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Title:
METHOD FOR MODIFYING METAL MELTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/083826
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for modifying metal melts using additives. In order to create a novel method for modifying metal melts wherein discharge of the additives is prevented, the invention proposes that particles, fibers, or hollow spheres are added to the metal melt, and are provided with a metal coating prior to adding to the metal melt, wherein the melting point of the metal coating is above that of the metal melt. A method is created by the invention, by means of which the properties of the metal melt, and thus that of the resulting metal, can be changed.

Inventors:
SEPEUR, Stefan (Zum Rittersbach 11, Wadgassen, 66787, DE)
Application Number:
DE2010/075007
Publication Date:
July 29, 2010
Filing Date:
January 18, 2010
Export Citation:
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Assignee:
NANO-X GmbH (Theodor-Heuss-Str. 11a, Saarbrücken, 66130, DE)
SEPEUR, Stefan (Zum Rittersbach 11, Wadgassen, 66787, DE)
International Classes:
B22F1/02; C22C32/00; C22C47/04
Attorney, Agent or Firm:
VIÈL & WIESKE (Feldmannstrasse 110, Saarbrücken, 66119, DE)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Modifizieren von Metallschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel, Fasern oder Hohlkugeln zu der Metallschmelze zugegeben werden und diese vor der Zugabe zu der Metallschmelze mit einem metallischen Überzug versehen werden, wobei der Schmelzpunkt des metallischen Überzugs über dem der Metallschmelze liegt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze aus den Elementen Aluminium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Zirkonium, Niob, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Cadmium, Indium, Zinn, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Quecksilber, Tellur, Blei, Wismut, Polonium, sowie Mischungen oder Legierungen hiervon besteht.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße der Partikel im Mikrometer, Sub-Mikrometer- oder im Nanometerbereich liegt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Überzug auf den Partikeln, Fasern oder Hohlkugeln durch naßchemische Verfahren, pulvermetallurgische Verfahren, elektrochemische Verfahren oder durch Plasmaverfahren aufgebracht wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Überzug aus Lithium, Beryllium, Natrium, Magnesium, Aluminium, Kalium, Calcium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Rubidium, Strontium, Zirkonium, Niob, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Cadmium, Indium, Zinn, Caesium, Barium, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Quecksilber, Tellur, Blei, Wismut, Polonium, sowie Mischungen oder Legierungen hiervon besteht.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des metallischen Überzugs mindestens 200C, vorzugsweise 100 bis 8000C über dem Schmelzpunkt der Metallschmelze liegt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle amorpher oder teilamorpher Überzüge die Glasübergangstemperatur Tg des Metallüberzugs unterhalb der Temperatur der Metallschmelze liegt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Partikeln in der Metallschmelze 0,1 bis 75 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 und 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 2-40 Gew.-% beträgt.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere physikalische oder chemische Eigenschaften, insbesondere die Härte, das Elastizitätsmodul, die elektrischen Eigenschaften, die magnetischen Eigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit, die thermische Leitfähigkeit, die Duktilität, der Reibbeiwert, der Schmelzpunkt, die Verzunderungstendenz oder die Korrosionstendenz modifziert werden.

10. Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 zur Herstellung von Metallerzeugnissen, insbesondere Stahlerzeugnissen.

Description:
BESCHREIBUNG

Verfahren zum Modifizieren von Metallschmelzen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modifizieren von Metallschmelzen durch Zusätze.

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Modifizieren von Metallen durch Zugabe von Partikeln, insbesondere Nanopartikeln, bekannt.

Im Allgemeinen werden Sintermetallpulver mit Nanopartikeln versetzt und gemeinsam versintert. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv und nicht für große Bauteile geeignet.

