DE2263268A1

DE2263268A1 - Verfahren zur herstellung von aluminiumblei-legierungen

Info

Publication number: DE2263268A1
Application number: DE19722263268
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dipl Ing Dr Ahlborn; Hans Dipl Ing Dr Betz; Dietrich Dipl Ing Dr Ing Merz; Heinrich Dr Winter
Original assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Current assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Priority date: 1972-12-23
Filing date: 1972-12-23
Publication date: 1974-07-04
Also published as: ATA1078873A; FR2211533B1; DE2263268B2; AT328757B; GB1454909A; ES421746A1; FR2211533A1

Description

PATENTANWALT DIPL-PHYS. HEINRICH SEIDS 62 Wiesbaden-Bierstadt · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 12068 · Telefon (0 6121) 56 5382 Postscheck Frankfurt/Main 181008 · Bank Deutsche Bank 3956372 · Nass. Sparkasse 108003065

Wiesbaden, den 21. Dezember 1972 G 299 S/rd

GIyco-Metall-Wexke
Daelen & Lo ο s GmbH
Wiesbaden-Schierstein

Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Blei-legierungen

Die Erfindung bezeiht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Blei-Legierung mit Anteilen von etwa 3 "bis Gewichtsprozent Blei, insbesondere für die Verwendung als Lagerwerkstoff.

Lagerwerkstoffe auf der Basis von Aluminium mit hohen Anteilen von Zinn haben sich in der Praxis bewährt. Analog zur Entwicklungsrichtung bei anderen Lagerlegierungen, das Zinn möglichst durch das preislich günstigere Blei zu ersetzen, ist man auch bereits bestrebt gewesen, Aluminium-Blei-Legierungen mit Anteilen von etwa 3 bis 26 Gewichtsprozent Blei als Lagerwerkstoff zu benutzen (DT-OS 1 913 168). Solche Lagerwerk-

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stoffe stellen aber tatsächlich keine echte Legierungen dar· '

Vielmehr ist das Blei in Form von Ausscheidungen in der Aluminiummatrix angeordnet. Wenn eine möglichst feine, gleichmäS- »sig verteilte Anordnung der Bleiausscheidungen in der AIuminiummatrix erreicht werden könnte, ist zu erwarten, dass solche Werkstoffe hervorragende Gleiteigenschaften aufweisen. Ausserdein sind solche Werkstoffe aufgrund ihres erheblich geringeren Preises wesentlich wirtschaftlicher als die bisher zu diesem Zweck eingesetzten Aluminium-Zinn-Legierungen. Es ist jedoch bisher kein geeignetes Verfahren bekannt, wirklich als Lagerstoff brauchbarer Aluminium-Blei-Legierungen im technischen Maßstab herzustellen.

Es ist zwar bereits dazu vorgeschlagen worden, Aluminium und Blei getrennt voneinander zu schmelzen, und beide Schmelzen in freiem Fall zusammenzugiesen und auf eine gekühlte ELäohe fallenzulassen (DT-OS 1 533 254). Hierdurch lassen sich aber, wie die Praxis zeigt, nur relativ grobe Verteilungen des Kleies in der Aluminiummatrix erreichen. Duroh die bekannte Miachungslücke in flüssigem Zustand zwischen Aluminium und Blei, müssten die nach diesem bekannten Verfahren zusammengeführten, getrennten Schmelzen sehr weit über ihren Schmelzpunkt hinaus erhitzt werden, um sich beim Zusammenführen überhaupt zu vermisohen.

