DD271511A5 - Ceramic composition and process for its preparation - Google Patents
Ceramic composition and process for its preparationInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundkoerpers und danach hergestellte Feuerfestteile. Die Metallegierung und die durchlaessige Fuellstoffmasse besitzen mindestens einen gemeinsam festgelegten Oberflaechenabschluss und sind gegeneinander so ausgerichtet, dass die Bildung des Oxydationsreaktionsproduktes in die Fuellstoffmasse hinein und in Richtung des Oberflaechenabschlusses erfolgt. Bei der Erwaermung des Metalls reagiert dieses mit dem Oxydationsmittel zum Oxydationsreaktionsprodukt, das in die Fuellstoffmasse eindringt. Diese Masse wird auf eine zweite Temperatur erwaermt, so dass ein wesentlicher Teil aller nichtoxydierten metallischen Bestandteile oxydiert. Es entsteht ein keramischer Verbundkoerper. Fig. 1The invention relates to a method for producing a self-supporting ceramic composite body and subsequently produced refractory parts. The metal alloy and the permeable filler mass have at least one jointly defined surface finish and are oriented towards one another such that the formation of the oxidation reaction product takes place into the filler mass and in the direction of the surface finish. When the metal is heated, it reacts with the oxidizing agent to form the oxidation reaction product which penetrates the mass of the filler. This mass is heated to a second temperature so that a substantial portion of all non-oxidized metallic constituents oxidizes. The result is a ceramic composite body. Fig. 1
Description
271 S 11 - ι -271 S 11 - I -
Verfahrer zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundkörpers und danach hergestellte FeuerfestteileA process for producing a self-supporting ceramic composite body and subsequently produced refractory parts
der Erfindungthe invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren z>r Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundkörp* rs, der aus einer keramischen Grundmasse, die durch Oxydation eines eine Aluminiumlegierung enthaltenen Grundmetalls entsteht, wobei sich ein polykristallines Material bildet, das im wesentlichen aus einem Oxydationsreaktionsprodukt des Ausgangsmetalls mit einem oder mehreren Oxydationsmitteln gebildet wird, und aus in die Grundmasse eingelassenen einem oder mehreren Füllstoffen besteht♦The invention relates to a process for producing a self-supporting ceramic composite body which consists of a ceramic matrix which is formed by oxidation of a parent metal containing an aluminum alloy, forming a polycrystalline material consisting essentially of an oxidation reaction product of the starting metal with one or more is formed of a plurality of oxidizing agents, and consists of embedded in the matrix one or more fillers ♦
Die Erfindung betrifft ferner Feuerfestteile, die bei ihrer Verwendung in Kontakt mit geschmolzenem Metall kommen, beispielsweise Feuerfesterzeugnisse in Stahlwerken«The invention further relates to refractory parts which, when used, come into contact with molten metal, for example refractory products in steelworks. "
Der Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung steht mit den US-Patentanmeldungen Nr. 818 943, eingereicht am 15. Oanuar 1986, Nr. 776 964, eingereicht am 17. September 1985, Nr. 705 787, eingereicht am 26. Februar 1985, und Nr. 591 392, eingereicht am 16. März 1984 mit dem Titel "Neue keramische Stoffe und Verfahren zu deren Herstellung" in Zusammenhang. Diese US-Patentanmeldungen beschreiben das Verfahren zur Herstellung selbsttragender Keramikkörper als Reaktionsprodukt der Oxydation eines Ausgangsstücks aus einem Ausgangsmetall· Geschmolzenes Ausgangsnietall wird mit einem Dampfphasen-Oxydatlonsmittel in Reaktion gebracht, so daß ein Oxydationsreaktionsprodukt entsteht, und das Metall migriert durch dasThe subject matter of the present patent application is related to U.S. Patent Application No. 818,943, filed October 15, 1986, No. 776,964, filed September 17, 1985, No. 705,787, filed February 26, 1985, and U.S. Pat. No. 591,392, filed Mar. 16, 1984, entitled "New Ceramic Fabrics and Methods of Making the Same." These US patent applications describe the process for producing self-supporting ceramic bodies as the reaction product of the oxidation of an output metal source. Molten starting resin is reacted with a vapor phase oxidant to form an oxidation reaction product and the metal is migrated through the
Oxydationsreaktioneprodukt zum Oxydationsmittel und entwikkelt dabei ständig einen polykristallinen Keramikkörper aus dem Oxydationsreaktioneprodukt. Der hergestellte Keramikkörper kann Metallbestandteile aufweisen und/oder porös sein, was miteinander zusammenhängen kann oder auch nicht· Dieser Prozeß kann mittels eines legierten Dotierstoffes verstärkt werden« wie das zum Beispiel bei der Oxydierung eines AIuminium-Ausgangsmetalls, das an der Luft oxydiert, der Fall ist· Dieses Verfahren wurde durch den Einsatz fremder Dotierstoff© verbessert, die auf die Oberfläche des Ausgangsmetalle aufgetragen werden, wie es in den US-Patentanmeldungen Nr, 822 999, eingereicht am 27. üanuar 1986, Nr. 747 788, ingereicht am 25· Ouni 1985 und Nr. 632 636, eingereicht am 20. CJuIi 1984 mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung selbsttragender Keramikstoffe" beschrieben wird·Oxidation reaction product to the oxidizing agent and thereby constantly developing a polycrystalline ceramic body from the oxidation reaction product. The ceramic body produced may have metal constituents and / or be porous, which may or may not be related to one another. This process may be enhanced by means of an alloyed dopant, as is the case, for example, in the oxidation of an aluminum parent metal which oxidizes in air This process has been improved by the use of foreign dopants, which are applied to the surface of the parent metal, as described in U.S. Patent Application Nos. 822,999 filed 27 January 1986, No. 747,788, filed on May 25, 1990. Ouni 1985 and No. 632,636, filed on May 20, 1984, entitled "Process for Producing Self-supporting Ceramics".
Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung steht auch in Zusammenhang mit den US-Patentanmeldungen Nr. 819 397, eingereicht am 17. Oanuar 1986, und Nr. 697 876, eingereicht am 4. Februar 1985 mit dem Titel "Keramische Verbunderzeugnisse und Verfahren zu deren Herstellung". Diese US-Patentanmeldungen beschreiben ein neues Verfahren zur Herstellung selbsttragender keramischer Verbundstoffe durch Hinüberwachsen eines Oxydationsproduktes von einem Ausgangsmetall in einen durchlässigen Füllstoff, wobei der Füllstoff mit einer keramischen Grundmasse infiltriert wird.The subject matter of the present application is also related to U.S. Patent Application Nos. 819,397, filed January 17, 1986, and No. 697,876, filed February 4, 1985, entitled "Ceramic Composite Products and Method of Making the Same" , These US patent applications describe a novel process for producing self-supporting ceramic composites by growing an oxidation product from a parent metal into a permeable filler, infiltrating the filler with a ceramic matrix.
Weiterentwicklungen der oben genannten Verfahren ermöglichen die Herstellung keramischer Verbundstrukturen, die 1. ein oder mehrere Hohlräume umschließen, die die Geometrie eines geformten Ausgangsgrundmetallstücks umgekehrt nachbilden, und 2. die ein negatives Muster aufweisen, das das positive MusterFurther developments of the above methods enable the fabrication of composite ceramic structures that 1. enclose one or more cavities that inversely mimic the geometry of a shaped parent base metal piece, and 2. have a negative pattern that is the positive pattern
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eines Ausgangsgrundmetallstücks umgekehrt nachbildet. Dieses Verfahren ist in der US-Patentanmeldung Nr. G23 542, eingereicht am 27. Oanuar 1986 mit dem Titel "Umkehrnachbildungsverfahren bei der Herstellung keramischer Verbunderzeugnisse und damit hergestellte Erzeugnisse" t und in der US-Patentanmeldung Nr. 896 147, eingereicht am 13. August 1986 mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung keramischer Verbunderzeugnisse mit nachgeformten Oberflächen und damit hergestellte Erzeugnisse" beschrieben.an inverse basic metal piece is simulated in reverse. This method is described in US patent application no. G23 542, filed 27 Oanuar, 1986, entitled "reverse reproduction process in the manufacture of composite ceramic products and products produced thereby" t and in the US patent application no. 896,147 filed on 13. In August 1986 entitled "Process for Making Ceramic Composite Products with Reshaped Surfaces and Products Produced Therewith".
Es wurden auch Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundstrukturen mit bestimmter Form oder bestimmter Geometrie entwickelt. Bei diesen Verfahren wird eine Vorform aus durchlässigem Füllstoff verwendet, in die die keramische Grundmasse durch Oxydation ei :es Auegangsmetall-Ausgangsstücks hineinwächst, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 861 025, eingereicht am 8. Mai 1986, mit dem Titel "Geformte keramische Verbundstoffe und Verfahren zu deren herstellung" offengelegt ist. Ein anderes Verfahren zur Herstellung solcher keramlecher Verbundstoffe umfaßt die Verwendung von Sperrmitteln zum Aufhalten oder Hemmen des Wachstums des Oxydationsreaktionsprodukts zu einem bestimmten Zeitpunkt, um die Form oder die Geometrie der keramischen Verbundstruktur festzulegen. Dieses Verfahren ist in der US-Patentanmeldung Nr. 861 025 beschrieben, die am 8. Mai 1986 eingereicht wurde und die den Titel "Verfahren zur Herstellung geformter Keramikverbundstoffe unter Verwendung eines Sperrstoffs" trägt.Methods have also been developed for making ceramic composite structures of particular shape or geometry. In these processes, a permeable filler preform is used into which the ceramic matrix grows by oxidation of a starting metal starting material, as described in U.S. Patent Application No. 861,025, filed May 8, 1986, entitled "Shaped ceramic composites and process for their preparation "is disclosed. Another method of making such ceramic composites involves the use of blocking agents to arrest or inhibit the growth of the oxidation reaction product at a particular time to determine the shape or geometry of the ceramic composite structure. This process is described in U.S. Patent Application No. 861,025, filed May 8, 1986, entitled "Process for Making Molded Ceramic Composites Using a Bulk".
