DE3006588A1

DE3006588A1 - Verfahren und vorrichtung zur bildung halbfesten thixotropen legierungsbreis

Info

Publication number: DE3006588A1
Application number: DE19803006588
Authority: DE
Inventors: Jonathan A Dantzig; Derek E Tyler; Joseph Winter
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: Alumax Inc
Priority date: 1979-02-26
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1980-09-25
Also published as: FR2449499A1; FR2449499B1; SE8001284L; DE3006588C2; MX152822A; IT1141383B; BR8001053A; CA1176819A; IT8020140A0; ES8100932A1; GB2042386A; ES488945A0; JPS55117556A; JPS6225464B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bildung halbfesten thixotropen Legierungsbreis

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines halbfesten thixotropen Legierungsbreis, der zurückentwickelte dendritische, primär feste Partikel in einer umgebenden Matrix aus Schmelze aufweist, wobei die Vorrichtung umfaßt:

einen Behälter für die Schmelze, wobei der Behälter einen bestimmten Querschnitt aufweist,

eine Vorrichtung zum kontrollierten Abkühlen der Schmelze in dem Behälter, und

eine Mischvorrichtung zum Mischen der Schmelze zum Abscheren der in einer Verfestigungszone beim Abkühlen der Schmelze gebildeten Dendriten, um den

Brei zu erzeugen.

Die bekannten Verfahren zur Herstellung halbfesten thixotropen Legierungsbreis umfassen mechanische und induktive elektromagnetische Rührverfahren. Die Verfahren zur Herstellung eines solchen Breis mit einem zweckmäßigen Gefüge erfordern ein Ausbalancieren zwischen der durch

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das Rühren bedingten Abscherungsgeschwindigkeit und der Verfestigungsgeschwindigkeit des gerade vergossenen Materials.

Die mechanischen Rührtechniken werden am besten unter Bezugnahme auf die US-Patente Nr. 3 902 544, 3 954 455, 3 948 650 und 3 936 298 veranschaulicht. Die mechanischen Rührtechniken werden auch in Artikeln im AFS International Casts Metals Journal, September 1976, S. 11 - 22 und im AFS Casts Metal Research Journal, Dez. 1963, S. 167-171 beschrieben. In der DE-OS 27 07 774 wird das mechanische Rührverfahren in einer etwas anderen Anordnung gezeigt.

Beim mechanischen Rührverfahren fließt die Schmelze nach unten in einen ringförmigen Raum in einer Kühl- und Mischkammer. Hier findet eine Teilverfestigung des Metalls statt, während es durch die Rotation eines zentralen Mischrotors gerührt wird, um so den gewünschten thixotopen Metallbrei für den Rheoguß zu erhalten. Die mechanischen Rührtechniken sind wegen verschiedener ihnen anhaftender Probleme nachteilig. Der zwischen dem Rotor und den Wänden der Mischkammer bestehende Ringraum erbringt nur eine geringe titrimetrische Fließgeschwindigkeit des thixotropen Breis. Aufgrund der Erosion des Rotors bestehen Materialprobleme. Weiterhin lassen sich mechanische Rührvorgänge schwierig mit einer kontinuierlichen Gießanlage vereinen.

Bei den kontinuierlichen Rheogießverfahren, wie sie der Stand der Technik beschreibt, befindet sich die Mischkammer oberhalb einer Direktschalengußform. Die Weiterleitung des Metalls aus der Mischkammer in die Form kann zu Oxyd-Entrainment führen. Dies stellt ein besonders akutes

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Problem dar, wenn es um reaktive Legierungen wie Aluminiumlegierungen geht, die leicht oxydieren. Die bei diesen Verfahren erzielbaren titirmetrischen Fließgeschwindigkeiten sind nicht für kommerzielle Anwendung geeignet.

Der Brei ist thixotrop und erfordert somit hohe Abscherungsgeschwindigkeiten, damit ein Abfließen in die Stranggußform erfolgt. Beim mechanischen Verfahren erhält man leicht Fließlinien infolge eines unterbrochenen Flusses und/oder unstetiger Verfestigung. Das mechanische Verfahren ist auch auf die Erzeugung halbfester Breie mit einem'Festteilprozentsatz von 30 bis 60 begrenzt. Ein niedrigerer Festteilprozentsatz verbessert die Fluidität, verstärkt aber unerwünschte Grobkörnigkeit und das Wachstum von Dendriten während der abschließenden Verfestigung. Wesentlich höhere Festteilprozentsätze sind nicht möglich, weil sich das Rührwerk in dem Brei befindet.

Die obenerwähnten US-Patente erwähnen kurz die Verwendung elektromagnetischen Rührens als eine von vielen alternativen Rührtechniken, die bei der Erzeugung thixotroper Breie Anwendung finden könnten. Sie Unterlasses es jedoch, auch nur irgendwo anzugeben, wie ein solches elektromagnetisches Rührverfahren zur Erzeugung eines solchen Breis tatsächlich durchzuführen ist. Die deutsche Offenlegungsschrift 27 07 774 schlägt vor, daß es auch möglich sei, Induktionsspulen am Rand der Mischkammer zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes anzuordnen, um die Schmelze mit Hilfe des Feldes zu rühren. Dieser Stand der Technik macht jedoch nicht deutlich, ob diese elektromagnetische Agitation zuzüglich zu der mechanischen Agitation oder ob sie als deren Ersatz gedacht ist. Auf jeden Fall ist deutlich nur ein induktiver elektromagnetischer RührVerfahrenstyp vorgeschlagen.

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Der Stand der Technik verzeichnet eine große Zahl an elektromagnetischen Rührtechniken, die während des Vergießens von Metall- und Legierungsschmelzen angewandt werden. Die US-Patente Nr. 3 268 963, 3 995 678, 4 030 534, 4 040 467, 4 042 007, 4 042 008 sowie ein Artikel von Szekely u.a. mit dem Titel "Electromagnetically Driven Flows in Metals Processing" in Journal of Metals, Sept. 1976, verdeutlichen den Stand der Technik in Hinblick auf das Gießen von Metallen unter Anwendung induktiven elektromagnetischen Rührens mit Hilfe umgebender Induktionsspulen.

Um die Nachteile des induktiven elektromagnetischen Rührens zu beseitigen, hat sich gemäß der vorliegenden Erfindung herausgestellt, daß - bei wesentlicher Produktivitätssteigerung und bei einer einfacheren Anwendung auf kontinuierliche Gießtechniken - elektromagnetisches Rühren effektiver gemacht werden kann, wenn ein Magnetfeld benutzt wird, das sich - wie ein rotierendes Magnet-■ feld - quer zur Form oder zur Achse der Gießrichtung bewegt.

Die Anwendung rotierender Magnetfelder zum Rühren von Schmelzen während des Gießens ist bekannt, wie es die US-Patente Nr. 2 963 758 und 2 861 302 und die britischen Patente 1 525 036 und 1 525 545 beschreiben. Das US-Patent 2 963 758 zeigt sowohl statisches und kontinuierliches Gießen, wobei die Schmelze mittels eines rotierenden Magnötfeldes elektromagnetisch gerührt wird. Ein oder mehrere mehrpolige Motorstatoren werden um die Form oder das sich verfestigende Gußstück angeordnet, um die Schmelze zu rühren und um ein feinkörniges Metallgußstück zu erzielen. Bei der Ausgestaltung für kontinuierliche Verfahren gemäß dem US-Patent 2 963 758 wird ein 6-poliger Stator um die Form angeordnet, und danach werden zwei zweipolige Statoren in regelmäßigem Abstand um das sich verfestigende Gußstück angeordnet.

