DE69732187T2 - Verfahren zum legieren von eisen in nicht-eisenlegierungen - Google Patents

Description

• Eisen wird in Aluminium allgemein als eine unerwünschte Verunreinigung betrachtet. Allerdings haben kleine Gehalte an Eisen (0,15–1,8 Gew.-%) in Aluminium einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Aluminium und erleichtern dessen Verarbeitung durch Walzen zu dünnen Aluminiumblechen. Aluminium mit einem höheren Eisengehalt kann ebenfalls in Profilen verwendet werden, da Eisen die Extrusionseigenschaften verbessert.
• Durch Elektrolyse erzeugtes Aluminium enthält kleine Mengen an Eisen, die von den Anoden der elektrolytischen Zelle herrühren. Dieser Eisengehalt ist jedoch nicht ausreichend für die Erzeugung von Aluminium, das sich für Folien und Profile eignet, weshalb Eisen zugesetzt werden muss.
• Bei der Herstellung von eisenhaltigem Aluminium kann die Zugabe von Eisen in Form von Eisenschrott oder Stücken einer Al-Fe-Vorlegierung erfolgen, die etwa 5 bis 30 Gew.-% Eisen enthält. Des Weiteren werden Eisenpulver und Tabletten auf Eisenpulverbasis verwendet, da sie Vorteile hinsichtlich der kürzeren Lösungszeit bieten.
• Die Zugabe von pulverförmigen Materialien kann durch Einblasen über eine Lanze zusammen mit einem Trägergas erfolgen. Das Pulver wird entweder in die Pfanne, in den Halteofen oder den Gussofen eingeblasen. Die Temperatur der Aluminiumschmelze wird im Bereich von 720–760°C gehalten, wobei es sich um die normale Legierungstemperatur ungeachtet des angewandten Legierungsverfahrens handelt. Es können durchaus höhere Temperaturen zur Anwendung kommen, dies führt jedoch nicht zu einem Absenken der Lösungszeit des Eisenpulvers.
• Eine sehr wichtige Eigenschaft des Eisenpulvers, das in dem Einblasprozess verwendet wird, ist dessen Partikelgröße. Partikel, die zu klein sind, folgen den Gasbläschen bis hin zur Schlacke auf der Oberfläche der Schmelze und können auch Probleme der Staubentwicklung in verschiedenen Stufen des Prozesses mit sich bringen. Wenn die Partikel zu groß sind, lösen sie sich nicht schnell genug.
• Wichtig ist ebenfalls, dass die Oberfläche der Partikel im Wesentlichen frei von einer Oxidschicht ist, die, falls vorhanden, das Benetzen der Partikel durch das geschmolzene Aluminium beeinträchtigt und somit deren Lösung blockieren oder verlangsamen könnte. Darüber hinaus und wie bereits angeführt ist für den Einblasprozess eine spezielle Ausrüstung erforderlich.
• Wenn Eisenpulvertabletten verwendet werden, werden sie einfach in die Aluminiumschmelze hineingeworfen, durch die sie hinabsinken und sich auflösen. Einige Anwender stellen die Tabletten selbst her, es gibt aber auch handelsübliche Tabletten. So genannte Legierungstabletten enthalten 75–80% des Legierungsmetalls, bei dem es sich neben Fe um Mn, Cr, Cu, Ti, Pb, Ni oder Zn handeln kann. Der Rest besteht aus reinem Aluminium zuzüglich geeigneter Flussmittel zur Beschleunigung der Auflösung und zum Schutz des Legierungsmetalls, während es sich auflöst. Die Tabletten werden mit einem so genauen Gewicht und einer solch genauen Zusammensetzung hergestellt, dass sie vor deren Einsatz nicht gewogen werden müssen, um eine korrekte Dosierung zu gewährleisten.
• Es wurde festgestellt, dass die vorangegangenen Verfahren auf Basis der Zugabe von eisenbasierten Pulvern oder Tabletten wesentlich verbessert werden können, wenn das Eisen in Form fester Körper aus verdichteten Eisenpartikeln, die im Wesentlichen aus reinem Eisen bestehen, zu der Metallschmelze hinzugefügt wird. In diesem Zusammenhang steht der Begriff „Nichteisenmetall" für Metalle, die aus der Gruppe ausgewählt werden, welche aus Aluminium, Kupfer und Kupferlegierungen besteht. Durch Verwendung eines Hilfsstoffes, der aus Körpern aus kompakten Eisenpartikeln gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 besteht, kann die Auflösungsgeschwindigkeit von Eisen in der Nichteisen-Metallschmelze erhöht werden. Daraus folgt, dass die Produktivität aufgrund kürzerer Zeiträume bei Schmelztemperatur gesteigert werden kann. Somit bringt die Verwendung der verdichteten Eisenkörper ebenfalls einen geringen Energieverbrauch mit sich. Zudem werden aufgrund der Reinheit der verdichteten Eisenkörper weniger Einschlüsse gebildet, weshalb eine geringere nachfolgende Reinigungsbehandlung erforderlich ist und sich die Herstellung des Legierungsmetalls vereinfacht.
• Die entstandenen Vorteile durch Verwendung der verdichteten Körper sind unerwartet und recht beachtlich angesichts der Erkenntnis aus dem US-Patent 3.935.004, welches offen legt, dass die verdichteten Körper der Legierungsmittel, die im Hinblick auf die Zugabe zu geschmolzenem Aluminium untersucht wurden, nicht wirksam waren. Speziell in diesem Patent ist offen gelegt, dass verdichtete Legierungs-Hilfsstoffe für Legierungsmetalle zu Aluminium ein Flussmittel als ausschlaggebenden Bestandteil enthalten sollte. Dieser bekannte Hilfsstoff sollte vorzugsweise Bindemittel enthalten. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten verdichteten Körper weisen eher die entgegengesetzten Eigenschaften auf und sollten keinerlei Flussmittel oder Bindemittel enthalten.
