DE3120607C1

DE3120607C1 - Rohling zum Induktionsschmelzen

Info

Publication number: DE3120607C1
Application number: DE3120607A
Authority: DE
Inventors: Horst Ing.(grad.) 8459 Hirschbach Linn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-05-23
Filing date: 1981-05-23
Publication date: 1982-11-04
Also published as: EP0065632A1; US4568809A

Description

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Die Erfindung befaßt sich mit Rohlingen aus elektrisch leitendem, schmelzbarem Material zur Verarbeitung in einer Anlage mit Beheizung des Rohlings im elektromagnetischen Feld einer Induktionsspule.

Insbesondere beim Schmelzen kleiner Metallegierungs- oder Reinmetall-Mengen werden sehr häufig Induktionsgießanlagen eingesetzt Dies gilt vor allem in der Dental-Branche, der Schmuck-Industrie sowie beim industriellen Feinguß und auf artverwandten Gebieten. Bisher wird das .zu schmelzende Material, d.h. die Legierung bzw. das Reinmetall, in Form von Granalien (Schots), Stangen, Blöckchen oder Zuschnitten unterschiedlicher Form und unterschiedlichen Gewichtes in den Schmelztiegel eingebracht, wobei meist nur auf die Geometrie des Schmelztiegels Rücksicht genommen wird, d. h. die Größe des Festmaterials so zu wählen ist, daß es ohne Schwierigkeiten im Schmelztiegel untergebracht werden kann.

Dieses bekannte Vorgehen hat etliche Nachteile. Es ist insbesondere zu erwähnen, daß Teile unterschiedlicher GeometrieundFormim elektromagnetischen Feld einer Induktionsspule verschiedene Induktionskreise bilden, was zu unterschiedlichen Aufheizgeschwindigkeiten und Strömen an der Oberfläche des zu schmelzenden Teiles führt Als Folge hiervon erfolgt häufig eine falsche Behandlung derart, daß Überhitzungen oder zu lange Erwärmungen auftreten, was insbesondere bei der Verarbeitung von Legierungen zur Beeinträchtigung der an sich gewünschten, in der Ausgangslegierung vorhandenen Materialeigenschaften führen kann. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß abhängig von der Ausbildung der zu schmelzenden Teile sich unterschiedliche, unter Umständen relativ lange Aufheizzeiten ergeben. Auch die Gasaufnahme bzw. Abgabe der zu schmelzenden Rohlinge ist je nach Formgebung des Rohlings unterschiedlich. Ein weiteres Problem bei den bisher bekannten Rohling-Formen ist das, daß die genaue Bestimmung des richtigen Gießzeitpunktes schwierig ist Wird der Gießzeitpunkt aber nicht genau bestimmt, so kann es zu Überhitzungen beim Gießen bzw. zum Mitreißen ungeschmolzener Metall- oder Legierungsteilchen (falls die richtige Temperatur noch nicht erreicht war) kommen, was zu Fehlgüssen, Lunkern oder Porosität des im Gießvorgang erzeugten Formlings führt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Rohling für die Erhitzung im elektromagnetischen Feld einer Induktionsspule vorzuschlagen, der gegenüber den bisher bekannten Rohlingen wesentlich verbesserte Eigenschaften aufweist, d. h. insbesondere rasch und mit vergleichsweise geringer Energiezufuhr schmilzt, wobei gleichzeitig die Verarbeitbarkeit verbessert werden soll, indem er sich leichter und rascher entgasen läßt, die Bestimmung des Gießzeitpunktes erleichtert wird und eine genaue Dosierung möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Rohling als Ring auszubilden. Ein derartiges Vorgehen hat eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber den bisher verwendeten Rohlingen in Form von Würfeln, Stangen, Blöcken oder Zuschnitten. Hierzu sei kurz folgendes ausgeführt:

