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Verfahren zum Schmelzen und Giessen
Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen beim Pfannenschmelzen und Pfannengiessel1, d. h. beim Schmelzen von Material in einem gekühlten Tiegel, wobei Hitze so angewandt wird, dass ein
Schmelzsumpf von geschmolzenem Material in einer Höhlung oder einer Pfanne des gleichen Materials in fester Form gehalten wird und im wesentlichen kein direkter Kontakt zwischen dem geschmolzenen Material und dem Tiegel vorliegt, worauf das geschmolzene Material in eine Kokille gegossen wird.
Ge- gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Verfahrensschritte des Schmelzens, Ausgiessens und
Giessens zu vereinfachen ; bessere Reinigung durch Entgasung im Hochvakuum zu erreichen ; den Prozess besser kontrollieren zu können ; jegliche Möglichkeit eines Kontaktes zwischen dem geschmolzenen Ma- terial und irgendeinem Körper, der es verunreinigen könnte, auf ein Minimum zu bringen ; schliesslich ergibt das erfindungsgemässe Verfahren andere Vorteile, die im weiteren Verlauf der Beschreibung darge- legt wird.
Es ist bereits bekannt, einen schmelzbaren Körper in einem gekühlten Tiegel zu halten, während durch Anwendung von Hitze auf die obere Fläche dieses Körpers ein Schmelzsumpf gebildet wird. Wenn maMeinen wassergekühlten ringförmigenKupfertiegel verwendet und die Hitze gleichmässig auf die Ober- fläche der Schmelze einwirken lässt, nimmt die Grenzfläche Flüssigkeit-Feststoff die Gestalt eines Para- boloids an und der Schmelzsumpf wird durch eine Pfanne des gleichen Materials in fester Form vom Tie- gel ferngehalten.
Die Dimensionen dieses Paraboloids hängen nun vom Zusammenwirken variabler Grö- ssen ab : Der Temperatur des Tiegels, des thermischen Kraftflusses in die Oberfläche der Schmelze und den thermischen Eigenschaften des geschmolzenen Materials ; das Zusammenwirken dieser Grössen wird nun erfindungsgemäss in Zusammenhang mit den vorerwähnten, an sich bekannten Massnahmen zur Erzie- lung eines besonderen Effektes ausgenützt. Insbesondere kann die Tiefe des Schmelzsumpfes nach Wunsch vergrössert oder verkleinert werden durch Verstärkung oder Abschwächung der Wärmezufuhr zur Oberflä- che der Schmelze, während die Kühlung des Tiegels entsprechend der Wärmezufuhr eingestellt wird, wo- durch der Tiegel und die unmittelbar anschliessenden Teile des Materials darin unter der Schmelztempe- ratur des Materials gehalten werden.
Wenn man so das vorerwähnte Heizen und Kühlen steuert und koordiniert, kann der Schmelzsumpf solange als gewünscht innerhalb einer Pfanne des gleichen Materials in fester Form gehalten werden, um so jeden gewünschten Grad an Entgasung und Reinigung zu bewirken. Hierauf wird durch neues gesteuer- tes Abstimmen von Heizung und Kuhlung die Tiefe des Sumpfs vergrössert, bis der Boden des Sumpfs die Bodenfläche des Schmelzgutkörpers innerhalb des Tiegels durchdringt. Hierauf fliesst das geschmolzene
Material vom Boden dieses Sumpfs durch eine Bodenöffnung des Tiegels in die Kokille, worin es vergos- sen wird.
Es erfolgt daher der Guss des geschmolzenen Materials vom Tiegel in die Kokille halbautoma- tisch ; der Tiegel muss nicht bewegt werden und es findet kein Kontakt des geschmolzenen Materials mit irgendeinem andern Material, das es verunreinigen könnte, statt, bis es sich in der Kokille befindet.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher er- läutert. Einfachheitshalber wird eine typische Apparatur des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt und beschrieben : es soll jedoch darauf hingewiesen werden, dass zahlreiche Abänderungen möglich sind und dass die Erfindung zu ihrer Durchführung keineswegs auf eine besondere Apparatur beschränkt ist.
Die Zeichnung zeigt einen vereinfachten schematischen Vertikalschnitt einer Apparatur, die zur
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Durchführung des erfindungsgemässen Schmelz- und Gussverfahrens verwendet wird.
