SCHWEBESCHMELZVERFAHREN MIT EINEM RINGFÖRMIGEN ELEMENT

Beschreibung

[0001] Diese Erfindung betrifft ein Schwebeschmelzverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern mit einem ringförmigen Element aus einem leitfähigen Material zum Einleiten des Abgusses einer geschmolzenen Charge in eine Gussform. Bei dem Verfahren wird zum Abgießen der geschmolzenen Charge das ringförmige Element in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen eingeführt und so durch Beeinflussung des induzierten Magnetfelds ein gezieltes Ablaufen der Schmelze in die Gussform initiiert.

Stand der Technik

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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 zudem nicht das Problem, dass dessen Effektivität sehr gering ist, weil nahezu die gesamte Energie, die in die Schmelze eingebracht wird, in die gekühlte Tiegelwand abgeleitet wird, was zu einem sehr langsamen Temperaturanstieg bei großem Leistungseintrag führt. Beim Schwebeschmelzen sind die einzigen Verluste durch die Strahlung und das Verdampfen, welche im Vergleich zur thermischen Leitung beim Kalttiegel erheblich geringer sind. Somit wird bei geringerem Leistungseintrag eine größere Überhitzung der Schmelze in auch noch kürzerer Zeit erreicht.

[0006] Darüber hinaus wird, insbesondere im Vergleich zur Schmelze im Kalttiegel, der Ausschuss an kontaminiertem Material beim Schwebeschmelzen 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).

[0007] Ferner muss zur Durchführung eines Schwebeschmelzverfahrens die Lorentz Kraft des Spulenfelds 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 Ferritpole angestrebt. Die Abstandsverringerung erlaubt es, mit geringerer Spannung dasselbe Magnetfeld 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.

[0008] Je geringer der Abstand der Ferritpole wird, desto größer ist das induzierte Magnetfeld. Allerdings 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 Berührung 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 Verringern des Abstands der Ferritpole eine praktische Grenze gesetzt, die durch die Kontaktwahrscheinlichkeit bestimmt wird.

[0009] 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. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Effizienz des Spulenfelds bei der Erzeugung von Wirbelströmen durch eine Verringerung des Abstands der Ferritpole erhöht werden soll.

Aufgabe

[0010] Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, die einen wirtschaftlichen Einsatz des Schwebeschmelzens ermöglichen. Insbesondere sollte das Verfahren durch eine verbesserte Effizienz des Spulenfelds den Einsatz größerer Chargen erlauben und einen hohen Durchsatz durch verkürzte Zykluszeiten ermöglichen, wobei gewährleistet bleibt, dass der Abgussvorgang weiterhin sicher ohne Kontakt der Schmelze zu den Spulen oder deren Polen erfolgt.

Beschreibung der Erfindung

[0011] Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 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, umfassend die folgenden Schritte:

• Einbringen einer Charge eines Ausgangsmaterials in den Einflussbereich wenigstens eines 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 Einführen eines ringförmigen Elements aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen,
• Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform.

[0012] 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.

[0013] Unter einem "leitfähigen Material" einer Charge wird erfindungsgemäß ein Material verstanden, das eine geeignete Leitfähigkeit aufweist, um das Material induktiv zu erhitzen und in der Schwebe zu halten.

[0014] Bezüglich des ringförmigen Elements ist unter einem "elektrisch leitfähigen Material" ein Material zu verstehen, dessen elektrische Leitfähigkeit mindestens so groß ist, dass eine Beeinflussung des umgebenden Magnetfelds durch in dem ringförmigen Element induzierte Wirbelströme möglich ist.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] Durch ein Zusammenrücken der Induktionsspulenpaare kann die Effizienz des erzeugten elektromagnetischen Wechselfelds erhöht werden. Dadurch gelingt es, auch schwerere Chargen zum Levitieren zu bringen. Allerdings steigt beim Abguss einer Charge die Gefahr des Berührens der geschmolzenen Charge mit den Spulen oder Ferritpolen mit sinkendem freiem Querschnitt 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, wird erfindungsgemäß der Abguss der Charge dadurch eingeleitet, dass langsam ein ringförmiges Element aus einem elektrisch leitfähigen Material in das Magnetfeld unterhalb der levitierenden Charge eingeführt wird. Die Stromstärke in den felderzeugenden Spulen wird dabei unverändert gelassen bis der Abgussvorgang beendet ist.