Bei der Induktionserwärmung handelt es sich um eine Art der Wärmeübertragung, bei der die übertragbare Leistungsdichte von der Oberfläche des zu erwärmenden Teiles abhängt. Nimmt man nun beispielsweise einen Ring mit etwa rechteckigem Querschnitt, der eine Bohrung aufweist und bei dem der Außendurchmesser etwa dem Zweieinhalbfachen des Bohrungsdurchmessers und die Höhe etwa dem Bohrungsdurchmesser entspricht so läßt sich ohne Schwierigkeiten rechnerisch ermitteln, daß die Oberfläche dieses Ringes etwa eineinhalbmal so groß ist wie die Oberfläche eines Würfels gleicher Masse. Hieraus ergibt sich, daß bei Verwendung eines Ringes als Rohling schon wegen der größeren Oberfläche die zum Schmelzen erforderliche Leistung geringer ist als bei einem Rohling anderer Formgebung. Die größere Oberfläche hat aber auch den Vorteil, daß in dem Rohling etwa enthaltene Gase rascher entweichen können, als wenn die Oberfläche kleiner wäre, was vor allem beim Vakuum-Gießen wichtig ist und eine Verbesserung der Qualität des gegossenen Formlings ermöglicht

Bezüglich der Schmelzgeschwindigkeit spielt auch die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit von der Frequenz eine Rolle, da nur bei ausreichender Eindringtiefe eine entsprechende Leistung auf den Rohling übertragen werden kann. Die Eindringtiefe berechnet sich dabei nach folgender Formel

δ =

(D

Hierbei bedeuten:
δ = Eindringtiefe

/ = Betriebsfrequenz

P₀ = Permeabilität = 1,256 X 10

u_r = relative Permeabilität

ρ = spezifischer Widerstand —

-6 VS

Am

10 q_v = Eigenwert der Welle —

e_r — Dielektrizitätskonstante

μ_Γ = relative Permeabilität

C₀ = Lichtgeschwindigkeit

Für einen Ring berechnet sich die Grenz&equenz wie folgt:

15

Die gesamte Eindringtiefe läßt sich insbesondere dann ausnützen, wenn der Ring als Kurzschlußring arbeitet, wozu allerdings gewisse Bedingungen erfüllt sein müssen, auf die später noch eingegangen werden soll. ,

Neben dem Vorteil, der sich aus der größeren Oberfläche ergibt, sind bei Verwendung eines Ringes als Rohling zum Induktionsschmelzen auch noch als Vorzüge zu nennen, daß sich die zum Betrieb der Induktionsspule dienende Hochfrequenz sehr gut ankoppeln läßt, daß, auch bei mehreren übereinandergelegten Ringen, eine hervorragende Temperaturverteilung erreicht werden kann, so daß ein gleichmäßiges Erwärmen der Rohlinge erreicht wird, und daß in einfacher Weise eine gute Dosierung möglich ist Schließlich wird bei Verwendung eines Ringes erreicht, daß sich der Schmelzpunkt des Rohlings im allgemeinen sehr genau feststellen läßt, weshalb die Möglichkeit von Fehlern infolge eines Gusses bei zu hoher oder zu niedriger Temperatur beachtlich vermindert wird.

Grundsätzlich können die Ringe unterschiedlichste Formen und Abmessungen haben. In Versuchen hat sich jedoch gezeigt, daß sich besonders gute Ergebnisse dann erzielen lassen, wenn der Außendurchmesser des Ringes etwa 1,1- bis lOmal so groß ist wie dessen Innendurchmesser und/oder wenn die Höhe des Ringes etwa gleich dem 0,8- bis 3fachen Innendurchmesser des Ringes ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Außendurchmesser etwa gleich dem 2,5fachen Innendurchmesser und die Höhe etwa gleich dem Innendurchmesser des Ringes.

