DE3837559A1

DE3837559A1 - Verfahren zur herstellung von monolithischen metallischen rohlingen durch auffrieren

Info

Publication number: DE3837559A1
Application number: DE3837559A
Authority: DE
Inventors: Boris Alekseevic Movcan; Vladimir Alekseevic Panna; Evgenij Viktorovic Chernenko; Naum Aleksandrovic Gorba
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1987-04-08
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1990-05-10
Also published as: US4922995A; FR2640172A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Vakuummetallurgie, insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von monolithischen metallischen Rohlingen durch Auffrieren.

Die Erfindung kann im Werkzeug- und Vorrichtungs bau, in der Energetik und in anderen Industriezweigen zur Herstellung von monolithischen Rohlingen und Werk stücken mit einer vorgegebenen Form und einem vorgege benen Gefüge aus unverformbaren Legierungen, z. B. zur Herstellung von Dauermagneten, Rohlingen aus Legierungen erhöhten Legierungsgrades, Anwendung finden.

Im Zusammenhang mit den steigenden Anforderungen an die Reinheit von Legierungen, der Erhöhung des Le gierungsgrades, der notwendigen Erzielung eines program mierten Gefüges entsteht das Problem der Entwicklung von entsprechenden technologischen Prozessen für die Her stellung von metallischen Rohlingen.

Unter sonstigen Verfahren zur Bildung eines Ge füges und einer vorgegebenen Rohlingsform zeichnen sich die Methoden des Auffrierens dadurch vorteilhaft aus, daß die gerichtete Kristallisation in verhältnismäßig dünnen Metallschichten erfolgt, wobei der Prozeß unter den Bedingungen einer reichlichen Speisung der Kristalli sationsfront abläuft.

Die bekannten Gießverfahren durch Auffrieren wer den zur Herstellung verschiedenartiger Rohlinge wie Blech, Stab, Formstücke angewandt (G. F. Balandin "Litie namorazhivaniem" / Gießen durch Auffrieren /, 1962, Mashgiz, S. 7-16).

Räumliche Hohlteile stellt man durch Sturzgießen her, wenn man in eine an der kippbaren Gießvorrich tung befestigte Form flüssiges Metall eingießt. Nach Ablauf einer Zeit, die zum Auffrieren (zur Kristalli sation) einer Haut vorgegebener Dicke an der Oberfläche der Form erforderlich ist, kippt man die Form um, und das flüssige Metall fließt aus der Form aus. Es bleibt ein Gußteil in Form einer an der Forminnenfläche kristalli sierten Kruste zurück.

Ähnlich wird ein Gußteil beim Gießen von Hohl teilen nach dem Vakuumsaugverfahren ausgebildet. In diesem Fall wird das flüssige Metall aus einer Pfanne oder einem Ofen in eine Kühlkokille eingesaugt, dort eine vorgegebene Zeit lang abstehen gelassen und dann fließt das nichterstarrte Metall infolge der Zer störung des Vakuums in den Ofen oder in die Pfanne ab. An der Innenfläche der Kühlkokille bleibt ein Hohl gußteil in Form eine dünnwandigen Schale zurück.

Es ist ein Verfahren zum Auffrieren auf einen rotierenden Stab (Tauchgießen) bekannt, mit dessen Hilfe man Gußteile vom Typ der Hüllen zylindrischer Form mit innerer Berippung und glatter Außenfläche herstellt. Bei diesem Verfahren bringt man den gekühlten Stab in das flüssige Metall ein, indem man diesen Stab gleichzeitig in Umdrehung versetzt. An der Oberfläche wird eine Metallhaut mit glatter und sauberer Oberflä che aufgefroren.

Dünnwandige Großguteile vom Typ der Tafeln wer den durch Verdrängungsgießen hergestellt. Beim Ver drängungsgießen wird die in das Auffanggefäß einer Gießereianlage eingegossene Schmelze durch Schwenkung der beweglichen Formhälfte nach oben verdrängt. Während des Fließens zwischen den Formhälften wird die Schmelze abgekühlt, und an der Oberfläche der Formhälfte wird eine Haut aufgefroren. Gegen Ende des Gießvorgangs wird das überschüssige Metall verdrängt und die Häute können sich zusammenschließen, indem sie den Gußteilkörper bilden.

Die Prozesse des Auffrierens sind für einige Stranggießverfahren charakteristisch. Beispielsweise besteht ein Verfahren zum Gießen von Band darin, daß eine wassergekühlte Walze mit einem Teil ihrer Außenflä che in ein Bad mit flüssigem Metall eingetaucht ist. An der Oberfläche der Walze wird eine Haut aufgefroren, die bei der Drehung der Walze kontinuierlich aus dem Bad ausgezogen wird; oder es geschieht mit Hilfe von zwei sich drehenden Walzen, zwischen denen das Me tall eingegossen wird. Die Metallhäute, welche auf die Oberflächen der Walzen aufgefroren werden, nähern sich an der Kontaktstelle dieser Walzen und verbinden sich miteinander. Das nichterstarrte Metall wird dabei ver drängt.

