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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metallgußstücken Es
ist bekannt, daß bei der Herstellung von Metallgußstücken Gase, die im flüssigen
Metall gelöst sind, einen beträchtlichen Einfluß auf die Qualität der Gußstücke
haben. Im allgemeinen werden diese Gase als unerwünscht angesehen, weil sie Anlaß
zur Bildung von Hohlräumen in den Gußstücken geben, die mit den bei der Abkühlung
und Erstarrung aus dem flüssigen Metall ausgeschiedenen t' ZD Gasen gefüllt sind,
Es ist jedoch in letzter Zeit U -"efunden worden, daß es in der industriellen
Er zeugung von Gußstücken Fälle gibt, wo. Gas absichtlich in die Schmelze eingeführt
werden muß, um die industrielle Erzeugung brauchbarer Gußstücke ohne übertriebene
und unwirtschaftliche Komplizierung des Verfahrens zu ermöglichen. Es ist nämlich
ohne komplizierte Maßnahmen nicht möglich, in dem erstarrenden Gußstück eine Teniperatur-verteilung
zu erzeugen, die die vollständige Lunkerfüllung in allen Teilen des Gußstücks während
der Erstarrung sicherstellt. Die Teile, die nicht vollständig mit flüssigem Metall
genährt werden können, enthalten Lunkerhohlräume; bei bestimmten Typen von Legierungen
erscheinen diese Lunker in Form von Vertiefungen auf der Oberfläche des Gußstücks
oder können sogar zum Auftreten von interkristallinen Rissen führen.
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Wenn das flüssige Metall eine genügende Menge gelöstes Gas enthält,
das bei der Erstarrung in Freiheit gesetzt wird, dann wirken die verteilten Gasporen
der Lunkerbildung in den Stellen, die zuletzt erstarren, entgegen und verhindern
so. das Auftreten von ausgeprägten örtlichen Einfallstellen oder interkristallinen
Rissen.
Daher ist es in den Gießereien, besonders inAluminiumgießereien, üblich geworden,
Gas in das flüssige Aluminium einzuführen, wenn Lunker- und Rißbildung nicht auf
wirtschaftliche Weise durch Ste-igeranordnung und ähnliche Mittel ausgeschlossen
werden kann. Selbstverständlich ist es dann wünschenswert, ;den Gasgehalt auf den
zur -Beseitigung der Lunker und Risse unbedingt nötigen Betrag zu beschränken, denn
ein zu großer Gasgehalt würde das Gußstück durch Erzeugung einer zu großen Anzahl
von Gasporen unnötigenveise schwächen.
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Das Problem der Regelung des Gasgehaltes der flüssigen Schmelze ist
in der Gießerei nicht einfach, da es keine praktische Methode gibt, um den Gasgehalt
bequem und einf ach zu messen. Ferner bleibt der Gasgehalt, wenn einmal eingestellt,
nicht für längere Zeit konstant, weil das Gas durch die Oberflächei -der Schmelze
an die Atmosphäre verlorengeht. Im Fall des Aluminiums und Magnesiums und ihrer
Legierungen ist das einzige Gas, welches den gewünschten Effekt hervorrufen kann,
der Wasserstoff. Kupferlegierungen können durch Wasserstoff, Schwefeldioxyd oder
Dampf, Stahl durch Kohlenmonoxyd vergast wer-den.
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Um ohne Verlust einen bestimmten Betrag von Gas in der Schmelze
zu erhalten, würde es notwendig sein, eine entsprechende konstantei Konzentration
des Gases über der Schmelze aufrechtzuerhalten. Das ist im allgemeinen in der Gießerei
nicht möglich, denn das würde voraussetzen, daß der Raum über der Schmelze durch
einen dichtschließenden Deckel abgeschlossen ist. Zum Gießen, besondeis bei der
Herstellung von kleinen Gußstücken, muß aber die Schmelze leicht zugänglich sein,
damit man Metall bequem entnehmen kann. Wenn du der Fall ist, wird Luft in
den Gasraum über der Schmelze eindringen und die Gaskonzentration über der Schmelze
verschieben, mit dem Erfolg, daß Gas aus der Schmelze in die-Atmosphäre entweicht.
