DE3628276A1 - Verfahren zum chargieren von zusaetzen zu legierungsschmelzen und formkoerper aus legierungszusaetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Chargieren und definierten Zusätzen von Vorlegierungen zu Legierungs­ schmelzen aus bei Raumtemperatur reaktiven und nicht- reaktiven Metallen, die in einem Schmelzenbehälter ge­ halten werden.

Ein Beispiel für eine Legierung aus bei Raumtemperatur reaktiven und nicht-reaktiven Metallen ist eine etwa 3 Gewichtsprozent Lithium enthaltende Aluminium- Legierung, in der gegebenenfalls auch noch andere Legierungselemente wie beispielsweise Magnesium ent­ halten sind. Derartige Legierungen spielen in der Luftfahrt eine Rolle, weil sie das Flugzeuggewicht entsprechend herabsetzen, so daß die Ersparnis an Treibstoffkosten über die Gesamtlebensdauer des Flug­ zeugs mehrfach größer ist als der Mehrpreis für eine solche Legierung.

Bei der Verarbeitung derartiger Legierungen in Form von Blechen, Profilen und Gußrohlingen fallen in beträchtlichem Umfange Abfälle an, und bei der Zurück­ nahme defekter Teile handelt es sich um Schrott. So­ wohl die Abfälle als auch der Schrott werden einem Recycling-Verfahren zugeführt, bei dem der Schmelz­ prozeß eine entscheidende Rolle spielt. Dabei neigen die reaktiven Metalle, im Falle des Beispiels Lithium, zum Verdampfen und auch das aufzuarbeitende Material hat nicht in jedem Falle den vorgeschriebenen Gehalt an reaktiven Legierungselementen. In diesem Fall muß also das Grundmetall, im Falle des Beispiels Aluminium, mit einem höheren Anteil an dem reaktiven Metall zugesetzt werden.

Sofern Lithium zugesetzt werden muß, sind Lagerung und Handhabung dieses Metalls kompliziert, weil Legierungen mit einem Lithiumanteil, der 6 bis 8 Gewichts­ prozent übersteigt, bereits bei Raumtemperatur deut­ lich reaktiv sind, so daß derartige Legierungen nicht mehr ohne weiteres handhabbar sind. Zum Ausgleich von Lithium-Verlusten beim Recycling ist es in hohem Maße wünschenswert, Vorlegierungen einzusetzen, deren Gehalt an Lithium deutlich oberhalb 3 Gewichtsprozent liegt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, bei dem Vorlegierungen mit einem Anteil an reaktivem Metall verwendet werden, der den Anteil des reaktiven Metalls in der Schmelze bzw. im Endprodukt deutlich übersteigt, ohne daß die betreffende Vorlegierung bei Raumtemperatur zu Reaktionen mit der Umgebungs­ luft neigt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem ein­ gangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man aus den reaktiven und nicht-reaktiven Metallen durch einen Gießprozeß mit nachfolgender Erstarrung einen bei Raumtemperatur an der Oberfläche nicht- reaktionsfähigen Formkörper erzeugt, dessen Gehalt an dem reaktiven Metall gleich oder größer ist als dessen Anteil im Schmelzenbehälter, und daß man derartige Formkörper nach Maßgabe des Bedarfs an reaktions­ fähigem Metall dem Schmelzenbehälter zusetzt.

Es wurde festgestellt, daß man beispielhaft einen Formkörper erzeugen kann, der bis zu 10 Gewichts­ prozent Lithium in im wesentlichen homogener Ver­ teilung enthält, während der Rest zumindest im wesentlichen aus Aluminium besteht. Ein derartiger Formkörper ist bei Raumtemperatur ausreichend stabil, so daß man ihn ohne zusätzliche Einhüllung über eine Schleuse in einen Schmelzenbehälter einbringen kann, der sich unter Vakuum oder in einer anderen nicht­ reaktiven Atmosphäre befindet. Hierbei ist zu be­ achten, daß der Volumensanteil an Lithium ent­ sprechend größer ist, da sich die spezifischen Ge­ wichte von Lithium : Aluminium wie 1 : 5 verhalten.

Sofern Vorlegierungen benötigt werden, die einen deut­ lich höheren Anteil an Lithium aufweisen, kann man mit besonderem Vorteil in der Weise vorgehen, daß man in einer Gießform in einer nicht-reaktiven Atmosphäre einen Formkörper erzeugt, der zumindest an seiner Oberfläche einen solchen Anteil an nicht-reaktivem Metall aufweist, daß er bei Raumtemperatur stabil ist.