[0018] In dem ringförmigen Element werden durch das umgebende elektromagnetische Wechselfeld Wirbelströme induziert, die das äußere Magnetfeld beeinflussen. Unter "ringförmig" werden erfindungsgemäß dabei nicht nur kreisrunde Elemente sowie vollflächige Elemente verstanden, sondern jegliches polyedrisches Objekt, das die folgenden beiden Bedingungen erfüllt:

1. Die Oberfläche des Objekts formt eine geschlossene Kontur, sodass der magnetische Fluss nicht in der Lage ist, durch dieses Objekt hindurch zu strömen, sondern um es herumströmen muss. Auf diese Weise kann ein magnetisches Feldminimum unter der Schmelze erzeugt werden.

2. Das Objekt weist in seinem Zentrum eine Öffnung auf, die es erlaubt, die Schmelze durch sie hindurch ablaufen zu lassen.

[0019] Beispiele für solche vollflächigen erfindungsgemäßen ringförmigen Elemente sind demnach neben einem zylindrischen Rohr auch röhrenförmige Gebilde auf Basis mehreckiger Elemente, die eine im Wesentlichen runde Struktur bilden, wie beispielsweise Polygone mit fünf oder mehr Ecken. Beispiele für nicht vollflächige ringförmige Elemente sind Würfel oder Quader, die wie bei einem Gittermodell lediglich durch ihre Kanten aus einem leitfähigen Material gebildet werden.

[0020] An den Enden des ringförmigen Elements treten dabei besonders große Magnetfeldinduktionen auf, die die Schmelze beim Durchtritt durch die Spulenebene sicher von der Berührung des oberen Rands des ringförmigen Elements abhalten. Da im Zentrum des ringförmigen Elements zugleich eine Reduktion des umgebenden Magnetfelds auftritt, ergibt sich ein Trichtereffekt für die Schmelze, die durch diesen magnetischen Trichter gezielt und ohne zu verspritzen in die unterhalb des ringförmigen Elements positionierte Gussform ablaufen kann. Die restliche Schmelze levitiert weiterhin oberhalb des ringförmigen Elements, während sie in dessen Zentrum langsam abläuft. Vorteilhafterweise entspricht der Durchmesser des ringförmigen Elements dem Durchmesser des trichterförmigen Einfüllabschnitts der Gussform oder ist minimal kleiner.

[0021] Im Gegensatz zu den bekannten Schwebeschmelzverfahren wird der Abguss der Charge erfindungsgemäß also nicht durch ein Aufheben der die Gewichtskraft kompensierenden Lorentzkraft des Magnetfelds mittels Reduktion der Stromstärke in den Spulen oder gar komplettes Abschalten der Spulen erzielt, sondern nur durch gezielte Manipulation des Magnetfeldverlaufs mit dem ringförmigen Element.

[0022] In einer Ausführungsform enthält das elektrisch leitfähige Material des ringförmigen Elements ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe bestehend aus Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Rhodium, Wolfram, Zink, Eisen, Platin und Zinn. Insbesondere umfasst dies auch Legierungen wie Messing und Bronze. Besonders bevorzugt besteht die Gruppe aus Silber, Kupfer, Gold und Aluminium. Höchst bevorzugt besteht das elektrisch leitfähige Material des ringförmigen Elements aus Kupfer, wobei bis zu 5 Gew.-% Fremdbestandteile vorhanden sein können.

