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Verfahren zur Herstellung von metallischen Gussstücken, wie
Blöcken od. dgl.
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von metallischen Gussstücken, wie Blöcken od. dgl., die eine äquiaxiale Struktur, frei von grösseren Seigerungen aufweisen, insbesondere aus Schnellarbeitsstählen, mit verbesserten physikalischen Eigenschaften.
Es ist bekannt, dass beim Giessen von Metall in eine Form, insbesondere von Stahl oder Stahllegierungen in Blockformen, Seigerungen rund um die Achse des Gussstückes auftreten. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, dass das Metall in der Blockmitte zuletzt erstarrt. Beispielsweise treten bei Hochleistungstählen (Schnelldrehstählen) grobe Kristalle und zusammenhängende Seigerungen von gröberen Karbiden im Kernstück des Blockes auf, so dass das Gussstück im Kern eine unerwünschte Struktur aufweist. Solche Seigerungen treten in den Hochleistungsstählen wegen der Neigung der Legierungskomponenten, wie W, Mo und Cr, zur Ausscheidung in Form grober Kristalle während des Erstarrungsprozesses auf, insbesondere dann, wenn ein hoher Prozentsatz solcher Legierungszusätze in einem Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt zugegen ist.
Um diese nachteilige Beeinflussung der Struktur zu vermeiden, wurden schon verschiedene Vorschlä- ge gemacht, insbesondere in der Richtung, das Temperaturgefälle quer durch das gegossene Metall herabzusetzen. So wurde schon vorgeschlagen die Formen vorzuwärmen, und gemäss einem andem Vorschlag aber auch empfohlen, eine rasche Abkühlung des gegossenen Metalls durch Kühlen der Form zu bewirken, z. B. durch Giessen in wassergekühlte Blockformen aus Kupfer.
Indessen verläuft auch bei Anwendung der vorerwähnten Massnahmen die Abkühlung von den an der Kokillenwand anliegenden Flächen des gegossenen Metalls gegen die Mitte des Gussstückes. Unabhängig von der Abkühlungsgeschwindigkeit finden sich im Kern immer Ansammlungen ausgeseigerter Karbide.
Der Durchmesser dieser Seigerungszone ist jedoch umso kleiner, je rascher die Abkühlung erfolgt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Giessverfahren für Metalle, insbesondere für Hochleistungsstähle, welches das Auftreten der erwähnten unerwünschten Erscheinungen vermindert oder verhindert und ein Gussstück liefert, das über den ganzen Querschnitt die gleiche Struktur wie im Achsenbereich hat und frei von Schrumpfungshohlräumen ist. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Gussstücke haben einen äusserst hohen Grad von Homogenität sowie gleichmässige physikalische Eigenschaften ; die daraus hergestellten Gegenstände sind gleichmässig in der Struktur und weisen daher weniger weiche Stellen und Gussfehler auf.
Nach dem Verfahren gemäss der Erfindung wird das Metall in eine Form gegossen, in deren Giessraum die Seitenflächen aus aluminothermischem Metall bestehen und der Boden aus aluminothermischem oder aus wärmeisolierendem Material gebildet ist, wobei das aluminothermische Material als Baustoff für die ganze Form oder als Formauskleidung verwendet wird.
Durch die Verhinderung der anfänglichen Abkühlung, die normalerweise immer auftritt, wenn geschmolzenes Metall mit den Formenwänden in Berührung kommt, wird die Neigung zur Bildung von Kristallisationskeimen an der Oberfläche der Formenwände zurückgedrängt und der schmelzflüssige Zustand über eine verlängerte Zeitspanne aufrecht erhalten. Diese Verzögerung der Erstarrung ermöglicht eine gleichmässige Abkühlung der gesamten Metallmasse und führt zu einem über den ganzen Querschnitt gleichmässigen, äquiaxialen Gefüge.
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Gemäss einer bevorzugten AusfUhrungsform wird auf die Wände der Form eine Mischung aufgebracht, deren Komponenten miteinander unter Wärmeentwicklung reagieren, wenn sie durch das geschmolzene Metall auf Reaktionstemperatur erhitzt wurden. Diese exothermischen Gemische können die ganze Form bilden, doch wird es im allgemeinen bevorzugt, sie als Futter in die Form einzusetzen. In diesem Fall ist es zur Vermeidung von Wärmeverlusten zweckmässig, die Formen selbst aus wärmeisolierendem Material herzustellen oder zumindest zwischen Formwand und exothermische Mischung eine Schicht aus wärmeisoIierendem Material einzuschalten.
