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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Gußstücken durch Schleuderguß
Allgemein bekannt ist die Veredelung von Metallen durch Warmverformung, sei es durch
Pressen, Ziehen oder Schmieden. Dieser Veredelungsprozeß durch Druckeinwirkung führt
neben einer Verdichtung zu Kornverfeinerung, Erhöhung der Dehnung, Zähigkeit und
Festigkeit. Die Schmiedbarkeit eines JMetalles setzt einen gewissen, bildsamen Zustand
voraus, in dem die Metallteilchen gegeneinander eine begrenzte Verschieblichkeit
besitzen, ohne -daß der Zusammenhang zwischen Nachbarteilchen aufgehoben wird. Einige
,Metalle sind bereits in kaltem Zustande bildsam oder duktil, andere sind es innerhalb
eines großen Temperaturintervalls (Stahl zwischen 6oo und i25o°), und wieder andere
sind es nur in einem ganz engen Temperaturbereich, so daß sie aus dem Schmelzfluß
in äußerst kurzer Zeit in den unbildsamen, erstarrten Zustand übergehen.
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Es ist praktisch unmöglich, ein Metall mit engem Duktilitätsbereich
mit den üblichen Mitteln warm zu verformen. Entweder ist (las Metall bei der Schlag-
oder Druckeinwirkung noch zu warm und daher flüssig, so (laß es unter dein Schlage
auseinanderspritzt bzw. nach der 1?imvirl:ung wie eine andere Flüssigkeit in den
ursprünglichen Zustand zurückkehrt, .oller aber es ist schon zu fest und geht dann
zu Bruch. Aber selbst gesetzt den Fall, die Einwirkung erfolgte in dein Augenblick,
in (lein die mittlere Temperatur des Metalls seinem bilds<unen Zustand entspricht,
so sind (lie Außenschichten des Metallkörpers kälter als die inneren; entweder
findet also eine Zertrümmerung der Schale statt, oder aber der Schlag trifft iin
Inneren noch auf flüssiges Metall.
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Die Erfindung weist nun einen Weg, wie man auch diese Metalle, Metallegierungen
und andere Substanzen mit engem Duktilitätsbereich warm verformen kann. Sie bedient
sich dazu eines Gießverfahrens, bei dein die vergossenen Metalle während der Durchschreitung
des engen Temperaturintervalls, in dem sie bildsam sind, der Einwirkung starker
Zentrifugalkräfte unterworfen werden. Dabei ist erfindungsgemäß eine Reihe von Maßnahmen
zu beobachten, die für die Erfindung charakteristisch sind: i. Das Metall muß zunächst
geschmolzen werden. Iin Augenblick des Vergießens darf die Temperatur der Schmelze
nur wenig über dein Schmelzpunkt liegen, da nur hierdurch die Gewähr gegeben ist,
daß sofort nach erfolgtem Guß praktisch gleichzeitig für alle Schichten des Gußkörpers
die obere Temperaturgrenze des Bildsamkeitsbereiches erreicht wird. Würde die Schmelze
stark überhitzt vergossen werden, so würden sich die Schichten an den Formwandungen
oller -kernen schnell abkühlen, während der innere Teil noch flüssig bliebe. Die
Verfestigung der Schale würfle also längst beendet sein, ehe die des flüssigen Teiles
beginnt. Die Folge wäre ein Abschermoinent des inneren Teiles von (leg Schale, das
zur völligen Trennung von Schale und innerem Gul.akörper führen könnte.
a.
Die Notwendigkeit, eine wenig; über den Schmelzpunkt erhitzte Schmelze unter Vermei(lung
vorzeitiger Erstarrung auf denn Wege in die Form zu vergießen, setzt voraus,
(laß (las Vergießen mit großer Geschwindigkeit erfolgt. Dazu sind wiederum Schleuderkräfte
ganz besonders geeignet.
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3. Ferner muß die Zentrifugalbeschleunigung in der sehr kurzen Zeit,
die bei (leg Abkühlung von (leg Schmelztemperatur auf die obere Grenze des Duktilitätsintervalls
verstreicht, Werte annehmen, bei denen eine gründliche Verformung gesichert ist.
Das ist aber praktisch nur möglich, wenn die er-, forderliche hohe Zentrifugalbeschleunigung
schon kurz vor dem Vergießen, also während (ges Schmelzvorganges herrscht, dieser
mithin wenigstens in seinem .letzten Stadium unter Einwirkung der maximalen Zentrifugalhesclileunigung
verläuft.
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4.. Um eine zuverlässige Warmverformung (ges Gußkörpers zu erzielen,
müssen Zentrifugalkräfte angewendet werden, (nie die Fließgrenze des Gußkörpers
bei den Temperaturen des Bildsamkeitsbereichs überschreiten.
