DE2758350A1

DE2758350A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung der schmelze von metallen und metallegierungen mittels makroschalls

Info

Publication number: DE2758350A1
Application number: DE19772758350
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: PVL PHYSIKALISCHE VERSUCHSANST
Current assignee: PVL PHYSIKALISCHE VERSUCHSANST
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-27
Publication date: 1978-07-06
Also published as: FR2375938A1; BE862424A; GB1594977A; IT1089617B; SE7714591L; CH626282A5

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung der Schmelze von Metallen und Metallegierungen mittels Hakroschalls, das ist Ultraschall großer Amplitude.

Es wurde bereits versucht, die Schmelze von Metallen oder Metallegierungen während des Erstarrungsvorganges einem Ultraschallfeld auszusetzen, jedoch führte dieser Versuch zu keinem brauchbaren Ergebnis, weil es nicht gelang, den Ultraschall ungedämpft oder wenig gedämpft auf die Schmelze zu übertragen. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, mit wirtschaftlichem Aufwand in der Schmelze von Metallen und Metallegierungen ein Makroschallfeld hervorzurufen.

Dies wird dadurch erreicht, daß in der gesamten oder nahezu in der gesamten Schmelze zumindest am Beginn des Erstarrungsvorganges ein Makroschallfeld erzeugt wird. Hiebei kann die Schmelze vor oder während ihres Erstarrungsvorganges durch das Schallfeld hindurchgeführt werden.

Die erfiridungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geht von einer Anordnung mit einem oder mehreren Ultraschallsystemen aus, die jeweils aus einem Konverter und mindestens einem mit diesem direkt oder über ein Zwischenstück verbundenen schwingungsfähigen Übertragungsteil bestehen und besteht darin, daß der Übertragungsteil den Boden, die Wand oder einen ring- bzw. rahmenförmigen Teil der Wand der Gußform bildet.

Die beabsichtigte Wirkung wird somit dadurch erzielt, daß der Makroschall über ein auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallsystems abgestimmtes Zwischenstück, z.B. ein sogenanntes "Horn", unmittelbar auf das zu beschallende Gut übertragen wird. Diese unmittelbare Einwirkung wird erhalten, wenn die Berührungsfläche des Schallsystems mit der Schmelze in einem sogenannten Bewegungsbauch liegt. Ein solcher befindet sich dort, wo

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die VYrrückung der Teilchen in dem, infolge der Ausbildung einer stehenden Welle,schwingenden System am größten ist. Um dies zu gewährleisten,, ist die Länge des jeweiligen Ubertragungsteiles ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge des verwendeten Makroschalls in dem betreffenden Ultraschallsystem.

Durch die erfindungsgemäße Einwirkung von Makroschall während dem Erstarren von Metallen und deren Legierungen aus der Schmelze wird es möglich, einerseits die bisher üblichen Korngrößen, die bei konventionellen Gießprozessen entstehen, also ohne Einwirkung von Makroschall, beträchtlich zu verfeinern, anderseits unerwünschte Gaseinschlüsse, die gelegentlich zu mehr oder minder großen Lunkern in den Metallen und deren Legierungen führen können, zu vermeiden, indem die Einwirkung von Makroschall eine entgasende Wirkung hat und überdies ermöglicht die erfindungsgemäße Einwirkung des Makroschalles eine kontrollierte Vorteilung der Legierungskomponenten in Metalllegierungen, was schließlich die Güte und damit die technologischen Eigenschaften von Metallen und deren Legierungen erheblich verbessert.

Die erfindungsgemäße Einwirkung des Makroschalles macht es ^: außerdem möglich, auch solche Legierungen mit feinkörnigem Gefüge aus verschiedenartigen Komponenten herzustellen, die mit den bisher üblichen konventionellen Verfahren (also ohne Einwirkung von Makroschall) entweder gar nicht oder nur unter äußerst schwierigen Bedingungen hergestellt werden können.

Damit bewirkt man im Schmelzgut jene Druckamplitude, die notwendig ist, um "Keime" für die Vorgänge des Kornwachstums zu spalten und erzielt damit möglichst viele Keime, von denen aus möglichst viele Kristallkörner entstehen, die schließlich iio erstarrten Zustand das feinkörnige Gefüge repräsentieren.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ergibt sich bei der

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Beschallung von Gußformen für komplizierte Gußstücke, z.B. Motorblöcken. Die Beschallung erfolgt während der Erstarrung des Metalls in der Gußform. Die Anordnung ist so getroffen, daß Ultraschallsysteme mit den Übertragungsteilen an jenen Stellen der Gußform angesetzt werden, wo die Gefahr der Lunkerbildung gegeben ist, oder aber besonders feines Korn im Guß gewünscht wird.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung.in drei beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine Kokille, deren Boden von einem Übertragungsteil gebildet ist, an den ein Makroschallsystem angefügt ist, Fig. 2 den Querschnitt durch eine Kokille, bei der mehrere Makroschallsysteme an der Wand der Gußform angreifen und Fig. 3 den Schnitt durch eine Vorrichtung, welche beim Stranggießen Anwendung finden kann.

