EP0969111B1 - Metallbolzen mit thixotropen Eigenschaften und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Metallbolzen mit thixotropen Eigenschaften und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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EP0969111B1 EP98810591A EP98810591A EP0969111B1 EP 0969111 B1 EP0969111 B1 EP 0969111B1 EP 98810591 A EP98810591 A EP 98810591A EP 98810591 A EP98810591 A EP 98810591A EP 0969111 B1 EP0969111 B1 EP 0969111B1
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cross
bolt
metal
thixotropic
bolts
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Miroslaw Plata
Martin Bolliger
Grégoire Arnold
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3A Composites International AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D11/009—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths of work of special cross-section, e.g. I-beams, U-profiles
    • 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 metal bolt according to the preamble of claim 1. Within the scope of the invention also a process for the production of metal bolts and their use.
  • Bolts with thixotropic properties are known by vertical or horizontal continuous casting of a metal alloy.
  • the molten metal in the solidification area is stirred vigorously, whereby above all have proven electromagnetic stirring devices.
  • the dendrites that form are sheared off or developed back so that these primarily solidifying solid particles are essentially globulitic Take shape.
  • Bolts made of continuous cast material, for further processing are provided in the thixotropic state, according to the state of the Technique a circular cross section.
  • a temperature gradient between the stud surface and the stud core, which is more pronounced the higher the heating rate is chosen.
  • the liquid metal portion over the bolt cross section at the processing temperature within specified tolerance values lies, for example, between 30 and 50%.
  • Energy input in the bolt in the area of the solid / liquid transition between Solidus and liquidus temperature of the metal alloy so slow that at the The maximum permissible temperature is not exceeded and the temperature in the bolt core is not significantly lower, so that the liquid metal portion over the bolt cross section in the specified tolerance range lies.
  • the invention is therefore based on the object, metal bolt of the beginning mentioned type so that in comparison to conventional round bolts faster heating up for further processing in the required temperature is possible in the thixotropic state.
  • a metal bolt with the features of claim 1 leads to the achievement of the object according to the invention.
  • the one when heating up of the bolt to the thixotropic state between the lowest temperature in the core and the highest temperature on the surface of the bolt temperature difference is compared to a bolt with a circular Cross-section with the same cross-sectional area under the same heating conditions kept smaller or reached after a shorter heating-up time.
  • the essential essence of the invention is that if there is a deviation from the circular cross-sectional shape with the same cross-sectional area the bolt surface enlarged and at the same time the distance between the pin surface and core is downsized.
  • Both measures mean that the Heating up a bolt designed according to the invention in comparison to a round bolt according to the prior art with the same cross-sectional area under the same heating conditions, smaller temperature differences between the bolt surface and the bolt core.
  • each bolt has a different shape from the circular one Cross section the above-mentioned advantage over round bolts on.
  • the bolt shape can be made by special cross-sectional shapes for example, better adapted to molded parts to be produced by thixoforming become.
  • the shapes for the bolt cross section are dumbbell, cross, star, H or double cross shape.
  • the metal bolts according to the invention all are in the state of the Technique for the production of metal bolts with thixotropic properties for the Suitable for further processing in the thixotropic state, in which a strand with a thixotropic structure is made from a molten metal cast, the cast strand cut to bolts and the bolts for adjustment of the thixotropic state are heated before further processing.
  • the molten metal becomes a strand with one described above, cross section deviating from the circular shape.
  • the bolts according to the invention and their manufacture are not limited to a specific one Limited material.
  • preferred materials are aluminum, Magnesium, copper, steel and their alloys, whereby in particular for light metals and very particularly preferably for aluminum and magnesium alloys, which, for example, can also be fiber or particle reinforced can achieve excellent results.
  • the bolts are preferred on a horizontal continuous casting machine with a electromagnetic stirring device arranged in the area of the mold carried out.
  • a electromagnetic stirring device arranged in the area of the mold carried out.
