DE69031479T2

DE69031479T2 - Induktionsschmelzen ohne Tiegel für Metalle

Info

Publication number: DE69031479T2
Application number: DE69031479T
Authority: DE
Inventors: John T Berry; Nagy H El-Kaddah; Thomas S Piwonka
Original assignee: Inductotherm Corp
Current assignee: Inductotherm Corp
Priority date: 1989-04-17
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2010-04-18
Also published as: JPH03216264A; US5033948A; JPH077707B2; CA2014504A1; CA2014504C; EP0395286B1; DE69031479D1; EP0395286A2; JPH077706B2; EP0395286A3; JPH0367487A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Induktionsschmelzen einer Metallmenge, ohne daß ein Tiegel oder ein anderer Behälter benötigt wird. Statt dessen wird ein magnetisches Feld verwendet, um die Schmelze zu halten.

Hintergrund der Erfindung

Bei der Herstellung von Metallgußteilen ist es wichtig, Verunreinigungen des Metalls durch nicht-metallische Einschlüsse zu vermeiden. Diese Einschlüsse sind üblicherweise Oxidphasen und werden üblicherweise gebildet durch Reaktionen zwischen den schmelzenden Metallen und dem Tiegel, in denen diese geschmolzen werden. Es ist seit langem ein Ziel der Hersteller von Gußstükken aus Metall, diese Verunreinigungen zu verhindern, indem Tiegel eingesetzt werden, die minimal mit den Schmelzen reagieren. Allerdings reagieren einige Legierungen, insbesondere Nikkelbasis-Superlegierungen, die erhebliche Anteile an Aluminium, Titan oder Hafnium aufweisen können, heftig mit Oxidtiegeln und bilden Einschlüsse während des Schmelzens.
Im Falle der Verwendung von Titaniumbasis-Legierungen und Legierungen aus schwerschmelzenden Metallen (Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Hafnium, Rhenium und Zirconium) ist das Schmelzen in einem Tiegel praktisch unmöglich aufgrund der Heftigkeit der Reaktionen innerhalb des Tiegels. Es ist insofern ein weiteres Ziel der Metallgießer, einen Weg zu finden, diese Legierungen ohne Verunreinigungen zu schmelzen.
Bisher gibt es zwei hauptsächliche Verfahren zur Vermeidung der Verunreinigung durch eine Tiegel beim Metallschmelzen.
Ein Verfahren ist das "Kalttiegel"-schmelzen, bei welchem ein wassergekühlter Kupfertiegel eingesetzt wird. Die Metallcharge, die mittels Induktionsschmelzen, Lichtbogenschmelzen, Plasmastahlschmelzen oder mittels Elektronenstrahl-Enenergiequellen geschmolzen wird, erstarrt an der kalten Wand des Kupfertiegels. Danach wird das flüssige Metall in einer "Schale" aus festem Metall aus eigener Zusammensetzung gehalten, anstelle mit der Wand des Tiegels in Berührung zu kommen.
Ein Beispiel des "Kalttiegel"-Induktionsschmelzens ist in der FR-A-1358438 beschrieben. Diese Druckschrift beschreibt eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Das Verfahren eignet sich zum Schmelzen hochtemperaturbeständiger, nicht leitender Materialien, wie zum Beispiel Metalloxide. Die Schmelze wird mechanisch durch die "Schale" gehalten, die entsorgt werden muß, wenn das geschmolzene Material in die Form gegossen worden ist.
Ein weiteres Verfahren ist das Schwebeschmelzen. Beim Schwebeschmelzen wird eine zu schmelzende Metallmenge elektromagnetisch schwebend in einem Raum gehalten, während sie erhitzt wird. Die US-PSen 2,686,864 von Wroughton et al. und 4,578,552 Mortimer beschreiben Verfahren zum Verwenden von Induktionsspulen, um eine Metallmenge in der Schwebe zu halten und sie induktiv zu erhitzen.
Kalttiegelschmelzen und Schwebeschmelzen verbrauchen notwendigerweise große Mengen an Energie. Im Falle des Kalttiegelschmelzens wird eine Energiemenge nur dazu benötigt, das Metall innerhalb der Schale geschmolzen zu halten, wobei ein Großteil der dem Metall zugeführten Heizenergie gezielt abgeführt werden muß, um den festen äußeren Teil aufrechtzuerhalten. Bei Schwebeschmelzen wird Energie benötigt, um das Metall in der Schwebe zu halten. Zudem bewirkt das Schwebeschmelzen - im Vergleich zu der Oberfläche des geschmolzenen Bades bei einem herkömmlichen Tiegel - eine große Oberfäche der Metallmenge, was zu Wärmeverlusten durch Strahlung führt. Zusätzliche Energie wird benötigt, um die Metalltemperatur aufrechtzuerhalten.
Für Legierungen, die nur geringfügig mit den Tiegeln reagieren, wie zum Beispiel bei den vorerwähnten Nickelbasis-Kupferlegierungen, ist ein Verfahren eingesetzt worden, welches als "Birlec"-Verfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren wurde von der Birmingham Electric Company in Großbritannien entwickelt. Bei dem Birlec-Verfahren wird Induktion verwendet, um gerade genug Metall zu schmelzen, um ein Gußstück zu gießen. Allerdings wird, anstatt das Metall aus dem Tiegel in herkömmlicher Art und Weise zu gießen, indem dieser gekippt wird und das geschmolzene Metall über die Gießlippe tritt, der Tiegel mit einer Öffnung im Boden versehen, die mit einem "Stopfen" oder "Knopf" aus dem die Charge bildenden Metall abgedeckt wird. Nachdem die Charge geschmolzen ist, schmilzt der Hitzetransfer von der geschmolzenen Charge zum Stopfen letzeren, wodurch das geschmolzene Metall durch die Öffnung in die wartende, darunterstehende Gießform fließen kann.
