DE4212936C2 - Verfahren und Anordnung zur Herstellung gasarmer und porenfreier Aluminium-Gußlegierungen - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur Herstellung gasarmer und porenfreier Aluminium-GußlegierungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur
Herstellung gasarmer und porenfreier Aluminiumgußlegierungen.
Aus dem Aluminium-Taschenbuch 14. Auflage, Seite 388 ff ist
bekannt, daß zur Herstellung von Gußlegierungen üblicherweise
Tiegel- oder Wannenöfen eingesetzt werden. Es wird entweder
flüssiges Elektrolysemetall eingefüllt oder Festmetall aufgeschmolzen.
Durch Zugabe von Legierungskomponenten, wie Silizium,
Magnesium, Kupfer, Titan, Nickel, wird die vorgesehene Legierungszusammensetzung
eingestellt.
Zum Lösen und Legieren der Komponenten wird das Schmelzebad
aufgeheizt. Wie aus Seite 380 des Aluminium-Taschenbuchs bekannt,
nimmt die Schmelze dabei vermehrt Wasserstoff auf, da
Aluminium im flüssigen Zustand ein hohes Lösungsvermögen für
Wasserstoff besitzt. Dieser entsteht bei der Umsetzung von flüsssigem
Aluminium mit Wasserdampf und wird sofort von der Schmelze
atomar aufgenommen. Der Wasserdampf kommt über die Einsatzmaterialien,
die Ofen- und Tiegelauskleidungen, die Werkzeuge, die
Schmelz- und Flußmittel, die Verbrennung gasförmiger und flüssiger
Brennstoffe und die Luftfeuchtigkeit mit dem flüssigen Aluminium
in Kontakt. Die Menge des gelösten Wasserstoffs ist von
der Metalltemperatur, der Legierungszusammensetzung und dem
Wasserstoffpartialdruck abhängig. Die Wasserstoffaufnahme wird
durch offene Brennerflammen oder heftige Badbewegungen bei Induktionsöfen
begünstigt. Bei der Veredelung von Gußlegierungen
mit Alkali- und Erdalkalimetallen wie Strontium, Natrium und
Calcium steigt der Wasserstoffgehalt der Schmelze nochmal erheblich
auf Werte von über 0,3 ml Wasserstoff in 100 g Metall an,
da die Wasserdampfzersetzung durch diese Metalle noch schneller
erfolgt. Die Schmelzreinigung sollte möglichst unmittelbar vor
dem Gießen vorgenommen werden, da eine zu einem früheren Zeitpunkt
vorgenommene Behandlung durch nachfolgende technologische
Schritte, wie z. B. durch Umgießen zum Zwecke des Transports der
Schmelze, wiederum zu Verunreinigungen führen kann. Insbesondere
der Kontakt der Schmelze mit der Luftfeuchtigkeit führt zu einer
Zunahme des Wasserstoffgehaltes und der damit verbundenen unerwünschten
Vergrößerung der Porosität der Aluminiumformkörper.
Nach dem Aluminium-Taschenbuch, Seite 381, werden übliche Reinigungsverfahren
mit interen aber auch mit chemisch aktiven Gasen
durchgeführt. Beim Spülen mit inerten Gasen (z. B. Argon oder
Stickstoff) wird der Wasserstoff durch die Erniedrigung seines
Partialdruckes praktisch physikalisch entfernt. Diese Art der
Wasserstoffentfernung ist technologisch aufwendig und birgt die
Gefahr, daß Wasserdampf während der Behandlung mit der Schmelze
Kontakt bekommt. Hinzu kommt, daß beim Einsatz von Stickstoff
mit bestimmten Legierungsbestandteilen eine unerwünschte Nitridbildung
stattfinden kann. Beim Einsatz des chemisch aktiven
Chlorgases wird Aluminiumchlorid gebildet, das an die Oberfläche
steigt und dabei aufgrund seiner feinen Verteilung in der Schmelze
eine wirksame Spülung bewirkt. Chlorgas ist jedoch ein
schweres Umweltgift und auch teuer in der Herstellung. Die erforderlichen
Schutzmaßnahmen zur Verhinderung des Austretens des
giftigen Gases und seiner Reaktionsprodukte erfordern umfangreiche
Investitionen.
