NO170796B - Fremstilling av tixotrope metallprodukter ved kontinuerlig stoeping - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av tixotrope metallprodukter ved kontinuerlig støping.

Uttrykket "metallprodukter" vil heretter benyttes for å beskrive et hvert produkt med langstrakt form og sirkulært eller polyetrisk tverrsnitt som er fremstilt av et metall som aluminium eller en legering derav. Et "tixotropt metallpro-dukt" er ment å forstå med ethvert metallpreparat som har en fast primær ikke-dendritisk fase og mere spesielt en fase med dendriter som er degenerert til et punkt der de foreligger i form av det vesentlige sferoide partikler.

Disse tixotrope produkter har store fordeler i forhold til konvensjonelle slike ved formingstrinnet. Således krever det hele meget mindre energi, avkjølingstiden er fortere, krympehulrommene som dannes har mindre dimensjoner og errosjon av former på grunn av metallet blir betydelig redusert.

Det finnes mange patenter som beskriver midler for å oppnå slike produkter. For eksempel beskriver US-PS 3 948 650 og FR-PS 2 141 979 en støpemetode omfattende å heve temperaturen i en metallblanding inntil flytende tilstand, avkjøling for å produsere en viss størkning av væsken og heftig omrøring av væske-faststoffblandingen inntil 65 vekt-& av den således oppnådde blanding foreligger i fast form med individuelle degenererte dendriter eller noduler.

Denne metode ble deretter forbedret og den forbedrede verson finnes i US-PS 3 902 544.

Deretter tilveiebragte US-PS 4 434 837 som benyttet den ovenfor angitte prosess, en egnet røreinnretning omfattende en topolet stator. Statoren skapte et roterende magnetfelt som "ble forskøvet loddrett på aksen i formen og som dannet elektromagnetiske krefter. Disse krefter er rettet tangent-ialt på formen og gir en skjærhastighet på minst 500 sek-<1>. US-PS 4 457 355 tilveiebragte imidlertid en form bestående av to deler med forskjellig varmekonduktivitet og EP-PS 71822 tilveiebragte en form bestående av en følge av isolerende og konduktive ark.

I senere patentlitteratur besto forbedringene i US-PS 4 482 012 i å benytte en form tildannet av to kammere forbundet med en ikke-ledende skjøt idet det første kammer virker som varmeveksler mens US-PS 4 575 241 anbefaler omrøringsbe-tingelser slik at forholdet mellom skjærhastigheten og størkningshastigheten er fra 2.IO<3> toø 8.IO<3>.

Denne fremgangsmåte for å oppnå tixotrope produkter ved støping med omrøring har virkelig resultert i egnede produkter. Imidlertid har den kjente teknikk oppnådd ved arrangementer som benytter elektriske induktorer med et roterende felt og som er ansvarlig for å gi høye rotasjons-hastigheter på det størknede metall i et plan loddrett på formaksen slik at metallet omrøres og dendritene brytes for derved å gi krystallene form av sferoide partikler, det vil si at den tixotrope struktur oppnås ved en mekanisk virkning.

Videre og som antydet i US-PS 4 482 012 er det vesentlig å holde nøye øye med varmeavtrekkingen fra den størknende masse. Varmevekslere som er tilveiebragt har derfor vært skjøre og vanskelige å kontrollere og har bestått av en sinnrik sammensetning av varmeledende og varmeisolerende deler som bringer metallet til en temperatur så nær mulig liquidus under samtidig forhindring av størkning på veggene av formen.

