WO2023017358A1 - Giessvorrichtung und giessverfahren zur herstellung von metall-matrix-komposit-werkstoffen - Google Patents

Giessvorrichtung und giessverfahren zur herstellung von metall-matrix-komposit-werkstoffen Download PDF

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WO2023017358A1
WO2023017358A1 PCT/IB2022/057111 IB2022057111W WO2023017358A1 WO 2023017358 A1 WO2023017358 A1 WO 2023017358A1 IB 2022057111 W IB2022057111 W IB 2022057111W WO 2023017358 A1 WO2023017358 A1 WO 2023017358A1
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WO
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melt
particle
particle feed
metal
flow path
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Application number
PCT/IB2022/057111
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Inventor
Marcel Graf
Robert Pippig
Thomas Lampke
Original Assignee
CMMC GmbH
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Publication date
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D35/00—Equipment for conveying molten metal into beds or moulds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C22C1/1047—Alloys containing non-metals starting from a melt by mixing and casting liquid metal matrix composites

Definitions

  • the present invention relates to a casting device for producing metal matrix composite materials, which has a melt line inclined in a flow direction of the casting device with a flow path for molten metal and a particle feed device for feeding solid particles to the molten metal.
  • the invention also relates to a casting method for the production of metal matrix composite materials, in which solid particles are fed to a metal melt while the metal melt flows down a melt line in a continuous flow.
  • Metal matrix composite materials are metals or metal alloys containing solid particles. Such particle-reinforced metals or metal alloys offer significantly higher wear resistance and/or increased strength, in particular increased heat resistance, compared to their non-reinforced variants.
  • the solid particles used in MMC materials can be ceramic particles, for example.
  • the solid particles can consist of metal oxide(s), preferably aluminum oxide, metal nitride(s), metal carbide(s), preferably silicon carbide, metal silicide(s), and/or glass.
  • Metal matrix composite materials, particularly aluminum matrix composite materials (AMC) were first considered commercially in the early 1970's. The motivation came primarily from the need for more efficient lightweight materials for aerospace and military applications. At the end of the 1980s, research led to the first practicable manufacturing processes.
  • MMC materials can only be found in niche applications or high-end technologies. At the moment it is not foreseeable that one of the global suppliers of MMC materials will clear the hurdle of the required cost-benefit ratio for large-scale production.
  • US Pat. No. 4,786,467 B1 came up with the idea of introducing the particles in a vacuum into an already prepared melt and distributing them therein using a stirrer.
  • the agitator which has a plurality of agitator arms arranged one above the other, ensures that the shearing forces are sufficiently large for wetting.
  • the particles are introduced into a crucible below the surface of the melt via a hollow stirrer and are simultaneously set in rotation by the stirrer.
  • the rotation also results in a homogeneous distribution and wetting of the particles in the molten metal.
  • a matrix alloy is first melted in a crucible, after which nanoparticles are added.
  • the melt is treated using vibration or ultrasound. This not only achieves a homogeneous distribution and wetting, but also supports the cooling and thus converts the composite melt into a partially solidified, ie mushy to pasty, state.
  • the partially solidified MMC melt is then to be used for thixoforming in order to produce components with improved To generate mechanical properties through a combination of original and forming.
  • the disadvantage of this technology is that the ultrasonic action on the melt charged with the particles only takes place when the melt flows past the respective sonotrodes. Due to the time-limited exposure time and the locally limited effective area, the desired homogeneous mixing throughout the material can only be achieved with this technology if the ultrasonic treatment is carried out at a high frequency and/or is very time-consuming. If such a process takes place in a normal atmosphere, oxidation of the melt surface is also to be expected, which makes it more difficult to introduce the solid and the oxidation products of the metal melt can be mixed into the melt during the ultrasonic treatment.
  • a casting device for the production of metal matrix composite materials which has a melt line inclined in a flow direction of the casting device with a flow path for molten metal and a particle feed device for feeding solid particles to the molten metal, the Particle feed device is designed as a particle feed shaft extending at least to a bottom of the flow path with a particle exit window formed in a shaft casing of the particle feed shaft.
  • the particle feed chute performs two functions at the same time.
  • the particle feed shaft protruding into the flow path divides the melt flowing in the melt line into two partial streams. These partial streams flow past the particle feed chute on both sides of the latter and come together again after passing through the particle feed chute.
  • the two partial streams continue to flow in the melt line, the cross section of which is preferably constant. Accordingly, there is no significant increase in the surface area of the partial flows compared to the previous total melt flow and thus no increased oxide formation on the melt surface, which, as explained above, would not only make it more difficult to introduce particles into the melt, but also the properties of the later solidified material would have a negative impact.
  • the solid particles are trickled into the molten metal through the particle outlet window of the particle feed shaft in an area of the melt line where the two partial streams flow together again.
  • Raw material and solid particles can be fed continuously to the casting device according to the invention. Furthermore, a metal matrix composite material can be produced continuously with the casting device according to the invention.
  • the casting device according to the invention is also very robust with regard to process fluctuations and varying requirements. All of its components are easy to service and maintain.
  • the present invention also allows the molten metal to be heated before and/or in the melt line, which facilitates continuous process management due to the molten metal that can always be kept in the liquid state, and/or the solid particles can be heated before and/or in the particle feed shaft, whereby it can be avoided that the solid particles introduced into the molten metal partially cool the molten metal and lead to premature solidification and the formation of clumps in the molten metal.
  • the melt line is designed as a melt line pipe
  • the particle feed shaft is guided through a jacket passage formed opposite the flow path in a tubular jacket of the melt line pipe to the flow path and the particle exit window is arranged inside the melt line pipe.
  • This structural design of the casting device according to the invention is easy to implement and creates the best conditions for a continuous introduction of particles into the metal melt flowing continuously in the melt line. Due to the closed design of the melt line as a melt line tube and the direct branching of the particle feed shaft into the melt line tube, there is no open melt surface during particle introduction, which means that the disadvantages of the prior art listed above can be avoided.
  • melt line profile that is not closed around the circumference can also be used for the melt line instead of the melt line tube.
  • the particle feed shaft introduced laterally into the melt pipe is preferably welded to the melt pipe. This creates a closed particle feed system that enables a loss-free, targeted and clean particle feed to the molten metal.
  • the angle between the melt pipe and the particle feed shaft can influence the speed and thus the quantity per time with which the solid particles are introduced into the molten metal.
  • the particle feed shaft is preferably designed as a particle feed pipe.
  • the particle feed tube can have either a round or an angular cross section. Due to its closed circumference, the tubular shape of the particle feed chute enables easy filling and loss-free feeding of the solid particles to and into the melt line, largely independent of ambient conditions.
  • the particle feed pipe particularly preferably has a smaller pipe cross section than the melt pipe.
