DE69633988T2

DE69633988T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Formen halbfester Metalle

Info

Publication number: DE69633988T2
Application number: DE69633988T
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Oaza Kogushi Ube-shi Adachi; Hiroto Oaza Kogushi Ube-shi Sasaki; Yasunori Oaza Kogushi Ube-shi Harada; Tatsuo Oaza Kogushi Ube-shi Sakamoto; Satoru Oaza Kogushi Ube-shi Sato; Atsushi Oaza Kogushi Ube-shi Yoshida
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2016-05-30
Also published as: DE69633988D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen eines halbfesten Metalls, bei dem eine flüssige Legierung in ein isoliertes Gefäß gespeist wird, das wärmeisolierend ist, während die Legierung während eines Zeitraums von 5 Sekunden bis 60 Minuten gehalten wird, wobei sie auf die Formtemperatur abkühlt, bei der eine spezifische flüssige Fraktion gebildet wird, wodurch feine Primärkristalle in der Legierungslösung erzeugt werden und die Legierung unter Druck geformt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Realisieren dieses Verfahrens.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Formen von halbfesten Metallen bekannt. Heutzutage hat ein Thixo-Gießverfahren die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen, da damit weniger Formungsfehler und Abscheidungen verbunden sind, es gleichförmige metallographische Strukturen herstellt und eine längere Lebensdauer der Form ermöglicht, die Formungszyklen jedoch kürzer sind als bei herkömmlichen Gießverfahren. Die Blöcke, die in diesem Formverfahren (A) eingesetzt werden, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie kugelförmige Strukturen haben, die entweder durch mechanisches oder elektromagnetisches Umwälzen in Temperaturbereichen, die halbfeste Metalle produzieren, oder durch Einsatz der vorteilhaften Umkristallisation von bearbeiteten Metallen erhalten werden. Andererseits kann durch die bekannten Rohmaterial in einem halbfesten Zustand geformt werden. Zu diesem Ansatz gibt es drei Beispiele: die ersten zwei betreffen Magnesiumlegierungen, die auf einfache Weise gleichaxiale Mikrostrukturen produzieren können, wobei Zr zugegeben wird, um die Erzeugung von feineren Kristallen [Verfahren (B)] zu induzieren, oder ein kohlenstoffhaltiges Verfeinerungsmittel zu demselben Zweck zugegeben wird [Verfahren (C)]; der dritte Ansatz betrifft Aluminiumlegierungen und eine Vorlegierung, welche ein Al–5% Ti–1% B System enthält, das als Verfeinerungsmittel in Mengen im Bereich vom 2- bis 10-fachen der herkömmlichen Menge zugegeben wird [Verfahren (D)]. Die durch diese Verfahren hergestellten Ausgangsmaterialien werden auf Temperaturbereiche erhitzt, die halbfeste Metalle produzieren, und die erhaltenen Primärkristalle werden vor dem Formen kugelförmig gemacht. Es ist auch bekannt, dass Legierungen innerhalb einer Löslichkeitsgrenze ziemlich rasch auf eine Temperatur nahe der Solidus-Linie erhitzt werden, und dann, um ein gleichförmiges Temperaturprofil durch das Ausgangsmaterial sicherzustellen, wird die Legierung langsam auf eine zweckmäßige Temperatur über der Solidus-Linie erhitzt, so dass das Material ausreichend weich wird, um geformt werden zu können [Verfahren (E)].
EP-A-0 719 606 offenbart ein Verfahren zum Formen eines halbfesten Metalls, bei dem eine zum Teil feste und zum Teil flüssige Legierung mit einer Kühleinheit in Form einer schrägen Passage in Kontakt gebracht wird, wobei das geschmolzene Metall an der schrägen Kühleinheit herunter fließt, um einem isolierten Gefäß zugeführt zu werden, wo es für eine gegeben Zeit gehalten wird und anschließend die metallische Aufschlämmung unter Druck geformt wird. Ein wesentliches Merkmal diese bekannten Verfahrens ist die Kühlstufe, die durch eine schräge Kühleinheit erfolgt.
EP-A-0 392 998 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von halbflüssigen gegossenen Aluminiumlegierungen, welches das Erwärmen der Aluminiumlegierung in einem Schmelzofen auf eine Temperatur von etwa 700°C, das Erzeugen einer laminaren Strömung der Aluminiumlegierung und das Überführen der geschmolzenen Legierung auf eine neigbare Fläche, um die Fließgeschwindigkeit der Legierung einzustellen, das Abkühlen dieser Fläche durch ein darin zirkulierendes Kältemittel, das Sammeln der halbflüssigen Aluminiumlegierung in einem Gefäß und das Abkühlen der Legierung umfasst. Dieses Verfahren erfordert ferner die Verwendung einer Kühlvorrichtung, die aus einer neigbaren Fläche besteht, wodurch es schwierig wird, eine einheitliche Temperatur der Schmelze zu erreichen, wenn sie in ein Haltegefäß gegossen wird.
Diese Verfahren, bei denen Blöcke nach dem Erhitzen auf Temperaturen, die halbfeste Metalle herstellen, geformt werden, stehen im scharfen Gegensatz zu einem Rheo-Gießverfahren (F), bei dem geschmolzene Metalle, die kugelförmige Primärkristalle enthalten, kontinuierlich hergestellt und als solche geformt werden, ohne dass sie zu Blöcken verfestigen.
Die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren sin jedoch mit Problemen behaftet. Methode (A) ist arbeitsaufwendig, und die Produktionskosten sind unabhängig davon hoch, ob ein Umwälz- oder Umkristallisationsverfahren eingesetzt wird. Wenn sie auf Magnesiumlegierungen angewendet wird, ist Methode (B) ist wirtschaftlich unvorteilhaft, da Zr ein teures Element ist, und bezüglich Methode (C) muss, um sicherzustellen, dass die kohlenstoffhaltigen Verfeinerungsmittel ihre Funktion in vollem Umfang entfalten können, die Zugabe von Be als Oxidationskontrollelement auf ein Maß von etwa 7 ppm vermindert werden, wobei dann jedoch die Legierung während der Hitzebehandlung unmittelbar vor dem Formen durch Oxidation zur Verbrennung neigt, wobei dies im Betrieb unzweckmäßig ist.
Im Fall von Aluminiumlegierungen kann eine Größe von etwa 500 μm durch die alleinige Zugabe von Verfeinerungsmitteln erzielt werden, es ist jedoch nicht einfach, Kristallkörner zu erhalten, die feiner als 100 μm sind. Um dieses Problem zu lösen, werden erhöhte Mengen des Verfeinerungsmittels in methode (D) zugegeben, was jedoch im industriellen Maßstab schwer durchzuführen ist, weil die zugegebenen Verfeinerungsmittel dazu neigen, sich auf dem Boden des Verbrennungsofens abzusetzen; außerdem ist dieses Verfahren teuer. Methode (E) ist ein Thio-Gießverfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Rohmaterial langsam erhitzt wird, nachdem die Temperatur die Solidus-Linie überschritten hat, so dass das Rohmaterial gleichförmig erhitzt und kugelförmig gemacht wird. Tatsächlich wird sich jedoch beim erhitzen eine gewöhnliche dendritische Mirkostruktur nicht in eine thixotropes Struktur (worin Primärdendriten kugelförmig gemacht worden sind) überführt. Außerdem haben die Thixo-Gießverfahren (A)–(E) ein gemeinsames Problem dahingehend, dass sie teuerer als die existierenden Gießverfahren sind, da, um das Formen im halbfesten Zustand durchzuführen, die flüssige Phase zur Herstellung eines Blocks zuerst verfestigt werden muss, welcher wiederum auf einen Temperaturbereich erwärmt wird, der ein halbfestes Metall herstellt. Im Gegensatz dazu ist Methode (F), das kontinuierlich ein geschmolzenes Metall ergibt und liefert, das kugelförmige Primärkristalle enthält, vorteilhafter hinsichtlich der Kosten und der Energie als die Thixo-Gießverfahren. Andererseits erfordert jedoch die Vorrichtung, die zur Herstellung eines Metallmaterials, das aus einer kugelförmigen Struktur errichtet werden muss, und die flüssige Phase mühsame Vorgänge, um wirkungsvolle betriebsbereite Verbindung mit der Gießvorrichtung sicherzustellen und zu dem Endprodukt zu führen.
Die vorliegende Erfindung wurde unter diesen Umständen vervollständigt, wobei es ihre Aufgabe ist, ein Verfahren bereitzustellen, das keine Blöcke oder jegliche aufwendige mühsame Vorgänge einsetzt, aber das den Vorteil und die Einfachheit bei der Herstellung eines halbfesten Metalls, das feine Primärkristalle aufweist, und dessen Formen unter Druck sicherstellt.
Eine weiter Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, die dieses Verfahren realisieren kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung kann durch das Verfahren zum Formen eines halbfesten Metalls gelöst werden, das in Anspruch 1 wiedergegeben ist, bei dem eine geschmolzene Aluminiumlegierung oder Magnesiumlegierung, die ein Element zur Förderung der Erzeugung von Kristallkeimen enthält und auf weniger als 100°C über dem Liquiduspunkt überhitzt gehalten wird, ohne die Verwendung einer Kühlvorrichtung direkt in ein isoliertes Gefäß aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 1,0 kcal/h·m·°C (bei Raumtemperatur) gegossen wird, während eines Zeitraums von 5 s bei 60 min., während sie auf die Verformungstemperatur gekühlt wird, gehalten wird, wobei eine spezifische flüssige Fraktion gebildet wird, wobei die spezifische flüssige Fraktion 20% bis 90% im Fall von Hochdruckgießverfahren und von 0,1 bis 70% im Fall von Extrudier- oder Schmiedeverfahren ist, wodurch feine Primärkristalle in der Legierungslösung kristallisieren, und die Legierungslösung in eine Gießform gespeist wird, wo sie unter Druck geformt wird.
Gemäß Anspruch 2 ist diese Legierung eine Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung mit einer maximalen Löslichkeitsgrenze oder eine hypoeutektische Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung bei oder über der maximalen Löslichkeitsgrenze.
Gemäß Anspruch 3 ist die Legierung eine Magnesiumlegierung einer Zusammensetzung innerhalb der maximalen Löslichkeitsgrenze.
Gemäß Anspruch 4 enthält die Aluminiumlegierung zugegeben 0,001 bis 0,01% B und 0,005 bis 0,3% Ti.
Gemäß Anspruch 5 enthält die Magnesiumlegierung 0,005 bis 0,1% zugegebenes Sr oder 0,01 bis 1,5% Si und 0,005 bis 0,30% zugegebenes Sr oder 0,05 bis 0,30% zugegebenes Ca.
Gemäß Anspruch 6 wird in dem Verfahren nach Anspruch 1 die flüssige Legierung, die um ein Ausmaß (X°C) von weniger als 10°C über der Liquiduslinie überhitzt worden ist, in dem isolierten Gefäß während eines Zeitraums von 5 s bis 60 min. gehalten, während es auf die Verformungstemperatur abkühlt, bei der eine spezifische flüssige Fraktion, die 20 bis 90% im Fall von Hochdruckformverfahren und 0,1 bis 70% im Fall von Extrudier- oder Schmiedeverfahren ausmacht, gebildet wird, so dass das Kühlen von der Anfangstemperatur, bei der die Legierung in dem isolierten Gefäß gehalten wird, zu ihrem Liquiduspunkt innerhalb eines Zeitraums vollständig abläuft, der kürzer ist als die Zeit Y (in Minuten), berechnet aus der Beziehung Y = 10 – X, und dass die Kühldauer von der Anfangstemperatur zu einer Temperatur 5°C unter dem Liquiduspunkt nicht länger als 15 Minuten ist, wodurch feine Primärkristalle in der Legierungslösung kristallisiert werden, die dann in die Gießform gespeist wird, wo sie unter Druck geformt wird.
Anspruch 7 betrifft das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschmolzene Legierung auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der eine feste Fraktion erhalten wird, die für das Formen geeignet ist und 10–80% im Fall von Hochdruckformverfahren oder 30–99,9% im Fall von Extrudier- oder Schmiedeverfahren ausmacht, und wobei das Kühlen der Legierung mit den oberen und unteren Teilen des Gefäßes durchgeführt wird, welche stärker erwärmt werden als der mittlere Teil, oder die Wärme mit einem Wärmespeichermaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit von weniger als 1,0 kcal/h·m·°C gespeichert wird, oder wobei entweder der obere oder untere Teil des Gefäßes erwärmt wird, während der Rest mit einem Wärmespeicher versehen ist, und die Legierung nach dem Abkühlen in eine Gießform gespeist wird, wo sie unter Druck geformt wird.
Anspruch 8 betrifft eine Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 7, wobei das Kühlen der Legierung in einem Gefäß durchgeführt wird, wobei die Legierung in einem äußeren Gefäß vorliegt, das das Legierungshaltegefäß aufnehmen kann und eine geringere thermische Leitfähigkeit als das Haltegefäß hat, das eine thermische Leitfähigkeit hat, die gleich ist wie oder größer als diejenige des Haltegefäßes und das eine höhere Anfangstemperatur als das Haltegefäß hat, oder das von dem Haltegefäß durch einen gasgefüllten Spalt getrennt ist, bei einer raschen Kühlgeschwindigkeit durchgeführt wird, um eine gleichförmige Temperatur durch die Legierung in dem Haltegefäß nicht später als zum Start der Formungsstufe zu erhalten.
Anspruch 9 betrifft das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Druckformen mit der Legierung, die in ein Gefäß gegeben worden ist, auf einer Extrudiermaschine durchgeführt wird.
Anspruch 10 betrifft das Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Extrudiermaschine entweder vom horizontalen oder vertikalen Typ ist oder von einem solchen horizontalen Typ, bei dem das Gefäß seine Position von der Vertikalen zur Horizontalen vor dem Formen ändert und wobei das Extrudierverfahren entweder direkt oder indirekt ist.
Anspruch 11 betrifft das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kristallkeime durch ein Verfahren erzeugt werden, bei dem zwei oder mehr flüssige Legierungen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten, die auf weniger als 50°C über dem Liquiduspunkt überhitzt gehalten werden, direkt mit dem isolierten Gefäß aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 1,0 kcal/h·m·°C (bei Raumtemperatur) gemischt werden, so dass die Temperatur des Metalls beim Mischen entweder knapp über oder unter dem Liquiduspunkt ist.
Anspruch 12 betrifft das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das äußere Gefäß entweder von innen oder außen durch Induktionserhitzen erhitzt wird, wobei dieses Erhitzen nur vor oder nach dem Einsetzen des Haltegefäßes in das äußere Gefäß oder fortgesetzt über den Zeitraum nicht nur vor sondern auch nach dem Einsetzen durchgeführt wird.
Das Verfahren dieser Erfindung kann unter Verwendung einer Vorrichtung zur Regelung der Temperatur einer halbfesten Me tallaufschlämmung durchgeführt werden, die in der Formvorrichtung verwendet werden soll, worin ein geschmolzenes Metall, das eine große Anzahl an Kristallkeimen enthält, aus einem Ofen, der eine Schmelze enthält, in ein Gefäß gegossen wird, wo sie abgekühlt wird, um eine halbfeste Metallaufschlämmung zu ergeben, die sowohl eine feste als auch eine flüssige Phase in spezifische Mengen enthält, und worin die Aufschlämmung zum Formen unter Druck direkt einer Formvorrichtung zugeführt wird. Diese Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass sie das Gefäß zum Halten des geschmolzenen Metalls, eine Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur, eine Einheit zur Kühlung des halbfesten Metalls für die Regelung der Temperatur des gegossenen, geschmolzenen Metalls, so dass es in einer vorgesehenen Geschwindigkeit abgekühlt wird, und einen Mechanismus für den Gefäßtransport umfasst, der grundsätzlich einen Roboter zum Greifen, Bewegen und Transportieren des Gefäßes und ein Förderband zum Tragen, Bewegen und Transportieren des Gefäßes umfasst.
Die oben erwähnte Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur umfasst einen Ofen zum Kühlen des Gefäßes bei einer Umgebungstemperatur, die nicht höher als die Zieltemperatur für das Gefäß ist, und einen Ofen zum Speichern der Gefäßwärme bei einer Umgebungstemperatur, die gleich der Zieltemperatur ist.
Die oben erwähnte Einheit zum Kühlen des halbfesten Metalls umfasst einen Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls und einen Ofen zum Glühen des halbfesten Metalls zur Regelung der Temperatur darin, damit sie höher als die Temperatur in dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls ist.
Der oben erwähnte Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls in der Einheit zum Kühlen des halbfesten Metalls ist dergestalt, dass die Fläche um das Gefäß, das auf der Förderanlage zum Durchqueren des Ofens befördert wird, durch zwei Paar wärmeisolierende Platten in drei Bereiche eingeteilt ist, die oberen, die mittleren und die unteren Teile, wobei ein Paar aus einer oberen rechten und einer oberen linken Platte und das andere Paar aus einer unteren rechten und einer unteren linken Platte besteht, wobei ein Heizer sowohl in den oberen als auch in dem unteren Teilen eingebaut ist, um die beiden Teile auf eine höhere Temperatur als die dem zentralen Teil zugeführte Heißluft zu erhitzen.
Ein Ofen zum Vorheizen wird an einer Stelle vor dem oben erwähnten Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls eingebaut, um sicherzustellen, dass sowohl ein Sockel, der eine geringere thermische Leitfähigkeit als das Gefäß hat und der das Gefäß trägt, bevor es zu dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls geführt wird, als auch der Deckel, der eine geringere thermische Leitfähigkeit als das Gefäß hat und der zum Bedecken dar auf platziert wird, dadurch vorgeheizt werden, dass sie vorab durch den Ofen zum Vorheizen bewegt werden.
Entsprechend einer Ausführungsform ist der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls mit einer Kontrolleinheit ausgestattet, womit die Temperatur oder die Geschwindigkeit der Heißluft, die dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls zugeführt wird, kontrolliert wird, so dass sie im Lauf der Zeit variiert.
Entsprechend einer Ausführungsform umfasst der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls eine Reihe von Gehäusen, die jeweils das Gefäß beherbergen während es das geschmolzene Metall enthält, und ist mit einem Deckel, der geöffnet werden kenn, und Heißluft-Zufuhrrohren/Abgasrohren sowie mit einem Mechanismus ausgestattet, durch den ein Aufnahmebehälter zum Tragen des Gefäßes um eine vertikale Welle rotiert.
Entsprechend einer Ausführungsform ist für jedes Gehäuse ein Rüttelapparat zum Rütteln des oben erwähnten Aufnahmebehälters vorgesehen.
Entsprechend einer Ausführungsform wird dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls zur Behandlung des geschmolzenen Metalls, während es in ein Gefäß gegossen wird, das eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 1,0 kcal/hr·m·°C hat, Heißluft mit einer Temperatur im Bereich von 150°C bis 350°C für Aluminiumlegierungen und 200°C bis 450°C für Magnesiumlegierungen zugeführt.
Entsprechend einer Ausführungsform wird dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls zur Behandlung des geschmolzenen Metalls, während es in ein Gefäß gegossen wird, das eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 1,0 kcal/hr·m·°C hat, Heißluft mit einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C für Aluminiumlegierungen und 100°C bis 250°C für Magnesiumlegierungen zugeführt.