Am nächsten kommt der vorgeschlagenen Erfindung nach seinem technischen Wesen ein Verfahren zur Herstel lung von monolithischen Rohlingen durch Auffrieren (G. F. Balandin "Litie namorazhivaniem"/Gießen durch Auf frieren/, 1962, Mashgiz, M., S. 251).

Das Wesen des Verfahrens besteht in folgendem. Auf den Spiegel der Schmelze im Tiegel eines Schmelzofens wird eine Platte aus feuerfestem Material mit einer dem Werkstückprofil entsprechenden Öffnung aufgebracht. Beim Drücken auf die Platte wird aus der Öffnung die Schmelze in Form eines Stäbchens mit konvexem Meniskus herausge drückt. In diesen Teil der Schmelze wird ein Impfer aus demselben Material abgesenkt, dessen Querschnitt dem Profil des Werkstücks (Gußteil, Rohr, Band) genau ent spricht. Beim Ziehen des Impfers aus der Öffnung der schwimmenden Platte wird zusammen mit dem Impfer infolge der Wirkung von Oberflächenkräften ein Teil der Schmelze ausgezogen. Gleichzeitig setzt an der Stirnfläche des Impfers das Auffrieren der Schmelze ein, das kontinuier lich vor sich geht. Das Verfahren ist sehr empfindlich gegen eine Änderung der Wärmeverhältnisse beim Ausbilden des Gußteiles.

Jedoch ist es nach diesem Verfahren und nach anderen Verfahren des Gießens durch Auffrieren unmöglich, die Wärmevorgänge bei der Kristallisation und folglich auch das Gefüge der herzustellenden Legierung aktiv zu steu ern.

Das Vorhandensein der formgebenden Oberflächen be dingt die Möglichkeit der Metallverunreinigung durch das Material der Form und der Entstehung von Oberflächende fekten am Gußteil.

Wegen einer intensiven Oxydation jeder Schicht ist es unmöglich, ein qualitätsgerechtes Metall beim schicht weisen Auffrieren zu erhalten.

Außerdem gewährleisten die bekannten Verfahren es nicht, ein regelbares Metallgefüge innerhalb eines Roh lings zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zur Herstellung von monolithischen metallischen Rohlingen durch Auffrieren zu entwickeln, bei dem die Herstel lung von Rohlingen vorgegebener Form und die Erzielung einer erhöhten Reinheit von Legierungen erhöhten Legierungsgrades mit dem geforderten Gefüge gewährleistet wird.

Dies wird dadurch erreicht, daß das Verfahren zur Herstellung von monolithischen metallischen Rohlingen durch Auffrieren darin besteht, daß man einen Impfer in eine flüssige Metallschmelze eintaucht und einen Rohling bei gegenseitiger Relativbewegung derselben aus bildet, erfindungsgemäß im Stadium der Ausbildung des Rohlings die Oberfläche der Metallschmelze unter Erzeu gung eines Temperaturwechselfeldes erwärmt, bei welchem die Isothermen, die eine der Kristallisationstemperatur der Schmelze nahekommende Temperatur aufweisen, dem Umriß des herzustellenden Rohlings entsprechen, während man die Kontaktierung des Impfers mit der Metallschmelze in der Zone durchführt, wo die Isothermen dem Querschnittsumriß des Rohlings äquidistant sind.

Es ist vorteilhaft, die Oberfläche der Metallschmel ze durch Elektronenstrahlen im Vakuum zu erwärmen.

Die Erzeugung eines Temperaturwechselfeldes in der flüssigen Metallschmelze gestattet es, einen monolithi schen Rohling veränderlichen Querschnitts aus komplexen Legierungen ohne formgebende Oberflächen aus zubilden. Die Prozeßführung im Vakuum und die Verwen dung von Elektronenstrahlen als Wärmequelle tragen zu einer zusätzlichen Raffination der Legierung und zur Erzielung einer hohen Genauigkeit des Prozesses bei.

Es ist vorteilhaft, das Temperaturwechselfeld durch Änderung der Lage der Zonen der Elektronenstrahlerwärmung oder durch Änderung der Erwärmungsintensität oder durch Änderung der Abkühlungsintensität zu formieren.

Es ist wünschenswert, das Temperaturwechselfeld durch gleichzeitige Änderung der Wärmezonenlage, der Er wärmungsintensität und/oder der Abkühlungsintensität der flüssi gen Metallschmelze zu formieren.

Die Formierung des Temperaturwechselfeldes nach den genannten Verfahren bietet die Möglichkeit, mit hin reichender Genauigkeit und Geschwindigkeit das Tempera turfeld der flüssigen Metallschmelze zu ändern, die er forderliche komplizierte Form des Temperaturfeldes und den erforderlichen Temperaturgradienten zu erhalten.

