Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profils aus einer Metalllegierung, wobei die Metalllegierung im teilflüssigen Zustand verarbeitet wird.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Extruder zur Herstellung eines Profils aus einer Metalllegierung, umfassend einen Zylinder und zumindest eine Schneckenwelle, wobei die zumindest eine Schneckenwelle innerhalb des Zylinders angeordnet ist.
Für die Herstellung von Halbzeugen oder Werkstücken aus Metallen oder Legierungen sind verschiedene Gießverfahren wie das Stranggießen oder der Kokillenguss bekannt. Insbesondere Komponenten aus Leichtmetallen werden häufig auch endabmessungsnah im Druckguss erstellt, wobei eine Schmelze in eine Kavität gegossen wird. In jüngerer Zeit sind im weiteren Zusammenhang damit auch Verfahren entwickelt worden, bei welchen das zu verarbeitende Material in einen teilflüssigen Zustand gebracht und in diesem Zustand verarbeitet bzw. in eine Kavität gegossen wird, um ein Werkstück auszubilden. Hierfür werden Legierungen in der Regel auf eine Temperatur gebracht, die zwischen der Soliduskurve und der Liquiduskurve liegt, sodass im verarbeiteten Material sowohl feste als auch flüssige Phasenanteile vorliegen. Die Verarbeitung von teilflüssigem Material unter Einbringung einer Scherung führt zu einem rundlich eingeformten Gefüge, wodurch üblicherweise auch gute Materialkennwerte erreicht werden.
Bei den bekannten Verfahren zur Verarbeitung von Material im teilflüssigen bzw. semisolid Zustand handelt es sich um Thixomolding-Verfahren. Dabei wird ein Granulat einer Metalllegierung in einem Barrel mit einer Schnecke teilweise aufgeschmolzen und mit der Schnecke einer Scherbeanspruchung unterworfen, um das Material in einen thixotropen Zustand zu bringen. Anschließend wird das Material in eine Form bzw. Kavität eingespritzt, indem mit der Schnecke ein axialer Hub ausgeführt wird. Wenngleich mit einem Thixomolding-Verfahren Bauteile endabmessungsnah hergestellt werden können, ist die Technologie aufwendig, weil die Kavitäten gegenüber dem Barrel nach jedem Einspritzvorgang dicht sein müssen, bis der nächste Einspritzvorgang folgt. Insbesondere ist eine kontinuierliche Herstellung eines Stranges oder dergleichen nicht möglich. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem es möglich ist, Späne, Granulat oder dergleichen aus einer Metalllegierung in nur einem Schritt zu einem festen oder halbfesten Material zu verarbeiten.
Ein weiteres Ziel ist es, einen Extruder der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem Späne, Granulat oder dergleichen aus einer Metalllegierung kontinuierlich verarbeitbar sind.
Die verfahrensmäßige Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die insbesondere in Form von Spänen vorliegende Metalllegierung mit einem Extruder kontinuierlich extrudiert wird, wobei Korn feinende Partikel eingearbeitet werden.
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass bei einem Extrusionsverfahren im Zweiphasengebiet hohe Festphasenanteile verarbeitet werden können. Es werden somit die Vorteile einer Verarbeitung im thixotropen Zustand mit den Vorteilen einer kontinuierlichen Verfahrensführung kombiniert. Durch die Zuführung von Korn feinenden Partikeln wird zudem eine Festigkeit des durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Profils erhöht. Die Späne und Partikel werden in nur einem Schritt unter Aufbringung von Scherkräften kontinuierlich zu einem Profil verarbeitet. Das Profil kann dabei fest oder halbfest hergestellt werden. Dabei kann eine halbfeste bzw. nicht vollständig erstarrte Masse bzw. Profil als Vormaterial weiterverwendet werden; beispielsweise kann das halbfeste und verformbare Profil anschließend in Masselformen gebracht werden. Bei einer Herstellung eines Vormaterials werden z. B. Festphasenanteile zwischen 2 % und 30 %, insbesondere zwischen 5 % und 35 %, besonders bevorzugt zwischen 8 % und 50 %, verarbeitet. Bei der Herstellung eines festen Profils werden hingegen beispielsweise Festphasenanteile zwischen 70 % und 97 %, insbesondere zwischen 65 % und 95 %, besonders bevorzugt zwischen 60 % und 90 %, verarbeitet.
