DE2508293A1

DE2508293A1 - Verfahren zum druckgiessen von metallen mit hohem schmelzpunkt

Info

Publication number: DE2508293A1
Application number: DE19752508293
Authority: DE
Inventors: Raymond Cooksey; Roland George Ronald Sellors
Original assignee: GKN Group Services Ltd
Current assignee: GKN Group Services Ltd
Priority date: 1974-02-27
Filing date: 1975-02-26
Publication date: 1975-08-28
Also published as: JPS50124831A; GB1476433A; US4013115A; FI750526A; SE7502263L; FR2262269B1; IN142163B; JPS5817699B2; FR2262269A1; IT1033238B; SE416525B

Description

G.K.N. GROUP SERVICE.S LIMITED in Smethwick, Warley in the County of Worcester, (GROßBRITANNIEN)

Verfahren zum Druckgießen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Druckgießen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt, z.B. Eisenmetallen, bei dem ein Schuß geschmolzenen Metalls unter Druck in einen Formhohlraum überführt wird, der zwischen trennbaren und wiederholt benutzbaren Formhälften gebildet ist. Der Schuß geschmolzenen Metalls wird in den Formhohlraum unter Druck längs einer Druckkammer mittels eines darin beweglichen Kolbens eingebracht, wobei die Druckkammer an einem Ende mit dem Formhohlraum in Verbindung steht und so ausgebildet ist, daß sie an einer Eingabestation, die von dem Ende der Druckkammer längs Abstand aufweist,den Schuß " geschmolzenen Metalls aufnimmt, der dann durch den Kolben längs der Druckkammer in den Formhohlraum überführt wird.

Zur Bereitstellung des für jeden Schuß erforderlichen geschmolzenen Metalls ist oberhalb der Eingabestation der Druckkammer ein geeigneter Induktionsofen vorgesehen, in dem ein Schmelzkörper aus festem Metall so angeordnet wird, daß er eine Ausflußöffnung im Boden des Ofens abdichtet. Wenn elektrischer Strom durch die Spule des Ofens fließt, schmilzt der Schmelz-

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körper fortschreitend von oben nach unten auf, wobei der die Ausflußöffnung im Boden des Ofens abdichtende Teil des Schmelzkörpers der zuletzt schmelzende Teil ist und der Schmelzkörper dementsprechend seine eigene Abdichtung bildet,bis er zur Gänze aufgeschmolzen ist. Zur Erzielung einer hohen Produktionsgeschwindigkeit ist es notwendig, den Schmelzkörper rasch aufzuheizen. Die benötigte Wärmemenge Verursacht jedoch einen hohen Überhitzungsgrad in dem geschmolzenen Metall und eine relativ große Turbulenz in der Schmelze. Um gleichmäßige Betriebsbedingungen zu erreichen, ist es erforderlich, sowohl den Überhitzungsgrad als auch die Turbulenz zu steuern. Dieses Erfordernis steht jedoch der zur Erzielung eines schnellen Aufschmelzen des Schmelzkörpers und der gewünschten Produktionsgeschwindigkeit direkt entgegen.

Der Überhitzungsgrad wird von der Anordnung des Schmelzkörpers gegenüber der Ofenspule und von der in die Spule eingeleiteten elektrischen Leistung beeinflußt. Bisher ist es schwierig gewesen, geringe Uberhitzungsgrade ohne lange und den Ausstoß verringernde Schmelzzeiten zu erzielen.

Die Erfindung bezweckt demgemäß die Schaffung eines Verfahrens zum Druckgießen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt, bei dem das vorerwähnte Problem überwunden oder reduziert ist.

_o Nach der Erfindung wird ein Verfahren:·zum Druckgießen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt vorgeschlagen, bei dem ein fester Schmelzkörper in einem elektrischen Induktionsofen eingebracht wird, der oberhalb der Eingabestation einer Druckkammer angeordnet ist, der mit einem zwischen zwei trennbaren und wiederholt benutzbaren Formhälften gebildeten Formhohlraum in Verbindung steht und bei dem in einer ersten Schmelzstufe eine relativ starke Wärmeaufbringung auf

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den Schmelzkörper mit relativ hoher Leistung stattfindet, um den Schmelzkörper teilweise aufzuschmelzen, bei dem dann, in einer zweiten Schmelzstufe, die vor dem vollständigen Aufschmelzen des Schmelzkörpers beginnt, eine verringerte Warmeaufbringung mit verringerter Leistung stattfindet, die verursacht, daß der Inhalt des Ofens in die Druckkammer entleert wird, wenn der Schmelzkörper vollständig aufgeschmolzen ist, und bei dem dann das geschmolzene Metall längs der Druckkammer unter Druck in den Formhohlraum überführt wird.