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Die bisher gebräuchliche Methode zur Einführung des gewünschten Gases
war das Einbringen mitteils Tauchglocke von Substanzen, welche in Berührung, mit
der Aluminiumschmelze das Gas abgeben, sei es infolge der hohen Temperatur oder
infolge chemischer Reaktion. Zum Beispiel wird, im Fall des flüssigen Aluminiums,
durch Eintauchen von grünem Holz oder mit Wasser getränkter Asbestwolle Wasserdampf
durch die Schmelze geblasen, oder es wird ein wasserhaltiges Salz benutzt, oder
wassorstoffhaltige Substanzen, wie gewisse Öle oder Ammoniumchlorid, finden *Verwendung,
wobei der Wasserstoff entweder durch Zersetzung bei der Temperatur der Schmelze
oder durch chemische Einwirkung des Aluminiums in Freiheit gesetzt wird. Diese Verfahren
erlauben ein gewisses Maß von Kontrolle über den Wasserstoffgehalt der Schmelze
unmittelbar nach Beendigung der Reaktion durch Anwendung abgemessener Mengen der
Substanz. Diese Kontrolle ist aber offensichtlich sehr ungeinau, denn der Wasserstoff
wird nicht restlos von der Schmelze absorbiert, sondern ein Teil steigt einfach
als Blasen durch die. Schmelze auf, ZD und der zurückgehaltene Betrag ist in beträchtlichem
Maß abhängig von der Methode des Tauchens, der Art der Tauchglocke und der Gestalt
des Metallbades. Wenn der zum Gießen erforderliche Wasserstoffgehalt verhältnismäßig
hoch ist, dann verliert die Schmelze den Wasserstoff unmittelbar nach der Einführung
durch Tauchen rasch durch die Oberfläche, so daß schon nach 4 bis 5 Minuten
der Wasserstoffgehalt wieder unter dem verlangten Minimum liegt, selbst wenn ursprünglich
ein beträchtlicher Überschuß eingeführt war. Diese unvollkommene Regelung verursacht
erstens Porosität und führt zweitens, da man den Wasserstoffgehalt nicht messend
verfolgen kann, zum Anfall von Ausschußgußstücken, wenn der Wasserstoffgehalt bei
fortgesetztem Gießen die untere Grenze des brauchbaren Konzentrationsgebietes unterschreitet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen,
um den Wasserstoffgehalt der Schmelze dauernd auf gleicher Höhe zu halten, ohne
daß die Gießoperationen dabei behindert werdein. Erfindungsgemäß wird in der Schmelze,
ein Strom des gewünschten Gases aufrechterhalten. Dieser Strom ist auf eine gleichmäßige
Strömungsgeschwindigkeit eingestellt und wird in die Schmelze durch einen
zweckmäßigen Verteiler oder Diffusor so eingeführt, daß ein gleichbleibender Gasgehalt
in der Schmelze erzeugt wird. Dieser stationäre Gasgehalt stellt ein Gleichgewicht
dar zwischen der Menge Wasserstoff, die aus den aus dem Verteiler aufsteigen-den
Gasblasen aufgenommen wird und dem Betrag, der gleichzeitig durch die Oberfläche
der Schmelze an die Atmosphäre verlorengeht. Durch Regelung des Gasstromes oder
der Konzentration des Gases ist es möglich, jeden, gewünschten Gasgehalt in der
Schmelze für beliebige Zeiten aufrechtzuerhalten.
