EP3586568B1 - Schwebeschmelzverfahren - Google Patents

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EP3586568B1
EP3586568B1 EP19721225.1A EP19721225A EP3586568B1 EP 3586568 B1 EP3586568 B1 EP 3586568B1 EP 19721225 A EP19721225 A EP 19721225A EP 3586568 B1 EP3586568 B1 EP 3586568B1
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EP
European Patent Office
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batch
starting material
batches
section
conductive material
Prior art date
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Active
Application number
EP19721225.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP3586568A1 (de
Inventor
Sergejs SPITANS
Henrik Franz
Björn SEHRING
Markus Holz
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ALD Vacuum Technologies GmbH
Original Assignee
ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ALD Vacuum Technologies GmbH filed Critical ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority to SI201930022T priority Critical patent/SI3586568T1/sl
Priority to PL19721225T priority patent/PL3586568T3/pl
Publication of EP3586568A1 publication Critical patent/EP3586568A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3586568B1 publication Critical patent/EP3586568B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/02—Use of electric or magnetic effects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D39/00—Equipment for supplying molten metal in rations
    • B22D39/003—Equipment for supplying molten metal in rations using electromagnetic field
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
    • F27B14/061—Induction furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details specially adapted for crucible or pot furnaces
    • F27B14/0806—Charging or discharging devices
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/22—Furnaces without an endless core
    • H05B6/32—Arrangements for simultaneous levitation and heating

Definitions

  • This invention relates to a levitation melting process for making castings from a single batch material.
  • a starting material is used which has a plurality of individual batches divided by regions with a reduced cross section.
  • more efficient melting of the batches can also be achieved.
  • the melt does not come into contact with the material of a crucible, so that contamination from the crucible material or from reaction of the melt with the crucible material is avoided.
  • metals and alloys with high melting points are, for example, titanium, zirconium, vanadium, tantalum, tungsten, hafnium, niobium, rhenium and molybdenum. But this is also important for other metals and alloys such as nickel, iron and aluminum.
  • U.S. 2,686,864 A also describes a method in which a conductive melt z. B. is suspended in a vacuum under the influence of one or more coils without the use of a crucible.
  • two coaxial coils are used to stabilize the suspended material. After it has melted, the material is dropped or poured into a mold. With the method described there, a 60 g portion of aluminum could be kept in suspension. The molten metal is removed by reducing the field strength, so that the melt escapes downwards through the conical coil. If the field strength is reduced very quickly, the metal falls out of the device in a molten state. It has already been recognized that the "weak spot" of such coil arrangements lies in the center of the coils, so that the amount of material that can be melted in this way is limited.
  • U.S. 4,578,552 A discloses an apparatus and method for levitation melting.
  • the same coil is used both for heating and for holding the melt; the frequency of the alternating current applied is varied to regulate the heating power, while the current strength is kept constant.
  • the particular advantages of levitation melting are that contamination of the melt by a crucible material or other materials that are in contact with the melt in other processes is avoided.
  • the floating melt is only in contact with the surrounding atmosphere, which is z. B. can be a vacuum or inert gas. Since a chemical reaction with a crucible material is not to be feared, the melt can be heated to very high temperatures. In addition, the waste of contaminated material is reduced, especially in comparison to the melt in the cold crucible.
  • levitation melting has not caught on in practice. The reason for this is that with the levitation melting process only a relatively small amount of molten material can be kept in suspension (cf. DE 696 17 103 T2 , Page 2, paragraph 1).
  • the batches of raw material are introduced into the induction coil area in the form of individual ingots. This is usually done by means of a gripper that picks up the ingots at a feed position, moves them into the induction coil area and then releases them after the magnetic field has been switched on. Problems often arise here with the stability of the ingots in the magnetic field and splashing during melting. The production of these relatively small ingots is comparatively complex and expensive.
  • the method should enable a high throughput through an improved effectiveness of the melting process and allow the use of inexpensive ingots for the batches.
  • the volume of the molten charge is preferably sufficient to fill the casting mold to an extent sufficient for the production of a cast body (“filling volume”).
  • filling volume After the casting mold has been filled, it is allowed to cool down or cooled with coolant so that the material solidifies in the mold.
  • the cast body can then be removed from the mold.
  • the casting can consist of dropping the charge, in particular by switching off the electromagnetic alternating field; or the casting can be slowed down by an alternating electromagnetic field, e.g. B. by using a coil.
  • a “conductive material” is understood to mean a material which has a suitable conductivity in order to inductively heat the material and to keep it in suspension.
  • a “state of suspension” is understood to mean a state of complete suspension, so that the batch being treated has no contact whatsoever with a crucible or a platform or the like.
  • a "cylindrical" ingot is to be understood as an ingot in the form of the mathematical definition of a general cylinder, in particular a general straight cylinder, the definition explicitly including the special shapes of the prism, in particular the straight prism, and the cuboid. It is preferably a straight circular cylinder or a straight prism with six- to twenty-four-cornered bases.
  • the “lowest” charge is to be understood as meaning the charge of a starting material according to the invention which is arranged at the end of the starting material which is distal to the end with which the starting material is held and moved.