Durch die Verwendung einer geringen Metallmenge mit der richtigen Induktionsschmelzfrequenz und Energie beim Birlec-Verfahren, kann das Metall "haystacked" oder teilweise in den Schwebezustand gebracht und während eines großen Teils des Schmelzprozesses von den Seiten des Tiegels ferngehalten werden, wodurch Berührungen mit der Seitenwand des Tiegels minimiert, wenn auch nicht eliminiert werden. Ein derartiges Verfahren wird heute eingesetzt zur Produktion von Einkristall-Investment-Gußstücken in der Gasturbinenindustrie. Vgl.: "From Research To Cost-Effective Directional Solidification And Single-Crystal Production - An Integrated Approach" von G.J.S. Higgenbotham, Materials Science and Technology, Band 2, Mai 1996, Seiten 442-460 ff.
Das Verwenden des "Haystacking", um hochschmelzende Legierungen und Titanlegierungen zu schmelzen, wurde von der US-Armee in Watertown Arsenal in den 50-er Jahren versucht, wobei Kohletiegel verwendet wurden. Vgl.: J. Zotos, P.J. Ahearn und H.M. Green, "Ductile High Strength Titanium Castings By Induction Melting", American Foundrymen's Society Transactions, Band 66, 1958, Seiten 252-230. In den 70-er Jahren wurde ein Versuch unternommen, diese Ergebnisse zu verbessern durch die Kombination des Haystacking- und des Birlec-Verfahrens. Vgl.: T.S. Piwonka und C.R. Cook, "Induction Melting and Casting of Titanium Alloy Aircraft Components", Report AFFL-TR-72-168, 1972, Air Force Systems Command, Wright-Patterson AFB, Ohio. Keiner dieser Versuche brachte den Erfolg, Kohlenstoffverunreinigungen durch den Tiegel zu verhindern und es gab kein zufriedenstellendes Verfahren zur Steuerung der Gießtemperatur des Metalls, das den Genauigkeitsanforderungen der Luft- und Raumfahrt genügte.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß es bislang kein effizientes Verfahren zum Schmelzen und zur Steuerung der Gießtemperatur gegeben hat, welches Verunreinigung durch den Tiegel vermeidet. Es besteht eine Notwendigkeit für ein derartiges Verfahren, insbesondere für hochreaktive Metalle, wie hochschmelzende Metalle und ihre Legierungen und Titan und seine Legierungen und für mittelreaktive Legierungen, wie Nikkelbasis-Superlegierungen und rostfreien Stahl.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfingung liefert eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Induktionsschmelzen einer Metallmenge ohne einen Behälter.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung für das induktive Schmelzen und Gießen einer Metallmenge vorgesehen, die versehen ist mit
einer Induktionsspule mit mehreren Windungen, dürch die ein Raum zur Aufnahme der Metallmenge gebildet wird,
Mitteln, um die Spule zu erregen,
und einem Tragemittel zum Tragen des Metalls von unten, das mit einer durchgehenden Öffnung versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung das vollständige Schmelzen der Metallmenge ohne einen Behälter oder eine Schale und ohne Schwebezustand ermöglicht und daß die Induktionsspule ausgebildet ist, um eine elektromagnetische Kraft auszuüben, die in Richtung des unteren Abschnitts der Spule zunimmt und die das geschmolzene Metall innerhalb der Spule trägt und zusammenhält, und die oberste Windung der Induktionsspule in entgegengesetzter Richtung zu den anderen Windungen gewickelt ist, und Mittel vorgesehen, um das Tragmittel auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten.
Die Spule kann zusätzliche Windungen in Richtung auf ihren unteren Abschnitt aufweisen, so daß eine stärkere elektromagnetische Kraft auf den unteren Teil des Metalls ausgeübt wird. Die Charge ist nicht in einem Tiegel, sondern ist in ihrem nicht geschmolzenen Zustand freistehend auf einem Tragmittel angeordnet. Das Tragmittel ist mit einer durchgehenden Öffnung versehen, durch welche das flüssige Material beim Schmelzen der Charge hindurchtreten kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Induktionsspule relativ zur Metallcharge bewegbar. Zu Beginn des Schmelzvorganges ist die Spule so positioniert, daß nur ein Teil der Metallcharge innerhalb der Spule angeordnet ist und dieser Teil bis zu einer vorgewählten Temperatur induktiv erhitzt wird. Die Spule wird dann abgesenkt, um im wesentlichen die ganze Metallcharge zu umschließen, so daß die gesamte Metallcharge erhitzt werden kann.
