DE2231770A1

DE2231770A1 - Verfahren und vorrichtung zum schmelzen, reinigen und legieren von metallportionen

Info

Publication number: DE2231770A1
Application number: DE2231770A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Dr Aichert
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1972-06-29
Filing date: 1972-06-29
Publication date: 1974-01-10
Also published as: DE2231770C3; GB1417089A; JPS4943806A; FR2190938B1; JPS5230124B2; FR2190938A1; DE2231770B2; US3879022A

Description

Hanau, den 5. Juni 1972 ZR3-Zap/IIan 725o5

LEYBOLD-IIERAEUS-GnibH & Co. KG

5ooo KÖLN 51 Bonner Straße 5o4

Patent- und Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung

"Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen, Reinigen und Legieren'von Metallportionen."

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzen, Reinigen und gegebenenfalls auch Legie-ren von zusammenhängenden, im Schinelzzustand durch ihre Oberf lächenspannun zusammengehaltenen Metallportionen, welche im Vakuum auf einer Unterlage der örtlichen Einwirkung einer Energiequelle ausgesetzt werden.

Durch die DT-PS 895 474 ist ein Verfahren der vorstehend beschriebenen Art vorbeknnnt, bei dem als Energiequelle Elektronenstrahlen und als Unterlage kleine, tiegelförmige Behälter verwendet werden, in denen sich das geschmolzene Material unter der Wirkung der Oberflächen-spannung zu Kugeln bzw. Tropfen zusamnonzieht. Die Schraelzunterlagen sind zwar bewegbar angeordnet, jedoch findet beim Transport der Unterlagen keine Relativbewegung zwischen den Schraelzgutmengen bzw. Portionen und der Unterlage statt. Die geschmolzene Materialmenge babält vielmehr ihre räumliche Lage zur Unterlage bei.

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Mit dem vorbekannten Gegenstand ist es jedoch nicht möglici: die zu behandelnden Materialportionen während des Schmelzens wirksam durch einen Entgasungsvorgang zu reinigen. Die Ursache hierfür ist darin zu suchen, daß die Unterlage den unteren Teil der geschmolzenen Materialportion gegenüber einem Gasaustausch mit der Umgebung gewissermaßen abschirmt. Der notwendige Gasaustausch ist also lediglich über den nach oben weisenden Teil der Oberfläche möglich, so daß sich für die gegenüberliegenden Volumenelenente der Materialportion erhebliche Diffusionsweglängen einstellen. Die Folge sind unerträglich lange Behandlungszeiten, Ein Legieren des Materials mit anderen Stoffen, das eine gute Durchmischung der einzelnen Komponenten voraussetzt, ist auf die bekannte Weise schon gar nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie auch eine Vorrichtung anzugeben, mittels welcher eine wirksame Reinigung von Metallportionen sowie gegebenen falls auch eine Legierungsbildung ermöglicht werden. Ferner sollen die Metallportionen während ihrer Behandlung, d.h-, Reinigung und/oder Legierung, stets unter dem Einfluß der Energiequelle bleiben, d.h. sich nicht aus ihrem Einflußbereich fortbewegen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Unterlage in der Weise gegenüber der geschmolzenen MetaSlportion bewegt wird, daß diese unter Beibehaltung ihrer räumlichen Lage auf der Unterlage abgewälzt wird. Auf die ärfindungsgenäße Weise ist es möglich, laufend neue Oberflächenteile der durch die Oberflächenspannung zusammengehaltenen Metallportionen in Wechselwirkung mit der umgebenden Atmosphäre zu bringen, insbesondere aber sie zeitweise von der Unterlage zu entfernen- Mit der

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Ab'wälzbewegung ist gleichzeitig ein Mischvorgang innerhalb der einzelnen Metallportionen verbunden, durch den laufend neue Yolumenelernente in den Bereich der Ober= fläche und wieder von ihr fortgebracht werden. Die notwendige Dif'fusionsweglänge wird hierdurch, stark reduziert und der Gasaustausch bzw. die Reinigungszeit werden merklich verkürzt. Mit der Abwälz- und Mischbewegung ' ist der "weitere Vorteil verbunden, daß auf diese Weise wirtschaftlich kleine Mengen von Legierungen hergestellt werden können. Schließlich ist auch die Temperaturverteilung in den Metallportionen aufgrund des Mischvor^anges wesentlich günstiger, so cUiß örtliche Überhit-zungen und daß damit verbundene Ausdampfen von leichter siedenden Legierungselementen vermieden v/erden. Infolge der Beibehaltung der räumlichen Lage werden außerdem komplizierte Regel- und"Steuermechanismen überflüssig, durch die die Energiequellen ansonsten der sich bewegenden l'ietallportion nachgeführt werden müßten.