In der ersten Schmelzstufe wird genügend Wärme auf den Schmelzkörper übertragen, um ihn aufzuschmelzen und einen Teil des Schmelzkörpers auf eine Temperatur zu überhitzen, so daß in der zweiten Schmelzstufe das Aufschmelzen des Schmelzkörpers bis zu Ende durchgeführt werden kann, während der Überhitzungsgrad in dem vollständig geschmolzenen Schmelzkörper in akzeptablen Grenzen bleibt. Die Wärme wird in der ersten Schmelzstufe mit einer relativ großen Leistung aufgebracht, um eine annehmbar kurze Schmelzzeit und somit eine annehmbar hohe Produktionsgeschwindigkeit zu erreichen. Wegen der relativ hohen Warmeaufbringung in der ersten Schmelzstufa kann die Leistung bei der Warmeaufbringung in der zweiten Schmelzstufe auf einen Betrag reduziert werden, bei dem die Turbulenz in akzeptablen Grenzen bleibt, wobei das Schmelzen innerhalb einer annehmbar kurzen Zeit vollendet wird.

Mit einer "relativ starken Warmeaufbringung" ist eine Wärmeaufbringung gemeint, die ungefährt in dem Bereich von 100$ bis 60% der gesamten Warmeaufbringung auf den Schmelzkörper liegt, während mit einer "verringerten Wärmeaufbringung" eine Warmeaufbringung gemeint ist, die ungefähr in dem Bereich von 0 bis kO% der gesamten Wärmeaufbringung beträgt. Die Summe der Wärmeaufbringungen ist so bemessen, daß ein annehmbarer Betrag an Überhitzung beim Gießen vorliegt.

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Die gesamte Wärmeaufbringung pro Gramm kann durch den Ausdruck festgelegt werden: .

H₁. = Hg + L + S,

worin B^ - gesamte Wärmeaufbringung in Kalorien/Gramm Hg = freie Wärmemenge in Kalorien/Gramm L = latente Schmelzwärme in Kalorien/Gramm S Überhitzungswärmemenge in Kalorien/Gramm.

Mit "Leistung der Wärmeaufbringung" ist die Wärmeaufbringung pro Zeiteinheit in Kalorien/Gramm/ Sekunden gemeint.

Mit "verringerter Leistung der Wärme auf bringungi¹-ist eine Leistung gemeint, die nicht größer als diejenige Leistung ist, bei der beim Vergießen der Schmelze eine nicht mehr akzeptable Turbulenz vorhanden ist, beispielsweise 4 Kalorien/Gramni/Sekunde.

. Mit einer "relativ hohen Leistung der Wärmeaufbringung" ist eineLLeistung gemeint, die nicht größer ist als diejenige Leistung, bei der eine nicht mehr akzeptable Turbulenz des im Ofen aufschmelzenden Metalls vorhanden ist. Diese Leistung ist nicht geringer als das 2,5-faohe und vorzugsweise nicht geringer als das 7-fache der verringerten Leistung,

Der Schmelzkörper kann so angeordnet werden, daß ein oberer Teil innerhalb des induktiven Feldes sich befindet, welches innerhalb der Induktionsspule des Ofens erhalten wird, während ein unterer Teil nach unten aus der Spule und dem induktiven Feld vorsteht.

Die Wärmeaufbringung auf den Schmelzkörper kann durch Veränderung der der Spule des Induktionsofens mitgeteilten elektrischen Leistung und/oder der Zeit, während deren diese Leistung aufgebracht wird, verändert werden. Die Leistung der Wärmeaufbringung auf den

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Schmelzkörper kann durch die der Spule aufgegebene elektrische Leistung gesteuert werden. Die Erfindung wird nun im Einzelnen an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Druckgußmaschine, in der das erfindungsgemäßaVerfahren ausgeführt werden kann;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ofens der Maschine nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

In Fig. 1 ist eine Druckgußmaschine dargestellt, die trennbare und wiederholt benutzbare Formhälften 10 umfaßt, die zusammen einen Formhohlraum 11 bilden und an einer Trennebene "χ" getrennt werden können.