  • the bolts are heated for further processing in the thixotropic state usually inductive. In principle, however, other heating methods can also be used or devices are used with which bolts quickly and can be heated evenly.
  • a particularly preferred area of application for the inventive Metal stud is the production of molded parts by thixoforming.
  • Thixoforming is converted into the thixotropic state by heating Metal bolts placed in a filling chamber and by pressurization introduced or shot into a mold cavity by means of a piston, in which the thixotropic metal alloy solidifies as a molded part.
  • Another preferred area of application is the production of a profile through thixoextrusion. In this process one becomes a thixotropic state heated bolt pressed into a profile strand by a cooled mold.
  • FIG. 1 shows that the liquid metal portion of the alloy rises from about 10 to 50% in the range of the binary eutectic within a narrow temperature range of about 2 ° C.
  • the diagram clearly shows that the temperature gradient across the cross-section of a metal bolt in the thixotropic state must be kept small in order to produce a liquid metal component that is within narrow tolerance limits.
  • the diagrams shown in FIGS. 2 and 3 were determined on round bolts with a diameter of 60 mm from the above-mentioned alloy. The bolts were heated inductively in two stages.
  • T O is the temperature at the stud surface
  • T K is the temperature in the stud core
  • fl O is the liquid metal portion on the stud surface
  • fl K is the liquid metal portion in the stud core
  • t 2 is the heating time of the second stage.
  • FIGS. 4 to 9 show examples of possible cross-sectional shapes of metal bolts. Depending on the application, there may be a specific cross-sectional shape turn out to be cheap. Essentially oval, dumbbell, cross or star-shaped and H or double cross-shaped bolt cross sections according to FIGS. 4 to 9 are suitable, for example, for the simultaneous production of several parts from a bolt or for large parts. Especially in combination with one or more slit-shaped gate cross sections Expand the range of parts that can be manufactured using thixoforms. Slotted Gate cross sections increase the shear rate and subsequently lead to one lower pressing force and better mold filling capacity, which the Production of complex shaped parts allowed.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Metallbolzen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren zur Herstellung von Metallbolzen sowie deren Verwendung.
Bolzen mit thixotropen Eigenschaften werden in bekannter Art durch vertikales oder horizontales Stranggiessen einer Metallegierung hergestellt. Zur Erzeugung des für das thixotrope Verhalten erforderlichen feinkörnigen Gefüges wird die Metallschmelze im Erstarrungsbereich kräftig gerührt, wobei sich vor allem elektromagnetische Rühreinrichtungen bewährt haben. Durch den Rührvorgang werden die sich bildenden Dendriten abgeschert bzw. derart zurückentwickelt, dass diese primär erstarrenden Festteilchen eine im wesentliche globulitische Gestalt annehmen. Solche als Vormaterial dienende Bolzen zeigen nach deren Erwärmung auf eine zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der eingesetzten Metallegierung liegende Temperatur thixotrope Eigenschaften. Bei derart erwärmten Bolzen enthält die Metallegierung im thixotropen Zustand die zurückentwickelten dendritischen, primär erstarrten Partikel in einer diese umgebenden Matrix aus flüssigem Metall.
Aus stranggegossenem Material hergestellte Bolzen, die für eine Weiterverarbeitung im thixotropen Zustand vorgesehen sind, weisen nach dem Stand der Technik einen kreisrunden Querschnitt auf. Beim Aufheizen der Bolzen auf die für die Einstellung des thixotropen Zustandes erforderliche Verarbeitungstemperatur ergibt sich infolge der begrenzten Wärmeleitfähigkeit der Metallegierung zwischen der Bolzenoberfläche und dem Bolzenkern ein Temperaturgefälle, welches um so ausgeprägter in Erscheinung tritt, je höher die Aufheizgeschwindigkeit gewählt wird.
Aus der US-A-4 434 837 ist die Herstellung eines thixotropen Metallstranges bekannt, der auch einen von der kreisrunden Form abweichenden Querschnitt aufweisen kann. Explisit augeführt ist ein techteckiges Querschnitt. Auch die EP-A-0 483 943 offenbart die Herstellung eines thixotropen Metallstranges mit Techteckigem Querschnitt.
