DE202016001530U1 - Manganese-containing starting material produced by powder metallurgy for producing a light metal alloy and its use - Google Patents
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Abstract
Pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer aluminiumfreien Magnesiumlegierung, mit der Zusammensetzung: Mn100-x-y-zAxByCz, worin A Cerium (Ce) und/oder Lanthan (La) oder ein Ce-Mischmetall, B Scandium (Sc), C Zirkonium (Zr) ist und x, y, z die Bereiche der Zusammensetzungen von 0 ≤ x ≤ 37 Gew%, 0 ≤ y ≤ 4 Gew% und 0 ≤ z ≤ 9 Gew% betragen.Manganese-containing starting material powder-metallurgically produced for producing a light metal alloy, preferably an aluminum-free magnesium alloy, having the composition: Mn100-xy-zAxByCz, wherein A is cerium (Ce) and / or lanthanum (La) or a Ce mischmetal, B is scandium (Sc), C Zirconium (Zr) and x, y, z are the ranges of compositions of 0 ≦ x ≦ 37% by weight, 0 ≦ y ≦ 4% by weight, and 0 ≦ z ≦ 9% by weight.
Description
Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisch hergestelltes manganhaltiges Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Magnesiumlegierung sowie seine Verwendung.The invention relates to a powder metallurgically produced manganese-containing starting material for producing a light metal alloy, preferably a magnesium alloy, and its use.
Die Herstellung von Legierungen erfolgt üblicherweise durch Legieren eines Hauptbestandteils (Reinmetall) mit den Nebenbestandteilen (Zusätzen). Überwiegend erfolgt dies durch Einbringen der Legierungszusätze in Form von Masseln oder Barren in die flüssige Schmelze des Reinmetalls.The production of alloys is usually carried out by alloying a main component (pure metal) with the minor components (additives). Mostly, this is done by introducing the alloying additives in the form of ingots or ingots into the liquid melt of the pure metal.
Derartige Masseln oder Barren haben aufgrund ihrer kompakten Größe den Nachteil, dass diese, wenn sie einen höheren Schmelzpunkt aufweisen, nur unvollständig aufgeschmolzen werden. Dadurch können im Schmelzbad größere Brocken oder Klumpen anfallen, ohne sich mit den anderen Legierungsbestandteilen zu mischen. Solche als Einschlüsse oder monoelementare Bereiche bezeichnete Brocken eines der Legierungsmetalle können später bei der Weiterverarbeitung des Legierungsmaterials zu Ausfällen führen.Due to their compact size, ingots or ingots have the disadvantage that, if they have a higher melting point, they are only partially melted. As a result, larger chunks or lumps may be produced in the molten bath without mixing with the other alloy constituents. Such chunks of one of the alloying metals, referred to as inclusions or mono-elemental regions, can later lead to failures in the further processing of the alloying material.
Eine Möglichkeit der Behandlung von Schmelzen ist die Drahtinjektion mittels Fülldraht, mit einem äußeren Mantel aus Metall und einem Füllmaterial, wobei das Füllmaterial ein oder mehrere pulverförmige Metalle oder körnige Metalle aufweist und das als Draht ohne Ummantelung ausgebildet ist.One way of treating melts is by fill wire wire injection, with an outer metal sheath and a filler material, wherein the filler material comprises one or more powdered metals or granular metals, and which is formed as a non-sheathed wire.
Fülldrähte zur metallurgischen Behandlung von Schmelzen sind hinlänglich bekannt. Diese Behandlung ist dadurch gekennzeichnet, dass, im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren, die Zugabemenge der Legierungszusätze zur Schmelze exakt gesteuert werden kann. Der Mantel des Fülldrahtes dient dazu, die pulverförmigen oder körnigen Legierungszusätze über eine Drahtinjektionseinrichtung zu transportieren bzw. der Schmelze zuzuführen.Cored wires for the metallurgical treatment of melts are well known. This treatment is characterized in that, in contrast to other known methods, the addition amount of the alloying additives to the melt can be accurately controlled. The jacket of the filler wire is used to transport the powdery or granular alloying additives via a wire injection device or to supply the melt.
