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Title:
MELT RECEPTACLE FOR MELTING, KEEPING WARM AND TRANSPORTING MOLTEN MATERIALS, AND METHOD FOR PRODUCING A MELT RECEPTACLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/254481
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a melt receptacle (10, 12, 14, 16, 18) for melting and/or keeping warm and/or transporting a molten material. The melt receptacle is an open body made from a fibre-reinforced, oxide-ceramic composite material having an effective porosity of 20 to 40%.

Inventors:
KOLBE PHILIPP (DE)
WAMSER THOMAS (DE)
ZULAUF LUKAS (DE)
LAUER ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/066916
Publication Date:
December 24, 2020
Filing Date:
June 18, 2020
Export Citation:
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Assignee:
SCHUNK KOHLENSTOFFTECHNIK GMBH (DE)
International Classes:
F27B14/10; C04B35/111; C04B35/117; C04B35/66
Domestic Patent References:
WO2017220484A12017-12-28
Foreign References:
DE102017128546A12019-04-25
AT247533B1966-06-10
DE202012010696U12014-02-10
Attorney, Agent or Firm:
STOFFREGEN, Hans-Herbert (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Schmelzaufnahme, insbesondere Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren einer Schmelze, insbesondere von Metall, insbesondere Nichteisenmetall, bzw. dessen Schmelze, insbesondere von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. deren bzw. dessen Schmelze,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schmelzaufnahme ein offener Körper aus einem faserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerkstoff mit einer offenen Porosität von 20 % bis 40 % ist oder diesen enthält. 2. Schmelzaufnahme nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Verbundwerkstoff oxidkeramische Fasern enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material aus der Gruppe AI2O3, SiO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, CaO, MgO, Y2O3 stabilisiertes ZrO2.

3. Schmelzaufnahme nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Verbundwerkstoff eine oxidkeramische Matrix enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material AI2O3, SiO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, CaO, MgO, ZrO2 (tetragonal stabilisiert, teilstabilisiert und vollstabilisiert).

4. Schmelzaufnahme nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass kontinuierliche Aufschmelz- und Erstarrungsprozesse in der Schmelzaufnahme nicht zu einer Schädigung der Schmelzaufnahme oder dessen Materials fuhren.

5. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Matrix und die Fasern aus gleichem oxidkeramischem Material oder gleichen oxidkeramischen Materialien bestehen oder dieses oder diese enthalten.

6. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Metall des Verbundwerkstoffs und das des Metalls oder Hauptbestandteils der Metalllegierung gleich ist.

7. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Matrix und die Fasern aus AI2O3 bestehen oder als Hauptbestandteil enthalten.

8. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die offene Porosität der Schmelzaufnahme zwischen 27 % und 32 % liegt. 9. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Dichte r der Fasern 2 g/cm3 < r < 6 g/cm3, insbesondere zwischen 2,5 und 3,2 g/cm3, beträgt und/oder der Faserdurchmesser 5 mm bis 20 mm, insbesondere 10 mm bis 12 mm, beträgt.

10. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Schmelzaufnahme durch Wickeln von Fasern auf ein Innengeometrie der Schmelzaufnahme abbildendes Werkzeug und/oder durch Verwendung von textilen Gelegen, Geflechten, Geweben aus den oxidkeramischen Fasern hergestellt ist.

11. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die oxidkeramischen Fasern aus Endlosfasem, insbesondere in Form von Endlosfaserbündeln, Kurzfasem oder in Kombination dieser bestehen.

12. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Körper eine konische, rotationssymmetrische, rotationselliptoidische oder sphärische Geometrie oder zumindest abschnittsweise eine solche aufweist.

13. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schmelzaufnahme dünnwandig ausgebildet ist und insbesondere eine Wandstärke WD mit 1 mm £ WD £ 20 mm, insbesondere 1 mm £ WD £ 4 mm, aufweist.

14. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schmelzaufnahme eine metallische Stützstruktur aufweist, die schmelzseitig mit einem aus dem oxidkeramischen Verbundwerkstoff bestehenden und in die

Schmelzaufnahme eingebrachten eigensteifen Körper versehen ist.

15. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Körper belastungsgerechte Faserverstärkungen, insbesondere im Bodenbereich des Körpers, aufweist.

16. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass der Körper innenseitig Strukturen, wie Rippen, insbesondere als Fließhilfen ausgebildet, aufweist.

17. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Körper in seiner Umfangswandung integrale Mittel, wie zumindest eine Vertiefung oder zumindest einen Vorsprung, zum Wechselwirken mit einer Handhabe, wie Greifzange, aufweist.

18. Schmelzaufnahme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Umfangswandung des Körpers mehrere aneinandergrenzende Bereiche, vorzugsweise in Bezug auf die Höhe des Körpers betrachtet übereinander angeordnete Bereiche, aufweist, die zur Längsachse des Körpers voneinander abweichende Winkel einschließen.

19. Verfahren zur Herstellung einer Schmelzaufnahme, wie Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren von Metall, insbesondere Nichteisenmetall, bzw. dessen Schmelze, insbesondere von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. dessen bzw. deren Schmelze,

umfassend die Verfahrensschritte

- Imprägnieren einer Anordnung von oxidkeramischen Fasern mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden Schlicker,

- Wickeln oder Legen der imprägnierten Anordnung der Fasern auf ein Innengeometrie der Schmelzaufnahme abbildendes Werkzeug,

- Trocknen der auf das Werkzeug gelegten oder gewickelten Anordnung,

- Entformen oder Teilentformen der Anordnung und Sintern.

