Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gussstücken Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Metallgussstücken, bei denen sich ein in der Schmelze gelöstes Gas aus scheidet und die Bildung von Lunker- und Einfall stellen verhindert.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Mittel zur Durchführung des Verfahrens und auf ein Er zeugnis des Verfahrens.
Zur Herstellung von Gussstücken aus Eisen und Nichteisenmetallen, die frei von Lunkern, Einfall stellen und Rissen sein sollen, ist es bekannt, den Schmelzen in den Tiegeln, Pfannen oder im Vorherd so geringe Mengen von Wasserstoff zuzuführen, wie gerade notwendig ist, um Lunker und Einfallstellen zu vermeiden. Durch die Dosierung wird erreicht, dass beim Erkalten der aus den begasten Schmelzen hergestellten Gussstücke in den Formen, z.
B. in den Kokillen, sich die gelösten Gase im Innern der Gussstücke in poröser Verteilung abscheiden und durch diese Blähung die Entstehung von Lunkern und Einfallstellen verhindert. Die erforderliche Menge an Wasserstoff muss umständlich in Versuchen er mittelt werden. Das Verfahren hat sich nicht bewährt, da es nicht möglich ist, die gesamte Schmelze gleich mässig dosiert zu begasen und die erforderliche do sierte Gaskonzentration in der Schmelze aufrechtzu erhalten.
Auch sind die Gussstücke voll von groben Poren und dadurch in bezug auf ihre Festigkeit und Dichtungs- bzw. Dichtigkeitseigenschaften sowie in bezug auf ihre Bearbeitbarkeit durch spanabhebende Formung minderwertig. Die Erfindung soll die Mög lichkeit geben, die Qualität von Gussstücken weiter zu verbessern, z. B. zu vermeiden, dass sich in den Gussstücken grobe Poren bilden, welche die Festig keit herabsetzen und eine Bearbeitung durch span abhebende Formung verhindert.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man der Schmelze mindestens ein Gas zuführt, das mindestens teilweise in der Schmelze löslich ist oder mit ihr reagiert, wobei die Menge des zugeführten Gases grösser ist als die zur Sättigung der Schmelze mit dem Gas oder Gas gemisch benötigte Menge, und dass sich beim Erkal ten der Schmelze mindestens ein Teil des aufgenom menen Gases oder Gasgemisches aus ihr ausscheidet.
Das Mittel zur Durchführung des erfindungs gemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Giessvorrichtung ist, wobei Teile der Giess vorrichtung mindestens teilweise aus zur Gasdurch leitung geeigneten Körpern bestehen.
Das Erzeugnis gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gussstück ist, in dem sich das im überschuss gelöste Gas in Form von Bläschen ausgeschieden hat.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind einmal darin zu sehen, dass die starke Begasung sämt liche Oxyde und Schlacken, beispielweise auch in Leichtmetallschmelzen, Verunreinigungen, wie Oxyde, Carbide und dergleichen, auflöst oder an die Ober fläche spült, an der sie abgekratzt werden können. Kommen gemäss einer Ausführungsform der Erfin dung als Begasungsgas Wasserstoff oder Wasserstoff enthaltende Gase zur Verwendung, so üben diese ausserdem in vielen Schmelzen eine reduzierende Wirkung aus. Der Guss wird durch Auflösen oder Herausspülen der Verunreinigungen korrosionsfester. Zugleich wird der Entmischung von Legierungsbe standteilen entgegengewirkt.
Die gereinigte Schmelze ist mit dem Begasungsgas übersättigt. Beim Erstarren in der Form scheidet sich dieser Wasserstoff in fei nen, nicht miteinander zusammenhängenden mikro skopisch kleinen Bläschen und nicht in groben Poren aus. Während nach dem Stand der Technik ein grob poriges Gefüge entsteht, soll die Erfindung ein Ge füge mit allerfeinsten kugelförmigen Bläschen, die nicht zusammenhängen, bewirken, so dass das Werk stück vollständig luftdicht bleibt. Der austretende, in den Bläschen gefangene Wasserstoff presst die noch plastischen, aber durch Abkühlung für den nunmehr molekular vorliegenden Wasserstoff dichten Aussenschichten der Gussstücke in die feinsten Kon turen einer Form.
Dadurch wird das Gussstück ausser ordentlich formgetreu und glatt und ist von Schwund spannungen praktisch frei. Auch kann infolge der durch die Gasausscheidung erreichten Blähwirkung der Steigeanteil auf ein Mindestmass herabgesetzt werden.
Um einen möglichst hohen überschuss der ge lösten Gase in der Schmelze Gaskonzentration zu erreichen, wird gemäss einer Ausführungsform der Erfindung die Begasung der Schmelze unmittelbar vor dem Vergiessen und während des Vergiessens, z. B. auch in den Giessformen, aufrechterhalten. Man kann mit dem gleichen Ziel die Begasung auch im Giessstrahl selbst, z. B. durch in der Ausflussöffnung des Ofens oder am Ausguss von Tiegeln oder der gleichen angebrachte Einführungsorgane, vornehmen.
Die Begasung kann auf verschiedene Weise mit ver schiedenen Stoffen, das heisst Gasen und Gasbildnern, vorgenommen werden. Wasserstoff und Wasserstoff enthaltende Gase eignen sich besonders für Alumi nium und andere Leichtmetallschmelzen sowie für Eisen und Eisenlegierungen.
Die Gaseinführung kann beispielsweise durch eine bewegte Lanze erfolgen. Es können der Schmelze aber auch Stoffe zugesetzt werden, die sich bei den physikalischen Bedingungen der Schmelze unter Gas entwicklung zersetzen, wie beispielsweise die salz artigen Hydride, die festen Kohlenwasserstoffe und ähnlich wirkende Verbindungen.
Um eine möglichst hohe Gaskonzentration in der Schmelze zu erzielen, kann die Schmelze mit Porös körpern, z. B. keramischen, graphitartigen oder kohlekeramischen Poröskörpern, in Form von Roh ren oder Platten in Berührung gebracht und in die Schmelze eingeführt werden. Es empfiehlt sich dabei, die Porenweite der Poröskörper der Oberflächen spannung der Schmelzen anzupassen und dadurch ein Eindringen der Schmelze in die Poren der Porös körper bei Unterbrechung der Begasung zu verhin dern.
Die durch die Verwendung von Poröskörpern erreichten Vorteile bestehen darin, dass bei der Zufüh rung von Begasungsgas durch Poröskörper das Bega- sungsgas in einer sehr grossen Anzahl von feinsten Gasperlen in die Schmelze eintritt, wodurch für die Aufnahme des Begasungsgases in der Schmelze eine sehr grosse Oberfläche zur Verfügung steht.
Die für die Aufnahme des Begasungsgases durch Diffusion zur Verfügung stehende Oberfläche ist ausserdem wesentlich grösser als die Oberfläche der Schmelze des Begasungsbades, aus der das gelöste Gas wieder herausdiffundiert. Man kann so die Konzentration des gelösten Gases in der Schmelze wesentlich höher einstellen als nach bekannten Verfahren. Ausserdem lässt sich eine gleichmässige Verteilung des Begasungs- gases in der Schmelze durch hinreichend grosse Porös körper erreichen.
Ein weiterer Vorteil der Begasung durch Porös körper besteht darin, dass sie mit einfachen Vorrich tungen durchführbar und daher auch kleinen Giesse reien zugänglich ist. Während Düsen, die zum Be- gasen von Schmelzen verwandt werden, leicht ver stopfen, ist dies bei Verwendung von Poröskörpern nicht zu befürchten.
Verfahren und Vorrichtung der Erfindung sollen anschliessend anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise näher erläutert werden. Dabei zeigen: Fig. 1, 2 und 3 verschiedene Formen eines Giess löffels, Fig. 4, 5 und 6 verschiedene Ausführungen von Giesstiegeln, Fig. 7 und 8 Trichter, die für Giessformen oder Öfen geeignet sind, Fig. 9 und 10 verschieden ausgeführte Giess pfannen.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Giesslöffel 1 sind mit Poröskörpern 2 ausgerüstet, welche die Zu führung eines Begasungsgases in den Giesslöffel 1 hinein ermöglichen. Gemäss Fig. 1 befindet sich ein Poröskörper 2 oberhalb des Bodens 3 des Giess löffels 1. Das Gaszuführungsrohr 4 ist durch den Boden 3 hindurchgeführt und über den Handhabungs griff 5 des Giesslöffels 1 an eine Gasquelle, beispiels weise an eine Wasserstoffflasche, angeschlossen.
Um eine gleichmässige Verteilung des Begasungsgases in den Poröskörpern 2 und ein über den Querschnitt gleichmässiges Austreten des Begasungsgases aus der Poröskörperoberfläche zu erzielen, ist innerhalb des selben eine in der Figur angedeutete Verteilerkammer 6 angebracht. Die Porösität des Körpers 2 ist auf der Oberseite kleiner als auf der Unterseite, da die Bläschen, die aus der Unterseite austreten, eine län gere Verweilzeit in der Schmelze besitzen als die aus der Oberseite austretenden.
Gemäss Fig. 2 kann ein Poröskörper 2 an der Oberseite auch vollständig geschlossen sein. Fig. 3 lässt erkennen, dass Boden und Wand des Giesslöffels mit Poröskörpermaterial 2 ausgekleidet sein können, wobei diese Poröskörper- wandungen 2 wiederum von einer Verteilerkammer 6 umgeben sind. Die Zuführung des Begasungsgases in die Verteilerkammer 6 erfolgt auch in diesem Falle durch den Boden 3 des Giesslöffels 1 hindurch.
In ähnlicher Weise wie bei den beschriebenen Giesslöffeln ist die Anordnung bei den Giesstiegeln 7 gemäss den Fig. 4, 5 und 6 möglich. Fig. 4 zeigt einen Giesstiegel 7 mit einem Poröskörper 2, der in bezug auf seine funktionelle Wirkung dem in Fig. 1 dargestellten Poröskörper 2 entspricht.
Eine Ausführungsform eines Giesstiegels 7 mit teilweise porösen Wandungen 2 zeigt die Fig. 5, bei der allerdings die Zuführung des Begasungsgases durch ein durch die Schmelze hindurchgeführtes Tauchrohr 8 und nicht durch den Boden hindurch vorgenommen wird. Das Tauchrohr 8 mündet in einer Verteilerkammer 6 und ist beispielsweise ein Keramikrohr oder ein Poröskörper. Gemäss Fig. 6 kann der gesamte Giesstiegel 7 mit Poröskörperwan- dungen 2 gebildet sein, wobei wiederum das Porös körpermaterial, beispielsweise ein keramischer Werk stoff, von Verteilerkammern 6 umgeben ist, in welche das Begasungsgas eintritt.
Um die Begasung bis unmittelbar vor dem Ver giessen und noch im Giessstrahl aufrechtzuerhalten, werden die Trichter 9 und 10 für Giessformen bzw. Öfen, wie sie in den Fig. 7 und 8 dargestellt sind, ver wendet. Auch in diesem Falle sind die Poröskörper 2 von Verteilerkammern 6 umgeben, in welche das Begasungsgas eingeführt wird.
Erfolgt das Giessen aus Stopfenpfannen, wie sie die Fig. 9 und 10 im Ausschnitt darstellen, so erfolgt die Zuführung durch den Stopfen 11 oder mittels in der Ausflussöffnung 12 angeordneten Poröskörpern 2. Die Ausführungsform nach Fig. 9 kann man wählen, wenn bei Einleitung der Begasung noch kein Material in der Pfanne 13 ist und das Begasungsgas ein brenn bares Gas ist, welches vor der Einfüllung des Mate rials in die Pfanne zur Vermeidung von Explosionen angezündet wird.
Die Ausführung nach Fig. 10 wählt man zweckmässigerweise dann, wenn bei Einleitung der Begasung mit brennbarem Gas bereits Material in der Pfanne 13 ist. In beiden Fällen ist die Giess pfanne 13 durch einen Stopfen 11 verschlossen, wel cher in der Mitte ein Zuführungsrohr 14 für das Begasungsgas aufweist. In dem einen Falle ist der Stopfen 11 unten durch einen Poröskörper 15 ver schlossen und ausserdem ein Poröskörper 2 in der Ausflussbohrung angebracht.
Im andern Fallei (Fig.9) befindet sich ein Poröskörper 2 im Bereich der Aus flussöffnung.
Zur Durchführung der Begasung ist es gewöhn lich vorteilhaft, Poröskörper und Gasdruck und da mit die Grösse der Begasungsgasblasen in der Schmelze so zu wählen, dass die Aufenthaltszeit der aus den Poröskörpern austretenden Begasungsgas- blasen in der Schmelze ausreicht, um die Gasblasen vollständig aufzuzehren. Für diesen Zweck können, falls man zur Einführung Poröskörper verwendet, deren Poren zur Schmelzenoberfläche und z.
B. Tiegel- oder Pfannenboden hin gerichtet sind, solche Porös körper verwendet werden, deren Porenweite zur Schmelzenoberfläche hin geringer ist als die Poren weite zum Tiegel- oder Pfannenboden hin. Die aus der Unterseite austretenden Gase treten dann zwar in grösseren Perlen in die Schmelze ein, jedoch ist ihre Aufenthaltszeit in der Schmelze im Vergleich zu der Aufenthaltszeit der aus der Oberseite der Porös körper grösser, so dass eine Aufzehrung auch dieser verhältnismässig grossen Gasblasen erfolgen kann, und Spritzer durch aus der Oberfläche austretende Gasblasen vermieden werden.
Man kann das Bega- sungsgas auch erhitzt zuführen, was besonders vor- teilhaft ist, wenn das Begasungsgas in der Schmelze dissoziiert und durch Zuführung dissoziierten Bega- sungsgases die Diffusionsgeschwindigkeit bzw. Ab sorptionsgeschwindigkeit des Gases in die Schmelze hinein erhöht werden kann. Zur Erzielung einer Dissoziation bzw. zur Beheizung des Begasungsgases können erhitzte oder auch beheizte Poröskörper Ver wendung finden, deren Temperatur höher gewählt werden kann als die Temperatur der Schmelze.
Wenn es sich um eine Begasung mit brennbaren Gasen handelt, beispielsweise bei Leichtmetallschmel zen mit Wasserstoff oder Wasserstoff enthaltenden Gasen, kann man leicht sicherstellen, dass die Schmelze so viel wie möglich an Begasungsgas auf nimmt, und zwar dadurch, dass es über der Schmelze, in die es von unten eingeführt wird, angezündet und zur fortlaufenden Verbrennung gebracht werden kann. Dadurch wird auch die Explosionsgefahr be seitigt.
Das Begasungsgas richtet sich bezüglich seiner Zusammensetzung nach der zu behandelnden Schmelze. Vorzugsweise wird man, wie es an sich bekannt ist, für Aluminium- und Leichtmetall-Legie- rung Wasserstoff und Wasserstoff enthaltende Gase wählen. Es empfiehlt sich auch für Eisen und Eisen legierungen, das heisst für die Herstellung von Grau guss- und Stahlguss-Stücken, Wasserstoff zu verwen den.
Wenn man ausserdem eine Verminderung des Gehaltes der Eisen- bzw. Eisenlegierungsschmelze erreichen will, kann man auch eine Vorbehandlung der Schmelze mit Sauerstoff vornehmen und danach erst den Wasserstoff einführen.
Man kann das Begasungsgas auch aus der Verga sung von Holzbestandteilen, Torf oder dergleichen gewinnen. In einfacher Weise und für viele Zwecke ausreichend, kann man sogar zur Durchführung einer Überschussbegasung einen geeigneten Holzstamm vor und während des Giessens in die Schmelze einführen, vorzugsweise so, dass beim Giessen aus Tiegeln mit Schöpflöffeln das Holz in der Schmelze bleibt und angesetzte Holzkohle von Zeit zu Zeit beseitigt wird.
Wenn Gussstücke, beispielsweise aus Aluminium oder andern Leichtmetallen, welche später eloxiert oder spanabhebend bearbeitet werden sollen, mit einer auch nach der Bearbeitung vollständig glatten Oberfläche hergestellt werden sollen, kann dies da durch erreicht werden, dass man die mit Begasungs- gas beladene Schmelze in fortlaufend beheizte For men, z. B. Kokillen, eingiesst.
Das Verfahren erlaubt die Herstellung der ver schiedensten gegossenen, gespritzten oder auch ge pressten sowie geschleuderten Gussstücke aus Werk stoffen, wie Leichtmetall, Grauguss, Buntmetall und dergleichen. Insbesondere erlaubt das Verfahren aber auch das Eingiessen von metallischen Gegenständen in Umhüllungsmetall. Dazu werden die im überschuss mit lösbaren Gasen, vorzugsweise Wasserstoff, bela dene Schmelzen in der beschriebenen Weise in For men zum Eingiessen metallischer Gegenstände einge gossen oder eingespritzt.
Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Kokillengussstücken mit eingegossenen metallischen Gegenständen, wie Pleuelstangen, Gehäuse von Elektromotoren mit ein gegossenen Blechpaketen und dergleichen. Die einzu giessenden Gegenstände werden in Kokillen einge setzt und mit überschuss begasten Schmelzen einge gossen oder eingespritzt. Man kann die zu -umhüllen den Gegenstände vorwärmen und gegebenenfalls mit Kokillenschlichte isoliert in die Kokillen einsetzen. Bei diesem Verfahren ist die Abwesenheit von Schwund- oder Schrumpfspannungen als Folge der Überschussbegasung besonders wichtig.
Auch beim Sandguss in feuchten oder nassen For men kann vorteilhaft mit überschüssig begasten Schmelzen gearbeitet werden. In diesem Fall wird mit dem Giessvorgang zugleich ein Abschranken, be sonders an der Oberseite der Gussstücke, erzielt, wodurch eine Gefügeverbesserung, beispielsweise ein Härtungsgefüge bei der Herstellung von Eisen-Guss- stücken, erreicht werden kann.