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Verfahren zum Gießen von Metallen in Formen unter Anwendung elektrischer
Ströme Beim Gießen von geschmolzenen Metallen in Formen erfolgt die Beförderung
des flüssigen Metalls in die Form unter dem Einfluß der Erdschwere, oder es wird,
wie z. B. beim Spritzgußverfahren, ein erhöhter Druck verwendet. Beim Spritzgußverfahren
wird das flüssige Metall in den Fällen, in welchen es sich um leicht schmelzende
Legierungen handelt, zumeist mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung, etwa eines
sich in einem Zylinder bewegenden Kolbens, in die Form hineingepreßt. Dieses mechanische
Preßverfahren führt beim Spritzen von höher schmelzenden Metallen und Legierungen
zu großen Schwierigkeiten, so daß man in diesen Fällen das Spritzen zumeist mit
Hilfe von Druckluft bewerkstelligt. Jedoch sind auch bei Anwendung von Druckluft
bekanntlich beträchtliche Schwierigkeiten technischer Art zu überwinden.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es nun, unter Vermeidung von mechanischen
Vorrichtungen mit beweglichen Teilen oder der Anwendung vonDruckluft,das flüssige
Metall auf elektrischem Wege in die Gußform zu bringen und dabei im Bedarfsfalle
jeden praktisch in Betracht kommenden Druck zu erzielen. Sie ermöglicht es auch,
noch bei sehr hohen Temperaturen und unter veränderlichem Druck zu spritzen. Die
Bewegung des flüssigen Metalls und der gegebenenfalls gewünschte hohe Druck wird
erfindungsgemäß dadurch erzeugt, daß man elektrischen Strom durch das flüssige Metall
schickt unter gleichzeitiger Einwirkung eines Magnetfeldes auf das stromdurchflossene
Metall. Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schema gezeichnet,
welches zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung dienen soll. i ist eine
Flüssigkeitssäule des geschmolzenen Metalls, in welche zwei Elektroden 2 und 3 hineinragen,
zwischen denen ein Strom quer durch die Metallsäule hindurch aufrechterhalten wird.
Senkrecht zu den Stromlinien im Metall wird durch die Magnetpole 4 und 5 ein Magnetfeld
aufrechterhalten, welches auch zu der Flüssigkeitssäule senkrecht steht. Hierdurch
entsteht nun eine Kraftwirkung auf das flüssige Metall, und zwar steht die Kraft
jeweils senkrecht sowohl zu den Stromlinien wie auch zu den magnetischen Kraftlinien.
Ist die Polarität der Elektroden und des Magnetfeldes so, wie dies in Abb. i gezeichnet
ist, so entsteht in der Flüssigkeitssäule ein Druck nach unten.
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Abb. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, im Schema gezeichnet.
6 ist der Eisenkern eines Transformators. 7 ist die Primärwicklung des Transformators,
welche an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird. Die Sekundärwicklung wird
durch den Leiter 8 gebildet, und sein Stromkreis wird durch die Säule flüssigen
Metalls zwischen den beiden Backen 9 und io geschlossen. Das Magnetfeld wird durch
die Pole ix und 12 eines Elektromagneten erzeugt, dessen Kraftfluß senkrecht zu
den Backen 9 und io gerichtet ist, in Abb. 2a also senkrecht auf der Zeichenebene
zu denken ist, und welcher durch dieselbe Wechselspannungsquelle gespeist werden
kann - wie die Primärwicklung 7 des Transformators. Man
wird dafür
sorgen, daß Sekundärstrom und Magnetfeld möglichst in Phase sind, damit sie beide
gleichzeitig ihre Richtung wechseln, so daß die Kraft, die auf das geschmolzene
Metall wirkt, stets dieselbe Richtung hat und ein möglichst hoher mittlerer Druck
erzielt wird.
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Wie Abb. 2 zeigt, kann die sekundäre Wicklung vollkommen innerhalb
eines aus einem Isolator oder schlechtem Leiter bestehenden Gefäßes verlaufen und
so angeordnet sein, daß sie trotzdem einen geschlossenen Eisenkern umschließt. Auf
diese Weise wird eine Durchführung von Elektroden durch die Gefäßwand vermieden,
was besonders dann von Vorteil ist, wenn das Gefäß unter Vakuum steht oder gasdicht
geschlossen sein soll.
