-
Technisches
Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen halbfester Formmetalle.
Genauer gesagt, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, mit der
halbfeste Metalle, die für
eine Halbfestformung geeignet sind, bei denen feine Primärkristalle
in der Flüssigphase
dispergiert sind und die über
eine gleichmäßige Temperaturverteilung verfügen, auf
sehr zweckdienliche und einfache Weise hergestellt werden können.
-
Hintergrundbildende
Technik
-
Ein
Thixo-Gießprozess
zieht derzeit die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich, da damit
weniger Gießdefekte
und Segregationen einhergehen, gleichmäßige metallografische Strukturen
erzeugt werden und sich längere
Lebensdauern von Formwerkzeugen, jedoch kürzere die Zyklen als bei den
existierenden Gießtechniken
ergeben. Die bei diesem Gießverfahren
(A) verwendeten Barren sind durch kugelförmige Strukturen gekennzeichnet,
die entweder durch Ausführen
eines mechanischen oder eines elektromagnetischen Rührvorgangs
in Temperaturbereichen erhalten werden, die halbfeste Metalle erzeugen,
oder dass Vorteil aus einer Umkristallisierung bearbeiteter Metalle
gezogen wird.
-
Andererseits
können
auch durch die vorhandenen Verfahren gegossene Rohmaterialien in
einem halbfesten Zustand geformt werden. Es existieren drei Beispiele
für diese
Vorgehensweise: Die ersten beiden betreffen Magnesiumlegierungen,
die leicht eine äquiaxiale
Mikrostruktur bilden, wobei Zr zugesetzt wird, um die Ausbildung
feinerer Kristalle herbeizuführen
[Verfahren (B)] oder ein kohlenstoffhaltiger Veredler zum selben
Zweck zugesetzt wird [Verfahren (C)]; die dritte Vorgehensweise
betrifft Aluminiumlegierungen, wobei eine Hauptlegierung entsprechend
einem Al-5%-Ti-1%-B-System mit Mengen im Bereich des 2- bis 10-fachen
der herkömmlichen
Menge als Veredler zugesetzt wird [Verfahren (D)]. Die durch diese
Verfahren hergestellte Rohmaterialien werden auf Temperaturbereiche
erwärmt,
die halbfeste Metalle erzeugen, und die sich ergebenden Primärkristalle
werden vor dem Gießen
kugelförmig
ausgebildet.
-
Es
ist auch bekannt, dass Legierungen innerhalb einer Löslichkeitsgrenze
ziemlich schnell bis auf eine Temperatur nahe der Soliduslinie erwärmt werden
und danach, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung durch
das Rohmaterial zu gewährleisten,
während
ein örtliches
Schmelzen vermieden wird, die Legierung langsam auf eine geeignete
Temperatur jenseits der Soliduslinie erwärmt wird, so dass das Material
ausreichend weich wird, um geformt zu werden [Verfahren (E)]. Es
ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem geschmolzenes Aluminium
bei ungefähr
700°C so
gegossen wird, dass es eine schräge
Kühlplatte
herunterfließt, um
teilweise geschmolzenes Aluminium zu bilden, das in einem Behälter gesammelt
wird [Verfahren (F)].
-
Diese
Verfahren, bei denen Barren geformt werden, nachdem sie auf Temperaturen
erwärmt
wurden, die halbfeste Metalle erzeugen, stehen in scharfem Gegensatz
zu einem Rheo-Gießprozess
(G), bei dem geschmolzene Metalle, die kugelförmige Primärkristalle enthalten, kontinuierlich
erzeugt werden und als solche geformt werden, ohne dass sie zu Barren
zur Erstarrung gebracht werden. Es ist auch bekannt, eine Aufschlämmung für ein Rheo-Gießverfahren
durch ein Verfahren zu erzeugen, bei dem ein Metall, bei dem es
sich um eine zumindest teilweise feste, teilweise Flüssigkeit
handelt, dadurch erhalten wird, dass ein geschmolzenes Material
mit einer Kühleinrichtung
in Kontakt gebracht wird und die geneigte Kühleinrichtung in einem Temperaturbereich
gehalten wird, der ein halbfestes Metall erzeugt [Verfahren (H)].
Ein Dokument aus Stand der Technik betreffend dieses Verfahren ist
JP 8-187547.
-
Ferner
ist eine Gießvorrichtung
(I) bekannt, die einen teilweise erstarrten Barren dadurch erzeugt, dass
ein Metall in einem Barrenkasten entweder von der Außenseite
eines Behälters
her oder durch Ultraschallschwingungen abgekühlt wird, die direkt auf das
Innere des Behälters
ausgeübt
werden, und der Barren dem Kasten entnommen wird und entweder als
solcher oder nach dem Wiedererwärmen
durch einen HF-Induktionsheizer geformt wird. Ein Dokument aus dem
Stand der Technik betreffend dieses Verfahren ist JP 8-243707.
-
Jedoch
zeigen die oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren ihre eigenen
Probleme. Das Verfahren (A) ist mühselig und die Herstellkosten
sind unabhän gig
davon, ob die Rühr-
oder Umkristallisiertechnik verwendet wird, hoch. Wenn das Verfahren
(B) bei Magnesiumlegierungen angewandt wird, ist es wirtschaftlich
nachteilig, da Zr ein teures Element ist, und was das Verfahren
(C) betrifft, muss, um zu gewährleisten, dass
kohlenstoffhaltige Veredler ihre Funktion im vollsten Ausmaß zeigen,
das Hinzufügen
von Be als Oxidationskontrollelement auf ein Niveau vom niedrigen
Wert von ungefähr
7 ppm verringert werden, jedoch neigt dann die Legierung zum Verbrennen
durch Oxidation während
der Wärmebehandlung
unmittelbar vor dem Formen, und dies ist bei Betriebsabläufen ungeschickt.
-
Bei
Aluminiumlegierungen beträgt
die Kristallkorngröße, die
durch das bloße
hinzufügen
von Veredlern erzielt werden kann, ungefähr 500 μm, und es ist nicht einfach,
Kristallkörner
feiner als 200 μm
zu erhalten. Um dieses Problem zu lösen, werden beim Verfahren
(D) erhöhte
Veredlermengen zugesetzt, jedoch ist dies industriell schwierig
zu realisieren, da die zugesetzten Veredler dazu neigen, sich am
Boden des Ofens abzusetzen; ferner ist das Verfahren teuer. Das
Verfahren (E) ist ein Thixo-Gießprozess,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Rohmaterial langsam erwärmt wird,
nachdem die Temperatur die Soliduslinie überschritten hat, so dass das
Rohmaterial gleichmäßig erwärmt und
zu Kugeln ausgebildet wird. Tatsächlich
wandelt sich jedoch eine normale dendritische Mikrostruktur beim
Erwärmen
nicht in eine thixotrope Struktur (in der die Primärdendriten
kugelförmig
gemacht sind). Gemäß dem Verfahren
(F) kann teilweise geschmolzenes Aluminium mit kugelförmigen Teilchen
in der Mikrostruktur auf herkömmliche
Weise erhalten werden, jedoch stehen keine Bedingungen zur Verfügung, die
für direkte
Formung sorgen. Darüber
hinaus, besteht bei den Thixo-Gießverfahren (A)–(F) ein
gemeinsames Problem dahingehend, dass sie teurer als die existierenden
Gießverfahren sind,
da, um einen Formungsvorgang im halbfesten Zustand auszuführen, die
Flüssigphase
als Erstes zum Erstarren gebracht werden muss, um einen Barren herzustellen,
der erneut auf einen Temperaturbereich erwärmt wird, der ein halbfestes
Metall erzeugt. Außerdem
sind die Barren als Ausgangsmaterial schwierig zu recyceln, und
der Flüssigkeitsanteil
kann wegen Handhabungsüberlegungen
nicht auf ein sehr hohes Maß erhöht werden.
-
Demgegenüber ist
das Verfahren (G), bei dem kontinuierlich geschmolzenes Material,
das kugelförmige
Primärkristalle
enthält,
kontinuierlich erzeugt und geliefert wird, aus dem Gesichtspunkt
der Kosten und der Energie vorteilhafter als die Thixogieß-Vorgehensweise,
jedoch andererseits benötigt
die Ma schine, die zu installieren ist, um ein aus einer Kugelstruktur
und einer Flüssigphase
bestehendes metallisches Material zu erzeugen, mühselige Prozeduren zum Gewährleisten
einer wirkungsvollen Funktionszuordnung zur Formungsmaschine zum
Liefern des Endprodukts. Genauer gesagt, treten, wenn die Formungsmaschine
ausfällt, Schwierigkeiten
beim Verarbeiten des halbfesten Metalls auf.
-
Das
Verfahren (H), das das gekühlte
Metall für
eine festgelegte Zeit in einem Temperaturbereich hält, der
ein halbfestes Metall erzeugt, zeigt das folgende Problem. Abweichend
von der Thixogieß-Vorgehensweise,
die durch eine Erstarrung zu Barren, ein Wiedererwärmen und
anschließende
Formung gekennzeichnet ist, beinhaltet das Verfahren (H) eine direkte
Formung des halbfesten Metalls, das durch Aufrechterhalten im spezifizierten
Temperaturbereich für
eine spezifizierte Zeit erhalten wurde, und um industrielle, kontinuierliche Betriebsabläufe zu erzielen,
ist es erforderlich, dass eine Legierung mit ausreichend guter Temperaturverteilung
zum Erzielen eines spezifizierten Flüssigkeitsanteils, der zur Formung
geeignet ist, innerhalb kurzer Zeit hergestellt wird. Jedoch kann
das gewünschte
halbfeste Metall für
ein Rheogießen,
das über
kugelförmige
Primärkristalle,
einen Flüssigkeitsanteil
und eine Temperaturverteilung verfügt, die zur Formung geeignet
sind, nicht dadurch erhalten werden, dass lediglich das abgekühlte Metall
für eine
spezifizierte Periode im spezifizierten Temperaturbereich gehalten
wird. Ein zu schnelles Abkühlen
beeinträchtigt
die Temperaturverteilung. Außerdem
verbleibt, wenn die Kühleinrichtung
mit der Schmelze in Kontakt gebracht wird, das erstarrte Metall entweder
an der Kühleinrichtung
oder innerhalb des Aufnahmebehälters,
was es unmöglich
macht, einen kontinuierlichen Betrieb auszuführen.
-
Beim
Verfahren (I) wird ein Kasten zum Abkühlen des Metalls in einem Behälter verwendet,
jedoch kühlen
die oberen und unteren Abschnitte des Metalls im Behälter schneller
als die im Zentrum ab, und es ist schwierig, einen teilweise erstarrten
Barren mit gleichmäßiger Temperaturverteilung
zu erzeugen, und ein unmittelbares Formen ergibt ein Erzeugnis mit
ungleichmäßiger Struktur.