Bei Verwendung eines Ringes als Rohling wird man üblicherweise eine Betriebsweise anstreben, in der der Ring als Kurzschlußring arbeitet, was zu besonders schneller Erwärmung führt. In diesem Fall ist jedoch zu beachten, daß die Größe des Innendurchmessers des Ringes, d. h. der Bohrung im Ring, so gewählt wird, daß die beim Betrieb auftretende Grenzfrequenz Berücksichtigung findet, d. h. das elektromagnetische Feld noch die Bohrung im Ring durchsetzen kann. In diesem Zusammenhang ist unter Grenzfrequenz die Frequenz zu verstehen, welche die Grenze zwischen dem Dämpfungs- und dem Wellenverhalten eines Wellenleiters angibt. Diese Frequenz berechnet sich wie folgt:

/c =

C₀ ■ 1,841

fc =

■ «v

see

(2)

Hierbei bedeuten:

f_c = Grenzfrequenz

60

65 wobei df der Durchmesser der Bohrung des Ringes, d. h. der Ring-Innendurchmesser ist.

Bei einem Innendurchmesser von 8 mm ergibt sich dabei eine Grenzfrequenz von ca. 22 GHz, weshalb günstigerweise der Innendurchmesser kleiner als 8 mm sein sollte.

Es ist nach der Erfindung weiter vorgesehen, daß der Rohling etwa rechteckigen Querschnitt mit angerundeten Kanten aufweist, wobei die einzelnen Oberflächen des Ringes im wesentlichen parallel oder senkrecht zur Ringachse verlaufen. Bei einer derartigen Ausführungsform erhält man eine besonders große Oberfläche. Zum anderen ist es leicht möglich, mehrere derart gestaltete Ringe aufeinander zu stapeln, wobei dann die senkrecht zur Ringachse verlaufenden Flächen jeweils aufeinanderliegen. Die abgerundeten Kanten sind dabei insbesondere zur Vermeidung von Überhitzung erforderlich. In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn der Radius der Abrundung der Kanten wenigstens ¹Ao des Innendurchmessers beträgt.

Schließlich liegt es im Rahmen der Erfindung, daß der Rohling die Form eines Kreisringes aufweist, weil sich ein solcher Ring im allgemeinen besonders günstig einsetzen läßt.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden, zweckmäßigen Ausführungen können die Rohlinge unterschiedlischte Abmessungen besitzen. Der Außendurchmesser kann etwa zwischen 10 und 50 mm, der Innendurchmesser zwischen 3 und 30 mm und die Höhe des Ringes ebenfalls zwischen 3 und 30 mm schwanken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Rohling in einer Ausführung gemäß der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt durch den Rohling der Fig-1,

F i g. 3 im Schnitt einen Tiegel mit einem eingesetzten, bisher üblichen Rohling zur Veranschaulichung des Verlaufs des elektromagnetischen Feldes und

Fig.4 einen Schnitt ähnlich Fig.3, jedoch bei Verwendung eines Ringes gemäß der Erfindung.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Rohling 1 hat die Form eines Kreisringes. Die Abmessungen sind bei diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, daß der Innendurchmesser d,- etwa 8 mm, der Außendurchmesser da etwa 20 mm und die Höhe h etwa 7 mm betragen. Dies bedeutet, daß Höhe h und Innendurchmesser d; etwa gleich sind, während der Außendurchmesser d_ü etwa dem 2,5fachen des Innendurchmessers d-, des Rohlings bzw. Ringes 1 entspricht

Der Ring 1 kann aus jedem gängigen, im elektroma-

gnetischen Feld einer Induktionsspule erwärmbaren und schmelzbarem Material hergestellt werden, vor allem natürlich aus Metall. Hier kommen alle üblichen Metalle in Frage, d. h. ausgehend von Eisen, Edelstahl über Sonderlegierungen zu Gold, Platin usw.

