DE69231800T2

DE69231800T2 - Verfahren zum Giessen von Ingots mit durch Verwendung eines magnetischen Feldes verringerter Makroseigerung, Vorrichtung und Ingot

Info

Publication number: DE69231800T2
Application number: DE69231800T
Authority: DE
Inventors: Que-Tsang Fang; Gregory J. Hildeman; Edmond S. Miksch
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Alcoa Corp
Priority date: 1991-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2012-11-14
Also published as: DE69231800D1; CA2074866A1; AU650770B2; US5246060A; NO303723B1; US5375647A; AU2068392A; EP0543290A3; JPH05208245A; NO924374L; NO924374D0; EP0543290A2; EP0543290B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung der Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Metallegierung unter Verwendung von wenigstens einem im wesentlichen statischen Magnetfeld, wobei dieses Verfahren und diese Vorrichtung die Grundlage für einen verbesserten Block mit einem feinen, gleichachsigen Korngefüge und einer verringerten Porosität bilden.
Das Steuern der Seigerung in Gußteilen aus einer Metallegierung, wie zum Beispiel in Blöcken aus einer Aluminiumlegierung, zur Aufrechterhaltung einer gewünschten einheitlichen Konzentration der Legierungselemente in dem gesamten Block ist von besonderer Bedeutung bei der Herstellung von hochwertigen Blöcken aus einer Metallegierung. Makroseigerung ist ein Begriff, der zur Beschreibung der Seigerung in einer Größenordnung verwendet wird, die mit den Abmessungen des Blocks vergleichbar ist. Sie unterscheidet sich von der Mikroseigerung, die von der Größenordnung des Abstands zwischen den Dendritenarmen ist.
Den Fachleuten ist wohlbekannt, daß große Blöcke aus Metallegierungen gewöhnlich Makroseigerung aufweisen, die den mittleren Bereich des Blocks an Legierungsbestandteilen verarmen läßt. Da die Legierungsbestandteile die Festigkeit erhöhen, führt diese Verarmung zu geschwächtem Metall in der Mitte des Blocks.
Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Verringerung der Seigerung in Gußteilen aus einer Metallegierung bekannt, und es werden verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern des Korngefüges verwendet. Jedoch werden in keinen davon die verbesserten Ergebnisse bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gelehrt oder empfohlen.
In dem US-Patent Nr. 2,861,302 wird eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von geschmolzenen Legierungen wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen offenbart, wobei das teilweise erstarrte Material in der Form einem magnetischen Wechselfeld unterworfen wird, um ein Rühren in dem geschmolzenen Metall zu bewirken. In diesem Patent wird erklärt, daß sich durch das Rühren die Temperatur in dem Gußteil ausgleicht und eine gewünschte Gefügetextur bereitgestellt wird.
In dem US-Patent Nr. 3,842,895 wird eine Vorrichtung zur Verringerung der Mikroseigerung und der Makroseigerung in Gußteilen aus Metallegierungen offenbart. Darin wird erklärt, daß die Vorrichtung solche Seigerungen in kontinuierlich gegossenen Gußteilen aus Metallegierungen dadurch verringert, daß Wärme aus einem Bereich des flüssigen Metalls in der Form abgezogen wird, um die Erstarrung herbeizuführen, und daß dem flüssigen Metall gleichzeitig auf kontrollierte Art und Weise Wärme zugeführt wird, um die Breite der breiartigen flüssigfesten Zone, die zwischen den Liquidus- und Solidus- Isothermen vorhanden ist, zu verringern. Es wird erläutert, daß die in die Form eingeleitete flüssige Metallegierung überhitzt wird und die Konvektion in der flüssigen Schmelze in der Form durch Verwendung eines transversalen Magnetfeldes verzögert wird.
In dem US-Patent Nr. 3,911,997 wird eine Vorrichtung zum Gießen von Metall zwecks Vermeidung der Mikroseigerung und der Makroseigerung in der Mitte eines kontinuierlich gegossenen Blocks offenbart. Darin wird ein supraleitender Elektromagnet in einem isolierten, in der Nähe einer Seite einer Form angeordneten Behälter verwendet, um ein magnetostatisches Feld in dem flüssigen Metall in der Form aufzubauen.
In dem US-Patent Nr. 4,723,591 wird eine Vorrichtung zur Regulierung der Höhe der Kontaktlinie der freien Fläche eines Metalls mit einer beim vertikalen Gießen von Aluminiumlegierungen verwendeten Form offenbart. Es wird offenbart, daß die Form von wenigstens einer ringförmigen Spule umgeben ist, in der wenigstens ein elektrischer Wechselstrom geleitet wird.
In dem US-Patent Nr. 4,933,005 wird ein induktives Rührfahren offenbart, bei dem das Rühren von geschmolzenem Metall zum Einbringen einer Verwirbelung in das geschmolzene Metall elektromagnetisch induziert wird und anschließend ein statisches Magnetfeld angelegt wird, um die durch das elektromagnetisch induzierte Rühren eingebrachte Verwirbelung zu minimieren.
In dem US-Patent Nr. 4,709,747 wird ein Gießverfahren für Aluminiumlegierungen offenbart, bei dem die Fließströme in dem Sumpf aus geschmolzenem Metall durch mechanische Erhöhung der inneren Reibung des Sumpfes aus geschmolzenem Metall geschwächt werden. Es wird eine Vorrichtung offenbart, die eine aus zwei oder mehr parallelen Platten oder konzentrischen Ringen bestehende mechanische Dämpfungsvorrichtung zur Verringerung der Verwirbelung in dem Sumpf umfaßt.
In dem US-Patent Nr. 4,530,404 und dem erneut erteilten Patent Nr. Re. 32,529 wird ein Verfahren zum elektromagnetischen Gießen von Metallen und Legierungen unter gleichzeitiger Verwendung eines stationären elektromagnetischen Feldes und eines veränderlichen elektromagnetischen Feldes zur Erzeugung von radialen Schwingungen in dem Metall und zur Beschränkung der Mischwirkung offenbart.
In dem US-Patent Nr. 4,523,628 wird ein Verfahren zum Gießen von Metallen und zum kontinuierlichen Gießen von Aluminiumlegierungen unter gleichzeitigem Anlegen eines stationären elektromagnetischen Feldes und eines veränderlichen elektromagnetischen Feldes zur Erzeugung radialer Schwingungen in dem Metall offenbart.
Verfahren und Vorrichtungen zum elektromagnetischen Gießen von Blöcken aus Metall und Legierungen mit Abschnitten mit kleinem Krümmungsradius sind in den US-Patenten 4,321,959 und 4,458,744 offenbart. In diesen Patenten wird erklärt, daß die Vorrichtungen eine modifizierte Abschirmung oder Abschirmeinrichtung zur Verringerung der Stärke des elektromagnetischen Feldes an den Ecken des entstehenden Blocks durch Erhöhen der örtlichen Abschirmung des Feldes an den Ecken bzw. zur Verringerung der Einschließungskraft an der äußeren Umfangsfläche des geschmolzenen Materials umfassen. In diesen Patenten wird ein modifizierter Induktor offenbart, der durch einen Wechselstrom erregt wird.
In dem UdSSR-Patent Nr. 187,255 wird das Gießen von Blöcken unter Verwendung von inneren und äußeren Elektroden offenbart, die in dem geschmolzenen Metall eines Blocks positioniert sind, wenn dieser in der Form entsteht. Es wird erläutert, daß durch eine den inneren und den äußeren Elektroden zugeführte Spannungsdifferenz ein permanentes Radialfeld zwischen diesen aufgebaut wird, während durch den an der mittleren Elektrode entlanggeführten Strom ein permanentes Azimuthalfeld aufgebaut wird. Das Azimuthalfeld wirkt mit dem Radialfeld zusammen, um in einem zwischen den Elektroden eingeschlossenen Metall volumetrische Kräfte aufzubauen.
