DE4403536C2

DE4403536C2 - Verfahren zum Gießen von Metallschmelze

Info

Publication number: DE4403536C2
Application number: DE4403536A
Authority: DE
Inventors: John Campbell; Tomoo Isawa
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd; Campbell Technologies Inc
Current assignee: CAMPBELL, JOHN, BIRMINGHAM, GB; JFE Steel Corp
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2014-02-05
Also published as: GB2284168A; KR950013625A; US5526868A; GB2284168B; DE4403536A1; GB9402125D0; JPH07185739A; KR960013884B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Metall schmelze, bei dem weitgehend fehlerfreie Gußstücke erzeugt werden.

Wie Fig. 29 zeigt, weist eine Gießform 1 gemäß dem her kömmlichen prinzipiellen Eingußsystem einen Unterteil 2, einen Formteil 3, der auf dem Unterteil 2 angebracht ist, und einen auf dem Formteil 3 angebrachten Oberteil 4 auf. Darin sind ein Einlauf 7 und eine Gießrinne 8 gebildet. Außerdem ist in dem Formteil 3 ein Hohlraum 5 gebildet, des sen Gestalt an die Form von Gußstücken angepaßt ist, und die Gießrinne 8 steht mit dem Hohlraum 5 durch einen Anschnitt 9 in Verbindung. Die Gießrinne 8 ist außerdem mit dem Einlauf 7 in Verbindung, der wiederum mit einem Eingußtrichter 6 in Verbindung steht.

Wenn flüssiges Metall in den Eingußtrichter 6 dieser Gieß form 1 gegossen wird, fließt es aus dem Eingußtrichter 6 in den Hohlraum 5, und zwar durch den Einlauf 7, die Gießrinne 8 und den Anschnitt 9. Es fließt also durch einen Metall schmelzekanal. Ein Steiger oder Speiser (nicht gezeigt) ist normalerweise in dem Hohlraum 5 angeordnet. Außerdem sind manchmal ein Stopfen (nicht gezeigt) und eine Eingußver tiefung 7c in dem Kanal für Metallschmelze vorgesehen, um den Schmelzefluß zu steuern. Schmelzereinigungseinheiten (nicht gezeigt) wie eine Schlacketrenneinrichtung und ein Filter sind auch manchmal in dem Schmelzekanal angeordnet. Grundsätzlich hat jedoch die Gießform 1 den vorgenannten Schmelzekanal.

Bei dem herkömmlichen Eingußsystem treten jedoch die nach stehend angegebenen Probleme (1) und (2) auf.

1. In der Anfangsphase des Eingießens der Schmelze fließt Metallschmelze sehr rasch in den Einlauf 7, wodurch in der Eingußvertiefung 7c, der Gießrinne 8 und dem Bereich im Hohlraum 5, der an den Anschnitt 9 angrenzt, eine starke Turbulenz verursacht wird. Infolgedessen oxidiert die Schmelze, und atmosphärische Gase werden in der Schmelze eingeschlossen. Dieses Problem ist sehr alt, und es wurden diverse Verbesserungen vorgeschlagen, um es zu lösen. In den fünfziger und sechziger Jahren wurden ausgedehnte Untersu chungen durchgeführt, um die Form des Einlaufs 7 zu opti mieren und gleichzeitig andere Maßnahmen vorzusehen. Eine davon bestand darin, einen Stopfen am Oberende 7a des Einlaufs 7 vorzusehen, um die Schmelzemenge zu steuern, die in der Anfangsgießphase fließt, während gleichzeitig die Form des Einlaufs geändert wurde. Es wurde jedoch durch Röntgen aufnahmen und anderweitige Maßnahmen, die während des Gie ßens durchgeführt wurden, bestätigt, daß das Problem durch diesen Vorschlag nicht vollkommen gelöst werden konnte. Heute wird daher eine Vertiefung wie die Eingußvertiefung 7c am Austritt 7b des Einlaufs 7 gebildet. Dadurch wird der Aufprall der fließenden Metallschmelze durch die Einguß vertiefung 7c vermindert, um die Turbulenz in der Anfangs gießphase der Schmelze herabzusetzen.
2. Bei dem üblichen Gießverfahren werden optimale Gießge schwindigkeiten (einschließlich der Geschwindigkeit der in den Hohlraum fließenden Schmelze) auf Erfahrungsbasis oder durch Berücksichtigung der Oberflächenspannung der Schmelze und ihrer Geschwindigkeit vorgegeben. Wenn beispielsweise beim Gießen von Aluminiumschmelze die Geschwindigkeit der fließenden Schmelze höher als 0,5 m/s wird, kann die Bewe gungsenergie der Aluminiumschmelze nicht durch ihre Ober flächenspannung gebremst werden. Die Oxidschicht an der Oberfläche des bewegten Meniskus von Aluminiumschmelze bricht auf, und dadurch findet eine Oxidation der Alumini umschmelze statt.

Beim Kokillengießverfahren, das das einfachste und billigste Gießverfahren ist (insbesondere bei Verwendung einer optimal ausgelegten Gießform, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist), wird jedoch mit fortschreitendem Gießvorgang die Differenz H₀ zwischen den Schmelzesäulen im Eingußtrichter und im Hohl raum allmählich geringer, und auch die Geschwindigkeit der Schmelze wird allmählich niedriger. Es ist daher beim Ko killengießverfahren schwierig, die optimalen Gießbedingungen vom Beginn der Schmelzegießphase bis zu ihrem Ende beizu behalten. Es ist außerdem recht schwierig, insbesondere bei einem großen Gußstück die Geschwindigkeit des Schmelzflusses zu steuern. Spezielle Maßnahmen wie etwa vakuumgestütztes Gießen wurden vorgeschlagen, um diese Nachteile zu beseiti gen, aber sie können nicht allgemein angewandt werden, wenn man ihre Investitionskosten, die Betriebsweise und ihre Begrenzung hinsichtlich großer Gußstücke in Betracht zieht.

