EP1919645B1 - Verfahren zur herstellung metallhaltiger gusskörper und vorrichtung dafür - Google Patents

Verfahren zur herstellung metallhaltiger gusskörper und vorrichtung dafür Download PDF

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EP1919645B1
EP1919645B1 EP06778066A EP06778066A EP1919645B1 EP 1919645 B1 EP1919645 B1 EP 1919645B1 EP 06778066 A EP06778066 A EP 06778066A EP 06778066 A EP06778066 A EP 06778066A EP 1919645 B1 EP1919645 B1 EP 1919645B1
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metal
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voltage source
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
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    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
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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
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C45/00—Amorphous alloys

Definitions

  • the invention relates to the fields of materials science and process engineering and relates to a method for the production of moldings from metallic glasses and an apparatus for implementing this method.
  • a metallic glass is a metastable alloy that has no long-range order, unlike normal crystalline materials. Its structure is amorphous and resembles that of a liquid. To obtain the amorphous state on cooling, several conditions must be satisfied. Thus, nucleation and seed growth must be suppressed to freeze the structure of the liquid. To realize this, the metallic melt must be cooled very quickly, for example by contact with the surface of a very good heat-conducting heat sink. The quality of the thermal contact and the thickness and thermal conductivity of the liquid layer determine the cooling rate.
  • a well-known and widespread method for casting metals and also massive metallic glasses is the casting into cold molds.
  • the melt is forced by different measures in the mold and solidifies there in the form prescribed by the mold.
  • the mold is made of good heat conducting material.
  • the casting process is very fast. First, the metal is melted in a crucible, and then the melt is forced by gas pressure or centrifugal force into the mold.
  • the surface of the mold In order to ensure a good thermal contact between the metallic melt and the mold, advantageously made of copper, the surface of the mold must be very clean. This can be easily realized by mechanical cleaning and pickling.
  • the melt should wet the mold well. The wetting depends essentially on the viscosity and interfacial tension of the melt with respect to the copper mold and with respect to the ambient atmosphere. The viscosity depends very much on the temperature. It decreases exponentially with increasing temperature, while the interfacial tensions decrease linearly with increasing temperature. Small values of viscosity and interfacial tension, which are desirable for good wetting and for good filling of the mold, can in principle be set by a high temperature.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing cast articles on metallic glasses and a device therefor, in which in addition high cooling rates and a good mold filling during casting without overheating a metal-containing melt is achieved.
  • a good mold filling at high cooling rates is achieved without overheating the metal-containing melt.
  • the application of the electrical voltage between the metal-containing melt and the electrically conductive mold at least during the introduction into the mold the interfacial tension of the metal-containing melt is lowered. This leads to a good thermal contact between the metal-containing melt and the electrically conductive casting mold, whereby a more complete filling of the casting mold is achieved without overheating the metal-containing melt.
  • more complicated shaped parts for example made of solid metallic glasses, can be produced more easily and in larger dimensions.
  • the introduction of the metal-containing melt in the mold takes place in a closed system under Inert gas atmosphere.
  • the inductively molten metal-containing melt is pressed by overpressure of the atmosphere, such as argon atmosphere, into the mold.
  • the tension can be changed for each shaping operation or even during a shaping operation. In this case, a short-circuit current between metal-containing melt and electrically conductive mold is predetermined.
  • the main advantage of the solution according to the invention is the specific variability of the wetting behavior between the melt and the mold without overheating of the melt so that the melt wets the mold better and the contact between melt and mold becomes more homogeneous. Depending on the type of melt, specific property improvements result for different materials.
  • Another advantage of the solution according to the invention is that the coercive force of the produced castings is smaller and their magnetization is higher by the application of electrical voltage during the molding process in soft magnetic materials. This is achieved by lower internal stresses during shaping, which is due to the more homogeneous cooling and then leads to improved magnetic and mechanical properties of the product according to the invention. In addition, complex shapes are better formed and the products according to the invention also become mechanically stronger.
  • a metallic melt is produced in an induction furnace under argon atmosphere.
  • a tungsten electrode which is connected to a voltage source, reaches into the metallic melt.
  • the copper mold is also electrically connected to the voltage source. After applying the voltage of 230 V, the outflow opening in the induction furnace is opened. At the same time, an argon overpressure of 200 kPa is applied. As a result, the metallic melt is pressed into the recess in the copper mold and fills it completely due to the lower surface tension. After cooling and opening the copper mold is a complete annular disc with the desired dimensions.
