DE4420533A1 - Verfahren zur Herstellung von Formgußteilen aus Aluminiumlegierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her­ stellung von Formgußteilen aus Aluminiumlegie­ rungen nach dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1.

In neuerer Zeit besteht das Postulat, zukünftig Automobile werkstoffmäßig so auszugestalten, daß diese bei Verschrottung mit 90% ihres Materialanteiles rezyklierbar sind. Im Zug der Verschrottung fällt neben anderen Werkstoffen Aluminium in Haufwerken inhomogener Legerungs­ zusammensetzung - sogenannter Mischschrott - aus Blechen und Profilen (Knetlegierungen) und Gußteilen (Gußlegierungen) an, der so aufzu­ bereiten ist, daß er als Sekundärmetall, d. h. Ausgangswerkstoff wieder für eine weite Palette von Preß-, Walz- und Gußprodukten in Betracht kommt. Bis an nicht in Betracht gekommen ist der Einsatz von Sekundärmetall der vorstehend beschriebenen Art zur Herstellung gegossener Sicherheitsteile. Dies liegt darin begründet, daß das Sekundärmetall nicht tolerierbare Gehalte an Eisen aufweist, die den Forderungen an Sicherheitsgußteile, nämlich Porenfreiheit und hohe Duktilität, entgegenstehen. Normaler­ weise sind für Sicherheitsgußteile Eisenge­ halte von 0,1% Fe bis 0,2% Fe, vorzugsweise 0,13% Fe bis 0,18% Fe tolerierbar, der Eisenge­ halt von Sekundärmetall liegt jedoch deutlich darüber. Dagegen behilft man sich in herrschen­ der Praxis damit, daß man dem Sekundärmetall sogenanntes Primär- oder Frischmetall in Mengen beifügt, bis Eisen, Wasserstoff und Oxide bzw. andere metallische und nichtmetallische Verunreinigungen auf tiefe Mengenanteile gesenkt sind. Bezüglich Sicherheitsteilen ist also der Kreislauf von Aluminiumsekundärmetall nicht geschlossen, weil ständig zu dem genann­ ten Zweck Primärmetall zugegeben werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Ent­ wicklung eines Verfahrens zur Herstellung porenfreier Gußteile hoher Duktilität aus Aluminium-Sekundärmetall mit einem Eisengehalt bis 1% und diese Aufgabe wird erfindungsgemäß vermittels der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ver­ fahrens nach Patentanspruch 1 kennzeichnen die Gegenstände der dem Patentanspruch 1 folgenden Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesent­ lichen zweigeteilt, indem in einem ersten Ver­ fahrensschritt Aluminium-Schrott aufzubereiten und zu einem Rohling z. B. einem Strang zu ver­ gießen ist (erste Erstarrung), woraus in einem zweiten Schritt der Formkörper hergestellt wird. Dazu wird der Rohling teilweise aufge­ schmolzen, durch Anwendung von Druck zum Flies­ sen gebracht, unter Druck in ein formgebendes Werkzeug eingetragen, indem er wieder erstarrt (zweite Erstarrung).

Als Ausgangsmaterial kommt Aluminium-Schrott in Anwendung, der sich aus Guß- oder Knetlegie­ rungen oder Mischungen davon zusammensetzen kann. Bei breitem Erstarrungsintervall kann der Eisengehalt des Schrottes bis zu 1.0% betragen. Aluminium-Schrott mit Eisengehalten dieser Größenordnung und anderen Verunreinigungen fällt beispielsweise aus Automobilschredder- Anlagen an. Bei der Schrottaufbereitung zu Sekundärmetall sind für den erfindungsgemäßen Zwecke d. h. eines gegen Verunreinigungen unempfindliches Gußgefüges, folgende Be­ dingungen einzuhalten bzw. zu erfüllen. Zu erzeugen ist zunächst ein Metall mit einem sehr feinen Korn mit Korndurchmessern von durch­ schnittlich 0,02 mm und nicht über 0,3 mm, vor­ zugsweise im Bereich von 0,03 mm bis 0,15 mm. Bevorzugt ist diese Kornfeinung mit Bor-Titan- Vorlegierungen vorzunehmen. Bei Vergießen der korngefeinten Sekundärmetall-Schmelze zu einem Rohling, bevorzugt einem Strang, ist auf einen Erstarrungsablauf abzustellen, der ein Wachstum von Kristallen von einer gekühlten oder wärme­ leitenden Wand ausgehend ausschließt oder weitgehend unterdrückt. Diese Art Erstarrungs­ ablauf kann durch rasche Bewegung der Schmelze vor der Erstarrungsfront erreicht werden, wobei die Bewegung durch mechanisches oder elektro­ magnetisches Rühren erfolgen kann. Ferner muß die überwiegende Mehrzahl (ca. über 90%) der abschließend entstandenen Kristalle (′′Körner′′) freischwebend in der Schmelze gewachsen sein. Nach dem ersten Verguß mit Erstarrung (erste Erstarrung), d. h. Guß zu einem Rohling, ist ein Gußgefüge gefordert, dessen einzelne Kri­ stalle von einer Restschmelze teilweise umhüllt sind, wobei diese Umhüllung eine Filmstärke von mindestens einem Micron aufweist. In diesem Zusammenhang ist eine niedrige Gießtemperatur (maximal 20°C über Liquidustemperatur) bevor­ zugt. Werden als Rohlinge Stränge gegossen, die zur Herstellung eines Gußteiles vereinzelt werden, so haben sich Stränge mit Querschnitten bis 200 cm² als vorteilhaft erwiesen.