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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile, dienmit den Verfahren gemäß dem Stand der Technik verbunden sind, zu vermeiden, welche sich auf die Erzeugung thixotroper Breie unter Verwendung von entweder mechanischen oder von induktiven elektromagnetischen Rührtechniken beziehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mischvorrichtung Teile zur Erzeugung eines sich bewegenden Magnetfeldes von Nicht-Null über dem Querschnitt des Behälters und über der gesamten Verfestigungszone aufweist, und wobei das sich bewegende Magnetfeld eine magnetomotorische Rührkraft ausreichender Größe erzeugt, um das Mischen der Schmelze zu bewirken.

Erfindungsgemäß wird magnetohydromagnetische Bewegung, die mit einem rotierenden Magnetfeld verbunden ist, das von einem zweipoligen Motorstator erzeugt wird, benutzt, um die gewünschten hohen Abscherungsgeschwindigkeiten zur Erzeugung thixotropen halbfesten Legierungsbreis zu erzielen. Zweipolige Induktionsmotorstatoren werden derart hergestellt, daß zwischen zwei entgegengesetzten Polen des Motors immer ein Magnetfeld vorhanden ist. Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, daß für die Erzeugung eines ordentlichen Rührens eines thixotropen Metallbreis ein zweipoliger Motorstator erforderlich ist. Ein zweipoliger Motorstator erzeugt ein Magnetfeld von Nicht-Null über den vollen Querschnitt der zu rührenden Schmelze. Das Kraftfeld ist auch zur Formwand tangential, was die Wirksamkeit des Abscherens der Dendriten bei ihrem Entstehen maximiert, und es befindet sich in einer im allgemeinen zur Wachstumsrichtung der Dendriten normalen Richtung.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen rotierenden Magnetfeldes ist im Vergleich.zu einem induzierten Magnetfeld der

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durch das Vorhandensein von sich verfestigendem Metall bedingte Magnetfeldstärkenverlust klein wegen der niedrigen zur Anwendung kommenden Frequenz. Die erfindungsgeniäße Vorrichtung verbraucht recht wenig Energie, so daß beim Rühren der Schmelze sehr wenig Widerstandserwärmung auftritt. Die durch die elektromagnetische Rührvorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung erzielbaren Abscherungsgeschwindigkeiten sind viel höher als die für mechanische Rührverfahren angegebenen und können bei viel größeren Querschnittsflächen erzielt werden. Diese hohen Abscherungsgeschwindigkeiten können bis in die Mitte des Querschnittes, selbst bei einer sich verfestigenden Schale, reichen. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung hohe titr!metrische Fließgeschwxndigkeiten leicht erzielbar.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht eine statische Gießanlage vor, bei der eine Form mit einem sie umgebenden ■ zweipoligen, mehrphasigen Induktionsmotorstator vorgesehen ist. Der Motorstator ist um den Umfang der Form herum angeordnet. Um ein ordnungsgemäßes Mischen des Breis zu gewährleisten, wird die Länge des Stators vorzugsweise so gewählt, daß ein ausreichendes magnetisches Kraftfeld erzeugt wird, das sich über die gesamte Länge der Verfestigungszone erstreckt. Um den gewünschten halbfesten Brei zu erzeugen, wird Schmelze in die Form gegossen und unter kontrollierten Bedingungen abgekühlt, während das vom Stator erzeugte rotierende elektromagnetische Feld während des gesamten Gießprozesses vorhanden ist. Alle an der Formoberfläche oder an der Verfestigungsfront entstehenden Dendriten werden sofort aufgrund des durch das rotierende Magnetfeld erzeugten Flusses der Schmelze und des Breis abgeschert.

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Eine teilweise abschließende Deckelvorrichtung wird vorzugsweise vorgesehen, um ein Überlaufen des Breis oder der Schmelze beim Rühren zu vermeiden.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird der thixotrope Brei kontinuierlich oder halbkontinuierlich vergossen. In dieser Ausgestaltung wird die Schmelze in eine Stranggußform gegossen, die von einem zweipoligen, mehrphasigen Induktionsmotorstator in der gleichen Weise wie bei der vorhergehenden Ausgestaltung umgeben ist. Die Schmelze wird oben in die Form eingegossen. Beim unter kontrollierten Bedingungen erfolgenden Abkühlen wird sie vom rotierenden elektromagnetischen Feld zur Bildung des gewünschten thixotropen Breis gerührt. Der sich verfestigende Brei wird dann vom Boden der Form in kontinuierlicher oder halbkontinuierlicher Weise abgezogen. Die Stranggrußform weist vorzugsweise auch einen Deckel auf, um ein Überlaufen der Schmelze und des Breis beim Rühren zu vermeiden. Weiterhin wird in der Stranggußform vorzugsweise ein oberer Teil oder eine Warmhaube mit einer geringen Wärmeentzugsgeschwindigkeit vorgesehen, wo sich die Schmelze in flüssiger Form mit keiner oder nur geringer Verfestigung befindet; auf diesen Teil folgt ein zweiter mit einer höheren Wärmeentzugsgeschwindigkeit, wo die Verfestigung unter dem Einfluß des rotierenden Magnetfeldes den gewünschten halbfesten thixotropen Brei erzeugt.

Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Bildung halbfesten thixotropen Metallbreis zur Verwendung bei Anwendungsbereichen zu schaffen, die sich des Rheogusses oder Thixogusses bedienen.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie oben beschrieben, zu schaffen, wo der thixotrope Metallbrei kontinuierlich oder halbkontinuierlich gegossen wird.

Dieses und andere Ziele werden aus der folgenden Beschreibung und den folgenden Zeichnungen deutlicher hervorgehen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht einer statischen Gießform entsprechend der Erfindung,

Figur 2 eine Teil-Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 von Figur 1,

Figur 3 eine schematische Bodenansicht einer nicht kreisförmigen Form und einer Anordnung eines linearen Induktionsmotorstators entsprechend einer anderen Ausgestaltung der Erfindung,

Figur 4 eine schematische Verdeutlichung der Kraftlinien in einem gegebenen Augenblick, die von einem vierpoligen Induktionsmotorstator erzeugt werden,

Figur 5 eine schematische Verdeutlichung der Kraftlinien in einem gegebenen Augenblick, die von einem zweipoligen Motorstator erzeugt werden,

Figur 6 eine schematische Verdeutlichung in teilweisem Querschnitt einer Vorrichtung entsprechend der ' Erfindung für kontinuierliches oder halbkontinuierliches Gießen eines halbfesten thixotropen Metallbreis,

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Figur 7 eine schematische Verdeutlichung in teilweisem Querschnitt der Vorrichtung von Figur 6 während des Gießvorgangs.

