DE60319533T2

DE60319533T2 - Spritzgussverfahren in halbfestem zustand

Info

Publication number: DE60319533T2
Application number: DE60319533T
Authority: DE
Inventors: Frank Bolton CZERWINSKI; Damir Mississauga KADAK
Original assignee: Husky Injection Molding Systems Ltd; Husky Injection Molding Systems SA
Current assignee: Husky Injection Molding Systems Ltd; Husky Injection Molding Systems SA
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2003-05-05
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-05-06
Also published as: TWI309199B; AU2003223800B2; HK1080028B; EP1515814B1; US7469738B2; BR0311742A; TW200404663A; MXPA04012275A; JP2005536351A; TW200726547A; RU2288071C2; KR100661447B1; DE60319533D1; TWI299009B; HK1080028A1; KR20050005558A; US20050155736A1; US20030230392A1; CN1658988A; CA2485828A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Spritzgießen von metallischen Legierungen und insbesondere auf ein Verfahren zum Spritzgießen von halbfesten Legierungen mit einem hohen Gehalt an festem Material.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Verarbeiten von halbfesten Metallen begann als Gießverfahren, das in den frühen 1970er Jahren am Massachusetts Institute of Technology entwickelt wurde. Seit damals hat sich das Gebiet der Verarbeitung von halbfesten Materialien ausgeweitet und umfaßt das halbfeste Schmieden und das halbfeste Formen. Die halbfesten Verfahren bieten gegenüber konventionellen Metallverarbeitungstechniken, die die Verwendung von geschmolzenen Metallen erfordern, eine Anzahl von Vorteilen. Ein Vorteil ist die Energieeinsparung, weil die Metalle nicht auf ihre Schmelzpunkte erhitzt und während des Verarbeitens in geschmolzenem Zustand gehalten werden müssen. Ein anderer Vorteil ist die reduzierte Menge an Flüssigmetallkorrosion, die durch das Verarbeiten von vollständig geschmolzenen Metallen verursacht wird.
Das Halbfest-Spritzgießen (SSIM) ist eine metallverarbeitende Technik, die eine einzige Maschine zum Einspritzen von Legierungen in halbfestem Zustand in eine Form anwendet, um einen Gegenstand mit einer nahezu fertigen Gestalt zu erzeugen. Zusätzlich zu den Vorteilen des Halbfestverarbeitens, wie oben erwähnt, umfassen die Vorteile des SSIM eine erhöhte Designflexibilität des Endgegenstandes, einen Gegenstand mit gerin ger Porosität nach der Formung (d. h. ohne nachfolgende Wärmbehandlung), eine einheitliche Gegenstandsmikrostruktur, und Gegenstände mit mechanischen und Oberflächenfinish-Eigenschaften, die jene des konventionellen Gießens überragen. Weil das gesamte Verfahren in einer Maschine erfolgt, kann eine Legierungsoxidation nahezu vermieden werden. Durch Bereitstellen einer Umgebung aus Inertgas (z. B. Argon) wird die Bildung von unerwünschten Oxiden während des Verfahrens verhindert und das Recycling von Abfallteilen erleichtert.
Die Hauptvorteile des SSIM werden hauptsächlich der Anwesenheit von festen Teilchen innerhalb des Schlammes des Legierungsmaterials, das spritzgegossen wird, zugeschrieben. Die festen Teilchen begünstigen, so wird angenommen, eine laminare Strömungsfront während des Spritzgießens, wodurch die Porosität des geformten Gegenstandes minimiert wird. Das Material wird durch Erhitzen auf Temperaturen zwischen der Liquidus- und der Solidus-Temperatur der verarbeiteten Legierung teilweise geschmolzen (wobei Liquidus die Temperatur oberhalb jener ist, bei welcher die Legierung vollständig geschmolzen ist, und Solidus die Temperatur unterhalb jener ist, bei welcher die Legierung vollständig fest ist). Das SSIM vermeidet die Bildung von dendritischen Merkmalen in der Mikrostruktur der geformten Legierung, die allgemein als nachteilig für die mechanischen Eigenschaften des geformten Gegenstandes angesehen werden.
Gemäß bekannten SSIM-Prozessen ist der Prozentsatz an Feststoffen auf zwischen 0,05 und 0,60 beschränkt. Die obere Grenze von 60% wurde durch die Überlegung bestimmt, daß jeglicher höherer Feststoffgehalt in einer Verringerung der Prozeßausbeute und in einem schlechteren Produkt resultieren würde. Es wird allgemein angenommen, daß zur Verhinderung einer vorzei tigen Verfestigung während des Spritzgießens eine obere Grenze des Feststoffgehaltes von 60% erforderlich ist.
Obzwar ein Feststoffgehalt von 5–60% allgemein als Arbeitsbereich des SSIM verstanden wird, wird auch allgemein verstanden, daß praktische Richtlinien einen Bereich von 5–10% Feststoffen für das Spritzgießen von dünnwandigen Gegenständen (d. h. Gegenständen mit feinen Merkmalen) und 25–30% für Gegenstände mit dicken Wänden empfehlen. Es wird aber auch allgemein angenommen, daß bei einem Feststoffgehalt oberhalb 30% eine Wärmebehandlung als Nachformungslösung erforderlich ist, um die mechanische Festigkeit der geformten Gegenstände auf annehmbare Niveaus zu bringen. Obwohl akzeptiert werden muß, daß der Feststoffgehalt von konventionellen SSIM-Prozessen im allgemeinen auf 60% oder niedriger begrenzt wird, wird der Feststoffgehalt in der Praxis üblicherweise auf 30% oder niedriger gehalten.
Das EP-A-0 968 781 beschreibt ein Metallspritzgießverfahren für halbgeschmolzenes Metall mit einer Feststofffraktion im Bereich von 40–80%. Halb geschmolzenes Material wird bei einer Produkteinlaufgeschwindigkeit von ≤ 80 × 10⁴ mm·s^–1 eingespritzt. Die Querschnittsfläche des Eingusses stellt eine laminare Strömung in dem halbfesten Material sicher, um eine Störung zu vermeiden, die zu einem Gaseinschluß führen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die Beschränkungen der konventionellen SSIM-Prozesse, die vorstehend erwähnt wurden, schafft die Erfindung ein Verfahren zum Spritzgießen und Legierungen mit ultrahohen Feststoffgehalten gemäß dem Anspruch 1. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Spritz gießen von Magnesiumlegierungen mit Feststoffgehalten im Bereich von 60–85% zur Erzeugung von hochqualitativen Gegenständen mit gleichmäßiger Mikrostruktur und geringer Porosität. Die Fähigkeit zum Spritzgießen von hochqualitativen Gegenständen unter Verwendung von ultrahohen Feststoffgehalten ermöglicht, daß das Verfahren weniger Energie verbraucht als konventionelle SSIM-Verfahren, und auch, daß es Gegenstände mit nahezu Sollgestalt mit reduziertem Schrumpfen erzeugt, das durch die Verfestigung von Flüssigkeiten verursacht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Spritzgießverfahren die Schritte: Erhitzen einer Legierung, um einen halbfesten Schlamm mit einem Feststoffanteil von etwa 60% bis etwa 85% zu erzeugen; und Einspritzen des Schlammes in eine Form bei einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Form vollständig zu füllen. Die Legierung ist eine Magnesiumlegierung, und das Verfahren erzeugt einen geformten Gegenstand mit geringer innerer Porosität.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein spritzgegossener Gegenstand geschaffen, wobei der Gegenstand durch Erhitzen einer Legierung zur Bildung eines halbfesten Schlammes mit einem Feststoffgehalt im Bereich von etwa 60% bis etwa 85% erzeugt wird; und Einspritzen des Schlammes in eine Form bei einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Form vollständig zu füllen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Form mit dem Schlamm in einer Formfüllzeit von 25 bis 100 ms gefüllt.
Diese und andere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird leichter aus einer detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele verständlich, die in Verbindung mit den nachfolgenden Figuren in Betracht gezogen wird.
