NL1009258C2 - Werkwijze voor de bereiding van een Al-Ti-B korrelverfijner voor aluminiumhoudende producten, en een werkwijze voor het gieten van aluminium producten. - Google Patents

Description

Werkwijze voor de bereiding van een Al-Ti-B korrelverfijner voor aluminiumhoudende producten, en een werkwijze voor het gieten van aluminium producten

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bereiden van een Al-Ti-B korrelverfijner voor gegoten aluminiumhoudende producten.

Bij de bekende werkwijze volgens de stand van de 5 techniek worden aan gesmolten aluminium van 800 - 900 °C titaan- en boorbevattende zouten, zoals K2TiF6 en KBF4, toegevoegd. De zouten ontleden en titaan en boor worden in het aluminium opgenomen waarna Al3Ti en TiB2 worden gevormd welke zich in een aluminium matrix bevinden.

10 Deze werkwijze heeft als nadeel dat ongewenste nevenproducten worden gevormd, zoals slak op het gesmolten aluminium en gasvormig boriumfluoride. Dat laatste is uit milieukundig en gezondheidkundig oogpunt ongewenst. Verder kunnen titaan en boor slechts in beperkte hoeveelheden worden 15 toegevoegd aangezien anders de viscositeit van slak en het gesmolten aluminium zodanig hoger worden dat ze niet meer op eenvoudige wijze van elkaar kunnen worden gescheiden. Hierdoor kan de korrelverfijner maar maximaal 5 gew.-% titaan en 1 gew.-% boor bevatten, waarbij de rest aluminium matrix 20 omvat.

De onderhavige uitvinding beoogt de genoemde nadelen in vergaande mate op te heffen. In het bijzonder wordt beoogd een meer milieuvriendelijke werkwijze te verschaffen, welke werkwijze het mogelijk maakt een korrelverfijner te verkrij-25 gen met hogere concentraties titaan en boor in de aluminium matrix. Meer in het bijzonder beoogt de onderhavige uitvinding een korrelverfijner te verschaffen die de eigenschap heeft dat, wanneer de korrelverfijner in een aluminium smelt wordt gebracht, de korrelgrootte, en daarmee de kwaliteit, 30 van met de smelt vervaardigde aluminiumproducten constant blijft, ook als de smelt lang staat. Dat wil zeggen dat bijvoorbeeld bij de vervaardiging van aluminium producten waarbij een houder met de aluminiumsmelt slechts langzaam wordt geleegd, de microstructuur van later gegoten producten 1009258 2 in hoofdzaak hetzelfde is als die van eerder gegoten producten. Ten tweede beoogt de onderhavige uitvinding een werkwijze te verschaffen waarmee een korrelverfijner kan worden bereid die niet direct na de bereiding ervan hoeft te 5 worden gebruikt.

Daartoe wordt de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding gekenmerkt doordat de Al-Ti-B korrelverfijner wordt bereid door: i) het mengen van poeders gekozen uit de groep van 10 aluminium, titaan, boor, en legeringen en intermetallische verbindingen daarvan; ii) het persen van de gemengde poeders; iii) het in een inerte omgeving verhitten van het : geperste mengsel; en 15 iv) het afkoelen van de aldus bereide korrelverfij - ner.

Verrassend genoeg heeft de aldus bereide korrelver-fijner de eigenschap dat bij langdurige gietprocessen de kwaliteit van gegoten producten in hoofdzaak constant blijft. 20 In de onderhavige aanvrage wordt onder een inerte omgeving een inerte atmosfeer, bijvoorbeeld gevormd door een edelgas, of vacuüm verstaan.

Wanneer in de onderhavige aanvrage wordt gesproken over korrelverfijning dan wordt daaronder verstaan het ver-25 kleinen van de kristallijne aluminiumkorrels die ontstaan tijdens stollen van aluminium in de aluminium smelt. Een kleine korrelgrootte brengt een reeks van gunstige eigenschappen met zich mee; in het bijzonder worden de taaiheid en de sterkte vergroot. Daarenboven worden de gietbaarheid 30 (tijdens continu gieten) en de extrudeerbaarheid verbeterd.

Het Amerikaanse octrooischrift 4.710.348 is gericht op het vervaardigen van metaal-keramische composieten. Deze I publicatie bevat een zijdelingse opmerking dat een staaf uit eer. dergelijk niet-gereageerd mengsel zou kunnen worden ' 35 gebruikt als korrelverfijner voor aluminium. Wanneer de staaf aan een aluminium smelt wordt toegevoegd reageren de , samenstellende bestanddelen van het mengsel onder vorming van kiemen waarmee (aluminium)korrelverfijning kan worden bereikt. Met andere woorden, de korrelverfijner zelf 1009256 3 wordt in situ bereid. Aanvraagster heeft gepoogd deze suggestie te experimenteel te verifiëren, doch is er niet in geslaagd korrelverfijning te bewerkstelligen.

Volgens een zeer gunstige uitvoeringsvorm worden de 5 reactieparameters zodanig ingesteld dat de verhouding van langwerpige en kubische Al3Ti kristallen zo klein mogelijk is.