In dem US-Patent Nr. 2,944,309 wird eine Form zum kontinuierlichen Gießen von Metallegierungen offenbart, die einen wassergekühlten Mantel und eine elektrische Einrichtung aufweist, die den Körper der Form zum kontinuierlichen Gießen umgibt, um ein von außen angelegtes, sich drehendes Magnetfeld zu bilden.
In dem US-Patent Nr. 1,721,357 wird ein Verfahren zur Behandlung von Metallkörpern mit Magnetkraft offenbart, um die Metallkörper wärmebeständig zu machen. Darin wird erläutert, daß mit dem Verfahren eine Änderung in der Form des Metallkörpers verhindert wird, wenn er hohen Temperaturen unterworfen wird.
In dem Japanischen Patent Nr. 58,163,566 wird eine Eisen- Chrom-Cobalt-Legierung offenbart, die durch Schmelzen der Legierung und Eingießen derselben in eine Form hergestellt wird, die zwischen Elektromagneten aufgestellt wird, die ein Magnetfeld erzeugen. Es wird erläutert, daß die Schmelze in der Form in einem Magnetfeld erstarrt, wobei eine Konvektion der Schmelze verhindert wird. Der erstarrte Legierungsblock wird auf einer Temperatur von 550 bis 700 Grad Celsius gehalten, bevor eine Alterungsbehandlung an dem Block durchgeführt wird.
In Sahu, M. D. et al., "Effects of electromagnetic fields on solidification of some aluminum alloys", British Foundryman, Bd. 70, Teil III, S. 89-92 (1977), wird offenbart, daß durch von außen einwirkendes elektromagnetisches Rühren das Gußkorn von Aluminium-Kupfer- und von Aluminium-Magnesium- Legierungen beeinflußt wird.
In Ambardar, R. et al., "Grain Coarsening by Solidification in a Steady Magnetic Field", Aluminum, 62, (6), S. 446-448, Juni 1986, wird die kornvergröbernde Wirkung eines stabilen Magnetfeldes auf die Gefügebildung in einer Legierung aus Aluminium mit 4% Kupfer offenbart, die in eine mit Natriumsilicat abgebundene Sandform gegossen wird.
In Ambardar, R. et al., "Effect of steady magnetic field on the structure of unidirectionally solidified alloy castings", Transactions of the Indian Institute of Metals, Bd. 40, Nr. 1, S. 22-26, Februar 1987, wird offenbart, daß ein stabiles Magnetfeld verwendet wurde, um die Wärmekonvektion während der unidirektionalen Erstarrung von Aluminium-Kupfer- Gußteilen mit einem vollkommen stengelartigen Gefüge zu unterdrücken.
In Uhlmann, D. R. et al., "The Effect of Magnetic Fields on the Structure of Metal Alloy Castings", Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Bd. 236, S. 527-531, April 1966, wird ein Magnetfeld offenbart, das zur Dämpfung von Flüssigkeitskonvektion während des Erstarrens von Gußteilen aus Metallegierung verwendet wird, um einen Übergang von "stengelförmig" zu "gleichachsig" sowie die Entstehung eines Gefüges zu verhindern, das zur Mitte des Gußteils hin stengelförmig ist.
In Pirich, R. G. et al., "Thermal and solutal convection damping using an applied magnetic field", Washington Microcrravity Sci. and Appl., NAS 8-34922, S. 77-78, Mai 1985, wird ein Vergleich von in einem transversalen Magnetfeld gewachsenen eutektischen Proben einer Bismut/Mangan-Legierung mit Proben offenbart, die ohne Vorhandensein des Magnetfeldes gewachsen sind. Es wird erläutert, daß Proben, die bei Geschwindigkeiten unter 3 cm/h (Zentimeter/Stunde) in dem Magnetfeld gewachsen sind, in der eutektischen Morphologie wenig oder keine Abweichung von jenen Proben zeigen, die ohne ein angelegtes Feld gewachsen sind.
Trotz dieser Offenbarungen nach dem Stande der Technik besteht nach wie vor ein sehr realer und beachtlicher Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Verringerung einer unerwünschten Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Metallegierung. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung werden hier offenbart und können zur Schaffung eines verbesserten Blocks verwendet werden, der ein verfeinertes gleichachsiges Korngefüge und eine verringerte Porengröße aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird dem oben beschriebenen Bedarf gerecht. Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine effiziente und ökonomische Methode zur Verringerung der Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Aluminiumlegierung bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verringerung der Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Aluminiumlegierung bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Einleiten einer geschmolzenen Aluminiumlegierung in einen Gießformhohlraum (8);
Kühlen der geschmolzenen Aluminiumlegierung zur Ausbildung einer festen Zone (14), einer breiartigen flüssig-festen Zone (13) über der festen Zone, einer flüssigen Zone (16) über der flüssig-festen Zone und einer Schmelzfläche (10) auf der flüssigen Zone; dadurch gekennzeichnet, daß:
während des Kühlens wenigstens ein im wesentlichen statisches Magnetfeld mit wenigstens zwei, sich auf der Längsachse des Blocks schneidenden Symmetrieebenen verwendet wird;
das Magnetfeld durch wenigstens eine Spuleneinrichtung (7) erzeugt wird, die einen inneren Bereich aufweist, durch den sich die Aluminiumlegierung bewegt;
die Spuleneinrichtung durch einen im wesentlichen statischen elektrischen Strom aktiviert wird, wobei der Strom einem durch die Spuleneinrichtung begrenzten Weg folgt und um wenigstens eines von der geschmolzenen Aluminiumlegierung und den Zonen herum verläuft;
die die Makroseigerung herbeiführenden Konvektionsströme der geschmolzenen Aluminiumlegierung mit Hilfe des Magnetfeldes gedämpft werden; und
eine Flußlinie des Magnetfeldes durch einen Punkt auf einer zur Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone (13) und der flüssigen Zone (16) tangentialen Linie in einem Winkel von mehr als 20 Grad geführt wird.
Dieses Verfahren kann das Mischen eines Kornverfeinerungsmittels mit der geschmolzenen Metallegierung vor dem Einleiten der geschmolzenen Metallegierung in die Gießform umfassen. Dieses Verfahren kann beim Gießen von Blöcken aus Metallegierungen verwendet werden, wie zum Beispiel aus Aluminiumlegierungen, die aus der aus den Legierungsserien 2xxx, 3xxx, 5xxx und 7xxx bestehenden Gruppe ausgewählt wurden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verringerung der Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Aluminiumlegierung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:
einen Gießformhohlraum (8) zur Aufnahme einer geschmolzenen Aluminiumlegierung;
eine Kühleinrichtung (4, 6) zum Kühlen des Gießformhohlraums (8), damit die geschmolzene Aluminiumlegierung erstarrt; und
wenigstens eine Spuleneinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Spuleneinrichtung geeignet ist, einen im wesentlichen statischen elektrischen Strom aufzunehmen, um wenigstens ein im wesentlichen statisches Magnetfeld mit wenigstens zwei, sich auf der Längachse des Blocks schneidenden Symmetrieebenen zu erzeugen; wobei die Spuleneinrichtung (7) eine Einrichtung aufweist, um eine Flußlinie des Magnetfeldes durch einen Punkt auf einer zur Grenzfläche zwischen einer breiartigen flüssig-festen Zone und einer flüssigen Zone der Aluminiumlegierung tangentialen Linie in einem Winkel von mehr als 20 Grad zu schicken.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung der Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Metallegierung bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung einer unerwünschten Konvektion in einer geschmolzenen Metallegierung bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung der Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Aluminiumlegierung bereitzustellen, das die Erzeugung von wenigstens einem im wesentlichen statischen Magnetfeld mit wenigstens zwei, sich auf der Längsachse des Blocks schneidenden Symmetrieebenen umfaßt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einformen einer Aluminiumlegierung bereitzustellen, die aus der aus den Legierungsserien 2xxx, 3xxx, 5xxx und 7xxx bestehenden Gruppe ausgewählt wurde.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen ein Block mit einem verfeinerten gleichachsigen Korngefüge und einer verringerten Porengröße hergestellt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die ökonomisch sind und mit der bestehenden Gießtechnologie für Aluminiumlegierungen verträglich sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Produkt bereitzustellen, das ein verfeinertes gleichachsiges Korngefüge und eine verringerte Porengröße aufweist.
