DE10036012A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Halbzeugen aus Metallen und Legierungen - Google Patents
Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Halbzeugen aus Metallen und LegierungenInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von metallischen Halbzeugen wie Stangen und Drähten beschrieben, wobei die Halbzeuge aus einer lokalen Schmelze mit konstantem Volumen erstarrend herangezogen werden und durch Zufuhr von neuem Material das Volumen der Schmelze konstant gehalten wird.
Description
Halbzeuge aus reinen Metallen oder Legierungen, wie Stangen,
Drähte oder Bänder werden nach dem Stand der Technik durch suk
zessive Reduzierung des Querschnitts des massiven Ausgangsma
terials hergestellt. Das Ausgangsmaterial wird durch Schmieden,
Pressen, Ziehen und/oder Dehnen auf den Endquerschnitt des ferti
gen Halbzeugs gebracht. Häufig ist es notwendig zwischen den ein
zelnen Arbeitsstufen eine Zwischenglühung vorzunehmen, um Ver
härtungen durch die Umformung abzubauen.
Die bekannten Verfahren sind abgestimmt auf relativ große Schmelz
chargen, die im Bereich von einer Tonne und mehr liegen. Die Her
stellung von kleinen Schmelzchargen mit einem Volumen von 0,1 bis
1 kg ist in speziellen Schmelzöfen mit Schmelztiegeln aus Grafit oder
Keramik möglich, wird aber aus wirtschaftlichen Gründen nicht prak
tiziert. Bei einem kleinen Schmelzvolumen ist die Kontamination
durch die Tiegelwand größer als bei großen Schmelzchargen, da das
Verhältnis Schmelzoberfläche zu Schmelzvolumen mit abnehmen
dem Schmelzvolumen ansteigt.
Die o. g. Schwierigkeiten hat man versucht durch sogenannte Kalt-
Wand-Tiegel zu umgehen, bei denen relativ kleine Schmelzvolmen
mittelfs Hochfrequenzheizung in der Schwebe gehalten werden
(vergl. DE 38 19 153 C2, DE 38 19 154 C1, DE 40 22 561 C1; Labo
ratory Methods, Vol. LXVII Nr. 404 Juni 1963, S. 301 ff. "High Tem
peraure Melting without Contamination in Cold Crucibles"). Die be
kannten Verfahren beschreiben jedoch nicht das kontinuierliche Her
stellen von Halbzeugen aus der Schmelze und liefern letztlich nur ei
nen erstarrten Metall-Regulus. Bei dem sogenannten tiegelfreien Zo
nenschmelzen von Silicium und anderen Halbleitern wird eine
Schmelzzone duch einen stabförmigen und senkrechtstehenden
Körper gezogen. Dabei wird jedoch keine Halbzeugherstellung verdern
die Hochreinigung der Halbleiter.
Demgegenüber wird vorgeschlagen, metallische Halbzeuge wie
Stangen oder Drähte dadurch herzustellen, daß vorgeformte Metalle
oder Legierungen (Schmelzgut) lokal aufgeschmolzen und aus der
Schmelze kontinuierlich die Halbzeuge wie Stangen oder Drähte er
starrend herausgezogen, und das Volumen der Schmelze durch
kontinuierliches Zuführen von neuem Material konstant gehalten
wird.
Als Schmelztiegel wird ein wassergekühltes Kupferboot benutzt
oder das völlig tiegelfreie Schmelzen eingesetzt.
Das Verfahren wird anhand der Herstellung von Stäben einer Legie
rung aus Niob und Zirkon (NbZr30) erläutert, s. Abb. 1. Als Ausgans
produkte werden im Hochvakuum entgaste Pulver-Presslinge einge
setzt, die 70% Niobpulver und 30% Zirkoniumumpulver in homo
gener Mischung enthalten. Die Pulverpresslinge besitzen einen
Durchmesser von 12 mm und eine Länge von 80 mm. Zwei Presslin
ge 1 und 2 werden in ein waagerechtliegendes und wassergekühl
tes Kupferboot 3 mit einer Länge von 20 cm und einem Innendurch
messer von 15 mm so eingelegt, daß sich die Stirnflächen der
Presslinge berühren (Stoßstelle 6). Das Kupferboot befindet sich in
einem Quarzglasrohres 4 mit einem Innendurchmesser von ca. 22 mm
und einer Länge von ca. 1000 mm. An der Stoßstelle der beiden
Presslinge liegt außen um das Quarzglasrohr eine zweiwindige HF-
Spule 5 (Hochfrequenzspule), die von eiem Hochfrequenzgenarator
mit 300 KHz gespeist wird. Das Quarzohr wird mit Argon (≧ 5.0) als
Oxidationsschutz mit 2 bis 3 L/min durchströmt. Mittels Hochfre
quenz werden die beiden Presslinge an der Stoßstelle auf eine Län
ge von ca. 2 cm völlig aufgeschmolzen (lokale Schmelze 6) und an
schließend der rechte Pressling 2 kontinuierlich nach rechts abgezo
gen, wobei die Abzugsgeschwindigkeit so geregelt wird, dass der
neue, erstarrende Stab 7 einen Durchmesser von ca. 10 mm besitzt.
