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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kleinteilen in Stahlformguß
Bei den bisherigen Methoden zum Gießen von Formteilen aus Stahl muß ein größeres
Schmelzvolumen gebildet und über längere Zeit schmelzflüssig gehalten werden. Hierzu
muß im allgemeinen die GAusfutterung der Gießwerkzeuge erwärmt werden, da es nicht
möglich ist, in einem geschlossenen Schmelz-Gieß-#Form-LAggregat kontinuierlich
derartige Formteile aus Stahlguß herzustellen. Insbesondere beim Vergießen hochschmelzender
Werkstoffe, wie legierter Stähle, stößt diese Erwärmung jedoch auf erhebliche Schwierigkeiten.
Außerdem ist es mit den bekannten Verfahren nicht möglich, kleine und kleinste Teile
aus Stahl zu gießen, da in diesem Fall die geschmolzene Masse zu lange auf der erforderlichen
gleichmäßig hohen Temperatur gehalten werden müßte, was sich aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
und wegen der erwähnten Schwierigkeiten verbietet.
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Die Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten und ermöglicht es insbesondere,
kleine und kleinste Teile, z. B. solche in der Größenordnung von von 25 cm3 abwärts,
mit wirtschaftlichem und technischem Erfolg zu vergießen.
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Zu diesem Zweck besteht die Erfindung aus einem Verfahren zur Herstellung
von Kleinteilen in Stahlformguß, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß von einem
geeigneten Ausgangsmaterial, z. B. handelsüblichem Formmaterial (Rundstahl), mit
Hilfe des elektrischen Lichtlbogens Volumen, die angenähert der Größe der herzustellenden
Formstücke
entsprechen, abgeschmolzen und anschließend sofort vergossen werden, wobei der zum
Abschmelzen des Materials dienende Lichtbogen bis zur Beendigung des Gießvorganges
aufrechterhalten wird.
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Bisher mußten Stahlformteile dieser Größenordnung im allgemeinen durch
spanabhebende oder durch spanlose Verformung hergestellt werden. Dadurch, daß erfindungsgemäß
die Herstellung dieser Teile durch Vergießen erfolgt, werden gegenüber den spanabhebenden
und anderen üblichen Verfahren folgende Vorteile erzielt: r. Beliebige Formgebung
(ohne Rücksicht auf den Herstellungsvorgang), 2. gute Oberflächenbeschaffenheit,
3. dichter homogener Gefügeaufbau, q.. Unabhängigkeit vom verwendeten Werkstoff
und Erweiterung der Werkstoffauswahl bis zum höchstlegierten Material, 5. hohe Wirtschaftlichkeit
und großer Ausstoß bei wenig Arbeitskräften und 6. relativ geringe Investierung
für den Maschinenpark.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin,
daß infolge der Anwendung der Lic'htbogenerwärmung und des Vergießens in einzelnen
Stückvolumen der Temperaturzustand des zu vergießenden Schmelzvolumens innerhalb
enger Grenzen gleichbleibend gehalten werden kann, so daß die erhaltenen Stücke
sämtlich von gleicher Beschaffenheit sind. Auch diese Bedingung war mit den bisherigen
Gießmethoden nicht zu erfüllen, da. bei diesen die Temperatur der Schmelze wegen
der benötigten längeren Zeiten nicht bis zum restlosen Vergießen konstant gehalten
werden konnte, woraus sich neben verschiedenen metallurgischen und gießtechnischen
Mängeln ein unregelmäßiger Ausfall der erhaltenen Formstücke ergab.
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Von der Lichtbogenschweißung her ist bekannt, daß durch Ausnutzen
der Bogenenergie in verhältnismäßig kurzen Zeiten größere Werkstoffmengen erschmolzen
und auf bestimmter Temperatur gehalten werden können und daß dieser Vorgang leicht
periodisch wiederholbar gestaltet werden kann. Darüber hinaus gestattet es die Erfindung,
die chemische Zusammensetzung des Schmelzgutes innerhalb gewisser Grenzen legierungstechnisch
'konstant zu halten bzw. zu beeinflussen. Infolge der kurzen Schmelzzeiten kann
eine Verbrennung (Oxydation) von Legierungselementen weitgehend angehalten werden,
und auch desoxydierende Reaktionen sind durchführbar. Bezüglich des Legierungselementes
Kohlenstoff läßt sich bei Anwendung des Lichtbogens und entsprechender Polung ein
Aufkohlungsprozeß weitgehend einschränken. Infolge der neutralen kohlenoxydgashaltigen
Ofenatmosphäre und der Möglichkeit, hohe Temperaturen schnell und sicher erreichen
zu können, ergibt sich ein geringer Abbrand.