  • the charge is introduced so far into the electromagnetic alternating field that the induced eddy current is maximal. In this way, the batch can be optimally heated, which speeds up the entire casting process.
  • the starting material for several batches consists of a cylindrical rod which has areas along its longitudinal axis that have a reduced cross-section, the individual areas with the non-reduced cross-section each corresponding to the amount of material of a batch.
  • the inventive effect of stabilization and improved utilization of the generated magnetic field is achieved with any arbitrary shape of the batches.
  • Rods in the form of a circular cylinder or a prism with an approximately circular base area can, however, be manufactured particularly easily and inexpensively, for example by continuous casting. The areas that separate the batches then only have to be introduced into the raw bar by turning, sawing or abrasive cutting.
  • the areas with a reduced cross-section, which divide the individual batches, ensure, on the one hand, lower heat conduction and, on the other hand, a restriction of the induced eddy currents to the batch to be melted in the magnetic field.
  • the cross-section between the batches is therefore preferably so reduced and / or the areas with the reduced cross-section are so long that the eddy current induced in an electromagnetic alternating field in a batch is so largely limited that the adjacent batch is not melted with.
  • this must be taken into account accordingly in order to achieve an optimal ratio of space-saving arrangement and the risk of the adjacent batch melting off.
  • the heat conduction of the areas with the reduced cross section is preferably so low that when one batch is melted, the adjacent batch is not melted at the same time.
  • the areas with the reduced cross-section are at least dimensioned so that they have a mechanical load-bearing force that is sufficient for the weight of the starting material to be carried. Since the starting materials are used in a hanging arrangement, it is advantageous if the areas connecting the batches, which because of the reduced cross-section have the lowest mechanical strength, are each able to support the entire area below them. In this way, it can be avoided that a feed mechanism has to be used that ensures stabilization of the starting material. If the minimum possible cross-sections are used, they decrease from top to bottom. It is not necessary to design all cross-sections in the same way, i.e. to be based on the connection of the top batch.
  • the electrically conductive material used according to the invention has at least one high-melting metal from the following group: titanium, zirconium, vanadium, tantalum, tungsten, hafnium, niobium, rhenium, molybdenum.
  • a metal with a lower melting point such as nickel, iron or aluminum can be used.
  • a mixture or alloy with one or more of the aforementioned metals can also be used as the conductive material.
  • the metal preferably has a proportion of at least 50% by weight, in particular at least 60% by weight or at least 70% by weight, of the conductive material. It has been shown that these metals particularly benefit from the advantages of the present invention.
  • the conductive material is titanium or a titanium alloy, in particular TiAl or TiAlV.
  • These metals or alloys can be processed particularly advantageously, since they have a pronounced dependence of the viscosity on the temperature and, moreover, are particularly reactive, in particular with regard to the materials of the casting mold. Since the method according to the invention combines contactless melting in suspension with extremely fast filling of the casting mold, a particular advantage can be realized for such metals in particular. With the method according to the invention, cast bodies can be produced which have a particularly thin or even no oxide layer from the reaction of the melt with the material of the casting mold. And with refractory metals in particular, the improved utilization of the induced eddy current and the associated faster heating in the cycle times are clearly noticeable.
  • An advantageous embodiment of the method uses the electrically conductive material in powder form. If the batches are to be designed in a spherical shape, for example, a lot of material would have to be removed from a solid metal rod when turning. A structure from individual balls that are screwed to rods would cause considerable extra work in manufacture and assembly. However, if you switch to powder, the shape can be produced more easily. This is most preferably done by pressing with a binder and / or sintering. Conceivable binders are, for example, paraffins, waxes or polymers, each of which allows a low working temperature.
  • the conductive material is superheated during melting to a temperature which is at least 10 ° C., at least 20 ° C. or at least 30 ° C. above the melting point of the material. Overheating prevents the material from solidifying instantly when it comes into contact with the casting mold, the temperature of which is below the melting temperature. The result is that the charge can be distributed in the mold before the viscosity of the material becomes too high. It is an advantage of levitation melting that there is no need to use a crucible that is in contact with the melt. This avoids the high loss of material in the cold crucible process as well as contamination of the melt with crucible components.
  • melt can be heated to a relatively high level, since operation in a vacuum or under protective gas is possible and there is no contact with reactive materials. However, most materials cannot be overheated at will, since otherwise a violent reaction with the mold is to be feared.
  • the overheating is therefore preferably limited to at most 300 ° C., in particular at most 200 ° C. and particularly preferably at most 100 ° C. above the melting point of the conductive material.
  • At least one ferromagnetic element is arranged horizontally around the area in which the charge is melted.
  • the ferromagnetic element can be arranged in a ring around the melting area, with "ring-shaped” not only being understood to mean circular elements, but also angular, in particular square or polygonal ring elements.
  • the element can have several rod sections, which in particular protrude horizontally in the direction of the melting area.
  • the ferromagnetic element consists of a ferromagnetic material, preferably with an amplitude permeability ⁇ a > 10, more preferably ⁇ a > 50 and particularly preferably ⁇ a > 100.
