WO2013086550A2 - Durchströmbarer, poröser gegenstand - Google Patents

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WO2013086550A2
WO2013086550A2 PCT/AT2012/000314 AT2012000314W WO2013086550A2 WO 2013086550 A2 WO2013086550 A2 WO 2013086550A2 AT 2012000314 W AT2012000314 W AT 2012000314W WO 2013086550 A2 WO2013086550 A2 WO 2013086550A2
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bodies
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porous
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Johannes Glätzle
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Andreas SCHWEISSGUT
Josef Thurner
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2239/00—Aspects relating to filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D2239/04—Additives and treatments of the filtering material
    • B01D2239/0457—Specific fire retardant or heat resistant properties

Definitions

  • the present invention relates to a permeable, porous article.
  • the invention relates in particular to a permeable, porous article which can be used as a filter or diffuser in a molten metal.
  • Diffusers are used to reduce turbulence in the melt, to ensure a uniform and quiet filling of the casting mold and thus a fine cast structure and to reduce the risk of oxidation defects.
  • filters or diffusers are commonly used as ceramic foams, e.g. from silicon oxides or aluminum oxides. Although these materials have a high temperature resistance and can be designed such that a sufficient mechanical strength is given, but occurs at least in some applications
  • Diffusers are required, which are also resistant to alkaline melts.
  • the usual known filters or diffusers made of ceramic materials often do not have sufficient chemical resistance and decompose in alkaline melts.
  • WO 99/28273 A1 describes a filter for filtering molten metal with a porous carbon foam substrate coated with a refractory metal or a heat resistant compound. It is an object of the present invention to provide an improved permeable, porous article, which is particularly suitable as a filter and / or diffuser for molten metal, as well as a corresponding use and a method for its preparation.
  • the object is achieved by a permeable, porous article according to claim 1.
  • Advantageous developments are specified in the dependent claims.
  • the flow-through, porous article has a basic structure of a temperature-resistant material.
  • the temperature-resistant material is carbide or cermet.
  • carbide also referred to as a "cemented carbide” is understood here to mean a material in which hard metal carbides are embedded in a metallic matrix (binder)
  • the metal carbides may be produced in particular by carbides or mixed carbides of the metals of groups IV to VI of FIG.
  • Periodic table of elements in particular e.g. by carbides or mixed carbides of the metals W, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo and Cr.
  • the metallic matrix can e.g. in particular be formed by Co, Ni and / or Fe .. There may also be additives of other hard materials.
  • Cermet is understood as meaning a material in which ceramic particles, which may be formed in particular by carbonitrides, oxides, borides or carbides, are embedded in a metallic matrix.
  • the ceramic particles may in particular be carbonitrides of titanium (Ti) with different proportions of Ta, W and optionally Mo.
  • the metallic matrix may in particular comprise cobalt (Co), tungsten (W), molybdenum (Mo), niobium (Nb), titanium (Ti), zirconium (Zr), chromium (Cr) and / or nickel (Ni).
  • the material of the basic structure of the permeable, porous article is hard metal or cermet, a very good temperature resistance, especially against rapid temperature changes is given. Furthermore, in a simple manner, for example by material connection, be achieved in particular by a sintering process, a high mechanical strength and toughness. Depending on the intended use, in addition, excellent chemical resistance can be achieved even with respect to aggressive media, either by the material of the basic structure itself or by an optionally applied coating.
  • the high density of the carbide or cermet allows a simple reject test, should it come to a breakage of the object. Broken parts settle because of the high density at the bottom, so
  • the flow-through, porous article is characterized by a high thermal conductivity, so that, if necessary, a targeted heating or cooling to a desired temperature is possible.
  • the provided article can be used in particular in metal melts or as a bedding filter for other chemically aggressive fluids.
  • the basic structure is formed by a plurality of bodies made of the temperature-resistant material.
  • the individual bodies e.g. can be introduced into a mold. It is e.g. basically possible to arrange the individual bodies unconnected in a flow-through housing or cage, which is also formed of a temperature-resistant material.
  • the bodies may e.g. be introduced as a bed.
  • the bodies are materially connected to each other, a particularly high degree of design options in the shaping of the permeable, porous object is given. Further, in this case, high mechanical strength and a high degree of thermal conductivity are achieved throughout the article.
  • the bodies may be interconnected by sintering. A connection through For carbide and cermet sintering, sintering can be made very reliably and easily with known machining methods.
  • the properties, in particular the achieved porosity, of the permeable, porous material can be determined
  • the sphere radius of a plurality of identical spheres can be varied, or different types of spheres, e.g. with different radii, used to achieve a desired structure.
  • the bodies are a plurality of balls or hollow balls of substantially equal diameter.
  • a desired porosity of the permeable, porous body can be provided in a particularly simple and predictable manner.
  • the bodies have at least two types of ball or hollow ball with different diameters.