Die vollständige Offenbarung aller zuvor genannten US-Patentanmeldungen sind in der vorliegenden Anmeldung ausdrücklich unter Bezugnahme enthaltenThe complete disclosure of all of the aforementioned US patent applications are expressly incorporated herein by reference
Gemeinsam ist allen diesen US-Patentanmeldungen die Offen- Common to all of these US patent applications is the disclosure of
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barung der Ausführungen θΙγ'ΘΘ Keramikkörper«» , der ein Oxydationsreaktionsfrodukt beinhaltet« mit dem er zumeist in drei Dimensionen verbunden 1st«' und wahlweise ein oder mehrere nichtoxydierte Bestandteile des Ausgangsmetalls oder Hohlräume oder beides auf weis1:. Die Metallphase und/oder die Hohlräume können miteinander verbunden sein oder nicht» Das hängt vor allem von Faktoren ab, wie z. B, der Temperatur, bei, der die Oxydation erfolgen kann, der Zusammensetzung des Ausgangsmetalls, des Vorhandenseine von Dotierstoffen usw. Wird der Wachstumsprozeß zum Beispiel fortgesetzt, bis die Metallbestandteile im wesentlichen entfernt (umgewandelt) sind, so ersetzt daraufhin die Porosität teilweise oder nahezu völlig die Metallphase im gesamten Verbundkörper, während an dessen Oberfläche eine dichte Keramikschicht gebildet wird· In diesem Fall ist die Porosität von der Oberfläche des Keramikkörpers aus meist zugänglich, von der die Entwicklung der Grundmasse ausgeht.of the statements "θΙγ'ΘΘ ceramic body", which contains an oxidation reaction product "with which it is usually connected in three dimensions"'and optionally one or more non-oxidised constituents of the parent metal or cavities or both in white 1 :. The metal phase and / or cavities may or may not be connected to each other. »This depends mainly on factors such as: B, the temperature at which the oxidation can occur, the composition of the starting metal, the presence of dopants, etc. If, for example, the growth process continues until the metal components are substantially removed (converted), the porosity then partially or nearly replaces completely the metal phase in the entire composite body, while at its surface a dense ceramic layer is formed · In this case, the porosity is most accessible from the surface of the ceramic body, from which the development of the matrix starts.
Keramische Feuerfesterzeugnisse bewähren sich in Anwendungsfällen, die eine gute Temperaturwechselbeständigkeit, Korrosions- und Erosionsbeständigkeit bei Kontakt «iit geschmolzenen Metallen erfordern. Solche Teile können zum Beispiel in Kontrollvorribhtungen zur Regulierung geschmolzener Metallströme in Transportvorrichtungen für geschmolzene Metalle zur Anwendung kommen, und zwar zum Beispiel bei der Herstellung und Bearbeitung von Stahl. Solche Verwendungszwecke umfassen zum Beispiel Schieberverschlüsse, Nebeneintrittsdüsen und Gießpfannenhauben. Schieberversuhlüese1 werden zur Regulierung des Flusses von geschmolzenem Metall aus einer Gießpfanne verwendet· Im allgemeinen bestehen die Schieberverschlußsystems einschließlich einiger Drehschieberausführungen aus einer stationären Düse, die an und innerhalb einer beweglichen PlatteCeramic refractory products have proved their worth in applications requiring good thermal shock resistance, corrosion and erosion resistance on contact with molten metals. Such parts can be used, for example, in control devices for controlling molten metal flows in molten metal transport devices, for example, in the manufacture and processing of steel. Such uses include, for example, gate valves, sub-entry nozzles, and ladle hoods. Gate valves 1 are used to regulate the flow of molten metal from a ladle. In general, the gate valve systems, including some rotary valve designs, consist of a stationary nozzle attached to and within a movable plate
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befestigt let. Der Fluß dee geschmolzenen Metalle von der Gießpfanne wird durch Bewegung der Platte reguliert« indem dl·; Öffnungen dadurch ganz oder teilweise ausgerichtet werden. Beim Tüllen der Gießpfanne und im Abeperrzuetand liegen die Öffnungen nicht übereinander. Der wichtigete Vorzug eines Schiebeverschlußsystems gegenüber einem herkömmlichen Stopfenstangeneystem i3t die bessere Zuverlässigkeit dee Absporrens, die Möglichkeit der Regulierung des Schmelznetallflusses sowie eine Verhinderung des Ansauyens des Schmelzmetallstroms· Dennoch sind selbst die besten Schieberverechlußsysteme, wie zum Beispiel hochtonerdehaltige Schieberverschlußsysteme, für einige geschmolzene Metalle ungeeignet» wie zum Beispiel für spezielle Stahlsorten, wie z. B. kohlenstoffarme manganreiche Stähle. Diese korrosiven Stahlgemische greifen die bei den meisten hochtonerdehaltigen Schieberverschlußvorrichtungen verwendeten Bindemittel stark an.attached let. The flow of molten metals from the ladle is regulated by movement of the plate «by dl ·; Openings thereby be completely or partially aligned. When spouting the ladle and Abeperrzuetand the openings are not on top of each other. The important advantage of a slide closure system over a conventional stopper rod system is the better reliability of spalling, the ability to control melt flow, and the prevention of molten metal flow Ansauyens · Nevertheless, even the best Schieberverchlußsysteme, such as high-alumina Schieberverschlußsysteme, for some molten metals unsuitable » For example, for special steel grades, such. B. low-carbon manganese-rich steels. These corrosive steel blends strongly attack the binders used in most high alumina slide gate closures.
Die meisten bekannten Feuerfesterzeugnisse für Schleberver» echlüsse bestehen entweder aus teerbeschichteten hochtonerdehaltigen oder gebrannten Magnesiastoffen., Dennoch weisen solche Feuerfesterzeugni6se für Schieberverschlüsse nicht die Kriterien der Temperaturwechsel-, Korrosions- und Erosions· bßständigkeit auf, um ein langes Haiton der Gießpfanne, eine lange Gießdauer sowie langes Vorheizen auszuhalten, und haben daher eine kurze Lebensdauer.Most known refractory products for Schleber compounds include either tar-coated high alumina or calcined magnesia. However, such refractory products for gate valves do not have the criteria of thermal shock, corrosion and erosion resistance, a long shroud of the ladle, a long casting time, and to endure long preheating, and therefore have a short life.
Das Ziel der Erfindung besteht in der Erhöhung der Temperaturwechsel-, Korrosions- und Erosionsbeständigkeit von Feuerfesterzeugnissen und deren Lebensdauerverlängerung, so daßThe object of the invention is to increase the thermal shock, corrosion and erosion resistance of refractory products and their lifetime extension, so that
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beispielsweise ein langes Vorheizen und Halten der Gießpfannen sowie eine lange Gießdauer in Stahlwerken erreicht wird«For example, a long preheating and holding of ladles as well as a long casting time in steel mills is achieved «
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde« ein Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundkörper und danach hergestellte Feuerfestteile zu entwickeln« das es gestattet, ein Grundmetall bei erhöhten Temperaturen in eine durchlässige Füllstoffmasse gerichtet zu oxydieren·The invention has for its object to develop a process for producing a self-supporting ceramic composite body and subsequently produced refractory components, which makes it possible to oxidize a base metal at elevated temperatures in a permeable filler mass.
Erfindungugemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Metall-Ausgangsetück« bestehend aus einer Aluminiumlegierung mit mindestens 1 Masee-% Zinkt, und eine durchlässige Füllstoffmasee gegeneinander ausgerichtet wird, so daß ein polykristalliner Stoff als Ergebnis der Oxydation eines Metall-Ausgangsstücks (im folgenden als "Grundmetall" bezeichnet und weiter unten definiert)« in eino durchlässige Füllstoffmasse hineinwächst. Die Füllstoffmasse hat zumindest einen festgelegten Oberflächenabschluß und ist bis zu diesem festgelegten Abschluß mit einem polykristallinen Material gefüllt« so daß ein keramischer Verbundstoffkörper entsteht. Unter den Verfahrenebedingungen der vorliegenden Erfindung oxydiert das geschmolzene Grundmetall von seiner ursprünglichen Oberfläche (do h. der dem Oxydationsmittel ausgesetzten Fläche) von außen in Richtung des Oxydationsmittels und in die Füllstoffmasse, indem sie durch ihr eigenes Oxydationsreaktionsprodukt migriert* Dso Oxydationsreaktionsprodukt wächst in die durchlässige Füllstoffmasse hinein. Das führt zu neuen keramischen Grundmaseegemischen mit einer Grundmasse aus einem keramischen polykristallinen Stoff, in den die Füllstoffe eingelassen sind.Erfindungugemäß this object is achieved in that a metal Ausgangsetück "is comprised aligned of an aluminum alloy with at least 1 Masee-% zinc t, and a permeable Füllstoffmasee against each other, so that a polycrystalline material as a result of oxidation of a metal starting piece (hereinafter referred to as "base metal" and defined below) grows into a permeable filler mass. The filler mass has at least one specified surface finish and is filled with a polycrystalline material to such specified termination to form a ceramic composite body. Under the process conditions of the present invention, the molten parent metal oxidizes from its original surface (i.e., the surface exposed to the oxidizer) from the outside toward the oxidant and into the filler mass by migrating through its own oxidation reaction product into it. This leads to new ceramic Grundmaseegemischen with a matrix of a ceramic polycrystalline material in which the fillers are embedded.
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Das beim Wachstumsprozeß dar keramischen Grundmasee verwendete Grundmetall besteht aus einer Aluminiumlegierung mit mindestens etwa 1 Masse-% Zink, und dieses Grundmetall wird zuerst auf eine Temperatur oberhalb seines Schmolzpunktes, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Oxydationsreaktionsproduktes erwärmt, wobei ein Körper oder ein Schmelzbad aus geschmolzenem Grundmetall gebildet wird, der mit einem Oxydationsmittel, vorzugsweise mit einem Dampfphasen-Oxydationsmittel, wie zum Beispiel Luft, in Reaktion gebracht wird, so daß sich das Oxydationsreaktionsprodukt bildet. Bei dieser ersten Temperatur oder innerhalb dieses ersten Temperaturbereichs ist der Körper aus geschmolzenem Metall zumindest mit einem Teil des Oxydationsproduktes in Kontakt, das sich zwischen de1* Körper aus geschmolzenem Metall und dem Oxydationsmittel erstreckt. Das geschmolzene Metall wird durch das Oxydationsreaktioneprodukt zum Oxydationsmittel und in die Füllstoffmasse gezogen, um die ständige Bildung des 0xydation8reaktionsprodukte8 an der Grenzfläche zwischen Oxydationsmittel und zuvor gebildetem Oxydation'jreaktionsprodukt in Gang zu halten. Die Reaktion wird so lange fortgesetzt, bis dr«" füllstoff bis zum festgelegten Überflächenabschluß mit Jem Oxydationsreaktionsprodukt ei·.gedrungen ist, und zwar durch Wachstum des letzteren, das Einschlüsse nichtoxydierter Metallteilchen des Grundmetalls aufweist*The parent metal used in the growth process of the ceramic base lake is an aluminum alloy having at least about 1% by weight of zinc, and this base metal is first heated to a temperature above its melting point but below the melting point of the oxidation reaction product, leaving a body or molten pool of molten parent metal which is reacted with an oxidizing agent, preferably a vapor phase oxidizing agent such as air, to form the oxidation reaction product. At this first temperature or within this first temperature range the body of molten metal is at least a portion of the oxidation product in contact, which extends between de 1 * body of molten metal and the oxidant. The molten metal is drawn through the oxidation reaction product to the oxidizer and into the bulk of the filler to cause the continuous formation of the oxidation reaction product 8 at the interface between the oxidant and the previously formed oxidation reaction product. The reaction is continued until the filler is up to the specified surface finish with each oxidation reaction product, by growth of the latter, which includes inclusions of unoxidized metal particles of the parent metal.