Eine der Formhälften 10 wird von einem auf dem Maschinenbett 13 vorgesehenen Träger 12 getragen. Die andere Formhälfte 10 ist beweglich und von einer gleitenden Platte 14 getragen, die entlang der horizontalen Säulen 15 verschiebbar ist, die gegenüber dem Maschinenbett IJ fest angeordnet sind. Die gleitende Platte 14 wird längs der Säulen 15 mittels eines als Ganzes mit 16 bezeichneten Kniehebelmechanismus bewegt, Der Kniehebelmechanismus 16 wird von einer Kolben/Zylindereinheit 17 betätigt.Von der Kolben/ Zylindereinheit 17 erstreckt sich eine Verbindungs.- stange 18 zu dem Kniehebelmechanismus 16. Ebenfalls fest auf dem Maschinenbett IJ ist eine Kolben/Zylindereinheit 19 angeordnet, die eine Kolbenstange 20 zur Betätigung des nicht dargestellten Kolbens einer Druckkammer 21 in der üblichen Weise aufweist.

Das geschmolzene Metall wird in die Druckkammer 21 an einer Eingabestation 22 von einem Induktionsofen 23 aus eingegeben. Der Induktionsofen 23 umfaßt einen Tiegel 24 mit einer Ausflußöffnung 25 an seinem unteren Ende, die oberhalb der Eingabestation 22 angeordnet ist. Der Tiegel 24 ist von einer elektrischen

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Induktionsspule 26 umgeben.

Ein zylindrischer aufzuschmelzender Schmelzkörper 27 wird in dem Tiegel 24 so angeordnet, daß die untere Endfläche 28 des Schmelzkörpers die Ausflußöffnung 25 verschließt und daß der untere Teil des Schmelzkörpers 27 nach unten aus der Spule 26 und somit aus dem innerhalb der Spule erhaltenen induktiven Feld vorsteht.

Bei..dem zum Stand der Technik gehörenden Verfahren wurde beispielsweise ein zylindrischer Schmelzkörper aus korrosionsfestem 18/8-Stahl von etwa 3,8 cm Durchmesser und 0,8 kg Gewicht in den Ofen 23 eingesetzt und mit einer elektrischen Leistung an der Induktionsspule 26 von etwa 50 kw aufgeheizt, wobei die Leistung im wesentlichen konstant blieb (geringe Änderungen sind auf die Änderungen der magnetischen Eigenschaften des Schmelzkörpers während des Schmelzens zurückzuführen).

Die elektrische Leistung wurde kontinuierliche aufgebracht und der Schmelzkörper war 44 Sekunden nach seiner Einbringung in den Ofen 2J aufgeschmolzen. Das Metall war 110° über seinen Schmelzpunkt überhitzt. Es wurde dabei festgestellt, daß, nach^dem der Schmelzkörper vollständig geschmolzen war und die Schmelze sich aus dem Ofen entlud, das Metall sehr turbulent war und das Gießen nicht zufriedenstellend vonstatten ging, wobei das Metall die Neigung hatte, nach außen zu verspritzen und ein Teil der Charge nicht in die Eingabestation 22 der Druckkammer eintrat.

In einer ersten Ausflhrungsform der Erfindung wurde ein ähnlicher Schmelzkörper in dem Induktionsofen in der ersten Schmelzstufe mit einer Leistung von 70 kw aufgeheizt, die während 28 Sekunden auf die Spule gegeben wurden, nach welcher Zeit der Schmelzkörper noch nicht vollständig aufgeschmolzen war. Es wurde ermittelt, daß dabei auf den Schmelzkörper 245

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cal/gm mit einer Leistung von 8,73 cal/gm/sec aufgebracht worden warai.Die Leistung wurde dann, auf 20 kw verringert, und diese verringerte Leistung wurde aufrechterhalten, bis der Schmelzkörper vollständig geschmolzen war, was nach einer Zeitdauer von 13 Sekunden nach der Verringerung der Leistung eintrat. In der zweiten Schmelzstufe wurden 33 cal/gm mit einer Leistung von 2,57 cal/gm/sec.aufgebracht.

