DK159069B - Fremgangsmaade til fremstilling af en vaeske-faststof-metallegering - Google Patents

Description

i

DK 159069 B

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fremstilling af en væske-faststof-metallegering, som er et tik-sotropt materiale.

Fra US-patent nr. 3.902.544 kendes en fremgangsmåde til dannelse af en metal sammensætning indeholdende degenererede dendritiske, primære, faste 5 partikler homogent suspenderet i en anden fase, der har et lavere smeltepunkt end de primære faste stoffer, og som har en anden metalsammensætning end de primære faste stoffer. I sådanne tiksotrope legeringer er både den sekundære fase og de faste partikler afledt af samme legeringssammensætning.

10 Ved sådanne fremgangsmåder opvarmes metallegeringen til et punkt over metallegeringens 1ikvidustemperatur. Den flydende metallegering ledes derefter ind i en omrøringszone og afkølingszone. Den flydende legering omrøres kraftigt, når den afkøles for at størkne en del af metallegeringen for at for-15 hindre dannelsen af indbyrdes forbundne dendritiske netværk i metallet og danne primære faste stoffer omfattende adskilte degenererede dendriter eller noduler. Omgivende de degenererede dendriter eller noduler findes den resterende ikke-størknede, flydende legering. Denne væske-faststof-metallege-20 ring fjernes så fra omrøringszonen. Sådanne blandinger af væsker og faste stoffer omtales almindeligvis som tiksotrope legeringer.

I britisk patent nr. 1.543.206 findes nogle angivelser om kravene til et apparat, der kontinuerligt skal drive en 25 fremgangsmåde til støbning af tiksotrope smelter. Specielt skal dette apparat bestå af en slags blandemaskine, der kan acceptere en kontinuerlig tilførsel af flydende metal eller legering og afgive en opslæmning med hurtig ydelse og på kontinuerlig basis.

30 i Nat.Tech.Inf.Service, juli 1979, AMMRC-CTR-75-22 er det nævnt, at støbning af en delvis størknet opslæmning kan udføres ved sprøjtestøbning.

DK 159069B

2

Amerikansk patent nr, 3.936.298, udstedt den 3. februar 1976 til Robert Mehrabian, .irufl., beskriver en tiksotrop metalsammensætning og fremgangsmåder til fremstilling af denne væske-faststof-metallegering og fremgangsmåder til støbning af me-5 talsammensætninger. Dette patent beskriver en sammensat legering, der har en tredje komponent. Disse legeringer dannes ved at opvarme en metallisk legering til en temperatur, ved hvilken det meste af eller alt det metalliske materiale er i en flydende tilstand, og føre det flydende metal ind i en af-10 kølingszonen, hvor metallet afkøles, medens det omrøres kraftigt for at omdanne eventuelle faste partikler deri til degenererede dendriter eller noduler, som har en generel kugleform. Omrøringen kan igangsættes, enten medens det metalliske materiale er helt væske, eller når en lille del af metal-15 let er fast, men indeholder mindre faststof end det, der fremmer dannelsen af et fast dendritisk netværk.

De typer tiksotrope metaller, der fremstilles i den her beskrevne opfindelse, er blevet beskrevet i amerikansk patent nr. 3.902.544 og amerikansk patent nr. 3.936.298. Fremgangs-20 måden til fremstilling af legeringen i den her- beskrevne opfindelse er imidlertid helt forskellig fra den, der er beskrevet i de to ovennævnte patenter.

Fremgangsmåden' ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, «at a) en fast metallegering, der har dendritiske strukturer, føres 25 til en ekstruder, b) legeringen føres gennem en tilførselszone ind i ekstruderen, c) metallegeringen opvarmes til en temperatur højere end dens likvidustemperatur, medens den passerer gennem en opvarmningszone i ekstruderen, d) legeringen afkøles til et temperaturinterval større end legeringens solidustemperatur og 30 mindre end dens likvidustemperatur, e). den afkølede metallegering påfpirpc; forskydningskræfter med en snegl eller en roterende plade med en kraft, der er tilstrækkelig til at bryde i det mindste en del af dendrit-strukturen ved dens dannelse, og f) legeringen udtages af ekstruderen.