  • the amplitude permeability relates in particular to the permeability in a temperature range between 25 ° C and 100 ° C and at a magnetic flux density between 0 and 400 mT.
  • the amplitude permeability is in particular at least one hundredth, in particular at least 10 hundredth or 25 hundredths of the amplitude permeability of soft magnetic ferrite (e.g. 3C92). Suitable materials are known to those skilled in the art.
  • an electrically conductive material as a starting material for a levitation melting process, in which the starting material has several pre-separated batches separated by areas of reduced cross-section, the pre-separated batches not being separated until they are melted in an alternating electromagnetic field.
  • Figure 1 shows a side view of three embodiments of a starting material according to the invention made of electrically conductive material. All three are vertical circular cylindrical shapes. At the upper end there is an area which is suitable for fastening in a feed device. Depending on the type of fastening, this area can be designed to be smooth, as shown in the figure, or it can be provided with holes or a three-dimensional surface structure, in particular a terminal peripheral widening which enables it to be grasped with a hook or gripper.
  • the starting material on the left has six, the middle five and the right eight batches (1).
  • the individual batches (1) are separated by notches in a triangular shape. These notches can be produced using a punch, for example, without any loss of material.
  • the middle starting material the individual batches (1) are separated by wider areas with a reduced cross-section.
  • Such an embodiment can be produced in a simple and inexpensive way by turning from a cylindrical rod.
  • the starting material on the right has narrow circumferential incisions towards the division of the individual batches (1).
  • the structure is the same as for the middle starting material, the distances are only reduced and the cross-section of the areas with reduced cross-section is reduced even further. Due to the further reduced Cross-section, a better restriction of the induced eddy currents and lower heat conduction can be achieved in order to compensate for the shorter distance.
  • FIG 2 shows the section of the lowest three batches (1) of the middle starting material Figure 1 .
  • the lowest charge (1) is in the area of influence of electromagnetic alternating fields (melting range), which are generated with the help of the coils (2).
  • Below the batch (1) there is an empty casting mold which is held in the filling area by a holder (not shown).
  • a ferromagnetic element (3) is arranged around the area of influence of the coils (2).
  • the charge (1) is melted and suspended in the process according to the invention. After batch (1) has melted, the remaining starting material is pulled upwards and the melt is overheated. The melt is then poured into the casting mold and the solidified casting is finally removed from the casting mold.

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Schwebeschmelzverfahren zur Herstellung von Gusskörpern mit einem Ausgangsmaterial für mehrere Chargen. Bei dem Verfahren wird ein Ausgangsmaterial eingesetzt, das mehrere durch Bereiche mit verringertem Querschnitt abgeteilte einzelne Chargen aufweist. Durch die Chargenzufuhr über einen einzelnen Ingot kann neben einer günstigeren Herstellung der Chargenmaterialien auch ein effizienteres Aufschmelzen der Chargen erreicht werden. Während des Schmelzvorgangs kommt die Schmelze nicht mit dem Material eines Tiegels in Berührung, so dass Verunreinigungen durch das Tiegelmaterial oder durch Reaktion der Schmelze mit Tiegelmaterial vermieden werden.
  • Die Vermeidung solcher Verunreinigungen ist gerade bei Metallen und Legierungen mit hohen Schmelzpunkten von Bedeutung. Solche Metalle sind beispielsweise Titan, Zirkonium, Vanadium, Tantal, Wolfram, Hafnium, Niob, Rhenium und Molybdän. Doch auch bei anderen Metallen und Legierungen wie Nickel, Eisen und Aluminium ist dies von Bedeutung.
    • Stand der Technik
  • Schwebeschmelzverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart bereits DE 422 004 A ein Schmelzverfahren, bei dem das leitfähige Schmelzgut durch induktive Ströme erhitzt und gleichzeitig durch elektrodynamische Wirkung frei schwebend erhalten wird. Dort wird auch ein Gießverfahren beschrieben, bei dem das geschmolzene Gut vermittelt durch einen Magneten in eine Form gedrückt wird (elektrodynamischer Pressguss). Das Verfahren kann im Vakuum durchgeführt werden.
  • US 2,686,864 A beschreibt ebenfalls ein Verfahren, bei dem ein leitfähiges Schmelzgut z. B. in einem Vakuum unter dem Einfluss von einer oder mehreren Spulen ohne die Verwendung eines Tiegels in einen Schwebezustand versetzt wird. In einer Ausführungsform werden zwei koaxiale Spulen verwendet, um das Material in der Schwebe zu stabilisieren. Nach erfolgter Schmelze wird das Material in eine Form fallen gelassen bzw. abgegossen. Mit dem dort beschriebenen Verfahren ließ sich eine 60 g schwere Aluminiumportion in der Schwebe halten. Die Entnahme des geschmolzenen Metalls erfolgt durch Reduktion der Feldstärke, so dass die Schmelze nach unten durch die konisch zulaufende Spule entweicht. Wird die Feldstärke sehr schnell reduziert, fällt das Metall in geschmolzenem Zustand aus der Vorrichtung. Es wurde bereits erkannt, dass der "weak spot" solcher Spulenanordnungen in der Mitte der Spulen liegt, so dass die Menge an Material, die so geschmolzen werden kann, begrenzt ist.
