DE10047397B4

DE10047397B4 - Vorrichtung zum Schmelzen und gerichteten Erstarren eines Metalls

Info

Publication number: DE10047397B4
Application number: DE2000147397
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Raschke; Michael Hohmann
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: DE10047397A1

Abstract

Vorrichtung zum Schmelzen eines Metalls in einem mit einer Heizung (6) versehenen Schmelztiegel, der zugleich eine Kokille zum Erzeugen eines Blockes durch gerichtetes Erstarren der Schmelze bildet, dadurch gekennzeichnet, dass im Schmelztiegel (1) nebeneinander mehrere separate Kokillenräume (3, 4, 13, 14) angeordnet sind und der Schmelztiegel (1) einen alle Kokillenräume (3, 4, 13, 14) überdeckenden Materialeingabetrichter (5) hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen eines Metalls in einem mit einer Heizung versehenen Schmelztiegel, der zugleich eine Kokille zum Erzeugen eines Blockes durch gerichtetes Erstarren der Schmelze bildet.
Zur Erzeugung hochreiner Metalle, beispielsweise Gold mit einer Reinheit von ≥ 99,999 Masse-%, werden in vielen Fällen Zonenschmelzverfahren eingesetzt. Zur Darstellung dieser hochreinen Metalle mit vorzugsweise kristallographischer Orientierung bis hin zu Einkristallen können die Verfahren der gerichteten Erstarrung (nach Bridge man) horizontal und vertikal eingesetzt werden. Hierbei kann die gerichtete Erstarrung in einem Vakuum-Induktionsofen mit einem um eine Schwenkachse kippbaren, induktiv beheizten Tiegel durchgeführt werden. Die darin erzeugte Schmelze wird durch einen Gießtrichter aus Graphit oder Keramik nacheinander in eine oder mehrere auf einem Drehteller angeordnete Kokillen gegossen, wo die erforderliche gerichtete Erstarrung durch Absenken aus einer Heizzone erfolgt.
Ein Anwendungsfall für den Einsatz eines solchen Verfahrens ist die Erzeugung von Goldblöcken, aus denen Bonddraht für elektronische Schaltungen aus Gold gefertigt werden. Solcher Bonddraht hat einen Durchmesser von etwa 30 μm. Die Erzeugung so durchmesserkleiner Mikrodrähte erfordert es, dass keine metallischen und nichtmetallischen Einschlüsse (Partikel) im Gold vorhanden sind, denn diese sind die Ursache für Risse im Bonddraht, da der Querschnitt solcher Einschlüsse oftmals in vergleichbarer Größenordnung liegt wie der Durchmesser des Bonddrahtes. Es kommt deshalb darauf an, beim Induktionsschmelzen und anschließenden Gießen der Metallblöcke zu vermeiden, dass Partikel freikommen oder erst generiert werden und in die Schmelze gelangen.

Aus Abs. 4 der Seite 1 der WO 99/03621 ergibt sich, dass es bekannt ist, das Ausgangsmaterial statt in einem separaten Schmelztiegel unmittelbar in der Gießforn aufzuschmelzen und danach in der Gießform gerichtet zu erstarren. Eine solche Vorrichtung vermeidet die Notwendigkeit des Gießens der Schmelze aus dem Schmelztiegel im Kokillen und schließt dadurch eine wesentliche Ursache für die Bildung von in die Schmelze gelangenden Partikeln aus. Zugleich ist die Vorrichtung kostengünstiger herzustellen, weil auf separate Kokillen, einen Gießtrichter und auf eine Beheizung für die Kokillen sowie auf einen Schwenkmechanismus für den Schmelztiegel verzichtet werden kann. Zusätzlich ist wegen des Fortfalls des Umgießens und der Beheizung separater Kokillen der Energiebedarf insgesamt geringer. Allerdings ist es wirtschaftlich nicht optimal, dass immer nur die Materialmenge für eine einen Block erzeugende Kokille aufgeschmolzen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sie eine möglichst hohe Leistungsfähigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Schmelztiegel nebeneinander mehrere separate Kokillen räume angeordnet sind und der Schmelztiegel einen alle Kokillenräume überdeckenden Materialeingabetrichter hat.

