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Verfahren zur Herstellung einer Metallprobe für einen
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nachfolgenden Zug-, Kriech- oder Relaxationsversuch und Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer insbesondere aus Kupfer, Aluminium, Eisen und deren Legierungen bestehenden
Metallprobe für einen nachfolgenden Zug-, Kriech- oder Relaxationsversuch, mit einer
Meßlänge und diese axial begrenzenden Probenköpfen durch Aufschmelzen und gerichtetes
Erstarren lassen des Metalls in einer angepaßten, lotrechten Aufnahme, sowie eine
zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Beim Stranggießen von Metallen sind deren mechanischphysikalische
Eigenschaften dicht unterhalb der Schmelztemperatur von entscheidender Bedeutung
für das Auftreten von Fehlern während und nach der Erstarrung.
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Solche Fehler äußern sich in der Bildung von Oberflächen- und Innenrissen,
welche die Qualität des Gießerzeugnisses bei der weiteren Verarbeitung unter Umständen
in erheblichem Umfang beeinträchtigen können.
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Beim Stranggießen gelangt das Metall flüssig in die gekühlte Stranggießkokille
und bildet dort eine radial gerichtet erstarrende Strangschale. Diese muß derartig
ausgebildet sein, daß sie ohne Zerstörung der Ausziehbewegung des Gießstrangs aus
der Stranggießkokille folgen kann.
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Die erforderlichen Kenntnisse über die werkstoffmäßig zulässigen Belastungen
des gerade erstarrten Metalls lassen sich im Rahmen von Belastungsversuchen gewinnen,
die
Werkstoffkennwerte wie Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Brucheinschnürung usw. und damit
Anhaltspunkte für die Festigkeit und Zähigkeit des zu vergießenden Metalls liefern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit vertretbarem technischem
Aufwand die Herstellung einer Metallprobe unter Bedingungen zu ermöglichen, die
denjenigen beim Stranggießen vergleichbar sind. Dies setzt voraus, daß das die Metallprobe
bildende Metall vor dem Belastungsvorgang (beispielsweise vor dem Zugversuch) aufgeschmolzen
und von außen nach innen radial fortschreitend verfestigt wird.
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Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches im
wesentlichen die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren
besteht danach darin, zwei zunächst voneinander unabhängige Metallkörper (welche
als Rohkörper das Material zur Herstellung der Metallprobe liefern sollen) in der
Weise aufzuschmelzen, daß schließlich ihre unaufgeschmolzenen Festbereiche sich
über eine Schmelzensäule aneinander abstützen, welche beidseitig axial über die
Länge der Meßlängenbohrung hinausgeht. Die Verfestigung des Metalls in der Meßlängenbohrung
erfolgt bei Erhaltung der sich nach oben und unten anschließenden, aufgeschmolzenen
Anfangsabschnitte der späteren Probenköpfe durch eine umfangsseitig wirksame Abkühlung
mit der sich daraus ergebenden radialen Erstarrung des Meßlängenbereichs von außen
nach innen. Nach Erstarren auch der Anfangsabschnitte sowie nach Erreichen einer
in diesen gemessenen Temperatur, aus der auf die Prüftemperatur in der Meßlänge
geschlossen werden kann, wird der Belastungsvorgang (beispielsweise durch Einleiten
einer an der Metallprobe angreifenden Zugkraft der Dehnungsvorgang) eingeleitet.
Abgesehen davon, daß der Be-
lastungsvorgang ohne Zwischenabkühlung
eingeleitet wird, ist während der Abkühlung der Schmelzensäule in der Meßlängenbohrung
die Aufrechterhaltung der sich axial anschließenden aufgeschmolzenen Anfangsabschnitte
wesentlich, um - entsprechend den Bedingungen beim Stranggießen - ohne Wärmeabfuhr
in axialer Richtung die bereits erwähnte radiale Erstarrung der Meßlänge der Metallprobe
verwirklichen zu können.
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Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen
zusätzlich die Merkmale eines oder äü mehrerer der Ansprüche 2 bis 4'durch die Aufrechterhaltung
einer Schutzgasatmosphäre im Bereich der Metallprobe (Anspruch 2) sollen unerwünschte
Oxidationsvorgänge verhindert werden. Das Schutzgas ist vorzugsweise so beschaffen,
daß zumindest während des Heizvorgangs (erforderlichenfalls jedoch auch darüber
hinaus) eine neutrale oder reduzierende Atmosphäre vorliegt. Als Schutzgas kommen
vorzugsweise CO, Ar, N2, H2 oder deren Gasgemische in Frage.
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Durch Aufbringen einer geringen Druckkraft über die Festbereiche der
Metallkörper (Anspruch 3) soll die Bildung einer einwandfreien Metallprobe sichergestellt
werden.