Die Tatsache, daß die oberste Windung der Spule in entgegengesetzter Richtung zu der übrigen Windungen gewickelt ist, trägt dazu bei, ein Schweben der Metallcharge während des Schmelzprozesses zu verhindern. Nachdem die Metallcharge durch die Induktionsspule geschmolzen worden ist, tritt das flüssige Metall durch die Öffnung im Tragmittel hindurch entweder in eine mit einer Einlaßöffnung versehende Gießform, die mit einer Einlaßöffnung versehen ist, die mit der Öffnung in dem Tragmittel in Verbindung steht, oder alternativ auf eine drehbare Scheibe, die nahe der Öffnung im Tragmittel angeordnet ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Raum zur Aufnahme der Metallcharge eingeschlossen durch eine abgeschlossene Kammer, die mit Mitteln zur Steuerung der darin enthaltenen Atmosphäre versehen ist.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren für das induktive Schmelzen und Gießen einer Metallmenge vorgesehen, bei welchem die Metallmenge innerhalb einer Induktionsspule angeordnet und ein elekromagnetisches Feld innerhalb der Induktionsspule erzeugt wird, und das elektromagnetische Feld Wirbelströme innerhalb der Metallmenge und elektromagnetische Kräfte an der Oberfläche dieser Metallmenge erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ohne einen Behälter oder eine Schale für das Metall und ohne Schwebezustand und mit derartiger Anordung durchgeführt wird, daß die Induktionsspule eine elektromagnetische Kraft ausübt, welche in Richtung auf den unteren Abschnitt der Metallmenge stärker ist und welche das geschmolzene Metall innerhalb der Spule trägt und einschließt und die obere Windung der Spule in entgegengesetzter Richtung zu der der anderen Windungen der Spule gewickelt ist,
wobei diese Metallmenge geschmolzen wird, so daß ein Wärmeübergang vom flüssigen Teil der Metallmenge den gesamten verbleibenden festen Teil der Metallmenge schmilzt außer einem Rand aus festem Metall, der in Berührung mit einem Tragmittel steht, das an der Bodenfläche der Metallmenge angeordnet ist, und die Oberfläche des Tragemittels auf einer vorgegebenen Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls gehalten wird, und weiteres Schmelzen dieser Metallmenge, so daß der flüssige Teil der Metallmenge durch eine Öffnung im Rand aus festem Metalls und durch eine Öffnung im Tragemittel hindurchfließen.
Aufgrund der in Richtung auf den Boden des Metalls vorgesehenen stärkeren elektromagnetischen Kräfte, die beispielsweise mittels zusätzlicher Windungen an der Bais der Induktionsspule bewirkt werden, läuft das flüssige Metall nicht über die Seiten der Charge nach unten, sondern bleibt in dem von der festen Metallmenge eingenommenen ursprünglichen Raum eingeschlossen. Mit der Zeit schmilzt der Wärmetransfer aus dem flüssigen Metall in das verbleibende feste Metall das gesamte feste Metall mit Ausnahme eines Randes aus festem Metall, der unmittelbar auf dem wassergekühlten Tragring ruht. Das Metall fließt durch das Loch in der Mitte des Tragerings direkt in die Gießform.
Ein anderer Aspekt des Verfahrens umfaßt die Schritte des Positionierens der Metallmenge innerhalb der Induktionsspule und Erregen der Induktionsspule, so daß die Metallmenge mindestens bis zu ihrem Schmelzpunkt erhitzt wird, wodurch innerhalb der Metallmenge enthaltene Verunreinigungen zur Wanderung in Richtung auf die Oberfläche der Meallmenge veranlaßt werden. Wenn das geschmolzene Metall durch die Öffnung im Tragmittel hindurchtritt, verbleibt ein Rand aus festem Metall auf der Oberfläche des Tragmittels, der einen relativ größeren Anteil an Verunreinigungen aufweist als der Rest der Metallmenge, wodurch die durch die Öffnung im Tragmittel hindurchgetretene Metallmenge gereinigt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zur Verdeutlichung der Erfindung ist in den Zeichnungen eine derzeit bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Es versteht sich jedoch von selbst, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten genauen Anordnungen und Ausrüstungen beschränkt ist.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Charage aus festem Metall, die innerhalb der erfindungsgemäßen Induktionsspule angeordnet ist und durch ein Tragmittel gehalten wird.
Fig. 2 und 3 zeigen die folgenden Schritte des Schmelzens der Charge innerhalb der Induktionsspule. In diesen Figuren ist das feste Metall schrafftiert dargestellt.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht des geschmolzenen Metalls innerhalb der erfindungsgemäßen Induktionsspule, wenn es in eine Gießform gegossen wird.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die zu schmelzende Charge auf einer Plattform angeordnet ist, die relativ zur Induktionsspule bewegbar ist.
Fig. 6 und 7 zeigen detaillierte Ansichten des Tragmittels.
Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Tragmittels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 und 10 zeigen andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Induktionsofens. Eine Charge 12 aus festem Metall ist innerhalb der Induktionsspule 10 angeordnet, die mehrere Windungen 14 aufweist. Wenn die Induktionsspule 10 in bekannter Weise erregt wird, erzeugt diese ein magnetisches Feld, welches Wirbelströme innerhalb der Charge 12 erzeugt, so daß diese erhitzt wird. Die wesentlichen Prinzipien des Induktionsheizens und schmelzens sind allgemein bekannt und brauchen hier nicht weiter im Detail beschrieben zu werden.
Die Spule 10 erzeugt ferner eine elektromagnetische Kraft innerhalb der Charge 12, wenn die Spule 10 erregt wird. Die Windungen 14 sind derart angeordnet, daß die durch diese erzeugte elektromagnetische Kraft sich in Richtung auf den unteren Abschnitt der Charge 12 konzentriert. In der bevorzugten Ausführungsform sind die unteren Windungen in Richtung auf das untere Ende der Spule verdoppelt, verdreifacht oder sonstwie vervielfacht. Alternativ können die Windungen 14 derart angeordnet sein, daß die Windungen in Richtung auf das untere Ende der Charge 12 sich näher an der Charge 12 befinden als die oberen Windungen. Eine weitere Alternative besteht darin, mehrere separate Stromversorgungen vorzusehen, wobei jede mit einem anderen Abschnitt der Charge 12 und der Spule 14 korrespondiert, so daß die unteren Windungen mit mehr elektrischer Energie versorgt werden.
Die Charge 12 ist - bevor sie geschmolzen wird - auf dem Träger 18 angeordnet, der eine durchgehende Öffnung 20 aufweist. Der s Träger 18 ist als kreisförmiger Ring dargestellt, muß aber nicht kreisförmig ausgebildet sein. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Öffnung 20 kreisförmig ist. Der Träger 18 weist Mittel auf, um eine vorgegebene Temperatur aufrechtzuerhalten, die relativ niedrig im Verhältnis zu der Charge 12 ist, während diese geschmolzen wird. Eine typische Vorrichtung für die Kühlung des Trägers 18 weist interne Ausnehmungen 22 auf, durch die ein flüssiges Kühlmittel zirkuliert, das durch eine Rohr 24 zugeführt wird. Vorzugsweise besteht der Träger 18 aus Kupfer.
Die oberste Windung 16 der Induktionsspule 10 ist in entgegengesetzer Richtung zu den anderen Windungen 14 der Induktionsspule gewickelt. Die umgekehrte Wicklung hat den Effekt, daß ein teilweises Schweben oder "Haystacking" der Charge 12 verhindert wird. Wenn das Metall teilweise schwebte, würde die durch das teilweise Schweben erzeugte zusätzliche Oberfläche einen Hitzeverlust durch Strahlung verursachen, was die Schmelzeffizienz der Spule reduzieren würde. Diese Art der Spule, bei welcher der nach oben gerichteten Schwebekraft mittels einer Kraft in entgegengesetzer Richtung vom Oberteil der Spulen entgegengewirkt wird, ist als "Confinement"-Spule bekannt im Gegensatz zu einer Schwebespule, die in den US-Psen 2,686,864 oder 4,578,552 offenbart ist. Falls notwendig, kann mehr als eine der oberen Windungen der Induktionsspule wirksam in entgegengesetzter Richtung zu den übrigen Windungen der Spule gewickelt sein, um eine ausreichende nach unten gerichtete Sperrkraft zu bewirken, die der nach oben gerichteten Schwebekraft der übrigen Windungen der Spule entgegenwirkt. Das Schweben kann ferner verhindert werden durch die Verwendung eines in geeigneter Weise ausgebildeten passiven Induktors, wie zum Beispiel einer Scheibe, eines Ringes oder einer ähnlichen Struktur, die oberhalb der Charge 12 angeordnet ist und die Schwebekräfte unterdrückt.
Die feste Charge ist innerhalb der Spule 10 in unmittelbarer Nähe, aber nicht in physischer Berührung mit den Windungen 14 angeordnet. Es sollte betont werden, daß kein Tiegel verwendet wird. Die Windungen 14 der Spule sind derart angeordnet, daß das erzeugte magnetische Feld das Metall stützt, während es geschmolzen wird und es in einem zylindrischen Volumen hält, das konzentrisch mit dem Zentrum der Spule verläuft, während das Schweben der Schmelze durch die vorbeschriebene Anordnung verhindert wird.
Wenn Energie auf die Spule 10 aufgebracht wird, beginnt das Metall vom oberen Bereich der Charge zu schmelzen (festes Metall 12 ist schraffiert dargestellt und flüssiges Metall 12a ist punktiert dargestellt), wie in Fig. 2 gezeigt. Während das Schmelzen fortschreitet, wie in Fig. 3 dargestellt, wird der flüssige Anteil 12a größer und bewegt sich in der Charge nach unten. Wegen der hohen magnetischen Kräfte, die durch die zusätzlichen Windungen im unteren Bereich der Induktionsspule 10 bewirkt werden, läuft der flüssige Teil 12a nicht über die Seiten der Charge 12, sondern bleibt innerhalb des ursprünglichen von der festen Charge 12 eingenommenen Raumes gehalten.
