DE19924896A1 - Siliciumnitrid-Werkstoffe und daraus hergestellte Bauteile für die Verarbeitung von Leichtmetallschmelzen - Google Patents
Siliciumnitrid-Werkstoffe und daraus hergestellte Bauteile für die Verarbeitung von LeichtmetallschmelzenInfo
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Abstract
Begasungsrührer (Impeller) zur Reinigung von Metallschmelzen werden aus einem neuen Siliciumnitrid-Werkstoff hergestellt.
Description
Zur Reinigung von Metallschmelzen, insbesondere Aluminium und Aluminium
legierungen, werden üblicherweise feinverteilte Gase in die Schmelze eingedüst. So
besteht bei flüssigem Aluminium die Notwendigkeit, den gelösten Wasserstoff zu
entfernen, welcher sonst an Aluminiumgußteilen, wie Kraftfahrzeugfelgen, zu Poren
führen würde, die einerseits die Stabilität des Gußteils herabsetzen können und
andererseits auf der Oberfläche des Gußteils optisch unerwünscht sind. Man entfernt
den Wasserstoff sowie feine Feststoffpartikel, indem man Argon, Stickstoff oder
Chlor in die Schmelze eindüst. Die eingedüsten aufsteigenden Gasblasen entfernen
den Wasserstoff über Lösungs- bzw. im Falle von Chlor über chemische
Bindungsprozeße. In der Technik rührt man mit sogenannten Impellern die Schmelze
um und verteilt gleichzeitig das Gas. Die Impeller bestehen im allgemeinen aus
einem ca. 1000 mm langen Grafitrohr, an dem unten ein Teller mit Gasver
teilungsvorrichtungen befestigt ist. Die Verbindungen von Grafitrohr und Teller kann
wegen der leichten Bearbeitbarkeit des Grafit z. B. mittels Trapezgewinde erfolgen.
Die Standzeiten solcher Grafit-Impeller betragen infolge korrosiven und abrasiven
Angriffs nur wenige Wochen. Neben diesen wirtschaftlichen Aspekt besteht das
Risiko, daß Grafitstaub bzw. Grafitteilchen in die aus der Schmelze hergestellten
Gußteile eingeschlossen werden.
Rotoren für die genannte Anwendung sind seit langem bekannt und es gibt eine
Vielzahl vorgeschlagener konstruktiver Lösungen (z. B. EP 0 396 267, US 3 982 913,
US 5 364 078, US 4 802 656, US 5 709 834). Hierbei werden jedoch überwiegend
sehr komplexe Geometrien beschrieben und, wenn überhaupt ein Werkstoff
vorgeschlagen wird, so handelt es sich um den leicht bearbeitbaren Grafit mit den
bereits beschriebenen Nachteilen. In DE 195 39 621 wird auch die Verwendung von
Si3N4 oder SiAlON vorgeschlagen und eine relativ einfache, auf diese schwer
bearbeitbaren Werkstoffe abgestimmte Konstruktion offenbart. Praxistests zeigten
jedoch, daß diese Konstruktion bei weitem nicht die Entgasungswirkung der heute
verfügbaren Grafit-Impeller erreichen.
An einen verbesserten Werkstoff bestehen demzufolge die Forderungen nach hoher
Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit gegenüber den Schmelzen und Schlacken,
sowie eine ausreichende Thermoschockbeständigkeit, um beim Eintauchen in die
heiße Schmelze keine Schädigung zu bewirken. Für eine gute Thermoschock
beständigkeit sind eine hohe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie ein geringer
Elastizitätsmodul und Wärmedehnungskoeffizient Voraussetzung. Eine gute Festig
keit wird andererseits durch eine hohe Bruchzähigkeit und eine geringe Defektgröße
bewirkt.
Forderungen an das herzustellende Bauteil bestehen in einer einfachen Herstellung,
einer günstigen Konstruktion bezüglich Größe, Gewicht und Komplexität des Teils
sowie der Anbindung an die Antriebswelle. Dies führt zu geringen Kosten für das
Bauteil und bei nachgewiesener ausreichender Wirksamkeit zu einer hohen
Akzeptanz für eine praktische industrielle Anwendung.