Darüber
hinaus ist es, wenn das Erfordernis berücksichtigt wird, der Forderung
zu genügen,
dass die teilweise erstarrten Barren, wie sie dem Barrenkasten entnommen
werden, über
eine solche Temperatur verfügen,
dass der Anfangszustand der Barren aufrecht erhalten bleibt, schwierig,
dass der Flüssigkeitsanteil
des teilweise erstarrten Barrens 50% überschreitet, und das praktisch
erzielbare Maximum beträgt
nicht mehr als ungefähr
40%, was es erforderlich macht, beim Bestimmen des Einfüllens und
hinsichtlich anderer Bedingungen zum Formen durch Druckgießen spezielle Überlegungen
anzustellen. Wenn der Flüssigkeitsanteil
des Barrens unter 40% gefallen ist, kann er mit einem HF-Induktionsheizer
wiedererwärmt
werden, jedoch ist es immer noch schwierig, einen Flüssigkeitsanteil über 50%
zu erzielen, und hinsichtlich Einfüll- und anderen Formungsbedingungen
müssen
spezielle Überlegungen
angestellt werden. Außerdem
ist das Beseitigen jeglicher deutlicher Temperaturungleichheit, wie
sie innerhalb des teilweise erstarrten Barrens aufgetreten ist,
eine zeitaufwändige
Vorgehensweise, und es ist erforderlich, wenn auch nur für kurze
Zeit, dass der HF-Induktionsheizer eine hohe Leistung erzeugt, die derjenigen
vergleichbar ist, wie sie beim Thixogießen erforderlich ist. Zusätzlich ist
es erforderlich, mehrere Einheiten des HF-Induktionsheizers zu installieren,
um einen kontinuierlichen Betrieb mit kurzen Zyklen zu erzielen.
-
Ein
anderes Problem bei der industriellen Ausübung des Formens halbfeste
Metalle auf kontinuierliche Weise besteht darin, dass dann, wenn
in der Formungsmaschine Schwierigkeiten auftreten, das halbfeste
Metall gelegentlich für
eine Periode, die länger
als die vorgeschriebene Zeit ist, in einem spezifizierten Temperaturbereich
gehalten wird. Damit bei der metallografischen Struktur kein bestimmtes
Problem auftritt, ist es wünschenswert,
dass das halbfeste Metall auf einer spezifizierten Temperatur gehalten
wird; in der Praxis wird jedoch, insbesondere beim Thixo-Gießprozess,
bei dem das halbfeste Metall auf seiner gegenüber der Raumtemperatur der
Temperatur gehalten wird, die metallografische Struktur grob, und
die Barren verformen sich ziemlich (fortschreitende Zunahme des
Durchmessers nach unten hin). Außerdem werden derartige Barren, solange
nicht ihre Temperaturen individuell kontrolliert werden, im Allgemeinen
weggeworfen, und sie können nicht
als Thixo-Barren
verwendet werden.
-
Die
Erfindung wurde unter diesen Umständen im Stand der Technik geschaffen,
und es ist ihre Hauptaufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die
es nicht erforderlich macht, Barren oder irgendwelche mühselige Prozeduren
zu verwenden, sondern die gewährleistet,
dass halbfeste Metalle (einschließlich solcher mit höheren Werten
des Flüssigkeitsanteils
als sie beim herkömmlichen
Thixo-Gießprozess
erzielt werden), die für
eine anschließende
Formung aufgrund sowohl einer gleichmäßigen Struktur, die kugelförmig ausgebildete
Primärkristalle
enthält,
als auch einer gleichmäßigen Temperaturverteilung
auf zweckdienliche, einfache und kosteneffektive Weise hergestellt
werden können.
Au ßerdem
kann die Vorrichtung, wenn das Erfordernis entsteht, das halbfeste
Metall dadurch zu kontrollieren, dass es während längerer Maschinenstörungen oder
dann, wenn ein halbfestes Metall mit einem spezifizierten Flüssigkeitsanteil
schnell erzeugt wird, um Abläufe
mit hohem Schusszyklus zu ermöglichen,
auf einer spezifizierten Temperatur gehalten wird und die Einstellung
so erfolgt, dass die Temperatur vor dem Formen in einen spezifizierten
Temperaturbereich fällt,
ein für
Halbfestformung geeignetes halbfestes Metall dadurch erzeugen, dass
die Temperatur des Metalls gleichmäßig auf einem konstanten Wert
gehalten wird, was mit so großer
Geschwindigkeit erfolgt, dass das Leistungserfordernis für den HF-Induktionsheizer
nicht mehr als 50% desjenigen beträgt, was im Allgemeinen beim
Formen durch den Thixo-Gießprozess
aufgebracht wird.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Das
oben genannte Ziel der Erfindung kann durch die im Anspruch 1 genannte
Vorrichtung zum Herstellen eines halbfesten Formmetalls mit in der
Flüssigphase
dispergierten feinen Primärkristallen,
das auch über
eine gleichmäßige Temperaturverteilung
verfügt,
erreicht werden, wobei diese Vorrichtung Folgendes aufweist: einen
Schmelz-Gießabschnitt
mit einem Schmelzofen, der ein Metall schmilzt und aufnimmt, und
einer Gießvorrichtung,
die das geschmolzene Metall aus dem Schmelzofen entnimmt, es auf
eine spezifizierte Temperatur einstellt und es in einen Aufnahmebehälter gießt; einem
Keimbildungsabschnitt, der im geschmolzenen Metall Kristallkeime
erzeugt; und einen Kristallerzeugungsabschnitt, der das geschmolzene
Metall mit erzeugten Kristallkeimen im Behälter mit einer mittleren Rate
von 0,01 bis 3,0°C/s
auf eine gewünschte
Formungstemperatur abkühlt,
wodurch das geschmolzene Metall mit erzeugten Kristallkeimen in
ein teilweise festes, teilweise flüssiges Metall gewandelt wird,
das feine Primärkristalle
enthält,
die in der Flüssigphase
dispergiert sind, und das eine gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist.
-
Die
Vorrichtung kann für
einen anschließenden
Formungsvorgang über
einen Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt
verfügen,
der den Aufnahmebehälter
durch Umdrehen desselben mit der Oberseite nach unten umdreht, so
dass ein teilweise geschmolzenes Metall ausgegeben wird, und der
dann die Innenseiten des Aufnahmebehälters reinigt, und er kann
einen Behältertransportabschnitt
aufweisen, der mit einer automatischen Vorrichtung versehen ist,
die über
einen Roboter verfügt,
mit dem das teilweise geschmolzene Metall vom Keimbildungsabschnitt
in den Einfüllstutzen
einer Formungsmaschine transportiert wird.
-
Gemäß dem Anspruch
2 verfügt
der Schmelze-Gießabschnitt
der im Anspruch 1 genannten Vorrichtung über: (1) einen Hochtemperaturschmelze-Aufnahmeofen
und einen Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen, der mit einer Gießpfanne
versehen ist; oder (2) eine Gießpfanne,
die mit einer Veredler-Zuführeinheit
und einer Temperaturregelungs-Kühlaufnahme-Einsetzvorrichtung
sowie einem Hochtemperaturschmelze-Aufnahmeofen versehen ist; oder
(3) einen Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen, der mit einer Gießpfanne
und einem Aufnahmeofen für
eine an Veredler reiche Schmelze versehen ist, der ebenfalls mit
einer Gießpfanne
versehen ist; oder (4) eine Gießpfanne,
die mit einem Veredleraufschmelz-Hochfrequenzinduktionsheizer und
einem Niedertemperaturschmelze-Aufnahmebehälter versehen
ist; oder (5) einen Niedertemperaturschmelze-Aufnahmebehälter, der mit einer Gießpfanne
versehen ist; und wobei die Keimbildungseinrichtung der Aufnahmebehälter ist.
-
Gemäß dem Anspruch
1, bei dem es sich um eine Ausführungsform
zum Anspruch 2 handelt, verfügt die
Keimbildungseinrichtung über
Folgendes: entweder eine Aufnahmebehälter-Kipp- oder Umkehreinheit, durch
die der Neigungswinkel des Aufnahmebehälters (1) frei und automatisch
nach Bedarf während
des Gießens
der Schmelze sowie anschließend
entsprechend dem Volumen desselben variiert werden kann; oder eine
Aufnahmebehälter-Kühlbeschleunigungseinheit,
die den Aufnahmebehälter
(1) während
des Gießens
der Schmelze und anschließend
von außen
kühlen
kann; oder sowohl die Aufnahmebehälter-Kipp- oder Umkehreinheit
und die Aufnahmebehälter-Kühlbeschleunigungseinheit.
-
Gemäß dem Anspruch
4, der eine Ausführungsform
zum Anspruch 1 ist, ist die Schmelze-Gießeinrichtung ein mit einer
Gießpfanne
versehener Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen und die Keimbildungseinrichtung
verfügt über eine
Vibrationsaufnahme und den Aufnahmebehälter, wobei die Vibrationsaufnahme eine
Vertikalbewegung ausführen
kann und der Schmelze Vibrationen verleihen kann, wenn sie in den
Aufnahmebehälter
gegossen wird.
-
Gemäß dem Anspruch
5, der eine andere Ausführungsform
zum Anspruch 1 ist, ist die Schmelze-Gießeinrichtung ein mit einer
Gießpfanne
versehener Schmelze-Aufnahmeofen,
und die Keimbildungseinrichtung verfügt über eine Neigungs-Kühlaufnahme und den Aufnahmebehälter, wobei
die Kühlaufnahme
dergestalt ist, dass der Neigungswinkel während des Gießens der
Schmelze sowie danach entsprechend ihrem Volumen frei und automatisch
variiert werden kann.
-
Gemäß dem Anspruch
6, der noch eine andere Ausführungsform
zum Anspruch 1 ist, weist die Kristallerzeugungseinrichtung Folgendes
auf: einen vertikal verstellbaren Rahmen, an dem der Aufnahmebehälter angebracht
ist und der entweder mit einer Heizquelle zum Heizen des Bodenabschnitts
des Aufnahmebehälters
versehen ist oder aus einem isolierenden Material besteht, um die
Wärme des
Bodenabschnitts aufrecht zu erhalten; einen vertikal verstellbaren
Deckel, der entweder mit einer Heizquelle zum Erwärmen des
obersten Abschnitts des Aufnahmebehälters versehen ist oder aus
einem isolierenden Material zum Aufrechterhalten der Wärme des
obersten Abschnitts besteht, und der mit einem Temperatursensor
versehen ist, um die Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälter zu
messen; und eine Kühleinheit,
die außerhalb
des Aufnahmebehälters
vorhanden ist, um Luft mit einer speziellen Temperatur gegen die
Außenfläche des
Aufnahmebehälters
zu blasen.
