DE4307317A1

DE4307317A1 - Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen von Metallen oder Metall-Legierungen hoher Reinheit

Info

Publication number: DE4307317A1
Application number: DE19934307317
Authority: DE
Inventors: Thomas Bathon
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1992-07-23
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 1994-01-27

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen von Metallen oder Metall-Legierungen hoher Reinheit unter Vakuum-, bzw. Schutzgasbedingungen mit einem gekühlten Schmelztiegel und einem gekühlten Trichter zur Führung des Gießstrahls, wobei der Tiegel und der Trichter aus mehreren Bauteilen, im wesentlichen aus, durch Schlitze voneinander getrennten metallischen, palisadenförmig ausgebildeten Seg menten bestehen und von mindestens einer Induktionsspule um geben sind.

Zum Schmelzen schwer schmelzbarer Stoffe mit einem hohen Schmelzpunkt und zum Herstellen von Metallen hoher Reinheit ist es seit langem bekannt wassergekühlte Schmelztiegel zu verwenden. Als Tiegelmaterial wird meist Kupfer oder Silber verwendet, wobei der Schmelzpunkt des zu schmelzenden Stoffes einiges höher liegt als der Schmelzpunkt des Tiegelmaterials.

So ist z. B. ein Verfahren zum Schmelzen schwer schmelzbarer Metalle bekannt (DE 5 18 499), das einen Schmelzbehälter be schreibt, der aus Stoffen von niedrigerem Schmelzpunkt als das Schmelzgut besteht. Die Zuführung der zum Schmelzen erforder lichen Energie, sowie die Kühlung des Behälters erfolgt der art, daß ein restloses Einschmelzen des Schmelzgutes ohne Ver unreinigung des Tiegelmaterials bewirkt wird. Hierbei wird ein elektrisch leitender Werkstoff als Tiegelmaterial verwandt und der Tiegel besteht aus einer Reihe gegeneinander isolierter, mit Kühlkanälen versetzter Metallsegmente.

Es ist weiterhin ein Kaltschmelztiegel zum Schmelzen kleiner Metallmengen in der Schwebe bekannt (DE 38 19 153), der von, durch Schlitze voneinander getrennten Wandsegmenten gebildet wird, in denen Kühlkanäle verlaufen. Dabei ist das obere Teil des Tiegels aus, in Einzelanfertigung hergestellten, zusammen gefügten Wandsegmenten gebildet. Aus dem Basisteil ragen Ablei tungsrohre für das Kühlmittel heraus, die jeweils mit einem Einzelwandsegment durch Weichlot dicht verbunden sind und die Einzelwandsegmente heraus lösbar sind.

Desweiteren kennt man einen Tiegel zum Erhitzen von Metall (US 4,923,508), der aus einer Vielzahl stehender Metallseg mente gebildet wird, wobei jedes Segment zum jeweils benach barten Segment durch einen Längsschlitz getrennt ist. Die Schlitze zwischen den benachbarten Segmenten sind frei von Dichtmaterial und so schmal ausgeführt, daß das Eindringen von geschmolzenem Metall gerade verhindert wird, aber groß genug, so daß eine elektrische Isolierung zweier benachbarter Seg mente garantiert ist.

In einer letzten Druckschrift (DE-OS 40 11 392) ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung eines Gießstrahls mittels eines Trichters beschrieben, wobei dieser mit einem größeren Schmelzbehälter verbunden ist, in dem sich die Schmelze befindet. Dieser Trichter besteht aus Metall oder Metall-Legierungen und ist in fluidgekühlte Segmente unter teilt, wobei eine mit Wechselstrom beaufschlagte Spule den Trichter umgibt und die Schmelze im Trichter induktiv beheizt.

Zusammenfassend kann man feststellen, daß in der Literatur diverse Ausführungsformen von geschlitzten und gekühlten Tiegeln bekannt sind, wobei jedoch das Tiegelmaterial und die Tiegelbeschichtung nur am Rande erwähnt sind. Üblicherweise werden die palisadenförmigen Tiegelsegmente aus Kupfer her gestellt und mit einer Keramikbeschichtung versehen, so daß sie elektrisch isolierende Eigenschaften erhalten.

Diese bekannten Vorrichtungen und Tiegel haben den Nachteil, daß einerseits die mechanische Fertigung der Segmente sehr aufwendig und die keramische Beschichtung der palisadenför migen Segmente sehr zeitintensiv ist und somit die Herstell kosten sehr hoch sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Her stellung der einzelnen Palisaden zu vereinfachen und eine Alternative für die Keramikbeschichtung zu entwickeln, die sowohl eine ausreichende elektrische Isolierung gewährleistet als auch eine notwendige thermische Isolierung garantiert und die Herstellkosten deutlich zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die palisadenförmigen Segmente aus Aluminium oder einer Aluminium legierung hergestellt sind und die Oberflächen dieser Segmente durch elektrische Oxidation (Eloxal) mit einer Schutzschicht aus Aluminiumoxid versehen sind. Mit Vorteil ist die mecha nische Fertigung der palisadenförmigen Segmente aus Aluminium als Grundmaterial zeitsparender als bei den bisher bekannten Werkstoffen. Es bestand hier wohl seit langem ein Vorurteil, das die Verwendung von Aluminium als Werkstoff für die Her stellung von Schmelztiegeln verhindert hat. Der niedrige Schmelzpunkt von Aluminium wird in der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise durch eine anodische Oxidation spürbar er höht. So wird z. B. durch eine 90 µm dicke Aluminium-Oxid schicht die Temperaturbelastbarkeit auf kurzzeitig 2000°C erhöht, so daß hier Werte bis weit oberhalb des Schmelzpunktes des eigentlichen Grundwerkstoffes erreicht werden können. Vor teilhafterweise zeigt die Aluminium-Oxidschicht auch einen aus reichend hohen elektrischen Widerstand mit einer genügenden elektrischen Durchschlagsfestigkeit.

