DE4105418A1 - Schmelzsystem zum spritzformen - Google Patents
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Description
Die vorliegende Anmeldung steht in enger Beziehung zu den
folgenden am gleichen Tage eingereichten deutschen
Patentanmeldungen:
Anwaltsakte 12955.5, für die die Priorität der US
Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 4 87 094 vom 2.3.1990
beansprucht ist,
Anwaltsakte 12957.7, für die die Priorität der US Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 4 87 511 vom 2.3.1990 beansprucht ist, sowie
der US Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 4 89 300 vom 5.3.1990.
Anwaltsakte 12957.7, für die die Priorität der US Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 4 87 511 vom 2.3.1990 beansprucht ist, sowie
der US Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 4 89 300 vom 5.3.1990.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung, die brauchbar ist, einen geschmolzenen
Metallstrom zu einer Spritzform-Station zu führen.
Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine
Vorrichtung, die geeignet ist zum Schmelzen von Metall und
zum Zuführen eines Stromes aus geschmolzenen Metall zu
einer Gas-Zerstäubungskomponente einer Spritzform-
Vorrichtung.
Es ist bekannt, daß das Spritzformen ein Verfahren ist, das
ausgeführt wird, indem man eine Zufuhr flüssigen Metalles
entwickelt und den Strom flüssigen Metalles in den Pfad des
Zerstäubungsgases strömen läßt. Das zerstäubende Gas
zerbricht den Strom aus geschmolzenem Metall in viele
winzige Tröpfchen. Das Spritzform-Verfahren schließt den
Abbruch des Fluges dieser Tröpfchen ein, bevor sie sich in
Teilchen umwandeln, und es hängt von der Erstarrung der
Tröpfchen ab, wenn sie auf eine Aufnahmeoberfläche
auftreffen. Das Spritzformen in dieser Weise ist eine gut
entwickelte Technik, und es können zahlreiche Gegenstände
aus der Spritzabscheidung dieses Verfahrens gebildet
werden.
Normalerweise erfordert die Entwicklung eines flüssigen
Stromes aus geschmolzenem Metall, daß das geschmolzene
Metall aus einem Tiegel abgegeben wird, entweder durch
Gießen vom Oberteil des Tiegels durch einen Auslauf oder
eine Röhre oder dergleichen oder durch Gießen aus dem
Bodenteil des Tiegels durch eine geeignete Öffnung. Das
geschmolzene Metall, insbesondere wenn es sich um die höher
schmelzenden Metalle handelt, erfordert, daß der Tiegel aus
sehr hoch schmelzendem Material gebildet ist, und Keramik
ist die normale und natürliche Materialart für solche
Tiegel.
Ein Problem, das sich aus dem Gebrauch von Keramiktiegeln
ergibt, ist, daß aufgrund von thermischem Schock oder
Abrieb oder einem ähnlichen Mechanismus eine Möglichkeit
besteht, daß ein kleines Keramikteilchen in den
Schmelzstrom eintritt, der aus dem Tiegel austritt und
dadurch in einen Gegenstand eingebaut wird, der mittels des
Spritzform-Verfahrens hergestellt wird. Das Problem, das
sich aus der Anwesenheit solcher Teilchen in einem durch
Spritzformen hergestellten Gegenstand ergibt, ist, daß es
als der Ort dienen kann, von dem aus sich Risse entwickeln
und ausbreiten. Es ist allgemein bekannt, daß ein
Fremdmaterial, wie ein solches Keramikteilchen, als
Brennpunkt dienen kann, um den herum sich Risse in einem
Gegenstand entwickeln, der hergestellt ist zum Einsatz
unter Bedingungen hoher Spannungen. Solche hohe Spannungen
können zum Beispiel auftreten, wenn das Teilchen in ein
sich bewegendes Teil einer Flugzeugturbine eingebettet ist,
wobei das Teil mit Geschwindigkeiten von 12 000 U/min oder
mehr rotieren kann. Für stationäre oder statische Teile der
Vorrichtung und solche, die geringen Spannungen ausgesetzt
sind, ist die Rißbildung und -Ausbreitung keine so große
Gefahr. Es besteht jedoch das Problem, daß es in einem mit
Keramik ausgekleideten System schwierig ist, zu bestimmen,
wann gerade ein Keramikteilchen sich von dem Behälter
abtrennen und in den Strom eintreten wird. Aus diesem und
anderen Gründen gibt es eine Forderung vieler Forscher und
Metallieferanten nach einem ultrasauberen Schmelzsystem,
und die entsprechenden Aktivitäten in diesem Bereiche haben
während der vergangenen Jahre zugenommen. Diese
Anstrengungen haben sich auf das drastische Vermindern oder
Beseitigen von Stellen aus Teilen gerichtet, von denen
Risse ausgehen, bei denen ein Keramikeinschluß während des
Schmelzzyklus stattfinden und zu einem Grußkörper oder
einem Spritzform-Zyklus übertragen werden kann.
