WO2007014916A1 - Verfahren zur herstellung metallhaltiger gusskörper und vorrichtung dafür - Google Patents

Verfahren zur herstellung metallhaltiger gusskörper und vorrichtung dafür Download PDF

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    • C22C—ALLOYS
    • C22C45/00—Amorphous alloys

Definitions

  • the invention relates to the fields of materials science and process engineering and relates to a method for producing metal-containing castings, as can be used for example for the production of moldings from metallic glasses and an apparatus for implementing this method.
  • a metallic glass is a metastable alloy that has no long-range order, unlike normal crystalline materials. Its structure is amorphous and resembles that of a liquid. To obtain the amorphous state on cooling, several conditions must be satisfied. Thus, nucleation and seed growth must be suppressed to freeze the structure of the liquid. To realize this, the metallic melt must be cooled very quickly, for example by contact with the surface of a very good heat-conducting heat sink. The quality of the thermal contact and the thickness and thermal conductivity of the liquid layer determine the cooling rate.
  • a well-known and widespread method for casting metals and also massive metallic glasses is the casting into cold molds.
  • the melt is forced by different measures in the mold and solidifies there in the form prescribed by the mold.
  • the mold is made of good heat conducting material.
  • the casting process is very fast. First, the metal is melted in a crucible, and then the melt is forced by gas pressure or centrifugal force into the mold.
  • the surface of the mold In order to ensure a good thermal contact between the metallic melt and the mold, advantageously made of copper, the surface of the mold must be very clean. This can be easily realized by mechanical cleaning and pickling.
  • the melt should wet the mold well. The wetting depends essentially on the viscosity and interfacial tension of the melt with respect to the copper mold and with respect to the ambient atmosphere. The viscosity depends very much on the temperature. It decreases exponentially with increasing temperature, while the interfacial tensions decrease linearly with increasing temperature. Small values of viscosity and interfacial tension, which are desirable for good wetting and for good filling of the mold, can in principle be set by a high temperature.
  • the object of the present invention is to specify a method for producing metal-containing castings and a device therefor, in which in addition high cooling rates and a good mold filling during casting without overheating a metal-containing melt is achieved.
  • a metal-containing melt is introduced into an electrically conductive casting mold, wherein the metal-containing melt and the mold are electrically conductively connected to the outputs of the same voltage source during introduction into a casting mold, so that through the boundary layer between the melt and form a preset current flows.
  • the metal-containing melt to more than 50 wt .-% of a metal.
  • molten amorphous metals are used as metal-containing melt.
  • the metal-containing melt is connected via an electrode to a voltage source.
  • the introduction of the metal-containing melt into the casting mold is realized by the die-casting method.
  • the apparatus according to the invention for producing metal-containing castings there is an electrically conductive connection between a metal-containing melt and a voltage source.
  • an electrically conductive mold is present, in which the metal-containing melt is to be introduced, which is also electrically connected to the same voltage source as the metal-containing melt.
  • the metal-containing melt is in a device for melting out of metals, even more advantageously in an induction furnace.
  • the metal-containing melt is connected via an electrode, advantageously via a tungsten electrode, to a voltage source.
  • the metal-containing melt is introduced into the casting mold by means of die casting technology.
  • the melting and casting of the metal-containing compounds takes place in a closed system Inert gas atmosphere.
  • the likewise advantageously inductively molten metal-containing melt is pressed into the mold, for example by overpressure of the atmosphere, for example argon atmosphere.
  • the tension can be changed for each shaping operation or even during a shaping operation.
  • a short-circuit current between metal-containing melt and electrically conductive mold is predetermined.
  • the main advantage of the solution according to the invention is the specific variability of the wetting behavior between melt and mold without overheating of the melt so that the melt wets the mold better and the contact between melt and mold becomes more homogeneous. Depending on the type of melt, specific property improvements result for different materials.
  • Another advantage of the solution according to the invention is that the coercive force of the produced castings is smaller and their magnetization is higher by the application of electrical voltage during the molding process in soft magnetic materials. This is achieved by lower internal stresses during shaping, which is due to the more homogeneous cooling and then leads to improved magnetic and mechanical properties of the product according to the invention. In addition, complex shapes are better formed and the products according to the invention also become mechanically stronger.
  • a metallic melt is produced in an induction furnace under argon atmosphere.
  • a tungsten electrode which is connected to a voltage source, reaches into the metallic melt.