Der entstehende keramische Verbundstoffkörper besteht aus Füllstoff und einer keramischen Grundmasse, die ein polykristallines Oxydafcionsreaktioneprodukt ist und restliche nichtoxydierte Bestandteile des Grundmetalls, zumeist Aluminium und Zink, oder aber auch andere Metalle, enthält. Der keramische Verbundstoff wird auf eine zweite Temperatur (oder innerhalb dieses zweiten Temperaturbereiches) oberhalbThe resulting ceramic composite body consists of filler and a ceramic matrix which is a polycrystalline oxydafion reaction product and contains residual non-oxidized constituents of the parent metal, mostly aluminum and zinc, or other metals. The ceramic composite is at a second temperature (or within this second temperature range) above
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der ersten Temperatur erwärmt, aber unterhalb des Schmelzpunktes des 0xydationsreaktion8produkte8, so daß zumindest ein wesentlicher Teil der restlichen nichtoxydierten Metallbestandteile entfernt oder oxydiert wird, zum Beispiel durch Verdunstung oder Oxydation der Metallbestandteile von dem polykristallinen Material ohne v-esentliche Bildung des Oxydationsreakticnsproduktes über den festgelegten Oberflächenabschluß hinaus« Die Erwärmung auf diese zweite Temperatur kann entweder im Vakuum, in einer Schutzgasatmosphäre oder besser in einer saueratoffhaltigen Atmosphäre erfolgen, am besten aber in Luft« Ein Teil der entfernten Metallphase wird hauptsächlich durch Poren oder Lücken ersetzt. Andere Metallphasen werden in situ oxydiert, wobei das Metall in eine oxydierte Sorte verwandelt wird. Die endgültige Struktur besteht aus einer keramischen Grundmasse und aus Füllstoff, und die keramische Grundmasse besteht im wesentlichen aus Oxydationereaktloneprodukt und dazwischenliegenden Poren, wovon zumindest ein Teil von einer oder mehreren Flächen des keramischen Verbundstoffkörpers zugänglich ist« Öle Oberflächenporosität wird am günstigsten durch Öffnungen mit einem mittleren Durchmesser von weniger als etwa 6 Mikrometer gekennzeichnet, wodurch das Eindringen einiger Stoffe, wie zum Beispiel von geschmolzenem Stahl, verhindert wird.heated at the first temperature but below the melting point of the oxidation reaction 8 products 8 so that at least a substantial portion of the remaining non-oxidized metal constituents are removed or oxidized, for example by evaporation or oxidation of the metal constituents of the polycrystalline material without substantial formation of the oxidation reaction product over the specified surface finish In addition, "Heating to this second temperature may be carried out either in a vacuum, in a protective gas atmosphere or, better, in an atmosphere containing oxygen, but best in air." Part of the removed metal phase is mainly replaced by pores or voids. Other metal phases are oxidized in situ, transforming the metal into an oxidized species. The final structure consists of a ceramic matrix and filler, and the ceramic matrix consists essentially of an oxidation reaction product and intervening pores, at least a portion of which is accessible from one or more surfaces of the composite ceramic body Diameter less than about 6 microns, which prevents the penetration of some substances, such as molten steel.
Die Produkte der vorliegenden Erfindung sind im wesentlichen keramisch, das heißt^hauptsächlich anorganisch und frei von Metall, wenn sie auch einige Metalleinschlüsse oder -Inseln aufweisen können« Diese Produkte sinJ für feuerfeste Erzeugnisse verwendbar oder werden eigens dafür hergestellt. Entsprechend der vorliegenden Erfindung umfassen letztere uneingeschränkt industrielle feuerfeste Schiebe-Schamottesteine, die durch Verschieben mit dem Boden eines Behälters, einerThe products of the present invention are substantially ceramic, that is, mainly inorganic and free of metal, although they may also have some metal inclusions or islands. These products are useful or manufactured especially for refractory products. According to the present invention, the latter include, but are not limited to, industrial refractory sliding firebricks made by moving with the bottom of a container, a
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Gießpfanne ο. ä., die geschmolzenes Metall« wie zum Beispiel Stahl« enthalten, verbunden werden« um den Fluß des geschmolzenen Metalle durch eine Öffnung in der Gießpfanne zu ermöglichen und zu regulieren*Ladle ο. which contain molten metal, such as steel, "to facilitate and regulate the flow of molten metal through an opening in the ladle."
Gemäß der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet "Oxydationsreaktionsprodukt" das Produkt der Reaktion von Metallen mit einem Oxydationsmittel, bei der ein Oxid entsteht* Gemäß der vorliegenden Spezifikation und den Ansprüchen bedeutet "Oxydationsmittel" ein oder mehrere geeignete Elektronenaufnehmer oder Elektronenteiler und kann ein Feststoffi eine Flüssigkeit oder ein Gas (Dampf) sein, oder auch irgendeine Kombination dieser Zustande unter Prozeßbedingungen.According to the present specification and claims, "oxidation reaction product" means the product of the reaction of metals with an oxidant to form an oxide. In accordance with the present specification and claims, "oxidant" means one or more suitable electron acceptors or electron splitters and may be a solid Liquid or a gas (vapor), or any combination of these conditions under process conditions.
Der Begriff "Auegangsmetall1*, wie er in der vorliegenden Spezifikation und in den Ansprüchen verwendet wird, bezieht sich auf das Aluminiumlegierungsmetall, das in der Regel zumindest etwa 1 bis 10 Masse-% Zink enthält, und das der Vorläufer des polykristallinen Oxydationsproduktes ist und das Aluminiumlegierungsmetall enthält sowie handelsübliches Aluminiumlegierungsmetall, das in der Regel zumindest 1 bis 10 Masse-% Zink enthält sowie auch Fremdkörper und/oder Legierungsbestandteile«The term "outer metal 1 * as used in the present specification and in the claims refers to the aluminum alloy metal which usually contains at least about 1 to 10% by mass of zinc and which is the precursor of the polycrystalline oxidation product and contains aluminum alloy metal and commercially available aluminum alloy metal, which generally contains at least 1 to 10% by mass of zinc as well as foreign bodies and / or alloy constituents. «
näher erläutort werden.be explained in more detail.
Fig. 1: eine schematieche Querechnitt3-Darstellung im Aufriß, die einen Komplex aus o'inem Aluminiumlegierungs-Ausgangsmetall mit darüber gelagertem Füllstoff und einer Trägerschicht in einem Feuerfeettiegel zeigt undFIG. 1 is a schematic cross-sectional view in elevation showing a complex of an aluminum alloy base metal with a filler deposited thereon and a carrier layer in a Feuerfeettiegel; and FIG
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Fig· 2: einen teilweisen schematischen senkrechten Querschnitt durch ein Schieberverschlußventil, das zwischen einer Oberplatte und dem Boden einer Gießpfanne und einem Rohrhalter verschoben wird, der das Rohr hält, durch das das geschmolzene Metall nach Verlassen *der Gießpfanne fließt.Figure 2 is a partial schematic vertical cross-section through a spool valve displaced between a top plate and the bottom of a ladle and a tube holder holding the tube through which the molten metal flows after leaving the ladle.
Entsprechend den Zeichnungen für die praktische Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Ausgangsmetallkörper 10 , aus einer Aluminiumlegierung mit zumindest etwa 1 bis 10 Mas- se-% Zink zu einem Block, Strang, einer Stange, Platte oder ähnlichem geformt« Dieser Ausgangsmetallkörper 10 und eine durchlässige Füllstoffmasse 12 mit zumindest einem festgelegten Oberflächenabschluß 14 werden nebeneinander vorgesehen und gegeneinander ausgerichtet, so daß das Oxydationsreaktionsprodukt in den Füllstoff 12 hineinwächst, und zwar in Richtung des festgelegten Oberflächenabschlusses 14, so daß die Füllstoffmasse 12 oder ein Teil davon von dem wachsenden Oxydationsreaktionsprodukt infiltriert wird. Das Ausgangsmetall 10 und die Füllstoffmasse 12 sind in ein geeignetes Trägermaterial 16 eingebettet, das unter den Bedingungen des Verfahrens im wesentlichen reaktionnträge und so beschaffen ist, daß die Oxydation nicht darin fortgesetzt wird, und die"obere oder ausgesetzte Oberfläche der Füllstoffmasse mit der Oberfläche der Einbettung bündig ist (siehe Fig, I), Geeignete Einbettungsmaterialien sind zum Beispiel bestimmte Sorten von partikularer Tonerde« Das Ganze oder die Konstruktion befindet sich in einem geeigneten feuerfesten Behälter oder Schmelztiegel 18»According to the drawings for the practice of the present invention, an output metal body 10 of an aluminum alloy having at least about 1 to 10 mass% zinc is formed into a block, strand, rod, plate or the like Filler mass 12 having at least one predetermined surface finish 14 are provided side by side and aligned with each other so that the oxidation reaction product grows into the filler 12 toward the specified surface finish 14 so that the filler mass 12 or a portion thereof is infiltrated by the growing oxidation reaction product. The parent metal 10 and filler mass 12 are embedded in a suitable substrate 16 which is substantially reactive under the conditions of the process and is such that the oxidation is not continued therein, and the "upper or exposed surface of the filler mass with the surface of the Embedding is flush (see FIG. 1). Suitable embedding materials are, for example, certain types of particulate clay. "The whole or construction is in a suitable refractory container or crucible 18".
Die Füllstoffmasse 12 besteht vorzugsweise aus keramischem oder feuerfestem Material und kann ein Gitter oder eine Anordnung eines Bettes aus Teilchen, Granulaten, Pulver, Zu-The filler mass 12 is preferably made of a ceramic or refractory material and may be a grid or arrangement of a bed of particles, granules, powder, adhesive.
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schlagstoffen, feuerfestem Faserstoff, Fasern, Röhren, Röhrchen, Kügelchen, Whisker oder ähnlichem oder einer Kombination daraus sein. Die Füllstoffmasse 12 kann entweder lose oder verbunden angeordnet sein und hat Zwischengitterplätzc», Offnungen, Zwischenräume und ähnliches, so daß sie für das Oxydationsmittel und das anwachsende Oxydationsreaktionsprodukt durchlässig ist» Weiterhin können geeignete Füllstoffe je nach dem Gebrauch des Erzeugnisses zum Beispiel Metalloxide, Boride, Nitride oder Karbide eines Metalls der Gruppe von Aluminium, Zerium, Hafnium, Lanthan, Silizium, Neodym, Praseodym; Samarium, Skandium, Thorium, Uran, Titan, Yttrium und Zirkonium enthalten. Einige dieser Füllstoffe können Schutzbeschichtungen erfordern, um zu verhindern, daß sie unter den Bedingungen des Verfahrens reagieren und/oder oxydieren. Bei einer Ausführung der Erfindung enthält der Füllstoff etwa 3 bis IO Masee-% Siliziumdioxid, zum Beispiel kombiniert mit Tonerde« Ein altes besonders günstig befundener Tonerde-Füllstoff hat eine Körnung entsprechend der Maschenweite von etwa 5 bis 500 (USA-Standard-Sieb). Silikonkarbid als Füllstoff kann eine Körnung der Maschenweite von etwa 500 bis 1000 aufweisen (USA-Standard-Sieb).flocculants, refractory fiber, fibers, tubes, tubes, beads, whiskers or the like, or a combination thereof. The filler mass 12 may be either loose or bonded and has interstitial spaces, openings, spaces and the like so as to be permeable to the oxidant and the growing oxidation reaction product. Further, suitable fillers may be, for example, metal oxides, borides, Nitrides or carbides of a metal of the group of aluminum, cerium, hafnium, lanthanum, silicon, neodymium, praseodymium; Samarium, scandium, thorium, uranium, titanium, yttrium and zirconium. Some of these fillers may require protective coatings to prevent them from reacting and / or oxidizing under the conditions of the process. In one embodiment of the invention, the filler contains about 3 to 10% by mass silica, for example, combined with alumina. "An old particularly favorable alumina filler has a mesh size of about 5 to 500 mesh (U.S. Standard Sieve). Silicone carbide filler may have a mesh size of about 500 to 1000 (USA standard sieve).