Entsprechend einer Ausführungsform wird das geschmolzene Metall, während es in das Ofen zum Kühlen gegossen wird, von der umgebenden Atmosphäre durch Bedecken der oberen Oberfläche des Gefäßes mit einem Isolierdeckel mit wärmeisolierender Wir kung, solange wie das geschmolzene Metall in dem Gefäß gehalten wird, abgetrennt, bis die Verformungstemperatur erreicht ist.
Entsprechend einer Ausführungsform ist die Legierung spezifiziert als eine hypereutektische Al-Si-Legierung mit 0,005%–0,03% dazugegebenes P oder eine hypereutektische Al-Si-Legierung, die 0,005%–0,03% P enthält, und entweder 0,005%–0,03% Sr oder 0,001%–0,01% Na oder beides zugegeben enthält. Entsprechend einer Ausführungsform ist die Legierung aus Anspruch 1 oder 2 spezifiziert als eine hypoeutektische Al-Mg-Legierung, die Mg in einer Menge enthält, die die maximale Löslichkeitsgrenze nicht übersteigt und die 0,3%–2,5% zugegebenes Si enthält.
Das Druckformen kann dadurch vervollständigt werden, dass die Legierung in einen Behälter auf einer Extrudiermaschine gegeben wird.
Entsprechend einer Ausführungsform ist die Extrudiermaschine entweder vom horizontalen oder vertikalen Typ oder von einem solchen horizontalen Typ, bei dem der Behälter seine Position von der Vertikalen zur Horizontalen ändert und wobei das Extrudierverfahren entweder direkt oder indirekt ist.
Entsprechend einer Ausführungsform wird das äußere Gefäß entweder von innen oder von außen durch Induktionserhitzen erwärmt, wobei dieses Erwärmen nur vor oder nach dem Einsetzen des Haltegefäßes in das äußere Gefäß oder fortgesetzt über einen Zeitraum nicht nur vor sondern auch nach dem Einsetzen durchgeführt wird.
Durch diese erfindungsgemäßen Verfahren werden flüssige Legierungen (wie sie durch geschmolzene Al- und Mg-Legierungen beispielhaft dargestellt sind) in ein isoliertes Gefäß mit wärmeisolierender Wirkung gegeben und über einen Zeitraum von 5 Sekunden bis 60 Minuten, während sie auf eine Formtemperatur abgekühlt werden, gehalten, wodurch feine und kugelförmige Primärkristalle in der Lösung gebildet werden und die resultierende halbfeste Legierung einer Form zugeführt wird, wo sie druckgeformt wird, um ein geformtes Teil mit einem homogenen Feingefüge zu ergeben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Von diesen Figuren zeigen ein Teil Ausführungsformen eines Verfahrens zum Formen eines halbfesten Metalls, bei dem – anders als die vorliegende Erfindung – eine Kühlvorrichtung verwendet wird. Das Verfahren, das eine Kühlvorrichtung verwendet, wird nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst.
1 ist ein Diagramm, das einen Verfahrensablauf zum halbfesten Formen einer hypoeutektischen Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung bei oder über der maximalen Löslichkeitsgrenze zeigt;
2 ist ein Diagramm das einen Verfahrensablauf zum halbfesten Formen einer Magnesiumlegierung oder Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung innerhalb der maximalen Löslichkeitsgrenze zeigt;
3 zeigt einen Verfahrensablauf, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet (nicht erfindungsgemäß);
4 zeigt diagrammatisch die metallographischen Strukturen, die in den jeweiligen in 3 gezeigten Stufen erhalten werden;
5 ist ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine Al-Si-Legierung als ein typisches Aluminiumlegierungssystem;
6 ist ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine Mg-Al-Legierung als ein typisches Magnesiumlegierungssystem;
7 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils gemäß der Erfindung zeigt;
8 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils gemäß dem Stand der Technik zeigt;
9 ist ein Diagramm, das eine Verfahrenssequenz zum halbfesten Formen von hypoeutektischen Aluminiumlegierungen einer Zusammensetzung bei oder über der maximalen Löslichkeitsgrenze entsprechend einem erfindungsgemäßen Beispiel zeigt;
10 ist ein Diagramm, das eine Verfahrenssequenz zum halbfesten Formen von Magnesium- oder Aluminiumlegierungen mit einer Zusammensetzung innerhalb der maximalen Löslichkeitsgrenze zeigt, entsprechend den erfindungsgemäßen Beispielen;
11 ist ein Gleichgewichtsphasendiagramm für Al-Si-Legierungen als ein typisches erfindungsgemäßes Aluminiumlegierungssystem (wiedergegeben in den Ansprüchen 11–13 und 18);
12 ist ein Gleichgewichtsphasendiagramm für Mg-Al-Legierungen als ein typisches erfindungsgemäßes Magnesiumlegierungssystem;
13 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines erfindungsgemäßen geformten Teils zeigt;
14 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend dem Stand der Technik zeigt (zum Vergleich mit der Erfindung);
15 ist ein Graph, der zeigt, wie die Haltezeit die Kristallkorngröße einer Legierung aus dem Stand der Technik (AZ91) beeinflusst;
16 ist eine Graph, der zeigt, wie die Haltezeit die Kristallkorngröße einer erfindungsgemäßen Legierung (AC4CH) beeinflusst;
17 ist ein Graph, der zeigt, wie das Ausmaß des Überhitzens der Legierung AZ91 aus dem Stand der Technik (über die Liquiduslinie) und die Haltezeit (ausgehend von der Anfangstemperatur innerhalb des isolierten Gefäßes bis zum Liquiduspunkt) die Kristallkorngröße der Legierung beeinflussen;
18 ist ein Graph, der zeigt, wie das Ausmaß des Überhitzens der erfindungsgemäßen Legierung AC4CH (über die Liquiduslinie) und die Haltezeit (ausgehend von der Anfangstempera tur innerhalb des isolierten Gefäßes bis zum Liquiduspunkt) die Kristallkorngröße der Legierung beeinflussen;
19 ist ein Graph, der zeigt, wie die Haltzeit (ausgehend von der Anfangstemperatur innerhalb des isolierten Gefäßes bis zum Liquiduspunkt minus 5°C) die Kristallkorngröße der Legierung AZ91 aus dem Stand der Technik beeinflusst;
20 ist ein Graph, der zeigt, wie die Haltzeit (ausgehend von der Anfangstemperatur innerhalb des isolierten Gefäßes bis zum Liquiduspunkt minus 5°C) die Kristallkorngröße der erfindungsgemäßen Legierung AC4CH beeinflusst;
21 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines halbfesten geformten Metalls;
22 ist eine perspektivische Ansicht einer Kühlvorrichtung als Teil einer Einheit zum Erzeugen der Keime der in 21 gezeigten Vorrichtung;
23 zeigt einen Querschnitt von zwei Kühlvorrichtungsarten als Teil einer Einheit zum Erzeugen der Keime einer Vorrichtung zur Herstellung eines halbfesten geformten Metalls;
24 ist eine seitliche Schnittdarstellung einer Kühlvorrichtung als Teil einer Einheit zum Erzeugen von Keimen einer Vorrichtung zur Herstellung eines halbfesten geformten Metalls;
25 ist ein Grundriss, der den Gesamtübersichtsplan einer Vorrichtung zur Herstellung eines halbfesten geformten Metalls zeigt;
26 ist ein Längsschnitt A-A der 25;
27 ist ein Längsschnitt B-B der 25;
28 ist ein Längsschnitt eines isolierten Gefäßes;
29 zeigt einen Arbeitsablauf, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet;
30 vergleicht zwei Graphen, die die Veränderungen der Temperatur in dem Metall graphisch darstellt, welches in einem Gefäß abgekühlt wird;
31 illustriert vier Methoden, die Temperatur in einem erfindungsgemäßen Gefäß zu regeln;
32 zeigt einen Arbeitsablauf, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet;
33 vergleicht die Temperaturprofile durch zwei halbfeste Metalle, wobei eines in einem erfindungsgemäßen Gefäß entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gehalten wird und das andere gemäß dem Stand der Technik behandelt wird;
34 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend dem Stand der Technik zeigt;
35 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mirkographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils zeigt, das entsprechend einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde (wiedergegeben in Anspruch 8);
36 ist ein Grundriss, der den Gesamtübersichtsplan einer Formanlage (seine erste Ausführungsform), entsprechend einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, zeigt;
37 ist ein Grundriss einer Einheit für die Regelung der Temperatur (seine erste Ausführungsform), entsprechend einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
38 ist ein Graph, der die bestimmten Positionen der Temperaturmessung in einem Gefäß entsprechend einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen;
39 ist ein Graph, der den Temperaturverlauf des Abkühlens in dem Gefäß entsprechend einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
40 ist ein Graph, der den Temperaturverlauf des Abkühlens in dem Gefäß entsprechend einem anderen Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
41 ist ein Graph, der den Temperaturverlauf des Abkühlens in dem Gefäß entsprechend einem anderen Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
42 ist ein Längsschnitt eines Ofens zum Kühlen eines halbfesten Metalls entsprechend einem anderen Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
43 ist ein Grundriss einer Einheit für die Regelung der Temperatur (seine zweite Ausführungsform) entsprechend weiteren Beispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
44 ist ein Längsschnitt A-A der 43;
45 zeigt die Temperaturprofile in dem Gefäß, das mit Wärmeisolatoren ausgerüstet ist, entsprechend einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, verglichen mit dem Temperaturprofil in Abwesenheit eines solchen Wärmeisolators;
46 ist ein Grundriss einer Einheit für die Regelung der Temperatur (seine dritte Ausführungsform) entsprechend einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
47 zeigt schematisch die Zusammensetzung einer Temperatur-Kontrolleinheit (seine erste Ausführungsform) für einen Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls entsprechend einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
48 zeigt schematisch die Zusammensetzung einer Temperatur-Kontrolleinheit (seine zweite Ausführungsform) für einen Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls entsprechend einem anderen Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
49 ist ein Längsschnitt einer Einheit zum Rotieren des Gefäßes entsprechend einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
50 ist ein Grundriss, der den Gesamtübersichtsplan einer Formanlage entsprechend einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
51 ist eine Ansicht eines Längsschnittes, die genau die Position der Temperaturmessung in dem Haltegefäß in dem in 50 gezeigten Beispiel zeigt;
52 ist ein Graph, der den Temperaturverlauf des Abkühlens in dem Haltegefäß in dem in 50 gezeigten Beispiel zeigt;
53 ist ein Längsschnitt eines Ofens zum Kühlen eines halbfesten Metalls (ausgestattet mit einem Gefäßrüttelapparat) entsprechend der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
54 zeigt einen Arbeitsablauf, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet;
55 ist ein Diagramm, das eine Verfahrenssequenz zum halbfesten Formen einer Zinklegierung einer hypoeutektischen Zusammensetzung zeigt;
56 ist ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine binäre Zn-Al-Legierung als ein typisches erfindungsgemäßes Zinklegierungssystem;
57 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
58 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend dem Stand der Technik zeigt (zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren);
59 ist ein Diagramm, das eine Verfahrenssequenz zum halbfesten Formen einer hypereutektischen Al-Si-Legierung entsprechend einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
60 zeigt einen Arbeitsablauf, der mit der Erzeugung kugelförmiger Primärkristalle beginnt und mit der Formstufe entsprechend dem in 59 gezeigten Ausführungsbeispiel endet;
61 zeigt diagrammatisch die metallographischen Strukturen, die in den jeweils in 60 gezeigten Stufen erhalten werden;
62 ist ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine binäre Al-Si-Legierung entsprechend einem weiteren Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
63 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mirkographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt;
64 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend dem Stand der Technik zeigt (zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren);
65 ist ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine binäre Al-Mg-Legierung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren;
66 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt;
67 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend dem Stand der Technik zeigt (zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren);
68 zeigt einen Arbeitsablauf, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet;
69 zeigt zwei Verfahrenssequenzen für das halbfeste Formen einer hypoeutektischen Aluminiumlegierung;
70 zeigt einen Arbeitsablauf, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet, entsprechend dem in 69 gezeigten Beispiel;
71 zeigt diagrammatisch die metallographischen Strukturen, die in den in 70 gezeigten jeweiligen Stufen erhalten werden;
72 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographischen Strukturen eines geformten Teils entsprechend dem in 69 gezeigten Beispiel zeigt;
73 ist eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen, der die metallographischen Strukturen eines geformten Teils entsprechend dem Stand der Technik zeigt (zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren);
74 zeigt einen Arbeitsablauf, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Eine geschmolzene Aluminium- oder Magnesiumlegierung, die ein Element zur Förderung der Erzeugung von Kristallkeimen enthält und überhitzt bei weniger als 100°C über dem Liquiduspunkt gehalten wird, wird direkt ohne die Verwendung einer Kühlvorrichtung in ein isoliertes Gefäß mit einer Wärme isolierenden Wirkung gegossen, die Legierungen werden über einen Zeitraum von 5 Sekunden bis 60 Minuten in diesem Gefäß, während sie auf die Verformungstemperatur abgekühlt werden, gehalten, wodurch feine kugelförmige Primärkristalle in der Legierungslösung erzeugt werden und die resultierende halbfeste Legierung wird einer Form zugeführt, wo sie unter Druck zu einem geformten Teil mit einem gleichförmigen Feingefüge geformt wird.
Beispiel 1
Ein erfindungsgemäßes Beispiel wird nun genauer unter Bezugnahme auf die begleitenden 1–8 beschrieben, worin: 1 ein Diagramm ist, das einen Verfahrensverlauf zum halbfesten Formen einer hypoeutektischen Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung bei oder über der maximalen Löslichkeitsgrenze zeigt; 2 ein Diagramm ist, das einen Verfahrensverlauf zum halbfesten Formen einer Magnesium- oder Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung innerhalb der maximalen Löslichkeitsgrenze zeigt; 3 einen Verfahrensverlauf zeigt, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet; 4 diagrammatisch die metallographischen Strukturen zeigt, die in den jeweiligen in 3 gezeigten Stufen erhalten werden; 5 ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine Al-Si-Legierung als ein typisches Aluminiumlegierungssystem ist; 6 ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine Mg-Al-Legierung als ein typisches Magnesiumlegierungssystem ist; 7 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographes ist, der die metallographische Struktur eines geformten Teils gemäß der Erfindung zeigt; und 8 eine diagrammatische Darstellung eines Mikorgraphes ist, der die metallographische Struktur eines geformten Teils gemäß dem Stand der Technik zeigt.
Wie in 1, 2, 5 und 6 gezeigt ist, umfasst die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens das Überhitzen der Schmelze einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, welche ein Element zur Förderung der Erzeugung von Kristallkeimen enthält, wobei die Schmelze auf weniger als 100°C über den Liquiduspunkt überhitzt gehalten wird.
Die Schmelze wird direkt in ein isoliertes Gefäß gegossen, ohne dass sie mit einer Vorrichtung gekühlt wird. Die Schmelze wird während eines Zeitraums von 5 Sekunden bis 60 Minuten bei einer Temperatur in dem isolierten Gefäß gehalten, die nicht höher als der Liquiduspunkt aber höher als die eutektische Temperatur oder Solidustemperatur ist, wobei eine große Anzahl an feinen und runden Primärkristallen in der Legierung erzeugt werden, die dann bei einer spezifischen flüssigen Fraktion geformt werden.
Der Ausdruck „Vorrichtung" („jig"), der hier verwendet wird, bedeutet jede Vorrichtung, die eine Kühlung der Schmelze beim Abfließen gewährleistet.
Der Ausdruck „eine spezifische flüssige Fraktion" bedeutet einen relativen Anteil der flüssigen Phase, der für das Druckformen geeignet ist. Bei Hochdruckgießvorgängen, wie dem Gießen mit einer Düse und dem Squeeze-Casting, ist die flüssige Fraktion im Bereich von 20% bis 90%, vorzugsweise 30% bis 70%. Wenn die flüssige Fraktion weniger als 30% ist, ist die Formbarkeit der Ausgangsmaterialien schlecht; über 70% ist das Ausgangsmaterial so weich, dass es nicht nur schierig zu handhaben ist, sondern es auch weniger wahrscheinlich ist, dass ein homogenes Feingefüge erhalten wird. Bei der Extrudierung und Formungsvorgängen ist die flüssige Fraktion im Bereich von 0,1% bis 70%, vorzugsweise von 0,1 bis 50%, darüber hinaus kann möglicherweise eine inhomogene Struktur auftreten.
Das „isolierte Gefäß", wie es in der Erfindung verwendet wird, ist ein metallisches oder nichtmetallisches Gefäß, oder ein metallisches Gefäß, dessen Oberfläche mit nichtmetallischen Materialien oder Halbleitern beschichtet ist, oder ein metallisches Gefäß, das aus nichtmetallischen Materialien oder Halbleitern zusammengesetzt ist, wobei die Gefäße daran angepasst sind, dass sie entweder von innen oder von außen entweder erhitzbar oder kühlbar sind.
Erfindungsgemäß erfolgt das Formen des halbfesten Metalls durch folgende spezifische Arbeitsschritte. In Stufe (1) des in den 3 und 4 gezeigten Verfahrens ist das Metall M in vollständig flüssiger Form in einem Gießtiegel 10 enthalten. In Stufe (2) wird das Metall durch das folgende Verfahren behandelt, um eine Legierung mit einer großen Anzahl an Kristallkeimen zu erzeugen, was einer Zusammensetzung kurz unter der Liquiduslinie entspricht: die Niedertemperatur-Schmelze einer Zusammensetzung kurz über dem Schmelzpunkt, welche ein Element enthält, das die Erzeugung einer feinen Struktur fördert, wird direkt in das isolierte Gefäß (oder ein mit Keramik beschichtetes metallisches Gefäß 30A), das eine wärmeisolierenden Wirkung hat, gegossen. In der anschließenden Stufe (3) wird die Legierung in dem isolierten Gefäß 30 (oder 30A) in einem teilweise geschmolzen Zustand gehalten. In der Zwischenzeit ergeben sich aus den eingebrachten Kristallkeimen sehr feine, isotrope dendritische Primärkristalle [Stufe (3)-a] und wachsen zu kugelförmigen Primärkristallen heran, während sich die flüssige Fraktion mit abnehmender Temperatur der Schmelze verringert [Stufen (3)-b und (3)-c]. Das so bei einer spezifischen flüssigen Fraktion erhaltene Metall M wird in eine Druckgusseinspritzhülse 40 eingebracht [Stufe (3)-d] und danach in einem Formhohlraum 50A unter Druck in einer Druckgussmaschine geformt, um ein geformtes Teil herzustellen [Stufe (4)].
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Formen eines halbfesten Metalls, das in den 1–4 gezeigt ist, unterscheidet sich deutliche von den herkömmlichen Thixo- und Rheo-Gießverfahren. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die dendritischen Primärkristalle, die innerhalb eines Temperaturbereichs des halbfesten Zustands kristallisiert wurden, nicht in kugelförmige Körnchen durch mechanisches oder elektromagnetisches Umwälzen wie im Stand der Technik gemahlen, es wird vielmehr eine große Anzahl von Primärkristallen, die aus den eingebrachten Kristallkeimen mit abnehmender Temperatur innerhalb des Bereichs des halbfesten Zustands kristallisiert und gewachsen sind, werden kontinuierlich durch die Wärme der Legierung selbst kugelförmig gemacht (wobei gegebenenfalls Wärme von außen zugeführt werden und auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden kann). Zusätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Formen eines halbfesten Metalls sehr praktisch, da es in dem Thixo-Gießverfahren die Stufe nicht umfasst, bei der Blöcke durch erneutes Erwärmen teilweise geschmolzen werden.
