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Vorrichtung und Verfahren zum Schmelzen bzw. Erhitzen von elektrisch leitenden Materialien im Vakuum
Die Erfindung bezieht sich auf das Schmelzen und Giessen oder auch auf das Weitererhitzen von bereits geschmolzenen leitenden Materialien im Vakuum. Die Erfindung ist insbesondere an Hand eines Verfahrens zur Behandlung von Materialien mit hohem Schmelzpunkt oder mit besonderer chemischer Aktivität oder solcher Materialien, welche meistens in nicht homogener Form anfallen, wie z. B. als schwammartige Produkte in granulierter Form oder als Pulver u. dgl., veranschaulicht. Ihre Verwendbarkeit ist aber keineswegs auf Materialien der oben beschriebenen Art beschränkt.
Das Schmelzen und bzw. oder Giessen von leitenden Materialien im Vakuum wurde in der Vergangenheit gewöhnlich auf eine von zwei Arten durchgeführt. Dort, wo sich die Anwendung eines Hochvakuum als notwendig erwies, wurde Induktionserhitzung verwendet ; wo ein niedrigeres Vakuum ausreichend ist, konnte Erhitzung durch einen Lichtbogen verwendet werden. Auch wurde zu diesem Zweck bereits eine Vorrichtung mit kalter Kathode vorgeschlagen, wobei im wesentlichen die gesamte innere Oberfläche des evakuierten Gefässes als Kathode dient.
Bei einer derartigen Vorrichtung wird eine sogenannte normale Glimmentladung verwendet" um das Material zu erhitzen ; bei einer derartigen normalen Glimmentladung findet fast der gesamte Spannungsabfall innerhalb der Vorrichtung im Kathodendunkelraum statt, welcher die Kathode innerhalb der Glimmsäule umgibt, wobei der restliche Raum innerhalb des Gefässes mit dem Glimmplasma gefüllt ist, welches die sogenannte positive Säule bildet. Mit einer derartigen Vorrichtung werden jedoch sehr grosse Energien benötigt, um lediglich die Kathode zu erhitzen (welche Energie praktisch, soweit man diese auf die Erhitzung des zu schmelzenden Materials bezieht, grösstenteils verloren ist), und ausserdem gefährlich hohe Spannungen, was nicht nur eine Gefahr an sich bedeutet, sondern wodurch auch Röntgenstrahlen erzeugt werden'können.
Bei bestimmten Arten von Materialien konn- te keine dieser Möglichkeiten zufriedenstellen. Dies trifft insbesondere im Falle der amorphen Pulver oder auch bei schwammartigen Materialien zu. Bestimmte Verfahren zur Herstellung von Zirkon oder Titan z. B. ergeben das Material in dieser Form. Ein derartiges Pulver geht ohne weiteres durch ein Hundertmaschensieb oder sogar durch ein noch feineres. Der Widerstand einer pulverigen oder schwammigen Masse aus diesen Materialien ist derart gross, dass es praktisch unmöglich ist, in ihr Induktionsströme hervorzurufen, welche hinreichend stark sind, um es zum Schmelzen zu bringen. überdies greifen sie auch im geschmolzenen Zustand jede Art von Behälter, welcher sie enthält oder enthalten soll, heftig an.
Wenn man versucht, die Pulver mit Hilfe eines elektrischen Bogens zu schmelzen, ist der Gasdruck, welcher zur Erhaltung des Bogens notwendig ist, hoch genug, so dass das pulverige Material davon weggeblasen wird. Andere Materialien können bestimmte Gase. welche zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens dienen, auflösen oder auch sich mit ihnen'verbinden, auch wenn diese Materialien normalerweise nicht in Pulverform vorliegen. überdies kann es, wenn Lichtbogenverfahren verwendet'werden, schwierig sein, den Punkt zu bestimmen, auf welchen der Bogen wirkt. Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Verfahren verwendet, um den Lichtbogen über der Oberfläche der Schmelze in Bewegung zu halten. Aber diese Verfahren bedingten gewöhnlich verschiedene Komplikationen und erwiesen sich ausserdem nicht immer als zufriedenstellend.
Die gegenwärtige Erfindung ist. in ihrer Verwendung nicht auf Materialien beschränkt, welche durch die herkömmlichen Verfahren nicht behandelt werden können.. Während ihr primäres Anwendungsgebiet sich auf die Materialien bezieht, welche eine oder mehrere der oben aufgezählten Eigenschaften aufweisen, kann sie ebenso sehr nützlich zum Schmelzen der bekannteren Metalle mit hohem Schmelzpunkt verwendet werden, wie z. B.
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Kobalt und Nickel, und ebenso können verschiedene Vorteile beim Schmelzen, Giessen oder Entdampfen von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt erreicht werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden Vorrichtungen und Verfahren zum Schmelzen bzw. Erhitzen von Materialien mit einem hohen Grad von chemischer Aktivität, ferner Vorrichtungen und Verfahren zum Schmelzen von hoch resitenten, nicht massiven Materialien im Vakuum, welches Vakuum bis zu oder sogar noch höher als'/ Mikron Quecksilbersäule absoluten Druck betragen kann ; ferner eine Vorrichtung zum Schmelzen bzw.
