DE4018925C2

DE4018925C2 -

Info

Publication number: DE4018925C2
Application number: DE4018925A
Authority: DE
Inventors: Franz 8750 Aschaffenburg De Hugo; Erwin 6451 Grosskotzenburg De Wanetzky
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1993-04-15
Also published as: JPH0510676A; JP2935281B2; US5121406A; DE59010700D1; KR920001164A; EP0461306A1; EP0461306B1; ATE151862T1; DE4018925A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsschmelz ofen zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Metallen mit einer den Schmelztiegel umschlingenden Induktions spule und einem Formbehälter, der von einer Ringkammer zur Aufnahme von Kühlmittel umgeben ist, wobei der Induktionsschmelzofen von einem mit einem Vakuum anschluß versehenen Gehäuse umgeben ist.

Es ist bereits ein Verfahren (EP 3 45 541 A2) zum Schmelzen kleiner Metallmengen bekannt, das sich hierzu eines Kaltschmelztiegels bedient. Der Kaltschmelztiegel besteht aus einem oberen, die Tiegelmulde durch ent sprechend geformte Wandsegmente bildenden Tiegel und einem Basisteil. An den Wandsegmenten laufen Kühlkanäle entlang, in die von unten die Zuführungsleitungen für das Kühlmittel eingebracht sind. Das Basisteil weist ferner einen weiteren Flansch zur Aufnahme eines Druck behälters auf. Ferner werden die einzelnen Wandelemente von einer Hochfrequenzspule umgeben. Diese Vorrichtung ist nicht für kleine Chargen geeignet, da aufgrund der Oberflächenspannung und der Viskosität der Schmelze keine ausreichende Verdichtung der Schmelze im Tiegel erfolgt.

Es ist ferner ein Gießverfahren der eingangs aufgeführ ten Art bekannt (DE 39 27 998), wobei zum Gießen eines Materials in einer inerten Gasatmosphäre gearbeitet wird. Bei diesem Gießverfahren wird im Kippguß gear beitet, so daß die Schmelze bei vorhandener Gasatmos phäre in die Form einläuft. Die in die Form einlaufende Schmelze muß das in der Form vorhandene Gas verdrängen bevor es in die kleinsten Formausläufe eindringen kann. So können Gaseinschlüsse bzw. Blasenbildung im Metall nicht ausgeschlossen werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Induktionsschmelzofen mit dem zugehörigen Form behälter derart auszubilden, daß auch bei sehr kleinen Chargen im Formbehälter des Induktionsschmelzofens und entsprechend großer Oberflächenspannung der Schmelze die Mikroporosität des nach dem Gießvorgang gewonnenen Metalls, insbesondere Titan, verbessert wird.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß Mittel zum Aufbau eines Drucks oberhalb der bei vorhan denem Vakuum im Formbehälter aufgenommenen Schmelze vorhanden sind, um diese vor dem Abkühlvorgang zu ver dichten. Hierdurch wird sichergestellt, daß auch bei sehr kleinen Chargen, die in einen Formbehälter einge geben werden, und trotz hoher Viskosität der Schmelze und der damit verbundenen Oberflächenspannung eine gute Verdichtung der Schmelze im Formbehälter erfolgt, da durch den oberhalb der Schmelze aufgebauten Druck sichergestellt wird, daß die Schmelze den Formbehälter bei Vermeidung von Gaseinschlüssen gleichmäßig ausfüllt. So wird einer Hohlraumbildung durch Dendritenwachstum vorgebeugt, da die Schmelze durch den entsprechenden Druck in kleinste, durch die Dendriten gebildete Hohlräume nachfließen kann. Hierzu ist es vorteilhaft, daß oberhalb der Einlaßöffnung des Formbehälters ein in den Formbehälter einführbarer Druckstempel vorgesehen ist. Durch den Einsatz eines Druckstempels ist es auf einfache Weise möglich, während des Erstarrungsvorgangs der Schmelze eine gute Verdichtung der Schmelze herbeizuführen. Auf diese Weise lassen sich auch sehr kleine Chargen vergießen. Die bei diesen kleinen Chargen bislang als problematisch dargestellte Oberflächenspannung der Schmelze braucht daher nicht beachtet zu werden, da mittels des Druckstempels ein Nachverdichten der in den Formbehälter abgegossenen Schmelze möglich ist.

