DE4011346A1

DE4011346A1 - Transportrohr und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE4011346A1
Application number: DE4011346A
Authority: DE
Inventors: Marcus Preston Borom; Lawrence Edward Szala; Milivoj Konstantin Brun; Steven Alfred Miller; David Paul Maurer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-04-17
Filing date: 1990-04-07
Publication date: 1990-10-18
Also published as: FR2645938A1; US5011049A; IT1239904B; JPH0328591A; GB9008457D0; IT9020060A0; IT9020060A1; GB2232971A; DE4011346C2; GB2232971B

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Transport- bzw. Übertragungsrohres aus einem hochdichten Rohr aus keramischem Oxid mit dessen äußerer Oberflächenwand eine Abdeckung aus keramischem Oxid geringer Dichte direkt verbunden ist.

In der Vergangenheit sind wegen ihrer chemischen Inert heit und ihrer Beständigkeit gegenüber thermischem Schock Rohr geringer Dichte aus Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid zur Übertragung von geschmolzenem Metall benutzt worden. Ein Nachteil der Rohre geringer Dichte ist es, daß sie mechanisch schwach sind und Bruchstücke, die für die Eigenschaften des übertragenen Metalles sehr nachteilig sind, abbrechen und in den übertragenen Strom aus ge schmolzenem Metall eintreten. Häufig zerbrechen die Rohre geringer Dichte auch. Darüber hinaus haben Rohre geringer Dichte rauhe Oberflächen, die spezifische Be reiche großer Oberfläche darstellen, an denen Oxide und Schlacke haften und schließlich die Durchgänge blockie ren können. Andererseits sind hochdichte Rohr nicht brauchbar wegen ihrer geringen Beständigkeit gegenüber thermischem Schock.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile des Standes der Technik durch Schaffung eines integralen Transportrohres, das zusammengesetzt ist aus einem hochdichten Rohr aus keramischen Oxid, dessen äußere Oberflächenwandung vorzugsweise von einem keramischen Oxidmaterial geringer Dichte eingehüllt ist. Das Mate rial geringer Dichte hat eine thermische Leitfähigkeit, die ausreichend geringer ist als die des hochdichten Rohres, um den Aufbau von thermischen Spannungen darin zu verhindern, die auch eine merkliche nachteilige Wirkung auf das hochdichte Rohr haben würden. Darüber hinaus hat das hochdichte Rohr bei dem erfindungsge mäßen Transportrohr eine glatte oder doch im wesent lichen glatte Oberfläche, was das Haften von Oxid oder Schlacke beseitigt oder merklich vermindert.

Der Fachmann wird ein weitergehendes und besseres Ver stehen der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detaillierten Beschreibung gewinnen, die unter Bezug nahme auf die Zeichnung erfolgt, in der im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transportrohres;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Transport rohres;

Fig. 3 den Querschnitt einer Ausführungsform einer Baueinheit, die brauchbar ist zur Ausführung des Verfahrens zum Herstellen des erfindungs gemäßen Transportrohres und

Fig. 4 die Baueinheit der Fig. 3 nach dem Sintern zur Herstellung des erfindungsgemäßen Trans portrohres.

Kurz gesagt ist das erfindungsgemäße Transport- bzw. Übertragungsrohr zusammengesetzt aus einem hohlen, hoch dichten Rohr, mit dessen äußerer Oberflächenwand direkt eine einzelne zusammenhängende Hülle geringer Dichte ver bunden ist, wobei sowohl das hochdichte Rohr als auch die Hülle geringer Dichte aus einem polykristallinen, keramischen Oxidmaterial zusammengesetzt sind, das hoch dichte Rohr eine Dichte von mindestens 90% seiner theoretischen Dichte hat und ein Durchgang sich durch die Länge des hochdichten Rohres erstreckt, dessen Quer schnittsfläche zur Übertragung von geschmolzenem Metall dadurch zumindest ausreicht, die Dichte der Hülle liegt im Bereich von etwa 40% bis etwa 80% seiner theoreti schen Dichte, die Hülle hat eine thermische Leitfähig keit von mindestens etwa 10% unterhalb der des hochdichten Rohres und sie weist einen thermischen Ausdehnungskoeffi zienten innerhalb von etwa ±25% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des hochdichten Rohres auf.

Der Begriff "Metall", wie er in der vorliegenden Anmel dung benutzt wird, schließt auch Metallegierungen, ins besondere Superlegierungen ein.

Fig. 1 zeigt ein Transportrohr 1, mit einem hochdichten Rohr 2 aus keramischem Oxid, das sowohl an seinem obe ren Endteil 3, d.h. dem Eintrittsende für das geschmol zene Metall als auch an seinem unteren Endteil 4, d.h. dem Austrittsende für das geschmolzene Metall, offen ist. Ein Durchgang 5 erstreckt sich durch das Rohr 2 und in dieser speziellen Ausführungsform hat der Durchgang 5 über seine ganze Länge die gleiche Querschnittsfläche. Eine Hülle 6 aus keramischem Oxid geringer Dichte ist direkt mit der äußeren Oberflächenwand 7 des hochdichten Rohres 2 verbunden.

Fig. 2 zeigt ein Transportrohr 10, das aus einem hoch dichten Rohr 11 aus keramischem Oxid zusammengesetzt ist, das sowohl an seinem oberen Endteil 12, durch das das geschmolzene Metall in das Rohr eintritt, als auch an seinem unteren Endteil 13, durch das das geschmolzene Metall aus dem Rohr austritt, offen ist. Ein Durchgang 14 erstreckt sich durch das Rohr 11 und bei dieser spe ziellen Ausführungsform nimmt der Durchgang 14 vom obe ren Endteil 12 zum unteren Endteil 13 hinsichtlich der Querschnittsfläche ab. Eine Hülle 15 aus keramischem Oxid geringer Dichte ist direkt mit der äußeren Ober flächenwand 16 des hochdichten Rohres 11 verbunden.

