DE3817688A1 - Kokillengussverfahren, insbesondere fuer metalle, sowie vorrichtung und giessform zur verwendung bei diesem verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gußverfahren, insbesondere für Teile aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt wie Metalle und Eisenlegierungen, Titan, feuerfeste Oxide und derglei­ chen, worin in ein Bad aus geschmolzenem Material eine unte­ re Einfüllöffnung eingetaucht wird, welche mit einer Form­ höhlung einer metallischen Kokille in Verbindung steht, die­ se Formhöhlung durch die Druckdifferenz zwischen dem Bad und der Formhöhlung mit geschmolzenem Material ausgefüllt wird und vor dem Ausformen die Einfüllöffnung aus dem Bad heraus­ gehoben wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kokille zur Durchfüh­ rung des Verfahrens und zur Ausrüstung dieser Vorrichtung.

Ein Verfahren dieser Gattung ist aus "Gießereitechnik", August 1960, Seiten 248-249 unter dem Titel "Herstellung von Formteilen durch Ansaugen formbaren Materials durch Unter­ druck" bekannt.

Diese Druckschrift beschreibt die Herstellung von Hülsen aus Bronze durch Ansaugen in eine glockenförmige gekühlte Kokil­ le, deren offene Unterseite in einen Behälter eingetaucht wird, durch Beenden des Ansaugens, um das flüssige Metall in den Behälter wieder abfließen zu lassen und in der Glocke nur eine Haut zurückzulassen, welche während der betreffen­ den Zeit darin erstarren konnte.

Das bekannte Verfahren ist somit auf die Herstellung von offenen Hohlteilen beschränkt und erfüllt keine Genauigkeits­ ansprüche hinsichtlich der Abmessungen und des Zustandes der Innenoberfläche oder der Dicke der Wandung des Teils.

Um Teile herzustellen, die über alle Oberflächen unmittelbar geformt sind, weiß man aus der FR-A-24 52 186, daß eine Sand­ form verwendet werden kann, die nach unten hin durch ein Röhrchen verlängert ist, welches in ein Metallbad eingetaucht wird, um das Metall anzusaugen. Wenn die Formhohlräume ange­ füllt sind, erstarrt das in dem Röhrchen verweilende Metall örtlich und schnell, bevor das Röhrchen sich erwärmen kann. Man nutzt diese lokale und schnelle Erstarrung, um die Form aus dem Bad herauszuheben, damit die Erstarrung endgültig erfolgt. Zum Ausformen wird die Sandform zerstört.

Für den Kokillenguß von eisenhaltigen Metallen kann eine heiße Kokillenform von oben gefüllt werden. Es ist nicht möglich, eine kalte Kokillenform zu verwenden, denn durch die sich dann ergebende schnelle Erstarrung an der Oberflä­ che führen die beim Einfüllen von oben auftretenden Turbu­ lenzen zu mechanischen Fehlerstellen in den erhaltenen Form­ teilen.

Diese Turbulenzen wären schwächer, wenn das Einfüllen von unten erfolgen würde, wie in der FR-A-24 52 186 für eine Sandform beschrieben. Das Einfüllen von unten würde ferner ermöglichen, daß die Form direkt aus dem Band gefüllt wird, ohne Umfüllen und folglich mit weniger Material, weniger Raumbedarf und weniger Wärmeverlusten.

Das Einfüllen von unten macht es jedoch erforderlich, die Erstarrung in dem Röhrchen abzuwarten, bevor es aus dem Bad entfernt werden kann. Infolge dieses Erstarrens sitzt auf dem unteren Ende des Röhrchens eine Kugelschale aus erstarr­ tem Metall. Bei einer Sandform stört dies nicht, denn zum Ausformen muß die Form zerstört werden. Bei einer Formkokil­ le, die definitionsgemäß zur Wiederverwendung bestimmt ist, verhindert aber diese Kugelschale das Ausformen, so daß die der FR-A-24 52 186 entnehmbare Lehre niemals auf den Kokil­ lenguß angewandt wurde.

Auch die Veröffentlichung "Gießereitechnik" löst das Problem nicht, denn es wird lediglich, anstelle des eigentlichen Gießens im engen Sinne, die einfache Bildung einer Schale beschrieben, welche nach dem Rückfließen der zentralen fluiden Masse erstarrt ist. Dies ist aber nicht anwendbar, wenn eine Formhöhlung ausgefüllt werden soll und die die Formhöhlung ausfüllende Metallmasse erstarren soll, denn dann besteht das Problem wiederum darin, mittels eines in dem Röhrchen erstarrten Stopfens das Rückfließen des flüssi­ gen Metalls in das Bad zu verhindern, wobei dieser erstarrte Stopfen seinerseits wieder das oben beschriebene Problem des Ausformens auswirft.

Gemäß der US-A-21 19 242 wird die Form von unten her mit einem Metall gefüllt, das einen niedrigen Schmelzpunkt auf­ weist. Das Röhrchen bleibt dauernd in das Bad eingetaucht.

Es sind Maßnahmen dafür getroffen, daß die Erstarrungsfront von den Enden des Formhohlraumes her zu einer Verengung in dem Röhrchen hin fortschreitet, welche den wärmsten Punkt bildet. Sobald die Erstarrungsfront die Verengung erreicht hat, wird die Form vom Röhrchen getrennt. Das Einstellen und Abstimmen eines solchen Verfahrens wird jedoch schwierig. Überdies legt dieses Verfahren einige Beschränkungen auf, denn es bestimmt Bedingungen für zahlreiche Parameter, wel­ che insbesondere die Abkühlung des Metalls betreffen. Die Anwendung eines solchen Verfahrens auf jegliche Art von Me­ tall, insbesondere Metalle mit hohem Schmelzpunkt, erscheint überaus schwierig. Weiterhin ist aus der US-A-29 95 788 ein Verfahren zur Herstellung von Bleimassen für Fahrzeugräder bekannt. Auch hier handelt es sich aber um ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt. Das Metall dringt von unten her in die Form ein. Wenn das Metall erstarrt ist, wird das eigent­ liche Formteil von dem im Röhrchen erstarrten Metall durch Abscheren getrennt. Für diesen Zweck ist ein Abscherplätt­ chen vorgesehen. Dieses Verfahren ist aber nur auf Metalle mit geringem Abscherwiderstand anwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Kokillenguß­ verfahrens, bei welchem die Form durch den Druckunterschied zwischen dem Bad und der Formhöhlung gefüllt wird, um zu er­ möglichen:

• - das Formen von sehr verschiedenen Materialien, insbesonde­ re Legierungen, einschließlich derjenigen, welche oxidier­ bare Elemente enthalten;
• - hohe Herstellungskadenz;
• - Auswahl der Erstarrungsdauer, insbesondere einer sehr kur­ zen Dauer, um eine feine Körnung zu erzielen;
• - Verminderung von Turbulenzen während des Einfüllens in die Formhöhlung;
• - Verbesserung des Oberflächenzustandes, um das Polieren und/oder Entgraten in Wegfall zu bringen oder im Umfang zu vermindern.

Gemäß der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Material von der Einfüllöffnung zur Formhöhlung über eine Leitung geführt wird, welche eine Ver­ engung aufweist, daß die Einfüllöffnung nach dem Erstarren des Materials in der Verengung herausgehoben wird und daß vor dem Ausformen ein Röhrchen von der Formkokille entfernt wird, worin die Leitung von der Einfüllöffnung bis zur Ver­ engung ausgebildet ist, in solcher Weise, daß durch Zugein­ wirkung in der Verengung das Material unmittelbar nach dem Erstarren abgerissen wird.

Im Gegensatz zu dem aus der US-PS 29 95 788 bekannten Ab­ scheren ist das Abreißen unter Zugeinwirkung bei allen Arten von Metallen anwendbar, auch solchen von hoher Festigkeit, wobei lediglich eine ausreichende Zugkraft aufgebracht wer­ den muß.

Nach diesem Abbrechen oder Abreißen fällt das Material, wel­ ches sich in der Leitung unterhalb des Abbruchpunktes befin­ det, in das Bad zurück. Während dieser Zeit verhindert das erstarrte Material, welches an der Kokillenform unmittelbar oberhalb des Abbruchpunktes verbleibt, daß die Formhöhlung sich nach dem Abbrechen entleert.

Nach ausreichendem Erstarren des Materials in der Kokillen­ form wird lediglich das Teil nach dem an sich bekannten Prinzip entformt, welches darin besteht, zwei oder mehr Be­ standteile der Kokillenform, die jeweils teilweise die Form­ höhlung bilden, voneinander zu lösen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat zu beachtlichen Ergebnis­ sen und Vorteilen geführt.

Da das Material direkt aus dem Bad in die Form gelangt, kann das Bad auf einer relativ niedrigen Temperatur verweilen, wodurch Energie eingespart wird und die Wirksamkeit der Vor­ behandlungen des Schmelzbades erhalten bleibt. Das Zurück­ fallen des sich unterhalb des Abbrechpunktes befindenden Ma­ terials in das Bad ermöglicht ferner hohe Energieeinsparun­ gen, denn dieses Material hat sich nur wenig abgekühlt, be­ vor es in das Bad zurückfällt. Nach dem Ausformen muß das Entgraten lediglich in geringen Materialmengen durchgeführt werden, so daß wenig Kosten für die Wiedererwärmung dieses überschüssigen Materials auf die Schmelztemperatur entstehen.

Durch die sehr gute Dichtigkeit einer Gußkokille (verglichen mit der einer Sandform) kann leicht die Druckdifferenz zwi­ schen der Form und der Formhöhlung im Verlauf des Hochstei­ gens des Materials in die Formhöhlung in solcher Weise gere­ gelt werden, daß die Formhöhlung möglichst schnell unter Vermeidung von Turbulenzen angefüllt wird.

In der Praxis geschieht das Aufsteigen des Materials ausrei­ chend schnell, damit es keine Zeit hat, zu erstarren, selbst wenn einerseits die Formhöhlung eine relativ geringe Dicke von beispielsweise 3 bis 5 mm aufweist und andererseits die Formkokille auf einer Temperatur von weniger als 200°C ge­ halten wird, so daß sie in die Kategorie der sogenannten "kalten" Kokillen eingereiht werden kann. Dies ist sehr vor­ teilhaft für die mechanische Haltbarkeit der Kokille und für ihre Lebensdauer. Weiterhin werden so Dichtigkeitsprobleme erheblich gemildert.

Die Erfindung ermöglicht ferner eine äußerst hohe Kadenz der Gußvorgänge, da das Ausformen erfolgen kann, sobald das Teil erstarrt ist. Dies ermöglicht ein beschleunigtes Abkühlen an der freien Luft, so daß beispielsweise ein von Ferriten freier Weißguß mit extrem feiner Körnung erhalten werden kann.

Dies schließt jedoch nicht die Möglichkeit einer sehr viel langsameren Abkühlung aus, wenn dies gewünscht wird. In die­ sem Falle ist die Gußkokille vom Typ "Heißkokille", so daß sie im Betrieb auf einer Temperatur in der Größenordnung von 300 bis 400°C gehalten wird.

Im Gegensatz zu allen bekannten Verfahren ermöglicht also die Erfindung eine freie Wahl des Materials und des Verlau­ fes der Abkühlung.

Die erzielten Teile sind von beachtlicher Oberflächenquali­ tät, wenn man berücksichtigt, daß es sich um Formrohlinge handelt. Ihre Maßgenauigkeit ist ausgezeichnet, und ihre Zugfestigkeit sowie ihre Bruchdehnung sind verbessert.