-
Gemäß dem Anspruch
7, der eine Ausführungsform
zum Anspruch 6 ist, weist die Kristallerzeugungseinrichtung Folgendes
auf: einen Rahmen, der die Wärme
des Bodenabschnitts des Aufnahmebehälters aufrecht erhalten oder
ihn erwärmen
kann, und der vertikal verstellbar ist, um den Aufnahmebehälter festzuhalten oder
heraus zu heben und um seine Position innerhalb einer Heizwicklung
einer Induktionsvorrichtung einzustellen; einen vertikal verstellbaren
Deckel, der die Wärme
des obersten Abschnitts des Aufnahmebehälters aufrecht erhalten oder
ihn beheizen kann, und der mit einem Temperatursensor versehen ist,
um die Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälter zu messen; eine Induktionsvorrichtung,
die mit einer um den Aufnahmebehälter
herum vorhandenen Heizwicklung versehen ist, um die Temperatur der
Schmelze im Aufnahmebehälter
zu kontrollieren; und eine Kühleinheit,
die außerhalb
des Aufnahmebehälters
vorhanden ist, um Luft mit einer speziellen Temperatur gegen die
Außenfläche des
Aufnahmebehälters
zu blasen.
-
Gemäß dem Anspruch
8, der eine andere Ausführungsform
zum Anspruch 6 ist, weist die Kristallerzeugungseinrichtung Folgendes
auf: eine Induktionsvorrichtung, die mit einer um den Aufnahmebehälter herum
angebrachten Heizwicklung versehen ist, um die Temperatur des Metalls
im Aufnahmebehälter
zu kontrollieren; einen Rahmen, der die Wärme des Bodenabschnitts des
Aufnahmebehälters
aufrecht erhalten oder ihn erwärmen
kann und der nicht nur vertikal verstellbar sondern auch verdrehbar
ist, um den Aufnahmebehälter festzuhalten,
herauszuheben oder zu ersetzen, und um seine Position innerhalb
der Heizwicklung der Induktionsvorrichtung einzustellen; einen vertikal
verstellbaren Deckel, der die Wärme
des obersten Abschnitts des Aufnahmebehälters aufrecht erhalten oder
ihn beheizen kann, und der mit einem Temperatursensor versehen ist,
um die Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälter zu messen; und eine Kühleinheit,
die außerhalb
des Aufnahmebehälters
vorhanden ist, um Luft mit einer speziellen Temperatur gegen die
Außenfläche des
Aufnahmebehälters
zu blasen, und wobei die Kristallerzeugungseinrichtung über mehrere
Einheiten verfügt,
die sich um eine einzelne Achse drehen oder um sie verschwenken.
-
Gemäß dem Anspruch
9, der noch eine andere Ausführungsform
zum Anspruch 6 ist, weist die Kristallerzeugungseinrichtung Folgendes
auf: einen Rahmen, der die Wärme
des Bodenabschnitts des Aufnahmebehälters aufrecht erhalten oder
ihn erwärmen
kann; einen vertikal verstellbaren Deckel, der die Wärme des obersten
Abschnitts des Aufnahmebehälters
aufrecht erhalten oder ihn beheizen kann, und der mit einem Temperatursensor
versehen ist, um die Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälter zu
messen; eine Kühlzone mit
einer Kühleinheit,
die Luft oder Wasser einer spezifizierten Temperatur, nach Bedarf,
gegen die Außenseite des
Aufnahmebehälters
sprüht;
und eine Temperatureinstellzone mit einer Induktionsvorrichtung,
die mit einer um den Aufnahmebehälter
herum vorhandenen Heizwicklung versehen ist, um die Temperatur des
Metalls im Aufnahmebehälter
zu kontrollieren.
-
Gemäß dem Anspruch
10, der eine Ausführungsform
zum Anspruch 9 ist, weist die Kristallerzeugungseinrichtung ferner
Folgendes auf: eine automatische Transporteinheit, mit der der das
in der Kühlzone auf
eine spezifizierte Temperatur gekühlte Metall enthaltender Aufnahmebehälter mit
einer spezifizierten Geschwindigkeit zur Temperatureinstellzone
bewegt wird, die so ausgebildet ist, dass entweder die Heizwicklung der
Induktionsvorrichtung oder der Aufnahmebehälter so bewegt wird, dass die
Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälter innerhalb der Heizwicklung
kontrolliert wird.
-
Gemäß dem Anspruch
11, der eine andere Ausführungsform
zum Anspruch 9 ist, weist die Kristallerzeugungseinrichtung ferner
Folgendes auf: eine Transporteinheit mit einer automatischen Vorrichtung
mit einem Roboter, mit dem der das in der Kühlzone auf eine spezifizierte
Temperatur gekühlte
Metall enthal tende Aufnahmebehälter
zur Temperatureinstellzone transportiert wird, die so ausgebildet
ist, dass entweder die Heizwicklung der Induktionsvorrichtung oder
der Aufnahmebehälter
so bewegt wird, dass die Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälter innerhalb
der Heizwicklung kontrolliert wird.
-
Gemäß dem Anspruch
12, der noch eine andere Ausführungsform
zum Anspruch 1 ist, wird die Temperatur des Aufnahmebehälters eingestellt,
wenn er leer ist.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die 1 ist
eine Draufsicht, die das allgemeine Layout der Vorrichtung gemäß der Erfindung
zum Erzeugen eines halbfesten Formmetalls zeigt.
-
2 ist
eine Seitenansicht einer Reinigungseinheit im Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
3 ist
ein Vertikalschnitt, der vergrößert die
wesentlichen Komponenten der Reinigungseinheit zeigt.
-
4 ist
ein Vertikalschnitt des Aufnahmebehälter-Heizabschnitts der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
5a–5e veranschaulichen den Schritt des Erzeugens
von Keimen im Kristallerzeugungsabschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durch Niedertemperaturschmelze-Gießtechniken.
-
6 veranschaulicht
den Schritt des Erzeugens von Keimen im Kristallerzeugungsabschnitt
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durch eine Schwingungstechnik.
-
7 veranschaulicht
den Schritt des Erzeugens von Keimen im Kristallerzeugungsabschnitt
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durch Kontakt mit einer Kühlplatte.
-
8 ist
ein Vertikalschnitt des Kristallerzeugungsabschnitts der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
9 ist
ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen des Prozesses zum Erzeugen
eines halbfesten Formmetalls unter Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
-
10 ist
ein Zyklusdiagramm zum kontinuierlichen Halbfest-Formungsvorgang
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
11 ist
eine schematische Darstellung einer Mikrofotografie, die die metallografische
Struktur eines geformten Teils des durch die Erfindung hergestellten
Formmetalls zeigt.
-
12 ist
eine Draufsicht, die das allgemeine Layout einer Vorrichtung zum
Erzeugen eines halbfesten Formmetalls zeigt, die über einen
Kristallerzeugungseinrichtung und eine Aufnahmebehälter-Behandlungseinrichtung
mit Drehfähigkeiten
gemäß der Erfindung
zeigt.
-
13a ist eine Draufsicht, die Einzelheiten
der in der 12 dargestellten Kristallerzeugungseinrichtung
zeigt. 13b ist ein Vertikalschnitt
A-A der 13a.
-
4 ist
eine Seitenansicht der Dreh- und Transporteinheit und der Reinigungseinheit
in der Aufnahmebehälter-Behandlungseinrichtung
bei der Erfindung.
-
15 ist
eine Seitenansicht einer Kipp- oder Umkehrvorrichtung für den Aufnahmebehälter gemäß der Erfindung.
-
16 ist
eine Draufsicht, die das allgemeine Layout einer Vorrichtung zum
Herstellen eines halbfesten Formmetalls mit einer Kristallerzeugungseinrichtung
mit einer Kühlzone
und einer Temperatureinstellzone gemäß der Erfindung zeigt.
-
17a ist eine Draufsicht, die Einzelheiten
der in der 16 dargestellten Kristallerzeugungseinrichtung
zeigt.
-
17b ist ein Vertikalschnitt B-B der 17a.
-
18 ist
eine Draufsicht, die das allgemeine Layout einer Vorrichtung zum
Herstellen eines halbfesten Formmetalls mit einer stationären Kristallerzeugungseinrichtung
mit einer Kühlzone
und einer Temperatureinstellzone gemäß der Erfindung zeigt.
-
19a ist eine Draufsicht, die Einzelheiten
der in der 18 dargestellten Kristallerzeugungseinrichtung
zeigt.
-
19b ist ein Vertikalschnitt C-C der 19a.
-
Beste Art
zum Ausführen
der Erfindung
-
Bei
der Erfindung wird ein in einem Schmelzofen geschmolzenes Metall
durch eines der folgenden Verfahren behandelt, um in der Schmelze
Kristallkeime zu erzeugen: es wird direkt als Niedertemperaturschmelze,
die einen spezifizierten Veredler enthält und mit einer Überhitzung
von weniger als 50°C über der Liquidustemperatur
des Metalls gehalten wird, in einen Aufnahmebehälter gegossen; es wird als
Niedertemperaturschmelze, die mit einer Überhitzung von weniger als
50°C über der
Liquidustemperatur des Metalls gehalten wird, in den Aufnahmebehälter gegossen,
wobei auf die Schmelze im Aufnahmebehälter Schwingungen ausgeübt werden,
wenn sie in den Letzteren gegossen wird; oder die Schmelze wird
in den Aufnahmebehälter gegossen,
wenn sie mit einer Kühlplatte
in Kontakt gebracht wird, die unter variablen Winkeln geneigt werden kann.
Die Schmelze mit Kristallkeimen, die im Kristallerzeugungsabschnitt
in ihr erzeugt werden, wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei
der sich ein spezifizierter Flüssigkeitsanteil
einstellt, wobei die Oberseite oder die Unterseite des Aufnahmebehälters die
Wärme hält oder
mit einer zusätzlichen
HF-Induktionsheizer
erwärmt wird,
so dass ein halbfestes Formmetall mit einer gleichmäßigen Temperaturverteilung
und feinen, nicht-dendritischen (kugelförmigen) Primärkristallen
nicht später
als zu Beginn des Formungsvorgangs erzeugt wird; und dann wird der
Aufnahmebehälter
durch einen Roboter in den Einfüllstützen einer
Formungsmaschine wie einer Druckgussmaschine für einen anschließenden Formungsvorgang
transportiert.
