DE69736997T2 - Verfahren zur Herstellung eines eisenbasierten Thixogiessmaterials - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines eisenbasierten Thixogiessmaterials Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines halbgeschmolzenen Thixo-Gießmaterials.
  • Zur Durchführung des Thixo-Gießverfahrens muss ein in einer Heizvorrichtung hergestelltes halbgeschmolzenes Gießmaterial zu einer Druckgussvorrichtung transportiert und in einen Einspritzstutzen der Druckgussvorrichtung platziert werden. Um den Transport des halbgeschmolzenen Gießmaterials, beispielsweise eines halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis, durchzuführen, wird vor dem Halbschmelzen des Gießmaterials auf Fe-Basis herkömmlich eine Maßnahme zur Bildung einer Oxiddeckschicht auf einer Oberfläche des Materials ergriffen, so dass die Oxiddeckschicht als Transportbehälter für den Hauptanteil des halbgeschmolzenen Materials fungiert (siehe offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 5-44010). Das herkömmliche Verfahren leidet jedoch an dem Problem, dass das Gießmaterial auf Fe-Basis für eine vorbestimmte Zeit auf eine hohe Temperatur erwärmt werden muss, um die Oxiddeckschicht zu bilden, weshalb große Mengen an Wärmeenergie benötigt werden, was zu einer geringen Wirtschaftlichkeit führt. Ein weiteres Problem ist, dass selbst für den Fall, dass keine Nachteile entstehen, die mechanischen Eigenschaften des Gießproduktes auf Fe-Basis beeinträchtigt werden, beispielsweise das Gießprodukt auf Fe-Basis von den verschmolzenen Partikeln ausgehend bricht, wenn die Oxiddeckschicht während des Hindurchtretens durch einen Anschnitt der Gießform pulverisiert wird und in Form von feinen Partikeln in dem Gießprodukt auf Fe-Basis zurückbleibt, und wenn die Oxiddeckschicht nicht ausreichend pulverisiert wird und in Form von verschmolzenen Partikeln in dem Gießprodukt auf Fe-Basis zurückbleibt.
  • Ein in zwei Stufen erfolgendes induktives Erwärmen eines Thixo-Gießmaterials ist in DE 195 08 919 offenbart.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren der vorstehend beschriebenen Art bereitzustellen, in welchem ein halbgeschmolzenes Gießmaterial, insbesondere ein halbgeschmolzenes Gießmaterial auf Fe-Basis, innerhalb eines Transportbehälters unter Verwendung von induktiver Erwärmung hergestellt werden kann, wobei das Gießmaterial auf Fe-Basis durch Spezifizieren des den Behälter bildenden Materials und der Frequenz der induktiven Erwärmung mit guter Effizienz erwärmt und in einen halbgeschmolzenen Zustand gebracht werden kann, und wobei die Temperaturrückhalteeigenschaft des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis verbessert werden kann.
  • Um vorstehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß vorliegender Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines halbgeschmolzenen Thixo-Gießmaterials bereitgestellt, umfassend die Schritte des Auswählens eines Gießmaterials auf Fe-Basis als Thixo-Gießmaterial; Platzieren des Gießmaterials auf Fe-Basis in einen aus einem nichtmagnetischen, metallischen Material hergestellten Transportbehälter; Erhöhen der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis von Normaltemperatur auf den Curiepunkt durch Vornehmen einer primären induktiven Erwärmung mit einer Frequenz f1, welche in einen Bereich von f1 ≤ 0.8 kHz eingestellt wird; und anschließendes Erhöhen der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis vom Curiepunkt auf eine Herstellungstemperatur, bei welcher ein halbgeschmolzener Zustand des Gießmaterials auf Fe-Basis, in dem feste und flüssige Phasen nebeneinander vorliegen, bereitgestellt wird, durch Vornehmen einer sekundären induktiven Erwärmung mit einer Frequenz f2, welche in einen Bereich von f2 ≥ 0.85 kHz eingestellt wird.
  • Das halbgeschmolzene Gießmaterial auf Fe-Basis wird innerhalb des Behälters hergestellt, weshalb es auf einfache Weise und zuverlässig transportiert werden kann, sobald es in den Behälter platziert ist. Der Behälter kann mehrfach verwendet werden, was zu einer guten Wirtschaftlichkeit führt.