  • the copper mold is also electrically connected to the voltage source. After applying the voltage of 230 V, the outflow opening in the induction furnace is opened. At the same time, an argon overpressure of 200 kPa is applied. As a result, the metallic melt is pressed into the recess in the copper mold and fills it completely due to the lower surface tension. After cooling and opening the copper mold is a complete annular disc with the desired dimensions.
  • the alloy Fe B s 1S Cr 4 Mo 4 Ga 4 P-> C 5 B 515 can not be cast amorphously into an annular disk according to the prior art methods. According to the method of Example 1 can now be made of this alloy a complete annular disc, wherein the product is in an amorphous form.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaften und betrifft ein Verfahren, wie es beispielsweise zur Herstellung von Formkörpern aus metallischen Gläsern zur Anwendung kommen kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahren und einer Vorrichtung, bei denen neben hohen Abkühlraten auch eine gute Formausfüllung beim Gießen erreicht wird. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem eine metallhaltige Schmelze in eine elektrisch leitfähige Gussform eingebracht wird, wobei während der Einbringung in eine Gussform die metallhaltige Schmelze und die Form mit den Ausgängen der gleichen Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden sind, so dass durch die Grenzschicht zwischen Schmelze und Form ein voreingestellter Strom fließt. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung, bei der zwischen einer metallhaltigen Schmelze und einer elektrisch leitenden Gussform für die Schmelze eine elektrisch leitende Verbindung zu einer Spannungsquelle besteht.

Description

Verfahren zur Herstellung metallhaltiger Gusskörper und Vorrichtung dafür
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Materialwissenschaften und der Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallhaltiger Gusskörper, wie es beispielsweise zur Herstellung von Formkörpern aus metallischen Gläsern zur Anwendung kommen kann und eine Vorrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens.
Ein metallisches Glas ist eine metastabile Legierung, die im Gegensatz zu normalen kristallinen Materialien keine Fernordnung aufweist. Seine Struktur ist amorph und ähnelt der einer Flüssigkeit. Um den amorphen Zustand beim Abkühlen zu erhalten, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. So müssen die Keimbildung und das Keimwachstum unterdrückt werden, um die Struktur der Flüssigkeit einzufrieren. Um dies zu realisieren, muss die metallische Schmelze sehr schnell abgekühlt werden, beispielsweise durch Kontakt mit der Oberfläche eines sehr gut wärmeleitenden Kühlkörpers. Die Güte des Wärmekontaktes und Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeitsschicht bestimmen die Abkühlrate.
Ein bekanntes und weit verbreitetes Verfahren, um Metalle und auch massive metallische Gläser zu gießen, ist der Abguss in kalte Kokillen. Dabei wird die Schmelze durch unterschiedliche Maßnahmen in die Kokille gezwungen und erstarrt dort in der durch die Kokille vorgegebenen Form. Um im Falle von metallischen Gläsern hohe Abkühlraten zu erzielen, wird die Kokille aus gut wärmeleitendem Material hergestellt. Der Gießvorgang erfolgt dabei sehr schnell. Zunächst wird das Metall in einem Tiegel aufgeschmolzen, und anschließend wird die Schmelze durch Gasdruck oder Fliehkraft in die Form gezwungen.
Um einen guten Wärmekontakt zwischen der metallischen Schmelze und der Kokille, vorteilhafterweise aus Kupfer, zu gewährleisten, muss die Oberfläche der Form sehr sauber sein. Dies kann durch mechanisches Säubern und Beizen leicht realisiert werden. Außerdem sollte die Schmelze die Form gut benetzen. Die Benetzung hängt im Wesentlichen von der Viskosität und Grenzflächenspannung der Schmelze gegenüber der Kupferkokille und gegenüber der Umgebungsatmosphäre ab. Die Viskosität hängt sehr stark von der Temperatur ab. Sie nimmt exponentiell mit zunehmender Temperatur ab, während die Grenzflächenspannungen linear mit zunehmender Temperatur abnehmen. Kleine Werte von Viskosität und Grenzflächenspannung wie sie für eine gute Benetzung und für eine gute Füllung der Form anzustreben sind, können prinzipiell durch eine hohe Temperatur eingestellt werden. Allerdings bedingt eine Temperaturerhöhung auch eine höhere abzuführende Wärmemenge, was zu einer geringeren Abkühlgeschwindigkeit führt und deshalb nicht anzustreben ist. Ein Überhitzen der Schmelze führt beim Gießen kristalliner Legierungen zur guten Füllung der Form, aber beim Gießen metallischer Gläser ist die Überhitzung zu vermeiden, um den amorphen Zustand einfrieren zu können.
