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Verfahren zum Giessen von im Innern porösen Metallgegenständen mit praktisch porenfreier Oberfläche
Die Erfindung betrifft das Giessen von Metallgegenständen mit porösem Inneren und im wesentlichen dichter Oberflächenschicht in einem einstufigen Verfahrensgang, insbesondere von Formkörpem kompli- zierter Gestalt.
Bisher zeigten aus porösem Material hergestellte Formgusskórper wenigstens stellenweise eine bis an die Oberfläche durchgehende Porosität, Solche Formkörper mussten deshalb einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, z. B. durch das Auftragen einer Oberflächenschicht aus einem homogenen Material durch Verlöten oder durch ein anderes an und für sich bekanntes Verfahren.
Es ist somit bisher nicht möglich gewesen, in einer einzigen Verfahrensstufe Formkörper komplizierter Gestalt, etwa mit mehreren gebogenen Flächen oder einer komplizierten Kurvenform, z. B. Stühle, Tische, Sättel, Bau- oder Maschinenteile, Automobil-oder Flugzeugteile od. dgl., mit einem porösen Kern und einer durchwegs dichten Oberfläche aus ein und demselben Metall herzustellen.
Gemäss der Erfindung ist es nun möglich, derartige Körper in einer einzigen Verfahrensstufe durch Giessen einer mit porenbildenden Zusätzen versehenen Metallegierung unter Einhaltung bestimmter Bedingungen zu erhalten.
Die Ausbildung einer dichten Oberflächenschicht beruht darauf, dass das Giessgut bei der Berührung mit der kalten Innenfläche der Giessform aussen so weit erstarrt, dass eine feste, homogene und porenfreie Oberfläche entsteht.
Das erfindungsgemässe Verfahren ergibt überraschende Resultate ; so'kann z. B. aus Aluminium ein Stuhl mit einem scheinbaren spezifischen Gewicht von nur 0, 4 in einer einzigen Verfahrensstufe gegossen werden. Die mit dem Verfahren gemäss der Erfindung erzielbaren Ersparnisse an Material und Arbeitskosten sind beträchtlich.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, die das Giessen eines Tisches darstellt, näher erläutert.
Die Metallschmelze 1 befindet sich im kippbaren Ofen 2 und wird über den Ausguss 3 in das Rührgefäss 4 abgezogen, in welchem sie mittels des vom Motor 6 angetriebenen Rührers 5 mit einem schaum-
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eine nennenswerte Schaumbildung erfolgt ist, über den Ausguss 9 in den Hohlraum 10 der Form 11 gegossen.
Im beschriebenen Fall wird ein runder Tisch in umgekippter Lage gegossen. Die Form wird entweder durch Anpassung des Wärmeleitungsvermögens des Formmateriales oder von aussen durch eine Heizvorrichtung auf der erforderlichen Temperatur gehalten. Eine Wärmezufuhr ist insbesondere vorteilhaft, wenn dünnwandige Metallformen verwendet werden.
Fig. 2 zeigt im Querschnitt die Struktur des auf die angegebene Weise gegossenen Tisches. Ganz aussen besteht die Tischfläche aus einer Schicht 12 ohne Poren. Die Oberfläche ist somit dicht und homogen. Die Dicke der dichten Schicht kann in weitem Rahmen durch die beim Verfahren angewandten Bedingungen bestimmt werden. Im allgemeinen ist die Oberflächenschicht 0, 4-10 mm stark. Gleich unter dieser befindet sich eine Schicht 13 mit verhältnismässig kleinen und dicht nebeneinanderliegenden Poren, und der Kern des Tischfusses sowie das Innere der Platte 14 hat grössere Poren und eine sehr geringe Dichte.