Gemäß eines besonderen Merkmals der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß der im Gehäuse aufgenommene Druckstempel höhenbeweglich im Gehäuse angeordnet ist, und daß der Druckstempel an seinem vorderen in die Schmelze eintauchbaren Ende mit einem Keramiküberzug versehen ist, um auf diese Weise den Druckstempel widerstandsfähig und auch bei Metallen mit sehr hohem Schmelzpunkt einsetzbar zu machen. Ferner läßt sich mit einem derart ausgebildeten Druckstempel die Schmelze ohne weiteres durch die Auslaßöffnung des Schmelztiegels herausdrücken und eine ausreichende Ver dichtung der Schmelze im Formbehälter sicherstellen.

Durch die Erfindung wird es auf einfache Weise möglich, daß der Formbehälter mit seiner Einlaßöffnung mittels einer Hubeinrichtung an die Auslaßöffnung des Schmelz tiegels heranfahrbar ist.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil haft, daß über dem Schmelztiegel eine Verschlußkappe anbringbar ist, über die ein Gasdruck aufgebaut werden kann. Hierdurch besteht alternativ die Möglichkeit, die Schmelze in die Form zu drücken und über der im Formbehälter aufgenommenen Schmelze Druck aufzubauen, um auf diese Weise eine ausreichende Nachverdichtung der Schmelze vor ihrer Erstarrung sicherzustellen.

Von besonderer Bedeutung ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß der Formbehälter aus einem inneren und einem äußeren Behälter besteht, zwischen denen der Ringraum gebildet ist, der von einem porösen Keramik stoff umgeben ist, durch den flüssiges Argon geleitet wird, um ein schnelleres Abkühlen des Gußstücks zu erreichen. Es ist besonders vorteilhaft, daß der Abguß sehr schnell abgekühlt wird, um ein feinkörniges Gefüge zu erhalten. Das dem Keramikwerkstoff zugeführte Argon wird verdampft und entzieht dadurch der Schmelze Wärmeenergie. Das dann nach außen abgeführte Argon verursacht eine Druckerhöhung im Inneren des Gehäuses und dadurch eine Nachverdichtung der Schmelze im Form behälter. Ferner ist es möglich, den Formbehälter mit flüssigem Argon zu besprühen. Durch die ebenfalls rasche Verdampfung des Argons erfolgt ein schneller Druckanstieg bis auf den Argon-Versorgungsdruck (vorteilhafterweise von etwa 10 bar), zum Beispiel bei einer Titanschmelze. Durch die Erstarrung bei Überdruck wird ferner die Mikroporosität des Gießteils verbessert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil haft, daß an Stelle des Schmelztiegels oberhalb des Formbehälters eine Schwebespule vorgesehen ist, zwi schen der die Schmelze gebildet bzw. gehalten wird. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Schmelze nach Abschalten des Schmelzstroms in die unterhalb der Spule befindliche Form fällt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der Druckstempel zum Nachverdichten der Schmelze direkt nach Abschalten des Schmelzstroms in die Form zum Nachverdichten gedrückt wird. Der im Formenkopf eingefrorene Keramiküberzug wird in vorteilhafter Weise mit der verlorenen Form vom Gußteil getrennt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es beson ders vorteilhaft, daß der Schmelztiegel mit seinem am unteren Ende des Schmelztiegels vorgesehenen Auslauf trichter koaxial zum Formbehälter ausgerichtet ist und daß sich der Schmelztiegel nach unten hin verjüngt. Vorteilhaft ist ferner, daß der Schmelztiegel von einer Ringkammer umgeben ist und daß der Druckstempel vorge heizt wird. Ferner ist es vorteilhaft, daß die Schmelze aus dem Tiegel in die Form gedrückt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß ein Bodenabstich möglich ist, wobei der Druck bei vorhandenem Vakuum nur auf die Oberfläche der Schmelze einwirkt. Hierdurch wird vermieden, daß sich die Schmelze beim Gießvorgang mit dem Gas vermischt. Der Gießstrahl tritt bei vorhandenem Vakuum in die Gießform ein. Hierdurch wird eine hohe Reinheit der Schmelze gewährleistet und Gaseinschlüsse in Form von Blasen ausgeschlossen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerk malen erfindungswesentlich sind.

