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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Formung eines Formteils aus einer flüssigen Metalllegierung. Insbesondere
bezieht sie sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln
einer flüssigen
Legierung in eine halbfeste (halbflüssige) Dispersion in einem
thixotropen Zustand, die nachfolgend in einen Formhohlraum zur Herstellung
von Formteilen eingespritzt wird. Die Vorrichtung und das Verfahren
sind für leichte
Legierungen wie Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen, Zinklegierungen
und jede andere Legierung anwendbar, die zur halbflüssigen Verarbeitung
geeignet ist.
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Eines
der konventionellen Verfahren, die zur Herstellung von metallischen
Bauteilen verwendet werden, ist der Druckguss. Im herkömmlichen
Druckgussverfahren wird üblicherweise
das flüssige
Metall in einen Formholraum mit einer so hohen Geschwindigkeit gezwungen,
dass der Fluss turbulent oder sogar atomisiert wird. Als Ergebnis
ist häufig
Luft in dem Hohlraum eingeschlossen, was zu einer hohen Porosität der endgültigen Teile
führt,
was die Festigkeit der Teile reduziert und eine Zurückweisung
der Teile verursachen kann, wenn Löcher auf der Oberfläche nach
der Nachbearbeitung erscheinen. Darüber hinaus sind Bauteile mit
einer hohen Porosität
unakzeptabel, weil sie üblicherweise
nicht wärmebandelbar sind,
was damit ihre möglichen
Anwendungsbereiche begrenzt.
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Intuitiv
könnte
die Porosität
als Folge eines turbulenten oder atomisierten Zuflusses reduziert oder
gar eliminiert werden, wenn die Viskosität des Metallflusses erhöht werden
könnte,
um die Reynoldszahl ausreichend zu verringern, so dass die eingeschlossene
Luft minimiert wird, was in etwa ähnlich ist zum Kunststoffspritzgießen. Gleichwohl
war bis in die frühen
70er Jahre nicht klar, wie dies erreicht werden könnte, als
Metz und Flemings das Konzept einer halbflüssigen Materialverarbeitung
(SSM = semisolid material) vorgeschlagen haben. Sie schlugen vor,
dass, wenn Metallverfestigung im halbfesten oder halbflüssigen Zustand
ausgeführt
wird, die Poro sität
der Gussteile signifikant reduziert werden könnte. Die Studie von Spencer
et al zeigte, dass, wenn geschmolzenes Metall während des Abkühlens unter
seine Liquidustemperatur gerührt
wird, der dendritische primäre
Festkörper
in nahezu kugelförmige Teilchen
zerbricht, die in der Flüssigmetallmatrix
suspendiert sind. Die exponentiell erhöhte Viskosität mit dem
Feststoffanteil einer derartigen halbflüssigen Dispersion kann im Druckgussverfahren
fehlerfreie Formteile produzieren. Das SSM-Verfahren ist gegenüber dem Druckgussverfahren
durch das Einspritzen eines halbflüssigen Metalls anstelle eines vollflüssigen Metalls
in den Formhohlraum für
die Teilherstellung verbessert. Gegenüber herkömmlichen Druckgussstrecken,
hat die SSM-Verarbeitung die folgenden Vorteile: (1) Kosteneffektivität über den gesamten
Herstellungszyklus; (2) endformnahe Verarbeitung; (3) Konsistenz
und Güte
der mechanischen Eigenschaften; (4) Fähigkeit, komplexe Bauteilformen
herzustellen; (5) Gewichtreduktion durch Legierungsersetzung und
effizientere Nutzung von Materialien; (6) hohe Produktionsrate;
(7) verlängerte Lebensdauer
der Form; (8) weniger Umweltkosten. Die verbesserten mechanischen
Eigenschaften resultieren aus den verbesserten mikrostrukturellen Merkmalen
wie z. B. verfeinerte Korngröße, nichtdendritische
Morphologie und wesentlich reduziertes Porositätslevel.
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Obwohl
das Konzept der SSM-Verarbeitung versprechend erscheint, bleibt
das Hauptproblem, wie die Dispersion hergestellt wird und wie das
Bauteil effizient und zuverlässig
geformt wird. Seit den frühen
70er Jahren ist eine Anzahl von Alternativen zum ursprünglichen
MIT Rheo-Formprozess entwickelt worden. Eines der populärsten Verfahren,
das derzeit verwendet wird, ist das Thixoformen, bei dem ein vorverarbeiteter
nichtdendritischer Legierungsstrang erneut bis zum halbflüssigen Bereich
vor dem Formungsprozess aufgeheizt wird. Es handelt sich daher um
einen Zwei-Stufen-Prozess. Die hohen Kosten der vorverarbeiteten
nichtdendritischen Rohmaterialien und des Wiederaufheizungsprozesses sind
bei weitem die größten Hindernisse
für die
Entwicklung des vollen Potentials dieser Vorgehensweise. Ergänzend sind
jüngst
Kunststoffspritzgießtechniken
im Bereich der SSM-Verarbeitung eingeführt worden. Ein Verfahren ist
das „Thixomoulding" für Magnesiumlegierungen,
das von Dow Chemicals entwickelt wurde und derzeit von Thixomat
vermarktet wird, der andere wurde an der Cornell Universität (USA)
entwickelt. Gleichwohl ist die Qualität beider halbflüssiger Dispersionen
und der Endprodukte nicht vollständig
zufriedenstellend.
