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Verfahren zur Herstellung von porösem Metall in einem kontinuierlichen Arbeitsgang
Die Erfindung betrifft die Herstellung von eine erhebliche mechanische Festigkeit aufweisenden Form- gusskörpern aus porösem Metall, die im Prinzip auf die Weise vor sich geht, dass eine Metallschmelze mit gleichbleibender Geschwindigkeit in einen Giessprozess eingeführt wird, wobei die Schmelze unter all- mählicher Ausdehnung eine poröse Struktur annimmt und in der Form eines endlosen Bandes, endloser i Platten, Stangen, Balken od. dgl. erstarrt.
Man hat bereits früher poröse Metallstrukturen hergestellt, jedoch nur in kleinem Umfang, und diese
Verfahren beruhten auf der Beimischung einer gasentwickelnden Substanz irgendwelcher Art zu einem ge- schmolzenen Metall, das durch das gebildete Gas aufgetrieben wurde. Diese vorbekannten Verfahren er- möglichten aber nicht einen kontinuierlichen Prozess, der eine genaue Kontrolle der Gasentwicklung und der übrigen für die Entstehung des porösen Metalls massgeblichen Faktoren voraussetzt.
Wegen der plötzlichen und oft explosionshaften Gasentwicklung, die sich ergibt, wenn eine Metall- schmelze auf die bisher angewandte Art mit gasentwickelnden Stoffen vermischt wird, ist eine kontinuier- liche Durchführung des Verfahrens nicht möglich, denn man würde hiebei Gusskörper ungleichförmiger
Strukturen mit schlechten physikalischen Eigenschaften erhalten.
Gemäss der Erfindung wird die Porenbildung derart durchgeführt, dass die Gasentwicklung allmählich und kontinuierlich erfolgt und einer praktisch durchführbaren Kontrolle unterzogen werden kann zwecks kontinuierlicher Herstellung von porösen Formgusskörpern von im wesentlichen gleichförmiger Struktur, deren Zugfestigkeit ungefähr proportional zu der in ihnen enthaltenen Metallmenge ist und bei denen die
Wärmeleitungsfähigkeitsverringerung proportional zu dem Quadrat der Gewichtsverminderung ist, die durch die Zunahme des Volumens bei der Porenbildung verursacht wird. Schliesslich verhält sich die Zunahme der Starrheit des Erzeugnisses mehr als proportional zu dem Quadrat der genannten Gewichtsverminderung.
Gemäss der Erfindung wird der Gasentwicklung in der Zone, in der das gasentwickelnde Mittel in die
Metallschmelze eingemischt wird, absichtlich entgegengewirkt. Daraufhin wird die mit dem gasentwickeln- den Mittel vermischte Schmelze, die noch keine nennenswerte Porenbildung erfahren hat, in eine Zone mit kontrollierter Temperatur geführt, in der die Porenbildung erfolgt, worauf das Material weitergeführt und in eine Kühlzone geleitet wird, wo es zu seiner endgültigen Form erstarrt. Dieser letztere Teil des
Verfahrens kann auf einem Förderband oder zwischen einer ReihevonFörderbändern, Ketten od. dgl. aus- geführt werden, oder auch in einer Reihe von Formen, die kontinuierlich weitergeleitet werden. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden solche gasentwickelnde Mittel vermieden, die plötzlich oder ex- plosionsartig Gas entwickeln, wie z. B.
Wasser in Aluminium oder Petroleum in Metallschmelzen, und es wird die Gasbildung durch Druck geregelt, so dass die Gasentwicklung sich über einen längeren Zeitraum erstreckt, wobei auch die Diffusion der gebildeten Gase und ihre Freisetzung aus der festen Phase und der dadurch bedingte Übergang in die Gasform von Bedeutung ist. Die Regulierung der Gasentwicklung kann durch Druckkontrolle und auch durch die Variation anderer Reaktionsbedingungen erfolgen.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass in dem Augenblick, in welchem sich das Gas entwickelt, dessen Partialdruck genügend gross ist, um das Fortschreiten der weiteren Reaktion zu verzögern, und dass dies im allgemeinen ausreichend ist, um auch bei Atmosphärendruck in der Reaktionszone die gewünschte Kontrolle zu erzielen.
