Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von Gußwerkstoffen, insbesondere Metallen und Metallegierungen, insbesondere zur Verbesserung der Kornfei- nung, Veredelung und anderer mechanischer und/oder gießtech- nischer Eigenschaften des Gußwerkstoffs, wie z.B. das Spei- sungs-, Formfüllungs- und Fließvermögen-

Die Verwendung nahezu aller in der Technik eingesetzten Metalle und Metallegierungen setzt kontrollierte Gefügestrukturen vor- aus, die meist aus möglichst fein und gleichmäßig verteilten Kristalliten in den hergestellten Werkstoffen und Bauteilen bestehen sollen. Diese Gefügestrukturen legen prinzipiell die erzielbaren Gebrauchseigenschaften fest und sind gleichermaßen verantwortlich für eine Vielzahl notwendiger Behandlungsschrit- te, um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu realisieren. Insbesondere ist dies z.B. die bekannte Hall-Petch-Beziehung, wonach die Festigkeit eines metallischen Werkstoffes propor¬ tional zur reziproken Quadratwurzel der Kristallitgröße ist. Ebenso spielt die Kristallitgröße eine wichtige Rolle bei der zur Gefügeeinstellung notwendigen Wärmebehandlung, denn bei möglichst kleinen Kristallitgrößen sind die Seigerungs- d.h. die Konzentrationsunterschiede, die während der Erstarrung auf¬ treten, geringer, was sich direkt auf die erforderlichen Glüh¬ zeiten positiv auswirkt, da hierbei die die Konzentrations- unterschiede ausgleichenden Diffusionslängen geringer sind. In gießtechnischer Hinsicht lassen sich Metalle und Metallegierun¬ gen, die so behandelt sind, daß sie feinkörnig erstarren, wesentlich besser verarbeiten: Die Gießeigenschaften, insbe¬ sondere das Formfüllungs- und Fließvermögen sowie das Spei- sungsverhalten sind besser, die Warmrißneigung und die Poro¬ sität sind geringer. Auch bei der Herstellung und Weiterver¬ arbeitung von Halbzeugen sind möglichst feinkörnige Gefüge erforderlich, z.B. lassen sich Barren mit feinem Gefüge leicht

und mit geringerer Fehlerneigung zu Flachprodukten walzen als Barren mit grobem Gefüge, das zu sogenannten Kornrissen neigt. Bleche und Folien aus feinkörnigen Gußbarren haben auch bessere Oberflächenqualitäten.

Am Beispiel von Aluminium und Aluminiumlegierungen sollen oben genannte Eigenheiten der Verbesserung stellvertretend für die industriell eingesetzten Metalle und Metallegierungen beschrie¬ ben werden.

Eine Verbesserung der Eigenschaften von Aluminium und den mei¬ sten Aluminiumlegierungen wird durch die sogenannte Kornfeinung bewirkt. Für hoch siliziumhaltige Aluminiumlegierungen kann eine weitere Verbesserung durch die sogenannte Veredelung vor- genommen, die oft noch zusätzlich durch eine Kornfeinung unter¬ stützt wird. Bei der Kornfeinung werden keimwirksame Kristal- lite der zu feinenden Aluminiumschmelze zugesetzt, die in der erstarrenden Schmelze nach gängiger Lehrmeinung als Keime für die sich darauf bildenden Kristalle wirken. Als vorteilhaft haben sich im Laufe der Zeit die intermetallische Verbindung Al ₃ Ti und die Verbindung TiB ₂ sowie TiC herausgestellt und in der industriellen Anwendung bewährt.

Die Veredelung als ein Beispiel der Verbesserung der Eigen- Schäften von Gußwerkstoffen wird bei siliziumhaltigen Alumi¬ niumlegierungen vorwiegend mit Elementen wie Natrium oder Strontium vorgenommen, die bewirken, daß sich die bei der Er¬ starrung bildenden Siliziumkristalle in sehr feinkörniger Form ausscheiden. Wird diese Veredelung nicht vorgenommen, scheiden sich die sehr spröden Siliziumkristalle als grobe, scharfkanti¬ ge Kristalle aus, die das Gefüge sehr spröde machen und somit ^• die Gebrauchsfähigkeit der hieraus gefertigten Bauteile ein¬ schränken.

Bei der Veredelung durch z.B. Natriumzusätze begünstigt dieses Natrium eine gewisse Unterkühlung der Schmelze und damit eine

feinkörnige eutektische KristallisationvonAluminium-Silizium- Schmelzen. Durch den Natriumzusatz verschiebt sich der eutekti¬ sche Punkt geringfügig. Die Veredelung von eutektischen und nah-eutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen behindert die PrimärausScheidung von körnigem Silizium bei Unterkühlung bis unterhalb der eutektischen Temperatur. Zur Erklärung der Ver¬ edelungswirkung von Natrium- oder Strontium-Zusätzen im Bereich von 100 ppm bis 200 ppm geht man von einer Keim-Inaktivierung des Aluminiumphosphits aus, die eine Primärausscheidung des eutektischen Siliziums unterdrückt und damit das entartete Eutektikum des körnigen Gefüges verhindert.