Schließlich schmilzt der Wärmeübergang vom flüssigen Metall 12a in die verbleibende feste Charge 12 diese außer einem Rand aus Metall, der unmittelbar auf dem Trger aufsitzt. Wenn der an die Öffnungen 20 angrenzende Abschnitt der festen Charge 12 schließlich durchgeschmolzen ist, tritt das flüssige Metall durch die Öffnung 20 durch und fällt in die Öffnung 30 der Gießform 32 oder in einen anderen Behälter. Die Charge 12 kann derart bemessen sein, daß sie das gleiche Volumen wie die Gießform 32 aufweist. Da der Träger 18 auf einer relativ niedrigen Temperatur durch das Kühlmittel im Rohr 24 und in den internen Ausnehmungen 23 gehalten wird, bleibt das in der Nähe des Trägers befindliche Metall fest, welches in Fig. 4 mit 26 bezeichnet ist.
Es wurde ferner festgestellt, daß die vorliegende Erfindung den weiteren Vorteil aufweist, Schlacke und andere Verunreinigungen zu entfernen, wenn die Charge 12 schmilzt und das geschmolzene Metall 12a durch die Öffnung 20 hindurchtritt. Im Verlauf des Induktionsschmelzens der Charge 12 migrieren Schlacke und Verunreinigungen zur Oberfläche der geschmolzenen Charge 12a. Diese Schlackenmenge ist in Fig. 3 durch die schattierte Fläche 13 dargestellt. Da die Öffnung 20 vorzugsweise entlang der Achse der zylindrischen Charge 12 angeordnet ist, befindet sich die Öffnung 20 in einem Abstand von der Schlackenzone 13. Wenn somit der flüssige Teil 12a durch den Boden der festen Charge 12 hindurchbricht und durch die Öffnung 20 fließt, hat die Schlacke 13 die Tendenz, sich an der äußeren Peripherie des Trägers 18 abzusetzen. Das sich in unmittelbarer Nähe des Trägers 18 befindliche Metall, welches sich an der Oberfläche des Trägers 18 abkühlt, wenn der größte Teil des geschmolzenen Metalls 12a sich durch die Öffnung 20 ergießt, setzt sich deshalb größtenteils aus Schlacke und anderen Verunreinigungen zusammen. Diese Metallmenge, die in der Fig. 4 mit 26 bezeichnet ist, tritt nicht in die Form 32 ein. Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit darüberhinaus die Wirkung, daß die Metallcharge 12 beim Gießen in die Form 32 gereinigt wird.
Es soll noch einmal wiederholt werden, daß der Zweck des Feldes, welches durch die zusätzlichen Spulenwindungen 14 im Bereich des unteren Abschnitts der Ladung 12 vorgesehen ist, darin besteht, die flüssige Charge 12a im Raum innerhalb der Spule 12 zu halten und eine stark Zwangs-Konvektionsströmung innerhalb der flüssigen Charge zu erzeugen, und nicht ein Schweben der Charge zu bewirken oder ihr Gewicht zu tragen. Das Gewicht des flüssigen Metalls 12a wird getragen durch das feste Metall 12, welches ungeschmolzen am Boden der Charge verbleibt, bis die richtige Gießtemperatur erreicht worden ist. Da die Kraft, die zum Halten der flüssigen Charge 12a benötigt wird, nur eine Funktion der Höhe und der Dichte des Metalls ist, können Chargen mit höherem Gewicht einfach dadurch geschmolzen werden, daß der Durchmesser der Charge und des Tragrings vergrößert wird.
Beim Induktionsschmelzens tritt gelegentlich die Notwendigkeit auf, flüssiges Metall innerhalb eines engen Temperaturbereichs bereitzustellen oder das Metall zu überhitzen, d. h., das Metall auf eine Temperatur zu bringen, die oberhalb der Schmelztemperatur liegt. Indem die Charge 12 nur teilweise in der Spule 10 angeordnet wird, kann der Abschnitt der Charge 12 innerhalb der Spule überhitzt werden, ohne daß der untere Abschnitt der Ladung 12 geschmolzen und das flüssige Metall frühzeitig durch die Öffnung 20 hindurchtreten würde. Die Charge wird erst dann vollständig in die Spule 10 eingebracht, wenn das flüssige Metall 12a die gewünschte Temperatur erreicht hat. Das Schmelzen der übrigen Charge folgt schnell und die auf die gewünschte Temperatur gebrachte, geschmolzene Legierung 12a läuft in die wartende Gießform.
Die genaue Steuerung des Schmelzverfahrens kann bewerkstelligt werden mittels einer Ausführungsform, die in Fig. 5 dargestellt ist. Hier ist der Tragring 18 in einer Hebevorrichtung angebracht, die eine vertikal bewegbare Plattform 40 aufweist, die selbst auf Ständern 42 angeordnet ist. Die Hebevorrichtung kann durch pneumatische, hydraulische, mechanische, elektrische oder andere Mittel betätigt werden. Sobald die Charge 12 anfängt zu schmelzen, werden die Charge 12 und der Tragring 18 etwas unterhalb der Induktionsspule 10 angeordnet, so daß der untere Abschnitt der Charge 12 nicht durch das Induktionsfeld beeinflußt wird. In dieser unteren Position wird lediglich der obere Abschnitt der Charge 12 innerhalb der Spule 10 geschmolzen. Wenn der geschmolzene Abschnitt am oberen Ende der Charge 12 die gewünschte Gießtemperatur erreicht, wird die Hebevorrichtung betätigt und hebt die Ladung vollständig in die Induktionsspule. Das Schmelzen des verbleibenden Abschnittes erfolgt schnell und die geschmolzene, auf die gewünschte Temperatur gebrachte Legierung 12a läuft in die wartende Gießform. Für eine genaue Steuerung des Schmelzverfahrens ist es notwendig, eine relative Bewegung zwischen der Charge 12 und der Spule 10 vorzusehen. Es kann, wie in Fig. 5 dargestellt, die Charge im Verhältnis zur feststehenden Spule bewegt werden oder die Spule kann im Verhältnis zur feststehenden Charge bewegt werden.
