DE1142048B - Verfahren zum Giessen von Nichteisenmetallen und deren Legierungen - Google Patents

Description

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ANMELDETAG: 20. F E B RUAR 1957

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 3. JANUAR 1963

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gußblöcken oder -stücken aus Nichteisenmetallen wie Aluminium, Zink, Kupfer od. dgl. sowie deren Legierungen. Das Gießen erfolgt durch eine Kühlflüssigkeit hindurch in eine von der Kühlflüssigkeit umgebene und damit angefüllte Kokille. Unter Verwendung einer einfachen und billigen Gießvorrichtung werden Gußblöcke mit gleichmäßiger feiner Struktur und hervorstehenden mechanischen Eigenschaften erhalten.

Das Vergießen von NE-Metallen und -Legierungen aus Aluminium, Zink, Kupfer od. dgl. bereitete bisher gewisse Schwierigkeiten. Bei den normalen Gießverfahren unter Verwendung einer Metallform fallen verhältnismäßig hohe Kosten für das Material und die Herstellung der Gießform an. Trotz der hohen Kosten des Gießverfahrens haben die Gußblöcke inhomogene Kristallstruktur, sie weisen erhebliche Fehler wie Gaseinschlüsse usw. auf. Hierdurch werden Weiterverarbeitung und Wärmebehandlungen schwierig und der Ausschuß erhöht.

Nach einem verbesserten Verfahren (schweizerische Patentschrift 217 816) wird die Schmelze in einer besonders gestalteten Form gleichmäßiger und rascher abgekühlt, als das nach den normalen Verfahren möglich war. Und zwar wird ein Kühlmedium durch einen Spalt zwischen Forminnenfläche und erstarrtem Gußstück gepreßt, das Kühlmedium bedeckt auch die Kappe des Gußblocks. Das zufließende Metall tritt unterhalb des oberen Metallspiegels zu. Im Gegensatz zur Erfindung durchfällt das zufließende Metall nicht das Kühlmedium, es kommt nicht in direkte Berührung mit der Kühlflüssigkeit. Es bildet sich vielmehr eine teilweise oder vollständig erstarrte, vom Kühlmedium überströmte Deckschicht aus, unterhalb deren das flüssige Metall in den Gußblock einfließt. Trotz besserer und rascherer Kühlung lassen sich nach dieser Methode keine Gußblöcke erhalten, deren Struktur hinsichtlich Gleichmäßigkeit und Feinkörnigkeit mit den Erzeugnissen der Erfindung vergleichbar ist.

Nach einem anderen Verfahren (deutsche Patentschrift 809 948) wird das Metall in Masselformen vergossen, die zur rascheren Kühlung mit Wasser bespritzt oder in leerem Zustand durch ein Flüssigkeitsbad geführt werden. Die Bespritzung erfolgt gewöhnlich von unten, es können jedoch auch die mit Metall gefüllten Masselformen von oben berieselt oder die Formen vor dem Metallguß mit Wasser angefüllt werden. Bei der letzteren, unter der Zielsetzung des genannten Patentes jedoch offenbar ungünstigsten Masselkühlmethode fließt das Metall Verfahren zum Gießen von Nichteisenmetallen und deren Legierungen

Anmelder:

The Research Institute for Iron,

Steel and other Metals of Tohoku University,

Sendai City (Japan)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Albrecht, Patentanwalt,
Berlin-Frohnau, Edelhofdamm 26

Ichiji Obinata, Sendai City,

und Takejiro Komatsubaira, Tokio (Japan),

sind als Erfinder genannt worden

zwar anfangs durch eine dünne Schicht des Kühlmediums hindurch, diese Schicht ist jedoch von geringerer Höhe und wird mit zunehmender Füllung der Massel mit Metall immer schwächer. Gegen Ende des Gießvorganges ist praktisch überhaupt keine Kühlmittelschicht mehr vorhanden. Es ist klar, daß sich bei einer derartig intensiven Änderung der Gießbedingungen — soweit die Wasserfüllung in Betracht kommt — auch keine gleichbleibende, durch das Kühlmedium hervorgerufene Wirkung einstellen kann. Die Wirkung der Wasserschicht ist am Anfang stark, sie nimmt immer mehr ab und ist am Schluß gleich Null. Es handelt sich bei diesem Verfahren ausschließlich um eine spezielle Kühlmethode, eine nennenswerte Verbesserung von Einheitlichkeit und Feinkörnigkeit der Kristallstruktur ähnlich wie bei dem geregelten Guß durch eine starke Kühlmittelschicht gemäß der Erfindung wird — wie Vergleichsversuche eindeutig bestätigen—durch diese Methode nicht erreicht.