Durch die Erfindung wird ferner eine Gießvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschaffen, die eine Kokillenform umfaßt, welche innerlich eine Formhöh­ lung aufweist; diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner unterhalb der Kokillenform, wenn die Vorrich­ tung sich in Betriebsstellung befindet, ein Röhrchen auf­ weist, welches von einer Leitung durchquert wird, die sich ausgehend von einer Einführöffnung bis zu einem verengten Ende verjüngt, welches in zumindest annähernd dichte Verbin­ dung mit einer Eingußöffnung gebracht werden kann, die in der Formhöhlung verwirklicht ist und in eine Innenfläche der Formkokille einmündet, wobei weiterhin Mittel vorgesehen sind, um das Röhrchen unter Zwangseinwirkung von der Kokil­ lenform zu trennen.

Weiterhin wird durch die Erfindung eine Kokillenform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschaffen, mit welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestattet werden kann; diese Kokillenform ist dadurch gekennzeichnet, daß sie Entgasungmittel aufweist, die mit der Formhöhlung in solcher Weise verbunden sind, daß sie in demjenigen Be­ reich derselben ausmünden, welcher sich oben befindet, wenn die Eingußöffnung auf der Außenseite der Kokillenform nach unten mündet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeich­ nung zeigt

Fig. 1 einen Seitenaufriß einer erfindungsgemäßen Gußvorrichtung;

Fig. 2 eine Ansicht dieser Vorrichtung von der lin­ ken Seite in Fig. 1;

Fig. 3 eine Vorderansicht der Kokillenform und des Röhrchens in ihrer Stellung gegenseitiger Berührung, im Schnitt entlang der Stoßebene zwischen den beiden Halbkokillen;

Fig. 4 eine Draufsicht des Röhrchens;

Fig. 5 eine Schnittansicht der Kokillenform entlang der Ebene V-V in Fig. 2;

Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 5 mit VI bezeichneten Details gemäß einer Ausführungs­ variante;

Fig. 7 eine Halbkokille in Unteransicht;

Fig. 8 bis 12 schematische Seitenaufrisse der Vorrichtung und des Bades im Verlauf von fünf aufeinan­ derfolgenden Schritten des Verfahrens; und

Fig. 13 bis 16 schematische Ansichten einer Druckmeßvorrich­ tung zur Auflösung des Ansaugens bei vier Stufen des Verfahrens.

Es wird nun die erfindungsgemäße Gießvorrichtung beschrieben.

Diese Vorrichtung umfaßt eine wiederverwendbare Form 1, die auch als Kokillenform bezeichnet wird (Fig. 1 und 2) und von einer beweglichen Einheit 2 getragen wird. Die Kokillenform 1 umfaßt eine Halbkokille 3, die bezüglich der beweglichen Ein­ heit 2 ruht und gleitend zwei parallele Stangen 6 aufnimmt, welche mit einer beweglichen Halbkokille 4 verbunden sind, die somit in der Horizontalrichtung verschiebbar gelagert ist. Die bewegliche Halbkokille 4 ist auf der Seite, welche von der ruhenden Halbkokille 3 abgewandt ist, an eine Stange 7 eines Arbeitszylinders 8 angeschlossen, dessen Körper 9 am Gestell der beweglichen Einheit 2 befestigt ist. Durch den Arbeitszylinder 8, dessen Achse horizontal verläuft, kann die Halbkokille 4 zwischen einer Öffnungsposition im Abstand von der Halbkokille 3 (Fig. 1) und einer Schließstellung (Fig. 5) bewegt werden, in welcher die Halbkokillen 3 und 4 miteinander entlang einer senkrechten Stoßebene 11 in Kon­ takt sind, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Halbko­ kille 4 steht.

Die Halbkokille 3 ist in solcher Weise ausgespart, daß zwi­ schen ihr und der Halbkokille 4 eine Formhöhlung oder ein Formhohlraum 12 gebildet wird, dessen Hohlform dem zu gie­ ßenden Teil entspricht. Bei der gezeigten Ausführungsform muß das herzustellende Teil, wie die Fig. 3 durch die Ge­ stalt der Formhöhlung 12 zeigt, drei auseinanderstrebende Finger aufweisen; die Erfindung ist natürlich auf dieses Beispiel nicht beschränkt.

Wenn die beiden Halbkokillen 3 und 4 miteinander in Berüh­ rung stehen, ist die Formhöhlung 12 mit der Außenumgebung über eine Eingußöffnung 13 in Verbindung, die gemäß der Er­ findung in einer unterseitigen Oberfläche 14 der Kokillen­ form 1 ausmündet, die als ebene und waagerechte Anlagefläche ausgebildet ist.

Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung umfaßt die Gießvorrichtung ferner ein Röhrchen 16 (Fig. 1 und 2), wel­ ches unterhalb der Kokillenform 1 von einem unteren Tisch 17 eines Rahmens 18 getragen wird, dessen oberer Tisch 19 an der beweglichen Stange 21 eines Arbeitszylinders 22 aufge­ hängt ist.

Wie Fig. 3 zeigt, wird das Röhrchen 16 von einer senkrechten Leitung 23 durchquert, welche sich ausgehend von einer unte­ ren Eintrittsöffnung 24 bis zu einer oberen verengten Öff­ nung 26 verjüngt. Das annähernd zylindrische verengte Ende 26 ist durch einen Verschleißring 27 gebildet, welcher am Körper des Röhrchens 16 durch Schrauben 28 befestigt ist und mit dem übrigen Teil der Leitung 23 eine Schulter 29 bildet, welcher der Öffnung 24 zugewandt ist. Die Leitung 23 erwei­ tert sich ferner konisch ab der Schulter 29 bis zur unteren Öffnung 24.