Bei dem erfindungsgemäßen Transportrohr ist das hoch dichte Rohr ein Hohlkörper mit zwei offenen Enden, d.h. einem Eintritts- und einem Austrittsende. Es weist einen Durchgang auf, der sich über die ganze Länge erstreckt, d.h. durch beide offenen Enden. Die Querschnittsfläche des Durchgangs reicht zumindest aus, den Durchgang von geschmolzenem Metall durch das Rohr von oben nach unten zu gestatten. Die spezielle Querschnittsfläche des Durchgangs hängt hauptsächlich von der jeweiligen An wendung des Transportrohres ab und wird empirisch be stimmt. Im allgemeinen liegt die Querschnittsfläche des Durchgangs im Bereich von etwa 0,8 bis etwa 5000 mm², häufig von etwa 3 bis etwa 1500 mm² oder von etwa 7 bis etwa 1000 mm². Die Querschnittsfläche kann durchgehend gleich sein oder sie kann über die Länge des Durch gangs variieren.

Das hochdichte Rohr als auch der sich dadurch erstreckende Durchgang kann irgendeine erwünschte Gestalt haben. So kann zum Beispiel die Querschnittsfläche des Durchgangs die Form eines Kreises, Quadrates, Ovals, Rechtecks, eines Sternes oder irgendeiner Kombination daraus haben.

Die Außenwand des hochdichten Rohres kann flach sein, doch ist sie vorzugsweise gekrümmt. So kann zum Beispiel das hochdichte Rohr in Form eines Zylinders, Rechtecks oder Quadrates vorliegen. Vorzugsweise hat das hochdichte Rohr einschließlich seines Durchgangs eine zylindrische Gestalt.

Das hochdichte Rohr hat eine minimale Wandstärke, die hauptsächlich von der Anwendung des Transportrohres ab hängt und die empirisch bestimmt wird. Im allgemeinen hat das hochdichte Rohr zumindest eine solche Wandstärke, die ausreicht, ihre Integrität im Transportrohr zumindest im wesentlichen aufrechtzuerhalten, wenn geschmolzenes Metall hindurchgeleitet wird. Im allgemeinen liegt diese Wandstärke des hochdichten Rohres im Bereich von etwa 0,125 mm bis weniger als etwa 6,5 mm, häufig von etwa 0,25 mm bis etwa 2 mm oder von etwa 0,7 mm bis etwa 1,5 mm. Im allgemeinen ergibt ein hochdichtes Rohr mit einer etwa 6,5 mm übersteigenden Wandstärke keinen Vorteil.

Das hochdichte Rohr hat eine Länge, die in Abhängigkeit von der Anwendung des Transportrohres im weiten Rahmen variieren kann und die empirisch bestimmt wird. Es hat eine Länge, die zumindest für die Übertragung des geschmol zenes Metalles dadurch ausreicht. Die Länge kann so groß sein wie erwünscht. Im allgemeinen liegt die Länge im Bereich von etwa 15 mm bis etwa 1000 mm und häufig im Bereich von etwa 25 mm bis etwa 200 mm. Wird das Trans portrohr zum Beispiel als Ausflußöffnung benutzt, dann liegt seine Länge im allgemeinen im Bereich von etwa 25 bis etwa 100 mm.

Die Dichte des hochdichten Rohres liegt im allgemeinen im Bereich von etwa 90 bis etwa 100%, vorzugsweise von etwa 95 bis etwa 100%, seiner theoretischen Dichte. Die jeweilige Dichte hängt hauptsächlich von der speziellen Anwendung des Transportrohres ab, und sie wird empirisch bestimmt. Vorzugsweise sind in dem hochdichten Rohr vorhandene Poren nicht miteinander verbunden.

Die mittlere Korngröße des hochdichten Rohres kann haupt sächlich von der speziellen Anwendung des Transport rohres abhängen, und sie wird empirisch bestimmt. Vor zugsweise ist die mittlere Korngröße des hochdichten Rohres ausreichend gering, um ein Wegbrechen oder ein merkliches Wegbrechen von Bruchstücken des Rohres zu verhindern, wenn dieses mit dem hindurchfließenden ge schmolzenen Metall bei den speziell benutzten Tempera turen in Berührung kommt. Im allgemeinen liegt die mittlere Korngröße des hochdichten Rohres im Bereich von etwa 5 µm bis etwa 50 µm oder von etwa 10 µm bis etwa 40 µm oder von etwa 20 µm bis etwa 30 µm.

Die chemische Zusammensetzung des hochdichten Rohres aus keramischem Oxid hängt hauptsächlich von der spe ziellen Anwendung des Transportrohres ab und sie wird empirisch bestimmt. Das hochdichte Rohr ist aus einem polykristallinen keramischen Oxidmaterial zusammenge setzt, das zumindest im wesentlichen chemisch inert ist bezüglich des hindurchzuschickenden geschmolzenen Materials. Im einzelnen sollte dieses Material keine merkliche nachteilige Wirkung auf das hindurchgeschickte geschmolzene Metall haben.

Vorzugsweise ist das hochdichte Rohr aus einem kerami schem Oxidmaterial zusammengesetzt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Beryllium oxid, Magnesiumoxid, Magnesiumaluminat, Mullit, Yttrium oxid, Zirkoniumoxid und deren Mischungen.

Im allgemeinen ist das Zirkoniumoxid im Stand der Technik als stabilisiertes Zirkoniumoxid bekannt, das im allge meinen aus der kubischen Struktur zusammengesetzt ist oder einer Kombinatino aus kubischer, monokliner und tetragonaler Struktur.

