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Die wissenschaftliche Begründung für diesen Befund könnte darin liegen, dass Zirkoniumoxyd im Gegensatz zu Zirkoniumsilikat eine Phasenumwandlung bei etwa 10000C erleidet, mit welcher eine grosse Vplumsverminderung verbunden ist. Bei Betriebsbedingungen müsste man also das Entstehen von Hohlräumen erwarten, die das Material schwächen. Der Stand der Technik schlägt vor, das Zirkoniumoxyd durch Zugabe von
Kalzium- oder Magnesiumoxyd zu stabilisieren ; während dies die genannte Umwandlung unterdrückt, wird jedoch gleichzeitig der Expansionskoeffizient mehr als verdoppelt, wodurch Spannungsprobleme an der Grenzfläche mit der metallischen Matrix auftreten.
Ist die metallische Komponente Molybdän oder Wolfram, so ist das Zirkonsilikat im allgemeinen in einer
Menge von 7 bis 48 Gew.-% vorhanden. Ist die metallische Komponente jedoch Silber, Kupfer oder eine
Silber-Palladium-Legierung, so ist das Zirkonsilikat im allgemeinen in einer Menge von 50 bis 92 Gew.-% vorhanden.
Die metallische Komponente, ob nun Molybdän oder Wolfram, kann auch Chrom in einer Menge von bis zu 10 Grew.-% enthalten.
Solche Metall-Metallsilikat-Materialien lassen sich nach jedem geeigneten technischen Verfahren herstellen.
In typischen Fällen werden sie aus vorverdichtetem pulverförmigem Silikat und Metall entweder heissgepresst oder gesintert, wobei die letztgenannte Methode etwas höhere Temperaturen erfordert, da kein dauernder Druck vorhanden ist, der die Verdichtung des Materials unterstützen könnte.
Erfindungsgemäss kann bei einer Düse für die Produktion von Stranggussprofilen aus Metall mindestens ein
Teil ihrer Länge aus dem neuartigen Material bestehen. Die Düse kann mehrere getrennte Düsenstücke mit einer gemeinsamen Symmetrieachse aufweisen, wobei mindestens eines der Stücke aus dem Metall-Metallsilikat-Material besteht und die Stücke durch äussere Konstruktionselemente zusammengehalten werden. Eine Düse dieser Art kann eine Anzahl von Zonen aufweisen, deren jede entweder aus dem neuen Metall-Metallsilikat-Material besteht und eine Zusammensetzung aufweist, die für die bei der Benutzung auftretenden physikalischen Bedingungen geeignet ist, oder aus Graphit, wobei mindestens eine Zone aus dem Metall-Metallsilikat-Material besteht. Am besten besteht jede Zone einer solchen Düse aus dem Metall-Metallsilikat-Material.
Ein Merkmal der Erfindung liegt darin, dass in den neuen Materialien die bis jetzt als geeignet bekannten
Metalle, nämlich Molybdän und/oder Wolfram auch durch Silber, eine Silber-Palladium-Legierung oder Kupfer ersetzt sein können. Man könnte meinen, dass Silber ein für diesen Zweck ungeeignetes Metall ist, da sein
Schmelzpunkt im allgemeinen unter jenem der schmelzflüssigen Metalle liegt, die mit Hilfe der Düsen aus dem neuen Material geformt werden sollen, doch hat Silber eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Silber erhöht daher die
Geschwindigkeit des Wärmeentzuges aus dem heissen Metall und macht die so enthaltenden Düsen unempfindlicher gegen Wärmeschock. Ein weiterer Vorteil von Silber besteht darin, dass es nicht oxydiert.
Da Silber, Silber-Palladium-Legierungen und Kupfer hohe Wärmedehnungszahlen und relativ niedrige
Schmelzpunkte haben, können sie in dem Metall-Metallsilikat-Material nur mit kleinen Volumenverhältnissen eingebaut werden. Unter diesen Umständen ist die Festigkeit des Metallkeramik-Körpers auf den Zusammenhalt des Zirkonium silikats zurückzuführen, und die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials kann niedriger als bei einem Material mit Molybdän oder Wolfram sein. Je nach den vorliegenden Anforderungen könnte es daher notwendig sein, die Wandstärke einer Düse oder einer Düsenzone, die ein Metall-Metallsilikat-Material mit Silber, Kupfer oder Silber-Palladium enthält, herabzusetzen, damit die erforderliche Wärmeleitung entsteht.
Trotz der niedrigen Schmelzpunkte von Silber, Silber-Palladium-Legierungen und Kupfer können Metall-Metallsilikat-Materialien mit diesen Metallen bzw. Legierungen oder einer Mischung daraus als Metallphase lange Zeit in 13900C heisses schmelzflüssiges Gusseisen getaucht werden, ohne praktisch irgendeine Änderung von Form und Oberfläche zu erfahren ; ausserdem ist der Gewichtsverlust vernachlässigbar.
