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Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere
der Dehnungswerte von Leichtmetallformgußstücken Es ist bekannt, daß die Festigkeitseigenschaften
von Gußstücken hinter den erreichbaren Werten zurückbleiben und stark schwanken,
weil kleine nichtmetallische Unreinheiten verschiedenster Form, oft in Form ausgedehnter
Häutchen, in der Schmelze schwimmen und demgemäß zwischen den si_h bildenden Kristallen
liegenbleiben und ctc.n interkristallinen Zusammenhalt stören, Diesen Nachteilen
hat man insbesondere bei Formgußstücken aus Leichtmetallen dadurch abzuhelfen versucht,
daß man den Schmelzen Reinigungs- oder Entgasungsmittel zugesetzt hat, die die nichtmetallischen
Verunreinigungen verflüchtigen oder dünnflüssiger machen oder auch koagulieren und
somit in eine weniger schädliche Form bringen sollen. Es ist dadurch zwar gelungen,
wenn auch nicht die Festigkeit, so doch immerhin -die Dehnung von Werten unter i
% auf einige Prozent mit einer gewissen Sicherheit zu heben, wobei jedoch
mit steigender Dehnung oft die Festigkeit wieder zurückging. Einen vollen Erfolg
hat man aber nicht erzielt.
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Der Grund des Versagens liegt, wie durch eingehende Versuche des Erfinders
festgestellt wurde, darin, daß beim üblichen Gußverfahren die Erstarrung gleichzeitig
von der gesamten Oberfläche des Gußblockes ausgeht und sich konzentrisch nach der
Mitte zu bewegt. Überall an der fortschreitenden Kristallisationsfrotit zieht sich
die Masse beim Übergang in die Kristallform zusammen, und da die bereits erstarrte
Außenhülle nicht nachgeben kann, müssen zwischen den Kristallen Hohlräume entstehen,
in denen die nichtmetallischen Unreinheiten liegeiihleiheii, wenn sie auch noch
so dünnflüssig und gut.
koaguliert sind. Sie werden also trotz allein
den interkristallinen Zusammenhalt stören und dadurch die Dehnbarkeit des Metallstückes
herabsetzen.
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Es ist nun weiterhin auch bekannt. daß man gewisse Verbesserungen
der Festigkeitseigenschaften von Gußhlöcken erzielen kann, indem man den Boden der
Blöcke kühlt oder den Kopf erhitzt und wann hält, so daß die Erstärrung mehr oder
weniger voll unten nach oben fortschreitet und nicht in Form einer von der gesamten
Oberfläche ausgehenden konzentrisch fortschreitenden Kristallisationsfront. Dadurch,
daß die Bildung einer die ganze Metallmasse umspannenden, bereit: erstarrten und
somit unnachgiebigen Hülle vermieden wird, gewinnt das flüssige -Metall die -Möglichkeit,
von oben her immer wieder in die Hohlräume nachzudringen, die sich bei der Zusammenziehung
der -Massenteilchen -reim Übergang in den kristallinen Zustand bilden. -Man hat
dadurch erreicht, daß die Festigkeit um bestenfalls io bis 2o°/o erhöht wurde und
auch die Dehnung von Werten unter i °I" auf Werte hic 2"i» erhöht wurde.
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Weiter ist rnan iedorh auch nicht gelangt, und deshalb herrscht die
allgemeine Auffassung, daß -Metalle im Gußzustande grundsätzlich den plastisch verformten.
gegebenenfalls wä rrnehehandelten -Metallen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften
unterlegen seien. ' Bei der Herstellung von gegossenen Formstücken aus Leichtmetallen
tritt nun noch eine weitere- Schwierigkeit auf: Sollen diinnwandige Gußstiicke oder
solche von verwickelter Gestaltung erzeugt werden, dann rntrl) die Legierung leichtflüssig
sein. damit sie die Form gut ausfüllt. Die verlangte Leichtflüssigkeit bedingt aber
wiederum eine Cherhitzung, die einerseits aus den bekannten Gründen für die mechanischen
Eigenschaften des erstarrten Werkstuckes ungünstig ist, andererseits aber auch die
gute Ausfüllung der Formen erschwert, weil die aus höheren Temperaturen eine größere
Zusannnenzieliung hzw, Schrumpfung zur Folge hat. Deshalb ist es eine Kunst, verwickelte
Gußformen durch die Anliringung verschiedener Gußtrichter alt der richtigen Stelle
durch Luft- und Üherlaufkanäle und durch entsprechende Formquerschnitte brauchbar
zu machen, und oftmals genügen auch lang-«ierige und kostspielige Versuche nicht,
eine Kokillenform zu finden, die mit. Sicherheit ein gutes Ausbringen ermöglicht.
