DE1290663B

DE1290663B - Kokille zum Giessen geschmolzenen Metalls

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Publication number: DE1290663B
Application number: DEF24661A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-12-20
Filing date: 1957-12-20
Publication date: 1969-03-13

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kokille zum Gießen geschmolzenen Metalls.
Es ist bereits bekannt, schmelzbare Stoffe, z. B. Metalle, Glas, thermoplastische Kunststoffe od. dgl., in geschmolzenem Zustand in eine Form bzw. Kokille zu gießen, die aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen Schmelzpunkt über der Temperatur des zu vergießenden Werkstoffes liegt. Der Nachteil des Gießens mit einer solchen Kokille besteht darin, daß die Oberfläche des Gußstückes immer die Rauhigkeit der Form annimmt. Außerdem brennt der Gießwerkstoff oftmals an der obersten Lage der Kokille fest. Diesen Nachteil hat man dadurch zu beseitigen versucht, daß die Oberfläche der Kokille mit einem Material abgedeckt wurde, das sehr feinkörnig ist und sich entweder nur schwer mit dem Gießwerkstoff verbindet oder dessen Verbindung mit dem Gießwerkstoff keine nachteilige Wirkung auf die Oberfläche des fertigen Gußstückes ausübt. Diese meist in sehr dünnen Schichten flüssig- auf die Oberfläche der Kokille aufgebrachten Materialien sind unter der Bezeichnung »Formschlichten« bzw. »Kokillenschlichten« bekannt. Da sich derartige Schlichten der rauhen Oberfläche der Kokille anpassen und selbst eine gewisse Korngröße aufweisen, führt auch diese Methode nicht zu völlig einwandfreien Gußstückoberflächen. Schließlich ist es zur Erzielung einer möglichst glatten Gußstückoberfläche auch bekannt, in der Kokille eine anorganische Salzschlichte aus Chloriden oder Sulfaten, beispielsweise aus Natriumchlorid und Kaliumchlorid, zu verwenden, deren Schmelzpunkt unterhalb des Metallschmelzpunktes liegt. Dabei muß allerdings dafür gesorgt werden, daß diese Schlichte beim Gießen viskos bzw. flexibel, d. h. bewegbar ist, so daß sie die Unebenheiten der Kokillenoberfläche fortlaufend überspült. Diese Schlichtenbewegung wird beim Rotationsgießen in derartigen Kokillen durch relativ hohe Zentrifugalkräfte erzielt, so daß dieses Verfahren nur beim Rotationsguß anwendbar ist. Dabei wird verlangt, daß die Schlichte als sehr dünne Haut ausgebildet ist, so daß sie durchgehend im fließfähigen Zustand verbleibt und dieses Uberspülen der Unebenheiten der Kokillenoberfläche gestattet. Die Beschränkung einer solchen Kokille auf Rotationsguß und die Schwierigkeiten, die dann auftreten, wenn an sämtlichen Kokillenoberflächen lediglich dünne, durchgehend fließfähige Salzschlichten in Bewegung gehalten werden sollen, stellen einen erheblichen Nachteil dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese 'Nachteile auf einfache Weise zii beseitigen.. So soll eine Kokille geschaffen werden, die nicht nur für Rotationsgießverfahren anwendbar ist und die gestattet, daß einerseits glatte Gußstückoberflächen erzielt werden können und daß andererseits das zumindest örtliche Uberhitzen von Kokillenteilen trotz großem Temperaturspektrum des Gießmetalls verhindert wird.
Die Erfindung besteht darin, daß die Dicke der Salzschlichte mit einer im Vergleich zum Kokillenmaterial niedrigen Wärmeleitfähigkeit in bezug zur Wärmeableitung von der Kokille so gewählt ist, daß sich beim Gießen nur eine Teilschicht der Salzschlichte im flüssigen, die andere, unmittelbar an der Kokille anliegende Teilschicht dagegen im erstarrten, festen Zustand befindet. Die Kokille und die Salzschlichte sollen folgenden Beziehungen genügen: Die in diesen Beziehungen verwendeten Terme gelten für folgende Größen: T, = Schmelzpunkt der Kokillenschlichte, T- = Temperatur der Kokille bei Anwesenheit von Schmelze, T", = Schmelzpunkt des gegossenen Metalls, K = Wärmeleitfähigkeit des Kokillenmaterials, K", = Wärmeleitfähigkeit des gegossenen Metalls, t!", = Schmelzwärme des gegossenen Metalls, " = Dichte des Kokillenmaterials, @I", = Dichte des Metalls, wenn im festen Zustand, Cr = spezifische Wärme des Kokillenmaterials, spezifische Wärme des gegossenen Metalls, Zahlenfaktor, der die Gleichungen (1) und (1I) miteinander verbindet, e oder erf = Fehlerfaktor; (Tabellengröße).
