DE2229453C3

DE2229453C3 - Verfahren zur Herstellung einer zu vergießenden Flüssig-Fest-Metallphase

Info

Publication number: DE2229453C3
Application number: DE2229453A
Authority: DE
Inventors: Robert Arlington Mehrabian
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1971-06-16
Filing date: 1972-06-16
Publication date: 1984-09-27
Also published as: SE7604240L; GB1400624A; CA957180A; JPS5143019B1; DE2229453A1; FR2141979B1; FR2141979A1; DE2229453B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Gattung.

Bekannte Gießverfahren, bei denen ein Metall in den schmelzflüssigen Zustand gebracht und dann in eine Form gegossen oder eingedrückt wird, haben eine Anzahl von Nachteilen: Das Schrumpfen beim Übergang aus dem flüssigen in den festen Zustand beträgt etv/a 5%; dir Abkühlvorgang dauert ziemlich lange; die völlig flüssige Schmelze ist gegenüber Formen stark erosiv; auch machen die hohe Temperatur der Schmelze und ihre erosive Wirkung den Formguß einiger Hochtemperaturlegierungen, wie z. B. Kupfer- oder Eisenlegierungen, schwierig.

Bei der Herstellung von Schaummetall ist es an sich bereits bekannt, Metallschmelzen im Subliquidusbereich zu vergießen und vorher zu rühren. So beschreibt die US-PS 33 00 296 ein Verfahren zur Herstellung von Schaummeiall, nach dem das Rühren außerhalb der Gießform im Obergangsbereich zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand erfolgt, um anorganische Verbindungsteilchen, die zwecks Senkung der Fluidität zugesetzt werden, gleichmäßiger in der fest-flüssigen Metallmasse zu verteilen. Das Schäumen kann in der Gießform oder auch außerhalb derselben bewirkt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickein, das zu einer Flüssig-Fest-Metallphase führt, die nach dem Vergießen eine möglichst geringe Schrumpfung beim Erstarren durchmacht, gegenüber der Gießform

ίο möglichst wenig erosiv ist und eine relativ kurze Erstarrungsdauer in der Gießform hat, und das auch den Formguß bisher schwierig in Formen gießbarer Hochtemperaturlegierungen, wie z. B. Kupfer- oder Eisenlegierungen, ermöglicht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die dem kräftigen Rühren der Flüssig-Fest-Metallphase zu verdankende Form der primären Festteilchen ermöglicht bei Festteilchengehalten bis zu 65 Gewichtsprozent eine entsprechend geringe Schrumpfung und Erstarrungsdauer in der Gießform sowie eine verringerte Gießformerosion, so daß auch bisher schwierig zu vergießende Hochtemperaturlegierungen, wie Kupferoder Eisenlegierungen, im Formguß herstellbar sind. Im Gegensatz dazu kann man üblicherweise behandelte fest-flüssige Metallmassen schon ab etwa 20 bis 30 Gewichtsprozent Festanteil nicht mehr vergießen.

Vorzugsweise wird die Abkühlung nur so weit geführt, bis etwa 50% der Mischung flüssig und 50% fest sind. Bei 40% Festgehalt hat die schlammartige Flüssig-Fest-Mischung eine Viskosität von etwa 0,1 bis 1 Pa-s.

In diesem Zustand kann die Schmelze vergossen werden, oder man kann sie auch schnell abkühlen, um ihre völlige Erstarrung zwecks Aufbewahrung und spätere Verwendung zum Gießen herbeizuführen.
Solche Flüssig-Fest-Mischungen lassen sich aus einer weiten Auswahl von Metallen und Metalllegierungen herstellen. Die primären Teilchen umfsssen kleine degenerierte Dendriten oder körnige Teilchen, die allgemein von kugelförmiger Gestalt sind und als Ergebnis des Rührens der Schmelze gebildet werden, wenn die Sekundärphase flüssig ist. Die primären Festteilchen bestehen aus einer einzigen Phase oder aus einer Mehrzahl von Phasen, die eine von der Durchschnittszusammensetzung der umgebenden Matrix verschiedene Zusammensetzung aufweisen, wobei die Matrix selbst bei -veiterer Erstarrung aus einer oder mehreren Phasen bestehen kann.