Die Zeitschrift "Geißerei", 40. Jahrgang (1953), Heft 9, Seiten 239-241, gibt einen in Form von Ratschlägen gehaltenen Überblick über den Stand der Technik der Anschnitt- und Gießtechnik im Jahr 1953. Die diskutierten Eingußsysteme weisen einen im wesentlichen vertikalen Einlauf sowie einen darüber angeordneten Eingußtrichter auf. Es wird erläutert, daß es, um einen ruhigen Fluß der Schmelze zu gewährleisten, sinnvoll ist, einen Gießtümpel mit Querwand auszubilden, also einen Eingußtrichter in einen Schmelzehaltebereich und einen Schmelzegießbereich zu unterteilen und eine insbesondere abtrennbare Verbindung zwischen beiden Bereichen zu schaffen.

In der Druckschrift wird weiterhin festgestellt, daß sich beim Einfallen der Schmelze in den Einlauf Wirbel oder Strudel ausbilden können. Derartige Strudel entstehen ungewollt und verhalten sich entsprechend unregelmäßig. Es wird die Ansicht vertreten, daß derartige Strudel im höchsten Maße nachteilig sind, da sie Fremdstoffe und Luft nach unten ziehen könnten.

Die Zeitschrift "Gießerei", 61. Jahrgang (1974), Heft 10, Seiten 304 bis 310, beschäftigt sich mit einem speziellen Gießsystem zum Gießen sehr großer Gußstücke aus Stahlguß. Dabei wird nicht unter Verwendung eines Gießtümpels, sondern direkt aus einer Stopfenpfanne gegossen. Unterhalb der Stopfenpfanne befindet sich ein Eingußtrichter, der in einen Einlauf mündet. Von einer zufälligen oder erzwungenen Drehbewegung der Schmelze im Eingußtrichter oder im Einlauf ist nicht die Rede.

Die DDR-Zeitschrift "Gießereitechnik", 3. Jahrgang (1957), Heft 7, Seite 160, schlägt vor, den Einlauf im Querschnitt nicht kreisförmig - wie sonst üblich -, sondern quadratisch oder rechtwinklig auszubilden. Dies habe den Vorteil, daß die Schmelze bei Passieren des Einlaufs nicht so leicht einen Wirbel erzeugen könne. Es wird auch hier die Ansicht vertreten, daß die kreisende Bewegung der Schmelze Verunreinigungen, insbesondere Schlacke, mit in den Einlauf reißen könnte. Die DDR-Zeitschrift "Gießereitechnik", 3. Jahrgang (1957), Heft 11, Seiten 257 bis 258, nimmt im Hinblick auf den zuvor genannten Artikel aus Heft 7 desselben Jahrgangs einige ergänzende Bemerkungen vor. Es wird beispielsweise geäußert, daß die quadratische beziehungsweise rechteckförmige Querschnittsform des Einlaufs umständlich auszubilden sei und auch bei runder Querschnittsform die Drehbewegung der Schmelze bei entsprechender Anordnung des Einlaufs wirksam vermieden werden kann.

Die britische Zeitschrift "Metal Industry", Ausgabe vom 19. Februar 1954, Seiten 145 bis 147, liefert nicht nur einen Überblick über den Stand der Gießsysteme im Jahre 1954, sondern auch eine theoretische, im wesentlichen hydrostatische Betrachtung des Verhaltens der Schmelze im Anschnitt. Es werden auch Anregungen gegeben, wie beispielsweise auf die Fließgeschwindigkeit der Schmelze im Einlauf Einfluß genommen werden kann. Zur Reduzierung der Fließgeschwindigkeit, die sich als Funktion der Höhe H der Schmelzsäule im Einlauf ergibt, wird vorgeschlagen, einen treppenförmigen Knick oder einen sinusförmigen Verlauf für den Einlauf vorzusehen, um so die Schmelze zu "bremsen". Es wird geäußert, daß es keine Möglichkeit gäbe, die durch die Gießform festliegende Höhe H in irgendeiner Weise zu verändern.

Bei den im zitierten Stand der Technik diskutierten Eingußsystemen treten die bereits anhand des in Fig. 29 gezeigten Eingußsystems diskutierten Probleme (1) und (2) auf. Die Schmelze tritt insbesondere in der Anfangsphase sehr rasch und turbulent in den Einlauf ein, wodurch Luft und andere atmosphärische Gase in der Schmelze eingeschlossen werden. Bei hohen Schmelzsäulen, die per se eine hohe Fließgeschwindigkeit der Schmelze mit sich bringen, sind nur unzureichende Maßnahmen bekannt, die Schmelze zu bremsen. Hindernisse, wie Knicke oder gebogene Verläufe des Einlaufs, führen nämlich zu weiteren Turbulenzen. Gerade beim Kokillengießverfahren ist es schwierig, optimale Gießbedingungen von Beginn der Schmelzegießphase bis zu ihrem Ende beizubehalten, da die Fließgeschwindigkeit der Schmelze im Einlauf mit dem Füllgrad im Hohlraum allmählich abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gießen von Metallschmelze bereitzustellen, das es erlaubt, die Geschwindigkeit der einfließenden Schmelze vom Beginn der Schmelzegießphase bis zu ihrem Ende im wesentlichen konstant zu halten und gleichzeitig Gußstücke mit wenig Fehlern zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfinder haben den Fluß der Schmelze in dem Einlauf und in der Gießrinne mittels Röntgenaufnahmen und Wassermodell beobachtet. Auf der Grundlage der dabei erhaltenen Erkennt nisse war es möglich, starke Turbulenzen in der Anfangsphase des Eingießens der Schmelze zu verhindern. Es wurde gefun den, daß die Turbulenz in der Anfangsphase herabgesetzt werden kann, wenn die Schmelze in den Einlauf entlang der Innenwand desselben eingeleitet wird, und daß die Differenz H₀ zwischen den Schmelzesäulen klein gemacht und die Fließ geschwindigkeit der Schmelze in den Formhohlraum gesteuert werden kann dank des Drehimpulses der Schmelze infolge von Wirbeln und daß ein zentraler Wirbelkern in der Schmelze in dem Einlauf erzeugt werden kann, wenn die Schmelze in den Einlauf geleitet wird, während gleichzeitig die Schmelze in dem Einlauf entlang dessen Innenwand zum Drehen gebracht wird.

