CH626282A5

CH626282A5 - Method and apparatus for the treatment of metal and metal-alloy melts by means of macrosonic sound

Info

Publication number: CH626282A5
Application number: CH1560977A
Authority: CH
Inventors: Bertwin Dr Langenecker
Original assignee: Langenecker Bertwin; Langenecker Versuchsanst
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-19
Publication date: 1981-11-13
Also published as: GB1594977A; BE862424A; SE7714591L; DE2758350A1; IT1089617B; FR2375938A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung der Schmelze von Metallen und Metallegierungen mittels Makroschalls, das ist Ultraschall grosser Amplitude.

Es wurde bereits versucht, die Schmelze von Metallen oder Metallegierungen während des Erstarrungsvorganges einem

Ultraschallfeld auszusetzen, jedoch führte dieser Versuch zu keinem brauchbaren Ergebnis, weil es nicht gelang, den Ultraschall ungedämpft oder wenig gedämpft auf die Schmelze zu übertragen. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, mit wirtschaftlichem Aufwand in der Schmelze von Metallen und Metallegierungen ein Makroschallfeld hervorzurufen.

Dies wird dadurch erreicht, dass in der gesamten oder nahezu in der gesamten Schmelze zumindest am Beginn des Erstarrungsvorganges ein Makroschallfeld erzeugt wird. Hierbei kann die Schmelze vor oder während ihres Erstarrungsvorganges durch das Schallfeld hindurchgeführt werden.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geht von einer Anordnung mit einem oder mehreren Ultraschallsystemen aus, die jeweils aus einem Konverter und mindestens einem mit diesem direkt oder über ein Zwischenstück verbundenen schwingungsfähigen Übergangsteil bestehen und besteht darin, dass der Übergangsteil den Boden, die Wand oder einen ring- bzw. rahmenförmigen Teil der Wand der Gussform bildet.

Die beabsichtigte Wirkung wird somit dadurch erzielt, dass der Makroschall über ein auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallsystems abgestimmtes Übertragungsteil, z.B. ein sogenanntes «Horn», unmittelbar auf das zu beschallende Gut übertragen wird. Diese unmittelbare Einwirkung wird erhalten, wenn die Berührungsfläche des Schallsystems mit der Schmelze in einem sogenannten Bewegungsbauch liegt. Ein solcher befindet sich dort, wo die Verrückung der Teilchen in dem, infolge der Ausbildung einer stehenden Welle, schwingenden System am grössten ist. Um dies zu gewährleisten, ist die Länge des jeweiligen Übertragungsteils ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge des verwendeten Makroschalls in dem betreffenden Ultraschallsystem.

Durch die erfindungsgemässe Einwirkung von Makroschall während dem Erstarren von Metallen und deren Legierungen aus der Schmelze wird es möglich, einerseits die bisher üblichen Korngrössen, die bei konventionellen Giessprozessen entstehen, also ohne Einwirkung von Makroschall, beträchtlich zu verfeinern, anderseits unerwünschte Gaseinschlüsse, die gelegentlich zu mehr oder minder grossen Lunkern in den Metallen und deren Legierungen führen können, zu vermeiden, indem die Einwirkung von Makroschall eine entgasende Wirkung hat und überdies ermöglicht die erfindungsgemässe Einwirkung des Makroschalls eine kontrollierte Verteilung der Legierungskomponenten in Metallegierungen, was schliesslich die Güte und damit die technologischen Eigenschaften von Metallen und deren Legierungen erheblich verbessert.

Die erfindungsgemässe Einwirkung des Makroschalls macht es ausserdem möglich, auch solche Legierungen mit feinkörnigem Gefüge aus verschiedenartigen Komponenten herzustellen, die mit den bisher üblichen konventionellen Verfahren (also ohne Einwirkung von Makroschall) entweder gar nicht oder nur unter äusserst schwierigen Bedingungen hergestellt werden können.

Damit bewirkt man im Schmelzgut jene Druckamplitude, die notwendig ist, um «Keime» für die Vorgänge des Kornwachstums zu spalten und erzielt damit möglichst viele Keime, von denen aus möglichst viele Kristallkörner entstehen, die schliesslich im erstarrten Zustand das feinkörnige Gefüge repräsentieren.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ergibt sich bei der Beschallung von Gussformen für komplizierte Gussstücke, z.B. Motorblöcke. Die Beschallung erfolgt während der Erstarrung des Metalls in der Gussform. Die Anordnung ist so getroffen, dass Ultraschallsysteme mit den Übertragungsteilen an jenen Stellen der Gussform angesetzt werden, wo die Gefahr der Lunkerbildung gegeben ist, oder aber besonders feines Korn im Guss gewünscht wird.

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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in drei beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine Kokille, deren Boden von einem Übertragungsteil gebildet ist, an den ein Makroschallsystem angefügt ist, Fig. 2 den Querschnitt durch eine Kokille, bei der mehrere Makroschallsysteme an der Wand der Gussform angreifen und Fig. 3 den Schnitt durch eine Vorrichtung, welche beim Stranggiessen Anwendung finden kann.

