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Verfahren zur Herstellung von Ingots aus hochschmelzenden Metallen
Die Herstellung von Formkörpern aus hochschmelzenden Metallen, wie Molybdän, Wolfram,
Tantal, Niob, Zirkon oder deren Legierungen, erfolgte bisher hauptsächlich auf pulvermetallurgischem
Wege, weil in diesem Falle die hohe Schmelztemperatur dieser Metalle nicht erreicht
werden muß. Abgesehen davon, daß pulvermetallurgische Verfahren ziemlich kostspielig
sind, gelingt es mit ihrer Hilfe, nur verhältnismäßig kleine Formkörper herzustellen.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man auch schon daran gedacht,
Ingots aus hochschmelzenden Metallen durch Niederschmelzen des hochschmelzenden
Metalls im Vakuumlichtbogen zu erzeugen. Beim 'Schmelzen von Molybdän im Vakuumlichtbogen
ist man bisher so vorgegangen, daß man entweder einzeln aus Metallpulver gepreßte
und gesinterte Stäbe in der Schmelzapparatur zum Einsatz gebracht hat oder aber,
daff man das Metallpulver im Vakuum der Schmelzapparatur in Form von Pillen verpreßt
und die aneinandergereihten Pillen durch direkten Stromdurchgang zu einem Stab zusammengesintert
hat. In beiden Fällen hat es sich jedoch als notwendig erwiesen, dem Metallpulver
etwas Kohlenstoff beizumengen, damit eine einwandfreie Desoxydation des Metalls
beim Schmelzen gewährleistet wird. Es hat sich nämlich gezeigt, daß schon ein Gehalt
von einigen Hundertstel Prozent Sauerstoff genügt, um das Molybdän nach dem Schmelzen
äußerst spröde und für die weitere Verarbeitung unbrauchbar zu machen. Die Beimengung
von Kohlenstoff hat aber wieder den Nachteil, daß
es zur Bildung
von Molybdänkarbid kommt, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Molybdäns ebenfalls
verschlechtert werden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ingots aus
hochschmelzenden Metallen durch Schmelzen im Vakuumlichtbogen und besteht darin,
daß durch Strangpressen von Metallpulver mit organischen Zusätzen hergestellte und
in Wasserstoffatmosphäre gesinterte Stäbe in der Schmelzapparatur zum Einsatz kommen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es einerseits, eine wirtschaftliche
Fertigung der in der Schmelzapparatur zum Einsatz kommenden Stäbe durchzuführen,
anderseits werden durch das Sintern in Wasserstoff die Stäbe aus hochschmelzendem
Metall gründlich desoxydiert. Das beim Sintern sich zersetzende organische Bindemittel
läßt etwas Kohlenstoff in fein verteilter Form zurück, der noch eine weitere reduzierende
Wirkung beim Schmelzen im Lichtbogen zur Folge hat. In dieser fein verteilten Form
übt der Kohlenstoff kaum eine störende Wirkung durch Bildung von Karbiden aus.
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Als organisches Bindemittel ist beispielsweise stärkehaltiger Leim
geeignet, der in einer Menge von i bis 3 % den hochschmelzenden Pulvern beigemischt
werden kann. Die gut vermischte Masse wird in eine Strangpresse gelegt und durchgepreßt,
um einen endlosen Strang. von einem Querschnitt zu bilden, der von demjenigen des
Mundstückes bestimmt wird, durch welches die plastische Masse hindurchgepreßt wird.
Eine gewünschte Länge jenes Stranges wird abgeschnitten und gesintert. Während der
Vorsinterung wird das Bindemittel entfernt und der Strangteil schließlich hierauf
zu einem Stab von gewünschter Dichte von ungefähr 8o bis 9o % gesintert. Der Strang
kann senkrecht nach abwärts oder waagerecht auf einem bandartigen Förderer ausgepreßt
werden, der den Strang ununterbrochen dem Vorsinterungsofen zuführt. Der den Vorsinterungsofen
verlassende Strang kann die gewünschte Länge der Zuführung haben, oder es wird diese
Länge abgeschnitten und in den Ofen zum Endsintern eingebracht. Es ist auch möglich,
den Strang oder einen Teil desselben im gleichen Ofen von entsprechender Länge vor-
und fertigzusintern. Falls die Länge des vom endgesinterten Strang gebildeten Stabes
ungenügend ist, können zwei oder mehrere solcher Stäbe in Reihe verbunden werden,
wie dies vorher bei einzeln hergestellten Stäben gezeigt wurde. Der Querschnitt
des Stranges kann jede gewünschte Form haben, wie eine viereckige, rechteckige,
ovale oder runde. Seine Fläche kann derjenigen einer einzelnen Stabsaule entsprechen,
wie in Fig. 2 dargestellt, oder derjenigen einer Mehrfachsäule, wie in Fig. 3 gezeigt.
