DE4018925A1 - Induktionsschmelzofen - Google Patents
InduktionsschmelzofenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsschmelz
ofen zum Schmelzen von schwer schmelzbaren Metallen
mit einer den Schmelztiegel umschlingenden Induktions
spule und einem Formbehälter, der von einer Ringkammer
zur Aufnahme von Kühlmittel umgeben ist, wobei der
Induktionsschmelzofen von einem mit einem Vakuum
anschluß versehenen Gehäuse umgeben ist.
Es ist bereits ein Verfahren (EP 3 45 541 A2) zum
Schmelzen kleiner Metallmengen bekannt, das sich hierzu
eines Kaltschmelztiegels bedient. Der Kaltschmelztiegel
besteht aus einem oberen, die Tiegelmulde durch ent
sprechend 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 Druck
behälters 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.
Es ist ferner ein Gießverfahren der eingangs aufgeführ
ten Art bekannt (DE 39 27 998), wobei zum Gießen eines
Materials in einer inerten Gasatmosphäre gearbeitet
wird. Bei diesem Gießverfahren wird im Kippguß gear
beitet, so daß die Schmelze bei vorhandener Gasatmos
phäre 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.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
den Induktionsschmelzofen mit dem zugehörigen Form
behälter 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.
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 Ver
dichtung der Schmelze im Formbehälter sicherstellen.
Durch die Erfindung wird es auf einfache Weise möglich,
daß der Formbehälter mit seiner Einlaßöffnung mittels
einer Hubeinrichtung an die Auslaßöffnung des Schmelz
tiegels heranfahrbar ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil
haft, 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.
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 Keramik
stoff 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 Form
behälter. 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.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil
haft, 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.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es beson
ders vorteilhaft, daß der Schmelztiegel mit seinem am
unteren Ende des Schmelztiegels vorgesehenen Auslauf
trichter 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 vorge
heizt 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.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung
der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle
Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerk
malen erfindungswesentlich sind.
In den Figuren ist die Erfindung an einer Ausführungs
form beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Ausfüh
rungsform beschränkt zu sein. Es zeigt:
Fig. 1 einen Induktionsschmelzofen mit einem
Kalttiegel und einem darunter ange
ordneten Formbehälter zur Aufnahme des
Schmelzguts,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Induktionschmelzofens mit dem zuge
hörigen Formbehälter.
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 20
aufweist, der über eine Dichtung 19 gegen einen
weiteren am Gehäuseteil 28 vorgesehenen Flansch 21
anpreßbar ist.
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.
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 miteinan
der verbunden, wobei zwischen den beiden Flanschen 25
und 27 eine Dichtung 26 vorgesehen ist.
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 Anschluß
leitung 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 ange
schlossen.
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 gebil
det, der zur Aufnahme eines porösen Keramikwerkstoffs
dient. Durch den porösen Keramikwerkstoff 36 kann, um
beim Erstarrungsprozeß der Schmelze den Abkühlungs
vorgang 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 Erstarrungsvorgangs sichergestellt.
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 auf
gebaut sein. Der Schmelztiegel 3 verjüngt sich nach
unten und weist an seinem unteren Ende eine Auslaß
öffnung 11 auf, so daß die Schmelze über den Boden
abstich dem Innenraum des Formbehälters 4 zugeführt
werden kann.
Das obere Ende des Schmelztiegels 3 ist als Einlaß
öffnung 40 ausgebildet. Es ist auch möglich, die Ein
laßöffnung 40 des Schmelztiegels 3 mit einer in der
Zeichnung nicht dargestellten Druckkappe zu verschlie
ßen, um über eine entsprechende Einlaßöffnung Argon in
den Innenraum des Schmelztiegels zu leiten und dadurch
den gewünschten Druck oberhalb der Schmelze aufzubauen.
Wie aus Fig. 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 Druckstem
pel 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 Druck
stempels 9 eine Nachverdichtung der Schmelze vorge
nommen. Der Druckstempel 9 wird hierzu durch die Aus
laßöffnung 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 Verwen
dung einer Titanschmelze von ca. 10 bar. Durch Erstar
rung unter Druck wird eine verbesserte Mikroporosität
erzielt.
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.
Die in dem Schmelztiegel 3 aufgenommene Schmelze wird
mit einer den Schmelztiegel 3 umschlingenden Induk
tionsspule 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.
Der unterhalb des Schmelztiegels 3 vorgesehene Form
behälter 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 ausgebil
det. Sie nimmt in ihrem Inneren die Anschlußleitung 33
auf, über die das Argon dem Ringraum 5 des Formbehäl
ters 4 zugeführt wird. Mittels der Hubeinrichtung bzw.
der Hubsäule 43 läßt sich der Formbehälter 4 genau
unterhalb des Schmelztiegels 3 plazieren.
Die Herstellung der Schmelze und der Abstich erfolgt
wie nachstehend beschrieben.
Zuerst wird in das Gehäuse 7 bzw. in den Schmelz
tiegel 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 Druck
stempels 9 wird das gesamte Schmelzgut ohne weiteres in
den Formbehälter gedrückt. Hierdurch wird sicherge
stellt, daß der Formbehälter vollständig und gleich
mäßig beschickt wird.
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 Veräste
lungen der Form mit Schmelzgut ausgefüllt werden.
Nach dem Erstarrungsprozeß wird der Druck herunter
gefahren, das Gehäuse 7 geöffnet und die Form entnom
men. Danach wird eine neue Form eingesetzt und der
Gießvorgang kann wiederholt werden. Die erfindungs
gemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Schmelzver
fahren eignet sich besonders für sehr kleine Chargen,
insbesondere für Titan im Grammbereich, also für Guß
stückgrößen, wie sie bei Zahnersatz üblich sind.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungbeispiel unter
scheidet sich nur geringfügig vom Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2. Im Induktionsschmelzofen 1 ist anstelle
der Ringspule 2 gemäß Fig. 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
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 Einlaßöffung
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
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 Einlaßöffung
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
Claims (13)
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 umge
ben 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 Form
behälter (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 Aus
laßöffnung (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 gekenn
zeichnet, daß der Druckstempel (9) in dem
Schmelztiegel (3) aufgenommen und sich mit seinem
unteren Ende durch die im Schmelztiegel (3) vor
gesehene Auslaßöffnung (11) erstreckt, wobei sich
das vordere Ende des Druckstempels allmählich
nach vorne verjüngt.
6. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, 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 gekenn
zeichnet, daß an die Einlaßöffnung (13) des Form
behälters (4) eine Verschlußkappe anbringbar ist,
die mit einer Pumpe verbindbar ist.
8. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, 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 Keramik
stoff (10) umgeben ist.
9. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, 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 gekenn
zeichnet, daß der Schmelztiegel (3) mit seinem am
unteren Ende des Schmelztiegels (3) vorgesehenen
Auslauftrichter koaxial zum Formbehälter (4) aus
gerichtet ist.
11. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich der Schmelztiegel (3) nach
unten hin verjüngt.
12. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Schmelztiegel (3) von einer
Ringkammer umgeben ist.
13. Induktionsschmelzofen nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Druckstempel (9) vorheizbar
ist.
Priority Applications (7)
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