EP0518815A1 - Verfahren zum Aufheizen eines Werkstückes aus einer Metallegierung - Google Patents

Verfahren zum Aufheizen eines Werkstückes aus einer Metallegierung Download PDF

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EP0518815A1 EP92810382A EP92810382A EP0518815A1 EP 0518815 A1 EP0518815 A1 EP 0518815A1 EP 92810382 A EP92810382 A EP 92810382A EP 92810382 A EP92810382 A EP 92810382A EP 0518815 A1 EP0518815 A1 EP 0518815A1
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • 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
    • C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase

Definitions

  • the invention relates to a method for heating a workpiece made of a solid metal alloy to a final temperature between the solidus and liquidus temperature of the alloy, in particular for producing a partially solid, partially liquid, thixotropic state of the workpiece.
  • these partially solid, partially liquid metal alloy phases are first cooled to below the solidus temperature of the alloy - generally to room temperature - and only heated to the required processing temperature at which the thixotropic properties appear just before they are further processed.
  • Coarsening of the cast grains is undesirable both in the production of the metal alloy phase with thixotropic properties and in the subsequent heating of the workpieces to the further processing temperature.
  • the inventors have set themselves the goal of creating a method of the type mentioned at the outset with which the thixotropic state of a workpiece made of a metal alloy for whose further processing can be stopped inexpensively and without having to accept a significant coarsening of the grain.
  • the workpiece is heated convectively in a first step, by heat conduction, heat radiation or another non-inductive heat transfer to a temperature just below the solidus temperature of the metal alloy and in a subsequent second step inductively to the final temperature.
  • the desired final temperature is reached quickly by the inductive heating in the second step and consequently the dwell time of the workpiece in the partially solid, liquid state, in which the greatest tendency to coarsen the grain is observed, is kept as short as possible. Since in this second step there is only a temperature increase on the workpiece of approximately 30 ° to 100 ° C., the power and thus the size of the induction heating system can also be designed to be relatively small and therefore inexpensive. On the other hand, the energy loss during heating through non-inductive heat transfer in the first step, taking into account the large temperature interval, is significantly less than with a corresponding induction heating.
  • the temperature reached after the first heating step is about 10 ° to 50 ° C below the solidus temperature of the metal alloy.
  • the solidus temperature should never be exceeded.
  • the inductive heating of the workpiece in the second step is preferably carried out with an alternating current frequency between 50 and 1000 Hz and a heating power between approximately 10 and 200 kW.
  • the alternating current frequency and heating power are matched to one another in such a way that the surface temperature of the workpiece never exceeds the desired end temperature while maintaining the shortest possible time until the end temperature is reached.
  • the process according to the invention is expediently carried out continuously under production conditions.
  • the heating in the first step is preferably carried out in a continuous or tunnel oven and in the second step cyclically by transferring it into successive induction coils, the throughput speed of the workpieces through the continuous or tunnel oven, the cycle time of the induction heating system and the cycle time of the subsequent further processing system being coordinated will.
  • Several lines of induction coils can also be used per continuous or tunnel furnace.
  • the method according to the invention is preferably used in the production of workpieces intended for further processing with thixotropic properties, in particular for further processing bolts or ingots in die casting, forging, rolling and pressing systems.
  • the method is particularly suitable for heating workpieces made of aluminum alloys.
  • An alloy of the type AlSi7Mg with 6.9% by weight Si and 0.4% by weight Mg was cast in a continuous casting installation to produce a thixotropic structure to form a strand of 75 mm in diameter and cut into bolts of 180 mm in height.
  • the average diameter of the globular cast grains was less than 100 ⁇ m.
  • the solidus temperature of the alloy is 555 ° C.
  • the bolts were heated to the set furnace temperature of 540 ° C for two hours in a holding oven with air circulation.
  • the bolts were then heated in an induction coil with an output of 25 kW and an AC frequency of 250 Hz within 6 minutes to the final temperature of about 580 ° C - corresponding to a liquid metal content of 30 to 40%.
  • Metallographic examination of bolt cross sections showed that no significant grain coarsening had occurred, i.e. the average grain size was still below 100 ⁇ m.

