DE1433075A1 - Vakuum-Schmelz- und-Giessverfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung desselben - Google Patents

Description

STAUFFER CKMKICAL COMPANY XN SL¹A' YOIiK (U.S.A.)

- und -oieaayerfafcran und foriiö&tiißg aür

Angemeldet

Beginn döi³ tatentdauer?

Bio ^rxißdung betrifft, due ßieaeen uiiö äie von Metallen, insbesonders ein verfcaaaertea Verfahren und »Ine varbeaßerte BisriohtuB^ zum iälektrocesatrai&gieeeen von Materialien In eines Yakuuou

Beim üieudea von vereoüiedenen "schwierigen¹' Metallen, beiepieleweiya toü echser schmelzbaren Metallen, «e?d<»n Dereite seit längerer Zeit elektrische intladungen, insbesondere die ürhit?vrs durch «inen Lichtbogen angewendet. Dieee Mstooden sind a*ar eehr aweokmäeeig, haben aber verschieden» Uinscoräakungen. Dieee betreffen die uatgebendtn öaeatmoephären, eine eehr starke Stroaaufnaiuae, Hegölaühwierigkaiten und die

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Explosionsgefahrα Man hat auch versucht, Laboratoriumseinrichtungen au verwenden, die von vornherein auf ein Arbeiten in sehr kleinem Masstab eingeschränkt waren. Beispielsweise kann man in dem üblichen Laboratoriumsverdampfer einen Elektronenstrahl verwenden, der auf einen in einen Tiegel eingeführten dünnen Draht fokussiert ist_fl um dae finde des Drahtes zu verflüssigen _o Die Versuche, derartige Einrichtungen für ein Arbeiten im technischen Masstab zu erweitern, waren jedoch nicht befriedigend»

Von besonderer Bedeutung beim Glossen von Metallen i3t das dabei erhaltene Innengefüge des gegossenen Materials. Ein besonderer Vorteil wird durch die Beseitigung von gasförmigen Bestandteilen erhalten* Seit langem wurde erkannt, dass eine DesQxydierung vorteilhaft ist; ebenso ist die Entfernung von Stickstoff und Kohlenstoff, in Form von Kohlenmonoxyd, in vielen Fällen erwünscht, besondere bei schwer . schmelzbaren Metallen* Die vorstehenden Überlegungen weisen auf die Anwendung eines Vakuums aum Zweck der weitestgehenden Entfernung von flüchtigen Stoffen hin. Im Gegensatz au der Uglichen Lichtbogenentladungseinrichtung wird erfindungsgemäas ein Hophvakuum angewendet, wobei bisher nicht erreichbare Ergebnisse erzielt werden. ■ . . _; .

; Zur Förderung der Entfernung von flüchtigen ΰtoff en ist eine Hegelung der dem Material ßugeführten Wärme und der Z'3it, während der das Material auf einer erhöhten Temperatur

beispiel3weise * 809802/0725

beispielsweise im überliltiäungsbereich gehalten wiräy Vorzusehen. Zn diesem Zweck ist nicht nur ein Schmelzen des Materials zum Gleesen, sondern auch eine weitere geregelte jßrhitsung der verflüssigten Schmelze erforderlich«, Die dabei, geltenden Forderungen werden ebenfalls bei der üblichen Arbeitsweise nicht erfüllt. Beim Oiessen mit Hilfe einer Lichtbogenentladung 1st beispielsweise nur eine sehr mangelhafte Regelung der relativen Schmelzgeaohwindiglceit und der ansohliessenden .Erhitzung der Schmelze möglich* Xn metallurgischen Produktioneanlagen finden die hier angeführten Feinheiten der Regelung selten Beachtung* Beispielsweise wurden erfindungagemass schwer schmelzbare Materialien in groesen Mengen und mit einer solchen Reinheit gegossen, dass sie leicht verformbar und verarbeitbar sind, was in krassem Gegensatz zu den allgemein bekannten Jäigenschaften diaaer Materialien steht, Auaserdem hat es sich gezeigt} das» erfindungsgemäss gegossene Legierungen auf der Basis von Jöieea, Nickel und Kobalt keine erkennbaren Korngrenzehablagerungen, nichtmetallische Einschlüsse oder bei geschmiedeten Knüppeln unterschiede in den Kennwertan in der Quer» und Längsrichtung aufweisen. Dadurch wird ihre Brauchbarkeit beträchtlioh erhöht und kann das derart behandelte Material für Zwecke verwendet werden, an die "bisher überhaupt nicht gedacht werden konnte-,

Bein Giessen von grossen Gvsstücken ist es üblich, ein im wesentlichen kontinuierliches Verfahren anzuwenden,

bei

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bei dem ein ächoetaein^ä ^ebhinöiss^ruftä ln-«iaer Kokille eingebracht und der in'dieser gebildet©' Strang den offenen Boden detr Kokille kontinuierlich ab^ek&gfen" Die Erfindung eignet sich ztfarfür*verschiedene ßiösö- und bzw« oder HeinigimgsverfahrenV ¹WiM aber nachstehend an dee vorgenannten Sfrangguesverf ahrens beschrieisen; Beim &ieoäen von schwer eahmelsbaren Materialien ist eine sonemveiae Rein&~ '^!i gung Ublioh»" JirfindunglBgemäsiBi¹ werden jedoch der Jälriöata üM die Sohmelze voilständig voneinander getrennt, Bodaes das- —'^l

Vorfahren ^!n&t'~'ifötärbr"ö'öh^ ^ri

bei ä®r~ Beh%^

Hateriat-ίΜη^ beiapiölWweiiis vbn dt^ngen^äät-^jötem*' Durchmesser¹ in '■'$&& Grössöhorähung^^Oh Π5^; ^-^5 όπι^- die- sra Äreir- '^ Verflües^ühg^ erf«räörli<3ije^c Wärnie-ztigeführir wiird, lsi;' e& vor™ ^r teilhaft, die Elektronenstrahlquelle und die Sehmelzlache -

beträeh%ich" voneiiiandier au^tr^hnen und auoserderif trbnenstrahi· uhatiiängig von"'¹ dem J%tentiai^;i der oder cter^ sie¹ ui^eijelöäen^kO ^

bes^nie'unig'en^jäb dass'^fte Bahn'l^s^ ϊϊίτεώίο tiiötäi durcli¹ sierte% i^ab'ö^dg^ ^eiiitrkciitig'^; lü»dVbiea i^ gemäes ersielt, ohne dass eine nachteilige Bildung von brUcken= gpisehen: i)lns»*e; units *iehmelzlachm^ erf olg^ dte zu.

führeji ;kann;_f- und Qbmx dass: die itegelbarkeir?t,i Wir*«;

SAD ORIGINAL

Die Erfindung beeweekt die Schaffung eines verbesserten. Verfahrens zur Reinigung von Materialien mit entfernt erzeugten Elektronenstrahlen.

ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zum GieaSen' von Metallen -unter Elektronenbeaohusserhitzung und beträchtlicher Entfernung fluchtiger dtoffa aus den Metallen·

Weitere bezweckt die Erfindung die Schaffung eine· Verfahrens zur Heinigung von Metallen durch Erhitzung derselben mit Elektronenstrahlen, wobei die Energie der einzelnen Strahlerzeuger auf ein Minimum reduziert wird»

Ausserdem bezweckt die Erfindung die Schaffung eines verbesserten Sieesverfahrene für die Erzeugung von schwer sohoelsb&ren Metallen in grossen Mengen, ohne dass dieses Verfahren

dvrch die Elektronenstrahlquellen bedingten Beschränkungen unterliegt.

Ein weiterer Zweck: der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Verfahrens sum Reinigen von Metallen in einem Vakuum und unter Verwendung von entfernten Elektronenstrahl-' quellen zum öehaelsen und weiteren Erhitzen des Metalls, wobei eine vollständigere Entfernung von flüchtigen Stoffen.au« dem Metall erzielt wird.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Ofens zur Behandlung von Metallen duroh ' Elektronenstrahlbesohusä, wobei geneigte Elektronenstrahls!! eo

angeordnet

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angeordnet eind, dass ein vollständiges Schmelzen und ansohliessendee weiteres Erhitzen des Metalle gewährleistet ist.

Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines HetallgieBsofene, der mit Elektronen-trahlerhitaung im Vakuum arbeitet und in dem in wesentlichen keine unerwünschte Strahlablenkung durch die Hähe dee Metalle oder aus ihm freigesetzter Gaee erfolgt. .■ :

Verschiedene andere mögliche Zwecke und Vorteile der Erfindung sind für den Fachmann aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, ohne daee dieee auf die Besehreibung eingeschränkt ist.

Der JBrfIndungsgegenstand ist in der Seiotaune erläutert. Darin «eigt fig. 1 soheastisoh verschieden! achritt· dee erfindungsgealeesn altetverfahrene, Üg. 2 eoheeatisoh la dohnitt einen erfindunfiifeaäee rerwendbaren Ofen und 71g. 3 ebenfalle soheiatisoh und i« Schnitt einea anderen erfineucgege»*«· verwendbaren Ofen.

Irfindungeg··!·· wird ein geregelt·· foteelsen eines 3ohailseln«atsee durch dessen Beschuss alt eines in einer Üntfernung davon eraeufttn enerjiereichsn Elektronenstrahl von hoher Geeohwindigktit bewirkt. Dlsesr Elektronenstrahl wird in eine Kokille gerichtet, di· direkt unterhalb d·· Bineat «es angeordnet 1st und gesoheoleeces Metall aufniatit, das dann durch den Elektronenstrahl weiter srhitst wird· AXIe vorgenannten Maesnahasa werden in «in·» HochvakuuB durcSigeführt, das durch

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kontinuierlichea' Pumpen aufrechterhalten wird, so da&a Licht-;· bogenentlä^ungen-verhindert werden und eine maximale .Bntferriurfg von fluchtigen-Stoffen aiäadem Metali erzielt -wird"'*· JSrfiridungsgemäas kann "zwar ein einziger ener^iereieher Siektröneneirähl^; 5 daa achmelzen und die weitere Krhitzung des zu giessenden Me-.^; _; tails bewirken, doch iat ea erfindiingsgemöös aehr vorteilhaft* mehrere Jälektronenatrahlen zu verwönden_t wodurch bestimmte bisher beim Gieesen unter Elektronenetrahlbeachuss aufgetretenen f Beschränkungen vallkomnien "vermieden werden ₀ ·_■>'-- ., -_:.-'^: ■■;.-.'. '*.<-.-Jetzt sei daa verbesserte.erfindungggeraäaee Gieaaverfahren an Hand der Figo 1 besprochen, in der einzelne .Schritte .des ;-

erläutert sind * Zum, .iSieeaen^;.wlrd ain -in Porra-öinet. StaboajaQd^aglo verwendet,, 5ier . - ' ala dchmglaeinsatz .H ^i©z6l.chne.t wird* Dieser ^_vr.->>.,;.·..., ig t-ivtr t iteal' im ? 4bS * and >über : einer ,offenen .KoMlIe 12-angeoifjlaetr-,w.obei.:4er bereich-zwischen.iihnenjbeispielaweise ? mit- Hilfe der dargestellten Pumpe 13 kontinuierlich auf ein Hoch-^ vakuum^evakuiert wird r-Me^erlaton ^kann Azwar^mi t verächiedenen

Vakaumwerten durchgeführt werden^ .dochϊβόΐΐ-ein relativ .hohes Vakuum aufrechterhalten werden^ beispielaweiae -in -einer ordnung -νοΑά1=νΟ liikran ,snieckailböreöuie oder weniger- -Haa "■ dohmelEen und ₄4as anachlieeeende Jäi?hitaen des geschmolzenen iler|alla_;j!#h^end d^e vQies.aYerfahrene wir4 durch ülelrtronenbeßchusa ,betwjLrk-l,; |!in weiterer ^chritt_; des erfinclungagemäsaen gesteht 4a^e,r,4n 4er i,4ra.fugung ^ine.e