Es ist möglich, die Ausbildung des Rohlings durch Änderung der Wärmeableitung über den Impfer und den ausge bildeten Rohlingsteil zu bewerkstelligen. Eine solche Änderung der Wärmeableitung beeinflußt die Wärmebilanz in der Kristallisationszone und folglich die Größe der kristallisierenden Phasen.

Beim Vorhandensein von bestimmten wärmephysikali schen Eigenschaften der Legierung ist es erforderlich, die Ausbildung des Rohlings durch periodische Kontaktie rung der Oberfläche des Impfers mit der flüssigen Me tallschmelze zu bewerkstelligen.

Dies erlaubt es, die Wärmeableitung von der Kristal lisationsfläche des auszubildenden Rohlings zu in tensivieren, das Temperaturgefälle zwischen fester und flüssiger Phase zu vergrößern und folglich die Dis persität des Gefüges zu erhöhen.

Es ist vorteilhaft, bei der Ausbildung des Rohlings eine plastische Verformung der aufgefrorenen Schicht außer halb der Zone des Kontaktes des Impfers mit der flüssi gen Metallschmelze zu bewerkstelligen.

Die zusätzliche Zwischenverformung der aufgefrore nen Schicht gestattet es, die Dichte des Metalls zu er höhen, das Gefüge zu verfeinern und die Wärmeableitung von der Kristallisationsfläche zu intensivieren.

Im folgenden wird die Erfindung durch Ausführungs beispiele mit Bezugnahme auf Zeichnungen er läutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema, welches das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung eines monolithischen Rohlings erläutert;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch das Temperatur feld einer flüssigen Metallschmelze;

Fig. 3 ein Temperaturfeld in Form eines Ringes;

Fig. 4 ein Temperaturfeld in Form eines Quadrats;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch das Temperatur feld einer flüssigen Metallschmelze bei erhöhter Abküh lungsintensität des Tiegels;

Fig. 6 ein Schema, welches ein Verfahren zur plasti schen Verformung der aufgefrorenen Schicht außerhalb der Kontaktzone des Impfers mit der flüssigen Metall schmelze erläutert;

Fig. 7 die Erläuterung eines Verfahrens zur Aufbrin gung einer Legierung auf die Arbeitskante der Matrize eines Abgratgesenkes.

Das Verfahren zur Herstellung von monolithischen metallischen Rohlingen durch Auffrieren führt man in einer Vakuumanlage (Fig. 1) durch, die eine Vakuumkam mer 1 enthält, wo ein Vakuum aufrechterhalten wird, das zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 2 ausreichend ist. An den geneigten Wänden der Kammer 1 sind Öffnungen 3 vor handen, durch welche man die Elektronenstrahlen 2 von (in der Zeichnung nicht gezeigten) Kanonen auf die Ober fläche einer flüssigen Metallschmelze 4 leitet. Die flüssige Metallschmelze 4 erzeugt man in einem gekühlten Tiegel 5. Den konstanten Flüssigmetallspiegel im gekühl ten Tiegel 5 hält man aufrecht, indem man mittels eines Elektronenstrahls 6 einen von unten her zugeführten Gußblock 7 einschmilzt. Ein Impfer 8 kann mit Hilfe eines nicht gezeichneten Antriebes relativ zur Ober fläche der flüssigen Metallschmelze 4 bewegt werden.

Es wird nachstehend das Verfahren zur Herstellung von monolithischen metallischen Rohlingen behandelt. Die Elektronenstrahlen 2 leitet man durch die Öffnungen 3 auf die Oberfläche der flüssigen Metallschmelze 4, und auf der Oberfläche der flüssigen Metallschmelze 4 ent stehen Wärmezonen 9, welche die Wärme für die Beheizung der flüssigen Metallschmelze 4 entwickeln. Unmittelbar am Rand des gekühlten Tiegels 5 befindet sich das Metall in fester Phase 10 (Fig. 2).

Das sich bildende Temperaturfeld der flüssigen Me tallschmelze 4 wird durch den Temperaturgradienten zwi schen den Wärmzonen 9 und den Kühlzonen bestimmt.

Die Linien gleicher Temperaturen bilden Isothermen 11.

Man ordnet die Wärmezonen so an, daß Isothermen 12, welche eine der Kristallisationstemperatur Tk nachkommen de Temperatur aufweisen, die Querschnittsform des her zustellenden Rohlings wiederholen. Wenn beispielsweise an der Oberfläche der flüssigen Metallschmelze 4 (Fig. 3) die Wärmezone 9 als Ring gestaltet ist, so bildet die Isotherme 12 mit der Temperatur Tk an der Oberfläche ei nen Ring. Äquidistant zur Isotherme 12 mit der Kristalli sationstemperatur Tk hält man einen Impfer 8 (Fig. 2). An der Oberfläche des Impfers 8 setzt infolge der Wärme ableitung über denselben die Kristallisation ein. Die geometrischen Abmessungen der Kristallisationsfront wer den durch die Lage der Isotherme bestimmt, die eine der Kristallisationstemperatur gleiche Temperatur aufweist. Durch nachfolgendes Ausziehen des Impfers 8 aus der flüssigen Metallschmelze 4 mit einer linearen Geschwin digkeit, die durch die Kristallisationsgeschwindigkeit bestimmt wird, bildet man einen Rohling.