-
Wie
es die 1 zeigt, verfügt
die allgemein mit 100 gekennzeichnete Vorrichtung gemäß der Erfindung
zum Erzeugen halbfester Formmetalle über den Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt 10,
den Aufnahmebehälter-Heizabschnitt 20,
den Kristallerzeugungsabschnitt 30, einen Schmelzgießabschnitt 40,
einen Keimbildungsabschnitt 50 und einen Behältertransportabschnitt 60.
Eine Formungsmaschine 200 ist ein Beispiel der Maschinen
zum Formen eines durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 erzeugten
halbfesten Metalls MB.
-
Wie
es ebenfalls in der 1 dargestellt ist, verfügt der Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt 10 über eine
Reinigungseinheit 12 und eine Sprüheinheit 14. Wie es
speziell in der 2 dargestellt ist, besteht die
Reinigungseinheit 12 aus einem vertikal verstellbaren Zylinder 12a,
einem am distalen Ende der Kolbenstange des Zylinders 12a montierten
Motor 12b und einer Bürste 12c,
die durch den Motor 12b in den Aufnahmebehälter 1 geschoben
wird und sich dreht, um Luft einzublasen. Nach dem Ende des Schmelzgießens transportiert
ein Roboter 62 im Behältertransportabschnitt 60,
der später
beschrieben wird, den Aufnahmebehälter 1 in einen Einfüllstutzen 202a;
der Behälter
wird auf einem Aufnahmetisch 13 mit der Oberseite nach unten
umplatziert, und ein unmittelbar über dem Aufnahmetisch 13 vorhandener
Aufnahmebehälteraufnehmer 13a wird
durch einen sich vertikal bewegenden Zylinder 13b allmählich so
abgesenkt, dass der Boden des Behälters 1 leicht nach
unten drückt,
bis er am Aufnahmetisch festgehalten wird.
-
Danach
wird die in den Behälter 1 hochgehende
Bürste 12c drehend
angetrieben, damit alle Innenseiten desselben, einschließlich des
Bodens und der Seitenfläche,
gereinigt werden, um die Restmetallabscheidungen an diesen Flächen zu
entfernen. Wie dargestellt, ist unten um den Aufnahmetisch 13 herum
eine Verschlussabdeckung 12d vorhanden, und die herabtropfende
Metallabscheidung wird durch eine Aufnahmewanne 12e gesammelt.
-
Nach
dem Reinigungsvorgang wird die Bürste 12c nach
unten zurückgezogen,
und der Aufnahmetisch 13 und der Behälteraufnehmer 13a,
mit dem dazwischen festgehaltenen Aufnahmebehälter 1, und der sich vertikal
bewegende Zylinder 13b führen gemeinsam mittels eines
in der 1 mit 15 gekennzeichneten Verstellzylinders
eine Querverschiebung von der Reinigungsposition zur Sprühposition
(der Position der in der 1 dargestellten Sprüheinheit 14)
aus. Wie es schematisch in der 3 dargestellt
ist, verfügt
die Sprüheinheit 14 über einen
vertikal verstellbaren Zylinder 14a, eine an das distale
Ende der Kolbenstange am Zylinder 14a angesetzte Leitung 14b sowie
eine Sprühdüse 14c am
distalen Ende der Leitung 14b. Durch die Düse 14c wird
eine wasserlösliche
Beschichtung, die eine unmetallische Substanz und Luft enthält, für eine spezifizierte Zeit
eingeblasen, damit die gesamte Innenfläche des Aufnahmebehäl ters 1,
einschließlich
des Bodens und der Seitenwand, mit der Beschichtung besprüht werden;
die aufgebrachte Beschichtung wird mit Luft getrocknet, um die Innenseite
des Aufnahmebehälters 1 sauberer
zu machen.
-
Die
Reinigungseinheit 12 und die Sprüheinheit 14 können bei
jedem Schuss betrieben werden, oder sie können mit regelmäßigen, aus
mehreren Schüssen
bestehenden Intervallen aktiviert werden. Aus der Aufnahmewanne 12e wird
mit regelmäßigen Zeitintervallen
jegliche unmagnetische Substanz rückgewonnen, die sich an der
Innenseite des Aufnahmebehälters
abgeschieden hat und die bei den Reinigungsvorgängen entfernt wurde. Der Sprühvorgang
dient zum Vermeiden eines direkten Kontakts zwischen der Innenseite
des Aufnahmebehälters 1 und
dem in ihn gegossenen geschmolzenen Metall, und er muss ausgeführt werden,
wenn er aus Metall besteht. Die aufzutragende Beschichtung wird
aus der Gruppe ausgewählt,
die aus Formtrennmitteln auf Graphitbasis, Formtrennmitteln auf
Nicht-Graphitbasis (die Talk, Glimmer usw. enthalten) und BN besteht.
-
Wie
es speziell in der 9 dargestellt ist, verfügt der Aufnahmebehälter-Heizabschnitt 20 über einen Zylinderrahmen 21,
einen vertikal verstellbaren Zylinder 22, der sich zur
Verwendung beim Erwärmen
des Aufnahmebehälters 1 durch
den Rahmen 21 nach oben und unten erstreckt, einen Halterahmen 23,
der durch den Zylinder 22 nach oben und unten bewegt werden
kann, einen am Halterahmen 23 zur Verwendung beim Erwärmen des
Aufnahmebehälters
befestigten Keramikrahmen 24 sowie einen Heizofen 25 zum
Erhitzen des auf dem Rahmen 24 platzierten Aufnahmebehälters 1.
-
Nach
dem Reinigen und Sprühen
durch die Reinigungseinheit 12 bzw. die Sprüheinheit 14 im
Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt 10 wird
der Aufnahmebehälter 1 durch
den Roboter 62 aufgenommen und auf dem Rahmen 24 neu
platziert, der dann durch den Zylinder 22 nach oben bewegt
wird. Wenn der Halterahmen 23 und der Rahmen 24 zu
den in der 4 dargestellten Positionen angehoben
sind, tritt der Aufnahmebehälter 1 in
den Heizofen 25 ein, der dann geschlossen wird. Der Heizofen 25 kann über einen
internen Heizer verfügen,
oder alternativ kann Heißluft
von außen
eingeblasen werden.
-
Nach
einer spezifizierten Zeit wird der Aufnahmebehälter 1 auf dem Rahmen 24,
der auf eine spezifizierte Temperatur (beispielsweise 200°C) erwärmt wurde,
durch ein Absenken des Zylinders 22 aus dem Ofen entnommen.
Der erwärmte
Aufnahmebehälter 1 wird
durch den Roboter 62 aufgenommen, und er wird zum Schmelzgießabschnitt 40 transferiert,
wo er mit einer Schmelze befüllt
wird und anschließend
zum Keimbildungsabschnitt 50 transferiert wird. Der "Aufnahmebehälter", wie bei der Erfindung
verwendet, ist ein metallischer oder nichtmetallischer Behälter (einschließlich eines
Keramikbehälters),
oder es ist ein metallischer Behälter
mit einer mit nichtmetallischen Materialien beschichteten Oberfläche, oder
ein metallischer Behälter,
der mit nichtmetallischen Materialien aufgebaut ist. Die Wanddicke
des Aufnahmebehälters 1 sollte
dergestalt sein, dass sich an seinen Innenseiten unmittelbar nach
dem Gießen
der Schmelze keine erstarrte Schicht bildet, oder dass selbst dann,
wenn sich eine erstarrte Schicht bildet, dieselbe beim Erwärmen durch
einen Induktionsheizer 31, der später beschrieben wird, leicht
wieder aufgeschmolzen wird.
-
Sowohl
der Schmelzgießabschnitt 40 als
auch der Keimbildungsabschnitt 50 sind abhängig vom
Verfahren zum Erzeugen von Kristallkeimen verschieden aufgebaut.
Die 5a–5d sind
Seitenansichten des Schmelzgießabschnitts 40 und
des Keimbildungsabschnitts 50 für den Fall, dass die Keimbildung
dadurch erfolgt, dass eine Niedertemperaturschmelze in Anwesenheit
eines Veredlers gegossen wird.
-
Die 5a zeigt den Fall, dass der Schmelzgießabschnitt 40 aus
einem Hochtemperaturschmelze-Aufnahmeofen 41 und einem
Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42, der mit einer
Gießpfanne 42a versehen
ist, besteht. Der Hochtemperaturschmelze-Aufnahmeofen 41 enthält ein geschmolzenes
Metall M1 auf hoher Temperatur, in dem ein
hoch-schmelzender Veredler (Al-Ti-B-Legierung) N gelöst ist,
und er wird auf 650°C
oder höher,
vorzugsweise auf 680°C
oder höher,
gehalten. Das geschmolzene Metall M1 wird
vom Hochtemperaturschmelze-Aufnahmeofen 41 in den Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42 gegossen, wo
sie bei einer niedrigeren Temperatur so aufgenommen wird, dass sie
mit nicht mehr als 50°C über der
Liquidustemperatur des Metalls überhitzt
ist. Die sich ergebende Niedertemperaturschmelze M2 wird
durch die Pfanne 42a in den Aufnahmebehälter 1 (d.h. den Keimbildungsabschnitt 50)
gegossen, woraufhin sich Kristallkeime in der Schmelze bilden. Wenn
Ti der einzige Veredler in der Schmelze ist, wird diese mit einer Überhitzung
von nicht mehr als 30°C über der
Liquidustemperatur des Metalls gehalten. Im Fall einer Magnesiumlegierung,
die sowohl Sr als auch Si oder alleine Ca enthält, sollte das Ausmaß der Überhitzung
nicht mehr als 25°C
betragen. Wenn diese Obergrenze überschritten
wird, bilden sich keine feinen, kugelförmigen Primärkristalle.
-
Die 5b zeigt den Fall, bei dem der Schmelzgießabschnitt 40 aus
einer Gießpfanne 42a besteht, die
mit einer Veredlerzuführeinheit 43 und
einer Temperaturregelungs-Kühlaufnahme-Einsetzvorrichtung 51 versehen
ist, und einem Hochtemperaturschmelze-Aufnahmeofen 41.
Ein geschmolzenes Metall M3 auf hoher Temperatur,
in dem ein Veredlern (der Ti enthält) gelöst ist, und die bei 650°C oder höher, vorzugsweise
680°C oder
höher,
im Hochtemperaturschmelze-Aufnahmeofen 41 aufgenommen wurde,
wird durch die Pfanne 42a angehoben und mit einem zusätzlichen
Veredler (Al-Ti-B-Legierung) N von der Veredlerzuführeinheit 43 versorgt.
