DE4327228C1 - Verfahren zum Kornfeinen von metallischen Gußwerkstoffen sowie Gußteil aus einem derartig gefeinten metallischen Gußwerkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kornfeinen von metallischen Gußwerkstoffen, insbesondere Aluminium, Kupfer, Nickel, Kobalt, Eisen und/oder Legierungen aus diesen, sowie Gußteile aus metallischen Gußwerkstoffen, die gemäß diesem Verfahren gefeint sind.

Es ist bekannt, metallische Gußwerkstoffe, d. h. Metalle und/oder Metallegierungen, kornzufeinen, um ihre gieß­ technischen Eigenschaften und/oder die mechanischen Eigenschaften der aus den gefeinten Gußwerkstoffen gefertigten Bauteile zu verbessern. Die Kornfeinung von Gußwerkstoffen kann grundsätzlich durch zwei verschie­ dene Maßnahmen erzielt werden, nämlich zum einen durch Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit (damit verbunden ist im allgemeinen eine Unterkühlung der Schmelze und damit eine Erhöhung der Keimzahl) und zum anderen durch Einbringen von Eigen- oder Fremdkeimen als Kristallisa­ tionszentren. Die Kornfeinung durch Erhöhung der Abküh­ lungsgeschwindigkeit wird auch als homogene Keimbildung bezeichnet, während das Einbringen von (Eigen- oder Fremd-)Keimen auch als heterogene Keimbildung bezeich­ net wird. Die heterogene Keimbildung wird mitunter auch als "Impfen" bezeichnet. Gießtechnisch wirkt sich die Kornfeinung in einer Verbesserung des Speisungs-, Form­ füllungs- und Fließvermögens des gefeinten Metalls bzw. der gefeinten Metallegierung aus. Ferner wird die Warmrißanfälligkeit vermindert. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der aus dem gefein­ ten Material gefertigten Bauteile betrifft deren Zug­ festigkeit, Streckgrenze und Dehnung. Schließlich wirkt sich die Kornfeinung auch in einer Verbesserung der Oberfläche der gefertigten Bauteile aus, die gleich­ mäßiger und glatter als ohne Kornfeinung wird.

Herkömmlicherweise wird bei der Kornfeinung von Metal­ len und/oder Metallegierungen derart verfahren, daß die zu feinende Metallegierung bis zum Schmelzen erwärmt wird und das Kornfeinungsmittel in fester Form zugege­ ben wird. Das Kornfeinungsmittel selbst besteht aus einer Trägersubstanz und ein oder mehreren zur Korn­ feinung beitragenden keimwirksamen Substanzen. Bei der Trägersubstanz handelt es sich im allgemeinen um das Metall selbst bzw. das Basismetall der zu feinenden Metallegierung, wohingegen als keimwirksame Substanzen Titan, Zirkonium, seltene Erden, Bor und/oder Kohlen­ stoff verwendet wird. Das im festen Aggregatzustand der Metall- bzw. Metallegierungsschmelze zugeführte Korn­ feinungsmittel geht in der Schmelze bis auf seine keim­ wirksamen Substanzen in den flüssigen Aggregatzustand über und wird mit dem Metall bzw. der Metallegierung vermischt. Bei der Abkühlung der Metall- bzw. Metall­ legierungsschmelze bilden sich aufgrund der keimwirk­ samen Substanzen Kristallisationszentren. Die mittleren Durchmesser dieser Kristallite bzw. Partikel liegen in der Größenordnung von 5 µm bis 200 µm.

