DE2510853A1

DE2510853A1 - Kontinuierliches verfahren zum erzeugen einer nichtdendritische primaere festteilchen enthaltenden legierung

Info

Publication number: DE2510853A1
Application number: DE19752510853
Authority: DE
Inventors: Merton C Flemings; Robert Mehrabian; Rodney G Riek
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1976-01-29
Also published as: US3902544A; SE7507959L; GB1509062A; JPS519004A; FR2277638A1; JPS5620944B2; SE422082B; DE2510853C2; FR2277638B1; SE422082C; IT1038149B; CA1045782A

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. R. B E ETZ sen. Dipl.-lng. K. LAMPRECHT Dr.-lng. R. B E ETZ jr.

8 Λ/lünonen 22, steinsdorfstr. 10 Tel. (089)227201/227244/295910

Telegr. Allpatent München Telex 522O48

65-23.916P(23.917H)

12. 3. 1975

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts

(V. St. A.)

Kontinuierliches Verfahren zum Erzeugen einer nicht-dendritische primäre Festteilchen enthaltenden Legierung

Die Erfindung bezieht sich auf ein kontinuierliches Verfahren zum Erzeugen einer nicht-dendritische primäre Festteilchen enthaltenden festen oder flüssig-festen Metallzusammensetzung und auf Verfahren zur Formung solcher Zusammensetzungen.

Es ist bekannt, splche nicht-dendritische Primärteilchen enthaltenden Legierungen im chargenweisen Betrieb herzustellen. So beschreibt die DT-OS 2 229 453 ein Verfahren zur Herstellung einer homogenen Mischung aus einer flüssig-festen Metallzusammensetzung, in der der

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Festanteil aus einzelnen degenerierten Dendriten oder Noduln besteht, aus einer Ausgangsmetallzusammensetzung, die beim Erstarren aus dem Schmelzzustand ohne Rühren ein Dendritgefüge bildet, gemäß dem man die Ausgangsmetallzusammensetzung bis zum Schmelzen erhitzt, sie dann kräftig rührt und zur teilweisen Erstarrung unter Bildung primärer Festteilchen in Form der einzelnen degenerierten Dendriten oder Noduln bei gleichzeitiger Verhinderung der Bildung zusammenhängender dendritischer Netzwerke bis zur Erreichung eines Anteils von bis zu etwa 65 Gew.-% primärer Festteilchen in der Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung abkühlt. Daran anschließend kann die Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung direkt vergossen oder zunächst zur völligen Erstarrung gebracht und später nach erneutem Aufheizen in diesen Flüssig-Fest-Zustand vergossen werden.

Aus der DT-OS 2 339 747 ist es zusätzlich bekannt, bei diesem Verfahren mit chargenweisem Betrieb der Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung noch feste Teilchen aus einem von der Legierung abweichenden Material als dritte Phase in einer Menge bis zu etwa 65 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung einschließ lich dieser dritten Phase, zuzusetzen sowie homogen in der Flüssig-Fest-Zusammensetzung zu verteilen.

Es wurde gefunden, daß die nach diesen Verfahren erzeugten Zusammensetzungen bei Gießverfahren wesentliche Vorteile im Ver gleich mit den bekannten Gießverfahren liefern, bei denen eine völlig flüssige Metallschmelze in eine Form gegossen oder unter Druck eingebracht wird. Es ergeben sich einige Problerne beim Vergießen einer Legierungsschmelze, darunter jenes, daß beim Übergang aus dem flüssigen in den festen Zustand normalerweise eine Metallschrump-

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fung auftritt und der Abkühlungsvorgang verhältnismäßig lange dauert. Außerdem verhalten sich zahlreiche Legierungsschmelzen gegenüber Formen und Kokillen stark erosiv, und die hohe Temperatur der Schmelzen sowie deren erosive Eigenschaften machen das Vergießen solcher Legierungen, wie Kupfer- oder Eisenlegierungen in gewisse Formen schwierig oder unmöglich. Durch Vergießen eines die genannten nicht-dendritischen primären Festteilchen enthaltenden flüssigfesten Schlammes wird diese Problematik wesentlich gemildert oder beseitigt, da die Form in Berührung mit einer Metallzusammensetzung kommt, die eine verhältnismäßig niedrige Temperatur aufweist, so daß sowohl das Erosionsproblem als auch die Abkühlungszeiten und die Metallschrumpfung verringert sind.

Die in den genannten Druckschriften besonders beschriebenen Verfahren liefern Erzeugnisse, die gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile bieten. Jedoch arbeiten die dort im einzelnen offenbarten Verfahren mit chargenweisem Betrieb und weisen insofern noch gewisse Nachteile im Vergleich mit dem in der vorliegenden Anmeldung angestrebten kontinuierlichen Verfahren auf. Bei diesen mit chargenweisem Betrieb arbeitenden Verfahren wird die gesamte Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung einschließlich ihrer Oberfläche, die sich in direkter Berührung mit einer gasförmigen Umgebungsatomosphäre befindet, einem kräftigen Rühren unterworfen. Aufgrund dieses kräftigen Rührens ergibt sich das Mitreißen einer gewissen Gasmenge in die erzeugte Metallzusammensetzung, was unerwünscht ist, da das mitgerissene Gas aus der Metallzusammensetzung erzeugte Gegenstände ungünstig beeinflussen kann. Außerdem ist das Arbeiten mit chargenweisem Betrieb gewöhnlich langsam, und die Temperatursteuerung ist dabei allgemein schwieriger.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte, aus der DT-OS 2 229 453 bekannte Verfahren so weiterzubilden, daß es kontinuierlich oder halb-kontinuierlich durchführbar ist und gleichzeitig eine Gasaufnahme der Metallzusammensetzung während des kräftigen Rührens verhindert-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die geschmolzene Ausgangsmetallzusammensetzung aus einer ersten, nur dem Aufschmelzen dienenden Zone in wenigstens eine mit der ersten Zone verbundene Rührzone überführt, die gegenüber der ersten Zone zur Verhinderung eines Mitreißens von Gas in die Rührzone abgedichtet ist, daß man das kräftige Rühren und Abkühlen in der bzw. jeder Rührzone durchführt und daß man die abgekühlte Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung aus der bzw. jeder Rührzone mit etwa der gleichen Durchsatzgeschwindigkeit abzieht, mit der man die geschmolzene Ausgangsmetallzusammensetzung aus der ersten Zone in die Rührzone(n) überführt.

