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Verfahren und Vorrichtung zum Gießen komplizierter, dünnwandiger Gegenstände
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen komplizierter,
dünnwandiger Gegenstände, die enge Toleranzen erfordern, und betrifft insbesondere
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Blei-Säure-Akkumulator-Gittern
aus niedriglegiertem Blei. Die Erfindung ist eine Nodifikation des Verfahrens und
der Vorrichtung, das bzw. die in der Patentanmeldung der Anmelderin vom gleichen
Tage mit dem gleichen Titel P (unser Zeichen: G 2364; Prioritätsaktenzeichen: USA
304 352/72) beschrieben ist, gemäß dem bz mit der komplizierte dünnwendige Gegenstände
durch Tauchgießen unter Benutzung von mittels Durchströmung gekühlten Gußiform-Hohlräumer
in Matrizenaus porösem Metall hergestellt werden, die heizbare, undurch--lässige,
wenig wärmeleitfähige äußere Schichten oder Schalen aufweisen. Die undurchlässige
äußere Schicht wirkt als eine thermische Barriere zwischen dem Körper aua aus porösem
Metall der Matrize und der Schmelze des zu gießenden Metalls.Die
Oberflächenschicht
wird auf eine Schmelzen-Metall-Ablöse-Temperatur aufgeheizt und auf dieser gehalten
und der Gußform-Hohlraum wird strömungsmäßig (transpirationally) auf eine viel ntedrlgere
Temperatur, beispielsweise unter die Verfestigungstemperatur der Schmelze gekuhlt.
Mit Schmelzen-Metall-bIöse-Temperatur ist eine Temperatur gemeint, bei der Metall
von der Schmelze, selbst wenn es geringfügig verfestigt ist, an der Oberfläche nicht
über eine merkliche Distanz über der Schmelze anhaftet oder anklebt, nachdem die
Matrize aus der Schmelze gezogen worden ist. Die auf geheizte undurchlässige Schicht
verhindert die Strömung von Wärme von der Hochtemperaturschmelze in dem gekühlten
porösen Körper während des kurzen Zeitintervalls1 während welchem die Matrize die
Schmelze berührt. Dies führt zu einer geringen, wenn überhaupt zu einer Verfestigung
der Schmelze gegen die äußere Oberfläche der undurchlässigen Schicht, und wenn ein
dünner Schmelzenfilm sich gegen die Oberfläche verfestigt, haftet er an dieser nicht
an und fällt leicht zurück in die Schmelze, wenn die Matrize entfermt wird.
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Erfindungsgemäß weist eine mittels Transpiration gekühlte (transpirationally
cooled) Tauch-Guß-Matrize aus porösem Metall, wie sie in der oben erwähnten Patentanmeldung
der Anmelderin vom gleichen Tage mit dem gleichen Titel P (unser Zeichen: G 2364)
beschrieben ist, eine undurchlässige Schicht auf, die eine hinterdrehte bzw. hinterarbeitete
bzw.
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ausgesparte (relieved) äußere Oberfläche aufweist. Durch das Rinterarbeiten
der Oberfläche wird eine Vielzahl von Spitzen oder REcken bzw. Erhebungen und Tälern
auf der die Schmelz berührenden Oberfläche der Matrize vorgesehen. Wenn die Matrize
flach in die Schmelze eingetaucht wird, hindert die hohe Oberflächenspannung die
Schmelze daran, die Täler zwischen den Spitzen bzw. Erhebungen zu füllen, und die
Berührung der Schmelze ist infolgedessen auf die Spitzen begrenst, was ZU einer
effektiven Wärmeleitfähigkeit für
die undurchlässige Schicht führt,
die wesentlich geringer als die des Materials ist, aus dem die Schicht hergestellt
ist. Die effektive Wärmeleitfähigkeit der Schicht ist steuerbar, indem einfach die
Anzahl oder der Bereich der die Schmelze berührenden Spitzen bzw. Erhebungen erhöht
oder vermindert wird, Die Anzahl oder der Bereiah der Spitzen (die Spitzen dichte)
kann quer über die Fläche einer einzigen Matrize variiert werden, um verschiedene
effektive Wärmeleitfähigkeiten auf verschiedenen Teilen derselben Matrize zu erhalteno
Die effektive Wärmeleitfähigkeit der Schicht, die aufgrund der Hinterarbeitung bzw.
