EP0493318A1 - Verfahren zum Herstellen einer Flüssig-Fest-Metallegierungsphase für die Weiterverarbeitung als Werkstoff im thixotropen Zustand - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Flüssig-Fest-Metallegierungsphase für die Weiterverarbeitung als Werkstoff im thixotropen Zustand Download PDF

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EP0493318A1
EP0493318A1 EP91810961A EP91810961A EP0493318A1 EP 0493318 A1 EP0493318 A1 EP 0493318A1 EP 91810961 A EP91810961 A EP 91810961A EP 91810961 A EP91810961 A EP 91810961A EP 0493318 A1 EP0493318 A1 EP 0493318A1
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mechanical vibrations
liquid
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temperature
solid metal
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EP91810961A
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Jean Pierre Gabathuler
Kurt Buxmann
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3A Composites International AG
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Alusuisse Lonza Services Ltd
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S164/00—Metal founding
    • Y10S164/90—Rheo-casting

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a liquid-solid metal alloy phase for further processing as a material in the thixotropic state, wherein an alloy melt with a solidified portion of primary crystals is kept at a temperature between the solidus and liquidus temperature of the alloy and the primary crystals to individual degenerate dendrites or molded grains of substantially globulitic shape.
  • the inventors have set themselves the goal of creating a method of the type mentioned at the outset with which a metal alloy phase with thixotropic properties can be produced with as few oxidic inclusions as possible, low porosity and uniform casting grain size and the treatment time of the alloy pulp can be kept as short as possible. that there is no significant coarsening of the grain.
  • the process should be simple to carry out and inexpensive.
  • the vibrations which are preferably in the ultrasonic frequency range between 18 and 45 kHz, cause in addition to the desired formation of fine, globulitic cast grains of uniform grain size, homogenization and degassing of the melt in the partially solidified melt.
  • the mechanical vibrations in the alloy slurry can be generated in any way, for example via the mold by coupling a vibration generator to the mold frame.
  • the oscillations are preferably generated via the oscillation surface of at least one oscillation generator immersed directly in the molten metal, the oscillation amplitude of the oscillation surface being between 5 and 100 microns, preferably between 20 and 60 microns.
  • the mechanical vibrations can take place continuously or pulsating, the pulsing duration preferably setting the pulse duration between 20 ms and 10 s, in particular between 0.1 s and 1 s, and the ratio of the pulse duration of the mechanical vibrations to the pause duration between 0.1 and 1 lies.
  • the method according to the invention can be used both in stationary mold casting processes such as mold casting and sand casting as well as in continuous processes such as vertical and horizontal, conventional and electromagnetic continuous casting and strip casting processes of all kinds.
  • the power introduced into the melt via the mechanical vibrations is preferably 2 to 50 W / cm2 strand cross section, in particular 5 to 20 W / cm2 strand cross section.
  • the vibration area of the vibration generator (s) is preferably 1 to 100%, in particular 10 to 60%, of the strand cross-sectional area.
  • a piezoelectric vibration generator is advantageously used to generate the mechanical vibrations, since its amplitude can be set precisely regardless of its power and, moreover, larger amplitudes are possible than with magnetomechanical vibration generators.
  • liquid-solid metal alloy phase produced by the process according to the invention is first cooled below the solidus temperature of the alloy - generally to room temperature.
  • the structure with the thixotropic properties is "frozen".
  • the thixotropic state of the alloy is restored by rapid heating again to a temperature in the range between solidus and liquidus temperature of the alloy.
  • liquid-solid metal alloy phase with thixotropic properties can also be processed immediately after it has been produced, without prior solidification.
  • the heat extraction is controlled in such a way that the minimum temperature of the slurry does not drop below the solidus temperature of the alloy. Instead of a solid strand, the liquid-solid metal alloy phase is drawn off and processed directly.
  • alloy also includes the pure metals with production-related impurities, for example the different qualities of pure aluminum.
  • the method according to the invention is particularly suitable for producing thixotropic aluminum alloys. In principle, however, all castable alloy systems can be processed.
  • a vertical continuous casting plant 10 has a ring-shaped, internally cooled mold 12, the gap-shaped opening 14 of which is used to apply coolant 16 to the surface of the strand 18 emerging from the mold 12.
  • Above the mold 12 there is an attachment 20 made of refractory, heat-insulating material to form a so-called hot-top.
  • the liquid metal 22 is fed to the mold 12 via a trough 24.
