DE1558202A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Formgebung reaktionsfaehigem Materials - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Formgebung reaktionsfaehigem Materials

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DE1558202A1
DE1558202A1 DE19671558202 DE1558202A DE1558202A1 DE 1558202 A1 DE1558202 A1 DE 1558202A1 DE 19671558202 DE19671558202 DE 19671558202 DE 1558202 A DE1558202 A DE 1558202A DE 1558202 A1 DE1558202 A1 DE 1558202A1
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Sterling Henley Frank
George Wilbert Ridd
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Description

Deutsche IXT Induetrieθ GmbH. H.F.Sterling et al 40-1
78 FreiburgfHane-Bunte-Str.19 20# JanuaP 1967
Pat.Mo./fi.
ISS/Reg. 3563 - Jl 483
DEUTSCHE III IHDUSTRIES QESELLSCHAfT MIT BESCHRAIiKTER HAPTUNG, IRSIBURG i.Br.
und Vorriohtirair nur Tonurabunff reaktionsfähigen Mo.tevla.la
Die Priorität der Anmeldung in Großbritannien vom 28. Januar 1966 Ir. 3896/66 let in Anspruch genossen·
Si« Erfindung besieht eich auf ein Verfahren und eine Torrichtung sub Sohselsen von reaktionsfähigen Materialien mit besonderen» aber nicht notwendigerweise ausschließlichen Anwendungen sur formgebung eines metallischen Gußteilβ und ist eine Terbesserung und Weiterentwicklung des Verfahren* nach der britischen Patentschrift 875 592, bsw, der entsprechenden deutschen Auslegeschrift 1 126 622.
Der im folgenden benutste Begriff "Metall" umfadt Legierungen und aaferdea reine Metalle. Die Beseichnung "reaktionsfähig" meint reaktionsfähig mit hitBebeetändigea Material bei Temperaturen in der »röÄeuordmmg dta Schselspunktes und darüber. Beispiele von Materialisn! die in gesohnolssnea Sustaad oder» wenn sie hohe Temperaturen erreicht haben, in diesem Sinn· reaktionsfähig sind, sind Metalle wie Iletel, titan, Ilvkon, Stahl, öhrom, Molybdän, Wolfraa und Uran,
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SADORIG,WU - 2 -
ISB/Reg. 3563 - Pl 483 H,?.Sterling et al 40-1
■owl· einige Halbleiter, von welchen Silicium ein Hauptvertreter ist.
Wegen ihres relativ hohen Schmelzpunktes, ihrer chemischen Aktivität, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer vergleichsweise kleinen Dichte Im Verein mit hoher festigkeit sind lickel, Titan und Zirkon zur Herstellung von Maschinenteilen und Metallelementen verschiedener Art brauohbar. So wurden beispielsweise auf Titan und Nickel aufgebaute legierungen als brauchbar für die Herstellung von Druckschaufeln für Turbinen oder Strahltriebwerk· gefunden.
Der Schmelzpunkt der Metalle Ilckel, Titan, Zirkon, Chrom, Molybdän, Wolfram oder der von Metallen mit gleichen oder ähnlichen Eigenschaften, ebenso wie der der Carbide, Oxyde und anderer Verbindungen dieser Metalle 1st so hoch, daß das Schmalzen in üblichen hitzebeständigen, tiegelförmigen Schmelzöfen ohn« Verunreinigung außerordentlich schwierig und im allgemeinen unsure lohend wird. Di· Metalle haben nämlich die Tendenz, chemisoh und physikalisch mit dem hi teebeständigen Material unter daraus folgender Verunreinigung des Metall· und Änderung s«in«r mechanischen and chemischen Eigenschaften zu reagieren. Darüberhinaus sind Metall· bei erhöhten Temperaturen mit dem Sauer·toff und Stickstoff der Luft besonders schnell reaktionsfähig. Di· Handhabung von Metallen bei Temperaturen zwischen etwa 1300 0O und 3000 0O bietet, wenn diese Metall· in den üblichen Arten von tiegelförmigen Schmelzöfen gesohmolsen werden, Probleme ▼on solcher Schwierigkeit, dal der Oesraudi solcher Tiegel bei diesen Temperaturen ausgeschlossen wird, wenn annehmbar· Reinheit und Reproduzierbarkeit der Zusammensetzung erwünscht ist.
