Verfahren zum Dotieren von Schmelzen mit Hilfe von Metallkapseln Ein Verfahren zum Dotieren von Schmelzen mit Hilfe von hermetisch abgeschlossenen, dickwandigen Kapseln, deren Mantel aus demselben Material besteht wie eine behandelte Schmelze. Werden derartige Kapseln in ein Bad mit der Schmelze geworfen, so sinken sie zu Boden, da ihre Dichte größer ist als die Dichte der Schmelze, und dort öffnen sie sich automatisch, wobei sie die enthaltene Dotierungsmasse unter einer Schicht Schmelze freigeben. Dieses Verfahren ist besonders nützlich in Fällen, wo es erforderlich ist, eine Schmelze mit leichten und/oder chemisch aktiven Substanzen zu dotieren.

Allgemeiner Stand der Technik.

Ein Verfahren zum Dotieren mit kleinen Mengen von Zusätzen, welche die Eigenschaften des produzierten Materials in ausreichendem Maß in die erforderliche Richtung verändern, wird in der Metallurgie vieler Metalle und Legierungen eingesetzt. Die Zusammensetzungen dieser Dopanten, die Ziele und Dotierungsverfahren können in Abhängigkeit von der Natur und der Bestimmung des behandelten Materials stark variieren. Das bestehende technische Niveau des angewandten Verfahrens ist auch in jedem spezifischen Fall verschieden.

Derartige nützliche Dopanten können Gase sein, die mit einer Fremdsubstanz reagieren und diese aus der Schmelze entfernen, oder Gase, die sich in der Schmelze auflösen und die Primärkornbildung modifizieren, wie z. B. Stickstoff in Stählen. Derartige Dopanten können auch elektropositive Metalle sein, welche analog wirken, d. h. entweder eine Verunreinigung in einer Schmelze binden und diese durch Dichteabsonderung aus der Schmelze entfernen (z. B. Kalzium und Barium als Reinigungsmittel bei den Verfahren der Kupfer-, Blei-etc.

Raffination) oder im flüssigen Zustand in Lösung gehen, wobei sie sich jedoch in der Zusammensetzung einer erstarrenden dispersen Phase im festen Zustand niederschlagen (z. B. Präzipitate von LiAl3 in einer Al-Matrix von Aluminiumlegierungen für die Raumfahrtindustrie), etc..

Eine Analyse der Technologien, die auf diesem Gebiet existieren, zeigt, dass die Hauptsorge bei der Entwicklung von Verfahren zum Dotieren der Schmelzen die Möglichkeit betrifft, die Vorgänge zum günstigsten Zeitpunkt durchzuführen, wodurch eine Homogenität der Schmelze und eine technische Einfachheit des Verfahrens erzielt werden. Dabei treten die meisten Schwierigkeiten in der Regel beim Hinzufügen (Einbringen ? ) entweder von Gasen oder von leichten und chemisch aktiven Metallen zu einer Schmelze auf.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine einfache und allumfassende Lösung für das Problem der Einbringung von kleinen Mengen irgendeiner Substanz in irgendeine Schmelze vor.

Technisches Gebiet.

Die vorgegebene Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metallurgie, wobei sie die Behandlung von Schmelzen mit speziellen Zusätzen zum Zweck der Herstellung reiner Metalle oder der Herstellung von Legierungen mit verbesserten (mechanischen, elektrischen, korrosionsbeständigen etc.) Eigenschaften betrifft.

Kurzfassung der Erfindung.

Eine grundlegende Idee des neuartigen Verfahrens ist die Idee einer dickwandigen und hermetisch abgeschlossenen Metallkapsel mit einer Dotierungsfüllung in ihrem Inneren, welche während des Weichwerdens und Aufbrechens oder während des Schmelzens der Kapselwände unter einer Schmelzschicht freigesetzt wird. Wegen der besonderen Geometrie der Kapsel wird die Füllung allmählich und gerichtet freigesetzt, was das Vermischen und gleichmäßige Verteilen der Dotierungsmasse im Schmelzvolumen erleichtert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den angeschlossenen Ansprüchen beschrieben.

Zwei Aspekte der Idee werden unterschieden, und zwar ein chemischer und ein physikalischer, wobei jeder zur Schaffung des allgemeinen Einkapselungsmodells beiträgt.

Unter Berücksichtigung der Chemie des Vorgangs wird/werden optimalerweise -Kapseln verwendet, die aus demselben Material bestehen wie die behandelte Schmelze, entweder direkt ein Dotierungselement (oder mehrere Elemente) oder dessen Legierung mit dem Schmelzenmaterial als Dopanten verwendet.

Unter diesen Bedingungen findet die Zerstörung der Kapselwände von selbst statt, und zwar als Ergebnis des Schmelzens der Kristallsubstanz in ihrer eigenen Schmelze, und findet eine Verbreitung eines Dotierungselements im Schmelzvolumen als Reaktion auf eine Vermischung oder Verdünnung statt.

