DE102019116847A1 - A receptacle for melting, holding and transporting melts and a method for producing a receptacle - Google Patents

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Thomas Wamser
Lukas Zulauf
Andreas Lauer
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufnahme (10, 12, 14, 16, 18) zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren einer Schmelze. Die Aufnahme ist ein offener Körper aus einem faserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerkstoff mit einer offenen Porosität insbesondere von 20 % bis 40 % ist.The invention relates to a receptacle (10, 12, 14, 16, 18) for melting and / or keeping warm and / or transporting a melt. The receptacle is an open body made of a fiber-reinforced oxide-ceramic composite material with an open porosity in particular of 20% to 40%.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufnahme, insbesondere Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren einer Schmelze, insbesondere von Metall, insbesondere Nichteisenmetall, bzw. dessen Schmelze, insbesondere von Aluminium oder eine Aluminiumlegierung bzw. dessen bzw. deren Schmelze.The invention relates to a receptacle, in particular a crucible, for melting and / or keeping warm and / or transporting a melt, in particular metal, in particular non-ferrous metal, or its melt, in particular aluminum or an aluminum alloy or its or their melt.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Schmelztiegel, die für Schmelzen, insbesondere Metallschmelzen, insbesondere Nichteisen-Metallschmelzen, vorzugsweise Aluminiumschmelzen geeignet sind, die in Schmelz-, Warmhalte- oder Transportaggregaten eingesetzt werden.The invention relates in particular to melting crucibles which are suitable for melts, in particular metal melts, in particular non-ferrous metal melts, preferably aluminum melts, which are used in melting, holding or transport units.

Nach dem Stand der Technik sind die Schmelztiegel im Allgemeinen als offene, konische rotationselliptoidische oder sphärische Körper ausgebildet, die Durchmesser von 100mm und 1000 mm und Höhen bis zu 1000 mm aufweisen können. Ferner kann im oberen Randbereich ein Ausguss vorgesehen sein.According to the prior art, the crucibles are generally designed as open, conical, elliptoidal or spherical bodies which can have diameters of 100 mm and 1000 mm and heights of up to 1000 mm. Furthermore, a spout can be provided in the upper edge area.

Entsprechende Schmelztiegel können zum Aufschmelzen, Warmhalten oder den Transport flüssiger Schmelzen, insbesondere Nichteisenmetallschmelzen eingesetzt werden, wobei Mengen zwischen 0,5 kg und 300 kg von entsprechenden Schmelztiegeln aufgenommen werden können.Corresponding crucibles can be used for melting, keeping warm or transporting liquid melts, in particular non-ferrous metal melts, with quantities between 0.5 kg and 300 kg being able to be taken up by the corresponding melting crucibles.

Der Schmelzprozess beinhaltet folgende Schritte. In den Schmelztiegel werden feste Materialien pulverförmig, in Barrenform oder als Granulat eingegeben, die die gewünschte Legierungszusammensetzung ergeben sollen. Der Tiegel wird sodann in ein Schmelzaggregat eingefahren, sofern sich der Schmelztiegel nicht bereits beim Befüllen mit dem Material in einem entsprechenden Schmelzaggregat befinden sollte. Das Aufschmelzen kann unter anderem in einem induktionsbeheizten Ofen durchgeführt werden.The melting process includes the following steps. Solid materials, which are to produce the desired alloy composition, are added to the crucible in powder form, ingot form or as granules. The crucible is then moved into a melting unit, unless the melting pot is already in a corresponding melting unit when it is filled with the material. Melting can be carried out in an induction-heated furnace, among other things.

Entsprechend der eingesetzten Materialien werden diese bis zu einer vorgegebenen Temperatur und vorgegebener Prozessdauer aufgeschmolzen.Depending on the materials used, these are melted down to a specified temperature and a specified process duration.

Nach dem Aufschmelzen wird die Schmelze im Schmelztiegel im flüssigen Zustand für die weitere Prozessierung warmgehalten. Die Schmelze wird sodann in dem Schmelztiegel transportiert, um weiterverarbeitet zu werden, z.B. um in eine Gussform abgegossen zu werden.After melting, the melt is kept warm in the crucible in the liquid state for further processing. The melt is then transported in the crucible for further processing, e.g. to be poured into a casting mold.

Alternativ oder ergänzend zu dem Abguss kann für das aufgeschmolzene Material oder Anteile dessen im Schmelztiegel ein schadensfreier Erstarrungsprozess erfolgen, und zwar intendiert oder absichtslos. Nach dem Entfernen der Schmelze bzw. nach der Entnahme des erstarrten Materials kann der Schmelztiegel erneut für zuvor erläuterte Prozessschritte eingesetzt werden.As an alternative or in addition to the casting, a damage-free solidification process can take place for the melted material or parts of it in the crucible, either intentionally or unintentionally. After the melt has been removed or after the solidified material has been removed, the crucible can be used again for the previously explained process steps.

Eine Vielzahl von Schmelztiegeln sind im industriellen Einsatz, und zwar in Abhängigkeit von der Art des zu schmelzenden Metalls sowie der Art der Beheizung. Dabei gelangen verschiedene Werkstoffe bzw. Ausführungsarten zum Einsatz. Als Werkstoffe kommen Ton-Graphit-Tiegel, SiC-Tiegel oder Sonderschmelz-Tiegel zum Einsatz, um nur einige Materialien zu nennen.A large number of crucibles are in industrial use, depending on the type of metal to be melted and the type of heating. Different materials and types of construction are used. The materials used are clay-graphite crucibles, SiC crucibles or special melting crucibles, to name just a few.

Schmelztiegel können mit und ohne Ausguss ausgebildet sein.Crucibles can be designed with or without a spout.

Unabhängig vom Werkstoff oder der Form ist den Schmelztiegeln nach dem Stand der Technik gemeinsam, dass diese aus massiver Keramik mit großer Wandstärke ausgebildet sind.Regardless of the material or the shape, the crucibles according to the prior art have in common that they are made of solid ceramic with a large wall thickness.

Nachteil der bekannten Schmelztiegel ist, dass eine chemische Reaktion zwischen dem Tiegelmaterial und der Schmelze bzw. Schmelzlegierung, insbesondere dann, wenn es sich um Aluminiumschmelze handelt, erfolgen kann.The disadvantage of the known crucibles is that a chemical reaction can take place between the crucible material and the melt or melt alloy, especially when it is an aluminum melt.

Im Schmelztiegel erstarrtes und festgehaftetes Material muss manuell abgeschlagen werden. Dies führt sukzessiv zum Verschleiß und Zerstörung des Tiegels.Material that has solidified and stuck in the crucible must be knocked off manually. This gradually leads to wear and tear and destruction of the crucible.

Um insbesondere bei Sonderlegierungen den Verschleiß zu reduzieren, kann ein Schlichten des Tiegels vor dem Schmelzzyklus erforderlich sein.In order to reduce wear, especially with special alloys, it may be necessary to finish the crucible before the melting cycle.

Des Weiteren sind für verschiedene Legierungszusammensetzungen verschiedene Tiegelmaterialien erforderlich.Furthermore, different crucible materials are required for different alloy compositions.

Von Nachteil ist insbesondere auch, dass eine Versprödung des Tiegelmaterials nach mehreren Schmelzzyklen auftritt, wodurch das Risiko eines Totalausfalls besteht. Ferner wird die Anlagensicherheit reduziert.Another disadvantage is that the crucible material becomes brittle after several melting cycles, which means that there is a risk of total failure. Plant safety is also reduced.

Bekannte Tiegelmaterialien zeigen des Weiteren eine niedrige Thermoschockbeständigkeit bedingt durch die hohe Wandstärke, durch Anhaften von erstarrtem Material und den wechselnden Schmelzbadspiegeln. Dadurch ergibt sich ein hoher thermischer Gradient entlang der Achse und entlang der Wandstärke.Known crucible materials also show a low thermal shock resistance due to the high wall thickness, due to the adhesion of solidified material and the changing melt pool levels. This results in a high thermal gradient along the axis and along the wall thickness.

