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Verfahren zur Herstellung metallischer Gussstücke in metallischen, gegossenen Giessformen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischer Gussstücke in metallischen, gegossenen Giessformen in einer laufenden Reihe aufeinanderfolgender Abgüsse, wobei das Gussstück eines beliebigen Abgusses dieser Reihe dem Gussstück jedes beliebigen andern Abgusses derselben Reihe gleicht.
Niedrigschmelzende Metalle, wie Aluminium, Magnesium und Zink, werden durch Druckguss in metallische Dauerformen gespritzt, und neuerdings ist auch Messing mit einem gewissen Erfolg in dieser Weise gegossen worden. Die zum Druckguss von niedrigschmelzenden Metallen bestimmten Formen bestehen gewöhnlich aus Stahl oder Gusseisen, und ihren Innenflächen wird durch maschinelle Bearbeitung die gewünschte Form erteilt ; mitunter bestehen die Gussformen auch aus Aluminium. Das Giessen von niedrigschmelzenden Metallen erfolgt, indem die Metalle entweder unter der Wirkung der Schwerkraft oder unter Druck in die Metallformen eingeführt werden ; die erstere Methode wird gewöhnlich als Standguss, die letztere als Spritzguss oder Druckguss bezeichnet.
Wenn Gusskerne erforderlich sind, werden sie gewöhnlich aus Metall hergestellt, und sie sind entweder permanent und zur Wiederverwendung bestimmt oder verbrauchbar. Verbrauchbar müssen die Kerne natürlich dann sein, wenn der von dem Kern erzeugte Hohlraum eine solche Gestalt hat, dass der Kern sich nicht unversehrt aus dem fertigen Gussstück herausziehen lässt. Was die Gussform anbelangt, wurde es bisher für die technische Erzeugung für wesentlich gehalten, dass die Metallform selbst in dem Sinne permanent ist, dass sie eine längere Lebensdauer hat.
Die Lebensdauer einer permanenten Metallform endet in dem Augenblick, in dem sie nicht mehr imstande ist, die Gussstücke, für die sie gebaut ist, mit Genauigkeit zu erzeugen. Da die Form jedesmal, wenn sie verwendet wird, der Einwirkung des in ihr gegossenen Metalls ausgesetzt ist und nicht nur die Warme des gegossenen Metalls ableiten, sondern auch das unversehrte Entfernen des Gussstückes aus der Form ermöglichen muss, sind Faktoren, wie Oxydation, Wärmeübergang, Masshaltigkeit, Unterschiede in der Wärmeausdehnung während der Wärmediffusion und das anschliessende Herausnehmen des Gussstückes, wesentlich für die Bauart einer permanenten Metallform.
Beim Giessen von niedrigschmelzenden Metallen stellen solche Faktoren bei den niedrigen Temperaturen, bei welchen diese Metalle gegossen werden, keine besonderen Schwierigkeiten dar, und permanente Metallformen werden zu diesem Zwecke allgemein verwendet, mitunter mit keramischen oder ähnlichen Auskleidungen zum Schutz ihres Inneren. Jedoch haben bei den viel höheren Temperaturen, bei denen hochschmelzende Metalle gegossen werden, die gleichen Faktoren bisher eine ausserordendime Schwierigkeit bedeutet, und sie stellen für das Giessen solcher Metalle in permanente Formen ein fast unüberwindliches Hindernis dar.
Wegen des Vorteils, welchen die Herstellung von Präzisionsmetallgüssen ohne kostspieliges Bearbeiten mit der Maschine bedeuten würde, hat man in der Giessereitechnik schon lange danach gestrebt, auch die höherschmelzenden Metalle, wie Messing, Bronze und die Eisenmetalle. durch Druckguss verarbeiten zu können. Wie bereits erwähnt, wurde in neuerer Zeit mit Messing ein gewisser Erfolg erzielt, indem als Metall für die permanente Form eine Molybdän-Speziallegierung verwendet
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wurde ; aber die Investitionskosten sind sehr hoch, und die Lebensdauer der Form ist recht kurz.
Mit dieser einen Ausnahme zeigt das gesamte, auf diesem Fachgebiet zur Verfügung stehende Schrifttum, dass man es trotz des bestehenden Bedürfnisses und intensiver Forschung bisher sowohl in den
Vereinigten Staaten von Amerika als auch in andern Ländern in Anbetracht der kurzen Lebensdauer der in Betracht kommenden Metallformen für unmöglich gehalten hat, hochschmelzende Metalle und besonders Eisenmetalle in technischem Massstabe durch Druckguss zu verarbeiten. Dies ist nicht überraschend, da sich dem Bau der permanenten Metallformen in Anbetracht der hohen Temperaturen, denen sie standhalten müssen, Schwierigkeiten entgegenstellen.
Die USA-Patentschrift Nr. 2, 759, 231 offenbart angeblich ein Verfahren zum technischen Giessen von Eisenmetallen in Aluminiumformen. Als Giessverfahren wird im Sinne dieser Patentschrift der
Standguss angewendet, und in Übereinstimmung mit dem oben Gesagten sind die Formen permanent.
Nachdem nach der Lehre der Patentschrift alle Oberflächen der Form eloxiert werden, das Forminnere mit einer keramischen Auskleidung ausgestattet wird und die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls ausgenutzt wird, behauptet die Patentschrift, dass sich hochschmelzende Eisenmetalle unter diesen Umständen "überraschenderweise" in permanenten Formen aus dem verhältnismässig niedrig- schmelzenden Aluminium giessen lassen. Anscheinend lässt die Patentschrift aber diejenigen Faktoren bei der Konstruktion von Metallgussformen ausser acht, die, wie oben erwähnt, dem Giessen von hochschmelzenden Metallen in permanente Formen nahezu unüberwindliche Hindernisse entgegenstellen.
