DE2742769C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art und danach hergestellte Werkstoffe oder Werkstücke.

Es ist bekannt, Metallzusammensetzungen mit einem Gehalt bis zu etwa 65 Gew.-% degenerierter Dendrite herzustellen. Solche Zusammensetzungen und ihre Herstellungsverfahren sind in der DE-OS 22 29 453 und in den US-PS 39 48 650 und 39 54 455 beschrieben. Wie darin erläutert ist, wird eine Metallegierung zur Bildung einer flüssig-festen Mischung erhitzt, die kräftig gerührt wird, um die aus der Legierung stammenden Dendriten in degenerierte Dendriten umzuwandeln. Diese Zusammensetzungen lassen sich direkt gießen oder zur Erstarrung bringen und anschließend zur Bildung einer thixotropen Zusammensetzung wiedererhitzen, die dann direkt gegossen werden kann. Wesentliche Vorteile werden erreicht, wenn man diese Zusammensetzung gießt, da die Form nicht der Schmelzwärme des Materials ausgesetzt wird, das bereits vor dem Gießen erstarrt ist. Weiter erfährt das gegossene Material weit weniger Schrumpfung beim Erstarren im Vergleich mit völlig geschmolzenen Zusammensetzungen, und daher zeigt der endgültige Gußgegenstand viel weniger Erstarrungsschrumpfung im Vergleich mit einem Gegenstand, der aus einer völlig flüssigen Metallzusammensetzung gegossen ist.

Die DE-OS 23 39 747 und die US-PS 39 51 651 und 39 36 298 offenbaren ein Verfahren zum Modifizieren der die degenerierten Dendriten enthaltenden Zusammensetzung durch Zusatz von Drittphasenteilchen mit einer Oberflächenzusammensetzung, die von der Schmelze und degenerierte Dendriten enthaltenden Metallzusammensetzung nicht benetzt wird, wobei die erhaltene Zusammensetzung bis zu 65 Gew.-% degenerierte Dendriten enthalten kann. Die US-PS 39 02 544 offenbart ein kontinuierliches Verfahren zur Bildung der degenerierte Dendriten enthaltenden Zusammensetzungen, die bis zu etwa 65 Gew.-% degenerierte Dendriten enthalten.

Die DE-OS 25 10 853 offenbart ein Verfahren der eingangs vorausgesetzten Art, bei dem ebenfalls bis zu 65 Gew.-% primär erstarrte Festteilchen erhalten werden, wobei man eine Vorrichtung mit einer Aufschmelzzone und wenigstens einer daran anschließenden, gegen Mitreißen von Gas abgedichteten Rührzone verwendet, aus der man die abgekühlte Flüssig-Fest- Mischung laufend entsprechend dem Überführungsdurchsatz der Schmelze von der Aufschmelzzone in die Rührzone abzieht.

Die in diesen Offenlegungsschriften und Patentschriften beschriebenen Metallzusammensetzungen ergeben wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere bei Gießprozessen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, das die Herstellung von Metallen und Legierungen ermöglicht, die mehr als etwa 65 Gew.-% degenerierte Dendriten enthalten und so formbar sind, daß sich noch mehr Schmelzwärme aus der Zusammensetzung vor dem Formen abführen läßt, um dadurch die Lebensdauer der Formvorrichtung zu erhöhen und geformte Gegenstände zu erhalten, die noch weniger Erstarrungsschrumpfung zeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Werkstoff oder Werkstück gemäß Patentanspruch 8.

Die Erfindung stellt also ein Verfahren zur Erzeugung bestimmter Metalle und Legierungen zur Verfügung, die degenerierte Dendriten in einer Konzentration von mehr als 65 Gew.-% bis zu einer oberen Grenze von primären Festteilchen enthalten, die von der Teilchengröße, dem Schergrad, der Zusammensetzung und der Abkühlungsgeschwindigkeit abhängt und meist bei etwa 85 Gew.-% liegt. Die obere Grenze des Anteils der primären Festteilchen wird erreicht, wenn die flüssige Phase aufhört, zusammenhängend zu sein, so daß die primären Festteilchen nicht länger längs ihrer Grenzen gleiten und eine ausreichende gegenteilige Verbindung oder Verschweißung der primären Festteilchen miteinander auftritt, die ein Gleiten der Festteilchen längs ihrer Grenzen, wenn die Zusammensetzung Scherkräften ausgesetzt wird, verhindert.

Die ggf. zugesetzten Drittphasenteilchen können Oberflächen aufweisen, die vom flüssigen Teil der Flüssig-Fest- Mischung, aus der die degenerierten Dendriten gebildet werden, benetzt oder nicht benetzt werden.