Im Falle eines Materials mit Molybdän oder Wolfram kann man der metallischen Phase Chrom in einer Konzentration bis zu 10 Gew.-% der Metallkomponente zusetzen, um die Tendenz der schmelzflüssigen Metalle, am Metall-Metallsilikat-Material zu haften, herabzusetzen. Ein solcher Zusatz bewirkt an der Oberfläche eine Schicht aus Chromoxyd, die der Adhäsion des schmelzflüssigen Metalls entgegenwirkt. Molybdänoxyd hätte die gleiche Wirkung, ist jedoch bei der Temperatur der meisten schmelzflüssigen Metalle flüchtig, so dass der Schmelze stets eine frische metallische Molybdänoberfläche gegenüberstünde.
Das Versagen von Stranggussdüsen für Metalle erfolgt meist nur an einer Stelle, im allgemeinen als Folge der Materialerosion aus der Innenfläche der Düse an jener Stelle. Obwohl der Rest der Innenfläche der Düse intakt und brauchbar wäre, kann man eine solche Düse nicht mehr weiter verwenden. Man fand nun, dass sich Düsen aus Teilstücken konstruieren lassen, die durch äussere Konstruktionselemente zusammengehalten werden.
Ihre Konstruktion in Teilstücken bringt keine Nachteile, d. h. es tritt keine Störung des Fliessens der Schmelze bzw. der Stange durch die Düsen auf ; im Falle eines Versagens braucht man dann nur jenen Teil auszutauschen, der die erodierte Oberfläche enthält.
Danach ist es meist noch möglich, die Innenfläche des schadhaften Teiles spanabhebend zu bearbeiten, um dadurch ein Teilstück für eine Düse mit grösserem Durchmesser herzustellen. Die Zeichnungen veranschaulichen eine Form einer solchen zusammengesetzten Düse. In den Zeichnungen ist Fig. 1 ein schematischer Seitenschnitt einer in der Wand einer Pfanne eingesetzten Düse und Fig. 2 ein Schnitt nach der Linie 2, 2'von Fig. 1.
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Die Düse besteht aus vier getrennten zylindrischen Teilen--3, 4,5, 6--, die von einem dünnen Stahlmantel--7--konzentrisch gehalten werden. Der Mantel--7--wird von Kühlwasser --8-- umspült. Der innerste Abschnitt--3--grenzt an die Ausmauerung--9--einer Pfanne, die schmelzflüssiges Metall --10-- enthält. Die Öffnung in der Ausmauerung an der Stelle des Überganges zur Düse hat im wesentlichen gleiche Grösse und Form wie die Bohrung (nicht notwendigerweise kreisförmig) der zylindrischen Abschnitte der Düse. Vor dem Gebrauch ist die Düse im allgemeinen durch einen Bolzen in der Bohrung der äussersten Abschnitte--6, 5--verschlossen.
Beim Auftreffen am Bolzen verfestigt sich das Metall--10--und stellt mit dem Bolzen eine Verbindung her. Den Bolzen kann man sodann herausziehen, wobei die Ziehgeschwindigkeit so gewählt wird, dass der Übergang vom schmelzflüssigen Metall zur festen Stange innerhalb der Düse beispielsweise im Bereich--A--in Fig. l stattfindet. Man nimmt an, dass in diesem Bereich nur die Haut des Metalls fest wird.
Konstante Bedingungen an jeder Stelle innerhalb der Düse, die zu einem besseren Produkt mit gleichmässiger Mikrostruktur führen, erzielt man durch Einsetzen von Thermoelementen zwischen den Abschnitten--3 und 4--und zwischen den Abschnitten--5 und 6--, wobei das Ausgangssignal des Thermoelementes--3/4--als Hinweis für die Bedienungsperson oder für die automatische Regelung der Ziehgeschwindigkeit dient ; das Ausgangssignal des Thermoelementes--5/6--wird zur Beeinflussung der Durchflussmenge des Wassers--8--und damit der Geschwindigkeit des Wärmeentzuges aus der Düse herangezogen.
Im Verlaufe der Wanderung des Metalls durch die Düse gelten verschiedene Forderungen hinsichtlich der Oberfläche. Im Abschnitt--3--bewegt sich schmelzflüssiges Metall über die Düsenoberfläche, die daher für flüssiges Metall nicht benetzbar sein und wenig reagieren sollte (um Abbau des Materials durch das schmelzflüssige Metall zu vermeiden). Ist das schmelzflüssige Metall Eisen, so kann der Abzugsabschnitt--3-- aus Graphit oder einem Metall-Metallsilikat-Material mit einem hohen Gehalt an Metallsilikat und einem
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bestehen.
Weiter unten in der Düse bewegt sich festes Metall über die Düsenoberfläche ; hier sollen geringe Reibung (damit die gegossene Stange leicht ausgebracht werden kann) und hohe Wärmeleitfähigkeit (zur Unterstützung der Verfestigung des Kernes der ausgebrachten Stange) herrschen. Die Materialien für die Abschnitte--4, 5 und 6--sollen daher zunehmende Anteile an Metall und abnehmende Anteile an Silikat besitzen. In diesem Fall erfordern die Verhältnisse als Metallphase Molybdän oder Wolfram.
Im Falle einstückiger Düsen sollte ein Metall-Metallsilikat-Material mit einer Zusammensetzung entsprechend einer Stelle zwischen den beiden Enden der Düse gewählt werden.