  • the alloy Fe 65.5 Cr 4 Mo 4 Ga 4 P 12 C 5 B 5.5 can not be cast amorphously into an annular disc according to the methods of the prior art. According to the method of Example 1 can now be made of this alloy a complete annular disc, wherein the product is in an amorphous form.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Materialwissenschaften und der Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus metallischen Gläsern und eine Vorrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens.
  • Ein metallisches Glas ist eine metastabile Legierung, die im Gegensatz zu normalen kristallinen Materialien keine Fernordnung aufweist. Seine Struktur ist amorph und ähnelt der einer Flüssigkeit. Um den amorphen Zustand beim Abkühlen zu erhalten, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. So müssen die Keimbildung und das Keimwachstum unterdrückt werden, um die Struktur der Flüssigkeit einzufrieren. Um dies zu realisieren, muss die metallische Schmelze sehr schnell abgekühlt werden, beispielsweise durch Kontakt mit der Oberfläche eines sehr gut wärmeleitenden Kühlkörpers. Die Güte des Wärmekontaktes und Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeitsschicht bestimmen die Abkühlrate.
  • Ein bekanntes und weit verbreitetes Verfahren, um Metalle und auch massive metallische Gläser zu gießen, ist der Abguss in kalte Kokillen. Dabei wird die Schmelze durch unterschiedliche Maßnahmen in die Kokille gezwungen und erstarrt dort in der durch die Kokille vorgegebenen Form.
  • Um im Falle von metallischen Gläsern hohe Abkühlraten zu erzielen, wird die Kokille aus gut wärmeleitendem Material hergestellt. Der Gießvorgang erfolgt dabei sehr schnell. Zunächst wird das Metall in einem Tiegel aufgeschmolzen, und anschließend wird die Schmelze durch Gasdruck oder Fliehkraft in die Form gezwungen.
  • Um einen guten Wärmekontakt zwischen der metallischen Schmelze und der Kokille, vorteilhafterweise aus Kupfer, zu gewährleisten, muss die Oberfläche der Form sehr sauber sein. Dies kann durch mechanisches Säubern und Beizen leicht realisiert werden. Außerdem sollte die Schmelze die Form gut benetzen. Die Benetzung hängt im Wesentlichen von der Viskosität und Grenzflächenspannung der Schmelze gegenüber der Kupferkokille und gegenüber der Umgebungsatmosphäre ab. Die Viskosität hängt sehr stark von der Temperatur ab. Sie nimmt exponentiell mit zunehmender Temperatur ab, während die Grenzflächenspannungen linear mit zunehmender Temperatur abnehmen. Kleine Werte von Viskosität und Grenzflächenspannung wie sie für eine gute Benetzung und für eine gute Füllung der Form anzustreben sind, können prinzipiell durch eine hohe Temperatur eingestellt werden. Allerdings bedingt eine Temperaturerhöhung auch eine höhere abzuführende Wärmemenge, was zu einer geringeren Abkühlgeschwindigkeit führt und deshalb nicht anzustreben ist. Ein Überhitzen der Schmelze führt beim Gießen kristalliner Legierungen zur guten Füllung der Form, aber beim Gießen metallischer Gläser ist die Überhitzung zu vermeiden, um den amorphen Zustand einfrieren zu können.
  • Es ist außerdem bekannt, dass Verunreinigungen der Schmelze mit Sauerstoff die Herstellbarkeit metallischer Gläser beeinträchtigt und deren Eigenschaften verschlechtert. Dieser Effekt wird durch heterogene Keimbildung an Oxidteilchen in der Schmelze erklärt. Eine Methode zur elektrochemischen Reinigung der Schmelze vor dem Abguss durch einen Stromfluss zwischen einer auf der Schmelze schwimmenden Schlacke und der Metallschmelze wurde von S. Bossuyt et al., Master. Sci. Eng. A 375-377 (2004) 240-243 beschrieben.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern an metallischen Gläsern und einer Vorrichtung dafür, bei denen neben hohen Abkühlraten auch eine gute Formausfüllung beim Gießen ohne Überhitzen einer metallhaltigen Schmelze erreicht wird.
  • Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine gute Formausfüllung bei hohen Abkühlraten erreicht, ohne die metallhaltige Schmelze zu überhitzen. Das Anlegen der elektrischen Spannung zwischen der metallhaltigen Schmelze und der elektrisch leitfähigen Gussform mindestens während der Einbringung in die Gussform wird die Grenzflächenspannung der metallhaltigen Schmelze erniedrigt. Dies führt zu einem guten thermischen Kontakt zwischen metallhaltiger Schmelze und der elektrisch leitfähigen Gussform, wodurch eine vollkommenere Füllung der Gussform erreicht wird, ohne die metallhaltige Schmelze zu überhitzen. Auch sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtung kompliziertere Formteile beispielsweise aus massiven metallischen Gläsern leichter und in größeren Abmessungen herstellen.