In Fig. 6 ist das Herausfließen des geschmolzenen Metalls durch die Öffnung 20 im Träger 18 detaillierter dargestellt. Wie bereits erwähnt, wird der Träger 18 auf einer Temperatur gehalten, die niedriger ist als der Schmelzpunkt der schmelzenden Charge, beispielsweise indem eine Kühlfluid durch die Leitungen 22 im Träger 18 zirkuliert. Eine kleine Menge der Charge 12 wird fest bleiben und einen ringförmigen Rand 26 bilden, der den Träger 18 überlagert und mit diesem konzentrisch ist, da der Träger 18 auf einer Temperatur gehalten wird, die unterhalb des Schmelzpunktes der Charge liegt. Ferner wird, sobald die Ladung 12 durchgeschmolzen ist und das geschmolzene Metall beginnt, durch die Öffnung 20 hindurchzufließen, etwas Metall 26a an der inneren Oberfläche der Öffnung 20 erstarren.
Während des normalen Betriebs wird erwartet, daß das in den Boden der Charge 12 geschmolzene "Loch" nicht größer ist als der Durchmesser der Öffnung 20. Während des normalen Betriebes wird folglich immer eine Menge festen Metalls vorhanden sein, die den Träger 18 umschließt, so daß das geschmolzene Metall niemals in einen physischen Kontakt mit dem Träger 18 kommt. Jedoch muß dies nicht immer der Fall sein.
Fig. 7 stellt dar, was passiert, wenn das in den Boden der Charge geschmolzene "Loch" größer als der Durchmesser der Öffnung 20 ist. In einem solchen Fall wird der ringförmige Rand 26 nicht die gesamte Oberfläche des Trägers 18 überlagern, sondern wird vom Rand der Öffnung 20 zurückversetzt sein, so daß eine scharfe Kante 50 des Trägers 18 freigelegt ist. Das bedeutet, daß das durch die Öffnung 20 hindurchfließende geschmolzene Metall mit dem Träger 18 in Berührung kommt und durch die Berührung mit diesem verunreinigt wird. Die scharfe Kante 50 kann zudem durch das durch die Öffnung 20 hindurchfließende geschmolzene Metall geschmolzen werden, wobei die Schmelze derart verunreinigt wird, daß sie unbrauchbar ist.
Um dieses Problem zu beheben, kann ein Schmelzring 52 mit einer durchgehenden Öffnung 54 verwendet werden, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Der Schmelzring 52 ist um die obere Kante der Öffnung 20 im Träger 18 angebracht. Der Träger 18 kann mit einer Stufe 19 versehen sein, von der der Schmelzring 52 getragen wird. Der Schmelzring 52 besteht aus einem Material, das dem der Charge 12 gleich ist. Die Öffnung 54 ist kleiner als die Öffnung 20, so daß, selbst wenn das Loch des flüssigen Metalls in dem Ring 26 größer als die Öffnung 54 ist, das flüssige Metall 12a dennoch nicht den Schmelzring 52 bis zum Träger 18 erodiert. Die Idee ist hier, daß das geschmolzene Metall 12a den Schmelzring 52 schmilzt anstatt die obere Kante der Öffnung 20 zu schmelzen. Gleichwohl wird, da das geschmolzene Metall 12a aus gleichem Material wie der Schmelzring 52 besteht, das geschmolzene Metall vom Schmelzring 52 nicht das geschmolzene Metall 12a verunreinigen, während dieses durch den Träger 18 hindurchtritt.
Das vorbeschriebene Verfahren verhindert Verunreinigungen und Reaktionen, die mit dem Tiegel zusammenhängen, indem beim Schmelzprozeß vollständig auf einen Tiegel verzichtet wird. Die Flüssigkeit ist zudem außerordentlich homogen durch den starken Konvektionsstrom, der innerhalb des geschmolzenen Metalls durch die elektromagnetischen Kräfte erzeugt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann eingesetzt werden in Umgebungsluft, in einem Vakuum, unter hohem Druck oder in einer kontrollierten Atmosphäre. Fig. 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Metallcharge 12 und der Träger 18 stationär ausgeführt sind und die Spule 14 relativ im Verhältnis zur Charge 12 bewegbar ist. Die Charge 12 ist innerhalb einer Kammer 64 angeordnet, während die Spule 14 auf bewegbaren Mitteln 62 außerhalb der Kammer 64 angeordnet ist. Die Kammer 64, die die Gestalt einer Glasglocke oder eines anderen abgeschlossenen Behälters aufweisen kann, vereinfacht das Aufrechterhalten einer kontrollierten Atmosphäre um die Ladung 12 herum, während diese schmilzt. Die Kammer 64 kann ein Volumen mit kontrollierter Atmosphäre entweder innerhalb der Spule 14 einschließen, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, oder alternativ die Spule 14 und die Form 32 ebenfalls umschließen. Es sei betont, daß unabhängig vom Aufbau der Kammer 64 die Wände der Kammer 64 im allgemeinen nicht die Metallcharge 12 berühren oder als Behälter für diese fungieren. Eine kontrollierte Atmosphäre wird üblicherweise benötigt, um die Oxidation der Metallcharge beim Schmelzen zu verhindern, so daß die Kammer 64 im allgemeinen entweder evakuiert oder durch ein inertes Gas wie Argon unter Druck gesetzt ist, obwohl sie in Abhängigkeit von bestimmten Erfordernissen mit jedem Gas unter Druck gesetzt sein kann.