1 zeigt schematisch eine Spritzgießvorrichtung, die bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2 ist eine Tabelle, welche eine Temperaturverteilung entlang des Trommelteiles der Spritzgießvorrichtung nach 1 während des Verfahrens zeigt;
3 ist eine Querschnittsansicht, die Details eines spritzgegossenen Gegenstandes zeigt;
4a ist ein Draufsicht-Diagramm eines Kupplungsgehäuses, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geformt ist, und 4b ist eine Perspektivansicht eines geformten Kupplungsgehäuses;
5 zeigt ein Röntgenstrahlen-Diffraktionsmuster eines Gegenstandes, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geformt ist;
die 6a und 6b sind optische mikrographische Darstellungen, welche die Mikrostruktur eines Gegenstandes zeigen, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geformt ist;
7 zeigt in einer graphischen Darstellung die Verteilung der Primär-Feststoffteilchen als Funktion des Abstandes von der Oberfläche eines Gegenstandes, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geformt ist;
8 zeigt eine Graphik der Größenverteilung der Primär-Feststoffteilchen als Funktion des Teilchendurchmesser; und
9 zeigt eine Graphik, die sich auf die Fraktion von Feststoffen in einer Magnesiumlegierung als Funktion der Temperatur beziehen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt schematisch eine Spritzgießvorrichtung 10, die zur Durchführung eines SSIM gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Vorrichtung 10 hat einen Trommelteil 12 mit einem Durchmesser d von 70 mm und einer Länge l von etwa 2 m. Das Temperaturprofil des Trommelteiles 12 wird durch elektrische Widerstandserhitzer 14 aufrechterhalten, die in unabhängig gesteuerten Zonen entlang des Trommelteiles 12, einschließlich entlang eines Trommelkopfteiles 12a und eines Düsenteiles 16, vorgesehen sind. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 10 ein Husky^TM TXM500-M70 System.
Feste Späne aus Legierungsmetall werden der Spritzgießvorrichtung 10 über einen Zuführteil 18 zugeführt. Die Metallspäne können nach irgendeiner bekannten Technik, einschließlich mechanisches Spanen, hergestellt werden. Die Größe der Späne beträgt etwa 1–3 mm und ist im allgemeinen nicht größer als 10 mm. Ein Drehantriebsteil 20 dreht einen zurückziehbaren Schneckenteil 22, um das Legierungsmaterial entlang des Trommelteiles 12 zu transportieren.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Magnesiumlegierung spritzgegossen. Die Legierung ist eine AZ91D Legierung mit einer Nennzusammensetzung von 8,5% Al, 0,75% Zn, 0,3% Mn, 0,01% Si, 0,01% Cu, 0,001% Ni und 0,001 Fe, wobei der Ausgleich durch Mg erfolgt (das auch als Mg-9%Al-1%Zn bezeichnet wird). Es versteht sich aber, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die SSIM von Magnesiumlegierungen, sondern auch auf SSIM anderer Legierungen, einschließlich Aluminiumlegierungen, anwendbar ist.
Die Heizeinrichtungen 14 erhitzen das Legierungsmaterial, um es in einen halbfesten Schlamm zu transformieren, der durch den Düsenteil 16 in eine Form 24 eingespritzt wird. Die Heizeinrichtungen 14 werden durch Mikroprozessoren (nicht gezeigt) gesteuert, die so programmiert sind, daß sie eine Temperaturverteilung innerhalb des Trommelteiles 12 erzeugen, die eine ungeschmolzene (feste) Fraktion größer als 60% liefert. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt die Temperaturverteilung eine ungeschmolzene Fraktion von 75–85%. 2 zeigt ein Beispiel einer Temperaturverteilung in dem Trommelteil 12 zur Erzielung einer ungeschmolzenen Fraktion von 75–85% für eine AZ91D Legierung.
Die Bewegung des Schneckenteiles 22 bewirkt eine Förderung und Mischung des Schlammes. Ein Rückschlagventil 2 verhindert, daß der Schlamm während des Einspritzens in den Trommelteil 12 zurückkehrt.
Die inneren Teile der Vorrichtung 10 werden in einer Inertgasumgebung gehalten, um eine Oxidation des Legierungsmaterials zu verhindern. Ein Beispiel eines geeigneten Inertgases ist Argon. Das Inertgas wird über die Zuführeinrichtung 18 in die Vorrichtung 10 eingeführt und verdrängt jede Luft innerhalb derselben. Dies erzeugt einen positiven Druck des Inertgases innerhalb der Vorrichtung 10, was ein Rückströmen von Luft verhindert. Zusätzlich wird ein Stopfen fester Legierung, der in dem Düsenteil 16 nach jedem Formungsschuß der Legierung geformt wird, dazu verwendet, um Luft am Eintritt in die Vorrichtung 10 durch den Düsenteil 16 nach dem Einspritzen zu hindern. Der Stopfen wird ausgestoßen, wenn der nächste Legierungsschuß eingespritzt wird, und in einem Eingußzapfenteil der Form 24 aufgefangen, wie dies nachfolgend erläutert wird, und danach rezykliert.
In der Praxis wird der Schneckenteil 22 durch den Drehantriebsteil 20 zurückgezogen, um Legierungsspäne in einem kurzen Halteteil 28 der Vorrichtung 10 zu sammeln, bis eine ausreichende Menge an Legierungsspänen für einen Schuß angesammelt ist. Der Drehantriebsteil 20 bewegt dann den Schneckenteil 22 vorwärts, um die Legierungsspäne in den erhitzten Trommelteil 12 zu transportieren, wo die Temperaturverteilung derart aufrechterhalten wird, daß ein halbfester Schlammschuß mit einem Feststoffgehalt größer als 60% geformt wird. Die Rotation des Schneckenteiles 22 während des Transportes mischt den Schlammschuß mechanisch, was Scherkräfte erzeugt, wie nachfolgend erläutert wird. Der Schlammschuß wird dann durch den Trommelkopfteil 12a zum Düsenteil 16 transportiert, aus welchem der Schlammschuß in die Form 24 eingespritzt wird.
Sobald der Schlammschuß eingespritzt ist, zieht der Drehantriebsteil 20 den Schneckenteil 22 zurück, und das Sammeln von Legierungsspänen für den nächsten Schuß beginnt. Wie vorstehend erwähnt, wird der feste Stopfen, der im Düsenteil 16 nach jedem Formungsschuß der Legierung geformt wird, Luft daran hindern, in die Vorrichtung 10 einzutreten, während die Form 24 geöffnet wird, um den geformten Gegenstand zu entfernen.
Der Drehantriebsteil 20 wird durch einen Mikroprozessor gesteuert (nicht gezeigt), der so programmiert ist, daß er reproduzierbar jeden Schuß mit einer eingestellten Geschwindigkeit durch den Trommelteil 12 transportiert, so daß die Verweilzeit jedes Schusses in den verschiedenen Temperaturzonen des Trommelteiles genau gesteuert wird, wodurch der Feststoffgehalt jedes Schusses reproduzierbar gesteuert wird.
Die Form 24 ist eine Form mit einer Schließvorrichtung, obwohl andere Arten von Formen verwendet werden können. Wie 1 zeigt, klemmt ein Klemmteil 30 zwei Abschnitte 24a, 24b der Form 24 zusammen. Die aufgebrachte Klemmkraft hängt von der Größe des zu formenden Gegenstandes ab, und Bereiche von weniger als 100 metrischen Tonnen bis über 1600 metrische Tonnen sind möglich. Für ein Standardkupplungsgehäuse, das typischerweise durch Druckgießen hergestellt wird, wird eine Klemmkraft von 500 metrischen Tonnen aufgebracht.
4a ist ein Draufsichtsdiagramm eines Kupplungsgehäuses 42, das gemäß der vorliegenden Erfindung geformt wird, und 4b zeigt eine Perspektivansicht eines geformten Gegenstandes. Das Kupplungsgehäuse 42 ist ein nützliches Modell zur Untersuchung und Beurteilung von SSIM-Verfahren, weil es sowohl dickwandige Rippenabschnitte 44 als auch dünnwandige Plattenabschnitte 46 aufweist.
3 ist ein Querschnitt, der Teile einer geformten Einheit zeigt, die mit der Form 24 hergestellt sind. Die geformte Einheit weist verschiedene Teile der Form 24 auf. Ein Gießtrichter 34 liegt gegenüber dem Düsenteil 16 der Vorrichtung 10 und umfaßt eine Trichtersäule 32, wie vorstehend erwähnt, und einen Einlaufkanal 36. Der Einlaufkanal 36 erstreckt sich zu einem Einlaufteil 38, der an einen Teilabschnitt 40 grenzt, welcher dem geformten Gegenstand entspricht. Während der Formung wird der Pfropfen von dem vorhergehenden Einschuß ausgestoßen und in der Gießtrichtersäule 32 aufgefangen. Der Legierungsschlamm wird dann in den Gießtrichter 34 eingespritzt und strömt durch den Einlaufkanal 36 an dem Einlaufteil 38 vorbei. Hinter dem Einlaufteil 38 strömt der Legierungsschlamm für den herzustellenden Gegenstand in den Teilabschnitt 40.
