EP1114875A1 - Method of producing an aluminium-titanium-boron motheralloy for use as a grain refiner - Google Patents

Method of producing an aluminium-titanium-boron motheralloy for use as a grain refiner Download PDF

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EP1114875A1
EP1114875A1 EP99811137A EP99811137A EP1114875A1 EP 1114875 A1 EP1114875 A1 EP 1114875A1 EP 99811137 A EP99811137 A EP 99811137A EP 99811137 A EP99811137 A EP 99811137A EP 1114875 A1 EP1114875 A1 EP 1114875A1
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EP
European Patent Office
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master alloy
melt
al3ti
particles
aluminum
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Withdrawn
Application number
EP99811137A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Walter Hotz
Heinrich Homberger
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alcan Technology and Management Ltd
Alusuisse Technology and Management Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to EP00983193A priority patent/EP1242641B1/en
Priority to DE50005366T priority patent/DE50005366D1/en
Priority to CA002394485A priority patent/CA2394485A1/en
Priority to US10/148,659 priority patent/US20030075020A1/en
Priority to PCT/EP2000/012015 priority patent/WO2001042521A1/en
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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
    • 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
    • C22C1/03—Making non-ferrous alloys by melting using master alloys

Definitions

  • the invention relates to a process for producing a grain refining agent based on an aluminum-titanium-boron master alloy by introducing Ti and B-containing starting materials into an aluminum melt to form TiB 2 particles and allowing this master alloy melt to solidify.
  • EP-A-0396389 describes a process for the continuous production of a Al-Ti-B grain refining alloy discloses in which Ti and B-containing starting materials added in a reaction zone of an aluminum melt be, the melt being stirred in the reaction zone. A mixture the alloy formed becomes continuous together with the reaction products fed to a cleaning zone in which the slag with reaction products is collected on the surface of the melt and removed. The grain refining alloy formed is continuously removed from the cleaning station led to a casting station, in which the melt continuously is cast in one strand.
  • the cast strand can either directly have the desired strand or wire thickness, or it can be further Processing by rolling or extrusion to the desired grain refining material are processed.
  • the TiB 2 particles in the AI-Ti-B grain refining agents known today have a strong tendency to form agglomerates. This results in a reduced effect of the grain refining agent. Further disadvantages result from agglomerates and inclusions, which can lead to errors in the end product. Examples include gray lines, holes, material separations and stringers.
  • agglomerates occur preferentially on low-melting salts such as KF and NaCl as well as on oxide skins and can thereby further enlarge. As such, the agglomerates are "soft", can force themselves through filters and as such end up in a cast strand.
  • the invention is therefore based on the object of providing a process for the preparation of an Al-Ti-B grain refining agent with which the formation of agglomerates of TiB 2 particles can be largely prevented and existing agglomerates can be deagglomerated.
  • the object is achieved in a method of the type mentioned at the outset in that the master alloy between the liquidus temperature of the Al 3 Ti phase and the solidus temperature of the master alloy is set in motion for a sufficient period of time for the dispersion of the TiB 2 particles and simultaneously with a first cooling rate is cooled, so that the TiB 2 particles act as nuclei for the Al 3 Ti phase that forms below the liquidus temperature and the surface of the TiB 2 particles are at least partially covered with a coating of Al 3 Ti, and that the Sub-alloy is subsequently cooled below the solidus temperature of the master alloy with a second cooling rate that is higher than the first cooling rate.
  • moving the melt is understood to mean all process steps which are suitable for largely preventing the formation of agglomerates of TiB 2 particles and for deagglomerating existing agglomerates. These include mechanical stirring and vibrating processes with high revolutions of the agitator as well as the generation of cavitation, ie the formation of bubbles, the implosion of which generates shock waves that lead to the deagglomeration of agglomerated particles.
  • the latter methods include, for example, ultrasound treatment and vibration using a magnetohydrodynamic resonator.
  • the grain refining agent produced by the process according to the invention brings about an improved and more homogeneous effect of the grain refining agent, particularly in the grain refining of cast formats made of aluminum alloys, through a more homogeneous distribution of the individual TiB 2 particles, a better one
  • the master alloy is preferably set in motion before the liquidus temperature of the Al 3 Ti phase is undershot.
  • the effect of the grain refining agent produced according to the invention is shown by the fact that the individual, approximately 0.5 to 5 ⁇ m large TiB 2 particles have an excellent germination effect as a result of a coating formed from a thin Al 3 Ti layer, and the particles are isolated and not as agglomerates act, so that a comparable grain refinement can be achieved with a significantly smaller amount of grain refining agent than with grain refining agents according to the prior art.
  • the liquidus temperature of the Al 3 Ti phase is dropped below prematurely. This is especially the case if a master alloy with a high Ti content and a correspondingly higher liquidus temperature is produced or if it is already solidified
  • the second cooling rate is preferably greater than 1 ° C / sec, in particular greater than 5 ° C / sec and particularly preferably greater than 10 ° C / sec.
  • the master alloy melt can be cast into any format. However, preference is given to casting by vertical or horizontal continuous casting continuously produced strand. This strand can either already in the format of the rod or as desired grain refinement Cast wire material or in a further operation by rolling or presses to be processed into bar or wire material. Vertically cast, large-sized strands are mainly processed by extrusion. Horizontal continuous casting of formats is preferred relatively small diameter because this process is continuous Manufacturing allowed. The horizontally cast continuous casting formats are preferably by rolling to the desired bar or wire material processed.
  • a master alloy produced using the method according to the invention has a composition whose total titanium content exceeds the stoichiometric ratio of TiB 2 .
  • a preferred alloy used contains titanium and boron in a weight ratio of 5: 2 to 10: 1.
  • the process is suitable for producing master alloys with 0.15 to 20% by weight of titanium and 0.01 to 4% by weight of boron, it has proven to be advantageous if the master alloy contains 0.3 to 5, preferably 0.5 to 2,% by weight. % Ti and 0.02 to 1, preferably 0.05 to 0.5 wt .-% B contains.
  • the method according to the invention is particularly suitable for production of grain refining agents for the grain refining of aluminum and aluminum alloys.
  • Fig. 1 is the schematic Process flow shown for the production of an Al-Ti-B master alloy drawn in for grain refinement of aluminum alloys.
  • the illustration A of the alloy phases to the left of the 0.5% Ti line shows the processes during the preparation of an already solidified master alloy, the illustration B to the right of the 0.5% Ti line shows the processes during the solidification of the master alloy.
  • the master alloy melt contains TiB 2 particles in partially agglomerated form. Even before the liquidus temperature T L Al3Ti is undershot and until shortly before the solidus temperature T S v of the pre-alloy of the Al 3 Ti phase is reached, the partially agglomerated TiB 2 particles are deagglomerated by a strong melt movement using ultrasound treatment at a frequency of, for example, 25 kHz and distributed homogeneously. Simultaneous controlled cooling with a first cooling rate v 1 of, for example, 0.5 ° C./sec, causes the deposition of a thin layer of the Al 3 Ti phase on the parallel surfaces of the TiB 2 particles and at the same time the formation of coarse-grained Al 3 Ti particles prevented.
  • a first cooling rate v 1 of, for example, 0.5 ° C./sec
  • a system 10 shown in FIG. 2 for producing an Al-Ti-B master alloy for refining aluminum alloys comprises a reaction vessel 12 with an inlet channel 14 in its upper region and an outlet channel 16 in its lower region.
  • the reaction vessel 12 is surrounded by an induction motor 18 as an electromagnetic stirring device with which the aluminum melt 20 located in the reaction vessel 12 is stirred vigorously to form a vortex 22.
  • Ti- and B-containing salts such as K 2 TiF 6 and KBF 4 are guided in the direction of arrow 24 into the vortex 22, which draws the salts into the aluminum melt 20.
  • the aluminum melt 20 with the reaction products is shown below through the outlet duct 16 via a further inlet duct 26 into the upper one Area of an aftertreatment boiler 28 out.
  • Another electromagnetic Stirring device 30 in the lower area of the aftertreatment boiler 28 leads to a lower turbulent zone 32 and an upper calm Zone 34.
  • the slag 36 formed by reaction products is over the removal opening 38 is removed from the aftertreatment boiler 28.
  • the cleaned aluminum melt 20 with the elements titanium and boron contained therein is fed as a pre-alloy in the lower region of the aftertreatment boiler 28 via a casting trough 38 to a mold, not shown in the drawing, of a horizontal continuous casting machine.
  • Two ultrasonic transmitters 40, 42 are arranged in the region of the casting trough 38, the sonotrodes 44, 46 of which are immersed in the melt.
  • An induction heater 48 arranged below the casting trough 38 serves to heat the melt if its temperature should have already dropped below the liquidus temperature T L Al3Ti of the Al 3 Ti phase when the melt flows from the aftertreatment boiler 28 into the casting trough 38.