Das erfindungsgemäße Gießverfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Ein im wesentlichen vertikaler Einlauf wird in einer Gießform errichtet, wobei ein Eingußtrichter stetig in den Einlauf der Gießform mündet;
b) Der Eingußtrichter wird in einen mit dem Einlauf zusammenhängenden Schmelzegießbereich und einen Schmelzehaltebereich unterteilt;
c) Mindestens ein abgerundeter Eckbereich wird in dem Schmelzegießbereich ausgebildet, wobei der abgerundete Eckbereich dazu dient, die Strömungsrichtung der von dem Schmelzehaltebereich über den Schmelzegießbereich in den Einlauf strömenden Schmelze zu verändern;
d) Die Schmelze wird in den Schmelzehaltebereich gegossen und dann vom diesem in den Schmelzegießbereich eingeleitet;
e) Die Strömungsrichtung der Schmelze wird am abgerundeten Eckbereich des Schmelzegießbereiches derart verändert, daß sich eine Schmelzewirbelströmung ausbildet;
f) Die Schmelzewirbelströmung wird zu einem Eingußeinlaß des Einlaufes geführt;
g) Man läßt die Schmelze in den Einlauf entlang dessen Innenwand durch den Einlaufeinlaß hindurch einfließen, um einen durch die Schmelzewirbelströmung gebilden Wirbelkern auszubilden;
h) Man läßt die Schmelzewirbelströmung gegen eine Seitenwand einer Eingußvertiefung innerhalb des Einlaufes auftreffen, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze reduziert wird, und leitet dann die Schmelze in eine Gießrinne ein; und
i) Die Schmelze wird mittels der Gießrinne durch einen Eingußkanal hindurch in einen Hohlraum in der Gießform eingeleitet.

Wenn Schmelze in der Anfangsgießphase in den Einlauf einzu leiten ist, wird die sich zum Einlauf bewegende Schmelze veranlaßt, in einer Tangentialrichtung des Einlaufs zu fließen, und wird daher als Spirale in den Einlauf entlang dessen Innenwand eingeführt. Die überlagerte Drehbewegung beaufschlagt die Schmelzflüssigkeit mit Fliehkraft, und sie wird daher durch den Einlauf geleitet, während sie gleich zeitig gegen die Innenwand des Einlaufs gepreßt wird.

Wenn die Schmelze 90 in dem Einlauf 17 mit der Drehbewegung beaufschlagt wird, wird in der freien (oder oberen) Ober fläche der Schmelze, die an den Eingußeintritt 17a angrenzt, eine tiefe Aushöhlung gebildet, und daher wird ein zylin drischer oder konischer Hohlraum (oder zentraler Wirbelkern) 92 in der Schmelze gebildet, wie Fig. 1 zeigt. Die Differenz der Schmelzesäulen im Fall der Erfindung kann daher durch eine Entfernung H₁ zwischen dem Boden des zentralen Kerns 92 und dem Oberende der Schmelze in dem Hohlraum 15 dargestellt werden, wie Fig. 1 zeigt, während sie im herkömmlichen Fall durch die Entfernung H₀ zwischen dem Oberende der Schmelze im Eingußtrichter 6 und demjenigen der Schmelze im Hohlraum 5 gemäß Fig. 2 dargestellt wird. Die Schmelze kann also daran gehindert werden, in den Anfangsmomenten des Gießens mit hoher Geschwindigkeit durch den Anschnitt in den Form hohlraum zu fließen. Die Höhendifferenz H₁ unterliegt wäh rend des Gießvorgangs keinen großen Änderungen. Daher kann die Fließgeschwindigkeit der Schmelze vom Beginn bis zum Ende der Gießphase so optimal wie möglich gehalten werden.

Ferner kann die durch die Dichtedifferenz bewirkte Abtren nung von Einschlüssen in der Schmelze erheblich verbessert werden, und Verunreinigungen wie Schlacke, deren relative Dichte niedriger als die der Metallschmelze ist, können somit leichter von der Schmelze 90 getrennt werden, weil der Schmelze 90 in dem Einguß eine Fliehkraft erteilt wird. Mit anderen Worten kann der Eintritt von Verunreinigungen in den Hohlraum 5 wirksamer verhindert werden, und es können Guß stücke erhalten werden, die nur wenige nichtmetallische Verunreinigungen enthalten. Verunreinigungen sind im all gemeinen weniger dicht als das flüssige Metall gegossen und werden daher in die Mitte des Wirbels zentrifugiert und schwimmen schließlich zur Mitte des Oberendes des Einlaufs auf, wäh rend der Hohlraum gefüllt wird.

Ferner wird ab dem Beginn der Gießphase der Schmelze ein erzwungener und kontrollierter Wirbel in die Metallschmelze 90 eingeführt, die in den Einlauf 17 fließt. Turbulenzen in der Schmelze in der Eingußvertiefung 17c können daher in der Anfangsgießphase verringert werden, und demzufolge kann un nötige Oxidation der Schmelze und unerwünschtes Einschließen von Gasen in die Schmelze verhindert werden. Außerdem kann der zylindrische Hohlraum in der Mitte der Schmelze im Einlauf als ein Kanal dienen, durch den im unteren Bereich des Einlaufs in der Anfangsgießphase erzeugte Blasen entweichen können. Das Eindringen dieser Blasen in die Gußstücke kann somit verhindert werden.

In bezug auf die Steuerung der Menge von fließender Schmelze wurde gefunden, daß die Bewegung der Schmelzesäule durch den Wirbelkern 92, der in der Mitte der Schmelze im Einlauf er zeugt wird, gesteuert werden kann und daß dadurch die Ge schwindigkeit der in den Hohlraum 15 fließenden Schmelze 90 gesteuert werden kann. Die Schmelzesäulen-Differenz H₁ im vorliegenden Fall wird kleiner als H₀ im herkömmlichen Fall und kann während der gesamten Gießphase unter stark verbes serter Kontrolle im wesentlichen gesteuert werden. Es ist in diesem Fall erwünscht, daß die der eingeleiteten Schmelze erteilte Drehbewegung ausreicht, um den tiefen zentralen Wirbelkern 92 in der Schmelze in dem Einlauf 17 zu erzeugen.

Der Schmelzefluß aus dem Einlauf in die Gießrinne wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3-5 beschrieben.