Die Schmelze kann durch herausgelöstes Tiegelmaterial (low density inclusions, LDI-Einschlüsse) verunreinigt werden. Erstarrungsreste mindern die Schmelz- und Gussqualität.The melt can be contaminated by detached crucible material (low density inclusions, LDI inclusions). Solidification residues reduce the melting and casting quality.

Zu erwähnen ist des Weiteren, dass auf Grund der massiven Bauweise des Tiegels der Schmelze Wärme entzogen wird, so dass zur Kompensation ein höherer Energieeinsatz erforderlich ist. Die benötigte Dauer zum Aufschmelzen ist damit höher.It should also be mentioned that due to the massive construction of the crucible, heat is withdrawn from the melt, so that a higher energy input is required for compensation. The time required for melting is therefore longer.

Bei graphithaltigen Schmelztiegeln stellen nicht konstante thermische und elektrische Eigenschaften ein Problem dar. Ursächlich hierfür ist, dass der Abbrand von Graphit zu einer Eigenschaftsänderung führt und somit eine Reproduzierbarkeit erschwert wird.In the case of crucibles containing graphite, inconsistent thermal and electrical properties are a problem. The reason for this is that the burn-off of graphite leads to a change in properties and thus makes reproducibility more difficult.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufnahme und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen so weiterzubilden, dass problemlos ein Aufschmelzen, Warmhalten und Transport von flüssigen Schmelzen, vorzugsweise Metallschmelzen, vorzugsweise Nicht-Eisenmetallschmelzen, insbesondere Aluminium- oder Aluminiumlegierungsschmelzen, ohne die Ausbildung von Schmelzartefakten und Verunreinigungen der Schmelze möglich ist.The present invention is based on the object of developing a receptacle and a method for producing such a device in such a way that melting, keeping warm and transporting liquid melts, preferably metal melts, preferably non-ferrous metal melts, in particular aluminum or aluminum alloy melts, without the formation of Melt artifacts and contamination of the melt is possible.

Die Prozesssicherheit soll erhöht werden. Auch soll sich gegenüber insbesondere Aluminiumschmelzen Vorteile bezüglich Benetzungs- und Korrosionseigenschaften ergeben. Ein Schlichten soll entfallen. Im Vergleich zu bekannten Schmelztiegeln soll die Lebensdauer erhöht und energetisch günstig prozessiert werden können.The process security should be increased. Also, compared to aluminum melts in particular, there should be advantages with regard to wetting and corrosion properties. Finishing should be omitted. Compared to known crucibles, the service life should be increased and it should be possible to process it in an energetically favorable manner.

Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass die Aufnahme ein offener Körper aus einem faserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerkstoff mit einer offenen Porosität insbesondere von 20% bis 40% besteht oder diesen enthält.To achieve the object, the invention essentially provides that the receptacle consists of or contains an open body made of a fiber-reinforced oxide-ceramic composite material with an open porosity, in particular from 20% to 40%.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff oxidkeramische Fasern enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material aus der Gruppe Al2O3, SiO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, CaO, MgO, Y2O3 stabilisiertes ZrO2.In particular, it is provided that the composite material contains oxide-ceramic fibers, preferably formed from at least one material from the group Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 .

Ferner zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Verbundwerkstoff eine oxidkeramische Matrix enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material Al2O3, SiO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, CaO, MgO, ZrO2 (tetragonal stabilisiert, teilstabilisiert und vollstabilisiert)The invention is also characterized in that the composite material contains an oxide-ceramic matrix, preferably formed from at least one material Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, ZrO 2 (tetragonally stabilized , partially stabilized and fully stabilized)

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Matrix und die Fasern aus gleichem oxidkeramischem Material oder gleichen oxidkeramischen Materialien bestehen oder dieses bzw. diese enthalten.It is preferably provided that the matrix and the fibers consist of the same oxide-ceramic material or the same oxide-ceramic materials or contain this or these.

Besonders gute Eigenschaften ergeben sich dann, wenn das Metall des Verbundwerkstoffes und das des Metalls der Schmelze oder des Metalls des Hauptbestandteils der Metalllegierung der Schmelze gleich ist.Particularly good properties are obtained when the metal of the composite material and that of the metal of the melt or of the metal of the main component of the metal alloy of the melt are the same.

Auf Grund der erfindungsgemäßen keramischen Faserverstärkung sowie der porösen keramischen Matrix ist eine erhebliche Steigerung von Festigkeit und Duktilität (Schadenstoleranz) erzielbar, die deutlich über der von unverstärkten monolithischen Keramiken oder Tongraphiten liegt. Dies führt zu einem quasi duktilen Materialverhalten, wodurch Sprödbruch vermieden wird und Stöße oder ähnliche mechanische Belastungen als unkritisch einzustufen sind.Due to the ceramic fiber reinforcement according to the invention and the porous ceramic matrix, a considerable increase in strength and ductility (damage tolerance) can be achieved, which is significantly higher than that of unreinforced monolithic ceramics or clay graphites. This leads to a quasi ductile material behavior, whereby brittle fracture is avoided and impacts or similar mechanical loads can be classified as uncritical.

Hervorzuheben ist des Weiteren, dass der Verbundwerkstoff über ausgezeichnete und für die Anwendung insbesondere für Aluminiumguss ausreichende Thermoschockbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturermüdung aufweist. Es werden Sprödbruch und Materialermüdung verhindert. Gleichzeitig wird die Prozesssicherheit gesteigert. Auch werden niedrigere Aufheizdauern ermöglicht.It should also be emphasized that the composite material has excellent thermal shock resistance and resistance to high-temperature fatigue, which is sufficient for use in particular for cast aluminum. Brittle fracture and material fatigue are prevented. At the same time, process reliability is increased. Lower heating times are also made possible.

Die inhärente Werkstoffzusammensetzung von Fasern und Matrix z.B. aus Aluminiumoxid führt im Zusammenhang mit Aluminiumschmelzen und seinen -legierungen zu einer Verhinderung von Korrosion des Werkstoffs des Schmelztiegels und zeigt darüber hinaus ein günstiges Benetzungsverhalten.The inherent material composition of fibers and matrix, e.g. made of aluminum oxide, in connection with aluminum melts and its alloys, prevents corrosion of the material of the crucible and also shows favorable wetting behavior.

Von Vorteil ist in diesem Zusammenhang insbesondere, wenn Matrixzusätze bzw. Additive aus Zirkoniumoxid oder Y2O3-verstärktem ZrO2 enthält. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Anteil von ZrO2 bzw. Y2O3 verstärktem ZrO2 zwischen 5 Gew.-% und 30 Gew.-%, insbesondere zwischen 12 Gew.-% und 25 Gew.-%, von der Gesamtmenge des keramischen Metalloxids liegt.In this context, it is particularly advantageous if it contains matrix additives or additives made from zirconium oxide or Y 2 O 3 -reinforced ZrO 2 . It is particularly provided that the proportion of ZrO 2 or Y 2 O 3 reinforced ZrO 2 is between 5% by weight and 30% by weight, in particular between 12% by weight and 25% by weight, of the total amount of the ceramic metal oxide.

Durch das günstige Benetzungsverhalten wird das Fließverhalten der Schmelze verbessert, wodurch eine höhere Ausbringleistung beim Abguss gewährleistet bzw. u.a. eine Erstarrung im Schmelztiegel ermöglicht wird. Kontinuierliche Aufschmelz-/Erstarrungsvorgänge im Tiegel führen dabei zu keiner Schädigung des Materials.Due to the favorable wetting behavior, the flow behavior of the melt is improved, which ensures a higher output during casting and, among other things, enables solidification in the crucible. Continuous melting / solidification processes in the crucible do not damage the material.

