DE1181840B - Elektronenstrahlschmelzofen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KJ.: H 05 b

Deutsche Kl.: 21 h -16/60

Nummer: 1181840

Aktenzeichen: V19127 VIIId/21h

Anmeldetag: 5. August 1960

Auslegetag: 19. November 1964

Anmelder:

VEB Lokomötivbau-Elektroteehnische Werke Hans Beimler,

Hennigsdorf (Kx, Oranienburg), Neuendorfer Straße

Als Erfinder benannt:
Dr. h. c. Manfred von Ardenne, Dr. Siegfried Schiller,
Dresden-Bad Weißer Hirsch

Elektronenstrahlschmelzofen
Bei der Erfindung handelt es sich um einen Elek- .

tronenstrahlschmelzofen mit durch Blenden zwischen Kathode und Werkstück in mehrere gesondert abgepumpte Räume geteiltem Vakuumraum und .Fokussierungssowie Ablenkvorrichtung für den Elektronenstrahl.

Für das Schmelzen von Metallen, insbesondere zur Herstellung von Sondermetallen, sind Lichtbogenschmelzöfen allgemein bekannt. Der Energieaufwand dieser Lichtbogenschmelzöfen ist relativ groß, und eine Reinigung des Schmelzgutes von fremden Einschlüssen sowie ein Abdampfen von Gaseinschlüssen ist sehr schwer möglich.

Um diese Nachteile der bekannten Lichtbogenschmelzöfen zu vermeiden, sind bereits Elektronen-

strahlöfen entwickelt worden, die man bisher jedoch ~ :—~

insbesondere zur Herstellung hochwertiger Schweiß- 2

verbindungen eingesetzt hat, da zum Schweißen der

Energieaufwand relativ niedrig ist. durch gelöst, daß die Ablenkung dynamisch, insbe-

Es sind aber auch schon ElektronenstrahlschmelzT, 20 sondere periodisch, und die Blende zwischen Ablenk- -gieß- und -legierungsöfen vorgeschlagen worden, die vorrichtung und Werkstück vorzugsweise nächst dei mit Beschleunigungsspannungen von über 10 kV be- Ablenkvorrichtung angeordnet und mit einer solchen trieben werden und bei denen zwischen einem Hoch- Öffnung versehen ist, daß sie den Ablenkungen des leistungselektronenstrahler und einer eine variable Elektronenstrahles gerade Raum gibt. Das zu schmel-Kraft besitzenden magnetischen Linse Druckstufen- 25 zende Material und der Schmelztiegel bzw. die Aufblenden angeordnet sind, die dem Durchmesser des fangvorrichtung sind innerhalb des Ablenkbereiches Elektronenstrahles entsprechen. Bei diesen vorgeschla- des Elektronenstrahles angeordnet,
genen Elektronenstrahlofen ist es auch möglich, durch Nach weiteren Merkmalen der Erfindung ist das

entsprechende Ablenkeinrichtungen den Elektronen- aus Ablenkspulen bestehende Ablenksystem zwischen strahl statisch — oder im Falle der Bearbeitung von 30 Elektronenstrahlqnelle und Blendensystem vorzugs-Metall — periodisch abzulenken. Eine dynamische weise oberhalb des Schmelzgutes angeordnet. .·.-·■ oder speziell periodische Ablenkung des Elektronen- Das zu schmelzende Material wird dem Elektronenstrahles im Schmelzofen ist durch diesen Stand der strahl zum Beispiel in einem Schmelztiegel in Form Technik nicht gegeben, da eine Formbearbeitung der von Pulver oder Granulat ausgesetzt. Eine weitere Schmelze entfällt. Die periodische Ablenkung des 35 erfinderische Lösung besteht darin, das zu schmel-Elektronenstrahles im Schmelzofen ermöglicht aber, zende Material dem-Elektronenstrahl als Scheibe .zuwie erkannt wurde, den industriellen Großeinsatz von zuführen, die an ihrer Unterseite eine Abflußstellen-Elektronenstrahlschmelzöfen. Der Elektronenstrahl- fixierung des Schmelzsumpfes besitzt, beispielsweise schmelzofen ist somit erfindungsgemäß zunächst da- eine Bohrung geeigneter Tiefe. Form und horizontale durch gekennzeichnet, daß die Ablenkung dynamisch, 4° Ausdehnung des Schmelzsumpfes sind mittels der insbesondere periodisch ist. Strahlablenkung und durch entsprechende Wahl des

