Verfahren # Herstellung von Xetallblöcken. Alle Metalle und Legierungen vermögen, namentlich in flüssigem Zustande, nennens werte Mengen Gase zu lösen. Es ist für den Giessprozess weniger wichtig, welcher Natur die Gase sind, sofern sie mit dem Metall keine Verbindungen eingehen, als ihre Ei genschaft, beim Erstarren zu entweichen. Obschon sich mehrere Verfasser in eingehen den Arbeiten mit der Löslichkeit von Gasen in Metallen befasst haben, sind im allge meinen die praktischen Verhältnisse zu v.,r- wickelt, als dass aus diesen Arbeiten für die Praxis direkt verwertbare Schlüsse gezogen werden können.
Für die Aufnahmefähigkeit von Gasen in Metallschmelzen ist der Zu stand der Gase im Momente der Einwir kung von Wichtigkeit, das heisst ob sie in molekularer Form oder im Status nascendi mit der Metallschmelze in Berührung kom men. Nach Begasungsversuchen von Claus bewirkt Wasserdampf bei Aluminium grössere Porosität als Wasserstoff, was dadurch er klärt werden kann, dass Wasser in seine Komponenten gespalten wird unter Bildung von A1-0., und Wasserstoff im Status nas- cendi,
welch letzterer sich anscheinend leich ter löst als molekularer Wasserstoff. Da neben ist mit der Möglichkeit zu rechnen, dass die Gase auch auf andere Weise, als durch direkte Berührung und eventuelle Um setzung, in die Schmelze gelangen können. Bei Einsetzung von Metallen, die durch Elektrolyse oder beim Beizen Wasserstoff aufgenommen haben, ist eine erhöhte Gas aufnahme zu erwarten. Im allgemeinen spie len viele Faktoren eine Rolle, so sind auch ,die äussern Bedingungen (Ofensystem) auf das Verhalten im Laufe des gesamten Giess prozesses von grossem Einfluss. Als wichtig ist auch die Grösse der Oberfläche im Ver hältnis zum Gewicht, das heisst der Zertei- lungsgracl des Einsatzes, anzusehen.
Für die Vorgänge bei der Erstarrung gilt grösstenteils die Regel, dass bei der Bildung von Kristallen, letztere das Bestreben haben, fremde Beimengungen (auch Gase) auszu scheiden, sofern keine Isomorphie besteht. Ausser dem Entstehen von Metallverbindun- gen ist die Ausscheidung der Gase für die Giessereipraxis wichtig, weil sie eine der Hauptursachen der Giessfehler ist, wie bei spielsweise Blasenbildung, zum Teil Lunker- bildung und Saigerung (besonders deutlich bei Bronze), so wie fast alle Undichtheiten im Gefüge.
Man hat schon auf verschiedene Weise versucht die schädliche Wirkung der Gas ausscheidungen zu umgehen. Zur Illustration seien als Beispiele nur die folgenden er wähnt.
Die Behandlung von Aluminium und seinen Legierungen mit Chlor oder chlorab spaltenden Mitteln hat einige Bedeutung er langt. Chlor setzt sich mit dem Wasserstoff der Schmelze zu Chlorwasserstoff um, so dass nach einiger Zeit der Chlorbehandlung aller Wasserstoff der Schmelze gebunden und aus getrieben ist.
Ein anderes interessantes, aber umständ liches Entgasungsverfahren ist folgendes: Das Schmelzgut lässt man nach dem Nieder schmelzen im Tiegel oder Ofen so weit erkal ten, bis die ganze Masse eben erstarrt ist. So bald dieser Vorgang sich vollzogen hat, wird ein zweites Mal niedergeschmolzen und erst dann gegossen. Die Zwischenschaltung der Erstarrung hat den Zweck, das. Metall zu entgasen nach dem schon erwähnten Prinzip, dass der grösste Teil der Gase beim Erstarren entweicht.
Die Regel, dass Messing im Reduktions feuer niedergeschmolzen und vor dem Aus giessen noch -einige Zeit mit Oxydationsfeuer behandelt wird, verfolgt ähnliche Ziele. Der gelöste Wasserstoff wird oxydiert und ent weicht als Wasserdampf. Letzterer 'ist im Metallschmelzen kaum löslich, wogegen Was serstoff infolge seiner Ähnlichkeit mit den Metällen in genügendem Masse löslich ist, um Gussfehler zu erzeugen.