Die Gieß-, Kugelbildungs- und Formungsbedingungen, die jeweils für die Stufen festgelegt werden, bei der das Primärkristalle erzeugt und kugelförmig gemacht werden, und die Formungsstufe werden im Folgenden genauer beschrieben. Im Folgenden wird auch die kritische Beschränkung der Zahlenwerte diskutiert.
Das isolierte Gefäß 30, das die Schmelze hält, deren Temperatur kurz unter die Liquiduslinie gefallen ist, soll eine wärmeisolierende Wirkung aufweisen, um sicher zu stellen, dass die erzeugten Primärkristalle kugelförmig gemacht werden und nach Ablauf einer gewissen Dauer die gewünschten flüssige Fraktion aufweisen. Das Material, aus dem das isolierten Gefäß zusammengesetzt ist, ist in keiner Weise beschränkt, und die Materialien, die die Eigenschaft aufweisen, die Wärme zu speichern und die kaum durch die Schmelze benetzt werden, sind bevorzugt. Wird ein gasdurchlässiger Keramikbehälter als isoliertes Gefäß 30 zum Halten der Magnesiumlegierungen, die durch Oxidation zum Verbrennen neigen, verwendet, wird die Außenseite des Gefäßes vorzugsweise mit einer bestimmten Atmosphäre gefüllt (z. B. eine Inertgasatmosphäre oder Vakuum). Um die Oxidation zu vermeiden, ist es erwünscht, dass vorab Be oder Ca dem geschmolzenen Metall zugegeben wird. Die Form des isolierten Gefäßes 30 ist in keiner Weise auf eine Röhrenform beschränkt und andere Formen, die für das anschließende Formverfahren geeignet sind, können eingesetzt werden. Das geschmolzene Metall muss nicht in das isolierte Gefäß gegossen werden, aber es kann gegebenenfalls direkt in eine Keramikeinspritzhülse gegeben werden. Falls die Haltezeit in dem isolierten Gefäß 30 geringer als 5 Sekunden ist, ist es schwierig die Temperatur für die gewünschten flüssige Fraktion zu erreichen und ebenso ist die Erzeugung kugelförmiger Primärkristalle schwierig. Übersteigt die Haltezeit 60 Minuten, werden die erzeugten kugelförmigen Primärkristalle und die eutektische Struktur so grob, dass eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften auftritt. Deshalb wird die Haltezeit in dem isolierten Gefäß so geregelt, dass sie zwischen 5 Sekunden und 60 Minuten liegt. Beträgt die flüssige Fraktion in der Legierung, die durch Hochdruck-Gießverfahren geformt werden soll, weniger als 20%, ist die Beständigkeit gegen Verformung während des Formens so groß, dass es schwierig ist, geformte Teile mit hoher Qualität herzustellen. Übersteigt die flüssige Fraktion 90%, können keine geformten Teile mit einer homogenen Struktur erhalten werden. Wie bereits erwähnt, wird daher die flüssige Fraktion der zu formenden Legierung so eingestellt, dass sie zwischen 20% und 90% liegt. Durch das Einstellen der effekti ven flüssigen Fraktion auf einen Bereich von 30% bis 70%, können geformte Teile mit einer homogeneren Struktur und höherer Qualität einfach durch Druckformen erhalten werden. Für den Fall, dass AL-Si-Legierungssysteme geformt werden, die eine Zusammensetzung nahe der eutektischen Zusammenfassung aufweisen, ist es erforderlich, in dem isolierten Gefäß eutektisches Si zu erzeugen, während die flüssige Fraktion auf 80% oder weniger reduziert wird, wobei Na oder Sr als Si-modifizierendes Element zugegeben werden kann, was vorteilhaft zum Verfeinern der eutektischen Si-Kugeln ist, wodurch verbesserte Duktilität bereitgestellt wird. Die Mittel zum Druckformen sind in keiner Weise auf Hochdruck-Gießverfahren, die durch Squeeze-Casting verkörpert werden, beschränkt und Düsengießen sowie verschiedene andere Verfahren zum Druckformen können angewendet werden, wie Extrudier- und Gießverfahren.
Um mehr Kristallkeime zu erzeugen, damit sich eine homogene Struktur ergibt, die feine kugelförmige Körner umfasst, oder um sicher zu stellen, dass eine halbfeste Legierung, die eine große Anzahl an Kristallkeimen enthält und die eine Temperatur hat, die nicht höher als die Liquiduslinie ist, aus einer Schmelze erzeugt wird, die auf weniger als 100°C über der Liquiduslinie überhitzt wurde und die mit keiner Vorrichtung in Kontakt gekommen ist, können der Schmelze verschiedene Elemente zugegeben werden, wie zum Beispiel Ti und B für den Fall, dass die Schmelze eine Aluminiumlegierung ist und Sr, Si und Ca für den Fall, dass die Schmelze eine Magnesiumlegierung ist. Wird weniger Ti als 0,005% zugegeben, kann der erwünschte Verfeinerungseffekt nicht erreicht werden; über 0,30% bildet sich eine grobkörnige Ti-Verbindung, was zu einer Verschlechterung der Duktilität führt. Daher wird die Ti-Zugabe so reguliert, dass sie zwischen 0,005% und 0,30% liegt. Bor (B) wirkt mit Ti zusammen, um die Verfeinerung von Kristallkörnern zu fördern, jedoch ist der Verfeinerungseffekt gering, wenn weniger als 0,001% zugegeben werden. Andererseits tritt bei 0,02% eine Sättigung des Effekts von B auf und oberhalb 0,02% ergibt sich keine weitere Verbesserung. Daher wird die B-Zugabe so reguliert, dass sie zwischen 0,001% und 0,02% liegt. Beträgt sie weniger als 0,005%, kann der erwünschte Verfeinerungseffekt nicht erreicht werden. Andererseits tritt bei 0,1% Sr eine Sättigung des Effekts auf, und oberhalb 0,1% wird keine weitere Verbesserung erwartet. Daher wird die Sr-Zugabe so reguliert, dass sie zwischen 0,005% und 0,1% liegt. Werden 0,01% bis 1,5% Si zusammen mit 0,005%–0,1% Sr zugegeben, werden noch feinere Kristallkörner, als bei alleiniger Sr-Zugabe gebildet. Wird weniger als 0,05% Ca zugegeben, wird der erwünschte Effekt nicht erreicht. Bei 0,30% tritt eine Sättigung des Effekts ein und oberhalb 0,30% wird keine weitere Verbesserung erwartet. Daher wird die Ca-Zugabe so reguliert, dass sie zwischen 0,05% und 0,30% liegt.
Um feine kugelförmige Kristalle zu erhalten, ohne die Vorrichtung 20 zu verwenden, wird das Ausmaß des Überhitzens über die Liquiduslinie auf weniger als 100°C gesetzt, wobei dies sicherstellt, dass die geschmolzene Legierung, die in das isolierte Gefäß 30 mit wärmeisolierendem Effekt gegossen wird, bei einer Temperatur, die nicht geringer als die Verformungstemperatur ist, in einen flüssigen Zustand mit Kristallkeimen oder einen teilweise festen, teilweise flüssigen Zustand mit Kristallkeimen gebracht wird. Ist die Schmelze, die in das isolierte Gefäß 30 gegossen wird unverhältnismäßig heiß, dauert es zu lange, bis die Temperatur der Schmelze gesunken ist, um eine spezifische flüssige Fraktion zu bilden, so dass die Wirtschaftlichkeit gering wird. Eine weitere Schwierigkeit ist die, dass die eingegossene Schmelze M an der Oberfläche oxidiert oder verbrennt.
Tabelle 1 zeigt die Bedingungen verschiedener Proben eines zu formenden halbfesten Metalls sowie die Qualitäten der geformten Teile. Wie in 3 gezeigt ist, besteht das Formverfahren darin, das halbfeste Metall in eine Einspritzhülse zu speisen und anschließend mit einer Squeeze-Casting-Maschine zu Formen. Die Bedingungen für das Formen waren die folgenden: Druck: 950 kgf/cm²; Einspritzgeschwindigkeit: 1,5 m/s; Formdimensionen: 100 × 150 × 10; Formtemperatur: 230°C.
In Vergleichsprobe 7 wurde die Vorrichtung 20 nicht verwendet; die Startlegierung enthielt keine Kornverfeinerungsmittel und somit war die Anzahl der erzeugten Kristallkeime unzureichend.
In jeder der erfindungsgemäßen Proben 12, 17 und 18 wurde ein homogenes Feingefüge erhalten, das feine (< 150 μm) kugelförmige Primärkristalle umfasste, um die Herstellung eines geformten Teils mit guter Erscheinungsform zu ermöglichen.
Beispiel 2
Ein erfindungsgemäßes Beispiel wird nun genauer unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben. Wie in den 9–12 gezeigt ist, ist die Erfindung dergestalt, dass die Schmelze einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, die auf weniger als 100°C über dem Liquiduspunkt überhitzt gehalten wird, direkt in ein isoliertes Gefäß gegossen wird, ohne dass eine Vorrichtung verwendet wird, wodurch in der flüssigen Legierung Kristallkeime erzeugt werden.
Anschließend wird die flüssige Legierung, die um ein Ausmaß (X°C) von weniger als 10°C über der Liquiduslinie überhitzt worden ist, in dem isolierten Gefäß während eines Zeitraums von 5 Sekunden bis 60 Minuten gehalten wird, während die Legierung auf die Verformungstemperatur, die höher als die eutektische Temperatur oder Solidustemperatur ist, abkühlt, bei der eine spezifische flüssige Fraktion gebildet wird, so dass das Kühlen der Legierung auf den Liquiduspunkt innerhalb eines Zeitraums vollständig abläuft, der kürzer ist als die Zeit Y (in Minuten), berechnet aus der Beziehung Y = 10 – X, und dass die Kühldauer von der Anfangstemperatur, bei der die Legierung in dem isolierten Gefäß gehalten wird, zu einer Temperatur 5°C unter dem Liquiduspunkt nicht länger als 15 Minuten ist, wodurch feine kugelförmige Primärkristalle in der Legierungslösung kristallisiert werden, die dann in die Gießform gespeist wird, wo sie unter Druck geformt wird.
Der bestimmte Ablauf des Formens des halbfesten Metalls, das in Beispiel 2 durchgeführt werden soll, ist im Wesentlichen dasselbe, wie in Beispiel 1 beschrieben.
Die Gieß-, Kugelbildungs- und Formbedingungen, die jeweils für die in 3 gezeigten Stufen eingestellt werden, nämlich die Stufe, bei der das geschmolzene Metall auf die Keramikvorrichtung 20 gegossen wird (keine erfindungsgemäße Verfahrensstufe), die Stufe, bei der Primärkristalle erzeugt und kugelförmig gemacht werden, und die Formstufe werden im Folgenden genauer dargelegt. Im Folgenden wird auch die kritische Beschränkung der Zahlenwerte, die in den Unteransprüchen dargelegt sind, diskutiert.
Wird die Legierung, die in dem isolierten Gefäß 30 gehalten werden soll, derart überhitzt, dass ihre Anfangstemperatur mindestens 10°C über der Liquiduslinie liegt, werden nur nichtkugelförmige Primärkristalle mit 300 μm Größe und größer gebildet und feine, kugelförmige Primärkristalle können nicht erhalten werden, egal welche Bedingungen eingesetzt werden, um die Legierung auf die Verformungstemperatur zu kühlen, bei der sich eine spezifische flüssige Fraktion gebildet hat, hinsichtlich des Einbringens von Kristallkeimen in die Schmelze. Um dieses Problem zu vermeiden, wird die Anfangstemperatur der Legierung, die in dem isolierten Gefäß 30 gehalten werden soll, so reguliert, dass sie weniger als 10°C über der Liquiduslinie beträgt.
Wird die Legierung, die in dem isolierten Gefäß 30 gehalten werden soll, derart überhitzt, dass ihre Anfangstemperatur weniger als 10°C über der Liquiduslinie beträgt, muss die Legierung innerhalb eines kürzeren Zeitraums auf die Liquiduslinie abgekühlt werden als der Zeitraum, der durch die Beziehung Y = 10 – X berechnet wird, worin Y die Zeit (in Minuten) ist, die die Temperatur der Legierung benötigt, um auf den Liquiduspunkt abzukühlen, und X das Ausmaß des Überhitzens (in °C) ist. Andernfalls werden in dem Fall, wo das Ausmaß des Überhitzens 10°C oder mehr über der Liquiduslinie liegt, nichtku gelförmige Primärkristalle mit 300 μm Größe und größer gebildet. Um dieses Problem zu vermeiden, wird die Legierung innerhalb eines kürzeren Zeitraums als der, der durch die Beziehung Y = 10 – X berechnet wird, abgekühlt.
Auch wenn die Legierung innerhalb eines kürzeren Zeitraums, der kürzer ist als der Zeitraum, der durch die Beziehung Y = 10 – X berechnet wird, von der Anfangstemperatur auf den Liquiduspunkt abgekühlt, bilden sich nichtkugelförmige Primärkristalle mit 300 μm Größe und größer oder die Größe der kugelförmigen Kristalle, die erhalten werden sollen, neigt dazu, größer als 200 μm zu sein, wenn das Kühlen von der Anfangstemperatur zu einer Temperatur 5°C unter dem Liquiduspunkt innerhalb von 15 Minuten vollständig abläuft. Daher soll das Kühlen von der Anfangstemperatur zu der Temperatur von 5°C unter dem Liquiduspunkt nicht länger als 15 Minuten betragen.
15 und 16 zeigen, wie die Haltezeit die Größen der Kristallkörner von AZ91 und AC4CH, die jeweils typische Magnesium- und Aluminiumlegierungen sind, beeinflusst. Die „Haltezeit" ist die Zeit, für die das Metall, nachdem es in das Ofen zum Kühlen gegossen wird, gehalten wird, bis die Verformungstemperatur erreicht ist. Die „Verformungstemperatur" ist ein typischer Wert, bei dem etwa 50% flüssige Fraktion erreicht sind und beträgt 570°C für AZ91 und 585°C für AC4CH. Offensichtlich unterscheidet sich die Abhängigkeit der Größe des Kristallkorns von der Haltezeit mit dem Legierungstyp. Jedoch neigt in beiden Fällen die Krongröße, dazu größer als 200 μm zu sein, wenn die Haltezeit 60 Minuten übersteigt. Andererseits neigen Primärkristalle, die feiner als 200 μm sind, dazu, in der vorliegenden Erfindung aufzutreten. 17 und 18 zeigen, wie das Ausmaß, in dem die AZ91 und AC4CH in dem isolierten Gefäß über den Liquiduspunkt überhitzt werden und die Haltezeit von der Anfangstemperatur in dem isolierten Gefäß bis zum Liquiduspunkt die Größe der Kristallkörner der jeweiligen Legierung beeinflusst.
In der Fläche eines jeden Graphs, wo das Ausmaß des Überhitzens (°C) und die Haltezeit (min) unter der Linie liegen, die die zwei Punkte (10, 0) und (0, 10) verbindet, werden erfindungsgemäß feine (< 200 μm) Primärkristalle erzeugt, wie diagrammatisch in 13 gezeigt ist. In der Fläche über der Linie treten grobe (> 300 μm), nichtkugelförmige Kristalle auf, wie diagrammatisch in 14 gezeigt ist. Noch feinere und homogenere Primärkristalle werden bei den Bedingungen für die Haltezeit und das Ausmaß des Überhitzens erhalten, die durch die Fläche (C) in 17 und 18 dargestellt sind [der Bereich, der durch die Punkte (0, 6), (5, 5) und (6, 0) in 17 verbunden ist, und der Bereich, der durch die Punkte (0, 7), (5, 5) und (5, 0) in 18 verbunden ist]. 19 und 20 zeigen, wie die Haltezeit (von der Anfangstemperatur in dem isolierten Gefäß zu dem Liquiduspunkt minus 5°C) die Größe der Kristallkörner von AZ91 bzw. AC4CH beeinflusst. Offensichtlich nimmt die Größe der Kristallkörner mit der Haltezeit ab, und falls die Haltezeit 15 Minuten übersteigt, ergibt sich eine deutliche Tendenz der Größe der Kristallkörner, 200 μm zu überstiegen, und grobe nicht kugelförmige Primärkristalle treten auf. In der vorliegen Erfindung, in der die Haltezeit weniger als 15 Minuten ist, besteht eine deutliche Tendenz, dass Primärkristalle mit einer kleineren Größe als 200 μm erzeugt werden.
Beispiel 3
Ein erfindungsgemäßes Beispiel wird nun genauer unter Bezugnahme auf die begleitenden 1, 2, 4–8 und 29–31 beschrieben, worin: 1 ein Diagramm ist, das eine Verfahrenssequenz zum halbfesten Formen einer hypoeutektischen Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung bei oder über der maximalen Löslichkeitsgrenze zeigt; 2 ein Diagramm ist, das eine Verfahrenssequenz zum halbfesten Formen einer Magnesium- oder Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung innerhalb der maximalen Löslichkeitsgrenze zeigt; 29 einen Arbeitsab lauf zeigt, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet; 4 diagrammatisch die metallographischen Strukturen zeigt, die in den jeweiligen in 29 gezeigten Stufen erhalten werden; 30 zwei Graphen vergleicht, die die Veränderungen der Temperatur in dem Metall graphisch darstellen, welches in einem Gefäß während der in 29 gezeigten Stufe 3 abgekühlt wird; 31 vier Methoden illustriert, die Temperatur in einem erfindungsgemäßen Gefäß zu regeln; 5 ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine Al-Si-Legierung als ein typisches Aluminiumlegierungssystem ist; 6 ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine Mg-Al-Legierung als ein typisches Magnesiumlegierungssystem ist; 7 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographische Struktur eines erfindungsgemäßen geformten Teils zeigt; und 8 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographische Struktur eines geformten Teils aus dem Stand der Technik zeigt.
Wie in den 1, 2, 5 und 6 gezeigt ist, ist die Erfindung derart, dass die Schmelze einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, die auf weniger als 100°C über dem Liquiduspunkt überhitzt gehalten wird und ein Element enthält, das die Erzeugung von Kristallkeimen fördert, ohne Verwendung der Vorrichtung 20 direkt in das Gefäß 30 gegossen wird. Das Gefäß 30 mit einer speziellen Wanddicke, das daran angepasst ist, dass es entweder von innen oder von außen erwärmbar oder kühlbar ist, ist aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 1,0 kcal/hr·m·°C (bei Raumtemperatur) gefertigt und wird vor dem Eingießen bei einer Temperatur gehalten, die nicht höher als der Liquiduspunkt der Legierung ist. Die Schmelze wird anschließend auf eine Temperatur gekühlt, bei der eine feste Fraktion erhalten wird, die für das Formen geeignet ist, so dass, während die Legierung in das Gefäß 30 gegossen wird, seine oberen und unteren Bereiche um ein größeres Ausmaß als der mittlere Bereich erwärmt werden oder, dass im oberen oder unteren Bereich die Wärme mit einem Wärmespeichermaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit von weniger als 1,0 kcal/hr·m·°C gespeichert wird oder, dass der obere Bereich des Gefäßes um ein größeres Ausmaß erwärmt wird als der mittlere Bereich, während im unteren Bereich die Wärme gespeichert wird oder, dass im oberen Bereich die Wärme gespeichert wird, während der untere Bereich um ein größeres Ausmaß als der mittlere Bereich erwärmt wird, wodurch nichtdendritische feine Primärkristalle in der Legierungslösung kristallisieren, während zur gleichen Zeit die Legierung in einer ausreichend schnellen Geschwindigkeit abgekühlt wird, um durch die Legierung in dem Gefäß 30 ein einheitliches Temperaturprofil bereitzustellen, wobei die abgekühlte Legierung anschließend in eine Gießform 50 gespeist wird, wo sie unter Druck geformt wird.