Das hochdichte Rohr ist im Handel erhältlich. Es kann auch anhand einer Reihe üblicher Techniken auf dem Ge biet der Keramik hergestellt werden. Gemäß einer bevor zugten Technik wird sinterbares, teilchenförmiges Mate rial aus keramischem Oxid zur Bildung des Hohlrohres mit Abmessungen geformt, die bei der Verdichtung das erwünschte hochdichte Rohr ergeben, woraufhin man das geformte Hohlrohr in einer gasförmigen Atmosphäre oder einem Teilvakuum bei einer Temperatur sintert, bei der es sich zu der erwünschten Dichte verdichtet. Die Größe der Teilchen des sinterbaren Materials im empirisch be stimmbar und sie hängt hauptsächlich von der Korngröße ab, die im hochdichten Rohr erwünscht wird. Im allge meinen hat das sinterbare Material eine mittlere Teil chengröße von weniger als 5 µm. Das teilchenförmige sinterbare Material kann hinsichtlich der Zusammensetzung im weiten Rahmen variieren in Abhängigkeit von dem jeweils erwünschten hochdichten Rohr. So kann es zum Beispiel nur aus keramischem Oxidpulver oder einer Mi schung des keramischen Oxidpulvers und einer ausreichen den Menge eines Sinterhilfsmittels bestehen, das dafür empirisch bestimmt wird. Das sinterbare Zirkoniumdioxid material würde ein Stabilisierungsmittel dafür in einer wirksamen Menge einschließen, wie es im Stand der Technik bekannt ist, um im allgemeinen die kubische Struktur oder eine Kombination aus kubischer, monokliner und tetrago naler Struktur zu erzeugen. Gemäß einem spezifischen Beispiel kann Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 4 µm zu einem Rohr geformt und in Argon von etwa Atmosphärendruck bei etwa 1700°C ge sintert werden, um das hochdichte Rohr zu erzeugen.

Das hochdichte Rohr hat einen thermischen Ausdehnungs koeffizienten, der hauptsächlich von dem erwünschten speziellen Transportrohr und seiner Anwendung abhängt, und dieser wird empirisch bestimmt. Im allgemeinen hat das hochdichte Rohr einen thermischen Ausdehnungskoeffi zienten von mehr als etwa 40 × 10^-7/°C, häufig ist er größer als etwa 65 × 10^-7/°C und noch häufiger ist dieser Koeffizient etwa 90 × 10^-7/°C.

Beim erfindungsgemäßen Transportrohr ist das hochdichte Rohr von einer Hülle geringer Dichte umgeben. Im allge meinen hat die Hülle geringer Dichte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der innerhalb ±25%, vor zugsweise innerhalb von ±10% oder innerhalb von ±5% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des hochdichten Rohres liegt. Am bevorzugtesten hat die Hülle geringer Dichte einen thermischen Ausdehnungs koeffizienten der gleich dem des hochdichten Rohres ist oder der doch zumindest nicht merklich davon abweicht.

Die Hülle geringer Dichte hat eine thermische Leitfähig keit, die immer merklich geringer ist als die des hoch dichten Rohres und die hauptsächlich von der Anwendung des erhaltenen Transportrohres abhängt. Die Hülle hat eine thermische Leitfähigkeit, die empirisch bestimmt ist, die ausreichend gering ist, um die Bildung merklich nachteiliger hoher thermischer Gradienten durch die Wandung des hochdichten Rohres zu verhindern. Im allge meinen verhindert die Hülle ein Abbrechen oder merk liches Abbrechen von Bruchstücken des hochdichten Rohres in das hindurchströmende geschmolzene Metall. Die Hülle vermindert physikalisch trotz ihrer geringen thermischen Leitfähigkeit und ihrer direkten Verbindung mit dem hoch dichten Rohr die thermischen Gradienten durch die Wand des hochdichten Rohres ausreichend, um das erfindungsge mäße Transportrohr brauchbar für die Übertragung von ge schmolzenem Metall zu machen. Das direkte Verbinden der Hülle mit dem hochdichten Rohr erleichtert den Zwang auf das hochdichte Rohr und die Übertragung von nütz lichen biaxialen Druckspannungen auf das hochdichte Rohr. Thermische Gradienten, die merklich nachteilig für das hochdichte Rohr wären, haben keine merkliche nach teilige Wirkung auf die Hülle geringer Dichte, weil diese einen geringeren Elastizitätsmodul und eine höhere Zähigkeit hat. Im allgemeinen liegt die thermische Leit fähigkeit der Hülle im Bereich von etwa 10 bis etwa 90% geringer oder von etwa 20 bis etwa 50% geringer als die des hochdichten Rohres.

Die Hülle hat eine Dichte, die hauptsächlich von der je weiligen Anwendung des Transportrohres abhängt und die empirisch bestimmt wird. Im allgemeinen gilt für eine Hülle geringer Dichte einer gegebenen chemischen Zusam mensetzung, daß ihre thermische Leitfähigkeit um so ge ringer ist je größer ihr Porenvolumen ist. Die Hülle hat eine Dichte, die im allgemeinen im Bereich von etwa 40% bis etwa 80%, häufig von etwa 50 bis etwa 70% oder von etwa 60 bis etwa 65% ihrer theoretischen Dichte liegt. Die Poren in der Hülle stehen miteinander in Verbindung.