Zur praktischen Ausführung gibt es dabei z.B. die Möglichkeit, der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anordnung. Es befindet sich der tJbertragungsteil 1, das Horn,in einer öffnung des Bodens der Kokille 2, die in ihrem Inneren die Schmelze 3 aufnimmt. Das Horn 1 kann sowohl in dem außerhalb der Kokille befindlichen Teil als auch innerhalb der Kokille ohne Qüerschnittsveränderung durchgehend zylindrisch sein, es kann aber auch, wie in Fig. 1 angedeutet, einer trichterförmigen Kokille entsprechend, konisch nach außen, oder auch konisch nach innen, angepaßt werden. Es ist nicht unbedingt erforderlich, das Horn mit der Kokille 2 zu verschrauben; es genügt eine Asbestschnur zwischen Kokillenboden und Horn einzulegen: Das Eigengewicht des aus Horn 1, Zwischenstück 5-und Konverter 6 bestehenden Ultraschallsystems besorgt eine genügende Abdichtung der Kokille, bzw. drückt ja auch die einzugießende Schmelze 3 in der Kokille 2 das Horn 1 fester gegen die Asbest-Abdichtschnur und damit gegen den Kokillenboden.

Um die Schwingungen im Übertragungsteil bei der eben beschriebenen Anordnung durch die Lagerung im Unterteil der

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Kokille nicht zu schwächen, ist es empfehlenswert, wenn die Berührung zwischen dem Horn und dem Rohniel zgefäß oder der Kokille in einem Bewegungsknoten des Horns erfolgt.

Das Zwischenstück 5 ist dann empfehlenswert, wenn Schmelzen mit höheren Temperaturen, also beispielsweise Stahl, beschallt werden und wobei über das Horn 1 unzulässig hohe Tönperaturen auf den Konverter 6 übergehen könnten, wenn nicht durch die Wasserkühlung 7, die zweckmäßigerweise im Bewegungsknoten des Zwischenstückes 5 angeordnet ist_r Wärme abgeführt werden würde. · "Unzulässig hohe Temperaturen" sind jene Temperaturen, durch die der Konverter 6 Gehaden erleiden würde ; der Curie-Punkt für die meisten piezoelektrischen bzw. piezokeramischen Konverter liegt nur bei einigen hundert Grad Celsius. Erfährt der Konverter eine Erwärmung auf höhere Temperaturen, dann erleidet er bleibende Schaden und ist nieht mehr imstande, die elektrischen Signale, die vom angepaßten (Ultraschall-) Generator herrühren, in mechanische (Ultraschall-) Schwingungen umzuformen.

Horn 1, Zwischenstück 5 und Konverter 6 können durch die Schrauben 8 miteinander verbunden werden. Auf jeden Fall müssen alle diese Bauteile auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallsystems abgestimmt sein, damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird und das geschieht am besten dadurch, daß man die Bauteile Horn 1 und Zwischenstück 5 auf die halbe Wellenlänge

"S/2 (oder ein Vielfaches davon) der Ultraschallwelle Λ ablängt, wobei

λ = G/\j

worin O die Frequenz des Schallfeldes und die S<"hallgeschwindigkei1

somit proportional der Wurzel aus dem Elastizitätsmodul E und der Dichte p des für diese Bauteile verwendeten Werkstoffes sind.

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In einer abgeänderten Bauweise werden Teile oder die ganze Wandung einer Kokille 2 beliebiger Bauform, beispielsweise in zylindrischer Ausführung, wie in Fig. 2 veranschaulicht, zu Ultraschallschwingungen angeregt, die auf das : Schmelzgut 3 übertragen werden. Hiebei können mehrere Hörner als Teile der Kokille ausgebildet sein, die ihrerseits wiederum über allenfalls vorzusehende Zwischenstücke (entsprechend Teil 5 in Fig. 1) vor dem Konverter 6 angeordnet sind. Das Schmelzgut 3 wird beispielsweise durch eine Zuflußöffnung im Boden eingebracht und kann in der Form hochsteigen. Es wird dabei dem von den Konvertern 6 herrührenden Ultraschallfeld ausgesetzt.

Vorteilhafterweise kann die Anordnung so getroffen werden, daß der zylindrische Teil der Schmelzbehälterwandung einstückig mit in einer oder mehreren Längsreihen angeordneten, als Hörner wirkenden Ansätzen ausgebildet ist, wobei der Abstand der äußeren Endfläche der Ansätze von der Schmelze gleich (n £), der Abstand der Mitte benachbarter Ansätze einer Reihe ebenfalls (n 4) ^un<* der Abstand der Mitte benachbarter Reihen gleichfalls ( η 4) beträgt.