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Es sind zwar lichtbogenbeheizte Schmelzöfen für Stahl bekannt. In
diesen wird jedoch der Stahl in größeren Mengen erschmolzen und zum Vergießen in
eine Gießpfanne abgelassen. Derartige Ofen eignen sich daher nicht zum Vergießen,
des Stahles in kleinen und kleinsten Mengen. Die Erfindung hat ferner eine Vorrichtung
zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum (Gegenstand.
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Diese besteht im wesentlichen aus einem trommelförmigen, zweckmäßig
um seine waagerechte Querachse drehbaren Ofen, in dem eine Einrichtung zur Erzeugung
des Lichtbogens und ein quer dazu angeordneter Halter für die abzuschmelzende Materialstange
vorgesehen sind. Die Einrichtung zur Erzeugung des Lichtbogens besteht dabei aus
einer Kohleelektrode und einer ihr gegenüberstehenden Graphitelektrode, die so in
einen hohlzylindrischen. Körper aus feuerfestem und nichtleitendem Material eingesetzt
ist, daß ein Schmelztiegel entsteht. Abweichend von :der beim Schweißen üblichen
Anordnung ist jedoch in diesem Fall die Kohleelektrode mit der negativen Stromklemme
verbunden und dient als Kathode, während der Schmelztiegel an die positive Stromklemme
angeschlossen ist und als Anode wirkt. Hierdurch wird ,der Vorteil erzielt, da.ß
infolge des ,Stromflusses von Metall zur Elektrode eine !Aufkohlung nur in äußerst
geringem Maße erfolgt.
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Um den Abbrand (des Tiegels ausgleichen zu können, isst zweckmäßig
die Graphitelektrode nachstellbar in ihrem feuerfesten und nicht leitenden Mantel
angeordnet, wobei auch der Mantel seinerseits noch nachstellbar sein kann.
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Die als Kathode dienende Kohleelektrode ist vorteilhaft in einen Graphitkörper
eingesetzt, der die zur .Aufnahme dieser Elektrode bestimmte Pinole gegen -die Einwirkung
des Lichtbogens abschirmt.
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Zur Beobachtung des Schmelz- und Gießvorganges ist seitlich am Ofenkörper
ein teleskopartiger Beobachtungsstutzen mit Schaufenster angebracht. Es ist hierdurch
möglich, Fehler bereits bei der Schmelze sowie beim Gießvorgang selbst und bei der
Form jedes einzelnen .Stückes zu erkennen, da jeder einzelne Prozeß im Schmelzraum
mit dem Auge beobachtet werden kann.
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Andern Ofen,ist ferner ein Anschluß für eine Absaugeinrichtung vorgesehen,
welche die beim Abschmelzen entstehenden Gase und Dämpfe dauernd absaugt. Es hat
sich gezeigt, daß diese rA#bsaugu.ng nicht nur eine klare Sicht innerhalb des Ofens
ergibt, sondern. auch wesentlich dazu beiträgt, Oxydations- und Au@kohlungsvorgänge
während .des Schmelz-und Gießvorganges zu unterbinden.
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In der Zeichnung ist a1.sAusführun,gsbeispiel eine zur Durchführung,des
Verfahrens nach der Erfindung geeignete Vorrichtung teilweise geschnitten dargestellt.
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Diese besteht aus einem trommelförmigen Ofen i . ,der um seine Querachse,
@d. h. die zur Zeichnungsebene senkrechte Achse, drehbar ist. In dem Ofen sind einander
gegenüberstehend eine Kohleelektrode 2 und eine Graphitelektrode 3 angeordnet. Diese
ist in einem hohlzylindrischen Körper 4. derart eingesetzt, daß ein Schmelztiegel
5 entsteht.
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Die Kohleelektrode :2 ist in einem zweiteiligen Graphitkörper 6 eingesetzt,
der von der Pinole 7 aufgenommen wird und zur Abschirmung der Pinole gegen die Einwirkung
des Lichtbogens
dient. Die Pinole 7 ist in üblicher Weise mit Spannbacken
ausgerüstet, von denen in dem dargestellten Schnitt eine bei 8 erkennbar ist. Das
Anziehen und Lösen der Backen erfolgt in der üblichen Weise durch Längsverschiebung
der Pinole. Die hierzu erforderlichen Elemente sind nicht dargestellt, da sie an
sich bekannt sind. Die PinOle 7 sitzt in einem äußeren Mantel 9, auf dem
ein Flansch io aufgeschweißt ist. Dieser Flansch isst mit einem in das Gehäuse i
eingeschweißten Gegenflansch i i verschraubt, wobei zwischen: den beiden Flanschen
noch eine Isolierscheibe 12 vorgesehen ist. Der Stromzuführung zu der Elektrode
2 dienen die bei 13 angedeuteten Anschlüsse, die als Kohlebürsten ausgebildet und
mit der negativen Stromseite verbunden sind.
