DE102006051814B3

DE102006051814B3 - Körper zum Leiten von Metallschmelzen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers

Info

Publication number: DE102006051814B3
Application number: DE200610051814
Authority: DE
Inventors: Jochen Kriegesmann; Ersen Bülent
Original assignee: Fachhochschule Koblenz
Current assignee: Hochschule Koblenz De
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2026-11-04
Also published as: DE102006051814B9

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Körper zum Leiten von Metallschmelzen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Körper zum Leiten von Metallschmelzen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers.
Zum Leiten von Metallschmelzen, insbesondere in Gießereien, werden keramische Gießrinnen verwendet.
An die Keramiken, die für die keramischen Gießrinnen eingesetzt werden, werden hohe Ansprüche gestellt. So dürfen die Keramiken durch die Metallschmelze insbesondere nur wenig benetzt werden. Außerdem sollen die Keramiken eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Damit die Metallschmelze während des Leitens und Gießens durch die Gießrinne nicht erstarrt, sollte die Keramik ferner über eine geringe Wärmeleitfähigkeit verfügen.
Derzeit werden keramische Gießrinnen insbesondere auf Basis oxidkeramischer Werkstoffe, insbesondere auf Basis von Tialit (Al₂TiO₅) oder Silica (SiO₂) erstellt. Das Benetzungsverhalten von keramischen Gießrinnen, die auf Basis dieser Keramiken erstellt sind, ist jedoch nicht immer ausreichend.
Ein gegenüber tialit- und silicahaltigen Keramiken besseres Benetzungsverhalten zeigen nichtoxidische keramische Materialien. Auch ist die Festigkeit nichtoxidischer keramischer Materialien gegenüber tialit- und silicahaltigen Keramiken deutlich besser. Nichtoxidische keramische Materialien zeichnen sich gegenüber tialit- und silicahaltigen Keramiken jedoch durch einen deutlich höheren Preis und eine höhere Wärmeleitfähigkeit aus. Aus diesem Grund kommen Gießrinnen auf Basis von nichtoxidischen keramischen Materialien praktisch nicht zum Einsatz.
DE 3890863 C2 beschreibt einen Gießbehälter für eine Druckgießmaschine mit einem Außenzylinderelement aus Metall und einem keramischen Innenzylinderelement, wobei an einer zwischen ihnen liegenden Grenze eine Mehrzahl von Hohlräumen angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen preisgünstigen Körper zum Leiten von Metallschmelzen zur Verfügung zu stellen, bei dem die gegenüber oxidkeramischen Materialien besseren Eigenschaften nichtoxidischer keramischer Materialien hinsichtlich ihres Benetzungsverhaltens sowie ihrer Festigkeit ausgenutzt werden können.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung der erstgenannten Aufgabe stellt die Erfindung einen Körper zum Leiten von Metallschmelzen mit den folgenden Merkmalen zur Verfügung:
einem Grundkörper mit einer Aufnahme für ein Leitungselement;
einem in der Aufnahme des Grundkörpers angeordneten Leitungselement zum Leiten von Metallschmelzen;
das Leitungselement besteht aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff;
der Grundkörper weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das Leitungselement.
Die Erfindung beruht auf der Grundidee, dass nicht der gesamte Körper zum Leiten von Metallschmelzen aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff besteht, sondern allein der Teil des Körpers, der beim Leiten der Metallschmelze in Kontakt mit dieser tritt. Bei dem erfindungsgemäßen Körper dient das Leitungselement zum Leiten von Metallschmelzen, so dass beim Leiten von Metallschmelzen durch den Körper allein dieses Leitungselement in Kontakt mit der Metallschmelze tritt. Das Leitungselement besteht aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff, so dass die hervorragenden Eigenschaften von nichtoxidischen keramischen Werkstoffen zum Leiten von Metallschmelzen ausgenutzt werden können. Das Leitungselement ist in einer Aufnahme eines Grundkörpers angeordnet. Der Grundkörper kann aus einem gegenüber dem Werkstoff des Leitungselementes preisgünstigeren Werkstoff bestehen. Indem bei dem erfindungsgemäßen Körper damit allein das Leitungselement aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff bestehen muss, kann dieser Körper wesentlich preisgünstiger zur Verfügung gestellt werden als ein Körper, der insgesamt aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff besteht.
