Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung von geschmolzenem Gussmaterial, bei dem ein langgestreckter, wenigstens abschnittsweise prismatischer, insbesondere strangförmiger Festkörper aus einer Schmelze fortschreitend über eine die Erstarrungsfront enthaltende Mündungszone der Schmelze ausgebracht wird. Zum Gegenstand der Erfindung gehört femer eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Es ist bekannt, dass sich durch gerichtete Erstarrung von beispielsweise metallischen Schmelzen in Abhängigkeit von den die Schmelze bildenden Komponenten und deren Eigenschaften Werkstoffe mit für viele Zwecke erwünschten kristallinen Strukturen herstellen lassen. Hierbei handelt es sich insbesondere um Mehrphasenstrukturen, bei denen die bevorzugte Wachstumsrichtung der Kristallite bestimmter Phasen bei der Erstarrung über mikroskopische oder auch makroskopische Bereiche, gegebenenfalls auch mehr oder weniger über den gesamten Werksstückquerschnitt, untereinander gleichförmig ausgerichtet sowie in bestimmter Weise bezüglich der Längsrichtung des meist strangförmigen Werkstücks orientiert werden.
Die Orientierung der Kristallit-Wachstumsrichtung und damit die Orientierung der Gefügestruktur ist dabei wesentlich von der Richtung des Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfront und damit von der Form der in bezug auf das Werkstück bzw. die Schmelze fortschreitenden Erstarrungsfront abhängig.
Beispielsweise ist es oft erwünscht, die Erstarrungsfront nicht nur im mittleren Querschnittsbereich eines strangförmigen Werkstücks, welches aus einer Schmelze gezogen wird, sondern auch möglichst weit bis zu den Querschnittsrändern hin wenigstens annähernd eben zu halten, und zwar unter ständig oder zeitlich abschnittsweise stationären Verhältnissen über die Dauer des kontinuierlichen Ziehvorganges. Gegebenenfalls können dabei zwischen aufeinanderfolgenden, in sich stationären Verfahrensabschnitten Orientierungs- oder sonstige Strukturänderungen gezielt eingesteuert werden. Während der einzelnen, stationären Verfahrensabschnitte kommt es jedoch vielfach immer wieder auf die Einstellung und Aufrechterhaltung einer in bestimmten Grenzen vorgegebenen und insbesondere wenigstens annähernd ebenen Erstarrungsfront an.
Insbesondere gilt dies für die Herstellung von infiltrierten Kompositstrukturen, z. B. in eutektischen Kupfer Wolfram-, Aluminium-Kohlenstoff-Systemen und dergleichen, bei denen eine mehr oder weniger starke Krümmung bzw. Wölbung der Erstarrungsfront eine statistisch unregelmässige Kristallisationsrichtung der erstarrenden Schmelze und daher ein makroskopisch ungerichtetes Gefüge zur Folge hat. In solchen Fällen hängt also die Verwirklichung der erstrebten Gefügestrukturen unmittelbar von der Einstellung und Aufrechterhaltung einer in vergleichsweise engen Grenzen ebenen Erstarrungsfront ab. Die Verhältnisse werden vielfach noch dadurch kompliziert, dass die Ausbildung der erstrebten Textur von der Einhaltung gewisser Mindestbeträge des Temperaturgradienten im Bereich der Erstarrungsfornt abhängig ist.
Aufgabe der Erfindung ist in diesem Zusammenhang die Schaffung eines Erstarrungsverfahrens für langgestreckte, insbesondere strangförmige Festkörper, welches die Einstellung und Aufrechterhaltung vorgegebener Wölbungen der Erstarrungsfront und insbesondere einer in gewissen Grenzen mindestens annähernd ebenen Erstarrungsfront bei gegebenenfalls steilem Temperaturgefälle im Bereich der Erstanungsfront ermöglicht.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art hauptsächlich dadurch, dass im Bereich der Erstarrungsfront der Schmelze eine sich längs dem Umfang des Querschnitts des austretenden Gussmaterials und sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung des austretenden Festkörpers erstreckende Randzone des Gussmaterials erzeugt wird, innerhalb deren kein wesentlicher radialer Wärmeabfluss durch die Oberfläche des Gussmaterials nach aussen erfolgt.