Die Form 24 wird vorerhitzt und der Legierungsschlamm in die Form 24 mit einer Schneckengeschwindigkeit eingespritzt, die von 0,5–5,0 m/s reicht. Typischerweise ist der Einspritzdruck in der Größenordnung von 25 kpsi. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt die Formung mit einer Schneckengeschwindigkeit von etwa 0,7 m/s bis 2,8 m/s. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt die Formung bei einer Schneckengeschwindigkeit von etwa 1,0 m/s bis 1,5 m/s. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt die Formung bei einer Schneckengeschwindigkeit von etwa 1,5 m/s bis 2,0 m/s. Gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Formung bei einer Schneckengeschwindigkeit von etwa 2,0 m/s bis 2,5 m/s. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt die Formung bei einer Schneckengeschwindigkeit von etwa 2,5 m/s bis 3,0 m/s.
Eine typische Zykluszeit pro Schuß ist 25 s, sie kann aber bis zu 100 s ausgedehnt werden. Eine Einlaufgeschwindigkeit (Formfüllgeschwindigkeit) im Bereich von etwa 10 bis 60 m/s wird für den Bereich von Schneckengeschwindigkeiten errechnet, die vorstehend erwähnt wurden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das SSIM bei einer Einlaufgeschwindigkeit von etwa 10 m/s ausgeführt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das SSIM bei einer Einlaufgeschwindigkeit von etwa 20 m/s ausgeführt. Ein noch anderes Ausführungsbeispiel hat für das SSIM eine Einlaufgeschwindigkeit von etwa 30 m/s. Nach einem noch anderen Ausführungsbeispiel wird SSIM bei einer Einlaufgeschwindigkeit von etwa 40 m/s ausgeführt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das SSIM bei einer Einlaufgeschwindigkeit von etwa 50 m/s ausgeführt. Schließlich kann das SSIM bei einer Einlaufgeschwindigkeit von etwa 60 m/s ausgeführt werden.
Die Formfüllzeit oder Zeit für einen Schuß des Legierungsschlammes zum Füllen der Form beträgt weniger als 100 ms (0,1 s). Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Formfüllzeit etwa 50 m/s. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Formfüllzeit etwa 25 ms. Vorzugsweise beträgt die Formfüllzeit etwa 25 bis 30 ms.
Nachdem die Form 24 mit dem Schlamm gefüllt ist, wird der Schlamm einer Endverdichtung unterworfen, bei welcher auf den Schlamm während einer kurzen Zeitspanne Druck aufgebracht wird, typischerweise weniger als 10 ms, bevor der geformte Gegenstand aus der Form 24 entfernt wird. Die Endverdichtung soll die innere Porosität des geformten Gegenstandes reduzieren. Eine kurze Formfüllzeit stellt sicher, daß der Schlamm nicht verfestigt ist, was einer endgültigen Verfestigung entgegenstehen würde.
Gegenstände, die unter verschiedenen Bedingungen unter Anwendung der vorliegenden Erfindung spritzgegossen wurden, wurden unter Verwendung eines optischen Mikroskops untersucht, das mit einem quantitativen Bildanalysator ausgestattet war. Die untersuchten Teile umfaßten auch die Eingußzapfen und Einlaufkanalabschnitte. Muster wurden mit einer 3 μm Diamantpaste poliert, gefolgt von einem Finishpolieren unter Verwendung von kolloidalem Aluminium. Um den Unterschied zwischen mikrostruk turellen Merkmalen der Muster herauszustellen, wurden die polierten Flächen in einer 1%igen Lösung von Salpetersäure in Ethanol geätzt. Die interne Porosität wurde nach der archimedischen Methode bestimmt, die in ASTM D792-9 beschrieben ist. Für ausgewählte Muster wurde die Phasenzusammensetzung durch Röntgenstrahlen-Diffraktion unter Verwendung von Cu_Kα-Strahlung überprüft.
Die Tabelle 1 gibt die errechneten Formfülleigenschaften bei verschiedenen Einspritzgeschwindigkeiten des Schneckenteiles 22 wieder. Die gelisteten Eigenschaften wurden gemäß der folgenden Beziehung bestimmt: Vg = Vs(Ss/Sg) (Gleichung 1)worin V_g die Einlaufgeschwindigkeit, V_s die Schneckengeschwindigkeit, S_s die Querschnittsfläche der Schnecke und S_g die Querschnittsfläche des Einlaufes ist. Die Berechnungen gehen von einer Einlaufzone von 221,5 mm² und einer 100%igen Wirksamkeit des Rückschlagventils 26 aus. Tabelle 1: Berechnete Formfülleigenschaften

Schneckengeschwindigkeit (m/s) Einlaufgeschwindigkeit (m/s) Formhohlraum-Füllzeit (s)

2,8 48,65 0,025

1,4 24,32 0,050

0,7 12,16 0,100
Es ist gut bekannt, daß halbfeste Schlämme sowohl feststoffartiges als auch flüssigkeitsartiges Verhalten zeigen. Als ein feststoffartiges Material haben solche Schlämme strukturelle Integrität; als flüssigkeitsartiges Material strömen sie rela tiv leicht. Es ist allgemein erwünscht, daß solche Schlämme einen Formhohlraum in einem laminaren Strömungsmuster füllen, wodurch Porosität vermieden wird, die durch Gase verursacht wird, welche in dem Schlamm während einer turbulenten Strömung eingeschlossen werden, welche Porosität in Gegenständen beobachtet wird, die aus vollständig flüssigem Material geformt sind. (Laminare Strömung wird üblicherweise als Stromlinienströmung einer viskosen inkompressiblen Flüssigkeit verstanden, in welcher die Flüssigkeitsteilchen entlang gut definierter separater Linien strömen; eine turbulente Strömung wird üblicherweise als Strömung einer Flüssigkeit verstanden, in welcher die Flüssigkeitsteilchen eine beliebige Bewegung ausführen.)
Im Gegensatz zum üblichen Wissen zeigen die nachfolgend erörterten Beispiele, daß das Einspritzen unter laminaren Strömungsbedingungen nicht kritisch ist, um hochqualitative geformte Gegenstände zu erzielen, die geringe innere Porosität haben. Statt dessen ist ein kritischer Faktor, der den Erfolg des SSIM-Verfahrens mit ultrahohem Feststoffgehalt beeinflußt, die Einlaufgeschwindigkeit während des Einspritzens, welche die Formfüllzeit bestimmt. Das heißt, es ist wichtig, daß der Formhohlraum mit dem Schlamm gefüllt wird, während sich der Schlamm in einem halbfesten Zustand befindet, um zu vermeiden, daß eine unvollständige Formung der Gegenstände durch vorzeitige Verfestigung verursacht wird. Eine geeignete rasche Formfüllzeit kann durch Modifizieren der Einlaufgeometrie erhalten werden, um die Querschnittsfläche des Einlaufes zu erhöhen.
Um die Möglichkeit des SSIM von Schlämmen mit ultrahohen Feststoffgehalten (über 60% und vorzugsweise im Bereich von 75% bis 85%) zu beurteilen, wurde das Kupplungsgehäuse, das in den 4a und 4b gezeigt ist, aus einer AZ91D Legierung spritzgegossen. Das SSIM wurde unter Verwendung der Parameter der Tabelle 1 durchgeführt.
