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