gehalten. Die wassergekühlte Extraktionswalze aus Cu (Durchmesser 300 mm) mit 7 Schneiden (Schneidenspitzenwinkel 60°) rotiert mit 10 m/s, wobei der Schmelztiegel mit einer Geschwindigkeit, die einem Volumenfluß von 0,4 cm³/s entspricht, an die Walze gefahren wird. Der Aluminium-Schmelze ist Salz (KCl und NACl im Verhältnis 50:50) von 10 Masse% (bezogen auf den Schmelzeinsatz) zugegeben worden. Die extrahierten Fasern mit einer Länge von 25mm und einer Dicke von 0,1 mm sind vollständig frei von SiC-Partikeln.
Eine anschließende Weiterverarbeitung der schmelzextrahierten Fasern zur pulvermetallurgischen Herstellung von z.B. Strangpreßprofilen ist möglich. Die notwendigen Prozeßschritte sind das kaltisostatische Pressen (3000 bar), das Einkapseln und Ausgasen sowie das Strangpressen bei 400°C. Bei der nachfolgenden Wärmebehandlung werden die stranggepreßten Rundprofile lösungsgeglüht (12h/540°C), in Wasser abgeschreckt und warmauslagert (4h/155°C). Die mechanischen Eigenschaften der wärmebehandelten Strangpreßprofile aus den partikelfreien CME-Fasern sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Im Vergleich zu den unverstärkten Strangpreßprofilen aus dem Gußwerkstoff mit der gleichen chemischen Zusammensetzung ist insbesondere die höhere Bruchdehnung des konsolidierten CME-Materials auffällig. Die Ursache hierfür ist die vergleichsweise homogenere Verteilung von feineren Silizium-Ausscheidungen im Gefüge der Strangpreßprofile aus den CME-Fasern (4a u.b). Bei einer plastischen Verformung des Materials der Legierung A356 beginnt die zum Bruch führende Rißbildung an gröberen Ausscheidungen sowie im Bereich von Ausscheidungsanreicherungen (W.H. Hunt et al. „An Al-Si-Mg Composite Model System: Microstructural Effects on Deformation and Damage Evolution" Scripta Metall. 25, 1991, 1, S.15-20).
Es zeigen:
Tabelle 1: Mechanische Eigenschaften von A356-Strangpreßprofilen (T6) aus CME-Fasern und aus einem Ingot. Die CME-Fasern sind beim Recycling des Verbundstoffs A356 + 15 Vol% SiC hergestellt worden.
1: Prinzip der Tiegelschmelzextraktion (1) – wassergekühlte Extraktionswalze, (2) – Extraktionsschneiden, (3) – partikelfreie bzw. partikelhaltige Schmelze, (4) – induktionsbeheizter Schmelztiegel
2 Prozeßverlauf bei dem CME-Verfahren mit den drei Abschnitten der Flake- bzw. Faserbildung. Im zweiten Abschnitt werden bei niedrigen Abkühlraten die nichtmetallischen Teilchen (z.B. SiC-Partikel) durch die fortschreitende Erstarrungsfront in die MMC-Schmelze verschoben.
3 Gefüge von Fasern, die beim Recycling der Legierung A356 + 15 Vol% SiC mit Hilfe des CME-Verfahrens hergestellt worden sind.
4 Gefüge von Strangpreßprofilen aus (a) CME-Fasern und (b) des Ingots der Legierung A356 im T6-Zustand.
Tabelle 1:

Claims

Verfahren zum Recyceln und Wiedergewinnen des metallischen Anteils von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen und zum Reinigen von Metall-Schrotten mittels des Verfahrens der Tiegelschmelzextraktion, wobei der in einem Schmelztiegel befindliche schmelzflüssige Verbundwerkstoff bzw. der schmelzflüssige Metallschrott mit den schneidenförmigen Erhebungen auf dem Umfang einer sich drehenden Walze in Kontakt gebracht wird und dabei der metallische Anteil der Schmelze an den Schneiden der Walze erstarrt, wobei die Erstarrungsfront eine Phasengrenze mit der Schmelze bildet, und anschließend der erstarrte metallische Anteil die Walze in Form von Fasern oder Flakes verlässt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Salzzugabe von 0,001 bis 80 Masse% erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Salzgemisch aus 45 Masse% KCl, 45 Masse% NaCl, 5 Masse% CaSO₄ und 5 Masse% Verunreinigungen zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Walze zwischen 0,1 m/s und 100 m/s liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verändern der Rotationsgeschwindigkeit die Abkühlrate sowie die Dicke und damit der Partikelgehalt in den entstehenden Fasern oder Flakes von 0 % bis zu einem maximal möglichen Wert, der dem Partikelgehalt der Schmelze entspricht, variiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich Schmelztiegel und Walze mit einer Volumenzuführgeschwindigkeit pro Walzenschneide von 0,005 cm³/s bis 0,5 cm³/s nähern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltenen Fasern oder Flakes durch nachfolgendes Konsolidieren in Verbindung mit einer Wärmebehandlung zu einem Werkstoff mit sehr homogenem Gefüge gegenüber gleichartigen herkömmlichen Gusswerkstoffen kompaktiert werden.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe und Metall-Schrotte, die einen metallischen Anteil aus allen verfügbaren Metallen oder Metalllegierungen besitzen und nichtmetallische Verstärkungspartikel oder nichtmetallische Verunreinigungen aufweisen.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe und Metall-Schrotte einen metallischen Anteil aufweisen, der vornehmlich aus Al oder Mg bzw. Al- oder Mg-Legierungen besteht.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsphasen keramische Partikel in Form von Oxiden, Carbiden, Nitriden oder Boriden oder auch Graphit sind.
Verwendung des Verfahrens des Verfahrens nach Anspruch 1 für Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe und Metall-Schrotte mit einem Partikelgehalt von bis zu 80 Vol%.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze aus metallischen Werkstoffen, vornehmlich aus Cu, Al oder Stahl besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze auf den Schneiden metallische oder nichtmetallische Beschichtungen aufweist, um sowohl die Benetzung als auch den Wärmeübergang zu beeinflussen.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze von innen durch ein fließendes Kühlmittel gekühlt wird.