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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Formung eines kontinuierlichen Produkts aus einer flüssigen Metalllegierung
und insbesondere zur Herstellung kontinuierliche Gussteile mit feinen
und gleichförmigen
Mikrostrukturen, die als Ausgangsmaterial für sekundäre Bearbeitungsmethoden benutzt
werden können,
wie Thixoformen, Schmieden und spanendes Bearbeiten. Die Anmeldung
bezieht sich auch auf Erzeugnisse, die durch diese Verfahren geformt werden,
wie Stränge,
Stangen, Drähte,
Röhren
oder Streifen.
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In
der Metallumformungsindustrie wird ein kontinuierlicher Barren im
allgemeinen durch einen Direkthartguss-Prozess (DC casting) oder
Aluminiumguss hergestellt. Bei diesem Prozess wird eine überhitzte
flüssige
Metalllegierung kontinuierlich in eine wassergekühlte zylindrische Form eingeleitet und
die verfestigte Legierung wird kontinuierlich abgezogen, um einen
kontinuierlichen Barren zu erzeugen. Der resultierende Querschnitt
des Barrens zeigt drei charakteristische Zonen: Die Hartguss-Zone an der Oberfläche, die
Stengel-Zone und die grobkörnige
gleichachsige Zone im Zentrum. Solch mikrostrukturelle Unregelmäßigkeit
hat die direkte Anwendung der DC-Gußstränge (Direkthartguss-Barren)
begrenzt.
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Umfassende
sekundäre
Verarbeitungsmethoden wie Walzen, Extrudieren und Rekristallisieren,
werden gewöhnlich
angewendet, um mikrostrukturelle Verfeinerung und Uniformität zu erreichen. Solche
sekundären
Verfahrenswege sind energieintensiv, zeitaufwendig und teuer. Deshalb
ist es wünschenswert,
einen kontinuierlichen Gießprozess
zu entwickeln, der direkt kontinuierliche Barren oder Stränge mit
einer feinen und gleichmäßigen Mikrostruktur
herstellen kann, ohne diese sekundären Herstellungswege einzubeziehen.
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Ein
bekannter Prozess, der DC-Gussstränge oder -barren als Ausgangsmaterial
benutzt, ist ein Extrusionsprozess, um Stangen herzustellen mit
entweder einfachem oder komplexem Querschnitt. Extrudieren von Metallen
kann in zwei Kategorien klassifiziert werden: Kaltextrudieren und
Warmextrudieren. Beim Kaltextrudieren wird das kalte Metall in ein offenes
Formwerkzeug nahe Raumtemperatur gepresst. Während des Kaltextrudierens
von Metallen ist beträchtlicher
Druck notwendig, um das Metall durch den Druckgussformblock zu drücken, was hohe
Kosten an Kapitalausstattung, reduzierte Werkzeuglebensdauer und
niedrige Energieeffizienz mit sich bringt. Beim Warmextrudieren
wird ein Legierungsbarren unter seinem Erstarrungspunkt erhitzt und
dabei extrudiert wie beim Kaltextrusionsprozess. Beim Warmextrudieren
wird die Werkzeuglebensdauer verbessert, aber die Effizienz der
Energie ist immer noch begrenzt.
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Indessen
ist die saubere Extrusion wie z.B. feiner Drähte schwierig mit einem solchen
Warmextrusionsprozess. Es wäre
deshalb vorteilhaft einen Extrusionsprozess zu entwickeln, der direkt
Stangen und Drähte
aus flüssigen
Legierungen erzeugen kann.
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Ein
anderer Prozess der DC-Gussstränge als
Ausgangsmaterial benutzt ist der Walzprozess, um Streifenprodukte
zu erzeugen durch sukzessives Walzen eines kontinuierlichen Gussbarrens
bis zur geforderten Dicke. Verglichen mit dem Extrusionsprozess
ist der Walzprozess sogar noch kostenintensiver wegen des hohen
Energieverbrauchs, der hohen Ausrüstungskosten und geringer Materialnachgiebigkeit.
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Eine
alternative Technologie zur Steifenproduktion ist der Zwillingsrollenguss-Prozess, der zu einem
begrenzten Umfang effektiv ist für
eine Vielzahl von Metallen. Bei einem Zwillingsrollenguss-Prozess ist
ein Paar an Walzen, die horizontale Achsen haben und die in entgegengesetzten
Richtungen rotieren, parallel zu einander mit einem geeigneten Spalt
dazwischen angeordnet. Ein Vorrat von flüssiger Legierung wird auf den
oberen Umfangsflächen
der Walzen oberhalb des Spalts gebildet und die flüssige Legierung
wird kontinuierlich in einen Legierungsstreifen gegossen.
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Die
Probleme, die mit dem konventionellen Zwillingsrollengussprozess
verbunden sind, umfassen den Verlust der flüssigen Legierung in der Nähe der Seitendämme, die
Beschädigung
der Seitendämme,
Rissbildung an den Seiten des Gussstreifens, die kurze Lebensdauer
der Walzen, die Schwierigkeiten bei der Prozesskontrolle und chemische
Segregation bei den erhärteten
Produkten.
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Noch
ein anderer Prozess der DC-Gussbarren oder -stränge als Ausgangsmaterial verwendet ist
der kürzlich
entwickelte Thixoform-Prozess. Dies ist grundsätzlich ein Zwei-Schritte-Prozess.
Im ersten Schritt wird ein thixotroper Beschickungsvorrat durch einen
modifizierten DC-Gussprozess erzeugt zur Herstellung eines Gussbarrens
mit einer nicht dendritischen Mikrostruktur. Im zweiten Schritt
wird ein thixotroper Barren/Beschickungsvorrat wieder erhitzt bis
zu seinem halbfesten Zustand (bei einer Temperatur zwischen seinem
Liquidus und Solidus) und dann in einen Hohlraum geformt entweder
durch Gießen
(Thixo-Gießen)
oder Schmieden (Thixo-Schmieden).