Danach wird die Kühlaufnahme 51a an
der Vorrichtung 51 in die Schmelze in der Pfanne 42a eingetaucht,
so dass sie auf eine solche Temperatur abkühlt, dass sie mit nicht mehr
als 50°C über der
Liquidustemperatur des Metalls überhitzt
ist. Dies ergibt ein geschmolzenes Metall auf niedriger Temperatur.
Um die Ausbildung einer erstarrten Schicht zu verhindern, muss die
Schmelze in Schwingungen versetzt werden, wenn die Kühlaufnahme 51a eingetaucht
wird. Wenn jedoch die Temperatur des geschmolzenen Metalls im Aufnahmebehälter 1 dergestalt
ist, dass eine Überhitzung
von mindestens 10°C über der
Liquidustemperatur des Metalls vorliegt, kann nicht erwartet werden,
dass durch Schwingungen Keime erzeugt werden. Daher wird die auf
niederer Temperatur befindliche Schmelze M2 in
der Pfanne 42a in den Aufnahmebehälter 1 (d.h. den Keimbildungsabschnitt 50)
gegossen, woraufhin Kristallkeime gebildet werden.
-
Die 5 zeigt
den Fall, bei dem der Schmelzgießabschnitt 50 aus
einem mit einer Gießpfanne 42a versehenen
Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42 und einem anderen
Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42 besteht, der ebenfalls
mit einer Gießpfanne 42a versehen
ist und eine Schmelze aufnehmen kann, die reich an einer Al-Ti-B-Legierung
als Veredler ist. Eine Ti-haltige Niedertemperaturschmelze M5, die durch die Pfanne 42a aus
dem Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42 herausgehoben
wird, wird mit einer Niedertemperaturschmelze M4 mit
hohen Gehalten an Ti und B, die durch die Pfanne 42a aus
dem anderen Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42 herausgehoben
wird, gemischt und verdünnt.
Die Niedertemperaturschmelze M2 in der Pfanne 42a wird
in den Aufnahmebehälter 1 (d.h.
dem Keimbildungsabschnitt 50) gegossen, woraufhin Kristallkeime
gebildet werden.
-
Die 5d zeigt den Fall, bei dem der Schmelzgießabschnitt 40 aus
einer Gießpfanne 42a besteht, die
mit einem den Veredler schmelzenden HF-Induktionsheizer 44 und einem
Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42 verse hen ist.
Mittels der Pfanne 42a wird ein Ti-haltiges, geschmolzenes
Metall M5 auf niedriger Temperatur aus dem
Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42 herausgehoben,
und in es wird ein Veredler (Al-Ti-B-Legierung) N gefüllt, nachdem
er durch eine HF-Induktionsspule 44a aufgeschmolzen wurde.
Die Niedertemperaturschmelze M2 in der Pfanne 42a wird
in den Aufnahmebehälter 1 (d.h.
den Keimbildungsabschnitt 50) gegossen, woraufhin Kristallkeime
gebildet werden.
-
Die 5e zeigt den Fall, bei dem der Schmelzgießabschnitt 40 aus
einer Gießpfanne 42a und
einem Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42 besteht.
Ein geschmolzenes Metall M6 auf niedriger
Temperatur nahe dem Schmelzpunkt in der Aufnahmepfanne 42a wird
in den Aufnahmebehälter 1 (d.h.
den Keimbildungsabschnitt 50) gegossen, woraufhin Kristallkeime
gebildet werden. Wenn Ti der einzige Veredler in der Schmelze ist,
wird diese auf nicht mehr als 30°C über der
Liquidustemperatur des Metalls überhitzt
gehalten.
-
Die 6 ist
eine Seitenansicht des Schmelzgießabschnitts 40 und
des Keimbildungsabschnitts 50 für den Fall der Erzeugung von
Keimen durch Ausüben
von Schwingungen. Der Schmelzgießabschnitt 40 besteht
aus dem mit der Gießpfanne 42a versehenen
Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42, einer eintauchbaren
Schwingungsaufnahme 52, die durch einen Vertikalverstellzylinder 52a nach
oben und unten bewegt werden kann, und einer Aufnahme 53,
um den Aufnahmebehälter 1 in
Schwingungen zu versetzen. Um im Ti-haltigen, geschmolzenen Metall
M5 auf niedriger Temperatur, das aus der
Pfanne 42a in den Aufnahmebehälter 1 gegossen wird,
Kristallkeime zu erzeugen, werden Schwingungen durch die folgenden
zwei Verfahren ausgeübt:
Eintauchen der Schwingungsaufnahme 52 in die Oberfläche der
Schmelze M5 und Platzieren der Schwingungsaufnahme 53 in
Kontakt mit der Außenseite
des Aufnahmebehälters 1.
Es sei darauf hingewiesen, dass Kristallkeime selbst dann erzeugt
werden können,
wenn in der in den Aufnahmebehälter 1 gegossenen
Schmelze keine Veredler enthalten sind. Um zu gewährleisten,
dass um die eingetauchte Schwingungsaufnahme 52 herum keine
ungleichmäßige Temperaturverteilung
vorliegt, sollte sie, sobald der Gießschritt beendet ist, von der
Oberfläche
der Schmelze getrennt werden. Der Begriff "Schwingung", wie er hier verwendet wird, ist in
keiner Weise hinsichtlich des Typs der verwendeten Schwingungseinrichtung
und der Schwingungsbedingungen (Frequenz und Amplitude) eingeschränkt, und
es können
beliebige kommerzielle pneumatische und elektrische Schwingungseinrichtungen
verwendet werden. Hinsichtlich der anwendbaren Schwingungsbedingungen
liegt die Frequenz typischerweise zwischen 10 Hz und 50 Hz, vorzugsweise
50 Hz und 1 kHz, und die Amplitude liegt im Bereich von 1 mm bis
0,1 μm,
vorzugsweise von 500 μm
bis 10 μm
pro Seite.
-
Die 7 ist
eine Seitenansicht des Schmelzgießabschnitts 40 und
des Keimbildungsabschnitts 50 für den Fall der Erzeugung von
Keimen durch Kontakt mit einer Kühlplatte.
Der Schmelzgießabschnitt 40 besteht
aus einer Schmelzeaufnahmeofen-Anordnung 40a (mit einem
Hochtemperaturschmelze-Aufnahmeofen 41 und einem Niedertemperaturschmelze-Aufnahmeofen 42),
die mit einer Gießpfanne 42a versehen
ist. Die Temperatur der Schmelze in der Schmelzeaufnahmeofen-Anordnung 40a ist
auf keinen speziellen Wert eingeschränkt; wenn jedoch ihre Temperatur übermäßig hoch
ist, wird sie auf mindestens 10°C über der
Liquidustemperatur des Metalls überhitzt,
nachdem sie über
die schräge
Kühlaufnahme 70 gelaufen
ist, und es werden keine Keimbildungsabschnitte erzeugt. Daher wird
die Schmelze in der Aufnahmeofenanordnung 40a vorzugsweise
auf nicht mehr als 50°C über der
Liquidustemperatur des Metalls überhitzt.
Der Keimbildungsabschnitt 50 besteht aus der schrägen Kühlaufnahme 70 und
dem Aufnahmebehälter 1.
Die Kühlaufnahme 70 verfügt über einen
Wasserbehälter 71,
der während
und nach dem Gießen
der Schmelze entsprechend dem Neigungswinkel der Aufnahme 70 und
dem Gießvolumen
der Schmelze frei und automatisch einstellbar ist. Wenn sich das
Volumen des geschmolzenen Metalls, das von der Pfanne 42a in
den Aufnahmebehälter 1 gegossen
wird, während
für Kontakt
mit der schrägen
Kühlaufnahme 70 gesorgt
wird, der Obergrenze annähert, wird
der Neigungswinkel der Aufnahme 70 durch einen vertikal
verstellbaren Zylinder 72 verringert. Nach dem Ende des
Gießens
des Metalls wird die Kühlaufnahme 70 in
der entgegengesetzten Richtung geneigt, damit die Metallablagerung
auf ihrer Oberfläche
in einen Metallabscheidungs-Rückgewinnungsbehälter 73 tropft.
-
Bei
den oben beschriebenen Fällen
ist im Schmelzgießabschnitt 40 die
Gießpfanne 42 verwendet,
jedoch kann diese durch eine Gießpumpe ersetzt werden.
-
Die 8 zeigt
Einzelheiten des Kristallerzeugungsabschnitts 30. Wie dargestellt,
verfügt
dieser über einen
Induktionsheizer 31, der mit einer Heizspule 31a versehen
ist, die um den Aufnahmebehälter 31 herum vorhanden
ist, um die Temperatur der Schmelze in diesem zu kontrollieren,
einen vertikal verstellbaren Zylinder 32, einen Halterahmen 33,
der durch den Zylinder 32 nach oben und unten bewegt werden
kann, um den Aufnahmebehälter 1 zu
halten oder ihn herauszuheben und um seine Position innerhalb der
Heizspule 31a einzustellen, einen auf dem Halterahmen 33 platzierten
Keramikrahmen 34, einen Ke ramikdeckel 35, der
die Wärme
an der Oberseite des Aufnahmebehälters 1 aufrecht
erhalten oder ihn erhitzen kann, und der mit einem Thermoelement 36 zum
Messen der Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälter 1 versehen ist,
eine Kühleinheit 37,
die außerhalb
der Heizspule 31a vorhanden ist, um Luft einer speziellen
Temperatur gegen die Außenseite
des Aufnahmebehälters
zu blasen, und eine Schutzabdeckung 38 um den Induktionsheizer 31,
den Rahmen 34, den Deckel 35 und die Kühleinheit 37 herum.
-
Der
Induktionsheizer 31 wirkt gut, um für eine gleichmäßige Temperaturverteilung
zu sorgen und eine konstante Temperatur zu gewährleisten, nachdem die Temperatur
des Metalls im Aufnahmebehälter
schnell abgesenkt wurde, oder wenn an der Formungsmaschine 200 Schwierigkeiten
auftreten. Wenn es erforderlich ist, das Metall schneller als dann
abzukühlen,
wen es mit Luft abgekühlt
wird, kann die Kühleinheit,
die Luft einbläst,
durch eine Vorrichtung ersetzt werden, die den Aufnahmebehälter 1 mit
Wasser besprüht,
bevor er an die Position abgesenkt wird, an der der Induktionsheizer 31 vorhanden
ist.
-
Nachdem
der Aufnahmebehälter 1 mit
dem geschmolzenen Metall MA befüllt wurde,
in das im Keimbildungsabschnitt 50 Kristallkeime eingebracht
wurden, wird er durch den Roboter 62 aufgenommen und auf dem
Keramikrahmen 34 neu platziert, der dann durch den Zylinder 32 aufwärts bewegt
wird, bis er an einer speziellen Position im Induktionsheizer 31 stoppt.