DK 159069 B

3

En sådan behandling resulterer i en væske-faststof-metallegering som har adskilte, degenererede dendritiske partikler eller no-duler. Partiklerne kan omfatte op til 65 vægt% af den flydende-faste metallegering. Den tiksotrope metallegering fremstillet 5 ved den her beskrevne opfindelse kan anvendes i en sprøjtestøbningsproces, smedeproces eller i en pressestøbningsproces.

I en tiksotrop tilstand består legeringen af nogle faste partikler omtalt som primære faste stoffer og indeholder også et 10 sekundært materiale. Ved disse temperaturer er det sekundære materiale et flydende materiale, som omgiver de primære faste stoffer. Denne kombination af materialer resulterer i et tiksotropt materiale.

Det er kendt, at metallegeringer af den tiksotrope type kan 15 fremstilles ved at underkaste en flydende metallegering kraftig omrøring, medens den afkøles til en temperatur under dens likvidustemperatur. En sådan fremgangsmåde er vist i amerikansk patent nr. 3.902.544, udstedt den 2. september 1975 til M.C. Flemmings, m.fl. Det ville være meget ønskeligt at frem-20 stille en metallegering af den tiksotrope type ved en proces i ét trin ved at tilføre en fast metallegering og udtage en tiksotrop metallegering. En sådan fremgangsmåde har hidtil være ukendt. Den foreliggende opfindelse angiver en fremgangsmåde, hvorved en ikke-tiksotrop metallegering kan til-25 føres til en ekstruder og deri vil give en tiksotrop metallegering.

Væskefaststofmetallegeringer kan dannes af ethvert materialesystem eller rent materiale, uanset dets kemiske sammensætning, som, når det fryses fra den flydende tilstand uden omrøring, 30 danner en dendritisk struktur. Selvom rene materialer og eu-tektika smelter ved en enkelt temperatur, kan de anvendes til at danne legeringen ifølge opfindelsen, fordi de kan eksistere i væske-faststof-ligevægt ved smeltepunktet ved at regulere nettovarmetilførsien eller afgangen til smelten, således at 35 det rene materiale eller eutektikummet ved smeltepunktet indeholder tilstrækkelig meget varme til kun at smelte en del af metallet eller den eutektiske væske. Dette sker, fordi fuldstændig fjernelse af smeltevarme i en opslæmning, der anvendes i støbeprocessen ifølge opfindelsen, ikke kan opnås øje-

DK 159069 B

4 blikkeligt på grund af størrelsen af det støbte stykke, der normalt anvendes, og det ønskede materiale opnås ved at afbalancere den tilførte varmeenergi, f.eks. ved kraftig omrøring, og den, der fjernes af køligere omgivelser.

5 Den her beskrevne opfindelse er egnet til ethvert metal, som danner dendritiske strukturer, når det afkøles fra en flydende tilstand til en fast tilstand uden omrøring. Repræsentative metaller indbefatter rene metaller og metallegeringer, såsom blylegeringer, magniumlegeringer, zinklege-10 ringer, aluminiumlegeringer, kobberlegeringer, jernlegeringer, nikkellegeringer og koboltlegeringer. Solidus- og likvi-dustemperaturerne af sådanne legeringer er velkendte.

I det følgende vil opfindelsen blive beskrevet som anvendt til forarbejdning af metallegeringer.

15 Ved udførelse af opfindelsen anvendes en ikke-tiksotrop metallegering. Dvs., de legeringer, som har en dendritisk struktur. Bekvemt kan den ikke-tiksotrope legering formes til partikler eller spåner af en bekvem størrelse til håndtering. Størrelsen af de anvendte partikler er dog ikke afgørende for opfin-20 delsen. På grund af varmeoverføring og håndtering foretrækkes det dog, at der anvendes en forholdsvis lille partikelstørrelse.

Den forskydningskraft, der kraves, i den foreliggende opfindelse kan tilvejebringes på flere forskellige måder. Egnede måder 25 indbefatter, men er ikke begrænset til snegleekstrudere, roterende plader og hurtigtgående omrøring.