Obwohl solche Thermoschock-resistenten Keramiken bereits häufig im Zusammen
hang mit der Leichtmetall-Schmelzmetallurgie in Form von einfachen mechanischen
Strukturen wie Rohren, z. B. als Schmelzeheber, eingesetzt werden und ihre Eignung
für den Einsatz in Leichtmetallschmelzen damit nachgewiesen ist, sind mechanisch
kompliziertere Bauteile aus Keramik aufgrund des prohitbitiv-hohen Bearbeitungs
aufwandes und damit der Kosten bisher nicht im nennenswerten Umfang im Einsatz.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die mit dem Einsatz
von Grafit-Impellern verbundenen Nachteile und Risiken werkstoffseitig zu über
winden, wobei eine große Entgasungswirkung gegeben sein muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch, einen Begasungsrührer zur Verfügung
zu stellen, der mit minimalem mechanischen Bearbeitungsaufwand hergestellt
werden kann. Insbesondere soll der Bearbeitungsaufwand nach dem Sintern minimal
gehalten werden.
Es wurde ein Siliciumnitrid-Werkstoff gefunden, der dadurch gekennzeichnet ist, daß
er wenigstens aus 75 Vol.-% β-Si3N4, weniger als 3 Vol.-% freiem Si, weniger als 5
Vol.-% Porosität und als Rest aus einer Sekundärphase aus zugesetzten üblichen
Sinteradditiven besteht, wobei der Werkstoff bei einer Tauchbehandlung in einer Al-
basierenden Schmelze von 850°C nach 100 h nur eine Gewichtsänderung von
weniger als 1 Gew.-% aufweist und bei zyklischen Tauchversuchen in diese
Schmelze nach 500 Zyklen keine nachweisbare Schädigung des Werkstoffes auftritt,
charakterisiert durch die Aufnahme von Resonanzfrequenzspektren vor und nach der
Tauchbehandlung und einer max. erlaubten Verschiebung von Resonanzfrequenzen
von ≦ 0,1%.
Der erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich besonders für die Herstellung von
Impellern mit Gasverteilungsvorrichtungen zum Reinigen von Metallschmelzen.
Dabei zeigte sich überraschenderweise, daß als erfindungsgemäßer Werkstoff das
reaktionsgebundene und nachgesinterte Siliciumnitrid (SRBSN) eine hervorragende
Lösung für die gegebene Aufgabe darstellt. Dieser Werkstoff ist mit vergleichsweise
kostengünstigen Rohstoffen herstellbar, im Stadium einer Vornitridierung mit
normalen spanabhebenden Verfahren bearbeitbar und erreicht nach der Sinterung bei
nur noch geringer Restporosität das erwünschte Eigenschaftsspektrum.
Derartige Werkstoff-Proben wurden in Al-basierenden Schmelzen von 850°C einer
seits in Form einer Langzeit-Tauchbehandlung bezüglich der Korrosionsbeständig
keit, andererseits über zyklische Tauchversuche bezüglich des Thermoschockver
haltens charakterisiert. Bei diesen Tauchversuchen zeigte sich, daß der erfindungs
gemäße Werkstoff von der Al-Schmelze nur wenig benetzt wird und nach dem
Entfernen der Probe aus der Schmelze anhaftendes Al mittels Gasstrom abgeblasen
werden kann. Kriterien für eine Eignung des Werkstoffes für die Anwendung in
derartigen Schmelzen waren eine Gewichtsänderung von weniger als 1 Gew-% nach
100 h stationärer Auslagerung bzw. ein Überstehen von 500 Tauchversuchen in diese
Schmelze mit zwischenzeitlicher Abkühlung durch Luftanblasung, ohne daß eine
Schädigung feststellbar war.
