Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenschmelz- und Gießvor¬ richtung zum Erschmelzen und Gießen von Dentalmetallen und -legierungen mit einem eine Schmelzkammer und eine Gießkammer umfassenden Gehäuse, wobei die Schmelzkammer oberhalb der Gießkammer angeordnet und mit dieser über einen Durchbruch verbunden ist und wobei die Schmelzkammer und die Gießkammer gasdicht verschließbar sind. In der Schmelzkammer ist eine er¬ ste Elektrode mit einem Tiegel verbunden. Oberhalb des Tiegels endet im Gasraum der Schmelzkammer eine zweite Elektrode zwi¬ schen der und dem Tiegel bzw. dem im Tiegel angeordneten zu schmelzenden Material im Betrieb der Lichtbogenschmelzvorrich¬ tung ein Lichtbogen aufgebaut wird.

Diese Art von Lichtbogenschmelz- und Gießvorrichtungen sind beispielsweise aus dem US-Patent 5,168,917 bekannt und werden vor allem zum Erschmelzen und Gießen von kleinen Mengen an Me¬ tallen, wie sie üblicherweise in der Dentaltechnik zum Gießen von Kronen, Brücken etc. gebraucht werden, verwendet. Diese Lichtbogen-, Schmelz- und Gießvorrichtung ist insbesondere auch zum Erschmelzen von oxidationsempfindlichen Metallen, wie z.B. Titan, verwendbar, da man unter Schutzgasatmosphäre ar¬ beiten kann und das erschmolzene Material, ohne es aus der Schutzgasatmosphäre herausnehmen zu müssen, direkt in die Gu߬ muffel, die in der Gießkammer unterhalb des Tiegels angeordnet ist, gießen kann.

Bei größeren Abmessungen des zu erschmelzenden Materials (auch Ingot genannt) ist problematisch, daß punktuell eine starke

Überhitzung eintreten kann. Solche Überhitzungen führen zum teilweisen Verdampfen des flüssigen Materials, insbesondere dann, wenn die Wärmeleitfähigkeit des zu erschmelzenden Mate¬ rials nicht besonders hoch ist. Im Falle der Verwendung von Legierungen kann dies bedeuten, daß bestimmte Legierungsbe¬ standteile aus der Schmelze verdampfen und so die Legierungs¬ zusammensetzung sich beim Schmelzen ändert. Diesem Problem wurde versucht abzuhelfen, indem über elektromagnetische Fel¬ der eine Ablenkung des Lichtbogens bewirkt wurde (vgl. z.B. US-Patent 4,762,165).

Als weiterer Überhitzungseffekt kann eine Reaktion des er¬ schmolzenen Metalls oder der erschmolzenen Metallegierung mit dem umgebenden Tiegelmaterial auftreten.

Um eine Beeinflussung der Position des Lichtbogens mit elek¬ tromagnetischen Feldern durchführen zu können, ist eine auf¬ wendige Steuerung für den Lichtbogen und bedingt außerdem eine größere Baugröße der Vorrichtung.

Da die eingangs erwähnten Lichtbogenschmelz- und Gießvor¬ richtungen vor allem als Laborgeräte ihren Einsatz finden, ist eine Vergrößerung der Abmessungen der Vorrichtung von besonde¬ rem Nachteil. Die Geräte können dann nicht mehr als Tischgerä¬ te ausgeführt werden, wie es für Dentallabors erforderlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtbogen¬ schmelz- und Gießvorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß bei kompaktem Aufbau ein gleichmä¬ ßiges Aufschmelzen des Schmelzgutes erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Lichtbogen¬ schmelz- und Gießvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweite Elektrode antreibbar gehalten ist, so daß das dem Tiegel gegenüberliegende Ende der Elektrode kreisförmige Bewegungen ausführen kann.

Damit kann durch einen einfachen Drehantrieb eine Bewegung des dem Tiegel gegenüberliegenden Endes der Elektrode ausgeführt werden und so die auf das zu erschmelzende Metall bzw. die zu erschmelzende Metallegierung einwirkende Wärmeenergie gleich¬ mäßig auf die Materialoberfläche aufgebracht werden, so daß punktuelle Überhitzungen des zu erschmelzenden Materials bzw. der Schmelze vermieden werden. Damit lassen sich auch Ingots mit relativ großem Durchmesser erschmelzen, bei denen die Wär¬ meleitfähigkeit der Schmelze bzw. des zu erschmelzenden Mate¬ rials nicht besonders ausgeprägt ist. Darüber hinaus läßt sich auf diese Art granuläres oder stückiges Material erschmelzen.

Damit kann der Benutzer der LichtbogenschmelzVorrichtung in einfacher Weise selbst die Lichtbogenbewegung einstellen, was bei elektromagnetisch geführten Lichtbogen nicht oder nur mit größtem Steuerungsaufwand realisierbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrode an einer Taumelscheibe gehalten, wobei vorzugsweise der Hub der Nutationsbewegung und damit der Durchmesser der kreisförmigen Bewegung einstellbar ist.

Durch die Lagerung der zweiten Elektrode an einer eine Nuta¬ tionsbewegung ausführenden Taumelscheibe läßt sich besonders elegant das Problem der Abdichtung der Elektrodendurchführung durch die Wandung der Schmelzkammer lösen, da die Taumelschei¬ be während der Nutationsbewegung gegenüber dem Gehäuse dreh¬ fest angeordnet ist. Die Taumelscheibe kann am Gehäuse zum ei-

nen über ein Kugelgelenk oder Pendelgleitlager gelagert werden oder aber auch über eine kardanische Aufhängung, welchersteres bevorzugt ist, da diese Lagerung mit einem geringen Bautei¬ leaufwand realisierbar ist.