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung, aus den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen besser verständlich.
Fig. 1(A) zeigt einen schematischen Querschnitt einer Form der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Spuleneinrichtung, die um die Außenseite des Gießformhohlraums herum und unter der Gießform positioniert ist.
Fig. 1(B) zeigt einen schematischen Querschnitt einer Form der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Spuleneinrichtung, die über der Gießform positioniert ist.
Fig. 1(C) zeigt einen schematischen Querschnitt einer Form der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Spuleneinrichtung, die koaxial mit der Längsachse des Blocks und über der Gießform positioniert ist.
Fig. 1(D) zeigt einen schematischen Querschnitt einer Form der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Spuleneinrichtung, die um die Außenseite des Gießformhohlraums herum sowohl über als auch unter der Gießform positioniert ist.
Fig. 2 zeigt die Wirkung eines im wesentlichen statischen Magnetfeldes (Gleichstrom) auf die Makroseigerung des Blocks bei der Legierung 2124.
Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen die Wirkung eines im wesentlichen statischen Magnetfeldes (Gleichstrom) auf die Makroseigerung des Blocks bei der Legierung 7050.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird eine Verringerung der Makroseigerung beim Gießen von Blöcken aus einer Metallegierung ermöglicht.
Der hier verwendete Begriff "Gießen" umfaßt das halbkontinuierliche und das kontinuierliche Gießen von Metallegierungen mit verschiedenen Formen und umfaßt das Zweietagengießen, den Oberguß und horizontale Gießsysteme, die den Fachleuten wohlbekannt sind. Des weiteren umfaßt der hier verwendete Begriff "Gießform" eine Kokille mit Direktkühlung, so daß im Hohlraum der Form ein fester Stoff entsteht, der in der Lage ist, den V-förmigen Sumpf in der Mitte des Gußteils zu tragen.
Der hier verwendete Begriff "Spuleneinrichtung" umfaßt eine einzelne Spule oder eine Vielzahl von Spulen, die zur Schaffung im wesentlichen desselben im wesentlichen statischen Magnetfeldes zusammenwirken, wie es mit einer Spule erzielt werden könnte.
Der hier verwendete Begriff "im wesentlichen statisches Magnetfeld" bezeichnet ein Gleichstrom-Magnetfeld.
Der hier verwendete Begriff "im wesentlichen statischer elektrischer Strom" bezeichnet einen Gleichstrom. Der hier verwendete Begriff "Gleichstrom" bezeichnet einen Strom, in dem (A) der Ladungsfluß in dem betrachteten Zeitraum ausschließlich in einer Richtung erfolgt und (B) die Größe mit Ausnahme von kleineren Pulsationen in seiner Amplitude im allgemeinen konstant ist.
Alle hier verwendeten Prozentsätze bezeichnen Gewichtsprozente (Gew.-%).
Der hier verwendete Begriff "Symmetrieebenen" bedeutet, daß jede Ebene eine Teilung des im wesentlichen statischen Magnetfeldes in spiegelbildliche Segmente darstellt.
Das Verfahren dieser Erfindung umfaßt das Einleiten einer geschmolzenen Metallegierung in einen Gießformhohlraum, das Kühlen der geschmolzenen Metallegierung zur Ausbildung einer festen Zone, einer breiartigen flüssig-festen Zone über der festen Zone, einer flüssigen Zone über der breiartigen flüssig-festen Zone und einer Schmelzfläche auf der flüssigen Zone, während des Kühlens die Verwendung von wenigstens einem im wesentlichen statischen Magnetfeld mit wenigstens zwei, sich auf der Längsachse des Blocks schneidenden Symmetrieebenen, die Erzeugung des Magnetfeldes durch wenigstens eine Spuleneinrichtung, die einen inneren Bereich aufweist, durch den sich die Metallegierung bewegt, das Aktivieren der Spuleneinrichtung durch einen im wesentlichen statischen elektrischen Strom, wobei der Strom einem durch die Spuleneinrichtung begrenzten Weg folgt und um wenigstens eines von der geschmolzenen Metallegierung und den oben erwähnten Zonen herum verläuft, und das Dämpfen der die Makroseigerung herbeiführenden Konvektionsströme der geschmolzenen Metallegierung mit Hilfe des Magnetfeldes.
Bei diesem Verfahren wird eine Form verwendet, wobei die Gießform die äußere Begrenzung des Querschnitts des hergestellten Blocks aus einer Metallegierung bildet. Beim Gießen eines runden Blocks aus einer Metallegierung weist der Gießformhohlraum zum Beispiel die Form eines Reifens oder Rings mit einem Innendurchmesser auf, der ungefähr gleich dem Durchmesser des herzustellenden Blocks aus einer Metallegierung ist. Beim Gießen eines rechteckigen Blocks aus einer Metallegierung weist der Formhohlraum die Form eines Rechtecks auf, das einen rechteckigen Raum umschließt, der den Querschnitt des herzustellenden Blocks aus einer Metallegierung bildet. Das im wesentlichen statische Magnetfeld wird von wenigstens einer Spuleneinrichtung erzeugt, die die gleiche Symmetrie wie der herzustellende Block aufweist. Mithin werden die Fachleute erkennen, daß die Spuleneinrichtung verschiedene Formen aufweisen kann, zum Beispiel (A) eine nichtkreisrunde Form, wenn der Gießformhohlraum eine nichtkreisrunde Form aufweist, wie zum Beispiel eine rechteckige Spule, wenn der Gießformhohlraum eine rechteckige Form aufweist, eine quadratische Spule, wenn der Gießformhohlraum eine quadratische Form aufweist, oder eine elliptische Spule, wenn der Gießformhohlraum eine elliptische Form aufweist, oder (B) die Form einer kreisrunden Spule haben kann, wenn der Gießformhohlraum eine kreisrunde Form aufweist.
Die rechteckige Spuleneinrichtung erzeugt ein im wesentlichen statisches Magnetfeld mit zwei Symmetrieebenen. Diese Ebenen liegen senkrecht zueinander, und jede Ebene umfaßt die Mittellinie des Blocks aus einer Metallegierung. Diese Ebenen teilen den Block in vier symmetrische Quadranten. Jeder der von diesen zwei Ebenen gebildeten Quadranten nimmt äquivalente Stärken des im wesentlichen statischen Magnetfeldes auf und weist äquivalente Konzentrationen der Legierungsbestandteile auf und trägt auf diese Weise zur Gleichmäßigkeit des Blocks aus einer Metallegierung bei.
Die Verfahren der hierin beschriebenen Erfindung umfassen ein Verfahren, bei dem als Metallegierung eine Aluminiumlegierung verwendet wird, die aus der aus den Legierungsserien 2xxx, 3xxx, 5xxx und 7xxx bestehenden Gruppe ausgewählt wurde. Zum Beispiel können bei den Verfahren dieser Erfindung die Legierung 2124, die Legierung 3004, die Legierung 7050 oder die Legierung 7075 verwendet werden.
