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Niederdruck-Giessverfahren und Niederdruck-Giessvorrich-
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tung für sauerstoffempfindliche Gusswerkstoffe Die Erfindung betrifft
ein Niederdruck-Giessverfahren für die Schmelze eines Gusswerkstoffs in einem druckdicht
geschlossenen Schmelztiegel, bei welchem Verfahren der Gasraum im Schmelztiegel
oberhalb der Schmelze mit einem Gasdruck beaufschlagt wird, ein Teil der Schmelze
durch ein in die Schmelze eintauchendes Steigrohr in ein Übergangsstück und in eine
Kokille gedrückt wird und nach dem Erstarren des Gussstücks der Gasraum im Schmelztiegel
von dem Gasdruck entlastet und der restliche, nicht erstarrte Teil der Schmelze
in den Schmelztiegel zurückgeführt wird, wobei das Steigrohr und das Übergangsstück
auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens so hoch ist wie die Schmelztemperatur
des Gusswerkstoffs.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Giessvorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens, bestehend aus einem druckdicht geschlossenen Schmelztiegel, der
eine Schmelze des Gusswerkstoffs und einen Gasraum oberhalb der Schmelze enthält,
aus einem Steigrohr, dessen eines Ende nahe über dem Boden des Schmelztiegels endet,
aus einem Übergangsstück, in das das andere, aus dem Schmelztiegel herausgeführte
Ende des Steigrohres mündet, aus einer sich an das Übergangsstück anschliessenden
Kokille, aus einem in das
Innere des Schmelztiegels hineinreichenden
Anschlussstück und aus einer mit dem Anschlussstück verbundenen Gasdruckvorrichtung,
mittels derer der Gasraum oberhalb der Schmelze mit einem Gasdruck beaufschlagbar
ist.
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Beim Niederdruck-Giessverfahren mit steigendem Guss und der Vorrichtung
zu dessen Ausübung wird der Gusswerkstoff in einem geschlossenen Schmelztiegel in
flüssigem Zustand gehalten und zum Guss durch ein in die Schmelze eingeführtes Steigrohr
über ein Übergangsstück in die Kokille gefördert. Das Übergangsstück und das Steigrohr
werden auf einer solchen Temperatur gehalten, dass der Gusswerkstoff darin flüssig
bleibt und nach Erstarrung des Gussteils wieder in den Schmelztiegel abgelassen
werden kann. In der Praxis verwendet man zur Forderung der Schmelze Preßluft, die
den Gasraum oberhalb der Schmelze mit einem solchen Überdruck beaufschlagt, dass
dieser stets der Füllhöhe der Schmelze in der Giessvorrichtung die Waage hält.
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Das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung weisen jedoch
grosse metallurgische Nachteile auf bei Anwendung sauerstoffempfindlicher Gusswerkstoffe
wie Aluminium etc.
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In Gegenwart von Luftsauerstoff bildet sich nämlich an der Oberfläche
der Schmelze eine hochschmelzende Oxidhaut, insbesondere auch innerhalb des Steigrohres
bei der Auf-und Abbewegung der Schmelze vor und nach dem Giesevorgang. Die Oxidhaut
und davon herrührende Teilchen werden in das Gussteil aufgenommen und können dessen
Eigenschaften sehr nachteilig verändern.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu dessen Ausübung anzugeben, bei dem die Oxidbildung bei dem Gusswerkstoff weitestgehend
ausgeschlossen werden kann.
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Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Gasraum im Schmelztiegel oberhalb der Schmelze mit dem Druck eines Inertgases
beaufschlagt wird und vor und nach dem Giessvorgang die Luft aus dem Steigrohr,
aus dem Übergangsstück und aus der Kokille durch Inertgas verdrängt wird. Bei der
erfindungsgemässen Vorrichtung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Gasdruckvorrichtung
an eine Inertgasquelle angeschlossen ist und dass der Gasraum im Steigrohr, im Übergangsstück
und in der Kokille über ein weiteres Anschlussstück parallel mit der Inertgasquelle
verbunden ist.
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Dadurch, dass der Gasraum im Schmelztiegel oberhalb der Schmelze ständig
mit Inertgas gefüllt ist, und dadurch, dass die Schmelze auch im Steigrohr und in
der Kokille nur mit Inertgas in Berührung kommt, wird die Bildung der Oxidhaut weitestgehend
unterbunden; die schädlichen Einflüsse dieser Oxidbildung auf die Qualität des Gussteils
können so ausgeschlossen werden.