Das Überführen der Schmelze aus der ersten Zone in die Rührzone (n) und das Abziehen der abgekühlten Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung aus der bzw. jeder Rührzone können kontinuierlich oder halb-kontinuierlich erfolgen. Die aus der Rührzone abgezogene Mischung kann gegossen oder durch eine an die Rührzone angrenzende Formungszone geleitet werden. Die erhaltene Zusammensetzung kann die Formungszone entweder völlig fest oder als flüssig-feste Mischung verlassen. In jedem Fall besteht die Zusammensetzung aus nicht-dendritischen primären Festteilchen, die homogen in einer zweiten Phase verteilt sind, die entweder fest oder flüssig sein kann. Wenn die zweite Phase flüssig ist, kann man die so gebildeten Zusammensetzungen abkühlen

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lassen oder sofort durch Gießen in eine bestimmte Form bringen. Wenn das Enderzeugnis völlig fest ist, kann es zu einem späteren Zeitpunkt durch Wiedererhitzung in den flüssig-festen Temperaturbereich geformt werden, in dem es thixotrop sein und durch einwirkende Scherkräfte formbar gemacht werden kann.

Unter dem Begriff "primäre Festteilchen" versteht man die unter Bildung einzelner degenerierter Dendritteilchen erstarrte Phase bzw. erstarrten Phasen, wenn die Temperatur der Schmelze unter die Liquidustemperatur der Legierung in den Flüssig-Fest-Temp eraturbereich vor dem Gießen des gebildeten Flüssig-Fest-Schlammes verringert ist. Mit dem Begriff "sekundäre Festteilchen" oder "sekundäre Festphase" meint man die Phase oder Phasen, die aus dem im Schlamm vorliegenden schmelzflüssigen Anteil bei einer niedrigeren Temperatur als der, bei der die primären Festteilchen gebildet wurden, erstarren, nachdem das Rühren beendet ist. Die in den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Zusammensetzungen erhaltenen primären Festteilchen unterscheiden sich von normalen Dendritgefügen dadurch, daß sie einzelne in der übrigen flüssigen Matrix suspendierte Teilchen darstellen. Normal ohne Umrühren erstarrte Legierungen enthalten verzweigte Dendriten, die voneinander in den frühen Stadien der Erstarrung, d. h. bis zu etwa 15 bis 20 Gew.-% Festanteil noch getrennt sind und sich zu einem untereinander zusammenhängenden Netzwerk entwickeln, wenn die Temperatur gesenkt wird und der Festgewichtsanteil steigt. Bei dem Gefüge der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Zusammensetzungen vermeidet man dagegen die Bildung eines zusammenhängenden Dendritnetzwerkes , indem man durch das starke Rühren bewußt die einzelnen primären Festteilchen durch die flüssige Matrix auch bis zu Festgehalten

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von 60 - 65 Gew.-% voneinander getrennt hält. Die primären Festteil- " chen sind degenerierte Dendriten, wobei sie dadurch gekennzeichnet sind, daß sie im Vergleich mit normalen Dendriten glattere Oberflächen und weniger verzweigte Gestalten unter Annäherung an Kugelform aufweisen und allenfalls ein quasi-dendritisches Gefüge an ihren Oberflächen, jedoch nicht in solchem Maße zeigen können, daß eine gegenseitige Verbindung der Teilchen unter Bildung eines dendritischen Netzwerkgefüges auftritt. Die primären Festteilchen können noch Schmelzeeinschlüsse in ihrem Inneren während der Teilchenerstarrung festhalten oder nicht, je nachdem, wie stark das Rühren und wie lange die Zeitdauer war, während der die Teilchen im Flüssig-Fest-Bereich gehalten wurden. Jedoch ist der Gewichts anteil von Schmelzeeinschlüssen geringer als der bei einer normal erstarrten Legierung vorkommende, wenn nach bekannten Verfahren gleiche Temperaturen zum Erhalten des gleichen Festanteilgewichts angewandt werden.

Die sekundären Festteilchen, die sich während der Erstarrung aus der schmelzförmigen Matrix im Anschluß an die Bildung der primären Festteilchen bilden, bestehen aus einer oder mehreren Phasen der Art, die man auch während der Erstarrung einer Legierungsschmelze gleicher Zusammensetzung nach gegenwärtig üblichen Gießverfahren ohne starkes Rühren erhält. Und zwar kann die sekundäre Festphase Dendriten, Einzel- oder Vielphasenver bindung en, feste Lösungen oder Mischungen von Dendriten, Verbindungen und/oder festen Lösungen aufweisen.

Die Abmessung der primären Festteilchen hängt von den jeweils verwendeten Legierungs- oder Metallzusammensetzungen, der Temperatur der Fest-Flüssig-Mischung und dem angewandten Rührung s star kegrad ab, wobei sich größere Teilchen bei niedrigerer Temperatur und

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bei Anwendung weniger starken Rührens bilden. So kann die Größe der primären Festteilchen im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 000 um liegen. Vorzugsweise soll die Zusammensetzung etwa 10 bis 55 Gew.-/ö primäre Festteilchen enthalten, da sich dann eine Viskosität ergibt, die ein leichtes Gießen oder Formen ohne Verursachung von Hitzeschäden an der Form- oder Gießeinrichtung fördert.

