DE2041476A1

DE2041476A1 - Verfahren zur Erzeugung eines Festkoerpers aus einer fluessigen Masse durch in einer Richtung erfolgendes Erstarren

Info

Publication number: DE2041476A1
Application number: DE19702041476
Authority: DE
Inventors: Pfann William Gardner
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-08-20
Filing date: 1970-08-20
Publication date: 1971-03-04
Also published as: NL7012111A; GB1318725A; BE754962A; FR2058114A5; US3620686A

Description

Die Erfindung betrifft die Erzeugung eines Festkörpers aus einer Schmelze oder Lösung durch gerichtetes Erstarren.

Die Kontrolle der kristallinen MikroStruktur von Metallen und Legierungen hat die Metallurgen immer beschäftigt. Seit neuem hat sich das Interesse auf das Phänomen der Superplaetizität konzentriert« Es wurde festgestellt,
daß einige Legierungen, wenn sie in geeigneter Weise behandelt worden sind, einer Dehnung um das 10- bis 20-fache Standhalten können, bevor ein Bruch eintritt. Dies hat zur Untersuchung neuer Metallfertigungeverfahren wie das Blasen von Metallblattn geführt« Das erwähnt« Phänomen

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war mit dem Vorhandensein einer kleinkörnigen kristallinen MikroStruktur verbunden. Solche Mikrostrukturen wurden durch Verfahren wie Extrudieren, Warmverformen während der Abkühlung und Kaltbearbeitung, aller mit Querschnitteverringerungen von der Größenordnung von mindestens den 5-fachen erzeugt. Diese Verfahren erfordern die Aufwendung großer Mengen mechanischer Energie. Bei manchen Legierungssystemen können siehe Mikrostrukturen durch Wärmebehandlung allein erzielt werden, beispielsweise bei dem Zn-Al-System, bei welchem ein Bereich von k Legierungen bei erhöhten Temperaturen einphasig ist und bei Raumtemperatur zweiphasig. Der Phasenwechsel beim Abkühlen erzeugt die gewünschte MikroStruktur. Es wurde festgestellt, daß es schwierig ist, feinkörnige Mikrostrukturen in einphasigen Materialien zu erzeugen, da das Vorhandensein der zweiten Phase das Kornwachstum begrenzt.

Das normale Erstarren ist ein wichtiger Vorgang bei der Materialreinigung, da während der Erstarrung gewöhnlich ein großer Unterschied zwischen der Konzentration eines Fremdstoffes in der Flüssigkeit und in dem Festkörper besteht. Wenn beispielsweise der Festkörper eine viel P geringere Konzentration als die Flüssigkeit enthält, werden die Fremdstoffe vor der eich vorwärtsbewegenden Flüssigkeit-Festkörper-Grenzfläche vor sich hergeschtenmt.

Dies ergibt eine höhere Konzentration der Fremdstoffe in der Diffusionsschicht in der Flüssigkeit direkt vor der Grenzfläche als gewöhnlich in der Flüssigkeit, was den Einschluß von mehr Fremdstoff im Festkörper zur Folge hat, als unter Berücksichtigung des Gleichgewichtβverteilungekoeffizienten zu erwarten wäre· Diese Diffusionstchicht kann nicht durch Bewegen oder Rühren der Flüssigkeit allein aufgebrochen werden.