Als Hintergrund dieser Anmeldung wurde eine Reihe von Techniken zur Bildung halbfester thixotroper Metallbreie zur Verwendung beim Rheoguß, Thixoguß und Thixoschmieden usw. beschrieben. Rheoguß im hier gebrauchten Sinn bezeichnet die Bildung eines halbfesten thixotropen Metallbreis direkt in einer gewünschten Form wie die eines Barrens zur Weiterverarbeitung oder eines aus dem Metallbrei geformten Druckgußstücks. Thixoguß bzw. Thixoschmieden im hier gebrauchten Sinn bezeichnen die Verarbeitung, die mit den Rheogußstücken beginnt, die dann zur Weiterverarbeitung wie für den Druckguß oder zum Schmieden wieder erwärmt werden.

Die Erfindung soll hauptsächlich Rheogußmaterial für die sofortige Verarbeitung oder für die spätere Verwendung bei den verschiedenen Anwendungsbereichen eines solchen Materials wie beim Thixoguß und Thixoschmieden schaffen. Der Stand der Technik verzeichnet ausführliche Beschreibungen der Vorteile des Rheogusses usw. Diese Vorteile beinhalten einen verbesserten Gütegrad des Gießens im Vergleich zum herkömmlichen Druckguß. Das rührt daher, daß das Material beim Eintritt in die Form teilverfestigt ist und somit eine geringere Schrumpfungsporosität auftritt. Außerdem wird die Lebensdauer der Maschinenbauteile aufgrund einer geringeren Erosion der Gesenke und Formen und aufgrund des geringeren Wärmeschocks beim Rheoguß verbessert.

Die Metallzusammensetzung eines thixotropen Breis besteht aus primär festen, getrennten Partikeln und einer sie um-

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gebenden Matrix. Die umgebende Matrix ist fest, wenn die Metallzusammensetzung voll verfestigt ist, und ist flüssig, wenn die Metallzusammensetzung ein teils verfestigter und teils flüssiger Brei ist. Die primär festen Partikel umfassen zurückentwickelte Dendriten oder Knollen mit einer im allgemeinen rundlichen Form. Die primär festen Partikel werden in einer einzigen Phase oder in mehreren Phasen mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung gebildet, die sich von der Durchschnittszusammensetzung der sie umgebenden Matrix in der vollständig verfestigten Legierung unterscheidet. Die Matrix selbst kann bei der weiteren Verfestigung eine oder mehrere Phasen durchmachen.

Herkömmlich verfestigte Legierungen weisen verzweigte Dendriten auf, die bei sinkender Temperatur und zunehmendem Gewichtsanteil der festen Parteikel untereinander verbundene Netze entwickeln. Im Gegensatz dazu bestehen die thixotropen Metallbreie aus getrennten, primären zurückentwickelten Dendriten, die voneinander durch eine flüssige Metallmatrix getrennt werden, wobei der Gewichtsanteil an Festkörpern bis zu 80 % betragen kann. Die primär festen Partikel sind insofern zurückentwickelte Dendriten, als sie sich durch glattere Flächen und ein weniger verzweigtes Gefüge auszeichnen, das einer rundlichen Zusammensetzung angenähert ist. Die umgebende feste Matrix bildet sich während der Verfestigung der flüssigen Matrix anschließend an die Bildung der primär festen Partikel und weist eine oder mehrere Phasen des Typs auf, den man während der Verfestigung der flüssigen Legierung bei einem konventionelleren Verfahren erhalten würde. Die umgebende feste Matrix enthält Dendriten , ein- oder mehrphasige Verbindungen, feste Lösung oder Mischungen von Dendriten und/oder Verbindungen und/oder festen Lösungen.

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In Figur 1 wird nun eine Vorrichtung 10 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung 10 in Figur 1 umfaßt eine zylindrische Form 11 für den Rheoguß eines thixotropen Metallbreis, wie oben beschrieben, in statischer oder nicht kontinuierlicher Weise. Die Form 11 besteht aus jedem beliebigen, nicht magnetischen Werkstoff wie Kupfer, Kupferlegierung, rostfreiem Stahl oder ähnlichem. Der Boden 12 der Form 11 besteht aus einer Platte, die dichtend wie durch fHste mechanische Passung an der konischen zylindrischen Formwand 13 befestigt ist. Das Oberteil der Form 11 weist eine teilweise abschließende Deckelplatte 14 auf, die in ähnlicher Weise an der Formwand 13 befestigt ist. Die Deckelplatte 14 weist eine keramische Auskleidung 15 innerhalb der Form 11 und einen keramischen Trichter 16 auf, der mit einer öffnung 17 im Deckel 14 in Verbindung steht, wodurch die Schmelze in die Form 11 gefüllt wird. Der Zweck der Deckelplatte 14 und der Auskleidung 15 ist es, ein Überlaufen von Schmelze aus der Form während des Rührvorgangs zu vermeiden. Der Trichter 16 dient dazu, die Schmelze in die Form 11 zu leiten.

Aus Figur 2 wird ersichtlich, daß die Formwand 13 zylindrischer Natur ist. Die Vorrichtung 10 und das Verfahren gemäß der Erfindung eignen sich besonders für die Erzeugung zylindrischer Rohlinge bei Verwendung eines herkömmlichen zweipoligen, mehrphasigen Induktionsmotorstators für das Rühren. Sie sind jedoch nicht auf die Bildung eines Rohlings mit zylindrischem Querschnitt beschränkt, da es möglich ist, ein quer oder in Umfangsrichtung verlaufendes bewegliches Magnetfeld bei einer nicht zylindrischen Form wie in Figur 3 zu erzeugen. In der Ausgestaltung gemäß Figur 3 hat die Form 11 einen rechteckigen Querschnitt und ist von einem mehrphasigen rechteckigen Induktionsmotorstator

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18 umgeben. Das Magnetfeld bewegt sich oder rotiert um die Form 11 in einer normal zur Längsachse des erfolgenden Gusses verlaufenden Richtung. Hier nun bezieht sich die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung auf die Verwendung einer zylindrischen Form 11.

Kehren wir zurück zu Figur 1 und 2. Die in die Form 11 durch die Öffnung 17 eingefüllte Schmelze kühlt in der Form 11 unter kontrollierten Bedingungen ab, indem aus einer umlaufenden Leitung 20 Wasser auf die Außenfläche der Form 11 gesprüht wird. Durch Regulierung der Fließgeschwihdigkeit des Wassers auf die Außenfläche 19 kann man die Wärmeentzugsgeschwindigkeit bei der Schmelze in der Form 11 regeln. Die Kühlmittelzufuhrleitung 20 ist eine herkömmliche Konstruktion und besteht aus einer Einlaßkammer 21, die durch einen relativ engen Schlitz 22 mit einer Auslaßkammer 23 verbunden ist, die das Wasser oder ein anderes erwünschtes Kühlmittel durch einen Austrittsschlitz 24 abgibt. Der Austrittsschlitz 24 ist abgewinke3.t, um das Wasser auf die Außenfläche 19 der Form 11 zu richten. Ein Ventil 25 in dem Einlaßanschluß 26 zur Einlaßkammer der Kühlmittelzuführleitung 20 wird zur Regelung der Geschwindigkeit des Wasserflusses aus der Kühlmitte!zuführleitung 20 und somit der Geschwindigkeit des Wärmeentzugs benutzt. In der Vorrichtung 10 befindet sich ein von Hand betätigtes Ventil 25, welches jedoch auf Wunsch auch ein elektrisch betätigtes Ventil sein könnte.