Eine Drahtinjektionseinrichtung ist beispielsweise aus der
Aus der
Der Nachteil der Fülldrähte besteht darin, dass die Füllmaterialien oft in Granulat- bzw. Pulverform vorliegen, sodass der Fülldraht in der Regel nicht zu 100% mit dem Füllmaterial gefüllt ist. Hierbei verbleibt ein Lückenvolumen im Fülldraht, das mit Luft gefüllt bzw. die Füllmaterialien mit Luft durchsetzt sind. Mit zunehmender Zeitdauer nimmt die Wirksamkeit des Füllmaterials durch die Reaktion des Sauerstoffanteils der Luft mit dem Füllmaterial ab. Es kann zu Oxidationsreaktionen zwischen dem im Luftvolumen vorhandenen Sauerstoff und dem Füllmaterial kommen.The disadvantage of the cored wires is that the filling materials are often in granular or powder form, so that the cored wire is usually not filled to 100% with the filling material. This leaves a gap volume in the filler wire, which are filled with air or the filling materials are interspersed with air. As the period of time increases, the effectiveness of the filler decreases due to the reaction of the oxygen content of the air with the filler. There may be oxidation reactions between the oxygen present in the air volume and the filler.
Bei Füllstoffen, die bei Normalbedingungen nicht oder sehr langsam mit der eingeschlossenen Luft reagieren, kann beim Einbringen des Fülldrahtes in die Metallschmelze durch die Hitze der Metallschmelze eine Reaktion zwischen dem Füllstoff und der eingeschlossenen Luft erfolgen, wodurch der Füllstoff an Wirksamkeit verlieren kann und der Wirkungsgrad beim Einbringen in die flüssige Schmelze sich spürbar verringern kann.For fillers which do not or only very slowly react with the trapped air under normal conditions, the introduction of the filler wire into the molten metal can cause a reaction between the filler and the trapped air due to the heat of the molten metal which can cause the filler to lose efficiency and efficiency when introduced into the liquid melt can be noticeably reduced.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein manganhaltiges Vormaterial, das auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt ist, zur Verfügung zu stellen, das ohne Ummantelung auskommt.The object of the present invention is to provide a manganese-containing starting material, which is produced by powder metallurgy, available, which manages without sheathing.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Vormaterial. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Demzufolge weist das pulvermetallurgisch hergestellte manganhaltige Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer aluminiumfreien Magnesiumlegierung eine Zusammensetzung auf, die mit der Formel Mn100-x-y-zAxByCz beschrieben wird, worin A für mindestens eines der Elemente Cerium (Ce), Lanthan (La) oder einem Ce-Mischmetall, B für Scandium (Sc) und C für Zirkonium (Zr) steht und x, y, z die Bereiche der Zusammensetzungen von 0 ≤ x ≤ 37 Gew%, 0 ≤ y ≤ 4 Gew% und 0 ≤ z ≤ 9 Gew% betragen.The object is achieved on the one hand by the starting material described in claim 1. Preferred developments of the invention are described in the further claims. Accordingly, the manganese-containing starting material produced by powder metallurgy for producing a light metal alloy, preferably an aluminum-free magnesium alloy, has a composition which is described by the formula Mn 100-xyz A x B y C z , where A is at least one of cerium (Ce), lanthanum (La) or a Ce misch metal, B is scandium (Sc) and C is zirconium (Zr), and x, y, z are the ranges of compositions of 0 ≦ x ≦ 37% by weight, 0 ≦ y ≦ 4% by weight and 0 ≤ z ≤ 9% by weight.
Das Vormaterial kann als Draht oder als aus einer Vielzahl von miteinander verdrillten Drähten ohne eine Umhüllung oder einem Mantel ausgebildet sein. Die Herstellung der Drähte als Vormaterial zur Herstellung einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Magnesiumlegierung kann auf zwei Wegen erfolgen.The starting material may be formed as a wire or as a plurality of wires twisted together without a cladding or a sheath. The preparation of the wires as a starting material for producing a light metal alloy, preferably a magnesium alloy can be done in two ways.
