Die Erfindung betrifft keramische Filter für die Filtration von geschmolzenem Metall aus einem gebundenen oder gesin- terten keramischen Körper' enthaltend eine Vielzahl von Fliesswegen für die Durchstrδmung durch das schmelzflüssi¬ ge Metall.

Allgemein enthält geschmolzenes Metall eingedrungene Fest¬ stoffe, die sich im fertigen Gussprodukt schädlich auswir- ken. Diese eingedrungenen Feststoffe treten als Einschlüsse im fertigen Gussprodukt auf, nachdem das geschmolzene Me¬ tall erstarrt ist und verursachen im fertigen Produkt De¬ fekte. Die Einschlüsse können von verschiedenen Quellen stammen, so zum Beispiel von oberflächlichen Oxidfilmen und unlöslichen Verunreinigungen wie Karbiden, Boriden und an¬ deren. Keramische Filter, wie sie in den US-Patenten 3 893 917, 4 081 371 und 3 962 081 beschrieben sind, eignen sich besonders für die Filtration von geschmolzenem Me¬ tall. Speziell diese keramischen Schaumfilter mit offener Zellstruktur mit einer Vielzahl von untereinander verbunde¬ ner Hohlräume, die von einem Netzwerk aus Keramik umgeben sind, um gewundene Pfade dadurch hindurch zu gewährlei¬ sten, sind geeignet. Diese Filter sind aus verschiedenen Gründen besonders vorteilhaft, so zum Beispiel durch deren ausgezeichnete Filterwirksamkeit, niedrigen Kosten, leich¬ te Anwendbarkeit und die Möglichkeit, diese auf einer Aus¬ tausch- und Wegwerfbasis zu benutzen. Die Tatsache, dass die keramischen Schaumfilter besonders praktisch und billig in der Herstellung sind und auf der Einmalgebrauch- und Wegwerfbasis angewendet werden können, haben in den letzten Jahren zu einer weitverbreiteten Anwendung auf dem Gebiet der Metallschmelzebehandlung geführt.

Besondere Probleme traten jedoch bei der Filtration von ge¬ schmolzenen Metallen wie Stahl auf, die ein schlechtes Fliessverhalten aufweisen. Bei der Filtration derartiger Materialien ist es oft schwierig, den Metallfluss durch den Filter zu starten. Das führt zu einem Aufbau eines hohen MetallüberStandes über dem Filter, bevor der Filter benetzt wird, d.h. bevor der Fluss des Metalles durch den Filter hindurch beginnt. Weiters wurde gefunden, dass oft das ge¬ schmolzene Metall nicht durch den ganzen Filter dringt oder dass der Filter nicht in allen Bereichen durchströmt wird. Ferner, wieder in anderen Fällen, benetzt der Filter über¬ haupt nicht und es bildet sich ein zu hoher Metallüberstand über dem Filter. Dieses genannte Problem ist besonders wichtig bei Stahl, es existiert aber ebenso mit anderen Me- tallen, abhängig von der jeweiligen Legierung und Giesstem- peratur.

Ein Verfahren, um dieses Problem zu lösen, war, die Legie¬ rung zu überheizen und so ein besseres Fliessverhalten zu erreichen. Es wurde gefunden, dass ein Ueberheizen der Schmelze die Fliessf higkeit verbessert, welche seinerseits die Benetzung fördert. Das stellt aber keine vollständig befriedigende Lösung dar, da ein Uebermass an Ueberheizen oft wieder andere Probleme verursacht, abhängig von der je¬ weiligen Legierung. Ein Ueberheizen über das normale Mass führt also nicht immer zu einer erfolgreichen Lösung des Problems.

