RU1770427C - Печь дл изготовлени отливок - Google Patents

Abstract

Использование получение чистых металлов . Печь дл  изготовлени  отливок и 7 повышение чистоты получаемого металла. Сущность: во врем  плавлени  и охлаждени  отливок в рабочей камере, выполненной в виде металлической емкости 1 со змеевиком 3 на наружной поверхности дл  охлаждени , крышкой 2 со штуцером 4 дл  выпуска газа, систему дл  поддержани  давлени  газа в рабочей камере, тигель 51. выполненный из тугоплавкого металла, систему нагрева, окруженную металлическим экраном 53, при этом система нагрева выполнена в виде ленты 49 из тугоплавкого металла с навитой на нее с шагом 5-7 мм вольфрамовой проволокой 50 диаметром не более 0,5 мм и охлаждаемыми токоподвода ми, а тигель 51 установлен на ленту 49. 5 ил. vj О .N ю VI Фиг.1

Description

Изобретение относитс  к области выплавки особо чистых металлов, используемых в тонкопленочной технологии.

В тонкопленочной технологии под дей етвиеи ионной бомбардировки происходит ионное распыление металлических пластин высокой степени чистоты (содержание примесей не превышает 0,01 %) и перенос материала этих пластин на изготавливаемые интегральные схемы. При этом удаление материала пластин с ее поверхности происходит не равномерно, а избирательно. Это приводит к тому, что после удалени  20- 40% материала пластины более не используютс . Переплавление и повторное использование отработанных пластин позвол ет снизить их себестоимость.

Известна электропечь дл  плавки металла ИЗВК-2.5.6/20-25М01, в которой откачка из печи производитс  бустерным паромасл ным насосом БН-2000 и двум  золотниковыми насосами. Но использование указанных насосов приводит к тому, что в рабочую камеру печи, а значит и в расплавленный металл попадут пары масла и отливки не будут пригодны дл  применени  в гонкопленочной технологии.

Известна индукционна  высокочастотна  лечь с боковым разливом металла. В этой печи, содержащей рабочую камеру, выполненную в виде металлической емкости со змеевмком на наружной поверхности, крышкой со штуцером дл  отвода газа, систему поддержани  давлени  газа в рабочей камере, соединенную с отверстием в нижней части камеры, систему нагрева, графитовый тигель и источник электропитани . Плавка металла в печи ведетс  в атмосфере сравнительно чистого аргона (99,8%) при избыточном давлении а 20 мм рт.ст.

Недостатком данной печи  вл етс  то, что между графитом и расплавленным металлом происходит реакци , в результате которой металл насыщаетс  углеродом в пределах 0,7-0,8%. Металл с такой степенью загр зненности углеводородными соединени ми и другими примес ми  вл етс  непригодным дл  применени  в тонкопленочной технологии. В этой печу: тигель представл ет собой массивную графитовую емкость, дл  прогрева которой нужно значительное количество электроэнергии, а наличие вакуумных насосов значительно усложн ет конструкцию печи, что ведет к удорожанию получаемых отливок.

Целью изобретени   вл етс  повышение качества получаемых отливок путем исключени  попадани  в получаемые отливки углеводородных и других примесей зо зре- м  плавлени  и охлаждени  отливок в рабочей камере, а также снижение себестоимости получаемых отливок.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в печи дл  изготовлени  отливок, содержа5 щей рабочую камеру, выполненную в виде металлической емкости со змеевиком на наружной поверхности дл  охлаждени , крышкой со штуцером дл  отвода газа, систему дл  поддержани  давлени  газа в ра0 бочей камере, тигель, выполненный из тугоплавкого металла, систему нагрева, окруженную металлическим экраном, при этом система нагрева выполнена в виде ленты из тугоплавкого металла с навитой на нее

5 с шагом 5-7 мм вольфрамовой проволокой диаметром не более 0,5 мм и охлаждаемыми токоподводами, а тигель установлен на ленту .

На фиг. 1 изображена печь дл  изготов0 лени  отливок, общий вид; на фиг. 2 - сечение А--А на фиг. 1; на фиг. 3-5 - узлы I-III на фиг. 1.