In den Figuren ist die Erfindung an einer Ausführungs form beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Ausfüh rungsform beschränkt zu sein. Es zeigt

Fig. 1 einen Induktionsschmelzofen mit einem Kalttiegel und einem darunter ange ordneten Formbehälter zur Aufnahme des Schmelzguts,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Induktionsschmelzofens mit dem zuge hörigen Formbehälter.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Induktionsschmelzofen bezeichnet, der aus einem Gehäuse 7 besteht, das an seinem oberen Ende einen Deckel 18 mit einem Flansch 20 aufweist, der über eine Dichtung 19 gegen einen weiteren am Gehäuseteil 28 vorgesehenen Flansch 21 anpreßbar ist.

Der Deckel 18 kann mit einem Schauglas 23 versehen sein, um den Gießvorgang bzw. die Erstarrung der Schmelze zu beobachten. Im Deckel 18 befindet sich ferner eine Einlaßöffnung 22, durch die die Schmelze eingeführt wird.

Das Gehäuse 7 besteht aus einem oberen und einem unteren Gehäuseteil 28 und 30. Die beiden Gehäuseteile 28 und 30 sind durch zwei Flansche 25 und 27 miteinan der verbunden, wobei zwischen den beiden Flanschen 25 und 27 eine Dichtung 26 vorgesehen ist.

Das Gehäuse 7 des Induktionsschmelzofens 1 ist auf einem in der Zeichnung nur schematisch angedeuteten Sockel 31 abgestellt. Das Gehäuse 7 weist einen Boden 29 mit einem Stutzen 32 auf, an den eine Anschluß leitung 33 angeschlossen ist, über die Argon zugeführt wird. Die Anschlußleitung 33 steht über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Reservoir zur Aufnahme von Argon in Durchflußverbindung. Die Anschlußleitung 33 ist in das Innere des Gehäuses 7 hineingeführt und an eine Einlaßöffnung 34 des Formbehälters 4 ange schlossen.

Der Formbehälter 4 weist in seinem Innenraum eine Kanne 35 auf. Zwischen der Kanne 35 und der äußeren Wand 37 des Formbehälters 4 ist ein Ringraum 5 gebil det, der zur Aufnahme eines porösen Keramikwerkstoffs dient. Durch den porösen Keramikwerkstoff 36 kann, um beim Erstarrungsprozeß der Schmelze den Abkühlungs vorgang zu beschleunigen, Argon geleitet werden. Das Argon wird nach dem Verdampfungsvorgang über die Öffnung 44 nach außen in den Innenraum des Gehäuses 7 geleitet, so daß sich im Innenraum und dadurch auch oberhalb der Schmelze Druck aufbauen kann. Hierdurch wird eine ausreichende Nachverdichtung der Schmelze während des Erstarrungsvorgangs sichergestellt.

Oberhalb des Formbehälters 4 befindet sich ein Schmelztiegel 3 zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Metallen, beispielsweise Titan. Der Schmelztiegel bzw. Kalttiegel 3 kann in seinem Inneren segmentartig auf gebaut sein. Der Schmelztiegel 3 verjüngt sich nach unten und weist an seinem unteren Ende eine Auslaß öffnung 11 auf, so daß die Schmelze über den Boden abstich dem Innenraum des Formbehälters 4 zugeführt werden kann.

Das obere Ende des Schmelztiegels 3 ist als Einlaß öffnung 40 ausgebildet. Es ist auch möglich, die Ein laßöffnung 40 des Schmelztiegels 3 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Druckkappe zu verschlie ßen, um über eine entsprechende Einlaßöffnung Argon in den Innenraum des Schmelztiegels zu leiten und dadurch den gewünschten Druck oberhalb der Schmelze aufzubauen.

Wie aus Fig. 1 ferner hervorgeht, befindet sich während des Abstichs im Innenraum des Schmelztiegels 3 ein Druckstempel 9, der durch eine Einlaßöffnung 40 des Schmelztiegels 3 eingeführt werden kann. Der Druckstem pel 9 besteht aus hochtemperaturbeständigem Metall. Er verjüngt sich nach vorne und weist an seinem nach unten gerichteten Ende einen Keramiküberzug 10 auf. Nach dem Vergießen des Schmelzmaterials in den Formbehälter 4 wird durch Andrücken der Schmelze mittels des Druck stempels 9 eine Nachverdichtung der Schmelze vorge nommen. Der Druckstempel 9 wird hierzu durch die Aus laßöffnung 11 geführt und dann in die Einlaßöffnung 13 des Formbehälters 4. Um ein schnelles Abkühlen der Form zu erreichen, wird - wie bereits erläutert - Argon in den Ringraum 5 geleitet. Durch die rasche Verdampfung des Argons erfolgt ein schneller Druckanstieg bei Verwen dung einer Titanschmelze von ca. 10 bar. Durch Erstar rung unter Druck wird eine verbesserte Mikroporosität erzielt.