Es ist außerdem bekannt, dass Verunreinigungen der Schmelze mit Sauerstoff die Herstellbarkeit metallischer Gläser beeinträchtigt und deren Eigenschaften verschlechtert. Dieser Effekt wird durch heterogene Keimbildung an Oxidteilchen in der Schmelze erklärt. Eine Methode zur elektrochemischen Reinigung der Schmelze vor dem Abguss durch einen Stromfluss zwischen einer auf der Schmelze schwimmenden Schlacke und der Metallschmelze wurde von S. Bossuyt et al., Mater. Sei. Eng. A 375-377 (2004) 240-243 beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahren zur Herstellung metallhaltiger Gusskörper und einer Vorrichtung dafür, bei denen neben hohen Abkühlraten auch eine gute Formausfüllung beim Gießen ohne Überhitzen einer metallhaltigen Schmelze erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung metallhaltiger Gusskörper wird eine metallhaltige Schmelze in eine elektrisch leitfähige Gussform eingebracht, wobei während der Einbringung in eine Gussform die metallhaltige Schmelze und die Form mit den Ausgängen der gleichen Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden sind, so dass durch die Grenzschicht zwischen Schmelze und Form ein voreingestellter Strom fließt.
Vorteilhafterweise besteht die metallhaltigen Schmelze zu mehr als 50 Ma.-% aus einem Metall.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden als metallhaltige Schmelze aufgeschmolzene amorphe Metalle eingesetzt.
Weiterhin vorteilhafterweise wird eine Gussform aus einem gut wärmeleitenden Metall, noch vorteilhafterweise aus Kupfer, eingesetzt.
Es ist auch von Vorteil, wenn die metallhaltige Schmelze über eine Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist.
Und von Vorteil ist auch, wenn eine induktiv erwärmte metallhaltige Schmelze eingesetzt wird.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn an der Spannungsquelle eine Spannung von 0.5 V bis 42 V abgenommen wird.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn das Einbringen der metallhaltigen Schmelze in die Gussform durch das Druckgussverfahren realisiert wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung metallhaltiger Gusskörper besteht zwischen einer metallhaltigen Schmelze und einer Spannungsquelle eine elektrisch leitende Verbindung. Weiterhin ist eine elektrisch leitende Gussform vorhanden, in die die metallhaltige Schmelze eingebracht werden soll, die ebenfalls elektrisch leitend mit der gleichen Spannungsquelle wie die metallhaltige Schmelze verbunden ist.
Vorteilhafterweise befindet sich die metallhaltige Schmelze in einer Vorrichtung zum Ausschmelzen von Metallen, noch vorteilhafterweise in einem Induktionsofen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die metallhaltige Schmelze über eine Elektrode, vorteilhafterweise über eine Wolfram-Elektrode, mit einer Spannungsquelle verbunden ist.
Auch von Vorteil ist es, wenn eine Gussform aus einem gut wärmeleitenden Material, vorteilhafterweise aus Kupfer eingesetzt ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine gute Formausfüllung bei hohen Abkühlraten erreicht, ohne die metallhaltige Schmelze zu überhitzen.
Das Anlegen der elektrischen Spannung zwischen der metallhaltigen Schmelze und der elektrisch leitfähigen Gussform mindestens während der Einbringung in die Gussform wird die Grenzflächenspannung der metallhaltigen Schmelze erniedrigt. Dies führt zu einem guten thermischen Kontakt zwischen metallhaltiger Schmelze und der elektrisch leitfähigen Gussform, wodurch eine vollkommenere Füllung der Gussform erreicht wird, ohne die metallhaltige Schmelze zu überhitzen. Auch sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtung kompliziertere Formteile beispielsweise aus massiven metallischen Gläsern leichter und in größeren Abmessungen herstellen.
Vorteilhafterweise erfolgt das Einbringen der metallhaltigen Schmelze in die Gussform mittels Druckgusstechnik. Dabei erfolgt das Schmelze und Gießen der metallhaltigen Verbindungen in einem geschlossenen System unter Intertgasatmosphäre. Die ebenfalls vorteilhafterweise induktiv erschmolzene metallhaltige Schmelze wird beispielsweise durch Überdruck der Atmosphäre, beispielsweise Argonatmosphäre, in die Form gepresst.