Bei der Erfindung findet ein automatischer Ausgleichseffekt statt, indem die Zustandsgrenze zwischen der flüssigen und der festen Teilschicht der Salzschlichte sich mehr oder weniger weit von der Kokillenoberfläche in Richtung zur Gießmetallgrenzfläche hinwegbewegt, ohne daß die Salzschlichte während des Gießens vollständig sich im flüssigen Zustand befindet, so daß diese von einzelnen Kokillenteilen hinweggeschwemmt werden kann, und ohne daß sich die Salzschlichte während des Gießverfahrens vollständig im festen Zustand befindet, so daß der zur Glättung der Gußstückoberfläche zweckdienliche Fließeffekt der Salzschlichtengrenzfläche fortfällt. Die speziellen Beziehungen zwischen Kokille und Salzschlichte geben dem Fachmann unmittelbar eine Lehre, wie er Salzschlichte bzw. Kokille an das verwendete Gießmetall anzupassen hat, um ohne umständliche Versuche zur Lösung der obenerwähnten Aufgabe zu gelangen.
Der Effekt der flüssigen Grenzschicht der Salzschlichte nach der Erfindung kann bei Glas- oder Emailleschlichten nicht erreicht werden, da sie selbst im erweichten Zustand noch nicht flüssig sind. Insofern ist die Erfindung auch bezüglich solcher Schlichten wesentlich fortschrittlicher, selbst wenn diese beim Aufschmelzen auf die Kokillenoberfläche im Vergleich zur relativ rauhen Kokillenoberfläche glatter ausgebildet werden können.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei freiem Wärmeaustausch die Beziehung zwischen dem Gewicht des Stückes und dem Gewicht des Kokillenmaterials derart gewählt ist, daß die Gleichung erfüllt ist.
Falls die Kokille durch eine Flüssigkeit gekühlt wird, die unterhalb der Kokillenoberfläche entlangfließt, empfiehlt sich die folgende Bemessung: Die in diesen Beziehungen verwendeten Terme beziehen sich auf folgende Größen: T, = Oberflächentemperatur des Kokillenmaterials der flüssigkeitsgekühlten Kokille, F = Wärmedurchgangszahl der Kokille einschließlich der Schlichte, t5 - Dicke der Schlichte, h, = W1 rtneleitfähigkeit der Schlichte und L. == Dicke des Kokillenmaterials zwischen seiner die Schlichte tragenden Oberfläche und seiner Fläche, von der die Hitze durch ein Kühlmittel abgeleitet wird. Als Kokillenmaterial eignen sich insbesondere Kupf; r, Aluminium und Silber sowie deren Legierungen oder ein ähnlich gut wärmeleitfähiges Material. Als Salzschlichte zeichnet sich Bariumchlorid durch besondere Vorteile aus.
Es ist zweckmäßig, die Kokille beim Gießen von Stahl, Kupfer oder einem ähnlich hochschmelzenden Metall auf einer Temperatur von mindestens etwa 120"C unterhalb des Schmelzpunktes der Salzschlichte zu halten.
Durch die Erfindung wird gewährleistet, daß sich vorzügliche GußstUickoberflächcn gießen lassen und daß sich Teile des Gußstückes nicht durch örtlich überhitzte oder örtlich zu sehr abgekühlte Kokilleriwandungsteile im Gefüge gegenüber den anderen Gußstückteilen zu sehr unterscheiden. Es ist klar, daß die Salzschlichte in geschmolzenem Zustand mit dem Gießmaterial unmischbar ist und mit diesem und auch mit dem Kokillenmaterial chemisch nicht reagiert. Der Siedepunkt der Salzschlichte muß über der höchsten in Frage kommenden Gießtemperatur liegen. Derartige Forderungen sind bereits beim Gießen plattenförmiger Gegenstände zwischen zwei flüssigen Schichten, deren spezifische Gewichte über bzw. unter dem spezifischen Gewicht des Gießwerkstoffes liegen, erhoben worden. Dabei ist es .jedoch nicht möglich, andere als plattenförmig ausgebildete Gegenstände irn Gießverfahren herzustellen.

Es wurde festgestellt, daß anorganische Salze allein oder mit anderen Stoffen zur Herstellung vorn Gußstücken gemäß der Erfindung geeignet sind. Im folgenden werden eine Reihe von geeigneten Salzen aufgeführt.

i Schmelz- Siede-

Spezifisches

Punkt Punkt Gewicht

C C

Bariumchlorid ...... 925 1560 3,86

Bariumfluorid ...... 1280 2137 4,83

Cadmiumfluorid .... 1I 1100 1758 6,64

Calciumclilorid ..... 772 1600 2,51

Kttp%r(1)-chlorid . . . . 422 1366 3,53

Blei{Il)-chlorid ..... r 501 950 5,85

Bleifluorid . . . . . . . . . . 855 1290 8,24

Lithitimbromid ..... 547 1265 3,46

Lithitimchlorid ...... ä 613 1353 2,07

Magnesiumchlorid .. 708 1412 2,32

Magnesitunfluorid ... 1396 2239 2,9 bis 3,2

Kaliumbromid .... . . 730 1380 2,75

Kaliumchlorid ....:. 776 1500 1,984

Kaliumfluorid ...... J 880 1500 2,48

Silberchlorid . . . . . . . . ä 455 1550 5,56

Natriurricblorid ..... 801 1413 2,16

Natriumcyanid ... «.. 564 1496 ---

Die Berechnung der Dicke der Salzschlichte erfolgt nach den obengenannten Regeln. Dabei ist das Wärmegefälle in der Salzschlichte so zu berechnen, daß bei maximaler Gießtemperatur die Schmelztemperatur des Werkstoffes der Salzschlichte im Bereich unter der am Gußstück anliegenden Oberfläche unterschritten wird, d. lt., daß auch bei maximaler Temperatur auf keinen Fall die gesamte Dicke der Salzschlichte in flüssigen Zustand übergeführt wird. Die flüssige Zone der Salzschlichte soll sich vielmehr nach Möglichkeit im gesamten zu betrachtenden Temperaturbereich, d. h. in der Temperaturspanne zwischen maxirealer Gießtemperatur und Erstarrungstemperatur des Gießwerkstoffes, auf eine relative dünne Oberflächenschicht an der dem Gußstück zugewandten Seite der Salzschlichte beschränken. Dabei ist durch entsprechende Auswahl des Werkstoffes und der Dicke der Salzschlichte die Geschwindigkeit der Wärmeabgabe in weiten Grenzen und damit auch die Gefügeausbildung im Gußstück weitgehend beeinflußbar. Durch entsprc,chcnde Anordnung der Mitte zur Wärmeabführung, z. B. der Kühlschlangen oder z. B. von Kühlrippen an der Außenseite der Kokille, ist es auch bei komplizierten Gußstücken möglich, eine gleichmäßige Abkühlung und damit eine gleichmäßige Ausbildung des Gefüges im ganzen Werkstück imabhängig von seiner Form zu erreichen. Andererseits ist es möglich, bestimmte Teile des Gußstückes, die ein härteres oder weicheres Gefüge aufweisen sollen als die übrigen Teile des Gußstückes, durch entsprechende stärkere Wärmeabführung schneller abzukühlen rund damit ein anderes Gefüge als im übrigen Gußstück herzustellen.

Bei der Berechnung der Grundformen kann die Wärmeabführung aus diesen auch so gering ausgelegt werden, daß der Wärmeaustausch in erster Linie in einer Abgabe der Wärme aus dem Gußstück an die Kokille erfolgt. Dabei soll in den meisten Fällen durch entsprechende Berücksichtigung der beiderseitigen Massen und der spezifischen Wärme des Gießwerkstoffes und des Werkstoffes der Kokille die Endtemperatur des gesamten Komplexes unterhalb des Schmelzpunktes des Werkstoffes der Salzschlichte liegen. Das Gießverfahren mit der erfindungsgemäßen Kokille weist eine erhebliche Anzahl von Vorteilen auf. Diese Vorteile liegen einmal in einer erheblichen Verbesserung der Oberfläche des Gußstückes. Zum anderen ist aber auch die Wärmeabführung gleichmäßig und genau einstellbar. Insbesondere ist es möglich, mit Gießbedingungen zu arbeiten, die denen des Kokillengießverfahrens naheliegen, ohne dessen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Das Aufbringen der Salzschlichte in die Kokille erfordert nicht mehr Arbeit als das Aufbringen von Schlichte in eine normale Kokille. Ein weiterer erheblicher Vorteil liegt in der Möglichkeit des leichten und schnellen Ausformens. Dabei kann z. B. durch Drosselung der Wärmeabführung nach dem Erstarren des Gußstückes durch den dabei eintretenden Wärmestau die Salzschlichte zum Schmelzen gebracht und das Gußstück dadurch sehr leicht auch aus komplizierten Formen ausgeformt werden. Durch das durch die geringe Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes der Schlichte bedingte große Wärmegefälle in dieser ist die thermische Belastung der Kokille außerordentlich gering, und ein chemischer Angriff der Kokille durch den Gießwerkstoff ist durch die gasdichte Salzschlichte unterbunden. Die Kokille hat daher eine erheblich längere Lebensdauer als Kokillen bei den bekannten Kokillengießverfahren.
Die Lunkerbildung durch Gasaufnahme ist durch die gleichmäßige Abkühlung von außen nach innen weitgehend unterbunden. Auch darin liegt ein erheblicher Vorteil der Erfindung.
Die Anwendung der Gleichungen (1), (11) und (III) nach der Erfindung ist im einzelnen durch die unten angeführten Beispiele erläutert. Bei diesen Beispielen werden für die einzelnen Gußformen, die zur Erörterung herangezogen werden, Bariumchlorid als haltendes Material und Kupfer bzw. Stahl als Unterlagematerial verwendet. Kupfer und Stahl sind die Schmelzgüter, die zum Zwecke der Erläuterung ausgewählt wurden.

Die Lösung der Gleichung (I) ergibt den Wert für »n« mit 0,66 für das Gießen von Stahl und mit 0,34 für das Gießen von Kupfer, und zwar unter derartigen Bedingungen, daß die Oberflächentemperatur der Salzschlichte 960°C nicht überschreitet. Die Werte für die anderen Zahlen der Gleichung (II), welche die Unterlage der Kokille kennzeichnen, sind wie folgt:

Gegossener Stahl Gegossenes Kupfer

Formunterlage Formunterlage

T", [° C] 1482 1082

C, [kcal/kg ° C] 0,047 0,031

H", [kcal/kg] 66,7 49

n 0,66 0,34

9 [kg/m3] 7370 8810

K o Cp 3220 25600

Die Werte für die Zahlen der Gleichung (II) für das gegossene Material sind wie folgt:

Beispiel l Die Anwendung der Gleichungen (I) und (II) zur Bestimmung des Hitzeabsorptionsvermögens, das in einer massiven Kokille zur Ausführung eines gegebenen Gießverfahrens erforderlich ist, kann durch ein Verfahren dargestellt werden, bei welchem Stahl in eine Kokille gegossen wird, die eine Salzschlichte aus Bariumchlorid aufweist und nach jedem Gußvorgang auf 38°C gekühlt werden muß, wobei die Temperatur der Form bei jedem Gußvorgang bis zum Schmelzpunkt der aus Bariumchlorid bestehenden Salzschlichte 960°C ansteigen darf. Diese Bedingungen sind außergewöhnlich, da es im allgemeinen unpraktisch ist, die Kokille auf 38°C zu kühlen, und die zulässige Höchsttemperatur von 960- C keinen Sicherheitsfaktor für das Verfahren schafft. Das Einsetzen der entsprechenden Werte in Gleichung (II) führt zu Da K", e. C. = 3220 ist, muß K e Cp 2440 übersteigen. K p Cp für Kupfer ist 25 600, so daß dieses gut innerhalb des Verwendungsbereiches liegt. KoCp für Stahl ist 3220 und liegt damit knapp innerhalb des Bereiches der Verwendungsmöglichkeit, so daß bei dem Verfahren kein Sicherheitsfaktor vorhanden ist, wenn eine verhältnismäßig niedrige anfängliche Kokillentemperatur zur Anwendung kommt. Stahl ist deshalb als Unterlagematerial einer Kokille, die zum Gießen von Stahl verwendet werden soll, unpraktisch. Beispiel 2 Der Einbezug eines Sicherheitsfaktors bei der Auswertung des Beispiels 1, nämlich durch Begrenzung der maximalen Temperatur, auf welche das Schlichtematerial der Kokille ansteigen kann, auf 816- C (T = 816-'C), um einen Unterschied von 127-C zwischen dieser Temperatur und dem Schmelzpunkt der aus Bariumchlorid bestehenden Salzschlichte der Kokille zu schaffen, reduziert die Gleichung (1I) auf den Wert K g Cp = 4730. Aus diesem Grunde kann Stahl mit einem KoCp von 3220 nicht mit Sicherheit als tragendes Material einer Kokille für das Gießen yon Stahl verwendet werden, selbst wenn eine verhältnismäßig niedrige anfängliche Kokillentemperatur von 37,8°C zur Anwendung kommt. Dieses Ergebnis bestätigt den Schluß, der aus Beispiel l gezogen werden muß. Beispiel 3 Die Anwendung der Formeln (I) und (II) zur Bestimmung des Hitzeabsorptionsvermögens, das in einer massiven Kokille zum Gießen von Kupfer erforderlich ist, möge weiterhin an Hand eines Verfahrens erörtert werden, bei welchem Kupfer in eine Kokille gegossen wird, die Bariumchlorid als Salzschlichte hat und bei dem eine anfängliche Kokillentemperatur (T) von 37,8°C angewendet wird, und zwar unter Sicherheitsbedingungen, welche das Durchschmelzen der Salzschlichte (T, = 816°C) ausschließen. Das Einsetzen der entsprechenden Werte in Gleichung (1I) reduziert diese auf den Wert K p CP = 11660. Aus diesem Grunde muß beim Gießen von Kupfer das Hitzeabsorptionsvermögen der Kokille (KgCn) 11660 übersteigen. Stahl mit seinem K o CP von 3220 ist für die Verwendung als tragendes Material für die Kokille, die bei diesem Vorgang zur Anwendung gelangt, nicht geeignet, während Kupfer selbst mit einem K o CP von 25600 vollkommen dafür geeignet ist. Beispiel 4 Um die Kupfermenge festzulegen, die als Kokillenträger in einer massiven Gußform beim Gießen von Stahl zur Anwendung kommen soll, müssen die folgenden Werte in Gleichung (III) eingesetzt werden: T", = 816 C Dieses Einsetzen ergibt eine Verhältniszahl von Somit kann 0,45 kg Stahl für jedes Kilogramm Kupfer in die Kokille gegossen werden, das als haltendes Material für die Kokille verwendet wird, wenn keine Hitze auf irgendwelche Weise der Kokille, z. B. durch Strahlung oder Abkühlung an der Luft, verlorengeht. Im Falle einer Barrengußform, die eine Kupferauflage in der Form einer Hülle besitzt, mit welcher ihre inneren Flächen überzogen sind, und einer Salzschlichte, wie z. B. Bariumchlorid, geht Hitze durch Strahlung von den äußeren Flächen der Kupferhülle verloren und gestattet das Gießen von 1 kg Stahl für jedes Kilogramm Kupfer, das in der tragenden Hülle enthalten ist.

Claims

Patentansprüche: 1. Kokille zum Gießen geschmolzenen Metalls, die mit einer anorganischen Salzschlichte versehen ist, deren Schmelzpunkt unterhalb des Metallschmelzpunktes liegt, d a d u r c h g e k e n n -zeichnet, daß die Dicke der Salzschlichte mit einer im Vergleich zum Kokillenmaterial niedrigen Wärmeleitfähigkeit in bezug zur Wärmeableitung von der Kokille so gewählt ist, daß sich beim Gießen nur eine Teilschicht der Salzschlichte im flüssigen, die andere unmittelbar an der Kokille anliegende Teilschicht dagegen im erstarrten, festen Zustand befindet, indem die Kokille und Salzschlichte folgende Beziehungen erfüllen: unter Berücksichtigung folgender Größen: T = Schmelzpunkt der Kokillenschlichte, T = Temperatur der Kokille bei Anwesenheit von Schmelze, T", = Schmelzpunkt des gegossenen Metalls, K = Wärmeleitfähigkeit des Kokillenmaterials, K", = Wärmeleitfähigkeit des gegossenen Metalls, H", = Schmelzwärme des gegossenen Metalls, E) = Dichte des Kokillenmaterials, = Dichte des Metalls, wenn in festem Zustand, Cp = spezifische Wärme des Kokillenmaterials, CP", = spezifische Wärme des gegossenen Metalls, n = Zahlenfaktor, der die Gleichungen (1) und (II) miteinander verbindet, e oder erf = Fehlerfaktor; (Tabellengröße).
2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei freiem Wärmeaustausch die Beziehung zwischen W" = dem Gewicht des Gußstückes und , W = dem Gewicht des Kokillenmaterials derart gewählt ist, daß die Gleichung erfüllt ist.
3. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Flüssigkeitskühlung der Kokille T = Oberflächentemperatur des Kokillenmaterials der flüssigkeitsgekühlten Kokille, F = Wärmedurchgangszahl der Kokille einschließlich der Schlichte, t., = Dicke der Schlichte; K, = Wärmeleitfähigkeit der Schlichte und L = Dicke des Kokillenmaterials zwischen seiner die Schlichte tragenden Fläche und seiner Fläche, von welcher die Hitze durch ein Kühlmittel abgeleitet wird, derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Gleichungen erfüllt sind.
4. Kokille nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kokillenmaterial Kupfer, Aluminium, Silber bzw. deren Legierungen oder ein ähnlich gut wärmeleitfähiges Material dient.
5. Kokille nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Salzschlichte Bariumchlorid dient.
6. Kokille nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille beim Gießen von Stahl, Kupfer oder einem ähnlich hochschmelzenden Metall auf einer Temperatur von mindestens etwa 120°C unterhalb des Schmelzpunktes der Salzschlichte gehalten ist.