DE2263268B2

DE2263268B2 - Verfahren zur herstellung von aluminium-blei-legierungen

Info

Publication number: DE2263268B2
Application number: DE19722263268
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 6239 Kelkheim; Ahlborn Hans Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 6238 Hofheim; Winter Heinrich Dr. 6236 Eschborn; Betz Hans DipL-Ing. Dr. 6200 Wiesbaden Merz
Original assignee: Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Current assignee: Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Priority date: 1972-12-23
Filing date: 1972-12-23
Publication date: 1976-12-30
Also published as: FR2211533A1; ES421746A1; AT328757B; DE2263268A1; GB1454909A; FR2211533B1; ATA1078873A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Blei-Legierung mit Anteilen von etwa 3 bis 26% Blei, insbesondere für die Verwendung als Lagerwerkstoff.

Lagerwerkstoffe auf der Basis von Aluminium mit hohen Anteilen von Zinn haben sich in der Praxis bewährt. Analog zur Entwicklungsrichtung bei anderen Lagerlegierungen, das Zinn möglichst durch das preislich günstigere Blei zu ersetzen, ist man auch bereits bestrebt gewesen, Aluminium-Blei-Legierungen mit Anteilen von etwa 3 bis 26% Blei als Lagerwerkstoff zu benutzen (DT-OS 19 13 168). Solche Lagerwerkstoffe stellen aber tatsächlich keine echte Legierungen dar. Vielmehr ist das Blei in Form von Ausscheidungen in der Aluminiummatrix angeordnet. Wenn eine möglichst feine, gleichmäßig verteilte Anordnung der Bleiausscheidungen in der Aluminiummatrix erreicht werden könnte, ist zu erwarten, daß solche Werkstoffe hervorragende Gleiteigenschaften aufweisen. Außerdem sind solche Werkstoffe aufgrund ihres erheblich geringeren Preises wesentlich wirtschaftlicher als die bisher zu diesem Zweck eingesetzten Aluminium-Zinn-Legierungen. Es ist jedoch bisher kein geeignetes Verfahren bekannt, wirklich als Lagerstofl brauchbarer Aluminium-Blei-Legierungen im technischen Maßstab herzustellen.

Es ist zwar bereits dazu vorgeschlagen worden, Aluminium und Blei getrennt voneinander zu schmelzen, und beide Schmelzen in freiem Fall zusammenzugießen und auf eine gekühlte Fläche fallenzulassen (DT-OS 15 33 254). Hierdurch lassen sich aber, wie die Praxis zeigt, nur relativ grobe Verteilungen des Bleis in der Aluminiummatrix erreichen. Durch die bekannte Mischungslücke in flüssigem Zustand zwischen Alut dnium und Blei, müßten die nach diesem bekannten Verfahren zusammengeführten, getrennten Schmelzen sehr weit über ihren Schmelzpunkt hinaus erhitzt werden, damit sie sich beim Zusammenführen überhaupt vermischen.

Dies erhöht aber die technischen Schwierigkeiten, insbesondere im Hinblick auf die bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes stark hervortretenden hohen Affinität des Aluminiums zu den verschiedensten anderen Elementen, insbesondere Sauerstoff. Hierdurch war es bisher nicht möglich, dieses Verfahren in der Praxis in technischem Maßstab durchzuführen.

Es ist auch ein Vorschlag bekannt geworden, wonach eine Aluminium-Biei-Schmelze zunächst intensiv gemischt und dann kontrolliert abgekühlt, und während des Abkühlens, insbesondere beim Durchlaufen der Mischungslücke äußerer Kraftwirkung, beispielsweise Schwerkraft- oder Zentrifugenwirkung unterworfen wird (US-PS 34 10 331). Diese Arbeitsweise ist außerordentlich schwierig und führt vor allem nicht zu einer gleichmäßigen Verteilung, sondern zu einer Steigerung, die sich durch die äußere Krafteinwirkung während des kontrollierten Abkühlens nur steuern, aber nicht beheben I3ßt.

