EP1442810A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gussstücken aus einer Legierung durch Spritzgiessen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gussstücken aus einer Legierung durch Spritzgiessen Download PDF

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EP1442810A1
EP1442810A1 EP04000321A EP04000321A EP1442810A1 EP 1442810 A1 EP1442810 A1 EP 1442810A1 EP 04000321 A EP04000321 A EP 04000321A EP 04000321 A EP04000321 A EP 04000321A EP 1442810 A1 EP1442810 A1 EP 1442810A1
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EP
European Patent Office
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alloy
feed opening
main component
material feed
magnesium
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EP04000321A
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English (en)
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EP1442810B1 (de
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Peter Hutmann
Roland Treitler
Robert Prof. Dr. Singer
Mark Hartmann
Andreas Lohmüller
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Bayerische Motoren Werke AG
Neue Materialien Fuerth GmbH
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Neue Materialien Fuerth GmbH
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    • 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
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    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/2015—Means for forcing the molten metal into the die
    • B22D17/2038—Heating, cooling or lubricating the injection unit
    • 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
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/2015—Means for forcing the molten metal into the die
    • B22D17/2061—Means for forcing the molten metal into the die using screws

Definitions

  • the invention relates to a method and Device for producing castings from a Alloy by injection molding according to the preamble of Claim 1. It also has a device for performing subject to this procedure.
  • Such a method is already known (DE 199 07 118 C1).
  • This becomes a particulate metallic Material e.g. B. a magnesium alloy that the Main component forms and dendritic properties has, the material feed opening on the upstream Fed to a thixo injection molding machine at the end of the screw, while the other metallic material, e.g. B. zinc or an AlZn alloy is fed in downstream.
  • the extruder is made of magnesium alloy Solidus temperature heated so that it in the storage zone is in a thixotropic state. If a low melting metal, such as zinc, before the screw extruder is fed into the storage zone, it melts without itself mix homogeneously with the still solid magnesium alloy can. In addition, there are hardly any controllable sealing problems at the point of the zinc feed.
  • Alloys are generally made by die casting.
  • the Alloy is used in the form of casting compounds, by conventional melting metallurgy from the Alloy components can be obtained.
  • the desired alloy must therefore be used for die casting be melted twice, namely once to Production of the casting compounds and the other in the Pressure casting plant.
  • alloying elements There are also problems that result in compliance with the nominal alloy composition difficult or even is excluded. So is the problem of burning Applicability of alloying elements limited, the one have high oxygen affinity, e.g. B. Ca, Si, Hf, Y or Cerium.
  • alloying elements that are characterized by their high vapor pressure have a tendency to evaporate, e.g. B. Zn.
  • Other alloying elements are limited or not at all soluble in the base metal so that they float or close Sink ground. So z. B.
  • Alloying elements also soluble, with a high Atomic weight, especially those with a one atomic weight many times higher than that of the base metal, tend to increase gravity, e.g. B. Zn.
  • Another Limitation is the property of some in die casting Alloying elements, e.g. B. of calcium, the Increasing the tendency to crack hot.
  • the object of the invention is an easy to carry out Method and device for producing Castings from a wide variety of alloys To make available.
  • Thixo injection molding machine can be used, in which the Screw conveys the material mixture to a storage zone, in which the alloy formed with the screw that goes with it is formed axially back and forth, through which Eject nozzle into the injection mold with the mold cavity becomes.
  • the housing of the thixo injection molding machine is made by a heater, for example heating tapes, on the required temperature warmed to the metallic At least partially melt materials.
  • the at least two particulate metallic ones Materials can be two different alloys or an alloy and an unalloyed (pure) metal or two unalloyed (pure) metals.
  • metals are to understand semimetals, such as boron or silicon.
  • the partially melted state that the alloy passes through Heating and shearing with the screw in the storage zone can be achieved in that the as alloy used on a metallic material Temperature between the solidus and the liquidus temperature is heated, or if z. B. two unalloyed one another insoluble metals with different melting points that only the metal with the lower one is used Melting point is melted. According to the invention the at least two metallic materials also completely be melted, d. H. the as a metallic material Alloy used can also about the liquidus temperature warmed, or if pure as a metallic material unalloyed metals can be used, the metals also be melted completely.