Es ist bekannt, daß Keramikeinschlüsse eine Dichte haben,
die geringer ist, als die der Metallschmelze, in der sie
eingeschlossen sind. Aus diesem Grunde wird das Gießen
geschmolzenen Metalles von oben vermieden, da die Teilchen
wahrscheinlicher in einem Strom eingeschlossen sind, der
oben aus einem Tiegel gegossen wird, als in einem Strom,
der aus dem Boden des Tiegels austritt. Während die
Teilchen zu einer Ansammlung auf einer Schmelze neigen,
kann das Rühren, das den Strom der Schmelze oder die
Induktionsleistungszufuhr begleitet, verhindern, daß alle
Teilchen auf der Schmelze verbleiben. Auch können Teilchen,
die von einem gerissenen Tiegel oder Zement abgespalten
werden, der zur Befestigung der Düse am Tiegel benutzt
wird, in den Schmelzstrom gespült werden, während er aus
der Düse am Boden eines Tiegels austritt. Aus diesem Grunde
wurde in der vorliegenden Erfindung ein keramikfreies
Schmelzsystem entwickelt.
Die Duriron Company, Inc., Dayton, Ohio hat im "Journal of
Metals" im September 1986 einen Artikel von D.J.
Chronister, S.W. Scott, D.R. Stickle, D. Eylon und F.H.
Froes mit dem Titel "Induction Skull Melting of Titanium
and Other Reactive Alloys" veröffentlicht. In diesem
Artikel ist ein Induktionsschmelztiegel für reaktive
Legierungen beschrieben und diskutiert. In diesem Sinne
kann man sagen, daß von der Duriron Company ein
keramikfreies Schmelzsystem erhältlich ist. Die vorliegende
Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die
eine Alternative und eine Verbesserung gegenüber dem
Schmelzverfahren und der Schmelzvorrichtung der Duriron
Company darstellen.
Die gesteuerte Zerstäubung eines flüssigen Stromes von
Metall und seiner Abscheidung auf einem Substrat durch ein
Spritzform-Verfahren erfordert, daß der geschmolzene Strom
aus Metall durch eine Düse mit einer vorbestimmten festen
Bohrungsgröße strömt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schema
zu schaffen, durch das ein Metallstrom eines vorbestimmten
Durchmessers gebildet werden kann. Eine andere Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung
zum Regulieren der Strömung aus flüssigem Metall zu einer
Zerstäubungszone, um sicher zu sein, daß der Durchmesser
des Stromes innerhalb eines spezifischen Größenbereiches
liegt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
die Schaffung einer Vorrichtung, die es gestattet, daß die
Größe eines Stromes aus geschmolzenem Metall kontrolliert
wird.
Andere Aufgaben sind teilweise offensichtlich und ergeben
sich teilweise aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einem ihrer weiteren Aspekte werden die Aufgaben der
vorliegenden Erfindung gelöst durch Schaffen einer Quelle
flüssigen Metalles und durch Schaffen einer Einrichtung, um
das flüssige Metall in einem Strom einer Magnetdüse
zuzuführen, die auf den Strom einwirkt. Die Düse hat einen
Fluß hoher Dichte, der darin durch eine Anordnung
elektrischer Elemente eingerichtet wird. Das erste dieser
Elemente ist eine primäre Induktionsspule mit einer
Vielzahl spiralförmiger Windungen. Eine zweite
Induktionsspule hat eine einzelne Windung. Die zweite
Induktionsspule hat die Form zweier verbundener Hülsen. Die
erste der Hülsen hat sowohl eine größere Höhe als auch
einen größeren Durchmesser und umgibt die primäre
Induktionsspule, um den elektrischen Fluß aufzunehmen, der
von dort ausgeht. Die zweite der Hülsen dient als
Magnetdüse, hat eine geringere Höhe und einen kleineren
Durchmesser als die erste Hülse und befindet sich im
Abstand davon. Jede der Hülsen hat einen axial
ausgerichteten Schlitz in der Wandoberfläche, die der
anderen Hülse gegenüberliegt. Die Hülsen sind durch ein
Paar Seite an Seite parallel verlaufender Streifenleiter
verbunden, deren Höhe der der zweiten Hülse angenähert ist.