In jedem Fall ist die Konstruktion so angelegt, daß das Oxydationereaktionsprodukt in die Füllstoffmasse 12 hineinwächst, so daß der Zwischenraum zwischen den Füllstoffteilchen im wesentlichen von dem angewachsenen Oxydationsreaktionsprodukt ausgefüllt wird. Eine Grundmasse des polykristallinen Stoffes, der durch das Anwachsen des Oxydationsreaktionsproduktes entstaht, wächst einfach in und/oder um die Füllstoffmasse 12, so daß das letztere vorzugsweise bis zu seinem festgelegten Oberflächenabschluß 14 eingebettet und infiltriert wird, ohne daß die Füllstoffmasse 12 wesentlich gestört oder verschobenIn either case, the design is designed so that the oxidation reaction product grows into the filler mass 12 so that the gap between the filler particles is substantially filled by the grown oxidation reaction product. A matrix of the polycrystalline material, desalted by the growth of the oxidation reaction product, simply grows in and / or around the filler mass 12 so that the latter is preferably embedded and infiltrated to its predetermined surface finish 14 without substantially disturbing or displacing the filler mass 12
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wird. So treten keine äußeren Kräfte auf, die die Lage der Füllstoffmasse 12 beeinträchtigen oder stören könnten« und es sind keine komplizierten und kostspieligen Hochtempera tur-Hochdruck-Verfahren und -Vorrichtungen notwendig, wie bei den bekannten herkömmlichen Verfahren, um eine dichte keramische Verbundstruktur zu erzielen. Außerdem sind die strengen Anforderungen an chemische und physikalische Verträglichkeit, die beim drucklosen Sintern zur Herstellung keramischer Verbundstoffe notwendig sind, durch die vorliegende Erfindung weitgehend reduziert oder entfallen·becomes. Thus, no external forces occur which could interfere with or disturb the location of the filler mass 12 "and no complicated and expensive high tempera ture high-pressure processes and devices are required, as in the known conventional methods to achieve a dense ceramic composite structure , In addition, the stringent chemical and physical compatibility requirements required in pressureless sintering to produce ceramic composites are largely reduced or eliminated by the present invention.
Es kann ein festes, flüssiges oder Dampfphasen-Oxydatlonsmittel oder eine Kombination solcher Oxydationsmittel verwendet werden· Dampfphasen-Oxydationsmittel enthalten ohne Einschränkung Sauerstoff, Sauerstoff-Argon oder andere reaktionsträge Gasgemische und Luft*A solid, liquid or vapor phase oxidant, or a combination of such oxidants may be used. Vapor phase oxidants include without limitation oxygen, oxygen-argon, or other inert gas mixtures and air.
Feste Oxydationsmittel bestehen aus reduzierbaren Oxiden, wie zum Beispiel aus Siliziumdioxid, Zinnoxid oder Zinkoxid. Wird ein festes Oxydationsmittel verwendet, so wird es gewöhnlich durch das gesamte Füllstoffbett oder durch einen Teil des Betts des Ausgangsmetalls verteilt, und zwar in Form von Teilchen, die dem Füllstoff beigemischt werden, oder als Beläge auf den Füllstoffteilchen. Wird ein flüssiges Oxydationsmittel verwendet, so wird das gesamte Füllstoffbett oder ein Teil davon, der an das geschmolzene Metall grenrt, beschichtet oder getränkt, beispielsweise durch Eintauchen in das Oxydationsmittel, um den Füllstoff zu tränken. Ein geeignetes flüssiges Oxydationsmittel enthält Glassorten, die bei niedrigen Temperaturen schmelzen.Solid oxidizers consist of reducible oxides, such as silica, tin oxide or zinc oxide. When a solid oxidizing agent is used, it is usually dispersed throughout the filler bed or through a portion of the bed of the starting metal, in the form of particles admixed with the filler or as coatings on the filler particles. When a liquid oxidizing agent is used, the entire filler bed or a portion thereof adjacent to the molten metal is coated or soaked, for example, by immersion in the oxidizing agent to impregnate the filler. A suitable liquid oxidizer contains glass types which melt at low temperatures.
Zink oder Dotierstoff (das an späterer Stelle eingehender beschrieben wird) beschleunigt oder erleichtert das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes und die anschließende EntfernungZinc or dopant (described in more detail below) accelerates or facilitates growth of the oxidation reaction product and subsequent removal
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der nichtoxydierten Metallteile aus dem gebildeten Oxydationsprodukt. Der Zink-Dotierstoff wird dem Aluminium-Ausgangsmetall zugesetzt und enthält etwa 1 bis 10 Masse-%, vorzugsweise etwa 4 bis 7 Masse-%, Zusätzliche Dotierstoffe (wie in den zuvor genannten gemeinschaftlichen Patentanmeldungen beschrieben) können in Verbindung mit dem Grundmetall verwendet werden, beispielsweise durch Mischen des Ootierstoffee iyit dem Grundmetall, durch äußere Beschichtung der Oberfläche des Grundmetalls oder durch Verbinden oder Mischen des Dotierstoffs mit dem Füllstoff 12, Magnesium kann zum Beispiel zur Erhöhung der Dotierwirkung von Zink verwendet werden.the non-oxidized metal parts from the formed Oxydationsprodukt. The zinc dopant is added to the aluminum parent metal and contains about 1 to 10 mass%, preferably about 4 to 7 mass%. Additional dopants (as described in the aforementioned copending patent applications) can be used in conjunction with the parent metal. For example, by mixing the oozing liquor with the parent metal, by externally coating the surface of the parent metal, or by combining or mixing the dopant with the filler 12, magnesium may be used, for example, to increase the doping effect of zinc.
Ein Aluminium-Ausgangemetallkörper 10 wird zusammen mit der durchlässigen Fülistoffmasse 12 so in einen Schmelztiegel oder anderen feuerfesten Schmelztiegel gegeben, daß zumindest eine Metalloberfläche des Grundnetalls der angrenzenden oder umgebenden Füllstoffmasse 12 ausgesetzt ist. Wird ein Dampfphasen-Oxydationsmiltel verwendet, so ist die Fülistoffmasse gegenüber dem gasförmigen Oxydationsmittel durchlässig, das im Oxydationsmilieu vorhanden ist (zumeist Luft bei atmosphärischem Umgebungsdruck). Die entstandene Zusammensetzung wird dann in Anwesenheit des Oxydationsmittels in einem geeigneten Ofen (nicht in den Fig. dargestellt) auf einen ersten Temperaturbereich erwärmt, um dessen Temperatur in dem Bereich zumeist auf zwischen etwa 850 und 1450 C oder besser auf zwischen etwa 950 und 1100 C zu erhöhen, so daß ein Schmelzbad oder ein Körper aus geschmolzenem Grundmetall gebildet wird. Der Temperaturbereich hängt von der Füllstoffnasse 12 ab, vom Dotierstoff oder der Dotierkonzentration, dem Oxydationsmittel, oder irgendeiner Kombination dieser Faktoren. In diesem Temperaturbereich beginnt das Grundmetall durch die Oxidschicht zu dringen, die normalerweise das Aluminium-Ausgangsmetall schützt.An aluminum parent metal body 10, together with the permeable filler mass 12, is placed in a crucible or other refractory crucible such that at least one metal surface of the base mesh is exposed to the adjacent or surrounding mass of filler 12. When a vapor-phase oxidant is used, the filler mass is permeable to the gaseous oxidant present in the oxidative environment (mostly air at ambient atmospheric pressure). The resulting composition is then heated to a first temperature range in the presence of the oxidant in a suitable oven (not shown in the figures), the temperature of which is in the range generally between about 850 and 1450 C, or better, between about 950 and 1100C to increase, so that a molten bath or a body of molten parent metal is formed. The temperature range depends on the filler mass 12, the dopant or doping concentration, the oxidizing agent, or any combination of these factors. In this temperature range, the base metal begins to penetrate through the oxide layer that normally protects the aluminum source metal.
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Ist das Grundmetall dem Oxydationsmittel weiterhin bei hohen Temperaturen ausgesetzt, kann bei der fortgesetzten Oxydation des Ausgangsmetallkörpers IO ein polykriatallines Oxydatlonsreaktion8produkt mit zunehmender Dicke entstehen· Dieses wachsende Oxydationereaktioneprodukt dringt nach und nach in die durchlässigen Füllstoffmassen 12 und damit in die Grundmasse des Oxydationsproduktes ein, die auch nichtoxydierte Ausgangsmetallbestandteile enthalten kann. Dadurch entsteht ein kohäsiver Verbundstoff, Die wachsende polykristalline Grundmasse dringt mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit in die Füllstoffmasse 12 ein (das heißt mit einer im wesentlichen konstanten Zunahme der Dicke in Abhängigkeit von der Zeit) unter der Voraussetzung, daß die Oxydationsmittelquelle relativ kjonetant ist, indem beispielsweise im Ofen ein ausreichender Luftaustausch (oder Austausch der Oxydationsatmosphäre) ermöglicht wird. Der Austausch der Oxydationsatmosphäre kann, wenn es sich um Luft handelt, günstig mittels Luftkanälen im Ofen erfolgen. Die Grundmasse wächst so lange weiter an, bis das polykristalline Oxydationspodukt bis zu dem festgelegten Oberflächenabschluß 14 in die Füllstoffmasse 12 eingedrungen ist. Das erfolgt am besten, wenn fast der gesamte Ausgangsmetallkörper 10 verbraucht ist, das heißt, wenn fast der gesamte Ausgangsmetallkörper 10 in die Grundmasse verwandelt wurde.If the parent metal is still exposed to the oxidizing agent at high temperatures, the continuous oxidation of the starting metal body IO may produce a polycrystalline oxidation reaction product of increasing thickness. This growing oxidation reaction product gradually penetrates into the permeable filler masses 12 and thus into the bulk of the oxidation product which also may contain non-oxidized starting metal components. This produces a cohesive composite. The growing polycrystalline matrix penetrates the filler mass 12 at a substantially constant rate (i.e., with a substantially constant increase in thickness as a function of time) provided that the source of oxidant is relatively kjonetant. for example, by allowing sufficient air exchange (or replacement of the oxidizing atmosphere) in the oven. The exchange of the Oxydationsatmosphäre can, if it is air, done favorably by means of air channels in the oven. The matrix continues to grow until the polycrystalline oxidation product has penetrated the filler mass 12 up to the specified surface finish 14. This is best done when almost all of the parent metal body 10 is consumed, that is, when almost all of the parent metal body 10 has been converted to the matrix.