Gleichzeitig wird der linke Pressling 1 und neue Presslinge kontinu
ierlich nachgeschoben, um das Volumen der Schmelze an der
Stoss-Stelle 6 konstant zu halten. Auf diese Weise wird ein poren
freier, völlig durchgeschmolzener und homogen legierter Stab aus
den reaktiven Elementen Niob und Zirkon mit der Zusammenset
zung NbZr30 und einer Länge von ca. 50 cm hergestellt, der an kei
ner Stelle durch Kupfer kontaminiert ist.
Das kontinuierliche Schmelzverfahren mit kaltem Tiegel erlaubt fol
gende verfahrenstechnische Anpassungen an die Ausgangsstoffe:
- 1. Das Ausgangsmaterial sind lose aneinanderliegende oder verdrillte
Drähte, deren Summenzusammensetzung dem gewünschten
Endprodukt entspricht. Die Drähte können aus reinen Metallen
und/oder Legierungen bestehen.
Die Ausgangsdrähte können mit einer dünnen Schicht umhüllt sein, um niedere Legierungskonzentrationen einzustellen. Unter niederen Konzentrationen ist der Bereich von ≦ 0,1% zu verstehen, insbes. im ppm-Bereich. Die Beschichtung kann im Mikrometer-Bereich liegen und durch Aufdampfen oder durch galvanische Abscheidung erzeugt worden sein. So können z. B. definierte Mengen Bor in die Schmelze eingebracht werden, wenn oberflächlich borierte Drähte aus reinem Eisen oder Stahl als Ausgangmaterial benutzt werden. Aber auch Beschichtungen mit Kohlenstoff, Silicium, Beryllium, Blei, Zinn, Lan thaniden oder Verbindungen wie Siliciden, Nitriden z. B. Titannitrid sind zum Feinlegieren geeignet. Insgesamt können alle Stoffe zum Feinlegieren eingesetzt werden, die sich auf den Ausgangstoffen als dünne, festhaftende und/oder eindiffundierte Schicht oder Schich abfolgen aufbringen lassen, die beim Aufschmelzen nicht abdamp fen. - 2. Als Ausgangsmaterial können Metallrohre verwendet werden, die mit Metallpulvern gefüllt sind. Auch V- oder U-förmige Rinnen aus Metallen oder Legierungen, die mit Metallpulvern gefüllt sind, kön nenn als Ausgangskörper benutzt werden. In diesem Fall werden die Rinnen und das Metallpulver aufgeschmolzen und das legierte und erstarrende Halbzeug aus der Schmelze gezogen.
- 3. Der Metallschmelze kann kontinuierlich von oben her durch einen Einfüllstutzen, der zwischen den HF-Windungen liegt und mit dem Quarzrohr fest verbunden ist, ein Gemisch aus Metallkörnern oder - Körner aus reinen Metallen zugeführt und der Endstab seitlich abge zogen werden. Vorteilhafter ist es das Kupferboot und die HF-Spule in einem kreuz-förmigen Edelstahl-Rohr mit einem Durchmesser von ca. 80 mm zu installieren und durch den nach oben zeigenden mitt leren Stutzen die metallischen Ausgangsstoffe in die Schmelze ein zubringen. Eine derartige Vorrichtung erlaubt auch den kontinuierli chen Schmelzprozess im Hochvakuum oder im Schutzgas durchzu führen. In einem der seitlichen Stutzen wird die Vorrichtung zum Zu führen der Ausgangskörper, z. B. Sinterpresslinge oder Drähte bzw. Stangen untergebracht. Im anderen Stutzen wird die Abziehvorrich tung für den erschmolzenen Stab oder Draht installiert. Zur visuellen Beobachtung des kontinuierlichen Schmelzvorgangs kann ein seit lich angeordneter Stutzen mit Fenster angebracht werden über den via Video-Überwachung der kontinuierliche Schmelzprozess geregelt wird.