Durch die Erzeugung einer solchen von radialem Wärmeabfluss nach aussen im wesentlichen-freien Randzone des Gussmaterials, das heisst der Schmelze oder des Festkörpers, je nach der Lage der betreffenden Materialstelle oberhalb oder unterhalb der Erstarrungsfront, in Verbindung mit einer entsprechenden Einstellung der Erstarrungsfront in Vorschubrichtung des austretenden Festkörpers in bezug auf die z. B. ortsfeste wärmeabflussfreie Randzone lässt sich eine ebene, gegebenenfalls aber auch eine gezielt konkave oder konvexe Form der Erstarrungsfront verwirklichen.
Die sich auf eine Einrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens beziehende Lösung der Erfindungsaufgabe kennzeichnet sich dadurch, dass zur Aufnahme der Schmelze ein Tiegel vorgesehen ist, der im Bereich seiner Mündung eine den Mündungsquerschnitt umgebende Zone ohne wesentlichen radialen Wärmezufluss aus dem in der Tiegelmündung befindlichen Gussmaterial aufweist. Vorzugsweise kommt hierfür ein im Bereich seiner Mündung wärmeisolierter Tiegel oder ein in diesem Bereich aufheizbarer Tiegel in Betracht.
Vor allem die letztgenannte Ausführungsform eignet sich für die Erzeugung eines steilen Temperaturgefälles im Bereich der Erstarrungsfront, weil infolge der Aufheizung der Tiegelmündung in bezug auf eine vorgegebene Lage der Erstarrungsfront die Kühlzone nahe an die Tiegelmündung herangebracht werden kann, wobei die Ausdehnung der wärmeübergangsfreien Randzone in Strangvorschubrichtung entsprechend abnimmt. Dadurch ergibt sich das gewünschte steile Temperaturgefälle, während anderseits im mittleren Bereich zwischen Aufheiz- und Abkühlungszone gleichwohl ein Bereich ohne radiale Wärmeströmung bestehen bleibt. Infolgedessen ist auch bei einem solchen steilen Temperaturgefälle und einer schmalen wärmeübergangsfreien Randzone gleichwohl die Verwirklichung von konkaven, ebenen und konvexen Erstarrungsfrontformen in gezielter Weise möglich.
Ein etwa gewünschter Übergang zu flacherem Temperaturgefälle hin kann dabei jeweils durch Einstellen einer grösseren Längenausdehnung der wärmeübergangsfreien Randzone in Strangvorschubrichtung erzielt werden, wodurch die Einhaltung einer ebenen Erstarrungsfront erleichtert und begünstigt wird.
Die Erfindung wird weiter anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Hierin zeigt:
Fig. 1 den schematischen Vertikalschnitt eines üblichen Stranggiess-Tiegels mit einer Mündung und austretendem, drahtförmigem Strangkörper mit einer Schar von die Temperaturverteilung innerhalb des Vertikalschnitts wiedergebenden Temperatur-Niveaulinien und zwei zugehörigen Temperaturprofilen, bezogen auf verschiedene Querschnittsebenen des Tiegels und der Schmelze bzw. des Strangkörpers.
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung zum Stranggiessen in einem schematischen Längsschnitt des Schmelztiegels und einer nachgeschalteten Kühlvorrichtung.
Fig. 3 den Tiegel der Einrichtung gemäss Fig. 2 in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 mit den sich hier einstellenden Temperatur-Niveaulinien,
Fig. 4 den Tiegel einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Stranggiesseinrichtung in schematischem Vertikalschnitt,
Fig. 5 einen Horizontalschnitt des Tiegels im Bereich der Mündung gemäss Schnittebene V-V in Fig. 4 und
Fig. 6 eine abgewandelte Tiegelausführung ähnlich derjenigen gemäss Fig. 4 in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 und 3 mit den sich hier einstellenden Temperatur-Niveaulinien.
Fig. 1 zeigt die Temperaturverteilung in einem Tiegel 1 üblicher Art, der die Schmelze 2 enthält und aus dem über eine formgebende Mündung 3 ein drahtförmiger Strangkörper 4 vertikal nach unten abgezogen wird. Die Aufheizung der Schmelze erfolgt mittels einer üblichen Induktionsheizung, beispielsweise einer Hochfrequenzheizung, deren Leiter 5 im Querschnitt angedeutet ist. Das von diesem Leiter ausgehende Hochfrequenzfeld induziert in der leitfähigen Schmelze entsprechende Wirbelströme, während innerhalb der im vorliegenden Fall als elektrisch isolierend oder schlecht leitfähig angenommenen Tiegelwandung keine Wärmeentwicklung vorhanden ist. Demgemäss nimmt die Temperatur der Schmelze in den Randbereichen durch radiale Wärmeabströmung über die Tiegelwandung ab. In der angedeuteten Querschnittebene I des Tiegels ergibt sich somit ein nach aussen hin abfallendes Temperaturprofil A.
