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Vakuuminduktionsschmelzen
Das Vakuumgießen (Vakuuminduktionsschmelzen – VIM) wurde für die Verarbeitung von Spezial- und exotischen Legierungen entwickelt und findet daher mit dem zunehmenden Einsatz dieser Hochleistungswerkstoffe immer häufiger Anwendung. VIM wurde zum Schmelzen und Gießen von Superlegierungen und hochfesten Stählen entwickelt, von denen viele aufgrund ihres Gehalts an hochschmelzenden und reaktiven Elementen wie Titan, Niob und Aluminium eine Vakuumverarbeitung erfordern. Es kann auch für Edelstähle und andere Metalle eingesetzt werden, wenn eine hochwertige Ausgangsschmelze gewünscht ist.

Wie der Name schon sagt, beinhaltet das Verfahren das Schmelzen eines Metalls unter Vakuumbedingungen. Elektromagnetische Induktion dient als Energiequelle zum Schmelzen des Metalls. Das Induktionsschmelzen funktioniert durch die Erzeugung elektrischer Wirbelströme im Metall. Die Quelle ist die Induktionsspule, die mit Wechselstrom betrieben wird. Die Wirbelströme erhitzen das Metall und schmelzen es 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 sich in einer wassergekühlten Induktionsspule befindet. Der Ofen ist üblicherweise mit geeigneten feuerfesten Materialien ausgekleidet.

Metalle und Legierungen mit hoher Affinität zu Gasen – insbesondere Stickstoff und Sauerstoff – werden häufig in Vakuuminduktionsöfen geschmolzen/raffiniert, um Verunreinigungen/Reaktionen mit diesen Gasen zu verhindern. Das Verfahren wird daher im Allgemeinen zur Verarbeitung hochreiner Werkstoffe oder Werkstoffe mit engen Toleranzen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung eingesetzt.

F: Warum wird Vakuuminduktionsschmelzen angewendet?

A: Das Vakuuminduktionsschmelzen wurde ursprünglich für die Verarbeitung von Spezial- und exotischen Legierungen entwickelt und findet daher zunehmend Anwendung, da diese Hochleistungswerkstoffe immer häufiger zum Einsatz kommen. Obwohl es für Werkstoffe wie Superlegierungen entwickelt wurde, kann es auch für Edelstähle und andere Metalle verwendet werden.
Wie funktioniert einVakuuminduktionsofenarbeiten?
Das Material wird unter Vakuum in den Induktionsofen eingefüllt und durch Zufuhr von Energie aufgeschmolzen. Weitere Materialmengen werden zugeführt, um das gewünschte Volumen an flüssigem Metall zu erreichen. Das geschmolzene Metall wird unter Vakuum raffiniert und seine chemische Zusammensetzung so lange angepasst, bis die gewünschte Schmelzzusammensetzung erzielt ist.
Was geschieht mit Metall im Vakuum?
Insbesondere bilden die meisten Metalle auf Oberflächen, die der Luft ausgesetzt sind, eine Oxidschicht. Diese dient als Schutzschild und verhindert die Bildung von Verbindungen. Im Vakuum des Weltraums gibt es keine Luft, sodass Metalle diese Schutzschicht nicht bilden können.

Vorteile des VIM-Schmelzens
Je nach Produkt und metallurgischem Verfahren liegen die Vakuumwerte während der Raffinationsphase im Bereich von 10⁻¹ bis 10⁻⁴ mbar. Zu den metallurgischen Vorteilen der Vakuumverarbeitung zählen unter anderem:
Das Schmelzen unter sauerstofffreier Atmosphäre begrenzt die Bildung nichtmetallischer Oxideinschlüsse und verhindert die Oxidation reaktiver Elemente.
Erreichen sehr enger Toleranzen bei der Zusammensetzung und den Gasgehalten
Entfernung unerwünschter Spurenelemente durch hohe Dampfdrücke
Entfernung gelöster Gase – Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff
Einstellung der präzisen und homogenen Legierungszusammensetzung und der Schmelztemperatur
Das Schmelzen im Vakuum macht eine schützende Schlackenabdeckung überflüssig und verringert das Risiko einer versehentlichen Schlackenverunreinigung oder von Einschlüssen im Block.
Aus diesem Grund sind metallurgische Verfahren wie die Entphosphorung und Entschwefelung eingeschränkt. Die VIM-Metallurgie konzentriert sich primär auf druckabhängige Reaktionen, beispielsweise die von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Die Entfernung schädlicher, flüchtiger Spurenelemente wie Antimon, Tellur, Selen und Bismut in Vakuuminduktionsöfen ist von erheblicher praktischer Bedeutung.

Die präzise Überwachung der druckabhängigen Reaktion von überschüssigem Kohlenstoff zur vollständigen Desoxidation ist nur ein Beispiel für die Vielseitigkeit des VIM-Verfahrens zur Herstellung von Superlegierungen. Andere Werkstoffe werden in Vakuuminduktionsöfen entkohlt, entschwefelt oder selektiv destilliert, um Spezifikationen zu erfüllen und Materialeigenschaften zu gewährleisten. Aufgrund des hohen Dampfdrucks der meisten unerwünschten Spurenelemente lassen sich diese durch Destillation während des Vakuuminduktionsschmelzens auf sehr niedrige Werte reduzieren, insbesondere bei Legierungen mit extrem hohen Festigkeiten bei höheren Betriebstemperaturen. Für diverse Legierungen, die höchsten Qualitätsanforderungen genügen müssen, ist der Vakuuminduktionsofen das am besten geeignete Schmelzsystem.

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