Das Schmelzen in Vakuumöfen verfolgt primär nicht den Zweck der Entgasung, son dern die Vermeidung der Entstehung von Metallverbindungen (Oxyden u. U. auch Nitriden). Desoxydationsmittel haben hauptsächlich den Zweck, eventuelle oxydisehe Charakter eigenschaften der Schmelze zu eliminieren. Wenn aber vorherrschend reduzierende Gase gelöst sind, so ist das Reduktionsmittel in der Regel fast wirkungslos. In diesem Falle kann Einrühren von Oxyden zu einer gas armen Schmelze führen.
Dies ist aber nicht anzuraten, wenn der Zustand der Schmelze nicht bekannt ist, da durch das Einrühren der Oxyde ein Zurückbleiben unerwünschter Bestandteile zu befürchten ist.
Ein genaues Ausbalancieren des Ein satzes auf Grind praktischer Ergebnisse, ist- nur solange von vollem Erfolg begleitet, als ein und dieselben Metallvorräte verwendet erden können. Immerhin hat die Erfahrung gezeigt, dass man auf diesem Wege dem Ziele näher kommen kann. Es ist bekannt, dass bei Verwendung von blossen Neumetallen im all gemeinen keine guten Güsse erzielt werden. Es ist nötig in mehr oder weniger bestimm ten Grenzen Neumetall und Altmetall zu verwenden. Eine gewisse Unsicherheit bleibt aber immer bestehen, da die Zustände der Schmelze, abgesehen von einigen empirischen Methoden, unkontrollierbar und wenig er forscht sind.
Analytische Verfahren zur Er fassung von Gasen in Metallen sind zu lang wierig und unsicher, als dass von dieser Seite brauchbare Aufklärung geschaffen werden könnte. Auch wenn die Zustände der Schmelze bekannt wären, ist es fraglich, ob dieselben nach Belieben geleitet werden könnten, wenn nicht andere Übelstände in Kauf genommen werden sollen. Es muss schon aus dem Grunde immer mit einem ge wissen Grad von Zufälligkeit gerechnet wer den, weil man meist nicht weiss auf welchem Wege die Gase in die Schmelze gelangen.
Da die Eliminierung der Gase aus Me tallschmelzen auf grosse Schwierigkeiten oder wenigstens Umständlichkeiten stösst, unter lässt man am besten entsprechende Mass nahmen, ist aber gezwungen, mit der Mög lichkeit zu rechnen, dass die Metallschmelzen Gase enthalten, die beim Giessen zu Guss- fehlern führen können. Unter Berücksichti- gung der Eigenschaft, dass die Gase im Laufe des Erstarrungsprozesses nahezu vollständig ausscheiden, braucht man bei der Erstarrung der Schmelze nur dafür zu sorgen, dass die Gase ungehindert entweichen können.
Dies ist möglich, wenn die Erstarrung von unten nach oben erfolgt. Die ausgeschiedenen Gas blasen werden hierbei nicht durch Barüber liegende Kristallkonglomerate am Aufstei gen verhindert.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von ;'lIetallblöcken ist nun -da durch gekennzeichnet, dass das Metall in senkrecht stehende Giessformen gegossen wird, welche mit nach oben zunehmender Temperatur geheizt -erden, um eine Erstar rung des Metalls von unten nach oben zu er reichen. Die Temperatur des obern Teils der (liessform kann nötigenfalls so hoch liegen, wie die Erstarrungstemperatur des zu gie ssenden Metalles. Künstliche Kühlung des Bo dens ist dabei von Vorteil, um ein Abfliessen der Wärme nach unten zu verstärken und zu beschleunigen.
Ein Abfliessen der Wärme nach der Seite findet nur in geringem Masse Matt und hauptsächlich nur in der Boden partie. Die Erstarrung geht dem Wärmefluss entgegen, so dass sie fast ausschliesslich von unten nach oben gerichtet. ist. Durch die frei werdende Schmelzwärme wird die darüber liegende Schmelze flüssig erhalten, so dass die ausscheidenden Gase ohac Behinderung entweichen können.