Zur Kornfeinung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen werden häufig als Kornfeinungsmittel Vorlegierungen auf Aluminiumbasis mit Titan, Bor, Kohlenstoff, Zirkonium und/oder anderen seltenen Erden benutzt. Die Vorlegie­ rungen werden überhitzt und in Masseln gegossen, so daß aufgrund der relativ langsamen Abkühlung ein grobkörni­ ges Gefüge entsteht, wobei die primär ausgeschiedenen, intermetallischen, kornfeinend wirkenden Phasen in Nadelform vorliegen. Die keimbildenden Phasen bei diesen Vorlegierungen sind Al₃Ti und TiB₂, die im Ge­ füge vorzugsweise auf den Korngrenzen bzw. in den interdendritischen Räumen auftreten. Die legierten und gegossenen, mit grobkristallinem Gefüge erstarrten Bar­ ren werden anschließend stranggepreßt bzw. gewalzt, um auf umformtechnischem Wege insbesondere die keimwirk­ samen Al₃Ti-Partikel zu verkleinern. Dieses Verfahren hat natürliche Grenzen, so daß die resultierenden Korn­ größen der relativ harten Al₃Ti-Partikel bei etwa 20 µm liegen. Das umgeformte Kornfeinungsmittel liegt zumeist in Drahtform vor und wird in dieser Form einer zu feinenden Metall- oder Metallegierungsschmelze zuge­ führt.

Aus GB-A-2 243 374 ist es bekannt, einer zu feinen­ den Schmelze kornfeinend wirkende Elemente wie C, S, P und N zuzuführen. Die Korngröße der daraus resultieren­ den Karbide, Sulfide, Phosphide, Nitride und Boride in dem Kornfeinungsmittel können auf Werte unter 5 µm ge­ bracht werden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die oben genannten Phasen teilweise in hochwertigen Legierungen nicht erwünscht sind.

In JP-A-62 133 037 ist ein Kornfeinungsmittel beschrie­ ben, bei dem es sich um eine Vorlegierung auf Alumi­ niumbasis handelt. Die resultierenden Kristallitgrößen der Al₃Ti-Partikel werden mit < 10 µm und diejenigen der TiB₂-Partikel mit < 8 µm angegeben. Die Abkühlrate des Kornfeinungsmittels bei seiner Herstellung liegt in der Größenordnung von 100 K/s. Üblicherweise werden derartige Abkühlraten beim Gießen in metallischen Kokillen erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kornfeinen von Metallen und/oder Metallegierungen anzugeben, bei dem der gefeinte Werkstoff Partikel­ größen um ein 1 µm und darunter aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Kornfeinungsverfahren für Metalle und/oder Metallegie­ rungen vorgeschlagen, bei dem erfindungsgemäß das Korn­ feinungsmittel vor seiner Zugabe zur Schmelze des korn­ zufeinenden Werkstoffs verflüssigt wird und auf eine Temperatur erhitzt wird, die größer ist als die Temperatur der Schmelze des zu feinenden Werkstoffs.

Nach der Erfindung wird das Kornfeinungsmittel dem zu feinenden metallischen Werkstoff flüssig zugege­ ben. Dabei ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dafür zu sorgen, daß die Temperatur des flüssigen Korn­ feinungsmittels größer ist als die Temperatur der Schmelze des zu feinenden Werkstoffs. Insbesondere muß die Temperatur so hoch sein, daß auch die hoch­ schmelzenden Phasen des flüssigen Kornfeinungsmittels über ihrer Liquidus-Temperatur erhitzt sind. Bei der Zugabe des Kornfeinungsmittels kommt es zu einem Ab­ schreckeffekt des Kornfeinungsmittels. Das Korn­ feinungsmittel erfährt also eine schlagartige Abküh­ lung, wenn es in die Schmelze des zu feinenden Werk­ stoffs eingebracht wird.

Erfindungsgemäß wird das überhitzte Kornfeinungsmittel bei seiner Zugabe zur Schmelze des zu feinenden Guß­ werkstoffs abgeschreckt und bis zum Kristallisations­ punkt (und vorzugsweise darunter) seiner kornfeinend wirkenden Phasen abgekühlt.

