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WO2020016062A1 - Schwebeschmelzverfahren mit einem ringförmigen element - Google Patents

Schwebeschmelzverfahren mit einem ringförmigen element Download PDF

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Publication number
WO2020016062A1
WO2020016062A1 PCT/EP2019/068431 EP2019068431W WO2020016062A1 WO 2020016062 A1 WO2020016062 A1 WO 2020016062A1 EP 2019068431 W EP2019068431 W EP 2019068431W WO 2020016062 A1 WO2020016062 A1 WO 2020016062A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
annular element
batch
casting
mold
conductive material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2019/068431
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sergejs SPITANS
Henrik Franz
Björn SEHRING
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ALD Vacuum Technologies GmbH
Original Assignee
ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ALD Vacuum Technologies GmbH filed Critical ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority to ES19739554T priority Critical patent/ES2800305T3/es
Priority to SI201930002T priority patent/SI3622781T1/sl
Priority to EP19739554.4A priority patent/EP3622781B1/de
Priority to PL19739554T priority patent/PL3622781T3/pl
Priority to KR1020207025407A priority patent/KR102217519B1/ko
Priority to US17/049,534 priority patent/US11192179B2/en
Priority to CN201980014870.5A priority patent/CN111758299B/zh
Priority to JP2020567596A priority patent/JP6961110B2/ja
Priority to RU2020125353A priority patent/RU2735329C1/ru
Publication of WO2020016062A1 publication Critical patent/WO2020016062A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/365—Coil arrangements using supplementary conductive or ferromagnetic pieces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D39/00—Equipment for supplying molten metal in rations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H05B6/24—Crucible furnaces
    • H05B6/26—Crucible furnaces using vacuum or particular gas atmosphere

Definitions

  • This invention relates to a levitation melting method and a device for producing cast bodies with an annular element made of a conductive material for introducing the casting of a molten batch into a casting mold.
  • the ring-shaped element is introduced into the region of the alternating electromagnetic field between the induction coils in order to pour the molten charge, and thus a targeted flow of the melt into the mold is initiated by influencing the induced magnetic field.
  • US 2,686,864 A also describes a method in which a conductive melting material z. B. is suspended in a vacuum under the influence of one or more coils without the use of a crucible. In one embodiment, two coaxial coils are used to stabilize the material in suspension. After melting, the material is dropped or poured into a mold. The process described there made it possible to hold a 60 g portion of aluminum in suspension.
  • the molten metal is removed by reducing the field strength so that the melt escapes downwards through the tapered coil. If the field strength is reduced very quickly, the metal falls out of the device in the molten state. It has already been recognized that the “weak spot” of such coil arrangements lies in the middle of the coils, so that the amount of material that can be melted in this way is limited.
  • US 4,578,552 A also discloses an apparatus and a method for levitation melting.
  • the same coil is used both for heating and for holding the melt, the frequency of the alternating current applied being varied to regulate the heating power, while the current strength is kept constant.
  • suspension melting is avoided.
  • a reactive melt for example of titanium alloys
  • the reaction of a reactive melt with the crucible material excluded, which otherwise forces ceramic crucibles to switch to copper crucibles operated using the cold crucible method.
  • the floating melt is only in contact with the surrounding atmosphere, which is e.g. B. can be vacuum or protective gas. Because there is no fear of a chemical reaction with a crucible material, the melt can also be heated to very high temperatures.
  • the Lorentz force of the coil field must compensate for the weight of the batch in order to be able to keep it in suspension. It pushes the batch up out of the coil field.
  • a reduction in the distance between the opposite ferrite poles is sought. The reduction in distance allows the same magnetic field that is required to hold a certain melt weight to be generated with a lower voltage. In this way, the holding efficiency of the system can be improved so that a larger batch can be levitated.
  • the heating efficiency is also increased, since the losses in the induction coils are reduced.
  • the process should allow larger batches to be used due to an improved efficiency of the coil field and enable high throughput due to shortened cycle times, while ensuring that the casting process continues safely without contact of the melt with the coils or their poles ,
  • the object is achieved by the method according to the invention and the device according to the invention.
  • a method for the production of castings from an electrically conductive material in the levitation melting method whereby to bring about the levitation of a batch, alternating electromagnetic fields are used, which are generated with at least one pair of opposite induction coils with a core made of a ferromagnetic material, comprising the following steps :
  • the volume of the molten batch is preferably sufficient to fill the mold to an extent sufficient for the production of a cast body (“filling volume”). After the casting mold has been filled, it is left to cool or cooled with coolant, so that the material solidifies in the mold. The cast body can then be removed from the mold.
  • a “conductive material” of a batch is understood to mean a material that has a suitable conductivity in order to inductively heat the material and keep it in suspension.
  • an “electrically conductive material” is to be understood as a material whose electrical conductivity is at least so great that it is possible for the surrounding magnetic field to be influenced by eddy currents induced in the ring-shaped element.
  • a “floating state” is understood to mean a state of complete floating, so that the treated batch has no contact with a crucible or a platform or the like.
  • ferrite pole is used synonymously with the term “core made of a ferromagnetic material” in the context of this application.
  • coil and “induction coil” are used synonymously next to each other.
  • the efficiency of the generated alternating electromagnetic field can be increased by moving the induction coil pairs closer together. This enables even heavier batches to be levitated.
  • the risk of the molten batch touching the coils or ferrite poles increases as the free cross-section between the coils decreases. Such contaminations are to be strictly avoided, since they are difficult and expensive to remove again and therefore result in a longer failure of the system.