Die Aluminiumlegierungen der vorliegenden Erfindung können Verunreinigungsgrade umfassen, die bei solchen Legierungen industriell vertretbar sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt dieses Verfahren das Mischen eines Kornverfeinerungsmittels mit der geschmolzenen Metallegierung vor dem Einleiten der geschmolzenen Metallegierung in den Gießformhohlraum.
Die Erfindung umfaßt das Einleiten der geschmolzenen Metallegierung in ein erstes Ende des Gießformhohlraums, um einen Strom der geschmolzenen Metallegierung in Richtung zu einem zweiten Ende des Gießformhohlraums entstehen zu lassen. Während die geschmolzene Metallegierung in den Gießformhohlraum fließt, kühlt sie ab. Durch dieses Abkühlen werden sowohl (A) eine Grenzfläche an der breiartigen flüssig-festen Zone und der festen Zone als auch (B) eine Grenzfläche an der breiartigen flüssig-festen Zone und der flüssigen Zone geschaffen. Diese Grenzflächen entstehen, während die geschmolzene Metallegierung abkühlt, um die feste Zone zu bilden und dadurch den Block herzustellen. Das im wesentlichen statische Magnetfeld wird durch Flußlinien dargestellt. Bei dem Verfahren dieser Erfindung wird jede Flußlinie durch einen Punkt auf einer zur Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone und der flüssigen Zone tangentialen Linie in einem Winkel von mehr als etwa 20 Grad geführt. Bei diesem Verfahren wird die geschmolzene Aluminiumlegierung vorzugsweise in den Gießformhohlraum eingeleitet, um einen Sumpf bereitzustellen, der die Metallegierung der Grenzfläche zwischen der flüssigen Zone und der breiartigen flüssigfesten Zone zuführt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verfahren die Verwendung wenigstens einer Spuleneinrichtung mit einem inneren Bereich, durch den sich die Metallegierung bewegen kann. Dieses Verfahren umfaßt das Gießen des Blocks in einem Gießformhohlraum mit einer gewünschten Form, wie zum Beispiel einer nichtkreisrunden Form oder einer kreisrunden Form. Die Form des Gießformhohlraums kann eine nichtkreisrunde Form oder eine kreisrunde Form mit einer Kerneinrichtung in dem Gießformhohlraum umfassen, so daß der entstandene Block einen hohlen Abschnitt aufweist. Die verwendete Kerneinrichtung kann eine gewünschte Form besitzen, die die gleiche wie die Form des speziellen verwendeten Gießformhohlraums ist und von dieser abhängig ist. Dieses Verfahren umfaßt das Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung im allgemeinen über dem Gießformhohlraum.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verfahren das Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung im allgemeinen unter der Gießform. Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren eine Innenseite der Spuleneinrichtung im Bereich von 2 bis 6 Zentimetern von einer Außenseite des Blocks positioniert.
Bei einer höchst bevorzugten Ausführungsform umfaßt dieses Verfahren das Gießen des Blocks in einem Gießformhohlraum mit einer rechteckigen Form und umfaßt (A) das Positionieren wenigstens einer rechteckig geformten Spuleneinrichtung im allgemeinen unter der Gießform und (B) das Positionieren einer Innenseite der Spuleneinrichtung im Bereich von etwa 2 bis 6 Zentimetern von einer Außenseite des Blocks.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verfahren das Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung um die Außenseite des Formhohlraums herum. Im allgemeinen wickeln sich, wenn die Spuleneinrichtung eine Spule ist, die eine Öffnung mit einer größeren Querabmessung als die Querabmessung des Gießformhohlraums aufweist, die Drähte der Spule um den Umfang des Gießformhohlraums in einer Richtung herum, die quer zu der Längsachse des Gießformhohlraums liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verfahren das Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung um die Außenseite der Gießform herum und zum Teil unter der Gießform.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das das Positionieren einer Vielzahl von Spuleneinrichtungen im allgemeinen unter der Gießform, über der Gießform oder um die Außenseite der Gießform herum sowie Kombinationen davon umfaßt. Dieses Verfahren umfaßt die Verwendung des im wesentlichen statischen elektrischen Stroms in jeder der Spuleneinrichtungen in der gleichen Richtung.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verfahren die Verwendung eines Magnetfeldes mit einer Stärke von mindestens etwa 500 Gauß.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verfahren die Verwendung wenigstens einer Spuleneinrichtung mit einem inneren Bereich, durch den sich die Metallegierung bewegt, wobei dieser innere Bereich eine Querabmessung aufweist, die kleiner ist als die Querabmessung der Gießform. Dieses Verfahren umfaßt das Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung mit einem inneren Bereich mit einer Querabmessung, die kleiner ist als die Querabmessung der Gießform, im allgemeinen über dem Gießformhohlraum.
Die Fachleute werden erkennen, daß die Verfahren gemäß der hier beschriebenen Erfindung das Einstellen des die Spuleneinrichtung aktivierenden, im wesentlichen statischen elektrischen Stroms in einer solchen Weise umfaßt, daß die Konvektion der geschmolzenen Metallegierung auf einen vorbestimmten Grad verringert wird.
Im allgemeinen umfaßt die Spuleneinrichtung wenigstens eine Spule mit einem wassergekühlten Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von etwa 0,50 Zentimetern bis 1,50 Zentimetern und nimmt einen angelegten, im wesentlichen statischen elektrischen Strom von etwa 500 bis 1500 Ampere auf.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann das Ausbilden des Blocks in herkömmlichen kontinuierlichen oder in halbkontinuierlichen Gießformanordnungen umfassen, die den Fachleuten wohlbekannt sind.
Die Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung führt zu einem Block mit einem verfeinerten, gleichachsigen Korngefüge. Dieses unerwartete Ergebnis steht im Gegensatz zu früheren Lehren, die offenbaren, daß ein Magnetfeld einen Übergang zu grober stengelförmiger Körnung erzeugt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt die Herstellung eines Blocks mit einer verringerten Porengröße im Vergleich zu der Porengröße eines Blocks, der ohne Mitwirkung eines Magnetfeldes hergestellt wird. Das Magnetfeld vermindert oder beseitigt im wesentlichen die auf Wasserstoff in der Schmelze zurückzuführenden großen Gasporen in dem gegossenen Block und führt dadurch zu einem Block mit geringerer Porengröße.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verringerung einer unerwünschten Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Metallegierung. Diese Vorrichtung umfaßt einen Gießformhohlraum zur Aufnahme einer geschmolzenen Metallegierung, eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Gießformhohlraums, damit die geschmolzene Metallegierung erstarrt, und wenigstens eine Spuleneinrichtung zur Aufnahme eines im wesentlichen statischen elektrischen Stroms, um wenigstens ein im wesentlichen statisches Magnetfeld mit wenigstens zwei, sich auf der Längsachse des Blocks schneidenden Symmetrieebenen zu erzeugen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung gemäß der obigen Beschreibung, wobei wenigstens eine Spuleneinrichtung im allgemeinen unter der Gießform positioniert ist.