Die eingangs durch Oxydation des Ausgangsmetalls aus Aluminiumlegierung mit dem Oxydationsmittel hergestellten keramischen Verbundstoffe bestehen aus Füllstoff, der am günstigsten bis zu dem festgelegten Abschluß mit dem polykristallinen Oxydationsprodukt aus der Reaktion des Ausgangsmetalls mit dem Oxydationsmittel eingedrungen und eingebettet ist, und aus einem oder mehreren nichtoxydierten Metallbestandteilen des Ausgangs-The ceramic composites initially prepared by oxidation of the aluminum alloy parent metal with the oxidizer consist of filler most conveniently infiltrated and embedded to the final seal with the polycrystalline oxidation product from the reaction of the parent metal with the oxidizer and one or more non-oxidized metal constituents of the starting point
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metalle ate Aluminium und Zink sowie aus anderen Metallen, entsprechend der Zusammensetzung des Ausgangsmetalls. Der Volumenanteil des Restmetalls (der nlchtoxydierten Metallbestandteile) kann sehr unterschiedlich sein. Je nachdem, ob der Oxydationsprozeß so weit erfolgt, daß das Ausgangemetall aus Aluminiumlegierung verbraucht ist. So kann zum Beispiel ein keramischer Verbundstoffkörper, der aus Aluminiumlegierungsmetall und 50 Vol.-% Füllstoff in Luft bei etwa 1000 0C hergestellt wurde, etwa 0,5 bis 10 Volumenprozent Restmetall enthalten.metals are aluminum and zinc and other metals, according to the composition of the parent metal. The volume fraction of the residual metal (the nltoxydierten metal components) can be very different. Depending on whether the oxidation process takes place so far that the starting aluminum alloy is consumed. For example, a ceramic composite body made of aluminum alloy metal and 50% by volume filler in air at about 1000 ° C. may contain about 0.5 to 10% by volume residual metal.
Zur Herstellung eines keramischen Verbundstoffkörpers, der nahezu frei von metallischen Bestandteilen ist, wie zum Beispiel bei Verbundstoff, der für feuerfeste Schiebeeinguß-, ventile verwendet wird, werden die nach der ersten Wärmebehandlung vorhandenen metallischen Elemente (Restmetall) im wesentlichen entfernt und/oder mittels einer zweiten Erwärmung in situ oxydiert. Der eingangs hergestellte keramische Verbundstoff körper wird auf eine Temperatur erwärmt, die höher ist als die erste Temperatur, auf die bei der Bildung des keramischen Verbundstoffk-rörpers erwärmt wurde. Zusätzlich zu der zweiten Erwärmung kann die Temperatur erhöht werden, so daß das Restmetall im wesentlichen verdampft und/ oder oxydiert. Diese zweite Erwärmung kann in einer sauerstoff haltigen oder neutralen Atmosphäre oder in Vakuum erfolgen. Eine sauerstoffhaltige Atmosphäre ist günstiger, da dort die Entfernung des Restmetalls durch Oxydation bei niedrigeren emperaturen erfolgen kann als das bei Entfernung durch Verdampfung in einer neutralen Atmosphäre oder in Vakuum der Fall ist. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist Luft bei atmosphärischem Umgebungsdruck am günstigsten.For producing a composite ceramic body which is almost free of metallic constituents, such as composite used for refractory sliding gate valves, the metallic elements (residual metal) present after the first heat treatment are substantially removed and / or by means of a second heating in situ oxidized. The ceramic composite body initially produced is heated to a temperature higher than the first temperature heated in the formation of the ceramic composite body. In addition to the second heating, the temperature may be raised so that the residual metal substantially vaporizes and / or oxidizes. This second heating may take place in an oxygen-containing or neutral atmosphere or in a vacuum. An oxygen-containing atmosphere is more favorable because there the removal of the residual metal by oxidation can take place at lower temperatures than is the case with removal by evaporation in a neutral atmosphere or in vacuum. For reasons of economy, air is most favorable at atmospheric pressure.
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Das Gefüge wird Im Ofen in der gewünschten Atmosphäre erwärmt, und zwar meist auf eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 1250 und 2000 0C, am besten aber zumindest auf etwa 1400 0C oder auf etwa zwischen 1400 und 1600 0C. Diese Temperatur ist höher als die bei der Herstellung des anfangs gebildeten keramischen Verbundstoff körpers angewendete Temperatur. Bei diesen hohen Temperaturen werden nahezu alle restlichen nichtoxydierten Metallelemente des Grundmetalb aus Aluminiumlegierung entfernt oder in ein Oxid umgewandelt« das nicht weiter über den festgelegten Oberflächenabschluß hinaus wächst* Man ist der Ansicht« daß die Entfernung der meisten restlichen nichtoxydierten Metallelemente im wesentlichen durch die Verflüchtigung des Zinkdotlerstoffs unterstützt wird. Ein Teil des restlichen Aluminiummetalls oxydi. *t in situ, ohne daß der festgelegte Abschluß des Stücks beeinträchtigt wird. Das Zink-Dotiermittel beschleunigt oder erleichtert das Anwachsen des Oxydationsprodukts nicht nur, sondern verflüchtigt eich auch bei hohen Temperaturen, was zu Porosität und großer Oberfläche führt. Das wiederum beschleunigt die Oxydation der restlichen nichtoxydierten Mdtallbestandteile des Ausgangsmetalle aus Aluminiumlegierung im Verbundstoffkörper. Wie schon an früherer Stelle erwähnt, beläuft sich die Zinkmenge, die dem Aluminium-Ausgangsmetall zugesetzt werden soll, am besten auf etwa zwischen 4 und 10 Masse-% (auf der Basis der Masse des Aluminium-Grundmetalls)· Das Zink kann auch direkt mit unlegiertem handelsüblichem reinem Aluminium von zum Beispiel 99 %, 99,5 % oder 99,7 % legiert werden. Auf Wunsch kann hochreines oder extrareines Aluminium mit einem Reinheitsgrad von zum Beispiel 99,9 % oder mehr als Basis für den Legiorungszusatz verwendet werden. Das kann erforderlich sein, wenn das feuerfeste Endprodukt in VerbindungThe microstructure is heated in the oven in the desired atmosphere, usually at a temperature in the range between about 1250 and 2000 0 C, but most preferably at least about 1400 0 C or at between 1400 and 1600 0 C. This temperature is higher as the temperature used in the manufacture of the initially formed ceramic composite body. At these high temperatures, nearly all remaining non-oxidized metal elements of the aluminum alloy base metal are removed or converted to an oxide which does not grow beyond the specified surface finish. It is believed that the removal of most of the remaining non-oxidized metal elements is essentially due to volatilization of the metal Zinkdotlerstoffs is supported. Part of the remaining aluminum metal oxydi. * t in situ, without affecting the specified completion of the piece. The zinc dopant not only accelerates or facilitates the growth of the oxidation product but also volatilizes at high temperatures, resulting in porosity and high surface area. This in turn accelerates the oxidation of the residual non-oxidized Mdtall components of the starting aluminum alloy in the composite body. As mentioned earlier, the amount of zinc to be added to the starting aluminum metal is best between about 4 and 10% by mass (based on the mass of the aluminum parent metal). The zinc may also be used directly unalloyed commercial pure aluminum of, for example, 99 %, 99.5 % or 99.7 % . If desired, high purity or extra pure aluminum having a purity of, for example, 99.9 % or more may be used as the basis for the addition of the addition. This may be necessary if the refractory end product is in communication
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mit geschmolzenen Metallen mit sehr hohem Reinheitsgrad verwendet wird, wo selbst Spuren von Fremdkörpern unerwünscht sindc Andererseits können einige zinkhaltige handelsübliche Knetlegierungen oder Gußlegierungen dort eingesetzt werden, wo der Zinkgehalt höher als 1,0 %, am besten aber höher als 4,0 % ist, und wo das Vorhandensein anderer Legierungselemente den Endzweck nicht beeinträchtigt. Zum Beispiel ist eine Legierung, die 5,0 bis 6,0 % Zink, 1,2 bis 1,8 % Magnesium, 0,08 bis 0,18 % Zirkonium sowie die zulässigen Höchstmengen folgender Elemente: Silizium (0,25 %), Eisen (0,40 %), Kupfer (0,25 %), Mangan (0,10 %), Chrom (0,05 %), Titan (0,10 %) sowie andere Elemente (je 0,05 % bis zu insgesamt 0,15 %) (alles Masse-%, enthält, wobei aber Aluminium der Hauptanteil ist, eine der Legierungen, die ein geeignetes Ausgangsmetall für die Erfindung darstellen würden» In diesem Fall würde das in der Legierung vorhandene Magnesium die Dotierwirkung von Zink vergrößern. Auf Wunsch konn der Verbundstoffkörper gekühlt und aus dem Ofen genommen werden. Dann können eine oder mehrere Oberflächen des abgekühlten Körpers auf die entsprechenden Maße gearbeitet (z. B. gefräst, poliert, geschliffen o. ä.) werden. Diese Möglichkeit kann besonders günstig sein bei der Herstellung keramischer Erzeugnisse mit genauen Abmessungen. Bei einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die keramischen Verbundstoffkörper der Erfindung für den Einsatz als Feuerfeststoffe für Schieberverschlußventile hergestellt werden. Das Schieberventil, das in Fig. 2 mit der Bezeichnung 20 verallgemeinert dargestellt ist, berührt eine obere Platte 22 oder den Boden einer Gießpfanne 24, die Metallschmelze 26 (d. h. geschmolzenen Stahl) enthält. Die obere Platte 22 ist fest mit der Gießpfanne 24 verbunden und hat eine Öffnung 28, die in direkter Verbindung mit der Pfannenöffnung 30 an der Unterseite derwith very high purity molten metals where even traces of foreign matter are undesirable. On the other hand, some zinc containing commercial wrought alloys or cast alloys can be used where the zinc content is higher than 1.0%, but better than higher than 4.0 % . and where the presence of other alloying elements does not affect the ultimate purpose. For example, an alloy containing 5.0-6.0 % zinc, 1.2-1.8 % magnesium, 0.08-0.18 % zirconium and the maximum allowable levels of the following elements: silicon (0.25%) , Iron (0.40%), copper (0.25%), manganese (0.10%), chromium (0.05 %), titanium (0.10 %) and other elements (0.05% each to to a total of 0.15 %) (all mass%, but with aluminum being the major fraction, one of the alloys that would be a suitable starting metal for the invention). In this case, the magnesium present in the alloy would be the doping effect of zinc If desired, the composite body may be cooled and removed from the oven, and then one or more surfaces of the cooled body may be machined to the appropriate dimensions (eg, milled, polished, ground, etc.) be favorable in the production of ceramic products with exact dimensions According to the present invention, the ceramic composite bodies of the invention can be made for use as refractories for spool valves. The spool valve, which is generally designated 20 in FIG. 2, contacts an upper plate 22 or the bottom of a ladle 24 containing molten metal 26 (ie, molten steel). The upper plate 22 is fixedly connected to the ladle 24 and has an opening 28 which is in direct communication with the pan opening 30 at the bottom of