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Es wurde festgestellt, daß das Reiben des Festkörpers an der Festkörper-Flüssigkeit-Grenzfläche mit einem nichtreagierenden Festkörper während der Erstarrung eines zweiphasigen Materials eine feinkörnige MikroStruktur mit etwa gleichachsigen Körnern ergibt. Ferner verhindert das Aufbrechen der Grenzschicht durch die Reibwirkung örtliche Diffusionswirkungen, wie die Zellenstruktur, welche durch herkömmliches Unterkühlen erzeugt wird. Wenn das Material bei der Erstarrungstemperatur einphasig ist, ermöglicht dieses Aufbrechen der Grenzschicht eine viel engere Annäherung an die Gleichgewichtsverteilung gelöster Stoffe zwischen der Flüssigkeit und dem Festkörper. Bei einphasigen Materialien führt die Anwendung der Erfindung nicht notwendigerweise zu einer wesentlichen Verringerung der Korngröße, da das Kornwachstum durch das Vorhandensein einer zweiten Phase nicht verhindert oder verzögert wird. In bestimmten Fällen (z.B. Bi) kann die MikroStruktur multifiziert werden, da die Körner, obwohl sie nur etwas kleiner sind, immer noch etwa gleichachsig und nicht in der Wachstumsriehtung durch die 10:1-Verhältnisse gedehnt sind, welche für in einer Richtung erstarrte Materialien typisch sind. Dieses weitgehend anwendbare Verfahren zur Erzeugung feinkörniger Legierungen erfordert nur eine sehr kleine mechanische Energie, da es sehr nahe dem Schmelzpunkt des Materials arbeitet, bei welchem dieses schwach ist.Außer auf Legierungssysteme, bei welchen sich das Interesse auf die neuen Fertigungsverfahren konzentriert, die durch das Phänomen der Superplastizität bedingt sind, sowie auf die Kontrolle der Festigkeitseigenschaften, der magnetischen Eigenschaften und der Supraleitfähigkeit des Materials ist die Erfindung auf einen weiten Bereich von nichtmetallischen anorganischen und organischen mehrphasigen Systemen anwendbar. Bei der Anwendung auf einphasige Systeme wird durch die Erfindung eine wirksamere Seigerung von Fremdstoffen während der normalen Erstarrung

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erzielt. Der Zweck dieser normalen Erstarrung kann die Reinigung des Festkörpers sein, beispielsweise bei der Entsalzung von Wasser oder für die Konzentration der Fremdstoffe in der Flüssigkeit oder am Ende des Festkörpers zur leichteren Identifizierung.

In der beiliegenden Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht, teilv.'eise im Schnitt, eines beispielsweisen Erstarrungsgerätes;

% Fig. 2"eine schaubildliche Ansicht eines Keil-Reibkörpers

und

Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht eines Reibkörpers in Form einer Rotierfeile.

Die hier beschriebene Erfindung ist auf einen weiten Bereich von Materialien, Materialsystemen und Kombinationen von Materialien anwendbar. Zu diesem gehören mehrphasige metallische und nichtmetallische Systeme und einphasige Materialien mit oder ohne geringfügige Bestandteile oder Fremdstoffe. Zu den mehrphasigen Metallegierungen gehören beispielsweise eutektische Systeme, wie Pb-Sn, Sn-Zn, Ψ Al-Si und Ag-Cu, sowie nichteutektische Systeme, wie Phosphorbronzen und die Aluminiumbasis-Nickelbasis- und Zinkbasis-Gußlegierungen. Als nichtmetallische und organische und anorganische mehrphasige Systeme können genannt werden, Azobenzolbenzyl und Kohlenstofftetrabromidhexachloräthan. Die einphasigen Stoffe, auf welche die Erfindung anwendbar ist, umfassen alle kristallinen Materialien, die aus einer Schmelze oder Lösung gezüchtet werden können. Unter den Metallen sind zu nennen Pb, Sn, Bi und Ge sowie halbleitende Verbindungen, wie InSb. zu den vielen organischen Verbindungen gehören Benzolsäure,

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und Acetamilid. Eines der wichtigeren anorganischen Systeme ist Wasser, das Salz in Lösung enthält.

Ein Gerät zur Anwendung der Erfindung muß eine Einrichtung zur Erzeugung einer gerichteten Erstarrung, einen nichtreagierenden festen Reibkörper und eine Einrichtung zur Erzeugung der Reibbewegung besitzen. Ein mögliches Verfahren, durch welches eine gerichtete Erstarrung für ein geeignetes Materialsystem herbeigeführt werden kann, besteht darin, daß ausreichend Wärme in den einen Teil des Gerätes eingeleitet wird, um das Material in einem geschmolzenen Zustand zu halten, und diese Wärme im anderen Teil des Gerätes abgeleitet wird.Die gerichtete Erstarrung kann dann dadurch herbeigeführt werden, daß das erstarrende Material mit Bezug auf die Wärmequelle bewegt wird.