Die Flüssig-Fest-Mischungen werden durch Steigerung der Temperatur eines zu gießenden Metall- oder Legierungsmaterials auf einen Wert, bei dem es sich im flüssigen Zustand bzw. in einem flüssig-festen Zustand befindet, und kräftiges Rühren des so gebildeten Materials erzeugt. Die Wärme wird dann von der Schmelze unter fortgesetztem Rühren abgeführt, um den Feststoffanteil aus einzelnen degenerierten Dendriten oder Noduln unter Vermeidung der Bildung eines Dendritnetzwerks zu steigern. Es wurde gefunden, daß durch Ausbildung der Wände der Rührzone aus einem Material, das durch die Flüssig-Fest-Mischung nicht benetzt wird, Metallzusammensetzungen mit einem viel höheren Gewichtsprozentsatz an degenerierten Dendriten, als er früher erhältlich war, direkt aus der Rührzone gewonnen werden können. Die anscheinende Viskosität der Flüssig-Fest-Mischung wird kontinuierlich überwacht, und das Meßergebnis wird zur Steuerung der Verweilzeit der Flüssig-Fest-Mischung in der Rührzone, wo Wärme abgeführt wird, verwendet. Außerdem kann in der Rührzone eine Druckdifferenz zur Verbesserung der Aufrechterhaltung des ständigen Stroms der Metallzusammensetzung durch die Rührzone ausgenutzt werden. Die so erzeugten Zusammensetzungen können gegossen oder geformt oder auch abgekühlt werden, um eine vollständige Erstarrung zum Speichern und späteren Einsatz zu bewirken. Diese Zusammensetzungen weisen einen wesentlichen Vorteil dadurch auf, daß der weit überwiegende Anteil der Schmelzwärme daraus vor dem Gießen oder Formen abgeführt wird und die Schrumpfung der gegossenen oder geformten Metallzusammensetzung erheblich verringert ist, so daß sie unbedeutend ist.

Die Erfindung liefert eine Metallzusammensetzung, die entweder fest oder teilweise fest und teilweise flüssig sein kann und einzelne primäre Festteilchen und eine zweite Phase aufweist. Die zweite Phase ist fest, wenn die Metallzusammensetzung fest ist und ist flüssig, wenn die Metallzusammensetzung teilweise fest und teilweise flüssig ist. Diese Zusammensetzungen lassen sich aus einer großen Auswahl von Metallen oder Metallegierungszusammensetzungen erzeugen. Die primären Festteilchen sind kleine degenerierte Dendriten oder Noduln, die allgemein kugelförmig sind und als Ergebnis des Rührens der Schmelze, wenn die sekundäre Phase flüssig ist, gebildet werden. Die primären Festteilchen bestehen aus einer einzelnen Phase oder einer Mehrzahl von Phasen mit einer Durchschnittszusammensetzung, die sich von der Durchschnittszusammensetzung der umgebenden Matrix unterscheidet, die ihrerseits primäre und sekundäre Phasen bei weiteren Erstarrungsvorgängen aufweisen kann.

Mit dem hier verwendeten Begriff "primäre Festteilchen" sind die Phase oder Phasen gemeint, die zur Bildung einzelner degenerierter Dendritteilchen erstarrt sind, wenn die Temperatur der Schmelze unter die Liquidustemperatur in den flüssig-festen Temperaturbereich vor dem Gießen des gebildeten flüssig-festen Schlammes verringert ist. Mit dem hier verwendeten Begriff "sekundäre feste Phase" sind die Phase oder Phasen gemeint, die aus dem im Schlamm vorhandenen flüssigen Anteil bei einer niedrigeren Temperatur als der, bei der die primären Festteilchen gebildet sind, nach Beendigung des Rührens erstarren. Die in der Zusammensetzung gemäß der Erfindung erhaltenen primären Festteilchen unterscheiden sich von normalen Dendritgefügen dadurch, daß sie einzelne, in der restlichen flüssigen Matrix suspendierte Teilchen darstellen. Normal, d. h. ohne Rühren, erstarrte Metalle oder Legierungen haben verzweigte Dendriten, die untereinander in den frühen Stufen der Erstarrung, d. h. bis zu 12-20 Gew.-% Feststoffanteil, getrennt sind und sich zu einem zusammenhängenden Netzwerk verbinden, wenn die Temperatur verringert wird und der Feststoffgewichtanteil steigt. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verhindert dagegen die Bildung des zusammenhängenden Netzwerks durch Getrennthaltung der einzelnen Primärteilchen voneinander mittels der flüssigen Matrix sogar bis zu Feststoffanteilen von etwa 85 Gew.-% oder darüber. Die primären Festteilchen sind degenerierte Dendriten, indem sie durch glattere Oberflächen und weniger verzweigte Gestalten, die einer Kugelform nahekommen, als normale Dendriten gekennzeichnet sind und eine quasidendritische Struktur an ihren Oberflächen, jedoch nicht in einem solchen Ausmaß aufweisen können, daß eine gegenseitige Verbindung der Teilchen unter Bildung eines dendritischen Netzwerkgefüges auftritt. Die primären Teilchen können in sich während ihrer Erstarrung Flüssigkeit einschließen oder nicht, was von der Stärke des Rührens und der Zeitdauer abhängt, während der die Teilchen im flüssigfesten Bereich gehalten werden. Jedoch ist der Gewichtsanteil an eingeschlossener Flüssigkeit geringer als der in einer normal erstarrten Legierung bei der gleichen wie beim erfindungsgemäßen Verfahren angewandten Temperatur zum Erhalten des gleichen Feststoffgewichtsanteils auftretende.