JBlektronenatrahla

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Elektronenstrahls 14, der unter einem Winkel aur Vertikalen abwärts in das offene obere Ende der Kokille 12gerichtet ist. Sann wird der uchmeleeinsatz 11 mit geregelter Geschwindigkeit vertikal abwärts in den energiereichen Elektronenstrahl vorgeschoben, wie in flg. 10 dargestellt ist, worauf der Rand des Strahle auf dem Schmelzeinsatz auftrifft und ihm eine zum Schmelzen dee Einsatzes genügende Energie zuführt. Der geschmolzene Einsatz, der beispielsweise aus einem schwer schmelzbaren Material bestehen kann, tropft oder flieset dann vertikal abwärts in das offene obere Ende der Kokille 12 hinein, wo ihm der energiereiche Elektronenstrahl weitere Wärme zuführt. Der vorstehend beschriebene Elektronenstrahl wird im beträchtlichen Abstand von der Kokille 12 erzeugt und besteht aus schnellen Elektronen, die' im wesentlichen ihre ganze ilnergie an der Stelle erhalten, an welcher der Elektronenstrahl erzeugt wird, so dass die utrahlenergle nicht von einem bestimmten Potential der Kokille oder des darin enthaltenen Metalls abhängig ist. In der offenen Kokille 12 kann ein geeigneter Stöpsel od.dgl* vorgesehen sein, auf den das geschmolzene» schwer schmelzbare Metall tropit^ oder-flieest^?^ ;

für dieKokille 12 vorgesehen, so dass das schwer schmelzbare Metall in ihr erstarrt«

Durch den Eiektronenstrahlbeschues wird dem flüssigen ' , Metall im oberen ieil der Kokille 12Wärme zugeführt, eo dass ^ dieses auf eine erhöhte Temperatur gebracht und gegebenenfalls^¹» überhitzt wird. Das Schmelzen dee Scnmelzeinsatzes 11 und das

..-'". anechlieseende

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•BBohliessende weitere Erhitzen denselben durch £lektronenbe~ ttbuse bewirkt natürlich einen Abzug von in dem öohmel»einsatz eingeschlossenen Oasen» so das· eine beträchtliche Entgasung it« schwer sohnelaberen Metalls und im Zusammenhang damit eine Itträchtliohe von dem aehmeleeinaata und dem in der Kokille 12 befindlichen flüssigen Metall wegführende aas strömung erhalten wird» Beim Giessen von Met allen in der hier betrachteten Weise ist es besonders wichtig, dass keine Lichtbogenentladung erfolgt. Die kontinuierliche Evakuierung de» Bereiches awisohen dem Schmelzeinsatz 11 und der Kokille 12 während des Verfahrene bewirkt eine rasche und wirksame .entfernung der aus dem geschmolzenen Metall freigesetzten Gase. Obwohl diese Gase rasch aus dem Bereich der Kokille und des Sohmeleelnsat&es abgeführt werden, erfolgt jedoch eine gewisse Ionisierung des Gases oberhalb der Kokille, hauptsächlich durch von dem Metall emittierte Sekundärelektronen. Bs wird somit oberhalb des in der Kokille befindlichen achmelsflüasigeit Metalle ein Plasma erzeugt, welches trachtet, den Elektronenstrahl oder die £lektronenstrahlen in die Metallache zu fokussieren. Da der Elektronenstrahl im wesentlichen seine gahse Energie an einer von dem äohmelaelnsats und der Sciimelslaene entfernten stelle erhält, wird er von dem Schmelzeinsatz oder den aus ihn entwickelten Gasen nur wenig beeinträchtigt a so dass er nicht sum vollen Auf treffen auf dem äohmelseinsats abgelenkt wird, was sonst der Jail sein könnte. Bine Ablenkung von Kiektronenstrahlen niedriger Energie

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durch öaaev iiiDDupfe oder Ionen kann niclt «rfolgen, well dieae an der entfernten Stelle der Strahlerzeugung nicht vorhanden/ ⁵^ sind. Hier aind nur Ho c heparin ungn wirkung en vorhanden, ab dass die Ausbreitungund Lenkung dee Strahls leichter gesteuert Werden

Auf der Oberfläche des in der Kokille 12 abgelagerten Metalls bildet sich eine Lache, gewöhnlioh in form einer ; T konkaven Mulde* die durch erstarrtes Metall gebildet wird und geschmolzenes Metall enthält. Die Lache wird duroh die Energie des siebesohiessenden Strahls flüssig gehalten, und ihre JPorm ist teilweise darauf zurückzuführen* dass die Kokille vor» augeweise duroh das Umwälzen von fässer durch einen Doppelmantel der Kokille gekühlt wird. Biese Schmslzlaohe wird oben auf dem' in der Kokille abgelagerten Metall aufrechterhalten. Da die Auf-•reohterhaltung der Lache von der Söhmelzgeechwindigkeit des Sohmeiaelnsatzee unabhängig ist, können langsame Beinigungsreaktionen in der Lache im wesentlichen vollständigdurohgeführt werden. Ausserdem kann selbst in Jenen Fällen, in denen eloh ein Metall nur langsam in einem anderen auflöst, eine vollständige Legierungsbildung ersielt werden, weil der energiereiphe Elektronenstrahl dieser Lache kontinuierlioh eine regelbar· Wärmemenge aufUhrt. Da daa Metall in dem Maase abgeaogeß wird, ia dem ea in öer EoJcille eratarrt, erhält man ein kon- . ' tinuierHöhes Verfahren. Das offene untere i)nde der Kokille bildet eine Austrittsöffnung für das in der Kokille unterhalt»

der Ια oberen (Cell der Kokille gebildeten Schmelelache zu einem Strang 16 erstarrte Metall. Bev Strang kann kontinuierlich oder schrittweise abgesogen «erden, wobei Stränge jeder gewünschten Länge erhalten «erden können. In jenen Fällen, In denen der Schmelzeinsatz denselben Durchmesser hat wie die Koklllenöffnung, beispielsweise beim Umgiessen von Strängen, ist es erwttnsoht, im Rahmen der Erfindung nicht nur einen vertikalen Vorschub des Sohmeleeineatzes, sondern auch eine seitliche iüine teilung desselben vorzusehen»

