DE2853442C3 - - Google Patents

Description

Patentansprüche

1. Verfahren zum Entfernen von nichtmetallischen Einschlüssen aus einer Metallcharge durch folgende Schritte:

a) Schmelzen der Metallcharge, um ein Schmelzbad zu bilden,

b) Richten eines Elektronenstrahls auf die Schmelzbadoberfläche, der das Schmelzbad in schmelzflüssigem Zustand hält, und

c) Entnehmen von reinem schmelzflüssigem Metall aus dem mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Schmelzbad,

dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl nur auf einen vorgewählten Teil der Schmelzbadoberfläche gerichtet wird, um die Einschlußverunreinigungen in der Charge, die infolge von Dichtedifierenzen bestrebt sind, auf der Schmelzbadoberfläche zu schwimmen, in übrige, nicht durch den Elektronenstrahl beaufschlagte Oberflächenbereiche abzusondern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallcharge ein Metallblock ist, der abgeschmolzen wird, um ein Schmelzbad zu bilden, indem das Ende des Blockes mit einem Elektronenstrahl beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzflüssige Metall von dem Block abtropft und in einem metallischen Tiegel gesammelt wird, der eine zentrale Metalltropfenaufnahmekammer und einen langgestreckten Metallauslaßkanal sowie einen Einschlußauslaßkanal hat, die mit der zentralen Kammer in Verbindung stehen, in welcher sich die schmelzflüssigen Metalltropfen sammeln und das Schmelzbad bilden.

4. Verfahren nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl auf denjenigen Teil der Schmelzbadoberfläche gerichtet wird, welcher sich neben dem Metallauslaßkanal befindet, so daß die Verunreinigungen in denjenigen Teil der Schmelzbadoberfläche abgesondert werden, der sich neben dem Einschlußauslaßkanal befindet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das reine schmelzflüssige Metall aus dem Tiegel über den Metallauslaßkanal durch Überlaufen entnommen wird, wenn sich die zentrale Kammer mit dem schmelzflüssigen Metall füllt

6. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit

a) einem Tiegel (14) mit einer zentralen Metallaufnahmekammer (16) und einem Metallauslaßkanal (18), der mit der Kammer in Verbindung steht,

b) einer Vorrichtung (2, 10) zum Schmelzen der Metallcharge (4) und zum Bilden eines Schmelzbades (7) in der Metallaufnahmekammer des Tiegels,

c) einem Elektronenstrahlerzeugersystem

(24), welches einen Elektronenstrahl (22) auf die Schmelzbadoberfläche richtet, um das Schmelzbad in schmelzflüssigem Zustand zu halten, und

d) einer Vorrichtung (30) zum Aufnehmen des reinen schmelzflüssigen Metalls, wenn dieses über den Kanal (18) abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenstrahlerzeugersystem (24) den Elektronenstrahl (22) nur auf denjenigen Teil der Schmelzbadoberfläche richtet, welcher sich neben dem Metallauslaßkanal (18) befindet, wobei die selektive Elektronenstrahlbeaufschlagung nicht nur das Schmelzbad in dem schmelzflüssigen Zustand hält, sondern auch bewirkt, daß die Einschlußverunreinigungen, die infolge von Dichtedifierenzen dazu neigen, an die Schmelzbadoberfläche zu schwimmen, sich in die übrigen Oberflächenteile absondern, welche von dem Auslaßkanal (18) entfernt sind, und bei der Abgabe des reinen schmelzflüssigen Metalls auf diese übrigen, von dem Auslaßkanal (18) entfernten Oberflächenteile des Schmelzbades beschränkt bleiben.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (14) außerdem einen Einschlußauslaßkanal (20) aufweist, der mit der Metallaufnahmekammer (16) in Verbindung steht, wobei die Tiefe des Einschlußauslaßkanals (20) geringer ist als die des Metallauslaßkanals (18), so daß das reine schmelzflüssige Metall nur aus dem Metallauslaßkanal austritt, wenn der Tiegel mit schmelzflüssigem Metall gefüllt wird.