Das vorliegende Verfahren kann im Hochvakuum ausgeführt werden, d. h. bei weniger als 1 IL Hg absolutem Druck, wobei die Entgasung und Reinigung des geschmolzenen Materials leicht bis zu einem Grad durchgeführt werden kann, der bei höheren Drücken unmöglich ist. Um dies zu erreichen, wird das Verfahren in einemw Vakuumbehälter irgendeiner geeigneten Konstruktion durchgeführt-vorzugsweise in einem Behälter mit genügend Zufuhröffnungen, Luftschleusen u. dgl., um leicht Teile erneuern, Tiegel ein-und ausführen sowie Kokillen und Gussstücke ausbringen zu können, welcher mit Vakuumpumpen hinreichender Kapazität verbunden ist, um darin das gewünschte Hochvakuum aufrechtzuerhalten.
Eine sehr vereinfachte Ausführungsform eines solchen Behälters, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, besteht aus einem zylindrischen Vakuum tank 1 mit entfernbaren Kopf- und Bodenendplatten 2 und 3, der mittels einer Leitung 4 mit üblichen Hochvakuumpumpen verbunden ist.
Innerhalb des Vakuumtanks befindet sich ein im allgemeinen ringförmiger wassergekühlter Kupfertiegel 5 mit einem ganz offenen oberen Ende und einem unteren Ende mit einer zentralen kreisförmigen Öffnung 6 mit etwas geringerem Durchmesser. In diesem besonderen Beispiel ist der Tiegel mit zwei getrennen Kühlsystemen versehen, so dass die obere und die untere Hälfte des Tiegels, wenn gewünscht, in verschiedenem Mass gekühlt werden können. Diese Kühlsysteme bestehen aus zwei Kupferrohrstücken, die den Tiegel entsprechend umgeben und an diesem befestigt sind ; ein Rohr 7, das den oberen Teil des Tiegels umschliesst, und ein Rohr 8, das den unteren Teil des Tiegels umgibt und eine Verlängerung besitzt, die am Tiegelboden befestigt ist.
Diese Kupferrohre sind durch die Wände des Vakuumtanks geführt und mit irgendeiner geeigneten Kühlwasserquelle verbunden.
Beim Arbeiten im Hochvakuum ist die Erhitzung durch Elektronenbeschuss sehr günstig, um die Wärmezufuhr gleichmässig über die Oberfläche der Schmelze zu verteilen. Hiefür ist eine ringförmige Elek- tronenemissionseinrichtung, bestehend aus einer Glühkathode 9 und einem Fokussierungsschild 14, über dem Oberteil des Tiegels 5 angeordnet. Die Glühkathode 9 besteht vorzugsweise aus einer Drahtschleife, gewöhnlich Wolfram, und ist mit den Leitungen 10 und 11 verbunden, die durch die Wand des Vakuumtanks zur Sekundärwicklung 12 eines Transformators führen, dessen Primärwicklung 13 mit irgendeiner geeigneten Wechselstromquelle in Verbindung steht. Diese Leitungen führen Wechselstrom durch die Glühkathode 9, wodurch diese auf die nötige Temperatur zur thermischen Emission von Elektronen erhitzt wird.
Der Fokussierungsschild 14 ist, wie gezeigt, ein hohler Metallring mit im allgemeinen rinnenförmigem Querschnitt. Der Fokussierungsschild wird auf oder nahe Kathodenpotential gehalten, z. B. durch eine Verbindungsleitung 15 zwischen Schild und Kathodenschleife. Diese kombinierte Anordnung bildet eine Elektronenemissionseinrichtung, die einen kegelförmigen Elektronenstrahl nach unten und in die obere Öffnung des Tiegels 5 und damit auf die Oberfläche des Materialkörpers innerhalb des Tiegels sendet-
Die Gleichstromquelle 16 hält die Kathode 9 und den Fokussierungsschild 14 auf einem Potential von einigen 1000 V negativ gegenüber dem geerdeten Tiegel 5 und dem darin befindlichen Material, so dass die Oberfläche des Materials innerhalb des Tiegels die Anode bildet, die durch einen Strahl von mässig schnellen Elektronen beschossen und erhitzt wird.
Hiezu ist zu bemerken, dass auch manche Materialien, die gewöhnlich als Isolatoren bezeichnet werden, in geschmolzenem Zustand gute Elektrizitätsleiter sind, wie z. B. verschiedene Salze usw.
Das zu schmelzende Material wird in dem Tiegel angeordnet. In manchen Fällen kann es aus einzelnen Stücken von festem Material bestehen ; öfter jedoch liegt das Material in zerteilter Form, wie Lunkern, Körnern oder Pulvern vor. In der Zeichnung ist ein Metallpulver angedeutet. Damit das Pulver nicht durch die Bodenöffnung 6 des Tiegels fällt, ist ein einziges festes Stück aus dem gleichen Material (z. B. die Scheibe 17 aus dem gleichen Metall wie das zu schmelzende Pulver) am Boden des Tiegels über der Öffnung 6 angeordnet. Hierauf wird das Pulver 18 in den Tiegel eingebracht.
