DE4105418A1 - Schmelzsystem zum spritzformen - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung steht in enger Beziehung zu den folgenden am gleichen Tage eingereichten deutschen Patentanmeldungen:

Anwaltsakte 12955.5, für die die Priorität der US Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 4 87 094 vom 2.3.1990 beansprucht ist,
Anwaltsakte 12957.7, für die die Priorität der US Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 4 87 511 vom 2.3.1990 beansprucht ist, sowie
der US Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 4 89 300 vom 5.3.1990.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die brauchbar ist, einen geschmolzenen Metallstrom zu einer Spritzform-Station zu führen.

Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, die geeignet ist zum Schmelzen von Metall und zum Zuführen eines Stromes aus geschmolzenen Metall zu einer Gas-Zerstäubungskomponente einer Spritzform- Vorrichtung.

Es ist bekannt, daß das Spritzformen ein Verfahren ist, das ausgeführt wird, indem man eine Zufuhr flüssigen Metalles entwickelt und den Strom flüssigen Metalles in den Pfad des Zerstäubungsgases strömen läßt. Das zerstäubende Gas zerbricht den Strom aus geschmolzenem Metall in viele winzige Tröpfchen. Das Spritzform-Verfahren schließt den Abbruch des Fluges dieser Tröpfchen ein, bevor sie sich in Teilchen umwandeln, und es hängt von der Erstarrung der Tröpfchen ab, wenn sie auf eine Aufnahmeoberfläche auftreffen. Das Spritzformen in dieser Weise ist eine gut entwickelte Technik, und es können zahlreiche Gegenstände aus der Spritzabscheidung dieses Verfahrens gebildet werden.

Normalerweise erfordert die Entwicklung eines flüssigen Stromes aus geschmolzenem Metall, daß das geschmolzene Metall aus einem Tiegel abgegeben wird, entweder durch Gießen vom Oberteil des Tiegels durch einen Auslauf oder eine Röhre oder dergleichen oder durch Gießen aus dem Bodenteil des Tiegels durch eine geeignete Öffnung. Das geschmolzene Metall, insbesondere wenn es sich um die höher schmelzenden Metalle handelt, erfordert, daß der Tiegel aus sehr hoch schmelzendem Material gebildet ist, und Keramik ist die normale und natürliche Materialart für solche Tiegel.

Ein Problem, das sich aus dem Gebrauch von Keramiktiegeln ergibt, ist, daß aufgrund von thermischem Schock oder Abrieb oder einem ähnlichen Mechanismus eine Möglichkeit besteht, daß ein kleines Keramikteilchen in den Schmelzstrom eintritt, der aus dem Tiegel austritt und dadurch in einen Gegenstand eingebaut wird, der mittels des Spritzform-Verfahrens hergestellt wird. Das Problem, das sich aus der Anwesenheit solcher Teilchen in einem durch Spritzformen hergestellten Gegenstand ergibt, ist, daß es als der Ort dienen kann, von dem aus sich Risse entwickeln und ausbreiten. Es ist allgemein bekannt, daß ein Fremdmaterial, wie ein solches Keramikteilchen, als Brennpunkt dienen kann, um den herum sich Risse in einem Gegenstand entwickeln, der hergestellt ist zum Einsatz unter Bedingungen hoher Spannungen. Solche hohe Spannungen können zum Beispiel auftreten, wenn das Teilchen in ein sich bewegendes Teil einer Flugzeugturbine eingebettet ist, wobei das Teil mit Geschwindigkeiten von 12 000 U/min oder mehr rotieren kann. Für stationäre oder statische Teile der Vorrichtung und solche, die geringen Spannungen ausgesetzt sind, ist die Rißbildung und -Ausbreitung keine so große Gefahr. Es besteht jedoch das Problem, daß es in einem mit Keramik ausgekleideten System schwierig ist, zu bestimmen, wann gerade ein Keramikteilchen sich von dem Behälter abtrennen und in den Strom eintreten wird. Aus diesem und anderen Gründen gibt es eine Forderung vieler Forscher und Metallieferanten nach einem ultrasauberen Schmelzsystem, und die entsprechenden Aktivitäten in diesem Bereiche haben während der vergangenen Jahre zugenommen. Diese Anstrengungen haben sich auf das drastische Vermindern oder Beseitigen von Stellen aus Teilen gerichtet, von denen Risse ausgehen, bei denen ein Keramikeinschluß während des Schmelzzyklus stattfinden und zu einem Grußkörper oder einem Spritzform-Zyklus übertragen werden kann.