Im Bereich oberhalb der Mündung 3 des Tiegels stellt sich ein noch steilerer Randabfall der Temperatur der Schmelze ein, weil für die Wärmeabströmung nicht nur der radiale Weg über die zylindrische Tiegelwandung, sondern zusätzlich derjenige schräg nach unten durch den Tiegelboden gegeben ist. Somit ergibt sich in der Querschnittsebene II etwa das angedeutete Temperaturprofil D. Weiterhin hat der radiale und axiale Wärmeabfluss im Mündungsbereich des Tiegels zur Folge, dass die Temperatur-Niveaulinien a bis d im Querschnittsbereich der Tiegelmündung eine nach unten, das heisst in Strangvorschubrichtung gesehen, mehr oder weniger stark konkav gewölbte Form annehmen.
Entsprechendes gilt für die Erstarrungsfront e, die nach den eingestellten Temperaturwerten, das heisst in Abhängigkeit von der Tiegelheizung und der Strangvorschubgeschwindigkeit, eine bestimmte Höhenlage innerhalb der Tiegelmündung einnimmt.
Diese Wölbung der Erstarrungsfront steht einer gerichteten Erstarrung im allgemeinen entgegen, weil einerseits die Vorzugsrichtung der Erstarrungstextur dem Temperaturgradienten, das heisst der Normalen zur Erstarrungsfornt entspricht und anderseits eine ungestörte Ausbildung der Erstarrungstextur über vergleichsweise grosse Strecken im wesentlichen nur in Stranglängsrichtung möglich ist. Dies gilt vor allem für langgestreckte oder fadenartige Kristallite wie z. B.
Whisker, weil diese Kristallite bei einer Vorzugsrichtung des Kristallwachstums, die im Winkel zur Stranglängsrichtung angeordnet ist, vergleichsweise rasch auf Begrenzungen stossen und in ihrem weiteren Wachstum gehemmt werden. Aus diesem Grund ist für eine gerichtete Erstarrung im allgemeinen ein vergleichsweise hoher Ebenheitsgrad der Erstarrungsfront anzustreben, wenn auch eine gewisse Wölbung zulässig und in bestimmten Fällen eine konkave oder konvexe Erstarrungsfront erwünscht sein mag.
Zur Verbesserung des Ebenheitsgrades der Erstarrungsfront beim Stranggiessen ist daher in der Einrichtung gemäss Fig. 2 an der Unterseite eines die Schmelze 2 enthaltenden Tiegels 10 ein die Tiegelmündung 12 umgebendes, plattenförmiges Isolierelement 14 angeordnet, welches die Wärmeabströmung im Mündungsbereich des Tiegels stark herabsetzt und somit praktisch keine Wärme aus dem Gussmaterial entnimmt, den Wärmeabfluss innerhalb des Gussmaterials (Schmelze bzw. Festkörper) im Mündungskanal selbst also im wesentlichen auf die Stranglängsrichtung beschränkt.
Unter Annahme eines wiederum elektrisch nicht oder schwach leitenden Tiegelmaterials sowie Einsatz einer elektrischen Induktionsheizung (in Fig. 2 nicht dargestellt) ergibt sich hierdurch eine Temperaturverteilung innerhalb des Gussmaterials und des Tiegels, wie sie in Fig. 3 angedeutet ist.
Wie aus den dargestellten Temperatur-Niveaulinien a' bis d' hervorgeht, ist auch hier infolge der Wärmeabströmung ein nach aussen gerichtetes Temperaturgefälle innerhalb der
Schmelze und der Tiegelwandung vorhanden. Im Mündungs bereich des Tiegels weist z. B. die Niveaulinie a' (räumlich betrachtet gilt entsprechendes für die Temperatur-Niveau flächen) infolge des vergleichsweise grossen Wirkungsabstan des vom Isolierelement 14 noch einen in Strangvorschubrichtung gesehen konkav gewölbten Abschnitt auf, wogegen bereits die Niveaulinie b' infolge der Wärmedämmung durch das Isolierelement 14 im Mündungskanal selbst einen im wesentlichen ebenen Abschnitt e' aufweist, der beispielsweise die Erstarrungsfront darstellen kann. Weiter nach unten hin, im Beispielsfall innerhalb der Niveaulinie d', tritt wieder eine in Strangvorschubrichtung gesehen konkave Krümmung bzw.
