EP0779844B1 - Speiser zur verwendung beim giessen von geschmolzenem metall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen geschlossenen Speiser zur Verwendung beim Gießen von geschmolzenen Metall. Derartige Speiser werden bei der Herstellung einer Gießform in diese integriert und bilden einen von Formstoff umgebenen Raum, der einen Durchlaß Zum Formhohlraum hin aufweist und beim Gießen von der Gießströmung mit flüssigem Metall gefüllt wird, das während des Erstarrungsvorganges zum Gußstück zurückströmen und das Volumendefizit bei der Erstarrung des Gußstücks kompensieren soll. Auf diese Weise wird die Bildung sogenannter Lunker (das sind Schwindungshohlräume, die durch die Metall-Volumenkontraktion beim Erstarrungsvorgang entstehen) verhindert.

Um einen ordnungsgemäßen Speisungsvorgang zu gewährleisten, muß das im Speiser befindliche Metall später erstarren als das Metall des Gußstücks, d.h. der Modul (Verhältnis von Volumen zu Oberfläche) des Speisers muß größer als der des Gußstücks sein. Zugleich soll nach der Erstarrung aus Kostengründen eine möglichst geringe Restmenge an Metall im Speiser verbleiben, und zu diesem Zweck werden die Wandungen des Speisers häufig aus einem exothermen Material, beispielsweise einer aluminothermischen Mischung gebildet. Ein solches Material wird durch das flüssige Metall gezündet, und es läuft deshalb nach dem Eindringen der Gießströmung in einen solchen Speiser eine exotherme Reaktion ab, durch die dem im Speiserinnenraum befindlichen Metall Wärme zugeführt wird. Dieses bleibt durch die Wärmezufuhr länger flüssig als das Metall im Formhohlraum der Gießform und ist dadurch besser für die Speisung nutzbar.

Viele Gießformen werden mit Hilfe einer Modellplatte hergestellt, welche die Innenkontur des Formenhohlraumes vorgibt und an den Stellen, an denen ein Speisereinsatz erforderlich ist, jeweils mit einer Halteeinrichtung, z.B. einem Dorn zur Fixierung der Lage des Speisereinsatzes versehen ist. Nach dem Aufsetzen der Speiser auf die Dorne wird dann der Sand auf die Modellplatte aufgebracht und zur Gießform verdichtet, wobei der Begriff "Sand" hier als Synonym für alle Typen von körnigen Formstoffen und Formstoff-Mischungen zu verstehen ist.

In neuerer Zeit werden aus verschiedenen Gründen in zunehmendem Umfang Speiser verlangt, die auf der Modellplatte eine möglichst geringe Stellfläche einnehmen. Dies kann mit herkömmlichen Speisern nur unvollkommen erreicht werden. Exotherme Speiser herkömmlicher Bauart besitzen in der Regel eine im wesentlichen zylindrische, leicht kegelstumpfartige Form, und ihre Innengeometrie ist so beschaffen, daß der Querschnitt des zum Gußstück führenden Durchlasses dem maximalen Innenquerschnitt des Speisers entspricht, also damit eine sehr große Stellfläche bedeutet. Zwar läßt sich durch Anordnung eines Brechkerns (das ist im Prinzip eine mit einer gegenüber dem Speiserauslaß kleineren Öffnung versehene Platte z.B. aus Croningsand oder einem anderen geeigneten Material) am unteren Speiserende der Querschnitt des Durchlasses deutlich verringern, und auch die Stellfläche läßt sich mit Hilfe des Brechkerns dadurch verkleinern, daß die Seitenwandung des Brechkerns vom unteren äußeren Speiserende konisch eingezogen wird, aber dies führt noch nicht zu dem gewünschten Erfolg. Der konische Einzug der Brechkern-Seitenwandung ergibt nämlich unterhalb des Speisers eine Hinterschneidung, die eine unzureichende Verdichtung des Formsandes in diesem Bereich zur Folge hat. Daher darf der Konuswinkel, bezogen auf die Stellflächenebene, keine kleinen Werte annehmen, wodurch wiederum die erreichbare Verkleinerung der Stellfläche des Speisers begrenzt wird. In diesem Zusammenhang kommt erschwerend hinzu, daß die herkömmlichen Speiser, um dem bei modernen Hochleistungs-Formanlagen üblichen Verdichtungsdruck standhalten und genug Exothermik anbieten zu können, eine große Wandstärke aufweisen, so daß das untere äußere Speiserende einen großen Abstand von der Speiser-Mittelachse besitzen muß.