Durch diese Maßnahmen wird der Zeitaufwand für die mechanische Fertigung spürbar verkürzt und der Aufwand für das Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht wesentlich vereinfacht. Es ist weiterhin denkbar, daß nicht nur die palisadenförmigen Segmente des Tiegels und/oder des Trichters aus Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt sind, sondern daß alle Bauteile aus Aluminium bestehen und somit weitere Einsparungen in den Herstellkosten erreicht werden können.

Weitere Ausführungsmöglichkeiten und Merkmale sind in den Unteransprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.

Die Erfindung lädt verschiedene Ausführungsmöglichkeiten zu. Eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen näher dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Kaltwandtiegel mit Wasserführungssystem und Induktionsspule in Schnittdarstellung und

Fig. 2 einen Kaltwandtiegel ähnlich Fig. 1 in der Draufsicht.

Ein im wesentlichen hohlzylindrischer Schmelztiegel 1 in Fig. 1 besteht aus palisadenförmigen Segmenten 2, 2′, . . . sowie einem ringförmigen Tiegeloberteil 3, das an einer Stirnseite der Palisaden mit diesen verschweißt ist. Außerhalb der Segmente 2, 2′, . . . ist eine Induktionsspule 4 angeordnet. Im unteren Bereich des Tiegels 1 befindet sich ein topfförmiger Tiegel boden 5, der mit seiner Öffnung nach unten zeigt. In dem Schmelztiegel befindet sich die Schmelze 6, die durch ein Ma gnetfeld berührungslos gehalten wird.

Die Palisaden 2, 2′, . . . sind wassergekühlt und mit je einer Bohrung 7, 7′, . . . versehen, in welche Wasserführungsrohre 8, 8′, . . . zur Rückführung des Kühlmittels eingesetzt sind. Die Außenflächen der Palisaden 2, 2′, . . . sind mit einer Schutz schicht 9, 9′, . . . aus Aluminiumoxid überzogen.

In der Draufsicht (Fig. 2) auf den Schmelztiegel 1 erkennt man das kreisringförmige Tiegeloberteil 3, auf dem die Seg mente 2, 2′, . . . angeordnet sind, wobei die Mittelpunkte des Teilkreises der Palisaden 2, 2′, . . . und des Tiegeloberteils 3 nicht deckungsgleich sind.

Die Zuführung des Kühlmediums in die Palisaden 2, 2′, . . . er folgt über eine Kühlmittelzuleitung 10, die in radialer Rich tung in das Tiegeloberteil 3 einmündet und an ihrem freien Ende einen Flansch 11 aufweist. Die Rückführung des Kühlmit tels aus dem Tiegel 1 heraus erfolgt über die Ableitung 12 und ein Winkelstück 13, welche sich in etwa parallel zur Zuleitung 10 befinden.

Ein Schnitt entlang der Linie A-B ist bereits in Fig. 1 dar gestellt und beschrieben.

Auflistung der Einzelteile.

1 Schmelztiegel
2, 2′, . . . Segment, Palisade
3 Tiegeloberteil
4 Induktionsspule
5 Tiegelboden
6 Schmelze
7, 7′, . . . Bohrung
8, 8′, . . . Wasserführungsrohr
9, 9′, . . . Schutzschicht
10 Zuleitung für Kühlmittel
11 Flansch
12 Ableitung für Kühlmittel
13 Winkelstück

Claims

1. Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen von Metallen oder Metall-Legierungen hoher Reinheit unter Vakuum-, bzw. Schutzgasbedingungen mit einem gekühlten Schmelztiegel (1), der aus mehreren Bauteilen, im wesentlichen aus, durch Schlitze voneinander getrennten metallischen, palisadenförmig ausgebildeten Segmenten (2, 2′, . . . ) be steht und von mindestens einer Induktionsspule (4) umge ben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die palisadenförmigen Segmente (2, 2′, . . . ) aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung hergestellt und die Ober flächen dieser Segmente (2, 2′, . . . ) mit einer Schutz schicht (9, 9′, . . . ) aus Aluminiumoxid versehen sind.

2. Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile des Tiegels (1) aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung hergestellt sind.

3. Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile des (1) Tiegels mit einer Schutzschicht (9, 9′, . . . ) aus Aluminiumoxid versehen sind.

4. Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (9, 9′, . . . ) durch elektrische Oxidation des Aluminiums her stellbar ist.

5. Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (9, 9′, . . . ) elektrisch isolierend ist.

6. Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (9, 9′, . . . ) wärmeisolierend ist.

7. Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen von Metallen oder Metall-Legierungen hoher Reinheit unter Vakuum-, bzw. Schutzgasbedingungen mit einem gekühlten Schmelztiegel (1) und einem gekühlten Trichter zur Führung des Gieß strahls, wobei Tiegel (1) und/oder Trichter aus mehreren Bauteilen, im wesentlichen aus, durch Schlitze voneinan der getrennten metallischen, palisadenförmig ausgebil deten Segmenten (2, 2′, . . . ) bestehen und von mindestens einer Induktionsspule (4) umgeben sind, dadurch gekenn zeichnet, daß die palisadenförmigen Segmente (2, 2′, . . . ) aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung hergestellt und die Oberflächen dieser Segmente (2, 2′, . . . ) mit ei ner Schutzschicht (9, 9′, . . . ) aus Aluminiumoxid versehen sind.

8. Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile der Vorrichtung aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung hergestellt sind.

9. Vorrichtung zum Schmelzen und Gießen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile der Vorrichtung mit einer Schutzschicht (9, 9′, . . . ) aus Aluminiumoxid versehen sind.