CN111742615B - 悬浮熔化过程 - Google Patents

Abstract

本揭露涉及一种以悬浮熔化过程生产铸造体的方法，其中通过具有多个预分离装料的起始材料，将一导电材料的一装料带入至少一个交变电磁场的影响范围内，并且预分离的装料是由减小的横截面的多个区域所分隔开，以使装料保持在悬浮状态。这些区域设计成使得预分离装料不为脱离的，直到交变电磁场中的熔化过程期间。然后，将熔体浇铸到铸模中(图2)。

Description

悬浮熔化过程

本揭露涉及一种悬浮熔化方法，用于生产具有几批起始材料的铸造体。该方法使用包含由减小的横截面区域所分开的多个单独批料的起始材料。经由单一个锭来进料此批料，除了批料的更有效生产之外，还可以实现更有效的批料熔化。在熔化过程中，熔体不与坩埚的材料接触，因此避免了坩埚材料或熔体与坩埚材料的反应后造成的污染。

对于具有高熔点的金属和合金来说，避免这些杂质尤其重要。这些金属包括钛，锆，钒，钽，钨，铪，铌，铼和钼。然而，这对于其他金属和合金如镍，铁和铝也很重要。

先前技术

现有技术的悬浮熔化方法是已知的。德国专利号DE 422004A已经揭示了一种熔化方法，其中待熔化的导电材料通过感应电流加热，并且同时通过电动力的作用而保持悬浮。还描述了一种铸造方法，其中通过一磁铁将熔融的材料压入模具中(电动压力铸造)。该方法可以在真空中进行。

美国专利号US 2,686,864 A也描述了一种方法，其中导电的熔体是处于悬浮状态，例如，在一个或多个线圈的影响下的真空中而且在不使用坩埚的情况下。在一种设计中，使用两个同轴线圈来稳定悬浮材料。熔化后，将材料滴落或浇铸到模具中。利用这里所描述的方法，可以悬浮重量为60克的铝。通过降低场强来移除熔融金属，使得熔体通过锥形线圈向下逸出。如果场强度非常快速地降低，则金属会在熔融状态下从装置中掉出。已经可以认知的是，这种线圈布局的“弱点”是位于线圈的中心，因此可以熔化的材料量是有限的。

美国专利号US 4,578,552A也揭露了用于悬浮熔化的装置和方法。相同的线圈用于加热和保持熔体，其中改变所施加的交流电的频率来控制加热功率同时保持电流恒定。

悬浮熔化的特殊优点在于它避免了在其他方法中，坩埚材料或其它材料接触熔体而污染熔体。悬浮熔体仅与周围大气接触，例如可以是真空或惰性气体。由于不需要担心与坩埚材料的化学反应，因此可以将熔体加热到非常高的温度。此外，减少了受污染材料的废料，特别是与冷坩埚中的熔体相比。然而，悬浮熔化在实务中尚未建立。其原因在于，在悬浮熔化方法期间只有相对少量的熔融材料可以维持悬浮(参见德国专利号DE 696 17 103T2，第2页，第1段)。

在所有悬浮熔化方法中，将多批的起始材料以单个锭(ingots)的形式导入感应线圈的区域中。这通常借助于夹具来完成，夹具在进料位置拾取锭，在感应线圈区域中移动它们，然后在启动磁场之后释放它们。这通常涉及锭在磁场中的稳定性和熔化期间飞溅的问题。这些相对小的锭的生产相对复杂且昂贵。

另一个缺点是关于在使用感应涡流来加热锭时可以达成的最大效率，其是归因于所涉及的原理。线圈场的劳伦兹力必须补偿此批料的重力，以使其保持悬浮状态。它将此批料向上推出线圈区域外。于是，此批料不会沉到像加热此批料最佳利用的磁场中。然而，它悬浮在这个最佳水平之上。

最后，供给单个锭所需的时间是在可实现的循环时间中的一个限制因素。

现有技术方法的缺点可归纳如下。完全悬浮熔化方法只能用少量材料进行，因此尚未进行工业应用。此外，模具中的铸造是困难的。悬浮原理限制了可用于加热批料的磁场以及其产生涡流的效率。可能会发生磁场中锭的稳定性和熔化期间的溅射的问题。铸锭的生产相对复杂且昂贵。

目的

因此，本揭露的目的是提供一种能够经济地使用悬浮熔化的方法。特别地，该方法应该通过提高熔化过程的效率并允许使用对于批料而言经济有效的锭来实现高产量。

发明内容

该任务通过根据本揭露的方法解决。此外，该任务还通过在悬浮熔化方法中使用根据本揭露的来源材料来解决。根据本揭露，由一导电材料制造铸造体的方法包括以下步骤：

-将用于多个批料的一起始材料中最低的批料引入至少一个电磁交变场(熔化部分)的影响范围内，其中该起始材料是一导电材料，其具有多个预分离批料(pre-separatedbatches)，由减小的横截面(reduced cross-section)的多个区域所分隔开，并且所述多个区域的设计使得所述多个预分离批料的分离仅在电磁交变场中熔化期间发生，

