DE2119516C3 - Verfahren zur Herstellung einer Vorlegierung, die einer Aluminiumschmelze zum Zweck der Kornfeinung zugesetzt wird - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorlegierung, die einer Aluminiumschmelze zum Zweck der Kornfeinung zugesetzt wird, wobei bei Temperaturen bis zu 1500°C eine Aluminiumschmelze erzeugt wird, die 0,02 bis 6% Titan und 0,01 bis 2% Bor -to in Form von Titandiborid enthält (die obigen und auch die folgenden Prozentangaben beziehen sich jeweils auf Gewichtsprozente).

Derartige Vorlegierungen dienen dazu, einer Aluminiumschmelze vor der Erstarrung derselben zugesetzt zu werden, um eine feinere Korngröße des gegossenen Aluminiumproduktes und damit eine verbesserte Produklqualiläl zu erhalten.

Um beim Aluminiumguß zufriedenstellende Produkte /u erhalten, ist es als notwendig erkannt worden, der >o Schmelze einen Stoff zuzusetzen, der iiie Korn- bzw. Kristallbildung während des Erstarrungszeitraumes erleichtert, wobei dieser Zusatzstoff eine Erstarrung der Miiminiumschmclze zu einem grobkörnigen Produkt verhindern soll. Zu diesem Zweck werden dem >> Aluminium b/w. der Aluminiumschmcl/c verschiedene Kornfeiniingsstoffe als Vorlegierungen in fester Form /iigescl/t. beispielsweise in Form von kleinen Barren oder in form eines Drahlcs, der kontinuierlich in die Schmelze eingeführt wird. Die Vorlegierung kann w) ebenso auch in geschmolzenem Zustand zugesetzt werden.

Die liisher hcnut/ten Vorlcgicrtingcn bestehen hauptsächlich .ins Titan, lior iiml einer Verbindung aus F Hau iiful lior. Typische Vorlegieninpcn enthalten 2 bis hl 10% liliin im Aluminium. 0.) bis ^r>% Hör im Aluminium und 0.2 bis 10% Titan /iisammen mit 0.1 bis ^r>% lior. I ine iihliche im I laiulei erhältliche Vorlegierung enthalt 5% Titan und 1% Bor.

Vorlegierungen, die Titan und Bor enthalten, werden gewöhnlich derart hergestellt, daß die erforderlichen Mengen an Titan und Bor in einer Aluminiumschmelze bei Temperaturen, die über etwa 1200° C liegen, aufgelöst werden. Bei Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist es zuerst notwendig, eine spezifische Menge des Titans aufzulösen, bevor Bor zugesetzt wird. Das Bor wird in Form eines Borsalzes zugesetzt, gewöhnlich in Form von Kaliumborfluorid (KBF4). Das Borsalz wird in der Schmelze dissoziiert, und das freigesetzte Bor vereinigt sich dann schnell mit dem in der Schmelze vorhandenen Titan. Es ist ebenfalls möglich, in der Schmelze feinkörniges Titandiborid zu dispergieren.

Bei einem in der DE-AS 10 41695 beschriebenen Verfahren zur Kornfeinung von Aluminium- und Aluminiumlegierungsschmelzen, werden in die Schmelze innige Mischungen pulverförmiger Bor- und Titanverbindungen, insbesondere Kaliumvorfluorid und KaIiumtitanfluorid, mit Aluminium und/oder Magnesiumpulver eingebracht, wobei aus dieser Pulvermischung infolge aluminothermischer Reaktionen bei Zugabe zur Schmelze ΤΊΒ2 entsteht und als Kristallisationskeim wirkt. Bei diesem Verfahren wird somit keine Vorlegierung hergestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Titan-Bor-Aluminiumvorlegierung zu schaffen, deren Kornfeinungseigenschaften gegenüber üblichen Vorlegierungen beträchtlich verbessert sind, wobei gleichzeitig geringere Mengen an Titan und Bor erforderlich sein sollen als es bei den bisher im Handel erhältlichen Vorlegierungen der Fall ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Titandiborid enthaltende Schmelze unter Umrühren 15 Minuten bis 9 Stunden lang auf einer Temperatur gehalten wird, die zwischen der Schmelztemperatur der Vorlegierung und 900°C liegt. Dabei wird entweder Titan bei einer solchen Temperatur aufgelöst, daß die zugesetzte Menge in Lösung geht, bevor Bor zugesetzt wird, oder indem Titanborid in einer Aluminiumschmelze dispergiert wird.