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Gießpfanne 24 steht. Das Schieberventil 20 hat eine Schieberver8chlußelementkon8truktion 32 mit zumindest einer Schieberöffnung 34. Ein Antrieb, wie zum Beispiel ein Drosselzylinder o. ä.„ ist derart mit dem Schieberverschluß 20 verbunden, daß er den Schieberverschluß an der Unterfläche der oberen Platte 22 entlangschiebt oder dreht, bis die Schieberöffnung 34 mit der öffnung 28 in der oberen Platte und der Pfannenöffnung 30 entweder üboreinanderliegt oder nicht. Ein Röhrenhalter, in der Fig. als 36 dargestellt, hält ein Rohr 38 und stützt das Schieberventi! 20, die obere Platte 22 und die Gießpfanne 24, die mit der oberen Matte 22 verbunden ist. Das Rohr 38 leitet die Metallschmelze 26, nachdem diese die Gießpfanne 24 verläßt, durch den Schieberverschluß 20. Wird das feuerfeste Schieberventil 20 mit Hilfe des Antriebs 36 so angeordnet, daß die Schieberöffnung 34 de9 feuerfesten Schieberventils im Verhältnis zur Öffnung der oberen Platte 28 mit der Pfannenöffnung 30 der Gießpfanne 24 vollständig verlagert ist, so fließt die Metallschmelze 26 nicht aus der Gießpfanne 24. So dringt das geschmolzene Metall (wie anschließend eingehender erläutert wird) nicht in die Poren der keramischen Grundmasse in der Schleberverachlußkonstruktion 32 des Schieberventils 20. Wird das Schiebeventil 20 entlang der oberen Platte 22 und dem unteren Teil der Gießpfanne 24 verschoben, so deß die Schieberöffnung 34 über der öffnung 28 in der oberen Platte und über der Gießpfannenöffnung 34* liegt, so fließt die Metallschmelze 26 durch Schwerkraft aus der Gießpfanne 24 durch die entsprechenden Gießpfannenöffnungen 34* in das Rohr Die Schieberverschlußkonstruktion 32 muß äußerst glatt sein, das heißt mit maximalen Abweichungen von 0,0127 mm und muß fest gegen die Grundfläche der oberen Platte 22 gedrückt werden, so daß kein geschmolzenes Metall zwischen den Grenzflächen entweicht. Die Schieberverschlußkonstruktion 32 sowie die obereLadle 24 is. The spool valve 20 has a spool closure assembly 32 having at least one spool port 34. A drive, such as a throttle cylinder or the like, is connected to the spool closure 20 so as to push or rotate the spool closure on the lower surface of the top plate 22 the slide opening 34 with the opening 28 in the upper plate and the socket opening 30 is either overlying or not. A tube holder, shown as 36 in the figure, holds a tube 38 and supports the spool valve! 20, the upper plate 22 and the ladle 24, which is connected to the upper mat 22. The tube 38 passes the molten metal 26, after it leaves the ladle 24, through the slide closure 20. The refractory slide valve 20 by means of the drive 36 is arranged so that the slide opening 34 de9 refractory slide valve in relation to the opening of the upper plate 28 with the Ladle opening 30 of the ladle 24 is completely displaced, so the molten metal 26 does not flow from the ladle 24. Thus, the molten metal (as will be explained in more detail below) does not penetrate into the pores of the ceramic matrix in the Schleuberverachlußkonstruktion 32 of the slide valve 20. If the slide valve 20 is displaced along the upper plate 22 and the lower part of the ladle 24, so that the slide opening 34 is above the opening 28 in the upper plate and over the ladle opening 34 *, the molten metal 26 flows by gravity from the ladle 24 through the corresponding Ladle openings 34 * into the R The gate closure structure 32 must be extremely smooth, that is with maximum deviations of 0.0127 mm, and must be pressed firmly against the base of the top plate 22 so that no molten metal escapes between the interfaces. The slider closure structure 32 and the upper
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Platte 22 bestehen aus feuerfesten Materialien oder Elementen, die maschinell eehr glatt bearbeitet werden können (zum Beispiel durch Fräsen, Schleifen, Polieren o« ä.)( so daß die obere Platte 2?. und die Schieberverschlußkonstruktion 32 des Schieberventils 20 beim öffnen und Schließen des Schieberventils 20 mit dem angeschlossenen Antrieb 36 davon keine Teilchen abreiben können. Die Schieberverschlußkonstruktion 32 des Schieberventils 20 sollte keine zu großen Poren aufweisen, da sonst das geschmolzene Metall in die Poren eindringen und die Schieberverschlußkonstruktion 32 abschwächen würde. Außerdem muß die Schieberverschlußkonstruktion 32 eine äußerst gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen und a^3 feuerfesten Materialien oder Elementen bestehen, die fest genug sind, um der chemischen Korrosion und den Erosionseffekten der geschmolzenen Metallverbindungen zu widerstehen. Zur Herstellung einer Schioberverschlußkonstruktion 32 aus einem keramischen Verbundstoff mit den zuvor genannten Eigenschaften und/oder Kriterien, sollte der keramische Verbundstoff eine keramische Grundmasse enthalten, die im wesentlichen aus nichtmetallischen und anorganischen Stoffen besteht. Oede größere Menge nichtoxydierter metallischer Bestandteile innerhalb eines keramischen Verbundstoffs, wie zum Beispiel Aluminium, könnte das Verhalten des Materials beeinträchtigen, indem sie zum Beispiel dessen Warmfestigkeit verringert und das Wachstum der Oxydation eventuell über die Abmessungen des Schieberverschlusses hinausgeht und bewirkt, daß die Eingußteile zusammenhaften. Ebenso könnte die Festigkeit gegenüber Wärmestößen beeinträchtigt werden. Dadurch würde das Schieberventil 20 versagen oder müßte nach kurzem Einsatz ausgewechselt werden, und zwar höchstwahrscheinlich deshalb, da es zerbröckelt, reißt oder seine Oberfläche wächst.Plate 22 is made of refractory materials or elements that can be machined smoothly (e.g., by milling, grinding, polishing, etc.) ( such that the top plate 2? And slide gate structure 32 of gate valve 20 are open and closed The spool closure structure 32 of the spool valve 20 should not have too large pores, otherwise the molten metal would penetrate into the pores and weaken the spool closure structure 32. In addition, the spool closure structure 32 must be extremely durable have good thermal shock resistance and consist of refractory materials or elements that are strong enough to withstand the chemical corrosion and erosion effects of the molten metal compounds To produce a Schioberverschlußkonstruktion 32 of a ceramic composite fabric with the aforementioned properties and / or criteria, the ceramic composite should contain a ceramic matrix consisting essentially of non-metallic and inorganic materials. Any greater amount of unoxidized metallic constituents within a ceramic composite, such as aluminum, could compromise the performance of the material, for example, by reducing its hot strength and possibly increasing the growth of the oxidation beyond the dimensions of the gate valve and causing the gates to stick together. Likewise, the resistance to heat shocks could be compromised. As a result, the gate valve 20 would fail or need to be replaced after a short use, most likely because it crumbles, ruptures or its surface grows.
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Die nach Entfernung und/oder Oxydation nahezu aller restlichen MetalleXemente vom Aluminium-Ausgangsmetall erhaltene keramische Verbundstruktur ist ein keramischer Verbundkörper, der zumeist etwa zwischen 5 und 98 Vol.-% des gesamten Volumens der Verbundstruktur ausmacht, die ein oder mehrere Füllstoffe enthält, die in einer polykristallinen keramischen Grundmasse eingebettet sind. Die polykristalline keramische Grundmasse besteht aus etwa 94,5 oder mehr Masse-% (von der Masse des polykristallinen Oxydationsproduktei( verbundener Alpha-Tonerde, aus etwa 5 % oder mehr Zinkaluminat sowie zu etwa 0,5 oder weniger Masee-% aus nichtoxydierten Metallelementen des Aluminium-Ausgangsmetalls·The ceramic composite obtained after removal and / or oxidation of almost all remaining metal elements from the aluminum parent metal is a ceramic composite that is mostly between about 5 and 98 percent by volume of the total volume of the composite containing one or more fillers contained in embedded in a polycrystalline ceramic matrix. The polycrystalline ceramic matrix is comprised of about 94.5 or more mass% (of the bulk of the polycrystalline oxidation product (linked alpha alumina), about 5 % or more zinc aluminate, and about 0.5 or less mole percent of non-oxidized metal elements of the aluminum parent metal ·
Die polykristalline keramische Grundmasse weist eine gewisse Porosität auf, die von etwa 2 bis zu 25 Vol.-% der polykristallinen keramischen Grundmasse reicht, meist aber nicht mehr als 10 % betrifft. Man nimmt an, daß eine gewisse Porosität notwendig für die gewünschte Temperaturwechselbeständigkeit des feuerfesten Erzeugnisses ist. Zumindest ein Teil der porösen Fläche ist von der Oberfläche aus zugänglich, meist haben jedoch 5 % dieser porösen Flächen Porendurchmesser von etwa 1 bis 8 Mikrometer. Am günstigsten ist es, wenn die von der Oberfläche aus zugänglichen Porenöffnungen einen mittleren Durchmesser von 6 oder weniger Mikronen haben, wobui 6 der Mittelwert einer normalen Gaußschen Verteilungsfunktion ist. Ein keramischer Verbundstoff auf Tonerdebasis mit Oberflächenöffnungen, deren Durchmesser 6 Mikrometer oder kleiner ist, ist besonders geeignet zur Herstellung von Schieboeinguß-Schamottestelnen, da der geschmolzene Stahl nicht :Ln die Struktur eindringt.The polycrystalline ceramic matrix has a certain porosity, ranging from about 2 to 25 vol .-% of the polycrystalline ceramic matrix, but usually not more than 10 % . It is believed that some porosity is necessary for the desired thermal shock resistance of the refractory product. At least part of the porous surface is accessible from the surface, but most often 5 % of these porous surfaces have pore diameters of about 1 to 8 microns. It is best if the pore openings accessible from the surface have an average diameter of 6 or less microns, and 6 is the average of a normal Gaussian distribution function. An alumina-based ceramic composite having surface apertures whose diameter is 6 microns or smaller is particularly suitable for making sliding-gate fireclay stakes because the molten steel does not penetrate the structure.