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Petroleum stellt z. B. bei dem erfindungsgemässen Verfahren kein geeignetes gasentwickelndesMittel dar, da dessen Zersetzung von der Festigkeit und thermischen Stabilität der im Petroleum vorliegenden
Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen bestimmt wird und nicht in höherem Ausmass von kleineren Druckän- derungen beeinflusst wird. Die Zersetzung eines Metallhydrides ist dagegen stark abhängig sowohl von dem
Druck wie auch von der Temperatur und dasselbe gilt für die Gasentwicklung beim Sieden von flüssigen
Metallen, die mindestens bis zu einem gewissen Grade in dem Grundmetall löslich sind.
Bei der Anwen- dung von Metallhydriden kann ein Druckunterschied von nur einer Atmosphäre eine Porenbildung gleicher
Grösse wie ein Temperaturunterschied von 500C verursachen, und indenFällen, in denen Zink, Cadmium oder Magnesium zur Porenbildung in Eisen oder Stahl angewandt werden, ist die Druckabhängigkeit der
Porenbildungsreaktion ebenso ausgeprägt. Erfindungsgemäss hat es sich gezeigt, dass es injenenFällen, in denen die thermische Gasentwicklung in hohem Grade vom Druck abhängig ist, möglich ist, eine stufen- weise erfolgende Gasentwicklung zu erzielen, was eine Bedingung für die Durchführbarkeit eines konti- nuierlichen Verfahrens unter kontrollierbaren Verhältnissen ist.
Die Erfindung wird durch die Zeichnungen, in denen drei verschiedene Ausführungsformen der Erfin- dung schematisch gezeigt wurden, näher veranschaulicht.
Fig. l zeigt, wie Aluminiumbarren 1 in dem Ofen 2 geschmolzen werden. Um die Zeichnung nicht zu komplizieren sind die Anordnungen zum Erhitzen weggelassen worden. Bei dem Schmelzprozess wird ein mehr oder weniger kontinuierlicher Aluminiumstrom 3 erhalten, welcher in den Ofen 5 fliesst, derum die Zapfen 6 drehbar ist, so dass man bei 7 eine genau kontrollierbare Strömungsgeschwindigkeit der Alu- miniumschmelze erhält, die durch den-Abflussrand 8 kontrolliert wird. DasAlumínium wird durch dasRohr
11 in ein Mischgefäss 12 eingeführt. Das schaumbildende Mittel 13, das entweder selber in flüssiger Form vorliegt oder in einer geeigneten Flüssigkeit, z.
B. einer Metallschmelze, die unter der Zersetzungstemperatur des Mittels schmilzt, aufgelöst oder suspendiert ist, kann in einem Behälter 14 enthalten sein und durch das Rohr 15 in das Mischgefäss 12 eingeführt werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeit durch das Mundstück 16 genau kontrolliert wird. In dem Gefäss 12 wird das schaumbildende Mittel mit Hilfe der vom Motor 18 angetriebenen Rühranordnung 17 mit der Aluminiumschmelze vermischt, und diese Mischung wird daraufhin veranlasst, im Verlauf einer ungefähr 10-60 sec nicht überschreitenden Zeit über den Überlauf 19 auf ein Förderband 20 zu fliessen, auf dem die Schmelze eine zusammenhängende Masse bildet. Das Förderband wird mit einer an die Behandlungsdauer in dem Ofen, z. B. 5-10 sec oder bis zu 6-7 min, angepassten Geschwindigkeit in den Ofen 21 eingeführt.
Während die Mischung auf dem Förderband durch den Tunnelofen geführt wird, wird dieselbe auf einer verhältnismässig hohen Temperatur gehalten, wodurch die Schaumbildung erfolgt, und wenn das Ganze bei 22 den Ofen verlässt, wird die Schmelze abgekühlt und erstarrt unter Bildung eines festen Metallschaumes, welcher in passende Längen aufgeteilt werden kann.