Bekannt wurde auch aus der US-Patentschrift 4 302 502 be¬ schichtete keramische Schaumfilter, worin eine anteilsmäs- sig grosse Aktivierungsschicht für die Entfernung spezifi- scher Verunreinigungen aus dem geschmolzenen Metall vorge¬ sehen ist. Die Lehre über diese Filter befasst sich jedoch auch nicht mit dem oben erwähnten Problem des Metallüber¬ standes.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, den Nachteil des Me¬ tallüberstandes zu vermeiden und entsprechend einen ver¬ besserten keramischen Filter für die Filtration von ge¬ schmolzenem Metall vorzuschlagen, der die Filtration von wenig fliessfähigem Metall, ohne Aufbau eines ubermassigen Metallüberstandes, fördert. Es ist ein weiteres Merkmal vorliegender Erfindung, einen verbesserten Filter vorste¬ hend genannter Art zur Verfügung zu stellen, basierend auf einem gebundenen keramischen Körper, der billig und schnell in der Herstellung ist und der weder das Filtrationsverfah¬ ren noch die Eigenschaften des fertigen Gussstückes stö¬ rend beeinflusst. Ein weiterer Gegenstand vorliegender Er¬ findung ist es, einen verbesserten Filter zur Verfügung zu stellen, der die Notwendigkeit eines starken Ueberheizens, um den Filter benetzbar zu machen, vermeidet.

Erfindungsgemäss wird das mittels eines keramischen Fil¬ ters, gekennzeichnet durch eine dünne Beschichtung, die sich vollständig durch dessen Ausdehnungen erstreckt, aus einem anorganischen Material, welches sich durch das ge- schmolzene Metall leicht benetzen lässt, die in einer Dicke von 5 Ä bis zu 1 Mikron an diesen keramischen Körper anhaf¬ tet, und die Beschichtung beim Kontakt durch das geschmol¬ zene Metall entfernt wird.

Vorliegende Erfindung beschreibt demnach einen hochwirksa- men keramischen Filter für die Filtration von geschmolzenem Metall, welcher das Problem des schlechten Fliessverhaltens von Metallen, wie Stahl, überwindet und günstige Benet- zungseigenschaften zeigt, ohne den ubermassigen Aufbau eines Metallüberstandes und ohne Notwendigkeit eines star- ken Ueberheizens des Metalles.

Der keramische Filter vorliegender Erfindung umfasst einen gebundenen oder gesinterten keramischen Filter mit einer Vielzahl von Fliesswegen für die Durchstrδmung durch das

schmelzflüssige Metall mit einer dünnen Beschichtung, ge¬ bunden auf dem keramischen Körper und sich im wesentlichen über die ganze Ausdehnung des anorganischen Materials er¬ streckend, die durch das schmelzflüssige Metall benetzt wird. Die Beschichtung wird durch das durchfliessende schmelzflüssige Metall abgetragen.

Vorzugsweise ist der keramische Filter ein keramischer Schaumfilter mit offenzelliger Schaumstruktur und einer Vielzahl von untereinander verbundenen Hohlräumen, die von einem Netzwerk aus dieser Keramik umgeben sind. Der kerami¬ sche Körper enthält als keramisches Material vorzugsweise Aluminiumoxid. Die bevorzugte Dicke der Beschichtung be¬ trägt 10 bis 100 Ä. Die Beschichtung ist in ihrer Schicht¬ dicke gleichförmig und enthält, vorzugsweise für die Fil- tration von Stahl, Siliziumdioxid.

Wie vorstehend angegeben, war es ein Problem in der Tech¬ nik, dass Metalle mit schlechtem Fliessverhalten, wie z.B. Stahl, nicht sauber durch keramische Filter fliessen. Das Problem wird durch das Material des keramischen Filters verursacht, das nicht vollständig durch das geschmolzene Metall benetzt wird, d.h. das geschmolzene Metall fliesst nicht oder verteilt sich nicht auf der Oberfläche des Fil¬ termaterials. Beispielsweise bei einem Aluminiumoxid als Filtermaterial enthaltenden keramischen Filter wird dieses Material durch Stahl nicht vollständig benetzt.