Um die Gasdichtheit der Schmelzkammer zu gewährleisten, ist lediglich notwendig, daß die Elektrode gasdicht an der Taumel¬ scheibe gehalten ist, wenn sie sich bis zur Außenseite der Schmelzkammer erstreckt. Zur Abdichtung wird die Taumelscheibe vorzugsweise mit einem Ende eines zylindrischen Faltenbalges gasdicht verbunden, dessen anderes Ende gasdicht mit der Schmelzkammer verbunden ist. Der Faltenbalg weist dabei in Um- fangsrichtung verlaufende Falten auf, welche bei der Nutati¬ onsbewegung der Taumelscheibe gedehnt bzw. gestreckt werden.

Um eine möglichst geringe Beanspruchung des Faltenbalges si¬ cherzustellen, wird der Drehpunkt für die Nutationsbewegung der Taumelscheibe bevorzugt aus dem Inneren der Schmelzkammer herausverlegt, so daß relativ kleine Nutationsbewegungen der Taumelscheibe zu einem relativ großen Durchmesser der kreis¬ förmigen Bewegungen des dem Tiegel gegenüberliegenden Endes der zweiten Elektrode führen.

Teilweise kann es wünschenswert sein, besonders große Flächen mit dem Lichtbogen zu bestreichen. Für solche Fälle empfiehlt es sich, die Taumelscheibe exzentrisch an einer Drehscheibe zu lagern und die Drehbewegung der Drehscheibe der Nutation der Taumelscheibe zu überlagern.

Bei einer, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Elektrode eine koaxiale Bohrung auf, welche sich vom außerhalb der Schmelzkammer liegenden Ende der zweiten Elek¬ trode bis ins Innere der Schmelzkammer bzw. ins Innere des

Faltenbalges erstreckt, wobei die Bohrung außerhalb der Schmelzkammer mit einer Gaszufuhrleitung verbindbar ist.

Auf diese Weise kann in eleganter Weise eine Zuführung für das Schutzgas, insbesondere Argon, hergestellt werden, das nach einem Evakuieren der Schmelzkammer zum Zünden des Lichtbogens in die Kammer eingeführt wird.

Bevorzugt wird vorgesehen, daß die in die Schmelzkammer ein¬ tauchende Länge der zweiten Elektrode einstellbar ist. Dies gelingt besonders einfach dann, wenn die Abdichtung zwischen Schmelzkammer und Taumelscheibe mittels eines zylindrischen Faltenbalges hergestellt wird, da dann der zylindrische Fal¬ tenbalg die auftretende Längenänderung bzw. Abstandsänderung der Taumelscheibe zur Wandung der Schmelzkammer ausgleichen kann, ohne daß an dem Abdichtsystem zur Herstellung eines gas¬ dichten Verschlusses der Kammer Änderungen vorzunehmen sind. Gleiches gilt, wenn anstelle der Taumelscheibe eine einfache Drehscheibe verwendet wird, an der die Elektrode drehbar und exzentrisch gehalten ist.

Bevorzugt wird die Schmelzkammer und die Gießkammer einstückig ausgebildet, d.h. aus einem Block hergestellt oder als ein Block gegossen und weiter bevorzugt grenzen Schmelzkammer und Gießkammer mit einer gemeinsamen Wand aneinander, die einer¬ seits den Boden der Schmelzkammer und andererseits den Deckel der Gießkammer bildet. Diese Wandung beinhaltet dann auch den weiter oben angesprochenen Durchbruch, der die Schmelzkammer mit der Gießkammer verbindet.

Bevorzugte Materialien für die Herstellung der Schmelzkammer und der Gießkammer sind Aluminium und Aluminiumlegierungen. Hier wird insbesondere die geringe Wärmeleitfähigkeit des Alu-

miniums bzw. seiner Legierungen und deren niedriges spezifi¬ sches Gewicht genutzt.

Die übereinander angeordneten Schmelz- und Gießkammern sind zur Vorderseite hin über zwei ebenfalls übereinander angeord¬ nete Durchbrüche in jeweils einer Seitenwandung der Kammern zugänglich und können so mit dem zu erschmelzenden Material bzw. der Gußmuffel beschickt werden. Bevorzugt werden die Durchbrüche mittels einer gemeinsamen Türe gasdicht verschlos¬ sen, wobei wiederum bevorzugt separate Dichtungen für die ein¬ zelnen Durchbrüche vorgesehen sind.

Bei einer weiteren bevorzugten Vorrichtung werden die Sei¬ tenwände der Schmelzkammer mit Wärmestrahlen reflektierenden Blechen, vorzugsweise aus polierten, austenitischen Edelstahl¬ blechen ausgerüstet, die verhindern, daß die Strahlungswärme, die von dem Lichtbogen und dem erschmolzenen Material ausgeht, direkt auf die Wandungen der Schmelzkammer treffen. Bevorzugt wird auch der Türbereich der Schmelzkammer mit einem Wärme¬ strahlungsschutzblech versehen.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Lichtbogenschmelzund Gießvorrichtung an der Außenwand der Schmelzkammer und gegebe¬ nenfalls auch der Gießkammer mit Kühlrippen versehen sein, die die Kühlung der Außenseite der Schmelzkammer mittels Luft un¬ terstützen. Durch ein Zusammenwirken der Wärmestrahlungs¬ schutzbleche im Inneren der Schmelzkammer und der Kühlrippen an der Außenseite der Schmelzkammer kann auf eine erzwungene Kühlung, beispielsweise mittels Kühlwasser, verzichtet werden.

Als Tiegel im Inneren der Schmelzkammer wird vorzugsweise ein kippbarer Tiegel verwendet, der zum Erschmelzen des Metalls bzw. der Legierung in waagerechter Stellung gehalten ist und zum Abgießen der Schmelze nach unten gekippt werden kann, wo-

bei dann die Schmelze durch den Durchbruch in der gemeinsamen Wandung von Schmelzkammer und Gießkammer hindurch in die in der Gießkammer angeordnete Gußmuffel läuft.

Der Massenschwerpunkt des Tiegels wird vorzugsweise mit mög¬ lichst großem Abstand zur Drehachse des Tiegels gewählt.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß der Tiegel in seiner hori¬ zontalen Stellung rastbar fixierbar ist und daß die Verrastung zum Abgießen der Schmelze lösbar ist, so daß dann der Tiegel unter dem Einfluß der Schwerkraft von selbst die Kippbewegung durchführt.