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Idealerweise
sollte ein Beschickungsvorratsmaterial zum Thixoformen einen kontrollierten
Volumenanteil an feinen und kugelförmigen festen Partikeln in
einer Matrix enthalten. Thixoformen ist derzeit begrenzt durch die
niedrige Qualität
und die hohen Kosten der Beschickungsmaterialien. Prozesse zur Erzeugung
thixotropen Beschickungsmaterials umfassen einfaches mechanisches
Rühren,
elektromagnetisches Rühren,
Vergröbern
einer anfänglich dendristischen
Mikrostruktur, Hinzufügen
von übermäßigen Kornverfeinern
während
kontinuierlichem Gießen
und Anwendung von Ultraschallschwingungen. Jedoch haben diese Prozesse
beträchtliche Nachteile.
Ein bedeutender Nachteil der bekannten Methoden ist, dass die Mikrostruktur über den
Querschnitt nicht gleichmäßig ist,
was zu Schwierigkeiten während
des Wiedererhitzungsprozesses führt
und relativ schwache mechanische Eigenschaften der Endkomponenten
ergibt. Der andere Nachteil wird verursacht durch die nicht-sphärische Partikelmorphologie,
die lange Wiedererhitzungszeit verlangt, um die festen Partikel
zu kugelförmigen
zu machen, was die potentiellen Vorteile beeinträchtigt, die durch halbfestes
Bearbeiten gegeben sind. Ein weiterer Nachteil sind die hohen Kosten
für das
Beschickungsmaterial, das derzeit bis zu 50% der Endkomponentenkosten
ausmacht.
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Eine
Anzahl von Entgegenhaltungen offenbaren Thixoformungs-Prozesse,
bei denen eine feste oder halbfeste Beschickung zuerst bearbeitet
wird (z.B. durch Erhitzen der Beschickung, um sie zu verflüssigen,
während
sie einer Scherung unterworfen wird) und dann in eine Form eingebracht
wird, um eine Komponente zu formen. Beispiele solcher Entgegenhaltungen
schließen
ein:
EP 0867246 A1 (Mazda
Motor Corporation); WO 90/09251 (The Dow Chemical Company);
US 5,711,366 (Thixomat Inc.);
US 5,735,333 (The Japan
Steel Works, Limited);
US 5,685,357 (The
Japan Steel Works, Limited);
US 4,694,882 (The
Dow Chemical Company) and CA 2,164,759 (Inventronics Limited).
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Der
Nachteil jedoch beim Erhitzen von festem Granulat, um es in den
thixotropen Zustand zu überführen (Thixoformung)
gegenüber
dem Abkühlen
flüssigen
Metalls in den thixotropen Zustand (Rheoformung) ist, dass es sehr
schwierig ist Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung
in der Substruktur der thixotropen Schlämme zu kontrollieren. Insbesondere
neigen Partikelgrößen von
thixo-geformten_Schlämmen
dazu, eine Ordnung größer zu sein
als solche von rheo-geformten_Schlämmen, und eine breitere Verteilung
zu haben. Dies hat negative Begleiterscheinungen für die Struktureigenschaften
der gegossenen Komponenten.
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Außerdem verwenden
die oben erwähnten Schriften
einen Standard-Einzelschnecken-Extruder, um die thixotrope Schlämme einer
Scherung zu unterwerfen. Das Ergebnis ist eine Komponente von geringer
Qualität.
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Eine
Anzahl von Schriften beschreiben Rheoformungs-Prozesse. Z.B. bezieht
sich WO 97/21509 (Thixomat, Inc.) auf einen Prozess, um Metallzusammensetzungen
zu formen, in denen eine Legierung auf eine Temperatur oberhalb
ihrer Liquidustemperatur aufgeheizt wird, und dann ein Einzelschneckenextruder
verwendet wird, um das flüssige Metall
zu scheren, wenn es in den Bereich des Zweiphasengleichgewichts
abgekühlt
wird.
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US 4,694,881 (The Dow Chemical
Company) bezieht sich auf einen Prozess, bei welchem ein Material,
das eine nicht thixotrope Struktur hat, in fester Form einem Einzelschneckenextruder
zugeführt wird.
Das Material wird auf eine Temperatur o berhalb seiner Liquidustemperatur
erhitzt und dann auf eine Temperatur niedriger als seine Liquidustemperatur und
höher als
seine Solidustemperatur abgekühlt, während es
einer Scherung unterzogen wird.
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WO
95/34393 (Cornell Research Foundation, Inc.) offenbart ebenfalls
einen Rheoformungs-Prozess, bei dem überhitztes flüssiges Metall in
einen halbfesten Zustand im Zylinder oder Gehäuse eines Einzelschneckenextruders
abgekühlt
wird, wo es während
der Abkühlung
einer Scherung unterworfen wird, bevor es durch Spritzguss in eine
Form gebracht wird.
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WO
01/21343 (Brunel University) ist eine ebenfalls anhängige Anmeldung,
die nach dem Prioritätsdatum
der vorliegenden Erfindung veröffentlich wurde.
Sie offenbart ein Verfahren zur Erzeugung einer geformten Komponente
aus einer flüssigen
Metalllegierung durch Abkühlen
der Legierung unter ihre Liquidustemperatur, während Scherung angewendet wird,
um die Legierung in ihren thixotropen Zustand zu überführen. Die
Legierung wird dann in eine diskrete Form übertragen, um eine geformte
Komponente zu bilden. Es gibt keine Offenbarung über die Erzeugung eines kontinuierlichen
Produkts.
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WO
01/23124 (Brunel University) ist eine weitere parallel anhängige Anmeldung,
die nach dem Prioritätsdatum
der vorliegenden Erfindung veröffentlicht
wurde. Sie bezieht sich besonders auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Gussteils aus einer Metalllegierung mit mindestens zwei unvermischbare Komponenten,
wobei die Komponenten einer Scherung unterworfen werden und in eine
halbfeste Schlämme
umgewandelt werden. Die Schlämme kann
dann einer Gussform oder einem vorgeheizten Metallband zugeführt werden.