Die sekundäre feste Phase, die sich während der Erstarrung aus der flüssigen Matrix nach der Bildung der primären Festteilchen bildet, enthält eine oder mehrere Phasen der Art, die auch während der Erstarrung flüssiger Metalle oder Legierungen gleicher Zusammensetzung nach bisher üblichen Gießprozessen erhalten würde. Und zwar kann die sekundäre feste Phase Dendriten, Einzel- oder Mehrphasenverbindungen, feste Lösungen oder Mischungen von Dendriten, Verbindungen und/oder festen Lösungen enthalten.

Die Größe der primären Festteilchen hängt von der angewandten Legierungs- oder Metallzusammensetzung, der Temperatur der Flüssig-Fest-Mischung und dem angewandten Rührgrad ab, wobei größere Teilchen bei niedrigerer Temperatur und bei Anwendung weniger kräftigen Rührens gebildet werden. So kann die Größe der primären Festteilchen im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 000 µm liegen. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung einen möglichst hohen Prozentsatz primärer Festteilchen unter Berücksichtigung einer Viskosität, die ein leichtes Gießen oder Formen ermöglicht und Wärmeschädigungen der Form- oder Gießeinrichtung äußerst gering hält.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung zum Erhalten von Metallzusammensetzungen mit degenerierten Dendriten über etwa 65 Gew.-% wird das kräftige Rühren der Metallzusammensetzung in einer Rührzone durchgeführt, die aus einem Werkstoff gebildet ist, der von der Metallzusammensetzung nicht benetzt wird und sowohl gegenüber der Metallzusammensetzung chemisch stabil als auch thermisch stabil ist. Die Oberfläche in der Rührzone wird durch die flüssigfeste Mischung nicht benetzt, so daß kein merkliches Haften zwischen der Flüssig-Fest-Mischung und der Oberfläche der Rührzone auftritt. So wird beispielsweise hochdichtes rekristallisiertes Aluminiumoxid durch Eisenmetalle, insbesondere Stähle, nicht benutzt. Weiter wird es durch Eisenmetalle, wie z. B. Stähle, nicht beeinträchtigt. Daher ist das hochdichte Aluminiumoxid ein idealer zur Herstellung von Eisenmetallzusammensetzungen mit hohen Konzentrationen an degenerierten Dendriten verwendeter Werkstoff. Andere Beispiele von Werkstoffen, die nicht benetzt werden, umfassen Graphit für die Herstellung einer Aluminiumlegierung und rostfreien Stahl für die Herstellung einer Zinn-Blei-Legierung. Zusätzlich kann die kräftig gerührte Zusammensetzung einer Druckdifferenz innerhalb der Rührzone unterworfen werden, um die Strömung der Flüssig-Fest-Mischung durch die Rührzone zu verstärken. Dies kann man durch Schaffung eines metallostatischen Kopfes aus flüssigem oder halbflüssigem Metall über der gerührten Metallzusammensetzung und/oder durch Kompression der Oberfläche der Metallzusammensetzung über der gerührten Metallzusammensetzung oder durch Verringerung des Drucks am Ausgang der Rührzone erreichen.

Um die erfindungsgemäße Zusammensetzung zu erhalten, wurde als wesentlich gefunden, einen Werkstoff zur Bildung des Inneren der Rührzone zu verwenden, der von der gerührten Metallzusammensetzung nicht benetzt wird. Da das Ausmaß der Viskositätsänderung als Funktion des Feststoffgehalts der Flüssig-Fest-Mischung mit dem Anstieg des Anteils an primären Festteilchen bei hohen Anteilen der primären Festteilchen scharf ansteigt, tritt in Rührzonen, die aus einem Material gebildet sind, das durch die Flüssig-Fest-Mischung benetzt wird, häufig eine Verstopfung der Rührzone mit dem in hohem Anteil vorliegenden festen Material auf, die sich nicht allein durch Erhöhen der Scherkräfte überwinden läßt. Als Ergebnis des hohen Ausmaßes der Viskositätsänderung in der Rührzone beim Anstieg des Gehalts an primären Festteilchen bei einer Zusammensetzung gemäß der Erfindung mit hohem Anteil von primären Festteilchen ist es erforderlich, einen Viskositätsfühler vorzusehen, der die Viskosität direkt oder einen Analogwert der Viskosität mißt, um die Scherkräfte, die Metallströmungsgeschwindigkeit (Metallverweilszeit in der Rührzone) und/oder die Abkühlungsgeschwindigkeit in der Rührzone zu steuern und so den hohen Anteil von Feststoffen in der gebildeten Metallzusammensetzung beizubehalten. Ein geeignetes Verfahren zum Erhalten der Messung verwendet die Anordnung eines Elektromotors konstanter Drehzahl zum Antrieb des Rührers und die Messung des zum Antrieb des Motors mit konstanter Drehzahl benötigten Stroms. Wenn der erforderliche Strom größer als erwünscht ist, was einen höheren Anteil der primären Festteilchen als den erwünschten anzeigt, wird der Anteil der primären Festteilchen in der Rührzone entweder durch Steigern der Metallströmungsgeschwindigkeit durch die Rührzone und/oder durch Verringerung der Abkühlungsgeschwindigkeit in der Rührzone verringert. Wenn der Strom geringer als erwünscht ist, was einen niedrigeren Anteil der primären Festteilchen als den erwünschten anzeigt, wird der Anteil der primären Festteilchen in der Rührzone entweder durch Verringern der Metallströmungsgeschwindigkeit durch die Rührzone und/oder durch Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit in der Rührzone erhöht. Sorge ist auch zu tragen, wenn Metalle verarbeitet werden, die an Luft Schlacke bilden, wie z. B. Stähle, um den Rührzonenausgang mit einem inerten Gas abzuschirmen und so eine Verstopfung der Rührzone zu verhindern.