  • Auch US 4,578,552 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schwebeschmelzen. Es wird dieselbe Spule sowohl zum Heizen als auch zum Halten der Schmelze verwendet, dabei wird die Frequenz des angelegten Wechselstroms zur Regelung der Heizleistung variiert, während die Stromstärke konstant gehalten wird.
  • Die besonderen Vorteile des Schwebeschmelzens bestehen darin, dass eine Verunreinigung der Schmelze durch ein Tiegelmaterial oder andere Materialien, die bei anderen Verfahren in Kontakt mit der Schmelze stehen, vermieden wird. Die schwebende Schmelze steht nur in Kontakt zu der sie umgebenden Atmosphäre, bei der es sich z. B. um Vakuum oder Schutzgas handeln kann. Dadurch, dass eine chemische Reaktion mit einem Tiegelmaterial nicht zu befürchten ist, kann die Schmelze auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden. Darüber hinaus wird, insbesondere im Vergleich zur Schmelze im Kalttiegel, der Ausschuss an kontaminiertem Material verringert. Dennoch hat sich das Schwebeschmelzen in der Praxis nicht durchgesetzt. Der Grund dafür ist, dass beim Schwebeschmelzverfahren nur eine verhältnismäßig kleine Menge an geschmolzenem Material in der Schwebe gehalten werden kann (vgl. DE 696 17 103 T2 , Seite 2, Absatz 1).
  • Die Chargen an Ausgangsmaterial werden bei allen Schwebeschmelzverfahren in Form von einzelnen Ingots in den Induktionsspulenbereich eingebracht. Dies geschieht üblicherweise mittels eines Greifers, der die Ingots an einer Zufuhrposition aufnimmt, in den Induktionsspulenbereich bewegt und nach Einschalten des Magnetfeldes dann loslässt. Hierbei treten oftmals Probleme mit der Stabilität der Ingots im Magnetfeld und einem Verspritzen beim Aufschmelzen auf. Die Herstellung dieser relativ kleinen Ingots ist vergleichsweise aufwändig und teuer.
  • Ein weiterer Nachteil hinsichtlich der maximal erzielbaren Effizienz bei der Ausnutzung der induzierten Wirbelströme zum Aufheizen der Ingots ist prinzipbedingt. Die Lorentz Kraft der Spulenfelds muss die Gewichtskraft der Charge kompensieren, um diese in der Schwebe halten zu können. Sie drückt die Charge dabei nach oben aus dem Spulenfeld. Dadurch sinkt die Charge nicht so tief in das Magnetfeld ein, wie es für eine optimale Ausnutzung des Magnetfelds für das Aufheizen der Charge notwendig wäre. Sie schwebt vielmehr oberhalb dieses optimalen Niveaus.
  • Schließlich ist der Zeitaufwand bei der Zufuhr einzelner Ingots ein limitierender Faktor den bei erzielbaren Zykluszeiten.
  • Die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren lassen sich wie folgt zusammenfassen. Vollschwebeschmelzverfahren lassen sich nur mit kleinen Materialmengen durchführen, so dass eine industrielle Anwendung bisher noch nicht erfolgt ist. Ferner gestaltet sich das Abgießen in Gussformen schwierig. Durch das Levitationsprinzip ist das für die Erwärmung der Charge nutzbare Magnetfeld bzw. dessen Effizienz bei der Erzeugung von Wirbelströmen limitiert. Probleme mit der Stabilität der Ingots im Magnetfeld und einem Verspritzen beim Aufschmelzen können auftreten. Die Herstellung der Ingots ist vergleichsweise aufwändig und teuer.
    • Aufgabe
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, das einen wirtschaftlichen Einsatz des Schwebeschmelzens ermöglicht. Insbesondere sollte das Verfahren durch eine verbesserte Effektivität des Aufschmelzvorgangs einen hohen Durchsatz ermöglichen und den Einsatz kostengünstiger Ingots für die Chargen erlauben.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Ferner löst die Aufgabe auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Ausgangsmaterials in einem Schwebeschmelzverfahren. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus einem elektrisch leitfähigen Material, umfassend die folgenden Schritte:
    • Einbringen der untersten Charge eines Ausgangsmaterials für mehrere Chargen in den Einflussbereich wenigstens eines elektromagnetischen Wechselfelds (Schmelzbereich), wobei das Ausgangsmaterial aus einem elektrisch leitfähigen Material mehrere vorseparierte, durch Bereiche mit verringertem Querschnitt getrennte Chargen aufweist und die Bereiche so ausgeführt sind, dass eine Abtrennung der vorseparierten Chargen erst beim Aufschmelzen in einem elektromagnetischen Wechselfeld erfolgt,
    • Schmelzen der Charge,
    • Anheben des verbliebenen ungeschmolzenen Ausgangsmaterials von der in einem Schwebezustand befindlichen geschmolzenen Charge,
    • Überhitzen der schwebenden Charge,
    • Positionieren einer Gussform in einem Füllbereich unterhalb der schwebenden Charge,
    • Abguss der gesamten Charge in die Gussform,
    • Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform.