Das Röhrchen 16 umfaßt ferner einen Flansch 31, der mit sei­ nem Körper um den Ring 27 herum mittels Schrauben 32 unter Zwischenfügung eines Dichtungsrings, welcher eine Nut 33 ausfüllt, befestigt ist. Der Flansch 31 bildet einen Kragen am oberen Ende des Röhrchens 16 und weist Bohrungen 34 (Fig. 3) auf, die seine Befestigung an der Oberseite des Tisches 17 ermöglichen, während der Körper des Röhrchens 16 nach un­ ten durch eine Öffnung des Tisches 17 hindurch (Fig. 1 und 2) gerichtet ist.

In der in Fig. 3 gezeigten Stellung befindet sich die untere Oberfläche 14 der Kokillenform in Anlage an der allgemein ebenen Oberfläche 36 des Flansches 31 und des Verschleiß­ rings 27, während das verengte Ende 26 der Leitung 23 mit der Ausmündung gleichen Durchmessers der Eingußöffnung zu­ sammenfällt. Die Fläche 36 des Flansches 31 weist radial zwischen dem Verschleißring 27 und den Schrauben 34 eine Ringnut 37 auf, die von einer Dichtung 38 eingenommen wird, welche die Abdichtung zwischen dem Röhrchen 16 und der Ko­ killenform gewährleistet, wenn sich diese in Anlage aneinan­ der befinden.

Gemäß einer wichtigen Besonderheit der Erfindung umfaßt die Vorrichtung Mittel, um das Röhrchen unter Zwangseinwirkung von der Kokillenform zu trennen. Zu diesem Zweck ist die be­ wegliche Einheit 2 in Vertikalrichtung gleitverschiebbar auf vier Säulen 39 (Fig. 1 und 2) gelagert, welche die Tische 17 und 19 mit dem Rahmen 18 fest verbinden. Überdies ist die Einheit 2 mit der beweglichen Stange 41 eines Arbeitszylin­ ders 42 verbunden, dessen Körper 43 unter dem oberen Tisch 19 des Rahmens 18 befestigt ist. Durch diesen Arbeitszylin­ der 42, dessen senkrechte Achse parallel zu den Säulen 39 ist, kann die Kokillenform 1 zwischen der in Fig. 3 gezeig­ ten Stellung, in welcher sie in dichter Anlage an dem Röhr­ chen 16 ist, und der in der Fig. 2 gezeigten Stellung bewegt werden, in welcher die Kokillenform 1, und insbesondere ihre Anlagefläche 14, von der Anlagefläche 36 des Röhrchens 16 entfernt ist.

Es wird nun die Kokillenform 1 im einzelnen beschrieben.

Wie die Fig. 3 und 5 zeigen, weist die Eingußöffnung 13 eine Erweiterung 44 im Abstand von ihrer Mündung an der Ober­ fläche 14 auf, wobei diese Mündung somit einen Hals oder eine Einschnürung bezüglich der Erweiterung 44 bildet. Ab der Oberfläche 14 bis jenseits von der Erweiterung 33 ist die Eingußöffnung 13 zwischen zwei Verschleißteilen 46 be­ grenzt, welche mittels Schrauben 47, 48 angesetzt sind und die jeweils Bestandteil einer der beiden Halbkokillen 3, 4 sind. Die zwei Verschleißteile 46 werden in entsprechende Ausnehmungen der Körper der Halbkokillen 3 und 4 eingesetzt. Wenn die Verschlußteile 46 in gegenseitigem Kontakt sind, so sind sie selbst miteinander entlang der Anlageebene 11 in Berührung.

An jedem ihrer hochliegenden Punkte ist die Formhöhlung 12 an Mittel zum Abblasen und Entgasen angeschlossen. Bei dem gezeigten Beispiel (Fig. 3) bildet jeweils das Ende eines der drei Finger der Formhöhlung 12 einen hochliegenden Punkt.

Wie die Fig. 3 und 5 zeigen, weist die Halbkokille 3 in der Verlängerung des Endes jedes Fingers der Formhöhlung 12 eine Ausnehmung 49 von sehr geringer Tiefe (z. B. 0,1 mm) auf, welche die Formhöhlung 12 mit einem Kanal 51 verbindet, der in die Anlagefläche der Halbkokille 3 um die Formhöhlung 12 herum gebohrt ist. Durch Leitungen 52, welche durch die Halbkokille 3 hindurch quer zur Ebene 11 angebracht sind, steht der Kanal 51 in Verbindung mit einem Gebläse- oder Druckgaskasten 53, der seinerseits mit einem Rohr 54 zur Versorgung mit unter Druck stehendem Stickstoff und einem Rohr 56 verbunden ist, welches an die Einlaßöffnung einer Vakuumpumpe angeschlossen ist.

Wie die Fig. 3 zeigt, ist der Kanal 51 nach unten beiderseits der Formhöhlung 12 bis zur unteren Oberfläche 14 verlängert, indem er auf jeder Seite das Verschleißteil 46 der Halbko­ kille 3 in solcher Weise verlängert, daß er mit den Montage­ zwischenräumen der Teile 46 in den entsprechenden Ausnehmun­ gen des Körpers der Halbkokillen 3 und 4 in Verbindung steht.

Der Kanal 51 weist somit die allgemeine Form eines U auf, welches an jedem seiner Enden gegenüber der Oberfläche 36 des Röhrchens 16 ausmündet, um so mit einer Ausnehmung 57 von geringer Tiefe in Verbindung zu stehen, welche in der genannten Oberfläche so angebracht ist, daß eine Verbindung mit den Montagezwischenräumen zwischen dem Ring 27 und dem Flansch 31 sowie zwischen diesen zwei Teilen und dem Körper des Röhrchens 16 und schließlich mit Bohrungen, welche die Schrauben 28 und 32 aufnehmen, hergestellt wird. Die Ausneh­ mung 57 hat die Form von zwei Ringen (Fig. 4), welche mitein­ ander durch zwei radiale, einander gegenüberliegende Durch­ lässe zwischen zwei halbkreisförmigen Höckern des Ringes 57 verbunden sind.