Das erfindungsgeiaäße Verfahren kann entweder im Vakuum oder unter Schutzgas durchgeführt werden. Zur Verstärkung der Reinigungswirkung empfiehlt sich jedoch die Anwendung von Vakuum. Als Energiequellen kommen Lichtbögen, Plasmastrahlen, besonders zweckmäßig aber Elektronenstrahlen zur Anwendung. Bei der Verwendung von Elektronenstrahlen ist die Aufrechterhaltung eines Vakuums im Behandlungsraum unerlässlich, da die Ausbreitung von Elektronenstrahlen bei höheren Gasdichten merklich erschwert wenn nicht gar unmöglich gemacht wird. Elektronenstrahlen besitzen den zusätzlichen Vorteil einer hohen Energiedichte und einer leichten Steuerbarkeit ihrer Leistung und des Auftreffpunktes bzw. Brennflecks.

Die Abwälzbewegung der Metallportion auf der Unterlage

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kann beliebig erfolgen, besonders zweckmäßig ist jedoch die Ausführung einer periodischen Schwenkbewegung. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgeraäßen Verfahrens besteht aus einer -Vakuumkammer, einer Energiequelle und einer Unterlage für die zu behandelnden Metallportionen. Sie ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage drehbeweglich aufgehängt is»t und eine Abv/älzflache besitzt, welche kreisförmig gekrümmt ausgebildet ist, wobei die Kreisebene .senkrecht steht und der Drehpunkt der Bewegung mit dem Mittelpunkt der Abwälzfläche zusammen fällt. Denkbar wäre in diesem Zusammenhang die Ausbildung der Unterlage als ringförmige, geschlossene Kille, deren Achse horizontal ausgerichtet ist. Bei einer Drehung der Unterlage um diese Achse behält die geschmolzene Metallportion ihre Lage an der tiefsten Stelle der Ringrille d'.h. unterhalb der Drehachse bei. Bei Anwendung einer periodischen Schwenkbewegung genügt es, einen Ausschnitt&us dem genannten ringförmigen Tiegel zu verwenden und diesen um ae~n Mittelpunkt schwenkbar zu befestigen. Zu diesem Zweck wird die Unterlage zweckmäßig an einem Schwenkhebel befestigt, dessen Drehachse horizontal und durch den Mittelpunkt der Kreisebene der Abv/älzf lache gehend ausgerichtet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das in ihr ausgeübte, erfindungsgemäße Verfahren, seien nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.

Es zeigen: Figur 1 einen durch die Schwenkebene verlaufenden Schnitt durch Unterlage und Metallprobe mit einem Elektronenstrahlerzeuger als Energiequelle und Figur 2 einen Schnitt durch Unterlage und Metallportion senkrecht zum Schnitt gemäß Figur 1, jedoch mit einer Lichtbogenelektrode als Energiequelle.

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In Figur 1 ist mit 1 ein Elektronenstrahlerzeuger bezeichnet, der über eine Druckstufenstrecke 2 einen vollbeschleunigten, hochenergetischen Elektronenstrahl 3 aussendet. Der Elektronenstrahl wird mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten Ablenkma-gnetsysteras auf einer schwachgekrümraten Bahn geführt und trifft am' Ende dieser Bahn auf eine Metal!portion 4 auf, die in dem dargestellten Betriebszustand bereits geschmolzen ist und durch die ihr' eigene Oberflächenspannung in Tropfenform zusammengehalten wii'd. Der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls 3 wird auch als Brennfleck 5 bezeichnet.

