DE4241359A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bodenabstich einer keramikfreien Schmelze, insbesondere für die Metallpulvererzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Bodenabstich einer keramikfreien Schmelze, insbesondere für die Metallpulvererzeugung mit einem in einer Ofenkammer angeordneten Schmelzenbehälter zur Aufnahme eines Einschmelzkopfes, beispielweise aus einer Titan/Aluminiumlegierung, mit einer im Bodenteil des Schmelzenbehälters befindlichen Öffnung sowie mit einem oberhalb des Schmelzenbehälters vorgesehenen Brenner, beispielsweise einer Plasmakanone.

Bei der Herstellung von hochreinen Metallpulvern ist es erforderlich, das flüssige Metall in einem relativ engen Strahl zu bündeln, um es anschließend mittels einer Zerstäubungsdüse zerstäuben zu können, einer rotierenden Scheibe zu zerteilen oder beim Feinguß in eine Form abzugießen, ohne durch einen Strahlformer das Metall zu verunreinigen.

Ein bekanntes Verfahren ist das sogenannte Abtropf­ schmelzen, bei dem stangenförmiges Ausgangsmaterial geschmolzen und einer Zerstäubungsdüse zugeführt wird (DE 34 33 458). Das stangenförmige Material wird hier­ bei vertikal gegen eine Induktionsspule verschoben, deren axiale Ausdehnung und deren Öffnung kleiner sind als der Stangendurchmesser, und das untere Stangenende wird mit seiner Stirnseite in einem im wesentlichen gleichbleibenden axialen Abstand über der Induktions­ spule gehalten. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß das Ausgangsmaterial in Stangenform vorliegen muß.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Formung eines Gießstrahls wird ein Ausgießtiegel aus Keramik verwendet, der den Vorteil hat, daß er nicht gekühlt werden muß, weil er die hohen Temperaturen der Schmelze aushält. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß die Schmel­ ze mit der Keramik kontaminiert wird.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, könnten Ausgießtiegel aus Metall verwendet werden, die jedoch gekühlt werden müßten. Sind größere Tiegel aus Metall vorhanden, in denen sich eine Schmelze befindet, die beispielweise durch Plasma- oder Elektronenstrahlschmelzen erzeugt werden, so wäre es schwierig, einen engen Flüssigme­ tallstrahl zu erzeugen, der zum Beispiel einer Pulver­ erzeugungsvorrichtung zugeführt werden kann, weil die Öffnung des Tiegels, aus dem der Flüssigkeitsstrahl strömt, um so eher zufriert, je enger sie ist.

Schließlich ist es bekannt (DE 40 11 392), in einem Kupfertiegel (Knopftiegel) mit Hilfe eines Plasmabren­ ners eine keramikfreie Titanlegierung aufzuschmelzen und den anschließend erstarrten Schmelzenknopf in einem zweiten Schmelzenbehälter mit gleicher Konfiguration mit einer Bodenöffnung (Lochtiegel) und einem unterhalb des Lochtiegels angeordneten Strahlführungssystem mit Einlauftrichter und unterhalb diesem angeordneten Gas­ düse aufzuschmelzen, bis das flüssige Metall durch die Öffnung im Boden in den Trichter des Strahlführungs­ systems zum Zwecke der Verdüsung einläuft und dann innerhalb des Trichters geformt und anschließend ver­ düst werden kann.

Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß der Schmelzstrahl während des Prozesses im Bereich des Bodenteils des Tiegels zum Einfrieren neigt, insbeson­ dere da die kalte Zone des Schmelzenbehälters vom Strahlführungssystem nicht aufgeheizt werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen möglichst dünnen Flüssigmetallstrahl unter sicherer Vermeidung des Risikos des Einfrierens zu erzeugen. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentan­ sprüche 1 und 5 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbe­ sondere darin, daß die Schmelze in der Auslauföffnung nicht erstarrt und beispielsweise in einem gleichmäßi­ gen Strahl in die Zerstäubungskammer einströmt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 den Schnitt quer durch eine Pulververdü­ sungsanlage mit Schmelzenbehälter und Ver­ düsungsturm und

Fig. 2 den Teilschnitt durch den trogförmigen Schmelzenbehälter nach Fig. 1 mit der zugehörigen, die Bodenöffnung verschlie­ ßenden Metallscheibe in vergrößerter Dar­ stellung.