20. Verfahren nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Anordnung nachbearbeitet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Anordnung der Fasern bei einer Temperatur zwischen 40 °C und 250 °C, insbesondere zwischen 80 °C und 150 °C, getrocknet wird.

22. Verfahren nach einer der Ansprüche 19 bis 21,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Anordnung der Fasern bei einer Temperatur zwischen 1.000 °C und 1.300 °C, insbesondere zwischen 1.150 °C und 1.250 °C, gesintert wird.

23. Verfahren nach einer der Ansprüche 19 bis 22,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Anordnung ein oder mehrere Endlosfaserbündel oder flächige Fasergebilde, insbesondere Fasergelege, -gewebe, oder -geflechte, verwendet wird.

24. Verwendung einer Schmelzaufnahme nach zumindest einem der Ansprüche 1 - 18 zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren einer Metallschmelze, insbesondere Nichteisenmetallschmelze. 25. Verwendung nach Anspruch 24,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Metall des oxidkeramischen V erbundwerkstoffs und das Metall oder Hauptbestandteil der Metallschmelze gleich sind.

Description:
Beschreibung

Schmelzaufnahme zum Aufschmelzen, Warmhalten und Transportieren von Schmelzen sowie Verfahren zur Herstellung einer Schmelzaufnahme

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schmelzaufnahme, insbesondere Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren einer Schmelze, insbesondere von Metall, insbesondere Nichteisenmetall, bzw. dessen Schmelze, insbesondere von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. dessen bzw. deren Schmelze.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Schmelztiegel, die für Schmelzen, insbesondere Metallschmelzen, insbesondere Nichteisen-Metallschmelzen, vorzugsweise Aluminium schmelzen geeignet sind, die in Schmelz-, Warmhalte- oder Transportaggregaten eingesetzt werden.

Nach dem Stand der Technik sind die Schmelztiegel im Allgemeinen als offene, konische rotationselliptoidische oder sphärische Körper ausgebildet, die Durchmesser von 100mm und 1000mm und Höhen bis zu 1000mm aufweisen können. Ferner kann im oberen Randbereich ein Ausguss vorgesehen sein.

Entsprechende Schmelztiegel können zum Aufschmelzen, Warmhalten oder den Transport flüssiger Schmelzen, insbesondere Nichteisenmetallschmelzen eingesetzt werden, wobei Mengen zwischen 0,5 kg und 300 kg von entsprechenden Schmelztiegeln aufgenommen werden können.

Der Schmelzprozess beinhaltet folgende Schritte. In den Schmelztiegel werden feste Materialien pulverformig, in Barrenform oder als Granulat eingegeben, die die gewünschte Legierungszusammensetzung ergeben sollen. Der Tiegel wird sodann in ein Schmelzaggregat eingefahren, sofern sich der Schmelztiegel nicht bereits beim Befüllen mit dem Material in einem entsprechenden Schmelzaggregat befinden sollte. Das Aufschmelzen kann unter anderem in einem induktionsbeheizten Ofen durchgeführt werden.

Entsprechend der eingesetzten Materialien werden diese bis zu einer vorgegebenen Temperatur und vorgegebener Prozessdauer aufgeschmolzen.

Nach dem Aufschmelzen wird die Schmelze im Schmelztiegel im flüssigen Zustand für die weitere Prozessierung warmgehalten. Die Schmelze wird sodann in dem Schmelztiegel transportiert, um weiterverarbeitet zu werden, z.B. um in eine Gussform abgegossen zu werden.

Alternativ oder ergänzend zu dem Abguss kann für das aufgeschmolzene Material oder Anteile dessen im Schmelztiegel ein schadensfreier Erstarrungsprozess erfolgen, und zwar intendiert oder absichtslos. Nach dem Entfernen der Schmelze bzw. nach der Entnahme des erstarrten Materials kann der Schmelztiegel erneut für zuvor erläuterte Prozessschritte eingesetzt werden.

Eine Vielzahl von Schmelztiegel sind im industriellen Einsatz, und zwar in Abhängigkeit von der Art des zu schmelzenden Metalls sowie der Art der Beheizung. Dabei gelangen verschiedene Werkstoffe bzw. Ausführungsarten zum Einsatz. Als Werkstoffe kommen Ton-Graphit-Tiegel, SiC-Tiegel oder Sonderschmelz-Tiegel zum Einsatz, um nur einige Materialien zu nennen.

Schmelztiegel können mit und ohne Ausguss ausgebildet sein.

Unabhängig vom Werkstoff oder der Form ist den Schmelztiegeln nach dem Stand der Technik gemeinsam, dass diese aus massiver Keramik mit großer Wandstärke ausgebildet sind.

Nachteil der bekannten Schmelztiegel ist, dass eine chemische Reaktion zwischen dem Tiegelmaterial und der Schmelze bzw. Schmelzlegierung, insbesondere dann, wenn es sich um Aluminiumschmelze handelt, erfolgen kann. Im Schmelztiegel erstarrtes und festgehaftetes Material muss manuell abgeschlagen werden. Dies fuhrt sukzessiv zum Verschleiß und Zerstörung des Tiegels.