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Bei dem beschriebenen Strangpreßverfahren werden feine Metallpulver
mit Teilchengrößen bis zu einem Bruchteil eines Mikrons bevorzugt. Als Sinteratmosphäre
wird trockener oder feuchter Wasserstoff verwendet. Beim Sintern der gepreßten Stränge
wird zweckmäßig die Temperatur im Sinterofen langsam und allmählich auf die Endsintertemperatur
von 145o bis i6ool C erhöht, um dem
| Bindemittel eine vollständige Verdampfung und |
| dem Strang ein entsprechendes Zusammenschrump- |
| fen zu ermöglichen, damit ein endgesinterter Stab |
| von gewünschter Länge und gewünschtem Quer- |
| schnitt gebildet wird. Fig. i zeigt schematisch eine |
| bekannte Einrichtung, die zum Niederschmelzen |
| von Molybdän im Vakuumlichtbogen geeignet ist |
| und die auch zur Ausübung des erfindungsgemäßen |
| Verfahrens herangezogen werden kann. Die Fig. 2 |
| und 3 zeigen stabföriniges Material, das in der An- |
| ordnung gemäß Fig. i zum Einsatz kommt. Einzelne |
| stranggepreßte Stäbe können, wie Fig. 2 zeigt, in |
| beliebiger Anzahl, z. B. durch Schweißen, vereinigt |
| werden. Es ist auch möglich, eine Anzahl von |
| Stäben miteinander zu bündeln, um den Querschnitt |
| des zum Einsatz kommenden Stabes aus gesintertem |
| hitzebeständigem Material zu vergrößern, wie in |
| Fig.3 dargestellt. Die Vereinigung der einzelnen |
| Stäbe 'zu einer Mehrfachsäule kann gleichfalls |
| durch Schweißen vorgenommen werden. |
| Die Einrichtung zum Schmelzen einzeln gesinter- |
| ter Stäbe oder Bündel bzw. Stapel von Stäben ge- |
| mäß Fig. i umfaßt eine Grundplatte i9 aus Stahl, |
| Gußeisen o. dgl., auf die ein Schmelztiegel 2o mit |
| einer Zwischenisolation 21 aus gepreßtem Asbest, |
| einer hitzebeständigen Keramik o. dgl. gestellt wird. |
| Der Schmelztiegel 2o besteht zum Beispiel aus einem |
| hohlen Behälter 21 aus Kupfer, durch dessen Hohl= |
| raum 22 eine Kühlflüssigkeit, wie Wasser, ununter- |
| brochen hindurchgeleitet wird, die beispielsweise |
| durch das Rohr 23 eintritt und durch das Rohr 24 |
| austritt. Beide Rohre oder wenigstens die damit |
| verbundenen Hohlkegel 69, 73 bestehen aus einem |
| festen Isoliermaterial. Die aufrecht stehende Innen- |
| wand des so abgekühlten Schmelztiegels oder Be- |
| hälters ist vorzugsweise nach unten leicht verjüngt, |
| um die Entnahme des abgekühlten und erstarrten |
| Materials zu erleichtern. |
| Die Stäbe 25 aus einem getrennt gesinterten hitze- |
| beständigen ,Metall von gewünschtem Querschnitt |
| und gewünschter Länge werden nach abwärts oder |
| aufwärts in Richtung des Doppelpfeiles 26 mittels |
| Führungsrollen gefördert, von denen ein Paar 27, 28 |
| dargestellt ist. Die Achse 29 der Führungsrolle 27 |
| wird in einem Lager 88 festgehalten, das in einem |
| auf der Grundplatte i9 befestigten Arm 86 gleitend |
| eingebaut ist; das Lager wird von der Feder 85 |
| gegen den Stab 25 gepreßt. Die Welle 30 der Füh- |
| rungsrolle 28 ist in einem anderen Arm von üblicher, |
| nicht dargestellter Form drehbar'gelagert. Die Füh- |
| rungsrollen 27, 28 bestehen entweder aus einem |
| Isoliermaterial, oder sie sind mit einem Umfangs- |
| belag aus Isoliermaterial versehen, das mit dem |
| Stab 25 in Berührung kommt. Die Führungsrolle 28 |
| wird von einem Schneckenantrieb 31, 32 betrieben, |
| wobei das Schneckenrad auf die Welle 30 und die |
| Schnecke 32 auf die aufrecht stehende `Felle 33 auf- |
| gekeilt wird, welche luftdicht durch ein Lager in |
| der Grundplatte i9 hindurchgeführt wird und auf |
| der Außenseite mit einem Handrad 34 zum Drehen |
| der Welle 33 und damit der Welle 30 und der Rolle |
| 28 versehen ist; anstatt eines Handrades kann ein |
| verstell- und umstellbarer elektrischer DMotorantriel) |
vorgesehen werden. Die Drehung der Welle
30 wird an die
Achse 29 mittels der Eingriffgetriebe 36, 37 weitergegeben, die an der Welle 3o
bzw. der Achse 29 angebracht sind.