Die ideale Situation, eine hohe Filterwirksamkeit, wird er¬ reicht, wenn das Material des zu filtrierenden Basismetalls den Filter nicht richtig benetzt, aber die Einschlüsse, die zu entfernen sind, das Filtermaterial vollständig zu benet- zen vermögen. Beispielsweise benetzt ein Aluminiumoxidein- schluss in Stahl einen keramischen Filter auf Basis von Aluminiumoxid vollständig, während Stahl den Filter nur un¬ vollständig benetzt. Deshalb haben die Einschlüsse die Ten¬ denz, den Metallstrom zu verlassen und am Filter anzuhaf-

ten, während das Basismetall die Tendenz zeigt, nicht im Kontakt mit dem Filter oder den Einschlüssen zu bleiben. Ebenso ist es vorteilhaft, dass das Basismetall den Filter nicht benetzt und dadurch einen geringeren Angriff auf das Filtermaterial verursacht. Dieses Verhalten stellt die wünschbare Situation dar, sobald der Fluss durch den Filter beginnt, d.h. wenn der Filter bereits angegossen ist. Es ist deshalb erstrebenswert, einen Filter zur Verfügung stellen zu können, der diese Charakteristiken aufweist, während er gleichzeitig leicht angegossen werden kann. Es ist auch erstrebenswert, einen Filter zur Verfügung stellen stellen zu können, der durch das geschmolzene Metall leicht angegossen werden kann, ohne die vorteilhaften Eigenschaf¬ ten des Filters oder die Filterwirksamkeit zu stören.

Der keramische Körper vorliegender Erfindung ist ein gebun¬ dener oder gesinterter keramischer Körper mit einer Viel¬ zahl von Fliesswegen für die Durchstrδmung durch das schmelzflüssige Metall. Es können alle bekannten kerami¬ schen Körper verwendet werden, wie z.B. extrudierte Kera- mikkδrper, Körper aus gesinterten Keramikpartikeln oder vorzugsweise keramische Schaumfilter mit offener Zellstruk¬ tur, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von untereinander verbundenen Hohlräumen, die von einem Netzwerk aus Keramik verbunden sind, und gewundene Fliesswege erzeugen. Ein be- sonders geeigneter keramischer Schaumfilter ist in der DE-OS 34 24 504 beschrieben.

Erfindungsgemäss wird eine dünne Beschichtung auf diesem keramischen Körper aufgebracht, wobei sich diese Beschich¬ tung im wesentlichen durch den ganzen Körper hindurch er- streckt und die Schicht auf dem Körper haftet. Die Be¬ schichtung ist ein anorganisches Material, das durch das geschmolzene Metall vollständig benetzt wird und in einer Dicke von 5 Ä bis 1 Mikron vorliegt. In einer zweckmässigen Ausführungsform beträgt die Dicke der Beschichtung 10 bis

100 Ä. Daraus ist ersichtlich, dass die Beschichtung sehr dünn ist. Während des Einsatzes des Filters wird die Be¬ schichtung durch den Kontakt mit dem geschmolzenen Metall entfernt, und nach dem Start des Metallflusses steht die ganze zur Filterwirksamkeit notwendige Filteroberfläche zur Verfügung. Vorzugsweise wird die Beschichtung in weniger als 5 Sekunden vollständig entfernt, sei es durch Auflösung durch das geschmolzene Metall oder durch mechanische Ein¬ wirkung des geschmolzenen Metalls auf das keramische Netz- werk. Deshalb wird eine Beschichtung bevorzugt, die im ge¬ schmolzenen Metall löslich oder teilweise löslich ist. Um eine geeignete und schnelle Entfernung der Beschichtung zu Beginn des Metallflusses zu erreichen, wird bevorzugt eine Beschichtung von weniger als 100 Ä angewendet, wobei es aber auch möglich ist. Beschichtungen bis zu 1 Mikron sinn- gemäss zu verwenden, insbesondere wenn die mechanische Ein¬ wirkung zur Entfernung der bestimmten Beschichtung herange¬ zogen wird.

Wie vorbeschrieben, soll sich die Beschichtung im wesent- liehen durch den ganzen keramischen Körper hindurch in gleichmässiger Schichtdicke erstrecken, wobei aber Schwan¬ kungen in der Schichtdicke und unbeschichtete Abschnitte noch tolerierbar sind. Um die Benetzung zu fördern, sollte die Beschichtung sich jedoch über das ganze Netzwerk er- strecken und vorzugsweise gleichmässig sein.