Wenn größere Mengen Titan, beispielsweise in einer Größenordnung von 10% gelöst werden sollen, ist es aus thermodynamischen Gründen notwendig, daß die Temperatur während der Lösungsphase mindestens l200°C erreicht. Demzufolge ist es auch erforderlich, die Aluminiumschmelze schnell auf einer Temperatur unter 900⁰C abzukühlen, um das Auftreten unerwünschter Reaktionen zu verhindern. Da es schwierig ist, die Legierung schnell auf eine Temperatur abzukühlen, die unmittelbar über ihrem Schmelzpunkt liegt, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, daß man die Schmelze nach Zugabe von Titan und Bor und vor der Abstehbchandlung durch Einfüllen in kleinere gekühlte Formen schnell erstarren läßt, woraufhin das Metall bei einer Temperatur unter 900 C umgeschmolzen wird.

Der Titangehalt der Vorlegierung liegt vorzugsweise bei 0.2 bis 2% und der Horgehall liegt vorzugsweise bei 0.1 bis 1%. wobei die Temperatur wahrend der Aiiflösiiiigsphase im Bereich von 1200 bis 1¹JOOC liegt.

(ieniall einer bevorzugten Aiisfiihrungsform der I rfmdung wird die Schmelze f> Minuten bis 2,^r> Stunden lang auf einer 'Temperatur von h80 bis 720 C gehalten. Nach der Abstehbehandliing kann die Vorlegierung

direkt oder nach erfolgter Verfestigung benutzt werden, obwohl es vorteilhaft ist, die geschmolzene Vorlegierung zu dekantieren, um die Bildung von großen Titandiborid-Agglomeraten und anderen Verunreinigungen zu verhindern, die die Qualität der Vorlegierung verschlechtern könnten.

Die in dem Aluminium-Titan-System herrschenden Bedingungen ergeben sich aus vorhandenen Konstitutionsdiagrammen, aus denen entnommen werden kann, daß reines Aluminium bei etwa 660⁰C erstarrt, und daß eine peritektische Erstarrungslinie von einem Titangehalt von etwa 03% bei 665° C bis zur stöchiometrischen Zusammensetzung für AI₃Ti bei etwas 37,3% Ti herrscht. Damit AI₃Ti gebildet werden kann, muß der Titangehalt bei 665°C mindestens 0,15% betragen. Bei 900° C erreicht das Lösungsvermögen für Titan 1%.

Wenn Titan und Bor in Aluminium gelöst werden, bildet sich zwischen Titan und Bor schnell die Verbindung ΤΊΒ2, wobei AbTi während der Behandlungsdauer auskristsHisiert, um diese Verbindung zu umklammern. Die BiMung von AI₃Ti setzt voraus, daß die Titankonzentration in dem System den Gehalt übersteigt, der bei den in Frage stehenden Temperaturen zur Bildung von Al₃Ti notwendig ist. In diesem speziellen Fall wird um die TiB2-Körner ein Titankonzentrations-Gradient erhalten. Dieser Konzentrations-Gradient wird als Ergebnis davon erhalten, daß Titan aus Titandiborid dissoziiert und darin durch Aluminium ersetzt wird. Dieses macht es möglich, daß Titandiborid und Aluminiumdiborid die gleiche Kristallstruktur haben und sich in dem Kristallgitter ersetzen.

Es ist demzufolge notwendig, die Löslichkeitsgrenze bzw. Liquiduskurve in dem Ko>/Stitutii>jsdiagramm für AI₃Ti zu überschreiten, was dadurch geschehen kann, daß die Titankonzentration erhöht der die der Löslichkeitskurve mittels geeigneter Zusatzstoffe verändert wird. Auf diese Weise wird AI₃Ti um die TiB₂-Körner herumkristallisieren und kleine Kristalle bilden, welche die eigentlichen Kristallisationskerne bzw. Kristallisationskeime bilden. Die Bildung von AI₃Ti findet während der Abstehdauer innerhalb des oben erwähnten erfindungsgemäßen Temperaturintervalles statt. Wenn der Titangehalt der Vorlegierung eine solche Größe hat, daß AI₃Ti in der ganzen Schmelze gebildet werden kann, dann werden große Mengen AljTi-Kristalle gebildet, die sich bei der Benutzung der Vorlegierung lösen und dem Endprodukt hohe Titangehalte verleihen, wobei sie jedoch als Kristallisationskeime in geringerem Umfange wirksam sein werden infolge der Tatsache, daß diese Kristalle beträchtlich größer und in der Anzahl kleiner sind als die Kristalle, dieumdieTiB2-Körncr hefumgebildet werden.