Ondanks vele jaren onderzoek wordt de wijze waarop korrelverfijners werken niet volledig begrepen. Verrassender-wijze heeft aanvraagster gevonden dat het met name de kubi-10 sche Al3Ti kristallen zijn die bijdragen aan een verdere korrelverfijning en dat het mogelijk is de verhouding tussen langwerpige en kubische Al3Ti kristallen te wijzigen. Deze bevinding kan bijdragen aan een beter begrip van de werking van korrelverf ij ners.

15 Volgens een gunstige uitvoeringsvorm wordt de ver houding gewijzigd door de molverhouding van B/Ti zodanig te kiezen dat deze kleiner is dan 1,9, in het bijzonder kleiner dan 1,7 en met meer voorkeur kleiner dan 1,5.

De in stap i) gebruikte poeders hebben bij voorkeur 20 een grootte van minder dan 100 μτη.

Hierdoor kunnen de poeders goed worden gemengd, hetgeen een goede en snelle reactie van de uitgangsstoffen bevorderd onder oplevering van een korrelverfijner waarbij Al3Ti en TiBj zich meer homogeen verdeeld in de aluminium 25 matrix bevinden.

Ten aanzien van de hoeveelheden wordt opgemerkt dat titaan in het mengsel uit stap i) bij voorkeur aanwezig is in een hoeveelheid van ten minste 10 gew.-% en bij voorkeur ten minste 25 gew.-%.

30 Verder is boor in het mengsel uit stap i) bij voor keur aanwezig in een hoeveelheid van ten minste 3 gew.-% en met bij voorkeur ten minste 5 gew.-%.

Aldus kan een goede korrelverfijner worden bereid. Bij lagere percentages titaan geniet het daarbij de voorkeur 35 dat het percentage boor hoger is.

Volgens een gunstige uitvoeringsvorm wordt voor de bereiding van de korrelverfijner als bron voor boor uitgegaan van AlB.;.

Van AlB12 is het bekend dat dit een ongunstige in- 1009258 4 vloed heeft op de kwaliteit van gegoten producten, in het bijzonder foliën. Door het niet in situ (d.w.z. in een aluminium smelt) laten reageren van de reactanten, en het feit dat bij de werkwijze volgens de uitvinding A1B12 volledig blijkt 5 weg te reageren, kan verrassend genoeg op een eenvoudige wijze een uitstekende korrelverfijner worden bereid, waarvan bij gebruik minder nodig is. Dit heeft als verder voordeel dat tijdens het gietproces gebruikte filters minder snel slijten. Zonder dienaangaande aan enige theorie gebonden te 10 willen zijn, wordt gedacht dat tijdens de bereiding van een korrelverfijner uitgaande van A1B12 sprake is van een andere reactiekinetiek waardoor de gevormde borides en intermetalli-sche verbindingen kleiner zijn. Dat van de korrelverfijner minder nodig is biedt bij recycling van aluminium twee voor-15 delen. Een hoog titaangehalte heeft voor veel toepassingen een nadelige invloed op de kwaliteit van de gegoten aluminium producten. Aangezien van de korrelverfijner volgens de uitvinding minder nodig is, veranderen de samenstelling van de aluminium smelt en daarmee de verwachte materiaaleigenschap-20 pen minimaal. Verder maakt een dergelijke geringe toename het ook mogelijk aluminium vaker te recyclen.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm wordt de bereide korrelverfijner onderworpen aan een extrusiebewerking alvorens met een aluminium smelt in contact te worden ge-25 bracht.

Aldus kan een korrelverfijner met verder verbeterde korrelverfijnende eigenschappen worden verkregen.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor het gieten van aluminium producten waarbij aan een 30 aluminium smelt een Al-Ti-B korrelverfijner wordt toegevoegd.

Deze werkwijze wordt gekenmerkt doordat een korrel-verfijner bereid volgens de uitvinding wordt toegevoegd.

Een met deze werkwijze vervaardigd product heeft door de fijnkorrelige structuur verbeterde sterkte- en taai-35 heidseigenschappen. Hierdoor kunnen zij sterker zijn en/of lichter worden uitgevoerd. Ook kan bij deze werkwijze met minder korrelverfijner worden volstaan, hetgeen slijtage van tijdens het gietproces gebruikte filters beperkt.

De uitvinding zal thans worden toegelicht aan de 1009258 5 hand van een uitvoeringsvoorbeeld.

Bereiding van een korrelverfiiner

Voor de bereiding van een korrelverfijner volgens de onderhavige uitvinding wordt 15,86 g Al, 7,50 g Ti en 1,82 g 5 A1B12, elk als poeder, gemengd. De poedergrootten van de uitgangsstoffen waren:

Al-poeder ("Type 1" Metalloys Ltd. (Sheffield, V. K . ) ) : < 4 5 μτη;

Ti-poeder ("ΜΡ-020" Micron Metals Inc. (Utah, 10 V. S . ) ) : < 4 5 μτη;

AlB12-poeder (Grade "A" H.C. Starck GmbH & Co. KG (Goslar, B.R.D.)) : < 3 μτη.