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Dies erhöht aber die technischen Sohwierigkeiten,, insbesondere im Hinblick auf die "bei Temperatures! oberhalb des Schmelzpunktes stark hervortretenden hohen Affinität des Aluminiums. zu den verschiedensten arideren Elementen,, insbesondere Sauerstoff. Hierdurch war es bisher nicht möglich, dieses Yerfahren in der Praxis in technischem Maßstab durchzuführen»

Bs ist auch ein Vorschlag bekannt geworden, wonach eine Aluminium-Blei-Schmelze zunächst intensiv gemischt und dann kontrolliert abgekühlt j und während des Abkühlensj, insbesondere beim Durchlaufen der Mischungslücke ausserer Kraftwirkung₃ beispielsweise Schwerkraft- oder Zentrifugenwirkung unterworfen wird (US-PS 3 410 331). Diese .Arbeitsweise ist ausserordentlich schwierig und führt vor allem nicht zu einer gleichmassigen Verteilung^ sondern zu einer Seigerung, die sich durch die äussere Krafteinwirkung während des kontrollierten Abkühlens nur steuern, aber nicht beheben lässt»

Es ist auch bereits zur Herstellung von Aluminium-Blei-Legierungen vorgeschlagen worden, die Schmelzen von Aluminium und Blei getrennt in einer Stickstoffatmosphäre auf ein Stahlblech aufzusprühen (I¹R-PS 2 095- 384). Das Versprühen erfolgt durch YerdÜsen mit Stickstoff. Die Schmelzen werden durch den Gasstrom in feinste Tröpfchen zerteilt und so rasch abgekühlt, dass sie beim Auftreffen auf das Stahlblech nahezu erstarrt sind. Es resultiert daher keine ausreichende Bindung mit der

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Unterlage und eine porige Struktur. Tröpfchen der erforderlichen Feinheit (Durchmesser in der Grössenordnung von n) lassen sich mit diesem Verfahren nicht aufschleudern. Sie sind bereits vor dem Auftreffen völlig, oder zumindest weitgehend erstarrt. Daher ist auch die Einlagerung von u-feinen Bleiteilchen in eine Aluminiummatrix auf diese Weise nicht realisierbar. Ausserdem bedarf es einer hochreinen Schutzgasatmosphäre und eines hochreinen Schutzgases als Treibmittel. Dies hebt aber den Preisvorteil des Bleis gegenüber Zinn wieder auf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Blei-legierungen mit Anteilen von etwa 3 bis 26 Gewichtsprozent Blei, insbesondere für die Verwendung als Lagerwerkstoff zu sohaffen, das sich ohne weiteres auch in technischem Maßstab durchfuhren lässt und zu gleichmässiger, feiner Verteilung der Bleiausscheidungen in der Aluminiummatrix führt. Dabei soll der durch das Blei gegebene Preisvorteil gegenüber Zinn erhalten bleiben.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Schmelze der Legierungsbestandteile auf eine Temperatur oberhalb der Mischungslücke aufgeheizt und in ansicht bekannter Weise durch Absaugen und rotierendes Abschleudern in kleine Schmelzentröpfchen verteilt wird, die durch sehr rasches

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Erstarren in G-ranulatform gebracht werden.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass für die Gewinnung einer Aluminium-Blei-Legierung aus der Schmelze der Legierungsbestandteile unter Sicherstellung einer gleichmassigen, feinen Verteilung des ausgeschiedenen Blei in der Aluminiummatrix'es nicht genügt, die Schwereseigerung auszuschliessen. Alle "bisher bekannten Versuche und Vorschläge für das Gewinnen von Aluminium-Blei-Legierung durch Abkühlen einer Legierungsschmelze sind daran gescheitert, dass nur die Verhinderung der Schwereseigerung in Betracht gezogen wurde. Vielmehr wurde im Rahmen der Erfindung erkannt ₉ dass bei der sehr hohen Diffusionsgeschwindigkeit von geschmolzenem Aluminium und Blei innerhalb der Mschungslücke ein sehr schnelles· Koagulieren des geschmolzenen Bleis in geschmolzenem Aluminium in Art einer Ostwäld-Reiäung eintritt, die sich durch mechanische Einwirkung bzw. KraftEinwirkung nicht be·^ einflussen lässt. Erst durch das gemäss der Erfindung vorzunehmende sehr rasche Erstarren ist es möglich, die Schmelze so schnell einzufrieren, dass Seigerung und Koagulation noch nicht zur Ausbildung grober Bleiteilchen führen können.