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Die Beheizung des in Frage kommenden Bereichs der Aufnahme (vgl. Anspruch
4) kann in beliebiger Weise, beispielsweise mittels einer Widerstandsheizung, bewirkt
werden. Vorzugsweise werden die Bohrungen für die Meßlänge und die Anfangsabschnitte
der Probenköpfe induktiv beheizt. Dabei muß allerdings sichergestellt sein, daß
die von der Induktionsheizung ausgehenden elektromagnetischen Felder nicht auf das
Metall der Metallprobe übergreifen.
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Insbesondere dann, wenn das die Metallprobe bildende Metall (wie beispielsweise
im Falle legierter Stähle) keine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit aufweist,
kommt
vorzugsweise das Verfahren gemäß Anspruch 5 zur Anwendung. Dabei wird zunächst der
untere Metallkörper bis in den Bereich des erwähnten Anfangsabschnitts des Probenkopfes
aufgeschmolzen, bevor der obere Metallkörper, in axialer Richtung fortschreitend,
erhitzt und aufgeschmolzen wird. Dies läßt sich in einfacher Weise dadurch verwirklichen,
daß der obere Metallkörper - im Gegensatz zum unteren Metallkörper -durch eine in
axialer Richtung vor sich gehende Relativbewegung abschnittweise aufgeschmolzen
wird, bevor sich sein unaufgeschmolzener Festbereich über die dazwischen befindliche
Schmelzensäule auf dem Festbereich des unteren Metallkörpers abstützt.
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Sofern das zur Anwendung kommende Metall (beispielsweise Kupfer, Aluminium
und auch Reineisen) ausreichend wärmeleitend ist, läßt sich das erfindungsgemäße
Verfahren gemäß Anspruch 6 und ggf. 7 ausführen. Das wesentliche Merkmal dieser
Ausführungsform besteht u.a.
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darin, daß bei Kühlung des oberen Metallkörpers zunächst lediglich
der Anfangsabschnitt für den unteren Probenkopf aufgeschmolzen wird, bevor nach
Unterbrechung der Kühlung des oberen Metallkörpers das Material in der Meßlängenbohrung
sowie im Anfangsabschnitt der oberen Probenkopfbohrung von unten nach oben fortschreitend
verflüssigt wird. Der Vorgang des Aufschmelzens von unten nach oben wird jeweils
nach Unterbrechen der Kühlung des oberen Metallkörpers mehrfach, vorzugsweise mindestens
dreifach ausgeführt, um sicherzustellen, daß das zwischen Schmelztiegel und Metallkörpern
befindliche Gas möglichst vollständig nach oben austreten kann Die zeitweilig von
dem oberen Metallkörper ausgehende Kühlwirkung kann jedoch nur dann nach unten hin
den Bereich der Meßlänge erfassen, falls das Material der Metallprobe eine ausreichend
hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Selbstverständlich kann das Verfahren gemäß Anspruch 6 und ggf. 7
auch in der Weise ausgeführt werden, daß anstelle des oberen Metallkörpers der untere
Metallkörper mehrfach in der erwähnten Weise gekühlt bzw.
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von oben nach unten fortschreitend verflüssigt wird.
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Wesentlich ist in diesem Zusammenhang, daß durch eine unabhängige
Kühlung eines der beiden Metallkörper in zeitlichen Abständen in Längsrichtung ein
Temperaturgradient eingestellt wird, während der sich an die Meßlängenbohrung anschließende
Teil des jeweils anderen Metallkörpers nach dem Aufheizvorgang fortwährend auf Schmelztemperatur
gehalten wird.
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Der Vorteil der in Rede stehenden Ausführungsform des Verfahrens besteht
auch darin, daß durch Unterbrechen der unabhängigen Kühlung des betreffenden Metallkörpers
eine axial gerichtete Erstarrung herbeigeführt werden kann, die für die Durchführung
von Anisotropieuntersuchungen des Probenmaterials erforderlich ist.
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Die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung weist als
wesentliche Bestandteile einen rohrförmigen Schmelztiegel mit Bohrungsabschnitten
für die Probenköpfe und die Meßlänge einer Metallprobe, eine im Bereich oberhalb
und unterhalb der Meßlängenbohrung auf einem Teil der Länge der Probenkopfbohrungen
wirksame Heizeinrichtung, eine im Bereich der Meßlängenbohrung umfangsseitig wirksame
Kühleinrichtung und zwei als Rohkörper für die Metallprobe dienende, von oben und
unten in die jeweilige Probenkopfbohrung eingreifende Metallkörper auf, deren Größtdurchmesser
annähernd dem Probenkopfdurchmesser entspricht. Die Metallkörper sind mit Verbindungsteilen
zum Anschluß an eine Belastungseinrichtung und mit Thermofühlern ausgestattet, die
nach Bildung der Metallprobe durch Zusammenschmelzen der Metallkörper mit Abstand
außerhalb der Meßlänge liegen
(Anspruch 8).
