DE2559142A1

DE2559142A1 - Verfahren zum schmelzen und schleudergiessen unter vakuum von metallen, vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens und mit dem verfahren erhaltene gusstuecke

Info

Publication number: DE2559142A1
Application number: DE19752559142
Authority: DE
Inventors: Pierre Lajoye
Original assignee: BRONZES D INDUSTRIES SA
Current assignee: BRONZES D INDUSTRIES SA
Priority date: 1975-01-02
Filing date: 1975-12-30
Publication date: 1976-07-08
Also published as: FR2296483B1; NL7515248A; DE2559142C2; US4763717A; ZA7615B; GB1535121A; BE837225A; BR7600021A; FR2296483A1; JPS5193727A; CH599816A5; IT1052054B

Description

DR. INQ. HANS LICHTI - DIPL-INQ. HEINER LICHTI

PATENTANWÄLTE

D-75OO KARLSRUHE 41(GROTZI N G EN) ■ DUR LACH ER STR. 31 (HOCH HAUS)

TELEFON (0721) 4851i

29. Dezember 1975 3441/75

Pierre LAJOYE, Montigny les Metz (Moselle)/Frankreich, 40 rue Charles de Gaulle

und

LES BRONZES D¹INDUSTRIE S.A., Amneville (Moselle)/Frankreich, 26 rue de la Republique

Verfahren zum Schmelzen und Schleudergießen unter Vakuum von Metallen, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und mit dem Verfahren erhaltene Gußstücke

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen und Schleudergießen von Metallen oder Legierungen. Sie bezieht sich insbesondere auf stark oxydierende Metalle. Zur Durchführung des Verfahrens wird eine alle Verfahrensstufen integrierende Vorrichtung vorgeschlagen.

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In der FR-PS 1 587 187 ist ein Verfahren zur Versorgung einer Schleudergießform aus der Schmelze beschrieben, die insbesondere zum Gießen von massiven Gußstücken dient. In der FR-PS 1 587 403 ist weiterhin ein Verfahren zum Schleudergießen beschrieben, bei der anläßlich des Füllens der Form die Bildung von unerwünschten Turbulenzen und Wirbeln vermieden wird. Die hiermit hergestellten Gußstücke besitzen einen zylindrischen Hohl/^raV^mSchließlieh ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden (französische Patentanmeldung 69 28 972 vom 25.8.1969 der Anmelderin), bei dem ein zentrischer Hohlraum der Gießform während des Schleudergießens beheizt wird. Man hält auf diese Weise das Metall auf einer geeigneten Temperatur, um die sich während des Erstarrens bildenden Hohlräume fortschreitend zu versorgen. Dabei wird die Qualität der erhaltenen Gußstücke aus oxydierenden Metallen dadurch verbessert, daß die Gießform während des gesamten Gießvorgangs einer ständigen Entgasung unterworfen wird.

Es sind ferner Schleudergießformen bekannt, bei denen die Schleuderform aus der Schmelze in nicht turbulenter Strömung unter Vakuum gespeist wird. In allen Fällen jedoch wird das Metall außerhalb der Gießform erschmolzen und anschließend die Schmelze in die Einspeisevorrichtung der Schleudergießmaschine umgefüllt.

Der Erfindung ist die Aufgabe gestellt, die bekannten Schleuder— gießverfahren dahingehend zu verbessern, daß die Bildung von Metalloxyden oder anderen unerwünschten chemischen Verbindungen während des Schmelz- und des Gießvorgangs vermieden wird. Damit sind insbesondere Metalle und Legierungen angesprochen, die leicht oxydieren oder sich leicht mit anderen chemischen Elementen verbinden.