  • the resulting structure of the permeable, porous article can be adjusted very targeted. For example, For example, large diameter balls may be placed in a (densest) ball packing, and other balls may be targeted with a smaller diameter so that they fit into remaining gaps.
  • the basic structure is formed as a foam of the temperature-resistant material. Also in this case, a production of the permeable, porous article with established
  • Manufacturing methods allows. For example, it is known in relation to the manufacture of filters and / or diffusers for molten metals, a
  • Polyurethane foam to be provided with a suspension
  • a coating of TiB 2 can be provided, in particular for use in aluminum melts, since it has both an excellent chemical resistance and a positive effect on the cast structure.
  • the article is a filter, a diffuser or a catalyst.
  • the article may be a filter or a diffuser for molten metal. It can be designed in particular for an aluminum melt.
  • the object is also achieved by using the permeable, porous article as a filter and / or diffuser in a molten metal.
  • the object is further achieved by a method for producing a
  • the method comprises the steps of introducing a plurality of bodies of cemented carbide or cermet into a mold and materially connecting the plurality of bodies to one another such that a permeable, porous body is formed. It achieves the advantages that have already been described with regard to the permeable, porous article. In particular, a permeable, porous article is achieved, which has both a good chemical resistance and a high mechanical strength and a high thermal conductivity.
  • the material-locking connection takes place by sintering.
  • a particularly simple production is possible, the Especially suitable for carbide and cermets and it is achieved a high mechanical strength.
  • the method further comprises the step:
  • the flow-through, porous article can be adapted via the coating especially for the purpose, e.g. In particular, be provided with a specially adapted chemical resistance. If one
  • Coating is applied, which has TiB 2 , in particular for applications in an aluminum melt at the same time a high chemical resistance and positive effects on the microstructure can be achieved.
  • Fig. 1 a schematic representation of a permeable, porous
  • 3 is a block diagram for explaining a method for
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a porous, permeable, flow-through device
  • FIG. 1 and FIG. 2 are schematic representations of a porous object 1 which can be flowed through.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the FIG. 1
  • Article 1 as a filter and diffuser for a molten metal, in particular an aluminum melt formed.
  • the flow-through, porous article is in particular for
  • the flow-through, porous article 1 has a base structure 2 made of a temperature-resistant material.
  • the material of the basic structure 2 is hard metal or cermet. In that shown in Fig. 1
  • the basic structure 2 is formed by a plurality of bodies 3 made of the temperature-resistant material.
  • the bodies 3 are each formed by balls made of hard metal or cermet.
  • the bodies 3 are each formed as balls of hard metal or cermet, which have substantially the same diameter. In this case, the achieved porosity of the permeable, porous
  • Object 1 can be specified by the selection of the diameter of the body 3 and in particular also be calculated very easily. Although in Fig. 1 balls are shown and a realization of the individual body 3 as balls or hollow spheres brings benefits, the
  • Body 3 also have other uniform or non-uniform shapes, where appropriate, depending on the shape of an accurate specification of the porosity may be more difficult under certain circumstances.
  • the bodies 3, which form the basic structure 2 are connected to one another in a material-locking manner, so that a high mechanical strength of the permeable, porous article 1 is achieved.
  • the material-locking connection can be effected in particular by sintering adjoining, loose individual bodies, so that the bodies 3 are connected to one another by sintering.
  • the loose individual bodies can also be connected to one another by soldering, for example by galvanic coating of the individual bodies with a metal (eg cobalt or nickel) and subsequent heating of the adjoining individual bodies, so that the
  • Basic structure 2 is formed from materially interconnected bodies 3.
  • the basic structure 2 can be made e.g. also by one
  • Batch of bodies 3 may be formed, which are not materially connected to each other.
  • a surrounding cage which is also made of a heat-resistant and chemically resistant material, be provided to hold the body 3 to the basic structure 2 together.
  • the basic structure 2 is provided with a chemically resistant coating 4.
  • Embodiment are first the body 3 material fit
  • the chemically resistant coating 4 can thereby be done reliably.
  • the chemically resistant coating 4 can thereby be done reliably.
  • the coating 4 may in particular have an outer layer T1B2.
  • the coating 4 may in particular have an outer layer T1B2.
  • Coating thereby built up in several layers and e.g. a lowest layer TiN have.
  • a plurality of the hard metal or cermet bodies 3 are introduced as a single body into a mold. In the illustrated
  • the mold may be, for example, a hollow cylinder, in which the Single bodies are introduced as a bed in such a way that they are in contact with each other.
  • a material-locking connection of the body 3 is formed by the bodies 3 are sintered.
  • a third step S3 the basic structure 2 formed of the plurality of interconnected bodies 3 is cleaned, e.g. can be done by treatment with acetone.
  • the coating 4 is applied by means of a CVD method.
