DE1944762A1 - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Giessen von Draht od.dgl. - Google Patents

Description

Beschreibung zu der Patentanmeldung

William James BUEHLER
IO615 Montrose Avenue, Bethesda, Maryland 20014/Ü.S.A,

betreffend

"Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Draht oder dergleichen"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen eines Drahtes oder dergleichen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung für das kontinuierliche Gießen eines Drahtes öder dergleichen, der im wesentlichen aus einer TiNi-Basis-Legierung besteht.

Insbesondere besitzen die nahezu-stöchiometrisehen TiNi-Legierungen einzigartige Eigenschaften und können zu einem

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Draht gezogen werden (US-Patentschrift 3 174 851). Bis jetzt wurden derartige nahezu-stöchiometrische TiNi-Drahtprodukte hergestellt, indem man zuerst die TiNi-Legierung herstellte., die geschmolzene Legierung zu einem Barren vergoß, darauf den gegossenen Barren zu einer Stange warmwalzte, die Stange durch Heiß-Gesenkformung in einen Stab überführte und anschließend den Stab zu einem Draht zog. Jedoch ist dieses Verfahren zur Herstellung von TiNi-Draht nach dem Stand der Technik relativ unökonomisch und erlaubt keine kontinuierliche Herstellung des Drahtes in beliebigen gewünschten Längen.

Aus dem Stande der Technik sind kontinuierliche Gießverfahren von Legierungstypen auf Kupfer-Basis bekannt (US-Patentschriften 2 136 394 und 2 782 473). Jedoch sind diese Verfahren und Vorrichtungen für ein kontinuierliches Draht-Gießen aus einer TiNi-Legierung/ welche annähernd 45 Gew.-% Titan enthält, welches in seiner elementaren Form normalerweise hochreaktiv, insbesondere gegenüber Graphit ist, nicht geeignet.

Es ist weiterhin aus dem Stande der Technik (US-Patentschrift 3 189 957) bekannt, Schmelztiegel und Ziehstein aus keramischem Material in Verbindung mit einem Verfahren für das Erstarren in einer richtunggebenden Weise für

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"Alnico" Permanent-Magnete zu verwenden. Jedoch würde das Verfahren und die Vorrichtung dieser Patentschrift gleichfalls ungeeignet für ein kontinuierliches Gießen eines Drahtes oder dergleichen aus einer TiNi-Basis-Legierung sein.

•Schließlich ist es ferner aus dem Stande der Technik (US-Patentschrift 2 8l4 560) bekannt, reaktive elementare Metalle wie z.B. Zirkon, Titan und Hafnium zu reinigen. Jedoch würde sich der feuerfeste Ofen und der aus Cu hergestellte Erstarrungskragen als auch die durch das Inertgas verursachte Durchwirbelung nicht für eine kontinuierliche Herstellung irgendwelcher Legierungen mit einer kontrollierten Zusammensetzung eignen, insbesondere nicht für ein kontinuierliches Gießen der betreffenden Legierungstypen auf TiNi-Basis.

Die vorliegende Erfindung ist bestrebt, die Mängel des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, vermittels welcher ein Draht einer TiNi-Basis-Legierung direkt gegossen und in einer ökonomischen Weise zu einem fertiggestellten warmverformten Draht mit Formerholungseigensehaften (shape-recovery properties), ähnlich denen eines nach üblichen Verfahren hergestellten Drahtes gleicher Zusammensetzung, verarbeitet werden kann.

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BAO OBiOiNAU

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung besteht im Schmelzen und Legieren einer nahezu-stöchiometrischen TiNi-Legierungszubereitung von geregelter Ubergangstemperatui in einem Graphit-Schmelztiegel und anschließendem kontinuierlichen Gießen des Drahtes von gewünschtem Durchmesser durch Anlegen eines Staudruckes auf die geschmolzene Legierung, itfelcher genügend hoch ist, um das geschmolzene Material durch einen Ziehtrichter während des Erstarrens zu verschieben und danach im weiteren Reduzieren des Drahtdurchmessers durch Drahtziehen des Drahtes bei Raumtemperatur, wobei der Draht zwischen den Passagen durch"die Ziehformwerkzeuge geglüht wird, bis der gewünschte Durchmesser erhalten wird, worauf man den Draht, falls dies gewünscht wird, einem Endglüh-Vorgang unterwerfen kann.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Graphit-Schmelztiegel mit einem Graphit-Ziehtrichterteil, begrenzt durch einen wassergekühlten Ziehtrichter-Körper, z.B. aus Molybdän; um den Schmelztiegel aus Graphit und den Ziehtrichterteil aus Graphit sind Heizspulen, welche mit einer üblichen Hochfrequenz-Quelle verbunden sind₃ in vorherbestimmten Abschnitten angeordnet, um die notwendige selektive Wärmeregulierung für das Halten der Legierung in geschmolzenem Zustand in dem Schmelztiegel und bei einer vorherbestimmten Temperatur während der Passage derselben

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durch den Ziehtrichterteil aus Graphit sicherzustellen. Zusätzlich kann ein Inertgas wie Argon oder Helium zu einem Gasverteiler am Austritt des wassergekühlten Ziehtrichter-Körpers geführt werden, um eine übermäßige Oxydation des so gegossenen Drahtes zu verhindern. Als Alternative oder zusätzlich kann ebenso ein oxydierendes Mittel mit einem Verteiler angewandt werden, wenn es wünschenswert ist, eine vorherbestimmte Oxydschicht an dem gegossenen Draht, beispielsweise, um das Drahtziehen zu erleichtern, sicherzustellen.