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Kornfeinungsmittels auf der Basis einer Aluminium-Titan-Bor-Vorlegierung werden Ti- und B-haltige Ausgangsmaterialien in eine Aluminiumschmelze unter Bildung von TiB2-Partikeln eingebracht und diese Vorlegierungsschmelze erstarren gelassen. Die Vorlegierung wird zwischen der Liquidustemperatur (T<L>Al3Ti) der Al3Ti-Phase und der Solidustemperatur (TV<S>) der Vorlegierung während einer zur Dispergierung der TiB2-Partikel in der Schmelze ausreichenden Zeitdauer (Δtd) in Bewegung versetzt und gleichzeitig mit einer ersten Abkühlungsgeschwindigkeit (v1) abgekühlt, so dass die TiB2- Partikel als Keime für die unterhalb der Liquidustemperatur (T<L>Al3Ti) entstehende Al3Ti-Phase wirken und die Oberfläche der TiB2-Partikel zumindest teilweise mit einem Überzug aus Al3Ti bedeckt werden. Die Vorlegierung wird nachfolgend mit einer gegenüber der ersten Abkühlungsgeschwindigkeit (v1 ) höheren zweiten Abkühlungsgeschwindigkeit (v2) unter die Solidustemperatur (T<S>V) der Vorlegierung abgekühlt. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Kornfeinungsmitteln für die Kornfeinung von Aluminium und Aluminiumlegierungen. <IMAGE>A process for the production of a grain refining agent based on an aluminum-titanium-boron master alloy, titanium and B-containing starting materials are introduced into an aluminum melt with formation of TiB2 particles and this master alloy melt is allowed to solidify. The master alloy is set in motion between the liquidus temperature (T <L> Al3Ti) of the Al3Ti phase and the solidus temperature (TV <S>) of the master alloy for a sufficient period of time (Δtd) to disperse the TiB2 particles in the melt, and simultaneously with cooled at a first cooling rate (v1), so that the TiB2 particles act as nuclei for the Al3Ti phase arising below the liquidus temperature (T <L> Al3Ti) and the surface of the TiB2 particles are at least partially covered with a coating of Al3Ti. The master alloy is subsequently cooled at a second cooling rate (v2) higher than the first cooling rate (v1) below the solidus temperature (T <S> V) of the master alloy. The process is particularly suitable for the production of grain refining agents for the grain refining of aluminum and aluminum alloys. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kornfeinungsmittels auf der Basis einer Aluminium-Titan-Bor-Vorlegierung durch Einbringen von Ti- und B-haltigen Ausgangsmaterialien in eine Aluminiumschmelze unter Bildung von TiB2-Partikeln und Erstarrenlassen dieser Vorlegierungsschmelze.The invention relates to a process for producing a grain refining agent based on an aluminum-titanium-boron master alloy by introducing Ti and B-containing starting materials into an aluminum melt to form TiB 2 particles and allowing this master alloy melt to solidify.

