EP1198438A1 - Silicon nitride materials and components made therefrom for processing molten light metal masses - Google Patents
Silicon nitride materials and components made therefrom for processing molten light metal massesInfo
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- EP1198438A1 EP1198438A1 EP00941967A EP00941967A EP1198438A1 EP 1198438 A1 EP1198438 A1 EP 1198438A1 EP 00941967 A EP00941967 A EP 00941967A EP 00941967 A EP00941967 A EP 00941967A EP 1198438 A1 EP1198438 A1 EP 1198438A1
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Definitions
- connection between graphite tube and plate can be e.g. using a trapezoidal thread.
- the service life of such graphite impellers is only a few weeks due to corrosive and abrasive attack. In addition to this economic aspect, there is
- thermal shock-resistant ceramics are often used in connection with light metal melting metallurgy in the form of simple mechanical ones
- the object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages and risks associated with the use of graphite impellers on the material side, with a large degassing effect being required.
- the processing effort after sintering should be kept to a minimum.
- a silicon nitride material was found which is characterized in that it consists of at least 75% by volume of ⁇ -Si 3 N 4 , less than 3% by volume of free Si, less than 5
- Vol .-% porosity and the rest of a secondary phase consists of added conventional sintering additives, the material having a dip in an Al-based melt of 850 ° C after 100 h only a weight change of less than 1 wt .-% and at cyclical immersion tests in this melt after 500 cycles no detectable damage to the material occurs, characterized by the recording of resonance frequency spectra before and after the immersion treatment and a maximum permitted shift of resonance frequencies of ⁇ 0.1%.
- the material according to the invention is particularly suitable for the production of
- Impellers with gas distribution devices for cleaning molten metals Impellers with gas distribution devices for cleaning molten metals.
- reaction-bound and resintered silicon nitride represents an excellent solution for the given task as the material according to the invention.
- This material can be produced with comparatively inexpensive raw materials, can be processed in the stage of pre-nitriding with normal machining processes and, after sintering, achieves the desired range of properties with only low residual porosity.
- Such material samples were characterized in Al-based melts at 850 ° C on the one hand in the form of a long-term immersion treatment with regard to corrosion resistance, and on the other hand by means of cyclical immersion tests with regard to the thermal shock behavior. These immersion tests showed that the material according to the invention is only slightly wetted by the Al melt and, after the sample has been removed from the melt, AI can be blown off using a gas stream. Criteria for a suitability of the material for the application in such melts were a change in weight of less than 1% by weight after 100 h of stationary exposure or a survival of 500 immersion tests in this melt with interim cooling by air blowing, without any damage being detectable.
- the change in weight is characterized by simple weighing of the samples before and after immersion in the Al melt, with adhering Al and slag residues being removed by blowing off immediately after removal from the melt or by careful sandblasting.
- Thermal shock damage from the cyclical immersion tests is characterized by recording the resonance frequency spectra before and after the tests.
- Electrodynamic transducers in the form of a transmitter and receivers are attached to the sample or component to be tested and vibrations are generated and registered in part with frequencies between 0.1 and 2 MHz of the transmitter. This vibration spectrum is a "fingerprint" of the part and changes when the shape changes (breaking off) or damage occurs, e.g. Cracks.
- changes in the resonance frequency reflections of> 0.1% were specified.
- the material consists of at least 80 vol.% ⁇ -Si 3 N 4 , less than 2 vol.% Free Si, 3 to 1 vol.% Porosity and as the remaining component of a secondary phase, which can be amorphous or partially crystalline.
- the phase contents are usually determined by quantitative microstructure analysis of cuts, supplemented by X-ray phase analysis.
- Suitable sintering additives are all those combinations of materials which, at a higher temperature, form a molten phase with the oxygen present in the starting material, which is considered to be SiO 2 , which permits liquid-phase sintering of the Si 3 N 4 -based shaped body.
- Such additives are MgO, CaO, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Nd 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 or compounds of these oxides in the form of, for example, MgAl 2 O 4 , Al 2 TiO 5 etc. and optionally also SiO 2 .
- the combination and concentration of the individual additives must be coordinated in such a way that the desired characteristic and concentration of secondary phase is formed from the reaction with the oxygen content of the starting materials, which are regarded as SiO 2 .
- the method for producing parts from this material has proven to be particularly advantageous, particularly with regard to the flexibility of the component geometry.