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Überraschenderweise wurde null gefunden, daß die genannten Schwierigkeiten
bei der Herstellung verwickelter Formgußstücke in engstem Zusammenbange reit den
einleitend IIellannten Erscheinungen bei der Erstarrung überhaupt stehen. Der Erfinder
ging dabei von der Überzeugung aus, daß die ungenügenden mechanischen Eigenschaften
der Gußstücke nicht dein Werkstoff an sich, sondern der Unvollkommenheit des Gefüges
zuzuschreiben sind. Durch Versuche wurde nachgewiesen, dali nian auch verwickelte
Gußstücke mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften herstellen kann, wenn man
einerseits dafür sorgt, daß die Kristallisation-,-front von unten' nach oben mit
einer ebenen oder schwach muldenförmigen Oberfläche fortschreitet und daß die Unreinheiten
durch geeignete Zusätze eine hohe Koagulationsfä higkeit, geringe: spezifisches
Gewicht, niedrigen Schmelzpunkt und hohe Dünnflüssigkeit erhalten.
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Das Verfahren gemäß) der I?rfindung be-
stellt also darin, dal.l
das mit einem Reinigllligsnlittel behandelte Metall in eine ungefähr auf die Schmelztemperatur
des -Metalls vorgewärmte Kokille vergossen wird, die zunächst einigte Zeit auf dieser
Temperatur gehalten und darin von unten nach oben reit einer Geschwindigkeit gekühlt
wird, die gleich der maximalen Kristallisation#-geschwindigkeit oder kleiner als
diese ist. Bekanntlich ist die maximale Kristallisationsg , e schwindigkeit
l# eine physikalische Größe.
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welche für jedes -Metall oder jede Legierung eindeutig feststeht oder
festgestellt werden kann. 'Weitere Untersuchungen haben ergeben. daß der Höchstwert
der Festigkeit dann erreicht wird, wenn die Ahsenkgeschwindigkeit gleich der maxirealen
Kristallisationsgeschwindigkeit wird. daß aber bei noch geringerer Ahsenkgeschwindigkeit
eine noch -Messere Dehnung, allerdings auf Kosten eines Teile: der Festigkeit, erzielt
wird.
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Die Streckgrenze wird beim -'erfahren gemäß der Erfindung nicht wesentlich
erhöht. Schon durch den Einfluh deReinigungsnirttels ster-t die Festigkeit uni to
his 20°i". die Dehnung wird aber nicht mir verdoppelt oder verdreifacht. sondern
steigt auf da Zwanzig- bis Dreifligfache. Beim Ausführungsbeispiel einer -Mg- und
;?n-lialtigeir Aluminiumlegierung wurde eine bisher in Gußstiicken niemals erreichte
Dehnung vors über i.-. °/" erzielt.
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In der beiliegenden Abh. i sind die verschiedenen Werte für die Bruclrfestirkeit
und die Dehngrenze in einem Schaubild rlargestellt. auf dessen Abszisse die Bruchdehnung
in Prozenten und auf dessen Ordinate die Belastung in kginm= aufgetragen ist. Die
obere Kurve zeigt die Bruclifectigkeit KZ und die untere die Deleigrenze. Die Zahlen
all den verschiedenen Kurvenpunkten bedeuten die Geschwindigkeit in eininiin, mit
der die Kühlwirkung all ,den Kolcillenseitenfliiclren von
unten
nach oben fortschreitet. Diese Kühlung wurde so bewirkt, daß die Kokille aus einem
geheizten Räum langsam nach unten in einen gekühlten Raum abgesenkt wurde. Die Zeitangaben
entsprechen also der Absenkgeschwindigkeit. Es ist deutlich erkennbar, daß die Dehnung
mit abnehmender Absenkgeschwindigkeit dauernd steigt, die Festigkeit dagegen durch
einen Höchstwert geht, der im vorliegenden Falle bei einer Dehnung von etwa i i
% erreicht ist. - Daraus ergibt sich, daß zur Erzielung einer möglichst großen
Dehnung die Absenkgeschwindigkeit möglichst klein sein muß, daß aber mit Rücksicht
auf die Festigkeit eine bestimmte @bsenkgeschwindigkeit nicht unterschritten werden
sollte. -Schließlich wurde gefunden, daß bei der beschriebenen Beeinflussung der
Festigkeitseigenschaften die erzielte Härte weitgehend der Festigkeit entspricht.
