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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Guss-Stücken, insbesondere von solchen aus Eisenbasislegierungen, zum Beispiel Ringe, Mantel- körper von Walzen, zylindrische oder konische Mäntel und dergleichen, vorzugsweise für Kompo- nenten in Walzwerkseinrichtungen, Mahlanlagen und in der Maschinen- und Anlagentechnik.
Eine Herstellung von Guss-Stücken kann allgemein nach dem Sandguss-Verfahren oder mit- tels Kokillengusses erfolgen. Für kompliziert geformte grosse Stücke aus einer Eisenbasislegierung eignet sich zumeist nur ein Sandformguss, gegebenenfalls mit Kokilleneinsätzen, wobei der dafür eingesetzte Werkstoff entsprechend der Verwendung des Guss-Stückes als Bauteil insbesondere hohe Zähigkeit aufweisen soll.
Unverformte Arbeits- oder verschleissfeste Teile, insbesondere Werkzeug- und Arbeitsteile mit besonderer Formstabilität werden mit Vorteil als Kokillenguss-Stücke gefertigt. Dabei wird in eine metallische Giessform, die wie beim Schleudergiessverfahren bewegbar ausgeführt sein kann, Flüssigmetall eingebracht, welches durch die Kühlwirkung der Kokillenwand beschleunigt erstarrt und ein Guss-Stück mit in der Regel einem gewünscht feinkörnigen Gefüge bildet. Die Erstarrung der Schmelze, die legierungstechnisch auf den Verwendungszweck des Teiles abstimmbar ist, erfolgt zwar beschleunigt in der metallischen Kokille, bleibt im Übrigen jedoch unbeeinflusst.
Es ist bekannt, mittels eines Schleudergiessverfahrens rotationssymmetrische Guss-Stücke herzustellen, wobei die Kokille, wie beispielsweise in der JP 56-099065 A offenbart, mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von beispielsweise 300 bis 900 Umdrehungen je Minute rotiert und demzufolge das Flüssigmetall achssymmetrisch in der Giessform positioniert und erstarren gelas- sen wird. Ein Schleudergiessen kann auch zur Herstellung von Hartstoffmetallverbundteilen (DE 3807512 A1 ) oder Verbundwerkstoffen mit Verstärkungselementen (EP 379400 B1) dienen. Allge- mein ist dem Fachmann bekannt, dass ein Schleudergiessverfahren mit einer hohen Umdrehungs- zahl der Kokille arbeitet, bei welcher das Flüssigmetall durch die Zentrifugalkraft an die Innenober- fläche derselben gedrückt wird und dort im Wesentlichen bewegungsfrei erstarrt (JP 60-128249 A1, JP 05169222).
Die Schleudergusskokille kann dabei seitliche Abdeckungen (US-5713408 A) oder eine radiale Teilfläche (JP 59-144568) besitzen.
Grosse Ringe oder gegebenenfalls konische Mantelteile und dergleichen werden der hohen Fliehkräfte wegen oft nicht im Schleuderguss hergestellt. Gerade für derartige Guss-Stücke, wel- che zum Beispiel in der Zementindustrie, bei der Aufbereitung von Steinen, Erden und Erzen und dergleichen abrasiv hoch beansprucht sind, besteht der Wunsch nach einer feinkörnigen Gefüge- struktur, welche die praktische Einsatzdauer derartiger Teile verlängern kann.
Die Erfindung setzt sich nun zum Ziel, für Guss-Stücke der eingangs genannten Art ein Verfah- ren zu schaffen, mittels welchem eine Feinstruktur des Werkstoffes zumindestens im Oberflächen- oder Arbeitsbereich derselben im Hinblick auf eine Verbesserung der geforderten Eigenschaften erreicht werden kann. Dieses neue Verfahren soll es auch ermöglichen, Legierungen für die Guss- Teilfertigung heranzuziehen, die auf Grund ihrer unter üblichen Bedingungen groben Erstar- rungstruktur nicht einsetzbar sind.
Dieses Ziel wird bei einem gattungsgemässen Verfahren dadurch erreicht, dass in eine, eine rohrförmige oder eine achssymmetrische Ausnehmung aufweisende, zumindest mit einem seitli- chen nach innen vorragenden Begrenzungsmittel versehene, sich um eine horizontale oder schrä- ge Achse mit einer Zentrifugalbeschleunigung von weniger als 1 g drehende Giessform kontinuier- lich oder portionsweise flüssiges Metall eingebracht und dieses bei einer Relativbewegung zwi- schen der an der Kokillenwand erstarrenden Schale und flüssigen Schmelze erstarren gelassen wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass bei dem neuen Ver- fahren in günstiger Weise sowohl eine Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit als auch eine Bewegung der Schmelze an der Kristallisationsfront des Guss-Stückes gegeben sind und beides im Hinblick auf eine feinkömige Gefügestruktur wirksam ist.