[0023] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich das ringförmige Element auf der Seite, die zuerst in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds eingeführt wird, konisch. Dies führt zwar zu einem verringerten Durchmesser, der der Schmelze zum Ablaufen zur Verfügung steht, sorgt aber dafür, dass die Gefahr, dass das ringförmige Element im Inneren von der Schmelze berührt und verunreinigt wird, reduziert wird. Die am schräg orientierten Mantel mehr nach innen gerichtete und durch den geringeren Durchmesser verstärkte Magnetfeldinduktion sorgt zuverlässig dafür, dass die Schmelze trotz der geringeren Durchtrittsfläche berührungsfrei in das ringförmige Element hineinlaufen kann. Der so im Zentrum des ringförmigen Elements konzentrierte Schmelzestrahl hat damit in dem sich dann aufweitenden Durchmesser einen optimalen Abstand zur Ringwand.

[0024] In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das ringförmige Element hohlwandig ausgeführt und dieser Hohlraum mit einem Phasenwechselmaterial (phase change material, PCM) gefüllt. Dies erlaubt eine effektive Kühlung des ringförmigen Elements, das sich beim Abguss der Schmelze im Wechselfeld der Induktionsspulen erwärmt.

[0025] Vorzugsweise erfolgt die Kühlung des ringförmigen Elements derart, dass es während des während des Schmelzvorgangs auf einer gekühlten Lagerfläche aufsitzt. Diese kann intensiv gekühlt werden, um das Phasenwechselmaterial während des nächsten Schmelzvorgangs zu regenerieren und das ringförmige Element wieder abzukühlen, bevor es für den nächsten Abgussvorgang wieder in das Wechselfeld angehoben wird.

[0026] Eine besonders bevorzugte Ausgestaltungsvariante hierfür sieht vor, dass das Anheben des ringförmigen Elements zum Einführen in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen von der Gussform erfolgt. Das ringförmige Element verfügt dazu über geeignete Mittel, die eine Mitnahme beim Anheben der Gussform in die Abgussposition sicherstellen, beispielsweise eine kragenartige Querschnittsverminderung am oberen Ende auf einen Durchmesser, der kleiner als der obere Querschnitt der Gussform ist, oder Stifte, die in entsprechend ausgestaltete Aufnahmen an der Gussform eingreifen können. Im Fall der ringförmigen Elemente mit konisch verjüngtem Bereich kann dieser als Mitnahmemittel dienen. Beim Absenken der Gussform nach dem Abguss wird das ringförmige Element dann wieder auf der gekühlten Lagerfläche aufgesetzt und die Gussform kann nach unten entnommen werden. Dies hat den Vorteil, dass pro Schmelzanlage nur ein ringförmiges Element vorhanden sein muss und dieses von verschiedenen Gussformen gemeinsam genutzt wird. Da die Gussform das Anheben übernimmt, kann in der Schmelzanlage auf eine zusätzliche Mechanik zum Anheben des ringförmigen Elements verzichtet werden, was deren Bau vereinfacht und verbilligt.

[0027] Eine weitere höchst vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das ringförmige Element ein Teil der Gussform ist. Dabei kann das ringförmige Element kragenartig um den oberen Rand des in der Regel trichterförmig ausgestalteten Einfüllabschnitts der Gussform angeordnet sein. Alternativ könnte es auch die Verlängerung des oberen Durchmessers des Einfüllabschnitts bilden. Aufgrund der Trichterwirkung des ringförmigen Elementes kann der Durchmesser des trichterförmigen Einfüllabschnitts der Gussform geringer ausfallen als ansonsten üblich, sodass der Durchmesser so weit reduziert werden kann, dass das obere Ende der Gussform in den Bereich zwischen den Spulen eingeführt werden kann.

[0028] Hierdurch lässt sich eine weitere Vereinfachung und Beschleunigung des Schmelzprozesses erreichen, da die Gussform ohnehin von einer Zufuhrposition in die Abgussposition unterhalb der Spulenanordnung angehoben werden muss. Zum erfindungsgemäßen Abguss muss dieses Anheben dann nur noch etwas höher erfolgen. Somit kann auf eine zusätzliche Mechanik für ein gesondertes Anheben des ringförmigen Elements verzichtet werden. Außerdem kann das Anheben der Form in die Abgussposition gleich mit dem Abguss kombiniert werden. Das ringförmige Element kann gerade im Fall von verlorenen Formen aus Keramik auch abnehmbar gestaltet werden, sodass es vor dem Zerschlagen der Form entfernt werden kann und an einer neuen Form unmittelbar wieder einsatzbar ist. Beispielsweise kann dies über eine plattformartige Erweiterung des oberen Bereichs der Gussform geschehen, auf die das ringförmige Element aufgesetzt werden kann, wenn es über den Rand des trichterförmigen Einfüllabschnitts geschoben wird.