Печь дл  изготовлени  отливок содержит рабочую камеру 1 с крышкой 2. К корпу5 су камеры 1 и крышки 2 припа ны трубки охлаждени  3. Корпус 1 и крышка 2 выполнены из нержавеющей стали. Крышка 2 имеет форму полусферы, в верхней части которой размещен штуцер 4 с гайкой 5. Гай0 ка 5 снабжена несколькими (двум ) отверсти ми . На торце штуцера 4 установлено уплотнение б (медное или алюминиевое). Концы трубок 3 соединены гибкими шлангами 7,

5 В нижней части рабочей камеры 1 имеетс  штуцер 8 (см. фиг, 1,4), который посредством гайки 9, ниппел  10, уплотнени  11, трубки 12 соединен аналогичным узлом со штуцером 8, расположенным на боковой ча0 сти корпуса металлической емкости 13.

Газорегулирующа  система состоит из металлической емкости 13, крышки 14, приваренной к емкости 13, датчика 15 давлени  газа, установленного в отверстие крышки

5 14, перегородки 16 с отверстием 17 в ее нижней части, штуцеров 8, гаек 9, ниппелей 10, уплотнений 11, трубки 12, гибкого шланга 18, надетого на штуцер 19 и соединенного другим концом с газовым редуктором 20 (на0 пример, редуктором кислородным баллонным ), соединенным в свою очередь с наход щимс  под давлением до 150 кгс/см2 газовым баллоном 21, регулировочного клапана , установленного в отверстие в крышке

5 14 и из элементов 4-6.

Регулировочный клапан (фиг. 5) выполнен в виде съемного цилиндрического пустотелого стержн  22 посредством резьбового соединени , закрепленного в

гнезде 23, приваренного к крышке 14.

Внутрь стержн  22 запрессована фигурна  втулка 24. Втулка 24 и стержень 22 упираютс  в уплотнение 25, установленное на основание соединительного гнезда 23. Верхний торец втулки 24 имеет коническую фаску, по форме которой выполнена нижн   часть золотника 26, прижатого к ней пружиной 27. Верхний конец пружины 27 упираетс  в регулировочный винт 28, имеющий по своей оси отверстие. Газорегулирующа  система работоспособна даже при наличии микротрещин и микрощелей в рабочей камере 1, элементах 4-6 и 8-28.

Рабоча  камера 1 установлена на ножках 29 и имеет два отверсти , в которых герметично установлены изолированные токов воды, соединенные винтами 30 с источником электропитани  31 через электропровода. Токов воды (фиг. 2} содержат центральный пустотелый стержень 32 с буртиком 33. бокова  стенка которого упираетс  в коническую изол ционную фигурную шайбу 34. Коническа  поверхность шайбы 34 соприкасаетс  с фигурной шайбой 35, приваренной к корпусу 1. К основанию шайбы 35 прилегает коническа  изол ционна  фигурна  шайба 36, котора  соприкасаетс  с боковой стенкой стержн  32 и с металлической фигурной шайбой 37, к основанию которой прилегает гайка 38, обеспечивающа  плотное соединение элементов 33-38. На стержень 32 навинчена фасонна  гайка 39 с двум  отверсти ми, одно из которых соосно со стержнем 32, а другое ему перпендикул рно, и ушками, в которых имеетс  отверстие под винт 30. Между нижним торцом стержн  32 и гайкой 39 расположено уплотнение 40.