  • the strand 18 is continuously lowered by means of a start-up floor 26, which keeps the mold 12 closed until the start of casting.
  • a vibration generator 28 with a vibration surface 30 dips into the liquid metal 22.
  • the mechanical vibrations transmitted from the vibration surface 30 of the vibration generator 28 to the liquid metal 22 lead in the mushy zone 32 between the liquid metal 22 and the solidified strand 18 to the formation of globular cast grains and thus to the liquid-solid metal alloy phase with thixotropic properties.

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Abstract

Eine Legierungsschmelze mit einem erstarrten Anteil an Primärkristallen wird auf einer Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Legierung gehalten. Durch die Erzeugung mechanischer Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 10 und 100 kHz in dieser Flüssig-Fest-Metallegierungsphase werden die Primärkristalle zu einzelnen degenerierten Dendriten oder Gusskörnern von im wesentlichen globulitischer Gestalt geformt und verleihen dadurch der Flüssig-Fest-Metallegierungsphase thixotrope Eigenschaften.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Flüssig-Fest-Metallegierungsphase für die Weiterverarbeitung als Werkstoff im thixotropen Zustand, wobei eine Legierungsschmelze mit einem erstarrten Anteil an Primärkristallen auf einer Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Legierung gehalten wird und die Primärkristalle zu einzelnen degenerierten Dendriten oder Gusskörnern von im wesentlichen globulitischer Gestalt geformt werden.
  • Bei der Herstellung von Metallegierungsphasen mit thixotropen Eigenschaften ist bekannt, die Temperatur einer Legierungsschmelze auf einen Wert zwischen Solidus- und Liquidustemperatur einzustellen und den hierbei entstehenden Legierungsbrei zur Umwandlung der beim Erstarrungsvorgang sich bildenden Dendriten zu im wesentlichen globulitischen Gusskörnern kräftig zu rühren. Dieses Verfahren sowie die Einsatzmöglichkeiten der damit erzeugten Metallegierungsphase mit thixotropen Eigenschaften ist beispielsweise in US-A-3 948 650 und US-A-3 959 651 ausführlich beschrieben. Die Rührwirkung wird auf mechanischem oder elektromagnetischem Weg erzeugt. Die DE-C-25 14 386 offenbart weiterhin ein Verfahren, bei dem eine Legierung in Knüppel- oder Stangenform auf eine Temperatur zwischen Liquidus- und Solidustemperatur erwärmt und ohne Rühren während einigen Minuten bis Stunden auf dieser Temperatur gehalten wird.
  • Die drei genannten Verfahren weisen jedoch nicht unerhebliche Nachteile auf. Sowohl beim mechanischen als auch beim elektromagnetischen Rühren besteht die Gefahr, dass einerseits auf der Schmelzeoberfläche sich ausbildende Oxidhäute und andererseits durch Wirbelbildung entstehende Luftblasen in die Schmelze eingerührt werden, was sich am Endprodukt durch unerwünschte Einschlüsse bzw. Porosität bemerkbar macht. Zudem lässt sich mit beiden Verfahren keine einheitliche Gusskorngrösse erzielen. Mit einem mechanischen Rührwerk ist überdies ein wirksames Rühren im Bereich der Erstarrungfront des Legierungsbreis aus konstruktionsbedingten Gründen nur schwer durchführbar. Die durch das Rühren bedingten Nachteile können zwar beim Verfahren nach DE-C-25 14 386 vermindert werden, jedoch tritt durch die verhältnismässig lange Haltezeit des Legierungsbreis über Solidustemperatur eine unerwünschte Kornvergröberung ein.
  • Angesichts dieser Gegebenheiten haben sich die Erfinder zum Ziel gesetzt, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit welchem eine Metallegierungsphase mit thixotropen Eigenschaften mit möglichst wenig oxidischen Einschlüssen, geringer Porosität und einheitlicher Gusskorngrösse hergestellt und die Behandlungszeit des Legierungsbreis so kurz gehalten werden kann, dass keine wesentliche Kornvergröberung eintritt. Zudem soll das Verfahren einfach durchführbar und kostengünstig sein.
  • Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass in der Flüssig-Fest-Metallegierungsphase mechanische Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 10 und 100 kHz erzeugt werden.