Bei einer höchst bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Vorrichtung wenigstens eine Spuleneinrichtung, die im allgemeinen unter der Gießform positioniert ist, und bei der eine Innenseite der Spuleneinrichtung im Bereich von etwa 2 bis 6 Zentimetern von einer Außenseite des Blocks angeordnet ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung gemäß der obigen Beschreibung, bei der wenigstens eine Spuleneinrichtung im allgemeinen um die Außenseite der Gießform herum positioniert ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung gemäß der obigen Beschreibung, bei der die Spuleneinrichtung im allgemeinen über der Gießform positioniert ist.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Vorrichtung gemäß der obigen Beschreibung wenigstens eine Spuleneinrichtung, die im allgemeinen um die Außenseite der Gießform herum und zum Teil unter der Gießform positioniert ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Vorrichtung Spuleneinrichtungen, die in wenigstens einer der Positionen angeordnet sind, die aus der Gruppe bestehend aus (A) im allgemeinen unter der Gießform, (B) im allgemeinen über der Gießform, (C) im allgemeinen um die Außenseite der Gießform herum und (D) im allgemeinen um die Außenseite der Gießform herum und zum Teil unter der Gießform ausgewählt wurden.
Die Fachleute werden erkennen, daß die Vorrichtung gemäß der obigen Beschreibung eine Gießform und eine Spuleneinrichtung mit einer gewünschten Form aufweisen kann. Wenn beispielsweise die Gießform zum Beispiel eine kreisrunde Form aufweist, besitzt die Spuleneinrichtung wenigstens eine Spule, die eine Ringform aufweist. Wenn die Gießform eine nichtkreisrunde Form aufweist, besitzt die Spuleneinrichtung wenigstens eine Spule, die eine nichtkreisrunde Form aufweist. Zum Beispiel können die Gießform und die Spule jeweils eine rechteckige, quadratische oder elliptische Form aufweisen.
Fig. 1(A) veranschaulicht eine Form der magnetischen Gleichstrom-Dämpfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1(A) ist eine Kokillenform 1 mit Direktkühlung mit einem Stahlflußweg 2 und einer Kühleinrichtung 3 gezeigt, die einen Wasserbehälter 4 umfaßt. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet die Seitenwand des Blocks, der aus der Form 1 hervorgegangen ist. Aus dem Wasserbehälter 4 wird Kühlwasser abgelassen und strömt in einer solchen Richtung durch den Kanal 6, daß es mit der Seitenwand des Blocks 5 kommuniziert. Wie in Fig. 1(A) gezeigt ist, weist eine Feldspule 7, die von einem im wesentlichen statischen elektrischen Strom aktiviert wird, einen inneren Bereich mit einer Querabmessung auf, die größer ist als die Querabmessung des Gießformhohlraums 8. Die Feldspule 7 ist im allgemeinen um die Außenseite der Gießform herum und zum Teil unter der Gießform positioniert. Die Bezugszeichen 9 und 10 bezeichnen die Längsachse des Blocks bzw. die Schmelzfläche. Die Fachleute werden aus Fig. 1(A) ersehen, daß das Magnetfeld eine Symmetrieachse besitzt, die in dem Gießformhohlraum angeordnet ist und im allgemeinen parallel zur Gießrichtung ausgerichtet ist, und daß die Flußlinien 11 des Magnetfeldes eine unerwünschte Konvektion in der geschmolzenen Metallegierung verringern. In Fig. 1(A) bezeichnet das Bezugszeichen 12 die Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 13 und der festen Zone (dem erstarrten Block) 14. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet die Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 13 und der flüssigen Zone (dem Sumpf) 16. Die geschmolzene Metallegierung, die ein Kornverfeinerungsmittel enthalten kann, wird in den Gießformhohlraum eingeleitet, um einen im allgemeinen vertikalen Schwerkraftstrom der verfeinerten geschmolzenen Metallegierung herzustellen. Fig. 1(A) zeigt, daß jede Flußlinie 11 des Magnetfeldes durch einen Punkt auf einer zur Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 13 und der flüssigen Zone 16 tangentialen Linie (nicht dargestellt) in einem Winkel α von mehr als etwa 20 Grad verläuft.
Die Wirksamkeit, mit der ein im wesentlichen statisches Magnetfeld die Geschwindigkeit einer strömenden geschmolzenen Metallegierung verringert, wird durch die Dämpfungszeit gekennzeichnet. Es wird zum Beispiel angenommen, daß eine Menge einer geschmolzenen Metallegierung in einem im wesentlichen mit Gleichstrom geschaffenen Magnetfeld eine Anfangsgeschwindigkeit besitzt, die durch Wechselwirkung mit dem Magnetfeld verringert wird. Das flüssige Metall erzeugt, wenn es sich über magnetische Feldlinien bewegt, eine elektromotorische Kraft (EMK), die dazu neigt, einen elektrischen Strom in dem Metall fließen zu lassen. Dieses Fließen tritt auf, wenn Stromrückflußwege vorhanden sind. In einem Idealfall, bei dem Stromwege einen Nullwiderstand aufweisen oder bei dem Stromrückflußwege infolge ihrer eigenen Bewegung elektromotorische Kräfte erzeugt haben, liefert die folgende Formel die Dämpfungszeit für die Bewegung. Die Dämpfungszeit ist proportional zur Dichte des flüssigen Metalls und umgekehrt proportional zu seiner elektrischen Leitfähigkeit. Die Dämpfungszeit ist auch umgekehrt proportional zum Quadrat der Stärke des Magnetfeldes. Bei nichtidealen Fällen, bei denen Ströme durch ohmsche Verluste in den Stromrückflußwegen verringert werden, gelten im allgemeinen die gleichen Proportionalitäten. Bei vielen nichtidealen Fällen, zum Beispiel dem vorliegenden Fall, daß flüssiges Aluminium in dem festen Aluminiumblock enthalten ist, ist die Dämpfungszeit im Vergleich zu dem Idealfall um einen kleinen Faktor, zum Beispiel um den Faktor 2, länger. In einem Beispiel für einen Idealfall wird flüssiges Aluminium in einem Feld von 0,1 TESLA mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 1 Meter/Sekunde in einer Zeit von 0,0592 Sekunden auf eine Geschwindigkeit von 0,3678 Meter/Sekunde verlangsamt. Nach einer zusätzlichen Zeit von 0,0592 Sekunden wird es weiter verlangsamt bis auf eine Geschwindigkeit von 0,1353 Meter/Sekunde.
Fig. 1(B) veranschaulicht eine weitere Form der magnetischen Gleichstrom-Dämpfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In Fig. 1(B) ist eine Kokillenform 21 mit einem Stahlflußweg 22 und einer Kühleinrichtung 23 gezeigt, die einen Wasserbehälter 24 umfaßt. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet die Seitenwand des Blocks, der aus der Form 21 hervorgegangen ist. Aus dem Wasserbehälter 24 wird Kühlwasser durch den Kanal 26 abgelassen und strömt in einer solchen Richtung, daß es mit der Seitenwand des Blocks 25 kommuniziert. Wie in Fig. 1(B) gezeigt ist, wird eine Feldspule 27 durch einen im wesentlichen statischen elektrischen Strom aktiviert. Die Feldspule 27 mit einem Innenraum 28 ist im allgemeinen über der Gießform positioniert. Die Bezugszeichen 29 und 30 bezeichnen die Längsachse des Gießformhohlraums bzw. die Schmelzfläche. Die Fachleute werden aus Fig. 1(B) ersehen, daß das Magnetfeld eine Symmetrieachse besitzt, die in dem Gießformhohlraum angeordnet ist und im allgemeinen parallel zu der Gießrichtung ausgerichtet ist, und daß die Flußlinien 31 des Magnetfeldes eine unerwünschte Konvektion in der geschmolzenen Metallegierung verringern. In Fig. 1(B) bezeichnet das Bezugszeichen 32 die Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssigfesten Zone 33 und der festen Zone (dem erstarrten Block) 34. Das Bezugszeichen 35 bezeichnet die Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 33 und der flüssigen Zone (dem Sumpf) 36. Die geschmolzene Metallegierung, die ein Kornverfeinerungsmittel enthalten kann, wird in den Gießformhohlraum eingeleitet. Fig. 1(B) zeigt, daß jede Flußlinie 31 des Magnetfeldes durch einen Punkt auf einer zur Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 33 und der flüssigen Zone 36 tangentialen Linie (nicht dargestellt) in sigen Zone 36 tangentialen Linie (nicht dargestellt) in einem Winkel α von mehr als etwa 20 Grad verläuft.