Um den Bedarf der Raumfahrtechnik zu decken, sind in den Vereinigten Staaten von Amerika in neuerer Zeit Eisenmetall-Präzisionsgiisse in keramischen Formen nach dem Präzisions-Formguss- verfahren und einer Abänderung desselben, nämlich dem"Shaw-Verfahren", hergestellt worden. Diese
Verfahren liefern zwar Erzeugnisse mit genauen Abmessungen ; der Präzisionsformguss liefert aber nur sehr kleine Gussstücke, und die Kosten von 1, 65 bis 2, 20 U. S. Dollar/kg sind so hoch, dass die so erzeugten Gussstücke nur beschränkte Anwendungsgebiete finden, bei welchen die Kosten keine Rolle spielen.
Die Erfindung zeigt ein Verfahren zur Herstellung metallischer Gussstücke aus Metallen in
Metallformen, bei dem im Gegensatz zu der bisherigen tatsächlichen Übung und zu den bisherigen
Vorschlägen das Metall in verbrauchbare Metallformen gegossen wird, die bei einem einzigen
Giessvorgang verbraucht werden, deren Metall danach aber zurückgewonnen wird, wodurch die
Hindernisse, welche dem Bau von permanenten Metallformen zum Giessen von hochschmelzenden Metallen bisher im Wege standen, beseitigt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken aus Eisenmetallen und andern hochschmelzenden Metallen in verbrauchbare Metallformen, bei dem es durch den Verbrauch der Metallform bei einem einzigen Giessvorgang und die Rückgewinnung des Formmetalls ermöglicht wird, das Formmetall auf Grund der Eigenschaften auszuwählen, die für das Erstarren des Metallgussstückes zu seiner endgültigen Gestalt erforderlich sind, und andere begrenzende Faktoren, wie die Anschaffungskosten des Formmetalls und die Beziehung seines Schmelzpunktes zu demjenigen des zu giessenden Metalls, zu vernachlässigen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung metallischer Gussstücke aus Eisenmetallen und andern hochschmelzenden Metallen in Metallformen dar, bei dem für jeden Abguss eine für ihn jeweils neu angefertigte Giessform verwendet wird, die durch ihre spezifischen Stoffwerte und ihre Masse ein solches Wärmeschluckvermögen aufweist, dass sie mindestens so lange unversehrt bleibt, bis das Gussstück durch Wärmeabgabe und Erstarrung eine hinreichende Gestaltfestigkeit angenommen hat.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird das hochschmelzende Metall unter Druck in eine Metallform gespritzt, die selbst durch Druckguss eines verhältnismässig niedrigschmelzenden, leicht durch Druckguss in eine permanente Metallform spritzbaren Metalls hergestellt wird, bei einmaliger Verwendung verbraucht wird, und deren Metall zum Druckgiessen neuer Druckgussformen wiederverwendet wird, wodurch die Kosten so stark herabgesetzt werden, dass das Druckgussverfahren mindestens für Eisenmetalle nunmehr für die allgemeine technische Anwendung praktisch wird.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zum Vergiessen von Eisenmetallen und andern hochschmelzenden Metallen in Metallformen, die bei einmaliger Verwendung verbraucht werden, werden die Formen aus einem Metall von hohem Wärmeschluckvermögen hergestellt, das sich nicht mit dem zu giessenden Metall legiert, so dass ein hochschmelzendes Metall in eine Form aus verhältnismässig niedrigschmelzendem Metall gegossen werden kann, ohne dass das Forminnere einer schützenden Behandlung unterzogen zu werden braucht, wodurch das Wärmeschluckvermögen der Form im höchsten Ausmasse ausgenutzt werden kann und das Formmetall praktisch vollkommen zurückgewonnen und zur
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Herstellung neuer Formen verwendet werden kann.
Die Zeichnung zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Druckgiessen von
Metall nach dem erfindungsgemässen Verfahren, bei welcher der Beschickungszylinder im Gegensatz zu der verbrauchbaren Form permanent und thermisch gegen die Form isoliert ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung metallischer Gussstücke in metallischen, gegossenen Giessformen in einer laufenden Reihe aufeinanderfolgender Abgüsse, wobei das
Gussstück eines beliebigen Abgusses dieser Reihe dem Gussstück jedes beliebigen andern Abgusses derselben Reihe gleicht. Dabei wird für jeden Giessvorgang eine Metallform hergestellt, ein Metall wird in die Form gespritzt, und die Form wird bei einem einzigen Giessvorgang verbraucht. Um die Kosten des Verfahrens herabzusetzen, soll das Formmetall der verbrauchten Form zurückgewonnen werden, und es kann zur Herstellung weiterer Formen verwendet werden. Bei der Durchführung des Verfahrens wird das flüssige Metall durch Druckguss oder Spritzguss gegossen, indem es unter Druck in die
Metallform eingespritzt wird.
Das Verfahren lässt sich in gleicher Weise auf hoch-und niedrigschmelzende Metalle anwenden, bietet aber bei der Anwendung auf niedrigschmelzende Metalle, wie Aluminium, Magnesium und Zink, gewöhnlich keine besonderen Vorteile gegenüber den bisher üblichen Verfahren des Druckgiessens solcher Metalle in permanente Formen aus Stahl, Eisen oder sogar
Aluminium. Das Verfahren dürfte daher in erster Linie, wenn nicht gar ausschliesslich, für das
Druckgiessen von hochschmelzenden Metallen, wie den Eisenmetallen, Bronze und Messing, in Betracht kommen, von denen nur für eines, nämlich Messing, der Druckguss in permanente Metallformen bisher mit beschränktem technischem Erfolg durchgeführt werden konnte.
Obwohl die als Beispiele genannten hochschmelzenden Metalle in Gegenwart der normalen Umgebungsatmosphäre gegossen werden können und auch gewöhnlich gegossen werden, kann das Verfahren für besondere, hochschmelzende Metalle, wie Titan oder Zirkonium, auch unter Anwendung von Sonderbedingungen, wie eines Teilvakuums oder einer inerten Atmosphäre, durchgeführt werden.
Die verbrauchbare, nur einmal verwendbare Form, in welche das Metall gegossen wird, kann aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, um das Herausnehmen des fertigen Gussstückes zu erleichtern ; wenn aber der Schmelzpunkt des Formmetalls tief genug unter demjenigen des zu giessenden Metalls liegt, kann die Form auch aus einem Stück gefertigt und nach dem Giessvorgang abgeschmolzen werden, um das fertige Gussstück zu gewinnen.
Wenn die Gestalt des herzustellenden Gussstückes dies gestattet, kann man die Vorteile der Präzision und der schnellen Wärmeableitung der Metallform voll ausnutzen, indem man die verbrauchbare Form nur für denjenigen Teil oder Formteil verwendet, der hauptsächlich den Hohlraum der Form bildet, und indem man zur Vervollständigung des Hohlraumes diesen Teil oder
Formteil gegen einen benachbarten Teil oder Formteil absperrt, der, da er für die Wärmeableitung nicht benötigt wird, aus einem gegenüber dem gegossenen Metall indifferenten keramischen Stoff von niedriger Wärmeleitfähigkeit gefertigt oder mit einem solchen ausgekleidet sein kann.
Die Dauerhaftigkeit der Metallform ist weder erforderlich, noch erwünscht. Im Gegenteil : Die erfindungsgemäss verwendete, verbrauchbare Metallform braucht nur so lange unversehrt zu bleiben, bis das Metallgussstück zu der ihm durch das Forminnere gegebenen Gestalt erstarrt ist, worauf die Metallform zerfallen oder anderweitig verbraucht werden kann, selbst wenn das Innere des Gussstückes noch flüssig ist. Da ausserdem das Formmetall zurückgewonnen und wiederverwendet wird, steht für das jeweils zu giessende Metall ein viel weiterer Bereich von Metallen als Formwerkstoffe zur Auswahl zur Verfügung, als es bisher der Fall war.
Die Metallform muss natürlich ein ausreichendes Wärmeschluckvermögen aufweisen, um die an der Berührungsfläche von dem gegossenen Metall auf sie übergehende Wärme schnell durch ihre ganze Masse zu absorbieren, so dass zu jedem gegebenen Zeitpunkt die Temperatur des Formmetalls durch die ganze Form hindurch die gleiche ist. Die andere Anforderung, die an die nur einmal zu verwendende Metallform gestellt wird, bezieht sich auf deren Masse. Wenn die Giessform von einem Wassermantel umgeben ist oder in anderer Weise für die schnelle Absorption der Wärme von der Form während des Druckgiessvorganges gesorgt wird, kommt es nicht auf die Masse der Form an.
Wenn aber kein umlaufendes Kühlmittel vorhanden ist, ist der in dem kurzen, für den Giessvorgang erforderlichen Zeitraum auftretende Wärmeverlust aus der Form an die umgebende Atmosphäre gewöhnlich so gering im Vergleich zu der gesamten Wärmemenge, dass er vernachlässigt werden kann und man der Giessform eine ausreichende Masse geben kann, damit sie die Wärmemenge absorbieren kann, welche das gegossene Metall vom Zeitpunkt des Einspritzens bis zum Erstarren zu seiner endgültigen Form verliert, ohne dass dabei ihre eigene Temperatur bis auf den Schmelzpunkt oder, falls dieser niedriger liegt, bis auf den Erweichungspunkt des Formmetalls steigt.
Sofern nur den oben genannten Anforderungen bezüglich des Metalls und der Masse Genüge getan wird, kann für jeden gegebenen Giessvorgang im Rahmen der Erfindung eine Metallform verwendet
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werden, und da das Formmetall zurückgewonnen und unbegrenzt wiederverwendet wird, kann man sogar Silber als Werkstoff für die Form verwenden, falls der Vorteil, der sich aus seinem sehr hohen
Wärmeschluckvermögen ergibt, seine hohen Anschaffungskosten überwiegt. Wenn bei dem jeweils zu giessenden Metall und bei dem jeweiligen Formmetall die Wahrscheinlichkeit des Schmelzens der Form oder der Bildung von intermetallischen Verbindungen an der Grenzfläche besteht, so lässt sich dies dadurch verhindern, dass man das Forminnere vorbehandelt, z.
B. durch Anbringen einer gegenüber dem zu giessenden Metall indifferenten Auskleidung, wenn dies auch zu einer gewissen Verminderung der
Geschwindigkeit des Wärmeüberganges von dem gegossenen Metall zu dem Formmetall führt.
Gegebenenfalls kann man das Forminnere auch zuvor mit einem Formtrennmittel beschichten, wie es beim Druckguss üblich ist, um das Herausnehmen des fertigen Gussstückes aus der Form zu erleichtern.
Die Auswahl des Formmetalls aus vielen möglichen Formwerkstoffen erfolgt im allgemeinen unter dem Gesichtspunkt der praktischen Durchführbarkeit auf Grund mindestens zweier Faktoren und gegebenenfalls auch noch eines dritten Faktors. Die beiden ersten Faktoren sind das
Wärmeschluckvermögen, bestimmt durch die spezifische Wärme und die Wärmeleitfähigkeit, und die
Giessbarkeit, vorzugsweise durch Druckguss.
Da das Wärmeschluckvermögen der Form ein Mass für ihre
Fähigkeit ist, die Wärme des gegossenen Metalls bei der Abkühlung desselben vom flüssigen Zustand bis zum Erstarrungspunkt, bei welchem das Metall zu seiner endgültigen Form erstarrt, zu absorbieren und zu verteilen oder abzuführen, ist das günstigste Formmetall ein solches, das ein hohes
Wärmeschluckvermögen aufweist, so dass vom Zeitpunkt des Giessens bis zu dem Zeitpunkt, zu welchem das gegossene Metall zu seiner endgültigen Form erstarrt, die Giessform unversehrt bleibt. Der zweite
Faktor, nämlich die Giessbarkeit, z. B. durch Druckguss, ist dann von erstrangiger Bedeutung, wenn die nur einmal zu verwendende Form mit einer Geschwindigkeit beschafft werden muss, die für den hohen
Ausstoss an Präzisionsgussstücken ausreicht, der beim Druckguss erreicht werden kann.