Im Bereich des Bodens 29 des unteren Gehäuseteils 30 befindet sich ein an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossener Flansch 41 mit einem Stutzen 6 über den das Gehäuse 7 evakuiert werden kann.

Das in dem Schmelztiegel 3 aufgenommene Schmelzgut wird mit einer den Schmelztiegel 3 umschlingenden Induk tionsspule 2 geschmolzen. Zu der Induktionsspule 2 gehört ein Joch 24, das die Induktionsspule 2 umgibt und das einen ausreichenden Abstand zur Außenwand des Schmelztiegels 3 aufweist, damit nicht der Wand sondern nur der Schmelze Wärmeenergie zugeführt wird.

Der unterhalb des Schmelztiegels 3 vorgesehene Form behälter 4 ist auf einem Tisch 42 angeordnet, der auf einer Hubsäule 43 befestigt ist. Die Hubsäule 43 ist durch den Stutzen 32 geführt und hohlförmig ausgebil det. Sie nimmt in ihrem Inneren die Anschlußleitung 33 auf, über die das Argon dem Ringraum 5 des Formbehäl ters 4 zugeführt wird. Mittels der Hubeinrichtung bzw. der Hubsäule 43 läßt sich der Formbehälter 4 genau unterhalb des Schmelztiegels 3 plazieren.

Die Herstellung der Schmelze und der Abstich erfolgt wie nachstehend beschrieben.

Zuerst wird in das Gehäuse 7 bzw. in den Schmelz tiegel 3 das Schmelzgut eingebracht und dann das Gehäuse 7 mittels des Deckels 18 verschlossen. Anschließend wird der Induktionsschmelzofen 1 über eine an den Flansch 41 angeschlossene in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuumpumpe evakuiert. Nun kann das Schmelzgut unter dem bestehenden Vakuum mittels der Induktionsspule 2 geschmolzen werden. Nachdem das Schmelzgut vollständig geschmolzen ist, erfolgt über die Auslaßöffnung 11 der Abstich und das Schmelzgut wird in den Formbehälter 4 geleitet. Mittels des Druck stempels 9 wird das gesamte Schmelzgut ohne weiteres in den Formbehälter gedrückt. Hierdurch wird sicherge stellt, daß der Formbehälter vollständig und gleich mäßig beschickt wird.

Um den Abkühlungsvorgang zu beschleunigen, wird nun Argon über die Anschlußleitung 33 in den Ringraum 5 geführt und durch die schnelle Verdampfung des Argons der Schmelze Wärmeenergie entzogen. Gleichzeitig wird der Druck im Gehäuse 7 erhöht, da der Ringraum 5 über die Öffnung 44 mit dem Innenraum des Gehäuses 7 in Verbindung steht. Durch den schnellen Druckanstieg auf ca. 10 bar während des Erstarrungsvorgangs wird eine gute Gefügeausbildung sichergestellt, da sich die normalerweise auftretenden Dentriten nicht bilden können. Durch den Gasdruck und durch den Druckstempel 9 wird außerdem sichergestellt, daß auch feinste Veräste lungen der Form mit Schmelzgut ausgefüllt werden.

Nach dem Erstarrungsprozeß wird der Druck herunter gefahren, das Gehäuse 7 geöffnet und die Form entnom men. Danach wird eine neue Form eingesetzt, und der Gießvorgang kann wiederholt werden. Die erfindungs gemäße Anordnung eignet sich besonders für sehr kleine Chargen, insbesondere für Titan im Grammbereich, also für Guß stückgrößen, wie sie bei Zahnersatz üblich sind.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungbeispiel unter scheidet sich nur geringfügig vom Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Im Induktionsschmelzofen 1 ist anstelle der Ringspule 2 gemäß Fig. 1 eine Schwebespule 2a vorgesehen. Die Schmelze fällt bei diesem Gießverfahren nach Abschalten der Schwebespule 2a in den unterhalb des Schmelztiegels 3 vorgesehenen Formbehälter 4. Der Druckstempel 9 kann zum Nachverdichten vorgeheizt werden und direkt nach Abschalten des Schmelzstroms zum Nachverdichten in die Form eingepreßt werden. Der im Druckstempel 9 eingefrorene Keramiküberzug wird dann mit der verlorenen Form vom Gußteil getrennt.

