DE1573829A1

DE1573829A1 - Verfahren zum Pruefen von Giessereiformstoffen

Info

Publication number: DE1573829A1
Application number: DE19661573829
Authority: DE
Inventors: Julius Heimgartner
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1966-07-20
Filing date: 1966-08-12
Publication date: 1971-01-14
Also published as: NL131169C; CH460388A; NL6612764A; DE1573829B2; US3537295A; GB1191699A

Description

DIPK-ING-ILMARSCH ι Düsseldorf, 11. August I¹

PATENTANWALT . LINDBMANNSTRASSK.il TELEFON 08 22 40 -J J~ >J O O O Q

Beschreibuno;

zum

Patentgesuch

der Firma Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz

betreffend:

"Verfahren zum Prüfen von Gießereiformstoffen"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Gießerei formstoffen bei hohen Drücken, wobei die zu prüfenden Formstoffe mindestens teilweise die Oberfläche einer Hohlform bilden, die mi Schmelzen von bestimmter Temperatur ausgegossen und mit einem bestimmten spezifischen Flächendruck belastet wird, und wobei anschließend die Beschaffenheit der Formstoffoberfläche geprüft wir

Bekanntlich neigen Formmaterialien, wie z.B. Sand, Schlichte Formmassen, keramische Stoffe und auch Stahl, die als Werkstoffe .für die Herstellung von Gießformen verwendet werden, dazu, daß unter dem Einfluß der metallostatischen Drücke und der hohen Temp raturen der Schmelzen flüssiges Metall in den Porenhohlraum zwischen den Körnern eindringt und zu Sintererscheinungen oder chemischen Reaktionen führt. Dadurch wird die Oberfläche des gegossenen Werkstückes in unzulässiger V/eise verändert. Man nennt

009883/0028 QRONAL inspected

GOPY

157382S

diese Erscheinung Vererzen, Versintern oder auch Metallpenetration. Da das Vererzen der Pormoberflache weiterhin nicht nur vom Druck und von der Temperatur, sondern auch von den Eigenschaften der Schmelze und anderen, nur schwer erfaßbaren Einflüssen abhängt, ist es erforderlich, die Pormstoffe jeweils mit einer bestimmten Schmelze unter verschiedenen Drücken und Temperaturen auf ihre Haltbarkeit experimentell zu untersuchen.

Es sind zwar eine Reihe von Methoden bekannt, um Formmaterialien auf ihr Verhalten im Betrieb zu prüfen; doch diese Methoden sind kostspielig und zeitraubend, so daß sich systematische Reihenuntersuchungen damit nicht durchführen lassen. Eine solche Methode besteht z.B. darin,, daß eine relativ kleine Prüfform in die Form eines Großgußstückes eingebaut und durch Laufkanäle mit dem Formhohlraum dieses Gußstückes verbunden wird. Beim Abgießen des Großgusses wird die Prüfform gleichzeitig gefüllt und so die notwendigen metallostatischen Drücke und die hohen Temperaturen erreicht. Dieses Verfahren liefert betriebsnahe Resultate, doch dauern solche Versuche sehr lange, da z.B. jeweils abgewartet werden muß, bis das Großgußstück erkaltet, ausgepackt und geputzt ist, ehe die Prüf form untersucht v/erden kann.

Ein anderes Verfahren besteht darin, daß man eine Prüfform herstellt, deren Einguß sofort nach dem Gießen verschlossen wird, und daß das flüssige Metall mit Hilfe eines komprimierten Gases unter einen bestimmten Druck gesetzt wird. Auch diesesVerfahren ist umständlich und -läßt nur Aussagen über einen bestimmten, nämlich den mit dem komprimierten Gas aufgewendeten Druck zu.

Weiterhin werden häufig Prüfkerne in dicke Gußklötze eingegossen, wobei sehr hohe thermische Beanspruchungen imitiert wer- · den, besonders wenn die Prüflinge als dünne Fingerkerne ausgebildet sind. Dieses Verfahren ist zwar für die relative Beurteilung eines Formmaterials gut; denn es zeigt, ob ein Formstoff besser ist als ein anderer, es liefert jedoch nur in seltenen Fällen übertragbare Werte.

009883/0028

157382S

Weiterhin sind verschiedene 7ormstoff-Prüfapparaturen bekannt, mit doner: Prüfkörper bei erh-"hten Temperaturen auf ihre Festigkeit und Zorfa]lseirenschiften, ihr Ausdehnunirsverhalten oder die Gasentv/icklunr untersucht werden k'innen. Die so -ewonnenen Prüfer,~ehr.isse lassen jedoch nicht rtenürond Rückschlüsse über das Verhalten des Pr'ifnaterials irr. praktischen Betrieb zu.

Tn den meisten Gießereien ist man daher ~ezwunpen, neue Forrnnaterialien an Gußstück selber auszuprobieren. Solche Versuche bedeuten oft eine Gef;ihrdunn; des Abrusses, wobei Ausschuß verursacht werden kann oder -r."ßere Aufwendungen für Nacharbeit entstehen. Der normale Produktionsablauf wird dadurch gestört: weiterhin 1st es oft schwierir, die Teststücke aufzufinden oder zu identifizieren.

Aufrabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, durch das auf einfache Weise laborrnJtßige Reihenuntersuchun'ren von Formstoffen bei verschiedenen Drücken durchgeführt werden können, v:obei die Bedint^unren des praktischen Betriebes soweit wie m"f^lich erfüllt werden, ohne daft der Aufwand an Material und Zeit unzul'issif^ £ro3 wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlforn wührend des Ausftießens und anschließenden Erkaltens der Schmelze in. Rotation versetzt wird, ur. in einer einzigen Hohlform unterschiedliche, hohe spezifische FlSchendrücke von bestimmter Größe mit einem kontinuierlichen Druckgradienten zu erzeugen.

Da die flüssige Schmelze die Drehgeschwindigkeit der rotierenden Form annimmt, erhält r.an auf diese '.v'eise in verschiedenen Abständen vom Drehzentrum in einer einzigen Hohlform verschieden p;roße spezifische Flächendrücke, deren Größe durch Änderungen der DrehFreschwindipkeit in weitem Umfan-r variiert werden kann. Weiterhin lassen sich die Absolutwerte dieser Flächendrücke in einfacher Weise berechnen.

009883/0028

BAD ORIGINAL

- ti -

157382S

Soll dabei der kritische Flächendruck für einen einzigen Forrastoff bestimmt werden, so ist es vorteilhaft, wenn die Hohlform aus dem zu prüfenden Werkstoff hergestellt wird; denn bei geeigneter Wahl der Winkelgeschwindigkeit erhält man außerhalb eines Kreises mit einem bestimmten Radius Zonen, die den Belastungen nicht standhalten, während die Formstoffoberfläche innerhalb dieses Kreises gesund ist. Durch Ausmessen des Radius dieses Kreises läßt sich mit bekannter Winkelgeschtfhdigkeit der kritische Druck p_k auf einfache Weise berechnen.

Für die Untersuchung verschiedener Formstoffe unter dem Einfluß des gleichen Gußwerkstoffes bei einer bestimmten Temperatur setzt man vorteilhafterweise die zu prüfenden Formstoffe als Probekörper in die Hohlforra ein. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Hohlform von ihrer Peripherie her gefüllt wird.

Um eine gleichmäßige Belastung, insbesondere Aufwärmung, an allen Stellen des zu untersuchenden Formstoffes oder bei allen einzelnen Probekörpern zu erreichen, ist es notwendig, daß jede Stelle des Hohlraumes von der gleichen Menge Flüssigkeit Überflossen wird. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die Hohlform als Rotations-Hyperboloid ausgebildet und von der Peripherie her gefüllt wird. Da der Ordinatenzweig des Hyperboloides, der sich asymptotisch dem Drehzentrum nähert, bei einer bestimmten Höhe abgebrochen werden muß, wird eine gleichmäßige Beflutung auf die vorstehend geschilderte Weise nur annähernd erreicht. Ohne erheblichen Mehraufwand und ohne eine starke Vergrößerung der Hohlform kann man jedoch den Fehler dadurch kompensieren, daß man das abgeschnittene Volumen des Hyperboloides als Korrekturzylinder gleichen Inhaltes auf das Hyperboloid aufsetzt.

Soll die Wirkung unterschiedlicher Temperaturen unter sonst gleichen Bedingungen ermittelt werden, so kann die gleiche Schmelze vor dem Eingießen in mehrere gleichartige Hohlformen auf verschiedene Temperaturen gebracht werden.

009883/0028

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand verschiedener Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung nachstehend erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Versuchsanordnung, im Vertikalschnitt durch die Drehachse dargestellt, bei der die Hohlform aus dem zu untersuchenden Material hergestellt ist,

Fig. 2 eine Anordnung, ebenfalls im Vertikalschnitt dargestellt, in der verschiedene Formstoffe gleichzeitig geprüft werden können und in der der eigentliche Formhohlraum aus einer Sandform für einmaligen Gebrauch oder aus einer Dauerform, die mehrmals Verwendung findet, besteht,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Schnittlinie III-III in Fig. 2,"

Fig. 4 eine weitere Versuchsanordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden kann, daß die Oberfläche der Hohlform an allen Stellen von dem gleichen Volumen des flüssigen Metalles überflutet wird, und

Fig. 5 und 6 einmal im Vertikal- und im Horizontalschnitt eine weitere Möglichkeit für eine Versuchsanordnung.

. Gleiche Teile sind in allen Figuren der Zeichnung mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird aus dem zu prüfenden Formstoff eine Gießform 1 hergestellt, die einen Hohlraum 2 bildet, in den die vorher auf die gewünschte Temperatur gebrachte Metallschmelze eingegossen wird. Das Eingießen in die Hohlform 2 erfolgt durch die öffnung 3; es ist jedoch auch möglich, die Form von ihrer

009883/0028 - 6 -

157382S

Peripherie her zu füllen, wie dies später gezeigt wird. Die Gießform 1 ruht auf einem Gießtisch 4, der über die Achse 5 von einem nicht dargestellten Antrieb mit einer bestimmten bekannten Winkelgeschwindigkeit in rotierender Bewegung gehalten wird. Die Rotation derPorm 1 wird solange aufrechterhalten, bis der Gußwerkstoff in dem Hohlraum 2 erstarrt ist. Durch Änderungen der Drehzahlen des Gießtisches ist es möglich, einen weiten Bereich verschieden hoher Flächendrücke zu überdecken.

Auf die zu überprüfende Oberfläche wird ein Druck ausgeübt, der sich aus dem statischen Druck infolge des Gewichtes des eingegossenen Werkstoffes und aus einer durch die Zentrifugalkraft erzeugten Komponente zusammensetzt. Die infolge der Rotation auftretende Zentrifugalwirkung ergibt dabei, daß der Druck in dem Hohlraum 2 mit wachsendem Abstand r von der Drehachse 5 größer wird.

Wie schon erwähnt, ist es mit djaser Anordnung mölglich, für einen bestimmten Pormstoff den Druck zu ermitteln, mit dem der Pormstoff bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Gußwerkstoff belastet werden darf, ohne daß eine Beeinträchtigung df» Güte der Pormstoffoberfläche eintritt.

Für die Prüfung des Formstoffes wird die Form nach dem Erkalten "geöffnet und der Abstand r vom Drehzentrum am Gußstück ausgemessen, bei dem die Zerstörung der Oberfläche beginnt. Der übergang vom Bereich gute Gußoberfläche zum Bereich schlechte Gußoberfläche wird dabei durch einfaches Betrachten der Oberfläche oder durch Rauhigkeit smessungen - z.B. mit einem für die Rauhigkeitsprüfungen üblichen Tastgerät - festgestellt.

Der spezifische Flächendruck P an jeder Stelle der Hohlform 2 setzt sich, wie erwähnt, aus zwei Anteilen zusammen. Also gilt

P = Z ♦ G.

- 7 -009883/00 2 6

157382S

r²w²

Dabei ist Z -$ der Druckanteil, der aufgrund der Zentrifugalwirkung infolge der Rotation der Form 2 während des Abgießens auftritt, wobei $ = Dichte des Gußwerkstoffes, r = Abstand des betrachtenden Oberflächenpunktes vom Drehzentrum und w = Winkelgeschwindigkeit ist, mit der die Form rotiert.

Die Komponente G =ygh ist der metallostatische Druck der eingegossenen Schmelze. Dabei ist g die Erdbeschleunigung und h die
Höhe zwischen der Probefläche und dem Füllniveau. Für den spezifischen Flächendruck

P _s ο (rV₊ ghT

ergibt sich daraus der in Fig. 1 gezeigte, parabelförmige Verlauf.

Für eine Prüfung mehrerer Formstoffe gleichzeitig eignet sich besonders die Anordnung n&ih Fig. 2 und 3. Hierbei wird die Form 1 aus einem bekannten Formstcff hergestellt. Sie kann für einmaligen Gebrauch aus Sand bestehen oder auch als zweiteilige Dauerform ausgebildet sein, die mehrmals verwendet werden kann. In den Hohlraum 2 dieser Form 1 werden die zu untersuchenden Stoffe als keleine,
vorzugsweise zylindrische,Probekörper P in verschiedenen Abständen vom Drehzentrum eingesetzt. Die Anordnung jedes zu prüfenden Werkstoffes erfolgt dabei in unterschiedlichen radialen Abständen vom Drehzentrum, so daß alle Stoffe mit verschiedenen Drücken belastet werden. Das Eingießen in die rotierende Form 1 geschieht auf die
beschriebene Weise. Nach dem Erkalten und öffnen der Form wird die Haltbarkeit der untersuchten Stoffe wiederum aus dem optischen Eindruck, den die Oberfläche des Probeabgusses hinterläßt, oder durch Rauhigkeitsmessungen ermittelt.

009883/0028

157382S

• Auf der linken Seite der Fig. 2 sind dabei die Probekörper 8 * so in die Hohlform 2 eingelassen, daß sie teilweise aus dieser herausragen, während auf der rechten Seite die Probekörper 8 mit der Oberfläche der Hohlform 2 eine Ebene bilden. Da für die Untersuchung einzelner Probekörper die Grundkörper der z.B. aus Sand bestehenden Gießform 1 aus wirtschaftliehen Gründen im' allgemeinen aus weniger hochwertigem Material hergestellt werden, das den auftretenden Belastungen nicht standhält, erleichtert der im linken Teil der Fig.2 gezeigte Einbau herausratender Probekörper R das Auffinden der zu untersuchenden Probestellen der Gießform 1. Weiterhin sind die Oberflächen herausragender Probekörper 8 einer erhöhten thermischen Belastung unterworfen, weil die Wäremabfuhr aus dem herausratrenden Teil erschwert ist. Um eine über die ganze Oberfläche der Fohlform 2 gleichmäßige Belastung, insbesondere Aufw^rmung, zu erreichen, kann gefordert werden, daß jede Stelle der Oberfläche von der gleichen Menge des heißen, flüssigen Gußwerkstoffes überflutet wird.

Dies wird mit einer Anordnung nach Fig. Ί erreicht.

Der Hohlraum 2 in der Gießform 1 ist bei dieser Anordnung als Rotations-Hyperboloid ausgebildet. Wie schon bei den vorhergehenden Beispielen, ist entweder die Form selbst aus dem zu prüfenden Material hergestellt (linke Seite der Fig. ¹O oder es sind wiederum kleine Probekörper 8 in die Form 1 eingesetzt (rechte Seite der Fig. 4).

Der Einguß des flüssigen Metalls erfolgt durch den an seinem oberen Ende als Trichter 9 ausgebildeten Kanal 16, der zu einem den Formhohlraum 2 konzentrisch umgebenden Ringkanal 11 führt. Dieser Ringkanal 11 ist durch eine weitere ringförmige öffnung I¹I mit dem äußeren Umfang des Formhohlraumes 2 verbunden. Bei dieser Anordnung wird der Hohlraum 2 also von seiner Peripherie her gefüllt, was sich in ähnlicher Weise auch bei den anderen Versuchsanordnungen durchführen läßt. Dadurch ergibt sich mit der Ausbildung des Hohlraumes 2 als Rotations-Hyperboloid zusammen eine Gleichmäßige Beflutung aller Oberflächenteile der Hohlform 2. Beim Füllen derForm von der

009883/0028

157382S

Peripherie her ist es selbstverständlich notwendig, die in der Form eingeschlossene Luft durch einen nicht dargestellten Kanal entweichen zu lassen.

Der Ordinatenzweig des Hyperboloides ist in der Höhe H abgebrochen, wodurch ein gewisser Fehler in der gleichmäßigen Beflutung gemacht wird, der sich durch Berechnung des abgeschnittenen Restvolumens des Hyperboloides abschätzen läßt.

Werden an die Exaktheit der gleichmäßigen Beflutung hohe Anforderungen gestellt, so läßt sich das abgeschnittene Restvolumen des Hyperboloides durch ein - am einfachsten zylinderförmiges - " Korrekturvolumen 13, das eine dem abgeschnittenen Volumen entsprechende Größe besitzt, berücksichtigen. Dieser Zylinder 13 wird bei der Herstellung der Form 1 auf den Ordinatenzweig des Hyperboloides aufgesetzt, wie es auf der linken Seite der Fig. gezeigt ist.

Eine gleichmäßige Beflutung wird auf diese Weise für alle Flächenteile der Oberfläche des Hohlraumes 2 erreicht, die außerhalb eines Kreises mit dem Radius r^ liegen; auch bei dieser Anordnung berechnet sich der spezifische Flächendruck nach der angegebenen Formel, wobei lediglich die Höhe h durch die Höhe H-, zu ersetzen ist.

Der Antrieb der Gießform sowie die Prüfung der zu untersuchenden Stoffe erfolgt in der bereits geschilderten Weise. Selbstverständlich ist es bei dieser Anordnung auch möglich, in die durch die erzeugende Kurve y gebildete Oberfläche der Hohlform 2 Probe-. körper 8 einzusetzen, wodurch sich lediglich die Berechnung der Druckkomponente G etwas verändert.

Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Versuchsanordnung ist von Vorteil, wenn für die Versuche relativ wenig Flüssigmetall zur Verfügung steht. Es lassen sich bei dieser Anordnung eine große Anzahl Probekörper 8 bei relativ kleiner Größe der Gesamtgießform 1 untersuchen.

009883/0028

157382S

- Io -

Ist die Form 1 aus Sand gefertigt, so kann sie in einen Formkasten 12 eingesetzt sein, wie dies in den Fig.l, 5 und 6 gezeigt ist. Dieser Formkasten 12, der aus Metall oder einem anderen geeigneten Werkstoff besteht, verleiht der Form 1 einen zusätzlichen Halt.

Für die Herstellung der zweiteiligen Dauerformen, die in den Beispielen nach Fig. 2, 3 und ¹I verwendet vrorden sind, dienen keramische Massen, Guphit oder Stahl.

Die bei der Rotation erreichten Drehgeschwindigkeiten werden so gewählt, daß die Druckbelastung der Oberfläche des Hohlraumes etwa dem Druck entspricht oder diesen etwas übersteigt, der auch beim statischen Gießen im praktischen Betrieb die Oberfläche des Hohlraumes der Form belastet. Die angewendeten Drehgeschwindigkeiten, bei denen die Abmessungen der Versuchseinrichtungen und die ben^ti'*- ten !!engen der Schmelzen für die Versuche nicht zu groß vrerden, liegen daher im allgemeinen in einem Bereich von 5o bis 2oo U/nin

Patentansprüche

009883/0028

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Prüfen von Gießereiformstoffen bei hohen Drücken, wobei die zu prüfenden Formstoffe mindestens teilweise die Oberfläche einer Hohlform bilden, die mit Schmelzen von bestimmter Temperatur ausgegossen und mit einem bestimmten spezifischen Flächendruck belastet wird, und wobei anschließend die Beschaffenheit der Formstoffoberfläche geprüft wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform (2) während des Aus/rießens und anschließenden Erkaltens der Schmelze in Rotation versetzt wird, um in einer einzigen Hohlform (2) unterschiedliche, hohe spezifische Flächendrücke von bestimmter Größe und einem kontinuierlichen Druckgradienten zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform (2) aus dem su prüfender» ".'erkstoff hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch !gekennzeichnet, daß die zu prüfenden Formstoffe als Probektfrper (B) in die Hohlform (2) eingesetzt werden.

¹I. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch rekennzeichnet, daß die Füllung der Hohl forin (2) von deren Peripherie her erfolct.

5. Verfahren nach Anspruch ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlforn (2) als Rotations-Hyperboloid ausgebildet ist, um eine gleichmäßige Beflutuncr und damit AufwärmunT des oder der zu untersuchenden Fornstoffe zu erreichen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeschnittene Volumen des Hyperboloides als hohler Korrekturzylind-er (13) gleichen Inhaltes auf das Hyperboloid gesetzt wird.

BAD OBIQiNAU

009883/0028 - 2 -

7o Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Untersuchung des Einflusses verschieden hoher Temperaturen die Schmelze vor dem Eingießen auf verschiedene Temperaturen gebracht wird«

8, Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,, daß die Form (1) als Dauerform ausgebildet und zvreiteilig ist.

ORiGiMAL INSPECTED 009883/0028

•ι "³ ·* Leerseite