Wölbung auf, was jedoch nach erfolgter Erstarrung ohne unerwünschte Wirkungen ist.
Im Bereich der Erstarrungsfront erfolgt also die Wärmeabfuhr aus der Schmelze im wesentlichen axial, das heisst parallel zur Stranglängsrichtung, weil innerhalb der sich längs dem Querschnittsumfang des austretenden Gussmaterials, d. h. Iängs der Bohrungsfläche des Isolierelements 14 erstreckenden Randzone des Gussmaterials kein wesentlicher radialer Wärmeabfluss auftritt. Danach erfolgt Wärmeabfluss wieder zunehmend in Radialrichtung über die Oberfläche des Strangkörpers in das umgebende Medium, beispielsweise das Kühlbad 16 einer in Fig. 2 angedeuteten Kühlvorrichtung.
Der gezogene Strangkörper 4 verlässt das Kühlbad kontinuierlich über eine dichtende Durchführung 18, während die weitere Wärmeabführung aus dem Kühlbad von einem innerhalb eines Aussenmantels 20 durchströmenden Kühlmedium 22 übernommen wird (siehe Fig. 2).
Über die Beeinflussung der Form der Erstarrungsfront hinaus ermöglicht die beschriebene Anordnung eines Isolierelementes die Verwirklichung eines vergleichsweise steilen Temperaturgefälles im Erstarrungsbereich, wie dies für zahlreiche Anwendungen der gerichteten Erstarrung erwünscht ist. Der Beginn der Abkühlungszone, im Beispiel gemäss Fig. 2 die Eintrittsstelle des Strangkörpers in das Kühlbad, kann hier nämlich sehr nahe an die Tiegelmündung heran verlegt werden, ohne die Form der Erstarrungsfront ungünstig zu beeinflussen.
Das Isolierelement verhindert dabei auch eine unzulässige Abkühlung der Tiegelmündung, die zu einer Verschiebung der Erstarrungsfront in den Bereich vor der Mündung und damit zur Bildung eines pilzförmigen Kopfes am oberen Ende des Strangkörpers innerhalb der Schmelze, das heisst zu einer Störung des kontinuierlichen Ziehvorganges führen kann.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 und 5 ist wieder ein aus elektrisch nicht leitendem Material bestehender Tiegel 50 mit Induktionsheizung 52 vorgesehen. Die Formbeeinflussung der Erstarrungsfront erfolgt hier jedoch nicht mittels eines Isolierelementes, sondern durch eine zusätzliche Induktionsheizung 54 mit einem die Tiegelmündung umgebenden, ringförmigen Stromwürmeumsetzer 56, der seinerseits durch eine Isolierung 58 von einer sich an die Tiegelmündung anschliessenden Kühlvorrichtung 60 getrennt ist. Hierdurch werden unerwünschte Wärmeverluste der Mündungsheizung vermieden und ein geringerer Abstand zwischen Kühlzone und Schmelze im Sinne eines steilen Temperaturgefälles im Erstarrungsbereich ermöglicht.
Die Kühlvorrichtung umfasst einen Block 62 aus gut wärmeleitendem Material mit Kühlmittelkammer 64, an die mittels Klammern 66 Zu- und Abflussleitungen 65 bzw. 70 für das Kühlmittel angeschlossen sind. Das von der Kühlmittelkammer 64 umgebene Mittelstück 72 des Blockes 62 bildet einen Durchlass für den austretenden Strangkörper 4 und steht mit diesem auf einem ringartigen Oberflächenabschnitt in Berührung. Über diesen Oberflächenabschnitt erfolgt im Beispielsfall die Wärmeabfuhr unterhalb der Erstarrungs front, die innerhalb des Mündungskanals des Tiegels liegt.
Diese Art der Kühlung ermöglicht ebenfalls ein vergleichsweise steiles Temperaturgefälle ohne Beeinträchtigung der gezielten Einwirkung auf die Form der Erstarrungsfront.
Die durch Aufheizung der Tiegelmündung erzielbare Temperaturverteilung ist in Fig. 6 veranschaulicht Hier ist ein aus elektrisch leitfähigem Material bestehender Tiegel mit induktiver Hauptheizung 82 und Mündungsheizung 84 vorgesehen. Infolge der elektrischen Leitfähigkeit des Tiegelmaterials entfällt die Notwendigkeit eines besonderen Stromwärmeumsetzers an der Tiegelmündung. Die einstellbare Temperaturverteilung entspricht annähernd derjenigen bei einer Einrichtung mit Mündungsheizung gemäss Fig. 4.