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (14) ein gekühlter Kupfertiegel ist, so daß eine Schale zwischen dem Tiegel und dem Schmelzbad (7) gebildet wird.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzvorrichtung (2,10) oberhalb der Metallaufnahmekammer (16) des Tiegels (14) angeordnet ist und eine Blockvorschubvorrichtung (2) und ein Elektronenstrahlerzeugersystem (10) aufweist, das einen Elektronenstrahl auf den Block (4) richtet, um diesen zu schmelzen, wobei die schmelzflüssigen Tropfen in die Aufnahmekammer des Tiegels fallen, wenn der Block dem Elektronenstrahl zum Schmelzen zugeführt wird.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein weiteres Elektronenstrahlerzeugersystem (28), das einen Elektronenstrahl (26) auf das reine schmelzflüssige Metall in dem Metallauslaßkanal (18) richtet um eine Endtemperaturkontrolie des schmelzflüssigen Metalls vorzunehmen.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (30) für das reine schmelzflüssige Metall, das aus dem Tiegel (14) abgegeben wird, eine Form ist.

Hierzu 1 Seite(n) Zeichnungen

Claims (1)

1
Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 6 angegebenen Art

Gasturbinentriebwerksteile sind harten Betriebsbedingungen ausgesetzt, beispielsweise hohen Temperaturen, hohen Belastungen und korrodierenden Atmosphären. Infolgedessen sollten solche Teile aus Metallen und Legierungen hergestellt werden, die so rein wie möglich sind. Es ist insbesondere wichtig, Metalle und Legierungen zu benutzen, die einen minimalen Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen wie SiO₂, Al₂O₃, MgO, usw. haben, da solche Einschlüsse die mechanischen Eigenschaften des Materials nachteilig beeinflussen. Zu diesem Zweck werden bislang zahlreiche Verfahren angewandt, um die Reinheit der Metalle sicherzustellen. Beispielsweise werden das Vakuuminduktionsschmelz-, das Vakuumlichtbogenumschmelz- und das Elektroschlackeumschmelzverfahren angewandt, um Legierungen in Blöcke zum Schmieden, zur Pulverherstellung und zum Investmentguß umzuwandeln. Diese Verfahren haben jedoch weniger als zufriedenstellende Ergebnisse gebracht, und tatsächlich wird in einigen Fällen eine Zunahme des Auftretens von veninreinigenden Fremdeinschlüssen beobachtet.