В гайку ввинчены штуцера 41 и 42, буртики которых упираютс  в уплотнени  43. На штуцера 41,42 надеваютс  гибкие шланги 7 (на фиг. 1, 2 не показаны). Штуцер 41 приварен к трубе 44, проход щей по полости стержн  32 и заканчивающейс  вблизи внутренней стенки стержн  32 на некотором (4-6 мм) рассто нии от нее. На стержень 32 надет металлический экран 45, служащий дл  защиты изол ционной шайбы 34 от инфракрасного излучени  тигл . На стержень 32 навинчена фасонна  гайка 46 с винтом 47 и заеальцованной на нем шайбой 48, имеющей возможность вращени  на винте 47. Винт 47 предназначен дл  закреплени  ленты 49 из тугоплавкого металла (вольфрама, тантала, молибдена) между шайбой 48 и торцом охлаждаемого.стержн  32. Лента 49 окружена тонкой (диаметром не более 0,5 мм) вольфрамовой проволокой 50. намотанной вокруг ленты 49 с шагом не менее 5-7 мм. Поверх ленты 49 на проволоку 50 установлен тугоплавкий тигель 51 (например , из титана или нержавеющей стали). . В тигель 51 помещен исходный материал 52 (алюминий, медь или др. материалы). Лента

49 с проволокой 50 и тигелем 51 окружена защитным цилиндрическим отражающим экраном 53 из тугоплавкого материала (молибдена ) и опираетс  на вольфрамовые стержни 54. Экран 53 служит дл  фокусиро0 вани  на тигель 51 отражени  теплового излучени  нагретой ленты 49 и тем самым ускор ет разогрев тигел  51 и уменьшает разогрев камеры 1.

Стержни 54 установлены в керамиче5 ском основании 55. К трубке от сосуда Дью- ара с жидким азотом подсоединен гибкий шланг 7 одного из токовводов. Другой шланг 7, надетый на другой штуцер этого же токоввода соединен вторым концом с одним

0 из штуцеров второго токоввода. На другой штуцер второго токоввода надет резиновый шланг 7, другим концом соединенный с одним из концов трубки 3. От другого конца трубки 3 отходит шланг 7 к трубе охлажде5 ни  3, припа нный к емкости 13. Крышка 2 крепитс  к корпусу рабочей камеры 1 посредством гаек 56, навинченных на шпильки 57, в свою очередь закрученных в выступ 58 рабочей камеры 1. Между крышкой 2 и вы0 ступом 58 установлено уплотнение 59 из отожженных меди или алюмини . Дл  большей надежности уплотнени  на выступе 58 и на крышке 2 имеют остроконечные высту- пыбО.

5 Печь дл  изготовлени  отливок работает следующим образом.

В тигель 51 помещают исходный материал 52. Устанавливают загруженный ти- гельБЧ на ленту 49. обмотанную проволокой

0 50. Загруженный тигель 51 с лентой 49 и проволокой окружают экраном 53. Под ленту 49 подвод т стержни 54, установленные на основании 55, таким образом, чтобы лента 49 не могла прогнутьс  вниз под т же5 стью загруженного тигл  51. Провод т закрытие камеры 1 закручиванием гаек 56, закрывают также отверстие в верхней части камеры 1 (завинчивают до упора в уплотнение 6 гайку 5). Устанавливают в рабочей

0 камере 1 давление газов 0,3-0.6 кгс/см путем открыти  на газовом баллоне 21 вентил , а также вращением руко тки редуктора 20. Открывают отверстие в верхней части камеры 1 путем отвинчивани  гайки 5 на 5-7

5 оборотов. Вытесн ют в течение 30-40 мин при помощи инертного газа (например, аргона ) из рабочего обьема воздух. Закрывают отверстие в верхней части камеры 1 путем завинчивани  гайки 5 до упора. Устанавливают в рабочем объеме давление инертного