Um insbesondere bei Sonderlegierungen den Verschleiß zu reduzieren, kann ein Schlichten des Tiegels vor dem Schmelzzyklus erforderlich sein.

Des Weiteren sind für verschiedene Legierungszusammensetzungen verschiedene Tiegelmaterialien erforderlich.

Von Nachteil ist insbesondere auch, dass eine Versprödung des Tiegelmaterials nach mehreren Schmelzzyklen auftritt, wodurch das Risiko eines Totalausfalls besteht. Ferner wird die Anlagensicherheit reduziert.

Bekannte Tiegelmaterialien zeigen des Weiteren eine niedrige Thermoschockbeständigkeit bedingt durch die hohe Wandstärke, durch Anhaften von erstarrtem Material und den wechselnden Schmelzbadspiegeln. Dadurch ergibt sich ein hoher thermischer Gradient entlang der Achse und entlang der Wandstärke.

Die Schmelze kann durch herausgelöstes Tiegelmaterial (low density inclusions, LDI- Einschlüsse) verunreinigt werden. Erstarrungsreste mindern die Schmelz- und Gussqualität.

Zu erwähnen ist des Weiteren, dass auf Grund der massiven Bauweise des Tiegels der Schmelze Wärme entzogen wird, so dass zur Kompensation ein höherer Energieeinsatz erforderlich ist. Die benötigte Dauer zum Aufschmelzen ist damit höher.

Bei graphithaltigen Schmelztiegeln stellen nicht konstante thermische und elektrische Eigenschaften ein Problem dar. Ursächlich hierfür ist, dass der Abbrand von Graphit zu einer Eigenschaftsänderung führt und somit eine Reproduzierbarkeit erschwert wird.

Gegenstand der DE 10 2017 128 546 A1 ist ein feuerfester Behälter zur Wärmebehandlung von Werkstücken, der fluiddurchströmbare Öffnungen aufweisen kann. Der Behälter besteht aus einem faserverstärken oxidkeramischen Verbundwerkstoff. Die AT 247533 bezieht sich auf einen Behälter zur Schmelzaufnahme von Metallschmelzen. Dabei kann der Behälter in den Bereichen, die einem besonderen Angriff ausgesetzt sind, aus einem Dispersionswerkstoff mit fein verteilten partikelförmigen metallischen oxidkeramischen Komponenten bestehen.

Aus der DE 20 2012 010 696 U1 ist eine schmelzberührende Komponente aus einem keramischer Kompositwerkstoff bekannt. Si 3 N 4 und ZrO 2 werden vermischt und sodann einer Formgebung unterzogen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schmelzaufnahme und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen so weiterzubilden, dass problemlos ein Aufschmelzen, Warmhalten und Transport von flüssigen Schmelzen, vorzugsweise Metallschmelzen, vorzugsweise Nicht-Eisenmetallschmelzen, insbesondere Aluminium- oder Aluminiumlegierungsschmelzen, ohne die Ausbildung von Schmelzartefakten und Verunreinigungen der Schmelze möglich ist.

Die Prozesssicherheit soll erhöht werden. Auch sollen sich gegenüber insbesondere Aluminiumschmelzen Vorteile bezüglich Benetzungs- und Korrosionseigenschaften ergeben. Ein Schlichten soll entfallen können. Im Vergleich zu bekannten Schmelztiegeln soll die Lebensdauer erhöht und energetisch günstig prozessiert werden können. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit soll erzielt werden.

Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass die

Schmelzaufnahme ein offener Körper aus einem faserverstärkten oxidkeramischen Verbundwerkstoff mit einer offenen Porosität von 20% bis 40%, gegebenenfalls bis 45%, besteht oder diesen enthält.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der V erbundwerkstoff oxidkeramische Fasern enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material aus der Gruppe AI 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, Y 2 O 3 stabilisiertes ZrO 2 .

Ferner zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Verbundwerkstoff eine oxidkeramische Matrix enthält, gebildet aus vorzugsweise zumindest einem Material AI 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, ZrO 2 (tetragonal stabilisiert, teilstabilisiert und vollstabilisiert)

Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Matrix und die Fasern aus gleichem oxidkeramischem Material oder gleichen oxidkeramischen Materialien bestehen oder dieses bzw. diese enthalten.

Besonders gute Eigenschaften ergeben sich dann, wenn das Metall des Verbundwerkstoffes und das des Metalls der Schmelze oder des Metalls des Hauptbestandteils der Metalllegierung der Schmelze gleich ist.

Auf Grund der erfindungsgemäßen keramischen Faserverstärkung sowie der porösen keramischen Matrix ist eine erhebliche Steigerung von Festigkeit und Duktilität (Schadenstoleranz) erzielbar, die deutlich über der von unverstärkten monolithischen Keramiken oder Tongraphiten liegt. Dies führt zu einem quasi duktilen Materialverhalten, wodurch Sprödbruch vermieden wird und Stöße oder ähnliche mechanische Belastungen als unkritisch einzustufen sind.

Durch die offene Porosität zwischen 20% und 40%, gegebenenfalls bis 45%, insbesondere zwischen 27% und 32%, wird eine Schmelzaufnahme zur Verfügung gestellt, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit von insbesondere weniger als 10 W/mK besitzt.