-熔化该批料，

-从在一悬浮状态的熔化的该批料将剩余的未熔化的起始材料提起(lifting)，

-过度加热悬浮的该批料，

-将一模具放置在悬浮的该批料下方的一填充区域，

-将该批料整个浇注到该模具中，

-从该模具中取出凝固的一铸造体。

熔化的批料的体积较佳地足以填充到模具中足以生产铸件的水平(“填充体积”)。在填充模具后，将其冷却或用冷却剂冷却，使材料在模具中固化。然后可以将铸造体从模具中取出。铸造可以包括滴下批料，特别是通过切断交变电磁场；或者可以通过交变电磁场减慢铸造的速度，例如：通过使用线圈。

“导电材料”应理解为具有合适导电性的材料，用于感应地加热材料并将其保持在悬浮状态。

“悬浮状态”被定义为完全悬浮的状态，使得经处理的批料与坩埚或平台等无任何接触。

在本揭露的上下文中，“圆柱形”锭应理解为以数学形式形式的一般圆柱体的锭，特别是一般直圆柱体，其中该定义明确地包括特殊形状的角柱体，特别是角柱体和长方体。较佳地，它是直圆柱形或具有六边形到二十四边形基底区域的直角柱。

根据本揭露，“最低”批料定义为根据本揭露的起始材料的一批料，其位于起始材料的一端部，远离起始材料被夹持和移动的端部。

通过组合多个批料而不是单独批料的源材料来进料批料提供了多个优点。通过以基本上杆状结构的方式配置批料，首先它们可以更深地引入线圈的磁场中。与单一批料相比，起始材料不需要漂浮，而是机械地保持在适当位置。剩余的起始材料可以推挤最低批料到磁场中以被熔化。这提高了批料的熔化效率。只有当批料开始熔化时，熔化部分才进入悬浮状态。剩余起始材料的保持力也确保批料在磁场中稳定。当批料熔化时，剩余的起始材料被向上拉，并且自由悬浮的熔体会被过度加热。

较佳地，将批料引入交变电磁场中到一个程度，使得感应涡流达到其最大值。以这种方式，可以最佳地加热批料，这导致加速整个铸造过程。

在根据本揭露的方法的高度优选的形式中，起始材料的几个批料由圆柱形杆组成，该圆柱形杆沿其纵向轴线区域具有一减小的横截面，其中具有非减小的横截面(non-reduced cross-section)的各个区域都对应于批料的材料量。原则上，对于任何形式的批料，根据本揭露可实现稳定化和改良的产生的磁场利用的效果。然而，圆柱形或具有近似圆形基部区域的角柱形的杆(bar)可以特别容易且便宜地制造，例如在连续铸造中。然后，所有剩余要完成的工作就是转动，锯切或切割区域以将批料分成原始棒(raw rod)。

起始材料的任何设计形式不必具有相同的批料大小。通常，类似零件的批量生产需要相同尺寸的批料。然而，也可以使用具有需要不同填充量的多个腔的模具。因此，本揭露包括具有适合于这些要求的不同批料的原料。

具有减小的横截面的区域会将各个批料分开，一方面确保较低的热传导，另一方面限制给在磁场中熔化的批料的感应涡流。

因此，较佳地，用于多个批料的起始材料中，批料之间的横截面是减小到这样的一个程度及/或具有减小的横截面的区域足够长以至于批料中在电磁交变场所感应的涡流被限制到一个程度使得相邻批料不与其熔化。在设计连接批料的区域时必须考虑这一点，以便在节省空间的布置和相邻批料的熔化风险之间达成最佳比率。

类似地，较佳地，在多个批料的起始材料的情况下，具有减小的横截面的区域的热传导是如此之低，使得当一批料熔化时，相邻的批料不会与其熔化。

关于根据本揭露的方法，非常优选的是，用于多批料的起始材料具有减小的横截面尺寸的区域，至少以这样的方式，使得它们具有机械承载能力，足以承载起始材料的相应重量。由于起始材料以悬挂方式使用，因此有利的是，如果由于减小的横截面具有最低机械强度，连接多个批料的区域能够支撑每个区域下方的整个区域。这消除了进料机构来稳定起始材料的需求。如果使用最小可能的横截面，则它们从顶部到底部减小。没有必要以相同的方式设计所有横截面，意即，使用最上面的批料的连接作为参考。