In der EP-A-0396389 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer AI-Ti-B-Kornfeinungslegierung offenbart, bei welchem Ti- und B-haltige Ausgangsmaterialien in einer Reaktionszone einer Aluminiumschmelze zugegeben werden, wobei die Schmelze in der Reaktionszone gerührt wird. Eine Mischung der gebildeten Legierung wird zusammen mit den Reaktionsprodukten kontinuierlich einer Reinigungszone zugeführt, in welcher die Schlacke mit Reaktionsprodukten an der Oberfläche der Schmelze gesammelt und abgeführt wird. Die gebildete Kornfeinungslegierung wird kontinuierlich von der Reinigungsstation zu einer Giessstation geführt, in welcher die Schmelze kontinuierlich zu einem Strang vergossen wird. Der gegossene Strang kann entweder direkt die gewünschte Strang- oder Drahtdicke aufweisen, oder er kann durch weitere Bearbeitung durch Walzen oder Strangpressen zum gewünschten Kornfeinungsmaterial verarbeitet werden.EP-A-0396389 describes a process for the continuous production of a Al-Ti-B grain refining alloy discloses in which Ti and B-containing starting materials added in a reaction zone of an aluminum melt be, the melt being stirred in the reaction zone. A mixture the alloy formed becomes continuous together with the reaction products fed to a cleaning zone in which the slag with reaction products is collected on the surface of the melt and removed. The grain refining alloy formed is continuously removed from the cleaning station led to a casting station, in which the melt continuously is cast in one strand. The cast strand can either directly have the desired strand or wire thickness, or it can be further Processing by rolling or extrusion to the desired grain refining material are processed.

In dem Artikel von P. Schumacher et al, New studies of nucleation mechanisms in aluminium alloys: implications for grain refinement practice, Materials Science and Technology, May 1998, Vol. 14, Seiten 394 bis 404, ist eine plausible Theorie zum Ablauf der Vorgänge bei der Kornfeinung von Aluminiumlegierungen durch Zugabe einer Al-Ti-B-Vorlegierung der beispielsweisen Zusammensetzung AlTi5B1 bekannt. Nach dieser Theorie ergeben sich die besten Kornfeinungsergebnisse dann, wenn die in der Aluminiumschmelze unlöslichen TiB2-Partikel an deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Schicht aus Al3Ti-Phase belegt ist. Die Keimbildung der α-Aluminium-Phase erfolgt an den Al3Ti-Schichten, deren Wirkung mit abnehmender Schichtdicke zunimmt.In the article by P. Schumacher et al, New studies of nucleation mechanisms in aluminum alloys: implications for grain refinement practice, Materials Science and Technology, May 1998, Vol. 14, pages 394 to 404, there is a plausible theory on how the processes work known in the grain refinement of aluminum alloys by adding an Al-Ti-B pre-alloy of the exemplary composition AlTi5B1. According to this theory, the best grain refinement results are obtained when the surface of the TiB 2 particles that are insoluble in the aluminum melt is at least partially covered with a layer of Al 3 Ti phase. The α-aluminum phase is nucleated on the Al 3 Ti layers, the effect of which increases with decreasing layer thickness.