  • Die vorzugsweise im Ultraschallfrequenzbereich zwischen 18 und 45 kHz liegenden Schwingungen bewirken in der teilerstarrten Schmelze neben der gewünschten Ausbildung feiner, globulitischer Gusskörner von einheitlicher Korngrösse zusätzlich eine Homogenisierung und Entgasung der Schmelze.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens wird darin gesehen, dass der durch die mechanischen Schwingungen erzeugte "Rühreffekt" praktisch bis zur vollständigen Erstarrung des Legierungsbreis aufrechterhalten bleiben kann, dies im Gegensatz zum mechanischen oder elektromagnetischen Rühren, welches infolge zunehmender Viskosität des Legierungsbreis nur bis zu einem Primärkristallanteil von etwa 65 Gew.-% im Legierungsbrei wirksam ist.
  • Die mechanischen Schwingungen im Legierungsbrei können auf irgendeine Weise erzeugt werden, so beispielsweise über die Kokille durch Ankoppelung eines Schwingungserzeugers am Kokillenrahmen. Bevorzugt erfolgt jedoch die Erzeugung der Schwingungen über die Schwingungsfläche mindestens eines direkt in die Metallschmelze eintauchenden Schwingungserzeugers, wobei die Schwingungsamplitude der Schwingungsfläche zwischen 5 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 20 und 60 µm liegt.
  • Die mechanischen Schwingungen können kontinuierlich oder pulsierend erfolgen, wobei bei pulsierender Schwingung die Pulsdauer bevorzugt zwischen 20 ms und 10 s, insbesondere zwischen 0,1 s und 1 s eingestellt wird und das Verhältnis der Pulsdauer der mechanischen Schwingungen zur Pausendauer zwischen 0,1 und 1 liegt.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren ist sowohl bei stationären Kokillengiessverfahren wie Kokillen- und Sandguss als auch bei kontinuierlichen Verfahren wie vertikales und horizontales, konventionelles und elektromagnetisches Stranggiessen sowie Bandgiessverfahren aller Art anwendbar.
  • Beim Stranggiessen beträgt die über die mechanischen Schwingungen in die Schmelze eingebrachte Leistung bevorzugt 2 bis 50 W/cm² Strangquerschnitt, insbesondere 5 bis 20 W/cm² Strangquerschnitt. Die Schwingungsfläche der/des Schwingungserzeuger/s beträgt bevorzugt 1 bis 100%, insbesondere 10 bis 60% der Strangquerschnittsfläche.
  • Vorteilhafterweise wird zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen ein piezoelektrischer Schwingungserzeuger eingesetzt, da dessen Amplitude unabhängig von dessen Leistung präzis eingestellt werden kann und zudem grössere Amplituden als bei magnetomechanischen Schwingungserzeugern möglich sind.
  • Während bei kontinuierlichen Giessverfahren die mechanischen Schwingungen naturgemäss während des gesamten Erstarrungsvorganges von der Schmelze über den Legierungsbrei bis hin zur vollständigen Erstarrung auf das Metall einwirken, genügt es bei stationären Giessverfahren, die mechanischen Schwingungen kurz vor dem Erstarrungsbeginn in die Schmelze einzuleiten. Zur Erzielung eines optimalen thixotropen Gefüges werden die Schwingungen üblicherweise bis kurz vor Eintritt der vollständigen Erstarrung der Schmelze aufrechterhalten.
  • Im allgemeinen wird die mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Flüssig-Fest-Metallegierungsphase zunächst unter die Solidustemperatur der Legierung -- im allgemeinen auf Raumtemperatur -- abgekühlt.
  • Hierbei wird die Struktur mit den thixotropen Eigenschaften "eingefroren". Zur Weiterverarbeitung des Materials in einer Druckgiessmaschine oder durch andere Warmumformungsverfahren wie Schmieden oder Pressen wird der thixotrope Zustand der Legierung durch erneutes rasches Aufheizen auf eine Temperatur im Bereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Legierung wieder hergestellt.
  • Selbstverständlich kann die Flüssig-Fest-Metallegierungsphase mit thixotropen Eigenschaften auch unmittelbar nach deren Erzeugung ohne vorherige vollständige Verfestigung weiterverarbeitet werden. Bei Anwendung kontinuierlicher Giessverfahren wird in diesem Fall der Wärmeentzug derart gesteuert, dass die minimale Temperatur des Breis nicht unter die Solidustemperatur der Legierung absinkt. Anstelle eines festen Stranges wird die Flüssig-Fest-Metallegierungsphase abgezogen und direkt weiterverarbeitet.