Die künstliche Leitung der Erstarrung entgegen der Richtung der Schwerkraft hat eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Verfahren bei welchem in liegende Formen' gegossen wird. Nur wird der gesamte Erstarrung:svor- gang verlangsamt, so dass die einzelnen Pro zesse bei der Kristallisation vollständiger sieh entwickeln können (speziell die Aus scheidung der Gase). Eine vibratorische Be wegung des ganzen Systems kann die Ent- weichung der Gase noch fördernd beeinflus sen.
Ein grosser Vorteil gegenüber den hori zontalen Kokillen liegt darin, dass nur eine kleine Oberfläche der Oxydation durch die Luft ausgesetzt wird, wobei noch durch Aufsetzen eines Deckels fast völliger Schutz erreicht werden kann. Bei liegenden Giess formen ist es dagegen unvermeidlich, dass der Sauerstoff auf eine relativ grosse Oberfläche einwirkt. Jegliche Lunkerbildung kann ver mieden werden, wenn die Beheizung des obern Teils,der Kokille nahezu den Schmelz punkt des Metalles erreicht. Man kann auf diese Weise -die unzulängliche Operation des Nachgiessens umgehen, da der Kopf gesund bleibt.
Das erfindungsgemässe Verfahren liefert speziell dichte Güsse. Es ist selbstverständ lich, dass es vorwiegend bei Dauerformen zur Anwendung kommt, namentlich dort, wo blasenarmes Material erwünscht ist, wie bei der Herstellung von Walzplatten, Press- blöcken und Drahtbarren, die durch spanlose Formung weiterverarbeitet werden sollen. Da die Aufheizung des obern Teils der Giessform praktisch begrenzt wird durch die Werk stoffeigenschaften des Kokillenmaterials, können mir Metalle und Legierungen ver wendet werden, deren Schmelzpunkt nicht zu hoch liegt.
Trotzdem darf nicht übersehen werden, dass der richtunggebende Einfluss auf den Erstarrungsvorgang bestehen bleibt, auch wenn die Erwärmung des obern Teils der Giessform der Erstarrungstemperatur nicht nahe kommt. Wegen der Langsamkeit .des Erstarrungsprozesses, werden beim Ver fahren nur Legierungen angewendet werden könnün, die in flüssigem Zustande nicht ent- mischbar sind.
Process # Manufacture of Xetallblocks. All metals and alloys, especially in a liquid state, are able to dissolve appreciable quantities of gases. It is less important for the casting process what the nature of the gases is, provided they do not bond with the metal, than their property of escaping when they solidify. Although several authors have dealt with the solubility of gases in metals in detailed papers, the practical conditions are generally too developed so that conclusions that can be drawn directly from this work can be used in practice.
For the absorption capacity of gases in molten metal, the state of the gases at the moment of exposure is important, i.e. whether they come into contact with the molten metal in molecular form or in the nascent state. According to Claus fumigation experiments, water vapor causes greater porosity than hydrogen in aluminum, which can be explained by the fact that water is split into its components with formation of A1-0., And hydrogen in the nascent status
which the latter appears to dissolve more easily than molecular hydrogen. There is also the possibility that the gases can get into the melt in other ways than through direct contact and possible conversion. When using metals that have absorbed hydrogen through electrolysis or pickling, increased gas absorption is to be expected. In general, many factors play a role, so the external conditions (furnace system) also have a major influence on the behavior during the entire casting process. The size of the surface in relation to the weight, i.e. the degree of division of the insert, is also to be regarded as important.
For the processes during solidification, the rule that applies for the most part is that when crystals form, the latter strive to excrete foreign admixtures (including gases), provided that there is no isomorphism. In addition to the formation of metal compounds, the excretion of gases is important for foundry practice because it is one of the main causes of casting defects, such as blistering, in some cases cavity formation and sawning (particularly evident in bronze), as well as almost all leaks in the structure.
Attempts have been made in various ways to circumvent the harmful effects of gas excretions. Only the following examples are mentioned as examples.
The treatment of aluminum and its alloys with chlorine or chlorine-splitting agents is of some importance. Chlorine reacts with the hydrogen in the melt to form hydrogen chloride, so that after some time after the chlorine treatment, all hydrogen in the melt is bound and expelled.