Die Zusammensetzungen gemäß der Erfindung lassen sich aus jedem Metallegierungssystem oder reinem Metall der beanspruchten Gruppe erzeugen. Obwohl reine Metalle und Eutektika bei einer bestimmten Temperatur schmelzen, lassen sie sich zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwenden, da sie in einem flüssig-festen Gleichgewicht am Schmelzpunkt existieren können, indem man die Wärmezufuhr zur oder die Wärmeabfuhr von der Schmelze so steuert, daß das reine Metall oder Eutektikum am Schmelzpunkt ausreichend Wärme enthält, um nur einen Teil des Metalls oder Eutektikums geschmolzen zu halten. Dies ist möglich, da eine vollständige Abführung der Schmelzwärme in einem beim Gießverfahren gemäß der Erfindung verwendeten Schlamm aufgrund der Abmessungen des normalerweise verwendeten Gusses nicht augenblicklich durchführbar ist, und man erhält die gewünschte Zusammensetzung durch Ausgleichen der beispielsweise durch kräftiges Rühren zugeführten Wärmeenergie und der durch eine kühlere Umgebung abgeführten Wärmeenergie. Geeignete Legierungen sind z. B. Blei-Zinn, Zink-Aluminium, Zink-Kupfer-, Magnesium- Aluminium-, Magnesium-Aluminium-Zink-, Magnesium-Zink-, Aluminium-Kupfer-, Aluminium-Silizium-, Aluminium-Kupfer- Zink-Magnesium-Legierungen, Kupfer-Zinn-Bronzen, Messing, Aluminiumbronzen, Stähle, Gußeisen, Werkzeugstähle, rostfreie Stähle, Superlegierungen, wie z. B. Nickel-Eisen- Legierungen, Nickel-Eisen-Kobalt-Chrom-Legierungen und Kobalt-Chrom-Legierungen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 eine Wiedergabe einer Mikroskopaufnahme, die das Gefüge eines halbfesten Schlammes eines rostfreien "AISI 304"-Stahls zeigt;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäß verwendeten Rührzone; und

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer zur Durchführung der erfindungsgemäßen Prozesse geeigneten Vorrichtung.

Bezüglich Fig. 1 wurde der rostfreie "AISI 304"-Stahl in einer Zone mit einem Rotor mit einem qadratischen Querschnitt gerührt, wobei die Innenoberfläche der Rührzone aus einer Muffe aus hochdichtem rekristallisiertem Aluminiumoxid bestand. Der flüssig-feste Stahl wurde kontinuierlich mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,454 kg/min erzeugt und in der Rührzone auf eine Temperatur von etwa 1420°C abgekühlt. Die erhaltene Zusammensetzung hatte etwa 75 Gew.-% primäre Festteilchen 2 und etwa 25 Gew.-% sekundäre Festphase 4.

In Fig. 2 ist eine zur Erzeugung von rostfreiem Stahl mit hohem Anteil primärer Festteilchen geeignete Vorrichtung dargestellt. Ein im flüssigen Zustand befindlicher rostfreier Stahl 6 ist im Behälter 8 enthalten. Der rostfreie Stahl 6 kann geeignet mittels der Induktionsheizspulen 10, die den Behälter 8 umgeben, bis zum flüssigen Zustand erhitzt oder bei oder über der Liquidustemperatur gehalten werden. Der Behälter 8 ist aus graphitisiertem Aluminiumoxid, das gegenüber Korrosion durch den rostfreien Stahl 6 beständig ist. Der Behälter 8 ist mit einer Öffnung 16 zur Verbindung mit der Rührzone 14 versehen. Die Rührzone 14 weist eine Muffe oder Buchse 18 aus hochdichtem rekristallisiertem Aluminiumoxid auf, das thermisch stabil und gegenüber der flüssig-festen rostfreien Stahlzusammensetzung 20 in der Zone 14 chemisch stabil ist und durch den flüssig-festen Stahl nicht benetzt wird. Eine Abdeckung aus inertem Gas, z. B. Argon, wird durch den Einlaß 26 eingeblasen, um den flüssigen rostfreien Stahl 6 gegen Oxidation zu schützen. Das überschüssige Inertgas wird durch die Öffnung 28, die den Rührer 30 umgibt, abgelassen. Der Horizontalquerschnitt des Rührers 30 im Bereich des flüssigen Stahls 6 ist kreisförmig, während der Horizontalquerschnitt des Rührers 32 in der Rührzone 14 quadratisch ist, so daß die Scherkräfte, die auf die flüssig-feste Zusammensetzung 20 in der Rührzone einwirken, größer als die auf die flüssige Zusammensetzung 6 einwirkenden Scherkräfte sind. Die Rührzone 14 ist mit einem Auslaß 38 versehen und von einer Kühlwendel 40 umgeben, die zur Wärmeabfuhr vom rostfreien Stahl zur Bildung einer Flüssig-Fest-Mischung mit über etwa 65 Gew.-% primären Festteilchen betrieben wird. Die weitere Wendel 42 wirkt zur Beibehaltung der gewünschten Temperatur am Auslaß 38 auf einem ausreichend hohen Wert zum Verhindern einer Verstopfung am Auslaß 38. Um eine Schlackenbildung am Auslaß 38 durch Oxidation aufgrund eines Kontakts mit Luft zu verhindern, wird ein inertes oder reduzierendes Gas, z. B. Argon mit 4% Wasserstoff, durch den Einlaß 44 eingeführt, um den Auslaß 38 zu umgeben und eine Stahloxidation bis nach der Erfassung des flüssig-festen Stahls zu verhindern.