Erhitzen von leitenden Materialien, wobei das Gebiet, innerhalb dessen die Erhitzung wirksam ist, genau umgrenzt ist, und bei welcher die Erhitzung innerhalb dieses Gebietes. praktisch gleichmässig ist ; ferner Vorrichtungen und Verfahren, welche entweder auf unterbrochene oder auf kontinuierliche Behand-. lungsverfahren angewandt werden können ; ferner Mittel und Methoden, um die oben aufgezählten Funktionen in grossem Massstab in
Mengen von Tonnen durchzuführen ;
ferner Mittel und Methoden zur metallurgischen Be- handlung, welche nicht nur Verunreinigungen der Schmelze durch Materialien, welche beim
Verfahren eingebracht wurden, verhindern, sondern welche auch Gase entfernen können, welche während früherer Verfahrensschritte im
Metall vielleicht gelöst wurden und wobei die
Entfernung von diesen Gasen nicht dem
Schmelzen, Giessen oder der anderen Behand- lung, welche durchgeführt wird, im Wege steht ; und schliesslich eine Vorrichtung für die oben beschriebenen Zwecke, welche in der Konstruktion einfach und in ihrer Ar- beit ökonomisch ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht da- rin, dass ein elektrisches Feld auf das zu schmelzende oder bereits geschmolzene Ma- terial als Anode gerichtet wird, innerhalb welchen Feldes eine Elektronenentladung der- artiger Dichte aufrechterhalten wird, dass der von einer Glühkathode erzeugte Elektronen- strom auf das Material durch die durch die
Elektronen hervorgerufene Raumladung be- grenzt ist und dass das Gebiet, innerhalb welchem die elektrische Entladung aufrecht- erhalten wird, auf einen derartigen Druck evakuiert wird, dass die Raumladung durch die Anwesenheit von positiven Ionen teilweise neutralisiert wird, wodurch die Stromstärke ; eine direkte Funktion des Druckes wird und dass der Raum, welcher die Entladung um- gibt, auf einen niedrigeren Druck evakuiert wird.
Zur Durchführung dieses Verfahrens ist er- 'findungsgemäss eine Vorrichtung vorgesehen, welche aus einem evakuierbaren Behälter od. dgl. besteht, der ein leitendes, vorzugsweise kühlbares Gefäss enthält, über welchem Gefäss eine dem Behälter gegenüber isolierte, heizbare, den Elektronenstrom vorzugsweise auf das Innere des Gefässes konzentrierende Kathode angeordnet ist, und dass eine Schaltung zum Anlegen einer mit Bezug auf die Kathode positiven Spannung an das Gefäss vorgesehen ist. Vorzugsweise besteht das Gefäss aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und ziemlich hohem Schmelzpunkt, wie z. B.
Kupfer, und ist wassergekühlt, wobei erforderlichenfalls Einrichtungen vorgesehen sind, um eine kontinuierliche Zirkulation von Kühlwasser oder anderer Flüssigkeit durch oder um das Gefäss aufrechtzuerhalten. über diesem Gefäss ist eine elektronenemittierende Glühkathode angebracht, welche entweder direkt geheizt wird, z. B. eine Kathode aus einem Wolframstab oder aus Wolframdraht, oder welche durch Strahlung, Beschiessung oder Leitung indirekt geheizt werden kann.
Zweckmässigerweise werden sowohl das Gefäss als auch der Behälter geerdet ; die Kathode wird durch isolierte Einführungen durch die
Wand des Behälters gespeist, während das Ge- fäss und somit auch jedes leitende Material darin als Anode geschaltet wird, welche durch die Entladung von der Kathode beschossen wird. In Verbindung mit den Entladungselek- troden sind Mittel zur Fokussierung der Elek- tronen vorgesehen, um die Elektronen mehr auf das Gebiet innerhalb des Anodenbehäl- ters zu konzentrieren als auf dessen Wände.
Die Fokussierungsmittel können durch eine entsprechende Ausbildung der Kathode selbst gebildet werden, bestehen aber vorzugsweise aus einem Schirm, welcher einen Teil der
Elektronenbahn zwischen Kathode und Anode umgibt, wobei dieser Schirm mit einem Po- tential versehen wird, welches gleich oder negativer als das der Kathode ist und so mit den anderen Elektroden des Systems eine Elek- tronensammellinse bUdet, deren Charakteristik durch Variieren des Potentials des Schirmes oder seiner geometrischen Form veränderbar ist, so dass das Gebiet des Angriffspunktes des Strahles innerhalb des Gefässes im wesent- lichen der Innenfläche des Gefässes entspricht.