  • the particulate materials which are called granules or Powders are used according to the invention as Mixture of the material feed opening in the housing of the Screw extruder at the upstream end of the screw fed.
  • the at least two metallic particulate Materials preferably have a similar shape and Size distribution on. So the middle one should Particle diameter of one material from that of the other not deviate more than 1: 5 to 5: 1 to separate submissions.
  • the temperature of the screw extruder can vary Rise the material feed opening towards the nozzle. she can however, in front of the storage zone also higher than in the Storage zone. So the storage zone is preferred kept at a temperature that is optimal Spray temperature corresponds, but also lower than the temperature for melting can be.
  • a metallic material Main component and the at least other metallic Material is the secondary component.
  • the main component can Magnesium or a magnesium alloy, e.g. B. AZ91, AM60 or AS41.
  • the first material from which the main component is formed is, can via a metering device, preferably a Dosing screw, the material feed opening from one Feed hopper or the like storage container supplied become.
  • This material can be used in the storage container can be supplied with a suction conveyor, for example.
  • the conveying characteristic of the dosing screw i.e. H. the Mass flow of this material depending on the Screw speed must be used to determine the amount to be added Quantity can be determined.
  • the second material i.e. the secondary component
  • it can z. B. act as a pure element.
  • the second material can also from a hopper or the like Storage container via a metering device, preferably a screw feeder or a chamber feeder, the Material feed opening are fed.
  • a metering device preferably a screw feeder or a chamber feeder
  • the funding characteristic this second metering device must also be determined become.
  • inert gas that is fed to the material feed opening is the entry of air into the screw extruder prevented. This can be done at the material feed opening Approach should be provided with an inert gas supply is provided to fill the batch with inert gas.
  • Inert gas is preferably used because it is an argon has higher density than air and therefore the air from the Approach displaced.
  • the approach can do this except for the inert gas supply and the Dosing device outlet openings closed be trained.
  • Alloy elements are alloyed, which in the conventional smelting metallurgical processes for burning problems due to the high melting temperature and / or the high Lead to affinity for oxygen, for example calcium, Silicon, hafnium, yttrium and cerium.
  • the oxygen affinity of the alloyed metallic material can be larger than that of magnesium.
  • the oxygen affinity of a metal generally corresponds to its normal potential in the Voltage range.
  • According to the invention can easily Alloy elements alloyed with a normal potential that is more negative than -2 volts, especially Alloy elements with a normal potential, the more negative than that of magnesium (-2.37 V), for example Calcium, hafnium, yttrium or cerium.
  • Alloy elements can also be alloyed in accordance with the invention which, due to their high vapor pressure, tend to evaporate, e.g. B. sodium, potassium, zinc. So zinc has z. B. a vapor pressure of about 100 mbar at 620 ° C and about 1000 mbar at 900 ° C. According to the invention can therefore easily Alloy elements with a vapor pressure of more than 10 mbar at 600 ° C or more than 100 mbar at 900 ° C be used. So the alloyed metal Material at a temperature at which the Main component in the partially liquid or liquid state has a higher vapor pressure than magnesium.
  • alloying elements use that limited or not at all in the Base metal are soluble so that they float or close Sink ground. So magnesium as the base metal z.
  • B. Zirconium, titanium and silicon are alloyed up to that a usual temperature in melting metallurgy of 1000 ° C a solubility of significantly less than 10% by weight in molten magnesium, iron, chromium, Molybdenum, vanadium, beryllium and boron, which are in magnesium are insoluble.
  • alloying elements can also be used soluble, with a high atomic weight, especially those with an atomic weight many times higher than that Base metal can be used without a Gravity escalation occurs.
  • Base metal can be used without a Gravity escalation occurs.
  • alloying elements can also be used soluble, with a high atomic weight, especially those with an atomic weight many times higher than that Base metal can be used without a Gravity escalation occurs.
  • Depending on the number of through metallographic examination of detectable phases or Structural components can be single-phase according to the invention (homogeneous) or multi-phase alloys are created.
  • the alloy with a lower Temperature can be supplied to the tool than at Die casting, the tendency to hot cracks and the tendency of To glue alloy, in particular by certain Alloying elements such as B. calcium is caused, reduced.