[0029] Das erfindungsgemäß als Charge 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 Ti-AIV.

[0030] 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 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, sodass auch schwerere Chargen in der Schwebe gehalten werden können.

[0031] 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 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 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.

[0032] Bei dem Verfahren 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 ferromagnetische Element kann ferner mehrere Stababschnitte aufweisen, die insbesondere horizontal in Richtung des Schmelzbereiches ragen. Das ferromagnetische Element besteht aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise mit einer Amplitudenpermeabilität µ_a > 10, mehr bevorzugt µ_a > 50 und besonders bevorzugt µ_a > 100. Die Amplitudenpermeabilität bezieht sich insbesondere auf die Permeabilität in einem Temperaturbereich zwischen 25 °C und 150 °C und bei einer magnetischen Flussdichte zwischen 0 und 500 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.

[0033] In einer Ausführungsform werden die elektromagnetischen Felder mit wenigstens zwei Paaren von Induktionsspulen erzeugt, deren Längsachsen horizontal ausgerichtet sind, die Leiter der Spulen sind also vorzugsweise jeweils auf einen horizontal ausgerichteten Spulenkörper gewickelt. Die Spulen können jeweils um einen in Richtung des Schmelzbereiches ragenden Stababschnitt des ferromagnetischen Elements angeordnet sein. Die Spulen können kühlmittelgekühlte Leiter aufweisen.

[0034] Erfindungsgemäß ist ferner auch eine Vorrichtung zum Schwebeschmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials, umfassend wenigstens ein Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge mittels elektromagnetischer Wechselfelder und ein ringförmiges Element aus einem elektrisch leitfähigen Material, das in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen einführbar ist.

[0035] Weiterhin ist erfindungsgemäß die Verwendung eines ringförmigen Elements, das aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und Bestandteil einer Gussform ist, in einem Schwebeschmelzverfahren zum Abguss einer Charge in die Gussform durch Einführen in den Bereich zwischen den Induktionsspulen, die ein elektromagnetisches Wechselfeld zur Herbeiführung des Schwebezustandes der Charge erzeugen.

Kurzbeschreibung der Figuren

[0036] 

Figur 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Gussform unterhalb eines Schmelzbereiches mit ferromagnetischen Elementen, Spulen, einem ringförmigen Element und einer Charge leitfähigen Materials.

Figur 2 ist eine seitliche Schnittansicht einer Variante von Figur 1, bei der das ringförmige Element Teil der Gussform ist.

Figur 3a bis 3c sind eine seitliche Schnittansicht einer Variante mit einem ringförmigen Element mit konischer Verjüngung im Verlaufe des Abgussprozesses.

Figur 4a bis 4d sind eine seitliche Schnittansicht einer Variante mit einem ringförmigen Element mit Phasenwechselmaterial im Verlaufe des Abgussprozesses.

Figurenbeschreibung

[0037] Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen. Sie dienen allein der Veranschaulichung.

[0038] Figur 1 zeigt eine Charge (1) aus leitfähigem Material, die sich im Einflussbereich von elektromagnetischen 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 Abgussposition zu heben, was durch den eingezeichneten Pfeil symbolisiert wird. Im Kern der Spulen (3) ist ein ferromagnetisches Element (4) angeordnet. Die Achsen des Spulenpaars (3) sind horizontal ausgerichtet, wobei je zwei gegenüberliegende Spulen (3) ein Paar bilden. Zwischen der Charge (1) und dem trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) der Gussform (2) ist das ringförmige Element (7) unterhalb des Spulenpaars (3) angeordnet. Wie der Pfeil symbolisiert, ist es in der Vertikalen beweglich.