Es können beliebige nicht metallische, Korn feinende Partikel bzw. andere vorteilhafte Additive zusammen mit den Spänen aus einer Metalllegierung verarbeitet werden. Es versteht sich, dass die Metalllegierung in einer anderen Form vorliegen kann, beispielsweise als Granulat. Die Partikel werden dabei entweder unmittelbar im Prozess zugeführt oder schon vor Prozessbeginn mit den Spänen aus einer Metalllegierung vermischt und anschließend als Gemisch dem Prozess zugegeben. Die Späne oder das Granulat können insbesondere aus einer Magnesiumlegierung, Zinklegierung oder einem anderen Legierungssystem gebildet sein. Ein Partikeltyp kann so gewählt werden, dass entweder die Legierungskomponente bzw. Matrix selbst korngefeint oder ein Kornfeinervormaterial hergestellt wird. Ein Kornfeinervormaterial wird in weiterer Folge bei der Herstellung eines anderen Werkstoffes als Kornfeiner zugegeben. Es können beispielsweise Partikel aus Siliciumcarbid für eine direkte Kornfeinung in eine Magnesiumlegierung eingearbeitet werden. Zur Herstellung eines Kornfeinervormaterials kann z. B. Titanborid in eine Magnesiumlegierung eingearbeitet werden. Ein dadurch hergestelltes Kornfeinervormaterial ist insbesondere für magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen verwendbar. Durch die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zumischbaren Partikeln nahezu keine Grenzen gesetzt.
Es ist von Vorteil, wenn die Metalllegierung und Partikel durch zumindest eine in einem Zylinder angeordnete Schneckenwelle bearbeitet werden, wobei ein entstehendes teilflüssiges Material über die zumindest eine Schneckenwelle zu einer Matrize transportiert wird. Insbesondere werden Späne aus einer Metalllegierung und Partikel von oben über einen Trichter dem Zylinder mit der Schneckenwelle zugeführt, wo diese unter Aufbringung von Scherkräften in einen thixotropen Zustand gebracht und verarbeitet werden. Besonders bevorzugt werden die Korn feinenden Partikel direkt im Trichter den Spänen zugeführt und anschließend in den Zylinder dosiert, wo diese in die Späne eingearbeitet werden. Die Schneckenwelle ist insbesondere konisch ausgebildet und wird von einem Motor mit bevorzugt geringen Drehzahlen zu einer Drehbewegung um deren Längsachse angetrieben. Im Bereich der Matrize wird ein genügend hoher Staudruck aufgebaut, sodass durch das Drücken des Materials durch die Matrize ein festes Profil mit einem homogenen Gefüge entsteht. Soll ein als Vormaterial verwendbares halbfestes Profil hergestellt werden, ist eine Matrize nicht zwingend notwendig, da zur Herstellung eines halbfesten Profils nur ein geringer Staudruck notwendig ist.