Zum Schmelzen von Titan und seinen Legierungen oder Zirkon wurde bereit· «in innerhalb eine· wassergekühlten lupferg·faß·β aufrechterhaltener Lichtbogen benutzt. 31n Lichtbogen kann Jedoch Verunreinigungen von den Elektroden in das Metall bringen.
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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Formgebung von reaktionsfähigem Materiali insbesondere von Metallen hoher Reinheit durch Wirbelstromschmeisen unter Verwendung eines hohlwandigen aus 5^ tall von großer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit bestehenden und als Schmelztiegel dienenden Behälters» der durch eine innerhalb der Wand® fließend© Flüssigkeit gekühlt wird. Erfindungsgemäß besteht dieses Verfahren darin» daß die Formgebung durch mindestens zwei elektrisch gegeneinander isolierte Teilbehälter erfolgt, die je einen sektorweise an die asu gebende Form angepaßten Innen teil besitzen, und daß das geschmolzene Material in dem von allen Innenteilen gebildeten, die gewünschte Form ergebenden Hohlraum erstarrt.
Die Teilbehälter können aus Material bestehen, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,49 oal .^, und einen spezifischen elek trischen Widerstand von höchstens 2,665/uQcm besitzt,
Die Wirbelströme können i&terch in dem Material induziert werden, daß lediglich in dem Wandungen ä©r Teilbehälter Hochfrequenzströme fließen. Das geschmolzene Material kam ümgL· vor dem Erstarren aus dem Hohlraum entfernt werden.
Diese und andere Eigenschaften der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert!
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine zum Schmelzen und Gießen von reaktionsfähigem Material geeignete Vorrichtung;
Flg. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht einen zum Schmelzen und Gießen von reaktionsfähigem Material geeigneten Behälter, der aus zwei identischen Teilbehältern besteht;
Fig. 3 zeigt Im Grundriß einen Teil der Vorrichtung nach Figur 1; Fig. 4 zeigt Im Grundriß eine andere Anordnung der Teilbehälter als
in Figur 3;
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Pig. 5 ist eine schematische Sarstellung des Flusses der HP-Ströme innerhalb der Teilbehälter, die eine Induktivität oder Hoohfrequenzheiz-Arbeitsspule bilden.
Hach den Piguren wird der das zu schmelzende Material haltende Behälter aus zwei hohlen, einen geformten Innenteil 11 besitzenden Teilen 10 gebildet, die aus Kupfer, Silber oder Gold bestehen. Torzugsweise wird silberplattiertes Kupfer verwendet. Jeder Teilbehälter besitzt ein Einlaßrohr 12, das sich längs durch den Teilbehälter erstreckt tund ein Auslaßrohr 13. Diese Rohre sind mit Mitteln versehen, die eine Kühlflüssigkeit kontinuierlich zirkulieren lassen.
Sie Teilbehälter werden innerhalb eines weiteren Behälters 14, beispielsweise innerhalb eines Siliciumdioxydrohrea gehalten. Sie Einlaß- und Auslaßrohre 12 und 13 erstrecken sich durch öffnungen in der Grundplatte 15 aus Messing und sind mit der Grundplatte hart verlötet, so daß die Teilbehälter innerhalb des Rohres 14 fest gehaltert sind und zwar normalerweise so nah wie möglich beieinander, aber ohne Kontakt miteinander. Sie Innenteile der Teilbehälter bilden einen Hohlraum 16, in welchem Material geschmolzen und von da aus gegossen werden kann. Eine Berührung zwischen den Teilbehältern 10 wird dadurch vermieden, daß zwischen die Teilbehälter eine dünne Schicht aus Isoliermaterial 28 (Pig. 3), beispielsweise aus Glimmer aufgebracht wird. Andererseits kann jeder Teilbehälter wechselweise mit einer öffnungen enthaltenden Längsrippe 17 versehen werden (Pig. 4), durch welche öffnungen Schrauben aus Isoliermaterial 29, z.B. aus Nylon und von hier aus in entsprechende öffnungen im Körper des anderen Teilbehälters greifen können, wodurch alle Teile des einen Teilbehälters von denen des anderen getrennt werden.