Die Temperaturen werden innerhalb der verschiedenen Stufen innerhalb der folgenden Grenzen gehalten : Bei der Überführung der Schmelze von dem Ofen in das Mischgefäss soll die Temperatur der Schmelze 5-450C über der Temperatur liegen, bei welcher die Vermischung erfolgt. Die Vermischung erfolgt bei einer Temperatur, die zwischen 50C über der Verflüssigungstemperatur und 50C unter der Erstarrungstemperatur liegt, und in dem Tunnelofen herrscht eine Temperatur zwischen etwa 100 und etwa 50C unter der Erstarrungstemperatur ; je nachdem, welches Metall behandelt wird, ist die Temperatur im Inneren der Mischung etwas höher als die Temperatur in dem Tunnelofen.
Einige Abweichungen von dem in Fig. l gezeigten Verfahren sind zulässig und gehen aus Fig. 2 hervor.
Die Aluminiumschmelze 31 wird vondemSchmelzofenod. dgl. indenTiegel 32 gefülltundindenOfen 33 gegossen, in welchem die Temperatur der Schmelze allenfalls mit Hilfe von Heizelementen, die, um die Zeichnung nicht zu komplizieren, weggelassen worden sind, erhöht werden muss. Eine eventuell erforderliche Herabsetzung der Temperatur kann durch den Zusatz von kleinen Stücken festen Metalles bewirkt werden. Die Aluminiumschmelze strömt von dem Ofen 33 durch das an dessen Boden vorgesehene Rohr 34 in das Mischgefäss 36, wobei der Strom durch das Mundstück 35 geregelt wird, so dass man einen gleichmässigen und sehr genau abgepassten und abgemessenenAluminiumstrom erhält. Ein gasentwickelndes Mittel, z.
B. eine Mischung von 100/0 Zirkonhydrid in Pulverform und 90% Aluminiumpulver, wird von einer auf einer Trommel 38 aufgewickelten Aluminiumhülse 37 aufgenommen, wobei die Trommel mit Hilfe der von einem Motor über ein Schaltgetriebe angetriebenen Rollen 39 angetrieben wird, so dass das gasentwickelnde Mittel auf eine genau kontrollierte Art in das Gefäss 36 eingeführt wird. Wenn die Hülse in das Gefäss 36, in welchem die Aluminiumschmelze mit Hilfe des von dem Motor 41 angetriebenen Rührwerkes 40 kräftig umgerührt wird, eingeführt worden ist, schmilzt die Aluminiumhülse und das gasentwickelnde Mittel wird in der Schmelze dispergiert.
Innerhalbyonl0bis 60sec lässt man dann die Mi-
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schung über den oberen Rand des Gefässes 36 durch den Auslass 44 in die Formen hineinströmen ; die For- men werden dann in den Ofen 46 eingeführt, wo sie während einer Zeitspanne von höchstens 10 min einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, bis sie den Ofen bei 47 wieder verlassen.
Wenn, wie in Fig. 2 gezeigt, mehrere Formen benutzt werden, anstatt die Schmelze direkt auf ein Förderband überzuführen, i so wie dies in Fig. 1 veranschaulicht worden ist, ist es in gewissen Fällen nicht erforderlich, einen Ofen der Art anzuordnen, wie in Fig. 2 bei 46 gezeigt worden ist, wenn die Wärmekapazität der Form ausrei- chend und ihre Wärmeisolierung so gewählt ist, dass die erforderlichen Temperaturbedingungen und die erforderliche langsame Wärmeableitung von der inneren Zone der Form erzielt werden.
In bestimmten Fällen wird auch Druck angewandt, um der Gasentwicklung entgegenzuwirken. In die- sem Fall wird auf die in Fig. 3 angegebene Art gearbeitet. Das Mischgefäss wird unter Druck gehalten, der so gewählt ist, dass eine Zersetzung oder ein Kochen des gasentwickelnden Mittels verhindert wird, wo- durch sich der Zeitraum, während dessen die Schmelze in dem Mischgefäss behandelt werden kann, ver- längern lässt, was ermöglicht, die Homogenität der Mischung leichter zu sichern.
