DE19710887C2 - Verwendung einer Kokille zum Herstellen von Barren aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung, insbesondere aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kokille zum Herstellen von Barren aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung, insbesondere aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung mit einem Durchmesser von 60 bis 400 mm.

Das Herstellen von Leichtmetall-, insbesondere von Magnesium-Barren erfolgt nach heutigem Stand der Technik üblicherweise dadurch, daß Gießstränge mit großem Durchmesser, vorzugsweise 400 bis 600 mm Durchmesser mittels bekannter Stranggießverfahren gegossen werden, wie sie beispielsweise in der UK-Patentschrift 492 216 beschrieben sind. Hierbei wird Schmelze in eine kurze, wassergekühlte Kokille gegeben, und der aus der Kokille austretende Strang wird durch Besprühen mit Wasser oder durch Eintauchen in ein Wasserbad bis zum vollständigen Erstarren abgekühlt. Danach muß eine spanende Bearbeitung der Oberfläche der Gießstränge zur Beseitigung der Gußrandschale erfolgen. Schließlich wird der Gießstrang durch Strangpressen auf die gewünschten Abmessungen des Barrens gebracht.

Die Bezeichnung der so gefertigten Barren ist "Pre-ex (Pre-extruded) Barren".

Der konventionelle, wassergekühlte Strangguß von Magnesium oder Magnesiumlegierung ist bei kleinen Formaten wegen der damit verbundenen Explosionsgefahr nicht geeignet.

Nachteile des Standes der Technik sind insbesondere:

• - Eine ungünstige Ausbringung durch die lange Prozeßkette:
  • 1. Das Stranggießen von Gießsträngen mit großem Durchmesser mit etwa 80% Ausbringung.
  • 2. Die spanende Bearbeitung mit etwa 90% Ausbringung.
  • 3. Das Strangpressen auf die gewünschten Abmessungen des Barrens mit etwa 70% Ausbringung.
    Das ergibt dann insgesamt eine Ausbringung von nur etwa 50%.

Die Folgen sind ein äußerst hoher Energieverbrauch für den Fertigungsprozeß und zusätzlich für die Wiederaufbereitung des Rücklaufmaterials.

• - Weiterhin entsteht ein hoher Energieverbrauch durch den notwendigen Betrieb einer Strangpresse, die für das Strangpressen der großformatigen Barren eine Preßkraft in der Größenordnung um 10.000 t und mehr aufweisen muß. Da Strangpressen in dieser Größenordnung nur an wenigen Stellen in der Welt betrieben werden, ergibt sich daraus die Tatsache, daß nur wenige Firmen weltweit in der Lage sind, diese "Pre-ex"-Barren zu fertigen.
• - Ein weiterer Nachteil dieses mehrstufigen Verfahrens liegt darin, daß kleinere Bedarfsmengen nicht wirtschaftlich gefertigt werden können. Auch kurzfristige Bedarfsdeckungen sind wegen des mehrstufigen Verfahrens nicht möglich.

Barren aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung, insbesondere aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung können zwar für Versuchszwecke mit herkömmlichen Gießtechniken, z. B. im Sandgießverfahren hergestellt werden. Die Gefügeeigenschaften sind jedoch wegen der äußerst geringen Erstarrungsgeschwindigkeiten für die Weiterverarbeitung, insbesondere das Strangpressen ungünstig. Eine Einzelfertigung erfordert einen sehr hohen manuellen Aufwand für die Formherstellung sowie die Weiterverarbeitung des Gußrohlings. Der Gußrohling muß vom Anguß- und Laufsystem befreit werden und rundum auf das Fertigmaß für die Weiterverarbeitung bearbeitet werden. Durch das großvolumige Anguß- und Steigersystem sowie die spanende Bearbeitung ergibt sich auch für das Sandgießverfahren eine sehr geringe Ausbringung in der Größenordnung um etwa 50%. Für eine Serienfertigung von Barren ist das Sandgießverfahren somit nicht geeignet.

In der deutschen Patentschrift 525 514 ist ein Verfahren zum Gießen von Barren und Blöcken aus Aluminium und seinen Legierungen beschrieben, bei dem das Füllen der Kokille innerhalb der Heizzone eines Gießmantels erfolgt, worauf die gefüllte Kokille der fortschreitenden Erstarrung entsprechend allmählich in die Kühlzone des Mantels gesenkt wird. Dabei besteht der obere Teil im Bereich der Heizzone aus wärmeisolierendem Material, während der untere Teil der Kühlzone aus wärmeabführendem Stoff besteht und in der Heizzone eine Heizung und in der Kühlzone eine Kühlvorrichtung angeordnet sind.

Bei einem weiteren Verfahren zum Gießen von Blöcken, Barren oder dergleichen in der Kokille gemäß der deutschen Patentschrift 880 787 wird nach Bildung einer erstarrten Zone am Kokillenboden letzterer entfernt und der Fuß des Barrens, Blocks oder dergleichen, insbesondere dessen Boden, mittels eines geeigneten Kühlmittels, wie z. B. Wasser, direkt gekühlt. Zur weiteren Beschleunigung der Erstarrung werden ein oder mehrere die Kokillenwand aufbauende Segmente entfernt und die dadurch freigelegten Oberflächen des Gußstücks ebenfalls direkt gekühlt.

Aus der deutschen Patentschrift 39 28 956 ergeben sich ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Metallstangen im Tütenguß unter Verwendung einer in ein Flüssigkeitsbad absenkbaren Kokille, die bei ihrem Füllen mit dem Gießmetall in einem Flüssigkeitsbad zum Absinken gebracht wird. Das Kokillenrohr wird über ein Füllrohr mit Gießmetall gefüllt, wobei das Füllrohr mit seinem unteren, mit einer Auslauföffnung versehenen Ende voraus von oben in das Kokillenrohr eingeführt wird. Das Kokillenrohr wird etwa bis zur Beendigung dieses Einführens mit seinem unteren Ende etwa in Höhe des Spiegels des Flüssigkeitsbades oder darüber in Schwebe gehalten, wobei oder worauf das Gießmetall durch die Auslauföffnung des Füllrohrs hindurch zum Einströmen in das Kokillenrohr gebracht wird. Gleichzeitig wird das Kokillenrohr mit einer Geschwindigkeit zum Absinken in das Flüssigkeitsbad gebracht, die in einem vorbestimmten Verhältnis zur Steiggeschwindigkeit des Gießmetalls im Kokillenrohr steht.

Bei der Vorrichtung zum Gießen dichter Blöcke oder Platten aus Leichtmetallegierungen gemäß der deutschen Patentschrift 695 752 soll eine Abkühlung von unten nach oben unter Verwendung eines isolierten Speichers erreicht werden, der aus einem in Richtung der Längsachse der wassergekühlten Kokille beweglichen, wärmeisolierten Füllgefäß besteht, der nach oben aus der Kokille mit fortschreitender Kokillenfüllung herausgezogen wird.

Schließlich zeigt die deutsche Auslegeschrift 11 98 016 noch ein Verfahren zum Gießen von Leichtmetallblöcken nach dem Tütengußverfahren, bei dem um die Kokille herum Heizmittelaggregate angeordnet sind und die Kokille entsprechend dem Füllvorgang von unten nach oben durch Eintauchen in ein Kühlmittel gekühlt wird, wobei die Heizmittelaggregate entsprechend abgeschaltet werden.

Allen Verfahren ist gemeinsam, daß grundsätzlich eine intensive Flüssigkeitskühlung der Kokille und/oder des Barrens vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Barren, insbesondere Preßbarren aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung, insbesondere aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, mit einem Durchmesser von 60-400 mm zu schaffen, welches sowohl für eine Serienfertigung als auch für eine Einzelfertigung für kleine Bedarfsmengen und eine kurzfristige Bedarfsdeckung geeignet ist. Die Barren sollen ohne weitere Bearbeitung die gewünschten Abmessungen aufweisen, so daß eine spanende Bearbeitung der Barrenoberflächen entfallen bzw. auf ein Minimum reduziert werden kann. Schließlich soll die Gesamtausbringung auf etwa 80% und darüber erhöht werden.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird die Verwendung einer rohrförmigen, stranggepreßten, ungekühlten, mit der Außenfläche nur ruhender Luft ausgesetzten Kokille aus Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, mit einem dem gewünschten Durchmesser bzw. Querschnitt des Barrens entsprechenden Innendurchmesser bzw. Innenquerschnitt, einem die Kokille verschließenden Boden, einer mindestens der gewünschten Länge des Barrens entsprechenden Länge zum Herstellen von Strangpreßbarren oder Walzbarren aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung, insbesondere aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, mit einem Durchmesser von 60 bis 400 mm vorgeschlagen.

Vorzugsweise wird eine stranggepreßte Metallkokille aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verwendet. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit in einer solchen Kokille so hoch ist, daß die Kühlwirkung in ruhender Luft aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kokillenmaterials völlig ausreicht und sie sogar zum Herstellen von Barren aus Aluminium und dessen Legierungen geeignet ist, ohne daß ein Anschmelzen der Kokille eintritt. Um die Kühlwirkung der Metallkokille zu erhöhen, kann die Kokille bevorzugt mit Kühlrippen versehen sein.

Derartige Kokillen lassen sich schnell durch Strangpressen mit jedem beliebigen Innendurchmesser bzw. Innenquerschnitt sowie mit Kühlrippen herstellen, so daß der mittels dieser Kokille hergestellte Barren bereits die jeweiligen, für die Weiterverarbeitung erforderlichen Abmessungen aufweist, ohne daß zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich sind. Die bevorzugt eingesetzte Kokille aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hat an ruhender Luft bereits eine so hohe Kühlwirkung, daß eine zusätzliche Kühlung nicht erforderlich ist.

Die Innenfläche der Metallkokille kann mit einer herkömmlichen Schlichte versehen sein, und als Kokillenwerkstoff kommen Metalle in Frage, die sich durch Strangpressen umformen lassen und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Vorzugsweise kommen daher für die Kokille Aluminium oder Aluminiumlegierungen in Frage.

Die Leichtmetall- bzw. Leichtmetallegierungsschmelze, insbesondere die Magnesium- oder Magnesiumlegierungsschmelze, wird von oben in das als Kokille verwendete Strangpreßprofil mit steigendem Metallspiegel eingefüllt. Als unterer Abschluß oder Boden für die Kokille dient eine Metallplatte, vorzugsweise eine Stahlplatte, die auch gekühlt sein kann. Um eine ruhige Metallzuführung ohne Wirbel und Turbulenzen zu erreichen, erfolgt die Schmelzezufuhr während des Gießens stets unterhalb der Schmelzeoberfläche und zwar bevorzugt in der Weise, daß ein gleichbleibender Abstand einer in die Schmelze eingetauchten Schmelzedüse von der Schmelzeoberfläche mittels eines Schwimmers durch Absenken der Kokille oder Anheben der Schmelzedüse eingestellt wird.

Eine ruhige Metallzuführung ohne Wirbel und Turbulenzen kann auch ohne die Verwendung eines Schwimmers erreicht werden, indem das Absenken der Kokille bzw. Anheben der Schmelzedüse in Abhängigkeit der Formfüllgeschwindigkeit so gesteuert wird, daß die Schmelzedüse immer in die Schmelze eingetaucht bleibt.

Ein leichtmetallresistenter Filter in der Schmelzedüse kann ebenfalls eine ruhige Metallzuführung bewirken und vermindert oder vermeidet dazu noch das Einbringen von Oxiden und/oder Verunreinigungen in die Kokille.

Durch das Schrumpfen des Leichtmetalls oder der Leichtmetallegierung, insbesondere des Magnesiums oder der Magnesiumlegierung, während des Erstarrens lassen sich die Barren leicht aus dem als Kokille verwendeten Strangpreßprofil herausnehmen. Das als Kokille verwendete Strangpreßprofil erfordert keinerlei Nacharbeit und steht unmittelbar für weiteren Einsatz zur Verfügung.

Die Kokille zeichnet sich durch eine sehr hohe Ausbringung aus, da ein notwendiger Verschnitt allenfalls auf den untersten Bereich des Barrens beschränkt ist, bei dem es beim anfänglichen Einfüllen der Leichtmetall- bzw. Leichtmetallegierungsschmelze, insbesondere der Magnesium- bzw. Magnesiumlegierungsschmelze, zu Turbulenzen und Oxideinschlüssen kommt und der somit allein bei entsprechenden Anforderungen an die Sauberkeit abgetrennt werden muß. Das gesamte restliche Material bis zum oberen Metallspiegel kann direkt für die Weiterverarbeitung eingesetzt werden. Zusätzlich kann ggf. die Oberfläche des Gußrohlings durch Strahlen gereinigt oder auch geringfügig spanend bearbeitet werden, um eine metallisch saubere Oberfläche zu erhalten, wenn entsprechende Anforderungen an die herzustellenden Produkte, insbesondere Strangpreßprofile bestehen.

Die Leichtmetall- oder Leichtmetallegierungsschmelze, insbesondere die Magnesium- oder Magnesiumlegierungs-Schmelze kann auch von unten in das als Kokille verwendete Strangpreßprofil mit steigendem Metallspiegel eingefüllt werden. Hierfür kommen z. B. das Niederdruck- Gießverfahren oder auch das Schwerkraft-Gießverfahren mit steigender Formfüllung in Frage.

Die Kokille kann einteilig sein oder mehrteilig aus Strangpreßprofilsegmenten zusammengesetzt sein.

Um bei der Formfüllung von oben einen gleichbleibenden Abstand einer in die Schmelze eingetauchten Schmelzedüse von der Schmelzeoberfläche zu gewährleisten, kann ein Schwimmer vorgesehen sein, der die Schmelzezufuhr steuert.

In der Schmelzedüse kann ein leichtmetallresistenter Filter angeordnet sein.

Es lassen sich Barren mit einer der Höhe der Kokille entsprechenden Länge herstellen.

Um einer möglichen Lunkerbildung im oberen Bereich des Barrens entgegenzuwirken, kann im oberen Bereich der Kokille eine Wärmeisolierung vorgesehen sein. Diese Wärmeisolierung kann als an der Innenseite und/oder der Außenseite der Kokille im oberen Bereich angeordnete, wärmeisolierende Beschichtung ausgebildet sein. Anstelle oder zusätzlich zu dieser Beschichtung kann auch ein wärmeisolierender Aufsatz auf der Kokille vorgesehen sein. Dieser Aufsatz kann aus einem Rohrstück aus Formsand, das vorzugsweise sich nach oben konisch verjüngend ausgebildet ist, bestehen.

Für eine Serienfertigung in Form einer Bandfertigung oder Karussellfertigung können mehrere auf dem Band oder dem Karussell angeordnete Kokillen vorgesehen sein. Wichtig dabei ist die Kühlstrecke, die bis zum Erstarren und zur Entnahme des Barrens aus der Kokille benötigt wird. Es kann auch gleichzeitig mehrsträngig gegossen werden, indem mit einer entsprechenden Verteilerpfanne oberhalb mehrerer Kokillen gearbeitet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kokille mit Darstellung des angewandten Gießverfahrens,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Kokille,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Kokille,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kokille mit Darstellung des angewandten Gießverfahrens und einer gekühlten Bodenplatte,

Fig. 5 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kokille mit Darstellung des angewandten Gießverfahrens und eines leichtmetallresistenten Filters,

Fig. 6 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kokille mit Darstellung des angewandten Gießverfahrens und eines anders angeordneten leichtmetallresistenten Filters,

Fig. 7 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kokille mit Darstellung des angewandten Gießverfahrens und einer Wärmeisolierung im oberen Bereich der Kokille und

Fig. 8 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kokille mit Darstellung des angewandten Gießverfahrens und einer anderen Ausführungsform einer Wärmeisolierung im oberen Bereich der Kokille.

Eine stranggepreßte Kokille 1 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung weist eine Rohrwand 2 mit einem dem gewünschten Durchmesser des Barrens entsprechenden Innendurchmesser und radiale Kühlrippen 3 auf. Die Kokille 1 ruht auf einer Bodenplatte 4 aus Metall, und das Ganze wird von einer Absenkvorrichtung 10 getragen. Die Bodenplatte 4 kann, wie in Fig. 4 dargestellt, Kühlkanäle 16 aufweisen. In die Kokille 1 ragt eine Schmelzedüse 6 hinein, die aus einem leichtmetall-, insbesondere magnesiumbeständigen Material besteht. Mit der Düse 6 steht ein Schwimmer 7 ebenfalls aus leichtmetall-, insbesondere magnesiumbeständigem Material in Verbindung, der dafür sorgt, daß Leichtmetall- oder Leichtmetallegierungsschmelze bzw. die Magnesium- oder Magnesiumlegierungsschmelze 8 stets mit einem gleichmäßigen Abstand zu einer Schmelzeoberfläche 9 in die Kokille 1 eingeführt wird.

Die Absenkvorrichtung 10 wird entsprechend der Gießgeschwindigkeit abgesenkt, bis die Kokille mit Metallschmelze gefüllt ist. Das Abkühlen der Schmelze erfolgt an ruhender Luft.

Wenn die Kühlwirkung ausreichend ist, kann die Kokille auch als glattes Rohr ohne Kühlrippen ausgebildet sein.

Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich Barren mit einer der Höhe der Kokille entsprechenden Länge herstellen. Selbstverständlich ist es möglich, die Düse 6 entsprechend der Gießgeschwindigkeit anzuheben, statt die Kokille 1 abzusenken.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine aus Kokillensegmenten 11 bestehende Kokille, in deren Rohrwand 12 Kanäle 13 angeordnet sind. Zusätzlich sind äußere Kühlrippen 14 dargestellt. Im dargestellten Beispiel besteht die Kokille aus vier Kokillensegmenten 11, die z. B. mittels einer Schwalbenschwanzverbindung 15 formschlüssig miteinander verbunden sind, jedoch kann die Kokille auch aus weniger oder mehr Kokillensegmenten bestehen.

Selbstverständlich sind auch andere Verbindungsmöglichkeiten z. B. durch Verschweißen möglich.

Um ein Anhaften des Leichtmetalls oder der Leichtmetallegierung an der Innenfläche der Kokillenrohrwand zu vermeiden, kann diese mit einer herkömmlichen Schlichte behandelt sein.

Der Querschnitt der Kokille kann, wie dargestellt, kreisförmig sein, kann jedoch auch andere Querschnittsformen aufweisen.

Die Abkühlungsgeschwindigkeit an der Wand 2 der Kokille ist so groß, daß die aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung stranggepreßte Kokille 1 auch zum Herstellen von Barren aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung geeignet ist.

Um die Formfüllgeschwindigkeit zu steuern, kann gemäß Fig. 5 ein leichtmetallresistenter Filter 17 zwischen dem Schwimmer 7 und der Schmelzedüse 6 oder gemäß Fig. 6 anstelle des Schwimmers an der Schmelzedüse 6 angeordnet sein. Damit läßt sich das Einbringen von Oxiden und anderen Verunreinigungen in die Schmelze vermindern oder sogar ganz vermeiden.

Um einer Lunkerbildung im oberen Bereich des Barrens entgegenzuwirken, kann im oberen Bereich der Kokille 1, innen und/oder außen, eine wärmeisolierende Beschichtung 18, 19 angebracht sein. Der gleiche Zweck läßt sich auch durch einen in Fig. 8 dargestellten Aufsatz 20 in Form eines sich konisch nach oben verengenden Rohrstücks aus Formsand erreichen, der allein oder zusätzlich zu der Beschichtung 18, 19 in Fig. 7 die Wärmeisolierung bildet.

Claims (15)

1. Verwendung einer rohrförmigen, stranggepreßten, ungekühlten, mit der Außenfläche nur ruhender Luft ausgesetzten Kokille aus Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einem dem gewünschten Durchmesser bzw. Querschnitt des Barrens entsprechenden Innendurchmesser bzw. Innenquerschnitt, einem die Kokille verschließenden Boden, einer mindestens der gewünschten Länge des Barrens entsprechenden Länge zum Herstellen von Strangpreßbarren oder Walzbarren aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung, insbesondere aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, mit einem Durchmesser von 60 bis 400 mm.

2. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 1 mit Kühlrippen an der Außenfläche.

3. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 1 oder 2 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

4. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 2 oder 3, die mehrteilig aus Strangpreßprofilsegmenten (11) zusammengesetzt ist.

5. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 mit einem Boden aus einer Metallplatte (4) als Unterlage für die Kokille (1; 11).

6. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 5, bei der die Metallplatte (4) kühlbar ist.

7. Verwendung einer Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Wärmeisolierung (18, 19, 20) im oberen Bereich.

8. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 7 mit einer wärmeisolierenden Beschichtung (18, 19) an der Innenseite und/oder der Außenseite des oberen Bereichs.

9. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 7 oder 8 mit einem wärmeisolierenden Aufsatz (20) auf dem oberen Bereich.

10. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 9, bei der der wärmeisolierende Aufsatz (20) aus einem Rohrstück aus Formsand besteht.

11. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 10, bei der das Rohrstück (20) sich nach oben konisch verjüngend ausgebildet ist.

12. Verwendung einer Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welcher die Schmelze mittels einer Schmelzedüse (6) während des Gießens stets unterhalb der Schmelzeoberfläche (9) zuführbar ist.

13. Verwendung einer Kokille nach Anspruch 12, bei der ein gleichbleibender Abstand der in die Schmelze eingetauchten Schmelzedüse (6) von der Schmelzoberfläche (9) mittels eines Schwimmers (7) durch Absenken der Kokille (1) oder Anheben der Schmelzedüse (6) einstellbar ist.

14. Verwendung einer Kokille nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13 mit einer Halterung für die Kokille (1; 11) und einer Absenkvorrichtung (10) für die Metallplatte (4).

15. Verwendung einer Kokille nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welcher die Schmelze mittels einer mit einem leichtmetallresistenten Filter (17) versehenen Schmelzedüse (6) zuführbar ist.