Die Begriffe "Rühren" oder "kräftiges Rühren" bedeuten in diesem Zusammenhang, daß die flüssig-feste Zusammensetzung einer Rührkraft ausgesetzt wird, die zur Verhinderung der Bildung zusammenhängender Dendritnetzwerke und zur wesentlichen Beseitigung oder Verminderung bereits an den primären Festteilchen gebildeter dendritischer Zweige ausreicht.

Erfindungsgemäß wird also ein Metall oder eine Metallegierung in einer ersten Zone geschmolzen, die mit einer Rührzone in Verbindung steht. Die Rührzone ist mit der ersten Zone verbunden und dieser gegenüber derart abgedichtet, daß ein Mitreißen von Gas in die Metallzusammensetzung in der Rührzone verhindert wird. Die Rührzone ist mit Mitteln zum Abkühlen und zum kräftigen Rühren der Metallzusammensetzung darin versehen. Der Stärkegrad des Rührens in der Rührzone muß ausreichend sein, um die Bildung von zusammenhängenden Dendritnetzwerken aus der Metallzusammensetzung, während diese abgekühlt wird, zu verhindern. Die besondere Einrichtung, die zur Schaffung des starken Rührgrades verwendet wird, ist nicht kritisch, solange sich die unerwünschten zusammenhängenden Dendritnetzwerke nicht bilden und die angestrebten primären Festteiichen entstehen, wenn die Metallzusammensetzung in der Rührzone abgekühlt wird. Der Anteil der primären Festteilchen in der Metallzusammensetzung in der Rührzone

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kann bis zu etwa 65 Gew.-% der Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung betragen. Die Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung wird aus der Rührzcne durch eine Auslaßöffnung mit etwa der gleichen Durchsatzgeschwindigkeit entfernt, wie geschmolzene Metallzusammensetzung in die Rührzone eintritt- Die Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung kann zur Bildung eines Festkörpers abgekühlt werden,, den man später wieder in einen Flüssig-Fest-Bereich zwecks anschließenden Formens oder Gießens zu irgendeiner gewünschten Zeit erhitzen kann, oder die Flüssig-Fest-Zusammensetzung kann auch gleich nach der Entfernung aus der Rührzone vergossen v/erden. Es ist im Zusammenhang der Erfindung nicht kritisch, daß eine bestimmte Art des Gießens angewandt wird = Jedoch führt die kontinuierliche Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermöglichung von Gießtechniken, die nach dem Stand der Technik nicht in Frage kommen, da die erfindungsgemäß kontinuierlich erzeugten Flüssig-Fest-Mischungen einen Grad von festem Zusammenhalt haben, der einer üblichen völlig flüssigen Metallschmelze nicht eigen ist. Dieser Grad von festem Zusammenhalt ermöglicht die Verwendung besonderer Mittel zum Transport und anschließenden Formen der Flüssig-Fest-Mischungen. Die im Zuge der Erfindung ermöglichten Gießtechniken sollen im folgenden noch näher beschrieben werden.

Jedes Metallegierungssystem oder reine Metall läßt sich ohne Rück sicht auf seine chemische Zusammensetzung beim erfindungsgemäßen Verfahren .verwenden. Obwohl reine Metalle und Eutektika bei einer bestimmten Temperatur schmelzen, lassen sich auch diese verwenden, da sie in einem flüssig-festen Gleichgewicht am Schmelzpunkt existenzfähig sind, wenn man die Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr zur Schmelze bzw. von der Schmelze so steuert, daß das reine Metall oder Eutektikum am Schmelzpunkt gerade genug Wärme enthält, so daß nur ein Teil

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des Metalls oder Eutektikums schmilzt. Dies ist praktisch möglich, da eine völlige Abführung der Schmelzwärme bei einem nach dem erfindungsgemäßen Gießverfahren verwendeten Schlamm nicht plötzlich abläuft, weil die Abmessungen der normalerweise verwendeten Formen und Gußstücke zu berücksichtigen sind, und die gewünschte Zusammensetzung läßt sich unter Ausgleichen der zugeführten Wärmeenergie, z. B. durch starkes Rühren, und der durch eine kühlere Umgebung abgeführten Wärmeenergie erreichen. Beispielsweise geeignete Legierungen umfassen solche von Magnesium, Zink, Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt und Blei, wie z. B. Blei-Zinn, Zink-Aluminium-, Zink- Kupfer-, Magnesium-Alumini um-, Magnesium-Aluminium-Zink-, Magnesium-Zink-, Aluminium-Kupfer-, Aluminium-Silizium- und Aluminium-Kupfer-Zink-Magnesium-Legierungen, sowie Kupfer-Zinn-Bronzen, Messing, Aluminium bronzen, Stähle, Gußeisensorten, Werkzeugstähle, rostfreie Stähle, Super legierungen, wie z. B. Nickel-Eisen-Legierungen, Nickel-Eisen-Kobalt-Chrom-Legierungen und Kobalt-Chrom-Legierungen, oder reine Metalle, wie z. B. Eisen, Kupfer oder Aluminium.

Die Erfindung soll nun anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden? darin zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten erfindungsgemäßen Vorrich- * tung mit drei Rührzonen,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer entsprechenden Vorrichtung mit nur einer Rührzone,

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Fig. 3 einen Querschnitt der Vorrichtung in Fig. 2 längs der Linie 3-3,

Fig. 4 eine Reproduktion eines MikroskopscMiffbildes zur Veranschaulichung des Gefüges eines erfindungsgemäß hergestellten Gußstückes aus einer Kupferlegierung mit 10 % Zinn und 2 % Zink,

Fig. 5 eine Reproduktion eines Mikroskopschliffbildes zur Veranschaulichung des Gefüges eines erfindungsgemäß hergestellten Gußstückes aus einer Zinnlegierung mit 15 % Blei,

Fig. 6 eine Reproduktion eines Mikroskopschliffbildes zur Veranschaulichung des Gefüges eines erfindungsgemäß hergestellten Gußeisenstückes mit 2,48 % Kohlenstoff und 3,12 % Silizium ,

Fig. 7 eine Schnittansicht einer Einrichtung zum kontinuierlichen Gießen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Flüssig-Fest-Zusammensetzung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zum Gießen bestimmter Teilmengen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Flüssig-Fest-Zusammensetzung , und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer alternatifen erfindungsgemäßen Anlage zum Gießen bestimmter Teilmengen der nach dem erfiridungsgemäßen Verfahren erhaltenen Flüssig-Fest-Zusammensetzung .