Um eine Vorrichtung zum Rühren der Schmelze innerhalb der Form 11 zur Erzeugung des gewünschten thixotropen Breis zu schaffen, wird ein zweipoliger, mehrphasiger Induktionsmotorstator 27 rund um die Form 11 angeordnet. Der Stator 27 besteht aus Eisenplatten 28, um die die gewünschten Wicklungen 29 in der üblichen Weise angeordnet sind, um

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einen Drehstrom-Induktionsinotorstator zu schaffen. Der Motorstator 27 ist in einem Motorgehäuse 30 montiert. Die Kühlmittelzuführleitung 20 und der Motorstätor 27 sind konzentrisch um die Achse 31 der Form 11 und des darin geformten Gußstücks 32 angeordnet.

Entsprechend der Erfindung wird vorzugsweise ein zweipoliger Drehstrom-Induktionsmotorstator 27 benutzt. Ein Vorteil des zweipoligen Motorstators 27 besteht darin, daß über den gesamten Querschnitt der Form 11 ein Magnetfeld von Nicht-Null erzeugt wird. Die Erfindung ermöglicht es daher, ein Gußstück sich verfestigen zu lassen, das über den gesamten Querschnitt das gewünschte Gefüge eines Rheogußstücks aufweist.

Figur 4 zeigt die Momentkraftlinien bei einem vierpoligen Induktionsmotorstator in einem gegebenen Zeitpunkt. Es ist deutlich, daß die Mitte der Form kein mit ihr verbundenes ■erwünschtes Magnetfeld aufweist. Deshalb konzentriert sich der Rührvorgang in der Nähe der Formwand 13 der Form 11. Im Vergleich dazu erzeugt ein zweipoliger Induktionsmotorstator, wie in Figur 5 gezeigt, in einem gegebenen Zeitpunkt Momentkraftlinien, die über den gesamten Querschnitt der Form 11 ein Magnetfeld von Nicht-Null erzeugen. Der zweipolige Induktionsmotorstator 27 erzeugt auch eine höhere Rotationsfrequenz oder Rührgeschwindigkeit des Breis S bei einer gegebenen Stromfreguenz als das Vierpolverfahren in Figur 4.

Kehren wir zurück zu Figur 2. Dort wird ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Rührverfahrens mit einem rotierenden Magnetfeld deutlich. Entsprechend der Dreifingerregel von Fleming erstreckt sich bei einem gegebenen Strom in einer zur Ebene der Zeichnung normalen Richtung der magne-

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tische Flußvektor B radial nach innen in die Form 11, und der magnetische Rührkraftvektor F erstreckt sich im allgemeinen tangential zur Formwand 13. Dadurch wird in dem Hohlraum der Form die Schmelze in der Pfeilrichtung R zum Rotieren gebracht, wodurch das erwünschte Abscheren zum Erzeugen des thixotropen Breis S bewirkt wird. Der Kraftvektor F ist auch tangential zur Richtung des Wärmeentzugs und ist normal zur Richtung des Wachstums der Dendriten. Dies bewirkt ein maximales Abscheren der Dendriten bei ihrem Entstehen.

Erf,indungsgemäß erstreckt sich das vom Stator 27 erzeugte Rührkraftfeld vorzugsweise über die gesamte Verfestigungszone 33 der Schmelze und des thixotropen Metallbreis S. Sonst würde das Gefüge des Gußstücks Bereiche innerhalb des Kraftfeldes des Stators 27 mit einem Rheogußgefüge wie auch Bereiche außerhalb des Kraftfeldes des Stators 27 umfassen, die dazu neigen, kein Rheogußgefüge aufzuweisen. In der Ausgestaltung nach Figur 1 umfaßt die Verfestigungszone 33 vorzugsweise den Stichherd aus Schmelze und Brei S innerhalb der Form 11, der von der Oberfläche 34 bis zur Verfestigungsfront 35 reicht, die das verfestigte Gußstück 32 von dem Brei S trennt. Die Verfestigungszone 33 erstreckt sich mindestens von dem Bereich der allerersten Verfestigungsanfänge und Breibildung im Stichherd bis zur Verfestigungsfront 35.

Um ein Rheogußstück 32 unter Verwendung der Vorrichtung 10 aus Figur 1 zu bilden, wird Schmelze in den Hohlraum der Form gegossen, während der Motorstator 27 von einem geeigneten Dreiphasenwechselstroia gewünschter Größe und Frequenz erregt wird. Nachdem die Schmelze in den Hohlraum der Form gegossen worden ist, wird sie ständig von dem vom

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Motorstator 27 erzeugten rotierenden Magnetfeld gerührt. Die Verfestigung beginnt bei der Formwand 13. Die höchsten Abscherungsgeschwindigkeiten werden an der stationären Formwand 13 oder an der fortschreitenden Verfestigungsfront 35 erzielt. Durch eine entsprechende Regulierung der Verfestigungsgeschwindigkeit mit jedem beliebigen bekannten Mittel gemäß dem Stand der Technik wird der gewünschte thixotrope Brei S gebildet.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 erzielbaren Abscherungsgeschwindigkeiten' sind viel höher als die für die mechanischen Rührverfahren angegebenen und können über viel größere Querschnittsbereiche erzielt werden. Wie bereits früher angeführt, können diese hohen Abscherungsgeschwindigkeiten bis in die Mitte des Gußstücks ausgedehnt werden, selbst wenn schon die feste Schale des sich verfestigenden Breis S vorhanden ist.

Der Induktionsmotorstator 27, der die Rührkraft bereitstellt, die für die Erzeugung des zurückentwickelten dendritischen Gefüges eines Rheogußstücks erforderlich ist, kann auf Wunsch leicht entweder oberhalb oder unterhalb der primären Kühlmittelzuführleitung 20 angeordnet werden. Erfindungsgemäß werden jedoch der Induktionsmotorstator 27 und die Form 11 vorzugsweise unterhalb der Kühlmittelzuführleitung 20 angeordnet.

Der Statorstrom und die Abscherungsgeschwindigkeiten, die für die Erzeugung des gewünschten thixotropen Breis S mit zurückentwickelten Dendriten erforderlich sind, sind sehr viel höher als diejenigen, die gemäß dem Stand der Technik, wie beim Hintergrund dieser Anmeldung angegeben, benötigt

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werden, um eine feine dendritische Körnung zu erzielen. Das Verfahren und die Vorrichtung 10 gemäß dieser Erfindung bieten einige einzigartige Vorteile im Gegensatz zu den Verfahren, die zum Stand der Technik gehören. Beispielsweise ist der Verlust der Magnetfeldstärke aufgrund des Vorhandenseins von sich verfestigendem Metall gering infolge der zur Anwendung kommenden niedrigen Frequenz. Die mit der Vorrichtung 10 der Erfindung verbundene Anlage ist relativ, leicht herzustellen, da zweipolige Induktionsmotorstatoren 27 dem Stand der Technik wohl bekannt sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 hat einen relativ niedrigen Energieverbrauch, und aufgrund des relativ niedrigen Stroms im Vergleich zum Wechselstrom-Induktionsverfahren entsteht nur eine geringe Widerstandserwärmung durch das Rühren der Schmelze. Das erfindungsgemäße Rühren mittels eines rotierenden Magnetfeldes ist indirekt und zeichnet sich deshalb durch nur unbedeutende damit verbundene Erosionsprobleme aus. Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Vorrichtung sind die hohen erzielbaren titrimetrischen Fließgeschwindigkeiten. Dies ist besonders wichtig, wenn man das Rheogießverfahren kontinuierlich oder halbkontinuierlich betreiben will.