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Der die Graphitelektrode 3 enthaltende hohlzylindrische Keramikkörper
4 ist längs verschiebbar in einem Rohrstutzen 14 angeordnet, der in das Gehäuse
i eingeschweißt ist. Zwischen Körper und Rohrstutzen 14 ist ein aus mehreren Lagen
bestehender Blechmantel 15 vorgesehen.
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Der Boden der Elektrode 3, die ebenfalls längs verschiebbar in dem
hohlzylindrischen Keramikkörper 4 geführt ist, ist durch einen als iStromträger
dienenden Kupferring 16 abgeschlossen, der über eine bei 17 angedeutete Leitung
mit der positiven Stromklemme verbunden ist. Gegen den Kupferring 16 liegt eine
Porzellanbüchse 18 an, in die die Verstell.spindel i9 eingreift. Diese dient zur
Nachstellung der Graphitelektrode 3, um den Lebrand des Schmelztiegels ausgleichen
zu können. Der Antrieb für diese Spindel ist nicht dargestellt. .Auch der hohlzylindrische
Keramikkörper 4 ist in der Längsrichtung einstellbar. Hierzu dienen zwei Spindeln
20 und 21, deren Antrieb ebenfalls nicht dargestellt ist. In dem Keramikkörper 4
ist .schließlich noch die bei 22 angedeutete Abflußrin.ne des Schmelztiegels ausgespart.
Gegenüber der Abflußrinne befindet sich im dem Ofendeckel 23 ein mit 24 bezeichnetes
Fenster. In dieses ist ein Formträger 29 eingesetzt, in den die aus dem Formkasten
30 und dem Formstoff 31 bestehende Gießform eingeführt werden kann.
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Quer zu den Elektroden 2, 3 ist ein Halter 25 angeordnet, in den die
Materialstange 26, die aus einem handelsüblichen Formmaterial (Rundstahl) besteht,
längs verschiebbar und drehbar gelagert ist.
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In dem Ofenkörper i ist ferner ein teleskopartiger Beobachtungsstutzen
27 mit Schaufenster eingesetzt, der es gestattet, den Schmelz- und Gießvorgang laufend
zu beobachten.
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Schließlich trägt das Gehäuse i noch einen Flanschanschluß 28, der
mit einer nicht dargestellten,Absaugeinrichtung, z. B. einem Schmiedefeuergebläse,
verbunden ist.
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Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende: Das umvorgewärmte
Material, welches beispielsweise die Form der Stange 26 hat, wird von Hand in den
Halter 25 eingesetzt. Gleichzeitig wird der Lichtbogen zwischen Kohleelektrode 2
und dem Boden des Schmelztiegels 5 gezündet und mittels Längsverschiebung der PinOle
7 auf seine richtige Länge von z. Bi. etwa ioo mm eingestellt. Das Einsatzmaterial
26 wird dann um ein solches Stück in Richtung X-Q vorgeschoben, daß ein (bestimmtes
Schmelzvolumen, z. B. ein solches von i5 cmg, zum Abschmelzen gebracht wird, welches
in den Tiegel 5 fließt. Nachdem dies erfolgt ist, wird ,das Einsatzmaterial 26 zurückgezogen
und die abgeschmolzene Menge auf Temperatur gehalten, was dadurch erfolgt, da@ß
nunmehr der Lichtbogen zwischen der Kohleelektrode 2 und der Oberfläche der Schmelze
verläuft. DieserVorgang dauert .nur wenige Sekunden. Anschließend wird durch langsames
Drehen des Ofens i um seine waagerechte Querachse in Richtung Y-Z und ohne Unterbrechung
des Lichtbogens (die flüssige Schmelze in die Form 30, 3 i vergossen und hernach
der Lichtbogen durch Längerziehen gelöscht. Die Form 30, 31 wird dem Formträger
29 entnommen und an der Luft abgekühlt.
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Der vorstechend beschriebene Vorgang kann weitgehend- mechanisch durchgeführt
werden. Versuche mit einem Wo-legierten Stahl mit einer Festigkeit von etwa ioo
kg/mm2 haben Gußformstücke ergeben, deren \Schliffbilder ein völlig porenfreies,
dichtes. Gefüge zeigten. Das Gefüge war feinkörnig, ohne Transkristallisation und
ohne Lunkerbi l dang.
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Die Aufbringung des für den Stahlformguß erwünschten Druckes kann
in beliebiger an sich bekannter Weise erfolgen. So wird z. B. der beim Gießen auftretende
statische Druck ausgenutzt, oder es -,werden durch Rotieren der Form Fliehkräfte
aurf das Gießgut zur Einwirkung gebracht.