在一个较佳的实施例中，根据本揭露使用的导电材料具有来自以下群组中至少一种高熔点金属：钛、锆、钒、钽、钨、铪、铌、铼、钼。或者，可以使用较低熔点的金属，例如镍，铁或铝。具有一种或多种上述金属的混合物或合金也可用作导电材料。较佳地，金属的比例为导电材料至少50％重量，特别是至少60％重量或至少70％重量。已经表明的是，这些金属特别受益于本揭露的优点。在特别优选的实施例中，导电材料是钛或钛合金，特别是钛铝(TiAl)或钒铝钛(TiAlV)。这些金属或合金可以以特别有利的方式加工，因为它们具有对温度的依赖的明显的粘度，并且也特别是反应性的，特别是对于模具的材料。由于根据本揭露的方法将悬浮状态下的非接触式熔化与模具的极快速填充相结合，因此对于这些金属可以实现特别的优点。基于本揭露的方法可用于生产铸造体，该铸造体具有特别薄的氧化层或甚至根本没有氧化物来自熔体与铸模材料的反应。特别是在高熔点金属的例子下，在周期时间内感应的涡流的利用的改善以及相关的快速加热是显著的。

该方法的有利实施例是使用粉末形式的导电材料。例如，如果批料设计成球形，则在车削期间必须从固体金属杆上除去大量材料。由多个独立球体与杆固定在一起所组成的结构会在制造和组装期间造成相当大的额外工作。但是，如果使用粉末，则可以更容易地生产。这最优选的是通过用粘合剂压制及/或烧结来完成。可能的粘合剂包括石蜡、蜡或聚合物，其中的每一种都允许低的工作温度。

在本揭露的有利实施例中，导电材料在熔化期间过度加热至材料的熔点上至少10℃，至少20℃或至少30℃的温度。过热可防止材料在与模具接触时立即凝固，模具的温度是低于熔点。其实现了在材料的粘度变得太高之前，批料可以分布在模具中。悬浮熔化的一个优点是不需要使用与熔体接触的坩埚。这避免了冷坩埚方法的高度材料损失以及坩埚元件对熔体的污染。另一个优点是熔体可以加热到相对高的温度，因为在真空中或在保护气体下操作是可能的，并且不会与反应性材料接触。然而，大多数材料不能随意过热，否则会有与模具剧烈反应的疑虑。因此，过热较佳地限制在最高300℃，特别是200℃，较佳地高于导电材料的熔点100℃。

在此方法的有利形式中，至少一个铁磁元件是配置以水平地围绕批料熔化的区域，以便集中磁场并稳定批料。铁磁元件可以布置成环以围绕熔化区域，由此“环形”不仅意味着圆形元件而且意味着有角度的，特别是正方形或多边形环形元件。此元件可以具有多个杆部，这些杆部特别是在熔化区域的方向上水平地突出。铁磁元件由铁磁材料构成，较佳地具有振幅导磁率μ_a>10，更较佳地是μ_a>50，并且特别较佳地是μ_a>100。振幅导磁率特别是指在25℃和100℃之间的温度范围内，并且磁通密度在0到400mT之间的磁导率。此振幅磁导率特别是软磁铁氧体(例如3C92)的振幅磁导率的至少百分之一，特别是至少百分之十或百分之二十五。合适的材料是本领域技术人员已知的。

此外，根据本揭露提供使用导电材料用于悬浮熔化方法的起始材料，其中起始材料具有由具有减小的横截面的区域所分隔开的多个预分离批料，其中预分离批料仅在电磁交变场中熔化期间发生分离。

附图简单说明

图1为根据本揭露的起始材料的三个实施方案的侧视图。

图2是熔化区域的结构、铁磁元件、线圈和多个批料的起始材料的下方部分的侧视图。

附图说明

附图表示出了较佳的实施例。它们仅用于说明的目的。

图1显示了根据本揭露的由导电材料制成的一起始材料的三个实施例的侧视图。这三者都是垂直的圆柱形。在上端，有一个适合于安装在一供给装置的区域。取决于附接方法，该区域可以是光滑的，如图所绘示，或者设有孔或三维表面结构，特别是一端部的圆周加宽，以使得它被钩子或夹子抓住。

左边的起始材料有六个批料，中间有五个批料，而右边的有八个批料(1)。在左边的起始材料的例子中，各个批料(1)是由三角形的凹口所分开。例如，这些凹口可以通过冲压产生而不会损失材料。在中间的起始材料中，各个批料(1)由较宽的区域分开，此区域具有减小的横截面。通过转动圆柱形杆可以以简单且成本有效的方式生产这种设计。右侧的起始材料分别具有狭窄的圆形切口，用于分离各批料(1)。原则上，该结构与中间的起始材料相同，指示距离减小并且具有减小的横截面的区域的横截面更进一步减小。由于进一步减小了横截面，可以实现对感应涡流的更好限制和更低的热传导，以便补偿更短的距离。