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Keine
der Thixoformungs- oder Rheoformungs-Schriften beschreibt einen
Prozess, der kontinuierliche Produkte von genügend hoher struktureller Vollständigkeit
zu formen erlaubt.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Formung eines kontinuierlichen Produkts aus einer flüssigen Metalllegierung
vorge sehen mit den Schritten eines Kühlens der Legierung bis etwa
zur Liquidustemperatur oder bis von der Solidustemperatur bis zur
Liquidustemperatur der Legierung, eines Anwendens einer Scherung
auf die Legierung mit einer ausreichend hohen Scherrate und Turbulenzintensität, um die
Legierung in ihren thixotropen Zustand umzuwandeln, und eines Überführens der
gescherten flüssigen
Legierung oder gescherten halbfesten (halbflüssigen) Schlämme in eine
Formungseinrichtung, um ein festes Produkt zu formen, wobei die
Formungseinrichtung in der Lage ist, ein kontinuierliches Produkt
zu formen, wobei die Scherung auf die Legierung mittels eines Zwillingsschneckenextruders
mit wenigstens zwei Schnecken angewandt wird, die zumindest teilweise
ineinandergreifen.
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Mit „kontinuierlichem
Produkt" ist ein
Produkt gemeint, das kontinuierlich geformt wird, so dass ein Produkt
beliebiger Länge
geformt werden kann, vorausgesetzt dass genügend Materialzufuhr vorgesehen
ist. Dies ist ein Gegensatz zu einem diskreten Produkt, so wie es
in einer Form ausgebildet wird.
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Die
formgebende Vorrichtung kann ein Direkthartgießer sein (DC-Rheogießen), oder
ein Extrusionswerkzeug (Rheo-Extrusion), oder ein Zwillingswalzengießer (Zwillingswalzen
Rheo-Gießen). Die
Materialien, die entsprechend der vorliegenden Erfindung bearbeitet
werden, können
entweder mischbare oder nicht mischbare Legierungen sein. Im Falle
von nicht mischbaren Legierungen wird der Prozess als Rheomixing-Prozess
bezeichnet.
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Es
wurde erkannt, dass die meisten Nachteile der Thixoform-, herkömmlicher
Direkthartguss-, Zwillingswalzenguss- und Extrusions-Prozesse des Standes
der Technik überwunden
werden können, wenn
die zugeführte
flüssige
Legierung niedrigere Temperatur und höhere Viskosität hat, was
erreicht werden kann durch Scherung von flüssiger Legierung bei einer
Temperatur nahe ihrer Liquidustemperatur oder zwischen ihrer Liquidus – und Solidustemperatur.
Die höhere
Viskosität
der intensiv gescherten flüssigen
Legierung oder der halbfesten Schlämme kann die Verfestigungszeit
verkürzen,
Leckagen beim Zwillingswalzengießen verhindern, die chemische
Ablagerung während
der Verfestigung bei kontinuierlichem Guss und Extrudieren reduzieren
und die Produktionsrate erhöhen.
Die niedrigere Guss- /Zufuhrtemperatur
kann ebenfalls die Werkzeug-Lebensdauer, die Energieeffizienz und
Produktqualität
verbessern.
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In
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Formung eines kontinuierlichen Produkts aus einer flüssigen Metalllegierung
vorgesehen mit den Schritten eines Kühlens der Legierung bis etwa
zur Liquidustemperatur oder bis von der Solidustemperatur bis zur
Liquidustemperatur der Legierung, eines Anwendens einer Scherung auf
die Legierung mit einer ausreichend hohen Scherrate und Turbulenzintensität, um die
Legierung in ihren thixotropen Zustand umzuwandeln, und eines Überführens der
gescherten flüssigen
Legierung oder gescherten halbfesten (halbflüssigen) Schlämme in eine
Formungseinrichtung, um ein festes Produkt zu formen, wobei die
Formungseinrichtung in der Lage ist, ein kontinuierliches Produkt
zu formen und wobei die Legierung aus mischbaren Komponenten gebildet
wird, wobei die Scherung auf die Legierung mittels eines Zwillingsschneckenextruders mit
wenigstens zwei Schnecken angewandt wird, die zumindest teilweise
ineinandergreifen.
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Im
Allgemeinen ist die Schervorrichtung ein Hoch-Scher-Extruder, der
die Schritte der Aufnahme der flüssigen
Legierung in einen Temperatur kontrollierten Zylinder oder Gehäuse und
des Betreibens der im Zylinder positionierten Schnecken mit einer ausreichend
hohen Scherrate aufweist, um die flüssige Legierung in ihren intensiv
gescherten Zustand und/oder thixotropen Zustand umzuwandeln. Das Schneckenprofil
sollte besonders entworfen werden, um hohe Scherrate und hohe Turbulenzintensität zur Verfügung zu
stellen und um eine positive Pumpwirkung zu erzielen während der Überführung der
flüssigen
Legierung von einem Ende zum andern Ende des Zylinders. Der Extruder
kann irgendeine Art von Extruder sein, der mindestens zwei im Zylinder
positionierte Schnecken hat.
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Vorzugsweise
ist der Extruder ein Zwillingsschneckenextruder, der mindestens
zwei Schnecken hat, die im wesentlichen vollständig ineinander greifen.