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Um den Austritt von Metallschmelze aus dem Schmelztiegel zu verhindern,
ist der Bohrungsabschnitt für den unteren Probenkopf länger ausgebildet als derjenige
für den oberen Probenkopf (Anspruch 9).
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Die Temperaturmessung im Bereich der Probenköpfe wird dadurch ermöglicht,
daß jeder Metallkörper eine axiale Mittelbohrung aufweist, die ein Schutzröhrchen
mit einem Thermoelement aufnimmt (Anspruch 10). Das aus Keramikmaterial bestehende
Schutzröhrchen ist dabei bezüglich des Metallkörpers so angeordnet, daß es - nachdem
die Metallkörper bezüglich des Schmelztiegels ihre Endlage erreicht haben - mit
Abstand von der Meßlängenbohrung in den Bereich des Anfangsabschnitts des zugehörigen
Probenkopfes hineinreicht, der während des Herstellvorgangs zeitweilig aufgeschmolzen
ist.
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Mittels der Thermoelemente läßt sich demzufolge jederzeit eine Aussage
darüber gewinnen, ob der zugehörige Anfangsabschnitt in flüssiger oder fester Form
vorliegt.
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Nach Verfestigung der Anfangsabschnitte kann aufgrund der Temperaturmessung
in diesen mittelbar die in der Meßlänge herrschende Temperatur bestimmt und nach
Erreichen einer vorgegebenen Prüftemperatur ohne vorhergehende Zwischenabkühlung
der Belastungsvorgang eingeleitet werden.
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Der Schmelztiegel besteht vorzugsweise aus einem der in den Ansprüchen
11 und 12 genannten Werkstoffe, wobei als Metallnitrid vorzugsweise Bornitrid in
Frage kommt.
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Sofern die herzustellende Metallprobe aus Stahl besteht, hat sich
die Verwendung von Sinterkorund als vorteilhaft erwiesen.
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Allgemein sollte der Werkstoff des Schmelztiegels thermisch unempfindlich,
chemisch-inert, schlecht durch
Metalle benetzbar sein, eine geringe
elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen sowie mit geringem
Aufwand die Herstellung übereinstimmender geometrischer Abmessungen zulassen.
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Da das Abspalten von Stoffen (beispielsweise Stickstoff) aus dem Werkstoff
des Schmelztiegels unter Umständen zur Bildung unerwünschter Gasblasen in der Metallprobe
führen kann, weist der Schmelztiegel-Hohlraum erforderlichenfalls eine Schutzbeschichtung
mit einer Stärke bis zu 100 ßm auf; diese kann insbesondere aus Al203, TiO2, Zur02
oder SiO2 bestehen.
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Zur Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung in der Metallprobe
und ggf. zur Abschirmung gegen die von einer Induktionsheizung ausgehenden elektromagnetischen
Felder ist der Schmelztiegel von einem mehrteiligen Kohlemantel umschlossen, der
im Bereich der Meßlängenbohrung mit dem Schmelztiegel einen ringförmigen Kühlraum
begrenzt und mit diesem verbundene Kühlmittelkanäle aufweist (Anspruch 13).
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Vorzugsweise besteht der Kohlemantel im Bereich der Meßlängenbohrung
aus zwei Halbschalen, die über ihr Außengewinde mit zwei sie überdeckenden Kohlezylindern
verschraubt sind. Die Länge des Kohlemantels ist so bemessen, daß dieser den Schmelztiegel
auch über einen wesentlichen Teil der Längserstreckung der Probenköpfe umschließt.
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Zum Schutz gegen Oxidation und gegen Strahlungsverluste ist zwischen
der Heizeinrichtung und dem Kohlemantel ein diesen umschließendes Keramikrohr angeordnet,
welches den Kühlmittelkanälen angepaßte Kühlmittelbohrungen aufweist (Anspruch 14).
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Zur Abschirmung der Metallprobe zumindest während des Herstellvorgangs
sind am oberen und unteren Ende des Keramikrohrs Schutzgaseinspeisungen vorgesehen
(Anspruch 15); diese bestehen vorteilhaft aus Düsenringen,
deren
Austrittsöffnungen den Endabschnitten des Schmelztiegels und des Kohlemantels gegenüberliegen.
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Die Heizeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht vorteilhaft
aus einer Induktionsspule, deren elektromagnetische Eindringtiefe vor dem Hohlraum
des Schmelztiegels endet (Anspruch 16) und die oberhalb und unterhalb des Bereichs
der Meßlängenbohrung jeweils einen Wicklungsabschnitt aus mindestens zwei Wicklungen
aufweist, wobei die Wicklungen der beiden Wicklungsabschnitte zueinander gegensinnig
verlaufen (Anspruch 17).
