Induktionsschmelzofen

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsschmelzofen (1) zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Metallen mit einer den Schmelztiegel (3) umschlingenden Induktionsspule (2) und einem Formbehälter (4), der von einer Ringkammer (5) zur Aufnahme von Kühlmittel umgeben ist. Der Schmelztiegel (3) ist in einem mit einem Vakuumanschluß (6) versehenen Gehäuse (7) angeordnet. Um die Mikroporosität zu verbessern, wird die im Formbehälter (4) aufgenommene Schmelze durch im Formbehälter (4) aufbaubaren Druck vor dem Abkühlvorgang verdichtet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsschmelzofen zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Metallen mit einer den Schmelztiegel umschlingenden Induktionsspule und einem Formbehälter, der von einer Ringkammer zur Aufnahme von Kühlmittel umgeben ist, wobei der Induktionsschmelzofen von einem mit einem Vakuumanschluß versehenen Gehäuse umgeben ist.

[0002] Es ist bereits ein Verfahren (EP 345 541 A2) zum Schmelzen kleiner Metallmengen bekannt, das sich hierzu eines Kaltschmelztiegels bedient. Der Kaltschmelztiegel besteht aus einem oberen, die Tiegelmulde durch entsprechend geformte Wandsegmente bildenden Tiegel und einem Basisteil. An den Wandsegmenten laufen Kühlkanäle entlang, in die von unten die Zuführungsleitungen für das Kühlmittel eingebracht sind. Das Basisteil weist ferner einen weiteren Flansch zur Aufnahme eines Druckbehälters auf. Ferner werden die einzelnen Wandelemente von einer Hochfrequenzspule umgeben. Diese Vorrichtung ist nicht für kleine Chargen geeignet, da aufgrund der Oberflächenspannung und der Viskosität der Schmelze keine ausreichende Verdichtung der Schmelze im Tiegel erfolgt.

[0003] Es ist ferner ein Gießverfahren der eingangs aufgeführten Art bekannt (DE 39 27 998), wobei zum Gießen eines Materials in einer inerten Gasatmosphäre gearbeitet wird. Bei diesem Gießverfahren wird im Kippguß gearbeitet, so daß die Schmelze bei vorhandener Gasatmosphäre in die Form einläuft. Die in die Form einlaufende Schmelze muß das in der Form vorhandene Gas verdrängen bevor es in die kleinsten Formausläufe eindringen kann. So können Gaseinschlüsse bzw. Blasenbildung im Metall nicht ausgeschlossen werden.

[0004] Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Induktionsschmelzofen mit dem zugehörigen Formbehälter derart auszubilden, daß auch bei sehr kleinen Chargen im Formbehälter des Induktionsschmelzofens und entsprechend großer Oberflächenspannung der Schmelze die Mikroporosität des nach dem Gießvorgang gewonnenen Metalls, insbesondere Titan, verbessert wird. Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß bei vorhandenem Vakuum die im Formbehälter aufgenommene Schmelze über einen im Formbehälter aufbaubaren Druck oberhalb der Schmelze vor dem Abkühlvorgang verdichtbar ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß auch bei sehr kleinen Chargen, die in einen Formbehälter eingegeben werden, und trotz hoher Viskosität der Schmelze und der damit verbundenen Oberflächenspannung, eine gute Verdichtung der Schmelze im Formbehälter erfolgt, da durch den oberhalb der Schmelze aufgebauten Druck sichergestellt wird, daß die Schmelze den Formbehälter bei Vermeidung von Gaseinschlüssen gleichmäßig ausfüllt. So wird einer Hohlraumbildung durch Dendritenwachstum vorgebeugt, da die Schmelze durch den entsprechenden Druck in kleinste, durch die Dendriten gebildete Hohlräume nachfließen kann. Hierzu ist es vorteilhaft, daß oberhalb der Einlaßöffnung des Formbehälters ein in den Formbehälter einführbarer Druckstempel vorgesehen ist. Durch den Einsatz eines Druckstempels ist es auf einfache Weise möglich, während des Erstarrungsvorgangs der Schmelze eine gute Verdichtung der Schmelze herbeizuführen. Auf diese Weise lassen sich auch sehr kleine Chargen vergießen. Die bei diesen kleinen Chargen sich bislang als problematisch dargestellte Oberflächenspannung der Schmelze braucht daher nicht beachtet zu werden, da mittels des Druckstempels ein Nachverdichten der in den Formbehälter abgegossenen Schmelze möglich ist.