  • magnesium or a magnesium alloy than Main component can be used with it
  • Magnesium-based alloys according to the invention without the in the existing limitations of melting metallurgy following alloying elements as secondary components are produced: alkali and alkaline earth metals, e.g. B. Sodium, potassium, lithium, strontium, beryllium and calcium, Group 2B elements of the periodic table, such as zinc Group 3, such as boron, Group 3A, such as yttrium or the Lantanides, such as cerium, the group 4, such as silicon, the group 4A, such as titanium, zircon or hafnium, group 5A, such as Vanadium, Group 6A, such as chromium or molybdenum, as well Ferrous metals, especially iron.
  • alkali and alkaline earth metals e.g. B. Sodium, potassium, lithium, strontium, beryllium and calcium
  • Group 2B elements of the periodic table such as zinc Group 3, such as boron
  • Group 3A such
  • the one metallic material while the main component the at least one other metallic material Auxiliary component forms.
  • the weight percentage of Main component is at least 50%, preferably 80% and more of the alloy produced.
  • the maximum temperature of the screw extruder is like this set that as an alloy Main component above the solidus temperature, especially between the solidus and the Liquidus temperature of the alloy is and at a pure Metal as the main component above the melting point of the Metal.
  • the main component preferably has one Solidus temperature or a melting point that below the solidus temperature or the melting point of the at least one minor component.
  • the screw extruder is according to the invention Temperature above the solidus temperature or the Melting temperature of the main component warmed and thus the Secondary component solved in the main component. Due to the strong mixing in the screw extruder can according to the invention also with a high melting point Secondary component at a relatively low Operating temperature of the screw extruder a homogeneous, single-phase melt can be obtained.
  • the material feed opening of a screw extruder with a dosing screw 95 parts by weight each Magnesium alloy AM60, as granules of quality TIX06 and 5 parts by weight of zinc as spherical granules a particle size of ⁇ 2 mm metered.
  • the temperature of the extruder housing was downstream of the Feed opening set to a maximum of 620 °. there has been a obtain homogeneous single-phase melt, d. H. that had zinc in the liquid phase of the predominantly melted Magnesium alloy dissolved homogeneously.
  • Example 1 was repeated except that 90 Parts by weight of the magnesium alloy and 10 parts by weight Zinc were used. It also became a homogeneous one obtained single-phase alloy.
  • Example 1 was repeated except that 97 Parts by weight of the magnesium alloy and 3 parts by weight Calcium have been used. It became a homogeneous single phase Alloy obtained through high creep resistance distinguished.
  • the screw extruder then has a housing 1 Screw 2, which is driven by a drive unit 3 is driven. There is also a pressure accumulator 4 provided by which the snail 2 with a not shown pistons are pushed axially back and forth can. In the drawing the screw 2 is in position after ejecting the alloy from the storage zone shown. When the snail is withdrawn, arises between it and the nozzle 5, the storage zone in which the alloy collects through the nozzle 5 in the Mold cavity 6 of the tool 7 is ejected to the to form a casting, not shown.
  • the housing 1 has at the upstream end of the Check 2 a material feed opening 8 with a neck-shaped approach 9 is provided, which at its of the feed opening 8 facing away from the end is closed.
  • dosing screws 10, 11, connected With a dosing screw 10 is from a feed hopper 12, the metallic material A Material feed opening 8 metered. With a Suction conveyor 13 it is the hopper 12th fed. With the other dosing screw 11 that is metallic material B from a hopper 14 of the Material feed opening 8 metered.
  • the approach 9 has a Inert gas supply 17. With heating tapes 18 that away from the material feed opening 8 on the conveyor Housing 1 and the nozzle 5 are arranged, the extruder heated.

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Abstract

Zur Herstellung von Gussstücken aus einer Legierung werden wenigstens zwei teilchenförmige metallische Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung als Gemisch der Materialzufuhröffnung eines Schneckenextruders zugeführt, in dem sie zumindest teilweise aufgeschmolzen und aus einer Speicherzone über eine Düse ausgestossen werden. Die Temperatur des Schneckenextruders an der Materialzufuhröffnung wird unter dem Schmelzpunkt bzw. der Solidustemperatur der metallischen Materialien gehalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gussstücken aus einer Legierung durch Spritzgießen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Gegenstand.