Der nichtoxidische keramische Werkstoff des Leitungselementes kann beispielsweise aus einem Carbid, Nitrid, Bond oder Silicid bestehen. Das Leitungselement kann demnach beispielsweise aus Bornitrid (BN) oder Aluminiumnitrid (AlN) bestehen.
Bevorzugt besteht das Leitungselement aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder Sialon (SiAlON). Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass sich diese beiden Werkstoffe hervorragend zum Leiten von Metallschmelzen eignen, da sich sowohl Siliciumnitrid als auch SiAlON durch hervorragende Eigenschaften hinsichtlich ihres Benetzungsverhaltens, ihrer Festigkeit und ihrer Temperaturwechselbeständigkeit auszeichnen.
Als SiAlON wird bekanntermaßen eine Nichtoxidkeramik auf Basis von Siliciumnitrid bezeichnet, bei der Silicium teilweise durch Aluminium und Stickstoff teilweise durch Sauerstoff ersetzt ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird für das Leitungselement ein Werkstoff auf Basis von Siliciumnitrid eingesetzt, der im Bereich seiner Oberfläche als ein SiAlON ausgebildet ist. Im Bereich der Oberfläche sind bei diesem aus Siliciumnitrid aufgebauten Leitungselement damit Silicium teilweise durch Aluminium und Stickstoff teilweise durch Sauerstoff ersetzt. Ein solches Leitungselement zeichnet sich durch ganz hervorragende Eigenschaften zum Leiten von Metallschmelzen aus.
Es kann vorgesehen sein, dass das Leitungselement aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff in Form eines metallischen Hartstoffs besteht, also einem Carbid, Nitrid, Bond oder Silicid der Übergangselemente der 4. bis 6. Hauptgruppe des Periodensystems.
Der anmeldungsgemäße Körper kann grundsätzlich zum Leiten von beliebigen Metallschmelzen verwendet werden. Insbesondere kann der anmeldungsgemäße Körper zum Leiten von Aluminium- oder Magnesiumschmelzen verwendet werden.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Leitungselement in Form einer gebrannten keramischen Folie vorgesehen. Bekanntermaßen werden als keramische Folien Keramiken bezeichnet, die mittels einer Foliengießtechnik hergestellt worden sind. Bei einer Foliengießtechnik wird eine keramische Suspension zunächst zu einer Folie gegossen und diese nach zwischengeschalteten Formungs- und Trockungsschritten zu einer keramischen Folie gebrannt.
Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass sich solche keramischen Folien aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff hervorragend zum Leiten von Metallschmelzen eignen.
Da keramische Folien im grünen, also ungebrannten Zustand äußerst flexibel sind, lassen sich aus diesen grünen keramischen Folien Leitungselemente in beliebiger Form herstellen.
Das Leitungselement kann eine beliebige Form aufweisen, die zum Leiten von Metallschmelzen geeignet ist. Bevorzugt ist das Leitungselement rinnenförmig gestaltet.
Beispielsweise kann eine keramische Folie entlang einer Linie geknickt sein, so dass die keramische Folie einen V-förmigen Querschnitt aufweist. In dieser V-förmigen Rinne kann die Metallschmelze geleitet werden.
Das aus einer keramischen Folie erstellte Leitungselement kann beispielsweise auch einen U-förmigen Querschnitt aufweisen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die keramische Folie zu einem rohrförmigen Leitungselement mit einem runden oder elliptischen Querschnitt geformt ist.