In Figur 6 und 7 wird eine Vorrichtung 10' für das kontinuierliche oder halbkontinuierliche Rheogießverfahren von thixotropen Metallbreien gezeigt. Während auf den ersten Blick die Form 36 nach dieser Ausgestaltung der Form 11 nach Figur 1 ähnlich zu sein scheint, gibt es doch einige einzigartige Unterschiede. Die Form 36 ist für kontinuierliches oder halbkontinuierliches Gießen von Rheogußstücken ausgelegt. Die Form 36 kann wie die der vorigen Ausgestaltung aus jedem beliebigen, nicht magnetischen Material wie rostfreiem Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen sein. Der Bodenblock 37 der

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Form 36 ist jedoch für ein Wegziehen von der Form 36 konstruiert, wenn das Gußstück eine sich verfestigende Schale bildet. Der bewegliche Bodenblock 37 besteht aus einem Standard-Bodenblock für Direktschalenguß.

Der Bodenblock 37 besteht aus Metall und ist für eine Bewegung zwischen der in Figur 6 gezeigten Stellung, in.der er sich innerhalb der Begrenzung der Formwand 38 befindet, und einer in Figur 7 gezeigten, von der Form 36 entfernten Stellung konstruiert. Diese Bewegung wird bewirkt, indem man den Bodenblock 37 auf einem geeigneten Wagen 39 abstützt. Führungsschrauben 40 und 41 oder hydraulische Vorrichtungen werden benutzt, um den Bodenblock 37 bei einer gewünschten Gießgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit der üblichen Praxis anzuheben und abzusenken. Der Bodenblock 37 ist so · angeordnet, daß er sich axial entlang der Achse 42 der Form bewegt. Er weist einen Hohlraum 43 auf, in den die Schmelze anfangs gegossen wird und der auf das entstehende Gußstück .beim Abziehen aus der Form 36 einen stabilisierenden Einfluß ausübt.

Eine KühlmitteIzυführleitung 44 ist rund um den Umfang der Formwand 38 angeordnet. Die spezielle gezeigte Leitung weist eine erste Einlaßkammer 45 auf und eine zweite, mit der ersten Einlaßkammer durch einen engen Schlitz 47 verbundene Kammer 46. Ein Austrittsschlitz 48 wird von dem Zwischenraum zwischen der Kühlmittelzufuhrleitung 44 und der Form 36 bestimmt, über die Außenfläche 49 der Form 36 strömt ein einheitlicher Wasservorhang. Eine geeignete Ventilanordnung 50 ist zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit des austretenden Wassers vorgesehen, um so die Verfestigungsgeschwindigkeit des Breis zu regeln.

Wie bei der vorigen Ausgestaltung ist ein zweipoliger Drehstrom-Induktionsmotorstator 51 konzentrisch um die Form 36

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angeordnet/ so daß die von dem Stator erzeugten Magnetkräfte auf den Brei S über ihren gesamten Verfestigungsbereich einwirken. Der Stator besteht aus Platten 52 und Drehstromwicklungen 53.

Ein teilweise abschließender Deckel 54 wird benutzt, um ein Überlaufen von Schmelze und Brei S infolge des durch das Magnetfeld des Motorstators 51 verursachten Rührvorgangs zu vermeiden. Der Deckel 54 besteht aus einer Metallplatte, die oberhalb der Kühlmittelzufuhrleitung 44 angeordnet, und von ihr durch eine geeicjnete keramische Auskleidung 55 getrennt ist. In dem Deckel 54 befindet sich eine Öffnung 56, durch die die Schmelze in den Hohlraum der Form einfließt. Mit der Öffnung 56 in dem Deckel 54 verbunden ist ein Trichter 57 zum Lenken der Schmelze in die öffnung 56. Zum Schutz des Metalltrichters 57 und der öffnung 56 wird eine keramische Auskleidung 58 vorgesehen. Während des Rotierens des thixotropen Metallbreis S innerhalb der Form 36 versucht das Metall, veranlaßt durch Zentrifugalkräfte im Hohlraum, sich zur Formwand 38 zu drängen. Der Deckel 54 mit seiner keramischen Auskleidung 55 verhindert/ daß Metallbrei sich der Formwand 38 nähert oder aus der Form 36 überläuft und die Vorrichtung 10' beschädigt.

Direkt über dem Trichter 57 befindet sich ein Auslauf 59, durch den die Schmelze aus einem geeigneten Ofen 60 einfließt. Zur Regelung des EinfHeßens der Schmelze in die Form 36 wird entsprechend der üblichen Praxis ein koaxial angeordnetes, dem Auslauf 59 zugeordnetes Ventilglied 61 vorgesehen.

Der Ofen 60 kann ein Ofen jeder herkömmlichen Konstruktion sein. Es ist nicht wesentlich, daß sich der Ofen direkt über

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der Form 36 befindet. Entsprechend dem herkömmlichen Direktschalenguß kann sich der Ofen seitlich davon verschoben befinden und durch eine Reihe von Gieß- oder Abstichrinnen mit der Form 36 verbunden sein.

unter normalen Verfestigungsbedingungen weist die Peripherie des Rohlings 32' ein Gefüge mit säulenförmiger dendritischer Körnung auf. Solch ein Gefüge ist nicht wünschenswert und schmälert die gesamten Vorteile des Gefüges eines Rheogußstücks, das den größten Teil des Rohlingsquerschnittes bildet. Um die Stärke dieser äußeren dendritischen Schicht zu beseitigen oder wesentlich zu verringern, wird die Wärmeleitfähigkeit des oberen Bereichs der Form 36 mittels einer partiellen Formauskleidung 62 aus einem Isoliermaterial wie Keramik verringert. Die keramische Formauskleidung 62 erstreckt sich von der keramischen Auskleidung 55 des Deckels 54 soweit nach unten in den Hohlraum der Form 36, daß das magnetische Rührkraftfeld des zweipoligen Motorstators 51 •wenigstens teilweise von der partiellen keramischen Formauskleidung 62 unterbrochen wird. Die keramische Formauskleidung 62 ist ein Mantel, der mit der inneren Gestaltung der Form 36 übereinstimmt und an der Formwand 38 gehalten wird. Die Form 36 weist eine doppelte Struktur auf - und zwar einen Teil mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, der durch die keramische Formauskleidung 62 bestimmt wird, und einen Teil mit einer relativ höheren Wärmeleitfähigkeit, der durch den ungeschützten Teil der Formwand 38 bestimmt wird.