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1st wie folgt gekennzeichnet; Dreipunkt-Biegetest für eine Wärmebruchfestigkeit von etwa 241,15 bis etwa 447,85 Mpa bei 1400 0C in N2, in Abhängigkeit von der Größe des Tonerdefüllstoffs ; durch einen Wärmewechselbeständigkeitsparameter (Festigkeit gegenüber Rißausbreitung, Rst) von etwa 15,6 0C/1st indicated as follows; Three-point bending test for a heat breaking strength of about 241.15 to about 447.85 Mpa at 1400 0 C in N 2, depending on the size of the Tonerdefüllstoffs; by a heat shock resistance parameter (resistance to crack propagation, Rst) of about 15.6 0 C /
6,5 cm ; eine Volumenstabilität (Wärmeausdehnung in Übereinstimmung mit ASTM E228.71 von Raumtemperatur auf 1500 0C mi's anschließender Abkühlung) von 0,15 % oder weniger linearen Veränderungen und ohne Veränderungen des thermodynamischen Flusses, die zum Reißen oder Verbiegenfführen; und durch eine6.5 cm; a volume stability (thermal expansion in accordance with ASTM E228.71 from room temperature to 1500 0 C mi's subsequent cooling) of 0.15% or less of linear changes and without any changes in the thermodynamic flux, the rupture or Verbiegenfführen; and by one
2 größeren Diagonalstab von 6,5 cm , 20 Min« Rotationstest, aus mit Al beruhigten Stahl, wie im nachstehenden Beispiel beschrieben) von 1,02 mm oder weniger.2 larger diagonal bar of 6.5 cm, 20 min rotation test, made of Al tempered steel as described in the example below) of 1.02 mm or less.
Oer keramische Verbundstoff der vorliegenden Erfindung hat im wesentlichen saubere Korngrenzen, worin die Korngren2en zwischen den Kristalliten keine andere Phase aufweisen. Am bemerkenswertesten ist, daß die Korngrenzen keine sillziumhaltigen Phasen aufweisen« Dieses Merkmal ist besonders wichtig für Feuerfesterzeugnisse für Stahlwerke. Bei niedrigen Temperaturen schmelzende Silikate sind in fast jedem herkömmlichen Tonerde-Feuerfesterzeugnis /orhanden, und dieses Material reagiert mit dem geschmolzenen Elsen, was dessen Auflösung in den flüssigen Stahl bewirkt, was schließlich zur Rißbildung, zum Zerbröckeln und Zerbrechen des Gefügee führt.The ceramic composite of the present invention has substantially clean grain boundaries in which the grain sizes between the crystallites have no other phase. Most notably, the grain boundaries have no sill-containing phases. This feature is particularly important for refractories for steel mills. Low melting fumed silicates are present in almost any conventional alumina refractory, and this material reacts with the molten alloy, causing it to dissolve into the liquid steel, eventually resulting in cracking, crumbling and fracturing of the structure.
Außerdem erfordern die Verbundstoffkörper der vorliegenden Erfindung keine Vorkehrungen zur Verhinderung der Oxydation der Bindephase, da es sich um eine vollständig oxydierte Grundmasse handelt, im Gegensatz zu den kohlenstoffgebundenen Tonerde-Feuerfestörzeugnissen, die gegenwärtig auf dem japanischen Markt für Schieber zu finden sind.In addition, the composite bodies of the present invention do not require provisions for inhibiting oxidation of the binder phase, since it is a fully oxidized matrix, as opposed to the carbon-bonded clay refractory products currently found in the Japanese market for gate valves.
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Bei einer besonders effektiven Methode der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der Füllstoff in eine Vorform gegossen« die die gleiche Form hat wie das gewünschte Endprodukte Die Vorform kann mit irgendeiner der zahlreichen üblichen Herstellungsverfahren für Keramikkörper hergestellt werden (wie zum Beispiel durch geradliniges Pressen, isostatisches Pressen« Schlickergießen, Sedimentationsgießen, Bandgießen, Spritzgießverfahren, Faserwicklung bei Faserstoffen U8W«), wobei es hauptsächlich von den Eigenschaften des Füllstoffs abhängt, welches Verfahren angewendet wird. Daß die Teilchen vor der Infiltrierung gebunden werden, kann durch leichtes Sintern oder durch Verwendung verschiedener organischer oder anorganischer Bindemittel erzielt werden, die das Verfahren nicht beeinträchtigen oder dem fertigen Stoff unerwünschte Nebenprodukte zugeben. Die Vorform wird so hergestellt, daß sie eine ausreichende Formintegrität und Grünfestigkeit aufweist und sollte für das Oxydationsprodukt durchlässig sein und vorzugsweise durch eine Porosität zwischen etwa 5 und 90 Vül.-%, am besten aber zwischen etwa und 50 Vol,-% gekennzeichnet sein. Es könnqn auch Beimengungen von Füllstoffen mit den entsprechenden Maschenweiten verwendet werden. Dann wird die Vorform an einer oder mehreren Flächen so lange mit dem geschmolzenen Metall in Berührung gebracht, bis das Wachstum und die Tränkung der Vorform bis zu deren Oberflächengrenzen abgeschlossen ist.In a particularly effective method of carrying out the present invention, the filler is poured into a preform which has the same shape as the desired end product. The preform can be made by any of the many conventional ceramic body production methods (such as straightforward pressing, isostatic pressing "Slip casting, sedimentation casting, strip casting, injection molding, fiber wrapping for U8W fiber"), depending mainly on the properties of the filler, which method is used. The fact that the particles are bound prior to infiltration can be achieved by light sintering or by using various organic or inorganic binders which do not interfere with the process or add unwanted by-products to the final fabric. The preform is made to have sufficient shape integrity and green strength and should be permeable to the oxidation product and preferably characterized by a porosity of between about 5 and 90% by volume, but most preferably between about and 50% by volume. It is also possible to use admixtures of fillers with the corresponding mesh sizes. Then, the preform is contacted with the molten metal at one or more surfaces until the growth and impregnation of the preform is completed to its surface boundaries.
In Verbindung mit dem Füllstoff oder der Vorform kann ein Hemmstoff verwendet werden, um das Wachstum oder die Entwicklung des Oxydationsproduktes über die Grenze hinaue zu verhindern. Nach der ersten und vor der zweiten Wärmebehandlung wird die Abschlußgrenze mit irgendeinem geeigneten Mittel entfernt. Geeignete Sperrmittel können aus irgendeinem Material,In conjunction with the filler or preform, an inhibitor may be used to prevent the growth or development of the oxidation product beyond the hinaue limit. After the first and before the second heat treatment, the end limit is removed by any suitable means. Suitable barrier means may be made of any material,
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Gemisch, Element, einer Zusammensetzung o. ä. bestehen, das unter den Verfahrensbedingungen der vorliegenden Erfindung eine gewisse Integrität bewahrt, nicht flüchtig ist, und möglichst gegenüber dem Dampfphasen-Oxydationsmittel durchlässig ist und dabei das weitere Wachstum des Oxydationsproduktes lokal hemmen, verhindern, aufhalten, behindern o« ö. kann. Geeignete Sperrmittel bei Aluminium-Ausgangsmetall bestehen aus Kalziumsulfat (gebrannter Gips), Kalziumsilikat und Portlandzement sowie aus Gemischen dieser Stoffe, die zumeist in Form einer Aufschlämmung oder Paste auf die Oberfläche des Füllstoffs aufgetragen wird. Ein bevorzugtes Sperrmittel ist ein Gemisch, das zur Hälfte aus gebranntem Gips und zur Hälfte aus Kalziumsilikat besteht. Dieses Sperrmittel kann auch einen geeigneten brennbaren oder flüchtigen Stoff beinhalten* der bei der Erwärmung entfernt wird, Oier einen Stoff, der sich bei Erwärmung auflöst, um die Porosität und Durchlässigkeit des Grenzstoffs zu erhöhen. Das Sperrmittel kann vom Verbundstoffkörper leicht entfernt werden, zum Beispiel durch Sandstrahlen, Schleifen usw.. Mit einer Vorform, besonders zusammen mit einem Begrenzungsmittel, werden saubere Formen erzielt und damit die aufwendige maschinelle Endbearbeitung oder das Schleifen minimiert oder eingespart.Mixture, element, a composition o. Ä. Which maintains a certain integrity under the process conditions of the present invention, is non-volatile, and as possible to the vapor phase oxidant permeable and thereby inhibit the further growth of the oxidation product locally, prevent, stop , obstructing "can. Suitable barrier agents for aluminum parent metal are calcium sulfate (calcined gypsum), calcium silicate, and Portland cement, as well as mixtures of these materials, which are usually applied to the surface of the filler in the form of a slurry or paste. A preferred barrier agent is a mixture consisting half of calcined gypsum and half of calcium silicate. This barrier agent may also contain a suitable combustible or volatile substance which is removed on heating, or a substance which dissolves on heating to increase the porosity and permeability of the barrier material. The barrier means can be easily removed from the composite body, for example, by sandblasting, grinding, etc. With a preform, especially together with a limiting means, clean shapes are achieved, thus minimizing or eliminating the costly machining or grinding.
Als eine weitere praktische Ausführung der Erfindung kann die Zugabe von Dotierstoffen in Verbindung mit dem Ausgangsmetall den Oxydationsreaktionsprozeß günstig beeinflussen. Die Funktion oder die Funktionen des Dotierstoffs können von einer Reihe von Faktoren abhängen, die nichts mit dem Dotierstoff selbst zu tun haben. Diese Faktoren sind zum Beispiel das spezielle Ausgangsmetall, das gewünschte Endprodukt, die spezielle Kombination von Dotierstoffen, wenn zwei oder mehrere Dotierstoffe verwendet werden, die Verwendung eines von außenAs a further practical embodiment of the invention, the addition of dopants in conjunction with the starting metal can favorably influence the oxidation reaction process. The function or functions of the dopant may depend on a number of factors unrelated to the dopant itself. These factors include, for example, the particular source metal, the desired end product, the particular combination of dopants, when two or more dopants are used, the use of an external one
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aufgetragenen Dotierstoffs in Verbindung mit einem legierten Dotierstoff, die Konzentration des Dotierstoffs, das Oxydationsmilieu und die Verfahrensbedingungen. Die bei den Verfahren verwendeten Dotierstoff(e) sollten im wesentlichen entfernt oder bei der zweiten Erwärmung oxydiert werden, so daß sie die Eigenschaften des Endprodukts nicht beeinträchtigen.applied dopant in conjunction with an alloyed dopant, the concentration of the dopant, the Oxydationsmilieu and the process conditions. The dopant (s) used in the methods should be substantially removed or oxidized on the second heating so that they do not affect the properties of the final product.
Die in Verbindung mit dem Ausgangsmatall verwendeten Dotierstoff (θ) können 1. in Form von Legierungselernenten des Grundmetalls vorgesehen sein, können 2. zumindest auf einen Teil der Oberfläche des Ausgangsmetalls aufgetragen werden OGer können 3, dem Füllstoffbett oder der Vorform oder einem Teil davon zugegeben werden. Es können aber auch zwei oder mehr von den Techniken 1., 2. und 3. kombiniert angewendet werden. Ein legierter Dotierstoff kann zum Baispiel in Verbindung mit einem äußerlich zugegebenen Dotierstoff verwendet werden. Bei der 3. Technik werden ein oder mehrere Dotierstoffe dem Füllstoffbett oder äsr Vorform zugegeben. Dabei kann die Zugabe in irgendeiner geeigneten Weise erfolgen, so zum Beispiel durch Verteilung der Dotierstoffe in einem Teil oder der gesamten Vorform in Form einer Beschichtung oder von Teilchen, am besten aber zumindest in einem an das Grundmetall angrenzenden Teil der Vorform. Einer Tonerdeunterschicht zugegebenes Siliziumoxid ist zum Beispiel besonders geeignet bei in Luft oxydiertem Tonerde-Ausgangsmetall. Die Zugabe irgendeines beliebigen Dotierstoffs zur Vorform kann auch durch Auftragen einer Schicht aus ein oder mehreren Dotierstoffen auf und in die Vorform erfolgen, einschließlich deren innere öffnungen, Spalten, Durchgänge, Zwischenräume o. ä., die sie durchlässig machen.The dopant (θ) used in conjunction with the starting metal may be 1. provided in the form of alloying elements of the parent metal, 2. may be applied to at least part of the surface of the parent metal. O 3 may be added to the filler bed or preform or a part thereof become. However, two or more of the 1st, 2nd, and 3rd techniques can be used in combination. An alloyed dopant may for example be used in conjunction with an externally added dopant. In the third technique, one or more dopants are added to the filler bed or preform. In this case, the addition may take place in any suitable manner, for example by distributing the dopants in one part or the entire preform in the form of a coating or particles, but most preferably at least in a part of the preform adjacent to the parent metal. For example, silica added to an alumina undercoat is particularly useful with air-oxidized alumina starting metal. The addition of any dopant to the preform may also be accomplished by applying a layer of one or more dopants to and into the preform, including their interior openings, gaps, passages, spaces, or the like, which render them permeable.