  • Das Volumen der geschmolzenen Charge ist dabei vorzugsweise ausreichend, um die Gussform in einem für die Herstellung eines Gusskörpers ausreichenden Maße zu füllen ("Füllvolumen"). Nach dem Befüllen der Gussform wird diese abkühlen gelassen oder mit Kühlmittel abgekühlt, so dass das Material in der Form erstarrt. Danach kann der Gusskörper aus der Form entnommen werden. Der Abguss kann in einem Fallenlassen der Charge bestehen, insbesondere durch Abschaltung des elektromagnetischen Wechselfeldes; oder der Abguss kann durch ein elektromagnetisches Wechselfeld verlangsamt werden, z. B. durch die Verwendung einer Spule.
  • Unter einem "leitfähigen Material" wird erfindungsgemäß ein Material verstanden, das eine geeignete Leitfähigkeit aufweist, um das Material induktiv zu erhitzen und in der Schwebe zu halten.
  • Unter einem "Schwebezustand" wird erfindungsgemäß ein Zustand des vollständigen Schwebens verstanden, so dass die behandelte Charge keinerlei Kontakt zu einem Tiegel oder einer Plattform oder dergleichen hat.
  • Unter einem "zylindrischen" Ingot ist im Rahmen dieser Anmeldung ein Ingot in Form der mathematischen Definition eines allgemeinen Zylinders, insbesondere eines allgemeinen geraden Zylinders, zu verstehen, wobei die Definition explizit die Sonderformen des Prismas, insbesondere des geraden Prismas, und des Quaders einschließt. Vorzugsweise handelt es sich um einen geraden Kreiszylinder oder ein gerades Prisma mit sechs- bis vierundzwanzigeckigen Grundflächen.
  • Unter der "untersten" Charge ist erfindungsgemäß die Charge an einem erfindungsgemäßen Ausgangsmaterial zu verstehen, die an dem Ende des Ausgangsmaterials angeordnet ist, das distal zu dem Ende ist, mit dem das Ausgangsmaterial gehalten und bewegt wird.
  • Die Zufuhr der Chargen über ein Ausgangsmaterial, das mehrere Chargen vereinigt, anstelle der einzelnen Chargen bietet mehrere Vorteile. Durch die Aufreihung der Chargen in der Art eines im Wesentlichen stabförmigen Gebildes kann man diese zunächst einmal tiefer in das Magnetfeld der Spulen einführen. Im Gegensatz zu einer einzelnen Charge braucht das Ausgangsmaterial nicht zu schweben, sondern wird mechanisch in Position gehalten. Das restliche Ausgangsmaterial kann die aufzuschmelzende unterste Charge in das Magnetfeld drücken. Dadurch wird die Effizienz des Aufschmelzens der Charge erhöht. Erst wenn die Charge zu schmelzen beginnt, gehen die geschmolzenen Anteile in den Schwebezustand über. Die Haltekraft des restlichen Ausgangsmaterials sorgt ferner dafür, dass die Charge im Magnetfeld stabilisiert wird. Wenn die Charge aufgeschmolzen ist, wird das restliche Ausgangsmaterial nach oben gezogen und die frei schwebende Schmelze überhitzt.
  • Höchst bevorzugt wird die Charge so weit in das elektromagnetische Wechselfeld eingeführt, dass der induzierte Wirbelstrom maximal ist. Auf diese Weise kann die Charge optimal erwärmt werden, was zu einer Beschleunigung des gesamten Gießvorgangs führt.
  • In einer höchst bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das Ausgangsmaterial für mehrere Chargen aus einem zylindrischen Stab, der entlang seiner Längsachse über Bereiche verfügt, die einen verringerten Querschnitt aufweisen, wobei die einzelnen Bereiche mit dem nicht verringerten Querschnitt jeweils der Materialmenge einer Charge entsprechen. Prinzipiell wird der erfindungsgemäße Effekt der Stabilisierung und der verbesserten Ausnutzung des erzeugten Magnetfeldes bei jeder beliebigen Form der Chargen erzielt. Stäbe in Form eines Kreiszylinders oder eines Prismas mit annähernd kreisförmiger Basisfläche lassen sich jedoch besonders einfach und kostengünstig herstellen, beispielsweise im Strangguss. Es müssen dann lediglich noch durch Drehen, Sägen oder Trennschleifen die die Chargen abtrennenden Bereiche in den Rohstab eingebracht werden.
  • Bei keiner Gestaltungsform des erfindungsgemäßen Ausgangsmaterials ist es notwendig, dass die Chargen gleich groß sind. In der Regel werden für eine Serienproduktion gleichartiger Teile zwar gleich große Chargen benötigt. Es ist jedoch auch denkbar, Formen mit mehreren Kavitäten im Einsatz zu haben, die unterschiedliche Füllmengen benötigen. Hierauf angepasste Ausgangsmaterialien mit unterschiedlichen Chargen werden daher von der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • Die Bereiche mit verringertem Querschnitt, die die einzelnen Chargen abteilen, sorgen einerseits für eine geringere Wärmeleitung und andererseits für eine Beschränkung der induzierten Wirbelströme auf die aufzuschmelzende Charge im Magnetfeld.
