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"Verfahren zum Gießen von flüssigen Metallen, insbesondere
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von Magnesium, mit einer Niederdruck-Gießvorrichtung"
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von flüssigen Metallen, insbesondere
von Magnesium, mit einer Niederdruck-Gießvorrichtung, wobei die Niederdruck-Gießvorrichtung
eine Gießform, einen beheizbaren Tiegel zur Aufnahme einer zu gießenden Metallschmelze,
einen in dem Tiegel angeordneten Dosierbehälter, eine von dem Dosierbehälter ausgehende,
vorzugsweise vertikal nach oben verlaufende Steig leitung mit einem Mundstück zum
Anschluß an einen Anguß der Gießform, einen die Steigleitung umgebenden Heizmantel
und eine an den Dosierbehälter angeschlossene Druckleitung aufweist, bei dem zum
Fördern des flüssigen Metalles in die Gießform ein Druckgas über die Druckleitung
in den Dosierbehälter eingeleitet wird. Gegenstand der Erfindung ist auch eine entsprechende
Niederdruck-Gießvorrichtung als solche.
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Bei den Gießverfahren für flüssige Metalle, insbesondere für Aluminium,
Magnesium usw., unterscheidet man zwischen Schwerkraftguß, Niederdruckguß und Druckguß
(vgl. Bertram: "Das Niederdruck-Kdkillengießverfahren für Leichtmetallegierungen",
Gießerei 1962, Seiten 332 ff.). Während beim Schwerkraftguß die Metallschmelze unter
dem Einfluß der Schwerkraft in die Gießform fließt und unter normalem Luftdruck
erstarrt, wird beim Niederdruckguß die Metallschmelze durch einen verhältnismäßig
geringen Förderdruck in die Gießform gehoben, wo sie unter dem Förderdruck erstarrt;
der Niederdruckguß erfolgt also in der Regel steigend. Beim Druckguß schließlich
gelangt die Metallschmelze unter relativ hohem Förderdruck in die Gießform, wobei
dieser hohe Förderdruck bis zur vollständigen Erstarrung aufrecht erhalten wird.
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Der Niederdruckguß ist bislang besonders häufig zum Gießen von Aluminium
angewandt worden, wobei der erreichte Förderdruck hier bei etwa 0,2 bis 0,3 bar
liegt. Wegen dieses geringen Förderdruckes muß die Temperatur der Metallschmelze
am Mundstück und im Anguß der Gießform relativ hoch sein, damit keine vorzeitige
Abkühlung unter die Schmelztemperatur erfolgen kann, die zu Verstopfungen und Gießfehlern
führen würde. Beim Niederdruckguß sind
daher Temperaturen von 950
bis 1.100 K, zumeist von etwa 1.000 K in der Steigleitung der Niederdruck-Gießvorrichtung
der Normalfall. Höhere Förderdrücke als 0,2 bis 0,3 bar sind mit bekannten Niederdruck-Gießvorrichtungen
nicht erreichbar, da bei den bekannten Niederdruck-Gießvorrichtungen der Förderdruck
auf die relativ große Oberfläche der Metallschmelze im Tiegel wirkt (vgl. beispielsweise
die DE-OS 29 47 602).
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Beim Druckguß werden Förderdrücke von mindestens 25 bar erreicht (vgl.
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Lueger "LEXIKON DER TECHNIK", Band 5 lexikon der Hüttentechnik", DVA,
Stuttgart 1963, Seiten 141/142). Wegen dieser hohen Förderdrücke kann die Temperatur
der Metallschmelze bzw. des geförderten Metalles geringer sein, da die Gefahr von
Verstopfungen im Mundstück bzw. im Anguß der Gießform nicht so groß ist wie beim
Niederdruckguß. Übliche Temperaturen in der Steigleitung liegen hier für Magnesium
oder Aluminium bei etwa 900 K. Einerseits hat der Druckguß gegenüber dem Niederdruckguß
den Vorteil einer stärkeren Verdichtung des Metalles, andererseits ist der Druckguß
jedoch technisch erheblich aufwendiger als der Niederdruckguß, insbesondere in apparativer
Hinsicht.