Die Spule 14 ist derart ausgebildet, daß sie sich relativ zur schmelzenden Charge 12 bewegen kann und der oberste Abschnitt der Charge 12, wie bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform, schnell geschmolzen und überhitzt werden kann, falls dies gewünscht ist. Wenn der geschmolzene Abschnitt am obersten Bereich der Charge 12 die gewünschte Temperatur erreicht (die im Falle des Überhitzens weit oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegen kann), wird die Spule 14 im Verhältnis zur Charge 12 nach unten bewegt, um den Rest der Metalicharge 12 zu erhitzen. Wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform, bei der der Träger bewegbar ist, erfolgt das Schmelzen des übrigen Abschnitts der Charge 12 sehr schnell, sobald das Schmelzen begonnen hat, wobei die vollständig geschmolzene Charge durch die Öffnung 20 im Träger 18 in die wartende Gießform läuft. Die Gießform kann ferner eine Vakuumeinrichtung aufweisen, wodurch die Fließrate des geschmolzenen Metalls in die Form gesteuert werden kann, oder ein Nebenschluß-Induktionsheizmittel aufweisen, wodurch die Metallegierung in der Form in flüssigem Zustand gehalten werden kann, bis die Form vollständig gefüllt ist.
Selbstverständlich kann die bewegbare Spule 14 ohne die abgeschlossene Kammer 64 verwendet werden, die in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist.
Außer dem Gießen von geschmolzenem Metall in eine Form kann jede Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Mitteln zum Umformen des geschmolzenen Metalls in Pulver verwendet werden. Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Pulvers ist in Fig. 10 dargestellt. Das bevorzugte Verfahren zur Erzeugung eines Pulvers aus dem geschmolzenen Metall ermöglicht es dem geschmolzenen Metall, durch die Öffnung 20 im Träger 18 hindurchzutreten und auf einer sich rasch drehenden Scheibe aufzutreffen, die beispielsweise mit dem Bezugszeichen 75 versehen in Fig. 10 dargestellt ist. Wenn das geschmolzene Metall auf der Scheibe auftrifft, wird das geschmolzene Metall von der Scheibe in Form von kleinen Tropfen weggeschleudert. Diese kleinen Tropfen kühlen sich ab und verfestigen sich deshalb in der Luft, während sie von der Scheibe weggeschleudert werden. Wenn die Tropfen des geschmolzenen Metalls in einen geeigneten Behälter gelangen, haben sich die Tropfen abgekühlt und verfestigt und bilden feine Partikel.
Es hat sich gezeigt, daß die vorliegende Erfindung besonders nützlich beim Gießen von Aktivmetallen ist, wie z. B. Legierungen aus Aluminium, Lithium oder Titan. Es hat sich ferner gezeigt, daß beim Gießen von Aluminiumlegierungen mit der erfindungsgemäßen Schmelzvorrichtung die Gießteile eine wesentlich feinere Körnung aufweisen als sie mit den herkömmlichen Verfahren erreichbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die automatische Fertigung, da kein getrennter Gießvorgang notwendig ist. Wenn die benötigte Gießtemperatur ohne Verwendung einer Hebevorrichtung z. B. gemäß Fig. 5 oder einer in den Fig. 9 und 10 dargestellten bewegbaren Spule erreicht ist, wird das Gießen durchgeführt, wenn die benötigte Energiemenge zum Schmelzen des Bodens der Charage in die Charge übertragen worden ist. Durch Hinzufügen von optischen oder Infrarot-Temperaturmeßeinrichtung kann eine Steuerschaltung derart ausgebildet sein, daß, wenn Überhitzungssteuerung benötigt wird, das Signal von der Temperatursteuerungseinrichtung die Mittel zum Bewegen der Spule oder des Trägers einschalten und die Energieversorgung steuern können
Die vorliegende Erfindung beseitigt die Verwendung von Tiegeln. Aus diesem Grunde werden Reaktionen zwischen der Metallcharge und dem Tiegel vollständig beseitigt wie auch Verunreinigung des Metalls durch den Tiegel oder dessen Reaktionsprodukte. Ferner werden die Kosten für das Einkaufen, Lagern, Handhaben und die Entsorgung der Tiegel vermieden. Da keine Gefahr der Reaktion mit dem Tiegel besteht, ermöglicht die Erfingung die reproduzierbare Steuerung von überhitzten flüssigen Metallen in einem automatisierten Schmelz- und Gießverfahren. Die vorliegende Erfindung ist wesentlich energieeffizienter als Schmelzverfahren mit gekühlten Tiegeln, da keine Energie an die gekühlten Wände des Tiegeis abgegeben wird. Es ist zudem wesentlich effizienter als ein Schwebeverfahren, da keine Energie für das Schweben des Metalls benötigt wird. Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung Chargen mit einer Masse schmelzen kann, die bis zu zehnmal größer ist als die des Birlec-Verfahren und dessen Weiterentwicklungen.

