EP3626028A1 - Schwebeschmelzverfahren mit beweglichen induktionseinheiten - Google Patents

Schwebeschmelzverfahren mit beweglichen induktionseinheiten

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EP3626028A1
EP3626028A1 EP19739553.6A EP19739553A EP3626028A1 EP 3626028 A1 EP3626028 A1 EP 3626028A1 EP 19739553 A EP19739553 A EP 19739553A EP 3626028 A1 EP3626028 A1 EP 3626028A1
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EP
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melting
batch
casting
induction coils
coils
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EP19739553.6A
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Sergejs SPITANS
Henrik Franz
Björn SEHRING
Egon Bauer
Andreas KRIEGER
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ALD Vacuum Technologies GmbH
Original Assignee
ALD Vacuum Technologies GmbH
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Publication date
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    • H05B6/365—Coil arrangements using supplementary conductive or ferromagnetic pieces

Definitions

  • This invention relates to a levitation melting method and a device for producing castings with movable induction units.
  • the method uses induction units in which the ferrite poles opposite each other are designed to be movable with the induction coils and to move in opposite directions.
  • the induction units for melting the batches can be arranged close together in order to achieve an increase in efficiency of the induced magnetic field.
  • the reduction of the induced magnetic field is made by increasing the distance between the ferrite poles and the induction coils and thus avoiding contact with the melt with the ferrite poles or the induction coils.
  • US 2,686,864 A also describes a method in which a conductive melting material z. B. is suspended in a vacuum under the influence of one or more coils without the use of egg nes crucible. In one embodiment, two coaxial coils are used to stabilize the material in suspension. After melting, the material is dropped or poured into a mold. With the procedure 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 tapered coil. If the field strength is reduced very quickly, the metal falls out of the device in the molten state. It has already been recognized that the “weak spot” of such coil arrangements lies in the middle of the coils, so that the amount of material that can be melted in this way is limited.
  • US 4,578,552 A also discloses an apparatus and a method for levitation melting.
  • the same coil is used both for heating and for holding the melt, since 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 suspension 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 reaction of a reactive melt, for example of titanium alloys, with the crucible material is excluded, which would otherwise force ceramic crucibles to escape onto copper crucibles operated using the cold crucible method.
  • the floating melt is only in contact with the surrounding atmosphere, which is e.g. B. can be vacuum or protective gas. Because there is no fear of a chemical reaction with a crucible material, the melt can also be heated to very high temperatures.
  • the Lorentz force of the coil field must compensate for the weight of the batch in order to be able to keep it suspended. It pushes the batch up out of the coil field.
  • a reduction in the distance between the opposite ferrite poles is sought. The reduction in distance allows the same magnetic field to be generated with a lower voltage that is required to hold a specific melt weight. In this way, the holding efficiency of the system can be improved so that a larger batch can be levitated.
  • the heating efficiency is also increased, since the losses in the induction coils are reduced.
  • the process should allow larger batches to be used due to improved efficiency of the coil field and enable high throughput due to shortened cycle times, while ensuring that the casting process continues safely without contact of the melt with the coils or their poles.
  • the object is achieved by the method according to the invention and the device according to the invention.
  • alternating electromagnetic fields are used, which are generated with at least one pair of opposing induction coils with a core made of a ferromagnetic material, the induction coils with their cores are movably arranged in each pair in each pair and move between a melting position at a short distance and a casting position at a large distance, comprising the following steps:
  • the volume of the molten batch is preferably sufficient to fill the mold to an extent sufficient for the production of a cast body (“fill volume”). After filling the mold, it is allowed to cool or is cooled with coolant, so that the material solidifies in the mold. The cast body can then be removed from the mold.
  • a “conductive material” is understood to mean a material which has a suitable conductivity in order to inductively heat the material and keep it in suspension.
  • a “floating state” is understood to mean a state of complete floating, so that the treated batch has no contact with a crucible or a platform or the like.
  • ferrite pole is used synonymously with the term “core made of a ferromagnetic material” in the context of this application.
  • coil and “induction coil” are used synonymously next to each other.
  • the efficiency of the generated alternating electromagnetic field can be increased by moving the induction coil pairs closer together. This enables even heavier batches to be levitated.