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Im übrigen ist noch eine Niederdruck-Gießvorrichtung der eingangs
erläuterten Art bekannt (vgl. die DE-OS 30 23 262), bei der Druckgas zum Fördern
des flüssigen Metalles nur in einen in der Metallschmelze eintauchenden Dosierbehälter
eingeleitet wird, so daß das Druckgas nur auf die relativ kleine Oberfläche der
Metallschmelze in dem Dosierbehälter wirkt.
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Auch diese Niederdruck-Gießvorrichtung wird aber in der Praxis nur
mit 0,2 bis 0,3 bar Förderdruck betrieben.
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Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gießen von flüssigen Metallen und eine Niederdruck-Gießvorrichtung
anzugeben, mit dem bzw. mit der weitgehend verdichtete und porenfreie, mechanisch
feste Gußstücke herstellbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe
gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall mit einem Förderdruck
von 0,5 bis 6,0 bar, vorzugsweise von 0,6 bis 2,0 bar, insbesondere von 0,6 bis
1,2 bar, gefördert wird. Das flüssige Metall wird dabei in der Steigleitung, insbesondere
auch im Bereich des Mundstückes, zweckmäßigerweise auf einer Temperatur von 950
biw 1.100 K, vorzugsweise von etwa 1.050 K gehalten.
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Erfindungsgemäß ist erkannt'worden, daß dann, wenn der Förderdruck
auf eine relativ kleine Oberfläche wirkt, höhere Förderdrücke verwirklicht werden
können. ln der bekannten, eingangs angesprochenen Niederdruck-Gießvorrichtung mit
einem in dem Tiegel für die Metallschmelze angeordneten abgeschlossenen Dosierbehälter
ist nun eine relativ kleine Oberfläche einer Metallschmelze gewährleistet. Diese
Niederdruck-Gießvorrichtung bietet also alle Voraussetzungen für die Verwirklichung
der erfindungsgemäßen Lehre. Der erfindungsgemäß erreichte Druckbereich für den
Förderdruck bedingt praktisch keinen apparativen Mehraufwand gegenüber dem bekannten
Niederdruckguß bei 0,2 bis 0,3 bar, jedoch wird eine deutlich stärkere Verdichbung
der Gußstücke erreicht; es werden weitgehend porenfreie und mechanisch sehr feste
Gußstücke erreicht.
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Die Lehre der Erfindung umfaßt auch eine Niederdruck-Gießvorrichtung
zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens, wobei bei dieser Niederdruck-Gießvorrichtung
der Heizmantel vorzugsweise ein Mantelrohr und eine innerhalb des Mantelrohres angeordnete,
die Steigleitung schraubenlinienförmig umgebende Widerstandsheizleitung aufweist.
Die Beheizung der Steigleitung über eine elektrische Widerstandsheizung ist nicht
die einzige Möglichkeit, jedoch in der Praxis besonders problemlos zu verwirklichen.
Erfindungsgemäß ist, unabhängig von der Art der Beheizung der Steigleitung, jedenfalls
die Heizleistung des Heizmantels oberhalb der Metallschmelze im Tiegel größer als
in der Metallschmelze. Diese Ausgestaltung der Niederdruck
-Gießvorrichtung
trägt der Tatsache Rechnung, daß in der Metallschmelze die Steigleitung sowieso
ungefähr auf der Temperatur des flüssigen Metalles der Metallschmelze liegt. über
die zusätzliche Heizleistung des Heizmantels muß lediglich eine geringe Temperaturdifferenz
ausgeglichen werden. Oberhalb der Metallschmelze und insbesondere oberhalb des Tiegels
verläuft die Steigleitung praktisch frei, so daß die Temperatur in der Steigleitung
praktisch vollständig über die Heizleistung des Heizmantels erhalten werden muß.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die zuvor grundsätzlich erläuterte
Lehre der Erfindung in vorrichtungsmäßiger Hinsicht zu realisieren, was im folgenden
nur beispielhaft erläutert werden soll.
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Zunächst besteht eine erste Möglichkeit darin, dann wenn eine Widerstandsheizleitung
vorgesehen ist, die Widerstandsheizleitung mindestens einmal, vorzugsweise etwa
in Höhe der Oberfläche der Metallschmelze aufzutrennen und den Strom durch mindestens
einen Teil der Widerstandsheizleitung separat einstellbar zu halten. Je nach dem
steuerungstechnischen oder regelungstechnischen Aufwand, den man treiben will bzw.
muß, kann mit dieser vonstrlSkeion eine nahezu optimale Anpassung an alle Gegebenheiten
im BereicSe <'Pr SLeigleitung erfolgen. Insbesondere läßt sich auf diese Weise
die Temperatur des flüssigen Metalles im Mundstück und/oder im Anguß der Gießform
ohne allzu großen Energieaufwand so hoch halten, daß Verstopfungen hier nicht zu
befürchten sind.
