DE1110877B

DE1110877B - Verfahren zum Erschmelzen von Metallbloecken mittels Elektronenstrahlen

Info

Publication number: DE1110877B
Application number: DEH36211A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Horst Eckstein; Dipl-Phys Helmut Gruber; Helmut Scheidig
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1959-04-24
Filing date: 1959-04-24
Publication date: 1961-07-13
Also published as: US3219435A; FR1249096A; CH382320A; GB945992A

Description

Die Erfindung betrifft das Erschmelzen von größeren Metallblöcken mittels Elektronenstrahlen unter Vakuum oder in inerter Atmosphäre von reduziertem Druck.

Seit längerer Zeit ist bekannt, daß Elektronenstrahlen zum Erhitzen von Schmelztiegeln benutzt werden können. Dabei werden die Elektronenstrahlen auf die Außenseite des Tiegels gerichtet und erwärmen zunächst diesen Tiegel und erst weiterhin dann das im Schmelztiegel enthaltene Metall.

Es ist weiterhin bekannt, Elektronenstrahlen zum direkten Schmelzen und Verdampfen von Material zu benutzen. Dabei wird der in einem vom Schmelzofen durch Lochblenden abgeteilten Raum erzeugte Elektronenstrahl unmittelbar auf das zu schmelzende Material konzentriert. Er erhitzt dieses Material örtlich sehr hoch und bewirkt dadurch das Schmelzen eines begrenzten Teiles des Materials. Dieses Verfahren wurde auch schon dazu benutzt, um kleine Mengen pulverförmigen Materials zu kleinen Kugeln zusammenzuschmelzen.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das Ende eines Stabes oder eines Drahtes mit Elektronen abzuschmelzen. Hierbei wird insbesondere ein das Stabende umgebender axial zum Stab verschiebbarer Heizring, der als Oxyd- bzw. Boridglühkathode ausgebildet ist, benutzt. Durch entsprechende Spannungsverteilung gelangt ein großer Teil der Elektronen auf das Ende des Stabes und schmilzt ihn ab. Das geschmolzene Material kann dann in einen Schmelzsee herabtropfen. Bei einer solchen Anordnung wird außerdem ein Teil der erzeugten Elektronen dazu benutzt, den Schmelzsee flüssig zu halten. Diese Art des Schmelzens von Materialien durch Elektronenbombardement bereitet durch den kleinen Abstand zwischen der Elektronenquelle und dem abzuschmelzenden Metall beträchtliche Schwierigkeiten. Sie sind vor allem darin begründet, daß beim Schmelzen größere Mengen von Gasen aus dem zu behandelnden Material austreten und dadurch zwischen den Elektroden sich Glimmentladungen ausbilden können. Glimmentladungen verhindern aber die Konzentrierung der Energie auf die abzuschmelzenden Elektrodenenden, lassen den Strom stark ansteigen und verbrauchen vor allem die elektrische Energie weitgehend im Plasma der Entladung, so daß sie nicht zum Schmelzen zur Verfügung steht.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird vorgeschlagen, größere Metallmengen mittels Elektronen, die in einem vom Schmelzofen durch Lochblenden abgeteilten Raum erzeugt werden, dadurch zu schmelzen, daß dieser Raum unabhängig vom Schmelzofen evakuiert

von Metallblöcken
mittels Elektronenstrahlen

Anmelder:
W. C. Heraeus G.m.b.H., Hanau/M.

Dipl.-Phys. Horst Eckstein,
Dipl.-Phys. Helmut Gruber und Helmut Scheidig,

Hanau/M.,
sind als Erfinder genannt worden

wird und die in bekannter Weise gebündelten Elektronenstrahlen so gerichtet werden, daß sie entweder nur auf das Ende einer Abschmelzelektrode oder gleichzeitig auf das Ende der Abschmelzelektrode und den gebildeten Schmelzsee auftreffen.