Vorteilhafterweise beträgt der Temperaturunterschied mindestens das 1,5fache der Temperatur der Schmelze des zu feinenden Werkstoffs. Dies wird zweckmäßiger­ weise dadurch erreicht, daß die Temperatur des zu feinenden Werkstoffs in der Nähe seiner Liquidus-Tempe­ ratur liegt, während das zuzugebende Kornfeinungsmittel stark überhitzt wird. Bei der Kornfeinung von Alumi­ niumlegierungen ist mit Vorteil nach der Erfindung vor­ gesehen, das Kornfeinungsmittel auf 1000°C bis 2000°C zu überhitzen und dem zu feinenden Rein­ aluminium oder der zu feinenden Aluminiumlegierung, deren Schmelzentemperatur je nach Zusammensetzung der Legierung bei etwa 700°C bis 800°C liegt, überhitzt zuzugeben. Da der Zusatz an Kornfeinungsmittel beim Kornfeinen von Werkstoffen in derart kleinen Mengen erfolgt, daß dadurch kein merklicher Legierungseffekt des zu feinenden Gußwerkstoffs beobachtbar ist, kann davon ausgegangen werden, daß genügend Schmelzenmasse zur raschen Abkühlung des stark überhitzten Korn­ feinungsmittels vorhanden ist. Überschlagsweise ergeben sich bei dem obigen Beispiel Abkühlraten für das flüs­ sige Kornfeinungsmittel von 500 K/s bis 1000 K/s in der Gußwerkstoff-Schmelze.

Aufgrund des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vor­ gesehenen Temperaturbudgets kommt es beim Einbringen des Kornfeinungsmittels in die Metall- bzw. Metall­ legierungsschmelze zu einer raschen Abkühlung des Korn­ feinungsmittels. Als Folge davon bilden sich in der gefeinten Schmelze keimwirksame Kristallite bzw. Partikel, deren mittlerer Durchmesser um 2 µm betrugen, vorzugsweise < 1 µm, höchstvorzugsweise < 0,5 µm und insbesondere unter 0,1 µm.

Bei einer Aluminiumlegierung, die mit einer Aluminium- Titan-Bor-Vorlegierung als Kornfeinungsmittel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefeint worden ist, konnten Al₃Ti-Partikel mit einer mittleren Größe < 2 µm und TiB₂-Partikel mit einer mittleren Größe von 0,5 µm in der erstarrten Schmelze festgestellt werden. Damit ergibt sich eine Verringerung der resultierenden Korn­ größe der Aluminiumlegierung nach der Kornfeinung um mindestens den Faktor 3. Die Korndichte dieser erfin­ dungsgemäß gefeinten Aluminiumlegierung liegt um mindestens 200 über derjenigen Dichte, die bei Verwen­ dung des gleichen Kornfeinungsmittels nach der herkömm­ lichen Zugabe in fester Form zur Schmelze des Werk­ stoffs erzielbar ist. Aufgrund der wesentlich verbes­ serten Kornfeinung der gefeinten Aluminiumlegierung sind die gießtechnischen Eigenschaften wie Speisungs-, Formfüllungs- und Fließvermögen wesentlich verbessert. Damit einher geht auch eine wesentliche Verringerung der Warmrißneigung sowie eine Steigerung der Zugfestig­ keit, Streckgrenze und Dehnung, d. h. eine merkliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der aus der gefeinten Aluminiumlegierung gefertigten Bauteile. Die Anzahl der Keime pro 1000 cm³ der erfindungsgemäß gefeinten Aluminiumlegierung ist mindestens um den Faktor 100 höher als im Stand der Technik, so daß eine Einsparung von Kornfeinungsmittel resultiert. Ein Zehn­ tel der Menge des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zugegebenen Kornfeinungsmittels bringt bereits bessere Ergebnisse als bei konventioneller Zugabe des Korn­ feinungsmittels zum zu feinenden Werkstoff. Damit verbunden ist eine umweltfreundliche, emissionsarme Anwendung des Kornfeinungsmittels sowie eine energie- und rohstoffsparende Herstellung zu feinender Legie­ rungen.

Vorteilhafterweise wird das Kornfeinungsmittel vor der Zugabe zur Schmelze des zu feinenden Werkstoffs ver­ flüssigt und dabei vorzugsweise auf eine Temperatur erhitzt, die deutlich über der höchsten Liquidus-Tempe­ ratur der zur Kornfeinung beitragenden keimwirkenden Substanz bzw. Substanzen liegt. Die Schmelze des zu feinenden Werkstoffs weist vorzugsweise eine Tempera­ tur auf, die bei der Liquidus-Temperatur oder gering­ fügig darüber liegt.