  • tube e.g. B.
  • melt pipe this is not limited to round pipe cross-sections, but can also have an angular, such as a rectangular, pipe cross-section.
  • the respective tube can have at least one kink and/or at least one bend.
  • the solid particles can be guided in the interior of the particle feed chute in the direction of the particle outlet opening if a transverse floor opening into the particle outlet opening is formed in the particle feed chute.
  • the transverse base is preferably inclined in a particle exit direction.
  • this can be realized in that the transverse base is arranged obliquely in the particle feed chute, as a result of which the transverse base has an elliptical shape given a round internal cross section of the particle feed chute. If the installation angle of the particle feed chute acting as a melt splitter is large enough, the transverse base can also lie straight in the particle feed chute and thus be circular with a round internal cross section of the particle feed chute.
  • the transverse floor preferably extends over the entire internal cross section of the particle feed shaft.
  • the transverse floor can be designed as a plate, for example.
  • the melt line spreads out in the direction of flow in front of the particle feed chute into two partial melt lines, which are reunited at the particle feed chute.
  • This embodiment is therefore referred to as a double-Y embodiment.
  • the solid particles are located relatively in the center of the melt flow, viewed across the cross section of the melt. Subsequent inline treatment of the particle-laden molten metal can compensate for this localized distribution. The solid particles are thus homogeneously distributed and wetted.
  • an agitator which projects into the flow path and whose drive shaft is arranged in the particle feed shaft is used as a means for such an inline treatment.
  • the agitator can reduce the viscosity of the molten metal containing the solid particles for subsequent process steps.
  • the object is also achieved by a casting process for the production of metal matrix composite materials, in which solid particles are fed to a metal melt while the metal melt flows down in a continuous flow in a melt line, the metal melt flowing down along a flow path of the melt line having a into the flow path and thereby dividing the flow path is divided into two partial flows flowing laterally past the particle supply chute and where the partial flows flow back together after flowing past the particle supply chute, the solid particles flow out of a particle outlet window of the particle supply chute arranged above the flow path into the converging ones Partial streams are trickled in.
  • a high degree of MMC melt quality can be guaranteed with the casting method according to the invention.
  • the casting method according to the invention also enables continuous melting operation under vacuum conditions.
  • the solid particles are guided to the particle exit window along a transverse base formed in the particle feed shaft and inclined in a particle exit direction.
  • the metal melt Before it passes through the particle feed chute, the metal melt preferably flows in two partial melt lines of the melt line, which are reunited at the particle feed chute.
  • Figure 1 shows schematically a side view of a particle feeding section of an embodiment of the casting device according to the invention
  • Figure 2 shows schematically the particle feed section of Figure 1 in a perspective view
  • Figure 3 shows schematically a particle feeding section of another embodiment of the casting device according to the invention.
  • Figures 1, 2 and 3 illustrate the present invention based on schematic views of a particle feed section of two different embodiments of a casting device according to the invention.
  • the casting device In front of the respective particle feed section, the casting device has at least one component, not shown here, such as a metal melting and/or warming device for producing and/or warming a molten metal.
  • a metal melting and/or warming device for producing and/or warming a molten metal.
  • the casting device can have at least one component not shown in the present figures, such as a mixing zone with at least one mechanical and/or electromagnetic Having stirrers for distributing solid particles introduced in the particle feed section onto or into the molten metal.
  • the particle feed section shown in each case has a melt line 1 supplied with a molten metal by the metal melting device and a particle feed shaft 2 .
  • the melt line 1 is tubular, that is to say as a melt line pipe or in the form of two tubular partial melt lines 14, 15, which first diverge and then converge again.
  • the particle feed shaft 2 is also tubular in the shown embodiments, i. H. as a particle feed tube.
  • the melt line 1 is inclined in a respective flow direction A, A' of the casting device.
  • a metal melt flows down in a flow path 11 formed in the melt line 1 in the flow direction A, A'.
  • a passage opening is formed through which the particle feed shaft 2 is guided into the interior of the melt line 1 .
  • the particle feed chute 2 projects up to an inner wall of the melt line 1 opposite the passage opening, i. H. through the flow path 11 in which the molten metal flows.
  • the flow path 11 is divided by the particle feed chute 2 into two partial flows, which flow past the particle feed chute 2 on both sides.
  • the particle feed chute 2 is aligned at an angle of 90° or 45° to an axis of rotation of the melt line 1, so that its inclination B is at an angle of 90° or 45° to that of the flow direction A, A′ Inclination of the melt line 1 is aligned.
  • the particle feed chute 2 can also be, for example, perpendicular to the inclined melt line 1, so that between the central axis of the particle feed chute 2 and the respective flow direction A, A' in the melt line 1, for example, there is an angle in a range of 30 to 60 °, e.g. B. of 45 ° formed.
  • the particle feed chute 2 has an open particle exit window 22 in its chute casing 21 .
  • the transverse floor 23 is inclined in a particle exit direction C in the direction of the particle exit window 22 .
  • the casting device according to the invention works, for example, according to the following casting method:
  • a molten metal is first produced and/or kept warm.
  • the molten metal can be refined and/or modified in the metal melting and/or holding device.
  • the metal melting and/or heating device is operated in a vacuum, ie at approx. 10′ 4 to 1 mbar, or in an inert gas atmosphere.
  • a feed line that can be locked by a vacuum-tight valve device between the metal melting and/or heating device and the process chamber in which the particle feed section is located.
  • a vacuum melt tank is coupled to this.
  • Simple embodiments of the present invention can also be designed in such a way that the particle feed section is not located in a separate process chamber.
  • valve device located between the metal melting and/or warming device and the process chamber in which the particle feed section is located is opened and a valve device located between this process chamber and a casting chamber adjoining the process chamber closed.
  • the molten metal produced by the metal melting and/or holding device is fed into the vacuum melting tank.
  • the melt line 1 introduced laterally into the process chamber from the outside in a vacuum-tight manner can project into these, for example from above.
  • a first section of the melt line 1 forms a riser pipe.
  • the lower end of the riser pipe is always below one Melt surface of the molten metal.
  • An increase in pressure in the metal melting and/or warming device causes an increase in the melt in the riser pipe and thus in the melt line 1.
  • the melt line 1 is filled from an additional melt tank by gravity. It is also possible to operate the additional melt tank under normal atmosphere and to use the resulting pressure difference to fill the metal melt into the vacuum melt tank with the riser pipe.
  • the present invention is independent of the type of feed of the molten metal to the melt line 1.
  • the invention is in particular not dependent on whether a riser pipe, as described above, is used.
  • the invention can also be used, for example, in gravity casting.
  • the melt line 1 is heated directly or indirectly with at least one heating element so that the molten metal in the melt line 1 cannot solidify at any time.
