DE3006618A1

DE3006618A1 - Vorrichtung zur bildung eines halbfesten thixotropen legierungsbreis

Info

Publication number: DE3006618A1
Application number: DE19803006618
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: 1980-09-04
Also published as: GB2042385B; DE3006618C2; FR2449498B1; JPS55117555A; CA1176820A; ES488944A0; SE8001285L; BR8001089A; GB2042385A; IT8020141A0; IT1141384B; MX152791A; FR2449498A1; ES8100125A1

Description

Vorrichtung zur Bildung eines halbfesten thixotropen Legierungsbreis

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bildung eines halbfesten thixotropen Legierungsbreis, wobei der Brei zurückentwickelte dendritische, primär feste Partikel in einer umgebenden Matrix aus flüssigem Metall enthält und wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine Vorrichtung als Behälter von Schmelze;

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

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zum Mischen der Schmelze, um die in einer Verfestigungszone beim Abkühlen des Metalls gebildeten Dendriten zwecks Erzeugung des Breis abzuscheren.

Die bekannten Verfahren zur Herstellung halbfester thixotroper Legierungsbreie umfassen mechanische und induktive elektromagnetische Rührverfahren. Die Verfahren zur Herstellung eines solchen Breis mit einem zweckmäßigen Gefüge erfordern ein Ausbalancieren zwischen der durch das Rühren bedingten Abscherungsgeschwindigkeit und der

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Verfestigungsgeschwindigkeit des gerade vergossenen Materials.

Die mechanischen Rührtechniken werden am besten in den US-Patenten Nr. 3 902 544, 3 954 455, 3 948 650 und 3 936 298 veranschaulicht. Die mechanischen Rührtechniken werden auch in Artikeln im ASF International Casts Metals Journal, Sept. 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 Mischerrotors gerührt wird, um so den gewünschten, thixotropen 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. Und mechanische Rührvorgänge lassen sich 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 Problem dar, wenn es um reaktive Legierungen wie Aluminiumlegierungen geht, die leicht oxydieren. Die bei

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diesen Verfahren erzielbaren titrimetrischen 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 Nr. 3 902 544, 3 954 455 und 3 948 650 erwähnen kurz die Verwendung elektromagnetischen Rührens als eine von vielen alternativen Rührtechniken, die bei der Erzeugung thixotropen Breis Anwendung finden könnten. Sie unterlassen es jedoch, auch nur irgendwo anzugeben, wie ein solches elektromagnetisches Rührverfahren zur Erzeugung eines solchen Breis tatsächlich durchzuführen ist. Die deutsche Offenlegungsschrift Nr. 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. Es wird jedoch nicht deutlich gemacht, ob-diese elektromagnetische Agitation zuzüglich zu der mechanischen Agitation oder ob sie als deren Ersatz gedacht ist. Auf jeden Fall ist deutlich, daß nur ein induktiver elektromagnetischer Rührverfahrenstyp vorgeschlagen wird.

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Der Stand der Technik verzeichnet eine große Zahl an elektromagnetischen Rührtechniken, die während des Vergießens von Metall- und Legxerungsschmelzen angewandt werden. Die US-Patente Nr. 3 268 935, 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 Magnetfeld - 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 2 963 758 und 2 861 302 und die-britischen Patente 1 525 036 und 1 525 454 beschreiben. Die US-PS 2 963 758 zeigt sowohl statisches und kontinuierliches Gießen, wobei die Schmelze mittels eines rotierenden Magnetfeldes 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 96 3 758 wird ein

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6-poliger Stator um die Form angeordnet, and danach werden zwei zweipolige Statoren in regelmäßigem Abstand um das sich verfestigende Gußstück angeordnet.