Der Grund hiefUr geht aue der Fig. 1Ώ hervor, welche zeigt, dass zur Gewährleistung des Tropfens oder Fliesaens des geschmoleenen Metalls von dem Schmelzeinsatzdirekt in das offene Ende der Kokille 12 der Schmelzeinsatz seitwärts zur Ausgangeβteile des Elektronenstrahls hin bewegt werden muae, während der Schmelzeinsatz zu der Kokille hin abgesenkt wird. Wenn das Metall des Sohselzeinsataes an einer Schrägfläche verflüssigt oder abgesohmolzen wird, die sich in der Richtung des Elektronenstrahls erstreckt, trifft der Strahl zunächst auf einer Jacke des Sohnelsseinsatsses auf. Wenn dieser fortschreitend abgesenkt wird» verlagert sich der Abtropfpunkt von der einen Seite des Sohmeleeinsatsses zur anderen« während βloh die schräge Schmelzfläche quer durch den Einsät2 bewegt. Vor zug a weise soll das Abtropfen oder Abf Hessen von dem Schmelzeinsatz in die Kokille im Bereich der Mitte der» selben erfolgen und wenn der Schmelzeinsatz denselben Durchmesser

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messer hat wie die öffnung.der Kokille 12, kann dies nur durch, seitliche Verschiebung des Schmelzeinsatzes bewirkt werden. Bei Verwendung eines i3chmelzeinaat2es, der im Durchmesser kleiner ist als die Kokillenöffnang,: ist diese seitliche Verstellung oder Verschiebung nicht erforderlich.

In einer abgeänderten Ausführußgaforin des vorstehend beschriebenen Griessverf ahrens kann man anstelle des in Fig. T dargestellten und Vorstehend beschriebenen einzelnen Elektronenstrahls mehrere solcher Strahlen ysrwenleho Beispieleweise kann man eine relativ groese Ansah! von Elektronenstrahlen an Stellen erzeugen, die seitlich ausrärts von dem Schmelzeinsatz im Abstand voneinander angeordnet sind, und .sann diese Strahlen. ±n das offene obere ISnde der 3^;.okille 12 fokussieren.»* Dadurch kann «nan eine sehr starke iSnergieübertragung auf das in der Lacfeß· am oberen iände des Stranges 16 befindliche Metall erzielen 'und--'gleichzeitig- die -erforderliche Ausgangs .energie jeder einzelnen iälektiOnenstrahlquelle beschränken, Dies ist beijonders wünschenswert, weil man dann billiger übliche Klekfcronenstrahlquellen verwenden kann.

»Venn mehrere Ulektronenstrahlen irerwendet werden, wird die Jälektronengeschwindigkeit im wesentlichen auf deraselberi hohen Äert gehalten, well, wie vorstehend erwähnt, bestimmte Vorteile der Erfindung von solchen hohen Elektronengeschwindig-.!:eiten abhängig sind oder wenigstens durch sie herbeigeführt Der durch die Verwendung mehrerer Elektronenstrahl-

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quellen erzielte Vorteil ist teilweise darauf ssurtickzufUhren, dass dadurch die von einer einzelnen Quelle abgegebene Blektronen·- diohte herabgesetzt werden kann, während angesichts der 2atsacbe, dass sich an der Oberfläche der Schmelzlache eine groase Anzahl von Strahlen kreuzen, dort eine beträchtliche Gesamtelektronendichte vorhanden ist. ffie in den Üblichen Verfahren iet ea bei Verwendung mehrerer, einander kreuzender Elektronenstrahlen erwünscht» dass sich diese strahlen unter einem relativ grossen Winkel kreuzen, damit der Kreuzungabereich der Strahlen möglichst klein ist. Be hat sich gezeigt, dass ein Winkel der Strahlen von 45° gegenüber der Vertikalen zweokaässig ist. Durch diese Hassnahme und duroh dl« Verwendung einer eehr hohen JäleJctronenatrahlgeschwindigkeit, wodurch die Wahrechelnliohkeit einer gegenseitigen Ablenkung der Strahlen auf ein Minimum herabgesetzt wird, erhält man auch eine nur minimale Wechselwirkung zwischen den Elektronenstrahlen. Ein weiterer duroh die Verwendung mehrerer energiereicher JSlektronenetrahlen erzielter Vorteil ist die Tatsache, daae die Notwendigkeit einer Seitwärtsbewegung des Schmelzeinsat»es entfällt, da in diesen Fällen der Schmelzeinsatz nur vertikal abwärts zu der Kokille 12 hin vorgeschoben zu werden braucht.

Ss hat sich gezeigt, dass sich b«i dem nach den vorstehenden Angaben durchgeführten Gießverfahren auf der Oberseite des gegossenen Stranges ein« Lach« aus geachmolaeaem Metall bildet, die eine im wesentlich·» oder relativ ruhig· Oberfläche

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lat.Biei© Tatsache let fceim Öl essen sehr vorteilhaft, weil sie einea Strangguss ermöglicht. Die während der ganasn Dauer' des .erfindungegensässen Verfahrene kontinuierlich durchgeführte Kva&uierung beseitigt nicht nur einen wesentlichen Teil der normalerweise anwesenden (raeaole&üle aus ö©m Arbeit aber @i©h_t sondern entfernt auch <äi@ während des Sehmel^eni c?ss S©fea@lg©ia@ats©s fr©lg©e©tat@ß Gase und Bämpf@. Bie am oberen Knd© d©@ gegossenen S bildet® 8cfomelssla©he enthält daher niöht die normale okkludierter ©ase'o Di® ±n ä&m geso^olzeasn Metall eventuell noeh @athalt@is@a Sas© werden daraus freigesetzt ₉ indem die auf die Laeh© gerichtet®^ ©n©rgi©reich@B Elektronen, mit &®n@n die Lache b®- . aeboesen wird» dem flüssigen-'Metall weiter®- Wärme auf uhren. In*- foXge d@s relativ geringen Ütlialtee an okkluäierten Qamn ±n d@m Sie 'LB.Qh® &Lld®nd©n Met all geht das erfindungegemasae-Verfahren ■: ©to© di© nonnlemeiae'auftretenden grossen :aasäusbrUe'he von der Ofeerfläß!^® d©^. Ii©eil© vonstatten, so dass k@in flüssiges Metall darste. äerartig© feaausferiioh© in d@ß B@g>®i@h oberhalb der

