Diese Erfindung betrifft ein Schwebeschmelzverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern mit beweglichen Induktionseinheiten. Bei dem Verfahren werden Induktionseinhei ten eingesetzt, bei denen die jeweils gegenüberliegenden Ferritpole mit den Induktionsspulen beweglich ausgestaltet sind und sich gegenläufig bewegen. So können die Induktionseinheiten zum Aufschmelzen der Chargen eng beieinander angeordnet werden, um eine Effizienzsteige rung des induzierten Magnetfelds zu erzielen. Beim Abgießen der geschmolzenen Charge wird die Verringerung des induzierten Magnetfelds durch eine Vergrößerung des Abstands der Fer ritpole mit den Induktionsspulen vorgenommen und so ein Berühren der Schmelze mit den Fer ritpolen oder den Induktionsspulen vermieden.

Stand der Technik

Schwebeschmelzverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart bereits DE 422 004 A ein Schmelzverfahren, bei dem das leitfähige Schmelzgut durch induktive Ströme erhitzt und gleichzeitig durch elektrodynamische Wirkung frei schwebend erhalten wird. Dort wird auch ein Gießverfahren beschrieben, bei dem das geschmolzene Gut vermittelt durch ei nen Magneten in eine Form gedrückt wird (elektrodynamischer Pressguss). Das Verfahren kann im Vakuum durchgeführt werden.

US 2,686,864 A beschreibt ebenfalls ein Verfahren, bei dem ein leitfähiges Schmelzgut z. B. in einem Vakuum unter dem Einfluss von einer oder mehreren Spulen ohne die Verwendung ei nes Tiegels in einen Schwebezustand versetzt wird. In einer Ausführungsform werden zwei ko axiale Spulen verwendet, um das Material in der Schwebe zu stabilisieren. Nach erfolgter Schmelze wird das Material in eine Form fallen gelassen bzw. abgegossen. Mit dem dort be schriebenen Verfahren ließ sich eine 60 g schwere Aluminiumportion in der Schwebe halten.

Die Entnahme des geschmolzenen Metalls erfolgt durch Reduktion der Feldstärke, so dass die Schmelze nach unten durch die konisch zulaufende Spule entweicht. Wird die Feldstärke sehr schnell reduziert, fällt das Metall in geschmolzenem Zustand aus der Vorrichtung. Es wurde bereits erkannt, dass der„weak spot“ solcher Spulenanordnungen in der Mitte der Spulen liegt, so dass die Menge an Material, die so geschmolzen werden kann, begrenzt ist.

Auch US 4,578,552 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schwebeschmelzen.

Es wird dieselbe Spule sowohl zum Heizen als auch zum Halten der Schmelze verwendet, da bei wird die Frequenz des angelegten Wechselstroms zur Regelung der Heizleistung variiert, während die Stromstärke konstant gehalten wird. 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. Ebenso wird die Reaktion einer reaktiven Schmelze, beispielsweise von Titanlegierungen, mit dem Tiegelmaterial ausgeschlossen, die sonst zum Ausweichen von Keramiktiegeln auf im Kalttiegelverfahren betriebene Kupfertiegel zwingt. 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 auch auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden. Im Gegensatz zum Kalttiegelschmelzen besteht dabei zu dem nicht das Problem, dass dessen Effektivität sehr gering ist, weil nahezu die gesamte Ener gie, die in die Schmelze eingebracht wird, in die gekühlte Tiegelwand abgeleitet wird, was zu einem sehr langsamen Temperaturanstieg bei großem Leistungseintrag führt. Beim Schwebe schmelzen sind die einzigen Verluste durch die Strahlung und das Verdampfen, welche im Ver gleich zur thermischen Leitung beim Kalttiegel erheblich geringer sind. Somit wird bei geringe rem Leistungseintrag eine größere Überhitzung der Schmelze in auch noch kürzerer Zeit er reicht.

Darüber hinaus wird, insbesondere im Vergleich zur Schmelze im Kalttiegel, der Ausschuss an kontaminiertem Material beim Schwebeschmelzen verringert. Dennoch hat sich das Schwebe schmelzen in der Praxis nicht durchgesetzt. Der Grund dafür ist, dass beim Schwebeschmelz verfahren nur eine verhältnismäßig kleine Menge an geschmolzenem Material in der Schwebe gehalten werden kann (vgl. DE 696 17 103 T2, Seite 2, Absatz 1 ).