Aus der DE-U-93 03 392 ist bereits ein Speiser zur Verwendung beim Gießen von Metallen in Gießformen bekannt, umfassend einen hohlen Formkörper aus einem exothermen Material, der an seinem oberen Ende durch ein waagerecht verlaufendes Wandungsteil, nämlich einen Deckel, geschlossen ist, wobei die Seitenwandung des Speisers von dem oberen Wandungsteil ausgehend konvex nach außen gebogen verläuft (nämlich dann, wenn die Außenform des Speisers kugelförmig oder eiförmig ausgebildet ist) und am unteren Ende in ein auch als Speiserhals bezeichnetes Durchlaßteil übergeht.

Hier setzt die Erfindung ein. Sie hat zur Aufgabe, einen exothermen Speiser anzugeben, der eine sehr kleine Stellfläche, ein hohes Speisermodul, ein ausreichend großes Speiservolumen und einen sehr hohen Wirkungsgrad für die exotherme Reaktion aufweist. Ferner soll die äußere Gestalt des Speisers Hinterschneidungen vermeiden, damit der Sand bei der Herstellung einer Gießform in den üblichen Formanlagen gut in Kontakt mit der Speiseraußenfläche und mit der angrenzenden Modellplatte gebracht und überall gut verdichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Seitenwandung des Speisers von einem oberen, im wesentlichen waagerechten Wandungsteil ausgehend konvex nach außen gebogen verläuft, am unteren Ende in ein auch als Speiserhals bezeichnetes Durchlaßteil übergeht und mehrere in den Innenraum ragende Spanten aufweist, welche an ihren Enden in die obere Wandung bzw. das Durchlaßteil übergehen. Weitere Merkmale sind in den Unteransprüchen definiert.

Durch das Zusammenwirken seiner Merkmale erfüllt der erfindungsgemäße Speiser in geradezu idealer Weise alle Forderungen. Infolge der konvexen Form besitzt er nicht nur einen vergrößerten Modul, sondern auch eine strömungsgünstige Außenkontur, vorzugsweise etwa in Form eines umgekehrten, auf der Spitze stehenden Tropfens, die eine gute Umhüllung mit Sand und eine gute Verdichtung des Sandes erlaubt, und ebenso eine strömungsgünstige Innenkontur, die zumindest im unteren Bereich des Speisers vorzugsweise eiförmig ist und einen guten Ausfluß des Speisemetalls durch den Durchlaß hindurch gewährleistet. Die inneren Spanten ergeben eine außerordentlich hohe Druckfestigkeit, ermöglichen eine geringere Wandstärke der Außenwandung (und damit ein mindestens um 1/3 kleineres Gewicht im Vergleich mit einem herkömmlichen Speiser gleichen Volumens) und sorgen nebenbei noch, da sie ja ebenfalls aus exothermen Material bestehen, für einen besseren Eintrag der exotherm gebildeten Wärme in das Speisemetall, erhöhen also den exothermen Wirkungsgrad. Insgesamt braucht das Volumen des Speisers nur geringfügig größer zu sein als der für den Anwendungsfall berechnete Speisungsbedarf des Gußstückes.

Der erfindungsgemäße Speiser ist zweckmäßig mit einem Brechkern versehen, benötigt einen solchen aber nicht unbedingt (z.B. wenn ein Federdorn zum Einsatz kommt oder der Durchlaß eine aufgeformte Brechkante aufweist, die ggfs. geschlichtet werden kann). Im Falle der Verwendung eines Brechkerns ist dessen Seitenwandung vorzugsweise so geformt, daß sie stetig der Außenkontur des Speisers folgt und auf diese Weise einen verhältnismäßig großen Winkel (z.B. von etwa 60°)mit der Stellflächenebene bildet. Die Seltenwandung des Brechkerns kann zwar auch steiler verlaufen (in einem Winkel bis zu 90°), ergibt dann aber nicht mehr die optimal kleine, sondern eine etwas größere Stellfläche, und sollte andererseits auf keinen Fall flacher verlaufen als die Seitenwand des Speisers, um eine Hinterschneidung am unteren Speiserende zu vermeiden. Wenn man das Verhältnis Von Speiservolumen zur Größe der Stellfläche als Kenngröße heranzieht (ein großer Wert steht für großes Volumen und kleine Stellfläche, wie angestrebt), ergibt sich in der bevorzugten Ausführung des Brechkerns mit einer die Außenkontur das Speisers stetig fortsetzenden Seitenwandung ein sehr günstiger Wert im Bereich von etwa 35 - 40 cm, während mit herkömmlichen Speisern gleichen Volumens nur Werte in der Größenordnung von 10 cm erreicht werden können. Das gleiche gilt auch für das Verhältnis von größtem Speiserdurchmesser zur Größe der Stellfläche als Kenngröße, die in der bevorzugten Ausführung einen Wert von etwa 1,7 cm^-1 annimmt und für die herkömmlichen Speiser nur in der Größenordnung von etwa 0,5 cm^-1 liegt. Damit ist auch zahlenmäßig der mit der Erfindung erzielte Erfolg eindrucksvoll bestätigt.

Nachfolgend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1:

Die Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Speisers (Schnittebene I-I In Fig. 2), und

Fig. 2:

Querschnittsegmente des Speisers gemäß Fig. 1 (Schnittebene IIA-IIA, IIB-IIB und IIC-IIC in Fig. 1.

Fig. 3 und 4:

Schnittansichten einer anderen Ausführungsform der Erfindung analog den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ansichten.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Speiser 3 ist durch eine flache Abschlußwand 5 nach oben geschlossen und besitzt eine konvex ausgebauchte Seitenwand 9 sowie einen unteren Speiserhals 7, der mit einem Brechkern 1 verbunden ist. Der Speiser 3 besteht aus exothermen Material, und der Brechkern 1 kann beispielsweise aus Croningsand geformt sein. Er ist in üblicher Weise mit einer Brechkante 2 versehen, um nach dem Gießen das Trennen des Speisers vom Gußstück zu erleichtern.

Der Speiserhals 7 und der sich daran anschließende Brechkern 1 umgrenzen den Durchlaß 4, der die Verbindung zwischen dem Innenraum 13 des Speisers und dem zu speisenden Formhohlraum herstellt. Zugleich ist der Speiserhals aber auch als Führung für einen nicht weiter dargestellten Dorn ausgebildet, wobei im Beispiel der Fig. 1 und 2 ein sogenannter Kurzdorn angenommen ist, der sich nicht wesentlich über den Speiserhals 7 hinaus in den Innenraum 13 erstreckt und der in einem Zentrierabschnitt 6 des Speiserhalses Aufnahme findet. Zweckmäßig besitzt die Wandung der Auslaßöffnung 4 dabei einen trichterartigen Wandungsabschnitt 10, entlang dem der Dorn stufenlos zum Zentrierabschnitt geführt wird. Alternativ kann aber auch ein Langdorn verwendet werden, der sich durch den Innenraum 13 hindurch bis zur Abschlußwand 5 erstreckt und mit seinem oberen Ende in eine Zentriermulde (siehe 26 in Fig. 3) eingreift. In dem Fall ist der Zentrierabschnitt 6 des Speiserhalses entbehrlich.

Die ringförmige Unterseite des Brechkerns 1 bildet die Stellfläche 8 des Speisers, und die Außenkontur der seitlichen, konvex ausgebauchten Seitenwand 9 verläuft von der oberen Abschlußwand 5 bis zur Stellfläche 8 in einer stetigen Krümmung, die mit der Krümmung eines auf der Spitze stehenden Tropfens vergleichbar ist und deshalb als "tropfenförmig" bezeichnet wird. Es ist ersichtlich, daß auf diese Weise die Stellfläche sehr klein gehalten werden kann und daß der größte Durchmesser des Speisers (in Höhe der Ebene A-A) einen verhältnismäßig großen Abstand von der Stellfläche bekommt, mit der Folge, daß trotz der sehr kleinen Stellfläche eine gute Verdichtung des Formsandes auch im kritischen Bereich des Speiserhalses gewährleistet ist.