Ein derartiges Verfahren ist bereits bekannt (DE 199 07 118 C1). Dabei wird das eine teilchenförmige metallische Material, z. B. eine Magnesiumlegierung, das die Hauptkomponente bildet und dendritische Eigenschaften aufweist, der Materialzufuhröffnung am förderaufwärtigen Ende der Schnecke einer Thixospritzgießmaschine zugeführt, während das andere metallische Material, z. B. Zink oder eine AlZn-Legierung förderabwärts eingespeist wird. In dem Schneckenextruder wird die Magnesiumlegierung über ihre Solidustemperatur erwärmt, damit sie in der Speicherzone in einen thixotropen Zustand vorliegt. Wenn ein niedrig schmelzendes Metall, wie Zink, dem Schneckenextruder vor der Speicherzone zugeführt wird, schmilzt es, ohne sich mit der noch festen Magnesiumlegierung homogen vermischen zu können. Zudem treten kaum beherrschbare Abdichtungsprobleme an der Stelle der Zinkeinspeisung auf.
Die Herstellung von Gussstücken in großen Stückzahlen aus Legierungen erfolgt im allgemeinen durch Druckguss. Die Legierung wird dazu in Form von Giessmasseln eingesetzt, die durch konventionelle Schmelzmetallurgie aus den Legierungskomponenten erhalten werden.
Für den Druckguss muss die gewünschte Legierung also zweimal aufgeschmolzen werden, nämlich einmal zur Herstellung der Gießmasseln und zum anderen in der Druckgussanlage. Bei einer Reihe von Legierungselementen ergeben sich zudem Probleme, durch die die Einhaltung der nominalen Legierungszusammensetzung schwierig oder gar ausgeschlossen ist. So ist durch das Abbrandproblem die Anwendbarkeit von Legierungselementen begrenzt, die eine hohe Sauerstoffaffinität besitzen, z. B. Ca, Si, Hf, Y oder Cer. Gleiches gilt für Legierungselemente, die durch ihren hohen Dampfdruck die Tendenz haben, abzudampfen, z. B. Zn. Andere Legierungselemente sind nur begrenzt oder gar nicht im Basismetall löslich, sodass sie aufschwimmen oder zu Boden sinken. So sind z. B. Zirkon, Titan und Silizium in Magnesium kaum löslich und Eisen, Chrom, Molybdän, Vanadium, Beryllium und Bor unlöslich. Andere Legierungselemente, auch lösliche, mit einem hohen Atomgewicht, insbesondere solche mit einem um ein vielfaches höheren Atomgewicht als das des Basismetalls, neigen zur Schwerkraftseigerung, z. B. Zn. Eine weitere Limitierung stellt beim Druckguss die Eigenschaft mancher Legierungselemente, z. B. von Kalzium, dar, die Warmrissneigung zu erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach durchzuführendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussteilen aus den unterschiedlichsten Legierungen zur Verfügung zu stellen.
Dies wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. die im Anspruch 11 gekennzeichnete Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann eine handelsübliche Thixospritzgießmaschine verwendet werden, bei der die Schnecke das Materialgemisch zu einer Speicherzone fördert, in der die gebildete Legierung mit der Schnecke, die dazu axial hin- und herverschiebbar ausgebildet ist, durch die Düse in das Spritzwerkzeug mit dem Formhohlraum ausgestoßen wird. Das Gehäuse der Thixospritzgießmaschine wird durch eine Heizung, beispielsweise Heizbänder, auf die erforderliche Temperatur erwärmt, um die metallischen Materialien zumindest teilweise aufzuschmelzen.
Die wenigstens zwei teilchenförmigen metallischen Materialien können zwei unterschiedliche Legierungen oder eine Legierung und ein unlegiertes (reines) Metall oder zwei unlegierte (reine) Metalle sein. Unter Metallen sind dabei auch Halbmetalle zu verstehen, wie Bor oder Silizium.
Der teilweise geschmolzene Zustand, den die Legierung durch Erwärmung und Scherung mit der Schnecke in der Speicherzone aufweist, kann dadurch erreicht werden, dass die als metallisches Material verwendete Legierung auf eine Temperatur zwischen der Solidus- und der Liquidustemperatur erwärmt wird, oder falls z. B. zwei unlegierte gegenseitig unlösliche Metalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten verwendet werden, dass nur das Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt aufgeschmolzen wird. Erfindungsgemäß können die wenigstens zwei metallischen Materialien auch völlig aufgeschmolzen werden, d. h. die als metallisches Material eingesetzte Legierung kann auch über die Liquidustemperatur erwärmt, bzw. wenn als metallisches Material reine unlegierte Metalle verwendet werden, können die Metalle auch ganz aufgeschmolzen werden.
Die teilchenförmigen Materialien, die als Granulat oder Pulver eingesetzt werden, werden erfindungsgemäß als Gemisch der Materialzufuhröffnung in dem Gehäuse des Schneckenextruders am förderaufwärtigen Ende der Schnecke zugeführt.
Da z. B. durch eine unterschiedliche Teilchengröße und/oder eine unterschiedliche Dichte der metallischen Materialien eine Entmischung im Vorratsbehälter eintreten kann, werden separate Vorratsbehälter für die metallischen Materialien verwendet, aus denen die metallischen Materialien der Materialzufuhröffnung im Gehäuse des Extruders getrennt so zudosiert werden, dass sie sich erst an der Materialzufuhröffnung vermischen.
Das heißt, es ist nur eine Zufuhröffnung in dem Gehäuse des Schneckenextruders vorhanden, über die die metallischen Materialien dem Extruder zugeführt werden.
Denn separate Zufuhröffnungen haben den Nachteil, dass die Materialien zeitlich versetzt der Schnecke zugeführt werden, also das eine Material den rinnenförmigen Schneckengang belegt, bevor das zweite Material zudosiert wird.
Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige Zudosierung der Materialien an einer einzigen Zuführöffnung wird das Gemisch sozusagen in situ erzeugt, sodass keine Entmischungsphänomene auftreten können, ebenso wenig ein zeitlicher Versatz mit den daraus resultierenden Vermischungsproblemen. Auf diese Weise lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren exakt reproduzierbare Legierungen herstellen.
Die wenigstens zwei metallischen teilchenförmigen Materialien weisen vorzugsweise eine ähnliche Form und Größenverteilung auf. So sollte der mittlere Teilchendurchmesser des einen Materials von dem des anderen nicht mehr als 1:5 bis 5:1 abweichen, um einer Entmischung vorzubeugen.
Die Temperatur des Schneckenextruders an der Materialzufuhröffnung, d. h. des Gehäuses und der Schnecke in diesem Bereich, wird bei Zufuhr von wenigstens zwei Legierungen unter der Solidustemperatur der Legierungen, bei Zufuhr von wenigstens einer Legierung und wenigstens einem Metall unter der Solidustemperatur der Legierung und unter der Schmelztemperatur des Metalls und bei Zufuhr von wenigstens zwei Metallen unter der Schmelztemperatur der Metalle gehalten. Damit wird das feste Gemisch homogen im Extruder verteilt aufgeschmolzen.
Die Temperatur des Schneckenextruders kann von der Materialzufuhröffnung zur Düse hin ansteigen. Sie kann jedoch vor der Speicherzone auch höher als in der Speicherzone sein. So wird die Speicherzone vorzugsweise auf einer Temperatur gehalten, die der optimalen Spritztemperatur entspricht, die jedoch auch niedriger als die Temperatur zum Aufschmelzen liegen kann.
Im allgemeinen stellt ein metallisches Material die Hauptkomponente und das wenigstens andere metallische Material die Nebenkomponente dar. Die Hauptkomponente kann Magnesium oder eine Magnesiumlegierung sein, z. B. AZ91, AM60 oder AS41.
Das erste Material, aus der die Hauptkomponente gebildet wird, kann über ein Dosiereinrichtung, vorzugsweise eine Dosierschnecke, der Materialzufuhröffnung aus einem Aufgabetrichter oder dergleichen Vorratsbehälter zugeführt werden. Dem Vorratsbehälter kann dieses Material beispielsweise mit einem Saugfördergerät zugeführt werden. Die Förderkennlinie der Dosierschnecke, d. h. der Massenstrom dieses Materials in Abhängigkeit von der Schneckendrehzahl muss zur Bestimmung der zuzudosierenden Menge ermittelt werden.
Bei dem zweiten Material, also der Nebenkomponente kann es sich z. B. um ein Reinelement handeln. Das zweite Material kann gleichfalls aus einem Aufgabetrichter oder dergleichen Vorratsbehälter über eine Dosiereinrichtung, vorzugsweise ein Schneckendosierer oder ein Kammerdosierer, der Materialzuführöffnung zugeführt werden. Die Förderkennlinie dieser zweiten Dosiereinrichtung muss gleichfalls ermittelt werden.