Die Verwendung von Warmhauben ist vom Direktschalenguß bekannt, wie in den US-Patenten Nr. 3 477 494, 3 612 151 und 4 071 072 beschrieben.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion einer Rheogußform. Bei der Konstruktion einer geeigneten Gießanlage zur Verwendung für den Guß von Eheogußstücken ist es schwierig, die verschiedenen Bauteile, die die Anlage bilden, so miteinander zu kombinieren, daß sich das von dem zweipoligen Induktionsmotorstator erzeugte Rührkraftfeld über die gesamte Verfestigungszone erstreckt. Vorzugsweise wird die Leitung, die das Kühlmittel auf die Formwand aufbringt, oberhalb des Stators angeordnet!. Dies kann in einem Teil des Hohlraums der Form erfolgen, der aus dem Bereich herausreicht, in dem eine wirksame magnetische Rührkraft erzeugt wird. Dies wiederum kann zu unerwünschten Variationen im Gefüge des geformten Rheogußstücks führen.

Zur Lösung dieses Problems wird entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung geschaffen, mit der die Verfestigung innerhalb des Hohlraums der Form so lange hinausgezögert wird, bis sich die Schmelze innerhalb des wirksamen Magnetfeldes befindet, das die erwünschte magnetohydrodynamische Rührkraft liefert. Dies erfolgt entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung, indem die obere Region des Hohlraums der Form eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es wird vorzugsweise eine partielle isolierende Formauskleidung in den oberen Teil der Form eingefügt. Die Form-

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auskleidung erstreckt sich so weit nach unten in den Hohlraum der Form, daß das magnetische Rührkraftfeld wenigstens teilweise von der partiellen Formauskleidung unterbrochen wird.

Die Verwendung einer doppelten Form entsprechend dieser Erfindung, die einen oberen Teil mit geringer Wärmeleitfähigkeit und einen unteren Teil mit höherer Wärmeleitfähigkeit aufweist, gewährleistet, daß die Schmelze sich unter dem Einfluß des rotierenden Magnetfeldes verfestigen kann. Dies trägt dazu bei, daß das entstehende Rheogußrück über den gesamten Querschnitt bis sogar zur Außenfläche ein zurückentwickeltes dendritisches Gefüge aufweist.

Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, eine Rheogußformvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, ein Gußstück zu formen, das über den gesamten Querschnitt ein Rheogußgefüge aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine wie oben beschriebene Vorrichtung zu schaffen, in der der Hohlraum Bereiche unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit zur Vermeidung vorzeitiger Verfestigung aufweist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Wiedergabe in partiellem Querschnitt einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung für kontinuierliches oder halbkontinuierliches Gießen eines thixotropen halbfesten Metallbreis;

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Figur 2 eine schematische Wiedergabe in partiellem Querschnitt der Vorrichtung gemäß Figur 1 während des Gießvorgangs;

Figur 3 eine partielle Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 in Figur 1;

Figur 4 eine schematische Bodenansicht einer nicht kreisförmigen Form und einer linearen Induktionsmotorstator-Anordnung entsprechend einer anderen Ausgestaltung der Erfindung;

Figur 5 eine schematische Wiedergabe der Kraftlinien in einem gegebenen Augenblick, die von einem vierpoligen Induktionsmotorstator erzeugt werden;

Figur 6 eine schematische Wiedergabe der Kraftlinien in einem gegebenen Augenblick, die von einem zweipoligen Motorstator erzeugt werden.

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.

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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 herkömmtlichen 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 umgebenden Matrix. Die umgebende Matrix ist fest, wenn die Metallzusammensetzung voll verfestigt ist, und ist flüssig, wenn die Metallzusammensetzung ein teils verfestigter und teils flüssiger Breis 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 durchscnittlichen 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 Partikel untereinander verbundene Netze entwickeln.

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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.

In Figur 1 und 2 wird eine Vorrichtung 10 für kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Rheoguß von thixotropen Metallbreien gezeigt. Die zylindrische Form 11 ist für solch kontinuierlichen oder halbkontinuierlxchen Rheoguß konstruiert. Die Form 11 kann aus jedem beliebigen, nicht magnetischen Material wie rostfreiem Stahl, Kupfer, Kupferlegierung oder ähnlichem gebildet werden.

