EP0692328B1 - Verfahren zur Herstellung von Formgussteilen aus Aluminiumlegierungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Formgussteilen aus Aluminiumlegierungen Download PDF

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EP0692328B1
EP0692328B1 EP95810391A EP95810391A EP0692328B1 EP 0692328 B1 EP0692328 B1 EP 0692328B1 EP 95810391 A EP95810391 A EP 95810391A EP 95810391 A EP95810391 A EP 95810391A EP 0692328 B1 EP0692328 B1 EP 0692328B1
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granules
metal
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Dieter G. Prof. Dr. Altenpohl
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Salzburger Aluminium AG
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Salzburger Aluminium AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/08—Cold chamber machines, i.e. with unheated press chamber into which molten metal is ladled
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing of molded parts made of aluminum alloys.
  • iron contents for safety castings from 0.1% Fe to 0.2% Fe, preferably 0.13% Fe to 0.18% Fe tolerable, the iron content of secondary metal, however, is clearly about that.
  • primary or fresh metal in quantities added until iron, hydrogen and oxides or other metallic and non-metallic Impurities on low proportions are lowered.
  • security parts is so the cycle of aluminum secondary metal not closed because of the above Purpose primary metal must be added.
  • the object of the present invention is the development of a manufacturing process pore-free castings of high ductility Aluminum secondary metal with an iron content up to 1% and this object is achieved according to the invention by means of the features of claim 1 solved.
  • Advantageous refinements of the method according to claim 1 characterize the Objects of the following claim 1 Expectations.
  • the method according to the invention is essentially divided in two by in a first process step Recycle aluminum scrap and to a blank e.g. to shed a strand is (first solidification), from which in one second step of the molded body becomes.
  • first solidification e.g. to shed a strand
  • second solidification e.g. to shed a strand
  • Aluminum scrap which can be composed of cast or wrought alloys or mixtures thereof, is used as the starting material. With a wide solidification interval, the iron content of the scrap can be up to 1.0%. Aluminum scrap with iron contents of this order of magnitude and other impurities are produced, for example, from automobile shredder systems.
  • the following conditions must be met or fulfilled for the purpose according to the invention, ie a casting structure which is insensitive to impurities.
  • a solidification process is to be used which precludes or largely suppresses crystal growth from a cooled or heat-conducting wall.
  • This type of solidification process can be achieved by rapid movement of the melt in front of the solidification front, the movement being able to take place by mechanical or electromagnetic stirring.
  • the overwhelming majority (approx. 90%) of the final crystals must have grown free-floating in the melt.
  • a low casting temperature (maximum 20 ° C above the liquidus temperature) is preferred. If strands are cast as blanks, which are separated to produce a cast part, strands with cross sections of up to 200 cm 2 have proven to be advantageous.
  • each blank of a special heat treatment to undergo the contours of the Mixed crystals (cast grains) on melted Round grain boundaries and their size (Diameter) by at least 20% and at most 70% grow and they are thereby from the residual melt encased overall, this as the decisive one Prerequisite for tixotropy.
  • This Heat treatment is preferred immediately before the final shape by a blank to a temperature between Solidus and liquidus temperature, preferably near the solidus temperature e.g. inductively heated and a pressure with the heating temperature is subjected to pressurization for final shaping in a die casting machine can be done.
  • the pressing takes place by high pressure casting, i.e.
  • a temperature gradient on the blank set or applied the a thin, not melted surface layer a maximum of a few mm (0.05 mm to 3.0 mm, preferably 0.5 mm to 1.5 mm) at temperatures below or at the solidus temperature leaving the blank covering all around and the thus cooler than the rest of the blank.
  • a cross section of heating rising inside out also tapered heating
  • Suitable measures such as cooling the surface of the blank in the final phase of inductive Heating by a gas stream or by use of cooling surfaces.