Hierzu eignet sich beispielsweise eine von der Rückfront des Tiegels in rückwärtiger Richtung abstehende Zunge, welche in ein lösbares Halteelement der Tiegelhalterung einrastbar ist.

Die Tiegelform selbst leitet sich bevorzugt von einem qua- derför igen Grundkörper ab, der mit zwei sich von der Rück¬ front aus seitlich abstehenden Vorsprüngen auf zwei den Tiegel zwischen sich führenden Stützbolzen der Tiegelhalterung auf¬ stützt. Die Vorsprünge bilden gleichzeitig das Drehlager auf den Stützbolzen.

Der quaderförmige Grundkörper des Tiegels weist bevorzugt an der Oberseite eine flache Vertiefung auf, die das erschmolzene Material in Form eines durch die Oberflächenspannung zusammen¬ gehaltenen Tropfens aufnimmt. Durch die flache Form des Tie¬ gels, die im wesentlichen Seitenwände vermeidet, treten seit¬ lich keine Wärmeverluste durch Wärmeleitung auf; so wird eine minimale Kontaktfläche der Schmelze mit dem Tiegelmaterial si¬ chergestellt, so daß eine minimale Wärmeaufnahme von der Schmelze durch das Tiegelmaterial resultiert. Das Tiegelmate¬ rial kann deshalb über ausreichend lange Zeit kühlend auf die

Schmelze wirken, so daß eine feste Schicht des zu erschmelzen¬ den Materials an der Tiegeloberfläche erhalten bleibt, die ei¬ ne Reaktion des erschmolzenen Materials mit dem Tiegelmaterial verhindert. Der Kühleffekt des Tiegelkörpers kann dabei so be¬ rechnet sein, daß während dem gesamten Schmelzvorgang die Wär¬ mekapazität des Tiegels ausreichend ist, um die feste Schicht an zu erschmelzendem Material an der Tiegeloberfläche zu ge¬ währleisten, so daß auf eine gesonderte Wasserkühlung des Tie¬ gelmaterials verzichtet werden kann.

Um trotz der flachen Bauweise des Tiegels eine sichere Po¬ sitionierung der Schmelze im Tiegel zu gewahrleisten, wird be¬ vorzugt an der Oberfläche des Grundkorpers eine flache Vertie¬ fung vorgesehen, welche mittig eine konische Ausnehmung mit einem Öffnungswinkel von ca. 130° bis ca. 160° aufweist. Diese flache konische Ausnehmung ist einerseits ausreichend, um den Schmelzetropfen ausreichend mittig zu stabilisieren und ver¬ hindert andererseits, daß größere Schmelzereste beim Abgießen im Tiegel verbleiben. Darüberhinaus wird die Auflagefläche ei¬ nes zu schmelzenden Ingots auf der Tiegeloberseite auf eine Ringfläche beschränkt, was wiederum den Wärmeübergang von dem zu schmelzenden Material auf den Tiegel minimiert.

Bevorzugt schließen sich an die konische Ausnehmung in ra¬ dialer Richtung ringförmige, abgestufte Flächen an, die der Aufnahme und Zentrierung von zylindrischen Ingots dienen. Es sei an dieser Stelle betont, daß die erfindungsgemäße Vorrich¬ tung, insbesondere auch der erfindungsgemäß gestaltete Tiegel, zur Erschmelzung von zylindrischen Ingots geeignet ist, son¬ dern daß auch granuläres Material erschmolzen werden kann.

Die flache Vertiefung der Oberfläche des Grundkörpers des Tie¬ gels geht bevorzugt über einen radial an die abgestuften Ring¬ flächen anschließenden, exzentrisch zur konischen Ausnehmung

angeordneten, leicht abgeschrägten Ringbereich in die Obersei¬ te über, wobei der exzentrisch angeordnete Ringbereich an der Vorderseite des Tiegelgrundkörpers in einen flachen, ebenfalls zur Mitte der konischen Ausnehmung hin leicht geneigten und bis zur Vorderkante des Grundkörpers führenden Kanal mündet. Dabei sind der exzentrisch angeordnete Ringbereich und/oder der Kanal, der zur Vorderkante des Grundkorpers führt, gegen die Oberfläche des Tiegelgrundkörpers mit ca. 8 bis 12° leicht geneigt.

Bevorzugt weist die Vorderseite des Tiegelgrundkörpers im Be¬ reich der Kanalmündung eine Auskehlung auf, so daß die Wärme¬ kapazität des Tiegelgrundkörpers im Bereich der Abreißkante für den Schmelzestrom beim Ausgießen vermindert ist. Anderer¬ seits soll der Tiegelgrundkörper ausreichend Masse aufweisen, um einen ausreichenden Kühleffekt während dem Erschmelzen des metallischen Materials zu bieten, während andererseits ein möglichst steiles Abkippen des Tiegelkörpers möglich sein soll, so daß sämtliche Schmelzeanteile aus dem Tiegel ausge¬ gossen werden können.

Bevorzugt wird deshalb der quaderförmige Tiegelgrundkörper an seiner Unterseite im rückwärtigen Bereich mit einem Winkel von ca. 20 bis 45° gegen die untere Oberfläche und parallel zur Rückseite verlaufend angefast. Dies erlaubt eine Verschwenkbe- wegung des Tiegelgrundkörpers in einem großen Winkelbereich, d.h. bis zu 70°, ohne daß dabei der Tiegel eine translatori¬ sche Bewegung weg von der Tiegelhalterung ausführen muß.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die im rückwärtigen Bereich des Tiegelgrundkörpers seitlich abste¬ henden Vorsprünge so gewählt, daß diese sich auf den Stützbol¬ zen abrollen ohne daß eine translatorische Bewegung des Tie¬ gelgrundkörpers von der Tiegelhalterung weg bewirkt wird. Da-

durch wird die Verschwenkbewegung des Tiegels weiter erleich¬ tert. Aufgrund des Gewichts des Tiegels reicht ein ungeführtes Abrollen der seitlichen Vorsprünge auf den Stützbolzen für ei¬ ne sichere Führung der Bewegung aus, so daß nichts an der Prä¬ zision des Ausgießvorgangs der Schmelze verlorengeht.