Durch das gute Benetzungsverhalten wird der Verschleiß reduziert Der Reinigungsaufwand durch schwer entfernbare Anhaftungen und hierdurch bedingte entstehende Beschädigungen werden minimiert.The good wetting behavior reduces wear and tear. The cleaning effort due to adhesions that are difficult to remove and the resulting damage are minimized.

Besonders hervorzuheben ist, dass die Werkstoffzusammensetzung zu keiner Verunreinigung der Schmelze durch angelöste keramische Verbindungen/Partikel bzw. Erstarrungsreste führt, so dass eine Verbesserung der Gussqualität im Vergleich zum Stand der Technik erzielbar ist. Aggressive wie alkalihaltige Aluminiumschmelzlegierungen führen auf Grund der Werkstoffzusammensetzung des Schmelztiegels zu keiner Veränderung von diesem, d.h. keine Masse- und Gefügeänderungen treten auf. Dies führt wiederum dazu, dass der Verschleiß reduziert und die Lebensdauer erheblich erhöht werden kann.It should be particularly emphasized that the material composition does not lead to any contamination of the melt by loosened ceramic compounds / particles or solidification residues, so that an improvement in the casting quality in comparison can be achieved with the prior art. Aggressive aluminum alloys such as those containing alkali do not lead to any changes in the melting crucible due to the material composition of the crucible, ie no changes in mass or structure occur. This in turn means that wear can be reduced and the service life can be increased considerably.

Auch ist es nicht erforderlich, dass für verschiedene Legierungszusammensetzungen verschiedene Tiegel zum Einsatz gelangen müssen.It is also not necessary that different crucibles have to be used for different alloy compositions.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Matrix und die Fasern aus Al2O3 bestehen oder als Hauptbestandteil enthalten.In particular, it is provided that the matrix and the fibers consist of Al 2 O 3 or contain them as the main component.

Bezüglich der oxidkeramischen Fasern ist anzumerken, dass die Dichte ρ der Fasern betragen sollte 2 g/cm3 < ρ < 6 g/cm3, insbesondere 2,5 g/cm3 < p < 3,2 g/cm3 und/oder der Faserdurchmesser betragen soll 5 µm bis 20 µm, insbesondere 10 µm bis 12 µm.With regard to the oxide-ceramic fibers, it should be noted that the density ρ of the fibers should be 2 g / cm 3 <ρ <6 g / cm 3 , in particular 2.5 g / cm 3 <p <3.2 g / cm 3 and / or the fiber diameter should be 5 µm to 20 µm, in particular 10 µm to 12 µm.

Die offene Porosität des Verbundwerkstoffs liegt insbesondere im Bereich zwischen 27% und 32%.The open porosity of the composite is in particular in the range between 27% and 32%.

Die Aufnahme selbst kann eine Wandstärke zwischen 1mm und 20mm, insbesondere zwischen 1mm und 4mm aufweisen.The receptacle itself can have a wall thickness between 1 mm and 20 mm, in particular between 1 mm and 4 mm.

Hinsichtlich der geometrischen Ausführungen sind dem Grunde nach Grenzen nicht gesetzt. Es können insbesondere konische, rotationselliptoidische oder sphärische Geometrien mit oder ohne Ausguss gewählt werden.With regard to the geometrical designs, there are basically no limits. In particular, conical, elliptoidal or spherical geometries with or without a spout can be selected.

Auch besteht die Möglichkeit, dass die Aufnahme als Einsatz in einer metallischen Struktur ausgebildet ist.There is also the possibility that the receptacle is designed as an insert in a metallic structure.

Weitere Komponenten der Schmelzeinheit selbst können aus demselben oxidkeramischen Material gefertigt sein.Further components of the melting unit itself can be made from the same oxide-ceramic material.

Auf Grund der Dünnwandigkeit der Aufnahme, d.h. des Schmelztiegels kann die Schmelze innerhalb kurzer Dauer aufgeheizt werden. Ursächlich hierfür ist in erster Linie ein reduzierter Wärmeentzug. Das Aufheizen kann durch konventionelle Heizelemente oder bevorzugt durch induktives Heizen erfolgen. Ein wählbarer geringerer Spulenabstand zum aufzuschmelzenden Material beim induktiven Heizen, führt zu einer Steigerung der Induktivität.Due to the thin walls of the receptacle, i.e. the crucible, the melt can be heated up within a short period of time. The main reason for this is a reduced heat extraction. The heating can be done by conventional heating elements or preferably by inductive heating. A selectable smaller coil distance to the material to be melted with inductive heating leads to an increase in inductivity.

Da die Bauweise des Gesamtaggregats kompakt ist, ist ein problemloses Verfahren möglich.Since the construction of the overall unit is compact, a problem-free process is possible.

Das Schmelzvolumen pro Aufnahme kann durch den Einsatz von mehreren kleinvolumigeren Aufnahmen gesenkt werden.The enamel volume per receptacle can be reduced by using several smaller-volume receptacles.

Die Aufnahme kann mittels Wickeltechnik oder auf Basis von textilen Faserhalbzeugen, wie Geweben, Geflechten, Gelegen, hergestellt werden.The recording can be made using winding technology or on the basis of textile fiber semi-finished products such as fabrics, braids, scrims.

Eine zusätzliche Beschichtung ist dabei möglich.An additional coating is possible.

Ferner ist hervorzuheben, dass die Faserverstärkung belastungsgerecht ausgelegt werden kann, d.h., dass in Bereichen, die besonderen Belastungen, wie z.B. im Bodenbereich oder im Übergangsbereich zwischen Boden und Umfangswandung, ausgesetzt sind, Verdickungen der Faserverstärkung vorgenommen werden können.It should also be emphasized that the fiber reinforcement can be designed in accordance with the load, i.e. that the fiber reinforcement can be thickened in areas exposed to particular loads, e.g. in the floor area or in the transition area between the floor and the peripheral wall.

Eine geometrische Einschränkung auf Grund des Herstellungsverfahrens ist nicht gegeben, ein weiterer Vorteil gegenüber monolithischen Keramiken.There is no geometrical restriction due to the manufacturing process, another advantage over monolithic ceramics.

Verrippungselemente oder Versteifungen sind möglich.Ribbed elements or stiffeners are possible.

Insbesondere ist vorgesehen, dass eine entsprechende Aufnahme bestimmt ist, um Schmelzen, insbesondere Metallschmelzen, vorzugsweise Nichteisen-Metallschmelze zu prozessieren, die aus Al, Si, Mg, Cu, Zn, Sn, Ti, Na, Sr, B bestehen oder diese enthalten, wobei insbesondere Aluminiumschmelze bzw. Aluminiumlegierungsschmelzen zu erwähnen sind.In particular, it is provided that a corresponding receptacle is intended to process melts, in particular metal melts, preferably non-ferrous metal melts, which consist of or contain Al, Si, Mg, Cu, Zn, Sn, Ti, Na, Sr, B, aluminum melts or aluminum alloy melts are to be mentioned in particular.

Durch die mit der oxidkeramischen Faserverstärkung einhergehende Leichtbauweise ergibt sich eine verbesserte Wärme- und Temperaturisolationseigenschaft. Die extreme Reduzierung der Wandstärke im Vergleich zum Stand der Technik ist hervorzuheben. Insbesondere ergibt sich hierdurch auch eine Energieeinsparung.The lightweight construction associated with the oxide-ceramic fiber reinforcement results in improved heat and temperature insulation properties. The extreme reduction in wall thickness compared to the prior art should be emphasized. In particular, this also results in an energy saving.

Insbesondere durch die geringe Wandstärke ergibt sich der Vorteil, dass der Abstand zwischen einer Induktionsspule und dem aufzuschmelzendem Legierungsmaterial verringert wird, so dass wesentlich kürzere Aufschmelzdauern im Vergleich zum Stand der Technik erzielbar sind.The small wall thickness in particular has the advantage that the distance between an induction coil and the alloy material to be melted is reduced, so that significantly shorter melting times can be achieved compared to the prior art.