Die TiB2-Partikel in den heute bekannten AI-Ti-B-Kornfeinungsmitteln neigen stark zur Bildung Agglomeraten. Dadurch ergibt sich eine verminderte Wirkung des Kornfeinungsmittels. Weitere Nachteile ergeben sich durch Agglomerate und Einschlüsse, die zu Fehlern im Endprodukt führen können. Beispiele hierfür sind Grauzeilen, Löcher, Materialtrennungen und Stringers. Zudem treten Agglomerate bevorzugt an niedrig schmelzenden Salzen wie beispielsweise KF und NaCI sowie an Oxidhäuten auf und können sich dadurch weiter vergrössern. Die Agglomerate sind als solche "weich", können sich durch Filter zwängen und gelangen als solche in einen gegossenen Strang.The TiB 2 particles in the AI-Ti-B grain refining agents known today have a strong tendency to form agglomerates. This results in a reduced effect of the grain refining agent. Further disadvantages result from agglomerates and inclusions, which can lead to errors in the end product. Examples include gray lines, holes, material separations and stringers. In addition, agglomerates occur preferentially on low-melting salts such as KF and NaCl as well as on oxide skins and can thereby further enlarge. As such, the agglomerates are "soft", can force themselves through filters and as such end up in a cast strand.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines AI-Ti-B-Kornfeinungsmittels bereitzustellen, mit welchem die Bildung von Agglomeraten von TiB2-Partikeln weitgehend unterbunden werden kann und bereits vorhandene Agglomerate deagglomeriert werden können.The invention is therefore based on the object of providing a process for the preparation of an Al-Ti-B grain refining agent with which the formation of agglomerates of TiB 2 particles can be largely prevented and existing agglomerates can be deagglomerated.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Vorlegierung zwischen der Liquidustemperatur der Al3Ti-Phase und der Solidustemperatur der Vorlegierung während einer zur Dispergierung der TiB2-Partikel in der Schmelze ausreichenden Zeitdauer in Bewegung versetzt und gleichzeitig mit einer ersten Abkühlungsgeschwindigkeit abgekühlt wird, so dass die TiB2-Partikel als Keime für die unterhalb der Liquidustemperatur entstehende Al3Ti-Phase wirken und die Oberfläche der TiB2-Partikel zumindest teilweise mit einem Überzug aus Al3Ti bedeckt werden, und das die Vorlegierung nachfolgend mit einer gegenüber der ersten Abkühlungsgeschwindigkeit höheren zweiten Abkühlungsgeschwindigkeit unter die Solidustemperatur der Vorlegierung abgekühlt wird.The object is achieved in a method of the type mentioned at the outset in that the master alloy between the liquidus temperature of the Al 3 Ti phase and the solidus temperature of the master alloy is set in motion for a sufficient period of time for the dispersion of the TiB 2 particles and simultaneously with a first cooling rate is cooled, so that the TiB 2 particles act as nuclei for the Al 3 Ti phase that forms below the liquidus temperature and the surface of the TiB 2 particles are at least partially covered with a coating of Al 3 Ti, and that the Sub-alloy is subsequently cooled below the solidus temperature of the master alloy with a second cooling rate that is higher than the first cooling rate.

Unter dem Begriff "Bewegen der Schmelze" werden alle Verfahrensschritte verstanden, die dazu geeignet sind, die Bildung von Agglomeraten von TiB2-Partikeln weitgehend zu unterbinden und bereits vorhandene Agglomerate zu deagglomerieren. Hierzu gehören unter anderem mechanische Rühr- und Vibrierverfahren mit hohen Umdrehungszahlen des Rührwerkes sowie die Erzeugung von Kavitation, d.h. die Bildung von Blasen, deren Implosion Schockwellen erzeugen, die zur Deagglomerierung agglomerierter Partikel führen. Zu den letztgenannten Verfahren gehören beispielsweise die Ultaschallbehandlung sowie die Vibration mittels eines magnetohydrodynamischen Resonators.The term “moving the melt” is understood to mean all process steps which are suitable for largely preventing the formation of agglomerates of TiB 2 particles and for deagglomerating existing agglomerates. These include mechanical stirring and vibrating processes with high revolutions of the agitator as well as the generation of cavitation, ie the formation of bubbles, the implosion of which generates shock waves that lead to the deagglomeration of agglomerated particles. The latter methods include, for example, ultrasound treatment and vibration using a magnetohydrodynamic resonator.

Das mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Kornfeinungsmittel bewirkt insbesondere bei der Kornfeinung von Gussformaten aus Aluminiumlegierungen eine verbesserte und homogenere Wirkung des Kornfeinungsmittels durch eine homogenere Verteilung der einzelnen TiB2-Partikel, eine bessereThe grain refining agent produced by the process according to the invention brings about an improved and more homogeneous effect of the grain refining agent, particularly in the grain refining of cast formats made of aluminum alloys, through a more homogeneous distribution of the individual TiB 2 particles, a better one

Beschichtung der TiB2-Partikel mit Al3Ti-Phase sowie eine Verminderung oder Dispergierung allenfalls noch vorhandener Salze und Oxideinschlüsse im Kornfeinungsmittel.Coating of the TiB 2 particles with Al 3 Ti phase and a reduction or dispersion of any salts and oxide inclusions that may still be present in the grain refining agent.

Bevorzugt wird die Vorlegierung bereits vor dem Unterschreiten der Liquidustemperatur der Al3Ti-Phase in Bewegung versetzt.The master alloy is preferably set in motion before the liquidus temperature of the Al 3 Ti phase is undershot.