Im Stand der Technik werden verschiedene Verfahren zur Kornfei- nung vorgeschlagen. In der EP-A-0 178 502 wird ein Verfahren dargestellt, bei dem der Schmelze ein "Gut" zugeführt wird, das mittels eines Plasma-Lichtbogens feinverteilt in die Schmelze gelangt. Hierbei wird der Schmelze eine beträchtliche Wärme¬ menge zugeführt. Die Bauart der in der obigen Druckschrift skizzierten Anordnung läßt darauf schließen, daß eine effektive Entgasung und eine gründliche und schnelle Verteilung des ge¬ lösten Gutes nur schwer möglich ist. Desweiteren ist das in Fig. 2 der obigen Druckschrift dargestellte Bauteil einer ex¬ tremen thermischen Beanspruchung ausgesetzt, so daß die durch das Plasma stark erhitzte Schmelze bauartbedingt aus dem Rohr nur relativ langsam entweichen kann. Mit dem bekannten Verfah¬ ren lassen sich deshalb insgesamt nicht so gute Ergebnisse erzielen, wobei ein starker Verschleiß des Rohres zu erwarten ist, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens negativ beein¬ flußt. Gleiches gilt für die Verfahren gemäß US-A-4 793 971 und DE-A-38 28 613.

Aus US-A-5 160 533 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Stick¬ stoff über einen feststehenden Lichtbogen in die Schmelze ein¬ gebracht und direkt verteilt wird. Der Stickstoff reagiert bei den hohen Temperaturen des Lichtbogens mit der Aluminiumschmel¬ ze und bildet kornfeinend wirkendes Aluminiumnitrid. Diese

Methode ist zwar aufgrund des relativ preiswerten Stickstoffes kostengünstig, führt allerdings auf die Dauer, d.h. mit zuneh¬ mendem Recycling, ebenso zu einer Anreicherung kornfeinend wirkender Substanzen, wie es bei den obigen bekannten Verfahren der Fall ist. Aluminiumnitrid ist als sehr hartes Material be¬ kannt. Sollte die gemäß US-A-5 160 533 keimwirksamen Partikel zu größeren Aggregaten agglomerieren, so würde bei einem sich an den Gießvorgang anschließenden Walzvorgang bei der Folien¬ herstellung eine Zerstörungsgefahr für die Walzen bzw. die Folie bestehen. Es ist außerdem fraglich, ob das bekannte Ver¬ fahren auch auf Schmelzen anwendbar ist, die nicht aus Alumi¬ nium und Silizium bestehen.

Weitere Schmelzebehandlungsverfahren sind aus W093/12261, GB-A- 2 014 615, DE-B-35 90 837, US-A-4 248 630 und WO90/00205 be¬ kannt.

Das zunehmende, in jedem Fall als positiv zu bewertende Recyc¬ ling von Aluminium und Aluminiumlegierungen führt hinsichtlich der kornfeinend wirkenden Kristallite auch zu einer Anreiche¬ rung derselben in den recycelten Legierungen. Dies kann zu Agglomeratbildung, unkontrollierter Anreicherung oder zu einem zu hohen Gehalt an Kornfeinungsmittel führen. Die Entfernung desselben ist schwierig. Gängig ist ein Verdünnen mit neuem Aluminium, was allerdings zu einer, sicherlich in Zukunft uner¬ wünschten Erhöhung des Bestandes an recycelten Aluminiumlegie¬ rungen führen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur weiteren Verbesserung (insbesondere auch Kornfeinung und/oder Veredelung) von Gußwerkstoffen, vorzugsweise Metalle und Metallegierungen zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine deut¬ liche Verringerung der Korngröße in der kornzufeinenden Metall- legierung zu erreichen im Vergleich zu bisherigen Maßnahmen. Die Veredelung von Aluminium-Silizium-Legierungen mit dem er- findungsgemäßen Verfahren führt ebenfalls zu einer Verbesse¬ rung, d.h. zu einer feineren Ausbildung der eutektischen Ge¬ fügeanteile. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patent¬ ansprüche auf verschiedene Arten gelöst. Demnach sind verschie¬ dene Verfahrensvarianten möglich, die zu einer Verbesserung führen.

