DE19720361C1 - Verfahren und Mittel zur Natriumveredelung von Aluminium-Silicium-Legierungsschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Natriumverede­ lung von eutektischen, nah- und untereutektischen Aluminium- Silicium-Legierungsschmelzen gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Die Veredelung von eutektischen, nah- und untereutektischen Al- Si-Legierungsschmelzen mittels Natrium beeinflußt in bekannter Weise das Erstarrungsgefüge der aus ihnen hergestellten Gußkör­ per und verbessert gewisse mechanische Eigenschaften, wie Bear­ beitbarkeit, Dehnung und Zugfestigkeit.

In der Gießereitechnik ist die Veredelung unter Verwendung von Natriumverbindungen die bekannteste und bei weitem bevorzugte Ausführungsform. Hierbei wird ein Salzgemisch in die Legierungs­ schmelze eingebracht, das eine oder mehrere bei der gegebenen Schmelzetemperatur reaktive Natriumverbindungen enthält, welche die Wirkkomponente Natrium entweder unmittelbar oder nach einer metallothermischen Umsetzung mit in den Veredelungspräparaten eingebauten reaktiven Metallpulvern abgeben.

Aus DE-PS 10 23 232 ist ein Verfahren zur Veredelung von Alumi­ nium-Silicium-Legierungen bekannt, in dem Natriumsalze oder Na­ triumsalze enthaltende Salzgemische in Pulverform mit Aluminium- und/oder Magnesiumpulver gemischt und in die zu veredelnde Me­ tallschmelze eingebracht werden. Das bekannte Verfahren ist be­ sonders dann geeignet, wenn das Natriumsalz aus Natriumfluorid besteht.

Auch für andere Natriumsalze oder Natriumsalze enthaltende Ge­ mische, z. B. Natriumcarbonat, soll das Verfahren anwendbar sein. Ganz offensichtlich ist das Basisgemisch ein ternäres Salz, be­ stehend aus Natriumfluorid, Natriumchlorid und Kaliumchlorid.

Folgt man den angegebenen Formulierungen, insbesondere hin­ sichtlich des Einsatzes von Natriumcarbonat, muß selbst der Fachmann feststellen, daß sie zu keinerlei Erfolg führen, auch nicht, wenn eine Dosierung in Höhe von 1% des Schmelzegewichts erfolgt. Eine Dosierung in dieser Größe ist zudem ungewöhnlich hoch und damit äußerst unwirtschaftlich. Dies gilt im übrigen auch für die Verwendung von Natriumfluorid allein.

In dem aus DE-PS 29 35 017 bekannten Verfahren werden metallo­ thermische Gemische in der Weise eingesetzt, daß sie auch bei Verwendung von gröberem, weniger reaktiven Metallpulver bei der gegebenen Schmelzetemperatur unter Freisetzung ausreichender Re­ aktionswärme reagieren. Hierdurch können auch solche Begleitkom­ ponenten als veredelungswirksame Bestandteile verwendet werden, die üblicherweise nicht zum Erfolg führen. Dabei muß die Zusam­ mensetzung derartiger Veredelungsgemische nach erfolgter Zündung ein längeres Verbleiben auf einer erheblich höheren Temperatur als derjenigen der Metallschmelze sicherstellen, damit die Wärme­ energie nicht zu schnell an letztere abfließt. Die an sich nur we­ nig reaktiven Metallkomponenten des bekannten Verfahrens werden durch Einsatz im Überschuß sowie durch Mitverwendung von Oxida­ tionsmitteln aktiviert und die reduktive Freisetzung von gasför­ migem Natrium aus geeigneten Verbindungen herbeigeführt. Im be­ kannten Verfahren werden als Natriumträger ausschließlich Natri­ umfluorid oder solche Gemische eingesetzt, die durch Umsetzung von Erdalkalifluoriden wie Flußspat, oder komplexen Natriumfluo­ riden, mit z. B. Natriumcarbonat, die aktive Natriumfluoridkompo­ nente intermediär in der Metallschmelze entstehen lassen.

Natriumfluorid ist eine giftige und ätzend wirkende Substanz. Deren Verwendung in der Gießereipraxis ist daher mit vielen Nachteilen behaftet. Sie zwingen einerseits zu besonderen, recht aufwendigen Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit ihr, als auch an­ dererseits zu bestimmten medizinischen Untersuchungen des befaß­ ten Arbeitspersonals (MAK-Wert 2,5 mg/m³). Die umweltschädliche Staubwirkung (sehr niedrige Emissionsgrenzwerte) führt insbeson­ dere bei gleichzeitiger Anwesenheit von Stäuben anderer Haloge­ nide zu erheblichen Korrosionsschäden an Hallenkonstruktionen und Arbeitseinrichtungen. Der Angriff von Fluoriden auf die üb­ licherweise aus Ton/Graphit-Gemischen bestehenden Schmelzaggre­ gate ist erheblich und hat eine starke Verminderung von deren Standzeiten zur Folge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten und weiteren Nachteile zu vermeiden und ein technisch einfaches, wirtschaftliches, karrosionsvermeidendes sowie schmelzaggregate- und umweltschonendes Verfahren zur Natriumveredelung von Alumi­ nium-Silicium-Legierungsschmelzen bereitzustellen.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Verfah­ ren zur Natriumveredelung von eutektischen, nah- und untereutek­ tischen Aluminium-Silicium-Legierungsschmelzen durch Behandlung mit metallothermischen Gemischen, die Natriumsalze und Metall­ pulver sowie ein Oxidationsmittel als Reaktionsauslöser enthal­ ten.