Vorzugsweise wird das flüssige Kornfeinungsmittel mit der Schmelze des zu feinenden Werkstoffs verrührt, was insbesondere mechanisch, elektromagnetisch, piezo­ elektrisch oder mittels Ultraschall erfolgt. Es ist auch denkbar, das flüssige Kornfeinungsmittel in die Schmelze einzuspritzen und mit dieser zu vermischen.

Die Verflüssigung des Kornfeinungsmittels kann mittels eines Plasmabrenners, induktiv, mittels eines Licht­ bogens oder mittels Ultraschall erfolgen.

Zweckmäßigerweise ist das Kornfeinungsmittel und die Werkstoffschmelze bei der Erhitzung und bei der Ein­ bringung des Kornfeinungsmittels in die Schmelze sowie beim Verrühren mit derselben einer inerten Atmosphäre ausgesetzt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Kornfeinungsmittel in Stab- bzw. Drahtform vorliegt und als Kathode mit der Schmelze als Anode geschaltet ist. Zwischen dem der Schmelze zugewandten Ende der Kathode und der Schmelzenoberfläche bildet sich ein Lichtbogen, der das Material der Kathode, also das Kornfeinungsmittel ver­ flüssigt, wenn die Kathode nahe genug an die Schmelze herangeführt ist. Durch kontinuierliches Nachführen der Kathode wird auf diese Weise das flüssige Einbringen von Kornfeinungsmittel in die Schmelze realisiert.

Wie bereits oben ausgeführt, kann zur Schaffung eines maximalen Temperaturunterschiedes zwischen dem über­ hitzten Kornfeinungsmittel und der Schmelze des zu feinenden Werkstoffs dessen Temperatur geringfügig oberhalb der Liquidus-Temperatur gewählt werden. Diese Temperatur der Schmelze ist möglicherweise für den an­ schließenden Erstarrungsvorgang nicht optimal. Deshalb ist gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorge­ sehen, die Temperatur der Schmelze nach der Zugabe des Kornfeinungsmittels auf die optimale Gießtemperatur zu erhöhen, um die Schmelze ausgehend von dieser Tempera­ tur abzukühlen und erstarren zu lassen.

Ein weiterer Aspekt der hier beschriebenen Erfindung ist darin zu sehen, das Kornfeinungsmittel unabhängig von seinem Aggregatzustand zu demjenigen Zeitpunkt der Schmelze des zu feinenden Werkstoffs zuzuführen, zu dem diese Schmelze ihren Zeitpunkt stärkster Unterküh­ lung aufweist. In jedem Fall sollte das Kornfeinungs­ mittel vor dem Kristallisationspunkt der Schmelze zuge­ geben werden.

Vorzugsweise erfolgt die Zugabe des flüssigen Korn­ feinungsmittels unter Verwendung eines sich drehenden Impellerrohres, dessen unteres Ende in die Schmelze des zu feinenden Werkstoffs eingetaucht ist. Derartige Impellerrohre werden zur Entgasung von Materialschmel­ zen eingesetzt. Dem Impellerrohr wird dabei ein Inert­ gas zugeführt, das über das nach Art eines Pumpenlauf­ rades ausgebildeten unteren Ende des Impellerrohres der Schmelze bei Rotation des Impellerrohres zugeführt wird. Zweckmäßigerweise wird dem Impellerrohr koaxial Kornfeinungsmittel in Form eines Drahtes zugeführt, der von einer Zuführrolle abgezogen und bis zur Schmelzen­ front im Impellerrohr geführt ist. Zwischen der als Anode geschalteten Schmelze und dem der Schmelzenfront zugewandten Ende des als Kathode geschalteten Korn­ feinungsdrahts bildet sich ein Lichtbogen, der das Kornfeinungsmittel des Drahtes zum Schmelzen bringt und auf die Schmelzenfront abtropfen läßt. Infolge der Rotation des Impellerrohres gelangt das verflüssigte Kornfeinungsmittel in die Schmelze hinein. Durch die erhöhte Temperatur im Bereich der Schmelzenfront ver­ stärkt sich noch die Entgasungswirkung, was zusätzlich zu den durch das flüssige Einbringen des Kornfeinungs­ mittels erzielbaren gießtechnischen und mechanischen Verbesserungen zu einer weiteren Verbesserung der Mate­ rialeigenschaften des Gußwerkstoffs führt.