Zu Einhaltung eines hohen Qualitätsstandards bei Produkten, die durch Verarbeitung von Werkstoffen im thixotropen Zustand gefertigt werden, ist von wesentlicher Bedeutung, dass der Flüssigmetallanteil über dem Bolzenquerschnitt bei der Verarbeitungstemperatur innerhalb von vorgegebenen Toleranzwerten liegt, beispielsweise zwischen 30 und 50%. Insbesondere ist ein starker Anstieg des Flüssigmetallanteils im Bereich der Bolzenoberfläche infolge einer zu hohen Temperatur unbedingt zu vermeiden. In der Praxis erfolgt daher der Energieeintrag in den Bolzen im Bereich des Fest/Flüssig-Übergangs zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Metallegierung so langsam, dass an der Bolzenoberfläche die maximal zulässige Temperatur nicht überschritten wird und die Temperatur im Bolzenkem nicht wesentlich tiefer ist, so dass der Flüssigmetallanteil über dem Bolzenquerschnitt im vorgegebenen Toleranzbereich liegt. Hierbei ist zu beachten, dass mit zunehmender Verweilzeit im Bereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur ein Kornwachstum der primär erstarrten Festteilchen in der diese umgebenden Matrix aus flüssigem Metall eintritt. Diese Teilchenvergröberung wirkt sich negativ auf die am Endprodukt gewünschte feinkörnige Gefügestruktur aus. Eine lange Verweilzeit führt zu einer niedrigen Produktionsgeschwindigkeit der für die Weiterverarbeitung aufgeheizten Bolzen. Die Produktionsgeschwindigkeit kann zwar durch Vergrösserung der Anzahl Heizeinrichtungen erhöht werden, jedoch müssen erhöhte Investitions- und Produktionskosten in Kauf genommen werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Metallbolzen der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass im Vergleich zu konventionellen Rundbolzen ein schnelleres Aufheizen auf die für die Weiterverarbeitung im thixotropen Zustand erforderliche Temperatur möglich ist.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt ein Metallbolzen mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die beim Aufheizen des Bolzens zum thixotropen Zustand sich zwischen der tiefsten Temperatur im Kern und der höchsten Temperatur an der Oberfläche des Bolzens einstellenden Temperaturdifferenz wird im Vergleich zu einem Bolzen mit kreisrundem Querschnitt bei gleicher Querschnittsfläche unter gleichen Aufheizbedingungen kleiner gehalten bzw. nach kürzerer Aufheizzeit erreicht.
Der wesentliche Kern der Erfindung liegt darin, dass bei Abweichung von der kreisrunden Querschnittsform bei gleichbleibender Querschnittsfläche die Bolzenoberfläche vergrössert und gleichzeitig der Abstand zwischen Bolzenoberfläche und Kern verkleinert wird. Beide Massnahmen bewirken, dass sich beim Aufheizen eines erfindungsgemäss ausgestaiteten Bolzens im Vergleich zu einem Rundbolzen nach dem Stand der Technik mit gleicher Querschnittsfläche unter gleichen Aufheizbedingungen kleinere Temperaturdifferenzen zwischen der Bolzenoberfläche und dem Bolzenkern einstellen. Dies bedeutet andererseits, dass der zur Weiterverarbeitung erforderliche thixotrope Zustand der Metallegierung mit erfindungsgemäss ausgestalteten Bolzen in kürzerer Zeit erreicht werden kann, da die grössere Bolzenoberfläche beim Aufheizen einen höheren Energieeintrag in den Bolzen erlaubt.
Grundsätzlich weist jeder Bolzen mit einem von der kreisrunden Form abweichenden Querschnitt den vorstehend erwähnten Vorteil gegenüber Rundbolzen auf. Zusätzlich kann die Bolzenform durch spezielle Querschnittsformen den beispielsweise durch Thixoformen herzustellenden Formteilen besser angepasst werden. Die Formen für den Bolzenquerschnitt sind hantel-, kreuz-, stern-, H- oder doppelkreuzförmig.
