DE102020005392A1

DE102020005392A1 - Method for alloying metals in a process chamber and alloying device for carrying out such a method

Info

Publication number: DE102020005392A1
Application number: DE102020005392.0A
Authority: DE
Inventors: Ihsan Özer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Legieren von Metallen in einer Prozesskammer, wobei- die Prozesskammer evakuiert wird, wobei- ein Metall geschmolzen wird, wobei- in das geschmolzene Metall (5) metallische und/oder nicht-metallische Bestandteile (3) zugegeben werden, um ein Schmelzgemisch (17) zu erzeugen, wobei- das Schmelzgemisch (17) in einem Schmelzbad (27) homogenisiert wird, wobei- das homogenisierte Schmelzgemisch (39) in eine Gussform und/oder einen Tiegel gegossen wird.The invention relates to a method for alloying metals in a process chamber, wherein - the process chamber is evacuated, wherein - a metal is melted, wherein - metallic and/or non-metallic components (3) are added to the molten metal (5), to produce a melt mixture (17), wherein- the melt mixture (17) is homogenized in a melt bath (27), wherein- the homogenized melt mixture (39) is poured into a mold and/or crucible.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Legieren von Metallen in einer Prozesskammer und eine Legierungsvorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for alloying metals in a process chamber and an alloying device for carrying out such a method.

Legierungen von Metallen, auch Leichtmetalle genannt, spielen insbesondere in der Luftfahrt-, Maschinenbau- und Automobilindustrie eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Bauteilen, vorzugsweise von dünnwandigen Strukturbauteilen. Die Herstellung dieser Bauteile, insbesondere Gussteile, erfolgt vorzugsweise mittels eines Gießverfahrens. Die Qualität eines Gussteils wird in entscheidender Weise durch die Art des Gießverfahrens, den Veredelungsgrad der Legierung und die daraus resultierenden gießtechnologischen Eigenschaften, insbesondere das Fließvermögen und Formfüllungsvermögen, beeinflusst. Darüber hinaus ist es bei der Herstellung von dünnwandigen Strukturbauteilen vorzugswürdig, dass die Legierung homogene gießtechnologische Eigenschaften aufweist.Alloys of metals, also known as light metals, play a central role in the manufacture of components, preferably thin-walled structural components, particularly in the aviation, mechanical engineering and automotive industries. These components, in particular cast parts, are preferably produced by means of a casting process. The quality of a cast part is decisively influenced by the type of casting process, the degree of refinement of the alloy and the resulting technical casting properties, in particular the flowability and mold filling ability. In addition, when producing thin-walled structural components, it is preferable for the alloy to have homogeneous casting properties.

Herkömmliche Verfahren zum Legieren von Metallen mit metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen umfassen eine Vielzahl von Maßnahmen zur Herstellung von qualitativ hochwertigen und homogenen Legierungen von Metallen. Erste Maßnahmen sind Ansätze zur Entgasung und Reinigung des geschmolzenen Metalls, auch Schmelze genannt, mittels einer stationären Behandlung der Schmelze mit Inertgasen, vorzugsweise Argon und/oder Stickstoff. Weitere Maßnahmen sind die Homogenisierung der Schmelze mit den zugegebenen metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen, auch Schmelzgemisch genannt, mittels einer Zugabe eines Kornfeinungsmittels, um eine Verfeinerung von erzeugten Phasen innerhalb des Schmelzgemisches zu erreichen. Zur Homogenisierung des Schmelzgemisches werden auch mechanische Umrührverfahren mittels eines Impellers durchgeführt. Stationäre Umrührverfahren erzeugen mittels sehr hoher Rotationsgeschwindigkeiten des Impellers hohe Scherkräfte, durch welche die in die Schmelze eingebrachten metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile benetzt werden, so dass das Schmelzgemisch homogenisiert wird. Weitere Maßnahmen sind die Anwendung von zeitlich modulierten Magnetfeldern zur Erzeugung eines elektromagnetischen Rührens. Dies führt zu einer Reinigung, insbesondere Entgasung, und Kornfeinung des Schmelzgemisches. Darüber hinaus wird eine Ultraschallbehandlung der Schmelze als Maßnahme zur Reinigung und/oder Entgasung der Schmelze und/oder des Schmelzgemisches genutzt.Conventional methods for alloying metals with metallic and/or non-metallic components include a large number of measures for producing high-quality and homogeneous alloys of metals. The first measures are attempts to degas and clean the molten metal, also known as the melt, by means of stationary treatment of the melt with inert gases, preferably argon and/or nitrogen. Further measures are the homogenization of the melt with the added metallic and/or non-metallic components, also called melt mixture, by adding a grain refiner in order to achieve a refinement of the phases produced within the melt mixture. Mechanical stirring processes are also carried out using an impeller to homogenize the melt mixture. Stationary stirring processes generate high shear forces by means of very high rotation speeds of the impeller, through which the metallic and/or non-metallic components introduced into the melt are wetted, so that the melt mixture is homogenized. Further measures are the use of time-modulated magnetic fields to generate electromagnetic stirring. This leads to cleaning, in particular degassing, and grain refinement of the melt mixture. In addition, an ultrasonic treatment of the melt is used as a measure for cleaning and/or degassing the melt and/or the melt mixture.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 3 586 999 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von mit Feststoffen versetzten Metallen oder metallischen Legierungen, vorzugsweise Leichtmetallen oder Leichtmetalllegierungen für das Vergießen von Gussteilen, vorzugsweise Druckgussteilen hervor. Das Verfahren umfasst ein Aufschmelzen eines Metalls oder einer metallischen Legierung mittels eines Schmelzgerätes, ein Transportieren der Gießschmelze mittels Förderleitung zu den zu füllenden Gussformen, und ein Zuführen von Feststoffen zur Gießschmelze in der Förderleitung, wobei die Gießschmelze mit den zugeführten Feststoffen während des Transports in der Förderleitung in mindestens einer Mischzone vorzugsweise mittels Energieeintrag durchmischt wird.From the European patent application EP 3 586 999 A1 discloses a method and a device for the production of metals or metal alloys mixed with solids, preferably light metals or light metal alloys, for the casting of cast parts, preferably die-cast parts. The method comprises melting a metal or a metallic alloy using a melting device, transporting the cast melt by means of a conveying line to the casting molds to be filled, and feeding solids to the cast melt in the conveying line, the cast melt with the supplied solids during transport in the Conveying line is preferably mixed in at least one mixing zone by means of energy input.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren und Maßnahmen ist das Oxidations- und Wasserstoffaufnahme-Risiko. Die bekannten Verfahren und Maßnahmen werden entweder ohne Schutzatmosphäre oder lediglich unter Verwendung eines Schutzgases durchgeführt. Daher besteht die Gefahr von oxydischen Einflüssen und/oder Gasporen, was zu einer erhöhten Porosität der Legierung und dadurch zu verschlechterten Materialeigenschaften, insbesondere zu einer Verschlechterung der statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften, führt. Darüber hinaus beeinträchtigen die oxydischen Einschlüsse eine vollständige Benetzung der Bestandteile durch Schmelze, was zu großen Gefügefehlern führt, wie Agglomerationen und Porosität. Weiterhin werden alle Verfahren weitgehend stationär durchgeführt, was dazu führt, dass die Verfahren immer für sehr große Schmelzmengen, insbesondere chargenweise, durchgeführt werden. Dadurch sind Verfahren sehr zeitaufwendig und unflexibel in der Zusammensetzung der Legierungen. Im Speziellen können zudem Kornfeinungsmittel nur bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit metallischen Bestandteilen eingesetzt werden, da die Kornfeinungsmittel keine Auswirkung auf die Benetzungseigenschaften von nicht-metallischen Bestandteilen haben.A disadvantage of the known methods and measures is the risk of oxidation and hydrogen uptake. The known methods and measures are carried out either without a protective atmosphere or only using a protective gas. There is therefore a risk of oxidic influences and/or gas pores, which leads to increased porosity in the alloy and thus to deteriorated material properties, in particular to a deterioration in the static and dynamic strength properties. In addition, the oxidic inclusions impair complete wetting of the components by the melt, which leads to major structural defects such as agglomerations and porosity. Furthermore, all processes are largely carried out in a stationary manner, which means that the processes are always carried out for very large amounts of melt, in particular in batches. As a result, processes are very time-consuming and inflexible when it comes to the composition of the alloys. In particular, grain refiners can only be used in the production of composite materials with metallic components, since the grain refiners have no effect on the wetting properties of non-metallic components.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest teilweise behoben, vorzugsweise vermieden sind.The invention is therefore based on the object of creating a method in which the disadvantages mentioned are at least partially eliminated, preferably avoided.

Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.The object is achieved by providing the present technical teaching, in particular the teaching of the independent claims and the embodiments disclosed in the dependent claims and the description.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Legieren von Metallen in einer Prozesskammer geschaffen wird, wobei die Prozesskammer zu Beginn evakuiert wird. In das geschmolzene Metall, auch Schmelze genannt, werden metallische und/oder nicht-metallische Bestandteile zugegeben, um ein Schmelzgemisch zu erzeugen. Das Schmelzgemisch wird in einem Schmelzbad homogenisiert, wobei das homogenisierte Schmelzgemisch in eine Gussform und/oder einen Tiegel gegossen wird. Vorteilhafterweise werden durch das Vakuum in der Prozesskammer die oxydischen Einschlüsse und/oder Gasporen in der Schmelze reduziert. Zudem erhöht sich die Schmelzaffinität des Metalls, da eine Oxydhaut auf der Schmelzoberfläche reduziert ist. Darüber hinaus wird das Schmelzgemisch weiterhin unter Vakuum-Bedingungen in die Gussformen oder Warmhaltetiegel gegossen. Vorteilhafterweise ist damit das Risiko der Wasserstoff- und Sauerstoffaufnahme beim Gießen reduziert, und die Formfüllungsfähigkeit der Schmelze bleibt optimal erhalten.The object is achieved in particular by creating a method for alloying metals in a process chamber, the process chamber being evacuated at the beginning. The molten metal, also known as the melt, contains metallic and/or non-metallic components parts added to create a melt mixture. The melt mixture is homogenized in a melt bath, wherein the homogenized melt mixture is poured into a mold and/or crucible. The oxidic inclusions and/or gas pores in the melt are advantageously reduced by the vacuum in the process chamber. In addition, the melt affinity of the metal increases, since an oxide skin on the melt surface is reduced. In addition, the melt mixture is further poured into the molds or holding pans under the vacuum condition. Advantageously, this reduces the risk of hydrogen and oxygen absorption during casting, and the ability of the melt to fill the mold is optimally maintained.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird Schrott, insbesondere Alt-Aluminium, verwendet, um die Schmelze herzustellen. Vorteilhafterweise ist damit insbesondere ein Recycling von Aluminium und eine Herstellung von Sekundäraluminium möglich.In one embodiment of the method, scrap, in particular old aluminum, is used to produce the melt. Advantageously, recycling of aluminum and production of secondary aluminum is thus possible in particular.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Vakuum innerhalb der Prozesskammer mittels einer Reduzierung des Drucks auf mindestens 10^-1 mbar bis zu 10^-5 mbar hergestellt.In a preferred embodiment of the method, the vacuum inside the process chamber is created by reducing the pressure to at least 10 ^-1 mbar down to 10 ^-5 mbar.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Metall außerhalb der Prozesskammer in einem Schmelztiegel geschmolzen und in geschmolzener Form der Prozesskammer zugeführt. Vorzugsweise erfolgt die Zuführung des geschmolzenen Metalls über ein beheiztes Steigrohr mittels einer Druckdifferenz zwischen dem Druck in dem Schmelztiegel und dem Vakuum innerhalb der Prozesskammer. Vorzugsweise wird über ein Druckregelventil die Druckdifferenz eingestellt.In a further embodiment of the method, the metal is melted outside of the process chamber in a crucible and fed to the process chamber in molten form. Preferably, the molten metal is supplied via a heated riser tube by means of a pressure difference between the pressure in the crucible and the vacuum inside the process chamber. The pressure difference is preferably adjusted via a pressure control valve.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird das Metall innerhalb der Prozesskammer in einem Schmelztiegel geschmolzen.In an alternative embodiment of the method, the metal is melted in a crucible within the process chamber.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die Schmelze und/oder das Schmelzgemisch ohne werkstofftechnische Risiken für sehr kurze Zeit überhitzt werden. Vorteilhafterweise sinkt durch die kurzzeitige Überhitzung die Viskosität der Schmelze, und die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile werden optimal in die Schmelze eingebettet.In a preferred embodiment of the method, the melt and/or the melt mixture can be overheated for a very short time without any material-related risks. Advantageously, the viscosity of the melt falls as a result of the short-term overheating, and the metallic and/or non-metallic components are optimally embedded in the melt.

Die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile werden der Schmelze abhängig von den gewünschten Eigenschaften der Legierung zugegeben.The metallic and/or non-metallic components are added to the melt depending on the desired properties of the alloy.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile der Schmelze in Form von Pulver zugegeben.In a preferred embodiment of the method, the metallic and/or non-metallic components of the melt are added in the form of powder.