BEISPIEL 1
Etwa 580 g einer AZ91D Legierung waren erforderlich, um einen Formhohlraum zum Formen des Kupplungsgehäuses zu füllen. Der Gegenstand selbst enthält etwa 487 g Material, und der Eingußzapfen und der Einlaufkanalabschnitt enthalten etwa 93 g. Zum Einspritzen bei einer Schneckengeschwindigkeit von 2,8 m/s (Einlaufgeschwindigkeit von 48,65 m/s und Formfüllzeit von 25 ms) wurden kompakte Teile mit einer hohen Oberflächenqualität und präzisen Dimensionen erzeugt. Durch teilweises Füllen des Formhohlraumes (teilweise Einspritzung) hat sich gezeigt, daß die Strömungsfront des Legierungsschlammes bei dieser Schneckengeschwindigkeit turbulent war. Unerwarteterweise hatte trotz der Turbulenz die innere Porosität der vollständig geformten Teile (volle Einspritzung) einen annehmbar niedrigen Wert von 2,3%, wie nachfolgend detaillierter erläutert wird. Die Ergebnisse dieses Beispieles zeigen, daß, solange die Formfüllzeit ausreichend hoch ist, um eine volle Einspritzung zu erzielen, während der Schlamm noch in halbfestem Zustand ist, ein SSIM von Schlämmen mit ultrahohem Feststoffgehalt angewendet werden kann, um hochqualitative geformte Gegenstände, selbst unter turbulenten Strömungsbedingungen, auszubilden.
BEISPIEL 2
Unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1, aber mit einer 50%igen Reduktion der Schneckengeschwindigkeit (1,4 m/s), entsprechend einer Einlaufgeschwindigkeit von 24,32 m/s und einer Formfüllzeit von 50 ms, verhinderte eine vorzeitige Verfestigung des Legierungsschlammes ein vollständiges Füllen des Formhohlraumes. Das Gewicht des geformten Gegenstandes betrug 90% jenes des vollständig geformten Gegenstandes nach Beispiel 1. Der Hauptteil der nicht gefüllten Zonen lag an den äußeren Kanten des Gegenstandes. Das teilweise Füllen des Formhohlraumes zeigte, daß die Strömungsfront im Vergleich zum Beispiel 1 verbessert, aber immer noch ungleichmäßig und nicht vollständig laminar war. Dies geht speziell aus den dünnwandigen Bereichen hervor, wo sich lokale Strömungsfronten von den dickeren Bereichen weg bewegen und augenblicklich verfestigen, nachdem sie die Formoberfläche kontaktieren. Unerwarteterweise war trotz der Verminderung an Turbulenz die innere Porosität der vollständig geformten Teile höher als jene, die im Beispiel 1 gemessen wurden, und hatte einen unnehmbar hohen Wert von 5,3%. Die Ergebnisse dieses Beispieles zeigen, daß für SSIM von Schlämmen mit ultrahohen Feststoffgehalten eine Verringerung der Einlaufgeschwindigkeit das Ausmaß an Turbulenz in der Schlammströmung während des Einspritzens reduziert, aber unzureichend war, um einen vollständig geformten Gegenstand mit präzisen Dimensionen zu erzeugen. Außerdem ergab die reduzierte Einlaufgeschwindigkeit eine Zunahme an Porosität.
BEISPIEL 3
Eine weitere Verringerung der Schneckengeschwindigkeit auf 0,7 m/s (Einlaufgeschwindigkeit von 12,16 m/s und Formfüllzeit von 100 ms) resultierte in einem noch geringeren Füllen des Formhohlraumes als im Beispiel 2. Der geformte Gegenstand wog 334,3 g, entsprechend 72% des vollständig kompakten Gegenstandes von Beispiel 1. Ein teilweises Füllen des Formhohlraumes zeigte, daß die Strömungsfront in allen Bereichen, einschließlich den dünnwandigen Bereichen, relativ gleichmäßig und laminar war. Die Resultate dieses Beispiels zeigen, daß für SSIM von Schlämmen mit ultrahohen Feststoffgehalten eine Verringerung der Einlaufgeschwindigkeit zur Erzielung laminarer Strömungsbedingungen unzureichend war, um einen vollstän dig geformten Gegenstand von präzisen Dimensionen zu erzeugen.
Die innere Porosität der teilweise gefüllten Gegenstände hatte aber einen extrem niedrigen Wert von 1,7%, entsprechend dem Einspritzen unter laminaren Strömungsbedingungen.

Eine Summierung der Gewichte der geformten Gegenstände für die Beispiele 1 bis 3 ist in der Tabelle 2 gegeben. Das Gewicht für den Gegenstand selbst sowie das Gesamtgewicht für den Gegenstand mit Eingußzapfen und Einlaufkanalabschnitt sind angegeben. Tabelle 2: Geformte Gewichte bei verschiedenen Schneckengeschwindigkeiten

	Schneckengeschwindigkeit (m/s)	Gesamtgewicht (g)	Gegenstandsgewicht (g)
Volles Einspritzen	2,8	582	462,6
Volles Einspritzen	1,4	428	414,3
Volles Einspritzen	0,7	381	334,3
Teilweises Einspritzen	2,8	308	177,8
Teilweises Einspritzen	1,4	263	172,9
Teilweises Einspritzen	0,7	268	183,6

Eine Zusammenstellung der Porositäten der Muster aus den Beispielen 1 bis 3 ist in Tabelle 3 gezeigt. Die innere Porosität wurde nach der archimedischen Methode gemessen, was signifikante Porositätsdifferenzen zwischen den Mustern ergab. Die Porosität des Gegenstandes selbst und die Porosität des Eingußzapfens und des Einlaufkanals sind angegeben. Tabelle 3: Porosität bei verschiedenen Schneckengeschwindigkeiten

	Schneckengeschwindigkeit (m/s)	Gegenstandsporosität (%)	Eingußzapfen/Einlaufkanal-Porosität (%)
Volles Einspritzen	2,8	2,3	4,6
Volles Einspritzen	1,4	5,3	6,1
Volles Einspritzen	0,7	1,7	0,2
Teilweises Einspritzen	2,8	7,4	2,6
Teilweises Einspritzen	1,4	17,4	7,7
Teilweises Einspritzen	0,7	3,1	4,0

Eine Gegenstandsporosität von 2,3% wurde für Gegenstände beobachtet, die unter Volleinspritzbedingungen mit einer Schneckengeschwindigkeit von 2,8 m/s (Einlaufgeschwindigkeit von 48,65 m/s) hergestellt wurden. Dieser Wert ist ausreichend niedrig, um innerhalb annehmbarer Grenzen von Industriestandards zu liegen und ist ein unerwartetes Ergebnis, da sich die Strömungsfront des Legierungsschlammes als turbulent herausstellte, wie vorstehend erörtert. Turbulenz ist üblicherweise mit erhöhter Porosität verbunden, sie war aber für Gegenstände, die mit dieser Einlaufgeschwindigkeit geformt wurden, nicht signifikant. Somit wurde die Porosität, die in Zwischenstufen des Formfüllvorganges erzeugt wurde, während der endgültigen Verfestigung entfernt.
Überraschenderweise verursachte eine Reduzierung der Schneckengeschwindigkeit auf 1,4 m/s (Einlaufgeschwindigkeit von 24,32 m/s und Formfüllzeit von 50 ms) eine Erhöhung der Ge genstandsporosität um über 5%, was im allgemeinen eine annehmbare Grenze überschreitet. Diese Feststellung zeigt, daß die Porosität, die in Zwischenstadien des Formfüllvorganges erzeugt wird, nicht verringert werden kann, weil sich der Schlamm verfestigt, bevor die endgültige Verdichtung erfolgen kann. Eine weitere Reduktion der Schneckengeschwindigkeit auf 0,7 m/s (Einlaufgeschwindigkeit von 12,16 m/s und Formfüllzeit von 100 ms) resultierte in einer sehr geringen Gegenstandsporosität von 1,7%, was mit laminaren Strömungsfronten konsistent ist, wie vorstehend erwähnt.
Die Porosität des Eingußzapfens und des Einlaufkanals zeigte den gleichen allgemeinen Trend wie die Gegenstandsporosität unter vollen Einspritzbedingungen.
Die Porosität der geformten Gegenstände unter Teileinspritzbedingungen war signifikant höher als die Porosität von Gegenständen, die unter Volleinspritzbedingungen geformt wurden, und erreichte sogar zweistellige Zahlen für eine Schneckengeschwindigkeit von 1,4 m/s. Eine Ausnahme wurde bei einer Schneckengeschwindigkeit von 0,7 m/s gefunden, die ähnlich den Volleinspritzbedingungen in sehr geringer Porosität sowohl innerhalb des Gegenstandes als auch des Eingußzapfens und des Einlaufkanals resultierte.