In Figur 3 ist zu sehen, daß die Formwand zylindrischer Natur ist. Die Vorrichtung 10 und das Verfahrengemäß dieser Erfindung eignen sich besonders für die Herstellung zylindrischer Rohlinge unter Verwendung eines konventionellen zweipoligen, mehrphasigen Induktionsmotorstators für das Rühren. Sie ist jedoch nicht auf die Bilding von Rohlingen mit zylindrischem Querschnitt beschränkt, da man

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ein sich quer oder in Umfangsrichtung bewegendes Magnetfeld bei einer nicht zylindrischen Form 11 wie in Figur 4 erzeugen kann. In der Ausgestaltung in Figur 4 hat die Form 11 einen rechteckigen Querschnitt, der von einem mehrphasigen rechteckigen Induktionsmotorstator 12 umgeben ist. Das Magnetfeld bewegt sich oder rotiert um die Form 11 in einer zur Längsachse des in Herstellung befindlichen Gußstücks normalen Richtung. Hier bezieht sich die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung auf die Verwendung einer zylindrischen Form 11.

Der Bodenblock 13 der Form 11 ist so angeordnet, daß er von der Form 11 weggezogen werden kann, wenn das Gußstück eine sich verfestigende Schale bildet. Der bewegliche Bodenblock 13 ist ein standardmäßiger Direktschalenguß-Bodenblock. Er besteht aus Metall und ist für eine Bewegung zwischen der in Figur 1 gezeigten Position, in der er sich innerhalb der Begrenzung des Hohlraums 14 der Form befindet, und einer in Figur 2 gezeigten, von der Form 11 abgezogenen Position ausgelegt. Diese Bewegung wird durch Abstützung des Bodenblocks 13 auf einem geeigneten Wagen bewirkt. Führungsschrauben 16 und 17 oder hydraulische Vorrichtungen v/erden zum Anheben und Absenken des Bodenblocks 13 bei einer gewünschten Gießgeschwindigkext in Übereinstimmung mit der bestehenden Praxis benutzt. Der Bodenblock 13 ist so angeordnet, daß er sich axial entlang der Formachse 18 bewegt. Er weist einen Hohlraum 19 auf,in den die Schmelze anfänglich gegossen wird und der auf das entstehende Gußstück beim Abziehen aus der Form 11 einen stabilisierenden Einfluß ausübt.

Eine Kühlleitung 20 ist rund um den Umfang der Formwand 21 angeordnet. Die spezielle gezeigte Leitung weist eine erste Einlaßkammer 22 und eine zweite, mit der ersten Einlaßkammer

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durch einen engen Schlitz 2 4 verbundene Kammer 23 auf. Ein Austrittsschlitz 25 wird von dem Zwischenraum zwischen der Kühlleitung 20 und der Form 11 bestimmt. Ein einheitlicher Wasservorhang strömt über die Außenfläche 2 6 der Form 11. Eine geeignete Ventilanordnung 27 ist für die Regelung der Fließgeschwindigkeit des austretenden Wassers oder eines anderen Kühlmittels vorgesehen, um so die Verfestigungsgeschwindigkeit des Breis S zu regulieren. In der Vorrichtung 10 befindet sich eine von Hand betätigte Ventileinrichtung 27, welche jedoch auf Wunsch auch ein elektrisch betätigtes Ventil sein könnte.

Die in die Form 11 gegossene Schmelze wird unter kontrollierten Bedingungen mittels des auf die Außenfläche 26 der Form 11 von der umgebenden Kühlleitung 20 aufgesprühten Wassers abgekühlt. Durch Regelung des Wasserflusses auf die Außenfläche 26 wird die Geschwindigkeit des Wärmeentzugs aus der Schmelze innerhalb der Form 11 geregelt.

Um eine Vorrichtung zum Rühren der Schmelze innerhalb der Form 11 zur Erzeugung des gewünschten thixotropen Breis zu schaffen, wird ein zweipoliger, mehrphasiger Induktionsmotorstator 28 rund um die Form 11 angeordnet. Der Stator 28 besteht aus Eisenplatten 29, um die die gewünschten Wicklungen 30 in der üblichen Weise angeordnet sind, um einen Drehstrom-Induktionsmotorstator zu schaffen. Der Motorstator 28 ist in einem Motorgehäuse M montiert. Die Kühlleitung 20 und der Motorstator 28 sind konzentrisch um die Formachse 18 der Form 11 und des darin geformten Gußstücks 31 angeordnet.