Bei einem Verfahren der genannten Art besteht die Erfindung nun darin, daß unter Ausschluß von Fluorträgern Behandlungs­ gemische in die AlSi-Legierungsschmelze eingeführt werden, die

30 bis 80 Gew.-% Natriumcarbonat,
30 bis 80 Gew.-% Kaliumcarbonat und/oder Natriumchlorid,
15 bis 30 Gew.-% Magnesium- und/oder Aluminiumpulver,
1 bis 10 Gew.-% Nitrate und/oder Chlorate von Alkali­ metallen

pro rata enthalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es in unerwarteter Weise, den Schmelzpunkt des Salzgemisches in einen Temperaturbe­ reich abzusenken, der eine Natriumveredelung der AlSi-Legie­ rungsschmelze auch schon bei Temperaturen von 680 bis 720°C sicher ermöglicht. Somit können also auch niedrigschmelzende Legierungen nahe ihrer Gießtemperatur veredelt werden, was von großem wirtschaftlichen und technologischen Nutzen ist. Dabei ist der Ausschluß von Fluorträgern von erheblicher und erfin­ dungswesentlicher Bedeutung.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Ver­ fahrens der Erfindung werden Behandlungsgemische in die AlSi- Legierungsschmelze eingeführt, die

40 bis 60 Gew.-% A Natriumcarbonat,
40 bis 60 Gew.-% Kaliumcarbonat und/oder Natriumchlorid,
18 bis 25 Gew.-% Magnesium- und/oder Aluminiumpulver,
3 bis 8 Gew.-% Nitrate und/oder Chlorate von Alkali­ metallen

pro rata enthalten.

Als schmelzpunktsenkendes Alkalimetallsalz werden mit besonderem Erfolg Kaliumcarbonat oder Natriumchlorid eingesetzt. Es kann aber auch eine Mischung von Kaliumcarbonat und Natriumchlorid verwendet werden, wobei das Verhältnis dieser Komponenten zuein­ ander in weiten Grenzen variiert werden kann. Natriumcarbonat und das dessen Schmelzpunkt senkende weitere Alkalimetallsalz stehen untereinander bevorzugt etwa im Verhältnis 1 : 1 bis 2 : 1.

Als Reaktionsbeschleuniger zur Zündung des metallothermischen Gemisches bzw. Metallpulvers, wie vorzugsweise Magnesiumpulver, aber auch Aluminiumpulver, werden Oxidationsmittel, z. B. Alkali­ metall-Nitrate und/oder Alkalimetall-Chlorate, im Behandlungs­ gemisch des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt. Das Metall­ pulver liegt zweckmäßig in einer Teilchengröße von 100 bis 200 µm vor. Die Reaktionsgeschwindigkeit und -intensität sind tempe­ raturabhängig und werden von der Konzentration des Metallpulvers und des Oxidationsmittels bzw. Aktivators bestimmt. Das Verfah­ ren der Erfindung kann daher auch zu kräftigen Reaktionsabläufen bei niedrigen Schmelzetemperaturen führen, sodaß ein Zusatz von inerten Stoffen zum Reaktionsgemisch in Betracht gezogen werden kann, vorzugsweise Magnesiumoxid und/oder Magnesiumcarbonat.

Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf Behandlungsmittel zur Ausführung des Verfahrens. Ein solches Behandlungsmittel hat die pro rata-Zusammensetzung

30 bis 80 Gew.-% Natriumcarbonat,
30 bis 80 Gew.-% Kaliumcarbonat und/oder Natriumchlorid,
15 bis 30 Gew.-% Magnesium- und/oder Aluminiumpulver,
1 bis 10 Gew.-% Nitrate und/oder Chlorate von Alkalimetallen.

Ein bevorzugtes Behandlungsmittel der Erfindung hat die pro rata-Zusammensetzung
40 bis 60 Gew.-% Natriumcarbonat,
40 bis 60 Gew.-% Kaliumcarbonat und/oder Natriumchlorid,
18 bis 25 Gew.-% Magnesium- und/oder Aluminiumpulver,
3 bis 8 Gew.-% Nitrate und/oder Chlorate von Alkalimetallen.

Die AlSi-Legierungsschmelzen werden zweckmäßig mit dem Mittel in einer Menge von
0,05 bis 0,5 Gew.-% , vorzugsweise 0,1 bis 0,3 Gew.-%
bezogen auf Metallschmelze, behandelt. In dem Verfahren der Erfindung können die Behandlungsmittel in an sich bekannter Weise in die Legierungsschmelze eingebracht werden, beispiels­ weise durch Eintauchen der Mittel in verfestigter Form, oder als Pulver in Behältnissen oder in Verbindung mit Einblas- oder Rührsystemen.

Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß ein tech­ nisch einfach beherrschbares, überaus wirtschaftliches und auf­ grund der Abwesenheit von Fluorträgern umweltfreundliches Ver­ fahren bereitgestellt wird, das erlaubt, bei niedrigen Schmel­ zetemperaturen die Natriumveredelung mit äußerst kleinen Men­ gen Behandlungsmittel herbeizuführen.

In den nachstehenden Beispielen wird die Erfindung näher und beispielhaft erläutert.

Beispiel 1:

In 300 kg einer Schmelze von G-AlSi1IMg wurden bei einer Schmelzetemperatur von 700°C 200 g einer Tablette bestehend aus

40 Gew.-% Natriumcarbonat,
35 Gew.-% Kaliumcarbonat,
20 Gew.-% Magnesiumpulver, Teilchengröße etwa 150 µm,
0,5 Gew.-% Natriumnitrat

durch Tauchen mittels einer Tauchglocke eingebracht.

Es war ein lebhafter Reaktionsablauf mit Badwallung und Auf­ treten gelber Flammen zu beobachten; Reaktionsende nach ca. 15 Sekunden. Der Tablettenrest war krümelig zerfallen und leicht entfernbar.

An einem Probestab von etwa 100 mm² Querschnitt wurden normge­ rechte Werte für die Zugfestigkeit, die 0,2%-Dehngrenze und die Bruchdehnung gemessen. Sie lagen im oberen Bereich der Werte der europäischen Norm, z. T. sogar darüber. Das Gußgefü­ ge erwies sich als einwandfrei veredelt. Die separat gemes­ sene Erstarrungsunterkühlung betrug 8,5°K und wies somit gleichfalls auf eine sehr gute Veredelung hin.

Abgegossene Versuchsbarren zeigten eine sehr intensive Blau­ verfärbung der erstarrten freien Oberfläche wie sie für eine gut veredelte Legierung dieser Art charakteristisch ist.

Beispiel 2:

In 250 kg einer Schmelze von G-AlSi7 Mg wurden 150 g einer Ta­ blette, bestehend aus

47 Gew.-% Natriumcarbonat,
27 Gew.-% Natriumchlorid,
22 Gew.-% Magnesiumpulver, Teilchengröße 100-200 µm,
0,4 Gew.-% Natriumnitrat

mittels einer Tauchglocke eingetaucht.

Der Reaktionsverlauf entsprach dem von Beispiel 1. Die Schmelze war hervorragend veredelt, wie Messungen, wie sie bei Beispiel 1 angegeben sind, belegten.

Claims (4)

1. Verfahren zur Natriumveredelung von eutektischen, nah- und untereutektischen AlSi-Legierungen durch Schmelzebehandlung mit metallothermischen Gemischen, die Natriumsalze und Me­ tallpulver sowie ein Oxidationsmittel als Reaktionsauslöser enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausschluß von Fluorträgern Behandlungsgemische in die AlSi-Legierungs­ schmelze eingeführt werden, die
30 bis 80 Gew.-% Natriumcarbonat,
30 bis 80 Gew.-% Kaliumcarbonat und/oder Natriumchlorid,
15 bis 30 Gew.-% Magnesium- und/oder Aluminiumpulver,
1 bis 10 Gew.-% Nitrate und/oder Chlorate von Alkali­ metallen
pro rata enthalten.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Behandlungsgemische in die AlSi-Legierungsschmelze ein­ geführt werden, die
40 bis 60 Gew.-% Natriumcarbonat,
40 bis 60 Gew.-% Kaliumcarbonat und/oder Natriumchlorid,
18 bis 25 Gew.-% Magnesium- und/oder Aluminiumpulver,
3 bis 8 Gew.-% Nitrate und/oder Chlorate von Alkali­ metallen
pro rata enthalten.

3. Behandlungsmittel zur Natriumveredelung von AlSi-Legierungs­ schmelzen auf Basis metallothermisch reagierender Gemische, die Metallpulver und Natriumsalze sowie Oxidationsmittel enthalten, gekennzeichnet durch die pro rata-Zusammensetzung
30 bis 80 Gew.-% Natriumcarbonat,
30 bis 80 Gew.-% Kaliumcarbonat und/oder Natriumchlorid,
15 bis 30 Gew.-% Magnesium- und/oder Aluminiumpulver,
1 bis 10 Gew.-% Nitrate und/oder Chlorate von Alkali­ metallen.

4. Behandlungsmittel nach Patentanspruch 3, gekennzeichnet durch die pro rata-Zusammensetzung
40 bis 60 Gew.-% Natriumcarbonat,
40 bis 60 Gew.-% Kaliumcarbonat,
18 bis 25 Gew.-% Magnesium- und/oder Aluminiumpulver,
3 bis 8 Gew.-% Nitrate und/oder Chlorate von Alkali­ metallen.