Die Formauskleidung 62 verzögert die Verfestigung, bis sich die Schmelze im Bereich der starken magnetischen Rührkraft befindet. Die geringe mit der Formauskleidung 62 gepaarte Wärmeentzugsgeschwindigkeit verhindert im allgemeinen eine Verfestigung in diesem Teil der Form. Im allgemeinen tritt

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Ζ?-

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die Verfestigung erst gegen das stromabwärts gelegene Ende der Formauskleidung 62 oder kurz danach ein. Der aus dem'erzeugten rotierenden Magnetfeld resultierende Abscherungsvorgang verhindert außerdem die Tendenz zur Bildung einer festen Schale im Bereich der Formauskleidung Dieser Bereich 62 oder diese Zone mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit hilft somit, daß das entstehende Rheogußstück 32' über den gesamten Querschnitt bis sogar zur Außenfläche ein zurückentwickeltes dendritisches Gefüge aufweist.

Unterhalb des von der Formauskleidung 62 bestimmten Bereichs der regulierten Wärmeleitfähigkeit befindet sich der normale Typ einer wassergekühlten Formwand 38 aus Metall. Die hohen mit diesem Teil der Form 36 verbundenen Wärmeabgabegeschwindigkeiten fördern die Bildung einer Schale beim Rohling. Wegen der Zone 62 mit einer geringen Wärmeentzugsgeschwindigkeit sollte jedoch sogar die periphere Schale des Gußstücks 32' aus zurückentwickelten Dendriten in einer umgebenden Matrix bestehen.

Zur Erzeugung des gewünschten Rheogußgefüges an der Gußstückoberfläche wird vorzugsweise jedes im Anfangsstadium befindliche Wachstum von verfestigten Teilen von der Formauskleidung 62 wirksam abgeschert. Dies erfolgt, indem man sicherstellt, daß das mit dem Motorstator 51 verbundene Kraftfeld sich über mindestens den Teil der Formauskleidung 62 erstreckt, in dem die Verfestigung zuerst einsetzt.

Die Dendriten, die zuerst normal an der Peripherie der Form 36 entstehen, werden gleich durch den vom rotierenden Magnetfeld des Induktionsmotorstators 51 bedingten Metallfluß abgeschert. Die abgescherten Dendriten werden weiter gerührt und bilden zurückentwickelte Dendriten, bis sie von der sich verfestigenden Zwischenschicht 63 eingehüllt werden.

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Es können sich auch zurückentwickelte Dendriten direkt in dem Brei bilden, weil der rotierende Rührvorgang der Schmelze kein bevorzugtes Wachstum von Dendriten zuläßt. Um dies sicherzustellen, sollte der Stator 51 so lang sein, daß er sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Verfestigungszone erstreckt. Insbesondere sollte sich das mit dem Stator 51 verbundene Rührkraftfeld vorzugsweise über die gesamte Länge und den gesamten Querschnitt der Verfestigungszone mit einer ausreichenden Größe erstrecken, damit die gewünschten Abscherungsgeschwindigkeiten erzielt werden.

Die Vorrichtung 10' für kontinuierliches Gießen und das kontinuierliche Gießverfahren nach dieser Erfindung sind besonders vorteilhaft im Vergleich zu den Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik. In diesen Verfahren befindet sich die Rührkammer oberhalb einer Stranggußform, und der thixotrope Brei S wird in die Form gefüllt. Dies ist nachteilig, weil die Form schlecht zu füllen ist und ein Oxyd-Entrainment verstärkt wird. Gemäß der Erfindung besteht die Rührkammer aus der Form 36 selbst. Dieses Verfahren unterliegt nicht den Problemen der Weiterleitung von Verunreinigungen wie die kontinuierlichen Gießverfahren des Standes der Technik.

Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung soll sich das gesamte Gußstück vorzugsweise im Kraftfeld des Stators 51 verfestigen, damit man so Gußstücke erhält, die über den gesamten Querschnitt das korrekte Rheogußgefüge aufweisen. Deshalb sollte die Gießvorrichtung 10 oder 10' nach dieser Erfindung vorzugsweise so ausgelegt sein, daß sichergestellt ist, daß sich die gesamte Verfestigungszone oder Herdstichzone innerhalb des Kraftfeldes des Stators befindet. Dazu können extralange Statoren 51 erforderlich

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sein, damit manche Gießvorgänge bewältigt werden können.

Das Verfahren und die Vorrichtung 10' der Erfindung können auf Formen 36, mit nicht kreisförmigem Querschnitt ausgedehnt werden, indem nicht kreisförmige Induktionsmotorstatoren konstruiert werden, um einen Rührvorgang, ähnlich dem für Figur 3 beschriebenen, zu bewirken.

Gemäß der Erfindung üben zwei miteinander konkurrierende Prozesse - das Abscheren und die Verfestigung - eine Regelfunktion aus. Das vom elektromagnetischen Verfahren und der Vorrichtung nach dieser Erfindung erzeugte Abscheren kann dem durch mechanisches Rühren erzielten Abscheren gleichwertig sein oder dieses übertreffen. Das Zusammenwirken zwischen der Abscherungsgeschwindigkeit und der Abkühlungsgeschwindigkeit bedingt für kontinuierliche Gießverfahren höhere Statorströme als für statische Gießverfahren.

Gemäß der Erfindung hat sich gezeigt, daß die Wirkungen der experimentellen Variablen im Verfahren durch eine Betrachtung zweier dimensionsloser Gruppen, nämlich β und N, wie folgt voraussagbar sind:

β =/ Jwo-μ- _OR² (D

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."-.0Π5,25Ο-"-

Dabei sind

y = Winkellinienfrequenz

ΰ ~ elektrische Leitfähigkeit der Schmelze

Jt₀ = magnetische Permeabilität

R — Radius der Schmelze

BQß = magnetische Induktion an der Formwand

ty, = Viskosität der Schmelze.

Die erste Gruppe, β , ist ein Maß für die Wirkungen der Feldgeometrie, während die zweite Gruppe, N, als ein Kopplungskoeffizient zwischen den magnetomotorischen Körperkräften und dem damit verbundenen Geschwindigkeitsfeld auftritt. Die berechneten Geschwindigkeits- und Abscherungsfelder für einen einzelnen Wert von β als Funktion des Parameters N sind determinierbar.

Aus diesen Determinierungen hat sich ergeben, daß die Abscherungsgeschwindigkeit stark zur Außenseite der Form hin zunimmt, wo sie ihr Maximum erreicht. Diese maximale Abscherungsgeschwindigkeit nimmt bei Zunehmen von N zu. Es ist gefolgert worden, daß das Abscheren in der Schmelze stattfindet, weil die periphere Grenze oder Formwand starr ist. Deshalb sollten - selbst bei einer vorhandenen, sich verfestigenden Schale - in der Schmelze immer noch Abscherungsspannungen vorhanden sein, und sie sollten an der flüssig-festen Zwischenschicht 35 oder 63 am größten sein.

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Da an der voranschreitenden Zwischenschicht 35 oder 63 immer Abscherungsspannungen zu verzeichnen sind, ist es weiterhin möglich, einen Rohling 32 oder 32' mit dem entsprechenden zurückentwickelten dendritischen Rheogußgefüge über den vollen Querschnitt zu produzieren.