Die Metallschmelze 51 wird, wie aus der Zeichnung bei 52 hervorgeht, durch Schmelzen von Bar- ren 50 mit Hilfe von (nicht gezeigten) Erhitzungsanordnungen erhalten und in das Mischgefäss 60 unter ei- nem Druck eingeführt, der entweder durch das Gewicht der Metallschmelze in der Säule 51 im Zufluss- rohr 53 oder durch eine elektrische Pumpe erzielt wird. Auf dieselbe Art wird der feste gasentwickelnde
Stoff 54 bei 55 geschmolzen und die Schmelze 56 durch das Rohr 57 bei 58 in das Gefäss 60 unter Druck eingeführt. In dem Gefäss 60 wird eine völlige Vermischung des Metalles und des gasentwickelnden Stof- fes mit Hilfe der Rührvorrichtung 61 erzielt, deren Antriebswelle 62 durch das Mundstück 63 zu dem Mo- tor 64 geführt ist.
Das Mundstück 63 entspricht in gewissem Umfang der Lippe 19 in Fig. 1 bzw. dem Aus- lass 44 in Fig. 2 und hat einen derart verengten Querschnitt, dass der Überdruck aufrecht erhalten werden kann. Wenn die Schmelze das Mundstück verlässt, wird der Druck herabgesetzt, und die Schaumbildung tritt unmittelbar ein.
Die Schaumbildung erfolgt bei bestimmten Mischungen sehr schnell, sie kann aber bei manchen Mi- schungen auch langsam vor sich gehen. Wenn die Gasentwicklung sehr schnell ist, kann man den gewon- nenen Metallschaum auf ein Förderband überführen, entweder frei, oder auch zwischen miteinander par- allelen Förderbändern, so dass man ein Produkt mit einem bestimmten Querschnitt und unbegrenzter Länge erhält.
Wenn die Gasentwicklung langsam vor sich geht, wird die aus dem Mundstück 63 hervortretende
Schmelze auf ein Förderband 65 fliessen gelassen und dann durch einen Ofen 67 geführt, der auf einer
Temperatur von 100 bis zu 50C unter der Erstarrungstemperatur der Schmelze gehalten wird, um eine allzu schnelle Wärmeableitung von den Oberflächen der Schmelze zu vermeiden, wobei indem Ofen, wie dies bei 68 gezeigt ist, eine Porenbildung in dem Material erzielt wird. Bei dem Austritt des Materials aus dem Ofen wird das Produkt bei 69 abgekühlt, so dass dasselbe zu einer zusammenhängenden Platte oder einem andern Formstück erstarrt.
Statt dass man die Mischung auf ein Förderband herauslaufen lässt, kann dieselbe in Behälter oder Formen gegossen werden, die auf einem Förderband angeordnet sind, und durch eine geeignete Temperaturüberwachung in den Formen (vgl. die entsprechende Beschreibung zu Fig. 2) kann die Schmelze zur Bildung eines Metallschaumes in den Formen gebracht werden, weshalb man auf diese Art eine kontinuierliche Herstellung von Formkörpern aus porösem Metall erzielt.
Durch die folgenden Beispiele soll die Erfindung weiterhin veranschaulicht werden, aber dieselbe wird nicht auf die hierin angegebenen Bedingungen beschränkt.
Beispiel l : Eine durch Schmelzen verflüssigte Dispersion aus 10% Titanhydrid in 90% einer aus 32% Aluminium und 68% Magnesium bestehenden Legierung wird in eine strömende Aluminiumschmelze mit einer Temperatur von 6900C eingeführt. Das Verhältnis zwischen den beiden Schmelzen ist 9 Teile Aluminium auf 1 Teil der genannten Dispersion, deren Temperatur 4400C beträgt. UnmittelbarnachderMi- schung der beiden Schmelzen, passiert die Mischschmelze ein Gefäss, in dem dieselbe einer kräftigen Vermischung durch eine Rührvorrichtung mit gewellter Scheibe, die mit 6000 Umdr/min rotiert, unterworfen wird.