Mit dem Begriff »primäre feste Phase« isudie Phase oder sind die Phasen gemeint, die unter Bildung einzelner degenerierter Dendritenteilchen erstarren, wenn die Temperatur der Schmelze unter die Liquidustemperatur der Legierung in den Flüssig-Fest-Temperaturbereich abgesenkt wird, bevor man den so gebildeten flüssig-festen »Schlamm« vergießt. Mit dem Begriff »sekundäre feste Phase« ist die Phase oder sind die Phasen gemeint, die aus der im Schlamm existierenden flüssigen Schmelze nach Beenden des Rührens bei einer niedrigeren Temperatur als der erstarren, bei der sich die primären Festteilchen gebildet haben. Die in der Zusammensetzung gemäß der Erfindung erhaltenen primären Festteilchen unterscheiden sich von der normalen Dendritstruktur insofern, als sie aus einzelnen, in der restlichen flüssigen Matrix suspendierten Teilchen bestehen. Normal ohne Rühren erstarrte Legierungen haben in

den ersten Stadien der Erstarrung z. B. bis zu 15 bis 20 Gewichtsprozent Festanteil voneinander getrennte verzweigte Dendriten und entwickeln sich zu einem untereinander verfilzten Netzwerk, wenn die Temperatur weiter sinkt und der Festkörperanteil steigt Das Verfahren gemäß der Erfindung verhindert dagegen die Bildung des verfilzten Netzwerks, indem die einzelnen Primärteilchen voneinander durch die flüssige Matrix sogar bis zu Festaiiteilen von 60 bis 65 Gewichtsprozent getrennt gehalten werden. Die primären Festteilchen sind degenerierte Dendriten, d. h. sie sind durch im Vergleich fnit normalen Dendriten glattere Oberflächen und weniger verzweigte Formen gekennzeichnet, womit sie sich einer Kugelfonn annähern, und sie können eine quasidendritische Struktur an ihren Oberflächen aufweisen, die jedoch nicht so ausgeprägt ist, daß eine gegenseitige Durchdringung der Teilchen unter Bildung eines Netzwerkdendritgefüges auftritt Die Primärteilchen können innerhalb der Teilchen während ihrer Erstarrung Schmelze einschließen oder nicht, was von der Stärke des Rührens und der Zeitdauer abhängt in der die Teilchen im flüssig-festen Bereich gehalten werden. Jedoch ist das Einschließen von Schmelze gewichtsanteilsmäßig geringer als in normal erstarrten Legierungen, bei der gleichen Temperatur nach bekannten Verfahren zum Erhalten des gleichen festen Gewichtsanteils.

Die sekundäre feste Phase, die sich während der Erstarrung aus der flüssigen Matrix anschließend an die Bildung der primären Festteilchen bildet, enthält eine oder mehrere Phasen der Art, die man auch während der Erstarrung einer schmelzflüssigen Legierung gleicher Zusammensetzung nach derzeit üblichen Gießverfahren erhalten würde. Die sekundäre feste Phase kann also Dendriten, Einzel- oder Mehrphasenverbindungen, feste Lösungen oder Mischungen von Dendriten, Verbindungen und/oder feste Lösungen umfassen.

Die Abmessungen der primären Teilchen hängen von der verwendeten Legierung oder Metallzusammensetzung, der Temperatur der Fest-Flüssig-Mischung und dem angewendeten Rührgrad ab, wobei sich bei niedriger Temperatur und weniger starkem Rühren Schichtteilchen bilden. So kann die Größe der Primärteilchen von etwa 1 bis etwa 10 000 Mikron reichen. Vorzugsweise soll die Zusammensetzung bis 50 Gewichtsprc-7ent Primärieilchen enthalten, weil d.-jnn eine Viskosität vorliegt, die das Gießen vereinfacht oder das Formen fördert.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich unabhängig von der chemischen Zusammensetzung auf jedes Metallegierungssystem oder Reinmetall anwenden. Obwohl reine Metalle und Eutektika bei einer bestimmten Temperatur schmelzen, sind sie verwendbar, da sie am Schmelzpunkt in einem flüssig-festen Gleichgewicht existieren können, indem man die tatsächliche Wärmeaufnahme oder -abgabe der Schmelze so steuert, da3 das reine Metall oder das Eutektikum am Schmelzpunkt eine ausreichende Wärmemenge enthält, um nur einen Teil des Metalls oder des Eutektikums zu schmelzen. Dies ist möglich, da eine völlige Abführung der Schmelzwärme aus einem beim Verfahren gem?ß der Erfindung verwendeten Schlamm auf Grund der großen Abmessungen des normalerweise verarbeiteten Gußstücks nicht sofort vor sich geht. Der gewünschte Zustand wird durch Ausgleich der z. B. durch starkes Rühren zugeführten und der durch eine kühlere Umgebung abgeführten Wärmeenergie erreicht. Beispielsweise sind geeignete Legierungen die des Magnesiums. Zinns.