In einer Ausführungsform des Verfahrens dienen die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile dazu, die Schmelze zu verfeinern. Dazu werden Kornfeinungsmittel, vorzugsweise in Form von Pulver, verwendet. Diese Kornfeinungsmittel weisen vorzugsweise Titan, Bor und/oder Alkali- und/oder Erdalkali-Elemente, vorzugsweise Lithium, Natrium, Calcium, Barium, Strontium, und/oder Beryllium, auf.In one embodiment of the method, the metallic and/or non-metallic components are used to refine the melt. For this purpose, grain refiners, preferably in the form of powder, are used. These grain refiners preferably contain titanium, boron and/or alkali and/or alkaline earth elements, preferably lithium, sodium, calcium, barium, strontium and/or beryllium.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens dienen die metallischen Bestandteile dazu, die Schmelze nachträglich hoch zu legieren. Dazu werden metallische Elemente, vorzugsweise in Form von Pulver, und vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Chrom, Eisen, Kupfer, Silizium, Magnesium, Mangan, Nickel, Zink, Aluminium-Silizium-Legierungen, Aluminium-Eisen-Legierungen, Aluminium-Chrom-Legierungen, Aluminium-Kupfer-Legierungen, Aluminium-Zink-Legierungen, und Mangan-Aluminium-Legierungen verwendet.In a further embodiment of the method, the metallic components are used to subsequently alloy the melt. For this purpose, metallic elements, preferably in the form of powder, and preferably selected from a group consisting of chromium, iron, copper, silicon, magnesium, manganese, nickel, zinc, aluminum-silicon alloys, aluminum-iron alloys, aluminum Chromium alloys, aluminum-copper alloys, aluminum-zinc alloys, and manganese-aluminum alloys are used.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens dienen die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile dazu, die Schmelze zu verstärken. Dazu werden metallische Bestandteile, vorzugsweise in Form von Pulver, und vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einphasigen reinen Metallen, Nickel-Superlegierungen, nanokristallinen Stählen, Hoch-Entropie-Legierungen, Metall-Aluminiden, amorphen metallischen Gläsern und komplexen quasi-amorphen Legierungen verwendet. Alternativ oder zusätzlich werden dazu nicht-metallische Bestandteile verwendet, vorzugsweise in Form von Pulver, und vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Oxyden, Karbiden, Nitriden, Siliziden, Boriden, und Diamanten. Vorzugsweise weisen die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile einen Anteil von bis zu 48-Vol.% in der Legierung auf.In a further embodiment of the method, the metallic and/or non-metallic components serve to strengthen the melt. For this purpose, metallic components, preferably in the form of powder, and preferably selected from a group consisting of single-phase pure metals, nickel superalloys, nanocrystalline steels, high-entropy alloys, metal aluminides, amorphous metallic glasses and complex quasi-amorphous alloys used. Alternatively or additionally, non-metallic components are used, preferably in the form of powder, and preferably selected from a group consisting of oxides, carbides, nitrides, silicides, borides, and diamonds. The metallic and/or non-metallic components preferably have a proportion of up to 48% by volume in the alloy.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weisen die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile Temperaturen auf, welche zwischen der Solidustemperatur und der Liquidustemperatur der Schmelze liegen. Vorteilhafterweise werden dadurch die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile von der Schmelze sofort aufgenommen, vollständig benetzt und umhüllt. Zusätzlich findet während der Umhüllung zusätzlich zu der mechanischen Einbettung der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile auch eine chemische Anbindung mittels Bildung von Kristallisationskeimen an Grenzflächen der Bestandteile statt. Vorzugsweise ist die Bildung von Kristallisationskeimen mittels der Temperaturdifferenz zwischen der Schmelze und den metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen und/oder mittels der Fließgeschwindigkeit der Schmelze kontrollierbar und/oder einstellbar.In a preferred embodiment of the method, the metallic and/or non-metallic components have temperatures which are between the solidus temperature and the liquidus temperature of the melt. In this way, the metallic and/or non-metallic components are advantageously immediately absorbed by the melt, completely wetted and encased. In addition to the mechanical embedding of the metallic and/or non-metallic components, chemical bonding also takes place during the encapsulation by means of the formation of crystallization nuclei at the interfaces of the components. Preferably, the formation of crystal nuclei by means of the temperature difference between the Melt and the metallic and / or non-metallic components and / or controllable by means of the flow rate of the melt and / or adjustable.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren als kontinuierlicher Prozess geführt wird, wobei die Fließrichtungen der Schmelze und des Schmelzgemisches innerhalb der Prozesskammer vordefiniert werden.According to a development of the invention, it is provided that the method is carried out as a continuous process, with the flow directions of the melt and the melt mixture being predefined within the process chamber.

Mittels des kontinuierlichen Prozesses wird eine kontinuierlich fließende Schmelze erzeugt, welche kontinuierlich über Schmelzkanäle innerhalb der Prozesskammer fließt. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche der Schmelze, und die Temperatur der Schmelze kann effektiver kontrolliert und verändert werden, wodurch die Schmelze effektiver entgast wird. Die Viskosität der Schmelze, insbesondere bei beheizten Schmelzkanälen, und die Oberflächenspannung werden reduziert, was zu einer erhöhten Dispersionsfähigkeit und/oder einem erhöhten Aufnahmevermögen der Schmelze führt. Weiterhin wird durch den kontinuierlichen Prozess eine kontinuierliche Zugabe der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile verwirklicht. Außerdem verkürzt sich die Dauer des Verfahrens zum Legieren von Metallen, und eine Legierung einer größeren Schmelzmenge pro Zeiteinheit kann durchgeführt werden.By means of the continuous process, a continuously flowing melt is generated, which flows continuously through melt channels within the process chamber. As a result, the surface area of the melt increases and the temperature of the melt can be controlled and changed more effectively, as a result of which the melt is degassed more effectively. Melt viscosity, particularly in heated melt channels, and surface tension are reduced, resulting in increased dispersibility and/or increased melt absorbency. Furthermore, a continuous addition of the metallic and/or non-metallic components is realized by the continuous process. In addition, the time of the process for alloying metals is shortened, and alloying of a larger melt amount per unit time can be performed.

Vorteilhafterweise können zudem durch die kontinuierliche Prozessführung, insbesondere ohne die Verwendung von stationären Prozessstation, kleinere Schmelzmengen pro Zeiteinheit legiert und flexiblere Legierungszusammensetzungen hergestellt werden. Advantageously, smaller amounts of melt can be alloyed per unit of time and more flexible alloy compositions can be produced as a result of the continuous process management, in particular without the use of stationary process stations.

Unter einem Schmelzkanal wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre eine Vorrichtung verstanden, auf welcher die Schmelze kontinuierlich innerhalb der Prozesskammer fließt. Ein Schmelzkanal weist bevorzugt einen gebogenen oder ebenen Querschnitt auf und dient dazu, die Oberfläche der Schmelze zu vergrößern. Vorzugsweise weist der Schmelzkanal mindestens ein Heizelement zur flexiblen und exakten Temperatursteuerung der Schmelze auf.In the context of the present technical teaching, a melt channel is understood to mean a device on which the melt flows continuously within the process chamber. A melt channel preferably has a curved or flat cross-section and serves to increase the surface area of the melt. The melting channel preferably has at least one heating element for flexible and precise temperature control of the melt.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird an jeder Stelle der Prozesskammer die Fließgeschwindigkeit der Schmelze und/oder des Schmelzgemisches kontrolliert und/oder eingestellt.In an alternative embodiment of the method, the flow rate of the melt and/or the melt mixture is controlled and/or adjusted at every point in the process chamber.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Prozesskammer zuerst mit Schutzgas geflutet und danach evakuiert wird. Es ist damit vorteilhaft möglich die Existenz von Wasserstoff und Sauerstoff noch effizienter zu reduzieren.According to a development of the invention, it is provided that the process chamber is first flooded with protective gas and then evacuated. It is thus advantageously possible to reduce the existence of hydrogen and oxygen even more efficiently.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das geschmolzene Metall in mindestens zwei insbesondere separat geführte Schmelzfilme aufgeteilt wird, wobei in mindestens einen der beiden Schmelzfilme die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile zugegeben werden, wobei die mindestens zwei Schmelzfilme nach der Zugabe der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile zusammengeführt werden. Mittels der Aufteilung in zwei Schmelzfilme wird die Oberfläche der Schmelze nochmals vergrößert. Damit ist eine exaktere und einfachere Zugabe der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile möglich. Die Zusammenführung der mindestens zwei Schmelzfilme nach der Zugabe der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile stellt eine sichere und vollständige Einbettung der Bestandteile innerhalb der Schmelze sicher.According to a development of the invention, it is provided that the molten metal is divided into at least two, in particular separately guided, melted films, with the metallic and/or non-metallic components being added to at least one of the two melted films, with the at least two melted films after the addition of the metallic and / or non-metallic components are brought together. By dividing it into two melt films, the surface of the melt is increased again. A more precise and simpler addition of the metallic and/or non-metallic components is thus possible. The combination of the at least two melt films after the addition of the metallic and/or non-metallic components ensures that the components are securely and completely embedded within the melt.