[0005] Gemäß eines besonderen Merkmals der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß der im Gehäuse aufgenommene Druckstempel höhenbeweglich im Gehäuse angeordnet ist, und daß der Druckstempel an seinem vorderen in die Schmelze eintauchbaren Ende mit einem Keramiküberzug versehen ist, um auf diese Weise den Druckstempel widerstandsfähig und auch bei Metallen mit sehr hohem Schmelzpunkt einsetzbar zu machen. Ferner läßt sich mit einem derart ausgebildeten Druckstempel die Schmelze ohne weiteres durch die Auslaßöffnung des Schmelztiegels herausdrücken und eine ausreichende Verdichtung der Schmelze im Formbehälter sicherstellen.

[0006] Durch die Erfindung wird es auf einfache Weise möglich, daß der Formbehälter mit seiner Einlaßöffnung mittels einer Hubeinrichtung an die Auslaßöffnung des Schmelztiegels heranfahrbar ist.

[0007] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß über dem Schmelztiegel eine Verschlußkappe anbringbar ist, über die ein Gasdruck aufgebaut werden kann. Hierdurch besteht alternativ die Möglichkeit, die Schmelze in die Form zu drücken und über der im Formbehälter aufgenommenen Schmelze Druck aufzubauen, um auf diese Weise eine ausreichende Nachverdichtung der Schmelze vor ihrer Erstarrung sicherzustellen.

[0008] Von besonderer Bedeutung ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß der Formbehälter aus einem inneren und einem äußeren Behälter besteht, zwischen denen der Ringraum gebildet ist, der von einem porösen Keramikstoff umgeben ist, durch den flüssiges Argon geleitet wird, um ein schnelleres Abkühlen des Gußstücks zu erreichen. Es ist besonders vorteilhaft, daß der Abguß sehr schnell abgekühlt wird, um ein feinkörniges Gefüge zu erhalten. Das dem Keramikwerkstoff zugeführte Argon wird verdampft und entzieht dadurch der Schmelze Wärmeenergie. Das dann nach außen abgeführte Argon verursacht eine Druckerhöhung im Inneren des Gehäuses und dadurch eine Nachverdichtung der Schmelze im Formbehälter. Ferner ist es möglich, den Formbehälter mit flüssigem Argon zu besprühen. Durch die ebenfalls rasche Verdampfung des Argons erfolgt ein schneller Druckanstieg bis auf den Argon-Versorgungsdruck (vorteilhafterweise von etwa 10 bar), zum Beispiel bei einer Titanschmelze. Durch die Erstarrung bei Überdruck wird ferner die Mikroporosität des Gießteils verbessert.

[0009] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß oberhalb des Formbehälters eine Schwebespule vorgesehen ist, zwischen der die Schmelze gebildet bzw. gehalten wird. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Schmelze nach Abschalten des Schmelzstroms in die unterhalb der Spule befindliche Form fällt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der Druckstempel zum Nachverdichten der Schmelze direkt nach Abschalten des Schmelzstroms in die Form zum Nachverdichten gedrückt wird. Der im Formenkopf eingefrorene Keramiküberzug wird in vorteilhafter Weise mit der verlorenen Form vom Gußteil getrennt.

[0010] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, daß der Schmelztiegel mit seinem am unteren Ende des Schmelztiegels vorgesehenen Auslauftrichter koaxial zum Formbehälter ausgerichtet ist und daß sich der Schmelztiegel nach unten hin verjüngt. Vorteilhaft ist ferner, daß der Schmelztiegel von einer Ringkammer umgeben ist und daß der Druckstempel vorgeheizt wird. Ferner ist es vorteilhaft, daß die Schmelze aus dem Tiegel in die Form gedrückt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß ein Bodenabstich möglich ist, wobei der Druck bei vorhandenem Vakuum nur auf die Oberfläche der Schmelze einwirkt. Hierdurch wird vermieden, daß sich die Schmelze beim Gießvorgang mit dem Gas vermischt. Der Gießstrahl tritt bei vorhandenem Vakuum in die Gießform ein. Hierdurch wird eine hohe Reinheit der Schmelze gewährleistet und Gaseinschlüsse in Form von Blasen ausgeschlossen.

[0011] Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.