Die Erfindung wird mit dem nachstehenden Beispiel weiter veranschaulicht.The invention will be further illustrated by the following example.
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Ein Block aus Aluminiumgußlegierung mit den Abmessungen 25,4 mm χ 63,5 mm χ 215,9 mm wurde waagerecht auf eine Schicht aus einem Gemisch von handeleüblicher grobkörniger reiner Tonerde 8-14 und 5 Ma9se-% SiCL mit Maschenweite 500 gelegt und dann mit dem gleichen Material etwa 76,2 mm hoch bedeckt· Die Legierung enthielt etwa 5 bis 6,5 Maese-% Zink, etwa 0,25 Masse-% oder weniger Kupfer, etwa 0,4 bis 0,.6 Masse-% Chrom, etwa 0,15 Masse-% oder weniger Silizium, etwa 0,40 Mas- ee-% oder weniger Eisen, etwa 0,25 Masse-% oder weniger bis zu 0,50 Masse-% Magnesium, etwa 0,10 Masse-% oder weniger Mangan, etwa 0,15 bis 0,25 Masse-% Titan, etwa 0,20 Masse-% oder weniger an anderen Metallen mit einer Höchstmenge von etwa 0,05 Masse-% oder weniger, und das Ganze wird mit Aluminium kompensiert.A cast aluminum alloy block measuring 25.4 mm χ 63.5 mm χ 215.9 mm was placed horizontally on top of a layer of a mixture of commercially available coarse grained pure clay 8-14 and 5 mass% SiCl with a mesh size of 500 and then with The alloy contained about 5 to 6.5 Maese% zinc, about 0.25 mass% or less copper, about 0.4 to 0, .6 mass% chromium, about 0.15 mass% or less of silicon, about 0.40 mass % or less of iron, about 0.25 mass% or less up to 0.50 mass% of magnesium, about 0.10 mass% or less manganese, about 0.15 to 0.25 mass% titanium, about 0.20 mass% or less of other metals, with a maximum amount of about 0.05 mass% or less, and the whole is compensated with aluminum ,
Der in die Tonerde eingebettete Block war in einem geeigneten feuerfesten Schmelztiegel vorgesehen, und das Ganze wurde in einen einfachen Flammofen gegeben. Durch natürliche Konvektion und Diffusion konnte Luft in den Ofen gelangen, und zwar durch zufällige öffnungen in den Ofenwänden. Die Einheit wurde 144 Stunden lang bei einer Einstelltemperatur von 1000 0C bearbeitet, und zwar n3ch einer achtstündigen Anwärmzeit des Ofens bis zum Erreichen dieser Einstelltemperatur. Nach der 144stündigen Efwärmung wurde die Probe in acht weiteren Stunden bis unter 600 0C abgekühlt. Danach wurde der entstandene keramische Verbundstoffkörper aus dem Ofen entnommen. Der Körper enthielt Restmengen Zink, Aluminium und Silizium.The ingot embedded in the clay was placed in a suitable refractory crucible and placed in a simple flame oven. Natural convection and diffusion allowed air to enter the oven through random openings in the walls of the oven. The unit was processed at a setting temperature of 1000 0 C for 144 hours, namely n3ch an eight-hour warm-up time of the oven to reach this set temperature. After 144stündigen Efwärmung the sample was cooled in a further eight hours to less than 600 0 C. Thereafter, the resulting ceramic composite body was removed from the oven. The body contained residual amounts of zinc, aluminum and silicon.
Um zumindest einen großen Teil der Restmengen Zink, Aluminium und Silizium zu entfernen, wurde der keramische Verbundstoffkörper wiederum in einem fouorfesten Schmelztiegel in denIn order to remove at least a large part of the residual amounts of zinc, aluminum and silicon, the ceramic composite body was again in a fouorfesten crucible in the
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Flammofen gestellt und acht Stunden lang bei einer Einstelltemperatur von 1400 0C bearbeitet, nachdem der Ofen zuerst echt Stunden lang bis auf diese Temperatur angewärmt wurde. Nach der achtstündigen Wärmebehandlung wurde der keramische Verbundstoffkörper in weiteren acht Stunden unter 600 0C abgekühlt und anschließend aus dem Ofen entnommen· Nach der zweiten Wärmebehandlung bei 1400 0C wurde die ursprünglich graue metallische Tonerdegrundnasse weiß, was anzeigte, daß nur noch sehr wenig Restmetall vorhanden war. Die Mikrostruktur de3 keramischen Verbundstoffs wies auf eine sehr homogene, poröse, feinkörnige (Durchmesser dp- Körner etwa 6 Mikrometer) Tonerdegrundmasse hin. Die Restmengsn Zink verflüchtigten, wodurch die Aluminium- und Silizium-Restmengen wirksam herausgetrieben und Platz geschaffen wurde für die Oxydation in situ von einem Teil des Aluminiums während der zweiten Erwärmung auf 1400 0C, Schließlich entstand dadurch ein keramischer Verbundstoff mit größerer Porosität und niedrigem Metallgehalt. Die zweite Erwärmung auf 1400 0C bewirkte kein weiteres wesentliches Wachstum dee Oxydationsreaktionsproduktes über den ursprünglich festgelegten Abschluß des Verbundstoffkörpers hinaus, obwohl Aluminium, Zink und Silizium vor einer zweiten Erwärmung auf 1400 0C vorhanden waren. Der Biegeversuch ergab (bei Raumtemperatur) eine Bruchfestigkeit (MOR) von etwa 275,6 MPa für das Endprodukt sowie eine behaltene Festigkeit (MOR) von etwa 165,36 MPa nach fünf schnellen Erwärmungen und Abkühlungen zwischen Raumtemperatur und 1200 C, mit jeweils 10 Minuten Haltezeit auf jeder Temperatur. Röntgenuntersuchungen des keramischen Erzeugnisses zeigten Tonerde und einige kloinere Mengen Zinkalurrinat.Flame furnace set and worked for eight hours at a setting temperature of 1400 0 C, after the first warming of the furnace for a full hour to this temperature. After the eight hour heat treatment, the composite ceramic body was cooled at 600 ° C. for a further eight hours and then removed from the oven. After the second heat treatment at 1400 ° C., the original gray metallic earth base became white, indicating that very little residual metal remained was. The microstructure of the ceramic composite indicated a very homogeneous, porous, fine-grained (diameter dp grains about 6 microns) bulk clay basis. The residual amounts of zinc volatilized, effectively expelling the aluminum and silicon residuals and making room for in situ oxidation of some of the aluminum during the second heating to 1400 ° C. Finally, this resulted in a ceramic composite with greater porosity and low metal content , The second heating to 1400 ° C did not cause any further substantial growth of the oxidation reaction product beyond the originally established terminus of the composite body, although aluminum, zinc and silicon were present prior to a second heating to 1400 ° C. The flexural test gave (at room temperature) a breaking strength (MOR) of about 275.6 MPa for the final product and a retained strength (MOR) of about 165.36 MPa after five rapid heats and cools between room temperature and 1200 C, 10 minutes each Holding time at any temperature. X-ray studies of the ceramic product showed clay and some smaller amounts of zinc alurinate.
Zur Untersuchung der Wirkung von geschmolzenem Stahl auf dieses keramische Erzeugnis wurde es gevierteilt und in vier Halterungen für Proben gegeben, die mittels Gewinde mit einerTo investigate the effect of molten steel on this ceramic product, it was quartered and placed in four holders for samples threaded by means of a grinder
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gelagerten Welle einer Rotationstestvorrichtung verbunden waren» Diese Vorrichtung bestand aus einem Stahlrahmen mit einem Elektromotor mit regelbarer Drehzahl, der mit der gelagerten Welle verbunden ist. Die vier Keramikteile wurden mit den Halterungen um die Mittelachse der gelagerten Welle gedreht« Die äußeren Ecken jedes Teils legten bei 48 min" eine Strecke von 15 240,0 mm je Minute zurück. Ein Stahlblech (koh3tenstof farm. Schwefel, Phosphor und Sauerstoff) wurde auf 1593 0C erwärmt und dessen Oberfläche vor dem Ver-.such entschlackt« Die vier Keramikteile wurden auf 1093 0C erwärmt und dann in den geschmolzenen Stahl getaucht und mit einer Geschwindigkeit von 48 min" 20 Minuten lang in der Rotationsteetvorrlchtung gedreht. Dann wurden die Teile aus den Halterungen entnommen, gekühlt und auf die Wirkung des geschmolzenen Stahls auf den Keramikkörper hin untersucht. Es wurde festgestellt, daß der Keramikkörper dem Eindringen von Stahl stark widerstand, mit dem flüchtigen Stahl nicht reagierte und während des Versuchs nicht aufgrund des Temperaturunterschieds riß. Daraus ergibt sich also, daß keramische Verbundstoffkörper für Feuerfesterzeugnisse in Stahlwerken geeignet sind, wie zum Beispiel als Schieberventile, die mit geschmolzenem Stahl in Berührung kommen.This device consisted of a steel frame with an electric motor with variable speed, which is connected to the bearing shaft. The four ceramic parts were rotated with the brackets around the center axis of the stored shaft. "The outer corners of each part traversed a distance of 15 240.0 mm per minute at 48 min., A steel sheet (carbon fiber, sulfur, phosphorus, and oxygen) heated to 1593 0 C and its surface before Ver-.such purifies "the four ceramic parts were heated to 1093 0 C and then immersed into the molten steel and rotated at a speed of 48 min" for 20 minutes in the Rotationsteetvorrlchtung. Then the parts were removed from the holders, cooled and examined for the effect of the molten steel on the ceramic body. It was found that the ceramic body strongly resisted the penetration of steel, did not react with the volatile steel and did not crack during the experiment due to the temperature difference. As a result, ceramic composite bodies are suitable for refractory products in steel works, such as slide valves which come into contact with molten steel.
Claims (16)
beträgt·9. The method according to claim 1, characterized in that the tesa;
is ·
Family
ID=
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