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Während der
letzten 20 Jahre war das aktivste Verfahren zur Herstellung einer
halbflüssigen
Dispersion mechanische Betätigung.
Unglücklicherweise
haben die meisten Rührverfahren
keine Popularität
in der Industrie erzielt aufgrund der Probleme im Zusammenhang mit
der Erosion der Rühreinrichtung, der
Probleme mit der Synchronisation des Rührens mit dem kontinuierlichen
Gussverfahren und der unangepassten Scherrate zum Erhalt feiner
Teilchen.
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Eine
Anzahl von Entgegenhaltungen offenbart Thixomouiding-Verfahren,
in denen eine feste oder halbfeste (halbflüssige) Einspeisung zuerst bearbeitet
wird (z. B. durch Aufheizen der Einspeisung bis zur Verflüssigung,
während
sie einer Scherung unterworfen wird) und dann in eine Form zur Formung
eines Bauteils eingespritzt wird. Beispiele für derartige Entgegenhaltungen
umfassen:
EP 0 867 246
A1 (Mazda Motor Corporation); WO 90/09251 (The Dow Chemical
Company);
US 5,711,366 (Thixomat,
Inc.);
US 5,735,333 (The
Japan Steel Works, Limited);
US
5,685,357 (The Japan Steel Works, Limited);
US 4,694,882 (The Dow Chemical Company);
and CA 2,164,759 (Inventronics Limited).
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Der
Nachteil mit dem Aufheizen eines festen Granulats, um es in den
thixotropen Zustand zu überführen (Thixomoulding)
gegenüber
dem Abkühlen
eines flüssigen
Metalls in den thixotropen Zustand (Rheomoulding) ist jedoch der,
dass es sehr schwierig ist, die Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung
in der Substruktur der thixotropen Dispersion zu kontrollieren.
Im Speziellen tendieren die Teilchengrößen der Dispersionen bei Thixomoulding
dazu etwa eine Größenordnung
größer zu sein
als jene von Dispersionen beim Rheomoulding und dazu eine breitere
Verteilung zu haben. Dies hat negative Auswirkungen auf die strukturellen
Eigenschaften der geformten Bauteile.
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Weiterhin
verwenden die oben genannten Entgegenhaltungen einen Standard-Einschneckenextruder,
um die thixotrope Dispersion einer Scherung zu unterwerfen. Das
Ergebnis ist ein Bauteil mit geringer Qualität.
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Eine
Anzahl von Entgegenhaltungen offenbart das Rheomoulding-Verfahren.
Z. B. bezieht sich WO 97/21509 (Thixomat, Inc.) auf einen Prozess
zur Formung von Metallzusammensetzungen, in denen eine Legierung
auf eine Temperatur oberhalb ihrer Liquidustemperatur aufgeheizt
wird und in dem dann ein Einschneckenextruder eingesetzt wird, um
das flüssige
Metall zu scheren, während
es in den Bereich des Zwei-Phasen-Gleichgewichts abgekühlt wird.
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US 4,694,881 (The Dow Chemical
Company) bezieht sich auf ein Verfahren, in dem ein Material mit
einer nichtthixotropartigen Struktur in fester Form einem Einschneckenextruder
zugeführt
wird. Das Material wird auf eine Temperatur oberhalb seiner Liquidustemperatur
aufgeheizt und dann bis zu einer Temperatur unterhalb seiner Liquidustemperatur
und oberhalb seiner Solidustemperatur abgekühlt, während es einer Scherung unterworfen
wird, d. h. die Schnecke wird mit bis zu 27 rpm (d. h. 4,5 s
–1)
rotiert.
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WO
95/34393 (Cornell Research Foundation, Inc.) offenbart auch ein
Rheomoulding-Verfahren, in
dem überhitztes
flüssiges
Metall in einen halbflüssigen
Zustand im Gehäuse
eines Einschneckenextruders gekühlt
wird, wo es einer Scherung bis zu 200 s–1 unterworfen
wird, während
es gekühlt
wird und bevor es in eine Form spritzgegossen wird.
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Keine
der Thixomoulding- oder Rheomoulding-Entgegenhaltungen beschreibt
einen Prozess, der es ermöglicht,
Bauteile einer ausreichend hohen strukturellen Integrität zu formen.