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Die gegensinnige Wicklungsrichtung der Wicklungen der beiden Wicklungsabschnitte
soll eine optimale Temperaturverteilung im Kohlemantel bzw. in der Metallprobe dadurch
herbeiführen, daß sich die entstehenden elektromagnetischen Felder in der Mitte
der erwähnten Bestandteile gegenseitig aufheben.
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Im Falle der Herstellung einer Metallprobe aus einem gut wärme leitenden
Werkstoff ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Metallkörpern ausgestattet,
die in etwa jeweils die Form der quer zu ihrer Längsachse halbierten Metallprobe
aufweisen (Anspruch 18). Diese ist vorzugsweise so beschaffen, daß der obere Metallkörper
von seiner Anschluß seite her unabhängig kühlbar ist (Anspruch 19); dies läßt sich
in einfacher Weise dadurch verwirklichen, daß der obere Metallkörper über zumindest
eine Kühlbohrung, die quer zu seiner Längserstreckung verläuft, an einen Kühlkreislauf
angeschlossen ist. Die für gut wärmeleitende Werkstoffe geeignete Vorrichtung kann
jedoch auch so ausgebildet sein, daß der untere Metallkörper eine entsprechende
unabhängige Kühlung aufweist.
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Falls eine Metallprobe aus einem schlecht wärmeleitenden Werkstoff
hergestellt werden soll, gelangen zwei unter-
schiedlich ausgebildete
Metallkörper zur Anwendung: Der untere Metallkörper weist in etwa die Form der quer
zu ihrer Längsachse halbierten Metallprobe auf, der obere Metallkörper dagegen die
Form eines Zylinders mit Probenkopfdurchmesser. Da der obere Metallkörper zu einem
Teil in Richtung auf den unteren Metallkörper abgeschmolzen werden muß, ist in diesem
Falle eine Möglichkeit vorgesehen, den oberen Metallkörper durch eine Relativbewegung
in Richtung auf die Meßlängenbohrung nachzuführen (Anspruch 20). Ein wesentliches
Merkmal einer derartigen Ausführungsform besteht also darin, daß der obere Metallkörper,
aus dessen Material zunächst zumindest ein Teil der Meßlänge hergestellt werden
muß, dem Fortschreiten des Schmelzvorgangs entsprechend relativ zu den übrigen Vorrichtungsteilen
bewegt werden kann.
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Die Abkühlung des in der Meßlängenbohrung befindlichen Materials soll
zunächst bei Aufrechterhaltung der aufgeschmolzenen Anschlußabschnitte in den Probenkopfbohrungen
vor sich gehen. Um hier eine unerwünschte Kühlwirkung auszuschließen, ist der Schmelztiegel
im Bereich der Meßlängenbohrung mit zwei außenliegenden Abschirmringen ausgestattet,
die - von der mittleren Querebene des Schmelztiegels her gesehen - mit Abstand vor
dem Bereich der Probenkopfbohrungen liegen und welche den Kühlraum für die Meßlängenbohrung
in axialer Richtung begrenzen (Anspruch 21).
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 in stark schematisierter Darstellung einen Vertikalschnitt
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei als Rohkörper dienenden Metallkörpern,
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den Schmelztiegel der Vorrichtung gemäß Fig.
1, Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch den mehrteiliegen Kohlemantel der Vorrichtung
gemäß Fig. 1, Fig. 4 a, b eine Seitenansicht bzw. Draufsicht der Induktionsheizung
für die Vorrichtung Gemäß Fig. 1, Fig. 5 eine Seitenansicht der mit der Vorrichtung
gemäß Fig. 1 zusaEtmenirkendenMetallkörper, Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch einen
Schmelztiegel mit zuyehörigem Kohlemantel, wobei der Schmelztiegel im Bereich seiner
Meßlängenbohrung mit Abschirmringen ausgestattet ist, und Fig. 7 die Ausgangsstellung
der beiden als Rohkörper dienenden Metallkörper bezüglich des Schmelztiegels bei
der Herstellung einer Metallprobe aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit.
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Die lotrecht stehende erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung
einer Metallprobe weist folgende Hauptbestandteile auf: einen oberen und einen unteren,
als Rohkörper dienenden Metallkörper 1 bzw. 2, die sich über ihren kleinsten Querschnitt
aneinander abstützen; einen gegen Metallschmelze widerstandsfähigen Schmelztiegel
3, dessen Hohlraum der Form der herzustellenden Metallprobe angepaßt ist; einen
mit geringem Abstand im Schmelztiegel gehaltenen mehrteiligen Kohlemantel 4, der
seinerseits von einem Keramikrohr 5 umschlossen ist; eine das Keramikrohr umschließende
Induktionsspule 6 mit zwei örtlich voneinander getrennten Wirkbereichen; zwei am
oberen und unteren Ende innerhalb des Keramikrohrs 5 angeordnete Düsenringe 7 mit
nach innen gerichteten Düsenöffnungen 7', über welche innerhalb des Keramikrohrs
5 eine neutrale oder reduzierende Schutzgasatmosphäre hergestellt und aufrechterhalten
werden kann, sowie eine im Mittelbereich des Schmelztiegels 3 angeordnete Kühleinrichtung
8.