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Abb.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem keine besonderen
Elektroden verwendet werden, sondern bei welchem das geschmolzene Metall sich innerhalb
einer Röhre befindet, deren Wand ein elektrischer Leiter ist, so daß der Strom durch
die Gefäßwand hindurch in das geschmolzene Metall eintreten kann. Abb.3b zeigt einen
Querschnitt. 13 und 14 sind die Pole des Elektromagneten, 15 ist der Querschnitt
des Rohrs, in welchem sich das flüssige Metall befindet. 16 und 1,7 sind die stromführenden
Zuleitungen zu der Rohrwandung, welche angelötet oder angeschweißt sind. In Abb.
3a sieht man dasselbe in der Ansicht von vorn. .Das Rohr 15 ist abgebrochen, so
daß oben und unten der Polschuh 13 sichtbar wird. Im Fall des Ausführungsbeispiels
nach Abb.3 fließt ein Teil des Stroms durch die Rohrwand selbst von 18 zu ig, und
nur ein Teil des Stroms durchflutet also das geschmolzene Metall. Um eine möglichst
hohe Stromdichte im Metall zu erzielen, wird man die Rohrwand aus einem Material
mit möglichst hohem elektrischem Widerstand herstellen.
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Bei den Ausführungsbeispielen i bis 3 liegen die Verhältnisse so,
daß, homogenes Magnetfeld und gleichförmige Verteilung des elektrischen Stroms vorausgesetzt,
das Linienintegral der wirkenden Kraft entlang jeder innerhalb. des flüssigen Metalls
verlaufenden geschlossenen Linie gleich Null ist. In diesem bemerkenswerten Fall
hat das Kraftfeld ein Potential, und es entsteht überhaupt keine Strömung im flüssigen
Metall, falls man den Ausfluß durch die Ausflußöffnung verhindert. Der erzielte
Druckunterschied zwischen zwei Punkten im flüssigen Metall ist dann gleich dem Linienintegral
der Kraft zwischen diesen beiden Punkten, genommen entlang einer beliebigen, im
flüssigen Metall verlaufenden Linie. Da die Kraftwirkung auf das geschmolzene Metall
der elektrischen Stromdichte und dem wirkenden Magnetfeld proportiönal ist, ist
die Berechnung des erzielten Druckunterschiedes in diesem Falle sehr einfach. Zum
Beispiel ist im Fall des Ausführungsbeispiels nach Abb. 2 bei gegebener Stromdichte
und gegebener magnetischer Feldstärke der erzielte Druckunterschied einfach der
Länge der Flüssigkeitsstrecke zwischen den beiden Backen 9 und io'proportional.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen, die zum Teil aus praktischen Gründen
den Ausführungsbeispielen i bis 3 vorgezogen werden können, ist das Linienintegral
der Kraft entlang geschlossener Linien, welche innerhalb des flüssigen Metalls verlaufen,
von Null verschieden. Bei diesen Ausführungsbeispielen entsteht auch bei abgesperrter
Ausflußöffnung eine Bewegung im geschmolzenen Metall, so daß man zur Bestimmung
des Druckunterschiedes zwischen zwei Punkten auch bei abgesperrter Ausflußöffnung
nicht rein statisch vorgehen kann, sondern auch die Strömungsverhältnisse und im
besonderen die Reibungskräfte mit berücksichtigen muß.
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Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Abb. 4 dargestellt. Das geschmolzene
Metall wird aus einem in der Abbildung .nicht gezeichneten Behälter durch ein verzweigtes
Rohr 2o, welches man in Abb. 4b im Schnitte sieht; zur Gußform geführt. Der Zufluß
aus dem Behälter kann etwa vom unteren Ende her erfolgen, während der Zufluß zur
Gußform dann auf der oberen Seite liegt. In diesem verzweigten Rohr wird dann mit
Hilfe des Eisenkerns 21 eines Transformators ein Strom induziert. In der Gegend
des Verzweigungspunktes 22 ist das Rohr abgeflacht, um hier eine möglichst hohe
Stromdichte zu erzielen. Hier wirkt ein durch einen Elektromagneten 23 erzeugtes
Magnetfeld auf das stromdurchflossene Metall, so daß beim Gießen oder Spritzen eine
Strömung bzw. ein Druck im Metall nach oben entsteht.