Ein Reibkörper können viele verschiedene Formen haben. In Fig. 1 ist eine Drahtbürste 14 dargestellt, die an einer Welle 18 befestigt ist, Fig. 2 zeigt einen Keil 21, der in ähnlicher Weise an einer Welle 22 befestigt ist, während Fig. 3 eine Rotierfeile 31 zeigt. Viele verschiedene Arten von Reibbewegungen können ebenfalls angewendet werden. Die Bewegung kann eine einfache Drehung, eine Drehung mit einer Parallelverschiebungsachse, eine hin und her gehende Bewegung, die in der Ebene der Flüssigkeit-Festkörper-Grenzfläche stationiert, oder eine Vibrationsbewegung sein, die senkrecht zur Flüssigkeit -Festkörper-Grenzfläche in Kombination mit einer der anderen Bewegungen stattfindet. Ferner müssen geeignet« Mittel vorgesehen werden, durch welche der Reibkörper mit der fortschreitenden Festkörper-Flüssigkeit- Grenzfliehe in Kontakt gehalten wird. Zusammengesetzte Strukturen können, wenn gewünscht, dadurch erhalten werden, daß die Reibwirkung nur Über einen Teil der Ober-

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fläche des erstarrenden Körpers ausgeübt wird. Beispiele

Fig. 1 zeigt beispielsweise ein Gerät, das eine Heizeinrichtung 15 aufweist, welche Wärmeenergie direkt oder elektromagnetische Energie von hoher Frequenz liefern kann, wenn die erstarrende Flüssigkeit ein elektrischer Leiter oder in einem Leiter enthalten ist. Bei der dargestellten Anordnung wird die Wärmeenergie in ein Kühlmittelbad 11 abgeleitet. Die Bewegung des Reibkörpers14,

fe der als Drahtbürste dargestellt ist, wird durch einen Bewegungsgenerator 16 erzeugt, der irgend ein einfacher Drehantrieb sein kann. Die Welle 18 und der Reibkörper m können sich frei auf- und abbewegen und der Reibkörper wird mit der FestkÜrper-Flüssigkeits-Grenzfläche durch eine Last 17 in Kontakt gehalten. Um eine gerichtete Erstarrung zu erzielen, wird das Aufnahmerohr 19 mit einer geregelten Geschwindigkeit durch die Heizeinrichtung 15 hindurch in das Kühlmittelbad 11 abgesenkt. Mit einem Gerät der dargestellten Art wurde eine Anzahl Versuche für die Anwendung der Erfindung unter Verwendung des Keils 21 und der Rotierfeile 31 (welche sowohl mit als auch entgegen der Schneidrichtung zur Drehung angetrieben

i wurde* sowie mit der Drahtbürste m durchgeführt. Diese

Versuche erfolgten unter Verwendung der eutektischen Systeme Pb-Sn Sn-Zn sowohl von der eutektischen Zusammensetzung als auch mit anderen als eutektischen Zusammensetzungen. Die verwendete Bewegung war eine einfache Drehung nit Geschwindigkeiten zwischen 25 und 850 Umdrehungen je Minute. Es wurden Wachstumsgeschwindigkeiten zwischen 1,27 cm und 30,18 cm je Stunde benutzt. Typische Temperaturgefälle waren 50° C je Zentimeter. Die auf den Reibkörper ausge

übten Belastungen schwankten zwischen 80 und HOO Gn Die mittlere Korngröfte, die bei allen diesen Versuchen erzeugt wurde, schwankte zwischen etwa S und 20 Mikron,

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was in dem für die Superplastizität interessierenden Bereich liegt (Alden, Acta Met 15 (1967) 471). In diesen Körnern konnte keine lamellare oder dendritische Substruktur festgestellt werden.