Dabei wird der Rohlingsquerschnitt durch die Kontur der Isotherme 12 mit der Temperatur Tk be stimmt, die von der Kontur des Temperaturfeldes abhängt. Das Temperaturwechselfeld wird einen beispielsweise über die Länge veränderlichen Querschnitt ausbilden. Durch Verschieben der Wärmzone 9 über die Oberfläche der flüs sigen Metallschmelze 4 (Fig. 4) kann man die Lage der Wärmzonen 9 auf eine solche Weise ändern, daß sich die Form des Temperaturfeldes verändert, und die Kontur der Isotherme 12 mit der Temperatur Tk nimmt die erfor derliche Konfiguration an. Durch Abtasten der zwischen zwei konzentrisch angeordneten Quadraten unterschiedli cher Größe eingeschlossenen Wärmzone 9 mit dem Elektro nenstrahl 2 erhält man in der Mitte des kleineren Quadra tes die als Quadrat gestaltete Isotherme 12 mit der Tempe ratur Tk.

Bei einer Erhöhung der Intensität der Elektronen strahlerwärmung, d. h. bei einer Erhöhung der zur Wärm zone 9 (Fig. 3) zugeführten Leistung wird die Über hitzung der flüssigen Metallschmelze 4 an den an der Wärmezone 9 anliegenden Stellen verstärkt. Das Temperatur feld verändert sich derart, daß der Abstand zwischen der Wärmzone 9 und der Isotherme 12 mit der Temperatur Tk zunimmt, die Isotherme 12 mit der Temperatur Tk entfernt sich von der Wärmzone 9. In diesem Fall führt z. B. eine Erhöhung der Erwärmungsintensität in der ringförmigen Wärmzone 9 zur Verkleinerung des Durchmessers der Iso therme 12 mit der Temperatur Tk und folglich zur Verklei nerung des Rohlingsdurchmessers.

Bei einer Verstärkung der Intensität der Wärmeablei tung von der flüssigen Metallschmelze 4 beispielsweise über den gekühlten Tiegel 5 (Fig. 2) durch Vergrößerung der Menge des Kühlmittels und Senkung seiner Temperatur wird das Temperaturfeld solcherweise verändert, daß sich die Dicke der festen Phase 10 (Fig. 5) vergrößert, der Temperaturgradient in der flüssigen Metallschmelze 4 zunimmt und sich das Volumen der flüssigen Metallschmelze 4 verringert, was eine Verschiebung der Isotherme 12 mit der Temperatur Tk in Richtung der Wärmzone 9 hervorruft.

Durch gleichzeitige Änderung der Ortslage 9 der Wärmzonen 9, der Intensität der Erwärmung und der Inten sität der Wärmeableitung kann man eine beliebige vor gegebene komplizierte Form des Temperaturfeldes und folg lich einen Rohlingsquerschnitt der erforderlichen Konfi guration erhalten.

Durch Änderung der Intensität der Wärmeableitung über den Impfer 8 (Fig. 1) und den ausgebildeten Rohlings teil steuert man die Gefügeausbildung der aufgefrorenen Legierung. Beispielsweise vermindert man die Wärmeablei tung über den Impfer 8 und den ausgebildeten Rohlingsteil durch zusätzliche Elektronenstrahlerwärmung der beiden. Dadurch erhöht man die Temperatur der festen Phase 10 an der Kristallisationsstelle, vermindert das Temperatur gefälle feste Phase 10 - flüssige Phase und setzt da durch die Kristallisationsgeschwindigkeit herab und ver größert die kristallisierenden Phasen.

Unter den Bedingungen einer unzureichend intensiven Wärmeableitung von der Kristallisationsfront führt man die Ausbildung des Rohlings durch periodische Kontaktie rung der Kristallisationsfläche des Rohlings mit der flüssigen Metallschmelze durch. Zu dem Zeitpunkt, da der Kontakt der Kristallisationsfläche des Impfers 8 mit der flüssigen Metallschmelze 4 fehlt, erfolgt eine zu sätzliche Wärmeableitung von der Kristallisationsfläche des Impfers 8, was es bei dem nachfolgenden Kontakt mit der flüssigen Metallschmelze 4 gestattet, die Kristalli sation der Legierung bei einem höheren Temperaturgefälle zwischen der festen und der flüssigen Phase durchzu führen. Dies erhöht die Kristallisationsgeschwindig keit und die Dispersität der Phasen.

Während der Ausbildung des Rohlings bewerkstelligt man bei Bedarf die plastische Verformung der aufge frorenen Legierung außerhalb der Kontaktzone des Imp fers 8 mit der flüssigen Metallschmelze 4. Dazu unter wirft man das kristallisierte Metall, nachdem der Impfer 8 außer Kontakt mit der flüssigen Schmelze 4 gebracht worden ist, einer Verformung nach einem belie bigen bekannten Verfahren.

Beispielsweise führt man das Auffrieren der Le gierung auf die zylindrische Außerfläche eines Imp fers 13 (Fig. 6) solcherweise durch, daß der sich um seine Achse drehende Zylinder (Impfer 13) mit seiner Mantellinie mit der flüssigen Metallschmelze 4 kontak tiert. Auf die zylindrische Außenfläche des Impfers 13 wird das Metall aufgefroren, das man außerhalb der Zo ne der Kontaktierung mit der flüssigen Metallschmelze 4 mittels einer Rolle 14 verformt. Eine derartige Einwir kung erhöht die Dichte des aufgefrorenen Metalls, ver feinert die kristallisierenden Phasen und intensiviert die Wärmeableitung von der Kristallisationsfläche des Roh lings.

Nachstehend werden einige Beispiele für die Realisie rung des Verfahrens behandelt.

Beispiel 1

Zur Herstellung eines monolithischen Rohlings durch Auffrieren wurde in der Kammer 1 (Fig. 7) ein Betriebs druck von 1 10^-2 bis 6,5 10^-3 aufgebaut. Als Impfer diente die Matrize eines Abgratgesenkes 15, bei welcher ihre Arbeitskante einen 10 mm hohen und 10 mm dicken Vor sprung gemäß der Kontur einer in der Platte der Matrize des Gesenkes 15 vorgesehenen quadratischen Öffnung 60 × 40 mm darstellt.

Die Matrize des Gesenkes 15, die den Impfer darstellt, ist aus herkömlichem Werkzeugstahl gefertigt. Auf die Arbeitskante der Matrize des Gesenks 15 wurde eine Le gierung der folgenden Zusammensetzung in Masse % aufge froren: C 0,83, Cr 4,0, W 5,7, V 1,9, Mo 5,3, Si 0,3, MnO 25, Fe - Rest. Die Legierung wurde in den gekühlten Tiegel 5 mit den Abmessungen 200 × 300 × 40 mm einge bracht. Auf einer (nicht gezeichneten) beweglichen Welle wurde die vorläufig geglühte Matrize des Abgratgesen kes 15 befestigt. Durch die Elektronenstrahlen 2 wurde die Legierung im Tiegel 5 geschmolzen und die Arbeitskante der Matrize des Abgratgesenkes 15 erwärmt. Nach Erreichen einer Temperatur der Matrize von 1100 bis 1150°C ist die Matrize als Impfer zum Auffrieren bereit. Zu diesem Zeitpunkt ist die flüssige Metallschicht 4 gebildet und es sind Wärmzonen 9 erzeugt. Die innere Wärmzone 9, die als Quadrat mit einer Seite um 30 bis 35 mm kleiner als das Innenmaß der Arbeitskante des Gesenkes 15 gestaltet ist, erzeugt man mit einem gleichmäßig abgelenkten Strahl von 30 bis 35 kVA. Die äußere Wärmzone 9 in Form eines 40 mm breiten Streifens, der an der Kontur eines Quadrat mit ei ner Seite um 30 mm größer als das Außenmaß der Arbeits kante des Gesenkes 15 verläuft, bildet man mittels der Elektronenstrahlen 2 der Kanonen mit der Summenleistung von 100 kVA. Zwischen den Wärmzonen 9 entsteht eine Zone 16, in der die flüssige Metallschmelze 4 ein Tem peraturfeld mit den Isothermen besitzt, deren Temperatur um 20 bis 50°C höher ist als die Kristallisationstempe ratur der Legierung. Die Form der Isothermen wiederholt die Form der Arbeitskante. Nach dem Anwärmen dreht man die Matrize des Gesenkes 15 in eine Lage um, die zur Oberflä che der flüssigen Metallschmelze 4 parallel ist, und schaltet die Elektronenstrahlen 2 aus. Die Matrize des Gesenkes 15 taucht man in die Schmelze 4 2-3 mm tief in eine Zone, wo die Konturen der Isothermen zum Umriß der Arbeitskante äquidistant sind. Der Prozeß des Auffrierens dauert 5-6 s. Danach zieht man die Matrize des Ge senkes 15 aus der flüssigen Metallschmelze 4 heraus.

Die Arbeitsfläche dieses Gesenkes 15 weist nach der entsprechenden Wärmebehandlung eine Härte von HRC 63-67 auf. Die Standzeit des Gesenkes 15 wird um das Vierfache erhöht.