Die vorstehend beschriebenen Resultate zeigen, daß eine laminare Strömungsfront während des Einspritzens nicht erforderlich ist, um ein Produkt mit geringer Porosität mit einheitlicher Mikrostruktur zu erhalten. Turbulenz ist tolerierbar, solange die Formfüllzeit niedrig ist, typischerweise unter 0,05 s und vorzugsweise um etwa 25 bis 30 ms.
Die strukturelle Integrität der geformten Gegenstände wurde metallographisch an Querschnitten an ausgewählten Stellen der Muster der Beispiele 1 bis 3 verifiziert. Gegenstände, die bei einer Schneckengeschwindigkeit von 2,8 m/s gefüllt (geformt) wurden, haben sich als sehr kompakt erwiesen, wobei keine lokalisierte Porosität auf einer makroskopischen Skala evident ist. Das gleiche Ergebnis ergab sich für Gegenstände, die mit einer Schneckengeschwindigkeit von 0,7 m/s gefüllt wurden. (Die Porosität von Gegenständen, die mit einer Schneckengeschwindigkeit von 1,4 m/s auf einer mikroskopischen Skala gefüllt wurden, wird nachfolgend erläutert.) Die Resultate sind konsistent mit jenen, die durch die archimedische Methode (Tabelle 3) erhalten wurden.
Die Phasenzusammensetzung wurde durch eine Analyse der Muster der Beispiele 1 bis 3 unter Verwendung von Röntgenstrahlen-Diffraktion (XRD) bestimmt. Ein XRD-Muster, gemessen von einer Außenfläche von etwa 250 μm Dicke eines Gegenstandes, der mit einer Schneckengeschwindigkeit von 2,8 m/s geformt wurde, ist in 5 gezeigt. In den XRD-Mustern sind zusätzlich zu den starken Peaks entsprechend Mg, was eine Charakteristik einer festen Lösung von Al und Zn in Mg ist, mehrere schwächere Peaks entsprechend der Phase (Mg₁₇Al₁₂) vorhanden. Es ist gut bekannt, daß einige der Al-Atome in der Phase durch Zn ersetzt werden, und bei Temperaturen unterhalb 437°C können Mg₁₇(Al, Zn)₁₂ und möglicherweise Mg₁₇A_11,5Zn_0,5 intermetallische Produkte geformt werden. Eine Analyse der Winkellage der XRD-Peaks gab keine signifikante Verschiebung infolge einer Änderung des Gitterparameters als Ergebnis des Al- und Zn-Gehaltes in den Intermetallen.
Infolge einer Überlappung der Haupt-XRD-Peaks für Mg₂Si (JCPDS 35-773 Standard) mit Peaks für Mg und Mg₁₇Al₁₂ kann ihr Vorhandensein nicht einwandfrei bestätigt werden. Insbesondere koinzidiert der stärkste Peak Mg₂Si, der bei 22 = 40.121E liegt, mit einem Peak für Mg₁₇Al₁₂. Die beiden anderen Peaks bei 47.121E und 58.028E überlappen mit den Peaks für (102)Mg und (110)Mg. Somit liegt nur der Mg₂Si-Peak bei 22 = 72.117E innerhalb des untersuchten Bereiches, wie dies in 5 angedeutet ist.
Ein Vergleich der Peakintensitäten der auf Mg basierenden festen Lösung des geformten Gegenstandes mit dem JCPDS 4-770 Standard zeigt eine willkürliche Verteilung der Kornorientierungen. In ähnlicher Weise zeigen die Intensitäten von Mg₁₇Al₁₂-Peaks und des JCPDS-ICDD 1-1128 Standards keine bevorzugte kristallographische Orientierung der intermetallischen Phase. Somit ergibt die XRD-Analyse, daß die Legierung des geformten Gegenstandes isotrop ist, mit gleichen Eigenschaften, die sich in allen Richtungen erstrecken. Dieses Merkmal ist verschieden von jenen, das für konventionell gegossene Legierungen berichtet wird, wo ein Skelett einer festen dendritischen Phase bekannt ist, die eine kristallographische Textur (bevorzugte Orientierung) hat, die in nicht-einheitlichen mechanischen Eigenschaften resultiert.
Optische Mikrographien der Phasenverteilung der mikrostrukturellen Bestandteile eines geformten Gegenstandes mit einer Schneckengeschwindigkeit von 2,8 m/s sind in den 6a und 6b gezeigt. Die nahezu kugelförmigen Teilchen mit einem hellen Kontrast repräsentieren eine feste Lösung von α-Mg. Die Phase mit einem dunklen Kontrast in 6a ist eine intermetallische γ-Mg₁₇Al₁₂. Die unterscheidenden Grenzen zwischen den kugelförmigen Teilchen sind eutektische Zonen und ähnlich den Inseln, die an den Korngrenzen-Dreifachkreuzungen angeordnet sind. Unter hoher Vergrößerung, die in 6b gezeigt ist, kann eine Differenz zwischen der Morphologie der eutektischen Bestandteile innerhalb der dünnen Korngrenzbereiche und den größeren Inseln an Dreifachkreuzungen erkannt werden. Der Un terschied liegt hauptsächlich in der Gestalt und Größe der sekundären α-Mg-Körner.
Die dunklen Ausscheidungen innerhalb der festen kugelförmigen Teilchen, die in 6b zu sehen sind, sind vermutlich γ-Phasen-Intermetalle. Die Volumenfraktion dieser Ausscheidungen entspricht der Volumenfraktion der flüssigen Phase während der Legierungsverweilzeit innerhalb des Trommelteiles 12 der Spritzgießvorrichtung 10.
Wie aus den Mikrographien der 6a und 6b hervorgeht, ist die Mikrostruktur des geformten Gegenstandes im wesentlichen porositätsfrei. Die dunklen Merkmale in den 6a, die als Poren mißverstanden werden könnten, sind tatsächlich Mg₂Si, wie dies klar unter großer Vergrößerung (6b) erkennbar ist. Diese Phase ist eine Verschmutzung, die aus der metallurgischen Rektifikation der Legierung herrührt, und hat eine Laves-artige Struktur. Mg₂Si unterliegt keiner morphologischen Transformation während des halbfesten Verarbeitens der AZ91D-Legierung, weil es einen Schmelzpunkt von 1085°C hat.
Die prädominanten Typen an Porosität, die in den geformten Gegenständen beobachtet werden, rühren normalerweise von eingeschlossenem Gas, vermutlich Argon, her, das das Umgebungsgas während des Spritzgießvorganges ist. Trotz des ultrahohen Feststoffgehaltes (und somit des niedrigen Gehaltes an flüssiger Phase) zeigen die geformten Gegenstände eine Schrumpfporosität als Ergebnis des Zusammenziehens während der Verfestigung. Die Schrumpfporosität wurde im allgemeinen nahe Inseln von eutektischen Zonen beobachtet, und die Porosität infolge eingeschlossener Gasblasen wurde im allgemeinen als willkürlich verteilt beobachtet.
Eine Oberflächenzone, etwa 150 μm dick, eines Gegenstandes und eines Einlaufkanals, mit einer Schneckengeschwindigkeit von 2,8 m/s geformt, wurde analysiert, um die Gleichförmigkeit ihrer Mikrostrukturen zu bestimmen. Die Analyse zeigte Unterschiede in der Teilchenverteilung des primären Feststoffes zwischen dem Einlaufkanal und dem Gegenstand mit einer Trennung von Teilchen über die Dicke der Oberflächenzone. Das heißt, eine Teilchentrennung wurde in einen Bereich beobachtet, der sich in einer Schicht von der Oberfläche des Gegenstandes zum Inneren des Gegenstandes erstreckt. Die Ungleichmäßigkeit in der Teilchenverteilung hat sich innerhalb des Gegenstandes größer als innerhalb des Einlaufkanals herausgestellt.
Eine homogenere Verteilung der primären Feststoffteilchen wurde innerhalb von Gegenständen beobachtet, die bei niedrigeren Schneckengeschwindigkeiten geformt wurden.
