EP0275289A1 - Schnellösliches zusatzmittel für aluminiumschmelzen. - Google Patents

Schnellösliches zusatzmittel für aluminiumschmelzen.

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EP0275289A1
EP0275289A1 EP87904865A EP87904865A EP0275289A1 EP 0275289 A1 EP0275289 A1 EP 0275289A1 EP 87904865 A EP87904865 A EP 87904865A EP 87904865 A EP87904865 A EP 87904865A EP 0275289 A1 EP0275289 A1 EP 0275289A1
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EP
European Patent Office
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component
aluminum fluoride
agent according
metal
alkali
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EP87904865A
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Hartmut Meyer-Grunow
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Evonik Operations GmbH
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SKW Trostberg AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/026—Alloys based on aluminium

Definitions

  • the present invention relates to a snow-soluble additive for molten metals for introducing alloying elements into metals.
  • the alloying elements are usually added to the liquid metal bath in solid form.
  • Aluminum is alloyed e.g. B. with magnesium to achieve better strengths, with silicon to improve the castability and strength, with manganese and chromium to increase the strength and corrosion resistance.
  • a whole series of other alloying elements are known for specifically influencing the alloy properties.
  • the alloy metals in the form of master alloys which have a higher melting point than the base metal, have previously been added in order to achieve rapid dissolution.
  • the disadvantage of these master alloys is their limited content of alloy metal.
  • the standard alloys for aluminum alloy only contain a maximum of 20% silicon, up to 20% chromium or up to 50% Mn in addition to aluminum.
  • alloy metal alloys in briquetted form.
  • alloy briquettes with 25% aluminum and 75% of the metals chromium, manganese and iron are offered on the market.
  • the disadvantage of these alloying agents is the 75% content of alloying element and the slow dissolution rate.
  • GB-PS 21 12 020 also describes similar mixtures in which part of the aluminum is replaced by chloride or fluoride salts.
  • the commercially available chromium, manganese and iron-containing tablets also have a limited dissolution rate.
  • the present invention was therefore based on the object of developing an additive for molten metals which does not have the disadvantages of the prior art mentioned, but also enables complete and rapid dissolution in the liquid base metal even with a higher concentration of alloy metal.
  • the additive consists of 2 to 50% by weight of a component A consisting of alkali aluminum fluoride and / or a salt containing alkali aluminum fluoride and 50 to 98% by weight of a component B consisting of contains one or more alloy metal (s) and that components A and B are intimately mixed.
  • a component A consisting of alkali aluminum fluoride and / or a salt containing alkali aluminum fluoride
  • a component B consisting of contains one or more alloy metal (s) and that components A and B are intimately mixed.
  • the snow-soluble metal melt additive according to the present invention consists of 2 to 50 wt. % of component A and 50-98% by weight of component B.
  • Alkali-aluminum fluoride and / or a salt containing alkali-aluminum fluoride can be used as component A, provided that unacceptable amounts of impurity are thereby introduced into the base metal when the additive according to the invention is used.
  • the melting point of the salt or salt mixture should not be higher than that of the base metal.
  • alkali aluminum fluoride a mixture of alkali and aluminum fluoride can also be used.
  • Salts containing alkali aluminum fluoride are to be understood as meaning such mixtures of alkali aluminum fluoride and other salts, in particular fluoride and / or chloride salts, in which the proportion of alkali aluminum fluoride is at least 50% by weight.
  • alkali compounds in principle all alkali metal salts of aluminum fluoride can be used, but the sodium and / or potassium salts are to be regarded as preferred.
  • component A in the additive should be as low as possible with good dissolving properties of the alloy component (s). Depending on the density of the alloy metal, 2% by weight of component A is sufficient. The best combination of optimal dissolution rate and maximum concentration of the alloy component in the additive is achieved in the range from 5 to 25% by weight of component A.
  • Component B which is contained in the additive in a proportion of 50 to 98% by weight, in particular 75 to 95% by weight, consists of one or more alloy metal (s).
  • alloy metal s
  • all alloying elements can be used here, with chromium, manganese and iron being preferred due to their technical importance. It can but other alloying elements such as Ni, Co, Cu, Ag, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo and W can also be contained in the additive.
  • the alloy metal does not have to be in pure form, but alloys or mixtures of several metals can also be used, provided that this does not cause any undesirable impurities in the base metal.
  • both component A and component B are in intimately mixed form, which were prepared by mixing the powders.