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Tabelle 1 Pb-Sn System

Zusammensetzung

Wachstumsgeschwindigkeit (cm /hr)

U/min.

Korngröße (Mikron)

Last Reibkörper Innerhalb des
(Gramm) Reibbereiches

Außerhalb des Reibbereiches

eutektisch

cn to cn

0,2 Pb-O,8 Sn

1,27

3,30 2,16

5,08 2,54 2,54

25

75

850

100 13 25

Rotierfeile	quer	15
	längs	15
Rotierfeile	quer längs	CD CD
Rotierfeile	quer längs	10 10
Drahtbürste	quer längs	cn cn
Keil	quer längs	20 20
Rotierfeile	quer längs	15 15

200 >2000

1000 >2000

>2000

100 >2000

200 >2000

1000

"⁹" 20Λ1476

In den Fallen, in welchen der Reibkörper nicht den ganzen Grenzflächenbereioh berührte, zeigten die Bereiche in denen keine Reibung ausgeübt wurde und die den Reibungsbereichen unmittelbar benachbart waren die typische Korngröße zwischen 100 und 2000Mikron bei der Betrachtung mit einem quer zur Wachstumsrichtung geführten Schnitt» Die Körner waren bei der Betrachtung im Längsschnitt typisch größer als zwei Millimeter lang parallel zur Richtung der Erstarrung. Diese Körner zeigten die typischen lamellaren und dendritischen SubStrukturen. Durch diese Versuche wurde angezeigt, daß die Reibgeschwindigkeit und die Wachstumsgeschwindigkeit kein dominierender Faktor bei der Bestimmung der Kormgröße waren. Ferner zeigen die Versuche an, daß die Korngröße von der Glühzeit bei Temperaturen in der Nähe der Erstarrungstemperatur so abhängt, daß höhere Wachstumsgeschwindigkeiten und größere Temperaturgefälle kleinere Konngrößen oder sogar amorphe Materialien ergeben. Bei Verwendung von in der beschriebenen Weise hergestellten Materialien konnte eine superplastische Dehnung demonstriert werden.

Bei einem Versuch, der unter Verwendung der eutektischen Pb-Sn-Zusammensetzung durchgeführt wurde, jedoch nur unter Anwendung einer Rührwirkung ohne Kontakt zwischen dem festen Reibkörper und der Grenzfläche,wurde beobachtet, daß die Korngröße in diesem Falle der Korngröße ähnlich war, die in den Teilen der Festkörper ohne Reibbehandlung bei den vorangehend beschriebenen Versuchen beobachtet wurde, und es war die typische lamellare eutektische Struktur vorhanden» Wenn das Material auch einphasiges Material wie Bi oder Pb, fiel die Korngröße in den Bereich von 100 bis 2000 Mikron.Im Falle von Bi jedoch wurden diese Körner durch das Reiben in der Weise beeinflußt, daß sie etwa gleichachsig und in der Wachstumsrichtung nicht gedehnt waren.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche

Flüssigkeitsmasse durch in einer Richtung erfolgendes ^ Erstarren, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtrea-

gierender Körper mit dem Festkörper während der Erstarrung an der Grenzfläche zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeitsmasse in Kontakt gehalten und gegen diesen gerieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich des Festkörpers von einem einphasigen Material ausgegangen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich des Festkörpers von einem mehrphasigen Material ausgegangen wird.
4. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibwirkung drehend und in der Ebenee* der Grenzfläche erzeugt wird.
5. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibwirkung in der Ebene der Grenzfläche hin und hergehend ist.
6. Verfahren nach Anspfuch H und 5, dadurch gekennzeich net, daß die Drehachse der drehenden Reibbewegung parallel zur Grenzfläche verlagert wird.

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7. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibwirkung in einer Richtung senkrecht zur Grenzfläche eine Vibrations-.wirkung ist.
8. Festkörper, gekennzeichnet durch die Herstellung nach dem Verfahren gemäß den vorangehenden Ansprüchen .

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