Sie bevorzugte Porm der Teilbehälter 10 ist in Figur 3 gezeigt; Licht und Wärme aus der Schmelze im Hohlraum 16 werden daher daran gehindert, das Isoliermaterial zu erreichen, das sonst der Zersetzung ausgesetzt wäre. Entsprechend der Ausbildung der Teilbehälter nach figur 4 treffen Licht und Wärme aus der Schmelze auf die Wandungen
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entwickelte Hits® ©imem SpsTan,
>9
Einfluß von Masse aus äer„Se
nicht aus Quarz wäre, würde die verursachen. Es ist desnach Art von Figur 3 auszuder äußer® Behälter unter dem ändert oder bricht.
Da® Rohr 14 wird awisoken ü,®s ß-raa&plattia 15 und der Deckplatte aus ^beispielsweise Bfeseing äureh sswöi ©der mehr Glasfiberetäbe 19 gehalten« Jeder Stab greift duroh öffnungen in jeder Platte und besitzt an jedem Ende Schraubgewinde® is© daß durch das Anziehen der Muttern 20 das Rohr 14 f@at in seiner Position gehalten wird. Gasdichte Auflageeitze 21 sind an den Berührungsetellen der Kanten des Rohres 14 und der Platten angebracht $ so daß ein besonderes Gaa und/ oder ein Gasdruck oder ein l&kmim innerhalb des Raumes, der vom Rohr 14 und den Platten 15 und 18 begremst ist, konstant aufrecht erhalten werden kann.
Der inneren Fläche d®s Behälters werden von einer Primärspule aus durch Induktive Kopplung Hochfrequent®tröme zugeführt. Diese Spule hat die Form einer hohlen, schraubenförmigen Kupferspule 22 und umgibt das Rohr 14 wärmeisoliert« Si® bedeckt einen Bereich, der der Jiänge des dureh die SellbeMlter gebildeten Hohlraums entspricht, oder sie kann einen schmalen Teil der Länge bedecken und während des Schmelzprozesses in vertikaler Richtung bewegt werden.
Die Spule 22 sollte zur wirksamen Kopplung so nahe wie möglich am Behälter befestigt sein. Bei ©iner praktischen Ausführung ist der dUTOii d«a Zdtichsm χ in i@m Figasea 5 unä 4 angedeutete Abstand kleiner als etwa 3
im &®έ femadplatte 15 und ©in Ausig s@ äs@ß falls ÄÖtigg 14 geleitet werten kann.
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Ein Mittel zum Halten des su schmelzenden Materials und zum Transport in den Hohlraum 16 ist vorgesehen und in Figur 1 als Einfüllschacht 25 gezeigt.