[0012] In den Figuren ist die Erfindung an einer Ausführungsform beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Ausführungsform beschränkt zu sein. Es zeigt:

Figur 1

einen Induktionsschmelzofen mit einem Kalttiegel und einem darunter angeordneten Formbehälter zur Aufnahme des Schmelzguts

Figur 2

ein weiteres Ausführungsbeispiel des Induktionschmelzofens mit dem zugehörigen Formbehälter.

[0013] In der Zeichnung ist mit 1 ein Induktionsschmelzofen bezeichnet, der aus einem Gehäuse 7 besteht, das an seinem oberen Ende einen Deckel 18 mit einem Flansch 2o aufweist, der über eine Dichtung 19 gegen einen weiteren am Gehäuseteil 28 vorgesehenen Flansch 21 anpreßbar ist.

[0014] Der Deckel 18 kann mit einem Schauglas 23 versehen sein, um den Gießvorgang bzw. die Erstarrung der Schmelze zu beobachten. Im Deckel 18 befindet sich ferner eine Einlaßöffnung 22, durch die die Schmelze eingeführt wird.

[0015] Das Gehäuse 7 besteht aus einem oberen und einem unteren Gehäuseteil 28 und 30. Die beiden Gehäuseteile 28 und 30 sind durch zwei Flansche 25 und 27 miteinander verbunden, wobei zwischen den beiden Flanschen 25 und 27 eine Dichtung 26 vorgesehen ist.

[0016] Das Gehäuse 7 des Induktionsschmelzofens 1 ist auf einem in der Zeichnung nur schematisch angedeuteten Sockel 31 abgestellt. Das Gehäuse 7 weist einen Boden 29 mit einem Stutzen 32 auf, an den eine Anschlußleitung 33 angeschlossen ist, über die Argon zugeführt wird. Die Anschlußleitung 33 steht über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Reservoir zur Aufnahme von Argon in Durchflußverbindung. Die Anschlußleitung 33 ist in das Innere des Gehäuses 7 hineingeführt und an eine Einlaßöffnung 34 des Formbehälters 4 angeschlossen.

[0017] Der Formbehälter 4 weist in seinem Innenraum eine Kanne 35 auf. Zwischen der Kanne 35 und der äußeren Wand 37 des Formbehälters 4 ist ein Ringraum 5 gebildet, der zur Aufnahme eines porösen Keramikwerkstoffs dient. Durch den porösen Keramikwerkstoff 36 kann, um beim Erstarrungsprozeß der Schmelze den Abkühlungsvorgang zu beschleunigen, Argon geleitet werden. Das Argon wird nach dem Verdampfungsvorgang über die Öffnung 44 nach außen in den Innenraum des Gehäuses 7 geleitet, so daß sich im Innenraum und dadurch auch oberhalb der Schmelze Druck aufbauen kann. Hierdurch wird eine ausreichende Nachverdichtung der Schmelze während des Estarrungsvorgangs sichergestellt.

[0018] Oberhalb des Formbehälters 4 befindet sich ein Schmelztiegel 3 zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Metallen, beispielsweise Titan. Der Schmelztiegel bzw. Kalttiegel 3 kann in seinem Inneren segmentartig aufgebaut sein. Der Schmelztiegel 3 verjüngt sich nach unten und weist an seinem unteren Ende eine Auslaßöffnung 11 auf, so daß die Schmelze über den Bodenabstich dem Innenraum des Formbehälters 4 zugeführt werden kann.

[0019] Das obere Ende des Schmelztiegels 3 ist als Einlaßöffnung 40 ausgebildet. Es ist auch möglich, die Einlaßöffnung 40 des Schmelztiegels 3 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Druckkappe zu verschließen, um über eine entsprechende Einlaßöffnung Argon in den Innenraum des Schmelztiegels zu leiten und dadurch den gewünschten Druck oberhalb der Schmelze aufzubauen.