Die Halbkokille 3 weist ferner in ihrer Stoß- bzw. Verbin­ dungsfläche einen Kanal 58 auf, der sich entlang einer Schleifenkontur von U-Form erstreckt, also sich entlang zwei U-Formen erstreckt, wovon die eine in der anderen liegt und die mit ihren Enden verbunden sind sowie angrenzend an die Oberfläche 14 liegen. Zwischen diesen Enden umgeben die zwei U-Formen die Formhöhlung 12 und den Kanal 51.

In dem Kanal 58 ist eine Dichtung 59 eingesetzt, die vor der Montage O-ringförmig ist und wovon nur zwei an die Oberflä­ che 14 angrenzende Teile in Fig. 3 gezeigt sind. Diese zwei Teile sind bestrebt, aus der Oberfläche 14 herauszuragen, und stützen sich somit abdichtend an der Dichtung 38 des Flansches 31 ab. Wenn die Kokillenform 1 gegen das Röhrchen 16 angelegt wird, wird also die Formhöhlung 12 an allen Stel­ len außer ihrer Verbindung mit der Leitung 23 des Röhrchens 16 und mit dem Druckgaskasten 53 dicht verbunden.

Wie Fig. 6 zeigt, kann der Schlitz 49 am Ende jedes Fingers der Formhöhlung 12 durch einen porösen Körper 61 ersetzt werden, der an der Halbkokille 3 befestigt ist und sich mit der Halbkokille 4 in Berührung befindet, wenn die zwei Halb­ kokillen in gegenseitiger Berührung stehen, wobei der Körper 61 zwischen dem Ende des betrachteten Fingers und dem Sam­ melkanal 51 eingefügt ist.

Es wird nun das erfindungsgemäße Gießverfahren unter Bezug­ nahme auf die Fig. 8 bis 16 beschrieben.

Anfangs (Fig. 8) wird die Kokillenform 1, deren zwei Halbko­ killen 3 und 4 miteinander in Berührung stehen, ihrerseits in Berührung mit dem Flansch 31 des Röhrchens 16 gebracht. Durch den (in Fig. 8 nicht gezeigten) Arbeitszylinder 22 wurde der Rahmen 18 so abgesenkt, daß das untere Ende des Röhrchens 16 sich unmittelbar oberhalb der Oberfläche eines Bades 62 befindet, welches das geschmolzene Gießmaterial enthält.

Stickstoff (oder Argon, wenn Stickstoff in der Schmelze lös­ lich ist) wird unter Druck durch die Leitung 54 in die Form­ höhlung eingeblasen. Gleichzeitig ist die an die Leitung 56 angeschlossene Vakuumpumpe in Betrieb, da jedoch ihre Pump­ leistung geringer ist als der Strömungsdurchsatz des einge­ blasenen Stickstoffs, tritt Stickstoff oberhalb des Bades über die untere Öffnung des Röhrchens 16 aus, wodurch senk­ recht unter dem Röhrchen 16 die Schlacke entfernt wird, wel­ che an der Oberfläche des Bades 62 schwimmt.

Während dieser Zeit wird der innerhalb der Formhöhlung 12 herrschende Druck oder ein Druck gemessen, welcher repräsen­ tativ für den im Inneren der Formhöhlung 12 herrschenden Druck ist (es kann sich beispielsweise um den Druck in dem Druckgaskasten 53 handeln). Zu diesem Zweck wird dieser Druck dem einen (Fig. 13 und 14) Ende 63 der zwei nach oben gerichteten Enden eines U-Rohres 64 zugeführt, welches eine bestimmte Menge Quecksilber 66 enthält. Der Zweig des Rohres 64, welcher dem Ende 63 gegenüberliegt, ist mit einem Detek­ tor 67 versehen, welcher sich oberhalb der Oberfläche des Quecksilbers 66 in Ruhe (Fig. 13) befindet. Dieser Detektor 67 weist zwei Elektroden auf, die in das Rohr 64 in solcher Weise hineinragen, daß ein elektrischer Stromkreis durch das Quecksilber geschlossen wird, wenn es die Elektroden er­ reicht.

Bei dem in Fig. 8 gezeigten Zustand (Ausblasen von Stick­ stoff auf die Oberfläche der Schmelze) ist der Druck im In­ neren der Formhöhlung relativ gering und reicht nicht aus, um das Quecksilber 66 bis zu dem Detektor 67 (Fig. 14) hoch­ zudrücken.

Anschließend wird, wie in Fig. 9 gezeigt, der Rahmen 18 ab­ gesenkt (mittels des nicht gezeigten Arbeitszylinders 22), so daß das Röhrchen 16 in das Bad 62 eingetaucht wird. Hier­ durch wird ein Hindernis für das Austreten des Stickstoffs gebildet, das über die Leitung 54 ankommt, so daß der Druck am Ende 63 des Röhrchens 64 (Fig. 15) plötzlich ansteigt und das Quecksilber 66 bis zu dem Detektor 67 hochdrückt. Dieser gibt dann ein Signal ab, wodurch die Unterbrechung des Ein­ blasens von Stickstoff ausgelöst und folglich die Evakuie­ rung der Formhöhlung 12 durch die an die Leitung 56 ange­ schlossene Vakuumpumpe ausgelöst wird. Die das Bad 62 bil­ dende Schmelze wird dann durch das Röhrchen 16 angesaugt und füllt die Formhöhlung an, welche zwischen den zwei Halbko­ killen 3 und 4 begrenzt ist. Das Ansaugen erfolgt nicht nur in der eigentlichen Formhöhlung 12, sondern auch in allen Montagezwischenräumen der Verschleißteile 27 und 46 sowie in den Löchern, welche von den Montageschrauben 28, 32 und 48 eingenommen werden. Auf diese Weise wird die Gefahr vermie­ den, daß Gase, welche in diesen Zwischenräumen eingeschlos­ sen sind und sich plötzlich durch die ankommende Schmelze ausdehnen, zur Erzeugung von Bläschen in dem Gußteil führen.