Die Korngröße der Hülle kann hauptsächlich in Abhängig keit von der darin gewünschten Porosität variieren. Sie kann von einer verteilten Größe sein, die allgemein im Bereich von etwa 5 µm bis etwa 100 µm oder von etwa 10 µm bis etwa 90 µm liegt. Im allgemeinen liegt die mittlere Korngröße der Hülle im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 80 µm oder von etwa 10 mm bis etwa 70 µm. Die Hülle geringer Dichte kann eine im weiten Rahmen variierende Gestalt haben. Sie hat eine minimale Wandstärke, die hauptsächlich von der jeweiligen Anwendung des Transport rohres abhängt und die empirisch bestimmt wird. Die minimale Wandstärke sollte ausreichen, um eine nachtei lige Auswirkung oder eine merkliche nachteilige Aus wirkung des hochdichten Rohres zu verhindern, wenn ge schmolzenes Metall durch dieses Rohr hindurchgeführt wird. Im allgemeinen liegt die minimale Wandstärke der Hülle bei etwa 1 mm. Die maximale Wandstärke der Hülle kann so groß sein wie erwünscht. Allgemein liegt die Wandstärke der Hülle geringer Dichte im Bereich von etwa 1 bis 100 mm oder von etwa 2 bis etwa 50 mm oder von etwa 3 bis etwa 10 mm.

Die Hülle geringer Dichte ist ein integraler Körper. Im allgemeinen bedeckt sie die äußere Oberflächenwand des hochdichten Rohres und läßt keinen merklichen Teil davon frei. Es ist jedoch möglich, einen oder beide Endab schnitte des hochdichten Rohres im fertigen Transport rohr freizulassen, wenn es zum Beispiel erwünscht ist, diese in ein besonderes Gerät einzupassen. Vorzugsweise läßt die Hülle geringer Dichte jedoch nichts oder im wesentlichen nichts von der äußeren Oberflächenwand des hochdichten Rohres frei.

Die Hülle geringer Dichte ist aus keramischem Oxidmaterial zusammengesetzt, dessen Zusammensetzung hauptsächlich in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung des Trans portrohres abhängt und die empirisch bestimmt wird.

Vorzugsweise ist die Hülle geringer Dichte aus keramischem Oxidmaterial zusammengesetzt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Magne siumoxid, Magnesiumaluminat, Mullit, Yttriumoxid, Zir koniumoxid und deren Mischungen. Das Zirkoniumoxid ist stabilisiertes Zirkoniumoxid, im allgemeinen zusammenge setzt aus der kubischen Struktur oder einer Kombination aus kubischer, monokliner und tetragonaler Struktur.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Transportrohres, das zusammengesetzt ist aus einem hochdichten Rohr mit dessen äußerer Oberflächenwand eine zusammenhängende polykristalline Hülle direkt verbunden ist, wobei kein bemerkenswerter Teil des hochdichten Rohres freibleibt und die Hülle eine maximale Dichte von etwa 80% der theoretischen hat, umfaßt die Schaffung eines hochdichten, polykristallinen, hohlen Rohres, das zusammengesetzt ist aus keramischem Oxidmaterial, eine Dichte von mindestens etwa 90% der theoretischen Dichte hat, weiter das Schaffen von teilchenförmigem, kerami schem Oxidmaterial, das unter Bildung der Hülle sintert, das Schaffen einer Form mit einem verschlossenen und einem offenen Endabschnitt und einer Innenwand, die zur Bildung des Transportrohres genügen, wobei man das hochdichte Rohr in der Form so anordnet, daß seine ge samte äußere Oberflächenwand einen Abstand von der Innen wand der Form hat, wodurch man einen Raum zur Aufnahme des die Hülle bildenden, teilchenförmigen Materials er hält, das Einbringen des die Hülle bildenden, teilchen förmigen Materials in den Raum zwischen dem hochdichten Rohr und der Innenwand der Form, um einen Körper aus frei eingefülltem, teilchenförmigen Material zu bilden, wobei das die Hülle bildende, teilchenförmige Material in einer zur Bildung der Hülle ausreichenden Menge ein gefüllt wird, das Erhitzen der erhaltenen Baueinheit auf eine Temperatur, bei der das die Hülle bildende Material zur Bildung des Transportrohres sintert, wobei das Sintern in einer Atmosphäre oder einem Teilvakuum ausgeführt wird, das keine merkliche, nachteilige Wir kung auf die Baueinheit hat und die Form keine merk liche, nachteilige Wirkung auf das Transportrohr hat.

Das sinterbare, teilchenförmige, keramische Oxidmaterial, das zur Bildung der Hülle benutzt wird, d.h. das die Hülle bildende Pulver, kann einen Teilchengrößenbereich umfassen, sollte jedoch von einer solchen Größe oder Größenverteilung sein, die empirisch bestimmt wird, die zur Herstellung der erwünschten gesinterten Hülle führt. Gemäß einer Ausführungsform ist das die Hülle bildende Pulver zusammengesetzt aus groben Teilchen, die allgemein im Bereich von etwa 15 bis 50 µm liegen. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das die Hülle bildende Pulver aus Teilchen verteilter Größe zusam mengesetzt, üblicherweise Mischungen aus feinen und groben Pulvern, die allgemein im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 100 µm liegen. Feines Pulver allein, d.h. Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als etwa 10 µm, ist zur Herstellung der Hülle geringer Dichte nicht brauch bar.