Das Beschichtungsmaterial sollte ein Material sein, das sich gegenüber dem zu filtrierenden, geschmolzenen Metall oder im endgültigen Gussprodukt nicht schädlich auswirkt. Deshalb ist eine mechanische Abtrennung der Beschichtung vom Netzwerk weniger erstrebenswert als eine Lδslichkeit oder teilweise Lδslichkeit im Metall, da die mechanisch ab¬ getrennten Beschichtungsteile im endgültigen Gussprodukt als Einschlüsse erscheinen können. Zusätzlich soll das Be¬ schichtungsmaterial auf das geschmolzene Metall keinen

nachteiligen Effekt haben, der z.B. zu reduzierten mechani¬ schen Eigenschaften, erhöhter Korngrösse oder unerwünschten Zweitphasen führt.

In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird eine kolloidale Siliziumdioxidbeschichtung angewendet, besonders da gefun¬ den wurde, dass diese für die Stahlfiltration besonders vorteilhaft ist und damit eine geeignete Siliziumdioxidbe¬ schichtung auf dem keramischen Körper erzielbar ist. Im Hinblick auf die Tatsache, dass dünne Beschichtungen auf dem keramischen Körper verwendet werden, hat die Silizium¬ dioxidbeschichtung in den angewendeten Mengen keine nach¬ teiligen Effekte auf den zu filtrierenden Stahl. Höchstens in grossen Quantitäten, wie sie nicht Gegenstand der Erfin¬ dung sind, könnte Siliziumdioxid einen nachteiligen Effekt haben. Auch wird die erfindungsgemässe dünne Siliziumdio¬ xidbeschichtung beim Kontakt mit dem schmelzflüssigen Stahl vollständig entfernt.

In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird eine wässrige Dispersion eines kolloidalen Siliziumdioxides verwendet, ausgehend von einem 0.5 bis 10 %-igen konzentrierten kol¬ loidalen Siliziumdioxid in Wasser, vorzugsweise in einer Konzentration von 1 %. Selbstverständlich können Additive in der wässrigen Dispersion verwendet werden, wie Netzmit¬ tel, Dispergiermittel oder organische Materialien, welche die Beschichtungsneigung unterstützen, usw.

In Uebereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform wird die vorgenannte Dispersion hergestellt und der kerami¬ sche Körper in die Dispersion eingetaucht, um eine dünne Beschichtung darauf, im wesentlichen durch den ganzen kera- mischen Körper hindurch, zu erreichen. Ueberschussiges Ma¬ terial wird entfernt, beispielsweise abgeschüttelt, der feuchte keramische Körper wird getrocknet, beispielsweise bei 93 bis 149°C, vorzugsweise bei 121 °C, und bei 982 bis 1038°C und vorzugsweise bei 1000°C nachgebrannt. Die Te pe-

raturbehandlung sollte hoch genug sein, dass das Silizium¬ dioxid nicht wieder hydratisiert und fest am keramischen Körper anhaftet. Das Trocknen und Wiederbrennen kann in se¬ paraten Schritten oder kontinuierlich erfolgen. Es ist nicht notwendig, die Temperatur zu halten. Das derart be¬ schichtete Material wurde als besonders fortschrittlich zur Stahlfiltration befunden.

Selbstverständlich wird man keine Beschichtung anwenden, die eine derart hohe Brenntemperatur erfordert, aus der eine Schädigung der jeweiligen des keramischen Körpers auf¬ treten kann.