Eine stereologische Analyse wurde an Querschnitten von geformten Gegenständen durchgeführt, um die Teilchentrennung (Verteilung) quantitativ zu beurteilen. Die Verteilung von Feststoffteilchen wurde als Funktion des Abstandes von der Oberfläche des Gegenstandes unter Anwendung einer linearen Methode gemessen. Die Ergebnisse sind in 7 zusammengefaßt, welche zeigt, daß das Volumen an primären Feststoffteilchen innerhalb des Kerns des geformten Gegenstandes auf einem Niveau von 75–85% konstant war. Der Feststoffgehalt innerhalb des Einlaufes war über 10% höher. Sowohl der Einlauf als auch der Gegenstand selbst enthalten wenige primäre Feststoffe innerhalb des nahen Oberflächenbereiches (der Oberflächenzone). Die verarmte Oberflächenzone wurde mit etwa 400 μm Dicke bestimmt, aber der Hauptteil des Abbaues tritt innerhalb einer 100 μm dicken Oberflächenschicht auf.
Um die Änderungen in der Teilchengröße und Form während des Stromes des halbfesten Schlammes durch den Formeinlauf zu studieren, wurde der Schlamm in eine teilweise offene Form eingespritzt. Es hat sich gezeigt, daß dies eine signifikante Zunahme in der Einlaufgröße und Wandstärke des Gegenstandes verursacht, und als Ergebnis wurde nur ein Teil des Formhohlraumes gefüllt. Eine typische Mikrostruktur für einen etwa 5 mm dicken Abschnitt hatte gleichachsige und eutektische Körner, die entlang des Korngrenzennetzes verteilt waren.
Die Teilchengrößenverteilung der Feststoffteilchen des geformten Gegenstandes wurde durch Messung eines durchschnittlichen Durchmessers auf polierten Querschnitten bestimmt. Die Größenverteilung der Teilchen für Muster, die an verschiedenen Stellen innerhalb eines geformten Gegenstandes und in einem Eingußzapfen gemessen wurde, ist in 8 gezeigt. 8 zeigt auch die Teilchengrößenverteilungsdaten für zwei verschiedene Zykluszeiten, wobei sich die Wichtigkeit der Kontrolle der Teilchengröße in dem geformten Gegenstand herausstellt.
Die primäre α-Mg-Partikelgröße wurde durch die Verweilzeit des Legierungsschlammes auf der Verarbeitungstemperatur beeinflußt. Für die Beispiele 1 bis 3 erforderte die Einschußgröße ein Füllen der Form für das Kupplungsgehäuse mit einer typischen Verweilzeit im Bereich von etwa 75–90 s in dem Trommelteil 12 der Spritzgießvorrichtung 10. Eine Erhöhung der Verweilzeit verursachte eine Vergröberung der Teilchendurchmesser des primären Feststoffes, mit einer Verweilzeit von 400 s ergab sich eine Erhöhung der durchschnittlichen Teilchengröße um 50%. 8 zeigt, daß eine Erhöhung der Zykluszeit (Verweilzeit) von 25 s (ζ) auf 100 s (ζ) in einer signifikanten Zunahme des Teilchendurchmessers resultiert, wobei einige Teilchendurchmesser über 100 μm erreichen. Die Zunahme der Teilchengröße mit der Erhöhung der Zykluszeit zeigt, daß die Vergröbe rung stattfindet, wenn halbfester Schlamm innerhalb des Trommelteiles 12 verweilt.
Der Effekt der Kühlrate auf die Mikrostruktur wurde ebenfalls an Eingußzapfen wegen ihres größeren Volumens untersucht. Es wurde beobachtet, daß sich die Mikrostruktur für dicke Wände, wie jene von Eingußzapfen, stärker weiterentwickelte als für Muster aus einer teilweise offenen Form. Die Korngrenzen zeigten einen Nachweis von Migration, und eutektische Phasen, die entlang der Korngrenzen verteilt waren, änderten ihre Morphologie im Vergleich zu Mustern aus der teilweise offenen Form.
ERÖRTERUNG DER BEOBACHTETEN RESULTATE
Wie die vorstehend erörterten Beispiele zeigen, ist das Spritzgießen von halbfesten Magnesiumlegierungen, selbst bei ultrahohen Feststoffgehalten, möglich. Ein Feststoffgehalt in der Größenordnung von 75–85% ist möglich, der oberhalb des Bereiches von 5–60% liegt, welcher allgemein für konventionelle Spritzgießverfahren akzeptiert wird.
Obzwar das vorstehend beschriebene Verfahren für das Spritzgießen von halbfesten Mg-Legierungen beschrieben wurde, ist das Verfahren auch auf Al-Legierungen, auf Zn-Legierungen und andere Legierungen mit Schmelztemperaturen unterhalb etwa 700°C anwendbar. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Mg- und Al-Legierungen besteht darin, daß ihre Dichte und ihr Wärmeinhalt verschieden ist. Die niedrigere Dichte von Mg im Vergleich zu Al bedeutet, daß Mg weniger Trägheit hat, und sich bei gleichem aufgebrachtem Druck eine höhere Strömungsgeschwindigkeit ergibt. Deshalb benötigt es weniger Zeit, eine Form mit Mg-Legierung als mit einer Al-Legierung zu füllen.
Ferner bedeutet ein Unterschied in der Dichte zwischen Mg und Al, begleitet von ihren ähnlichen spezifischen Wärmekapazitäten (1,025 kJ/kg K bei 20°C für Mg und 0,9 kJ/kg K bei 20°C für Al), daß der Hitzeinhalt des Mg-basierenden Teiles wesentlich niedriger ist und der Teil rascher verfestigt als der Al-basierende Teil gleichen Volumens. Dies ist von besonderer Bedeutung während des Verarbeitens von Mg-Legierungen mit einer ultrahohen Fraktion von Feststoffen. In diesem Fall ist die Verfestigungszeit sehr kurz, weil nur eine kleine Fraktion des Legierungsschlammes flüssig ist. Gemäß einigen Annahmen erfolgt für eine 25–50% Feststofffraktion die Verfestigung innerhalb eines Zehntels der Zeit, die typischerweise bei Hochdruckspritzgießen beobachtet wird. Dementsprechend sollte für einen ultrahohen Feststoffgehalt von 15–25% die Verfestigungszeit sogar noch kürzer sein.
Im Gegensatz zu diesen konventionellen Annahmen wurde eine Füllzeit von 25 ms bei einer Schneckengeschwindigkeit von 2,8 m/s gemessen (Tabelle 1), was diese Erwartungen nicht vollständig stützt, weil die Füllzeit in der gleichen Größenordnung wie die Werte für das Druckgießen liegt. Tatsächlich fällt die errechnete Einlaufgeschwindigkeit von 48,65 m/s (Tabelle 1) in einen Bereich von 30–50 m/s, was typisch für ein Druckgießen von Mg-Legierungen ist. Dieses unerwartete Ergebnis kann durch die Annahme erklärt werden, daß während des Füllens Hitze erzeugt wird. Eine solche Möglichkeit wird durch die beobachteten mikrostrukturellen Änderungen, wie nachstehend erläutert, gestützt.
Ergebnisse vom teilweise Füllen eines Formhohlraumes (Teileinspritzung) zeigen, daß der Strömungsmodus eines halbfesten Legierungsschlammes sowohl vom Prozentsatz an Feststoffen im Schlamm als auch von der Einlaufgeschwindigkeit abhängt, wobei letztere durch die Schneckengeschwindigkeit und die Geometrie des Einlaufteiles 38 kontrolliert wird.
Obzwar das Vorhandensein von kugelförmigen festen Teilchen die laminare Strömung begünstigt, verhindern selbst ultrahohe Feststoffgehalte nicht eine turbulente Strömung, sofern die Einlaufgeschwindigkeit entsprechend eingestellt ist (reduziert ist). Ein Schlamm mit einem Feststoffgehalt von 30%, der mit einer Einlaufgeschwindigkeit nahe 50 m/s eingespritzt wird, zeigt hochturbulente Strömungsmerkmale. Bei einem Feststoffgehalt von 75% ist die Strömungsform noch immer uneinheitlich (turbulent). Dies wird durch die Tatsache bewirkt, daß die Einlaufgeschwindigkeit die Formfüllzeit direkt beeinflußt und ein kritischer Faktor zur Bestimmung des Erfolges des SSIM-Verfahrens ist. Wenn somit die Einlaufgeschwindigkeit exzessiv reduziert wird, füllt der Legierungsschlamm den Formhohlraum unzureichend rasch und deshalb verfestigt er, bevor der Formhohlraum vollständig gefüllt ist, wie durch die Beispiele 1 bis 3 demonstriert wird, die vorstehend angegeben wurden.