Eine solche Vorrichtung vermeidet die Notwendigkeit des Gießens der Schmelze aus dem Schmelztiegel in Kokillen und schließt dadurch eine wesentliche Ursache für die Bildung von in die Schmelze gelangenden Partikeln aus. Zugleich ist die Vorrichtung kostengünstiger herzustellen, weil auf separate Kokillen, einen Gießtrichter und auf eine Beheizung für die Kokillen sowie auf einen Schwenkmechanismus für den Schmelztiegel verzichtet werden kann. Zusätzlich ist wegen des Fortfalls des Umgießens und der Beheizung separater Kokillen der Energiebedarf insgesamt geringer. Durch die Anordnung mehrerer separater Kokillenräume in einem Schmelztiegel ist die Leistung der Vorrichtung hoch, weil es eine solche Ausführungsform erlaubt, mehrere Kokillenräume gleichzeitig mit flüssigem Einsatzmaterial zu beschicken, auch wenn die Kokillenräume einen sehr geringen Querschnitt aufweisen. Der Materialeingabetrichter kann zylindrisch oder konisch ausgebildet sein.

Die Anordnung von mehreren Kokillenräumen im einem Schmelztiegel ermöglicht es weiterhin, Blöcke mit geringem Durchmesser wirtschaftlich zu erzeugen, die unmittelbar durch Strangpressen weiterverarbeitet werden können. Somit entfällt für durchmesserkleine Blöcke das Erfordernis des Schmiedes oder Aufteilens der Metallblöcke nach dem Erstarren der Blöcke. Ein geringer Durchmesser des Schmelztiegels und damit auch des Metallblockes hat zusätzlich den Vorteil, dass bei der gerichteten Erstarrung Verunreinigungen besser in der erstarrenden Schmelze nach oben zum Blockkopf wandern und sich am oberen Ende des Metallblockes sammeln. Dies gilt für mechanische Partikel, die in der Schmelze schwimmen, sowie für Metalle, deren effektiver Verteilungskoeffizient (k_eff = C_fest/C_flüssig) der Matrix, Z. B. Gold, kleiner 1 ist, d.h. k_eff < 1, wobei C_fest die Konzentration der Verunreinigungen im erstarrten Metall und C_flüssig die Konzentration der Verunreinigungen im flüssigen Metall ist. Optimal ist der Durchmesser bei Metallblöcken aus Gold, wenn er zwischen 7 mm und 30 mm liegt.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Heizung den Bereich des Materialeingabetrichters mit umgibt. Hierdurch wird der Materialeingabetrichter mit an die Heizung angekoppelt und es ist es möglich, Einsatzmaterial zu verwenden, welches so grobstückig ist, dass es nicht in den Schmelztiegel passt. Durch die Heizung des Materialeingabetrichters wird das Einsatzmaterial im Materialeingabetrichter geschmolzen und tropft dann in den Schmelztiegel, der später zugleich die Kokille bildet.

Der Schmelztiegel kann kostengünstig hergestellt werden, wenn er aus einem einstückigen Materialblock besteht. Die einzelnen Kokillenräume werden dann durch Bohren von der oberen Stirnseite her im Materialblock erzeugt.