Der Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 2 soll nun anhand der Fig. 2 und 3 erläutert werden. Rostfreier Stahl wird in die Zone 8 völlig geschmolzen, teilweise erstarrt oder völlig fest eingeführt. In jedem Fall wird der rostfreie Stahl in der Zone 8 durch die Heizinduktionsspulen 10 in den geschmolzenen Zustand gebracht. Der geschmolzene Stahl fließt in die Zone 14, während die axial zusammenhängenden Rührer 30 und 32 durch den Motor 50 konstanter Drehzahl gedreht werden. In der Zone 14 wird der Stahl durch die Wendel 40 in den flüssig-festen Bereich mit über 65 Gew.-% Festteilchen gekühlt. Die anscheinende Viskosität des flüssig-festen Stahls wird durch das Ampèremeter 52 erfaßt, das den zum Antrieb des Motors 50 mit konstanter Drehzahl erforderlichen Strom mißt. Die Größe des Auslasses 38 wird durch eine Ventilsteuerung 54 reguliert, die ein Anheben oder Senken der Rührer 30 und 32 im Ansprechen auf die Anzeige des Ampèremeters 52 bewirkt. Wenn die Stromanzeige, d. h. die anscheinende Viskosität, zu hoch ist, hebt die Ventilsteuerung 54 die Rührer 30 und 32 zur Vergrößerung des Auslasses 38 und Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssig-festen Stahls durch die Zone 14. Wenn die Stromanzeige zu niedrig ist, werden die Rührer 30 und 32 zur Verringerung der Größe des Auslasses 38 gesenkt, wodurch die Verweilszeit des Stahls in der Zone 14 erhöht und dadurch der Anteil des Stahls an den primären Festteilchen auf den gewünschten Anteil über 65 Gew.-% gesteigert wird. Der flüssig-feste Stahl wird durch das rekristallisierte hochdichte Aluminiumoxid 18 nicht benetzt und läuft durch den Auslaß 38 zu einer (nicht dargestellten) Erfassungseinrichtung, wie z. B. durch Gießen. Es wurde gefunden, daß durch Überwachung der anscheinenden Viskosität der Gehalt des Stahls an primären Festteilchen über 65 Gew.-% leicht steuerbar ist, was im Gegensatz beispielsweise zur Steuerung der Verweilszeit in der Zone 14 durch Überwachung der Temperatur steht, die eine Zeitverzögerung oder Wärmeansprechzeit mit sich bringt, so daß der Feststoffgehalt nicht unverzüglich reguliert werden kann. Im Fall der Wärmeregulierung gibt es einen unerwünscht hohen Erstarrungsgrad bis zu einem Ausmaß, wo die Rotation der Rührer 30 und 32 nicht leicht beibehalten werden kann und eine Metallverstopfung auftritt.

Die Flüssig-Fest-Mischung kann, wenn das gewünschte Flüssig-Fest-Verhältnis erreicht ist, rasch zur Bildung eines Festkörpers zwecks leichter Lagerung gekühlt werden. Später kann der Festkörper auf die Temperatur der Flüssig-Fest-Mischung mit dem jeweils gewünschten besonderen Verhältnis erhitzt und dann, wie zuvor, gegossen oder anderweitig unter Anwendung üblicher Techniken geformt werden. Gemäß dem soeben erläuterten Verfahren hergestellte Metalle oder Legierungen besitzen thixotrope Eigenschaften. Ein solches Material kann somit in eine modifizierte Formgußmaschine oder andere Vorrichtung in scheinbar fester Form eingeführt werden. Indessen bewirkt eine Scherkraft, die sich ergibt, wenn dieses scheinbar feste Metall- oder Legierungsmaterial in einen Formhohlraum getrieben wird, daß sich das halbfeste Material in ein Material umwandelt, dessen Eigenschaften mehr denen einer Flüssigkeit gleichen. Ein Metall oder eine Legierung mit thixotropen Eigenschaften kann auch durch Abkühlen der Flüssig-Fest-Mischung auf eine Temperatur über der, bei der der gesamte flüssige Anteil erstarrt, erhalten werden, und die erhaltene Zusammensetzung kann zur gewünschten Gestalt geformt werden. Diese Technik läßt sich auch mit Metallzusammensetzungen durchführen, die bis zu etwa 85 Gew.-% degenerierte Dendriten enthalten.

