DE102011109684A1 - Keramische reaktive Filter für die Metallschmelzefiltration - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft keramische reaktive Filter für die Metallschmelzefiltration. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen keramischen reaktiven Filters zu entwickeln mit dem exogene, endogene primäre, endogene sekundäre als auch endogene tertiäre und quartäre Einschlüsse deutlich abgesenkt werden können. Mit dem Filter sollen auch Gaseinschlüsse reduziert werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Oberfläche des Filters aus einem Material besteht, das mit den gelösten Gasen und/oder metallischen Verunreinigungen der zu filtrierenden Metallschmelze reagiert.

Description

  • Als nichtmetallische Einschüsse in Gussbauteilen bezeichnet man Verunreinigungen in fester Form. Diese können entweder von außen eingebracht werden (exogene Einschlüsse) oder in der Metallschmelze entstehen (endogene Einschlüsse). Die Reduzierung von nichtmetallischen Einschlüssen kann auf verschiedenen Wegen erfolgen:
    • a) Vermeidung von Einschlussbildung und
    • b) Abscheidung der Einschlüsse.
  • Vor allem im Bereich der Sekundärmetallurgie und in der Gießerei stellt die Schmelzeraffination ein zentrales Thema dar. Unterschiedliche Metallschmelze-Behandlungen und unterschiedliche Gießverfahren führen zu unterschiedlicher Generierung von Einschlüssen bzw. Einschlusskombinationen. Beispielsweise seien hier Oxide, Karbide, Silikate etc. genannt, die bedingt durch die hohe Temperatur der Schmelzen sehr schnell während des Gießvorganges entstehen können. Durch die in realen Gussteilen teilweise turbulente Formfüllung werden diese nichtmetallischen Einschlüsse in die Kontur mit eingewirbelt und stellen aufgrund ihrer Nichtbenetzbarkeit eine innere Trennstelle, häufig mit scharfkantigen Rändern, dar. Dies führt besonders bei dynamischen oder zyklischen Lastfällen zu inneren Rissen und damit zum vorzeitigen, teils katastrophalen Ausfall des Bauteiles.
  • Nach dem Zeitpunkt der Entstehung unterscheidet man am Beispiel der Stahldesoxidation vier Arten von endogenen Oxideinschlüssen. Unmittelbar nach der Desoxidationsmittelzugabe werden die entstehenden Reaktionsprodukte als primäre Einschlüsse bezeichnet. Beim Abkühlen entstehende Desoxidationsprodukte sind bekannt als sekundäre Einschlüsse. Da die Löslichkeit des Desoxidationsmittels und besonders des Sauerstoffs im festen Stahl kleiner als im flüssigen Stahl ist, reichern sich Sauerstoff und Desoxidationsmittel bei der Erstarrung in der Schmelze an. Diese Anreicherung kann so groß werden, dass sich beim Überschreiten von Sättigungslöslichkeiten neue Desoxidationsprodukte ausscheiden. Diese zwischen Liquidus- und Solidustemperatur entstehenden Produkte werden als tertiäre Einschlüsse gekennzeichnet. Schließlich werden die unter der Solidustemperatur generierten Einschlüsse als quartäre bezeichnet. Die Verringerung nichtmetallischer Einschlüsse in Metallschmelzen kann durch Vermeidung von Einschlussbildung – optimierte Prozessführung – und durch Abscheidung der Einschlüsse angestrebt werden.
  • Einer der Maßnahmen zur Abscheidung von nichtmetallischen Einschlüssen bieten keramische Filter für die Metallschmelzefiltration mit Hauptvertretern die porösen Schaumkeramiken. Diese Filter können exogene oder endogene primäre Einschlüsse entfernen. Die sekundären und insbesondere die tertiären und die quartären Einschlüsse bleiben im Gussstück erhalten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen keramischen reaktiven Filters zu entwickeln mit dem exogene, endogene primäre, endogene sekundäre als auch endogene tertiäre und quartäre Einschlüsse deutlich abgesenkt werden können. Mit dem Filter sollen auch Gaseinschlüsse reduziert werden.
  • Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe durch keramische reaktive Filter für die Metallschmelzefiltration auf der Grundlage gängiger Metallschmelze-Filtergeometrien gelöst, wobei erfindungsgemäß die Oberfläche des Filters aus einem Material besteht, das mit den gelösten Gasen und/oder metallischen Verunreinigungen der zu filtrierenden Metallschmelze reagiert. Unter gängiger Metallschmelze-Filtergeometrie sind die offenzellige Schaumkeramik, die Wabenkörpergeometrie, die Spaghetti-Filtergeometrie, die gelochte Filtergeometrie und die gestampfte Faser bzw. die Fasergewebe (insbesondere bei der Aluminiumindustrie) zu verstehen.
  • Erfindungsgemäße Filterwerkstoffe wie kohlenstoffgebundenes MgO-C mit oder ohne der Zugabe von weiteren Metallen (z. B. Mg, Al, Si, Fe etc.) im Falle von Stahlschmelzen oder Spodumenbeschichtungen (LiAl(Si2O6)) mit oder ohne der Zugabe von weiteren Metallen (z. B. Li, Cu etc.) im Falle von Aluminiumschmelzen können zur Reduzierung des gelösten Sauerstoffgehalts bzw. im Falle von Aluminium auch des Wasserstoffgehalts beitragen. Es soll zwischen dem Filtermaterial und dem in der Schmelze gelösten Gas eine Reaktion hervorgerufen werden, die zu einer gezielten Entstehung von Einschlüssen direkt an der Filterwand (und deren direkter Anhaftung) führt. Dementsprechend werden nicht nur die primären und sekundären Einschlüsse ausfiltriert, sondern erfindungsgemäß auch die tertiären und quartären Einschlüsse reduziert, die üblicher weise an der Grenze der Liquidus- und Solidus-Temperatur und unterhalb der Solidus-Temperatur gebildet werden. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß die Filteroberfläche mit gelösten nicht gewünschten Metallen reagieren und diese über eine in situ Reaktion als Reaktionsprodukt im Sinne eines anhaftenden Einschlusses aus der Metallschmelze entfernen.
  • Bei einer selektiven Wärmebehandlung in sauerstoffhaltigen Atmosphären können erfindungsgemäß die kohlenstoffgebundenen MgO-C-Filter in situ während der Wärmebehandlung eine MgO-Sekundärschutzschicht mit Restmagnesium bilden, die als reaktive Schicht fungiert. MgO wird im MgO-C Verbundwerkstoff reduziert, Mg diffundiert in die Oberfläche und reagiert mit dem Sauerstoff aus der Atmosphäre zur MgO-Sekundärschicht, die einen nanoskaligen oder mikrokristallinen Charakter (unterschiedliche Aktivität) als Funktion der Temperatur und der Zeit aufweisen kann.
  • Erfindungsgemäß kann eine MgO-C-Beschichtung auf ein kohlenstoffhaltiges bzw. kohlenstoffgebundenen Al2O3-C Filterkörper aufgebracht werden und nachträglich wärmebehandelt werden Darüber hinaus kann direkt ein Filter auf Basis kohlenstoffhaltiges und/oder kohlenstoffgebundenes MgO-C genutzt werden. Im Falle der Spodumene als reaktive Schicht für die Aluminiumschmelzefiltration kann diese auf einen grünen oder gebrannten Aluminiumoxidfilter aufgebracht werden und nachträglich wärmebehandelt werden.
  • Erfindungsgemäß soll die Filteroberfläche des reaktiven Filters mit dem in der Metall schmelze gelösten Gas z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff reagieren und das Reaktionsprodukt soll an der Filteroberfläche anhaften.

Claims (5)

  1. Keramische reaktive Filter für die Metallschmelzefiltration auf der Grundlage gängiger Metallschmelze-Filtergeometrien, gekennzeichnet dadurch, dass die Oberfläche des Filters aus einem Material besteht, das mit den gelösten Gasen und/oder metallischen Verunreinigungen der zu filtrierenden Metallschmelze reagiert.
  2. Keramische reaktive Filter für die Metallschmelzefiltration nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Oberfläche des Filters für die Stahlschmelzefiltration aus MgO-C besteht.
  3. Keramische reaktive Filter nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die MgO-C Oberfläche weitere Metalle enthält.
  4. Keramische reaktive Filter für die Metallschmelzefiltration nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Oberfläche des Filters für die Aluminiumschmelzefiltration aus Spodumenen besteht.
  5. Keramische reaktive Filter nach Anspruch 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Spodumenen-Oberfläche weitere Metalle enthält.
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