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Hohlelektroden 38, 39, z. B. aus Kupfer, sind an gegeniiberliegenden
Seiten des Stabes 25 angeordtiet und so geformt, daß sie den Stab 25 auf einer möglichst
großen Fläche berühren. Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, wird der Elektrode 38 durch
ein steifes Rohr 4o aus Isoliermaterial zugeführt und von der Elektrode 38 zur Elektrode
39 durch die biegsamen Rohre 41, 42 aus leitfähigem Material, z. B. Kupferwellblech,
geführt und verläßt die Elektrode 39 durch ein starres Rohr 43 aus Isoliermaterial.
Elektrischer Strom wird der Elektrode 39 und durch die leitfähigen Rohre 41, 42
der Elektrode 38 durch den Anschluß 44 zugeführt, welcher mit der Elektrode 39 und
überdies durch einen isolierten Leiter 45 mit dem Leitbolzen 46 verbunden ist, welcher
in einer Isoliermuffe 47 eingebettet ist. Die Unterlagscheiben 48, 49 aus Isoliermaterial
sind zwischen den Muttern an beiden Enden des Bolzens 46 und der Grundl)latte i9
eingelegt. Das untere Ende des Bolzens 46 ist durch einen Isolierleiter 5o mit dem
Anschluß 51 verbunden.
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Ein Kontakt 52 ist auf die Isolation 21 aufgebracht und durch den
angeschweißten Bolzen 53 mit dem isolierten Leiter 54 verbunden, der zu dem anderen
Anschluß 55 führt. Der Bolzen 53 ist von der Isoliermuffe 56 umgeben, und eine Unterlagscheibe
57 aus Isoliermaterial trennt die Muttern am unteren Ende des Bolzens 53 von der
Grundplatte i9.
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Ein luftdichtes Gehäuse 58 begrenzt einen Raum 82 um die bisher beschriebene
Vorrichtung herum. Es kann aus Isoliermaterial bestehen und eine Glocke, wie dargestellt,
bilden, oder aus einem Metall-(Eisen-)Rohr von genügender Länge hergestellt sein,
an «-elches eine Deckplatte aus Metall (Eisen) luftdicht angeschweißt oder angeschraubt
ist. Der Flansch 59 am unteren Ende des Gehäuses 58 liegt auf einer federnden, luftdichten
und isolierenden Dichtung6o auf, welche in einer kreisrunden Aushöhlung in der Grundplatte
i9 gelagert ist und an diese luftdicht durch eine geeignete Anzahl von Klammern
61 und Schrauben 62 angeklemmt ist.
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Das Rohr 63 ist luftdicht durch die Grundplatte i9 hindurchgeführt
und mit zwei Abflußöffnungen 64, 65 mit nach abwärts sich verjüngenden Löchern 66,
67 versehen, in welche kegelförmige Hohlenden 68, 69 der Rohre 40 bzw. 23 eng einpassen,
um eine dichte Verbindung zu bilden. Ein anderes Rohr 70 ist luftdicht durch die
Grundplatte i9 hindurchgeführt und mit den Einlaßöffnungen 71, 72 versehen, welche
ähnlich den Abflußöffnungen 64, 65 geformt sind und in deren nach abwärts sich verjüngende
Löcher die Hohlkegel 73, 74 am Ende der Rohre 24 bzw. 43 dicht einpassen. Eine Kühlflüssigkeit,
wie Wasser, wird dem Rohr 63 durch einen Halin 75 in Richtung des Pfeiles 76 zugeführt,
zweigt durch die Abflußöffnungen 64, 65 zu den Elektroden 38, 39 sowie zu dem hohlen
Kühlraum 22 des Schmelztiegels 2o ab und gelangt durch die Rohre 43, 24, die Hohlkegel
73, 74 sowie die Einlaßöffnungen 71, 72 in das Rohr 70, aus welchem es durch
einen anderen Hahn 77 in Richtung des Pfeiles 78 abfließt. Natürlich kann das Kühlmittel
durch das beschriebene System auch in umgekehrter Richtung durchgeleitet werden.