Vorteilhaft ist es, wenn das Material kontinuierlich durch die Matrize gedrückt wird, um das Profil herzustellen. Die Matrize ist hierfür so ausgebildet, dass diese eine genügend hohe Härte zum Durchdrücken von Material aus einer Metalllegierung aufweist. Darüber hinaus wird die Matrize lösbar an einem Ende des Zylinders befestigt, wobei zur Befestigung insbesondere Schrauben aus Hochtemperatur-Werkzeugstahl verwendet werden. Eine Geometrie, insbesondere ein Querschnitt, des Profils wird durch eine Form der Matrize bestimmt. Das Profil wird beispielsweise mit einem rechteckigen, kreisförmigen oder ringförmigen Querschnitt hergestellt. Das hergestellte Profil kann anschließend weiterverarbeitet werden, beispielsweise kann dieses in Stücke abgelängt oder weiter umgeformt werden.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Metalllegierung und Partikel mit zwei im Zylinder rotierenden Schneckenwellen bearbeitet und transportiert werden, wobei die Schneckenwellen insbesondere gleichlaufend angetrieben werden. Die Schneckenwellen drehen sich dabei um deren jeweilige Längsachse. Die Verwendung von zwei Schneckenwellen gewährleistet eine gute Durchmischung der Materialbestandteile und es wird zudem eine für die Herstellung eines thixotropen Zustandes notwendige Scherung in das Material eingebracht. Dadurch wird ein Beimischen von verschiedenen Partikeln direkt im Trichter ermöglicht. Die konisch ausgebildeten Schneckenwellen werden insbesondere gleichlaufend angetrieben, können jedoch auch gegenlaufend angetrieben werden. Konische Schneckenwellen weisen einen großen Achsenabstand auf, weshalb ein Drehmoment ohne Weiteres eingebracht werden kann. Ferner ist eine Scherung in Richtung eines Austragsbereiches aufgrund einer abnehmenden Schneckenumfangsgeschwindigkeit gering, weshalb auch scherempfindliche Rezepturen verwertet werden können. Gleichlaufend angetriebene Schneckenwellen reinigen sich selbst, da diese sich gegenseitig abstreifen. Darüber hinaus wird das Material durch die Schneckenwellen in Längsrichtung in einem offenen System transportiert, wobei Schneckengänge durchgehende Kanäle bilden. Ein Transport des Materials basiert hauptsächlich auf Schleppströmung, weshalb ein Durchsatz stark gegendruckabhängig ist.
Gleichlaufende Schneckenwellen können zum Plastifizieren, Mischen, Homogenisieren und Granulieren verwendet werden. Des Weiteren können damit teils mit regulären Mitteln unbenetzbare Additive wie Partikeln, Fasern und/oder Pigmenten dispergiert sowie Produkte mit unterschiedlicher Viskosität homogenisiert werden. Die Schneckenwellen werden von einem Antrieb mit niedrigen Drehzahlen angetrieben, um eine ausreichende Durchmischung und ein Aufbringen von Scherkräften sicherzustellen. Bei zu hohen Drehzahlen wird das Material nicht ausreichend durchmischt, sondern nur weitergeschoben. Eine Drehgeschwindigkeit der Schneckenwellen kann beispielsweise etwa 10 Umdrehungen/min bis 40 Umdrehungen/min, insbesondere 12 Umdrehungen/min bis 35 Umdrehungen/min, besonders bevorzugt 15 Umdrehungen/min bis 30 Umdrehungen/min, betragen. Die Drehgeschwindigkeit ist abhängig von einer Größe des Extruders. Eine Austrittsmasse des Profils aus dem Zylinder bzw. der Matrize des Extruders kann bei einer Herstellung eines festen Profils pro Zeiteinheit mindestens etwa 8 kg/h, insbesondere etwa mindestens 10 kg/h, besonders bevorzugt mindestens etwa 13 kg/h, und bei der Herstellung eines halbfesten Vormaterials mindestens etwa 30 kg/h, insbesondere mindestens etwa 40 kg/h, besonders bevorzugt mindestens etwa 45 kg/h, betragen.
Günstig ist es, wenn das Material im Zylinder erwärmt und teilweise aufgeschmolzen wird. Dadurch werden die Partikel und das teilweise geschmolzene Material benetzt. Zur Erwärmung können beispielsweise Heizmanschetten oder andere Heizelemente auf dem Zylinder angeordnet sein. Darüber hinaus können beispielsweise Isoliermatten auf den Zylinder gelegt werden, sodass ein Aufheizen beschleunigt und eine austretende Strahlungswärme minimiert wird. Insbesondere wird das Material durch die Temperatureinwirkung so teilweise aufgeschmolzen, dass dieses im teilflüssigen Zustand vorliegt. In weiterer Folge wird das Material unter Aufbringung von Scherkräften in Richtung der Matrize befördert und kontinuierlich durch die Matrize gedrückt, wodurch das Profil geformt wird. Durch die beim erfindungsgemäßen Verfahren auftretenden hohen Scherkräfte und erhöhten Temperaturen werden die eingearbeiteten Korn feinenden Partikel deagglomeriert und von den teilweise aufgeschmolzenen Legierungsspänen bzw. Legierungsgranulat zwangsbenetzt. Darüber hinaus wird der Matrixwerkstoff zwangsbenetzt, was besondere Vorteile für die Korn feinende Wirkung der Partikel bringt. Ferner ist es günstig, wenn am Ende des Zylinders eine Kühlung vorgesehen ist, beispielsweise eine Luftkühlung, sodass das Material vor einem Durchtritt durch die Matrize abgekühlt wird. Mit einer Luftkühlung wird eine Brandgefahr so gering wie möglich gehalten.