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Die
Hauptaufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Verfügung
zu stellen, das eine flüssige
Legierung in ihren thixotropen Zustand umwandelt und hochwertige
Bauteile herstellt durch nachfolgendes Einspritzen der thixotropen
Legierung in einen Formhohlraum in einem integrierten Einstufenprozess.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu schaffen, das speziell für
die Herstellung halbflüssiger
Metalllegierungen mit einer hochkorrosiven und erosiven Natur in
ihrem flüssigem
oder halbflüssigem
Zustand geeignet ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Druckgusssystem
zur Verfügung
zu stellen, das für
die Herstellung von hochbeständigen Bauteilen
aus einer halbflüssigen
Dispersion geeignet ist.
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In
einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
eines Formteils aus einer flüssigen
Metalllegierung bereit gestellt, das die Schritte eines Abkühlens der
Legierung bis auf eine Temperatur unterhalb ihrer Liquidustemperatur
umfasst, während
eine Scherung bei einer genügend hohen
Scherrate von wenigstens 400 s–1 und einer Turbulenzintensität angewandt
wird, um die Legierung in ihren thixotropen Zustand umzuwandeln,
und einem nachfolgenden Überführen der
Legierung in eine Form, um ein Formteil zu formen, wobei Scherung
auf die Legierung mittels eines Extruders mit wenigstens zwei Schnecken
aufgebracht wird, die zumindest teilweise ineinander greifen.
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In
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Herstellen einer halbflüssigen
Dispersion aus einer flüssigen
Metalllegierung bereit gestellt, das den Schritt eines Abkühlen der
Legierung unterhalb ihre Liquidustemperatur umfasst, während eine
Scherung bei einer genügend hohen
Scherrate von wenigstens 400 s–1 und einer Turbulenzintensität angewandt
wird, um die Legierung in ihren thixotropen Zustand umzuwandeln,
wobei die Scherung auf die Legierung mittels eines Extruders mit
wenigstens zwei Schnecken aufgebracht wird, die zumindest teilweise
ineinander greifen.
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Die
Realisierung der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Formteil einer
besonders hohen Qualität geformt
werden kann durch Anwendung von wenigstens zwei Schnecken, um eine
Scherung von wenigstens 400 s–1 auf die Legierung
anzuwenden, wobei die Schnecken wenigstens teilweise ineinander
greifen.
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Vorzugsweise
ist der Extruder ein Zwillingsschneckenextruder, bei dem die Zwillingsschnecken im
Wesentlichen vollständig
ineinander greifen.
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Die
Verwendung eines Einschneckenextruders ist im Stand der Technik
allgemein bekannt, die Verwendung eines Zwillingsschneckenextruders
jedoch in einem Prozess wie diesem wird für neu erachtet. Jede Schnecke
hat grundsätzlich
einen Schaft, der in Linie mit dem Zylinder oder Gehäuse des
Extruders ist und eine Reihe von Schieben, Flügeln oder Schaufeln hat, die
entlang der Welle angeordnet sind. Diese Schieben, Flügel oder
Schaufeln können
in einer spiral- oder schraubenförmigen
Art und Weise verbunden sein, um ein kontinuierliches Gewinde entlang
des Schafts zu bilden. Die Form kann in Abhängigkeit vom gewünschten
Effekt variiert werden.
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Die
wenigstens zwei Schnecken sollten wenigstens teilweise ineinander
greifen. Damit ist gemeint, dass die Flügel oder Schaufeln an einer Schnecke
wenigstens teilweise mit den Flügeln
oder Schaufeln an der anderen Schnecke überlappen sollen hinsichtlich
der Längsachse
der Bewegung der Legierung durch den Extruder. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die zwei Schnecken, die jeweils eine kontinuierliche sprialenförmige Schiebe entlang
der Schneckenwelle hinunter haben, so angeordnet, dass die Schieben
sich entlang der „Sichtlinie" der Längsachse
der Wellen überlappen,
die mit der Längsachse
des Extruderzylinders oder -gehäuses
in Linie sind.
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In
einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Formung
von Formteilen aus einer flüssigen
Metalllegierung bereit gestellt, das einen temperaturgesteuerten
oder -geregelten Extruder aufweist, der in der Lage ist, eine ausreichende Scherung
und Turbulenzintensität
auf eine flüssige Metalllegierung
aufzubringen, um sie in ihren thixotropen Zustand umzuwandeln, eine
Schusseinrichtung in Fluidverbindung mit dem Extruder und eine Form
in Fluidverbindung mit der Schusseinrichtung aufweist, wobei der
Extruder wenigstens zwei Schnecken hat, die zumindest teilweise
ineinander greifen, und wobei die aufgebrachte Scherung wenigstens 400
s–1 ist.
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In
dem erfinderischen Prozess werden die Schritte des Schmelzens der
Legierung, der Umwandlung der Legierung in ihren thixotropen Zustand und
des Einspritzens der thixotropen Legierung in den Formhohlraum vorzugsweise
in physisch getrennten Funktionseinheiten ausgeführt. Die erfinderische Vorrichtung
besteht vorzugsweise aus einer Flüssigmetallzuführung, einem
Hochscherungs-Zwillingsschneckenextruder, einer Schusseinrichtung und
einem zentralen Kontrollsystem. Der Rheomoulding-Prozess startet
vom Zuführen
des flüssigen
Metalls aus einem Schmelzofen in einen Zwillingsschnecken-Extruder.