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Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung in der Verwendung einer kompakten Schmelz- und Schleudergießeinheit, die aus einer um eine vertikale Achse beweglichen Gießform gebildet ist, die mit einem dicht abgeschlossenen unteren Raum, der einen Schmelzofen für das Metall aufweist, verbunden ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß der Raum des Schmelzofens und die Gießform ständig während der gesamten Schmelzdauer des in dem axial beweglichen Schmelzofen enthaltenen Metalls unter Vakuum gesetzt und daß der Schmelzofen in seiner unteren Stellung gehalten wird, derart, daß das untere Ende eines zur Versorgung der Gießform aus der Schmelze dienenden Kanals oberhalb des Schmelzbadspiegels angeordnet ist.

Der gesamte Schmelzvorgang findet vollständig unter Vakuum . statt, so daß die Bildung von Oxyden oder anderen chemischen Verbindungen vermieden wird. Da in der unteren Stellung des Schmelzofens die Gießform mit dem Schmelzbad nicht in Verbindung steht, kann das Gießen aus der Schmelze während des Anheizen^ des Schmelzofens nicht stattfinden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung, wird dann, wenn das Schmelzbad seine Gießtemperatur erreicht hat, der Schmelzofen angehoben, bis das untere Ende des vertikalen Gießkanals der Gießform in das im Schmelzofen enthaltene Metallbad eintaucht, das auf der für das Schleudergießen gewünschten Temperatur gehalten wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die S ,··:?■ schwindigkeit des flüssigen Metalls in der zunächst un^.^ten, dann in Drehung versetzten Form verändert. Zu diesem Zweck wird die Menge eines Gases, das in den den Schmelzofen aufweisenden Raum eingespeist wird, geregelt. Es ist verständlich, daß bei

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einer Schleudergießform, die unter Vakuum gehalten und über einen in das Metallbad eintauchenden Kanal gefüllt wird, die Steiggeschwindigkeit des Metalls in dem Kanal mit der Höhe der oberen Gießform und dem Niveau des Schmelzbades im unteren Ofen, mit der Dichte des zu gießenden Metalls oder der Legierung und mit der Druckdifferenz zwischen der oberen Gießform und dem unteren Raum sich ändert. Indem die in den ortsfesten dichten Raum eingespeiste Gasmenge geregelt wird, kann auch die Entwicklung der Steiggeschwindigkeit des flüssigen Metalls zwischen dem Schmelzofen bis zur Schleudergießform verändert werden. Insbesondere kann diese Regelmöglichkeit dazu herangezogen werden, um das Schleudergußstück, insbesondere aber die Lunker, die während des Erstarrungsvorgangs an dem Gußstück entstehen können, ständig mit frischer Schmelze zu versorgen'.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Qualität des Gußstücks dadurch verbessert, daß die Gießform während des gesamten Gießvorgangs entgast wird, um insbesondere den Sättigungsdampfdruck des Metalls bzw. der Legierung bei der Gießtemperatur zu eliminieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von ring- oder rohrförmigen Gußstücken aus leicht oxydierenden Metallen, die nicht bei Anwesenheit von Luft erschmolzen werden können, z.B. Titan, Magnesium und ihre Legierungen, bestimmt.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung vorgesehen, die einen dicht abgeschlossenen, ortsfesten Raum aufweist, der einen in senkrechter Richtung axial beweglichen Schmelzofen enthält. Oberhalb dieses Raums ist eine drehbare Gießform angeordnet, die einen vertikalen axialen Kanal besitzt, der in

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den vorgenannten Raum und in den Schmelzofen eingreift. Die Dichtigkeit zwischen den ortsfesten und den beweglichen Teilen der Vorrichtung ist durch ein entsprechendes Drehlager im oberen Teil des Raums gewährleistet. Das Entgasen der Gießform während des Schleudergießens erfolgt durch ein zweites dichtes Drehlager. Das in den geschlossenen Raum während des Eintauchens

eingespeiste Gas des Kanals in das erschmolzene Metal!bad/wird im allgemeinen ein gegenüber dem zu schmelzenden Metall bzw. der Legierung neutrales Gas sein.