[0039] Die Charge (1) wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren schwebend geschmolzen und nach erfolgter Schmelze in die Gussform (2) abgegossen. Zum Abguss wird das ringförmige Element (7) langsam in den Bereich des Magnetfelds zwischen den Spulen (3) angehoben. Infolge dessen läuft die Schmelze langsam und kontrolliert durch das ringförmige Element (7) in die Gussform (2), ohne dabei die Spulen (3) oder ihre Kerne und die Innenseite des ringförmigen Elements (7) zu verunreinigen oder im trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) der Gussform (2) zu verspritzen.

[0040] Figur 2 zeigt analog zu Figur 1 eine Ausgestaltungsvariante, bei der das ringförmige Element (7) Teil der Gussform (2) ist. In der gezeigten Variante ist das ringförmige Element (7) als Kragen um den trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) der Gussform (2) ausgeführt. Während der Halter (5) in der Variante von Figur 1 beim Abguss in der gezeigten Position verharrt und nur das ringförmige Element (7) von einer nicht abgebildeten Mechanik bewegt wird, wird hier die gesamte Gussform (2) mit dem Halter (5) zum Abguss von der dargestellten Position aus noch weiter nach oben gefahren. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Abstand der Schmelze zum trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) gleichzeitig noch verringert wird und so die Freifallstrecke der Schmelze minimiert wird. Damit kann ein Verspritzen sicher ausgeschlossen werden.

[0041] Die Figuren 3 zeigen schrittweise den Ablauf eines Abgussvorgangs bei einer Ausgestaltungsvariante mit einem ringförmigen Element (7) mit konischer Verjüngung an der Oberseite. Nicht dargestellt ist in der Zeichnung die unterhalb des ringförmigen Elements (7) angeordnete Gussform (2).

[0042] Figur 3a zeigt das Stadium am Ende des Schmelzvorgangs. Das ringförmige Element (7) befindet sich unterhalb des Magnetfelds der Spulen (3). Die Schmelze levitiert im Bereich oberhalb der Spulen (3). Die eingezeichneten magnetischen Feldlinien verlaufen frei zwischen den Polen aus ferromagnetischem Material (4) der Spulen (3).

[0043] Figur 3b zeigt die Situation zu Beginn des Eintritts des ringförmigen Elements (7) in das Magnetfeld der Spulen (3). Wie zu erkennen ist, werden die Magnetfeldlinien insbesondere im Bereich des Konus verstärkt abgelenkt und um das ringförmige Element (7) herumgeführt, sodass sie den Bereich im Inneren des Konus und des zylindrischen Teils nicht durchdringen. In der Zeichnung sind die hinter dem ringförmigen Element (7) verlaufenden Feldlinien gestrichelt dargestellt. Die Dichte der Lorentzkraft nimmt dabei aufgrund des durch die Wirbelströme in dem ringförmigen Element (7) erzeugten Magnetfeldes entlang der Schräge zu den Spitzen des ringförmigen Elements (7) hin stark zu.

[0044] Figur 3c zeigt schließlich die Situation zu Beginn des Abgusses. Im Zentrum des ringförmigen Elements (7) hat sich durch die von den abgelenkten Magnetkräften erzeugte Trichterwirkung der Anfang eines Schmelzestrahls gebildet. Der erste große Tropfen der Schmelze der Charge (1) ragt bereits in die Öffnung des Konus hinein, wobei das Magnetfeld an der Spitze des Konus sowohl für die Einschnürung der levitierenden Charge (1) an deren Unterseite sorgt als auch eine Berührung verhindert. Entsprechend hat das Volumen der Schmelze im Spulenbereich bereits etwas abgenommen. In der Zeichnung sind die hinter dem ringförmigen Element (7) und dem Schmelzetropfen verlaufenden Magentfeldlinien wiederum gestrichelt dargestellt. Das ringförmige Element (7) wird nun kontinuierlich langsam weiter nach oben geschoben, bis die gesamte Schmelze der Charge (1) in die Gussform (2) abgelaufen ist.