Unter einem Schmelzfilm wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre eine Anordnung einer Schmelze verstanden, deren räumliche Ausdehnung in einer Dimension klein gegenüber den Ausdehnungen in den beiden anderen Dimensionen ist.In the context of the present technical teaching, a melt film is understood to mean an arrangement of a melt whose spatial extent in one dimension is small compared to the extents in the other two dimensions.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die mindestens zwei Schmelzfilme während ihrer Zusammenführung und vorzugsweise zusätzlich während der Zugabe der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile mittels mindestens einem Heizelement überhitzt. Damit weisen die Schmelzfilme eine reduzierte Viskosität und eine reduzierte Oberflächenspannung auf, was zu einer sehr hohen chemischen Affinität zwischen den mindestens zwei Schmelzfilmen führt. Die chemische Affinität zwischen den mindestens zwei Schmelzfilmen begünstigt zusätzlich die vollständige Einbettung der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile innerhalb der Schmelze.In a preferred embodiment of the method, the at least two melt films are overheated by means of at least one heating element while they are being brought together and preferably also during the addition of the metallic and/or non-metallic components. The melt films thus have a reduced viscosity and a reduced surface tension, which leads to a very high chemical affinity between the at least two melt films. The chemical affinity between the at least two melt films also promotes complete embedding of the metallic and/or non-metallic components within the melt.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Schmelze mittels der Mantelfläche einer konischen Pyramide aufgeteilt und fließt nach Zugabe der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile in einem Rohr weiter. Vorzugsweise erfolgt die Zugabe der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile, vorzugsweise in Pulverform, über eine Dosiervorrichtung in der Bodenfläche der konischen Pyramide. Vorzugsweise weist das Rohr an dem der konischen Pyramide zugewandten Ende eine trichterförmige Einrichtung auf.In a further embodiment of the method, the melt is divided by means of the lateral surface of a conical pyramid and continues to flow in a tube after the metallic and/or non-metallic components have been added. The metallic and/or non-metallic components are preferably added, preferably in powder form, via a dosing device in the bottom surface of the conical pyramid. Preferably, the tube has a funnel-shaped device at the end facing the conical pyramid.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Schmelze mittels zweier ebener Platten, welche sich in einem vordefinierten, insbesondere von 0° und von 180° verschiedenen Winkel berühren, aufgeteilt. Die Schmelze trifft hierbei auf die Verbindung der beiden ebenen Platten auf und wird in zwei Schmelzfilme aufgeteilt. Vorzugsweise befindet sich zwischen den beiden ebenen Platten eine Dosiervorrichtung zur Zugabe der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile, vorzugsweise in Pulverform. Vorzugsweise werden die beiden Schmelzfilme nach Zugabe der metallischen und/der nicht-metallischen Bestandteile zusammengeführt und fließen als Schmelzgemisch auf oder in einem Kanal weiter.In a further embodiment of the method, the melt is divided by means of two flat plates which touch at a predefined angle, in particular different from 0° and from 180°. The melt hits here the junction of the two flat plates and is divided into two melt films. A dosing device for adding the metallic and/or non-metallic components, preferably in powder form, is preferably located between the two flat plates. The two melt films are preferably brought together after the addition of the metallic and/or the non-metallic components and continue to flow as a melt mixture on or in a channel.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Schmelze in zwei Schmelzfilme aufgeteilt, und einem ersten Schmelzfilm werden die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile zugegeben. Anschließend wird der zweite Schmelzfilm von oben auf den ersten Schmelzfilm geleitet. Somit werden die Bestandteile innerhalb der Schmelze sicher und vollständig eingebettet.In a further embodiment of the method, the melt is divided into two melt films, and the metallic and/or non-metallic components are added to a first melt film. The second melt film is then passed from above onto the first melt film. In this way, the components are securely and completely embedded within the melt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schmelze mit Vibrationen beaufschlagt wird, während die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile zugegeben werden. Vorteilhafterweise wird dadurch die Schmelze besser entgast, und die Oberflächenspannung der Schmelze wird reduziert. Darüber hinaus wird durch die Vibrationen das Aufnahmevermögen von metallischen und/oder nicht metallischen Bestandteilen und die Dispersionsfähigkeit der Schmelze vergrößert.According to a development of the invention, it is provided that the melt is subjected to vibrations while the metallic and/or non-metallic components are being added. Advantageously, the melt is better degassed as a result, and the surface tension of the melt is reduced. In addition, the absorption capacity of metallic and/or non-metallic components and the dispersibility of the melt are increased by the vibrations.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schmelzbad eine konische Form, vorzugsweise mit einem halben Öffnungswinkel von mindestens 5° und höchstens 45°, mit einer Querschnitt-Verjüngung in Fließrichtung des Schmelzgemisches aufweist. Vorteilhafterweise staut sich auf Grund der konischen Form das Schmelzgemisch in dem Schmelzbad und somit kann ein konstantes Schmelzgemischvolumen eingestellt werden. Das Schmelzgemischvolumen ist abhängig von der Eintrittsgeschwindigkeit des Schmelzgemisches in das Schmelzbad und von dem Grad der Querschnitts-Verjüngung. Alternativ oder zusätzlich kann weiterhin die Austrittsgeschwindigkeit des Schmelzgemisches aus dem Schmelzbad an die Eintrittsgeschwindigkeit des Schmelzgemisches in das Schmelzbad angepasst werden.According to a further development of the invention, it is provided that the molten pool has a conical shape, preferably with a half opening angle of at least 5° and at most 45°, with a cross-section tapering in the direction of flow of the molten mixture. Advantageously, due to the conical shape, the molten mixture accumulates in the molten pool and a constant volume of the molten mixture can thus be set. The melt mixture volume depends on the entry speed of the melt mixture into the melt pool and on the degree of cross-sectional narrowing. Alternatively or additionally, the exit speed of the melt mixture from the melt bath can be adapted to the entry speed of the melt mixture into the melt bath.

In einer Ausführungsform des Verfahrens tritt das Schmelzgemisch von oben in das Schmelzbad ein und tritt an der Unterseite des Schmelzbades wieder aus.In one embodiment of the method, the molten mixture enters the molten bath from above and exits again at the bottom of the molten bath.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens tritt das Schmelzgemisch von oben in das Schmelzbad ein und fließt nach Durchlaufen des Schmelzbades wieder oben aus dem Schmelzbad heraus. Die Eintrittsposition des Schmelzgemisches in das Schmelzbad und die Austrittsposition des Schmelzgemisches aus dem Schmelzbad heraus sind räumlich voneinander beabstandet.In an alternative embodiment of the method, the molten mixture enters the molten bath from above and, after passing through the molten bath, flows out of the top of the molten bath again. The entry position of the molten mixture into the molten bath and the exit position of the molten mixture out of the molten bath are spatially spaced apart from one another.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schmelzgemisch in dem Schmelzbad mittels eines Resonators und vorzugsweise mittels mindestens einer Reflektorfläche homogenisiert wird.According to a development of the invention, it is provided that the molten mixture in the molten bath is homogenized by means of a resonator and preferably by means of at least one reflector surface.