Die schmelzflüssige Metallportion 4 ruht auf einer Unterlage 6, welche nach Art einer aufgebogenen Rinne kreisförmig gekrümmt ausgebildet ist, wobei die Kreisebene der Krümmung in der Zeichenebene verläuft und in der Praxis· senkrecht steht. Die aufgebogene Rinne ist ein Segment eines kreisförmigen Ringtiegels, welcher einen Hohlraum 8 zur Aufnahme eines Kühlmeditims, beispielsweise Wasser, enthält. Die Unterlage ist außerdem senkrecht zur Zeichenebene aufgebogen, sodaß eine nach Art einer Hängematte gebogene Wanne entsteht, die die schmelzflüssige .Metallportion 4 unter Wahrung eines stabilen Gleichgewichtszustandes umschließt. Der Mittel-punkt des Kreises ist mit 9 angegeben. Er ist gleichzeitig Dreh- bzw. Schwenkachse der Unterlage 6 und rait dieser durch einen Schwenkhebel Io verbunden^ Infolge eines in der Zeichnung nicht dargestellten Antriebes ist die Unterlage 6 in der Lage^periodische Schwenkbewegungen auszuführen und hierbei Endstellungen einzunehmen, die durch die gestrichelten Urarißlinien 6a und 6b dargestellt sind. Die Frequenz dieser Schwenkbewegunge liegt zwischen ca.o,lund ca I Hz. Die Amplitude der Schwingung beträgt im vorliegenden Fall ca 6οWinkelgrade. Bei Ausführung dieser Schwenkbewegung führt die Metall-

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portion 4 eine Abwälzbewegung auf der Innenfläche der Unterlage 6 aus, die aus diesem Grunde auch als Abwälzfläche 11 bezeichnet ist. Durch das Abrollen der Metallportion werden laufend neue Oberflächenteile von der Abwälzfläche abgehoben und in Wechselwirkung mit der umgebenden Atmosphäre gebracht..Da der Tiefstpunkt der Unterlage 6 infolge der geometrischen Gestaltung stets an der gleichen Stelle, nämlich unterhalb der Drehachse 9 verbleibt behält die Metallportion zwangsweise auch die in der Zeichnung dargestellte Lage. bei. Es ist somit gewährleistet, daß der Elektronenstrahl 3 stets auf die Metallportion auftrifcfc.^Die gesamte Anordnung ist von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Vakuumkammer umgeben, die in bekannter Weise durch ebenfalls nicht dargestellte Vakuumpumpen evaköierbar· ist.

In Figur 2 sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sich eine Wiederholung an dieser Stelle erübrigt. Anstelle des Elektronenstrahlerzeuger 1 ist jedoch eine abbrandfeste Lichtbogenelektrode 12 angeordnet. Auf Grund eines Stromanschlusses an diese Elektrode und an die Unterlage 6 von unterschiedlicher Polarität kann zwischen der Lichtbogenelektrode 12 und der mit der Unterlage 6 in elektrisch leitender Verbindung stehenden Metallportion 4 ein Lichtbogen 13 gezündet werden, der zum Schmelzen bzw. zur v/eiteren Beheizung der Metallportion dient. Die Funktion der in Figur 2 dargestellten Variante ist ansonsten völlig analog derjenigen gemäß Figur 1. Die Schwenkbewegung wird bei dem Gegenstand gemäß Figur 2 senkrecht zur Zeichenebene ausgeführt.

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Claims

PATENTAHSPRUCHE: . ■ ■ j

1. Verfahren zum Schmelzen, Reinigen und ggf. auch Legieren von zusammenhängenden, im Schmelzzxistand durch die Oberflächenspannung zusammengehaltenen j Metallportionen welche im Vakuum auf einer Unterlage der örtlichen Einwirkung einer Energiequelle ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet_t daß die Unterlage (6) in der Weise gegenüber der geseholzenen Metallportion (4) bewegt wird, daiä diese unter Beibehaltung ihrer räumlichen Lage auf der. Unterlage abgewälzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_t daß als Energiequelle ein Elektronenstrahl (3) verwendet und die Metallportion (4) bei ihrer Abwälzbewegung im Brennfleck (5) des Elektronenstrahls gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennseichnei;« daß die Bewegung eine periodische Schwenkbewegung ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An- Spruch 1, bestehend aus einer Vakuumkammer, einer Energiequelle und einer Unterlage für die zu behandelnden Metallportionen, dadurch gekennzeichnet _t daß die Unterlage (6) drehbeweglich aufgehängt ist und eine Abwälzfläche (11) besitzt, welche kreisförmig gekrümmt ausgebildet ist, wobei die Kreisebene senkrecht steht und die Drehachse (8) der Bewegung mit dem Mittelpunkt der Abimlzf lache zusammenfällt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Unterlage (6) als kreisförmig aufgebogene Rinne (7) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch nekennzeichnet, daß die Unterlage (6) an einem Schwenkhebel (Io) befestigt ist, dessen Drehachse (9) horizontal und durch den Mittelpunkt der Kreisebene der Abwälzflache (11) gehend ausgerichtet ist.

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