In 31 sind vier Methoden gezeigt, die Temperatur des Gefäßes 30 und der Legierung in dem Gefäß 30 zu regeln, worin (a)–(d) den Methoden der Temperaturregelung entsprechen.
Die Wanddicke des Gefäßes 30 ist in wünschenswerter Weise so, dass nach dem Eingießen des geschmolzenen Metalls keine dendritischen Primärkristalle aus dem Kontakt der inneren Oberfläche des Gefäßes mit dem Metall resultieren und noch keine erstarrte Schicht in dem Gefäß in der Stufe zurückbleibt, in der das halbfeste Metall kurz vor dem Formen aus dem Gefäß abgelassen wird. Die genaue Wanddicke wird unter Berücksichtigung des Legierungstyps und des Gewichts der Legierung in dem Gefäß 30 entsprechend bestimmt.
Der Ausdruck „feste Fraktion, die zum Formen geeignet ist" bedeutet ein relativen Anteil der festen Phase, die zum Druckformen geeignet ist. Bei Hochdruck-Gießverfahren, wie das Druckgießen und Squeeze-Casting, reicht die feste Fraktion von 10% bis 80%, vorzugsweise von 30% bis 70%. Ist die feste Fraktion mehr als 70%, ist die Formbarkeit des Rohmaterials schlecht; unter 30% ist das Rohmaterial so weich, dass es nicht nur schwierig handzuhaben ist, sondern es auch weniger wahrscheinlich ist, eine homogene Struktur zu erhalten. Bei Extrudier- und Schmiedeverfahren reicht die feste Fraktion von 30% bis 99,9%, vorzugsweise von 50% bis 99,9%. Ist die feste Fraktion weniger als 50%, kann möglicherweise eine inhomogene Struktur auftreten.
Die „Temperatur nicht höher als der Liquiduspunkt" bezeichnet solch eine Temperatur, dass, auch wenn die Temperatur des Metalls in dem Gefäß schnell auf die Höhe gesenkt wird, die der Verformungstemperatur entspricht, keine dendritischen Primärkristalle aus der Schmelze durch dem Kontakt mit der inneren Oberfläche des Gefäßes resultieren und noch keine erstarrte Schicht in dem Gefäß in der Stufe zurückbleibt, in der das halbfeste Metall kurz vor dem Formen aus dem Gefäß abgelassen wird. Die genaue „Temperatur nicht höher als der Liquiduspunkt" variiert mit dem Legierungstyp und dem Gewicht der Legierung in dem Gefäß.
Das „Gefäß", wie es erfindungsgemäß verwendet wird, ist ein metallisches oder nichtmetallisches Gefäß, oder ein metallisches Gefäß, dessen Oberfläche mit nichtmetallischen Materialien oder Halbleitern beschichtet ist, oder ein metallisches Gefäß, das aus nichtmetallischen Materialien oder Halbleitern hergestellt ist. Das Beschichten der Oberfläche des metallischen Gefäßes mit einem nichtmetallischen Material ist für das Verhindern des Anhaftens des Metalls wirkungsvoll. Um das Gefäß zu erwärmen, kann sein Inneres oder Äußeres mit einer elektrischen Heizung erwärmt werden. Alternativ kann durch Induktion mit Hochfrequenzwellen erwärmt werden, wenn das Gefäß elektrisch leitend ist.
Der spezifische Arbeitsschritt des Formens eines halbfesten Metalls, der in Beispiel 3 durchgeführt werden soll, ist im Wesentlichen derselbe wie in Beispiel 1 beschrieben.
Das Gefäß 30 wird verwendet, um das geschmolzene Metall zu halten, bis es auf eine spezifische feste Fraktion abgekühlt ist, nachdem seine Temperatur knapp unter die Liquiduslinie gefallen ist. Ist die thermische Leitfähigkeit des Gefäßes 30 bei Raumtemperatur weniger als 1,0 kcal/hr·m·°C, hat es einen so guten Wärmeisolationseffekt, dass eine unangemessene Verlängerung der Zeit erforderlich wird, die das geschmolzene Metall M in dem Gefäß 30 benötigt, um auf die Temperatur abzukühlen, bei der eine spezifische feste Fraktion gebildet wird, wodurch sich die Wirtschaftlichkeit verringert. Außerdem werden die erzeugten kugelförmigen Primärkristalle grob und verschlechtern die Formbarkeit der Legierung. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass, falls das Gefäß eine verhältnismäßig geringe Menge der Schmelze enthält, die Haltezeit, die zum Erreichen des gewünschten Kühlens erforderlich ist, gering wird, auch wenn die thermische Leitfähigkeit des Gefäßes bei Raumtemperatur geringer als 1,0 kcal/hr·m·°C ist. Ist die Temperatur des Gefäßes 30 höher als der Liquiduspunkt, wird die Temperatur des geschmolzenen Metalls, das in das Gefäß gegossen wurde, höher als der Liquiduspunkt, so dass nur wenige Kristallkeime in der flüssigen Phase verbleiben, um große Primärkristalle zu erzeugen. Werden die oberen und unteren Teile des Gefäßes, während das geschmolzene Metall M abgekühlt wird, bis die feste Fraktion in dem Metall den zum Formen geeigneten Wert erreicht, weder erwärmt noch die Wärme gespeichert, können an der Stelle in dem oberen und unteren Bereich des Gefäßes, die mit dem Metall M in Kontakt kommt, dendritische Primärkristalle auftreten oder eine erstarrte Schicht wächst an dieser Stelle, wodurch ein uneinheitliches Temperaturprofil durch das Metall in dem Gefäß erzeugt wird, wodurch es wegen der verbleibenden erstarrten Schicht in dem Gefäß schwierig wird, das anschließende Formverfahren zu vervollständigen. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wird es bevorzugt, den oberen oder unteren Bereich des Gefäßes um ein größeres Ausmaß als den mittleren Bereich zu erwärmen, während im unteren oder oberen Bereich die Wärme während des Kühlvorgangs nach dem Eingießen des Metalls gespeichert wird. Falls erforderlich, kann der obere oder untere Bereich des Gefäßes nicht nur während des Kühlvorgangs im Anschluss an das Eingießen des Me talls, sondern auch vor seinem Eingießen erwärmt werden. Dies ist eine weitere bevorzugte Anwendung der Erfindung.
Das Material, aus dem das Gefäß 30 besteht, ist bis auf die thermische Leitfähigkeit in keiner Weise beschränkt, und diejenigen, die kaum durch das geschmolzene Metall benetzt werden sind bevorzugt.
Tabelle 2 zeigt die Bedingungen für das Formen verschiedener Proben eines halbfesten Metalls sowie die Qualitäten der geformten Teile. Wie in 29 gezeigt ist, bestand das Formverfahren darin, das halbfeste Metall in eine Einspritzhülse zu speisen und anschließend mit einer Squeeze-Casting-Maschine zu Formen. Die Formbedingungen waren wie folgt: Druck: 950 kgf/cm²; Einspritzgeschwindigkeit: 1,0 m/s; Gießgewicht (einschließlich Blöcke): 30 kg; Formtemperatur: 230°C.
In Vergleichsprobe 1 war die thermische Leitfähigkeit des Haltegefäßes gering und zusätzlich wurde das Gefäß ungenügend erwärmt oder die Wärme gespeichert, nachdem das Metall hineingegossen wurde, so dass die Haltezeit bis zur Verformungstemperatur unverhältnismäßig lang war. Außerdem verhinderte das Auftreten einer verfestigten Schicht in dem Gefäß das Ausgießen des halbfesten Metalls, so dass es unmöglich wurde, zu Formen. In Vergleichsprobe 2 war die thermische Leitfähigkeit des Haltegefäßes so gering, dass die Haltezeit bis zur Formtemperatur unverhältnismäßig verlängert wurde. In Vergleichsprobe 3 wurde das Haltegefäß, nachdem das Metall hineingegossen wurde, ungenügend erwärmt oder die Wärme gespeichert, so dass sich in dem Gefäß eine verfestigte Schicht bildete, die das Ausgießen des halbfesten Metalls verhinderte, wodurch es unmöglich wurde, die Formstufe zu beginnen. In Vergleichsprobe 4 war die Wanddicke des Gefäßes nicht dick genug und außerdem wurde das Gefäß, nachdem das Metall hineingegossen wurde, ungenügend erwärmt oder die Wärme gespeichert, so dass nichtkugelförmige Primärkristalle erzeugt wurden. Außerdem verhinderte die Bildung einer verfestigten Schicht in dem Gefäß das Ausgießen des halbfesten Metalls, wodurch ein Formen unmöglich wurde. In Vergleichsprobe 5 war die Gießtemperatur so hoch, dass wenige Kristallkeime in dem Gefäß verblieben, woraus sich nur grobe, nichtkugelförmige Primärkristalle ergaben, wie in 8 gezeigt. In Vergleichsprobe 6 hatte die Kühlvorrichtung eine so hohe Temperatur, dass die Anzahl an erzeugten Kristallkeimen unzureichend war, um feine kugelförmige Primärkristalle zu erzeugen und sich stattdessen nur grobe, nichtkugelförmige Primärkörner, wie in Vergleichsprobe 5, bildeten. In Vergleichsprobe 7 war die feste Fraktion in dem Metall so gering, dass vermehrt Segregationen in dem geformten Teil auftraten.
In der erfindungsgemäßen Probe 13 wurde das Metall in dem Gefäße 30 schnell abgekühlt, so dass ihr Temperaturprofil ausreichend einheitlich gehalten wurde, dass ein halbfestes Me tall mit nichtdendritischen feinen Primärkristallen in einem bequemen und einfachen Weg erzeugt wurde. Diese Legierung wurde in eine Gießform gespeist und druckgeformt, um geformte Teile mit einer homogenen Struktur mit feinen (< 200 μm) kugelförmigen Primärkristallen herzustellen.
Beispiel 4
Ein erfindungsgemäßes Beispiel (wie in Anspruch 8 wiedergegeben) wird nun genauer unter Bezugnahme auf die begleitenden 4, 9, 10 und 32–35 beschrieben, worin: 9 ein Diagramm ist, das einen Verfahrensverlauf zum halbfesten Formen von hypoeutektischen Aluminiumlegierungen einer Zusammensetzung bei oder über der maximalen Löslichkeitsgrenze entsprechend einem erfindungsgemäßen Beispiel zeigt; 10 ein Diagramm ist, das einen Verfahrensverlauf zum halbfesten Formen von Magnesium- oder Aluminiumlegierungen einer Zusammensetzung innerhalb der maximalen Löslichkeitsgrenze entsprechend den erfindungsgemäßen Beispielen zeigt; 32 einen Arbeitsablauf zeigt, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet; 4 diagrammatisch die metallographischen Strukturen zeigt, die in den jeweiligen in 32 gezeigten Stufen erhalten werden; 33 die Temperaturprofile durch zwei halbfeste Metalle vergleicht, wobei eines in der in 32 gezeigten Stufe (3) in einem erfindungsgemäßen Gefäß gehalten und das andere gemäß dem Stand der Technik ohne Verwendung eines äußeren Gefäßes behandelt wurde; 34 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend dem Stand der Technik zeigt; und 35 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographische Struktur eines geformten Teils zeigt, das entsprechend einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde.
Erfindungsgemäß wird ein halbfestes Metall durch das folgende bestimmte Verfahren geformt. In Stufe (1) des in den 32 und 4 gezeigten Verfahrens ist ein vollständig flüssiges Metall in einem Gießtiegel 10 enthalten. In Stufe (2) wird eine Niedertemperaturschmelze, die ein Element enthält, das zur Förderung der Erzeugung von Kristallkeimen zugegeben wurde, direkt in das Haltegefäß 29 gegossen, welches vorher bei einer Temperatur gehalten wurde, die nicht höher als der Liquiduspunkt ist.
In der anschließenden Stufe (3) ist das Haltegefäß 29 in dem äußeren Gefäß 31, das am Boden mit einem Wärmeisolator 33 ausgekleidet und mit einem Deckel ausgerüstet ist, untergebracht. Danach wird die Legierung in dem Haltegefäß in einem halbfesten Zustand gehalten während ihre Temperatur gesenkt wird, wodurch feine partikuläre (nichtdendritische) Primärkristalle aus den eingebrachten Kristallkeimen erzeugt werden. Um sicher zu stellen, dass die Temperatur in dem Haltegefäß 29 unter die in den 9 und 10 bestimmten Temperaturbedingungen gesenkt wird, wird die Temperatur des äußeren Gefäßes 31 so durch internes oder externes Heizen oder durch Induktionsheizen geregelt, dass nur vor oder nach dem Einsetzen des Haltegefäßes 29 oder über einen kontinuierlichen Zeitraum, der vor dem Einsetzen des Haltegefäßes beginnt und nach dem Einsetzen endet, geheizt wird.
Das „Haltegefäß", wie es erfindungsgemäß verwendet wird, ist ein metallisches oder nichtmetallisches Gefäß oder ein metallisches Gefäß, dessen Oberfläche mit nichtmetallischen Materialien oder Halbleitern beschichtet ist, oder ein metallisches Gefäß, das aus nichtmetallischen Materialien oder Halbleitern hergestellt ist. Das Beschichten der Oberfläche des metallischen Gefäßes mit einem nichtmetallischen Material ist zum Verhindern des Anhaftens des Metalls effektiv.
Das „äußere Gefäß", wie es erfindungsgemäß verwendet wird, dient dazu, sicherzustellen, dass die Legierung in dem Haltegefäß innerhalb eines bestimmten Zeitraums abgekühlt wird. Dazu muss das äußere Gefäß in der Lage sein, das Haltegefäß 29 schnell abzukühlen zusätzlich zu der Fähigkeit die Wärme zu speichern oder das Gefäß zu erhitzen. Um dieser Anforderung zu genügen sollte die Temperatur des äußeren Gefäßes 31 innerhalb eines bestimmten Zeitraums auf die Verformungstemperatur gesenkt werden.
Um ein einheitlicheres Temperaturprofil durch die Legierung in dem Haltegefäße 29 sicherzustellen, kann das äußere Gefäß 31 zum Beispiel durch Erwärmen der oberen und unteren Bereiche in einem Hochfrequenz Hochofen um ein größeres Ausmaß als beim mittleren Bereich mit einem Temperaturprofil versehen werden. In dem Fall, wo begonnen wird, das äußere Gefäß 31 vor dem Einsetzen des Haltegefäßes 29 zu heizen und das Heizen bis nach seinem Einsetzen fortgesetzt wird, kann das Heizen zeitweise unterbrochen werden, falls dies für das Einstellen der Temperatur der Legierung in dem Haltegefäß 29 erforderlich ist.
Der Innendurchmesser des äußeren Gefäßes 31 wird hinreichend größer gemacht als der Außendurchmesser des Haltegefäßes 29, um eine Aussparung zwischen dem äußeren Gefäß 31 und dem Haltegefäß 29, das darin untergebracht ist, bereitzustellen. Um die Aussparung sicherzustellen, wird der äußere Umfang des Haltegefäßes 29 und/oder der inneren Umfang des äußeren Gefäßes 31 mit Vorsprüngen versehen. Alternativ kann die Aussparung durch Austausch der Vorsprünge durch Vertiefungen, die entweder im äußeren Umfang des Haltegefäßes oder im inneren Umfang des äußeren Gefäßes ausgebildet sind, sichergestellt werden.
Die Lücke zwischen dem Haltegefäß 29 und dem äußeren Gefäß 31 ist typischerweise mit Luft gefüllt, jedoch können ersatzweise verschiedene andere Gase verwendet werden, wie Inertgase, Kohlendioxid und SF₆.
Das auf diese Weise bei einer spezifischen festen Fraktion erhaltene Metall M wird in die Druckgusseinspritzhülse 70 eingespeist und danach in einem Formhohlraum 50a einer Druckgussmaschine druckgeformt, um ein geformtes Teil zu ergeben.
Die Gieß-, Kugelbildungs- und Formbedingungen, die jeweils für die in 9 gezeigten Stufen eingestellt werden, nämlich die Stufe, in der das geschmolzene Metall in die Kühlvorrichtung gegossen wird, die Stufe, in der Primärkristalle erzeugt und kugelförmig gemacht werden, und die Stufe, in der geformt wird, werden nachfolgend genauer dargelegt. Ebenso wird die kritische Beschränkung der Zahlenwerte, die in 8 dargelegt sind, nachfolgend diskutiert.
Das Haltegefäß 29 wird dazu eingesetzt, um das geschmolzene Metall zu halten, bis es soweit abgekühlt ist, dass es eine bestimmte spezifische Fraktion aufweist, nachdem seine Temperatur knapp unterhalb die Liquiduslinie gefallen ist. Beträgt die thermische Leitfähigkeit des Gefäßes 29 weniger als 1,0 kcal/hr·m·°C (bei Raumtemperatur), hat es so eine gute wärmeisolierende Wirkung, dass die Zeit, die erforderlich ist, um das geschmolzene Metall in dem Gefäß 29 auf die Temperatur abzukühlen, bei der sich eine spezifische feste Fraktion einstellt, in unangemessener Weise verlängert, wodurch sich die Wirtschaftlichkeit verringert. Des Weiteren werden die erzeugten kugelförmigen Primärkristalle grob und verschlechtern die Formbarkeit der Legierung.
Es soll jedoch erwähnt werden, dass sich die Haltedauer, die zum Erreichen der vorgesehenen Kühlung erforderlich ist, verkürzt, wenn das Haltegefäß eine vergleichsweise geringe Menge an Schmelze enthält, auch wenn die thermische Leitfähigkeit des Gefäßes geringer als 1,0 kcal/hr·m·°C bei Raumtemperatur ist. Ist die Temperatur des Haltegefäßes höher als der Liquiduspunkt, liegt die Temperatur des hineingegossenen geschmolzenen Metalls über der Liquiduslinie, so dass nur wenige Kristallkeime in der flüssigen Phase verbleiben, wobei große Primärkristalle erzeugt werden. Um mittels eines äußeren Gefäßes 31 ein einheitlicheres Temperaturprofil durch die Legierung in dem Haltegefäß 29 sicherzustellen, während das geschmolzene Metall M auf eine Temperatur gekühlt wird, bei der sich eine feste Fraktion einstellt, die für das Formen zweck mäßig ist, sollte eine der folgenden Bedingungen erfüllt sein: das obere Ende des Haltegefäßes 29 sollte mit einem Deckel ausgerüstet sein; zwischen dem Haltegefäß 29 und dem äußeren Gefäß 31 sollte ein ausreichender Abstand vorgesehen sein; der Bereich, wo der Boden des Haltegefäßes 29 mit dem äußeren Gefäß 31 in Kontakt kommt, sollte mit einem Isolator versehen sein; oder sowohl das Haltegefäß 29 als auch das äußere Gefäß 31 sollte mit Vorsprüngen oder Vertiefungen versehen sein.
Im diskutierten Beispiel werden durch das erfindungsgemäße Verfahren der Ansprüche 2, 9 und 10 Kristallkeime erzeugt.