Ein solches Verfahren ist beispielhaft in der Weise ausführbar, daß man in einer Gießform zunächst einen Hohlkörper aus nicht-reaktivem Metall bereit­ stellt und den Hohlraum mit einer Legierung aus reaktivem und nicht-reaktivem Metall ausfüllt.

Die Bereitstellung des Hohlkörpers kann entweder da­ durch geschehen, daß man den Hohlkörper in der Gieß­ form in einem ersten Verfahrensschritt durch Schleuder­ guß erzeugt, wobei naturgemäß die Gießform als Schleudergußform ausgeführt ist.

Eine alternative Lösung besteht darin, daß man in eine stationäre Gießform ein Rohr aus dem nicht- reaktiven Metall einsetzt.

Dabei ist es wiederum von besonderem Vorteil, wenn man Endverschlüsse des Hohlkörpers aus nicht- reaktivem Metall ausbildet, indem man beispielsweise entsprechend geformte Platten in die Enden des Hohl­ körpers einsetzt, oder diese "in situ" durch einen Gießvorgang herstellt.

Die Erfindung betrifft auch einen Formkörper aus bei Raumtemperatur teilweise reaktiven, teilweise nicht- reaktiven Legierungszusätzen. Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist ein solcher Formkörper erfindungsgemäß durch eine Oberflächenschicht aus einem bei Raum­ temperatur nicht-reaktivem Metall.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungs­ gegenstandes ergeben sich aus den übrigen Unteran­ sprüchen.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Verfahren zur Herstellung einer lithium­ haltigen Vorlegierung mit maximal etwa 10 Ge­ wichtsprozent Lithiumanteil,

Fig. 2 ein Verfahren zur Herstellung einer Vorlegierung mit einem rohrförmig eingesetzten Mantel, der nicht reaktionsfähig ist,

Fig. 3 ein Verfahren zur Herstellung einer Vorlegierung mit einem Kern aus einer bei Raumtemperatur reaktionsfähigen Legierung, der in situ mit einem Mantel aus einer nicht-reaktionsfähigen Legierung umgossen wird.

In Fig. 1 ist eine der üblichen Gießformen 1 dargestellt, deren Hohlraum 2 von einer schach konischen Innenwand 3 und einem Boden 4 begrenzt wird. Unter Vakuum oder Schutz­ gas werden aus zwei oder mehr hier nur schematisch darge­ stellten Schmelzbehältern 5 und 6 die einzelnen Kompo­ nenten der Vorlegierung zugesetzt, wobei sich in jedem der Schmelzbehälter 5 und 6 auch mehrere dieser Komponenten befinden können. Der Anteil der reaktionsfähigen Kompo­ nenten soll hierbei jedoch maximal nur so groß sein, daß der nachfolgend im Hohlraum 2 erstarrte Gußkörper bei Raumtemperatur nicht reaktionsfähig ist, da seine Ober­ fläche nach Aufhebung des Vakuums bzw. der Schutzgas­ atmosphäre notwendigerweise mit der Umgebungsluft in Berührung kommt.

Bei dem Verfahren nach Fig. 2 wird in die Gießform 1 zunächst ein zylindrischer Hohlkörper 7 aus einem Metall mit einer nicht reaktiven Zusammensetzung bereit­ gestellt, in den nach unten hin ein scheibenförmiger Endverschluß 8 eingesetzt ist. Der Schmelzbehälter 6 enthält in diesem Falle eine Legierung mit einem solchen Gehalt an reaktionsfähigem Metall, daß dieses bei Raumtemperatur mit der Umgebungsluft reaktionsfähig wäre. Die Schmelze wird allerdings nur bis zu dem gestrichelt eingezeichneten Pegel 9 eingefüllt, worauf der darüber freigelassene Raum durch einen weiteren Endverschluß ausgefüllt wird, der hier nicht dargestellt ist. Die Endverschlüsse werden dabei gegenüber dem Hohlkörper 7 durch Maß­ nahmen festgelegt, daß sie sich nicht mehr von dem endgültig gebildeten Formkörper lösen können.