Im Innenraum 13 des Speisers sind mehrere, z.B. drei senkrechte, zur Speiser-Mittelachse M-M hin gerichtete Spanten 12, die aus dem exothermen Material bestehen, an die ausgebauchte Seitenwand 9 angeformt. Diese Spanten können bis zu 25 % des Innenraum-Volumens einnehmen und besitzen in diesem Beispiel vertikal verlaufende Innenflächen 14, deren Abstand von der Speiser-Mittelachse M-M etwas größer ist als der Radius des Zentrierabschnitts 6. Ferner sind diese Spanten 12 bezüglich der Mittelachse im jeweils gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet und verjüngen sich jeweils nach Art eines gleichschenkligen Trapezes in Richtung auf diese. Sie gehen an ihren Enden einerseits in die obere Abschlußwand 5 und andererseits in den Speiserhals 7 über und geben da Speiser eine stark erhöhte Druckfestigkeit, so daß die Seitenwand 9 entsprechend dünnwandiger ausgeführt werden kann und sich die angestrebte Gewichtsersparnis ergibt. Zugleich erweisen sich diese Spanten 12 des Speiserinnenraums aber auch als besonders effektive Wärmequellen, die lokal das Angebot an exothermer Reaktionswärme verstärken. Die bei der exothermen Reaktion des Spantenmaterials freiwerdende Wärme wird nahezu vollständig über die Flanken und Innenflächen der Spanten an das flüssige Metall innerhalb des Speisers abgegeben; Heizverluste durch Wärmeabtransport auf die Außenwand des Speisers 3 und von dort weiter an den Formsand, der den Speiser umhüllt, sind minimal.

Die Innenkontur der Seitenwand 9 kann in der oberen Speiserhälfte gleich der Außenkontur gehalten sein (konstante Wandstärke der Seitenwand) und geht in der unteren Speiserhälfte mit einer stetigen Krümmung in den Durchlaß 4 des Speiserhalses über, ist in diesem Bereich also im wesentlichen eiförmig. Dies unterstützt eine gleichmäßige Metallströmung im Verlauf der Speisung und hat außerdem den Vorteil, daß sich die Wandstärke im unteren Speiserbereich stetig vergrößert, wodurch mehr exothermes Material und damit mehr exotherme Wirkung in den unteren Speiserbereich gebracht werden kann.

Anstelle senkrechter Spanten 12 können auch andere Verstarkungselemente mit der Seitenwand 9 des Speisers verbunden sein, beispielsweise wabenartige Strukturen. Diese sind jedoch herstellungstechnisch etwas problematisch, so daß senkrechte Spanten bevorzugt werden. Bei den dargestellten Speisern mit Kreisquerschnitt sind die drei oder maximal vier Spanten zweckmäßig, während bei Speisern mit anderen Querschnittsformen, auf die weiter unten hingewiesen wird, auch eine größere Anzahl von Spanten vorgesehen sein kann. Bei Verwendung eines Kurzdorns brauchen die Spanten 12 im übrigen auch nicht im Abstand von der Speiser-Mittelachse M-M zu enden, vielmehr stört es nicht, wenn (abweichend von dem der Darstellung der Fig. 1 und 2) der mit dem Zentrierabschnitt 6 fluchtende zentrale Bereich des Speiser-Innenraums verbaut ist. In einzelnen Anwendungsfällen kann dies sogar bevorzugt sein.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform des Speisers, die zur Verwendung mit einem Langdorn bestimmt ist, sich aber nicht prinzipiell von der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 unterscheidet. Aus diesem Grunde sind funktionsmäßig gleiche Teile auch mit den gleichen, aber mit einem Indexstrich versehenen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert.

In Fig. 3 und 4 ist die Kontur des Speiser-Innenraumes 13' nicht nur in der unteren Speiserhälfte, sondern auch in der oberen Speiserhälfte eiförmig gestaltet. Außerdem sind die Spanten 12' an ihren Innenflächen 14' abgerundet und enden bündig am Durchlaß 4', der in diesem Fall keinen Zentrierabschnitt analog dem Abschnitt 6 aufweist. Vielmehr übernehmen die Innenflächen 24 der Spanten im oberen Speiserbereich die Funktion des Abschnitts 10 in Fig. 1, indem sie den Dorn sicher in die Zentriermulde 26 führen.

Der erfindungsgemäße Speiser kann einteilig (so wie zeichnerisch dargestellt) oder mehrteilig (z.B. mit einer Teilungsebene in Höhe der Ebene A-A des größten Durchmessers) hergestellt sein, wobei bei der mehrteiligen Ausführung die einzelnen Teile nachträglich zu einem einstückigen Speiser` verbunden, z.B. verklebt werden. Herstellungstechnisch ist eine zweiteilige Ausführung recht günstig, aber auch die einteilige Ausführung bietet herstellungstechnisch keine Probleme, indem man die für den angestrebten Erfolg wichtige Innengeometrie durch entfernbare Kerne aus einem Kunststoffmaterial wie Styropor o. dgl. vorgibt. Diese Kerne können je nach Bedarf aus dem Speiserinneren herausgelöst werden oder werden bei der Fertigstellung des Speisers bzw. dem Abgießen mit Metall pyrolysiert.