Claims

1. Vorrichtung zum induktiven Schmelzen und Gießen einer Metallmenge, die versehen ist mit

einer Induktionsspule (10) mit mehreren Windungen (14), durch die ein Raum zur Aufnahme einer Metallmenge (12) gebildet wird,

Mitteln, um die Spule zu erregen,

und einem Tragemittel (18) zum Tragen des Metalls (12) von unten, das mit einer durchgehenden Öffnung (20) versehen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung das vollständige Schmelzen der Metallmenge (12) ohne einen Behälter oder eine Schale und ohne Schwebezustand ermöglicht,

und daß die Induktionsspule ausgebildet ist, um eine elektromagnetische Kraft auszuüben, die in Richtung des unteren Abschnitts der Spule zunimmt und die das geschmolzene Metall innerhalb der Spule stützt und einschließt, und die oberste Windung (16) der Induktionsspule (10) in entgegengesetzter Richtung zu den anderen (14) Windungen gewickelt ist

und daß Mittel (22, 24) vorgesehen sind, um das Tragemittel (18) auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragemittel (18) eine Ringform aufweist.

3. Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Einhalten einer vorgegebenen Temperatur des Trage-mittels (18) mit mindestens einem in dem Tragemittel vorgesehenen Kanal (22) versehen ist, durch den eine Kühlflüssigkeit zirkuliert.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Schmelzring (52), der um den Rand der Öffnung (20) in dem Tragemittel (18) angeordnet ist, wobei der Schmelzring aus einem Material besteht, das gleich dem der Metallmenge (12) ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Gußform (32) mit einer Einlaßöffnung (30), die mit der Öffnung (20) in dem Tragemittel (18) in Verbindung steht.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragemittel (18) relativ zur Induktionsspule (10) bewegbar ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bewegung der Spule (14) entlang ihrer Längsachse relativ zur Metallmenge (12), die innerhalb des Raumes der Spule angeordnet ist, vorgesehen sind.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Gußform (32) mit einer Einlaßöffnung, die in Verbindung steht mit der Öffnung (20) in dem Tragemittel.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine drehbare Scheibe (75) nahe der Öffnung (20) in dem Tragemittel, die derart angeordnet ist, daß das geschmolzene Metall, welches durch die Öffnung in dem Tragemittel hindurchtritt, auf der Scheibe auftrifft.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine abgeschlossene Kammer (64), welche den Rauminhalt der Spule, die die Metallmenge (12) aufnimmt, umschließt, und Mittel zur Steuerung der in der Kammer enthaltenen Atmosphäre.

11. Verfahren für das induktive Schmelzen und Gießen einer Metallmenge, wobei die Metallmenge (12) innerhalb einer Induktionsspule (10) angeordnet und ein elektromagnetisches Feld innerhalb der Induktionsspule erzeugt wird und das elektromagnetische Feld innerhalb der Metallmenge (12) Wirbelströme und elektromagnetische Kräfte an der Oberfläche der Metallmenge erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren durchgeführt wird ohne einen Behälter oder eine Schale für das Metall und ohne Schwebezustand und mit derartiger Anordnung, daß die Induktionsspule eine elektromagnetische Kraft ausübt, welche in Richtung auf den unteren Abschnitt der Metallmenge stärker ist und welche das geschmolzene Metall innerhalb der Spule hält und einschließt, und die obere Windung (16) der Spule (10) in einer entgegengesetzten Richtung zu der der anderen Windungen (14) der Spule gewickelt ist, wobei

das Schmelzen der Metallmenge (12) so erfolgt, daß der Wärmeübergang aus dem flüssigen Teil der Metallmenge den gesamten Rest des übrigbleibenden festen Teils der Metallmenge schmilzt außer einem Rand aus festem Metall, der in Kontakt mit einem Tragemittel (18) steht, das an der unteren Oberfläche der Metallmenge angeordnet ist, und

eine vorgegebene Temperatur der Oberfläche des Tragemitteis (18) unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls eingehalten wird und

weiteres Schmelzen der Metallmenge erfolgt, so daß der flüssige Teil der Metallmenge durch eine Öffnung in dem Rand des festen Metalls und durch die Öffnung (20) in dem Tragemittel (18) hindurchfließt.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Sammelns des flüssigen Teils der Metallmenge in einer Gußform (32), die unterhalb der Öffnung (20) in dem Tragemittel (18) angeordnet ist.

13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmenge teilweise innerhalb des elektromagnetischen Feldes angeordnet wird bis der Teil der Metallmenge innerhalb des elektromagnetischen Feldes eine vorgegebene Temperatur erreicht, worauf die gesamte Metallmenge innerhalb des elektromagnetischen Feldes angeordnet wird.

14. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (10) abgesenkt wird, so daß im wesentlichen die ganze Metallmenge innerhalb der Induktionsspule angeordnet ist.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmenge vor dem Schmelzen derselben in einer abgeschlossenen Kammer (64) angeordnet wird, die Mittel zur Steuerung der darin enthaltenen Atmosphäre aufweist.

16. Verfahren gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch Erregen der Induktionsspule (10) derart, daß die Metallmenge bis zu einer Temperatur erhitzt wird, die ausreichend ist, um innerhalb der Metallmenge enthaltene Verunreinigungen zur Oberfläche der Metallmenge wandern zu lassen,

induktives Schmelzen der Metallmenge bis auf einen Rand aus festem Metall, der mit dem Tragemittel in Kontakt steht,

wobei der Rand aus festem Metall aufgrund der Wanderung der Verunreinigungen in Richtung auf die Oberfläche der Metallmenge einen relativ höheren Gehalt an Verunreinigungen aufweist als die restliche Metallmenge,

und weiteres Schmelzen der Metallmenge, so daß der flüssige Teil der Metallmenge durch eine Öffnung in dem Rand aus festem Metall und die Öffnung (20) in dem Tragemittel (18) fließt.