DE19504359C1 - Verfahren zum Herstellen von Legierungen in einem induktiv beheizten Kaltwandtiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Legierungen aus mindestens zwei Legierungskomponenten (A, B, C, D, . . . ) mit unterschied­ lichen Schmelzpunkten durch Schmelzen in einem induktiv beheizten Kalt­ wandtiegel mit gekühltem Tiegelboden.

Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit dem Schmelzen von reaktiven, refraktären Metallen und Legierungen in einem Kaltwandtiegel-Ofen unter Vakuum und/oder Schutzgas, vorzugsweise im Vakuum.

Bei den herkömmlichen Vakuum-Induktionsöfen besteht der von der Induk­ tionsspule oder einem Spulensatz umgebene Tiegel in aller Regel aus einem keramischen Werkstoff, so daß die erhebliche Gefahr einer Verunreinigung der Schmelze durch Keramik-Partikel besteht. Derart kontaminierte Le­ gierungen sind für zahlreiche Zwecke unbrauchbar. Es ist auch bekannt, zwischen dem Tiegel und der Induktionsspule eine Ofenwand aus einem magnetischen Werkstoff anzuordnen, um die Induktionsspule außerhalb des Vakuums anordnen zu können. Dies ändert aber nichts an der Tatsache, daß zum Zwecke eines Durchgangs der induktiv aufgebrachten Leistung der Tiegel wiederum aus einem keramischen Werkstoff besteht.

Um die Schmelze gegen eine Kontaminierung durch Keramik-Partikel zu schützen, sind sogenannte Kaltwandtiegel bekannt, die aus einem wasserge­ kühlten Hohlkörper aus Metall bestehen, der gleichfalls von einer Induktions­ spule umgeben ist. Vorzugsweise besteht der Hohlkörper aus Kupfer. Um dabei dem elektromagnetischen Feld das Eindringen in den Tiegelinhalt zu ermöglichen, ist der metallische Hohlkörper, der die Tiegelwand bildet, ge­ schlitzt ausgeführt. Durch die Schlitzung kann induktive Energie in das zu schmelzende Gut eingekoppelt werden. Die prinzipielle Funktionsfähigkeit derartiger Kaltwandtiegel wurde bereits mehrfach erprobt. So kann damit z. B. ein Erschmelzen von reinen, reaktiven bzw. refraktären Metallen wie Titan, Zirkonium etc. ohne eine keramische Kontamination der Schmelze durchge­ führt werden. Bei der Herstellung von Legierungen, ausgehend von einzelnen Legierungskomponenten mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und Dichten entstehen jedoch in einem Kaltwandtiegel Probleme. Die Ursache dieser Probleme liegt in der Ausbildung eines Skulls an der wassergekühlten Tiegelwand, insbesondere aber am Tiegelboden.

Durch die den Kaltwandtiegel umschließende Spule wird ein elektro­ magnetisches Feld erzeugt, durch das einerseits die notwendige Energie in das Schmelzgut eingebracht und andererseits eine Kraftwirkung auf den in der Schmelze induzierten Strom erzeugt wird. Diese Kraft bewirkt ein Ab­ drücken der Schmelze von der Tiegelwand. Gleichzeitig entsteht in der Schmelze eine Strömung, die zu einer instabilen Schmelzsäule führt, wobei die Schmelze die wassergekühlte Tiegelwand ungleichmäßig und unregel­ mäßig berührt und zu einer festen Schale (Skull) erstarrt.

Die übliche Beschickung von Schmelztiegeln aller Art geschieht bei der Her­ stellung von Legierungen durch ein Gemenge aus den einzelnen Legierungs­ komponenten, die in Form von Granulat, Pulver, Schwamm, Chips und anders geformten Stücken vorliegen können. Üblicherweise haben die einzelnen Legierungskomponenten unterschiedliche Dichten und Schmelz­ punkte. Abgesehen von der bereits beschriebenen Kontaminierung der Schmelze durch keramische Partikel entstehen bei den klassischen Schmelz­ tiegeln keine größeren Probleme hinsichtlich der Zusammensetzung und der Homogenität der Legierung.