Die vorliegende Erfindung zeigt mehrere Vorteile gegenüber dem Stande der Technik. In erster Linie erlaubt sie das Gießen eines Drahtes von relativ kleinem Durchmesser, der annähernd 45 Gew.-% an Ti enthält, das normalerweise ein hochreaktives Element ist. Zusätzlich macht die vorliegende Erfindung die Walz- und Gesenkform-Vorgänge überflüssig, welche bisher in Verbindung mit der überführung eines Barrens einer Legierung in einen Draht notwendig waren, wodurch gleichfalls die Notwendigkeit einer kostenaufwendigen Maschinerie vermieden wird.

Dadurch, daß es möglich ist, die Legierung in einem Schmelztiegel aus Graphit, welcher ausgezeichnete Aufnähmecharakterist ika zeigt, zu schmelzen, ist es möglich, die Legierung?

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temperatur mit genügender Präzision in dem Schmelztiegel und während der Passage durch den Graphit-Ziehteil zu regeln und die Bildung und das Erstarren des Drahtes zu ermöglichen

Darüber hinaus bietet die vorliegende Erfindung den Hauptvorteil, daß es möglich wird, die geschmolzene Legierung direkt zu einem Draht von kleinem Durchmesser zu gießen, was danach nur eine minimale Bearbeitung zu einem fertiggestellten warmverformten Draht mit Eigenschaften, vergleichbar denen eines in üblicher Weise hergestellten Drahtes, erforderlich macht.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden augenfälliger aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen, welche, und zwar lediglich zum Zwecke der Erläuterung eine Ausführungsform in Übereinstimmung' mit der -vorliegenden Erfindung zeigen und in welchen:

Fig.l ein schematisches. Fließbild darstellt, welches das Verfahren des kontinuierlichen Draht-Gießens eines Drahtes einer TiNi-Legierung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert;

Fig.2 ein etwas schematischer Querschnitt durch einen Schmelztiegel und ein Ziehformwerkzeug für das Erstarren des Drahtes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;

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Pig.3 ein partieller Querschnitt durch den Schmelztiegel gemäß der vorliegenden Erfindung ist, welcher schematisch die vorgeschlagene Einwirkung während der Schmelzphase veranschaulicht;

Pig. 4 ein partieller Querschnitt durch den Schmelztiegel und das Ziehformwerkzeuß in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist, welcher die Wirkung der Heiswicklung B und des vorgesehenen Differentialdruckes erläutert;

Fig.5 ein partieller Querschnitt in vergrößertem Maßstab ist, welcher schematisch die Zuführung, und das Erstarren des gegossenen Legierungsdrahtes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt; und Fig.6 ein Diagramm ist, welches die Abhängigkeit der übergangstemperatur einer Tilii-Basis-Legierung als Punktion des Verhältnisses von Ti- und Ki-Gehalt in Gewichtsprozenten in der Legierung zeigt.

Es wird nunmehr auf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen durchwegs bei den verschiedenen Figuren gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen und insbesondere auf Pig.l, wo die Bezugsziffer 10 allgemein die Ofen-Vorrichtung für das Gießen des Drahtes bezeichnet, die aus einem aufgestellten Schmelztiegel und einer Ziehformv.'erkzeug-Konstruktion besteht, Vielehe an ihrem Ausgang den gegossenen

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BAD OBiOINAt

Draht, der allgemein durch die Bezugsziffer 20 bezeichnet wird, erzeugt, der nach Aufwickeln oder Aufspulen auf einer Spule 30 zu einer gewünschten Länge gezogen wird und anschließend durch eine geeignete Anzahl von Drahtzieh-Formwerkzeugen 41, 42, 43, 44 und 45 irgendeiner üblichen Konstruktion hindurchläuft und wobei man eine Ziehabnahme des Drahtdurchmessers durch gewünschte, vorherbestimmte P Beträge, je nach der Dimensionierung, dem Drahtdurchmesser, dem Fasergefüge und der Vortriebsgeschwindigkeit vorsieht. Zweckmäßig wird es die normale Ziehgeschwindigkeit wahrscheinlich erforderlich machen, den kontinuierlich gegossenen Draht aus dem Ofen 10 auf eine Spule 30 aufzuwickeln. Anschließend wird eine Länge des aufgewickelten Drahtes von 30 aus gezogen. Auf die Bruchstelle in Fig.l sei besonders hingewiesen.

* Zwischen den Durchgängen durch die Drahtzieh-Pormwerkzeuge 41, 42, 43, 44 und 45 wird der anfangs gegossene und nachfolgend gezogene Draht mittels üblicher Vorrichtungen geglüht. Da derartige Glüh-Vorrichtungen als solche bekannt sind und keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung bilden, sind sie lediglich schematisch angezeigt und es kann daher eine detaillierte Beschreibung derselben hier unterbleiben. Beispielsweise können für Glühzwecke ein Glühofen in einer Luftatmosphäre₉ eine elektrische Wider-

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BAD ORIGINAL

Standsheizung, eine Induktionsheizung, eine Sauerstoffaeetyleri-Flamme oder das Eintauchen in ein erhitztes Bad (z.B. Wood-Metall, ein geeignetes geschmolzenes Salz, etc.) angewandt werden. Der Draht 20, welcher nach aufeinanderfolgenden Passagen durch die Ziehformwerkzeuge 4l, 42, 43, 44, 45, etc. durch die Bezugsziffern 20', 20", 20'", 20"" 20""', etc., der Reihe nach, bezeichnet wird, kann schließlich mittels herkömmlicher Glüh-Vorrichtungen, allgemein bezeichnet durch die Bezugsziffer 50, die wiederum keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden und daher hier nicht im einzelnen beschrieben werden, geglüht werden, bevor der Draht auf einer Rolle 60 oder anderen geeigneten Vorrichtungen für Lagerzwecke aufgewickelt wird.