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Die beiden Metallkörper 1 und 2 sind auf ihrer nach außen gerichteten
Seite jeweils mit einem Anschlußteil in Form eines Gewindezapfens 1a bzw. 2a ausgestattet,
an dem jeweils eine obere und untere Zugbacke 9 einer an sich bekannten Zugvorrichtung
befestigt ist (Fig. 1).
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Die beiden Metallkörper 1 und 2 weisen in etwa jeweils die Form der
quer zu ihrer Längsachse halbierten Metallprobe auf; ihre Berührungsfläche ist mit
10 bezeichnet.
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Jeder Metallkörper weist im Bereich der mittleren Querebene der erfindungsgemäßen
Vorrichtung einen Meßlängenauf abschnitt 1b bzw. 2b, der mit einem Erweiterungswinkel
von 300 in den ebenfalls zylindrischen Kopfabschnitt 1c bzw. 2c übergeht; die Kopfabschnitte
weisen in etwa den Durchmesser des späteren Probenkopf es auf.
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Beide Metallkörper 1 und 2 sind mit einer Mittelbohrung 11 ausgestattet,
die mit ausreichendem Abstand - vorzugsweise in der Größenordnung zwischen 5 bis
10 mm -oberhalb bzw. unterhalb des Meglängenabschnitts 1b bzw.
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2b endet.
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Die Mittelbohrung nimmt jeweils ein mit einem Thermoelement bestücktes
Schutzröhrchefl 11a auf, welches aus Keramikmaterial besteht.
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Das (nicht dargestellte) Thermoelement ist bezüglich des Metallkörpers
1 bzw. 2 in jedem Falle so angeordnet, daß es innerhalb der als Anfangsabschnitt
1d bezeichneten Aufschmelzzone liegt.
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Bei der in Rede stehenden Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
kann der obere Metallkörper 1 selbständig gekühlt werden; er ist zu diesem Zweck
mit einer ihn durchdringenden Kühlbohrung 12 ausgestattet, die über ein Leitungssystem
13 an einen Kühlkreislauf anschließbar ist.
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Der aus Bornitrid bestehende Schmelztiegel 3 mit einer Gesamtlänge
von 170 mm weist - entsprechend der vorgesehenen Form der herzustellenden Metallprobe
- drei Bohrungsabschnitte auf, nämlich einen kürzeren Bohrungsabschnitt 3a für den
oberen Probenkopf, einen Bohrungsabschnitt 3b für die Meßlänge der Metallprobe und
einen längeren Bohrungsabschnitt 3c für den unteren Probenkopf. Der Durchmesser
der Bohrungsabschnitte beträgt 28,3 bzw. 9,75 mm, der Außendurchmesser des Schmelztiegels
31,4 bzw. 16,5 mm, die Meßlänge (d.h. die Länge des Bohrungsabschnitts 3b) 55 mm.
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Der Bohrungsabschnitt 3c ist etwa 20 mm länger ausgebildet als der
Bohrungsabschnitt 3aummit ausreichender Sicherheit ein Auslaufen der Schmelze aus
dem Schmelztiegel 3 zu verhindern.
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Die bereits erwähnte Kühleinrichtung 8 (vgl. Fig. 1) ist in dem Bereich
angeordnet und wirksam, in dem der Außendurchmesser des Schmelztiegels 3 unter Bildung
jeweils eines Absatzes einen gleichbleibenden Kleinstwert mit der Länge k annimmt.
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Der den Schmelztiegel 3 nach außen hin umschließende Kohlemantel 4
besteht in dem soeben erwähnten Bereich k (vgl. Fig. 2) aus zwei Halbschalen 4a
und 4b mit Außengewinde, welche nach außen hin von zwei gegeneinander stoßenden
Kohle zylindern 4c und 4d mit Innengewinde überdeckt sind.
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Die Bestandteile 4a bis 4d sind in der Weise mit Kühlmittelkanälen
4e und Umfangsnuten 4f ausgestattet, daß sie den den Bereich k umschließenden Kühlraum
14 (vgl.
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Fig. 1) begrenzen, dem über den mittlerenKühlmittelkanal 4e ein gasförmiges
oder flüssiges Kühlmittel zugeführt werden kann; dieses verläßt den Kühlraum 14
über die oben und unten liegenden Kühlmittelkanäle 4e.
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Die Gesamtlänge des Kohlemantels 4 beträgt 130 mm, sein Außendurchmesser
48,5 mm, seine Mindestwandstärke im Bereich der Ringnuten 4f 6 mm.