Another interesting but cumbersome degassing process is as follows: After melting down, the melted material is left to cool in the crucible or furnace until the entire mass has solidified. As soon as this process has taken place, it is melted down a second time and only then poured. The interposition of solidification has the purpose of degassing the metal according to the principle already mentioned that most of the gases escape when solidifying.
The rule that brass is melted down in a reducing fire and treated with an oxidizing fire for some time before it is poured out pursues similar goals. The dissolved hydrogen is oxidized and escapes as water vapor. The latter 'is hardly soluble in molten metal, whereas hydrogen, due to its similarity to metals, is sufficiently soluble to produce casting defects.
Melting in vacuum furnaces does not primarily have the purpose of degassing, but rather to avoid the formation of metal compounds (oxides, possibly also nitrides). The main purpose of deoxidizing agents is to eliminate any oxidizing properties of the melt. If, however, predominantly reducing gases are dissolved, the reducing agent is usually almost ineffective. In this case, stirring in oxides can lead to a low-gas melt.
However, this is not advisable if the state of the melt is not known, as the stirring in of the oxides is likely to result in undesirable constituents remaining.
A precise balancing of the use on grind practical results is only accompanied by complete success as long as one and the same metal supplies can be used. After all, experience has shown that you can get closer to your goal in this way. It is known that when using bare new metals in general no good casts are achieved. It is necessary to use new metal and scrap metal within more or less specific limits. However, there is always a certain amount of uncertainty, since the states of the melt, apart from a few empirical methods, are uncontrollable and little researched.
Analytical procedures for the detection of gases in metals are too lengthy and uncertain for us to be able to provide useful information. Even if the conditions of the melt were known, it is questionable whether they could be conducted at will, if other evils are not to be accepted. A certain degree of randomness must always be expected for the reason that one usually does not know how the gases get into the melt.
Since the elimination of the gases from metal melts encounters great difficulties or at least inconvenience, it is best to refrain from taking appropriate measures, but it is necessary to take into account the possibility that the metal melts contain gases which lead to casting defects during casting can. Taking into account the property that the gases are almost completely eliminated in the course of the solidification process, one only needs to ensure that the gases can escape unhindered when the melt solidifies.
This is possible if the solidification occurs from the bottom up. The excreted gas bubbles are not prevented from rising by the crystal conglomerates lying above.
The method according to the invention for the production of metal blocks is now characterized in that the metal is poured into vertical casting molds which are heated as the temperature rises upwards in order to solidify the metal from bottom to top. The temperature of the upper part of the mold can, if necessary, be as high as the solidification temperature of the metal to be cast. Artificial cooling of the floor is advantageous in order to intensify and accelerate the downward flow of heat.
Heat flow to the side only takes place to a small extent, and mainly only in the bottom area. The solidification goes against the flow of heat, so that it is almost exclusively directed from below to above. is. Due to the released heat of fusion, the overlying melt is kept liquid, so that the exiting gases can escape without hindrance.
The artificial conduction of the solidification against the direction of gravity has a certain similarity to the process in which the mold is poured into lying. Only the entire solidification process is slowed down so that the individual processes can develop more fully during crystallization (especially the elimination of the gases). A vibratory movement of the whole system can have a positive effect on the escape of the gases.
A great advantage over the horizontal molds is that only a small surface area is exposed to oxidation by the air, and almost complete protection can be achieved by putting on a cover. In the case of horizontal casting molds, however, it is inevitable that the oxygen acts on a relatively large surface. Any formation of cavities can be avoided if the heating of the upper part of the mold almost reaches the melting point of the metal. In this way - one can avoid the inadequate operation of refilling, since the head remains healthy.
The method according to the invention provides especially dense castings. It goes without saying that it is mainly used for permanent molds, especially where low-bubble material is desired, such as in the manufacture of rolled plates, press blocks and wire bars that are to be processed further by non-cutting shaping. Since the heating of the upper part of the casting mold is practically limited by the material properties of the mold material, I can use metals and alloys whose melting point is not too high.
Nevertheless, it should not be overlooked that the directional influence on the solidification process remains, even if the heating of the upper part of the casting mold does not come close to the solidification temperature. Because of the slowness of the solidification process, only alloys can be used in the process that cannot be separated in a liquid state.