- Weight gain of 20% by weight due to the reaction of the Si with the nitrogen an inert, nitrogen-containing gas atmosphere are pre-nitrided and solidified, so that mechanical processing can then take place. This can be done with normal cutting processes such as sawing, drilling, milling, turning and grinding, so that the final contour of the part can be preformed. This is followed by the final nitriding at temperatures ⁇ 1600 ° C, with a residual silicon content of ⁇ 3% by volume being sought. With this final nitriding, a linear shrinkage of less than 2% occurs, which is very conducive to maintaining the complex final geometry.
- a preferred embodiment of the method according to the invention provides that ⁇ 50% by weight silicon nitride powder with an average grain size ⁇ 10 ⁇ m and a purity> 95% is additionally added to the silicon powder and the sintering additives and this mixture is prepared as described and processed into molded parts.
- Silicon nitride powders with a higher average grain size hinder the sintering process and, with less purity, foreign components are present in such concentrations that they act as inclusions and can reduce the mechanical properties.
- the advantage of adding Si 3 N 4 powder is that, as an inert filler, it reduces the exothermic reaction between Si and N 2 and thus the
- stirrers for Al-based melts.
- Such stirrers are essentially designed as disk-shaped bodies with a central axial bore in order to be able to fasten them to a drive shaft. Through this wave there is a
- Gas supply either only axially centrally with an outlet at the lower end of the shaft or with a deflection in the area of the attachment in radial bores in order to allow the gas to escape at the circumference of the rotor.
- Profiles on the circumference serve to further shred the gas bubbles and swirl them intensely in the melt.
- the top of the disc is designed to slope towards the outer edge, so that the Al melt can flow off when the rotor is moved out.
- Flat profiles can also be attached to the underside of the rotor in order to achieve both a stirring and a pumping effect.
- a conical design of the central bore has proven itself in order to prevent the rotor from falling off in a form-fitting manner.
- the fixation itself on the shaft can e.g. with a graphite mandrel with an external thread, for which there are commercially available solutions.
- this material and component according to the invention is not limited to Al melts, but extends to a variety of light and non-ferrous metal melts as well as to various applications, such as Watering spoons, nozzles, valve systems including slide plates etc.
- One limitation can only be seen in the fact that the component must not exceed a wall thickness of 30 mm.
- the material and components made from it according to the specified process are also suitable for a variety of applications with thermal, corrosive and / or abrasive stress.
- the aim is to distribute the treatment gas as evenly as possible in the form of the smallest possible bubbles evenly in the melt and at the same time to achieve a thorough mixing of the molten metal without the surface of the molten bath being moved excessively and this causing floating salt cells to enter the melt.
- it is a generally rotationally symmetrical body (1) which, attached to the end of a shaft, is immersed in the melt.
- the attachment can be done on the one hand by screwing the rotor provided with a central threaded bore onto the lower end of the shaft.
- a cross hole or groove (4) in the rotor prevents it from slipping or twisting.
- the gas is converted into small bubbles by a high peripheral speed during operation divided, which is reinforced by the profiling on the circumference (5).
- the profiling was designed in such a way that on the one hand there was sufficient comminution of the bubbles and sufficient mixing of the molten metal.
- the shape of the profiling and the rounding of the transitions mean that the melt is not excessively set into a rotational movement. The latter would have a negative effect on the metal quality due to the funnel formation around the shaft and the resulting entry of surface oxides into the melt.
- An optional profiling of the underside of the rotor can additionally generate a pump effect. During the rotation of the rotor, the grooves and webs are appropriately aligned
- the melt accelerates outwards or in the opposite direction from the center of the rotor, which, depending on the version, results in different vertical circulation flows in the melt vessel, which in turn ensure good mixing of the metal and a desired, extended residence time of the gas bubbles in the melt.
- the melt accelerates outwards or in the opposite direction from the center of the rotor, which, depending on the version, results in different vertical circulation flows in the melt vessel, which in turn ensure good mixing of the metal and a desired, extended residence time of the gas bubbles in the melt.
- the top of the rotor has a sloping surface (6) from the inside to the outside to make it easier for the metal melt to drain when the rotor is pulled out of the melt. This is particularly useful from the point of view that, due to the material used, there is no wetting with the aluminum melt and the cleaning is therefore limited to the removal of a loosely placed, thin oxide skin.
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Abstract
According to the invention, gassing agitators (impellers) for purifying molten metal masses are made from a silicon nitride material.