Nach der Erfindung wird eine Metall- oder Metallegierungs- schmelze zunächst konventionell behandelt und vor oder beim Abguß in die Gießform lokal stark erhitzt, so daß die Metall- legierungsschmelze partiell sehr stark überhitzt wird. Hier¬ durch wird eine Teilmenge der Schmelze derart überhitzt, daß alle in diesem thermischen Einzugsbereich befindlichen, ver¬ bessernd, insbesondere kornfeinend oder veredelnd wirkenden Kristallite des zugegebenen Behandlungsmittels innerhalb kürze- ster Zeit aufgeschmolzen und vollständig aufgelöst oder sonst¬ wie aktiviert werden. Diese Behandlungsmaßnahme kann sowohl an der Oberfläche der Metall- oder Metalllegierungsschmelze, als auch unter derselben erfolgen. Sobald die strömende Schmelze den Einflußbereich der Hitzeeinwirkung verläßt, kühlt sich der hocherhitzte Bereich schlagartig wieder auf die Gießtemperatur der übrigen Metallschmelze ab.

Erfindungsgemäß wird also die Metall- oder Metallegierungs- schmelze vor der gießtechnischen Verarbeitung wenigstens teil- weise lokal erhitzt und dadurch die Schmelze partiell so hoch erhitzt, daß die darin enthaltenen Substanzen aktiviert oder

' aufgelöst oder wenigstens teilweise aufgelöst werden und in der restlichen, nicht überhitzten Metallschmelze derart wirken, daß das metallische Gefüge nach der Erstarrung der Schmelze verbes- sert wird.

Für den Fall der Kornfeinung von Aluminiumlegierungen scheiden sich durch diese hohe Abkühlgeschwindigkeit sehr kleine, korn¬ feinend wirkenden Kristallite direkt in der strömenden Schmelze aus und werden durch den weiteren Fließvorgang der Metall- schmelze intensiv in derselben verteilt. Überraschenderweise erfolgt hierdurch eine Kornfeinung des erstarrenden Gefüges.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in einer deutlichen Verbesserung der Gieß-, Erstarrungs- und Gebrauchseigenschaften.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die in der Gießerei be¬ währten Behandlungsschritte nicht geändert zu werden brauchen; es muß lediglich ein zusätzliches Gerät in der Nähe der zu be- handelnden Metallegierungsschmelze oder des Gießplatzes instal¬ liert werden, daß die lokale Überhitzung gewährleistet.

Zum Verständnis der Erfindung sei noch darauf hingewiesen, daß in der industriellen Praxis reine Metalle nicht existieren. Be- kanntermaßen ist es nämlich aus physikalischen und thermodyna- mischen Gründen unmöglich, ein reines Metall, d.h. ein Metall, das aus nur einem einzigen Element besteht, zu erzeugen. Daher befinden sich immer "Verunreinigungen" in mehr oder weniger starkem Ausmaß in "reinen Metallen" . Bestimmte Elemente lösen sich bei den in der Praxis üblichen Prozeßtemperaturen und -Zeiten; diese Elemente liegen daher völlig gelöst in den Metallschmelzen vor. Es gibt allerdings Verbindungen, die auch in reinen Metallen unter den üblichen Prozeßtemperaturen und -Zeiten nicht in Lösung gehen. Beispielsweise befinden sich in Aluminiumschmelzen intermetallische Verbindungen, die sehr hohe Schmelztemperaturen aufweisen, wie z.B. TiB ₂ . Im Rahmen dieser Erfindung können definierte Schmelztemperaturen nicht angegeben werden, weil zwar "reine Metalle" einen Schmelzpunkt haben, jedoch Legierungen ein Schmelzintervall aufweisen und lediglich bei einer eutektischen Legierung wiederum ein Schmelzpunkt vor¬ liegt. Metallkundlich gesehen, gibt es noch weitere Kombinatio-

nen aus Schmelzpunkten bzw. -intervallen. Die Schmelzintervalle werden üblicherweise durch die Liquidus- und Solidustemperatur angegeben. Für den Fall des reinen Metalls sind beide Tempera¬ turen gleich. Die erfindungsgemäße Aufheizurig des Gußwerkstoffs "bis zum Schmelzen" meint das Überschreiten der Liquidustempe- ratur, welche die technisch übliche Temperatur ist. Die Haupt¬ komponenten der Legierung sind dann vollständig aufgeschmolzen bzw. aufgelöst. Noch nicht gelöst sind die oben genannten hoch¬ schmelzenden Verbindungen, auch Phasen, Kristallite, Oxide, Boride, Karbide usw. genannt. Unter einem Gußwerkstoff sind im Rahmen dieser Erfindung insbesondere die in der industriellen Praxis angewandten Legierungen und Metalle mit ihrer jeweils technisch darstellbaren Reinheit gemeint.

