DE1166421B - Verfahren zum Giessen von Formkoerpern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: B22d

Deutsche Kl.: 31 c -15/04

Nummer: 1166 421

Aktenzeichen: B 56041 VI a / 31 c

Anmeldetag: 28. Dezember 1959

Auslegetag: 26. März 1964

Die Erfindung betrifft das Gießen von metallischen Formkörpern mit porösem Inneren und im wesentlichen dichter Oberflächenschicht in einem einstufigen Verfahrensgang, insbesondere von Formkörpern komplizierter Gestalt.

Bisher zeigten aus porösem Material gegossene Formkörper wenigstens stellenweise eine bis an die Oberfläche durchgehende Porosität. Solche Formkörper mußten deshalb einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, z. B. durch das Auftragen einer Oberflächenschicht aus einem homogenen Material durch Verlöten oder durch ein anderes an und für sich bekanntes Verfahren.

Es ist somit bisher nicht möglich gewesen, in einer einzigen Verfahrensstufe Formkörper komplizierter Gestalt, etwa mit mehreren gekrümmten Flächen oder einer komplizierten Kurvenform, z. B. Stühle, Tische, Sättel, Bau- oder Maschinenteile, Automobiloder Flugzeugteile od. dgl., mit einem porösen Kern und einer durchwegs dichten Oberflächenschicht aus ein und demselben Metall herzustellen.

Gemäß der Erfindung ist es nun möglich, derartige Körper in einer einzigen Verfahrensstufe durch Gießen einer mit porenbildenden Zusätzen versehenen Metallegierung unter Einhaltung bestimmter Bedingungen zu erhalten.

Die Ausbildung einer dichten Oberflächenschicht beruht darauf, daß das Gießgut bei der Berührung mit der kalten Innenfläche der Gießform so weit erstarrt, daß eine feste, homogene und porenfreie Oberflächenschicht entsteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt überraschende Resultate; so kann z. B. ein Stuhl aus Aluminium mit einem scheinbaren spezifischen Gewicht von nur 0,4 in einer einzigen Verfahrensstufe gegossen werden. Die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erzielbaren Ersparnisse an Material und Arbeitskosten sind beträchtlich.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, welche sich auf das Gießen eines Tisches bezieht, näher erläutert.

In der F i g. 1 befindet sich die Metallschmelze 1 im kippbaren Ofen 2 und wird über den Ausguß 3 in das Rührgefäß 4 eingefüllt, in welchem sie mittels des vom Motor 6 angetriebenen Rührers 5 mit einem schaumbildenden Mittel 7 gemischt wird. Dieses wird in Form einer Stange durch ein eine regelbare Zufuhr ermöglichendes Organ 8 oder in Pulverform mittels eines Rohres zugeführt. Vom Rührgefäß wird die Mischung, bevor eine nennenswerte Schaumbildung erfolgt ist, über den Ausguß 9 in den Hohlraum 10 der Form 11 gegossen.

Verfahren zum Gießen von Formkörpern

Anmelder:

Lor Corporation, Enid, OkIa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. G. Henkel, Baden-Baden-Balg, und Dr. rer. nat. W.-D. Henkel, München 9, Eduard-Schmid-Str. 2, Patentanwälte

Als Erfinder benannt:

William Stuart Fiedler, Madison, Wis. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 5. Januar 1959 (78)

Im beschriebenen Fall wird ein runder Tisch in umgekehrter Lage gegossen. Die Form wird entweder durch Anpassung des Wärmeleitungsvermögens des Formmaterials oder von außen durch eine Heizvorrichtung auf der erforderlichen Temperatur gehalten. Eine Wärmezufuhr ist insbesondere vorteilhaft, wenn dünnwandige Metallformen verwendet werden.

F i g. 2 zeigt im Schnitt die Struktur des auf die angegebene Weise gegossenen Tisches. Ganz außen besteht die Tischfläche aus einer Schicht 12 ohne Poren. Die Oberfläche ist somit dicht und homogen.

Die Dicke der dichten Schicht kann in weitem Rahmen durch die beim Verfahren angewandten Bedingungen bestimmt werden. Im allgemeinen ist die Oberflächenschicht 0,4 bis 10 mm stark. Gleich unter dieser befindet sich eine Schicht 13 mit verhältnismäßig kleinen und dicht nebeneinanderliegenden Poren und der Kern des Tischfußes sowie das Innere der Platte 14 hat größere Poren und eine sehr geringe Dichte. Ein auf diese Art hergestellter Tisch wiegt nicht mehr als ein Holztisch und kann zu extrem niedrigen Arbeitskosten, entweder ganz aus Aluminium bzw. Magnesium oder aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung d. h. aus billigen und leicht erhältlichen Metallen hergestellt werden. Als weiterer Vorteil kann angeführt werden, daß der auf diese Art gegossene Tisch robust und kräftig ist.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird in F i g. 3 veranschaulicht. In diesem Fall wird der Ofen 20 unter so hohem Druck gehalten, daß eine Porenbildung in der Metallschmelze im wesentlichen verhindert wird. Das Rühren erfolgt im Ofen selbst auf mechanischem oder elektromagnetischem Weg durch das Organ 21. Der Ofenraum ist mit der Form

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22 durch eine verschließbare Leitung 23 verbunden. Die Bestandteile des Gießgutes werden gut vermischt, während der Gasdruck mittels Gaszufuhr durch ein Rohr 24 aufrechterhalten wird, so daß in diesem Stadium des Prozesses keine Schaumbildung erfolgen kann. Die Mischung wird daraufhin in die Form gegossen, noch immer unter einem solchen Druck oder so schnell, daß nur eine sehr geringe Porenbildung erfolgen kann, bevor der Guß zu Ende ist. Der Druck wird daraufhin vermindert, wodurch der Metallschmelze die Schaumbildung in der Form ermöglicht wird. Die Temperatur wird während dieses Stadiums des Verfahrens so gehalten, daß die bei Berührung der heißen Metallschmelze mit der verhältnismäßig kalten Formwand erstarrte Gußhaut durch die aus dem Inneren abströmende Wärme nicht geschmolzen wird.

Die Erfindung soll an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele veranschaulicht werden.

Beispiel 1

90 Gewichtsprozent einer Legierung aus 33% Magnesium und 67% Aluminium (Schmelzpunkt 461° C) werden bei 465° C unter intensivem mechanischem Umrühren mit 10 Gewichtsprozent Zirkonhydrid vermischt. Die derart erhaltene schmelzflüssige Mischung wird in einen Strom aus geschmolzenem Aluminium (1 Gewichtsteil der Mischung auf 10 Gewichtsteüe Aluminium) eingebracht und die somit erhaltene Mischung mit einem schnell rotierenden Rührer derart umgerührt, daß rasch eine homogene Schmelze entsteht. Diese wird daraufhin innerhalb von 30 Sekunden, bevor noch eine wesentliche Gasbildung beginnt, in eine kalte Sandform gegossen.

Auf diese Art gegossene Laboratoriumsstühle haben ein Gewicht von 3,4 bis 3,6 kg und eine scheinbare spezifische Dichte von 0,4 bis 0,425. Die dichte Außenschicht ist etwa 2 mm stark, darunter befindet sich eine 3 mm starke Schicht mit einer mäßigen Porosität, und der innere Teil besteht aus stark porösem Material.

Beispiel 2

1 Gewichtsteil Titanhydridpulver wird mit 12 Gewichtsteilen Aluminiumpulver vermischt und die Mischung in einen dicht schließenden, dünnwandigen Aluminiumbehälter eingeschlossen. 200 Teile geschmolzenes Aluminium werden in einem zylindrischen Mischgefäß mit einem Rührer, welcher mit 4500 UpM rotiert, umgerührt. Wenn die Aluminiumschmelze eine Temperatur zwischen 675 und 680° C hat, wird der Behälter mit der Pulvermischung rasch in die Aluminiumschmelze eingebracht und das Umrühren noch 10 bis 15 Sekunden fortgesetzt. Der Rührer wird dann gestoppt und aus der Mischung entfernt, worauf diese innerhalb von 20 Sekunden in eine Dauerform, die vorher auf 500^c C erhitzt worden ist, gegossen wird. Die Mischung schäumt in der Form und man erhält einen Formkörper mit einer homogenen, verhältnismäßig porenfreien Außenschicht und einem porösen Kern geringer Dichte sowie nahe der Oberflächenschicht eine Übergangszone, in welcher die Dichte nach außen zu größer wird.

Beispiel 3

Eine Mischung von 0,1 kg Zirkonhydridpulver mit 1.2 kg besonders feinverteiltem Aluminiumpulver wird in 5 Aluminiumrohre mit einem äußeren Durchmesser von etwa 1,5 cm und einem inneren Durchmesser von etwa 1,3 cm und einer Länge von 3 m eingebracht, wobei die Einiüüung der Pulvermischung von beiden Enden des Rohres geschieht. Eine Reihe solcher Rohre wird dann zusammengestanzt, so daß man ein ganz langes Rohr erhält. Danach wird eine Aluminiumschmelze allmählich in ein Mischgefäß eingegossen, das mit einem mehrflügeligen, mit etwa

ίο 7000 UpM rotierenden Propeller ausgestattet ist. Pro Minute wird etwa 1 kg Aluminiumschmelze in das erwähnte Gefäß eingebracht und gleichzeitig wird das vorbereitete Rohr in die kräftig gerührte Aluminiumschmelze eingeführt, wobei ein Schmelzen des Rohres erfolgt, so daß die Pulvermischung in der Schmelze dispergiert wird. Die Eintraggeschwindigkeit des Rohres in die Schmelze beträgt etwa 0,5 bis 0,8 m in der Minute. Die derart erzeugte Mischung läßt man über den Ausguß des Mischgefäßes in eine Gießform laufen, die unter Verwendung eines Modells des herzustellenden Gußstückes aus einer dünnen, mit Kunstharz als Bindemittel versehenen Sandschicht hergestellt worden ist. Die Schmelze schäumt in der Gießform und man erhält schließlich ein modellgetreues Gußstück mit einer glatten und im wesentlichen porenfreien Oberfläche, dessen Inneres aus stark porösem Metall, welches eine große Anzahl Poren enthält, besteht.
Bei jedem der Beispiele geht die porenfreie Außenschicht über eine mäßig poröse Zwischenschicht allmählich in den porösen Kern über, so daß keine scharfen Grenzen zwischen den einzelnen Schichten vorhanden sind. Dies ist unter anderem der Grund für die große Haltbarkeit der Formkörper.

Das vorstehend beschriebene Prinzip kann auf alle Metalle und Metallmischungen angewandt werden, die zur Porenbildung veranlaßt werden können. Das Verfahren gemäß der Erfindung wird vor allem für bei verhältnismäßig niedriger Temperatur schmelzende Metalle, wie z. B. Aluminium, Magnesium, Zink und Blei sowie deren Legierungen angewendet. Es ist aber auch für bei hoher Temperatur schmelzende Metalle brauchbar. Für bei niedriger Temperatur schmelzende Metalle werden als porenbildende Mittel insbesondere Metallhydride, ζ. Β. Titan- und Zirkonhydride vorgezogen, aber auch Lithium-, Lithium-Aluminium- und Magnesiumhydrid können angewendet werden. Lithiumhydrid hat den Vorteil, daß es in geschmolzener Form angewendet werden kann, ohne zu zerfallen. Magnesiumhydrid hat den Vorteil, daß man damit ein Leichtmetall als Zersetzungsrückstand erhält. Zirkon- und Titanhydride sind auf Grund ihrer hohen Zersetzungstemperatur besonders für das Gießen von Aluminium geeignet.

Wenn diese Hydride angewendet werden, können Partikeln ihrer Metallkomponente in der Schmelze je nach deren Zusammensetzung ungelöst verbleiben.

Von sonstigen zur Gasentwicklung brauchbaren Stoffen werden noch genannt: Karbonate, z. B.

Na₂CO₃ und NaHCO,,, stabile Hydrate, z. B. Chromoxydhydrat und zersetzliche organische Stoffe, z. B. Phthalocyanine und höhere Siliciumhydride und Organosiliciumverbindungen.
Für bei höheren Temperaturen schmelzende Metalle und Legierungen, z. B. Eisen, Nickel, Kobalt, Titan, Zirkonium, Niob u. dgl., stellt ein Metall mit einem Siedepunkt unter dem Schmelzpunkt der genannten Metalle ein geeignetes gasentwickelndes

Material dar. Das Sieden wird dadurch unterdrückt, daß die Schmelze während dem Mischen einem Überdruck ausgesetzt wird und der Druck daraufhin plötzlich herabgemindert wird. Die bei niedriger Temperatur siedenden Metalle, z. B. Zink, Cadmium, Lithium oder Magnesium gehen daher in Dampfform über und verursachen eine kräftige, schnelle Porenbildung in der Metallschmelze, wobei gleichzeitig durch die Verdampfung eine genügend große Wärmemenge gebunden wird, um zu verhindern, daß der ι ο gebildete Schaum erstarrt, bevor die Poren hinreichend entwickelt sind. Auf diese Art wird eine poröse Metallstruktur erzielt, in welcher der Metallschwamm aus dem bei hoher Temperatur schmelzenden Metall besteht, und dessen Zellen luftleer sind, weil das bei niedriger Temperatur siedende Hilfsmetall auf den Zellenwänden kondensiert worden ist. Als allgemeine Regel kann gesagt werden, daß das Verfahren auf Mischungen eines bei verhältnismäßig niedriger Temperatur schmelzenden Metalles und eines bei verhältnismäßig hoher Temperatur schmelzenden Metalles, nämlich 1150° C bei Atmosphärendruck bzw. über 1200° C, angewendet werden kann.

Für den Wärmeausgleich des Prozesses ist es angebracht, daß die Gasentwicklungsreaktion endotherm ist, und dies wird leicht dadurch erzielt, daß für den genannten Zweck Metalle angewendet werden, welche bei niedriger Temperatur sieden.

Kupfer und Kupferlegierungen schmelzen bei Temperaturen, die zwischen den Schmelzpunkten der Leichtmetalle und jenen der bei hoher Temperatur schmelzenden Metalle liegen. Zur Herstellung poröser Massen aus Kupfer und Kupferlegierungen kann man deshalb sowohl Hydride als auch bei niedriger Temperatur siedende Metalle verwenden.

Nachdem die Metallschmelze unter atmosphärischem Druck und bei hoher Temperatur mit dem gasentwickelnden Mittel vermischt worden ist, soll dieselbe zweckmäßig innerhalb von 10 bis 60 Sekunden, spätestens innerhalb von 120 Sekunden, in die Form gegossen werden. Wenn der Gasentwicklung und damit der Schaumbildung durch hohen Druck entgegengewirkt wird, so ist der Zeitraum, während dem das Mischen erfolgt, nicht kritisch; er kann z. B. 5 Sekunden bis 5 Minuten betragen. Danach soll das Metall jedoch innerhalb von 5 bis 60 Sekunden in die Formen gegossen werden.

Die Temperatur der Form soll mindestens um 50° C niedriger liegen als der Schmelzpunkt des zu vergießenden Metalles. Die Form kann jedoch auch ohne Vorwärmung benutzt werden, d. h. bei Raumtemperatur oder einer noch niedrigeren Temperatur. Die Stärke der Oberflächenschicht ist jedoch vom Temperaturunterschied zwischen Metallschmelze und den Formwänden sowie von den Wärmeleitungseigenschäften des Gießmetalles und des aus diesem gebildeten Schaumes abhängig und schließlich auch von der Wärmeempfindlichkeit des schaumbildenden Mittels, welche ihrerseits die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Gase freigesetzt werden. Da die Form und die Größe des gegossenen Stückes sowie die Zusammensetzung der Legierung für die Abkühlungsgeschwindigkeit entscheidend sind, werden die verschiedenen Formkörper auch etwas verschiedene Verfahrensbedingungen für ihre Herstellung erfordern. Daher können für die Arbeitsbedingungen auch nicht allzu enge zahlenmäßige Grenzen angegeben werden. Die angeführten Beispiele sollen dem Fachmann lediglich ermöglichen, durch Extrapolieren oder Interpolieren die Bedingungen ausfindig zu machen, welche in dem bestimmten Fall die vorteilhaftesten sind.

Die Erfindung ermöglicht es, in einer Arbeitsstufe Metallgegenstände zu gießen, welche dasselbe durchschnittliche Volumengewicht wie Holz oder Kunstharz besitzen und gleichzeitig genau so fest wie kompakte Metallgegenstände sind, also dieselbe Druck- und Biegefestigkeit wie diese aufweisen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Gießen von im Inneren porösen Metallgegenständen, die eine praktisch porenfreie Oberfläche besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall oder eine Metallegierung mit einem beim Schmelzpunkt des Metalles bzw. der Legierung oder darunter Gas oder Dampf entwickelndem Stoff gemischt wird und die Mischung, bevor noch eine wesentliche Schaumbildung eintritt, in eine Form gegossen wird, deren Innenwand eine solche Temperatur aufweist, daß vom Gießgut unmittelbar bei Kontakt mit der Formwand eine dünne, praktisch porenfreie Außenschicht erstarrt und bei weiter fortschreitender Erstarrung nach dem Inneren des Gußstückes zu eine mäßig poröse Schicht entsteht, die allmählich in einen stark porösen Kern übergeht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum zwischen dem Einmischen des gasentwickelnden Stoffes in das Metall und dem Gießen der Metallschmelze geringer als 120 Sekunden bemessen und die Form auf eine Temperatur mindestens 50° C unter dem Schmelzpunkt des Metalls gehalten wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Vermischens des Metalls und des gasentwickelnden Stoffes und bis zum Abschluß des Eingießens des Metalls in die Form ein der Gasentwicklung entgegenwirkender Überdruck aufrechterhalten wird.

4. Verwendung eines Metalls, dessen Siedepunkt unter dem Schmelzpunkt des Gießmetalls liegt, als gasentwickelndes Mittel bei dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Verwendung einer chemischen Verbindung, welche beim Erhitzen unter Entwicklung gasförmiger Produkte zerfällt, wie z. B. eines Karbonats oder einer Organosiliciumverbindung bei dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.

6. Verwendung eines Metallhydrids als gasentwickelndes Mittel bei dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.

7. Verwendung von Aluminium, Magnesium, Zink oder Blei als Gießmetall bei dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 93 182; USA.-Patentschriften Nr. 2434775, 2751289; Zeitschrift »Light Metals«, Heft -September 1955, S. 289.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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