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Wechselstrom wird von jedweder geeigneten Quelle (nicht dargestellt)
mittels eines verstellbaren Transformators 87 zu einem Doppelschalter 79 geführt,
um die Anschlüsse 51, 55 und dadurch den Schmelztiegel 20 und die Elektroden 38,
39 an jene Stromquelle ein- bzw. von ihr abzuschalten.
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Ein Rohr 8o ist luftdicht durch ein. Loch in der Grundplatte i9 hindurchgeführt
und mit der Vakuumpumpe 81 verbunden.
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Im Betrieb wird der Schmelztiege12o auf die Isolation 21 aufgebracht
und der Kontakt 52 in die genannte Isolation gelegt, wobei der Hohlraum 22 des Tiegels
durch die Hohlkegel 69, 73 mit den Rohrleitungen 63, 70 für die Kühlflüssigkeit
verbunden wird. Ein Stab aus getrennt gesintertem hitzebeständigem Material 25 wird
zwischen die Führungsrollen 27,28 gelegt und gleitet zwischen diesen sowie
in Berührung mit den Elektroden 38, 39, welche vorher in die gezeigteLage gebrachtwurden,
nach abwärts, um den Boden 35 des Schmelztiegels 20 zu berühren. Das Gehäuse 58
wird sodann auf seinen Platz gestellt und luftdicht an die Grundplatte i9 angeklemmt.
Die Kühlflüssigkeit wird hierauf eingelassen, um durch den. Hohlraum 22 des Schmelztiegels
20 und der Elektroden 38, 39 zu kreisen, und zwar durch sachgemäßes öffnen bzw.
Verstellen der Hähne 75, 77. Anschließend wird die Luft aus dem Raum 82 ausgepumpt,
bis ein Vakuum von io-3 bis io-5 mm Quecksilbersäule erzeugt ist. Falls notwendig,
kann ein neutrales Gas, wie Iielium, Neon oder Argon, in den evakuierten Raum eingelassen
werden. Nun wird der Schalter 79 geschlossen und Wechselstrom durch den Stromkreis
geführt, welcher die Elektroden 38, 39, den Teil des Stabes 25 zwischen den Elektroden
und den Boden 35 des Schmelztiegels, die Außenwand 83 des Schmelztiegels und die
Kontaktplatte 52 umfaßt. Sofort wird das Handrad 34 gedreht, um langsam den Stab
25 zu heben, wobei ein elektrischer Lichtbogen zwischen dem unteren Ende des Stabes
25 und der Bodenwand 35 des Schmelztiegels entsteht. Die.Stromstärke reguliert man
.beispielsweise durch Verstellen der Sekundärwicklung des Transformators 87, so
daß ein Strom von ungefähr 4ooo bis 6oooAmp. durch den Lichtbogen geführt wird,
falls ein Molybdänstab mit einem Querschnitt von 4o X 4o mm geschmolzen wird; eine
Spannung von 4 bis 6 Volt genügt.
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Im Augenblick, wo sich der Lichtbogen bildet, ist das hitzebeständige
Metall heruntergeschmolzen und berührt den abgekühlten Boden 35 des Schmelztiegels
2o, wobei man wirksam Wärme der Schmelze entzieht, um sie sofort zum Erstarren zu
bringen. Auf der so erstarrten Schmelze wird anderes geschmolzenes Material von
dem Stab 25 abgeschieden, welches zu dem zuerst abgeschiedenen hitzebeständigen
Metall fließt, den gekühlten Boden 35 berührt und gleichfalls efstarrt. Dabei bildet
sich
nach und nach ein Ingot innerhalb des Schmelztiegels 2o, welcher
aus erstarrtem und verschmolzenem hitzebeständigem Metall besteht und einen flachen
flüssigen Schmelzkrater besitzt, der an das untere Ende des Stabes 25 angrenzt.
Da der waagerechte Querschnitt des Schmelztiegels gröber ist als jener des Stabes
25, steigt der Spiegel des erstarrten Ingots mit dem Schmelzkrater von begrenzter
Ausdehnung langsamer, als das Ende des Stabes abgeschmolzen wird; dementsprechend
wird der Stab 25 durch Drehen des Handrades 34 langsam nach abwärts bewegt, so daß
die Entfernung zwischen dem unteren Ende des Stabes 25 und dem steigenden Spiegel
des Schmelzkraters im wesentlichen unverändert bleibt und der Lichtbogen aufrechterhalten
wird.