Beim Stranggießen (und ähnlichen Gießverfahren) kann die in Fig. 3 veranschaulichte Anordnung verwendet werden, um Ultraschall auf die erstarrende Schmelze 3 einwirken zu lassen*". Bei dieser Bauform ist der Übertragungsteil 1 als ein am Anfang der Kokille 2 liegender Ring ausgebildet, sein Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der Kokille und seine Breite in radialer Richtung beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der * halben Wellenlänge des Makroschalles. Hiebei können mehrere Konverter 6 direkt oder über Zwischenstücke 5 in einem Abstand von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des Makroschalls von-einander an den Ubertragungsteil 1 sternförmig angesetzt sein. Durch diese Ausbildung ergibt sich eine Anordnung für Stranggußanlagen, bei der am Ring an mehreren Stellen, an denen bei der Resonanζschwingung des Ringes jeweils ein

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Bewegungsbauch auftritt, ein Makroschallsystem radial angesetzt ist.

Infolge der Berührung zieht sich der erstarrende Guß zusammen und hebt sich von der Wand 2 ab. Der Ubertragungsteil ist in jenem Bereich, wo die Schmelze 3 "steht" angeordnet, sodaß er das Schmelzgut berührt und die Makro schallwelle auf dieses überträgt.

Eine weitere wirkungsvolle Kühlung, die sinngemäß auch für die Ausführungsform gemäß Pig. 2 gilt, besteht darin, die Kühlwssserkanäle auch im Übertragungssystem 1 vorzusehen. Am zweckmäßigstens etwa im Bereich eines Bewegungsknotens, weil sonst das Kühlwasser mehr oder mii-der heftigen Ultraschalleinwirkungen ausgesetzt ist, wodurch. Kavitationserscheinungen auftreten können, welche zu einer Abnützung der Innenwand der Kühlbauteile führen.

Wird die Kokille in Fig. 1 zylindrisch ausgebildet, so ergibt sich die Möglichkeit, das Makroschall system, bestehend aus Horn 1, Zwischenstück 5 und Konverter 6, gegenüber dem Boden der Kokille 2 zunächst anzuheben und beim Einfließen des Schmelzgutes 3, wie der Kolben irgendeines Kolben- oder Pumpenmotors, mit der Schmelze abzusenken und währenddessen Ultraschall auf das Schmelzgut zu übertragen. Dies kann als Abänderung des Stranggießens aufgefaßt werden, indem die Kokille 2 als lange Röhre ausgeführt wird.

Ebenso ist auch eine Gegenläufigkeit durch Einbringen der ' Schmelze von unten her mit Abheben des erstarrenden Schmelzgutes nach oben hin anwendbar. Dabei überträgt das Horn 1 die Ultraschallschwingungen laufend auf das Cchmelzgut in dessen flüssiger rhase, während das bereits erstarrte Schmelzgut nach oben abgezogen wird. Analoge Anordnungen sind bei geneigter und waagrechter Förderrichtung oder für den Abzug nach unten möglich.

Wegen der hohen Temperaturen ist es von Vorteil, wenn die ü"bertragungsteile 1 aus Titan, einer Titanlegierung, aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehen.

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Le e rs ei te

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung der Schmelze von Metallen und Metallegierungen mittels MakroschalIes, dadurch gekennzeichnet, daß in der gesamten oder nahezu in der gesamten Schmelze zumindest am Beginn des Erstarrungsvorganges ein Makroschallfeld erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Schmelze erzeugte Makroschallfeld axial zu der die Schmelze enthaltenden Gußform gerichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Schmelze erzeugte Makroschallfeld radial zu der die Schmelze enthaltenden Gußform gerichtet ist.

4. Verfahren nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Schmelze erzeugte Makroschallfeld quer zur Längsrichtung der die Schmelze enthaltenden Gußform gerichtet ist.

5. -Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze vor oder während ihres Erstarrungsvorganges durch das Schallfeld hindurchgeführt wird.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach

einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem oder mehreren Ulträschallsysteraen, die jeweils aus einem Konverter und mindestens einem mit diesem direkt oder über ein Zwischenstück verbundenen schwingungsfähigen Übertragungsteil bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsteil den Boden, die Wand oder einen ring- bzw. rahmenförmigen Teil der Wand der Gußform bildet.

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ORIGINAL INSPECTED

7· Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der den Boden der Gußform bildende Übertragungsteil verschiebbar in der Gußform gelagert ist oder mit dieser in der Ebene eines Bewegungsknotens verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stranggußanlagen der Übertragungsteil als ein am Anfang der Kokille liegender Ring ausgebildet ist, sein Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der Kokille ist und seine Breite in radialer Richtung ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des Makroschalles beträgt.

9· Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ring an mehreren Stellen, an denen bei der Resonanzschwingung des Ringes jeweils ein Eev/egungsbauch auftritt, ein Makroschallsystem radial angesetzt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil der Gußform einstückig mit in einer oder mehreren Reihen angeordneten Ansätzen ausgebildet ist, wobei der Abstand der äußeren Endflächen der Ansätze von der Schmelze ein Vielfaches der halben Makrowellenlänge beträgt und ebenso der Abstand der Mitte benachbarter Ansätze einer Reihe sowie der Abstand der Mitte benachbarter Reihen, und daß an jedem Ansatz ein Makroschallsystem angesetzt ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Ubertragungsteil und bzw. oder Zwischenstück im Bereich eines Bewegungsknotens eine Kühlung vorgesehen ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsteile aus Titan, einer Titanlegierung, aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehen.

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