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Weiterentwicklungen und besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemässen
Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtungen sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Es ist dabei zweckmässig, wenn zur Einschränkung des Inertgasverbrauchs
die Zufuhr von Inertgas zum Steigrohr, zum Übergangsstück und zur Kokille so gesteuert
wird, wie
sich der Überdruck im Gasraum im Schmelztiegel oberhalb
der Schmelze ändert: es erfolgt dann vor dem eigentlichen Giessvorgang eine Spülung
mit Inertgas; während des Giessvorgangs ist der Inertgasdruck an dem weiteren Anschlussstück
so hoch, dass er dem Druck der Schmelze an diesem Anschlussstück die Waage hält;
nach dem Erstarren des Gussteils und Absenken des restlichen Teils der Schmelze
nimmt der Inertgasstrom in dem Masse ab, wie die Schmelze in den Schmelztiegel zurückläuft,
so dass dabei keine Luft eindringen kann; zwischen den Giessvorgängen erfolgt die
Spülung mit Inertgas nur in einem solchen Masse, dass in die Kokille keine Luft
eintreten kann.
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Es ist dabei vorteilhaft, wenn das Anschlussstück mit einem ständig
in die Schmelze eintauchenden Tauchrohr versehen ist. Auf diese Weise durchdringt
das zur Druckerzeugung im Gasraum des Schmelztiegels oberhalb der Schmelze verwendete
Inertgas die Schmelze und trägt dadurch zur Reinigung der Schmelze von beim Transport
oder Umschütten aufgenommenen Gasen bei.
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Es empfiehlt sich die Verwendung von Schutzgasen, deren Dichte grösser
ist als die von Luft, weil diese über der Schmelze eine Gassäule bilden, die praktisch
nicht mit der umgebenden Luft im Stoffaustausch steht. Aus wirtschaftlichen Gründen
wird jedoch in vielen praktischen Anwendungsfällen Stickstoff bevorzugt.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in
der Abbildung schematisch im Schnitt dargestellt und wird nachfolgend im einzelnen
erläutert: In der Abbildung erkennt man ein Gestell, das aus einer im
Boden
verankerten Stützwand 1, aus geschweisstem Stahlblech (Druckkessel) besteht, mit
einer Wärmeisolierung 2, welche mit einer - nicht dargestellten - Elektroheizung
ausgerüstet ist. Durch eine Deckplatte 4 mit dicht eingesetzter Einfüllöffnung 6
ist der derart gebildete Innenraum druckdicht nach aussen abgeschlossen. In dem
Innenraum befindet sich ein Schmelztiegel 10, der auf einem Stativ 3 ruht und bis
auf einen überstehenden Gasraum 11 mit der Schmelze 12 eines Gusswerkstoffs wie
Aluminium gefüllt ist. In die Schmelze 12 taucht ein Steigrohr 13, das kurz über
dem Boden des Schmelztiegels 10 endet und die Deckplatte 4 abgedichtet durchdringt.
Oberhalb der Deckplatte 4 mündet das Steigrohr 13 in ein Übergangsstück 14, in dem
das Steigrohr 13 druckdicht gehaltert ist und das das Steigrohr 13 mit einer Kokille
15 verbindet. Der ausserhalb der Deckplatte 4 befindliche Teil des Steigrohres 13
und das Übergangsstück 14 sind mit einer Beheizungseinrichtung 16 versehen. Das
Übergangsstück 14 und die Kokille 15 sind an einer Halterung 17 angeordnet. Die
Zuleitung 15' zur Kokille 15 ist ebenfalls in bekannter Weise durch eine Gasbeheizung
8 (Ringbrenner) geheizt.
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Die Deckplatte 4 trägt ein Anschlussstück 20 mit einem Rohrende 21,
das druckdicht durch die Deckplatte 4 hindurch in den Schmelztiegel 10 eingeführt
ist und in dem Gasraum 11 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der Schmelze 12 endet.
Das Rohrende 21 kann aber auch als Tauchrohr ausgebildet sein, das ständig in die
Schmelze 12 eintaucht. Das Übergangsstück 14 trägt ein weiteres Anschlussstück 22.
Die Anschlussstücke 20 und 22 sind über geeignete Verbindungsleitungen 23 bzw. 24
parallel an eine Drucksteuerung 25, welche im wesentlichen aus einem einstellbaren
Druckdrosselventil besteht, angeschlossen, die
ihrerseits mit einer
(nicht gezeigten) Gasdruckvorrichtung mit Inertgasquelle verbunden ist. Diese Inertgasquelle
kann Stickstoff, Argon oder ein anderes Gas liefern, das gegenüber der Schmelze
12 chemisch inert ist.
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Sämtliche Dichtstellen zwischen den Bauelementen sind in an sich bekannter
Weise mit Asbestschnur abgedichtet. Das Steigrohr 13 und das Rohrende 21 der Verbindungsleitung
23 sind aus Grauguss und in üblicher Weise mit Schlichte beschichtet, könnten jedoch
auch aus Keramik gefertigt sein.