Die Wirkung des erfindungsgemäss hergestellten Kornfeinungsmittels zeigt sich dadurch, dass die vereinzelten, etwa 0.5 bis 5 µm grossen TiB2-Partikel als Folge eines sich bildenden Überzuges aus einer dünnen Al3Ti-Schicht eine ausgezeichnete Keimwirkung zeigen und die Partikel vereinzelt und nicht als Agglomerate wirken, so dass eine vergleichbare Kornfeinung mit einer erheblich kleineren Menge an Kornfeinungsmittel erzielt werden kann als mit Kornfeinungsmitteln nach dem Stand der Technik. In der Praxis bedeutet dies, dass die Kornfeinungsmittel in wesentlich verdünnterer Form hergestellt werden können, was die Neigung der TiB2-Partikel zur Agglomeratbildung zusätzlich weiter vermindert.The effect of the grain refining agent produced according to the invention is shown by the fact that the individual, approximately 0.5 to 5 μm large TiB 2 particles have an excellent germination effect as a result of a coating formed from a thin Al 3 Ti layer, and the particles are isolated and not as agglomerates act, so that a comparable grain refinement can be achieved with a significantly smaller amount of grain refining agent than with grain refining agents according to the prior art. In practice, this means that the grain refining agents can be produced in a much more dilute form, which further reduces the tendency of the TiB 2 particles to form agglomerates.

Je nach Konstellation der zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eingesetzten Vorrichtung kann es vorkommen, dass die Liquidustemperatur der Al3Ti-Phase vorzeitig unterschritten wird. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn eine Vorlegierung mit einem hohen Ti-Gehalt und entsprechend erhöhter Liquidustemperatur hergestellt oder wenn von einer bereits erstarrtenDepending on the constellation of the device used to carry out the method according to the invention, it may happen that the liquidus temperature of the Al 3 Ti phase is dropped below prematurely. This is especially the case if a master alloy with a high Ti content and a correspondingly higher liquidus temperature is produced or if it is already solidified

Vorlegierung ausgegangen wird. Durch erneutes Aufheizen der Schmelze über die Liquidustemperatur können bereits ausgeschiedene Al3Ti-Partikel wieder vollständig in Lösung gebracht werden. Dieser Vorgang benötigt typischerweise 5 bis 60 min, je nach Grösse der Al3Ti-Partikel.Master alloy is assumed. By re-heating the melt above the liquidus temperature, Al 3 Ti particles that have already precipitated can be completely dissolved again. This process typically takes 5 to 60 minutes, depending on the size of the Al 3 Ti particles.

Bei einem besonders bevorzugten erfindungsgemässen Verfahren wird die Bewegung der Schmelze mittels Schall, vorzugsweise mittels Ultraschall, erzeugt, wobei die Schmelze zweckmässigerweise mit einer Frequenz von 50 Hz bis 50 kHz, vorzugsweise mit mindestens 10 bis 30 kHz, beschallt wird.In a particularly preferred method according to the invention, the Movement of the melt by means of sound, preferably by means of ultrasound, the melt expediently at a frequency of 50 Hz up to 50 kHz, preferably with at least 10 to 30 kHz, is sonicated.

Die zweite Abkühlungsgeschwindigkeit ist bevorzugt grösser als 1°C/sec, insbesondere grösser als 5°C/sec und besonders bevorzugt grösser als 10°C/sec.The second cooling rate is preferably greater than 1 ° C / sec, in particular greater than 5 ° C / sec and particularly preferably greater than 10 ° C / sec.

Die Vorlegierungsschmelze kann zu irgendeinem Format vergossen werden. Bevorzugt wird jedoch ein zweckmässigerweise durch Vertikal- oder Horizontalstranggiessen kontinuierlich hergestellter Strang. Dieser Strang kann entweder bereits im Format des als Kornfeinungsmittel gewünschten Stangen- oder Drahtmaterials gegossen oder in einem weiteren Arbeitsgang durch Walzen oder Pressen zu Stangen- oder Drahtmaterial verarbeitet werden. Vertikal gegossene, grossformatige Stränge werden vor allem durch Strangpressen weiterverarbeitet. Bevorzugt wird das Horizontalstranggiessen von Formaten mit verhältnismässig kleinem Durchmesser, da dieses Verfahren eine kontinuierliche Herstellung erlaubt. Die horizontal gegossenen Stranggiessformate werden bevorzugt durch Walzen zum gewünschten Stangen- oder Drahtmaterial verarbeitet.The master alloy melt can be cast into any format. However, preference is given to casting by vertical or horizontal continuous casting continuously produced strand. This strand can either already in the format of the rod or as desired grain refinement Cast wire material or in a further operation by rolling or presses to be processed into bar or wire material. Vertically cast, large-sized strands are mainly processed by extrusion. Horizontal continuous casting of formats is preferred relatively small diameter because this process is continuous Manufacturing allowed. The horizontally cast continuous casting formats are preferably by rolling to the desired bar or wire material processed.