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Die
Formungsvorrichtung kann aus verschiedenen Arten von Werkzeugen
oder Gussformen mit dazu gehörigen
Ausrüstungen
bestehen, die von den Anforderun gen an das zu produzierende Endprodukt abhängen. (a)
Beim DC-Rheoguss-Prozess
kann die Press/Guss-Form ein einfacher Zylinder mit einer optionalen
Anlauf-Basis sein, in welcher der Zylinder ein Kühlsystem haben kann. Die verfestigte
Legierung wird kontinuierlich aus der Press/Guss-Form über die Anlauf-Basis
extrahiert, wodurch das Gussteil kontinuierlich geformt wird. (b)
Beim Zwillingswalzen-Rheo-Guss-Prozess
enthält
die Press/Guss-Form ein Paar rotierende Walzen und ein Paar Seitendämme, die
an den beiden axialen Enden der Walzen angebracht sind, so dass
ein Vorrat an gescherter flüssiger
Legierung oder halbfester Schlämme
sowohl durch die Walzen als auch durch die Seitendämme definiert
wird; die Walzen rotieren entgegengesetzt, so dass die gescherte
flüssige
Legierung oder die halbfeste Schlämme anschließend verfestigt
wird, um Verfestigungshäute
zu bilden, die dann miteinander druckverbunden werden, wenn sie den
Spalt zwischen den beiden Walzen passieren, und so einen kontinuierlichen
Streifen bilden. (c) Beim Rheo-Extrusions-Prozess
kann die Press/Guss-Form ein einfaches offenes Loch sein, das am
Ende des Extruders angebracht ist. Die positive Pumpwirkung, die
vom Extruder bereitgestellt wird, zwingt die gescherte flüssige Legierung
oder die halbfeste Schlämme
durch das vorgeheizte offene Werkzeug, um Stangen oder dünne Drähte oder irgendwelche
andere geeigneten Querschnittsformen zu formen.
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Die
Form kann auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden oder bei dieser
Temperatur gehalten werden, wenn die gescherte flüssige Legierung
oder die halbfeste Schlämme
in sie eingebracht wird. Es kann eine vorbestimmte Beziehung geben zwischen
der Temperatur der Form und der Schertemperatur des Metalls, die
festgelegt wird durch die Anforderungen der jeweiligen Technik.
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Die
kontinuierliche Gussmethode und Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
umfasst vorzugsweise einen Extruder, der einen Einlass am einen
Ende und einen Auslass am andern Ende besitzt, einen temperaturgeregelten
Zylinder, welche den Einlass mit dem Auslass verbindet und mindestens
zwei Schnecken innerhalb des Zylinders besitzt.
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Mindestens
eine der Schnecken im Extruder umfasst vorzugsweise einen Körper mit
mindestens einer Schiebe, Schaufel oder einem Flügel daran, wobei die Schaufel wenigstens
teilweise eine Spirale um den Körper
beschreibt, um das Metall durch den Zylinder oder das Gehäuse zu schieben,
wobei die Schnecke rotiert werden kann, um die flüssige Legierung
mit einer ausreichenden Rate zu scheren, um darin eine vollständige Bildung
von dendritischen Strukturen zu unterdrücken, während das Metall in einem halbfesten
Zustand ist; Rotation der Schraube verursacht außerdem, dass das Metall von
dem Einlass zum Auslass durch das Gehäuse transportiert wird.
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In
einer Ausführungsform
werden Temperatur kontrollierbare Mittel eingesetzt, um die Temperatur
des Extrudergehäuses,
der Schnecken und der Legierung einzustellen, so dass die Legierung
entweder bei einer Temperatur in der Nähe ihrer Liquidustemperatur
gehalten wird, oder bei einer Temperatur zwischen ihrer Liquidustemperatur
und Solidustemperatur. Der Auslass des Extruders kann ein regulierbares
Ventil haben, um die Legierung vom Extruder zur Formvorrichtung
zu übertragen.
Die Menge an flüssiger
Legierung oder halbfester Schlämme,
die vom Extruder zu der Formvorrichtung übertragen wird, kann durch
besagtes Ventil gesteuert werden, um die Konsistenz der halbfesten
Schlämme
in der Formvorrichtung beizubehalten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Extrusionswerkzeug direkt am Extruder angebracht zur Herstellung
von kontinuierlichen Stäben mit
verschiedenen Querschnitten. Dieser Prozess wird Rheo-Extrusion
genannt.
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Alternativ
kann ein Einzelschneckenextruder zusätzlich zu einer Hochschervorrichtung
angewandt werden, wobei die gescherte flüssige Legierung oder die halbfeste
Schlämme,
die aus der Hoch-Scher-Vorrichtung entnommen wird, durch die kontinuierliche
Rotation der Schnecke in dem Einzelschneckenextruder für die Herstellung
von kontinuierlichen Gussteilen wie Stäben oder dünnen Drähten oder Barren oder Stränge extrudiert
werden kann.
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Die
kontinuierlichen Produkte, die durch das Verfahren der vorliegenden
Erfindung geformt werden, können
durch einen herkömmlichen
Extrudrusionsprozess weiter verformt werden.
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Allgemein
können
die Materialien die gemäß dieser
Erfindung bearbeitet werden irgendwelche metallischen Legierungen
sein, so wie auf Al, Mg, Zn, Cu, Fe usw. basierende Legierungen.
Eine wichtige Gruppe von Materialien, die gemäß dieser Erfindung bearbeitet
werden können,
sind jene mit einer Flüssigkeitnichtmischbarkeitslücke, z.B.
jene Legierungen die auf Al-Pb, Al-Bi, Al-In und Cu-Pb basieren.
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Ein
wichtiger Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die resultierende feine und gleichförmige Mikrostruktur über den
Querschnitt des Barrens oder Strangs, wobei ein kontrollierter Volumenanteil
von feinkörnigen
und kugelförmigen
Partikeln gleichförmig
in einer Matrix verteilt ist. Deshalb hat der hergestellte Barren
einen höheren
Grad von Thixotropie und ist besonders geeignet als Ausgangsmaterial
für das
Thixoformen.
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Ein
weiterer Vorteil des Prozesses der vorliegenden Erfindung beruht
auf der Tatsache, dass keine sekundären Bearbeitungsvorgänge, wie
Extrusion und Rekristallisation erforderlich sind für mikrostrukturelle
Kontrolle, da die hergestellten Barren oder Stränge eine feine und gleichmäßige Mikrostruktur haben.