Die Begriffe "lokal begrenzt" und "partiell" sollen im Rahmen dieser Erfindung bedeuten, daß die an diesem Ort eingebrachte Wärmeenergie (beispielsweise mittels Laser, Lichtbogen oder Induktion) lediglich zu einer örtlich begrenzten Überhitzung der Schmelze führt und nicht ausreicht, den Gußwerkstoff, von Raumtemperatur ausgehend, aufzuschmelzen oder zu überhitzen. Ein Hauptaspekt der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine partielle Überhitzung in einer Zone lediglich geringen Ausmaßes erfolgt; die eingebrachte Energie reicht also bei weitem nicht aus, die Schmelze flüssig zu halten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch diese partielle Überhitzung lediglich die teilweise Auflösung von in der Schmelze vorhandenen Phasen er¬ zielt. Der sich aus der Erfindung ergebende entscheidende Vor¬ teil ist, daß im Prinzip der Schmelzprozeß für die partielle starke Überhitzung nicht verändert werden muß und keine höheren Prozeßtemperaturen für die gesamte Schmelzenmenge erforderlich sind, was andernfalls einen erheblichen Einfluß auf die benö¬ tigten Zustellungen (Behältermaterial) der Schmelzöfen hätte, da diese bei höheren Temperaturen von der Schmelze stark ange¬ griffen würden. Dies hätte einen erhöhten Verschleiß der Zu- Stellung und eine Verunreinigung der Schmelze zur Folge.

Sofern im Rahmen dieser Beschreibung von der Auflösung "einiger der in der Schmelze befindlichen Phasen" die Rede ist, soll folgende Erläuterung abgegeben werden. Für das Beispiel einer Aluminiumlegierung läßt sich bezogen auf die obige Aussage fol- gendes sagen: Die chemische Zusammensetzung dieser Legierung besteht zum einen aus den bewußt gewählten Legierungskomponen¬ ten und zum anderen aus den je nach Reinheitsgrad mehr oder weniger stets vorkommenden Verunreinigungen. Diese wiederum können aus verschiedenen chemischen Verbindungen bestehen, bei- spielsweise Oxide, Boride, Karbide, intermetallische Verbin¬ dungen usw. Oft sind deren Schmelztemperaturen höher als die Schmelztemperatur der eigentlichen Legierung, so daß sich auch in der Schmelze noch Anteile fester Verunreinigungen befinden. Um nun keine Wertung vorzunehmen, welche dieser Verunreinigun- gen gut oder schlecht sind, ist im Rahmen dieser Erfindung der metallkundlich korrekte Begriff "Phasen" gewählt worden.

Mit dem Begriff "Schmelzenumgebung" ist die Umgebung der par¬ tiell stark erhitzten Zone der Schmelze gemeint.

Eines der entscheidenden Merkmale der Erfindung ist ferner, daß der zu behandelnden Schmelze keine wirksamen Substanzen zuge¬ fügt werden, sondern vielmehr lediglich mit den in der Schmelze schon vorhanden Phasen eine Kornfeinungs- bzw. Veredelungswir- kung bei gleichzeitiger Entgasung der Schmelze erzielt wird. Das zugeführte Gas nimmt also nicht an der Kornfeinung teil, was auch durch die Bezeichnung "Inertgas" zum Ausdruck kommt. Das Rühren ist bei der Erfindung insofern wichtigt, als fort¬ laufend immer neue Schmelzenmengenteile partiell überhitzt werden und somit eine große Menge an aufgelösten Phasen ent¬ steht (vorstehende Aussage gilt insbesondere bei der Weiterbil¬ dung des Verfahrens gemäß Anspruch 38) .

In einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch festgestellt worden, daß eine überaus gute Verbesse¬ rung eintritt, wenn der zu behandelnden Metallegierungsschmelze

ein hocherhitztes Metall zugegeben wird, daß in der Schmelze eine verbessernde Wirkung ausübt . Vorzugsweise kann dieses Metall bei der Kornfeinung von Aluminium und Aluminiumlegie¬ rungen aus der 4. Nebengruppe stammen, insbesondere eignen sich Titan oder Zirkonium. Desgleichen kann nach der Ausbildung dieses Verfahrens eine wirkungsvolle Veredelung siliziumhalti- ger Aluminiumlegierungen mit veredelnd wirkenden Elementen, insbesondere mit Natrium oder Strontium erfolgen. Selbstver¬ ständlich ist auch die Kornfeinung mit borhaltigen Legierungen, beispielsweise AlTi5Bl oder SiB ₂ oder dergleichen sehr wir¬ kungsvoll.

Dem Fachmann ist bekannt, daß eine hoch überhitzte Schmelze sehr grobkristallin erstarrt. Demgegenüber wurde mit der Erfin- düng überraschenderweise festgestellt, daß auch eine stark überhitzte arteigene Schmelze, die der zu behandelnden (Metall- legierungs-) Schmelze zugegeben wird, zu einer Verbesserung der Kornfeinung bzw. Veredelung führt.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, die partielle Überhitzung direkt im Schmelzgefäß vorzunehmen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Schmelze durch eine induktive Rührwirkung intensiv gemischt wird, und somit eine gleichmäßige Verteilung der behandelten Schmelze erfolgt. Die induktive Rührwirkung, z.B. beim Induk¬ tionsschmelzen, begünstigt allgemein die erfindungsgemäße Wir¬ kung der Verbesserung.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt wer- den, daß die partielle Überhitzung an der strömenden Metall¬ schmelze vorgenommen wird, derart, daß die Behandlung beim Ausgießen aus dem Schmelzgefäß, beim Eingießen in den Gießtüm¬ pel bzw. in die Zuführrinne oder in die Gießkokille erfolgt. Die Fließbewegung der Schmelze sorgt hierbei für eine intensive Vermischung der Behandelten mit der restlichen Schmelze.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, die Metallegierungsschmelze mittels einer Induk¬ tionsheizeinrichtung partiell zu Überhitzen. Diese Heizeinrich¬ tung kann beispielsweise konzentrisch in Form einer Spule um ein schmelzebeständiges, isolierendes Rohr angeordnet sein, das von der zu behandelnden Schmelze durchströmt wird. Die elektro¬ magnetischen Daten sind dann so bemessen, daß die Schmelze an ihrer, der Innenseite des Rohres zugewandten Seite oberfächlich stark überhitzt wird. Die strömende Schmelze sorgt für eine intensive Vermischung der Behandelten mit der restlichen Schmelze.

Nach der Erfindung kann die partielle Überhitzung weiterhin mittels eines energiereichen Laserstrahles erfolgen, wobei einerseits die im Bereich der Überhitzung befindlichen Metalle und Verbindungen vollständig aufschmelzen und andererseits derart aktiviert werden, daß eine ungewöhnlich effektive Ver¬ besserung, insbesondere Kornfeinung oder Veredelung des zu behandelnden Metalles oder der Metallegierung erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt wer¬ den, daß die partielle Überhitzung mittels eines elektrisch beheizten Lichtbogens erfolgt, der entweder die Schmelze direkt über eine Permanentelektrode oder aber vorteilhafterweise über eine Abschmelzelektrode beheizt. Der Vorteil der Verwendung einer Permanentelektrode besteht insbesondere darin, daß keine selbstverzehrenden Elektroden beschafft werden müssen. Der Vor¬ teil des Einsatzes von Abschmelzelektroden besteht darin, daß zusätzliche Legierungselemente in die Schmelze eingebracht wer- den können. Insbesondere läßt sich auch arteigenes Material als Elektrode einsetzen. Bei geeigneter Auslegung der Lichtbogen¬ leistung lassen sich die zuzugebenden Behandlungsmaterialien sehr stark überhitzen.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Permanentelektrode derart ausgebildet, daß sie verbessernd wir-

kende Zusätze enthält, die während der ÜberhitZungsbehandlung in die Schmelze übergehen.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die partielle Überhitzung mittels eines Plasma¬ brenners erfolgt. Der Vorteil besteht insbesondere in der Mög¬ lichkeit der sehr starken Überhitzung der Schmelze sowie in der Robustheit der Anlage. Über die Plasmaflamme lassen sich auch verbessernd wirkende Zusätze in die Schmelze einbringen bzw. eine Verbesserung mit z.B. dem gleichen Legierungszusatz er¬ reichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgeführt wer¬ den, daß die partielle Überhitzung mittels eines Elektronen- Strahles erfolgt . Vorteilhafterweise lassen sich Elektronen¬ strahlen verlustfrei Scannen bzw. Ablenken, so daß hiermit sowohl größere Flächen gleichmäßig, als auch punktförmige Be¬ reiche lokal sehr stark überhitzt werden können, womit die Verbesserung lokal sehr genau gesteuert werden kann.