  • Another section of the melt line 1 is inclined downwards in the respective flow direction A, A', i.e. at an angle of approximately 30 to 60°.
  • the molten metal flows continuously, i. H. without tearing off, in the respective flow direction A, A' within the melt line 1, along the flow path 11 formed on the inside of the melt line 1.
  • melt line 1 temporarily branches into partial melt lines 14, 15, the flow path 11 also branches accordingly.
  • the molten metal initially flowing as a total stream is divided into two partial streams by the particle feed shaft 2 at the point where it protrudes into the flow path 11 and divides it.
  • the particle feed chute 2 preferably protrudes centrally into the flow path 11 so that the total flow of molten metal is evenly divided into the two partial flows. In the embodiments of FIGS. 1 and 2, the total flow is divided into the two partial flows in a Y-shape. In the embodiment of FIG. 3, the particle feed shaft 2 protrudes into the flow path 11 where the two partial melt lines 14, 15 are brought together again.
  • the partial streams flow past the particle feed shaft 2 on both sides of the latter and, after passing through the particle feed shaft 2, flow together again.
  • solid particles are introduced into the particle feed chute 2, which can be done, for example, by means of a shaking unit or a vibrating unit connected to a storage silo, they initially fall or slide, supported by the incline B of the particle feed chute 2, onto the transverse floor 23 located in the particle feed chute 2. On the transverse floor 23 the solid particles slide according to the inclination of the transverse floor 23 in the particle exit direction C obliquely downwards in the direction of the particle exit window 22.
  • the solid particles then trickle down from the particle exit window 22 onto the partial streams of molten metal that flow back together.
  • the solid particles preferably strike the molten metal exactly where the two partial flows flow together again, ie where there is initially a closing gap between the partial flows. This traps the solid particles under the melt surface.
  • the inclination B or the angle of inclination of the particle feed shaft 2 determines the point at which the two partial flows unite again.
  • the routing of the molten metal in the pipe system described above has the effect that there is no open melt surface to an oxygen-containing environment and accordingly unwanted oxide formation due to the low oxygen content in or on the molten metal in the process chamber is largely prevented.
  • this MMC melt which is now enriched with the solid particles, flows through a mixing zone of the casting device in order to homogenize the solid particles and to wet them.
  • an agitator such as a two- to four-bladed agitator with material-specific blade position, can be integrated in the melt line 1 in order to reduce the viscosity of the MMC melt.
  • the MMC melt is poured into a mold to solidify there or passed into a heatable collection container to collect it there and then to a further processing device such.
  • heating elements are preferably located on all components that come into contact with the metal melt or the MMC melt, except for the casting mold, so that the hot melt with the solid particles is not exposed to the risk of premature solidification.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffen, die eine in eine Fließrichtung der Gießvorrichtung geneigte Schmelzeleitung mit einer Fließbahn für eine Metallschmelze und eine Partikelzuführeinrichtung zum Zuführen von Feststoffpartikeln zu der Metallschmelze aufweist, sowie ein zugehöriges Gießverfahren, bei dem einer Metallschmelze Feststoffpartikel zugeführt werden, wäh-rend die Metallschmelze in einem kontinuierlichen Fluss in einer Schmelzeleitung hinabfließt. Bei der Gießvorrichtung ist die Partikelzuführeinrichtung als ein sich mindestens bis zu einem Boden der Fließbahn erstreckender Partikelzuführschacht mit einem in ei-nem Schachtmantel des Partikelzuführschachts ausgebildeten Partikelaustrittsfenster ausgebildet. Bei dem Gießverfahren wird die entlang einer Fließbahn der Schmelzeleitung hinabfließende Metallschmelze mit einem in die Fließbahn ragenden und dabei die Fließbahn teilenden Partikelzuführschacht in zwei jeweils seitlich an dem Partikelzuführschacht vorbeifließende Teilströme aufgeteilt und werden dort, wo die Teilströme nach ihrem Vorbeifließen an dem Partikelzuführschacht wieder zusammenfließen, die Feststoffpartikel aus einem über der Fließbahn angeordneten Partikelaustrittsfenster des Partikelzuführschachts in die zusammenfließenden Teilströme eingerieselt.

Description

Gießvorrichtung und Gießverfahren zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit- Werkstoffen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung zur Herstellung von Metall-Matrix- Komposit-Werkstoffen, die eine jeweils in eine Fließrichtung der Gießvorrichtung geneigte Schmelzeleitung mit einer Fließbahn für eine Metallschmelze und eine Partikelzuführeinrichtung zum Zuführen von Feststoffpartikeln zu der Metallschmelze aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Gießverfahren zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit- Werkstoffen, bei dem einer Metallschmelze Feststoffpartikel zugeführt werden, während die Metallschmelze in einem kontinuierlichen Fluss in einer Schmelzeleitung hinabfließt.
Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffe (MMC) sind Feststoffpartikel enthaltende Metalle oder Metalllegierungen. Solche partikel verstärkten Metalle oder Metalllegierungen bieten gegenüber ihren unverstärkten Varianten eine wesentlich höhere Verschleißbeständigkeit und/oder eine erhöhte Festigkeit, insbesondere eine erhöhte Warmfestigkeit.
Die in MMC-Werkstoffen verwendeten Feststoffpartikel können beispielsweise Keramikpartikel sein. Die Feststoff partikel können aus Metalloxid(en), vorzugsweise Aluminiumoxid, Metallnitrid(en), Metallcarbid(en), vorzugsweise Siliziumcarbid, Metallsilizid(en), und/oder Glas bestehen. Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffe, insbesondere Aluminium- Matrix-Kom posit- Werkstoffe (AMC), wurden erstmals in den frühen 1970er Jahren kommerziell betrachtet. Die Motivation kam vorrangig aus dem Bedarf nach leistungsfähigeren Leichtbauwerkstoffen für die Luft- und Raumfahrt sowie für militärische Anwendungen. Ende der 1980er Jahre führte die Forschung zu ersten praktikablen Herstellungsverfahren.
Trotzdem sind bisher nur wenige kommerzielle Anwendungen von MMC erschlossen, da eine zu geringe Robustheit der etablierten MMC-Produktionsprozesse trotz aufwändiger Prozessführung zu schwankenden Werkstoffqualitäten und zusätzlichen Nachbearbeitungsaufwendungen der MMC-Produkte und damit bislang zu hohen MMC-Werkstoff- kosten führen. Daher sind MMC-Werkstoffe trotz ihres großen Anwendungspotenzials nur in Nischenanwendungen oder High-End-Technologien zu finden. Momentan ist nicht absehbar, dass einer der weltweit agierenden Anbieter von MMC-Werkstoffen die Hürde des erforderlichen Kosten-Nutzen-Verhältnisses für eine Großserienfertigung überwindet.