• Die neuen verdichteten Eisenkörper können aus einem atomisiertem Eisenpulver oder aus einem Eisenschwammpulver hergestellt werden, zum Beispiel AHC100.29 oder M40, M80, M100, M120, W100.25, W40.24 oder A40S, die sämtlich von Höganäs AB, Schweden, erhältlich sind. Im Gegensatz zu den Legierungs-Hilfsstoffen, die in WO94/17217 offen gelegt sind, gibt es bei der Herstellung der verdichteten Körper nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus festem atomisierten oder Eisenschwammpulver keinen Schmelzschritt.
• Die Dichte der verdichteten Körper sollte hoch genug sein, so dass die Körper während des Transports nicht zerfallen und nicht auf der Oberfläche des Metallbades schwimmen. Folglich betragen die Dichten wenigstens 4, vorzugsweise wenigstens 5 g/cm³. Der bevorzugte Dichtebereich liegt zwischen 5,1 und 6,7 g/cm³. Dazu werden die Pulver beispielsweise in einer konventionellen Aufbereitungsanlage bei einem Druck von mindestens 200 MPa und höchstens 500 MPa verdichtet, wobei der bevorzugte Bereich zwischen 250 und 400 MPa liegt. Die Grünfestigkeit des verdichteten Körpers sollte bei mindestens 5 MPa, am günstigsten bei mindestens 10 MPa liegen. Der Einfluss des Verdichtungsdrucks auf die Lösbarkeit bzw. der Ausnutzungsgrad ist aus 1 ersichtlich.
• Die Dicke des verdichteten Körpers, der durch die Aufbereitung entsteht, beträgt zwischen 0,5 und 4 mm. Anschließend wird der Körper in eine geeignete Größe gerissen. Das Aufreißen kann in einer konventionellen Anlage auf eine Größe von vorzugsweise wenigstens 50 mm² und noch günstiger auf wenigstens 100 mm² erfolgen. Natürlich ist es ebenfalls möglich, die verdichteten Körper in Form größerer Stücke oder Streifen oder in einer beliebigen anderen geeigneten Form zuzugeben.
• Wichtige Faktoren sind weiterhin der Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt der verdichteten Eisenkörper. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, die sich besonders für den Einsatz anstelle der gegenwärtig üblichen Eisenpulvertabletten eignet, sollte der Sauerstoffgehalt zwischen 0,3 und 2% liegen, und vorzugsweise schwankt der Sauerstoffgehalt zwischen 0,5 und 1,5 Gew.-% der verdichteten Eisenkörper. Der Kohlenstoffgehalt sollte zwischen 0,02 und 0,75% liegen, und vorzugsweise schwankt der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,05 und 0,5 Gew.-% der verdichteten Eisenkörper. Im vorliegenden Fall ist das Eisenpulver geeigneterweise ein nicht ausgeglühtes Eisenschwammpulver.
• Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der es ausschlaggebend ist, dass die Menge an Einschlüssen niedrig gehalten wird, sollte der Sauerstoff- und der Kohlenstoffgehalt sogar noch niedriger liegen. Wenn bei dieser Alternative Eisenschwamm zum Einsatz kommt, könnte die Sauerstoffmenge zwischen 0,1 und 1,5 und vorzugsweise zwischen 0,15 und 1,0 Gew.-% schwanken. Der Kohlenstoffgehalt sollte zwischen 0,0001 und 0,20, vorzugsweise zwischen 0,002 und 0,15 Gew.-% schwanken. Diese verdichteten Körper mit niedrigem Sauerstoff- und niedrigem Kohlenstoffgehalt sind von besonderem Interesse für Erzeugnisse hoher Qualität.
• Wenn es sich bei dem Nichteisenmetall um Aluminium handelt, ist es günstig, wenn die Temperatur der Metallschmelze zwischen 680 und 780°C, noch günstiger zwischen 700 und 750°C liegt. 2 legt die Lösungsgeschwindigkeiten bei verschiedenen Temperaturen für Körper offen, die bei 19 Tonnen verdichtet werden.
• Der erste Schritt bei der praktischen Anwendung der verdichteten Eisenkörper oder -flocken besteht darin, die notwendige Eisenmenge zu berechnen, mit der der angegebene Fe-Gehalt des Al-Fe-Materials erreicht werden kann. Bei dieser Berechnung ist die Ausbeute an Fe auf 100% beigegebenes Eisen eingestellt. Anschließend wird das Fe-Material entweder in loser Form zu dem Schmelzofen hinzugefügt, wobei in jedem Fall das Material über die gesamte Oberfläche der Aluminiumschmelze verteilt wird. Als Alternative dazu wird es in Beuteln, die eine vorgegebene Menge an Flocken enthalten, verpackt beigegeben. Nach dieser Beigabe wird ein Rührvorgang gestartet und solange fortgesetzt, bis das Eisen vollständig aufgelöst ist.
• Es ist eine Untersuchung im Hinblick auf die Wechselwirkung zwischen den Eigenschaften des Eisenpulvers und der Lösungsgeschwindigkeit in dem geschmolzenen Aluminium durchgeführt worden. Aus dieser Untersuchung lässt sich Folgendes ableiten.
• In die Untersuchung wurden sechs Eisenpulvererzeugnisse gemäß der nachstehenden Tabelle 1 einbezogen. Die Muster 1–3 bestanden aus den losen, unverdichteten Pulvern, die nicht im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegen, und die Muster 4–6 sind Beispiele von verdichteten Körpern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
• Tabelle 1