Erwähntermaßen ist eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit gegeben, so dass beliebig komplexe Geometrien ggfs. mit Hinterschneidungen herstellbar sind.As mentioned, a high degree of geometric design freedom is given, so that any complex geometries can be produced, if necessary with undercuts.

Es kann eine prozessgewollte Anpassung der Geometrie erfolgen, so dass das Aufschmelzen verbessert wird.A process-desired adaptation of the geometry can take place, so that the melting is improved.

Durch den oxidkeramischen Werkstoff besteht die Möglichkeit, großvolumigere Aufnahmen als mit monolithischen keramischen Tiegeln herzustellen.The oxide ceramic material makes it possible to produce larger-volume recordings than with monolithic ceramic crucibles.

Die dünne Wandstärke ermöglicht das Temperieren der Schmelze durch Heiz- und Kühlelemente beim Transport der Schmelze.The thin wall thickness enables the melt to be tempered by heating and cooling elements when the melt is transported.

Auch besteht die Möglichkeit, im Bereich des Ausgusses Siebelemente oder Filter zu integrieren, um eine Reinigung der Schmelze zu ermöglichen. Durch Fließhilfen kann der strömungsfreie Schmelzfluss verbessert werden.There is also the possibility of integrating sieve elements or filters in the area of the spout to enable the melt to be cleaned. The flow-free melt flow can be improved by using flow aids.

Eine im Vergleich zum Stand der Technik einfache Anbindungstechnik und Montage bzw. Demontage sowie eine einfache Reinigung ist möglich.A connection technology and assembly or disassembly, as well as simple cleaning, which are simple compared to the prior art, are possible.

Es ergeben sich auf Grund des zum Einsatz gelangenden Materials und der sich hieraus ergebenden Vorteile neue Prozessierungsmöglichkeiten bei der Verarbeitung von Schmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen. Ein auf Taktzeiten abgestimmtes portioniertes Aufschmelzen mit einer In-Line-Verarbeitung von Gussteilen vom Aufschmelzen bis hin zum Abguss durch die Verwendung erfindungsgemäßer Aufnahmen ist möglich.Due to the material used and the advantages resulting therefrom, new processing possibilities arise in the processing of melts, in particular aluminum melts. A portioned melting matched to cycle times with in-line processing of cast parts from melting through to casting through the use of receptacles according to the invention is possible.

Die kompakte Bauweise der Aufnahme ermöglicht, dass mehrere Aufnahmen nacheinander durch eine Aufheizzone gefahren werden können bzw. die Heizaggregate können über die Aufnahmen, d.h. Schmelztiegel verfahren werden. Bei kleinen Aufnahmedimensionen kann überaus schnell auf Veränderungen der Schmelzqualität reagiert werden bzw. der Prozess schnell angefahren oder unterbrochen werden bzw. ein bedarfsgerechtes Aufschmelzen für die herzustellenden Teile in einer In-Line-Prozessierung erfolgen.The compact design of the receptacle enables several receptacles to be driven through a heating zone one after the other or the heating units can be moved over the receptacles, i.e. crucibles. In the case of small recording dimensions, it is possible to react extremely quickly to changes in the melt quality, or to start up or interrupt the process quickly, or to melt the parts to be manufactured in an in-line process as required.

Die thermo-mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes sind hervorzuheben, d.h. hohe Festigkeit und Schadenstoleranz. Sprödbruch tritt nicht auf, so dass mehr Sicherheit im Prozess gegeben ist. Es besteht eine Thermoschockbeständigkeit und Formstabilität gegenüber thermischen Zyklen. Eine gute Wärmeisolierung gegenüber der Schmelze ist gegeben, d.h. Temperaturverluste beim Aufschmelzen, Warmhalten und Transport werden vermieden, so dass energetisch günstig prozessiert werden kann. Ein kontinuierliches Aufschmelzen und Erstarren der Schmelzen unter Schadensfreiheit der Aufnahme ist gegeben.The thermo-mechanical properties of the material should be emphasized, i.e. high strength and damage tolerance. Brittle fracture does not occur, so that there is more security in the process. There is a thermal shock resistance and dimensional stability against thermal cycles. There is good thermal insulation from the melt, i.e. temperature losses during melting, holding and transport are avoided, so that processing can be carried out in an energetically favorable manner. A continuous melting and solidification of the melt with no damage to the intake is given.

Die guten chemischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs sind hervorzuheben, wobei insbesondere die Beständigkeit gegenüber aggressiven Aluminiumschmelzen zu erwähnen ist.The good chemical properties of the composite material are to be emphasized, in particular the resistance to aggressive aluminum melts should be mentioned.

Somit ist eine Erhöhung der Flexibilität bei dem Einsatz verschiedener Legierungszusammensetzungen gegeben. Ein günstiges Benetzungsverhalten liegt vor, so dass eine leichte Reinigung ermöglicht wird und ein geringerer Verschleiß auftritt. Oxidation und Korrosion werden vermieden. Ein Schlichten ist nicht erforderlich. Die Schmelze wird nicht verunreinigt und somit ergibt sich ein höhere Gussteilqualität. Ein kontinuierliches Aufschmelzen und Erstarren der Schmelzen unter Schadensfreiheit der Aufnahme ist möglich.This increases the flexibility when using different alloy compositions. The wetting behavior is favorable, so that easy cleaning is made possible and less wear occurs. Oxidation and corrosion are avoided. Finishing is not required. The melt is not contaminated and this results in a higher quality cast part. A continuous melting and solidification of the melt with no damage to the intake is possible.

Bezüglich prozessrelevanter Parameter ist anzumerken, dass im Vergleich zum Stand der Technik ein reduzierter Energieeinsatz ermöglicht wird. Ferner sind konstante thermische und elektrische Eigenschaften sichergestellt. Die Möglichkeit der Einführung einer neuen Prozessierungsart ergibt sich wie „proportioniertes Schmelzen“, d.h. In-Line-Schmelzprozess bzw. Fertigung und somit Substitution von energie- und anlagenintensiven Warmhalteöfen.With regard to process-relevant parameters, it should be noted that compared to the state of the art, a reduced use of energy is made possible. Furthermore, constant thermal and electrical properties are ensured. The possibility of introducing a new type of processing arises as "proportioned melting", i.e. in-line melting process or production and thus substitution of energy and system-intensive holding furnaces.

Durch die geometrische Gestaltungsfreiheit ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die Aufnahme in seiner Umfangswandung integrale Mittel wie z.B. zumindest eine Vertiefung oder zumindest einen Vorsprung zum Wechselwirken mit einer Handhabe, wie Greifzange, aufweist.The geometric freedom of design has the particular advantage that the receptacle has integral means in its peripheral wall, such as at least one recess or at least one projection for interacting with a handle, such as gripping pliers.

Auch besteht die Möglichkeit, dass die Umfangswandung mehrere aneinandergrenzende Bereiche, vorzugsweise in Bezug auf die Höhe der Aufnahme betrachtet übereinander angeordnete Bereiche, aufweist, die zur Längsachse der Aufnahme voneinander abweichende Winkel aufweisen.There is also the possibility that the circumferential wall has a plurality of adjoining areas, preferably areas which are arranged one above the other when viewed in relation to the height of the receptacle and which have angles that differ from one another with respect to the longitudinal axis of the receptacle.

Die Erfindung zeichnet sich auch aus durch ein Verfahren zur Herstellung einer Aufnahme, wie Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren von Metall, insbesondere Nichteisen-Metall, bzw. dessen Schmelze, umfassend die Verfahrensschritte:

  • - Imprägnieren einer Anordnung von oxidkeramischen Fasern mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden Schlicker,
  • - Wickeln oder Legen der imprägnierten Anordnung der Fasern auf ein Innengeometrie der Einrichtung abbildendes Werkzeug,
  • - Trocknen der auf dem Werkzeug gelegten oder gewickelten Anordnung.
The invention is also characterized by a method for producing a receptacle, such as a crucible, for melting and / or holding and / or transporting metal, in particular non-ferrous metal, or its melt, comprising the method steps:
  • - Impregnation of an arrangement of oxide-ceramic fibers with a slip containing oxide-ceramic particles,
  • - Winding or laying the impregnated arrangement of the fibers on a tool that depicts the interior geometry of the device,
  • Drying of the arrangement laid or wound on the tool.