Søkeren er interessert i fremstilling av tixotrope produkter men ønsker å befri seg fra de kjente metoder. Søkeren har derfor perfeksjonert denne støpeprosess der ifølge oppfinnelsen det flytende metall helles opp i en første form utstyrt med en bevegelig ende på den ene side og bestående av to ved siden av hverandre liggende koaksiale deler, der andelene utgjør en oppstrømsdel i støperetningen, beskrevet som den varme sone, hvis vegg består av et varmeisolerende materiale i det minste på den indre overflate, og en nedstrømsdel beskrevet som den kalde sone med veggen laget i det minste partielt av et varmeledende materiale, og der den ytre overflate avkjøles av et kjølefluid, for derved å bringe krystaller til å opptre ved størkning i væsken inneholdt i delen, og for å danne en solid skorpeform ved kontakt med den indre overflate idet skorpen er stiv nok til å muliggjøre at produktet som således dannes gradvis kan trekkes ut ved hjelp av den bevegelige ende, og den karakteriseres ved at bevegelsen legges på den størknende væske og i det minste overfører denne fra den kolde sone til den varme sone og vice versa i løpet av mindre eller lik 1 sekund for å bringe krystallene inneholdt i væsken til smelting om igjen ved overflaten og å gjøre dendritene regenererende.

Således omfatter oppfinnelsen å innføre et flytende metall i en form bestående av en oppstrømsdel som består av et materiale med varmeisolerende egenskaper i det minste så lenge veggen er i kontakt med metallet. Dette materiale kan for eksempel være av den type som i dag benyttes ved metallstøping for fremstilling av dyser eller tappekraner. På grunn av den reduserte varmeveksling i denne del holdes metallet ved en temperatur høy nok til å forhindre krystall-isering forutsatt at betingelsene er normale, det vil si at det ikke er noen ekstern forstyrrelse. Denne del kalles derfor den "varme.sone".

Oppstrømsdelen er via en egnet skjøting forbundet med en nedstrømsdel. Til forskjell fra oppstrømsdelen er dette en meget god varmeleder, spesielt i den del som er lengst nedstrøms. På grunn av den letthet med hvilken den trekker av varme fra metallet til utsiden kalles dette den "kolde sone". Denne del er analog bare formen ved konvensjonell kontinuerlig støping. Det er der krystalliseringsprosessen begynner og der et krystallinsk lokk begynner å utvikle seg fra veggen som avkjøles eksternt ved hjelp av en kjølevaeske. Et krystallinsk lokk eller dekke er stivt nok til å tillate at det støpte produktet gradvis kan trekkes ut ved hjelp av den bevegelige ende. Dette lokk eller dekke er bundet av den "størknende flate", en overflate med den generelle profil av en meniskus med toppen rettet nedover. En "svamp" bestående av en blanding av væske og generelt dendritiske faste partikler dannes i det krystallinske dekke. De faste partikler vil gradvis innarbeides i størkningsflaten og vil muliggjøre at den faste del utvikles og støpeprosessen skrider frem.

Det er således en enhet bestående av en varm sone og en kold sone, henholdsvis bestående av en væske og en væske fylt med dendritiske partikler. En bevegelse legges på den sistnevnte og forårsaker at partiklene trekkes mot den varme sone. Under disse betingelser finnes partiklene å miste i det minste en del av sine forgreninger og tenderer mot en sferoid form. Hvis det imidlertid skal inntre en klar forandring må det være en hurtig overføring fra den ene sone til den andre og denne må ikke under noen omstendighet ta mer enn et sekund. Jo kortere tid jo bedre vil dendritgenereringshast-igheten være. Denne bevegelse fra den kolde sone til den varme er åpenbart ledsaget av en reversbevegelse slik at partiklene returnerer til sin opprinnelige sone og der kan utføre en ny cyklus. Under disse cykler bringes partiklene i kontakt med den størknende flate og noen blir festet til denne. Det oppnådde produkt er således i det minste partielt tildannet av degenererte partikler, noe som gir det i det minste delvis tixotrope egenskaper.

Partiklene beveger seg fortrinnsvis i det minste i sløyfer der sløyfene sammen danner en torus med sin akse i det vesentlige identisk med aksen av formen. Sløyfene er lokalisert i meridianplanene i formen, det vil si de går gjennom aksen, og hvert er helt inneholdt i halvplanet som bindes av aksen. Den del av sløyfen langs hvilken væsken passerer fra den kolde sone til den varme er fortrinnsvis nærmere aksen mens delen som tilsvarer returbevegelsen er nær formens vegg.