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Gemäß der Darstellung in Fig. 1 befindet sieb- eine geschmolzene Metallegierung 1 in einem Behälter 2 als erster Zone. Die Metallegierung 1 kann zweckmäßig mittels den Behälter 2 umgebender Induktionsheizspulen 3 in den Liquidus zustand erhitzt oder auf oder über der Liquidustemperatur gehalten werden. Der Behälter 2 ist mit drei Öffnungen 4, 5 und 6 versehen, deren Abmessung oder Öffnungsquerschnitt durch Drosselklappen 7, 8 und 9 reguliert wird. Rührzonen 10, 11 und 12 sind angrenzend an je eine der Öffnungen 4, 5 und 6 angeordnet und mit der Bodenseite des Behälters 2 in einer Weise verbunden, daß ein Vermischen von Gas mit der Metallegierung entweder im Behälter 2 oder in einer der Rührzonen 10, 11 und 12 verhindert wird. Schnekken 16, 17 und 18 sind innerhalb der Rührzonen 10 bzw. 11 bzw. 12 vorgesehen und an drehbaren Wellen 20, 21 und 22 montiert, die durch geeignete (nicht dargestellte) Mittel angetrieben werden. Jede der Rührzonen 10, 11 und 12 ist mit Induktionsheizspulen 25 bzw. 26 bzw. 27 ausgerüstet und weist einen Kühlmantel 28 bzw. 29 bzw. 32 auf, um die Wärmemenge und die Temperatur der Metallegierung in der Rührzone 10 bzw. 11 bzw. 12 zu steuern. Jeder Kühlmantel ist mit einem Fluideinlaß 30 und einem Fluidauslaß 31 versehen. Der Abstand zwischen der inneren Oberfläche 35 der Rührzone 12 und der äußeren Oberfläche 36 der Schnecke 18 sowie die entsprechenden Abstände zwischen den Oberflächen 37 und 38 und den Oberflächen 39 und 40 der Rührzonen 11 bzw. 10 sind ausreichend klein gehalten, so daß starke Scherkräfte auf eine flüssig-feste Mischung in den Rührzonen 10, 11 und 12 derart ausreichend zur Einwirkung gebracht werden können, daß die Bildung von zusammenhängenden Dendritnetzwerken verhindert wird, während gleichzeitig ein Durchlaufen der flüssig-festen Mischung durch die einzelnen Rührzonen 10, 11 und 12 ermöglicht wird. Da das in die

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Flüssig-Fest-Mischung bei einer gegebenen Drehzahl der Schnecke eingeführte Ausmaß von Scherung eine Funktion von sowohl dem Radius der Rührzone als auch dem Radius der Schnecke ist, variiert der Zwischenraumabstand mit der Abmessung der Schnecke und der Rührzone. Um die notwendigen Scherkräfte aufzubringen, kann man größere Spalte bei entsprechend größeren Schnecken und Rührzonen verwenden. Die Bodenseite der Rührzonen 10, 11 oder 12 ist jeweils mit einer solchen Öffnung 40 bzw. 41 bzw. 42 versehen, daß sich die flüssig-feste Mischung aus den Rührzonen zweckmäßig durch Schwerkraft oder, falls erwünscht, durch Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen der Oberfläche der Metallschmelze 1 in der Zone 2 und den Öffnungen 40, 41 und 42 entfernen läßt. Der wirksame Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 40, 41 oder 42 läßt sich leicht durch Anheben oder Senken der Welle 20, 21 oder 22 steuern, so daß das unterseitige Schneckenende 44, 45 oder 46 in die Gesamtheit oder einen Teil der zugehörigen Öffnung 40, 41 oder 42 eingreift.

Der Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung soll unter Berücksichtigung einer darin gezeigten Schnecke beschrieben werden. Eine Metallegierung 1 wird in den Behälter 2 im völlig geschmolzenen, teilweise festen oder völlig festem Zustand eingeführt. In jedem Fall wird die Metallegierung im Behälter 2, falls erforderlich, durch die Heizinduktionsspulen 3 in den völlig geschmolzenen Zustand gebracht. Nachdem die Legierung ganz als Schmelze vorliegt, werden die Drosselklappen 7 geöffnet, um die Legierungsschmelze in die Rührzone 10 einzulassen. Die Drosselklappen 7 halten auch eine Wanderung von primären Festteilchen aus der Rührzone 10 in den Behälter 2 äußerst gering. Inzwischen wird die Rotation der Welle 20 mit der Schnecke 16 z. B. mit einer Drehzahl zwischen etwa 100 und etwa 1000 U/min in Gang gesetzt.