Der Resonator weist bevorzugt eine mechanische Schwingungsquelle auf, welche niederbis hoch-frequente Schwingungen erzeugt. Die Schwingungsquelle wird vorzugsweise mittels eines elektrischen Motors und/oder eines elektromagnetischen Induktionsfeldes und/oder eines Schallgenerators und/oder eines piezoelektrischen Körpers betrieben. Die Schwingungsquelle erzeugt bevorzugt einstellbare Rotations- und Torsions-Bewegungen des Resonators, welche hoch-frequente Wellen im Schmelzbad erzeugen. Vorteilhafterweise werden damit hohe hydrodynamische Scherkräfte innerhalb der, vorzugsweise kontinuierlich fließenden, Schmelze erzeugt. Aufgrund dieser Scherkräfte, welche vorzugsweise größer sind als die Agglomerations- und/oder Kohäsionskräfte der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile, werden die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile deagglomeriert und/oder voneinander getrennt. Weiterhin werden die einzelnen Phasen des Schmelzgemisches mittels der Scherkräfte verfeinert. Vorteilhafterweise werden zusätzlich die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile von der Schmelze gleichmäßig benetzt. Darüber hinaus werden mittels der Schwingungen die groben und langen Dendriten gebrochen, wodurch feine globulistische Kristalle und/oder Phasen erzeugt und gleichmäßig in dem Schmelzgemisch verteilt werden.The resonator preferably has a mechanical vibration source which generates low to high-frequency vibrations. The vibration source is preferably operated by means of an electric motor and/or an electromagnetic induction field and/or a sound generator and/or a piezoelectric body. The vibration source preferably generates adjustable rotational and torsional movements of the resonator, which generate high-frequency waves in the melt pool. Advantageously, this generates high hydrodynamic shearing forces within the melt, which preferably flows continuously. Due to these shearing forces, which are preferably greater than the agglomeration and/or cohesion forces of the metallic and/or non-metallic components, the metallic and/or non-metallic components are deagglomerated and/or separated from one another. Furthermore, the individual phases of the melt mixture are refined by means of the shearing forces. In addition, the metallic and/or non-metallic components are advantageously evenly wetted by the melt. In addition, the coarse and long dendrites are broken by means of the vibrations, whereby fine globular crystals and/or phases are produced and evenly distributed in the melt mixture.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die mindestens eine Reflektorfläche derart angebracht, dass die vom Resonator erzeugten Wellen mittels der mindestens einen Reflektorfläche gespiegelt und wieder in das Schmelzbad geleitet werden. Damit überlagern sich innerhalb des Schmelzbades die erzeugten und reflektierten Wellen zu zusätzlichen Longitudinal- und/oder Transversalwellen und/oder zentrifugalen Rührwellen.In a preferred embodiment of the method, the at least one reflector surface is attached in such a way that the waves generated by the resonator are reflected by the at least one reflector surface and fed back into the melt pool. The generated and reflected waves are thus superimposed within the melt pool to form additional longitudinal and/or transverse waves and/or centrifugal stirring waves.

In einer Ausführungsform des Verfahrens sind sowohl der Resonator als auch die Schwingungsquelle als zylindrische Stabelemente ausgebildet. Ein Ende des Resonators ist vorzugsweise mit einem Ende der Schwingungsquelle, welche vorzugsweise als mechanische Schwingungsquelle ausgebildet ist, verbunden. In einer axialen Richtung weisen der Resonator und die mechanische Schwingungsquelle bevorzugt einen Winkel von mindestens 90° und höchstens 125° zueinander auf.In one embodiment of the method, both the resonator and the vibration source are designed as cylindrical rod elements. One end of the resonator is preferably connected to one end of the vibration source, which is preferably designed as a mechanical vibration source. In an axial direction, the resonator and the mechanical vibration source preferably have an angle of at least 90° and at most 125° to one another.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist der Resonator als zylindrisches Stabelement ausgebildet. Die Schwingungsquelle, welche bevorzugt als mechanische oder elektromagnetische Schwingungsquelle ausgebildet ist, besteht aus mindestens einem Schwingungselement, welches den Resonator in Umfangsrichtung umschließt.In a further embodiment of the method, the resonator is designed as a cylindrical rod element. The vibration source, which is preferably designed as a mechanical or electromagnetic vibration source, consists of at least one vibration element, which encloses the resonator in the circumferential direction.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens durchläuft das Schmelzgemisch eine Vielzahl von Schmelzbädern hintereinander. Bevorzugt weisen die Schmelzbäder jeweils einen Resonator auf.In a further embodiment of the method, the molten mixture runs through a large number of molten baths in succession. The molten baths preferably each have a resonator.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Verfahren als kontinuierlicher Prozess geführt, wobei die Prozesskammer vorzugsweise zuerst mit einem Schutzgas geflutet und danach evakuiert wird. Alternativ oder zusätzlich wird die Schmelze in mindestens zwei Schmelzfilme aufgeteilt, wobei in mindestens einen der mindestens zwei Schmelzfilme die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile zugegeben werden, während der mindestens eine Schmelzfilm mit Vibrationen beaufschlagt wird. Alternativ oder zusätzlich weist das Schmelzbad eine konische Form, vorzugsweise mit einem halben Öffnungswinkel von mindestens 5° und höchstens 45°, mit einer Querschnitts-Verjüngung in Fließrichtung des Schmelzgemisches auf, wobei das Schmelzgemisch innerhalb des Schmelzbades mittels eines Resonators und vorzugsweise mittels mindestens einer Reflektorfläche homogenisiert wird. In a preferred embodiment of the method, the method is carried out as a continuous process, with the process chamber preferably first being flooded with an inert gas and then being evacuated. Alternatively or additionally, the melt is divided into at least two melt films, the metallic and/or non-metallic components being added to at least one of the at least two melt films, while vibrations are applied to at least one melt film. Alternatively or additionally, the melt pool has a conical shape, preferably with a half opening angle of at least 5° and at most 45°, with a cross-sectional taper in the direction of flow of the melt mixture, the melt mixture within the melt pool being reflected by means of a resonator and preferably by means of at least one reflector surface is homogenized.

Vorteilhafterweise lassen sich mittels dieser bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens Legierungen mit einer hohen Konzentration von metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen und mit einer hohen Homogenität herstellen.Advantageously, alloys with a high concentration of metallic and/or non-metallic components and with a high degree of homogeneity can be produced by means of this preferred embodiment of the method.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass aus dem homogenisierten Schmelzgemisch vor dem Gießen in die Gussform und/oder den Tiegel eine Lösung gebildet wird. Vorteilhafterweise entstehen in dieser Lösung Kristallisationskeime an den Grenzflächen der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile in Form von Primär-Kristallen, Sekundärphasen und/oder stöchiometrisch erzeugten intermetallischen und/oder intermediären Verbindungen.According to a development of the invention, it is provided that a solution is formed from the homogenized melt mixture before it is poured into the mold and/or the crucible. Crystallization nuclei advantageously form in this solution at the interfaces of the metallic and/or non-metallic components in the form of primary crystals, secondary phases and/or stoichiometrically produced intermetallic and/or intermediate compounds.

Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre ist eine Lösung ein Schmelzgemisch mit teilweise erstarrten Phasen und/oder Verbindungen von den metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen mit der Schmelze und/oder Verbindungen von den metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen miteinander.In the context of the present technical teaching, a solution is a melt mixture with partially solidified phases and/or compounds of the metallic and/or non-metallic components with the melt and/or compounds of the metallic and/or non-metallic components with each other.