Die Anordnung wird sodann entformt oder teilentformt und gesintert. Gegebenenfalls erfolgt ein Nachbearbeiten der so hergestellten Einrichtung.The arrangement is then demolded or partially demolded and sintered. If necessary, the device produced in this way is reworked.

Dabei werden als die Anordnung ein oder mehrere imprägnierte Endlosfaserbündel oder imprägnierte flächige Gebilde, insbesondere Fasergelege, -gewebe oder -geflechte, verwendet.One or more impregnated continuous fiber bundles or Impregnated flat structures, in particular fiber fabrics, woven fabrics or braids, are used.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Trocknungsprozess zur Bildung eines Grünkörpers aus der Anordnung in einem Temperaturbereich zwischen 40 °C und 250 °C, insbesondere zwischen 80 °C und 150 °C durchgeführt wird.In particular, it is provided that the drying process for forming a green body from the arrangement is carried out in a temperature range between 40 ° C. and 250 ° C., in particular between 80 ° C. and 150 ° C.

Nach dem Trocknen erfolgt das Sintern, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 1000 °C und 1300 °C, bevorzugterweise zwischen 1150 °C und 1250 °C.After drying, sintering takes place, in particular at a temperature between 1000 ° C and 1300 ° C, preferably between 1150 ° C and 1250 ° C.

Insbesondere zeichnet die Erfindung auch aus durch die Verwendung einer Aufnahme, wie Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren von Metall bzw. dessen Schmelze mit einem oder mehreren der zuvor erläuterten Merkmalen der Aufnahme.In particular, the invention is also characterized by the use of a receptacle, such as a crucible, for melting and / or holding and / or transporting metal or its melt with one or more of the previously explained features of the receptacle.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie deren Erläuterungen.Further details, advantages and features of the invention emerge not only from the claims, the features to be taken from them - individually and / or in combination - but also from the following description of preferred exemplary embodiments, which can be taken from the drawing, and their explanations.

Es zeigen:

  • 1 Prinzipdarstellungen von Schmelztiegeln und
  • 2 einen Prinzipdarstellung eines Wickelprozesses.
Show it:
  • 1 Schematic representations of crucibles and
  • 2 a schematic representation of a winding process.

In 1 sind verschiedene Ausführungsformen von als Aufnahmen zu bezeichnende Schmelztiegel 10, 12, 14, 16, 18 dargestellt, mit denen Metalle wie Nichteisenmetalle bzw. Legierungen dieser aufgeschmolzen, warmgehalten und transportiert werden soll.In 1 are different embodiments of crucibles to be referred to as receptacles 10 , 12th , 14th , 16 , 18th shown, with which metals such as non-ferrous metals or alloys are to be melted, kept warm and transported.

Wird von Nichteisenmetall gesprochen, so soll hierdurch eine Einschränkung nicht erfolgen.If non-ferrous metal is used, this is not intended to be a restriction.

Die Geometrie der Schmelzkörper 10, 12, 14, 16, 18 kann derart ausgelegt werden, dass das Aufschmelzverhalten die Metalle beeinflusst wird.The geometry of the melting body 10 , 12th , 14th , 16 , 18th can be designed in such a way that the melting behavior of the metals is influenced.

Schmelztiegel 10, 12, 14, 16, 18 bestehen aus einem offenen Körper, der beispielhaft eine konische, rotationselliptoidische oder sphärische Geometrie aufweisen kann. Auch können Bereiche, insbesondere der Umfangswandung der Schmelztiegel zur Längsachse unterschiedliche Neigungswinkel einschließen.Melting pot 10 , 12th , 14th , 16 , 18th consist of an open body which, for example, can have a conical, elliptoidal or spherical geometry. Areas, in particular the peripheral wall of the crucible, can also include different angles of inclination with respect to the longitudinal axis.

Insbesondere wird bei dem Schmelztiegel 12 erkennbar, dass der Bodenbereich 20, der besonderen Belastung ausgesetzt werden kann, belastungsgerecht verstärkt ist.In particular, at the crucible 12th recognizable that the floor area 20th , which can be exposed to particular loads, is reinforced appropriately.

Auch besteht die Möglichkeit, eine umlaufende Vertiefung 22 integral auszubilden, um den Schmelztiegel 16 von einer Handhabe wie Greifzange sicher erfassen zu können.There is also the possibility of a circumferential recess 22nd integrally form the crucible 16 to be able to safely grasp with a handle such as gripping pliers.

Im Inneren können Strukturen wie Rippen 24, 26 vorgesehen sein, um z. B. das Ausgießverhalten der Schmelze oder die Materialsteifigkeit der Aufnahme zu beeinflussen.Inside can have structures such as ribs 24 , 26th be provided to z. B. to influence the pouring behavior of the melt or the material stiffness of the recording.

Ferner können randseitig Erweiterungen 28 vorgesehen sein, die als Ausgusshilfe dienen.Furthermore, extensions can be made on the edge 28 be provided, which serve as a pouring aid.

Der jeweilige Schmelztiegel 10, 12, 14, 16, 18 wird bevorzugterweise in Wickeltechnik hergestellt, gleichwenn auch Prepregs, die auf ein die Innengeometrie des Tiegels 10, 12, 14, 16, 18 abbildendes Werkzeug gelegt werden können, oder eine Kombination zur Anwendung gelangen können.The respective melting pot 10 , 12th , 14th , 16 , 18th is preferably produced using the winding technique, albeit prepregs that are applied to the inner geometry of the crucible 10 , 12th , 14th , 16 , 18th imaging tool can be placed, or a combination can be used.

Gelangt die Wickeltechnik zur Anwendung, so wird ein Wickelkern benutzt, dessen Außengeometrie den von ein beziehungsweise zwei Tiegeln entsprechen sollte. Im Falle letzterem sollten diese in ihrem jeweiligen Öffnungsbereich ineinander übergehen, es werden folglich zwei Tiegel sich gegenüberliegend in einem Prozess gewickelt.If the winding technology is used, a winding core is used whose external geometry should correspond to that of one or two crucibles. In the case of the latter, these should merge into one another in their respective opening area, consequently two crucibles are wrapped opposite one another in one process.

Auf den Wickelkern werden Faserbündel gewickelt, wobei die einzelnen Faserdurchmesser zwischen 5µm und 20µm, insbesondere im Bereich zwischen 10µm und 12µm aufweisen sollten. Die Dichte sollte im Bereich zwischen 2 g/cm3 bis 6 g/cm liegen.Fiber bundles are wound onto the winding core, with the individual fiber diameters between 5 μm and 20 μm, in particular in the range between 10 μm and 12 μm. The density should be in the range between 2 g / cm 3 to 6 g / cm.

Vor dem Aufwickeln auf den Wickelkern werden die Faserbündel durch einen Schlicker geführt und somit imprägniert. Der Schlicker enthält die keramischen Partikel, die die Matrix des Verbundkörpers bilden.Before being wound onto the winding core, the fiber bundles are passed through a slip and thus impregnated. The slip contains the ceramic particles that form the matrix of the composite body.

Der Anteil der keramischen Partikel kann 10 Vol.-% bis 50 Vol.-%, insbesondere 20 Vol.- % bis 40 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schlickers betragen.The proportion of ceramic particles can be 10% by volume to 50% by volume, in particular 20% by volume to 40% by volume, based on the total volume of the slip.