Danach wird der Keramikdeckel 35 auf der Oberseite des Aufnahmebehälters platziert
und an der Position fixiert. Anschließend wird Luft von der Kühleinheit 37 für eine spezifizierte
Zeitperiode mit einem spezifizierten Timing, die beide durch die
speziellen Erfordernisse bestimmt sind, so gegen die Außenseite
des Aufnahmebehälters 1 geblasen,
dass das geschmolzene Metall MA innerhalb
desselben mit einer mittleren Rate von 0,01°C/s–3,0°C/s von der Temperatur unmittelbar
nach dem Gießen
des Metalls bis unmittelbar vor dem Start des Formungsschritts abgekühlt wird,
um dadurch innerhalb der Legierungslösung feine Primärkristalle
zu erzeugen; gleichzeitig erfolgt durch den Induktionsheizer 31 eine Temperatureinstellung
in solcher Weise, dass die Temperaturen der verschiedenen Teile
des halbfesten Metalls MB im Aufnahmebehälter 1 in
den gewünschten
Formungs-Temperaturbereich fallen, um einen speziellen Flüssigkeitsanteil
nicht später
als zu Beginn des Formungsschritts auszubilden. Um eine Temperaturkontrolle des
halbfesten Metalls MB zu ermöglichen,
ist der Keramikrahmen 34 so konzipiert, dass er automatisch
auf eine gewünschte
Höhe innerhalb
der Heizspule 31a feineingestellt werden kann. Wenn es
unkritisch ist, dass das halb feste Metall MB vor
dem Formen auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, kann der
Fall vorliegen, dass der Induktionsheizer 31 nicht betrieben
werden muss.
-
Wenn
das halbfeste Metall MB im Aufnahmebehälter 1 am
Keramikrahmen 34 für
eine spezifizierte Zeit auf einem spezifizierten Flüssigkeitsanteil
gehalten wurde, wird der Zylinder 32 abgesenkt, so dass
der Aufnahmebehälter 1 dem
Induktionsheizer 31 entnommen wird, und er wird durch den
Transportroboter 62 aufgenommen und direkt in den Einfüllstutzen 200a,
der von einem Vertikaltyp (oder einem Horizontaltyp 200b)
ist, in der Formungsmaschine 200 eingesetzt.
-
Der
Begriff "spezifizierter
Flüssigkeitsanteil" bedeutet einen Relativanteil
der Flüssigphase,
der zum Druckformen geeignet ist. Bei Hochdruck-Gießvorgängen, wie
Pressguss und Druckguss beträgt
der Flüssigkeitsanteil
weniger als 75%, wobei er vorzugsweise im Bereich von 40%–65% liegt.
Wenn der Flüssigkeitsanteil
kleiner als 40% ist, ist es nicht nur schwierig, die Legierung aus
dem Aufnahmebehälter 1 rückzugewinnen, sondern
es ist auch die Formbarkeit des Rohmaterials schlecht. Wenn der
Flüssigkeitsanteil
75% überschreitet,
ist das Rohmaterial so weich, dass es nicht nur schwierig handhabbar
ist sondern es auch weniger wahrscheinlich ist, dass eine homogene
Mikrostruktur erzeugt wird, da das geschmolzene Metall die umgebende Luft
einschließt,
wenn es zum Einspeisen in ein Formwerkzeug an einer Druckgussmaschine
in den Stutzen eingesetzt wird, oder das sich in der metallografischen
Struktur des Gießstücks Segregation
entwickelt. Aus diesen Gründen
sollte der Flüssigkeitsanteil
für Hochdruck-Gießvorgänge nicht
mehr als 75%, bevorzugter nicht mehr als 65% betragen. Jedoch ist
es im Fall von Legierungen mit geringen Formungs- und Fließeigenschaften
oder zum Erhalten von Erzeugnissen, die schwierig zu formen sind,
manchmal wünschenswert,
den Formungsvorgang mit einem Flüssigkeitsanteil
von über
75% auszuführen.
In diesem Fall kann ein halbfestes Metall mit einem Flüssigkeitsanteil über 75° aus dem
Aufnahmebehälter
in den Stutzen gegossen werden.
-
Bei
Extrusions- und Schmiedevorgängen
liegt der Flüssigkeitsanteil
im Bereich von 1,0% bis 70%, vorzugsweise von 10% bis 65%. Jenseits
von 70% kann möglicherweise
eine ungleichmäßige Struktur
auftreten. Daher sollte der Flüssigkeitsanteil
nicht höher
als 70%, vorzugsweise 65% oder weniger betragen. Unter 1,0% ist
der Widerstand gegen Verformung übermäßig hoch;
daher sollte der Flüssigkeitsanteil
mindestens 1,0% betragen. Wenn Extrusions- oder Schmiedevorgänge bei
einer Legierung mit einem Flüssigkeitsanteil
von weniger als 40% auszuführen
sind, wird die Legierung als erstes auf einen Flüssigkeitsanteil von 40% oder
mehr eingestellt, bevor sie dem Aufnahmebehälter entnommen wird, und danach
wird der Flüssigkeitsanteil
auf weniger als 40% abgesenkt.
-
Der
Roboter 62 im Behältertransportabschnitt 60 ist
bekanntlicherweise ein Roboter mit mehreren Gelenken, der dreidimensionale
Bewegungen ausführen
kann. Der Roboter kann durch einen programmierbaren PC oder eine
Ablaufsteuerung einer programmierbaren Steuerungseinrichtung automatisiert
werden.
-
Gemäß der Erfindung
läuft das
Formen eines halbfesten Metalls mit der folgenden speziellen Prozeduren.
In einem Schritt (1) des in der 9 dargestellten
Prozesses wird eine vollständige
Flüssigkeitsform des
Metalls M in der Pfanne 42a aufgenommen. Im Schritt (2)
wird das Metall M in den Aufnahmebehälter 1 (der ein mit
Keramik beschichteter Metallbehälter
sein kann) gegossen, während
Kontakt mit der schrägen Kühlaufnahme 70 besteht
[siehe den Schritt (I-a)], oder während die Schmelze auf weniger
als 50°C,
vorzugsweise weniger als 30°C über der
Liquidustemperatur des Metalls überhitzt
gehalten wird [siehe den Schritt (I-b)], oder während die Schwingungseinrichtung 52 (speziell
die Schwingungsstange 52a) in die Schmelze eingetaucht
ist, um dieser Schwingungen zu vermitteln, wenn sie fortschreitend
in den Aufnahmebehälter 1 gegossen
wird [siehe den Schritt (I-c)]. Im Ergebnis wird eine Legierung
enthalten, die Kristallkeime (oder feine Kristalle) enthält, wobei
sie sich unmittelbar über
oder unter der Liquidustemperatur des Metalls befindet.
-
Im
folgenden Schritt (3) wird die Legierung mit einer mittleren
Rate von 0,01°C/s–3,0°C/s abgekühlt und
dabei bis unmittelbar vor dem Beginn des Formungsvorgangs unter
Druck im Aufnahmebehälter 1 gehalten,
damit in der Legierungslösung
feine Primärkristalle
gebildet werden; gleichzeitig erfolgt durch den Induktionsheizer 31 eine
Temperatureinstellung in solcher Weise, dass die Temperaturen verschiedene
Teile der Legierung im Behälter 1 in
den gewünschten
Formungstemperaturbereich (±5°C der gewünschten
Formungstemperatur) fallen, um einen speziellen Flüssigkeitsanteil
nicht später
als zu Beginn des Formungsschritts auszubilden. In diesem Fall wird
eine spezielle Stromstärke
angewandt, bevor die repräsentative
Temperatur des Metalls, das im Aufnahmebehälter 1 langsam von
der Temperatur unmittelbar nach dem Beginn des Gießens der
Schmelze langsam abkühlt,
auf mindestens 10°C
unter der gewünschten
For mungstemperatur gefallen ist, weswegen der Induktionsheizer 31 eine
vergleichsweise kleine Ausgangsleistung erzeugen muss. Um die Legierung
zu kühlen,
wird Luft von der Außenseite
des Aufnahmebehälters 1 gegen
diesen geblasen. Falls erforderlich, können sowohl der obere als auch
der untere Teil des Aufnahmebehälters 1 durch
einen Wärmeisolator
eine Wärmeaufrechterhaltung
erfahren, oder sie können
erwärmt
werden, damit die Legierung teilweise geschmolzen bleibt, um feine,
kugelförmige
(nicht-dendritische) Primärkristalle
aus den induzierten Kristallkeimen zu bilden [siehe die Schritte
(3-a) und (3-b)].
-
Das
so mit einem speziellen Flüssigkeitsanteil
erhaltene Metall MB wird aus dem umgekehrten
Aufnahmebehälter 1 [siehe
den Schritt (3-c)] in den Einfüllstutzen 200a der
Formungsmaschine (beispielsweise Druckgussmaschine) 200 eingebracht
und danach unter Druck innerhalb des Formungshohlraums 208 in
der Formungsmaschine mit Druck ein geformtes Teil herzustellen.
-
Um
zu gewährleisten,
dass das aus dem umgekehrten Behälter
ausgegebene halbfeste Metall MB nicht durch
Oxide verunreinigt wird, ist es erforderlich, dass der Oberflächenteil
des Metalls, der sich an der Oberseite des Behälters 1 befand, einer
Plungerspitze 210 zugewandt ist.
-
Die
10 ist
ein Zyklusdiagramm für
den kontinuierlichen Halbfest-Formungsvorgang.
Um die Erläuterung
zu erleichtern, nimmt das Diagramm die Verwendung einer kleinen
Anzahl von Induktionsheizern an, die für jeweils 60 Sekunden betrieben
werden. Das allgemeine Layout der Herstellvorrichtung
100 ist
in der
1 dargestellt. Die speziellen Betriebsbedingungen
waren die Folgenden.
| (1)
Induktionsheizer | :
Drei Einheiten |
| (8
kHz, 10 kW) | |
| (2)
Aufnahmebehälter | :
Eine Einheit |
| Heizofen | |
| (nimmt
fünf Behälter auf) | |
| (3)
Formungszyklus | :
Sechzig Sekunden |
| (4)
Bedingungen zum Gießen
der Schmel | :
Veredler (enthält
0,15% Ti und |
| ze
und zur Keimbildung | 0,002%
B); die in den Aufnahmebe |
| | hälter gegossene
Schmelze befindet |
| | sich
auf 635°C;
siehe die Fig. 5a |
| (5)
Zeit, während
der das Metall bei | :
150 Sekunden |
| Luftkühlung und
HF- | |
| Induktionsheizung
teilweise ge | |
| schmolzen
gehalten wird | |
| (6)
Legierung | :
AC4CH (m. p. 615°C) |
-
Der
Zeitverlauf in jedem Schritt des Halbfest-Formungsprozesses ist
in der 10 für jeden der acht Aufnahmebehälter dargestellt.