gmOrits,*, wird und dort benaehbarte Sbne'triUttionsteile m& Sa» ßlm®v@i*£eMm ®Wt$* Sftjsnr©&.'«erden- 41© bisher in

austretenden und periosiaehe B©triebeuntarbreohüngen--Sehivierigjceiten beseitigtb:'Ausserdem ermöglieM 'die Ob@rfläoh@ der La©h® ®ia Aufs@&3iiasi@^ von relativ imr©iaigimg@E sur Ob©rfll©&© der Sehmelee«. ohne das® sieh- diese'Verunreinigungen 'oit'den:Körper der Sehmeliie v©^Riec!i%:a_t ao daiis «iTiSisMAiasfj¹«!® S^^aiig«·» a,^halt9S ^crileiri, fern@r führt' der relativ hohe Xeetferatoruhiier'Seliied-iBwisohen: ·'

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der gekühlten Kokille und der erhitzten Oberfläche der Lache zu einem beträchtlichen lAfärmege fälle in der Schmelze und damit au einer intensiven EUhrwlrkung, welche das Aufsteigen von fluchtigen Verunreinigungen zur Oberfläche der Schmelze unterstützt . wenn derartige fluchtigen Verunreinigungen die Oberfläche der Schmelze erreichen, werden sie durch die dort herrschende hohe Temperatur verflüchtigt und dadurch von der üchmelze entfernt, so dass der erhaltene Strang im wesentlichen frei ist von Gasen und von Verunreinigungen mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur.

Nach dem vorstehend beschriebenen Gussverfahren, la dem entfernt erzeugte energierelohe Elektronenstrahlen verwendet werden, die schräg in eine. Kokille gerlohtet werden und einen Schmelzeinsatz schmelzen und weitererhitzen, wobei alle diese Vorgänge in einer stark evakuierten Atmoephäre durchgeführt werden, erhält man gegossene Materialien mit bisher unbekannten Eigenschaften. Me Erfindung ermöglicht nicht nur ein wirtschaftliches Giessen von schwer schmelzbaren Materialien, wie Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram, sondern auch eine derartige Reinigung dieser Materialien, dass ihr Gebrauchswert wesentlich verbessert wird. Beispielsweise sind die erfindungagemäae gegossenen und gereinigten schwer schmelzbaren Metalle wesentlich besser verformbar als die auf andere ffeiss hergestellten Materialien. Ausserdem hat es eich gezeigt, dass die Beständigkeit gegenüber Umgebungeeinwirkungen und die physikalischen 809802/0725

lisohen Eigenschaften bei hohen Temperaturen durch die erfindungegeifiäeee Verarbeitung derartiger Metalle beträchtlich verbessert wird« Die Erfindung eignet ei oh zwar insbesondere für 'die Reinigung und das Oleseen von schwer schmelzbaren Metallen, doch «erden sehr wünschenswerte Ergebnisse er&ndungsgeiräss auoh beim Öleββen anderer Legierungen erzielt. Beispieleweise hat es sich gezeigt, dass beim Elektronenstrahlschmelzen von Legierungen "auf-der /Grundlage von Jäieen, Nickel und Kobalt beet! imite kritische Verunreinigungen, wie Schwefel und Phosphor, entfernt und in aus solchen Legierungen bestehenden Strängen die Unterschiede zwischen den Eigenschaften in der <*uer~ und der Längsrichtung beseitigt werden. Derartige erfindungsge^äss verarbeitete Legierungen zeigen gegenüber den auf andere Weise erzeugten eine bessere Verformbarkeit und wesentlich höhere Festigkeit! so dass sie beispielsweise für den Geachossbau verwendet werden können, üine weitere Beschränkung der bisherigen Verfahren wird erfindungegeinäag insofern Überwunden, als es jetzt möglich wird, grosse Gusstiicke nicht nur aus gewöhnlichen Legierungent sondern auch aas schwer schmelzbaren Metallen und ihren Legierungen zu erzeugen, die bisher auf kleine Abmessungen beschränkt waren«

Jetzt sei die erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsge^nös sen Verfahrens an Hand der Fig. 2 genauer betrachtet. Diese zeigt einen Jälektronenetrahlöfen 21, der ein Gehäuse 22 aufweist,

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mit dem dine JÜvakuierungaeinrichtung 23 in Verbindung steht, die eine schnell laufende Hochvakuumpumpe aufweist. In dem Gehäuse 22 ist eine aus Kupfer od.dgl« bestehende und von einer zentralen öffnung 26 durchsetzte Kokille 24 vorgesehen. Diese Kokille kann gekühlt werden, beispielsweise mit tfasser, das in einem Doppelmantel 2? der Kokille und an ihn angeschlossenen Rohrleitungen 26 und 29 umgewälzt wird. Vertikal im Abstand Über der Kokille 24 ist ein Schmelzeinsatz 31 angeordnet, der in diesem Fall beispielsweise aus einest eohwer schmelzbaren Metall in Form eines langgestreckten zylindrischen Stabes besteht. Der Schmelzeinsatz ist in einem geeigneten Antriebsmechanismus 32 gehaltert, der geeignet ist, den Einaatz mit geregelter Geschwindigkeit vertikal abwärts zu der Kokille hin vorzuschieben und gegebenenfalls auch die gewünschte seitliche Bewegung oder Verstellung des uchmelzeineatzee zu b·*· wirken. Geeignete Dichtungsmittel 33 verhindern, dass an dem Antriebsmechanismus 32 ein Vakuumverlust aus dem inneren des Gehäuses 22 heraus erfolgt. Durch die Erzeugung wenigstens eines energiereichen Hochspannuageelektronenstrahls wird in den

I Ofen 21 die zum SohaelaenΊίββ Schmelzeinsatz« und zur aneol&ieeaenden zusätzlichen Erhitzung der Schmelze in der Kokille 24

, erforderliche Wärme erzeugt. Zu diesem Zweck ist eine JSlektronenstrahiquelie 34 vorgesehen, die sieb wenigstens teilweise in das Innere der Kammer 22 erstreckt und gegen deren Wand Bweokmäaeig abgedichtet ist, damit daa Vakuum ia dem Gehüust