Der in den dargestellten Ausführungsbeispielen vorgesehene Brechkern 1 bzw. 1' braucht keine die Außenkontur des Speisers stetig fortsetzende Seitenfläche 11 bzw. 11' zu besitzen, obgleich das die bevorzugte Ausführung ist. Wenn keine optimal kleine Stellfläche benötigt wird, aber dennoch die Vorteile der Erfindung ausgenutzt werden sollen, kann der Brechkern auch eine zylindrisch oder steil-konisch (mit einem Konuswinkel größer etwa 60°) verlaufende Seitenfläche aufweisen. Andererseits kann auf einen Brechkern verzichtet werden, wenn - wie eingangs erwähnt - z.B. ein Federdorn zum Einsatz kommt oder eine Brechkante direkt mit dem exothermen Material des Speiserhalses ausgeformt werden kann.

Im übrigen muß der Speiser nicht den zeichnerisch dargestellten Kreisquerschnitt besitzen, sondern kann auch jede andere Querschnittsform (mit entsprechender Form des Durchlasses und der Stellfläche) annehmen, wie dies allgemein für Speiser bekannt ist. Typisch sind z.B. länglich-ovale Querschnittsformen. Es kann auch, dies ist vor allem für den unteren Speiseranteil von praktischer Bedeutung, eine kreisförmige Querschnittsform in eine längliche kontinuierlich übergehen.

Claims (10)

1. Speiser (3) zur Verwendung beim Gießen von Metallen In Gießformen, umfassend einen hohlen Formkörper aus einem exothermen Material, der an seinem oberen Ende durch ein waagerecht verlaufendes Wandungsteil geschlossen ist, wobei die Seitenwandung (9) des Speisers von dem oberen Wandungsteil (5) ausgehend konvex nach außen gebogen verläuft und am unteren Ende in ein auch als Speiserhals bezeichnetes Durchlaßteil (7) übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwandung mehrere in den Innenraum ragende Spanten (12) aufweist, welche an ihren Enden in die obere Wandung bzw. das Durchlaßteil übergehen.
2. Speiser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Seitenwandung (9) von der Oberkante der oberen Wandung (5) bis zur Unterkante des Durchlaßteils (7) des Speisers In der Längsschnittansicht im wesentlichen tropfenförmig verläuft.
3. Speiser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur der Seitenwandung (9) zumindest im unteren Bereich des Speisers In der Längsschnittansicht zwischen den Spanten (12) im wesentlichen eiförmig verläuft.
4. Speiser nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß innen in dem oberen Wandungsteil eine Zentriermulde (26) zur Aufnahme eines Dornes angeordnet ist, die Innenfläche (14) der Spanten (12) einen größeren Abstand von der Speiser-Mittelachse (M-M) besitzen als dem Radius des Dornes entspricht, und daß die Innenflächen (14) der Spanten (12) im oberen Speiserbereich als schräge Führungsflächen (24) zur Einführung des Dorns In die Zentriermulde ausgebildet sind.
5. Speiser nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brechkern (1) am Durchlaßteil (7) befestigt ist, dessen Unterfläche die Stellfläche (8) bildet.
6. Speiser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche (11) des Brechkerns (1) die Außenkontur des Speisers stetig fortsetzt.
7. Speiser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche (11) des Brechkerns (1) einen Winkel zwischen 60° und 90° mit der Ebene der Stellfläche (8) bildet.
8. Speiser nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterfläche des Durchlaßteils als Stellfläche ausgebildet und eine Brechkante direkt mit dem exothermen Material des Durchlaßteils ausgeformt ist.
9. Speiser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speiser (3) einteilig unter Verwendung eines verlorenen Kerns hergestellt oder aus mehreren getrennt hergestellten Teilen zusammengesetzt ist.
10. Speiser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speiser (3) einen kreisförmigen Querschnitt oder einen länglich-ovalen Querschnitt oder einen kontinuierlich von einer Kreisform in eine länglich-ovale Form übergehenden Querschnitt besitzt.

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