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Abstract

Ein Werkstück aus einer Metallegierung wird in einem ersten Schritt konvektiv, durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder eine andere nicht-induktive Wärmeübertragung auf eine knapp unterhalb der Solidustemperatur der Legierung liegende Temperatur und in einem anschliessenden zweiten Schritt induktiv auf die zwischen Solidus- und Liquidustemperatur liegende Endtemperatur aufgezeizt. Das Verfahren ist insbesondere geeignet zur Herstellung von zur Weiterverarbeitung vorgesehenen Werkstücken mit thixotropen Eigenschaften, insbesondere zur Weiterverarbeitung von Bolzen oder Barren in Druckgiess-, Schmiede-, Walz- und Pressanlagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Werkstückes aus einer festen Metallegierung auf eine zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Legierung liegende Endtemperatur, insbesondere zur Herstellung eines teilfesten-teilflüssigen, thixotropen Zustandes des Werkstückes.
  • 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 sind beispielsweise in US-A-3 948 650 und US-A-3 959 651 ausführlich beschrieben.
  • Im allgemeinen werden diese teilfesten-teilflüssigen Metallegierungsphasen zunächst unter die Solidustemperatur der Legierung -- im allgemeinen auf Raumtemperatur -- abgekühlt und erst kurz vor deren Weiterverarbeitung auf die erforderliche Verarbeitungstemperatur, bei welcher die thixotropen Eigenschaften in Erscheinung treten, aufgeheizt.
  • Sowohl bei der Herstellung der Metallegierungsphase mit thixotropen Eigenschaften als auch beim späteren nochmaligen Aufheizen der Werkstücke auf die Weiterverarbeitungstemperatur ist eine Vergröberung der Gusskörner unerwünscht.
  • Zum Aufheizen von metallischen Werkstoffen ist allgemein bekannt, oel-, gas- oder widerstandsbeheizte Öfen mit oder ohne Luftumwälzung oder auch Induktionsöfen einzusetzen.
  • Angesichts dieser Gegebenheiten haben sich die Erfinder zum Ziel gesetzt, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit welchem der thixotrope Zustand eines Werkstückes aus einer Metallegierung für dessen Weiterverarbeitung kostengünstig und ohne Inkaufnahme einer wesentlichen Kornvergröberung eingestellt werden kann.
  • Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass das Werkstück in einem ersten Schritt konvektiv, durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder eine andere nicht-induktive Wärmeübertragung auf eine knapp unterhalb der Solidustemperatur der Metallegierung liegende Temperatur und in einem anschliessenden zweiten Schritt induktiv auf die Endtemperatur aufgeheizt wird.
  • Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird einerseits die gewünschte Endtemperatur durch die induktive Aufheizung im zweiten Schritt schnell erreicht und demzufolge die Verweilzeit des Werkstückes im teilfestenteilflüssigen Zustand, in welchem die stärkste Neigung zur Kornvergröberung beobachtet wird, möglichst kurz gehalten. Da in diesem zweiten Schritt nur eine Temperaturerhöhung am Werkstück von etwa 30° bis 100° C erfolgt, kann zudem die Leistung und damit die Grösse der Induktionsheizanlage verhältnismässig klein und damit kostengünstig ausgelegt werden. Andererseits ist der Energieverlust bei der Aufheizung durch nicht-induktive Wärmeübertragung im ersten Schritt unter Berücksichtigung des grossen Temperaturintervalls wesentlich geringer als bei einer entsprechenden Induktionsheizung.
  • Unter Praxisbedingungen liegt die nach dem ersten Aufheizschritt erreichte Temperatur etwa 10° bis 50° C unterhalb der Solidustemperatur der Metallegierung. Die Solidustemperatur sollte auf keinen Fall überschritten werden.
  • Die induktive Aufheizung des Werkstückes im zweiten Schritt erfolgt bevorzugt mit einer Wechselstromfrequenz zwischen 50 und 1000 Hz und einer Heizleistung zwischen etwa 10 und 200 kW. Wechselstromfrequenz und Heizleistung werden derart aufeinander abgestimmt, dass unter Einhaltung einer möglichst kurzen Zeit bis zum Erreichen der Endtemperatur die Oberflächentemperatur des Werkstückes die gewünschte Endtemperatur nie übersteigt.