  • the casting of the batch is initiated according to the invention by slowly introducing an annular element made of an electrically conductive material into the Magnetic field is introduced below the levitating batch.
  • ring-shaped means not only circular elements and full-surface elements, but also any polyhedral object that fulfills the following two conditions:
  • the surface of the object forms a closed contour, so that the magnetic flux is not able to flow through this object, but has to flow around it. In this way, a magnetic field minimum can be generated under the melt.
  • the object has an opening in its center which allows the melt to flow through it.
  • full-area ring-shaped elements are, in addition to a cylindrical tube, also tubular structures based on polygonal elements which form an essentially round structure, such as polygons with five or more corners.
  • non-full-surface ring-shaped elements are cubes or cuboids, which, like in a lattice model, are formed only by their edges from a conductive material.
  • the casting of the batch is therefore not achieved according to the invention by canceling the Lorentz force of the magnetic field compensating the weight force by reducing the current strength in the coils or even completely switching off the coils, but only by deliberately manipulating the magnetic field profile with the annular element.
  • the electrically conductive material of the annular element contains one or more elements from the group consisting of silver, copper, gold, aluminum, rhodium, tungsten, zinc, iron, platinum and tin. In particular, this also includes alloys like brass and bronze.
  • the group particularly preferably consists of silver, copper, gold and aluminum.
  • the electrically conductive material of the ring-shaped element is made of copper, with up to 5% by weight of foreign components being able to be present.
  • the annular element tapers conically on the side which is first introduced into the region of the alternating electromagnetic field.
  • This leads to a reduced diameter which is available for the melt to run off, it ensures that the risk that the annular element is touched and contaminated by the melt inside is reduced.
  • the magnetic field induction on the obliquely oriented jacket which is more inward and reinforced by the smaller diameter, reliably ensures that the melt can run into the ring-shaped element without contact despite the smaller passage area.
  • the melt jet concentrated in the center of the ring-shaped element thus has an optimal distance from the ring wall in the then expanding diameter.
  • the annular element is hollow-walled and this cavity is filled with a phase change material (PGM).
  • PGM phase change material
  • the ring-shaped element is preferably cooled in such a way that it sits on a cooled bearing surface during the melting process. This can be cooled intensively in order to regenerate the phase change material during the next melting process and to cool the ring-shaped element again before it is raised again into the alternating field for the next casting process.
  • a particularly preferred embodiment variant provides for the ring-shaped element to be lifted from the casting mold for insertion into the region of the electromagnetic alternating field between the induction coils.
  • the annular element has suitable means which ensure that it is carried along when the casting mold is raised into the casting position, for example a collar-like cross-sectional reduction at the upper end to a diameter which is smaller than the upper cross section of the casting mold, or pins which are inserted in appropriately designed receptacles can intervene on the mold.
  • this can serve as a driving means.
  • the annular element is part of the casting mold.
  • the annular element can be arranged in a collar-like manner around the upper edge of the filling section of the casting mold, which is generally funnel-shaped. Alternatively, it could also form the extension of the upper diameter of the filling section. Due to the funnel action of the ring-shaped element, the diameter of the funnel-shaped filling section of the casting mold can be smaller than is usual, so that the diameter can be reduced to such an extent that the upper end of the casting mold can be inserted into the area between the coils.
  • the casting mold has to be raised from a feed position to the casting position below the coil arrangement anyway.
  • this lifting then only has to be carried out somewhat higher.
  • An additional mechanism for separately lifting the ring-shaped element can thus be dispensed with.
  • raising the mold to the casting position can be combined with the casting.
  • the ring-shaped element can also be designed to be removable, so that it can be removed before the shape is broken and can be used again on a new shape. For example, this can be done via a platform-like expansion of the upper region of the mold, onto which the ring-shaped element can be placed when it is pushed over the edge of the funnel-shaped filler section.
  • the electrically conductive material used according to the invention as a batch has at least one high-melting metal from the following group: titanium, zirconium, vanadium, tantalum, tungsten, hafnium, niobium, rhenium, molybdenum.
  • a less high-melting metal such as nickel, iron or aluminum can be used.
  • a mixture or alloy with one or more of the aforementioned metals can also be used as the conductive material.
  • the metal preferably has a proportion of at least 50% by weight, in particular at least 60% by weight or at least 70% by weight, of the conductive material. It has been shown that these metals particularly benefit from the advantages of the present invention.
  • the conductive material is titanium or a titanium alloy, in particular TiAl or Ti-AIV.
  • These metals or alloys can be processed particularly advantageously, since they have a pronounced dependence of the viscosity on the temperature and, moreover, are particularly reactive, in particular with regard to the materials of the casting mold. Since the method according to the invention combines contactless melting in suspension with extremely rapid filling of the casting mold, a particular advantage can be realized for such metals. With the method according to the invention, castings can be produced which have a particularly thin or even no oxide layer from the reaction of the melt with the material of the casting mold.
  • the improved utilization of the induced eddy current and the exorbitant reduction in heat losses due to thermal contact have a noticeable effect on the cycle times.
  • the carrying capacity of the magnetic field generated can be increased, so that even heavier batches can be kept in suspension.
  • the conductive material is superheated during melting to a temperature which is at least 10 ° C., at least 20 ° C. or at least 30 ° C. above the melting point of the material. Overheating prevents the material from instantaneously solidifying when it comes into contact with the mold, whose temperature is below the melting temperature. It is achieved that the batch can be distributed in the mold before the viscosity of the material becomes too high. It is an advantage of levitation melting that there is no need to use a crucible that is in contact with the melt. The high loss of material from the cold crucible process on the crucible wall is avoided, as is contamination of the melt by crucible components.