Zur praktischen Ausführung gibt es dabei z.B. die Möglichkeit, der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anordnung. Es befindet sich der Übertragungsteil 1, das Horn, in einer Öffnung des Bodens der Kokille 2, die in ihrem Inneren die Schmelze 3 aufnimmt. Das Horn 1 kann sowohl in dem ausserhalb der Kokille befindlichen Teil als auch innerhalb der Kokille ohne Querschnittsveränderung durchgehend zylindrisch sein, es kann aber auch, wie in Fig. 1 angedeutet, einer trichterförmigen Kokille entsprechend, konisch nach aussen, oder auch konisch nach innen, angepasst werden. Es ist aber unbedingt erforderlich, das Horn 1 mit der Kokille 2 zu ver-schrauben; es genügt eine Asbestschnur 4 zwischen Kokillenboden und Horn einzulegen: Das Eigengewicht des aus Horn 1, Zwischenstück 5 und Konverter 6 bestehenden Ultraschallsystems besorgt eine genügende Abdichtung der Kokille, bzw. drückt ja auch die einzugiessende Schmelze 3 in der Kokille 2 das Horn 1 fester gegen die Asbest-Abdichtschnur und damit gegen den Kokillenboden.

Um die Schwingungen im Übertragungsteil bei der eben beschriebenen Anordnung durch die Lagerung im Unterteil der Kokille nicht zu schwächen, ist es empfehlenswert, wenn die Berührung zwischen dem Horn und dem Schmelzgefäss oder der Kokille in einem Bewegungsknoten des Horns erfolgt.

Das Zwischenstück 5 ist dann empfehlenswert, wenn Schmelzen mit höheren Temperaturen, also beispielsweise Stahl, beschallt werden und wobei über das Horn 1 unzulässig hohe Temperaturen auf den Konverter 6 übergehen könnten, wenn nicht durch die Wasserkühlung 7, die zweckmässigerweise im Bewegungsknoten des Zwischenstückes 5 angeordnet ist, Wärme abgeführt werden würde. «Unzulässig hohe Temperaturen» sind jene Temperaturen, durch die der Konverter 6 Schaden erleiden würde; der Curie-Punkt für die meisten piezoelektrischen bzw. piezokeramischen Konverter liegt nur bei einigen hundert Grad Celsius. Erfährt der Konverter eine Erwärmung auf höhere Temperaturen, dann erleidet er bleibende Schäden und ist nicht mehr imstande, die elektrischen Signale, die vom angepassten (Ultraschall-) Generator herrühren, in mechanische (Ultraschall-) Schwingungen umzuformen.

Horn 1, Zwischenstück 5 und Konverter 6 können durch die Schrauben 8 miteinander verbunden werden. Auf jeden Fall müssen alle diese Bauteile auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallsystems abgestimmt sein, damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird und das geschieht am besten dadurch, dass man die Bauteile Horn 1 und Zwischenstück 5 auf die halbe Wellenlänge Â/2 (oder ein Vielfaches davon) der Ultraschallwelle A ablängt, wobei

A = c/v worin v die Frequenz des Schallfeldes und die Schallgeschwindigkeit c = v

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somit proportional der Wurzel aus dem Elastizitätsmodul E und der Dichte P des für diese Bauteile verwendeten Werkstoffes sind.

In einer abgeänderten Bauweise werden Teile oder die ganze Wandung einer Kokille 2 beliebiger Bauform, beispielsweise in zylindrischer Ausführung, wie in Fig. 2 veranschaulicht, zu Ultraschallschwingungen angeregt, die auf das

Schmelzgut 3 übertragen werden. Hiebei können mehrere Hörner 1 als Teile der Kokille ausgebildet sein, die ihrerseits wiederum über allenfalls vorzusehende Zwischenstücke (entsprechend Teil 5 in Fig. 1) vor dem Konverter 6 angeordnet sind. Das Schmelzgut 3 wird beispielsweise durch eine Zuflussöffnung im Boden 4 eingebracht und kann in der Form hochsteigen. Es wird dabei dem von den Konvertern 6 herrührenden Ultraschallfeld ausgesetzt.

Vorteilhafterweise kann die Anordnung so getroffen werden, dass der zylindrische Teil der Schmelzbehälterwandung einstückig mit in einer oder mehreren Längsreihen angeordneten, als Hörner wirkenden Ansätzen ausgebildet ist, wobei der Abstand der äusseren Endfläche der Ansätze von der

Schmelze gleich (n j), der Abstand der Mitte benachbarter Ansätze einer Reihe ebenfalls (n 4) und der Abstand der Mitte benachbarter Reihen gleichfalls (n j) beträgt.