Von dort fliesst die Schmelze, in der die Gasentwicklung gerade begonnen hat, auf einFörderband aus Stahl, dessen Oberfläche mit Kalk behandelt worden ist, um es hitzebeständiger zu machen ; die Schmelze wird dann von dem Band durch einen erhitzten Tunnel geführt, Die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze wird so eingestellt, dass die Gasentwicklung, die zwischen dem Zeitpunkt, in welchem die Schmelze mit dem gasentwickelnden Mittel vermischt wird, und dem Zeitpunkt der Überführung der Schmelze auf das Förderband erfolgt, weniger als 25% der gesamten Gasbildung, die in der Schmelze vor sich gehen kann, ausmacht, was durch Messen der eintretenden Volumenzunahme zwischen den genannten Zeitpunkten im Verhältnis zu dem maximal erzielten Volumen bestimmt wird.
Der Zeitraum von dem Vermischungsaugenblick der Metallschmelze bis zu dem Zeitpunkt der Überführung auf das Förderband
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beträgt weniger als etwa 10-60 sec.
Die Temperatur in dem Tunnel kann derart kontrolliert werden, dass die Temperatur des Metalles in der Mitte des Tunnels 6300C bzw. zwischen 400 und 650 C beträgt : und 6000C bzw. zwischen 300 und 620 C, wenn das Metall den Tunnel verlässt, wobei der Aufenthalt in dem Tunnel 280 sec bzw. von 30 bis etwa 600 sec dauern kann. Nachdem die Metallschmelze den Tunnel verlassen hat, erstarrt sie da- durch, dass sie mittels Luftströmen abgekühlt wird, so dass die Schmelze schnell eine Temperatur an- nimmt, bei welcher sie nicht mehr deformiert werden kann. Die Kühlung kann anstatt mit Luft auch mit
Wasser erfolgen.
Der auf diese Art hergestellte Metallschaum liegt in Form eines Prismas unbegrenzter Länge vor, welches 25 cm breit und 10 cm hoch ist, und kann in Form von Stücken abgeschnitten werden, z. B. wenn derselbe das von der Erzeugungsstelle am entferntesten liegende Ende der Anlage erreicht hat.
Beispiel 2 : Eine Aluminiumschmelze wird mit einer Zirkonhydridmenge entsprechend 0, 51o des
Gewichtes der Aluminiumschmelze in einem Ofen unter einem Druck von 100 Atmosphären und einer
Temperatur von 9400C vermischt. Der angewandte Druck verhindert die Gasbildung. Die hergestellte Mi- schung wird in einem gleichmässigen Strom in eine Reihe Formengegossen, die an dem Mundstück vorbei- geführt werden. Hiebei beginnt das Hydrid sich zu zersetzen, und diese Zersetzung hält an, während die Formen auf einem Kettenförderer durch einen Tunnel von z. B. 30 m Länge mit einer Geschwindigkeit von z. B. 10 m in der Minute bzw. 4-40 m in der Minute geführt werden.
Am Ende des Tunnels können die Formen durch ein aus kochendem Wasser bestehendes Bad geführt werden, um die Temperatur des Metalles auf dessen Erstarrungspunkt zu bringen und somit zu verhüten, dass die poröse Schmelze zusammen- fällt, was eintreten würde, wenn sie zu lange eine in der Nähe des Erweichungspunktes liegende Temperatur aufweist.
Die Temperatur in dem Tunnel, durch den das Metall hindurchbefördert wird, wird innerhalb der im Beispiel 1 angeführten Grenzen gehalten.
Obwohl in den vorgenannten Beispielen die Erfindung an Hand von Ausführungsformen beschrieben worden ist, bei denen bestimmte angeführte Metalle und Bedingungen angewandt worden sind, kann man selbstverständlich auch andere Metalle wählen und die Reaktionsbedingungen variieren, wobei von Wichtigkeit ist, dass die Gasentwicklung verhältnismässig langsam und kontrollierbar erfolgt und dass sich das Verfahren kontinuierlich durchführen lässt. Unter den Metallen, welche sich als für das erfindungsgemässe Verfahren anwendbar erwiesen haben, können somit genannt werden : Eisenmetalle und-legierungen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Titan, Zirkonium, Niob und auch bei niedriger Temperatur schmelzende Metalle, wie Magnesium, Zink, Lithium, Aluminium und Magnesium.