Somit können die Materialeigenschaften des Guss-Stückes den Anforderungen an dieses vor- teilhaft eingestellt werden. Mit anderen Worten: Das Eigenschaftsprofil des Materiales, aus wel- chem das Guss-Teil gebildet ist, kann dem Anforderungprofil an dieses angepasst und somit die Einsatzdauer wesentlich verlängert werden.
Wenn nun Teilbereiche eine Feinkornstruktur aufweisen sollen oder ein Nachfliessen von Flüs- sigmetall, beispielsweise zur Speisung des erstarrenden Teiles erforderlich ist, können mit Vorteil
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zumindest Teile der Schmelze in der Giessform, vorzugsweise induktiv erwärmt werden. Bei einem Überschuss von nicht mehr benötigem Flüssigmetall kann auch Restschmelze aus der Form ausgetragen werden.
Wenn, wie weiters erfindungsgemäss vorgesehen sein kann, in den Kokilleninnenraum inertes und/oder reduzierendes Gas eingebracht oder das Verfahren im Vakuum durchgeführt wird, kann der Einschlussgehalt im Werkstoff, insbesondere der Gehalt an Nitriden und/oder Oxiden, gering gehalten werden.
Mit Vorteil ist eine Minimierung des Einschlussgehaltes auch erreichbar, wenn in die Giessform Schlacke mit einem unter der Solidustemperatur des erstarrenden Metalles liegenden Schmelz- punkt gebracht wird.
In günstiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Drehgeschwindigkeit der Giessform und/oder die Relativbewegung zwischen erstarrter Schale und flüssiger Schmelze mit zunehmender Schalendicke geändert wird. Derart können der Winkel und die Grösse der in die bewegte Schmelze wachsenden Dentriten und die Restschmelzenerstarrung gewünscht in Rich- tung Feinkornstruktur beeinflusst werden.
Wenn, wie weiters gemäss der Erfindung vorgesehen sein kann, die chemische Zusammenset- zung des kontinuierlich oder portionsweise in die Kokille eingebrachten Metalles in der Zeitfolge geändert wird, ist es möglich, Seigerungen bzw. einen Anstieg oder eine Abreicherung von Ele- menten in der Flüssigphase zu vermeiden oder eine gezielte Eigenschaftsänderung des Werkstof- fes mit grösser werdendem Abstand von der Guss-Stück-Oberfläche zu erreichen.
Im Hinblick auf einen gewünschten hohen Einschlussgehalt von nicht metallischen Phasen, zum Beispiel von Hartstoffteilchen wie Wolframkarbid, zur Erhöhung der Abriebfestigkeit des Werkstoffes, in einer hochzähen Matrix, kann vorgesehen sein, dass in das flüssige Metall feste Teilchen eingebracht, in dieser verteilt und die Schmelze in der Giessform erstarren gelassen wird.
Um eine Art Armierung, beispielsweise in einem hochspröden, harten Werkstoff, in ein Guss- Stück einzubringen, ist es erfindungsgemäss möglich, dass in die Kokille Festkörper eingesetzt werden, wonach ein Einbringen des flüssigen Metalles erfolgt und die Schmelze erstarren gelassen wird. Dadurch können die Gesamteigenschaften des Teiles gewünscht beeinflusst werden. Ähnli- che Ergebnisse das Guss-Teil betreffend werden erreicht, wenn nach einer Teilerstarrung des flüssigen Metalles in der Kokille in dieses Festkörper zum Beispiel Drahtgebilde eingesetzt werden.
Dadurch ist es möglich, Halte- oder Fixierteile mit dem Gusskörper sicher zu verbinden.
Schliesslich ist unter anderem die Möglichkeit gegeben, Teile vom Guss-Stück mit einer beson- ders harten und abriebfesten Zone bzw. besonderen Gefügestruktur zu gestalten, wenn mindes- tens ein ringförmiger Teilbereich der Giessform gekühlt wird.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass durch eine Isolation von Teilbereichen der Giess- form die Erstarrungsfront oder die Dicke der erstarrten Schicht in der Zeitfolge durch Verringerung der Wärmeabfuhr gesteuert wird.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 Guss eines Ringes, Anlage im Längsschnitt
Fig. 2 Anlage von Fig. 1 im Querschnitt BB'
Fig. 3 Erstarrung und Schmelzenfluss
Fig. 4 Erstarrung und Schmelzenfluss
Fig. 5 Guss eines Trichterstückes
Schematisch ist in Fig. 1 eine Einrichtung für ein Giessen eines Ringes 3 im Längsschnitt und in Fig. 2 diese im Querschnitt der Schnittfläche BB' dargestellt. Ein um eine Achse A sich entspre- chend 10 drehender Kokillengrundkörper 1 ist unter Bildung eines Kokilleninnenraumes 11 mittels eines Ringscheibenkörpers 2, welcher ein nach innen vorragendes Begrenzungsmittel für diesen bildet, versehen. Während einer Rotationsbewegung 10 einer Giessform erfolgt durch eine Öffnung 12 über ein Einbringmittel 4 ein Einbringen von flüssigem Metall 31 in einen durch eine achssym- metrische Ausnehmung 11 gebildeten ringförmigen Erstarrungsraum.