Aluminiums, Kupfers, Eisens, Nickels, Kobalts und Bleilegierungen, wie z. B. Blei-Zinn-Legierungen, Zink-Aluminium-, Zink-Kupfer-, Magnesium-Aluminium-, Magnesium-Aluminium-Zink-, Magnesium-Zink-, Aluminium-Kupfer-, Aluminium-Silizium-, AIuminium-Kupfer-Zink-Magnesium-Legierungen sowie Kupfer-Zinn-Bronzen, Messing, Aluminium-Bronzen, Stähle, Guöeisensorten, Werkzeugstähle, rostfreie Stähle, Supertegierungen, wie z. B. Nickel-Eisen-, Nickel-Eisen-Kobalt-Chrom- and Kobalt-Chrom-Legierungen. Auch reine Metalle, wie z. B. Eisen, Kupfer oder Aluminium s^:nd geeignet

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; darin zeigt

Fig. 1 eine Reproduktion einer Mikroskopaufnahme des Gefüges eines Gußstückes aus Zinn mit 10% Blei nach Herstellung unter Anwendung bekannter Verfahren,
F i g. 2 eine Reproduktion einer Mikroskopaufnahme des Gefüges eines Gußstückes der Legierung nach F i g. 1 nach Herstellung unter Anw ciidung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.3 eine teilweise weggeschnittene schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

F i g. 4 eine Reproduktion einer Mikroskopaufnahme des Gefüges eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußstückes aus Kupfer mit 10% Zinn,

F i g. 5 eine Reproduktion einer Mikroskopaufnahme des Gefüges eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußstückes aus Eisen mit 3% Kohlenstoff und 4% Silizium und

F i g. 6 eine Reproduktion einer Mikroskopaufnahme des Gefüges eines nach der» erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußstückes aus Aluminium mit 8,5% Silizium, 3,5% Kupfer und 1% Eisen.

Eine Flüssig-Fest-Phase aus Metallegierungen, die über einen Temperaturbereich erstarren, ist in Γ i g. 3 mit 1 bezeichnet Man stellt die Mischung durch Steigerp der Temperatur der Legierung in einem Tiegel 2 in einem elektrischen Ofen 3 her, bis ein wesentlicher Teil der Schmelze 1 gänzlich im schmelzflüssigen Zustand ist. Dann werden gegenläufig rotierende Flügel 4 und 4' in die Schmelze 1 eingeführt und mittel·: eines elektrischen Motors 5 zwecks Erzeugung kräftigen Rührens der Schmelze 1 mit einer Drehzahl von 300 bis 500 U/min in Rotation versetzt. Der Tiegel 2 wird durch einen Motor 6 ebenfalls (jedoch mit verringerter Drehzahl von 5 bis 10 U/min) in Rotation versetzt. Danach wird die Temperatur der Schmelze verringert, um eine teilweise Erstarrung oder, wenn etwas Festphase bereits existiert, deren Anteil zu erhöhen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Temperatursenkung und das starke Rühren nicht gleichzeitig vorgenommen werden müssen. Die Schmelze kann man auch zunächst abkühlen, um einen kleinen Gewichtsprozentsatz an Festteilchen zu erzeugen, und dann rühren, um die degenerierten Dendriten entweder mit oder ohne Weiterabkühlung entstehen zu lassen. Die Temperatur läßt sich im Sinne der vorliegenden Erfindung senken, bis höchstens etwa 65% primäre Festteilchen in der Mischung vorliegen, und man kann dann das Vergießen vornehmen. Bei 60% fester Phase ist die Viskosität der Mischung etwa 6Pa-s, und die Mischung läßt sich etwa wie Zement oder Klebstoff gießen. Bei 40% fester Phase ist die Viskosität -twa 0,4 Pa-s. und die Mischung läßt sich etwa wie schweres Maschinenöl bei Raumtemperatur gießen.

Die Viskosität bei 50% fester Phase ist etwa 2Pas. Viskositätsmessungen wurden mit Mischungen aus Zinn mit 15% Blei vorgenommen. Die vorstehend angegebenen Werte beziehen sich auf diese besondere Legierung und unterscheiden sich etwas davon, wenn andere Legierungen verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt läßt sich die Schmelze unter Anwendung üblicher Gießtechniken vergießen.