Mit dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren der partiellen Überhitzung'der Metallegierungsschmelze ist über¬ raschenderweise auch eine Verbesserung zu erzielen, wenn die bislang bekannten, konventionellen Kornfeinungs- bzw. Verede- lungsmittel nicht zugegeben werden:

Es ist bekannt, daß einige der in der Schmelze befindlichen, metallischen Verunreinigungen wie z.B. Eisen, Silizium, Mangan usw. mit dem Aluminium intermetallische Verbindungen bilden. Diese sind während der technischen Verarbeitung und vor allem während der technischen Anwendung -in Form eines Bauteiles oder eines Halbzeuges- unerwünscht, da sie die Gebrauchseigenschaf¬ ten, insbesondere die mechanischen Eigenschaften sowie einige dekorative Eigenschaften ungünstig beeinflußen, z.B. wird die Duktilität des Werkstoffes verschlechtert oder es bilden sich grobe Oberflächenfehler an Walz- oder Pressprodukten aus. Bis-

lang unbekannt ist die Tatsache, daß diese intermetallischen Verbindungen sehr stark kornfeinend wirken können, wenn sie durch die erfindungsgemäße partielle Überhitzung aktiviert wer¬ den bzw. als sehr feine Kristallite in der Schmelze vorliegen. Die Erfindung löst also das Problem der Verunreinigung durch intermetallische Verbindungen und wandelt sie um in nutzbrin¬ gende, die technischen Gebrauchseigenschaften verbessernde Legierungszusätze.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausbildung des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens ist vorgesehen, die Verunreinigungen, die sich in den häufig beim Gießprozeß verwendeten Gießfiltern ansam¬ meln, durch eine partielle Überhitzung aufzulösen, und als Kornfeinungsmittel effektiv zu nutzen.

Vorzugsweise wird das Filtrat vom Gießfilter desorbiert (abge¬ löst) , (partiell) überhitzt und zumindestens teilweise wieder in der Schmelze gelöst.

Das Gießfilter befindet sich zweckmäßigerweise in einem magne¬ tischen Induktionsfeld geeigneter, vorzugsweise höherer oder Hochfrequenz, wobei sich das Filtrat (gemeint sind die unge¬ lösten Phasen bzw. Substanzen) dadurch wieder in der Schmelze auflöst.

Der bei magnetischenWechselstrom-Induktionsfeldern auftretende Skin-Effekt führt zu einer partiellen Erhitzung und damit zu einer möglichst vollständigen Auflösung der ungelösten Phasen.

Zweckmäßigerweise werden die in der Schmelze befindlichen unge¬ lösten Phasen bzw. Substanzen aufgrund ihres Dichteunterschie¬ des zur Schmelze von dieser zumindest teilweise getrennt bzw. örtlich angereichert und dort zumindestens teilweise durch Überhitzung wieder aufgelöst bzw. aktiviert. Dieser Trennvor- gang erfolgt zweckmäßigerweise durch elektromotorische Kräfte, elektrovoltaische Kräfte (gemeint ist eine Art galvanisches

Element bzw. eine Elektrolysezelle) oder durch Zentrifugalkräf¬ te, wobei die Schmelze durch besondere Windungen, durch beson¬ ders konstruierte Trichteranordnungen oder ähnlichem läuft.

Die abgetrennten ungelösten Phasen bzw. Substanzen werden zweckmäßigerweise zumindestens teilweise von der Schmelze ge¬ trennt und in einem separaten Aufheizprozeß derart überhitzt, daß die ungelösten Phasen bzw. Substanzen zumindestens teil¬ weise aufgelöst werden und danach der zu behandelnden Schmelze kontinuierlich oder diskontinuierlich wieder zugegeben werden.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn der separate Aufheizprozeß in einem "Durchlauferhitzer" erfolgt.

Alternativ kann der separate Aufheizprozeß mittels einer Ener¬ giequelle auf der Basis von Lichtbogenbeheizung, Plasmabehei¬ zung, Induktionsbeheizung, Laserstrahlbeheizung, Elektronen- strahlbeheizung, Ultraschallbeheizung, Widerstandsbeheizung oder Beheizung mit fossilen Brennstoffen erfolgen.

Vorzugsweise werden die ungelösten Phasen bzw. Substanzen durch eine Elektrolyse wieder in Lösung gebracht bzw. aktiviert. Dies gilt sowohl für die abgetrennten Phasen bzw. Substanzen als auch für die Phasen bzw. Substanzen, die in der zu behandelnden Schmelze vorhanden sind.

Vorzugsweise enthalten die zur Elektrolyse benötigten Elektro¬ den verbessernd, insbesondere kornfeinend oder veredelnd, wir¬ kende Substanzen, die in der Schmelze gelöst werden.

Die zur Elektrolyse benötigten Elektroden enthalten zweckmäßi¬ gerweise ferner oder alternativ Substanzen, die zur besseren Lösung bzw. Aktivierung der ungelösten Phasen bzw. Substanzen- aus der zu behandelnden Schmelze beitragen.

Die vorstehend erwähnte Elektrolyse als Mittel zur Trennung der Phasen und Substanzen ist auch losgelöst von den übrigen oben beschriebenen Merkmalen denkbar; insofern kommt dem Elektro¬ lyse-Komplex eine selbständige erfinderische Bedeutung zu.

