DE2403426A1

DE2403426A1 - Verfahren und einrichtung zur herstellung von gussteilen

Info

Publication number: DE2403426A1
Application number: DE2403426A
Authority: DE
Inventors: Lothar Norman Hocking
Original assignee: L N HOCKING TAPLOW MAIDENHEAD; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: L N HOCKING TAPLOW MAIDENHEAD; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1973-11-05
Filing date: 1974-01-23
Publication date: 1975-05-07
Also published as: JPS5075120A; SE7413742L; FR2249733A1; CH564393A5; FR2249733B1; US3998264A; GB1492057A; JPS548447B2; SE407164B; CA1049222A

Description

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. Baden (Schweiz) L. N, Hocking, Taplow, Maidenhead, Berkshire, G.B.

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Gussteilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischer Gussteile, insbesondere in Schalenformen, bei welchem eine Metalladung in einem Schmelztiegel durch Hochfrequenzheizmittel erwärmt und geschmolzen wird und über einen Bodenablauf des Schmelztiegels in eine Gussform abfliesst; ferner betrifft sie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

509819/0241

Zu den Giessverfahren für die Herstellung von Präzisionsgussteilen bis zu ²JO kg Gewicht zählt heute vorwiegend der Feinguss, auch Präzisionsguss genannt. Durch das übliche Vorheizen der Gussformen wird das Ausfüllen der Formhohlräume erleichtert und eine Abschreckung des Gussstückes an dessen Oberfläche vermieden. An den Randzonen stellt sich dabei das gleiche Feingefüge ein wie im Kern; dadurch sind diese Verfahren besonders geeignet zur Herstellung dünnwandiger Gussteile, also solcher mit geringem Volumen und grosser Oberfläche.

Es ist ein Verfahren bekannt, bei welchem das Schmelzgut entweder in Pulver-, Sinter-, Würfel- oder Klumpenform in einem Schmelztiegel mit Hochfrequenzheizmitteln geschmolzen wird und über einen Bodenablauf in eine Gussform abläuft (GB-PS 798,772). Allerdings fliesst hierbei schon während der Verflüssigungsphase die Schmelze in die Form ab. Dies hat zum einen den Nachteil, dass insbesondere die für dünnwandige Gussteile ein wichtiges Kriterium bildende Ueberhitzung der Schmelze nicht ohne Hilfsmittel möglich ist; in der gezeigten Einrichtung sind wegen der Unzulänglichkeit des Schmelzraumes einfache'Hilfsmittel wie Giessstöpsel nicht anwendbar. Zum andern wird einer für einwandfreie Abgüsse erforderlichen schnellstmöglichen Giessgeschwindigkeit keine Rechnung getragen.

509819/0241

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung metallischer Gussteile zu schaffen, mit welchem qualitatif hochwertige Gussteile als Seriengut gefertigt werden können.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mit der Verflüssigung der sich in dem vertikal angeordneten Schmelztiegel untergebrachten Metalladung an deren oberen Ende begonnen wird, die sich bildende.Schmelze in einen Spalt zwischen Metallladung und Bodenablauf des Schmelztiegels abfliesst und dort erstarrt und erst nach völligem Aufschmelzen der Metalladung und nach Erreichen einer über der Schmelztemperatur liegenden Giesstemperatur die Schmelze schlagartig in die Gussform geleitet wird.

Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sogar äusserst verwickelt gestaltete, dünnwandige Gussteile ohne zusätzliche Verfahrensschritte und ohne Inanspruchnahme von Hilfsmitteln mit einer einfachen, bekannten Einrichtung hergestellt werden können. Durch einfache Steuerung des Schmelzvorganges ist die jeweils erforderliche, insbesondere von der Grosse und den Abmessungen des zu giessenden Teiles abhängige Ueberhitzungstemperatur, im vorliegenden Falle die Giesstemperatur, optimal einstellbar. Zudem kann durch Grössenvariation des Bodenablaufs die jeweils günstigste Giessgeschwindigkeit, - ein sehr wichtiger Parameter hin-

509819/0241

sichtlich Gussqualität -..gewählt werden. Schliesslich sei noch die gute Durchmischung der ganzen Schmelze durch die

stark quirlende Badbewegung erwähnt.