Es ist auch möglich, andere Materialien als Siliziumdioxid zu verwenden, vorausgesetzt, dieses Material ist ein anor¬ ganisches Material, das leicht durch das geschmolzene Ma- terial henetzt und im Kontakt mit dem geschmolzenen Metall entfernt wird. Siliziumdioxid wird besonders für die Stahl¬ filtration bevorzugt, da es durch Stahl ausserordentlich gut benetzt wird und vom geschmolzenen Metall leicht gelöst wird. Weitere geeignete zusätzliche anorganische Materia- lien, die verwendet werden können, umfassen beispielsweise eine wässrige Silikatdispersion, wie Natriumsilikat und Salze, wie Natriumchlorid oder Kalziumchlorid, wobei die letztgenannten Salze einfach auf dem Netzwerk getrocknet, anstatt noch einmal gebrannt werden können. Ebenso kann man Oxide, wie die des Kalziums oder Magnesiums verwenden, die als Salze, beispielsweise als Karbonate, anschliessend ge¬ trocknet und gebrannt werden können. Metalle wie Nickel, Eisen und Chrom können als organometallische Lösungen oder Dispersionen zur Beschichtung angewendet werden, gefolgt von einem Trocknungsvorgang und einer Hitzebehandlung zur Umwandlung zum Metall. Diese Metalle sind in Anbetracht der sehr kleinen Menge, die für die Beschichtung angewendet werden, nicht störend.

Die erfindungsge ässe Wirksamkeit der Beschichtungszusam- mensetzung nach vorliegender Erfindung ist die Anwendung eines anorganischen Materials in einer dünnen Beschichtung, die durch das geschmolzene Metall leicht benetzbar und un- ter der Wirkung des geschmolzenen Metalls leicht entfernbar ist. Dadurch, dass die Besσhichtung durch das Metall leicht benetzt wird, passiert das Metall leicht den keramischen Körper und auch die gewundenen Fliesswege im keramischen Körper, wenn das bevorzugte keramische Schaummaterial ver- wendet wird, und die Angiesszeit und der Metallüberstand können erheblich reduziert werden.

Darüber hinaus wurde gefunden, dass die beschichtete Kompo¬ sition nicht bloss die Angiesszeit reduziert. Es wurde vielmehr gefunden, dass die beschichteten Filter überra- schenderweise einen schnelleren Ablauf des Filtriervor¬ ganges bewirken, beispielsweise ist der totale Material- fluss durch den keramischen Körper nach vorliegender Erfin¬ dung im allgemeinen schneller als durch einen unbeschichte¬ ten keramischen Körper. Ueberraschenderweise behalten Fil- ter nach vorliegender Erfindung nach dem Angiessen eine höhere Durchflussrate bei, als unbeschichtete Filter. Dies ungeachtet der Tatsache, dass die Beschichtung beim Kontakt mit dem geschmolzenen Metall entfernt wird. Dies mag durch das raschere Angiessen des ganzen keramischen Filters und das raschere Durchströmen aller Poren im keramischen Fil¬ terkörper verursacht sein. Auch dies stellt einen erwägens¬ werten Fortschritt dar.

Anhand der Beispiele wird die vorliegende Erfindung noch weiter erläutert.

Beispiel 1

Gebundene keramische Filterkörper, 18.7 mm dick, mit einer offenen Zellstruktur, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von untereinander verbundenen Hohlräumen, umgeben von einem

Netzwerk aus Keramik, wobei der Filterkδrper auf einer Alu¬ miniumoxidkeramik basiert, sind vorgegeben. Diese zur An¬ wendung gelangenden Filter wiesen 10 Poren je cm auf. Pro¬ ben der Filter wurden in üebereinstimmung mit vorliegender Erfindung durch Eintauchen der Filterkδrper in eine wässri- ge Dispersion, enthaltend 1 % kolloidales Siliziumdioxid, für eine kurze Zeitdauer, die eine vollständige Imprägnie¬ rung gewährleistete, beschichtet, um eine dünne Beschich¬ tung, getrocknet bei 121°C und gebrannt bei 1000°C, zu er- halten. Die Dicke der Beschichtung nach dem Brennen betrug um 10 Ä und die Beschichtung lag in Zusammenballungen von Siliziumdioxidpartikeln im wesentlichen durch den ganzen keramischen Körper verteilt vor. Verschiedene Proben der beschichteten Filter und ein unbeschichteter Filter wurden in hohle Angiessrohrstücke eingepasst. Jedes dieser Anguss¬ rohrstücke wurde langsam in ein Bad von mit Aluminium de- soxidiertem Stahl eingetaucht und bei einer Temperatur von 1621°C gehalten. Der Beginn des Angiessens wird durch vi¬ suelles Beobachten durch das Rohrzentrum bestimmt. Das Re- sultat zeigte, dass der beschichtete Filter unmittelbar nach dem Eintauchen in das Bad bis zu einer Tiefe von 5.08 cm benetzte. Der unbeschichtete Filter benetzte bis zur Eintauchtiefe von 5.08 cm nicht. Das Rohr wurde weiter eingetaucht bis zu einer Tiefe von ungefähr 10.16 cm, wobei das Rohr wegen des X^ärmeschockes brach. Eine Filterbe- netzung wurde bei unbeschichteten Filtern nie beobachtet.