Die Entstehung von teilweise erstarrten Phasen und/oder Verbindungen von den metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen mit der Schmelze und/oder Verbindungen von den metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen miteinander ist abhängig von einer Temperatur des Schmelzgemisches und einer Verweildauer des Schmelzgemisches in der Prozesskammer. Damit kann vorteilhafterweise mittels einer gezielten Temperatur-Steuerung und/oder einer Einstellung der Verweildauer in der Prozesskammer die Zusammensetzung der Lösung eingestellt werden.The formation of partially solidified phases and/or compounds of the metallic and/or non-metallic components with the melt and/or compounds of the metallic and/or non-metallic components with one another depends on a temperature of the melt mixture and a dwell time of the melt mixture in the process chamber. The composition of the solution can thus advantageously be adjusted by means of targeted temperature control and/or adjustment of the residence time in the process chamber.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Legierungsvorrichtung geschaffen wird, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele eingerichtet ist. In Zusammenhang mit der Legierungsvorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.The object is also achieved by creating an alloying device that is set up to carry out a method according to the invention or a method according to one of the exemplary embodiments described above. In connection with the alloying device, there are in particular the advantages that have already been explained in connection with the method.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels und eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Zugabevorrichtung von metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen zu einem geschmolzenen Metall,
2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Schmelzbades mit einem Resonator und einer Reflektorfläche,
3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Schmelzbades mit einem Resonator und einer Reflektorfläche,
4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels und eines vierten Ausführungsbeispiels eines Schmelzbades mit einem Resonator und einer Reflektorfläche,
5 jeweils ein Schliffbild einer ersten Legierung, einmal hergestellt mittels eines herkömmlichen Verfahrens und einmal hergestellt mittels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden technischen Lehre, und
6 jeweils ein Schliffbild mit Darstellung des Porositätsniveaus einer zweiten Legierung, einmal hergestellt mittels eins herkömmlichen Verfahrens und einmal hergestellt mittels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden technischen Lehre.

The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. show:

1 a schematic representation of a first embodiment and a second embodiment of a device for adding metallic and/or non-metallic components to a molten metal,
2 a schematic representation of a first embodiment of a melt pool with a resonator and a reflector surface,
3 a schematic representation of a second embodiment of a melt pool with a resonator and a reflector surface,
4 a schematic representation of a third embodiment and a fourth embodiment of a melt pool with a resonator and a reflector surface,
5 in each case a micrograph of a first alloy, once produced using a conventional method and once produced using a method according to the present technical teaching, and
6 in each case a micrograph showing the porosity level of a second alloy, once produced using a conventional method and once produced using a method according to the present technical teaching.

1a) zeigt eine schematische Darstellung eines erstes Ausführungsbeispiels einer Zugabevorrichtung 1 zur Zugabe von metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen 3 zu einem geschmolzenen Metall 5, auch Schmelze 5 genannt. Die Schmelze 5 fließt von oben, dargestellt mittels eines Pfeils 7, auf die Spitze einer konischen Pyramide 9. Die Mantelfläche 11 der konischen Pyramide 9 teilt die Schmelze 5 in mindestens zwei Schmelzfilme, einen ersten Schmelzfilm 5.1 und einen zweiten Schmelzfilm 5.2, auf. In der konischen Pyramide 9 ist eine Dosiervorrichtung 13 angebracht, welche die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile 3, vorzugsweise in Form von Pulver, den mindestens zwei Schmelzfilmen 5.1, 5.2 zugibt, um ein Schmelzgemisch 17 zu erzeugen. Die mindestens zwei Schmelzfilme 5.1, 5.2 werden als Schmelzgemisch 17 mittels eines Trichters 15 zusammengeführt und in ein Rohr 19 geleitet. Das Schmelzgemisch 17 fließt in dem Rohr 19 nach unten, dargestellt mittels eines Pfeils 21, aus der Zugabevorrichtung 1 heraus. Der Trichter 15 wird mit Vibrationen 23, dargestellt durch Pfeile 23.1, 23.2, beaufschlagt, um die Einbettung der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile 3 in die Schmelzfilme 5.1, 5.2 zu optimieren. 1a) shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of an adding device 1 for adding metallic and/or non-metallic components 3 to a molten metal 5, also called melt 5. The melt 5 flows from above, represented by an arrow 7, onto the tip of a conical pyramid 9. The lateral surface 11 of the conical pyramid 9 divides the melt 5 into at least two melt films, a first melt film 5.1 and a second melt film 5.2. In the conical pyramid 9 there is a dosing device 13 which adds the metallic and/or non-metallic components 3, preferably in the form of powder, to the at least two melt films 5.1, 5.2 in order to produce a melt mixture 17. The at least two melt films 5.1, 5.2 are brought together as a melt mixture 17 by means of a funnel 15 and fed into a pipe 19. The melt mixture 17 flows downwards in the pipe 19, represented by an arrow 21, out of the feeder 1. The funnel 15 is subjected to vibrations 23, represented by arrows 23.1, 23.2, in order to optimize the embedding of the metallic and/or non-metallic components 3 in the melt films 5.1, 5.2.

1b) zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiel der Zugabevorrichtung 1 zur Zugabe von metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen 3 zu der Schmelze 5. Die Schmelze 5 fließt, in Form von zwei Schmelzfilmen 5.1, 5.2, aus zwei unterschiedlichen Richtungen, dargestellt durch Pfeile 7.1, 7.2, in die Zugabevorrichtung 1 hinein. Der erste Schmelzfilm 5.1 fließt auf einem Schmelzkanal 25. Die Dosiervorrichtung 13 gibt die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile 3, vorzugsweise in Form von Pulver, dem ersten Schmelzfilm 5.1 zu. Nach der Zugabe der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteilen 3 mittels der Dosiervorrichtung 13 und der Erzeugung des Schmelzgemisches 17 wird der zweite Schmelzfilm 5.2 von oben auf den ersten Schmelzfilm 5.1 geleitet. Damit werden die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile 3 zwischen den beiden Schmelzfilmen 5.1, 5.2 eingebettet. Das Schmelzgemisch 17 fließt durch das Rohr 19 aus der Zugabevorrichtung 1 nach unten, dargestellt durch einen Pfeil 21, heraus. Der Schmelzkanal 25 wird mit Vibrationen 23 beaufschlagt, um die Einbettung der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile 3 in den ersten Schmelzfilm 5.1 zu optimieren. 1b) shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of the adding device 1 for adding metallic and/or non-metallic components 3 to the melt 5. The melt 5 flows in the form of two melt films 5.1, 5.2 from two different directions, represented by arrows 7.1 , 7.2, into the adding device 1. The first melt film 5.1 flows on a melt channel 25. The dosing device 13 adds the metallic and/or non-metallic components 3, preferably in the form of powder, to the first melt film 5.1. After the metallic and/or non-metallic components 3 have been added by means of the dosing device 13 and the molten mixture 17 has been produced, the second molten film 5.2 is guided from above onto the first molten film 5.1. The metallic and/or non-metallic components 3 are thus embedded between the two melt films 5.1, 5.2. The melted mixture 17 flows down through the tube 19 from the feeder 1, indicated by an arrow 21, out. Vibrations 23 are applied to the melt channel 25 in order to optimize the embedding of the metallic and/or non-metallic components 3 in the first melt film 5.1.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Schmelzbades 27 mit einem Resonator 29 und mindestens einer Reflektorfläche 31, hier bevorzugt zwei Reflektorflächen 31. Insbesondere im Fall einer Reflektorfläche 31 ist diese bevorzugt konisch ausgebildet. Das Schmelzbad 27 weist in Fließrichtung 33 des Schmelzgemisches 17 eine konische Form, vorzugsweise mit einem halben Öffnungswinkel von mindestens 5° und höchstens 45°, mit einer Querschnitts-Verjüngung auf. Der Resonator 29 ist mittig in dem Schmelzbad 27 angeordnet. An der Randfläche 35 sind die Reflektorflächen 31 angebracht. Durch das Rohr 19 fließt das Schmelzgemisch 17 in das Schmelzbad 27 hinein, dargestellt durch den Pfeil 37. Aus dem Schmelzbad 27 fließt in Fließrichtung 33 ein homogenisiertes Schmelzgemisch 39 heraus. 2 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a molten bath 27 with a resonator 29 and at least one reflector surface 31, here preferably two reflector surfaces 31. In the case of a reflector surface 31 in particular, this is preferably of conical design. The molten bath 27 has a conical shape in the flow direction 33 of the molten mixture 17, preferably with a half opening angle of at least 5° and at most 45°, with a cross-sectional taper. The resonator 29 is arranged in the center of the molten bath 27 . The reflector surfaces 31 are attached to the edge surface 35 . The melted mixture 17 flows through the pipe 19 into the melted bath 27, represented by the arrow 37. A homogenized melted mixture 39 flows out of the melted bath 27 in the direction of flow 33.