Aus der F i g. 2 geht deutlich hervor, daß der Ring 1 einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt, wobei allerdings die Kanten 2 unter einem Radius r abgerundet sind. Der Radius r sollte wenigstens Vio des Innendurchmessers d-, sein. Die Verwendung eines rechteckigen Querschnittes hat dabei den Vorteil, daß Flächen entstehen, die so .angeordnet werden können, daß die Außenfläche 3 und Innenfläche 4 jeweils parallel zur Achse 5 des Ringes verlaufen, während die Oberfläche 6 und Unterfläche 7 etwa senkrecht zu der Achse 5 angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, falls eine größere Materialmenge für den Schmelzvorgang benötigt wird, mehrere Ringe, gegebenenfalls auch unterschiedlicher Höhe, aufeinander zu stapeln. Diese Ringe liegen dann im Bereich der Oberflächen 6 bzw. Unterfläche 7 sauber aufeinander, so daß das elektromagnetische Feld nicht zu stark gestört wird. Infolge der Abrundung der Kanten 2 unter dem Radius r kommt es im Bereich dieser Kanten auch nicht zu Überhitzungen.

Die Abmessungen des Ringes 1, wie er in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist, können variiert werden. Es sollten allerding zweckmäßig folgende Bedingungen eingehalten werden:

1,1 · di < da < 10 · di
0,8 - di < h < 3 - di.

Die F i g. 3 und 4 dienen zur Veransehaulichung der Wirkung des als Rohling dienenden Ringes nach der Erfindung.

Gemäß Fig.3 wird ein üblicher, im wesentlichen würfelförmiger Rohling verwendet. Dabei dringt das elektromagnetische Feld 8, welches von der den Tiegel 9 umgebenden Induktionsspule 10 erzeugt wird, nur in den äußeren Oberflächenbereich des Rohlings 11 ein. Es entstehen dann im Rohling Wirbelströme, die durch die Pfeile 12 angedeutet sind. Trotzdem ist die Energieübertragung von dem Feld 8 der Induktionsspule 10 auf den Rohling 11 nur vergleichsweise ge'ring.

Bei Verwendung eines ringförmigen Rohlings I₁ wovon in Fig.4 ausgegangen wird, verlaufen die Feldlinien 8' des von der Induktionsspule 10 erzeugten elektromagnetischen Feldes durch die Bohrung. 13 des Ringes 1, der als Kurzschlußring eingesetzt wird. Auf diese Weise kommt es zu einer vergleichsweise hohen Leistungsübertragung und damit zu einer raschen Erwärmung des Ringes 1. Außerdem kann in dem Ring auch die volle, an sich zur Verfügung stehende Eindringtiefe ausgenutzt werden, so daß nicht nur oberflächlich, sondern auch verhältnismäßig weit innerhalb des Ringes eine entsprechende Energieübertragung erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche:

1. Rohling aus elektrisch leitendem, schmelzbarem Material zur Verarbeitung in einer Anlage mit Beheizung des Rohlings im elektromagnetischen Feld einer Induktionsspule, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling als Ring (t) ausgebildet ist.

2. Rohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (d_a) des Ringes (1) etwa 1,1- bis lOmal so groß wie dessen Innendurchmesser (di) ist

3. Rohling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des Ringes (1) etwa gleich dem 0,8- bis 3fachen Innendurchmesser (di) des Ringes (1) ist.

4. Rohling nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (d_a) etwa gleich dem 2,5fachen Innendurchmesser (di) und die Höhe (h)etwa gleich dem Innendurchmesser (di) des Ringes (1) sind.

5. Rohling nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (di) kleiner als 8 mm ist.

6. Rohling nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er etwa rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Kanten (2) aufweist, wobei die Oberflächen (3,4) des Ringes (1) parallel und die Oberflächen (6,7) des Ringes (1) senkrecht zur Ringachse (5) verlauf en.

7. Rohling nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (r) der Abrundung der Kanten (2) wenigstens '/io des Innendurchmessers (di) beträgt.

8. Rohling nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er die Form eines Kreisringes aufweist.