Durch ein bekanntes Verfahren und ein bekanntes Gerät der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 6 angegebenen Art (DE 25 28 999 Al) lassen sich lediglich nichtschmelzbare Verunreinigungen entfernen, die sich in einem elektronenstrahlbeheizten Zwischenbehälter in der Metallschmelze absetzen, nicht aber Verunreinigungen, die auf der Metallschmelze schwimmen. Die Schweretrennung von ungelösten Komponenten bei dem Prozeß des Reinigens einer Überlaufschmelze, wobei die schweren Einschlüsse auf die Sohle des Schmelzbads absinken und einen Damm vor der Auslauflippe nicht überwinden können, und leichte, auf dem Schmelzbad schwimmende Schlacketeilchen von einem als Abstreifer wirkenden gekühlten Metallrohr zurückgehalten werden, ist an sich bekannt (Aufsatz "Einsatzmöglichkeiten und Entwicklungstendenzen von Elektronenstrahl-Schmelzöfen" von Herbert Stephan, Neue Hütte, November 1971, Heft 11, S. 650-657). Die Wirkungsweise einer solchen Vorrichtung mit wassergekühltem Rohr als Abstreifer ist zwar in der DE 21 09 209 C3 näher beschrieben, Angaben über die Zuverlässigkeit des Abstreifvorgangs und insbesondere über das Entfernen der sich an dem Abstreifer ansammelnden Schlacketeilchen fehlen jedoch gänzlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässigeres Verfahren zum Entfernen von nichtmetallischen Einschlüssen aus einer Metallcharge und ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen sich hochreine Schmelzprodukte zum Schmieden, zur Pulverherstellung, zum Gießen oder für andere metallurgische Prozesse erzielen lassen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 6 angegebenen Schritte bzw. Merkmale gelöst.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein vorgeschmolzener Block, der Verunreinigungen in Form von Einschlüssen enthält, in einen besonders gestalteten Kupfertiegel in Tropfen abgeschmolzen, indem ein erster Elektronenstrahl über die Spitze des Blockes hinweggeleitet wird. Das schmelzflüssige Metall tropft von der Blockspitze ab und fallt in den Tiegel, welcher eine zentrale Metalltropfenaufnahmekammer aufweist, die insgesamt halbkugelförmig und flach ist, und langgestreckte Kanäle, welche mit entgegengesetzten Seiten der Kammer in Verbindung stehen und reines schmclzflüssiges Metall auf einer Seite bzw. ausgeschiedene Einschluß verunreinigungen auf der anderen Seite abführen. Vorzugsweise ist der Metallauslaßkanal tiefer als der Einschlußauslaßkanal, so daß nur reines schmelzflüssiges Metali aus dem Tiegel abfließt, wenn dieser durch die abtropfende Schmelze gefüllt wird. Wenn das schmelzflüssige Metall von der Blockspitze abtropft und sich in der Kammer sammelt und ein Schmelzbad bildet, wird zwischen dem Tiegel und dem Schmelzbad eine Schale oder dünne erstarrte Metallschicht gebildet, die eine Verunreinigung der Schmelze verhindert. Ein zweiter Elektronenstrahl wird auf denjenigen Teil der Schmelzbadoberfläche gerichtet, der sich neben und in unmittelbarer Nähe des Auslaßkanals für das reine Metall erstreckt, damit nicht nur das Schmelzbad erhitzt wird, um seinen schmelzfiüssigen Zustand aufrechtzuerhalten, sondern damit auch die schwimmenden Einschlüsse zum Sichabsondern in die nichtbeaufschlagten Oberflächenbereiche neben dem Einschlußauslaßkanal veranlaßt werden. Wenn das schmelzflüssige Metall bis zu der Ausgießstelle ansteigt, d. h. wenn der Metallauslaßkanal gefüllt wird, kann ein dritter Elektronenstrahl für Temperatursteuerzwecke auf das reine Metall in dem Kanal gerichtet werden. Aus dem Auslaßkanal fließt das reine schmelzflüssige Metall in herkömmliche Blockgießformen, komplexe Gießformen, Pulverherstellungsvorrichtungen od. dgl. Das Entfernen der Einschlußverunreinigungen aus dem Tiegel kann erfolgen, indem der Tiegel auf der Seite des Einschlußauslaßkanals nach unten gekippt wird, damit das verschmutzte Metall über den Auslaßkanal abfließt.

Ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gerätes, das bei dem Elektronenstrahl-Blockraffinationsverfahren nach der Erfindung verwendbar ist, und

Fig. 2 einen in Fig. 1 dargestellten Tiegel in Draufsicht.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein typisches Gerät, das bei dem bevorzugten Elektronenstrahl-RafTinationsverfahren nach der Erfindung benutzt wird. Das Gerät enthält eine Vorschubvorrichtung 2 bekannter Bauart für einen vorgeschmolzenen Block 4, der durch einen auf seine Spitze 6 auftreffenden Elektronenstrahl in Tropfen abgeschmolzen wird. Der vorgeschmolzene Block 4 hat insgesamt eine zylindrische Form und kann durch verschiedene herkömmliche Verfahren hergestellt worden sein, zu welchen das Vakuuminduktionsschmelzen und das Vakuumlichtbogenumschmelzen gehören.

Vorgeschmolzene Blöcke, die durch diese und andere Verfahren hergestellt worden sind, enthalten jedoch gewöhnlich charakteristische Mengen an nichtmetallischen Einschlüssen und ähnlichen Verunreinigungen, die in dem Endprodukt unerwünscht sind. Beispielsweise enthält ein vorgeschmolzener Block aus einer Legierung, die üblicherweise als modifizierte IN-100-Legierung bezeichnet wird (Nennzusammensetzung in Gewichtsprozent: 12,4% Cr - 18,5% Co - 3,3% Mo 5,0% Al - 4,4% Ti - 1,7% Nb - 0,8% Hf- 0,02% C Rest im wesentlichen Ni), der durch Vakuuminduktionsschmelzen hergestellt worden ist, gewöhnlich nichtmetallische Einschlüsse in Form von Oxidteilchen

von Al₂O₃, HfO₂ usw. Bei der Herstellung von Legierungsteilen, die im Betrieb hohen Temperaturen und Belastungen ausgesetzt sind, beispielsweise Gasturbinentriebwerksteilen, wie Lauf- und Leitschaufeln, ist es wichtig, daß diese Einschlüsse in dem Legierungsprodukt minimiert sind.