Besondere Bedeutung hat die Erfindung im Bereich des Recyclings von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Die dort auftretenden metallischen Verunreinigungen - die oft für den weiteren Ein¬ satz zu hoch sind und deshalb nicht toleriert werden - können nur durch Zusatz von Reinaluminium reduziert und in den Tole¬ ranzbereich der Legierungsspezifikation gebracht werden. In Zukunft ist daher sicherlich mit einem Überangebot an Alumi¬ niumlegierungen zu rechnen, was unter ökologischen Gesichts¬ punkten wenig sinnvoll erscheint. Dieses Problem wird mit der Erfindung gelöst derart, daß diese auftretenden Verunreinigun¬ gen und hauptsächlich die intermetallischen Phasen zu Kornfei- nungsmittel umgewandelt, und somit sinnvoll und lukrativ ge¬ nutzt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Aluminiumlegie¬ rungen derart kornfeinen, daß sie außergewöhnlich gut für die Thixogieß- und -schmiedeverfahren geeignet sind. Vorteilhafter¬ weise lassen sich unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens die vergleichsweise teuren Kornfeinungsmittel einspa- ren. Für die Kornfeinung von Thixogieß- und -schmiedelegierun- gen sind nämlich sehr hohe Gehalte an herkömmlichem Kornfei¬ nungsmittel erforderlich. Günstigerweise kann auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erhebliche Menge an bei der gießtechnischen Herstellung auftretendem Kreislaufmaterial direkt in der Gießerei wieder aufgearbeitet werden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur lokal begrenzten, partiellen, starken Überhitzung einer Gußwerkstoff-Schmelze,

Fig. 2 ein Schliffbild eines konventionell korngefeinten Gu߬ werkstoffs nach der Erstarrung und

Fi.g 3 ein Schliffbild eines erfindungsgemäß korngefeinten Gußwerkstoffs nach der Erstarrung.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung 10 zur lokal begrenzten, partiel¬ len, starken Überhitzung einer Materialschmelze mittels eines rotierenden Impellerrohres, in dem der Materialschmelze eine Abschmelzelektrode zugeführt wird, die aus dem Material der Schmelze besteht. Wenn es sich bei dem Material der Schmelze z.B. um eine Aluminiumlegierung handelt, so wird für die Ab¬ schmelzelektrode z.B. die gleiche Aluminiumlegierung verwendet. Bei dem Material der Abschmelzelektrode handelt es sich insbe- sondere um Recycling-Material.

Die Anordnung 10 weist ein an sich bekanntes, rotierendes Im¬ pellerrohr 12 auf, das mit einer konzentrischen Antriebsscheibe 14 versehen ist, die von einem Riementrieb 16 angetrieben wird. Das untere Ende des Impellerrohres 12 trägt das nach Art eines Pumpenlaufrades ausgebildete Impellerrad 18, das mehrere radial nach außen führende Durchlässe 20 aufweist. Sämtliche Durchläs¬ se 20 sind mit einem zentralen Raum 22 des Impellerrades 18 verbunden, der im Innern des Impellerrohres 12 hin offen ist. Das Impellerrad 18 und der untere Abschnitt des Impellerrohres 12 sind in eine Materialschmelze 24 eingetaucht, die sich in einem Tiegel 26 befindet.

Am oberen Ende des Impellerrohres 12 befindet sich eine das Impellerrohr 12 koaxial umgebende stationäre Drehdurchführung 28 zum Zuführen von Inertgas durch radiale Durchlässe 30 im Bereich der Drehdurchführung 28. Eine weitere Drehdurchführung ist zentral am oberen stirnseitigen geschlossenen Ende 32 des Impellerrohres 12 angeordnet. Diese Drehdurchführung 32 dient zum Durchführen einer von einer Vorratsrolle 34 abgenommenen Drahtelektrode 36 aus dem gleichen Material wie die Schmelze

24 (s. oben) . Die Abschmelzelektrode 36 ist innerhalb des Im¬ pellerrohres 12 koaxial zu diesem geführt und ist mit ihrem unteren Ende 38 der Schmelzenfront 40 im zentralen Raum 22 des Impellerrades 18 gegenüberliegend angeordnet.