  • the melt can be heated to a relatively high degree, since it can be operated in a vacuum or under protective gas and there is no contact with reactive materials.
  • the overheating is therefore preferably limited to a maximum of 300 ° C., in particular a maximum of 200 ° C. and particularly preferably a maximum of 100 ° C. above the melting point of the conductive material.
  • At least one ferromagnetic element is arranged horizontally around the area in which the batch is melted in order to concentrate the magnetic field and stabilize the batch.
  • the ferromagnetic element can be arranged in a ring around the melting area, whereby “ring-shaped” means not only circular elements, but also angular, in particular quadrangular or polygonal ring elements.
  • the ferromagnetic element can furthermore have a plurality of rod sections which, in particular, project horizontally in the direction of the melting range.
  • the ferromagnetic element consists of a ferromagnetic material, preferably with an amplitude permeability / v a > 10, more preferably m 3 > 50 and particularly preferably m 3 > 100.
  • the amplitude permeability relates in particular to the permeability in a temperature range between 25 ° C. and 150 ° C. and with a magnetic flux density between 0 and 500 mT.
  • the amplitude permeability is in particular at least one hundredth, in particular at least 10 hundredths or 25 hundredths of the amplitude permeability of soft magnetic ferrite (eg 3C92). Suitable materials are known to the person skilled in the art.
  • the electromagnetic fields are generated with at least two pairs of induction coils, the longitudinal axes of which are oriented horizontally, that is to say the conductors of the coils are preferably each wound on a horizontally oriented coil body.
  • the coils can each be arranged around a rod section of the ferromagnetic element that projects in the direction of the melting range.
  • the coils can have coolant-cooled conductors.
  • a device for levitation melting of an electrically conductive material comprising at least a pair of opposing induction coils with a core made of a ferromagnetic material for bringing about the balance state of a batch by means of alternating electromagnetic fields and a ring-shaped element made of an electrically conductive material, that can be inserted into the area of the alternating electromagnetic field between the induction coils.
  • a ring-shaped element which consists of an electrically conductive material and is part of a casting mold, in a levitation melting process for casting a batch into the casting mold by inserting it into the area between the induction coils, which generate an alternating electromagnetic field to bring about the Generate the floating state of the batch.
  • Figure 1 is a side sectional view of a mold below a melting area with ferromagnetic elements, coils, an annular element and a batch of conductive material.
  • Figure 2 is a side sectional view of a variant of Figure 1 in which the annular element is part of the mold.
  • FIGS. 3a to 3c are a sectional side view of a variant with an annular element with a conical taper in the course of the casting process.
  • FIGS. 4a to 4d are a side sectional view of a variant with an annular element with phase change material in the course of the casting process.
  • FIG. 1 shows a batch (1) made of conductive material, which is located in the area of influence of alternating electromagnetic fields (melting area), which are generated with the aid of the coils (3). Below the batch (1) there is an empty mold (2) by a holder
  • the casting mold (2) has a funnel-shaped filling section
  • the holder (5) is suitable for lifting the casting mold (2) from a feed position into a casting position, which is symbolized by the arrow shown.
  • a ferromagnetic element (4) is arranged in the core of the coils (3).
  • the axes of the pair of coils (3) are aligned horizontally, with two opposing coils (3) forming a pair.
  • the annular element (7) is arranged below the pair of coils (3) between the batch (1) and the funnel-shaped filling section (6) of the casting mold (2). As the arrow symbolizes, it can be moved vertically.
  • the batch (1) is melted in the process according to the invention in suspension and poured into the casting mold (2) after the melt has taken place.
  • the ring-shaped element becomes the cast
  • FIG. 2 shows an embodiment variant analogous to FIG. 1, in which the annular element (7) is part of the casting mold (2).
  • the annular element (7) is designed as a collar around the funnel-shaped filler section (6) of the casting mold (2).
  • the holder (5) in the variant of FIG. 1 remains in the position shown during casting and only the ring-shaped element (7) is moved by a mechanism (not shown)
  • the entire casting mold (2) with the holder is shown here (5) moved upwards from the position shown for casting.
  • Figures 3 show step by step the sequence of a casting process in an embodiment variant with an annular element (7) with a conical taper on the top. Not shown in the drawing is the casting mold (2) arranged below the annular element (7).
  • Figure 3a shows the stage at the end of the melting process.
  • the ring-shaped element (7) is located below the magnetic field of the coils (3).
  • the melt levitates in the area above the coils (3).
  • the drawn magnetic field lines run freely between the poles made of ferromagnetic material (4) of the coils (3).
  • FIG. 3b shows the situation at the beginning of the entry of the ring-shaped element (7) into the magnetic field of the coils (3).
  • the magnetic field lines are deflected to a greater extent, in particular in the area of the cone, and are guided around the ring-shaped element (7), so that they do not penetrate the area inside the cone and the cylindrical part.
  • the field lines running behind the annular element (7) are shown in dashed lines in the drawing.
  • the density of the Lorentz force increases sharply due to the magnetic field generated by the eddy currents in the annular element (7) along the slope towards the tips of the annular element (7).
  • Figure 3c finally shows the situation at the beginning of the casting.
  • the beginning of a melt jet has formed due to the funnel effect generated by the deflected magnetic forces.
  • the first large drop of the melt of the batch (1) protrudes into the opening of the cone, the magnetic field at the tip of the cone both constricting the levitating batch (1) on the underside and preventing contact. Accordingly, the volume of the melt in the coil area has already decreased somewhat.