Die ursprünglich in unregelmäßiger Form gebildeten TiB2-Körner werden etwa nach einer Stunde von einer regelmäßiger geformten Kristallschicht, die im wesentlichen AI)Ti umfaßt, umgeben sein. Die auf diese Weise gebildeten und einer Aluminiumschmelze zugesetzten Kristalle sind in der Lage, die Bildung der Körner schneller und wirkungsvoller in vorteilhafter Weise zu beeinflussen. Wenn die Vorlegierung nicht erfindungsgemäß abstehen gelassen wird, dann wird das T1B2 Aggregate bilden, die sich durch Schwerkraftausscheidung praktisch vollständig ablagern und entweder nicht an dem Gießprozeß teilnehmen oder von dem GuQmaterial mitgenommen werden, so daß dieses beispielsweise zum Walzen von Folien ungeeignet wird, bei dem die agglomerierten TiBj-Partikel während C¹^s

ίο Walzprozesses ein Zerreißen der Folie hervorrufen. Aus dem gleichen Grund wird eine große Menge T1B2 auf den Boden des Ofens fallen, ohne seine Funktion als Kornfeinungsrnittel zu erfüllen, wodurch es notwendig wird, TIB2 im Überschuß zuzusetzen, was die Wirtschaft-

Ii lichkeit der Aluminiumverarbeitung unter Verwendung dieses Zusatzstoffes in ungünstiger Weise beeinflußt. Eine große Menge an Kornfeinungsmittel macht es auch erforderlich, eine große Menge Titan in der Schmelze zu lösen. Die Erhöhung des Titangehaltes im Aluminium hat jedoch verschiedene unerwünschte Wirkungen, wie z. B. die Bildung von Federkristallen und Veränderungen der Leitfähigkeit des Endproduktes.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Vorlegierung kann in außerordentlich kleinen Mengen oder mit einem niedrigeren Titan- und Boranteil benutzt werden, da es möglich ist, das gesamte in der Legierung enths'.tene Titan und Bor aktiv auszunutzen.

Es versteht sich, daß die endgültige erwünschte Aluminiumschmelze insgesamt als eine Vorlegierung betrachtet und die Schmelze in einer Weise behandelt werden kann, gemäß der Titan und Bor zuerst bei höheren Temperaturen gelöst werden und die gesamte Schmelze anschließend eine Stunde lang unter Umrüh-

j5 ren auf einer Temperatur von etwa 700⁰C gehalten wird. Auf diese Weise wird die Kornfeinung äquivalent zu derjenigen sein, die mit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorlegierung erhalten wird. Eine derartige Behandlung einer Aluminium-

to schmelze ist jedoch teuer und in technischer Hinsicht schwer durchführbar, wobei außerdem ein unerwünschter Titangehalt in dem Endprodukt erhalten wird.

Es ist stattdessen insbesondere vorteilhaft, eine Vorlegierung herzustellen, die sich in Verbindung mit kontinuierlichen Gießprozessen außerhalb des Ofens in einem speziellen Behälter, oder in dem eigentlichen Gießstrahl einsetzen läßt. Die erfindungsgemäß hergestellte Vorlegierung ist insbesondere für diesen Zweck besonders geeignet, da sie der Schmelze unmittelbar in

V) dein Augenblick zugesetzt werden kann, in dem die Schmelze der Form zugeführt wird, wobei eine innige Vermischung mit der Schmelze stattfindet. Auf diese Weise ist das Kornfeinungsmittel in der Lage, seinen Einfluß unmittelbar wirksam werden zu lassen, wobei

-,-, mit einer beträchtlichen kleineren Gesamtmenge an Titan und Bor in dem Endprodukt ein in der Qualität besseres Produkt erhallen wird.

Claims (5)

Patentansprüche: IO 15

1. Verfahren zur Herstellung einer Vorlegierung, die einer Aluminiumschmelze zum Zwecke der K-ornfeinung zugesetzt wird, wobei bei Temperaturen bis zu 1500° C eine Aluminiumschmelze erzeugt wird, die 0,02 bis 6% Titan und 0,01 bis 2% Bor in Form von Titandiborid enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Titandiborid enthaltende Schmelze unter Umrühren 15 Minuten bis 9 Stunden lang auf einer Temperatur gehalten wird, die zwischen der Schmelztemperatur der Vorlegierung und 900° C liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Titandiborid enthaltende Schmelze schnell auf eine Temperatur unter 900° C abgekühlt und anschließend auf eine Temperatur erhitzt wird, die zwischen ihrer Schmelztemperatur und 900° C liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze nach Zugabe von Titan und Bor und vor der Abstehbehandlung durch Einfüllen in kleinere gekühlte Formen schnell erstarren gelassen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze 45 Minuten bis 23 Stunden lang auf einer Temperatur von 680 bis 720°C gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze im Anschluß an die Abstehbehandhing dekantiert wird.