Der kontinuierlich arbeitende Drahtgieß-Ofen, allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet, welcher einen Graphitschmelztiegel 11 (Fig.2), umfaßt, wird in geeigneter Weise in irgendeiner herkömmlichen Art befestigt, z.B. wird er gegen eine obere Druckplatte 60 vermittels geeigneter Federkräfte 61 von irgendeinem herkömmlichen Typ, die gegen die untere Druckplatte 62 gerichtet sind, gehalten. Der Graphitschmelztiegel 11, der beispielsweise eine kreisförmige, viereckige oder eine andere geeignet geformte Querschnittsgestaltung aufweisen kann, umfaßt einen leicht geneigten Boden 12, begrenzt durch den Graphit-Ziehtrichterteil 13

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in seiner Mitte. Der Graphit-Ziehtriohterteil 13 ist mit einem Loch 14 von konisch zulaufender Gestalt versehen, welches für die gewünschte Drahtgröße variabel ist. Der Graphit-Ziehtrichterteil 13 ist bei 13^! mit einem Ansatz zur Aufnahme der wassergekühlten Ziehformwerkzeug-Konstruktion, allgemein durch die Bezugsziffer 15 bezeichnet, versehen, welche an ihrem oberen Teil komplementär ausgestaltet ist, so daß sie in den Ansatz 13' eingepaßt ist und dadurch eine Grenzfläche 15' mit dem Graphit-Ziehtrichterteil 13 bildet. Die wassergekühlte Ziehtrichterteil-Konstruktion ist in geeigneter Weise an dem Graphit-Ziehtrichterteil befestigt und ihr unterer Teil wird durch die untere Druckplatte 62 gestützt. Die Ziehformwerkzeug-Konstruktion 15 wird durch irgendwelche konventionelle Mittel wassergekühlt, beispielsweise mittels eines spiralförmigen Durchgangs 16, der für das Kühlwasser einen Eingang 16' und einen Ausgang 16'' aufweist. Die Kühlwasserdurchgänge "16 sind gegen die Außenseite in einer üblichen Weise, beispielsweise mittels eines Mantels 17, abgegrenzt.

Der Ziehtrichterteil 15 ist mit einem zentralen Loch oder Öffnung versehen, bestehend aus einem oberen Teil 18 von im wesentlichen konstantem Durchmesser und den gleichen Dimensionen wie der Ausgangsdurchmesser des Loches 14 im Graphit-Ziehtrichterteil 13, und dem unteren Teil 19,

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welcher sich rücklaufend vom Loch lH verjüngt. Innerhalb der unteren Druckplatte 62 wird durch den Gasverteiler, im allgemeinen durch die Bezugsziffer Sk bezeichnet, der irgendeine herkömmliche Ausführungsform besitzen kann, eine öffnung 63 in zweckmäßiger V/eise ausgebildet, zu welcher ein inertes und/oder oxydierendes Gas gewünsentenfalls durch Leitung 65 geführt werden kann. Die Teile 11 und 13 können eine einzige, durchgehende Einheit bilden, wie dies in den Figuren 2, 3» ** und 5 gezeigt wird, oder es könnte wahlweise Teil 13 ein "Druck-taugliches Graphit-Ziehformwerkzeug" sein. Die Befähigung der letzteren Ausführungsform, ein Auswechseln zu ermöglichen, würde erstens ein leichtes Auswechseln des Ziehformwerkzeuges in ein anderes mit verschiedener Größe und zweitens eine leichte Reparatur bzw. einen Ersatz von abgenutzten Graphit-Ziehformwerkzeugen sicherstellen. Der Graphitschmelztiegel 11 und der Graphit-Ziehtrichterteil sind von Hochfrequenz-Heizwicklungen, allgemein durch die Bezugsziffer 70 gekennzeichnet, umgeben, welche in eine geeignete Anzahl von Abschnitten unterteilt sind, z.B. in eine Wicklung A, welche strenggenommen den Schmelztiegel umgibt und in die Wicklung des Abschnittes B, welche den Graphit-Ziehtrichterteil 13 umgibt, um eine unabhängige Temperaturregelung sicherzustellen, wie dies ausführlicher nachstehend dargelegt wird.

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Anstelle von Molybdän kann ebenso Wolfram als Material für die wassergekühlte Ziehformwerkzeug-Konstruktion 15 verwendet werden, obwohl Molybdän wegen seines niedrigeren Preises und deswegen, weil es eine höhere Erhitzung zuläßt und ohne irgendein Problem wassergekühlt werden kann, bevorzugt wird.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht die nachfolgenden Stufen ein:

A. Schmelzen und Legieren einer nahezu TiNi-Zubereitung oder einer Kobalt-haltigen TiNi-ternären Legierung von geregelter Übergangstemperatur in dem Graphit-Schmelztiegel 11. Dies kann auf mehreren Wegen erreicht werden:

1. Anfängliches Schmelzen der Legierung, wie dies in der US-Patentschrift 3 174 851 offenbart ist und Gießen derselben in Barren von vorherbestimmter Form; der Barren wird dann in den Schmelztiegel 11 eingeführt und durch Induktionsheizung geschmolzen; oder

2. Schmelzen der Legierung in Übereinstimmung mit der bevorzugten Technik, wie dies in der deutschen Patentanmeldung P 16 03 II3.3 (US-Patentanmeldung Serial No.592 O69) beschrieben ist unter Verwendung eines Graphit-Schmelztiegels. Die geschmolzene Legierung wird anschließend in eine geeignete Form gegossen, wobei der endgültig erstarrte Barren vorzugsweise in eine für den Querschnitt des Graphit-Schmelz-

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tiegels 11 von Fig.2 passende Form gegossen wird; der Barren wird dann wiederum in den Schmelztiegel 11 eingebracht und durch Induktionsheizung geschmolzen; oder

3. Anfängliches Placieren eines Verschlußstöpsels einer geeigneten TiNi--Basis-Legierungszubereitung in die Drahtausbildende Düse 18, 19 am Boden des Schmelztiegels 11, wie dies in Fig.2 durch strichpunktierte Linien gezeigt und durch die Bezugsziffer 20a bezeichnet wird. Der Graphit-Schmelztiegel 11 wird dann als Behälter für die Herstellung der nahezu TiNi-Legierungszubereitung verwendet. Nach vollständigem Legieren und Mischen der geschmolzenen Legierung wird durch Wasserkühlung des Draht-ausbildenden Ziehtrichterteiles 15 (Fig.2 und Fig.4), die Ausbildung einer erstarrten Schale am Boden, wie dies in Fig.3 gezeigt wird, zugelassen, welche wiederum den unteren Teil des Graphit-Ziehtrichterteiles 13 abkühlt.

