NO165766B - Fremgangsmaate for kornforfining av metaller. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en ny fremgangsmåte for kornforfining av strukturen på metaller, og mer spesifikt på lette metaller som for eksempel aluminium og aluminiumlegeringer.

Under størkning av smeltede metaller må det som kjent i til-legg til underkjøling av smeiten også finnes ferdige krys-taller/kim i smeiten for å starte krystallisas jans-/størknings-prosessen. En vanlig smelte inneholder alltid et større eller mindre antall uoppløste partikler/forurensninger som diverse oksider, karbider etc, som representerer stabile kim. Pro-blemet er at antallet slike kim er utilstrekkelig og i hvert fall uten kontroll- og reproduserbarhetsmuligheter for å fremme en fin og jevn struktur. Reduksjon av kornstørrelsen er en effektiv måte å øke materialegenskaper (styrke) på, og derfor tilføres smeiten i praksis bevisst kornforfiningsmidler for å øke antallet stabile kim og således oppnå en finkornet struktur.

Den mest anvendte kornforfiner på aluminium og dets legeringer er i dag titan og/eller titanborid, vanligvis tilsatt i form av en forlegering (tråd) inneholdende fra 4-6% Ti, 1% B og rest aluminium. Tilsetning av titan som kornforfiner virker bra på de fleste Al-legeringer, men ulempen ligger først og fremst i de relativt høye kostnader forbundet med denne fremgangsmåten, for tiden ca. 40 kr. pr. t støpt aluminium.

Det er derfor formålet med foreliggende oppfinnelse å frembringe en ny fremgangsmåte for kornforfining av metaller som er vesentlig billigere enn hittil kjente metoder.

Dette oppnås ved hjelp av en fremgangsmåte som angitt i de vedlagte patentkrav.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av eksempler og under henvisning til tegningsfigur 1-3 samt en anordning for utførelse av fremgangsmåten som er beskrevet i norsk patent nr. 155.447 og nr. 154.498.

Den ovennevnte anordning er skjematisk avbildet i et vertikalt snitt på Fig. 1. En rotor 1, neddykket i smeltet metall 2 om-fattende en hul aksling 7 og et hult rotasjonslegeme 6 med hull 9 anordnet langs legemets omkrets og dets bunnparti, er tilkoblet en strømkilde 3 via en elektrode 8 plassert koaksialt innenfor akslingen 7. Fra elektrodens nedre ende overføres det en lysbue 5 til den paraboliske smelteoverflate 10 som dannes under rotasjonen. En gassledning 11 er tilkoblet øverst på akslingen 7 for å frembringe den ønskede atmosfære over smeiten og/eller tilføre smeiten inerte (passive) eller aktive gasser for raffineringsformål.

Under forsøkene med denne smeltebehandlingsapparatur ble det (overraskende) funnet at ved å bruke nitrogen som "passiv" rensegass dannes det aluminiumnitrid (A1N) partikler som distribueres i smeiten og virker som størkningskim og resulterer i en finkornet struktur på det utstøpte metallet.

Disse AlN-partiklene dannes dels ved at lysbuen fordamper aluminium (temperaturer >2000°C) som reagerer med nitrogen i gassform, kondenserer på innsiden av rotasjonslegemet og/eller i kontakt med smeiten. De aller fleste partiklene dannes imid-lertid ved at atomært og ionisert nitrogen rundt lysbuen kommer inn i smeiten og reagerer in situ med aluminium under dannelse av AlN-partikler. Disse partiklene er veldig små og fordeles takket være den spesielle utforming av rotoren raskt, jevnt og effektivt gjennom hele metallvolumet.

Flere detaljer og driftsparametre for den nye kornforfinings-metoden vil fremgå av følgende praktiske eksempler.

Eksempel 1

770 kg AlSi-smelte ble behandlet satsvis ved hjelp av den oven-for beskrevne apparatur i løpet av 5 minutter. Man anvendte grafittanode under forsøket, lysbueeffekten var 50 kW. Det ble tilført 10 1 nitrogen pr. minutt, og smeltetemperaturen lå på 780-840°C. Kornstørrelsen på det utstøpte metallet var under 100/um.

Fig. 2 og 3 er bilder av strukturen henholdsvis før og etter behandling med nitrogen. Bildene illustrerer klart forfinings-effekten av dé in situ formede Al-nitrider på AlSi-legeringen.

Eksempel 2

20 t AlSi-smelte ble passert gjennom en behandlingsenhet installert i en holdeovn. Samme driftsparametre som under Eksempel 1, dvs. lysbueeffekten 50 kW og tilførsel av nitrogen på 10 1 N pr. minutt. Kornstørrelsen på det utstøpte metallet var under 100/um. Som det fremgår av eksemplene, kan metoden anvendes både sats vis og i en kontinuerlig støpeprosess (in-line) enten som et avsluttende behandlingstrinn ved hjelp av apparatur (behandlingsenhet) installert i ovner for raffineringsformål eller ved hjelp av en separat enhet bygget opp etter de samme prinsippene - tilførsel av nitrogen rundt en lysbue og en effektiv trans-port og fordeling av AlN-partiklene i smeiten. Det er også mulighet for å anvende direkte vekselstrøm.

Videre kan grafittanoden erstattes med en plasmabrenner for å frembringe lysbuen mellom "inerte" materialer eller tvert imot en aktiv anode basert på materialer som oppløses i smeiten og bidrar aktivt til kimdannelsen.

Selv om ovennevnte eksempler og beskrivelse er basert på bruk av nitrogen og nitrider som kornforfiningsmiddel, er det inn-lysende at også andre utgångsmaterialer kan anvendes, og andre midler kan dannes i smeiten in situ i samsvar med, og innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelse. For eksempel vil karbider kunne dannes på lignende måte som nitrider ved å erstatte nitrogen med en dertil egnet karbonholdig gass.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for kornforfining av strukturen på lette metaller, karakterisert ved at en lysbue frembringes mellom en elektrode og over-flaten på en smelte eller mellom to elektroder i umiddelbar nærhet av smelteoverflaten under til-førsel av gass, gassen ioniseres ved hjelp av lysbuen og distribueres i smeiten, og hvor et kornforfiningsmiddel dannes in situ og fordeles i smeiten.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at lysbuen dannes i et roterende hullegeme neddykket i smeiten og utstyrt med en åpning i bunnen og flere sideåpninger i omkretsveggen, og livor smeiten strømmer oppover innover i hullegemet gjennom bunnåpningen og utover gjennom sideåp-ningene og danner en kontinuerlig sirkulasjons-strømming i smeiten.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som gass anvendes nitrogen slik at det in situ dannede forfiningsmidlet er et nitrid.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at smeiten består av aluminium eller aluminiumleger-ing og at det som kornforfiningsmiddel anvendes aluminiumnitrid.