  • Unter Produktionsbedingungen wird das erfindungsgemässe Verfahren zweckmässigerweise kontinuierlich durchgeführt. Hierbei erfolgt das Aufheizen im ersten Schritt bevorzugt in einem Durchlauf- oder Tunnelofen und im zweiten Schritt taktweise durch jeweiliges Überführen in aufeinanderfolgende Induktionsspulen, wobei die Durchlaufgeschwindigkeit der Werkstücke durch den Durchlauf- oder Tunnelofen, die Taktzeit der Induktionsheizanlage sowie die Taktzeit der nachfolgenden Weiterverarbeitungssanlage aufeinander abgestimmt werden. Pro Durchlauf- oder Tunnelofen können auch mehrere Linien von Induktionsspulen eingesetzt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Lösung ist darin zu sehen, dass im Falle eines Unterbruchs an der Weiterverarbeitungsanlage weniger Ausschuss an Werkstücken im teilfesten-teilfüssigen Zustand entsteht als bei einem taktweisen Verfahren mit induktiver Aufheizung auch im ersten Schritt, da mit dem erfindungsgemässen Verfahren bei gleicher Produktionsgeschwindigkeit weniger Induktionsspulen erforderlich sind.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren wird bevorzugt angewendet bei der Herstellung von zur Weiterverarbeitung vorgesehenen Werkstücken mit thixotropen Eigenschaften, insbesondere zur Weiterverarbeitung von Bolzen oder Barren in Druckgiess-, Schmiede-, Walz- und Pressanlagen.
  • Das Verfahren ist insbesondere geeignet zum Aufheizen von Werkstücken aus Aluminiumlegierungen.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    • Beispiel
  • Eine Legierung des Typs AlSi7Mg mit 6,9 Gew.-% Si und 0,4 Gew.-% Mg wurde in einer Stranggiessanlage unter Erzeugung eines thixotropen Gefüges zu einem Strang von 75 mm Durchmesser vergossen und zu Bolzen von 180 mm Höhe geschnitten. Der durchschnittliche Durchmesser der globulitischen Gusskörner betrug weniger als 100 µm. Die Solidustemperatur der Legierung liegt bei 555° C. Die Bolzen wurden während zwei Stunden in einem Warmhalteofen mit Luftumwälzung auf die eingestellte Ofentemperatur von 540° C aufgeheizt. Anschliessend wurden die Bolzen in einer Induktionsspule mit einer Leistung von 25 kW und einer Wechselstromfrequenz von 250 Hz innerhalb von 6 Min. auf die Endtemperatur von etwa 580° C -- entsprechend einem Flüssigmetallanteil von 30 bis 40 % -- aufgeheizt. Die metallographische Untersuchung an Bolzenquerschnitten zeigte, dass keine wesentliche Kornvergröberung eingetreten war, d.h. die durchschnittliche Korngrösse lag immernoch unterhalb von 100 µm.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Aufheizen eines Werkstückes aus einer festen Metallegierung auf eine zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Legierung liegende Endtemperatur, insbesondere zur Herstellung eines teilfesten bzw. teilflüssigen, thixotropen Zustandes des Werkstückes,
       dadurch gekennzeichnet,
       dass das Werkstück in einem ersten Schritt konvektiv, durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder eine andere nicht-induktive Wärmeübertragung auf eine knapp unterhalb der Solidustemperatur der Legierung liegende Temperatur und in einem anschliessenden zweiten Schritt induktiv auf die Endtemperatur aufgeheizt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück im ersten Schritt auf eine 10° bis 50° C unterhalb der Solidustemperatur der Legierung liegende Temperatur aufgeheizt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück im zweiten Schritt mit einer Wechselstromfrequenz zwischen 50 und 1000 Hz aufgeheizt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück im zweiten Schritt mit einer Leistung zwischen 10 und 200 kW aufgeheizt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufheizen im zweiten Schritt Wechselstromfrequenz und Heizleistung derart aufeinander abgestimmt werden, dass unter Einhaltung einer möglichst kurzen Zeit bis zum Erreichen der Endtemperatur die Oberflächentemperatur des Werkstückes die gewünschte Endtemperatur nie übersteigt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen der Werkstücke im ersten Schritt kontinuierlich in einem Durchlauf- oder Tunnelofen durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen der Werkstücke im zweiten Schritt taktweise in mehreren aufeinanderfolgenden Induktionsspulen durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass pro Durchlauf- oder Tunnelofen mehrere Induktionsspulenlinien eingesetzt werden.
  9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von zur Weiterverarbeitung vorgesehenen Werkstücken mit thixotropen Eigenschaften, insbesondere zur Weiterverarbeitung von Bolzen oder Barren in Druckgiess-, Schmiede-, Walz- und Pressanlagen.
  10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf Werkstücke aus Aluminiumlegierungen.
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