Gleichzeitig wird über ein Rohrsystem 5 zum Beispiel Inertgas 51 zugeführt, welches den Erstarrungsraum ausfüllt. Eine luftdichtende Abdeckung (nicht dargestellt) kann an einer Giessraumöffnung 12 vorgesehen sein.
Eine Drehung 10 um eine Längsachse A des Kokillengrundkörpers erfolgt mit einer Drehge-
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schwindigkeit, welche eine Zentrifugalbeschleunigung im Bereich eines äussersten Radius des Erstarrungsraumes von weniger als 1 g bewirkt. Eine in die achssymmetrische Ausnehmung 11der Kokille 1 eingebrachte flüssige Schmelze 31 sammelt sich im unteren Bereich der Ausnehmung 11, wobei das Flüssigmetall 32 unter Bildung einer erstarrten Schale 33 an der Innenwand der Kokille 1 kristallisiert. Weil nun eine Drehbewegung 10 der Kokille 1 um eine Längsachse A erfolgt und eine Zentrifugalkraft der Drehbewegung auf die Schmelze 32 gering ist, fliesst diese jeweils zum tiefsten Bereich der Kokillenausnehmung 11.
Ein Ring-Guss-Stück 3 wird also mittels einer sich drehenden erstarrten Schale 33, an welcher flüssige Schmelze 32 im bodennahen Bereich darüberhinweg strömt und erstarrt, gebildet. Eine Kühlung der erstarrten Schale 33 erfolgt dabei im gesamten Innenbereich der Kokille 1, so dass bei einem Wiedereintauchen in die Schmelze 32 die Schaleninnenoberfläche 34 eine abgesenkte Temperatur aufweist und dadurch die Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze 32 an dieser 34 erhöht ist und eine Feinstruktur des Werkstoffes gebildet wird.
In Fig. 3 ist schematisch ein Ablaufen der Schmelze 32 von der Innenoberfläche 34 der Schale 33 unter Bildung einer zur Mitte gerichteten Metallströmung 322 dargestellt.
Fig. 4 zeigt ein Eintauchen der unterkühlten Oberfläche 34 in die Schmelze 32, wobei wieder- um eine lokale Schmelzenströmung 321 entsteht.
In Fig. 5 ist eine erfindungsgemässe Herstellung eines Trichter-Guss-Stückes schematisch ge- zeigt. Eine Achse A eines Kokillenkörpers 1, um welche dieser rotiert, ist derart schräg angeordnet, dass die unterste Erzeugende der Kegeloberfläche im Wesentlichen horizontal gerichtet ist. Ein Abdeckmittel oder Begrenzungsmittel 2 ist unter Bildung eines kegeligen begrenzten Innenraumes 11mit einem Kokillenkörper lösbar verbunden.
Ein Mittel 4 für eine Zuführung von Schmelze 31 und ein Mittel 5 zur Einleitung von Schutzgas 51 in den Kokilleninnenraum sind prinzipiell gezeigt.
Ein kegelförmiges Guss-Stück 3 mit Feinkornstruktur wird bei einer Drehung 10 der Kokille 1 nach Ausbildung einer erstarrten Schale 33 durch ein Überfliessen der unterkühlten Innenoberflä- che 34 bzw. Erstarrungsfront derselben mit Schmelze 32 im bodenseitigen Bereich gebildet.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Guss-Stücken (3) aus Metall, ins- besondere aus Eisenbasislegierungen, zum Beispiel Ringe, Mantelkörper von Walzen, zy- lindrische oder konische Mäntel und dergleichen, vorzugsweise für Komponenten in Walz- werkseinrichtungen, Mahlanlagen und in der Maschinen- und Anlagentechnik, dadurch gekennzeichnet, dass in eine, eine rohrförmige oder eine achssymmetrische Ausneh- mung (11) aufweisende, zumindest mit einem seitlichen nach innen vorragenden Begren- zungsmittel (2) versehene, sich um eine horizontale oder schräge Achse (A) mit einer
Zentrifugalbeschleunigung von weniger als 1 g drehende Giessform (1 ) kontinuierlich oder portionsweise flüssiges Metall (31) eingebracht und dieses bei einer Relativbewegung (10) zwischen der an der Kokillenwand (1) erstarrenden Schale (34) und flüssigen Schmelze (32)
erstarren gelassen wird.