B. Zum Zwecke des kontinuierlichen Gießens des (Guß-)Drahtes von gewünschtem Durchmesser wird eine Charge einer geeigneten TiNi-Legierungszubereitung in den Schmelztiegel 11 gebracht. Wenn die Charge geschmolzen wird, erfolgt dies, wie es in Fig.3 gezeigt wird, mit einer festen Schale, welche an den Draht-Stopfen 20a in der Draht-ausbildenden Düse angeschweißt ist. Dieser Draht-Stopfen ist auf zweierlei Weise wirksam; erstens^es£opft er die Düse 14, 18, 19 und

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zweitens kann er, wenn er an dem Schild angeschweißt ist, als Verankerung des Schildes derart verwendet werden, daß dieser sich nicht aus. seiner Lage heraushebt. Falls die Charge in dem Schmelztiegel 11 ein fester gegossener Barren ist, muß dieser zuerst geschmolzen werden. Dies wird erreicht, indem man die Draht-Düsenöffnung Ik, 18, 19 verstopft und dann den Barren schmilzt. Die Energie wird in Form von Hochfrequenz-Energie von beiden Wicklungen· A und B zugeführt, wie dies Fig.2 und Fig.3 zeigen. Wenn die Legierung geschmolzen und gerührt ist, kann der Stromdurchfluß durch die Wicklung B zur Ausbildung einer Schale_s v±& sie in Fig.3 gezeigt wird, abgeschaltet oder der kontinuierliche Drahtgieß-Vorgang begonnen werden, welcher daran anschließend die folgenden Stufen umfaßt:

1. Ein Staudruck wird auf die geschmolzene Legierung, nun homogen im Hinblick auf den Rührvorgang in dem Schmelztiegel 11, angelegt, der Wicklung B zum Schmelzen der Schale Energie zugeführt, und anschließend unter einem Druck, der genügend hoch ist, um den festen Draht-Verschlußstopfen 20a in dem wassergekühlten Ziehtrichfcerteil 15 zu verschieben, der Vorgang begonnen. Der Staudruck kann auf mehreren Wegen erzeugt werden, z.B. durch Aufdrücken eines inerten Gases in den oberen Kammerteil des Schmelztiegels 11, der zu diesem Zweck eine gasdichte Ausführung aufweist. Als Alternative kann ein mechanischer Stempel verwendet werden oder

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weise wird das Gewicht der Charge in dem Schmelztiegel 11 dazu benutzt, direkt als Staudruck zu wirken. Sobald der Draht-Verschlußstöpsel 20a einmal verschoben ist, ist es lediglich erforderlich, einen genügenden Druck anzuwenden, um eine kontinuierliche Weiterbewegung der geschmolzenen Legierung durch den Ziehtrichterteil 13, 15 für die Erzielung eines kontinuierlichen Draht-Gießens sicherzustellen.

2. Die Schmelztemperatur, d.h. der Energiezufluß zu den Wicklungen A und B, der Kühlwasserdurchfluß in dem wassergekühlten Draht-Ziehtrichterteil 15, der hydrostatische Druck auf der TiNi-Schmelze, etc., hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Größe, des Durchmessers des gegossenen Drahtes, etc., und kann leicht empirisch für jede gegebene Bedingung bestimmt werden.

3. Sobald einmal ein gleichbleibender Fluß von kontinuierlich gegossenem Draht eingestellt ist, wie dies in Fig.5 gezeigt wird, sind lediglich diese Optimalbedingungen aufrechtzuerhalten, bis die gesamte Schmelze in einen Gieß-Draht überführt worden ist. Die Aufrechterhaltung eines optimalen, gleichbleibenden Fließ-Zustandes erfordert eine gewisse Variierung der physikalischen Bedingungen, wie einer Veränderung des Energieflusses in die Wicklung A, eine Änderung im hydrostatischen Druck auf der Legierung als auch

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eine Änderung im Energiezufluß der Wickelung B.

4. Bezüglich der kontinuierlichen Gieß-Vorrichtung, wie in Fig.5 dargestellt, wird die geschmolzene Legierung als völlig verfestigt in dem Grapliit-Ziehtrichterteil 13 gezeigt. Obwohl dies vorgezogen wird, ist es keine absolute Notwendigkeit, da zwischen dem geschmolzenen TiNi (nament-™ lieh 55-Nitinol) und einem abgekühlten Molybdän-Werkzeug kein Legieren auftreten kann. Im Falle des Erstarrens in dem Graphit-Ziehtrichterteil 13 können zwei weitere Vorsichtsmaßregeln erforderlich seinj nämlich, die Anwendung von Graphit-Ziehtrichtereinlagen als Ersatz für abgetragene Graphit-Ziehdüsen und eine größere öffnungsweite des Zieh-. formwerkzeuges in dem Molybdän-Ziehformwerkzeug 15 zur Verhinderung einer möglichen Hemmung.

fe 5. Wenn der Gieß-Draht 20 aus dem unteren Ende der

Molybdän-Ziehformwerkzeug-Düse 19 austritt, ist er noch genügend warm, um eine leichte Oxydation an seiner Oberfläche beim Durchgang durch den Gasverteiler 64, welcher Luft oder Sauerstoff (Fig.2) verteilt, zu gestatten. Falls der Draht einen kleinen Querschnitt besitzt und nicht heiß genug für eine Oxydation bleibt, kann er vorzugsweise durch übliche Mittel vor dem Ziehen, wie dies in Fig.l gezeigt wird, oxydiert werden.