газа 0,1-0,3 кгс/см2. Установление в рабочем объеме давлени  0,1-0,3 кгс/см2 инертного газа (аргона) осуществл ют следующим образом. Выпускают из рабочего объема инертный газ через микротрещины и поры в рабочей камере 1 и в газорегул у., дующей системе (в местах сварных швов и уплотнений), а также напускают в газорегулирующую систему и одновременно выпускают из газорегулирующей системы через регулировочный клапан инертный газ. Установленное давление 0,1- 0,3 кгс/см2 после этого поддерживают в течение всех последующий операций до момента окончани  процесса остывани  готовой отливки. После выпуска из рабочего объема почти всех инородных (за исключением аргона) молекул провод т охлаждение токовводов, рабочей камеры 1 с крышкой 2 и газорегулирующими системами до температуры -50- -100°С, дл  чего по трубкам 3,7 и по токовводам в течение 10-15 мин пропускают пары азота. Пары азота при этом по гибкому шлангу 7 подвод т к штуцеру 41, от него по трубке 44 к верхнему торцу стержн  32, по внутренней полости стержн  32 к штуцеру 42 и от него по шлангу 7 к элементам 42, 44, 32, 41 второго токоввода в описанной последовательности, от штуцера 41 второго токоввода по шлангу 7 к трубке 3 рабочей камеры 1, от второго конца трубки 3 рабочей камеры по гибкому шлангу 7 к трубке 3 крышки 2 от второго конца трубки 3 крышки 2 по шлангу 7 к трубке охлаждени  3, припа нной на емкости 13. После этого от источника электропитани  31 по ленте пропускает электрический ток (до 300 А). Поскольку лента 49 обмотана вольфрамовой проволокой 50 (ВА-А- -0,2 ТУ 48-9-45-67) диаметром не более 0,5 мм с шагом не менее 5-7 мм, а тигель 51 установлен на ленту 49 с проволокой 50, то эта проволока 50 соприкасаетс  как с лентой 49, так и с тигелем 51. Наличие электрического контакта тигел  51 с лентой 49 через проволоку 50 обусловливает протекание электрического тока не только по ленте 49, но и по тигелю 51, что ускор ет его разогрев и облегчает расплавление исходного материала 52. Величина электрического тока, протекающего по тигелю 51 с исходным материалом 52, не превышает в этом случае 12-18% от величины электрического тока источника электропитани  31. Эта величина электрического тока обусловлена незначительной (по сравнению с величиной площади поверхности ленты 49) площадью соприкосновени  проволоки 50 с тигелем 51 и с лентой 49. Электрический ток протекает и по экрану 53. причем величина этого тока составл ет

1-5% от величины тока ленты 49. По ленте 49 пропускают электрический ток (300 А при напр жении 10 В источника электропитани  31) в течение 40-50 мин, при этом происходит полное расплавление всего исходного материала 52, загруженного в тигель 51. Экран 53 отражает своей внутренней поверхностью тепловое излучение, исход щее от элементов 49-52, тем самым

предотвраща  уход теплового излучени  на стенки камеры 1 и крышки 2, способствует сокращению времени расплавлени  исходного материала 52, После расплавлени  исходного материала 52 прекращают

пропускание электрического тока по ленте 49. Тигель 51 с расплавом охлаждают в течение 30-40 мин до температуры не выше 80°С. После этого прекращают подачу паров азота в трубки 3. 7 и в токовводы.

Затем прекращают подачу инертного

газа в рабочий объем. Открывают крышку 2,

снимают экран 53, вынимают тигель 51 и

извлекают из него полученную отливку.

Использование проволоки 50 из других

материалов, кроме вольфрама, не желательно , поскольку остальные металлы имеют меньшее удельное сопротивление, что увеличивает величину тока, протекающего по тигелга 51 и по экрану 53, сокращает величину тока в ленте 49 под тигелем 51 и увеличивает ток в ленте 49 на участках между токовводами и тигелем 51. Увеличение тока в ленте 49 на указанных участках сокращает срок службы ленты 49 и приводит к ухудшению охлаждени  токовводов, что приводит к газовыделени м из токовводов и ухудшению качества получаемых отливок. Аналогичные  влени  наблюдаютс  и при увеличении диаметра вольфрамовой проволоки 50, а также при сокращении шага намотки этой проволоки 50. Увеличение диаметра проволоки 50, кроме того, приводит к отделению тигел  51 от ленты 49, что приводит к необходимости увеличить количество электроэнергии, подводимой к тигелю 51, что нежелательно с точки зрени  себестоимости получаемой продукции.

Пары азота подаютс  в трубки 3, 7 и в токовводы под давлением 0,1-0,2 кгс/см2.

Диапазон давлений инертного газа (аргона ) 0,3-0,6 кгс/см2, который устанавливают дл  вытеснени  воздуха из рабочего объема  вл етс  оптимальным. При меньшем давлении наблюдаетс  не полное вытеснение воздуха из рабочего объема.

При давлении больше 0,6 кгс/см2 не удаетс  ранее чем за 30-40 мин вытеснить воздух из рабочего объема и налицо значительный расход инертного газа.

Давление инертного газа 0,1-0,3 кгс/см2, устанавливаемое в рабочем объеме при плавлении исходного материала, также  вл етс  оптимальным. При давлении меньше 0,1 кгс/см2 возможно проникновение в рабочий объем инородных молекул из атмосферы . При давлении больше 0,3 кгс/см через рабочий объем проходит значительное количество газа, охлаждающего тигель 51с исходным материалом, , что приводит к потер м инертного газа, и электроэнергии . При увеличении давлени  увеличиваетс  температура плавлени  исходного мате риала, что также приводит к излишнему подводу тепловой энергии к тигепю 51 с исходным материалом 52.

Емкость 13 газорегулирующей системы удалена от рабочей камеры. Это обусловлено тем, что в случае установки регулировочного клапана непосредственно в стенке рабочей камеры 1 между элементами 24 и 26 в зоне Их соприкосновени  по вл ютс  наросты металла от па роз расплавленного в тигеле 51 исходного материала 52, что нарушает величину зазора между элементами 24 и 26, от которого зависит точность поддержани  нужного давлени . Дл  осаждени  паров металла в емкости 13 установлена перегородка 16 (экран) с отверстием 17.

Так как габариты печи значительно меньше по сравнению с известными устройствами аналогичного назначени , электрической энергии потребл етс  в несколько раз меньше, то и стоимость получаемых отливок снижаетс  в несколько раз.

Поскольку перед началом разогрева исходного материала 52 из рабочего объема удал етс  воздух и он заполн етс  инертным газом, превышающим атмосферное давление (что преп тствует проникновению газов из атмосферы), стенки рабочей камеры 1 и крышки 2 выполнены из нержавеющей стали с малой газопроницаемостью и при плавлении наход тс  в сильно охлажденном состо нии (-50- -100°С), а инертный газ (аргон) примен етс  высшего сорта С очень незначительными примес ми других

веществ (аргона 99,992%), то отливки получаютс  высокого качества с незначительным количеством примесей.

В качестве исходного материала, загружаемого в тигель, можно использовать отра- ботанные пластины, примененные в качестве распыл емых ионами пластин в микрорадиоэлектроиике дл  получени  тонких пленок.

Использование предложенной печи дл  изготовлени  отливок по сравнению с известными техническими решени ми позвол ет реализовать следующие преимущества:

-повысить качество металла путем иск- лючени  попадани  в получаемые отливки

углеводородных и других примесей во врем  плавлени  и охлаждени  отливок в рабочей камере,

-сократить вес печи,

- сократить количество потребл емой Электроэнергии,

-не проводить тщательную герметизацию рабочей камеры,

-снизить стоимость печи,

- снизить себестоимость получаемых отливок.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Печь дл  изготовлени  отливок, содержаща  рабочую камеру, выполненную в виде металлической емкости со змеевиком дл  охлаждени  наружной поверхности, крышкой со штуцером дл  отвода газа, систему дл  поддержани  давлени  инертного газа в рабочей камере, соединенную с отверстием в нижней части камеры, систему нагрева с источником электропитани  и тигель, отличающа с  тем, что, с целью снижени  себестоимости и повышени  чистоты получаемого материала, она снабжена

   металлическим экраном, окружающим систему нагрева и тигель, система нагрева выполнена в виде ленты из тугоплавкого металла с навитой на нее с шагом 5-7 мм вольфрамовой проволоки диаметром не более 0,5 мм и охлаждаемыми токоподводами, а тигель выполнен из тугопла&кого металла и установлен на ленту.

   1

   H S 10 Ц

   -ч г- r- JLa

   фиг.Ь

   ZZZ

   Фиг. 5