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Die Kühlflüssigkeit wird durch den Hohlraum 22 des Schmelztiegels
2o mit einer solchen Geschwindigkeit durchgeführt, daß seine Innenwand 21 und der
Boden 35 auf einer Temperatur unter dem Schmelz- und Erweichungspunkt des Tiegelmaterials
gehalten wird. Hierzu ist z. $. Kupfer oder jedwedes andere elektrisch leitfähige
Material von demselben oder einem höheren Schmelzpunkt geeignet, welches bei der
Temperatur des Schmelztiegels mit dem darin geschmolzenen hitzebeständigen Metall
chemisch nicht reagiert.
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Da die Innenwand 2i um einige Grade nach abwärts verjüngt ist, wird
die Entfernung des fertiggestellten Ingots aus dem Schmelztiegel erleichtert. Wegen
der sofortigen Abkühlung und des Erstarrens des geschmolzenen Metalls bei Berührung
mit dem Boden 35 und der Wand 21 des Schmelztiegels kann keine Diffusion eintreten;
die Reinheit des Metalls, aus welchem der Ingot besteht, hängt somit lediglich von
der Reinheit des Stabes 25 ab. Da die Herstellung des letzteren in einem getrennten
Verfahren erfolgt, das höchste Reinheit gewährleistet, erhält man sofort einen Ingot
aus hochschmelzendem Metall oder einer Legierung von zwei oder mehreren hochschmelzenden
Metallen in den Anteilen, in welchen sie dem Stab 25 beigegeben wurden.
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Wenn der Ingot fertiggebildet ist, wird der Strom bei 79 abgeschaltet.
Der Zufluß der Kühlflüssigkeit wird fortgesetzt, bis der Ingot als Ganzes auf eine
Temperatur abgekühlt ist, bei welcher er in Berührung mit Luft nicht oxydieren kann.
Nachdem diese Temperatur erreicht ist, wird die Vakuumpumpe 81 abgestellt und Luft
in den Raum 82 eingelassen. Nach Erreichung von Atmosphärendruck im Raum 82 werden
die Klemmvorrichtungen 6i, 62 entfernt und das Gehäuse58 gehoben. Der nicht heruntergeschmolzene
und noch zwischen den Führungsrollen 27, 28 und den Elektroden 38, 39 befindliche
Teil des Stabes 25 wird durch Drehen des Handrades 34 leicht gehoben. Die Kühlflüssigkeit
wird abgesperrt, indem zuerst der Hahn 75 und nach Entleerung des Hohlraumes 22
des Schmelztiegels 2o der Hahn 77 geschlossen werden. Nun wird der Schmelztiegel
2o mit dem darin befindlichen erstarrten Ingot gehoben und durch Kippen des Schmelztiegels
2o der erstarrte Ingot aus hochschmelzendem Metall ausgestürzt.
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Durch geeignete Wahl des Schmelztiegels 2o kann man einen Ingot von
gewünschter Form erhalten. Durch entsprechende Dimensionierung des Stabes 25 gemäß
Fig. 2 bzw. 3 kann man einen Einsatz erhalten, der zumindest ausreicht, um einen
Schmelztiegel zu füllen. Es wurde festgestellt, daß ein gekühlter Schmelztiegel
aus Kupfer dem Zweck der Erfindung entspricht, und es ist gewöhnlich nicht erforderlich,
seinen Boden 35 an der Stelle, wo der Stab 25 ihn berührt, um den Lichtbogen entstehen
zu lassen, mit einer Platte aus hitzebeständigem Material von einem Schmelzpunkt,
der gleich oder höher ist als derjenige des Stabes 25, zu verstärken. Eine solche
Verstärkung kann jedoch, falls erwünscht, vorgesehen werden.
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Sofern das Gehäuse 58 aus undurchsichtigem Material besteht, können
eine oder mehrere, durch geeignetes Glas luftdicht abgeschlossene öffnungen an entsprechenden
Stellen des Gehäuses vorgesehen sein, um die Beobachtung des Schmelzverfahrens zu
gestatten, was insbesondere für die Bedienung des Handrades 34 wertvoll ist. Es
kann gleichfalls eine automatische Vorrichtung, z. B. reversierbarer Hilfsmotor
mit einstellbarer Geschwindigkeit, vorgesehen werden, welche den Stab 25 gegen den
Krater im Behälter 20 in Abhängigkeit von der Dichte des den Lichtbogen speisenden
Stroms, führt.