Gegenüber einem hochschmelzenden Metall wird daher als Formwerkstoff ein niedrigschmelzendes Metall zu bevorzugen sein, das sich leicht durch Druckguss in eine permanente Metallform giessen lässt. Der dritte Faktor ist die Reaktionsfähigkeit oder die Reaktionsträgheit des Formmetalls gegenüber dem zu giessenden Metall.
Ein Mangel an Reaktionsträgheit kann ausgeglichen werden, indem man das Forminnere vor dem
Giessen mit einer inerten Auskleidung versieht oder einer sonstigen schützenden Behandlung unterzieht, was jedoch nur auf Kosten der Wärmeleitfähigkeit der Metallform möglich ist. Von mehreren Formmetallen, die sich auf Grund der andern beiden Faktoren als günstig erweisen, wird man daher gewöhnlich dasjenige bevorzugen, das sich gegenüber dem zu giessenden Metall stärker indifferent verhält oder sich mit diesem weniger leicht legiert, so dass eine schützende Vorbehandlung des Forminneren auf ein Minimum beschränkt bleiben oder ganz fortfallen kann.
Während die Auswahl eines Formmetalls zum Giessen eines hochschmelzenden Metalls gemäss der Erfindung dazu führen kann, dass für verschiedene zu giessende Metalle verschiedene Formmetalle zu verwenden sind, führt diese Auswahl im Falle des Giessens von Eisenmetallen zu Aluminium und seinen Legierungen, die nachstehend unter dem Sammelbegriff "Aluminium" zusammengefasst werden, als bevorzugten Formwerkstoff. Aluminium ist nämlich nicht nur ein niedrigschmelzendes Metall, das sich leicht nach dem üblichen Giessverfahren in permanente Formen aus Stahl, Eisen oder sogar aus Aluminium giessen lässt, sondern es besitzt auch ein Wärmeschluckvermögen, das nur von Silber, Kupfer und Gold übertroffen wird, und es ist preiswert und praktisch indifferent gegenüber Eisenmetallen.
Da seine Reaktionsträgheit gegenüber Eisenmetallen es gestattet, die Oberfläche dieses Metalls beim Giessvorgang unmittelbar der Einwirkung von Eisenmetallen auszusetzen, bietet Aluminium als Formwerkstoff zum Giessen von Eisenmetallen den weiteren Vorteil, dass das Forminnere nicht mit einer inerten Auskleidung versehen zu werden oder einer sonstigen schützenden Vorbehandlung unterworfen zu werden braucht, so dass das Formmetall nach einem einzigen Giessvorgang vollständig zurückgewonnen und zur Herstellung neuer Formen, vorzugsweise durch Druckguss, verwendet werden kann. Von allen möglichen Metallen ist daher Aluminium das praktischste für den technischen Guss von Eisenmetallen nach dem erfindungsgemässen Verfahren.
Aluminium ist aber nicht nur das praktischste Metall, sondern durch die Verwendung dieses Metalls als Formwerkstoff wird es, wie die Kostenanalyse zeigt, möglich, Stahl durch das erfindungsgemässe Verfahren zu einem Kostenpreis von etwa 0, 33 U. S. Dollar/kg zu verarbeiten, einem Preis, der so niedrig ist, dass dadurch zum ersten Mal die Herstellung von Stahlgussstücken in den Bereich der allgemeinen technischen Durchführbarkeit rückt, wohingegen für die nach dem Präzisions-Formgussverfahren erzeugten Stahlgussstücke nur ein beschränkter Sondermarkt besteht.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird vorzugsweise auf das Druckgiessen von Eisenmetallen in verbrauchbare, nur einmal zu verwendende Aluminiumformen angewendet. Entsprechend dem
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hergestellt werden, die während des Giessens mittels einer Haltevorrichtung gegeneinandergehalten werden. Ebenfalls in bekannter Weise sind die Formteile einer jeden Aluminiumform auf ihrer
Innenseite als entsprechende Teile des Formhohlraumes ausgebildet und mit etwaigen Kernaufdrucken, dem Giesshohlraum-3-und andern notwendigen Hohlräumen einschliesslich der Abzugsleitungen und Abzugslöcher für die aus dem oberen Teil und etwaigen toten Räumen des Forminneren entweichende Luft ausgestattet.
Wie beim Giessen von Nichteisenmetallen ist auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, das flüssige Eisenmetall unter Druck in das Forminnere in der für die Herstellung des jeweiligen Gussstückes erforderlichen Menge einzuspritzen und das Metall unter Druck zu halten, bis es erstarrt ist. Dies geschieht mit Hilfe eines Beschickungszylinders--4-, der mit einem Kolben - ausgestattet ist und in axialer Richtung auf Abstand stehende Einlass-und Auslassöffnungen - 6 bzw. 7-aufweist, wobei der Zylinder ein solches Fassungsvermögen hat, dass nach dem
Verschliessen der Einlassöffnung beim Vorschub des Kolbens die erforderliche abgemessene
Beschickungsmenge an flüssigem Metall aus der Auslassöffnung durch den Verbindungskanal-8-- in das Forminnere ausgetrieben wird.
Wenn die Form permanent wäre, sollte der Beschickungszylinder aus einem Stück mit ihr gefertigt sein. Im Falle der zeitweiligen oder verbrauchbaren Form gemäss der
Erfindung kann jedoch der Zylinder je nach Wunsch mit der Form aus einem Stück bestehen oder ein gesonderter Arbeitsteil sein und im letzteren Falle so gebaut sein, dass er sich entweder an einer Seite der Form befestigen oder in einen entsprechenden Hohlraum der Form einpassen lässt. Obwohl daher die Form selbst nur eine zeitweilige Form ist, kann der zu ihr gehörige Beschickungszylinder dauerhaft sein und kann, besonders wenn er so gebaut ist, dass der Kolben am Ende eines jeden Giessvorganges etwaige Metallreste ausstossen kann, ohne weiteres in Verbindung mit verschiedenen Giessformen für eine lange Reihe von Giessvorgängen verwendet werden.
Wenn dies auch beim Druckgiessen von niedrigschmelzenden Nichteisenmetallen nicht so wichtig ist, ist es im Falle der hochschmelzenden Eisenmetalle sehr wesentlich, dass der Beschickungszylinder von dem Forminneren auf Abstand steht oder anderweitig gegen das Forminnere wärmeisoliert ist, z. B. durch den keramischen Abstandhalter--9--, damit von dem hohen Wärmeschluckvermögen des
Formmetalls, auf welchem das gewünschte rasche Erstarren des Gussstückes beruht, nichts verlorengeht, und ferner, dass das flüssige Eisenmetall von der Seite oder von unten her in das Forminnere eingeführt wird, damit das Entweichen der Luft durch die Abzugsöffnungen nicht gestört wird.
Wichtig ist ferner, dass das flüssige Metall am vorzeitigen Eintreten in das Forminnere gehindert wird und dass Vorkehrungen gegen kalte Einschüsse beim Füllen des Forminneren getroffen werden. Da die Formen nur zeitweilig sind, lässt sich das Eintreten von flüssigem Metall in das Forminnere, ausgenommen während des Presshubes des Kolbens, leicht dadurch vermeiden, dass man beim Zusammenbau der Formteile für den Giessvorgang in den Kanal zwischen dem Beschickungszylinder und dem Forminneren eine bei bestimmtem Druck berstende Bruchscheibe-10-einsetzt. Wenn in Anbetracht der besonderen Form des Eisenmetallgussstückes die Gefahr besteht, dass es zu kalten Einschüssen kommt, so lassen sich diese in wirksamer Weise durch begrenztes Vorerhitzen der Form vermeiden,
wobei im Bedarfsfalle der dadurch bedingte Verlust im Wärmeabsorptionsvermögen der Form durch eine entsprechende Vergrösserung ihrer Masse ausgeglichen wird.
Wie bereits erwähnt, sind alle etwa erforderlichen Kemaufdrucke bereits in den Hohlräumen bzw.
Aussparungen enthalten, mit welchen die Formhälften, vorzugsweise durch Druckguss, gegossen werden.
Das Kernmaterial, das für das jeweilige Eisenmetallgussstück erforderlich ist und sich in diese Aufdrucke beim Zusammensetzen der Formhälften als Teil der Form einfügen lässt, wird ebenfalls vorzugsweise durch Druckguss aus Metall hergestellt und besteht gewöhnlich aus dem gleichen Metall wie die Formen. Allerdings können und sollen sogar unter gewissen Umständen die Kerne aus einem andern Metall bestehen als die Formen selbst. Wenn z. B. darauf abgezielt wird, dass sich die Kerne aus den Gussstücken leichter herausschmelzen lassen, als wenn sie aus dem gleichen Metall wie die Form beständen, und wenn eine sich daraus etwa ergebende Verminderung in dem relativen Wärmeschluckvermögen der Kerne in Kauf genommen werden kann, dann können die Kerne aus einem niedriger schmelzenden Metall hergestellt werden als die Formhälften.
Wenn man die bevorzugten, durch Druckguss hergestellten, verbrauchbaren Aluminiumformen und - kerne verwendet, besteht das erfindungsgemässe Verfahren in dieser Ausführungsform nur aus wenigen Stufen. Nach der ersten Stufe, in welcher die Formhälften und die Kerne durch Druckguss aus
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Aluminium in permanenten Formen aus Aluminium oder einem andern Metall hergestellt werden, werden die Formhälften und die Kerne zusammengefügt. Wenn sich die auf einen bestimmten Druck entsprechende Bruchscheibe und der Beschickungszylinder in der Arbeitsstellung befinden und die
Form von einer Haltevorrichtung zusammengehalten wird, wird der Beschickungszylinder mit flüssigem
Eisenmetall gefüllt. Durch Betätigung des Kolbens wird der Giessvorgang vervollständigt.
Dann werden die Formhälften auseinandergenommen, damit das Eisenmetallgussstück herausgenommen werden kann, und alle etwaigen sonst unzugänglichen Kerne werden aus dem Gussstück ausgeschmolzen. Hierauf werden das Formmetall und das Kernmetall für den Druckguss neuer Formhälften und Kerne wieder eingeschmolzen.
Im Gegensatz zu der einzigen bekannten technischen Herstellungsmethode für Eisenmetall- Präzisionsgüsse, nämlich dem Präzisions-Formgussverfahren unter Verwendung von keramischen Formen, bietet die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf Eisenmetalle, abgesehen von den viel niedrigeren Kosten, den Vorteil, dass auf diese Weise Gussstücke in einem viel weiteren Bereich von Grössen hergestellt werden können.
Ausserdem liefert das Verfahren Gussstücke mit ebenso enger oder noch engerer Toleranz und, infolge des hohen Wärmeschluckvermögens der Aluminiumformen, von besseren physikalischen Eigenschaften, als sie in nichtmetallischen Formen hergestellt werden können, Sowohl in der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsform als auch allgemein beseitigt das erfindungsgemässe Verfahren dadurch, dass es die Verwendung der bisher üblichen permanenten Metallformen zugunsten verbrauchbarer, nur einmal zu verwendender Metallformen aufgibt, die Schwierigkeiten, die beim Bau permanenter Metallformen auftreten und auf Faktoren, wie Oxydation, Wärmeübertragung, Masshaltigkeit, Unterschieden in der Wärmeausdehnung und dem Herausnehmen der Gussstücke, beruhen, und die, ausser im Falle von Messing,
das Giessen von hochschmelzenden Metallen durch Druckguss im grosstechnischen Massstab bisher unmöglich gemacht haben.