Schließlich ist nach einem weiteren Merkmal vorgesehen, daß die Dichtheit des Drehlagers zwischen dem ortsfesten Raum und dem vertikalen, in Drehung versetzten Kanal durch eine Sicherheitseinrichtung gewährleistet wird, die aus einer außerhalb des Raums angeordneten dichten Kammer zwischen dem ersten Drehlager und einem dritten dichten Drehlager besteht. Diese Kammer ist unter Druck mit einem neutralen Gas gefüllt, so daß selbst dann, wenn das erste Drehlager leckt, nur eine gewisse Menge eines neutralen Gases in den den Vakuum-Schmelzofen enthaltenden Raum eindringen kann.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Schmelz— und Gießvorrichtung unter Vakuum während des Schmelzvorgangs;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung vor dem Gießvorgang;

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Fig. 3 eine den Fign. 1 und 2 ähnliche Darstellung während des Gießvorgangs;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung der Sicherheitseinrichtung und

Fig. 5 ein Diagramm, aus dem die Abhängigkeit zwischen der Steiggeschwindigkeit des flüssigen Metalls und der Menge des in dem unteren Raum befindlichen Gases ersichtlich ist.

In Fig. 1 ist eine Gießform 1 mit vertikaler Achse 2 gezeigt, um welche die Gießform mittels bekannter Antriebe drehbar ist. Die zylindrische Innenwandung 3 der Gießform umgrenzt ein Volumen 7. Eine vertikale, axial hohl ausgebildete Welle 4 erstreckt sich von der Gießfonn 1 nach unten und ist mit der Form einstückig. Diese Hohlwelle bildet einen Kanal 9, über den der Schleuderraum 7 mit einem unteren Raum 6 in Verbindung steht. Dieser untere Raum 6 enthält einen Schmelzofen, der beispielsweise aus einem Tiegel 10 aus feuerfestem Werkstoff besteht. Der Tiegel 10 sitzt auf einem in axialer Richtung von oben nach unten beweglichen Träger 11. Der Tiegel 10 kann beispielsweise durch ein induktives Heizungssystem 12 auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Die Oberseite des Tiegels 10 ist durch einen Deckel 13 abgeschlossen, der eine zentrische Öffnung 14 für den Durchgriff des unteren Endes 15 des vertikalen Kanals 9 aufweist. Der Raum 6 kann über Ventile 16 und 17 unter Vakuum gesetzt oder aber mit einem Gas unter geregeltem Druck gefüllt werden. Die Welle 4, der Kanal 9 und die Gießform 1 können um ihre Achse rotieren, während der

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Raum 6 ortsfest ist. Die Dichtheit zwischen den drehenden und den festen Teilen der Vorrichtung ist durch ein erstes Drehlager 18 gewährleistet, welches zwischen der Wandung des Raums 6 und der Wandung des Kanals 9 angeordnet ist. Ein zweites Drehlager 19 ist an dem Deckel 20 der Gießform 1 angeordnet und mit einer Vakuumpumpe verbunden. Schließlich können ein oder mehr dicht abschließbare Öffnungen in der Wandung 21 des Raums 6 vorgesehen sein, um das Metall oder die Legierung in den Schmelztiegel, der mit einem Heizungssystem, z.B. einer Induktionswicklung 12 versehen ist, eingeben zu können. Die gesamte Schmelzeinrichtung wird innerhalb des Raums 6 anläßlich der Herstellung der Vorrichtung montiert. Sie kann mittels eines beweglichen, ferngesteuerten Trägers 11 angehoben und abgesenkt werden.