[0045] Die Figuren 4 zeigen schrittweise den Ablauf eines Abgussvorgangs bei einer Ausgestaltungsvariante mit einem ringförmigen Element (7) mit Phasenwechselmaterial in der Hohlwand und einer gekühlten Lagerfläche.

[0046] Figur 4a zeigt die Situation am Ende des Schmelzvorgangs. Die fertige Schmelze (1) levitiert oberhalb der Induktionsspulen (3) mit ihren Kernen aus ferromagnetischem Material (4). Die Gussform (2) mit ihrem trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) ist darunter bereitgestellt. Zum Abguss wird die Gussform (2), wie mit dem Pfeil angedeutet, nach oben bewegt. Der Abguss wird in diesem Beispiel durch ein ringförmiges Element (7) in zylindrischer Rohrform eingeleitet, das mit einem Phasenwechselmaterial (8) in der Hohlwand gefüllt ist. Während der Schmelzphase ruht es auf der stark gekühlten Lagerfläche (10). Wird die Gussform (2) angehoben, fährt der Einfüllabschnitt durch die gekühlte Lagerfläche hindurch in das ringförmige Element (7) ein und hebt das ringförmige Element (7) mittels des Kragens (9) mit an. Das ringförmige Element (7) und die gekühlte Lagerfläche (10), auf der es ruht, sind in ihrem Innendurchmesser so dimensioniert, dass sie den oberen Außendurchmesser des Einfüllabschnitts (6) mit geringem Spiel umschließen. Der flanschartige Kragen (9) ragt dabei gerade so weit nach innen, dass er auf dem Rand des Einfüllabschnitts (6) aufsitzt, ohne die Trichterfläche zu verdecken.

[0047] Figur 4b zeigt die Situation zu Beginn des Abgussvorgangs. Die Gussform (2) mit dem übergestülpten ringförmigen Element (7) ist in das Spulenfeld hinein angehoben worden bis unterhalb der levitierenden Schmelze (1). Zur Durchführung des Abgusses werden sie nun noch ein Stück weiter hochgeschoben bis die Schmelze (1) in die Gussform (2) abgelaufen ist. Das ringförmige Element (7) heizt sich dabei durch die Strahlungswärme der Schmelze (1) und das magnetische Wechselfeld auf. Der Temperaturanstieg kann durch den Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials (8) im Inneren des ringförmigen Elements (7) während dessen reduziert bzw. hinausgezögert werden.

[0048] In Figur 4c ist die mit der Schmelze (1) gefüllte Gussform (2) nach dem Abguss wieder in Pfeilrichtung auf dem Weg nach unten abgebildet. Dabei setzt sie das heiße ringförmige Element (7) wieder auf der gekühlten Lagerfläche (10) ab, wo es unter erneutem Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials (8) für die nächste Schmelzcharge abgekühlt wird.

[0049] Dieser Zustand am Ende des Abgussvorgangs ist in Figur 4d dargestellt. Die Gussform (2) ist komplett durch die gekühlte Lagerfläche (10) hindurch abgesenkt worden und kann nun gegen eine neue leere Form getauscht werden. Das ringförmige Element (7) ruht wieder wie in Figur 4a auf der gekühlten Lagerfläche (10). Wenn die neue Gussform (2) positioniert ist, kann der nächste Schmelzvorgang durch Einbringen der nächsten Charge (1) in das Magnetfeld gestartet werden.