  
• Jede Art Eisenpulver wurde zu kleinen Zylindern mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Höhe von 7 mm verdichtet. Der angewendete Druck war gerade ausreichend, um die verdichteten Körper vor dem Auseinanderfallen zu bewahren. Die Masse eines Zylinders betrug 400–450 mg, und die Aluminiummenge in jedem Test betrug 70 g, so dass der letztendliche Eisengehalt nach der vollständigen Auflösung des Eisenzylinders in etwa 0,7% betrug.
• Der erfindungsgemäße Eisen-Hilfsstoff wurde als ein einziges flockiges Partikel geeigneter Größe verwendet.
• Die Untersuchungen wurden in einer Reaktionskammer mit einem Durchmesser von 50 mm ausgeführt, die in einem Ofen erhitzt wurde. Ein Aluminiumtiegel mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Höhe von 60 mm wurde mit Stücken aus festem, reinem (99,7% Al) Aluminium gefüllt. Der Tiegel wurde in einen Halter eingesetzt, der sich vertikal in der Reaktionskammer bewegen ließ. Der verdichtete Eisenkörper wurde in einem Aluminiumhalter angeordnet und in die Reaktionskammer eingeführt und mit dünnen Stahltragedrähten von einer elektromagnetischen Waage, mit deren Hilfe Gewichtsveränderungen mit hoher Empfindlichkeit (Erfassungsgrenze 1 μg) aufgezeichnet werden können, über dem Aluminium hängend gehalten.
• Der Test wurde in einer sehr reinen Argonatmosphäre ausgeführt, und während der Heizsequenz konnte keine Oxidation der Eisenmuster oder des Aluminiums festgestellt werden. Die Temperatur in der Reaktionskammer wurde mit einem Thermoelement geregelt.
• Wenn die gewünschte Reaktionstemperatur (in den meisten Tests 720°C) erreicht war, wurde der Aluminiumtiegel mit der Aluminiumschmelze nach oben geschoben, so dass das Eisenmuster in die Schmelze eingetaucht wurde. Während dieser Untersuchung des Lösungsverhaltens wurden Gewichtsveränderungen des Musters im Test in Intervallen von 5 Sekunden aufgezeichnet.
• Die Ergebnisse des Auflösungstests sind in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt, worin der Gewichtsverlust des Eisenmusters als Prozentsatz seines Anfangsgewichts und als Funktion der Zeit abgebildet ist. Dieser Prozentsatz wird als „Ausnutzungsgrad" (recovery) bezeichnet.
• Tabelle 2