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Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Niederdruck-Gießvorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Heizmantel mindestens eine Zusatz-Widerstandsheizleitung
aufweist und der Strom durch die Zusatz-Widerstandshefzieitung unabhängig vom Strom
durch die Widerstandsheizleitung einstellbgr isto Ist die Temperatur der Metallschmelze
als solche hoch genug, so könnte man bei dieser Version einer Niederdruck-Gießvorrichtung
sogar auf
die Widerstandsheizleitung selbst verzichten, also praktisch
nur oberhalb der Metallschmelze überhaupt eine zusätzliche Heizung verwirklichen.
In der Regel ist es aber energiemäßig ungünstig,das große Volumen der Metallschmelze
im Tiegel höher als notwendig aufzuheizen. Dementsprechend wird man meist bei der
Konstruktion mit einer zusätzlichen Beheizung der Steileitung auch in der Metallschmelze
verbleiben.
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Eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Gießvorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der Widerstandsheizleitung
im Bereich oberhalb der Metallschmelze größer ist als in der Metallschmelze. Der
spezifische Widerstand der Widerstandsheizleitung kann oberhalb der Metallschmelze
beispielsweise dadurch vergrößert werden, daß der Querschnitt der Widerstandsheizleistung
verringert wird. Eine unabhängige Steuerung der verschiedenen Bereiche der Widerstandsheizleitung
ist allerdings hier nicht möglich.
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Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Niederdruck-Gießvorrichtung
besteht schließlich darin, die Windungsdichte der Widerstandsheizleitung im Bereich
oberhalb der Metallschmelze größer als in der Metallschmelze zu wählen. Hier sind
die Verhältnisse ähnlich wie bei der zuvor erläuterten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Niederdruck-Gießvorrichtung, insbesondere ist auch hier keine unabhängige Steuerung
der ver schiedenen Bereiche der Widerstandsheizleitung möglich.
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Nach einer weiteren Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung zukommt,
kommt das Mantelrohr des Heizmantels an seiner der Gießform bzw. dem Mundstück zugewandten
Stirnseite großflächig an der Gießform bzw. dem Mundstück zur Anlage. Dabei empfiehlt
es sich, zwischen dem Mantelrohr des Heizmantels bzw. dem Mundstück einerseits und
der Gießform andererseits eine relativ dünne, thermisch gut isolierende Zwischenscheibe
vorzusehen, - so daß zwar das Metall auch am oberen Ende der Steigleitung einwandfrei
flüssig gehalten
werden kann, die Gießform bzw. das Mundstück
jedoch nicht durch den Heizmantel aufgeheizt wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt im Schnitt schematisch
eine Niederdruck-Gießvorrichtung.
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Die in der einzigen Figur dargestellte Niederdruck-Gießvorrichtung
1 ist zum Gießen von flüssigen Metallen, insbesondere zum Gießen von Magnesium bestimmt.
Diese Niederdruck-Gießvorrichtung 1 weist eine Gießform 2 und einen beheizbaren
Tiegel 3 zur Aufnahme einer zu gießenden Metallschmelze 4 auf. Die Beheizung des
Tiegels 3 ist in der Figur nicht dargestellt. Der Tiegel 3 ist über einen Deckel
5 weitgehend gasdicht verschlossen. Oberhalb der Metallschmelze 4 im Tiegel 3 ist
eine Schutzgasatmosphäre 6 verwirklicht. Als Schutzgas kommt bei einer Magnesiumschmelze
SF6, S02 od.
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dgl. in Frage.
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In dem Tiegel 3 mit der Metallschmelze 4 ist in die Metallschmelze
4 eingetaucht ein Dosierbehälter 7 angeordnet. Dieser Dosierbehälter 7 ist am Deckel
5 über Tragstreben 8 befestigt. An seiner Unterseite weist der Dosierbehälter 7
ein Einlaßventil 9 auf, das über ein Betätigungsgestänge 10 betätigbar ist. Das
Einlaßventil 9, seine Halterung und seine Betätigung sind in der DE-AS 24 49 685
ausführlich beschrieben, bedürfen hier daher keiner Erläuterung. Es sei nur darauf
hingewiesen, daß das Einlaßventil 9 als Rückschlagventil ausgeführt sein kann.