Entsprechend der Erfindung wird vorzugsweise ein zweipoliger Drehstrom-Induktionsmotorstator 28 benutzt. Ein Vorteil des zweipoligen Motorstators 28 besteht darin/ daß über den gesamten Querschnitt der Form 11 ein Magnetfeld von Nicht-Null

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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 5 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 21 der Form Im Vergleich dazu erzeugt ein zweipoliger Induktionsmotorstator gemäß Figur 6 in einem gegebenen Zeitpunkt Momentkraftlinien, die über den gesamten Querschnitt der Form 11 ein Magnetfeld von Nicht-Null erzeugen. Der zweipolige Induktionsmotorstator 2 8 erzeugt auch eine höhere Rotationsfrequenz oder Rührgeschwindigkeit des Breis S bei einer gegebenen Stromfrequenz als das Vierpolverfahren in Figur

Ein teilweise abschließender Deckel 32 wird benutzt, um ein Überlaufen der Schmelze und des Breis aufgrund des vom Magnetfeld des Motorstators 28 bedingten Rührvorgangs zu vermeiden. Der Deckel 32 besteht aus einer Metallplatte, die oberhalb der Kühlleitung 20 angeordnet und von ihr durch eine geeignete keramische Auskleidung 33 getrennt ist. In dem Deckel 32 befindet sich eine öffnung 34, durch die die Schmelze in den Hohlraum 14 der Form einfließt. Mit der Öffnung 34 im Deckel verbunden ist ein Trichter 35 zum Lenken der Schmelze in die Öffnung 34. Zum Schutz des Trichters 35 und der öffnung 34 wird eine keramische Auskleidung 36 vorgesehen. Während des Rotierens des thixotropen Metallbreis S innerhalb der Form 11 versucht das Metall, veranlaßt durch Zentrifugalkräfte, sich zur Formwand 21 zu drängen. Der Deckel 32 mit seiner keramischen Auskleidung 33 verhindert, daß Metallbrei S sich der Form-

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../ft.

wand 21 nähert oder aus dem Hohlraum der Form 11 überläuft und die Vorrichtung 1O beschädigt. Der Trichter 35 des Deckels 32 dient auch als ein Reserve-Raum für Schmelze, damit die Form 11 gefüllt ist/ um das Bilden eines ü-förmigen Hohlraums am Ende des Gußstücks aufgrund der Zentrifugalkräfte zu vermeiden.

Direkt über dem Trichter 35 befindet sich ein Auslauf 37, durch den die Schmelze aus einem geeigneten Ofen 38 fließt. Zur Regulierung des EinfHeßens der Schmelze in die Form 11 wird entsprechend der üblichen Praxis ein koaxial angeordnetes, dem Auslauf zugeordnetes Ventilglied 3& vorgesehen.

Der Ofen 38 kann ein Ofen jeder herkömmlichen. Konstruktion sein. Es ist nicht wesentlich, daß sich der Ofen direkt über der Form 11 befindet. Entsprechend dem herkömmlichen Direktschalengußverfahren kann sich der Ofen seitlich davon verschoben befinden und mit der Form 11 durch eine Reihe von Gieß- oder Abstichrinnen verbunden sein.

In Figur 3 wird noch 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 magnetische Flußvektor B radial nach innen in die Form 11, und der magnetische Rührkraftvektor F erstreckt sich im allgemeinen tangential zur Formwand 21. Dadurch wird in dem Hohlraum der Form die Schmelze in der Pfeilrichtung R zum Rotieren gebra-cht, wodurch das gewünschte Abscheren zur Erzeugung 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.