  • Das Einbringen der metallhaltigen Schmelze in die Gussform erfolgt in einem geschlossenen System unter Intertgasatmosphäre. Die induktiv erschmolzene metallhaltige Schmelze wird durch Überdruck der Atmosphäre, beispielsweise Argonatmosphäre, in die Form gepresst.
    Die Spannung kann je Formgebungsvorgang oder auch während eines Formgebungsvorganges verändert werden. Dabei ist ein Kurzschlussstrom zwischen metallhaltiger Schmelze und elektrisch leitender Gussform vorbestimmt.
  • Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die gezielte Veränderbarkeit des Benetzungsverhaltens zwischen Schmelze und Form ohne Überhitzung der Schmelze so, dass die Schmelze die Form besser benetzt und der Kontakt zwischen Schmelze und Form homogener wird. Je nach Art der Schmelze ergeben sich für verschiedene Werkstoffe spezifische Eigenschaftsverbesserungen.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch das Anlage der elektrischen Spannung während des Formgebungsvorganges bei weichmagnetischen Werkstoffen die Koerzitivfeldstärke der hergestellten Gusskörper kleiner und deren Magnetisierung höher ist. Dies wird erreicht durch geringere innere Spannungen während der Formgebung, was auf die homogenere Abkühlung zurückzuführen ist und dann zu verbesserten magnetischen und mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Produktes führt. Außerdem werden komplexe Formen besser ausgeformt und die erfindungsgemäß hergestellten Produkte auch werden mechanisch fester.
  • Im Weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Aus 100 g einer FeCPBSiMn-Legierung (Gusseisen mit Bor- und Phosphorzusatz) wird in einem Induktionsofen unter Argonatmosphäre eine metallische Schmelze hergestellt. In die metallische Schmelze reicht eine Wolfram-Elektrode hinein, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Unter dem Induktionsofen ist eine Kupferkokille angeordnet, die Aussparungen zur Ausformung einer gegossenen Ringscheibe enthält. Es soll eine Ringscheibe mit den Abmessungen, innerer Durchmesser = 18 mm, äußerer Durchmesser = 26 mm, Dicke = 1 mm, gegossen werden. Die Kupferkokille ist ebenfalls mit der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden. Nach Anlegen der Spannung von 230 V wird die Ausflussöffnung im Induktionsofen geöffnet. Gleichzeitig wird ein Argonüberdruck von 200 kPa angelegt. Dadurch wird die metallische Schmelze in die Aussparung in der Kupferkokille gedrückt und füllt diese aufgrund der geringeren Oberflächenspannung vollständig aus. Nach dem Abkühlen und Öffnen der Kupferkokille liegt eine vollständige Ringscheibe mit den gewünschten Abmessungen vor.
    • Beispiel 2
  • Die Legierung Fe65,5Cr4Mo4Ga4P12C5B5,5 kann nach den Verfahren des Standes der Technik nicht amorph zu einer Ringscheibe gegossen werden. Gemäß dem Verfahren nach Beispiel 1 kann nun aus dieser Legierung eine vollständige Ringscheibe hergestellt werden, wobei das Produkt in amorpher Form vorliegt.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus metallischen Gläsern, bei dem eine metallhaltige Schmelze in einem Induktionsofen aufgeschmolzen und diese Schmelze in einem geschlossenen System mit Überdruck der Inertgasatmosphäre in eine darunter angeordnete Kupferkokille eingebracht wird, nach Anlegen einer Spannung zwischen einer in die Schmelze ragengen Elektrode und der Kupferkokille die Ausflußöffnung in dem Induktionsofen geöffnet und durch Anlegen des Überdruckes die Schmelze in die Kupferkokille überführt wird, so dass durch die Genzschicht zwischen Schmelze und Kupferkokille ein voreingestellter Strom fließt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die metallhaltige Schmelze zu mehr als 50 Ma.-% aus einem Metall besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als metallhaltige Schmelze aufgeschmolzene amorphe Metalle eingesetzt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem an der Spannungsquelle eine Spannung von 0.5 V bis 42 V abgenommen wird.
  5. Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern aus metallischen Gläsern , umfassend einen Induktionsofen mit einer Ausflußöffnung, einer darunter angeordneten Kupferkokille, einer Elektrode in dem Induktionsofen, und einer Spannungsquelle, die mit der Elektrode und der Kupferkokille elektrisch leitend verbunden ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei dem die metallhaltige Schmelze über eine Wolfram-Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist.
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