Die Charakterisierung der Gewichtsänderung erfolgt durch einfaches Wiegen der
Proben vor und nach der Tauch-Auslagerung in die Al-Schmelze, wobei anhaftende
Al- und Schlackenreste durch Abblasen unmittelbar nach der Entfernung aus der
Schmelze oder durch vorsichtiges Sandstrahlen entfernt werden. Die Charakteri
sierung einer Thermoschock-Schädigung durch die zyklischen Tauchversuche erfolgt
durch Aufnahme der Resonanzfrequenzspektren vor und nach den Versuchen. Dabei
werden auf der zu prüfenden Probe oder dem Bauteil elektrodynamische Wandler in
Form eines Senders und von Empfängern angebracht und mit Frequenzen zwischen
0,1 bis 2 MHz des Senders im Teil Schwingungen erzeugt und registriert. Dieses
Schwingungsspektrum ist ein "Fingerprint" des Teils und verändert sich bei Ände
rungen der Form (Abbrüchen) oder auftretenden Schädigungen, wie z. B. Rissen. Als
Kriterium für eine kritische Schädigung des Teils wurden Veränderungen der
Resonanzfrequenz-Reflexe von ≧ 0,1% festgelegt.
Die Bewertung verschiedener Siliciumnitrid-Werkstoffqualitäten nach diesem Ver
fahren führten zu dem Schluß, daß die Bewertungskriterien dann erfüllt werden,
wenn der Werkstoff aus mindestens 75 Vol.-% β-Si3N4 besteht, die Restporosität < 5
Vol.-% beträgt, maximal 3 Vol-% freies Si und als Rest auf 100% Sekundärphase
vorliegen. Bei weniger als 75% β-Si3N4 und mehr als 5% Porosität ist die
Thermoschockbeständigkeit nicht mehr gewährleistet. Mehr als 3 Vol.-% freies Si
führt zu Einschlüssen im Werkstoff und reduziert dessen Festigkeit. Entsprechend
höhere Gehalte an Sekundärphase als 20 Vol.-% vermindern die Korrosions- als auch
die Abrasionsbeständigkeit und führen dadurch zu höheren Gewichtsänderungen als
das erfindungsgemäß spezifizierte Limit.
Besonders günstige Korrosions-, Abrasions- und Thermoschock-Beständigkeiten
werden erhalten, wenn der Werkstoff wenigstens aus 80 Vol.-% β-Si3N4, weniger als
2 Vol.-% freiem Si, 3 bis 1 Vol.-% Porosität und als restlichen Bestandteil einer
Sekundärphase besteht, die amorph oder teilkristallin sein kann. Die Phasengehalte
werden üblicherweise ermittelt durch quantitative Gefügeanalyse von Anschliffen,
ergänzt durch röntgenographische Phasenanalyse.
Als Sinteradditive eignen sich all jene Stoffkombinationen, die bei höherer
Temperatur mit dem im Ausgangsmaterial vorliegenden Sauerstoff, der als SiO2 vor
liegend angesehen wird, eine schmelzflüssige Phase ausbildet, die ein Flüssig
phasensintern des Si3N4-basierenden Formkörpers gestattet. Derartige Additive sind
MgO, CaO, Y2O3, La2O3, CeO2, Nd2O3, TiO2, ZrO2, B2O3, Al2O3 oder Verbindungen
dieser Oxide in Form von z. B. MgAl2O4, Al2TiO5 etc. und ggf zusätzlich SiO2. Die
Kombination und Konzentration der einzelnen Zusätze muß dabei so abgestimmt
werden, daß sich aus der Reaktion mit dem Sauerstoffgehalt der Ausgangs
materialien, die als SiO2 angesehen werden, die erwünschte Charakteristik und Kon
zentration an Sekundärphase ausbildet.