Fig. 3 zeigt eine Eingußvertiefung vom Vorwärtsdurchflußtyp, die eine Ausbildung des Einlaufs 17 und der Gießrinne 18 darstellt, wobei der drehende Schmelzefluß in dem Einlauf 17 zu der Laufrichtung der Gießrinne 18 gerichtet ist.

Fig. 4 zeigt eine Eingußvertiefung vom Rückwärtsdurch flußtyp, die eine andere Ausbildung des Einlaufs 17 und der Gießrinne 18 darstellt, wobei der drehende Schmelzefluß im Einlauf 17 entgegengesetzt zu der Laufrichtung der Gießrinne 18 gerichtet wird. Im Fall dieser Eingußvertiefung vom Rück wärtsdurchflußtyp kann der Impuls der in die Gießrinne 18 fließenden Schmelze verringert werden, und die Geschwindig keit der in den Hohlraum 15 fließenden Schmelze kann somit niedrig eingestellt werden.

Fig. 5 zeigt eine Eingußvertiefung vom gemischten Durch flußtyp. Diese Eingußvertiefung vom gemischten Durchflußtyp kann zwischen den Eingußvertiefungen vom Vorwärts- und vom Rückwärtsdurchflußtyp positioniert werden und ist eine weitere Ausbildung des Einlaufs 17 und der Gießrinne 18, wobei der drehende Schmelzefluß in dem Einlauf 17 weder zur Laufrichtung der Gießrinne 18 noch entgegengesetzt dazu gerichtet wird.

Der Rückwärtsdurchflußtyp (Fig. 4) hat den zusätzlichen Vorteil, daß nichtmetallische Einschlüsse mit niedriger relativer Dichte, die im Eingußtrichter 16 erzeugt oder aus dem Schmelzofen mitgebracht werden, aufgefangen und zu einem Bereich des zentralen Wirbelkerns 92 aufschwimmen können, so daß sie nicht in den Hohlraum 15 eintreten können. Wie all gemein bekannt ist, ist das auch im Fall des Schlackesepa rators vom Zyklontyp der Fall. Die tangential angeschlossene Gießrinne (Fig. 3) hat die Tendenz, alles Material unmittel bar in die Gießrinne zu leiten, bevor die Schmelzesäule H₁ gebildet wird. Daher sind die Vorteile der Reinigungswirkung des Fliehkrafteffekts in der frühen Phase des Eingießens weniger deutlich.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und sind teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder durch praktische Anwendung der Erfindung zu erfahren.

Es werden Ausführungsbeispiele beschrieben und wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt, der schematisch eine Gießform zeigt, die zur Durchführung des Gießverfahrens nach der Erfindung verwendbar ist;

Fig. 2 einen Schnitt, der schematisch eine herkömmliche Gießform zeigt, die als Vergleichsbeispiel dient;

Fig. 3 eine Eingußvertiefung eines Typs, die sich tangen tial an eine Gießrinne anschließt;

Fig. 4 eine Eingußvertiefung eines anderen Typs, die sich anti-tangential an die Gießrinne anschließt;

Fig. 5 die Eingußvertiefung eines weiteren Typs, die in bezug auf die Gießrinne kontinuierlich und symmetrisch angeordnet ist;

Fig. 6 eine Perspektivansicht einer Gießform, die zur Durchführung des Gießverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dient;

Fig. 7 eine Draufsicht, die eine Hälfte der Gießform zeigt, die zur Durchführung des Gießverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dient;

Fig. 8 einen Vertikalschnitt, der die Gießform zeigt, die zur Durchführung des Gießverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 9 einen Vertikalschnitt eines Eingußtrichters gemäß der Erfindung;

Fig. 10 eine Draufsicht auf den Eingußtrichter;

Fig. 11 eine Draufsicht, die einen anderen Eingußtrichter gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 12 eine Draufsicht eines weiteren Eingußtrichters gemäß der Erfindung;

Fig. 13 eine Draufsicht eines Eingußtrichters, der als Vergleichsbeispiel dient;

Fig. 14 den Fluß von Metallschmelze, die aus dem Einlauf in die Gießrinne fließt, wenn die Schmelze in die Gießform entsprechend der Erfindung gegossen wird;

Fig. 15 den Fluß von Metallschmelze, die aus dem Einlauf in die Gießrinne fließt, wenn die Schmelze in die Gießform gemäß der Erfindung gegossen wird;

Fig. 16 den Fluß von Metallschmelze, die aus dem Einlauf in die Gießrinne fließt, wenn die Schmelze in die Gießform gemäß der Erfindung gegossen wird;

Fig. 17 den Fluß von Metallschmelze, die aus dem Einlauf in die Gießrinne fließt, wenn die Schmelze in die herkömmliche Gießform gegossen wird;

Fig. 18 den Fluß von Metallschmelze, die aus dem Einlauf in die Gießrinne fließt, wenn die Schmelze in die herkömmliche Gießform gegossen wird;

Fig. 19 den Fluß von Metallschmelze, die aus dem Einlauf in die Gießrinne fließt, wenn die Schmelze in die herkömmliche Gießform gegossen wird;

Fig. 20 ein Diagramm, das die Beziehung der Zeit zu der in den Hohlraum gegossenen Schmelzemenge zeigt;

Fig. 21 ein Diagramm, das die Geschwindigkeit zeigt, mit der die Schmelzefront sich entlang der Gießrinne fortbewegt;

Fig. 22 von Gußstücken abgeschnittene Stücke zur Prüfung des darin vorhandenen Porenanteils (Porositäts verhältnis);

Fig. 23 ein Diagramm, das das so erhaltene Porositäts verhältnis zeigt;

Fig. 24 ein Diagramm, das das so erhaltene Porositäts verhältnis zeigt;

Fig. 25 einen Schnitt, der eine weitere Gießform zeigt, die zur Durchführung des Gießverfahrens verwendet wird;

Fig. 26 ein Diagramm, das das jeweils erhaltene Porosi tätsverhältnis zeigt;

Fig. 27 ein Diagramm, das mit dem Dreipunkt-Biegetest erhaltene Resultate zeigt;

Fig. 28 ein Diagramm, das das jeweils erhaltene Porosi tätsverhältnis zeigt; und

Fig. 29 einen Vertikalschnit einer Gießform, die zur Durchführung des herkömmlichen Gießverfahrens verwendet wird.