Zur Durchführung des Verfahrens wird die Vorrichtung wie folgt betrieben:

Erste Stufe: Die Gießform 1 und die Hohlwelle 4 sind stillgesetzt. Sie stehen über das Drehlager 18 mit dem Innenraum des Behälters 6 in offener Verbindung. Über eine nicht dargestellte Öffnung wird in den Behälter das zu erschmelzende Metall bzw. die Legierung eingeführt und in dem Schmelztiegel abgelegt. Die Öffnung wird alsdann verschlossen. Damit ist der Innenraum des Behälters 6 gegenüber der Umgebungsluft dicht abgeschlossen. Das Gas-Eingangsventil bleibt geschlossen. Die mit einer Vakuumpumpe verbundenen Ventile 17 und/oder 24 werden geöffnet, so daß in dem Behälter 6 und in der mit ihm ■■ ■ !-b¹"·-■*-■ r, Schleuderform 7 sich Unterdruck aufbaut. Der ferngeste * Träger 11 des Schmelztiegels befindet sich in seiner untereren Stellung, so daß das unterste Ende 15 des Kanals 9 außerhalb des Schmelztiegels angeordnet ist.

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Ist der gewünschte Unterdruck erreicht, so wird die Schmelzofenheizung angeschaltet, um die Temperatur im Tiegel 10 zu erhöhen und an den Schmelzpunkt des in dem Tiegel enthaltenen Metalls 25 heranzuführen. Während der gesamten Schmelzdauer bleibt die an die Ventile 17 und/oder 24 angeschlossene Vakuumpumpe in Betrieb, während der ferngesteuerte Träger 11 In seiner unteren Stellung iPIg» i) gehalten wird. In dieser ersten Verfahrensstufe wird ausschließlich das Metall 25, welches nicht in Verbindung mit dem Versorgungskanal der Gießform steht, erschmolzen,

Zweite Stufe« Hat das Metall 25 seine Gießteraperatur erreicht, wird der Schmelzofen mit dem Schmelzbad nach oben bewegt, indem der ferngesteuerte Träger 11 entlang einer vertikalen, nicht gezeigten Führung angehoben wird. Das untere Ende 15 des Versorgungskanals 9 ist dann in das Metallbad 25 eingetaucht <Pig. 2).

Dritte Stufe: Es wird das Gas-Eingangsventil 16 geöffnet, so daß das Gas in den Innenraum des Behälters 6 eindringt. Die Gießform 7 hingegen wird unter Vakuum gehalten, d.h. auf einem Minimaldruck P~, während der Druck in dem Behälter 6 durch das über das Ventil 16 einström· nde Gas auf den Wert P^., der über Pq liegt, ansteigt. Der Druckunterschied (P^ - Pq) läßt das flüssige Metall 25 in den Innenraum 7 der Kokille 1 hochsteigen. Auf diese Weise wird ein steigender Guß unter Vakuum erreicht. Die Kokille selbst bleibt zunächst unbewegt. Das Metall 25 wird in dem Schmelztiegel und in dem Versorgungskanal 6, der in herkömmlicher Weise beheizt sein kann, flüssig gehalten.

Wenn dieser Gießvorgang eingeleitet wird, wird die Kokille um ihre vertikale Achse 2 in Drehung versetzt. Aufgrund der Drehung

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der Gießform entsteht durch die auf das flüssige Metall wirkende Zentrifugalkraft ein Rohr 30, das gegen die Innenwandung 3 der sich drehenden Kokille 1 gegossen wird (Fig. 3).

Wie bereits angedeutet, wird nach Einspeisen einer gewissen Gasmenge in den Behälter 6 sich ein Druckunterschied (P,. - P^) zwischen dem abgeschlossenen unteren Volumen 6 und dem abgeschlossenen oberen Volumen 7 einstellen. Naturgemäß wird sich dieser Druckunterschied mit der über die Ventile 16, 17 und 24 strömenden Gasmenge ändern. Nimmt man an, daß die über die Ausgangsventile 17 und 24 abströmende Menge konstant bleibt, so wird die Steiggeschwindigkeit des Metalls durch den Kanal 9 von der über das Eintrittsventil 16 einströmenden Gasmenge abhängen. Diese Menge kann geregelt werden, um die Zuführung von Schmelzflüssigkeit zu dem geschleuderten Gußstück 30 zu steuern. Insbesondere wird man gegen Ende des Gießvorgangs fortschreitend die Lunker, die sich während der Erstarrung des geschleuderten Rohrs 30 bilden, mit Flüssigmetall versorgen, und zwar vornehmlich bei nicht eutektischen Legierungen oder solchen Legierungen, die ein großes Erstarrungsintervall besitzen.