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Die Vorrichtung für das Einführen des Gases ist sehr einfach und bequem
zu handhaben und be, hindert die Gießarbeit nicht, insbesondere im Fall des Gießens
mit Löffeln aus einem Schöpfofen. Im Fall des Tiegelgießens kann ohne weitere Änderung
des normalen Gießverfahrens der Verteiler in den Tiegel eingeführt und, wenn nötig,
unmittelbar vor dem Gießen entfernt werden.
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Die Geschwindigkeit des Gasstromes kann nicht ohne Vbrversuche im
voraus bestimmt wer-den, denn sie ist außer von der Art des Gases und des Verteilers
auch von anderen Umständen abhängig, wie Tiefe des Bades, Art der Legierung, Temperatur
und Zustand der Oberfläche der Schmelze. Wenn die Tiefe des. Bades größer wird,
steigt diei Menge des aus einem gegebenen Gasstrom aufgenommenen Gases. Ferner wird
der Verlust an gelöstem Gas 4urch die Badoberfläche größer, wenn diese frei von
Schaum und Schlacke gehalten wird, als wenn die Badoberfläche mit Schaum oder Schlacke
bedeckt ist, vorausgesetzt, daß diese Substanzen nicht mit dem Gas reagieren. Durch
einige kurze Vorvorsuche kann für einen gegebenen Ofen, Legierung, Verteiler und
Temperatur die Stärke des Gasstromes festgestellt werden, die nötig ist, um in einer
bestimmten Gießform gute Gußstücke zu gießen.
Wenn die Gasstromstärke
in-dieser Weise einmal festgesetzt ist, dann ist es nur nötig, die Höhe des
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Metallbades und den Zustand der Badoberfläche konstant zu halten, um den
Gusgehalt für unbegrenzte Zeit auf dieser Höhe zu erhalten. Im Fall des Aluminiums
sind die Gase, welche für dieses Verfahren benutzt worden, frei von Sauerstoff,
damit die Bildung von Aluminiumoxyd verhindert wird. Zum Beispiel wird Aluminiumoxyd
gebildet, wenn Wasserdampf benutzt wird, um Wasserstoff in Aluminium einzuführen.
Verbindungen, welche für das Einführen von Wasserstoff brauchbar sind, sind z. B.
Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Butan, die als Butangas in den Handel kommende,
Mischung von niederen Paraffinen, Leuchtgas und Generatorgas. Teilweise chlorierte
Kohlenwasserstoffe, wie Trichloräthylendampf, Methylchlorid usw., können theoretisch
benutzt werden, haben abeir verschiedene praktische Nachteile. Im Fall der Benutzung
von Dämpfen ist es vorteilhaft, diese mit Hilfe, eines inerten Trägergases in die
Schmelze einzuführen. Als besonders, zweckmäßig hat sich die Verwendung von reinem,
trockenem Wasserstoff, wie er für Schweißarbeit und ähnliche Zwecke in Stahlbehältern
käuflich ist, herausges ' teilt. Da es wesentlich ist, das Gas unter genügend
hohem Druck einzuführen, um den hydrostatischen Druck des flüssigen Metalls am Boden
des Metallbades zu überwinden, ist die Verwendung von Leuchtgas und Generatorgas
von der Gasverteilungsleitung in den meisten Fällen praktisch ausgeschlossen. Diese
beiden Substanzen haben auch den Nachteil, daß sie mit Wasserdampf gesättigt sind
und daher in Berührung mit Aluminium eine gewisse Menge Schaum erzeugen.
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Der für die Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung benutzte
Verteiler oder Diffusor kann aus einem geraden oder gebogenen, zweckmäßig geschützten
Stahlrohr oder aus einem feuerfesten Rohr bestehen, welches eine Anzahl feiner Öffnungen
hat und nahe dem Boden des Metallbades angeordnet ist.
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Dieser Teil der Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer
Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. i ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform; Fig. 2 ist ein
Schnitt in der Ebene II-II in Fig. i; Fig. 3 ist eine Vorderansicht der zweiten
Ausführungsfonn.
