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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Giessen von Metallschmelze in dünnwandige Giessformen, wobei die Schmelze unter Bildung eines Gussstückes oder eines Blocks zwischen den Formfläche erstarrt.
An Gussstücke oder Blöcke aus Metallen oder Metallegierungen werden immer höhere Ansprüche gestellt. Insbesondere sollen sie keine Fremdstoffe enthalten, die sich auf die Homogenität und die Festigkeitseigenschaften des Gussstückes negativ auswirken. Derartige Fremdstoffe sind beispielsweise Schlacken, d. h. Verbindungen, insbesondere Oxyde, von metallischen und nicht-metallischen Stoffen. Die Schlacken haben eine niedrigere Volumsmasse als die Metalle und lagern sich deshalb meistens an der Oberfläche des Schmelzbades ab.
Schlacken können in bezug auf den Giesszeitpunkt zu einem sehr späten Zeitpunkt, d. h. unmittelbar vor dem Giessen in Giessformen, beispielsweise durch Kontakt der Schmelze mit keramischem Material im Ofen, in der Pfanne, in Abstichrinne, in Düsen u. dgl., sowie auch durch Oxydieren des gegossenen Metalls selbst an der Luft in das Schmelzbad gelangen. Demgemäss enthält der Giessstrahl aus Metall derartige Schlacketeilchen in verschiedenen Grössen, die in die Giessform und bis in das Gussstück gelangen. Bei üblichen Giessverfahren gelangt das Metall von oben oder seitlich in die Giessform, wobei der Giessstrahl die Badoberfläche mit grosser Kraft durchdringt. Die Schlacketeilchen gelangen dabei tief in den Guss.
Viele Teilchen bleiben an der erstarrenden Fläche haften, die sich unmittelbar an den Wänden der Giessform bildet ; andere Teilchen drängen durch das Bad nach oben und gelangen sogar zur Oberfläche, wo sie jedoch vom Giessstrahl erneut nach unten gedrückt werden.
Eine Möglichkeit zu verhindern, dass die Teilchen in der Giessform nach unten gedrückt werden, besteht darin, die Giessform von unten mit der Metallschmelze zu beschicken. Die Teilchen müssen sich dadurch zwar in der richtigen Richtung, d. h. nach oben, bewegen, es besteht aber immer noch der Nachteil, dass die Schlacketeilchen durch das Bad in der Giessform wandern und sich auf ihrem Weg nach oben festsetzen können. Schlacketeilchen von sehr kleiner Grösse jedoch gelangen nicht vor dem Erstarren des Metalls zur Badoberfläche, insbesondere dann nicht, wenn die Kühlung zwangsweise beschleunigt wird.
Die CH-PS Nr. 200731 offenbart eine andere Möglichkeit zu verhindern, dass die Teilchen in der Giessform nach unten gedrückt werden ; gemäss dieser Patentschrift wird die Schmelze durch einen Schlitz in der Seite der vertikalen Giessform und praktisch parallel zur Metalloberfläche der Giessform zugeführt.
Dies führt zu noch ruhigeren Verhältnissen für eine wirksame Abscheidung der Schlacke an der Oberfläche in der Giessform.
Eine weitere an Gussstücke gestellte Anforderung ist, dass ihre Festigkeitseigenschaften optimal sein sollen. Eine Möglichkeit, auf die Festigkeitseigenschaften Einfluss zu nehmen, besteht in der intensiveren Kühlung des Gussstückes. Die Formwände bestehen gewöhnlich aus dickem Kokillenmaterial oder aus Giesssand. Der Wärmegehalt der Schmelze wird über die Giessform an die Umgebungsluft abgegeben.
Infolgedessen kühlt das Gussstück langsam und unstetig ab, wodurch die mechanischen Eigenschaften des fertigen Gussstückes verschlechtert werden. Es wurde bereits versucht, die Form mit Wasser wirksamer zu kühlen, jedoch ist eine derartige Kühlung oft unregelmässig und auch zu schnell, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Gussstückes wieder beeinträchtigt werden.
Es ist auch bereits bekannt, die Giessform in einem Metallbad zu kühlen, wodurch das Gussstück durch genaue Bad- und Temperaturkontrolle kontrolliert abgekühlt werden kann ; dadurch werden bessere mechanische Eigenschaften des Gussstückes erzielt.