Wird diese klassische Beschickungsart mit einem Gemenge aus den einzelnen Legierungskomponenten jedoch auf die Beschickung eines Kalt­ wandtiegels übertragen, so ist zunächst einmal die chemische Zusammen­ setzung des Skulls rein zufällig. Daraus resultiert zwangsläufig eine unde­ finierte Zusammensetzung der flüssigen Restschmelze. Hinzu kommt, daß die hochschmelzenden und dichteren Legierungselemente wie beispielsweise Niob, Vanadium, Mangan, Tantal etc. durch die leichtere Schmelze aus bei­ spielsweise Aluminium und/oder Titan, absinken und in dem erstarrten oder in Erstarrung befindlichen Skull auf dem wassergekühlten Boden des Kaltwand­ tiegels eingebaut werden, ohne sich in der Schmelze aufzulösen. Dort bleiben sie entweder ungelöst oder lösen sich sehr langsam in der Schmelze auf, wodurch die Produktivität des betreffenden Ofens stark verringert wird. Diese Unsicherheit bei der Einstellung der Homogenität der Legierung macht es unmöglich, eine reproduzierbare chemische Zusammensetzung der Legierung durch den Einsatz von gemischten Legierungskomponenten in einem Kaltwandtiegel-Ofen zu erzielen.

Die Mikrostruktur und somit die mechanischen Eigenschaften eines Werk­ stoffes sind jedoch stark von der chemischen Zusammensetzung abhängig, was im einzelnen noch in der Detailbeschreibung näher erläutert wird. Aus diesem Grunde werden Legierungen noch heute in Vakuum-Lichtbogenöfen mehrmals umgeschmolzen, und es werden zum Umschmelzen fertig legierte Materialien bzw. vorlegierte Masterlegierungen als Abschmelzelektroden ein­ gesetzt (US-PS 4 738 713). Diese Arbeitsweise ist jedoch für die meisten Anwendungszwecke wirtschaftlich nicht tragbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, durch das Legierungen mit außerordent­ lich homogener Verteilung der Legierungskomponenten in einem Kaltwand­ tiegel hergestellt werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man mindestens einen Teil der Legierungskomponenten (A, B, C, D, . . . ) nacheinander und geschichtet in den Kaltwandtiegel einbringt und dabei entweder

• a) die Legierungskomponente (A) mit dem jeweils niedrigeren Schmelz­ punkt zuerst chargiert, oder
• b) die Legierungskomponente mit der jeweils niedrigeren Dichte zuerst chargiert

und nach dem Einbringen mindestens einer weiteren Legierungskomponente die Heizenergie einschaltet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um eine Schmelz­ technik, durch die sichergestellt wird, daß - ausgehend von den einzelnen Legierungskomponenten mit unterschiedlichen Dichten und Schmelzpunkten - eine gewünschte Legierung mit exakter chemischer Zusammensetzung her­ gestellt wird. Entgegen den bisherigen Erfahrungen mit Kaltwandtiegel-Öfen hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß durch die Einhaltung der er­ findungsgemäßen Chargiertechnik eine exakte chemische Zusammen­ setzung einer Legierung reproduzierbar herstellbar ist. Das Problem der chemischen Inhomogenität bei der Erschmelzung in einem Kaltwandtiegel-Ofen der oben beschriebenen Art wird dadurch auf einfache Weise gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß im Gegensatz zur bisherigen Praxis der Chargierung die Legierungselemente nicht als Gemenge in den Ofen eingegeben werden, sondern erfindungsgemäß nacheinander bzw. schichtweise.

Ein beträchtlicher Vorteil wird bereits dann erzielt, wenn bei einer Mehr­ stofflegierung die beiden ersten Legierungskomponenten in der Reihenfolge ihrer Schmelzpunkte eindosiert werden. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn man die Legierungskomponenten (A, B, C, D, . . . ) sämtlich in der Reihenfolge ihrer Schmelzpunkte in festem Zustand im Kaltwandtiegel auf­ schichtet und danach die Heizenergie einschaltet.

Die Chargierung erfolgt also mit einer ersten Schicht aus dem am niedrigsten schmelzenden Metall, mit einer zweiten Schicht aus dem nächst höher schmelzenden Metall und mit einer dritten Schicht aus dem wiederum höher schmelzenden Metall als in der zweiten Schicht, und so fort.

Werden Legierungskomponenten eingesetzt, deren Schmelzpunkte in einer vergleichbaren Größenordnung (bis +/-50°C) liegen, dann gilt die Dichte dieser Komponenten als Parameter für die Reihenfolge der Zugabe. In diesem Fall wird die Komponente mit der jeweils geringeren Dichte vor der Komponente mit der jeweils größeren Dichte eingesetzt.