Die Erfindung besteht also in einem Verfahren zum Spritzen von Metallen in Metallformen, das dadurch, dass die Metallform bei einem einzigen Giessvorgang verbraucht und das Formmetall zurückgewonnen wird, erstmalig einen technisch durchführbaren Weg zum Giessen von hochschmelzenden Metallen eröffnet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung metallischer Gussstücke in metallischen, gegossenen Giessformen in einer laufenden Reihe aufeinanderfolgender Abgüsse, wobei das Gussstück eines beliebigen Abgusses dieser Reihe dem Gussstück jedes beliebigen andern Abgusses derselben Reihe gleicht,
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Giessform verwendet wird, die durch ihre spezifischen Stoffwerte und ihre Masse ein solches Wärmeschluckvermögen aufweist, dass sie mindestens so lange unversehrt bleibt, bis das Gussstück durch Wärmeabgabe und Erstarrung eine hinreichende Gestaltfestigkeit angenommen hat.
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Process for the production of metallic castings in metallic, cast molds
The invention relates to a method for producing metallic castings in metallic, cast molds in a running series of successive casts, the casting of any cast in this series being the same as the casting of any other cast in the same series.
Low melting point metals such as aluminum, magnesium and zinc are die-cast into permanent metallic molds, and more recently brass has also been cast in this manner with some success. The molds intended for die casting of low melting point metals are usually made of steel or cast iron and their inner surfaces are machined into the desired shape; Sometimes the molds are also made of aluminum. The casting of low-melting-point metals is carried out by introducing the metals into the metal molds either under the action of gravity or under pressure; the former method is commonly referred to as free-standing molding, the latter as injection molding or die casting.
When cores are required they are usually made of metal and are either permanent and reusable or consumable. The cores must of course be consumable if the cavity produced by the core has such a shape that the core cannot be pulled out of the finished casting intact. As for the casting mold, it has hitherto been considered essential for technical production that the metal mold itself is permanent in the sense that it has a longer service life.
The life of a permanent metal mold ends the moment it is no longer able to accurately produce the castings for which it was built. Since the mold is exposed to the action of the metal cast in it every time it is used and must not only dissipate the heat of the cast metal, but also allow the casting to be removed from the mold intact, factors such as oxidation, heat transfer, Dimensional accuracy, differences in thermal expansion during heat diffusion and the subsequent removal of the casting, essential for the design of a permanent metal mold.
In the casting of low melting point metals, such factors present no particular difficulties at the low temperatures at which these metals are cast, and permanent metal molds are commonly used for this purpose, sometimes with ceramic or similar linings to protect their interiors. However, at the much higher temperatures at which refractory metals are cast, the same factors have heretofore posed a tremendous difficulty and represent an almost insurmountable obstacle to casting such metals in permanent molds.
Because of the advantage that the production of precision metal castings would mean without expensive machining with the machine, the foundry technology has long strived for this, including the higher melting metals such as brass, bronze and ferrous metals. process by die casting. As already mentioned, some success has recently been achieved with brass by using a special molybdenum alloy as the metal for the permanent shape
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has been ; but the investment cost is very high and the mold life is quite short.
With this one exception, the entire literature available in this field shows that, despite the existing need and intensive research, it can be found in both the
United States of America as well as in other countries, in view of the short lifespan of the metal molds in question, has considered impossible to process high-melting metals and especially ferrous metals on a technical scale by die casting. This is not surprising as the permanent metal molds are difficult to build because of the high temperatures they must withstand.
U.S. Patent No. 2,759,231 allegedly discloses a method for industrial casting of ferrous metals in aluminum molds. The casting process in the sense of this patent specification is the
Static casting is used, and in accordance with the above, the molds are permanent.
After all surfaces of the mold are anodized according to the teaching of the patent, the inside of the mold is equipped with a ceramic lining and the high thermal conductivity of the metal is used, the patent claims that under these circumstances, refractory ferrous metals "surprisingly" in permanent molds from the relatively Let the low-melting aluminum pour. However, the patent apparently disregards those factors in the construction of metal casting molds which, as mentioned above, pose almost insurmountable obstacles to the casting of refractory metals in permanent molds.
In order to meet the needs of space technology, ferrous metal precision castings in ceramic molds have recently been produced in the United States using the precision molding process and a modification thereof, namely the "Shaw process". This
Processes deliver products with precise dimensions; precision mold casting provides only very small castings, and the cost of 1.65 to 2.20 U.S. dollars / kg is so high that the castings produced in this way have only limited areas of application in which cost is not an issue.
The invention shows a method for producing metallic castings from metals in
Metal molds in which in contrast to the previous actual exercise and to the previous
Suggestions the metal is poured into consumable metal molds that are made at a single
Casting process are consumed, but the metal is then recovered, whereby the
Obstacles which have hitherto stood in the way of the construction of permanent metal molds for casting refractory metals are removed.
The invention relates to a method for the production of castings from ferrous metals and other refractory metals in consumable metal molds, in which it is possible through the consumption of the metal mold in a single casting process and the recovery of the mold metal to select the mold metal on the basis of the properties required for the Solidification of the metal casting to its final shape are required, and other limiting factors, such as the acquisition cost of the molding metal and the relationship of its melting point to that of the metal to be cast, to be neglected.
The invention represents a method for the production of metallic castings from ferrous metals and other refractory metals in metal molds, in which for each casting a new casting mold is used which, due to its specific material properties and its mass, has such a heat absorption capacity that it at least remains intact until the casting has assumed sufficient structural strength due to heat emission and solidification.
In the method according to the invention, the high-melting metal is injected under pressure into a metal mold, which is itself produced by die-casting a relatively low-melting metal that can easily be injected into a permanent metal mold by die-casting, is consumed with a single use, and the metal of which is reused for die-casting new die-casting molds , whereby the costs are reduced so much that the die casting process is now practical for general technical application at least for ferrous metals.
In the method according to the invention for casting ferrous metals and other refractory metals in metal molds that are consumed with a single use, the molds are made of a metal with a high heat absorption capacity that does not alloy with the metal to be cast, so that a refractory metal in a Mold can be cast from relatively low-melting metal without the inside of the mold needing to be subjected to a protective treatment, whereby the heat-absorbing capacity of the mold can be used to the greatest extent and the mold metal is practically completely recovered and for
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Making new shapes can be used.
The drawing shows a schematic side view of a device for die casting
Metal according to the process according to the invention, in which the charging cylinder, in contrast to the consumable mold, is permanently and thermally insulated from the mold.