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Zur Orientierung über (nie Größenordnung der erforderlichen Zentrifugalgeschwindigkeiten
möge eine kurze Berechnung dienen. Im Bereich (leg Schmiedbarkeit liegt die Fließgrenze
für Stahl etwa bei 5 bis 1a kg/mm=, und zwar ist sie um so niedriger, je höher die
Schmiedetemperatur ist. In der gleichen Ordnung darf die Fließgrenze von Messing,
etwa 8 kg@mm= bei 70o bis 75o°, angenommen werden. Erheblich höhere Fließgrenzen
itn Duktilitätsbereich besitzen die Schwermetalle Wolfram und Moly bdän, geringere
Werte, z. ß. Gußeisen. Wenn auch gerade für solche 'Materialien, die einen engen
Bildsamkeitsbereich besitzen, wegen der Schwierigkeit der Festigkeitsmessung innerhalb
des Bildsamkeitsbereichs nur mangelhafte Angaben über die Fließgrenze vorliegen.
darf (fiese doch allgemein für Metalle und Legierungen als. zwischen 0,3
und etwa So kgl(Inun angenommen werden. Je nach der Art des Gußmaterials sind demnach
Zentrifugaldrücke von etwa 5oo l:g@cin'= bis io tlcm= erforderlich, um eine zuverlässige
Warmverforniting zu erhalten. Rechnet in.-in (las Gewicht (ges Gußkörpers zu i kg
und nimmt man (nie Gießforen in i in Abstand vom Drehpunkt (leg Zentrifuge an, so
ergibt sich unter Beriicksiclitigtuig, daß die geschleuderte 'lasse
(g die Erdbeschleunigung) beträgt, eine erforderliche Zentrifugalbeschleunigung
von 5oo g bis io ooo g oller rund 5ooo bis ioo ooo m/Selc=. Aus (leg Gleichung:
Zentriftigalbeschleunigung gleich 4 # z= # 11- 2. r errechnet sich (tann
für (las vorliegende Beispiel eine sekundliche Drehzahl der Zentrifuge von etwa
io bis 5o, einer minutlichen Umdrehungszahl von 6oo bis 3000 Per. entsprechend.
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.Als typisches Beispiel für ein 'Metall mit engem Duktilitätsbereich
sei (las tinschrniedbare Gußeisen angeführt, das bei Erhitzung vom starren Zustande
scheinbar unmittelbar dünnflüssig wird, ohne einen teigigen Zwischenzustand durchlaufen
zu haben. Tatsächlich ist auch bei Gußeisen ein Duktilitätsintervall vorhanden,
das je nach (lein Gehalt an Kohlenstoff und Silicium wenige Grade bis zu etwa ioo°
umfaßt. Es bedarf keiner Ausführungen, (laß es mit den üblichen Methoden nicht-möglich
ist, ein derartiges Metall einer Warmverformung zu unterwerfen, während dies nach
dem vorliegenden Verfahren ohne weiteres geschehen kann. Von den zahlreichen sonstigen
Anwendungen des vorliegenden Verfahrens sei noch (nie Herstellung von hochlegierten
Schneid-Z, erwählt, (nie im allgemeinen utn so schlechter schmiedbar sind, je höher
ihr Gehalt an zusätzlichen Legierungsmetallen, wie Chrom, Wolfram, Moh-bdän tisw.,
ist. Nach vorliegendem Verfahren ist es möglich, mit den Zusätzen noch wesentlich
'über den bisher als Grenzwert für die Schmiedbarkeit angesehenen Gehalt hinauszugehen
und damit in erhöhtem Maße von den Vorzügen der Legierungszusätze Gebrauch zu machen,
ohne auf die Warmverformung verzichten zu müssen.
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Abgesehen davon, daß (las vorliegende Verfahren überhaupt erst (nie
Warmverforinun- von 'Metallen mit engem Bildsamkeitsbereich ermöglicht, ist ein
weiterer Vorzug in der Art gegeben, wie die Verformung unter der Einwirkung von
Schleuderkräften vor sich geht. Bekanntlich beruht die Verfestigung durch Schmieden
und Pressen auf der Ausbildung von Druck- oder Rutschkegeln, die sich von der Druckseite
einerseits und der Auflagefläche (Amboß) andererseits aus in dem Werkstück ausbilden.
Diese Verfestigungskörper nehmen, wie schon der Ausdruck Kegel besagt, ihrem Querschnitt
nach von (leg Druck- bzw. Auflagefläche nach dem Inneren des Körpers zu ab, so (laß
die beeindruckten Oberflächenschichten stets stärker verfestigt sind als das Innere
(ges Werkstücks. Min Gegensatz dazu wirken Zentrifugalkräfte Leicht von außen auf
(gen geschleuderten Körper ein, sondern beeinflussen wie eine vervielfachte Schwerkraft
jedes einzelne Iaementarteilchen (ges Gußl<iirl)ers, so daß die Verfestigung
sich praktisch lioniogen über die gesamte Körpermasse erstreckt.
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Dieser Vorteil (leg homogenen Verfestigung durch Schleuderkräfte ist
schon früher zur Warmformgebung von Metallen benutzt wor-
den,
jedoch nur solcher Metalle, die an sich ein weites Duktilitä tsintervall besitzen.
Die Nichtbeachtung der oben angeführten Maßnahmen i bis 3 ließ die Anwendung auch
für Metalle mit engem Duktilitätsbereich nicht zu.