Als besonders vorteilhaft erwies sich das Verfahren zur Herstellung von Teilen aus
diesem Werkstoff, insbesondere bezüglich der Flexibilität der Bauteil-Geometrie. Als
Ausgangsmaterialien für diese Werkstoffe haben sich Si-Pulver mit einer mittleren
Korngröße < 50 µm und einer Reinheit ≧ 95% bewährt. Bei gröberen Pulvern gibt es
Probleme mit der Umsetzung bei der sogenannten Nitridierung, d. h. der Reaktion des
Si mit dem N2 der Atmosphäre beim Glühen, bei geringeren Reinheiten als 95% sind
Nebenbestandteile in so hohen Konzentrationen vorhanden, daß es zu Einschlüssen
kommt und die erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes nicht
mehr erreicht werden. Derartige Pulver werden mit den genannten Sinteradditiven
intensiv durch eine Trocken- oder Naßmahlung vermischt, getrocknet, granuliert und
durch ein geeignetes Formgebungsverfahren wie axiales oder isostatisches Pressen
zu einem Formteil geformt. Dieses Formteil kann nun sehr vorteilhaft bis zu einer
Gewichtszunahme von 20 Gew-% infolge der Reaktion des Si mit dem Stickstoff
einer inerten, Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre vornitridiert und dabei
verfestigt werden, so daß danach eine mechanische Bearbeitung erfolgen kann. Diese
kann mit normalen spanabhebenden Verfahren wie Sägen, Bohren, Fräsen, Drehen
und auch Schleifen erfolgen, so daß damit die Endkontur des Teils vorgeformt
werden kann. Dem schließt sich die Endnitridierung an bei Temperaturen ≦ 1600°C,
wobei ein Restsiliciumgehalt von ≦ 3 Vol.-% angestrebt wird. Bei dieser
Endnitridierung tritt eine lineare Schwindung von weniger als 2% ein, was dem
Erhalt der komplexen Endgeometrie sehr förderlich ist. Zur Verringerung der
Porosität und Erhöhung der mechanischen Eigenschaften schließt sich daran eine
Sinterung bei Temperaturen von ≦ 1760°C unter 1 bar N2 oder ≦ 2100°C unter 100
bar N2 an, wobei die Sinterbedingungen an die Konzentration und Kombination der
zugesetzten Sinteradditive und dem Zielwert der Preßporosität < 5 Vol.-% anzu
passen sind. Dabei tritt eine lineare Schwindung von ≦ 14% ein, die deutlich ge
ringer ist als bei sonstigen über die Pulverroute hergestellten dichten keramischen
Werkstoffen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß
dem Siliciumpulver und den Sinteradditiven zusätzlich 50 Gew-% Siliciumnitrid
pulver der mittleren Korngröße < 10 µm und der Reinheit 95% zugesetzt werden
und diese Mischung wie beschrieben aufbereitet und zu Formteilen verarbeitet wird.
Siliciumnitridpulver mit höherer mittlerer Korngröße behindern den Sinterprozeß
und bei geringerer Reinheit liegen Fremdbestandteile in solchen Konzentrationen
vor, daß sie als Einschlüsse wirken und die mechanischen Eigenschaften reduzieren
können. Der Vorteil des Zusatzes von Si3N4-Pulver liegt darin, daß es als inerter
Füllstoff die exotherme Reaktion zwischen Si und N2 vermindert und dadurch den
Nitridierungsprozeß beschleunigt durchzuführen gestattet.
Besonders günstige Bedingungen für die mechanische Bearbeitung der vornitridier
ten Teile liegen vor, wenn die Formkörper nur 1-10 Gew-% Gewichtszunahmen,
bezogen auf den Si-Gehalt des Grundwerkstoffes aufweisen. Diese Bearbeitung im
vornitridierten Zustand ermöglicht die Herstellung sehr komplexer Formkörper und
Bauteile, die nach der Endsinterung nur noch einer Bearbeitung an Funktionsflächen
und Passungen bedürfen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für eine wirtschaft
lich akzeptable Herstellung von großvolumigen, komplex geformten Siliciumnitrid-
Bauteilen für Anwendungen mit hoher thermischer, korrosiver, abrasiver und
Thermoschock-Beanspruchung.