Wie die in Fig. 6 angedeuteten Temperatur-Niveaulinien veranschaulichen, ist der Temperaturabfall im Vergleich zu der Ausführung nach Fig. 3 stärker auf die Tiegelwandung bzw. deren äussere Bereiche konzentriert, weil die Wärmeentwicklung ausser in der Schmelze auch in der Tiegelwandung selbst erfolgt. Dies gilt auch für den Bereich 86 der Tiegelmündung, der durch die Heizung 84 von innen heraus aufgeheizt wird. Die so vergleichsweise stark nach aussen verlagerten Temperatur-Niveaulinien treten im mittleren Mündungsbereich horizontal in den Querschnitt des Mündungskanals ein, womit sich beispielsweise ein im wesentlichen ebener Abschnitt e" einstellt, der bei geeigneter Bemessung der Temperaturwerte die Erstarrungsfront bilden kann.
Durch die Aufheizung der Tiegelwandung im Mündungsbereich lässt sich ferner beispielsweise an der weiter zur Schmelze hin gelegenen Temperatur-Niveaulinie d" innerhalb des Mündungskanals ein in Strangvorschubrichtung gesehen konvexer Abschnitt d", bilden, während die weiter nach aussen gelegene Niveaulinie f,' infolge der beginnenden Radialkühlung über die Strangoberfläche innerhalb des Mündungskanals einen in Strangvorschubnchtung gesehen konkaven Abschnitt f,'i aufweist. Durch geeignete Einstellung der Heizwirkung, der Strangvorschub- bzw. Ziehgeschwindigkeit und der übrigen Verfahrensparameter lässt sich die Erstanungsfront somit in eine konvexe, ebene oder konkave Form überführen.
Damit kann unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich der Form der Erstarrungsfront wie auch hinsichtlich der Steilheit des Temperaturgefälles in einem breiten Bereich Rechnung getragen werden.
PATENTANSPRUCH I
Verfahren zur gerichteten Erstarrung von geschmolzenem Gussmaterial, bei dem ein langgestreckter, wenigstens abschnittsweise prismatischer, insbesondere strangförmiger Festkörper aus einer Schmelze fortschreitend über eine die Erstarrungsfront enthaltende Mündungszone der Schmelze ausgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Erstarrungsfront der Schmelze eine sich längs dem Umfang des Querschnitts des austretenden Gussmaterials und sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung des austretenden Festkörpers erstreckende Randzone des Gussmaterials erzeugt wird, innerhalb deren kein wesentlicher radialer Wärmeabfluss durch die Oberfläche des Gussmaterials nach aussen erfolgt.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die von radialem Wärmeabfluss im wesentlichen freie Randzone des Gussmaterials durch Wärmezufuhr über die Oberfläche der Schmelze in deren Mündungsbereich oberhalb der Erstarrungsfront erzeugt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von radialem Wärmeabfluss im wesentlichen freie Randzone des Gussmaterials durch Wärmeisolierung in einem die Erstarrungsfront übergreifenden Abschnitt der Oberfläche des Gussmaterials erzeugt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der von radialem Wärmeabfluss im wesentlichen freien Randzone des Gussmaterials eine Radialkühlung durch Wärmeabfuhr über die Oberfläche des Festkörpers herbeigeführt wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialkühlung durch Eintritt des Festkörpers in ein flüssiges Kühlbad unterhalb der im wesentlichen wärmeübergangsfreien Randzone herbeigeführt wird.
PATENTANSPRUCH II
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Schmelze ein Tiegel (10 bzw. 50) vorgesehen ist, der im Bereich seiner Mündung eine den Mündungsquerschnitt umgebende Zone ohne wesentlichen radialen Wärmezufluss aus dem in der Tiegelmündung befindlichen Gussmaterial aufweist.
UNTERANSPRÜCHE
5. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Schmelze ein im Bereich seiner Mündung wärmeisolierter Tiegel (10) vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Schmelze ein im Bereich seiner Mündung aufheizbarer Tiegel (50) vorgesehen ist.
7. Einrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufheizung des Tiegels (50) eine elektrische Hochfrequenzheizung, vorzugsweise eine Induktionsheizung, mit im Bereich der Tiegelmündung befindlichem Stromwärmeumsetzer (56) vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Tiegelwandung im Bereich der Tiegelmündung als Strom wärmeumsetzer ausgebildet ist.
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