Deshalb können
sie direkt zur Festkörperbearbeitung
wie spanendes Bearbeiten, Schmieden und so weiter benutzt werden.
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Die
zylinderartige Guss/Press-Form für
den DC-Rheoguss kann aus jeder Art von Material hergestellt werden,
aber vorzugsweise wird die Form aus Graphit oder kupferbasierter
Legierung hergestellt. Ein Kühlsystem
kann an die zylinderartige Guss/Press-Form angebracht werden, durch
die die gescherte flüssige
Legierung oder die halbfeste Schlämme bei einer geeigneten Kühlrate verfestigt werden
kann. Eine Anlaufbasis kann im Anfangsstadium des Gusses benutzt
werden.
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Die
rotierenden Walzen im Zwillingswalzengießer können jede Art von Profilen
haben, die in der Lage sind, einen engsten Spalt währen der
Drehung bereitzustellen. Vorzugsweise ist das Profil der Walzen
flach.
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Das
Extrusionswerkzeug beim Rheoextrusions-Prozess kann jede Art von
Querschnittsformen haben, einschließlich entweder einfacher Formen wie
runde, dreieckige, quadratische, rechteckige oder komplexe Formen
wie Polygone oder andere geeignete Formen. Die Querschnittsgröße kann
variiert werden über
einen großen
Bereich, was bedeutet dass die Produkte sowohl dünne Drähte als auch dicke Stangen
sein können.
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Das
Verfahren kann gescherte flüssige
Legierung verwenden bei einer Temperatur in der Nähe ihrer
Liquidustemperatur oder halbfeste Schlämme mit feinen und gleichmäßigen Mikrostrukturen
mit verschiedenen festen Volumenteilen (0% bis 750%) durch Scheren
flüssiger
Legierung bei Temperaturen zwischen Schmelz- und Erstarrungspunkt.
Wenn Scherung bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt ausgeführt wird,
wird eine feine und gleichförmige
Mikrostruktur im endgültig
verfestigten Produkt wegen der erhöhten effektiven Kernbildungsgeschwindigkeit
in der intensiv gescherten flüssigen
Legierung mit einer gleichförmigen
Temperatur und chemischen Zusammensetzung erzeugt. Wenn Scherung
bei einer Temperatur zwischen Liquidustemperatur und Solidustemperatur
durchgeführt
wird, kann eine halbfeste Schlämme
mit feinen und kugelförmigen
Partikeln erzeugt werden unter intensiver Scherung. Solch eine Schlämme kann
direkt genutzt werden, um eine Komponente zu formen oder zum Umformen
in Barren als ein Ausgangsmaterial für den Thixoformungsprozess.
Die Vorrichtung und das Verfahren kann auch metallische Komponenten
liefern mit verbesserten mechanischen Eigenschaften infolge der
effektiven Modifikation der Mikrostrukturen zurückzuführen sind, besonders bei Legierungen,
nahe der eutektischen Zusammensetzung.
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Die
Vorrichtung und das Verfahren weist vorzugsweise folgende Schritte
auf:
- – Vorsehen
einer flüssigen
Legierung im flüssigen Zustand
und Zuführen
der flüssigen
Legierung an einen Temperatur kontrollierten Extruder durch einen
Einlass, der zu einem Ende des Extruders angeordnet ist;
- – Scheren
der flüssigen
Legierung durch eine ausreichend hohe Scherrate, die durch den Extruder
bereitgestellt wird, um eine gescherte flüssige Legierung oder eine halbfeste
Schlämme
zu bilden;
- – Transferieren
der gescherten flüssigen
Legierung oder der halbfesten Schlämme vom Extruder in eine Formvorrichtung,
die entweder eine zylinderartige Gussform für DC-Rheoguss oder ein Zwillingswalzenspalt
für Zwillingswalzenrheoguss oder
ein offenes Werkzeug für
Rheoextrusion durch Öffnen
eines Kontrollventils, das sich an einem Ende des Extruders befindet,
und
- – Verfestigen
der gescherten flüssigen
Legierung oder der halbfesten Schlämme in der Formvorrichtung,
um kontinuierliche Gußteile
mit verschiedenen Querschnitten herzustellen. Die Formvorrichtung
kann ein DC-Gießer
oder ein Extrusionswerkzeug oder ein Zwillingswalzengießer sein.
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Grundsätzlich besteht
der Extruder aus einem Zylinder oder Gehäuse, zwei Schnecken und einem
Antriebssystem und ist angepasst, um flüssige Legierung durch einen
Einlass aufzunehmen, der gewöhnlich
zu einem Ende des Extruders hin angebracht ist. Einmal im Durchgang
des Extruders wird die flüssige
Legierung entweder abgekühlt
oder bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten. In beiden Situationen
ist die Arbeitstemperatur entweder eine Temperatur in der Nähe der Liquidustemperatur
oder eine Temperatur zwischen ihrer Solidustemperatur und Liquidustemperatur.
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Die
Prozesstemperatur, die vom Schmelz- und Erstarrungspunkt der Legierung
abhängt,
wird von Legierung zu Legierung variieren. Die geeignete Temperatur
ist offensichtlich für
den Durchschnittsfachmann.
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Auch
im Extruder wird die flüssige
Legierung Scherung unterworfen. Die Scherrate ist so, dass sie ausreicht,
um kugelförmige
Partikel und eine feine und gleichmäßige Mikrostruktur im Endprodukt
zustande zu bringen. Die Scherung wird induziert durch die Schnecke(n).
die innerhalb des Zylinders oder Gehäuses angeordnet sind und wird
verstärkt
durch spiralförmige
Schneckenstege, die auf dem Schneckenkörper gebildet sind. Erhöhte Scherung
wird erzeugt in dem ringförmigen
Raum zwischen dem Zylinder oder Gehäuse und den Schneckenstegen
und zwischen den Stegen der Schnecken. Die positive Verschiebung
im Extruder kann die gescherte flüssige Legierung oder die halbfeste
Schlämme
veranlassen, sich vom Einlass des Extru ders in Richtung zum Auslass
des Extruders fortzubewegen, wo sie dann entnommen wird.