  • the risk of the molten batch touching the coils or ferrite poles increases as the free cross section between the coils decreases. Such contaminations are to be strictly avoided, since they are difficult and expensive to remove again and therefore result in a longer failure of the system.
  • the induction coils with their cores according to the invention are each movably mounted in at least one pair.
  • the coils of a pair preferably move in opposite directions in a centrosymmetric manner around the center of the induction coil arrangement.
  • the coils are pushed together in the melting position. If the batch has melted and is to be poured into the mold, the coils are not simply switched off or the current level is regulated down, as is customary in the prior art, but instead are moved outwards according to the invention into a casting position. This increases the distance between the coils, which on the one hand creates a larger free diameter for the melt on its way into the mold and on the other hand continuously and in a controlled manner reduces the load-bearing capacity of the induced magnetic field.
  • the melt is safely kept away from the induction coils and their cores as they pass through the coil plane and only slowly passes into the case because the field is already weakened in the center, but is still strong enough at the coils to meet the requirements Prevent contact. This prevents contamination of the coils and ensures a clean cast into the mold without splashing.
  • the current intensity in these induction coils is reduced simultaneously with the movement of the induction coils in the induction coil pairs from the melting position into the casting position. This makes it possible to reduce the displacement path of the induction coils because the induced magnetic field is no longer reduced only by the greater distance between the induction coils. However, it is important to ensure that the reduction in the current intensity is coordinated with the shifting of the coils in such a way that the field strength is always sufficiently high to be able to keep the melt away from the coils.
  • the distance of the induction coils in the induction coil pairs from the melting position to the casting position is increased by 5-100 mm, preferably 10-50 mm.
  • it must be taken into account for which batch weights the system is to be designed and how large the minimum distance between the coils and the field strength that can be generated with them.
  • 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 less high-melting metal such as nickel, iron or aluminum can also 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 TiAIV.
  • 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 rapid filling of the casting mold, a particular advantage can be realized for such metals. With the method according to the invention, castings 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 in the case of the high-melting metals in particular, the improved utilization of the induced eddy current and the exorbitant reduction in heat losses due to thermal contact have a noticeable effect on the cycle times. Furthermore, the load capacity of the magnetic field generated can be increased, so that even heavier batches can be kept in suspension.
  • 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 instantaneously solidifying upon contact with the mold, the temperature of which is below the melting temperature. It is achieved that the batch 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. The high loss of material from the cold crucible process on the crucible wall is avoided, as is contamination of the melt by crucible components.
  • the melt can be heated to a relatively high degree, since it can be operated in a vacuum or under protective gas and there is no contact with reactive materials.
  • the overheating is 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 batch is melted in order to concentrate the magnetic field and stabilize the batch.
  • the ferromagnetic element can be arranged in a ring around the melting area, with "ring-shaped" not only circular elements, but also angular, in particular quadrangular or polygonal ring elements can be understood. So that the inventive movement of the induction coils is possible, the ring elements are divided according to the number of coils into sub-segments, between which the respective induction coils with their poles move positively.
  • the ferromagnetic element may also have a plurality of rod sections which, in particular, protrude horizontally in the direction of the melting region.
  • the ferromagnetic element consists of a ferromagnetic material, preferably with an amplitude permeability of m 3 > 10, more preferably m 3 > 50 and particularly preferably m 3 > 100.
  • the amplitude permeability relates in particular to the permeability in a temperature range between 25 ° C. and 150 ° C and with a magnetic flux density between 0 and 500 mT.
  • the amplitude permeability is in particular at least one hundredth, in particular at least 10 hundredths or 25 hundredths, of the amplitude permeability of soft magnetic ferrite (for example 3C92). Suitable materials are known to the person skilled in the art.
  • a device for levitation melting of an electrically conductive material comprising at least a pair of opposing Indu Vietnamesesspu len with a core made of a ferromagnetic material for bringing about the Schwebezu state of a batch by means of alternating electromagnetic fields, the induction coils with their cores movable in each pair are arranged and move between a melting position with a small distance and a casting position with a large distance.
  • Figure 1 is a side sectional view of a mold below a melting area with ferromagnetic material, coils and a batch of conductive material.
  • Figure 2 is a plan view of an arrangement with two pairs of coils and a ferromagnetic ring-shaped element.