Bezugszeichenliste

1 Induktionsschmelzofen
2 Induktionsspule
2a Schwebespule
3 Schmelztiegel
4 Formbehälter
5 Ringraum
6 Stutzen
7 Gehäuse
9 Druckstempel
10 Keramiküberzug
11 Auslaßöffnung
12 Hubeinrichtung
13 Einlaßöffnung
18 Deckel
19 Dichtung
20 Flansch
21 Flansch
22 Einlaßöffnung
23 Schauglas
24 Joch
25 Flansch
26 Ringdichtung
27 Flansch
28 Gehäuseteil
29 Boden
30 Gehäuseteil
31 Sockel
32 Stutzen
33 Anschlußleitung
34 Einlaßöffnung
35 Kanne
36 Keramik
37 Wand
40 Einlaßöffnung
41 Flansch
42 Tisch
43 Hubsäule
44 Öffnung

Claims

1. Induktionsschmelzofen (1) zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Metallen mit einer den Schmelztiegel (3) umschlingenden Induktions spule (2) und einem Formbehälter (4), der von einer Ringkammer (5) zur Aufnahme von Kühlmittel umgeben ist, wobei der Induktionsschmelzofen (1) von einem mit einem Vakuumanschluß (6) versehenen Gehäuse (7) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Aufbau eines Drucks oberhalb der bei vorhandenem Vakuum im Formbehälter (4) aufge nommenen Schmelze vorhanden sind, um diese vor dem Abkühlvorgang zu verdichten.

2. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Einlaßöff nung (13) des Formbehälters (4) ein in den Form behälter (4) einführbarer Druckstempel (9) vorge sehen ist, mit dem die Schmelze aus dem oberen Schmelztiegel (3) durch eine im Schmelztiegel vorgesehene Auslaßöffnung (11) in den Formbehäl ter (4) gedrückt wird, und der Druckstempel (9) im Innenraum des Schmelztiegels vorgesehen ist.

3. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der im Gehäuse (7) auf genommene Druckstempel (9) höhenbeweglich im Ge häuse (7) angeordnet ist.

4. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstempel (9) an sei nem vorderen in die Schmelze eintauchbaren Ende mit einem Keramiküberzug (10) versehen ist.

5. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Druckstempel (9) in dem Schmelztiegel (3) aufgenommen ist und sich mit seinem unteren Ende durch die im Schmelztie gel (3) vorgesehene Auslaßöffnung (11) erstreckt, wobei sich das vordere Ende des Druckstempels allmählich nach vorne verjüngt.

6. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Formbehälter (4) mit seiner Einlaßöffnung (13) mittels einer Hubeinrich tung (12) an die Auslaßöffnung (11) des Schmelz tiegels (3) heranfahrbar ist.

7. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen eines Gas drucks an die Einlaßöffnung (13) des Formbehäl ters (4) und/oder an die Einlaßöffnung (40) des Schmelztiegels (3) eine Verschlußkappe anbringbar ist, die mit einer Pumpe verbindbar ist.

8. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Formbehälter (4) aus einem inneren Behälter (35) und einem äußeren Behäl ter (37) besteht, zwischen denen der Ringraum (5) gebildet ist, der von einem porösen Keramik stoff (36) umgeben ist.

9. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Formbehäl ters (4) eine Schwebespule (2a) vorgesehen ist, zwischen der die Schmelze ohne Schmelztiegel ge bildet bzw. gehalten wird.

10. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (3) mit seinem am unteren Ende des Schmelztiegels (3) vorgesehenen Auslauftrichter koaxial zum Formbe hälter (4) ausgerichtet ist.

11. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schmelztiegel (3) nach unten hin verjüngt.

12. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (3) von einer Ringkammer umgeben ist.

13. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, 8 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Druckstempel (9) vorheizbar ist.