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Die Wärme in der Rührzone 10 wird von dort durch Wärmeaustausch mit einem Fluid, wie z. B. Luft oder Wasser, abgeführt, das in den Kühlmantel 28 durch den Einlaß 30 ein- und daraus durch den Auslaß 31 austritt. Die Heizinduktionsspulen 25 sind zur Prozeßsteuerung im Fall vorgesehen, daß die Metallzusammensetzung in der Rührzone 10 unbeabsichtigt bis zu einem Feststoff anteil über dem gewünschten, d.h. über etwa 65 Gew.-%, abgekühlt ist. Die Metallschmelze 1 wird kontinuierlich durch die Öffnung 4 in die Rührzone 10 abgelassen, worin die gewünschte Menge des Wärmeinhalts der Legierung abgeführt wird, um sie teilweise fest und teilweise flüssig zu machen, wobei der feste Anteil die primären festen Teilchen der besonderen Art bildet. Die Geschwindigkeit, mit der die Flüssig-Fest-Mischung die Rührzone 10 verläßt, hängt von dem tatsächlichen Durchlaßquerschnitt in der Öffnung 40 ab, der durch die Stellung des Endes 44 der Schnecke 16 gesteuert wird. Der Wärmeaustausch innerhalb der Rühr zone 10 läßt sich leicht durch Steuern der Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur des Kühlfluids im Kühlmantel 28, durch Steuern der Stromzufuhr zu den Induktionsspulen 3 und durch Steuern der Strömungsgeschwindigkeit des Metalls durch die Rührzone 10 mittels Einsteilens der Lage der Drosselklappen 7 an der Öffnung 4 und der Größe der Öffnung 40 mit Hilfe des Endes 44 der Schnecke 16 steuern. (Nicht dargestellte) Thermoelemente lassen sich über die Länge der Rührzone 10 verteilt und an deren Ende vorsehen, um die Temperatur der Flüssig-Fest-Mischung in der Rührzone 10 zu überwachen. Durch Prozeßführung in dieser Weise dient die Metallschmelze 1 in der ersten Zone, d. h. im Behälter 2, zur Abdichtung der Flüssig-Fest-Mischung innerhalb der Zone 10 von der äußeren Gasatmosphäre, wodurch eine unerwünschte Zufallseinführung von Gas in die Flüssig-Fest-Mischung in der Zone 10 verhindert wird.

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In den Fig. 2 und 3 ist eine alternativ mögliche Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Metallschmelze 50 wird in der erhitzten Zone 51 als erster Zone mit einer Öffnung 52 an deren Bodenseite gehalten. Eine drehbare Meile 53 erstreckt sich durch die erhitzte Zone 51 und in eine Rührzone 54, in der in Verbindung mit der Welle 53 eine Schnecke 55 angeordnet ist. Die Schnecke 55 weist Längsrippen 56 und -nuten über ihre gesamte Länge durch die Rührzone 54 hindurch auf. Die Rührzone 54 ist von einem Kühlmantel 58 mit einem Einlaß 59 und einem Auslaß 60 umgeben. Außerdem ist die Rührzone 54 ganz außen von Heizinduktionsspulen 61 umgeben, so daß der Kühlmantel 58 in Kombination mit den Induktionsspulen 61 zur Regulierung des Wärmeabstroms von der Metallegierungszusammensetzung in der Rührzone 54 dient. Wie am besten Fig. 3 erkennen läßt, sehen typische brauchbare Abmessungen der Vorrichtung eine Rührzone 54 mit einem Durchmesser von 31,75 mm, eine Schnekke 55 mit einem Durchmesser von 25,4 mm bis 28,58 mm und Nuten zwischen den Längsrippen 56 von 1,59 mm vor. Es versteht sich, daß diese Abmessungen nur beispielhaft gelten und auch größere oder kleinere Abmessungen anwendbar sind, soweit sich eine starke auf das Metall einwirkende Scherkraft erhalten läßt. Der Durchlaßquerschnitt der Öffnung 52 läßt sich durch Bewegung der rotierenden Welle 53 und der Schnecke 55 in vertikaler Richtung zum Öffnen oder Schließen der Öffnung 52 mit Hilfe der an der Welle 53 angebrachten Drosselklappe 63 regulieren. Die Heizzone 51 ist von Heizinduktionsspulen 64 umgeben, um die erforderliche Schmelzhitze für die Metallzusammensetzung 50 darin zu liefern. Die Rührzone 54 ist mit einer Auslaßöffnung 66 zum Entfernen der Flüssig-Fest-Zusammensetzung mit den primären Festteilchen zwecks anschließender Formung versehen.

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Fig. 4 ist eine Reproduktion eines Mikroskopschliffbildes mit SOfacher Vergrößerung einer in Öl abgeschreckten Kupferlegierung mit 10 % Zinn und 2 % Zink (Kupferlegierung 905). Diese Legierung wurde mit der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung mit nur einer Schnecke hergestellt. Die Temperatur in der Heizzone 51 wurde über der Liquidustemperatur der Legierung, d. h. 999 C, gehalten. Die Bedingungen der Temperatur und Hitze in der Rührzone 54 wurden so gehalten, daß die Flüssig-Fest-Mischung etwa 45 Gew.-% primäre Festteilchen enthielt. Die Probe wurde bei etwa 925 C genommen. Die kugelartigen primären Festteilchenbildungen 70 und dendritische sekundäre Festteilchen 71 zeigen ein Gesamtmetallgefüge, das von dem nach Abkühlen dieser Legierung ohne Rühren beobachteten normalen dendritischen Netzwerk stark abweicht. Der schwarze Teil 72 der primären Festteilchen 70 bedeutet Schmelze, die während der Bildung der primären Festteilchen in diesen eingeschlossen wurde.

Fig. 5 ist eine mit lOOfacher Vergrößerung aufgenommene Mikroskopschliffaufnahme eines Gußstückes aus Zinn mit 15 % Blei, welche Zusammensetzung in der Vorrichtung nach Fig. 1 mit jedoch nur einer Schnecke gerührt wurde, so daß die flüssig-feste Mischung etwa 55 Gew.-% primäre Festteilchen enthielt. Die Probe wurde bei etwa 191 C in der Rührzone gehalten und entnommen. Wie man ohne weiteres beobachten kann, sind die nicht-dendritischen primären Festteilchen 73 von einer sekundären Festphase 74 umgeben, die dendritischer Natur ist.