Da verschiedene Metalle und Metallegierungen bei höheren Temperaturen und im flüssigem Zustand lebhaft mit Sauerstoff und Stickstoff reagieren, ist es zweckmässig, den Schmelz- und Giessvorgang unter Vakuum zu vollziehen.

Ferner ist es angebracht, eine Gasaufnahme des schmelzenden Metalles durch Schmelzen und Giessen unter einer Schutzgasatmosphäre zu unterbinden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist ein Bestreichen der Oberfläche des schmelzenden Metalles mit einem gerichteten Strahl Reduktionsgas, z.B. Propan oder Butan, vorgesehen.

In Fällen, wo nur eine schwache Konzentration an Reduktionsgas angebracht ist, kann dieses mit einem chemischträgen Gas vermischt sein.

Alle aufgeführten Verfahrensschritte dienen einer Qualitätsverbesserung der Schmelze und des Gussteiles, Insbesondere die Schutzgasatmosphäre und das Bestrahlen der Schmelze mit

509819/0241

einen Strahl Reduktionsgas.¹- ermöglichen die Bindung und den Entzug der in der Schmelze entstehenden Gase, während das Vakuum eine Verschäumung der Schmelze beim Giessen verhindert, eine saubere. Formfüllung begünstigt und damit die unvermeidliche Ausschussquote erheblich herabsetzt.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem im Innern eines Schmelz- und Giessgehäuses über einer Gussform vertikal angeordneten, mit einem Bodenablauf versehenen Schmelztiegel, welcher von der Hochfrequenzheizwicklung umgeben ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelztiegel an der Innenwand eine feuerfeste* Auskleidung trägt und sowohl zwischen der Auskleidung und der zu schmelzenden Metallladung als auch zwischen derselben und dem Bodenablauf der Spalt vorgesehen ist. ■

Es ist zweckmässig, die Auskleidung des Schmelztiegels aus einem kompressiblen Material, z.B.-Steinwolle, zu fertigen und leicht auswechselbar zu gestalten.

Die Vorteile der erfindungsgemässen Einrichtung sind unter anderem die einfache Lösung, anhand des im erwähnten Spalt erstarrenden Materials den Bodenabflussdes Schmelztiegels zu verschliessen, ferner diesen vor einem Bruch dadurch zu schützen, dass die kompressible Auskleidung die Ausdehnung

509819/0241

des sich erwärmenden Schmelzmaterials kompensiert.

Ausserdem ist es vorteilhaft, die den vertikal angeordneten Schmelztiegel umgebende Hochfrequenzheizwicklung derart zu gestalten, dass zum oberen Ende des Schmelztiegels hin die Windungen zwecks vermehrter Wärmeabgabe enger gewickelt sind. Hierdurch setzt mit Bestimmheit die Verflüssigung am oberen Ende der Metalladung ein, ohne dass dazu zusätzliche Steuermittel verwendet werden müssen.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Einrichtung sind drei Anschlüsse am Schmelz- und Giessgehäuse vorgesehen, und zwar jeweils einer für die Evakuierung des Schmelz- und Giessraumes, für die Einführung eines Schutzgases sowie für die Zufuhr eines auf die Oberfläche des schmelzenden Metalles zu richtenden Reduktionsgases.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist die Möglichkeit, in einem und demselben Gerät je nach Bedarf entweder unter Vakuum und/oder Schutzgasatmosphäre zu schmelzen und giessen und/oder eine gezielte Desoxydation der Schmelze mittels zirkulierendem Reduktionsgas vorzunehmen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand als eine bei-

spielsweise Ausführung vereinfacht dargestellt.