Ferner muss zur Durchführung eines Schwebeschmelzverfahrens die Lorentz Kraft des Spulen felds die Gewichtskraft der Charge kompensieren, um diese in der Schwebe halten zu können. Sie drückt die Charge dabei nach oben aus dem Spulenfeld heraus. Zur Erhöhung der Effizienz des erzeugten Magnetfelds wird eine Verringerung des Abstands der entgegengesetzten Ferrit pole angestrebt. Die Abstandsverringerung erlaubt es, mit geringerer Spannung dasselbe Mag netfeld zu generieren, das zum Halten eines bestimmten Schmelzegewichts benötigt wird. Auf diese Weise kann die Halteeffizienz der Anlage verbessert werden, um so eine größere Charge levitieren lassen zu können. Ferner wird auch die Heizeffizienz erhöht, da die Verluste in den Induktionsspulen reduziert werden.

Je geringer der Abstand der Ferritpole wird, desto größer ist das induzierte Magnetfeld. Aller dings steigt mit sinkendem Abstand auch die Gefahr der Verunreinigung der Ferritpole und der Induktionsspulen mit der Schmelze, da die Feldstärke für den Abguss reduziert werden muss. Hierbei verringert sich jedoch nicht nur die Haltekraft in vertikaler Richtung, sondern auch die in horizontaler Richtung. Dadurch kommt es zu einer horizontalen Ausdehnung der leicht oberhalb des Spulenfelds levitierenden Schmelze, was es extrem schwierig macht, diese ohne Berüh rung durch den engen Spalt zwischen den Ferritpolen hindurch in die darunter positionierte Gussform fallen zu lassen. Daher ist der Erhöhung der Tragkraft des Spulenfelds durch Verrin gern des Abstands der Ferritpole eine praktische Grenze gesetzt, die durch die Kontaktwahr scheinlichkeit bestimmt wird.

Die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren lassen sich wie folgt zu sammenfassen. 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. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Effizi enz des Spulenfelds bei der Erzeugung von Wirbelströmen durch eine Verringerung des Ab stands der Ferritpole erhöht werden soll.

Aufgabe

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, die einen wirtschaftlichen Einsatz des Schwebeschmelzens ermöglichen. Insbeson dere sollte das Verfahren durch eine verbesserte Effizienz des Spulenfelds den Einsatz größe rer Chargen erlauben und einen hohen Durchsatz durch verkürzte Zykluszeiten ermöglichen, wobei gewährleistet bleibt, dass der Abgussvorgang weiterhin sicher ohne Kontakt der Schmel ze zu den Spulen oder deren Polen erfolgt.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrich tung gelöst. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus einem elektrisch leitfähigen Material im Schwebeschmelzverfahren, wobei zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge elektromagnetische Wechselfelder eingesetzt werden, die mit wenigstens einem Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material erzeugt werden, wobei die Induktionsspulen mit ihren Kernen in jedem Paar beweglich zueinander angeordnet sind und sich zwischen einer Schmelzposition mit geringem Abstand und einer Abgussposition mit weitem Abstand bewegen, umfassend die folgenden Schritte:

Versetzen der Induktionsspulenpaare in die Schmelzposition mit geringem Abstand, - Einbringen einer Charge eines Ausgangsmaterials in den Einflussbereich wenigstens ei nes elektromagnetischen Wechselfelds, so dass die Charge in einem Schwebezustand gehalten wird,

- Schmelzen der Charge,

- Positionieren einer Gussform in einem Füllbereich unterhalb der schwebenden Charge,

- Abguss der gesamten Charge in die Gussform durch Bewegen der Induktionsspulen in mindestens einem Paar von der Schmelzposition mit geringem Abstand in die Abguss position mit weitem Abstand,

- Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform.

Das Volumen der geschmolzenen Charge ist dabei vorzugsweise ausreichend, um die Guss form in einem für die Herstellung eines Gusskörpers ausreichenden Maße zu füllen („Füllvolu men“). Nach dem Befüllen der Gussform wird diese abkühlen gelassen oder mit Kühlmittel ab gekühlt, so dass das Material in der Form erstarrt. Danach kann der Gusskörper aus der Form entnommen werden.

Unter einem„leitfähigen Material“ wird erfindungsgemäß ein Material verstanden, das eine ge eignete Leitfähigkeit aufweist, um das Material induktiv zu erhitzen und in der Schwebe zu hal ten.

Unter einem„Schwebezustand“ wird erfindungsgemäß ein Zustand des vollständigen Schwe- bens verstanden, so dass die behandelte Charge keinerlei Kontakt zu einem Tiegel oder einer Plattform oder dergleichen hat.

Die Bezeichnung "Ferritpol" wird im Rahmen dieser Anmeldung synonym mit dem Begriff "Kern aus einem ferromagnetischen Material" verwendet. Ebenso werden die Begriffe "Spule" und "Induktionsspule" gleichbedeutend nebeneinander gebraucht.