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Beim
Zwillingswalzenrheogußprozess
wird ein Walzenspalt, der aus einem Paar Walzen, einem Paar Seitendämmen und
einem Antriebssystem besteht, vorzugsweise angenommen, um gescherte flüssige Legierung
oder halbfeste Schlämme über einen
Pool aufzunehmen, der oberhalb von den Innenflächen der zwei Seitendämme und
der oben liegenden Oberfläche
der zwei Walzen angeordnet ist und durch sie geformt ist. Einmal
im Poolvorrat des Zwillingswalzengießers wird die gescherte flüssige Legierung
oder halbfeste Schlämme
abgekühlt,
um eine Haut oder Umhüllung
an der Oberfläche
der Walzen zu bilden. Die Temperatur der Walzen variiert von Legierung
zu Legierung. Die geeignete Temperatur ist für den Durchschnittsfachmann
offensichtlich, sollte aber üblicherweise
niedriger sein als die Solidustemperatur der Legierung. Auch beim
Zwillingswalzengussprozess wird die gescherte flüssige Legierung oder halbfeste
Schlämme
Vorgängen
wie Verfestigung, Deformation, Bindung der verfestigten Schale und
kontinuierlicher Extraktion des festen Streifens unterworfen. Die
Extraktionsgeschwindigkeit ist so, dass es ausreicht, die Kontinuität des Prozesses
zu erhalten. Die Verformung und Haftung sind so, dass es ausreicht,
die effektive Bindung im Plattenbereich zu halten.
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Beim
Rheoextrusionsprozess kann der für das
Extrudieren benötigte
Druck der gescherten flüssigen
Legierung oder der halbfesten Schlämme durch Temperatur und Scherrate
für eine
gegebene Zusammensetzung kontrolliert werden. Die Temperaturänderung
zwischen Extruderzylinder und dem offenen Werkzeug kann die äußere Reibung
zwischen gescherter flüssiger
Legierung oder halbfestem Schlämme
und dem offenen Werkzeug während
der Extrusion drastisch reduzieren. Das Gleichgewicht an äußerer Reibung,
die Viskosität
der gescherten flüssigen
Legierung oder der halbfesten Schlämme und dem Pumpenüberdruck
des Extruders bestimmt die Extrudiergeschwindigkeit durch das offene
Werkzeug. Extrusionswerkzeuge mit unterschiedlichen Schnittformen
können
verwendet werden zum kontinuierlichen Gießen mit verschiedenen Querschnittsformen.
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Beim
Anwenden von Rheomixing kann entweder eine homogene flüssige Legierung
bei einer Temperatur oberhalb ihrer Mischungslücke oder ein vorläufig gemischtes
flüssiges
Gemisch bei einer Temperatur innerhalb der Mischungslücke in den
Extruder zum intensiven Mischen eingebracht werden, um ein feines
und gleichmäßiges Gemisch
zu bilden. Im Extruder erfährt
die flüssige
Legierung sowohl Abkühlung
als auch intensive Scherung. Der Extruder kann bei Temperaturen
sowohl oberhalb als auch unterhalb der monotektischen Temperatur
betrieben werden. Die Formungsvorrichtung kann entweder eine Extrusionswerkzeug
oder ein Zwillingswalzengießer
sein.
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Eine
Anzahl bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung werden im Detail unten mit Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben, von denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung
zum Umwandeln einer flüssigen
Legierung in eine intensiv gescherte flüssige Legierung oder halbfeste
Schlämme
entsprechend den Grundsätzen
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung
zum Umwandeln einer flüssigen
Legierung in eine intensiv gescherte flüssige Legierung oder halbfeste
Schlämme
und zum anschließenden
Erzeugen von Metallsträngen oder
-barren mit einem DC-Rheogußprozess
entsprechend den Grundsätzen
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung
zum Umwandeln einer flüssigen
Legierung in eine intensiv gescherte flüssige Legierung oder halbfesten Schlämme und
zum anschließenden
Erzeugen von Metallstangen/-drähten
mit einem Rheoextrusionsprozess unter Verwendung eines Extrusionswerkzeugs
entsprechend den Grundsätzen
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung
eines Extrusionswerkzeugs für
eine Rheoextrudierprozess ist.
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5 eine
schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung
zum Umwandeln einer flüssigen
Legierung in eine intensiv gescherte flüssige Legierung oder halbfeste
Schlämme
und anschließendem
Herstellen von Metallstangen/-drähten
mit einem Rheoextrusionsprozess unter Verwendung eines Einzelschneckenextruders entsprechend
den Grundsätzen
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung
zum Umwandeln einer flüssigen
Legierung in eine intensiv gescherte flüssige Legierung oder halbfeste
Schlämme
und anschließendem
Herstellen eines Metallbands mit einem Zwillingswalzenrheogußprozess
entsprechend den Grundsätzen
der vorliegenden Erfindung ist.
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In
der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, die folgt, wird
das Gussteil durch einen Extruder und eine Formungsvorrichtung aus
einer flüssigen
AZ91D Legierung erzeugt. Die Erfindung ist nicht auf AZ91D Magnesiumlegierung
beschränkt
und ist ebenso anwendbar auf jede andere Art von Metallen, einschließlich Aluminiumlegierungen,
Magnesiumlegierungen, Zinklegierungen, Kupferlegierungen, Eisenlegierungen
und anderen Legierungen, die möglicherweise
geeignet sind für scherinduzierte
Metallbearbeitung und/oder halbfeste Metallbearbeitung. Außerdem sind
spezifische Temperatur und Temperaturbereiche, die in der Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
zitiert werden, nur anwendbar auf AZ91D Magnesiumlegierung, können aber
ohne weiteres entsprechend den Grundsätzen der Erfindung von Durchschnittsfachleuten
modifiziert werden, um andere Legierungen, wie solche die auf Al,
Mg, Zn und Cu basieren, anzupassen.