Nachdem der Kaltwandtiegel - wie vorstehend beschrieben - beladen ist, wird die Heizenergie eingeschaltet und das Chargiergut induktiv aufgeheizt. Nach Erreichen der entsprechenden Temperatur schmilzt die auf dem Tiegelboden ruhende Komponente mit dem niedrigsten Schmelzpunkt auf. Die im wesent­ lichen aus diesem Material bestehende Schmelze bildet auf dem wasserge­ kühlten Tiegelboden einen Skull, der in Abhängigkeit von der Tiegel­ geometrie, Bodenkühlung und von den physikalischen Eigenschaften der Komponente eine definierte Dicke hat. Die höher schmelzenden Kompo­ nenten werden gleichzeitig in der Phase stark vorgewärmt und rutschen nach und nach in die im unteren Teil befindliche geschmolzene Komponente hinein und lösen sich unter Bildung der gewünschten Legierung mit exakter chemischer Zusammensetzung auf. Die starke Rührwirkung des elektro­ magnetischen bzw. induktiven Feldes sorgt für eine ausgezeichnete Homo­ genisierung der Schmelze. Da der im wesentlichen aus der Komponente mit dem niedrigsten Schmelzpunkt bestehende Bodenskull nicht an dem eigent­ lichen Legierungsaufbau teilnimmt, muß die durch den Skull verloren ge­ gangene Menge an dieser Legierungskomponente bei der Berechnung der Einsatzmenge berücksichtigt werden. Dies bedeutet, daß man die Legie­ rungskomponente (A) mit dem niedrigsten Schmelzpunkt mit einem solchen Überschuß dosiert eingibt, daß die einen Skull auf dem Tiegelboden bildende Menge dieser Legierungskomponente kompensiert wird.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Betriebsfrequenz der Induktions­ spule unter Berücksichtigung der Dichte der Legierungsschmelze und der Höhe der Schmelzensäule so gewählt wird, daß

• a) nahe der Schmelzenoberfläche eine derart hohe Induktionsstromdichte erreicht wird, daß im Kaltwandtiegel unter der Kraftwirkung des induk­ tiven Feldes eine stabile Schmelzensäule ausgebildet wird, und
• b) die Schmelze bis auf einen Bereich am Tiegelboden von der Tiegel­ wand ferngehalten wird.

Dadurch wird erreicht, daß die flüssige Schmelze auf dem Tiegelboden ohne Berührung mit der Tiegelwand stabil steht.

Dieser stabile Zustand wird in besonders vorteilhafter Weise dann erreicht, wenn man den Kaltwandtiegel mit einer von unten nach oben in Teilspulen unterteilten Induktionsspule umgibt und die Teilspulen mit individuell ge­ regelter oder gesteuerter Heizenergie versorgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonders vorteilhafter Weise zur Herstellung der intermetallischen Phase TiAl. Hierbei wird zu­ nächst das Aluminium und nachfolgend das Titan im Kaltwandtiegel aufge­ schichtet und danach die Heizenergie eingeschaltet.

Bei Legierungen mit den zusätzlichen Legierungskomponenten Chrom und Niob wird in besonders vorteilhafter Weise so verfahren, daß die Legierungs­ komponenten in der Reihenfolge Aluminium, Titan, Chrom, Niob in dem Kalt­ wandtiegel aufgeschichtet werden und danach die Heizenergie eingeschaltet wird.

In besonders vorteilhafter Weise wird dabei das Aluminium als Granulat und das Titan als Titanschwamm in den Kaltwandtiegel eingebracht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens er­ geben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend an­ hand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Kaltwandtiegel mit einer ge­ schichteten Charge aus vier Legierungskomponenten in kaltem Zustand,

Fig. 2 die Anordnung analog Fig. 1, jedoch nach dem Aufschmelzen der gesamten Charge, und

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Diagramm des Zweistoffsystems TiAl mit der Abhängigkeit der verschiedenen Phasen vom Ge­ halt der Schmelze an Aluminium in Atomprozent.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Kaltwandtiegel 1 dargestellt, der aus einer ge­ schlitzten Tiegelwand 2 in Form eines wassergekühlten Hohlkörpers und aus einem Tiegelboden 3 besteht, der gleichfalls als wassergekühlter Hohlkörper ausgeführt ist. Die Kühlwasseranschlüsse sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, das Kühlwasser durch ein anderes Kühlmedium zu ersetzen. Die Tiegelwand ist von einer Induktionsspule 4 um­ geben, die die notwendige Heiz- und Schmelzenergie liefert. Die Stromver­ sorgungseinheit ist gleichfalls nicht dargestellt. Da derartige Anordnungen von Kaltwandtiegel und Induktionsspule - für sich genommen - Stand der Technik sind, ist ein weiteres Eingehen hierauf überflüssig.