  • Das Gießmaterial auf Fe-Basis ist ein bei Normaltemperatur und in einem Temperaturbereich unterhalb des Curiepunkts ferromagnetisches Material, während der Behälter aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt ist. Aus diesem Grund kann die Temperatur des Gießproduktes auf Fe-Basis in der primären induktiven Erwärmung durch Einstellen der Frequenz f1 auf einen wie vorstehend beschriebenen relativ geringen Wert schnell und gleichmäßig bevorzugt auf die Temperatur des Behälters erhöht werden.
  • Wird die Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis auf den Curiepunkt erhöht, so findet eine magnetische Umwandlung des ferromagnetischen Materials in ein paramagnetisches Material statt. Aus diesem Grund können die Temperaturen des Gießmaterials auf Fe-Basis und des Behälters im Temperaturbereich oberhalb des Curiepunktes durch Vornehmen der sekundären induktiven Erwärmung mit der Frequenz f2, welche auf einen wie vorstehend beschriebenen relativ hohen Wert eingestellt ist, erhöht werden. In diesem Fall hat die Erhöhung der Temperatur des Behälters Vorzug vor der Erhöhung der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis. Aus diesem Grund kann der Behälter in ausreichendem Maße erwärmt werden, um eine Temperaturrückhaltefunktion aufzuweisen, wobei ein Überheizen des Gießmaterials auf Fe-Basis verhindert werden kann, wodurch ein halbgeschmolzenes Gießmaterials auf Fe-Basis hergestellt wird, welches eine oberhalb einer vorbestimmten Herstellungstemperatur liegende Temperatur aufweist, nämlich eine Gießtemperatur, welche einer Temperatur zu Beginn des Gießens entspricht.
  • Im weiteren Verlauf des Transports des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis kann die Temperatur des Materials durch den erwärmten Behälter auf oder über der Gießtemperatur gehalten werden.
  • Erreicht die Temperatur T1 des Gießmaterials auf Fe-Basis im Verlauf der Temperaturerhöhung durch sekundäre induktive Erwärmung einen Punkt im Bereich von T2 – 100°C ≤ T1 ≤ T2 – 50°C in Beziehung zur Herstellungstemperatur T2, so wird das Erwärmungssystem auf eine tertiäre induktive Erwärmung mit einer Frequenz f3, welche in einen Bereich von f3 < f2 eingestellt wird, umgeschaltet, um eine bevorzugte Erhöhung der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis zu bewirken. Somit kann der Temperaturabfall des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis während dessen Transport weiter verhindert werden.
  • Beträgt die Frequenz f1 in der primären induktiven Erwärmung gleich oder mehr als 0.85 kHz, so verlangsamt sich die Temperaturerhöhung des Gießmaterials auf Fe-Basis. Beträgt die Frequenz f2 in der sekundären induktiven Erwärmung weniger als 0.85 kHz, so verlangsamt sich die Temperaturerhöhung des Gießmaterials auf Fe-Basis gleichermaßen.
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Druckgussvorrichtung,
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Gießmaterials auf Fe-Basis,
  • 3 ist eine Vorderansicht eines Behälters,
  • 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 34-34 in 3,
  • 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 35-35 in 4, welche jedoch einen Zustand zeigt, in welchem das Gießmaterial auf Fe-Basis in den Behälter platziert wurde,
  • 6 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Zeit und der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis in einer Phase des Temperaturanstiegs veranschaulicht,
  • 7 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Zeit und der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis in einer Phase des Temperaturabfalls veranschaulicht.
  • [BEISPIEL 1]
  • Es werden gleichermaßen kurze, säulenförmige Gießmaterialien auf Fe-Basis 5, wie sie in 32 dargestellt sind, verwendet, welche aus einer Legierung auf Fe-C-Basis, einer Legierung auf Fe-C-Si-Basis und dergleichen gebildet werden.
  • Es wird ein Transportbehälter 13 verwendet, welcher aus einem kastenähnlichen Körper 15 mit einer nach oben gewandten Öffnung 14 und einer Deckelplatte 16 besteht, welche zu der Öffnung 14 führt und auf den kastenähnlichen Körper 15 aufgesetzt und von diesem abgenommen werden kann, wie in den 3 bis 5 dargestellt ist. Der Behälter 13 wird aus einer nicht-magnetischen Edelstahlplatte (z. B. JIS SUS304) als nicht-magnetischem Metallmaterial, einer Platte aus einer Legierung auf Ti-Pd-Basis oder dergleichen gebildet.
  • Wie am besten in 4 dargestellt ist, weist der Behälter 13 auf jeder der Innenflächen des kastenähnlichen Körpers 15 und der Deckelplatte 16 eine laminierte Außenschicht auf, um eine Ablagerung des halbgeschmolzenen Gießmaterial auf Fe-Basis 5 zu verhindern. Die laminierte Außenschicht 17 haftet an jeder der Innenflächen des kastenähnlichen Körpers 15 und der Deckelplatte 16 fest an und besteht aus einer Si3N4-Schicht 18, welche eine Dicke t1 in einem Bereich von 0.009 mm ≤ t1 ≤ 0.041 mm aufweist, und einer auf Oberflächen der Si3N4-Schicht 18 fest anhaftenden Graphitschicht 19, welche eine Dicke t2 in einem Bereich von 0.024 mm ≤ t2 ≤ 0.121 mm aufweist.
  • Si3N4 weist hervorragende Wärmeisolierungseigenschaften auf und besitzt die Eigenschaft, dass es mit dem halbgeschmolzenen Gießmaterial auf Fe-Basis 5 nicht reagieren kann, wobei es darüber hinaus gut und fest an dem kastenförmigen Körper 15 und dergleichen anhaftet und lediglich unter Schwierigkeiten von dem kastenförmigen Körper 15 abgelöst werden kann. Beträgt die Dicke t1 der Si3N4-Schicht 18 jedoch weniger als 0.009 mm, so kann die Schicht 18 abgelöst werden. Andererseits erfolgt, selbst wenn die Dicke t1 in einen Bereich von t1 > 0.041 mm eingestellt wird, keine Veränderung des Wirkungsgrades, weshalb eine derartige Einstellung unwirtschaftlich ist. Die Graphitschicht 19 ist wärmebeständig und bewirkt einen Schutz der Si3N4-Schicht 18. Beträgt die Dicke t2 der Graphitschicht 19 jedoch weniger als 0.024 mm, so kann die Schicht 19 abgelöst werden. Andererseits erfolgt, selbst wenn die Dicke t2 in einen Bereich von t2 > 0.121 mm eingestellt wird, keine Veränderung des Wirkungsgrades, weshalb eine derartige Einstellung unwirtschaftlich ist.
  • [Spezielles Beispiel]
  • Wie in 2 dargestellt ist, wurde ein aus einer Fe-2 Gew.% C-2 Gew.% Si-Legierung gebildetes kurzes, säulenförmiges Material mit einem Durchmesser von 50 mm und mit einer Länge von 65 mm als Gießmaterial auf Fe-Basis 5 hergestellt. Dieses Gießmaterial auf Fe-Basis 5 wurde mittels eines Gießverfahrens hergestellt und weist eine große Anzahl an metallographischen Dendritphasen auf. Der Curiepunkt des Gießmaterials auf Fe-Basis 5 betrug 750°C, die eutektische Temperatur hiervon betrug 1160°C, und die Temperatur der Liquiduskurve betrug 1330°C.
  • Ein Behälter 13, welcher aus nicht-magnetischem Edelstahl (JIS SUS304) gebildet war und eine laminierte Außenschicht 17 mit einer Dicke von 0.86 mm aufwies, wurde ebenfalls hergestellt. In der laminierten Außenschicht 17 betrug die Dicke t1 der Si3N4-Schicht 18 0.24 mm, und die Dicke t2 der Graphitschicht 19 betrug 0.62 mm.
  • Wie in 4 dargestellt ist, wurde das Gießmaterial auf Fe-Basis 5 in den kastenähnlichen Körper 15 des Behälters 13 platziert, und die Deckelplatte 6 wurde über das Material 5 platziert. Anschließend wurde der Behälter 13 in einen lateralen Induktionsofen platziert, und ein halbgeschmolzenes Gießmaterial auf Fe-Basis 5 wurde auf folgende Weise hergestellt:
  • (a) Primäre induktive Erwärmung
  • Die Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis 5 wurde bei einer auf 0.75 kHz eingestellten Frequenz f1 von Normaltemperatur auf den Curiepunkt (750°C) erhöht.