Offensichtlicherweise wird der Gießvorgang mit Intervallen von
60 Sek. ausgeführt.
Die 10 zeigt auch die Position des Aufnahmebehälters vor
und nach dem Gießvorgang
sowie die zu diesen Zeitpunkten ausgeführten Vorgänge. Das durch diesen Prozess
hergestellte halbfeste Formmetall wurde unter Druck geformt, und
in der 11 ist eine schematische Darstellung
einer Mikrofotografie angegeben, die die metallografische Struktur
des geformten Teils zeigt, woraus es erkennbar ist, dass das gemäß der Erfindung
geformte Teil über
eine feine Struktur verfügt,
die in keiner Weise derjenigen beim besten bisher bekannten halbfest
geformten Erzeugnis unterlegen ist.
-
Die
offensichtlichen Unterschiede, die der erfindungsgemäße Prozess
gegenüber
den herkömmlichen Thixo-
und Rheo-Gießverfahren
zeigt, sind aus der 9 ersichtlich. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
werden die dendritischen Primärkristalle,
die sich innerhalb des Temperaturbereichs ausgehend vom halbfesten Zustand
gebildet haben, nicht durch mechanisches oder elektromagnetisches
Rühren
wie beim Stand der Technik zu kugelförmigen Körnern zermahlen, sondern die
große
Anzahl von Primärkristallen,
die aus den induzierten Kristallkeimen bei fallender Temperatur
im Bereich für
den halbfesten Zustand erzeugt wurden und wuchsen, werden durch
die Wärme
der Legierung selbst (die wahlweise mit äußerer Wärme versorgt werden kann und
auf einer gewünschten
Temperatur gehalten werden kann) dauernd kugelförmig gemacht. Außerdem ist
das Formungsverfahren gemäß der Erfindung
für ein
halbfestes Metall durch die Erzeugung einer gleichmäßigen Mikrostruktur
und einer gleichmäßigen Temperaturverteilung
durch HF-Induktionsheizung bei niedrigerer Ausgangsleistung gekennzeichnet,
und es handelt sich um einen sehr zweckdienlichen und wirtschaftlichen
Prozess, da er keinen Schritt des teilweisen Aufschmelzens von Barren
durch Wiedererwärmen
beim Thixo-Gießprozess
beinhaltet.
-
Die 12 ist
eine Draufsicht, die das allgemeine Layout mit 101 gekennzeichneten
Vorrichtung zum Erzeugen eines halbfesten Formmetalls zeigt, die über einen
Kristallerzeugungsabschnitt 30 und einen Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt 10 mit
Dreheigenschaften verfügt.
Die Vorrichtung 101 verfügt über den Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt 10,
den Kristallerzeugungsabschnitt 30, einen Schmelzgießabschnitt 40,
einen Keimbildungsabschnitt 50 und einen Behältertransportabschnitt 60.
Eine in der 12 mit 200 gekennzeichnete
Formungsvorrichtung ist ein Beispiel der Maschine zum Formen eines
halbfesten Metalls MB, das mit der Vorrichtung 101 gemäß der Erfindung
hergestellt wurde.
-
Der
Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt 10 verfügt über eine
Aufnahmebehälter-Kühleinheit 11, eine
Luftblaseinheit 16, eine Reinigungseinheit 12,
eine Sprüheinheit 19 und
eine Dreh- und Transporteinheit 17 für den Aufnahmebehälter. Die
Dreh- und Transporteinheit 17 für den Aufnahmebehälter sowie
die Reinigungseinheit 12 im Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt 10 sind
speziell in der 14 dargestellt. Die Dreh- und
Transporteinheit 17 für
den Aufnahmebehälter
besteht aus Rotationsstellgliedern 17a und 17b und einem
Vertikalverstellzylinder 17c. Nach dem Einsetzen des halbfesten
Metalls MB in den Einfüllstutzen 200a werden
durch eine Vorrichtung, die, wie es in der 3 dargestellt
ist, über
einen Zylinder und eine motorbetriebene, sich vertikal bewegende
und drehende Düse
verfügt,
Wasser und Luft aufeinanderfolgend in den Aufnahmebehälter 1 gestrahlt;
der so abgekühlte
und mit Luft angeblasene Aufnahmebehälter 1 wird durch
die Einheit 17 transportiert und abgesenkt, um auf dem
Aufnahmetisch 13 zu ruhen und in seiner Position befestigt zu
werden. Danach wird, wie es in der 2 dargestellt
ist, die Bürste 12c gedreht,
um die Innenseite des Aufnahmebehälters zu reinigen. Nach dem
Absenken der Bürste 12c wird
die Einheit 17, während
sie weiterhin den Aufnahmebehälter 1 hält, angehoben
und zur Position der Sprüheinheit 14 bewegt.
Danach wird, wie es in der 3 dargestellt
ist, eine wasserlösliche
Beschichtung, die eine nichtmetallische Substanz enthält, von der
Sprüheinheit 14 eingestrahlt,
so dass die Innenseite des Aufnahmebehälters 1 mit der Beschichtung
besprüht
wird, und die aufgebrachte Beschichtung wird mit Luft getrocknet.
-
Nachdem
die Sprüheinheit
abgesenkt wurde, wird der Aufnahmebehälter 1 zur Position
einer Kipp- oder Umkehrvorrichtung 18 für den Aufnahmebehälter bewegt,
wo er mit der Oberseite nach unten verdreht wird und neu in einem
Aufnahmebehälterhalter
platziert wird, der in der 15 durch 18a gekennzeichnet
ist. Die Kipp- oder Umkehrvorrichtung 18 für den Aufnahmebehälter verfügt über ei ne
LM-Führung 18b,
eine Verbindungsstange 18c und eine flexible Verbindung 18d.
Der Aufnahmebehälterhalter 18a kann
durch die Vorrichtung 18 entsprechend dem Ausgießen der
Schmelze aus der Gießpfanne 42a gekippt
werden. Das geschmolzene Metall M6, das
Ti als einzigen Veredler enthält
und das mit einer Überhitzung
von nicht mehr als 30°C über der
Liquidustemperatur des Metalls gehalten werden sollte, wird unter
Verwendung einer Einheit 19 zum Beschleunigen der Abkühlung des
Aufnahmebehälters,
falls erforderlich, eingegossen. Das in den Aufnahmebehälter 1 gegossene
geschmolzene Metall M6 wird durch einen
Roboter 62 zum Kristallerzeugungsabschnitt 30 transportiert.
Danach wird das geschmolzene Metall M6 auf
die Formungstemperatur abgekühlt.
Die Einheit 19 zum Beschleunigen des Abkühlens des
Aufnahmebehälters
kann dergestalt sein, dass sie Wasser oder Luft direkt gegen die
Außenseite
des Aufnahmebehälters
strahlt, oder es kann, alternativ, ein Abkühlelement mit dem Aufnahmebehälter in
Kontakt gebracht werden.
-
Die 13a ist eine Draufsicht, die Einzelheiten
des Kristallerzeugungsabschnitts der in der 12 dargestellten
Vorrichtung zum Herstellen eines halbfesten Formmetalls zeigt, und
die 13b ist ein Vertikalschnitt A-A
der 13a. Wie es in den 13a und 13b dargestellt
ist, verfügt
der Kristallerzeugungsabschnitt 30 über eine Induktionsvorrichtung 31,
die mit einer Heizspule 31a versehen ist, die um den Aufnahmebehälter 1 herum
vorhanden ist, um die Temperatur des Metalls in diesem zu kontrollieren,
einen Keramikrahmen 34, der die Wärme des Aufnahmebehälters 1 aufrecht
erhalten kann oder ihn erwärmen
kann, und der auf einem vertikal verstellbaren Haltetisch 33 zum
Aufnehmen oder Herausheben des Aufnahmebehälters 1 platziert
ist, oder wobei ein Ersetzen desselben durch eine sekundäre Drehachse 39a (d.h.,
ein Austauschen eines Aufnahmebehälters mit geschmolzenem Metall
MA, das Kristallkeime enthält, durch
einen Aufnahmebehälter
mit halbfestem Metall MB, das auf die Formungstemperatur
abgekühlt
wurde) vorliegt, und um die Position des Aufnahmebehälters 1 innerhalb
der Heizspule 31a der Induktionsvorrichtung 31 einzustellen,
einen vertikal verstellbaren Deckel 35, der die Wärme des
oberen Teils des Aufnahmebehälters 1 aufrecht
erhalten kann oder ihn beheizen kann, und der mit einem Thermoelement 36 versehen
ist, um die Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälter 1 zu
messen, eine Kühleinheit 37,
die außerhalb
der Heizspule 31a vorhanden ist, um Luft einer spezifizierten
Temperatur gegen die Außenseite
des Aufnahmebehälters 1 zu
blasen, eine Schutzabdeckung 38, die die oben genannten
Komponenten umgibt, und eine primäre Drehachse 39, auf
der vier Einheiten des Kristallerzeugungsabschnitts gedreht oder
verschwenkt werden können.
-
Wenn
der Aufnahmebehälter 1a mit
Kristallkeime enthaltendem geschmolzenem Metall MA auf
dem Keramikrahmen 34 des Haltetischs 33 platziert
wird, wird der Aufnahmebehälter 1b mit
halbfestem Metall MB, das innerhalb der
Induktionsvorrichtung 31 auf die Formungstemperatur eingestellt
wurde, durch einen Vertikalverstellzylinder abgesenkt und dann durch
die sekundäre
Drehachse 39a so verdreht, dass er sich außerhalb
des Kristallerzeugungsabschnitts 30 befindet. Dabei wird
der Aufnahmebehälter 1a mit
geschmolzenem Metall MA durch einen Vertikalverstellzylinder 32 auf
eine spezifizierte Position in der Heizspule 31a der Induktionsvorrichtung 31 angehoben,
wo das Metall MA durch die Kühleinheit 37 auf
eine spezielle Temperatur abgekühlt
wird und seine Temperatur anschließend durch die Induktionsvorrichtung 31 eingestellt
wird. Andere Einheiten der Aufnahmebehälter 1 werden derselben
Abfolge von Vorgängen,
wie sie oben beschrieben sind, unterzogen. Der Aufnahmebehälter 1b mit
halbfestem Metall MB, der auf diese Weise
außerhalb
des Kristallerzeugungsabschnitts 30 platziert wurde, wird
anschließend
durch den Roboter 62 transportiert. Die Aufnahmebehälter 1e/1f sowie
ein 1g/1h, die sich weit entfernt vom Roboter
befinden, werden durch die primäre
Drehachse 39 so verschwenkt (um 90° verdreht), dass sie sich zu
den Positionen der Aufnahmebehälter 1c/1d bzw. 1a/1b bewegen.