Fig.2 ist ein; Reproduktion einer tatsächlichen Mikrjskopaufnahme des Gefüges eines Gußstückes aus Zinn mit 10% B'ei, was nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gerührt und vergossen wurde, als die Flüssig-Fest-Mischung zu 65% im Zustand der primären festen Phase war. Die körnigen, primären, festen Mctallteilchen 10 und die sekundären Festteilchen 12 im Guß- stück muß man mit den Dendritteilchen bei Il in F i g. I vergleichen. Der schwarze Teil 13 der primären Festteilchen 10 umfaßt Schmelze, die in den primären Festteilchen während ihrer Bildung eingeschlossen wurde. Die Mikroskopaufnahmen nach Fig. I und 2 wurden mit lOfacher Vergrößerung hergestellt.

F i g. 4 ist eine Mikroskopaufnahme mit 15facher Vergrößerung eines Gußstückes aus einer Kupferlegierung mit 10% Zinn, die aus einer Zusammensetzung mit etwa 50 Gewichtsprozent primärer Festteilchen 14 vergossen wurde und außerdem sekundäre Festteilchen 15 enthält. Wie man beim Vergleich der Fig. 1 und 4 leicht beobachten kann, enthalten die primären Festteilchen 14 eingeschlossene Schmelze 16 und haben eine von der normalen Dendritstruktur sehr verschiedene Struktur.

F i g. 5 ist eine Mikroskopaufnahme mit 35facher Vergrößerung eines Gußstückes aus Eisen mit 3% Kohlenstoff und 4% Silizium, das aus einer Zusammensetzung mit etwa 30 Gewichtsprozent primären Festteilchen 17 vergossen wurde und außerdem sekundäre Festteilchen 19 enthält. Die primären Festteilchen 17 enthalten eingeschlossene Schmelze und Graphüplättchen JS und haben eine Nichtdendritstruktur.

F i g. 6 ist eine Mikroskopaufnahme mit 50facher Vergrößerung eines Gußstückes aus Aluminium mit 83% Silizium, 33% Kupfer und 1% Eisen mit etwa 40 Gewichtsprozent primären Festteilchen 20 und sekundären Festteilchen 21. Die primären Festteilchen 20 haben eine nichtdendritische Struktur.

Die Flüssig-Fest-Phase 1 kann, wenn das gewünschte Flüssig-Fest-Verhältnis erreicht ist. auch sehr schnell abgekühlt werden, um einen erstarrten Körper zur leichten Aufbewahrung zu bilden. Später kann der Körper auf die Temperatur der Flüssig-Fest-Phase mit dem besonders gewünschten Gewichtsverhältnis erhitzt und dann nach üblichen Methoden vergossen werden.

Ein nach dem gerade erläuterten Verfahren hergestellter abgekühlter Körper besitzt thixotrope Eigenschaften, wenn er wieder in den flüssig-festen Zustand erhitzt ist Er kann so in eine abgewandelte Formgießmaschine oder andere Vorrichtung in anscheinend fester Form eingeführt werden. Jedoch bewirkt die Scherkraft, die auftritt, wenn dieser anscheinend feste Körper in eine Formhöhlung gedrückt wird, daß er sich in ein Material verwandelt, dessen Eigenschaften nahezu die einer flüssigen Schmelze sind.

Es sind in diesem und im folgenden Absatz tatsächliche Werte bezüglich solcher Flüssig-Fest-Phasen enthalten, mit denen gearbeitet wurde, während die restlichen Absätze Erläuterungen allgemeinerer Art gewid- met sind. Was die Einzelheiten betrifft, so wurden Flüssig-Fest-Phasen unter Verwendung einer solchen Vorrichtung hergestellt, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, und

Pb		210°	C
Pb		195°	C
Sn		586°	C
Cu		633°	C
		549°	C
	_.	947°	C
	etwa	1110°	C

mit einer Drehzahl der Rührflügel von 500 U/min gearbeitet. Die Temperatursteuerung des Ofens 3 wurde unter Verwendung eines Thermoelements 7 vorgenommen, um Steucreingängc für eine Ofentemperatursteuereinrichtung 8 in Fig. 3 zu liefern. Die Temperaturen der Flüssig-Fest-Phase für 50% Feststoff und 50% Schmelze verschiedener Legierungen sind in folgender Aufstellung angegeben:

Sn - 10% Sn - 15% Al - 30% Al - 4.5%

Legierung von F i g. 6 Legierung von F i g. 4 Legierung von F i g. 5

Änderungen von der Mischung mit 50% primären Festteilchen und 50% Schmelze nach oben oder unten ergeben sich aus Änderungen der angegebenen Temperaturwerte.

Ein hergestelltes Gußstück unter Verwendung einer 50 :50-Flüssig-Fest-Phase hat einen Schrumpfwert von etwa 23% im Unterschied zu 5% beim Vergießen einer völlig flüssigen Metallschmelze, was für eine Zinn-Blei-Legierung ^iIt. Erstarrungsschrumpfwerte anderer Metalle sind: kisen 4%: Aluminium 6,6%; Kupfer4,9%.

Das Gießen des beschriebenen, teilweise erstarrten Gemisches läßt sich durch direktes Vergießen, durch Injektion oder auf andere den thixotropen Charakter der Masse berücksichtigende Weise vornehmen. Zum Schmieden mit geschlossener Form, zum Heißpressen, zum Vakuumformen (dieses Materials) und zu anderen Zwecken kann es vorteilhaft eingesetzt werden. Die besonderen Eigenschaften dieser Schlämme regen dazu an, daS Abwandlungen bisher bekannter Gießverfahren mit Vorteil vorgenommen werden können. Beispielsweise sei darauf hingewiesen, daß sich die effektive Viskosität der Schlämme durch Steuern des Anteils der primären Festteilchen steuern läßt; die hohen möglichen Viskositäten bei Anwendung der Erfindung führen zu geringeren Metallspritzverlusten und Lufteinschlüssen und ermöglichen höhere Gießgeschwindigkeiten bei diesem Gießverfahren. Weiter ergeben sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine gleichmäßigere Festigkeit und eine höhere Dichte der Gußstücke.

Die Rührmittel entsprechend F i g. 3 und nach der Beschreibung sind gegenläufig rotierende Flügel 4, 4', jedoch lassen sich auch elektromagnetisches Rühren, Durchleiten von Gasblasen und andere Rührmechanismen verwenden. Die Rührwirkung muß ausreichend sein, um die Bildung ineinander verfilzter Dendritnetzwerke zu verhindern oder die schon gebildeten Dendritverzweigungen an den primären Festteilchen im wesentlichen zu beseitigen bzw. zu verringern. Eine Diskussion der Theorie als Basis dieser Erfindung ist in einer Doktorarbeit des Erfinders Spencer unter dem Titel enthalten: »Rheology of Liquid-Soiid Mixtures of Lead-Tin«. Eine Anzahl der Elemente der Vorrichtung in F i g. 3 tragen ohne weiteres verständliche Bezeichnungen, und es ist anzunehmen, daß eine weitere Erläuterung ihrer Funktion überflüssig ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer in Formen abzugießenden Flüssig-Fest-Metallphase außerhalb der Gießform, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Ausgangsschmelze herstellt, die einen erstarrten Anteil aufweist, der noch kein verfilztes Dendritnetzwerk bildet, und daß man zur Umwandlung des erstarrten Anteils in primäre Festteilchen aus einzelnen degenerierten Dendriten oder körnigen Teilchen kräftig rührt, bis unter fortschreitendem Wärmeentzug maximal etwa 65 Gewichtsprozent der Mischung aus den primären Festteilchen bestehen und eine thixotrope Masse entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schmelze nach dem Rühren vollkommen erstarren läßt und den Festkörper zur Verwendung bei einem Gießprozeß wieder auf die Temperatur SJ'fheizt, bei der der thixotrope Zustand eintritt. ^;

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze nach dem Rühren direkt vergossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zuerst erstarrte Anteil gebildet wird, indem man eine Legierung auf eine Temperatur unter Liquidus erhitzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze bis zur Bildung von bis 50 Gewichtsprozent primärer Festteilchen abgekühlt wird.

6. Verfahren nach Απί/pruch ,', dadurch gekennzeichnet, daß man auf die scheinbar feste thixotrope Masse einen Druck einwirken iäf „ wodurch sie zu einem Material umgewandelt wird, dessen Eigenschaften mehr die einer Flüssigkeit sind, um das Material zu vergießen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zuerst erstarrte Anteil gebildet wird, indem man das Metall oder die Legierung über Liquidus erhitzt und anschließend abkühlt.