Eine mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Vorlegierung weist eine Zusammensetzung auf, deren Gesamtgehalt an Titan das stöchimetrische Verhältnis von TiB2 übersteigt. Eine bevorzugt eingesetzte Vorlegierung enthält Titan und Bor im Gewichtsverhältnis 5:2 bis 10:1. Obschon sich das Verfahren zur Herstellung von Vorlegierungen mit 0.15 bis zu 20 Gew.-% Titan und 0.01 bis 4 Gew.-% Bor eignet, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Vorlegierung 0.3 bis 5, vorzugsweise 0.5 bis 2 Gew.-% Ti und 0.02 bis 1, vorzugsweise 0.05 bis 0.5 Gew.-% B enthält.A master alloy produced using the method according to the invention has a composition whose total titanium content exceeds the stoichiometric ratio of TiB 2 . A preferred alloy used contains titanium and boron in a weight ratio of 5: 2 to 10: 1. Although the process is suitable for producing master alloys with 0.15 to 20% by weight of titanium and 0.01 to 4% by weight of boron, it has proven to be advantageous if the master alloy contains 0.3 to 5, preferably 0.5 to 2,% by weight. % Ti and 0.02 to 1, preferably 0.05 to 0.5 wt .-% B contains.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Kornfeinungsmitteln für die Kornfeinung von Aluminium und Aluminiumlegierungen.The method according to the invention is particularly suitable for production of grain refining agents for the grain refining of aluminum and aluminum alloys.

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
einen Ausschnitt aus dem AI-Ti-Gleichgewichtsdiagramm;
- Fig. 2
einen Querschnitt durch eine Anlage zur Herstellung einer AI-Ti-B-Vorlegierung.
Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawing; this shows schematically in
- Fig. 1
a section of the Al-Ti equilibrium diagram;
- Fig. 2
a cross section through a plant for producing an Al-Ti-B master alloy.

In dem in Fig. 1 dargestellten AI-Ti-Gleichgewichtsdiagramm ist der schematisch dargestellte Verfahrensablauf zur Herstellung einer Al-Ti-B-Vorlegierung zur Kornfeinung von Aluminiumlegierungen eingezeichnet.In the AI-Ti equilibrium diagram shown in Fig. 1 is the schematic Process flow shown for the production of an Al-Ti-B master alloy drawn in for grain refinement of aluminum alloys.

Eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Vorlegierung mit einer Zusammensetzung entsprechend AlTi0.7B0.1, die etwa 0.5% nicht an Bor gebundenes Titan enthält, weist eine Ausgangstemperatur von etwa 840°C auf und liegt somit über der für diese Legierungszusammensetzung etwa bei 800°C liegenden Liquidustemperatur TL Al3Ti der Al3Ti-Phase. Die bildliche Darstellung A der Legierungsphasen links von der 0.5% Ti-Linie zeigt die Vorgänge bei der Aufbereitung einer bereits erstarrten Vorlegierung, die Darstellung B rechts von der 0.5%Ti-Linie die Vorgänge während der Erstarrung der Vorlegierung.A master alloy produced by the process according to the invention with a composition corresponding to AlTi0.7B0.1, which contains about 0.5% titanium not bound to boron, has an initial temperature of about 840 ° C. and is therefore above that for this alloy composition at about 800 ° C. lying liquidus temperature T L Al3Ti of the Al 3 Ti phase. The illustration A of the alloy phases to the left of the 0.5% Ti line shows the processes during the preparation of an already solidified master alloy, the illustration B to the right of the 0.5% Ti line shows the processes during the solidification of the master alloy.

Die Vorlegierungsschmelze enthält TiB2-Partikel in teilweise agglomerierter Form. Bereits vor dem Unterschreiten der Liquidustemperatur TL Al3Ti und bis kurz vor dem Unterschreiten der Solidustemperatur TS v der Vorlegierung der Al3Ti-Phase werden die teilweise agglomerierten TiB2-Partikel durch eine starke Schmelzebewegung mittels Ultraschallbehandlung bei einer Frequenz von beispielsweise 25 kHz deagglomeriert und homogen verteilt. Durch gleichzeitiges kontrolliertes Abkühlen mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit v1 von z.B. 0.5°C/sec wird die Abscheidung einer dünnen Schicht der Al3Ti-Phase auf den parallelen Oberflächen der TiB2-Partikel bewirkt und gleichzeitig die Bildung von grobkörnigen Al3Ti-Partikeln verhindert. Bei der nachfolgenden starken Abkühlung mit einer gegenüber der ersten Abkühlungsgeschwindigkeit v1 höheren zweiten Abkühlungsgeschwindigkeit v2 von beispielsweise 10°C/sec unter die Solidustemperatur TS v der Vorlegierung wird sichergestellt, dass sich die Al3Ti-Schicht auf den TiB2-Partikeln nicht vollständig auflöst und auch keine weitere Bildung bzw. Vergröberung von Al3Ti-Partikeln eintritt.The master alloy melt contains TiB 2 particles in partially agglomerated form. Even before the liquidus temperature T L Al3Ti is undershot and until shortly before the solidus temperature T S v of the pre-alloy of the Al 3 Ti phase is reached, the partially agglomerated TiB 2 particles are deagglomerated by a strong melt movement using ultrasound treatment at a frequency of, for example, 25 kHz and distributed homogeneously. Simultaneous controlled cooling with a first cooling rate v 1 of, for example, 0.5 ° C./sec, causes the deposition of a thin layer of the Al 3 Ti phase on the parallel surfaces of the TiB 2 particles and at the same time the formation of coarse-grained Al 3 Ti particles prevented. During the subsequent strong cooling with a second cooling speed v 2 higher than the first cooling speed v 1 of, for example, 10 ° C./sec below the solidus temperature T S v of the master alloy, it is ensured that the Al 3 Ti layer is on the TiB 2 particles does not dissolve completely and no further formation or coarsening of Al 3 Ti particles occurs.