Wo kontinuierliche Verfahren gewünscht wer- den, sind Zuleitungen vorgesehen, um das zu schmelzende bzw.
das bereits geschmolzene
Maaterial in das Gefäss zu bringen und Ein- richtungen zur kontinuierlichen Entfernung des
Materials aus dem Gefäss. In solchen Fällen kann letzteres aus einem bodenlosen Zylinder bestehen, welcher über einer Öffnung am Bo- den des Behälters angebracht ist. Unterhalb der Öffnung wird dann eine Vakuumdichtung angebracht, welche so gestaltet ist, dass durch sie eine Stange, ein Stab, ein Gussblock od. dgl., welche bzw. welcher praktisch die innere
Dimension des Gefässes aufweist, vakuum-
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dicht durchtreten kann, welche Stange, wenn sie eingeführt ist, praktisch den Boden des Gefässes bildet. Die Erfindung sieht auch eine Leitung vor, um innerhalb des Schirmes angrenzend an die Elektronenbahn einen geregelten Gasstrom einzuführen.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird das zu schmelzende Material, z. B. Titanpulver, in einem kontinuierlichen Strom in cin Schmelzgefäss gebracht, dessen Boden entweder durch einen Block, der bei einem vorhergehenden Prozess erzeugt wurde, oder durch eine leitende Stange, Stab od. dgl., welche bzw. welcher lediglich für diesen Zweck eingeführt wurde, gebildet wird. Hierauf werden die notwendigen Spannungen an die Elektroden angelegt, um so einen Elektronenstrom zu erhalten, welcher das zu behandelnde Material beschiesst, wobei die Elektronen ihre Energie abgeben und dadurch die zum Schmelzen des Materials benötigte Hitze erzeugen.
Die Vorrichtung wird kontinuierlich evakuiert, um sowohl das Gas, das möglicherweise durch den Verschluss dringt, sowie das, welches aus dem Material beim Schmelzen in Freiheit gesetzt wird, und das, welches in den Raum innerhalb des Schirmes eingebracht wird, zu entfernen. Das Vakuum wird im Inneren des Behälters um ein Mikron Quecksilbersäule oder weniger gehalten. Allgemein ist es ratsam, kontinuierlich eine sehr geringe Gasmenge unmittelbar an der Elektronenbahn einzuführen, so dass innerhalb des Fokussierungsschirmes der Druck um eine oder mehrere Grössenordnungen grösser ist als im übrigen Behälter. Es wird so der reine Elektronenstrom von der Kathode in eine Glimmentladung umgewandelt, welche nicht in einen Bogen ausarten darf. Die Art der Entladung kann durch Kontrolle des Gasstromes geregelt werden.
Die Glimmentladung zeigt die Bildung eines Ionenplasmas an, welches die benötigte Spannung, die notwendig ist, um einen bestimmten Stromfluss zur Schmelze zu ergeben, stark herabsetzt. Die Kathode soll so beschaffen sein, dass sie eine möglichst leichte Freisetzung von Elektronen gewährleistet. Ein Effekt des ionisierten Gases, welches die Glimmentladung bildet, besteht darin, die Raumladung der Elektronen zu neutralisieren und dadurch eine Zunahme des Raumstromes durch die Anwesenheit von positiven Ionen zu gestatten. Ein zweiter Effekt besteht darin, dass die bei der Ionisation frei werdenden Elektronen als zusätzliche Ladungsträger wirken, - welche die Schmelze bombardieren. Die Bombardierung der Kathode durch die gleichzeitig entstehenden positiven Ionen wird durch verschiedene Faktoren begrenzt.
Ihre relativ grosse Masse und daraus folgende geringe Beschleunigung zur Kathode wirkt sich dahingehend aus, dass sie jedenfalls einen relativ geringen Bruchteil des Raumstromes befördern. Einige Ionen werden von dem Fokussierungsschirm angezogen und diesen eventuell erreichen, wenn sie dort gebildet werden, wo das Feld gegenüber dem Schirm stärker ist als gegenüber der Kathode.
Trotzdem besteht natürlich eine gewisse Beschiessung der Kathode, welche sie erhitzt.
Der Betrag einer derartigen Erhitzung kam durch Regulierung des Gasstromes, welcher in den Elektronenstrom eingelassen wird, kontrolliert werden und es kann, sobald diese gross genug ist, unter bestimmten Bedingungen die unabhängige Heizung der Kathode nach der ersten Phase des Verfahrens unterbrochen werden.
Eines der wichtigsten Merkmale der Erfindung besteht darin, dass sich die Glimmentladung nicht bis ausserhalb des Fokussierungsschirmes in das Innere des Behälters erstreckt. Sogar innerhalb des Schirmes ist der Druck so nieder und die mittlere freie Weglänge zwischen den Gasteilchen so gross, dass Zusammenstösse zwischen den Teilchen selten sind. Sie entweichen in das Innere des Behälters eher infolge eines Diffusionsprozesses als in einem kontinuierlichen Strom.