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β, Der kontinuierlich gegossene TiNi-Draht 20, so wie er aus der Draht-Gießeinheit 10 austritt, ist genügend duktil, insbesondere unterhalb seiner Übergangstemperatur, um für die Lagerung, Weiterbeförderung, etc., aufgewickelt zu werden. Als Alternative kann er direkt, wie dies in Pig.l gezeigt wird, zu einem kalt-gezogenen und geglühten Draht, fertig für eine Verwendung in den verschiedensten Anwendungsbereichen, weiterverarbeitet werden,, jedoch sind dann die Ziehgeschwindigkeiten auf die Gießdraht-Bildung abzustimmen.

Der eingegrenzte Zusammensetzungsbereich der TiNi-Legierung kann durch Bezugnahme auf Pig,6 gedeutet werden, worin die angenäherte Übergang3temperatur für verschiedenartige TiNi-Legierungen erläutert werden, dargestellt durch die mit "Dämpfungsübergangskurve" beschriftete Kurve. Diese Kurve zeigt für jede Legierungszusammensetzung die kritische Temperatur an, unterhalb welcher der martensitische diffusionslose übergang mit Leichtigkeit unter Deformationskräften von statten gehen kann. Wenn der Ziehvorgang lediglich bei Raumtemperatur präformiert wird, kann ersehen werden, daß der brauchbare Bereich auf etwa 0,5 bis 1 Atom-5S (bis zu etwa 0,5 Gew.-%) an Nickel im Überschuß zur stöchiometrischen TiNi-Zusammensetzung begrenzt ist, wohingegen auf der Titan-reichen Seite (nicht gezeigt) Legierungen, welche um mehr als etwa 1,0 Gew.-% an Ti von der stöchiometrischen

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Zusammensetzung abweichen, nicht zu einem Draht gezogen werden. Im letzteren Fall wird Ti im Überschuß von etwa 1,0 Gew.-% die Bildung von irgendeiner spröden zweiten Phase von Ti Ni verursachen. Ein Ziehen bei tieferer Temperatur unterhalb Raumtemperatur ist bei den Nickel-reichen Legierungen und denjenigen mit Kobalt-Anteilen, z.B.

» TiNi Co., (US-Patentanmeldung Serial No. 579 185, angemel-

det am 9. September 1968 durch Wang et al) durch Kühlen

it
des Drahtes und des Ziehformwerkzeuges auf eine Temperatur unterhalb der. ubergangsternperatur (Dämpfungsübergangskurve) während des Ziehens möglich.

Die Reduktion des Drahtes bei jedem Durchgang kann in der Größenordnung von 10 bis 20$ (Flächenreduktion) zwischen den Glühvorgängen betragen; die möglichen Flächenreduktionen sind bei einem kleinen Drahtdurchmesser im Hinblick auf die

^ψ vorhergehenden Drahtzieh-Arbeitsvorgänge größer. Die bevorzugte Glühtemperatur während des Ziehens beträgt etwa 700°C bis 800°C in Abhängigkeit von der individuellen Legierungszusammensetzung. Die optimale Temperatur und Temperaturverweilzeit kann leicht durch bloßes Biegen des geglühten Drahtes zwischen den Fingern zur Feststellung, ob der Draht sich weich und biegsam anfühlt, ermittelt werden. Falls er sehr biegsam ist, war das Glühen erfolgreich, wohingegen der Draht eine höhere Glühtemperatur oder eine längere

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Glühtemperaturverweilzeit benötigt, falls er einen Teil oder die gesamte Zugsteifigkeit zurückbehalten hat. In verstärktem Maße können Glühtemperaturen von ¹IOO bis 45O⁰C regelmäßig zur Begünstigung einer Erweichung genügen, z.B. in Verbindung mit einer Legierung von 55»! Gew.-% an Nickel und einem Rest von im wesentlichen Ti. Jedoch sollten die Temperaturen insbesondere bei kleinen Drahtdurchmessern 800°C wegen der raschen Diffusion von Sauerstoff in die Legierung und der damit verbundenen nachteiligen und schädigenden Wirkung nicht übersteigen.

Die Glühzeit ist eher durch den martensitischen übergang als durch die normale Regenerierung (recovery) und Rekristal^; lisation bedingt. Dementsprechend hängt die Glühzeit lediglich von dem Erhitzen des Materials durch und über eine kritische Schwellentemperatur ab, was im Falle eines Drahtes lediglich eine Sache von Sekunden sein kann.

Ein verlängertes Erhitzen sollte zur Vermeidung einer unzulässigen Oxydation vermieden werden. Wenn eine Widerstandsheizung verwendet wird, sollten Kontaktschieber aus Kupfer mit einem geeigneten Kontaktandruck und geeigneter Einspeisleistung entlang dee Drahtweges placiert werden, um eine geeignete Glühtemperatur in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Drahtvorschubs und des Durchmessers desselben zu erhalten.

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Eine große Menge von Schmiermitteln, wie starke Seifenlösungen, Kokosnußöl, sulfanierter Talg, ölrückstände (oil dag), etc., erscheinen für die Verwendung als Ziehformwerkzeug-Schmiermittel gleichgut geeignet, wobei die einzigen Kriterien für deren Auswahl darin bestehen, daß sie die Legierung oder irgendeines der Legierungselemente nicht verunreinigen. Für das Ziehen von Legierungen mit einer Übergangstemperatur oberhalb der Raumtemperatur und leicht unterhalb von Raumtemperatur hat sich gewöhnliches Lanolin als ein ausgezeichnetes Schmiermittel bewährt.