Keramische Folien zeichnen sich durch eine geringe Wandstärke aus. Zur Erstellung von keramischen Folien werden daher nur geringe Werkstoffmengen benötigt, weshalb sich auch Leitungselemente aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff sehr preisgünstig mittels keramischer Folien herstellen lassen.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Leitungselement eine mittlere Wandstärke von weniger als 2 mm aufweist. Der Vorteil einer solch geringen Wandstärke liegt insbesondere darin, dass sich eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Leitungselementes nicht negativ auf die Metallleiteigenschaften des Körpers ausübt, wenn das Leitungselement entsprechend gestaltet ist. Bevorzugt weist das Leitungselement eine mittlere Wandstärke im Bereich von 0,5 bis 1 mm auf.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Leitungselement bindungsfrei im Grundkörper angeordnet ist. Das Leitungselement ist demnach nicht über Bindemittel, Klebstoffe, keramische Bindungen, Schmelzphasen oder dergleichen mit dem Grundkörper verbunden, sondern ist lose im Grundkörper angeordnet.
Der Vorteil eines entsprechend bindungsfrei im Grundkörper angeordneten Leitungselementes liegt insbesondere darin, dass es sehr einfach und schnell im Grundkörper anordenbar und wieder aus diesem herausnehmbar ist. Ein Leitungselement kann demnach sehr einfach und schnell vor Ort, beispielsweise in einer Gießerei, ausgetauscht werden. Dazu wird das Leitungselement einfach nur aus dem Grundkörper entnommen und ein neues Leitungselement anschließend in dem Grundkörper angeordnet.
Damit wird ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Körpers offenbar: Zur Reparatur eines verschlissenen Körpers muss allein das Leitungselement ausgewechselt werden, während der Grundkörper in situ am Einsatzort verbleiben kann. Im Gegensatz hierzu musste beim Stand der Technik jeweils die gesamte keramische Gießrinne ausgetauscht werden. Die Reparatur eines erfindungsgemäßen Körpers zum Leiten von Metallschmelzen ist damit wesentlich schneller und preisgünstiger als mit den Gießrinnen nach dem Stand der Technik zu bewerkstelligen. Ferner ergeben sich erhebliche Einsparungen bei den Transportkosten, da für Reparaturzwecke nicht mehr vollständige, neue Gießrinnen in Gießereien transportiert werden müssen, sondern beim anmeldungsgemäßen Körper nur noch die Leitungselemente hierfür.
Nach einer Ausführungsform ist das Leitungselement mehrteilig, also aus zwei oder mehr Einzelelementen zusammengesetzt. Beispielsweise können mehrere rinnen- oder rohrförmige Einzelelemente an ihre Stirnseiten aneinandergefügt sein, so dass sich aus den Einzelelementen Leitungselemente beliebiger Länge erstellen lassen.
Es kann vorgesehen sein, dass beim anmeldungsgemäßen Körper eine Ausgleichsschicht zwischen der Aufnahme des Grundkörpers und dem Leitungselement angeordnet ist. Diese Ausgleichsschicht dient insbesondere zur Aufnahme von Relativbewegungen und Spannungen, die sich beispielsweise aufgrund eines unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens von Grundkörper und Leitungselement zwischen diesen ergeben. Diese Ausgleichsschicht kann beispielsweise aus einem Pulver, Fasern oder einem Vlies bestehen. Die Ausgleichsschicht in Form eines Pulvers kann beispielsweise aus einem feuerfesten Pulver bestehen, beispielsweise einem Pulver aus SiO₂ oder Al₂O₃. Die Ausgleichsschicht in Form eines Vlieses kann beispielsweise in Form einer feuerfesten Fasermatte konfektioniert sein.