Wegen der gegenüber dem Stand der Technik wesentlich kleineren Korngrößen der keimwirksamen Kristallite bzw. Partikel des Kornfeinungsmittels weisen die aus den gefeinten Metallegierungen hergestellten Halbzeuge und Produkte verbesserte mechanische Eigenschaften auf, insbesondere was die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Dehnung anbelangt. Bei Gußteilen aus nach der Erfindung feingekörnten Aluminiumlegierungen hat sich das Speisungs-, Formfüllungs- und Fließvermögen der flüssigen feingekörnten Aluminiumlegierung vorteilhaft bemerkbar gemacht. Nach der Erfindung feingekörnte flüssige Aluminiumlegierungen (und dies gilt im übrigen auch für andere Metallegierungen, die erfindungsgemäß behandelt werden) füllen die Gußformen aufgrund ihres verbesserten Fließvermögens wesentlich besser aus. Dies gilt insbesondere für an sich zähflüssige Aluminium­ legierungen, für die aufgrund der Zugabe von erfin­ dungsgemäßem Kornfeinungsmittel neue Anwendungsgebiete erschlossen werden können. Aber nicht nur beim Rheo­ gießen, Thixogießen, beim Druckguß, Feinguß, Kokillen­ guß oder Sandguß, sondern auch beim Strangguß läßt sich eine mit erfindungsgemäßem Kornfeinungsmittel versetzte Metallegierung einsetzen, mit dem Vorteil der Verbesse­ rung der gießtechnischen und mechanischen Eigenschaf­ ten.

Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zei­ gen:

Fig. 1 ein Schliffbild eines Aluminium-Feingußbauteils bei konventioneller Zugabe des Kornfeinungsmit­ tels zur Schmelze der zu feinenden Alumi­ niumlegierung,

Fig. 2 ein Schliffbild eines Aluminium-Feingußbauteils bei Zugabe von überhitztem Kornfeinungsmittel in flüssiger Form zur Schmelze der zu feinenden Metallegierung,

Fig. 3 ein Schliffbild eines Aluminium-Feingußbauteils bei Zugabe von Kornfeinungsmittels durch Ab­ schmelzen desselben von einer Elektrode,

Fig. 4 ein Temperaturregime zur Zugabe von Korn­ feinungsmittel zu einer Schmelze aus zu feinendem Werkstoff,

Fig. 5 ein Temperaturregime zur Zugabe von Korn­ feinungsmittel bei anschließender Abkühlung der gefeinten Schmelze, wobei nach einer be­ liebig langen Lagerzeit die erstarrte Schmelze wieder auf eine Verarbeitungstemperatur erwärmt wird,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht durch ein Schmelzenbad mit darin eingetauchtem Impellerrohr zur Ver­ deutlichung der Zugabe von Kornfeinungsmittel durch Abschmelzen einer Elektrode und

Fig. 7 ein Temperatur-Zeit-Diagramm zur Zugabe von Kornfeinungsmittel.

Herstellungsbeispiel 1

Auf herkömmliche Weise wurde eine Aluminiumlegierung AlCu4Mg0,3 bei 700°C aufgeschmolzen. Parallel hierzu wurde eine konventionell erhältliche Kornfeinungsmit­ tel-Vorlegierung AlTi6 separat in einem getrennten Induktionstiegelofen aufgeschmolzen und bis auf 1100°C überhitzt. Die derart stark überhitzte Korn­ feinungsmittel-Vorlegierung wurde in die zu feinende Aluminiumlegierungsschmelze gegossen. Der Gehalt an Titan in der gefeinten Legierung wurde auf 0,2 Gew.-% eingestellt. Die Schmelze wurde daraufhin gerührt, entgast und 5 Minuten nach dem Vermischen bei einer Temperatur von 700°C in eine auf 300°C vorge­ wärmte Feingußform vergossen. Von der Gußprobe wurden aus Zylindern mit einem Durchmesser von 25 mm Schliff­ proben entnommen und metallographisch untersucht. Die Mikrostruktur der gemäß obiger Vorgehensweise ge­ feinten Aluminiumlegierung ist in Fig. 2 dargestellt.