  • (2) Sekundäre induktive Erwärmung
  • Die Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis 5 wurde bei einer auf 1.00 kHz eingestellten Frequenz f2 (f2 > f1) vom Curiepunkt auf eine Herstellungstemperatur erhöht, welche einen halbgeschmolzenen Zustand mit nebeneinander vorliegenden festen und flüssigen Phasen bereitstellte. In diesem Fall wurde die Herstellungstemperatur aufgrund der Tatsache, dass die Gießtemperatur 1200°C betrug, auf 1220°C eingestellt.
  • Anschließend wurde der Behälter 13 aus dem Induktionsofen entfernt, und es wurde die Zeit gemessen, welche die Temperatur des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis 5 benötigte, um von der Herstellungstemperatur auf die Gießtemperatur abzufallen. Das vorstehende Verfahren wird als Ausführungsform bezeichnet.
  • Zum Vergleich wurde die Temperatur eines Gießmaterials auf Fe-Basis 5, welches dem vorstehend beschriebenen ähnlich war, durch Vornehmen einer induktiven Erwärmung mit einer auf 0.75 kHz eingestellten Frequenz (konstant) von Normaltemperatur auf die Herstellungstemperatur erhöht. Anschließend wurde der Behälter 13 aus dem Induktionsofen entfernt, und es wurde die Zeit gemessen, welche die Temperatur des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis 5 benötigte, um von der Herstellungstemperatur auf die Gießtemperatur abzufallen. Das vorstehende Verfahren wird als Vergleichsbeispiel 1 bezeichnet.
  • Ferner wurde zum Vergleich die Temperatur eines Gießmaterials auf Fe-Basis 5, welches dem vorstehend beschriebenen ähnlich war, durch Vornehmen einer induktiven Erwärmung mit einer auf 1.00 kHz eingestellten Frequenz (konstant) von Normaltemperatur auf die Herstellungstemperatur erhöht. Anschließend wurde der Behälter 13 aus dem Induktionsofen entfernt, und es wurde die Zeit gemessen, welche die Temperatur des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis 5 benötigte, um von der Herstellungstemperatur auf die Gießtemperatur abzufallen. Das vorstehende Verfahren wird als Vergleichsbeispiel 2 bezeichnet.
  • Tabelle 1 zeigt die Zeit, welche die Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis 5 zum Erreichen des Curiepunktes, der Herstellungstemperatur und der Gießtemperatur im Beispiel und in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 benötigte. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Zeit und der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis 5 in der Phase des Temperaturanstiegs für das Beispiel und die Vergleichsbeispiele 1 und 2. Die Temperaturänderung des Behälters 4 im Beispiel ist auch in 6 dargestellt. Ferner zeigt 7 die Beziehung zwischen der Zeit und der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis 5 in der Phase des Temperaturabfalls für das Beispiel und die Vergleichsbeispiele 1 und 2.
  • Tabelle 1
    Figure 00080001
  • Wie aus Tabelle 1 und den 6 und 7 hervorgeht, ist es ersichtlich, dass in dem Beispiel, verglichen mit Vergleichsbeispiel 2, die Zeit, welche die Temperatur des Gießmaterials zum Anstieg auf die Herstellungstemperatur benötigt, kurz ist, und die Zeit, welche die Temperatur des Gießmaterials zum Abfall auf die Gießtemperatur benötigt, lange ist.
  • In der Metalltextur des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis 5 in dem Beispiel, nämlich der durch Abschrecken des eine Temperatur von 1220°C aufweisenden Materials 5 bereitgestellten Metalltextur, wurde eine große Anzahl an Festphasen und eine einen Bereich zwischen beiden benachbarten Festphasen ausfüllende Flüssigphase beobachtet. Der Grund, warum eine derartige Metalltextur bereitgestellt wurde, liegt darin, dass aufgrund der höheren Erwärmungsgeschwindigkeit des Gießmaterials auf Fe-Basis 5 eine Feinverteilung der Dendritphasen in effizienter Weise vollzogen wurde, wie aus 6 hervorgeht.