Wie vorstehend erörtert, wird konventionellerweise angenommen, daß ein laminares Strömungsverhalten des Legierungsschlammes erwünscht ist. Ein turbulentes Strömungsverhalten erhöht nicht nur die innere Porosität in dem geformten Gegenstand (Tabelle 3) durch Einschließen von Gasen, sondern erhöht auch die Verfestigungsrate, indem der Hitzestrom von dem Trommelteil 12 der Spritzgießvorrichtung 10 durch den kontinuierlichen Strom des Legierungsschlammes reduziert wird. Es ist auch gut bekannt, daß je höher der Feststoffgehalt des Schlammes, um so höher die Einspritz-(Einlauf-)Geschwindigkeit ist, die vor dem Erreichen des turbulenten Strömungsverhaltens angewendet wird.
Die vorstehend erörterten Proben zeigen aber, daß trotz des Vorhandenseins eines extrem hohen Feststoffgehaltes (der 60% überschreitet und vorzugsweise im Bereich von etwa 75–85% liegt) der Schlamm weiterhin turbulentes Strömungsverhalten während des Einspritzens zeigen kann, daß aber die Turbulenz den geformten Gegenstand nicht nachteilig beeinflußt. Es wird angenommen, daß die Strömungsprobleme durch Modifikationen des Einlaufsystems gelöst werden können.
Für Einlaufgeschwindigkeiten über 48 m/s (Beispiel 1) wurde die laminare Strömung aufgegeben, um ausreichend hohe Einspritzgeschwindigkeiten zu erzielen und den Formhohlraum vollständig zu füllen. Trotzdem wurde ein hochqualitativer Gegenstand mit annehmbar geringer Porosität erzeugt, selbst wenn turbulentes Verhalten des Schlammes beobachtet wurde. Dies deutet an, daß ein SSIM unter Verwendung ultrahoher Feststoffgehalte flexibel hinsichtlich des Schlammströmungsmodus ist, der erforderlich ist, um ein hochqualitatives Produkt zu erzeugen, solange die Formfüllzeit gestattet, daß die Form vollständig gefüllt wird, während der Schlamm halbfest ist. Für eine konstante Einlaufgröße wird die Formfüllzeit durch die Einlaufgröße bestimmt. Für die vorstehend erörterten Beispiele beträgt die minimale Einlaufgeschwindigkeit, welche die Porosität verringert, selbst unter turbulenten Strömungsbedingungen, etwa 25 m/s. Dies ist konträr zu konventionellen Annahmen über das SSIM.
Der signifikante Unterschied in der Porosität zwischen teilweise und vollständig gefüllten Gegenständen, die bei einer Einlaufgeschwindigkeit von 48,65 m/s geformt wurden, wie dies in Tabelle 3 gezeigt ist, legt nahe, daß die Porosität, die während der Formfüllung erzeugt wird, im Zuge der endgültigen Verdichtung reduziert wird. Eine erfolgreiche Endverdichtung erfordert, daß der Schlamm innerhalb des Formhohlraumes halb fest ist, wenn der Enddruck angelegt wird. Um dies zu erreichen, ist eine entsprechend kurze Formfüllzeit erforderlich. Bei einer mittleren Einlaufgeschwindigkeit von 24,32 m/s war der Strömungsmodus nicht laminar, und die Einlaufgeschwindigkeit war nicht groß genug, um den Formhohlraum vollständig zu füllen. Bei einer Einlaufgeschwindigkeit von 12,16 m/s wurde ein laminarer Strömungsmodus erzielt, aber die Legierung verfestigte sich, nachdem nur 72% des Formhohlraumes gefüllt war.
Die Rolle der Scherkraft ist bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung von besonderer Bedeutung. Im Gegensatz zu Situationen, die niedrige Feststofffraktionen umfassen, involviert das Einspritzen von Schlämmen, die ultrahohe Feststofffraktionen haben, eine kontinuierliche Interaktion zwischen festen Teilchen, einschließlich des Gleitens von festen Teilchen relativ zueinander und der plastischen Verformung der festen Teilchen. Eine solche Interaktion zwischen festen Teilchen führt zu einem strukturellen Zusammenbrechen, das durch die Scherkräfte und durch Kollisionen verursacht wird, und auch zu struktureller Agglomeration infolge der Bindungsformation zwischen den Teilchen, die sich aus dem Aufprall und den Reaktionen zwischen den Teilchen ergibt. Es ist wahrscheinlich, daß Scherkräfte und Hitze, die durch diese Kräfte erzeugt wird, für den Erfolg des SSIM von Schlämmen mit ultrahohen Feststoffgehalten verantwortlich sind.
Das SSIM von Legierungsschlämmen mit einem ultrahohen Feststoffgehalt zeigt eine Anzahl von Verfahrensumständen auf, einschließlich: i) den minimalen Gehalt von Flüssigkeit der erforderlich ist, um einen halbfesten Schlamm zu erzeugen, und ii) die Vorheiztemperatur, die notwendig ist, um einen solchen halbfesten Zustand zu erzielen. Im allgemeinen wird das Schmelzen einer Legierung beginnen, wenn die Solidus-Tempera tur überschritten wird. Es sind aber Mg-Al-Legierungen bekannt, die in einem Ungleichgewichtszustand verfestigen und unabhängig von der Kühlrate verschiedene Fraktionen von eutektischen Zonen formen. Als Ergebnis kann die Solidus-Temperatur nicht direkt aus dem Gleichgewichts-Phasendiagramm ermittelt werden. Komplikationen entstehen auch bei Schmelzen von Mg-Al-Legierungen, die typischerweise bei 420°C auftreten. Wenn die Mg-Al-Legierung einen Zn-Gehalt hat, der ausreichend hoch ist, um eine Dreiphasenbereich zu bilden, wird eine ternäre Verbindung gebildet, und das Schmelzen kann bei einer Temperatur auftreten, die so niedrig wie 363°C ist.
Für eine Zusammensetzung von Mg-9%Al-1%Zn betragen für eine AZ91D-Legierung die Solidus- und Liquidus-Temperaturen 468°C bzw. 598°C. Unter Gleichgewichtsbedingungen tritt die eutektische Phase bei einer Zusammensetzung von etwa 12,7 Gew.-% Al auf. Somit werden geformte Strukturen, die Mg₁₇Al₁₂ enthalten, als ungleichgewichtsmäßig angesehen, und dies ist besonders für einen weiten Bereich von Kühlraten der Fall, die mit der Verfestigung einhergehen.
Die Temperatur, die erforderlich ist, um einen bestimmten Flüssigkeitsgehalt zu erzielen, kann auf Basis der Scheil-Formel geschätzt werden. Wenn eine Verfestigung im Ungleichgewichtszustand angenommen wird, die eine vernachläßigbare Solidus-Zustandsdiffusion ergibt, und ein perfektes Mischen der Flüssigkeit angenommen wird, dann ist die Fraktion der Feststoffe f_s, gegeben durch: fs = 1 – {(Tm – T)/mα Co}–1/(1-k) (Gleichung 2)worin T_m der Schmelzpunkt der reinen Komponente, m_α die Neigung der Liquidus-Linie, k der Teilungskoeffzient und C_o der Legierungsgehalt ist. 9 ist ein Diagramm, daß die Beziehung zwischen Temperatur und Feststofffraktion in einer AZ91D-Legierung zeigt.
Theoretische Berechnungen sagen eine maximale Feststofffraktion von 64% als willkürliche Packungsgrenze für kugelförmige Teilchen voraus, und selbst kleine Abweichungen von der Kugelform werden dieses Limit absenken. Die vorstehend diskutierten Resultate zeigen aber, daß für die AZ91D-Legierung das Ausmaß an vorheriger Flüssigkeit innerhalb der geformten Artikel signifikant niedriger als das theoretische Packungslimit ist. Tatsächlich ist es nur geringfügig höher als die Volumenfraktion der eutektischen Phasen von 12,4%, die üblicherweise bei Mg-9%Al-Legierungen beobachtet werden. Es wird angenommen, daß dieses Phänomen aus der Tatsache der nahezu kugeligen Form resultiert, die von dem gleichachsigen Korneinsatz der rekristallisierten Legierungsspäne durch Schmelzen der y-Phase bei Dreifachkreuzungen und α-Mg/α-Mg-Korngrenzen herrührt. Bei langsamer Verfestigung kehren die kugeligen Formen in eine gleichachsige Kornstruktur zurück.