  • the method according to the invention also allows an acceleration of manufacturing processes for Cast aluminum safety parts by conventional Die casting machines (cold chamber machines) become applicable. It is known that conventional aluminum die-cast iron content in metal e.g. by 0.4% prevent the mold from being removed. Iron contents of this order of magnitude (approx. 0.4%) however, closed the use of such cast Molded parts as safety parts, for example in the automobile. With the demand for a lot low iron contents were forced to Safety parts using low pressure casting machines (where the problem alloying at low, i.e. less than 0.4% iron content does not occur), however, their output is significantly lower than that of die casting machines, i.e. the Cold chamber high pressure casting machines.
  • EP-A-0.554.808 A1 describes a process for the production of molded parts made of an aluminum alloy with a Iron content from 0.3% to 0.5% known as primary material, at which is the aluminum alloy in the molten state brought in with a higher than usual amount Grain refining agent added, poured into a blank, the blank to any temperature below the Solidus temperature cooled, then with formation of a tixotropic slip to a temperature between Solidus and liquidus temperature heated up at this Temperature held for a certain time and is then fed to a molding system.
  • This The process is the production of rheo pre-material to simplify fine-grained, homogeneous structure and to make it more economical.
  • EP-A-0.513.523 A1 discloses a method of manufacture of molded parts from a dispersion-hardened Aluminum alloy, in which the aluminum alloy dendritic crystal structure to form a globular blank Potted crystal structure, the blank before transformation to Cast part of a heat treatment at temperatures close the solidification area of the aluminum alloy, for the purpose the transformation of the globular crystal structure of the Metal alloy in a doughy form, subjected, and then liquefied using pressure and is cast to form a molded part.
  • the known methods are not suitable Aluminum alloys with high iron contents for Manufacture of non-porous castings with high ductility to use.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formgussteilen aus Aluminiumlegierungen.
In neuerer Zeit besteht das Postulat, zukünftig Automobile werkstoffmässig so auszugestalten, dass diese bei Verschrottung mit 90% ihres Materialanteiles rezyklierbar sind. Im Zug der Verschrottung fällt neben anderen Werkstoffen Aluminium in Haufwerken inhomogener Legerungszusammensetzung - sogenannter Mischschrott - aus Blechen und Profilen (Knetlegierungen) und Gussteilen (Gusslegierungen) an, der so aufzubereiten ist, dass er als Sekundärmetall, d.h. Ausgangswerkstoff wieder für eine weite Palette von Press-, Walz- und Gussprodukten in Betracht kommt. Bisan nicht in Betracht gekommen ist der Einsatz von Sekundärmetall der vorstehend beschriebenen Art zur Herstellung gegossener Sicherheitsteile. Dies liegt darin begründet, dass das Sekundärmetall nicht tolerierbare Gehalte an Eisen aufweist, die den Forderungen an Sicherheitsgussteile, nämlich Porenfreiheit und hohe Duktilität, entgegenstehen. Normalerweise sind für Sicherheitsgussteile Eisengehalte von 0,1% Fe bis 0,2% Fe, vorzugsweise 0,13% Fe bis 0,18% Fe tolerierbar, der Eisengehalt von Sekundärmetall liegt jedoch deutlich darüber. Dagegen behilft man sich in herrschender Praxis damit, dass man dem Sekundärmetall sogenanntes Primär- oder Frischmetall in Mengen beifügt, bis Eisen, Wasserstoff und Oxide bzw. andere metallische und nichtmetallische Verunreinigungen auf tiefe Mengenanteile gesenkt sind. Bezüglich Sicherheitsteilen ist also der Kreislauf von Aluminiumsekundärmetall nicht geschlossen, weil ständig zu dem genannten Zweck Primärmetall zugegeben werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung porenfreier Gussteile hoher Duktilität aus Aluminium-Sekundärmetall mit einem Eisengehalt bis 1% und diese Aufgabe wird erfindungsgemäss vermittels der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach Patentanspruch 1 kennzeichnen die Gegenstände der dem Patentanspruch 1 folgenden Ansprüche.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist im wesentlichen zweigeteilt, indem in einem ersten Verfahrensschritt Aluminium-Schrott aufzubereiten und zu einem Rohling z.B. einem Strang zu vergiessen ist (erste Erstarrung), woraus in einem zweiten Schritt der Formkörper hergestellt wird. Dazu wird der Rohling teilweise aufgeschmolzen, durch Anwendung von Druck zum Fliessen gebracht, unter Druck in ein formgebendes Werkzeug eingetragen, indem er wieder erstarrt (zweite Erstarrung).