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aufrc'Cfaterhalten Λrd-, Die falekttonemtrahlquelle- 34>kaan· einer ubliehen Jtromquelle init Kegeleinriößtung 36 gea^eiat/ werden, die beispielsweise aueserhalb flea Gehäuses angeordnet ist, und erzeugt einen fökusslerten iälektronenatraßl in das offene Ende der Kokille^ 24 cgerichtetist-. Wie erwähnt, erseugt diese Quelle «inen HochapannungselektroneKi- :^J etranl 37, der daher Von einer Sasatmoephäi-e oder Xonönwolkea, durch die er auf a ei new Λ eg zum oberen Snde der KoKl^Ie* 24 ;? hindurohtritt, praktiach iiiciii; beeinflusst wird. ^v , f/v Λ ^

la Betrieb" des vorsteaenol besohriebeneii Ofens *1atif^ der SchmelEeinaatz vertikal abwarte zu der Kokille 24 hin ⁴ vorgesoiioben, so dase er in die Bahn dea Blektronenstrahle eintritt. Bei seinem Yorüobub iii άβη UIeJctronenstrahl 57 wir!i^sa dem achmelaeineats 5t Energie zugeführt_} so dass er verflüssigt wird und iron seinem unteren Scde vertikal abwärts in das offsns obere Ende 4er Kokille^ 24 tropft öder fliesst. t% Beginn ^:^uäe ^K-^r€ Betriebes ist In tier Kokilleaöffnung 26 ein nicM geBiä%ter ^ Stöpsel od.dgl. vorgesehenV auf dem das voa dem doömelaeineats 31 koamende geschmolzene Mötisll atogelage^t wird. In deai Masse_r in dem <2eb geschmolzene Meteli in der Kokille infolge

■ Kokille uagewälffte KOaliiiitteir iir«t!Brrf

Metall in Form eines 3trang«s 38 d«i*cfe daß unter© Solei He 24 abgesogen fd.h,, ea wird im Strangguss

ftf.· A

Kokille 24 getropfte oder gefloasene Metall beschossen wird, bewirkt eine «eitere Erhitzung dieaee Metalls, eo dasβ eich an oberen iinde des Stranges 38 eine ächmelzlache 39 bildet, die allgemein durch eine konkave Bodenfläche 41 begrenzt ist, welche die Erstarrungsgrenze des Metalle darstellte Wie in Fig. 2 dargestellt, wird der Schmelzeinsatz 31 bei seinem abwartsgeriohteten Voreohub in den Elektronenstrahl 37 im Winkel abgeachnolzen, so dass er in die Lache 39 abtropft. Mit Hilfe dee Antriebsmechanismus 32 kann der ^Schmelzeinsatz 31 seitlich so verstellt werden, dass-das geschmolzene Einaatzmaterial stete in die öffnung 26 der Kokille 24 hineintropft oder -flieset. Während des ganzen ßies&verf ahrens wird kontinuierlich auf ein hohes Vakuum evakuiert, um die während des Schmelzen« und der ansohliessenden Erhitzung des gegossenen Materials freigesetzten Gase su entfernen. Me Freisetzung von Dämpfen und Oasen an der Oberfläche der Lache 39 infolge der weiteren Erhitzung derselben und die dadurch bewirkte Ionisierung wenigstens eines Teiles dieser Dämpfe und Oaae fuhrt dazu, dass zusammen mit den Elektronen im Bereich der Oberseite der Lache ein elektrisches Plasma gebildet wird, so dass zusätzliche Elektronen in die Lache fokuseiert werden. Sa dem Elektronenstrahl 37 in beträchtlichem Abstand von dem Schmelzeinsatz eine hohe Geschwindigkeit erteilt wird, kann der Strahl durch aase oder Ionen oder das relative Potential des aohmelzeinsatzee 31 nicht wesentlich beeinflusst werden, so dass der Schmelzeinsatz fast keinen elektrischen Einfluss auf den strahl hat, sondern

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inn nur tfuren d«m fcitttriu ir* «jnw* &j<?i/,u<. .-u* wenn der 39lMe-i«etQ?Ji in tf«n-*v-.irät*i wird.

Jäine andere· Αύβίuhrungefor» *Μ?.3 erftjtfuntf^geinii'e&eu Ofen* 1st in Fig. 3 dargestellt, in dieövr uind uhru^oh« u'l&meut« mit den gleichen Beaugszeiohen wie in äer vgr^töiivucl b^^chrltb^tien Auaführung8form versehen. Das vakuumüi'jht© öehiiua^ Zd ist wieder mit geeigneten LVakuierungeleituß; sn 25 versehen, die an eine eohneXX laufende pumpe angesctiXoeeen werden können. Ferner ist eine offen· KokiXIe 24 vorgesehen, die vertikal unter einem Xanggeatreokten SohmeXzeineats 31 angeordnet ist, der vertikal abwärts zu dem offenen oberen ttnde der.Kokille 24 hin vorgeschoben werden kann und gegen die Wände dee Gehäuses abgedichtet ist. Eine erste £XektronenatrahX<|ueXXe 34 ist ähnlioh wie die vorstehend beschriebene angeordnet und erzeugt einen Elektronenstrahl 37, der in dae offene obere Ende der Kokille 24 fokussiert wird.