Tabelle 3 zeigt die Bedingungen für das Haltegefäß, die Legierung in dem Haltegefäß sowie die Qualitäten der geformten Teile. Wie in 32 gezeigt ist, bestanden die Formarbeitsschritte aus dem Einbringen des halbfesten Metalls in eine Einspritzhülse und anschließendem Formen in einer Squeeze-Casting-Maschine. Die Bedingungen beim Formen waren folgende: Druck: 950 kgf/cm²; Einspritzgeschwindigkeit: 1,0 m/s; Gewicht des Formlings (einschließlich Blöcke): 2 kg; Formtemperatur: 250°C.
Bei den Vergleichsproben 10 und 11, bei denen das äußere Gefäß nicht verwendet wurde, fiel die Temperatur der Legierung in dem Haltegefäß so schnell, dass feine Primärkristalle gebildet wurden. Andererseits war das Temperaturprofil durch die halbfeste Legierung in dem Haltegefäß schlecht, wie es in dem Graph auf der linken Seite der 33 gezeigt ist. Bei Vergleichsprobe 12 blieb das halbfeste Metall ausreichend lange in dem Haltegefäß, um ein gutes Temperaturprofil durch das Metall in dem Haltegefäß bereitzustellen. Aber andererseits wurden übermäßig große Primärkristalle erzeugt. Bei Vergleichsprobe 13 war die Gießtemperatur so hoch, dass die in das Haltegefäß gegossene Legierung eine ausreichend hohe Temperatur erreichte, dass im Wesentlichen entweder das Erzeugen von Kristallkeimen verhindert oder das schnelle Verschwinden der Kristallkeime verursacht wurde, wodurch sich übermäßig große Primärkristalle ergaben. Bei Vergleichsprobe 14 war die flüssige Fraktion in dem halbfesten Metall groß, wohingegen die Haltezeit kurz war, wodurch sich nur ein schlechtes Temperaturprofil durch die halbfeste Legierung in dem Haltegefäß ergab.
Bei den erfindungsgemäßen Proben 1–9 wurde das Metall in dem Gefäß schnell abgekühlt, wobei sein Temperaturprofil in ausreichender Weise einheitlich gehalten wurde, dass in einer bequemen und einfachen Weise halbfeste Metalle mit nichtdendritischen feinen Primärkristallen erzeugt wurden. Derartige Legierungen werden dann einer Form zugeführt und druckgeformt, um geformte Teile mit einer homogenen Struktur zu ergeben, die kugelförmige Primärkristalle (< 200 μm) aufweisen.
Beispiel 5
Erfindungsgemäße Beispiele werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen 36–49 und 53 genauer beschrieben, worin: 36 ein Grundriss ist, der den Gesamtübersichtsplan einer Formanlage (seine erste Ausführungsform), entsprechend einem erfindungsgemäßen Beispiel zeigt; 37 ein Grundriss einer Einheit für die Regelung der Temperatur (seine erste Ausführungsform) ist, entsprechend einem erfindungsgemäßen Beispiel; 38 ein Graph ist, der die bestimmten Positionen der Temperaturmessung in einem Gefäß entsprechend einem erfindungsgemäßen Beispiel zeigt; 39, 40 und 41 Graphen sind, die den Temperaturverlauf des Abkühlens in dem Gefäß unter verschiedenen Bedingungen zeigen; 42 ein Längsschnitt eines Ofens zum Kühlen eines halbfesten Metalls entsprechend einem anderen erfindungsgemäßen Beispiel ist; 43 ein Grundriss einer Einheit für die Temperaturregelung (seine zweite Ausführungsform) entsprechend eines weiteren erfindungsgemäßen Beispiels ist; 44 ein Längsschnitt A-A der 43 ist; 45 die Temperaturprofile in dem Gefäß zeigt, das mit Wärmeisolatoren ausgerüstet ist, entsprechend einem erfindungsgemäßen Beispiel; 46 ein Grundriss einer Einheit für die Temperaturregelung (seine dritte Ausführungsform) entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Beispiel ist; 47 schematisch die Zusammensetzung einer Temperatur-Kontrolleinheit (seine erste Ausführungsform) für einen Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls entsprechend einem des erfindungsgemäßen Beispiel zeigt; 48 schematisch die Zusammensetzung einer Temperatur-Kontrolleinheit (seine zweite Ausführungsform) für einen Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls entsprechend einem anderen erfindungsgemäßen Beispiel zeigt; 49 ein Längsschnitt einer Einheit zum Rotieren eines Gefäßes ist, entsprechend einem erfindungsgemäßen Beispiel; 53 ein Längsschnitt eines Ofens zum Kühlen eines halbfesten Metalls, das mit einem Gefäßrüttelapparat ausgestattet ist, entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Beispiel.
Wie 36 zeigt, besteht die Formvorrichtung, die im allgemeinen durch 300 angedeutet wird, aus eine Halteofen für die Schmelze 14 zum Zuführen des geschmolzenen Metalls als ein Formmaterial (enthaltend eine große Anzahl an Kristallkeimen), einer Formmaschine 200, einer Regelungseinheit für die Tempe ratur 104 zur Regelung der Temperatur der Schmelze, bis sie der Formmaschine 200 zugeführt wird. Das in dem Ofen 14 gehaltene geschmolzene Metall enthält eine große Anzahl an Kristallkeimen.
Wie 36 ebenso zeigt, besteht die Temperatur-Kontrolleinheit 104 aus einer Einheit zum Kühlen eines halbfesten Metalls 110 und einer Einheit für die Kontrolle der Gefäßtemperatur 140; besteht die Einheit zum Kühlen des halbfesten Metalls 110 aus einem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 und einem Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130, die üblicherweise in einer rechtwinkligen Anordnung durch einen Transportmechanismus, wie einer Förderanlage 170, verbunden sind, wobei die Einheit für die Kontrolle der Gefäßtemperatur 140 aus einem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und einem Ofen zum Speichern der Gefäßtemperatur 160. Die Temperatur-Kontrolleinheit 104 ist ferner mit einem Roboter 180 ausgestattet, der das Gefäß 102 greift und ihn zu einer der bestimmten Positionen A–F (nachfolgend beschrieben) transportiert.
Die Temperaturkontrolleinheit 104 wird folgendermaßen betrieben. Zuerst befindet sich ein leeres Gefäß 102 in der Aufnahmeposition zum Erhitzen des Gefäßes A. Dann überführt der Roboter 180 das Gefäß 102 zu Position B, wo das Gefäß mit einer vorgeschriebenen Menge an geschmolzenem Metall aus dem Halteofen für die Schmelze 14 bestückt wird. Danach überführt der Roboter 180 das Gefäß 102 in die Ruheposition für das gefüllte Gefäß C. Anschließend wird das Gefäß gekühlt, während es in einem bestimmten Zeitraum mittels der Förderanlage 170 durch den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 befördert wird. Das Gefäß 102, das den Ofen 120 verlassen hat, erreicht die Ruheposition für das Gefäß mit der Aufschlämmung D, von wo aus es durch den Roboter 180 unverzüglich in die Hülsenposition E überführt wird, falls die Einspritzhülse 202 in der Formmaschine 200 bereit ist, das geschmolzene Metall aufzunehmen. In Position E wird die Aufschlämmung des halbfesten Metalls in dem Gefäß in die Einspritzhülse 202 gegossen. Falls die Einspritzdüse 202 noch nicht bereit ist, das geschmolzene Metall aufzunehmen, sobald das Gefäß 102 die Ruheposition für das Gefäß mit der Aufschlämmung D erreicht hat (d. h. wenn die Verformungsmaschine Druckformen durchführen soll), verfestigt sich die Aufschlämmung des halbfesten Metalls in dem Gefäß stufenweise durch Abkühlen, während es in Position D darauf wartet, aufgenommen zu werden. Dadurch wird es unmöglich, dass die gesamte Aufschlämmung ausgespeist wird, oder die Kristallkeime in der Aufschlämmung verschwinden, wobei die Qualität des geformten Teils verschlechtert wird. Um diese Probleme zu vermeiden, wird das Gefäß 102 zu dem Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130 befördert, wo es darauf wartet, dass die Formmaschine 200 bereit ist, das geschmolzene Metall aufzunehmen, wodurch ein schnelles Abkühlen verhindert wird.
Das Gefäß 102, aus dem die Aufschlämmung des halbfesten Metalls, welches zufrieden stellende Eigenschaften hat, in die Einspritzhülse 202 entleert wurde, wird dann mittels eines Roboters 180 in die Halteposition für die leeren Gefäße F, über die Förderanlage 170 in den Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 überführt, wo es über einen bestimmten Zeitraum gekühlt wird, passiert den Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160, während es bei einer zweckmäßigen Temperatur gehalten wird, und kehrt danach in die Aufnahmeposition zum Erhitzen des Gefäßes A zurück.
Eine spezifische Ausführungsform der Einheit zur Regelung der Temperatur 104 ist in 37 gezeigt. In dieser ersten Ausführungsform, in der Aluminiumlegierungen in einem vergleichsweise geringen Maßstab mit dem geschmolzenen Metall behandelt werden sollen, werden in einer Menge von nicht mehr als 10 kg gegossen. Die Systemkonfiguration ist derart, dass der Formzyklus auf der Formmaschine 200 etwa 75 Sekunden dauert und der Transport durch den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 und die Einheit für die Kontrolle der Gefäßtemperaturregler 140 (d. h. bestehend aus dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und dem Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160) 600 Sekunden dauert. Dauert der Transport länger als 600 Sekunden, wird das gesamte Equipment in unpraktischer Weise sperrig und das Volumen der zu bearbeitenden Aufschlämmung, die aus der Maschine stammt, verursacht Schwierigkeiten und dasjenige, das verworfen werden muss, vergrößert sich, was hinsichtlich des Aufbaus großtechnischer Produktionsanlagen unter keinen Umständen bevorzugt ist. Unter Berücksichtigung dieser Punkte und um eine einheitliche Temperaturkontrolle für eine kleine Menge der Aufschlämmung mit guten Eigenschaften zu erreichen, besteht das Gefäß 102 aus einem Al₂O₃·SiO₂-Verbundwerkstoff mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit (0,3 kcal/hr·m·°C). Demzufolge kann eine Aufschlämmung eines halbfesten Metalls mit zufrieden stellenden Eigenschaften erhalten werden, wenn nur die Temperatur des Gefäßes 102 durch Zirkulation von Heißluft gespeichert wird, deren Temperatur auf einen konstanten Wert von 120°C eingestellt wird.
Das in 37 gezeigte System weist gegenüber dem System aus 36 die folgenden Unterschiede auf. Da das Gefäß 102 aus einem Al₂O₃·SiO₂-Verbundwerkstoff besteht, hat es eine ausreichend geringe thermische Leitfähigkeit, so dass nur dem Innenbereich des Ofens zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 (dessen Temperatur auf 200°C eingestellt ist) ein zirkulierender Heißluftstrom mit konstanter Temperatur aus einem Ofen zum Erzeugen von Heißluft 122 zugeführt werden muss. Ferner müssen nur der Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130 (dessen Temperatur auf 550°C eingestellt wird) und der Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160 (dessen Temperatur auf 100°C eingestellt wird) mit Heizvorrichtungen 132 bzw. 162 ausgestattet werden. Mit diesen Einrichtungen kann die Temperatur in dem Gefäß 102 korrekt geregelt werden, um sicherzustellen, dass Aufschlämmungen eines halbfesten Metalls mit zufrieden stellenden Eigenschaften in einer kurzen Zeit erhalten werden können, während eine relativ einheitliche Temperaturregelung gewährleistet ist. Die Temperatur in dem Gefäß beträgt optima lerweise 70°C. Um sicherzustellen, dass die Temperatur in dem Gefäß einheitlich bei optimal 70°C geregelt wird, muss eine ausreichende Wärmeableitung in dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 erfolgen. Andererseits wird die Temperatur in dem Gefäß 102 unerwünscht hoch. Um diese Problem zu bewältigen, ist der Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 mit eine Gebläse 152 und einer Gebläsedüse 152a ausgestattet, so dass ein schneller Luftstrom mit Raumtemperatur darüber geblasen wird, um eine Kühlung zu erzwingen.
Zur Systemabschätzung bei der Regelung der Temperatur in dem Gefäß 102 wurde ein Mantelthermoelement in dem Gefäß installiert und Temperaturdaten bei verschiedenen Bedingungen aufgezeichnet. 38 zeigt fünf verschiedene Positionen (A)–(E) an denen die Temperatur in dem Gefäß 102, in dem das 1,0 mm dicke Mantelthermoelement installiert wurde, gemessen wurde.
39 zeigt den Temperaturverlauf des Abkühlens unter der Bedingung (I), d. h. die Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur 140 wurde nicht in den Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und den Ofen zum Speichern der Gefäßwärme aufgeteilt, und ein Heißluftstrom mit einer Zieltemperatur von 70°C zirkulierte in der monolithischen Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur 140 mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 m/sek. Bei dieser Vorgehensweise fiel die Temperatur in dem Gefäß auf nur etwa 200°C, was weit entfernt von der Zieltemperatur war.
40 zeigt den Temperaturverlauf des Abkühlens unter der Bedingung (II), d. h. ein Heißluftstrom mit einer Temperatur von 70°C zirkulierte mit einer höheren Geschwindigkeit von etwa 30 m/sek. Diese Vorgehensweise war für das weitere Verringern der Temperatur effektiv, die aber die gewünschten Höhe von 70°C nicht erreichte.
41 zeigt den Temperaturverlauf des Abkühlens unter der Bedingung (III), d. h. die Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur 140 wurde in den Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und den Ofen zum Speichern der Gefäßwärme aufgeteilt, wobei ein Heißluftstrom mit normaler Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 30 m/sek zirkulierte in dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150, wohingegen die Temperatur in dem Ofen zum Speichern der Gefäßwärme des Gefäßes 160 durch eine elektrische Heizvorrichtung auf 70°C erhöht wurde. Nur bei diesem System konnte die Temperatur in dem Gefäß so kontrolliert werden, dass sie stabil bei den erwünschten 70°C blieb.
Ist bei der Behandlung von Aluminiumlegierungen im großen Maßstab das Gefäß 102 aus Keramiken mit thermischen Leitfähigkeiten von nicht größer als 1 kcal/hr·m·°C gefertigt, verlängert sich die Zeit zum Abkühlen der Aufschlämmung der halbfesten Metalle unpraktischer Weise. Daher ist in der zweiten Ausführungsform der Einheit zur Temperaturregelung 104, die daran angepasst ist, vergleichsweise große Volumina an Aluminiumlegierungen derart handzuhaben, dass 20 kg oder mehr der geschmolzene Legierung eingegossen werden, das Gefäß 102 eher aus SUS304 (siehe 43) als aus Keramiken gefertigt, die in der in 37 gezeigten ersten Ausführungsform verwendet werden und die eine verlängerte Abkühlzeit erfordern. Die sich zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform der Einheit zur Temperaturregelung 104 (37) ergebenden Unterschiede sind folgende.
Um eine problemlose Rückgewinnung der Aufschlämmung aus dem Gefäß 102 sicherzustellen, muss die innere Oberfläche des Gefäßes mit einem wasserlöslichen (was erwünscht ist, um sicherzustellen, dass eine Gasbildung verhindert wird) Gleitmittelspray beschichtet werden. Zu diesem Zweck ist zwischen dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und dem Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160 eine Stelle zum Sprühen (Sprühvorrichtung) vorgesehen. Dementsprechend muss das Gefäß 102, das aus dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 kommt, bei einer ausreichenden Temperatur (200°C) gehalten werden, um die Abscheidung der Sprühlösung zu ermöglichen. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird über eine Blasdüse Heißluft mit 200°C geblasen. Durch die Anwendung des wasserlöslichen Sprays erfährt das Gefäß 102 einen lokalen Temperaturabfall. Um sicherzustellen, dass das Gefäß 102 durchwegs eine einheitliche Temperatur von 200°C hat, zirkuliert ein Heißluftstrom mit 200°C in dem Ofen zum Speichern der Temperatur des Gefäßes 160, während sie durch einen Ventilator umgewälzt wird, um eine einheitliche Temperatur des Gefäßes 102 sicherzustellen.
Das Gefäß 102, das aus SUS304 gefertigt ist, erlaubt eine thermische Diffusion, so dass, auch wenn der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 die in 42 gezeigte Form hat, keine scharfe Grenzlinie zwischen dem Hochtemperaturbereich des Gefäßes (bestehend aus den oberen und unteren Bereichen) und dem Niedertemperaturbereich (der mittlere Bereich des Gefäßes) gezogen werden kann. Um dieses Problem zu bewältigen, ist seitlich an dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 ein Ofen zum Vorheizen 190 als zusätzliche Ausstattung vorgesehen und, wie in 44 gezeigt, werden ein Deckel 102a, der aus einem keramischen Material gefertigt ist (Al₂O₃·SiO₂-Verbundwerkstoff) und ein Sockel 102b verwendet, um am oberen und unteren Bereich des Gefäßes 102 die Wärme zu speichern, während es in dem Ofen zum Vorheizen 190 erwärmt wird, bevor es dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 zugeführt wird.
Aus dem Ofen zum Erzeugen von Heißluft wird über zwei Blasdüsensätze 124 dem Inneren des Ofens zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 Heißluft zugeführt, wobei sich einer in einer oberen und der andere in einer unteren Position befindet. Die zugeführte Heißluft zirkuliert in dem Ofen zum Kühlen 120, wobei ihre Temperatur und Geschwindigkeit am Eintritt 220°C und 5 m/sec und am Austritt 180°C und 20 m/sec ist. Dabei wird das halbfeste Metall in der anfänglichen Kühlperiode vergleichsweise langsam und in der letzten Periode schnell abgekühlt.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Temperaturregelung bereit, wobei die Stufe zur Regelung der Temperatur in dem Gefäß 102 auf eine geeignete Höhe, vor der Zufuhr des geschmolzenen Metalls, merklich von der Stufe getrennt ist, in der die Temperatur in dem Gefäß 102 derart geregelt wird, dass das eingegossene geschmolzene Metall mit einer gewünschten Geschwindigkeit gekühlt werden kann. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Temperaturregelung 104 bereit, die diese Stufen in einer effizienten und kontinuierlichen Weise automatisch ausführen kann. Außerdem wird von der Erfindung eine Systemkonfiguration vorgeschlagen, die durch die Einheit zur Regelung der Temperatur 140 und die Einheit zum Kühlen des halbfesten Metalls 110 die jeweiligen Stufen verwirklichen kann.