Gemäß der Erfindung wird die Spitze 6 des vorgeschmolzenen Blockes 4 in Tropfen abgeschmolzen, indem die Spitze mit einem Elektronenstrahl 8 beaufschlagt wird, der durch eine Elektronenkanone 10 iu erzeugt wird. Selbstverständlich sind geeignete Ablenkvorrichtungen, wie Magnete, vorgesehen, die den Elektronenstrahl fokussieren und auf die Blockspitze leiten. Diese Vorrichtungen sowie die Elektronenkanone 10 sind bekannt Beispielsweise kann bei dem Verfahren nach der Erfindung eine Elektronenkanone benutzt werden, die von der Fa. Leybold-Heraeus hergestellt und vertrieben wird. Die Leistung der benutzten Elektronenkanone kann selbstverständlich in Abhängigkeit von dem Typ des Metalls oder der Legie.ung des Blökkes, der geschmolzen wird, verändert werden.

Die schmelzflüssigen Tropfen 12, die durch das Tropfenabschmelzverfahren erzeugt werden, fallen abwärts in einen wassergekühlten Kupfertiegel 14. Der Kupfertiegel enthält insbesondere eine zentrale Metalltropfenaufnahmekammer 16, die insgesamt halbkugelförmig ist und in die die schmelzflüssigen Tropfen von der Blockspitze 6 fallen, um in ihr ein Schmelzbad 7 zu bilden. Das Volumen der Kammer 16 kann selbstverständlich in Anpassung an besondere Produktionszwecke verändert werden, wobei größere Kammern benutzt werden, wenn ein größeres Fassungsvermögen verlangt wird. Gemäß den Fig. 1 und 2 sind ein langgestreckter Metallauslaßkanal 18 mit einer Gießtülle 18a und ein langgestreckter Einschlußauslaßkanal 20 auf entgegengesetzten Seiten der Kammer angeordnet und haben Verbindung mit derselben. Es ist zu erkennen, daß der Metallauslaßkanal 18 und die Gießtülle 18a größere Tiefen als der Kanal 20 haben, so daß, wenn sich der Tiegel füllt, schmeizflüssiges Metall nur über die Gießtülle 18a abgegeben wird.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines zweiten Elektronenstrahls 22 aus einer Elektronenkanone 24, damit nicht nur das Schmelzbad 7 im schmelzflüssigen Zustand gehalten wird, sondern damit auch schwimmende Einschlußverunreinigungen 25 zum Ausscheiden an der Schmelzbadoberfläche in der Nähe des Einschlußauslaßkanals 20 veranlaßt werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Verwendung des Elektronenstrahls 22 Tür diesen Zweck resultierte aus der Entdeckung, daß die schwimmenden Einschlußverunreinigungen eine definitive Tendenz zeigen, sich in Bereiche der Schmelzbadoberfläche abzusondern, welche nicht der Elektronenstrahlbeaufschlagung ausgesetzt sind. Zur Erzielung der in Fig. 2 gezeigten Absonderung wird deshalb der Elektronenstrahl 22 auf denjenigen Teil der Schmelzbadoberfläche gerichtet, der sich neben dem Metallauslaßkanal 18 befindet. Diese selektive Elektronenstrahlbeaufschlagung bewirkt, daß sich die Einschlüsse in demjenigen Teil der Schmelzbadoberfläche sammeln, der sich neben dem Einschiußausiaßkanai 2ö befindet, wo sie anschließend entfernt werden können. Mit Hilfe von herkömmlichen Fokussier- und Ablenkvorrichtungen, wie beispielsweise elektromagnetischen Vorrichtungen, kann der Bereich der Beaufschlagung mit dem Elektronenstrahl 22 nach Bedarf verändert werden, um die erforderliche Absonderung zu erzielen. Während die Einschlußverunreinigungen auf diese Weiss abgesondert werden, wird reines schmeizflüssiges Metall über den Kanal 18 und die Gießtülle 18a entnommen. Die Entnahme des Metalls kann erfolgen, indem der Tiegel gekippt und dadurch die Gießtülle abgesenkt wird oder indem man einfach den Tiegel überlaufen läßt, wenn er sich mit den schmelzflüssigen Metalltropfen füllt. Zum Aufrechterhalten der für den Transfer gewünschten Temperatur des reinen schmelzflüssigen Metalls in dem Kanal 18 wird ein dritter Elektronenstrahl 26 aus einer Elektronenkanone 28 auf die Oberfläche des Metalls in dem Kanal 18 gerichtet Auf diese Weise kann die exakte Temperatur des schmelzflüssigen Metalls zum Gießen oder zur Pulverherstellung geschaffen werden. Das Entfernen der Einschlußverunreinigungen kann periodisch während der Raffination oder am Schluß derselben erfolgen. Ein zweckmäßiges Verfahren zum Entfernen der Verunreinigungen besteht darin, den Tiegel so zu kippen, daß der Auslaßkana! 20 abgesenkt wird und das verunreinigte schmelzflüssige Metall in einen geeigneten Schlackenbehälter abfließt.