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Abgesehen davon, daß der Kohlemantel die Kühleinrichtung 8 mit bildet,
dient er zur Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung im Hohlraum des Schmelztiegels
3 und zur Abschirmung gegen unerwünschte elektromagnetische Einflüsse. Den Kühlmittelkanälen
4e des Kohlemantels sind geeignete Kühimittelbohrungen 5a im Keramikrohr 5 zugeordnet
(vgl. Fig. 1).
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Die außerhalb des Keramikrohrs 5 angeordnete Heizeinrichtung 6 besteht
aus einer wassergekühlten Hochfrequenz-Induktionsspule mit einem Wicklungsquerschnitt
von 8 mm. Sie weist im wesentlichen oberhalb und unterhalb des Bereichs der Meßlängenbohrung
3b (Fig. 2) und im Bereich der Anfangsabschnitte 1d bzw. 2d (vgl.Fig.1)
ein
Wicklungspaar 6a, 6b auf, wobei die Wicklungspaare zueinander gegensinnig verlaufen
(Fig. 4a). Die Gesamthöhe der Induktionsspule beträgt etwa 133 mm, der Innendurchmesser
der Wicklungen 65 mm (vgl. Fig. 4b). Die beiden Wicklungspaare 6a und 6b sind über
einen Bügel 6c mit einer größten öffnungsweite von etwa 65 mm miteinander verbunden.
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Der Ausgangskörper, aus dem durch Trennen (Berührungsfläche 10 in
Fig. 1) die beiden als Rohkörper dienenden Metallkörper 1 und 2 hergestellt werden,
weist zwei Kopfabschnitte 1c mit einer Länge von 60 mm und einem Durchmesser von
27,3 mm sowie einen dazwischen liegenden Meßlängenabschnitt 1b, 2b mit einem Durchmesser
von 9,4 mm und einer Gesamtlänge von 62 mm auf (vgl. Fig. 5).
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Das mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ausführbare Verfahren, welches
insbesondere die Herstellung von Metallproben aus gut wärmeleitenden Werkstoffen
ermöglicht, läuft folgendermaßen ab: Auf die in den Schmelztiegel 3 eingebauten
gleichartigen Metallkörper 1 und 2 wird über die an ihnen befestigten Zugbacken
9 eine geringe Druckkraft (in der Größenordnung bis zu etwa 5 kp) ausgeübt.
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Nach Zuschalten des Kühlkreislaufs des oberen Metallkörpers 1 geht
von diesem eine derartige Kühlwirkung aus, daß die in Betrieb befindliche Induktionsheizung
6 den unteren Metallkörper 2 lediglich im Bereich des Anschlußabschnitts 2d aufschmelzen
kann. Nach Abschalten des Kühlkreislaufs des Metallkörpers 1 wird das in der Meßlängenbohrung
3b befindliche Metall mit dem Anschlußabschnitt 2d aufgeschmolzen, wobei der Metallkörper
2 über seinen unten liegenden Festbereich geringfügig in Richtung auf den Festbereich
des oberen Metallkörpers 1 verschoben wird und das flüssige Metall die Meßlängenbohrung
vollständig ausfüllt. Im Anschluß daran wird
der Kühlkreislauf
des oberen Metallkörpers 1 in zeitlichen Abständen wiederholt zu- bzw. abgeschaltet,
so daß sich der ton oben nach unten fortschreitende Erstarrungsvorgang bzw. von
unten nach oben fortschreitende Aufschmelzvorgang mehrfach wiederholt. Da die Metall
probe in festem Zustand ein geringeres Volumen einnimmt als in flüssigem Zustand,
kann beim gerichteten Aufschmelzen der in Betracht kommenden Abschnittevon unten
nach oben das zwischen Metall und Schmelztiegel befindliche Gas entweichen, wodurch
die Gefahr der Lunkerbildung beim Erstarren des Metalls zumindest erheblich herabgesetzt
wird. Die dem oberen Metallkörper zugeordnete selbständige Kühlung ermöglicht es
also, in zeitlichen Abständen in Längsrichtung einen Temperaturgradienten einzustellen,
während der sich an die Meßlängenbohrung anschließende Teil des unteren Metallkörpers
2 nach dem Aufheizvorgang fortwährend auf Schmelztemperatur gehalten wird.