  • the magnetic field lines running behind the annular element (7) and the melt drop are again shown in dashed lines.
  • the ring-shaped element (7) is now slowly pushed further upwards until the entire melt of the batch (1) has run off into the casting mold (2).
  • FIG. 4 shows step by step the sequence of a casting process in an embodiment variant with an annular element (7) with phase change material in the cavity wall and a cooled bearing surface.
  • Figure 4a shows the situation at the end of the melting process.
  • the finished melt (1) levitates above the induction coils (3) with their cores made of ferromagnetic material (4).
  • the casting mold (2) with its funnel-shaped filling section (6) is provided underneath.
  • the mold (2) is moved upwards, as indicated by the arrow.
  • the cast will in this example introduced by an annular element (7) in a cylindrical tubular shape, which is filled with a phase change material (8) in the cavity wall.
  • the filling section moves through the cooled bearing surface into the annular element (7) and lifts the annular element (7) by means of the collar (9).
  • the inner diameter of the annular element (7) and the cooled bearing surface (10) on which it rests are dimensioned such that they enclose the upper outer diameter of the filling section (6) with little play.
  • the flange-like collar (9) projects so far inwards that it sits on the edge of the filler section (6) without covering the funnel surface.
  • FIG. 4b shows the situation at the beginning of the casting process.
  • the casting mold (2) with the ring-shaped element (7) put over it has been raised into the coil field to below the levitating melt (1).
  • They are now pushed up a little further until the melt (1) has run off into the casting mold (2).
  • the ring-shaped element (7) heats up due to the radiant heat of the melt (1) and the alternating magnetic field.
  • the temperature increase can be reduced or delayed by the phase change of the phase change material (8) inside the ring-shaped element (7).
  • the casting mold (2) filled with the melt (1) is shown in the arrow direction on the way down after the casting. In doing so, it places the hot ring-shaped element (7) back on the cooled bearing surface (10), where it is cooled for the next batch of melt while the phase change material (8) changes again.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schwebeschmelzverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern mit einem ringförmigen Element aus einem leitfähigen Material zum Einleiten des Abgusses einer geschmolzenen Charge in eine Gussform. Bei dem Verfahren wird zum Abgießen der geschmolzenen Charge das ringförmige Element in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen eingeführt und so durch Beeinflussung des induzierten Magnetfelds ein gezieltes Ablaufen der Schmelze in die Gussform initiiert.

Description

Schwebeschmelzverfahren mit einem ringförmigen Element
Diese Erfindung betrifft ein Schwebeschmelzverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern mit einem ringförmigen Element aus einem leitfähigen Material zum Einleiten des Abgusses einer geschmolzenen Charge in eine Gussform. Bei dem Verfahren wird zum Abgie- ßen der geschmolzenen Charge das ringförmige Element in den Bereich des elektromagneti- schen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen eingeführt und so durch Beeinflussung des induzierten Magnetfelds ein gezieltes Ablaufen der Schmelze in die Gussform initiiert.
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 zudem nicht das Problem, dass dessen Effektivität sehr gering ist, weil nahezu die gesamte Energie, die in die Schmelze eingebracht wird, in die gekühlte Tiegelwand abgelei- tet wird, was zu einem sehr langsamen T emperaturanstieg bei großem Leistungseintrag führt. Beim Schwebeschmelzen sind die einzigen Verluste durch die Strahlung und das Verdampfen, welche im Vergleich zur thermischen Leitung beim Kalttiegel erheblich geringer sind. Somit wird bei geringerem Leistungseintrag eine größere Überhitzung der Schmelze in auch noch kürzerer Zeit erreicht.
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, umfassend die folgenden Schritte:
- 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 Einführen eines ringförmigen Ele- ments aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen, 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“ einer Charge wird erfindungsgemäß ein Material verstanden, das eine geeignete Leitfähigkeit aufweist, um das Material induktiv zu erhitzen und in der Schwebe zu halten.
Bezüglich des ringförmigen Elements ist unter einem„elektrisch leitfähigen Material“ ein Materi- al zu verstehen, dessen elektrische Leitfähigkeit mindestens so groß ist, dass eine Beeinflus- sung des umgebenden Magnetfelds durch in dem ringförmigen Element induzierte Wirbelströ- me möglich ist.
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 freiem 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, wird erfindungsgemäß der Abguss der Charge dadurch eingeleitet, dass langsam ein ringförmiges Element aus einem elektrisch leitfähigen Material in das Magnetfeld unterhalb der levitierenden Charge eingeführt wird. Die Stromstärke in den felderzeugenden Spulen wird dabei unverändert gelassen bis der Abgussvorgang beendet ist. In dem ringförmigen Element werden durch das umgebende elektromagnetische Wechselfeld Wirbelströme induziert, die das äußere Magnetfeld beeinflussen. Unter„ringförmig“ werden er- findungsgemäß dabei nicht nur kreisrunde Elemente sowie vollflächige Elemente verstanden, sondern jegliches polyedrisches Objekt, das die folgenden beiden Bedingungen erfüllt:
1. Die Oberfläche des Objekts formt eine geschlossene Kontur, sodass der magnetische Fluss nicht in der Lage ist, durch dieses Objekt hindurch zu strömen, sondern um es herumströmen muss. Auf diese Weise kann ein magnetisches Feldminimum unter der Schmelze erzeugt wer- den.
2. Das Objekt weist in seinem Zentrum eine Öffnung auf, die es erlaubt, die Schmelze durch sie hindurch ablaufen zu lassen.
Beispiele für solche vollflächigen erfindungsgemäßen ringförmigen Elemente sind demnach neben einem zylindrischen Rohr auch röhrenförmige Gebilde auf Basis mehreckiger Elemente, die eine im Wesentlichen runde Struktur bilden, wie beispielsweise Polygone mit fünf oder mehr Ecken. Beispiele für nicht vollflächige ringförmige Elemente sind Würfel oder Quader, die wie bei einem Gittermodell lediglich durch ihre Kanten aus einem leitfähigen Material gebildet wer- den.
An den Enden des ringförmigen Elements treten dabei besonders große Magnetfeldinduktionen auf, die die Schmelze beim Durchtritt durch die Spulenebene sicher von der Berührung des oberen Rands des ringförmigen Elements abhalten. Da im Zentrum des ringförmigen Elements zugleich eine Reduktion des umgebenden Magnetfelds auftritt, ergibt sich ein T richtereffekt für die Schmelze, die durch diesen magnetischen Trichter gezielt und ohne zu verspritzen in die unterhalb des ringförmigen Elements positionierte Gussform ablaufen kann. Die restliche Schmelze levitiert weiterhin oberhalb des ringförmigen Elements, während sie in dessen Zent- rum langsam abläuft. Vorteilhafterweise entspricht der Durchmesser des ringförmigen Elements dem Durchmesser des trichterförmigen Einfüllabschnitts der Gussform oder ist minimal kleiner.
Im Gegensatz zu den bekannten Schwebeschmelzverfahren wird der Abguss der Charge erfin- dungsgemäß also nicht durch ein Aufheben der die Gewichtskraft kompensierenden Lorentz- kraft des Magnetfelds mittels Reduktion der Stromstärke in den Spulen oder gar komplettes Abschalten der Spulen erzielt, sondern nur durch gezielte Manipulation des Magnetfeldverlaufs mit dem ringförmigen Element.
In einer Ausführungsform enthält das elektrisch leitfähige Material des ringförmigen Elements ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe bestehend aus Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Rhodium, Wolfram, Zink, Eisen, Platin und Zinn. Insbesondere umfasst dies auch Legierungen wie Messing und Bronze. Besonders bevorzugt besteht die Gruppe aus Silber, Kupfer, Gold und Aluminium. Höchst bevorzugt besteht das elektrisch leitfähige Material des ringförmigen Elements aus Kupfer, wobei bis zu 5 Gew.-% Fremdbestandteile vorhanden sein können.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich das ringförmige Element auf der Seite, die zuerst in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds einge- führt wird, konisch. Dies führt zwar zu einem verringerten Durchmesser, der der Schmelze zum Ablaufen zur Verfügung steht, sorgt aber dafür, dass die Gefahr, dass das ringförmige Element im Inneren von der Schmelze berührt und verunreinigt wird, reduziert wird. Die am schräg orien- tierten Mantel mehr nach innen gerichtete und durch den geringeren Durchmesser verstärkte Magnetfeldinduktion sorgt zuverlässig dafür, dass die Schmelze trotz der geringeren Durchtritts- fläche berührungsfrei in das ringförmige Element hineinlaufen kann. Der so im Zentrum des ringförmigen Elements konzentrierte Schmelzestrahl hat damit in dem sich dann aufweitenden Durchmesser einen optimalen Abstand zur Ringwand.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das ringförmige Element hohlwandig ausge- führt und dieser Hohlraum mit einem Phasenwechselmaterial (phase change material, PGM) gefüllt. Dies erlaubt eine effektive Kühlung des ringförmigen Elements, das sich beim Abguss der Schmelze im Wechselfeld der Induktionsspulen erwärmt.
Vorzugsweise erfolgt die Kühlung des ringförmigen Elements derart, dass es während des wäh- rend des Schmelzvorgangs auf einer gekühlten Lagerfläche aufsitzt. Diese kann intensiv ge- kühlt werden, um das Phasenwechselmaterial während des nächsten Schmelzvorgangs zu re- generieren und das ringförmige Element wieder abzukühlen, bevor es für den nächsten Ab- gussvorgang wieder in das Wechselfeld angehoben wird.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltungsvariante hierfür sieht vor, dass das Anheben des ringförmigen Elements zum Einführen in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen von der Gussform erfolgt. Das ringförmige Element verfügt dazu über geeignete Mittel, die eine Mitnahme beim Anheben der Gussform in die Abgussposition sicherstellen, beispielsweise eine kragenartige Querschnittsverminderung am oberen Ende auf einen Durchmesser, der kleiner als der obere Querschnitt der Gussform ist, oder Stifte, die in entsprechend ausgestaltete Aufnahmen an der Gussform eingreifen können. Im Fall der ring- förmigen Elemente mit konisch verjüngtem Bereich kann dieser als Mitnahmemittel dienen.
Beim Absenken der Gussform nach dem Abguss wird das ringförmige Element dann wieder auf der gekühlten Lagerfläche aufgesetzt und die Gussform kann nach unten entnommen werden. Dies hat den Vorteil, dass pro Schmelzanlage nur ein ringförmiges Element vorhanden sein muss und dieses von verschiedenen Gussformen gemeinsam genutzt wird. Da die Gussform das Anheben übernimmt, kann in der Schmelzanlage auf eine zusätzliche Mechanik zum Anhe- ben des ringförmigen Elements verzichtet werden, was deren Bau vereinfacht und verbilligt.