Det skal være klart fra: det ovenfor anførte at det er to fundamentale forskjeller mellom de kjente prosesser og oppfinnelsen. I den kjente teknikk sirkulerer væsken ved rotasjon rundt aksen i formen, det vil si i et plan loddrett på aksen, og degenereringen oppnås ved å bryte ned krystaller som holdes ved en i det vesentlige konstant temperatur. Ifølge oppfinnelsen er hovedsirkulasjonen av væske parallell med aksen i formen og nedbrytningen er et resultat av varmevirkningen og ikke den mekaniske virkning. Dette gjør det unødvendig å holde krystallene permanent ved en temperatur nær liquidus ved bruk av sofistikerte varmevekslere som er vanskelige å kontrollere. Midlene som benyttes ifølge oppfinnelsen for å gi bevegelsen er meget enklere enn rotasjonsfeltgeneratorene.

To typer arrangementer brukes fortrinnsvis:

I et arrangement blir en enkeltfase elektrisk strøm ved en frekvens ikke over den industrielle frekvens ført gjennom nedstrømsdelen av formen, i det minste delvis omfattende et elektrisk ledende materiale. Imidlertid må veggen i denne del ha et innskudd av elektrisk isolerende materiale tvers gjennom tykkelsen og langs i det minste en generatrise med strømledere festet til begge sider. Således virker denne del som en vikling og strømmen som passerer gjennom den skaper et magnetisk felt som utvikler elektromagnetiske krefter som danner den krevede bevegelse. I tillegg må den indre vegg av denne del være dekket med en elektrisk isolerende film slik at det ikke er noen elektrisk kontinuitet mellom metalldelen og det støpte metall; en slik kontinuitet ville forårsake kortslutning og forhindre utvikling av det magnetiske felt som er ansvarlig for bevegelsen.

Fordi de elektromagnetiske krefter er avhengig av intensiteten for strømmen som passerer rundt viklingen, er det foretrukket at nedstrømsdelen består av metaller som har lav elektrisk resistivitet men mekanisk styrke forenelig med metallet som støpes. Kobber eller aluminium eller legeringer derav kan for eksempel benyttes i tilfeller der aluminium støpes.

Det er også funnet mulig å benytte elementer av forskjellige materialer der delen nærmest oppstrømsdelen består av, hvis den ikke er laget av et isolerende materiale, i det minste av et materiale som er en mindre god leder for elektrisitet enn for eksempel rustfritt stål. Under disse betingelser kan bevegelsen i væsken intensiveres.

Hva angår den isolerende film kan denne bestå av et sjikt av oksyd oppnådd ved anodisering når det gjelder aluminium eller av en emalje, eller av for eksempel av en fluorkarbonharpiks. Tykkelsen i filmen vil avhenge av spenningen i veggen i forhold til metallet som støpes. En oksydtykkelse på 1 pm for en spenning på 100 Volt kan være en basis.

Nedstrømsdelen kan ha en grafittring med en tykkelse på noen mm tilpasset den indre overflate. Ringen kan virke som smøremiddel for metallet som støpes og kan øke virkningen av et smøremiddel med hvilket den indre vegg av nedstrømsdelen enkelte ganger må belegges for å lette støping av enkelte metaller.

Ringen kan være delt i minst to sektorer langs generatrisene, ikke bare for å motvirke eventuell joule effekt i sonen som skal avkjøles, men også for å redusere energien som vil begrense metallbevegelsen.

I et spesielt arrangement kan ringen ha et innskudd motsatt innskuddet av nedstrømsdelen, i dette tilfelle unngås joule effekten igjen men ringen kan så krympes direkte på den indre vegg av delen uten behov for mellomliggende isolerende film.