[0020] Wie aus Figur 1 ferner hervorgeht, befindet sich während des Abstichs im Innenraum des Schmelztiegels 3 ein Druckstempel 9, der durch eine Einlaßöffnung 40 des Schmelztiegels 3 eingeführt werden kann. Der Druckstempel 9 besteht aus hochtemperaturbeständigem Metall. Er verjüngt sich nach vorne und weist an seinem nach unten gerichteten Ende einen Keramiküberzug 10 auf. Nach dem Vergießen des Schmelzmaterials in den Formbehälter 4 wird durch Andrücken der Schmelze mittels des Druckstempels 9 eine Nachverdichtung der Schmelze vorgenommen. Der Druckstempel 9 wird hierzu durch die Auslaßöffnung 11 geführt und dann in die Einlaßöffnung 13 des Formbehälters 4. Um ein schnelles Abkühlen der Form zu erreichen, wird, wie bereits erläutert, Argon in den Ringraum 5 geleitet. Durch die rasche Verdampfung des Argons erfolgt ein schneller Druckanstieg bei Verwendung einer Titanschmelze von ca. 10 bar. Durch Erstarrung unter Druck wird eine verbesserte Mikroporosität erzielt.

[0021] Im Bereich des Bodens 29 des unteren Gehäuseteils 30 befindet sich ein an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossener Flansch 41 mit einem Stutzen 6 über den das Gehäuse 7 evakuiert werden kann.

[0022] Die in dem Schmelztiegel 3 aufgenommene Schmelze wird mit einer den Schmelztiegel 3 umschlingenden Induktionsspule 2 geschmolzen. Zu der Induktionsspule 2 gehört ein Joch 24, das die Induktionsspule 2 umgibt und das einen ausreichenden Abstand zur Außenwand des Schmelztiegels 3 aufweist, damit nicht der Wand sondern nur der Schmelze Wärmeenergie zugeführt wird.

[0023] Der unterhalb des Schmelztiegels 3 vorgesehene Formbehälter 4 ist auf einem Tisch 42 angeordnet, der auf einer Hubsäule 43 befestigt ist. Die Hubsäule 43 ist durch den Stutzen 32 geführt und hohlförmig ausgebildet. Sie nimmt in ihrem Inneren die Anschlußleitung 33 auf, über die das Argon dem Ringraum 5 des Formbehälters 4 zugeführt wird. Mittels der Hubeinrichtung bzw. der Hubsäule 43 läßt sich der Formbehälter 4 genau unterhalb des Schmelztiegels 3 plazieren.

[0024] Die Herstellung der Schmelze und der Abstich erfolgt wie nachstehend beschrieben.

[0025] Zuerst wird in das Gehäuse 7 bzw. in den Schmelztiegel 3 das Schmelzgut eingebracht und dann das Gehäuse 7 mittels des Deckels 18 verschlossen. Anschließend wird der Induktionsschmelzofen 1 über eine an den Flansch 41 angeschlossene in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuumpumpe evakuiert. Nun kann das Schmelzgut unter dem bestehenden Vakuum mittels der Induktionsspule 2 geschmolzen werden Nachdem das Schmelzgut vollständig geschmolzen ist, erfolgt über die Auslaßöffnung 11 der Abstich und das Schmelzgut wird in den Formbehälter 4 geleitet. Mittels des Druckstempels 9 wird das gesamte Schmelzgut ohne weiteres in den Formbehälter gedrückt. Hierdurch wird sichergestellt, daß der Formbehälter vollständig und gleichmäßig beschickt wird.

[0026] Um den Abkühlungsvorgang zu beschleunigen, wird nun Argon über die Anschlußleitung 33 in den Ringraum 5 geführt und durch die schnelle Verdampfung des Argons der Schmelze Wärmeenergie entzogen. Gleichzeitig wird der Druck im Gehäuse 7 erhöht, da der Ringraum 5 über die Öffnung 44 mit dem Innenraum des Gehäuses 7 in Verbindung steht. Durch den schnellen Druckanstieg auf ca. 10 bar während des Erstarrungsvorgangs wird eine gute Gefügeausbildung sichergestellt, da sich die normalerweise auftretenden Dentriten nicht bilden können. Durch den Gasdruck bzw.durch den Druckstempel 9 wird außerdem sichergestellt, daß auch feinste Verästelungen der Form mit Schmelzgut ausgefüllt werden.

[0027] Nach dem Erstarrungsprozeß wird der Druck heruntergefahren, das Gehäuse 7 geöffnet und die Form entnommen. Danach wird eine neue Form eingesetzt und der Gießvorgang kann wiederholt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Schmelzverfahren eignet sich besonders für sehr kleine Chargen, insbesondere für Titan im Grammbereich, also für Gußstückgrößen, wie sie bei Zahnersatz üblich sind.