Beispiel 2

Es wurden beschichtete und unbeschichtete Filter entspre¬ chend im wesentlichen der Zusammensetzung nach Beispiel 1 und mit den Beschichtungen im wesentlichen hergestellt nach Beispiel 1 vorgesehen.

1. Beschichtete und unbeschichtete Filter 1.86 cm dick, wurden nebeneinander in einem Giesstiegel angebracht. Geschmolzener Stahl wurde direkt von einem Induktions-

ofen bei einer Temperatur von 1621 °C in den Giesstiegel gegossen. Mit dem Füllen des Tiegels steigt der metallo- statische Druck auf dem Filter bis der Metallüberstand die Höhe des Ueberlaufes erreicht. Der Zeitpunkt der Filterbenetzung wurde durch visuelle Beobachtung der Ab- flusseite der Filter bestimmt. Die Resultate zeigten, dass der beschichtete Filter 4 bis 5 Sekunden früher be¬ netzt als ein unbeschichteter Filter. Der Fluss des ge¬ schmolzenen Metalles durch den beschichteten Filter er- schien sehr flüssig, währenddem der Fluss durch den un¬ beschichteten Filter im Vergleich sehr zäh und langsam war. Am Ende des Abstiches hatten insgesamt 76.6 kg den beschichteten Filter passiert, währenddem der unbe¬ schichtete Filter nur von 11.3 kg durchflössen worden war. Zusätzlich war der resultierende Guss von hoher Qualität. Die Beschichtung auf dem Filter hatte keinen störenden Einfluss darauf. Weiters wurde die Siliziu - oxidbeschichtung im wesentlichen durch Auflösung im ge¬ schmolzenen Metall während des Kontaktes mit dem ge- sch olzenen Metall entfernt.

Beispiel 3

Beschichtete und unbeschichtete Filter im wesentlichen in der Zusammensetzung nach Beispiel 1 wurden nach Beispiel 1 hergestellt, ausgenommen dass der Filterkδrper durch 6 Po- ren je cm gekennzeichnet war. Vier Sandformen wurden vorbe¬ reitet, wobei drei eine Filtervorrichtung -aufwiesen. Alle vier Formen wurden direkt von einem Induktionsofen mit 204 kg eines mit Aluminium desoxidierten mittleren Kohlen¬ stoffstahles angegossen. Die Resultate werden in Tabelle 1 nachfolgend gezeigt.

12 Tabelle 1

Guss- Test- Giess- Nr. bedingungen temperatur Resultate

beschichteter 1621 ^β C Filter benetzt, Filter saubere Guss¬ oberfläche kein Filter 1599°C Zahlreiche Schlackeein¬ schlüsse an der Gussoberfläche unbeschicht. 1621°C Filter versagte

Filter beim Benetzen beschichteter 1595°C Filter teilweise

Filter benetzt

Die vorstehenden Resultate zeigen klar, dass Guss 1 bei An¬ wendung eines beschichteten Filters eine total einschluss¬ freie Gussoberfläche aufweist, verglichen mit Guss 2, bei welchem kein Filter angewendet wurde und bei dem eine er- hebliche Zahl von Einschlüssen im Material vorhanden wa¬ ren. Guss 3, der einen unbeschichteten Filter enthielt, versagte bei der Benetzung des Filters vollständig. Obwohl der Giessvorgang bei der gleichen Temperatur wie Guss 1 er¬ folgte. Guss 4 verwendete einen beschichteten Filter, der teilweise benetzt wurde, obwohl die Giesstempe atur 26°C tiefer lag.