Ausserhalb des Schirmes wird nun die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle so gross, dass weitere Stossionisation nicht mehr stattfindet und bereits gebildete Ionen, welche sich noch nicht wieder rekombiniert haben, gleichzeitig mit den nicht ionisierten Molekülen ausgepumpt werden. Lässt man zuviel Gas einströmen oder fällt das Vakuumsystem aus, so findet eine allgemeine Ionisation statt, wobei die Glimmentladung zunächst den ''Kathodenleitungen folgt und sich dann auf der Aussenseite des Schirmes zu den Wänden des Behälters erstreckt.
Infolge der Wärmeleitfähigkeit des so behandelten Materials wird das Material im Zentrum des Schmelzgefässes zuerst geschmolzen. Das Material am Rande kommt, wenn es schmilzt, in engen Kontakt mit der kalten Wandung des Gefässes und kühlt ab, wobei es sich verfestigt und gegen den Mittelpunkt der Schmelze zu schrumpft, sobald es die wassergekühlten Seiten des Gefässes berührt, während die Schmelze am Boden sich mit der Stange, dem Stab od. dgl. verbindet, welche bzw. welcher das Schmelzgefäss von unten verschliesst. Die Stange wird dann nach und nach kontinuierlich herausgezogen, so schnell als das in das Gefäss gebrachte Material schmilzt.
Es existieren daher beginnend von der Oberfläche des Gefässes nach unten zu zunächst eine Zone des frisch zugesetzten und-ungeschmolzenen Materials, dann eine Schmelzzone, dann eine übergangszone, in welcher die Verfestigung stattfindet, und schliesslich der Block des massiven Materials.
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Dieser kann in dem Mass, in dem er herausgezogen wird, in Stücke gewünschter Länge geschnitten werden.
Die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen die Erfindung im einzelnen dargestellt ist, ohne dass sie jedoch auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll, stellen dar :
Fig. 1 einen halbschematischen Vertikalschnitt einer Ausführungsform der Erfindung, welcher zur Verwendung bei relativ geringen Spannungen eingerichtet ist, und Fig. 2 einen analogen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Anwendung bei höheren Spannungen.
Zunächst soll die Anordnung nach Fig.
1 besprochen werden. Die hiebei gezeigte Vorrichtung ist auf einem geeigneten Tragrahmen 1 montiert, hoch genug über dem Boden, um das Ausbringen der Blöcke oder Schmelzen im Masse ihrer Bildung von unten zu gestatten. Eine Grundplatte 3 mit zentra- ler Öffnung wird von dem Rahmen getragen ; ein evakuierbarer Behälter 5 ist auf die- ser Grundplatte montiert. Dieser Teil der Konstruktion besteht ganz aus Metall und ist geerdet.
Die Grundplatte 3 ist mit einer zentralen Öffnung versehen, welche in diesem Beispiel kreisförmig ist. Ein elektrisch leitendes Ge- fäss 7 ist auf der Grundplatte unmittelbar oberhalb der Öffnung befestigt. Wegen der hohen thermischen und elektrischen Leitfähig- keit von Kupfer ist das Gefäss vorzugsweise aus diesem Metall angefertigt. Der Form nach stellt es einen Zylinder oder bodenlosen Be- cher dar mit einem inneren Durchmesser) welcher gleich dem Durchmesser der Öffnung der Grundplatte oder auch etwas kleiner ist.
Eine Kühlschlange 9 aus Kupferrohren um- gibt das Gefäss 7 und ist an diesem hart an- gelötet oder auf andere Art befestigt, wobei ihre Zu- und Ableitungen durch die Wand des Behälters 5 vakuumdicht durchgeführt wer- den.
Der Behälter 5 ist mit einem oder mehren ren Anschlüssen zur Verbindung mit einem
Vakuumsystem 11 über eine geeignete Lei- tung 13 versehen. Diese Anschlüsse sollen einen grossen Durchmesser aufweisen und zu einer oder mehreren kräftigen Vakuumpum- pen führen, um so eine schnelle anfängliche
Evakuierung und eine konstante Erhaltung eines Hochvakuum innerhalb des Behälters zu gewährleisten. Derartige Vakuumsysteme sind in der Technik wohl bekannt und be- stehen gewöhnlich aus einer grossen Diffu- sionspumpe, welche mit einer oder mehreren mechanischen Pumpen zusammenarbeitet. Da diese Anordnungen im allgemeinen üblich sind, ist das hier verwendete System nicht im ein- zelnen gezeichnet. Es soll aber den Druck innerhalb des Behälters konstant auf einem Mikron Quecksilbersäule halten können.
Die elektronenemittierende Kathode 15, vorzugsweise aus einer Wolframstange oder einem' Wolframdraht, ist oberhalb des Gefässes montiert und ist gewendelt oder gerollt, um eine grosse emittierende Oberfläche zu ergeben.