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1 veranschaulicht
ein Extrudersystem entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung.
Eine flüssige
Legierung wird in eine Fülleinrichtung 10 eingespeist.
Die Fülleinrichtung 10 ist
mit einer Reihe von Heizelementen 11 ausgestattet, die um
dem äußeren Rand
angeordnet sind. Die Heizelemente können von jedem herkömmlichen
Typ sein und dienen dazu, die Fülleinrichtung
mit einer Temperatur zu betreiben, die hoch genug ist um das Metall,
das durch die Fülleinrichtung 10 zuge führt wird, im
flüssigen
Zustand zu halten. Für
AZ91D Legierung wäre
diese Temperatur über
600 °C,
der Liquidustemperatur der Legierung. Der Extruder hat eine Vielzahl
von Kühlkanälen 12 und
Heizelementen 13, die entlang des Extruders verteilt sind.
Die passenden Kühlkanäle 12 und
Heizelemente 13 können
eine Reihe von Heiz- beziehungsweise Abkühlzonen bilden. Die Heiz- und
Kühlzonen
machen es möglich, ein
komplexes Temperaturprofil entlang der Extruderachse aufrechtzuerhalten,
das die besonderen Anforderungen während halbfester Bearbeitung
erfüllen kann.
Die Temperatunegelung jeder einzelnen Zone wird erreicht durch Abgleichen
der Heiz- und Kühlleistungseingabe
durch ein zentrales Regelsystem durch das Thermoelement 20.
Die Heizmethoden können
Widerstandsheizung, Induktionsheizung oder jede andere Art von Heizung
sein. Das Kühlmedium
kann Wasser oder Gas oder jedes andere Medium abhängig von
der Prozessanforderung sein. Während
in 1 nur eine Heiz/Kühlzone gezeigt ist, kann der
Extruder mit zwischen 1 bis 10 getrennt steuerbaren Heiz/Kühlzonen
versehen sein.
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Der
Extruder hat auch eine physische Neigung oder Schräge. Die
Neigung ist gewöhnlich
zwischen 0 – 90° relativ
zur Metallblechbewegungsebene. Die Neigung ist vorgesehen zur Unterstützung des
Transfers der gescherten flüssigen
Legierung oder der halbfesten Schlämme vom Extruder zu den nächsten Schritten
in unterschiedlichen Prozessen.
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Der
Extruder ist ebenfalls mit zwei Schnecken 14 ausgestattet,
die durch einen Elektromotor oder einen Hydromotor 16 über ein
Getriebe 17 angetrieben sind. Die zwei Schnecken 14 sind
innerhalb des Zylinders oder Gehäuses 15 angebracht
und werden durch die Endkappen 18, 19 in Ausrichtung gehalten.
Die zwei Schnecken 14 sind ausgestaltet, hohe Scherraten
zu liefern, die notwendig sind, um feine und gleichförmige feste
Partikel zu erhalten. Unterschiedliche Arten von Schneckenprofilen
können
natürlich
benutzt werden. Außerdem
kann jede Vorrichtung, die hohe Scherung anbietet, benutzt werden,
um den Zwillingsschneckenextruder zu ersetzen.
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Die
gescherte flüssige
Legierung oder halbfeste Schlämme,
die im Extruder existiert, wird zur Formungseinrichtung übertragen
durch ein Ventil 21, das mit der Endkappe 19 verbunden
ist. Das Ventil 21 arbeitet als Reaktion auf ein Signal
des zentralen Regelsystems. Das Ventil 21 ist vorgesehen,
für einen konstant
geregelten Fluss der halbfesten Schlämme zu sorgen, so dass ein
passender Vorrat für
den nächsten
Prozessschritt gebildet wird. Das wahlweise Öffnen des Ventils 21 muss
den Prozessanforderungen angepasst werden. Das Ventil 21 kann
kontinuierlich geöffnet
werden bei einer begrenzten Durchflussrate oder diskret ohne Begrenzung
der Durchflussrate.
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2 veranschaulicht
ein DC Rheogießsystem.
Das System hat zwei funktionelle Einheiten: Einen Zwillingsschneckenextruder 1 und
einen DC Gießer 2.
Der Extruder 1 wurde in 1 beschrieben. Der
DC Gießer 2 umfasst
hauptsächlich
eine zylindrische Gießform 31 und
ein Kühlmedium 33.
Die Gießform
ist an einem Träger 36 angebracht
mit einem vorgegebenen Spalt zu Extruder 1. Eine Anlaufbasis
ist so eingeschlossen, dass sie kontinuierlich beweglich ist. Die
gelieferte gescherte flüssige
Legierung oder die halbfeste Schlämme ist im DC Gießer umschlossen.
Die Direkthartgusseinheit 31 wird befüllt durch das Kühlmittel 33 über Einlass 32 und
fließt aus über Auslass 34.
Die gescherte flüssige
Legierung oder die halbfeste Schlämme im Vorrat 30 kann dafür verfestigt
werden, um einen kontinuierlichen Barren oder Strang 34 zu
bilden, der unterstützt
wird durch die Basis 35, um den Prozess zu starten und den
Barren oder Strang kontinuierlich zu ziehen.
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3 veranschaulicht
ein Rheo-Extrusionssystem. Das System ist modifiziert von einem
Extruder, wie er in 1 gezeigt ist. Ein temperaturgeregeltes
Extrusionswerkzeug 8 ist direkt am Auslassventil 21 angebracht.
Das Extrusionswerkzeug 8 hat ein separates Thermoelement 9,
um die erforderliche Werkzeugtemperatur aufrechtzuerhalten, und
hat einen Auslass 7, um die Legierung zu extrudieren. Die höhere Temperaturänderung
am offenen Werkzeug kann den Widerstand gegenüber dem Durchfluss der gescherten
Legierung oder der halbfesten Schlämme beträchtlich reduzieren. Die gescherte
flüssige
Legierung oder die halbfeste Schlämme wird durch das Extrusionswerkzeug
herausgedrückt,
um einen Stab oder einen Draht zu formen.