Das Oxyd kann von dem Draht in irgendeiner üblichen Weise entfernt werden; z.B. durch mechanisches Abreiben oder chemische Mittel, wie Eintauchen in eine Lösung von 50

HF (konzentriert) + 50 Vol.-# HNO, (konzentriert). Es wird . jedoch empfohlen, daß lediglich das lockere Oxyd, vorzugsfe weise mechanisch, entfernt wird und daß man einem engbegrenzten Oxydfilm das Verbleiben an der Oberfläche des Drahtes gestattet, was einen gleichmäßigen Zieh-Vorgang unterstützt.

nach,
Ein derartiger Oxydfilm kann Gern Endglühen abgezogen werden.

Wo die Verwendung eines TiNi-Drahtes für Anwendungen mit dem Erfordernis hoher Zugfestigkeit gewünscht wird, kann es erwünscht sein, den Draht in den "wie gezogen"-Bedingungen zu belassen. Jedoch für viele Anwendungen, welche eine

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optimale mechanische Energiespeicherung, Dimensionsaktivität und Vibrationsdämpfung erfordern, ist es notwendig, ein Glühen nach dem Ziehen vorzusehen, welches in einer Luftatmosphäre zwischen JlOO⁰C und 800°C durchgeführt wird, in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und der beabsichtigten Verwendung. Wenn der Draht absolut nichtmagnetisch sein soll, sollte er nach dem Glühen nach dem Zieh-Vorgang chemisch in der HF+HNO,-Lösung gebeizt oder er sollte in einer hochreinen inerten Schutzatmosphäre, wie Argon, Helium, etc., geglüht werden.

Die Ziehgeschwindigkeit wird in einem hohen Maße durch die Wärme bestimmt, welche während des Ziehens erzeugt wird und durch die kritische Übergangstemperatur der Legierung, da die Geschwindigkeit des Ziehens in Übereinstimmung mit der Leistungsfähigkeit des Ziehformwerkzeuges und der Drahtkühlung gehalten werden sollte.

Das folgende Beispiel zeigt einen typischen Vorgang des Verfahrens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung:

Ein Graphit-Schmelztiegel von hoher Reinheit wird mit einem vorlegierten Barren von einer nahezu TiNi-Zusammensetzung beschickt. Dieser Barren wurde geschmolzen und vorzugsweise in Übereinstimmung mit der Lehre der deutschen Patent-

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8ADORtG)NAL

anmeldung P 16 08 113.3 (US-Patentanmeldung Serial No. 592 069) in eine hinsichtlich der Kontur des Graphit-Schmelztiegels 11 und 12 passenden Form gegossen. Zu diesem Zeitpunkt wurde ein Draht von nahezu TiNi-Zusammensetzung mit einem zur Ausfüllung der Düse 18 geeigneten Durchmesser vom Boden her durch den verjüngten Ziehformwerkzeug-Teil eingeschoben. Dieser Draht-Verschlußstopfen wurde nach oben

™ . geführt, bis er in Kontakt mit dem festen Barren stand. Nachdem dieser Kontakt hergestellt wurde, wird der Draht in geeigneter Weise mit Hilfe eines Trägers 62 darunter festgeklemmt, um sicherzustellen, daß er während der anfänglichen Schmelzstufe in seiner Stellung verbleibt. Als nächstes wird Kühlwasser durch die Wicklungen A und B und den Molybdän-Ziehformwerkzeug-Teil 15 geleitet. Das die Einheit umfassende Gehäuse (nicht gezeigt) beiderseits oberhalb und unterhalb des Trägers 62, wird auf einen niederen

fc Druck (10 Micron) evakuiert. Daran anschließend wird der Spule A Energie zugeführt, wobei diese Energie einen überwiegenden Anteil des TiNi-Barrens zum Schmelzen bringt und wobei die flüssige Legierung in die verjüngte Graphit-Düse 14 herunterrinnen und sich mit dem vorher eingeschobenen Drahtverschlußstopfen verschmelzen kann.

Die Energieregelung in den Wicklungen A und B ist mittels herkömmlicher Mittel zum Bewirken des Schmelzens und Ver-

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schmelzen eingestellt. An diesem Punkte des Programms wird die Temperatur der Schmelze genau durch ein Eintauch-Thermoelement bestimmt, das in dem Konus in der Nähe des Eingangs zu der verjüngten Düse I¹I placiert ist. Das Thermoelement wird in dieser Stellung während des ganzen Versuches gehalten. Die überhitzung der schmelzenden Legierung kann auf Gi*und vieler Faktoren, z.B. der Größe des gegossenen Drahte3, des Thermogradienten im Graphit-Ziehformwerkzeug 13, etc., variieren. Ferner kann der Schmelzpunkt einer Charge mit der Zusammensetzung variieren, jedoch neigt er dazu, im Bereich von etwa 1300⁰C zu sein. Auch in die Wicklung B wird Energie zugeführt, um die geschmolzene Legierung in der verjüngten Düse 1Ί im Schmelzzustand zu erhalten, jedoch mit einer sehr geringen überhitzung über den Betrag, der erforderlich ist, um die geschmolzene Legierung gerade ähnlich in der Zusammensetzung zu dem größeren Teil der Schmelze im Schmelztiegel 11 zu halten. Diese Graphit-Formwerkzeug-Temperatur kann durch ein in den Ziehtrichter-Teil 13 eingeführtes Thermoelement überwacht werden.

Wenn ein thermisch gleichmäßiger Zustand mit einem günstigen Temperaturgradienten in dem Graphit-Formwerkzeug 13 erreicht ist, wird ein leicht positives Druckdifferential an der geschmolzenen Legierung oberhalb der Druckplatte 62 hergestellt.

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Dies wird durch Einblasen eines inerten Gases von entweder Argon oder Helium bewerkstelligt. Der Druckaufbau muß geschickt und sehr allmählich durchgeführt werden. Diese letztere Einwirkung wird zur Folge haben, daß der gegossene Draht bei 19 und durch 63 ausgestoßen wird. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Draht gegossen wird, ist eine Punktion von (I) dem Graphit-Formwerkzeug-Temperaturgradienten, ^ (II) der Schmelztemperatur, (III) der Länge des Graphit-Formwerkzeug-Teiles 13 und (IV) der wassergekühlten Leistung des Molybdän-Formwerkzeugs l6.