Zur Herstellung der erfindungsgemässen Metallbolzen sind alle im Stand der Technik zur Herstellung von Metallbolzen mit thixotropen Eigenschaften für die Weiterverarbeitung im thixotropen Zustand beschriebenen Verfahren geeignet, bei denen aus einer Metallschmelze ein Strang mit einem thixotropen Gefüge gegossen, der gegossene Strang zu Bolzen abgelängt und die Bolzen zur Einstellung des thixotropen Zustandes vor der Weiterverarbeitung aufgeheizt werden. Erfindungsgemäss wird die Metallschmelze zu einem Strang mit einem vorstehend beschriebenen, von der kreisrunden Form abweichenden Querschnitt gegossen. Beim Aufheizen der Bolzen zum thixotropen Zustand wird die sich zwischen der tiefsten Temperatur im Kern und der höchsten Temperatur an der Oberfläche des Bolzens einstellende Temperaturdifferenz im Vergleich zu einem Bolzen mit kreisrundem Querschnitt bei gleicher Querschnittsfläche unter gleichen Aufheizbedingungen kleiner gehalten bzw. nach kürzerer Aufheizzeit erreicht.
Die erfindungsgemässen Bolzen bzw. deren Herstellung ist nicht auf einen bestimmten Werkstoff beschränkt. Bevorzugte Werkstoffe sind jedoch Aluminium, Magnesium, Kupfer, Stahl sowie deren Legierungen, wobei sich insbesondere bei Leichtmetallen und ganz besonders bevorzugt bei Aluminium- und Magnesiumlegierungen, die beispielsweise auch faser- oder partikelverstärkt sein können, ausgezeichnete Ergebnisse erzielen lassen.
Die Bolzen werden bevorzugt auf einer Horizontalstranggussanlage mit einer im Bereich der Kokille angeordneten elektromagnetischen Rühreinrichtung durchgeführt. Derartige Anlagen zur Erzeugung eines Metallstranges mit thixotropen Eigenschaften sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Das Aufheizen der Bolzen zur Weiterverarbeitung im thixotropen Zustand erfolgt üblicherweise induktiv. Grundsätzlich können jedoch auch andere Heizverfahren bzw. -vorrichtungen eingesetzt werden, mit denen Bolzen rasch und gleichmässig aufgeheizt werden können.
Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet für die erfindungsgemässen Metallbolzen ist die Herstellung von Formteilen durch Thixoformen. Beim Thixoformen wird der durch Aufheizen in den thixotropen Zustand überführte Metallbolzen in eine Füllkammer gegeben und durch Druckbeaufschlagung mittels eines Kolbens in einen Formhohlraum eingebracht bzw. eingeschossen, in welchem die thixotrope Metallegierung als Formteil erstarrt.
Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Herstellung eines Profils durch Thixoextrusion. Bei diesem Verfahren wird ein zum thixotropen Zustand aufgeheizter Bolzen durch eine gekühlte Kokille zu einem Profilstrang verpresst.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in
- Fig. 1
den Flüssigmetallanteil einer Aluminiumlegierung als Funktion der Temperatur;
- Fig. 2
einen Temperatur-Zeitverlauf beim Aufheizen eines Metallbolzens aus einer Aluminiumlegierung zum thixotropen Zustand;
- Fig. 3
das Temperaturgefälle über dem Querschnitt eines Metallbolzens aus einer Aluminiumlegierung im thixotropen Zustand;
- Fig. 4 - 9
verschiedene Querschnittsformen von Metallbolzen.