Als Ausgangsmaterial kommt Aluminium-Schrott in Anwendung, der sich aus Guss- oder Knetlegierungen oder Mischungen davon zusammensetzen kann. Bei breitem Erstarrungsintervall kann der Eisengehalt des Schrottes bis zu 1.0% betragen. Aluminium-Schrott mit Eisengehalten dieser Grössenordnung und anderen Verunreinigungen fällt beispielsweise aus Automoboilschredder-Anlagen an. Bei der Schrottaufbereitung zu Sekundärmetall sind für den erfindungsgemässen Zweck, d.h. eines gegen Verunreinigungen unempfindliches Gussgefüges, folgende Bedingungen einzuhalten bzw. zu erfüllen. Zu erzeugen ist zunächst ein Metall mit einem sehr feinen Korn mit Korndurchmessern von durchschnittlich 0,02 mm und nicht über 0,3 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,03 mm bis 0,15 mm. Bevorzugt ist diese Kornfeinung mit Bor-Titan-Vorlegierungen vorzunehmen. Bei Vergiessen der korngefeinten Sekundärmetall-Schmelze zu einem Rohling, bevorzugt einem Strang, ist auf einen Erstarrungsablauf abzustellen, der ein Wachstum von Kristallen von einer gekühlten oder wärmeleitenden Wand ausgehend ausschliesst oder weitgehend unterdrückt. Diese Art Erstarrungsablauf kann durch rasche Bewegung der Schmelze vor der Erstarrungsfront erreicht werden, wobei die Bewegung durch mechanisches oder elektromagnetisches Rühren erfolgen kann. Ferner muss die überwiegende Mehrzahl (ca. über 90%) der abschliessend entstandenen Kristalle ("Körner") freischwebend in der Schmelze gewachsen sein. Nach dem ersten Verguss mit Erstarrung (erste Erstarrung), d.h. Guss zu einem Rohling, ist ein Gussgefüge gefordert, dessen einzelne Kristalle von einer Restschmelze teilweise umhüllt sind, wobei diese Umhüllung eine Filmstärke von mindestens einem Micron aufweist. In diesem Zusammenhang ist eine niedrige Giesstemperatur (maximal 20°C über Liquidustemperatur) bevorzugt. Werden als Rohlinge Stränge gegossen, die zur Herstellung eines Gussteiles vereinzelt werden, so haben sich Stränge mit Querschnitten bis 200 cm2 als vorteilhaft erwiesen.
Vor der endgültigen Formgebung aus dem Rohling ist zum zweiten Verfahrensschritt gehörend jeder Rohling einer besonderen Wärmebehandlung zu unterziehen, bei der sich die Konturen der Mischkristalle (Gusskörner) bei angeschmolzenen Korngrenzen runden und in ihrer Grösse (Durchmesser) um mindestens 20% und höchstens 70% wachsen und sie werden dabei von der Restschmelze gesamthaft umhüllt, dies als entscheidende Voraussetzung für die Tixotropie. Diese Wärmebehandlung wird bevorzugt unmittelbar vor der endgültigen Formgebung vorgenommen, indem ein Rohling auf eine Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur, vorzugsweise nahe der Solidustemperatur z.B. induktiv angewärmt und mit der Anwärmtemperatur einem Druck unterworfen wird, wobei die Unterdrucksetzung zur endgültigen Formgebung in einer Druckgussmaschine erfolgen kann. Erfolgt die Verpressung durch Hochdruckgiessen, d.h. vermittels einer sogenannten Kaltkammermaschine, so wird der angewärmte Rohling in deren Füllkammer eingebracht und mit dem Füllkolben mit einem Druck der Höhe beaufschlagt, dass der Rohling auf Grund seiner tixotropen Fliessfähigkeit oder seines Fliessverhaltens als Metall in teigiger Form fliesst und dabei aus der Füllkammer durch eine Verengung oder einen Zuflusskanal, zum Formhohlraum dort ein Fertigteil bildend (zweite Erstarrung), durchtritt. Dabei wird in der Verengung die oberflächliche Oxidschicht des Rohlings zusammen mit einem Pressrest zurückgehalten, der vom Fertigteil abgetrennt wird. Im Gegensatz zum konventionellen Hochdruckgiessen, bei dem eine endgültige Formgebung von vollständig erschmolzenem Metall ausgeht, wird erfindungsgemäss von einer Schmelze in Teilerstarrung ausgegangen, indem beim Anpressen des Rohlings 25% - 50% dessen Metallmenge in flüssigem Zustand, Rest fest, sind, bevorzugt ist ca. ein Drittel der Metallmenge in flüssiger Form.