In dem Maße allerdings, in welchem die Größe der beispielsweise von der Abflußstellenfbüerung abhän-Schmelze anwächst, wächst auch die Gefahr, daß das gigen Durchmessers des geschmolzenen Materials aus der Schmelze austretende Plasma, das ja, soweit regulierbar. Schließlich ist der Schmelzgutkörper es entgegengesetzt wie der Elektronenstrahl geladen 45 nach Durchführung einer Schmelzung wieder durch

ist, der Kathode und somit der Ablenkstrecke zueilt, eine gute Ablenkung des Elektronenstrahles verhindert. Der Erfindung liegt daher weiter die Aufgabe zugrunde, bei Anordnung der Strahlablenkmittel direkt über der Schmelze ein Eindringen des Plasmas in die Ablenkz&ne des Strahles weitgehend zu verhindern, und zwar wird erfindungsgemäß diese Aufgabe da-

Materialstücke auffüllbar, und sein Abfluß ist als Voraussetzung für das Schmelzen der Hauptmasse des aufgefüllten Materials durch entsprechende Strahlablenkung wieder zuschmelzbar.

An Hand der Zeichnungen wird an Ausführungsbeispielen der Gegenstand gemäß der Erfindung näher erläutert und dargestellt. Es zeigt

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F i g. 1 schematische Darstellung eines Elektronenstrahles mit horizontaler Ablenkung und senkrechter Pendlung zum Schmelzen von stabförmigen Materialien, die aus beliebiger Richtung zugeführt werden,

F i g. 2 schematische Darstellung gemäß F i g. 1 mit gleichseitiger Nacherhitzung in wassergekühlten Tiegeln,

F i g. 3 schematische Darstellung eines Elektronenstrahles mit kreisförmigerBewegung auf dem Schmelzgut und einer Bohrung für den fixierten Abfluß der Schmelze.

Gemäß F i g. 1 wird ein Elektronenstrahl 1, der in einer Elektronenstrahlquelle erzeugt und mittels einer magnetischen Hilf slinse 7, die zur Regelung des Elektronenstrahlquerschnittes auf dem Schmelzgut 5 dient, durch die erfindungsgemäßen Ablenkspulen 6 geführt und mittels dieser Ablenkspulen 6 in die Richtungen 2 und 3 bewegt, z. B. horizontal und vertikal. Unmittelbar unterhalb der Ablenkspulen ist eine Blende bzw. ein Blendensystem angeordnet, dessen Größe der Durchtrittsöffnung, der Ablenkung und Fokussierung des Elektronenstrahles entspricht. Die Blende bzw. das Blendensystem, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, erschweren ein Eindringen von Gasentladungsplasma aus dem Erhitzungsraum in den Strahlablenkraum. Unter entsprechender Fokussierung und Ablenkung des Elektronenstrahles 1 wird eine Miterhitzung der Gießform bzw. des Schmelztiegels 9 bewirkt.

Das zum Schmelzen gelangende Material wird in Form eines gepreßten oder massiven Stabes in den Elektronenstrahl in Richtung 4 hineingeführt, und durch entsprechende Fokussierung und Ablenkung des Elektronenstrahles wird sowohl das Abschmelzen als auch die Nacherhitzung der abfließenden Schmelze 8 erreicht. Das geschieht, ohne daß der Elektronenstrahl den Schmelztiegel 9 trifft, indem die Energie des Elektronenstrahles 1 erfindungsgemäß durch periodische Ablenkung parallel zur Strahlachse verteilt wird.

Mittels der erfindungsgemäß angeordneten Ablenkspulen 6 ist gemäß F i g. 2 der Elektronenstrahl 1 derart fokussier- und ablenkbar, daß neben dem Schmelzen des Materials die Oberfläche des geschmolzenen Gutes im Schmelztiegel 9 bzw. in der Auffangvorrichtung aufgeheizt wird, die mittels Kühlwasser 10 gekühlt ist. Das Schmelzgut wird dem Elektronenstrahl erfindungsgemäß in Form von Pulver oder Granulat in einem Schmelztiegel ausgesetzt.