  • Es sei hier noch angemerkt, dass unter dem Begriff Legierung auch die Reinmetalle mit herstellungsbedingten Verunreinigungen verstanden werden, also beispielsweise die verschiedenen Qualitäten von Reinaluminium.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren ist besonders geeignet zum Herstellen thixotroper Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich können jedoch alle vergiessbaren Legierungssysteme verarbeitet werden.
  • Orientierende Versuche an einer Legierung des Typs AlSi7Mg haben gezeigt, dass die Ultraschallbehandlung der Flüssig-Fest-Phase nicht nur zu globulitischen Gusskörnern einheitlicher Korngrösse führt, sondern gleichzeitig eine Kornfeinung beobachtet werden kann. Wird ein thixotropes Gefüge mit noch kleinerer Gusskorngrösse gewünscht, so kann der Schmelze zusätzlich ein Kornfeinungsmittel bekannter Art wie beispielsweise Titanborid zugegeben werden. Die Versuchsergebnisse sind in nachstehender Tabelle zusammengestellt.
    Figure imgb0001
  • Tabelle: mittlerer Gusskorndurchmesser in AlSi7Mg
  • Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachstehend anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Eine vertikale Stranggiessanlage 10 weist eine ringförmig angeordnete, innengekühlte Kokille 12 auf, deren spaltförmige Oeffnung 14 zum Aufbringen von Kühlmittel 16 auf die Oberfläche des aus der Kokille 12 austretenden Stranges 18 dient. Oberhalb der Kokille 12 ist ein Aufsatz 20 aus feuerfesten, wärmeisolierendem Werkstoff zur Bildung eines sogenannten Hot-Top angeordnet. Das flüssige Metall 22 wird der Kokille 12 über eine Giessrinne 24 zugeführt. Der Strang 18 wird mittels eines Anfahrbodens 26, der die Kokille 12 bis zum Giessstart geschlossen hält, kontinuierlich abgesenkt.
  • Ueber der Kokille taucht ein Schwingungserzeuger 28 mit Schwingungsfläche 30 in das flüssige Metall 22 ein. Die von der Schwingungsfläche 30 des Schwingungserzeugers 28 auf das flüssige Metall 22 übertragenen mechanischen Schwingungen führen in der breiigen Zone 32 zwischen dem flüssigen Metall 22 und dem erstarrten Strang 18 zur Ausbildung globulitischer Gusskörner und damit zur Flüssig-Fest-Metallegierungsphase mit thixotropen Eigenschaften.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Flüssig-Fest-Metallegierungsphase im für die Weiterverarbeitung als Werkstoff thixotropen Zustand, wobei eine Legierungsschmelze mit einem erstarrten Anteil an Primärkristallen auf einer Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Legierung gehalten wird und die Primärkristalle zu einzelnen degenerierten Dendriten oder Gusskörnern von im wesentlichen globulitischer Gestalt geformt werden,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in der Flüssig-Fest-Metallegierungsphase mechanische Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 10 und 100 kHz erzeugt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich zwischen 18 und 45 kHz liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der mechanischen Schwingungen über die Schwingungsfläche mindestens eines direkt in die Metallschmelze eintauchenden Schwingungserzeugers erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsamplitude der Schwingungsfläche zwischen 5 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 20 und 60 µm liegt.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Schwingungen pulsierend erfolgen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhält nis der Pulsdauer der mechanischen Schwingungen zur Pausendauer zwischen 0,1 und 1 liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer zwischen 20 ms und 10 s, vorzugsweise zwischen 0,1 s und 1 s eingestellt wird.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim kontinuierlichen Stranggiessen die über die mechanischen Schwingungen in die Metallschmelze eingebrachte Leistung 2 bis 50 W/cm² Strangquerschnitt, vorzugsweise 5 bis 20 W/cm² Strangquerschnitt beträgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsfläche der/des Schwingungserzeuger/s 1 bis 100%, vorzugsweise 10 bis 60% der Strangquerschnittsfläche beträgt.
  10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der mechanischen Schwingungen mit einem piezoelektrischen Schwingungserzeuger erfolgt.
EP91810961A 1990-12-21 1991-12-11 Verfahren zum Herstellen einer Flüssig-Fest-Metallegierungsphase für die Weiterverarbeitung als Werkstoff im thixotropen Zustand Withdrawn EP0493318A1 (de)

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