  • the additive can be used in the form of briquettes, tablets or pellets or the like, the size of these grains being able to be varied within wide limits. It is only essential that the bodies have a sufficiently high sinking rate in the metal bath in question and that they do not too thick to ensure an acceptable dissolution rate.
  • the maximum thickness of the body can be assumed to be 50 mm, while the preferred range is between 5 and 25 mm.
  • the additive can also be in the form of a filled wire, the agent being encased in a suitable material.
  • care must be taken to ensure that it quickly dissolves in the melt in order to release the additive and that it does not introduce any undesirable impurities into the metal bath to be alloyed. It has proven to be particularly advantageous to use the respective base metal.
  • the additive is produced by intimate
  • Component A should preferably be ⁇ 1 mm ⁇ 150 ⁇ m and that of component B should also ⁇ 1 mm
  • prior comminution is necessary, which, if necessary, may consist of grinding in the usual mills such as ball, vibrating or impact mills.
  • the additive according to the invention is added in an amount of 0.01 to 25% by weight to the liquid base metal for alloying, whereby it dissolves completely and without residue formation in it and forms a homogeneous alloy.
  • all metals or alloys in which the elements introduced by the additive according to the invention can be tolerated can be used as base metal.
  • Light metal alloys such as pure aluminum or aluminum alloys as well as pure magnesium or magnesium alloys have proven to be particularly suitable, for which the advantages such as high dissolution rate and high concentration of alloy component were particularly evident.
  • Chromium powder ⁇ 150 ⁇ m, potassium aluminum fluoride powder (KAIF 4 ) ⁇ 150 ⁇ m and aluminum powder with a grain size of 430 - 75 ⁇ m were used for the mixture compacts.
  • the intimate mixture was compressed in a tablet press to approx. 70 - 80% of the theoretical density.
  • two state-of-the-art commercial products were used.
  • Table 1 shows the mixtures used, the density of the compacts and their solubility behavior.
  • Experiments 1 to 4 in which the additives according to the invention were used, show the dissolution rate as a function of the potassium aluminum fluoride content of the mixtures.
  • the experiments show with a potassium aluminum fluoride content of 14.1% by weight (cf. experiment 4), the chromium completely dissolved after two minutes.
  • the chromium is completely dissolved in the base metal after only ten minutes (cf. Experiment 2).

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Description

Schnellösliches Zusatzmittel für Metallschmelzen Beschre ibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein schneilösliches Zusatzmittel für Metallschmelzen zur Einführung von Legierungselementen in Metallen.
Bei der Herstellung von Metallegierungen werden in der Praxis die Legierungselemente meist in fester Form dem flüssigen Metallbad zugesetzt. Aluminium legiert man z. B. mit Magnesium, um bessere Festigkeiten zu erzielen, mit Siliciüm, um die Vergießbarkeit und die Festigkeit zu verbessern, mit Mangan und Chrom, um die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus sind eine ganze Reihe weiterer Legierungselemente zur gezielten Beeinflussung der Legierungseigenschaften bekannt. Zur Einführung von Legierungselementen wurden bisher vor allem die im Verhältnis zum Grundmetall höher schmelzenden Legierungsmetalle in Form von Vorlegierungen zugegeben, um ein rasches Auflösen zu erreichen. Der Nachteil dieser Vorlegierungen ist ihr begrenzter Gehalt an Legierungsmetall. So enthalten zum Beispiel die Standardvorlegierungen zur Aluminiumlegierung neben Aluminium nur maximal 20 % Siliciüm, bis zu 20 % Chrom oder bis zu 50 % Mn. Somit müssen dem Legierungselement bis zur 4fachen Menge Aluminium zugesetzt werden, was zu erhöhten Kosten bei Transport, Lagerhaltung, Energieverbrauch usw. führt. Um diese Nachteile zumindest teilweise zu vermeiden, ist es gemäß der US-PS 35 92 637 bekannt, Mischungen aus Aluminium- oder Siliciumpulver mit Pulvern von Legierungsmetallen oder
Legierungsmetallegierungen in brikettierter Form einzusetzen. So werden bspw. Legierungsbriketts mit 25 % Aluminium und 75 % der Metalle Chrom, Mangan und Eisen auf dem Markt angeboten. Der Nachteil dieser Legierungsmittel ist der auf 75 % begrenzte Anteil an Legierungselement und die geringe Auflösegeschwindigkeit. Auch die GB-PS 21 12 020 beschreibt ähnliche Mischungen, in denen ein Teil des Aluminiums durch Chlorid- oder Fluorid-Salze ersetzt wird. Die kommerziell erhältlichen Chrom, Mangan und Eisen enthaltenden Tabletten besitzen ebenfalls nur eine begrenzte Auflösegeschwindigkeit.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Zusatzmittel für Metallschmelzen zu entwickeln, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern auch bei höherer Konzentration an Legierungsmetall eine vollständige und rasche Auflösung im flüssigen Grundmetall ermöglicht.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zusatzmittel aus 2 bis 50 Gew.-% einer Komponente A bestehend aus Alkali-Aluminium-Fluorid und /oder einem Alkali-Aluminiumfluorid enthaltenden Salz und 50 bis 98 Gew.-% einer Komponente B bestehend aus einem oder mehreren Legierungsmetall(en) enthält und daß die Komponenten A und B innig vermischt vorliegen. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Zusatzmittel auch bei höheren Gehalten an Legierungsmetall als es dem Stande der Technik entspricht eine unerwartet hohe Auflösegeschwindigkeit bei gleichzeitig vollständigem Ausbringen des Legierungsmetalls bes itzen .