Das Gießverfahren wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eingehend beschrieben.

Beispiel 1 - Kleines Aluminiumgußstück

Das Gießverfahren wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt, um kleine Aluminiumgußstücke zu gießen.

Eine in den Fig. 6-8 gezeigte Sandform 10 wurde gebaut, und Aluminiumschmelze wurde in sie gegossen. Eine Eingußver tiefung 17c eines Einlaufs 17 war mit einer Gießrinne 18 entsprechend den drei Verbindungsarten der Fig. 3-5 verbun den. Der Grund dafür ist, daß die Drehrichtung der Schmelze ihren Bewegungszustand beeinflußt, wenn ihr drehender Fluß in dem Einlauf 17 in die Gießrinne 18 läuft. Ein Test wurde in bezug auf die Eingußvertiefung 17c und die Gießrinne 18 durchgeführt, die miteinander entsprechend diesen drei verschiedenen Verbindungsarten verbunden waren.

Die Sandform 10 hatte die folgenden Dimensionen: Länge L₁ eines Hohlraums 15 : 200 mm, Höhe L₂ des Hohlraums 15 : 75 mm, Niveaudifferenz L₃ zwischen einem Eingußeintritt 17a und dem Grund des Hohlraums 15 : 100 mm, Breite L₄ eines Anschnitts 19 : 30 mm (Länge des Anschnitts 19 : 25 mm), Durchmesser L₅ der Gießrinne 18 : 20 mm, Länge L₆ der Gießrinne 18 von der Eingußvertiefung 17c des Einlaufs 17 zur Mitte des An schnitts 19 : 100 mm, Durchmesser L₇ des Einlaufs 17 : 20 mm, Länge L₈ des Einlaufs 17 vom Eingußeintritt 17a zum Grund der Gießrinne 18 : 145 mm, Tiefe L₉ der Eingußvertiefung 17c, gemessen vom Grund der Gießrinne 18 : 10 mm, und Länge L₁₀ der Eingußvertiefung 17c, die aus dem Einlauf 17 in die Gießrinne 18 ragt: 10 mm. Ein Speiser (nicht gezeigt) war mit dem Hohlraum 15 in Verbindung.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 9-12 werden einige Arten von Eingußtrichtern beschrieben.

Wie die Fig. 9 und 10 zeigen, hat die Form 10 einen speziell ausgelegten Eingußtrichter 14 an ihrer Oberseite. Dieser Eingußtrichter 14 ist ausgelegt, um Schmelze 90 in dem Einlauf 17 auf solche Weise zu drehen, daß die Schmelze 90 in einer Tangentialrichtung des Einlaufs 17, gesehen im Hori zontalschnitt des Einlaufs 17, geleitet werden kann. Ins besondere ist der Eingußtrichter 14 in drei Bereiche 11, 16a und 16b unterteilt. Der erste Bereich 11 dient als Überlauf bereich, der zweite Bereich 16a dient als Schmelzehaltebereich, und der dritte Bereich 16b dient als Schmelzegießbereich. Diese An ordnung war für Forschungszwecke vorteilhaft. Selbstver ständlich können für die Anwendung bei der Produktion ein fachere Anordnungen mit weniger abgeteilten Bereichen zweckmäßig sein. Diese Überlegung trifft auf alle folgenden Beispiele zu.

Der erste Bereich 11 ist von dem zweiten Bereich 16a durch ein Tor 88 getrennt, und wenn der Spiegel der Schmelze im zweiten Bereich 16a über einen vorbestimmten Wert steigt, fließt Metallschmelze aus dem zweiten Bereich 16a in den ersten Bereich 11 über eine Ausnehmung 88a des Tors 88, um den Spiegel der Schmelze im zweiten Bereich 16a konstant zuhalten.

Der zweite Bereich 16a ist von dem dritten Bereich 16b durch einen Trennnblock 81 und einen Stopfen 89 getrennt und nimmt Schmelze 90 von einer Schmelzezuführeinheit (nicht gezeigt) auf.

In der Praxis ist es erwünscht, den Überlaufbereich 11 aus zubilden und den Stopfen 89 zu verwenden. Dieser Überlauf bereich 11 und der Stopfen 89 sind jedoch nicht unbedingt notwendig, und das Verfahren kann auch ohne sie realisiert werden.

Die Verwendung eines Stopfens wird bevorzugt, ist aber nicht immer notwendig.

Der dritte Bereich 16b ist mit dem Einlauf 17 in Verbindung und dient als ein Bereich, aus dem Metallschmelze in den Einlauf 17 geleitet wird. Der Einlauf 17 liegt entfernt von dem Stopfen 89 im dritten Bereich 16b.

Der Schmelzekanal, der vom zweiten Bereich 16a zum dritten Bereich 16b verläuft, ist durch die Innenwand des Einguß trichters 14 und den Trennblock 81 definiert. Wie Fig. 10 zeigt, bildet der Trennblock 81 etwa den halben Umfang des Eingußeintritts 17a in den dritten Bereich 16b. Ein Element 83 bildet eine gleichmäßige Krümmung in einer ersten Ecke des dritten Bereichs 16b, und ein Teil des Trennblocks 81 bildet eine weitere gleichmäßige Krümmung in einer zweiten Ecke dieses Bereichs. Dort fließende Metallschmelze kann somit gleichmäßig gedreht werden. Etwa der halbe Umfang des Eingußeintritts 17a ist zu dem als Schmelzegießbereich dienenden dritten Bereich 16b des Eingußtrichters 14 in diesem Fall offen.

In Fig. 10 ist der Trennblock 81 an der zweiten Ecke in Kon takt mit dem Außenumfang des Einlaufs 17, während gleich zeitig sein Radius konstantgehalten wird, aber er kann bei immer kleiner werdendem Krümmungsradius in Kontakt gebracht werden.

Die Länge L₂₁ des Eingußtrichters 14 war 70 mm, und die Tiefe L₂₂ jedes der drei Bereiche 11, 16a und 16b war 54 mm.