Das flüssige
Metall wird im ersten Teil des Extruders rasch auf die SSM-Prozesstemperatur abgekühlt, während es
mechanisch von Zwillingsschnecken geschert wird, wobei die flüssige Legierung
in eine halbflüssige
Dispersion mit einem vorbestimmten Volumenanteil an Festkörperphase
umgewandelt wird, die durch genaue Temperaturregelung diktiert wird.
Die halbflüssige
Dispersion wird dann bei einer hohen Geschwindigkeit durch die Schusseinrichtung
in den Formhohlraum eingespritzt. Das vollständig verfestigte Bauteil wird
schließlich
aus der Form frei gesetzt. All diese Vorgänge werden in einem kontinuierlichen
Zyklus und durch ein zentrales Kontrollsystem kontrolliert durchgeführt.
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Dieses
Verfahren kann halbflüssige
Dispersionen mit feinen und gleichförmigen Feststoffteilchen und
mit einem großen
Bereich an Feststoffvolumenanteilen (15–-95%, vorzugsweise 15–85%) bieten. Die Vorrichtung
und das Verfahren können
ebenfalls endformnahe metallische Bauteile mit der Porosität von nahezu
Null schaffen. Das besagte Verfahren weist vorzugsweise die Schritte
auf:
- (a) Bereitstellen der Legierung im flüssigen Zustand
und Einfüllen
der flüssigen
Legierung in einen temperaturgesteuerten oder -geregelten Extruder
durch eine Zuführung;
- (b) Umwandeln der flüssigen
Legierung in ihren thixotropen Zustand durch eine hohe Scherrate, die
von einem Extruder mit wenigstens zwei wenigstens teilweise ineinander
greifenden Schnecken bewirkt wird;
- (c) Überführen der
thixotropen Legierung vom Extruder in eine Schusshülse durch Öffnen eines Kontrollventils,
das an einem Ende des Extruders angeordnet ist; und
- (d) Einspritzen der thixotropen Dispersion aus der Schusshülse in einen
Formhohlraum durch Vorwärtsbewegen
eines Kolbens mit ausreichender Geschwindigkeit.
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Grundsätzlich wird
die Zuführung
verwendet, um den Extruder mit flüssiger Legierung bei der gewünschten
Temperatur zu versorgen. Die Zuführung kann
ein Schmelzofen oder eine Pfanne und ein Verbindungsrohr sein. Die
Zuführleitung
kann durch ein Ventil kontrolliert werden, das in dem Verbindungsrohr
angeordnet ist, oder durch einen positiven oder negativen Druckregler.
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Grundsätzlich ist
der Zwillingsschneckenextruder, der aus einem Zylinder oder Gehäuse und
einem Paar von wenigstens teilweise ineinander greifenden Schnecken
und einem Antriebssystem besteht, geeignet, das flüssige Metall
durch einen Einlass aufzunehmen, der im Allgemeinen zu einem Ende
des Extruders hin angeordnet ist. Befindet sich die flüssige Legierung
einmal im Durchgang des Extruders, wird sie entweder gekühlt oder
bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten. In jedem Fall ist die
Verarbeitungstemperatur oberhalb der Solidustemperatur des Materials
und unterhalb seiner Liquidustemperatur, so dass die Legierung im
Extruder im halbflüssigen
Zustand ist.
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Die
Verarbeitungstemperatur, die wie ausgeführt von den Liquidus- und Solidustemperaturen
der Legierung abhängt,
variiert von Legierung zu Legierung. Die geeigneten Temperaturen
sind für
den Fachmann offensichtlich. Z. B. sollte für die Legierung Al-7 Gew%Si-0,5
Gew%Mg (das ist Aluminium mit 7 Gewichts% Silizium und 0,5 Gewichts%
Magnesium) die Legierung im Extruder bei einer Temperatur von 650 °C bis 750 °C eingegossen
werden und im Extruder bei einer Temperatur von 560 °C bis 610 °C verarbeitet
werden.
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Im
Extruder wird die Legierung einer Scherung unterworfen. Die Scherrate
ist so, dass sie ausreichend ist, um die vollständige Bildung von dendritisch
geformten Feststoffteilchen im halbflüssigen Zustand zu verhindern.
Die Scheraktion wird durch ein Paar von gemeinsam rotierenden Schnecken
eingeleitet, die innerhalb des Zylinders angeordnet sind und wird
weiter durch spiralförmige
Schneckenflügel verstärkt, die
am Körper
der Schnecken angeformt sind. Eine verbesserte Scherung wird im
ringförmigen
Raum zwischen dem Zylinder und den Schneckenflügeln und zwischen den Flügeln der
beiden Schnecken erzeugt.