Fig. 1(C) veranschaulicht eine Form der magnetischen Gleichstrom-Dämpfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1(C) ist eine Kokillenform 41 mit einem Stahlflußweg 42 und einer Kühleinrichtung 43 gezeigt, die einen Wasserbehälter 44 umfaßt. Das Bezugszeichen 45 bezeichnet die Seitenwand des Blocks, der aus der Form 41 hervorgegangen ist. Aus dem Wasserbehälter 44 wird Kühlwasser abgelassen und strömt in einer solchen Richtung durch den Kanal 46, daß es mit der Seitenwand des Blocks 45 kommuniziert. Wie in Fig. 1(C) gezeigt ist, weist eine Feldspule 47, die von einem im wesentlichen statischen elektrischen Strom aktiviert wird, einen inneren Bereich mit einer Querabmessung auf, die kleiner ist als die Querabmessung des Gießformhohlraums 48, und ist koaxial mit der Längsachse des Blocks 49 und im allgemeinen über dem Gießformhohlraum positioniert. Das Bezugszeichen 50 bezeichnet die Schmelzfläche. Die Fachleute werden aus Fig. 1(C) ersehen, daß das Magnetfeld eine Symmetrieachse besitzt, die in dem Gießformhohlraum angeordnet ist und im allgemeinen parallel zu der Gießrichtung ausgerichtet ist, und daß die Flußlinien 51 des Magnetfeldes eine unerwünschte Konvektion in der geschmolzenen Metallegierung verringern. In Fig. 1(C) bezeichnet das Bezugszeichen 52 die Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 53 und der festen Zone (dem erstarrten Block) 54. Das Bezugszeichen 55 bezeichnet die Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 53 und der flüssigen Zone (dem Sumpf) 56. Die geschmolzene Metallegierung, die ein Kornverfeinerungsmittel enthalten kann, wird in den Gießformhohlraum eingeleitet, um einen Sumpf bereitzustellen, der die Metallegierung der Grenzfläche zwischen der flüssigen Zone und der breiartigen flüssig-festen Zone zuführt. Fig. 1(C) zeigt, daß jede Flußlinie 51 des Magnetfeldes durch einen Punkt auf einer zur Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 53 und der flüssigen Zone 56 tangentialen Linie (nicht dargestellt) in einem Winkel α von mehr als etwa 20 Grad verläuft.
Fig. 1(D) veranschaulicht noch eine weitere Form der magnetischen Gleichstrom-Dämpfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1(D) ist eine Kokillenform 61 mit einem Stahlflußweg 62 und einer Kühleinrichtung 63 gezeigt, die einen Wasserbehälter 64 umfaßt. Das Bezugszeichen 65 kennzeichnet die Seitenwand des Blocks, der aus der Gießform 61 hervorgegangen ist. Aus dem Wasserbehälter 64 wird Kühlwasser abgelassen und strömt in einer solchen Richtung durch den Kanal 66, daß es mit der Seitenwand des Blocks 65 kommuniziert. Wie in Fig. 1(D) gezeigt, ist die Feldspule 67A im allgemeinen über der Gießform 61 positioniert, und die Feldspule 67B ist im allgemeinen unter der Gießform 61 positioniert. Die Feldspule 67B weist eine innere Querabmessung auf, die größer ist als die innere Querabmessung des Gießformhohlraums 68. Die Bezugszeichen 69 und 70 bezeichnen die Längsachse des Blocks bzw. die Schmelzfläche. Die Fachleute werden aus Fig. 1(D) ersehen, daß das Magnetfeld eine Symmetrieachse besitzt, die in dem Gießformhohlraum angeordnet ist und im allgemeinen parallel zu der Gießrichtung ausgerichtet ist, und daß die Flußlinien 71 des Magnetfeldes eine unerwünschte Konvektion in der geschmolzenen Metallegierung verringern. In Fig. 1(D) bezeichnet das Bezugszeichen 72 die Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 73 und der festen Zone (dem erstarrten Block) 74. Das Bezugszeichen 75 bezeichnet die Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 73 und der flüssigen Zone (dem Sumpf) 76. Die geschmolzene Metallegierung, die ein Kornverfeinerungsmittel enthalten kann, wird in den Gießformhohlraum eingeleitet. Fig. 1(D) zeigt, daß jede Flußlinie 71 des Magnetfeldes durch einen Punkt auf einer zur Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone 73 und der flüssigen Zone 76 tangentialen Linie (nicht dargestellt) in einem Winkel α von mehr als etwa 20 Grad verläuft.
Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt einen Block mit einem verfeinerten gleichachsigen Korngefüge und mit geringerer Porengröße. Dieser Block ist gemäß dem Verfahren dieser Erfindung hergestellt. Die Fig. 2, 3A, 3B und 3C zeigen die Wirkung eines im wesentlichen statischen Gleichstrom-Magnetfeldes auf die Makroseigerung an der Blockmittellinie beim Gießen von 16 Zoll · 50 Zoll großen Blöcken aus verschiedenen Legierungen, die mit einem Kornverfeinerer aus Aluminium, 5% Titan und 0,2% Bor verfeinert wurden. Von jeder Legierung wurden Proben auf die Konzentration der Legierungselemente hin analysiert, und die Werte wurden in der in den Fig. 2, 3A, 3B und 3C gezeigten Weise grafisch dargestellt.
Fig. 2 zeigt die Konzentration von Kupfer und Magnesium in einer Legierung 2124, die als Funktion des Abstands von der Blockoberfläche grafisch dargestellt ist. Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Abweichung in der Zusammensetzung an der Blockmittellinie von -5,8% gegenüber der in Gewichtsprozent (Gew.-%) des dem Gußteil zugesetzten Kupfers angegebenen Kupferkonzentration dann eintrat, wenn ein im wesentlichen statisches Gleichstrom-Magnetfeld in dem Gießvorgang verwendet wurde. Fig. 2 zeigt an, daß eine Abweichung von -12% gegenüber der Kupferkonzentration dann eintrat, wenn kein Magnetfeld bei dem Gießvorgang verwendet wurde. Es ist daher ersichtlich, daß eine ungefähr 50%ige Verringerung der Makroseigerung von Kupfer an der Blockmittellinie (CL) in der Legierung 2124 erreicht wurde, wenn das Verfahren gemäß dieser Erfindung verwendet wurde. Hinsichtlich der Magnesiumkonzentration wurde eine ungefähr 75%ige Verringerung der Makroseigerung von Magnesium an der Blockmittellinie in der Legierung 2124 erreicht, wenn das im wesentlichen statische Gleichstrom-Magnetfeld angelegt wurde. Außerdem wurden unerwartete, in Fig. 2 nicht gezeigte Vorteile erzielt, wie zum Beispiel eine verbesserte Kornverfeinerung in der Legierung und eine verringerte Porengröße in der Legierung.
Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen die Wirkung eines im wesentlichen statischen Gleichstrom-Magnetfeldes auf die Makroseigerung von Cu, Mg bzw. Zn beim Gießen eines 16 Zoll · 50 Zoll großen Blocks einer Legierung 7050, die mit einem Konverfeinerer aus Aluminium, 5% Titan und 0,2% Bor verfeinert wurde.
Auf der Grundlage der in Fig. 3A dargestellten Abweichung in der Zusammensetzung an der Blockmittellinie wurde bei Verwendung des Verfahrens dieser Erfindung eine ungefähr 60%ige Verringerung der Makroseigerung von Kupfer an der Blockmittellinie in der Legierung 7050 erreicht. Es trat eine ungefähr 55%ige Verringerung (Fig. 3B) und eine 50%ige Verringerung (Fig. 3C) der Makroseigerung von Magnesium bzw. von Zink (Zn) an der Blockmittellinie in der Legierung 7050 ein, wenn das Verfahren gemäß dieser Erfindung verwendet wurde.
Zum besseren Verständnis der Art dieser Erfindung wird ein spezifisches Beispiel angegeben.