Beispiel I

Bei Verwendung einer Vorrichtung 10 - ähnlich der in Figur und 2 abgebildeten - wurde aus zwei getrennten Aluminiumlegierungen 6061 und A 356 jeweils ein halbfester thixotroper"Legierungsbrei erzeugt. Die Form bestand aus einem Schmelztiegel aus rostfreiem Stahl. Die Form war mit Schmelze entsprechend der betreffenden Legierung gefüllt. Die Schmelze wurde mit einer durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeit von 50°C je Minute abgekühlt, während sie unter dem Einfluß eines erzeugten rotierenden Magnetfeldes stand, wobei ein Strom von 15 Ampere und 60 Hz durch den zweipoligen Drehstrom-Induktionsmtorstator 27 geschickt wurde. Die magnetische Induktion an der Tiegelwand 13 betrug 300 Gauß. Die erhaltenen Legierungen wiesen ein typisches Rheogußgefüge auf, das im allgemeinen aus rundlichen, primär festen Teilen, umgeben von einer festen Matrix anderer Zusammensetzung, bestand.

Beispiel II

Unter Verwendung einer Vorrichtung 10' - ähnlich der in Figur 6 und 7 gezeigten - wurden Rohlinge der Legierung 6061 mit einem Durchmesser von 2,5 Zoll gegossen. Der Bodenblock 37 wurde abgesenkt, und das Gußstück wurde aus der Form 36 bei Geschwindigkeiten von etwa 8 bis 14 Zoll je Minute abgezogen. Der Strom des zweipoligen Drehstrom-Induktionsmotorstators 51 bewegte sich zwischen 5 und 35

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Ampere. Es zeigte sich, daß bei niedrigem Amperewert ein Gefüge mit einer feinen dendritischen Körnung erzielt wurde, jedoch nicht das charakteristische Gefüge eines im Rheogußverfahren erzielten thixotropen Breis. Bei den oberen Stromwerten, besonders bei und um die 15 Ampere, wurden Gefüge erzielt, die gänzlich nicht dendritisch waren und einem typischen Rheogußgefüge mit im allgemeinen rundlichen, primär festen Partikeln, umgeben von einer festen Matrix anderer Zusammensetzung, entsprachen.

Die Deckel 14 und 54, die den Hohlraum der Form bis auf die kleine, in der Mitte befindliche Öffnung 17 oder 56 verschließen, dienen nicht nur zur Vermeidung eines überlauf ens von Schmelze, sondern auch zur Vermeidung der Bildung eines U-förmigen Hohlraums am Ende des Rheogußstücks. Durch ausreichendos Einfüllen von Schmelze in die Form, so daß der Trichter 16 oder 57 wenigstens teilweise gefüllt ist, kann man sicherstellen, daß der Hohlraum der Form vollständig mit Schmelze und Brei gefüllt ist. Der Deckel 14 oder 54 gleicht die Zentrifugalkräfte aus und vermeidet die Bildung des U-förmigen Hohlraums bei der Verfestigung. Durch eine vollständige Füllung der Form wird ein Oxyd-Entrainment in dem entstehenden Gußstück beträchtlich verringert.

Während sich erfindungsgemäß die vom Magnetfeld stammende Rührkraft vorzugsweise über die gesamte Verfestigungszone erstreckt, ist festzustellen, daß das Abscheren der Dendriten von der Rotation der Schmelze herrührt. Diese Rührbewegung im Metall kann das Abscheren der Dendriten außerhalb des Kraftfeldes bewirken, wenn · die sich bewegende Schmelzmasse bis nach außerhalb des Kraftfeldes erstreckt.

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Dendriten versuchen zuerst, von den Seiten oder von der Wand der Form nach innen zu wachsen. Dan sich am Boden der Form verfestigende Metall muß nicht dendritisch sein dank der vergleichsweise geringen Wärmeentziagsgeschwindigkeit, die die Bildung mehr gleichgerichteter Körnungen fördert.

Geeignete Statorströme für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden variieren, je nachdem, welcher Stator benutzt wird. Die Ströme müssen ausreichend hoch sein, um das gewünschte Magnetfeld zur Erzeugung der gewünschten Abscherungsgeschwindigkeiten zu schaffen.

Geeignete Abscherungsgeschwindigkeiten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens reichen von mindestens etwa

— 1 —1

100 see. bis etwa 1500 see. und vorzugsweise von min-

— 1 —1

destens etwa 500 see. bis etwa 1200 see. . Für Aluminium und Aluminiumlegierungen hat sich eine Abscherungsgeschwin-.digkeit von etwa 700
sehenswert erwiesen.

-1 -1

.digkeit von etwa 700 see. bis etwa 1100 see. als wün-

Die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeiten für den Verfestigungstemperaturbereich der Schmelze in der Form sollten zwischen etwa 0,1⁰C je Minute und etwa 1000 C je Minute liegen und sollten vorzugsweise zwischen etwa 10 C je Minute bis etwa 500°C je Minute liegen. Für Aluminium und Aluminiumlegierungen hat sich eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 40°C je Minute bis etwa 500°C je Minute als geeignet erwiesen. Die Wirksamkeit des magnetohydrodynamischen Rührens ermöglicht die Anwendung höherer Abkühlungsgeschwindigkeiten als bei den Rührverfahren gemäß dem Stand der Technik. Höhere Abkühlungsgeschwindigkeiten führen zu in hohem Maße erwünschten feineren Körnungen in dem entstehenden Rheogußstück. Weiter ergibt

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sich für das kontinuierliche Gießen von Rheogußstücken aus der Anwendung Höherer Abkuhlungsgeschwindigkeiten ein höherer Durchsatz.

Der Parameter \ß j (wv.obei ß> durch die Gleichung (1) definiert ist) zur Durchführung des erf'indungsgemäßen Verfahrens sollte von etwa 1 bis etwa 10, und vorzugsweise von etwa 3 bis etwa 7, reichen.

Der Paremeter in N (definiert durch die Gleichung (2) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollte von etwa 1 bis etwa 1000, und vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 200 reichen.

Die Winkellinienfrequenz £ für ein Gußstück mit einem Radius von etwa 1 Zoll bis zu etwa 10 Zoll sollte ungefähr zwischen 3 und etwa 3000 Hs und vorzugsweise zwischen etwa 9 und etwa 2000 Hz liegen.

Die Magnetfeldstärke, die eine Funktion der Winkellinienfrequenz und des Radius der Schmelze ist, sollte etwa zwischen 50 und 1500 Gauß und vorzugsweise zwischen etwa 100 und etwa 600 Gauß betragen.

Die speziellen benutzten Parameter können von Metallsystem zu Metallsystem variieren, damit man zur Erzeugung des thixotropen Breis die gewünschten Abscherungsgeschwindigkeiten bekommt. Die für andere Legierungssysteme als für Aluminiumlegierungssysteme passenden Parameter können durch Routineversuche entsprechend den Prinzipien der Erfindung ermittelt werden.