Das exothermische Gemisch kann bekannter Art sein, wie es für Heizhauben und Giessaufsätze verwendet wird. Die bekannten Thermit-Mischungen sind zwar geeignet, jedoch heftig in ihrer Wirkung, so dass langsamer abbrennende Mischungen bevorzugt werden. Solche Mischungen enthalten im wesentlichen ein leicht oxydierbares Metall, wie Aluminium in Pulver-, Körner- oder k1einstl1ckiger Form oder als Kugelmühlenstaub, sowie ein oder mehrere Oxydationsmittel, z. B. Alkalimetallnitrat, Eisenoxyd, Mangansuperoxyd u. a. m. Die Menge des Oxydationsmittels braucht nicht auszureichen, um das gesamte Aluminium zu oxydieren. Die Mischung kann auch eine kleine Menge, z. B. 0,1-15 Gew.-% eines Fluorids enthalten, z. B. ein Alkalimetallfluorid, Na-Al-Fluorid, K-Al-Fluorid. Siliciumfluorid oder Borfluorid.
Diese Zusammensetzungen können iiblicherweise auch Füllstoffe, wie Sand oder ein anderes feuerfestes Material, sowie ein Bindemittel, wie z. B. Sulfitablauge, Gummi arabicum oder Kaolin, enthalten. Diese Mischungen verbrennen unter Hinterlassung eines zusammenhängenden Rückstandes, der hochwärmeisolie- rend wirkt.
Auch andere Arten exothermischer Stoffe können verwendet werden, z. B. kohlenstoffhaltiges Material, wie Holzkohle oder Koks oder mit Öl getränkter Sand.
Da die meisten exothermischen Stoffe Gase entwickeln und manche von ihnen Luftzufuhr brauchen, damit sie entsprechend verbrennen, ist es vorteilhaft, in der Form Kanäle vorzusehen, durch welche Gas entweichen oder Luft eingeführt werden kann.
Zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung wird daher zweckmässig eine Form verwendet, deren Wände mit Abzugskanälen und einer Auflage aus einem wärmeisolierenden, feuerfesten Material, z. B. Sand, versehen sind, wobei die Dicke der genannten Auflage entsprechend den Anforderungen variieren kann. Auch diese Sandschicht wird mit querliegenden Lüftungskanälen versehen, welche mit den Kanälen in den Formenwänden in Verbindung stehen, jedoch auch mit vertikalen Kanälen, welche an der Basis der Auskleidung oder in deren Nähe beginnen und bis zum oberen Rand der Auskleidung reichen. Auf die Oberfläche der Sandauskleidung wird dann eine Lage des exothermischen Materials aufgebracht, vorzugsweise ein solches, welches an Ort und Stelle eingestampft werden kann. Die so erzeugte exothermische Schicht bildet den Forminnenraum.
Anstatt die exothermische Auskleidung in situ zu bilden, kann sie auch vorgeformr sein, entweder in einem Stück oder in Form von Teilstücken, welche in der Form zusammengefügt werden.
Die Sandschicht und die exothermische Ausfütterung werden im allgemeinen getrennt voneinander ge-
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dem exothermischen Material und die zweite aus Sand bzw. einem andern wärmeisolierenden Material besteht.
Beim Eingiessen des Metalls reagiert das exothermische Material und liefert genügend Wärme, um eine anfängliche Abkühlung des Metalls an den Formenwänden zu verhindern und seine Erstarrung zu verzögern. Das exothermische Material hinterlässt nach dem Abbrennen im allgemeinen einen hoch erhitzten Rückstand, der als guter Wärmeisolator wirkt. Da dieser Rückstand sehr lange heiss bleibt, erlaubt er nur eine langsame Abkühlung des Gusses undverhindertso eine grössere Seigerung im Kernstück des Blockes.
Auf diese Weise entsteht ein Gussstück mit einer feinen äquiaxialen Struktur.