  • Figure 1 shows a batch (1) made of conductive material, which is in the area of influence of alternating electromagnetic fields (melting range), which are generated with the help of the coils (3). Below the batch (1) there is an empty mold (2) by a holder
  • the casting mold (2) has a funnel-shaped filling section
  • the holder (5) is suitable for moving the mold (2) from a supply position into a casting mold. position, which is symbolized by the drawn arrow.
  • a ferromagnetic material (4) is arranged in the core of the coils (3).
  • the axes of the pair of coils (3) are aligned horizontally, with two opposing coils (3) forming a pair.
  • the drawing shows the melting position of the coil arrangement at a short distance.
  • the batch (1) is melted in the process according to the invention in suspension and poured into the casting mold (2) after the melt has taken place.
  • the coils (3) as symbolized by the arrow shown, are separated from each other until the Lorentz force of the field can no longer compensate for the weight of the batch (1).
  • Figure 2 shows a plan view of an arrangement with two pairs of coils and a ferromagnetic ring-shaped element (7).
  • the annular element (7) is designed as an octagonal ring element.
  • Two coils (3) with their ferro-magnetic material (4) lying on an axis A, B form a pair of coils.
  • the coil axes A, B are arranged at right angles to each other.
  • the figure shows the melting position of the coil arrangement with narrow distances between the coils (3).
  • the ferromagnetic materials (4) positively seated in the annular element (7) then move together with their coils (3), as indicated by the double arrows, to pour the levitating melt outwards.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schwebeschmelzverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern mit beweglichen Induktionseinheiten. Bei dem Verfahren werden Induktionseinheiten eingesetzt, bei denen die jeweils gegenüberliegenden Ferritpole mit den Induktionsspulen beweglich ausgestaltet sind und sich gegenläufig bewegen. So können die Induktionseinheiten zum Aufschmelzen der Chargen eng beieinander angeordnet werden, um eine Effizienzsteigerung des induzierten Magnetfelds zu erzielen. Beim Abgießen der geschmolzenen Charge wird die Verringerung des induzierten Magnetfelds durch eine Vergrößerung des Abstands der Ferritpole mit den Induktionsspulen vorgenommen und so ein Berühren der Schmelze mit den Ferritpolen oder den Induktionsspulen vermieden.

Description

Schwebeschmelzverfahren mit beweglichen Induktionseinheiten
Diese Erfindung betrifft ein Schwebeschmelzverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern mit beweglichen Induktionseinheiten. Bei dem Verfahren werden Induktionseinhei ten eingesetzt, bei denen die jeweils gegenüberliegenden Ferritpole mit den Induktionsspulen beweglich ausgestaltet sind und sich gegenläufig bewegen. So können die Induktionseinheiten zum Aufschmelzen der Chargen eng beieinander angeordnet werden, um eine Effizienzsteige rung des induzierten Magnetfelds zu erzielen. Beim Abgießen der geschmolzenen Charge wird die Verringerung des induzierten Magnetfelds durch eine Vergrößerung des Abstands der Fer ritpole mit den Induktionsspulen vorgenommen und so ein Berühren der Schmelze mit den Fer ritpolen oder den Induktionsspulen vermieden.
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 ei nen 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 ei nes Tiegels in einen Schwebezustand versetzt wird. In einer Ausführungsform werden zwei ko axiale 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 be schriebenen 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, da bei 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. Ebenso wird die Reaktion einer reaktiven Schmelze, beispielsweise von Titanlegierungen, mit dem Tiegelmaterial ausgeschlossen, die sonst zum Ausweichen von Keramiktiegeln auf im Kalttiegelverfahren betriebene Kupfertiegel zwingt. 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 auch auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden. Im Gegensatz zum Kalttiegelschmelzen besteht dabei zu dem nicht das Problem, dass dessen Effektivität sehr gering ist, weil nahezu die gesamte Ener gie, die in die Schmelze eingebracht wird, in die gekühlte Tiegelwand abgeleitet wird, was zu einem sehr langsamen Temperaturanstieg bei großem Leistungseintrag führt. Beim Schwebe schmelzen sind die einzigen Verluste durch die Strahlung und das Verdampfen, welche im Ver gleich zur thermischen Leitung beim Kalttiegel erheblich geringer sind. Somit wird bei geringe rem Leistungseintrag eine größere Überhitzung der Schmelze in auch noch kürzerer Zeit er reicht.