Das Herausnehmen des Metallblockes aus dem als Kokille benutzten Schmelztiegel ist besonders einfach und erfordert keinen sich nach oben hin konisch erweiternden Kokillenraum, wenn der Schmelztiegel aus so vielen in Vertikalrichtung zu trennenden Teilen besteht, wie in ihm Kokillenräume vorgesehen sind, und wenn durch jeden Kokillenraum eine Teilungsebene führt.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon stark schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 einen senkrechten Schnitt durch eine Vorrich tung nach der Erfindung,
2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung bei abgenommener, oberer Wärmedämmung.
Die 1 zeigt einen Schmelztiegel 1, der aus einem Materialblock 2 aus Graphit gebildet ist und durch von oben in ihn hineinführende Bohrungen mehrere Kokillenräume 3, 4 geringen Durchmessers hat. Diese Kokillenräume 3, 4 beginnen am Boden eines allen Kokillenräumen 3, 4 gemeinsamen Materialeingabetrichters 5.
Der Schmelztiegel 1 ist von einer als Spule ausgebildeten, induktiven Heizung 6 umgeben, die bis oberhalb des Materialeingabetrichters 5 führt. Im Materialeingabetrichter 5 befindet sich stückig polykristallines Einsatzmaterial 7, welches durch die induktive Heizung 6 schmilzt und in die einzelnen Kokillenräume 3, 4 zu fließen vermag. Die Mantelfläche des Schmelztiegels 1 ist durch eine von der Heizung 6 umschlossene Graphitisolation 8 umgeben, während die obere Stirnfläche des Schmelztiegels 1 von einer üblichen Wärmedämmung 9 abgedeckt ist.
Der Schmelztiegel 1 steht mit seiner unteren Stirnfläche auf einer üblichen Kühlplatte 10, die einen Wasserzufluss 11 und einen Wasserabfluss 12 hat und die, wie bei der gerichteten Erstarrung üblich, nach unten hin abgesenkt werden kann, so dass der Schmelztiegel 1 sich dabei nach unten aus dem Wirkbereich der induktiven Heizung 6 herauszubewegen vermag.
Die 2 lässt erkennen, dass der Schmelztiegel 1 zusätzlich zu den zwei in 1 zu sehenden Kokillenräumen 3, 4 zwei weitere Kokillenräume 13, 14 hat, die eben falls vom Boden des Materialeingabetrichters 5 in den Materialblock 2 hineinführen.
Durch strichpunktierte Linien angedeutet sind in 2 zwei in Vertikalrichtung durch den Materialblock 2 führende Teilungsflächen 15, 16, durch die der Materialblock 2 in insgesamt vier im Querschnitt jeweils einen 90°-Sektor bildende Teile 17, 18, 19, 20 aufgeteilt sein kann. Dabei ist wichtig, dass die Teilungsebenen 15, 16 jeweils durch zwei Kokillenräume 3, 4 bzw. 13, 14 führen, so dass beim Auseinanderbewegen der Teile 17, 18, 19, 20 die Kokillenräume 3, 4, 13, 14 in Längsrichtung geöffnet werden. Hierzu bewegt man beispielsweise zunächst gemeinsam die Teile 17 und 18 sowie 19 und 20 radial voneinander weg, wodurch die Kokillenräume 13, 14 geöffnet werden. Anschließend trennt man jeweils die Teile 17 und 18 sowie 19 und 20 voneinander, wodurch die beiden anderen Kokillenräume 3, 4 zu öffnen sind.
Wenn der Materialblock 2 lediglich einen Kokillenraum hat, dann genügt eine Teilungsebene, welche durch diesen Kokillenraum führt.
Zur Erzeugung von Materialblöcken gibt man zunächst in den Materialeingabetrichter 5 das Einsatzmaterial 7 ein. Dann aktiviert man die induktive Heizung 6, so dass das Einsatzmaterial 7 schmilzt und in die einzelnen Kokillenräume 3, 4 und 13, 14 tropft und diese füllt. Ist das Induktionsschmelzverfahren abgeschlossen, dann aktiviert man die Kühlplatte 10, indem man Kühlwasser durch sie hindurchfließen lässt und senkt die Kühlplatte mit einer bei der gerichteten Erstarrung üblichen Abzugsgeschwindigkeit von 1–2 mm pro Minute bei eingeschalteter induktiver Heizung 6 ab, so dass der Schmelztiegel 2 entsprechend nach unten hin aus dem Bereich der induktiven Heizung 6 wandert und es zu der erforderlichen, gerichteten Erstarrung kommt.
Abschließend sei angemerkt, dass die Erfindung zwar am Beispiel des Erzeugens von Blöcken aus hochreinem Gold beschrieben wurde, sie jedoch auch für die Herstellung von hochreinen Kupfer-, Silber-, Palladium-, Aluminium- und anderen Werkstoffen benutzt werden kann, bei denen die mechanischen Verunreinigungen (Partikel) die Weiterverarbeitung stören, zum Beispiel in einem Verformungsprozess, wie das Feinstdrahtziehen oder Folienwalzen. Statt eine Induktionserwärmung vorzusehen, könnte man die Vorrichtung auch mit einer Widerstandsheizung ausstatten.

1: Schmelztiegel
2: Materialblock
3: Kokillenraum
4: Kokillenraum
5: Materialeingabetrichter
6: Induktive Heizung
7: Einsatzmaterial
8: Graphitisolation
9: Wärmedämmung
10: Kühlplatte
11: Wasserzufluss
12: Wasserabfluss
13: Kokillenraum
14: Kokillenraum
15: Teilungsebene
16: Teilungsebene
17: Teil
18: Teil
19: Teil
20: Teil

Claims

Vorrichtung zum Schmelzen eines Metalls in einem mit einer Heizung (6) versehenen Schmelztiegel, der zugleich eine Kokille zum Erzeugen eines Blockes durch gerichtetes Erstarren der Schmelze bildet, dadurch gekennzeichnet, dass im Schmelztiegel (1) nebeneinander mehrere separate Kokillenräume (3, 4, 13, 14) angeordnet sind und der Schmelztiegel (1) einen alle Kokillenräume (3, 4, 13, 14) überdeckenden Materialeingabetrichter (5) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (6) den Bereich des Materialeingabetrichters (5) mit umgibt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelztiegel (1) in einem einstückigen Materialblock (2) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelztiegel (1) aus so vielen in Vertikalrichtung zu trennenden Teilen (17, 18, 19, 20) besteht, wie in ihm Kokillenräume (3, 4, 13, 14) vorgesehen sind, und dass durch jeden Kokillenraum (3, 4, 13, 14) eine Teilungsebene (15, 16) führt.