Durch ein Zusammenrücken der Induktionsspulenpaare kann die Effizienz des erzeugten elekt romagnetischen Wechselfelds erhöht werden. Dadurch gelingt es, auch schwerere Chargen zum Levitieren zu bringen. Allerdings steigt beim Abguss einer Charge die Gefahr des Berüh- rens der geschmolzenen Charge mit den Spulen oder Ferritpolen mit sinkendem freien Quer schnitt zwischen den Spulen. Solche Verunreinigungen sind aber strikt zu vermeiden, da sie nur schwer und aufwendig wieder zu beseitigen sind und daher einen längeren Ausfall der Anlage zur Folge haben. Um die Vorteile des engeren Abstands der Induktionsspulenpaare so weit wie möglich ausnutzen zu können, ohne die Gefahr der Verunreinigungen beim Abguss in Kauf nehmen zu müssen, sind die Induktionsspulen mit ihren Kernen erfindungsgemäß zumindest in einem Paar jeweils beweglich gelagert. Vorzugsweise bewegen sich die Spulen eines Paars gegenläufig zentrosymmetrisch um den Mittelpunkt der Induktionsspulenanordnung.

Zum Schmelzen der Charge werden die Spulen in die Schmelzposition zusammengeschoben. Ist die Charge geschmolzen und soll in die Gussform abgegossen werden, werden die Spulen nicht, wie im Stand der Technik üblich, einfach abgeschaltet oder die Stromstärke herunterge regelt, sondern erfindungsgemäß nach außen in eine Abgussposition verschoben. Dadurch erhöht sich der Abstand der Spulen zueinander, was einerseits einen größeren freien Durch messer für die Schmelze auf ihrem Weg in die Gussform schafft und andererseits die Tragkraft des induzierten Magnetfeldes kontinuierlich und kontrolliert verringert. Auf diese Weise wird die Schmelze beim Durchtritt durch die Spulenebene sicher von den Induktionsspulen und ihren Kernen entfernt gehalten und geht erst langsam in den Fall über, weil das Feld zwar im Zentrum bereits abgeschwächt wird, an den Spulen aber noch stark genug ist, um den Kontakt zu ver hindern. Somit wird sowohl die Verunreinigung der Spulen verhindert als auch ein sauberer Ab guss in die Gussform ohne Verspritzen erzielt.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird beim Abguss der Charge gleichzeitig mit dem Bewegen der Induktionsspulen in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition in die Abgussposition die Stromstärke in diesen Induktionsspulen reduziert. Dadurch lässt sich eine Verringerung des benötigten Verschiebewegs der Induktionsspulen realisieren, da das induzierte Magnetfeld nicht mehr nur durch die größere Entfernung der indu zierenden Spulen reduziert wird. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die Reduktion der Stromstärke so mit dem Verschieben der Spulen koordiniert wird, dass die Feldstärke stets aus reichend hoch ist, um die Schmelze von den Spulen entfernt halten zu können.

In einer Ausführungsform wird der Abstand der Induktionsspulen in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition zur Abgussposition um 5 - 100 mm, vorzugsweise 10 - 50 mm, ver größert. Hierbei ist bei der Festlegung des Verschiebewegs jeweils zu berücksichtigen, für wel che Chargengewichte die Anlage ausgelegt werden soll und wie groß der minimale Abstand der Spulen sowie die mit diesen erzeugbare Feldstärke ist.

Das erfindungsgemäß eingesetzte elektrisch leitfähige Material weist in einer bevorzugten Aus führungsform 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 wer den. 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 her steilen, 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 machen sich die erzielte verbesserte Ausnutzung des induzierten Wirbelstroms und die exorbitante Reduktion der Wärmeverluste durch thermischen Kontakt bei den Zykluszeiten erheblich bemerkbar. Ferner kann die Tragkraft des erzeugten Magnetfelds erhöht werden, so- dass auch schwerere Chargen in der Schwebe gehalten werden können.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das leitfähige Material beim Schmel zen 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 Schmelztempera tur 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 Schwebeschmel- zens, dass kein Tiegel verwendet werden muss, der im Kontakt mit der Schmelze ist. So wird der hohe Materialverlust des Kalttiegelverfahrens an der Tiegelwand 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 Re aktion mit der Gussform zu befürchten ist. Daher ist die Überhitzung vorzugsweise auf höchs tens 300 °C, insbesondere höchstens 200 °C und besonders bevorzugt höchstens 100 °C über den Schmelzpunkt des leitfähigen Materials begrenzt.