Aussparung von deren Oberfläche gegeben ist, variiert näherungsweise mit dem die
Schmele berührenden Oberflächenbereich.
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Das Hinterarbeiten der Oberfläche der undurchlässigen Schicht kann
auf einer Zahl von Wegen ausgeführt werden. In gleicher Weise ist im wesentlichen
Jedes Rinterarbeitungsmuster annehmbar. 80 können Streifen einfach in die Oberfläche
eingerissen bzw. eingekratzt bzw. eingeschrieben werden; oder es kann ein Muster
(beispielsweise durch das Vielpunkt-Halbtonverfahren bzw. Multi-dot half toning)
in die Oberfläche geätzt werden.
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Ein mechanisches Einreißen von Streifen auf der Oberfläche ist bevorzugt
aufgrund von dessen Einfachheit und leichten Steuerung. Die Streifen können alle
parallel oder im Kreuzmuster gewiinschtenfalls vorgesehen sein.
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Die Wärmeleitfähigkeit der Schicht wird niedrig gehalten, indem das
Schmelzenmetall daran gehindert wird, die Täler oder -Streifen zu füllen, während
sich die Matrizenobertliche in der Schmelze befindet. Ein Füllen der Streifen mit
Schmelze hängt von einer Anzahl von Faktoren ab einschließlich der Temperatur der
Schicht, der Temperatur der Schmelze, der Breite und Tiefe der Streifen und der
Eintauchtiefe in die Schmelze. Beim Arbeiten mit Bleilegierungsschmelzen mit einer
Temperatur von etwa 300C (5O0F) über deren Erstarrungstemperaturen sind Streifenbreiten
von
weniger als etwa 0,75 mm (0,03 inch) wirksam, um das Eindringen von Schmelze in
die Streifen/Täler bei einer Eintauchtiefe von weniger als 3,2 mm (one eighth inch)
zu begrenzen bzw. verhindern. Aufgrund der benutzten flachen Eintauchvorgänge wird
ein Vakuum bzw. Unterdruck hinter dem Gußform-Hohlraum angelegt, um Schmelze in
den Gußform-Hohlraum zu saugen.
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Es wurde gefunden, daß die undurchlässigen Schichten, die im hohen
Maße hinterarbeitete bzw. ausgesparte Oberflächen gemäß der Erfindung aufweisen,
keine zusätzliche Wärmezufuhr über die von der Gußschmelze empfangene Wärme hinaus
erfordern. Aufgrund der großen Masse von Schmelze in dem Schmelzentopf werden die
Erhebungen sehr schnell sehr heiß und ziehen dennoch nur sehr wenig Wärme von der
Schmelze ab.
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Der verbleibende Teil der Schicht unter den Spitzen bzw.
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Erhebungen wird nicht näherungsweise so heiß. Es ist von wesentlicher
Bedeutung, daß die Oberflächen-Hinterarbitungstechnik bzw. -Aussparungstechnik gemäß
der Erfindung bei stark wärmeleitenden Materialien, wie Kupfer ebenso wie bei Materialien
wirksam ist wie sie in der oben erwahnten Patentanmeldung beschrieben sind und infolgedessen
eine große Breite in der Matrizenauslegung bzw. -konstruktion-und Herstellung ermöglicht.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise
beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 eine Schnittansicht entlang Linie 1-1 in'Fig,
2, Fig. 2 eine isometrische Ansicht einer Matrizentrommel gemäß der Erfindung und
Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 3-3 in Fig. 2.