Hervorzuheben ist des Weiteren, dass der Verbundwerkstoff über ausgezeichnete und für die Anwendung insbesondere für Aluminiumguss ausreichende Thermo Schockbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturermüdung aufweist. Es werden Sprödbruch und Materialermüdung verhindert. Gleichzeitig wird die Prozesssicherheit gesteigert. Auch werden niedrigere Aufheizdauem ermöglicht.

Die inhärente Werkstoffzusammensetzung von Fasern und Matrix, z.B. aus Aluminiumoxid, führt im Zusammenhang mit Aluminiumschmelzen und seinen -legie- rungen zu einer Verhinderung von Korrosion des Werkstoffs des Schmelztiegels und zeigt darüber hinaus ein günstiges Benetzungsverhalten. Von Vorteil ist in diesem Zusammenhang insbesondere, wenn Matrixzusätze bzw. Additive aus Zirkoniumoxid oder Y 2 O 3 -verstärktem ZrO 2 enthalten. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Anteil von ZrO 2 bzw. Y 2 O 3 verstärktem ZrO 2 zwischen 5 Gew.-% und 30 Gew.-%, insbesondere zwischen 12 Gew.-% und 25 Gew.-%, von der Gesamtmenge des keramischen Metalloxids liegt.

Durch das günstige Benetzungsverhalten wird das Fließverhalten der Schmelze verbessert, wodurch eine höhere Ausbringleistung beim Abguss gewährleistet bzw. u.a. eine Erstarrung im Schmelztiegel ermöglicht wird. Kontinuierliche Aufschmelz-/Erstarrungs- vorgänge im Tiegel führen dabei zu keiner Schädigung des Materials.

Durch das gute Benetzungsverhalten wird der Verschleiß reduziert Der Reinigungsaufwand durch schwer entfembare Anhaftungen und hierdurch bedingte entstehende Beschädigungen werden minimiert.

Besonders hervorzuheben ist, dass die Werkstoffzusammensetzung zu keiner Verunreinigung der Schmelze durch angelöste keramische V erbindungen/Partikel bzw. Erstarrungsreste fuhrt, so dass eine Verbesserung der Gussqualität im Vergleich zum Stand der Technik erzielbar ist. Aggressive wie alkalihaltige Aluminiumschmelzlegierungen fuhren auf Grund der Werkstoffzusammensetzung des Schmelztiegels zu keiner Veränderung von diesem, d.h. keine Masse- und Gefügeänderungen treten auf. Dies führt wiederum dazu, dass der Verschleiß reduziert und die Lebensdauer erheblich erhöht werden kann.

Auch ist es nicht erforderlich, dass für verschiedene Legierungszusammensetzungen verschiedene Tiegel zum Einsatz gelangen müssen.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Matrix und die Fasern aus AI 2 O 3 bestehen oder als Hauptbestandteil enthalten.

Bezüglich der oxidkeramischen Fasern ist anzumerken, dass die Dichte r der Fasern betragen sollte 2 g/cm 3 < r < 6 g/cm 3 , insbesondere 2,5 g/cm 3 < r < 3,2 g/cm 3 , und/oder der Faserdurchmesser betragen soll 5 mm bis 20 mm, insbesondere 10 mm bis 12 mm. Die offene Porosität des Verbundwerkstoffs liegt insbesondere im Bereich zwischen 27% und 32%.

Die Schmelzaufnahme selbst kann eine Wandstärke zwischen 1mm und 20mm, insbesondere zwischen 1mm und 4mm aufweisen.

Hinsichtlich der geometrischen Ausführungen sind dem Grunde nach Grenzen nicht gesetzt. Es können insbesondere konische, rotationselliptoidische oder sphärische Geometrien mit oder ohne Ausguss gewählt werden.

Auch besteht die Möglichkeit, dass die Schmelzaufnahme als Einsatz in einer metallischen Stützstruktur ausgebildet ist.

Weitere Komponenten der Schmelzeinheit selbst können aus demselben oxidkeramischen Material gefertigt sein.

Auf Grund der Dünnwandigkeit der Schmelzaufnahme und deren offener Porosität kann die Schmelze innerhalb kurzer Dauer aufgeheizt werden. Ursächlich hierfür ist in erster Linie ein reduzierter Wärmeentzug. Das Aufheizen kann durch konventionelle Heizelemente oder bevorzugt durch induktives Heizen erfolgen. Ein wählbarer geringerer Spulenabstand zum aufzuschmelzenden Material beim induktiven Heizen, führt zu einer Steigerung der Induktivität.

Da die Bauweise des Gesamtaggregats kompakt ist, ist ein problemloses Verfahren möglich.

Das Schmelzvolumen pro Schmelzaufnahme kann durch den Einsatz von mehreren kleinvolumigeren Schmelzaufnahmen gesenkt werden.

Die Schmelzaufnahme kann mittels Wickeltechnik oder auf Basis von textilen Faserhalbzeugen, wie Geweben, Geflechten, Gelegen, hergestellt werden. Eine zusätzliche Beschichtung ist dabei möglich. Eine Beschichtung kann die

Korrosionsbeständigkeit oder Härte steigern. Ebenso kann die Durchströmbarkeit für Gase reduziert werden.