Es ist auch bereits zur Herstellung von Aluminium-Blei-Legierungen vorgeschlagen worden, die Schmelzen von Aluminium und Blei getrennt in einer Stickstoffatmosphäre auf ein Stahlblech aufzusprühen (FR-PS 2095 384). Das Versprühen erfolgt durch Verdüsen mit Stickstoff. Die Schmelzen werden durch den Gasstrom in feinste Tröpfchen zerteilt und so rasch abgekühlt, daß sie beim Auftreffen auf das Stahlblech nahezu erstarrt sind. Es resultiert daher keine ausreichende Bindung mit der Unterlage und ein poriges Gefüge. Tröpfchen der erforderlichen Feinheit (Durchmesser in der Größenordnung von μίτι) lassen sich mit diesem Verfahren nicht aufschleudern. Sie sind bereits vor dem Auftreffen völlig, oder zumindest weitgehend erstarrt. Daher ist auch die Einlagerung von μηι-feinen Bleiteilchen in eine Aluminiummatrix auf diese Weise nicht realisierbar. Außerdem bedarf es einer hochreinen Schutzgasatmosphäre und eines hochreinen Schutzgases als Treibmittel. Dies hebt aber den Preisvorteil des Bleis gegenüber Zinn wieder auf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Blei-Legierungen mit Anteilen von 3 bis 26% Blei, insbesondere für die Verwendung als Lagerwerkstoff, zu schaffen, das sich ohne weiteres auch in technischem Maßstab durchführen läßt und zu gleichmäßiger, feiner Verteilung der Bleiausscheidungen in der Aluminiummatrix führt. Dabei soll der durch das Blei gegebene Preisvorteil gegenüber Zinn erhalten bleiben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schmelze der Legierungsbestandteile auf eine Temperatur oberhalb der Mischungslücke aufgeheizt und in an sich bekannter Weise durch Absaugen und rotierendes Abschleudern in kleine Schmelzentröpfchen verteilt wird, die durch sehr rasches Erstarren in Granulatform gebracht werden.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß für die Gewinnung einer Al'minium-Blei-Legierung aus der Schmelze der Legierungsbestandteile unter Sicherstellung einer gleichmäßigen, feinen Verteilung des

ausgeschiedenen Bleis in der Aluminiummatrix es nicht genügt, die Schwereseigerung auszuschließen. Alle bisher bekannten Versuche und Vorschläge für das Gewinnen von Aluminium-Blei-Legierung durch Abkühlen einer Legierungsschmelze find daran gescheitert, daß nur die Verhinderung der Schwereseigerung in Betracht gezogen wurde. Vielmehr wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, daß bei der sehr hohen Diffusionsgeschwindigkeit von geschmolzenem Aluminium und Blei innerhalb der Mischungslücke ein sehr schnelles Koagulieren des geschmolzenen Bleis in geschmolzenem Aluminium in Art einer Ostwald-Reifung eintritt, die sich durch mechanische Einwirkung bzw. Krafteinwiikung nicht beeinflussen läßt Erst durch das gemäß der Erfindung vorzunehmende sehr rasche Erstarren ist es möglich, die Schmelze so schnell einzufrieren, daß Seigerung und Koagulation noch nicht zur Ausbildung grober Bleiteilchen führen können.

Im Verfahren gemäß der Erfindung wird eine an sich für die Herstellung anderer Aluminium-Legierungen *> bekannte Arbeitsweise zum Verteilen der Schmelze in kleine Schmelzetröpfchen und zum sehr raschen Erstarren dieser Schmelzetröpfchen in Granulatform benutzt (vgl. DT-AS 12 85 098, DT-OS 19 23 658). Bei der Anwendung dieser bekannten Arbeitsweise für die Herstellung von Aluminium-Blei-Legierungen kommt gegenüber den bisher bekannten Anwendungsweisen die erhebliche Erschwernis hinzu, daß die gemeinsame Schmelze der Legierungsbestandteile auf eine Temperatur oberhalb der Mischungslücke zu erhitzen ist. Es hat sich aber überraschend herausgestellt, daß trotz der in der Schmelze einzustellenden, sehr hohen Temperaturen keine nennenswerte Oxydation an den erzeugten Granulatteilchen auftritt, und auch beim Abschleudern der Schmelzetröpfchen mit so stark erhöhter Temperatür selbst in normale. Wasserdampf enthaltende, atmosphärische Luft keine Wasserstoffversprödung auftrat, wenn sie an der Oberfläche der Schmelze selbst verhindert wurde. Völlig überraschend wurde jetzt festgestellt, daß auch in den Schmelzetröpfchen, selbst wenn sie einen Durchmesser von weit über einem Millimeter aufweisen, keinerlei Schwereseigerung von Blei im erstarrten Granulat zu finden waren.