Die Unterseite des Tiegelgrundkörpers im vorderen Teil, d.h. an der Frontseite des Tiegelgrundkörpers, ist bevorzugt eben¬ falls parallel zur Vorderseite verlaufend angefast, und zwar im Winkelbereich von ca. 40 bis 70° gegenüber der Unterseite des Tiegelgrundkörpers.

Allerdings wird bevorzugt der Tiegelgrundkörper zumindest im Bereich der Mündung des Kanales etwa einen Winkel von 90° zur Kanaloberfläche bilden, und zwar bei einer Höhe zwischen einem und zwei Millimetern. Diese Ausbildung der Tiegelvorderkante hat sich als besonders geeignet für ein effektives Abgießen der Schmelze mit gut abreißenden Schmelzetropfen erwiesen.

Um den Tiegel in der horizontal arretierten Stellung eine mög¬ lichst definierte Position zu geben, kann vorgesehen sein, daß die Stützbolzen der Tiegelhaltevorrichtung Quernuten aufwei¬ sen, in die komplementäre Leisten der vom Tiegelgrundkörper seitlich abstehenden Vorsprünge eingreifen. Bei der Kippbewe¬ gung des Tiegels geraten die Leisten außer Eingriff mit den Quernuten und lassen die Abrollbewegung der seitlich abstehen¬ den Vorsprünge des Tiegelgrundkörpers auf den Stützbolzen zu.

Die Quernuten und die in die Quernuten einrückenden Leisten der seitlich abstehenden Vorsprünge bewirkt zum zweiten einen größerflächigen elektrischen Kontakt des Tiegelgrundkörpers mit der Tiegelhalterung.

Bevorzugt wird der Tiegel aus Kupfer hergestellt und ebenso die Tiegelhalterung.

Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß der er¬ findungsgemäße Tiegel unabhängig von der Art der Licht¬ bogenschmelzvorrichtung verwendbar ist und auch eine ei¬ genständige Erfindung darstellt.

Bevorzugt wird der die Schmelzkammer mit der Gießkammer ver¬ bindende Durchbruch von einem sich nach unten, d.h. zur Gie߬ kammer hin verjüngenden Trichter gebildet. Dieser Trichter kann einfach in den Durchbruch eingesetzt sein oder aber in diesen eingeschraubt werden. Die untere Endfläche der Trich¬ terwandung wird dabei bevorzugt konvex gewählt, wobei ein be¬ vorzugter Krümmungsradius dieser Endfläche im Bereich von ca. 30 bis 50 mm angesiedelt ist.

In der Gießkammer selbst wird vorzugsweise ein pneumatisch an¬ hebbarer Teller angeordnet, auf dem die Gießmuffel aufgesetzt werden kann. Beim pneumatischen Anheben der Gießmuffel wird diese mit ihrer Oberseite dann dichtend an die untere Endflä¬ che der Trichterwandung angelegt und durch den bevorzugten Krümmungsradius der unteren Endfläche der Trichterwandung wird eine gute Abdichtung erreicht.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im ein¬ zelnen:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Licht¬ bogenschmelz- und Gießvorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht längs Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Tiegel¬ halterung;

Fig. 4 eine Schnittansicht längs Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Tiegel.

Fig. 1 zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeich¬ nete erfindungsgemäße Lichtbogenschmelz- und Gießvorrichtung mit einem Gehäuse 12, in dem eine Schmelzkammer 14 und eine Gießkammer 16 ausgebildet sind. Dabei ist das Volumen der Schmelzkammer 14 meistens kleiner gehalten als Volumen der Gießkammer 16. Die Schmelzkammer 14 grenzt an die Gießkammer 16 über einen gemeinsamen Trennboden 18 an, welcher einen Druchbruch 20 beinhaltet, über den die Schmelzkammer 14 mit der Gießkammer 16 in Verbindung steht.

Die Schmelzkammer 14 und die Gießkammer 16 sind zur Vordersei¬ te (in der Fig. 1 entspricht dem die linke Seite) offen und werden mittels einer gemeinsamen Türe 22 verschlossen. Die Tü¬ re wird vorzugsweise im Bereich der Schmelzkammer mit einem Schauglas zur optischen Kontrolle des Schmelzvorgangs verse¬ hen. Zum gasdichten Verschließen der Schmelzkammer 14 und der Gießkammer 16 sind in der Türe 22 jeweils gesonderte Dichtun- gen 24, 25 vorgesehen, die die Öffnung für die Schmelzkammer 14 bzw. die Gießkammer 16 umrunden und abdichten.

In der Schmelzkammer 14 ist an der Rückwand 26 eine Tiegelhal¬ terung 28 über Abstandshalter 30 befestigt. Die Tiegelhalte¬ rung 28 besteht im wesentlichen aus einer quadratischen Plat¬ te, von der in Richtung zur Vorderseite der Schmelzkammer 14 zwei Führungsbolzen 32 vorspringen, welche zwischen sich eine Führung für einen verschwenkbar einsetzbaren Tiegel 34 bilden.

Der Tiegel 34 wird elektrisch über die Tiegelhalterung 28 so¬ wie die elektrische Zuleitung 36 mit einer im Detail nicht ge¬ zeigten und nicht beschriebenen Spannungsversorgung 38 verbun¬ den und bildet eine erste Elektrode. In der oberen Abschlu߬ wand 40 der Schmelzkammer 14 ist eine zweite Elektrode 42 ge¬ halten, welche mit ihrem unteren Ende 44 oberhalb des Tiegels 34 und zu diesem im wesentlichen zentriert endet. Die zweite Elektrode 42 durchsetzt die obere Abschlußwand 40 und ist in der insgesamt mit dem Bezugszeichen 46 bezeichneten Elektro- denhalterung 46 antreibbar gehalten, so daß das untere Ende der zweiten Elektrode oder deren Elektrodenspitze 44 kreisför¬ mige Bewegungen, beispielweise eine simple Kreisbewegung, um den Tiegelmittelpunkt ausführen kann.