Darüber hinaus wird, insbesondere im Vergleich zur Schmelze im Kalttiegel, der Ausschuss an kontaminiertem Material beim Schwebeschmelzen verringert. Dennoch hat sich das Schwebe schmelzen in der Praxis nicht durchgesetzt. Der Grund dafür ist, dass beim Schwebeschmelz verfahren nur eine verhältnismäßig kleine Menge an geschmolzenem Material in der Schwebe gehalten werden kann (vgl. DE 696 17 103 T2, Seite 2, Absatz 1 ).
Ferner muss zur Durchführung eines Schwebeschmelzverfahrens die Lorentz Kraft des Spulen felds die Gewichtskraft der Charge kompensieren, um diese in der Schwebe halten zu können. Sie drückt die Charge dabei nach oben aus dem Spulenfeld heraus. Zur Erhöhung der Effizienz des erzeugten Magnetfelds wird eine Verringerung des Abstands der entgegengesetzten Ferrit pole angestrebt. Die Abstandsverringerung erlaubt es, mit geringerer Spannung dasselbe Mag netfeld zu generieren, das zum Halten eines bestimmten Schmelzegewichts benötigt wird. Auf diese Weise kann die Halteeffizienz der Anlage verbessert werden, um so eine größere Charge levitieren lassen zu können. Ferner wird auch die Heizeffizienz erhöht, da die Verluste in den Induktionsspulen reduziert werden.
Je geringer der Abstand der Ferritpole wird, desto größer ist das induzierte Magnetfeld. Aller dings steigt mit sinkendem Abstand auch die Gefahr der Verunreinigung der Ferritpole und der Induktionsspulen mit der Schmelze, da die Feldstärke für den Abguss reduziert werden muss. Hierbei verringert sich jedoch nicht nur die Haltekraft in vertikaler Richtung, sondern auch die in horizontaler Richtung. Dadurch kommt es zu einer horizontalen Ausdehnung der leicht oberhalb des Spulenfelds levitierenden Schmelze, was es extrem schwierig macht, diese ohne Berüh rung durch den engen Spalt zwischen den Ferritpolen hindurch in die darunter positionierte Gussform fallen zu lassen. Daher ist der Erhöhung der Tragkraft des Spulenfelds durch Verrin gern des Abstands der Ferritpole eine praktische Grenze gesetzt, die durch die Kontaktwahr scheinlichkeit bestimmt wird.
Die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren lassen sich wie folgt zu sammenfassen. 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. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Effizi enz des Spulenfelds bei der Erzeugung von Wirbelströmen durch eine Verringerung des Ab stands der Ferritpole erhöht werden soll.
Aufgabe
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, die einen wirtschaftlichen Einsatz des Schwebeschmelzens ermöglichen. Insbeson dere sollte das Verfahren durch eine verbesserte Effizienz des Spulenfelds den Einsatz größe rer Chargen erlauben und einen hohen Durchsatz durch verkürzte Zykluszeiten ermöglichen, wobei gewährleistet bleibt, dass der Abgussvorgang weiterhin sicher ohne Kontakt der Schmel ze zu den Spulen oder deren Polen erfolgt.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrich tung gelöst. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus einem elektrisch leitfähigen Material im Schwebeschmelzverfahren, wobei zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge elektromagnetische Wechselfelder eingesetzt werden, die mit wenigstens einem Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material erzeugt werden, wobei die Induktionsspulen mit ihren Kernen in jedem Paar beweglich zueinander angeordnet sind und sich zwischen einer Schmelzposition mit geringem Abstand und einer Abgussposition mit weitem Abstand bewegen, umfassend die folgenden Schritte:
Versetzen der Induktionsspulenpaare in die Schmelzposition mit geringem Abstand, - Einbringen einer Charge eines Ausgangsmaterials in den Einflussbereich wenigstens ei nes elektromagnetischen Wechselfelds, so dass die Charge in einem Schwebezustand gehalten wird,
- Schmelzen der Charge,
- Positionieren einer Gussform in einem Füllbereich unterhalb der schwebenden Charge,
- Abguss der gesamten Charge in die Gussform durch Bewegen der Induktionsspulen in mindestens einem Paar von der Schmelzposition mit geringem Abstand in die Abguss position mit weitem Abstand,
- Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform.
Das Volumen der geschmolzenen Charge ist dabei vorzugsweise ausreichend, um die Guss form in einem für die Herstellung eines Gusskörpers ausreichenden Maße zu füllen („Füllvolu men“). Nach dem Befüllen der Gussform wird diese abkühlen gelassen oder mit Kühlmittel ab gekühlt, so dass das Material in der Form erstarrt. Danach kann der Gusskörper aus der Form entnommen werden.
Unter einem„leitfähigen Material“ wird erfindungsgemäß ein Material verstanden, das eine ge eignete Leitfähigkeit aufweist, um das Material induktiv zu erhitzen und in der Schwebe zu hal ten.
Unter einem„Schwebezustand“ wird erfindungsgemäß ein Zustand des vollständigen Schwe- bens verstanden, so dass die behandelte Charge keinerlei Kontakt zu einem Tiegel oder einer Plattform oder dergleichen hat.
Die Bezeichnung "Ferritpol" wird im Rahmen dieser Anmeldung synonym mit dem Begriff "Kern aus einem ferromagnetischen Material" verwendet. Ebenso werden die Begriffe "Spule" und "Induktionsspule" gleichbedeutend nebeneinander gebraucht.
Durch ein Zusammenrücken der Induktionsspulenpaare kann die Effizienz des erzeugten elekt romagnetischen Wechselfelds erhöht werden. Dadurch gelingt es, auch schwerere Chargen zum Levitieren zu bringen. Allerdings steigt beim Abguss einer Charge die Gefahr des Berüh- rens der geschmolzenen Charge mit den Spulen oder Ferritpolen mit sinkendem freien Quer schnitt zwischen den Spulen. Solche Verunreinigungen sind aber strikt zu vermeiden, da sie nur schwer und aufwendig wieder zu beseitigen sind und daher einen längeren Ausfall der Anlage zur Folge haben. Um die Vorteile des engeren Abstands der Induktionsspulenpaare so weit wie möglich ausnutzen zu können, ohne die Gefahr der Verunreinigungen beim Abguss in Kauf nehmen zu müssen, sind die Induktionsspulen mit ihren Kernen erfindungsgemäß zumindest in einem Paar jeweils beweglich gelagert. Vorzugsweise bewegen sich die Spulen eines Paars gegenläufig zentrosymmetrisch um den Mittelpunkt der Induktionsspulenanordnung.
Zum Schmelzen der Charge werden die Spulen in die Schmelzposition zusammengeschoben. Ist die Charge geschmolzen und soll in die Gussform abgegossen werden, werden die Spulen nicht, wie im Stand der Technik üblich, einfach abgeschaltet oder die Stromstärke herunterge regelt, sondern erfindungsgemäß nach außen in eine Abgussposition verschoben. Dadurch erhöht sich der Abstand der Spulen zueinander, was einerseits einen größeren freien Durch messer für die Schmelze auf ihrem Weg in die Gussform schafft und andererseits die Tragkraft des induzierten Magnetfeldes kontinuierlich und kontrolliert verringert. Auf diese Weise wird die Schmelze beim Durchtritt durch die Spulenebene sicher von den Induktionsspulen und ihren Kernen entfernt gehalten und geht erst langsam in den Fall über, weil das Feld zwar im Zentrum bereits abgeschwächt wird, an den Spulen aber noch stark genug ist, um den Kontakt zu ver hindern. Somit wird sowohl die Verunreinigung der Spulen verhindert als auch ein sauberer Ab guss in die Gussform ohne Verspritzen erzielt.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird beim Abguss der Charge gleichzeitig mit dem Bewegen der Induktionsspulen in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition in die Abgussposition die Stromstärke in diesen Induktionsspulen reduziert. Dadurch lässt sich eine Verringerung des benötigten Verschiebewegs der Induktionsspulen realisieren, da das induzierte Magnetfeld nicht mehr nur durch die größere Entfernung der indu zierenden Spulen reduziert wird. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die Reduktion der Stromstärke so mit dem Verschieben der Spulen koordiniert wird, dass die Feldstärke stets aus reichend hoch ist, um die Schmelze von den Spulen entfernt halten zu können.
In einer Ausführungsform wird der Abstand der Induktionsspulen in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition zur Abgussposition um 5 - 100 mm, vorzugsweise 10 - 50 mm, ver größert. Hierbei ist bei der Festlegung des Verschiebewegs jeweils zu berücksichtigen, für wel che Chargengewichte die Anlage ausgelegt werden soll und wie groß der minimale Abstand der Spulen sowie die mit diesen erzeugbare Feldstärke ist.
Das erfindungsgemäß eingesetzte elektrisch leitfähige Material weist in einer bevorzugten Aus führungsform 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 wer den. 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 her steilen, 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 machen sich die erzielte verbesserte Ausnutzung des induzierten Wirbelstroms und die exorbitante Reduktion der Wärmeverluste durch thermischen Kontakt bei den Zykluszeiten erheblich bemerkbar. Ferner kann die Tragkraft des erzeugten Magnetfelds erhöht werden, so- dass auch schwerere Chargen in der Schwebe gehalten werden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das leitfähige Material beim Schmel zen 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 Schmelztempera tur 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 Schwebeschmel- zens, dass kein Tiegel verwendet werden muss, der im Kontakt mit der Schmelze ist. So wird der hohe Materialverlust des Kalttiegelverfahrens an der Tiegelwand 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 Re aktion mit der Gussform zu befürchten ist. Daher ist die Überhitzung vorzugsweise auf höchs tens 300 °C, insbesondere höchstens 200 °C und besonders bevorzugt höchstens 100 °C über den Schmelzpunkt des leitfähigen Materials begrenzt.
Bei dem Verfahren wird zur Konzentration des Magnetfeldes und Stabilisierung der Charge we nigstens ein ferromagnetisches Element horizontal um den Bereich angeordnet, in dem die Charge geschmolzen wird. Das ferromagnetische Element kann ringförmig um den Schmelzbe reich angeordnet sein, wobei unter„ringförmig“ nicht nur kreisrunde Elemente, sondern auch eckige, insbesondere vier- oder mehreckige Ringelemente verstanden werden. Damit die erfin dungsgemäße Bewegung der Induktionsspulen möglich wird, sind die Ringelemente entspre chend der Spulenanzahl in Teilsegmente unterteilt, zwischen denen sich die jeweiligen Indukti onsspulen mit ihren Polen formschlüssig bewegen. Das ferromagnetische Element kann ferner mehrere Stababschnitte aufweisen, die insbesondere horizontal in Richtung des Schmelzberei ches ragen. Das ferromagnetische Element besteht aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise mit einer Amplitudenpermeabilität m3 > 10, mehr bevorzugt m3 > 50 und besonders bevorzugt m3 > 100. Die Amplitudenpermeabilität bezieht sich insbesondere auf die Permeabili tät in einem Temperaturbereich zwischen 25 °C und 150 °C und bei einer magnetischen Fluss dichte zwischen 0 und 500 mT. Die Amplitudenpermeabilität beträgt insbesondere wenigstens ein Hundertstel, insbesondere wenigstens 10 Hundertstel oder 25 Hundertstel der Amplituden permeabilität von weichmagnetischem Ferrit (z.B. 3C92). Dem Fachmann sind geeignete Mate rialien bekannt.
Erfindungsgemäß ist ferner auch eine Vorrichtung zum Schwebeschmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials, umfassend wenigstens ein Paar von gegenüberliegenden Induktionsspu len mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material zur Herbeiführung des Schwebezu standes einer Charge mittels elektromagnetischer Wechselfelder, wobei die Induktionsspulen mit ihren Kernen in jedem Paar beweglich zueinander angeordnet sind und sich zwischen einer Schmelzposition mit geringem Abstand und einer Abgussposition mit weitem Abstand bewegen.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Figur 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Gussform unterhalb eines Schmelzbereiches mit ferromagnetischem Material, Spulen und einer Charge leitfähigen Materials.
Figur 2 ist eine Draufsicht auf eine Anordnung mit zwei Spulenpaaren und einem ferromagneti schen ringförmigen Element.
Fiqurenbeschreibunq
Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen. Sie dienen allein der Veranschaulichung.