Der Strom zur Erhitzung der Kathode wird über isolierte Leitungen 17 und 17', welche durch die Wände des Behälters führen, zugeleitet. Ein Metallschirm 19, im vorliegenden Beispiel in Form eines umgekehrten Bechers, umgibt die Kathode und einen Grossteil des Raumes zwischen ihr und dem Gefäss, in welchem Raum, wenn die Einrichtung in Betrieb ist, die Entladung zwischen der Kathode und dem als Anode wirkenden Gefäss samt Inhalt stattfindet. Die Leitungen zur Kathode werden entweder beide durch die Seitenwände des Schirmes isoliert hindurchgeführt oder der Schirm beispielsweise durch die Leitung 21 elektrisch mit der Kathode verbunden. Ähnlich wie das Gefäss 7 ist auch der Schirm 19 wassergekühlt.
In diesem Falle wird die Kupferrohrleitung 23. welche die Kühlschlange bildet, den Schirm umgibt und vorzugsweise hart an diesen angelötet ist, durch die Wände des Behälters 5 mit Hilfe von isolierten vakuumdichten Durchführungen 25 geführt.
Zwei Zuleitungsrohre werden in den Apparat durch die Wandungen sowohl des Behälters 5 als auch des Schirmes 19 isoliert geführt. Vorzugsweise bestehen sie aus einem feuerfesten Isoliermaterial, z. B. aus keramischen Stoffen. Die erste Zuleitung 27 hat relativ grossen Durchmesser. Durch sie können die zu schmelzenden Materialien kontinuierlich zugeführt werden. Die Charge kann auf übliche Weise aus einem Vorratsbehälter über eine Vakuumschleuse zugeführt werden.
Da solche Anordnungen allgemein bekannt sind und keinen Teil der gegenwärtigen Er- findung darstellen, sind sie nicht gezeichnet.
Die Leitung 27 führt über eine Vakuum- dichtung 29 in den Behälter. Die zweite Zu- leitung 31 führt in den Oberteil des Behäl- ters 5 durch eine Vakuumdichtung 33. Diese
Zuleitung besitzt einen geringeren inneren
Durchmesser und dient zur Einführung eines schwachen Stromes von Inertgas unter niedri- gem Druck in den Raum innerhalb des Schirmes.
Die Art des verwendeten Gases hängt von dem zu schmelzenden Material ab. Bei eini- gen Materialien kann Stickstoff verwendet werden, aber im allgemeinen wird man ein ein- atomiges Edelgas, vorzugsweise Argon, ver- wenden. Ein geeignetes Ventil, schematisch bei 35 dargestellt, ist vorgesehen, um den
Gasstrom zu regulieren.
Ausserhalb der Kammer und unmittelbar unterhalb des Gefässes 7 ist eine Vakuum-
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dichtung 37, wie sie gewöhnlich zum Abdichten von beweglichen Wellen u. dgl. verwendet wird, welche in evakuierte Behälter führen, angebracht. Die Dichtung ist derart bemessen, dass sie mit einer Stange des gleichen inneren Durchmessers wie der Behälter 7 fugendicht abschliesst.
Bei Inbetriebnahme der Vorrichtung wird eine geeignete Stange oder ein Stab od. dgl.
39 durch die Dichtung 37 eingeführt, um so einen Boden des Gefässes 7 zu bilden. Diese Stange kann beispielsweise ein vorgeformter Block aus dem zu behandelnden Material sein, oder kann ganz einfach z. B. ein Stab od, dgl. aus Stahl oder einem anderen Metall sein, welches später. von dem durch das Verfahren gebildeten Block abgeschnitten wird. Eine Materialcharge zur Füllung des Gefässes wird durch die Leitung 27 eingebracht, wie bei 41 angedeutet, und der Behälter wird evakuiert. Sobald das erforderliche Vakuum erreicht ist, wird die Kathode 15 mit einer geeigneten Stromquelle 43 verbunden, bis sie auf eine genügende Temperatur zur Emission eines kräftigen Elektronenstroms erhitzt ist.
Hierauf wird eine geeignete Gleichstromquelle, wie z. B. ein Generator 45, zwischen die Kathode 15 und das Gefäss 7 geschaltet. Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird die verwendete Spannung gewöhnlich um 200 V oder weniger liegen, wobei 200 V ungefähr den Grenzwert zwischen der Ausführungsform, welche in der Fig. 1 gezeigt ist, und derjenigen, welche in der Fig. 2 veranschaulicht und später beschrieben wird, bilden. Es soll aber darauf hingewiesen werden, dass dies nicht einen absoluten Wert darstellt, sondern lediglich ein allgemeiner grössenordnungsmä- ssiger Hinweis sein soll.
In diesem Stadium wird nun bereits eine Entladung zwischen der Kathode und der durch das Gefäss und dem darin befindlichen Material gebildeten Anode stattfinden. Aber diese Entladung wird nur relativ wenig Energie übermitteln können. Der Schirm 19 besitzt das gleiche Potential wie das eine Ende der Kathode und dient fast ausschliesslich dazu. sie abzuschirmen. Es besteht daher eine starke Raumladung innerhalb des Schirmes.