Zudem ermöglicht das beschriebene Verfahren ein zügiges und kontinuierliches Arbeiten. Das kontinuierlieh anfallende Granulat kann direkt zu Blechen oder stranggepreßtem Halbzeug weiterverarbeitet werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Schmelzetröpfchen in freiem Flug zu sehr raschem Erstarren in Form von länglich-rundem Granulat gebracht. Das auf diese Weise an Luft erzeugte länglich-runde Granulat weist eine metallisch glänzende Oberfläche auf und läßt sich hervorragend direkt zu Blechen verwalzen oder zu Strangpreßbolzen verdichten und anschließend strangpressen. Durch das relativ kleine Verhältnis der Teilchenoberfläche zum Teilchenvolumen und der überraschend geringen Oxydhaut ist der Anteil an AI2O3 nicht störend. Würde man versuchen, durch Verdüsen wesentlich kleinere Schmelzetröpfchen zu bilden, dann würde dies nicht zuletzt durch das wesentlich größere Verhältnis von Teilchenoberfläche zu Teilchenvolumen zu einem erheblich größeren und störenden Anteilen AI2O3 führen.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die Schmelzetröpfchen zum Aufprallen auf gekühlte Flächen gebracht, an denen sie sich zu dünnen, flockenartigen Granulatteilchen auseinanderziehen und sehr rasch erstarren. Die auf diese Weise erzeugten, sehr rasch erstarrten Blättchen zeigen extrem feine und gleichmäßig verteilte Bleiausscheidungen in der Aluminiummatrix. Die Oberflächenqualität ist auch beim Arbeiten an feuchter Luft hervorragend. Das flockenartige Granulat kann direkt ohne Schwierigkeiten zu Blech verwalzt oder verdichtet und stranggepreßt werden.

Nach dem Walzen oder Strangpressen kann bei jeder der beiden Ausführungsformen eine Wärmebehandlung angeschlossen werden, um eine gewünschte Vergröberung der extrem feinen Bleiausscheidungen zwecks Einstellung optimaler Gleiteigenschaften des Lagerwerkstoffes zu erreichen.

Im Rahmen der Erfindung ist es notwendig, die hoch erhitzte Schmelze zur Vermeidung von Bleiverlusten durch Abdampfen und zur Verhinderung der Wasserstoffversprödung mit einem Schutzsalz abzudecken. Dies ist im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich, da der zur Durchführung der an sich bekannten Arbeitsweise bereits vorgeschlagene Saugheber (vgl. DT-AS 12 85 098 bzw. DT-OS J 9 23 658 und DT-OS 20 49 458) ein ausreichend langes Ansaugrohr tragen kann, das durch die aufschwimmende Schutzsalzschicht hindurchführt und die Schmelze aus tieferen Bereichen absaugt.

Durch die Erfindung wird eine sehr gleichmäßige Verteilung extrem feiner Bleiausscheidungen in der Aluminiummatrix erreicht, da hierzu die erforderliche hohe Abkühlungsgeschwindigkeit der hoch erhitzten Aluminium-Blei-Schmelze gewährleistet ist, während sich bei den bekannten Verfahren, insbesondere auch beim Gieß-Walz-Verfahren (DT-OS 15 33 254 und 19 13 168) allenfalls Abkühlungsgeschwindigkeiten der Größenordnung 10³ Grad/sec realisieren lassen und beim Verdüsen der Schmelze etwa 10⁵ Grad/sec erreichbar sind, werden im Verfahren gemäß der Erfindung Abkühlungsgeschwindigkeiten der Größenordnung 10⁶ Grad/sec benutzt.

In der Zeichnung zeigt zur Erläuterung der Erfindung

F i g. 1 ein Temperatur-Mischungsdiagramm für Aluminium und Blei,

F i g. 2 eine schaubildliche Wiedergabe einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung,

F i g. 3 eine schaubildliche Wiedergabe einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung in Seitenansicht und

F i g. 4 eine schaubildliche Wiedergabe der Ausführungsform des Verfahrens gemäß F i g. 3 in Draufsicht.

Wie F i g. 1 zeigt, liegt das Aluminium in festem Zustand bis zur Temperatur des aluminiumseitigen Eutektikums, nämlich bis 658,5° vor. Oberhalb von 658,5° und 1,5% Bleigehalt liegen Aluminium und Blei in zwei getrennten flüssigen Phasen vor, bis zu der in F i g. 1 gezeigten (am oberen Rand des Diagramms unterbrochenen) Entmischungskurve. In Fig. 1 ist die Entmischungskurve aluminiumseitig oberhalb 1000° und bleiseitig oberhalb 1100° gestrichelt dargestellt, weil sie in diesen Bereichen noch nicht mit der erforderlichen Genauigkeit wissenschaftlich ermittelt werden konnte. Oberhalb der Entmischungskurve ist die Legierung mischbar, stellt also eine echte Mischung von Aluminium- und Blei-Atomen dar.

Durch die Erfindung soll der oberhalb der Entmischungskurve der F i g. 1 liegende Zustand der Legierungsschmelze weitestgehend eingefroren werden. Je breiter dabei das zu durchlaufende Temperaturintervall ist, in welchem Aluminium und Blei in getrennten flüssigen Phasen vorliegen, und je langsamer dieser

Temperaturintervall durchlaufen wird, umso größer, d. h. gröber werden aufgrund der Diffusionsvorgänge naturgemäß die in die Aluminiummatrix eingeschlossenen Teilchen von ausgeschiedenem Blei.

