DE3109025A1

DE3109025A1 - Verfahren zur herstellung von aluminiumvorlegierungen mit hochschmelzenden metallen

Info

Publication number: DE3109025A1
Application number: DE19813109025
Authority: DE
Inventors: Günther Prof. Dipl.-Chem. Dr. 6242 Kronberg Kraft; Manfred Dr. Dr.rer.nat. Pötzschke; Hans-Peter Dipl.-Ing. Dr. 6380 Bad Homburg Sattler
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1981-03-10
Filing date: 1981-03-10
Publication date: 1982-09-30

Description

Prov. Nr. 8476 M

Verfahren zur Herstellung von Aluminiumvorlegierungen mit hochschmelzenden Metallen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium^orlegierungen mit einem oder mehreren hoch- " schmelzenden Metallen, wie Zr, Ti, Mo, Va, Cr, Mn etc., durch Zugabe der Metalle in Form von Alkalifluoridverbindungen oder als Mischung aus Metallfluoridverbindungen und Alkaliverbindungen 'in einer Aluminiumschmelze.

Die Herstellung von Vorlegierungen des Aluminiums mit hochschmelzenden Metallen erfordert hohe Schmelztemperaturen und lange Behandlungszeiten, um die hochschmelzenden Metalle aufzulösen und gleichmäßig in der Schmelze zu verteilen. Derartige Verfahren sind relativ unwirtschaftlich und man hat daher schon versucht, die hochschmelzenden Legierungselemente nicht in Form von Metallen, sondern in Form von Oxiden, Salzen oder anderen Verbindungen einzubringen und durch das Basismetall Aluminium oder besondere Reduktionsmittel zu reduzieren.

Aus der GB-PS 12 68 812 ist es bekannt, Aluminiumlegierungen mit o,1 - 13 % B und 1 - 2o % Ti, Zr und/oder Cr, Rest Al und Verunreinigungen dadurch herzustellen, daß ein Gemisch aus Alkalifluoridverbindungen und pulverisiertem Metall der Legierungselemente auf die Oberfläche einer auf 87o - 1ooo C überhitzten Aluminiumschmelze aufgegeben wird. Zur Auflösung

der in metallischer Form eingebrachten Legierungsanteile sind neben den für Aluminiumschmelzen sehr hohen Temperaturen außerdem verhältnismäßig lange Behandlungszeiten erforderlich, wodurch Verluste an Legierungselementen entstehen und deren Verteilung in der Aluminiumschmelze nachteilig beeinflußt wird. Hohe Schmelztemperaturen und lange Behandlungszeiten sind auch wegen des erforderlichen höheren Energieaufwandes, des stärkeren Verschleißes der Schmelzeinrichtungen und des insgesamt höheren Zeitaufwandes unwirtschaftlich und daher verbesserungsbedürftig.

Aus der DE-OS 23 o7 25o ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Al-Ti-B-Vorlegierung bekannt geworden, bei dem eine Aluminiumschmelze bei weniger als 9oo° C feine Teilchen eines Titan-Alkalifluorid-Komplexes und eines Alkali-Bor-Fluoridkomplexes in derartigen Mengen zugesetzt werden sollen, daß sich ein Titangehalt von bis zu 7,5 % und ein Borgehalt von bis zu o,3 % ergibt. Zur gleichmäßigen Verteilung soll die Schmelze gerührt und nach der Zugabe der Bor-/ Titanverbindungen bis zum Verfestigen nicht langer als 3o Min. im geschmolzenen Zustand gehalten werden.

Dieses Verfahren stellt gegenüber dem erstgenannten zwar schon eine erhebliche Verbesserung dar, kann insbesondere aber wegen der Verluste bei der Reduzierung der Metall-Alkalifluoridkomplexe in der Aluminiumschmelze'zu metallischen Legierungsbestandteilen noch nicht befriedigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die in Form von Alkalifluoridverbindungen oder als Mischung aus Metall-Fluoridverbindungen mit Alkaliverbindungen zugegebenen Legierungselemente möglichst verlustfrei umzusetzen, so daß im wesentlichen die gesamte

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Menge an eingebrachten Legierungselementen schließlich in der herzustellenden Vorlegierung enthalten ist.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe zu lösen ist, wenn die Zugabe der Metall-Alkalifluoridverbindungen oder der Mischung aus Metall-Fluoridverbindungen und Alkaliverbindungen kontinuierlich beim Abgießen der auf üblicher Schmelztemperatur gehaltenen Aluminiumschmelze in einer Menge erfolgt, die weniger als 11o'~% des Soll-Gehaltes der Metalle in der Vorlegierung entspricht.