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Von dem Dosierbehälter 7 geht eine vertikal nach oben verlaufende
Steigleitung 11 aus. Diese Steigleitung 11 ist mit einem in der einzigen Figur nicht
dargestellten Mundstück zum Anschluß an einen Anguß 12 der Gießform 2 versehen.
Zwischen dem Dosierbehälter 7 und der Steigleitung 11 ist ein weiteres, in der einzigen
Figur nicht dargestelltes Rückschlagventil angeordnet.
Ein derartiges
Rückschlagventil ist beispielsweise in der DE-OS 30 12 047 beschrieben. Ein weiteres
Rückschlagventil ist zwischen der Steigleitung 11 und dem Anguß 12 der Gießform
2, beispielsweise im Bereich des nicht dargestellten Mundstückes, angeordnet. Auch
dieses Rückschlagventil ist in der einzigen Figur nicht eingezeichnet, es darf aber
hier auf die DE-OS 30 23 262 verwiesen werden.
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Die Steigleitung 11 ist von einem Heizmantel 13 umgeben. Außer der
Steigleitung 11 ist an den Dosierbehälter 7 noch eine Druckleitung 14 angeschlossen,
über die ein Druckgas, in erster Linie ein Inertgas, in den Dosierbehälter 7 eingeleitet
werden kann.
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Dez Heizmantel 13 um die Steigleitung 11 weist schließlich noch ein
Mantelrohr 15.und eine innerhalb des Mantelrohres 15 angeordnete, die Steigleitung
11 schraubenlinienförmig umgebende Widerstandsheizleitung 16 auf, die mit einer
nicht dargestellten Stromquelle zur elektrischen Widerstandsbeheizung verbunden
ist.
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Die Heizleistung des Heizmantels 13 oberhalb der Metallschmelze 4
im Tiegel 3 ist größer als in der Metallschmelze 4, wozu die Widerstandsheizleitung
16 etwa in Höhe der Oberfläche der Metallschmelze 4 aufgetrennt ist und der Strom
durch jeden Teil der Widerstandsheizleitung 16 separat einstellbar ist. Die beiden
Teile der Widerstandsheizleitung 16 sind in der Figur mit I und II bezeichnet und
durch eine strichpunktierte Linie III voneinander getrennt.
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Schließlich zeigt die Figur noch insoweit eine besondere Ausführungsform
einer Niederdruck-Gießvorrichtung 1, als das Mantelrohr 15 des Heizmantels 13 an
seiner der Gießform 2 zugewandten Stirnseite großflächig an der Gießform 2 zur Anlage
kommt, - und zwar unter Zwischenschaltung einer relativ dünnen, thermisch gut isolierenden
Zwischenscheibe 17.
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Die Funktionsweise der zuvor beschriebenen Niederdruck-Gießvorrichtung
1 ist folgende: Durch das Einlaßventil 9 tritt flüssiges Metall, im dargestellten
AusführungsbeispielMagnesium, aus der Metallschmelze 4 in das Innere des Dosierbehälters
7 ein. Zur dosierten Abgabe von flüssigem Metall wird der Dosierbehälter 7 von der
Druckleitung 14 her mit einem Druckgas beaufschlagt, und zwar so, daß das flüssige
Metall durch die Steigleitung 11 mit einem Förderdruck von 1.0 bis 1.5 bar in den
Formhohlraum der Gießform 2 gefördert wird.
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Der Druck der Schutzgasatmosphäre 6 oberhalb der Metallschmelze 4
im Tiegel 3 bleibt bei diesem Fördern des flüssigem Metalles völlig unverändert
auf dem Niveau des Atmosphärendruckes, da das Druckgas durch die Druckleitung 14
ausschließlich in den Dosierbehälter 7 eingeleitet wird.
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Vermittels der Widerstandsheizleitung 16 wird zumindest im oberen
Bereich der Steigleitung 11, also unmittelbar unterhalb des Angusses 12 der Gießform
2, eine Temperatur von etwa 1.050 K aufrechterhalten.
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