  • Vorzugsweise ist daher bei dem Ausgangsmaterial für mehrere Chargen der Querschnitt zwischen den Chargen so weit verringert und/oder die Bereiche mit verringertem Querschnitt sind so lang, dass eine so weitgehende Eingrenzung des in einem elektromagnetischen Wechselfeld in einer Charge induzierten Wirbelstroms erfolgt, dass die benachbarte Charge nicht mit aufgeschmolzen wird. Bei der Auslegung der die Chargen verbindenden Bereiche ist dies entsprechend zu berücksichtigen, um ein optimales Verhältnis aus platzsparender Anordnung und der Gefahr des Abschmelzens der benachbarten Charge zu erzielen.
  • Ebenso ist entsprechend vorzugsweise bei dem Ausgangsmaterial für mehrere Chargen die Wärmeleitung der Bereiche mit dem verringerten Querschnitt so niedrig, dass beim Aufschmelzen einer Charge die benachbarte Charge nicht mit aufgeschmolzen wird.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es höchst bevorzugt, wenn sind bei dem Ausgangsmaterial für mehrere Chargen die Bereiche mit dem verringerten Querschnitt mindestens so dimensioniert, dass sie eine mechanische Tragkraft aufweisen, die für das Gewicht des jeweils zu tragenden Ausgangsmaterials ausreichend ist. Da die Ausgangsmaterialien in hängender Anordnung verwendet werden, ist es vorteilhaft, wenn die die Chargen verbindenden Bereiche, die wegen des verringerten Querschnitts die geringste mechanische Festigkeit aufweisen, in der Lage sind, jeweils den gesamten Bereich unterhalb von ihnen zu tragen. Hierdurch kann vermieden werden, dass ein Zufuhrmechanismus eingesetzt werden muss, der für eine Stabilisierung des Ausgangsmaterials sorgt. Werden jeweils die minimal möglichen Querschnitte eingesetzt, so nehmen diese von oben nach unten ab. Es ist nicht erforderlich, alle Querschnitte gleich zu gestalten, mithin sich an der Verbindung der obersten Charge zu orientieren.
  • Das erfindungsgemäß eingesetzte elektrisch leitfähige Material weist in einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens ein hochschmelzendes Metall aus der folgenden Gruppe auf: Titan, Zirkonium, Vanadium, Tantal, Wolfram, Hafnium, Niob, Rhenium, Molybdän. Alternativ kann auch ein weniger hoch schmelzendes Metall wie Nickel, Eisen oder Aluminium eingesetzt werden. Als leitfähiges Material kann auch eine Mischung bzw. Legierung mit einem oder mehreren der vorgenannten Metalle eingesetzt werden. Vorzugsweise hat das Metall einen Anteil von wenigstens 50 Gew.-%, insbesondere wenigstens 60 Gew.-% oder wenigstens 70 Gew.-%, an dem leitfähigen Material. Es hat sich gezeigt, dass diese Metalle besonders von den Vorteilen der vorliegenden Erfindung profitieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das leitfähige Material Titan oder eine Titanlegierung, insbesondere TiAl oder TiAIV. Diese Metalle bzw. Legierungen können besonders vorteilhaft verarbeitet werden, da sie eine ausgeprägte Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur aufweisen und darüber hinaus besonders reaktiv, insbesondere im Hinblick auf die Materialien der Gussform, sind. Da das erfindungsgemäße Verfahren ein kontaktloses Schmelzen in der Schwebe mit einem extrem schnellen Befüllen der Gussform kombiniert, kann gerade für solche Metalle ein besonderer Vorteil realisiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Gusskörper herstellen, die eine besonders dünne oder sogar keinerlei Oxidschicht aus der Reaktion der Schmelze mit dem Material der Gussform aufweisen. Und gerade bei den hochschmelzenden Metallen macht sich die erzielte verbesserte Ausnutzung des induzierten Wirbelstroms und damit verbundene schnellere Erhitzung bei den Zykluszeiten erheblich bemerkbar.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens setzt das elektrisch leitfähige Material in Pulverform ein. Sollen die Chargen beispielsweise in Kugelform gestaltet werden, so müsste beim Drehen aus einem Vollmetallstab sehr viel Material abgetragen werden. Ein Aufbau aus einzelnen Kugeln, die mit Stäben verschraubt werden, würde erhebliche Mehrarbeit verursachen bei Herstellung und Zusammenbau. Weicht man auf Pulver aus, kann man die Form jedoch einfacher herstellen. Höchst bevorzugt erfolgt dies durch Verpressen mit einem Bindemittel und/oder Sintern. Denkbare Bindemittel sind beispielsweise Paraffine, Wachse oder Polymere, die jeweils eine niedrige Arbeitstemperatur erlauben.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das leitfähige Material beim Schmelzen auf eine Temperatur überhitzt, die wenigstens 10 °C, wenigstens 20 °C oder wenigstens 30 °C über dem Schmelzpunkt des Materials liegt. Durch die Überhitzung wird vermieden, dass das Material beim Kontakt mit der Gussform, deren Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur liegt, augenblicklich erstarrt. Es wird erreicht, dass sich die Charge in der Gussform verteilen kann, bevor die Viskosität des Materials zu hoch wird. Es ist ein Vorteil des Schwebeschmelzens, dass kein Tiegel verwendet werden muss, der im Kontakt mit der Schmelze ist. So wird der hohe Materialverlust des Kalttiegelverfahrens genauso vermieden wie eine Kontamination der Schmelze durch Tiegelbestandteile. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schmelze verhältnismäßig hoch erhitzt werden kann, da ein Betrieb im Vakuum oder unter Schutzgas möglich ist und kein Kontakt zu reaktionsfähigen Materialien stattfindet. Dennoch können die meisten Materialien nicht beliebig überhitzt werden, da andernfalls eine heftige Reaktion mit der Gussform zu befürchten ist. Daher ist die Überhitzung vorzugsweise auf höchstens 300 °C, insbesondere höchstens 200 °C und besonders bevorzugt höchstens 100 °C über den Schmelzpunkt des leitfähigen Materials begrenzt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird zur Konzentration des Magnetfeldes und Stabilisierung der Charge wenigstens ein ferromagnetisches Element horizontal um den Bereich angeordnet, in dem die Charge geschmolzen wird. Das ferromagnetische Element kann ringförmig um den Schmelzbereich angeordnet sein, wobei unter "ringförmig" nicht nur kreisrunde Elemente, sondern auch eckige, insbesondere vier- oder mehreckige Ringelemente verstanden werden. Das Element kann mehrere Stababschnitte aufweisen, die insbesondere horizontal in Richtung des Schmelzbereiches ragen. Das ferromagnetische Element besteht aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise mit einer Amplitudenpermeabilität µa > 10, mehr bevorzugt µa > 50 und besonders bevorzugt µa > 100. Die Amplitudenpermeabilität bezieht sich insbesondere auf die Permeabilität in einem Temperaturbereich zwischen 25 °C und 100 °C und bei einer magnetischen Flussdichte zwischen 0 und 400 mT. Die Amplitudenpermeabilität beträgt insbesondere wenigstens ein Hundertstel, insbesondere wenigstens 10 Hundertstel oder 25 Hundertstel der Amplitudenpermeabilität von weichmagnetischem Ferrit (z.B. 3C92). Dem Fachmann sind geeignete Materialien bekannt.
  • Erfindungsgemäß ist ferner auch die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Materials als Ausgangsmaterial für ein Schwebeschmelzverfahren, bei dem das Ausgangsmaterial mehrere vorseparierte, durch Bereiche mit verringertem Querschnitt getrennte Chargen aufweist, wobei eine Abtrennung der vorseparierten Chargen erst beim Aufschmelzen in einem elektromagnetischen Wechselfeld erfolgt.
    • Kurzbeschreibunq der Figuren
    • Figur 1 ist eine Seitenansicht von drei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Ausgangsmaterials.
    • Figur 2 ist eine Seitenansicht des Aufbaus eines Schmelzbereiches mit ferromagnetischem Element, Spulen und dem unteren Teilabschnitt eines Ausgangsmaterials für mehrere Chargen.
    Figurenbeschreibung
  • Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen. Sie dienen allein der Veranschaulichung.
  • Figur 1 zeigt eine Seitenansicht von drei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Ausgangsmaterials aus elektrisch leitfähigem Material. Bei allen dreien handelt es sich um senkrechte kreiszylindrische Formen. Am oberen Ende ist ein Bereich angeordnet, der zur Befestigung in einer Zuführeinrichtung geeignet ist. Je nach Befestigungsart kann dieser Bereich glatt gestaltet sein wie in der Abbildung oder mit Löchern oder einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur versehen sein, insbesondere einer endständigen Umfangsverbreiterung, die ein Erfassen mit einem Haken oder Greifer ermöglicht.
  • Das linke Ausgangsmaterial weist sechs, das mittlere fünf und das rechte acht Chargen (1) auf. Bei dem linken Ausgangsmaterial werden die einzelnen Chargen (1) durch Einkerbungen in Dreiecksform separiert. Diese Einkerbungen lassen sich beispielsweise ohne Materialverlust über eine Stanze erzeugen. Bei dem mittleren Ausgangsmaterial werden die einzelnen Chargen (1) durch breitere Bereiche mit verringertem Querschnitt beabstandet. Eine solche Ausführungsform lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise durch Abdrehen aus einem zylindrischen Stab herstellen. Das rechte Ausgangsmaterial weist demgegenüber zur Abteilung der einzelnen Chargen (1) schmale umlaufende Einschnitte auf. Prinzipiell ist der Aufbau damit wie bei dem mittleren Ausgangsmaterial, die Distanzen sind nur verringert und der Querschnitt der im Querschnitt verringerten Bereiche ist noch weiter verringert. Durch den weiter verringerten Querschnitt kann eine bessere Beschränkung der induzierten Wirbelströme und geringere Wärmeleitung erreicht werden, um die kürzere Distanz zu kompensieren.