Wie Fig. 11 zeigt, kann ein Trennblock 84 ungefähr 2/3 oder bis zu 3/4 des Eingußeintritts in einen als Schmelzegießbereich dienenden dritten Bereich 16c eines weiteren Eingußtrichters 14a bilden. Eine Seite des Trennblocks 84, die den dritten Bereich 16c definiert, ist im wesentlichen mit der Tangente des Eingusses 17 abge stimmt. In den dritten Bereich 16c fließende Metallschmelze kann daher gleichmäßig gedreht werden. Ungefähr 1/4 oder 1/3 des Eingußeintritts 17a ist in diesem Fall zu dem dritten Bereich 16c des Eingußtrichters 14a offen ausgebildet.

Wie Fig. 12 zeigt, kann ein Trennblock 85 den Eingußeintritt in einem dritten Bereich 16d eines weiteren Eingußtrichters 14b umschließen, und zwar mit einem bestimmten Abstand zwi schen beiden. Ein Element 83 bildet eine gleichmäßige Krüm mung in einer ersten Ecke des dritten Bereichs 16d, und ein weiteres Element 83 bildet in diesem Fall eine gleichmäßige Krümmung in einer zweiten Ecke. Dort fließende Schmelze kann daher gleichmäßig gedreht werden.

Fig. 13 ist eine Draufsicht, die einen herkömmlichen Ein gußtrichter 14c zeigt, bei dem der zweite Bereich 16a von einem dritten Bereich 16e durch einen plattenartigen Trenn block 82 getrennt ist. Dieser Eingußtrichter 14c ist als Beispiel zum Vergleich mit den vorstehend beschriebenen neuen Eingußtrichtern gezeigt.

Wenn Schmelze aus dem zweiten Bereich 16a in den dritten Bereich 16b, 16c oder 16d fließt, wird sie gedreht, während sie von der Innenwand des Eingußtrichters 14, 14a oder 14b und dem Trennblock 81, 84 oder 85 geleitet wird. Sie fließt dann in den Einlauf 17 durch den Eingußeintritt 17a und fällt spiralförmig in den Einlauf 17. Infolge der auf sie aufge brachten Drehbewegung wird in ihrer Mitte in dem Einlauf 17 eine Luftsäule (oder ein Wirbelkern) 92 gebildet. Sie kann daher sanft in den Hohlraum 15 fließen, ohne daß irgendein Wirbel erzeugt wird, wenn sie durch die Gießrinne 18 und den Anschnitt 19 geht.

Der Fließzustand von Schmelze in der Eingußvertiefung und in der Gießrinne wurde untersucht und mit demjenigen des Ver gleichsbeispiels verglichen. Die so erhaltenen Ergebnisse werden unter Bezugnahme auf die Fig. 14-19 beschrieben.

Es wurden die Eingußtrichter 14, 14a und 14b der Fig. 10, 11 und 12 verwendet. Die Gießtemperatur war 700°C, und Alumi niumschmelze einer vorbestimmten Temperatur wurde in jeden Eingußtrichter am Oberende der Form geleitet. Während der Zuführung von Aluminiumschmelze zum Eingußtrichter wurde der Stopfen hochgezogen und Schmelze in den Einlauf 17 gegossen, um die Aluminiumschmelzesäule unverändert zu halten. Ein Einlauf, der zur Durchführung eines herkömmlichen Verfahrens ohne die Einführung einer Wirbelkraft am besten geeignet ist, und der Eingußtrichter von Fig. 13 wurden beim Ver gleichsbeispiel verwendet.

Eine CCD-Kamera wurde verwendet, um von oben den Zustand der Schmelze beim Gießen und der Schmelze selber in dem Einguß trichter aufzunehmen. Außerdem wurden Röntgenaufnahmen durch die Seite der Gießform gemacht, um das Innere deutlich zu sehen. Der Schmelzefluß und das fortschreitende Auffüllen der Gießform wurden somit beobachtet. Nach diesem Gießtest wurde das Gußstück in der Sandform in der Atmosphäre abge kühlt. Zerstörungsfreie Prüfung wurde dann mittels Röntgen strahlen vorgenommen, wobei auf innere Fehler im Gußstück, speziell gasförmige Fehler im Gußstück, die durch Luftein schlüsse hervorgerufen waren, geachtet wurde.

Testergebnisse:

Wie die Fig. 14-16 zeigen, wurden der drehende Schmelzefluß und sein zentraler Wirbel im Einlauf 17 in sämtlichen der speziellen Eingußtrichter bestätigt. Es wurde außerdem durch Röntgenbeobachtung bestätigt, daß die Durchflußrate der Schmelze in der Gießrinne 18, Spritzen von Schmelze und die Fließgeschwindigkeit der Schmelze in den Hohlraum 15 kon trolliert bzw. gesteuert werden konnten. Wie aus den Fig. 14-16 hervorgeht, wird kein Spritzen der in den Einlauf 17, die Eingußvertiefung 17c und die Gießrinne 18 fließenden Schmelze verursacht. Kurz gesagt, bewegt sich die Front 90a der Schmelze sanft in die Gießrinne 18 entlang dem Boden derselben.

Bei dem Eingußtrichter des auf herkömmliche Weise gefüllten Vergleichsbeispiels wurde jedoch bestätigt, wie die Fig. 17-19 zeigen, daß die bewegte Front 90a der Schmelze mit der oberen Wand der Gießrinne 18 in Berührung gelangte und sich Spritzer bildeten. Es wurde auch festgestellt, daß das Mit reißen von Luft und Verspritzen von Schmelze im Anschnitt 19 bewirkt wurden.

Insbesondere bei dem Eingußtrichter 14b von Fig. 12 konnten die Durchflußrate der Schmelze, Spritzen und die Fließge schwindigkeit optimal gesteuert werden. Wenn dabei der Eingußtrichter 14b mit der Eingußvertiefung vom Rückwärts flußtyp gemäß Fig. 4 verglichen wurde, d. h., wenn der drehende Schmelzestrom in der Eingußvertiefung 17c gegen die Laufrichtung der Gießrinne 18 gerichtet wurde, konnte diese Steuerung am leichtesten durchgeführt werden.