In einer spezifischen Ausführungsform besteht die Einheit zur Regelung der Gefäßtemperatur 140 aus dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150, der eine Kühlung erzwingen kann, indem ein Heißluftstrom zirkuliert, der durch Regelung der Temperatur und der Geschwindigkeit der Luft, die den Ofen passiert, eine geeignete Kühlkapazität bereitstellt, und dem Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160, der die Temperatur der Atmosphäre regelt, so dass sie den Zielwert in dem Gefäß 102 erreicht, und der das Gefäß 102 auf der Temperatur der Atmosphäre hält. An dieser Stelle soll angemerkt werden, dass sich die Temperatur, auf die der Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und der Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160 geregelt werden soll, zwischen Aluminium- und Magnesiumlegierungen unterscheidet. Bei Aluminiumlegierungen wird die Innentemperatur des Ofens zum Kühlen des Gefäßes 150 so geregelt, dass sie zwischen Raumtemperatur und 300°C liegt, wohingegen die Innentemperatur des Ofens zum Speichern der Gefäßwärme 160 so geregelt wird, dass sie zwischen 250°C und 350°C liegt. Bei Magnesiumlegierungen Die Einheit zum Kühlen des halbfesten Metalls 110 setzt sich aus dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120, der daran angepasst ist, dass Heißluft mit einer geeigneten Temperatur derart zirkuliert, dass das Abkühlen innerhalb des kürzest möglichen Zeitraums vollendet ist, der die Aufschlämmung des halbfesten Metalls mit guten Eigenschaften ergibt, und dem Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130 zusammen, der so gestaltet ist, die Aufschlämmung des halbfesten Metalls über 2–5 Minuten in einem Temperaturbereich zu halten, der zum Formen geeignet ist, so dass die Einheit für den spezifischen Formzyklus in der Formmaschine 200 verwendbar ist. Wiederum unterscheidet sich die Temperatur auf die der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 geregelt werden soll zwischen Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Bei Aluminiumlegierungen soll die Temperatur so geregelt werden, dass sie zwischen 150°C und 350°C liegt und bei Magnesiumlegierung soll die Temperatur so geregelt werden, dass sie zwischen 200°C und 450°C liegt. Andererseits soll das Innere des Ofens zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130 so geregelt werden, dass die Temperatur in beiden Fällen bei 500°C oder darüber liegt.
Wenn die Einspritzhülse 202 der Formmaschine 200 bereit ist, das geschmolzene Metall zu dem Zeitpunkt aufzunehmen, zu dem das Gefäß 102, das das Metall hält, den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls verlassen hat, wird das Metall unverzüglich der Formmaschine 200 zugeführt (hineingeschüttet) ohne dass es in den Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130 hingeleitet wird. Ist andererseits die Einspritzhülse 202 noch nicht bereit, das geschmolzene Metall aufzunehmen, da die Formmaschine 200 noch in Gebrauch ist, wird das Gefäß 102, das den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 verlässt, in den Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls überführt.
Wie in den 37 und 42 gezeigt ist, wird das Gefäß 102 in dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 durch die Fördervorrichtung 170 über eine wärmeisolierende Platte 120c transportiert und die innere Oberfläche an der Seitenwand des Ofens 120 wird durch eine obere und eine untere wärmeisolierende Platte in dem mittlere Bereich seiner Höhe geteilt, wobei Heißluft (deren geeignete Temperatur auf 120°C eingestellt wird) in dem abgetrennten Bereich zirkuliert um einen Niedertemperaturbereich zu errichten (etablieren). Gleichzeitig wird die innere Oberfläche sowohl der oberen als auch der unteren Bereiche des Ofens 120 mit elektrischen Heizvorrichtungen 120a (Temperatur auf 500°C eingestellt) erhitzt, um einen Hochtemperaturbereich (ca. 500°C) zu errichten. Dabei wird sichergestellt, dass das geschmolzenen Metall in dem Gefäß 102 mit einer einheitlichen Temperatur versehen wird.
Eine erste Version des Heizsystems in dem erfindungsgemäßen Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 ist derart, dass entweder die Temperatur oder die Geschwindigkeit der zirkulierenden Heißluft so reguliert wird, dass sie zweckdienlich im Laufe der Zeit variiert, oder dass alternativ sowohl die Temperatur als auch die Geschwindigkeit so reguliert werden, dass sie gleichzeitig zweckdienlich im Laufe der Zeit variieren.
Die erste spezifische Ausführungsform des Heizsystems ist wie in 47 dargestellt und umfasst eine Heißluftleitung zur Zufuhr eines Heißluftstromes in den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120, eine Luftleitung, aus der ein Luftstrom mit gewöhnlicher Temperatur austritt, um sich mit der Heißluft zu vermischen und deren Temperatur zu verringern, eine Drosselklappe zur Regulierung der Luftmenge, die aus der Leitung austritt und einen Regler zum Öffnen der Drosselklappe.
Die zweite spezifische Ausführungsform des Heizsystems ist wie in 48 gezeigt und umfasst einen Temperaturfühler, der in dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 installiert ist, eine Heißluftleitung zum Zuführen von Heißluft in den Ofen, eine Luftleitung, die mit der Heißluftleitung verbunden ist, eine automatische Drosselklappe, die in der Luftleitung installiert ist und einen Regler zum Öffnen der Drosselklappe, der auf der Grundlage von Daten, die durch Messungen mit dem Temperaturfühler erhalten wurden, auf das Öffnen der Drosselklappe die Funktion eines Regelkreises erfüllt. Das Öffnen der automatischen Drosselklappe wird auf der Grundlage von Daten für die Temperatur in dem Ofen reguliert und Heißluft wird in einer entsprechenden Menge mit Luft gemischt und dem Ofen zugeführt, wodurch die Temperatur und die Geschwindigkeit der zirkulierenden Heißluft so geregelt werden, dass das geschmolzene Metall mit einer erwünschten Geschwindigkeit abgekühlt wird.
Beispiel 6
Ein erfindungsgemäßes Beispiel wird nun genauer unter Bezugnahme auf die begleitenden 43–53 beschrieben, worin: 50 ein Grundriss ist, der den Gesamtübersichtsplan der Formanlage zeigt; 43 ein Grundriss einer Einheit für die Regelung der Temperatur (seine erste Ausführungsform) ist; 51 eine Ansicht eines Längsschnittes ist, die genau die Position der Temperaturmessung in dem Haltegefäß zeigt; 52 ein Graph ist, der den Temperaturverlauf des Abkühlens in dem Haltegefäß zeigt; 44 ein Längsschnitt A-A der 43 ist; 46 ein Grundriss einer Einheit für die Regelung der Temperatur (seine zweite Ausführungsform) gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Beispiel ist; 45 die Temperaturprofile in dem Gefäß zeigt, das mit Wärmeisolatoren ausgerüstet ist, verglichen mit dem Temperaturprofil in Abwesenheit eines solchen Wärmeisolators; 47 schematisch die Zusammensetzung einer Temperaturkontrolleinheit (seine erste Ausführungsform) für einen Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls zeigt; 48 schematisch die Zusammensetzung einer Temperaturkontrolleinheit (seine zweite Ausführungsform) für einen Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls entsprechend einem anderen Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt; 49 ein Längsschnitt einer Einheit zum Rotieren des Gefäßes entsprechend der zweiten Ausführungsform ist, worin diese mit einem Mechanismus zum Rotieren des Gefäßes ausgestattet ist; und 53 ein Längsschnitt eines Ofens zum Kühlen eines halbfesten Metalls entsprechend der dritten Ausführungsform ist, worin er mit einem Mechanismus zum Rütteln des Gefäßes ausgestattet ist.
Wie in 50 gezeigt ist, besteht die im Allgemeinen durch 104 gekennzeichnete Formanlage aus einem Halteofen für die Schmelze 10 zur Zufuhr des geschmolzenen Metalls als Formmaterial, einer Formanlage 200 und einer Einheit zur Temperaturregelung 100 zur Regelung der Temperatur der Schmelze, bis sie der Formanlage 200 zugeführt wird.
Wie ferner in 50 gezeigt ist, besteht die im Allgemeinen durch 104 gekennzeichnete Temperatur-Kontrolleinheit aus einer Einheit zum Kühlen des halbfesten Metalls 110 und einer Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur 140. Die Einheit zum Kühlen des halbfesten Metalls 110 besteht aus einem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 und einem Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130, die im Allgemeinen in einer rechtwinkligen Anordnung mittels eines Transportmechanismus, wie einer Förderanlage 170, verbunden sind, wobei die Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur 140 aus einem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und einem Gefäß zum Speichern der Gefäßwärme 160 besteht. Die Einheit zur Temperaturregelung 100 ist außerdem mit einem Roboter ausgestattet, der das Gefäß 102 greift und es zu einer der spezifischen Positionen A–F (nachfolgend genauer beschrieben) transportiert. Das Gefäß 102 bewegt sich in Richtung der Pfeile.
In einer ersten Ausführungsform der Einheit zur Temperaturregelung 104 ist der Ofen zum Vorheizen 190 nahe und parallel zu dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls vorgesehen, wie in den 43 und 44 gezeigt. Der Ofen zum Vorheizen 190 dient dazu sicherzustellen, dass sowohl der Sockel 102b, der unter Gefäß 102, das die Schmelze enthält, und der Deckel 102a, der auf dem Gefäß 102 platziert ist, auf eine höhere Temperatur als die Heißluft vorgeheizt werden, die durch den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 geblasen wird, so dass die Temperatur der Schmelze in dem Gefäß beim Abkühlen in dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 einheitlich ist. Danach werden sowohl der Deckel 102a als auch der Sockel 102b, die auf der Förderanlage 170 transportiert werden, durch die Heißluft erwärmt, die durch die Blasdüsen 192 eingeleitet wird, wobei sich die Düsen zusammen mit der Förderanlage 170 bewegen (siehe 44).
Die Temperatur-Kontrolleinheit 104 wird folgendermaßen betrieben. Zuerst befindet sich ein leeres Gefäß 102 in der Aufnahmeposition A für das Gefäß. Dann überführt der Roboter 180 das Gefäß 102 zu Position B, an der das Gefäß mit einer vorbestimmten Menge an geschmolzenem Metall aus dem Halteofen für die Schmelze 10 (der das geschmolzene Metall enthält, welches eine große Anzahl an Kristallkeimen enthält) bestückt wird. Danach überführt der Roboter 180 das Gefäß 102 in die Warteposition C für das gefüllte Gefäß, an der es auf den Sockel 102b platziert und dessen Öffnung mit dem Deckel 102a abgedeckt wird (sowohl der Deckel 102a als auch der Sockel 102b werden im Vorheizer vorgewärmt). Anschließend wird das Gefäß gekühlt, während es in einem bestimmten Zeitraum mittels der Förderanlage 170 durch den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 transportiert wird. Das Gefäß 102, das den Ofen 120 verlassen hat, erreicht die Ruheposition für das Gefäß mit der Aufschlämmung D, von wo aus es durch den Roboter 180 umgehend zu der Hülsenposition E überführt wird, falls die Einspritzhülse 202 der Formmaschine 200 bereit ist, das geschmolzene Metall aufzunehmen. In Position E wird das halbfeste Metall in dem Gefäß in die Einspritzhülse 202 gegossen. Falls die Einspritzhülse 202 noch nicht bereit ist, das geschmolzene Metall aufzunehmen, sobald das Gefäß 202 die Warteposition für das Gefäß mit der Aufschlämmung D erreicht hat (d. h. falls die Formmaschine gerade druckformt), verfestigt sich die Aufschlämmung des halbfesten Metalls in dem Gefäß stufenweise durch Abkühlen, während es in Position D darauf wartet aufgenommen zu werden. Dadurch wird es unmöglich, dass die gesamte Aufschlämmung ausgespeist wird, oder die Kristallkeime in der Aufschlämmung verschwinden, wobei die Qualität des Formstücks verschlechtert wird. Um diese Probleme zu vermeiden, wird das Gefäß 102 zu dem Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130 befördert, wo es darauf wartet, dass die Formmaschine 200 bereit ist, das geschmolzene Metall aufzunehmen, während ein schnelles Abkühlen verhindert wird.
Das Gefäß 102, aus dem die Aufschlämmung des halbfesten Metalls, welches zufrieden stellende Eigenschaften hat, in die Einspritzhülse 202 entleert wurde, wird dann mittels eines Roboters 180 in die Halteposition für die leeren Gefäße F, über die Förderanlage 170 in den Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 überführt, wo es über einen bestimmten Zeitraum gekühlt wird, passiert den Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160, während es bei einer geeigneten Temperatur gehalten wird und kehrt danach in die Aufnahmeposition zum Erwärmen des Gefäßes A zurück.
Eine spezifische Ausführungsform der Einheit zur Regelung der Temperatur 104 ist in 43 gezeigt. In dieser ersten Ausführungsform, in der Aluminiumlegierungen in einem vergleichsweise geringen Maßstab mit dem geschmolzenen Metall behandelt werden sollen, werden in einer Menge von mindestens 20 kg gegossen. Die Systemkonfiguration ist derart, dass der Formzyklus auf der Formmaschine 200 etwa 150 Sekunden dauert und Transport durch den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 und dem Temperaturregler für das Gefäß 140 (d. h. bestehend aus dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und dem Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160) 600 Sekunden dauert. Dauert der Transport länger als 600 Sekunden, wird das gesamte Equipment unpraktisch sperrig und das Volumen der zu bearbeitenden Aufschlämmung, die aus der Maschine stammt, verursacht Schwierigkeiten und dasjenige, das verworfen werden muss, vergrößert sich, was hinsichtlich des Aufbaus großtechnischer Produktionsanlagen unter keinen Umständen bevorzugt ist.
Um diesen Zyklusbedingungen zu genügen und dennoch Aufschlämmungen mit guten Eigenschaften zu erhalten, werden Details des Systems folgendermaßen bestimmt. Als Material, aus dem das Gefäß besteht, wurde SUS304 verwendet (bei einer Ar beitsweise in vergleichsweise kleinem Maßstab, wobei das geschmolzene Metall in einer Menge von nicht mehr als 10 kg eingegossen wird, stellen Materialien mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit eine vergleichsweise einfache Temperaturregelung bereit; bei Arbeitsweisen in einem großen Maßstab jedoch, wie in dem diskutierten Fall, erfordert die Verwendung von Materialien mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit einen unangemessen verlängerten Zeitraum zum Abkühlen der Aufschlämmung, was dazu führt, den Anforderung an die oben dargelegte Zyklusdauer nicht zu genügen).
Um eine problemlose Rückgewinnung der Aufschlämmung aus dem Gefäß 102 sicherzustellen, muss die innere Oberfläche des Gefäßes mit einem wasserlöslichen (was erwünscht ist, um sicher zustellen, dass eine Gasbildung verhindert wird) Gleitmittelspray beschichtet werden. Zu diesem Zweck ist zwischen dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und dem Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160 ein Stelle zum Sprühen (Sprühvorrichtung) vorgesehen. Dementsprechend muss das Gefäß 102, das aus dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 kommt, innerhalb 5 Minuten auf eine Temperatur (200°C–250°C) abgekühlt werden, die eine effektive Abscheidung der Sprühlösung ermöglicht. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird über eine Blasdüse Heißluft mit 200°C gegen das Gefäß geblasen.
Durch die Anwendung des wasserlöslichen Sprays erfährt das Gefäß 102 einen lokalen Temperaturabfall. Um sicherzustellen, dass das Gefäß 102 durchwegs eine einheitliche Temperatur von 180°C–190°C hat, zirkuliert ein Heißluftstrom mit 190°C in dem Ofen zum Speichern der Temperatur des Gefäßes 160, während sie durch einen Ventilator umgewälzt wird, um eine einheitliche Temperatur des Gefäßes 102 sicherzustellen.
Um die Aufschlämmung in dem Gefäß mit einem einheitliches Temperaturprofil zu versehen, wurde ein Ofen zum Vorheizen 190 als Zubehör installiert und der Sockel 102b und der Deckel 102a, die aus einem wärmeisolierenden Material gemacht sind (Al₂O₃·SiO₂-Verbundwerkstoff), wurden auf 350°C erhitzt, bevor sie auf das Gefäß 102 gesetzt werden. Diese Anordnung erlaubt es, das Gefäß 102 zusammen mit dem Deckel 102a und dem Sockel 102b in dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 einzubringen.
Das Innere des Ofens zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 war jeweils mit zwei Öfen zum Erzeugen von Heißluft und Blasdüsen ausgestattet, durch die Heißluft zugeführt wurde, die in dem Ofen zum Kühlen 120 zirkulierte, wobei ihre Temperatur und Geschwindigkeit am Eintritt 220°C und 5 m/sec und am Austritt 180°C und 20 m/sec ist. Dabei wird das halbfeste Metall in der anfänglichen Kühlperiode vergleichsweise langsam aber in der letzten Periode schnell gekühlt.
Zur Regelung der Temperatur in dem Gefäß 102 wurde ein Mantelthermoelement in dem Gefäß installiert, um Temperaturdaten aufzuzeichnen. Eine genauere Diskussion auf der Grundlage der aufgezeichneten Daten folgt.
51 zeigt die Position der Temperaturmessung in dem Gefäß 102. Wie vergrößert auf der rechten Illustration gezeigt, wurde in die äußere Oberfläche der Seitenwände des Gefäßes bis zu einer Tiefe, die der Hälfte der Wanddicke entspricht, ein Loch gemacht und das Thermoelement in das Loch eingesetzt und punktverschweißt.
52 zeigt den Temperaturverlauf des Abkühlens des Gefäßes 102. Die Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur 140 ist in den Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und den Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160 unterteilt, und wie bereits oben erwähnt, war der Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 daran angepasst, dass „Heißluft mit 100°C über Blasdüsen gegen das Gefäß geblasen wurde", wohingegen der Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160 so gestaltet war, dass „Luft mit 190°C zirkulieren kann".
Das diskutierte System erfordert, dass das „Spray sich absetzen soll" innerhalb einer beschränkten Dauer während „durch das Gefäß 120 eine einheitliche Temperatur (180°C–190°C) erreicht werden soll". Um diesen Anforderungen zu genügen, wurde die Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur 140 in den Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und den Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160 unterteilt, und eine optimale Temperaturregelung wurde in jedem Ofen erreicht.
Die zweite Ausführungsform der Einheit zur Regelung der Temperatur 100, die in 46 gezeigt ist, war hauptsächlich für die Behandlung von Magnesiumlegierungen gedacht. Wie typischerweise in 49 gezeigt ist, umfasst die Einheit zur Regelung der Temperatur 100 eine Vielzahl an geradlinig angeordneten Gehäusen 120A in einer allgemein kubischen Form, wobei jedes mit einer oberen Abdeckung 120B ausgestattet ist, die durch einen Druckluftzylinder 120C geöffnet oder geschlossen werden konnte. Heißluft konnte den Gehäusen 120A zugeführt werden. Das Gefäß 102, welches die Schmelze enthielt und dessen Deckel 120B geöffnet war, wurde auf dem Sockel 102b am Boden des Gehäuses 120A platziert und ein Deckel 102a, der an der inneren Oberfläche der Abdeckung 120B angebracht war, wurde in die Öffnung des Gefäßes 102 eingepasst, so dass es während des Abkühlens des Gefäßes 102 einen wärmeisolierenden Effekt sicherstellen konnte. Das Gefäß war daran angepasst, durch die Handhabung eines Roboters 180 in oder aus dem Gehäuse 120A transportiert zu werden.
Daher ist der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 gemäß der ersten Ausführungsform, die in 44 gezeigt ist, vom kontinuierlichen Typ, worin das Gefäß 102 mittels der Förderanlage 170 transportiert wird während der Ofen in Betrieb ist und demgegenüber ist der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 gemäß der zweiten Ausführungsform, die in 46 gezeigt ist, ein Chargensystem.
Wie außerdem in 49 gezeigt ist, ist der Sockel 102b, der am Boden des Gehäuses 120A angebracht ist, an einen Drehmechanismus gekoppelt, der aus einem Motor 121a, einer Kette 121b, einem Zahnkranz 121c, einem Lager 121d, usw. zusammengesetzt ist. Dieser Mechanismus ermöglicht es, das Gefäß 102 frei zu drehen, während es gekühlt wird.
Eine weitere Ausführungsform des Ofens zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 ist in 53 gezeigt. Er ist nicht nur mit einem Rüttelapparat 121f, der mit einem Ultraschall Oszillator 121e arbeitet, sondern auch mit einem wassergekühlten Booster 121g ausgestattet. Diese Anordnung lässt das Gefäß 102 effektiv rütteln.