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Wird das Rohr etwa aus Stahl oder einem anderen magnetischen Material
hergestellt, so verläuft ein Teil der Kraftlinien in der Rohrwand selbst, ohne das
flüssige Metall zu durchfluten. Es ist dann zweckmäßig, den Gesamtfluß hoch zu wählen,
damit in der Rohrwand eine Sättigung und entsprechend eine geringe Permeabilität
erzielt wird. Auch wird man möglichst ein Material mit geringer magnetischer Sättigung
wählen.
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Abb.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Strom in einem
ringförmigen Rohr 24 transformatorisch erzeugt wird. An der.abgeflachten Stelle
zwischen z6 und 27 wirkt ein Elektromagnet 25 auf das stromdurchflossene Metall.
Die Zuführung des flüssigen Metalls erfolgt an der Stelle 26, während die- Abführung
zur Gußform bei 27 -erfolgt. Das geschmolzene Metall wird zum Teil durch .den transformatorisch
erzeugten Strom warm gehalten; .außerdem können aber Teile der Rohrleitungen, im
besonderen die Ausflußöffnung, durch besondere Vorrichtungen elektrisch erhitzt
werden.
Dies ist durch die Drahtwindungen 28 und 29 angedeutet.
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Bei den angeführten Ausführungsbeispielen q. und 5 kommt zwar die
Flüssigkeitsmasse auch dann in Bewegung, wenn ein Ausfluß an der Mündung verhindert
wird, weil ja das Integral der wirkenden Kraft entlang einer im flüssigen Metall
verlaufenden, geschlossenen Linie nicht verschwindet; jedoch ist diese Flüssigkeitsbewegung
keineswegs die Ursache des auftretenden Drucks. Es könnten aber auch Ausführungsbeispiele
angegeben werden, bei welchen letzteres der Fall ist und bei denen der Druck etwa.
dadurch zustande kommt, daß das flüssige Metall unter der Wirkung des Magnetfeldes
innerhalb eines feststehenden Gehäuses in Rotationsbewegung gerät, wobei dann ein
Druck infolge der Zentrifugalkraft auftritt. Angesichts der großen Reibung, welche
zwischen dem flüssigen Metall und dem feststehenden Gehäuse dann entstehen würde,
erscheinen Ausführungsbeispiele von diesem Typus wenig aussichtsreich.
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Bei Verwendung von Wechselstrom muß dafür gesorgt werden, daß der
Phasenunterschied zwischen dem Sekundärstrom im flüssigen Metall und dem Magnetfeld,
welches auf das Metall wirkt, nicht in der Nähe von 9o ° liegt. Der Idealfall liegt
vor, wenn Sekundärstrom und Magnetfeld gleichzeitig ihr Vorzeichen ändern. Dann
ändert nämlich die auf das Metall wirkende Kraft überhaupt nicht ihr Vorzeichen,
und der erzielte mittlere Druck im Metall hat den größtmöglichen Wert, während er
im Falle einer Phasenverschiebung von go ° den Wert Null hätte. Man erreicht zumeist
schon genügend günstige Phasenbeziehungen dadurch, daß man die primäre Wicklung
des Transformators und die Wicklung des Magneten in Serien schaltet. Das Magnetfeld
ist in Phase mit .dem Primärstrom des Transformators und damit auch angenähert in
Phase mit dem Sekundärstrom des Transformators, vorausgesetzt, daß der cos. q) des
Transformators nicht allzusehr von x abweicht. Falls Drehstrom zur Verfügung steht,
kann man die Wicklung des Transformators und des Magneten an verschieden verkettete
oder an eine verkettete und eine Phasenspannung anlegen und dadurch die gewünschten
Phasen-. bezeichnungen erreichen.
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Bei den bisher angeführten Ausführungsbeispielen z bis 5 waren stets
zwei getrennte Stromkreise vorhanden. Der Strom, der durch das geschmolzene Metall
geschickt wurde, war verschieden von dem Strom, der jenes Magnetfeld erzeugte, dessen
Einwirkung auf das stromdurchflossene Metall den Druck hervorbrachte. Es werden
nun Ausführungsbeispiele angegeben, bei welchen der Strom, der durch das geschmolzene
Metall geschickt wird, bereits ein solches Magnetfeld erzeugt, daß unter dessen
Einwirkeng im stromdurchflossenen Metall der gewünschte Druck entsteht.