  • In der Metalltextur des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis 5 in Vergleichsbeispiel 2, nämlich der durch Abschrecken des eine Temperatur von 1220°C aufweisenden Materials 5 bereitgestellten Metalltextur, wurde eine große Anzahl an Dendritphasen beobachtet. Der Grund, warum eine derartige Metalltextur bereitgestellt wurde, liegt darin, dass aufgrund der geringeren Erwärmungsgeschwindigkeit des Gießmaterials auf Fe-Basis 5 die Dendritphasen zurückblieben und keine Sphäroidisierung der Festphasen vollzogen wurde, wie selbst aus 6 hervorgeht.
  • Die Frequenz f1 in der primären induktiven Erwärmung liegt aus dem Grund, dass die Frequenz f1 niedriger eingestellt werden sollte, in einem Bereich von 0.65 kHz ≤ f1 < 0.85 kHz, bevorzugt in einem Bereich von 0.7 kHz ≤ f1 ≤ 0.8 kHz. Die Frequenz f2 in der sekundären induktiven Erwärmung liegt aus dem Grund, dass die Frequenz f2 höher eingestellt werden sollte, in einem Bereich von 0.85 kHz ≤ f2 ≤ 1.15 kHz, bevorzugt in einem Bereich von 0.9 kHz ≤ f2 ≤ 1.1 kHz.
  • Als Ergebnis der Untersuchung betreffend die Haltbarkeit der laminierten Außenschicht 17 im Behälter 13 des vorstehend beschriebenen Beispiels wurde herausgefunden, dass es erforderlich ist, die laminierte Außenschicht 17 zu regenerieren, wenn die Herstellung des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis 5 20-mal durchgeführt wurde. Auf diese Weise besitzt die laminierte Außenschicht 17 der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung eine hervorragende Haltbarkeit und ist deshalb zur Verbesserung der Produzierbarkeit wirksam.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung eines halbgeschmolzenen Thixo-Gießmaterials, umfassend die Schritte des Auswählens eines Gießmaterials auf Fe-Basis als Thixo-Gießmaterial; Platzieren des Gießmaterials auf Fe-Basis in einen aus einem nicht-magnetischen, metallischen Material hergestellten Transportbehälter; Erhöhen der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis von Normaltemperatur auf den Curiepunkt durch Vornehmen einer primären induktiven Erwärmung mit einer Frequenz f1, welche in einen Bereich von f1 ≤ 0.8 kHz eingestellt wird; und anschließendes Erhöhen der Temperatur des Gießmaterials auf Fe-Basis vom Curiepunkt auf eine Herstellungstemperatur, bei welcher ein halbgeschmolzener Zustand des Gießmaterials auf Fe-Basis, in dem feste und flüssige Phasen nebeneinander vorliegen, bereitgestellt wird, durch Vornehmen einer sekundären induktiven Erwärmung mit einer Frequenz f2, welche in einen Bereich von f2 ≥ 0.85 kHz eingestellt wird.
  2. Verfahren zur Herstellung eines halbgeschmolzenen Thixo-Gießmaterials nach Anspruch 1, wobei ein unterer Grenzwert der Frequenz f1 in der primären induktiven Erwärmung 0.65 kHz beträgt, und ein oberer Grenzwert der Frequenz f2 der sekundären induktiven Erwärmung 1.15 kHz beträgt.
  3. Verfahren zur Herstellung eines halbgeschmolzenen Thixo-Gießmaterials nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Behälter auf einer Innenfläche hiervon eine laminierte Außenschicht aufweist, um die Ablagerung des halbgeschmolzenen Gießmaterials auf Fe-Basis zu verhindern, wobei die laminierte Außenschicht eine auf der Innenfläche des Behälters fest anhaftende Si3N4-Schicht mit einer Dicke t1 in einem Bereich von 0.009 mm ≤ t1 ≤ 0.041 mm und eine auf einer Oberfläche der Si3N4-Schicht fest anhaftende Graphitschicht mit einer Dicke t2 in einem Bereich von 0.024 mm ≤ t2 ≤ 0.121 mm umfasst.
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