Die Verfestigungszone in dem in dieser Anmeldung gebrauchten Sinne bezieht sich auf die Zone der Schmelze oder des Breis

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in der Form, wo die Verfestigung stattfindet. Magnetohydrodynamisch in dem hier benutzten Sinn bezieht sich auf das Rühren von Schmelze oder Brei unter Anwendung eines sich bewegenden oder rotierenden Magnetfeldes. Die magnetische Rührkraft kann passender noch als magnetomotorische Rührkraft bezeichnet werden, die von dem sich bewegenden oder rotierenden Magnetfeld gemäß der Erfindung bereitgestellt wird.

Das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung sind für den vollen Bereich von Werkstoffen, wie sie der Stand der Technik aufzählt, anwendbar - einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, Stahl und Stahllegierungen .

Es ist deutlich, daß gemäß der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Erzeugung thixotropen Metallbreis geschaffen worden sind, wodurch die vorher hier dargelegten Ziele, Mittel und Vorteile voll befriedigt werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Bildung eines halbfesten thixotropen Legierungsbreis, der zurückentwickelte dendritische, primär feste Partikel in einer umgebenden Matrix aus Schmelze aufweist, wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine Mischvorrichtung zum Mischen der Schmelze zum Abscheren der in einer Verfestigungszone beim Abkühlen der Schmelze gebildeten Dendriten, um den Brei zu erzeugen,

dadurch gekennze ichnet, daß die Mischvorrichtung Teile zur Erzeugung eines sich bewegenden Magnetfeldes von Nicht-Null über dem Querschnitt des Behälters und über der gesamten Verfestigungszone (33) aufweist, und wobei das sich bewegende Magnetfeld eine

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magnetomotorische Rührkraft ausreichender Größe erzeugt, um das Mischen der Schmelze zu bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile zum Erzeugen des Magnetfelds ein Magnetfeld erzeugen, das sich quer zur Längsachse des Behälters bewegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g .e k e η η zeichnet, daß die Teile zum Erzeugen des Magnetfelds ein rotierendes Magnetfeld erzeugen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetomotorische Rührkraft tangential zum Behälter gerichtet ist und dadurch Schmelze und Brei in dem Behälter zum Rotieren zu bringen sind, wobei die Rotation der Schmelze und des Breis das Abscheren der Dendriten bewirkt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetomotorische Rührkraft normal zur Wachstumsrichtung der Dendriten gerichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes aus einem mehrphasigen Stator (18,27) eines zweipoligen Induktionsmotors besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (18,27,51) der Stator (18,27,51) eines Drehstrom-Motors ist.

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8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine Form (11,11*,36) für die Bildung eines Rheogußstücks (32,32') aus dem genannten Brei ist, wobei der Stator (18,27,51) die Form umschließend angeordnet ist und die Form (11,11',36) eine gewünschte längliche Gießachse (31,42) definiert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (11, 36) einen kreisförmigen Querschnitt hat und der Stator (18,27,51) konzentrisch um die Form (11) und die Gießachse (31) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch· gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Form (11') nicht kreisförmig ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Form (11') rechteckig ist und der Stator (18) ein rechteckiger Stator eines Induktionsmotors ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (11, 11', 36) aus Metall besteht und eine Formwand (13,38) aufweist, und daß die Kühlvorrichtung eine rund um die Form (11,11',36) angeordnete Kühlmittelzufuhrleitung (20,44) ist, um Wasser auf die Formwand (13,38) zu richten.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (11,11') eine statische Gießform (11,11') ist.

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14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennze ichnet, daß die Form (36) eine Form für kontinuierliches oder halbkontinuierliches Gießen ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit für einen Verfestigungstemperaturbereich der Schmelze '

aufweist.

Schmelze von etwa 0,1° C/min. bis etwa 1000° C/min.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetomotorische Kraft Abscherungszahlen von etwa 100 see. bis etwa 1500 see." liefert.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung angeordnet ist, die verhindern soll, daß Schmelze oder Brei aus der Form (11,11',36) überläuft, und daß in dem sich ergebenden Rheogußstück (32,32') ein Verfestigungshohlraum entsteht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Verhindern des Überlaufens und Hohlraumbildens ein Deckel (14,15) ist, der weitgehend die Form (11,11',36) bis auf eine darin in der Mitte befindliche Öffnung (17,56) verschließt, durch die die Schmelze in die Form (11,1I¹, 36) gefüllt wird.

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19. Verfahren zur Bildung eines halbfesten thixotropen Legierungsbreis, wobei der Brei zurückentwickelte dendritische, primär feste Partikel in einer umgebenden Matrix aus Schmelze enthält, gekennzeichnet durch

die Bereitstellung einer Vorrichtung als Behälter von Schmelze mit einem gewünschten Querschnitt,

das kontrollierte Abkühlen der Schmelze in dem Behälter, und

das Mischen der im Behälter befindlichen Schmelze zwecks Abscheren der in einer Verfestigungszone beim Abkühlen der Schmelze gebildeten Dendriten, um den Brei zu bilden,

die Erzeugung eines sich bewegenden Magnetfeldes von Nicht-Null über dem Querschnitt des Behälters und über der gesamten Verfestigungszone, wobei das sich bewegende Magnetfeld eine magnetomotorische Rührkraft ausreichender Größe liefert, um das Mischen der Schmelze zu bewirken.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeugungsmaßnahme die Erzeugung eines Magnetfeldes beinhaltet, das sich quer zur Längsachse des Behälters bewegt.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeugungsmaßnahme die Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes beinhaltet.

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22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetomotorische Rührkraft tangential zum Behälter gerichtet ist, um Schmelze und Brei in dem Behälter zum Rotieren zu bringen, wobei sich als Auswirkung der Rotation von Schmelze und Brei das Abscheren der Dendriten ergibt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetomotorische Rührkraft normal zur Washstumsrichtung der Dendriten gerichtet ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahme zur Erzeugung des Magnetfeldes beinhaltet, daß ein mehrphasiger Stator (18, 27) eines zweipoligen Induktionsmotors vorgesehen ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus einer Form (11, 11', 36) besteht und weiter die Maßnahme für die Bildung eines Rheogußstückes (32,32') aus dem Brei vorgesehen ist.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rheogußstücks (32, 32') kreisförmig ist.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rheogußstücks (32, 32") nicht kreisförmig ist.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rheogußstücks rechteckig ist.

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29. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 28,
dadurch gekennze i ahnet, daß die
Maßnahme für die Bildung des Rheogußstücks statisch erfolgt.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahme für die Bildung des Rheogußstückf; kontinuierlich oder
halbkontinuierlich erfolgt.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlungsvorrichtung eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit über einen Verfestigungstemperaturbereich der Schmelze von etwa 0,1° C/min. bis etwa 1000° C/min. liefert.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 31, dadurch

gekennzeichnet, daß die magnetomoto-

rische Kraft Abscherungszahlen von etwa 100 see.
bis etwa 1500 see." liefert.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahme zum Vermeiden des Überlaufens der Schmelze oder des
Breis aus der Form (11,11',36) und zum Vermeiden
der Bildung eines Verfestigungshohlraums in dem sich ergebenden Rheogußstück (32, 32') beinhaltet.

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