Sobald einmal der Gieß-Vorgang begonnen ist, ist es von großer Bedeutung, alle Bedingungen der Temperatur, des Differentialdruckes, etc. aufrechtzuerhalten, um eine einheitliche Drahtproduktion sicherzustellen. Es kann ein gewisser Abrieb des Graphit-Formwerkzeug-Teiles 13 auftreten, jedoch die kleineren Abweichungen in dem Durchmesser des gegossenen

^w Drahtes werden im Verlauf des anfänglichen Durchgangs bei dem Drahtzieh-Vorgang ausgeglichen.

Eine Auswechslung der Graphit-Formwerkzeuge 13 kann zwischen den Chargen erforderlich sein, um enge Dimensionstoleranzen hinsichtlich des Drahtdurchmessers aufrechtzuerhalten. Wenn auch pyrolytische Graphit-Ziehtrichterteile I3 nicht verwendet wurden, können sich jedoch gewisse Vorteile hinsicht-

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lieh des Wärmeübergangs aus der anisotropen Natur dieses einzigartigen Materials ergeben.

Während des Schmelzvorganges kann es notwendig sein, kleine Mengen von Argon, Helium oder eines dieser inerten Gase gemischt mit Sauerstoff einzublasen, um das Aufrechterhalten der richtigen Druckdifferenz oberhalb und unterhalb der Druckplatte 62 zu unterstützen. Auch wird der Sauerstoff, falls verwendet, hinzugegeben, um die Drahtoberfläche leicht zu oxydieren und die Befähigung zu dem nachfolgenden Draht-Ziehen zu verbessern. Wenn der Guß-Draht einen kleinen Durchmesser aufweist, ist die Sauerstoffbehandlung nutzlos, da die Draht-Temperatur zu niedrig sein wird, wenn der Draht die Verteilerzone 63 erreicht. Dieser letztere Draht wird eine gewisse Art der Wiedererhitzung in einer Luftatmosphäre zur Oxydation seiner Oberfläche vor dem Draht-Ziehen benötigen.

Da herkömmliche Regelungen verwendet werden, ist es lediglich für den Bedienungsmann notwendig, sich an die oben beschriebenen Stufen zu halten und die Temperatur, etc. einzustellen, um den notwendigen Bedingungen für die kontinuierlichen Gießvorgänge nachzukommen und anschließend diese Bedingungen aufrechtzuerhalten, vorbehaltlich kleiner, von Zeit zu Zeit erfolgender, oben erwähnter Einstellungsänderungen.

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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind einleuchtend, da diese das kontinuierliche Gießen eines Drahtes von relativ kleinem Durchmesser gestattet, der annähernd 45 Gev.-% an Titan enthält.

Ein zusätzliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß man imstande ist, in einem Graphit-Tiegel zu P schmelzen, der eine gute Aufnahmevorrichtung darstellt, um die Legierungstemperatur mit einer solchen Präzision zu regeln, daß die Bildung und Verfestigung des Drahtes wie in Fig.5 gezeigt, durchführbar ist. Normalerweise sind wenige Mitteltemperatur-Strukturlegierungen genügend inert in Graphit und sicherlich verhalten sich Eisen-Basis-Legierungen und Niekel-Basis-Legierungen stark reaktiv gegenüber Graphite

Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung beruht auf dem direkten k Gießen eines Drahtes von kleinem Durchmesser von nahezustöchiometrischer TiNi-Zusammensetzung, was eine minimale Bearbeitung zu einem fertiggestellten warmverformten Draht mit Eigenschaften, vergleichbar einem herkömmlich bearbeiteten Draht, erforderlich macht.

Untersuchungen der Biege-Hitse-Regenerierung (bend-heatrecovery) an einem kontinuierlich gegossenen Dralit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung seigten ©in

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Verhalten» vergleichbar zu einem Draht, der nach dem kostenaufwendigeren oben beschriebenen Stand der Technik bearbeitet worden war. Eine Mikrostruktur-Analyse zeigte ebenfalls, daß ein Minimum von etwa 753» Flächen-Reduktion, vom gegossenen Draht zum warmverformten fertiggestellten Draht, erforderlich ist, um ein vergleichbares Verhalten und eine geeignete Zwischengitter-Dispersion in dem TiNi-Phasengefüge zu ergeben. Jedoch variiert dieses Bild mit dem Durchmesser, der Zeit, der Temperatur, den Glühperioden, der Temperatur der Zwischenglühvorgänge, etc., obwohl es als Richtlinie für ein erfolgreiches Durchführen der Methode der vorliegenden Erfindung dient.

Obwohl lediglich eine Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, versteht ee sich von selbst, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt sein soll, sondern daß sie zahlreicher Veränderungen und Modifikationen fähig ist, wie dies dem Fachmann bekannt ist und es soll daher keine Beschränkung auf die hier gezeigten und beschriebenen Details erfolgen, es ist vielmehr beabsichtigt, daß alle derartigen Veränderungen und Modifikationen, die ein Fachmann daraus entnehmen kann, von der Erfindung mit umfaßt werden. Zum Beispiel kann der Draht anstelle in Form eines Drahtes auch in Form eines flachen Streifens oder dergleichen gegossen werden.