45 zeigt die Temperaturprofile, die durch das Anbringen des Deckels 102a und des Sockels 102b, die jeweils aus einem Wärmeisolator (Al₂O₃·SiO₂-Verbundwerkstoff) hergestellt sind, an die Öffnung und den Boden des Gefäßes, erhalten werden. Offensichtlich ergibt die Verwendung von Wärmeisolatoren ein einheitliches Temperaturprofil, verglichen mit dem Fall, bei dem keine solchen Isolatoren eingesetzt werden. Das einheitliche Temperaturprofil wurde durch das Vorheizen des Isolators verbessert.
Als nächstes wird der „Hochviskositätsbereich" diskutiert. Die Legierung, die im entscheidenden Fall behandelt werden soll, ist AC4C, die eine eutektische Temperatur von 577°C hat. In einem engen Temperaturbereich in der Mitte ihres eutektischen Punkts, steigt die feste Fraktion stark von 56% auf 100% an und dementsprechend erhöht sich die Viskosität deutlich. Daher kann der Bereich mit einer festen Fraktion von 56% bis 100% als „Hochviskositätsbereich" angesehen werden. Wurde kein Wärmeisolator verwendet, waren sowohl die oberen als auch die unteren Bereiche des Gefäßes vollständig mit dem „Hochviskositätsbereich" bedeckt. In so einem Fall bildet sich nicht die erwünschte Aufschlämmung reibungslos. Im Vergleich dazu führte die alleinige Verwendung des Wärmeisolators zu einer deutlichen Abnahme des „Hochviskositätsbereichs", der fast nur noch in den Ecken vorhanden war. Offensichtlich verschwand der „Hochviskositätsbereich" vollständig, wenn der Wärmeisolator erhitzt wurde. In dem diskutierten Fall muss der Wärmeisolator erhitzt werden. Jedoch bestand keine Notwendigkeit den Wärmeisolator zu erhitzen, wenn kleinere Gefäße verwendet wurden.
Magnesiumlegierungen haben eine schwierige Temperaturkontrolle zur Folge, da sie eine geringe latente Wärme haben und schnell abkühlen. Um diese Problem zu lösen, weist der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 gemäß der in 46 gezeigten zweiten Ausführungsform die folgenden Unterschiede zu der ersten Ausführungsform auf, die in 43 gezeigt ist.
Als erstes wurde Siliciumnitrid als Material für das Gefäß verwendet. Jedoch war es schwierig, ein einheitliches Temperaturprofil durch die Aufschlämmung in dem Gefäß zu erhalten. Unter diesen Umständen musste der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 mit einem Mechanismus zum Rotieren, dargestellt durch 120x in 49, oder einem Gefäßrüttelapparat, dargestellt durch 120y in 53, ausgestattet werden, um Gefäße mit einer Durchmesser von nicht mehr als 100 mm handhaben zu können. (Bei Gefäßen mit einem Durchmesser von 50 mm bis weniger als 100 mm, musste weder der Mechanismus zum Rotieren des Gefäßes, noch der Gefäßrüttelapparat installiert werden. Bei Gefäßen mit einem Durchmesser von 100 mm bis 200 mm wurde ein Gefäßrüttelapparat, dargestellt durch 120y in 53, erforderlich und bei Gefäßen mit Durchmessern von mehr als 200 mm musste ein Mechanismus zum Rotieren des Gefäßes, dargestellt als 120x in 49, verwendet werden, der in der Lage ist, stärker zu rühren.)
Ebenso war es erforderlich, die Temperaturregelung so durchzuführen, dass die Temperatur sich mit der Zeit verändern konnte. Um. dieses zu erreichen, wurde ein Regler für die Temperatur des Ofens, dargestellt durch 120z in 47 oder 48, installiert. (Bei einem Gefäß mit einem Durchmesser von weniger als 100 mm reagierte die Geschwindigkeit des Abkühlens der Aufschlämmung so empfindlich auf Temperaturschwankungen in dem Ofen, dass es erforderlich wurde, die Temperatur in dem Ofen durch den in 47 gezeigten Mechanismus zu regeln. Bei Gefäßdurchmessern von weniger als 70 mm wurde nicht nur der Regler für die Ofentemperatur sondern auch das System zur Rückkopplungskontrolle, gezeigt in 48, erforderlich.)
Um die Zunahme dieser Leistungsfähigkeit zu ermöglichen, wurde der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 als Chargensystem der in 46 gezeigten Art gestaltet und der Zeitpunkt des Transfers des Gefäßes in und aus dem Ofen 120 durch den Roboter 180 geregelt.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren der Temperaturkontrolle bereit, bei dem die Stufe der Temperaturregelung in dem Gefäß 102, bevor es mit dem geschmolzenen Metall beschickt wird, auf eine geeignete Höhe von der Stufe der Temperaturregelung in dem Gefäß 102 dahingehend getrennt ist, dass das eingegossene geschmolzene Metall in einer erwünschten und geeigneten Geschwindigkeit abgekühlt wird. Die Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur 104 bereit, die diese Stufen automatisch in einer effizienten und kontinuierlichen Weise durchführen kann. Außerdem wird von der Erfindung eine Systemanordnung vorgeschlagen, die die jeweiligen Stufen mittels der Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur 140 und der Einheit zum Kühlen des halbfesten Metalls 110 ausführen kann.
In einer speziellen Ausführungsform besteht die Einheit zur Kontrolle der Gefäßtemperatur 140 aus dem Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150, der durch einen Heißluftstrom zwangsgekühlt werden kann, welcher durch Kontrollieren der Temperatur und der Geschwindigkeit der Luft, die durch den Ofen strömt, eine ausreichende Kühlleistung bereitstellt, und dem Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160, der die Temperatur der Atmosphäre so regelt, dass sie dem Zielwert in dem Gefäß 102 entspricht und der das Gefäß 102 auf der Temperatur der Atmosphäre hält. An dieser Stelle soll angemerkt werden, dass sich die Temperatur, auf die der Ofen zum Kühlen des Gefäßes 150 und der Ofen zum Speichern der Gefäßwärme 160 geregelt werden soll, zwischen Aluminium- und Magnesiumlegierungen unterscheidet. Bei Aluminiumlegierungen wird das Innere des Ofens zum Kühlen des Gefäßes 150 so geregelt, dass dessen Temperatur zwischen Raumtemperatur und 300°C liegt, wohingegen die Innentemperatur des Gefäßes zum Speichern der Gefäßwärme 160 zwischen 50°C und 350°C liegt. Bei Magnesiumlegierungen wird die Innentemperatur des Ofens zum Kühlen des Gefäßes 150 so geregelt, dass sie zwischen Raumtemperatur und 350°C liegt, wohingegen die Innentemperatur des Gefäßes zum Speichern der Gefäßwärme 160 zwischen 200°C und 450°C liegt.
Die Einheit zum Kühlen des halbfesten Metalls 110 besteht aus dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120, der daran angepasst ist, dass Heißluft mit einer geeigneten Temperatur zirkuliert, so dass das Abkühlen innerhalb der kürzest möglichen Zeit, die eine Aufschlämmung des halbfesten Metalls mit zufrieden stellenden Eigenschaften ergibt, vollständig ist, und dem Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130, der so gestaltet ist, dass die Aufschlämmung des halbfesten Metalls über 2 bis 5 Minuten in einem Temperaturbereich gehalten werden kann, der zum Formen ausreichend ist, so dass er an die spezifischen Formzyklen der Formmaschine 200 angepasst werden kann. Wieder unterscheidet sich die Temperatur, auf die der Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 geregelt werden soll, zwischen Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Bei Aluminiumlegierungen soll die Temperatur so geregelt werden, dass sie zwischen 150°C und 350°C liegt und bei Magnesiumlegierungen soll die Temperatur so geregelt werden, dass sie zwischen 200°C und 450°C liegt. Andererseits soll das Innere des Ofens zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130 so geregelt werden, dass es in beiden Fällen bei 500°C und darüber liegt.
Falls die Einspritzhülse 202 der Formmaschine 200 bereit ist, zu dem Zeitpunkt das geschmolzene Metall aufzunehmen, zu dem das Gefäß 102, das das Metall hält, den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 verlassen hat, wird das Metall umgehend der Formmaschine 200 zugeführt (eingegossen), ohne dass es in den Ofen zum langsamen Kühlen des halbfesten Metalls 130 überführt wird. Falls die Einspritzhülse 202 nicht bereit ist, das geschmolzene Metall aufzunehmen, da sich die Formmaschine 200 in Betrieb befindet, wird das Gefäß 102, das den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 verlässt, in den Ofen zum Schweißen des halbfesten Metalls 130 überführt.
Eine erste Version des Heizsystems in dem erfindungsgemäßen Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 ist derart, dass entweder die Temperatur oder die Geschwindigkeit der zirkulierenden Heißluft so kontrolliert wird, dass sie in geeigneter Weise im Laufe der Zeit variiert oder alternativ, dass sowohl die Temperatur als auch die Geschwindigkeit der Heißluft so kontrolliert werden, dass sie gleichzeitig im Laufe der Zeit variieren.
Die erste spezifische Ausführungsform des Heizsystems (Einheit zur Kontrolle der Ofentemperatur 120z) ist wie in 47 gezeigt und umfasst eine Leitung für die Heißluft zum Zuführen eines Heißluftstroms in den Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120, eine Heißluftleitung, aus der ein Luftstrom mit normaler Temperatur austritt, um sich mit der Heißluft zu vermischen und deren Temperatur zu verringern, einer Drosselklappe zur Regelung der Luftmenge, die durch die Leitung strömt, und eine Drosselklappe zur Regelung der Öffnung.
Die zweite spezifische Ausführungsform des Heizsystems (Einheit zur Kontrolle der Ofentemperatur 120z) ist wie in 48 gezeigt und umfasst einen Temperaturfühler, der in dem Ofen zum Kühlen des halbfesten Metalls 120 installiert ist, einer Heißluftleitung zum Zuführen eines Heißluftstroms in den Ofen, eine Luftleitung, die mit der Heißluftleitung kombiniert ist, eine automatische Drosselklappe, die in der Luftleitung installiert ist, eine Drosselklappe zur Regelung der Öffnung, die eine Rückkopplungsregelung auf die Drosselklappenöffnung ausübt, auf der Grundlage der Daten, die durch die Messung mit dem Temperaturfühler erhalten werden. Die Öffnung der automatischen Drosselklappe wird auf der Grundlage der Temperaturdaten in dem Ofen geregelt und Heißluft. wird mit einer geeigneten Luftmenge gemischt und dem Ofen zugeführt, wodurch die Temperatur und die Geschwindigkeit der zirkulierenden Heißluft so geregelt werden, dass das geschmolzene Metall in einer erwünschten Geschwindigkeit abkühlt.
Beispiel 7
Ein Beispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben. Das Beispiel wurde durch dasselbe Verfahren ausgeführt, wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass 3 durch 54 ersetzt wurde und die obere Oberfläche des isolierten Gefäßes 30 (oder (30A) mit einem wärmeisolierenden Deckel 42 (oder einem mit Keramiken beschichteten metallischen Deckel 42A) abgedeckt wurde. Somit betreffen die 1, 2, 54 und 4–7 Beispiel 8, worin: 1 ein Diagramm ist, das einen Verfahrensverlauf zum halbfesten Formen einer hypoeutektischen Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung bei oder über der maximalen Löslichkeitsgrenze zeigt; 2 ein Diagramm ist, das einen Verfahrensverlauf zum halbfesten Formen einer Magnesium- oder Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung innerhalb der maximalen Löslichkeitsgrenze zeigt; 54 einen Arbeitsablauf zeigt, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet; 4 diagrammatisch die metallographischen Strukturen zeigt, die in den jeweiligen in 54 gezeigten Stufen erhalten werden; 5 ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine Al-Si-Legierung als ein typisches Aluminiumlegierungssystem ist; 6 ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine Mg-Al-Legierung als ein typisches Magnesiumlegierungssystem ist; 7 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographische Struktur eines erfindungsgemäßen geformten Teils zeigt; und 8 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographische Struktur eines geformten Teils aus dem Stand der Technik zeigt.
Das isolierte Gefäß 30 zum Halten des geschmolzenen Metalls, dessen Temperatur kurz unter die Liquiduslinie gefallen ist, soll einen wärmeisolierenden Effekt haben, um sicherzu stellen, dass die erzeugten Primärkristalle kugelförmig werden und nach dem Ablauf einer bestimmten Zeit die gewünschte flüssige Fraktion aufweist. In bestimmten Fällen treten jedoch Probleme auf, wie dort, wo nahe-eutektische Al-Si-Legierungen und andere dazu neigen, Häute zu bilden, oder wo das geschmolzene Metall so schwer ist, dass es für mehr als 10 Minuten unter einer halbfesten Bedingung gehalten werden muss, oder wo das Höhe-zu-Durchmesser-Verhältnis des isolierten Gefäßes 30 1 : 2 übersteigt. Obwohl kein Problem mit dem inneren Feingefüge des geschmolzenen Metalls besteht, neigt eine verfestigte Schicht dazu, auf der Oberfläche der Schmelze zu entstehen und kann möglicherweise den oberen Bereich des geschmolzenen Metalls bedecken, wodurch es schwierig wird, das Metall in die Einspritzhülse 40 einzuspeisen. Um dieses Problem zu umgehen, wird der obere Teil des isolierten Gefäßes 30 mit dem wärmeisolierenden Deckel 42 abgedeckt, um sicherzustellen, dass auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls, welches in dem Isolierten Gefäße 30 gehalten wurde, keine Verfestigung auftritt. Dadurch wird es möglich, das Metall zu kühlen während eine einheitliche Temperatur durch das Metall bereitgestellt wird.
Das Material, aus dem das isolierte Gefäß 30 und der wärmeisolierende Deckel 42 besteht, ist keineswegs auf Metalle und solche Materialien, die eine wärmespeichernde Eigenschaft haben, beschränkt, und solche, die jedoch nur mäßig durch die Schmelze benetzt werden, sind bevorzugt. Ist ein gasdurchlässiges Keramikgefäß als isoliertes Gefäß 30 und der wärmeisolierenden Deckel 42 zum Halten der Magnesiumlegierungen, die leicht oxidieren und verbrennen, vorgesehen, ist das Äußere des Gefäßes vorzugsweise mit eine bestimmten Atmosphäre (z. B. einer Inertatmosphäre oder Vakuum) gefüllt. Um die Oxidation zu verhindern, ist es erwünscht, dass vorher Be oder Ca dem geschmolzenen Metall zugegeben werden. Die Form des isolierten Gefäßes 30 und des wärmeisolierenden Deckels 42 ist keineswegs auf eine röhrenförmige oder zylindrische Form beschränkt, und andere Formen, die für den anschließenden Formprozess geeignet sind, können daran angepasst werden. Das geschmolzene Metall muss nicht in das isolierte Gefäß 30 gegossen werden, aber es kann gegebenenfalls direkt in die Keramikeinspritzhülse 40 gegeben werden.
Tabelle 4 zeigt, wie die Anwesenheit oder Abwesenheit des wärmeisolierenden Deckels 42 den Arbeitsschritt des Anfertigens der geformten Teile beeinflusst. Vergleichsproben 19–22 beziehen sich auf den Fall, wo das geschmolzene Metall ohne Isolierdeckel gehalten wird. In Vergleichsprobe 19 hielt das isolierte Gefäß 30 die Schmelze einer Legierung, die zur Bildung einer Haut neigen. Somit bildete sich eine verfestigte Schicht auf dem halbfesten Metall, wodurch es unmöglich wurde, das Metall aus dem Gefäß 30 zurückzugewinnen. In Vergleichsprobe 20 wurde versucht, das halbfeste Metall in die Einspritzhülse einzubringen, wobei die Formtemperatur gesenkt wurde. In Vergleichsprobe 22 war das Metall übermäßig schwer.
Daher verlängerte sich in beiden Fällen die Haltedauer und das Ergebnis war im Wesentlichen gleich der in Tabelle 1 gezeigten Vergleichsprobe 1. In Vergleichsprobe 21 war das Höhe-zu-Durchmesser-Verhältnis des isolierten Gefäßes 30 größer als 1 : 2 und daher war der Temperaturverlauf durch das halbfeste Metall so schlecht, dass das Ergebnis im Wesentlichen gleich der in Tabelle 1 gezeigten Vergleichsprobe 1 war.
Die erfindungsgemäßen Proben 23–26 beziehen sich auf den Fall, wo das isolierte Gefäß 30, das mit dem Isolierdeckel bedeckt war, verwendet wurde. Sie zeigten bessere Ergebnisse beim Wiedergewinnen des halbfesten Metalls als bei den Vergleichsproben 19–22.
Beispiel 8
Ein Beispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1, 3, 4 und 65–67 genauer beschrieben, worin: 1 ein Diagramm ist, das einen Verfahrensverlauf zum halbfesten Formen einer Aluminium-Magnesiumlegierung zeigt; 3 einen Verfahrensablauf zeigt, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet; 4 diagrammatisch die metallographischen Strukturen zeigt, die in den jeweiligen in 3 gezeigten Stufen erhalten werden; 65 ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine binäre Al-Mg-Legierung ist; 66 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographische Struktur eines geformten Teils zeigt; und 67 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographische Struktur eines geformten Teils entsprechend dem Stand der Technik zeigt.
Wie in den 1 und 65 gezeigt, ist die Erfindung gemäß Anspruch 33 derart, dass die Schmelze einer Al-Mg-Legierung, die ein Element enthält, das die Erzeugung von Kristallkeimen fördert, und überhitzt auf weniger als 100°C über den Liquiduspunkt gehalten wird, direkt in das isolierte Gefäß geschüttet wird, ohne die Schmelze mit einer Vorrichtung zu kühlen.
Die eingegossene Schmelze wird in dem isolierten Gefäß während eines Zeitraums von 5 Sekunden bis 60 Minuten auf einer Temperatur gehalten, die nicht höher als der Liquiduspunkt, aber höher als die eutektische oder Solidustemperatur ist, wobei eine spezifische flüssige Fraktion gebildet wird, wobei eine große Anzahl an feinen Primärkristallen gebildet wird, um eine halbfeste Al-Mg-Legierung mit der spezifischen flüssigen Fraktion zu bilden.
Die spezifische Arbeitsweise des Formens des halbfesten Metalls, die in Beispiel 11 durchgeführt werden soll, ist hauptsächlich dieselbe wie in Beispiel 1.
Um das Erzeugen von Kugeln aus den gebildeten granulären Primärkristalle zu fördern, wird Silizium (Si) zugegeben. Beträgt die Si-Zugabe weniger als 0,3%, wird der erwünschte Effekt die Bildung von Kugeln zu fördern, nicht erwartet. Wird mehr als 2,5% Si zugegeben, ergeben sich fast nur verschlechterte Eigenschaften der Legierung und keine weitere Verbesserung der Bildung von Kugeln wird erwartet. Daher wird die Si-Zugaben so kontrolliert, dass sie zwischen 0,3% und 2,5% liegt.
Es soll angemerkt werden, dass die erfindungsgemäße Al-Mg-Legierung bis zu 1% Mn oder bis zu 0,5% Cu hinsichtlich der Verbesserung ihrer Stärke enthalten kann.
Tabelle 7 zeigt die Bedingungen für die Herstellung halbfester Metallproben und die Ergebnisse der Beurteilung ihrer metallographischen Strukturen durch mikroskopische Untersuchung.