Der Resonator 29 weist eine mechanische Schwingungsquelle, welche hier nicht dargestellt ist, auf. Die Schwingungsquelle erzeugt, vorzugsweise mittels eines elektrischen Motors und/oder eines elektromagnetischen Induktionsfeldes und/oder eines Schallgenerators und/oder eines piezoelektrischen Körpers, nieder- bis hoch-frequente Schwingungen. Die Schwingungsquelle beaufschlagt damit den Resonator 29 mit einstellbaren Rotations- und Torsions-Bewegungen, welche hoch-frequente Wellen im Schmelzbad 27 erzeugen. Vorteilhafterweise werden damit hohe hydrodynamische Scherkräfte innerhalb des, vorzugsweise kontinuierlich fließenden, Schmelzgemisches 17 erzeugt. Aufgrund dieser Scherkräfte, welche vorzugsweise größer sind als die Agglomerations- und/oder Kohäsionskräfte der metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile 3, werden die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile 3 deagglomeriert und/oder voneinander getrennt. Weiterhin werden die einzelnen Phasen des Schmelzgemisches 17 mittels der Scherkräfte verfeinert. Vorteilhafterweise werden zusätzlich die metallischen und/oder nicht-metallischen Bestandteile 3 von der Schmelze 5 gleichmäßig benetzt. Darüber hinaus werden mittels der Schwingungen die groben und langen Dendriten gebrochen, wodurch feine globulistische Kristalle und/oder Phasen erzeugt und gleichmäßig in dem Schmelzgemisch 17 verteilt werden.The resonator 29 has a mechanical vibration source, which is not shown here. The vibration source generates low- to high-frequency vibrations, preferably by means of an electric motor and/or an electromagnetic induction field and/or a sound generator and/or a piezoelectric body. The vibration source thus applies adjustable rotational and torsional movements to the resonator 29 , which generate high-frequency waves in the melt pool 27 . Advantageously, this generates high hydrodynamic shearing forces within the melt mixture 17, which preferably flows continuously. Due to these shearing forces, which are preferably greater than the agglomeration and/or cohesion forces of the metallic and/or non-metallic components 3, the metallic and/or non-metallic components 3 are deagglomerated and/or separated from one another. Furthermore, the individual phases of the melt mixture 17 are refined by means of the shearing forces. In addition, the metallic and/or non-metallic components 3 are advantageously evenly wetted by the melt 5 . In addition, the coarse and long dendrites are broken by means of the vibrations, whereby fine globular crystals and/or phases are generated and evenly distributed in the melt mixture 17 .

Die vom Resonator 29 erzeugten Wellen werden mittels der Reflektorflächen 31 gespiegelt und wieder in das Schmelzbad 27 geleitet. Damit überlagern sich innerhalb des Schmelzbades 27 die erzeugten und reflektierten Wellen zu zusätzlichen Longitudinal- und/oder Transversalwellen in Fließrichtung 33 des Schmelzgemisches 17.The waves generated by the resonator 29 are reflected by the reflector surfaces 31 and fed back into the molten pool 27 . The generated and reflected waves are thus superimposed within the molten bath 27 to form additional longitudinal and/or transverse waves in the direction of flow 33 of the molten mixture 17.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Schmelzbades 27 mit einem Resonator 29 und mindestens einer Reflektorfläche 31, hier bevorzugt zwei Reflektorflächen 31. Das zweite Ausführungsbeispiel des Schmelzbades 27 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel des Schmelzbades 27 aus 2 darin, dass das Schmelzbad U-förmig ausgebildet ist und damit das Schmelzgemisch durch das Rohr 19 von oben in das Schmelzbad 27 eintritt und das homogenisierte Schmelzgemisch 39 nach oben aus dem Schmelzbad 27 wieder austritt. Damit durchläuft das Schmelzgemisch 17 den Resonator 29 und die Reflektorflächen 31 von unten nach oben. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a melt bath 27 with a resonator 29 and at least one reflector surface 31, here preferably two reflector surfaces 31. The second embodiment of the melt bath 27 differs from the first embodiment of the melt bath 27 2 in that the molten bath is U-shaped and the molten mixture thus enters the molten bath 27 from above through the pipe 19 and the homogenized molten mixture 39 exits the molten bath 27 upwards again. The melt mixture 17 thus passes through the resonator 29 and the reflector surfaces 31 from bottom to top.

4a) zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Schmelzbades 27 mit einem Resonator 29 und mindestens einer Reflektorfläche 31, hier bevorzugt zwei Reflektorflächen 31. Das dritte Ausführungsbeispiel des Schmelzbades 27 entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel des Schmelzbades 27 aus 2 mit dem einzigen Unterschied, dass der Resonator 29 und die Reflektorflächen 31 nicht vertikal angeordnet sind, sondern einen Winkel a mit der Vertikalen einschließen. Vorzugsweise ist der Winkel a, gegen den Uhrzeigersinn gemessen, größer ist als 0° und kleiner als 90°. 4a) shows a schematic representation of a third exemplary embodiment of a melt bath 27 with a resonator 29 and at least one reflector surface 31, here preferably two reflector surfaces 31. The third exemplary embodiment of the melt bath 27 corresponds to the first exemplary embodiment of the melt bath 27 from 2 with the only difference that the resonator 29 and the reflector surfaces 31 are not arranged vertically but enclose an angle α with the vertical. Preferably, the angle α, measured counterclockwise, is greater than 0° and less than 90°.

4b) zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Schmelzbades 27 mit einem Resonator 29 und mindestens einer Reflektorfläche 31, hier bevorzugt zwei Reflektorflächen 31. Das vierte Ausführungsbeispiel des Schmelzbades 27 unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel des Schmelzbades 27 aus 3 dadurch, dass der Resonator 29 und die Reflektorflächen 31 nicht vertikal angeordnet sind, sondern einen Winkel a mit der Vertikalen einschließen. Vorzugsweise ist der Winkel a, im Uhrzeigersinn gemessen, größer ist als 0° und kleiner als 90°. Weiterhin unterscheidet sich die vierte Ausführungsform des Schmelzbades 27 von der zweiten Ausführungsform des Schmelzbades 27 darin, dass das homogenisierte Schmelzgemisch 39 nach unten aus dem Schmelzbad 27 herausfließt. Jedoch durchläuft das Schmelzgemisch 17 den Resonator 29 und die Reflektorflächen 31, wie in 3, von unten nach oben. 4b) shows a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of a melt bath 27 with a resonator 29 and at least one reflector surface 31, here preferably two reflector surfaces 31. The fourth exemplary embodiment of the melt bath 27 differs from the second exemplary embodiment of the melt bath 27 3 in that the resonator 29 and the reflector surfaces 31 are not arranged vertically but enclose an angle α with the vertical. Preferably, angle α, measured clockwise, is greater than 0° and less than 90°. Furthermore, the fourth embodiment of the melt bath 27 differs from the second embodiment of the melt bath 27 in that the homogenized melt mixture 39 flows out of the melt bath 27 downwards. However, the melted mixture 17 passes through the resonator 29 and the reflector surfaces 31, as in FIG 3 , from bottom to top.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden eine Vielzahl von Schmelzbädern 27 hintereinandergeschaltet. Die Schmelzbäder 27 weisen bevorzugt jeweils einen Resonator 29 auf. Die Vielzahl von Schmelzbädern 27 weist Schmelzbäder nach dem ersten Ausführungsbeispiel aus 2 und/oder nach dem zweiten Ausführungsbeispiel aus 3 und/oder nach dem dritten Ausführungsbeispiel aus 4a) und/oder aus dem vierten Ausführungsbeispiel aus 4b) auf.In a further exemplary embodiment, a large number of molten baths 27 are connected in series. The melt baths 27 preferably each have a resonator 29 . The plurality of molten pools 27 indicates molten pools according to the first embodiment 2 and/or according to the second exemplary embodiment 3 and/or according to the third exemplary embodiment 4a) and/or from the fourth exemplary embodiment 4b) on.

Die Zugabevorrichtung 1 und das Schmelzbad 27 sind Vorrichtungen in einer Legierungsvorrichtung, welche eine Prozesskammer, eine Zugabevorrichtung 1 und ein Schmelzbad 27 aufweist, und welche zur Durchführung eines Verfahrens zum Legieren von Metallen eingerichtet ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zunächst wird die Prozesskammer evakuiert, vorzugsweise nachdem die Prozesskammer mit einem Schutzgas geflutet wurde. Weiterhin wird ein Metall, vorzugsweise innerhalb der Prozesskammer, geschmolzen. Danach fließt das geschmolzene Metall 5 in einem kontinuierlichen Prozess durch die Prozesskammer. Dabei werden in einem ersten Schritt der Schmelze 5 metallische und/oder nicht-metallische Bestandteile 3, vorzugsweise in Pulverform, zugegeben, um ein Schmelzgemisch 17 zu erzeugen. Vorzugsweise erfolgt die Zugabe mittels einer Zugabevorrichtung 1 gemäß des ersten oder des zweiten Ausführungsbeispiels aus 1. In einem zweiten Schritt wird das Schmelzgemisch 17 in einem Schmelzbad 27 homogenisiert. Vorzugsweise ist das Schmelzbad 27 gemäß des Ausführungsbeispiels aus 2 ausgebildet. In einem dritten Schritt wird das homogenisierte Schmelzgemisch 39 in eine Gussform und/oder einen Tiegel, vorzugsweise einen Warmhaltetiegel, gegossen.The adding device 1 and the molten bath 27 are devices in an alloying device which has a process chamber, an adding device 1 and a molten bath 27 and which is set up for carrying out a method for alloying metals. The method comprises the following steps: First, the process chamber is evacuated, preferably after the process chamber has been flooded with an inert gas. Furthermore, a metal is melted, preferably within the process chamber. Thereafter, the molten metal 5 flows through the process chamber in a continuous process. In a first step, metallic and/or non-metallic components 3 , preferably in powder form, are added to the melt 5 in order to produce a melt mixture 17 . The addition preferably takes place by means of an addition device 1 according to the first or the second exemplary embodiment 1 . In a second step, the molten mixture 17 is homogenized in a molten bath 27 . Preferably, the molten pool 27 according to the embodiment 2 educated. In a third step, the homogenized melt mixture 39 is poured into a mold and/or a crucible, preferably a holding crucible.

5a) zeigt ein Schliffbild einer ersten Legierung 41, hergestellt mittels eines herkömmlichen Verfahrens und zusätzlich unter Verwendung eines Kornfeinungsmittels. 5b) zeigt ein Schliffbild der ersten Legierung 41, hergestellt mittels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden technischen Lehre und zusätzlich unter Verwendung des Kornfeinungsmittels. Ein Vergleich der beiden Schliffbilder macht deutlich, dass die erste Legierung in 5b) deutlich homogener ist, als die erste Legierung in 5a). In 5a) sind deutlich mindestens zwei unterschiedliche Phasen, nämliche eine erste Phase 43 und eine zweite Phase 45 erkennbar. 5a) FIG. 4 shows a micrograph of a first alloy 41, produced by a conventional method and additionally using a grain refiner. 5b) shows a micrograph of the first alloy 41, produced by a method according to the present technical teaching and additionally using the grain refiner. A comparison of the two micrographs makes it clear that the first alloy in 5b) is significantly more homogeneous than the first alloy in 5a) . In 5a) at least two different phases, namely a first phase 43 and a second phase 45 are clearly recognizable.

6a) zeigt ein Schliffbild einer zweiten Legierung 47, hergestellt mittels eines herkömmlichen Verfahrens. 6b) zeigt ein Schliffbild der zweiten Legierung 47, hergestellt mittels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden technischen Lehre. In 6b) sind keine Poren erkennbar, wohingegen die zweite Legierung 45 in 6a) deutliche Poren 49 aufweist. 6a) FIG. 4 shows a micrograph of a second alloy 47 made by a conventional method. 6b) shows a micrograph of the second alloy 47, produced by a method according to the present technical teaching. In 6b) no pores are visible, whereas the second alloy has 45 in 6a) clear pores 49 has.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 3586999 A1 [0004]

Claims

Method for alloying metals in a process chamber, wherein - The process chamber is evacuated, wherein - a metal is melted, wherein - Metallic and/or non-metallic components (3) are added to the molten metal (5) in order to produce a molten mixture (17), wherein - The melt mixture (17) is homogenized in a melt bath (27), wherein - the homogenized melt mixture (39) is poured into a mold and/or crucible.

procedure after claim 1 , wherein the method is carried out as a continuous process, wherein flow directions (7, 21, 33, 37) of the molten metal (5) and the melt mixture (17) are predefined within the process chamber.

Method according to one of the preceding claims, wherein the process chamber is first flooded with an inert gas and then evacuated.

Method according to one of the preceding claims, in which the molten metal (5) is divided into at least two molten films (5.1, 5.2), the metallic and/or non-metallic components (3 ) are added, the at least two melt films (5.1, 5.2) being brought together after the addition of the metallic and/or non-metallic components (3).

A method according to any one of the preceding claims, wherein vibrations (23) are applied to the molten metal (5) while the metallic and/or non-metallic ingredients (3) are being added.

Method according to one of the preceding claims, wherein the melt pool (27) has a conical shape, preferably with a half opening angle of at least 5° and at most 45°, with a cross-sectional taper in the flow direction (33) of the melt mixture (17).

Method according to one of the preceding claims, in which the molten mixture (17) in the molten bath (27) is homogenized by means of a resonator (29) and preferably by means of at least one reflector surface (33).

A method according to any one of the preceding claims, wherein a solution is formed from the homogenized melt mixture (39) prior to pouring into the mold and/or crucible.

Alloying apparatus set up to carry out a method according to any one of the preceding claims.