Figur 1 zeigt eine Charge (1 ) aus leitfähigem Material, die sich im Einflussbereich von elektro magnetischen Wechselfeldern befindet (Schmelzbereich), die mit Hilfe der Spulen (3) erzeugt werden. Unterhalb der Charge (1 ) befindet sich eine leere Gussform (2), die von einem Halter
(5) im Füllbereich gehalten wird. Die Gussform (2) weist einen trichterförmigen Einfüllabschnitt
(6) auf. Der Halter (5) ist geeignet, die Gussform (2) von einer Zuführposition in eine Abgusspo- sition zu heben, was durch den eingezeichneten Pfeil symbolisiert wird. Im Kern der Spulen (3) ist ein ferromagnetisches Material (4) angeordnet. Die Achsen des Spulenpaars (3) sind hori zontal ausgerichtet, wobei je zwei gegenüberliegende Spulen (3) ein Paar bilden. Dargestellt ist in der Zeichnung die Schmelzposition der Spulenanordnung mit geringem Abstand.
Die Charge (1 ) wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren schwebend geschmolzen und nach erfolgter Schmelze in die Gussform (2) abgegossen. Zum Abguss werden die Spulen (3), wie durch den eingezeichneten Pfeil symbolisiert, so lange nach außen voneinander entfernt, bis die Lorentzkraft des Feldes die Gewichtskraft der Charge (1 ) nicht mehr kompensieren kann.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung mit zwei Spulenpaaren und einem ferromag netischen ringförmigen Element (7). Das ringförmige Element (7) ist dabei als achteckiges Rin gelement ausgestaltet. Jeweils zwei auf einer Achse A, B liegende Spulen (3) mit ihrem ferro magnetischen Material (4) bilden ein Spulenpaar. Die Spulenachsen A, B sind rechtwinklig zu einander angeordnet. In der Abbildung ist die Schmelzposition der Spulenanordnung mit engen Abständen zwischen den Spulen (3) gezeigt. Die formschlüssig in dem ringförmigen Element (7) sitzenden ferromagnetischen Materialien (4) bewegen sich dann mitsamt ihren Spulen (3), wie durch die Doppelpfeile angedeutet, zum Abguss der levitierenden Schmelze nach außen.
Bezugszeichenliste
1 Charge
2 Gussform
3 Induktionsspule
4 ferromagnetisches Material
5 Halter
6 Einfüllabschnitt
7 ringförmiges Element

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus einem elektrisch leitfähigen Material im Schwebeschmelzverfahren, wobei zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge (1 ) elektromagnetische Wechselfelder eingesetzt werden, die mit wenigstens einem Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen (3) mit einem Kern aus einem ferromagneti schen Material (4) erzeugt werden, wobei die Induktionsspulen (3) mit ihren Kernen in je dem Paar beweglich zueinander angeordnet sind und sich zwischen einer Schmelzposition mit geringem Abstand und einer Abgussposition mit weitem Abstand bewegen, umfassend die folgenden Schritte:
- Versetzen der Induktionsspulenpaare in die Schmelzposition mit geringem Abstand,
- Einbringen einer Charge (1 ) eines Ausgangsmaterials in den Einflussbereich wenigstens eines elektromagnetischen Wechselfelds, so dass die Charge (1 ) in einem Schwebezu stand gehalten wird,
- Schmelzen der Charge (1 ),
- Positionieren einer Gussform (2) in einem Füllbereich unterhalb der schwebenden Char ge (1 ),
- Abguss der gesamten Charge (1 ) in die Gussform (2) durch Bewegen der Induktionsspu len (3) in mindestens einem Paar von der Schmelzposition mit geringem Abstand in die Abgussposition mit weitem Abstand,
- Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beim Abguss der Charge (1 ) gleichzeitig mit dem Bewegen der Induktionsspulen (3) in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition in die Abgussposition die Stromstärke in diesen Induktionsspulen (3) reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der In duktionsspulen (3) in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition zur Abgusspo sition um 5 - 100 mm, vorzugsweise 10 - 50 mm, vergrößert wird.
4. Vorrichtung zum Schwebeschmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials, umfassend we nigstens ein Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen (3) mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material (4) zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge (1 ) mittels elektromagnetischer Wechselfelder, wobei die Induktionsspulen (3) mit ihren Kernen in jedem Paar beweglich zueinander angeordnet sind und sich zwischen einer Schmelzpo sition mit geringem Abstand und einer Abgussposition mit weitem Abstand bewegen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Induktions spulen (3) in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition zur Abgussposition um 5 - 100 mm, vorzugsweise 10 - 50 mm, vergrößert wird.
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