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Der
Fluidfluss der flüssigen
Legierung oder halbflüssigen
Dispersion im Zwillingsschneckenextruder, der sich von einem Feld
zum nächsten
bewegt, ist gekennzeichnet durch Bewegungen entsprechend der Zahl „8" um die Peripherie
der Schnecken herum, wobei er eine der Form der Zahl „8" entsprechende Helix
bildet und das Fluid entlang der axialen Richtung der Schnecken
treibt. Dies wird als die positive Verschiebungspumpaktion bezeichnet.
In diesem kontinuierlichen Flussfeld wird das Fluid zyklischen Dehnungs-,
Faltungs- und Neuorientierungsprozessen hinsichtlich der Strömungslinien während der Übergabe
des Materials von einer Schnecke zur anderen unterworfen. Währendessen ist
der Fluidfluss in dem eng ineinander greifenden Zwillingsschneckenextruder
auf dem axialen Abschnitt das kreisförmige Fließmuster, das eine hohe Turbulenzintensität für flüssige Metalle
und/oder halbflüssige
Metalle niedriger Viskosität
erzeugen kann. Ergänzend
wird das Fluid im Extruder einer zyklischen Veränderung der Scherrate in Folge
der kontinuierlichen Veränderung
im Spalt zwischen der Schnecke und dem Zylinder unterworfen, was
dafür sorgt,
dass das Material im Extruder einer Scherverformung mit zyklischer
Veränderung
der Scherrate unterworfen wird. Daher ist der Fluidfluss in einem eng
ineinander greifenden, selbst abwischenden und gemeinsam rotierenden
Zwillingsschneckenextruder durch eine hohe Scherrate, hohe Turbulenzintensität und zyklische
Veränderung
der Scherrate gekennzeichnet.
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Anders
als der viskose durch das Schleppen hervorgerufene Typ des Flusses
von Materialien, die in einem Einschneckenextruder transportiert
werden, wie sie in Prozessen nach dem Stand der Technik eingesetzt
werden, ist das Transportverhalten in einem eng ineinander greifenden
Zwillingsschneckenextruder zu einem großen Teil ein positiver Verschiebungstransporttyp,
der mehr oder weniger unabhängig
von der Viskosität
der Materialien ist. Die Geschwindigkeitsprofile von Materialien
in einem Zwillingsschneckenextruder sind ziemlich komplex und schwieriger
zu beschreiben. Es gibt grundsätzlich vier
Gruppen von Kräfte.
Die erste Gruppe bezieht sich auf das Ausmaß von Trägheitskräften und Zentrifugalkräften; die
zweite Gruppe betrifft das Ausmaß von Gravitätskräften; die
dritte umfasst das Ausmaß von
interner Reibung und die vierte Gruppe bezieht sich auf das Ausmaß von elastischen
und plastischen Deformationsverhalten der zu verarbeitenden Materialien.
Die prinzipiel len Kräfte,
die auf die flüssigen und
halbflüssigen
Legierungen während
des Rheomoulding-Verfahrens zwischen den zwei Schnecken und zwischen
der Schnecke und dem Zylinder wirken, sind Kompression, Reißen, Scherung
und Elastizität.
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Es
wurde herausgefunden das Scherraten von 5000–10000 s–1 mit
einem Zwillingsschneckenextruder erreicht werden können, was
zu weit verbesserten Ergebnissen führt. Wenn die Turbulenzintensität jedoch
ausreichend hoch ist, können
diese verbesserten Ergebnisse mit Scherraten von etwa 400 s–1 erhalten
werden.
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Die
innere Umgebung eines Zwillingsschneckenextruders ist durch hohen
Verschleiss, hohe Temperatur und komplexe Spannung gekennzeichnet.
Der hohe Verschleiss ist eine Folge der engen Passung zwischen Zylinder
und Schnecken sowie zwischen den Schnecken selbst. Daher muss ein
geeignetes Material für
den Zylinder und die Schnecken und andere Bauteile eine gute Resistenz
bezüglich Verschleiß, hohem
Temperaturkriechen und thermischer Ermüdung bereit stellen. Die innere
Umgebung des Extruders ist auch hochkorrosiv und erosiv. Dies wird
verursacht durch die hohe Reaktivität der flüssigen oder halbflüssigen Metalle
wie Aluminium, das die meisten metallischen Materialien lösen und/oder erodieren
kann. Nach intensiven Tests und Bewertung hat die vorliegende Erfindung
eine neue Maschinenkonstruktion entwickelt, die es ermöglicht,
hoch korrosive und erosive Materialien wie Alumunium-, Magnesium-,
Kupfer- und Zinklegierung ohne irgendeinen signifikanten Abbau der
Maschine selbst in ihrem thixotropen Zustand zu bringen.
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Der
Zylinder des Zwillingsschneckenextruders wird mit einer äußeren Schicht
eines kriechbeständigen
ersten Materials hergestellt, das durch eine innere Schicht eines
korrosions- und erosionsbeständigen
zweiten Materials ausgekleidet ist. Vorzugsweise ist das Material
der äußeren Schicht
ein H11, H13 oder H21 Stahl und das Material der inneren Schicht
ist Sialon. Ein Verbund der inneren Schicht und der äußeren Schicht
wird entweder durch Schrumpfpassung oder mit einer Speicherschicht
zwischen den beiden erhalten. Der Zylinder des Extruders kann auch
mit einem einstöckigen
Sialon konstruiert werden, was für
eine kleine Maschine eher geeignet ist.
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Die
Zwillingsschnecke wird innerhalb des Durchgangs des Extruders angeordnet.
Die Rotation der Schnecken unterwirft die geschmolzene Legierung
einer hohen Scherung und überführt das
Material durch den Zylinder des Extruders. Die Schnecke ist mit
Sialon-Bauteilen aufgebaut, die mechanisch oder physisch miteinander
verbunden sind, um einen maximalen Widerstand gegen Kriechen, Verschleiß, thermische
Ermüdung,
Korrosion und Erosion zu erzielen. Weitere Bauteile des Extruders
einschließlich der
Auslassleitung, dem Auslassventilkörper und dem Ventilkern sind
ebenfalls aus Sialon aufgebaut. Der Zwillingsschneckenextruder wird
entweder durch einen Elektromotor oder einen Hydraulikmotor durch ein
Getriebe angetrieben, um die gewünschte
Rotationsgeschwindigkeit aufrecht zu erhalten.
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Die
Schusshülse
kann entweder mit einem Ende des Extruders eng verbunden sein oder
gesondert in der Schusseinrichtung positioniert sein, um die halbflüssige Dispersion
vom Extruder aufzunehmen. Die halbflüssige Dispersion in der Schusseinrichtung kann
bei einer hohen Geschwindigkeit in den Formhohlraum durch Bewegen
eines Kolbens durch den Zylinder eingespritzt werden.
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Eine
Anzahl bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung werden im Detail unten unter Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Umwandlung flüssiger Legierungen in eine
thixotrope Dispersion und zur Herstellung hochbeständiger Bauteile
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung
des Zwillingsschneckenzylinders oder -gehäuses nach den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine Schnittdarstellung
einer Schnecke aufgebaut gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine schematische Darstellung
eines Flussabschnitts der halbflüssigen
Dispersion in einem Zwillingsschneckenextruder ist;
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5 eine schematische Darstellung
eines axialen Flusses einer halbflüssigen Dispersion in einem
Zwillingsschneckenextruder ist;
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6 die Mikrostrukturen einer
Mg-30 Gew% Zn-Legierung von verschiedenen Volumenfraktionen beim
Rheomoulding zeigt; und
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7 eine Fotografie eines
Formteils geformt unter Rheomoulding nach der vorliegenden Erfindung
ist.
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In
der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird ein Gussteil
durch eine Zwillingsschnecken-Rheomoulding-Maschine aus einem Block
einer Aluminium (Al)-Legierung hergestellt. Die Erfindung ist nicht
beschränkt
auf Aluminiumlegierungen und ist gleichfalls anwendbar auf andere
Arten von Legierungen wie Magnesiumlegierungen, Zinklegierungen
und jede andere Legierung, die für
die halbflüssige
Metallverarbeitung geeignet ist. Ferner sind spezifische Temperaturen
und Temperaturbereiche, die in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
genannt sind, nur für
Al-Legierungen anwendbar, können
jedoch leicht gemäß den Prinzipien
der Erfindung durch den Fachmann modifiziert werden, um sie an andere
Legierungen anzupassen.
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1 zeigt ein Zwillingsschnecken-Rheomoulding-System 10 gemäß einer
Ausführungsform dieser
Erfindung. Das System 10 hat vier Abschnitte: Eine Zuführung 20,
einen Zwillingsschneckenextruder 30, eine Schusseinrichtung 40 und
eine Formschließeinheit 50.
Eine flüssige
Legierung wird der Zuführung 20 zugeführt. Die
Zuführung 20 ist
mit einem Kolben 21, einem Sockel 22 und einer
Serie von Heizelementen 23 versehen, die um die äußere Peripherie
des Tiegels 24 angeordnet sind. Die Heizelemente 23 können auf
irgendeine herkömmliche
Art ausgebildet sein und arbeiten, um die Zuführung auf einer genügend hohen
Temperatur zu halten, um die durch die Zuführung 20 zugeführte Legierung
im flüssigen
Zustand zu halten. Für
Al-Legierungen liegt diese
Temperatur über
600°C. Die
flüssige
Legierung wird nach folgend in den Zwillingsschneckenextruder mittels
Gravität
zugeführt,
wenn der Kolben 21 optional angehoben wird.