Den andre metode for bevegelse av væsken i formen omfatter å anbringe minst en metallvikling på utsiden av nedstrømsdelen av formen med aksen i det vesentlige parallell med formens akse, og å føre en enkel tfasestrøm gjennom den ved en frekvens ikke høyere enn industriell frekvens. Viklingen isoleres elektrisk fra veggen til denne del og danner et magnetisk felt parallelt med formens akse. Dette gir elektromagnetiske krefter som danner den nødvendige bevegelse. Bevegelsen vil klart variere i intensitet og vil avhenge av styrken av strømmen som legges på viklingen, men den vil også avhenge av andre faktorer som sammensetningen av metallet som utgjør veggen i den kolde sone og konstruksjonen av denne vegg.

Hva angår den første faktor er det foretrukket å benytte et materiale med en resistivitet på over 5 jjfJ.cm. Dette kan for eksempel være et amagnetisk rustfritt stål eller titan, eller en keram forutsatt at en har tilstrekkelig varmekonduktivitet. Når aluminium skal støpes er den beste måte for å unngåelse av brudd I praksis å benytte aluminium, men i form av en legering som på vektbasis inneholder ca. 1,856 Mn, 0, 25% Cr, 0, 2% Ti og 0, 1% V. Denne har en resistivitet på 9,3 pfi.cm sammenlignet med resistiviteten på 3 jjfl-cm for konvensjonelle legeringer. Imidlertid kan resistiviteten økes ved tilsetning av opptil 5% Mg, i hvilket tilfelle verdier på 11 til 12 ^n.cm vil oppnås. Tilsetningen av opptil 1% Li eller opptil 0, 15% Zr er også nyttig.

Andre løsninger omfatter bruk av komposittmaterialer som rustfritt stål belagt med et tynt sjikt aluminium på innsiden. Hva angår den andre faktor kan strømstyrken eller intensiteten som er nødvendig for bevegelse reduseres ved å dele veggen i den kolde sone langs generatrisene i minst to sektorer som er adskilt av en elektrisk isolater som mica. Sektorene kan holdes sammen ved hjelp av rustfrie stålpinner eller lignende av isolerende materiale.

Alle disse versjoner av nedstrømsdelen kan være utstyrt med en koaksial grafittring på den indre vegg i nærheten av den varme sone. Ringen bør fortrinnsvis være delt i minst to deler langs generatrisene. Formålet ved disse spesielle trekk er å gjøre den elektriske strøm mere effektiv i sin omdanning til elektromagnetiske krefter som skaper bevegelse.

Alle viklingene som omgir nedstrømsdelen av formen er konstruert og anordnet slik at de kan passe til en nedstrøms-del av en hvilken som helst form. De er også formet og anordnet for optimal ytelse for å oppnå både et optimalt strømstyrkeutbytte og en energifordeling i metallet slik at væsken beveger seg over hele tverrsnitt og over hele høyden av formen for derved å gi den størst mulige nedbrytning av dendritene på det størst mulige antall krystaller.

Således kan viklingene være forskjøvet parallelt med aksen av formen eller tildannet ved en sammensetning av bevegelige elementer som kan strekke seg rundt former av et hvilket som helst tverrsnitt i like eller forskjellige avstander. Disse monteringer er ideelle for fremstilling av produkter med rektangulært tverrsnitt.

Andre spesielle trekk kan inkluderes i oppfinnelsen for å gjøre bevegelsen av metallet mere effektiv slik som tilsetning av minst en metallvikling rundt den varme sone. Viklingen vil ha en elektrisk strøm gjennom seg og viklingen eller viklingene bør være forbundet enten til den eller de i den kolde sone eller til en strøingene r a to r. Strømmen fra generatoren vil ha forskjellig styrke, frekvens og/eller fase fra strømmen som mater viklingen eller viklingene i den kolde sone.