Es ist bekannt, daß Keramikeinschlüsse eine Dichte haben, die geringer ist, als die der Metallschmelze, in der sie eingeschlossen sind. Aus diesem Grunde wird das Gießen geschmolzenen Metalles von oben vermieden, da die Teilchen wahrscheinlicher in einem Strom eingeschlossen sind, der oben aus einem Tiegel gegossen wird, als in einem Strom, der aus dem Boden des Tiegels austritt. Während die Teilchen zu einer Ansammlung auf einer Schmelze neigen, kann das Rühren, das den Strom der Schmelze oder die Induktionsleistungszufuhr begleitet, verhindern, daß alle Teilchen auf der Schmelze verbleiben. Auch können Teilchen, die von einem gerissenen Tiegel oder Zement abgespalten werden, der zur Befestigung der Düse am Tiegel benutzt wird, in den Schmelzstrom gespült werden, während er aus der Düse am Boden eines Tiegels austritt. Aus diesem Grunde wurde in der vorliegenden Erfindung ein keramikfreies Schmelzsystem entwickelt.

Die Duriron Company, Inc., Dayton, Ohio hat im "Journal of Metals" im September 1986 einen Artikel von D.J. Chronister, S.W. Scott, D.R. Stickle, D. Eylon und F.H. Froes mit dem Titel "Induction Skull Melting of Titanium and Other Reactive Alloys" veröffentlicht. In diesem Artikel ist ein Induktionsschmelztiegel für reaktive Legierungen beschrieben und diskutiert. In diesem Sinne kann man sagen, daß von der Duriron Company ein keramikfreies Schmelzsystem erhältlich ist. Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine Alternative und eine Verbesserung gegenüber dem Schmelzverfahren und der Schmelzvorrichtung der Duriron Company darstellen.

Die gesteuerte Zerstäubung eines flüssigen Stromes von Metall und seiner Abscheidung auf einem Substrat durch ein Spritzform-Verfahren erfordert, daß der geschmolzene Strom aus Metall durch eine Düse mit einer vorbestimmten festen Bohrungsgröße strömt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schema zu schaffen, durch das ein Metallstrom eines vorbestimmten Durchmessers gebildet werden kann. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zum Regulieren der Strömung aus flüssigem Metall zu einer Zerstäubungszone, um sicher zu sein, daß der Durchmesser des Stromes innerhalb eines spezifischen Größenbereiches liegt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, die es gestattet, daß die Größe eines Stromes aus geschmolzenem Metall kontrolliert wird.

Andere Aufgaben sind teilweise offensichtlich und ergeben sich teilweise aus der folgenden Beschreibung.