im Gegensatz zur Verwendung chemischer Mittel stellt die Vakuumentgasung
der Schmelze eine besonders umweltfreundliche und
wirkungsvolle Methode dar. Aus der DE-OS 20 29 687 ist ein Verfahren
zum Abgießen von Metall oder Metallegierung in Stranggußkokillen
bekannt, bei dem ein gegen die Atmosphäre abschließbarer
Raum nach dem Einsetzen einer mit Metallschmelze gefüllten
beheizbaren Pfanne evakuiert und das flüssige Metall aus der
Pfanne auf eine ansteigende Rinne mit elektroinduktiver Heiz-
und Fördereinrichtung dosiert zugeführt wird. Vom oberen Ende
der Rinne fließt das flüssige Metall in einer solchen Menge in
die Stranggußkokille, daß sich ein flacher Schmelzsumpf in der
Kokille ausbildet.
Beim Einsetzen der gefüllten Pfanne in einen abschließbaren Raum
geht wertvolle Zeit verloren, die ein Wiederaufschmelzen der
zwischenzeitlich abgekühlten Schmelze notwendig macht. Ferner
sind zusätzliche Transporte erforderlich, bei denen ein in Kontaktbringen
mit der Luftfeuchtigkeit zwangsläufig erfolgt, so
daß im Ergebnis des Legierungs- und Verdelungsverfahrens und
nach dem Strangguß keine gasarmen und porenfreie Aluminium-Gußlegierungen
vorliegen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde
ein Verfahren und eine Anordnung zur Herstellung gasarmer
und porenfreier Aluminium-Gußlegierungen zu schaffen, mit
denen es möglich ist den Kontakt der Aluminiumschmelze mit
der Luftfeuchtigkeit vom Legierungsprozeß über die Ver
edelung bis zum Stranggießen der Gußbarren extrem gering
zu halten, dabei die umweltfreundliche und effiziente Va
kuumentgasung zu nutzen und durch eine hohe Abkühlungsge
schwindigkeit die Ausbildung großer Gasporen zu verhindern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
nach dem Legieren der Metallschmelze in einem Schmelzofen
die Schmelze über ein Rinnensystem unmittelbar einem
Vakuumofen zugeführt wird, daß im Vakuumofen Veredlungs
komponenten zugesetzt werden und die für den Strangguß
erforderliche Gießtemperatur eingestellt wird, daß das
Vakuum im Vakuumofen bei periodischer Messung der Metall
dichte weitere 5 bis 240 Minuten gehalten wird und daß
danach die Metallschmelze über das Rinnensystem unmittel
bar der Stranggußanlage zugeführt wird, wobei die Metall
schmelze vor Eintritt in die Stranggußanlage filtriert
wird. Erfindungsgemäß wird die Schmelze vom Schmelzofen
über das Rinnensystem abwechselnd oder gleichzeitig in
zwei Vakuumöfen geführt, so daß die Stranggußanlage, die
bevorzugt als Horizontal-Stranggußanlage ausgebildet ist,
kontinuierlich mit Schmelze beschickt werden kann. Für die
optimale qualitative und quantitative Durchführung des
Verfahrens ist es wichtig, daß während des Haltens im
Vakuumofen die Metalldichte gemessen wird. Dadurch ist es
möglich die Verweildauer der Schmelze unter Vakuumbedin
gungen zu steuern. Zweckmäßig ist es, daß während des
Haltens des Vakuums die Größe des Vakuums zwischen 100 und
1 mbar liegt. Die Regelung der Dauer des Vakuums hängt im
wesentlichen von den Meßwerten der Metalldichte ab. So
kann es durchaus notwendig sein, daß während des Haltens
des Vakuums seine Größe konstant gehalten oder variiert
wird. Beispielsweise ist es zweckmäßig, daß während des
Haltens eine möglichst hohe Größe des Vakuums mit zuneh
mender Metalldichte eingestellt wird, damit die Austrei
bung des Wasserstoffs durch weitere Verringerung seines
Partialdruckes trotz steigender Metalldichte möglich wird.