Beim Anwärmen des Rohlings auf eine Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur ist sicherzustellen, dass kein flüssiges Metall an Stirn und Mantelfläche des Rohlings (meist wird zur Bildung von Rohlingen ein Bolzen zu Scheiben vereinzelt) austritt. Hierzu wird, insbesondere wenn der Flüssiganteil über ca. 30% liegt, erfindungsgemäss am Rohling ein Temperaturgradient eingestellt bzw. angewendet, der eine dünne, nicht aufgeschmolzene Oberflächenschicht von maximal einigen mm (0.05 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 1,5 mm) auf Temperaturen unter oder bei der Solidustemperatur den Rohling allseits bedeckend belässt und die somit kühler als der Rest des Rohlings ist. Um diese über einen Querschnitt betrachtet von aussen nach innen steigende Aufheizung (auch tapered heating) zu erreichen, sind mehrere Massnahmen geeignet, wie Kühlung der Oberfläche des Rohling in der Endphase der induktiven Anwärmung durch einen Gasstrom oder durch Verwendung von Kühlflächen.
Beim erfindungsgemäss aufbereiteten und verarbeiteten Metall hat sich gezeigt, dass es für Gussteile, die bestimmte Sicherheitsnormen zu erfüllen haben, brauchbar ist. Erkennbar wurde, dass auch höhere, sonst prohibitive Gehalte an Verunreinigungen tolerabel sind, insbesondere kann ein hoher Eisengehalt bis ca. 1% im Aluminium-Ausgangsmaterial verbleiben, da man auf Grund der zweimaligen Erstarrung, der besonderen Erstarrungsbedingungen und der sehr feinen (kleinen) Korngrössen einen duktilen und hochfesten sowie vergütbaren und auch schweissbaren Aluminium-Formguss herstellen kann, der die geforderten mechanisch-technologischen Eigenschaften von Sicherheitsteilen aus Aluminium erfüllt. Vorstehend ist die Erfindung im Zusammenhang mit reinem Aluminium-Sekundärmetall, d.h. Rücklaufmetall dargestellt, darauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Sie ist auch im beanspruchten Eisenanteilsbereich auf Primärmetall und auf Mischungen aus Sekundär- und Primärmetall anwendbar.
Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet auch, eine Beschleunigung von Fertigungsabläufen für Aluminiumguss-Sicherheitsteile, indem konventionelle Druckgussmaschinen (Kaltkammermaschinen) anwendbar werden. Bekannt ist, dass konventioneller Aluminium-Druckguss Eisengehalte im Metall z.B. um 0.4% vorschreibt, um einem Ablegieren der Gussform vorzubeugen. Eisengehalte dieser Grössenordnung (ca. 0,4%) schlossen jedoch die Verwendung so gegossener Formteile als Sicherheitsteile, beispielsweise im Automobil aus. Mit der Forderung nach sehr niedrigen Eisengehalten bestand der Zwang, Sicherheitsteile vermittels Niederdruckgiessmaschinen (bei denen die Problematik des Ablegierens bei niedrigen, d.h. kleiner als 0,4% Eisengehalten nicht auftritt) herzustellen, deren Ausbringung jedoch deutlich tiefer liegt als die der Druckgussmaschinen, d.h. der Kaltkammer-Hochdruckgiessmaschinen. Im übrigen ist bei dieser Verarbeitungsform hauptsächlich Primärmetall statt Sekundärmetall zu verwenden, um tiefe Werte der Verunreinigungen im Metall, inklusive Eisengehalt zu gewährleisten. Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt den Nachteil des Niederdruckgusses, indem Hochdruckguss nun auch zur Verarbeitung von Aluminiumlegierungen mit höheren Eisengehalten zu Sicherheitsteilen anwendbar wird.