Bei Rotation des Impellerrohres 12 und Zuführung von Inertgas durch die Drehdurchführung 28 und die Durchlässe 30 in das Im¬ pellerrohr 12 hinein wird der Schmelze 24 Inertgas zugeführt, das über die Durchlässe 22 im Impellerrad 18 in die Schmelze 24 eingebracht wird. Dies entspricht der normalen Vorgehenswei¬ se bei der Entgasung von Schmelzen mit Hilfe von Impellerrohr- anordnungen. Werden nun die Schmelze 24 und die Elektrode 36 mit einer Schweißstromquelle verbunden, so bildet sich zwischen der Schmelzenfront 40 und dem unteren Ende 38 der Elektrode 36 ein Lichtbogen 42, der das Material der Elektrode 36 zum Schmelzen und zum Abtropfen in die Schmelze 24 des zentralen Raumes 22 des Impellerrades 18 bringt. Der Lichtbogen 42 über¬ hitzt die in dem zentralen Raum 22 des Impellerrades 18 befind¬ liche Schmelze 24, wobei (als Nebeneffekt) Material von der Elektrode 36 in die Schmelze 24 hineintropft. Durch die Rota¬ tion des Impellerrades 18 wird der Tropfen überhitzten Kornfei- nungsmittels, das sich beim Einbringen in die Schmelze 24 rasch abkühlt, innerhalb der Schmelze 24 verteilt. Aufgrund der er¬ höhten Temperatur im Bereich der Schmelzenfront 40 innerhalb des Impellerrades 18 bzw. des Impellerrohres 12 infolge der Ausbildung des Lichtbogens 42 wird eine Verbesserung der Ent¬ gasungswirkung der Schmelze 24 erzielt.

Die Anordnung 10 gemäß Fig. 1 stellt eine vorteilhafte Reali- sierung für eine Vorrichtung zur lokal begrenzten partiellen starken Überhitzung einer Materialschmelze dar. Bei Rotation des Impellerrohres wird die gesamte Menge an Materialschmelze unter der Abschmelzelektrode vorbeigeführt.

Beispiel 1

Kornfeinung von Reinaluminium

Bei Aluminium der Reinheit 99,85 konnte mittels der erfindungs¬ gemäßen Kornfeinung ohne Kornfeinungsmittel eine deutliche Ver¬ ringerung der Korngröße - verglichen mit nicht gefeintem Ver¬ gleichsmaterial - festgestellt werden. Fign. 2 und 3 zeigen jeweils einen metallographischen Gefügeschliff der beiden Pro- ben zum Vergleich. Hierbei wurde zunächst das Aluminium aufge¬ schmolzen und bis zur Gießtemperatur von 720 °C erhitzt. Die Zugabe eines Aluminiumdrahtes der Reinheit 99,99 erfolgte über einen wechselstromgespeisten elektrischen Lichtbogen unter einer Schutzgasatmosphäre aus Argon 4.8. Der Anteil an Alumi- niumdraht betrug 2 % der eingesetzten Aluminiumschmelze. An¬ schließend wurde die Schmelze mit einer Gießtemperatur von 720 °C in eine, auf Raumtemperatur befindliche Kokille, Durch¬ messer 60 mm, vergossen und erstarrt. Zum Vergleich wurde das gleiche Aluminium auch unbehandelt unter sonst gleichen Bedin- gungen in diese Kokille vergossen.

Beispiel 2

Kornfeinung einer Aluminiu legierung AlCu4,5AglTiMg

Die Versuche wurden zur Deutlichmachung des Potentials der Erfindung mit Rücklaufmaterial, d.h. im Prinzip mit Material, das zum Recycling ansteht, durchgeführt.

Der kornzufeinenden Legierung, der keinerlei zusätzliches Korn- feinungsmittel zugeführt wurde und die übliche Menge an Korn- feinungsmittel enthält (0,2 Gew.-% Titangehalt in dieser Legie¬ rung) , wurde eine Teilmenge von 2 % (von der zu behandelnden Legierung) entnommen und zu einer Abschmelzelektrode (Durchmes- ser ca. 6 mm) verarbeitet. Die nach dem Erreichen der Gießtem¬ peratur von 720 °C vorgenommene Zugabe dieser Teilmenge mittels

eines wechselstromgespeisten Lichtbogens erfolgte unter Argon 4.8. Anschließend wurde die Schmelze bei 720 °C in eine 200 °C warme Diez-Kokille vergossen, woraus Zugstäbe zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften hergestellt wurden. Desgleichen wurden aus der gleichen Legierung lediglich durch Aufschmelzen und Vergießen des Rücklaufmaterials Vergleichsproben herge¬ stellt. Anschließend wurden alle Proben wie folgt wärmebehan¬ delt: Lösungsglühung bei 515 °C für 4 Stunden und bei 525 °C für 20 Stunden mit anschließendem Abschrecken in Wasser und einer Auslagerung bei 180 °C für 6 Stunden. Die mechanischen Kennwerte sind in folgender Tabelle dargestellt.

erfindungsgemäße herkömmliche Korn¬ Kornfeinung feinung

Zugfestigkeit R _m in 460 430 N/mm ²

Streckgrenze Rp ₀ , ₂ n 420 400 N/mm ²

Bruchdehnung A in % 6 3