Durch Verwendung einer wassergekühlten Horizontal-Strang
gußanlage, die schnell und mit relativ kurzem Weg mit der
Schmelze aus dem Vakuumofen beschickt wird, ist auch eine
hohe Abkühlungsgeschwindigkeit gegeben, die eine Ausbil
dung großer Poren verhindert. Die Anordnung des Schmelz
ofens, mindestens eines Vakuumschmelzofens und der Strang
gußanlage, die über ein Rinnensystem unmittelbar mitein
ander verbunden sind, ermöglichen es, das Metall während
des Behandlungsprozesses immer in der Schmelze zu halten.
Energieaufwendige Erstarrungs- und Wiederaufschmelzvor
gänge entfallen aufgrund des optimalen Transportes der
Schmelze über das Rinnensystem. Um das Fließen der
Schmelze durch das Rinnensystem unter Ausnutzung der
Schwerkraft zu erleichtern, ist ein Gefälle vorgesehen,
das durch unterschiedliche Standebenen der Öfen und der
Stranggußanlage oder durch ein höhenverstellbares
Rinnensystem realisiert wird. Das Rinnensystem ist gemäß der
Erfindung ein offenes System, damit eine Kontrolle des
Schmelzflusses jederzeit gewährleistet ist. Aufgrund der
insgesamt kurzen Wege ist der Kontakt der Schmelze mit der
Luftfeuchtigkeit minimal.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfin
dungsgemäßen Anordnung dargestellt. Es zeigen die
Fig. 1 eine Anordnung eines Schmelzofens, zweier Vakuum
schmelzöfen, einer Horizontal-Stranggußanlage mit
Keramik-Form-Filter, die durch ein Rinnensystem
miteinander verbunden sind;
Fig. 2 Porengehalt eines Masselquerschnittes einer Hütten
legierung auf einer wassergekühlten Masselgießma
schine vergossen;
Fig. 3 Querschnitt eines Stranggußbarrens, der nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren und der Anordnung
vergossen wurde.
Der Schmelzofen 1 in der Fig. 1 ist üblicherweise als
Tiegel- oder Wannenofen ausgebildet. Er dient der Legie
rungsherstellung. Hier werden die Legierungskomponenten,
wie Silicium, Magnesium, Kupfer, Titan, Nickel usw. auf
gattiert, eine Raffinationsbehandlung mit Reaktions-
und/oder Inertgasen durchgeführt und die notwendige
Metalltemperatur zur Überführung der Schmelze in die Va
kuumöfen 2 eingestellt. Die Schmelze fließt der Schwer
kraft folgend durch das Rinnensystem 4 in die beiden Va
kuumöfen 2. Die Kapazität des Schmelzofens 1 ist so groß,
daß beide Vakuumöfen 2 im Wechselbetrieb beschickt werden
können. Die Veredelungskomponenten wie Strontium, Natrium,
Calcium werden hier zulegiert und die notwendige Behand
lungstemperatur im Hinblick auf die vorgegebene Gießtem
peratur eingestellt. Im Vakuumofen 2 wird die Legierungs
schmelze einer Vakuumbehandlung unterzogen, die nach den
Ergebnissen der Metalldichteprüfung gesteuert wird. Nach
positiver Metalldichteprüfung wird die Schmelze in den
beiden Vakuumöfen 2 nacheinander über das Rinnensystem 4
unter Zwischenschaltung eines Keramik-Form-Filters 5 der
wassergekühlten Horizontal-Stranggußanlage 3 zugeführt und
zu Format-Barren vergossen. Die so hergestellten, gasarmen
und porenfreien Gußlegierungen ermöglichen bei sachgemäßem
Wiedereinschmelzen die Herstellung duktiler, porenfreier
Gußteile.
In der Fig. 2 ist ein Masselquerschnitt mit vielen großen
Poren dargestellt. Dieser Formkörper ist nicht nach erfin
dungsgemäßem Verfahren und Anordnung hergestellt worden.
Die Fig. 3 zeigt einen porenfreien Stranggußbarren, der
erfindungsgemäß hergestellt wurde.
Bezugszeichenliste
1 Schmelzofen
2 Vakuumofen
3 Horizontal-Stranggußanlage
4 Rinnensystem
5 Keramik-Form-Filter
2 Vakuumofen
3 Horizontal-Stranggußanlage
4 Rinnensystem
5 Keramik-Form-Filter
Claims (15)
1. Verfahren zur Herstellung gasarmer und porenfreier
Aluminium-Gußlegierungen durch Vakuumbehandlung der
Schmelze,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach dem Legieren der Metallschmelze in einem Schmelzofen (1) die Schmelze über ein Rinnensystem (4) unmittelbar einem Vakuumofen (2) zugeführt wird,
daß im Vakuumofen (2) Veredlungskomponenten zugesetzt werden und die für den Strangguß erforderliche Gieß temperatur eingestellt wird,
daß das Vakuum im Vakuumofen (2) bei periodischer Messung der Metalldichte weitere 5 bis 240 Minuten gehalten wird und daß danach die Metallschmelze über das Rinnensystem (4) unmittelbar der Stranggußanlage (3) zugeführt wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß nach dem Legieren der Metallschmelze in einem Schmelzofen (1) die Schmelze über ein Rinnensystem (4) unmittelbar einem Vakuumofen (2) zugeführt wird,
daß im Vakuumofen (2) Veredlungskomponenten zugesetzt werden und die für den Strangguß erforderliche Gieß temperatur eingestellt wird,
daß das Vakuum im Vakuumofen (2) bei periodischer Messung der Metalldichte weitere 5 bis 240 Minuten gehalten wird und daß danach die Metallschmelze über das Rinnensystem (4) unmittelbar der Stranggußanlage (3) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschmelze vor Eintritt in die Strangguß
anlage (3) filtriert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze vom Schmelzofen (1) über das Rinnen
system (4) abwechselnd oder gleichzeitig in zwei
Vakuumöfen (2) geführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung der Metalldicke das Vakuum im Vakuum
ofen kurzzeitig unterbrochen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß während des Haltens des Vakuums die Größe des
Vakuums zwischen 100 und 1 mbar liegt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß während des Haltens des Vakuums die Größe des
Vakuums konstant gehalten wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß während des Haltens des Vakuums die Größe des
Vakuums variiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 4, 5 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Intensität der Vakuumbehandlung mit der Me
talldichte korreliert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 4, 5, 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einwirkungszeit des Vakuums mit zunehmender
Metalldichte erhöht wird.
10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Her
stellung gasarmer und porenfreier Aluminium-Gußlegie
rungen, bestehend aus Schmelzofen, Vakuumschmelzofen
und Stranggußanlage,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelzofen (1), mindestens ein Vakuumschmelz
ofen (2) und die Stranggußanlage (3) über ein Rinnen
system (4) parallel und unmittelbar miteinander ver
bunden sind und daß vor der Stranggußanlage (3) ein
Filter (5) angeordnet ist, der beim Anschluß mit
mehreren Vakuumschmelzöfen etwa in der Mitte zwischen
der die Öfen verbindenden Schmelzrinne positioniert
ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Standebene des Schmelzofens (1) sich oberhalb
der Standebene des Vakuumschmelzofens (2) und der
Stranggußanlage (3) befindet.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 und 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stranggußanlage (3) eine Horizontal-Strangguß
anlage ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüch 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Rinnensystem (4) ein offenes System ist.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß Teile des zwischen den Schmelzöfen (2) angeordne
ten, mit einem Mehrfachanschluß 4a-c versehenen
Rinnensystemes (4) höhenverstellbar sind.
15. Anordnung nach einem der Anspruche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Filter (5) ein Keramik-Form-Filter ist.
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