Ein Beispiel für die Verwendung dieser Werkstoffe und Bauteile sind Reinigungs-
und Entgasungsrührer für Al-basierende Schmelzen. Derartige Rührer sind im
wesentlichen als scheibenförmige Körper mit zentraler achsialer Bohrung ausgeführt,
um sie an einer Antriebswelle befestigen zu können. Durch diese Welle erfolgt eine
Gaszufuhr, entweder nur achsial zentral mit Austritt am unteren Ende der Welle oder
aber mit einer Umlenkung im Bereich der Befestigung in radiale Bohrungen, um das
Gas am Umfang des Rotors austreten zu lassen. Profilierungen am Umfang dienen
dazu, die Gasblasen weiter zu zerkleinern und sie intensiv in der Schmelze zu
verwirbeln. Die Oberseite der Scheibe ist zum äußeren Rand hin abfallend
ausgebildet, damit beim Herausfahren des Rotors die Al-Schmelze abfließen kann.
An der Unterseite des Rotors können ferner flächige Profilierungen angebracht
werden, um sowohl eine Rühr- als auch eine Pumpwirkung zu erreichen.
Zur Fixierung des Rotors an einer handelsüblichen Antriebswelle hat sich eine
konische Ausbildung der zentralen Bohrung bewährt, um formschlüssig ein Abfallen
des Rotors zu vermeiden. Die Fixierung selbst an der Welle kann z. B. mit einem
Grafitdorn mit Außengewinde erfolgen, wofür es handelsübliche Lösungen gibt.
Beim Einfahren des Rotors bzw. der gesamten Entgasungsvorrichtung empfiehlt sich
die Einstellung eines bereits leicht strömenden Gasstroms, um ein Eindringen der
Schmelze in die Bohrungen zu verhindern. Ebenso ist beim Herausfahren aus der
Schmelze zu verfahren, um die Bohrungen frei zu halten.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines derartigen Rotors mit den entsprechenden
Fixierungsteilen zeigt Fig. 1. Im Test hat dieser Rotor die gleich gute Entgasungs
wirkung wie handelsübliche Grafit-Entgasungsrotoren erreicht. Desweiteren erwies
sich der verwendete Werkstoff als wesentlich beständiger gegen korrosiven und
abrasiven Angriff als Grafitteile gemäß dem Stand der Technik, wodurch die
erfindungsgemäße Aufgabe erfüllt ist.
Die erfindungsgemäße Verwendung dieses Werkstoffes und Bauteils ist nicht auf Al-
Schmelzen beschränkt, sondern erstreckt sich auf eine Vielzahl von Leicht- und
Buntmetall-Schmelzen als auch auf verschiedene Anwendungen, wie z. B. Gießlöffel,
Düsen, Ventilsysteme inklusive Schieberplatten etc. Eine Begrenzung ist alleine
darin zu sehen, daß das Bauteil Wandstärken von 30 mm Dicke nicht überschreiten
darf. Der Werkstoff und daraus hergestellte Bauteile nach dem spezifizierten
Verfahren sind desweiteren für eine Vielzahl von Anwendungen mit thermischer,
korrosiver und/oder abrasiver Beanspruchung geeignet.