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Der
Extruder 30 hat eine Vielzahl von Heizelementen 31, 33 und
Kühlungselemente 32, 34,
die entlang der Länge
des Extruders 30 verteilt sind. Die abgestimmten Heizelemente 31, 33 und
Kühlkanäle 32, 34 bilden
eine Serie von Heiz- und Kühlzonen. Die
Heiz- und Kühlzonen
halten den Extruder auf der gewünschten
Temperatur für
die halbflüssige
Verarbeitung. Für
ein Rheomoulding-System, das für Al-Legierungen
bestimmt ist, halten die Heizelemente 33 und die Kühlelemente 34 den
oberen Teil des Extruders auf einer Temperatur von etwa 585 °C; und die
Heizelemente 31 und die Kühlkanäle 32 halten den unteren
Teil des Extruders auf einer Temperatur von etwa 590°C. Die Heiz-
und Kühlzonen
machen es auch möglich,
ein komplexes Temperaturprofil entlang der Extruderachse aufrecht
zu erhalten, was notwendig sein kann, um bestimmte mikrostrukturelle Effekte
während
der halbflüssigen
Verarbeitung zu erzielen. Die Temperaturregelung jeder individuellen Zone
wird durch Balancieren der Heiz- und Kühlenergieeingaben von einem
zentralen Regelsystem erhalten. Die Heizverfahren können Widerstandsheizung,
Induktionsheizung oder jede andere Art von Heizung sein. Die Kühlmedien
können
Wasser, Gas- oder Dampf abhängig
von den Verarbeitungsanforderungen sein. Während nur zwei Heiz-/Kühlzonen
in 1 gezeigt sind, kann
der Extruder 30 mit einer bis zehn gesondert regelbaren
Heiz-/Kühlzonen
ausgestattet sein.
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Der
Extruder 30 hat ein physisches Gefälle oder eine Neigung. Die
Neigung ist üblicherweise
von 0 bis 90° und
vorzugsweise von 20 bis 90° relativ
zur Schussrichtung. Die Neigung ist bestimmt, um den Transfer der
halbflüssigen
Legierung vom Extruder 30 zur Schusshülse 42 zu unterstützen.
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Der
Extruder 30 ist auch mit einer Zwillingsschnecke 36 versehen,
die von einem Elektromotor oder Hydraulikmotor 25 durch
ein Getriebe 26 angetrieben ist. Die Zwillingsschnecke 36 ist
entworfen, um eine hohe Scherrate zur Verfügung zu stellen, die notwendig
ist, um feine und gleichmäßig verteilte Festkörperteilchen
zu erhalten. Verschiedene Arten von Schneckenprofilen können selbstverständlich verwendet
werden. Ergänzend
kann auch jede Einrichtung anstelle der Zwillingsschnecken verwendet werden,
die hohe Schermischung und positive Verschiebungspumpaktionen bereit
stellt.
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Die
thixotrope Legierung verlässt
den Extruder 30 in die Schusseinrichtung 40 durch
ein Ventil 39. Das Ventil 39 arbeitet als Antwort
auf ein Signal vom zentralen Kontrollsystem. Die bedarfsweise Öffnung des
Ventils 39 sollte zu den Prozessanforderungen passen. Das
Einspritzen der thixotropen Legierung erfolgt durch einen Kolben 41,
der an einer Schusshülse 42 angeordnet
ist, durch ein Loch 44 in einen Formhohlraum 51.
Die Stellung und Geschwindigkeit des Kolbens 41 ist einstellbar,
um den Anforderungen von verschiedenen Prozessen, Materialien und
Endprodukten zu genügen.
Grundsätzlich
sollte die Schussgeschwindigkeit hoch genug sein, um genügend Fluidität für eine vollständige Formfüllung bereit
zu stellen, jedoch nicht zu hoch um einen Lufteinschluss zu verursachen.
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Wie
in 1 gezeigt, ist ein
Heizelement 43 auch entlang der Länge der Schusshülse 42 vorgesehen.
In der bevorzugten Ausführungsform
des Rheomoulding-Systems für
die Verarbeitung von Al-Legierungen wird die Schusshülse vorzugsweise
bei einer Temperatur gehalten, die nahe der Extrudertemperatur ist,
um die Legierung in ihrem vorbestimmten halbflüssigen Zustand zu halten.
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Der
Formschluss 50 wird verwendet, um den Formhohlraum 51 zu
bilden. Er besteht daher vorzugsweise aus zwei Halbformen 52,
Befestigungselementen 53, einem Läufersystem 54 und
den Heizelementen 55, um die Formen auf einer erforderlichen Temperatur
zu halten.
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2 ist eine schematische
Schnittdarstellung eines Zylinders oder eines Gehäuses, wie
er in der bevorzugten Ausführungsform
verwendet wird, der aus einer äußeren Stahlschale 37 und
einer Sialonauskleidung 38 besteht. Die Sialonauskleidung 38 kann
durch die verschiedenen Koeffizienten während der thermischen Ausdehnung
auf die äußere Schale 37 durch
Schrumpfung angepasst werden. Die Temperatur für die Schrumpfpassung der kalten
Sialonauskleidung 38 in die aufgeheizte Stahlschale wird
in einer solchen Weise gewählt,
dass eine enge Passung zwischen der Hülse und ihrer Auskleidung bei der
Prozesstemperatur erreicht wird, um Effizienz bei der Wärmeübertragung
zu garantieren. Das Sialon wird hier als Zylinderauskleidung gewählt, um
einen guten Widerstand gegen Verschleiss, Korrosion und Erosion
zu erreichen und gleichzeitig die notwendige Festigkeit und Härte bei
Prozesstemperatur beizubehalten. Für Zylinder oder Gehäuse kleinerer
Größe kann
eine einstöckige
(integrale) Sialonkonstruktion verwendet werden.