BEISPIEL

Mit dieser Erfindung wird eine wassergekühlte Kokillenform mit einem rechteckigen Formhohlraum bereitgestellt, der etwa 16 Zoll · 50 Zoll mißt. Die Höhe der Form beträgt etwa 5 Zoll. Um die Außenseite des Formhohlraums herum ist eine Spule aus Kupferrohr gewickelt. Die Innenseite dieser Spule ist etwa 2 Zentimeter bis 6 Zentimeter von der Außenseite des Formhohlraums beabstandet. Das Kupferrohr hat einen Durchmesser von etwa 0,50 Zentimetern und weist 90 Windungen auf. Nach dem Einleiten der geschmolzenen Aluminiumlegierung 7050 in den Formhohlraum wird mit dem Kühlen begonnen, und die Spule, die um die Außenseite des Formhohlraums herum angeordnet ist, erzeugt ein Magnetfeld, das im allgemeinen symmetrisch ist zur Längsachse des Formhohlraums, und das eine Stärke von mindestens etwa 500 Gauß besitzt. Dieses Magnetfeld dient dazu, einer unerwünschten Makroseigerung in der Aluminiumlegierung entgegenzuwirken.
Die Fachleute werden erkennen, daß mit dieser Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung einer unerwünschten Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Metallegierung bereitgestellt wird. Der resultierende verbesserte Block hat vorteilhafterweise ein verfeinertes, gleichachsiges Korngefüge und eine geringere Porengröße. Aus der oben beschriebenen Erfindung geht hervor, daß mit diesem Verfahren die unerwünschte Konvektion von Legierungsbestandteilen in geschmolzenen Metallegierungen verringert wird und ein im wesentlichen statisches Magnetfeld mit wenigstens zwei, sich auf der Längsachse des Blocks schneidenden Symmetrieebenen angelegt wird.

Claims

1. Verfahren zur Verringerung der Makroseigerung beim Gießen eines Blocks aus einer Aluminiumlegierung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Einleiten einer geschmolzenen Aluminiumlegierung in einen Gießformhohlraum (8);

Kühlen der geschmolzenen Aluminiumlegierung zur Ausbildung einer festen Zone (14), einer breiartigen flüssig-festen Zone (13) über der festen Zone, einer flüssigen Zone (16) über der breiartigen flüssig-festen Zone und einer Schmelzfläche (10) auf der flüssigen Zone; dadurch gekennzeichnet, daß:

während des Kühlens wenigstens ein im wesentlichen statisches Magnetfeld mit wenigstens zwei, sich auf der Längsachse des Blockes schneidenden Symmetrieebenen verwendet wird;

das Magnetfeld durch wenigstens eine Spuleneinrichtung (7) erzeugt wird, die einen inneren Bereich aufweist, durch den sich die Aluminiumlegierung bewegt;

die Spuleneinrichtung durch einen im wesentlichen statischen elektrischen Strom aktiviert wird, wobei der Strom einem durch die Spuleneinrichtung begrenzten Weg folgt und um wenigstens eines von der geschmolzenen Aluminiumlegierung und den Zonen herum verläuft;

die die Makroseigerung herbeiführenden Konvektionsströme der geschmolzenen Aluminiumlegierung mit Hilfe des Magnetfeldes gedämpft werden; und

eine Flußlinie des Magnetfeldes durch einen Punkt auf einer zur Grenzfläche zwischen der breiartigen flüssig-festen Zone (13) und der flüssigen Zone (16) tangentialen Linie in einem Winkel von mehr als 20 Grad geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor dem Einleiten der geschmolzenen Aluminiumlegierung in eine Gießform (1) ein Kornverfeinerungsmittel mit der geschmolzenen Aluminiumlegierung gemischt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 mit einem der folgenden Merkmale:

a) Ausbilden des Blockes in einer Stranggießform (1);

b) Ausbilden des Blockes in einer Gießform für halbkontinuierliches Gießen;

c) Gießen des Blockes in einem kreisrunden Formhohlraum;

d) Gießen des Blockes in einem nichtkreisrunden Formhohlraum;

e) Gießen des Blockes in einem rechteckigen Formhohlraum;

f) Gießen des Blockes in einem quadratischen Formhohlraum; oder

g) Gießen des Blockes in einem elliptischen Formhohlraum.

4. Verfahren nach Anspruch 1 mit einem der folgenden Merkmale:

a) Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung (47) über dem Formhohlraum (48);

b) Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung (7) unter dem Formhohlraum (8);

c) Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung unter dem Formhohlraum und Positionieren einer Innenseite der Spuleneinrichtung innerhalb von 2 bis 6 cm von einer Außenseite (5) des Blockes;

d) Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung (27) um die Außenseite des Formhohlraums (28) herum;

e) Positionieren wenigstens einer Spuleneinrichtung um die Außenseite des Formhohlraums herum und zum Teil unter dem Formhohlraum;

f) Positionieren einer Vielzahl von Spuleneinrichtungen unter (67B) dem Formhohlraum, über (67A) dem Formhohlraum, um die Außenseite des Formhohlraums herum, oder um die Außenseite des Formhohlraums herum und zum Teil unter dem Formhohlraum, und Kombinationen davon, wobei wahlweise der elektrische Strom in jeder der Spuleneinrichtungen in derselben Richtung verwendet wird; oder

g) Bereitstellen des Magnetfeldes mit einer Stärke von mindestens 500 Gauß.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Kerneinrichtung in dem Formhohlraum bereitgestellt wird, um einen Block mit einem hohlen Abschnitt herzustellen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierung verwendet wird, die aus der aus den Legierungsserien 2xxx, 2xxx, 5xxx und 7xxx bestehenden Gruppe ausgewählt wurde.

7. Vorrichtung zur Verringerung der Makroseigerung beim Gießen eines Blockes aus einer Aluminiumlegierung, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:

einen Gießformhohlraum (8) zur Aufnahme einer geschmolzenen Aluminiumlegierung;

eine Kühleinrichtung (4, 6) zum Kühlen des Gießformhohlraums (8), damit sich die geschmolzene Aluminiumlegierung verfestigt; und

wenigstens eine Spuleneinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Spuleneinrichtung geeignet ist, einen im wesentlichen statischen elektrischen Strom aufzunehmen, um wenigstens ein im wesentlichen statisches Magnetfeld mit wenigstens zwei, sich auf der Längsachse des Blockes schneidenden Symmetrieebenen zu erzeugen; wobei die Spuleneinrichtung (7) eine Einrichtung aufweist, um eine Flußlinie des Magnetfeldes durch einen Punkt auf einer zur Grenzfläche zwischen einer breiartigen flüssig-festen Zone und einer flüssigen Zone der Aluminiumlegierung tangentialen Linie in einem Winkel von mehr als 20 Grad zu schicken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einem der folgenden Merkmale:

a) die Spuleneinrichtung (47) ist über dem Gießformhohlraum (48) positioniert;

b) die Spuleneinrichtung (67B) ist unter dem Gießformhohlraum (68) positioniert;

c) die Spuleneinrichtung (27) ist um die Außenseite des Gießformhohlraums (28) herum positioniert;

d) die Spuleneinrichtung ist um die Außenseite des Gießformhohlraums herum und zum Teil unter dem Gießformhohlraum positioniert;

e) der Gießformhohlraum hat eine kreisrunde Form, wobei die Spuleneinrichtung wenigstens eine Spule mit einer Ringform ist;

f) der Gießformhohlraum hat eine nichtkreisrunde Form, wobei die Spuleneinrichtung wenigstens eine Spule mit einer nichtkreisrunden Form ist;

g) der Gießformhohlraum hat eine rechteckige Form, wobei die Spuleneinrichtung wenigstens eine Spule mit einer rechteckigen Form ist;

h) der Gießformhohlraum hat eine quadratische Form, wobei die Spuleneinrichtung wenigstens eine Spule mit einer quadratischen Form ist; oder

i) der Gießformhohlraum hat eine elliptische Form, wobei die Spuleneinrichtung wenigstens eine Spule mit einer elliptischen Form ist.