Es ist von Vorteil, wenn das Profil durch einen vor einer Matrize vorgesehenen Schutzgasvorhang vor Oxidation geschützt wird. Nach einem Austritt aus dem Zylinder bzw. Durchtritt durch die Matrize ist das Profil noch heiß. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass für mehrere Bestandteile des Extruders eine Schutzbegasung vorgesehen ist, sodass das Material bei der Herstellung des Profils durchgehend vor Oxidation geschützt wird.
Das weitere Ziel wird erreicht, wenn ein Extruder der eingangs genannten Art zur Verarbeitung der Metalllegierung im teilflüssigen Zustand ausgebildet ist, wobei eine Heizeinrichtung vorgesehen ist.
Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass die insbesondere als Späne vorliegende Metalllegierung durch die Heizeinrichtung teilweise aufschmelzbar ist, wobei Korn feinende Partikel zuführbar sind, wodurch in weiterer Folge ein teilflüssiges Material entsteht, welches aufgrund entsprechender Ausbildung des Extruders unter Aufbringung von Scherkräften mit diesem verarbeitbar ist. Die Späne und Partikel sind insbesondere über einen Trichter dem Zylinder mit der Schneckenwelle zuführbar, wo diese unter teilweiser Aufschmelzung und Aufbringung von Scherkräften vermischbar sind. Durch die Temperatureinwirkung der Heizeinrichtung und Scherkräfte der zumindest einen rotierenden Schneckenwelle sind die Späne und Partikel effizient teilweise aufschmelzbar. Zur Erwärmung können Heizelemente wie Heizmanschetten auf dem Zylinder angeordnet sein. Darüber hinaus können beispielsweise Isoliermatten auf den Zylinder vorgesehen sein, sodass ein Aufheizen des Materials beschleunigbar und eine austretende Strahlungswärme einschränkbar ist.
Endseitig am Zylinder kann zweckmäßigerweise eine Matrize angeordnet sein. Über die im Zylinder angeordnete Schneckenwelle ist das teilflüssige Material in Richtung der Matrize beförderbar, welche lösbar am Ende des Zylinders angeordnet sein kann. Insbesondere ist die Matrize mit Schrauben aus Hochtemperatur-Werkzeugstahl lösbar am Zylinder befestigt. Ferner ist es günstig, wenn am Ende des Zylinders eine Kühlung vorgesehen ist, beispielsweise eine Luftkühlung, sodass das Material vor einem Durchtritt durch die Matrize abkühlbar ist. In weiterer Folge ist das Material kontinuierlich durch die Matrize drückbar, wodurch das Profil geformt wird. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn ein Wärmetauscher bzw. ein Wärmeübertrager vorgesehen ist. Der Extruder ist dazu ausgebildet entweder ein festes Profil oder ein halbfestes bzw. nicht vollständig erstarrtes Profil herzustellen. Dies ist insbesondere abhängig von einem Verhältnis von festen zu flüssigen Anteilen im Material, einem vor der Matrize bzw. Ende des Zylinders aufgebauten Staudruck und einer Austrittsgeschwindigkeit des Profils aus dem Extruder. Folglich ist zur Herstellung eines halbfesten Profils eine Matrize nicht zwingend notwendig, da nur ein geringer Staudruck aufgebaut werden muss. Ein halbfestes Profil tritt teigig aus dem Extruder aus, wo dieses aufgrund der Schwerkraft in einen am Boden angeordneten Behälter fällt. In weiterer Folge ist ein halbfestes Profil als Vormaterial weiterverwendbar.