Nun wird der Elektronenstrahl von der. Kathode 9 eingeschaltet und dieser erhitzt die Oberfläche des Pulverkörpers 18 über seine Schmelztemperatur und bildet den Schmelzsumpf 19. Gleichzeitig strömt Wasser durch die Rohre 7 und 8 mit einer entsprechenden Geschwindigkeit, um die Kupferform 5 und das Pulver unmittelbar an den Formwänden unterhalb der Schmelztemperatur des behandelten Materials zu halten. Es wird daher der Schmelzsumpf 19 innerhalb einer Pfanne des gleichen Materials in fester (Pulver-) Form gehalten, ohne mit dem Tiegel in direkter Berührung zu stehen. Die aus der Schmelze entwickelten Gase helfen mit, den Elektronenstrahl ziemlich gleichmässig über die Oberfläche des Sumpfs 19 zu verteilen, so dass ein gleichmässiger Wärmestrom in die Oberfläche der Schmelze stattfindet.
Durch den herrschenden thermischen Gradienten wird die Flüssigkeit heftig gerührt, wodurch nicht nur ein Konvektionswärmeübergang durch die Flüssigkeit erfolgt, sondern auch alle flüchtigen Verunreinigungen an die Oberfläche gebracht werden, von wo sie leicht als Gase oder Dämpfe in das unmittelbar ober der
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Schmelze durch die Vakuumpumpen über die Leitung 4 erzeugte Hochvakuum entweichen.
Die Wärme strömt vom Schmelzsumpf durch das Pulver zu den Tiegelwänden. Kupfer ist ein ausge- zeichneter Wärmeleiter, so dass durch dieses ein sehr wirksamer Wärmeaustausch von der Innenfläche des
Tiegels zum Kühlwasser erfolgt. Es können daher Kupfertiegel verwendet werden und diese werden sogar vorgezogen, sogar zum Schmelzen von feuerfesten Metallen mit wesentlich höheren Schmelzpunkten.
Berechnungen des Wärmeüberganges zeigen, dass die Zwischenschicht 20 zwischen flüssiger und fester
Phase des Schmelzgutes die Gestalt eines Paraboloids annimmt.
Wenn man die Energie des Elektronenstrahls steigert (beispielsweise durch Steigerung der Spannung von der Gleichstromquelle 16 oder durch Steigern des Wechselheizstromes, um die Elektronenemission von der Kathode 9 zu erhöhen oder durch beide Massnahmen) und dabei den Kühlwasserstrom durch die
Rohre 7 und 8 entsprechend der Heizung regelt, um das Pulver unmittelbar an der Tiegelwand unter sei- ner Schmelztemperatur zu halten, kann die Tiefe des Schmelzsumpfs fortschreitend vergrössert werden und dabei die Grenzschicht flüssig/fest, wie durch die strichlierten Linien 21-22 angedeutet, abgesenkt werden. Die ganze Zeit über befindet sich der Schmelzsumpf innerhalb einer Pfanne aus dem gleichen
Metall in fester Form.
Es besteht praktisch kein Kontakt zwischen dem geschmolzenen Material und dem
Tiegel und es kann daher auch die Schmelze nicht verunreinigt werden, auch wenn ein Metall geschmol- zen wird, das in geschmolzenem Zustand heftig mit Kupfer reagiert. Ausserdem kann durch gegenseitige
Abstimmung von Heizung und Kühlung die Grösse des Schmelzsumpfs bei irgendeinem gewünschten Wert stabilisiert und dadurch der Schmelzsumpf innerhalb des Tiegels so lange gehalten werden, als notwendig ist, um einen hohen Reinigungsgrad durch das Entweichen von flüchtigen Substanzen in das Hochvakuum zu erhalten.
Wenn nun das Material fertig zum Guss ist, wird die Tiefe des Sumpfs durch neue gegenseitige Ein- stellung von Heizung und Kühlung weiter vergrössert (beispielsweise kann der Kühlwasserstrom durch das
Rohr 8 unterbrochen und dadurch eine Temperaturerhöhung am Tiegelboden bewirkt werden). Wenn der
Sumpf an Tiefe zunimmt, erreicht er schliesslich die Scheibe 17 und durchdringt diese, wie durch die unterbrochene Linie 23 dargestellt. Es sei daran erinnert, dass die Scheibe 17 aus dem gleichen Material wie das Pulver 18 bestehen kann, so dass keine Verunreinigung der Schmelze stattfindet.
Das geschmol- zene Material fliesst unmittelbar durch den Boden des Sumpfs und durch die Bodanöffnung 6 des Tiegels heraus, immer ohne irgendwelche Berührung zwischen dem geschmolzenen Material und dem Tiegel oder irgendeinem andern Körper, der die Schmelze verunreinigen könnte.