Die zweite Elektrode 42 ist an ihrem außerhalb des Gehäuses 12 liegenden Ende 48 über eine Zuleitung 50 mit der Spannungsver¬ sorgung 38 elektrisch verbunden.

Die zweite Elektrode 42 ist bevorzugt über eine gewisse Länge, beginnend vom außenliegenden Ende 48, rohrförmig ausgebildet, so daß sich über einen Gaseinlaßanschluß 52 und den rohrförmi- gen Teil der zweiten Elektrode 42 über mit dem Innenraum der Schmelzkammer 14 in Verbindung stehende Öffnungen des rohrför- migen Teils der Elektrode 42 eine Belüftung oder das Einspei¬ sen von Schutzgas in die Schmelzkammer 14 bewerkstelligen läßt.

Um in der Schmelzkammer 14 eine Schutzgasatmosphäre herstellen zu können ist diese im unteren Bereich der Rückwand 26 mit ei¬ ner Absaugöffnung 54 versehen, über die die Schmelzkammer 14 zunächst evakuiert werden kann, bevor die Schutzgasatmosphäre über den Gaseinlaß 52 und die zweite Elektrode 42 aufgebaut wird.

In den Durchbruch 20 des die Schmelzkammer 14 von der Gießkam¬ mer 16 trennenden Boden 18 wird bevorzugt ein Trichterteil 56 eingesetzt, vorzugweise eingeschraubt, welcher beim Abgießen einer auf dem Tiegel 34 gebildeten Schmelze den Schmelzefluß in eine in der Gießkammer 16 angeordnete Gußmuffel 58 leitet.

Die Gußmuffel 58 wird üblicherweise in eine Halterung 60 ein¬ gesetzt oder auf einen Teller aufgesetzt, welche pneumatisch über eine Anhebvorrichtung 62 angehoben werden können, so daß die Oberkante der Gußmuffel 58 dichtend an einem unteren Trichterwandende 64 zum Anliegen kommt. Die Gießkammer 16 be¬ inhaltet in der Rückwand 26 analog zur Schmelzkammer 14 eine Absaugöffnung 66 über die die Gießkammer 16 evakuierbar ist.

Bevor anhand der Fig. 2 bis 5 einzelne Bestandteile der erfin¬ dungsgemäßen Lichtbogenschmelz- und Gießvorrichtung näher be¬ schrieben werden soll hier noch kurz auf die Arbeitsweise der Vorrichtung beim Erschmelzen und Gießen, insbesondere von Sau¬ erstoffempfindlichen Materialien, eingegangen werden.

In der Gießkammer 14 wird zunächst auf den in waagrechter Stellung gehaltenen Tiegel 34 das zu erschmelzende Metall bzw. die zu erschmelzende Metallegierung in Form von granulärem oder stückigem Material oder in Form des in Fig. 1 gezeigten Ingots 68 eingebracht. In der darunter liegenden Schmelzkammer 16 wird die Gußmuffel 58 in die Halterung 60 eingesetzt und mittels der pneumatischen Hebevorrichtung soweit angehoben, daß das obere Ende der Gußmuffel 58 an dem unteren Rand 64 des Trichters 56 anliegt.

Danach wird die gemeinsame Türe zum Verschließen der vorn lie¬ genden Öffnungen der Schmelzkammer 14 und der Gießkammer 16 verschlossen und über die Absaugöffnungen 54 und 66 werden die beiden Kammern 14 und 16 evakuiert. Während die Gießkammer 16

weiterhin evakuiert wird, wird über den Gaseinlaß 52 eine Schutzgasatmosphäre in der Schmelzkammer 14 aufgebaut, die niedriger als Atmosphärendruck sein kann, aber auch einen hö¬ heren Druck annehmen kann, beispielweise einen Überdruck von ca. 0,8 at. Als Schutzgas wird vorzugsweise Argon verwendet. Nach dem Zünden eines Lichtbogens zwischen der Elektrodenspit¬ ze 44 und dem zu erschmelzenden Material des Ingots 68 wird das Material des Ingots 68 erschmolzen bis sich ein Schmelze¬ tropfen auf der Tiegeloberfläche 34 bildet. Danach wird eine Arretierung in der Tiegelhalterung 28 gelöst, so daß der Tie¬ gel 34 durch die Schwerkraft nach unten kippen kann und dabei der Schmelzetropfen über den Trichter 56 in die Gußmuffel 58 fließen kann und die dort gebildeten Hohlräume ausfüllen kann.

Das Ausformen der Hohlräume in der Gußmuffel 58 lassen sich durch eine Druckerhöhung in der Schmelzkammer nach dem Abgie¬ ßen des Schmelzetropfens von dem Tiegel 34 durch eine Drucker¬ höhung in der Schmelzkammer 14 unterstützen. Gasanteile, wel¬ che in den Hohlräumen der Gusmuffel 58 vorhanden sind, werden durch den aufrechterhaltenen Differenzdruck zwischen Gußmuffel und Gießkammer 16, die ja weiterhin evakuiert wird, durch das poröse Gußmuffelmaterial abgebaut, so daß lunkerfreie Gußteile erhalten werden können.

Um zu einem optimalen Ergebnis beim Erschmelzen des Ingots 68 zu kommen, kann die Elektrode 42 mit ihrer Spitze 44 eine Kreisbewegung ausführen, deren Radius einstellbar ist. Dadurch erhält man über eine wesentlich größere Fläche des Ingots 68 eine Aufheizung des metallischen Materials, wodurch ein Über¬ hitzen einzelner Partien des metallischen Materials vermieden wird. Um eine optimale Lichtbogengeometrie zu erhalten, kann zusätzlich noch die Eintauchtiefe der Elektrode 42 in die Schmelzkammer 14 durch eine Längenverstellbarkeit der Elektro¬ de 42 angepaßt werden.