Eine in Fig. 2 gezeigte Anlage 10 zur Herstellung einer Al-Ti-B-Vorlegierung zum Kornfeinen von Aluminiumlegierungen umfasst einen Reaktionskessel 12 mit einem Einlasskanal 14 in dessen oberem Bereich und einem Auslasskanal 16 in dessen unterem Bereich. Der Reaktionskessel 12 ist umgeben von einem Induktionsmotor 18 als elektromagnetische Rühreinrichtung, mit der die sich im Reaktionskessel 12 befindende Aluminiumschmelze 20 unter Bildung eines Vortex 22 stark gerührt wird. Ti- und B-haltige Salze wie z.B. K2TiF6 und KBF4 werden in Pfeilrichtung 24 in den Vortex 22 geführt, welcher die Salze in die Aluminiumschmelze 20 hineinzieht.A system 10 shown in FIG. 2 for producing an Al-Ti-B master alloy for refining aluminum alloys comprises a reaction vessel 12 with an inlet channel 14 in its upper region and an outlet channel 16 in its lower region. The reaction vessel 12 is surrounded by an induction motor 18 as an electromagnetic stirring device with which the aluminum melt 20 located in the reaction vessel 12 is stirred vigorously to form a vortex 22. Ti- and B-containing salts such as K 2 TiF 6 and KBF 4 are guided in the direction of arrow 24 into the vortex 22, which draws the salts into the aluminum melt 20.

Die Aluminiumschmelze 20 mit den Reaktionsprodukten wird nachfolgend durch den Auslasskanal 16 über einen weiteren Einlasskanal 26 in den oberen Bereich eines Nachbehandlungskessels 28 geführt. Eine weitere elektromagnetische Rühreinrichtung 30 im unteren Bereich des Nachbehandlungskessels 28 führt zu einer unteren turbulenten Zone 32 und einer oberen beruhigten Zone 34. Die durch Reaktionsprodukte gebildete Schlacke 36 wird über die Entnahmeöffnung 38 aus dem Nachbehandlungskessel 28 entfernt.The aluminum melt 20 with the reaction products is shown below through the outlet duct 16 via a further inlet duct 26 into the upper one Area of an aftertreatment boiler 28 out. Another electromagnetic Stirring device 30 in the lower area of the aftertreatment boiler 28 leads to a lower turbulent zone 32 and an upper calm Zone 34. The slag 36 formed by reaction products is over the removal opening 38 is removed from the aftertreatment boiler 28.

Die gereinigte Aluminiumschmelze 20 mit den darin enthaltenen Elementen Titan und Bor wird als Vorlegierung im unteren Bereich des Nachbehandlungskessels 28 über eine Giessrinne 38 einer in der Zeichnung nicht gezeigten Kokille einer Horizontalstranggiessmaschine zugeführt. Im Bereich der Giessrinne 38 sind zwei Ultraschallgeber 40, 42 angeordnete, deren Sonotroden 44, 46 in die Schmelze eintauchen. Eine Unterhalb der Giessrinne 38 angeordnete Induktionsheizung 48 dient zum Aufheizen der Schmelze, falls deren Temperatur beim Einlauf der Schmelze vom Nachbehandlungskessel 28 in die Giessrinne 38 bereits unter die Liquidustemperatur TL Al3Ti der Al3Ti-Phase gefallen sein sollte.The cleaned aluminum melt 20 with the elements titanium and boron contained therein is fed as a pre-alloy in the lower region of the aftertreatment boiler 28 via a casting trough 38 to a mold, not shown in the drawing, of a horizontal continuous casting machine. Two ultrasonic transmitters 40, 42 are arranged in the region of the casting trough 38, the sonotrodes 44, 46 of which are immersed in the melt. An induction heater 48 arranged below the casting trough 38 serves to heat the melt if its temperature should have already dropped below the liquidus temperature T L Al3Ti of the Al 3 Ti phase when the melt flows from the aftertreatment boiler 28 into the casting trough 38.

Claims (16)