Durch die Wand des Gehäuses 22 erstreckt sich eine aweite ülektronenstrahlquelle 34', die bei Speisung duroh eine geeignete UbXlohe Stromquelle mit einer Regeleinrichtung 36' einen •ohneXXen JäXektronenetrahX 37* erseugt, der auf das offene obere Ende der Kokille 24 gerlohtet 1st. Bei der <3 arge β teilten Verwendung von ewei Eiektronenatrahlqutllen sind diese vorzugeweise »uf entgegengeeeteten Seiten des Sohmelceinsatsee 31 angeordnet. Wenn dagegen eine gröe»*re Zahl von Elektronenstrahl- quellen verwendet wird,können diese belspieXsweise im Kreis um den SohawXeeinsate herum verteilt und so angeordnet aein,

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dass die von ihnen abgegebenen Strahlen in das offene Ende der Kokille fokussiert werden₀

Gemäss ELg. 3 sind die Elektronenstrahl«!! genau in das obere Ende der Kokille hinein gerichtet und kreuzen einander vollständig. Dies wird jedoch äureh das unmittelbar über der Lache gebildete Plasma in gewissem Masse modifiziert, da dort eine gewisse Strahlablenkung und eine fokussierung der Strahlen in die Lache erfolgt. In diesem Oi'en wird der Schmelzeinsatz ^ 31 vertikal abwärtäjzu der Kokille 24 hin vorgeschoben und dadurch in die Bahn beider Jälektronenatrahlen 37 und 37* bewegt. Die JBlektronenstrahlquellen 34 un£ 34^f sind vorzugsweise in gleichen Abständen von der Achse ces Scnmelseinsatzee 31 angeordnet, so dass die auf die Kokille 24 fokuseierten Elektronen- strahlen 37 und 37' gleiohmässig auf dem in et en strahl herabgesenkten Schmelzeinsatz auftreffen, so dass von den einander entgegengesetzten unteren Bändern des Schmelzeinsatzes gleiche Mengen abgeschmolzen werden. .

: Wie vorstehend im Zusammenhang mit .dem erfindungsgem^saen öiesaverfahren beschrieben» wird un oberen Ende d«s erstarrten

38 Stranges/in der Kokille 24 eine iJchmelzlache 39 erzeugt, die durch die auftreffenden energiereichenElektronenstrahlen ausätzlich erhitzt wird _t so^ dass dorteine »eitdr« Entfernung von fluchtigen Stoffen erfolgt. Ir dem mit mehrereniaektronen- * atrahlsystemen versehenen Ofen nach .Äg. 3 werdefü UiA Anforderungen an ίede einzelne Quelle duxch die Änordaung mehrerer Elektronenströhlquellen wesentliobherabgeaatat, Zwar muas

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Ijedee Elek1;ronenetrahley3tem einen Elektronenatrahl von relativ hoher Elektronengesetwrindigkeit erzeugen, doch braucht der Ötrahletrom in dem einzelnen System nicht stark zu aein. In einem mit mehreren Elektronenatrahleyatomen versehenen Öfen der vorstehend beschriebenen Art können verschiedenartige . ? filektrQnenetrahlsjratemeί verwendet mer&m, beiapielsweia© lälek* tronenatrahlsysterne der allgemein ia Blektronenmikroekopen ver-

wendeten Art Oder Elektronenstrahlayateme der in Oszillographen und iernaehbixdröhren verwendeten Art mit geeigneter Polcuseierung, damit der relativ sohnelle .itrahl a»-iX die am oberes Jände des in der Kokille angeordneten dträngee befindliche öchmelzlaohe geriontet- wird. > ' .

Wie bereits erwähnt wird durch die entfernte Anordnung des ElektronenBtrahleyatems öder der Ulektronenetrahlayeteme in dem erfXndungegemässen Ofen ein besonderer Vorteil erzielt, weil die beim Fokussierenι oder iiUiren des Blektronenatrahls innerhalb der erforderlichen engen Grenzen biaher auftretenden Sohwierigkeiten erfindungagemäse vermieden werden. Bei nahe angeordneten Kathoden können die »ich entwickelnden Dämpfe die Hiehtung dee jälektronenfiuseea^: modifizieren, ehe dar Elektronenstrahl oder die Elektronen des Strahle ihre volle kinetieoite Energie erhalten haben, da bei solchen Aiiordnuagan diese Dämpfe*die Haumladung ewieohen Kathode and Anode verändernd -ürfindußgegemaes erhält dtr Elektronenstrahl seine- volle Kneigie in einem vollkommen evakuierten, nicht Avaroh (Sas verunreinigten Bereich, weil die entfernte Anordnung der Elektronenstrahl- ■'

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quelle einen Eintritt von entwickeltem Gas in den Erzeugungebereich aussehliesst. Ferner ist die Richtung der Bahn des Slektronenstrahls gegenüber den anderen Bestandteilen der Einrichtung öder, mit anderen Worten, gegenüber der Fliessricfctung dee geschmolzenen Metalls zu beachten. Man kann swar auch in anderen Ofenkonstruktionen eine Elektronenstranlquelle verwenden» doch treten dabei iinner Schwierigkeiten auf, weil diese strahlenquelle nicht iraetande ist, den Sohnelzeineatz zu schmelzen und -die ganze üchmeltlaohe des daraus areeugten geschmolzenen Metalle weiter zu erhitzen. Wie bereits ersännt, ist es sehr vorteilhaft, das geschmolzene Metall weiter zu. erhitzen, um eine weitere Verflüchtigung zu bewirken.

Die Erfindung arbeitet mit »inem energiereichen Elektronenstrahl, der im Winkel zur Vertikalen geführt ist, so dass er nicht nur durch teilweises Auftreffen auf dem Schmelzeinsatz diesen schmilzt und durch direkten Beschuss den Strang erhitzt, sondern auch vollständig zwischen lern Schmelzeinsatz und dem Strang hindurchgeht, wodurch die Bildung einer metallischen A Brücke zwischen ihnen verhindert wird. Wenn in ElektronenbeschUBβöfen nicht eine hohe Temperatur zwischen dem äohmelseinsate und der Kokille aufrechterhalten oder" auf andere Weise dafür gesorgt wird, dass der ächBelseineats gesohmolaen wird, ehe er in die Kokille eintreten kann, besteht die Möglichkeit, dass Metall in die Kokille flieset, ehe es vollständig verflüssigt ist. Erfindungθgemäea muse nicht unbedingt eine hohe Temperatur ewieohen dem öchmelieinaatm und dem Strang aufrechterhalten

werden.