Die physikalischen Anforderungen an die Kapsel bestehen in Folgendem : das Gewicht der Kapsel sollte größer sein als seine (archimedische) Auftriebskraft ; eine Kapselwand sollte irgendeine Schwachstelle aufweisen, welche sich vor dem Hauptteil der Kapsel öffnen sollte, wobei in dieser Weise ein verlängerter und gerichteter "Ausstoß"von Dotierungsmasse in die Schmelze geschaffen wird.

Das Design der in Fig. 1 dargestellten Kapseln erfüllt diese Anforderungen. Dabei wird die erste Anforderung mittels der Einstellung (Anpassung) von drei Werten, nämlich des Innen- volumens einer Kapsel, des Füllungsgewichts und der während der Verfestigung erfolgenden Veränderung der Dichte in der Schmelze, berücksichtigt, und die zweite Anforderung wird durch das Vorhandensein eines dünnwandigen Vorsprungs an den Enden der Kapsel erfüllt.

Der Dotierungsvorgang ist sehr einfach und besteht darin, eine Kapsel 2, die einen Mantel aus derselben Zusammensetzung [L] wie die Schmelze aufweist (Fig. 2), in ein mit Schmelze (L) gefülltes Bad 1 zu werfen. Die Kapsel ist mit der Verbindung AL gefüllt, wobei A ein Dotierungselement ist. Da die Kapsel eine höhere Dichte aufweist als die Schmelze, sinkt sie zu Boden, wo der dünnwandige Vorsprung früher schmilzt als der mittlere Teil, was die Bedingungen für einen allmählichen Austritt des Elements A in die Schmelze schafft. Im Fall von Gasen werden Dopanten auch in kondensierter Form verwendet, der Mechanismus des Verfahrens weist hier jedoch einige Unterschiede auf, welche im Kapitel Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Betracht gezogen werden.

Das beschriebene Verfahren zum Dotieren von Schmelzen mit Kapseln ist durch eine Reihe von Vorteilen gekennzeichnet : sterile Dotierungsbedingungen (ein Dopant wird in einer hermetisch verschlossenen Verpackung unter Vakuum aufbewahrt und nur unter einer Schmelzschicht freigesetzt) ; Verfügbarkeit eines zusätzlichen Hintergrunds für die gleichmäßige Verteilung der Schmelze (Annäherung zwischen der Dichte eines Dotierungselements und jener einer Schmelze aufgrund der Verwendung von AL-Verbindungen, langsamer Austritt eines Dopanten in die Schmelze aufgrund des Kapsel-Designs) ; Gleichmäßigkeit des Dotierungsvorgangs für verschiedene Schmelzen, Bereitschaft des Verfahrens für eine Standardisierung des dotierten Produkts ; technische Einfachheit des Verfahrens für den Benutzer.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen.

Die Technologie der Dotierung von Schmelzen mit Hilfe von Metallkapseln weist zwei Hauptfaktoren auf : das Einfüllen eines Dopanten und das Verschließen der Kapsel unter Vakuum ; das Definieren der geometrischen Parameter einer Kapsel in jedem spezifischen Fall einer Dotierung.

Untenstehend werden beide Punkte detaillierter behandelt.

1. Verschließen der Kapseln.

Dieser Vorgang basiert auf den bekannten technischen Lösungen (siehe z. B. K. A.

Chuntonov et al. J. Less-Comm. Met., 1982, Band 83,143). Eine Kapsel wird mit einem Dopanten befüllt (Fig. 3a), an ein Vakuumsystem angeschlossen, ausgepumpt, ein dünnwandiger röhrenförmiger Vorsprung (Fig. 3b) wird flachgedrückt, und ohne Stoppen des Auspumpens wird das Abdichten der Kapsel im Fall von feuerfesten Metallen in einem Kurzschluss-System oder im Fall von verformbaren Metallen, wie z. B. Aluminium, Kupfer etc., durch Druckschweißen durchgeführt. Die Reihenfolge der Operationen ist für die erste Abdichtungsvariante in der Figurenreihe A-1, A-2 und A-3 dargestellt. Das Endprodukt ist in Fig. 3c dargestellt.

2. Geometrie der Kapseln.

Das Problem des Definierens des nützlichen Volumens einer Kapsel im Fall eines Zylinders reduziert sich auf das Definieren des Durchmessers des Innenkanals einer Kapsel d bei einem festgesetzten Außendurchmesser einer Kapsel D. Ausgehend vom Gleichgewicht dreier Kräfte, des Eigengewichts der Kapsel, des Gewichts der Füllung und der Auftriebskraft, erzielen wir in dimensionsloser Form die folgende Lösung für das Problem : wobei/ die Dichte der Schmelze,/% die Dichte derselben Schmelze im festen Zustand,/ die Dichte des Dopanten, k ein Packungsfaktor des Innenkanals der Kapsel, entsprechend dem Verhältnis des Füllungsvolumens zum Gesamtvolumen des Kanals, c der Auftriebskoeffizient, entsprechend dem Verhältnis des Gewichts einer befüllten Kapsel zur Auftriebskraft, ist, wobei die Kapsel schwebt, wenn c = 1, die Kapsel zur Oberfläche treibt, wenn c < 1, die Kapsel sinkt, wenn c > 1.