Es ist von Vorteil, wenn zwei Schneckenwellen und ein Antrieb zum Antreiben derselben vorgesehen sind. Der Antrieb ist insbesondere als frequenzgeregelter Wechselstrommotor ausgebildet. Dieser treibt die Schneckenwellen gleichlaufend oder gegenlaufend mit niedriger Drehzahl an, um die Späne aus einer Metalllegierung sowie die Korn feinenden Partikel unter teilweiser Aufschmelzung zu vermischen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus dem nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel. In der Zeichnung, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigt:
- Fig. 1
- einen erfindungsgemäßen Extruder.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Extruder E zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Extruder E ist zur Herstellung eines Profils 1 aus einer Metalllegierung ausgebildet und umfasst einen Zylinder 2, in welchem zumindest eine Schneckenwelle 3 angeordnet ist. Am Ende des Zylinders 2 ist eine Matrize 4 vorgesehen, durch welche ein Material aus einer Metalllegierung und Korn feinenden Partikeln gedrückt wird. Die Matrize 4 ist mit Schrauben aus Hochtemperatur-Werkzeugstahl lösbar am Zylinder 2 befestigt. Darüber hinaus ist eine Heizeinrichtung 5 vorgesehen, mit welcher das Material im Zylinder 2 erwärmt und teilweise aufgeschmolzen wird. Die Schneckenwelle 3 wird von einem Antrieb 6 angetrieben, welcher insbesondere als frequenzgeregelter Wechselstrommotor ausgebildet ist. Dieser treibt die Schneckenwelle 3 mit geringer Drehzahl an. Weiter umfasst der Extruder E einen Trichter 7 sowie einen Wärmetauscher 8 bzw. Wärmeübertrager, wobei der Wärmetauscher 8 insbesondere als Öl-Luft-Wärmetauscher ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt sind zwei Schneckenwellen 3 vorgesehen, wodurch der Extruder E als sogenannter Zweischneckenextruder ausgebildet ist. Die Schneckenwellen 3 sind konisch ausgebildet und werden gleichlaufend oder gegenlaufend angetrieben, wobei die Schneckenwellen 3 im Zylinder 2 angeordnet sind. Für Wartungszwecke können die Schneckenwellen 3 aus dem Zylinder 2 entnommen werden. Die Verwendung von zwei Schneckenwellen 3 erlaubt eine gute Durchmischung des Materials sowie das Eindringen der notwendigen Scherung in dasselbe.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Profils 1 aus einer Metalllegierung werden Späne aus einer Metalllegierung einen Extruder E zugeführt, wobei Korn feinende Partikel eingearbeitet werden. Die Partikel werden insbesondere direkt in einem Trichter 7 mit den Spänen vermischt. Über den Trichter 7 wird das Material aus Spänen und Partikel in den Zylinder 2 geführt. Im Zylinder 2 sind insbesondere zwei Schneckenwellen 3 angeordnet, welche das Material durchmischen und eine notwendige Scherung einbringen. Das Material wird weiter über die Schneckenwellen 3 zu einer Matrize 4 transportiert. Der Zylinder 2 mit den Schneckenwellen 3 wird erwärmt, sodass das Material teilweise aufgeschmolzen wird und ein teilflüssiger Zustand vorliegt. Das vermischte und teilweise aufgeschmolzene Material wird unter Einwirkung von Scherkräften durch die Matrize 4 gedrückt, wodurch das Profil 1 hergestellt wird. Ein Querschnitt des Profils 1 wird durch eine Form der Matrize 2 bestimmt. Die Schneckenwellen 3 rotieren insbesondere gleichlaufend im Zylinder 2. Am Ausgang der Matrize 4 bzw. vor derselben ist ein Schutzgasvorhang vorgesehen, um das am Austrittspunkt noch heiße Profil 1 vor Oxidation zu schützen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein festes oder halbfestes Profil 1 herstellbar, abhängig davon, wie hoch die Festphasenanteile sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Extruder E ohne Matrize 4 ausgebildet ist. Dabei wird der Staudruck an einem anderen Ort des Extruders E aufgebaut. Folglich kann das Material in einem halbfesten Zustand aus dem Extruder E entnommen und als Vormaterial weiterverwendet werden.