509819/0241

Alles zum unmittelbaren Verständnis der Erfindung nicht notwendiges, in der Beschreibung jedoch erwähntes Zubehör, wie der Hochfrequenzgenerator, die Vakuumpumpe, die mechanische Wechselvorrichtung sowie die Kühleinrichtung sind in der Zeichnung fortgelassen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schmelz- und Giesseinrichtung im Längsschnitt

Fig. 2 eine Abwandlung der Einrichtung gemäss Fig. 1 in einem Ausschnitt. *

Nach Fig. 1 ist in der wassergekühlten, aus faserverstärktem Epoxydharz gefertigtenund den Giessraum umschliessenden Giesskammer 1 ein käfigartiger Formträger 2 untergebracht, dessen Gestaltung der einfachen Handhabung der oft unterschiedliche Formen und Dimensionen aufweisenden Gussformen dient. Die Gussform 3 ist eine Feinguss-Schalenform mit aufgesetztem Einlauftrichter. Auf dem am Formträger 2 befestigten Tiegelhalter 4 stützt· sich der vertikal angeordnete, zylindrische Schmelztiegel 5 auf, dessen Bodenablauf 6 sich über dem Einlauftrichter der Gussform 3 befindet. Die zylindrische Innenwand des Schmelztiegels 5 ist mit einer feuerfesten

' Auskleidung 7 versehen, welche aus zusammendrückbarer Stein-

509819/0241

•f.

wolle besteht und leicht austauschbar, ist, In dem Schmelztiegel. 5 ist das Schmelzgut untergebracht, z.B. die stangenförmige, 15 kg schwere, zylindrische Metalladung 8, deren Abmessungen so gewählt sind, dass zwischen ihr und der Auskleidung 7 der ringförmige Spalt § von mindestens 1 mm Breite besteht.

Die mit dem Schmelzgut bestückte Giesskammer 1 wird mit einer mechanischen Wechselvorrichtung an die ebenfalls wassergekühlte, den Schmelzraum umschliessende Schmelzkammer 10 angehoben. Beim Kuppeln der beiden Kammern wird der Schmelz-
und Giesszyklus ausgelöst, was Von Hand aus oder automatisch
durch Betätigung einer nichtgezeigten Schalteinrichtung, z.B. eines Endschalters, erfolgen kann.

Die an der Schmelzkammer 10 angebrachte Hochfrequerzbeizwicklung 11 wird von einem Hochfrequenzgenerator gespeist,
wobei z.B. bei 200 kW Heizleistung pro Minute eine 5 kg
schwere Metalladung 8 geschmolzen werden kann. Ihre Windungen sind über die ganze Höhe des Schmelzraumes mit von unten nach oben hin abnehmendem Abstand angeordnet j,hierdurch wird erreicht, dass unabhängig von der Höhe der zu schmelzenden
Metalladung 8 die Verflüssigung auf jeden Fall an deren oberen Ende zuerst einsetzt. Dieses nun zu oberst geschmolzene Material fliesst in den Spalt 9 zwischen der Auskleidung 7 und dem

509819/0241

zu diesem Zeitpunkt noch festen Teil der Metalladung 8 ab und .verfestigt sich an deren unterem Ende erneut. Damit ist der Bodenablauf 6 des Schmelztiegels 5 gegen nachfliessende Schmelze verschlossen. Die durch die zunehmende Erwärmung des unteren Endes der Metalladung 8 bedingte Ausdehnung derselben wird nun, da der Spalt mit erstarrtem Material aufge-, füllt ist, von der zusammendrückbaren Auskleidung 7 kompensiert] es wirken folglich keine durch die Materialausdehnung bedingte Druckkräfte auf den Schmelztiegel 5» so dass für diesen keine Bruchgefahr entsteht.