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Die vorstehend beschriebene Anordnung arbeitet nach Einbringen des
Schmelztiegels 10 in das Gestell und Verdrängung der Luft aus dem Gasraum 11 oberhalb
der Schmelze 12 wie folgt: Die Beheizungseinrichtung 16 wird eingeschaltet und hält
das ausserhalb der Deckplatte 4 befindliche Teil des Steigrohres 13 und das Ubergangsstück
14 auf einer Temperatur, die sicherstellt, dass der in diesen Bereich gelangende
Teil der Schmelze 12 flüssig bleibt. Die Drucksteuerung 25 ist eingeschaltet und
stellt über das Rohrende 21 eine Verbindung zwischen dem Gasraum 11 im Schmelztiegel
10 oberhalb der Schmelze 12 und der (nicht gezeigten) Inertgasquelle her. Gleichzeitig
wird durch die Drucksteuerung 25 die Verbindungsleitung 24 an die (nicht gezeigte)
Inertgasquelle angeschlossen, und die Drucksteuerung 25 ist so eingestellt, dass
ein geringer Strom des Inertgases durch die Verbindungsleitung 24 und das Anschlussstück
22 in das Übergangsstück 14 eintritt. Dadurch wird vor dem Beginn des Giessvorganges
die Luft aus dem Gasraum im
Steigrohr 13 oberhalb der Schmelze,
aus dem Übergangsstück 14 und aus der Kokille 15 verdrängt und durch Inertgas ersetzt.
Vor Beginn des Giessvorgangs ist daher der Inertgasdruck in den beiden Gasräumen
gleich und die Schmelze befindet sich innerhalb des Steigrohres 13 annähernd auf
dem gleichen Niveau wie innerhalb des Schmelztiegels 10.
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Zu Beginn des Giessvorgangs wird durch die Drucksteuerung 25 der Inertgasdruck
innerhalb des Gasraums 11 im Schmelztiegel 10 oberhalb der Schmelze 12 erhöht, so
dass die Schmelze 12 in dem Steigrohr 13 hochsteigt und schliesslich das gesamte
Steigrohr 13 und das Übergangsstück 14 mit der Schmelze 12 füllt. Der Inertgasdruck
in dem Gasraum 11 wird dann durch den Druckregler 25 weiter erhöht, bis die jeweils
gewünschte Füllhöhe der Schmelze 12 in der Kokille 15 erreicht ist, und auf dieser
Höhe gehalten, bis das Gussstück erstarrt ist. Durch den Druckregler 25 wird auch
der Inertgasdruck in der Verbindungsleitung 24 auf einen Wert erhöht, der ausreicht,
um das Eindringen der Schmelze 12 in das Anschlussstück 22 und die Verbindungsleitung
24 zu verhindern.
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Nach Erstarrung des Gussstücks in der Kokille 15 ist der Giessvorgang
abgeschlossen. Der restliche Teil der Schmelze 12, der durch die Beheizungseinrichtung
16 flüssig gehalten wurde, fliesst durch Absenken des Inertgasdrucks in dem Gasraum
11 im Schmelztiegel 10 oberhalb der Schmelze 12 mittels der Drucksteuerung 25 aus
dem Übergangsstück 14 und dem ausserhalb der Deckplatte 4 befindlichen Teil des
Steigrohres 13 in den Schmelztiegel 10 zurück. Dabei wird das Anschlussstück 22
freigegeben, und die durch die Drucksteuerung 25 bewirkte, nur allmähliche Abnahme
des
Inertgasdrucks ergibt einen kräftigen Inertgasstrom durch die
Verbindungsleitung 24 gerade bei Beginn des Rücklaufs der Schmelze, wenn die Gefahr
von Lufteinbrüchen besonders gross ist. Mit fallendem Überdruck in dem Gasraum 11
oberhalb der Schmelze 12 wird der Inertgasdruck zwischen dem Gasraum 11 und dem
Inneren des Steigrohres 13 schliesslich ausgeglichen, und es fliesst unter dem Einfluss
der Drucksteuerung 25 nur noch ein geringer Inertgasstrom durch das Steigrohr 13,
das Übergangsstück 14 und die Kokille 15, aus der das Gussstück inzwischen ohne
Luftzutritt entnommen wurde. Die Vorrichtung steht damit zu einem weiteren Giesszyklus
bereit.
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Mit der beschriebenen Vorrichtung wird nach dem vorstehend geschilderten
Verfahren somit erreicht, dass die Schmelze 12 des Gusswerkstoffs in allen Stadien
des Giesevorganges vor Luftzutritt geschützt bleibt. Bei sauerstoffempfindlichen
Gusswerkstoffen wie Aluminium wird dadurch die Bildung von Oxidhaut an der Oberfläche
weitgehend ausgeschlossen und vor allem die Akkumulation von Oxidhaut mit der Zahl
der Giessvorgänge vermieden. Dabei arbeitet die Drucksteuerung 25 so, dass der Inertgasstrom
an den jeweiligen Bedarf angepasst ist und der Inertgasverbrauch minimal gehalten
wird.
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Anstelle einer einfachen Drucksteuerung 25 könnte dementsprechend
auch eine Druckregelung mit Messfühler, Sollwerteinsteller und/oder einem selbstanpassenden
Regelkreis vorgesehen werden.