Zum einen werden in einem ersten Schritt die metallischen Bestandteile des Vormaterials einzeln oder in Kombination durch Gasverdüsung in Pulverform überführt. In einem zweiten Schritt werden die pulverisierten Bestandteile entsprechend der gewünschten Zusammensetzung des Vormaterials gemischt und in einem dritten Schritt in einen Preßzylinder gefüllt und durch heißisostatisches Pressen zu einem Bolzen geformt wird. Beim heißisostatischen Pressen wird der Presszylinder in einen beheizbaren Druck-Kessel eingesetzt, worin dann das Pulver bei Temperaturen von bis zu 2.000°C, vorzugsweise unterhalb der Solidustemperatur des Bestandteils mit der höchsten Schmelztemperatur, und unter Drücken von 100 bis zu 200 MPa unter Schutzgas verdichtet wird. Der Gasdruck wirkt sich so von allen Seiten auf den Bolzen aus, so dass der Bolzen isotrope Eigenschaften erhält.On the one hand, in a first step, the metallic constituents of the starting material are transferred individually or in combination by gas atomization in powder form. In a second step, the pulverized ingredients are mixed according to the desired composition of the primary material and filled in a third step in a compression cylinder and formed into a bolt by hot isostatic pressing. In hot isostatic pressing, the press cylinder is heated Pressure vessel is used, in which then the powder is compressed at temperatures of up to 2,000 ° C, preferably below the solidus temperature of the component with the highest melting temperature, and under pressures of 100 up to 200 MPa under inert gas. The gas pressure acts on all sides of the bolt so that the bolt receives isotropic properties.
Durch den allseitig wirkenden Gasdruck und die hohen Temperaturen werden diffusionsgesteuerte Kriechvorgänge wirksam, die zur Verdichtung des Bolzenmaterials führen.Due to the gas pressure acting on all sides and the high temperatures, diffusion-controlled creep processes take effect, which lead to compression of the bolt material.
In einem vierten Schritt wird der so erhaltene Bolzen mittels einer Strangpresse mit Lochmatrize zu einem Draht verformt und anschließend der Draht aufgecoilt. Die Lochmatrize kann ein oder mehrere Löcher aufweisen, so dass gleichzeitig mehrere Drähte durch Strangpressen hergestellt werden können.In a fourth step, the bolt thus obtained is deformed by means of an extruder with a perforated die to form a wire and then the wire is recharged. The perforated die can have one or more holes, so that several wires can be produced by extrusion at the same time.
Zum anderen kann aus den Bestandteilen des Vormaterials eine Schmelze erzeugt werden, die dann mittels eines Zerstäubungsprozesses zu einem sprühkompaktierten Bolzen geformt wird. Der sprühkompaktierte Bolzen weist ebenso isotrope Eigenschaften auf und wird mittels einer Strangpresse mit Lochmatrize zu mindestens einem Draht verformt.On the other hand, a melt can be produced from the components of the starting material, which is then formed by means of a sputtering process into a spray-compacted bolt. The spray-compacted bolt also has isotropic properties and is deformed to at least one wire by means of an extrusion die with a perforated die.
Das zu einem Draht geformte Vormaterial kann zur Behandlung von Schmelzen insbesondere mittels Drahtinjektion zur Herstellung von Leichtmetalllegierungen verwendet werden. Die Legierungen können sowohl Magnesium- als auch Aluminiumlegierungen umfassen.The wire-formed primary material can be used to treat melts, in particular by wire injection, to produce light metal alloys. The alloys may include both magnesium and aluminum alloys.