En bekvem måde til behandling af den heri beskrevne metallegering er ved anvendelse af en ekstruder. Der. er talrige typer ekstrudere på markedet. En ekstruder med snoet bane er 30 egnet til den foreliggende opfindelse. Imidlertid foretrækkes

DK 159069 B

5 en snegleekstruder. En snegleekstruder tilføres materialet fra en tragt gennem en tilførselsåbning ind i sneglens kanal. Sneglen roterer i en tromle. Sneglen drives af en motor. Varme føres til tromlen fra ydre opvarmningsorganer, og tempera-5 turen måles med termoelementer. Efterhånden som metallet transporteres af sted langs sneglekanalen, opvarmes det tilstrækkeligt til at danne en væske. Derefter afkøles det til en temperatur under dets 1ikvidustemperatur, medens det er underkastet den forskydende kraft.

10 Ekstrudertromler kan opvarmes elektrisk, enten ved modstandsopvarmer e eller induktionsopvarmere, eller ved hjælp af en kappe, hvorigennem der cirkulere olie eller andet varmeover-føringsmedium.

Temperaturreguleringen af metallegeringen, der passerer igen-15 nem ekstruderen, kan bekvemt udføres ved anvendelse af forskellige opvarmningsmekanismer. Et opvarmningsorgan af induktionstypen har vist sig at virke godt i opfindelsen.

Størrelsen af ekstrudere med enkeltsnegl er beskrevet gennem den indvendige diameter af tromlen. Almindelige ekstruder-20 størrelser er fra 2,5 - 20 cm. Større maskiner fremstilles efter kundens behov. Deres kapaciteter ligger fra 2,27 kg/time for et aggregat med en diameter på 2,5 cm til ca. 454 kg/time for maskiner med en diameter på 20 cm.

Hjertet i den foretrukne ekstruder er sneglen. Dens funktion 25 er at transportere materiale fra tragten og gennem kanalen.

Tromlen udgør en af overfladerne til at bibringe materialet forskydende kræfter og er den overflade, hvorigennem ydre varme føres til materialet. De skal være konstrueret til at give et tilstrækkeligt varmeoverføringsareal og tilstrækkelig lejlighed til 30 blanding og forskydning.

DK 159069 B

6

Ekstruderen er opdelt i flere opvarmnings- og afkølingszoner.

Den første zone, som materialet møder, når det kommer ind i ekstruderen, er en tilførselszone. Denne zone er forbundet med en opvarmningszone, hvor metallet opvarmes til en tempera-5 tur over dets 1ikvidustemperatur. Derefter overføres metallet til en tredje zone. Denne tredje zone er en kølezone.

I denne zone afkøles metallet til en temperatur mindre end dets 1ikvidustemperatur. X denne zone underkastes metallet forskydende kræfter. De forskydende kræfter skal være af en til-10 strækkelig grad til at opbryde i det mindste en del af de dendritiske strukturer, efterhånden som de dannes. I kølezonen dannes den tiksotrope metalstruktur. Efter kølezonen føres materialet ud af ekstruderen. Mængden af faste stoffer i det fremkomne materiale er op til ca. 65 vægt% af det fa-15 ste, flydende metal. Der foretrækkes metallert som har fra ca. 20 til ca. 40 vægt% faste stoffer.

Ved udførelse af den heri beskrevne fremgangsmåde bliver metallet, som skal forarbejdes, granuleret til en størrelse, der bekvemt kan optages af snegleekstruderen. Det granulere-20 de metal kan anbringes i en forvarmningstragt. Hvis metallet, som skal forarbejdes, let oxideres, kan tragten være tillukket, og en beskyttende atmosfære kan anbringes omkring metallet for at formindske oxidation. Hvis metallet er en magniumlegering, har argon f.eks. vist sig at være en bekvem 25 beskyttelsesatmofære. Metallet, som skal behandles, kan forvarmes, medens det er i forvarmningstragten, eller det kan tilføres ved omgivelsernes temperatur til snegleekstruderen.