Aus der obenstehend angegebenen Formel ergibt sich, dass das Verfahren umso effektiver ist, je mehr sich das Volumen der Schmelze bei der Erstarrung verringert, wobei auch ersichtlich ist, dass es in der Praxis vorteilhafter ist, Dopanten von großer DichtePd ZU verwenden und das Innenvolumen bis zum Maximum mit dem Dotierungsmaterial zu befüllen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen.

Fig. 1. Design der Kapseln : a-einteilige Kapsel (1-Kapselkörper oder Mantel, 2-Innenkanal, 3- dünnwandiger Vorsprung, 4-Füllung) ; b-zweiteilige Kapsel (1-Senkkörper, 2-Metallampulle, 3-Füllung).

Fig. 2. Dotierungsvorgang : 1-Bad mit Schmelze (L), 2-Kapsel [L] mit Füllung AL.

Fig. 3. Vakuumverschließen der Kapseln : a-Anfangszustand, b-Flachdrücken der Wände des Vorsprungs, verschlossene Kapsel.

Beispiel 1.

Fe2N-Pulver, das sich bei 200°C unter Produktion von gasförmigem Stickstoff auflöst, wird zum Nitrieren von geschmolzenem Stahl ausgewählt. In diesem Fall wird eine Kapsel aus demselben Stahl gefertigt wie jener, der einer Behandlung unterzogen wird. Da in dem betrachteten Beispiel PL/PS ~ 0, 95, pd/ps-0, 81, erhalten wir unter Annahme von k = 0,8 und c= 1, 03 d/D ~ 0, 25.

Zum Zweck der Bequemlichkeit beim Befüllen einer Kapsel mit Pulver wird ein Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 20 mm genommen (Typ b in Fig. 1) und wird dann der Außendurchmesser eines Senlckörpers mit 80 mm definiert.

Nach dem Verschließen eines der Enden des Rohrs wird ein aus Abfall (Verkleidung) hergestellter Stahlstöpsel in den abgedichteten Teil gedrückt, danach wird das Rohr mit Fe2N-Pulver befüllt, das zweite Ende wird ebenfalls mit einem aus Stahldraht oder Abfall hergestellten Stöpsel verschlossen, das Rohr wird in einen Senkkörper gesteclct, ein freies Ende wird an ein Vakuumsystem angeschlossen, das Innenvolumen wird ausgepumpt, und die Kapsel wird schließlich verschlossen.

Wird die Kapsel in geschmolzenen Stahl geworfen, so wird das herausstehende Ende des Rohrs schneller erhitzt als der Hauptteil der Kapsel. Erreicht die Temperatur an beiden Enden des Rohrs- 900°C, so bricht gasförmiger Stickstoff, dessen Druck zu diesem Zeitpunkt mehrere Atmosphären erreicht, die Rohrwand auf und beginnt das Gas, (mit dünnen Strahlen von Gas) in die Schmelze zu strömen, wobei es durch Rillen und Poren der innenliegenden Stahlstöpsel dringt.

Eine Kapsel der beschriebenen Art kann pro Einheit ihres Volumens 15 bis 20 Volumen molekularen Stickstoff produzieren.

Beispiel 2.

Geschmolzener Stahl mit Natrium kann zum Zweck der Desoxidation in Metallform und nicht mit Hilfe eines Vorläufers dotiert werden. Dafür wird eine Stahlkapsel (Typ a in Fig.

1) mit Natrium befüllt. In diesem Fall Pd/PS ~ 0, 13, k = 0,9, und unter Annahme von c = 1,02, erhalten wir d/D ~ 0, 19. Dies bedeutet, dass jede Volumenseinheit der Kapsel 3,5 Vol. % metallisches Natrium in die Schmelze freigibt. Wie beim Nitrieren von Stahl (siehe Beispiel 1) beginnt Natrium bei Temperaturen von 900 bis 1000°C in Form von Metall- dampf in die Schmelze einzudringen.

Beispiel 3.- Zum Dotieren von Aluminium mit einer eutektischen Lithiumlegierung wird Al-32 At% Li genommen. Dessen Liquiduspunkt ist niedriger als der Schmelzpunkt von reinem Aluminium. Ein zylindrischer Block der erwähnten Zusammensetzung, der einen Durchmesser aufweist, welcher dem Durchmesser des Innenkanals einer Kapsel entspricht, wird in eine Kapsel (Typ a in Fig. 1) gefüllt, letztere wird ausgepumpt und mit Hilfe eines Druckverfahrens verschlossen, d. h. ein Vorsprung wird während des Auspumpens stark flachgedrückt und abgeschnitten. Der Durchmesser des Innenkanals wird gemäß d/D-0, 55 (peps ~ 0, 93, pd/ps-0, 92, c = 1,02 und k = 0,9) gebohrt. Gemäß der Menge des enthaltenen Lithiums entsprechen derartige Kapseln homogenen Blöcken desselben Volumens, wobei sie allerdings eine durchschnittliche Konzentration von 7 At% Li aufweisen.