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Erfindungsgemäß erstreckt sich das vom Stator 28 erzeugte Rührkraftfeld vorzugsweise über die gesamte Verfestigungszorie der Schmelze und des thixotropen Metallbreis S. Sonst würde das Gefüge des Gußstücks Bereiche innerhalb des Feldes des Stators 28 mit einem Rheogußgefüge und Bereiche außerhalb des Statorfeldes aufweisen, die dazu neigen, kein Rheogußgefüge zu haben.. In der Ausgestaltung nach Figur 1 und 2 umfaßt die Verf estigungsz.one vorzugsweise den Stichherd aus Schmelze und Brei S innerhalb der Form ii, der von der Oberfläche 40 bis zur Verfestigungszone 41 reicht, die das verfestigte Gußstück 31 von dem Brei S trennt. Die Verfestigungszone erstreckt sich mindestens von dem Bereich der allerersten Verfestigungsanfänge und Breibildung im Hohlraum 14 der Form bis zur Verfestigungszone 41. . .

Unter normalen Verfestigungsbedingungen weist die Peripherie des Gußstücks 31 ein Gefüge mit säulenmäßiger dendritischer Körnung auf. Solch ein Gefüge ist nicht wünschenswert und schmälert die gesamten Vorteile des Gefüges eines Rheogußstücks, das den größten Teil des Gußstückquerschnitts ausmacht. Um die Stärke dieser äußeren dendritischen Schicht wesentlich zu reduzieren oder zu beseitigen, wird gemäß der Erfindung die Wärmeleitfähigkeit des oberen .Bereichs der Form 11 mittels einer partiellen Auskleidung.42 aus einem Isoliermaterial wie Keramik reduziert. Die keramische Formauskleidung 42 erstreckt sich von der keramischen Auskleidung 33 des Deckels 32 so weit nach unten in den Hohlraum 14 der Form, daß das magnetische Rührkraftfeld des zweipoligen Motorstators 28 wenigstens teilweise von der partiellen Keramischen Formauskleidung 42 unterbrochen wird. Die keramische Formauskleidung 42 ist ein Mantel, der mit der inneren Gestaltung der Form 11 übeaEinstimmt und an der

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Formwahd- 21 gehalten-wird. Die Form .11. weist, eine, tloppelte Struktur auf/ und zwar: einen oberen· Teil*mit geringer ^:. . Wärmeleitfähigkeit,- 3er durch die -keramische Auskleidung • 42 bestimmt wird, und-einen Teil mit hoher Wärmeleit^- fähigkeit,- der durch "den ungeschützten Teil^: der-Formwand bestimmt wird. " ■■"■' ■ ' '·" ' ":..".--: J -,;> " -.-■-·.

Die Auskleidung 42 verzögert die Verfestigung, bis sich die Schmelze im' Bereich der starken magnetischen Rühr- " kraft befindet. Die geringe, mit der Auskleidung '42 ge^-" paarte Wärmeentzugsgeschwindigkeit verhindert im allgemeinen die Verfestigung in diesem Teil "der-Form 11. 'iiii allgemeinen tritt die Verfestigung erst gegen das -stromab-' wärts gelegene Ende der Auskleidung' 42 oder-kurz" danach ein. Der sich aus dem erzeugten -rotierenden Magnetfeld ergebende AbscherungsVorgang verhindert außerdem die Tendenz zur Bildung einer festen Schale im Bereich öer Auskleidung 42. Dieser Bereich 42 oder diese Zcne geringer Wärmeleitfähigkeit hilft somit, daß das entstehende Eheo-'Gußstück 31 über den gesamten Querschnitt bis sogar zur

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Außenfläche ein zurückentwickeltes dendritles Gefüge aufweist. ' '

Unterhalb des von der Auskleidung 42 bestimmten Bereichs der regulierten Wärmeleitfähigkeit befindet sich der normale Typ einer wassergekühlten Formwand 21 aus Metall, Die hohen mit diesem Teil der Form 11 verbundenen Wärmeabgabegeschwindigkeiten fördern die Bildung einer Schale beim Rohling. Wegen der Auskleidung 42 mit einer geringen Wärmeentzugsgeschwindigkeit sollte jedoch sogar die periphere Schale des Gußstücks 31 aus zurückentwickelten Dendriten in einer umgebenden Matrix bestehen. '

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Zur Erzeugung des gewünschten Rheogußgefüges an der Gußstück ober fläche wird vorzugsweise jedes im Anfangsstadium befindliche Wachstum von verfestigten Teilen von der Auskleidung 42 wirksam abgeschert. Dies erfolgt, indem man sicherstellt, daß das mit dem Motorstator 28 verbundene Kraftfeld sich über mindestens den Teil der Auskleidung 42 erstreckt, in dem die Verfestigung zuerst einsetzt.