Die DE-PS Nr. 877656 offenbart die Herstellung der Giessform aus einem dünnen Blech, die Zufuhr der Schmelze von oben in die vertikal angeordnete Giessform und das allmähliche Absenken derselben während des Giessens in vertikaler Richtung in ein Bleibad. Diese Methode ermöglicht eine direktere Kühlung des Gussstückes, wobei auch die Abkühlbedingungen besser reguliert werden können.
Die Erfindung nutzt die obgenannte Möglichkeit einer kontrollierten Kühlung des Gussstückes und bietet ausserdem weitere Vorteile. Sie betrifft, wie im Fall der obgenannten DE-PS Nr. 877656, ein Verfahren zum Giessen von Metallschmelze in dünnwandige Giessformen, bei dem die Giessform während des Eingiessen allmählich in ein Kühlbad gesenkt wird, wobei der Schmelzenspiegel in der Form während des Senkens praktisch immer mit dem Spiegel des Kühlbades in einer Ebene liegt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze in im wesentlichen horizontaler Richtung in die Giessform eingebracht wird, wobei die Giessform gleichzeitig aus einer im wesentlichen horizontalen Anfangslage in eine vertikale Lage in das Kühlbad hinabgeschwenkt wird.
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Vorzugsweise wird die Schmelze bereits zu Beginn des Giessens auf die vom Kühlbad gekühlte Giessformfläche aufgebracht.
Ausser dem Vorteil der intensiveren und kontrollierbareren Kühlung wird gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren während des grösseren Teils des Giessens in der Giessform eine bedeutend grössere Badoberfläche erzielt. Diese grössere Badoberfläche trägt stark zu schwächeren Strömungen und dadurch
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Das erfindungsgemässe Verfahrep ermöglicht weiterhin auf einfache Weise die Zufuhr der Schmelze unter Erzielung ruhiger Verhältnisse, wodurch die Schlacke an der Oberfläche in der Giessform wirksamer abgeschieden werden kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bestehend aus einem Giessbehälter zur Zufuhr der Schmelze in eine dünnwandige Giessform, einem Kühlbad und einer Einrichtung zum Steuern des Senkens der Giessform, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Steuereinrichtung aus einer horizontalen Welle besteht, an der die Giessform mit einer Seitenfläche, in welcher sich eine Öffnung zum Zuführen der Schmelze befindet, angelenkt ist und dass eine Giessrinne od. dgl. zum im wesentlichen horizontalen Einführen der Schmelze in die Giessform vorgesehen ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen ausführlich beschrieben, die an Hand von zwei Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. l und 2 das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. der erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch wiedergeben.
Das zu vergiessende Metall fliesst aus einer Pfanne--1--od. dgl. in einen Trichter --2-- und von dort
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--3--.Giessform --5-- im wesentlichen in horizontaler Lage und kann beispielsweise auf dem Kühlbad --7-- schwimmen. Die Anfangslage ist in den Fig. l und 2 für eine zweite Giessform --8-- gezeigt. Anderseits kann auch die ganze in Fig. 1 gezeigte Giessform --5-- in der Anfangslage über dem Kühlbad gehalten werden. Die Giessform --5-- wurde in der in den Zeichnungen gezeigten Lage zum Teil mit Metall gefüllt (s. 10) und ist demgemäss zu einem Teil in das Kühlbad hinabgeschwenkt. Die gestrichelten Linien --12-zeigen die Lage für die mit dem Giessmetall gefüllte Giessform.
Die Verteilerrinne --3-- ist vorzugsweise um eine Achse --11-- kippbar angeordnet und mit einer weiteren Rinne --9-- versehen. Wenn die Giessform - -5-- fertiggefüllt ist, wird die Rinne --9-- zur Giessform --8-- hinabgeschwenkt und die Giessrinne --4-- gleichzeitig aus der Giessform --5-- hochgeschwenkt.
Die in den Zeichnungen rechteckig dargestellten Giessformen 8--können selbstverständlich eine innerhalb weiter Grenzen variierende Form aufweisen und sind nicht nur für das Giessen von Blöcken oder Knüppeln für eine weitere Bearbeitung, sondern direkt für das Giessen von mehr oder weniger formfertigen Gussstücken verwendbar. Zur Ermöglichung einer intensiveren Kühlung besteht die Giessform vorzugsweise aus dünnem Blech. Dieses dünne Blech erfordert ein starkes Kühlen der Form, da sonst das Giessmetall das Blech durchbrennen würde.