Die Impeller mit Gasverteilungsvorrichtungen können wie folgt charakterisiert
werden:
Ziel ist es, das Behandlungsgas möglichst gut verteilt in Form möglichst kleiner Blasen gleichmäßig in der Schmelze zu verteilen und gleichzeitig eine gute Durchmischung der Metallschmelze zu erreichen, ohne daß die Schmelzbadober fläche übermäßig bewegt wird und es dadurch zum Eintrag aufschwimmender Salzzellen in die Schmelze kommt. In diesem Fall handelt es sich um einen in der Regel rotationssymmetrischen Körper (1), der, am Ende eines Schaftes befestigt, in die Schmelze getaucht wird. Die Befestigung kann zum einen durch Aufschrauben des mit einer zentrischen Gewindebohrung versehenen Rotors auf das untere Ende des Schaftes erfolgen. Zum Vermeiden einer Schraubverbindung, wie es in diesem Fall angebracht ist, bietet sich eine Verbindung gemäß Fig. 1 an, bei der der Rotor von oben auf den Schaft des Rotors geschoben und durch die Konizität des Schaftes am Abfallen gehindert wird. Mittels einer Querbohrung oder Nut (4) im Rotor wird dieser gegen ein Verrutschen oder Verdrehen gesichert. Das Gas wird durch eine während des Betriebes herrschende hohe Umfangsgeschwindigkeit in kleine Blasen zerteilt, was durch die Profilierung am Umfang (5) noch verstärkt wird. Die Profilierung wurde so ausgelegt, daß einerseits eine ausreichende Zerkleinerung der Blasen und eine ausreichende Durchmischung der Metallschmelze erfolgt. Die Form der Profilierung und die Verrundung der Übergänge bewirkt dabei andererseits, daß die Schmelze nicht übermäßig in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Letztere würde sich aufgrund der Trichterbildung um den Schaft herum und des daraus resultierenden Eintrags von Oberflächenoxiden in die Schmelze negativ auf die Metallqualität auswirken. Mittels einer optionalen Profilierung der Rotorunterseite kann zusätzlich eine Pumpwirkung erzeugt werden. Dabei wird während der Drehung des Rotors durch eine geeignete Ausrichtung von Nuten und Stegen die Schmelze vom Zentrum des Rotors nach außen oder in umgekehrter Richtung beschleunigt, wodurch sich je nach Ausführung unterschiedliche vertikale Zirkulationsströmungen im Schmelzegefäß ergeben, die wiederum für eine gute Durchmischung des Metalls und für eine erwünschte, verlängerte Verweilzeit der Gasblasen in der Schmelze sorgen. In besonderen Fällen kann damit auch der Trichterbildung um den Schaft herum entgegengewirkt werden.
Ziel ist es, das Behandlungsgas möglichst gut verteilt in Form möglichst kleiner Blasen gleichmäßig in der Schmelze zu verteilen und gleichzeitig eine gute Durchmischung der Metallschmelze zu erreichen, ohne daß die Schmelzbadober fläche übermäßig bewegt wird und es dadurch zum Eintrag aufschwimmender Salzzellen in die Schmelze kommt. In diesem Fall handelt es sich um einen in der Regel rotationssymmetrischen Körper (1), der, am Ende eines Schaftes befestigt, in die Schmelze getaucht wird. Die Befestigung kann zum einen durch Aufschrauben des mit einer zentrischen Gewindebohrung versehenen Rotors auf das untere Ende des Schaftes erfolgen. Zum Vermeiden einer Schraubverbindung, wie es in diesem Fall angebracht ist, bietet sich eine Verbindung gemäß Fig. 1 an, bei der der Rotor von oben auf den Schaft des Rotors geschoben und durch die Konizität des Schaftes am Abfallen gehindert wird. Mittels einer Querbohrung oder Nut (4) im Rotor wird dieser gegen ein Verrutschen oder Verdrehen gesichert. Das Gas wird durch eine während des Betriebes herrschende hohe Umfangsgeschwindigkeit in kleine Blasen zerteilt, was durch die Profilierung am Umfang (5) noch verstärkt wird. Die Profilierung wurde so ausgelegt, daß einerseits eine ausreichende Zerkleinerung der Blasen und eine ausreichende Durchmischung der Metallschmelze erfolgt. Die Form der Profilierung und die Verrundung der Übergänge bewirkt dabei andererseits, daß die Schmelze nicht übermäßig in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Letztere würde sich aufgrund der Trichterbildung um den Schaft herum und des daraus resultierenden Eintrags von Oberflächenoxiden in die Schmelze negativ auf die Metallqualität auswirken. Mittels einer optionalen Profilierung der Rotorunterseite kann zusätzlich eine Pumpwirkung erzeugt werden. Dabei wird während der Drehung des Rotors durch eine geeignete Ausrichtung von Nuten und Stegen die Schmelze vom Zentrum des Rotors nach außen oder in umgekehrter Richtung beschleunigt, wodurch sich je nach Ausführung unterschiedliche vertikale Zirkulationsströmungen im Schmelzegefäß ergeben, die wiederum für eine gute Durchmischung des Metalls und für eine erwünschte, verlängerte Verweilzeit der Gasblasen in der Schmelze sorgen. In besonderen Fällen kann damit auch der Trichterbildung um den Schaft herum entgegengewirkt werden.