Vor der endgültigen Formgebung aus dem Rohling ist zum zweiten Verfahrensschritt gehörend jeder Rohling einer besonderen Wärmebehandlung zu unterziehen, bei der sich die Konturen der Mischkristalle (Gußkörner) bei angeschmolzenen Korngrenzen runden und in ihrer Größe (Durchmesser) um mindestens 20% und höchstens 70% wachsen und sie werden dabei von der Rest­ schmelze gesamthaft umhüllt, dies als entschei­ dende Voraussetzung für die Tixotropie. Diese Wärmebehandlung wird bevorzugt unmittelbar vor der endgültigen Formgebung vorgenommen, indem ein Rohling auf eine Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur, vorzugsweise nahe der Solidustemperatur z. B. induktiv ange­ wärmt und mit der Anwärmtemperatur einem Druck unterworfen wird, wobei die Unterdrucksetzung zur endgültigen Formgebung in einer Druckguß­ maschine erfolgen kann. Erfolgt die Verpressung durch Hochdruckgießen, d. h. vermittels einer sogenannten Kaltkammermaschine, so wird der angewärmte Rohling in deren Füllkammer einge­ bracht und mit dem Füllkolben mit einem Druck der Höhe beaufschlagt, daß der Rohling auf Grund seiner tixotropen Fließfähigkeit oder seines Fließverhaltens als Metall in teigiger Form fließt und dabei aus der Füllkammer durch eine Verengung oder einen Zuflußkanal, zum Formhohlraum dort ein Fertigteil bildend (zweite Erstarrung), durchtritt. Dabei wird in der Verengung die oberflächliche Oxidschicht des Rohlings zusammen mit einem Preßrest zurückgehalten, der vom Fertigteil abgetrennt wird. Im Gegensatz zum konventionellen Hoch­ druckgießen, bei dem eine endgültige Formge­ bung von vollständig erschmolzenem Metall aus­ geht, wird erfindungsgemäß von einer Schmelze in Teilerstarrung ausgegangen, indem beim Anpressen des Rohlings 25%-50% dessen Metall­ menge in flüssigem Zustand, Rest fest, sind, bevorzugt ist ca. ein Drittel der Metallmenge in flüssiger Form.

Beim Anwärmen des Rohlings auf eine Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur ist sicherzustellen, daß kein flüssiges Metall an Stirn und Mantelfläche des Rohlings (meist wird zur Bildung von Rohlingen ein Bolzen zu Schei­ ben vereinzelt) austritt. Hierzu wird, insbe­ sondere wenn der Flüssiganteil über ca. 30% liegt, erfindungsgemäß am Rohling ein Tempera­ turgradient eingestellt bzw. angewendet, der eine dünne, nicht aufgeschmolzene Oberflächen­ schicht von maximal einigen mm (0.05 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 1,5 mm) auf Tempe­ raturen unter oder bei der Solidustemperatur den Rohling allseits bedeckend beläßt und die somit kühler als der Rest des Rohlings ist. Um diese über einen Querschnitt betrachtet von außen nach innen steigende Aufheizung (auch tapered heating) zu erreichen, sind mehrere Maßnahmen geeignet, wie Kühlung der Oberfläche des Rohling in der Endphase der induktiven Anwärmung durch einen Gasstrom oder durch Ver­ wendung von Kühlflächen.