Es sei lediglich festgehalten, daß die Induktionsspule 4 mit einer größeren Windungszahl ausgestattet und in einzelne Teilspulen unterteilt werden kann, die an voneinander unabhängige Stromversorgungseinheiten angeschlossen werden können. Diese können alsdann getrennt voneinander geregelt oder gesteuert werden, um die Heizleistung über die Höhe gezielt einstellen zu können.

In Fig. 1 befindet sich die Legierungskomponente A mit dem niedrigsten Schmelzpunkt (im vorliegenden Falle Aluminium mit einem Schmelzpunkt von etwa 660°C) unmittelbar auf dem Tiegelboden 3. Darauf aufgeschichtet ist die Legierungskomponente B mit dem nächst höheren Schmelzpunkt (im vor­ liegenden Fall Titan mit einem Schmelzpunkt von etwa 1660°C). Wiederum darauf aufgeschichtet ist die Legierungskomponente C (im vorliegenden Falle Chrom mit einem Schmelzpunkt von etwa 1857°C). Als oberste Legierungs­ komponente D wurde ein Metall mit einem noch höheren Schmelzpunkt auf­ geschichtet (im vorliegenden Fall Niob mit einem Schmelzpunkt von etwa 2468°C).

Fig. 2 zeigt die aus den Legierungskomponenten A bis D gebildete Schmelze 5 in Form einer oben abgerundeten Säule. Diese Schmelze ruht zwar auf dem Tiegelboden 3, hat aber von der Tiegelwand 2 einen von unten nach oben zunehmenden Abstand, so daß in diesem Bereich kein Skull ge­ bildet wird. Der Kaltwandtiegel 1 besitzt eine Achse X-X, d. h. die Tiegelwand 2 ist - abgesehen von den Schlitzungen 6, als Hohlzylinder ausgebildet, und der Tiegelboden 3 hat die Form eines gedrungenen Zylinders mit gleichem Außendurchmesser wie die Tiegelwand 2. Die Schmelze 5 hat eine Schmelzenoberfiäche 5a in Form eines elliptischen Rotationsparaboloids.

Anhand von Fig. 3 wird erläutert, welche Bedeutung die exakte Einstellung der chemischen Zusammensetzung auf die Weiterverarbeitung der Legierung zur Erreichung der gewünschten mechanischen Eigenschaften eines Werk­ stücks (z. B. eines Auslaßventils eines Verbrennungsmotors) hat. In diesem Fall handelt es sich um ein Diagramm für eine TiAl-Legierung (nach Dowling u. a., "TiAl-Based Alloys for Exhaust Valve Applications", veröffentlicht in "New Engine Design and Engine Component Technology", 1993, Seiten 30 bis 38). Der Bereich I zeigt, daß bei exakter Zusammensetzung der Legierung das Temperaturfeld für die Wärmebehandlung des Werkstoffs größer ist, um eine optimale Mikrostruktur und somit optimale mechanische Eigenschaften zu erreichen. Der Bereich II verdeutlicht, daß bei einer breiteren Analysen­ spanne der Legierung das Temperaturfenster zur Wärmebehandlung wesent­ lich kleiner ist. Wird die Analysenspanne nur um 1 Atomprozent Aluminium erweitert, ist es nicht möglich, bei gleicher Wärmebehandlung der Bauteile identische Mikrostrukturen und mechanische Eigenschaften aller Bauteile zu erzielen. Dies ist selbst dann nicht der Fall, wenn die Legierungszusammen­ setzung nicht aus dem Beständigkeitsbereich der intermetallischen Phase TiAl herausfällt und wenn die chemische Zusammensetzung innerhalb des Beständigkeitsbereichs der TiAl-Phase liegt. Dies ist der bereits weiter oben beschriebene Grund dafür, daß noch nach heutigen Gesichtspunkten die ent­ sprechenden Legierungen mehrmals im Vakuum-Lichtbogenofen umge­ schmolzen und dabei fertig legiertes Material bzw. vorlegierte Master­ legierungen eingesetzt werden.

Beispiel

In einem Kaltwandtiegel nach den Fig. 1 und 2 mit einem Nennvolumen von 4000 cm³ wurden zur Herstellung der intermetallischen Phase TiAl die nachstehenden Elemente von unten nach oben chargiert:

1635 g Aluminiumgranulat
3047 g Titanschwamm
132,5 g Chrom
235,5 g Niob

Die betreffende Schichtung entspricht dabei derjenigen in Fig. 1.