Die Elektronenstrahlen werden zu diesem Zweck bei einer senkrecht stehenden Abschmelzelektrode schräg von oben auf deren Ende gerichtet und erhitzen dieses Ende so lange, bis Tropfen in das Schmelzbad eindringen. Auf Grund der Divergenz des Elektronenstrahls gehen auch Elektronen an der Abschmelzelektrode vorbei und fallen auf den Schmelzsee. Diese Elektronen geben ihre Energie an den Schmelzsee ab und erhalten ihn so weiterhin flüssig. Damit ein größerer Teil des Schmelzsees durch das Auftreffen von Elektronen flüssig gehalten wird, ist es zweckmäßig, die Elektronenstrahlen nicht zu einem sehr engen Bündel zu konzentrieren, sondern diesem Bündel durch bekannte elektronenoptische Mittel einen gewissen Öffnungswinkel zu geben. Die Größe dieses Winkels hängt davon ab, wie stark die Elektronenstrahlen für das Abschmelzen des Elektrodenendes gebündelt sein müssen und welche Größe der Schmelzsee hat. In der Praxis lassen sich sowohl das laufende Abschmelzen der Elektrode wie auch das dauernde Flüssighalten des Schmelzsees in genügendem Ausmaß miteinander vereinen.

Um die Elektrode gleichmäßig abschmelzen zu lassen und einen größeren Schmelzsee gleichzeitig flüssig zu erhalten, ist es besonders zweckmäßig, mehrere Bündel, mindestens aber zwei, von Elektronenstrahlen gleichzeitig zu verwenden.

109 647/441

Das erfindungsgemäße Verfahren des Erschmelzens größerer Metallblöcke besitzt den Vorteil, daß die Elektronenquelle sich in größerem Abstand von der zu schmelzenden Elektrode und dem geschmolzenen Material im Schmelzsee befindet. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Glimmentladungen verringert, da durch Abpumpen von sich entwickelnden Gasen in der Nähe des Abschmelzortes der Erlektrode verhindert wird, daß sich diese Gase bis zu der Elektronenquelle hin ausbreiten können. Außerdem kann der Abstand zwischen dem Elektrodenende und dem Schmelzsee relativ gering gehalten werden.

Wenn der Elektronenerzeugungsraum zusätzlich noch durch eine Lochblende abgetrennt und durch ein besonderes Pumpenaggregat auf einem sehr niedrigen Druck gehalten wird, ist es ausgeschlossen, daß sich Glimmentladungen noch bis zu der Elektronenquelle hin ausbreiten können. Der durch eine Blende abgetrennte Erzeugungsraum der Elektronen befindet sich dann dauernd auf einem so niedrigen Druck, daß die Gasentwicklung aus dem schmelzenden Material dort keinen Einfluß mehr ausüben kann. Der Druck im Erzeugungsraum der Elektronen beträgt dabei etwa 10~⁴ bis 10~⁶ Torr. Es ist dann sogar möglich, in den Schmelzraum inerte Gase einzulassen, wenn es erwünscht ist, den Schmelzvorgang in inerter Atmosphäre von reduziertem Druck durchzuführen, ohne daß störende Gasentladungen auftreten.

Die Zeichnung zeigt einen Schmelzofen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, bei dem beispielsweise zwei gebündelte Elektronenstrahlen zum Abschmelzen benutzt werden.

Der Ofenteil 1 besitzt einen Absaugstutzen 2 und einen Deckelteil 3. Durch diesen Teil 3 wird durch die Dichtung 4, die entweder gleitend sein kann oder auch Druckstufenstrecken enthält, eine Elektrodenhaltestange 5 eingeführt, die am unteren Ende die Abschmelzelektrode 6 trägt. Die Abschmelzelektrode 6 wird durch die Elektronenstrahlenbündel 7 abgeschmolzen. Das abschmelzende Metall tropft herunter in den Schmelzsee 8, der den Schmelzblock 9 aufbaut. Der Schmelzblock bildet sich innerhalb des wassergekühlten Tiegels 10. Der ebenfalls wassergekühlte Boden 11 des Tiegels 10 ist absenkbar eingerichtet, um den Schmelzsee 8 immer in der gleichen Höhe zu halten. Die Absenkvorrichtung des Tiegelbodens 11 kann aus einer hydraulischen oder mechanischen wassergekühlten Hebe- und Senkvorrichtung bestehen, die sich vorteilhafterweise noch innerhalb der Tiegel-Verlängerung 12 unter Vakuum befindet.

Die Elektronenstrahlen 7 werden in dem Ausführungsbeispiel von zwei Elektronengeneratoren 13 erzeugt. Diese bestehen aus der Kathode 14, den Fokussierungsmitteln 15 und einer Blende 16. Weiterhin können noch Ablenkvorrichtungen, wie z. B. die magnetischen Spulen 17, vorgesehen sein. Die Elektronengeneratoren besitzen getrennte Evakuierungsleitungen 18, die sich zu dem Rohr 19 vereinigen, das zweckmäßig zu einem getrennten Pumpsatz führt.