Die Dicke der exothermischen und der wärmeisolierenden Schicht kann in weiten Grenzen schwanken, sie hängt in einem gewissen Grad von den wärmeisolierenden Eigenschaften der letzteren ab. Bei Verwendung einer gut wärmeisolierenden Schicht kann eine dünnere exothermische Schicht verwendet werden als bei einer weniger gut wärmeisolierenden Schicht. Wesentlich ist jedoch, dass eine ausreichende Menge exothermisches Material verwendet wird, damit durch die frei werdende Wärme die anfängliche Abkühlung des Metalls bei der Berührung mit den Formenwänden verhindert wird.
Die Gesamtdicke der Verbundschicht aus exothermischem und wärmeisolierendem Material muss ausserdem ausreichend sein, um den Wärmeübergang vom Metall auf die Form auf ein derart niedriges Ausmass herabzudrücken, dass das normale Wachstum säulenförmiger Kristalle von den Formenwänden zum Zentrum des gegossenen Metalls verhindert wird.
Um Wärmeverluste an der oberen Stirnfläche des Gussstückes zu vermindern, wird zweckmässigerweise
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eine isolierende Abdeckung verwendet. Das kann eine Schicht eines w : mneisolierenden Materia1s oder eine exothermische, die Lunkerbildung verhindernde Substanz sein, von der Art, wie sie gewöhnlich in der Giessereipraxis verwendet wird. Derartiges Material wird auf die Oberfläche des Metalls unmittelbar nach Beendigung des Giessvorganges aufgebracht. Aluminium und Oxydationsmittel enthaltende Mischungen erwiesen sich als hiefür sehr geeignet.
Für manche Zwecke reicht es vollkommen aus, dass der Boden der Form nur aus Sand besteht. Es kann
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wände. auszukleiden. Dabei muss aber die exothermische Schicht von einer tragenden Unterschicht gut gestützt werden, da das Gewicht des Giessmetalls darauf lastet. Wenn amBoden keine exothermische Schicht vorgesehen ist, soll die Dicke der Bodenlage, z. B. aus Sand, grösser sein als die der Wände, um Wärmeverlaste an der Basis des Gusses möglichst niedrig zu halten.
Im allgemeinen wird schon beim Giessen auf eine möglichst einwandfreie Oberfläche des Gussstückes
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welchen die Ko-sten einer maschinellen Bearbeitung sehr hoch sind, aus wirtschaftlichen Gründen höchst erwünscht, schon ! beim Guss eine gute Oberfläche zu erzielen, welche die direkte Verwendung oder weitere Verarbeitung des
Gussstückes in dem beim Guss erhaltenen Zustand zulu.
Wo das geschmolzene Metall direkt mit der exothermischen Schicht an den Formenwänden in Berüh- rung kommt, wird der Oberflächjenendzustand des Gussstückes durch dieses Material beeinflusst, und es wurde gefunden, dass die Beschaffenheit der Oberfläche von der Art des verwendeten exothermischen Ma- terials abhängt. Gussstücke, die in einer mit exothermischem Material ausgekleideten Form erhalten wur- den, erfordern gewöhnlich ein Nachschleifen ihrer Oberfläche.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die aus exothermischem Material bestehenden
Innenwände einer Form mit einem dünnen metallundurchlässigen Material abgedeckt, so dass dieses beim
Giessen im direkten Kontakt mit dem Giessmetall steht.
Solche Abdeckungen können z. B. durch Bestreichen der aus exothermischem Material bestehenden
Innenwände mit in einem geeigneten Träger verteilten Stoffen, wie Glimmer, Graphit oder Zement er- halten werden. Als Träger dient z. B. die Lösung eines Harzes in einem flüchtigen Lösungsmittel, wobei das Harz als Bindemittel wirkt. Die Abdeckung kann aber auch aus Karton, Pappe, Papier, Glas, Glas- fasern, Quarzmehl oder aus einer dünnen Metallfolie oder einem feuerfesten Material hergestellt werden, wobei einzelne dieser Materialien auch mit einem die Entflammbarkeit herabsetzenden Mittelbehandelt werden können. Eine besonders feuerfeste Auskleidung kann in der für die Herstellung von Fräzisionsgiess- formen üblicher Art, beispielsweise durch Umkleiden von aus schmelzbarem Wachs oder erstarrtem Queck - silber, erhalten werden.