Weiterhin ist zum Schmelzen und Gießen von Werkstoffen das Schmelzgut 5 als Scheibe bestimmter Dicke dem Elektronenstrahl aussetzbar (F i g. 3). Die Schmelzgutscheibe hat an ihrer Unterseite eine Bohrung 13 geeigneter Tiefe zur Fixierung der Abflußstelle des Schmelzsumpfes. Durch periodisch eindimensionale oder zweidimensionale Ablenkung des Elektronenstrahles wird die horizontale Ausdehnung des Schmelzsumpfes und seine Form reguliert und der Durchmesser des geschmolzenen Materials durch geeignete Wahl der Bohrung 13 entsprechend der jeweiligen Aufgabe beeinflußt. Der Elektronenstrahl 1 beschreibt dabei erfindungsgemäß die Kreisbahn 11 in der Richtung 12. Nach Durchführung einer Schmelzung kann erfindungsgemäß der gleiche Schmelzgutkörper durch Materialstücke wieder aufgefüllt werden und bei der Fortsetzung des Schmelzprozesses zunächst die Bohrung 13 bzw. das entstandene Abflußloch durch entsprechende Strahlablenkung zugeschmolzen werden. Anschließend wird unter entsprechender Ablenkamplitude die Hauptmasse des aufgefüllten Materials zum Schmelzen gebracht. Weiterhin ist es möglich, mittels der erfindungsgemäß angeordneten Ablenkspulen neben dem Abschmelzen des Schmelzgutes 5 durch den Elektronenstrahl 1 auch gleichzeitig die Schmelze 8 im Schmelztiegel 9 über den Schmelzpunkt des entsprechenden Materials hinaus zu erhitzen. Praktische Erfahrungen haben gezeigt, daß es bei genügend großer Strahlleistung gelingt, das Metall bis zur wassergekühlten Wand des Schmelztiegels 9 flüssig zu halten, eine Tatsache, die dem schlechten Wärmeübergang an der Grenzschicht zu verdanken ist. Beim Gießen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Überhitzung des Metalls durch den Elektronenstrahl 1 während der ganzen Metallausfließzeit fortgesetzt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß durch Innehaltung eines bestimmten Programms in bezug auf Abnahme der Ablenkfeder und eventuell auch in bezug auf Abnahme der Strahlenenergie pro Zeiteinheit die Überhitzung der Schmelze 8 in ihrem zeitlichen Ablauf optimal eingestellt wird. Außerdem liegt ein Vorteil darin, daß vor dem Gießbeginn über eine gewünschte Zeitspanne hinweg der Metallentgasungsprozeß ausführbar ist.

Schließlich ist die Tatsache sehr bedeutsam, daß durch Zusatz von Legierungskomponenten kurz vor Beginn des Gusses eine ganz bestimmt zusammengesetzte Legierung erzielbar ist. Hierbei wirkt es sich vorteilhaft aus, daß durch die Energiezufuhr aus dem abgelenkten Elektronenstrahl 1 an die Schmelze eine intensive Konvektion in der Schmelze stattfindet, welche eine kräftige Durchrrrisehung der Schmelze bewirkt. Dieser Durchmischvorgang läßt sich dadurch noch verbessern, daß der Elektronenstrahl 1 kreisförmig über die Schmelze geführt wird und daß dei Radius dieses Kreises nach einem bestimmten Programm verändert wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlschmelzofen mit durch Blenden zwischen Kathode und Werkstück in mehrere gesondert abgepumpte Räume geteiltem Vakuumraum und Fokussierungs- sowie Ablenkvorrichtung für den Elektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung dynamisch, insbesondere periodisch, und die Blende zwischen Ablenkvorrichtung und Werkstück vorzugsweise nächst der Ablenkvorrichtung angeordnet und mit einer den AWenkungen des Elektronenstrahles gerade Raum gebenden öffnung versehen ist.

2. Elektronenstrahlschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu schmelzende Material und der Schmelztiegel bzw. die Auffangvorrichtung innerhalb des Ablenkungsbereiches des Elektronenstrahles angeordnet sind.

3. Elektronenstrahlschmelzofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Ablenkspulen bestehende Ablenksystem zwischen Elektronenstrahlquelle und Blendensystem vorzugsweise oberhalb des Schmelzgutes angeordnet ist.

4. Elektronenstrahlschmelzofen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das

zu schmelzende Material dem Elektronenstrahl beispielsweise in Form von Pulver oder Granulat in einem Schmelztiegel oder als Scheibe, die an ihrer Unterseite eine Abflußstellenfixierung des Schmelzsumpfes, beispielsweise eine Bohrung geeigneter Tiefe, aufweist, ausgesetzt ist und daß zur Regulierung der Form und der horizontalen Ausdehnung des Schmelzsumpfes die Ablenkung des Elektronenstrahles und die Wahl des beispielsweise von der Abfmßstellenfixierung abhängigen Durchmessers des geschmolzenen Materials dienen.

5. Elektronenstrahlschmelzofen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzgutkörper nach Durchführung einer Schmelzung durch Materialstücke auffüllbar und als Voraussetzung für das Schmelzen der Hauptmasse des aufgefüllten Materials sein Abfluß durch entsprechende Strahlablenkung wieder zuschmelzbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2423 729, 2793 281;
französische Patentschrift Nr. 1 215 825.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 728/335 11.64 © Bundesdruckerei Berlin