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Nach dem letzten von unten nach oben fortlaufenden Aufschmelzvorgang,
bei dem auch der Anfangsabschnitt 1d des oberen Metallkörpers 1 verflüssigt wird,
wird durch Zuleiten eines Kühlmittels die Kühleinrichtung 8 in Betrieb gesetzt,
welche über den Umfang des Schmelztiegels 3 im Abschnitt k (vgl. Fig. 2) zumindest
annähernd die gesamte Länge der Meßlängenbohrung 3b erfaßt. Dies hat zur Folge,
daß die Metallschmelze im Bereich der Meßlängenbohrung radial von außen nach innen
erstarrt. Dem-gegenüber werden die Anfangsabschnitte 1d und 2d oberhalb und unterhalb
des Bereichs der Meßlängenbohrung unter Einwirkung der Induktionsheizung zunächst
weiterhin auf Schmelztemperatur gehalten um sicherzustellen, daß die Erstarrung
in der Meßlängenbohrung ohne Wärmeabfuhr nach oben und unten tatsächlich in der
gewünschten Weise rein radial vor sich geht.
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Nach dem Erstarren des in der Meßlängenbohrung befindlichen Metalls
wird die Wärmezufuhr in den Bereich der Anfangsabschnitte durch Abschalten der Induktionsheizung
unterbrochen, so daß auch die Anfangsabschnitte nach und nach erstarren. Aus den
mittels der Thermoelemente gewonnenen Temperaturmeßwerten kann dabei aufgrund von
Erfahrungswerten auf die Temperatur in der verfestigten Meßlänge geschlossen werden.
Sobald also die Thermoelemente oberhalb und unterhalb der Meßlänge Werte anzeigen,
die auf das Erreichen einer vorgegebenen Prüftemperatur der Meßlänge schließen lassen,
kann diese ohne Verzögerung beispielsweise einer Zugbeanspruchung ausgesetzt und
bis zum Bruch belastet werden.
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Als Ergebnis liegt dann ein von der Belastungseinrichtung aufgezeigtes
Kraft-Verlängerungs-Diagramm vor, welches die bei einer bestimmten Prüftemperatur
zulässigen Belastungen des gerade erstarrten Metalls erkennen läßt.
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Um unerwünschte Oxidationsvorgänge auszuschließen, wird zumindest
bis zur Einleitung des Zugversuchs mit Hilfe der Düsenringe eine den Innenraum des
Keramikrohrs 5 einschließende Schutzgasatmosphäre erzeugt.
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Ein wesentliches Merkmal des Erfindungsgegenstandes besteht, wie bereits
dargelegt worden ist, darin, das Metall in der Meßlängenbohrung 3b (vgl. Fig. 2
und Fig. 6) möglichst ohne Wärmeentzug nach oben und unten in radialer Richtung
nach innen erstarren zu lassen und demzufolge die sich anschließenden Anfangsabschnitte
der Metallkörper 1 und 2 verflüssigt zu halten.
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Um eine unerwünschte Abkühlung der flüssigen Anfangsabschnitte weitestgehend
auszuschließen, wird der Ubergangsbereich zwischen der Meßlängenbohrung 3b und den
Probenkopfbohrungen 3a, 3c bei der Ausführungsform
gemäß Eig. 6
gegen die Kühleinrichtung 8 abgeschirmt.
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Zu diesem Zweck weist der Schmelztiegel 3 am oberen und unteren Ende
des Bereichs der Meßlängenbohrung 3b jeweils einen außen liegenden Abschirmring
15 auf, der in axialer Richtung vor dem Bereich der Probenkopfbohrungen 3 a bzw.
3c liegt und gemeinsam mit dem Kohlemantel 4 den ringförmigen Kühlraum 14 mit den
Kühlmittelbohrungen 4e und den Ringnuten 4f bildet.
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Der axiale Abstand zwischen den Abschirmringen 15 und dem sich nach
oben bzw.unten hin anschließenden Absatz mit der Probenkopfbohrung 3a, 3c beträgt
mindestens 1 mm, die Dicke der Abschirmringe in axialer Richtung etwa 1,5 bis 2
mm.
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Die Abschirmringe 15 verhindern, daß die von der Kühleinrichtung 8
ausgehende Kühlwirkung zu weit nach oben bzw. nach unten über den Bereich der Meßlängenbohrung
3b hinausreicht.
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Die in Fig. 7 lediglich mit dem Schmelztiegel 3 dargestellte erfindungsgemäße
Vorrichtung, die insbesondere bei der Herstellung von Metallproben aus Werkstoffen
mit schlechter Wärmeleitfähigkeit (beispielsweise legierten Stählen) zur Anwendung
kommt, unterscheidet sich in folgender Hinsicht von der bisher beschriebenen Ausführungsform:
Der obere, als Rohkörper dienende Metallkörper le ist, abgesehen von seinem Anschlußteil
(Gewindeabschnitt 1a), als Zylinder mit Probenkopfdurchmesser ausgebildet und -
im Gegensatz zum Metallkörper 1 (vgl. Fig. 1) - nicht selbständig kühlbar (er weist
also nicht die Bestandteile 12 und 13 auf). Durch eine Relativbewegung zwischen
dem Metallkörper 1e und den übrigen Bestandteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
(also beispielsweise zwischen dem Metallkörper 1e und den in Fig. 7 dargestellten
Teilen 2 und 3) im Sinne des Doppelpfeils 16
kann der obere Metallkörper
nach und nach in Richtung auf die Meßlängenbohrung 3b und den unteren Metallkörper
2 bewegt und dadurch in den Bereich des oberen Wicklungspaares 6a der Induktionsheizung
6 (vgl. Fig. 1 und 4a) gebracht werden.
