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Vakuuminduktionsschmelzen
Das Vakuumgießen (Vakuuminduktionsschmelzen – VIM) wurde für die Verarbeitung spezieller und exotischer Legierungen entwickelt und wird daher immer häufiger eingesetzt, da diese fortschrittlichen Materialien zunehmend eingesetzt werden. VIM wurde zum Schmelzen und Gießen von Superlegierungen und hochfesten Stählen entwickelt, von denen viele eine Vakuumverarbeitung erfordern, da sie feuerfeste und reaktive Elemente wie Ti, Nb und Al enthalten. Es kann auch für rostfreie Stähle und andere Metalle verwendet werden, wenn eine hochwertige Anfangsschmelze gewünscht wird.

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei dem Prozess um das Schmelzen eines Metalls unter Vakuumbedingungen. Als Energiequelle zum Schmelzen des Metalls wird elektromagnetische Induktion genutzt. Beim Induktionsschmelzen werden elektrische Wirbelströme im Metall induziert. Die Quelle ist die Induktionsspule, die einen Wechselstrom führt. Die Wirbelströme erhitzen die Ladung und schmelzen sie schließlich.

Der Ofen besteht aus einem luftdichten, wassergekühlten Stahlmantel, der dem für die Verarbeitung erforderlichen Vakuum standhält. Das Metall wird in einem Tiegel geschmolzen, der in einer wassergekühlten Induktionsspule untergebracht ist, und der Ofen ist normalerweise mit geeigneten feuerfesten Materialien ausgekleidet.

Metalle und Legierungen, die eine hohe Affinität zu Gasen – insbesondere Stickstoff und Sauerstoff – haben, werden häufig in Vakuuminduktionsöfen geschmolzen/raffiniert, um eine Kontamination/Reaktion mit diesen Gasen zu verhindern. Das Verfahren wird daher im Allgemeinen zur Verarbeitung von hochreinen Materialien oder Materialien mit engen Toleranzen in der chemischen Zusammensetzung eingesetzt.

F: Warum wird Vakuum-Induktionsschmelzen verwendet?

A: Das Vakuuminduktionsschmelzen wurde ursprünglich für die Verarbeitung spezieller und exotischer Legierungen entwickelt und wird daher immer häufiger eingesetzt, da diese fortschrittlichen Materialien zunehmend eingesetzt werden. Obwohl es für Materialien wie Superlegierungen entwickelt wurde, kann es auch für rostfreie Stähle und andere Metalle verwendet werden.
Wie funktioniert aVakuum-Induktionsofenarbeiten?
Das Material wird unter Vakuum in den Induktionsofen gefüllt und mit Strom versorgt, um die Charge zu schmelzen. Es werden zusätzliche Beschickungen vorgenommen, um das Volumen des flüssigen Metalls auf die gewünschte Schmelzkapazität zu bringen. Das geschmolzene Metall wird unter Vakuum verfeinert und die Chemie angepasst, bis die präzise Schmelzchemie erreicht ist.
Was passiert mit Metall im Vakuum?
Insbesondere bilden die meisten Metalle auf jeder Oberfläche, die der Luft ausgesetzt ist, eine Oxidschicht. Dies dient als Schutzschild, um eine Verklebung zu verhindern. Im Vakuum des Weltraums gibt es keine Luft, sodass Metalle keine Schutzschicht bilden würden.

Vorteile des VIM-Schmelzens
Je nach Produkt und metallurgischem Prozess liegen die Vakuumniveaus während der Raffinationsphase im Bereich von 10-1 bis 10-4 mbar. Zu den metallurgischen Vorteilen der Vakuumverarbeitung gehören:
Das Schmelzen in einer sauerstofffreien Atmosphäre begrenzt die Bildung nichtmetallischer Oxideinschlüsse und verhindert die Oxidation reaktiver Elemente
Erzielung sehr enger Toleranzen bei Zusammensetzung und Gasgehalten
Entfernung unerwünschter Spurenelemente mit hohen Dampfdrücken
Entfernung gelöster Gase – Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff
Einstellung präziser und homogener Legierungszusammensetzung und Schmelzetemperatur
Das Schmelzen im Vakuum macht eine schützende Schlackenabdeckung überflüssig und verringert das Risiko einer versehentlichen Schlackenverunreinigung oder von Einschlüssen im Barren
Aus diesem Grund sind metallurgische Verfahren wie Entphosphorung und Entschwefelung begrenzt. Die VIM-Metallurgie zielt hauptsächlich auf druckabhängige Reaktionen ab, beispielsweise Reaktionen von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Die Entfernung schädlicher, flüchtiger Spurenelemente wie Antimon, Tellur, Selen und Wismut in Vakuuminduktionsöfen ist von erheblicher praktischer Bedeutung.

Die genaue Überwachung der druckabhängigen Reaktion von überschüssigem Kohlenstoff zur Vervollständigung der Desoxidation ist nur ein Beispiel für die Prozessvielfalt beim Einsatz des VIM-Verfahrens zur Herstellung von Superlegierungen. Andere Materialien als Superlegierungen werden in Vakuuminduktionsöfen entkohlt, entschwefelt oder selektiv destilliert, um Spezifikationen zu erfüllen und Materialeigenschaften zu gewährleisten. Aufgrund des hohen Dampfdrucks der meisten unerwünschten Spurenelemente können diese durch Destillation beim Vakuum-Induktionsschmelzen auf sehr niedrige Werte reduziert werden, insbesondere bei Legierungen mit extrem hohen Festigkeiten bei höheren Betriebstemperaturen. Für verschiedene Legierungen, die höchste Qualitätsanforderungen erfüllen müssen, ist der Vakuum-Induktionsofen das am besten geeignete Schmelzsystem.

Folgende Methoden lassen sich problemlos mit dem VIM-System kombinieren, um saubere Schmelzen zu erzeugen:
Atmosphärenkontrolle mit geringen Leck- und Desorptionsraten
Auswahl eines stabileren Feuerfestmaterials für die Tiegelauskleidung
Rühren und Homogenisieren durch elektromagnetisches Rühren oder Spülgas
Exakte Temperaturregelung zur Minimierung von Tiegelreaktionen mit der Schmelze
Geeignete Entschlackungs- und Filtertechniken während des Gießprozesses
Anwendung einer geeigneten Rinnen- und Tundish-Technik zur besseren Oxidentfernung.