Die Dendriten, die sich zuerst normal an der Peripherie der Gießform 11 bilden, werden gleich durch den vom rotierenden Magnetfeld des Induktionsmotorstators 28 bedingten Metallfluß abgeschert. Die abgescherten Dendriten werden weiter gerührt und bilden so zurückentwickelte Dendriten, bis sie von der sich verfestigenden Verfestigungszone 41 eingehüllt werden. Es können sich auch zurückentwickelte Dendriten direkt in dem Brei bilden, weil der rotierende Rührvorgang der Schmelze kein bevorzugtes Wachstum der Dendriten zuläßt. Um dies sicherzustellen, sollte der Stator 28 so lang sein, daß er sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Verfestigungszone erstreckt. Insbesondere sollte sich das mit dem Stator 28 verbundene Rührkraftfeld vorzugsweise über die gesamte Länge und den gesamten Querschnitt der Verfestigungszone mit einer ausreichenden Größe erstrecken, damit die gewünschten Abscherungsgeschwindigkeiten erzielt werden.

Zur Bildung eines Rheo-Gußstücks 31 unter Verwendung der Vorrichtung 10 von Figur 1 und 2 wird Schmelze in den Hohlraum 14 der Form gefüllt, während der Motorstator 28 von einem geeigneten Dreiphasen-Wechselstrom gewünschter Größe und Frequenz erregt wird. Nach dem Eingießen der Schmelze in den Hohlraum der Form wird diese ständig von dem vom Motorstator 28 erzeugten rotierenden Magnetfeld gerührt. Die Verfestigung setzt bei der Formwand 21 ein. Die höchsten

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Abscherungsgeschwindigkeiten werden an der stationären Formwand 21 oder an der fortschreitenden Verfestigungszone 41 erreicht. Durch eine entsprechende Regulierung der Verfestigungsgeschwindigkeit mit jedem beliebigen bekannten Mittel gemäß dem Stand der Technik wird der gewünschte thixotrope Brei S in dem Hohlraum 14 der Form gebildet. Beim Bilden einer sich verfestigenden Schale auf dem Gußstück 31 wird der Bodenblock 13 bei einer gewünschten Gießgeschwindigkeit nach unten weggezogen.

Die bei dem Verfahren und der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung erzielbaren Abscherungsgeschwindigkeiten sind viel höher als die für die mechanischen Rührverfahren angegebenen und können über viel größere Querschnittsbereiche erreicht werden. Diese hohen Abscherungsgeschwindigkeiten können bis in die Mitte des Gußstück-Querschnittes ausgedehnt werden, selbst wenn schon die feste Schale des sich verfestigenden Breis S vorhanden ist.

Der Induktionsmotorstator 28, der die Rührkraft bereitstellt, die für die Erzeugung des zurückentwickelten dendritischen Gefüges eines Rheo-Gußstücks erforderlich ist, kann auf Wunsch leicht entweder oberhalb oder unterhalb der primären Kühlleitung 20 angeordnet werden. Der Induktionsmotorstator 28 und die Form 11 werden aber entsprechend der Erfindung vorzugsweise unterhalb der Kühlleitung 20 angeordnet.