Eine derartige Entladung, wie sie nun tatsächlich stattfindet, ist auf das Material innerhalb des Gefässes konzentriert u. zw. durch das Feld zwischen dem Rand des Schirmes and dem Material innerhalb des Gefässes.
Nun wird ein geringer Gasstrom in den Raum innerhalb des Schirmes 19 durch das Ventil 35 und die Leitung 31 geblasen. Das so eingebrachte Gas wird sofort ionisiert ; dadurch entsteht eine Glimmentladung zwischen der Kathode und der durch das Material innerhalb des Gefässes gebildeten Anode.
Die Art der Entladung kann nun durch die eingebrachte Gasmenge genau geregelt werden. Wird zuviel Gas eingebracht, bildet sich ein Lichtbogen, welcher die Entladung auf ein relativ geringes Gebiet der Anodenoberfläche konzentriert. Um dies zu verhindern, muss der Gasstrom entsprechend gedrosselt werden. Wenn der geeignete Druck erreicht wird, füllt ein lonenplasma den Raum : innerhalb des Schirmes und verteilt sä < Entladung über die gesamte Oberfläche des eingesetzten Materials. Die Art der Entladung kann sehr genau durch die Stromstärke festgestellt werden, welche durch das Amperemeter 47 angezeigt wird. Die Entladung begrenzt sich automatisch auf die Schmelze innerhalb des Gefässes, wobei praktisch kein Strom zu den Wänden des Schmelzgefässes fliesst.
Das ist vermutlich auf den etwas höheren Dampfdruck oberhalb des geschmolzenen Materials zurückzuführen, auf Grund dessen in diesem Gebiet mehr ionisierbare Gasmoleküle zur Verfügung stehen. Es besteht auch ein steiler Druckabfall innerhalb des Zwischenraumes zwischen Gefäss und Schirm.
Wenn innerhalb des Schirmes eine zu heftige Entladung aufrechterhalten wird, kann die Beschiessung durch positive Ionen genügen, um die Kathode zu überheizen und somit bewirken, dass diese in einer kürzeren Zeit als ungefähr 2000 Stunden, welche als normale Lebensdauer angesehen werden kann, ausfällt.
Wie bereits gezeigt wurde, kann der Entladungsstrom bei gegebener Spannung zwischen Kathode und Anode durch Kontrolle des inerten Gasstromes, welcher in den Raum innerhalb des Schirmes eingebracht wird, reguliert werden. Ein Kriterium für die Intensität der'Entladung ist die Erhitzung der Kathode. Im allgemeinen werden ungefähr 10 o/o der insgesamt umgesetzten Leistung dafür benötigt. In einer kleinen Einheit mit einer Gesamtentladung von 6 kW Stärke werden daher ungefähr 600 W dazu verwendet, um die Kathode zu erhitzen, wobei diese Leistung entweder durch die Stromquelle 43 oder durch die Beschiessung mit positiven Ionen aufgebracht wird.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist im allgemeinen ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, soweit es den Behälter selbst, das Gefäss und das Vakuumsystem betrifft. Die Teile, welche die gleichen Funktionen erfüllen, sind im allgemeinen mit den gleichen Bezugsziffern versehen, wobei diese mit Strichen versehen sind, wenn eine Verschiedenheit in der Funktion oder eine Materialverschiedenheit in der Konstruktion besteht.
Die Vorrichtung nach Fig. 2 ist für die Verwendung bei höheren Spannungen zwischen Kathode und. Anode und niedrigeren Stromstärken eingerichtet. Der prinzipielle Unter-
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schied zwischen der Konstruktion von Fig. 2 und der von Fig. 1 liegt im Schirm 19'.
Ebenso wie in Fig. 1 ist der Schirm wassergekühlt. Dies ist aber nicht immer notwendig.
Der gezeigte Schirm wird sowohl von Stützen 51 als auch von den Kühlrohren 23 getragen. Wie gezeigt, ist die aus einer z. B. kreisförmig gebogenen Wolframstange bestehende Kathode 15 an einem Punkt mit dem Schirm verbunden. Die beiden Leitungen werden durch Löcher in der Wartd des SchL'mes herumge- führt. Sie sind mit isolierten Leitungen ? 7 verbunden, welche ebenso wie vorher durch die Wand des Behälters 5 führen. Der Schirm 19'ist an seiner Oberseite offen, wodurch
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nung in das Gefäss gebracht werden kann.
Ebenso führt die Zuleitung 31 durch den
Oberteil des Behälters, um Gas in den Elek- tronenstrom einbringen zu können.
Infolge der offenen Ausbildung des Schir- mes ist der Druckabfall zwischen seinem Inne- ren und dem Inneren des Behälters wesent- lich niedriger als bei der früher erwähnten
Vorrichtung. Immerhin kann der Druck inner- halb des Schirmes hoch genug sein, um eine
Glimmentladung zu ermöglichen. Aber dank der sehr stark reduzierten Zahl von Ladungs- trägern kann eine wesentlich höhere Span- nung zwischen Kathode und Anode aufrecht- erhalten werden.