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Ein einfaches Modell von dieser Art zeigt Abb. 6. Ein zylindrisches
Rohr 30 ist mit dem geschmolzenen Metall angefüllt. Durch das darin befindliche
geschmolzene Metall wird in der Richtung der Zylinderachse Gleichstrom oder Wechselstrom
hindurchgeschickt. Dies kann mit Hilfe der Stromzuleitungen 31 und 32 geschehen,
wobei dann der Strom durch die das Rohr rechts und links verschließenden Wände hindurch
in das geschmolzene Metall eintritt. Wird der Zylinderinhalt in der Achsenrichtung
durch den elektrischen Strom homogen durchströmt, so entsteht ein Druckgefälle von
der Peripherie nach der Rohrachse hin. Dieses Druckgefälle bewegt dann das geschmolzene
Metall durch die Ausflußöffnung hindurch zur Gußform. Die Nachlieferung des Gießmetalls
wird durch das Rohr 34 aus einem größeren Behälter, etwa unter der Wirkung des Drucks
der Atmosphäre, erfolgen.
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Man kann diesen gegen die Mittellinie des Rohrs hin entstehenden Druck
auffassen als die Wirkung des durch den Strom selbst erzeugten Magnetfeldes auf
das stromdurchflossene Metall und kann ihn einfach aus der Stromstärke und dem Zylinderdurchmesser
bekannten Gesetzen der Elektrodynamik entsprechend berechnen.
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Abb. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel dieser Art. 35 ist ein
kurzes, flaches Rohr. Durch das darin befindliche geschmolzeneMetall wird mit Hilfe
der Stromzuleitungen 36 und 37 ein elektrischer Strom aufrechterhalten. Das Druckgefälle,
welches dann entsteht, treibt das geschmolzene Metall von- den peripherischen Teilen
38 und 39 nach der Mittellinie hin, so daß das Metall durch die Ausflußöffnung 40
zur Gußform getrieben wird. Die Anordnung der Ausflußöffnungen in der Mittellinie
ergibt sich aus der Tatsache, daß bei der symmetrischen Anordnung nach Abb. 7 der
höchste Druck in der Mittellinie entsteht.
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Abb. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches dem in Abb. -7 dargestellten
ähnlich ist. Durch die nicht symmetrische'Anordnung eines Eisenkörpers 41 ist jedoch
das Magnetfeld verändert, so daß sich, gleiche Stromstärke und Rohrdimensionen vorausgesetzt,
ein wesentlich höherer Druck ergeben kann als beim vorigen Ausführungsbeispiel.
Bei dem Modell nach Abb. 8 tritt der höchste Druck nicht in der Mittellinie auf.
Darum ist auch die Zuführung 42 zur Gußform Abb. 7 gegenüber entsprechend verschoben
angebracht.
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Wird Wechselstrom verwendet, so wird man keinen massiven Eisenkörper
benutzen, sondern einen Eisenkörper aus Lamellen. Die Lamellen werden so angeordnet,
daß die magnetischen Kraftlinien möglichst nicht durch die volle
Fläche
der Bleche geschlossen werden. Im Fall eines Ausführungsbeispiels nach Abb. 8 würden
z. B. die Lamellen gerade so liegen, da.ß sich die Bleche in Abb. 8a verdecken.
Die Bleche werden voneinander am besten mit Glimmer oder Asbestpapier isoliert.
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Bei sehr hoher Temperatur läßt sich keine sehr hohe magnetische Sättigung
mehr bei Eisen erzielen. Ersetzt man jedoch das Eisen durch Kobalt oder Kobaltlegierungen,
deren Umwandlungspunkt wesentlich höher liegt als der Umwandlungspunkt des Eisens,
so kann man auch beim Gießen von Messing in der hier geschilderten Weise eine wesentliche
Verstärkung des Magnetfeldes erzielen.