Fig. 6 ist eine Reproduktion einer Mikroskopschliff aufnahme mit . lOOfacher Vergrößerung eines Gußeisens mit 2,48 % Kohlenstoff und

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3,12 % Silizium. Die Legierung wurde mit der in Fig. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung hergestellt. Die Temperatur- und Wärmebedingungen wurden so gehalten, daß die Flüssig-Fest-Mischung etwa 35 Gew.-% primäre Festteilchen enthielt. Die Probe wurde hierzu auf etwa 1280 C gehalten und entnommen. Die kugelförmigen primären Festteilchenmetallausbildungen 75 sind von dendritischen sekundären Festteilchen 71a umgeben. Der schwarze Teil 72a der primären Festteilchen 75 ist eingeschlossener Graphit, der sich während des Abkühlens ausschied, während der dunklere graue Teil 73 a Schmelze bedeutet, die in den primären Festteilchen während ihrer Bildung eingeschlossen wurde.

In Fig. 7 ist eine zweckmäßige Einrichtung zum kontinuierlichen Gießen (Strangguß) der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Flüssig-Fest-Zusammensetzungen dargestellt. Das mittels dieser Figur veranschaulichte Verfahren bringt einen erheblichen Vorteil gegenüber den bekannten Stranggußverfahren, nach welchen Metalllegierungsschmelzen kontinuierlich gegossen werden. Aufgrund der Schmelzwärme in den Metallschmelzen und ihrer höheren Temperatur im Vergleich mit den erfindungsgemäßen Flüssig-Primärfestteilchen-Zusammensetzungen müssen die Metallschmelzen nach dem bekannten Verfahren durch Wärmeabfuhr mit geringerer Geschwindigkeit als im Fall der Flüssig-Primärfestteilchen-Zusammensetzungen in den festen Zustand überführt werden. Wenn nämlich die Wärme zu schnell aus den zunächst völlig flüssigen Metallschmelzen abgeführt wird, beobachtet man häufig eine unerwünschte Rißbildung der Gußerzeugnisse. Dies hat eine ungünstig niedrigere Metalldurchsatzgeschwindigkeit bei den bekannten kontinuierlichen oder Stranggießverfahren zur Folge. Außerdem erhält man beim bekannten Stranggießen von Metallschmel-

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zen eine unerwünschte Langbereichsegregation (Makrosegregation der Legierungsbestandteile) - Im Gegensatz dazu ist beim kontinuierlichen oder Stranggießen der Flüssig-Primärfestteilchen-Zusammensetzungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren viel weniger Schmelzwärme darin verfügbar, die abzuführen ist, und daher lassen sich viel größere Metalldurchsatzraten ohne Rißbildung in den Gußstücken erzielen. Außerdem ist wegen der Anwesenheit der primäx-en Festteilchen die Langbereichsegregation äußerst gering oder fehlt völlig. Die Flüssig-Fest-Mischung 76, die aus der Rührzone 10 in Fig. 7 austritt, wird als Mischung 82 in eine Kühlzone geleitet, die durch einen allgemein zylindrischen Kühlmantel 77 gebildet ist, der einen Kühlfluideinlaß 79 und einen Kühlfluidauslaß 78 aufweist. Die Rührzone 10 ist so aufgebaut und wird so betrieben, wie es oben im Zusammenhang mit Pig. I oder Fig. 2 und 3 beschrieben wurde. Der endgültige stangenförmige oder zylinderförmige feste Körper 80, der die homogen darin verteilten primären Festteilchen enthält, wird gebildet, indem man zuerst eine Platte längs der Bodenfläche des Kühlmantels 77, wie durch die gestrichelte Linie 81 angedeutet, vorsieht, um am Anfang dieses Betriebs einen erstarrten Bereich innerhalb des Kühlmantels 77 entstehen zu lassen. Nachdem der feste Bereich gebildet ist, wird die Platte entfernt, und man läßt den festen Körper 80 mittels Schwerkraft aus dem Kühlmantel 77 austreten. Sobald dieses Verfahren in Gang gesetzt ist, bildet sich eine Grenzfläche zwischen dem festen Körper 80 und der Flüssig-Fest-Mischung 82 aus, wie durch die Li-" nie 83 angedeutet ist. Anschließend an seine Bildung innerhalb des Kühlmantels 77 wird der feste Körper 80 direkt einem Sprühstrahl von Kühlflüssigkeit ausgesetzt, wie durch die Pfeile 84 angedeutet ist.

In Fig. 8 ist eine alternative neue Einrichtung zum Erfassen und

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anschließenden Formen, ζ. B. Gießen, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Produkte schematisch dargestellt. Diese hier veranschaulichte Verfahrensweise läßt sich in chargenweisem Betrieb oder auf kontinuierlicher Basis durchführen, um jeweils eine bestimmte Teilmenge der Flüssig-Primärfestteilchen-Mischung zu einer bestimmten Form zu verarbeiten- An oder nahe bei der Auslaßöffnung 40 der Rührzone ist eine mit einer Heizeinrichtung, wie z.B. Induktionsheizspulen 91 versehene Haltekammer 90 vorgesehen. Die Rührzone ist so aufgebaut und wird so betrieben, wie im Zusammenhang mit der Vorrichtung nach Fig. 1 oder Fig. 2 und 3 beschrieben wurde. In der Haltekammer 90 ist eine allgemein zylindrische Hülse 92 aus einem hitzebeständigen Material angeordnet, um eine bestimmte Teilmenge der Flüssig-Primärfestteilchen-Mischung aufzunehmen. Eine bestimmte Teilmenge der aus der Öffnung 40 austretenden Flüssig-Fest-Mischung wird in die Hülse 92 als Masse 93 geleitet. Um den gewünschten Festanteil in der Legierungsmasse 93 beizubehalten, werden die Heizspulen 91 gespeist, damit die gewünschte Temperatur eingehalten wird. Sobald die gewünschte Menge der Legierungsmasse 93 in die Hülse 92 eindosiert ist, kann sie in irgendeiner gewünschten Weise geformt oder gegossen werden. So liefert diese Einrichtung ein geeignetes Mittel zum Abmessen einer gewünschten Metallteilmenge, die leicht zu einer weiteren Verarbeitung transportabel ist. Wenn man z. B. die Legierungsmasse 93 zu formen oder zu gießen wünscht, werden die Hülse 92 und die Haltekammer 90 um 90 gedreht, so daß die Hülse 92 leicht aus der Haltekammer 90 entfernt werden kann, wobei die Legierungsmasse 93 in der Hülse verbleibt. Wegen der mechanischen Eigenschaften der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Flüssig-Primärfestteilchen-Mischungen beseitigt die Verwendung einer Hülse 92 die Notwendigkeit einer geschlossenen Hülse, wie sie