Verfahren zur Herstellung eines Kornfeinungsmittels auf der Basis einer Aluminium-Titan-Bor-Vorlegierung durch Einbringen von Ti- und B-haltigen Ausgangsmaterialien in eine Aluminiumschmelze unter Bildung von TiB2-Partikeln und Erstarrenlassen dieser Vorlegierungsschmelze,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorlegierung zwischen der Liquidustemperatur (TL Al3Ti) der Al3Ti-Phase und der Solidustemperatur (TS v ) der Vorlegierung während einer zur Dispergierung der TiB2-Partikel in der Schmelze ausreichenden Zeitdauer (Δtd) in Bewegung versetzt und gleichzeitig mit einer ersten Abkühlungsgeschwindigkeit (v1) abgekühlt wird, so dass die TiB2- Partikel als Keime für die unterhalb der Liquidustemperatur (TL Al3Ti) entstehende Al3Ti-Phase wirken und die Oberfläche der TiB2-Partikel zumindest teilweise mit einem Überzug aus Al3Ti bedeckt werden, und dass die Vorlegierung nachfolgend mit einer gegenüber der ersten Abkühlungsgeschwindigkeit (v1) höheren Abkühlungsgeschwindigkeit (v2) unter die Solidustemperatur (TS v) der Vorlegierung abgekühlt wird.Process for the production of a grain refining agent based on an aluminum-titanium-boron master alloy by introducing Ti and B-containing starting materials into an aluminum melt to form TiB 2 particles and allowing this master alloy melt to solidify,
characterized in that
the master alloy is set in motion between the liquidus temperature (T L Al3Ti ) of the Al 3 Ti phase and the solidus temperature (T S v ) of the master alloy for a sufficient period of time (Δt d ) to disperse the TiB 2 particles in the melt and simultaneously with a first cooling rate (v 1 ) is cooled, so that the TiB 2 particles act as nuclei for the Al 3 Ti phase formed below the liquidus temperature (T L Al3Ti ) and the surface of the TiB 2 particles is at least partially coated al 3 Ti to be covered, and that the master alloy below with respect to the first cooling rate (v 1) higher cooling rate (v 2) below the solidus temperature (T S v) of the master alloy is cooled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlegierung vor dem Unterschreiten der Liquidustemperatur (TL Al3Ti) der Al3Ti-Phase in Bewegung versetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that the master alloy is set in motion before the liquidus temperature (T L Al3Ti ) falls below the Al 3 Ti phase. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorzeitigem Unterschreiten der Liquidustemperatur (TL Al3Ti) bzw. bei bereits erfolgter Erstarrung die Vorlegierung bis zum vollständigen Lösen bereits ausgeschiedener Al3Ti-Partikel in der Schmelze über die Liquidustemperatur ((TL Al3Ti) aufgeheizt wird. A method according to claim 1 or 2, characterized in that if the liquidus temperature (T L Al3Ti ) is fallen below prematurely or if solidification has already occurred, the pre-alloy until the Al 3 Ti particles which have already precipitated completely dissolve in the melt above the liquidus temperature ((T L Al3Ti ) is heated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Schmelze durch Rühren oder Vibrieren der Schmelze erzeugt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the movement of the melt by stirring or vibrating the Melt is generated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Schmelze durch Kavitation erzeugt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the movement of the melt is generated by cavitation. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Schmelze mittels Schall, insbesondere mittels Ultraschall, erzeugt wird.A method according to claim 5, characterized in that the movement the melt is generated by means of sound, in particular by means of ultrasound. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze mit einer Frequenz von 50 Hz bis 50 kHz, vorzugsweise 10 bis 30 kHz, beschallt wird.A method according to claim 6, characterized in that the melt sonicated at a frequency of 50 Hz to 50 kHz, preferably 10 to 30 kHz becomes. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Schmelze mittels eines magnetohydrodynamischen Resonators erzeugt wird.A method according to claim 5, characterized in that the movement the melt is generated by means of a magnetohydrodynamic resonator becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abkühlungsgeschwindigkeit (v2) grösser ist als 1°C/sec, vorzugsweise grösser als 2°C/sec, insbesondere grösser als 5°C/sec.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the second cooling rate (v 2 ) is greater than 1 ° C / sec, preferably greater than 2 ° C / sec, in particular greater than 5 ° C / sec. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlegierungsschmelze zu einem Strang vergossen wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that that the master alloy melt is cast into one strand. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein kontinuierlicher Strang, vorzugsweise durch Horizontalstranggiessen, hergestellt wird.A method according to claim 10, characterized in that a continuous Strand, preferably by horizontal continuous casting. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strang weiter zu Kornfeinungsstangen oder -draht gezogen wird. A method according to claim 10 or 11, characterized in that the Strand is further drawn to grain refining rods or wire. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlegierung eine Zusammensetzung aufweist, deren Gesamtgehalt an Titan das stöchiometrische Verhältnis von TiB2 übersteigt.Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that the master alloy has a composition whose total titanium content exceeds the stoichiometric ratio of TiB 2 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlegierung Ti und B im Gewichtsverhältnis 5:2 bis 10:1 enthält.Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that that the master alloy contains Ti and B in a weight ratio of 5: 2 to 10: 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlegierung 0.05 bis 20, vorzugsweise 0.1 bis 5, insbesondere 0.5 bis 2 Gew.-% Ti und 0.01 bis 4, vorzugsweise 0.02 bis 1, insbesondere 0.05 bis 0.5 Gew.-% B enthält.Method according to one of claims 1 to 14, characterized in that that the master alloy 0.05 to 20, preferably 0.1 to 5, in particular 0.5 to 2% by weight of Ti and 0.01 to 4, preferably 0.02 to 1, in particular 0.05 to 0.5 wt .-% B contains. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Herstellung von Kornfeinungsmitteln für die Kornfeinung von Aluminium und Aluminiumlegierungen.Use of the method according to one of claims 1 to 15 for the production of grain refining agents for the grain refining of aluminum and Aluminum alloys.
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