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Die in Rede stehende Ausführungsform ist also so ausgebildet, daß
der obere Metallkörper le allmählich in Richtung auf den unteren Metallkörper 2
abgeschmolzen werden kann und dabei auch die obere Hälfte der Meßlängenbohrung 3b
von unten nach oben fortschreitend mit Metallschmelze ausfüllt.
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Das mit der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ausführbare Verfahren zur
Herstellung einer Metallprobe aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff geht also folgendermaßen
vor sich: Mit dem Einschalten der Induktionsheizung 6 werden die Abschnitte 2d und
2b des unteren Metallkörpers 2 aufgeschmolzen. Der obere Metallkörper 1e wird durch
die bereits erwähnte Relativbewegung bezüglich des Schmelztiegels 3 in den Bereich
des oberen Wicklungspaares 6a verschoben und abschnittweise abgeschmolzen; die dabei
entstehende Metallschmelze fließt nach unten in den Bereich der Meßlängenbohrung
3b ab und füllt diese, von unten nach oben förtschreitend, allmählich aus.
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Der Schmelzvorgang ist abgeschlossen, sobald auch der obere Metallkörper
1e im Anschluß an die Meßlängenbohrung 3b über einen Teil seiner Längserstreckung
aufgeschmolzen ist, d.h. sobald sich die beiden Metallkörper e121Z ie unct L unter
zwiscnenscnaitung aurcngenenaen bcnmelzensäule über ihre außen liegenden Festbereiche
mit ihren Anschlußteilen aneinander abstützen.Dieskann dadurch erkennbar gemacht
werden, daß die die beiden Metallkörper gegeneinander bewegende Verstelleinrichtung
eine Druckkraft anzeigt.
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Im Anschluß daran wird das Verfahren in der eingangs beschriebenen
Weise weitergeführt, d.h. durch Einschalten
der (in Fig. 1 dargestellten)
Kühleinrichtung 8 wird zunächst die in der Meßlängenbohrung 3b befindliche Schmelzensäule
verfestigt.
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Die in Rede stehende Ausführungsform des erfindungsgemäusen Verfahrens
ist nicht auf die mehrfache Wiederholung eines Aufschmelz- und Erstarrungsvorgangs
im Bereich der Meßlängenbohrung und des oberen Metallkörpers angewiesen. Vielmehr
wird das zwischen den Metallkörpern eingeschlossene Gas selbständig dadurch aus
dem Schmelzbereich verdrängt, daß die Schmelzensäule mit dem Abschmelzen des oberen
Metallkörpers le nach und nach in Richtung auf diesen solange ansteigt, bis der
Zwischenraum zwischen den Festbereichen der beiden Metallkörper le und 2 vollständig
mit Metallschmelze ausgefüllt ist. Auf diese Weise läßt sich auch bei Verwendung
schlecht leitender metallischer Werkstoffe eine lunkerfreie Metallprobe herstellen.
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Der obere Metallkörper 1e ist ebenso wie der obere Metallkörper 1
mit einem in einem Schutzröhrchen gehaltenen Thermoelement zur Temperaturmessung
ausgestattet.
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Bei der Anordnung des Schutzröhrchens und des Thermoelements muß lediglich
berücksichtigt werden, daß mit dem Material des oberen Metallkörpers zusätzlich
ein Teil der Meßlängenbohrung 3b ausgefüllt werden muß.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin,
daß mit vertretbarem technischem Aufwand, unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit
der zum Einsatz gelangenden Werkstoffe, Metallproben unter Bedingungen erzeugt werden
können, die denjenigen beim Stranggießprozeß vergleichbar sind. Insbesondere läßt
sich die in der Stranggießkokille einsetzende radiale Erstarrung durch gezielte
Abkühlung des Bereichs der Meßlänge reproduzieren. Nach Erstarren auch der außerhalb
der Meßlänge liegenden Anschlußabschnitte läßt sich über die bereits erwähnte Temperaturmessung
auch die Temperatur in der Meßlänge
bestimmen. Die hergestellte
Metallprobe kann demzufolge nach Abkühlung auf beliebige vorgegebene Prüftemperaturen
ohne vorhergehende Zwischenabkühlung einem Belastungsvorgang unterworfen werden.
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Dieser kann als Zugversuch mit vorgegebener Verformungsgeschwindigkeit,
als Kriechversuch mit vorgegebener konstanter Spannung oder als Relaxationsversuch
mit vorgegebener konstanter Dehnung ausgeführt werden.
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