Som middel for kanalisering av det magnetiske felt dannet av viklingen eller viklingene, kan den kolde sone være omgitt av magnetiske åkelementer, dannet av metallplater som er elektrisk isolert fra hverandre og anordnet i plan som går gjennom formens akse.

Den kolde sone avkjøles på kjent måte, enten ved bruk av fluidbeholderen integral med den ytre vegg i sonen eller ved å legge på en perifer fluidflate direkte mot veggen.

Strømningshastigheten og/eller temperaturen i fluidet justeres i henhold til avkjølingsgraden som kreves og posisjoneringen for derved å danne krystaller i den ønskede mengde og hastighet i et gitt område, og for å føre dem inn i den varme sone i det ønskede utviklingstrinn. Ved direkte-kjøling blir overflatene som kommer i kontakt med kjøle-fluidet også justert.

Den varme sone eller i det minste den del av den som ér nærmest den kolde sone, kan være omgitt av en hylse eller kappe med en gass under trykk som er kjemisk inert i forhold til det støpte metall som sirkulerer i den. Det støpte produkt er funnet å ha bedre overflateutseende under slike betingelser.

Oppfinnelsen vil forstås bedre under henvisning til figur 1 som er et vertikalt halvsnitt gjennom aksen av en form egnet for gjennomføring av oppfinnelsen. I figur 1 er en opp-strømsdel 1 laget av et varmeisolerende materiale inneholdende flytende metall 2 og utgjør den varme sone. En nedstrømsdel 3 består av et varmeledende materiale med en grafittring 4 tilpasset innvendig og utvendig avkjølt ved hjelp av en film 5 av vann fra en matebeholder 6 og som utgjør den kolde sone. Kjølevirkningen som oppnås ved hjelp av vannet gjør at metallet størkner langs overflaten 7 og gir det støpte produkt 8. En vikling 9 matet med vekselstrøm omgir den kolde sone og danner et magnetisk felt. Dette induserer elektromagnetiske krefter slik at det flytende metall forskyves i retning av pilen 10 parallelt med formaksen mot den varme sone og vender tilbake til den kolde sone langs veggen av formen i retning av pilen 11 og trekker partikler 12 med seg.

De følgende eksempler på hvordan oppfinnelsen kan anvendes gis for å illustrere den uten å begrense den.

Eksempel 1

En barre med diameter 79 mm, laget av typen S/G0.3 aluminium-legering (det vil si inneholdende 7 vekt-# Si og 0,3 vekt-56 Mg) ble fremstilt som beskrevet ovenfor: oppstrømsdelen besto av en 50 mm høy "MONALITE" ring, nedstrømsdelen bestående av aluminium var dekket innvendig med et 5 pm tykt anodisert sjikt og med en grafittring oppdelt i 12 sektorer, og var splittet i to over hele høyden. Strømmen sirkulerte direkte gjennom nedstrøms-delen hvortil to kraftforsyningstråder var festet, en på hver side av oppdelingen. Spenningen på polene var 1,05 Volt. Støpehastigheten var 200 mm/min., hastigheten som vanlig benyttet for barrer med denne diameter. Et eksempel på strukturen oppnådd inne i barren, undersøkt ved mikrografi (se 50 ganger forstørrelsen i fig. 2) viste effektiviteten av fremgangsmåten med henblikk på å oppnå en struktur med degenererte dendriter.

Eksempel 2

En 2124 legering (i henhold til Aluminium Association standard) ble støpt i form av en barre med 400 mm diameter ved den beskrevne metode. Den totale konstruksjon av utstyr var tilsvarende det som var beskrevet i det foregående eksempel bortsett fra føringen av strømmen; i dette tilfelle ble den ført gjennom en vikling uavhengig av nedstrømsdelen. Støpehastigheten var 40 mm/min., den hastighet som vanligvis benyttes for barrer med denne diameter.