  • carbide balls having an average diameter of 6 mm as commonly used in an attritor or agitator ball mill, were first cleaned by acetone.
  • the cleaned hard metal balls were then manually introduced into a hollow cylindrical graphite mold and sintered under pressure by an approximately 4 kg mass at 1500 ° C.
  • the basic structure prepared in this way was cleaned again with acetone and then by means of a CVD process with a first layer of titanium nitride (TiN) and an outermost layer
  • a permeable, porous article which had a substantially cylindrical shape of 40 mm in diameter and 50 mm in height.
  • the article had a high level of chemical
  • FIG. 1 A modification of the previously described embodiment is shown schematically in FIG.
  • the modification differs from the embodiment described with reference to FIGS. 1 and 2 in that it is not a sort of spheres 3 formed by spheres with a uniform one
  • Diameter is used to form the basic structure 2, but
  • Body 3 and 3a of different sizes are used.
  • first spherical bodies 3 having a relatively large diameter and second spherical bodies 3a having a smaller diameter are provided.
  • the diameter of the second spherical bodies 3a is selected such that the second spherical bodies 3a fit in gaps left when the first spherical bodies 3 are stacked on each other.
  • the body 3 and 3a are connected by sintering material fit together and there is a coating 4 applied.
  • the basic structure 2 is constituted by a plurality of bodies 3, e.g. can also be materially connected to each other, is e.g. in a further modification, a formation of the basic structure 2 by a foam made of hard metal or cermet possible.
  • the permeable, porous article 1 with a basic structure 2, which is formed by a foam of hard metal or cermet, will be briefly described below by way of example.
  • a foam for example, balls, hollow spheres or other geometric body of a removable material with a
  • Diameter corresponding to the desired pore size can be used.
  • these balls, hollow spheres or other bodies are poured into a mold as a bed. Remaining gaps or cavities are filled with a unsintered carbide or cermet approach. Subsequently, the removable material is removed and by sintering the basic structure 2 of hard metal or cermet is formed.
  • the removable material may e.g. by a slightly melting metal, e.g. Copper or manganese, which melts below the sintering temperature or evaporates in the case of vacuum sintering.
  • the removable material may e.g. but also by a plastic, as in particular
  • Polystyrene which pyrolyzes below the sintering temperature, i. can be converted into the gas phase.
  • Cement or cermet formed basic structure 2 also be formed by soaking a foam of removable material with carbide or cermet approach and then by heating the
  • Basic structure 2 which is formed by a foam of hard metal or cermet, the base structure 2 may preferably be provided with a chemically resistant coating 4.
  • the coating 4 can also be applied in this case by means of a CVD method and, if appropriate, in turn may be multi-layered.
  • When used as a filter and / or diffuser for an aluminum melt may preferably turn a
  • the flow-through porous article 1 may be e.g. also be used as a bedload filter for other chemically aggressive fluids or chemically loaded fluids. It is e.g. also a use as a catalyst possible.
  • the porosity and the optionally provided coating 4 the flow-through, porous article can be adapted for a variety of applications.

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Abstract

Es wird ein durchströmbarer, poröser Gegenstand (1) mit einer Grundstruktur (2) aus einem temperaturbeständigen Material bereitgestellt. Das temperaturbeständige Material ist Hartmetall oder Cermet.

Description

DURCHSTRÖMBARER, PORÖSER GEGENSTAND
Die vorliegende Erfindung betrifft einen durchströmbaren, porösen Gegenstand. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere einen durchströmbaren, porösen Gegenstand, der als Filter oder Diffusor in einer Metallschmelze einsetzbar ist.
Es ist bekannt, in Metallschmelzen hochtemperaturbeständige Filter
einzusetzen, um z.B. unerwünschte Partikel herauszufiltern. Im
Anwendungsbereich des Leichtmetallgusses, insbesondere bei
Aluminiumgussverfahren werden ferner, neben der Filterfunktion,
hochtemperaturbeständige, durchströmbare, poröse Gegenstände als
Diffusoren eingesetzt, um Turbulenzen in der Schmelze zu reduzieren, eine möglichst gleichmäßige und ruhige Befüllung der Gussform und somit ein feines Gussgefüge zu gewährleisten und das Risiko von Oxidationsdefekten zu vermindern.
Bekannte derartige Filter bzw. Diffusoren sind üblicherweise als keramische Schäume, z.B. aus Siliziumoxiden oder Aluminiumoxiden, ausgebildet. Diese Materialien weisen zwar eine hohe Temperaturbeständigkeit auf und können derart ausgestaltet werden, dass eine ausreichende mechanische Festigkeit gegeben ist, jedoch tritt zumindest in einigen Anwendungsfällen eine
unzureichend niedrige chemische Beständigkeit gegenüber Atmosphären oder Elementen auf, denen sie im Betrieb ausgesetzt sind. In der Praxis findet zudem eine Verwendung von Elementen der ersten Gruppe des
Periodensystems zunehmend Verbreitung, so dass vermehrt Filter bzw.