Durch die Erfindung werden die bisherigen Schwierigkeiten und Nachteile beim Guß von NE-Metallen und -Legierungen wie Aluminium, Zink, Kupfer u. dgl. überwunden. Nach dem Verfahren der Erfindung wird das geschmolzene Metall direkt in freiem Strahl durch eine warme oder heiße Flüssigkeit wie etwa Wasser oder Öl gegossen, welche die eigentliche Gießform vollständig erfüllt und umgibt. Die Verfestigung der Schmelze erfolgt in der Flüssig-

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keit. Die Gießform, die nur eine geringe Wandstärke aufweist, aber trotzdem während der Gießoperation nicht deformiert wird, ist in einem größeren Behälter so angeordnet, daß ihr oberer Rand mehrere Zentimeter unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt und daß ihre Außenflächen von einer größeren Flüssigkeitsmenge umgeben sind. Beim Vergießen muß das schmelzflüssige Metall also in jedem Falle, unabhängig von der momentanen Füllung der Form, mindestens die mehrere Zentimeter starke Flüssigkeitsschicht durchfallen, die durch den Abstand zwischen der oberen Formbegrenzung und dem Flüssigkeitsspiegel gegeben ist. Das die Kühlflüssigkeit durchfallende Metall sammelt sich auf vorher vergossenem und bereits in Verfestigung begriffenem Metall. Durch diese Arbeitsweise wird eine turbulente und heftige Selbstrührung und Grenzschichtbewegung zwischen geschmolzenen Teilen der Metallmasse erzeugt, wohl infolge der plötzlichen Berührung des sehr heißen geschmolzenen Metalls und der erheblich kälteren Kühlflüssigkeit. Hierdurch können sehr einheitliche, homogene und feinkörnige Gußstücke erzeugt werden.

Wenn im Verfahren der Erfindung das heiße, geschmolzene Metall in direkte Berührung mit der Kühlflüssigkeit (wie etwa Wasser) kommt, erfährt es eine plötzliche Oberflächenkühlung; die Temperatur des geschmolzenen Metalls nimmt etwas ab, und hierdurch tritt eine Verfestigung in der Oberfläche ein, bevor sich das Metall in der Form absetzt. Gleichzeitig bilden sich Oxyde mit hohen Schmelzpunkten auf der Oberfläche, und zwar durch Reaktion des geschmolzenen Metalls mit dem umgebenen Kühlwasser. Wenn sich die Metallschmelze mit den Oxydteilchen in Berührung mit der Flüssigkeit in der Form absetzt, ist sie der selbsttätigen mechanischen Rührung und Grenzschichtturbulenz unterworfen, was zu einer gleichmäßigen und homogenen Vermischung sämtlicher Bestandteile führt und damit zur Ausbildung von Gußstücken mit einheitlicher und feinkörniger Kristallstruktur.

Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß derartige Gußstücke nur erhalten werden können, wenn die Metallschmelze eine hinreichend starke Schicht der Kühlflüssigkeit durchfällt. Andernfalls ist die für das Verfahren der Erfindung charakteristische Turbulenz und Grenzschichtbewegung und damit die Ausbildung einheitlicher Gußstücke nicht zu erreichen.