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Ein auf diese Art hergestellter Tisch wiegt nicht mehr als ein Holztisch und kann zu besonders niedrigen Arbeitskosten, entweder ganz aus Aluminium bzw. Magnesium oder aus einer Aluminium-Magnesiumlegierung ; d. h. aus billigen und leicht erhältlichen Metallen, hergestellt werden. Als weiterer Vorteil kann angeführt werden, dass der auf diese Art gegossene Tisch robust und kräftig ist.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 3 veranschaulicht. In diesem Fall wird der Ofen 20 unter so hohem Druck gehalten, dass eine Porenbildung in der Metallschmelze im wesentlichen verhindert wird. Das Rühren erfolgt im Ofen selbst auf mechanischem oder elektromagnetischem Weg durch die Einrichtung 21. Der Ofenraum ist mit der Form 22 durch eine verschliessbare Leitung 23 verbunden. Die Bestandteile des Giessgutes werden gut vermischt, während der Gasdruck aufrecht erhalten wird, so dass in diesem Stadium des Prozesses keine Schaumbildung erfolgen kann. Die Mischung wird daraufhin in die Form gegossen, noch immer unter einem solchen Druck oder so schnell, dass nur eine sehr geringe Porenbildung erfolgen kann, bevor der Guss zu Ende ist.
Der Druck wird daraufhin vermindert, wodurch der Metallschmelze die Schaumbildung in der Form ermöglicht wird. Die Temperatur wird während dieses Stadiums des Verfahrens so gehalten, dass die bei Berührung der heissen Metallschmelze mit der verhältnismässig kalten Formwand erstarrte Gusshaut durch die aus dem Inneren des Gussstückes abströmende Wärme nicht geschmolzen wird.
Die Erfindung soll an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele veranschaulicht werden.
Beispiel 1 : 90 Gew. -0/0 einer. geschmolzenen Legierung (33 % Magnesium und 67 % Aluminium
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Zirkonhydrid vermischt. Die derart erhaltene schmelzflüssige Mischung wird in einen Strom aus geschmolzenem Aluminium (1 Gew.-Teil der Mischung auf 10 Gew.-Teile Aluminium) eingespritzt und die somit erhaltene Mischung mit einem schnell rotierenden Rührer derart umgerührt, dass rasch eine homogeneSchmelze entsteht. Diese wird daraufhin innerhalb von 30 sec, bevor noch eine wesentliche Gasbildungsreaktion beginnt, in eine kalte Sandform gegossen.
Auf diese Art gegossene Laboratoriumsstühle haben ein Gewicht von3, 4bis3, 6 kg und eine scheinbare spezifische Dichte von 0, 4 bis 0, 425. Die dichte Aussenschicht ist etwa 2 mm stark, darunter befindet sich eine 3 mm starke Schicht mit einer mässigen Porosität, und der innere Teil besteht aus stark porösem Material.
Beispiel 2 : 1 Gew.-Teil Titanhydridpulver wird mit 12 Gew.-TeilenAluminiumpulver vermischt und die Mischung in einen dicht schliessendendünnwandigenAluminiumbehälter eingeschlossen, 200 Teile geschmolzenes Aluminium werden in einem zylindrischen Mischgefäss mit einem Rührer, welcher mit 4500 Umdr/min rotiert, umgerührt. Wenn die Aluminiumschmelze eine Temperatur zwischen 675 und 6800 C hat, wird der Behälter mit der Pulvermischung rasch in die Aluminiumschmelze eingebracht und das Umrühren noch 10 - 15 sec fortgesetzt.
Die Rühranordnung wird dann gestoppt und aus der Mischung entfernt, worauf diese innerhalb von 20 sec in eine Dauerform, die vorher auf 5000 C erhitzt worden ist,
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Durchmesser von etwa l, 3 cm und einer Länge von 3 m eingebracht, wobei die Einfüllung der Pulvermischung von beiden Enden des Rohres gleichzeitig geschieht. Eine Reihe solcher Rohre werden dann zusammengesetzt, so dass man ein langes Rohr erhält. Danach wird eine Aluminiumschmelze allmählich in ein Mischgefäss eingegossen, das mit einem mehrflügeligen, mit etwa 7000 Umdr/min rotierenden Propeller ausgestattet ist.
Pro Minute wird etwa l kg Aluminiumschmelze in das erwähnte Gefäss eingebracht und gleichzeitig wird das vorbereiteteRohr indiekräftiggerührteAluminiumschmelzeeingefühtt. DasRohr schmilzt dort, so dassdie Pulvermischung in der Schmelze dispergiert wird. Die Eintraggeschwindigkeit des Rohres in die Schmelze beträgt etwa 0, 5-0, 8 m in der Minute. Die derart erzeugte Mischung lässt man über den'Ausguss des Mischgefässes in eine Schalenform laufen, welche auf einem Modell aus einer dünnen, mit Kunstharz als Bindemittel versehenen Sandschicht hergestellt worden ist.
Die Schmelze schäumt in der Formschale und man erhält schliesslich ein modellgetreues Gussstück mit einer glatten und im wesentlichen porenfreien Oberfläche, dessen Inneres aus stark porösem Metall, welches eine grosse Anzahl Poren enthält, besteht.
Bei jedem der Beispiele geht die porenfreie Aussenschicht über eine mässig poröse Zwischenschicht allmählich in den porösen Kern über, so dass keine scharfen Grenzen zwischen den einzelnen Schichten vorhanden sind. Dies ist unter anderem der Grund für die grosse Haltbarkeit der Formkörper. Das vorstehend beschriebene Prinzip kann auf alle Metalle und Metallinischungen angewandt werden, die zur
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Porenbildung veranlasst werden können. Das Verfahren gemäss der Erfindung wird vor allem für bei ver- hältnismässig niedriger Temperatur schmelzende Metalle, wie z. B. Aluminium, Magnesium, Zink und
Blei sowie deren Legierungen, angewendet. Es ist aber auch für bei hoher Temperatur schmelzende Metalle brauchbar.
Für bei niedriger Temperatur schmelzende Metalle werden als porenbildende Mittel insbesonderme Metallhydride, z. B. Titan- und Zirkonhydride, vorgezogen, aber auch Lithium-, Lithium- Alumi- nium-und Magnesiumhydrid können angewendet werden. Lithiumhydrid hat den Vorteil, dass es in ge- schmolzener Form angewendet werden kann, ohne zu zerfallen. Magnesiumhydrid hat den Vorteil, dass man damit ein Leichtmetall als Zersetzungsrückstand erhält. Zirkonium- und Titanhydride sind auf Grund ihrer hohen Zersetzungstemperatur besonders für das Giessen von Aluminium geeignet. Wenn diese Hydride angewendet werden, können Partikel ihrer Metallkomponente in der Schmelze je nach deren Zusammen- setzung ungelöst verbleiben.
Von sonstigen zur Gasentwicklung brauchbaren Stoffen werden noch genannt : Karbonate, z. B.
NaCO und NaHCO, stabile Hydrate, z. B, Chromoxydhydrat, und zersetzliche organische Stoffe, z. B, Phthalocyanine und höhere Siliciumhydride und Organosilicium-Verbindungen.
Für bei höheren Temperaturen schmelzende Metalle und Legierungen, z. B, Eisen, Nickel, Kobalt,
Titan, Zirkonium, Niob u. dgl., stellt ein Metall mit einem Siedepunkt unter dem Schmelzpunkt der ge- nannten Metalle ein geeignetes gasentwickelndes Material dar. Das Sieden wird dadurch verhindert, dass die Schmelze während des Mischens einem Überdruck ausgesetzt wird. Wenn dieser Druck dann plötzlich herabgesetzt wird, gehen die bei niedriger Temperatur siedenden Metalle, z. B. Zink, Cadmium, Lithium oder Magnesium, in Dampfform über und verursachen eine kräftige, schnelle Porenbildung in der Metall- schmelze, wobei gleichzeitig durch die Verdampfung eine genügend grosse Wärmemenge gebunden wird, um zu verhindern, dass der gebildete Schaum erstarrt, bevor die Poren hinreichend entwickelt sind.
Auf diese Art wird eine poröse Metallstruktur erzielt, in welcher der Metallschwamm aus dem bei hoher Tem- peratur schmelzenden Metall besteht und dessen Zellen luftleer sind, weil das bei niedriger Temperatur siedende Hilfsmetall auf den Zellenwänden kondensiert worden ist. Als allgemeine Regel kann gesagt werden, dass das Verfahren auf Mischungen eines bei verhältnismässig niedriger Temperatur schmelzenden
Metalles und eines bei verhältnismässig hoher Temperatur schmelzenden Metalles, nämlich 11500 C bei
Atmosphärendruck bzw. über 1200 C, angewendet werden kann.
Für den Wärmeausgleich des Prozesses ist es angebracht, dass die Gasentwicklungsreaktion endotherm ist, und dies wird leicht dadurch erzielt, dass für den genannten Zweck Metalle angewendet werden, wel- che bei niedriger Temperatur sieden.
Kupfer und Kupferlegierungen schmelzen bei Temperaturen, die zwischen den Schmelzpunkten der
Leichtmetalle und jenen der bei hoher Temperatur schmelzenden Metalle liegen. Zur Herstellung poröser
Massen aus Kupfer und Kupferlegierungen kann man deshalb sowohl Hydride als auch bei niedriger Tem- peratur siedende Metalle verwenden.
Nachdem die Metallschmelze unter atmosphärischem Druck und bei hoher Temperatur mit dem gas- entwickelnden Mittel vermischt worden ist, soll dieselbe zweckmässig innerhalb von 10 bis 60 sec, höch- stens innerhalb von 120 sec, in die Form gegossen werden. Wenn der Gasentwicklung und damit der
Schaumbildung durch hohen Druck entgegengewirkt wird, so ist der Zeitraum, während dem das Mischen erfolgt, nicht kritisch ; er kann z. B. 5 sec - 5 min betragen. Danach soll das Metall jedoch innerhalb von
5 bis 60 sec in die Formen gegossen werden.
Die Temperatur der Form soll mindestens um 500 C niedriger liegen als der Schmelzpunkt des zu ver- giessenden Metalles. Die Form kann jedoch auch ohne Vorwärmung benutzt werden, d. h. bei Raumtem- peratur oder einer noch niedrigeren Temperatur. Die Stärke der Oberflächenschicht ist jedoch vom Tem- peraturunterschied zwischen Metallschmelze und den Formwänden sowie von den Wärmeleitungseigen- schaften des Giessmetalles und des aus diesem gebildeten Schaumes abhängig und schliesslich auch von der
Wärmeempfindlichkeit des schaumbildenden Mittels, die ihrerseits die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Gase freigesetzt werden.
Da die Form und die Grösse. des gegossenen Stückes sowie die Zusammensetzung der Legierung für die Abkühlungsgeschwindigkeit entscheidend sind, werden die verschiedenen
Formkörper auch etwas verschiedene Verfahrensbedingungen für die Herstellung erfordern. Daher können für die Arbeitsbedingungen auch nicht allzu enge zahlenmässige Grenzen angegeben werden. Die angeführten Beispiele sollen dem Fachmann lediglich ermöglichen, durch Extrapolieren oder Interpoleren die Bedingungen ausfindig zu machen, welche in dem bestimmten Fall die vorteilhaftesten sind.
Die Erfindung ermöglicht es, in einer Arbeitsstufe Metallgegenstände zu giessen, die dasselbe durchschnittliche Volumgewicht wie Holz oder Kunstharz besitzen und gleichzeitig genau so feste wie kompakte
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Metallgegenstände sind, also dieselbe Druck-und Biegefestigkeit wie diese aufweisen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Giessen von im Innern porösen Metallgegenständen, die eine praktisch porenfreie Oberfläche besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall oder eine Metallegierung mit einem beim Schmelzpunkt des Metalles bzw. der Legierung oder darunter Gas oder Dampf entwickelnden Stoff gemischt wird und die Mischung, bevor noch eine wesentliche Schaumbildung eintritt, in eine Form gegossen wird, deren Innenwand eine solche Temperatur aufweist, dass vom Giessgut unmittelbar bei Kontakt mit der Formwand eine dünne praktisch porenfreie Aussenschicht erstarrt und bei weiter fortschreitender Erstarrung nach dem Innern des Gussstückes zu eine mässig poröse Schicht entsteht, die allmählich in einen stark porösen Kern übergeht.