In Fig. 1 ist ein trogförmiger Schmelzenbehälter (Knopftiegel) 1 dargestellt, in dem mittels eines Plas­ mastrahls 2, der aus einer nur angedeuteten Plasma­ kanone 3 kommt, eine Metallschmelze 4 erzeugt wird. Unterhalb des Schmelzenbehälters 1 befindet sich eine Zerstäubungskammer 5, in die von der Seite her (d. h. aus horizontaler Richtung) eine Zerstäubungsdüse 6 einmündet. Diese Düse 6 ist exakt auf den Fallweg des flüssigen Metalls 7 ausgerichtet, so daß ein aus der Düse 6 mit hoher Geschwindigkeit austretender Gasstrahl 8 die Schmelze stets aus der gleichen Richtung erfaßt und sie in einen Strom feinster Metallpartikel 9 zer­ teilt. Diese Metallpartikel 9 beschreiben aufgrund des Impulses, den sie vom Gasstrahl 8 erhalten haben, eine parabelförmige Flugbahn, die schließlich in einem Fall­ schacht 10 endet, der seitlich und nach unten gerichtet an die Zerstäubungskammer 5 angesetzt ist.

Am unseren Ende des Fallschachts 10 befindet sich eine Austragsschleuse 11, über die ein Transportwagen 12 mit dem Innenraum des Fallschachts 10 verbindbar ist. In die Zerstäubungskammer 5 mündet noch eine Gasleitung 13 mit einem Dosierventil 14, durch welches die gesamte Vorrichtung mit einem Schutzgas gefüllt werden kann. Die Kammer 5 ist evakuierbar. Ein hierfür erforder­ licher Saugstutzen ist jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Anstelle einer horizontalen Gasverdüsung, wie sie dar­ gestellt ist, kann auch eine vertikale Gasverdüsung oder eine Rotationszerstäubung vorgesehen sein. Auch eine Stehwellenerzeugung ist denkbar. Statt Metallpul­ ver kann auch Feinguß hergestellt werden, so daß die ganze Zerstäubungseinrichtung entfällt.

Als Vorratsbehälter 1, aus dem das flüssige Metall fließt, können metallische, wassergekühlte Behälter oder kalte Behälter mit separater Induktionsspule vor­ gesehen sein. An die Stelle eines Plasmaerzeugers 3 kann eine Lichtbogenheizung oder eine Elektronenstrahl­ heizung treten.

Wie Fig. 2 zeigt, ist die Öffnung 15 im Boden des trogförmigen Schmelzenbehälters 1 mit einer Metall­ scheibe 16 (beispielsweise aus Kupfer) verschlossen, wobei die Metallscheibe mit einer Bohrung 17 für den Auslauf des geschmolzenen Metalls 10 versehen ist und einen Rand 18 bzw. eine umlaufende Lippe oder Rippe aufweist, mit dem sie sich am Boden des Trogs 1 abstützt. Auf diese Weise ist es möglich, nur mit einem Tiegel, nämlich einem Lochtiegel, Knöpfe zu erstellen und Schmelzausläufe zu ermöglichen. Um Köpfe zu erzeu­ gen, wird die Bodenöffnung mit einer Kupferscheibe ohne Bohrung verschlossen.

Während des Aufschmelzens des Schmelzenknopfes (der in den Schmelzenbehälter 1 eingesetzten erstarrten Schmel­ ze, der beispielsweise die Gestalt eines Knopfes bzw. eines Kugelabschnitts aufweist) wird die Leistung der Plasmakanone verändert.

Ausführungsbeispiel

Bei einer Bohrung 17 von 9 mm Durchmesser, einer Dicke der Metallscheibe 16 aus Kupfer von 10 mm und einem Außendurchmesser der Metallscheibe 16 von 52 mm und einer maximalen Knopfeinwaage von 1,7 kg TiAl wurden für die Aufschmelzzeit und den Plasmastrom bei Verwen­ dung von He als Brennergas folgende Werte ermittelt:

Ist der Durchstich erfolgt und fließt die Schmelze aus, dann bleibt der Plasmabrenner mit dem Plasmastrom von 1420 A im Zentrum des Lochtiegels 1 stehen, so lange bis das Niveau der Schmelze von ursprünglich 38 mm auf 15 mm abgesunken ist. Erst danach kann die Leistung des Plasmabrenners 3 stufenweise heruntergefahren werden.

Es ist klar, daß die dem Plasmabrenner 3 zugekehrte obere Fläche der Metallscheibe 16 auch leicht kalotten­ förmig ausgeformt sein kann, daß die umlaufende, im Profil nasenförmige Randpartie oder Rippe 18 auch ein anders ausgeformtes, beispielweise ein rechteckiges Querschnittprofil aufweisen kann und daß die Bohrung 17 im Zentrum der Metallscheibe 16 nicht nur in einer streng zylindrischen Form, sondern auch mit Fasen 19 versehen oder als Stufenbohrung ausgeführt sein kann.