Gemäß Fig. 1 wird das reine schmelzflüssige Metall aus dem Tiegel 14 über die Gießtülle 18a abgegeben und fällt direkt in eine Blockform 30, die auf einer Bodenplatte 31 ruht, um darin zu einem Block zu erstarren, welcher zum Schmieden, zur Pulverherstellung, zum Investmentgießen u. dgl. benutzt wird. Statt dessen kann das reine schmelzflüssige Metall in eine dynamische metallurgische Maschinenanlage abgegeben werden, beispielsweise eine gekühlte rotierende Scheibe anstelle der Form 30 von Fig. 1, auf die das schmelzflüssige Metall direkt fallen gelassen wird, um Pulver aus reinem Metall herzustellen, selbstverständlich befindet sich eine derartige Pulverherstellungsanlage gewöhnlich innerhalb einer Vakuumkammer, um gasförmige Verunreinigungen zu minimieren. Das Gerät nach der Erfindung kann leicht in einer solchen Kammer untergebracht werden.

Die Leistungsfähigkeit der Erfindung bei der Entfernung von nichtmetallischen Einschlüssen ist an der oben Beschriebenen modifizierten IN-100-Legierung dargestellt worden. Ein Block aus der Legierung wurde im Vakuum in einen wassergekühlten Kupfertiegel unter Verwendung von zwei auf die Blockspitze auftreffenden Elektronenstrahl abgeschmolzen. Die schmelzflüssige Charge wurde langsam aus dem Tiegel in eine Blockform gegossen. Während des Gießens wurde einer der zum Abschmelzen benutzten Elektronenstrahlen so auf die Oberfläche des Schmelzbades in dem Tiegel verlagert, daß der Strahlauftreffbereich sich direkt vor oder neben der Tiegelgießtülle befand. Die selektive Strahlbeaufschlagung bewirkte, daß sich die meisten schwimmenden Einschlüsse entfernt von der Gießtülle und von dem beaufschlagten Bereich auf der Schmelzbadoberfläche absonderten. Der überwiegende Teil des in der Blockform erzeugten Blockes war bei der Inspektion praktisch einschlußfrei. Nur wenige Einschlüsse waren in dem Block vorhanden und sie beschränkten sich ganz auf den oberen Teil. Diese Einschlüsse hätten mit noch besserer Kontrolle über den Gießvorgang in dem Block vermieden werden können.

Uas Verfahren und das Uerät nach der Erfindung können beim Vorschmelzen und beim Umschmelzen von Metallen und Legierungen zum Entfernen von Einschlüssen benutzt werden. Die vielfältigsten Metalle und Legierungen können durch das Verfahren und das Gerät nach der Erfindung gereinigt werden, bei Bedarf im Vakuum. Es kann selbstverständlich auch eine

andere Tiegel- und Elektronenstrahlkonfiguration zur Durchfuhrung der Erfindung benutzt werden. Außerdem können statt des Tropfenabschmelzens durch Elektronenstrahlbeaufschlagung auch andere Schmelzverfahren benutzt werden, um das Metall- oder Legierungsschmelzbad zu bilden.