Optional erhält der Rotor auf seiner Oberseite eine schräg abfallende Fläche (6) von
Innen nach Außen, um das Ablaufen der Metallschmelze beim Herausziehen des
Rotors aus der Schmelze zu erleichtern. Dies ist besonders unter dem Gesichtspunkt
sinnvoll, daß aufgrund des verwendeten Werkstoffes keine Benetzung mit der
Aluminiumschmelze erfolgt und sich somit die Reinigung allenfalls auf das
Entfernen einer lose aufliegenden, dünnen Oxidhaut beschränkt.
1
Rotorscheibe
2
Bohrung zur Befestigung an Welle, bevorzugt konisch
3
Radiale Gasdüsen (optional)
4
Querbohrung bzw. Nut zur Fixierung an Welle
5
Profilierungen am Umfang
6
Schräge zur Förderung des Ablaufens der Schmelze (optional)
Claims (15)
1. Siliciumnitrid-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens aus 75
Vol.-% β-Si3N4, weniger als 3 Vol.-% freiem Si, weniger als 5 Vol.-%
Porosität und als Rest aus einer Sekundärphase aus zugesetzten üblichen
Sinteradditiven besteht, wobei der Werkstoff bei einer Tauchbehandlung in
einer Al-basierenden Schmelze von 850°C nach 100 h nur eine Gewichts
änderung von weniger als 1 Gew.-% aufweist und bei zyklischen Tauch
versuchen in diese Schmelze nach 500 Zyklen keine nachweisbare
Schädigung des Werkstoffes auftritt, charakterisiert durch die Aufnahme von
Resonanzfrequenzspektren vor und nach der Tauchbehandlung und einer
max. erlaubten Verschiebung von Resonanzfrequenzen von ≦ 0,1%.
2. Siliciumnitrid-Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er
aus wenigstens 80 Vol.-% β-Si3N4, weniger als 2 Vol.-% freiem Si, 3 bis 1
Vol.-% Porosität und als Rest aus einer Sekundärphase besteht, die amorph
oder teilkristallin sein kann.
3. Siliciumnitrid-Werkstoff nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Sinteradditive MgO, CaO, Y2O3, La2O3 CeO2, Nd2O3, TiO2, ZrO2,
B2O3, Al2O3 oder Verbindungen dieser Oxide in Form von z. B. MgAl2O4,
Al2TiO5 und gegebenenfalls zusätzlich SiO2 in Konzentrationen zugesetzt
werden, daß sich aus der Reaktion mit dem Sauerstoffgehalt der Aus
gangsmaterialien Si und gegebenfalls Si3N4, der als SiO2 vorliegend ange
sehen wird, die erfindungsgemäße Konzentration an Sekundärphase ausbildet.
4. Verfahren zur Herstellung von Si3N4-Werkstoffen nach 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß reines Siliciumpulver mit einer mittleren Korngröße < 50 µm
und einer Reinheit ≧ 95% und übliche Sinteradditive intensiv durch eine
Trocken- oder Naßmahlung vermischt werden, nach der Trocknung und
Granulierung die Mischung durch ein geeignetes Formgebungsverfahren
geformt wird, dieses Teil zur Verfestigung in N2- oder N2-enthaltender inerter
Atmosphäre geglüht wird, bis eine Gewichtszunahme durch Reaktion des
Stickstoffs mit dem Silicium von ≦ 20 Gew.-% bezogen auf den Si-Gehalt
erreicht ist, dieser Körper mechanisch zur Endform bearbeitet und an
schließend bei Temperaturen von ≦ 1600°C in den genannten
Gasatmosphären solange geglüht wird, bis ein Restsiliciumgehalt von < 3
Vol.-% vorliegt, wobei während der Glühung eine lineare Schwindung von
weniger als 2% eintritt. An diese Nitridierung schließt sich eine Sinterung an,
die bei Temperaturen von ≦ 1760°C unter 1 bar N2 oder ≦ 2100°C unter 100
bar N2 erfolgt unter Anpassung der Bedingungen an die Konzentration und
Kombination der zugesetzten Sinteradditive und dem Zielwert einer
Restporosität < 5 Vol.-%, wobei eine lineare Schwindung von ≦ 14% eintritt.
