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Giessform.
Die Erfindung bezieht sich auf das Giessen von Metallen und bietet für das ununterbrochene Giessen von Kupfer, von Legierungen auf Kupfergrundlage, von Aluminium, von Legierungen auf Aluminiumgrundlage u. dgl. Verbesserungen von höchster Bedeutung.
Schon vor längerer Zeit wurde vorgeschlagen, Gussstücke von unbeschränkter Länge dadurch herzustellen, dass flüssiges Metall in eine Gussform oder Matrize eingeführt, das Metall durch Entziehung der Hitze durch die Wände der Matrize gekühlt und das erhärtete Metall fortlaufend entfernt wird, doch hatte dieser Vorschlag niemals Erfolg. Die Ergebnisse waren in Wirklichkeit so enttäuschend, dass andere Methoden und Hilfsmittel, z. B. die Entziehung von im wesentlichen der gesamten Hitze durch die Länge des erstarrten Gussstückes hindurch, vorgeschlagen wurden, um erfolgreich das Metall fortlaufend giessen zu können.
Auf Grund gewisser Verbesserungen, die mit der Erfindung vorgeschlagen werden, ist es jetzt möglich, Nichteisenmetalle oder ihre Legierungen erfolgreich fortlaufend zu giessen in einem Verfahren, bei dem das Metall durch Entziehung der Hitze durch die Wände der Matrize zum Erstarren gebracht wird.
Als Ergebnis langer, mannigfache Versuche und Untersuchungen wurde gefunden, dass der Hauptgrund für die wiederholten erfolglosen Bemühungen, Nichteisenmetalle, insbesondere Kupfer oder seine Legierungen, fortlaufend mit Hilfe von Verfahren zu giessen, die den Gedanken der Entziehung von Hitze durch die Formenwände enthielten, darin bestand, dass es nicht gelang, die wesent-
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Rechnung zu stellen. Auf Grund dieser Feststellungen wurde gefunden, dass, um gesunde Gussstücke in der beabsichtigten Weise herzustellen, das Material, aus dem die Matrize besteht, bestimmte charakteristische Eigenschaften besitzen muss.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass zu diesen Eigenschaften gehört, dass das Material der Matrize oder Gussform einerseits nicht nur feuerfest sein und eine ausserordentlich glatte Bearbeitung annehmen muss, sondern dass es auch einen hohen Grad Wärmeleitfähigkeit besitzen und beständig (fest) bleiben muss gegenübar Temperaturänderungen jeder Art, gleichgültig ob diese langsam oder plötzlich erfolgen.
Weiterhin darf das Material der Gussform nicht von dem Metall benetzbar sein, d. h. es muss ein ähnliches Verhalten zeigen wie Quecksilber im Gegensatz zu dem Verhalten des Wassers in einem Glasrohr und die Grösse seiner einzelnen Teilchen (Partikel) darf 40 Mikron nicht überschreiten, während die Porosität nicht mehr als 20% betragen darf, wobei die Grösse der Poren höchstens 40 Mikron sein soll. Es ist zu beachten, dass die Zahlen für die Grösse der Teilchen, die Porosität und den Porenzwischenraum Höchstza, hlen darstellen, und dass niedrigere Zahlen vorzuziehen sind, wenn das Material die andern charakteristischen Eigenschaften aufweist.
Die Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtungen, in denen das Prinzip der Erfindung verkörpert ist. Es zeigen Fig. 1 einen senkrechten Schnitt einer ersten Ausführung der Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung, Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Matrize, Fig. 3 einen Schnitt durch eine zusammengesetzte Matrize und Fig. 4 einen Schnitt durch eine etwas abgeänderte Matrize.
In den Zeichnungen ist ein Ofen 10 dargestellt, der auf einer Plattform 12 montiert ist, die durch Balken oder Träger 14 gestützt ist. Auf feuerfesten Blöcken 16 ist ein Behälter 18 angebracht, der das geschmolzene Metall 20 enthält. Der Ofen wird durch irgendwelche geeigneten Mittel, die nicht dargestellt sind, beheizt, z. B. durch Öl-oder Gasbrenner oder eine elektrische Heizeinrichtung.
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die Gussform oder Matrize 22, die mit einem Kanal oder Durchgang 24 versehen und von einem Kühlmantel 26 umgeben ist, der in geeigneter Weise mit dem Einlass 28, dem Überlaufrohr 30 und dem Auslassrohr 32 für eine Kühlflüssigkeit verbunden ist. Eine Platte 34 begrenzt den Raum 36 unmittelbar unter der Giessform 22 und der Gaseinlass 38 führt in den Raum. 36.
Weiter tiefer sind Walzen 40 vorgesehen, um das erhärtete Metall aus der Giessform zu entfernen.