Bei dem Verfahren wird zur Konzentration des Magnetfeldes und Stabilisierung der Charge we nigstens ein ferromagnetisches Element horizontal um den Bereich angeordnet, in dem die Charge geschmolzen wird. Das ferromagnetische Element kann ringförmig um den Schmelzbe reich angeordnet sein, wobei unter„ringförmig“ nicht nur kreisrunde Elemente, sondern auch eckige, insbesondere vier- oder mehreckige Ringelemente verstanden werden. Damit die erfin dungsgemäße Bewegung der Induktionsspulen möglich wird, sind die Ringelemente entspre chend der Spulenanzahl in Teilsegmente unterteilt, zwischen denen sich die jeweiligen Indukti onsspulen mit ihren Polen formschlüssig bewegen. Das ferromagnetische Element kann ferner mehrere Stababschnitte aufweisen, die insbesondere horizontal in Richtung des Schmelzberei ches ragen. Das ferromagnetische Element besteht aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise mit einer Amplitudenpermeabilität m ₃ > 10, mehr bevorzugt m ₃ > 50 und besonders bevorzugt m ₃ > 100. Die Amplitudenpermeabilität bezieht sich insbesondere auf die Permeabili tät in einem Temperaturbereich zwischen 25 °C und 150 °C und bei einer magnetischen Fluss dichte zwischen 0 und 500 mT. Die Amplitudenpermeabilität beträgt insbesondere wenigstens ein Hundertstel, insbesondere wenigstens 10 Hundertstel oder 25 Hundertstel der Amplituden permeabilität von weichmagnetischem Ferrit (z.B. 3C92). Dem Fachmann sind geeignete Mate rialien bekannt.

Erfindungsgemäß ist ferner auch eine Vorrichtung zum Schwebeschmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials, umfassend wenigstens ein Paar von gegenüberliegenden Induktionsspu len mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material zur Herbeiführung des Schwebezu standes einer Charge mittels elektromagnetischer Wechselfelder, wobei die Induktionsspulen mit ihren Kernen in jedem Paar beweglich zueinander angeordnet sind und sich zwischen einer Schmelzposition mit geringem Abstand und einer Abgussposition mit weitem Abstand bewegen.

Kurzbeschreibunq der Figuren

Figur 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Gussform unterhalb eines Schmelzbereiches mit ferromagnetischem Material, Spulen und einer Charge leitfähigen Materials.

Figur 2 ist eine Draufsicht auf eine Anordnung mit zwei Spulenpaaren und einem ferromagneti schen ringförmigen Element.

Fiqurenbeschreibunq

Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen. Sie dienen allein der Veranschaulichung.

Figur 1 zeigt eine Charge (1 ) aus leitfähigem Material, die sich im Einflussbereich von elektro magnetischen Wechselfeldern befindet (Schmelzbereich), die mit Hilfe der Spulen (3) erzeugt werden. Unterhalb der Charge (1 ) befindet sich eine leere Gussform (2), die von einem Halter

(5) im Füllbereich gehalten wird. Die Gussform (2) weist einen trichterförmigen Einfüllabschnitt

(6) auf. Der Halter (5) ist geeignet, die Gussform (2) von einer Zuführposition in eine Abgusspo- sition zu heben, was durch den eingezeichneten Pfeil symbolisiert wird. Im Kern der Spulen (3) ist ein ferromagnetisches Material (4) angeordnet. Die Achsen des Spulenpaars (3) sind hori zontal ausgerichtet, wobei je zwei gegenüberliegende Spulen (3) ein Paar bilden. Dargestellt ist in der Zeichnung die Schmelzposition der Spulenanordnung mit geringem Abstand.

Die Charge (1 ) wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren schwebend geschmolzen und nach erfolgter Schmelze in die Gussform (2) abgegossen. Zum Abguss werden die Spulen (3), wie durch den eingezeichneten Pfeil symbolisiert, so lange nach außen voneinander entfernt, bis die Lorentzkraft des Feldes die Gewichtskraft der Charge (1 ) nicht mehr kompensieren kann.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung mit zwei Spulenpaaren und einem ferromag netischen ringförmigen Element (7). Das ringförmige Element (7) ist dabei als achteckiges Rin gelement ausgestaltet. Jeweils zwei auf einer Achse A, B liegende Spulen (3) mit ihrem ferro magnetischen Material (4) bilden ein Spulenpaar. Die Spulenachsen A, B sind rechtwinklig zu einander angeordnet. In der Abbildung ist die Schmelzposition der Spulenanordnung mit engen Abständen zwischen den Spulen (3) gezeigt. Die formschlüssig in dem ringförmigen Element (7) sitzenden ferromagnetischen Materialien (4) bewegen sich dann mitsamt ihren Spulen (3), wie durch die Doppelpfeile angedeutet, zum Abguss der levitierenden Schmelze nach außen.

Bezugszeichenliste

1 Charge

2 Gussform

3 Induktionsspule

4 ferromagnetisches Material

5 Halter

6 Einfüllabschnitt

7 ringförmiges Element