Im folgenden werden Beispiele von erfindungsgemäss konstruierten Metall-Metallsilikat-Körpern angeführt.
Beispiel l : In eine Form für eine Stranggiessdüse wurde eine feingemahlene Mischung aus 20 Gew.-% Zirkonsilikat und 80 Gew.-% Molybdän eingesetzt und unter einem Druck von 245 kp/cm1 auf 1500 C erhitzt.
Nach Abkühlung unter Druck wurde die so gebildete Düse zusammen mit einer ähnlichen Düse, deren keramische Phase Zirkonoxyd war, bei 13900C 2 h lang in schmelzflüssiges Eisen getaucht. Nach der Entnahme aus diesem Bad zeigt sich auf der Oberfläche der mit Zirkonsilikat hergestellten Düse nur vernachlässigbar wenig Zunder, wogegen die Zirkonoxyd enthaltende Düse einen Gewichtsverlust von 30 Gew.-% erlitten hatte.
Im nachfolgenden Gebrauch dieser Düse aus Metall-Metallsilikat mit Zirkonsilikat zeigten gegossene Eisenstabprofile eine Abnutzung der Düse von weniger als 0, 0166 mm/100 m ; diese Abnutzung ist nicht höher als bei Düsen aus Cermets mit Zirkonoxyd und mehr als 20mal geringer als bei Graphitdüsen. Eine Untersuchung der Arbeitsfläche der Düse mit Zirkonsilikat zeigte keine nachweisbare Verschlechterung.
Beispiel 2 : Es wurde eine Düse in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 unter Verwendung einer Metall-Metallsilikat-Mischung aus 8 Gew.-% Silber und 92 Gew.-% Zirkonsilikat hergestellt. Das Material wurde 2 h lang in schmelzflüssiges Gusseisen bei 13900C eingetaucht. Nach dem Herausnehmen aus diesem Bad war das Material unverändert ; die ursprünglichen scharfen Ecken waren immer noch vorhanden.
Beispiel 3 : Eine fein gemahlene Mischung aus Wolframmetall und Zirkonsilikat mit einem Gehalt von 11 Grew.-% Silikat wurde in einer Form unter einem Druck von 245 kp/cm1 auf 15000C erhitzt. Das so gebildete Material wurde 2 h lang in 1390 C heisses Gusseisen getaucht. Der Angriff war im Vergleich zu jenem eines Cermets aus Molybdän/Zirkonoxyd im selben Gewichtsverhältnis geringfügig.
Beispiel 4 : Es wurde aus Metall-Metallsilikat-Materialien, die aus Mischungen von Molybdän und Zirkonsilikat bestanden, eine vierteilige Düse hergestellt. Die Teile bzw. Abschnitte wurden nach zunehmender Widerstandsfähigkeit gegen schmelzflüssiges Eisen, jedoch abnehmender Wärmeleitfähigkeit, angeordnet. Der Gehalt an Zirkonsilikat in den vier Abschnitten war der Reihe nach 11,21, 31 bzw. 48 Gew.-%, wobei der Abschnitt mit dem höchsten Gehalt an Zirkonsilikat am heissen Ende lag. Nach der Herstellung von 2100 m gegossenem Stabquerschnitt arbeitete die Düse noch immer einwandfrei, mit nur geringfügigen Änderungen der Dimensionen und der Oberflächenqualität. Eine typische Graphitdüse hatte eine gesamte Lebensdauer von zwischen 150 und 300 m, wobei bei 150 m bereits eine Dimensionsänderung von 0, 5 mm zu beobachten war.
Beispiel 5 : Es wurde eine vierteilige Düse wie bei Beispiel 4 hergestellt, nur wurde der Abschnitt mit
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48 Gew.-% Zirkonsilikat durch einen Abzugsteil ersetzt, der 89 Gew.-% Zirkonsilikat und 11 Gew.-% Silber enthielt. Im praktischen Betrieb arbeitete diese Düse nach 2700 m immer noch zufriedenstellend ; zu diesem Zeitpunkt waren die Verhältnisse im heissesten Abschnitt augenscheinlich unverändert.
Beispiel 6 : Durch Pressen einer feinzerteilten Mischung aus 86 Gew.-% Zirkonsilikat und 14 Gew.-% Kupfer bei 15000 C und 280 kp/cm2 Druck wurde eine Düse hergestellt. Diese Düse wurde 2 h lang in 13900C heisses Gusseisen bei 13900C untergetaucht, ohne dass ein Angriff zu erkennen gewesen wäre.
Das Material wurde nach Abkühlung auf eine Temperatur von 800 C in Wasser abgeschreckt und blieb dabei intakt, was gute Widerstandsfähigkeit gegen Wärmeschock bewies.
PATENTANSPRÜCHE :
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sie zumindest zum Teil aus einem Metall-Metallsilikat-Material besteht, in welchem die Metallsilikat-Komponente Zirkonsilikat und die Metallkomponente eines der Elemente Molybdän, Wolfram, Silber, Kupfer oder eine Silber-Palladium-Legierung ist.
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