Wie Fig. 16 zeigt, entfernt sich während der Ansaugung der Schmelze das Quecksilber deutlich von dem Detektor 67, je­ doch ist die elektrische Auslegung so getroffen, daß das Einblasen von Stickstoff weiterhin unterbrochen bleibt.

Der in der Formhöhlung während der Ansaugung herrschende Unterdruck kann so reguliert oder geregelt werden, daß das Ausfüllen mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit erfolgt, ohne jedoch zu Wirbeln oder Spritzern in der Formhöhlung zu führen. Je nach Gestalt der Formhöhlung kann der Ansaugdruck im Verlauf der Ansaugphase variiert werden. Der verwendeten Vakuumpumpe sind Mittel zugeordnet, die eine solche Steue­ rung ermöglichen.

Da die größte Abmessung der Formhöhlung in Vertikalrichtung verläuft, besitzt das Material während des Anfüllens der Formhöhlung eine freie Oberfläche von relativ kleinem Flächen­ inhalt, welche sich über einen relativ großen Höhenunter­ schied bewegt. Aufgrund dieses relativ kleinen Flächenin­ halts der freien Oberfläche wird die Gefahr der Erzeugung von Wirbeln und Spritzern stark vermindert, so daß das Fort­ schreiten der Schmelze im Inneren der Formhöhlung gut be­ herrscht werden kann. Aus diesem Grunde wird gemäß der Er­ findung vorgezogen, daß die Stoß- oder Verbindungsebene zwi­ schen den zwei Halbkokillen, welche im Prinzip der Ebene entspricht, welche durch die zwei größten orthogonalen Ab­ messungen des herzustellenden Keiles verläuft, vertikal aus­ gerichtet ist, wie bei dem beschriebenen und gezeigten Bei­ spiel, oder zumindest schräg ausgerichtet ist, was für be­ stimmte herzustellende Teile vorteilhaft sein kann.

Wenn die Schmelze das obere Ende bzw. die oberen Enden der Formhöhlung erreicht, kann sie in die Schlitze 49 (Fig. 5) oder in die Poren des Kanals 61 (Fig. 6) nicht eindringen, denn diese Durchlässe haben zu kleine Abmessungen relativ zur Viskosität der Schmelze.

In diesem Stadium wird die Ansaugung während einer ausrei­ chenden Zeit aufrechterhalten, damit die Erstarrung des Ma­ terials in dem verengten Ende 26 der Leitungen 23 und/oder am Eintrittshals der Eingußöffnung 13 beginnt. Bei Erstar­ rungsbeginn wird die Formhöhlung verschlossen und folglich das darin eingeschlossene Material gefangen gehalten. In diesem Stadium (Fig. 10) wird der Rahmen 18 durch den (nicht gezeigten) Arbeitszylinder 22 angehoben, so daß das Röhrchen 16 aus dem Bad 62 austritt.

Anschließend (Fig. 11) wird der (in dieser Figur nicht ge­ zeigte) Arbeitszylinder 42 beaufschlagt, so daß die Kokillen­ form 11 von dem Flansch 31 des Röhrchens 16 fortbewegt wird. Hierdurch wird ein Brechen oder Abreißen des teilweise er­ starrten Materials in der Nähe der Oberflächen 14 und 36 hervorgerufen, welche durch die Bewegung voneinander getrennt werden. Das sich in der Leitung 23 des Röhrchens 16 befinden­ de Material wird nämlich durch die Schulter 29 (Fig. 3) in dem Röhrchen 16 festgehalten. Hingegen wird das in der Ko­ killenform 1 enthaltene Material durch die Erweiterung 44 in dieser festgehalten. Die Anwesenheit der Erweiterung 44 ver­ meidet, daß die für das Abbrechen erforderliche Zugbelastung von dem gerade innerhalb der Formhöhlung 12 erstarrenden Teil aufgenommen werden muß.

Wie die Fig. 11 zeigt, fällt aufgrund der Kegelform der Lei­ tung 23 in dem Röhrchen 16 das in diesem Röhrchen 16 enthal­ tene Material 68 in das Bad 62 zurück und kann dort schnell wieder erwärmt und geschmolzen werden, denn seine Temperatur ist nur wenig geringer als die Erstarrungstemperatur.

Anschließend wird, wie in Fig. 12 gezeigt, der (in dieser Figur nicht gezeigte) Arbeitszylinder 8 beaufschlagt, um die zwei Halbkokillen 3, 4 voneinander zu trennen und das inner­ halb der Formhöhlung 12 erstarrte Teil auszuformen. Die Ko­ killenform und das Röhrchen können aus jedem geeigneten Ma­ terial hergestellt werden, je nach dem zu gießenden Mate­ rial, den Abkühlungsbedingungen, die angestrebt werden, usw.

Vorzugsweise wird, wenn das zu gießende Material eine rela­ tiv hohe Schmelztemperatur aufweist, beispielsweise eisen­ haltige Metalle oder feuerfeste Oxide, ein Röhrchen 16 aus einer Kupferlegierung mit hohem Kupfergehalt verwendet, um die Wärme schnell abzuführen, wenn es in das Bad eingetaucht wird. Es ist auch möglich, Mittel zum Abkühlen des Röhrchens vorzusehen, insbesondere des Flansches 31, was weiterhin den Vorteil aufweist, das Verfestigen des Gießmaterials in dem Bereich zu beschleunigen, wo das Abbrechen erfolgen soll.

Die Kokillenform kann aus Kupfer, einer Legierung mit hohem Kupfergehalt, aus Stahl, Gußeisen usw. gebildet werden, je nach den vorhersehbaren Betriebstemperaturen und der ge­ wünschten Abkühlgeschwindigkeit. Die Verschleißteile 27 und 46 können aus dem gleichen Material wie der übrige Teil des Röhrchens bzw. der Kokillenform hergestellt werden, wobei der Zweck ihrer Abtrennbarkeit im wesentlichen darin besteht, die Wartungskosten zu begrenzen.

Die Kokillenform kann ferner mehrere Gebiete aufweisen, die aus verschiedenen Werkstoffen gebildet sind, um unterschied­ liche Abkühlbedingungen in den verschiedenen Bereichen der Formhöhlung herzustellen, so daß dem Gießteil mechanische Eigenschaften verliehen werden, die sich von einer Stelle zur anderen verändern, falls dies gewünscht wird.

Es ist auch möglich, daß die Formhöhlung oder ein Teil der­ selben mit einer Keramikschicht versehen ist, um das Abküh­ len zu verlangsamen.

Da die Formhöhlung relativ kalt bleibt, treten keine Proble­ me hinsichtlich Dehnungsunterschieden zwischen den verschie­ denen Gebieten der Kokillenform oder zwischen der Kokillen­ form und der Auskleidung auf.

Es wurden erfolgreiche Versuche mit Kokillenformen durchge­ führt, welche Formhöhlungen einer Dicke von 3 mm enthalten. Es ist überraschend, daß unter diesen Umständen das Aufstei­ gen der Schmelze in die Formhöhlung ausreichend schnell ge­ schehen kann, damit das Metall ausreichend Zeit hat, sich innerhalb der gesamten Formhöhlung zu verteilen, bevor ein erstarrter Stopfen an der einen oder anderen Stelle der Formhöhlung gebildet ist, während die Kokillenform auf einer Temperatur in der Größenordnung von 200°C (kalte Kokillen­ form) gehalten wird.

Bei relativ komplexen Gußteilen kann die Kokillenform aus mehr als zwei relativ zueinander beweglichen Teilen gebildet werden, um das Ausformen zu ermöglichen.

Durch das Ausblasen von Stickstoff oder Argon vor der Ansau­ gung wird die Anwesenheit von oxidierenden Gasen und von Feuchtigkeit innerhalb der Formhöhlung während des Ansaugens vermieden. Durch Erfassen der Druckzunahme in der Formhöh­ lung durch das Eintauchen des Röhrchens in die Schmelze wird die Ansaugung ausgelöst, so bald dies möglich ist, so daß Zeitverluste vermieden werden. Dies ist aber kein notwendi­ ges Funktionsmerkmal. Insbesondere kann die Detektion mit­ tels einer Quecksilbersäule, wie sie in den Fig. 13 bis 16 gezeigt ist, durch andere bekannte Druckmeßeinrichtungen ersetzt werden.

Das Hochsteigen der Schmelze kann außer durch Ansaugen in der Formhöhlung auch durch Unterdrucksetzen des Schmelzeba­ des erfolgen.

Eine verfeinerte Gießvorrichtung kann mehrere Kokillenformen aufweisen, die auf einem Drehständer angebracht sind und nacheinander über das Bad gebracht werden, um die Arbeits­ gänge des Anfüllens und des Abbrechens auszuführen, worauf, gegebenenfalls nach einer weiteren Abkühlzeit, eine Entfor­ mungsstation folgt.

Die vorliegende Erfindung entstand im "Laboratoire de G´ologie et G´ochimie appliqu´es" der Universität von Orl´ans durch die Forschungsgruppe Nr. 601, die zur CNRS gehört.

Claims (21)

1. Gießverfahren, insbesondere zur Herstellung von Teilen aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt, wie Metalle und eisenhaltige Legierungen, Titan, feuerfeste Oxide und der­ gleichen, bei welchem eine untere Einfüllöffnung (24), welche mit einer Formhöhlung (12) einer Kokillenform (1) in Verbindung steht, in ein Bad einer Schmelze (62) eingetaucht wird, diese Formhöhlung (12) durch die Druckdifferenz zwi­ schen dem Bad und der Formhöhlung mit Schmelze gefüllt wird und vor dem Ausformen die Einfüllöffnung (24) aus dem Bad (62) herausgehoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze von der Einfüllöffnung (24) in die Formhöhlung (12) durch eine Leitung (23) geführt wird, welche eine Verengung (26) aufweist, daß die Einfüllöffnung (24) aus dem Bad (62) herausgehoben wird, nachdem das Material in der Verengung (26) verfestigt ist, und daß von der Kokillenform (1) vor dem Ausformen ein Röhrchen (16) entfernt wird, in welchem die Leitung (23) von der Einfüllöffnung (24) bis zur Veren­ gung (26) ausgebildet ist, wobei das Entfernen in solcher Weise erfolgt, daß das Material unmittelbar nach der Erstar­ rung in der Nähe der Verengung (26) durch Zugeinwirkung ge­ brochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Entfernen der Kokillenform (1) von dem Röhrchen (16) die Kokillenform (1) zum Ausformen geöffnet wird, indem zwei Halbkokillen (3, 4) voneinander entfernt werden, welche eine gegenseitige Kontaktebene (11) aufweisen, die zumindest an­ nähernd senkrecht verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Ausfüllen der Formhöhlung (12) mit Schmelze in dieser Formhöhlung (12) ein Unterdruck hergestellt wird, der in solcher Weise gesteuert wird, daß Turbulenzen zumindest begrenzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem Ausfüllen der Formhöhlung (12) mit Schmelze in diese Formhöhlung (12) ein inertes Gas eingebla­ sen wird, während die innere Leitung (23) des Röhrchens (16) in Verbindung mit der Formhöhlung (12) steht und die Einfüll­ öffnung (24) sich oberhalb des Bades befindet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einblasen bis zu dem Zeitpunkt fortgesetzt wird, bis zu welchem die Einfüllöffnung (24) in das Bad (62) eingetaucht wird, wobei das Austreten des inerten Gases durch die Ein­ füllöffnung (24) dann durch dieses Eintauchen zumindest ge­ hemmt wird, daß während dieser Zeitspanne ein Parameter er­ faßt wird, insbesondere der Druck oder die Durchsatzleistung des inerten Gases, auf welchen das verlangsamte Austreten des Gases aus der Düse (16) Einfluß hat, und daß ansprechend auf diese Erfassung die Formhöhlung (12) einem Unterdruck ausgesetzt wird, um die Schmelze in die Formhöhlung (12) einzusaugen, während die genannte Verlangsamung stattfindet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während des Auffüllens Gase, welche der Schmelze in der Formhöhlung (12) weichen, durch wenigstens einen Schlitz (49), der mit der Formhöhlung (12) in Verbin­ dung steht, abgeführt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Verlauf des Auffüllens Gase, welche der Schmelze in der Formhöhlung (12) weichen, über einen porösen Körper (61) abgeführt werden, der an die Formhöhlung (12) angrenzt.

8. Gießvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Kokillenform (1), welche in ihrem Inneren eine Formhöhlung (12) aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß sie ferner unter der Kokillenform (1), wenn die Vorrichtung sich in ihrer Betriebsstellung be­ findet, ein Röhrchen (16) aufweist, das von einer Leitung (23) durchquert wird, welche sich von einer Eintrittsöffnung (24) ausgehend bis zu einem verengten Ende (26) verjüngt, welches in zumindest annähernd abgedichtete Verbindung mit einer Eingußöffnung (13) gebracht werden kann, welche mit der Formhöhlung (12) verbunden ist und in einer unteren Flä­ che (14) der Kokillenform (1) ausmündet, und daß Mittel (42) vorgesehen sind, um das Röhrchen (16) unter Zwangseinwirkung von der Kokillenform (1) zu entfernen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das verjüngte Ende (26) der Leitung des Röhrchens (16) durch ein angesetztes Verschleißteil (27) gebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kokillenform (1) wenigstens zwei Halbkokil­ len (3, 4) aufweist, welche die Formhöhlung (12) zwischen sich begrenzen und voneinander entfernbar entlang einer Be­ rührungsoberfläche (11), die im Betrieb im wesentlichen senkrecht orientiert ist, aneinander in Anlage sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zwei Halbschalen (3, 4) eine Dichtung (59) angeordnet ist, die eine geschlossene Schleife bildet und U-förmig um die Formhöhlung (12) herum angeordnet ist, so daß sie mit den beiden Enden der U-Form einen Dichtkontakt mit einer Ringdichtung (38) herstellen kann, welche das ver­ jüngte Ende (26) der Leitung (23) des Röhrchens (16) umgibt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokillenform (1) wenigstens einen Kanal (51) aufweist, der die Montagezwischenräume, welche an eine Verbindungsebene (14) zwischen Kokillenform und Röhr­ chen angrenzen, mit Entgasungsmitteln (53, 56) verbindet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (53, 56) aufweisen, um in die Formhöhlung (12) einzublasen, sowie Mittel (64, 66, 67), wel­ che auf den Druck in der Formhöhlung (12) ansprechen, um den Beginn einer Ansaugphase in der Formhöhlung auszulösen, wenn der Druck in dieser Formhöhlung einen bestimmten Schwellwert erreicht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Regulierung der Druckdiffe­ renz zwischen der Formhöhlung (12) und der Badoberfläche im Verlaufe des Ausfüllens der Formhöhlung vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Rahmen (18) aufweist, der das Röhrchen (16) trägt, einen ersten Arbeitszylinder (22) zur senkrechten Bewegung dieses Rahmens (18), eine senkrecht an den Rahmen (18) verschiebbar gelagerte Einheit (2), welche die Kokillenform (1) trägt, und einen zweiten Arbeitszylin­ der (42) aufweist, um die Einheit (2) bezüglich des Rahmens (18) zwischen einer Stellung, in welcher das Röhrchen (16) unter Abdichtung mit der Kokillenform (1) in Verbindung steht, und einer Stellung zu bewegen, in welcher die Kokil­ lenform (1) von dem Röhrchen (16) entfernt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (16) und/oder die Kokillen­ form (1) aus einem Material verwirklicht sind, welches we­ nigstens einen hohen Anteil von Kupfer enthält.

17. Kokillenform zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder zur Ausstattung einer Vor­ richtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, mit wenigstens zwei Halbkokillen (3, 4), die voneinander entfernbar entlang einer Verbindungsebene (11) zusammengefügt sind und zwischen sich eine Formhöhlung (12) begrenzen, die mit der Außenumge­ bung durch eine Eingußöffnung (13) in Verbindung steht, da­ durch gekennzeichnet, daß sie ferner Entgasungsmittel (49, 51 bis 54) enthält, welche mit der Formhöhlung (12) in sol­ cher Weise verbunden sind, daß sie in demjenigen Bereich derselben ausmünden, welcher sich oben befindet, während die Eingußöffnung (13) auf der Außenseite der Kokillenform (1) nach unten ausmündet.

18. Kokillenform nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingußöffnung (13) eine Erweiterung (44) im Abstand von ihrem nach außen ausmündenden Ende aufweist.

19. Kokillenform nach einem der Ansprüche 17 und 18, da­ durch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein angesetztes Verschleißteil (46), welches die Eingußöffnung (13) begrenzt, wenigstens in dem Bereich aufweist, welcher das nach außen ausmündende Ende umfaßt.

20. Kokillenform nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kanal (51) die Montagezwischenräume des angesetzten Verschleißteils (46) mit den Entgasungsmitteln (54) verbindet.

21. Kokillenform nach einem der Ansprüche 17 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die Eingußöffnung (13) durch die zwei Halbkokillen (3, 4) zwischen diesen gebildet ist und auf der Außenseite der Kokillenform (1) in einer Verbindungs­ ebene (14) ausmündet, welche die Kokillenform außenseitig im wesentlichen senkrecht zur Verbindungsoberfläche (11) zwi­ schen den zwei Halbkokillen (3, 4) aufweist.