Als Vergleich dazu wurde der obigen Schmelze der Alumi­ niumlegierung Alcu4Mg0,3 eine Kornfeinungsmittel-Vor­ legierung AlTi6 in Form von Stäben mit einem Durchmes­ ser von 10 mm zugegeben und unter sonst identischen Bedingungen weiterverarbeitet. Von den dabei gegossenen Gußproben wurden aus Zylindern mit einem Durchmesser von 25 mm Schliffproben entnommen und metallographisch untersucht. Das zugehörige Schliffbild ist in Fig. 1 dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, daß die Korn­ größe bei der Kornfeinung mit flüssigem Kornfeinungs­ mittel kleiner ist als bei dem konventionellen Einbrin­ gen von festem Kornfeinungsmittel in die zu feinende Schmelze.

Herstellungsbeispiel 2

Wie im Beispiel 1 wurde eine Aluminiumlegierung AlCu4Mg0,3 in einem Induktionsofen aufgeschmolzen und auf 700°C erhitzt. Dieser Schmelze wurde eine Alumi­ nium-Titan-Vorlegierung AlTi6 zugegeben, und zwar in einer solchen Menge, daß sich ein Titangehalt von 0,2 Gew.-% in der zu feinenden Legierung einstellte. Die Zugabe des Kornfeinungsmittels erfolgt dabei der­ art, daß das konventionell erhältliche AlTi6-Korn­ feinungsmittel als Abschmelzelektrode mit einem Durch­ messer von 3 mm in einen Stromkreis geschaltet wurde, der aus der zu feinenden Schmelze als Anode und einer Schweißstromquelle bestand, mit dem die Ab­ schmelzelektrode als Kathode elektrisch verbunden war. Das an die Schmelze herangeführte vordere Ende der Ab­ schmelzelektrode wurde vermittels des sich unter einer Argon-Schutzgasatmosphäre ausbildenden Lichtbogens überhitzt und tropfte in die Schmelze ab. Die Tropfen überhitzter Aluminium-Titan-Vorlegierung wurden in die Schmelze eingerührt. Nachdem die ganze Menge Korn­ feinungsmittels auf diese Weise zugegeben war, wurde die Schmelze entgast und bei einer Gießtemperatur von 750°C in eine auf 300°C vorgewärmte Feingußform ge­ gossen. Von Zylindern mit einem Durchmesser von 25 mm wurden Schliffproben metallographisch untersucht. Das Schliffbild einer dieser Proben ist in Fig. 3 darge­ stellt. Es hat sich gezeigt, daß die Körner dieses Ge­ füges genauso groß wie die Korngröße der Proben, die nach der Methode der separat geschmolzenen und zuge­ gebenen Vorlegierung entstehen (s. Schliffbild gemäß Fig. 2), sind und somit deutlich kleiner als diejenigen konventionell gefeinter Legierungen sind (s. Schliffbild gemäß Fig. 1).

Herstellungsbeispiel 3

Die Zugabe des Kornfeinungsmittels, bei dem es sich ebenfalls um eine Aluminium-Titan-Vorlegierung AlTi6 handelte, erfolgte nach dem in Fig. 4 dargestellten Temperaturregime. Das Kornfeinungsmittel wurde auf eine Überhitzungstemperatur T_Ü von über 1000°C erhitzt. Bei der Zugabe, d. h. zum Zugabezeitpunkt t_Z, befand sich die zu feinende Aluminiumlegierung AlCu4Mg0,3 auf möglichst niedrigem Niveau, und zwar nur knapp über ihrer Liquidus-Temperatur T_L. Damit war ein möglichst großer Abschreckeffekt des überhitzten Kornfeinungsmit­ tels gewährleistet. Nach der Zugabe wurde die mit Korn­ feinungsmittel versetzte Schmelze auf die optimale Gießtemperatur T_G aufgeheizt und vergossen (Zeitpunkt t_G).