Direkt unter der Öffnung 6 ist eine Kokille 24 aus geeigneten feuerfestem Material, z. B. Graphit, angeordnet, so dass das aus dem Tiegel ausfliessende Material direkt in diese Form vergossen wird. Vor- zugsweise ist die Kokille vorerhitzt, um zu vermeiden, dass das einfliessende Material abgeschreckt wird.
Wenn gewünscht, kann die Graphitkohille 24 auf eine Temperatur (in der Gegend von 31000 C) erhitzt werden, bei welcher sich unmittelbar das Karbid des vergossenen Metalls bildet. In diesem Fall haben die fertigen Gussstücke eine harte Karbidhaut, bleiben jedoch im Innern des Gussstückes von hoher Reinheit.
Die Vorheizung der Kokille 24 kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Arten durchgeführt werden. Beim Arbeiten im Hochvakuum kann hiefür Elektronenbeschuss verwendet werden. Hiefür besitzt die gezeigte Apparatur eine zweite Glühkathode 25, die zusammen mit einem ringförmigen Fokussierungschild 26 die Kokille umgibt. Die Kathode 25 ist mit den Leitungen 27 und 28 verbunden, die durch die Wandung des Vakuumtanks zur Sekundärwicklung 29 eines Transformators führen, dessen Primärwicklung 30 mit irgendeiner geeigneten Wechselstromquelle verbunden ist, wodurch die Kathode geheizt wird. Die Gleichstromquelle 31 hält Kathode 25 und Fokussierungsschild 26 auf negativem Potential gegenüber der Graphitkokille 24, wodurch die Kokille durch die Elektronen von dsr Kathode beschossen und erhitzt wird.
Einen weiteren Vorteil des beschriebenen Verfahrens stellt die relative Leichtigkeit dar, mit welcher Wärmeabschirmungen zum langsamen Abkühlen von Guss und Kokille vorgesehen werden können. Infolge des Hochvakuums findet ausser durch Strahlung praktisch kein Wärmeverlust statt. Der Wärmeverlust durch Strahlung wird sehr wirksam durch übliche Hitzeschirme vermindert, die aus verschiedenen Schichten von dünnen Metallblechen bestehen, die, um die direkten Leitungsweg möglichst zu unterbrechen, in Abstand voneinander angeordnet sind. Derartige übliche Hitzeschirme sind schematisch bei 32,33, 34 und 35 gezeigt.
Es ist wünschenswert, dass verschiedene Einrichtungen zur Feststellung der mittleren Temperatur des Materials innerhalb des Tiegels und insbesondere der Lage der Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase vorgesehen sind. In der dargestellten Apparatur wird dies mit Hilfe eines üblichen Thermoelements 36 erreicht, das im unteren Teil des Tiegels angeordnet ist und von dem Leitungen durch die ofenwand führen. Die Temperatur der Grenzfläche flüssig/fest ist die Schmelztemperatur des behandelten Materials
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und unterhalb der Grenzfläche nimmt die Temperatur kontinuierlich zur Tiegelwand zu ab. Wenn daher die Schmelztemperatur bekannt ist und die Temperatur des Thermoelements gemessen wird, kann daraus leicht auf die Lage der Grenzfläche geschlossen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Schmelzen und Giessen, wobei eine Bodenöffnung eines vorzugsweise durch Flüs- sigkeit gekühlten Metalltiegels mit einem festen Stück aus dem zu schmelzenden und zu vergiessenden Material bedeckt und hierauf andere Stücke des gleichen Materials über das ersterwähnte Metallstück gepackt werden und so einen Materialkörper innerhalb des Tiegels bilden, worauf dieser Stückkörper von oben nach unten unter Bildung eines Schmelzsumpfes geschmolzen wird, dessen Tiefe zunimmt, bis er das ersterwähnte Metallstück durchdringt und durch die Bodenöffnung des Tiegels in eine Kokille ausfliesst, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise der Raum unmittelbar ober dem Stilckkörper auf ein Hochvakuum evakuiert,
dieser Körper durch einen über seine Oberfläche verteilten Elektronenstrahl geschmolzen und der Tiegel kontinuierlich gekühlt wird, wodurch ein peripherer Ring aus diesem Material unter seiner Schmelztemperatur. beibehalten wird und so kein Kontakt zwischen Schmelzsumpf und Tiegel stattfindet, und dass die Grösse und Form des Schmelzsumpfs durch Verändern von Heizung und Kühlung eingestellt und aufeinander abgestimmt werden, so dass der Schmelzsumpf im Tiegel gehalten wird, bis das geschmolzene Material im wesentlichen entgast ist und dann die Tiefe des Sumpfs vergrössert wird, um das geschmolzene Material in die Kokille zu giessen.