DE3428657A1 - Verfahren zur herstellung einer metallprobe fuer einen nachfolgenden zug-, kriech- oder relaxationsversuch und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer metallprobe fuer einen nachfolgenden zug-, kriech- oder relaxationsversuch und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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DE3428657A1
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Peter Dipl.-Ing. 4044 Kaarst Dahlmann
Thomas Dr.-Ing. Hoster
Jürgen Dr.-Ing. 4300 Essen Pötschke
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Description

  • Verfahren zur Herstellung einer Metallprobe für einen
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Durch Aufbringen einer geringen Druckkraft über die Festbereiche der Metallkörper (Anspruch 3) soll die Bildung einer einwandfreien Metallprobe sichergestellt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • von oben nach unten fortschreitend verflüssigt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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).
  • 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.
  • Mittels der Thermoelemente läßt sich demzufolge jederzeit eine Aussage darüber gewinnen, ob der zugehörige Anfangsabschnitt in flüssiger oder fester Form vorliegt.
  • 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.
  • Der Schmelztiegel besteht vorzugsweise aus einem der in den Ansprüchen 11 und 12 genannten Werkstoffe, wobei als Metallnitrid vorzugsweise Bornitrid in Frage kommt.
  • Sofern die herzustellende Metallprobe aus Stahl besteht, hat sich die Verwendung von Sinterkorund als vorteilhaft erwiesen.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2b endet.
  • Die Mittelbohrung nimmt jeweils ein mit einem Thermoelement bestücktes Schutzröhrchefl 11a auf, welches aus Keramikmaterial besteht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Gesamtlänge des Kohlemantels 4 beträgt 130 mm, sein Außendurchmesser 48,5 mm, seine Mindestwandstärke im Bereich der Ringnuten 4f 6 mm.
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Um unerwünschte Oxidationsvorgänge auszuschließen, wird zumindest bis zur Einleitung des Zugversuchs mit Hilfe der Düsenringe eine den Innenraum des Keramikrohrs 5 einschließende Schutzgasatmosphäre erzeugt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der obere Metallkörper 1e ist ebenso wie der obere Metallkörper 1 mit einem in einem Schutzröhrchen gehaltenen Thermoelement zur Temperaturmessung ausgestattet.
  • 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.
  • 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.
  • Dieser kann als Zugversuch mit vorgegebener Verformungsgeschwindigkeit, als Kriechversuch mit vorgegebener konstanter Spannung oder als Relaxationsversuch mit vorgegebener konstanter Dehnung ausgeführt werden.
  • - Leersejte -

Claims (21)

  1. Ansprüche 1. Verfahren zur Herstellung einer insbesondere aus Cu, Al, Fe und deren Legierungen bestehenden Metallprobe für einen nachfolgenden Zug-, Kriech- oder Relaxationsversuch, mit einer Meßlänge und diese axial begrenzenden Probenköpfen durch Aufschmelzen und gerichtetes Erstarrenlassen des Metalls in einer angepaßten, lotrechten Aufnahme, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei Metallkörper mit Größtdurchmessern in der Größenordnung der Probenköpfe in der Weise erhitzt und aufeinander zubewegt werden, daß - nach zumindest einem in der Meßlängenbohrung der Aufnahme in Proben-Längsrichtung fortschreitenden Schmelzvorgang - ihre Festbereiche sich über eine Schmelzensäule mit der Längserstreckung der Meßlängenbohrung und der benachbarten Anfangsabschnitte der Probenköpfe aneinander abstützen; daß die Schmelzensäule in der Meßlängen-Bohrung bei Erhaltung der aufgeschmolzenen Anfangsabschnitte radial nach innen erstarrend abgekühlt wird, bevor der Heizvorgang unterbrochen wird, und daß nach Erstarren auch der Anfangsabschnitte sowie nach Erreichen der in diesen ermittelten Prüftemperatur der Meßlänge ohne Zwischenabkühlung der Belastungsvorgang eingeleitet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest während des Heizvorgangs in dem Bereich der Metallprobe eine Schutzgasatmosphäre aufrechterhalten wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest während des Auftretens einer Flüssigphase über die Festbereiche der Metallkörper auf die Flüssigphase eine geringe Druckkraft ausgeübt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Meßlänge und der Anfangsabschnitte induktiv beheizt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Meßlänge zumindest auch durch Abschmelzen des oberen Metallkörpers in Richtung auf den unteren Metallkörper gewonnen wird, wobei der obere Metallkörper erst nach dem Aufschmelzen auch des Anfangsabschnitts des unteren Metallkörpers in axialer Richtung fortschreitend erhitzt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Metallkörper - bei Aufrechterhaltung der Beheizung des aufgeschmolzenen Anfangsabschnitts des unteren Metallkörpers - in mehrfachem Wechsel gekühlt und aufgeschmolzen wird und dabei das Material in der Meßlängenbohrung sowie im Anfangsabschnitt der oberen Probenkopfbohrung in zeitlichen Abständen mehrfach von unten nach oben fortschreitend verflüssigt wird, bevor nach dem letzten Aufschmelzvorgang der die Meßlängenbohrung erfassende Kühlvorgang eingeleitet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Metallkörper mindestens in dreifachem Wechsel gekühlt und aufgeschmolzen wird.
  8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, g e k e n n z e i c hn e t d u r c h einen rohrförmigen Schmelztiegel (3), dessen Hohlraum sich aus Bohrungsabschnitten (3a, 3b, 3c) für die Probenköpfe (1c bzw. 2c) und die Meßlänge (Ib, 2b) einer Metallprobe zusammensetzt; durch eine Heizeinrichtung (6) die den Schmelztiegel oberhalb und unterhalb des Bereichs der Meßlängenbohrung (3b) auf einem Teil der Länge der Probenkopfbohrungen umschließt; durch eine Kühleinrichtung (8), über welche der Umfang des Schmelztiegels im Bereich der Meßlängenbohrung mit einem Kühlmittel beaufschlagbar ist, und durch zwei als Rohkörper für die Metallprobe dienende, von oben und unten in die jeweilige Probenkopfbohrung (3a bzw. 3c) eingreifende Metallkörper (1, 2 bzw. 1e, 2) deren Größtdurchmesser annähernd dem Probenkopfdurchmesser entspricht, die Verbindungsteile (la bzw. 2a) zum Anschluß aneineBelastungseinrichtung(9)aufweisen und in denen Thermofühler angebracht sind, die nach Bildung der Metallprobe durch Zusammenschmelzen der Metallkörper mit Abstand außerhalb der Meßlänge liegen.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Probenkopfbohrung (3c) länger ausgebildet ist als die obere (3a).
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Metallkörper (1 bzw. 1e, 2) axiaie eine Mittelbohrunq (11) aufweist, die ein Schutz-(11a) röhrchen mit einem Thermoelement aufnimmt.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (3) aus Sinterkorund, Zirkonoxid, Quarzglas oder Graphit besteht.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeicznet, daß der S;:hmeiztiegel (3) aus Metallcarbiden oder Metallnitriden besteht.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (3) von einem mehrteiligen Kohlemantel (4) umschlossen ist, der im Bereich der Meßlängenbohrung (3b) mit dem Schmelztiegel einen ringförmigen Kühlraum (14) begrenzt und mit diesem verbundene Kühlmittelkanäle (4e) aufweist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Heizeinrichtung (6) und dem Kohlemantel (4) ein dieses umschließendes Keramikrohr (5) angeordnet ist, welches den Kühlmittelkanälen (4e) angepaßte Kühlmittelbohrungen (5a) aufweist.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen und unteren Ende des Keramikrohrs (5) Schutzgaseinspeisungen (7) vorgesehen sind.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung aus einer Induktionsspule (6) besteht, deren elektromagnetische Eindringtiefe vor dem Hohlraum (3a, 3b, 3c) des Schmelztiegels (3) endet.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (6) oberhalb und unterhalb des Bereichs der Meßlängenbohrung (3b) jeweils einen Wicklungsabschnitt mit mindestens zwei Wicklungen (6a bzw. 6b) aufweist, wobei die Wicklungen der beiden Wicklungsabschnitte zueinander gegensinnig verlaufen.
  18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, insbesondere geeignet für Metallproben aus gut wärmeleitenden Werkstoffen wie Cu und Al, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkörper (1, 2) in etwa jeweils die Form der quer zu ihrer Längsachse halbierten Metallprobe aufweisen.
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Metallkörper (1) von seiner Anschlußseite her unabhängig kühlbar ist.
  20. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, geeignet auch für Metallproben aus schlecht wärmeleitenden Werkstoffen, wie legierte Stähle, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Metallkörper (2) in etwa die Form der quer zu ihrer Längsachse halbierten Metallprobe aufweist und der obere Metallkörper (1e) - der, abgesehen von seinem Anschlußteil (1a), als Zylinder mit Probenkopfdurchmesser ausgebildet ist - durch eine Relativbewegung bezüglich der übrigen Vorrichtungsteile einschließlich des unteren Metallkörpers (2), der in Höhe seines Anschlußabschnitts (2d) den Schmelztiegel (3) axial berührt, in Richtung auf die Meßlängenbohrung (3b) nachführbar ist.
  21. 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (3) im Bereich der Meßlängenbohrung (3b) mit zwei außen liegenden Abschirmringen (15) ausgestattet ist, die - von der mittleren Querebene des Schmelztiegels her gesehen - mit Abstand vor dem Bereich der Probenkopfbohrungen (3a bzw. 3c) liegen und welche den Kühlraum (14) für die Meßlängenbohrung in axialer Richtung begrenzen.
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