Beispiel 2

Zur Herstellung eines Rohlings komplizierter Form mit einem vorgegebenen kristallinen Gefüge aus einer komplexen unverformbaren Legierung baute man in der Kammer 1 einen Betriebsdruck von 1 · 10^-2 bis 6,5 · 10^-3 Pa auf. Es war erforderlich, eine Rohlingsform zu erhalten, die der Reihe nach aneinander anschließende Profile eines Quadrats von 40 × 40 mm, eines Kreises mit dem Durchmesser d 56 mm, eines Kreises mit dem Durchmes ser d 40 mm, eines Kreises mit dem Durchmesser d 45 mm, eines Quadrates von 30 × 30 mm, eines Quadrates von 20 × 20 mm und eines Kreises mit dem Durchmesser d 70 mm bei der Länge jedes Profils von 30 mm darstellt.

In einen wassergekühlten Tiegel mit den Abmessun gen 300 × 400 × 70 brachte man eine Legierung der fol genden Zusammensetzung in Masse % ein: Ni 18,2, Al 9,9, Co 12,3, Cu 6,5, Si 0,14, Fe - Rest.

Zur Erzeugung einer flüssigen Metallschmelze wurde die Legierung durch Elektronenstrahlen von vier Elektro nenstrahlkanonen erwärmt. Die Summenleistung der Strah len betrug 120 kVA. Nach der Bildung der flüssigen Me tallschmelze wurde ein Temperaturfeld mit Isother men bei der Kristallisationstemperatur in Form eines Quadrates formiert. Dazu wurde ein 35 bis 45 mm breiter Streifen mit den Strahlen abgetastet, welcher am Umfang eines Quadrats mit der Seite 80 mm verlief. Dann entsteht innerhalb dieses Quadrates ein Temperaturfeld mit den Isothermen 12 (Fig. 4) in Form eines Quadrates. Hierbei ist das Quadrat von 40 × 40 mm durch die Isothermen 12 gebildet, die eine Temperatur aufweisen, die der Tempe ratur des Kristallisationsbeginns der Legierung nahekommt.

Einen Impfer in Gestalt eines Vierkantstabes 40 × 40 × 100 aus herkömmlichem Konstruktionsstahl ordnete man so an, daß seine Längsachse senkrecht zur Oberfläche der flüssigen Metallschmelze steht und der Querschnitt von 40 × 40 mm äquidistant zu den Iso thermen des Temperaturfeldes der flüssigen Metallschmel ze ausgerichtet ist. Den Impfer wärmte man durch einen Elektronenstrahl von 15 kVA Leistung, der auf die Oberfläche des Impfers abgelenkt war, auf eine Höhe von 40 mm von der unteren Kante aus bis auf eine Temperatur von 1200°C vor.

Nach der Stabilisierung des Temperaturfeldes durch Halten der flüssigen Metallschmelze unter der Einwir kung der Elektronenstrahlen im Laufe von 15 min ging man zur Ausbildung des Rohlings über. Den Impfer senkte man senkrecht nach unten bis zur Berührung der Stirnfläche des Impfers mit der Oberfläche der flüssigen Metall schmelze ab. Nach der Berührung der Stirnfläche mit der flüssigen Metallschmelze erteilte man dem Impfer eine Aufwärtsbewegung mit der Geschwindigkeit 5-6 mm/min. Nach diesem Verfahren erhielt man einen Impfer mit dem quadratischen Querschnitt 40 × 40 mm mit in der Bewegungs richtung des Impfers orientierten Kristallen.

Mit dem Zweck, einen Rohlingsquerschnitt in Form eines Kreises mit dem Durchmesser d 56 mm zu erhalten, veränderte man die Form des Temperaturfeldes so, daß die Isothermen des Temperaturfeldes konzentrische Kreise darstellen. Hierzu wurde die Oberfläche eines Ringes mit dem Außendurchmesser 180 mm und dem Innendurchmes se 100 mm mit den Elektronenstrahlen abgetastet. Die Leistung der Elektronenstrahlen änderte man nicht. Das er zeugte Temperaturfeld hat eine Isotherme 12 (Fig. 3) mit einer der Kristallisationstemperatur Tk nahekommenden Temperatur in Form eines Ringes mit dem Durchmesser d 56 mm. Nach der Änderung der Form des Temperaturfeldes unterbrach man für 5 min das Ausziehen des Impfers aus der flüssigen Metallschmelze. Daraufhin setzte man das Ausziehen mit der Geschwindigkeit 5 mm/min fort. Zur Verringerung des Rohlingsdurchmessers bis auf d 40 mm erhöhte man unter sonst gleichen Bedingungen die Leistung der Elektronenstrahlen von 30 kVA auf 35 kVA. Als Folge davon änderten die Isothermen 12 des Tempera turfeldes ihre Lage, indem sie ihren Durchmesser ver ringerten. Die Isotherme 12 mit einer der Kristallisa tionstemperatur Tk nahekommenden Temperatur nahm den Durchmesser d 40 mm an. Nach der Änderung der Form des Temperaturfeldes unterbrach man für 5 min das Ausziehen des Rohlings. Das weitere Ausziehen des Rohlings mit dem Durchmesser d 40 mm bewerkstelligte man mit der Geschwindigkeit 5 mm/min. Die vorstehend beschriebenen Bedingungen des Auffrierens haben eine bestimmte In tensität der Abkühlung der flüssigen Metallschmelze, die sich durch die Menge der durch den Tiegel strömenden Kühlflüssigkeit kennzeichnet, nämlich 20 l/min. Die Vergrößerung der Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit bis auf 36 l/min führt zur Änderung des Temperaturfeldes der Schmelze, derart, daß der Rohlingsdurchmesser sich bis d 45 mm vergrößert. Die übrigen Bedingungen des Auffrierens änderten sich nicht.