Eine weitere höchst vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das ringförmige Element ein Teil der Gussform ist. Dabei kann das ringförmige Element kragenartig um den oberen Rand des in der Regel trichterförmig ausgestalteten Einfüllabschnitts der Gussform angeordnet sein. Alternativ könnte es auch die Verlängerung des oberen Durchmessers des Einfüllabschnitts bilden. Aufgrund der Trichterwirkung des ringförmigen Elementes kann der Durchmesser des trichterförmigen Einfüllabschnitts der Gussform geringer ausfallen als ansonsten üblich, sodass der Durchmesser so weit reduziert werden kann, dass das obere Ende der Gussform in den Bereich zwischen den Spulen eingeführt werden kann.
Hierdurch lässt sich eine weitere Vereinfachung und Beschleunigung des Schmelzprozesses erreichen, da die Gussform ohnehin von einer Zufuhrposition in die Abgussposition unterhalb der Spulenanordnung angehoben werden muss. Zum erfindungsgemäßen Abguss muss dieses Anheben dann nur noch etwas höher erfolgen. Somit kann auf eine zusätzliche Mechanik für ein gesondertes Anheben des ringförmigen Elements verzichtet werden. Außerdem kann das Anheben der Form in die Abgussposition gleich mit dem Abguss kombiniert werden. Das ring- förmige Element kann gerade im Fall von verlorenen Formen aus Keramik auch abnehmbar gestaltet werden, sodass es vor dem Zerschlagen der Form entfernt werden kann und an einer neuen Form unmittelbar wieder einsatzbar ist. Beispielsweise kann dies über eine plattformarti- ge Erweiterung des oberen Bereichs der Gussform geschehen, auf die das ringförmige Element aufgesetzt werden kann, wenn es über den Rand des trichterförmigen Einfüllabschnitts gescho- ben wird.
Das erfindungsgemäß als Charge eingesetzte elektrisch leitfähige Material weist in einer bevor- zugten Ausführungsform wenigstens ein hochschmelzendes Metall aus der folgenden Gruppe auf: Titan, Zirkonium, Vanadium, Tantal, Wolfram, Hafnium, Niob, Rhenium, Molybdän. Alterna- tiv kann auch ein weniger hoch schmelzendes Metall wie Nickel, Eisen oder Aluminium einge- setzt werden. Als leitfähiges Material kann auch eine Mischung bzw. Legierung mit einem oder mehreren der vorgenannten Metalle eingesetzt werden. Vorzugsweise hat das Metall einen An- teil 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 Ausfüh- rungsform ist das leitfähige Material Titan oder eine Titanlegierung, insbesondere TiAl oder Ti- AIV. 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- stellen, 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. Das ferromag- netische Element kann ferner mehrere Stababschnitte aufweisen, die insbesondere horizontal in Richtung des Schmelzbereiches ragen. Das ferromagnetische Element besteht aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise mit einer Amplitudenpermeabilität /va > 10, mehr be- vorzugt m3 > 50 und besonders bevorzugt m3 > 100. Die Amplitudenpermeabilität bezieht sich insbesondere auf die Permeabilität in einem T emperaturbereich zwischen 25 °C und 150 °C und bei einer magnetischen Flussdichte zwischen 0 und 500 mT. Die Amplitudenpermeabilität beträgt insbesondere wenigstens ein Hundertstel, insbesondere wenigstens 10 Hundertstel o- der 25 Hundertstel der Amplitudenpermeabilität von weichmagnetischem Ferrit (z. B. 3C92). Dem Fachmann sind geeignete Materialien bekannt.
In einer Ausführungsform werden die elektromagnetischen Felder mit wenigstens zwei Paaren von Induktionsspulen erzeugt, deren Längsachsen horizontal ausgerichtet sind, die Leiter der Spulen sind also vorzugsweise jeweils auf einen horizontal ausgerichteten Spulenkörper gewi- ckelt. Die Spulen können jeweils um einen in Richtung des Schmelzbereiches ragenden Stab- abschnitt des ferromagnetischen Elements angeordnet sein. Die Spulen können kühlmittelge- kühlte Leiter aufweisen.
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 und ein ringförmiges Element aus einem elektrisch leitfähigen Material, das in den Bereich des elektromagnetischen Wechsel- felds zwischen den Induktionsspulen einführbar ist.
Weiterhin ist erfindungsgemäß die Verwendung eines ringförmigen Elements, das aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und Bestandteil einer Gussform ist, in einem Schwebe- schmelzverfahren zum Abguss einer Charge in die Gussform durch Einführen in den Bereich zwischen den Induktionsspulen, die ein elektromagnetisches Wechselfeld zur Herbeiführung des Schwebezustandes der Charge erzeugen.
Kurzbesch reibuna der Figuren
Figur 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Gussform unterhalb eines Schmelzbereiches mit ferromagnetischen Elementen, Spulen, einem ringförmigen Element und einer Charge leitfähi- gen Materials.
Figur 2 ist eine seitliche Schnittansicht einer Variante von Figur 1 , bei der das ringförmige Ele- ment Teil der Gussform ist.
Figur 3a bis 3c sind eine seitliche Schnittansicht einer Variante mit einem ringförmigen Ele- ment mit konischer Verjüngung im Verlaufe des Abgussprozesses. Figur 4a bis 4d sind eine seitliche Schnittansicht einer Variante mit einem ringförmigen Ele- ment mit Phasenwechselmaterial im Verlaufe des Abgussprozesses.
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 Element (4) angeordnet. Die Achsen des Spulenpaars (3) sind hori- zontal ausgerichtet, wobei je zwei gegenüberliegende Spulen (3) ein Paar bilden. Zwischen der Charge (1 ) und dem trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) der Gussform (2) ist das ringförmige Element (7) unterhalb des Spulenpaars (3) angeordnet. Wie der Pfeil symbolisiert, ist es in der Vertikalen beweglich.