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Abb. g zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Abb. 9a ist ein Schnitt
durch den Apparat, in welchem der Druck im geschmolzenen Metall erzeugt wird. Der
Eintritt des geschmolzenen Metalls erfolgt durch das Rohr 43 und der Ausfluß zur
Gußform durch das Rohr 44. Dazwischen fließt das Metall in _ einem Spalt in einer,
eingefügten Scheibe 45. Die Scheibe 45 besteht aus einem ferromagnetischen Material
mit hohem magnetischen Sättigungswert. Abb. g b zeigt einen Schnitt durch die Scheibe
45, aus welchem die Form des genannten Spaltes ersichtlich ist. Der elektrische
Strom tritt durch die ebene Gefäßwand 48 bzw. 49 in das geschmolzene Metall ein.
Die Stromzuführung zu der Gefäßwand erfolgt durch die Kupferleiter 46 bzw. 47. Um
zu vermeiden, daß zwischen den beiden als Elektroden wirkenden Gefäßwänden ein großer
Teil der Stromlinien sich durch die Scheibe 45 schließt, ist die letztere von den
genannten Gefäßwänden 48 und 49 durch eine zwischengelegte Schicht, etwa Glimmer
oder Asbestpapier, isoliert; dies ist durch die Zwischenräume 52 bzw. 53 angedeutet.
Um zu vermeiden, da.ß ein wesentlicher Teil der Stromlinien zwischen den beiden
Kupferzuführungen 46 und 47 sich durch die Gefäßwandung selbst schließt, sind jene
Teile der Gefäßwand, welche als Elektroden im geschmolzenen Metall wirksam sein
sollen, durch tiefe Spalte 50 und 51 getrennt. Indem - man diese Spalte mit
einer geeigneten feuerfesten Substanz vollfüllt, verhütet man das Eindringen der
Schmelze in dieselben.
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Wird nun zwischen den beiden Kupferleitern 46 und 47 eine Spannung
aufrechterhalten, so fließt der Strom im wesentlichen nur durch das geschmolzeneMetall
im Spalte der Scheibe45. Die durch den Strom erzeugten magnetischen Kraftlinien,
welche in der Scheibe 45 verlaufen, schließen sich durch den Spalt und erzeugen
dort ein starkes Magnetfeld. Infolge der Einwirkung dieses Magnetfeldes auf das
stromdurchflossene Metall entsteht ein Druckgefälle entlang des Spaltes, welches
die Schmelze zur Mündung des Rohrs 44 treibt. Man wird am besten die beiden Kupferzuführungen
46 und 47 zu einer aus einer einzigen Windung bestehenden Sekundärwicklung eines
Transformators ergänzen, welche man gegen den Eisenkern und die Primärwicklung des
Transformators mit Chamotte oder Asbest gegen Wärmeübergang isoliert.
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Man kann auch dadurch ein verstärktes Magnetfeld und entsprechend
eine erhöhte Druckwirkung erzielen, daß man die stromführenden Kupferleiter in der
unmittelbaren Nachbarschaft der stromdurchflossenen Schmelze einige Male hin und
her führt, etwa so, daß eine Spule entsteht, in deren Mitte sich die stromdurchflossene
Schmelze befindet, wobei dann die Spule und das geschmolzene Metall von demselben
Strom durchflossen werden.
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Bei den Ausführungsbeispielen 6 bis g läßt sich durch Kommutieren
des Stroms keine Umkehrung des Drucks erzielen, da sich alsdann auch die Richtung
des Magnetfeldes von selbst umkehrt. Doch kann man durch Veränderung der Stromstärke
den Druck variieren und so das Spritzen unter veränderlichem Druck vornehmen.
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Falls zwei Stromkreise vorhanden sind, - wie etwa in den Ausführungsbeispielen
x bis 5, dann kann man dadurch, daß man- nur das Magnetfeld oder nur den Strom im
geschmolzenen Metall umkehrt, das Ausfließen der Schmelze ebenso verhindern wie
mit einem mechanischen Absperrventil. In diesen Fällen kann auch beim Fehlen jeglicher
mechanischen Absperrventile das an die Gußform anstoßende Mundstück tiefer liegen
als der Flüssigkeitsstand der Schmelze im Vorratsbehälter. Auch kann man, wenn man
die Form evakuiert, das Ansaugen der Schmelze verhindern.