Fig. 1 zeigt am Beispiel der Legierung AlSi7Mg, dass der Flüssigmetallanteil der Legierung beim Aufheizen im Bereich des binären Eutektikums innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs von etwa 2°C von etwa 10 auf 50% ansteigt. Aus dem Diagramm ist ohne weiteres ersichtlich, dass das Temperaturgefälle über dem Querschnitt eines Metallbolzens im thixotropen Zustand zur Erzeugung eines innerhalb schmaler Toleranzgrenzen liegenden Flüssigmetallanteils klein gehalten werden muss. Die in Fig. 2 und 3 gezeigten Diagramme wurden an Rundbolzen von 60 mm Durchmesser aus der obenerwähnten Legierung ermittelt. Die Bolzen wurden in zwei Stufen induktiv aufgeheizt. In einer ersten Stufe erfolgte das Aufheizen mit 100% Heizleistung während 95 sec und anschliessend in einer zweiten Stufe während einer Zeit von 200 bis 350 sec mit einer Heizleistung von 23,6%. Verwendet wurde ein Induktionsofen mit einem Innendurchmesser von 80 mm, die Frequenz wurde auf 1 KHz eingestellt. Die wesentlichen Ergebnisse der Fig. 3 sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Hierbei bedeuten TO die Temperatur an der Bolzenoberfläche, TK die Temperatur im Bolzenkem, flO der Flüssigmetallanteil an der Bolzenoberfläche, flK der Flüssigmetallanteil im Bolzenkern und t2 die Aufheizzeit der zweiten Stufe.
t2 [s] TK [°C] flK [%] TO [°C] flO [%]
200 569.2 26.1 571.5 52.0
250 569.5 31.7 572.3 53.0
300 569.8 40.3 574.1 53.9
350 570.1 51.2 575.8 55.1
Modellrechnungen an Metallbolzen mit von der kreisrunden Form abweichenden Querschnitten haben gezeigt, dass die Aufheizzeiten zur Erzielung vergleichbarer Temperaturprofile mit vergleichbaren Flüssigmetallanteilen bis zu 50% und mehr reduziert werden können.
Die Fig. 4 bis 9 zeigen beispielhaft mögliche Querschnittsformen von Metallbolzen. Je nach Anwendungszweck kann sich eine bestimmte Querschnittsform als günstig erweisen. Im wesentlichen ovale, hantel-, kreuz- oder sternförmige sowie H- oder doppelkreuzförmige Bolzenquerschnitte gemäss den Fig. 4 bis 9 eignen sich beispielsweise für die gleichzeitige Herstellung von mehreren Teilen aus einem Bolzen oder auch für grosse Teile. Insbesondere in Kombination mit einem oder mehreren schlitzförmigen Anschnittquerschnitten lässt sich die Palette der durch Thixoformen herzustellenden Teile erweitern. Schlitzförmige Anschnittquerschnitte erhöhen die Scherrate und führen in der Folge zu einer geringeren Presskraft und zu einem besseren Formfüllungsvermögen, was die Herstellung komplex gestalteter Formteile erlaubt.

Claims (4)

  1. Metallbolzen mit thixotropen Eigenschaften für die Weiterverarbeitung im thixotropen Zustand, wobei der Bolzen einen von der kreisrunden Form abweichenden Querschnitt aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Bolzenquerschnitt hantel-, kreuz-, stern-, H- oder doppelkreuzförmig ist.
  2. Verfahren zur Herstellung von Metallbolzen mit thixotropen Eigenschaften für die Weiterverarbeitung im thixotropen Zustand, wobei aus einer Metallschmelze ein Strang mit einem thixotropen Gefüge und mit einem von der kreisrunden Form abweichenden Querschnitt gegossen, der gegossene Strang zu Bolzen abgelängt und die Bolzen zur Einstellung des thixotropen Zustandes vor der Weiterverarbeitung aufgeheizt werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Bolzenquerschnitt hantel-, kreuz-, stem-, H- oder doppelkreuzförmig ist.
  3. Verwendung eines Metallbolzens nach Anspruch 1 oder Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 zur Herstellung eines Formteils durch Thixoformen.
  4. Verwendung eines Metallbolzens nach Anspruch 1 oder Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 zur Herstellung eines Profils durch Thixoextrusion.
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