Die Oberfläche des fertigen Gussstückes ist, wenn eine solche Auskleidung ver- wendet wurde, von besonders hoher Qualität. Eine solche Auskleidung hat eine gute Masshaltigkeit und gro- sse Widerstandsfähigkeit gegen den Angriff des geschmolzenen Metalls, so dass der damit gegossene Me- tallkörper nach einer einfachen Reinigung direkt verwendet oder weiter verarbeitet werden kann.
Die innere Auskleidung kann, wenn erwünscht, zuerst hergestellt und die exothermische Schicht um diese herum eingeführt werden, es kann aber auch die Auskleidung auf die Oberfläche der vorgeformten
Schicht aus der exothermischen Zusammensetzung aufgebracht werden. Wenn das Futter durch Präzisions- formung (Wachsausschmelzverfahren od. dgL) hergestellt wurde, so kann die aus. exothermischem Mate- rial geformte Schicht für eine zweite derartige Präzisionsformung verwendet werden.
Wird eine Abdeckung der exothermischen Schicht verwendet, so muss sorgfältig verhindert werden, dass diese auf das Giessmetall eine Abschreckwirkung ausübt. Es ist deshalb zweckmässig, ein exothermi- sches Material mit niedriger Zündtemperatur zu verwenden, das sich bereits entzündet, wenn das Metall die dünne Innenauskleidung berührt. Es kann auch so eingerichtet werden, dass das exothermische Material bereits gezündet wird, bevor das Metall eingegossen wird, wenngleich dies im allgemeinen nicht bevor- zugt wird.
Die Angabe, dass die Seitenwände der Form mit Lüftungskanälen versehen sind, ist dahin zu ergän- zen, dass solche Lüftungskanäle in der Form selbst nicht notwendig sind, sobald die exothermischen und die Trägerschichten hinreichend mit vertikalen LüftUngskanälen ausgestattet sind.
Das folgende Beispiel dient der Erläuterung der Erfindung :
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: Es wurde eine Blockform mit quadratischem Querschnitt (17, 8 cm Seitenlänge)messer entstand. Diese Schicht war reichlich mit vertikalen Lüftungskanälen versehen. Die Basis der Form war ebenfalls mit Sand ausgekleidet, die Dicke der Auskleidungsschicht über der Basis betrug ein Vielfaches derjenigen der Auskleidung an den Seitenwänden.
Die Sandwände wurden anschliessend mit einer
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SchichtauseinerexothermischenMischungüberzogen (erhältlichunterderHandelsbezeichnung"Feedex"), bestehend aus :
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<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 23. <SEP> Gew.-Teile
<tb> Eisenoxyd <SEP> 5-fitNatriumnitrat <SEP> 10 <SEP> -"- <SEP>
<tb> Fluorid <SEP> 3, <SEP> 5. <SEP> tt- <SEP>
<tb> Bindemittel <SEP> 2-"Füllstoffe <SEP> 56, <SEP> 5
<tb>
Die Dicke der exothermischen Schicht war 1, 6 cm.
Gegossen wurde ein Hochleistungsstalu ; der Giessspiegel wurde mit einer die Lunkerbildung verhindernden Schutzschicht abgedeckt.
Von jedem Ende des gegossenen Blockes wurde ein Querschnitt angefertigt. Beide Querschnitte zeigten bei der mikroskopischen Untersuchung eine feine, gleichmässige äquiaxiale Struktur, frei von üblichen
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Querschnitt des Blockes gleichmässig verteilt.
In einer Abänderung des vorstehenden Beispiels wurde die exothermische Schicht um eine dünne Schicht aus hitzebeständigem Material, die durch Präzisionsformung hergestellt war, eingeformt. Es wurde
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dem ersten Beispiel erhaltenen Block.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist von besonderem Wert bei der Herstellung von Schnellstähle, kann aber allgemein zum Giessen von Metallen und Legierungen, u. zelf, sowohl von Nichteisenmetallen als auch von Eisenmetallen angewendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Gussstücken, wie Blocken od. dgL, die eine äquiaxiale Struktur, frei von grösseren Seigerungen aufweisen, insbesondere aus Schnellarbeiisstählen, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall in eine Form gegossen wird, in deren Giessraum die Seitenflächen aus aluminothermischem Material bestehen und der Boden aus aluminothermischem oder aus wärmeisolierendem Material gebildet ist, wobei das aluminothermische Material als Baustoff für die ganze Form oder als Formauskleidung verwendet wird.