Die Kreisbewegung der Elektrodenspitze 44 ist auch bei granu¬ lärem oder stückigem Material von Vorteil, da man dadurch zu einem schnellen Zusammensintern dieser Materialien kommt.

Um eine Aufheizung des Gehäuses der Schmelz- und Gießvor¬ richtung 10 zu vermeiden, kann man im Innenraum der Schmelz¬ kammer 14 eine die Wärmestrahlung reflektierende Schutz¬ blechanordnung vorsehen, die bis in den Zwischenraum zwischen der Tiegelhalterung 28 und der Rückwand 26 reicht.

Während das Gehäuse 12 vorzugseise aus Aluminium gefertigt wird, werden die Wärmestrahlungsschutzbleche vorzugsweise aus poliertem, austenitischem Edelstahl gefertigt. Die Türe 22 kann an den Öffnungen der Schmelzkammer 14 ebenfalls mit einem Wärmestrahlungsschutzblech ausgerüstet werden. Auch die obere Abschlußwand 40 und in großen Teilen die der Schmelzkammer 14 zugewandten Teile der Elektrodenhalterung 46 können ebenfalls über ein Wärmestrahlungs- und Spritzschutzblech, wiederum vor¬ zugweise aus poliertem austenitischem Edelstahl gefertigt, ge¬ schützt werden. Die Rückwand 26 kann im Bereich der Schmelz¬ kammer und gegebenenfalls auch im Bereich der Gießkammer mit Kühlrippen versehen werden (nicht gezeigt), die häufig einen ausreichenden Kühleffekt bewirken, so daß auf eine Wasserküh¬ lung des Gehäuses verzichtet werden kann.

Der Tiegel 34 wird vorzugweise aus Kupfer gefertigt, ebenso wie die Tiegelhalterung 28. Aufgrund der Wärmekapazität des Tiegels berechnet auf die zulässigen Mengen an zu erschmelzen¬ dem Metall bzw. zu erschmelzenden Metallegierungen und insbe¬ sondere die durch die flache Tiegelform verminderte Kontakt¬ fläche zwischen dem Schmelzetropfen und dem Tiegelmaterial, kann auf eine Kühlung des Tiegels 34 verzichtet werden, da sich bei einer ausreichenden Wärmekapazität des Tiegelmateri¬ als eine erstarrte Schicht des zu erschmelzenden Metalls an

der Tiegeloberfläche bildet, welche gleichzeitig verhindert, daß es zu Reaktionen bzw. Legierungsbildung zwischen dem zu erschmelzenden Material und dem Tiegelmaterial kommt.

Fig. 2 zeigt nun im einzelnen den Aufbau der Elektroden¬ halterung 46.

Die Elektrodenhalterung 46 wird in der oberen Abschlußwand 40 der Schmelzkammer 14 in einen ringförmigen und abgestuften Durchbruch 70 eingesetzt und elektrisch von der oberen Ab¬ schlußwand 40 über ein erstes Glaskeramikringteil 72 elek¬ trisch isoliert, welches an seiner Außenseite eine stufenför¬ mige Ausbildung erfährt, komplementär zu der abgestuften Form des Durchbruchs 70.

Das Glaskeramikringteil 72 wird über ein auf dieses aufzu¬ setzendes glaskeramisches Spannteil 74, welches ebenfalls Ringform besitzt, von außen gegen die obere Abschlußwand 40 gepreßt. Im Durchbruch 70 wird eine Ringdichtung 74 an¬ geordnet, über den eine gasdichte Verbindung zwischen dem Ke¬ ramikteil 72 und der oberen Abschlußwand 40 hergestellt wird.

Das Glaskeramikringteil 72 weist mittig eine stufenförmig rückgesetzte Ausnehmung auf, welche zunächst einen im we¬ sentlichen zylindrischen Tantalblechmantel aufnimmt, der sich mit einem endseitigen Flansch 79 auf dem Glaskeramikteil 72 abstützt. Der zylindrische Tantalblechmantel 78 seinerseits wird über seinen Flansch 79 von einem übergestülpten zylindri¬ schen Faltenbalg 80 über dessen ringförmigen Fuß 81 auf dem Keramikteil 72 gehalten, wobei das Fußteil 81 an seiner Unter¬ seite mit einer Ringnut versehen ist, in die ein Dichtungsring 82 eingelegt wird.

An seinem dem Fuß 81 abgewandten Ende trägt der Faltenbalg 80 eine Scheibe 84, in die eine hülsenförmige Halterung 86 für die Elektrodenspitze 44 einschraubbar ist. Der Faltenbalg 80 wird schließlich von einem zylindrischen Gehäuseteil 88 umfan¬ gen, welches sich ebenfalls an dem Glaskeramikringteil 72 ab¬ stützt und an seiner zylindrischen Außenfläche einen Gewinde¬ abschnitt 89 aufweist. Das zylindrische Gehäuseteil 88 wird an seinem unteren Ende von dem Glaskeramikspannteil 74 umfangen, welches sich an einer flanschartigen Erweiterung am unteren Ende des zylindrischen Gehäuseteils 88 abstützt und so das zy¬ lindrische Gehäuseteil 88 zwischen sich und dem Glaske¬ ramikringteil 72 hält.

Da sich andererseits das zylindrische Gehäuseteil 88 über ei¬ nen nach innen vorspringenden Flansch auf dem Fuß 81 des Fal¬ tenbalgs 80 abstützt, ist damit auch der Faltenbalg 80 am Glaskeramikringteil 72 und über den Fuß 81 wiederum der Tan¬ talblechmantel 78 gehalten.

Auf dem Tantalblechmantel 78 liegt lose ein Ring 90 auf, der den Tantalblechmantel 78 nach oben zum Hülsenteil 86 hin ab¬ schließt und so vermeidet, daß aus der Schmelzkammer 14 Sprit¬ zer des erschmolzenen Materials zum Faltenbalg 80 gelangen können, was bei den hohen Temperaturen, z.B. von Titanschmel¬ zen, leicht zu einer Beschädigung des Faltenbalgmaterials und damit zu einer Leckage des Faltenbalgs rühren könnte.