Das die Hülle bildende Pulver kann hinsichtlich der Zusammensetzung in weitem Rahmen variieren, in Abhängig keit hauptsächlich von der speziell erwünschten Hülle geringer Dichte. Es sollte aus einer Zusammensetzung bestehen, die zu der erwünschten Hülle führt, die direkt mit der äußeren Oberflächenwand des hochdichten Rohres verbunden ist. So kann dieses Pulver aus keramischem Oxidpulver allein oder aus einer Mischung von keramischem Oxidpulver und einer genügenden Menge eines Sinterhilfs mittels dafür bestehen, das empirisch bestimmt wird. Das sinterbare, teilchenförmige Zirkoniumoxidmaterial würde ein Stabilisierungsmittel einschließen, wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Form geschaffen, deren Größe und Gestalt an die Herstellung des Transportrohres angepaßt ist, d.h. an das hochdichte Rohr und die Menge an die Hülle bildenden Pulver, die erforderlich ist. Im allgemeinen hat die Form zwei gegenüberliegende Endteile, ein geschlossenes Endteil und ein offenes Endteil. Häufig ist die Form ein Hohlzylinder, der an einem Ende geschlossen und am gegenüberliegenden Ende offen ist. Die Länge der Form wandung sollte zumindest ausreichen, um die Bildung der erwünschten Hülle zu gestatten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat die Form keine nachteilige oder zumindest keine merkliche nachteilige Wirkung auf die Herstellung des Transportrohres oder auf das Transportrohr. Zumindest die formende Oberfläche und vorzugsweise die gesamte Form ist im wesentlichen chemisch inert bezüglich der Bestandteile, die zur Bil dung des Transportrohres benutzt werden. Die formende Oberfläche sollte nicht an den Komponenten haften, die zur Bildung des Transportrohres benutzt werden. Vorzugs weise ist die Formoberfläche aus Bornitrid und bevor zugt wird die gesamte Form aus Bornitrid zusammengesetzt.

Fig. 3 veranschaulicht eine bevorzugte Baueinheit 30, die brauchbar ist zur Herstellung des erfindungsgemäßen Transportrohres. Ein hochdichtes Rohr 32 ist zentral innerhalb einer Form 31 angeordnet, die an ihrem Boden ende 33 verschlossen und an ihrem oberen Ende 34 offen ist. Die Hülle bildendes Pulver 35 ist in dem Raum zwischen der äußeren Oberflächenwand 36 des Rohres 32 und der Formwand 37 der Form 31 angeordnet.

Rohr aus massivem Bornitrid ist im Handel erhältlich und kann zur Konstruktion einer der in Fig. 3 ähnlichen Form benutzt werden. Zum Beispiel kann das im Handel erhältliche Bornitridrohr durch maschinelle Bearbei tung in üblicher Weise ausgehöhlt und mit einer Platte aus Bornitrid zur Bildung des Bodenabschnittes 33 ver sehen werden. Im Handel erhältliche Bornitridstücke enthalten jedoch häufig Boroxid und können auch andere Materialien enthalten, die während des Sinterns an dem die Hülle bildenden Pulver haften und die Herstellung des Transportrohres verhindern würden. Deshalb werden vor dem Gebrauch im Handel erhältlicher Bornitridstücke vorzugsweise geglüht, um Materialien in ausreichender Weise daraus zu entfernen, die ein Haften an der Formober fläche verursachen würden. Im allgemeinen ist ein Glühen der Bornitridstücke in einem Teilvakuum von etwa 27 Pa bei einer Temperatur von etwa 1900°C für etwa 1 Stunde ausreichend, um die erwünschten nicht-haftenden Formober flächen zu erhalten.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das hochdichte Rohr im allgemeinen im wesentlichen zentral in der Form in einer Weise angeordnet, die die Bildung der Hülle auf seiner äußeren Oberflächenwand im wesent lichen gleichförmig gestattet.

Das die Hülle bildende Pulver wird in dem Raum zwischen der äußeren Oberflächenwand des hochdichten Rohres und der Innenwand der Form angeordnet, um einen frei einge füllten Körper aus Pulver zu bilden, der sich durch Schrumpfen von der inneren Oberfläche der Form wegbewegt, ohne während des Sinterns beschränkt zu sein. Das die Hülle bildende Pulver wird sanft in den Raum in der Form eingefüllt, um das hochdichte Rohr zu umgeben und in direktem Kontakt mit der Außenwand des hochdichten Rohres und mit der Innenwand der Form zu stehen. Im allgemeinen füllt das die Hülle bildende Pulver diesen Raum zumindest im wesentlichen aus. Es sollten keine Druckkräfte auf das Pulver ausgeübt werden. Sollte eine Druckkraft auf das Pulver in der Form ausgeübt und dann wieder entfernt werden, dann wird ein Teil des komprimierten Pulvers wieder in seine ursprüngliche Position zurückgehen, während ein Teil physikalisch verbunden bleiben wird, was Risse in dem Pulverkörper verursacht, die beim Sintern zu einem Körper mit nachteiligen Rissen oder einem inselförmigen Körper führt. Im Gegensatz dazu ist die erfindungsgemäß aufgebrachte Hülle ein integraler Körper frei von Rissen oder frei von nachteiligen Rissen, d.h. Rissen, die die äußere Oberflächenwand des hochdichten Rohres freilegen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher das die Hülle bildende Pulver so in die Form gefüllt, daß der erhaltene Pulverkörper frei von Spalten ist, die die Herstellung einer zusammenhängenden Hülle verhindern würden.

Die erhaltene Baueinheit, von der ein Beispiel die Bau einheit 30 ist, kann in einem üblichen Sinterofen ange ordnet werden, wie einem Molybdänofen, in dem das die Hülle bildende Pulver gesintert wird, um das erfindungs gemäße Transportrohr herzustellen. Das Sintern erfolgt in einer Atmosphäre, die keine nachteilige Auswirkung auf das Verfahren oder das erhaltene Transportrohr hat. Vorzugsweise ist die Sinteratmosphäre nicht oxidierend mit Bezug auf Bornitrid. Beispielhaft für eine brauch bare gasförmige Atmosphäre ist ein Edelgas, wie Argon. Im allgemeinen liegt der Druck der gasförmigen Atmo sphäre etwa bei oder unterhalb des Atmosphärendruckes. Das Vakuum kann im allgemeinen im Bereich von unterhalb des Atmosphärendruckes bis zu etwa 13 Pa liegen.