Beim erfindungsgemäß aufbereiteten und verar­ beiteten Metall hat sich gezeigt, daß es für Gußteile, die bestimmte Sicherheitsnormen zu erfüllen haben, brauchbar ist. Erkennbar wurde, daß auch höhere, sonst prohibitive Gehalte an Verunreinigungen tolerabel sind, insbesondere kann ein hoher Eisengehalt bis ca. 1% im Aluminium-Ausgangsmaterial verbleiben, da man auf Grund der zweimaligen Erstarrung, der besonderen Erstarrungsbedingungen und der sehr feinen (kleinen) Korngrößen einen duktilen und hoch festen sowie vergütbaren und auch schweißbaren Aluminium-Formguß herstellen kann, der die geforderten mechanisch-technolo­ gischen Eigenschaften von Sicherheitsteilen aus Aluminium erfüllt. Vorstehend ist die Erfindung im Zusammenhang mit reinem Aluminium-Sekundär­ metall, d. h. Rücklaufmetall dargestellt, darauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Sie ist auch im beanspruchten Eisenanteilsbereich auf Primärmetall und auf Mischungen aus Sekundär- und Primärmetall anwendbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet auch, eine Beschleunigung von Fertigungsabläufen für Aluminiumguß-Sicherheitsteile, indem konven­ tionelle Druckgußmaschinen (Kaltkammer­ maschinen) anwendbar werden. Bekannt ist, daß konventioneller Aluminium-Druckguß Eisenge­ halte im Metall z. B. um 0.4% vorschreibt, um einem Ablegieren der Gußform vorzubeugen. Eisengehalte dieser Größenordnung (ca. 0,4%) schlossen jedoch die Verwendung so gegossener Formteile als Sicherheitsteile, beispielsweise im Automobil aus. Mit der Forderung nach sehr niedrigen Eisengehalten bestand der Zwang, Sicherheitsteile vermittels Nieder­ druckgießmaschinen (bei denen die Problematik des Ablegierens bei niedrigen, d. h. kleiner als 0,4% Eisengehalten nicht auftritt) herzustel­ len, deren Ausbringung jedoch deutlich tiefer liegt als die der Druckgußmaschinen, d. h. der Kaltkammer-Hochdruckgießmaschinen. Im übrigen ist bei dieser Verarbeitungsform hauptsächlich Primärmetall statt Sekundärmetall zu verwenden, um tiefe Werte der Verunreinigungen im Metall, inklusive Eisengehalt zu gewährleisten. Das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt den Nach­ teil des Niederdruckgusses, indem Hochdruckguß nun auch zur Verarbeitung von Aluminiumlegie­ rungen mit höheren Eisengehalten zu Sicher­ heitsteilen anwendbar wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von Formgußtei­ len aus 0,15% bis 1.0% Eisen als metalli­ sche und andere nichtmetallische Bestand­ teile enthaltenden Aluminiumlegierungen als Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangs­ material zu einem Rohling mit feinkörnigem Gefüge vergossen, der Rohling vor Umbil­ dung zum Formgußteil einer Wärmebehand­ lung nahe der Solidustemperatur zum Wachs­ tum und zur Rundung seiner Körner unter­ worfen, anschließend der angewärmte Roh­ ling unter Anwendung von Druck verflüssigt und unter Bildung eines Formgußteiles vergossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gußgefüge des Rohlings mit Korngrößen von 0,02 mm bis 0,3 mm vorzugsweise von 0,03 mm bis 0,15 mm ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 90% der Körner des Gußgefüges des Rohlings in der Schmelze freischwebend zum Wachstum gebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner im Gefüge das Rohlings von einer Rest­ schmelze mit einer Filmstärke von minde­ stens einem Micron teilweise umhüllt wer­ den.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Körner des Rohlings durch Wärmebe­ handlung um mindestens 20% und höchstens 70% wachsen und dabei von Restschmelze überwiegend umhüllt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwär­ mung des Rohlings induktiv erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwär­ mung des Rohlings von außen nach innen mit steigenden Temperaturen erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Roh­ ling auf Temperaturen zwischen Solidus- und Liquidustemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur nahe der Solidustemperatur angewärmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anwendung von Druck das tixotrope Fließen des Metalles des Rohlings bewirkt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anwärmen 25% bis 50% der Metallmenge des Rohlings in flüssigen Zustand, Rest fest, gebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwendung von Druck in der Füllkammer einer Hochdruck-Kaltkammergießmaschine vermittels eines Füllkolbens erfolgt.