Mikrografisk undersøkelse viste at, bortsett fra en perifer sone på ca. 15 mm, var kornstrukturen spesielt avrundet, spesielt uten dendritarmer, og av meget liten størrelse, nemlig i størrelsesorden 70 pm.

Eksempel 3

Plater på 800 mm x 300 mm av legering 7075 (i henhold til Aluminium Association standard) ble støpt ved den beskrevne metode. Som når det gjaldt barrer med diameter 400 mm omga en vikling den ytre overflate av nedstrømsdelen og kun en kort avstand fra denne, nemlig 10 mm. Viklingen omfattet 4 kobberbjelkeelementer som var avkjølt innvendig med vann. Elementene ble forbundet med hverandre i tre av hjørnene og med strømtilførselsledninger i det fjerde. Støpehastigheten var 400 mm/minutt.

Makrografisk undersøkelse av det støpte produkt viste en fin, homogen struktur bortsett fra hjørnene som fremdeles hadde en finere struktur. Mikrografisk undersøkelse viste en markert endring i morfologien av kornene som inntok "potet"form i stedet for den konvensjonelle "blomkål"form. En selektiv virkning ment å vise armene av dendritene viste at disse så og si helt hadde forsvunnet.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for fremstilling ved kontinuerlig støping av tixotrope metaller og spesielt produkter av aluminium-legeringer med i det minste partielt en struktur med degenererte dendriter der man bringer det flytende metall (2) opp i en form som er utstyrt med en bevegelig ende i den ene ende og består av to koaksiale deler som i støperetningen danner en oppstrømsdel (1) kalt den varme sone der veggen består av et varmeisolerende materiale på minst den indre flate og en nedstrømsdel (3) kalt den kolde sone der veggen i det minste delvis består av et varmeledende materiale og/eller den ytre overflate er avkjølt ved hjelp av et varmevekslingsfluid (5) for å bringe krystaller til å opptre ved størkning i det flytende materiale i denne del og for å danne en fast skorpe ved kontakt med den indre overflate i det skorpen er stiv nok til å muliggjøre at produktet (8) som således dannes gradvis kan trekkes ut ved hjelp av den bevegelige ende, karakterisert ved åt bevegelsen som legges på den størknende væske (8) i det minste delvis overfører den fra den kolde sone (3) til den varme sone (10) og vice versa (11) i løpet av et tidsrom <. 1 sekund for å bringe krystallene (12) inneholdt i væsken til ny smelting og å bringe dendritene til degenerering.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bevegelsen skjer i sløyfer i meridianplanene, som sammen danner en torus med aksen i det vesentlige identisk med formaksen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bevegelsen oppnås ved føring av en monofase elektrisk strøm med en frekvens ikke høyere enn industrifrek-vens i nedstrømsdelen av formen, at veggen av denne delen har et innskudd av elektrisk isolerende materiale gjennom hele tykkelsen og langs minst en generatrise, med krafttilførsels-ledninger festet til hver ende av innskuddet, og at delen er belagt innvendig med en elektrisk isolerende film.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at den indre vegg av den kolde sone er dekket over hele periferien og i det minste nær den varme sone med en grafittring med samme akse som sonene.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bevegelsen oppnås ved hjelp av minst en metallisk vikling anbragt utvendig for den kolde formsone og hvis akse i det vesentlige er parallell med formaksen og gjennomløpt av en monofasestrøm med en frekvens lik eller mindre enn den industrielle frekvens.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at man forskyver viklingen eller viklingene parallelt med formaksen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at man regulerer avstanden mellom viklingen eller viklingene i forhold til den ytre vegg av den kolde sone.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den varme sone inneholder minst en metallisk vikling matet med elektrisk strøm.

9. Fremgangsmåte ifølge kravene 3 og 8, karakterisert ved at viklingen er forbundet med den kolde sone.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at den kolde sone er omgitt av laminerte magnetiske åk der platene befinner seg i plan som går gjennom sone-aksene.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at avkjølingen av den kolde sone oppnås ved hjelp av et kjølefluid.