Durch die spezielle Anordnung dei' Hochfrequenzheizwicklung 11 erreicht das untere, den Bodenablauf 6 verschliessende Material erst die Schmelztemperatur, wenn die übrige Schmelze um etwa 30°C überhitzt ist. Nach vollständigem Schmelzen fliesst die 15 kg schwere Ladung innerhalb von etwa 2 Sekunden durch den Bodenablauf 6 in die Schalenform ab. Etwaige aus der Schmelze ausgeschiedene Schlacke bleibt an der Auskleidung 7 hängen. Schmelz- und Giessablauf können durch ein am oberen Ende der Schmelzkammer 10 angebrachtes Sichtglas 17 kontrolliert und .überwacht werden. Nach vollzogenem Giessvorgang senkt die mechanische Wechselvorrichtung die Giesskammer 1 ab, dreht sie aus der Längsachse der Einrichtung ab und führt eine zweite bestückte Giesskammer 1 mit einem beschickten Schmelztiegel 5 unter die Schmelzkammer 10, hebt

5098 1 9/0241

■^LSJ Oil /7

sie an und kuppelt die beiden Kammern miteinander, worauf ein neuer Zyklus beginnt. Es versteht sich, dass jeweils beim Abfliessen der Schmelze in die Gussform 3 die Heizung abstellt.

Die mit der hochfrequenten Beheizung verknüpfte, stark quirlende Schmelzbewegung bietet eine grosse Badoberflache, wodurch die Schmelze für eine Gasaufnahme anfällig ist. Eine solche kann durch Anwendung der bekannten Vakuum-Entgasung vermindert werden.

Nach dem Kuppeln der beiden Kammern 1 und 10, welche gegen die Atmosphäre mit dem O-Ring 12 abge*dichtet sind, wird gleichzeitig mit dem Heizbeginn über den Vakuumanschluss 13 mittels einer nicht gezeigten Vakuumpumpe der Schmelz- und Giessraum evakuiert, im vorliegenden Fall in etwa 20 Sekunden auf 0,01 bar. Wie beim bekannten Vakuumschmelzen, bei welchem das Vakuum während der Verflüssigungsphase aufrechterhalten wird, bleibt auch beim vorliegenden Verfahren während der ganzen Schmelzphase die Vakuumpumpe in Betrieb, wodurch die der Schmelze entweichenden Gase laufend abgesaugt v/erden. Beim Vergiessen kann überdies eine wesentlich erhöhte Giessgeschwindigkeit erzielt werden, - Versuche ergaben bei 15 Kilo Schme'lze eine Ablauf zeit von etwa 0,5 Sekunden gegenüber etwa 2 Sekunden beim Giessen unter Atmosphärendruck -, da beim Ausströmen aus dem Bodenablauf 6 in die Gussform 3 keine

-Ii-

Luft und/oder Gase aus dem Formhohlraum zu verdrängen sind. Letzteres wird beim Giessen unter Atmosphärendruck sehr erschwert ιdurch die starke Expansion der betreffenden Luft und/ oder Gase beim Aufheizen derselben durch das in den Pr^gphohlraum eintretende Schmelzgut.

Der Forderung riach einwandfreien Abgüssen, wonach beim Giessen in einer bestimmten, möglichst kurzen Zeit eine bestimmte Menge Schmelze und mit ihr eine gewisse Wärmemenge durch das Eingiesssystem in den Formhohlraum der Gussform 3 eingebracht werden muss, ist damit Genüge getan.

Ein weiteres Verfahren zur Qualitätsverbesserung der Schmelze und des Gusses ist das Einschmelzen und Giessen unter einer Schutzgasatmosphäre, welche allein oder wie im vorliegenden Beispiel zusammen mit dem Vakuumschmelz- und Giessverfahren angewandt werden kann.

Nachdem die beiden Kammern 1 und 10 miteinander gekuppelt und die Heizung sowie die Vakuumpumpe eingeschaltet sind, werden über den Schutzgasanschluss 14 mit einem neutralen, indifferenten Gas, beispielsweise Argon oder Helium die letzten Luftrückstände aus dem Schmelz- und Giessraum gespült und eine reduzierte Schutzgasatmosphäre aufgebaut. Die Gefahr, dass schädliche, vergasende Stoffe in die Schmelze gelangen, ist damit auf ein Minimum reduziert.