In Fig. 20 ist die abgelaufene Zeit nach dem Gießbeginn auf der Abszisse und die gegossene Schmelzemenge auf der Ordi nate aufgetragen. Dabei werden Resultate, die in den Ein gußtrichtern der Erfindung erhalten wurden und durch die Kurve A dargestellt sind, in Fig. 20 mit denen verglichen, die in dem Eingußtrichter des herkömmlichen Vergleichsbei spiels entsprechend der Kurve B erhalten wurden. Die Men genzahl von gegossener Schmelze bedeutet in diesem Fall die Schmelzemenge, die den Hohlraum 15 einnimmt. Sie bezeichnet einen Index, der erhalten wird, wenn das Schmelzevolumen im Hohlraum durch das Geamtvolumen des Hohlraums dividiert wird (wenn der Index 1 ist, ist der Hohlraum mit Schmelze ausge füllt). Wie die Kurve A zeigt, wird die gegossene Schmelze menge während des gesamten Gießvorgangs im wesentlichen konstantgehalten, d. h. vom Gießbeginn bis zum Gießende, und genügt der optimalen Einlaufbedingung. Im Fall der mit dem Vergleichsbeispiel erhaltenen Ergebnisse wird jedoch die Schmelzesäule kleiner, wenn die gegossene Schmelzemenge relativ größer wird. Die Durchflußmenge der Schmelze in den Hohlraum wird daher progressiv verringert.

Fig. 21 ist ein Diagramm, das die Geschwindigkeit zeigt, mit der die Front 90a der Schmelze sich in der Gießrinne 18 bewegt. In Fig. 21 ist die Zeit auf der Abszisse und die Entfernung der Schmelzefront 90a von der Eingußvertiefung auf der Ordinate aufgetragen. Wie die Kurve C zeigt, konnte die Geschwindigkeit der in der Gießrinne 18 bewegten Schmelze im Fall der Erfindung vollkommen niedriggehalten werden. Im Fall des herkömmlichen Vergleichsbeispiels jedoch ist die Geschwindigkeit der bewegten Schmelzefront 90a in der Gießrinne 18 in der Anfangsphase des Gießvorgangs sehr hoch, wie Kurve D zeigt.

Beispiel 2 - Metallmatrixverbundgußstück:

Ein Metallmatrixverbundgußstück wurde unter den folgenden Bedingungen gegossen.

Das Gießmaterial war eine Aluminiumlegierung, in der Sili ziumcarbidpulverteilchen in einer Menge von 15 Vol.-% ent halten waren. Die Form war die gleiche wie die in Testbei spiel 1 verwendete. Mit dem herkömmlichen Gießverfahren ist es sehr schwer, dieses Verbundmaterial zu gießen, weil die scheinbare Viskosität des Materials sehr hoch ist. Wenn Luft in der Metallschmelze eingeschlossen wird, geschieht dies normalerweise, wenn sie während des Gießens der Schmelze nicht entweichen kann und somit in dem Gußstück verbleibt.

Die Temperatur der Schmelze war 750°C, und der Einguß trichter 14b, der sich bei dem Testbeispiel 1 als optimal erwiesen hatte, wurde gemeinsam mit der Eingußvertiefung vom Rückwärtsflußtyp gemäß Fig. 4 verwendet. Der herkömmliche Eingußtrichter gemäß Fig. 13 wurde als Vergleichsbeispiel verwendet. Der Test wurde in bezug auf zwei plattenartige Hohlräume durchgeführt, die vertikal und horizontal ange ordnet waren.

Die Gußstücke wurden vertikal zu dünnen Stücken 94 zer schnitten, wie Fig. 22 zeigt, und der Porenanteil bzw. das Porositätsverhältnis µ wurde berechnet durch Division der Gesamtporenfläche in jedem Stück 94 durch die Schnittfläche des Stücks 94. Die so im Fall der Erfindung erhaltenen Re sultate wurden mit denen des herkömmlichen Beispiels ver glichen.

Der Porenanteil µ kann nach der folgenden Gleichung (1) erhalten werden mit der Maßgabe, daß die Gesamtporenfläche mit s bezeichnet wird.

µ = s/(L₃₁. L₃₂) (1).

Testergebnisse:

Der im Fall der Erfindung erhaltene Porenanteil µ unter schied sich deutlich von demjenigen, der im Fall des her kömmlichen Beispiels erhalten wurde, wie die Fig. 23 und 24 zeigen. Der Porenanteil µ, der bei dem Testbeispiel 2 erhal ten wurde, war in beiden Fällen nahezu Null, in denen die plattenartigen Hohlräume horizontal und vertikal angeordnet waren, aber der bei dem Vergleichsbeispiel erhaltene Poren anteil µ war ca. 60% in dem Fall, in dem der plattenartige Hohlraum vertikal angeordnet war, und war ca. 35-40% in dem Fall, in dem der Hohlraum horizontal angeordnet war. Die in Fig. 23 gezeigten Resultate wurden erhalten, wenn der Hohl raum vertikal angeordnet war, und diejenigen von Fig. 24 wurden erhalten, wenn der Hohlraum horizontal angeordnet war.

Beispiel 3 - Großes Aluminiumgußstück

Große Aluminiumgußstücke wurden unter den folgenden Bedin gungen gegossen.

Ein Hohlraum 35 gemäß Fig. 25 war 400 mm lang (Länge L₁), 400 mm hoch (Höhe L₂) und 15 mm breit. Der Durchmesser L₇ eines Eingusses 37 war 30 mm, und die Anschnittbreite L₄ eines Anschnitts 39 war 100 mm.

Aluminiumplatten mit einer jeweiligen Größe von 400 mm × 300 mm × 15 mm wurden gegossen unter Verwendung einer Form 30, die den vorgenannten Hohlraum 35, einen Einguß 37 und einen Anschnitt 39 hatte. Der Eingußtrichter 14b (siehe Fig. 12) wurde bei dem Testbeispiel 3 gemeinsam mit dem Einguß 37 und einer Gießrinne 38 vom Rückwärtsfluß typ (siehe Fig. 4) verwendet. Die herkömmliche Form mit dem Eingußtrichter 14c wurde als Vergleichsbeispiel verwendet. Reinaluminium wurde bei 700°C gegossen.