Das schneilösliche Zusatzmittel für Metallschmelzen entsprechend der vorliegenden Erfindung besteht aus 2 bis 50 Gew . -% der Komponente A und 50 - 98 Gew.-% der Komponente B. Als Komponente A kann Alkali-Aluminiumfluorid und/oder ein Alkali-Aluminiumfluorid enthaltendes Salz verwendet werden, soweit dadurch beim Einsatz des erfindungsgemäßen Zusatzmittels nicht unakzeptable Mengen an Verunreinigung in das Grundmetall eingebracht werden. Außerdem soll der Schmelzpunkt des Salzes oder der Salzmischung nicht über demjenigen des Grundmetalls liegen. Anstelle von Alkali-Aluminiumfluorid kann auch eine Mischung aus Alkali- und Aluminiumfluor id eingesetzt werden. Als Alkali-Aluminiumfluorid enhaltende Salze sind solche Mischungen aus Alkali-Aluminiumfluorid und anderen Salzen insbesondere Fluorid- und/oder Chloridsalzen zu verstehen, bei denen der Anteil an Alkali-Aluminiumfluorid mindestens 50 Gew.-% beträgt. Bezüglich der Alkaliverbindungen sind grundsätzlich alle Alkalisalze des Aluminiumfluorids einsetzbar, doch sind die Natrium- und/oder Kaliumsalze als bevorzugt anzusehen.
Der Gewichtsanteil der Komponente A im Zusatzmittel soll so niedrig wie möglich bei gleichzeitig guten Auflöseeigenschaften der Legierungskomponente(n) sein. Je nach Dichte des Legierungsmetalls sind bereits 2 Gew.-% de Komponente A ausreichend. Im Bereich von 5 bis 25 Gew.-% der Komponente A wird die beste Kombination aus optimaler Auflösegeschwindigkeit und maximaler Konzentration der Legierungskomponente im Zusatzmittel erreicht.
Die Komponente B, die zu einem Anteil von 50 bis 98 Gew.-% insbesondere 75 bis 95 Gew.-%, im Zusatzmittel enthalten ist, besteht aus einem oder mehreren Legierungsmetall (en). Hierbei können im Prinzip alle Legierungselemente eingesetzt werden, wobei aufgrund der technischen Bedeutung vor allem Chrom, Mangan und Eisen bevorzugt sind. Es können aber auch andere Legierungselemente wie Ni, Co, Cu, Ag, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo und W im Zusatzmittel enthalten sein. Das Legierungsmetall muß nicht in reiner Form vorliegen, sondern es können auch Legierungen oder Mischungen mehrerer Metalle verwendet werden, soweit dadurch keine unerwünschten Verunreinigungen im Grundmetall hervorgerufen werden.
Es ist erfindungswesentlich, daß sowohl die Komponente A als auch die Komponente B in innig vermischter Form vorliegen, welche durch Mischen der Pulver hergestellt wurden. Das Zusatzmittel kann in Form von Briketts, Tabletten oder Pellets o. ä. eingesetzt werden, wobei die Größe dieser Körner in weiten Grenzen variiert werden kann Wesentlich ist nur, daß die Körper einerseits im betreffenden Metallbad eine ausreichend große Sinkgeschwindigkeit besitzen und daß sie andererseits keine zu große Dicke aufweisen, um für eine akzeptable Auflösegeschwindigkeit zu sorgen. Als maximale Dicke der Körper kann 50 mm angenommen werden, während der bevorzugte Bereich zwischen 5 und 25 mm liegt.