Die zwei genannten Verfahren zur Qualitätsverbesserung der Schmelze und des Gusses dienen insbesondere einer Schmelz-

5G98 1 9/0241

reinigung durch Entfernung unerwünschter Gase. Zur Erzielung einer besonders reinen Schmelze, aus welcher ohne Schlackenbildung Reaktionsprodukte, insbesondere Oxyde entfernt werden sollen, ist ein Verfahrensschritt vorgesehen, welcher entweder allein oder zusammen mit einem oder beiden vorher beschriebenen Verfahren durchgeführt werden kann. Kurz vor Schmelzbeginn wird über den Gasanschluss 15 ein Reduktionsgas in den Schmelzraum eingeführt und mittels dem Verlängerungsrohr 16 auf die Metalladung 8 gerichtet. Während der ganzen Schmelzpnase bestreicht ein Strahl Reduktionsgas die schmelzende und quirlende Oberfläche und reduziert damit wirkungsvoll die erst beim Schmelzen entstehenden Oxyde.

Ist ein Metall oder eine Metallegierung zu schmelzen, zu deren Oxydreduktion es nur einer geringen Konzentration an Reduktionsgas bedarf, so kann dieses mit einem chemischträgen Gas gemischt werden.

Metalladungen mit Legierungselementen, die nicht auf eine Reduktion der Oxyde mittels Gas eingehen, können mit einer dünnen Schicht Kohlenstoff umgeben werden, welcher während des Schmelzvorganges als Reduktionsmittel wirkt. In Versuchen hat sich eine Schicht aus kolloidalem Graphit als hervorragend geeignet erwiesen.

509819/0241

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung, nämlich eine automatische Steuerung aller Verfahrensschritte ist vorgesehen, um Gussteile von gleichbleibender Qualität herzustellen» In einem derart folgegesteuerten Schmelz- und Giesszyklus unterliegen alle zu fertigenden Gussteile denselben optimalen.Bedingungen. Als weiterer Vorteil ist der hierdurch bedingte Entfall der zum Auslösen und Anhalten der einzelnen Verfahrensschritte notwendigen manuellen Eingriffe zu werten; die Zeit eines Schmelz-und Giessablaufes kann auf ein Minimum reduziert werden.

Ein hinsichtlich Zeitdauer und Qualität des Gussteiles optimaler Schmelz- und Giesszyklus wird dann erzielt, wenn das Gewicht der zu schmelzenden Metalladung der Auslegung der Hochfrequenzheizung entspricht. In Fällen, in welchen beispielsweise das Verhältnis Metallgewicht zu Heizleistung äusserhalb des Auslegungsbereiches liegt, kann es zu einem verfrühten Abfliessen der Schmelze kommen; dies kann durch einfaches Anordnen des Giessstöppsels 18 im Bodenablauf 6 des Schmelztiegels 5 verhindert werden (Fig.2), wobei das Material des Giessstöpsels vorzugsweise das gleiche ist wie jenes des Schmelzgutes, falls die Schmelze die gleiche Ueberhitzungstemperatur wie beim Auslegungsverhältnis erreichen soll. In der gezeigten Anordnung befindet sich der Giessstöpsel 18 unterhalb der Wirkzone der Hochfrequenzheizwicklung 11. Es ist unbedingt darauf zu achten, dass sich zwischen Giessstöpsel 18 und dem unteren Ende der Metalladung8

509819/0 241

ein Spalt befindet. Bei einer solchen Anordnung wird der Giessstöpsel 18 erst nach völligem Aufschmelzen vom stark quirlenden, überhitzten Schmelzgut abgetragen und gibt den Bodenablauf 6 frei.