Beim Vergießen von Aluminium, Zink oder deren Legierungen soll die Temperatur der Kühlflüssigkeit oberhalb etwa 30° C und unterhalb der Siedetemperatur, bei Verwendung von Wasser also unterhalb 100⁰C, liegen. Bei Temperaturen unter 30° C ist die Oberflächenerstarrung so rasch, daß eingeschlossene Gase nicht hinreichend schnell entweichen können. Es besteht die Gefahr, daß das schmelzflüssige Metall zu einer Vielzahl von Tropfen zerrissen wird und sich zu kleinen Stücken von Nadelgestalt verfestigt oder daß zumindest uneinheitliche Gußblöcke mit einer Vielzahl von inneren Hohlräumen gebildet werden. Gesunde feste Gußstücke sind auf diese Weise nicht zu erhalten. Wendet man dagegen eine Kühlflüssigkeit mit einer Temperatur oberhalb 3O⁰C an, so wird der Kühleffekt hinreichend verlangsamt, so daß der schmelzflüssige Zustand über eine verhältnismäßig lange Zeit erhalten bleibt und die eingeschlossenen Gase ohne Schwierigkeiten entweichen können; hierdurch wird ein fester und gesunder Gußblock mit homogener und feinkörniger Struktur erhalten.

Als Gesamtvolumen an heißer Flüssigkeit im Bad reicht eine Menge entsprechend dem 300fachen Innenvolumen der Gießform aus.

Bei der Herstellung von Gußblöcken aus Kupfer oder Kupferlegierungen kann die Temperatur der Flüssigkeit, also des Wassers oder des Öls, im Bereich zwischen Raumtemperatur und Siedepunkt des

ίο Wassers beliebig gewählt werden; die tieferen Temperaturen beeinflussen je nach der Art der Kupferlegierungen die Oberflächenausbildungen des erstarrten Körpers in geringem Maße. Im Gegensatz zum Gießverfahren bei Metallen mit tieferem Schmelzpunkt wie beispielsweise Aluminium, Zink oder deren Legierungen hat jedoch die Temperatur der Flüssigkeit beim Guß von Kupfer oder Kupferlegierungen keinen wesentlichen Einfluß auf die Qualität der inneren Struktur des Gußblocks.

Nach einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung wird an Stelle einer starren Gießform eine Form verwendet, deren Boden auf einem beweglichen Träger angeordnet ist und in dem Bad der Kühlflüssigkeit abwärts gezogen werden kann. Nach Bingießen eines Teiles der Schmelze in die Gießform und Erstarrung bis zu einem gewünschten Grad wird der Boden der Form um eine gegebene Strecke abwärts gezogen und gleichzeitig oder anschließend erneut schmelzflüssiges Metall in die Gießform gegeben. Dieses verdrängt eine entsprechende Menge der heißen Flüssigkeit und erstarrt auf der darunterliegenden Metallage. Durch mehrmalige Wiederholung dieses Vorgangs, der natürlich nicht nur stufenweise, sondern durch gleichzeitiges Eingießen von Schmelze und Abwärtsbewegen des Formbodens mit dem darauf befindlichen, bereits erstarrten Metallblock kontinuierlich gestaltet werden kann, ist es möglich, einen Gußblock unbegrenzter Länge mit homogener und feiner Kristallstruktur herzustellen.

Diese Methode des erfindungsgemäßen Vergießens wird zweckmäßig so durchgeführt, daß das pro Zeiteinheit zugegossene Volumen an schmelzflüssigem Metall etwa mit dem durch Abwärtsziehen des Kokillenbodens freigegebenen Innenvolumen der Form übereinstimmt. Gießgeschwindigkeit und Absenken des Kokillenbodens werden also so aufeinander abgestimmt, daß der obere Metallspiegel immer in etwa gleicher räumlicher Lage bleibt und sich die Höhe der vom zufließenden Metall durchfallenden Flüssigkeitsschicht nicht wesentlich ändert. Diese Arbeitsweise fördert die Herstellung besonders hochwertiger Gußblöcke.

Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung reicht — bei Verwendung eines Wasserbades — eine Gesamtmenge von Heißwasser im Bad entsprechend dem 300fachen Innenvolumen der Gießform bei geschlossenem Boden aus; es kann jedoch auch Wasser oder eine andere Flüssigkeit von verhältnismäßig tiefer Temperatur zugesetzt oder zirkuliert werden, es ist keine Gefahr eines schlagartigen, explosiven Siedens oder eines Überfließens an Flüssigkeit gegeben.

Um die Erfindung weiter zu veranschaulichen, werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen vorzugsweise Ausführungsformen des Verfahrens näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Gießvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Gießvorrichtung zur Durchführung eines kontinuierlichen Gießverfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen gemäß der Erfindung hergestellten Gußblock aus 99,5% Aluminium, sie zeigt die Makrostruktur nach Ätzung mit Königswasser;

Fig. 4 ist ein Schnitt entsprechend Fig. 3 durch einen Gußblock aus 99,5 % Aluminium, der jedoch nach einem der bekannten Verfahren unter Verwendung einer normalen Gießform aus Eisen hergestellt wurde.

In Fig. 1 ist ein Wasserbehälter 1 mit Heißwasser 2 von 90° C gefüllt. Zur Kennzeichnung der tatsächlichen Dimensionen sei gesagt, daß die Wasserfüllung aus etwa 1201 bestand. In dem wassergefüllten Behälter ist eine Gießform 3 angeordnet, die aus einer dünnen Eisenplatte von 1 mm Stärke gefertigt wurde und einen Innendurchmesser von 45 mm und eine Länge von 200 mm aufwies. Die Gießform 3 befindet sich völlig unterhalb des Wasserspiegels. Im Deckel des Wassertanks befindet sich ein Graphittiegel 4 mit einer Bohrung 5 (6 mm Durchmesser) in seinem Boden.

Zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung wird ein vorher in einem Ofen geschmolzenes Metall 6 wie etwa Aluminium oder eine Aluminiumlegierung in den Tiegel 4 gegossen; wenn die Temperatur der Metallschmelze etwa 690° C erreicht hat, wird der Stopfen 7 herausgezogen, so daß das geschmolzene Metall durch die Bodenöffnung des Tiegels 4 und durch das heiße Wasser hindurch in die Form 3 fließt. Die Schmelze erstarrt in dieser Form zu einem Gußblock, das heiße Wasser wird aus der Form verdrängt.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des kontinuierlichen Gießverfahrens dargestellt, die der Fig. 1 entsprechenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In diesem Falle ist der Boden 8 der Form 3 nicht fest mit den Seitenteilen verbunden, sondern ruht auf einem beweglichen Träger 9. Die vorher in einem Schmelzofen erschmolzene Metallschmelze, beispielsweise ein 99,7%iges Aluminium, wird in den Tiegel 4 gegossen und fließt dann durch die Tiegelöffnung 5 bei einer Temperatur von etwa 680° C durch das Wasser nach unten in die Form 3. Nachdem die Metallschmelze in der Form bis zu einem gewünschten Grad erstarrt ist, wird der bewegliche Träger 9 langsam abgesenkt und nimmt damit den erstarrten Aluminium-Gußblock 10 mit; gleichzeitig oder anschließend wird erneut geschmolzenes Aluminium in die Form eingegossen. Durch mehrmalige Wiederholung dieses Vorgangs wurde ein Gußblock von 60 mm Durchmesser und 700 mm Länge erhalten. Die Temperatur des verwendeten Wassers betrug 90° C.

Im Beispiel der Herstellung eines Gußblocks aus Kupfer oder einer Kupferlegierung wurde eine Wassertemperatur von etwa 84° C eingehalten und eine Gießform verwendet, die aus 2 mm starkem Kupferblech hergestellt war und einen Innendurchmesser von 50 mm und eine Höhe von 230 mm aufwies. Diese Gießform wurde in den mit heißem Wasser gefüllten Tank eingebracht. Es wurde eine geschmolzene Phosphorbronze bei einer Temperatur von 1130° C durch das Heißwasser in die Form gegossen und darin erstarren lassen.

Bei Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 2 wurde der bewegliche Träger 9 für den Formboden langsam und fortschreitend abgesenkt entsprechend dem Zufluß an geschmolzener Phosphorbronze in die Form 3. Es wurde ein Gußstück von 540 mm Länge erhalten.

Nach dem Verfahren der Erfindung hergestellte Aluminium-Gußstücke zeigen eine einheitliche und feinkörnige Struktur, wie das in Fig. 3 angedeutet ist. Ein Prüfstück dieses Gußblockes zeigte eine Dämpfung von 0,33 db/cm bei einer Frequenz von 3 MHz bei Prüfung in einem Ultraschallmeßgerät. Im Gegensatz hierzu zeigte ein Gußblock, der nach einem normalen Gießverfahren in einer Metallform hergestellt worden war, eine uneinheitliche Struktur gemäß Fig. 4 und eine Dämpfung von 0,56 db/cm unter den gleichen Bedingungen, das ist fast der doppelte Wert wie beim erfindungsgemäß hergestellten Prüfstück. Darüber hinaus hatte das erfindungsgemäß hergestellte Gußstück bessere mechanische Eigenschaften als das nach dem normalen Verfahren erhaltene Produkt. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse von Vergleichsversuchen an Aluminium-Gußblöcken von 99,9 bzw. 99,5 % Reinheit dargestellt, die Erzeugnisse gemäß der Erfindung sind mit (A), die des normalen Gießverfahrens in einer Metallform mit (B) gekennzeichnet.

Gießform	Reinheit des Aluminiums (°/o Al)	Gieß temperatur in 0C	Temperatur des Wasser bades in 0C	Mittleres spezifisches Gewicht	Zugfestigkeit in kg/mm2	Ausdehnung in°/o Kerbenabstand 25 mm
Herkömmliches Gießverfahren (B) 35 mm stark	(1) 99,9	680		2728	4,56 bis 4,35	44 bis 56
45 mm Innendurchmesser	(2) 99,5	680	—	2745	6,39 bis 7,88	28 bis 41
300 mm lang
Erfindungsgemäßes Gießverfahren (A) 1 mm stark	(1) 99,9	680	70 bis 90	2729	6,13 bis 6,86	52 bis 60
45 mm Innendurchmesser	(2) 99,5	680	70 bis 90	2742	7,73 bis 8,66	32 bis 48
200 mm lang

Bei Kupfer und Kupferlegierungen zeigte ein Gußblock, der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde, eine homogenere und feinere Makrostruktur als ein Gußblock aus einem der bisher bekannten Gießverfahren. Die Prüfungsergebnisse der umgekehrten Blockseigerung von Zinn im Falle der Verwendung von Phosphorbronze waren wie folgt:

Stelle im Gußstück gemäß Fig. 3	Aussonderung an Zinn in °/o
A Oberflächenschicht B Außenschicht C Innenteil D Kern	8,77 8,65 8,68 9,00

IO

Nach dem Verfahren des kontinuierlichen Vergießens gemäß der Erfindung können also sehr gute Gußblöcke aus Phosphorbronze hergestellt werden; diese zeigen keine nennenswerte Seigerung, die Schwierigkeiten bei der Verarbeitung und der Wärmebehandlung von Gußblöcken nach herkömmlichen Gießverfahren mit sich bringt.

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Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Gießen von Nichteisenmetallen und -legierungen in eine innerhalb eines Behälters angeordnete, von einer Kühlflüssigkeit völlig umgebene und mit Kühlflüssigkeit gefüllte

Kokille, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze in freiem Strahl durch die Kühlflüssigkeit hindurch in die Kokille gegossen wird, wobei der Gießspiegel bis zur Erstarrung des Gußstückes stets mindestens mehrere Zentimeter hoch mit der Kühlflüssigkeit bedeckt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze kontinuierlich oder intermittierend in freiem Strahl durch die Kühlflüssigkeit hindurch in eine Kokille mit absenkbarem Boden gegossen und gleichzeitig der gegenüber den Seitenwänden verschiebbare Boden der Kokille mit dem erstarrenden Metall kontinuierlich oder intermittierend langsam abgesenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Gießgeschwindigkeit und Absenkung des Kokillenbodens so aufeinander abgestimmt werden, daß die Höhe des Gießspiegels und die Höhe der über dem Gießspiegel befindlichen Kühlflüssigkeitsschicht ungefähr gleichbleibt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlflüssigkeitsbad auf einer Temperatur zwischen Raum- und Siedetemperatur gehalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 746 027, 809 948;
schweizerische Patentschrift Nr. 217 816.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 209 750/145 12.62