DE10036012A1

DE10036012A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Halbzeugen aus Metallen und Legierungen

Info

Publication number: DE10036012A1
Application number: DE10036012A
Authority: DE
Inventors: Julins J Nickl; Julins A Nickl
Original assignee: GWP GES fur WERKSTOFFPRUEFUNG
Current assignee: GWP GES fur WERKSTOFFPRUEFUNG
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-28

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

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.