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3 ist eine Schnittdarstellung
einer Schnecke, die gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Die Schnecke 36 für das Rheomoulding-System 10 kann
als eine mechanische Einrichtung von Sialonschneckenabschnitten mit
geeigneten Profilen hergestellt werden. Bauteile 46, 48 mit
dem gewünschten
Profil werden zusammengefügt
und dann auf einem Schaft 47 mit der erforderlichen Ausrichtung
installiert. Vorzugsweise wird eine dichte Anordnung mit einer geringen
Toleranz verwendet. Für
Schnecken kleiner Größe kann eine
monolitische Sialonschnecke verwendet werden.
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4 bzw. 5 illustrieren den abschnittsweisen und
axialen Fluidfluss in einen Zwillingsschneckenextruder gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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6 illustriert eine Mikrostruktur
einer halbflüssigen
Legierung von Mg-30 Gew% Zn, hergestellt durch die Vorrichtung.
Die Fotografie illustriert im Speziellen die Mikrostruktur einer
Legierung mit einem 40%igen Feststoffanteil, der bestätigt, dass
der erfinderische Rheomoulding-Prozess geeignet ist für das Herstellen
einer halbflüssigen
Dispersion mit feinen und gleichmäßig verteilten Teilchen.
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7 illustriert ein Formteil,
das von der Vorrichtung hergestellt worden ist aus einer Legierung von
Mg-30Gew% Zn. Testen bestätigt,
dass das produzierte Gussteil eine geringere Porosität als die
von herkömmlichen
Güssen
hat.
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Die
Ausführungsform
kann auch eine Einrichtung enthalten, die an der Zuführung 20 angeordnet
ist, um Druck auf die flüssige
Legierung für
die Zuführung
der Legierung von der Zuführung 20 zum Extruder 30 aufzubringen,
wenn die Zuführung 20 unterhalb
des Extruders 30 angeordnet ist. Solch ein Druck sollte
genau geregelt werden, um sicher zu stellen, dass die richtige Menge
an flüssiger
Legierung von der Zuführung 20 zum
Extruder 30 fließt.
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Die
Ausführungsform
kann auch eine Einrichtung enthalten, die an der Zuführung 20,
dem Extruder 30, der Schusseinrichtung 40 und
der Formschließeinheit 50 angeordnet
ist, um Schutzgas zur Verfügung
zu stellen, um die Oxidation zu minimieren. Solch ein Gas kann Argon,
Stickstoff oder ein geeignetes anderes Gas sein.
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Grundsätzlich hat
das Rheomoulding-System eine Kontrolleinrichtung, um alle Funktionen
zu kontrollieren. Vorzugsweise ist die Kontrolleinrichtung programmierbar,
so dass das gewünschte
Feststoffvolumen im halbflüssigen
Zustand leicht erhalten werden kann. Das Kontrollsystem (in 1 nicht gezeigt) kann z.
B. einen Mikroprozessor aufweisen, der leicht und schnell neu programmiert
werden kann, um die Prozessparameter zu ändern.
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Beispiel
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Industriell
reines Magnesium und Zink mit einem Reinheitsgehalt >99% werden verwendet,
um eine Mg-30 Gew% Zn-Schmelze im Ofen zu bilden. Die Schmelze wurde
in einem Grafittiegel bei einer vorbestimmten Temperatur mit 20°C Überhitzung
gehalten. Die Schmelze wurde dann in einen Extruder bei 410°C überführt und
mit einer Rate von 1000 s–1 für 20 Sekunden geschert, um
die Schmelze in eine halbflüssige
Dispersion umzuwandeln. Die halbflüssige Dispersion wurde dann
in eine Schusseinrichtung überführt durch Öffnen des
Ventils an einem Ende des Extruders und nachfolgende Bewegung des
Kolbens nach vorne, um die halbflüssige Dispersion in eine temperaturgeregelte
Form einzuspritzen. Nachdem sie vollständig abgekühlt wurde, wurde das Formteil
(7) von der Form frei
gesetzt. Das Probe wurde vom Guss geschnitten und eine metallografische
Standardtechnik wurde zum Schleifen und Polieren verwendet. Eine
mikrostrukturelle Prüfung
wurde unter Einsatz optischer Mikroskope ausgeführt und das Ergebnis wurde
in 6 gezeigt, in der
das Teilchen in der primären
Phase verfestigt und im Extruder geschert wird.
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Während die
besondere Ausführungsform nach
der vorliegenden Erfindung dargestellt und oben beschrieben wurde,
ist es klar, dass die Erfindung eine Vielzahl von Formen und Ausführungsformen
innerhalb des Schutzbereichs der anhängenden Ansprüche einnehmen
kann.