Die Vorrichtung 10 für kontinuierliches Gießen entsprechend der Erfindung ist besonders vorteilhaft im Vergleich mit den zum Stand der Technik beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen. In diesen Verfahren befindet sich die Rührkammer oberhalb einer Stranggußform, und der thixotrope Brei S wird in die Form gefüllt. Dies ist nachteilig, weil

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die Form schwierig zu füllen ist und ein Oxyd-Entrainment verstärkt wird. In Übereinstimmung mit der Erfindung besteht die Rührkammer aus der Form 11 selbst. Dieses Verfahren unterliegt nicht den Problemen der Weiterleitung von Verunreinigungen wie das kontinuierliche Gießverfahren des Stands der Technik»

Entsprechend dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung soll sich das gesamte Gußstück vorzugsweise im Feld des Stators 28 verfestigen, damit man Gußstücke erhält/ die über den gesamten Querschnitt das korrekte Rheogußgefüge aufweisen. Deshalb sollte die Gießvorrichtung 10 entsprechend dieser Erfindung vorzugsweise so ausgelegt sein, daß sich die gesamte Verfestigungszone innerhalb des Kraftfeldes des Stators 28 befindet. Dazu können extralange Statoren 28 erforderlich sein, damit manche Gießvorgänge bewältigt werden können.

Entsprechend dieser Erfindung üben zwei miteinander konkurrierende Prozesse - das Abscheren und die Verfestigung eine Regelfunktion aus. Das vom elektromagnetischen Verfahren und von der Vorrichtung dieser Erfindung erzeugte Abscheren kann dem durch mechanisches Rühren erhältlichen Abscheren gleichwertig sein oder dieses übertretten. Das Zusammenwirken der Abscherungsgeschwindigkeit undAbkühlungsgeschwindigkeit 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 |3 und N, wie folgt voraussagbar sind:

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(D

^N = ^ 4ο , ₍₂₎

Dabei sind

Dy'

to = Winkellinienfrequenz

<r = elektrische Leitfähigkeit der Schmelze

jU_o = magnetische Permeabilität

R = Radius der Schmelze

q_ü = magnetische Induktion an der Formwand

h = Viskosität der Schmelze.

Die erste Gruppe,/3 ,ist ein Maß für die Wirkungen der Feldgeometrie ,während die zweite "Gruppe., N, als ein Kopplungskoeffizient zwischen den magnetomotorischen Kör— perkräften und dem damit verbundenen Geschwlndigkeitsfeld auftritt. Die berechneten Geschwindigkeits- und Abscherungs f eider 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 ±>.ei 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 Ab-

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scherungsspannungen vorhanden sein, und sie sollten an der flüssig-festen Verfestigungszone 41 am größten sein. Da an der voranschreitenden Verfestigungszone 41 immer Abscherungsspannungen zu verzeichnen sind, ist es weiterhin möglich, ein Gußstück 31 mit dem entsprechenden zurückentwickelten dendritischen Rheogußgefüge über den vollen Querschnitt zu produzieren.

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 werden, um eine feine dendritische Körnung zu erzielen. Das Verfahren und die Vorrichtung 10 gemäß dieser Erfindung bieten eilige 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 28 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

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halbkontinuierlich betreiben will. Die Doppelforman-Ordnung mit Bereichen hoher und geringer Wärmeleitfähigkeit erzeugt Gußstücke mit dem gewünschten Rheogußgefüge im gesamten Gußstück und gewährleistet eine Flexibilität bei der Anordnung der verschiedenen Elemente der Gießanlage.

Beispiel I

Unter Verwendung einer Vorrichtung 10 - ähnlich der in Irigur 1 und 2 gezeigten - wurden Rohlinge der Legierung 6061 mit einem Durchmesser von 2,5 Zoll gegossen. Der Bodenblock 13 wurde abgesenkt, und das Gußstück wurde aus der Form 11 bei Geschwindigkeiten von etwa 8 bis 14 Zoll je Minute abgezogen. Der Strom des zweipoligen Drehstrom-Induktionsmotorstators 28 bev/egte sich zwischen 5 und 35 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.

Der Deckel 32, der den Hohlraum 14 der Form bis auf die kleine, in der Mitte befindliche Öffnung 34 verschließt, dient nicht nur zur Vermeidung eines Überlaufens von Schmelze, sondern auch zur Vermeidung der Bildung eines U-förmigen Hohlraums am Ende des Rheogußstücks. Durch ausreichendes Einfüllen von Schmelze in die Form, so daß der Trichter wenigstens teilweise gefüllt ist, kann man sicherstellen, daß der Hohlraum 14 der Form vollständig mit Schmelze und Brei gefüllt ist. Der Deckel 32 gleicht die Zentrifugal-

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kräfte 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 erfindungsgemäß die vom Magnetfeld stammende Rührkraft sich 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 Kraftfeldes reicht.