- 4. Das Aufschmelzen des Ausgangsstabes oder der Ausgangsdräh te kann auch mittels Elektronenstrahl im Vakuum erfolgen. Dabei trifft der Elektronenstrahl seitlich auf die Stirnfläche der senkrecht ste henden und rotierenden Ausgangskörper und erzeugt eine Schmelz kuppe; das Halbzeug (Stab oder Draht) wird aus der Schmelzkuppe kontinuierlich nach oben weggezogen. Diese Arbeitsweise erlaubt auch den Einsatz von Hochfrequenzspulen wie Abb. 2 zeigt. Auf der Strinfläche der Ausgangsmaterialien 10 wird mittels einer Hochfre quenzspule 9 als Heizvorrichtung eine Schmelzkuppe 8 erzeugt. Aus der Schmelzkuppe wird dann der legierte Stab oder Draht 7 nach oben weggezogen. Um ein konstantes Schmelzvolumen aufrecht zuerhalten wird das Ausgangsmaterial von unten nachgeschoben. Um die Legierungsbildung zu beschleunigen, ist es von Vorteil, das Ausgangsmaterial 10 und das legierte Halbzeug 7 gegensinnig mit 30 bis 60 Umdrehungen/Minute um die Längsachse zu drehen. Auch diese Verfahrens-Variante lässt sich im Vakuum oder Schutzgas durchführen und ist völlig tiegelfrei. Es ist vor allem für hochreaktive Metalle wie Tantal, Chrom und Niob und deren Legierungen ge eignet
- 5. Das Verfahren eignet sich auch zum kontinuierlichen Erschmelzen von heterogenen Systemen aus Metall und Nichtmetallen. Dazu wer den den Metallpuver-Presslingen die entsprechenden Nichtmetall körper als Pulver beigemeischt, z. B. Oxide wir Zirkonoxid, Diamant pulver oder Siliciumkarbid.
Claims (8)
1. Verfahren zur kontinuerlichen Herstellung von Halbzeugen wie
Stangen und Drähten aus Metallen und Legierungen aus der
Schmelze dadurch gekennzeichnet, daß einer Metall-Schmelze
ohne Veränderung ihres Volumens vorgeformtes und/oder gekörn
tes metallisches Ausgangsmaterial zu- und erstarrendes Halbzeug
abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als
Ausgangsmaterial Metallhalbzeuge wie Drähte und/oder Stangen
benutzt werden, die lose oder verdrillt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als
Ausgangsprodukt Pulver-Presslinge aus Metall oder Metall-Legie
rungen und Pulverpresslinge aus Metall oder Metall-Legierungen
und Nichtmetallischen Pulvern eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß
zum Feinlegieren im Bereich ≦ 0,1 m% als Ausgangsmaterial bzw.
Schmelzgut Drähte und Stangen benutzt werden, die oberflächlich
mit Metallen oder Nichtmetallen beschichtet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das
Aufschmelzen und Aufrechterhalten eines bestimmten Schmelzvolu
mens in einem wassergekühlten Metallboot bzw. wassergekühlten
Metallgefäß mittels HF oder Elektronenstrahl erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der
Schmelzprozess bzw. die Herstellung der Endprodukte via Schmelze
in Schutzgas oder Vakuum erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß auf
den senkrechtstehenden Ausgangsmaterialien mittels einer Hochfre
quenzspule eine Schmelzkuppe erzeugt wird und das legierte Halb
zeug nach oben abgezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß das
senkrechtstehende Ausgangsmaterial und das legierte Halbzeug ge
gensinnig um die Längsrichtung gedreht werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10036012A DE10036012A1 (de) | 2000-07-25 | 2000-07-25 | Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Halbzeugen aus Metallen und Legierungen |
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DE10036012A DE10036012A1 (de) | 2000-07-25 | 2000-07-25 | Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Halbzeugen aus Metallen und Legierungen |
Publications (1)
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ID=7650031
Family Applications (1)
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DE10036012A Withdrawn DE10036012A1 (de) | 2000-07-25 | 2000-07-25 | Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Halbzeugen aus Metallen und Legierungen |
Country Status (1)
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---|---|
DE (1) | DE10036012A1 (de) |
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- 2000-07-25 DE DE10036012A patent/DE10036012A1/de not_active Withdrawn
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