DE102019116989A1

DE102019116989A1 - Einrichtung zum Transport einer Schmelze sowie Verfahren zum Herstellen der Einrichtung

Info

Publication number: DE102019116989A1
Application number: DE102019116989.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kolbe; Andreas Lauer; Lukas Zulauf; Anna-Lena Spenler; Thomas Wamser
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2020-12-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung (10) zum fließenden Transport einer Schmelze. Die Einrichtung besteht aus einem oxidfaserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerkstoff mit einer offenen Porosität insbesondere von 20 % bis 40 %. Dabei ist die Einrichtung zumindest abschnittsweise aus mit Schlicker imprägnierten Prepregs hergestellt, die ein aus den Fasern gebildetes Rund- oder Flachgeflecht aufweist, welches radial zur Längsachse der Einrichtung gewickelt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, wie Gießrinne, zum fließenden Transport einer Schmelze, insbesondere Metallschmelze, insbesondere Nichteisenmetallschmelze, insbesondere einer aus Aluminium bestehenden oder Aluminium enthaltenden Schmelze.
Entsprechende Einrichtungen bzw. Gießrinnen werden zum Fördern von schmelzflüssigen Metallen und Metalllegierungen von z.B. einem Schmelztiegel oder einer Warmhaltekammer oder -ofen in eine Gießkammer von z.B. einer Druckgussanlage bzw. einer Gießform benutzt. Der Transport erfolgt auf Grund des Gefälles zwischen Entnahme- und Zielort.
Nach dem Stand der Technik werden üblicherweise Stahlrinnen eingesetzt, die regelmäßig zu schlichten sind, insbesondere mit einer keramischen Suspension, damit insbesondere dann, wenn Aluminiumschmelzen oder Aluminiumlegierungsschmelzen transportiert werden, eine Reaktion zwischen Schmelze und Stahlrinne unterbleibt, wodurch eine Verunreinigung der Schmelze, ein durch Anhaftungen bedingtes verschlechtertes Fließverhalten der Schmelze und eine Schädigung der Gießrinne durch sukzessives Auflösen erfolgen würde.
Auch sind Rinnen bekannt, die mit feuerfesten Materialien ausgekleidet sind. Bekannt sind auch Stahlrinnen, die mit Isolationsmaterial gedämmt oder optional beheizt sind. Rinnen aus feuerfester Keramik gelangen gleichfalls zur Anwendung.
Nachteil der bekannten Rinnen ist es, dass bei Vorhandensein einer Schlichte diese üblicherweise nach ca. 10 bis 500 Abgüssen (abhängig von der Legierungszusammensetzung, Temperatur, Schlichtezusammensetzung und Art der Prozessierung) erneuert werden muss; denn durch die unterschiedlichen Wärme- und Ausdehnungskoeffizienten von Schlichte und Stahlrinne, sowie Haftfestigkeit und Verschleißbeständigkeit der Schlichte platzt diese häufig ab. Dies führt zudem zu Verunreinigungen der Schmelze.
Ist eine neue Schlichte aufzutragen, müssen alte Schlichtereste sowie metallische Anhaftungen (erstarrtes Material) entfernt werden. Hierzu müssen alle Bereiche des Gießkanals zugänglich sein.
Beim Transport von Aluminiumschmelze ist festzustellen, dass diese häufig an der Gießrinne anhaftet, so dass auf Grund einer sich ausbildenden Gusshaut ein Aufstau bis hin zum Verschluss der Gießrinne entstehen kann.
Durch die großen Wandstärken und Volumina sowie der hohen thermischen Leitfähigkeit und des ungünstigen Wärmeübergangskoeffizienten der zum Einsatz gelangenden Materialien/ Materialkombination erfolgt durch die Rinne ein Wärmeentzug der Schmelze, so dass eine entsprechend höhere Ausgangstemperatur der Schmelze erforderlich ist, um den Wärmeentzug zu kompensieren. Hierdurch ist ein höherer Energieeinsatz mit einer gegebenenfalls erforderlichen Überhitzung des Warmhalteofens erforderlich. Gleichzeitig ergibt sich der Nachteil, dass die gewünschte geringe Gusstemperatur zur Erzielung verbesserter Gussqualität (u.a. mechanische Eigenschaften, bessere Filtrierungsmöglichkeiten) nicht gehalten werden kann. Auch ist häufig ein Vorheizen der Gießrinne erforderlich.
Durch die Reaktion mit einer Stahlrinne, Abtrag und Mittransport der Schlichte (low density inclusions, LDI- Einschlüsse) wird die Schmelze verunreinigt.
Da die Rinnen üblicherweise offen sind, erfolgt eine Oxidation der Schmelze mit der Umgebungsluft, wodurch die Gussqualität verringert wird.
Insbesondere hinsichtlich Gießrinnen aus feuerfestem Material ergibt sich der Nachteil, dass bei großvolumigen Gießrinnen ein hoher Bauraum erforderlich ist. Auch sind starke geometrische Einschränkungen gegeben.
Ferner sind die mechanischen Eigenschaften des feuerfesten Materials häufig unzureichend. Ein Vorwärmen ist erforderlich. Auch ergeben sich Nachteile bei der Montage, da diese sehr zeitaufwendig ist. Eine Demontage ist häufig nicht möglich.