Als Alternative kann das Zusatzmittel auch in Form eines gefüllten Drahtes vorliegen, wobei das Mittel von einem geeigneten Material umhüllt wird. Bei der Auswahl des entsprechenden Materials ist darauf zu achten, daß es sich rasch in der Schmelze auflöst, um das Zusatzmittel freizusetzen und daß es keine unerwünschten Verunreinigungen in das zu legierende Metallbad einbringt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das jeweilige Grundmetall zu verwenden. Die Herstellung des Zusatzmittels erfolgt durch inniges
Vermischen der pulverf örmigen Komponenten A und B und ggf durch Verpressen mit den üblichen technischen Vorrichtung wie z. B. Tabletten- oder Brikettpresse oder durch
Einbringen in den Fülldraht. Die Teilchengröße der
Komponente A sollte < 1 mm vorzugsweise < 150 μm und die der Komponente B sollte ebenfalls < 1 mm vorzugsweise
< 150 μm betragen, um nach dem anschließenden Verpressen oder Kompaktieren dem Formkörper eine entsprechend große innere Oberfläche zu verleihen, die wiederum für die
Auf lösegeschwindigkeit von wesentlicher Bedeutung ist.
Da die meisten Metalle bei der Herstellung nach den technisch gebräuchlichen Verfahren nicht in Pulverform anfallen, ist eine vorhergehende Zerkleinerung notwendig, welche gegebenenfalls nach dem Brechen noch in einem Mahlvorgang in den üblichen Mühlen wie Kugel-, Schwingoder Prallmühlen besteht.
Das erfindungsgemäße Zusatzmittel wird in einer Menge von 0,01 bis 25 Gew.-% dem flüssigen Grundmetall zum Legier en zugesetzt, wobei es sich vollständig und ohne Rückstandsbildung in diesem auflöst und eine homogene Legierung bildet.
Als Grundmetall können prinzipiell alle Metalle oder Legierungen verwendet werden, in denen die durch das erfindungsgemäße Zusatzmittel eingebrachten Elemente tolerierbar sind. Als besonders geeignet haben sich hierbei Leichtmetall-Legierungen wie reines Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen sowie reines Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen erwiesen, bei denen sich die Vorteile wie hohe Auflösungsgeschwindigkeit und hohe Konzentration an Legierungsbestandteil besonders deutlich zeigten.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne sich jedoch darauf zu beschränken. Beispiele 1 bis 7
30 kg Aluminium (Grundmetall) wurden in einem Induktionstiegelofen auf 800° C erhitzt. Durch die Speicherwärme betrug der Temperaturverlust während des Versuchs maximal 30° C. Der Schmelze wurde Chrom (Legierungskomponente) in Form von verschiedenen Zusatzmitteln zugegeben, welche aus gepreßten Mischungen der angegebenen Komponenten mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Höhe von ca. 15 mm bestanden. Die Chromzugabe entsprach 0,5 % des Aluminiums. Während des Versuchs wurde keine elektrische Leistung in den Ofen eingespeist, so daß keine induktive Badbewegung auftrat. Direkt nach der Chromzugabe wurde die Schmelze zwei Sekunden lang gerührt. Anschließend wurde die erste Probe nach zwei Minuten entnommen. Nach der Probenahme wurde erheut zwei Sekunden gerührt und nach fünf Minuten die nächste Probe entnommen. Dieser Zyklus wurde noch zweimal mit Probenahmen nach 10 und 15 Minuten wiederholt. Danach wurde die Schmelze eine Minute gerührt mit abschließender Probenahme nach 20 Minuten.