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normalerweise beim Gießen verwendet wird, und beseitigt sonsit auch die Probleme, die mit geschlossenen Hülsen zusammenhängen und sich aus der Notwendigkeit ergeben, unzuträgliche Temperaturgradienten in dem in der geschlossenen Hülse enthaltenen Metall zu vermeiden- Die Flüssig-Primärfestteilchen-Mischung ist ausreichend mechanisch stabil, so daß sie, wenn die Hülse 92 aus der Haltekammer 90 entnommen wird, ohne weiteres mit der Hülse im wesentlichen ohne Leckverluste entfernt wird. Weiter treten auch, wenn die Hülse 92 in eine horizontale Lage gebracht wird, so daß ihre offenen Enden einige Zeit unabgedeckt bleiben, keine Leckverluste von der flüssig-festen Mischung auf. Die Hülse 92 und die Legierungsmasse 93 werden dann zwischen einer Form 95 und einem pneumatisch betätigten Kolben 96 angeordnet, der in einer Kolbenführung 97 gleitet. Der Kolben 96 läßt sich zur gewünschten Zeit pneumatisch, z. B. mittels eines Luftzylinders 98 betätigen. Bei Betätigung treibt der Kolben 96 die Legierungsmasse 93 in das Innere 99 der Form 95 unter Bildung des gewünschten Erzeugnisses. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel lassen sich mehrere Haltekammern 90 und zugehörige Hülsen 92 unterhalb der Eührzonenausgangsöffnung 66 (Fig. 2) auf einem (nicht dargestellten) Trägertisch anordnen und der Reihe nach unter der Auslaßöffnung 66 passend einstellen, um Metall auf zunehm en, das durch Gießen oder Formen weiterverarbeitet werden soll.

In Fig. 9 ist eine alternative neue Vorrichtung zum Gießen der nach den erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Zusammensetzungen schematisch dargestellt. Diese spezielle Vorrichtung läßt sich in chargenweisem Betrieb oder auf kontinuierlicher Basis zur Bildung bestimmter Teilmengen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Flüssig-Primärfestteilchen-Mischungen verwenden. Wie Fig. 9

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zeigt, tritt eine Flüssig-Primärfestteilchen-Mischung 100 aus der Öffnung 40 der nicht völlig dargestellten Rührzone aus. Teilmengen 101 der Flüssig-Fest-Mischung 100 brechen dann von deren Hauptstrang aufgrund der Schwerkraft ab, und man läßt die abbrechenden Teilmengen zwischen die Formhälften 102 und 103 fallen. Wenn sich eine Teilmenge 101 zwischen den Formhälften 102 und 103 befindet, werden die Formhälften 102 und 103 zur abgebrochenen Metallteilmenge 101 hin unter pneumatischer Betätigung der Kolben 104 und 105 geschlossen. Die Kolben 104 und 105 lassen sich durch irgendwelche geeignete elektronische Einrichtungen, wie z. B. einen photoempfindlichen Detektor, betätigen, den die Metallteilmenge 101 vor dem Erreichen ihrer Lage zwischen den Formhälften 102, 103 passiert. Nachdem die Metallteilmenge 101 durch Kühlen fertiggeformt ist, werden die Formhälften 102 und 103 auseinandergezogen, und man entfernt das aus der Metallteilmenge 101 geformte gewünschte Produkt aus der Form. Man kann wiederum auch eine Mehrzahl von Formhälften ähnlich den Formhälften 102 und 103 unter der Öffnung 40 kontinuierlich hindurchführen, um nacheinander gebildete abbrechende Metallteilmengen 101 zu erfassen und sie in der beschriebenen Weise zu formen.

Die Flüssig-Fest-Mischung kann, wenn das gewünschte Verhältnis des flüssigen zum festen Anteil erreicht ist, auch rasch abgekühlt werden, um einen festen Rohling zur leichten Aufbewahrung zu bilden. Später kann dieser Rohling auf die Temperatur der Flüssig-Fest-Mischung für das jeweils besondere gewünschte Fest-Flüssig-Anteilsverhältnis erhitzt und dann wie zuvor unter Anwendung der üblichen Techniken gegossen werden. Ein nach dem gerade angedeuteten Verfahren hergestellter Rohling kann thixotrope Eigenschaften in Abhängigkeit von der Wiederauf heiztemperatur und der Zeit aufweisen, die er als Flüssig-Fest-

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Gebilde entweder vor dem völligen Erstarren des Rohlings oder nach dem Wiederaufheizen des vorher erstarrten Rohlings gehalten wird. Eine verlängerte Zeitdauer, die der Rohling als Flüssig-Fest-Gebilde gehalten wird, fördert ein stärker thixotropes Verhalten des Rohlings. Er kann so in eine modifizierte Formgußmaschine oder andere Vorrichtungen in scheinbar fester Form eingeführt werden. Jedoch bewirkt die Scherung, die sich beim Eindrücken dieses anscheinend festen Rohlings in einen Formhohlraum ergibt, daß sich der Rohling in ein Material umwandelt, dessen Eigenschaften mehr denen einer Flüssigkeit ähnlich sind.