Jede Ausführungsform hat nun bestimmte
Vorteile. Das Isolationsproblem ist einfacher bei der Ausführungsform der Einrichtung nach
Fig. 1. Die in Fig. 2 gezeigte Einrichtung benötigt eine geringere Kathodenemission bei gleicher Leistung und es ist daher die Ge- samtleistung etwas höher. Es ist offensicht- lich, dass bei der Konstruktion nach Fig. 2 zwischen der Kathode 15 und der oberen
Wandung des Behälters 5 ein elektrisches
Feld existiert u, 1d es sollte angenommen wer- den, dass entlang dieses Feldes ebenfalls eine
Entladung stattfindet. Tatsächlich findet diese nun aus einer Anzahl von Gründen nicht statt. Die Anode ist kreisförmig an der Peri- pherie des Schirmes angeordnet und wird teilweise durch den Flansch 53 abgeschirmt, welcher den Oberteil der Schirmkonstruktion teilweise abschliesst.
Die meisten Kraftlinien von dem Oberteil des Behälters enden daher an diesem Flansch, so dass das Feld, welches an der Kathode selbst endet, relativ schwach ist.
Ausserhalb dieses Flansches ist der Druck zu niedrig, um eine Glimmentladung aufrecht- erhalten zu können, wobei der Druck an der zentralen öffnung im wesentlichen ebenso niedrig ist als der innerhalb des Behälters.
Der höchste Druck innerhalb des Schirmes herrscht etwas unterhalb der Kathode zwischen dieser und der Anode. In diesem Gebiet ist das Gas ionisiert, die Raumladung ist weitgehend neutralisiert und die stattfindende Entladung wirkt derart, dass sie andere Wege zwischen der Kathode und dem Behälter effektiv kurzschliesst, so dass durch Kriechströme verursachte Entladungen vernachlässigbar sind.
Der höchste Druck herrscht wahrscheinlich u/'nki bar oberha b de' Mittelpunktes der Schmelze, wo sich ionisierte Moleküle sowohl des Schmelzgutes als auch des ionisierten zugeführten Gases befinden. Ebenso wie im Falle der Entladung mit niedrigerer Spannung besteht das Resultat in einer Art von "Gasfo- kussierung", welche die Entladung auf die Oberfläche der Schmelze begrenzt, so dass praktisch kein Raumstrom zu den Wänden des Gefässes 7 fliesst. Die Beschaffenheit der Entladung unterscheidet sich lediglich graduell von der, welche im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde, und die Operationen, sofern sie die Behandlung der Schmelze und die Entfernung des Blockes betreffen, sind identisch mit denen gemäss der Fig. 1.
In beiden Fällen ist die Beschaffenheit der Entladung scharf von einer Bogenentladung verschieden. Die letztere Entladungstype wird gekennzeichnet durch einen definierten Kern von ionisiertem und hochleitenden Gas und die Entladung endet an einem einzigen Fleck auf der Oberfläche der Anode und der Kathode. Es ist allgemein bekannt, dass ein Bogen eine negative Widerstandscharakteristik aufweist, d. h. wenn der Bogen einmal gezündet hat, steigt die Stromstärke an und die Spannung über dem Bogen sinkt, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, welcher durch die Begrenzung des Stromes durch den Widerstand der Stromversorgung ausserhalb des Bogens gegeben ist. Dies beruht auf der vollständigen Neutralisation der Raumladung durch positive Ionen im Wege der Entladung.
Dort, wo genug ionisierbare Moleküle im Wege der Entladung anwesend sind, um eine derartige Neutralisation zu verursachen, ist eine Änderung des Gasdruckes ohne Wirkung auf den Stromfluss. Die beim gegenwärtigen System verwendete Entladung ist nun vollständig verteilt. Innerhalb der Werte des Gasdruckes, innerhalb welcher diese Entladungsart stattfindet, ist die verfügbare Zahl von Gasmolekülen, welche positive Ionen bilden, so beschränkt, dass die Raumladung durch die gebildeten Ionen lediglich teilweise neutralisiert wird. Der Strom innerhalb der Entladung ist eine direkte Funktion des Gasdruckes.
Die Widerstandscharakteristik der Entladung ist positiv anstatt negativ und daher ist ein zusätzlicher Widerstand ausserhalb
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ist um mehrere Grössenordnungen, höher als der, welcher nach der Konstruktion von Fig.
1 angewandt wird und auch noch wesentlich höher als der nach Fig. 2.
Es ist möglich, bei jeder der gezeigten Ausführungsformen mit einer reinen thermionischen Entladung zwischen Kathode und Schmelze zu arbeiten. Zu diesem Zweck ist es lediglich notwendig, den Gaszustrom vollständig zu unterbrechen. Dadurch muss eine wesentlich grössere Spannung entlang der Entladung angewandt werden als wenn Gas zugeführt wird. Die Ausführungsform nach Fig.