Durch ein Inertgas, das der Materialzufuhröffnung zugeführt wird, wird der Zutritt von Luft in den Schneckenextruder verhindert. Dazu kann an der Materialzufuhröffnung ein Ansatz vorgesehen sein, der mit einer Inertgaszuführung versehen ist, um den Ansatz mit Inertgas zu füllen. Als Inertgas wird vorzugsweise Argon verwendet, da es eine höhere Dichte als Luft aufweist und damit die Luft aus dem Ansatz verdrängt.
Der Ansatz kann dazu, bis auf die Inertgaszuführung und die Austrittsöffnungen der Dosiereinrichtungen geschlossen ausgebildet sein.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Legierungselemente zulegiert werden, die beim herkömmlichen schmelzmetallurgischen Verfahren zu Abbrandproblemen aufgrund der hohen Schmelztemperatur und/oder der hohen Sauerstoffaffinität führen, beispielsweise Kalzium, Silizium, Hafnium, Yttrium und Cer. Die Sauerstoffaffinität des zulegierten metallischen Materials kann größer als die von Magnesium sein. Die Sauerstoffaffinität eines Metalls entspricht im allgemeinen dessen Normalpotenzial in der Spannungsreihe. Erfindungsgemäß können ohne weiteres Legierungselemente mit einem Normalpotenzial zulegiert werden, das negativer als -2 Volt ist, insbesondere Legierungselemente mit einem Normalpotenzial, das negativer als das von Magnesium (-2,37 V) ist, beispielsweise Kalzium, Hafnium, Yttrium oder Cer. Desgleichen können Legierungselemente mit einem hohen Schmelzpunkt von mehr als 1000°C zulegiert werden, beispielsweise Silizium.
Ferner können erfindungsgemäß Legierungselemente zulegiert werden, die durch ihren hohen Dampfdruck die Tendenz haben, abzudampfen, z. B. Natrium, Kalium, Zink. So hat Zink z. B. einen Dampfdruck von etwa 100 mbar bei 620°C und etwa 1000 mbar bei 900°C. Erfindungsgemäß können also ohne weiteres Legierungselemente mit einem Dampfdruck von mehr als 10 mbar bei 600°C oder von mehr als 100 mbar bei 900°C eingesetzt werden. So kann das zulegierte metallische Material bei einer Temperatur, bei der sich die Hauptkomponente im teilflüssigen oder flüssigen Zustand befindet, einen höheren Dampfdruck als Magnesium aufweisen. Auch ist es erfindungsgemäß möglich, Legierungselemente zu verwenden, die nur begrenzt oder gar nicht in dem Basismetall löslich sind, sodass sie aufschwimmen oder zu Boden sinken. So können Magnesium als Basismetall z. B. Zirkon, Titan und Silizium zulegiert werden, die bis zu einer in der Schmelzmetallurgie üblichen Temperatur von 1000°C eine Löslichkeit von deutlich weniger als 10 Gew.% in geschmolzenem Magnesium besitzen, ferner Eisen, Chrom, Molybdän, Vanadium, Beryllium und Bor, die in Magnesium unlöslich sind.
Ferner können erfindungsgemäß Legierungselemente, auch lösliche, mit einem hohen Atomgewicht, insbesondere solche mit einem um ein vielfaches höheren Atomgewicht als das Basismetall verwendet werden, ohne dass eine Schwerkraftseigerung auftritt. Je nach Zahl der durch metallographische Untersuchung feststellbaren Phasen bzw. Gefügebestandteile können erfindungsgemäß einphasige (homogene) oder mehrphasige Legierungen entstehen.
Da erfindungsgemäß die Legierung mit einer niedrigeren Temperatur dem Werkzeug zugeführt werden kann als beim Druckguss, wird die Warmrissneigung und die Tendenz der Legierung zu kleben, die insbesondere durch bestimmte Legierungselemente, wie z. B. Kalzium, hervorgerufen wird, herabgesetzt.