Die Gießtemperatur der Aluminiumschmelz'e soll weniger als 75o, vorzugsweise weniger als 72o° C betragen. Besonders wirtschaftlich ist das Verfahren, wenn die Zugabemenge weniger als .1o5, vorzugsweise weniger als 1o3 % Soll-Gehaltes der Metalle in der Vorlegierung entspricht. Die Zugabe erfolgt entweder in den Gießstrahl oder in die Gießrinne. Zwischen Zugabe und Erstärrungsbeginn der Vorlegierung wird zweckmäßigerweise eine Zeit von ca. 1 Min.· eingehalten. Bei der Zugabe in die Gießrinne werden die Metall-Alkalifluoridverbindungen oder die Mischung 'aus Metall-Fluoridverbindungen und Alkaliverbindungen zweckmäßigerweise mittels Dosier- und Fördereinrichtung durch ein hitzebeständiges Rohr unter die Schmelzoberfläche eingebracht. Zum Einbringen in den Gießstrahl kann ein mit den Metall-Alkalifluoridverbindungen·oder der Mischung aus Metall-Fluoridverbindungen und Alkaliverbindungen

(HUlse.Rohr) gefüllter, kontinuierlich abschmelzender AluminiumdrantVver-⁷ wendet werden. Schließlich sind die zur Herstellung einer Vorlegierung angegebenen, erfindungsgemäßen Maßnahmen auch direkt auf die Herstellung von Aluminiumlegierungen anzuwenden. . ^: ' " ■ .

Weitere Einzelheiten und Vorteile werden anhand der- in den _ Figuren 1 bis 3 dargestellten Äusführungsbeispiele näher erläuter

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Pig. 1 bezieht sich auf die Herstellung einer AlZr5-Vorlegierung

Fig. 2 betrifft die Herstellung eines Α1ΤΪ5Β1-Vorlegierungsdrahtes und

Fig. 3 betrifft das Zulegieren von Mangan und Zirkonium zu einer AlZnMg3-Legierung.

Mit der Zielsetzung, eine AlZr5-Vorlegierung mit möglichst vollständigem Ausbringen des in Form von Na₁-ZrF- zugegebenen Zirkoniums herzustellen, wurden die Verhältnisse bei verschiedenen Temperaturen der Aluminiumschmelze und unterschiedlich

in einem,. Induktionstigelofen langen AbstehzeitenVnacn der Zugabe untersucht. Aus dem in Fig. 1 dargestellten Kurvenverlauf ist deutlich zu ersehen, daß die besten Ergebnisse bei der niedrigsten Temperatur und kurzen Abstehzeiten erreicht werden. Bei 3 Stunden Abstehzeit erhält man praktisch unabhängig von der Temperatur nur eine Ausbeute von rund 2o %, während sich bei 3o Minuten Abstehzeit je nach Temperatur Werte von 3o, 4o bzw. 75 % ergeben. Um eine Ausbeute von etwa 9o % zu erreichen, muß eine Schmelze von 9oo° C unmittelbar nach der Zugabe abgegossen werden, während man das gleiche Ergebnis bei einer Schmelze von 7oo° auch noch nach einer Abstehzeit von 15 Minuten erreicht. Zusammenfassend ist demnach festzustellen, daß für ein gutes Ausbringen die Aluminiumschmelze bei möglichst niedriger Temperatur zu halten ist, und daß nach der Zugabe unverzüglich abgegossen werden muß! Zur Realisierung einer verlustfreien Nutzung der eingebrachten Legierungselemente ist daher nach dem angegebenen, erfindungsgemäßen Verfahren zu arbeiten.

Die Versuche haben weiter ergeben, daß die gleichen Maßnahment die zu einer möglichst vollständigen Ausnutzung der zugegebenen Legierungsmetalle führen, auch hinsichtlich Feinverteilung

der Legierungselemente in der Vorlegierung vorteilhaft sind. Wie aus den in Fig. 1 eingesetzten Schliffbildern für die Schmelztemperatur 7oo° C ersichtlich, ist das Zirkonium umso feiner verteilt, je kürzer die Abstehzeit ist. Eine Feinver-

teilung ist im Hinblick auf den Einsatz der Vorlegierungen zum Legieren von Aluminiumschmelzen erwünscht,*um eine schnelle' Auflösung und gleichmäßig feine Verteilung im Endprodukt zu erhalten. Nadeiförmige Zr-Kristalle, wie sie bei 9oo° C Schmelztemperatur entstehen, lassen sich beim Legieren erfahrungsgemäß nur schwer auflösen und führen im Endprodukt zu unerwünschten groben Ausscheidungen, die- sich nachteilig auf die Formgebung und die Festigkeitseigenschaften auswirken.