Dendriten versuchen zuerst, von den Seiten oder von der Formwand 21 der Form 11 nach innen zu wachsen. Das sich am Boden der Form verfestigende Metall muß nicht dendritisch sein dank der vergleichsweise geringen Wärmeentzugsgeschwindigkeit, 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 100 see. bis etwa 1500 see. . Für Aluminium und Aluminiuralegierungen hat sich eine Abscherungsgeschwindig-

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keit von ungefähr 700 see. bis etwa 1100 see. als wünschenswert erwiesen.

Die durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten für den Verfestigungstemperaturbereich der Schmelze in der Form

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sollten zwischen etwa 0,1°C 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 Verwendung 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 sich für das kontinuierliche Gießen von Rheogußstücken aus der Verwendung höherer Abkühlungsgeschwindigkeiten ein höherer Durchsatz.

Der Parameter Iβ j (wobei β durch die Gleichung (I) definiert ist) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollte von etwa 1 bis etwa 10 und vorzugsweise von etwa 3 bis etwa 7 reichen.

Der Parameter N (definiert durch die Gleichung (2)) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollte von etwa 1 bis etwa 100 und vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 200 reichen.

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

Die Magnetfeldstärke, die eine Funktion der Winkellinienfrequenz und des Radius der Schmelze ist, sollte etwa zwischen 40 und 1500 Gauß und vorzugsweise zwischen etwa 100 und etwa 600 Gauß betragen.

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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 in der Form, wo die Verfestigung stattfindet. Magnetohydrodynamisch in dem hier benutzten Sinn bezieht sich auf das Rühren von Schmelze oder Brei unter Verwendung 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.

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Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Bildung eines halbfesten thixotropen Legierungsbreis, wobei der Brei zurückentwickelte dendritische, primär feste Partikel in einer umgebenden Matrix aus flüssigem Metall enthält und wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine Vorrichtung als Behälter von Schmelze;

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zum Mischen der Schmelze, um die in einer Verfestigungszone beim Abkühlen des Metalls gebildeten Dendriten zwecks Erzeugung des Breis abzuscheren,

dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine Vorrichtung zum Verzögern der Verfestigung innerhalb des Behälters aufweist, bis die Schmelze sich in dem Magnetfeld befindet.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine Form (11) ist, die mindestens einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufweist, in der die Vorrichtung zur Verzögerung der Verfestigung aus dem ersten Teil der Form (11) besteht und in der der erste Teil der Form (11) eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und der zweite Teil der Form (11) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der Form (11) aus einem Isoliermaterial besteht und in der der zweite Teil der Form (11) aus einem nicht magnetischen Metall oder einer nicht magnetischen Legierung besteht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung um den ersten Teil der Form (11) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (11) eine Metallformwand (21) umfaßt, um die Schmelze und den Brei zu umgeben, wobei die Formwand (21) die obere und untere Grenze der Schmelze definiert, und in der eine partielle Auskleidung (42) der Form (11) innen an der Formwand

(21) vorgesehen ist, die sich von der oberen Grenze der Formwand (21) bis zu einer Position zwischen der oberen und unteren Grenze der Formwand (21) erstreckt und so den ersten Teil der Form (11) definiert, wobei die Auskleidung (42) einen Teil der Formwand (21) ungeschützt läßt, wodurch der zweite Teil der Form (11) definiert wird.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (42) aus einem isolierenden Material besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld mit der Auskleidung (42) überlappt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formwand (21) zylinderförmig ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formwand (21) nicht zylinderförmig ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form eine Form (11) für kontinuierliches oder halbkontinuierliches Gießen zur Bildung eines Rheogußstücks ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung um den ersten Teil der Form (11) und die magnetfelderzeugende Vorrichtung unterhalb der Kühlvorrichtung angeordnet ist, so daß das Magnetfeld wenigstens teilweise mit der Auskleidung (42) überlappt .

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