Aus der EP-A-0.554.808 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einer Aluminiumlegierung mit einem Eisengehalt von 0,3% bis 0,5% als Vormaterial bekannt, bei dem die Aluminiumlegierung in schmelzflüssigen Zustand gebracht mit einer höher als üblichen Menge an Kornfeinungsmittel versetzt, zu einem Rohling vergossen, der Rohling auf eine beliebige Temperatur unterhalb der Solidustemperatur abgekühlt, anschliessend unter Bildung eines tixotropen Schlickers auf eine Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur aufgeheizt, bei dieser Temperatur während einer bestimmten Zeit gehalten und danach einer Formgebungsanlage zugeführt wird. Ziel dieses Verfahrens ist, die Herstellung von Rheovormaterial mit feinkörnigem, homogenem Gefüge zu vereinfachen und wirtschaftlicher zu gestalten.
EP-A-0.513.523 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Formgussteilen aus einer dispersionsgehärteten Aluminiumlegierung, bei dem die Aluminiumlegierung dendritischer Kristallstruktur zu einem Rohling globularer Kristallstruktur vergossen, der Rohling vor Umbildung zum Formgussteil einer Wärmebehandlung bei Temperaturen nahe dem Erstarrungsbereich der Aluminiumlegierung, zum Zwecke der Umwandlung der globularen Kristallstruktur der Metallegierung in eine teigige Form, unterworfen, und anschliessend unter Anwendung von Druck verflüssigt und unter Bildung eines Formgussteiles vergossen wird.
Die bekannten Verfahren sind nicht geeignet, Aluminiumlegierungen mit hohen Eisengehalten zur Herstellung porenfreier Gussteile hoher Duktilität einzusetzen.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung von Formgussteilen aus 0,15% bis 1,0% Eisen als metallische und andere nichtmetallische Bestandteile enthaltenden Aluminiumlegierungen als Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangsmaterial zu einem Rohling mit feinkörnigem Gefüge, dessen Körner zu mindestens 90% freischwebend in einer Schmelze zum Wachstum gebracht und von einer Restschmelze mit einer Filmstärke von mindestens einem Micron umhüllt sind, vergossen, der Rohling vor Umbildung zum Formgussteil einer Wärmebehandlung zwischen Solidus- und Liquidustemperatur, vorzugsweise einer Temperatur nahe der Solidustemperatur zum Wachstum und zur Rundung seiner Körner unterworfen, anschliessend der angewärmte Rohling unter Anwendung von Druck verflüssigt und unter Bildung eines Formgussteiles vergossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das Gussgefüge des Rohlings mit Korngrössen von 0,02 mm bis 0,3 mm, vorzugsweise von 0,03 mm bis 0,15 mm ausgebildet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der Körner des Rohlings durch Wärmebehandlung um mindestens 20% und höchstens 70% wachsen und dabei von Restschmelze überwiegend umhüllt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Rohlings induktiv erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Rohlings von aussen nach innen mit steigenden Temperaturen erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anwendung von Druck das tixotrope Fliessen des Metalles des Rohlings bewirkt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anwärmen 25% bis 50% der Metallmenge des Rohlings in flüssigen Zustand, Rest fest, gebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwendung von Druck in der Füllkammer einer Hochdruck-Kaltkammergiessmaschine vermittels eines Füllkolbens erfolgt.
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