Description
Siliciumnitrid- erkstoffe und daraus hergestellte Bauteile für die Verarbeitung von LeichtmetallschmelzenSilicon nitride materials and components made from them for processing light metal melts
Zur Reinigung von Metallschmelzen, insbesondere Aluminium und Aluminiumlegierungen, 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 Gasverteilungsvorrichtungen 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 dasFor cleaning metal melts, especially aluminum and aluminum alloys, finely divided gases are usually injected into the melt. So with liquid aluminum there is a need to remove the dissolved hydrogen, which would otherwise lead to pores on aluminum castings, such as motor vehicle rims, which on the one hand can reduce the stability of the casting and on the other hand are optically undesirable on the surface of the casting. The hydrogen and fine solid particles are removed by injecting argon, nitrogen or chlorine into the melt. The injected ascending gas bubbles remove the hydrogen via solution or, in the case of chlorine, via chemical binding processes. In technology, so-called impellers are used to stir the melt and at the same time distribute the gas. The impellers generally consist of an approximately 1000 mm long graphite tube to which a plate with gas distribution devices is attached at the bottom. The connections between graphite tube and plate can be e.g. using a trapezoidal thread. The service life of such graphite impellers is only a few weeks due to corrosive and abrasive attack. In addition to this economic aspect, there is
Risiko, daß Grafitstaub bzw. Grafitteilchen in die aus der Schmelze hergestellten Gußteile eingeschlossen werden.Risk of graphite dust or graphite particles being trapped in the castings made from the melt.
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,Rotors for this application have long been known and there are a large number of proposed design solutions (e.g. 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 19 539 621 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.US 5 364 078, US 4 802 656, US 5 709 834). However, this mostly describes very complex geometries and, if a material is proposed at all, it is easy to process graphite with the disadvantages already described. DE 19 539 621 also suggests the use of Si 3 N 4 or SiAlON and discloses a relatively simple construction which is matched to materials which are difficult to machine. Practical tests showed however, that this construction is far from achieving the degassing effect of the graphite impellers available today.
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 Thermoschockbeständigkeit 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.For an improved material, there are therefore demands for high corrosion and abrasion resistance to the melts and slags, as well as sufficient thermal shock resistance to prevent damage when immersed in the hot melt. A high level of strength and thermal conductivity as well as a low modulus of elasticity and coefficient of thermal expansion are prerequisites for good thermal shock resistance. On the other hand, good strength is achieved through high fracture toughness and a small defect size.
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 fuhrt zu geringen Kosten für dasDemands on the component to be manufactured consist of simple manufacture, a favorable design with regard to the size, weight and complexity of the part as well as the connection to the drive shaft. This results in a low cost for that
Bauteil und bei nachgewiesener ausreichender Wirksamkeit zu einer hohen Akzeptanz für eine praktische industrielle Anwendung.Component and with proven sufficient effectiveness to a high acceptance for a practical industrial application.
Obwohl solche Thermoschock-resistenten Keramiken bereits häufig im Zusammen- hang mit der Leichtmetall-Schmelzmetallurgie in Form von einfachen mechanischenAlthough such thermal shock-resistant ceramics are often used in connection with light metal melting metallurgy in the form of simple mechanical ones
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 prohibitiv-hohen Bearbeitungsaufwandes und damit der Kosten bisher nicht im nennenswerten Umfang im Einsatz.Structures such as pipes, e.g. are used as melt lifters and their suitability for use in light metal melts has been proven, mechanically complicated components made of ceramics have so far not been used to any appreciable extent due to the prohibitively high processing effort and thus the costs.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die mit dem Einsatz von Grafit-Impellern verbundenen Nachteile und Risiken werkstoffseitig zu überwinden, wobei eine große Entgasungswirkung gegeben sein muß.The object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages and risks associated with the use of graphite impellers on the material side, with a large degassing effect being required.
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.It is also an object of the present invention to provide a gassing stirrer which is manufactured with minimal mechanical processing effort can be. In particular, the processing effort after sintering should be kept to a minimum.
Es wurde ein Siliciumnitrid- Werkstoff gefunden, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er wenigstens aus 75 Vol.-% ß-Si3N4, weniger als 3 Vol.-% freiem Si, weniger als 5A silicon nitride material was found which is characterized in that it consists of at least 75% by volume of β-Si 3 N 4 , less than 3% by volume of free Si, less than 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 maximal erlaubten Verschiebung von Resonanzfrequenzen von < 0,1%.Vol .-% porosity and the rest of a secondary phase consists of added conventional sintering additives, the material having a dip in an Al-based melt of 850 ° C after 100 h only a weight change of less than 1 wt .-% and at cyclical immersion tests in this melt after 500 cycles no detectable damage to the material occurs, characterized by the recording of resonance frequency spectra before and after the immersion treatment and a maximum permitted shift of resonance frequencies of <0.1%.
Der erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich besonders für die Herstellung vonThe material according to the invention is particularly suitable for the production of
Impellern mit Gasverteilungsvorrichtungen zum Reinigen von Metallschmelzen.Impellers with gas distribution devices for cleaning molten metals.
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.Surprisingly, it was found that the reaction-bound and resintered silicon nitride (SRBSN) represents an excellent solution for the given task as the material according to the invention. This material can be produced with comparatively inexpensive raw materials, can be processed in the stage of pre-nitriding with normal machining processes and, after sintering, achieves the desired range of properties with only low residual porosity.
Derartige Werkstoff-Proben wurden in Al-basierenden Schmelzen von 850°C einerseits in Form einer Langzeit-Tauchbehandlung bezüglich der Korrosionsbeständigkeit, andererseits über zyklische Tauchversuche bezüglich des Thermoschockver- haltens charakterisiert. Bei diesen Tauchversuchen zeigte sich, daß der erfindungsgemäße Werkstoff von der AI-Schmelze nur wenig benetzt wird und nach dem Entfernen der Probe aus der Schmelze anhaftendes AI 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.Such material samples were characterized in Al-based melts at 850 ° C on the one hand in the form of a long-term immersion treatment with regard to corrosion resistance, and on the other hand by means of cyclical immersion tests with regard to the thermal shock behavior. These immersion tests showed that the material according to the invention is only slightly wetted by the Al melt and, after the sample has been removed from the melt, AI can be blown off using a gas stream. Criteria for a suitability of the material for the application in such melts were a change in weight of less than 1% by weight after 100 h of stationary exposure or a survival of 500 immersion tests in this melt with interim cooling by air blowing, without any damage being detectable.
Die Charakterisierung der Gewichtsänderung erfolgt durch einfaches Wiegen der Proben vor und nach der Tauch-Auslagerung in die AI-Schmelze, wobei anhaftende AI- 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 Änderungen der Form (Abbruchen) oder auftretenden Schädigungen, wie z.B. Rissen. Als Kriterium für eine kritische Schädigung des Teils wurden Veränderungen der Resonanzfrequenz-Reflexe von > 0,1 % festgelegt.The change in weight is characterized by simple weighing of the samples before and after immersion in the Al melt, with adhering Al and slag residues being removed by blowing off immediately after removal from the melt or by careful sandblasting. Thermal shock damage from the cyclical immersion tests is characterized by recording the resonance frequency spectra before and after the tests. Electrodynamic transducers in the form of a transmitter and receivers are attached to the sample or component to be tested and vibrations are generated and registered in part with frequencies between 0.1 and 2 MHz of the transmitter. This vibration spectrum is a "fingerprint" of the part and changes when the shape changes (breaking off) or damage occurs, e.g. Cracks. As a criterion for critical damage to the part, changes in the resonance frequency reflections of> 0.1% were specified.
Die Bewertung verschiedener Siliciumnitrid- Werkstoffqualitäten nach diesem Verfahren führten zu dem Schluß, daß die Bewertungskriterien dann erfüllt werden, wenn der Werkstoff aus mindestens 75 Vol.-% ß-Si3N4 besteht, die Restporosität <5 Vol.-% beträgt, maximal 3 Vol-% freies Si und als Rest auf 100 % Sekundärphase vorliegen. Bei weniger als 75 % ß-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 fuhren 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.-% ß-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 Gefugeanalyse von Anschliffen, ergänzt durch röntgenographische Phasenanalyse.The evaluation of various silicon nitride material qualities according to this method led to the conclusion that the evaluation criteria are met if the material consists of at least 75% by volume of β-Si 3 N 4 , the residual porosity is <5% by volume, at most 3% by volume of free Si and the remainder on 100% secondary phase. With less than 75% ß-Si 3 N 4 and more than 5% porosity, the thermal shock resistance is no longer guaranteed. More than 3 vol .-% free Si leads to inclusions in the material and reduces its strength. Correspondingly higher contents of the secondary phase than 20 vol.% Reduce the corrosion as well as the abrasion resistance and thereby lead to higher weight changes than the limit specified according to the invention. Particularly favorable corrosion, abrasion and thermal shock resistance are obtained if the material consists of at least 80 vol.% Β-Si 3 N 4 , less than 2 vol.% Free Si, 3 to 1 vol.% Porosity and as the remaining component of a secondary phase, which can be amorphous or partially crystalline. The phase contents are usually determined by quantitative microstructure analysis of cuts, supplemented by X-ray phase analysis.
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 Ausgangsmaterialien, die als SiO2 angesehen werden, die erwünschte Charakteristik und Konzentration an Sekundärphase ausbildet.Suitable sintering additives are all those combinations of materials which, at a higher temperature, form a molten phase with the oxygen present in the starting material, which is considered to be SiO 2 , which permits liquid-phase sintering of the Si 3 N 4 -based shaped body. Such additives are MgO, CaO, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Nd 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 or compounds of these oxides in the form of, for example, MgAl 2 O 4 , Al 2 TiO 5 etc. and optionally also SiO 2 . The combination and concentration of the individual additives must be coordinated in such a way that the desired characteristic and concentration of secondary phase is formed from the reaction with the oxygen content of the starting materials, which are regarded as SiO 2 .
Als besonders vorteilhaft erwies sich das Verfahren zur Herstellung von Teilen aus diesem Werkstoff, insbesondere bezüglich der Flexibilität der Bauteil-Geometrie. AlsThe method for producing parts from this material has proven to be particularly advantageous, particularly with regard to the flexibility of the component geometry. As
Ausgangsmaterialien für diese Werkstoffe haben sich Si-Pulver mit einer mittlerenStarting materials for these materials have become Si powder with a medium
Korngröße < 50 μm und einer Reinheit > 95 % bewährt. Bei gröberen Pulvern gibt esGrain size <50 μm and a purity> 95% proven. There is coarser powder
Probleme mit der Umsetzung bei der sogenannten Nitridierung, d.h. der Reaktion desProblems with the implementation in the so-called nitridation, i.e. the reaction of the
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 achsiales oder isostatisches Pressen zu einem Formteil geformt. Dieses Formteil kann nun sehr vorteilhaft bis zu einerSi with the N 2 of the atmosphere during annealing, with purities lower than 95%, secondary components are present in such high concentrations that inclusions occur and the required mechanical properties of the material can no longer be achieved. Such powders are mixed intensively with the sintering additives mentioned by dry or wet grinding, dried, granulated and shaped into a shaped part by a suitable shaping method such as axial or isostatic pressing. This molding can now be very advantageous up to one
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 Restporosität < 5 Vol.-% anzupassen sind. Dabei tritt eine lineare Schwindung von < 14 % ein, die deutlich geringer ist als bei sonstigen über die Pulverroute hergestellten dichten keramischen Werkstoffen.Weight gain of 20% by weight due to the reaction of the Si with the nitrogen an inert, nitrogen-containing gas atmosphere are pre-nitrided and solidified, so that mechanical processing can then take place. This can be done with normal cutting processes such as sawing, drilling, milling, turning and grinding, so that the final contour of the part can be preformed. This is followed by the final nitriding at temperatures <1600 ° C, with a residual silicon content of <3% by volume being sought. With this final nitriding, a linear shrinkage of less than 2% occurs, which is very conducive to maintaining the complex final geometry. To reduce the porosity and increase the mechanical properties, this is followed by sintering at temperatures of <1760 ° C under 1 bar N 2 or <2100 ° C under <100 bar N 2 , the sintering conditions being based on the concentration and combination of the added sintering additives and the target value of the residual porosity <5 vol .-% are to be adjusted. A linear shrinkage of <14% occurs, which is significantly lower than with other dense ceramic materials produced via the powder route.
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.A preferred embodiment of the method according to the invention provides that <50% by weight silicon nitride powder with an average grain size <10 μm and a purity> 95% is additionally added to the silicon powder and the sintering additives and this mixture is prepared as described and processed into molded parts.
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 denSilicon nitride powders with a higher average grain size hinder the sintering process and, with less purity, foreign components are present in such concentrations that they act as inclusions and can reduce the mechanical properties. The advantage of adding Si 3 N 4 powder is that, as an inert filler, it reduces the exothermic reaction between Si and N 2 and thus the
Nitridierungsprozeß beschleunigt durchzuführen gestattet.Nitridation process allowed to be carried out more quickly.
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 wirtschaftlich akzeptable Herstellung von großvolumigen, komplex geformten Siliciumnitrid- Bauteilen für Anwendungen mit hoher thermischer, korrosiver, abrasiver und Thermoschock-Beanspruchung.Particularly favorable conditions exist for the mechanical processing of the pre-nitrided parts if the moldings only show 1-10% by weight increase, based on the Si content of the base material. This processing in the pre-nitrided state enables the production of very complex moldings and Components that only need processing on functional surfaces and fits after final sintering. This is an essential prerequisite for the economically acceptable production of large-volume, complex-shaped silicon nitride components for applications with high thermal, corrosive, abrasive and thermal shock loads.
Ein Beispiel für die Verwendung dieser Werkstoffe und Bauteile sind Reinigungsund 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 eineAn example of the use of these materials and components are cleaning and degassing stirrers for Al-based melts. Such stirrers are essentially designed as disk-shaped bodies with a central axial bore in order to be able to fasten them to a drive shaft. Through this wave there is a
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 AI-Schmelze abfließen kann. An der Unterseite des Rotors können ferner flächige Profilierungen angebracht werden, um sowohl eine Rühr- als auch eine Pumpwirkung zu erreichen.Gas supply, either only axially centrally with an outlet at the lower end of the shaft or with a deflection in the area of the attachment in radial bores in order to allow the gas to escape at the circumference of the rotor. Profiles on the circumference serve to further shred the gas bubbles and swirl them intensely in the melt. The top of the disc is designed to slope towards the outer edge, so that the Al melt can flow off when the rotor is moved out. Flat profiles can also be attached to the underside of the rotor in order to achieve both a stirring and a pumping effect.
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.To fix the rotor to a commercially available drive shaft, a conical design of the central bore has proven itself in order to prevent the rotor from falling off in a form-fitting manner. The fixation itself on the shaft can e.g. with a graphite mandrel with an external thread, for which there are commercially available solutions.
Beim Einfahren des Rotors bzw. der gesamten Entgasungsvorrichtung empfielt 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.When retracting the rotor or the entire degassing device, it is advisable to set an already slightly flowing gas stream in order to prevent the melt from penetrating into the bores. The same procedure must be followed when moving out of the melt in order to keep the holes free.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines derartigen Rotors mit den entsprechendenA preferred embodiment of such a rotor with the corresponding
Fixierungsteilen zeigt Figur 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.Fixing parts are shown in Figure 1. In the test, this rotor has the same good degassing effect achieved as standard graphite degassing rotors. Furthermore, the material used has proven to be significantly more resistant to corrosive and abrasive attack than graphite parts according to the prior art, as a result of which the object of the invention is achieved.
Die erfindungsgemäße Verwendung dieses Werkstoffes und Bauteils ist nicht auf AI- 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.The use of this material and component according to the invention is not limited to Al melts, but extends to a variety of light and non-ferrous metal melts as well as to various applications, such as Watering spoons, nozzles, valve systems including slide plates etc. One limitation can only be seen in the fact that the component must not exceed a wall thickness of 30 mm. The material and components made from it according to the specified process are also suitable for a variety of applications with thermal, corrosive and / or abrasive stress.
Die Impeller mit Gasverteilungsvorrichtungen können wie folgt charakterisiert werden:The impellers with gas distribution devices can be characterized as follows:
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 Schmelzbadoberfläche 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 dieThe aim is to distribute the treatment gas as evenly as possible in the form of the smallest possible bubbles evenly in the melt and at the same time to achieve a thorough mixing of the molten metal without the surface of the molten bath being moved excessively and this causing floating salt cells to enter the melt. In this case, it is a generally rotationally symmetrical body (1) which, attached to the end of a shaft, is immersed in the melt. The attachment can be done on the one hand by screwing the rotor provided with a central threaded bore onto the lower end of the shaft. To avoid a screw connection, as is appropriate in this case, there is a connection according to FIG. 1, in which the rotor is pushed onto the shaft of the rotor from above and is prevented from falling off by the taper of the shaft. A cross hole or groove (4) in the rotor prevents it from slipping or twisting. The gas is converted into small bubbles by a high peripheral speed during operation divided, which is reinforced by the profiling on the circumference (5). The profiling was designed in such a way that on the one hand there was sufficient comminution of the bubbles and sufficient mixing of the molten metal. On the other hand, the shape of the profiling and the rounding of the transitions mean that the melt is not excessively set into a rotational movement. The latter would have a negative effect on the metal quality due to the funnel formation around the shaft and the resulting entry of surface oxides into the melt. An optional profiling of the underside of the rotor can additionally generate a pump effect. During the rotation of the rotor, the grooves and webs are appropriately aligned
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 derThe melt accelerates outwards or in the opposite direction from the center of the rotor, which, depending on the version, results in different vertical circulation flows in the melt vessel, which in turn ensure good mixing of the metal and a desired, extended residence time of the gas bubbles in the melt. In special cases, the
Trichterbildung um den Schaft herum entgegengewirkt werden.Funnel formation around the shaft can be counteracted.
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.
Optionally, the top of the rotor has a sloping surface (6) from the inside to the outside to make it easier for the metal melt to drain when the rotor is pulled out of the melt. This is particularly useful from the point of view that, due to the material used, there is no wetting with the aluminum melt and the cleaning is therefore limited to the removal of a loosely placed, thin oxide skin.
Bezugszeichenliste:Reference symbol list:
1 Rotorscheibe1 rotor disc
2 Bohrung zur Befestigung an Welle, bevorzugt konisch2 holes for attachment to shaft, preferably conical
3 Radiale Gasdüsen (optional)3 radial gas nozzles (optional)
4 Querbohrung bzw. Nut zur Fixierung an Welle4 cross hole or groove for fixing to shaft
5 Profilierungen am Umfang5 profiles on the circumference
6 Schräge zur Förderung des Ablaufens der Schmelze (optional)
6 slants to promote the drainage of the melt (optional)
Claims
1. Siliciumnitrid- Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens aus 75 Vol.-% ß-Si3N4, weniger als 3 Vol.-% freiem Si, weniger als 5 Vol.-% Porosität und als Rest aus einer Sekundärphase aus zugesetzten üblichen1. silicon nitride material, characterized in that it consists of at least 75 vol .-% β-Si 3 N 4 , less than 3 vol .-% free Si, less than 5 vol .-% porosity and the rest of a secondary phase added usual
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 vonSintering additives exist, with the material having a dip treatment in an Al-based melt of 850 ° C after 100 h showing only a change in weight of less than 1% by weight and with cyclical dipping tests into this melt after 500 cycles there is no detectable damage to the material , characterized by the inclusion of
Resonanzfrequenzspektren vor und nach der Tauchbehandlung und einer maximal erlaubten Verschiebung von Resonanzfrequenzen von < 0,1%.Resonance frequency spectra before and after the immersion treatment and a maximum allowed shift of resonance frequencies of <0.1%.
2. Siliciumnitrid- Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus wenigstens 80 Vol.-% ß-Si3N4, weniger als 2 Vol.-% freiem Si, 3 bis 12. silicon nitride material according to claim 1, characterized in that it consists of at least 80 vol .-% β-Si 3 N 4 , less than 2 vol .-% free Si, 3 to 1
Vol.-% Porosität und als Rest aus einer Sekundärphase besteht, die amorph oder teilkristallin sein kann.Vol .-% porosity and the remainder consists of a secondary phase, which can be amorphous or partially crystalline.
3. Siliciumnitrid- Werkstoff nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Sinteradditive MgO, CaO, Y2O3, La2O3 CeO2, Nd2O„ TiO2, ZrO2,3. silicon nitride material according to claims 1 and 2, characterized in that as sintering additives MgO, CaO, Y 2 O 3 , La 2 O 3 CeO 2 , Nd 2 O "TiO 2 , ZrO 2 ,
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 Ausgangsmaterialien Si und gegebenfalls Si3N4, der als SiO2 vorliegend ange- sehen wird, die erfindungsgemäße Konzentration an Sekundärphase ausbildet.B 2 O 3 , Al 2 O 3 or compounds of these oxides in the form of, for example, MgAl 2 O 4 , Al 2 TiO 5 and optionally additionally SiO 2 can be added in concentrations such that Si and optionally Si result from the reaction with the oxygen content of the starting materials 3 N 4 , which is regarded as SiO 2 in the present case, forms the concentration of secondary phase according to the invention.
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 anschließend 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 unter4. A process for the preparation of Si 3 N 4 materials according to 1 to 3, characterized in that pure silicon powder with an average grain size <50 microns and a purity> 95% and conventional sintering additives are mixed intensively by dry or wet grinding, after drying and Granulation the mixture is shaped by a suitable molding process, this part is annealed for solidification in N 2 or N 2 -containing inert atmosphere until a weight gain by reaction of the nitrogen with the silicon of <20 wt .-% based on the Si Content is reached, this body is mechanically processed to the final shape and then annealed at temperatures of <1600 ° C in the gas atmospheres mentioned until a residual silicon content of <3% by volume is present, with a linear shrinkage of less than 2 during annealing % entry. This nitriding is followed by sintering, which occurs at temperatures of <1760 ° C under 1 bar N 2 or <2100 ° C
< 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.<100 bar N 2 takes place by adapting the conditions to the concentration and combination of the added sintering additives and the target value of a residual porosity <5% by volume, with a linear shrinkage of <14%.
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 überfuhrt werden.5. A process for producing the silicon nitride material according to 1 to 3, characterized in that silicon powder with an average grain size <50 microns and a purity> 95% and <50 wt .-% silicon nitride powder of the average grain size <10 microns and a purity> 95% and conventional sintering additives are used as starting materials and, as specified in claim 4, processed and transferred into a dense sintered body.
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.6. The method for producing the silicon nitride material according to claim 4 and 5, characterized in that the weight increase in the preheating prior to the mechanical processing, based on the Si content of the material, is 1 to 10% by weight.
7. Verfahren nach Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Sinteradditive MgO, CaO, Y2O3, La2O3 CeO2, Nd2O3, TiO2, ZrO2, B2O3, Al2O, 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.7. The method according to claims 4 to 6, characterized in that as sintering additives MgO, CaO, Y 2 O 3 , La 2 O 3 CeO 2 , Nd 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O , or compounds of these oxides in the form of, for example, MgAl 2 O 4 , Al 2 TiO 5 etc. and optionally additionally SiO 2 are added in concentrations that result from the reaction with the oxygen content of the starting materials Si and optionally Si 3 N 4 , calculated as SiO 2 , forms the concentration of secondary phase according to the invention.
8. Verwendung der Siliciumnitrid- Werkstoffe nach Ansprüchen 1 bis 3 zur Herstellung von großvolumigen, komplex geformten Bauteilen.8. Use of the silicon nitride materials according to claims 1 to 3 for the production of large-volume, complex-shaped components.
9. Verwendung der Siliciumnitrid-Bauteile gemäß 8 in Anwendungen mit hoher thermischer, korrosiver, abrasiver und Thermoschock-Beanspruchung.9. Use of the silicon nitride components according to 8 in applications with high thermal, corrosive, abrasive and thermal shock stress.
10. Verwendung der Siliciumnitrid-Bauteile nach Anspruch 8 in Form von10. Use of the silicon nitride components according to claim 8 in the form of
Rührern für die Reinigungs- und Entgasungsbehandlung von Al-basierenden Schmelzen.Stirrers for the cleaning and degassing treatment of Al-based melts.
11. Verwendung der Bauteile nach 8 für die Verarbeitung von Buntmetall- schmelzen.11. Use of the components according to 8 for processing non-ferrous metal melts.
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.12. degassing stirrer according to claim 11, characterized in that it is essentially a disc-shaped body with a central axial bore for attachment to a drive shaft, optionally with profiling on the circumference and a gas conduction device in only the central, axial direction and / or deflection of this gas guide in several radial holes emerging from the circumference of the component.
13. Rührer für Metallschmelzen gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Scheibe vom äußeren Umfang zur zentralen Befestigungsbohrung 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. 13. Stirrer for molten metal according to claim 12, characterized in that the thickness of the disc increases from the outer circumference to the central fastening bore and is optionally structured flat, in particular on the underside, in order to achieve a pumping action in addition to a stirring, which in the melting vessel for a superimposed, vertical circulation flow and thus ensures a longer residence time of the purge gas bubbles in the melt.
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.14. Stirrer for molten metal according to claim 12, characterized in that such a profile is attached to the circumference that on the one hand there is comminution of the gas bubbles and mixing of the melt, on the other hand the molten bath surface is not moved excessively in order to minimize the entry of contaminants.
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 AI unbenetzbar), die Notwendigkeit einer Reinigung fast vollständig entfallt. 15. Stirrer for molten metal according to claim 12, characterized in that the top is designed to slope downwards to ensure that the metal runs off, which, together with the material properties (non-wettable for AI), eliminates the need for cleaning almost completely.
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