  
• Durch das Absenken der Temperatur der Aluminiumschmelze von den normal angelegten 720 auf 700°C verlängert sich die Auflösungszeit, und der Ausnutzungsgrad verringert sich wesentlich, wohingegen ein Anstieg auf 750°C lediglich einen marginalen Effekt hat. Die oben erwähnten verdichteten Eisenkörper bestehen aus 2 mm dicken Flocken mit einer Größe von etwa 15 × 15 mm.
• Die folgende Tabelle 3 legt die Menge an Einschlüssen offen.
• Tabelle 3

  
• Die geringen Mengen an Einschlüssen in den Mustern 5 und 6 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen ganz deutlich, dass diese Produkte eine interessante Alternative zu dem 25 FeAl-Waffle sein könnten, dessen Herstellung komplizierter ist als die Herstellung der erfindungsgemäßen verdichteten Körper.
• Wenngleich die Beschreibung unter spezieller Bezugnahme auf die Beigabe von Eisenflocken zu dem flüssigen Aluminium erfolgte, so liegt es auf der Hand, dass die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Eisenflocken auch anderen Nichteisen- Metallschmelzen, wie beispielsweise Kupfer und Kupferlegierungen, beigegeben werden können.

Claims (6)

1. Verfahren zum Legieren von Eisen in flüssige Nichteisenmetalle, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Pulvers aus I) atomisiertem Eisen mit bis zu 1,5% Sauerstoff und bis zu 0,20% Kohlenstoff, wobei der Rest Eisen und Verunreinigungen sind, oder II) Eisenschwamm, der bis zu 2,0% Sauerstoff und bis zu 0,75% Kohlenstoff enthält, wobei der Rest Eisen und Verunreinigungen sind, b) Verdichten des Pulvers, um einen verdichteten Körper mit einer Dichte von 4 bis 6,7 g/cm³ und einer Dicke von 0,5 bis 4 mm auszubilden, wobei der verdichtete Körper frei von Hilfsstoffen, wie beispielsweise Flussmitteln oder Bindemitteln, ist, c) Aufreißen des so gewonnen verdichteten Körpers, um Flocken auszubilden, und d) Zusetzen der Flocken zu dem flüssigen Nichteisenmetall.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die verdichteten Körper eine Dichte von 5,1 bis 6,7 g/cm³ haben.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Flocken eine Größe von wenigstens 50 mm², vorzugsweise wenigstens 100 mm², haben.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Verdichtungsdruck 200–500 MPa beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die verdichteten Körper eine Grünfestigkeit von 5 bis 10 MPa haben.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das flüssige Nichteisenmetall Aluminium ist.