Ferner hat sich gezeigt, dass feuerfestes Material zur Bildung von Ausbrüchen oder Rissen neigt. Letzteres führt zu Fehlstellen im Bauteil.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der zuvor genannten Art sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen derart weiterzubilden, dass im Vergleich zum Stand der Technik Verunreinigungen der Schmelze vermieden bzw. im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden.
Auch soll im Vergleich zum Stand der Technik die Standzeit erhöht werden. Eine energetisch günstige Nutzung soll ermöglicht sein, insbesondere die Möglichkeit bestehen, die Temperatur der Schmelze derart einzustellen, dass die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Auch soll eine einfache Montage und Demontage möglich sein.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass die Einrichtung aus einem oxidfaserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerkstoff mit einer offenen Porosität insbesondere von 20 % bis 40 % besteht oder diesen enthält und vorzugsweise die Dichte zwischen 2 und 6 g/cm³, bevorzugt 2,5 bis 3,2 g/cm³ liegt.
Insbesondere enthält der Verbundwerkstoff oxidkeramische Fasern, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material aus der Gruppe Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Y₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, Y₂O3 stabilisiertes ZrO₂.
Bevorzugterweise enthält der Verbundwerkstoff eine oxidkeramische Matrix, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material aus der Gruppe Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Y₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, ZrO₂ (tetragonal stabilisiert, teilstabilisiert, vollstabilisiert).
Bevorzugterweise sollte die Matrix und die Fasern aus gleichem oxidkeramischem Material oder gleichen oxidkeramischen Materialien bestehen oder dieses bzw. diese enthalten.
Des Weiteren kann sich die Erfindung dadurch auszeichnen, dass das Metall im Verbundwerkstoff und das der Schmelze oder Hauptbestandteil der Schmelze gleich ist.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Matrix und die Fasern aus Al₂O3 bestehen oder als Hauptbestandteil enthalten.
Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zum fließenden Transportieren einer Schmelze, die nachstehend als Gießrinne bezeichnet wird, aus oxidfaserverstärkter Oxidkeramik mit poröser Matrix vorgeschlagen, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, komplexe Geometrien auszubilden, ohne dass Nachteile in der Funktion gegeben sind.
Insbesondere besteht dabei die Möglichkeit, den üblicherweise gradlinig verlaufenden Abschnitt, der eine Länge von z.B. zwischen 50mm und 2000mm aufweisen kann, rohrförmig, also geschlossen auszubilden, so dass eine Oxidation der Schmelze reduziert bzw. vermieden, sowie der Wärmeverlust minimiert wird. Eine diesbezügliche Möglichkeit bietet der Stand der Technik nicht, sofern die Gießrinnen geschlichtet sind.
Das Endstück, also der Ausgussbereich kann den Anforderungen entsprechend geformt sein, um ein schnelles, zielorientiertes und beruhigtes Dosieren zu ermöglichen.
Dabei kann der lichte Querschnitt in Längsachsenrichtung der Gießrinne im erforderlichen Umfang und den Anforderungen entsprechend variieren.
Insbesondere die Gestaltung des Ausgussabschnitts mit einem gewünschten Krümmungsradius wird auf Grund der erfindungsgemäßen Lehre dadurch ermöglicht, dass die oxidkeramischen Fasern in Form eines vorimprägnierten Radialgeflechts (Rundgeflechts) oder Flachgeflechts als Prepreg vorliegen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass wenn das Prepreg eine Schlauchform aufweist, das Rundgeflecht zu einer ebenen bandförmigen Struktur zusammengepresst wird. Zug in Längsrichtung (Hauptproduktionsrichtung des Geflechts) führt bei den Geflechten zur einer Querschittsverringerung bzw. Verringerung der Breite. Der Winkel zwischen Faserroving und Hauptproduktionsrichtung wird geringer. Druck in Längsrichtung führt zu einer Stauchung und Querschnittsvergrößerung bzw. Erhöhung der Breite des Bandes.
Bei der Herstellung der Prepregs gelangt insbesondere ein wasserbasierter Schlicker zum Einsatz mit bevorzugt organischen Additiven z.B. Polyole, Polyvinylalkohole oder Polyvinylpyrrolidone, Dispersionsbinder, bevorzugt Polyole und Polyvinylalkohole.
Der Anteil der keramischen Partikel kann 10 Vol.-% bis 50 Vol.-%, insbesondere 20 Vol.-% bis 40 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schlickers betragen.
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, ZrO₂ (tetragonal stabilisiert, teilstabilisiert, vollstabilisiert) in Frage.
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.
Ein entsprechendes Prepreg mit Rund- oder Flachgeflechten als Verstärkungsarchitektur wird auf ein die Innengeometrie des Ausgussbereichs vorgebenden Werkzeug radial gewickelt. Im Falle des Rund- oder Radialgeflechts wird die schlauchförmige Faserarchitektur zusammengepresst um ein Band zu erhalten. Insbesondere sind Überlappungen beim Wickeln der Bänder vorgesehen. Zudem können mehrere Wickellagen übereinandergelegt werden. Abschließend erfolgt eine Verdichtung (z.B. mittels Autoklav).