Als Beispiel für die Anwendung der beschriebenen Vorrichtung soll das Gießen einer hochreinen Nickellegierung beschrieben werden. Die hochreine Nickellegierung wird durch den Einfüllschacht 25 in den durch die Behälterteile 10 gebildeten Hohlraum 16 eingefüllt. Sie im Raum zwischen dem Rohr 14» der Grundplatte 15 und der Deckplatte 18 sich befindende Luft wird evakuiert und der Raum mit Argon durchspült. Während des Schmelz- und Gießprozessee wird ein konstanter Durchfluß durch Betätigung der Hähne 26 aufrechterhalten» die die Einlaß- und Auslaßrohre 23 und 24 betätigen. In den Teilbehältern10 und durch das schraubenförmig« Eupftrrohr 22 zirkuliert Wasser. Das Kupferrohr ist an einen gebräuchlichen 15 kW/400 kHz-Hochfrequenzgenerator gekoppelt. Wenn die leistung gesteigert wird, wird die Nickellegierung durch die Wirbelströme erhitzt, die darin aufgrund der in den Wandungen des Kupferrohres fliesenden Hochfrequenzströme induziert werden. Die Abhängigkeiten des ersten HP-Stroms 28, des zweiten HI-Stroms 27 und des dritten HP-Stroms 29 voneinander sind in Pigur 5 gezeigt. Das geschmolzene Nickel wird innerhalb des Hohlraums 16 durch Kräfte der Oberflächenspannung und durch die Influenz des Hochfrequenzfeldes gehalten. Der Hohlraum kann bis zu einem gewünschten Niveau während des Schmelzprozesses gefüllt werden. Andererseits kann der Einfüllsohacht auoh für kontinuierlich· Zuführung ausgebildet werden, wenn der Hohlraum «um kontinuierlichen Schmelzen, falls gewünscht,bodenlos ausgebildet ist. In diesem Palle können weiter· Mittel «ingebaut werden, wie z.B. ein Tentil oder ein weiterer erakuierbarer Raum, der den Einfüllechacht umgibt, wodurch das Gas und der Gasfluß innerhalb des Rohres 14 ununterbrochen bleiben. Zum Abschluß des Schmelzprozesses wird dl· HP-Leistung abgeschaltet und die geschmolzene Legierung erkalten gelassen, wenn sie in der durch den Hohlraum 16 bestimmten Porm erstarren soll.
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ISE/lago 3963 - Wl 483 ' " E0I=St©s?llag ©t al 40-1
WIq bereits gssagto bestolMM έϋο letefiariglsslt©® beim
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Schmelzen von Legiesaaagea auf Hiekelbasis in Mtzebe-Sehm@lzti©g@ln &mb Ziroomia bei Temperatur®«, in der
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g g alß Ib©i3©®ä©rs ge©igm©t &Wk Sciimel-
und anse&li@@©aiLQs- S-i©i©a ^@a sr©Qlsti©a@fiÄigem Material gefunden«
Texwemduag ©im@s im w©Q©mtli©l3.3S!, Isaltomg aiehtbenütsenden Bsliälters voia höher ©!©ktrisetos1 "&ä& ttesaiisefeQg1 IsQitfäfe,igk©itt wobei der Behält©^ selbgt elme Induktivität £asst©ll-u0 wi^ä ©im® Verunreinigung vermieäeia. Die Metall© Kupfer, Silber, Sola uai. Aluminium* sind besondere geeigaet als BeMltenaaterial, well jedes Metall hohe elektriech® und ttesmiacke Leitfähigkeit feesitst» Silber wird bevo7z\igt verwendet, weil seine elektrische und thermische Leitfähigkeit am höchsten ist und weil es am leichtesten polierbar ist, wodurch die Wärme Strahlung optisch In--die zu echmelsend® Materialcharge reflektiert werden kann. Anstatt Silb©r können auch andere Metalle mit hoher Leitfähigkeit verwendet w@rära3 die eilberplattiert werden können.
Obwohl die Erfindung anhand eines aue s?wei Teilen bestehenden Behälters beschrieben wurde, ist es klar, daß gegebenenfalls eine größere Anzahl von feilbehältera verwendet werden kann. Sie optimale
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Anzahl von Teilen für eine besondere Anwendung wird teile durch die Widerstandserforderoisse der HP-Leistuugsquelle, teile durch die vorgesehene und angemessene Zirkulation der Kühlflüssigkeit bestimmt, Sie Anzahl wird gewöhnlich zwischen 2 und 8 Teilen liegen.
Die Erfindung kann auf Materialien angewandt werden» die zum Ansprechen auf HF-Ströme fähig sind, ob mit benötigter Torheizung oder nicht. Beispielsweise kann die Erfindung «um Kristallziehen und Einzelkrlstallwachstum verwendet werden. Las Prinzip dabei ist, daß, wenn diese Art von Behälter sich in einem geeigneten, von einem Induktionserhitzer gelieferten HP-YeId befindet, der Behälter selbst Bestandteil der Arbeitsspuleninduktivität ist und deshalb die zum Schmelzen der Charge notwendige Energie liefert. Sobald dieses Prinzip festliegt, können diese Behälter in verschiedener ϊοπη je nach der besonderen Anwendung angefertigt werden.