[0028] Das in Figur 2 dargestellte Ausführungbeispiel unterscheidet sich nur geringfügig vom Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2. Im Induktionsschmelzofen 1 ist anstelle der Ringspule 2 gemäß Figur 1 eine Schwebespule 2a vorgesehen. Die Schmelze fällt bei diesem Gießverfahren nach Abschalten der Schwebespule 2a in den unterhalb des Schmelztiegels 3 vorgesehenen Formbehälter 4. Der Druckstempel 9 kann zum Nachverdichten vorgeheizt werden und direkt nach Abschalten des Schmelzstroms zum Nachverdichten in die Form eingepreßt werden. Der im Druckstempel 9 eingefrorene Keramiküberzug wird dann mit der verlorenen Form vom Gußteil getrennt.

Bezugszeichenliste

[0029] 

1

Induktionsschmelzofen

2

Induktionsspule

2a

Schwebespule

3

Schmelztiegel

4

Formbehälter

5

Ringraum

6

Stutzen

7

Gehäuse

9

Druckstempel

10

Keramiküberzug

11

Auslaßöffnung

12

Hubeinrichtung

13

Einlaßöffnung

18

Deckel

19

Dichtung

20

Flansch

21

Flansch

22

Einlaßöffnung

23

Schauglas

24

Joch

25

Flansch

26

Ringdichtung

27

Flansch

28

Gehäuseteil

29

Boden

30

Gehäuseteil

31

Sockel

32

Stutzen

33

Anschlußleitung

34

Einlaßöffnung

35

Kanne

36

Keramik

37

Wand

40

Einlaßöffnung

41

Flansch

42

Tisch

43

Hubsäule

44

Öffnung

Ansprüche

1. Induktionsschmelzofen (1) zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Metallen mit einer den Schmelztiegel (3) umschlingenden Induktionsspule (2) und einem Formbehälter (4), der von einer Ringkammer (5) zur Aufnahme von Kühlmittel umgeben ist, wobei der Induktionsschmelzofen (1) von einem mit einem Vakuumanschluß (6) versehenen Gehäuse (7) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorhandenem Vakuum die im Formbehälter (4) aufgenommene Schmelze über einen im Formbehälter (4) aufbaubaren Druck oberhalb der Schmelze vor dem Abkühlvorgang verdichtbar ist.

2. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Einlaßöffnung (8) des Formbehälters (4) ein in den Formbehälter (4) einführbarer Druckstempel (9) vorgesehen ist, mit dem die Schmelze aus dem oberen Schmelztiegel (3) durch eine im Schmelztiegel vorgesehene Auslaßöffnung (11) in den Formbehälter (4) gedrückt wird.

3. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Gehäuse (7) aufgenommene Druckstempel (9) höhenbeweglich im Gehäuse (7) angeordnet ist.

4. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstempel (9) an seinem vorderen in die Schmelze eintauchbaren Ende mit einem Keramiküberzug (10) versehen ist.

5. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstempel (9) in dem Schmelztiegel (3) aufgenommen und sich mit seinem unteren Ende durch die im Schmelztiegel (3) vorgesehene Auslaßöffnung (11) erstreckt, wobei sich das vordere Ende des Druckstempels allmählich nach vorne verjüngt.

6. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formbehälter (4) mit seiner Einlaßöffnung (13) mittels einer Hubeinrichtung (12) an die Auslaßöffnung (11) des Schmelztiegels (3) heranfahrbar ist.

7. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Einlaßöffnung (13) des Formbehälters (4) eine Verschlußkappe anbringbar ist, die mit einer Pumpe verbindbar ist.

8. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formbehälter (4) aus einem inneren Behälter (35) und einem äußeren Behälter (15) besteht, zwischen denen der Ringraum (5) gebildet ist, die von einem porösen Keramikstoff (10) umgeben ist.

9. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Formbehälters (4) eine Schwebespule (2a) vorgesehen ist, zwischen der die Schmelze gebildet bzw. gehalten wird.

10. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (3) mit seinem am unteren Ende des Schmelztiegels (3) vorgesehenen Auslauftrichter koaxial zum Formbehälter (4) ausgerichtet ist.

11. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren. der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schmelztiegel (3) nach unten hin verjüngt.

12. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (3) von einer Ringkammer umgeben ist.

13. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstempel (9) vorheizbar ist.

Zeichnung