Die weitere Ausbildung des Profils als Quadrat von 30 × 30 mm bewerkstelligte man durch Änderung des Tem peraturfeldes:

man änderte die Form des Temperaturfeldes aus der ringförmigen in die quadratische. Die Wärmzone erzeugte man in Form eines 80 mm breiten Streifens am Umfang eines Quadrats von 80 × 80 mm. Die Leistung der Elektronenstrahlen veränderte man von 36 kVA auf 28 kVA.

Man verminderte die Abkühlintensität der flüssi gen Metallschmelze und veränderte die Menge der Kühlflüs sigkeit zur Kühlung des Tiegels von 36 l/min auf 20 l/min. Die Ausziehgeschwindigkeit des Rohlings betruf 5 mm/min.

Die beschriebenen Bedingungen des Auffrierens bilden ein Gefüge mit Stengelkristallen aus, von denen jeder ei nen Flächeninhalt von 3-5 mm² hat.

Eine Verminderung der Wärmeableitung durch Anwärmen des Rohlings auf eine Höhe von 30 bis 40 mm von der Kon taktstelle mit der Oberfläche der flüssigen Metallschmel ze aus durch einen Elektronenstrahl von 2 kVA Leistung führt zur Abnahme der Kristallisationsgeschwindigkeit und dementsprechend der Ausziehgeschwindigkeit von 5 mm/min auf 0,5 mm/min, zur Zunahme der Größe der Kristal le bis zu einer Querschnittsfläche von jeweils 15 bis 40 mm² und zur Verringerung des Querschnitts bis auf die Größe von 20 × 20 mm.

Nach Erreichen des Querschnitts von 20 × 20 mm und der Länge von 30 mm hörte man mit der Kontaktierung des Rohlings mit der flüssigen Metallschmelze auf. Um einen Rohlingsquerschnitt mit dem Durchmesser d 70 mm zu erhal ten, erzeugte man ein Temperaturfeld mit einer Wärmzone in Form eines Ringes mit dem Innendurchmesser d 70 mm und dem Außendurchmesser d 120 mm. Die Erwärmung der flüssi gen Metallschmelze bewerkstelligt man durch Elektronen strahlen mit der Summenleistung 120 kVA. Eine zusätzli che Erwärmung des Rohlings nahm man nicht vor. Die übri gen Bedingungen entsprechen den Bedingungen der Ausbildung des vorhergehenden Querschnitts. Die Ausbildung des Roh lings bewerkstelligte man durch periodische Kontaktierung der Kristallisationsfläche des Rohlings mit der flüssigen Metallschmelze in folgender Weise: Kontaktierung 10 s - Abkühlung über der Schmelze 20 s. Zur Ausbildung eines 30 mm langen Rohlings sind 10 Zyklen erforderlich. Das erhaltene Gefüge der Legierung kennzeichnet sich durch äquiaxiale Kristalle mit einem Flächeninhalt von 2-3 mm² und durch das Fehlen von Schwindungsdefekten. Die geo metrischen Abmessungen schwankten innerhalb von 5 bis 10% von den geforderten.

Beispiel 3

Zur Ausbildung eines Rohlings für einen Scheibenfrä ser durch Auffrieren auf den Impfer 13 mit dem Durchmes ser d 120 mm und der Dicke δ = 2 mm aus Kohlenstoffstahl einer Schicht einer hochlegierten Legierung mit der Zu sammensetzung in Masse % C 0,83; Cr 4,0; W 5,7; V 1,9; Mo 5,3; Si 0,3; Mn 0,25; Fe - Rest baute man in der Kam mer einen Druck von 1 · 10^-2 bis 6,5 · 10^-3 Pa auf. Den Impfer 13 befestigte man auf einer parallel zur Oberfläche der flüssigen Metallschmelze 4 (Fig. 6) liegenden Achse. Der auf der Achse drehbare Impfer 13 ist relativ zur Ober fläche der flüssigen Metallschmelze nach oben und nach unten verschiebbar. Die Drehgeschwindigkeit des Imp fers 13 um die Achse beträgt 15 U/min.