Hvis metallet skal forvarmes, kan det opvarmes så højt som temperaturer, der nærmer sig metallegeringens solidustempera-30 tur. Egnede forvarmningstemperaturer kan ligge fra 50°C til 500°C for magniumlegeringer. Før metallet føres ind i sneg-leekstruderen, kan snegleekstruderen forvarmes til en temperatur nær ved eller over 1ikvidustemperaturen af den metallegering, som skal behandles. Hvis der kræves en beskyttende 35 atmofære, skal den beskyttende gas strømme gennem snegleekstruderen og også igennem forvarmningstragten. Efter at eks-

DK 159069 B

7 trudercylindren har nået driftstemperaturer, begyndes tilførslen fra forvarmningstragten til ekstruderen. Der kræves en zone, som vil forhindre flydende metal i at komme ind i snegleområdet, hvor det faste metal . føres til snegle-5 ekstruderen. Denne første zone omtales i det følgende som en tilførselszone. Tilførselszonen indeholder fast materiale og forhindrer i det væsentlige, at flydende materiale kommer ind i området. Flydende materiale dannes i en opvarmningszone. Efterhånden som metallet strømmer gennem den anden zone 10 i snegleekstruderen, hæves temperaturen af metallet ved ydre tilført varme og ved friktion i tromlen til en temperatur over dets likvidustemperatur. Snegleekstruderen bevæger metallet ind i en tredje zone, en kølezone, ved sneglens drejning hen imod ekstruderens ende. I denne zone afkøles me-15 tallet til en temperatur under dets likvidustemperatur. Under denne afkøling underkastes metallet en forskydende kraft. Metallets temperatur skal måles og reguleres, efterhånden som det strømmer gennem ekstruderen. Temperaturen og den forskydende virkning af ekstruderen bevirker, at der dannes en tiksotrop 20 metallegering. På dette punkt forlader det tiksotrope metal ekstruderen og kan forarbejdes på forskellige måder.

Den forskydende virkning, som .udøves af ekstruderen, sker f.eks., når metallegeringen, der passerer gennem ekstruderen, tvinges til at strømme gennem små kanaler på sin vej mod udgangen. Yderiige- 25 re forskydende virkning forekommer, fordi en del af legeringen klæber til væggen og fjernes fra væggen ved indvirkningen af sneglen. Denne -klæbning og fjernelse med sneglen resulterer i forskydende virkning på metallegeringen. Graden og omfanget af den •forskydende virkning, som kræves i den her beskrevne frem-30 gangsmåde, er variabel. Der kræves tilstrækkelig forskydende virkning til at bryde i det mindste en del af den dendritiske struktur i metallegeringen, når den dannes.

Som nævnt er det muligt at sprøjtestøbe metallet fremstillet ved den her beskrevne fremgangsmåde. Hvis der ønskes 35 sprøjtestøbning, kan sprøjtestøbningsmaskinen, som anvendes

DK 159069 B

8 til sprøjtestøbning af det tiksotrope metal, selv anvendes som et apparat til behandling af metallet til dannelse af tiksotrope legeringer. Det er unødvendigt at behandle metallet i en ekstruder, før det føres ind i en sprøjtestøb-5 ningsmaskine. I stedet kan metallegeringer, der har en dendri-tisk struktur, føres direkte ind i en sprøjtestøbningsmaskine. Metallet skal opvarmes, når det passerer igennem maskinen, og underkastes forskydningskræfter, som udøves af sneglen i sprøjtestøbningsmaskinen. Som med beskrivelsen af ekstruderen skal 10 temperaturen af metallet være større end dets likvidustemperatur, før det afkøles og underkastes forskydning. Denne ternpe-raturregulering i forbindelse med forskydningskræfteme, som udøves af sprøjtestøbningsmaskine^opbryder i det mindste en del af de dendritiske strukturer i metallegeringen, efterhånden som 15 de dannes. Dette omdanner den ikke-tiksotrope metallegering til en tiksotrop metallegering.

En bekvem type sprøjtestøbningsmaskine til anvendelse i den her beskrevne fremgangsmåde er en sprøjtestøbningsmaskine med frem- og tilbagegående snegl. Trinnene i støbningspro-20 cessen for en maskine med frem- og tilbagegående snegl og med hydraulisk klampe er: 1. Metal indføres i en tragt.