Wie früher erwähnt, muss die Matrize oder Giessform aus einem Material bestehen, das genau bestimmte charakteristische Merkmale und Eigenschaften besitzt. Unter den für die Erfindung in
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ist, dass solcher Graphit, der durch chemischen Niederschlag gebildet und unter sehr hohem Druck mit kolloider Kohle als Bindemittel gebunden bzw. geformt wird, nicht mit gewöhnlichen Graphitarten zu verwechseln ist, auch nicht mit Graphitarten, die gewöhnlich als "dicht" bezeichnet werden, die jedoch für das vorliegende Verfahren unbrauchbar sind. Es ist also nur solcher Graphit, der den besonderen oben angeführten Ansprüchen genügt, zu berücksichtigen. Bor-Karbid (B4C) ist ein anderes Material, das die verlangten oben aufgezählten Eigenschaften aufweist und mit Erfolg verwendet werden kann.
Wenn ein Material verwendet wird, das den bereits geschilderten Anforderungen entspricht, so kann der Bau der Matrize oder Giessform an sich grosse Verschiedenheiten aufweisen und einige der möglichen Bauarten sind in den Zeichnungen dargestellt. In Fig. 1 und 2 ist eine verhältnismässig einfache Bauart der Gussform dargestellt, die aus einer Matrize 22 besteht, welche mit einem Kragen 42 versehen ist, der in den Boden des Behälters 18 eingelassen ist. Der Kanal 24 der Matrize ist etwas konisch nach unten erweitert. um die Entfernung des erhärteten Metalls aus der Form möglichst leicht zu gestalten. Die Giessform ist vom Mantel 26 umgeben, der für den Umlauf von Wasser oder einer andern Kühlflüssigkeit vom Einlass 28 zum Auslass. 32 über den Überlauf 30 eingerichtet ist.
Da es im wesentlichen nur auf die Fläche der Form ankommt, mit der das Metall in der Er- starrllngszone in Berührung kommt, ist es nur nötig, Material, das die oben dargelegten charakteristischen Eigenschaften hat. für das Futter der Giessform zu verwenden. Das ergibt die Möglichkeit, den Rest der Giessform aus anderem Material herzustellen und erlaubt dadurch eine wesentliche Kostenersparnis. Zusammengesetzte Matrizen können so ausgebildet sein, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt.
In Fig. 3 ist eine Gussform gezeigt, in der nur das Futter 44 aus dem Material besteht, mit dem sich die Erfindung befasst, während der Hauptkörper 46 der Gussform z. B. aus gewöhnlichem dichtem Graphit bestehen kann. Das Futter 44 ist in dem Teil 46 des Körpers durch Gewinde 50 gesichert. Zwischen dem Boden des Behälters 48 und dem Kopf des Kühlmantels 56 ist ein Glimmerstutzen 52 angebracht, der von einer Heizschlange 54 umgeben ist, die von einer Isolierung 58 eingeschlossen ist, wodurch es möglich wird, das Metall wesentlich zu überhitzen, kurz bevor es abgekühlt wird, was sich bei gewissen Arbeitsvorgängen als vorteilhaft erweist. Die in Fig. 4 dargestellte zusammengesetzte Matrize ist ähnlich der in Fig. 3 gezeigten, jedoch sind die Heizschlange und die Isolierung fortgelassen.
Beim Betriebe wird der Boden der Matrize oder Gussform mit einem geeigneten Pfropfen ver-
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mässig aus einer Stange vom gleichen Durchmesser wie das gewünschte Gussstück bestehen und ragt vorzugsweise durch die Walzen 40 hindurch, wodurch das Herausziehen der Stange bei Beginn des Giessvorganges erleichtert wird.
Das zu giessende Metall, wie Kupfer oder eine Kupferlegierung, wird dann in den Behälter 18 eingeführt und darin in dem geeigneten flüssigen Zustande gehalten. Eine Kühlflüssigkeit, etwa Wasser, wird durch den die Matrize umgebenden Mantel in Umlauf gebracht, um das Metall in der Giessform zum Erstarren zu bringen. Das zuerst in die Giessform eintretende Metall wird sich mit der Verschlussstange verschweissen und zu geeigneter Zeit wird eine Längsbewegung auf diese Stande übertragen, wodurch das Gussstück aus der Gussform herausgezogen wird. In dem Masse wie das Gussstück entfernt wird, erstarrt eine weitere Metallmenge darüber und liefert so ein Gussstück von ununterbrochener Länge. Nicht oxydierendes Gas, z. B.
Leuchtgas, wird vorzugsweise in den Raum 36 durch den Einlass 38 eingeführt, um die Oxydation des Giesssatzes zu vermeiden, die sonst in einzelnen Fällen bei der verwendeten Temperatur beträchtlich sein würde.
Die folgenden besonderen Beispiele von tatsächlichen Arbeitsvorgängen sollen dazu dienen, zu zeigen, wie die Erfindung in Praxis angewendet werden kann.
Beispiel l : Es wurde eine Matrize aus sehr dichtem Graphit von der vorher beschriebenen Art verwendet. Der Giesssatz hat die in Fig. 3 dargestellte Art mit einer Nickel-Chrom-Selange, die die Matrize zwischen dem Behälter und dem Wassermantel umgibt. Der hauptsächliche Teil des Matrizenkörpers besteht aus gewöhnlichem dichtem Graphit. Die ganze Länge der Matrize beträgt
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Eigenschaften besitzt, etwa 132'1 mm nach unten von dem oberen Teil der Matrize gerechnet, erstreckt. Der obere Teil des Wassermantels war 95'25 mm vom oberen Teil der Matrize, die einen Durchmesser von 38'1 mm hatte, entfernt.