-
Die
Funktion der Induktionsvorrichtung 31 sowie die Bedingungen
zum Abkühlen
des geschmolzenen Metalls MA in der Vorrichtung 31 sowie
das Verfahren zum Kontrollieren der Temperatur desselben sind im
Wesentlichen dieselben, wie sie in der 8 skizziert
sind.
-
Die 16 ist
eine Draufsicht, die das allgemeine Layout einer mit 102 gekennzeichneten
Vorrichtung zum Herstellen eines halbfesten Formmetalls zeigt, die über einen
sich bewegenden Kristallerzeugungsabschnitt 30 mit einer
Kühlzone 37 und
einer Temperatureinstellzone 48 mit einer Induktionsvorrichtung 31 verfügt.
-
Die
Vorrichtung 102 verfügt über einen
Aufnahmebehälter-Behandlungsabschnitt 10,
den Kristallerzeugungsabschnitt 30, einen Schmelzgießabschnitt 40,
einen Keimbildungsabschnitt 50 und einen Behältertransportabschnitt 60.
Eine in der 16 mit 200 gekennzeichnete
Formungsvorrichtung ist ein Beispiel der Ma schine zum Formen eines
halbfesten Metalls MB, das durch die Vorrichtung 102 gemäß der Erfindung
erzeugt wurde.
-
Die 17a ist eine Draufsicht, die Einzelheiten
des Kristallerzeugungsabschnitts der in der 16 dargestellten
Vorrichtung zeigt, und die 17b ist
ein Vertikalschnitt B-B der 17a. Die
Vorrichtung 102 stimmt mit der in den 12 und 13 dargestellten
mit Ausnahme des Kristallerzeugungsabschnitts überein. Daher wird nachfolgend
nur der Kristallerzeugungsabschnitt 30 detailliert beschrieben.
Wie es in den 17a und 17b dargestellt
ist, verfügt
der Kristallerzeugungsabschnitt 30 über einen Rahmen 34,
der die Wärme
des unteren Teils eines Aufnahmebehälters 1 aufrecht erhalten
oder ihn erwärmen
kann, einen vertikal beweglichen Deckel 35, der die Wärme des
oberen Teils des Aufnahmebehälters
aufrecht erhalten oder ihn erwärmen
kann und der mit einem Thermoelement 36 zum Messen der
Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälters 1 versehen ist,
eine Kühlzone 47 mit
einer Kühleinheit 37,
die Luft oder Wasser einer spezifizierten Temperatur, nach Bedarf,
gegen die Außenseite
des Aufnahmebehälters 1 bläst, eine
automatische Transporteinheit 49 zum Drehen des Aufnahmebehälters 1 mit
konstanter Geschwindigkeit sowie eine Temperatureinstellzone 48 mit
einer Induktionsvorrichtung 31, die mit einer Heizspule 31a versehen
ist, die um den Aufnahmebehälter 1 herum
vorhanden ist, um die Temperatur des Metalls in ihm zu kontrollieren.
-
Erst
nachdem ein Aufnahmebehälter 1i durch
die automatische Transporteinheit 49 so verdreht wurde, dass
er an die Position eines Aufnahmebehälters 1m gelangte,
tritt die Induktionsvorrichtung 41 in Aktion, um die Temperatur
des Metalls im Aufnahmebehälter 1 einzustellen.
Die Vorrichtung 31 wird durch einen Vertikalverstellzylinder 32 entweder
angehoben oder abgesenkt, und sie stoppt an einer speziellen Position,
an der sie den Aufnahmebehälter 1 umgibt.
-
Die 18 ist
eine Draufsicht, die das allgemeine Layout einer mit 103 gekennzeichneten
Vorrichtung zeigt, die über
einen stationären
Kristallerzeugungsabschnitt 30 mit einer Kühlzone 47 und
einer Temperatureinstellzone 48 mit einer Induktionsvorrichtung 31 verfügt. Die 19a ist eine Draufsicht, die Einzelheiten
des Kristallerzeugungsabschnitts der in der 18 dargestellten
Vorrichtung zum Herstellen eines halbfesten Formmetalls zeigt, und
die 19b ist ein Vertikalschnitt C-C
der 19a. der Kristallerzeugungsabschnitt 30 verfügt über einen
Rahmen 34, der die Wärme
des unteren Teils des Aufnahmebehälters 1 aufrecht erhalten oder
ihn erwärmen
kann, einen vertikal verstellbaren Deckel 35, der die Wärme des
oberen Teils des Aufnahmebehälters 1 aufrecht
erhalten oder ihn erwärmen
kann und der mit einem Thermoelement 36 zum Messen der
Temperatur des Metalls im Aufnahmebehälter 1 versehen ist,
eine Kühlzone 47 mit
einer Kühleinheit 37, die
Luft oder Wasser einer spezifizierten Temperatur, wie erforderlich,
gegen die Außenseite
des Aufnahmebehälters 1 bläst, und
eine Temperatureinstellzone 48 mit einer Induktionsvorrichtung 31,
die mit einer Heizspule 31a versehen ist, die um den Aufnahmebehälter 1 herum
vorhanden ist, um die Temperatur des Metalls in ihm zu kontrollieren.
Abweichend vom in den 16 und 17 dargestellten
Fall ist der Aufnahmebehälter 1 im
in der 19 dargestellten Kristallerzeugungsabschnitt
vom stationären
Typ, und daher wird er durch einen Roboter 62 zur Temperatureinstellzone 48 transportiert,
nachdem er durch die Kühleinheit 37 auf eine spezifizierte Temperatur
abgekühlt
wurde. Dann wird der Aufnahmebehälter 1,
wie beim in der 13 dargestellten Fall, auf dem
Keramikrahmen 34 neu platziert, und die Temperatur des
Metalls in ihm wird durch die Induktionsvorrichtung 31 eingestellt.
-
Das
kritische Verhalten der Bedingungen zum Abkühlen des Aufnahmebehälters im
Schritt des Ausbildens von Primärkristallen
auf Kugelform beim in der 9 dargestellten
Prozess kann wie folgt erläutert werden.
-
Wenn
der obere oder untere Teil des Aufnahmebehälters 1 nicht erwärmt wird
oder seine Wärme
nicht aufrecht erhalten wird, während
die in ihn gegossene Legierung MB abgekühlt, um
für einen
zum Formen geeigneten Flüssigkeitsanteil
zu sorgen, werden in der Haut der Legierung MB im
oberen und/oder unteren Teil des Behälters dendritische Primärkristalle
erzeugt, oder es wächst
eine Erstarrungsschicht, um für
eine Ungleichmäßigkeit
der Temperaturverteilung des Metalls im Aufnahmebehälter 1 zu
sorgen; im Ergebnis kann selbst dann, wenn eine HF-Induktionserwärmung ausgeführt wird,
keine Legierung mit dem spezifizierten Flüssigkeitsanteil aus dem umgedrehten
Behälter 1 ausgegeben
werden, oder die verbliebene Erstarrungsschicht innerhalb des Aufnahmebehälters 1 führt entweder
zu Schwierigkeiten beim Ausführen
eines kontinuierlichen Formungsvorgangs, oder sie verhindert, dass
die Temperaturverteilung der Legierung auf die gewünschte Weise
verbessert wird. Um diese Probleme zu vermeiden, wird, wenn das
eingegossene Metall für
eine vergleichsweise kurze Zeit im Behälter gehalten wird, bis die
Formungstemperatur erreicht ist, der obere und/oder untere Teil
des Aufnahmebehälters
beim Abkühlprozess
auf eine höhere Temperatur
erwärmt,
oder die Wärme wird
aufrecht erhalten, als es dem mittleren Teil entspricht; Falls erforderlich
können
sowohl der obere als auch der untere Teil des Aufnahmebehälters 1 nicht
nur beim Abkühlprozess
nach dem Ausgießen
der Schmelze sondern auch vor dem Ausgießschritt erwärmt werden.
-
Wenn
der Aufnahmebehälter 1 aus
einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit
von weniger als 1,0 kcal/mh°C
besteht, ist die Abkühlzeit
auf einen in der Praxis unerwünschten
Wert verlängert;
demgemäß sollte der
Aufnahmebehälter 1 über ein
Wärmeleitfähigkeit
von mindestens 1,0 kkal/mh°C
verfügen.
Wenn der Aufnahmebehälter 1 aus
einem Metall besteht, ist seine Oberfläche vorzugsweise mit einem
nichtmetallischen Material (beispielsweise BN oder Graphit) beschichtet.
Das Beschichtungsverfahren kann entweder mechanisch oder chemisch
oder physikalisch sein.
-
Wenn
die in den Aufnahmebehälter 1 gegossene
Legierung MA mit einer mittleren Rate über 3,0°C/s abgekühlt wird,
ist es nicht einfach, es zu ermöglichen,
dass die Temperaturen verschiedener Teile der Legierung in den gewünschten
Formungstemperaturbereich fallen, um den spezifizierten Flüssigkeitsanteil
zu erzielen, und zwar selbst dann, wenn Induktionserwärmung verwendet
wird, und außerdem
ist es schwierig, kugelförmige
Primärkristalle
auszubilden. Wenn andererseits die mittlere Abkühlrate kleiner als 0,01°C/s ist,
ist die Abkühlzeit
verlängert,
was zu Unzweckmäßigkeiten
bei der wirtschaftlichen Herstellung führt. Daher sollte die mittlere
Abkühlrate
im Aufnahmebehälter 1 vorzugsweise
von 0,01°C/s
bis 3,0°C/s,
bevorzugter von 0,05°C/s bis
1°C/s betragen.
-
Industrielle
Anwendbarkeit
-
Wie
es aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, bietet die
Vorrichtung gemäß der Erfindung zum
Herstellen halbfester Formmetalle den Vorteil, dass geformte Teile
mit feinen und kugelförmigen
Mikrostrukturen automatisch und kontinuierlich auf zweckdienliche,
einfache und billige Weise in Massen hergestellt werden können, ohne
dass man sich auf ein Rühren
durch die herkömmlichen
mechanischen und elektromagnetischen Verfahren stützen müsste.