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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sie
eine möglichst
hohe Leistungsfähigkeit
aufweist.
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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.
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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.
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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 (keff = Cfest/Cflüssig)
der Matrix, Z. B. Gold, kleiner 1 ist, d.h. keff < 1, wobei Cfest die Konzentration der Verunreinigungen
im erstarrten Metall und Cflüssig 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.
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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.
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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.
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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.
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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
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1 einen
senkrechten Schnitt durch eine Vorrich tung nach der Erfindung,
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2 eine
Draufsicht auf die Vorrichtung bei abgenommener, oberer Wärmedämmung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wenn der Materialblock 2 lediglich
einen Kokillenraum hat, dann genügt
eine Teilungsebene, welche durch diesen Kokillenraum führt.
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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.
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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.
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- 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