Nichtoxidische keramische Werkstoffe weisen üblicherweise eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass bei Verwendung dieser Werkstoffe stets die Gefahr besteht, dass eine Metallschmelze teilweise erstarrt, während sie über entsprechende Werkstoffe geleitet wird. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der Grundkörper eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Leitungselement. Da die Wärmeleitfähigkeit nichtoxidkeramischer Werkstoffe regelmäßig über 20 W/m·K liegt, liegt die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers anmeldungsgemäß bevorzugt unter 20 W/m·K, noch bevorzugter unter 10 W/m·K oder unter 5 W/m·K, also beispielsweise auch unter 3 W/m·K. Der Grundkörper wirkt demnach als Wärmedämmelement für das Leitungselement, das die schnelle Ableitung von Wärme über das Leitungselement hemmt.
Der Grundkörper kann grundsätzlich aus einem beliebigen Material bestehen, beispielsweise aus einem keramischen, feuerfesten oder hydraulisch abgebundenen Werkstoff. Der Grundkörper sollte eine Feuerfestigkeit von wenigstens 700°C aufweisen, also Temperaturen von bis zu 700°C aushalten können, ohne dass sich seine Eigenschaften verschlechtern. Gleichzeitig sollte der Grundkörper eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen.
Der Grundkörper kann beispielsweise aus einem feuerfesten Werkstoff in Form eines Silicasteins, eines tonerdereichen Steines oder eines Schamottesteines bestehen. Zur Verringerung der Wärmeleitfähigkeit kann der Grundkörper beispielsweise aus einem Feuerleicht- oder Isolierstein konfektioniert sein.
Es kann auch vorgesehen sein, den Grundkörper aus einem oxidkeramischen Werkstoff zu erstellen, beispielsweise auf Basis von Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkonoxid und/oder Calciumoxid.
Nach einer Ausführungsform besteht der Grundkörper aus einem hydraulisch abgebundenen Werkstoff, beispielsweise einem Beton. Bindemittel für diesen Beton kann beispielsweise ein feuerfester Zement oder Portlandzement sein.
Der Grundkörper kann eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise eine im Wesentlichen blockartige Gestalt.
Um das Leitungselement aufzunehmen, kann der Grundkörper eine Aufnahme in Form einer Rinne oder eines Durchlasses aufweisen. Die Kontur dieser Aufnahme, also beispielsweise der Rinne oder des Durchlasses, korrespondiert mit der Form des Leitungselementes, so dass letzteres in die Aufnahme eingelegt oder eingesteckt werden kann. Das Leitungselement weist demnach beispielsweise ebenfalls die Form einer Rinne auf, so dass es in die rinnenförmige Aufnahme des Grundkörpers eingelegt werden kann oder es weist die Form eines Rohres auf, so dass es in den Durchlass eingesteckt werden kann.
Zur Lösung der zweiten Aufgabe umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers zum Leiten von Metallschmelzen, bei dem zunächst
ein Grundkörper mit einer Aufnahme für ein Leitungselement und
ein in der Aufnahme des Grundkörpers anordenbares Leitungselement zum Leiten von Metallschmelzen
getrennt voneinander erstellt werden, wobei
das Leitungselement aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff erstellt wird und der Grundkörper eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Leitungselement, und anschließend
das Leitungselement in der Aufnahme des Grundkörpers angeordnet wird.
Der nach diesem Verfahren hergestellte Körper kann wie oben ausgeführt gestaltet sein.
Sämtliche der vorgenannten Merkmale des anmeldungsgemäßen Körpers sowie des Verfahrens zu seiner Herstellung können beliebig miteinander kombiniert werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
In der Figurenbeschreibung zeigen, jeweils stark schematisiert,
1 ein Leitungselement in einer perspektivischen Ansicht,
2 einen Körper zum Leiten von Metallschmelzen in einer perspektivischen Ansicht und
3 den Körper nach 2 in einer Frontalansicht.
In 1 ist das Leitungselement mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Das Leitungselement 1 ist in Form einer keramischen Folie konfektioniert, die im ungebrannten Zustand zunächst eine rechteckige Form aufwies und entlang einer in 1 mit 3 bezeichneten Knicklinie geknickt wurde. Die in 1 dargestellte, gebrannte keramische Folie 1 weist mithin die Form einer Rinne mit einem V-förmigen Querschnitt auf.