Mit einer solchen Einrichtung kann das beschriebene Verfahren in folgender Weise durchgeführt werden:

Zuerst wird die Abschmelzelektrode 6 an die Elek-,, trodenhaltestange 5 angesetzt und diese so weit nach oben hinaufgezogen, daß die Elektrode oberhalb der Elektronenstrahlen 7 endet. Der Ofen wird dann allseitig abgeschlossen und evakuiert. Sodann werden die Elektronengeneratoren 13 in Betrieb gesetzt und die Abschmelzelektrode 6 so weit nach unten gefahren, bis die Elektronenstrahlen 7 das untere Ende der Abschmelzelektrode schmelzen. Durch das heruntertropfende Material bildet sich dann der Schmelzsee 8, der von den nicht stark fokussierten Elektronenstrahlen 7 flüssig gehalten wird.

Entsprechend der abgeschmolzenen Menge der Abschmelzelektrode 6 wird der Tiegelboden 11 abgesenkt, so daß der Schmelzsee 8 sich stets in etwa gleicher Höhe befindet.

Es ist besonders vorteilhaft, den Vorschub der Abschmelzelektrode so automatisch zu regeln, daß sich in allen Fällen stets das untere Ende der Abschmelzelektrode während des Schmelzvorganges im Überlappungsbereich der Elektronenstrahlen befindet.

Zum Schmelzen des zu behandelnden Materials in einer inerten Atmosphäre kann z. B. Helium oder Argon durch die Leitung 20 in Dampfform eingeleitet werden. Damit dieser Stoff nicht sofort wieder abgepumpt wird, ist es zweckmäßig, eine Drosselklappe 21 im Absaugstutzen 2 wenigstens teilweise zu schließen.

Besonders in den Fällen, in denen ein gasförmiger Bestandteil den Schmelzofen erfüllt, zeigt sich die Überlegenheit der vorgeschlagenen Methode gegenüber der bisher bekannten. Bei den bekannten Vorrichtungen befindet sich die Kathode zur Erzeugung der Elektronenstrahlen im Innern des Schmelzofens in der Nähe der abzuschmelzenden Elektrode. Durch auch nur etwas größeren Gasdruck entstehen dann Gasentladungen, die bewirken, daß die Elektronenstrahlenenergie nicht auf das Ende der Abschmelzelektrode konzentriert bleibt, sondern sich in Form eines Plasmas beliebig im Ofeninnern verteilt. Bei der vorgeschlagenen Schmelzanordnung sind sowohl die Elektrode wie auch der Schmelzsee in der angedeuteten Weise durch die Leitungen 22 geerdet, und die Erzeugung der Elektronen erfolgt innerhalb der Elektronengeneratoren 13, denen die nötigen Spannungen durch Isolatoren und entsprechende Leitungen zugeführt werden. Diese Elektronengeneratoren 13 werden aber getrennt evakuiert, so daß die Entstehung von Glimmentladungen durch die hier vorgeschlagene Einrichtung und das hier vorgeschlagene Verfahren sicher vermieden werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Schmelzen von Metallen mittels Elektronenstrahlen unter Vakuum oder in inerter Atmosphäre von reduziertem Druck, wobei die Elektronenstrahlen in einem vom Schmelzofen durch Lochblenden abgeteilten Raum erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Raum unabhängig vom Schmelzofen evakuiert wird und die in bekannter Weise gebündelten Elektronenstrahlen so gerichtet werden, daß sie entweder nur auf das Ende einer Abschmelzelektrode oder gleichzeitig auf das Ende der Abschmelzelektrode und den gebildeten Schmelzsee auf treffen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektronenstrahlenbündel verwendet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschub der Abschmelzelektrode so erfolgt, daß sich die Abschmelzelektrode während des Schmelzvorganges

mit ihrem untersten Ende stets im Überlappungsbereich der Elektronenstrahlen befindet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Schmelztiegels so abgesenkt wird, daß sich der Schmelzsee während des Schmelzvorganges immer in etwa gleicher Niveauhöhe befindet.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1 071 730.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen