EP1825938A1 - Verfahren und Anordnung zur kontrollierten Formfüllung beim Giessen metallischer Werkstoffe - Google Patents

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EP1825938A1
EP1825938A1 EP07003469A EP07003469A EP1825938A1 EP 1825938 A1 EP1825938 A1 EP 1825938A1 EP 07003469 A EP07003469 A EP 07003469A EP 07003469 A EP07003469 A EP 07003469A EP 1825938 A1 EP1825938 A1 EP 1825938A1
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magnetic field
casting
melt
molten metal
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Sven Dr. Eckert
Bernd Willers
Gunther Dr. Gerbeth
Vladimir Dr. Galindo
Manfred Dr. Ziemann
Hans-Walter Katz
Uwe Hewelt
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Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
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Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/02—Use of electric or magnetic effects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
    • B22C9/082—Sprues, pouring cups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for controlling the filling of a molten metal in the mold cavity of a mold.
  • the application is carried out with the increasing casting of metals under the influence of gravity into a casting mold, and in particular the investment casting.
  • DE 10245439 A1 describes the special design of a head casting pouring basin for light metal chill casting under the influence of gravity.
  • the G awaretümpel consists of a Schmelzereservoir and an approximately horizontal or with a predetermined gradient arranged casting run.
  • the aim of this invention is to calm the melt flow, ie to dampen turbulence caused by the filling of the melt into the casting basin and to ensure that the melt flows into the mold cavity of the casting mold at the lowest possible speed.
  • this invention it is not possible to satisfactorily solve the problems described above and to ensure the production of faultless castings.
  • Cast filters serve primarily to retain oxide skins or other high-melting impurities before the melt enters the casting. It should be noted that such a casting filter has a very high flow resistance, which acts throughout the casting process. The consequence is a very slow mold filling with significantly extended casting times.
  • Magnetic brakes have already been proposed for the continuous casting of steel or even non-ferrous metals, with the aim of reducing the speed of the molten metal jet entering a mold.
  • DE 102004046729 A1 These devices are based on a static magnetic field in a horizontal orientation, which is arranged on the continuous casting mold usually in the region of the outflow opening of the dip tube.
  • the present invention must take into account the discontinuity and time dependence of casting using a mold.
  • the invention is based on the object, the speed of inflowing into a mold, liquid molten metal under increasing casting below To influence the influence of gravity by external magnetic fields so that a calm mold filling is achieved with sufficient avoidance of strong turbulence of the melt and the occurrence of instabilities of the surface layer and the inflowing melt front.
  • the velocity of liquid molten metal flowing into a mold is influenced by the increasing gravitational influence of external magnetic fields, so that a calm mold filling is achieved while sufficiently avoiding turbulence of the melt and occurrence of instabilities of the surface layer and the inflowing melt front ,
  • the magnetic field acts directly on the casting run, preferably where the inflowing melt reaches its maximum velocity.
  • the melt is preferably guided in a rectangular flat channel. An optimal effect is achieved when the magnetic field lines are perpendicular to the flow direction.
  • the initial value B 0 of the magnetic induction is kept constant until a time t 1 , wherein t 1 is preferably to be selected such that the melt front has already reached the mold cavity. From time t 1 , the strength of the magnetic field is regulated to zero.
  • a casting mold generally consists of a pouring basin (or pouring funnel) (1), the vertical sprue (2), the horizontal run (3), the gates (4) and the cavity (5) of the casting to be produced.
  • the arrangement for influencing the melt flow consists of a magnet system (6) for generating the magnetic field with associated control unit (7) and optionally a measuring device (8) for determining the mass flow of the molten metal.
  • This device can be used, for example, as an inductive flow meter ( S. Eckert, G. Gerbeth, T. Gundrum, F. Stefani: Velocity measurements in metallic melts, 2005 AMSE Fluids Engineering Division Summer Meeting, Houston, TX, 2005, FEDSM2005-77089 ).
  • the pole faces of the magnet system (6) are to be positioned on the casting mold so that the flow cross section is completely penetrated by the magnetic field and the field lines are preferably aligned perpendicular to the flow direction. It is advantageous to arrange the magnet system at a location where the molten metal will reach the maximum value of velocity when flowing into the mold. In investment casting, for example, this is the end of the vertically arranged sprue (2) before the flow is diverted into the horizontal run (3) . In particular, in the casting of aluminum and aluminum alloys is a Uncontrolled mold filling problematic. In gravity casting, very high flow velocities occur at the beginning of the mold filling, which lead to strong turbulence of the melt and instabilities of the surface layer.
  • the flow rate of the melt also decreases during the course of the process and reaches a certain time, which depends on the shape and the geometric dimensions of the mold, sufficiently small values where additional flow braking is no longer required.
  • the application of a magnetic field no longer improves the casting quality.
  • the following procedure is proposed for braking the melt flow by means of a static magnetic field:
  • the melt flowing into the casting mold from the time t 0 (time at which the melt is poured into the casting pool) up to a time t 1 with a magnetic field of constant amplitude B 0 applied.
  • the time t 1 so that the melt front has already reached the mold cavity (5) and meets at this point to an enlarged flow cross-section.
  • the amplitude of the magnetic field is slowly reduced in a controlled manner. This is preferably done in the form of a linear ramp up to the time t 2 at which the magnetic field reaches zero.
  • the strength of the magnetic field B 0 and the duration of the ramp (t 2 - t 1 ) are the To adapt the nature of the respective mold.
  • the use of the metering device (8) to determine the mass flow of the molten metal during mold filling can provide the necessary measurement data to determine the strength of the magnetic field B 0 , the time t 1 and the duration of the ramp (t 2 -t 1 ) for a given mold set. In a large number of cases, however, it is also sufficient to obtain the information necessary for the control of the magnetic field strength from rough calculations.
  • the initial plateau value B 0 of the static magnetic field results from the material properties of the melt and the geometry of the sprue as follows.
  • the material properties are the density ⁇ , the electrical conductivity ⁇ and the dynamic viscosity ⁇ .
  • the value of B 0 should be in the range of 0.5 to 1.0 Tesla. It is irrelevant whether the magnetic field is achieved by an arrangement of current-carrying coils or permanent magnets. The timing can be done in the former by controlling the current, in the permanent magnet by a mechanical folding away or driving away. The use of superconducting magnets may also be required if the conditions B 0 > B 1 and B 0 > B 2 require this.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeit einer in eine Form einströmenden, flüssigen Metallschmelze beim steigenden Gießen unter Schwerkrafteinfluss durch externe Magnetfelder so zu beeinflussen, dass eine beruhigte Formfüllung unter ausreichender Vermeidung von starken Verwirbelungen der Schmelze und des Auftretens von Instabilitäten der Oberflächenschicht und der einströmenden Schmelzefront erreicht wird. Die technische Lösung beinhaltet, dass die magnetische Induktion B 0 des angelegten Magnetfeldes anfangs mindestens die beiden Werte B 1 = 10/d h ·(·/Ã) 1/2 und B 2 = (ÁU/10Ãd h ) 1/2 übersteigt, wobei Á die Dichte, Ã die elektrische Leitfähigkeit und · die dynamische Viskosität der Metallschmelze, sowie d h den mittleren hydraulischen Durchmesser des Eingusskanals und U die mittlere Einströmgeschwindigkeit der Schmelze bezeichnen, dieser Anfangswert B 0 bis zu einem Zeitpunkt t 1 konstant bleibt, wobei t 1 vorzugsweise so zu wählen ist, dass die Schmelzefront bereits den Formhohlraum erreicht hat, und ab dem Zeitpunkt t 1 die Stärke des Magnetfeldes auf den Wert Null geregelt wird. Gemäß der Anordnung wird ein Magnet am unteren Ende des vertikalen Eingusskanals vor der Umlenkung in den horizontalen Gießlauf angeordnet und mit einer Einrichtung zur Regelung der magnetischen Induktion verbunden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung des Einfüllens einer Metallschmelze in den Formhohlraum einer Gießform. Die Anwendung erfolgt beim steigenden Gießen von Metallen unter Schwerkrafteinfluss in eine Gießform, und betrifft im Besonderen das Feingießen.
  • Es ist allgemein bekannt, dass es beim steigenden Gießen von Metallen unter Schwerkrafteinfluss vorteilhaft ist, wenn die flüssige Metallschmelze mit einer hinreichend geringen Geschwindigkeit in der Gießform strömt, und damit an Umlenkungen und Änderungen des Strömungsquerschnittes keine oder nur geringe, turbulente Verwirbelungen verursacht. Weiterhin ist bekannt, dass die Strömungsfront von Metallschmelzen mit Geschwindigkeiten oberhalb eines Zahlenwertes von 0.5 m/s (J. Campbell: Castings Practice, Elsevier 2004, 15-21) instabil wird und zu Tropfenbildung neigt.
  • Es sind verschiedene Techniken bekannt, um die Formfüllung beim Gießen vorteilhaft zu beeinflussen.
  • DE 10245439 A1 beschreibt die spezielle Ausführung eines Kopfguss-Gießtümpels für Leichtmetallkokillenguss unter Schwerkrafteinfluss. Der Gießtümpel besteht aus einem Schmelzereservoir und einem annähernd horizontal bzw. mit vorgegebenem Gefälle angeordneten Gießlauf. Ziel dieser Erfindung ist es, die Schmelzeströmung zu beruhigen, d.h. durch des Einfüllen der Schmelze in den Gießtümpel entstandene Verwirbelungen zu dämpfen und dafür zu sorgen, dass die Schmelze mit einer möglichst geringen Geschwindigkeit in den Formhohlraum der Gießform einströmt. Unter Nutzung dieser Erfindung ist es allerdings nicht möglich, die oben beschriebenen Probleme zufrieden stellend zu lösen und die Herstellung fehlerfreier Gussteile zu gewährleisten.
  • DE 19720184 A1 schlägt die Verwendung einer den Querschnitt verkleinernden Blende im Gießeinlauf vor, die sich mit fortschreitender Gießzeit selbst verzehrt. Der Grundgedanke besteht darin, dass die Öffnung der Blende am Anfang so gewählt wird, dass nur eine geringe Menge an Flüssigmetall hindurchströmt. Mit fortschreitender Gießzeit vergrößert sich die Öffnung der Blende. Mit zunehmender Füllhöhe der Gießform nimmt die Bremsfunktion ab. Eine Verbesserung der Gussteilqualität wurde nicht nachgewiesen. Es ist festzuhalten, dass das Einbringen der Blende in die Gussformen mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist und, insbesondere im Feinguss, die Herstellung der Gusstrauben erheblich verkompliziert.
  • Im Vergleich dazu erscheint die Verwendung von Gießfiltern vorteilhafter, wie beispielsweise in DE 19859032 A1 beschrieben. Gießfilter dienen vorrangig dazu, Oxidhäute oder andere hoch- schmelzende Verunreinigungen vor dem Eintritt der Schmelze in den Gusskörper zurückzuhalten. Zu beachten ist, dass ein derartiger Gießfilter einen sehr hohen Strömungswiderstand besitzt, der während des gesamten Gießvorganges wirkt. Die Konsequenz ist eine sehr langsame Formfüllung mit deutlich verlängerten Gießzeiten.
  • Eine kontaktlose Möglichkeit zur Beeinflussung der einströmenden Schmelze ist durch Magnetfelder gegeben. Es wurden so genannte Magnetbremsen mit dem Ziel der Reduzierung der Geschwindigkeit des in eine Kokille eintretenden Metallschmelzestrahls bereits für das kontinuierliche Gießen von Stahl oder auch Nichteisenmetallen vorgeschlagen ( DE 69809288 T2 , DE 60000858 T2 , DE 102004046729 A1 ). Diese Vorrichtungen basieren auf einem statischen Magnetfeld in horizontaler Ausrichtung, welches an der Stranggusskokille meist im Bereich der Ausflussöffnung des Tauchrohres angeordnet ist. Im Gegensatz zum Fall des kontinuierlichen Gießens muss die hier vorliegende Erfindung die Diskontinuität und Zeitabhängigkeit des Gießens unter Verwendung einer Gießform berücksichtigen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeit einer in eine Form einströmenden, flüssigen Metallschmelze beim steigenden Gießen unter Schwerkrafteinfluss durch externe Magnetfelder so zu beeinflussen, dass eine beruhigte Formfüllung unter ausreichender Vermeidung von starken Verwirbelungen der Schmelze und des Auftretens von Instabilitäten der Oberflächenschicht und der einströmenden Schmelzefront erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und der Anordnung nach Anspruch 7 gelöst.
    Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils nachgeordneten Patentansprüchen.
  • Die Erfindungen und die daraus für den Gießprozess resultierenden Vorteile werden nachstehend an je einem Ausführungsbeispiel für das Verfahren und die Anordnung näher beschrieben.
    In der zugehörigen Zeichnung zeigen
    • Abbildung 1 die Ansicht der Gießform mit bevorzugter Anordnung des Magnetsystems und Gerät zur Bestimmung des Massenstromes in schematischer Darstellung und
    • Abbildung 2 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Magnetfeldamplitude.
    Ausführungsbeispiel für das Verfahren:
  • Mit dem Verfahren wird die Geschwindigkeit einer in eine Form einströmenden, flüssigen Metallschmelze beim steigenden Gießen unter Schwerkrafteinfluss durch externe Magnetfelder so beeinflusst, dass eine beruhigte Formfüllung unter ausreichender Vermeidung von starken Verwirbelungen der Schmelze und des Auftretens von Instabilitäten der Oberflächenschicht und der einströmenden Schmelzefront erreicht wird.
    Das Magnetfeld wirkt direkt am Gießlauf, vorzugsweise dort, wo die einströmende Schmelze ihre maximale Geschwindigkeit erreicht. Im Magnetfeldbereich wird die Schmelze vorzugsweise in einem rechteckigen Flachkanal geführt. Eine optimale Wirkung wird erreicht, wenn die Magnetfeldlinien senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen.
    Die technische Lösung beinhaltet, dass die magnetische Induktion B0 des angelegten Magnetfeldes anfangs mindestens die beiden Werte B1 = 10/dh·(η/σ)1/2 und B2 = (ρU/10σdh)1/2 übersteigt, wobei ρ die Dichte, σ die elektrische Leitfähigkeit und η die dynamische Viskosität der Metallschmelze, sowie dh den mittleren hydraulischen Durchmesser des Eingusskanals und U die mittlere Einströmgeschwindigkeit der Schmelze bezeichnen. Der Anfangswert B0 der magnetischen Induktion wird bis zu einem Zeitpunkt t1 konstant gehalten, wobei t1 vorzugsweise so zu wählen ist, dass die Schmelzefront bereits den Formhohlraum erreicht hat. Ab dem Zeitpunkt t1 wird die Stärke des Magnetfeldes auf den Wert Null geregelt.
  • Weitere Details zur Ausführung sowie allgemeine Erläuterungen zu Problemen und deren Lösung werden im nachstehenden Ausführungsbeispiel für die Anordnung gegeben.
    • Ausführungsbeispiel für die Anordnung:
  • Eine Gießform besteht im Allgemeinen aus einem Eingusstümpel (oder Eingusstrichter) (1), dem vertikal angeordneten Eingusskanal (2), dem horizontalen Gießlauf (3), den Anschnitten (4) und dem Formhohlraum (5) des herzustellenden Gussteils.
    Die Anordnung zur Beeinflussung der Schmelzeströmung besteht aus einem Magnetsystem (6) zur Erzeugung des Magnetfeldes mit zugehöriger Steuereinheit (7) und optional einem Messgerät (8) zur Bestimmung des Massenstromes der Metallschmelze. Dieses Gerät kann beispielsweise als induktiver Durchflussmesser (S. Eckert, G. Gerbeth, T. Gundrum, F. Stefani: Velocity measurements in metallic melts, 2005 AMSE Fluids Engineering Division Summer Meeting, Houston, TX, 2005, FEDSM2005-77089) ausgeführt sein. Die Polflächen des Magnetsystems (6) sind an der Gießform so zu positionieren, dass der Strömungsquerschnitt vollständig vom Magnetfeld durchdrungen wird und die Feldlinien vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind. Es ist vorteilhaft, das Magnetsystem an einer Stelle anzuordnen, wo die Metallschmelze beim Einströmen in die Gießform den Maximalwert der Geschwindigkeit erreichen wird. Beim Feingießen beispielsweise ist dies das Ende des vertikal angeordneten Eingusskanals (2) bevor die Strömung in den horizontalen Gießlauf (3) umgelenkt wird.
    Insbesondere beim Vergießen von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist eine unkontrollierte Formfüllung problembehaftet. Beim Schwerkraftgießen treten am Beginn der Formfüllung sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten auf, die zu starken Verwirbelungen der Schmelze und Instabilitäten der Oberflächenschicht führen. Ein ständiges Aufreißen der Oxidschicht an der Schmelzoberfläche vergrößert die Kontaktfläche zwischen Al-Schmelze und der Umgebung signifikant und führt damit zu einer verstärkten Oxidation des Flüssigmetalls. Die sich bildenden Oxidhäute werden durch die turbulente Strömung von der Oberfläche ins Innere der Schmelze transportiert. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass sich speziell in der Umgebung der Strömungsfront oder an den Kanalwänden Gasblasen bilden. Verbleiben Gasblasen oder Oxideinschlüsse während der Erstarrung im Gussteil, hat dies eine signifikante Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften zur Folge.
  • Beim steigenden Giessen in Formen unter Schwerkraft resultiert die Einströmgeschwindigkeit aus dem Höhenunterschied der Schmelze im vertikalen Eingusskanal und dem Gussteil. Demzufolge erreicht die Strömungsgeschwindigkeit am Beginn des Gießens, bevor die Schmelze im Gussteil aufsteigt, den maximalen Zahlenwert, der sich im Laufe des Prozesses mit zunehmendem Füllstand reduziert. Da die Gießformen in der Regel höher sind als für das Erreichen der gewünschten, maximalen Geschwindigkeit erforderlich, sind zeitabhängige Maßnahmen zur Beruhigung der Strömung während der Formfüllung notwendig.
    Aus Experimenten zur Untersuchung der Strömung während der Formfüllung ist bekannt, dass in der Anfangsphase des Füllvorganges sehr hohe Spitzenwerte sowie ausgeprägte Schwankungen der Geschwindigkeit auftreten, verbunden mit starken Verwirbelungen der Schmelze sowie einer fontänenhaften Ausbildung der freien Oberfläche der Schmelze. Die Anwendung eines statischen Magnetfeldes ausreichender Stärke bremst die Strömung deutlich ab, reduziert turbulente Schwankungen der Geschwindigkeit und bewirkt ein beruhigtes Einströmen der Schmelze durch die Anschnitte (4) in den Formhohlraum (5). Die Ausschussstatistik entsprechender Gießversuche zeigt unter Einwirkung eines Magnetfeldes eine deutliche Verringerung der Anzahl von Gussfehlern, die auf das Vorhandensein von Gaseinschlüssen und Oxidhäuten in den Gussteilen zurückzuführen sind.
    Die in die Gießform einströmende Metallschmelze weist am Beginn der Formfüllung die größten Geschwindigkeiten auf. Mit der stetigen Abnahme der Höhendifferenz der Flüssigkeitsniveaus zwischen vertikalem Eingusskanal (2) und Formhohlraum (5) verringert sich damit auch im Verlauf des Prozesses die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze und erreicht zu einer bestimmten Zeit, die von der Gestalt und den geometrischen Abmessungen der Gießform abhängt, hinreichend kleine Werte, bei denen eine zusätzliche Bremsung der Strömung nicht länger erforderlich ist. In dieser Phase liefert die Anwendung eines Magnetfeldes keine weitere Verbesserung der Gussteilqualität mehr. Außerdem besteht der Wunsch, die Dauer der Formfüllung zu begrenzen, damit die abgegossene Form weiteren technologischen Prozessschritten, beispielsweise Verfahren zur kontrollierten Erstarrung, zugeführt werden kann, rechtzeitig bevor die Erstarrung der Metallschmelze einsetzt.
    Um die Gießzeit nicht unnötig zu verlängern und einen überflüssigen Verbrauch an elektrischer Energie zur Erzeugung des Magnetfeldes zu vermeiden, ist es sinnvoll, die Wirkungsdauer des Magnetfeldes auf die Anfangsphase der Formfüllung zu begrenzen. Ein abruptes Abschalten des Magnetfeldes bei laufender Formfüllung ist problematisch, da es in diesem Fall je nach Zeitpunkt der Abschaltung zu einer unkontrollierten Beschleunigung der Schmelze kommt, als deren Folge Verunreinigungen und Gasbläschen, die sich an den inneren Wänden der Gießform abgesetzt haben, mitgerissen und in das Innere des Gussteils transportiert werden können. Durchgeführte Gießexperimente belegen eine Zunahme von Gussfehlern, die auf ein abruptes Abschalten des Magnetfeldes zurückzuführen sind.
    Ausgehend von dieser Sachlage wird folgende Vorgehensweise beim Bremsen der Schmelzeströmung mittels statischem Magnetfeld vorgeschlagen: In der Anfangsphase der Formfüllung wird die in die Gießform einströmende Schmelze vom Zeitpunkt t0 (Zeitpunkt, zu welchem mit dem Einfüllen der Schmelze in den Gießtümpel begonnen wird) bis zu einem Zeitpunkt t1 mit einem Magnetfeld konstanter Amplitude B0 beaufschlagt. Es ist vorteilhaft, den Zeitpunkt t1 so zu wählen, dass die Schmelzefront bereits den Formhohlraum (5) erreicht hat und an dieser Stelle auf einen vergrößerten Strömungsquerschnitt trifft. Nach Erreichen von t1 ist die Amplitude des Magnetfeldes in kontrollierter Weise langsam zu reduzieren. Dies geschieht vorzugsweise in Form einer linearen Rampe bis zum Zeitpunkt t2, an dem das Magnetfeld den Wert Null erreicht. Die Stärke des Magnetfeldes B0 und die Dauer der Rampe (t2 - t1) sind der Beschaffenheit der jeweiligen Gießform anzupassen. Die Nutzung des Messgerätes (8) zur Bestimmung des Massenstroms der Metallschmelze während der Formfüllung kann die notwendigen Messdaten liefern, um die Stärke des Magnetfeldes B0, den Zeitpunkt t1 und die Dauer der Rampe (t2 - t1) für eine gegebene Gießform festzulegen. In einer Vielzahl von Fällen ist es aber auch ausreichend, die für die Steuerung der Magnetfeldstärke notwendigen Informationen aus überschlägigen Berechnungen zu gewinnen.
    Der anfängliche Plateauwert B0 des statischen Magnetfeldes ergibt sich wie folgt aus den Materialeigenschaften der Schmelze und der Geometrie des Eingusskanals. Als Materialeigenschaften gehen die Dichte ρ, die elektrische Leitfähigkeit σ und die dynamische Viskosität η ein. Die Geometrie des Eingusskanals geht mit seinem mittleren hydraulischen Durchmesser dh ein, der sich z.B. bei einem rechteckigen Kanal der Seitenlängen a und b als dh = 2ab/(a+b) ergibt. Die Bremswirkung des Magnetfeldes auf die mit einer typischen mittleren Geschwindigkeit U einströmende Metallschmelze erfordert eine anfängliche Amplitude B0, die mindestens die beiden Werte B1 = 10/dh·(η/σ)1/2 und B2 = (ρU/10σdh)1/2 übersteigt. Für den Feinguss von Aluminium-Legierungen und typische Eingusskanäle der Abmessungen 5 × 30 mm2 sollte der Wert von B0 im Bereich von 0.5 bis 1.0 Tesla liegen. Es ist unerheblich, ob das Magnetfeld durch eine Anordnung von stromdurchflossenen Spulen oder Permanentmagneten erzielt wird. Die zeitliche Regelung kann bei ersteren durch Regelung des Stromes, bei den Permanentmagneten durch ein mechanisches Wegklappen oder Wegfahren erfolgen. Auch der Einsatz von supraleitenden Magneten kann erforderlich sein, wenn die Bedingungen B0 > B1 und B0 > B2 dies erfordern.
  • Es wurden insgesamt 216 Teile eines Gehäusegussteils (für den Flugzeugbau) in der Legierung AlSi7Mg lt. Werkstoffleistungsblatt 3.2384.6 gegossen. Davon wurden 144 Teile unter Magnetfeldeinfluss hergestellt. Das Magnetfeld war stets im Bereich der Umlenkung von vertikalem zu horizontalem Gießlauf angebracht. An allen Gussteilen wurde eine Rissprüfung durchgeführt. Diese Bewertung ergab, dass sowohl mit einem permanent anliegenden Magnetfeld als auch mit einem zeitlich begrenztem Magnetfeldeinsatz mit anschließender Reduktion der Feldstärke in Form eines stetigen, linearen Absenkens die Anzahl der mit Gussfehlern behafteten Teile im Vergleich zum Gießen ohne Magnetfeld um mehr als den Faktor 10 reduziert werden kann. Wird das Magnetfeld während des Gießens nicht stetig verringert sondern abrupt abgeschaltet, tritt etwa die doppelte Anzahl fehlerhafter Teile auf, als beim Gießen mit permanent eingeschaltetem Magnetfeld.

Claims (11)

  1. Verfahren zur kontrollierten Formfüllung beim Gießen metallischer Werkstoffe, vorzugsweise zur Beeinflussung der Geschwindigkeit einer in eine Form einströmenden, flüssigen Metallschmelze beim steigenden Gießen unter Schwerkrafteinfluss, insbesondere beim Feingießen von Nichteisenmetallen, unter Verwendung eines statischen Magnetfeldes,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die magnetische Induktion B0 des angelegten Magnetfeldes anfangs mindestens die beiden Werte B1 = 10/dh·(η/σ)1/2 und B2 = (ρU/10σdh)1/2 übersteigt, wobei ρ die Dichte, σ die elektrische Leitfähigkeit und η die dynamische Viskosität der Metallschmelze, sowie dh den mittleren hydraulischen Durchmesser des Eingusskanals und U die mittlere Einströmgeschwindigkeit der Schmelze bezeichnen, dieser Anfangswert B0 bis zu einem Zeitpunkt t1 konstant bleibt, wobei t1 vorzugsweise so zu wählen ist, dass die Schmelzefront bereits den Formhohlraum erreicht hat, und ab dem Zeitpunkt t1 die Stärke des Magnetfeldes auf den Wert Null geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld am unteren Ende des vertikalen Eingusskanals vor der Umlenkung in den horizontalen Gießlauf die einströmende Schmelze wirkt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld senkrecht zur einströmenden Metallschmelze ausgerichtet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze im Bereich des Magnetfeldes in einem flachen Rechteckkanal geführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Magnetfeldstärke vom Maximalwert auf Null in Form eines stetigen, linearen Absenkens ausgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter zur Steuerung der Magnetfeldstärke, im einzelnen die Feldstärke B0, der Zeitpunkt t1 des Beginns der Rückregelung der Feldstärke sowie die Dauer (t2-t1) und die Art der Rampe, aus dem gemessenen Volumenstrom der Metallschmelze derart bestimmt werden, dass die mittlere Geschwindigkeit U der Schmelze zu jedem Zeitpunkt des Gussprozesses den Wert Umax = 10000η/ρdh nicht übersteigt.
  7. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Magnetsystem (6) am unteren Ende des vertikalen Eingusskanals (2) vor der Umlenkung in den horizontalen Gießlauf (3) angeordnet ist und mit einer Steuereinheit (7) zur Regelung der magnetischen Induktion verbunden ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (6) aus Elektromagneten besteht und die Steuereinrichtung (7) als elektronische Regelungseinrichtung zur zeitabhängigen magnetischen Induktion der Spulenströme ausgeführt ist.
  9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (6) aus Permanentmagneten besteht und die Steuereinrichtung (7) als mechanische Vorrichtung zur strömungsabhängigen Lageveränderung der Permanentmagnete ausgebildet ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingusskanal (2) im Bereich des Magnetfeldes als rechteckiger Flachkanal ausgeführt ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messgerät (8) zur Bestimmung des Massenstromes der Metallschmelze im horizontalen Gießlauf (3) eingesetzt und zur automatischen Regelung der Magnetfeldstärke direkt mit der Steuereinheit (7) des Magnetsystems verbunden ist.
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