Bei dem Verfahren nach Fig. 3 wird in der Gießform 1 ein das reaktive Metall enthaltender Teilkörper 10 mit allseitigen Abständen von den Wänden der Gießform bereitgestellt, und diese Abstände werden aus dem Schmelzbehälter 6 mit einer Schmelze eines bei Raum­ temperatur nicht reaktiven Metalls oder einer nicht reaktiven Legierung ausgefüllt. Es ergibt sich als­ dann ein an der Oberfläche nicht reaktiver Formkörper, der das Negativ-Abbild des Hohlraums 2 darstellt. Eine Stange 11 aus einem bei Raumtemperatur nicht reaktionsfähigen Metall dient zur räumlichen Fest­ legung des Teilkörpers 10. Eine Platte 12 aus einer bei Raumtemperatur nicht reaktiven Legierung verhindert das "Auswaschen" des Teilkörpers 10 beim Eingießen der nicht reaktiven Legierung.

Beim Abgießen wird dafür Sorge getragen, daß der Schmelz­ punkt des Teilkörpers 10 und die Abgießtemperatur der Schmelze aus dem Schmelzbehälter 6 nicht allzu weit voneinander differieren. Da die Temperatur des Teil­ körpers 10 merklich unterhalb der Abgießtemperatur der Schmelze liegt und vorzugsweise bei Raumtemperatur liegt, kann wirksam verhindert werden, daß ein merklicher Teil des Teilkörpers 10 aufschmilzt. In geringem Um­ fange ist dies jedoch unbedenklich.

Die sogenannten "Kerne" der Formkörper, die aus den Verfahren nach den Fig. 2 und 3 hervorgehen, können sehr viel größere Anteile des bei Raumtemperatur reaktiven Metalls enthalten; sie können sogar voll­ ständig aus dem reaktiven Metall bestehen, wenn die Chargierung dies erforderlich machen sollte.

Anstelle einer mehrfach wiederverwendbaren Gießform 1 kann auch der Hohlkörper 7, sofern er einen Endver­ schluß bzw. Boden aufweist, unmittelbar als Einweg-Gieß­ form verwendet werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Chargieren und definierten Zusetzen von Vorlegierungen zu Legierungsschmelzen aus bei Raumtemperatur reaktiven und nicht reaktiven Metallen, die in einem Schmelzenbehälter gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß man aus den reaktiven und nicht-reaktiven Metallen durch einen Gießprozeß mit nachfolgender Erstarrung einen bei Raumtemperatur an der Oberfläche nicht reaktions­ fähigen Formkörper erzeugt, dessen durchschnittlicher Gehalt an reaktivem Metall gleich oder größer ist als dessen Anteil im Schmelzenbehälter, und daß man derartige Formkörper nach Maßgabe des Bedarfs an reaktions­ fähigem Metall dem Schmelzenbehälter zusetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer Gießform in einer nicht reaktiven Atmosphäre einen Formkörper erzeugt, der zu­ mindest an seiner Oberfläche einen solchen Anteil an nicht-reaktivem Metall aufweist, daß er bei Raumtemperatur stabil ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer Gießform zunächst einen Hohl­ körper aus nicht-reaktivem Metall bereitstellt und den Hohlraum mit einer Legierung aus reaktivem und nicht-reaktivem Metall ausfüllt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Hohlkörper durch Schleuderguß in der rotierenden Gießform erzeugt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man in eine Gießform ein Rohr aus dem nicht- reaktiven Metall einsetzt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man Endverschlüsse des Hohlkörpers aus nicht-reaktivem Metall ausbildet.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer Gießform einen das reaktive Metall enthaltenden Teilkörper mit allseitigen Abständen von den Wänden der Gießform bereitstellt und diese Abstände mit einer Schmelze eines bei Raumtemperatur nicht reaktiven Metalls oder einer nicht reaktiven Legierung ausfüllt.

8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auf die Herstellung von Aluminium und Lithium enthaltenden Legierungen.

9. Formkörper aus bei Raumtemperatur teilweise reaktiven, teilweise nicht reaktiven Legierungszusätzen für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine Oberflächenschicht aus einem bei Raumtemperatur nicht reaktiven Metall.

10. Formkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus einem Hohlkör­ per (7) aus dem nicht-reaktiven Metall besteht, in dem eine das reaktive Metall enthaltende Füllung eingebracht ist.

11. Formkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper Endverschlüsse (8) aus nicht-reaktivem Metall besitzt.