2 ist zu dieser Arbeitsweise besser geeignet als die nach Fig. 1. Der Abstand zwischen Kathode und Anode ist geringer und die Kathode ist weniger wirksam abgeschirmt, so dass weniger Kraftlinien am Schirm enden und eine geringe Raumladung gebildet wird. Wenn mit der Apparatur nach Fig. 2 das Einströmen das Gases nach und nach abgestellt wird, wird der Effekt der "Gasfokussierung"ge- ringer und geringer und die Form des Schirmes wird immer wichtiger, da das Feld in den Raum zwischen ihm und dem Gefäss als Elektronenlinse wirkt und das Gebiet bestimmt, innerhalb welchem die Entladung die Schmelze berührt. Die in Fig. 2 gezeigten einwärts verlaufenden Wände innerhalb des Schirmes, welche dazu dienen, teilweise die Form des Feldes zu bestimmen, sind bei höherem Vakuum wichtiger als bei niedrigerem.
Bei der Verwendung des niedrigsten möglichen Vakuums, wo bereits eine beträchtliche Menge Gas in den oben offenen Schirm eingeführt wird, können die Wände zylindrisch sein, ebenso wie dies bei der Schirmtype, welche oben geschlossen ist, der Fall ist.
Es entspricht dem bekannten Stand der Technik, im Vakuum durch thermionische Entladung zu schmelzen. Wie dies jedoch in der Literatur beschrieben wird, wurde die Entladung bisher verwendet, um einen Schmelztiegel aus Kohle zu erhitzen, welcher das Metall enthält ; bisher wurde kein Versuch unternommen, die Entladung auf der Oberfläche des Materials in einem Gefäss, welches relativ kühl gehalten wird, zu konzentrieren. Das hier verwendete Gefäss ist kein Schmelztiegel allgemeiner Art, da die Hitze weder durch ihn auf die Schmelze gebracht wird, noch das geschmolzene Material überhaupt in Kontakt mit ihm bleibt. Tatsächlich kann das ge- schmolzene Material innerhalb eines Gefässes der gleichen Substanz in fester Phase gehalten werden. Die Schmelze wird daher niemals durch Material, welches aus den Wänden des Gefässes herausgelöst wurde, verunreinigt.
Es soll ausserdem darauf hingewiesen werden, dass durch Drosselung der Zirkulation des Kühlmittels in der Leitung 9 um das Gefäss, wodurch erreicht wird, dass sich die Schmelze nur in einer Schicht um die Peripherie verfestigt, eine Ausflussleitung aus dem Material selbst gebildet und dieses dadurch in flüssiger Phase herausgeführt und in einer anderen als der gezeigten Stabform gegossen werden kann.
Auch beim Arbeiten mit niedriger Spannung, wie dies in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde, ist der Gasdruck imlerk des Schirmes wesentlich niedriger als der Dampfdruck, welcher gewöhnlich durch die Entbidung von gelöstem oder eingeschlossenem Gas entsteht. Bei einer Arbeitsweise mit einem Lichtbogen ist dies nicht der Fall und es kann dadurch eine Verunreinigung aus der Atmosphäre, welche den Bogen umgibt, resultieren, ebenso wie Turbulenz infolge der Konvektionsströme, wodurch die Verwendung des Lichtbogenschmelzens bei amorphen Pulvern nicht möglich ist. Die Art der verwendeten Entladung ist gänzlich verschieden von den bisherigen verwendeten Entladungen, nicht nur graduell, sondern auch nach ihrer Art, während die verwendeten Drucke ungefähr zwischen denen der bisher bekannten Verfahren liegen.
Es sind viele Ausführungsformen, Modifikationen der Formen der Kathode, des Schirmes und des Behälters möglich. Der Schirm dient dem doppelten Zweck, nämlich einesteils das Gebiet mit höherem Druck abzugrenzen und anderseits als Fokussierungselektrode zu wirken und seine Gestalt kann daher weitgehend verändert werden, um die Grösse, die Form und die relative Konzentration zu ändern. Die spezifische Form des gezeigten Apparates soll daher keineswegs den Erfindungsgedanken beschränken.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Schmelzen bzw. Erhitzen von elektrisch leitenden Materialien im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Feld auf das zu schmelzende oder bereits geschmolzene Material als Anode gerichtet wird, innerhalb welchen Feldes eine Elektronenentladung derartiger Dichte aufrechterhalten wird, dass der von einer Glühkathode erzeugte Elektronenstrom auf das Material durch die durch die Elektronen hervorgerufene Raumladung begrenzt ist und dass das Gebiet, innerhalb welchem die elektrische Entladung aufrechterhalten wird, auf einen derartigen Druck evakuiert wird, dass die Raumladung durch die Anwesenheit von positiven Ionen teilweise neutralisiert wird, wodurch die Stromstärke eine direkte Funktion des Druckes wird und dass der Raum, welcher die Entladung umgibt, auf einen niedrigeren Druck evakuiert wird.