In Vergleichsprobe 9 war die Temperatur der Vorrichtung 20, mit der das Metall in Berührung kam, so hoch, dass die Anzahl an erzeugten Kristallkeimen für die Erzeugung von Primärkristallen unzureichend war. Stattdessen bildeten sich grobe Primärkristalle. Die Gießtemperatur bei Vergleichsprobe 10 war so hoch, dass nur wenige Kristallkeime in dem Keramikgefäß 30 verblieben, was zu denselben Ergebnissen führte, die mit Vergleichsprobe 9 erhalten wurden. Die Haltezeit bei Vergleichsprobe 11 war so lang, dass die flüssige Fraktion in dem Metall, dass geformt werden soll, gering war, so dass die Legierung zum Formen unbrauchbar wurde. Außerdem war die Größe der Primärkristalle in unerwünschter Weise groß. Die Haltezeit bei Vergleichsprobe 12 war kurz, wohingegen die flüssige Fraktion in dem Metall, dass geformt werden soll, hoch war. Daher bildeten sich nur grobe Primärkristalle. Außerdem verursachte die große flüssige Fraktion eine hohe Segregation von Teilchen in dem geformten Teil. In Vergleichsprobe 13 wurde das geschmolzenen Metall direkt in das isolierte Gefäß gegossen, wo es sich als solches verfestigte und grobe, dendritische Primärkristalle bildete (siehe 67).
In jeder der Vergleichsproben 5 und 6 wurde eine homogene Mikrostruktur mit feinen (< ca. 100 μm), granulären Primärkristallen gebildet, die zum Druckformen angepasst wurden.
Beispiel 9
Ein erfindungsgemäßes Beispiel (wie in Anspruch 11 beschrieben) wird nun genauer unter Bezugnahme auf die begleitenden 69–73 beschrieben, worin: 69 zwei Verfahrenssequenzen für das halbfeste Formen einer hypoeutektischen Aluminiumlegierung zeigt; 70 einen Arbeitsablauf zeigt, der mit der Erzeugung von kugelförmigen Primärkristallen beginnt und mit der Formstufe endet; 71 diagrammatisch die metallographischen Strukturen zeigt, die in den in 70 gezeigten jeweiligen Stufen erhalten werden; 72 eine diagramma tische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographischen Strukturen eines erfindungsgemäßen geformten Teils zeigt; und 73 eine diagrammatische Darstellung eines Mikrographen ist, der die metallographischen Strukturen eines geformten Teils entsprechend dem Stand der Technik zeigt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das mit einem der beiden folgenden Stufen beginnt:

(1) zwei oder mehr flüssige Legierungen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten, die überhitzt auf weniger als 50°C über den Liquiduspunkt gehalten werden, werden entweder direkt in einem isolierten Gefäß mit einem Wärmeisolierenden Effekt oder entlang einer Rinne in einem Kanal zu dem isolierten Gefäß gemischt, wodurch Kristallkeime in der Legierungslösung erzeugt werden (siehe 69); oder
(2) zwei oder mehr Metalle, die gemischt werden sollen, werden zuerst mit entsprechenden Kühlplatten in Kontakt gebracht, um Kristallkeime zu erzeugen, und die Metalle, die Temperaturen kurz über oder unter den Liquiduspunkt erreicht haben, werden entweder direkt in einem isolierten Gefäß oder entlang einer Rinne in einem Kanal zu dem isolierten Gefäß gemischt, wodurch mehr Kristallkeime in der Legierungslösung erzeugt werden (siehe 70).

Jedes der so erhaltenen Metalle wird während eines Zeitraums von 5 Sekunden bis 60 Minuten, wobei es auf die Formtemperatur abgekühlt wird, in dem isolierten Gefäß gehalten, wobei sich eine spezifische flüssige Fraktion bildet, wodurch feine Körner, die sich in der Legierungslösung gebildet haben, auskristallisieren, ohne Dendriten zu bilden, und dann das Metall in eine Form gespeist, wo es unter Druck geformt wird.
Die „spezifische flüssige Fraktion" und das „isolierte Gefäß" haben dieselbe Bedeutung, wie in Beispiel 1 definiert.
Erfindungsgemäß wird das Formen des halbfesten Metalls durch die folgenden spezifische Arbeitsweise durchgeführt. In Stufe (1) des in den 70 und 71 gezeigten Verfahrnes werden zwei vollständig flüssige Formen der Metalle MA und MB in Gießtiegeln 10 gehalten und in ein Keramikgefäß 30 (oder mit Keramik beschichtetes Metallgefäß 30A), welches ein isoliertes Gefäß mit einem wärmeisolierenden Effekt ist, gegossen. Als Ergebnis wird eine Legierung, die eine große Anzahl an Kristallkeimen aufweist, bei einer Temperatur kurz über oder unter der Liquiduslinie erhalten. Die geschmolzenen Metalle MA und MB können entweder gleichzeitig oder nacheinander hineingegossen werden. Alternativ können die geschmolzenen Metalle MA und MB in abgetrennte Bereiche in dem isolierten Gefäß 30 gegossen werden und die Abtrennung allmählich herausgenommen werden, so dass die beiden Metalle miteinander in Kontakt kommen.
In der anschließenden Stufe (2) wird das Legierungsgemisch MC in dem isolierten Gefäß 30 teilweise geschmolzen gehalten. In der Zwischenzeit ergeben sich sehr feine Primärkristalle aus den eingebrachten Kristallkeimen [Stufe (2)-a] und wachsen zu kugelförmigen Primärkristallen heran sobald sich die feste Fraktion mit sinkender Temperatur des Legierungsgemisches MC erhöht [Stufen (2)-b und (2)-c]. Das so erhaltene Legierungsgemisch MC bei einer spezifischen flüssigen Fraktion wird in eine Einspritzhülse 40 gespeist [Stufe (2)-d] und danach in einer Form 50a in einer Düsengießmaschine unter Druck geformt, um ein geformtes Teil zu ergeben [Stufe (3)].
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Formen des halbfesten Metalls, das in den 69, 70 und 71 gezeigt ist, weist offensichtliche Unterschiede zu den herkömmlichen Thio- und Rheo-Gießverfahren auf.
Die Gieß-, Kugelbildungs- und Form-Bedingungen, die jeweils für die in 69 gezeigten Stufen eingestellt werden, nämlich die Stufe, in der Primärkristalle erzeugt und kugelförmig gemacht werden, und die Stufen des Formens werden nachfolgend angegeben. Ebenso werden nachfolgend die kritischen Beschränkungen der Zahlenwerte gemäß den Ansprüchen 36 und 37 angegeben.
Wenn die geschmolzenen (flüssigen) Metalle MA und MB, die gemischt werden sollen, auf mehr als 50°C über den Liquiduspunkt überhitzt werden, ist die Temperatur der beiden Metalle kurz nach dem Mischen weder über noch unter den Liquiduspunkt des Metallgemisches MC, das sich gegebenenfalls bildet. Werden die gemischten Metalle in dem isolierten Gefäß 30 gehalten, wird sich eher ein Mikrograph ergeben, der aus groben Dendriten zusammengesetzt ist, als eine Struktur aus einheitlichen, nahezu runden nichtdendritischen Kristallen. Um diese Probleme zu vermeiden, dürfen die Temperaturen der geschmolzenen (flüssigen) Metalle MA und MB, die gemischt werden sollen, auf nicht mehr als 50°C über den Liquiduspunkt überhitzt werden. Die „Temperatur entweder knapp über oder unter dem Liquiduspunkt des Metallgemisches, das sich eventuell bildet" bedeutet eine Temperatur innerhalb des Liquiduspunktes ±15°C. Die flüssigen Metalle, die gemischt werden sollen, sollen Legierungen umfassen. Das isolierte Gefäß 30 zum Halten des Metalls, dessen Temperatur nach dem Mischen auf einen definierten Bereich gefallen ist, soll eine wärmeisolierenden Effekt haben, um sicherzustellen, dass die erzeugten Kristallkeime zu nichtdendritischen (nahezu runden) Primärkristallen wachsen und nach einer bestimmten Zeit die gewünschte flüssige Fraktion aufweisen. Das Material, aus dem das isolierte Gefäß besteht in keineswegs auf Metalle beschränkt und solche Materialien, die wärmespeichernde Eigenschaften haben und die kaum durch die Schmelze benetzt werden sind bevorzugt. Wird ein gasdurchlässiges Gefäß als isoliertes Gefäß 30 zum Halten der Magnesiumlegierungen, die dazu neigen durch oxidieren zu verbrennen, verwendet, ist das Äußere des Gefäßes vorzugsweise mit eine bestimmten Atmosphäre (z. B. einer Inertatmosphäre oder einem Vakuum) gefüllt.
Ist die Haltezeit in dem isolierten Gefäß geringer als 5 Sekunden, ist es schwierig, die Temperatur für die gewünschte flüssige Fraktion zu erreichen und es ist ebenso schwierig, dass sich runde Primärkristalle bilden. Zudem können keine halbfesten Metalle mit einem einheitlichen Temperaturprofil erhalten werden. Übersteigt die Haltezeit 60 Minuten, bilden sich grobe runde Primärkristalle.
Es soll ferner angemerkt werden, dass, wenn die flüssige Fraktion in der Legierung, die durch Hochdruckgießen geformt werden soll, weniger als 20% beträgt, die Beständigkeit gegenüber Deformation während des Formens so hoch ist, dass es schwierig wird, geformte Teile mit guter Qualität herzustellen. Übersteigt die flüssige Fraktion 90%, können keine geformten Teile mit einer homogenen Struktur hergestellt werden. Daher wird, wie bereits erwähnt, die flüssige Fraktion in der Legierung vorzugsweise so kontrolliert, dass sie zwischen 20% und 90% liegt. Stärker bevorzugt sollte die flüssige Fraktion so eingestellt werden, dass sie zwischen 30% und 70% liegt, um sicherzustellen, dass geformte Teile mit hoher Qualität einfach durch Formen unter Druck hergestellt werden können. Die Mittel zum Formen unter Druck sind keineswegs auf Hochdruckgießverfahren, die durch Squeeze-Casting und Düsengießen verkörpert werden, beschränkt, und verschiedene andere Verfahren zum Formen, wie Extrudier- und Gießverfahren, können angewendet werden.
Durch Mischen von zwei oder mehr Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichen Liquiduspunkten und Halten des Gemisches in dem isolierten Gefäß 30 kann ein halbfestes Metall mit einer feinen, runden Struktur erhalten werden. Falls es erwünscht ist, dass sich mehr Kristallkeime bilden, damit sich eine einheitliche und feiner körnige, runde Struktur in den Aluminiumlegierungen bildet, können Ti und B zu den Legierungen gegeben werden. Ist der Ti-Gehalt des Legierungsgemisches weniger als 0,003%, wird der Verfeinerungseffekt des Ti nicht erreicht. Oberhalb 0,30% bildet sich eine grobe Ti-Verbindung, die eine Verschlechterung der Duktilität verursacht. Daher wird die Ti-Zugabe so kontrolliert, dass sie zwischen 0,003% und 0,30% liegt. In dem gemischten Metall MC wirkt Bor (B) mit Ti zusammen, um die Verfeinerung der Kristallkörner zu fördern, jedoch ist sein Verfeinerungseffekt gering, wenn die Zugabe weniger als 0,0005% beträgt. Andererseits sättigt sich der Effekt des B bei 0,01% und keine weitere Verbesserung wird oberhalb 0,01% erwartet. Daher wird die B-Zugabe so kontrolliert, dass sie zwischen 0,0005% und 0,01% liegt.
Tabelle 9 zeigt die Bedingungen für die Herstellung von halbfesten Proben und die Qualitäten der geformten Teile. Wie in 70 gezeigt ist, bestand die Arbeitsweise des Formens aus dem Einbringen des halbfesten Metalls in eine Einspritzhülse und anschließend dem Formen in einer Squeeze-Casting-Maschine. Die Formbedingungen waren wie folgt: Druck, 950 kgf/cm²; Einspritzgeschwindigkeit, 1,5 m/s; Formausmaße, 100 × 150 × 10; Formtemperatur, 230°C.
Die Haltezeit bei Vergleichsprobe 9 war so lang, dass unerwünscht große Primärkristalle gebildet wurden. Die Temperaturen der zu mischenden Legierungen und die Temperatur des resultierenden Gemisches waren bei Vergleichsprobe 10 hoch. Daher war die Anzahl an erzeugten Kristallkeimen gering genug, um nur dendritische Primärkristalle zu erzeugen. Die Haltezeit bei Vergleichsprobe 11 war kurz, wohingegen die flüssige Fraktion in dem Legierungsgemisch hoch war, was erhebliche Segregation im Inneren des geformten Teils verursachte.
In jeder der erfindungsgemäßen Proben 1–8 wurde ein homogenes Feingefüge erhalten, die feine (< 150 μm), kugelförmige Primärkristalle enthält, um die Herstellung eines geformten Teils ohne innerer Segregation sicherzustellen.
Beispiel 10
Dieses Beispiel wurde in derselben Weise durchgeführt, wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass am Ende der Stufe, in welcher die teilweise geschmolzene Legierung in dem isolierten Gefäß 30 (oder (30A) gehalten wurde, ein Oxid W, das sich auf dem halbfesten Metall gebildet hatte, mittels einer metallischen oder nichtmetallischen Vorrichtung entfernt wurde [Stufe (3)-c in 74].
Wie ebenso in 74 gezeigt ist, bestand die Arbeitsweise des Formens aus dem Einbringen des halbfesten Metalls in eine Einspritzhülse und anschließend dem Formen in einer Squeeze-Casting-Maschine. Die Formbedingungen waren wie folgt: Druck, 950 kgf/cm²; Einspritzgeschwindigkeit, 1,5 m/s; Formausmaße, 100 × 150 × 10; Formtemperatur, 230°C.
Tabelle 10 zeigt, wie die Qualität der geformten Teile durch die Anwesenheit oder Abwesenheit des Oxids beeinflusst wurde. Offensichtlich zeigten die erfindungsgemäßen Proben 23–26 bessere Ergebnisse als die Vergleichsproben 21 und 22.

Claims

Verfahren zum Formen eines halbfesten Metalls, bei dem eine geschmolzene Aluminiumlegierung oder Magnesiumlegierung, die ein Element zur Förderung der Erzeugung von Kristallkeimen enthält und auf weniger als 100°C über dem Liquiduspunkt überhitzt gehalten wird, ohne die Verwendung einer Kühlvorrichtung direkt in ein isoliertes Gefäß aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 1,0 kcal/h·m·°C (bei Raumtemperatur) gegossen wird, während eines Zeitraums von 5 s bis 60 min., während sie auf die Verformungstemperatur gekühlt wird, gehalten wird, wobei eine spezifische flüssige Fraktion gebildet wird, wobei die spezifische flüssige Fraktion 20% bis 90% im Fall von Hochdruckgießverfahren und von 0,1 bis 70% im Fall von Extrudier- oder Schmiedeverfahren ist, wodurch feine Primärkristalle in der Legierungslösung kristallisieren, und die Legierungslösung in eine Gießform gespeist wird, wo sie unter Druck geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung mit einer maximalen Löslichkeitsgrenze oder eine hypoeutektische Aluminiumlegierung einer Zusammensetzung bei oder über der maximalen Löslichkeitsgrenze ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine Magnesiumlegierung einer Zusammensetzung innerhalb der maximalen Löslichkeitsgrenze ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Aluminiumlegierung 0,001 bis 0,01% B und 0,005 bis 0,3% Ti zugegeben enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Magnesiumlegierung 0,005 bis 0,1% zugegebenes Sr oder 0,01 bis 1,5% Si und 0,005 bis 0,30% zugegebenes Sr oder 0,05 bis 0,30% zugegebenes Ca enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die flüssige Legierung, die um ein Ausmaß (X°C) von weniger als 10°C über der Liquiduslinie überhitzt worden ist, in dem isolierten Gefäß während eines Zeitraums von 5 s bis 60 min. gehalten wird, während es auf die Verformungstemperatur abkühlt, bei der eine spezifische flüssige Fraktion, die 20 bis 90% im Fall von Hochdruckformverfahren und 0,1 bis 70% im Fall von Extrudier- oder Schmiedeverfahren ausmacht, gebildet wird, so dass das Kühlen von der Anfangstemperatur, bei der die Legierung in dem isolierten Gefäß gehalten wird, zu ihrem Liquiduspunkt innerhalb einer Zeitraums vollständig abläuft, der kürzer ist als die Zeit Y (in Minuten), berechnet aus der Beziehung Y = 10 – X, und dass die Kühldauer von der Anfangstemperatur zu einer Temperatur 5°C unter dem Liquiduspunkt nicht länger als 15 Minuten ist, wodurch feine Primärkristalle in der Legierungslösung kristallisiert werden, die dann in die Gießform gespeist wird, wo sie unter Druck geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschmolzene Legierung auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der eine feste Fraktion erhalten wird, die für das Formen geeignet ist und 10–80% im Fall von Hochdruckformverfahren oder 30–99,9% im Fall von Extrudier- oder Schmiedeverfahren ausmacht, und wobei das Kühlen der Legierung mit den oberen und unteren Teilen des Gefäßes durchgeführt wird, welche stärker erwärmt werden als der mittlere Teil, oder die Wärme mit einem Wärmespeichermaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit von weniger als 1,0 kcal/h·m·°C gespeichert wird, oder wobei entweder der obere oder untere Teil des Gefäßes erwärmt wird, während der Rest mit einem Wärmespeicher versehen ist, und die Legierung nach dem Abkühlen in eine Gießform gespeist wird, wo sie unter Druck geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Kühlen der Legierung mit dem Gefäß durchgeführt wird, wobei die Legierung in einem äußeren Gefäß vorliegt, das das Legierungshaltegefäß aufnehmen kann und eine geringere thermische Leitfähigkeit als das Haltegefäß hat, oder das eine thermische Leitfähigkeit hat, die gleich ist wie oder größer als diejenige des Haltegefäßes und das eine höhere Anfangstemperatur als das Haltegefäß hat, oder das von dem Haltegefäß durch einen gasgefüllten Spalt getrennt ist, bei einer raschen Kühlgeschwindigkeit durchgeführt wird, um eine gleichförmige Temperatur durch die Legierung in dem Haltegefäß nicht später als zum Start der Formungsstufe zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Druckformen mit der Legierung, die in ein Gefäß gegeben worden ist, auf einer Extrudiermaschine durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Extrudiermaschine entweder vom horizontalen oder vertikalen Typ ist oder von einem solchen horizontalen Typ, bei dem das Gefäß seine Position von der Vertikalen zur Horizontalen vor dem Formen ändert und wobei das Extrudierverfahren entweder direkt oder indirekt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kristallkeime durch ein Verfahren erzeugt werden, bei dem zwei oder mehr flüssige Legierungen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten, die auf weniger als 50°C über dem Liquiduspunkt überhitzt gehalten werden, direkt mit dem isolierten Gefäß aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 1,0 kcal/h·m·°C (bei Raumtemperatur) gemischt werden, so dass die Temperatur des Metalls beim Mischen entweder knapp über oder unter dem Liquiduspunkt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das äußere Gefäß entweder von innen oder außen durch Induktionserhitzen erhitzt wird, wobei dieses Erhitzen nur vor oder nach dem Einsetzen des Haltegefäßes in das äußere Gefäß oder fortgesetzt über den Zeitraum nicht nur vor sondern auch nach dem Einsetzen durchgeführt wird.