Die Charge (1 ) wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren schwebend geschmolzen und nach erfolgter Schmelze in die Gussform (2) abgegossen. Zum Abguss wird das ringförmige Element
(7) langsam in den Bereich des Magnetfelds zwischen den Spulen (3) angehoben. Infolge des- sen läuft die Schmelze langsam und kontrolliert durch das ringförmige Element (7) in die Guss- form (2), ohne dabei die Spulen (3) oder ihre Kerne und die Innenseite des ringförmigen Ele- ments (7) zu verunreinigen oder im trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) der Gussform (2) zu verspritzen.
Figur 2 zeigt analog zu Figur 1 eine Ausgestaltungsvariante, bei der das ringförmige Element (7) Teil der Gussform (2) ist. In der gezeigten Variante ist das ringförmige Element (7) als Kra- gen um den trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) der Gussform (2) ausgeführt. Während der Hal- ter (5) in der Variante von Figur 1 beim Abguss in der gezeigten Position verharrt und nur das ringförmige Element (7) von einer nicht abgebildeten Mechanik bewegt wird, wird hier die ge- samte Gussform (2) mit dem Halter (5) zum Abguss von der dargestellten Position aus noch weiter nach oben gefahren. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Abstand der Schmelze zum trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) gleichzeitig noch verringert wird und so die Freifallstre cke der Schmelze minimiert wird. Damit kann ein Verspritzen sicher ausgeschlossen werden. Die Figuren 3 zeigen schrittweise den Ablauf eines Abgussvorgangs bei einer Ausgestaltungs- Variante mit einem ringförmigen Element (7) mit konischer Verjüngung an der Oberseite. Nicht dargestellt ist in der Zeichnung die unterhalb des ringförmigen Elements (7) angeordnete Guss- form (2).
Figur 3a zeigt das Stadium am Ende des Schmelzvorgangs. Das ringförmige Element (7) be- findet sich unterhalb des Magnetfelds der Spulen (3). Die Schmelze levitiert im Bereich ober- halb der Spulen (3). Die eingezeichneten magnetischen Feldlinien verlaufen frei zwischen den Polen aus ferromagnetischem Material (4) der Spulen (3).
Figur 3b zeigt die Situation zu Beginn des Eintritts des ringförmigen Elements (7) in das Mag- netfeld der Spulen (3). Wie zu erkennen ist, werden die Magnetfeldlinien insbesondere im Be- reich des Konus verstärkt abgelenkt und um das ringförmige Element (7) herumgeführt, sodass sie den Bereich im Inneren des Konus und des zylindrischen Teils nicht durchdringen. In der Zeichnung sind die hinter dem ringförmigen Element (7) verlaufenden Feldlinien gestrichelt dar- gestellt. Die Dichte der Lorentzkraft nimmt dabei aufgrund des durch die Wirbelströme in dem ringförmigen Element (7) erzeugten Magnetfeldes entlang der Schräge zu den Spitzen des ring- förmigen Elements (7) hin stark zu.
Figur 3c zeigt schließlich die Situation zu Beginn des Abgusses. Im Zentrum des ringförmigen Elements (7) hat sich durch die von den abgelenkten Magnetkräften erzeugte Trichterwirkung der Anfang eines Schmelzestrahls gebildet. Der erste große T ropfen der Schmelze der Charge (1 ) ragt bereits in die Öffnung des Konus hinein, wobei das Magnetfeld an der Spitze des Konus sowohl für die Einschnürung der levitierenden Charge (1 ) an deren Unterseite sorgt als auch eine Berührung verhindert. Entsprechend hat das Volumen der Schmelze im Spulenbereich bereits etwas abgenommen. In der Zeichnung sind die hinter dem ringförmigen Element (7) und dem Schmelzetropfen verlaufenden Magentfeldlinien wiederum gestrichelt dargestellt. Das ringförmige Element (7) wird nun kontinuierlich langsam weiter nach oben geschoben, bis die gesamte Schmelze der Charge (1 ) in die Gussform (2) abgelaufen ist.
Die Figuren 4 zeigen schrittweise den Ablauf eines Abgussvorgangs bei einer Ausgestaltungs- Variante mit einem ringförmigen Element (7) mit Phasenwechselmaterial in der Hohlwand und einer gekühlten Lagerfläche.
Figur 4a zeigt die Situation am Ende des Schmelzvorgangs. Die fertige Schmelze (1 ) levitiert oberhalb der Induktionsspulen (3) mit ihren Kernen aus ferromagnetischem Material (4). Die Gussform (2) mit ihrem trichterförmigen Einfüllabschnitt (6) ist darunter bereitgestellt. Zum Ab- guss wird die Gussform (2), wie mit dem Pfeil angedeutet, nach oben bewegt. Der Abguss wird in diesem Beispiel durch ein ringförmiges Element (7) in zylindrischer Rohrform eingeleitet, das mit einem Phasenwechselmaterial (8) in der Hohlwand gefüllt ist. Während der Schmelzphase ruht es auf der stark gekühlten Lagerfläche (10). Wird die Gussform (2) angehoben, fährt der Einfüllabschnitt durch die gekühlte Lagerfläche hindurch in das ringförmige Element (7) ein und hebt das ringförmige Element (7) mittels des Kragens (9) mit an. Das ringförmige Element (7) und die gekühlte Lagerfläche (10), auf der es ruht, sind in ihrem Innendurchmesser so dimensi- oniert, dass sie den oberen Außendurchmesser des Einfüllabschnitts (6) mit geringem Spiel umschließen. Der flanschartige Kragen (9) ragt dabei gerade so weit nach innen, dass er auf dem Rand des Einfüllabschnitts (6) aufsitzt, ohne die Trichterfläche zu verdecken.