Wenn Magnesium oder eine Magnesiumlegierung als Hauptkomponente verwendet wird, können damit erfindungsgemäß Legierungen auf Magnesiumbasis ohne die in der Schmelzmetallurgie bestehenden Limitierungen mit folgenden Legierungselementen als Nebenkomponenten hergestellt werden: Alkali- und Erdalkalimetalle, z. B. Natrium, Kalium, Lithium, Strontium, Beryllium und Kalzium, Elemente der Gruppe 2B des Periodensystems, wie Zink, der Gruppe 3, wie Bor, der Gruppe 3A, wie Yttrium oder die Lantaniden, wie Cer, der Gruppe 4, wie Silizium, der Gruppe 4A, wie Titan, Zirkon oder Hafnium, der Gruppe 5A, wie Vanadium, der Gruppe 6A, wie Chrom oder Molybdän, sowie Eisenmetalle, insbesondere Eisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bildet im allgemeinen das eine metallische Material die Hauptkomponente, während das wenigstens eine andere metallische Material die Nebenkomponente bildet. Der Gewichtsanteil der Hauptkomponente beträgt mindestens 50 %, vorzugsweise 80 % und mehr der hergestellten Legierung.
Die Maximaltemperatur des Schneckenextruders wird so eingestellt, dass sie bei einer Legierung als Hauptkomponente oberhalb der Solidustemperatur, insbesondere zwischen der Solidus- und der Liquidustemperatur der Legierung liegt und bei einem reinen Metall als Hauptkomponente oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls.
Vorzugsweise weist die Hauptkomponente eine Solidustemperatur oder einen Schmelzpunkt auf, der unterhalb der Solidustemperatur oder dem Schmelzpunkt der wenigstens einen Nebenkomponente liegt.
Wenn die Nebenkomponente in der Hauptkomponente löslich ist, wird erfindungsgemäß der Schneckenextruder auf eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur bzw. der Schmelztemperatur der Hauptkomponente erwärmt und damit die Nebenkomponente in der Hauptkomponente gelöst. Aufgrund der starken Durchmischung im Schneckenextruder kann erfindungsgemäß auch mit einer hochschmelzenden Nebenkomponente bei einer relativ niedrigen Betriebstemperatur des Schneckenextruders eine homogene, einphasige Schmelze erhalten werden.
So kann z. B. bei einer Temperatur des Schneckenextruders von 600 bis 620°C mit einer Magnesiumlegierung als Hauptkomponente und Kalzium als Nebenkomponente nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Magnesiumlegierung mit Kalzium erhalten werden, obgleich der Schmelzpunkt von Kalzium 840°C beträgt. Damit ist zudem ein sehr hoher Gehalt des Kalziums in einer Magnesiumlegierung von z. B. 10 Gew.% oder mehr herstellbar.
Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
Der Materialzufuhröffnung eines Schneckenextruders werden mit einer Dosierschnecke jeweils 95 Gewichtsteile einer Magnesiumlegierung AM60, als Granulat der Qualität TIX06 und 5 Gewichtsteile Zink als kugelförmiges Granulat mit einer Teilchengröße von < 2 mm zudosiert. Die Temperatur des Gehäuses des Extruders wurde förderabwärtig von der Zufuhröffnung auf maximal 620° eingestellt. Es wurde eine homogene einphasige Schmelze erhalten, d. h. das Zink hatte sich in der Flüssigphase der überwiegend aufgeschmolzenen Magnesiumlegierung homogen gelöst.
Beispiel 2
Das Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass 90 Gewichtsteile der Magnesiumlegierung und 10 Gewichtsteile Zink verwendet wurden. Es wurde ebenfalls eine homogene einphasige Legierung erhalten.
Beispiel 3
Das Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass 97 Gewichtsteile der Magnesiumlegierung und 3 Gewichtsteile Kalzium verwendet wurden. Es wurde eine homogene einphasige Legierung erhalten, die sich durch hohe Kriechfestigkeit auszeichnet.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert, deren einzige Figur schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht eines Schneckenextruders zum Thixospritzgießen zeigt.
Der Schneckenextruder weist danach in einem Gehäuse 1 eine Schnecke 2 auf, die durch eine Antriebseinheit 3 angetrieben wird. Ferner ist ein Druckspeicher 4 vorgesehen, durch den die Schnecke 2 mit einem nicht dargestellten Kolben axial hin- und hergeschoben werden kann. In der Zeichnung ist die Schnecke 2 in der Position nach dem Ausstoßen der Legierung aus der Speicherzone dargestellt. Wenn die Schnecke zurückgezogen ist, entsteht zwischen ihr und der Düse 5 die Speicherzone, in der sich die Legierung sammelt, die über die Düse 5 in den Formenhohlraum 6 des Werkzeugs 7 ausgestoßen wird, um das nicht dargestellte Gussstück zu bilden.