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Im übrigen sind Schleuderverfahren an sich schon vielfach für Gießzwecke
vorgeschlagen worden, und zwar einmal, um eine Trennung spezifisch verschieden schwerer
Substanzen, z. B. des :Metalls von der Schlacke, und Gaseinschlüssen zu fördern,
und ferner, um das Ausfließen vor allem schwer schmelzender Metalle in komplizierte
Formen zu sichern. Man benötigte und benutzte dazu Schleuderkräfte, die zwar ein
Vielfaches der Eigenschwere der Gußkörper ausmachten, die aber nicht entfernt auch
mir die Größenordnung der für den vorliegenden Zweck benötigten Drehkräfte erreichten.
Dabei ließ man die Zentrifuge meist erst nach Abschluß der Schmelzperiode an, so
daß die Schmelze . längst in die Formen vergossen und wenigstens teilweise bis zum
unbildsainen Zustand erstarrt war, bevor die Schleuderkräfte eine nennenswerte Stärke
erreicht hatten. Infolge Nichtbeachtung der einen oder anderen der oben-enannten
.Maßnahmen, die nur in ihrer erfindungsgemäßen Zusammenwirkung eine Warmverformung
von Stoffen mit engem Bildsamkeitsbereich verbürgen, konnten daher die bisherigen
Verfahren den Zweck der vorliegenden Erfindung nicht erfüllen.
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Die für eine kräftige Verformung nötigen Schleuderkräfte stellen naturgemäß
sowohl an die konstruktive Ausgestaltung der gesamten Anlage als auch an die Festigkeit
der verwendeten Werkstoffe für die Arme der Zentrifuge, des Schmelzofens und schließlich
der Formen erhebliche Anforderungen. Besonders die Zentrifugenarme müssen aus bestem
Stahl oder Duraluminium hergestellt sein, um die schwere Schwungmasse des Ofens
und die Formen ohne Verbiegen oder gar Zerreißen zu tragen. Die Ofenanlage wird
dann einfach, wenn man die Formen in den Bodenteil des Ofens hinein verlegt. Dies
ist jedoch nur'möglich für verhältnismäßig kleine, einfache Formen, da sonst auch
der Ofen unnötig weit gehalten werden muß. Im allgemeinen ist die Trennung von Ofen
und Formen vorteilhafter, da dann die Auswechslung der Formen einfacher ist. In
diesem Falle ist an der Ofenseite, die den Fornien zugekehrt ist, eine Verschlußvorriclitung
angebracht, die im Augenblick des Gusses sich entweder selbsttätig öffnet oder durch
besondere Maßnahmen von außen her betätigt wird. Verli:i!triisrniiliig einfach
läßt sich eine selbsttätige Absperrvorrichtung dadurch ausbilden, tlaß nian die
konisch sich verjüngende Öffnung des Ofens nach der Forrnenseite verschließt mit
einem Blech oder einem kurzen Stopfen aus einem Material, das sich bei der erforderlichen
Gießtemperatur in der Schmelze löst und so die Öffnung freigibt. Vorgeschlagen sind
bereits Verschlüsse dieser Art, die aus dem gleichen Metall bestehen wie die Schmelze
selbst und bei Erhitzung auf die Schmelztemperatur gleichzeitig oder kurz nach dem
Ofengut schmelzen und dabei die Ausflußöffnung freigeben. Als neu sei ein ähnlicher
Stopfen beschrieben, dessen Entfernung bei Erreichung einer bestimmten Temperatur
auf grundsätzliche andere Weise erfolgt. Er besteht aus einem Metall bzw. einer
Legierung, die sich während des Schmelzprozesses allmählich mit dem Schmelzgut legiert
und dadurch zur Freiabe der Ofenöffnung führt. Dies Verschlußniaterial kann an sich
einen erheblich höheren Schmelzpunkt besitzen als die Schmelze. Z. B. kann ein Wolfram-
oder Tantalblech als Abschluß eines mit Stahl beschickten Ofens dienen. Das Wolframblech
löst sich trotz seines hohen Schmelzpunktes durch Legieren in der Schmelze. Diese
Verschlußöffnung durch Legieren hat vor der bekannten durch Schmelzen den Vorteil
voraus, daß eine verfrühte Freigabe der Öffnung so gut wie ausgeschlossen ist, weil
der eigentliche Legierungsv organg kräftig erst einsetzt, wenn das Ofengut flüssig
geworden ist, hingegen ein kompakter Verschlußkörper bekanntlich leichter wegschmilzt
als ein gleichartiges, aber weniger dichtes Ofengut. Ein Durchschmelzen des Verschlusses
vor Verflüssigung des Ofengutes ist daher leicht möglich.
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Für das vorliegende Verfahren ist besonders vorteilhaft eine Heizung
mit elektrischem Strom, gleichgültig, ob es sich um die Speisung eines Widerstands-,
Induktions-oder Licbtbogenofens handelt. In allen Fällen muß die Stromerzeugung
unabhängig von der Drehbewegung des Ofens gesichert sein. Sie erfolgt mit den üblichen
ilIitteln der Elektrotechnik zur Übertragung elektrischer Energie auf rotierende
Verbrauchsanlagen.