Bezugszeichenliste

[0050] 

1

Charge

2

Gussform

3

Induktionsspule

4

ferromagnetisches Material

5

Halter

6

Einfüllabschnitt

7

ringförmiges Element

8

Phasenwechselmaterial

9

Kragen

10

gekühlte Lagerfläche

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 ferromagnetischen Material (4) erzeugt werden, umfassend die folgenden Schritte:

- Einbringen einer Charge (1) eines Ausgangsmaterials in den Einflussbereich wenigstens eines elektromagnetischen Wechselfelds, so dass die Charge (1) in einem Schwebezustand gehalten wird,

- Schmelzen der Charge (1),

- Positionieren einer Gussform (2) in einem Füllbereich unterhalb der schwebenden Charge (1),

- Abguss der gesamten Charge (1) in die Gussform (2),

- Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform (2),

dadurch gekennzeichnet, dass der Abguss der gesamten Charge (1) in die Gussform (2) durch Einführen eines ringförmigen Elements (7) aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen (3) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material des ringförmigen Elements (7) ein oder mehrere Elemente enthält aus der Gruppe bestehend aus: Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Rhodium, Wolfram, Zink, Eisen, Platin und Zinn.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) sich auf der Seite, die zuerst in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds eingeführt wird, konisch verjüngt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) ein Teil der Gussform (2) ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Felder mit wenigstens zwei Paaren von Induktionsspulen (3) erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) hohlwandig ausgeführt ist und dieser Hohlraum mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) während des Schmelzvorgangs auf einer gekühlten Lagerfläche aufsitzt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) zum Einführen in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen (3) von der Gussform (2) angehoben wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) Bestandteil einer Gussform (2) ist.

10. Vorrichtung zum Schwebeschmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials, umfassend wenigstens ein Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen (3) mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material (4) zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge (1) mittels elektromagnetischer Wechselfelder, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein ringförmiges Element (7) aus einem elektrisch leitfähigen Material umfasst, das in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen (3) einführbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material des ringförmigen Elements (7) ein oder mehrere Elemente enthält aus der Gruppe bestehend aus: Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Rhodium, Wolfram, Zink, Eisen, Platin und Zinn.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) sich auf der Seite, die zuerst in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds eingeführt wird, konisch verjüngt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Felder mit wenigstens zwei Paaren von Induktionsspulen (3) erzeugt werden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) hohlwandig ausgeführt ist und dieser Hohlraum mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) während des Schmelzvorgangs auf einer gekühlten Lagerfläche aufsitzt.

Claims

1. A method for the production of cast bodies made of an electrically conductive material with the levitation melting method, wherein for the realization of the levitation state of a batch (1) electromagnetic alternating fields are used which are generated with at least one pair of induction coils (3) being oppositely arranged and having a core made of a ferromagnetic material (4), comprising the following steps of:

- introducing a batch (1) of a starting material into the zone of influence of at least one electromagnetic alternating field so that the batch (1) is held in a levitation state,

- melting the batch (1),

- positioning a casting mold (2) in a filling zone below the levitating batch (1),

- casting the whole batch (1) into the casting mold (2),

- removing the solidified cast body from the casting mold (2),

characterized in that the casting of the whole batch (1) into the casting mold (2) is carried out by inserting an annular element (7) made of an electrically conductive material into the zone of the electromagnetic alternating field between the induction coils (3).

2. The method according to claim 1, characterized in that the electrically conductive material of the annular element (7) contains one or more elements of the group consisting of: silver, copper, gold, aluminum, rhodium, tungsten, zinc, iron, platinum and tin.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the annular element (7) conically tapers on the side which is at first inserted into the zone of the electromagnetic alternating field.

4. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the annular element (7) is a part of the casting mold (2).

5. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic fields are generated by at least two pairs of induction coils (3).

6. The method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the annular element (7) has a hollow wall design and that this hollow space is filled with a phase change material.

7. The method according to claim 6, characterized in that the annular element (7) during the melting procedure rests on a cooled bearing face.

8. The method according to claim 7, characterized in that the annular element (7) is lifted from the casting mold (2) for being inserted into the zone of the electromagnetic alternating field between the induction coils (3).

9. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the annular element (7) is a constituent of a casting mold (2).

10. A device for the levitation melting of an electrically conductive material, comprising at least one pair of induction coils (3) being oppositely arranged and having a core made of a ferromagnetic material (4) for the realization of the levitation state of a batch (1) by means of electromagnetic alternating fields, characterized in that it comprises an annular element (7) made of an electrically conductive material which can be inserted into the zone of the electromagnetic alternating field between the induction coils (3).

11. The device according to claim 10, characterized in that the electrically conductive material of the annular element (7) contains one or more elements of the group consisting of: silver, copper, gold, aluminum, rhodium, tungsten, zinc, iron, platinum and tin.

12. The device according to claim 10 or 11, characterized in that the annular element (7) conically tapers on the side which is at first inserted into the zone of the electromagnetic alternating field.

13. The device according to one of claims 10 to 12, characterized in that the electromagnetic fields are generated by at least two pairs of induction coils (3).

14. The device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the annular element (7) has a hollow wall design and that this hollow space is filled with a phase change material.

15. The device according to claim 14, characterized in that the annular element (7) during the melting procedure rests on a cooled bearing face.

Revendications

1. Procédé de fabrication de corps coulés en matériau conducteur de l'électricité dans le procédé de fusion en lévitation, selon lequel, en vue de l'établissement de l'état flottant d'une charge (1), des champs électromagnétiques alternatifs sont mis en œuvre, qui sont produits avec au moins une paire de bobines d'induction opposées l'une à l'autre (3) avec un noyau en matériau ferromagnétique (4), comprenant les étapes suivantes :

- l'apport d'une charge (1) d'un matériau de départ dans la zone d'influence d'au moins un champ électromagnétique alternatif, de façon que la charge (1) soit maintenue dans un état flottant,

- la fusion de la charge (1),

- le positionnement d'un moule (2) dans une zone de remplissage au-dessous de la charge flottante (1),

- la coulée de la charge entière (1) dans le moule (2),

- le prélèvement du corps coulé solidifié hors du moule (2).

caractérisé en ce que la coulée de la charge entière (1) dans le moule (2) est réalisée par l'introduction d'un élément annulaire (7) en matériau conducteur de l'électricité dans la portée du champ électromagnétique alternatif entre les bobines d'induction (3).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau conducteur de l'électricité de l'élément annulaire (7) contient un ou plusieurs éléments du groupe consistant en : argent, cuivre, or, aluminium, rhodium, tungstène, zinc, fer, platine et étain.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément annulaire (7) se rétrécit de manière conique du côté qui est introduit en premier lieu dans la portée du champ électromagnétique alternatif.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément annulaire (7) est une partie du moule (2).

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les champs électromagnétiques sont produits avec au moins deux paires de bobines d'induction (3).

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément annulaire (7) est réalisé avec une paroi creuse et ce creux est rempli avec un matériau à changement de phase.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément annulaire (7) repose sur une surface d'appui refroidie pendant le processus de fusion.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément annulaire (7) est soulevé par le moule (2) pour être introduit dans la portée du champ électromagnétique alternatif entre les bobines d'induction (3).

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément annulaire (7) est une partie constituante d'un moule (2).

10. Dispositif pour la fusion en lévitation d'un matériau conducteur de l'électricité, comprenant au moins une paire de bobines d'induction opposées l'une à l'autre (3) avec un noyau en matériau ferromagnétique (4) en vue de l'établissement de l'état flottant d'une charge (1) au moyen de champs électromagnétiques alternatifs, caractérisé en ce qu'il comprend un élément annulaire (7) en matériau conducteur de l'électricité qui peut être introduit dans la portée du champ électromagnétique alternatif entre les bobines d'induction (3).

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau conducteur de l'électricité de l'élément annulaire (7) contient un ou plusieurs éléments du groupe consistant en : argent, cuivre, or, aluminium, rhodium, tungstène, zinc, fer, platine et étain.

12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'élément annulaire (7) se rétrécit de manière conique du côté qui est introduit en premier lieu dans la portée du champ électromagnétique alternatif.

13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les champs électromagnétiques sont produits avec au moins deux paires de bobines d'induction (3).

14. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que l'élément annulaire (7) est réalisé avec une paroi creuse et ce creux est rempli avec un matériau à changement de phase.

15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'élément annulaire (7) repose sur une surface d'appui refroidie pendant le processus de fusion.

Zeichnung