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4 veranschaulicht
ein alternatives Extrusionswerkzeug, in welchem eine alternative
Querschnittsform 7 in das Extrusionswerkzeug 8 eingearbeitet
ist, um andere Querschnittsformen zu erzeugen. Gewöhnlich kann
der Querschnitt des Extrusionswerkzeugs jede einfache oder komplexe
Form haben oder jede andere Form, die geeignet ist zum Extrudieren.
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5 veranschaulicht
ein alternatives Rheo-Extrusionssystem. Das System hat zwei funktionelle
Einheiten: Einen Zwillingsschneckenextruder und einen Einzelschneckenextruder.
Der Zwillingsschneckenextruder wurde in 1 beschrieben.
Der Einzelschneckenextruder wird als Formungsvorrichtung für die Herstellung
von Stäben/Drähten aus
der gescherten flüssigen
Legierung oder der halbfesten Schlämme benutzt. Der Einzelschneckenextruder besteht
aus einem Zylinder oder Gehäuse 42,
Schnecke 43, Düse 41 und
Heizelementen 45 entlang des Zylinders 42 mit
einem Thermoelement 46 für die erforderliche Temperatur.
Die gescherte flüssige
Legierung oder die halbfeste Schlämme wird durch das Ventil 22 in
den Einzelschneckenextruder eingebracht. Die kontinuierliche Rotation
der Schnecke 43 presst die gescherte flüssige Legierung oder die halbfeste
Schlämme
vorwärts
zur Düse 41,
um ein kontinuierliches Produkt zu formen. Die Temperaturregelung
des Zylinders oder Gehäuses 42 mittels Heizelementen 45 kann
den Ausflusswiderstand der gescherten flüssigen Legierung oder der halbfesten Schlämme signifikant
erniedrigen. Die Schnittformen der Düse 41 bestimmen die
Form des extrudierten Teils. Die Düse kann einfach ein kleiner
Kreis sein, der einen metallischen Draht formt, oder jede andere mögliche Form.
Solch ein Extruder nach der Stand der Technik kann durch Anwendung
der alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung modifiziert werden, wobei zumindest das
offene Werkzeug zu anderen Formen verändert werden kann.
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6 veranschaulicht
ein Zwillingswalzen-Rheogusssystem. Das System hat zwei funktionelle
Einheiten: Einen Zwillingsschneckenextruder 1 und einen
Zwillingswalzengießer 2.
Der Extruder 1 wurde in 1 beschrieben.
Der Zwillingswalzengießer 2 umfasst
hauptsächlich
ein Paar Walzen 22 und ein Paar Seitendämme 23. Die Zwillingswalzen
sind horizontal und parallel zueinander mit einem vorbestimmten
Spalt angeordnet, wobei eine oder beide der Walzen so abgestützt sind,
dass sie wahlweise in radialer Richtung der Walzen beweglich sind.
Die Walzen rotieren in den durch die Pfeile angezeigten Richtungen.
Das Innere jeder Walze 22 kann eine Kühl- oder Heizummantelung bilden.
Seitendämme 23 sind
in Kontakt mit den Walzen 22 in axialer Richtung der Walzen
angebracht. Um die halbfeste Schlämme zu speichern, wird ein
Vorrat 24 zwischen oberen Oberflächen der entgegengesetzten
Enden der Walzen 22 und der inneren Oberfläche der
zwei Seitendämme 23 gebildet.
Die übertragene
halbfeste Schlämme
im Vorrat 24 kann weiter verfestigt werden um eine Umhüllung oder
Haut 25 auf der Oberfläche der
Walzen 22 zu bilden. Unter dieser Bedingung werden die
Walzen 22 in Pfeilrichtung rotiert, wie in der Figur gezeigt,
so dass die verfestigten Häute 25, die
auf den Oberflächen
der Walzen 22 gebildet werden, herunter gezogen werden
und durch Druck verbunden werden, um einen kontinuierlichen Gussstreifen 26 zu
bilden.
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Wie
angeführt
in 6, sind die Walzenumfangsoberflächen normalerweise
glatt, d. h. die Walzen sind von einfacher zylindrischer Form. So
ein Gießer
nach dem Stand der Technik kann durch Anwendung der alternativen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung modifiziert werden, wobei wenigstens
ein Teil der Walzenoberfläche
eine konvexe oder konkave Oberfläche
oder irgendeine andere geeignete Oberfläche ist.
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Im
Allgemeinen hat das System eine Regelvorrichtung, um all die Funktionen
zu realisieren. Die Regeleinrichtung ist vorzugsweise programmierbar, so
dass die gewünschten
Eigenschaften des Metalls erzielt werden können. Die Regeleinrichtung
(in den Abbildungen nicht gezeigt) kann z. B. einen Mikroprozessor
aufweisen, der leicht und schnell umprogrammiert werden kann, um
die relativen Parameter abhängig
von der Art des gefertigten Produkt zu ändern.
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Die
Ausführungsform
kann auch eine Sensorvorrichtung am Extruder angebracht haben, um den
Druck im Zylinder oder Gehäuse
zu erhöhen.
Die Ausführungsform
kann auch eine Sensorvorrichtung am Extruder und dazugehörigen Teilen
haben, um Schutzgas zur Vermeidung einer Oxidation einzuleiten.
So ein Gas kann Argon, Stickstoff oder jedes andere geeignete Gas
sein.
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Obwohl
besondere Ausführungsformen
in Übereinstimmung
mit der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, ist klar,
dass die Erfindung eine Vielfalt von Formen und Ausführungsformen
annehmen kann, die alle innerhalb des Schutzbereichs der nachfolgenden
Ansprüche
fallen. Zum Beispiel können
Zylinder und Schnecke von einer modularen Bauweise sein.