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Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der
eine Gußform bzw. Matrize 2 in der Gestalt einer Trommel Guß-Hohlräume 4 in der
Form von Batterie-Platten-Gittern aufweist. Die Matrize 2 umfaßt einen porösen Metallkörper
6, der in geeigneter Weise aus gesintertem pulverförmigem Metall hergestellt ist,
und eine undurchlässige Schicht 8, die den gesamten porösen Körper 6 mit Ausnahme
der Öffnungen zu den Guß-Hohlräumen 4 abdeckt. Die undurchlässige Schicht 8 weist
eine hinterdrehte bzw. hinterarbeitete bzw. ausgesparte (relieved) äußere Oberfläche
10 auf, die durch Reißen bzw.
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Einreißen einer Vielzahl von Streifen 12 in die Schicht 8 gebildet
ist, um eine Vielzahl von Rücken bzw. Kämmen oder Erhebungen 13 und Tälern zwischen
den Erhebungen zu bilden.
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Eine Luft-Druckkammer 14 hinter den Guß-Hohlräumen 4 ermöglicht die
Einführung von Kuhlluft unter Druck hinter den porösen Körper 6. Die Kühlluft tritt
aus den Wänden des Hohlraumes 4 aus und kühlt dadurch den Hohlraum 4 und wirft das
Gußstück aus dem Hohlraum aus, wie es in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben
ist. Eine Vakuuinkammer 16 hinter den Guß-Hohlräumen 4 unmittelbar über der Schmelze
18 ermöglicht das Ansaugen von Schmelze 18 in die Hohlräume 4, wenn die Matrize
2 zu flach für ein freies Strömen der Schmelze in den Hohlraum eingetaucht ist0
Bei dem veranschaulichten kontinuierlichen Gußbetrieb beriihren nur die Rücken oder
Erhebungen 13 zwischen den Streifen die Schmelze 18 und deren kleine Masse wird
dadurch schnell auf eine Schmelzen-Metall-Ablöse-Temperatur selbst ohne die Unterstützung
von zusätzlichen Heizern 20 aufgeheizt. Die zusätzlichen Heizer 20 erlauben, wenn
sie vorgesehen sind, eine größere Flexibilität bei der Benutzung der Ausrüstung
in Verbindung mit verschießdenen Schmelzenlegierungen, verschiedenen Materialien
für die Schicht 8 und verschiedenen rommelgeschwindigkeiten. Der Guß-Hohlraum 4
ist bereits gekühlt worden, wenn er über die Kammer 14 gedreht worden ist und die
kühle, unter Druck stehende Luft aus den porösen Wänden der
Guß-Hohlräume
4 entwichen ist. Es ist sicherzustellen, daß die Matrize 2 in-die Schmelze 18 bis
zu einer Tiefe eingetaucht wird die nicht ausreicht, daß der statische Druck der
Schmelze die Schmelze vollständig in die Täler oder Streifen 12 drückt und infolgedessen
die Schicht-Schmelzen-Berührung auf die Rücken obr Erhebungen 13 auf der Oberfläche
lokalisiert wird. Eintauchtiefen von weniger als 3,2 mm und bevorzugt von etwa 1,6
mm werden für diesen Zweck als optimal angesehen. Wenn sich der Hohlraum einmal
in der Schmelze 18 befindet, wird ein Vakuum bzw. Unterdruck an die Kammer 16 angelegt,
um Schmelze 18 in den Guß-Hohlraum 4 aufzusaugen, wo diese unmittelbar erstarrt.
Schmelzentemperaturen von etwa 300C (fifty degrees) über dem Schmelze Ers tarrungspunkt
oder innerhalb das schmelz; en-Ers-t;arrungsbereiches sind bevorzugt, wenn ein Quenchen
bzw. Abschrecken des Gußstückes gesucht ist, wie es der Fall bei altershärtbaren
bzw. vergütbaren Blei-Säure-Batterie-Gittern der Fall ist.