Beim Flechtprozess werden die Rovings ineinandergeschlungen. Rund- oder Flachgewebe werden vorwiegend auf einer Radialwickelmaschine hergestellt. Das Flechtbett enthält mehrere 100 Klöppel, welche die Faserrovings speichern. Die Klöppel bewegen sich geordnet auf sinusförmigen Bahnen hälftig in entgegengesetzten Richtungen. Dabei Verkreuzen sich die Rovings und werden in Hauptproduktionsrichtung abgezogen. Bei Rund- oder Radialgeflechten beschreiben die Klöppel eine umlaufende Bahn und es ergibt sich ein Schlauch, bei Flachgeflechten gibt es einen Umkehrpunkt und ein Band entsteht. Die Anzahl an verwendeten Klöppeln bestimmt den Umfang des Schlauchs bzw. die Breite des Bands. Damit die Geflechte eine hohe Drapierbarkeit aufweisen und in Hauptproduktionsrichtung dehn- und stauchbar sind, werden keine Stand- oder Stehfäden eingeflochten. Stehfäden verlaufen parallel zur Hauptproduktionsrichtung und werden durch stationäre Klöppel eingebracht.
Zur Längsachse des gebogenen Ausgussabschnitts der Einrichtung schließen die Rovings nach dem Ablegen des Geflechts einen Winkel β1, β2 mit vorzugsweise 35° ≤ |β1,β2|≤ 65° ein. Durch die Ausrichtung der Rovings des Rund- oder Flachgeflechts zu dessen Längsachse ist ein problemloses Dehnen und Stauchen möglich, so dass eine optimale Anpassung an den Verlauf des gekrümmten Werkzeugs zur Bildung des gekrümmten Ausgussabschnitts der Gießrinne sichergestellt ist.
Die zusammengepressten schlauchförmigen Rund- oder Radialgeflechte sind derart dimensioniert, dass im zusammengepressten Zustand eine Breite zwischen 10mm bis 200mm, insbesondere im Bereich zwischen 15mm und 80mm gebildet ist. Die Flachgeflechte haben ebenso Breite zwischen 10mm bis 200mm. Die Geflechte setzten sich bevorzugt aus 30 bis 300 Rovings zusammen.
Selbstverständlich können entsprechende Prepregs auch zur Bildung des gradlinigen Abschnitts des Gießkanals eingesetzt werden. Auch kann die Herstellung im Radialwickelprozess erfolgen. Dabei kann auf Stoß oder überlappend gewickelt werden. Ebenso ist es möglich, dass die Rundgeflechte den geradlinigen Abschnitt umhüllen, d.h. das Rundgeflecht wird also nicht zusammenpresst. Im Weiteren können auch Prepregs aus flächigem Gewebe oder Gelege zum Einsatz gelangen.
Die Wandstärke der Gießrinne liegt bevorzugterweise im Bereich zwischen 1mm und 20mm, insbesondere zwischen 1mm und 3mm. Das Gewicht der Gießrinne kann zwischen 0,2kg und 20kg, insbesondere zwischen 0,3kg und 5kg liegen.
Die einzelnen Fasern der insbesondere als Faserbündel (Rovings) eingesetzten Faserverstärkung sollten einen Durchmesser zwischen 5µm und 20µm, insbesondere zwischen 10µm und 12µm aufweisen. Die Dichte sollte vorzugsweise zwischen 2,0g/cm³ und 6,0g/cm³ liegen.
Kann die offene Porosität, also die Hohlräume der Einrichtung, die untereinander und mit der Umgebung in Verbindung stehen, im Bereich zwischen 20% und 40% liegen, so ist der Bereich zwischen 27% und 32% bevorzugt anzugeben. Die Dichte der Einrichtung ist im Bereich zwischen 2,0g/cm³ und 6,0g/cm³, bevorzugterweise zwischen 2,5g/cm³ und 3,2g/cm³ anzugeben.
Auf Grund des Einsatzes von Prepregs mit Rund- oder Flachgeflecht kann die Gießrinne eine gewünschte Geometrie aufweisen, wobei problemlos Veränderungen im Querschnitt bzw. der lichten Weite des die Schmelze aufnehmenden Bereichs der Gießrinne erfolgen können.
Auch können mit der Gießrinne Komponenten integriert und aus demselben oxidfaserverstärkten oxidkeramischen Material wie die Gießrinne gefertigt werden.
Ferner ist eine belastungsgerechte Auslegung der Faserverstärkungen möglich, insbesondere im Auslassbereich.
Um ein günstiges Benetzungsverhalten der Gießrinne zu erzielen, ist insbesondere vorgesehen, dass die Oxidkeramik der Matrix als Zusatz ZrO₂ oder mit Y₂O₃ stabilisiertes ZrO₂ enthält, dessen Gewichtsanteil vorzugsweise 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% der Oxidkeramik der Matrix, insbesondere 12 Gew.-% bis 25 Gew.-% beträgt.
Insbesondere zeichnet sich die Gießrinne, d.h. die Einrichtung auch dadurch aus, dass die offene Porosität der Einrichtung zwischen 27 % und 32 % liegt.
Ferner sollte die Dichte ρ der Fasern betragen 2 g/cm³ < ρ < 6 g/cm³ und/oder der Faserdurchmesser betragen 5 µm bis 20 µm, insbesondere 10 µm bis 12 µm.
Erwähntermaßen zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Einrichtung einen insbesondere schmelzauslassseitig verlaufenden gebogenen Abschnitt aufweist, der aus zumindest einem, insbesondere mehreren mit die oxidkeramische Matrix bildenden Partikel enthaltendem Schlicker imprägnierten Prepregs hergestellt ist, wobei im Prepreg die oxidkeramischen Fasern in Form eines Rund- oder Flachgeflechts vorliegen, das frei von Steh- oder Standfäden ist, um das Stauchen bzw. Dehnen in Hauptproduktionsrichtung des Geflechts zu ermöglichen. Im Außenbereich des Bogens (Extrados) werden die Geflechte daher verbreitert, im Innenbereich (Intrados) wird die Gewebebreite reduziert. Zur Längsrichtung der Einrichtung beschreiben die insbesondere als Rovings vorliegenden oxidkeramischen Fasern einen Winkel von vorzugsweise 35° ≤ |β1,β2|≤ 65°.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung auch aus durch ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung wie Gießrinne, zum fließenden Transport einer Schmelze, wie Metallschmelze, vorzugsweise Nichteisenmetallschmelze, insbesondere Aluminiumschmelze oder einer Aluminium enthaltenden Schmelze, umfassend die Verfahrensschritte

- Imprägnieren einer Anordnung von oxidkeramischen Fasern/ insbesondere Geflechten (Rund- oder Flachgeflechte) mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden Schlicker,
- Wickeln oder Legen der imprägnierten Anordnung der Fasern auf ein Innengeometrie der Einrichtung abbildendes Werkzeug,
- Trocknen der auf das Werkzeug gelegten oder gewickelten Anordnung.

Die Anordnung wird nach dem Trocknen von dem Werkzeug entformt oder teilentformt, sodann gesintert und kann ggf. nachbearbeitet werden.
Dabei werden als die Anordnung ein oder mehrere imprägnierte Endlosfaserbündel oder imprägnierte flächige Gebilde, insbesondere Fasergelege, -gewebe oder -geflechte, verwendet.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Anordnung der Fasern bei einer Temperatur zwischen 40 ℃ und 250 ℃, insbesondere zwischen 80 ℃ und 150 °C getrocknet wird.
Ferner kann die Anordnung der Fasern bei einer Temperatur zwischen 1.000 ℃ und 1.300 °C, insbesondere zwischen 1.150 °C und 1.250 °C, gesintert werden.
Die Trocknungsdauer ist temperaturabhängig und liegt zwischen 2 h und 48 h, bevorzugt zwischen 12 h und 24 h.
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.
Zur Bildung eines gebogenen Abschnitts der Einrichtung wird zumindest ein mit einem wasserbasierten oxidkeramische Partikel enthaltenden Schlicker imprägniertes Prepreg auf ein Innengeometrie des Abschnitts abbildendes Werkzeug gelegt, wobei die oxidkeramischen Fasern als Rund- oder Flachgeflecht in dem Prepreg vorliegen. Die Fasern in Hauptproduktionsrichtung des Rund- oder Flachgeflechts einen Winkel β1,β2≠ 0°, 90° zur Längsachse des Werkzeugs, insbesondere einen Winkel β1,β2 mit 35° ≤ | β1,β2 | ≤ 65° einschließen.
Insbesondere werden mehrere Prepregs auf dem Werkzeug aufeinandergelegt und als Einheit an dessen Form angedrückt und sodann verdichtet. Dabei ist vorgesehen, dass der Bereich des Prepregs, der entlang des Innenbogens verläuft, gestaucht (dessen Breite verringert) wird und der im Bereich des Außenbogens gedehnt (Breite des Bands wird erhöht) wird.
Dadurch, dass Rund- oder Flachgeflechte zum Einsatz gelangen, die im Bogen auf das die Gießrinne abbildende Werkzeug radial umwickeln, kann durch Stauchen bzw. Ziehen des Rund- oder Flachgeflechts in Hauptproduktionsrichtung die gewünschte Wandstärke erzielt werden, da starke Aufdickungen, insbesondere im Innenbogensegment vermieden werden.
Erfindungsgemäß werden Rund- oder Flachgeflechte ohne Steh- oder Standfäden eingesetzt. Eine hervorragende Drapierbarkeit stellt sich ein. Die Geflechte werden auf Radialwickelmaschinen produziert.
Erwähntermaßen besteht die Möglichkeit, die Breite des geflochtenen Prepregbands im Bogenbereich zu verändern, so dass eine gleichmäßige bzw. gleichmäßigere Wandstärke realisiert wird.
Nach Ablage der Prepregs auf das Werkzeug verlaufen die Fasern in unterschiedlichen Orientierungen, so dass eine günstige Verstärkungsarchitektur erzielt wird. Ein aufwendiges Zuschneiden von Prepregabschnitten aus Geweben ist dabei nicht erforderlich.
Nach Ablegen der Prepregs erfolgt in gewohnter Weise ein Weiterprozessieren, d.h. Trocknen, Entformen bzw. Teilentformen und Sintern und gegebenenfalls Nachbearbeiten.