Die Spannung kann je Formgebungsvorgang oder auch während eines Formgebungsvorganges verändert werden. Dabei ist ein Kurzschlussstrom zwischen metallhaltiger Schmelze und elektrisch leitender Gussform vorbestimmt.
Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die gezielte Veränderbarkeit des Benetzungsverhaltens zwischen Schmelze und Form ohne Überhitzung der Schmelze so, dass die Schmelze die Form besser benetzt und der Kontakt zwischen Schmelze und Form homogener wird. Je nach Art der Schmelze ergeben sich für verschiedene Werkstoffe spezifische Eigenschaftsverbesserungen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch das Anlage der elektrischen Spannung während des Formgebungsvorganges bei weichmagnetischen Werkstoffen die Koerzitivfeldstärke der hergestellten Gusskörper kleiner und deren Magnetisierung höher ist. Dies wird erreicht durch geringere innere Spannungen während der Formgebung, was auf die homogenere Abkühlung zurückzuführen ist und dann zu verbesserten magnetischen und mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Produktes führt. Außerdem werden komplexe Formen besser ausgeformt und die erfindungsgemäß hergestellten Produkte auch werden mechanisch fester.
Im Weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Aus 100 g einer FeCPBSiMn-Legierung (Gusseisen mit Bor- und Phosphorzusatz) wird in einem Induktionsofen unter Argonatmosphäre eine metallische Schmelze hergestellt. In die metallische Schmelze reicht eine Wolfram-Elektrode hinein, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Unter dem Induktionsofen ist eine Kupferkokille angeordnet, die Aussparungen zur Ausformung einer gegossenen Ringscheibe enthält. Es soll eine Ringscheibe mit den Abmessungen, innerer Durchmesser = 18 mm, äußerer Durchmesser = 26 mm, Dicke = 1 mm, gegossen werden. Die Kupferkokille ist ebenfalls mit der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden. Nach Anlegen der Spannung von 230 V wird die Ausflussöffnung im Induktionsofen geöffnet. Gleichzeitig wird ein Argonüberdruck von 200 kPa angelegt. Dadurch wird die metallische Schmelze in die Aussparung in der Kupferkokille gedrückt und füllt diese aufgrund der geringeren Oberflächenspannung vollständig aus. Nach dem Abkühlen und Öffnen der Kupferkokille liegt eine vollständige Ringscheibe mit den gewünschten Abmessungen vor.
Beispiel 2
Die Legierung FeBs1SCr4Mo4Ga4P-^C5B515 kann nach den Verfahren des Standes der Technik nicht amorph zu einer Ringscheibe gegossen werden. Gemäß dem Verfahren nach Beispiel 1 kann nun aus dieser Legierung eine vollständige Ringscheibe hergestellt werden, wobei das Produkt in amorpher Form vorliegt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung metallhaltiger Gusskörper, bei dem eine metallhaltige Schmelze in eine elektrisch leitfähige Gussform eingebracht wird, wobei während der Einbringung in eine Gussform die metallhaltige Schmelze und die Form mit den Ausgängen der gleichen Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden sind, so dass durch die Grenzschicht zwischen Schmelze und Form ein voreingestellter Strom fließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die metallhaltigen Schmelze zu mehr als 50 Ma. -% aus einem Metall besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als metallhaltige Schmelze aufgeschmolzene amorphe Metalle eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Gussform aus einem gut wärmeleitenden Metall eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine Gussform aus Kupfer eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die metallhaltige Schmelze über eine Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine induktiv erwärmte metallhaltige Schmelze eingesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem an der Spannungsquelle eine Spannung von 0.5 V bis 42 V abgenommen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Einbringen der metallhaltigen Schmelze in die Gussform durch das Druckgussverfahren realisiert wird.
10. Vorrichtung zur Herstellung metallhaltiger Gusskörper, bei dem zwischen einer metallhaltigen Schmelze und einer Spannungsquelle eine elektrisch leitende Verbindung besteht und weiterhin eine elektrisch leitende Gussform, in die die metallhaltige Schmelze eingebracht werden soll, elektrisch leitend mit der gleichen Spannungsquelle verbunden ist.
11.Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem sich die metallhaltige Schmelze in einer Vorrichtung zum Ausschmelzen von Metallen befindet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , bei dem sich die metallhaltige Schmelze in einem Induktionsofen befindet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem die metallhaltige Schmelze über eine Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem die metallhaltige Schmelze über eine Wolfram-Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem eine Gussform aus einem gut wärmeleitenden Material eingesetzt ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei dem eine Gussform aus Kupfer eingesetzt ist.
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