Das Gehäuse 1 weist an dem förderaufwärtigen Ende der Schecke 2 eine Materialzuführöffnung 8 auf, die mit einem stutzenförmigen Ansatz 9 versehen ist, der an seinem von der Zufuhröffnung 8 abgewandten Ende verschlossen ist.
An den Ansatz 9 sind zwei Dosierschnecken 10, 11, angeschlossen. Mit der einen Dosierschnecke 10 wird von einem Aufgabetrichter 12 das metallische Material A der Materialzuführöffnung 8 zudosiert. Mit einem Saugfördergerät 13 wird es dem Aufgabetrichter 12 zugeführt. Mit der anderen Dosierschnecke 11 wird das metallische Material B von einem Aufgabetrichter 14 der Materialzuführöffnung 8 zudosiert.
Unterhalb der beiden Eintrittsöffnungen 15, 16 der Dosierschnecken 10, 11 weist der Ansatz 9 eine Inertgaszuführung 17 auf. Mit Heizbändern 18, die förderabseits von der Materialzuführöffnung 8 an dem Gehäuse 1 und der Düse 5 angeordnet sind, wird der Extruder erwärmt.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung von Gussstücken aus einer Legierung durch Spritzgießen, bei dem wenigstens zwei teilchenförmige metallische Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung, die aus wenigstens zwei Legierungen oder wenigstens einer Legierung und wenigstens einem reinen Metall oder wenigstens zwei reinen Metallen bestehen, einem Schneckenextruder mit einem mit einer Heizung und am förderaufwärtigen Ende der Schnecke mit einer Materialzufuhröffnung versehenen Gehäuse zugeführt, im Schneckenextruder zumindest teilweise aufgeschmolzen und aus einer Speicherzone über eine Düse ausgestoßen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die teilchenförmigen metallischen Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung von separaten Vorratsbehältern der einen Materialzufuhröffnung im Gehäuse des Extruders getrennt so zudosiert werden, dass sie sich erst an der Materialzufuhröffnung vermischen und die Temperatur des Schneckenextruders an der Materialzufuhröffnung unter dem Schmelzpunkt des wenigstens einen Metalls oder der wenigstens zwei Metalle oder unter der Solidustemperatur der wenigstens einen Legierung oder der wenigstens zwei Legierungen gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches Material die Hauptkomponente und das wenigstens ein anderes metallisches Material die Nebenkomponente bildet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im flüssigen Zustand bis 1000 °C die Nebenkomponente in der Hauptkomponente keine Löslichkeit besitzt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im flüssigen Zustand bis 1000 °C die Nebenkomponente in der Hauptkomponente eine Löslichkeit von maximal 10 Gew.-% aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkomponente Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein metallisches Material eine höhere Sauerstoffaffinität als Magnesium aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein metallisches Material bei einer Temperatur, bei der sich die Hauptkomponente im teilflüssigen oder flüssigen Zustand befindet, einen höheren Dampfdruck als Magnesium aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der metallischen Materialien ein Metall ist oder enthält, dessen Atomgewicht mindestens doppelt so groß, wie das der Hauptkomponente der Legierung ist.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Materialzufuhröffnung ein Inertgas zugeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Inertgas Argon verwendet wird.
  11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der einen Materialzufuhröffnung (8) im Gehäuse (1) des Extruders ein Ansatz (9) vorgesehen ist, dem die wenigstens zwei metallischen Materialien (A, B) über jeweils eine Dosiereinrichtung zugeführt werden.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Dosiereinrichtung durch eine Dosierschnecke (10, 11) gebildet wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (9) mit einer Inertgaszuführung (17) versehen ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertgaszuführung (17) an dem Ansatz (9) unterhalb der Eintrittsöffnung (14, 15) der Dosierschnecke (10, 11) angeordnet ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (9) geschlossen ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (18), mit der das Gehäuse (1) versehen ist, förderabwärts der Materialzuführöffnung (8) angeordnet ist.
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