Die Hülse 86 ist über einen Aluminiumdichtring 91 gegenüber der Scheibe 84 abgedichtet, so daß insgesamt eine gasdichte Halterung der zweiten Elektrode 42 in dem Durchbruch 70 der oberen Abschlußwand 40 resultiert.

Der in die Scheibe 84 eingeschraubte Gewindeabschnitt der Hül¬ se 86 setzt sich über die Scheibe 84 hinaus fort. Die Scheibe

84 selbst umfaßt auf ihrer dem Faltenbalg 80 abgewandten Seite ein zylindrisches Teil 92, auf welches ein Ringteil 94 mit ei¬ ner sphärischen Oberfläche aufgeschoben ist. Das Ringteil 94 mit der spärischen Außenfläche wird auf der Scheibe 84 durch ein auf den außenliegenden Gewindeabschnitt der Hülse 86 auf¬ geschraubten Ring 96 fixiert. Auf den Gewindeabschnitt 89 des zylindrischen Gehäuseteils 88 ist ein rotationssymmetrisches, im wesentlichen hohlzylindrisches Lagerteil 98 aufgeschraubt, welches an seinem außenliegenden Ende mit einem Boden 100 ver¬ schlossen ist, welches mittig eine zentrale Bohrung 102 auf¬ weist, welche ein Gleitlager 104 für das Ringteil 94 mit spä- rischer Außenfläche aufnimmt. Über dieses Gleitlager 104 und den Ring 94 mit sphärischer Außenfläche ist die Elektrode 42 allseitig um den Drehpunkt P verschwenkbar gelagert.

Die Hülse 86 trägt im Anschluß an das aufgeschraubte Ringteil 96 ein Radiallager 106, welches mit seinem äußeren Lagerring eine Taumelscheibe 108 trägt.

Das Lagerteil 98 trägt über einen radial abstehenden Flansch 110 ein Einstellrad 112 mit dessen Hilfe das Lagerteil 98 auf das Gewinde 89 des zylindrischen Gehäuseteils 88 weiter aufge¬ schraubt oder aus diesem herausgeschraubt werden kann. Damit wird die Eintauchtiefe der Elektrode 42 in die Schmelzkammer 14 eingestellt.

Oberhalb des F-lansches 110 setzt sich das Lagerteil 98 mit ei¬ nem zylindrischen Abschnitt 114 fort, auf dessen Außengewinde ein Hohlzylindrisches Lagerteil 116 aufgeschraubt ist. Dieses Lagerteil 116 trägt den äußeren Ring eines Radiallagers 118, dessen Innenring wiederum ein Antriebsrad 120 trägt. Das An¬ triebsrad 120 ist beispielweise durch einen Riementrieb zu ei¬ ner Drehbewegung antreibbar und weist einen mittigen Druch- bruch 122 auf, in dem das zur Gehäusewandung 40 entfernt lie-

gende Ende der Hülse 86 das auf der Hülse angeordnete Ra¬ diallager 106 sowie die darauf befestigte Taumelscheibe 108 aufnimmt.

Darüber hinaus ist die Taumelscheibe 108 mit dem Antriebsrad 120 über einen Kugelkopfbolzen 124 drehfest verbunden, wobei der Bolzen in radialer Richtung in die Taumelscheibe 108 ein¬ geschraubt ist und mit seinem Kugelkopf oder sphärischen Kopf¬ teil in eine Radialbohrung 126 des Antriebsrades 120 ein¬ greift. Die Taumelscheibe 108 ist über den Bolzen 124 mit dem Antriebsrad 120 drehfest verbunden.

Das hohlzylindrische Lagerteil 116 trägt über einen radial ab¬ stehenden Flansch 128 ein Einstellrad 130 mit dem das hohlzy¬ lindrische Lagerteil 116 auf das Außengewinde des zylindri¬ schen Abschnitts 114 weiter aufgeschraubt oder aus diesem her¬ ausgeschraubt werden kann. Wird das hohlzylindrische Lagerteil 116 weiter auf das Außengewinde des zylindrischen Abschnitts 114 aufgeschraubt, bewegt sich das Antriebsrad 120 in Richtung zur oberen Abschlußwand 40 und verschwenkt dabei die Taumel- scheibe 108, die ja über den Bolzen 124 mit dem Antriebsrad 120 drehfest gekoppelt ist, im Uhrzeigersinn. Gleichzeitig verschwenkt die zweite Elektrode 42 um den Punkt P ebenfalls im Uhrzeigersinn.

Wird andererseits das hohlzylindrische Lagerten 116 über das Einstellrad 130 aus dem Gewinde des zylindrischen Abschnitts 114 weiter herausgedreht, so entfernt sich das Antriebsrad 120 von der oberen Abschlußwand 40 und die Taumelscheibe 108 wird im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt, ebenso wie die Elektrode 42.

Wird nun das Antriebsrad 120 zu einer Drehbewegung angetrie¬ ben, und ist das hohlzylindrische Lagerteil 116 aus seiner

Neutralposition, bei dem die Elektrode 42 im wesentlichen senkrecht zur oberen Abschlußwand 40 angeordnet ist, herausge¬ dreht, so vollführt die Taumelscheibe 108 ebenfalls eine Rota¬ tionsbewegung, der aber eine Nutation überlagert ist. Durch die rotatorische Entkopplung der zweiten Elektrode 42 über das Radiallager 106 ist diese von der Drehbewegung des Antriebsra¬ des 120 entkoppelt und führt lediglich eine Schwenkbewegung entlang eines Kegelmantels aus. Dies erlaubt eine einfache Be¬ festigung eines Anschlusses 132 einer Gaszuleitung 134 sowie der elektrischen Verbindungsleitung 136. Dieser Anschluß wird zusätzlich dadurch erleichtert, daß der Schwenkpunkt P so ge¬ wählt wird, daß er im oberen Drittel der Elektrode 42 angeord¬ net ist, so daß sich für das außen liegende Ende an dem die Gasleitung 134 sowie die elektrische Leitung 136 angeschlossen sind nur eine geringfügige Kreisbewegung bzw. eine Kreisbewe¬ gung mit einem kleinen Durchmesser ergibt, verglichen mit dem Durchmesser der Kreisbewegung der Elektrodenspitze 44.