Ferner ist hervorzuheben, dass die Faserverstärkung belastungsgerecht ausgelegt werden kann, d.h., dass in Bereichen, die besonderen Belastungen, wie z.B. im Bodenbereich oder im Übergangsbereich zwischen Boden und Umfangswandung, ausgesetzt sind, Verdickungen der Faserverstärkung vorgenommen werden können.

Eine geometrische Einschränkung auf Grund des Herstellungsverfahrens ist nicht gegeben, ein weiterer Vorteil gegenüber monolithischen Keramiken.

Verrippungselemente oder Versteifungen sind möglich.

Insbesondere ist vorgesehen, dass eine entsprechende Schmelzaufnahme bestimmt ist, um Schmelzen, insbesondere Metallschmelzen, vorzugsweise Nichteisen-Metallschmelze zu prozessieren, die aus zumindest einem Element aus der Gruppe Al, Si, Mg, Cu, Zn, Sn, Ti, Na, Sr, B besteht oder dieses enthält, wobei insbesondere Aluminiumschmelze bzw. Aluminiumlegierungsschmelzen zu erwähnen sind.

Durch die mit der oxidkeramischen Faserverstärkung einhergehende Leichtbauweise ergibt sich eine verbesserte Wärme- und Temperaturisolationseigenschaft. Die extreme Reduzierung der Wandstärke im Vergleich zum Stand der Technik ist hervorzuheben. Insbesondere ergibt sich hierdurch auch eine Energieeinsparung.

Insbesondere durch die geringe Wandstärke ergibt sich der Vorteil, dass der Abstand zwischen einer Induktionsspule und dem aufzuschmelzendem Legierungsmaterial verringert wird, so dass wesentlich kürzere Aufschmelzdauem im Vergleich zum Stand der Technik erzielbar sind.

Erwähntermaßen ist eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit gegeben, so dass beliebig komplexe Geometrien ggfs. mit Hinterschneidungen herstellbar sind. Es kann eine prozessgewollte Anpassung der Geometrie erfolgen, so dass das Aufschmelzen verbessert wird.

Durch den oxidkeramischen Werkstoff besteht die Möglichkeit, großvolumigere

Schmelzaufnahmen als mit monolithischen keramischen Tiegeln herzustellen.

Die dünne Wandstärke ermöglicht das Temperieren der Schmelze durch Heiz- und Kühlelemente beim Transport der Schmelze.

Auch besteht die Möglichkeit, im Bereich des Ausgusses Siebelemente oder Filter zu integrieren, um eine Reinigung der Schmelze zu ermöglichen. Durch Fließhilfen kann der strömungsfreie Schmelzfluss verbessert werden.

Eine im Vergleich zum Stand der Technik einfache Anbindungstechnik und Montage bzw. Demontage sowie eine einfache Reinigung ist möglich.

Es ergeben sich auf Grund des zum Einsatz gelangenden Materials und der sich hieraus ergebenden Vorteile neue Prozessierungsmöglichkeiten bei der Verarbeitung von Schmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen. Ein auf Taktzeiten abgestimmtes portioniertes Aufschmelzen mit einer In-Line-Verarbeitung von Gussteilen vom Aufschmelzen bis hin zum Abguss durch die Verwendung erfindungsgemäßer

Schmelzaufnahmen ist möglich.

Die kompakte Bauweise der Schmelzaufnahme ermöglicht, dass mehrere Schmelzaufnahmen nacheinander durch eine Aufheizzone gefahren werden können bzw. die Heizaggregate können über die Schmelzaufnahmen, d.h. Schmelztiegel verfahren werden. Bei kleinen Schmelzaufnahmedimensionen kann überaus schnell auf Veränderungen der Schmelzqualität reagiert werden bzw. der Prozess schnell angefahren oder unterbrochen werden bzw. ein bedarfsgerechtes Aufschmelzen für die herzustellenden Teile in einer In-Line-Prozessierung erfolgen.

Die thermo-mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes sind hervorzuheben, d.h. hohe Festigkeit und Schadenstoleranz. Sprödbruch tritt nicht auf, so dass mehr Sicherheit im Prozess gegeben ist. Es besteht eine Thermoschockbeständigkeit und Formstabilität gegenüber thermischen Zyklen. Eine gute Wärmeisolierung gegenüber der Schmelze ist gegeben, d.h. Temperaturverluste beim Aufschmelzen, Warmhalten und Transport werden vermieden, so dass energetisch günstig prozessiert werden kann. Ein kontinuierliches Aufschmelzen und Erstarren der Schmelzen unter Schadensfreiheit der Schmelzaufnahme ist gegeben.

Die guten chemischen Eigenschaften des V erbundwerkstoffs sind hervorzuheben, wobei insbesondere die Beständigkeit gegenüber aggressiven Aluminiumschmelzen zu erwähnen ist.

Somit ist eine Erhöhung der Flexibilität bei dem Einsatz verschiedener Legierungszusammensetzungen gegeben. Ein günstiges Benetzungsverhalten liegt vor, so dass eine leichte Reinigung ermöglicht wird und ein geringerer Verschleiß auftritt. Oxidation und Korrosion werden vermieden. Ein Schlichten ist grundsätzlich nicht erforderlich. Die Schmelze wird nicht verunreinigt und somit ergibt sich ein höhere Gussteilqualität. Ein kontinuierliches Aufschmelzen und Erstarren der Schmelzen unter Schadensfreiheit der Schmelzaufnahme ist möglich.

Unter Schlichten wird z.B. das Aufträgen von Schlickern auf die Tiegeloberfläche vor dem Einhüllen der Schmelze verstanden. Das Aufträgen der Schlichte muss in regelmäßigen Abständen wiederholt werden, da die Schlichte bei der Prozessierung abgetragen wird und nicht dauerhaft haftet.

Bezüglich prozessrelevanter Parameter ist anzumerken, dass im Vergleich zum Stand der Technik ein reduzierter Energieeinsatz ermöglicht wird. Ferner sind konstante thermische und elektrische Eigenschaften sichergestellt. Die Möglichkeit der Einführung einer neuen Prozessierungsart ergibt sich wie „proportioniertes Schmelzen“, d.h. In-Line- Schmelzprozess bzw. Fertigung und somit Substitution von energie- und anlagenintensiven Warmhalteöfen.

Durch die geometrische Gestaltungsfreiheit ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die

Schmelzaufnahme in ihrer Umfangswandung integrale Mittel, wie z.B. zumindest eine Vertiefung oder zumindest einen Vorsprung, zum Wechselwirken mit einer Handhabe, wie Greifzange, aufweist. Auch besteht die Möglichkeit, dass die Umfangswandung mehrere aneinandergrenzende Bereiche, vorzugsweise in Bezug auf die Höhe der Schmelzaufnahme betrachtet übereinander angeordnete Bereiche, aufweist, die zur Längsachse der Schmelzaufnahme voneinander abweichende Winkel aufweisen.

Die Erfindung zeichnet sich auch aus durch ein Verfahren zur Herstellung einer

Schmelzaufnahme, wie Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren von Metall, insbesondere Nichteisen-Metall, bzw. dessen Schmelze, umfassend die Verfahrensschritte:

- Imprägnieren einer Anordnung von oxidkeramischen Fasern mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden Schlicker,

- Wickeln oder Legen der imprägnierten Anordnung der Fasern auf ein Innengeometrie der Einrichtung abbildendes Werkzeug,

- Trocknen der auf dem Werkzeug gelegten oder gewickelten Anordnung.

Die Anordnung wird sodann entformt oder teilentformt und gesintert. Gegebenenfalls erfolgt ein Nachbearbeiten der so hergestellten Einrichtung.

Dabei werden als die Anordnung ein oder mehrere imprägnierte Endlosfaserbündel oder imprägnierte flächige Gebilde, insbesondere Fasergelege, -gewebe oder -geflechte, verwendet.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Trocknungsprozess zur Bildung eines Grünkörpers aus der Anordnung in einem Temperaturbereich zwischen 40 °C und 250 °C, insbesondere zwischen 80 °C und 150 °C, durchgeführt wird.

Nach dem Trocknen erfolgt das Sintern, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 1000 °C und 1300 °C, bevorzugterweise zwischen 1150 °C und 1250 °C.

Insbesondere zeichnet die Erfindung auch aus durch die Verwendung einer

Schmelzaufnahme, wie Schmelztiegel, zum Aufschmelzen und/oder Warmhalten und/oder Transportieren von Metall bzw. dessen Schmelze mit einem oder mehreren der zuvor erläuterten Merkmalen der Schmelzaufnahme.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie deren Erläuterungen.

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipdarstellungen von Schmelztiegeln und Fig. 2 einen Prinzipdarstellung eines Wickelprozesses.

In Fig. 1 sind verschiedene Ausführungsformen von als S chmelzaufhahmen zu bezeichnenden Schmelztiegeln 10, 12, 14, 16, 18 dargestellt, mit denen Metalle wie Nichteisenmetalle bzw. Legierungen dieser aufgeschmolzen, warmgehalten und transportiert werden sollen.

Wird von Nichteisenmetall gesprochen, so soll hierdurch eine Einschränkung nicht erfolgen.

Die Geometrie der Schmelzkörper 10, 12, 14, 16, 18 kann derart ausgelegt werden, dass das Aufschmelzverhalten die Metalle beeinflusst wird.

Schmelztiegel 10, 12, 14, 16, 18 bestehen aus einem offenen Körper, der beispielhaft eine konische, rotationselliptoidische oder sphärische Geometrie aufweisen kann. Auch können Bereiche, insbesondere der Umfangswandung der Schmelztiegel zur Längsachse unterschiedliche Neigungswinkel einschließen.

Insbesondere wird bei dem Schmelztiegel 12 erkennbar, dass der Bodenbereich 20, der besonderen Belastung ausgesetzt werden kann, belastungsgerecht verstärkt ist. Auch besteht die Möglichkeit, eine umlaufende Vertiefung 22 integral auszubilden, um den Schmelztiegel 16 von einer Handhabe wie Greifzange sicher erfassen zu können.

Im Inneren können Strukturen wie Rippen 24, 26 vorgesehen sein, um z. B. das Ausgießverhalten der Schmelze oder die Materialsteifigkeit der Schmelzaufnahme zu beeinflussen.

Ferner können randseitig Erweiterungen 28 vorgesehen sein, die als Ausgusshilfe dienen.

Der jeweilige Schmelztiegel 10, 12, 14, 16, 18 wird bevorzugterweise in Wickeltechnik hergestellt, gleichwenn auch Prepregs, die auf ein die Innengeometrie des Tiegels 10, 12, 14, 16, 18 abbildendes Werkzeug gelegt werden können, oder eine Kombination zur Anwendung gelangen können.

Gelangt die Wickeltechnik zur Anwendung, so wird ein Wickelkern benutzt, dessen Außengeometrie dem von einen beziehungsweise zwei Tiegeln entsprechen sollte. Im Falle letzterem sollten diese in ihrem jeweiligen Öffnungsbereich ineinander übergehen, es werden folglich zwei Tiegel sich gegenüberliegend in einem Prozess gewickelt.

Auf den Wickelkern werden Faserbündel gewickelt, wobei die einzelnen Faserdurchmesser zwischen 5 mm und 20 mm, insbesondere im Bereich zwischen 10 mm und 12 mm, aufweisen sollten. Die Dichte sollte im Bereich zwischen 2 g/cm 3 bis 6 g/cm liegen.

Vor dem Aufwickeln auf den Wickelkern werden die Faserbündel durch einen Schlicker geführt und somit imprägniert. Der Schlicker enthält die keramischen Partikel, die die Matrix des Verbundkörpers bilden.

Der Anteil der keramischen Partikel kann 10 Vol.-% bis 50 Vol.-%, insbesondere 20 Vol.- % bis 40 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schlickers betragen.

Insbesondere gelangt ein wasserbasierter Schlicker zum Einsatz mit bevorzugt organischen Additiven z.B. Polyole, Polyvinylalkohole oder Polyvinylpyrrolidone, Dispersionsbinder, bevorzugt Styroacrylatdispersionen. Der Schlicker kann zumindest 10 Gew.-% bis 20 Gew.-%, vorzugsweise zumindest 24

Gew.-%, z. B. 21 Gew.-% bis 35 Gew.-%, Glycerin bezogen auf das Gesamtgewicht der keramischen Partikel enthalten.

Als Oxidkeramik kommt sowohl für die keramischen Partikel als auch für die Fasern insbesondere ein Material aus der Gruppe AI 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, mit Y 2 O 3 stabilisiertes ZrO 2 in Frage.

Soll mit dem Schmelztiegel eine Aluminiumschmelze oder eine Aluminiumlegierungsschmelze aufgeschmolzen, warmgehalten oder transportiert werden, so sollte als Material sowohl für die Matrix, also demzufolge die keramischen Partikel, als auch für die Fasern AI 2 O 3 benutzt werden. Der Schlicker kann ggf. Zusätze wie ZrO 2 enthalten, wobei der Anteil zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 12% und 25% in Gew.-% von der Gesamtpulvermenge des keramischen Metalloxids betragen kann.

Ein Volumenanteil der keramischen Partikel sollten 10 bis 40 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen des Schlickers betragen.

Die entsprechenden imprägnierten Faserbündel werden sodann auf den Wickelkern gewickelt, anschließend getrocknet, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 40 °C und 250 °C, bevorzugterweise im Bereich zwischen 80 °C und 150 °C. Der so hergestellte Körper wird durchtrennt und von dem Wickelkern abgezogen. Anschließend erfolgt ein Sintern im Temperaturbereich zwischen 1.000 °C und 1.300 °C, insbesondere zwischen 1.150 °C und 1.250 °C. Ggf. erfolgt eine Nachbearbeitung, um sodann den so hergestellten Schmelztiegel 10 zu verwenden.

Die Trocknungsdauer ist temperaturabhängig und liegt zwischen 2 h und 48 h, bevorzugt zwischen 12 h und 24 h.

Die Sinterung erfolgt über einen Temperatur-/Zeitverlauf mit verschiedenen Haltestufen und -dauern, wobei die Haltedauer bei Höchsttemperatur zwischen 5 min und 24 h, bevorzugt zwischen 1 h und 12 h liegen sollte. Aufgrand der zum Einsatz gelangten Wickeltechnik kann in Abhängigkeit von der Geometrie des Wickelkerns im gewünschten Umfang die Geometrie des Schmelztiegels 10, 12, 14, 16, 18 verändert werden, wie zuvor erläutert worden ist.

Es besteht des Weiteren die Möglichkeit, die Wandstärke zu variieren bzw. die

Endabschnitte des Wickelkerns so zu gestalten, dass sich im Inneren Fließhilfen wie die Rippe 24, 26 ergeben.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Faservolumengehalt der Einrichtung/Schmelz- aufhahme 30 % bis 50 %, bevorzugterweise 35 % bis 42 % beträgt.

Zu der Wickeltechnik ist ergänzend Folgendes auszuführen.

Um im Wesentlichen rotationssymmetrische Teile herzustellen, gelangen Wickelprozesse zur Anwendung. Die Innengeometrie des Gegenstandes wird durch den sog. Wickelkern vorgegeben, auf dem die mit dem Schlicker imprägnierten Faser abgelegt werden.

Bei dem Wickelkern unterscheidet man zwischen wiederverwendbaren, verlorenen, ausschmelzbaren und zerlegbaren Kernen. Im vorliegenden Fall werden die Schmelztiegel vom Kern abgezogen, so dass letzterer erneut benutzt werden kann. Bei kleineren Bauteilen benutzt man häufig ausschmelzbare Kerne und bei Bauteilen größerer Durchmesser zerlegbare Kerne.

Das Wickeln erfolgt üblicherweise mit einer Wickelmaschine, die der einer CNC- Drehmaschine entspricht. Dabei wird der Wickelkern an einem seiner Enden an einem Dreibackenfutter eingespannt und am anderen Ende z. B. eines Reitstocks gelagert.

Um auf den Wickelkern Rovings, also Faserbündel, die z.B. 100 oder mehr Einzelfasem, sogenannte Filamente, umfassen können, zu wickeln, werden diese von einer Schmelzaufnahme abgewickelt. Sodann können die Rovings Umlenkrollen passieren, mittels der über einen Widerstand die Spannung der Rovings eingestellt wird. Anschließend wird das Faserbündel durch ein Fadenauge über weitere Umlenkrollen durch ein Schlickerbad geführt, dessen Zusammensetzung zuvor beschrieben worden ist. Nach dem Imprägnieren der Fasern werden diese über eine oder mehrere weitere Umlenkrollen, die gleichfalls Federspannung und über die Anzahl der Umdrehung, Wickelgeschwindigkeit und Länge des verbrauchten Faserstrangs bestimmen, durch ein Fadenauge zentriert und auf dem Wickelkern abgelegt, der sich dreht. Die Fadenspannung hat dabei auch eine übergeordnete Bedeutung. Sofern diese zu gering ist, werden die Fasern nicht im hinreichenden Umfang auf den Wickelkern gedrückt. Ist die Spannung zu groß, kann der Schlicker nicht ausreichend zwischen den einzelnen Faserfilamenten gelangen und ein Abreißen des Rovings kann erfolgen.

Nach dem Wickelprozess wird die gewickelte Faserarchitektur mit Abreißgewebe abgebunden. Dies dient der Ausprägung einer gleichmäßigen Oberfläche, Verdichtung durch Verdrängung überschüssigen Schlickers und somit einer Erhöhung des F aservolumengehaltes und schützt zusätzlich das Bauteil.

Bei der Umfangswicklung, die auch Radialwicklung genannt wird, werden die Rovings parallel abgelegt, wie der liegenden Darstellung in Fig. 2 zu entnehmen ist. Bei Kreuzwicklung werden die Rovings von einer Polkappe, also von einem Ende zur anderen Polkappe, also zum anderen Ende abgelegt, um dadurch auch in x- und y- Richtung eine F aserverstärkung zu erhalten. Der Wickelwinkel wird von abgelegten Faserstrang gegen die Rotationsachse gemessen und beeinflusst die Schmelzaufnahme von Axiallasten.

Weist ein Wickelteil rein unidirektionale Umfangswicklungen auf, d. h. der Winkel a ist in etwa 90 sind die höchsten Zugfestigkeiten in Tangentialorientierung erzielbar. Liegt der Wickel zwischen Belastungsrichtung und Faserorientierung z.B. bei 5 so tritt hierbei bereits ein Festigkeitsabfall von 50 % ein. Liegt der Wickelwinkel bei < 45°, werden vermehrt Axiallasten aufgenommen. Bei Verstärkung in axialer Richtung, d. h. kleinen Wickelwinkeln, ergibt sich das Problem, dass am Ende des Körpers eine Fixierung des Rovings nicht mehr möglich ist.

Für die Abstimmung von Wicklungsart, Wickelwinkel, Lagenanzahl (Faserbedarf) stehen verschiedene Berechnungsprogramme zur Verfügung.

Nach dem Wickelprozess wird die gewickelte F aserarchitektur mit einem Abreißgewebe abgebunden, um eine gleichmäßige Oberfläche zu erzielen. Auch folgt eine Verdichtung durch Verdrängung überschüssigen Schlickers und somit eine Erhöhung des Faservolumengehaltes und schützt zusätzlich das Bauteil. Anschließend erfolgt die

Trocknung und der Sinterprozess.

Nachfolgend erfolgt ein Ausfiihrungsbeispiel: Zunächst werden oxidkeramische Prepregs hergestellt. Dazu werden Gewebe aus Aluminiumoxidfasern (> 99 % AI 2 O 3 ) mit einem oxidkeramische Partikel enthaltenden wasserbasierten Schlicker imprägniert. Der Filamentdurchmesser liegt bei 10-12 mm und die Gamfeinheit 20.000 denier. Der Schlicker hat einen Feststoffgehalt von 30 Volumen- % bestehend aus 80 % AI 2 O 3 - Partikeln und 20 % ZrO 2 - Partikeln. Die mittlere Partikelgröße beträgt 1 mm. Als Dispergator werden 2 Gewichts-% Polyacrylsäure dazugegeben. Nach einer Reduzierung des Wassergehalts der infiltrieren Faserarchitektur kann das entstandene Prepreg durch Zuschneiden und Ablegen auf ein die Innenkontur des Schmelztiegels abbildendes Werkzeug verarbeitet werden. Anschließend erfolgt eine Trocknung mittels Autoklav-Technik, unter Beaufschlagung von Temperatur und Überdruck, so dass ein Grünkörper erhalten wird. Nach der Trocknung kann der aus Gewebe abgebildete Schmelztiegel vom Kern abgenommen werden. Anschließend erfolgt das Sintern bei 1200 °C. Die Nacharbeitung kann mittels Drehen, Fräsen oder Schleifen erfolgen.