5. Verfahren zur Herstellung des Siliciumnitrid-Werkstoffs gemäß 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß Siliciumpulver mit einer mittleren Korngröße
< 50 µm und einer Reinheit ≧ 95% und ≦ 50 Gew.-% Siliciumnitridpulver der
mittleren Korngröße < 10 µm und einer Reinheit ≧ 95% sowie übliche
Sinteradditive als Ausgangsmaterialien eingesetzt und wie in Anspruch 4
spezifiziert verarbeitet und in einen dichten Sinterkörper überführt werden.
6. Verfahren zur Herstellung des Siliciumnitrid-Werkstoffs nach Anspruch 4
und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtszunahme bei der Vor
glühung vor der mechanischen Bearbeitung, bezogen auf den Si-Gehalt des
Werkstoffes, 1 bis 10 Gew.-% beträgt.
7. Verfahren nach Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Sinter
additive MgO, CaO, Y2O3, La2O3 CeO2, Nd2O3, TiO2, ZrO2, B2O3, Al2O3 oder
Verbindungen dieser Oxide in Form z. B. von MgAl2O4, Al2TiO5 etc. und
gegebenenfalls zusätzlich SiO2 in Konzentrationen zugesetzt werden, daß sich
aus der Reaktion mit dem Sauerstoffgehalt der Ausgangsmaterialien Si und
gegebenfalls Si3N4, gerechnet als SiO2, die erfindungsgemäße Konzentration
an Sekundärphase ausbildet.
8. Verwendung der Siliciumnitrid-Werkstoffe nach Ansprüchen 1 bis 3 zur
Herstellung von großvolumigen, komplex geformten Bauteilen.
9. Verwendung der Siliciumnitrid-Bauteile gemäß Anspruch 8 in Anwendungen mit hoher
thermischer, korrosiver, abrasiver und Thermoschock-Beanspruchung.
10. Verwendung der Siliciumnitrid-Bauteile nach Anspruch 8 in Form von
Rührern für die Reinigungs- und Entgasungsbehandlung von Al-basierenden
Schmelzen.
11. Verwendung der Bauteile nach Anspruch 8 für die Verarbeitung von Buntmetall
schmelzen.
12. Entgasungsrührer gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich
im wesentlichen um einen scheibenförmigen Körper mit zentraler achsialer
Bohrung zur Befestigung an einer Antriebswelle handelt, gegebenenfalls mit
Profilierung am Umfang und einer Gasdurchleitungsvorrichtung in nur
zentraler, achsialer Richtung und/oder Umlenkung dieser Gasführung in
mehrere radiale, am Bauteilumfang austretende Bohrungen.
13. Rührer für Metallschmelzen gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Scheibe vom äußeren Umfang zur zentralen Befestigungs
bohrung zunimmt und gegebenenfalls flächig strukturiert ist, insbesondere an
der Unterseite, um neben einer Rühr- auch eine Pumpwirkung zu erreichen,
die im Schmelzgefäß für eine überlagerte, vertikale Zirkulationsströmung und
damit für eine längere Verweilzeit der Spülgasblasen in der Schmelze sorgt.
14. Rührer für Metallschmelzen gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Umfang eine derartige Profilierung angebracht ist, daß einerseits
eine Zerkleinerung der Gasblasen und Durchmischung der Schmelze erfolgt,
andererseits die Schmelzbadoberfläche nicht übermäßig bewegt wird, um den
Eintrag von Verunreinigungen zu minimieren.
15. Rührer für Metallschmelzen gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberseite schräg abfallend gestaltet ist, um ein Ablaufen des Metalls
zu gewährleisten, wodurch, zusammen mit den Werkstoffeigenschaften (für
Al unbenetzbar), die Notwendigkeit einer Reinigung fast vollständig entfällt.
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