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Der in Fig. i und :2 dargestellte Diffusor beisteht aus einem Stahlrohr
i, das, wie in der Zeichnung ,dargestellt, gebogen und durch eine Umhüllung 2 aus
Asbestschnur geschützt ist, die von feuerfestem Zement umgeben ist. Das eingetauchte
Ende des Diffusors besitzt für das Ausströmen des Gases eine Anzahl von kleinen
Löchern 3.
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Zum Gebrauch wird das obere Ende des Diffusors mit einer Quelle des
gewünschten Gases verbunden, und nachdem der Gasstrom angestellt ist, wird der Diffusor
in das Metallbad eingesenkt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases kann mit jedem
geeigneten Strömungsmesser, z. B. einem -1,Tenturirohr, gemessen werden; wenn keine
erhebliche Gena,ui,-keit verlangt wird, kann man den Gasstrom einfach dadurch regeln,
daß man den Druck des Gases beim Verlassen des Diffusors und die Höhe des Metallspiegels
über den Austrittsöffnungen konstant hält.
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Die Ausführungsform des Diffusors gemäß Fig. 3
besteht einfach
aus einem dünnen senkrechten Stahlrohr ia, das, so wie oben beschrieben, durch feuerbeständiges
Material geschützt ist. Aus dem unteren Ende des Rohres i,' strömt Gas aus und steigt
in Blasen durch das flüssige Metall B in dem Tiegel A
empor. Das Rohr
ia ist umgeben von einem weiteren senkrechten Rohr 2a, welches große öffnungen
am Boden und unmittelbar unter dem Metallspiegel des Bades B besitzt. Diesem Diffusor
ist eine leichte Rührwirkung zu eigen, weil die aufsteigenden Blasen eine Strömung
des flüssigen Metalls durch das weitere Rohr 2,11 hervorrufen.
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In. gewissen Fällen können die beschriebenen Maßnahmen ergänzt werden
durch Anordnung eines Deckels über Odem größten Teil der Badoberfläche, welcher
eine geeignete Konzentration von Wasserstoff über der Badoberfläche aufrechterhält,
und eines Sumpfes von verhältnismäßig kleiner Oberfläche für Entnahme von Metall
zum Gießen.
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Als ein Beispiel für diei Strömungsgeschwindigkeit, die praktisch
nötig ist, wird der folgende Fall ang,eführt: Ein Gußstück, ungefähr 225 9
schwer, mit einer Wandstärke von ungefähr 3 mm und mit Rippen auf beiden
Seiten der Hauptplatte war zu gießen in einer Aluminiumlegierung der folgenden Zusammensetzung
-. Cu 3 '/0, S i 5 1/o, Mn o, 5 1/o, Rest Aluminium
mit normalen Verunreinigungen. Das Metall war in einem ölgeheizten Graphittiegel
von ungefähr 11,5 kg Inhalt enthalten, die Badtiefe war ungefähr
38 cm. Um gute Gußstücke zu erhalten, war es vor Anwendung des vorliegenden
Verfahrens nötig, das Metall alle 5 Minuten mit einem Vergasungspräparat,
z. B. Ammoniumchlorid, zu behandeln. Unmittelbar nach der Behandlung lag der Gasg#halt
weit über dem notwendigen Beitrag, während nach 5 Minuten der Gasgehalt der
Schmelze so weit gefallen war, daß die Ausschußquote mehr als 3,0% der gegossenen
Stücke betrug. Wurde jedoch ein Verteiler in die Schmelze eingeführt und ein Strom
von reinem, trockenem Wasserstoff mit einer Geschwindigkeit von o,8 bis i,o
1 in der Minute durch die Schmelze geleitet, so lag der Gasgehalt dauernd
gerade über dem Mindestwert für diei Erzeugung von guten Gußstücken; zur Erzeugung
desselben Gasgehaltes, der unmittelbar nach der Behandlung mit einem Vergasungspräparat
vorhanden war, war jedoch ein Wasserstoffstrorn von 3 1 in der Minute nötig.