Jedes der erhaltenen Gußstücke wurde gleich in drei obere, mittlere und untere Teile geteilt. Der Porenanteil µ jeder Schnittfläche dieser drei Teile wurde gemessen. Ein Drei punkt-Biegetest wurde ebenfalls an diesen Teilen durchge führt, um darin verteilte Aluminiumoxide festzustellen.

Testergebnisse:

Fig. 26 zeigt den jeweils erhaltenen Porenanteil. Die in drei Teilen des Testbeispiels 3 erhaltenen Porenanteile µ waren sehr gering, aber diejenigen, die in drei Teilen des Vergleichsbeispiels erhalten wurden, waren hoch und betrugen ca. 80% speziell im oberen Teil, obwohl man das Leitsystem des Vergleichsbeispiels bis dahin als optimal angesehen hatte.

Fig. 27 zeigt Resultate des Dreipunkt-Biegetests. Die Kurve E bezeichnet Ergebnisse des Vergleichsbeispiels, und die Kurve F bezeichnet diejenigen des Testbeispiels. Ähnlich den vorstehenden Ergebnissen des Porenanteils zeigte der obere Teil des Vergleichsbeispiels einen Wert von ca. 40%, und der mittlere und untere Teil zeigten einen Wert von ca. 70%, wie im Fall der Untersuchung des kleinen Gußstücks in der Anfangsphase des Gießens, in der die Fließgeschwindig keit der Schmelze hoch ist. Das gemäß der Erfindung herge stellte Gußstück hatte dabei einen Wert von 100%. Dieses Gußstück war eine Probe, die von einem großen Gußstück ab geschnitten worden war, von dem außerdem durch Röntgen durchstrahlung bestätigt worden war, daß es fehlerfrei war.

Beispiel 4 - Gießen von Gußeisen

Gußeisen wurde unter den folgenden Bedingungen gegossen.

Die Form war die gleiche wie in Beispiel 3. Der Einguß trichter 14b von Fig. 12 wurde gemeinsam mit der Einguß vertiefung vom Rückwärtsflußtyp gemäß Fig. 4 verwendet. Die herkömmliche Gießform mit dem Eingußtrichter 14c von Fig. 13 wurde als Vergleichsbeispiel verwendet. Der Porenanteil µ wurde bei jedem Gußstück untersucht.

Testergebnisse:

Fig. 28 zeigt die erhaltenen Ergebnisse des Porenanteils. Wie die Kurve H zeigt, war der Porenanteil bei jedem von drei Teilen des Testbeispiels niedrig, war jedoch im oberen Teil des Vergleichsbeispiels hoch, wie die Kurve G zeigt, obwohl man das Leitsystem des Vergleichsbeispiels bis dahin als optimal angesehen hatte.

Gemäß der Erfindung kann das Gießen durchgeführt werden, während gleichzeitig die Einlaufgeschwindigkeit der Metall schmelze vom Beginn bis zum Ende des Gießvorgangs im wesentlichen konstantgehalten wird. Die so hergestellten Gußstücke haben erheblich weniger Fehler.

Weitere Vorteile und Modifikationen sind für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich. Die Erfindung ist daher nicht auf die speziellen Einzelheiten und die hier gezeigten und be schriebenen Beispiele beschränkt.

Claims

1. Verfahren zum Gießen von Metallschmelze, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Ein im wesentlichen vertikaler Einlauf (17) wird in einer Gießform (10) errichtet, wobei ein Eingußtrichter (14, 14a, 14b) stetig in den Einlauf (17) der Gießform (10) mündet;
b) Der Eingußtrichter (14, 14a, 14b) wird in einen mit dem Einlauf (17) zusammenhängenden Schmelzegießbereich (16b, 16c, 16d) und einen Schmelzehaltebereich (16a) unterteilt;
c) Mindestens ein abgerundeter Eckbereich wird in dem Schmelzegießbereich (16b, 16c, 16d) ausgebildet, wobei der abgerundete Eckbereich dazu dient, die Strömungsrichtung der von dem Schmelzehaltebereich (16a) über den Schmelzegießbereich (16b, 16c, 16d) in den Einlauf (17) strömenden Schmelze zu verändern;
d) Die Schmelze wird in den Schmelzehaltebereich (16a) gegossen und dann vom diesem in den Schmelzegießbereich (16b, 16c, 16d) eingeleitet;
e) Die Strömungsrichtung der Schmelze wird am abgerundeten Eckbereich des Schmelzegießbereiches (16b, 16c, 16d) derart verändert, daß sich eine Schmelzewirbelströmung ausbildet;
f) Die Schmelzewirbelströmung wird zu einem Ein gußeintritt (17a) des Einlaufes (17) geführt;
g) Man läßt die Schmelze in den Einlauf (17) entlang dessen Innenwand durch den Eingußeintritt (17a) hindurch einfließen, um einen durch die Schmelzewirbelströmung gebildeten Wirbelkern auszubilden;
h) Man läßt die Schmelzewirbelströmung gegen eine Seitenwand einer Eingußvertiefung (17c) innerhalb des Einlaufes (17) auftreffen, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze reduziert wird, und leitet dann die Schmelze in eine Gießrinne (18) ein; und
i) Die Schmelze wird mittels der Gießrinne (18) durch einen Anschnitt (19) hindurch in einen Hohlraum (15) in der Gießform eingeleitet.

2. Gießvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schmelzegießbereich (16b) des Eingußtrichters (14) derartig geformt ist, daß etwa die Hälfte des Außenumfangs des Eingußeintritts (17a) zum Schmelzegießbereich (16b) hin offen ist, um die Drehbewegung zu verstärken, die auf die aus dem Eingußtrichter (14) in den Einlauf (17) fließende Schmelze aufgebracht wird.

3. Gießvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schmelzegießbereich (16c) des Eingußtrichters (14a) derart geformt ist, daß 1/4 oder bis zu 1/3 des Außenumfangs des Eingußeintritts (17a) zu dem Schmelzegießbereich (16c) offen ist, um die Drehbewegung zu verstärken, die auf die aus dem Eingußtrichter (14a) in den Einlauf (17) fließende Schmelze aufgebracht wird.