Die flüssige Metallschmelze 4 erhielt man ähnlich dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren.

Das Temperaturfeld formierte man so, daß die Iso thermen mit einer der Kristallisationstemperatur Tk nahe kommenden Tempertur ein Rechteck von 4 × 30 mm Größe bildeten. Dazu erzeugte man die Erwärmungszone durch Strahlen der Summenleistung 60 kVA in Form eines 20 mm breiten Streifens am Umfang eines Rechtecks von 100 × 50 mm. Zum zuverlässigen Zusammenschmelzen des Impfers 13 auf eine Temperatur von 800 bis 850°C vor. Den sich um die Horizontalachse drehenden Impfer 13 senkte man so ab, daß der Berührungspunkt mit dem Schnittpunkt der Diagonalen der Rechtecke der Isothermen übereinstimmt. Nach der Berührung der Mantellinie des Impfers 13 mit der Oberfläche der flüssigen Metallschmelze 4 und dem Eintauchen auf eine Tiefe von 1-2 mm bewerkstelligt man das Ausziehen (Heben des sich drehenden Impfers 13) mit der Geschwindigkeit 0,5 mm/min. Auf der Außenflä che des Impfers 13 wird eine Legierungsschicht in Form eines Ringes mit einem Innendurchmesser, welcher dem Außen durchmesser des Impfers 13 gleich ist, und mit einer Dicke δ = 4 mm aufgefroren.

Nach dem Auffrieren der Legierung bis zum Rohlings durchmesser d 122 mm unterwirft man im weiteren die auf gefrorene Schicht einer plastischen Verformung außer halb der Kontaktzone des Impfers mit der Metallschmel ze 4. Dazu wirkt man mittels der Rolle 14 mit glatter Außenfläche mit der Kraft P = 20 kN ein. Im Ergebnis wurde ein Rohling für einen Scheibenfräser von d 130 mm Durchmesser mit der Dicke der Arbeitszone von 4 mm ohne Schwindungsdefekte mit minimaler Bearbeitungs zugabe hergestellt.

Somit zeichnet sich das erfindungsgemäße Ver fahren zur Herstellung von monolithischen Rohlingen durch Auffrieren durch Einfachheit und Zuverläs sigkeit aus. Es gestattet, monolithische Rohlinge praktisch aus beliebigen metallischen Materialien zu erhalten. Regelbare Kristallisationsbedingungen ermöglichen es, monolithische Rohlinge mit vorgegebenem Gefüge, beliebiger Form und ausreichender Genauigkeit der geometischen Ab messungen auszubilden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von monolithischen metallischen Rohlingen durch Auffrieren, darin bestehend, daß man

- eine flüssige Metallschmelze (4) erzeugt;
- einen Impfer (8, 13) in die flüssige Metall schmelze (4) eintaucht;
- einen Rohling bei gegenseitiger Relativbewegung der flüssigen Metallschmelze (4) und des Impfers (8, 13) ausbildet,

dadurch gekennzeichnet, daß man

- im Stadium der Ausbildung eines Rohlings die Oberfläche der flüssigen Metallschmelze (4) unter Er zeugung eines Temperaturwechselfeldes erwärmt, bei wel chem die Isothermen (12), die eine der Kristallisations temperatur der Schmelze nahekommende Temperatur auf weisen, dem Umriß des herzustellenden Rohlings ent sprechen;
- die Kontaktierung des Impfers (8, 13) mit der flüssigen Metallschmelze (4) so durchführt, daß die Kontur der Isotherme (12) zum Querschnittsumriß des Rohlings äquidistant ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Oberfläche der flüssigen Metallschmelze (4) durch Elektronenstrahlen (2) im Vakuum erwärmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man das Temperaturwechselfeld durch Änderung der Lage der Wärmzonen (9) formiert,

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man das Temperaturwechselfeld durch Änderung der Erwärmungsintensität formiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man das Temperaturwechselfeld durch Änderung der Abkühlungsintensität der flüssigen Metallschmelze (4) formiert.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man das Temperaturwechselfeld durch gleichzeitige Änderung der Lage der Wärmzonen (9), der Erwärmungs- und der Abkühlungsintensität der flüssigen Metallschmelze (4) formiert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Ausbildung des Rohlings durch Änderung der Wärmeableitung über den Impfer (8, 13) und den ausgebildeten Rohlingsteil bewerkstelligt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Ausbildung des Rohlings durch periodische mechanische Berührung der Kristalli sationsfläche des Impfers (8, 13) mit der flüssigen Metallschmelze (4) bewerkstelligt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß man bei der Ausbildung des Rohlings eine plastische Verformung der aufgefrorenen Schicht außerhalb der Zone des Kontaktes des Impfers (13) mit der flüssigen Metallschmelze (4) durchführt.