Die zweite Hülse, die als die Magnetdüse dient, hat eine
innere konische Oberfläche, die in einer Öffnung endet, die
etwas größer ist als der gewünschte Durchmesser des
hindurchtretenden Metallstromes. Wird in der Primärwindung
ein Fluß erzeugt, dann entwickelt sich ein Fluß hoher
Dichte längs der Achse der zweiten Hülse in dem Bereich, in
dem der Strom flüssigen Metalles hindurchtreten soll. Das
Ergebnis ist die Kontrolle der seitlichen Abmessungen des
Stromes innerhalb enger Toleranzen sowie das Anordnen des
Stromes im Zentrum der Öffnung der zweiten Hülse.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt,
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Seitenansicht, ebenfalls teilweise im Schnitt,
eines Teiles der in Fig. 1 veranschaulichten Vorrichtung
und
Fig. 3 eine Draufsicht der Vorrichtung der Fig. 2.
Eine der Hauptfunktionen von Vorrichtung und Verfahren
gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
kontinuierliche Zuführung relativ großer Mengen
geschmolzenen Metalles zu einer Spritzform-Vorrichtung zu
gestatten, so daß Gegenstände größerer Abmessungen durch
Spritzformen unter Anwendung der Spritzform-Technologie
hergestellt werden können. Bis zur vorliegenden Erfindung
waren die Abmessungen der durch Spritzformen erhaltenen
Gegenstände durch die Kapazität der Schmelzvorrichtung
begrenzt, in der das Schmelzen durch Erhitzen einer
Metallmenge in einem Keramikbehälter durch
Induktionserhitzen oder durch Erhitzen von Metall in einem
Gefäß erfolgte, wie in dem Artikel in dem "Journal of
Metals" ausgeführt, der oben genannt ist. Die vorliegende
Erfindung gestattet nun eine kontinuierliche Zuführung
eines Metalles, einschließlich eines reaktiven Metalles,
wie Titan oder Zirkonium, zu einer Spritzform-Vorrichtung,
bei der das Spritzformen den Strom des geschmolzenen
Metalles in eine Abscheidung einer Vorform auf einer
Aufnahmeoberfläche umwandeln kann. Unter Anwendung des
Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
ist es zum Beispiel möglich, eine Vorform auf einem Dorn
herzustellen, die sowohl hinsichtlich der Dicke als auch
der Länge ausgedehnt ist und eine große Menge an Metall in
der Abscheidung enthält, die die Mengen übersteigt, die
nach den Verfahren nach dem Stande der Technik leicht
erhältlich waren.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht
veranschaulicht. Die Hauptelemente, die Teil der
erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden, schließen eine
Primärwicklung 10 mit mehreren einzelnen spiralförmigen
Windungen 12 und eine Sekundärwicklung 14 mit einer relativ
einzigartigen Gestalt ein. Das Element 14 bildet in einem
Sinne eine Sekundärwicklung mit einer einzelnen Windung der
Primärwicklung 10 mit mehreren Windungen. Die eine einzelne
Windung aufweisende Sekundärwicklung 14 besteht aus zwei
Hülsen 16 und 18, die durch zwei leitende Streifen 20 und
22 miteinander verbunden sind. Die Hülse 16 ist die größere
der beiden Hülsen und umgibt im wesentlichen die Spule mit
den mehreren Windungen 12. Einige dieser Elemente sind in
ihrer Beziehung besser unter Bezugnahme auf die Fig. 2
und 3 erkennbar, in denen die gleichen Bezugszahlen auf die
gleichen Teile verweisen.
Wie sich den Fig. 2 und 3 entnehmen läßt, sitzt die
Spule 12 innerhalb des Zentrums der Hülse 16. Die Hülse 16
weist einen seitlichen Schlitz 30 auf, der sich über die
ganze Tiefe der Hülse erstreckt. Der Schlitz befindet sich
in der Seite der Hülse 16, die der Hülse 18 gegenüberliegt.
In ähnlicher Weise hat die Hülse 18 einen seitlichen
Schlitz 32, der sich durch die ganze Tiefe der Hülse 18 an
einem Teil erstreckt, der der Hülse 16 gegenüberliegt. Die
beiden Hülsen sind durch zwei parallele Streifen 20 und 22
elektrisch miteinander verbunden, die ihrerseits einen
Abstand voneinander haben, der der Breite der Schlitze 30
und 32 in den Hülsen 16 und 18 entspricht. Die Hülse 18 ist
auf ihrer inneren Oberfläche zu einem Trichter 34 mit einer
zentralen Öffnung ausgebildet. Zusätzlich ist eine Anzahl
von Schlitzen 36 in das untere Ende des Trichters
geschnitten, um eine etwa sternförmige Öffnung an dem
unteren Ende der Hülse 18 aus dem Trichter zu schaffen. Die
Schlitze 36 in der trichterförmigen Wand der Hülse 18 sind
so angeordnet, daß sie einen Fluß hoher Dichte im unteren
Abschnitt der Hülse 18 erzeugen.