Fig. 2 betrifft eine A1T15B1-Vorlegierung entsprechend DIN 1725 (Werkstoffnummer 3,o861), die zur Kornfeinung bei höheren Anforderungen an die Reinheit verwendet wird. Das . Schuf fbild zeigt eine handelsübliche Vorlegierung, das linke eine Vorlegierung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Zugabe von Na₃TiFg und KBF₄ zu einer 72o° C heißen Aluminiumschmelze hergestellt wurde. Die Schmelze wurde 5 Minuten nach der Zugabe in eine Rundkokille vergossen. Die gegossenen Bolzen wurden nach einer 6-stündigen Glühung bei 5oo° C mit 45o° C zu einem Draht von 8,5 mm Durchmesser stranggepreßt. Die Analyse

ergab 5,1 % Ti und 1,0 % B und entsprach damit der Zusammensetzung des handelsüblichen Vergleichsdrahtes. Es ist deutlich zu erkennen, daß bei der erfindungsgemäß hergestellten Vorlegierung die hochschmelzenden Bestandteile Ti und B wesentlich feiner und gleichmäßiger verteilt sind als bei der Vergleichslegierung, bei der die hochschmelzenden Elemente als sehr viel größere , unregelmäßig verteilte Partikel vorliegen. Zur Auflösung derartig großer Partikel in einer Aluminiumschmelze sind bei der Zugabe dieser Vorlegierung entsprechend höhere Temperaturen und/oder längere Verweilzeiten erforderlich.

Fig. 3 bezieht sich auf eine AlZnMg3-Legierung mit 1,55 % Mn und o,17 % Zr, die einmal unter Verwendung handelsüblicher Vorlegierungen nach DIN 1725 (Werkstoff-Nr. 3.o571 und Werkstoff -Nr. 3.O862) und zum anderen direkt durch Zugabe von MnF₂/NaCl und Na~ZrF,. hergestellt wurde. In beiden Fällen hatte die Schmelze eine Temperatur von 72o° und wurde beginnend etwa 5 Minuten nach der Zugabe der Vorlegierung bzw. der Metallverbindungen im Strangguß vergossen, wobei das Gießende etwa 15 Minuten nach der Behandlung der Aluminiumschmelze lag. Das linke Schliffbild zeigt das Gefüge der erfindungsgemäß hergestellten AlZnMg3-Legierung, während das rechte Schliffbild eine Legierung gleicher Zusammensetzung zeigt, bei der Mangan und Zirkonium über handelsübliche Vorlegierungen zugegeben wurden. Im letzteren Fall ist es zwar möglich, durch höhere Temperaturen und längere Abstehzeiten eine bessere Auflösung und Verteilung der groben Partikel zu erreichen, so daß der Unterschied nicht unbedingt so kraß ausfallen muß wie aus dem Vergleich der Schliffbilder ersichtlich, eine derartige Behandlungsweise bringt aber - wie bereits erwähnt - wirtschaftliche Nachteile und ist deswegen der Anwendung des für die Herstellung von Vorlegierungen entwickelten, erfindungsgemäßen Verfahrens auf die direkte Herstellung von' Aluminiumlegierungen schon aus diesem Grunde unterlegen. Darüber hinaus sind bei der aus dem Schliffbild ersichtlichen Feinverteilung von Mangan und Zirkonium erhebliche Vorteile bei der Verarbeitung und hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften dieser Legierung zu erwarten.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Aluminiuravorlegierungen j mit einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen, wie .^; Zr, Ti, Mo, Va, Cr, Mn etc., durch Zugabe der Metalle in Form von Alkalifluoridverbindungen oder als Mischung aus Metall-Fluoridverbindungen mit Alkaliverbindungen in eine Aluminiumschmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe kontinuierlich beim Abgießen der auf üblicher Schmelztemperatur gehaltenen Aluminiumschmelze in einer Menge erfolgt, die weniger als 11o % des Soll-Gehaltes der Metalle in der Vorlegierung entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießtemperatur der Aluminiumschmelze weniger als 75o C, vorzugsweise weniger als 72o° C beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabemenge weniger als 1o5 %, vorzugsweise weniger als 1o3 % des Soll-Gehaltes der Metalle in der Vorlegierung entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe in den Gießstrahl oder in die Gießrinne erfolgt.

.5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis.4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zugabe und Erstarrungsbeginn der Vorlegierung eine Zeit von ca. 1 Minute eingehalten wird.

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6. Verfahren nach, einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der Metall-Alkalifluoridverbindungen oder der Mischung aus Metall-Fluoridverbindungen und Alkaliverbindungen mittels Dosier- und Fördereinrichtung durch ein hitzebeständiges Rohr unter die Schmelzoberfläche in .die Gießrinne erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einbringen in den Gießstrahl· ein mit den Metall-Alkalifluoridverbindungen oder der Mischung aus Metall-Fluoridverbindungen und Alkaliverbindungen gefüllter, kontinuierlich abschmelzender Aluminium-Draht 4 verwendet wird. ■ (Hülse,Rohr)

8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auf die Herstellung von Aluminiumlegierungen.

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