2. Olie bag et klampestempel bevæger en bevægelig plade, som lukker formen. Trykket bag klampestemplet opbygges og udvik- 25 ler en tilstrækkelig kraft til at holde formen lukket under indsprøjtningsperioden. Hvis kraften af det indsprøjtede metal er større end klampekraften, vil formen åbne. Metallet vil strømme forbi en delelinie på overfladen af formen og frembringe en "grat", som enten må fjernes, eller styk-30 ket må kasseres og formales igen.

3. Metallet påføres først og fremmest forskydningskræfter ved sneglens drejning. Metallet opvarmes, når det passerer gennem maskinen. Når metallet opvarmes, bevæger det sig fremad langs sneglens

DK 159069B

9 vindinger til forenden af sneglen. Trykket udviklet af sneglen på metallet tvinger sneglens drivsystem og den hydrauliske motor tilbage og efterlader et reservoir af metallet foran sneglen. Sneglen vil forsætte med at dreje, indtil den 5 tilbagegående bevægelse af indsprøjtningsaggregatet rammer en grænseafbryder, som standser rotationen. Denne grænseafbry-• der er indstillelig, og dens placering bestemmer den mængde metal, som vil forblive foran sneglen (størrelsen af "skuddet").

10 " Sneglens pumpev'irkn'ing tvinger også de hydrauliske indsprøjt ningscylindre (en på hver side af sneglen) tilbage. Denne tilbagestrømning af olie fra de hydrauliske cylindre kan indstilles med en passende ventil. Dette kaldes "tilbagetryk", 2 som er indstillelig fra 0 til ca. 28 kg/cm .

15 4. De fleste maskiner vil trække sneglen lidt tilbage på det te punkt for at dekomprimere metallet, således at det ikke siver ud af dysen. Dette kaldes "tilbagesug" og reguleres i reglen med et stopur.

.5. To hydrauliske indsprøjtningscylindre bringer nu sneglen 20 fremad og indsprøjter metallet i formhulheden. Indsprøjtningstrykket holdes i en forudbestemt tid. Det meste af tiden er der en ventil ved spidsen af sneglen, som forhin -~drer metal i at sive ind i sneglens vindinger under injektionen. Den åbner* når sneglen drejer, og tillader, at metal 25 strømmer foran den.

6. Oliehastigheden og trykket i de to indsprøjtningscylindre udvikler tilstrækkelig hastighed til at fylde formen så hurtigt, som det kræves, og opretholder tilstrækkeligt tryk til at støbe en del, der er fri for lunkemærker, strømningsmær- 30 ker, svejsninger eller andre mangler.

7. Efterhånden som metallet afkøler, bliver det mere viskost og størkner, til dét punkt., hvor vedligeholdelse af injektions-

DK 159069 B

10 trykket ikke længere har nogen værdi.

8. Varme kan til stadighed fjernes fra formen ved at cirkulere kølemedier (i reglen vand) gennem borede huller i formen.

Den tid, der kræves til at delen størkner, således at den 5 kan udkastes af formen, indstilles på klampestopuret. Når tiden er gået, vender den bevægelige plade tilbage til sin oprindelige stilling og åbner formen.

9. En udkastningsmekanisme skiller den støbte del fra formen, og maskinen er parat til næste produktion.

10 Desuden kan metallet formes til dele under anvendelse af støbemaskiner. Foretrukne typer formstøbemaskiner er høj- tryksformstøbemaskiner med koldt kammer og centrifugalstøbe- maskiner. Højtryksformstøbningsmaskiner arbejder i alminde- 2 lighed ved injektionstryk, der overstiger ca. 70 kg/cm .

15 Metallet dannet ved den her beskrevne opfindelse kan også formes til dele under anvendelse af sædvanlig smedeteknik.

Den her beskrevne opfindelse angår generelt vandrette snegleekstrudere. Tilførsel af væske virker ikke med sådanne ekstrudere. Det tilførte metal må derfor være i fast til-20 stand.

Opfindelsen illustreres af følgende eksempel.