Die Mikrostruktur von Gegenständen, die aus Schlämmen mit ultrahohen Feststoffgehalten spritzgegossen sind, ist wesentlich verschieden von jener, die aus Schlämmen mit niedrigem oder mittlerem Feststoffgehalt erhalten werden. Für die vorstehend erörterte Mg-Legierung resultiert ein ultrahoher Feststoffgehalt in einer Mikrostruktur, die prädominant kugelförmige Teilchen von primärem α-Mg erzeugt, verbunden durch ein Transformationsprodukt der vorherigen Flüssigkeit, wobei das primäre α-Mg praktisch das gesamte Volumen des geformten Gegenstandes einnimmt, und mit eutektischen Phasen, geformt aus einem Gemisch von sekundärem α-Mg, wobei die γ-Phase nur entlang der Teilchengrenzen und bei Dreifachkreuzungen verteilt ist. Die Mikrostrukur ist feinkörnig mit einem durchschnittlichen Durchmesser eines α-Mg-Teilchens von etwa 40 μm, der kleiner ist als jene, die üblicherweise für Schlämme mit einem Feststoffgehalt von 58% beobachtet werden.
Wie in 8 gezeigt, ist eine kurze Verweilzeit des Legierungsschlammes innerhalb des Trommelteiles 12 der Spritzgießvorrichtung 10 wesentlich, um die Teilchengröße zu kontrollieren. Die kurze Verweilzeit des Schlammes bei hohen Temperaturen, während er in einem festen Zustand ist, verhindert ein Kornwachstum, gefolgt von Rekristallisation. Da keine effektiven Blockaden vorhanden sind, welche eine Korngrenzenwanderung in Mg-9%Al-1%Zn-Legierungen verhindern werden, können die Körner leicht wachsen, wenn sie über ausgedehnte Zeitspannen auf erhöhten Temperaturen gehalten werden.
Feste Teilchen können ebenfalls wachsen, während sie in einer flüssigen Legierung suspendiert sind. Der halbfeste Legierungsschlamm, der im Trommelteil 12 der Spritzgießvorrichtung 10 verweilt, unterliegt durch Koaleszenz-Mechanismen und Ostwald-Reifung einer Vergröberung der festen Teilchen. Koaleszenz wird definiert als die nahezu augenblickliche Bildung eines großen Teilchens bei Kontakt mit zwei kleinen Teilchen. Ostwald-Reifung wird durch den Gibbs-Thompson-Effekt beherrscht, was jener Mechanismus ist, durch welchen Kornwachstum infolge der Konzentrationsgradienten an der Teilchen-Matrix(Flüssigkeits)-Grenzfläche auftritt. Die Kurve der Grenzfläche erzeugt Konzentrationsgradienten, welche den diffusionalen Transport des Materials antreiben. Die kurze Verweilzeit des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die Diffusionseffekte reduziert, soll auch die Rolle der Ostwald-Reifung verringern. Deshalb wird angenommen, daß der Leitmechanismus hinter der Teilchenvergröberung die Koaleszenz ist.
Ein interessanter Befund der Mikrostrukturanalyse, wie vorstehend erörtert wurde, ist der niedrigere Feststoffgehalt innerhalb des geformten Gegenstandes im Vergleich zum Einlaufkanal. Insbesondere wurde eine monotone Reduktion des Feststoffgehaltes als Funktion des Abstandes von dem Formeinlauf für eine Zone nahe der Oberfläche des geformten Gegenstandes beobachtet. Obzwar die Querschnittstrennung durch Änderungen des Strömungsverhaltens infolge der Unterschiede der Dichte zwischen dem Feststoff Mg (1,81 g/cm³) und dem flüssigen Mg (1,59 g/cm³) erläutert werden kann, kann der niedrigere beobachtete durchschnittliche Feststoffgehalt innerhalb des Gegenstandes im Vergleich zum Einlauf nahelegen, daß andere Mechanismen geeigneter für eine Erklärung sind.
Eine Trennung der flüssigen Phase wird häufig beobachtet, wenn feste Körner wesentlich von der kugeligen Form abweichen oder wenn die Fraktion von Feststoffen groß ist. Unter solchen Umständen bewegen sich feste Körner nicht gemeinsam mit der Flüssigkeit, sondern die Flüssigkeit bewegt sich statt dessen im wesentlichen relativ zu den festen Körnern. Dieses Szenario kann jedoch nicht vollständig angenommen werden, um die Mikrostruktur von Gegenständen zu erklären, die aus Schlämmen mit ultrahohen Feststoffgehalten geformt sind, u. zw. wegen der beobachteten Abhängigkeit der Gegenstandsmerkmale von der Schneckengeschwindigkeit, die zur Formung des Gegenstandes verwendet wird. Statt dessen wird angenommen, daß Scherkräfte, die aus der Bewegung der Schlämme mit ultrahohen Feststoffgehalten durch den Einlauf und innerhalb des Formhohlraumes herrühren, Hitze erzeugen, die zum Schmelzen der Legierung beiträgt. Ohne das Vorhandensein von Scherkräften wird angenommen, daß es unmöglich wäre, den Formhohlraum vollständig zu füllen.
Die vorstehend beschriebenen Beispiele wurden unter Verwendung eines existierenden Einlaufsystems mit einer Geometrie und Di mensionen verarbeitet, die für andere Verfahren optimiert sind. Das Erfordernis einer kurzen Formfüllzeit und hohen Schneckengeschwindigkeit zeigt an, daß bestehende Einlaufsysteme modifiziert werden können, um Spritzgießformungsvorgänge von hochqualitativen Gegenständen aus Legierungsschlämmen mit ultrahohen Feststoffgehalten durchzuführen, einschließlich der Eliminierung des Gießtrichters 34, der ein Hindernis für den raschen Transport des Schlammes zum Einlaufteil 38 ist. Eine andere Möglichkeit ist die Erhöhung der Einlaufgröße.
Während die vorliegende Erfindung mit Rücksicht darauf beschrieben worden ist, was derzeit als bevorzugte Ausführungsbeispiele angesehen wird, versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr soll die Erfindung verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken, die in dem Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen. Der Umfang der folgenden Ansprüche soll im weitesten Sinn interpretiert werden, um alle solche Modifikationen und äquivalente Strukturen und Funktionen zu umfassen.

Claims

Spritzgießverfahren, umfassend die Schritte: Erhitzen einer Legierung, um eine halbfeste Aufschlämmung mit einem Feststoffanteil von ca. 60% bis ca. 85% zu erzeugen; Einspritzen der Aufschlämmung in eine Form unter turbulenten Flussbedingungen bei einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Form im wesentlichen zu füllen; und Verdichten der Aufschlämmung, nachdem die Aufschlämmung in die Form eingespritzt worden ist, wobei sich die Aufschlämmung während der Verdichtung in einem halbfesten Zustand befindet.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufschlämmung während des Einspritzschrittes die Form in ca. 25 bis ca. 100 ms füllt.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufschlämmung während des Einspritzschrittes die Form in ca. 25 bis ca. 50 ms füllt.
Spritzgießverfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufschlämmung während des Einspritzschrittes die Form in ca. 25 bis ca. 30 ms füllt.
Spritzgießverfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Legierung Späne einer Legierung auf Magnesiumbasis aufweist.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Geschwindigkeit einer Einlaufgeschwindigkeit von ca. 50 m/s bis ca. 60 m/s entspricht.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Geschwindigkeit einer Einlaufgeschwindigkeit von ca. 40 m/s bis ca. 50 m/s entspricht.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Feststoffanteil von ca. 60% bis ca. 75% reicht.
Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Feststoffanteil von ca. 75% bis ca. 85% reicht.
Spritzgegossener Gegenstand, geformt gemäß des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der spritzgegossene Gegenstand einen verringerten Oberflächenbereich mit weniger ursprünglichem Feststoff umfaßt, der näherungsweise 400 μm stark ist.
Spritzgegossener Gegenstand nach Anspruch 10, wobei die Legierung Späne einer Legierung auf Magnesiumbasis aufweist.
Spritzgegossener Gegenstand nach Anspruch 10, wobei eine Feinstruktur des Gegenstandes vorzugsweise kugelförmige Teilchen des ursprünglichen Feststoffes umfaßt, die untereinander durch verfestigtes eutektisches Material verbunden sind, und wobei die Feinstruktur keine dendritische Phase aufweist.