Als eine allgemeineRegelkanngesagtwer- ,den, dass Metalle welche unter 12000C schmelzen. möglichst mit Hydriden versetzt werden sollen, z. B.
Zirkonium-, Titan-, Lithium-, Lithium-Aluminium-und Magnesiumhydriden, wogegen zu Metallen, deren Schmelzpunkt über 12000C liegt, vorzugsweise ein Metall zugesetzt wird, dessen Siedepunkt unter 11500C bei Atmosphärendruck liegt. Wenn es sich um Metalle mit einem sehr hohen Schmelzpunkt handelt, sollte man als gasentwickelndes Mittel ein Metall anwenden, dessen Siedepunkt klar unter dem Schmelzpunkt des Grundmetalles liegt und welches durch den in Frage kommenden äusseren Druckbei der
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zu seiner unmittelbaren Auflagefläche bzw. Anlageflächen nicht mehr bewegt.
Wird nämlich das Metall während des Schaumbildungsprozesses dadurch Reibungen ausgesetzt, dass sich der Schaumkörper im Verhältnis zu'den genannten Flächen bewegt, so entsteht nicht nur eine Neigung bei dem Formkörper zum Zerspringen, sondern es werden ausserdem die Zellen unregelmässig und verzerrt und weisen dann nicht die gleiche mechanische Festigkeit auf, welche die erfindungsgemäss hergestellten Schaumkörper kennzeich- net.
Man zieht deshalb vor, das Metall mit einer beweglichen Fläche oder mit beweglichen Flächen erst dann in Verbindung zu bringen, wenn etwa 25% der Schaumbildung erfolgt sind, und den Hauptteil der Schaumbildung dann durchzuführen, wenn das Metall voneinertragendenFläche vorwärts bewegtwird, wobei dann keine Bewegung zwischen dem Schaumkörper und der erwähnten tragenden Fläche mehr stattfindet. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, Formkörper mit jedem beliebigen gewünschten Querschnitt durch Giessen einer Metallschmelze zwischen Förderbändern oder andern beweglichen Flächen herzustellen, so dass das Metall, während die Schaumbildung erfolgt, relativ zu den genannten angrenzendenFlächen in Ruhe ist, anstatt derartige Formkörper auf die bisher für diesen Zweck übliche Art herzustellen, nämlich durch Spritzen durch ein Mundstück.
Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens soll das Metall möglichst in einem Zeitraum, wel-
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cher 10-60 sec nicht überschreitet und 45 sec unterschreitet, von der Mischstufe bis zu dem Förderband gebracht werden.
Was die Temperatur in der Schaumbildungszone anbetrifft, wird vorgezogen, dass diese zwischen 10 und 2000C über der Zimmertemperatur und 10-300 C unter der ErstarrungstemperaturderMetallmischung liegt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum kontinuierlichen Giessen von porösen Metallen oder Metallegierungen, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine ununterbrochen mit im wesentlichen gleichförmiger Geschwindigkeit vorwärtsströmende Metallschmelze in einem Mischgefäss mit einer bei der Temperatur der Schmelze oder darunter Gas und/oder Dampf entwickelnden Substanz gründlich vermischt wird und diese Mischung, bevor noch die dem Metall beigemischte Substanz mehr als 25% ihrer vergasenden bzw. verdampfenden Komponente abgegeben hat, auf eine kontinuierlich vorwärtsbewegte Giessunterlage bzw. kontinuierlich an der Giessstelle vorbeigeführte Formen gegossen wird und dann auf dieser bzw.
in diesen durch eine Heizzone geführt wird, in welcher Temperatur und Durchlaufzeit so aufeinander abgestimmt sind, dass die Schmelze ihre optimale Ausdehnung erfährt, worauf der so erzeugte Metallschaum abgekühlt wird.