Schließlich ist es offensichtlich, daß - wie bereits vorstehend erwähnt - der Schmelzenbehälter 1 mit seiner mit einer zentralen Bohrung 17 versehenen Metallscheibe 16 nicht nur in Verbindung mit einer Pulververdüsungs­ anlage sinnvoll arbeitet, sondern daß der erfindungs­ gemäße Schmelzenbehälter sich überall dort als zweck­ mäßig erweist, wo ein eng gebündelter, kontinuierlich auslaufender Schmelzenauslaufstrahl verlangt wird, und zwar ohne daß weitere aufwendige Schmelzenführungs­ systeme oder Zusatzheizsysteme vorgesehen werden müssen.

Bezugszeichenliste

 1 Schmelztrog, Schmelzenbehälter
 2 Plasmastrahl
 3 Plasmakanone
 4 Metallschmelze
 5 Zerstäubungskammer
 6 Düse
 7 Fallweg
 8 Gasstrahl
 9 Metallpartikel
10 Fallschacht
11 Austragsschleuse
12 Transportwagen
13 Gasleitung
14 Dosierventil
15 Öffnung
16 Metallscheibe
17 Bohrung
18 Rand, Rippe
19 Fase, Senkung

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Bodenabstich einer keramikfreien Schmelze (4), insbesondere für die Metallpulverer­ zeugung mit einem in einer Ofenkammer angeordneten Schmelzenbehälter (1) zur Aufnahme eines Ein­ schmelzknopfes, beispielsweise aus einer Titan/- Aluminiumlegierung, mit einer im Bodenteil des Schmelzenbehälters (1) befindlichen Öffnung (15) sowie mit einem oberhalb des Schmelzenbehälters (1) vorgesehenen Brenner (3) beispielsweise einer Plasmakanone, dadurch gekennzeichnet, daß in die Öffnung (15) im Bodenteil des Schmelzenbehälters (1) eine vorzugsweise aus Kupfer bestehende Metallscheibe (16) eingesetzt ist, die eine Boh­ rung (17) aufweist, durch die die vom Brenner (3) aufgeschmolzene Schmelze (4) nach unten zu aus­ läuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Bodenteil des Einschmelzknopfes mit einer Ausdrehung versehen ist, die die Konfigura­ tion des Einschmelzknopfes im Bereich des Boden­ teils des Schmelzenbehälters der Konfiguration der Metallscheibe anpaßt und damit das vorzeitige Aus laufen von flüssigem Material aus der Öffnung der Metallscheibe ausschließt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere, radial äußere Kante der im übrigen kreiszylindrischen Metallscheibe (16) mit einer im Profil etwa nasenförmigen, umlaufenden, radial über die zylindrische Seiten­ fläche der Metallscheibe (16) hervorragenden Rand­ partie (18) oder Rippe versehen ist, die ein Durchrutschen nach unten zu der in die Öffnung (15) im Bodenteil des Schmelzenbehälters (1) eingesetzten Metallscheibe (16) verhindert und eine bessere Kühlung der Metallscheibe (16) gewährleistet.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Rand der Bohrung (17) in der Metallscheibe (16) mit einer Fase (19), Abstufung oder Senkung versehen ist.

5. Verfahren für den Bodenabstich einer keramikfreien Schmelze, beispielsweise für die Metallpulverer­ zeugung mit einem in einer Ofenkammer angeordneten Schmelzenbehälter (1) zur Aufnahme eines Ein­ schmelzknopfes, beispielsweise einer Titan/Alumi­ niumlegierung (4), mit einer im Bodenteil des Schmelzenbehälters (1) befindlichen Öffnung (15) sowie mit einem oberhalb des Schmelzenbehälters (1) vorgesehenen Brenner (3), beispielsweise einer Plasmakanone, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Einschmelzknopfes mit einem während des Schmelzprozesses ständig von zum Bei­ spiel 450 A bis auf 1000 A ansteigenden Plasma­ strom erfolgt, wobei der Plasmastrom bei seiner Höchstleistung von zum Beispiel 1420 A bei Beginn des Auslaufens aus einer in einer die Bodenöffnung (15) verschließenden Metallscheibe (16) vorgesehe­ nen zentralen Bohrung (17) weiterbrennt, bis die Restschmelze ausgelaufen ist.