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Bei Beginn des Giessens hatte das Kupfer eine Temperatur von 1171 C und wurde mit einer
Geschwindigkeit von 35'56 mm in der Minute abgezogen. Danach wurde die Temperatur des Kupfers auf ungefähr 11910 C erhöht und die Geschwindigkeit des Abzuges auf ungefähr 76'2 mm je Minute gesteigert ; diese Bedingungen wurden bis zum Ende des Giess Vorganges beibehalten. Das hergestellte
Metall wurde als durchaus gesund befunden, zeigte eine ausgezeichnete Oberfläche und bestand aus
Kristallen mit ausgeprägten Winkeln, die in einem Winkel von ungefähr 450 angeordnet waren.
Beispiel 2 : Bei Verwendung einer Konstruktion, wie in Fig. 4 gezeigt, mit einer Matrize von
25'4 mm Durchmesser, die im Verhältnis von 6'35 mm auf 304'8 mm konisch erweitert war, wurde geschmolzenes Kupfer bei 1163 C mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 50'8 mm je Minute abgezogen, die stufenweise auf 109'22 mm je Minute erhöht und bis zum Ende des Giessvorganges beibehalten wurde. Die Temperatur der ununterbrochen gegossenen Stange, die von ausgezeichneter Oberflächenbeschaffenheit und durchaus gesund war, war ungefähr 982 C bei ihrem Austritt aus der Matrize.
Eine Untersuchung des Gussstückes zeigte, dass, falls die Geschwindigkeit des Abzuges weniger als 76'2 mm in der Minute betrug, die Kristalle ausgeprägte Winkel zeigten, dass aber, wenn die Geschwindigkeit des Abzuges diese Zahl überschritt, die Kristallstruktur strahlenförmig war.
Beispiel 3 : Bei Verwendung einer Giessform der in Fig. 4 gezeigten Art, bei der 101-6 mm des Matrizeneinsatzes von dem Kühlmantel umgeben waren, wurde Phosphorkupfer mit ungefähr 1'25 kg Phosphor auf 1000 kg bei einer Temperatur von 1210 C mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 76'2 mm in der Minute gegossen, wobei die Temperatur der aus der Form herauskommenden Stange ungefähr 852 C betrug. Die Abzugsgeschwindigkeit wurde auf eine solche von 152-4 mm in der Minute durch Verwendung einer Temperatur des Metalls von 1127 C gesteigert, wobei das austretende Gussstück eine Temperatur von 910 C zeigte. Das so ununterbrochen hergestellte Guss- stück war durch und durch gesund und zeigte eine vollständige radiale Kristallstruktur.
Man wird also verstehen, dass bei Verwendung einer Matrize, die die oben beschriebenen charakteristischen Eigenschaften hat, Verfahren zum ununterbrochenen Giessen auf dem Prinzip der Ableitung von Hitze durch die Wände der Gussform oder Matrize erfolgreich ausgeübt werden können. Es soll auch erwähnt werden, dass neben der Herstellung der Matrize (wenigstens des Teiles, der mit dem Metall in Berührung kommt) aus einem Material, das den dargelegten Normen entspricht, es auch erwünscht ist, ihr eine leichte konische Erweiterung nach dem Ausgangsende zu für Abmessungen von weniger als 50'8 mm Durchmesser zu geben, um den Abzug der Gussstücke zu erleichtern. Beim
Guss grösserer Abmessungen, z.
B. von Bolzen von 76'2 mm oder mehr Durchmesser, kann auf die konische Erweiterung leicht verzichtet werden, da die Kontraktion des Kupfers beim Erstarren ausreicht, um einen angemessenen Abzug zu gewährleisten.
Obwohl es noch nicht ganz klar ist, warum das Material der Matrize oder Giessform die charakterstichen Eigenschaften haben muss, die als so wesentlich erkannt wurden, ist es sicher möglich, dass die Herstellung radialer oder winkliger Kristalle, wie sie'bei Entziehung der Hitze durch die Wände gebildet werden, Bedingungen schaffen, welche im Falle einer Längskristallisation nicht bestehen.
Was auch immer die Erklärung sein möge, es ist klar durch die Erfindung bewiesen worden, dass die Verwendung einer polierten Matrize, die aus Material der dargelegten Art besteht, wie z. B. aus ausserordentlich dichtem Graphit oder Bor-Karbid, den ununterbrochenen Guss von Kupfer und andern Nichteisenmetallen und Legierungen mit solchen Verfahren erlaubt, in denen der grösste Teil der Hitze durch die Wand der Matrize entzogen wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Eine Matrize oder Giessform zum ununterbrochenen Giessen von Metallen, dadurch gekenn- zeichnet, dass wenigstens die Oberfläche, die mit dem Metall in Berührung kommt, aus einem feuerfesten, wärmeleitenden, nicht benetzbaren Material besteht, wobei die Grösse der einzelnen Teilchen
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