Wird die Primärspule 12 erregt, dann werden Flußlinien in
der Spule 12 erzeugt und dies induziert hohe Ströme in der
Sekundärspule 16. Die hohen Ströme in der Sekundärspule 16
wiederum erzeugen einen Fluß hoher Dichte am Fluß-
Konzentrierungselement 18. Die Schlitze 36 sind so
ausgebildet, daß sie die Stärke des Flusses hoher Dichte
regulieren, um auf einen Strom flüssigen Metalles
einzuwirken, der durch die Hülse 18 nach unten strömt.
Die Einwirkung der konzentrierenden Hülse 18 auf den Fluß
hoher Dichte ist zweifacher Art.
Der erste Einfluß der Flußkonzentrierungs-Hülse 18 besteht
darin, daß sie hilft, ein kontinuierliches Volumen von
Metall zu schmelzen und als Schmelze aufrecht zu erhalten,
während die Strömungsrate des Metallstromes vergleichmäßigt
wird, so daß das geschmolzene Metall nicht in Form von
Segmenten oder Tröpfchen herabfällt. Der Strom wird
vielmehr als zusammenhängender kontinuierlicher Strom
aufrecht erhalten, der durch die Flußkonzentrierungs-Hülse
18 zentriert wird und aus dieser Hülse austritt und in die
darunter befindliche Zerstäubungszone dirigiert wird.
Die zweite Auswirkung der Flußkonzentrierungs-Hülse besteht
darin, den Strom flüssigen Metalles genau innerhalb der
Öffnung 40 der Hülse 18 zu konzentrieren. Anders
ausgedrückt erfolgt der erwünschte Fluß des flüssigen
Metallstromes durch die Achse der Hülse 18. Befindet sich
der Strom flüssigen Metalles nicht axial zu Hülse 18, dann
wirkt die Flußkonzentrierungs-Hülse auf den Strom ein, um
ihn abzulenken und genau durch das Zentrum der
Flußkonzentrierungs-Hülse 18 zu dirigieren.
Die Zerstäubung des Schmelzstromes ist in Fig. 1
dargestellt, in der zwei Gasdüsen 42 und 44 in einer
Position gezeigt sind, um den Schmelzstrom 46 in einen
divergierenden Konus 48 von Tröpfchen aus geschmolzenem
Metall aufzubrechen. Diese Tröpfchen erstarren rasch, wenn
sie in Kontakt mit einer Aufnahmeoberfläche kommen. Die
Aufnahmeoberfläche ist in Fig. 1 als ein Dorn 50
dargestellt, der gedreht und axial bewegt wird, um dem
herabsinkenden zerstäubten Metallstrom jeweils eine frische
Oberfläche zu bieten und eine durch Spritzformen gebildete
Abscheidung 52 fortschreitend auf der Oberfläche des Dornes
zu bilden, während dieser, wie durch den Pfeil dargestellt,
in der Zeichnung nach links bewegt wird. Es ist wichtig
festzustellen, daß wegen des großen Metallvolumens, das mit
der vorliegenden Erfindung geliefert werden kann, Vorformen
aus einer beträchtlichen Metallmasse oder einem
beträchtlichen Metallvolumen unter Anwendung von Verfahren
und Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gebildet werden
können. Die Vorformen selbst haben eine sehr reguläre Form
und eine ausgedehnte Länge in Anhängigkeit von der Zeit,
während der das Spritzformen ausgeführt wird.
Hinsichtlich der Metallzufuhr zum den Fluß konzentrierenden
Trichter in der Hülse 18 schließt das in Fig. 1
dargestellte Schema die Anwendung eines absteigenden
Schmelzstabes 54 ein, der durch einen Satz von Walzen 56,
die auf Achsen 58 montiert sind und durch eine nicht
dargestellte Antriebsquelle aktiviert wird, mit einer
vorbestimmten Rate nach unten bewegt wird. Während der Stab
14 aufgrund der Wirkung der Walzen 56 nach unten bewegt
wird, gelangt er durch eine Spule 60, der ein Fluß hoher
Energie und hoher Frequenz zugeführt wird, so daß der Stab
innerhalb der Spule erhitzt wird. Das Erhitzen erfolgt bis
unmittelbar unter den Schmelzpunkt, so daß der Stab 54 beim
Hindurchtreten durch den Trichter 34 der
Flußkonzentrierungs-Hülse 18 geschmolzen wird, während er
in die Öffnung 40 im Zentrum des Bodens der
Flußkonzentrierungs-Hülse 18 eintritt.
