DE10005122A1 - Verfahren und Extruder zur Thixoextrusion von Leichtmetallen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Thixoextrusion von Leichtmetallen, insbesondere von Aluminiumwerkstoffen, in einem Extruder. DOLLAR A Kennzeichnend ist der Einsatz eines Mehrwellenextruders, bevorzugt eines Zweiwellenextruders (1), mit vorzugsweise gegenläufig angetriebenen Schneckenwellen (2, 3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Thixoextrusion von Leichtmetallen, insbesonde­ re von Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen sowie Aluminium bzw. Aluminiumlegie­ rungen gemäss des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie einen geeigneten Thixoextruder.

Es ist bekannt, Kunststoffe, Metalle und deren Legierungen zu extrudieren. Bei Metallen und Legierungen sind die Ausgangswerkstoffe fest und von dendritischer Struktur, das Füllmaterial wird in Form von Spänen, Pellets oder dergleichen dem Extruder zugeführt.

Nach den US-PS 4694881 und 4694882 wird ein semi-solid Material, z. B. Aluminium- oder Magnesiumwerkstoffe dadurch hergestellt, dass das zerkleinerte Ausgangsmateri­ al mit beliebiger Struktur einem Einwellenextruder zugeführt und erwärmt wird. Das Material wird im Extruder bis oberhalb der Liquidustemperatur erwärmt und muss nachfolgend wieder auf eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur gekühlt wer­ den. Das insoweit gekühlte Material wird im Extruder einer Scherung ausgesetzt, die ausreichend ist, die Dendriten wenigstens teilweise aufzulösen. Eine ähnliche Verfah­ rensweise offenbart die US-A-5040589, allerdings mit den wesentlichen Unterschieden, dass die Erwärmung kleiner als die Liquidustemperatur ist und dass die Scherung durch ein Aufstauen in einer "accumulating zone" unterbrochen wird.

Nach der DE-C-11 47 832 ist es aber auch bekannt, das Material nur bis zur Pressfliess­ druckgrenze zu erwärmen, so dass ein Kühlen gemäss der vorgenannten US-Patente entfallen kann. Nach der US-A-2249353 kann das Material auch schon vor dem Extru­ dieren erhitzt werden.

Nach der US-A-5501266 erfolgt eine Kühlung erst während einer Scherung im Extruder.

Das zu extrudierende Material kann durch eine Spülung mit Inertgasen geschützt sein. Auf Grund der verwendeten Einwellenextruder ist die Mischwirkung jedoch vergleichsweise gering, die immanente Schleppströmung verhindert eine Selbstreinigung des Ex­ truders.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Thixoextrusion von Leichtmetallen zu entwickeln, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und zudem ein Recycling von Abfallmaterial ermöglicht. Diese Aufgabe wird mit dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Extruder zur Thixoextrusion zu entwickeln.

Durch ein Extrudieren im Mehrwellenextruder, bevorzugt ein Zweiwellenextruder, ergibt sich nicht nur eine gute Mischwirkung, sondern infolge der Zwangsförderung auch eine Selbstreinigung. Ebenso ist die Gefahr der Verstopfung niedrig. Das Verweilzeitspek­ trum ist gering und die erzielbare Produktqualität konstant. Es entsteht nur wenig Ab­ fallprodukt und die Betriebskosten sind niedrig.

Es kann beliebig strukturiertes Ausgangsmaterial verwendet werden, so dass auch Re­ cyclingmaterial verwendet werden kann.

Es muss allerdings in Kauf genommen werden, dass die Investitionskosten für den Ex­ truder höher sind als bei einem Einwellenextruder.

Auf Grund der sehr unterschiedlichen Verfahrensweisen ergibt der Stand der Technik keine naheliegenden Hinweise auf die Verwendung eines Mehrwellenextruders.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeichnung näher beschrieben, ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform begrenzt. Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur in einer Teildarstellung einen Zweiwellenextruder 1 mit zwei gegenläufig angetriebenen Schneckenwellen 2, 3. Die Schneckenwellen 2, 3 sind in üblicher Weise in einem Arbeitsraum 6 in einem Gehäuse 4 des Extruders angeordnet. Das Gehäuse 4 enthält übliche Heizelemente 5.

Die Beschickung des Zweiwellenextruders 1 kann durch bekannte volumetrische oder gravimetrische Dosiersysteme erfolgen.

Das Beschickungsmaterial kann flüssig oder fest sein welches jedoch den Eingus­ strichter und die Schnecken nicht verstopfen darf. Bevorzugt sind nadelförmige Granu­ late mit einer Breite zwischen 1,5 und 2 mm und einer Länge zwischen 4 und 4,5 mm. Recyclingmaterial sollte vor der Verarbeitung über einen gewissen Zeitraum auf erhöh­ ten Temperaturen (z. B. grösser 150°C) gelagert werden, damit sich eventuell vorlie­ gende Feuchtigkeit verflüchtigen kann.

Innerhalb des Extruders wird das Material gefördert, (zumindest teilweise) erschmolzen und geschert.

Im Falle eines gegenläufigen Zweiwellenextruders 1, wird das Material der einen Kam­ mer ohne nennenswerten Austausch mit der anderen Kammer vom Trichter bis zum Schneckenende gefördert.

Der gleichlaufende Zweiwellenextruder 1 übergibt bei jeder Umdrehung das Material vom Kanal der einen in den der anderen Schnecke. Durch die Umlagerung legt das Material längere Wege zurück und erfährt eine höhere Scherbelastung, was zur Erzeu­ gung eines globulitischen Gefüges relevant ist.