Um die gewünschte gesteuerte Zonenschmelzung zu erzielen, lässt sich die Windungsanordnung der Hochfrequenzwicklung auch gemäss Fig. 2 gestalten, wonach die erste, sich über die ganze Höhe des Schmelzraumes erstreckende Heizwicklung 11 einen gleichmässigen Windungsabstand aufweist, und um welche die zweite, weniger Windungen aufweisende Spule 19 angeordnet ist, welche sich entweder nur am oberen Ende des Schmelzraumes befindet oder längs demselben verschiebbar ist; dies ist besonders günstig bei unterschiedlichen Tiegel- bzw. Metallladungshöhen.

509819/0241

Claims

-rf. 2403A?6/7

Pat. entansprüche

1. Verfahren zur Herstellung metallischer Gussteile, insbesondere in Schalenformen·, bei welchem eine Metalladung in einem Schmelztiegel durch Hochfrequenzheizmittel erwärmt und geschmolzen wird und über einen Bodenablauf des Schmelztiegels' in eine Gussform abfliesst, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Verflüssigung der sich in dem vertikal angeordneten Schmelztiegel (5) untergebrachten Metalladung (8) an deren*oberen Ende begonnen wird, die sich bildende Schmelze in einen Spalt (9) zwischen Metalladung (8) und Bodenablauf (6) des Schmelztiegels (5) abfliesst und dort erstarrt und erst nach völligem Aufschmelzen der Metalladung (8) und nach Erreichen einer über der Schmelztemperatur liegenden Giesstemperatur die Schmelze schlagartig in die Gussform (3) geleitet wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelz- und GiessVorgang unter Vakuum vollzogen wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass · der Schmelz- und Giessvorgang unter einer Schutzgasatmosphäre vollzogen wird.

5 09819/0241 -*

• ORlGiHAL INSPECTED

- -3-ί. - 94/73 D

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schmelzvorganges ein Strahl eines Reduktionsgases auf die Oberfläche der Metalladung (8) gerichtet wird.

5. Verfahren nach Anspruch ¹J,. dadurch gekennzeichnet, dass

.das Reduktionsgas mit einem chemischträgen Gas gemischt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelz- und Giessvorgang nach einer automatischen Folgesteuerung abläuft.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,mit einem im Innern eines Schmelz- und Giessgehäuses über einer Gussform vertikal angeordneten, mit einem Bodenablauf versehenen Schmelztiegel, welcher von der Hochfrequenzheizwicklung umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelztiegel (5) an der Innenwand eine feuerfeste Auskleidung (7) trägt und sowohl zwischen der Auskleidung (7) und der zu schmelzenden Metalladung (8) als auch zwischen derselben und dem Bodenablauf (6) der Spalt (9) vorgesehen ist.

8;- Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die feuerfeste Auskleidung (7) des Schnelztiegels (5) aus

509819/0241

- Hf - ■ 94/73 D

einem kompressiblen Material besteht.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die feuerfeste Auskleidung (7) des Schmelztiegels (5) aus Steinwolle besteht.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die den Schmelztiegel (5) umgebende Hochfrequenzheizwicklung (11) zum oberen Ende des Schmelztiegels (5) hin einen sich ständig verringernden Windungsabstand aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 7_S dadurch·gekennzeichnet, dass der Bodenablauf (6) des Schmelztiegels (5) mit einem Giessstöpsel (18) versehen ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Giessstöpsel (18) aus dem gleichen Material besteht wie die Metalladung (8).

13. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzkammer (10) mit einem an die Vakuumpumpe anschliessbaren Vakuumanschluss (13) versehen ist.

Ik. Einrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzkammer (10) mit einem Reduktionsgasan-

509819/0241

- yfi - 94/73 ο

Schluss (15) und einem damit verbundenen, in das Innere des Schmelztiegels (5) gerichteten Verlängerungsrohr (16) versehen ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet,

dass die Giesskammer (1) mit einem Schutzgasanschluss versehen ist.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

9819/02