Der wesentlichste Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen liegt darin, dass die Giessform gemäss Fig. 2 eine teilweise durch die Wand-13-geschlossene Eingussseite aufweist, wobei die Welle --6-- sich an der offenen Kante der Wand befindet. Bei einer derartigen Lage der Giessform taucht die der Giessrinne am nächsten liegende Ecke der Form in das Kühlbad --4-- ein. Dies hat den Vorteil, dass der Giessstrahl beim Giessen nur vom Kühlbad gekühlte Giessformflächen direkt trifft, wodurch die Gefahr von Durchbrennungen der dünnen Giessform vermindert wird.
Die Giessform kann somit, wie in den Fig. l und 2 gezeigt, eine zur Giessrinne hin völlig bzw. teilweise offene Seite aufweisen. Diese Seite kann aber auch nahezu völlig geschlossen sein und nur eine Öffnung für den Giessstrahl aufweisen. Diese letztere Ausführungsform der fast völlig geschlossenen Giessform ermöglicht die Zufuhr von Inertgas in flüssiger Form oder in Gasform zum Giessen in Schutzatmosphäre, wodurch Schlackeeinschlüsse noch geringer werden.
Bei einer andern Giessformausbildung, die insbesondere zum Giessen von Verbundrohlingen dient, besteht eine Seite der Giessform aus einem dickeren Blech, das in zweckmässiger Weise an der Innenseite oberflächenbehandelt oder derart präpariert ist, dass beim Einbringen des geschmolzenen Giessmetalls in die
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Giessform bei gleichmässigem Hinabschwenken der Giessform in das Kühlbad das Giessmetall an der dickeren Giessformseite auf Grund des schlechteren Kühlvermögens derselben verschweisst wird oder mit dem dickeren Blech verschmilzt. Auf diese Weise können Gussstücke aus verschiedenen Legierungen hergestellt werden.
Die Kühlung wird somit dadurch bewirkt, dass die Giessform während des Giessens allmählich und vorzugsweise mit einer derartigen Geschwindigkeit in das Kühlbad hinabgeschwenkt wird, dass der Spiegel in der Giessform ungefähr dem Spiegel im Kühlbad entspricht. Dies kann auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden.
Eine Möglichkeit besteht darin, die Zusammensetzung des Kühlbades so zu wählen, dass dessen spezifische Masse im wesentlichen mit der des Giessmetalls übereinstimmt. Wenn dies der Fall ist, wird die Giessform während des Giessens mit einer derartigen Geschwindigkeit in das Kühlbad sinken, dass der Spiegel des Giessmetalls in der Giessform praktisch mit dem Spiegel des Kühlbades übereinstimmt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Zusammensetzung des Kühlbades so zu wählen, dass dessen spezifische Masse höher ist als die des Giessmetalls. Durch Ausrüsten der Giessform mit einer Einrichtung zum Kontrollieren der Geschwindigkeit des Hinabschwenkens in das Kühlbad kann in der Giessform derselbe Spiegel wie im Kühlbad erzielt werden. Die genannte Einrichtung kann beispielsweise aus Gewichten, die in bezug auf die Drehachse der Giessform eine ausreichende Schwenkkraft aufweisen, oder aus einem auf die Giessform wirkenden Druckluftzylinder bestehen.
Wenn die Zusammensetzung des Kühlbades so gewählt wird, dass dessen spezifische Masse niedriger ist als die des Giessmetalls, kann die Geschwindigkeit des Hinabschwenkens durch die Anordnung von Schwimmern, die auf die Giessform wirken, reguliert werden. Es ist auch möglich, die Geschwindigkeit des Hinabschwenkens durch eine zweckmässig angeordnete Antriebsvorrichtung, z. B. einen Druckluftzylinder, zu regulieren.
Als Kühlbad können geschmolzene Metalle, z. B. Blei, Zinn, Antimon, Aluminium u. dgl., oder Legierungen von zwei oder mehreren dieser Metalle verwendet werden. Insbesondere beim Giessen von Leichtmetallen kann das Kühlbad aus Salzschmelzen der Alkalimetalle bestehen.
Es kann auch die Kombination eines Kühlbades mit hoher spezifischer Masse mit einem oder mehreren Kühlbädern mit niedrigerer spezifischer Masse verwendet werden, die übereinandergeschichtet angeordnet sind, um eine differenzierte Kühlwirkung auf das Giessmetall auszuüben.