Alternativ kann eine Zufuhr flüssigen Metalles in einer
üblicheren Weise erfolgen, so daß das bei der
Flußkonzentrierungs-Hülse 18 ankommende Metall flüssig ist.
Die Flußkonzentrierungs-Hülse 18 sorgt auch hier für die
Regulierung der seitlichen Abmessungen und im wesentlichen
des Querschnittes des Schmelzstromes und reguliert auch die
Strömung der Schmelze durch die Flußkonzentrierung-Hülse
18. Eine solche übliche Form flüssigen Metalles kann
ähnlich der sein, wie sie in dem oben genannten Artikel
"Journal of Metals" beschrieben ist.
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Bilden eines kontinuierlichen Stromes
flüssiger Metallschmelze mit genau bestimmten seitlichen
Abmessungen, umfassend:
eine Quelle flüssigen Metalles,
eine Einrichtung, um das genannte Metall in einem Strom einer Magnetdüse zuzuleiten, die es der Düse gestattet, auf den Strom einzuwirken,
eine primäre Induktionsspule mit einer Vielzahl spiralförmiger Windungen,
eine sekundäre Induktionsspule mit einer einzigen Windung,
wobei diese sekundäre Induktionsspule die Form zweier miteinander verbundener Hülsen hat, von denen die erstere hinsichtlich Höhe und Durchmesser die größere ist und die primäre Induktionsspule umgibt, die zweite der Hülsen hinsichtlich der Höhe und des Durchmessers kleiner ist und einen Abstand von der ersten Hülse hat, jede der Hülsen einen axial ausgerichteten Schlitz in dem Teil der Wandoberfläche aufweist, der der anderen Hülse gegenüberliegt, die Hülsen durch ein Paar Seite an Seite parallel angeordneter streifenförmiger Leiter verbunden sind, deren Höhe der zweiten Hülse angenähert ist, die zweite Hülse eine innere konische Oberfläche aufweist, die in einer Öffnung endet, die etwas größer ist als der erwünschte Durchmesser des passierenden Metallstromes, wodurch ein Fluß hoher Dichte entlang der Achse der zweiten Hülse entwickelt wird, um die zweite Hülse als magnetischen Trichter wirken zu lassen, der die Abmessungen des hindurchströmenden flüssigen Metalles kontrolliert.
eine Quelle flüssigen Metalles,
eine Einrichtung, um das genannte Metall in einem Strom einer Magnetdüse zuzuleiten, die es der Düse gestattet, auf den Strom einzuwirken,
eine primäre Induktionsspule mit einer Vielzahl spiralförmiger Windungen,
eine sekundäre Induktionsspule mit einer einzigen Windung,
wobei diese sekundäre Induktionsspule die Form zweier miteinander verbundener Hülsen hat, von denen die erstere hinsichtlich Höhe und Durchmesser die größere ist und die primäre Induktionsspule umgibt, die zweite der Hülsen hinsichtlich der Höhe und des Durchmessers kleiner ist und einen Abstand von der ersten Hülse hat, jede der Hülsen einen axial ausgerichteten Schlitz in dem Teil der Wandoberfläche aufweist, der der anderen Hülse gegenüberliegt, die Hülsen durch ein Paar Seite an Seite parallel angeordneter streifenförmiger Leiter verbunden sind, deren Höhe der zweiten Hülse angenähert ist, die zweite Hülse eine innere konische Oberfläche aufweist, die in einer Öffnung endet, die etwas größer ist als der erwünschte Durchmesser des passierenden Metallstromes, wodurch ein Fluß hoher Dichte entlang der Achse der zweiten Hülse entwickelt wird, um die zweite Hülse als magnetischen Trichter wirken zu lassen, der die Abmessungen des hindurchströmenden flüssigen Metalles kontrolliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden Hülsen
parallel zueinander liegen und seitlich voneinander
beabstandet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vielzahl der
Windungen ausgewählt ist, um das Anpassen der Impedanzen
der Primärspule und der Sekundärspule zu optimieren.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die innere konische
Oberfläche der zweiten Hülse mit axialen Schlitzen versehen
ist, um den magnetischen Fluß darin zu konzentrieren.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden Hülsen
sich Seite an Seite in einer parallelen Beziehung
zueinander befinden und die Verbindung dazwischen eine
seitliche Verbindung ist.
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