Das Eingiessen (Einspritzen) kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:

Die werkzeugseitige Öffnung wird zunächst durch eine Düse geschlossen. Daher ent­ steht durch das schon geförderte Material ein Druck auf die Schnecken, die sich axial nach hinten bewegen (Verdrängung). Der nun vor den Schnecken liegende Raum (Schneckenvorraum) füllt sich mit der für einen Schuss notwendigen Masse. Daraufhin wird die Düse geöffnet.

Auf die im Schneckenvorraum befindliche Masse wird nun ein Einspritzdruck ausgeübt, der gross genug ist, um die Form zu füllen. Dies geschieht in dem die Schnecken axial nach vorne bewegt werden.

Zum Einpressen kann auch die Schneckengeschwindigkeit erhöht werden, so dass das dann schnell nachfliessende Material den hohen Druck auf das Material im vorderen Bereich ausübt., hierzu ist keine axiale Bewegung der Schnecken notwendig.

In einem anderen Fall kann das teilflüssige oder flüssige Material in eine herkömmliche Druckgusskammer extrudiert werden und dann mit einem Giesskolben in die Form ge­ schossen werden. Die Extrusion in die Giesskammer kann von oben, unten oder jeder seitlichen Position aus erfolgen. Um Sauerstoffzutritt zu vermeiden, ist die Giesskam­ mer nur an dieser Stelle geöffnet.

Zur Vermeidung einer Oxidation im Extruder wird Schutzgas, z. B. eine Mischung aus CO₂, SF₆, N₂ oder Ar möglichst mit einem Druck < 1 bar so eingesetzt, dass oberhalb des flüssigen Bereiches eine inerte Gasatmosphäre herrscht. Man erhält einen konti­ nuierlichen Fluss indem an dem gegenüberliegenden Ende des Einflusses das Gas durch Abluftrohre oder Entlüftersysteme abgesaugt wird. Hierdurch kann die Form ohne Oxidhautabscheidung konzipiert werden, was gegenüber dem konventionellen Thixo­ cast (SSM) einen geringeren Giessrest zur Folge hat.

Durch die Zylinderheizung (Heizelemente 5) wird der Zweiwellenextruder 1 aufgeheizt und an die günstigste Materialtemperatur angepasst. Dabei liegt die Heiz- und Kühllei­ stung abhängig vom eingesetzten Material/Legierung und der Ausgangstemperatur zwi­ schen 20 und 50 kW. Die abgeschätzte Motorleistung von bis zu 50 kW ist stark abhän­ gig von der Extrudergrösse. Als Temperiersystem dienen Widerstandsheizelemente 5, es können aber auch andere elektrische Aufheizmethoden angewandt werden. Zur Kühlung kann ein Wärmeträgermedium verwendet werden, das in direktem Kontakt mit der Zylinderaussenwand steht.

Der Zweiwellenextruder 1 wird in mehrere Abschnitte, die getrennt voneinander tempe­ riert werden können, unterteilt, so ist es möglich, entlang des Zylinders einen Tempe­ raturgradienten einzustellen.

Die Anschnittgeschwindigkeit liegt zwischen 50 und 60 m/s und ist stark abhängig von der Form, der Formtemperatur und dem Flüssiganteil im Werkstoff.

Eine Demontage des Zweiwellenextruders 1 bei Legierungswechsel ist nicht erforder­ lich. Durch beispielsweise 3 Fehlschüsse des neuen Legierungsmaterials selbst kann die Reinigung des Zweiwellenextruders 1 erfolgen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Thixoextrusion von Leichtmetallen, insbesondere von Ma­ gnesium- oder Aluminiumwerkstoffen durch Beschickung eines Extruders mit dem Aus­ gangsmaterial, Aufheizung und Längsförderung des Materials im Extruder, wobei das aufgeheizte Material im Verlauf der Förderbewegung eine Scherbeanspruchung unter hohem Druck erfährt und anschliessend den Extruder durch eine Austrittsdüse oder ein Formwerkzeug verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass das Material einer Zwangsför­ derung unterzogen wird und die Aufheiztemperatur mindestens oberhalb T_solid liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus­ gangsmaterial in fester Form oder schmelzflüssig dem Extruder zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Materials im Anschnitt 5-100 m/s beträgt und dass das Abfahren eines vorgegebenen Profils echtzeitgeregelt erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritts­ geschwindigkeit durch Vorfahren oder in einer Relativbewegung erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherung durch Schnecken und/oder Scheibenelemente und/oder durch mechanische Umlen­ kung erfolgt.

6. Verfahren zur Thixoextrusion von Leichtmetallen, insbesondere von Alu­ miniumwerkstoffen oder Magnesiumwerkstoffen in einem Extruder dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Extruder ein Zwei- oder Mehrwellenextruder verwendet wird.

7. Extruder zur Thixoextrusion von Leichtmetallen, insbesondere von Alumi­ nium- oder Magnesiumwerkstoffen, der eine Beschickungsöffnung für das Material, eine Schneckenwelle mit Schnecken- und/oder Scheibenelementen, ein beheizbares Gehäuse, mindestens eine Entgasungsöffnung und eine Austrittsdüse oder dergleichen für das Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder mindestens zwei Schneckenwellen (2, 3) enthält.

8. Extruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnec­ kenwellen (2, 3) gleich- oder gegenläufig antreibbar sind.

9. Extruder nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arbeitsraum (6) mechanische Umlenkelemente (7) angeordnet sind.

10. Extruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkelemente (7) winklig zueinander angeordnet sind.

11. Extruder nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Zweiwellenextruder (1) ist.