Zum Bewirken eines differenzierten Kühleffektes kann auch pulverförmiges Material verwendet werden, das eine niedrigere Volumsmasse aufweist als das Kühlbad und auf diesem in Schichten schwimmt.
Beispielsweise können Sand, Kupferspäne, Stahlsand, Ziegelmehl oder Eisenpulver verwendet werden.
Die Temperatur des Kühlbades wird in einem für die Erstarrung des Giessmetalls geeigneten Bereich gehalten. Beim Giessen von Stahl hat es sich als zweckmässig herausgestellt, das in diesem Fall aus einer Metallschmelze bestehende Kühlbad bei einer Temperatur von etwa 400 C zu halten. Der Stahl wird dabei zu Beginn sehr rasch abgekühlt, wodurch er ein feinkörniges Primärgefüge erhält ; später erfolgt die Kühlung in der Nähe der Kühlbadtemperatur, wodurch im Gussstück Spannungszustände aufgelöst und sogenannte Erstarrungsrisse vermieden werden. Die Temperatur des Kühlbades kann durch Heiz- und Kühlvorrichtungen in bekannter Weise konstant gehalten werden ; die Erstarrungs und Abkühlungswärme kann rückgewonnen werden.
Beim Giessen von Verbundrohlingen nach dem erfindungsgemässen Verfahren ist es zur Erzielung ein
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wirksame Kühlung von den Seiten durch die dünneren Wände, aber eine zweckmässig angepasste verzögerte Kühlung durch das Verbundmaterial aufrechterhalten.
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aus hoch feuerfestem Material. Die Zeichnungen zeigen zwei einander direkt gegenüberliegende Giessformen - 5 und 8-- und zwei Giessrinnen-4 und 9-- als Beispiel einer geeigneten Anordnung für abwechselndes Giessen mehrerer Gussstücke vom selben Behälter aus. Die Giessrinnen-4 und 9-- können aber auch so angeordnet werden, dass in beiden Giessformen gleichzeitig gegossen wird. Die Anzahl der Giessformen ist selbstverständlich beliebig.
Es können mehrere Giessformen nebeneinander angeordnet und nach und nach auf der Welle --6-- oder auf Wagen zur Lage an den Giessrinnen-4, 9-zum Giessen verschoben werden.
Beim Giessen eines einzelnen Gussstückes ist es auch nicht erforderlich, die Verteilerrinne --3--
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anzuwenden ; die Schmelze kann dabei direkt aus der Pfanne oder auf andere Weise zum horizontalen Rohr bzw. der Rinne --4-- geleitet werden.
Bei einer andern Ausführungsform kann beispielsweise nur eine einzige Giess rinne --4-- angeordnet sein, die zur Bedienung von zwei Giessformen (wie in den Zeichnungen gezeigt) von einer Lage zur Zufuhr von Schmelze zur Giessform --5-- zu einer Lage zur Zufuhr von Schmelze zur Giessform--8-- schwenkbar sein kann. Schliesslich kann bei einer weiteren Ausführungsform eine Giessrinne um eine vertikale Achse schwenkbar angeordnet sein, wobei auch eine quer zu den gezeigten Giessformen --5 und/oder 8-- liegende Giessform angeordnet sein kann. Die Giessrinne kann auch mit der Giessform fest verbunden und die Drehachse zum Trichter oder der Verteilerrinne verlegt sein.
Die erfindungsgemäss erzielbaren Vorteile können wie folgt zusammengefasst werden : Der Einguss ergibt ein hinsichtlich Schlackeeinschlüssen reineres Produkt ; die intensive Kühlung gibt dem Gussstück ein feinerkörniges Gefüge ; die gleichmässige und regulierbare Kühlung in einem gewissen Temperaturbereich führt zu erstarrungsrissfreien Gussstücken. Das Ergebnis hievon sind unter anderem wesentlich höhere Festigkeitswerte der Gussstücke.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Giessen von Metallschmelze in dünnwandige Giessformen, bei dem die Giessform während des Eingiessens allmählich in ein Kühlbad gesenkt wird, wobei der Schmelzenspiegel in der Form während des Senkens praktisch immer mit dem Spiegel des Kühlbades in einer Ebene liegt, da- durch gekennzeichnet, dass die Schmelze in im wesentlichen horizontaler Richtung in die Giessform eingebracht wird, wobei die Giessform gleichzeitig aus einer im wesentlichen horizontalen Anfangslage in eine vertikale Lage in das Kühlbad hinabgeschwenkt wird.