Die gesamte Schmelzzeit betrug 41 Sekunden und der erzielte Überhitzungsgrad war 4o°C oberhalb des S chme1zpunkte s.

Der Gießvorgang war vollständig zufriedenstellend. Es lag keine Neigung zum Verspritzen des Metalls vor, und alles geschmolzene Metall, welches des Ofen verließ, trat auch in die Eingabestation ein. Eine geringe Turbulenz verblieb in dem geschmolzenen Metall während des Gießens, wodurch eine durch Mischung der Charge und somit eine gleichmäßige Temperatur gewährleistet wurden.

In einem zweiten Beispiel wurde ein zylindrischer Schmelzkörper aus korrosionsfestem 18/8-Stahl von etwa 3*8 cm Durchmesser und im Gewicht von 1,4 kg eingesetzt. Der Schmelzkörper wurde nach der erfindungsgemäßen Weise aufgeheizt. In der ersten Schmelzstufe wurde eine Leistung von l4o kw für 20 Sekunden aufgebracht. Es wurde bestimmt, daß 260 cal/gm mit einer Leistung von 10,4 cal/gm/sec. aufgebracht worden warsrj. In der zweiten Schmelzstufe wurden 25 kw angewendet, und der Schmelzkörper schmolz nach 12 Sekunden. In der zweiten Schmelzstufe wurden 18 cal/gm mit einer Leistung von 1,4 cal/gm/sec,aufgebracht.

Die Schmelzzeit betrug 37 Sekunden_?der Über-' hitzungsgrad war 4o°C oberhalb des Schmelzpunktes, und es war wiederum der Gießvorgang vollständig zufriedenstellend.

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In einem dritten Beispiel wurde ein den ersten beiden Beispielen ähnlicher Schmelzkörper von 1 kg Gewicht verwendet. Zunächst betrug die Leistung 120 kw für 25 Sekunden. Es wurde bestimmt, daß dabei 2β1 cal/gm mit einer Leistung von 10,3 cal/gm/sec. aufgebracht worden waren.

Dann wurde die Leistung auf 45 kw für 5 Sekunden verringert. In der zweiten Schmelzstufe wurden 19 cal/gm mit einer Leistung von 3,89 cal/gm/sec aufgebracht.

Die gesamte Schmelzzeit betrug J50 Sekunden, und der erzielte Überhitzungsgrad war 60°C oberhalb des Schmelzpunktes. Wiederum war der Gießvorgang gänzlich zufriedenstellend.

Als Ergebnis der obigen und weiterer Versuche wurde ermittelt, daß in der ersten Schmelzstufe zwischen 64,5 und 447 cal/gm mit einer Leistung im Bereich von 4,3 bis 14,9 cal/gm/sec aufgebracht werden können. In der zweiten Schmelzstufe können 0,74 bis 60 cal/gm mit einer Leistung im Bereich von 0,37 bis 4,0 cal/gm/sec aufgebracht werden. Die vorstehenden Daten sind in erster Linie auf korrosionsfeste Stähle, aber auch generell auf Metalle mit hohem Schmelzpunkt anwendbar.

Es wurde ferner festgestellt, daß für einen Schmelzkörper mit einem Gewicht im Bereich von 0,6 bis 1,5 kg zunächst eine Leistung im Bereich von 50 bis 200 kw für 15 bis 30 Sekunden aufgebracht werden sollen. Danach soll die Leistung auf einen Wert im Bereich von 5 bis 40 kw für eine Zeit von 2 bis 15 Sekunden verringert werden.

Ein Arbeiten in diesen Bereichen ergibt Gesamtschmelzzeiten im Bereich von 17 bis 45 Sekunden mit überhitzungen im Bereich von 20⁰C bis 100⁰C.

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Die vorstehend zitierten Zahlen dienen nur als Beispiel. Sie werden von Parametern wie Gestaltung der Spule, Anordnung des Schmelzkörpers innerhalb der Spule,der Art des Materials, aus dem die entscheidenden Komponenten bestehen und der Art und dem Gewicht des zu schmelzenden Materials beeinflußt.