Die keramische Faserverstärkung inklusive der porösen keramischen Matrix führt zu einer erheblichen Steigerung von Festigkeit und Duktilität (Schadenstoleranz), die beispielsweise deutlich über der von feuerfesten teil- oder vollkeramischen Gießrinnen liegt. Dies führt zu einem quasiduktilen Materialverhalten, wodurch Sprödbruch vermieden wird und Stöße oder ähnliche mechanische Belastungen als unkritisch einzustufen sind.
Auch zeichnet sich der Verbundwerkstoff durch ausgezeichnete und für die Anwendung insbesondere für die Anwendung Aluminiumguss ausreichende Thermo schockbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturermüdung aus, Vorteile, die Gießrinnen aus monolithischer Keramik nicht bieten.
Die inhärente Zusammensetzung von Fasern und Matrix aus gleichem Oxid, wie Al₂O₃, führt dazu, dass z.B. bei Aluminiumschmelzen und seinen Legierungen eine Korrosion des Werkstoffs der Einrichtung verhindert wird und ein überaus günstiges Benetzungsverhältnis auftritt. Dabei können Zusätze von z.B. Zirkoniumoxid vorteilhaft sein.
Daher zeichnet sich die Erfindung auch dadurch aus, dass der Gewichtsanteil des Zusatzes bzw. des Additivs Zirkoniumoxid, das gegebenenfalls mit Yttriumoxid verstärkt ist, 5% bis 30%, insbesondere 12% bis 25% in Gew.-%, der Oxidkeramik der Matrix beträgt.
Das günstige Benetzungsverhalten verbessert das Fließverhalten der Schmelze, insbesondere Aluminiumschmelze, ein Aufstau von Gusshaut bis hin zum Verschluss bzw. Kaltlauf wird unterbunden.
Der Verschleiß, der Reinigungsaufwand und durch schwer entfernbare Anhaftungen entstehenden Beschädigungen werden reduziert.
Sollte es durch prozessbedingte Fehlerursachen zu einem Kaltlauf und einem Verschluss der Gießrinne kommen, so kann dann, wenn eine geschlossene Bauweise vorgesehen ist, durch erneutes Erwärmen der Gießrinne und Verflüssigen des Materials über die Schmelztemperatur des erstarrten Materials eine vollständige Reinigung, ggf. mit Druckluftunterstützung, erfolgen.
Aufgrund der Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs insbesondere dann, wenn das Metall der Oxidkeramik gleich dem Metall der Schmelze oder Hauptbestandteil der Metalle der Schmelze ist, kommt es zu keiner Verunreinigung der Schmelze durch angelöste metallische Verbindungen oder keramische Partikel. Erfolgt eine geschlossene Bauweise, wird die Oxidation der Schmelze reduziert. Dies äußert sich in einer Verbesserung der Gussqualität. Diese Vorteile werden insbesondere dann offensichtlich, wenn eine Aluminiumschmelze in einer Gießrinne transportiert wird, deren Fasern und Matrix aus Aluminiumoxid, ggf. mit Zusatz ZrO₂, besteht.
Weiterhin führen „aggressive“ alkalihaltige Aluminiumschmelzlegierungen aufgrund der erwähnten Werkstoffzusammensetzung zu keiner Veränderung in der Gießrinne, d. h. keine Masse- und Gefügeänderung, wodurch der Verschleiß reduziert und die Lebensdauer erheblich erhöht werden kann.
Bei einer geschlossenen Bauweise der Gießrinne und die mit der Faserverstärkung einhergehende Leichtbauweise werden Wärme- und Temperaturisolationseigenschaften stark verbessert. Hierdurch bedingte geringere Temperaturabfälle in der flüssigen Schmelze bieten neue Möglichkeiten bei der Prozessierung der Schmelzen insbesondere von Aluminiumschmelzlegierungen, insbesondere in Bezug auf niedrigere Gusstemperaturen beziehungsweise von der Erstarrungsmorphologie schwierig verarbeitbarer Legierungen. Überdies wird hierdurch eine Energieeinsparung erzielt.
Es wird eine Formstabilität gegenüber thermischen Zyklen und hohe Festigkeit erzielt, Sprödbrüche treten nicht auf, so dass eine Prozesssicherheit gegeben ist. Der oxidkeramische Faserverbund ist in höchstem Maße thermoschockbeständig.
Sofern die Gießrinne geschlossen ausgeführt ist, erfolgt praktisch keine Reaktion der Schmelze mit der Umgebungsluft (Oxidation wird unterbunden). Durch die Werkstoffzusammensetzung der Einrichtung werden chemische Reaktionen zwischen Werkstoff der Einrichtung und dem schmelzflüssigen Metall unterbunden.
Ein Schlichten ist nicht erforderlich, da ein günstiges Benetzungsverhalten der Schmelze zum Verbundwerkstoff gegeben ist. Hierdurch bedingt kommt es nicht zu Verunreinigungen der Schmelze. Die Gussteilqualität wird im Vergleich zum Stand der Technik verbessert.
Durch die geringe Wandstärke und Dichte ist ein Leichtbaukonzept realisiert, wobei Bohrungen problemlos eingebracht werden können, die für eine Montage bzw. Demontage erforderlich sein können. Durch die mechanischen Eigenschaften der Einrichtung, besonders hinsichtlich Festigkeit und Schadenstoleranz sind ebenso Klemmverbindungen problemlos möglich.