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Claims (3)

. 28 - 19U762 Patentansprüche

1. Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von geschmolzenen TiNi-Basis-Legierungen in vorherbestimmte Formen, dadurch gekennzeichnet, daß es die Stufen des Schmelzens der Legierung in einem Graphit-Behälter, des Treibens der geschmolzenen Legierung durch eine Form-bildende Düse, vorgesehen in

P einem Formwerkzeug, des Kühlens von zumindest einem Teil des erwähnten Formwerkzeuges und des kontinuierlichen Entfernens der gegossenen Legierung aus dem erwähnten Formwerkzeug umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Legierung in Form eines relativ kleinkalibrigen Drahtes gegossen wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Legierung in Form eines relativ flachen Bandes gegossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin die Stufen des Ziehens der gegossenen Legierung durch eine Reihe von Formwerkzeugen und des Glühens der Legierung, nachdem diese durch die Verarbeitung als Ergebnis eines Ziehens durch ein Formwerkzeug gehärtet ist, bevor

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sie durch ein anderes Formwerkzeug gezogen wird, umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zu einem Draht gezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die Stufe des Nachglühens der Legierung nach dem letzten Zugvorgang durch ein Formwerkzeug umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Erstarrungsformwerkzeug aus einem Graphit-Teil und aus einem Metall-Formwerkzeug-Teil besteht, und in welchem der Graphit-Behälter und der Graphit-Formwerkzeug-Teil erhitzt w.erden, während der Metall-Formwerkzeug-Teil gekühlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die Stufe der Reduktion der Beheizung des Graphit-Formwerkzeug-Teiles während der Regelung der Kühlung des Metall-Formwerkzeug-Teiles umfaßt, derart, daß die Legierung im wesentlichen in dem Metall-Formwerkzeug-Teil verfestigt wird, während ein Temperaturgradient in der Legierung von einem Punkt nahe der Grenzfläche zwischen den erwähnten Formwerkzeug-Teilen bis zu der Fläche der Legierung, wo sie noch geschmolzen in dem Graphit-Formwerkzeug-Teil vorliegt, ausgebildet wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß · die Legierung geschmolzen wird, indem man einen Barren der erwähnten Legierung in den erwähnten Behälter einbringt und erhitzt.

10. Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in dem erwähnten Behälter durch anfängliches Ausbilden einer festen Schale der erwähnten Legierung am Boden des Behälters und anschließendem Einfüllen der Metallkomponenten der erwähnten Legierung in den erwähnten Behälter unter gleichzeitigem Erhitzen derselben geschmolzen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verschlußstopfen des erwähnten Legierungsmaterials in die Düse des Formwerkzeugs für die Verfestigung eingeführt und der erwähnte Verschlußstopfen an der erwähnten Schale verankert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung durch Einbringen eines Barrens der erwähnten Legierung in den erwähnten Behälter und Erhitzen geschmolzen wird.

13» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in dem erwähnten Behälter durch anfängliches

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Ausbilden einer festen Schale aus der erwähnten Legierung am Boden des Behälters und anschließendem Einfüllen der Metallkomponenten der erwähnten Legierung in den erwähnten Behälter während gleichzeitigem Erhitzen derselben, geschmolzen wird.

m. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß ein Verschlußstopfen aus dem erwähnten Legierungsmaterial in die Düse des Formwerkzeugs für die Verfestigung eingeführt und der erwähnte Verschlußstopfen an der erwähnten Schale verankert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zu einem Draht gezogen wird.

16. Vorrichtung für ein kontinuierliches Gießen von geschmolzenen TiNi-Basis-Legierungen in vorherbestimmte Formen, dadurch gekennzeichnet, daß sie Graphit-Behälter-Mittel, welche einen mit einer öffnung versehenen Boden aufweisen, Graphit-Formwerkzeug-Teil-Mittel versehen mit an die öffnung in dem Boden des erwähnten Behälter-Mittels angrenzenden Öffnungs-Mitteln, Metall-Formwerkzeug-Teil-Mittel versehen mit Wasserkühlungs-Mitteln und mit Öffnungsmitteln in weitgehender Ausfluchtung mit den Öffnungsmitteln der Graphit-Formwerkzeug-Teil-Mittel, Mittel für die Beheizung der

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erwähnten Behälter-Mittel und zumindest von einem Teil der erwähnten Graphit-Formwerkzeug-Teil-Mittel, Mittel für die Kühlung der erwähnten Metall-Formwerkzeug-Teil-Mittel und Mittel für die Befestigung der erwähnten Formwerkzeug-Teil-Mittel an den erwähnten Behälter-Mitteln in einer solchen Weise, daß die öffnung und die Öffnungsmittel weitgehend ausgefluchtet sind, umfaßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsmittel in den erwähnten Graphit-Formwerkzeug-Teil-Mitteln einen ersten verjungten Teil, angrenzend an einen zweiten Teil von im wesentlichen konstantem Durchmesser und die Öffnungsmittel der erwähnten Metall-Formwerkzeug-Teil-Mittel einen ersten Teil von im wesentlichen konstantem Querschnitt, entsprechend dem zweiten Teil der Öffnungsmittel in den Graphit-Formwerkzeug-Teil-Mitteln und einen zweiten verjüngten Teil, welcher sich rücklaufend von dem ersterwähnten verjüngten Teil verjüngt, umfassen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Metall-Formwerkzeug-Mittel aus einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe Molybdän und Wolfram, bestehen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

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daß sie ferner Regelungsmittel zur selektiven Regelung der Beheizung für die Behälter-Mittel und die Graphit-Formwerkzeug-Teil-Mittel umfaßt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Verteiler-Mittel in der Nähe des Ausgangs der erwähnten Metall-Formwerkzeug-Teil-Mittel umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20_s dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Mittel für die Zuführung eines inerten Gases zu den erwähnten Verteiler-Mitteln zur Verhinderung einer Oxydation der gegossenen Legierung nach dem Austritt aus den Metall-Formwerkzeug-Teil-Mitteln umfaßt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Mittel für die Zuführung eines Sauerstoffenthaltenden Gases zur Sicherstellung eines vorherbestimmten Oxydüberzugs auf der Oberfläche der Legierung nach dem Austritt aus dem erwähnten Apparat umfaßt.

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