Diffusoren benötigt werden, die auch gegenüber alkalischen Schmelzen beständig sind. Die üblichen bekannten Filter bzw. Diffusoren aus keramischen Materialien weisen häufig keine ausreichende chemische Beständigkeit auf und zersetzen sich in alkalischen Schmelzen.
WO 99/28273 A1 beschreibt einen Filter zum Filtern von geschmolzenem Metall mit einem porösen Carbon-Schaumsubstrat, das mit einem hitzebeständigen Metall oder einer hitzebeständigen Verbindung beschichtet ist. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten durchströmbaren, porösen Gegenstand bereitzustellen, der sich insbesondere auch als Filter und/oder Diffusor für Metallschmelzen eignet, sowie eine entsprechende Verwendung und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Aufgabe wird durch einen durchströmbaren, porösen Gegenstand nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der durchströmbare, poröse Gegenstand weist eine Grundstruktur aus einem temperaturbeständigen Material auf. Das temperaturbeständige Material ist Hartmetall oder Cermet.
Unter Hartmetall (auch als„cemented carbide" bezeichnet) wird vorliegend ein Material verstanden, bei dem harte Metallkarbide in einer metallischen Matrix (Binder) eingebettet sind. Die Metallkarbide können dabei insbesondere durch Karbide bzw. Mischkarbide der Metalle der Gruppen IV bis VI des
Periodensystems der Elemente gebildet sein, insbesondere z.B. durch Karbide oder Mischkarbide der Metalle W, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo und Cr. Die metallische Matrix kann z.B. insbesondere durch Co, Ni und/oder Fe gebildet sein.. Es können auch Zusätze von weiteren Hartstoffen vorhanden sein.
Unter Cermet wird ein Material verstanden, bei dem keramische Partikel, die insbesondere durch Karbonitride, Oxide, Boride oder Karbide gebildet sein können, in einer metallischen Matrix eingebettet sind. Die keramischen Partikel können insbesondere Karbonitride des Titan (Ti) mit unterschiedlichen Anteilen von Ta, W und ggf. Mo sein. Die metallische Matrix kann dabei insbesondere Kobalt (Co), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr) und/oder Nickel (Ni) aufweisen.
Da das Material der Grundstruktur des durchströmbaren, porösen Gegenstands Hartmetall oder Cermet ist, ist eine sehr gute Temperaturbeständigkeit, insbesondere auch gegenüber schnellen Temperaturänderungen gegeben. Ferner kann in einfacher Weise z.B. durch materialschlüssige Verbindung, insbesondere durch einen Sinterprozess, eine hohe mechanische Festigkeit und Zähigkeit erreicht werden. Je nach Einsatzzweck kann zudem entweder durch das Material der Grundstruktur selbst oder durch eine gegebenenfalls aufzubringende Beschichtung in einfacher Weise eine hervorragende chemische Beständigkeit auch gegenüber aggressiven Medien erzielt werden. Bei Anwendungen im Bereich des Metallgusses, z.B. als Filter und/oder Diffusor, wird durch die hohe Dichte des Hartmetall bzw. Cermets eine einfache Ausschussprüfung ermöglicht, falls es zu einem Zerbrechen des Gegenstands kommen sollte. Abgebrochene Teile setzen sich aufgrund der hohen Dichte am Grund ab, so
dass eine Entfernung bei einer Nachbearbeitung gefertigter Gussstücke ermöglicht bzw. erleichtert wird. Ferner zeichnet sich der durchströmbare, poröse Gegenstand durch eine hohe thermische Leitfähigkeit aus, so dass bei Bedarf auch eine gezielte Beheizung oder Kühlung auf eine gewünschte Temperatur ermöglicht ist. Der bereitgestellte Gegenstand kann insbesondere in Metallschmelzen oder als Schüttungsfilter für andere chemisch aggressive Fluide zum Einsatz kommen.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Grundstruktur durch eine Vielzahl von Körpern aus dem temperaturbeständigen Material gebildet. In diesem Fall ist eine besonders einfache Herstellung des durchströmbaren, porösen
Gegenstands ermöglicht, bei der die einzelnen Körper z.B. in eine Form eingebracht werden können. Es ist dabei z.B. grundsätzlich möglich, die einzelnen Körper unverbunden in einem durchströmbaren Gehäuse bzw. Käfig anzuordnen, der ebenfalls aus einem temperaturbeständigen Material gebildet ist. Die Körper können dabei z.B. als eine Schüttung eingebracht sein.