Eksempel 1

En ikke-tiksotrop magniumlegering AZ91B blev forarbejdet til en tiksotrop legering. Magniumlegering AZ91B har en likvidus-25 temperatur på 596°C og en solidustemperatur på 468°C. Den nominelle sammensætning af magniumlegering AZ91B er 9% alu= minium, 0,7% zink, 0,2% mangan og resten magnium.

DK 159069 B

11

Magniumlegeringen AZ91B blev formet til spåner med uregelmæssig form af en passende størrelse på ca. 50 mesh eller mere. En mængde AZ91B legeringsspåner blev anbragt i en for-varmningstragt, som var forbundet med en snegleekstruder.

5 Tragten blev tillukket, og en indifferent atmosfære af argon blev anbragt i det indre for at formindske oxidation af mag= niumlegeringen AZ91B. Spånerne blev ført ind i et kammer i en snegleekstruder. Den indre diameter af snegleekstruderkam-meret var 5,7 cm. Sneglen var fremstillet af AISI H-21 stål 10 og varmebehandlet. Cylinderen var ligeledes fremstillet af AISI H-21 stål og varmebehandlet. Sneglen havde en konstant stigning på 5,7 cm, en konstant rod på 4,04 cm og en total længde på 112,5 cm. En 10 hestekraft 118 omdrejninger/min. motor gav kraft til sneglen gennem en gearkasse. Gearkassen 15 drejede sneglen med en hastighed fra ca. 0 omdrejninger/min.

til ca. 27 omdrejninger/min. Toogtyve termoelementer var fastgjort til overfladen af sneglecylinderen, og toogtyve var indlejret i cylinderen ca. 0,16 cm fra den indre overflade.

Ekstrudersneglen blev indstillet på 15,1 omdrejninger/min.

20 Ekstruderen blev sultefødet med en fødehastighed af AZ91B

legering på ca. 10 kg/time. Legeringens temperatur, når den passerede gennem snegleekstruderen, nåede et maksimum på 620°C. Dette er over likvidustemperaturen af AZ91B legering. AZ91B legeringen blev så afkølet til en temperatur på 581°C, 25 medens den var vinderkastet forskydningskræfter. Metallet blev så ekstruderet fra enden af ekstruderen gennem en åbning. Metallet blev omdannet fra en legering, der har en dendritisk struktur, til en legering, der har en tiksotrop væske-faststof-struktur. Smeltetemperaturen var 585°C, hvilket svarer til en vægt% fa-30 ste stoffer på ca. 20.

Claims (9)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af en væske-faststof-metal-legering, kendetegnet ved, at a) en fast metallegering, der har dendritiske strukturer, føres til en eks-5 truder, b) legeringen føres gennem en tilførselszone ind i ekstruderen, c) metallegeringen opvarmes til en temperatur højere end dens likvidustemperatur, medens den passerer gennem en opvarmningszone i ekstruderen, d) legeringen afkøles til et temperaturinterval større end legeringens solidustemperatur 10 og mindre end dens likvidustemperatur, e) den afkølede metallegering påføres forskydningskræfter med en snegl eller en roterende plade med en kraft, der er tilstrækkelig til at bryde i det mindste en del af dendritstrukturen ved dens dannelse, og f) legeringen udtages af ekstruderen.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den faste metallegering føres ind i en snegleekstruder.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at den faste metallegering er en magniumlegering.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, 20 at magniumlegeringen indeholder 9 vægt% aluminium, 0,7 vægt% zink, 0,2 vægt% mangan og resten magnium.

5. Fremgangsmåde ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at legeringen, der føres ud af ekstruderen, indeholder op til ca. 65 vægt% faste stoffer.

6. Fremgangsmåde ifølge et af de foregående krav, kende tegnet ved, at der anvendes en højtryksformstøbningsmaskine med koldt kammer til at danne den udtagne legering til et formstykke. DK 159069 B

7. Fremgangsmåde ifølge krav 1, 3 eller 4, kendetegnet ved, at ekstruderen er en sprøjtestøbningsmaskine.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 1-5, kendetegnet ved, at den udtagne legering formes til et formstykke ved sprøjte- 5 støbning.

9. Fremgangsmåde ifølge et af de foregående krav 1-5, kendetegnet ved, at den udtagne legering formes til et formstykke ved smedning.