Das als Draht ausgeformte Vormaterial kann einen Durchmesser von 1 mm bis 25 mm aufweisen. Da die Drähte für die Drahtinjektion bei größerem Durchmesser immer starrer werden, sind diese bevorzugt als verdrillte Drähte in Form von Seilen ausgebildet. Dadurch behalten die Drähte ihre Flexibilität.The formed as a wire starting material may have a diameter of 1 mm to 25 mm. Since the wire for wire injection with larger diameter are becoming more rigid, they are preferably formed as twisted wires in the form of ropes. This keeps the wires flexible.
Für den Einsatz des als Draht ausgebildeten Vormaterials zur Drahtinjektion von Schmelzen zur Herstellung von Leichtmetalllegierungen kommt es lediglich darauf an, dass das Vormaterial eine definierte Zusammensetzung hat.For the use of the formed as a wire starting material for wire injection of melts for the production of light metal alloys, it is only important that the starting material has a defined composition.
Anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher beschrieben werden.Reference to a preferred embodiment, the invention will be described in more detail.
Die Bestandteile des Vormaterials Mangan, Cerium, Lanthan, Scandium und Zirkonium werden einzeln mittels Gasverdüsung unter Schutzgas in Pulverform hergestellt. Anschließend werden die Pulver entsprechend einer bevorzugten Ausführung gemischt. Das Pulvergemisch enthält 60 Gew% Mn, 18 Gew% Ce, 9 Gew% La, 4 Gew% Sc und 9 Gew% Zr. Die so erhaltene Pulvermischung wird in einem Presszylinder gefüllt und mittels heißisostatischen Pressen zu einem Bolzen geformt. Das heißisostatische Pressen erfolgt vorzugsweise unter einem Druck von 150 MPa und einer Temperatur von ca. 1.000°C. Dabei kommt es zu einer fast vollständigen Verdichtung der Partikel und Auffüllung der Porenräume. Da einige der Bestandteile Schmelzpunkte unterhalb der Temperatur von 1.000°C haben, kommt es zu einer Kombination aus Festphasen- und Flüssigphasensintern.The constituents of the starting material manganese, cerium, lanthanum, scandium and zirconium are prepared individually by gas atomization under protective gas in powder form. Subsequently, the powders are mixed according to a preferred embodiment. The powder mixture contains 60% by weight of Mn, 18% by weight of Ce, 9% by weight of La, 4% by weight of Sc and 9% by weight of Zr. The powder mixture thus obtained is filled in a press cylinder and formed into a bolt by hot isostatic pressing. The hot isostatic pressing is preferably carried out under a pressure of 150 MPa and a temperature of about 1000 ° C. This leads to an almost complete compaction of the particles and filling of the pore spaces. Since some of the constituents have melting points below the temperature of 1000 ° C, there is a combination of solid phase and liquid phase sintering.
Der so erhaltene Bolzen wird anschließend mittels einer Strangpresse zu einem Draht verformt, der nach Austritt aus der Lochmatrize der Strangpresse aufgecoilt wird. Bevorzugt hat der Draht als Vormaterial für das Legieren der Magnesiumschmelze einen Durchmesser von 2 mm. Das als Draht ausgebildete Vormaterial wird bevorzugt zur Herstellung von Legierungen mittels des Drahtinjektionsverfahrens verwendet.The bolt thus obtained is then deformed by means of an extruder into a wire, which is aufgecoilt after exiting the die of the extrusion die. The wire preferably has a diameter of 2 mm as the starting material for alloying the magnesium melt. The starting material formed as a wire is preferably used for the production of alloys by means of the wire injection method.
Die pulvermetallurgische Herstellung des Vormaterials hat den Vorteil, dass Legierungsbestandteile, die nicht oder nur schwer schmelzmetallurgisch zu einer Vorlegierung verarbeitet werden können, trotzdem zu einem Vormaterial in Form eines massiven Drahtes hergestellt werden können, ohne das es einer Umhüllung oder eines Mantels bedarf.The powder metallurgy production of the starting material has the advantage that alloying constituents which can not or only with difficulty be melt-metallurgically processed into a master alloy can nevertheless be produced into a starting material in the form of a solid wire, without requiring an envelope or a jacket.
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