Der Höchstwert der Festigkeit fällt also mit dem Höchstwert der Härte zusammen.
Daraus ergibt sich eine einfache Regel für die Einstellung der richtigen Geschwindigkeit,
mit der die Kühlwirkung an der Kokille von unten nach oben steigen soll: Wenn man
die Kühlung durch Absenken der Kokille in eine gekühlte Zone bewirkt, dann stellt
man zunächst Proben mit verschiedenen Absenkgeschwindigkeiten her und erzeugt auf
den erkalteten Proben durch eine stetig arbeitende Vorrichtung, etwa den KugeIschlaghammer,
Kugeleindrücke. Bei einer bestimmten Absenkgeschwindigkeit findet man den kleinsten
Kugeleindruck. Diese Geschwindigkeit verbürgt dann die höchste Festigkeit, und man-weiß,
daß höchstens diese Absenkgeschwindigkeit genommen werden muß, wenn eine möglichst
hohe Dehnung mit möglichst hoher Festigkeit zugleich erzielt werden soll, daß man
aber unter dieser Geschwindigkeit bleiben muß, um noch höhere Dehnungen, allerdings
unter Verzicht auf einen Teil der Festigkeit, zu erzielen, Wie schon einleitend
angedeutet wurde, ist die Verwendung von Reinigungsmitteln beim Gießen von Leichtmetallen
an sich bekannt. Auch die Vorwärmung der Kokille hat beim Verfahren gemäß der Erfindung
keine selb» ständige Bedeutung, da der Erfolg des Verfahrens nur durch die Vereinigung
der obergenannten Merkmale erreicht wird. Schließlich ist auch schon für das Gießen
von Walz-und Preßbarren vorgeschlagen worden, die Wärmeableitung nur durch die Bodenfläche
derart vorzunehmen, daß das Fortschreiten der- Erstarrung mit der Xristallisationsgeschwindigkeit
des Metalls übereinstimmt. Mit diesem Verfahren bezweckte man jedoch die Erzielung
eines Blöckes, der aus nur in@einer einzigen Richtung aufgebauten Isristallitenbündeln
besteht. Bei der sparlosen Verformung solcher Blöcke mögen. sich Vorteile zeigen.
Die Erfindung betrifft jedoch die Verbesserung von Leichtmetallformgußstücken, bei
denen die Richtung der Kristallite gleichgültig ist, wie es auch im wesentlichen
gleichgültig ist, ob das Gefüge grob- oder, feinkörnig wird. Denn der von der Erfindung
erstrebte Zweck besteht vor allem in einer Verbesserung der Dehnungswerte.
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In der Abb. 2 ist das Ausführungsbeispiel für einen Ofen dargestellt,
mit dem das Verfahren- gemäß der Erfindung in einfacher Weise@durchgeführt werden
kann. In dem Tiegel i befindet sich das flüssige Metall, das durch die Bodenöffnung
2 dieses Tiegels, die durch den Stopfen 3 verschlossen werden kann, vergossen wird.
An sich ist es gleichgültig, welche Vorrichtung für die Aufbewahrung des flüssigen
Metalls verwendet wird. Es ist z. B. auch möglich, das Metall unmittelbar aus dem
Ofen zu vergießen, doch wird von der Erfindung ein Vorratsbehälter, wie der dargestellte
Tiegel i, bevorzugt, weil in diesem die geeignete Gießtemperatur uriabhängig vom
Schmelzprozeß geregelt werden kann und weil er auch zur Reinigung mit einem der
üblichen Reinigungs- und Entgasungsmittel zü benützen ist, ohne daß das Metall vor
dem Vergießen dann noch einmal in Bewegung gebracht wird. Der Tiegel i befindet
sich in einem Vorratsofen d., der in beliebiger Weise, am besten elektrisch, beheizt
ist. Der Deckels ist mit einer Öffnung 6 für die Füllung des Tiegels mit Metall
und Reinigungsmittel versehen. Unter dem Tiegel befindet sich ein Kanal
7, in dem die Kokillen 8 von rechts nebeneinander stehend eingeschoben werden.