Für die Mischungspreßlinge wurden Chrompulver < 150 μm, Kalium-Aluminiumfluorid-Pulver (KAIF4) < 150 μm sowie Aluminiumpulver der Körnung 430 - 75 μm verwendet. Die innige Mischung wurde in einer Tablettenpresse auf ca. 70 - 80 % der theoretischen Dichte verdichtet. Außerdem wurden zwei Handelsprodukte entsprechend dem Stand der Technik eingesetzt. Aus Tabelle 1 gehen die verwendeten Mischungen, die Dichte der Preßlinge und deren Löslichkeitsverhalten hervor. Die Versuche 1 bis 4, bei welchen die e r f indungs gemä ße n Zusatzmittel eingesetzt wurden, zeigen die Auflösegeschwindigkeit in Abhängigkeit vom KaliumAluminiumfluorid-Gehalt der Mischungen. Wie die Versuche belegen, ist bei einem Kalium-Aluminiumfluorid-Anteil von 14,1 Gew.-% (vgl. Versuch 4) das Chrom bereits nach zwei Minuten vollständig in Lösung gegangen. Dagegen ist bei 9,1 Gew.-% Kalium-Aluminiumfluorid bereits nach zehn Minuten das Chrom vollständig im Grundmetall gelöst (vgl. Versuch 2).
Die Versuche 5 und 6 wurden mit Hande ls pr odukt en entsprechend dem Stand der Technik durchgeführt. Beide Produkte enthalten lediglich ca. 75 Gew.-% Chrom und ca. 25 Gew.-% Bindemittel. Trotz des hohen Bindemittelanteils werden nach zwei Minuten bei Versuch 5 lediglich 9 % und bei Versuch 6 nur 60 % Chromausbringen verzeichnet. Auch nach 10 Minuten werden bei Versuch 5 erst 80 % und bei Versuch 6 erst 76 % Chrom ausgebracht. Erst nach 20 Minuten mit der vorgeschalteten intensiven Rührphase werden bei Versuch 5 100 % und bei Versuch 7 88 % Ausbringen erreicht. Dagegen zeigt Versuch 4, daß trotz erheblich geringerem Bindemittelant eil das Chrom bereits nach zwei Minuten vollständig gelöst ist. In Versuch 7 wird ein Zusatzmittel verwendet, dessen Bindemittel aus Kalium-Aluminiumfluorid und Aluminium besteht. Diese Kombination entspricht dem Stand der Technik (GB-PS 21 12 020). Die Versuchsergebniss zeigen, daß trotz des höheren Anteils an Bindemittel bei Versuch 7 im Vergleich zu Versuch 2 eine deutlich verringerte Auflösegeschwindigkeit beobachtet wird. Bei Versuch 7 hat sich das Chrom erst nach 20 Minuten vollständig aufgelöst.

Claims

Patentansprüche
1.) Schneilösliches Zusatzmittel für Metallschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß es 2 bis 50 Gew.-% einer Komponente A bestehend aus Alkali-Aluminiumfluorid und/oder einem Alkali-Aluminiumfluorid enthaltenden Salz und 50 bis 98 Gew.-% einer Komponente B bestehend aus einem oder mehreren Legierungsmetall (en) enthält und daß die Komponenten A und B innig vermischt vorliegen.
2.) Mittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man anstelle von Alkali-Aluminiumfluorid eine Mischung aus Alkalifluorid und Aluminiumfluorid verwendet.
3.) Mittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkali-Aluminiumfluorid das Natrium- und/oder Kaliumsalz verwendet.
4.) Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkali-Aluminiumfluorid enthaltende Salz aus mindestens 50 Gew.-% Alkali-Aluminiumfluorid besteht und als Nebenkomponente Chloridsalze und/oder Fluoridsalze enthält.
5.) Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente A einen Anteil von 5 bis 25 Gew.-% besitzt.
6.) Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmetall Chrom, Mangan oder Eisen enthält.
7.) Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmetall aus Metallegierungen und/oder -mischungen besteht.
8.) Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es in verpreßter oder kompaktierter Form vorliegt.
9.) Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kompaktierten oder verpreßten Körper eine Dicke von < 50 mm aufweisen.
10.) Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form eines Fülldrahtes vorliegt.
11.) Verfahren zur Herstellung des Zusatzmittels nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die pulverförmigen Komponenten A und B mit den technisch üblichen Vorrichtungen herstellt und ggf. anschließend kompaktiert oder in einen Fülldraht einbringt.
12.) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente A eine Teilchengröße < 1 mm, vorzugsweise < 150 μm aufweist.
13.) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente B eine Teilchengröße von < 1 mm, vorzugsweise < 150 μm aufweist.
14.) Verwendung des Zusatzmittels nach den Ansprüchen
1 bis 10 zum Legieren von flüssigen Metallen in einer Menge von 0,01 bis 25 Gew.-%.
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