Insbesondere gelangt ein wasserbasierter Schlicker zum Einsatz mit bevorzugt organischen Additiven z.B. Polyole, Polyvinylalkohole oder Polyvinylpyrrolidone, Dispersionsbindcer, bevorzugt Styroacrylatdispersionen.In particular, a water-based slip is used with preferably organic additives, e.g. polyols, polyvinyl alcohols or polyvinylpyrrolidones, dispersion binders, preferably styroacrylate dispersions.

Der Schlicker kann zumindest 10 Gew.-% bis 20 Gew.-%, vorzugsweise zumindest 24 Gew.-%, z. B. 21 Gew.-% bis 35 Gew.-% Glycerin bezogen auf das Gesamtgewicht der keramischen Partikel enthalten.The slip can be at least 10% by weight to 20% by weight, preferably at least 24% by weight, e.g. B. 21 wt .-% to 35 wt .-% glycerol based on the total weight of the ceramic particles.

Als Oxidkeramik kommt sowohl für die keramischen Partikel als auch für die Fasern insbesondere ein Material aus der Gruppe Al2O3, SiO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, CaO, MgO, mit Y2O3 stabilisiertes ZrO2 in Frage.A material from the group Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, and ZrO 2 stabilized with Y 2 O 3 are used as oxide ceramic both for the ceramic particles and for the fibers in question.

Soll mit dem Schmelztiegel eine Aluminiumschmelze oder eine Aluminiumlegierungsschmelze aufgeschmolzen, warmgehalten oder transportiert werden, so sollte als Material sowohl für die Matrix, also demzufolge die keramischen Partikel, als auch für die Fasern Al2O3 benutzt werden. Der Schlicker kann ggf. Zusätze wie ZrO2 enthalten, wobei der Anteil zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 12% und 25% in Gew.-% von der Gesamtpulvermenge des keramischen Metalloxids betragen kann.If an aluminum melt or an aluminum alloy melt is to be melted, kept warm or transported with the melting crucible, Al 2 O 3 should be used as material both for the matrix, i.e. consequently the ceramic particles, and for the fibers. The slip can optionally contain additives such as ZrO 2 , the proportion being between 5% and 30%, in particular between 12% and 25% in% by weight of the total powder amount of the ceramic metal oxide.

Ein Volumenanteil der keramischen Partikel sollten 10 bis 40 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen des Schlickers betragen.A volume fraction of the ceramic particles should be 10 to 40% by volume based on the total volume of the slip.

Die entsprechenden imprägnierten Faserbündeln werden sodann auf den Wickelkern gewickelt, anschließend getrocknet, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 40 °C und 250 °C, bevorzugterweise im Bereich zwischen 80 °C und 150 °C. Der so hergestellte Körper wird durchtrennt und von dem Wickelkern abgezogen. Anschließend erfolgt ein Sintern im Temperaturbereich zwischen 1.000 °C und 1.300 °C, insbesondere zwischen 1.150 °C und 1.250 °C. Ggf. erfolgt eine Nachbearbeitung, um sodann den so hergestellten Schmelztiegel 10 zu verwenden.The corresponding impregnated fiber bundles are then wound onto the winding core and then dried, in particular in the temperature range between 40 ° C and 250 ° C, preferably in the range between 80 ° C and 150 ° C. The body produced in this way is severed and pulled off the winding core. This is followed by sintering in the temperature range between 1,000 ° C and 1,300 ° C, in particular between 1,150 ° C and 1,250 ° C. If necessary, post-processing takes place in order to then create the crucible 10 to use.

Die Trocknungsdauer ist temperaturabhängig und liegt zwischen 2 h und 48 h, bevorzugt zwischen 12 h und 24 h.The drying time depends on the temperature and is between 2 hours and 48 hours, preferably between 12 hours and 24 hours.

Die Sinterung erfolgt über einen Temperatur-/Zeitverlauf mit verschiedenen Haltestufen und -dauern, wobei die Haltedauer bei Höchsttemperatur zwischen 5 min und 24 h, bevorzugt zwischen 1 h und 12 h liegen sollte.The sintering takes place over a temperature / time curve with different holding stages and durations, the holding duration at the maximum temperature should be between 5 min and 24 h, preferably between 1 h and 12 h.

Aufgrund der zum Einsatz gelangten Wickeltechnik kann in Abhängigkeit von der Geometrie des Wickelkerns im gewünschten Umfang die Geometrie des Schmelztiegels 10, 1, 14, 16, 18 verändert werden, wie zuvor erläutert worden ist.Due to the winding technology used, the geometry of the crucible can be adjusted to the desired extent depending on the geometry of the winding core 10 , 1 , 14th , 16 , 18th can be changed as previously explained.

Es besteht des Weiteren die Möglichkeit, die Wandstärke zu variieren bzw. die Endabschnitte des Wickelkerns so zu gestalten, dass sich im Inneren der Fließhilfen wie die Rippe 24, 26 ergeben.It is also possible to vary the wall thickness or to design the end sections of the winding core in such a way that the flow aids such as the rib are inside 24 , 26th surrender.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Faservolumengehalt der Einrichtung/Aufnahme 30 % bis 50 %, bevorzugterweise 35 % bis 42 % beträgt.In particular, it is provided that the fiber volume content of the device / receptacle is 30% to 50%, preferably 35% to 42%.

Zu der Wickeltechnik ist ergänzend Folgendes auszuführen.The following is to be added in addition to the winding technique.

Um im Wesentlichen rotationssymmetrische Teile herzustellen, gelangen Wickelprozesse zur Anwendung. Die Innengeometrie des Gegenstandes wird durch den sog. Wickelkern vorgegeben, auf dem die mit dem Schlicker imprägnierten Faser abgelegt werden.In order to produce essentially rotationally symmetrical parts, winding processes are used. The internal geometry of the object is given by the so-called winding core on which the fibers impregnated with the slip are placed.

Bei dem Wickelkern unterscheidet man zwischen wiederverwendbaren, verlorenen, ausschmelzbaren und zerlegbaren Kernen. Im vorliegenden Fall werden die Schmelztiegel vom Kern abgezogen, so dass letzterer erneut benutzt werden kann. Bei kleineren Bauteilen benutzt man häufig ausschmelzbare Kerne und bei Bauteilen größerer Durchmesser zerlegbare Kerne.In the case of the winding core, a distinction is made between reusable, lost, meltable and separable cores. In the present case, the crucibles are removed from the core so that the latter can be used again. Meltable cores are often used for smaller components and separable cores for components with larger diameters.

Das Wickeln erfolgt üblicherweise mit einer Wickelmaschine, die der einer CNC-Drehmaschine entspricht. Dabei wird der Wickelkern an einem seiner Enden an einem Dreibackenfutter eingespannt und am anderen Ende z. B. eines Reitstocks gelagert.The winding is usually done with a winding machine that corresponds to that of a CNC lathe. The winding core is clamped at one of its ends to a three-jaw chuck and at the other end z. B. stored a tailstock.

Um auf den Wickelkern Rovings, also Faserbündel, die z.B. 100 oder mehr Einzelfasern, sogenannte Filamente, umfassen können, zu wickeln, werden diese von einer Spulenaufnahme abgewickelt. Sodann können die Rovings Umlenkrollen passieren, mittels der über einen Widerstand die Spannung der Rovings eingestellt wird. Anschließend wird das Faserbündel durch ein Fadenauge über weitere Umlenkrollen durch ein Schlickerbad geführt, dessen Zusammensetzung zuvor beschrieben worden ist. Nach dem Imprägnieren der Fasern werden diese über eine oder mehrere weitere Umlenkrollen, die gleichfalls Federspannung und über die Anzahl der Umdrehung, Wickelgeschwindigkeit und Länge des verbrauchten Faserstrangs bestimmen, durch ein Fadenauge zentriert und auf dem Wickelkern abgelegt, der sich dreht. Die Fadenspannung hat dabei auch eine übergeordnete Bedeutung. Sofern diese zu gering ist, werden die Fasern nicht im hinreichenden Umfang auf den Wickelkern gedrückt. Ist die Spannung zu groß, kann der Schlicker nicht ausreichend zwischen den einzelnen Faserfilamenten gelangen und ein Abreißen des Rovings kann erfolgen.In order to wind rovings, i.e. fiber bundles, which can contain 100 or more individual fibers, so-called filaments, on the winding core, these are unwound from a spool holder. The rovings can then pass deflection rollers, by means of which the tension of the rovings is adjusted via a resistor. The fiber bundle is then passed through a thread eye over further deflection rollers through a slip bath, the composition of which has been described above. After the fibers have been impregnated, they are centered by a thread eye via one or more pulleys, which also determine the spring tension and the number of turns, winding speed and length of the used fiber strand, and are placed on the winding core, which is rotating. The thread tension is also of paramount importance. If this is too low, the fibers are not pressed onto the winding core to a sufficient extent. If the tension is too great, the slip cannot get enough between the individual fiber filaments and the roving can tear.

Nach dem Wickelprozess wird die gewickelte Faserarchitektur mit Abreißgewebe abgebunden, dies dient der Ausprägung einer gleichmäßigen Oberfläche, Verdichtung durch Verdrängung überschüssigen Schlickers und somit einer Erhöhung des Faservolumengehaltes und schützt zusätzlich das Bauteil.After the winding process, the wound fiber architecture is tied off with tear-off fabric, this serves to create a uniform surface, compression by displacing excess slip and thus increasing the fiber volume content and also protects the component.

Bei der Umfangswicklung, die auch Radialwicklung genannt wird, werden die Rovings parallel abgelegt, wie der liegenden Darstellung in 2 zu entnehmen ist. Bei Kreuzwicklung werden die Rovings von einer Polkappe, also vom einen Ende zur anderen Polkappe, also zum anderen Ende abgelegt, um dadurch auch in x- und y- Richtung eine Faserverstärkung zu erhalten. Der Wickelwinkel wird von abgelegten Faserstrang gegen die Rotationsachse gemessen und beeinflusst die Aufnahme von Axiallasten.With circumferential winding, which is also called radial winding, the rovings are laid in parallel, as shown in the horizontal illustration in 2 can be found. In the case of cross-winding, the rovings are deposited from one pole cap, that is from one end to the other pole cap, that is to the other end, in order to obtain fiber reinforcement in the x and y directions. The winding angle is measured from the deposited fiber strand against the axis of rotation and influences the absorption of axial loads.

Weist ein Wickelteil rein unidirektionale Umfangswicklungen auf, d. h. der Winkel α ist in etwa 90 °, sind die höchsten Zugfestigkeiten in Tangential Orientierung erzielbar. Liegt der Wickel zwischen Belastungsrichtung und Faserorientierung z.B. bei 5 °, so tritt hierbei bereits ein Festigkeitsabfall von 50 % ein. Liegt der Wickelwinkel bei <45°, werden vermehrt Axiallasten aufgenommen. Bei Verstärkung in axialer Richtung, d. h. kleinen Wickelwinkeln, ergibt sich das Problem, dass am Ende des Körpers eine Fixierung des Rovings nicht mehr möglich ist.If a winding part has purely unidirectional circumferential windings, d. H. the angle α is approximately 90 °, the highest tensile strengths can be achieved in tangential orientation. If the lap lies between the load direction and the fiber orientation, e.g. at 5 °, a drop in strength of 50% occurs. If the winding angle is <45 °, more axial loads are absorbed. With reinforcement in the axial direction, i. H. small winding angles, the problem arises that it is no longer possible to fix the roving at the end of the body.

Für die Abstimmung von Wicklungsart, Wickelwinkel, Lagenanzahl (Faserbedarf) stehen verschiedene Berechnungsprogramme zur Verfügung.Various calculation programs are available for the coordination of the type of winding, winding angle, number of layers (fiber requirement).

Nach dem Wickelprozess wird die gewickelte Faserarchitektur mit einem Abreißgewebe abgebunden, um eine gleichmäßige Oberfläche zu erzielen. Auch folgt eine Verdichtung durch Verdrängung überschüssigen Schlickers und somit eine Erhöhung des Faservolumengehaltes und schützt zusätzlich das Bauteil. Anschließend erfolgt die Trocknung und der Sinterprozess.After the winding process, the wound fiber architecture is tied off with a tear-off fabric in order to achieve a uniform surface. This is also followed by compaction by displacement of excess slip and thus an increase in the fiber volume content and additionally protects the component. This is followed by drying and the sintering process.

Nachfolgend erfolgt ein Ausführungsbeispiel:

  • Zunächst werden oxidkeramische Prepregs hergestellt. Dazu werden Gewebe aus Aluminiumoxidfasern (> 99 % Al2O3) mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden wasserbasierten Schlicker imprägniert. Der Filamentdurchmesser liegt bei 10-12 µm und die Garnfeinheit 20.000 denier. Der Schlicker hat einen Feststoffgehalt von 30 Volumen-% bestehend aus 80 % Al2O3- Partikeln und 20 % ZrO2- Partikeln. Die mittlere Partikelgröße beträgt 1 µm. Als Dispergator werden 2 Gewichts-% Polyacrylsäure dazugegeben. Nach einer Reduzierung des Wassergehalts der infiltrieren Faserarchitektur kann das entstandene Prepreg durch Zuschneiden und Ablegen auf ein der Innenkontur des Schmelztiegels abbildenden Werkzeugs verarbeitet werden. Anschließend erfolgt eine Trocknung mittels Autoklav-Technik, unter Beaufschlagung von Temperatur und Überdruck, sodass ein Grünkörper erhalten wird. Nach der Trocknung kann der aus Gewebe abgebildete Schmelztiegel vom Kern abgenommen werden. Anschließend erfolgt das Sintern bei 1200 °C. Die Nacharbeitung kann mittels Drehen, Fräsen oder Schleifen erfolgen.
An exemplary embodiment follows:
  • First, oxide-ceramic prepregs are produced. For this purpose, fabrics made of aluminum oxide fibers (> 99% Al 2 O 3 ) are impregnated with a water-based slip containing oxide-ceramic particles. The filament diameter is 10-12 µm and the yarn count is 20,000 denier. The slip has a solids content of 30% by volume consisting of 80% Al 2 O 3 particles and 20% ZrO 2 particles. The mean particle size is 1 µm. 2% by weight of polyacrylic acid are added as a dispersant. After the water content of the infiltrated fiber architecture has been reduced, the resulting prepreg can be processed by cutting it to size and placing it on a tool that depicts the inner contour of the crucible. This is followed by drying using the autoclave technique, with the application of temperature and excess pressure, so that a green body is obtained. After drying, the crucible made of fabric can be removed from the core. Sintering then takes place at 1200 ° C. Rework can be done by turning, milling or grinding.