The method according to the invention is a method for the production of metallic castings in metallic, cast casting molds in a running series of successive castings, wherein the
The casting of any casting in this series is the same as the casting of any other casting in the same series. A metal mold is produced for each casting process, a metal is injected into the mold, and the mold is used up in a single casting process. In order to reduce the cost of the process, the mold metal of the used mold should be reclaimed and it can be used to make other molds. When carrying out the process, the liquid metal is poured by die casting or injection molding by inserting it under pressure into the
Metal mold is injected.
The process can be used in the same way on high and low melting metals, but when used on low melting metals such as aluminum, magnesium and zinc, it usually does not offer any particular advantages compared to the previously common methods of die casting such metals in permanent forms made of steel, Iron or even
Aluminum. The procedure should therefore primarily, if not exclusively, for the
Die casting of refractory metals, such as ferrous metals, bronze and brass, come into consideration, of which only one, namely brass, could be die cast in permanent metal molds with limited technical success.
Although the refractory metals mentioned as examples can and usually are cast in the presence of the normal ambient atmosphere, the process can also be carried out for special refractory metals such as titanium or zirconium using special conditions such as a partial vacuum or an inert atmosphere will.
The consumable, single-use mold into which the metal is poured can be composed of several parts in order to facilitate the removal of the finished casting; However, if the melting point of the molding metal is sufficiently below that of the metal to be cast, the mold can also be made from one piece and melted after the casting process in order to obtain the finished casting.
If the shape of the casting to be produced allows it, you can take full advantage of the precision and rapid heat dissipation of the metal mold by using the expendable mold only for the part or molding that mainly forms the cavity of the mold and by using it to complete the mold of the cavity this part or
Shaped part blocks off an adjacent part or shaped part which, since it is not required for heat dissipation, can be made of a ceramic material of low thermal conductivity that is indifferent to the cast metal or can be lined with such a material.
The durability of the metal mold is neither required nor desired. On the contrary: the consumable metal mold used according to the invention only needs to remain intact until the metal casting has solidified to the shape given to it by the interior of the mold, whereupon the metal mold can disintegrate or be otherwise consumed, even if the interior of the casting is still liquid . In addition, since the molding metal is recovered and reused, a much wider range of metals is available as molding materials for the metal to be cast than was previously the case.
The metal mold must of course have sufficient heat absorption capacity to rapidly absorb the heat transferred to it at the contact surface from the cast metal to it through its entire mass, so that at any given point in time the temperature of the mold metal is the same throughout the mold. The other requirement that is placed on the single-use metal mold relates to its mass. If the casting mold is surrounded by a water jacket or if the rapid absorption of heat from the mold during the die-casting process is provided for, the mass of the mold is not important.
However, if there is no circulating coolant, the heat loss from the mold to the surrounding atmosphere in the short period of time required for the casting process is usually so small compared to the total amount of heat that it can be neglected and the mold has sufficient mass can give so that it can absorb the amount of heat that the cast metal loses from the time of injection until it solidifies to its final shape, without its own temperature down to the melting point or, if this is lower, down to the softening point of the molded metal increases.
If only the above-mentioned requirements with regard to the metal and the mass are satisfied, a metal mold can be used for any given casting process within the scope of the invention
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and since the mold metal is recovered and reused indefinitely, silver can even be used as the material for the mold if the benefit comes from its very high value
Heat absorption capacity results, outweighs its high acquisition costs. If there is a likelihood of the mold melting or the formation of intermetallic compounds at the interface with the metal to be cast and the mold metal in question, this can be prevented by pretreating the inside of the mold, e.g.
B. by attaching a lining that is indifferent to the metal to be cast, even if this leads to a certain reduction in the
Speed of heat transfer from the cast metal to the molded metal.
If necessary, the inside of the mold can also be coated beforehand with a mold release agent, as is customary in die casting, in order to make it easier to remove the finished casting from the mold.
The selection of the molding metal from many possible molding materials is generally made from the point of view of practical feasibility on the basis of at least two factors and possibly also a third factor. The first two factors are
Heat absorption capacity, determined by the specific heat and the thermal conductivity, and the
Castability, preferably by die casting.
As the heat absorption capacity of the form is a measure of its
Ability is to absorb and distribute or dissipate the heat of the cast metal as it cools from the liquid state to the solidification point at which the metal solidifies to its final shape, the cheapest form metal is one that is a high one
Has heat absorption capacity, so that from the time of casting to the time at which the cast metal solidifies to its final shape, the mold remains intact. The second
Factor, namely the pourability, e.g. B. by die casting, is of primary importance when the form, which is only to be used once, has to be procured at a speed that is suitable for the high
Sufficient output of precision castings that can be achieved with die casting.
A low-melting metal that can be easily cast into a permanent metal mold by means of pressure die casting will therefore be preferred as the molding material over a high-melting metal. The third factor is the reactivity or the inertia of the molding metal towards the metal to be cast.
A lack of inertia can be compensated for by placing the inside of the mold in front of the
Casting is provided with an inert lining or subjected to some other protective treatment, but this is only possible at the expense of the thermal conductivity of the metal mold. Of several mold metals that prove to be favorable due to the other two factors, one will usually prefer the one that is more indifferent to the metal to be cast or is less readily alloyed with it, so that a protective pretreatment of the interior of the mold is required The minimum can remain limited or can be omitted entirely.
While the selection of a shaped metal for casting a refractory metal according to the invention can lead to the fact that different shaped metals have to be used for different metals to be cast, this selection leads to aluminum and its alloys in the case of the casting of ferrous metals, which are referred to below under the collective term " Aluminum "are summarized as the preferred molding material. Aluminum is not only a low-melting metal that can easily be cast into permanent molds made of steel, iron or even aluminum using the usual casting process, but it also has a heat absorption capacity that is only surpassed by silver, copper and gold, and it does is inexpensive and practically indifferent to ferrous metals.