Der für eine gleiche Steiggeschwindigkeit von unterschiedlichen Metallen oder für Vorrichtungen unterschiedlicher Höhe erforderliche Druckunterschied zwischen dem Behälter 6 und dem Innenraum der Gießform 1 steigt mit der Dichte des Metalls bzw. der Legierung und mit dem Abstand, der das Metallbad in dem Schmelzofen von der Schleuderform trennt.

Das Schema gemäß Fig. 5 zeigt drei Kurven, von denen jede die Änderung der Steiggeschwindigkeit des flüssigen Metalls in Abhängigkeit von einer einzigen Variablen wiedergibt. So zeigt

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die Kurve V. die Änderung der Steiggeschwindigkeit mit dem Gasdruck in dem Behälter 6, die Kurven V- und V hingegen zeigen die Abhängigkeit der Steiggeschwindigkeit von der Dichte ei des Metalls bzw. von dem Niveau-Unterschied H zwischen Gießform und Schmelzofen.

Die abgeschlossene Schleuderkokille ist abgedichtet, wobei es im Prinzip ausreicht, das Vakuum nur über ein Ventil 17 anzulegen. So erübrigen sich bei einer einfachsten Ausführungsform das Drehlager 19 und das Ventil 24. Die Funktion bleibt dabei die gleiche wie zuvor beschrieben. Die Vakuum-Schleudergießfcm wird dadurch verwirklicht, daß das untere Ende 15 des Kanals ständig in dem flüssigen Metallbad, das in dem Schmelztiegel, der nicht vollständig entleert wird, enthalten ist, eingetaucht bleibt. Das Drehlager 19 und das Vakuumventil 24 gestatten es, den Sättigungsdampfdruck des Metalls bei der Gießtemperatur zu eliminieren.

In Fig. 4 ist eine Sicherheitseinrichtung gegen das Eindringen von Luft über das Drehlager 18 dargestellt. Diese Einrichtung dient insbesondere zum Gießen von Titan bzw. Titanlegierungen, die unter Luftabschluß erschmolzen werden müssen. Die Einrichtung weist eine dichte Kammer 21 auf, die zwischen dem Drehlager 18 und einem weiteren Drehlager 32 angeordnet ist. Diese Kammer ist mit einem von einem Ventil 34 gesteuerten Eingang und einem mit einem Ventil 36 gesteuerten Ausgang 35 versehen. Die Kammer wird mit einem gegenüber dem Metall oder der zu erschmelzenden Legierung inerten Gas unter einem Druck P gefüllt. Das Erschmelzen und Schleudergießen erfolgt in gleicher Weise wie bereits zuvor beschrieben. Dabei erfüllt die Sicherheitseinrichtung folgende Funktion:

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Wenn das Drehlager 18 ein Leck aufweist, kann nur das in der Kammer 31 enthaltene neutrale Gas in den Behälter 6 gelangen, von dem es über das Ventil 17 abgesaugt wird. Sind beide Drehlager 18 und 32 undicht, so wird in den Behälter 6 eine Gasmischung gelangen, die aus dem Inertgas und einem geringen Anteil Luft besteht.

Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann natürlich die Schmelzeinrichtung und die Heizeinrichtung anders als in der Zeichnung dargestellt, ausgebildet sein. Desgleichen kann die Öffnung des Ventils 16 in Abhängigkeit von dem zu gießenden Metallbad gesteuert werden, derart, daß sich die Steiggeschwindigkeit dieses Bades durch Regelung des Gasdrucks in dem Behälter 6 ändert. Schließlich kann das geschilderte Verfahren für alle Metalle und Legierungen, z.B. für Leichtmetalle oder für leicht oxydierende Metalle eingesetzt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Vakuumschmelzen und Schleudergießen von Metallen oder Legierungen unter Verwendung einer kompakten Vorrichtung mit einer um eine vertikale Achse drehbaren Kokille und einem darunter angeordneten, mit dieser in Verbindung stehenden dichten Behälter, der eine axial bewegliche Schmelzeinrichtung für das Metall aufweist, und mit einem vertikalen Kanal zur Versorgung der Gießform aus dem Schmelzbad, der entweder eingetaucht in dem Metallbad verbleibt oder aber in das Metallbad eingetaucht wird, sobald ein bestimmter Druckunterschied zwischen der unter Unterdruck stehenden oberen Gießform und dem unteren Behälter, in den ein Inertgas eingespeist wird, aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter und die Kokille während des Schmelzens des in dem Schmelzofen enthaltenen Metalls unter Vakuum gesetzt und das untere Ende des vertikalen Kanals während des Schmelzvorgangs außerhalb des völlig unter Vakuum stehenden Schmelzbades gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der Gießtemperatur der das Schmelzbad enthaltende Schmelzofen axial angehoben wird, bis das untere Ende des vertikalen Versorgungskanals der Kokille in das Metallbad eintaucht, das auf der gewünschten Temperatur für das Schleudergießen gehalten wird, während die Steiggeschwindigkeit und die Menge des flüssigen

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Metalls in der Kokille, die alsdann in Drehung versetzt wird, durch Änderung der Menge eines in den den Schmelzofen enthaltenen Behälter eindringenden Gases geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steiggeschwindigkeit des flüssigen Metalls zwischen dem Schmelzofen und der Kokille derart geändert wird, daß fortschreitend die Lunker, die sich an dem Gußstück während des Erstarrungsvorgangs bilden, mit Flüssigmetall versorgt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille während des gesamten SchmelzVorgangs, während des Gießens und schließlich wahrend des Schleuderns des Metalls entgast wird, um den Sättigungsdampfdruck des Metalls bei Gießtemperatur zu eliminieren.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Schleuderkokille mit zentraler Schmelzezuführung und mit einem dichten Behälter, in welchem der Schmelzofen zum Erschmelzen des Metalls angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der dichte Behälter (6) koaxial und unterhalb der Kokille (1) angeordnet und mit dieser unter Zwischenschaltung eines zentralen Versorgungskanals (6) verbunden ist, wobei zur Abdichtung der drehenden Teile gegenüber den unbewegten Teilen Drehlager vorgesehen sind, von denen mindestens eines (18) zwischen dem Kanal (9) und dem dichten Behälter (6) und ein weiteres (19) zwischen dem Deckel der Schleuderkokille (l) und einem mit einer Vakuumpumpe verbundenen Ventil (24) angeordnet ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine die Dichtheit des Behälters gewährleistende Sicherheitseinrichtung, die aus einer zwischen einem ersten und einem dritten Drehlager (18 bzw. 32) angeordneten, mit einem gegenüber dem flüssigen Metall inerten Gas gefüllten Kammer gebildet ist, aus der bei Undichtigkeit des ersten Drehlagers (18) nur Inertgas in den Behälter (6) eindringen kann.

7. Nach dem Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 4 erhaltenes rohr- oder ringförmiges Gußstück, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußstück aus einem Metall oder einer Legierung, die leicht oxydierbar ist oder eine große Affinität zu anderen chemischen Elementen aufweist und im Beisein von Luft nicht erschmolzen werden kann, z.B. aus Titan, Magnesium oder ihren Legierungen hergestellt wird.

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