  • Figur 2 zeigt den Abschnitt der untersten drei Chargen (1) des mittleren Ausgangsmaterials aus Figur 1. Die unterste Charge (1) befindet sich im Einflussbereich von elektromagnetischen Wechselfeldern (Schmelzbereich), die mit Hilfe der Spulen (2) erzeugt werden. Unterhalb der Charge (1) befindet sich eine leere Gussform, die von einem Halter im Füllbereich gehalten wird (nicht dargestellt). Um den Einflussbereich der Spulen (2) ist ein ferromagnetisches Element (3) angeordnet. Die Charge (1) wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren geschmolzen und in Schwebe gebracht. Nach dem Schmelzen der Charge (1) wird das restliche Ausgangsmaterial nach oben gezogen und die Schmelze überhitzt. Danach wird die Schmelze in die Gussform abgegossen und der erstarrte Gusskörper schließlich aus der Gussform entnommen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Charge
    2
    Spule
    3
    ferromagnetisches Element

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus einem elektrisch leitfähigen Material im Schwebeschmelzverfahren, umfassend die folgenden Schritte:
    - Einbringen der untersten Charge (1) eines Ausgangsmaterials für mehrere Chargen (1) in den Einflussbereich wenigstens eines elektromagnetischen Wechselfelds, wobei das Ausgangsmaterial aus einem elektrisch leitfähigen Material mehrere vorseparierte, durch Bereiche mit verringertem Querschnitt getrennte Chargen (1) aufweist und die Bereiche so ausgeführt sind, dass eine Abtrennung der vorseparierten Chargen (1) erst beim Aufschmelzen in einem elektromagnetischen Wechselfeld erfolgt,
    - Schmelzen der Charge (1),
    - Anheben des verbliebenen ungeschmolzenen Ausgangsmaterials von der in einem Schwebezustand befindlichen geschmolzenen Charge (1),
    - Überhitzen der schwebenden Charge (1),
    - Positionieren einer Gussform in einem Füllbereich unterhalb der schwebenden Charge (1),
    - Abguss der gesamten Charge (1) in die Gussform,
    - Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Charge (1) so weit in das elektromagnetische Wechselfeld eingeführt wird, dass der induzierte Wirbelstrom maximal ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial für mehrere Chargen (1) aus einem zylindrischen Stab besteht, der entlang seiner Längsachse über Bereiche verfügt, die einen verringerten Querschnitt aufweisen, wobei die einzelnen Bereiche mit dem nicht verringerten Querschnitt jeweils der Materialmenge einer Charge (1) entsprechen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ausgangsmaterial für mehrere Chargen (1) der Querschnitt zwischen den Chargen (1) so weit verringert ist und/oder die Bereiche mit verringertem Querschnitt so lang sind, dass eine so weitgehende Eingrenzung des in einem elektromagnetischen Wechselfeld in einer Charge (1) induzierten Wirbelstroms erfolgt, dass die benachbarte Charge (1) nicht mit aufgeschmolzen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ausgangsmaterial für mehrere Chargen (1) die Bereiche mit dem verringerten Querschnitt mindestens so dimensioniert sind, dass sie eine mechanische Tragkraft aufweisen, die für das Gewicht des jeweils zu tragenden Ausgangsmaterials ausreichend ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ausgangsmaterial für mehrere Chargen (1) die Wärmeleitung der Bereiche mit dem verringerten Querschnitt so niedrig ist, dass beim Aufschmelzen einer Charge (1) die benachbarte Charge (1) nicht mit aufgeschmolzen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material wenigstens ein Metall aus der folgenden Gruppe enthält: Titan, Zirkonium, Vanadium, Tantal, Wolfram, Hafnium, Niob, Rhenium, Molybdän, Nickel, Eisen, Aluminium.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall einen Anteil von wenigstens 50 Gew.-%, insbesondere wenigstens 60 Gew.-% oder wenigstens 70 Gew.-%, an dem leitfähigen Material hat.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material Titan oder eine Titanlegierung, insbesondere TiAl oder TiAIV, ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material in Pulverform eingesetzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial für mehrere Chargen (1) aus dem elektrisch leitfähigen Material durch Verpressen mit einem Bindemittel und/oder Sintern hergestellt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material beim Schmelzen auf eine Temperatur überhitzt wird, die wenigstens 10 °C, wenigstens 20 °C oder wenigstens 30 °C über dem Schmelzpunkt des Materials liegt.
  13. Verwendung eines elektrisch leitfähigen Materials als Ausgangsmaterial für ein Schwebeschmelzverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial mehrere vorseparierte, durch Bereiche mit verringertem Querschnitt getrennte Chargen (1) aufweist, wobei eine Abtrennung der vorseparierten Chargen (1) erst beim Aufschmelzen in einem elektromagnetischen Wechselfeld erfolgt.
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