Es wurden Flüssig-Fest-Mischungen unter Verwendung einer Vorrichtung wie der in Fig. 2 dargestellten und bei Drehzahlen von 800 U/min für den Rotor hergestellt. Die Temperatur des erfindungsgemäß erzeugten flüssig-festen Materials mit 75% Festteilchen ist für verschiedene Legierungen im folgenden angegeben:

Sn-10% Pb 192°C rostfreier "AISI 440 C"-Stahl1392°C Kupferlegierung "905" 911°C Nickelbasis-Superlegierung "Udimet 700"1300°C

Abweichungen von der 75% primäre Festteilchen enthaltenden Flüssig-Fest-Mischung nach oben oder unten ergeben sich aus Änderungen der gegebenen Temperaturwerte.

Ein Gußstück, das unter Verwendung einer 25% flüssigen Anteil und 75% degenerierte Dendriten enthaltenden Mischung hergestellt wurde, weist eine Erstarrungsschrumpfung von etwa 25% eines Gußstücks auf, das aus einem völlig flüssigen Metall hergestellt wird. Die Erstarrungsschrumpfungen einiger Metalle sind: Eisen 4,0%; Aluminium 6,16%; und Kupfer 4,9%

Eine Formung des hier offenbarten teilweise erstarrten Metallschlammes oder -gemisches kann durch Gießen, Einspritzen oder andere Mittel erfolgen, und das offenbarte Verfahren ist brauchbar zum Formguß, Dauerform- oder Kokillenguß, Strangguß, Geschlossenformschmieden, Heißpressen, Vakuumformen (dieses Materials) und andere. Die besonderen Eigenschaften dieser Schlämme führen dazu, daß Abänderungen existierender Gieß- und Formverfahren nützlich angewendet werden können. Beispielsweise kann die effektive Viskosität der Schlämme durch Steuern des Anteils der primären Festteilchen, der Teilchengröße und -gestalt und des Scherkraftausmaßes gesteuert werden; die hohen möglichen Viskositäten bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre führen zu geringerem Metallverspritzen und Lufteinschluß bei Gießprozessen. Weiter ergeben sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Gegenstände gleichmäßigerer Festigkeit und größerer Dichte.

Das Mittel, mit dem nach Fig. 2 und der Erläuterung das Rühren vorgenommen wird, ist ein Rotor, doch kann man auch das elektromagnetische Rühren, das Gaseinblasen und andere eine Rückwirkung ergebende Mechanismen verwenden, sofern das Rühren ausreichend ist, um die Bildung von zusammenhängenden dendritischen Netzwerken zu vermeiden oder bereits an den primären Festteilchen gebildete dendritische Zweige im wesentlichen zu beseitigen oder zu verringern.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Metall-Metall- oder Metall-Nichtmetall-Mehrstoffzusammensetzung vorgesehen, die eine Metall- oder Metallegierungsmatrix ist, die feste Drittphasenteilchen enthält, die homogen innerhalb der Matrix verteilt sind und eine vom Metall oder von der Metallegierung verschiedene Zusammensetzung aufweisen. Die Drittphasenteilchen werden in die Schlammzusammensetzungen der Erfindung eingebracht, indem man sie dem Schlamm zusetzt und die erhaltene Zusammensetzung rührt, bis die Drittphasenteilchen homogen dispergiert sind. Die als Drittphasenteilchen dem Schlamm zugesetzten Teilchen haben eine Oberflächenzusammensetzung, die vom flüssgen Teil des Metalls, dem sie zugesetzt werden, benetzt oder nicht benetzt werden, um ihr homogenes Zurückhalten innerhalb der Metallmatrix zu bewirken. Hierbei wird unter einer Zusammensetzung, die benetzt wird, eine Zusammensetzung verstanden, die bei Zusatz zu einem Metall oder einer Metallegierung bei oder etwas über der Liquidustemperatur des Metalls oder der Legierung und Einmischung, wie durch Rühren mit rotierenden Flügeln, für eine geeignete Zeitdauer zur Erreichung innigen Kontakts damit, z. B. etwa 30 Minuten, in meßbaren Konzentrationen innerhalb der Flüssigkeit zurückgehalten wird, nachdem das Rühren derselben beendet wurde und man die erhaltene Zusammensetzung zu einem ruhigen Zustand zurückkehren ließ, wenn das Metall oder die Legierung bei oder etwas über der Liquidustemperatur ist. Wenn man Drittphasenteilchen einem Metall oder einer Legierung zusetzt, das bzw. die die Teilchen bei der Liquidustemperatur des Metalls oder der Legierung benetzt, werden die Teilchen darin in Konzentrationen von einer meßbaren Konzentration von etwas über 0 Gew.-% und allgemein bis zu etwa 5 Gew.-% zurückgehalten. Beispiele der Benetzung umfassen ein System, das nickelüberzogenen Graphit in Aluminiumlegierungen enthält, wie in der US-PS 36 00 163 beschrieben ist, und ein System, das Wolframkarbid in Aluminium, Magnesium oder Zink enthält, wie in der US-PS 35 83 471 beschrieben ist. In einigen Fällen kann die Konzentration der Drittphasenteilchen bis zu etwa 30 Gew.-% reichen. Beispiele von Festteilchen, die durch bestimmte Metallzusammensetzungen nicht benetzt werden, umfassen Graphit, Metallkarbid, Sand, Glas, keramische Stoffe, Metalloxide, wie z. B. Thoriumoxid, reine Metalle und Legierungen usw.