Na het mengen wordt het poedermengsel onder een zodanig hoge druk koud geperst dat een vast lichaam wordt ge-15 vormd. Vervolgens wordt het vaste lichaam in een oven geplaatst en onder een argon atmosfeer opgewarmd, waarbij de oventemperatuur wordt verhoogd met een snelheid van 20°C/min. Nadat met behulp van een in de oven aangebrachte temperatuur-sensor is vastgesteld dat een exotherme reactie in het vaste 20 lichaam optreedt wordt het opwarmen gestaakt. Na afkoelen in de oven en nog steeds onder een argon atmosfeer, is de korrelverf ijner gereed voor gebruik.

Test van de korrelverfiiner

De hierboven verkregen korrelverfijner werd getest 25 door het onderzoeken van het effect ervan op de gietstructuur van een aluminiumsmelt. De samenstelling van de aluminium-smelt was: Fe: 0,16 gew.%; Si: 0,05 gew.%; Sn, Pb, Zn, Cu,

Ni, Mn, Cr, Ti, Mg < 0,01 gew.%. Er werd bij een temperatuur van de aluminium smelt van 750°C zoveel korrelverfijner 30 toegevoegd als overeenkwam met 0,03 gew.% titaan betrokken op de uiteindelijke aluminiumsmelt. Na toevoegen werd gedurende 15 seconden handmatig geroerd. Binnen 30 seconden na het beëindigen van het roeren werd een monster gegoten in een voorverwarmde zandvorm met een temperatuur van 50°. Na de 35 eerste gieting werd de temperatuur van de aluminiumsmelt op 740°C gehouden en na 8 uur en 24 uur werden meer monsters gegoten; ook bij een temperatuur van 740°C.

De gemiddelde korrelgrootte werd bepaald door een gietstructuur te etsen met koningswater (25% HN03 + 75% HCl) 1009258 6 en onder gebruikmaking van de in het vak bekende lijninter-ceptiemethode. Hierbij wordt het aantal malen dat een lijn een korrelgrens passeert gemeten. De verhouding van de lijnlengte en het gemeten aantal korrelgrenzen geeft de gemiddel-5 de korrelgrootte.

1009258 7

De resultaten zijn in de onderstaande tabel weergegeven. TABEL

korrelgrootte 5 20 sec. 200 μτη 8 uur 165 μτη 24 uur 14 0 μτη

Controle-experiment 10 Het volgende controle-experiment werd uitgevoerd onder gebruikmaking van de gegevens uit het Amerikaanse octrooischrift 4.710.348, waarin wordt beweerd dat het daar beschreven mengsel geschikt zou zijn als korrelverfijner voor aluminium.

15 Onder gebruikmaking van een poedermengsel van ijzer, titaan en boor, waarvan de samenstelling hetzelfde was als hierboven beschreven, werd een vast lichaam geperst. Het vaste lichaam werd aan een aluminiumsmelt toegevoegd onder gelijke omstandigheden als hierboven beschreven maar zonder 20 dat het vaste lichaam onder een inerte atmosfeer in een over werd verhit. Er werd geen korrelverfijning waargenomen.

1009258

Claims (9)

1. Werkwijze voor het bereiden van een Al-Ti-B korrelverfijner voor gegoten aluminiumhoudende producten, met het kenmerk, dat de Al-Ti-B korrelverfijner wordt bereid door: 5 i) het mengen van poeders gekozen uit de groep van aluminium, titaan, boor, en legeringen en intermetallische verbindingen daarvan,- ii) het persen van de gemengde poeders; iii) het in een inerte omgeving verhitten van het 10 geperste mengsel; en iv) het afkoelen van de aldus bereide korrelverfij - ner.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de reactieparameters zodanig worden ingesteld dat de 15 verhouding van langwerpige en kubische Al3Ti kristallen zo klein mogelijk is.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de verhouding wordt gewijzigd door de molverhou-ding van B/Ti zodanig te kiezen dat deze kleiner is dan 1,9, 20 in het bijzonder kleiner dan 1,7 en met meer voorkeur kleiner dan 1,5.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de in stap i) gebruikte poeders bij voorkeur een grootte hebben van minder dan 100 /xm.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de bereide korrelverfijner wordt onderworpen aan een extrusiebewerking alvorens met een aluminium smelt in contact te worden gebracht.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, 30 met het kenmerk, dat titaan in het mengsel uit stap i) aanwezig is in een hoeveelheid van ten minste 15 gew.-% en bij voorkeur ten minste 25 gew.-%.

7. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat boor in het mengsel uit stap i) aanwezig 35 is in een hoeveelheid van ten minste 3 gew.-% en met bij { voorkeur ten minste 5 gew.-%. 1009258 »

8. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat voor de bereiding van de korrelverfijner als bron voor boor wordt uitgegaan van AlB12.

9. Werkwijze voor het gieten van aluminium producten 5 waarbij aan een aluminiumsmelt een Al-Ti-B korrelverfijner wordt toegevoegd, met het kenmerk, dat een korrelverfijner bereid volgens één van de conclusies 1 tot 8 wordt toegevoegd . 1009258