Der in 2 dargestellte Körper 5 zum Leiten von Metallschmelzen besteht aus einem Grundkörper 7 mit einer Aufnahme 9 in Form einer Rinne mit einem V-förmigen Querschnitt. Die Kontur der Rinne 9 des Grundkörpers 7 korrespondiert mit der Form des Leitungselementes 1. In 2 ist das Leitungselement 1 nach 1 in der Aufnahme 9 des Grundkörpers 7 angeordnet. Die der Aufnahme 9 zugewandte Außenfläche des Leitungselementes 1 liegt dabei flächig an der Wandung der Aufnahme 9 an.
In 3 ist der Körper 5 nach 2 in einer Frontalansicht auf die Stirnseite 11 nach 2 dargestellt. Deutlich zu erkennen ist hier der V-förmige Querschnitt des Leitungselementes 1 sowie der rinnenförmigen Aufnahme 9 des Grundkörpers 7. Der besseren Darstellung halber ist die Wandungsdicke des Leitungselementes 1 im Verhältnis zur Größe des Grundkörpers 7 übertrieben dargestellt. In der praktischen Ausführung weist das Leitungselement 1 eine im Verhältnis zum Grundkörper 7 geringere Wandungsdicke auf.
Bei der Anwendung des Körpers 5 wird Metallschmelze im Innenraum I des Leitungselementes 1 geleitet.

Claims

Körper zum Leiten von Metallschmelzen mit folgenden Merkmalen: a. einem Grundkörper (7) mit einer Aufnahme (9) für ein Leitungselement (1); b. einem in der Aufnahme (9) des Grundkörpers (7) angeordneten Leitungselement (1) zum Leiten von Metallschmelzen; c. das Leitungselement (1) besteht aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff; d. der Grundkörper (7) weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das Leitungselement (1).
Körper nach Anspruch 1, bei dem der Werkstoff des Leitungselementes (1) aus Carbid, Nitrid, Bond oder Silicid besteht.
Körper nach Anspruch 1, bei dem der Werkstoff des Leitungselementes (1) aus Siliciumnitrid und/oder SiAlON besteht.
Körper nach Anspruch 1 mit einem Leitungselement (1) in Form einer gebrannten keramischen Folie.
Körper nach Anspruch 1, bei dem das Leitungselement (1) eine mittlere Wandstärke im Bereich von 0,5 bis 1 mm aufweist.
Körper nach Anspruch 1, bei dem das Leitungselement (1) bindungsfrei in der Aufnahme (9) des Grundkörpers (7) angeordnet ist.
Körper nach Anspruch 1, bei dem der Grundkörper (7) eine Wärmeleitfähigkeit von unter 5 W/m·K aufweist.
Körper nach Anspruch 1, bei dem der Grundkörper (7) aus einem keramischen, feuerfesten oder hydraulisch abgebundenen Werkstoff besteht.
Körper nach Anspruch 1, bei dem der Grundkörper (7) eine Aufnahme (9) in Form einer Rinne oder eines Durchlasses aufweist.
erfahren zur Herstellung eines Körpers zum Leiten von Metallschmelzen, bei dem zunächst a. ein Grundkörper (7) mit einer Aufnahme (9) für ein Leitungselement (1) und b ein in der Aufnahme (9) des Grundkörpers (7) anordenbares Leitungselement (1) zum Leiten von Metallschmelzen c. getrennt voneinander erstellt werden, wobei d. das Leitungselement (1) aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff erstellt wird und der Grundkörper (7) eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Leitungselement (1), und anschließend e. das Leitungselement (1) in der Aufnahme (9) des Grundkörpers (7) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Leitungselement (1) durch ein Foliengießverfahren erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Leitungselement (1) bindungsfrei in der Aufnahme (9) des Grundkörpers (7) angeordnet wird.