Gemäß einem ihrer weiteren Aspekte werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst durch Schaffen einer Quelle flüssigen Metalles und durch Schaffen einer Einrichtung, um das flüssige Metall in einem Strom einer Magnetdüse zuzuführen, die auf den Strom einwirkt. Die Düse hat einen Fluß hoher Dichte, der darin durch eine Anordnung elektrischer Elemente eingerichtet wird. Das erste dieser Elemente ist eine primäre Induktionsspule mit einer Vielzahl spiralförmiger Windungen. Eine zweite Induktionsspule hat eine einzelne Windung. Die zweite Induktionsspule hat die Form zweier verbundener Hülsen. Die erste der Hülsen hat sowohl eine größere Höhe als auch einen größeren Durchmesser und umgibt die primäre Induktionsspule, um den elektrischen Fluß aufzunehmen, der von dort ausgeht. Die zweite der Hülsen dient als Magnetdüse, hat eine geringere Höhe und einen kleineren Durchmesser als die erste Hülse und befindet sich im Abstand davon. Jede der Hülsen hat einen axial ausgerichteten Schlitz in der Wandoberfläche, die der anderen Hülse gegenüberliegt. Die Hülsen sind durch ein Paar Seite an Seite parallel verlaufender Streifenleiter verbunden, deren Höhe der der zweiten Hülse angenähert ist. Die zweite Hülse, die als die Magnetdüse dient, hat eine innere konische Oberfläche, die in einer Öffnung endet, die etwas größer ist als der gewünschte Durchmesser des hindurchtretenden Metallstromes. Wird in der Primärwindung ein Fluß erzeugt, dann entwickelt sich ein Fluß hoher Dichte längs der Achse der zweiten Hülse in dem Bereich, in dem der Strom flüssigen Metalles hindurchtreten soll. Das Ergebnis ist die Kontrolle der seitlichen Abmessungen des Stromes innerhalb enger Toleranzen sowie das Anordnen des Stromes im Zentrum der Öffnung der zweiten Hülse.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht, ebenfalls teilweise im Schnitt, eines Teiles der in Fig. 1 veranschaulichten Vorrichtung und

Fig. 3 eine Draufsicht der Vorrichtung der Fig. 2.

Eine der Hauptfunktionen von Vorrichtung und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, die kontinuierliche Zuführung relativ großer Mengen geschmolzenen Metalles zu einer Spritzform-Vorrichtung zu gestatten, so daß Gegenstände größerer Abmessungen durch Spritzformen unter Anwendung der Spritzform-Technologie hergestellt werden können. Bis zur vorliegenden Erfindung waren die Abmessungen der durch Spritzformen erhaltenen Gegenstände durch die Kapazität der Schmelzvorrichtung begrenzt, in der das Schmelzen durch Erhitzen einer Metallmenge in einem Keramikbehälter durch Induktionserhitzen oder durch Erhitzen von Metall in einem Gefäß erfolgte, wie in dem Artikel in dem "Journal of Metals" ausgeführt, der oben genannt ist. Die vorliegende Erfindung gestattet nun eine kontinuierliche Zuführung eines Metalles, einschließlich eines reaktiven Metalles, wie Titan oder Zirkonium, zu einer Spritzform-Vorrichtung, bei der das Spritzformen den Strom des geschmolzenen Metalles in eine Abscheidung einer Vorform auf einer Aufnahmeoberfläche umwandeln kann. Unter Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es zum Beispiel möglich, eine Vorform auf einem Dorn herzustellen, die sowohl hinsichtlich der Dicke als auch der Länge ausgedehnt ist und eine große Menge an Metall in der Abscheidung enthält, die die Mengen übersteigt, die nach den Verfahren nach dem Stande der Technik leicht erhältlich waren.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht veranschaulicht. Die Hauptelemente, die Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden, schließen eine Primärwicklung 10 mit mehreren einzelnen spiralförmigen Windungen 12 und eine Sekundärwicklung 14 mit einer relativ einzigartigen Gestalt ein. Das Element 14 bildet in einem Sinne eine Sekundärwicklung mit einer einzelnen Windung der Primärwicklung 10 mit mehreren Windungen. Die eine einzelne Windung aufweisende Sekundärwicklung 14 besteht aus zwei Hülsen 16 und 18, die durch zwei leitende Streifen 20 und 22 miteinander verbunden sind. Die Hülse 16 ist die größere der beiden Hülsen und umgibt im wesentlichen die Spule mit den mehreren Windungen 12. Einige dieser Elemente sind in ihrer Beziehung besser unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 erkennbar, in denen die gleichen Bezugszahlen auf die gleichen Teile verweisen.

Wie sich den Fig. 2 und 3 entnehmen läßt, sitzt die Spule 12 innerhalb des Zentrums der Hülse 16. Die Hülse 16 weist einen seitlichen Schlitz 30 auf, der sich über die ganze Tiefe der Hülse erstreckt. Der Schlitz befindet sich in der Seite der Hülse 16, die der Hülse 18 gegenüberliegt. In ähnlicher Weise hat die Hülse 18 einen seitlichen Schlitz 32, der sich durch die ganze Tiefe der Hülse 18 an einem Teil erstreckt, der der Hülse 16 gegenüberliegt. Die beiden Hülsen sind durch zwei parallele Streifen 20 und 22 elektrisch miteinander verbunden, die ihrerseits einen Abstand voneinander haben, der der Breite der Schlitze 30 und 32 in den Hülsen 16 und 18 entspricht. Die Hülse 18 ist auf ihrer inneren Oberfläche zu einem Trichter 34 mit einer zentralen Öffnung ausgebildet. Zusätzlich ist eine Anzahl von Schlitzen 36 in das untere Ende des Trichters geschnitten, um eine etwa sternförmige Öffnung an dem unteren Ende der Hülse 18 aus dem Trichter zu schaffen. Die Schlitze 36 in der trichterförmigen Wand der Hülse 18 sind so angeordnet, daß sie einen Fluß hoher Dichte im unteren Abschnitt der Hülse 18 erzeugen.

Wird die Primärspule 12 erregt, dann werden Flußlinien in der Spule 12 erzeugt und dies induziert hohe Ströme in der Sekundärspule 16. Die hohen Ströme in der Sekundärspule 16 wiederum erzeugen einen Fluß hoher Dichte am Fluß- Konzentrierungselement 18. Die Schlitze 36 sind so ausgebildet, daß sie die Stärke des Flusses hoher Dichte regulieren, um auf einen Strom flüssigen Metalles einzuwirken, der durch die Hülse 18 nach unten strömt.

Die Einwirkung der konzentrierenden Hülse 18 auf den Fluß hoher Dichte ist zweifacher Art.

Der erste Einfluß der Flußkonzentrierungs-Hülse 18 besteht darin, daß sie hilft, ein kontinuierliches Volumen von Metall zu schmelzen und als Schmelze aufrecht zu erhalten, während die Strömungsrate des Metallstromes vergleichmäßigt wird, so daß das geschmolzene Metall nicht in Form von Segmenten oder Tröpfchen herabfällt. Der Strom wird vielmehr als zusammenhängender kontinuierlicher Strom aufrecht erhalten, der durch die Flußkonzentrierungs-Hülse 18 zentriert wird und aus dieser Hülse austritt und in die darunter befindliche Zerstäubungszone dirigiert wird. Die zweite Auswirkung der Flußkonzentrierungs-Hülse besteht darin, den Strom flüssigen Metalles genau innerhalb der Öffnung 40 der Hülse 18 zu konzentrieren. Anders ausgedrückt erfolgt der erwünschte Fluß des flüssigen Metallstromes durch die Achse der Hülse 18. Befindet sich der Strom flüssigen Metalles nicht axial zu Hülse 18, dann wirkt die Flußkonzentrierungs-Hülse auf den Strom ein, um ihn abzulenken und genau durch das Zentrum der Flußkonzentrierungs-Hülse 18 zu dirigieren.

Die Zerstäubung des Schmelzstromes ist in Fig. 1 dargestellt, in der zwei Gasdüsen 42 und 44 in einer Position gezeigt sind, um den Schmelzstrom 46 in einen divergierenden Konus 48 von Tröpfchen aus geschmolzenem Metall aufzubrechen. Diese Tröpfchen erstarren rasch, wenn sie in Kontakt mit einer Aufnahmeoberfläche kommen. Die Aufnahmeoberfläche ist in Fig. 1 als ein Dorn 50 dargestellt, der gedreht und axial bewegt wird, um dem herabsinkenden zerstäubten Metallstrom jeweils eine frische Oberfläche zu bieten und eine durch Spritzformen gebildete Abscheidung 52 fortschreitend auf der Oberfläche des Dornes zu bilden, während dieser, wie durch den Pfeil dargestellt, in der Zeichnung nach links bewegt wird. Es ist wichtig festzustellen, daß wegen des großen Metallvolumens, das mit der vorliegenden Erfindung geliefert werden kann, Vorformen aus einer beträchtlichen Metallmasse oder einem beträchtlichen Metallvolumen unter Anwendung von Verfahren und Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gebildet werden können. Die Vorformen selbst haben eine sehr reguläre Form und eine ausgedehnte Länge in Anhängigkeit von der Zeit, während der das Spritzformen ausgeführt wird.

Hinsichtlich der Metallzufuhr zum den Fluß konzentrierenden Trichter in der Hülse 18 schließt das in Fig. 1 dargestellte Schema die Anwendung eines absteigenden Schmelzstabes 54 ein, der durch einen Satz von Walzen 56, die auf Achsen 58 montiert sind und durch eine nicht dargestellte Antriebsquelle aktiviert wird, mit einer vorbestimmten Rate nach unten bewegt wird. Während der Stab 14 aufgrund der Wirkung der Walzen 56 nach unten bewegt wird, gelangt er durch eine Spule 60, der ein Fluß hoher Energie und hoher Frequenz zugeführt wird, so daß der Stab innerhalb der Spule erhitzt wird. Das Erhitzen erfolgt bis unmittelbar unter den Schmelzpunkt, so daß der Stab 54 beim Hindurchtreten durch den Trichter 34 der Flußkonzentrierungs-Hülse 18 geschmolzen wird, während er in die Öffnung 40 im Zentrum des Bodens der Flußkonzentrierungs-Hülse 18 eintritt.

Alternativ kann eine Zufuhr flüssigen Metalles in einer üblicheren Weise erfolgen, so daß das bei der Flußkonzentrierungs-Hülse 18 ankommende Metall flüssig ist. Die Flußkonzentrierungs-Hülse 18 sorgt auch hier für die Regulierung der seitlichen Abmessungen und im wesentlichen des Querschnittes des Schmelzstromes und reguliert auch die Strömung der Schmelze durch die Flußkonzentrierung-Hülse 18. Eine solche übliche Form flüssigen Metalles kann ähnlich der sein, wie sie in dem oben genannten Artikel "Journal of Metals" beschrieben ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Bilden eines kontinuierlichen Stromes flüssiger Metallschmelze mit genau bestimmten seitlichen Abmessungen, umfassend:
eine Quelle flüssigen Metalles,
eine Einrichtung, um das genannte Metall in einem Strom einer Magnetdüse zuzuleiten, die es der Düse gestattet, auf den Strom einzuwirken,
eine primäre Induktionsspule mit einer Vielzahl spiralförmiger Windungen,
eine sekundäre Induktionsspule mit einer einzigen Windung,
wobei diese sekundäre Induktionsspule die Form zweier miteinander verbundener Hülsen hat, von denen die erstere hinsichtlich Höhe und Durchmesser die größere ist und die primäre Induktionsspule umgibt, die zweite der Hülsen hinsichtlich der Höhe und des Durchmessers kleiner ist und einen Abstand von der ersten Hülse hat, jede der Hülsen einen axial ausgerichteten Schlitz in dem Teil der Wandoberfläche aufweist, der der anderen Hülse gegenüberliegt, die Hülsen durch ein Paar Seite an Seite parallel angeordneter streifenförmiger Leiter verbunden sind, deren Höhe der zweiten Hülse angenähert ist, die zweite Hülse eine innere konische Oberfläche aufweist, die in einer Öffnung endet, die etwas größer ist als der erwünschte Durchmesser des passierenden Metallstromes, wodurch ein Fluß hoher Dichte entlang der Achse der zweiten Hülse entwickelt wird, um die zweite Hülse als magnetischen Trichter wirken zu lassen, der die Abmessungen des hindurchströmenden flüssigen Metalles kontrolliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden Hülsen parallel zueinander liegen und seitlich voneinander beabstandet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vielzahl der Windungen ausgewählt ist, um das Anpassen der Impedanzen der Primärspule und der Sekundärspule zu optimieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die innere konische Oberfläche der zweiten Hülse mit axialen Schlitzen versehen ist, um den magnetischen Fluß darin zu konzentrieren.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden Hülsen sich Seite an Seite in einer parallelen Beziehung zueinander befinden und die Verbindung dazwischen eine seitliche Verbindung ist.