Wie das Diagramm der F i g. 1 ferner zeigt, erhöht sich die Temperatur, bei der Aluminium und Blei mischbar werden, auf dem aluminiumseitigen Ast der Entmischungskurve sehr stark mit zunehmendem uleigehalt. Dies bedeutet, daß auch das beim Einfrieren des Mischungszustandes zu durchlaufende Temperaturintervall mit zunehmendem Bleigehalt erheblich größer wird. Außerdem wird naturgemäß die Affinität des Aluminiums zu anderen Elementen, insbesondere Sauerstoff, Wasserstoff u. dgl mit zunehmender Temperatur erheblich stärker.

Fig.2 zeigt ein Schema für eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung. In eine Aluminium-Blei-Schmelze 1, die sich in echtem Legierungs- bzw. Mischungszustand befindet, ist von oben her ein Zentrifugalheber 2 eingetaucht, der durch einen Motor 3 in schnelle Drehbewegung versetzt wird. Die Schmelze 1 ist, wie dargestellt, mit einer Schutzschicht 4 aus geschmolzenen Salzen abgedeckt. Der Saugheber 2 greift mit seinem langen Schaft durch diese Schutzschicht 4 in die Schmelze 1 und schleudert an seinem oberen Teil die angesaugte Schmelze in Form von Schmelzetröpfchen 5 ringsum symmetrisch zu seiner vertikalen Drehachse, etwas schräg nach oben, radial nach außen, wie dies durch die in F i g. 2 gezeigten Bahnen angedeutet ist. Während ihres freien Fluges erkalten die Schmelzetröpfchen 5 sehr schnell und zwar mit einer mittleren Geschwindigkeit bis zu 10⁵ Grad/sec. Die Schmelzetröpfchen 5 erstarren dabei zu länglich-runden Granulatteilchen, die, wie dargestellt, in ringsumlaufenden Rinnen 6 aufgefangen und zur Weiterverarbeitung abgeführt werden.
Im Beispiel der Fig.3 und 4 wird vom gleichen Grundaufbau der Vorrichtung ausgegangen, jedoch mit dem Unterschied, daß anstatt der in Fig. 1 vorgesehenen Auffang- und Abtransportrinne 6 ringsum angeordnete Kühlflächen 7 vorgesehen sind. Die Schmelzetröpfchen 5 treffen schräg zur Flugrichtung auf diese Kühlflächen 7 und werden dadurch sehr schnell abgekühlt, wobei sie sich blättchenförmig oder flockenförmig entlang der Kühlflächen formen und dadurch ein flockenförmiges Granulat 8 ergeben, das wiederum aufgefangen und zur Weiterverarbeitung abtransportiert wird. Die auf diese Weise erzielbare Abkühlgeschwindigkeit ist noch höher als im Fall der Fig. 1, beispielsweise bis zu IO⁷ Grad/sec. Wie F i g. 4 durch die voll ausgezogene und die gestrichelte Darstellung zeigt, ist es möglich, die Kühlflächen 7 in ihrer Winkelstellung bezüglich der von dem Saugheber 2 ausgehenden Radien auf den für den jeweiligen Anwendungsfal! günstigsten Wert einzustellen. Dieser günstigste Wert läßt sich durch Versuche empirisch ermitteln.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von A'.uminium-Blei-Legierungen mit Anteilen von etwa 3 bis 26% Blei, insbesondere für die Verwendung als Lagerwerkstoff, wobei die Schmelze der Legierungsbestandteile auf eine Temperatur oberhalb der Mischungslücke erhitzt und aus der bei solcher Temperatur vorliegenden einzigen Schmelzenphase unter raschem Abkühlen unter möglichst weitgehendem Einfrieren des Einphasenzustandes vergessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch erhitzte und zur Vermeidung von Bleiverlusten durch Abdampfen und zur Verminderung von Wasserstoffversprödung mit einer Schutzschicht abgedeckte Schmelze durch Absaugen unterhalb der Schutzschicht und an sich bekanntes rotierendes Abschleudern in kleine Schmelzetröpfchen verteilt wird, deren rasches Erstarren im freien Flug zumindest eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Schmelzetröpfchen während ihres freien Fluges zum Erstarren gebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzetröpfchen auf dem freien Flug schräg zur Flugrichtung zum Auftreffen auf gekühlte Flächen gebracht werden, an denen sie sich unter Erstarren zu dünnen flockenartigen Granulatteilchen auseinanderziehen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat direkt zu Blechen verwalzt oder verdichtet und zu Halbzeug stranggepreßt wird.

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