Die Elektrodenspitze 44 ist in dem unteren Ende der Hülse 86 über einen Spannbereich mit radialgeschlitzten Spannelementen (nicht gezeigt) und einer Überwurfhülse (im einzelnen nicht gezeigt) befestigt, welche über einen Kegel die Spannelemente bei Einschrauben der Hülse zusammendrückt und so die Elektro¬ denspitze 44 fest einspannt. Benachbart zum unteren Ende der Hülse 86 bzw. benachbart zur Elektrodenspitze 44 wird der in die Schmelzkammer 14 ragende Teil des GΪaskeramikringteils 72 vorzugsweise durch ein zylindrisches Schutzblech 138, welches einen radial nach außen abstehenden Rand trägt, vor Spritzern des erschmolzenen Materials geschützt, die ansonsten unter be¬ stimmten Umständen zu einer Beschädigung des Glakeramikteils 72 führen können.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Tiegelhalterung 28 im Detail, wel¬ che aus einer im wesentlichen quadratischen Grundplatte 140

mit einer zentralen Öffnung 142 besteht, in welche ein Verrie¬ gelungsmechanismus 144 zur Halterung des Tiegels 34 in waag¬ rechter Position eingesetzt ist. Der Verriegelungsmechanismus 144 umfaßt einen Schwenkriegel 146, welcher federbelastet eine von der rückwärtigen Seite des Tiegels 34 abstehende Zunge 148 überfängt.

Der Tiegel 34 liegt ferner auf den an der Vorderseite der Platte 140 abstehenden Führungsbolzen 32 beiseitig über an der rückwärtigen Seite Tiegels 34 seitlich abstehenden Vorsprüngen 150 auf, wobei der Grundkörper des Tiegels 34 zwischen den Führungsbolzen 32 geführt wird (vgl. Fig. 3).

Wird der Schwenkriegel 146 beispielsweise durch einen Stößel in seinem unteren Bereich aus seiner Ruhelage verschwenkt ( in Fig. 4 in Gegenuhrzeigerrichtung), gibt er die rückwärtig am Tiegel 34 abstehende Zunge 148 frei und der Tiegel 34 kippt aufgrund seiner exzentrischen Lagerung durch die Vorsprünge 150 auf den Führungsbolzen 32 nach unten.

Zur exakten Positionierung des Tiegels 34 auf der Tiegel¬ halterung 28 weisen die Vorsprünge 150 nach unten abstehende Leisten 152 auf, welche in waagrechter Stellung des Tiegels, d.h. also in der Position, in der Material erschmolzen wird, in komplementäre Quernuten 154 der Führungsbolzen 32 ein. Da¬ mit ist zum einen durch die seitliche Führung der Führungsbol¬ zen 32 und durch den Eingriff der Leisten 152 in die Quernuten 154 eine exakte und reproduzierbare Positionierung des Tiegels 34 an der Halterung und insbesondere bezüglich der Elektroden¬ spitze 44 möglich.

Fig. 5 zeigt schließlich den Tiegel 34 im Querschnitt, wobei insbesondere auf folgende Einzelheiten hinzuweisen ist.

Der im wesentlichen quaderförmige Grundkörper des Tiegels 34 weist an seiner Oberseite eine flache Ausnehmung 156 auf, wel¬ che eine auf die Normalposition der Elektrodenspitze 44 ausge¬ richtete konische Vertiefung 158 umfaßt. Anschließend an die konische Vertiefung 158, deren Öffnungswinkel hier ca. 150° beträgt, schließen sich abgestufte Ringbereiche 160, 161 und 162 an, welche jeweils als Auflager für zu schmelzende Ingots 68 dienen. Je nach Durchmesser des Ingots wird er auf der Ringfläche 160, 161 oder 162 aufliegen. Die Ringflächen bewir¬ ken zum einen einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwi¬ schen dem Tiegel 34 und dem Ingot, vermeiden aber gleichzeitig eine großflächige Auflage des Ingots auf dem Tiegel 34, so daß die Wärmeaufnahme des Tiegelmaterials vom Ingotmaterial auf ein Minimum beschränkt ist.

An die äußerste abgestufte Ringfläche 162 schließt sich in ei¬ ner weiteren Stufe eine exzentrisch angeordnete Ringfläche 164 an, welche im Bereich der vorderen Kante 166 des Tiegels 34 in einen Kanal 168 mündet. Sowohl die Ringfläche 164 als auch der Kanal 168 sind leicht zur Mitte des Tiegels bzw. dessen Aus¬ nehmung 156 hin geneigt. Bevorzugter Neigungswinkel hierbei ist ca. 8 bis 12° .

Die Unterseite des Tiegels 34 ist auf der rückwärtigen Seite großflächig angefast, wobei die dabei gebildete Fläche 170 zu der Ebene der Unterseite 172 einen Winkel von ca. 30° bildet. Parallel zur Vorderkante ist auf der Unterseite ebenfalls eine Fase 174 angebracht, welche mit der Ebene der Unterseite 172 einen Winkel von ca. 45° bildet. Wichtig für das Abrei߬ verhalten der Schmelze beim Ausgießen des Schmelzetropfens ist, daß an die Vorderkante 166 im Bereich der Mündung des Ka¬ nals 168 anschließend eine zum Kanalboden in etwa vertikale Fläche mit einer Höhe von 1 bis 2 mm ausgebildet ist.

Die beschriebene Form des Tiegels 34 stellt zum einen sicher, daß der Schwerpunkt des Tiegels möglichst weit von der Dreh¬ achse des Tiegels bei der Kippbewegung entfernt liegt und daß andererseits eine ausreichende Kippbewegung des Tiegels mög¬ lich ist, so daß der im Tiegel verbleibende Schmelzerest mini¬ miert ist.