Since its inertness towards ferrous metals allows the surface of this metal to be exposed directly to the action of ferrous metals during the casting process, aluminum as a molding material for casting ferrous metals offers the further advantage that the inside of the mold does not have to be provided with an inert lining or any other protective pretreatment needs to be so that the mold metal can be completely recovered after a single casting process and used to produce new molds, preferably by die casting. Of all possible metals, aluminum is therefore the most practical for the technical casting of ferrous metals using the process according to the invention.
But aluminum is not only the most practical metal, but by using this metal as a molding material, as the cost analysis shows, it is possible to process steel by the method according to the invention at a cost of about 0.33 US dollars / kg, a price which is so low that for the first time the production of steel castings has moved into the area of general technical feasibility, whereas there is only a limited special market for steel castings produced using the precision die-casting process.
The method according to the invention is preferably applied to the die casting of ferrous metals in consumable aluminum molds that can only be used once. According to that
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are produced, which are held against one another by means of a holding device during casting. The molded parts of each aluminum mold are also in a known manner on their
Inside designed as corresponding parts of the mold cavity and equipped with any core imprints, the casting cavity 3 and other necessary cavities including the drain lines and drain holes for the air escaping from the upper part and any dead spaces of the interior of the mold.
As with the casting of non-ferrous metals, this embodiment of the invention also provides for the liquid ferrous metal to be injected under pressure into the interior of the mold in the amount required for the production of the respective casting and to keep the metal under pressure until it has solidified. This is done with the aid of a charging cylinder - 4, which is equipped with a piston - and has inlet and outlet openings - 6 and 7 - which are spaced apart in the axial direction, the cylinder having a capacity such that after
Closing the inlet opening as the piston advances the required measured
Charge amount of liquid metal is expelled from the outlet opening through the connecting channel-8-- into the interior of the mold.
If the mold were permanent, the loading cylinder should be made in one piece with it. In the case of the temporary or consumable form according to the
In accordance with the invention, however, the cylinder can consist of one piece with the mold or be a separate working part, and in the latter case be constructed so that it can either be attached to one side of the mold or fitted into a corresponding cavity of the mold. Therefore, although the shape itself is only a temporary shape, the loading cylinder belonging to it can be permanent and can, especially if it is built so that the piston can eject any metal residues at the end of each casting process, easily in connection with various casting molds for a long series of pouring operations can be used.
If this is not so important in the die casting of low-melting non-ferrous metals, in the case of high-melting ferrous metals it is very important that the charging cylinder is at a distance from the interior of the mold or is otherwise thermally insulated from the interior of the mold, e.g. B. by the ceramic spacer - 9 -, so from the high heat absorption capacity of the
Mold metal, on which the desired rapid solidification of the casting is based, nothing is lost, and further that the liquid ferrous metal is introduced into the interior of the mold from the side or from below so that the escape of air through the exhaust openings is not disturbed.
It is also important that the liquid metal is prevented from entering the interior of the mold prematurely and that precautions are taken against cold injections when filling the interior of the mold. Since the molds are only temporary, the entry of liquid metal into the mold interior, except during the pressing stroke of the piston, can easily be avoided by inserting a certain amount into the channel between the charging cylinder and the mold interior when assembling the mold parts for the casting process Pressure bursting break disk-10-inserts. If, in view of the special shape of the iron metal casting, there is a risk of cold bullet holes, these can be effectively avoided by limited preheating of the mold,
where, if necessary, the resulting loss in the heat absorption capacity of the mold is compensated for by a corresponding increase in its mass.
As already mentioned, all necessary core prints are already in the cavities or
Contain recesses with which the mold halves are cast, preferably by die casting.
The core material, which is required for the respective ferrous metal casting and can be inserted into these imprints as part of the mold when the mold halves are assembled, is also preferably produced from metal by die casting and is usually made of the same metal as the molds. However, under certain circumstances the cores can and should even consist of a different metal than the forms themselves. B. The aim is that the cores can be melted out of the castings more easily than if they were made of the same metal as the mold, and if a resulting reduction in the relative heat absorption capacity of the cores can be accepted, then For example, the cores can be made of a lower-melting metal than the mold halves.
If the preferred consumable aluminum molds and cores produced by die casting are used, the method according to the invention in this embodiment consists of only a few stages. After the first stage in which the mold halves and the cores are made by die casting
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If aluminum is manufactured in permanent molds from aluminum or another metal, the mold halves and the cores are joined together. When the breaking disc and the loading cylinder corresponding to a certain pressure are in the working position and the
Form is held together by a holding device, the charging cylinder is filled with liquid
Ferrous metal filled. The casting process is completed by actuating the piston.
Then the mold halves are taken apart so that the iron metal casting can be removed, and any otherwise inaccessible cores are melted out of the casting. The mold metal and the core metal are then melted down again for the die-casting of new mold halves and cores.
In contrast to the only known technical production method for ferrous metal precision castings, namely the precision molding process using ceramic molds, the application of the process according to the invention to ferrous metals, apart from the much lower costs, has the advantage that in this way castings in one much wider range of sizes can be produced.
In addition, the method provides castings with an equally narrow or even closer tolerance and, due to the high heat absorption capacity of the aluminum molds, better physical properties than can be produced in non-metallic molds, both in the exemplary embodiment described here and in general, the method according to the invention thereby eliminates that the use of the permanent metal molds customary up to now has been given up in favor of consumable metal molds that can only be used once, the difficulties that arise in the construction of permanent metal molds and factors such as oxidation, heat transfer, dimensional accuracy, differences in thermal expansion and the removal of the castings, and which, except in the case of brass,
have made the casting of refractory metals by pressure die-casting on a large industrial scale impossible.
The invention therefore consists in a method for spraying metals in metal molds, which for the first time opens up a technically feasible way of casting refractory metals because the metal mold is consumed in a single casting process and the mold metal is recovered.
PATENT CLAIMS:
1. Process for the production of metallic castings in metallic, cast molds in a running series of successive casts, the casting of any cast in this series being the same as the casting of any other cast in the same series,
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Casting mold is used which, due to its specific physical properties and mass, has such a heat absorption capacity that it remains intact at least until the casting has assumed sufficient structural strength through heat release and solidification.
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