Es existieren derzeit nur einige wenige Lösungen zur Einbringung von Partikeln in eine vollständig flüssige Metallschmelze. Die dabei bestehenden Probleme ergeben sich durch die sich auf der Metallschmelze ausbildende Oxidschicht, die ein Einsinken der Partikel verhindert, das Einmischen von Oberflächenoxiden in die Metallschmelze sowie die ungleichmäßige Verteilung und Benetzung der Partikel in der Metallschmelze.
Aus der Druckschrift US 4,786,467 B1 stammt die Idee, die Partikel im Vakuum in eine bereits vorbereitete Schmelze zu geben und mittels Rührer darin zu verteilen. Der mehrere übereinander angeordnete Rührarme aufweisende Rührer sorgt dafür, dass die Scherkräfte für eine Benetzung hinreichend groß sind.
Bei der in der Druckschrift US 6,547,850 B1 beschriebenen Rührtechnologie werden die Partikel über einen hohlen Rührer unter die Schmelzeoberfläche in einen Schmelztiegel eingebracht und zeitgleich durch den Rührer in Rotation versetzt. Damit wird die Herausforderung, dass die Partikel die Oxidschicht, die sich auch im Vakuum ausbildet, durchbrechen müssen, gemeistert. Durch die Rotation ergibt sich zudem eine homogene Verteilung und Benetzung der Partikel in der Metallschmelze.
Auch in der Druckschrift US 6,253,831 B1 ist die Zugabe von Partikeln in eine in einem Tiegel befindliche Schmelze beschrieben, wobei hier nur ein Teil des Gesamtsystems, d. h. der Tiegel und die Mischeinheit, im Vakuum betrieben wird. Das Vermischen von Schmelze und Partikeln wird durch eine Kombination aus Ultraschallbehandlung und elektromagnetischem Rühren mittels Induktionsspulen realisiert.
In der Druckschrift US 7,509,993 B1 wird zunächst eine Matrixlegierung in einem Tiegel erschmolzen, anschließend erfolgt eine Zugabe von Nanopartikeln. Damit diese in die Matrix eingebettet werden können, erfolgt eine Schmelzebehandlung mittels Vibration oder Ultraschall. Damit wird nicht nur eine homogene Verteilung und Benetzung erreicht, sondern auch die Abkühlung unterstützt und somit die Verbundschmelze in einen teilerstarrten, d. h. breiigen bis teigigen, Zustand überführt. Die teilerstarrte MMC-Schmelze soll im Nachgang für das Thixoforming genutzt werden, um direkt Bauteile mit verbesser- ten mechanischen Eigenschaften durch Kombination von Ur- und Umformung zu erzeugen.
Die oben aufgeführten bekannten Technologien sind sämtlich Batchlösungen, die auf diskontinuierlicher Prozessführung basieren und in ihrer Reproduzierbarkeit Schwächen aufweisen oder nur schwer für eine kontinuierliche Prozessführung modifizierbar sind.
Da die jeweiligen Batch-Technologien zumeist unter Vakuum erfolgen, wird entsprechend ein abgeschlossenes Behältnis benötigt. Bei Matenalnachfüllung muss das Vakuum aufgelöst, Rohmaterial nachgelegt, dann der Schmelzebehälter wieder evakuiert und das Vakuum wieder eingestellt werden.
In der Druckschrift DE 692 23 950 T2 ist ein Rührgießprozess für eine kontinuierliche Herstellung von Metallmatrixverbundmaterial beschrieben, bei dem mehrere Mischstufen zum Einsatz kommen, wobei in jeder der Mischstufen das geschmolzene Metall mit dem darin eingebrachten teilchenförmigen Material beispielsweise mit einem Dispersionsrührflügel zur Erzielung einer ausreichenden Scherung des geschmolzenen Metalls gegen das teilchenförmige Material vermischt wird, bis eine ausreichende Benetzung der Teilchen mit dem Metall erfolgt ist. Dieser Prozess ist jedoch sehr aufwändig.
Ein anderer kontinuierlicher Prozess zur Erzeugung von Verbundwerkstoffschmelzen ist in der Druckschrift EP 3 586 999 A1 aufgezeigt. Dabei liegt der Fokus auf einer Inline- Ultraschallbehandlung zur homogenen Verteilung und Benetzung der Feststoffzugabe in einer Metallschmelze. Diese Ultraschallbehandlung hat auch hier wieder die Funktion, die Schmelzetemperatur zu senken, um das semi-flüssige Verbundmaterial in Druckgussmaschinen weiterzuverarbeiten.
Diese Technologie besitzt den Nachteil, dass hier die Ultraschalleinwirkung auf die mit den Partikeln beaufschlagte Schmelze nur dann erfolgt, wenn die Schmelze an den jeweiligen Sonotroden vorbeifließt. Durch die zeitlich begrenzte Einwirkdauer und den örtlich begrenzten Wirkbereich kann mit dieser Technologie die gewünschte homogene Durchmischung nur dann im gesamten Material erreicht werden, wenn die Ultraschallbehandlung mit hoher Frequenz und/oder sehr zeitintensiv erfolgt. Wenn ein solcher Prozess an Normalatmosphäre stattfindet, ist zudem mit einer Oxidation der Schmelzeoberfläche zu rechnen, wodurch die Feststoffeinbringung erschwert wird und bei der Ultraschallbehandlung die Oxidationsprodukte der Metallschmelze in die Schmelze eingemischt werden können.
Die mit dem eingesetzten Vakuum verbundenen Nachteile der Batch-Lösungen entfallen bei kontinuierlichen Prozessen. Stattdessen kann bei kontinuierlichen Prozessen zu jedem Zeitpunkt Rohmaterial nachgefüllt werden. Dies geschieht allerdings auf Kosten von Verunreinigungen im oberflächennahen Schmelzebereich.
Desweiteren existiert im Stand der Technik der Ansatz, den jeweiligen Schmelzestrom mittels eines kaskadenförmig aufgebauten Rinnensystems in mehrere Teilschmelzeströme mit dem Ziel aufzuspalten, die Oberfläche der Teilschmelzeströme im Vergleich zum ursprünglichen Gesamtschmelzestrom stark zu vergrößern und in diese Feststoffpartikel einrieseln zu lassen. Allerdings können hierbei sehr dünne Schmelzefilme entstehen, die abreißen können, oder sich Rinnsale bilden, sodass die Feststoff parti kel auf Bereiche treffen können, in welchen gar keine Schmelze vorhanden ist. Weiterhin nimmt durch die Vergrößerung der Schmelzeoberfläche der Oxidanteil im Verhältnis zum Schmelzevolumen stark zu, was sich sowohl negativ auf die Prozessführung der flüssigen Schmelze als auch auf die Eigenschaften des erstarrten Werkstoffs auswirkt. Auch unter Vakuumbedingungen ist der Anteil von Oxideinschlüssen in der MMC-Schmelze bei dieser Technologie sehr hoch. Das Kaskadenprinzip stellt außerdem hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität der Rinnen und auch an deren geometrische Auslegung, die von der Schmelze als auch von den Prozesstemperaturen abhängt.
Darüber hinaus gibt es im Stand der Technik eine Technologie zur Herstellung von Kom- positmetallpulver. Dabei erfolgt die Partikelzugabe auf oder in einen sehr dünnen Schmelzestrom, der im Nachgang verdüst wird, um den pulverförmigen Verbundwerkstoff herzustellen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren zur Verfügung zu stellen, welche bei geringem technologischen Aufwand eine kontinuierliche Produktion von Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffen mit hoher Homogenität und Benetzung der jeweils in die Metallmatrix eingebrachten Feststoffpartikel ermöglichen. Diese Aufgabe wird zum einen durch eine Gießvorrichtung zur Herstellung von Metall- Matrix-Kom posit- Werkstoffen gelöst, die eine in eine Fließrichtung der Gießvorrichtung geneigte Schmelzeleitung mit einer Fließbahn für eine Metallschmelze und eine Partikelzuführeinrichtung zum Zuführen von Feststoffpartikeln zu der Metallschmelze aufweist, wobei die Partikelzuführeinrichtung als ein sich mindestens bis zu einem Boden der Fließbahn erstreckender Partikelzuführschacht mit einem in einem Schachtmantel des Partikelzuführschachts ausgebildeten Partikelaustrittsfenster ausgebildet ist.
Bei der vorliegenden Erfindung übt der Partikelzuführschacht gleich zwei Funktionen aus.
Zum einen teilt der in die Fließbahn hineinragende Partikelzuführschacht die in der Schmelzeleitung fließende Schmelze in zwei Teilströme auf. Diese Teilströme fließen zu beiden Seiten des Partikelzuführschachts an diesem vorbei und nach Passieren des Partikelzuführschachts wieder zusammen. Die beiden Teilströme fließen dabei weiter in der Schmelzeleitung, deren Querschnitt vorzugsweise konstant ist. Entsprechend kommt es zu keiner signifikanten Vergrößerung der Oberfläche der Teilströme im Vergleich zum vorherigen Gesamtschmelzestrom und damit auch zu keiner verstärkten Oxidbildung an der Schmelzeoberfläche, was, wie oben ausgeführt, nicht nur die Einbringung von Partikeln in die Schmelze erschweren würde, sondern auch die Eigenschaften des später erstarrten Werkstoffs negativ beeinflussen würde.
Zum anderen werden durch das Partikelaustrittsfenster des Partikelzuführschachts in einem Bereich der Schmelzeleitung, wo die beiden Teilströme wieder zusammenfließen, die Feststoffpartikel in die Metallschmelze gerieselt.
Die sich beim Zusammenfließen zwischen den Teilströmen ergebenden Strömungsverhältnisse ziehen regelrecht die Feststoffpartikel in die Metallschmelze hinein, wodurch sich eine besonders gute Injektion der Feststoffpartikel unter die Schmelzeoberfläche ergibt.
Der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung können kontinuierlich Rohmaterial und Feststoffpartikel zugeführt werden. Ferner kann mit der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung kontinuierlich ein Metall-Matrix-Komposit-Werkstoff hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Gießvorrichtung ist zudem sehr robust gegenüber Prozessschwankungen und variierenden Anforderungen. All ihre Komponenten sind einfach zu warten und instandzuhalten.
Die vorliegende Erfindung erlaubt ferner, dass die Metallschmelze vor und/oder in der Schmelzeleitung erwärmt werden kann, was die kontinuierliche Prozessführung durch die stets im flüssigen Zustand haltbare Metallschmelze erleichtert, und/oder die Feststoffpartikel vor und/oder in dem Partikelzuführschacht erwärmt werden können, wodurch vermieden werden kann, dass die in die Metallschmelze eingebrachten Feststoffpartikel die Metallschmelze partiell abkühlen und zu vorzeitigen Erstarrungen führen und sich Verklumpungen in der Metallschmelze ausbilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung ist die Schmelzeleitung als Schmelzeleitungsrohr ausgebildet, ist der Partikelzuführschacht durch eine gegenüber der Fließbahn in einem Rohrmantel des Schmelzeleitungsrohrs ausgebildete Manteldurchführung hindurch zu der Fließbahn geführt und ist das Partikelaustrittsfenster innerhalb des Schmelzeleitungsrohrs angeordnet.
Diese konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung ist einfach realisierbar und schafft beste Voraussetzungen für eine kontinuierliche Partikeleinbringung in die kontinuierlich in der Schmelzeleitung fließende Metallschmelze. Durch die geschlossene Ausführung der Schmelzeleitung als Schmelzeleitungsrohr und die direkte Abzweigung des Partikelzuführschachtes in das Schmelzeleitungsrohr gibt es während der Partikeleinbringung keine offene Schmelzeoberfläche, wodurch die oben aufgeführten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können.
Grundsätzlich kann bei der vorliegenden Erfindung für die Schmelzeleitung anstelle des Schmelzeleitungsrohrs auch ein nicht umfänglich geschlossenes Schmelzeleitungsprofil zum Einsatz kommen.
Der seitlich in das Schmelzeleitungsrohr eingeführte Partikelzuführschacht ist vorzugsweise an dem Schmelzeleitungsrohr angeschweißt. Es entsteht hierdurch ein geschlossenes Partikelzuführsystem, das eine verlustfreie, gezielte und saubere Partikelzuführung zur Metallschmelze ermöglicht. Durch den Winkel zwischen dem Schmelzeleitungsrohr und dem Partikelzuführschacht kann die Geschwindigkeit und damit die Menge pro Zeit, mit der die Feststoffpartikel in die Metallschmelze eingebracht werden, beeinflusst werden.
Vorzugsweise ist der Partikelzuführschacht als Partikelzuführrohr ausgebildet. Das Partikelzuführrohr kann sowohl einen runden als auch auch einen eckigen Querschnitt aufweisen. Die Rohrform des Partikelzuführschachtes ermöglicht durch ihren geschlossenen Umfang ein einfaches Befüllen und ein verlustfreies, von Umgebungsbedingungen weitgehend unabhängiges Zuleiten der Feststoffpartikel zu der und in die Schmelzeleitung.
Besonders bevorzugt weist das Partikelzuführrohr einen geringeren Rohrquerschnitt als das Schmelzeleitungsrohr auf.
Wenn in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung das Wort Rohr, z. B. bei dem Ausdruck Schmelzeleitungsrohr, verwendet wird, ist dieses nicht auf runde Rohrquerschnitte beschränkt, sondern kann auch einen eckigen, wie beispielsweise eine rechteckigen, Rohrquerschnitt aufweisen. Ferner kann das jeweilige Rohr wenigstens einen Knick und/oder wenigstens eine Biegung aufweisen.
Die Feststoffpartikel können im Inneren des Partikelzuführschachtes einfach in Richtung der Partikelaustrittsöffnung geleitet werden, wenn in dem Partikelzuführschacht ein in die Partikelaustrittsöffnung mündender Querboden ausgebildet ist.
Der Querboden ist vorzugsweise in eine Partikelaustrittsrichtung geneigt. Dies kann zum einen dadurch realisiert werden, dass der Querboden schräg in dem Partikelzuführschacht angeordnet ist, wodurch der Querboden bei rundem Innenquerschnitt des Partikelzuführschachtes eine elliptische Form aufweist. Wenn der Einbauwinkel des als Schmelzespalter wirkenden Partikelzuführschachtes groß genug ist, kann der Querboden auch gerade in dem Partikelzuführschacht liegen und somit bei rundem Innenquerschnitt des Partikelzuführschachtes kreisförmig ausgebildet sein.
Der Querboden erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Innenquerschnitt des Partikelzuführschachtes. Der Querboden kann beispielsweise als Platte ausgebildet sein.
In einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung spreizt sich die Schmelzeleitung in der Fließrichtung vor dem Partikelzuführschacht in zwei Schmelzeteilleitungen auf, die an dem Partikelzuführschacht wieder zusammengeführt sind. Dadurch ergeben sich zwei Y-förmige Verläufe der Metallschmelze an dem Partikelzuführschacht, die derartige Strömungen in der Metallschmelze bewirken, dass die Injektion der Feststoffpartikel in die Metallschmelze noch besser erfolgt. Diese Ausführungsform wird daher als Doppel-Y-Ausführung bezeichnet.
Die Feststoffpartikel befinden sich zu dem Zeitpunkt, an dem sie in die Metallschmelze einrieseln, relativ mittig des Schmelzestroms über den Schmelzequerschnitt betrachtet. Eine nachgeschaltete Inline-Behandlung der partikelbeladenen Metallschmelze kann diese lokalisierte Verteilung kompensieren. Die Feststoffpartikel werden so homogen verteilt und benetzt.
Als Mittel für eine solche Inline-Behandlung kommt in einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung ein in die Fließbahn ragendes Rührwerk, dessen Antriebswelle in dem Partikelzuführschacht angeordnet ist, zum Einsatz. Durch das Rührwerk kann die Viskosität der die Feststoffpartikel enthaltenden Metallschmelze für nachfolgende Prozessschritte gesenkt werden.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Gießverfahren zur Herstellung von Metall-Matrix- Komposit-Werkstoffen gelöst, bei dem einer Metallschmelze Feststoffpartikel zugeführt werden, während die Metallschmelze in einem kontinuierlichen Fluss in einer Schmelzeleitung hinabfließt, wobei die entlang einer Fließbahn der Schmelzeleitung hinabfließende Metallschmelze mit einem in die Fließbahn ragenden und dabei die Fließbahn teilenden Partikelzuführschacht in zwei jeweils seitlich an dem Partikelzuführschacht vorbeifließende Teilströme aufgeteilt wird und dort, wo die Teilströme nach ihrem Vorbeifließen an dem Partikelzuführschacht wieder zusammenfließen, die Feststoffpartikel aus einem über der Fließbahn angeordneten Partikelaustrittsfenster des Partikelzuführschachts in die zusammenfließenden Teilströme eingerieselt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Gießverfahren kann ein hoher Grad an MMC-Schmelze- qualität gewährleistet werden. Das erfindungsgemäße Gießverfahren ermöglicht zudem einen kontinuierlichen Schmelzbetrieb unter Vakuumbedingungen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gießverfahrens werden die Feststoffpartikel entlang eines in dem Partikelzuführschacht ausgebildeten, in eine Partikelaustrittsrichtung geneigten Querbodens zu dem Partikelaustrittsfenster geführt.
Vorzugsweise fließt die Metallschmelze, bevor sie den Partikelzuführschacht passiert, in zwei Schmelzeteilleitungen der Schmelzeleitung, die an dem Partikelzuführschacht wieder zusammengeführt sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
Figur 1 schematisch eine Seitenansicht eines Partikelzuführabschnittes einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung zeigt;
Figur 2 schematisch den Partikelzuführabschnitt aus Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht zeigt; und
Figur 3 schematisch einen Partikelzuführabschnitt einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung zeigt.
Die Figuren 1 , 2 und 3 veranschaulichen die vorliegende Erfindung anhand von schematischen Ansichten eines Partikelzuführabschnittes von zwei verschiedenen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung.
Vor dem jeweiligen Partikelzuführabschnitt weist die Gießvorrichtung wenigstens eine hier nicht gezeigte Komponente, wie eine Metallschmelz- und/oder Warmhalteeinrichtung zum Erzeugen und/oder Warmhalten einer Metallschmelze, auf.
Optional kann die Gießvorrichtung nach dem jeweiligen Partikelzuführabschnitt wenigstens eine in den vorliegenden Figuren nicht dargestellte Komponente, wie beispielsweise eine Mischzone mit wenigstens einem mechanischen und/oder elektromagnetischen Rührer zum Verteilen von in dem Partikelzuführabschnitt auf bzw. in die Metallschmelze auf- bzw. eingebrachten Feststoffpartikeln, aufweisen.
Der jeweils gezeigte Partikelzuführabschnitt weist eine von der Metallschmelzeinrichtung mit einer Metallschmelze versorgte Schmelzeleitung 1 und einen Partikelzuführschacht 2 auf. Die Schmelzeleitung 1 ist in den gezeigten Ausführungsformen rohrförmig, also als Schmelzeleitungsrohr bzw. in Form zweier zunächst auseinander laufender und dann wieder zusammenlaufender, rohrförmiger Schmelzeteilleitungen 14, 15, ausgebildet. Der Partikelzuführschacht 2 ist in den gezeigten Ausführungsformen ebenfalls rohrförmig, d. h. als Partikelzuführrohr, ausgebildet.
Die Schmelzeleitung 1 ist in einer jeweiligen Fließrichtung A, A‘ der Gießvorrichtung geneigt. Entsprechend fließt eine Metallschmelze in einer in der Schmelzeleitung 1 ausgebildeten Fließbahn 11 in der Fließrichtung A, A‘ hinab.
In einen Mantel der Schmelzeleitung 1 , der in den gezeigten Ausführungsbeispielen ein Rohrmantel 12 ist, ist eine Durchgangsöffnung ausgebildet, durch die der Partikelzuführschacht 2 in das Innere der Schmelzeleitung 1 hineingeführt ist. Der Partikelzuführschacht 2 ragt dabei bis an eine der Durchgangsöffnung gegenüberliegende Innenwand der Schmelzeleitung 1 , d. h. durch die Fließbahn 11 , in der die Metallschmelze fließt, hindurch. Die Fließbahn 11 wird dabei durch den Partikelzuführschacht 2 in zwei Teilströme aufgeteilt, die zu beiden Seiten an dem Partikelzuführschacht 2 vorbeifließen.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Partikelzuführschacht 2 jeweils in einem Winkel von 90° bzw. 45° zu einer Rotationsachse der Schmelzeleitung 1 ausgerichtet, sodass seine Neigung B in einem Winkel von 90° bzw. 45° zu der der Fließrichtung A, A‘ entsprechenden Neigung der Schmelzeleitung 1 ausgerichtet ist. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Partikelzuführschacht 2 jedoch auch beispielsweise senkrecht auf der geneigten Schmelzeleitung 1 stehen, sodass zwischen der Mittelachse des Partikelzuführschachtes 2 und der jeweiligen Fließrichtung A, A‘ in der Schmelzeleitung 1 beispielsweise ein Winkel in einem Bereich von 30 bis 60°, z. B. von 45°, ausgebildet ist.
Der Partikelzuführschacht 2 weist in seinem Schachtmantel 21 ein offenes Partikelaustrittsfenster 22 auf. In dem Partikelzuführschacht 2 ist ferner ein in das Partikelaustritts- fenster 22 mündender Querboden 23 angeordnet. Der Querboden 23 ist in einer Partikelaustrittsrichtung C in Richtung des Partikelaustrittsfensters 22 geneigt.
Die erfindungsgemäße Gießvorrichtung arbeitet beispielsweise nach folgendem Gießverfahren:
In der Metallschmelz- und/oder Warmhalteeinrichtung der Gießvorrichtung wird zunächst eine Metallschmelze erzeugt und/oder warm gehalten. Optional kann die Metallschmelze in der Metallschmelz- und/oder Warmhalteeinrichtung veredelt und/oder modifiziert werden. Die Metallschmelz- und/oder Warmhalteeinrichtung wird wie die vorzugsweise vorgesehene Prozesskammer der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung, in der sich der Partikelzuführabschnitt befindet, im Vakuum, d. h. bei ca. 10'4 bis 1 mbar, oder in Schutzgasatmosphäre betrieben.
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung besteht zwischen der Metallschmelz- und/oder Warmhalteeinrichtung und der Prozesskammer, in der sich der Partikelzuführabschnitt befindet, eine durch eine vakuumdichte Ventileinrichtung verriegelbare Zuleitung. Hieran ist ein Vakuumschmelzebehälter angekoppelt.
Einfache Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch so gestaltet sein, dass sich der Partikelzuführabschnitt nicht in einer separaten Prozesskammer befindet.
Nachdem in der gesamten Gießvorrichtung ein gleiches Druckniveau erreicht ist, wird die zwischen der Metallschmelz- und/oder Warmhalteeinrichtung und der Prozesskammer, in der sich der Partikelzuführabschnitt befindet, befindliche Ventileinrichtung geöffnet und eine zwischen dieser Prozesskammer und einer sich an die Prozesskammer anschließenden Abgießkammer befindliche Ventileinrichtung geschlossen.
Die durch die Metallschmelz- und/oder Warmhalteeinrichtung erzeugte Metallschmelze wird in den Vakuumschmelzebehälter geleitet.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann in diesen beispielsweise von oben die von außen seitlich in die Prozesskammer vakuumdicht eingeführte Schmelzeleitung 1 ragen. Ein erster Abschnitt der Schmelzeleitung 1 bildet bei dieser Ausführungsforme ein Steigrohr. Das Steigrohr befindet sich mit seinem unteren Ende stets unterhalb einer Schmelzeoberfläche der Metallschmelze. Eine Druckerhöhung in der Metallschmelz- und/oder Warmhalteeinrichtung bewirkt einen Schmelzeanstieg in dem Steigrohr und damit in der Schmelzeleitung 1.
Wenn ein kritischer Füllstand zwischen der Schmelzeoberfläche und einer unteren Steigrohrkante erreicht ist, erfolgt die Befüllung der Schmelzeleitung 1 aus einem Zusatzschmelzebehälter mittels Schwerkraft. Es ist auch möglich, den Zusatzschmelzebehälter unter Normalatmosphäre zu betreiben und durch den daraus resultierenden Druckunterschied die Metallschmelze in den Vakuumschmelzebehälter mit dem Steigrohr zu füllen.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch unabhängig von der Art der Zuführung der Metallschmelze zu der Schmelzeleitung 1. Die Erfindung ist insbesondere nicht davon abhängig, ob ein Steigrohr, wie oben beschrieben, verwendet wird. Die Erfindung kann beispielsweise auch beim Schwerkraftgießen zum Einsatz kommen.
Die Schmelzeleitung 1 wird direkt oder indirekt mit wenigstens einem Heizungselement erwärmt, damit zu keinem Zeitpunkt ein Erstarren der Metallschmelze in der Schmelzeleitung 1 erfolgen kann.
Ein weiterer Abschnitt der Schmelzeleitung 1 ist in der jeweiligen Fließrichtung A, A‘, also in einem Winkel von etwa 30 bis 60° nach unten, geneigt. Dadurch fließt die Metallschmelze kontinuierlich, d. h. ohne abzureißen, in der jeweiligen Fließrichtung A, A‘ innerhalb der Schmelzeleitung 1 , entlang der auf einer Rohrinnenseite der Schmelzeleitung 1 ausgebildeten Fließbahn 11.
Insofern sich, wie in der Ausführungsform von Figur 3, die Schmelzeleitung 1 zwischenzeitig in Schmelzeteilleitungen 14, 15 verzweigt, verzweigt sich entsprechend auch die Fließbahn 11.
Die zunächst als ein Gesamtstrom fließende Metallschmelze wird durch den Partikelzuführschacht 2 dort, wo, dieser in die Fließbahn 11 hineinragt und diese teilt, in zwei Teilströme aufgeteilt. Vorzugsweise ragt der Partikelzuführschacht 2 mittig in die Fließbahn 11 , sodass der Gesamtstrom der Metallschmelze gleichförmig in die beiden Teilströme aufgeteilt wird. In den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 erfolgt die Aufteilung des Gesamtstromes in die beiden Teilströme Y-artig. In der Ausführungsform von Figur 3 ragt der Partikelzuführschacht 2 dort in die Fließbahn 11 , wo die beiden Schmelzeteilleitungen 14, 15 wieder zusammengeführt sind.
Die Teilströme fließen zu beiden Seiten des Partikelzuführschachtes 2 an diesem vorbei und fließen nach Passieren des Partikelzuführschachtes 2 wieder zusammen.
Wenn in den Partikelzuführschacht 2 Feststoffpartikel eingebracht werden, was beispielsweise mittels einer an ein Vorratssilo angeschlossenen Rütteleinheit oder einer Vibrationseinheit erfolgen kann, fallen oder rutschen diese zunächst unterstützend durch die Neigung B des Partikelzuführschachtes 2 auf den in dem Partikelzuführschacht 2 befindlichen Querboden 23. Auf dem Querboden 23 rutschen die Feststoffpartikel entsprechend der Neigung des Querbodens 23 in der Partikelaustrittsrichtung C schräg nach unten in Richtung des Partikelaustrittsfensters 22.
Dann rieseln die Feststoffpartikel aus dem Partikelaustrittsfenster 22 nach unten auf die wieder zusammenfließenden Teilströme der Metallschmelze. Vorzugsweise treffen die Feststoffpartikel genau dort auf die Metallschmelze auf, wo die beiden Teilströme wieder zusammenfließen, wo also zunächst ein sich schließender Spalt zwischen den Teilströmen besteht. Dadurch werden die Feststoffpartikel unter der Schmelzeoberfläche eingeschlossen.
Die Neigung B bzw. der Neigungswinkel des Partikelzuführschachtes 2 bestimmt die Stelle, an der sich die beiden Teilströme wieder vereinigen.
Durch eine Anpassung der Querschnitte der Schmelzeleitung 1 und des Partikelzuführschachtes 2 im Bereich von dessen Einführung in die Fließbahn 11 kann nahezu jede Schmelzemenge mit Feststoffpartikeln versehen werden.
Die Führung der Metallschmelze in dem oben beschriebenen Rohrsystem bewirkt, dass es keine gegenüber einer sauerstoffhaltigen Umgebung offene Schmelzeoberfläche gibt und entsprechend eine ungewollte Oxidbildung durch den in der Prozesskammer vorhandenen geringen Sauerstoffanteil in oder an der Metallschmelze weitestgehend unterbunden wird. Nach der Injektion der Feststoffpartikel in die Metallschmelze durchfließt diese nun mit den Feststoffpartikeln angereicherte MMC-Schmelze zur Homogenisierung der Feststoffpartikel und für deren Benetzung eine Mischzone der Gießvorrichtung. Um die Mischung und Benetzung zu unterstützen, kann nach der Zusammenführung der Teilströme noch ein Rührwerk, wie beispielsweise ein zwei- bis vierflügeliges Rührwerk mit werkstoffspezifischer Flügelblattstellung, in der Schmelzeleitung 1 integriert sein, um die Viskosität der MMC-Schmelze zu senken.
Final wird die MMC-Schmelze in eine Gießform gefüllt, um dort zu erstarren oder in einen beheizbaren Auffangbehälter geleitet, um sie dort zu sammeln und danach einer Weiterverarbeitungseinrichtung, wie z. B. einer Druck- oder Stranggießanlage, zuzuführen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung befinden vorzugsweise an allen mit der Metallschmelze bzw. der MMC-Schmelze in Kontakt kommenden Komponenten, außer der Gießform, Heizungselemente, um die heiße Schmelze mit den Feststoffpartikeln nicht der Gefahr eines vorzeitigen Erstarrens auszusetzen.

Claims

Patentansprüche Gießvorrichtung zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffen, die eine jeweils in eine Fließrichtung (A, A‘) der Gießvorrichtung geneigte Schmelzeleitung
(I) mit einer Fließbahn (11) für eine Metallschmelze und eine Partikelzuführeinrichtung zum Zuführen von Feststoffpartikeln zu der Metallschmelze aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelzuführeinrichtung als ein sich mindestens bis zu einem Boden der Fließbahn (11) erstreckender Partikelzuführschacht (2) mit einem in einem Schachtmantel (21) des Partikelzuführschachts (2) ausgebildeten Partikelaustrittsfenster (22) ausgebildet ist. Gießvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzeleitung (1) als Schmelzeleitungsrohr ausgebildet ist, der Partikelzuführschacht (2) durch eine gegenüber der Fließbahn (11) in einem Rohrmantel (12) des Schmelzeleitungsrohrs ausgebildete Manteldurchführung (13) hindurch zu der Fließbahn
(I I) geführt ist und das Partikelaustrittsfenster (22) innerhalb des Schmelzeleitungsrohrs angeordnet ist. Gießvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelzuführschacht (2) als Partikelzuführrohr ausgebildet ist. Gießvorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelzuführrohr einen geringeren Rohrquerschnitt als das Schmelzeleitungsrohr aufweist. Gießvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Partikelzuführschacht (2) ein in die Partikelaustrittsöffnung (22) mündender Querboden (23) ausgebildet ist. Gießvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießvorrichtung ein in die Fließbahn (11) ragendes Rührwerk aufweist, dessen Antriebswelle in dem Partikelzuführschacht (2) angeordnet ist. Gießvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schmelzeleitung (1), bevor die Metallschmelze den Partikel- zuführschacht (2) passiert, in zwei Schmelzeteilleitungen (14, 15) aufspreizt, die an dem Partikelzuführschacht (2) wieder zusammengeführt sind. Gießverfahren zur Herstellung von Metall-Matrix-Komposit-Werkstoffen, bei dem einer Metallschmelze Feststoffpartikel zugeführt werden, während die Metallschmelze in einem kontinuierlichen Fluss in einer Schmelzeleitung (1) hinabfließt, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang einer Fließbahn (11) der Schmelzeleitung (1) hinabfließende Metallschmelze mit einem in die Fließbahn (11) ragenden und dabei die Fließbahn (11) teilenden Partikelzuführschacht (2) in zwei jeweils seitlich an dem Partikelzuführschacht (2) vorbeifließende Teilströme aufgeteilt wird und dort, wo die Teilströme nach ihrem Vorbeifließen an dem Partikelzuführschacht (2) wieder zusammenfließen, die Feststoffpartikel aus einem über der Fließbahn (11) angeordneten Partikelaustrittsfenster (22) des Partikelzuführschachts (2) in die zusammenfließenden Teilströme eingerieselt werden. Gießverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffpartikel entlang eines in dem Partikelzuführschacht (2) ausgebildeten Querbodens (23) zu dem Partikelaustrittsfenster (22) geführt werden. Gießverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze, bevor sie den Partikelzuführschacht (2) passiert, in zwei Schmelzeteilleitungen (14, 15) der Schmelzeleitung (1) fließt, die an dem Partikelzuführschacht (2) wieder zusammengeführt sind.
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