Das Einarbeiten von Nanopartikel in Metallschmelzen ist problematisch, da die Partikel beim Erstarren der Metallschmelze wieder aus dieser ausgetragen werden und sich als Schlacke an der Oberfläche absetzen. Dies geschieht unabhängig von der Größe der zugegebenen Partikel.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren für das Modifizieren von Metallschmelzen durch Zusätze zu schaffen, bei dem die Austragung der Zusätze vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Partikel, Fasern oder Hohlkugeln zu der Metallschmelze zugegeben werden und diese vor der Zugabe zu der Metallschmelze mit einem metallischen Überzug versehen werden, wobei der Schmelzpunkt des metallischen Überzugs über dem der Metallschmelze liegt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Vorliegen eines auch in der Metallschmelze weiterhin bestehenden metallischen Überzugs auf den Partikeln, Fasern oder Hohlkugeln, dessen chemische Zusammensetzung möglichst der Zusammensetzung der Metallschmelze ähnelt bzw. mit dieser kompatibel ist, die Partikel, Fasern oder Hohlkugeln beim Erstarren der Metallschmelze fest und homogen in diese eingebunden werden, da sie nach außen - zur Metallschmelze - hin ja entsprechende metallische Eigenschaften aufweisen. Voraussetzung hierfür ist lediglich, daß die Partikel oder Fasern hochtemperaturstabil sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Metallschmelze aus den Elementen Aluminium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Zirkonium, Niob, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Cadmium, Indium, Zinn, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Quecksilber, Tellur, Blei, Wismut, Polonium, sowie Mischungen oder Legierungen hiervon besteht.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Partikel oder Fasern aus Salzen, insbesondere Oxiden, Phosphaten, Silikaten, Sulfiten, Nitraten, Nitriten, Sulfiden, Carbiden, Sulfaten, Carbonaten oder Halogeniden bestehen, wobei Aluminium(III)oxid, Calcium(II)carbonat, Barium(II)sulfat, Kupfer(II)sulfat, Eisen(III)oxid, Siliciumdioxid, Titan(IV)carbid, Zinndioxid, Titandioxid, Magnetit, Aluminium(III)chlorid, Chrom(III)nitrat, Eisen(III)nitrat, Hafnium(IV)carbid, Hafnium(IV)nitrit, Zirkoniumdioxid, Titan(IV)nitrit, Vandiumcarbid, Wolframcarbid, Bor(III)carbid, Siliciumnitrit, Siliciumcarbid, Vanadiumoxid, Magnesiumoxid bevorzugt werden, aus Mineralien, insbesondere Gips, Sand, Quarz, Natursteinpulver oder Glas oder aus Metallen, insbesondere Silber, Gold, Kupfer, Mangan, Eisen, Titan, Vanadium, Molybdän bzw. Metallegierungen bestehen, wobei Metallegierungen der vorgenannten Metalle bevorzugt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Partikelgröße der Partikel im Mikrometer- , Submikrometer- oder im Nanometerbereich liegt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß der metallische Überzug auf den Partikeln, Fasern oder Hohlkugeln durch naßchemische Verfahren, pulvermetallurgische Verfahren, elektrochemische Verfahren (z.B. Redoxreaktionen, galvanische Verfahren), Gasphasenabscheidung oder durch Plasmaverfahren aufgebracht wird.

Zur Erfindung ist weiterhin gehörig, daß der Schmelzpunkt des metallischen Überzugs mindestens 20 0 C, vorzugsweise 100 bis 800 0 C über dem Schmelzpunkt der Metallschmelze liegt.

Hierdurch wird sichergestellt, daß der metallische Überzug auf dem Partikel oder der Faser erhalten bleibt, während sich der Partikel oder die Faser in der Metallschmelze befindet. Eine Umlegierung des metallischen Überzugs der Nanopartikel kann u.U. in der Schmelze erfolgen, ohne die Stabilität des Gesamtsystems zu beeinflussen.

Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, daß der metallische Überzug aus Lithium, Beryllium, Natrium, Magnesium, Aluminium, Kalium, Calcium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Rubidium, Strontium, Zirkonium, Niob, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Cadmium, Indium, Zinn, Caesium, Barium, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Quecksilber, Tellur, Blei, Bismut, Polonium, sowie Mischungen oder Legierungen hiervon besteht.

Im Falle amorpher oder teilamorpher Überzüge ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Glasübergangstemperatur Tg des Metallüberzugs unterhalb der Temperatur der Metallschmelze liegt, so dass durch die partielle Erweichung der Oberfläche eine Legierungsbildung zwischen Metallschmelze und Oberflächenphase eintreten kann, auch als Gradient.

Unter Zugrundelegung der Schmelztemperatur der Metallschmelze und in Kenntnis der beiden vorgenannten Kriterien kann der Fachmann das jeweils geeignete Material für den metallischen Überzug bestimmen. Hierbei ist zu beachten, daß der Metallüberzug auf dem Partikel nicht oder nur schwer in der Metallschmelze löslich ist.

Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, daß der Anteil an Partikeln in der Metallschmelze 0,1 bis 75 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 und 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 2 bis 40 Gew.-% beträgt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß eine oder mehrere physikalische oder chemische Eigenschaften, insbesondere die Härte, das Elastizitätsmodul, die elektrischen Eigenschaften, die magnetischen Eigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit, die thermische Leitfähigkeit, die Duktilität, der Reibbeiwert, der Schmelzpunkt, die Verzunderungstendenz oder die Korrosionstendenz modifziert werden.

Beispielsweise kann die Härte von Gegenständen aus Gold oder Goldlegierungen erhöht werden, Stähle mit geringerem Gewicht und größerer Härte oder Elastizität erzeugt werden, Metalle mit einem Korrosions-, Zunder- oder Anlaufschutz versehen werden, eine Änderung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften bis hin zu superparamagnetischen Eigenschaften, eine veränderte Verarbeitungsfähigkeit oder aber tribologisch wirksame Partikel in eine Metallschmelze bzw. das daraus resultierende Metall eingearbeitet werden.

Das erfindungsgemäß Verfahren eignet sich zur Herstellung von Metallerzeugnissen, insbesondere von Stahlerzeugnissen.

Dies können Stangen, Röhren, Motor- und Fahrzeugteile, Bleche, Bauteile oder Baugruppen sein für den Maschinenbau, den Fahrzeugbau, das Bauwesen, die Verfahrenstechnik, die Luft- und Raumfahrt, die Kraftwerkstechnik, die Elektrotechnik, die Medizintechnik, die Sportartikelindustrie, den Garten- und Landschaftsbau, den Werkzeugbau, den Landmaschinenbau, die Möbelindustrie, die Hausgeräteindustrie, die Haushaltsgeräteindustrie, die Spielzeug- und Sportartikelindustrie, die Campingindustrie, das Bauwesen, die Heizungs- und Klimatechnik, die Fördertechnik, für Ölplattformen, Schmuck, Verkehrswege, Krane, Sanitärartikel sowie die Beleuchtungstechnik.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

100 g Al Pulver mit Partikelgrößen von 1-10 μm werden mit 100 g Butylglykol versetzt und kräftig verrührt. Hierzu gibt man 30g Chrom(III)nitrat als Feststoff. Man erhitzt auf 130 0 C und rührt die Suspension 24 h. Danach wird das Lösungsmittel im Vakuum abgezogen und die erhaltene Paste 20 min auf 600 0 C erhitzt. Dabei reagiert das Chromsalz mit dem Aluminium zu Chrom und Aluminiumoxid. Gibt man diese chrombeschichteten Aluminiumoxidpartikel in eine metallische Eisenschmelze in einer Konzentration von 10 Gew-%, so verteilen sich die Partikel homogen und bilden auch nach dem Erstarren der Schmelze eine homogene Verteilung von Aluminiumoxidpartikeln in Chrom-Eisen- Legierung. Beispiel 2

100 g Mg-Pulver mit Partikelgrößen von 1-10 μm werden mit 100 g Butylglykol versetzt und kräftig verrührt. Hierzu gibt man 30g Fe(II)nitrat als Feststoff. Man erhitzt auf 130 0 C unter Rühren. Es setzt eine spontane Reaktion ein, wobei die Mg Partikel sich zu Magnesiumoxid umwandeln, während sich an der Oberfläche Eisen bildet. Danach wird das Lösungsmittel im Vakuum abgezogen. Gibt man diese eisenbeschichteten Magnesiumoxidpartikel in einer Konzentration von 20 Gew-% in eine metallische Kupferschmelze (Schmelzpunkt 1084,4 0 C), so verteilen sich die Partikel homogen und bilden auch nach dem erstarren der Schmelze eine homogene Verteilung von Magnesiumoxidpartikeln in einer Eisen-Kupferlegierung.

Beispiel 3

100 g einer wässrigen Aluminiumoxid Nanopulversuspension mit 20 Gew-% Feststoff werden mit 5 g Natriumthiosulfat und 20g Au 2 S versetzt und 24 h unter erhitzen auf 80 0 C gerührt. Danach werden die goldbeschichteten Nanopartikel im Vakuum vom Lösungsmittel befreit. Gibt man diese goldbeschichteten Aluminiumoxidnanopartikel in eine metallische Silberschmelze in einer Konzentration von 20 Gew%, so verteilen sich die Partikel homogen und bilden auch nach dem Erstarren der Schmelze eine homogene Verteilung von Aluminiumoxidpartikeln in einer Gold-Silber-Legierung.