Das Verfahren der Erfindung steuert nicht nur die Überhitzung, sondern verbessert auch die Qualität des Gusses, insofern weniger Verspritzen und Vertropfen stattfindet. Es wird angenommen, daß dies auf die geringere Leistungsaufbringung unmittelbar vor dem Vergießen zurückzuführen ist, wodurch weniger Turbulenz entsteht.

Obwohl in den vorstehenden Beispielen eine zweistufige Arbeitsweise beschrieben worden ist, kann gewünsch tenfalls auch mehr als eine Verringerung der Mstung vorgenommen werden, beispielsweise zwei,drei oder mehr.

In dieser Beschreibung bedeutet der Ausdruck "Metalle mit hohem Schmelzpunkt" Metalle mit einem Schmelzpunkt nicht unterhalb etwa 1200⁰C. Typische Metalle dieser Art sind StäHle, Gußeisen und Legierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis.

Obwohl in der zweiten bzw. letzten Schmelzstufe die Wärmeaufbringung bis auf Null reduziert werden kann, ist vorzuziehen, daß ein Minimum von 4 bis 5# der gesamten Wärmeaufbringung in der zweiten Stufe vonstatten geht, um Kühlverluste auszugleichen und eine geringe Turbulenz zu gewährleisten, um die Schmelze durchzumischen und eine in der ganzen Schmelze konstante Temperatur aufrechtzuhalten.

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Claims

G.K.N. GROUP SERVICES LIMITED in Smethwiek, Warley in the County of Worcester, (GROßBRITANNIEN) Patentansprüche.

1. Verfahren zum Druckgießen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt, bei dem ein fester Schmelzkörper in einen elektrischen Induktionsofen eingebracht wird, der oberhalb der Eingabestation einer Druckkammer angeordnet ist, die mit einem zwischen zwei trennbaren und wiederholt benutzbaren Formhälften gebildeten Formhohlraum in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Schmelzstufe eine relativ starke Wärmeaufbringung auf den Schmelzkörper mit relativ hoher Leistung stattfindet, um den Schmelzkörper teilweise aufzuschmelzen, daß dann in einer zweiten Schmelzstufe, die vor dem vollständigen Aufschmelzen des Schmelzkörpers beginnt, eine verringerte Wärmeaufbringung mit verringerter Leistung stattfindet, die verursacht, daß der Inhalt des Ofens in die Druckkammer entleert wird, wenn der Schmelzkörper vollständig aufgeschmolzen ist, und daß das geschmolzene Metall längs der Druckkammer unter Druck in den Formhohlraum überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper so angeordnet wird, daß ein oberer Teil sich in dem innerhalb der Induktionsspule des Ofens erhaltenen induktiven Feld be-

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findet, während ein unterer Teil nach unten aus der Induktionsspule und dem induktiven Feld hervorsteht.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper so in dem Ofen angeordnet-'wird, daß er eine Ausgießöffnung im Boden des Ofens abdichtet, und daß der Schmelzkörper fortschreitend von oben nach unten aufschmelzen gelassen wird, so daß der die Ausgießöffnung abdichtende Teil des Schmelzkörpers der zuletzt schmelzende Teil ist und der Schmelzkörper seine eigene Abdichtung bildet, bis er ganz aufgeschmolzen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Schmelzstufe zwischen 64,5 und 447 cal/gm mit einer Mstung im Bereich von 4,3 bis 14,9 cal/gm/sec und in einer zweiten Schmelzstufe zwischen 0,74 und 60 cal/gm mit einer Leistung im Bereich von 0,37 bis 4,0 cal/gm/sec aufgebracht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis %, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper ein Gewicht im Bereich von 0,6 bis 1,5 kg aufweist, daß Anfangs eine elektrische Leistung im Bereich von 50 bis 200 kw über einen Zeitraum vom 15 bis 30 Sekunden aufgebracht wird, um das Aufschmelzen des Schmelzkäse rs einzuleiten, und daß dann die elektrische Leistung für einen Zeitraum von 2 bis 15 Sekunden auf einen Wert im Bereich von 5 bis 40 kw verringert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schmelzkörper aus korrosionsfestem Stahl Verwendung findet.

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