Im Verfahren gemäss der Erfindung wird eine ansich für die Herstellung anderer Aluminium-Legierungen bekannte Arbeitsweise zum Verteilen der Schmelze in kleine Schmelzentröpf-

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chen und zum sehr raschen Erstarren dieser Schmelzentröpfchen in Granulatform benutzt (vergl. DT-AS 1 285 098, DT-OS 1 923 658). Bei der Anwendung dieser bekannten Arbeitsweise für die Herstellung von Aluminium-Blei-Legierungen kommt gegenüber den bisher bekannten Anwendungsweisen die erhebliche Erschwernis hinzu, dass die gemeinsame Schmelze der Legierungsbestandteile auf eine Temperatur oberhalb der Mischungslücke zu erhitzen ist. Es hat sich aber überraschend herausgestellt, dass trotz der in der Schmelze einzustellenden, sehr hohen Temperaturen keine nennenswerte Oxydation an den erzeugten Granulatteilchen auftritt, und auch beim Abschleudern der Sohmelzentröpfchen mit so stark erhöhter Temperatur selbst in normale, Wasserdampf enthaltende, atmosphärische Luft keine Wasserstoffversprödung auftrat, wenn sie an der Oberfläche' der Schmelze selbst verhinder wurde. Völlig überraschend wurde jetzt doch festgestellt, dass jetzt auch in den Schmelzentröpfchen, selbst wenn sie einen Durchmesser von weit über einem Millimeter aufweisen, keinerlei Schwereseigerung von Blei im erstarrten Granulat zu finden waren.

Zudem ermöglicht das beschriebene Verfahren ein zügiges und kontinuierliches Arbeiten. Das kontinuierlich anfallende Granulat kann direkt zu Blechen oder Strang gepresstem Halbzeug weiterverarbeitet werden.

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In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Schmelzentröpfchen in freiem Plug zn sehr raschem Erstarren in iorm von länglich-rundem Granulat gebracht„ Das auf diese.Weise an Luft erzeugte länglich-runde Granulat weist eine metallisch glänzende Oberfläche auf und lässt sich hervorragend direkt zu Blechen verwalzen oder zu Strangpressbolzen kompaktieren und anschliessend Strangpressen,, Durch das relativ kleine Verhältnis der Teilchenoberfläche zum Teilchenvolumen und der überraschend geringen Oxydhaut ist der Anteil an U₉O₇ nicht störend. Würde man versuchen^ durch Yerdüsen wesentlich kleinere Schmelzentröpfchen zu "bilden, dann würde dies nicht zuletzt durch das wesentlich grössere Verhältnis von Teilchenoberflache zu Teilehenvolumen zu einem erheblichen,, grösseren und störenden Anteil AIpO^ führen»

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die Schmelzentröpfchen zum Aufprallen auf gekühlte Flächen gebracht, an denen sie sich zu dünnen, flockenartigen Granulatteilchen auseinanderziehen und sehr rasch erstarren« Die auf diese Weise erzeugten, sehr rasch erstarrten Blättchen zeigen extrem feine und gleichmässig verteilte BIeiausScheidungen in der Aluminiummatrix. Die Oberflächenqualität ist auch beim Arbeiten an feuchter Luft hervorragend. Das flockenartige

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Granulat kann direkt ohne Schwierigkeiten zu Blech verwalzt oder kompaktiert und stranggepresst werden·

Nach dem Waleen oder Strangpressen kann "bei jeder der beiden Ausführungsformen eine Wärmebehandlung angeschlossen werden, um eine gewünschte Vergröberung der extrem feinen Bleiausscheidungen zu erreichen, um die optimalen Gleiteigenschaften des Lagerwerkstoffes einzustellen.

Im Rahmen der Erfindung ist es von besonderem Vorteil, wenn die hoch erhitzte Schmelze zur Vermeidung von Bleiverlusten durch Abdampfen und zur Verhinderung der Wasserstoffversprödung mit einem Schutzsalz abgedeckt wird. Dies ist im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich, da der zur Durchführung der anlsich bekannten Arbeitsweise bereits vorgeschlagene Saugheber (vergl. DT-AS 1 285 098 bzw. DT-OS 1 923 658 und DT-OS 2 049 458) ein ausreichend langes Ansaugrohr tragen kann, das durch die aufschwimmende Schutzsalzschicht hindurchgreift und die Schmelze aus tieferen Bereichen absaugt·

Durch die Erfindung wird eine sehr gleichmässige Verteilung extrem feiner Bleiausscheidungen in der Aluminiummatrix erreicht, da hierzu die erforderliche hohe Abkühlungsgeschwindigkeit der hoch erhitzten Aluminium-Blei-Schmelze gewährleistet ist, während sich bei den bekannten Verfahren, insbesondere

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auoh dem Giess-Walzwyerfahren (DtO-OS 1 533 254 unä 1 913 168)

allenfalls Abkühlungsgeschwindigkeiten der Grössenordnung 10 ö/seo. realisieren lassen und beim Verdüsen der Schmelze etwa 10 °ö/seo erreichbar sind, werden im Verfahren gemäss der Erfindung Abkühlungsgeschwindigkeiten der Grössenordnung 10 °G/sec benutzt.

In der Zeichnung zeigen zur Erläuterung der Erfindung:

Pig. 1 ein Temperatur-Mischungsdiagramm für Aluminium und Blei j

Pig. 2 eine schaubildliche Wiedergabe einer Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindungj - Pig. 3 eine schaubildlichen Wiedergabe einer zweiten

Ausführungsform des Verfahren gemäss der Erfindung in S itenansicht und

fig. 4 eine schaubildliche Wiedergabe der Ausführungsform des Verfahrens gemäss Pig. 3 in Draufsicht.

Wie Pigur 1 zeigt, liegt das Aluminium in festem Zustand bis zur Temperatur des alundniumserfcim iJutektikums, nämlich 658,5° vor. Oberhalb von 658,5° und 1,5Wt-Prozent (Gewichtsprozent) Bleigehalt liegen Aluminium und Blei in zwei getrennten flüssigen Phasen vor,· bis zu der in Pig. 1 gezeigten.

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(am oberen Rand des Diagramms unterbrochenen) Entmischungskurve. In Pig. 1 ist die Entmischungskurve aluminiumseitig oberhalb 1000° und bleiseitig oberhalb 1100° gestrichelt dargestellt, weil sie in diesen Bereichen nooh nicht mit der erforderlichen Genauigkeit wissenschaftlich ermittelt werden konnte. Oberhalb der Entmischungskurve ist die Legierung mischbar, stellt also eine echte Mischung von Aluminium- und Blei-Atomen dar.

Durch die Erfindung soll der Oberhalb der Entmisohungskurve der Pig. 1 liegende Zustand der Legierungsschmelze weitestgehend eingefroren werden. Je breiter dabei das zu durchlaufende Temperaturintervall ist, in welchem Aluminium und Blei in getrennten flüssigen Phasen vorliegen, und je langsamer dieser Temperaturintervall durchlaufen wird,, umso grosser, d.h. gröber werden aufgrund der Diffusionsvorgänge naturgemäss die in die Aluminiummatrix eingeschlossenen Teilchen von ausgeschiedenem Blei.

Wie das Diagramm der Pigur 1 ferner zeigt, erhöht sich die Temperatur, bei der Aluminium und Blei mischbar werden auf dem aluminiumseitigen Ast der Entmischungskurve sehr stark mit zunehmendem Bleigehalt. Dies bedeutet, dass auch das beim Einfrieren des Hischungszustandes zu durchlaufende Temperatur-

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intervall mit zunehmendem Bleigehalt erheblich, grosser wird. Ausserdem wird naturgemäss die Affinität des Aluminiums·zu anderen Elementen, insbesondere Sauerstoff, Wasserstoff u.dgl. mit zunehmender !Temperatur erheblich stärker.

Figur 2 zeigt ein Schema für eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung. In eine Aluminium-Blei-Schmelze 1, die sich in echtem Legierungs- bzw. Hischungszustand befindet, ist von oben her ein Zentrifugalheber 2 eingetaucht, der durch einen Motor 3 in schnelle Drehbewegung versetzt wird. Die Schmelze 1 ist, wie dargestellt, mit einer Schutzschicht 4 aus geschmolzenen Salzen abgedeckt. Der Saugheber 2 greift mit seinem aIngen Schaft durch diese Schutzschicht 4 in die Schmelze 1 und schleudert an seinem oberen Teil die angesaugte Schmelze in Form von Schmelzentrqtfchen 5 ringsum symmetrisch zu seiner vertikalen Drehachse, etwa schräg nach oben, radial nach aussen, wie dies durch die in Figur 2 gezeigten Bahnen angedeutet ist. Während ihres freien Fluges erkalten die Schmelzetröpfchen 5 sehr schnell und zwar mit einer mittleren Geschwindigkeit bis zu 1Cr °C/sec. Die Schmelzetröpfchen 5 erstarren dabei zu länglich-runden Granulatteilchen, die, wie dargestellt, in ringsumlaufenden Rinnen 6 aufgefangen und zur Weiterverarbeitung abgeführt werden.

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Im Beispiel der Figuren 3 und 4 wird vom gleichen Grundaufbau der Vorrichtung ausgegangen, jedoch mit dem Unterschied, dass anstatt der in Figur 1 vorgesehenen Auffang— und Abtransportrinne 6 ringsum angeordnete Kühlflächen 7 vorgesehen sind. Die Schmelzetröpfchen 5 treffen schräg zur Flugrichtung auf diese Kühlflachen 7 und werden dadurch sehr schnell abgekühlt, wobei sie sich blattchenförmig oder flockenJB rmig entlang der Kühlflächen formen und dadurch ein flockenförmiges G-ranulat 8 ergeben, das wiederum aufgefangen und zur Weiterverarbeitung abtransportiert wird. Die auf diese Weise erzielbare Abkühlgeschwindigkeit ist noch höher als im Fall der Figur 1, beispielsweise bis zu 10 °C/sec. Wie Figur 4 durch die voll ausgezogene und die gestrichelte Darstellung zeigt, ist es möglich, die Kühlflächen 7 in ihrer Winkelstellung bezüglich der von dem Saugheber 2 ausgehenden Radien auf den für den ^■/eiligen Anwendungsfall günstigsten Wert einzustellen. Dieser günstigste Viert lässt sich durch Versuche empirisch ermitteln.

Alle in der Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung wiedergegebenen Merkmale können für sich allein oder in jeder denkbaren Kombination von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung sein.

Patentansprüche:

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Claims

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1. Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Blei-Legierungen mit Anteilen von etwa 3 bis 26 Gewichtsprozent Blei, insbesondere für die Verwendung als Lagerwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze der Legierungsbestandteile auf eine !Temperatur oberhalb der Mischungslücke aufgeheizt und in ansich bekannter Weise durch Absaugen und rotierendes Abschleudern in kleine Schmelzentröpfchen verteilt wird, die zu sehr raschem Erstarren in G-ranulatform gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzentröpfchen im freien 3?lug zu sehr raschem Erstarren in Form von länglich-rundem G-ranulat gebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzentröpfchen zum Aufprallen auf gekühlte Flächen gebracht werden, an denen sie sich zu dünnen, flockenartigen Granulatteilchen auseinanderziehen und sehr rasch erstarren.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzentröpfchen um eine vertikale Achse rotationssymmetrisch seitlich abgeschleudert werden.

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat direkt zu Blechen verwalzt oder kompaktiert und zu Halbzeug stranggepresst wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5$ dadurch gekennzeichnet, dass die hoch erhitzte Schmelze zur Vermeidung von Bleiverlusten durch Abdampfen und zur Verhinderung der Wasserstoffversprödung mit einem Schutzsalz abgedeckt wird.

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