Herstellungsbeispiel 4

Die Herstellung der gefeinten Legierung erfolgt gemäß der Beschreibung im vorherigen Beispiel 3. Nach dem Abkühlen und Erstarren der gefeinten Aluminium­ legierung erfolgt ein Wiederaufheizen der Legierung in den Liquidus-Solidusbereich zwischen der Liquidus-Tem­ peratur T_L und der Solidus-Temperatur T_S gemäß Fig. 5. Aufgrund der globulitischen Struktur der Gefügekörper war es möglich, eine Formgebung in diesem Temperaturbe­ reich vorzunehmen. Das mit dem Temperaturregime und der Zugabe von Kornfeinungsmittel gemäß Fig. 4 und 5 gefeinte Legierungsmaterial wies feinere Globoliten auf, was ein verändertes rheologisches Verhalten der Legierung beim Verarbeiten zur Folge hatte.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Anordnung 10 zum Einbrin­ gen überhitzter Tropfen von Kornfeinungsmittel mittels einer Abschmelzelektrode. Die Anordnung 10 weist ein an sich bekanntes, rotierendes Impellerrohr 12 auf, das mit einer konzentrischen Antriebsscheibe 14 versehen ist, die von einem Riementrieb 16 angetrieben wird. Das untere Ende des Impellerrohres 12 trägt das nach Art eines Pumpenlaufrades ausgebildete Impellerrad 18, das mehrere radial nach außen führende Durchlässe 20 auf­ weist. Sämtliche Durchlässe 20 sind mit einem zentralen Raum 22 des Impellerrades 18 verbunden, der zum Innern des Impellerrohres 12 hin offen ist. Das Impellerrad 18 und der untere Abschnitt des Impellerrohres 12 sind in eine Materialschmelze 24 eingetaucht, die sich in einem Tiegel 26 befindet.

Am oberen Ende des Impellerrohres 12 befindet sich eine das Impellerrohr 12 koaxial umgebende stationäre Dreh­ durchführung 28 zum Zuführen von Inertgas durch radiale Durchlässe 30 im Bereich der Drehdurchführung 28. Eine weitere Drehdurchführung ist zentral am oberen stirn­ seitigen geschlossenen Ende 32 des Impellerrohres 12 angeordnet. Diese Drehdurchführung 32 dient zum Durch­ führen einer von einer Vorratsrolle 34 abgenommenen Drahtelektrode 36 aus Kornfeinungsmittel. Die Elektrode 36 ist innerhalb des Impellerrohres 12 koaxial zu diesem geführt und ist mit ihrem unteren Ende 38 der Schmelzenfront 40 im zentralen Raum 22 des Impeller­ rades 18 gegenüberliegend angeordnet.

Bei Rotation des Impellerrohres 12 und Zuführung von Inertgas durch die Drehdurchführung 28 und die Durch­ lässe 30 in das Impellerrohr 12 hinein wird der Schmelze 24 Inertgas zugeführt, das über die Durchlässe 22 im Impellerrad 18 in die Schmelze 24 eingebracht wird. Dies entspricht der normalen Vorgehensweise bei der Entgasung von Schmelzen mit Hilfe von Impellerrohr­ anordnungen. Wird nun die Schmelze 24 als Anode und die Kornfeinungsmittel-Elektrode 36 als Kathode geschaltet und beide von einer Schweißstromquelle gespeist, so bildet sich zwischen der Schmelzenfront 40 und dem unteren Ende 38 der Kornfeinungsmittel-Elektrode 36 ein Lichtbogen 42, der das Material der Kornfeinungsmittel- Elektrode 36 zum Schmelzen und zum Abtropfen in die Schmelze 24 des zentralen Raumes 22 des Impellerrades 18 bringt. Durch die Rotation des Impellerrades 18 wird der Tropfen überhitzten Kornfeinungsmittels, das sich beim Einbringen in die Schmelze 24 rasch abkühlt, innerhalb der Schmelze 24 verteilt. Aufgrund der er­ höhten Temperatur im Bereich der Schmelzenfront 40 innerhalb des Impellerrades 18 bzw. des Impellerrohres 12 infolge der Ausbildung des Lichtbogens 42 wird eine Verbesserung der Entgasungswirkung der Schmelze 24 er­ zielt. Sowohl diese verbesserte Entgasung als auch die Einbringung von Kornfeinungsmittel in flüssiger über­ hitzter Form wirken sich vorteilhaft und verbessernd auf die Kornfeinung der Schmelze 24 bei deren Erstar­ rung aus.