Das Sintern erfolgt bei einer Temperatur und für eine Zeitdauer, die empirisch bestimmt werden, die das die Hülle bildende Pulver verdichten, d.h. Sintern, um eine Hülle der erwünschten geringen Dichte herzustellen. Im allgemeinen liegt die Sintertemperatur im Bereich von etwa 1000 bis etwa 1900°C, häufig von etwa 1600 bis etwa 1850°C, wobei die jeweilige Sintertemperatur hauptsächlich von dem speziell gesinterten Material abhängt. Im allgemeinen wird das Sintern in weniger als 1 Stunde abgeschlossen. Das die Hülle bildende Pulver sintert im allgemeinen im wesentlichen anisotrop, d.h. es unterliegt einer merklichen radialen, aber keiner merklichen Längsschrumpfung.

Die erhaltene, gesinterte Struktur, d.h. das Transport rohr wird mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die keine merkliche nachteilige Wirkung auf das Rohr hat, d.h. das Kühlen sollte mit einer Geschwindigkeit aus geführt werden, die ein Reißen des Transportrohres ver meidet. Das Transportrohr kann im Ofen abgekühlt werden. Im allgemeinen wird es in der gleichen Atmosphäre oder im gleichen Vakuum abgekühlt, in dem das Sintern statt gefunden hat. Im allgemeinen wird es auf etwa Raumtempe ratur abgekühlt, d.h. auf etwa 20 bis etwa 30°C.

In Fig. 4 veranschaulicht die Baueinheit 40 die Bauein heit der Fig. 3, nachdem das Sintern stattgefunden hat. Die Fig. 4 zeigt eine gesinterte Hülle 41 geringer Dichte, die direkt mit der äußeren Oberflächenwand 43 des hoch dichten Rohres 42 verbunden ist, was zur Bildung des erfindungsgemäßen Transportrohres 46 geführt hat. Fig. 4 veranschaulicht auch, daß kein Verbinden oder Kleben bleiben zwischen Formwand 44 der Form 45 und der Hülle 41 stattgefunden hat.

Das erfindungsgemäße Transportrohr ist ein integraler Körper, der brauchbar ist für die Übertragung von ge schmolzenem Metall, insbesondere Legierungen oder Super legierungen. Das erfindungsgemäße Transportrohr ist be sonders brauchbar für die Übertragung von geschmolzenem Metall, geschmolzener Legierung oder geschmolzener Super legierung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 500 bis weniger als 1900°C oder von oberhalb von 1000 bis weniger als 1900°C oder von etwa 1100°C bis etwa 1800°C oder von etwa 1300 bis etwa 1600°C. Im allge meinen wird das Transportrohr auf eine Temperatur vor erhitzt, die innerhalb von etwa 300°C von der des hindurchzuleitenden geschmolzenen Metalles liegt. Ohne ein solches Vorerhitzen kann ein Reißen in dem hoch dichten Rohr des Transportrohres auftreten. Das Vor erhitzen des Transportrohres kann in einer üblichen Weise erfolgen, wie mittels eines äußeren Widerstands erhitzers oder eine Induktionserhitzers.

Das erfindungsgemäße Transportrohr hat keine merkliche, nachteilige Wirkung auf geschmolzenes Metall, geschmol zene Metalllegierungen oder geschmolzene Superlegie rungen, die hindurchgeleitet werden. Es ist zumindest im wesentlichen chemisch inert hinsichtlich des hin durchgeleiteten geschmolzenen Metalles.

Im allgemeinen ist das Transportrohr bei der Anwendungs temperatur zumindest im wesentlichen abmessungsmäßig stabil. Die Hülle geringer Dichte schrumpft bei der Gebrauchstemperatur vorzugsweise zumindest nicht zu irgendeinem merklichen Ausmaß.

Die vorliegende Erfindung gestattet die direkte Herstel lung eines Transportrohres für geschmolzenes Metall. Wenn erwünscht kann das Transportrohr jedoch in einer üblichen Weise maschinell bearbeitet werden, um gewisse Spezifikationen zu erfüllen.

Das erfindungsgemäße Transportrohr ist besonders geeignet für die Stahlindustrie zum Gießen von Blöcken bzw. Vor blöcken.

Die Erfindung wird weiter anhand der folgenden Beispiele erläutert, in denen das Verfahren folgendermaßen ablief, sofern nichts anderes angegeben: Es wurde ein Widerstandsofen mit Molybdän-Heizkörpern benutzt.

Das Sintern und Kühlen erfolgte in Helium bei etwa Atmo sphärendruck.

Das gesinterte Transportrohr wurde im Ofen auf etwa Raumtemperatur, d.h. von etwa 20 bis etwa 30°C abgekühlt. Es wurden Standardtechniken benutzt, um das Transport rohr zu charakterisieren.

Beispiel 1

Ein im Handel erhältliches, hochdichtes, zylindrisches Rohr aus polykristallinem Aluminiumoxid wurde benutzt. Das Rohr hatte eine Dichte von etwa 99% der theoreti schen Dichte und eine mittlere Korngröße von etwa 20 µm. Das Rohr war zylindrisch und hatte einen zylindrischen Durchgang mit einer durchgehend gleichen Querschnitts fläche. Das Rohr hatte einen Innendurchmesser von etwa 5 mm, eine Wandstärke von etwa 1 mm und eine Länge von etwa 54 mm.

Das die Hülle bildende Pulver bestand aus Aluminiumoxid teilchen von Schleifmittelqualität mit einer mittleren Größe von etwa 25 µm.