Anschließend wurde die den Kaltwandtiegel 1 umgebende und nicht darge­ stellte Ofenkammer geschlossen und auf einen Druck von 10^-1 mbar eva­ kuiert und die elektrische Leistung mit einer Betriebsfrequenz von 10 kHz und einer Leistung von 220 kW eingeschaltet. Während der Einschmelzperiode konnte beobachtet werden, daß mit der Verflüssigung des auf dem Tiegel­ boden aufliegenden Aluminiums die Elemente Titan, Chrom und Niob nachrutschten und nacheinander in der sich bildenden Schmelze in Lösung gingen. Nach 20 Minuten war die gesamte Charge flüssig. Die Schmelzsäule 5 stand gemäß Fig. 2 stabil auf dem Tiegelboden 3, ohne einen Skull an der Tiegelwand zu bilden. Nach weiteren 5 Minuten wurde die Schmelze abge­ stochen. Die nachfolgende Tabelle zeigt in Gegenüberstellung von Soll- und Istwerten die erzielte chemische Zusammensetzung der Schmelze. Es hat sich gezeigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine exakte chemische Zusammensetzung der Legierung auch beim Einsatz von einzel­ nen Elementen mit unterschiedlichen Dichten und Schmelzpunkten in einem Kaltwandtiegel erreicht wird:

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen von Legierungen aus mindestens zwei Le­ gierungskomponenten (A, B, C, D, . . . ) mit unterschiedlichen Schmelz­ punkten durch Schmelzen in einem induktiv beheizten Kaltwandtiegel (1) mit gekühltem Tiegelboden (3), dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Teil der Legierungskomponenten (A, B, C, D, . . . ) nacheinander und geschichtet in den Kaltwandtiegel (1) einbringt und dabei entweder

• a) die Legierungskomponente (A) mit dem jeweils niedrigeren Schmelzpunkt zuerst chargiert, oder
• b) die Legierungskomponente mit der jeweils niedrigeren Dichte zuerst chargiert

und nach dem Einbringen mindestens einer weiteren Legierungskom­ ponente die Heizenergie einschaltet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungskomponenten (A, B, C, D, . . . ) in der Reihenfolge ihrer Schmelzpunkte in festem Zustand im Kaltwandtiegel (1) aufschichtet und danach die Heizenergie einschaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man beim Einsatz von Legierungskomponenten, deren Schmelzpunkte maximal +/-50°C auseinanderliegen, die Dichte der Legierungskomponenten als Kriterium für die Reihenfolge der Chargierung verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Herstellung der intermetallischen Phase TiAl zunächst das Alu­ minium und nachfolgend das Titan im Kaltwandtiegel (1) aufschichtet und danach die Heizenergie einschaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Legierungen mit den zusätzlichen Legierungskomponenten Chrom und Niob die Legierungskomponenten in der Reihenfolge Aluminium, Titan, Chrom, Niob in dem Kaltwandtiegel (1) aufschichtet und danach die Heizenergie einschaltet.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Aluminium als Granulat und das Titan als Titanschwamm in den Kalt­ wandtiegel (1) einbringt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungskomponente (A) mit dem niedrigsten Schmelzpunkt mit einem solchen Überschuß dosiert eingibt, daß die einen Skull auf dem Tiegelboden (3) bildende Menge dieser Legierungskomponente kom­ pensiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ triebsfrequenz der Induktionsspule (4) unter Berücksichtigung der Dichte der Legierungsschmelze (5) und der Höhe der Schmelzensäule so gewählt wird, daß

• a) nahe der Schmelzenoberfiäche (5a) eine derart hohe Induk­ tionsstromdichte erreicht wird, daß im Kaltwandtiegel (1) unter der Kraftwirkung des induktiven Feldes eine stabile Schmelzen­ säule (5) ausgebildet wird, und
• b) die Schmelze bis auf einen Bereich am Tiegelboden (3) von der Tiegelwand (2) ferngehalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ triebsfrequenz zwischen 6 und 15 kHz gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfrequenz zwischen 8 und 12 kHz gewählt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kaltwandtiegel (1) mit einer von unten nach oben in Teilspulen unter­ teilten Induktionsspule (4) umgibt und die Teilspulen mit individuell ge­ regelter oder gesteuerter Heizenergie versorgt.