Fig. 7 schließlich zeigt ein Zeit-Temperatur-Diagramm bei Abkühlung einer Schmelze aus zu feinendem Werk­ stoff. Deutlich zu erkennen ist die Unterkühlung der Schmelze, d. h. der Bereich, in dem die Schmelzentempe­ ratur unterhalb der Solidus-Temperatur T_S liegt. Vor­ zugsweise wird das Kornfeinungsmittel innerhalb der Zeitspanne Δt_Z zugegeben, innerhalb derer die Schmelze eine Temperatur aufweist, die gleich ist oder kleiner ist als die Solidus-Temperatur T_S und größer ist oder gleich ist der Kristallisationstemperatur T_K.

Claims (16)

1. Verfahren zum Kornfeinen von metallischen Gußwerk­ stoffen, insbesondere Aluminium, Kupfer, Nickel, Kobalt, Eisen und/oder Legierungen aus diesen, bei dem

• - der zu feinende Gußwerkstoff bis zum Schmelzen erwärmt wird und
• - der Schmelze ein Kornfeinungsmittel zugegeben wird, das eine Trägersubstanz und ein oder mehrere zur Kornfeinung beitragende keimwirkende Substanzen aufweist, dadurch gekennzeichnet
• - daß das Kornfeinungsmittel vor der Zugabe zur Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs ver­ flüssigt wird und auf eine Temperatur erhitzt wird, die größer ist als die Temperatur der Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kornfeinungsmittels vor der Zugabe mindestens um den Faktor 1,5 höher als die Temperatur der Schmelze des zu feinenden Gußwerk­ stoffs eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kornfeinungsmittel vor der Zugabe zur Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs vollständig verflüssigt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kornfeinungsmittel auf eine über der höchsten Liquidus-Temperatur seiner Be­ standteile liegenden Temperatur erhitzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kornfeinungsmittel getrennt von dem zu feinenden Gußwerkstoff erhitzt wird und danach der kühleren Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs zugegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kornfeinungsmittel mit der Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs mechanisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch oder mittels Ultraschall verrührt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kornfeinungsmittel in die Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs eingespritzt und mit dieser vermischt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kornfeinungsmittel beim Erhitzen und beim Einbringen in die Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs sowie beim Verrühren mit demselben in inerter Atmosphäre gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gefeinte Gußwerkstoff nach der Zugabe des Kornfeinungsmittels auf seine Verarbeitungstemperatur gebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kornfeinungsmittel in Stabform vorliegt und mit der Schmelze in einen Wechselstromkreis geschaltet wird, wobei das Korn­ feinungsmittel durch einen zwischen Stab und Schmelze sich ausbildenden Lichtbogen in die Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs tropft.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kornfeinungsmittel mittels eines Plasmabrenners aufgeschmolzen, überhitzt und in die Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs eingebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kornfeinungsmittel mittels Ultraschall aufgeschmolzen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kornfeinungsmittel als Draht koaxial durch ein sich drehendes Impellerrohr in einem ionisierbaren Inertgasstrom kontinuierlich der Schmelzenfront des zu feinenden Gußwerkstoffs zugeführt wird, an der der Kornfeinungsdraht vermittels eines sich ausbildenden Lichtbogens überhitzt wird, wobei dem Kornfeinungsdraht aufgrund der Rotation des Impellerrohrs unter gleichzeitiger Entgasung der Schmelze des zu feinenden Gußwerkstoffs durch den Inertgasstrom mit der Schmelze vermischt wird.

14. Verfahren, insbesondere nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kornfeinungsmittel zum Zeitpunkt starker bzw. stärkster Unterkühlung der Schmelze des zu feinen­ den Gußwerkstoffs, in jedem Fall vor dessen Kristallisationspunkt, zugegeben wird.

15. Gußteil, erhältlich durch Erstarrung einer nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit einem Kornfei­ nungsmittel behandelten metallischen Gußwerkstoff­ schmelze.

16. Gußteil nach Anspruch 15, nachbehandelt gemäß einem Formgebungs- und/oder Bearbeitungsverfahren zur Herstellung eines Bauteils.