Claims (25)

Aufnahme, insbesondere Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren einer Schmelze, insbesondere von Metall, insbesondere Nichteisenmetall, bzw. dessen Schmelze, insbesondere von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. deren bzw. dessen Schmelze, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme ein offener Körper aus einem faserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerkstoff mit einer offenen Porosität insbesondere von 20 % bis 40 % ist oder diesen enthält.A receptacle, in particular a crucible, for melting and / or keeping warm and / or transporting a melt, in particular metal, in particular non-ferrous metal, or its melt, in particular aluminum or an aluminum alloy or its or its melt, characterized in that the receptacle is an open body made of a fiber-reinforced oxide-ceramic composite material with an open porosity, in particular from 20% to 40%, or contains this. Aufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff oxidkeramische Fasern enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material aus der Gruppe Al2O3, SiO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, CaO, MgO, Y2O3 stabilisiertes ZrO2.Admission after Claim 1 , characterized in that the composite material contains oxide-ceramic fibers, preferably formed from at least one material from the group Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 . Aufnahme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine oxidkeramische Matrix enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material Al2O3, SiO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, CaO, MgO, ZrO2 (tetragonal stabilisiert, teilstabilisiert und vollstabilisiert).Admission after Claim 1 or 2 , characterized in that the composite material contains an oxide-ceramic matrix, formed from preferably at least one material Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, ZrO 2 (tetragonal stabilized, partially stabilized and fully stabilized ). Aufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierliche Aufschmelz- und Erstarrungsprozesse in der Aufnahme nicht zu einer Schädigung der Aufnahme bzw. dessen Materials führen.Admission after Claim 1 , characterized in that continuous melting and solidification processes in the receptacle do not lead to damage to the receptacle or its material. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix und die Fasern aus gleichem oxidkeramischen Material oder gleichen oxidkeramischen Materialien bestehen oder dieses bzw. diese enthalten.The receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the matrix and the fibers consist of the same oxide-ceramic material or the same oxide-ceramic materials or contain this or these. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall des Verbundwerkstoffs und das des Metalls oder Hauptbestandteils der Metalllegierung gleich ist.The receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the metal of the composite material and that of the metal or main component of the metal alloy are the same. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix und die Fasern aus Al2O3 bestehen oder als Hauptbestandteil enthalten.Recording according to at least one of the preceding claims, characterized in that the matrix and the fibers consist of Al 2 O 3 or contain them as the main component. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Porosität der Aufnahme zwischen 27 % und 32 % liegt.The receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the open porosity of the receptacle is between 27% and 32%. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte ρ der Fasern 2 g/cm3 < ρ < 6 g/cm3, insbesondere zwischen 2,5 und 3,2 g/cm3 beträgt und/oder der Faserdurchmesser 5 µm bis 20 µm, insbesondere 10 µm bis 12 µm beträgt.Recording according to at least one of the preceding claims, characterized in that the density ρ of the fibers is 2 g / cm 3 <ρ <6 g / cm 3 , in particular between 2.5 and 3.2 g / cm 3 and / or the fiber diameter 5 µm to 20 µm, in particular 10 µm to 12 µm. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme durch Wickeln von Fasern auf einer Innengeometrie der Aufnahme abbildendes Werkzeug und/oder durch Verwendung von textilen Gelegen, Geflechten, Geweben aus den oxidkeramischen Fasern hergestellt ist.The receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the receptacle is produced by winding fibers on a tool that depicts an inner geometry of the receptacle and / or by using textile fabrics, braids, fabrics from the oxide-ceramic fibers. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidkeramischen Fasern aus Endlosfasern, insbesondere in Form von Endlosfaserbündeln, Kurzfasern oder in Kombination dieser bestehen.A receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the oxide-ceramic fibers consist of continuous fibers, in particular in the form of continuous fiber bundles, short fibers or a combination of these. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine konische, rotationssymmetrische, rotationselliptoidische oder sphärische Geometrie oder zumindest abschnittsweise eine solche aufweist.The receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the body has a conical, rotationally symmetrical, rotationally elliptoidal or spherical geometry or at least in sections such a geometry. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme dünnwandig ausgebildet ist und eine Wandstärke WD mit 1 mm ≤ WD ≤ 20 mm, insbesondere 1 mm ≤ WD ≤ 4 mm aufweist.The receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the receptacle is thin-walled and has a wall thickness W D with 1 mm W D 20 mm, in particular 1 mm W D 4 mm. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme eine metallische Struktur aufweist, die schmelzseitig mit einem aus dem oxidkeramischen Verbundwerkstoff bestehenden und in die Aufnahme eingebrachten eigensteifen Körper versehen ist.The receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the receptacle has a metallic structure which is provided on the melt side with an inherently rigid body made of the oxide-ceramic composite material and introduced into the receptacle. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper belastungsgerechte Faserverstärkungen, insbesondere im Bodenbereich des Körpers, aufweist.A receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the body has fiber reinforcements suitable for the load, in particular in the base area of the body. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper innenseitig Strukturen, wie Rippen, insbesondere als Fließhilfen ausgebildet, aufweist.The receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the body has structures on the inside, such as ribs, in particular designed as flow aids. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper in seiner Umfangswandung integrale Mittel, wie zumindest eine Vertiefung oder zumindest einen Vorsprung, zum Wechselwirken mit einer Handhabe, wie Greifzange, aufweist.A receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the body has integral means in its peripheral wall , such as at least one depression or at least one projection, for interacting with a handle, such as gripping pliers. Aufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswandung des Körpers mehrere aneinandergrenzende Bereiche, vorzugsweise in Bezug auf die Höhe des Körpers betrachtet übereinander angeordnete Bereiche, aufweist, die zur Längsachse des Körpers voneinander abweichende Winkel einschließen.The receptacle according to at least one of the preceding claims, characterized in that the circumferential wall of the body has several adjoining areas, preferably areas arranged one above the other in relation to the height of the body, which include angles that differ from one another with respect to the longitudinal axis of the body. Verfahren zur Herstellung einer Aufnahme, wie Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren von Metall, insbesondere Nichteisenmetall, bzw. dessen Schmelze, insbesondere von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. deren bzw. dessen Schmelze, umfassend die Verfahrensschritte - Imprägnieren einer Anordnung von oxidkeramischen Fasern mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden Schlicker, - Wickeln oder Legen der imprägnierten Anordnung der Fasern auf ein Innengeometrie der Aufnahme abbildendes Werkzeug, - Trocknen der auf das Werkzeug gelegten oder gewickelten Anordnung, - Entformen oder Teilentformen des Werkzeugs und Sintern.A method for producing a receptacle, such as a crucible, for melting and / or keeping warm and / or transporting metal, in particular non-ferrous metal, or its melt, in particular aluminum or an aluminum alloy or its or its melt, comprising the process steps - Impregnation of an arrangement of oxide-ceramic fibers with a slip containing oxide-ceramic particles, - Winding or laying the impregnated arrangement of the fibers on a tool that depicts the inner geometry of the receptacle, - drying of the arrangement placed or wound on the tool, - Demolding or partial demolding of the tool and sintering. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung nachbearbeitet wird.Procedure according to Claim 19 , characterized in that the arrangement is post-processed. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Fasern bei einer Temperatur zwischen 40 °C und 250 °C, insbesondere zwischen 80 °C und 150 °C getrocknet wird.Procedure according to Claim 19 or 20th , characterized in that the arrangement of the fibers is dried at a temperature between 40 ° C and 250 ° C, in particular between 80 ° C and 150 ° C. Verfahren nach einer der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Fasern bei einer Temperatur zwischen 1.000 °C und 1.300 °C, insbesondere zwischen 1.150 °C und 1.250 °C, gesintert wird.Procedure according to one of the Claims 19 to 21st , characterized in that the arrangement of the fibers is sintered at a temperature between 1,000 ° C and 1,300 ° C, in particular between 1,150 ° C and 1,250 ° C. Verfahren nach einer der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Anordnung ein oder mehrere Endlosfaserbündel oder flächige Fasergebilde, insbesondere Fasergelege, -gewebe, oder -geflechte, verwendet wird.Procedure according to one of the Claims 19 to 22nd , characterized in that one or more continuous fiber bundles or flat fiber structures, in particular fiber scrims, woven fabrics or braids, are used as the arrangement. Verwendung einer Aufnahme nach zumindest einem der Ansprüche 1-18 zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren einer Nichteisenmetallschmelze, insbesondere Nichteisenmetallschmelze.Use of a recording according to at least one of the Claims 1 - 18th for melting and / or keeping warm and / or transporting a non-ferrous metal melt, in particular non-ferrous metal melt. Verwendung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall des oxidkeramischen Verbundwerkstoffs und das Metall oder Hauptbestandteil der Metallschmelze gleich sind.Use after Claim 24 , characterized in that the metal of the oxide-ceramic composite material and the metal or main component of the metal melt are the same.
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