Figur 4b zeigt die Situation zu Beginn des Abgussvorgangs. Die Gussform (2) mit dem überge- stülpten ringförmigen Element (7) ist in das Spulenfeld hinein angehoben worden bis unterhalb der levitierenden Schmelze (1 ). Zur Durchführung des Abgusses werden sie nun noch ein Stück weiter hochgeschoben bis die Schmelze (1 ) in die Gussform (2) abgelaufen ist. Das ringförmige Element (7) heizt sich dabei durch die Strahlungswärme der Schmelze (1 ) und das magnetische Wechselfeld auf. Der Temperaturanstieg kann durch den Phasenwechsel des Phasenwechsel- materials (8) im Inneren des ringförmigen Elements (7) während dessen reduziert bzw. hinaus- gezögert werden.
In Figur 4c ist die mit der Schmelze (1 ) gefüllte Gussform (2) nach dem Abguss wieder in Pfeil richtung auf dem Weg nach unten abgebildet. Dabei setzt sie das heiße ringförmige Element (7) wieder auf der gekühlten Lagerfläche (10) ab, wo es unter erneutem Phasenwechsel des Pha- senwechselmaterials (8) für die nächste Schmelzcharge abgekühlt wird.
Dieser Zustand am Ende des Abgussvorgangs ist in Figur 4d dargestellt. Die Gussform (2) ist komplett durch die gekühlte Lagerfläche (10) hindurch abgesenkt worden und kann nun gegen eine neue leere Form getauscht werden. Das ringförmige Element (7) ruht wieder wie in Figur 4a auf der gekühlten Lagerfläche (10). Wenn die neue Gussform (2) positioniert ist, kann der nächste Schmelzvorgang durch Einbringen der nächsten Charge (1 ) in das Magnetfeld gestar- tet werden. Bezuqszeichenliste
1 Charge
2 Gussform
3 Induktionsspule
4 ferromagnetisches Material
5 Halter
6 Einfüllabschnitt
7 ringförmiges Element
8 Phasenwechselmaterial
9 Kragen
10 gekühlte Lagerfläche

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus einem elektrisch leitfähigen Material im Schwebeschmelzverfahren, wobei zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge (1 ) elektromagnetische Wechselfelder eingesetzt werden, die mit wenigstens einem Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen (3) mit einem Kern aus einem ferromagneti- schen Material (4) erzeugt werden, umfassend die folgenden Schritte:
- Einbringen einer Charge (1 ) eines Ausgangsmaterials in den Einflussbereich wenigstens eines elektromagnetischen Wechselfelds, so dass die Charge (1 ) in einem Schwebezu- stand gehalten wird,
- Schmelzen der Charge (1 ),
- Positionieren einer Gussform (2) in einem Füllbereich unterhalb der schwebenden Char ge (1 ),
- Abguss der gesamten Charge (1 ) in die Gussform (2) durch Einführen eines ringförmi- gen Elements (7) aus einem elektrisch leitfähigen Material in den Bereich des elektro- magnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen (3),
- Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Ma- terial des ringförmigen Elements (7) ein oder mehrere Elemente enthält aus der Gruppe bestehend aus: Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Rhodium, Wolfram, Zink, Eisen, Platin und Zinn.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Ele- ment (7) sich auf der Seite, die zuerst in den Bereich des elektromagnetischen Wechsel- felds eingeführt wird, konisch verjüngt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) ein Teil der Gussform (2) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Felder mit wenigstens zwei Paaren von Induktionsspulen (3) er zeugt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ring- förmige Element (7) hohlwandig ausgeführt ist und dieser Hohlraum mit einem Phasen- wechselmaterial gefüllt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) während des Schmelzvorgangs auf einer gekühlten Lagerfläche aufsitzt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) zum Einführen in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induk- tionsspulen (3) von der Gussform (2) angehoben wird.
9. Vorrichtung zum Schwebeschmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials, umfassend we nigstens ein Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen (3) mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material (4) zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge (1 ) mittels elektromagnetischer Wechselfelder und ein ringförmiges Element (7) aus einem elektrisch leitfähigen Material, das in den Bereich des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen den Induktionsspulen (3) einführbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material des ringförmigen Elements (7) ein oder mehrere Elemente enthält aus der Gruppe bestehend aus: Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Rhodium, Wolfram, Zink, Eisen, Platin und Zinn.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) sich auf der Seite, die zuerst in den Bereich des elektromagnetischen Wechsel- felds eingeführt wird, konisch verjüngt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elekt romagnetischen Felder mit wenigstens zwei Paaren von Induktionsspulen (3) erzeugt wer- den.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das ring- förmige Element (7) hohlwandig ausgeführt ist und dieser Hohlraum mit einem Phasen- wechselmaterial gefüllt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (7) während des Schmelzvorgangs auf einer gekühlten Lagerfläche aufsitzt.
15. Verwendung eines ringförmigen Elements (7), das aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und Bestandteil einer Gussform (2) ist, in einem Schwebeschmelzverfahren zum Abguss einer Charge (1 ) in die Gussform (2) durch Einführen in den Bereich zwischen den Induktionsspulen (3), die ein elektromagnetisches Wechselfeld zur Herbeiführung des Schwebezustandes der Charge (1 ) erzeugen.
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