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Aufgrund der Anfangstemperatur der Schicht 8 steigt deren Temperatur
an, wehren sie sich in der Schmelze 18 befindet, und aufgrund deren minimalen und
kurzen Berührung mit der Schmelze 18 geht wenig Wärme aus der Schmelze durch die
Schicht 8 verloren. Eine gewisse Verfestigung der Schmelze 18 tritt als ein Film
auf den Rücken 13 auf. Dieser Film ist so wenig anhaftend bzw. haftet nicht an,
daß er aufgrund seines eigenen Gewichtes zurück in die Schmelze 18 unmittelbar,
nachdem die Matrize 2 die Schmelze verläßt, zurückfällt, wie es bei 22 veranschaulicht
ist. Somit ist bei allen praktischen Anwendungsfällen das einzige Metall, das effektiv
die Schmelze 18 verläßt, das in den Hohlräumen 4 verfestigte Metall. Durch den Buft-Uberdruck
in der Luftkammer 14 wird das Gußstück 24 aus der Gußform ausgestoßen und das Kühlen
des Hohlraumes 4 für den nächsten Zyklus begonnen. Die Gußstücke 24 werden durch
irgendein geeignetes Mittel, beispielsweise ein Förderband 26 für eine Bewegung
zu einem anderen Ort aufgefangen.
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Bei einem besonderen Beispiel der Erfindung werden altershärtbare
bzw. vergütbare Blei-Säure-Akkumulator-Gitter mit geringem Antimongehalt hergestellt.
Die Natrizentrommel ist aus einem porösen gesinterten Bronzezylinder hergestellt,
der mit einer Schicht aus undurchlässigem Kupfer mit einer Dicke von etwa 1 mm (0,04
inch) bescfrichtet worden ist.
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Ein Guß-Hohlraum in der Form des in den Zeichnungen dargestellten
Gitters ist durch die Kupferschicht und in den porösen Bronzezylinder bis zu einer
Tiefe von etwa 0X75 mm (about 0.03 inch) in die poröse Bronze geschnitten bzw. gefräst
worden. Eine Vielzahl von Streifen mit einer Breite von etwa 0,38 mm (0,015 inch
wide) und einer Tiefe von-0,18 mm (0,007 inch) sind in die Kupferschicht mit einer
Dichte von 16 Streifen pro Zell bzw. 6,5 Streifen pro cm gekratzt bzw. gerissen
worden. Die Matrize 2 wird etwa 1,6 mm (about one sixteenth of an inch) in eine
Bleilegierungsschmelze mit einer Temperatur von etwa 3400C (650°F) eingetaucht,
die 0,05 ffi Antimon enthält, und die Drehung beginnt. Luft bei Raumtemperatur mit
einem Druck von etwa 2 kg/cm2 (60 psi) wird durch die porösen Wände des Hohlraumes
für etwa 15 sec gedrückt, wenn diese über die Kammer 14 hinweggehen. Dadurch wird
der Hohlraum unter die Solidustempentur der Schmelze abgekühlt. Wenn die Oberfläche
der Trommelmatrize sich in Berührung mit der Schmelze dreht, heizen sich die Spitzen
der Rücken oder Erhebungen schnell auf eine Schmelzen-Metall-Ablöse-Temperatur auf,
wobei sich der verbleibende Teil der Schicht langsamer durch Wärmeleitung von den
Erhebungen aus aufheizt. Ein Vakuum bzw. Unterdruck von etwa 12,5 bis 25 cm (about
5 to 10 inches) Wassersäule wird in der Kammer 16 auf rechterhalten, und wenn sich
die Matrize 2 unter die Kammer 16 dreht, wird Schmelzenmetall in die GuB-Hohlräume
gesaugt. Die Berührung mit der Schmelze dauert nur etwa 1/2 sec, bevor sich die
Matrize aus der Berührung heraus dreht und das Guß stück 24 mit sich nimmt, Wenn
sich die Guß-Hohlräume über die Luftkammer 14 drehen, werden die Gußstücke freigeblasen.