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«erden, aber es 1st zwischen ihnen ein energiereicher ülektronenstrahl vorgesehen, eo dass in diesem Baum etwa vorhandene feste Körper von dem Elektronenstrahl beschossen und auf eine wesentlich höhere Temperatur erhitzt und geachmolaen «erden. Erfindunga· gemäss wird also eine Brückenbildung ewisöhen dem üchmelzeinsatz und dem Strang verhindert. . ■

Stauffer Chemical Company durohi

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Claims (1)

1. CHEMICAL GOMPAKiT IN NEW YORK (U.S.A.)

   Patentansprüche ι

   1. Vakuum-cJchmelz- und -CHessverfahren, bei dem ein | energiereicher Elektronenstrahl abwärts in das offene obere Ende einer Kokille gerichtet.und ein iSehmelaeineatB in form eines Stabes abwärts in den Strahl hinein vorgeschoben wird» so dass das untere Ende des Stabes kontinuierlich abschmilzt und in die Kokille strömt, wobei der strahl auch das Metall in der Kokille erhitzt und in dieser eine oohmelalaohe aus geschmolzenem Metall aufrechterhält, daduroh ftekenngeichnst _f das» der Strahl längs einer geraden, in Winkel zur Vertikalen angeordneten Sahn geführt wird und einen β oh surf begrenzten, geraden, λ geneigten oberen Hand hat, und dass der Stab in diesen oberen Rand hineingeführt wird, um von ihm abgeaehmolaen au werden.

   2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl an einer von dem Uohmelselnaats und der Schmelzlache entfernten stelle erzeugt und auf »ine höh·; Energie gebracht wird, damit »eine Bahn durch im Bereich dee öehmelzeinsatzee vorhandene Gase» Dämpfe oder Pia·men Im wesentlichen nicht abgelenkt wird.

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   3. Verfahren nach Anspruch ΐ oder 2, dadurch gekenn» .

   .".- . -■- · ■: energiereiohe - , .. .-':.-. ,,-. ■.... .^-^^ -■...--zeichnet, daa β mehrere /Blektronenetrahien ereeugt werden/ die von verschiedenen um den Schmelzeinsatz herum angeordneten Stellen abwarte in die Kokille gerichtet aind, so dass die sum Schmölzen des Stabes und aum Erhitzen der Schmsiziaehe verfügbare Energie der Summe der Energie der Elektronen at rehl»3n entspricht« ^:"' '' ■■■'■■'."■■ ':■■■■■-■■■ ' ■: '"' ; '-'■''·'■' '■-: ^: '' '■

   4. Verfahren nachAnspruch 3, dadurch gekennzeichnetγ dass die Klektronenatrahlen voa mehreren oberhalb derÖchaelslache um den Öchmelaeinaatß herum ongeordneten ütellen aus ge«

   - ■ ■■- .■■■■■ ■- - .' - .- .'-: - ■' - ■■" .- iiUfi ίί·:^Γ. -'

   führt «erden» so dass das gaus© offene obere ^hde der Kokille volletändig¹ mit Elektronen beschossen wird, die der ganzes Oberfläche der Schaelalaohe »yärme aüführen_e - ν;; ₅θ-. ■■■■■■ ^: ■-■■---■■ -.. - ^; .■"- ^r-\ '·■ ' - ' -ΐ-χ >:■:.:*;. :-^:?A?,?im

   5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   • ..-■ ■ ;-/.,..*■-■. :■'■-.:,_ ■■;.-. ■ ^:: ■-,-.; ■;- .rf. :?^^:ν-.-;^^-Λ- :-c^jir dass der Sehne!zeinsatζstab während seinee Absohmelzena in geregelter Weise quer zur Kokille und vertikal au ihr hin bewegt wird, damit der Strom des geschmolzenen Materialie stiadlg in die Mitte der offenen Kokille fslit» während te¥ eineatsBtftb durch Blektronenbeschues abgeechmolseBWird· .

   6· Vorrichtung 2U1- Durchführung de» Verfahrene ßaoh Anspruch 1 mit einer Einrietitung aum Evakuieren einer eine? in dieser Kammer aEgeordaeten» obsn offenen Kokille, einer Voreohubeinrichtung, die «ei eiaeii 3öhaiile*iaeatzetab oberhalb der Kokille aagreift un# &®nStab während aeine· Abaohmelaene

   au der Kokille hin vorschiebt und ein« Einrichtung ium Beschuss

   9 802/0

   dta gtabas und der Öffnung an oberen linde der Kokille mit energiereichen Elektronen aum Sohmelaen dea dtabea und aur Aufrechterhaltung einer äohmelilaohe in'der Kokille, gekennzeichnet durch nenlgatena eine Hocbepannungaelektronenstrahlqualle, die ▼on da« tftab und der Kokille entfernt angeordnet iat und einen energiereiohen Elektronenstrahl abwarte im Winkel eur Vertikalen" in daa offene obere linde der Kokille riohtet, un das untere Ende dea stabea au beeohleeaen und au aohmelaen, ao daaβ Material | ▼on dem Stab abwarte in die Kokille flieset und dort «reiter er~ hitat nird.

   7· Vorrichtung naoh Aneprueh 6, dadurch gekennaeiohnet₉ daes mehrere Jälektronenatrahlquellen um den Stab herum in einer Entfernung τοη ihm angeordnet sind und Jülektronenetrahlen aus ▼eraohiedenen Hiohtungen in das offene obere finde der Kokille riohten.

   8. Vorrichtung nach Anapruoh 6 oder 7» gekennzeichnet

   durch eine oberhalb der Kokille an den Schmeleeinaataetab an- | greifende Vorβοhubβinrichtung eur geregelten Abwärt·- und SeitwBrtabewegung dee Stabea während dea Abeohmelaene dee unteren Endes des Stabes dur.oh Elektronenbeschuss, damit daa geeohmolcene Material stete in das offene obere £nde der Kokille flieset.

   9. Vorrichtung nach Aneprueh 6 oder 7, dadurch gekennselohnet, dass die Slektronenstrahlquelle so weit von dem iiohmelBeineataatab und der Kokille entfernt let, dass die

   Elektronen

   80S802/0725 ' IAD OKGINAL

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   Jilektxo&ea in wesentlichen ihre volle Beschleunigung erhalten, ehe sie in dem Stab benachbarte Bereiche eintreten, in denen Oase od.dgl.vorhanden sein können, eo dass die Bahn der Elektronen im wesentlichen ohne Ablenkung aufrechterhalten wirdο

   Stauffer Chemical Company durch*

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