Fluss ig-Fest-Mischungen wurden unter Verwendung einer Vorrichtung wie der in Fig. 2 gezeigten und bei Drehzahlen der Schnecke von etwa 500 U/min hergestellt. Die Temperatursteuerung an der Auslaßöffnung 66 der Rühr zone 54 wurde unter Verwendung eines Thermoelements überwacht. Die Temperatur des 50 % flüssigen und 50 % festen Zustandes für verschiedene Legierungen ist im folgenden angegeben:

Sn -	10 ⁽	ft Pb	210	°C
Sn -	15 <	ft Pb	195	°C
Al -	30 «	ft Sn	586	°C
Al -	4,5	%Cu	633	°C

Abänderungen über oder unter diese 50 % Primärfestteilchen-Flüssig-Mischung erhält man durch Ändern der gegebenen Temperaturwerte.

Das Gießen des teilweise erstarrten Metallschlammes oder der Flüssig-Fest-Mischung, die vorstehend beschrieben wurden, kann durch einfaches Gießen, Injektion oder andere Mittel erfolgen; und das be-

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schriebene Verfahren ist für Formguß, Dauerformguß, Strangguß, Geschlossenformschmieden, Heißpressen, Vakuumformen (des Materials) u.a. brauchbar. Die besonderen Eigenschaften dieser Schlämme regen an, daß Abänderungen der gegenwärtig bekannten Gießverfahren nutzbringend angewendet werden können. Zur Erläuterung sei angegeben, daß sich die effektive Viskosität der Schlämme durch Steuern des Anteils der primären Festteilchen steuern läßt; die hohen hierbei aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre möglichen Viskositäten führen vorteilhafterweise zu geringerem Metallverspritzen und Mitreißen von Luft beim Druckformguß und ermöglichen höhere Metalleintrittsgeschwindigkeiten bei diesem Gießverfahren. Außerdem erzielt man aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens eine gleichmäßigere Festigkeit und dichtere Gußstücke.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer homogenen Mischung aus einer Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung, in der der Festanteil aus einzelnen degenerierten Dendriten oder Noduln besteht, aus einer Ausgangsmetallzusammensetzung, die beim Erstarren aus dem Schmelzzustand ohne Rühren ein Dendritgefüge bildet, gemäß dem man die Ausgangsmetallzusammensetzung bis zum Schmelzen erhitzt, sie dann kräftig rührt und zur teilweisen Erstarrung unter Bildung primärer Festteilchen in Form der einzelnen degenerierten Dendriten oder Noduln bei gleichzeitiger Verhinderung der Bildung zusammenhängender dendritischer Netzwerke bis zur Erreichung eines Anteils von bis zu etwa 65 Gew.-% primärer Festteilchen in der Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung abkühlt, dadurch gekennzeichnet, daß man die geschmolzene Ausgangsmetallzusammensetzung aus einer ersten, nur dem Aufschmelzen dienenden Zone in wenigstens eine mit der ersten Zone verbundene Rührzone überführt, die gegenüber der ersten Zone zur Verhinderung eines Mitreißens von Gas in die Rührzone abgedichtet ist, daß man das kräftige Rühren und Abkühlen in der bzw. jeder Rührzone durchführt und daß man die abgekühlte Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung aus der bzw. jeder Rührzone mit etwa der gleichen Durchsatzgeschwindigkeit abzieht, mit der man die geschmolzene Ausgangsmetallzusammensetzung aus der ersten Zone in die Rührzone (n) überführt.

2. Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erhitzte Metallzusammensetzung abgekühlt wird, um von 10 bis 55 Gew-.-% primäre Festteilchen zu bilden.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Rührzone entfernte Metallzusammensetzung abgekühlt wird, um auch die nach der Bildung der primären Festteilchen verbleibende Schmelze erstarren zu lassen.

4. Verfahren zur Formgebung einer homogenen Mischung, die nach Anspruch 1 oder 2 erhalten wurde, dadurch gekennzeichnet, daß man die aus der Rührzone abgezogene Flüssig-Fest-Mischung vergießt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Rührzone abgezogene Mischung in einem nicht gerührten Zustand gehalten wird, so daß sie thixotrope Eigenschaften zeigt und von flüssig-fester Form ist, und daß man auf die thixotrope Mischung eine Kraft einwirken läßt, wodurch sie zu einem Material mit einer Flüssigkeit ähnlicheren Eigenschaften umgewandelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssig-Fest-Mischung kontinuierlich aus der Rührzone entfernt und sie kontinuierlich durch eine Kühlzone zwecks Erstarrung des Schmelzenanteils in der Mischung führt, wobei die Mischung und der durch Erstarren der Mischung erhaltene Festkörper kontinuierlich aus der Kühlzone entfernt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine etwa der zu formenden Menge entsprechende Teilmenge der Flüssig-Fest-Metallzusammensetzung aus der Rührzone entfernt und in einer Haltekammer angeordnet wird, die zum Halten der Masse in einen

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Flüssig-Fest-Zustand geeignet ist, bevor die Masse vergossen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse in der Haltekammer zur Bildung eines Festkörpers abgekühlt und der Festkörper auf eine Temperatur wiedererhitzt wird, bei der er eine thixotrope Masse oder eine Flüssig-Fest-Mischung ist, bevor diese vergossen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig-Fest-Mas se aus der Haltekammer ohne Abkühlen entnommen und formgegossen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wiedererhitzte Masse aus der Haltekammer entnommen und formgegossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Rührzone entfernte Metallmasse in eine hitzebeständige Hülse innerhalb der Haltekammer eingebracht wird, daß man die Hülse und die Metallmasse aus der Haltekammer einnimmt und die Masse zu Formguß verarbeitet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse in der Hülse in der Haltekammer zur Bildung eines Festkörpers abgekühlt und der Festkörper auf eine Temperatur wiedererhitzt wird, bei der die Masse thixotrop oder eine Flüssig-Fest-Masse ist, bevor das Gießen der Masse erfolgt.

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