Es wurde eine Form aus Bornitrid konstruiert. Im einzel nen wurde ein im Handel erhältlicher massiver Bornitrid stab mit einem Durchmesser von etwa 22 mm maschinell in einer üblichen Weise ausgehöhlt, um ein hohles Rohr zu bilden, dessen zylindrischer Durchgang durchgehend im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche aufwies. Das ausgehöhlte Bornitridrohr hatte eine Wandstärke von etwa 3 mm und eine Länge von etwa 38 mm. Ein weiteres Stück eines im Handel erhältlichen massiven Bornitrid stabes wurde maschinell bearbeitet, um ein im wesentlichen flaches Stück mit einer flanschartigen Peripherie zu bilden, das in ein Endteil des ausgehöhlten Rohres ein gepaßt wurde, um eine Form mit einem verschlossenen End teil und einem offenen Endteil zu bilden.

Diese Form wurde in einem Vakuum von etwa 13 Pa bei 1900°C für etwa 1 Stunde erhitzt und dann im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Form erlitt einen Gewichts verlust von 6%. Diese Wärmebehandlung wurde ausgeführt, um aus dem Bornitrid irgendwelches B₂O₃ zu entfernen, das sonst eine Haftung der Aluminiumoxidteilchen an der Wandung der Form verursachen könnte.

Das hochdichte Rohr wurde dann im wesentlichen zentral in der Bornitridform angeordnet. Etwa 25 g des die Hülle bildenden Aluminiumoxidpulvers wurden sanft in den Raum zwischen der Außenwand des hochdichten Aluminiumoxid rohres und der Innenwand der Form geschüttet, um den Raum dazwischen auszufüllen. Das Aluminiumoxidpulver in der Form bildete einen frei eingefüllten Pulverkörper in direktem Kontakt mit der äußeren Oberflächenwand des hochdichten Aluminiumoxidrohres und der inneren Ober fläche der Form.

Die erhaltene Baueinheit wurde aufrecht im Ofen ange ordnet, d.h. mit dem offenen Endteil der Form zur Ofen atmosphäre hin, und mit einer Geschwindigkeit von 30°C/min bis zu einem 10-minütigem isothermen Halten bei 1800°C erhitzt und dann im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt.

Die Untersuchung der Baueinheit zeigte, daß das Aluminium oxid nicht an der inneren Oberfläche der Form klebte.

Das erhaltene Transportrohr war zusammengesetzt aus dem hochdichten Rohr mit einer Hülle geringer Dichte, die direkt an die äußere Oberflächenwand des Rohres gebunden war, wobei kein Teil der äußeren Oberflächenwand frei bleibt. Die Hülle war vollkommen rißfrei. Das Aluminium oxidpulver hatte anscheinend eine etwa 10%ige radiale und im wesentlichen keine Längsschrumpfung durchgemacht. Das Entkoppeln des frei eingefüllten Aluminiumoxidpulvers von der Bornitridoberfläche hatte es dem Pulver gestattet, eine im wesentlichen anisotrope Schrumpfung ohne Rißbil dung durchzumachen. Die Hülle schien eine mittlere Korn größe von etwa 25 µm zu haben.

Das Transportrohr wurde zur Bildung eines Querschnitts von etwa 1 cm Länge geschnitten, der zur Bestimmung der Dichte der Hülle benutzt wurde, die sich zu 59,9% ergab. Die Poren in der Hülle standen miteinander in Verbindung.

Beispiel 2

Verfahren und Materialien dieses Beispiels zur Herstellung eines Transportrohres waren die gleichen wie im Beispiel 1.

Das erhaltene Transportrohr schien identisch dem nach Beispiel 1 zu sein.

Das Transportrohr wurde in einer Trägerhülse aus Bornitrid angeordnet und geschmolzene Ren´-95-Legierung, die eine Temperatur von 1600°C hatte, wurde etwa 3 Minuten lang hindurchgeleitet. Das flüssige Metall wurde in einem Tiegel aufgefangen, wo es zu einem Block erstarrte.

Die Untersuchung des Transportrohres zeigte, daß in dem hochdichten Rohrbestandteil ein Reißen stattgefunden hatte, doch blieb das Teil intakt.

Beispiel 3

Verfahren und Materialien dieses Beispiels zum Herstellen eines Transportrohres waren die gleichen wie in Beispiel 1.

Das erhaltene Transportrohr schien dem nach Beispiel 1 hergestellten identisch zu sein.

Das Transportrohr wurde in einer Trägerhülse aus Bornitrid angeordnet und ein aus Molybdändraht gewickelter Ofen wurde um die Trägerhülse herum angeordnet, um sie auf eine Temperatur innerhalb von 300°C von 1600°C zu erhitzen.

Geschmolzene Ren´-95-Legierung, die eine Temperatur von 1600°C hatte, wurde für etwa 3 Minuten durch das erhitzte Rohr geleitet. Das flüssige Metall wurde in einem Tiegel aufgefangen, wo es zu einem Block erstarrte.