Dieser Kanal ist beheizt. Unter dem Abstichloch befindet sich im Kanal 7 eine Bodenöffnun-
9, die in einen Schacht io mündet. Dieser Schacht ist durch die Widerstandswicklung
i i beheizt. All der unteren Öffnung des Schachtes sind Dichtungsmittel 12 vorgesehen,
die den Luftzutritt in den Schacht weitgehend verhindern sollen. Diese Dichtungsmittel
müssen eine gewisse Nachgiebigkeit besitzen, um wegen der unvermeidlichen kleinen
Abmessungsunterschiede der Kokillen nicht beschädigt 7u werden. Unter dem Schacht
befindet sich ein Kanal 13, der mit der Außenluft in Verbindung steht oder
auch durch Einblasen von Luft gekühlt wird. Im Hüttenboden 14 ist senkrecht unter
dem Schacht eine Hebevorrichtung 15 vorgesehen, die zweckmäßig hydraulisch betätigt
wird. Weiterhin ist am unteren Ausgang des Schachtes io eine Greifvorrichtung 16
angebracht, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei zangenförmig zusammenwirkenden
Stößeln bestellt,
die in seitliche Ausnehmungen 17 in der Nähe des
oberen Randes der Kokillen 8 eingreifen.
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Die Vorrichtung wird in folgender Weise betrieben Die für den Guß
vorbereiteten Kokillen werden im Kanal ? auf die Bodenschienen iS gestellt und in
Richtung des Pfeiles i9 auf das Af)stichloch 2 zu bewegt. Während ihrer Fortbewegung
erwärmen sie sich auf die von der Erfindung beim Gießen erwünschte Kokillentemperatur,
die ungefähr dem Schmelzpunkt des Leichtmetalls entspricht, also bei etwa 700° liegt.
Wird im dargestellten Ausführungsbeispiel die auf der Hebevorrichtung 15 im Kanal
13 stehende Kokille nach recht fortbewegt, darin wird die Hebevorrichtung i 5 unter
die nächsthöhere Kokille gebracht, die Haltezangen 16 .lösen sich, und nunmehr wird
die Hebevorrichtung i; langsam entsprechend der gefundenen günstigsten Absenkgeschwindigkeit
nach unten bewegt. Schließt die Oberkante der obersten im Schacht io befindlichen
Kokille mit der Unterkante der rechts neben ihr stehenden Kokille ab, dann werden
die Kokillen im Kanal 7 nach links verschoben, so daß die nächste Kokille unter
das Abstichloch 2 gelangt. Nunmehr erfolgt der Guß, der auch dann weitergehen kann,
wenn sich die im Schacht io befindlichen Kokillen weiter absenken.
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Dadurch, daß die Kokillen nach dem erfolgten Guß noch über einen gewissen
Zeitratim auf Schmelztemperatur gehalten werden, werden alle bisher beim Herstellen
komplizierter Gußforrnstücke auftretenden Schwierigkeiten beseitigt: Es ist nicht
mehr nötig, das Metall vor dem Guß mit Rücksicht auf dieLeichtflüssigkeit beträchtlich
zu überhitzen, denn in der vorgewärmten Kokille besteht keine Gefahr dei vorzeitigen
Erstarrung. Andererseits hat das Metall in der Kokille Zeit zur Beruhigung. Etwa
mitgerissene Gaseinschlüsse können nach oben steigen und auch feinste Formkanäle
ausgefüllt werden.
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Natürlich ist die Kokillenform so zu wählen, daß lange Gußstiicke
stehend gegossen werden.
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Der sich an den Schacht io anschließende harial i3 kann weiterhin
dazu benutzt werden, die Abkühlungstemperatur für das erstarrte Gutlstück zu regeln,
wenn die Art der verwendeten Leichtmetallegierung eine Beeinfussung ihrer Eigenschaften
durch die Regelung der Abkühlungsbedingungen Der Schacht io dient beim dargestellten
.\usfülirtiii"slieispiel lediglich zur Aufrechterhaltung der Schmelztemperatur über
einen gewissen Zeitraum. Es ist klar, daß man diesen Zweck auch erreichen kann,
wenn man die Kokillen nach dem Guß im Kanal 7 weiter nach links bewegt und erst
an einer entfernteren Stelle nach unten aus diesem Kanal entfernt. Das dargestellte
Ausführungsbeispiel trat jedoch den Vorteil, daß der Schacht io auch zur Abkühlung
selbst herangezogen werden kann, in welchem Falle er mit Kühlmitteln, z. B. an seiner
Innenwand vorgesehenen Rohrschlangen, ausgestattet wird.
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Die für die flüssige Legierung im Tiegel i verwendeten Reinigungs-
und Entgasungsmittel bestehen meist aus Salzgemischen, z. F. Alkalilialogeniden.