Wenn die Körper materialschlüssig miteinander verbunden sind, ist ein besonders hohes Maß an Gestaltungsmöglichkeiten bei der Formgebung des durchströmbaren, porösen Gegenstands gegeben. Ferner werden in diesem Fall eine hohe mechanische Festigkeit und ein hohes Maß an thermischer Leitfähigkeit über den gesamten Gegenstand erzielt. Insbesondere können die Körper durch Sintern miteinander verbunden sein. Eine Verbindung durch Sintern kann bei Hartmetall und Cermets sehr zuverlässig und einfach mit bekannten Bearbeitungsmethoden ausgebildet werden.
Falls die Körper Kugeln oder Hohlkugeln sind, lassen sich die Eigenschaften, insbesondere die erzielte Porosität, des durchströmbaren, porösen
Gegenstands sehr genau und einfach einstellen und im Voraus berechnen. Z.B. kann der Kugelradius einer Vielzahl von gleichen Kugeln variiert werden oder es können gezielt verschiedene Kugelarten, z.B. mit verschiedenen Radien, verwendet werden, um eine gewünschte Struktur zu erzielen. Gemäß einer Ausgestaltung sind die Körper eine Mehrzahl von Kugeln oder Hohlkugeln mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser. In diesem Fall lässt sich in besonders einfacher Weise und berechenbar eine gewünschte Porosität des durchströmbaren, porösen Körpers bereitstellen. Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Körper zumindest zwei Kugel- oder Hohlkugelsorten mit unterschiedlichem Durchmesser auf. In diesem Fall kann die resultierende Struktur des durchströmbaren, porösen Gegenstands sehr gezielt eingestellt werden. Z.B. können Kugeln mit großem Durchmesser in einer (dichtesten) Kugelpackung angeordnet werden und andere Kugeln können gezielt mit einem kleineren Durchmesser versehen werden, so dass diese in verbleidenden Lücken Platz finden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Grundstruktur als ein Schaum aus dem temperaturbeständigen Material ausgebildet. Auch in diesem Fall ist eine Herstellung des durchströmbaren, porösen Gegenstands mit etablierten
Herstellungsmethoden ermöglicht. Z.B. ist es in Bezug auf die Herstellung von Filtern und/oder Diffusoren für Metallschmelzen bekannt, einen
Polyurethanschaum mit einer Suspension zu versehen, die
temperaturbeständiges Material und Binder aufweist, anschließend zu trocknen und den Polyurethanschaum auszuheizen, so dass ein Schaum aus dem temperaturbeständigen Material gebildet wird. Diese Technik kann z.B. nun auch dazu ausgenutzt werden, einen porösen Schaum aus Hartmetall oder Cermet bereitzustellen. Gemäß einer Ausgestaltung ist die Grundstruktur mit einer chemisch
resistenten Beschichtung versehen. In diesem Fall können durchströmbare, poröse Gegenstände bereitgestellt werden, die durch ihre Beschichtung speziell für den jeweiligen Anwendungszweck chemisch resistent ausgebildet sind. Die Beschichtung kann dabei z.B. mit bekannten Verfahren, insbesondere mittels CVD (chemical vapour deposition; chemische Gasphasenabscheidung), aufgebracht sein. Insbesondere für eine Anwendung in Aluminiumschmelzen kann z.B. eine Beschichtung aus TiB2 vorgesehen sein, da diese sowohl eine ausgezeichnete chemische Resistenz aufweist als sich auch positiv auf das Gussgefüge auswirkt.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der Gegenstand ein Filter, ein Diffusor oder ein Katalysator. Bevorzugt kann der Gegenstand ein Filter oder ein Diffusor für eine Metallschmelze sein. Er kann dabei insbesondere für eine Aluminiumschmelze ausgebildet sein.
Die Aufgabe wird auch durch eine Verwendung des durchströmbaren, porösen Gegenstands als Filter und/oder Diffusor in einer Metallschmelze gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines
durchströmbaren, porösen Gegenstands nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren weist die Schritte auf: Einbringen einer Vielzahl von Körpern aus Hartmetall oder Cermet in eine Form und materialschlüssiges Verbinden der Vielzahl von Körpern derart miteinander, dass ein durchströmbarer, poröser Körper gebildet wird. Es werden die Vorteile erzielt, die bereits im Hinblick auf den durchströmbaren, porösen Gegenstand beschrieben wurden. Insbesondere wird ein durchströmbarer, poröser Gegenstand erzielt, der sowohl eine gute chemische Resistenz als auch eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Gemäß einer Ausgestaltung erfolgt das materialschlüssige Verbinden durch Sintern. In diesem Fall ist eine besonders einfache Herstellung ermöglicht, die sich besonders für Hartmetall und Cermets eignet und es wird eine hohe mechanische Festigkeit erzielt.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
Aufbringen einer chemisch resistenten Beschichtung. In diesem Fall kann der durchströmbare, poröse Gegenstand über die Beschichtung speziell für den Einsatzzweck angepasst werden, z.B. insbesondere mit einer speziell angepassten chemischen Beständigkeit versehen werden. Falls eine
Beschichtung aufgebracht wird, die TiB2 aufweist, können insbesondere für Anwendungen in einer Aluminiumschmelze gleichzeitig eine hohe chemische Resistenz und positive Auswirkungen auf die Gefügestruktur erzielt werden.
Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines durchströmbaren, porösen
Gegenstands gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2: eine weitere schematische Darstellung des durchströmbaren, porösen Gegenstands;
Fig. 3: ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum
Herstellen eines durchströmbaren, porösen Gegenstands; und Fig. 4: eine schematische Darstellung eines durchströmbaren, porösen
Gegenstands gemäß einer Abwandlung.
Eine Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezug auf die Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben.
Fig. 1 und Fig. 2 sind schematische Darstellungen eines durchströmbaren, porösen Gegenstands 1. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des
Gegenstands 1 von der Seite und Fig. 2 ist eine schematische Darstellung oben. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der durchströmbare, poröse
Gegenstand 1 als ein Filter und Diffusor für eine Metallschmelze, insbesondere eine Aluminiumschmelze ausgebildet. Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel ist der durchströmbare, poröse Gegenstand dabei insbesondere zur
Strömungsberuhigung und Reinigung der Schmelze während des
Gießprozesses im Aluminium-Strangguss ausgebildet.
Der durchströmbare, poröse Gegenstand 1 weist eine Grundstruktur 2 aus einem temperaturbeständigen Material auf. Das Material der Grundstruktur 2 ist dabei Hartmetall oder Cermet. Bei dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Grundstruktur 2 durch eine Vielzahl von Körpern 3 aus dem temperaturbeständigen Material gebildet. Die Körper 3 sind dabei jeweils durch Kugeln aus Hartmetall oder Cermet gebildet. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Körper 3 jeweils als Kugeln aus Hartmetall oder Cermet gebildet, die im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen. In diesem Fall kann die erzielte Porosität des durchströmbaren, porösen
Gegenstands 1 gezielt durch die Auswahl des Durchmessers der Körper 3 vorgegeben werden und insbesondere auch sehr einfach berechnet werden. Obwohl in Fig. 1 Kugeln dargestellt sind und eine Realisierung der einzelnen Körper 3 als Kugeln oder Hohlkugeln Vorteile mit sich bringt, können die
Körper 3 auch andere gleichmäßige oder ungleichmäßige Formen aufweisen, wobei gegebenenfalls, je nach Formgebung eine genaue Vorgabe der Porosität unter Umständen schwieriger sein kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Körper 3, die die Grundstruktur 2 ausbilden, materialschlüssig miteinander verbunden, so dass eine hohe mechanische Festigkeit des durchströmbaren, porösen Gegenstands 1 erzielt ist. Dabei kann die materialschlüssige Verbindung insbesondere durch Sintern von aneinander anliegenden, losen Einzelkörpern bewirkt sein, so dass die Körper 3 durch Sintern miteinander verbunden sind. Alternativ ist es z.B. aber auch möglich, eine materialschlüssige Verbindung durch Heißpressen, insbesondere direktes Heißpressen; durch Kleben mit einem geeigneten Kleber oder durch Lasersintern, bei dem das Erhitzen durch einen Laser erfolgt, auszubilden. Als weitere Alternative können die losen Einzelkörper z.B. auch durch Löten miteinander verbunden sein, z.B. durch galvanisches Beschichten der Einzelkörper mit einem Metall (z.B. Kobalt oder Nickel) und anschließendes Aufheizen der aneinander anliegenden Einzelkörper, so dass die
Grundstruktur 2 aus materialschlüssig miteinander verbundenen Körpern 3 gebildet wird. Neben Realisierungen mit materialschlüssig miteinander verbundenen Körpern 3 kann die Grundstruktur 2 z.B. auch durch eine
Schüttung aus Körpern 3 gebildet sein, die nicht materialschlüssig miteinander verbunden sind. In diesem Fall kann z.B. ein umgebender Käfig, der ebenfalls aus einem wärmebeständigen und chemisch resistenten Material gefertigt ist, vorgesehen sein, um die Körper 3 zu der Grundstruktur 2 zusammenzuhalten.
Wie in den Fig. 1 und Fig. 2 schematisch dargestellt ist, ist die Grundstruktur 2 mit einer chemisch resistenten Beschichtung 4 versehen. In dem
Ausführungsbeispiel sind dabei zuerst die Körper 3 materialschlüssig
miteinander verbunden worden und anschließend ist die chemisch resistente Beschichtung 4 aufgebracht worden, was z.B. durch ein CVD-Verfahren
(chemical apour deposition, chemische Gasphasenabscheidung) zuverlässig erfolgen kann. Die chemisch resistente Beschichtung 4 kann dabei
insbesondere spezifisch auf den Einsatzzweck abgestimmt sein. Bei einem durchströmbaren, porösen Körper 1 für einen Einsatz als Filter und/oder Diffusor für eine Aluminiumschmelze, wie bei dem in den Fig. 1 und Fig. 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel, kann die Beschichtung 4 insbesondere eine äußere Lage T1B2 aufweisen. Bevorzugt kann die
Beschichtung dabei mehrlagig aufgebaut und z.B. eine unterste Lage TiN aufweisen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des durchströmbaren, porösen Gegenstands kurz beschrieben.
In einem ersten Schritt S1 wird eine Vielzahl der Körper 3 aus Hartmetall oder Cermet als Einzelkörper in eine Form eingebracht. Bei der dargestellten
Ausführungsform kann die Form beispielsweise ein Hohlzylinder sein, in den die Einzelkörper als Schüttung derart eingebracht werden, dass sie miteinander in Berührung stehen.
In einem zweiten Schritt S2 wird eine materialschlüssige Verbindung der Körper 3 ausgebildet, indem die Körper 3 gesintert werden.
Anschließend wird in einem dritten Schritt S3 die Grundstruktur 2, die aus der Vielzahl von miteinander verbundenen Körpern 3 gebildet ist, gereinigt, was z.B. durch eine Behandlung mit Aceton erfolgen kann.
In einem darauf folgenden Schritt S4 wird mittels eines CVD-Verfahrens die Beschichtung 4 aufgebracht.
Beispiel
Bei einem Beispiel wurden Hartmetallkugeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 6 mm, wie sie üblicherweise in einem Attritor bzw. einer Rührwerkskugelmühle zum Einsatz kommen, zunächst mittels Aceton gereinigt.
Die gereinigten Hartmetallkugeln wurden anschließend manuell in eine hohlzylindrische Graphitform eingebracht und unter Druckeinwirkung durch eine ca. 4 kg schwere Masse bei 1500 °C gesintert.
Nach dem Sintervorgang wurde die derart gefertigte Grundstruktur erneut mit Aceton gereinigt und anschließend mittels eines CVD-Verfahrens mit einer ersten Schicht aus Titannitrid (TiN) und einer äußersten Schicht aus
Titandiborit (T1B2) beschichtet.
In dieser Weise wurde ein durchströmbarer, poröser Gegenstand bereitgestellt, der im Wesentlichen eine Zylinderform mit 40 mm Durchmesser und 50 mm Höhe aufwies. Der Gegenstand wies eine hohes Maß an chemischer
Beständigkeit und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit auf. Abwandlung
Eine Abwandlung der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Die Abwandlung unterscheidet sich von dem mit Bezug auf die Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel darin, dass nicht eine Sorte von durch Kugeln gebildeten Körpern 3 mit einem einheitlichen
Durchmesser zur Ausbildung der Grundstruktur 2 genutzt wird, sondern
Körper 3 und 3a unterschiedlicher Größe zum Einsatz kommen. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel sind erste kugelförmige Körper 3 mit einem relativ großen Durchmesser und zweite kugelförmige Körper 3a mit einem kleineren Durchmesser gegeben. Es sind somit zwei Kugelsorten mit unterschiedlichem Durchmesser gegeben. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der zweiten kugelförmigen Körper 3a derart gewählt, dass die zweiten kugelförmigen Körper 3a in Lücken passen, die verbleiben, wenn die ersten kugelförmigen Körper 3 aufeinander gestapelt werden. Auch bei der Abwandlung sind die Körper 3 und 3a durch Sintern materialschlüssig miteinander verbunden und es ist eine Beschichtung 4 aufgebracht.
Durch die Ausgestaltung mit Körpern 3, 3a unterschiedlichen Durchmessers bzw. unterschiedlicher Abmessungen kann die resultierende Porosität besonders genau eingestellt werden. "
Weitere Abwandlungen Neben der zuvor beschriebenen Ausführungsform, bei der die Grundstruktur 2 durch eine Vielzahl von Körpern 3 gebildet ist, die z.B. auch materialschlüssig miteinander verbunden sein können, ist z.B. in einer weiteren Abwandlung auch eine Ausbildung der Grundstruktur 2 durch einen Schaum aus Hartmetall oder Cermet möglich.
Die Ausbildung des durchströmbaren, porösen Gegenstands 1 mit einer Grundstruktur 2, die durch einen Schaum aus Hartmetall oder Cermet gebildet ist, wird im Folgenden anhand eines Beispiels kurz beschrieben. Zur Herstellung eines solchen Schaumes können z.B. Kugeln, Hohlkugeln oder andere geometrische Körper aus einem entfernbaren Material mit einem
Durchmesser, der der gewünschten Porengröße entspricht, verwendet werden. Bei einem beispielhaften Verfahren werden diese Kugeln, Hohlkugeln oder andere Körper als Schüttung in eine Form gegeben. Verbleibende Lücken bzw. Hohlräume werden mit einem ungesinterten Hartmetall- oder Cermet-Ansatz gefüllt. Anschließend wird das entfernbare Material entfernt und durch Sintern wird die Grundstruktur 2 aus Hartmetall oder Cermet ausgebildet.
Das entfembare Material kann dabei z.B. durch ein leicht schmelzendes Metall, wie z.B. Kupfer oder Mangan, gebildet sein, das unterhalb der Sintertemperatur ausschmilzt oder im Fall von Vakuumsinterung ausdampft. Das entfernbare Material kann z.B. aber auch durch einen Kunststoff, wie insbesondere
Polystyrol gebildet sein, der unterhalb der Sintertemperatur pyrolisiert, d.h. in die Gasphase übergeführt werden kann.
Gemäß einer weiteren Alternative kann eine durch einen Schaum aus
Hartmetall oder Cermet gebildete Grundstruktur 2 auch dadurch gebildet werden, dass ein Schaum aus entfernbarem Material mit Hartmetall- oder Cermet-Ansatz getränkt wird und anschließend durch Ausheizen des
entfernbaren Materials und Sintern die schaumartige Grundstruktur 2 aus Hartmetall oder Cermet ausgebildet wird. Auch bei einem durchströmbaren, porösen Gegenstand 1 , der eine
Grundstruktur 2 aufweist, die durch einen Schaum aus Hartmetall oder Cermet gebildet ist, kann die Grundstruktur 2 bevorzugt mit einer chemisch resistenten Beschichtung 4 versehen sein. Die Beschichtung 4 kann auch in diesem Fall mittels eines CVD-Verfahrens aufgebracht werden und gegebenenfalls wiederum mehrlagig ausgebildet sein. Bei einer Anwendung als Filter und/oder Diffusor für eine Aluminiumschmelze kann bevorzugt wiederum eine
Beschichtung mit einer äußeren Schicht aus T1B2 vorgesehen sein. Obwohl in Bezug auf die Ausführungsform und deren Abwandlungen jeweils ein durchströmbarer, poröser Gegenstand 1 beschrieben wurde, der für eine Verwendung als Filter und Diffusor für eine Aluminiumschmelze angepasst ist, sind auch andere Anwendungen möglich.
Der durchströmbare, poröse Gegenstand 1 kann z.B. auch als Schüttungsfilter für andere chemisch aggressive Fluide oder chemisch belastete Fluide eingesetzt werden. Es ist z.B. auch eine Verwendung als Katalysator möglich. Durch eine Variation der Porosität und der gegebenenfalls vorgesehenen Beschichtung 4 kann der durchströmbare, poröse Gegenstand für eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden.

Claims

Patentansprüche
1. Durchströmbarer, poröser Gegenstand (1) mit einer Grundstruktur (2) aus einem temperaturbeständigen Material, wobei das temperaturbeständige Material Hartmetall oder Cermet ist.
2. Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (2) durch eine Vielzahl von Körpern (3, 3a) aus dem temperaturbeständigen Material gebildet ist.
3. Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Körper (3, 3a) materialschlüssig miteinander verbunden sind.
Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (3, 3a) durch Sintern miteinander verbunden sind.
Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (3, 3a) Kugeln oder Hohlkugeln sind.
Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (3, 3a) eine Mehrzahl von Kugeln oder Hohlkugeln mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser sind.
Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach Anspruch 5, wobei die Körper (3, 3a) zumindest zwei Kugel- oder Hohlkugelsorten mit
unterschiedlichem Durchmesser aufweisen.
8. Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (2) als ein Schaum aus dem temperaturbeständigen Material ausgebildet ist. 9. Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (2) mit einer chemisch resistenten Beschichtung (4) versehen ist, insbesondere mit einer Beschichtung aus TiB2.
10. Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (1).ein Filter, ein Diffusor oder ein Katalysator ist.
Durchströmbarer, poröser Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (1) ein Filter oder ein Diffusor für eine Metallschmelze, insbesondere eine
Aluminiumschmelze, ist.
Verwendung eines durchströmbaren, porösen Gegenstands (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Filter und/oder Diffusor in einer Metallschmelze.
13. Verfahren zum Herstellen eines durchströmbaren, porösen
Gegenstands (1) mit den Schritten:
Einbringen einer Vielzahl von Körpern (3) aus Hartmetall oder Cermet in eine Form und
materialschlüssiges Verbinden der Vielzahl von Körpern (3) derart miteinander, dass ein durchströmbarer, poröser Gegenstand (1) gebildet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das
materialschlüssige Verbinden durch Sintern erfolgt. 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 mit ferner dem Schritt:
Aufbringen einer chemisch resistenten Beschichtung (4), insbesondere einer Beschichtung, die TiB2 aufweist.
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