Die Untersuchung des Transportrohres zeigte, daß das geschmolzene Metall keine nachteilige Wirkung hatte. In dem hochdichten Rohr waren keine Risse sichtbar.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Transportrohres zur Überführung von geschmolzenem Metall, wobei das Rohr aus einem hochdichten, hohlen Rohr mit einer direkt mit seiner äußeren Oberflächenwand verbundenen zusammen hängenden polykristallinen Hülle zusammengesetzt ist, wobei die Hülle keinen merklichen Teil des Rohres frei gelegt läßt, und eine maximale Dichte von 80% der theoretischen Dichte hat, umfassend:
Schaffen eines hochdichten, polykristallinen, hohlen Rohres aus einem keramischen Oxidmaterial, wobei das hochdichte Rohr eine Dichte von mindestens etwa 90% der theoretischen Dichte hat,
Schaffen eines teilchenförmigen keramischen Oxidmaterials das unter Bildung der genannten Hülle sintert,
Schaffen einer Form mit einem verschlossenen Endteil und einem offenen Endteil, sowie einer Innen wand, die die Bildung des Transportrohres gestattet,
Anordnen des hochdichten Rohres in der Form, wobei seine gesamte äußere Oberflächenwand einen Ab stand von der Innenwand der Form aufweist, und dadurch einen Raum zur Aufnahme des die Hülle bildenden teil chenförmigen Materials bildet,
Anordnen des die Hülle bildenden teilchenförmigen Materials in dem genannten Raum zwischen dem hochdichten Rohr und der inneren Wandung der Form zur Bildung eines Körpers aus frei angeordnetem teilchenförmigem Material, wobei das die Hülle bildende teilchenförmige Material in einer Menge eingefüllt wird, die zur Bildung der Hülle ausreicht,
Erhitzen der gesamten Baueinheit bis zu einer Temperatur, bei der das die Hülle bildende Material unter Bildung des Transportrohres sintert und das Sin tern in einer Atmosphäre oder einem Teilvakuum ausge führt wird, das keine merkliche nachteilige Wirkung auf die Baueinheit hat und die Form keine merkliche nach teilige Wirkung auf das Transportrohr hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das hochdichte Rohr aus einem keramischen Oxidmaterial zusammengesetzt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Magnesiumoxid, Magnesium aluminat, Mullit, Yttriumoxid, Zirkoniumoxid und deren Mischungen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Hülle aus einem keramischen Oxidmaterial zusammengesetzt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium oxid, Berylliumoxid, Magnesiumoxid, Magnesiumaluminat, Mullit, Yttriumoxid, Zirkoniumoxid und deren Mischungen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Hülle eine Dichte im Bereich von etwa 40 bis etwa 80% der theore tischen Dichte hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das hochdichte Rohr eine Dichte im Bereich von etwa 90 bis etwa 100% seiner theoretischen Dichte hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Transport rohr aus Aluminiumoxid zusammengesetzt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Form aus Bornitrid zusammengesetzt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Sinter temperatur im Bereich von etwa 1000°C bis etwa 1900°C liegt.

9. Transportrohr für die Übertragung von geschmol zenem Metall, wobei das Rohr zusammengesetzt ist aus einem hohlen, hochdichten Rohr, mit dessen äußerer Ober flächenwand direkt eine einzelne zusammenhängende Hülle geringer Dichte verbunden ist, ohne daß ein merklicher Teil des Rohres freibleibt, wobei das hochdichte Rohr als auch die Hülle geringer Dichte aus einem polykristal linen, keramischen Oxidmaterial zusammengesetzt sind, das hochdichte Rohr eine Dichte von mindestens etwa 90% seiner theoretischen Dichte hat, einen Durchgang auf weist, der sich durch seine Länge erstreckt und eine Querschnittsfläche hat, die für die Übertragung von flüssigem Metall dadurch zumindest ausreicht, die Dichte der Hülle im Bereich von etwa 40 bis etwa 80% seiner theoretischen Dichte liegt, die Hülle eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die mindestens etwa 10% geringer ist als die des hochdichten Rohres und die Hülle einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten innerhalb von p25% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des hochdichten Rohres hat.

10. Transportrohr nach Anspruch 9, worin das hoch dichte Rohr aus einem keramischen Oxidmaterial zusam mengesetzt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe be stehend aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Magnesiumoxid, Magnesiumaluminat, Mullit, Yttriumoxid, Zirkoniumoxid und deren Mischungen.

11. Transportrohr nach Anspruch 9, worin die Hülle aus einem keramischen Oxidmaterial zusammengesetzt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alumi niumoxid, Berylliumoxid, Magnesiumoxid, Magnesiumaluminat, Mullit, Yttriumoxid, Zirkoniumoxid und deren Mischungen.

12. Transportrohr nach Anspruch 9, das aus Aluminium oxid zusammengesetzt ist.

13. Transportrohr nach Anspruch 9, worin die Hülle eine Dichte im Bereich von etwa 50 bis etwa 70% hat.

14. Transportrohr nach Anspruch 9, worin das hoch dichte Rohr eine minimale Wanddicke von etwa 0,125 mm hat.

15. Transportrohr nach Anspruch 9, worin die Hülle eine minimale Wanddicke von etwa 1 mm hat.

16. Transportrohr nach Anspruch 9, worin das hoch dichte Rohr und der Durchgang im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind.

17. Transportrohr nach Anspruch 9, worin die Hülle einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen der gleiche ist wie der des hochdichten Rohrs.

18. Transportrohr zur Übertragung von geschmolzenem Metall, wobei das Rohr zusammengesetzt ist aus einem hohlen, hochdichten Rohr mit einer einzelnen zusammenhän genden Hülle geringer Dichte, die direkt nur mit der äußeren Oberflächenwand des hochdichten Rohres verbunden ist, wobei kein merklicher Teil dieses hochdichten Rohres freibleibt, das hochdichte Rohr und die Hülle geringer Dichte aus polykristallinem Aluminiumoxid zusammengesetzt sind, das hochdichte Rohr eine Dichte im Bereich von etwa 95 bis etwa 99% seiner theoretischen Dichte hat, sowie eine minimale Wanddicke von etwa 0,25 mm und sich ein Durchgang durch die Länge des hochdichten Rohres er streckt, dessen Querschnittsfläche zumindest ausreicht, geschmolzenes Metall dadurch zu übertragen, die Dichte der Hülle im Bereich von etwa 50 bis etwa 70% seiner theoretischen Dichte liegt, und die Hülle eine minimale Wanddicke von etwa 2 mm hat.

19. Transportrohr nach Anspruch 18, worin die Hülle nichts der äußeren Oberflächenwand des hochdichten Rohres freiläßt.

20. Transportrohr nach Anspruch 18, worin das hoch dichte Rohr, sein Durchgang und die Hülle im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind.