DE1573829C - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen von Gießereiformstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zum Prüfen von Gießereiformstoffen, die entweder eine Hohlform bilden oder als Probekörper in die Hohlform eingesetzt werden, bei hohen Drücken auf ihre Haltbarkeit, bei welchem die Hohlform mit Schmelzen von bestimmter Temperatur ausgegossen und auf Grund des metallostatischen Drucks mit unterschiedlichen spezifischen Flächendrücken von bestimmter Größe belastet wird, worauf anschließend die Beschaffenheit der Formstoffoberfläche auf ihre Haltbarkeit untersucht wird.

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 Temperaturen 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 Weise verändert. Man nennt diese Erscheinung Vererzen, Versintern oder auch Metallpenetration. Da das Vererzen der Fonnoberfläche 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 Formstoffe 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 Lauf kanäle 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 Prüfform untersucht werden kann.

Ein anderes Verfahren besteht darin, daß man eine Prüf form 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 dieses Verfahren 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 werden, 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.

Weiterhin sind verschiedene Formstoff-Prüfapparaturen bekannt, mit denen Prüfkörper bei erhöhten Temperaturen auf ihre Festigkeit und Zerfallseigenschaften, ihr Ausdehnungsverhalten oder die Gasentwicklung untersucht werden können. Die so gewonnenen Prüfergebnisse lassen jedoch nicht genügend Rückschlüsse über das Verhalten des Prüfmaterials im praktischen Betrieb zu.
In den meisten Gießereien ist man daher gezwungen, neue Formmaterialien am Gußstück selber auszuprobieren. Solche Versuche bedeuten oft eine Gefährdung des Abgusses, wobei Ausschuß verursacht werden kann oder größere Aufwendungen

ίο für Nacharbeit entstehen. Der normale Produktionsablauf wird dadurch gestört; weiterhin ist es oft schwierig, die Teststücke aufzufinden oder zu identifizieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, durch das auf einfache Weise labormäßige Reihenutersuchungen von Formstoffen bei verschiedenen Drücken durchgeführt werden können, wobei die Bedingungen des praktischen Betriebes soweit wie möglich erfüllt werden, ohne· daß der Aufwand an Material und Zeit unzulässig groß wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hohlform während des Ausgießens und anschließenden Erkaltens der Schmelze in Rotation versetzt wird.

Da die flüssige Schmelze die Drehgeschwindigkeit der rotierenden Form annimmt, erhält man auf diese Weise in verschiedenen Abständen vom Drehzentrum in einer einzigen Hohlform verschieden große spezifische Flächendrücke, deren Größe durch Änderungen der Drehgeschwindigkeit in weitem Umfang variiert werden kann. Weiterhin lassen sich die Absolutwerte dieser Flächendrücke in einfacher Weise berechnen.

Soll dabei der kritische Flächendruck für einen einzigen Formstoff bestimmt werden, so kann die Hohlform aus dem zu prüfenden Werkstoff hergestellt werden, 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 Winkelgeschwindigkeit der kritische Druck P^ 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 Hohlform ein. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Hohlform von ihrer Peripherie her gefüllt wird.

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.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die eine auf einem Gießtisch ruhende Hohlform umfaßt, die entweder aus dem zu prüfenden Gießereiformstoff besteht oder in die kleine Probekörper in gewissem Abstand voneinander in Aussparungen der Hohlform eingesetzt sind, die weiter einen an seinem oberen Ende als Trichter ausgebildeten Kanal zum Einguß des flüssigen Metalls enthält, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine sich koaxial mit und in Verlängerung der Trichteröffnung erstreckende, am Gießtisch angebrachte Achse mit einem Antrieb für eine Rotationsbewegung in Verbindung steht.
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. Wenn bei der genannten Vorrichtung zusätzlich der Eingußtrichter mit dem äußeren Umfang des Formhohlraumes in Verbindung steht, läßt sich dies dadurch erreichen, daß die Hohlform als an seinem Ende abgeschnittenes Rotationshyperboloid ausgebildet ist, dessen Rotationsachse mit der Drehachse des Gießtisches zusammenfällt. Da der Ordinatenzweig des Hyperboloides, der sich asymptotisch dem Drehzentrum nähert, bei einer bestimmten Höhe abgebrochen werden muß, wird eine gleichmäßige Beflutung mit der vorstehend geschilderten Vorrichtung 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.
Schließlich kann es vorteilhaft sein, wenn die

) Form als Dauerform ausgebildet, und zweiteilig ausgeführt ist.

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

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

F i g. 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,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Schnittlinie IH-III in F i g. 2,

F i g. 4 eine weitere Versuchsanordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden kann, daß die Oberfläche der Hohlform an

j allen Stellen von dem gleichen Volumen des flüssigen Metalls überflutet wird, und

F i g. 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 F i g. 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 eine Öffnung 3; es ist jedoch auch möglich, die Form von ihrer Peripherie her zu füllen, wie dies später gezeigt wird. Die Gießform 1 ruht auf einem Gießtisch 4, der über eine Achse 5 von einem nicht dargestellten Antrieb mit einer bestimmten bekannten Winkelgeschwindigkeit in rotierender Bewegung gehalten wird. Die Rotation der Forml wird so lange 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 dieser Anordnung möglich, für einen bestimmten Formstoff den Druck zu ermitteln, mit dem der Formstoff bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Gußwerkstoff belastet werden darf, ohne daß eine Beeinträchtigung. der Güte der Formstoffoberfläche 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 guter Gußoberfläche zum Bereich schlechter Gußoberfläche wird dabei durch einfaches Betrachten der Oberfläche oder durch Rauhigkeitsmessungen — 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

r² w²
Dabei ist Z = ρ —γ- der Druckanteil, der auf Grund der Zentrifugalwirkung infolge der Rotation der Form 2 während des Abgießens auftritt, wobei ρ — Dichte des Guß werkstoff es, r=Abstand des betrachtenden Oberflächenpunktes vom Drehzentrum und w=Winkelgeschwindigkeit ist, mit der die Form rotiert.

Die Komponente G = ρ gh 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

gh

= Q

ergibt sich daraus der in F i g. 1 gezeigte, parabelförmige Verlauf.

Für eine gleichzeitige Prüfung mehrerer Formstoffe eignet sich besonders die Anordnung nach Fig. 2 und 3. Hierbei wird die Forml aus einem bekannten Formstoff 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 kleine, vorzugsweise zylindrische Probekörper 8 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 Probegusses hinterläßt, oder durch Rauhigkeitsmessungen ermittelt.

Auf der linken Seite der F i g. 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 wirtschaftlichen Gründen im allgemeinen aus weniger hochwertigem Material hergestellt werden, das den auftretenden Belastungen nicht standhält, erleichtert der im linken Teil der F i g. 2 gezeigte Einbau herausragender Probekörper 8 das Auffinden der zu untersuchenden Probestellen der Gießform 1. Weiterhin sind die Oberflächen herausragender Probekörper 8 einer erhöhten thermischen Belastung unterworfen, weil die Wärmeabfuhr aus dem herausragenden Teil erschwert ist. Um eine über die ganze Oberfläche der Hohlform 2 gleichmäßige Belastung, insbesondere Aufwärmung, 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. 4 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 (Unke Seite der Fig. 4), oder es sind wiederum kleine Probekörper 8 in die Form 1 eingesetzt (rechte Seite der Fig. 4).

Der Einguß des flüssigen Metalls erfolgt durch einen an seinem oberen Ende als Trichter 9 ausgebildeten Kanal 10, der zu einem den Formhohlraum 2 konzentrisch umgebenden Ringkanal 11 führt. Dieser Ringkanal 11 ist durch eine weitere ringförmige Öffnung 14 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 der Form von der 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 F i g. 4 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_t liegen; auch bei dieser Anordnung berechnet sich der spezifische Flächendruck nach der angegebenen Formel, wobei lediglich die Höhe h durch die Höhe H₇- 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 Probekörper 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 Verfugung steht. Es lassen sich bei dieser Anordnung eine große Anzahl Probekörper 8 bei relativ kleiner Größe der Gesamtgießform 1 untersuchen.

Ist die Form 1 aus Sand gefertigt, so kann sie in einen Formkasten 12 eingesetzt sein, wie dies in den F i g. 1, 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 F i g. 2, 3 und 4 verwendet worden sind, dienen keramische Massen, Graphit oder Stahl.

Die bei der Rotation erreichten Drehgeschwindigkeiten werden so gewählt, daß die Druckbelastung der Oberfläche des Hohlraumes 2 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 benötigten Mengen der Schmelzen für die Versuche nicht zu groß werden, liegen daher im allgemeinen in einem Bereich von 50 bis 200 U/min.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Prüfen von Gießereiformstoffen, die entweder eine Hohlform bilden oder als Probekörper in die Hohlform eingesetzt" werden, bei hohen Drücken auf ihre Haltbarkeit, bei welchem die Hohlform mit Schmelzen von bestimmter Temperatur ausgegossen und auf Grund des . metallostatischen Drucks mit unterschiedlichen spezifischen Flächendrücken von bestimmter Größe belastet wird, worauf anschließend die Beschaffenheit der Formstoffoberfläche auf ihre Haltbarkeit untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform während des Ausgießens und anschließenden Erkaltens der Schmelze in Rotation versetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung der Hohlform (2) von deren Peripherie her erfolgt.

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

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die eine auf einem Gießtisch ruhende Hohlform umfaßt, die entweder aus dem zu prüfenden Gießereiformstoff besteht oder in die kleine Probekörper in gewissem Ab-

stand voneinander in Aussparungen der Hohlform eingesetzt sind, die weiter einen an seinem oberen Ende als Trichter ausgebildeten Kanal zum Einguß des flüssigen Metalls enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine koaxial mit und in Verlängerung der Trichteröffnung (3, 9) erstreckende, am Gießtisch (4) angebrachte Achse (5) mit einem Antrieb für eine Rotations-. bewegung in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Eingußtrichter mit dem äußeren Umfang des Formhohlraumes in Verbindung steht, dadurch

gekennzeichnet, daß die Hohlform (2) als an seinem Ende abgeschnittenes Rotationshyperboloid ausgebildet ist, dessen Rotationsachse mit der Drehachse (5) des Gießtisches (4) zusammenfällt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeschnittene Volumen des Hyperboloides als hohler Korrekturzylinder (13) gleichen Inhaltes auf das Hyperboloid aufgesetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (1) als Dauerform ausgebildet und zweiteilig ausgeführt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 «591/51