Erfindungsgemäß können die Drittphasenteilchen der Schlammzusammensetzung in Konzentrationen bis zu etwa 30 Gew.-% zugesetzt werden. Das Metall oder die Metallegierung kann fest oder teilweise fest sein und hat bis zu etwa 85 Gew.-% eines Gefüges mit einzelnen festen degenerierten Dendriten oder Noduln, die in einer sekundären Phase mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem der primären Teilchen suspendiert sind, welche sekundäre Phase fest oder flüssig sein kann. Diese Zusammensetzungen werden durch Erhitzen einer metallischen Zusammensetzung auf eine Temperatur erzeugt, bei der der größte Teil oder die Gesamtheit der Metallzusammensetzung im flüssigen Zustand ist, worauf die Zusammensetzung kräftig gerührt wird, um irgendwelche festen Teilchen darin zu degenerierten Dendriten oder Noduln mit allgemein Kugelform umzuwandeln. Die die dritte Phase der Zusammensetzung bildenden festen Teilchen werden der flüssig-festen Metallzusammensetzung zugesetzt, nachdem alle oder ein Teil der primären Festteilchen gebildet sind, und die Drittphasenteilchen werden innerhalb der Metallzusammensetzung etwa durch Rühren dispergiert. Nachdem die Drittphasenteilchen in der metallischen Zusammensetzung dispergiert sind, kann die Schmelze in eine gewünschte Form gegossen oder zur Bildung einer Zusammensetzung abgekühlt werden, die nachher durch Erhitzen und Formgebung geformt oder gegossen werden kann. In jedem Fall enthält die endgültig geformte Zusammensetzung primäre Festteilchen.

Die Drittphasenteilchen enthaltende Zusammensetzung gemäß der Erfindung läßt sich aus der großen Anzahl von Metallen oder Legierungen, wie oben erwähnt, in Kombination mit nichtmetallischen oder metallischen Drittphasenteilchen herstellen. Die Zusammensetzung enthält eine sekundäre Phase, die entweder fest oder flüssig sein kann, und eine dritte Phase, die fest ist und eine von den primären Festteilchen und der sekundären Phase unterschiedliche Zusammensetzung aufweist. Die sekundäre Phase ist fest, wenn die Metallzusammensetzung fest ist, und flüssig, wenn die Metallzusammensetzung teilweise flüssig ist.

Die dritte Phase der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen wird durch die Festteilchen gebildet, die dem Schlamm aus primären Festteilchen und sekundärer flüssiger Phase zugesetzt werden. Für Zwecke gemäß der Erfindung kann die Zusammensetzung der die dritte Phase bildenden Teilchen eine beliebige feste Zusammensetzung umfassen, die normalerweise den Legierungszusammensetzungen zugesetzt wird, um eine oder mehrere physikalische Eigenschaften der Metallegierungszusammensetzungen zu ändern.

Der Gewichtsprozentsatz der die dritte Phase bildenden Teilchen, der einer Metallegierung zusetzbar ist, kann in weiten Grenzen variieren. Ein höherer Gewichtsprozentsatz von Drittphasenteilchen kann zugesetzt werden, wenn der Gewichtsprozentsatz der primären Festteilchen verhältnismäßig niedrig ist. Jedoch sollten die primären Festteilchen nicht so klein oder weit verteilt in der sekundären Phase sein, daß sie im wesentlichen keine Wechselwirkung mit den zugesetzten Drittphasenteilchen zeigen. Allgemein sollten die primären Festteilchen in der Legierung in Mengen von wenigstens 65 Gew.-% vorliegen, und ihre Menge kann bis etwa 85 Gew.-% variiert werden.

Während des Teilchenzusatzschrittes werden die Teilchen bis zur Kapazität der sekundären Phase, sie festzuhalten, und/oder bis zu einem Gewichtsanteil zugesetzt, wo der Gesamtgewichtsanteil der primären Festteilchen und der Drittphasenteilchen bis zu etwa 95 Gew.-% betragen kann. Diese Festhaltekapazität der Drittphasenteilchen durch die sekundäre Phase wird überschritten, wenn man beobachtet, daß die Teilchen auf der Schmelzenoberfläche zu schwimmen oder zum Boden der Schmelze abzusinken beginnen. Die Bildung zusätzlichen flüssigen Anteils nach dem Zusatz der Drittphasenteilchen bewirkt nicht die Entfernung der vorher zugesetzten Drittphasenteilchen, da diese Zeit hatten, von der sekundären flüssigen Phase benetzt zu werden und/oder in Wechselwirkung mit den darin vorliegenden primären Festteilchen zu treten, so daß sie in der Metallzusammensetzung festgehalten werden. Durch Arbeiten in dieser Weise ist es möglich, bis zu 30 Gew.-% Drittphasenteilchen der Metallegierung zuzusetzen. Die bevorzugte Konzentration der Drittphasenteilchen hängt von den gewünschten Eigenschaften der endgültigen Metallzusammensetzung und damit von der Legierung und den Teilchenzusammensetzungen ab. Die Drittphasenteilchen sind von einer Größe, die ihr Zusetzen zur Bildung homogener Zusammensetzungen begünstigt, und weisen vorzugsweise eine Größe von 1/100 bis 10 000 µm auf.

Es ist wünschenswert, eine gleichmäßige Verteilung der Drittphasenteilchen zu erzielen, die sich durch Erhöhen des Grades und der Dauer des Mischens steuern läßt, wobei verhältnismäßig geringe Zusatzgeschwindigkeiten der Drittphasenteilchen angewandt werden und man den Gewichtsprozentsatz der dem Metall zugesetzten Drittphasenteilchen für einen gegebenen Gewichtsprozentsatz der primären Festteilchen im Metall steuert.

Wenn die gewünschte Zusammensetzung erzeugt ist, die aus primären Festteilchen, sekundärer flüssiger Phase und Drittphasenteilchen besteht, kann sie zur Bildung eines Festkörpers zur leichten Lagerung abgekühlt werden. Später kann der Festkörper auf eine Temperatur erhitzt werden, wo eine Mischung aus primären Festteilchen, sekundärer flüssiger Phase und Drittphasenteilchen erhalten wird. Weiter kann man einen Festkörper herstellen, der thixotrope Eigenschaften aufweist, wenn er in den flüssig-festen Zustand wiedererhitzt wird. Er kann so in eine modifizierte Formgußmaschine oder andere Vorrichtung in scheinbar fester Form eingeführt werden. Jedoch verursacht eine Scherkraft, die sich beim zwangsweisen Einführen dieser scheinbar festen Zusammensetzung in die Formhöhlung ergibt, daß sich die Zusammensetzung in eine Metallegierung umwandelt, deren Eigenschaften denen einer Flüssigkeit näherkommen, wodurch ihre Formung entsprechend dem Formhohlraum ermöglicht wird. Eine Zusammensetzung mit thixotropen Eigenschaften kann auch durch Abkühlen der Zusammensetzung aus primären Festteilchen, sekundärer flüssiger Phase und Drittphasenteilchen auf eine höhere Temperatur als die erhalten werden, bei der die Gesamtheit der sekundären flüssigen Phase erstarrt, und die erhaltene thixotrope Zusammensetzung kann gegossen werden.

Alternativ kann man das Gießen direkt nach dem erfolgreichen Zusetzen der Drittphasenteilchen zur Mischung aus primären Festteilchen und sekundärer Flüssigkeit durch eigentliches Gießen, Einspritzen oder andere Maßnahmen vornehmen. Das angegebene Verfahren ist brauchbar zum Formguß, Kokillenguß, Strangguß, Geschlossenformschmieden, Heißpressen, Vakuumformen und andere Formverfahren. Die wirksame Viskosität der Zusammensetzungen und die hohe Viskosität, die mit den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen erhältlich sind, führen zu geringeren Metallspritzen und Lufteinschluß beim Formguß und ermöglichen höhere Metalleintrittsgeschwindigkeiten bei diesem Gießverfahren. Außerdem ergeben sich aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens dichtere Gußstücke mit gleichmäßigerer Festigkeit.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Metalls der Gruppe Magnesium, Zink, Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt und Blei oder einer Legierung davon, mit darin homogen verteilten, primär erstarrten Festteilchen, die aus einzelnen degenerierten Dentriten bestehen, durch Erschmelzen einer Flüssig-Fest-Mischung aus dem Metall oder der Legierung, kräftiges Rühren und Abkühlen der Mischung, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine Flüssig-Fest-Mischung mit mehr als 65 Gew.-% primären Festteilchen erschmolzen wird, wobei die Obergrenze des Anteils der primären Festteilchen dann erreicht ist, wenn die flüssige Phase nicht mehr zusammenhängend ist,
• b) das kräftige Rühren in einem Behälter erfolgt, dessen Oberfläche von der Flüssig-Fest-Mischung nicht benetzt und korrodiert wird, und
• c) die Viskosität der Flüssig-Fest-Mischung direkt oder indirekt fortlaufend gewonnen wird und hiermit die von der Flüssig-Fest-Mischung abgegebene Wärme so gesteuert wird, daß der Anteil der primären Festteilchen über 65 Gew.-% bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Metalls oder einer Legierung mit einem zusätzlichen Gehalt an homogen suspendierten Drittphasenteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssig-Fest-Mischung bis zu 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht, Drittphasenteilchen zugesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erschmelzen der Flüssig-Fest- Mischung durch Erhitzen der Ausgangsmetallzusammensetzung über ihre Liquidustemperatur und anschließendes Abkühlen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erschmelzen der Flüssig-Fest- Mischung durch Erhitzen der Ausgangsmetallzusammensetzung auf eine Temperatur unter ihrer Liquidustemperatur erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig-Fest-Mischung gleichzeitig mit dem kräftigen Rühren abgekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig-Fest-Mischung bis zum Entstehen einer thixotropen Zusammensetzung abgekühlt und dann vergossen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig-Fest-Mischung vor dem Zusatz der Drittphasenteilchen gleichzeitig mit dem kräftigen Rühren abgekühlt wird.

8. Werkstoff oder Werkstück aus einem Metall der Gruppe Magnesium, Zink, Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt und Blei oder einer Legierung davon, hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.