图2显示了来自图1的中间起始材料的最低的三个批料(1)的部分。最低的批料(1)是处于由线圈(2)产生的交变电磁场(熔化区域)的影响范围内。在批料(1)下方有一个空的铸模，由一个支架(未示出)固定在填料区域内。铁磁元件(3)是布置以围绕线圈(2)的影响范围。在根据本揭露的方法中，批料(1)熔化并悬浮。在批料(1)熔化后，将剩余的起始材料向上拉，并使熔体过热。然后将熔体浇铸到铸模中，最后将固化的铸造体从铸模中取出。

符号说明

1 批料

2 线圈

3 铁磁元件。

Claims (18)

1.一种悬浮熔化法，通过悬浮熔化一导电材料以制造铸造体，包括以下步骤：

-将包括多个批料(1)的一起始材料中最低的一批料(1)引入至少一个电磁交变场的影响范围内，其中该起始材料是一导电材料，其具有多个预分离批料(1)，由减小的横截面的多个区域所分隔开，并且所述多个区域的设计使得所述多个预分离批料(1)的分离仅在该电磁交变场中的熔化期间发生；

-熔化该最低的批料(1)；

-从在一悬浮状态中熔化的该最低的批料(1)将剩余的未熔化的起始材料提起；

-过度加热悬浮的该最低的批料(1)；

-将一模具放置在悬浮的该最低的批料(1)下方的一填充区域；

-将该最低的批料(1)整个浇注到该模具中；以及

-从该模具中取出凝固的一铸造体。

2.根据权利要求1所述的悬浮熔化法，其中该最低的批料(1)是引入到该电磁交变场中，使得感应涡流达到最大值。

3.根据权利要求1或2所述的悬浮熔化法，其中包括多个批料(1)的该起始材料由圆柱形杆构成，该圆柱形杆沿其纵向轴线具有多个区域，其具有一减小的横截面，其中具有非减小的横截面的各个区域各自对应于一个批料(1)的材料的量。

4.根据前述权利要求其中之一所述的悬浮熔化法，其中包括多个批料(1)的该起始材料中，多个批料(1)之间的横截面是减小到一个程度及/或具有减小的横截面的所述多个区域足够长以至于在该最低的批料(1)中且在该电磁交变场所感应的涡流被限定到一个程度使得相邻的一批料(1)不与该最低的批料(1)一起熔化。

5.根据前述权利要求其中之一所述的悬浮熔化法，其中包括多个批料(1)的该起始材料中，具有减小的横截面的所述多个区域，其尺寸可使得所述多个区域具有机械承载能力，足以承载该起始材料的相应重量。

6.根据前述权利要求其中之一所述的悬浮熔化法，其中包括多个批料(1)的该起始材料中，具有减小的横截面的所述多个区域的热传导是足够低使得当其中最低的批料(1)熔化时，其邻近的批料(1)不会随着熔化。

7.根据前述权利要求其中之一所述的悬浮熔化法，其中该导电材料包含下列群组中的至少一种金属：钛、锆、钒、钽、钨、铪、铌、铼、钼、镍、铁、铝。

8.根据权利要求7所述的悬浮熔化法，其中该金属的比例为该导电材料的至少50％重量。

9.根据权利要求8所述的悬浮熔化法，其中该金属的比例为该导电材料的至少60％重量。

10.根据权利要求9所述的悬浮熔化法，其中该金属的比例为该导电材料的至少70％重量。

11.根据前述权利要求其中之一所述的悬浮熔化法，其中该导电材料是钛或钛合金。

12.根据权利要求11所述的悬浮熔化法，其中所述钛合金包括铝钛(TiAl)或钒铝钛(TiAlV)。

13.根据前述权利要求其中之一所述的悬浮熔化法，其中该导电材料是以粉末形式使用。

14.根据权利要求13所述的悬浮熔化法，其中包括多个批料(1)的该起始材料是通过用粘合剂压制及/或烧结来制造。

15.根据前述权利要求其中之一所述的悬浮熔化法，其中该导电材料在熔化期间是过度加热至该导电材料的熔点之上至少10℃的温度。

16.根据前述权利要求15所述的悬浮熔化法，其中该导电材料在熔化期间是过度加热至该导电材料的熔点之上至少20℃的温度。

17.根据前述权利要求16所述的悬浮熔化法，其中该导电材料在熔化期间是过度加热至该导电材料的熔点之上至少30℃的温度。

18.一种使用一导电材料用于悬浮熔化方法的一起始材料，其中该起始材料具有多个预分离批料(1)，由减小的横截面的多个区域所分隔开，其中所述多个区域的设计使得所述多个预分离批料(1)仅在一电磁交变场中熔化期间发生分离。

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