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Claims (1)

  1. - 9 - . ISE/Reg. 3563 - Pl 4β3 H.F.Sterling et al 40-1.
    PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zur Formgebung von reaktionsfähigem Material, insbesondere von Metallen hoher Reinheit, durch Wirbelstromschmelzen unter Verwendung eines hohlwandigen, aus Metall von großer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit bestehenden und als Schmelztiegel dienenden Behälters, der durch eine innerhalb der Wände fließende Flüssigkeit gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung durch mindestens zwei elektrisch gegeneinander isolierte Teilbehälter (10) erfolgt, die je einen sektorwelee an die zu gebende Form angepaßten Innenteil (11) besitzen, und daß das geschmolzene Material in dem von allen Innenteilen gebildeten, die gewünschte Form ergebenden Hohlraum (16) erstarrt.
    2. Verfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter reduzierten Luftdruck oder im Vakuum geschmolzen wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Schute eines Inerten Oases geschmolzen wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte das mit reduziertem Druck verwendet wird.
    5· Verfahren naoh einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das zu schmelzende Material gegebenen- - falls auf eine solche Temperatur vorgeheizt wird, daß Wirbeletröme im Material induziert werden können.
    6. Verfahren naoh einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktionsfähige Material dem Hohlraum (16) kontinuierlich durch einen EinfUllschacht (25) zugeführt wird.
    - 009812/0686 - 10 -
    BAO ORIGINAL
    " 10 " 1 5 F 8 ;f O 2
    ISE/Reg. 3563 - Pl 483 Η.Ϊ.Sterling et al 40-1
    7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß als reaktionsfähige Materialien Nickel, Titan, Zirkon, Chrom, Molybdän, Wolfram, Uran, deren Legierungen oder deren hitBebest ändige Verbindungen verwendet werden.
    8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktionsfähiges Material Halbleitermaterial verwendet wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial im Hohlraum (16) in einkristalliner Form hergestellt wird.
    10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus dem Hohlraum (16) in geschmolzenem Zustand entfernt wird, um einen Einkristall herzustellen.
    11. Verfahren nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß als Behältermaterial mindestens eines der Metalle Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium verwendet wird.
    12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbehälter (10) in geringem Abstand von einem weiteren als Rohr (14) gebildeten Behälter umgeben sind, über dessen äußerer Mantelfläche sich «ine schraubenförmige, als Primärwicklung dienende, hohle Kupftrspule (22) wärmeisoliert befindet, daß das Rohr (14) durch zwei Platten (15»18) dicht abgeschlossen ist und daß durch die Deckplatten sowohl die Einlaß- und Auslaßrohr· (12,13) der Teilbehälter als auch das Einlaß- und das Auslaßrohr (23,24) des Rohres (14) hinduroh treten.
    BAD ORIGINAL 009812/0686 _* -,11 -
    ISE/Reg. 3563 - Pl 483 H.F.Sterling et al 40-1
    13° Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (14) aus Quarz besteht.
    14o Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbehälter durch Ieoliermaterialzwischeulagen aus Glimmer (28) elektrisch voneinander isoliert sind.
    15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 biß H9 dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Plächen der Behälterteile so verlaufen, daß Licht und Wärme aus der Schmelze im Hohlraum (16) das Rohr (14) und die Isoliermaterialswiachenlagen (28) nicht erreichen (Pig. 3).
    16. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen zum Herstellen von Druckschaufeln für Turbinen und Strahltriebwerke.
    009812/0686
DE19671558202 1966-01-28 1967-01-26 Verfahren und Vorrichtung zur Formgebung reaktionsfaehigem Materials Pending DE1558202A1 (de)

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GB3896/66A GB1122944A (en) 1966-01-28 1966-01-28 Improvements in or relating to the treatment of reactive materials

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