Die Rinne, ungeachtet einer geschlossenen Bauweise, kann abnehmbare Öffnungen aufweisen, um die Schmelze zu kontrollieren.
Durch das geringe Bauteilvolumen ist der Temperaturverlust gering, so dass ein sog. „Einfrieren“ der Schmelze nicht stattfindet. Dies wiederum führt dazu, dass eine Überhitzung des Schmelzofens nicht erforderlich ist, d. h. der Energieeinsatz wird verringert und die Gusstemperatur reduziert.
Insbesondere ist vorgesehen, dass eine entsprechende Einrichtung bestimmt ist, um Nichteisenmetallschmelzen zu prozessieren, die aus Al, Si, Mg, Cu, Zn, Sn, Ti, Na, Sr, B bestehen oder diese enthalten, wobei insbesondere Aluminiumschmelzen bzw. Aluminiumlegierungsschmelzen zu erwähnen sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder im Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie deren Erläuterungen.
Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer Gießrinne,
2 ein Radialgeflecht von Rovings,
3 ein Werkzeug zum Radialwickeln eines Geflechtbandes und
4 einen Ausschnitt einer Gießrinne.

In 1 ist rein beispielhaft eine als Gießrinne 10 zu bezeichnende Einrichtung zum fließenden Transport einer Metallschmelze, insbesondere aus Aluminium bestehend oder Aluminium enthaltend, dargestellt. Die Gießrinne 10 besteht aus einem gradlinig verlaufenden schmelzeinlassseitigen ersten Abschnitt 12 und einem gebogenen Abschnitt 14, der in einen Gießauslass 16 übergeht.
Entsprechend der zeichnerischen Darstellung ist die Gießrinne 10 weitgehend geschlossen, bildet folglich ein gebogenes Rohr, das im proximalen Bereich 18 offen ist, um von einem Schmelztiegel oder z.B. einer Warmhaltekammer oder -ofen stammende Schmelze zu einer Gießkammer, z.B. einer Druckgussanlage, bzw. einer Gießform zu transportieren. Hierzu weist die Gießrinne 10 im eingebauten Zustand einen entsprechend geneigten Verlauf auf.
Der bogenförmige Abschnitt kann einen bestimmten Krümmungswinkel aufweisen, z.B. 90°.
Der geradlinige Abschnitt 12 kann eine Länge zwischen z.B. 30mm und 2000mm aufweisen. Der Rinnendurchmesser R, also die maximale innere lichte Weite der Gießrinne 10, kann zwischen 20mm und 200mm liegen. Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass die Weite über die Länge variiert bzw. der bogenförmige Abschnitt 14 sich zu seinem distalen Ende (Öffnung 16) hin z.B. konusförmig verjüngt.
Erfindungsgemäß besteht die Gießrinne 10 aus einem oxidkeramischen Verbundwerkstoff, umfassend oxidkeramische Fasern sowie eine oxidkeramische Matrix. Die Porosität der Gießrinne 10 kann zwischen 20% und 40%, vorzugsweise zwischen 27% und 32% liegen.
Eine diesbezügliche Gießrinne ist zum Transportieren von Schmelzen, insbesondere Metallschmelzen, insbesondere Nichteisenmetallschmelzen bzw. Nichteisenmetalllegierungsschmelzen bestimmt, wobei als Metalle Al, Si, Mg, Cu, Zn, Sn, Ti, Na, Sr, B zu nennen sind.
Bevorzugterweise ist eine diesbezügliche Gießrinne 10 für Aluminiumschmelzen bzw. Aluminiumlegierungsschmelzen geeignet. In diesem Fall sollten die oxidkeramische Matrix aus Al₂O3 und die oxidkeramischen Fasern gleichfalls aus Al₂O3 bestehen. Die Matrix kann gegebenenfalls als Zusatz ZrO₂ oder mit Y₂O₃ verstärktes ZrO₂ enthalten.
Die Fasern der erfindungsgemäßen Gießrinne 10 bilden ein Rund- oder Flachgeflecht, wobei die Fasern (Einzelfilamente) zu Rovings (Faserbündeln) zusammengefasst sind, die sich kreuzen, d.h. erste Rovings 20 kreuzen zweite Rovings 22, wobei die parallel zueinander verlaufenden Rovings 20 abwechselnd unter und über einem der parallel verlaufenden zweiten Roving 22 verlaufen. Ein entsprechendes Faserhalbzeug 24 ist in 2 dargestellt, bei dem die Enden (oberer und unterer Rand) versiegelt sind, um ein Ausfransen zu vermeiden.
Ein diesbezügliches geflochtenes Faserhalbzeug 24, das eine Schlauchform oder Bandform aufweist, wird mit einem Schlicker imprägniert.
Insbesondere gelangt ein wasserbasierter Schlicker zum Einsatz mit bevorzugt organischen Additiven, z.B. Polyole, Polyvinylalkohole oder Polyvinylpyrrolidone, Dispersionsbinder, bevorzugt Polyole und Polyvinylalkohole.
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 ZrO₂ (tetragonal stabilisiert, teilstabilisiert, vollstabilisiert) in Frage.
Die keramischen Partikel bezogen auf das Gesamtvolumen des Schlickers sollte dabei 10 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 20 Vol.-% bis 40 Vol.-% betragen. Ferner sollte 21 bis 35 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der keramischen Partikel, Glycerin im Schlicker enthalten sein.
Die Rovings 20, 22 verlaufen zur Längsachse 26 (Hauptproduktionsrichtung) des Faserhalbzeugs 24 unter einem Winkel α, der vorzugsweise zwischen 25° und 55° zur Längsachse 26 bzw. Hauptproduktionsrichtung des imprägnierten Faserhalbzeug 24 des Prepregs liegt.
Entsprechend imprägnierte Rund- oder Flachgeflechte 24 (Prepreg mit geflochtener Faserarchitektur) werden radial gewickelt und dabei gestaucht und gestreckt, um sodann auf ein Werkzeug abgelegt zu werden, das die Innengeometrie der Gießrinne 10 vorgibt.
In 3 ist ein Radialwickelprozess mit einem Geflechtband 24 dargestellt. Es wird mit Überlappung um einen Kern 27 gewickelt. Der sich verändernde Winkel α1,α2 zur Hauptproduktionsrichtung (Längsachse 26) des Geflechts 24 ist skizziert. Der Winkel α1 zwischen Hauptproduktionsrichtung und Roving 20, 22 ist im Innenbereich 28 des Bogens geringer als der Winkel α2 im Außenbreich 30 des Bogens, da im Innenbereich das Geflecht in Hauptproduktionsrichtung gestreckt, im Außenbereich in Hauptproduktionsrichtung gestaucht wird.
Um Verdickungen im Bogeninneren 28 zu vermeiden und im erforderlichen Umfang den Außenbogen 30 des Abschnitts 14 mit den Prepregs zu bedecken, weisen diese keine Steh- oder Standfäden auf, so dass im erforderlichen Umfang ein Stauchen und Dehnen erfolgen kann.
Auch ist im erforderlichen Umfang ein Dehnen/ Stauchen der Geflechts in Hauptproduktionsrichtung möglich, so dass der den Bogenabschnitt 14 vorgegebene Abschnitt des Werkzeugs mit Prepregs abgedeckt werden kann, die eine gleiche oder nahezu gleiche Wandstärke bilden.
Auch im langgestreckten, also im gradlinigen Abschnitt 12 der Gießrinne 10 können entsprechende Prepregs eingesetzt werden, gleichwenn auch ein Rundgeflecht diesen Bereich umschließen kann. Optional können auch Prepregs aus flächiger Gewebe- oder Gelegearchitektur eingesetzt werden.
Die Längsachse der Gießrinne 10 ist in der 4 mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnet.
Sollen in der Gießrinne 10 besondere Strukturen ausgebildet werden, so können diese auf dem Werkzeug abgebildet werden, auf das die Prepregs abgelegt werden.
Nach Ablegen der Prepregs auf das Werkzeug können diese wie gewohnt weiterprozessiert werden, d.h. zum Beispiel im Autoklav verdichtet werden. Anschließend erfolgt ein Trocknen, Entformen sowie Sintern. Sofern erforderlich, kann ein Nachbearbeiten durchgeführt werden.
Nachfolgend folgt ein Ausführungsbeispiel für eine Gießrinne (Beispiel Gewebe- und Geflechtverstärkung):

Zunächst werden oxidkeramische Prepregs hergestellt. Dazu werden Gewebe und Geflechte aus Aluminiumoxidfasern (>99% Al₂O₃) mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden wasserbasierten Schlicker imprägniert. Der Filamentdurchmesser liegt bei 10-12µm 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 1µm. 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 die Innenkontur der Gießrinne abbildendes Werkzeug verarbeitet werden. Dazu werden die Radialgeflechte im Bogenförmigen Bereich der Gießrinne radial gewickelt. Dabei wird der Geflechtschlauch im Innenbereich (Intrados) in Hauptproduktionsrichtung gedehnt, dabei verringert sich dessen Breite, und im Außenbereich (Extrados) in Hauptproduktionsrichtung gestaucht, dadurch wird dieser verbreitert. Anschließend erfolgt eine Trocknung mittels Autoklav-Technik, unter Beaufschlagung von Temperatur und Überdruck, sodass ein Grünkörper erhalten wird. Nach der Trocknung kann, die aus Gewebe und Geflecht abgebildete Gießrinne vom Kern abgenommen werden. Anschließend erfolgt das Sintern bei 1200°C. Die Nacharbeitung kann mittels Drehen, Fräsen oder Schleifen erfolgen.

Claims

Einrichtung, wie Gießrinne, zum fließenden Transport einer Schmelze, insbesondere Metallschmelze, vorzugsweise Nichteisenmetallschmelze, insbesondere einer aus Aluminium bestehenden oder Aluminium enthaltenden Schmelze, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung aus einem oxidfaserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerkstoff mit einer offenen Porosität insbesondere von 20 % bis 40 % besteht oder diesen enthält, und dass die Gießrinne zumindest abschnittsweise aus mit Schlicker imprägnierten Prepregs hergestellt ist, die ein aus den Fasern gebildetes Rund- oder Flachgeflecht aufweist welches radial zur Längsachse der Einrichtung gewickelt ist.
Einrichtung 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.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine oxidkeramische Matrix enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material aus der Gruppe Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Y₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, ZrO₂ (tetragonal stabilisiert, teil stabilisiert, vollstabilisiert).
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix und die Fasern aus gleichem oxidkeramischem Material oder gleichen oxidkeramischen Materialien bestehen oder dieses bzw. diese enthalten.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall im Verbundwerkstoff und das der Schmelze oder Hauptbestandteil der Schmelze gleich ist.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix und die Fasern aus Al₂O3 bestehen oder als Hauptbestandteil enthalten.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidkeramik der Matrix als Zusatz ZrO₂ oder mit Y₂O₃ stabilisiertes ZrO₂ enthält, dessen Gewichtsanteil vorzugsweise 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% der Oxidkeramik der Matrix, insbesondere 12 Gew.-% bis 25 Gew.-% beträgt.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Porosität der Einrichtung zwischen 27 % und 32 % liegt und die Dichte zwischen 2 g/cm³ und 6 g/cm³, bevorzugt 2,5 g/cm³ bis 3,2 g/cm³ liegt.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte ρ der Fasern beträgt 2 g/cm³ < ρ < 6 g/cm³ und/oder der Faserdurchmesser beträgt 5 µm bis 20 µm, insbesondere 10 µm bis 12 µm.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Wandstärke W_D mit 1 mm ≤ W_D ≤ 20 mm, insbesondere 1 mm ≤ W_D ≤ 3 mm aufweist.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zumindest abschnittsweise umlaufend geschlossen ist.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen insbesondere schmelzabflussseitig verlaufenden gebogenen Abschnitt aufweist, der aus zumindest einem, insbesondere aus mehreren mit die oxidkeramische Matrix bildenden keramischen Partikel enthaltendem Schlicker imprägnierten Pregregs besteht, wobei in dem Prepreg die oxidkeramische Fasern in Form eines Rund- oder Flachgeflechts vorliegen, das frei von Steh- oder Standfäden ist.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern zur Hauptproduktionsrichtung (Längsachse) des Prepregs einen Winkel α1,α2 mit 25° ≤ |α1,α2 |≤ 55° einschließen und/oder dass die Fasern in Hauptproduktionsrichtung des Rund- oder Flachgeflechts einen Winkel β1,β2≠ 0°, 90° zur Längsachse des Werkzeugs, insbesondere einen Winkel β1,β2 mit 35° ≤ | β1,β2 ≤ 65° einschließen.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pregreg als Faserarchitektur ein Rund- oder Flachgeflecht enthält.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gebogene Abschnitt zumindest bereichsweise durch überlappend oder auf Stoß gelegte radialgewickelte, geflochtene Prepregbänder gebildet ist, welche auch mehrlagig übereinander gelegt werden können.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der gebogene Abschnitt als auch zumindest ein Bereich des gradlinigen Abschnitts der Gießrinne umlaufend geschlossen ausgebildet ist.
Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geradlinige Abschnitt der Gießrinne durch Umschließen der Innengeometrie mit einem oder mehreren Rundgeflechten bzw. aus flächigen Gewebe oder Gelege abgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung, wie Gießrinne, zum fließenden Transport einer Schmelze, wie Metallschmelze, vorzugsweise Nichteisenmetallschmelze, insbesondere Aluminiumschmelze oder einer Aluminium enthaltenden Schmelze, umfassend die Verfahrensschritte - Imprägnieren einer Anordnung von oxidkeramischen Fasern bevorzugt Rund- oder Flachgeflechten 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 abgelegten Anordnung, Entformen oder Teilentformen und Sintern.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung nach dem Sintern ggf. nachbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Fasern bei einer Temperatur zwischen 40 °C und 250 °C, insbesondere zwischen 80 °C und 150 ℃ getrocknet wird, wobei vorzugsweise nach dem Trocknen optional die Kerne bzw. Teile dessen bis 500°C ausgeschmolzen bzw. ausgebrannt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung der Einrichtung betrachtet maximale lichte Weite dieser bereichsweise variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Rund- oder Flachgeflecht beim Umfangswickeln im gebogenen Abschnitt außenseitig gedehnt und innenseitig gestaucht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung zumindest eines gebogenen Abschnitts der Einrichtung zumindest ein mit einem die keramischen Partikel enthaltenden wasserbasierten Schlicker imprägnierten Prepreg mit den ein Rund- oder Flachgeflecht ohne Steh- oder Standfäden bildenden oxidkeramischen Fasern auf ein Innengeometrie des Abschnitts abbildendes Werkzeug derart gelegt werden, dass die Fasern in Hauptproduktionsrichtung des Rund- oder Flachgeflechts einen Winkel β1,β2≠ 0°, 90° zur Längsachse des Werkzeugs, insbesondere einen Winkel β1,β2mit 35° ≤ β1,β2 ≤ 65° einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere imprägnierte Rund- oder Flachgeflecht-Prepregs nacheinander auf das Werkzeug radialgewickelt/abgelegt und drapiert werden und sodann als Einheit verdichtet werden.