Beim Stranggiessen (und ähnlichen Giessverfahren) kann die in Fig. 3 veranschaulichte Anordnung verwendet werden, um Ultraschall auf die erstarrende Schmelze 3 einwirken zu lassen. Bei dieser Bauform ist der Übertragungsteil 1 als ein am Anfang der Kokille 2 liegender Ring ausgebildet, sein Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der Kokille und seine Breite in radialer Richtung beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des Makroschalls. Hiebei können mehrere Konverter 6 direkt oder über Zwischenstücke 5 in einem Abstand von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des Makroschalls voneinander an den Übertragungsteil 1 sternförmig angesetzt sein. Durch diese Ausbildung ergibt sich eine Anordnung für Stranggussanlagen, bei der am Ring an mehreren Stellen, an denen bei der Resonanzschwingung des Ringes jeweils ein Bewegungsbauch auftritt, ein Makroschallsystem radial angesetzt ist.

Infoge der Berührung zieht sich der erstarrende Guss zusammen und hebt sich von der Wand 2 ab. Der Übertragungs-teil ist in jenem Bereich, wo die Schmelze 3 «steht» angeordnet, so dass er das Schmelzgut berührt und die Makroschall-welle auf dieses überträgt.

Eine weitere wirkungsvolle Kühlung, die sinngemäss auch für die Ausführungsform gemäss Fig. 2 gilt, besteht darin, die Kühlwasserkanäle auch im Übertragungssystem 1 vorzusehen. Am zweckmässigsten etwa im Bereich eines Bewegungsknotens, weil sonst das Kühlwasser mehr oder minder heftigen Ultraschalleinwirkungen ausgesetzt ist, wodurch Kavitationserscheinungen auftreten können, welche zu einer Abnützung der Innenwand der Kühlbauteile führen.

Wird die Kokille in Fig. 1 zylindrisch ausgebildet, so ergibt sich die Möglichkeit, das Makroschallsystem, bestehend aus Horn 1, Zwischenstück 5 und Konverter 6, gegenüber dem Boden der Kokille 2 zunächst anzuheben und beim Einfliessen des Schmelzgutes 3, wie der Kolben irgendeines Kolben- oder Pumpenmotors, mit der Schmelze abzusenken und währenddessen Ultraschall auf das Schmelzgut zu übertragen. Dies kann als Abänderung des Stranggiessens aufgefasst werden, indem die Kokille 2 als lange Röhre ausgeführt wird.

Ebenso ist auch eine Gegenläufigkeit durch Einbringen der Schmelze von unten her mit Abheben des erstarrenden Schmelzgutes nach oben hin anwendbar. Dabei überträgt das Horn 1 die Ultraschallschwingungen laufend auf das Schmelzgut in dessen flüssiger Phase, während das bereits erstarrte Schmelzgut nach oben abgezogen wird. Analoge Anordnungen sind bei geneigter und waagrechter Förderrichtung oder für den Abzug nach unten möglich.

Wegen der hohen Temperaturen ist es von Vorteil, wenn die Übertragungsteile 1 aus Titan, einer Titanlegierung, aus Wofram oder einer Wolframlegirung bestehen.

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1. Verfahren zur Behandlung der Schmelze von Metallen und Metallegierungen mittels Makroschalles, dadurch gekennzeichnet, dass in der gesamten oder nahezu in der gesamten Schmelze zumindest am Beginn des Erstarrungsvorganges ein Makroschallfeld erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Schmelze erzeugte Makroschallfeld axial zu der die Schmelze enthaltenden Gussform gerichtet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Schmelze erzeugte Makroschallfeld radial zu der die Schmelze enthaltenden Gussform gerichtet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Schmelze erzeugte Makroschallfeld quer zur Längsrichtung der die Schmelze enthaltenden Gussform gerichtet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze vor oder während ihres Erstarrungsvorganges durch das Schallfeld hindurchgeführt wird.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem oder mehreren Ultraschallsystemen, die jeweils aus einem Konverter und mindestens einem mit diesem direkt oder über ein Zwischenstück verbundenen schwingungsfähigen Übertragungsteil bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungsteil den Boden, die Wand oder einen ring- bzw. rahmenförmigen Teil der Wand der Gussform bildet.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der den Boden der Gussform bildende Übertragungsteil verschiebbar in der Gussform gelagert ist oder mit dieser in der Ebene eines Bewegungsknotens verbunden ist.

8. Anordnung nach Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stranggussanlagen der Übertragungsteil als ein am Anfang der Kokille liegender Ring ausgebildet ist, sein Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der Kokille ist und seine Breite in radialer Richtung ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des Makroschalles beträgt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Ring an mehreren Stellen, an denen bei der Resonanzschwingung des Ringes jeweils ein Bewegungsbauch auftritt, ein Makroschallsystem radial angesetzt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Teil der Gussform einstückig mit in einer oder mehreren Reihen angeordneten Ansätzen ausgebildet ist, wobei der Abstand der äusseren Endflächen der Ansätze von der Schmelze ein Vielfaches der halben Makrowellenlänge beträgt und ebenso der Abstand der Mitte benachbarter Ansätze einer Reihe sowie der Abstand der Mitte benachbarter Reihen, und dass an jedem Ansatz ein Makroschallsystem angesetzt ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Übertragungsteil und/oder Zwischenstück im Bereich eines Bewegungsknotens eine Kühlung vorgesehen ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsteile aus Titan, einer Titanlegierung, aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehen.