DE1558159B2 - Verfahren und vorrichtung zum vakuumgiessen von praezisions teilen aus metall mit hoechster reinheit - Google Patents

Description

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Die Erfindunng betrifft ein Vakuumgießverfahren oder es kann erforderlich sein, die Formen zu zerfür Präzisionsteile aus Metall mit höchster Reinheit, brechen, um die Gußteile herausnehmen zu können, bei dem Form und zu vergießendes Metall einem Da aber bearbeitete spektrographisch reine Graphitgemeinsamen Hochvakuum ausgesetzt sind und bei formen sehr teuer sind, besteht für kommerzielle Andern das geschmolzene Metall in wenigstens einen 5 Wendungen ein dringender Bedarf an wiederverwendaufgeheizten Formhohlraum gegossen wird. Die Er- baren Formen.

findung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Aus der österreichischen Patentschrift 225 860 ist

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. es grundsätzlich bekannt, Metall unter Hochvakuum

Die Anforderungen an die Materialreinheit sind nicht nur zu schmelzen und zu reinigen, sondern

aus der Vakuumschalterindustrie bekannt, bei der io auch zu vergießen.

Kontakte benötigt werden, deren Gehalt an gasförmi- Ein wesentlicher Nachteil dieses bekannten Ver-

gen Unreinheiten unterhalb von 10³ Teilen je fahrens besteht darin, daß der Reinigungsprozeß mit

Million liegen muß. Ein Grund für diese hohen An- dem Vergießen beendet ist.

forderungen an die Reinheit liegt darin, daß jede Weiterhin sind aus der französischen Patentschrift

Verunreinigung im Kontakt, sich an den Korngren- 15 1 420 195 ein Verfahren und eine Vorrichtung be-

zen zu konzentrieren sucht. Gasförmige Verunreini- kannt, um eine gerichtete Erstarrung von Gußstücken

gungen sind besonders unerwünscht, da sie während herbeizuführen.

der Schalterbetätigungen durch Wärme aus den Kon- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

takten freigesetzt werden. Dadurch wird der Druck Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit

im Schalter bis auf einen Wert steigen, bei dem der 20 welchen an den Gießvorgang anschließend eine wei-

Schalter den elektrischen Strom nicht mehr unter- tere Reinigung von Gußteilen ermöglicht wird,

bricht. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung

Das vielleicht bekannteste Verfahren zum Darstel- vor, daß die Erstarrung des Metalls innerhalb des len solcher reinen Metalle ist das Zonenschmelzver- Formhohlraums derart gesteuert wird, daß die vorfahren. Bei diesem Verfahren wird ein schmaler, auf- 25 dringende fest-flüssige Grenzschicht langsam ohne geschmolzener Querschnitt durch einen festen Block Behinderung von den unteren und äußeren Teilen des zu reinigenden Metalls bewegt, während der Block des Formhohlraums fortschreitet und vollständig einem Hochvakuum ausgesetzt ist. Dieses Verfahren innerhalb eines blind endenden Steigers endet,
beruht auf den Unterschieden der Löslichkeit der Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Ereinzelnen Verunreinigungen in der flüssigen und 30 findung ist vorgesehen, daß mehrere Formhohlräume festen Phase des Grundmetalls. Wenn sich somit die verwendet werden.

schmale Zone aufgeschmolzenen Metalls durch den Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Block bewegt, konzentrieren sich die Verunreini- zeichnet sich dadurch aus, daß die Erstarrung dagungen des Blockes in der Flüssigkeit vor der vor- durch gesteuert wird, daß durch einen unmittelbar dringenden festen Grenzfläche, so daß die Verunrei- 35 oberhalb jedes Formhohlraumes vorgesehenen Einnigungen nach einem Ende des Blockes gestoßen wer- gußtrichters so viel geschmolzenes Metall eingegossen den. Gleichzeitig dient das Hochvakuum dazu, die wird, daß jeder Formhohlraum sowie der Einguß-Schmelze zu entgasen. Das bedeutet, daß das Hoch- trichter gefüllt werden.

vakuum diejenigen Verunreinigungen entfernt, die Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck besitzen, 40 vor, daß die Erstarrung dadurch gesteuert wird, daß sowie diejenigen, die gasförmige Reaktionsprodukte eine konzentrisch um den Formhohlraum herum vorbilden, welche durch die Pumpeinrichtung abgepumpt gesehene Induktionsspule mit einer Geschwindigkeit werden. bis zu etwa maximal 50 mm/h nach oben bewegt

Die meisten Anwendungen derartiger Metalle wird.

höchster Reinheit erfordern üblicherweise, daß das 45 Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen

gereinigte Metall noch gegossen und bearbeitet wer- Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung zeichnet

den muß, ohne daß eine erneute Verschmutzung des sich dadurch aus, daß eine Schmelzeinrichtung mit

Metalls auftritt. Insbesondere wird das Gießen, der einer Auslaßeinrichtung für das geschmolzene Metall

Metalle schwierig, da das Metall, sobald es geschmol- vorgesehen ist, daß wenigstens ein Formhohlraum

zen ist, leicht durch die Atmosphäre oder die Form 50 vorhanden ist, welcher einen nach oben ragenden

verunreinigt werden kann. Um solche Verunreini- blind endenden Steiger aufweist, daß weiterhin eine

gungen zu vermeiden, wird der Guß üblicherweise in Formteil-Heizeinrichtung vorgesehen ist und daß

spektrographisch reinen Graphitformen vorgenom- innerhalb des Hochvakuums oberhalb des Formteils

men, die unter Hochvakuum stehen. Wenn auch ein Eingußtrichter angeordnet ist, welcher einen durch solche Gießtechnik das Problem der Verun- 55 wesentlichen Volumenanteil des Metalls aufnehmen

reinigung gelöst wird, so wird doch das Gießverfahren kann.

durch das Hochvakuum sehr kompliziert und verur- Zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer Gußteile

sacht erhebliche Schwierigkeiten und Kosten. Der ist vorzugsweise vorgesehen, daß eine Mehrzahl von

größte Nachteil ist der, daß durch die Raumbegren- senkrecht übereinander angeordneten und miteinanzungen beim Vakuumgießen der Guß üblicherweise 60 der verbundenen Formhohlräumen vorgesehen sind,

auf ein Gußteil pro Gießvorgang beschränkt ist. die jeweils mit einem blind endenden Steiger ausge-

Es hat bereits zahlreiche Versuche gegeben, um stattet sind.

bei einem Vakuumgießvorgang mehrere Gußteile Vorzugsweise wird die Anordnung der Formteile

gleichzeitig herzustellen. Diese Versuche haben je- derart getroffen, daß eine Mehrzahl von Formteilen doch zu Verfahren geführt, bei denen die Graphit- 65 aus Graphit vorhanden sind, die senkrecht überein-

formen nicht wiederverwendbar waren. Die thermi- ander im Hochvakuum angeordnet sind, zwischen

sehen Kontraktionen zwischen einer Mehrzahl von denen Formhohlräume gebildet sind.

Gußteilen können nämlich die Formen zerstören, Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der er-

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findungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch Nach F i g. 1 weist die Vorrichtung einen geschlosaus, daß die Formhohlräume miteinander durch einen senen Kessel oder eine Vakuumkammer 10 auf, die Eingußkanal verbunden sind, der zwischen dem Um- durch ein längliches, senkrecht angeordnetes, rohrfang und der Formteile und einem Aufnahmejoch förmiges Teil 11 gebildet wird, das mit abnehmbaren ausgebildet ist, in welchem die Formteile angeordnet 5 Deckeln 12 und 13 versehen ist, die daran befestigt sind und daß der Eingußkanal aus miteinander fluch- sind. Eine Hochvakuum-Pumpeinrichtung 16 dient tenden senkrechten Schlitzen besteht, die in allen zum Evakuieren der Kammer 10 über ein Absaugrohr Formteilen außer dem untersten ausgebildet sind und 14, das in Verbindung mit dem oberen Teil der Kammit den Außenumfängen der Formhohlräume in Ver- mer 10 steht. Die Pumpeinrichtung soll innerhalb der bindung stehen. io Kammer 10 ein geeignet hohes Vakuum aufrechter-

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfin- halten können. Die Größe des Vakuums hängt selbst-

dungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß ober- verständlich von der Art des vergossenen Metalls ab.

halb der Schmelzeinrichtung ein Legierungsbehälter Beim Gießen von Kupfer und Kupferlegierungen für

vorgesehen ist, welcher innerhalb eines geschlossenen Vakuumschalterkontakte liegt der Druck in der Kam-

Behälters liegt, in welchem das die Formen aufneh- 15 mer 10 unter 510""⁵mmHg. Das erforderliche Va-

mende Joch angeordnet ist und daß der Legierungs- kuum für den Guß von anderen Metallen ist in der

behälter eine Charchiereinrichtung aufweist, mit wel- Vakuumgießtechnik durchaus bekannt und braucht

eher der Inhalt des Behälters in die Schmelzeinrich- daher hier nicht im einzelnen erläutert zu werden,

tung überführt wird. Das rohrförmige Teil 11 ist aus einem nichtleitenden,

Zur Änderung der geometrischen Abmessungen der 20 hochtemperaturbeständigen Material hergestellt, wie

Gußteile kann vorgesehen sein, daß ein die geome- Hochtemperaturglas, Kieselerde oder Keramikstoffen,

irischen Abmessungen der Gußteile verändernder die für Gase undurchlässig sind. Es sollte noch eine

Formeinsatz vorgesehen ist, welcher in einen oder Einrichtung wie beispielsweise ein Ionen-Meßgerät 15

mehrere Formhohlräume einsetzbar ist. vorzugsweise am Rohr 14 vorgesehen sein, um das

Dieser Einsatz kann vorteilhafterweise so ausge- 25 innerhalb der Kammer 10 erzeugte Vakuum zu messen,

bildet sein, daß ein mit dem Gußteil verschmelzender Innerhalb der Vakuumkammer 10 liegt auf einem

metallischer Einsatz vorgesehen ist, welcher in jeden geeigneten, isolierenden Tragteil 21 ein aus spektro-

Formhohlraum einsetzbar ist. graphisch reinem Graphit bestehendes Aufnahmejoch

Zum Vorheizen des Eingußtrichters ist vorteil- 20 auf. Dieses Joch besteht in erster Linie aus einem

hafterweise vorgesehen, daß die Formteil-Heizeinrich- 3° kreiszylindrischen, oben offenen Behälter, der im

tung aus einer Induktionsspule besteht, die konzen- Boden mit einem Auswerfloch 19 versehen ist. Das

trisch um die Formteile herumgelegt ist. isolierende Tragteil 21 kann aus irgendeinem hoch-

Schließlich ist zur Beheizung der Formteile vor- temperaturbeständigen Stoff bestehen, der das Joch

teilhafterweise vorgesehen, daß eine Eingußtrichter- 20 oberhalb des Deckels 12 hält. Vorzugsweise wird

Heizeinrichtung vorgesehen ist, die aus einer konzen- 35 das Tragteil 21 durch ein kurzes, zylindrisches Quarz-

trisch um den Eingußtrichter herumgelegten Induk- rohr dargestellt, das aufrecht auf dem Deckel 12 steht,

tionsspule besteht. wie es F i g. 1 zeigt.

Der gemäß der Erfindung erzielbare technische Innerhalb des Aufnahmejoches 20 sind in senk-Fortschritt besteht im wesentlichen darin, daß das rechter Richtung übereinander spektrographisch reine zu verarbeitende Metall vor dem Guß von keiner 40 Graphitformen 22, 23 und 24 derart gestapelt, daß besonderen Reinheit zu sein braucht, da das Schmel- zwischen je zwei benachbarten Formteilen ein Formzen, das Halten der Schmelze und der Guß selbst hohlraum 25 entsteht. Die Formteile 22, 23 und 24 die gewünschte hohe Reinheit im Gußteil gewähr- werden in enger Anlage aneinander durch eine aus leisten. Außerdem können gemäß der Erfindung spektrographisch reinem Graphit bestehende Niedergleichzeitig mehrere verschiedene Gußteile herge- 45 haltehülse 26 gehalten, die mit dem Aufnahmejoch 20 stellt werden. durch irgendeine Einrichtung, wie beispielsweise

F i g. 1 ist ein Schnitt durch eine Hochvakuum- einen herausnehmbaren Stift 27, lösbar verbunden

gießeinrichtung für Präzisionsguß höchster Reinheit ist. Auf diese Weise wird durch die Hülse 26 und

gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; die Oberfläche des obersten Formteils 24 ein Wärme-

Fig. 2 zeigt vergrößert einen Schnitt durch zwei 50 aufnahmebehälter 28 aus spektrographisch reinem

spektrographisch reine Graphitformen, wie sie bei Graphit gebildet.

Einrichtungen ähnlich Fig. 1 benutzt werden; Sämtliche Formteile 22, 23 und 24 sowie die Hülse

F i g. 3, 4 und 5 zeigen verschiedene Formeinsätze, 26 sind durch Bearbeitung mit einer kreiszylindri-

wie sie zum Herstellen einer Vielzahl von unter- sehen Form versehen, so daß sie eng in das Auf-

schiedlichen Ausbildungen der Gußstücke verwendet 55 nahmejoch 20 hineinpassen. Die Formhohlräume, die

werden können. jede gewünschte Gestalt annehmen können, sind in

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung, ins- die aneinander anliegenden ebenen Flächen der

besondere die Formen, ist bzw. sind in erster Linie Formteile eingearbeitet.

zum Gießen von Vakuumschalterkontakten höchster Die Formteile sind beim dargestellten Ausfüh-Reinheit ausgelegt. Die folgende Beschreibung betrifft 60 rungsbeispiel derart angeordnet, daß eine Mehrzahl daher in erster Linie diese besondere Anwendung des von Gußteilen bei einem einzigen Guß hergestellt erfindungsgemäßen Verfahrens und. der erfindungs- wird. Das unterste Formteil 22 ist in seiner Obergemäßen Vorrichtung. Wenn auch der Guß von Va- fläche mit einem Teil des Formhohlraums versehen, kuumschalterkontakten die hervorstechendste An- während das oberste Formteil 24 in seiner Unterwendung der Erfindung darstellt, ist doch klar, daß 65 fläche einen Teil eines Fonnhohlraums aufweist, die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern Zwischen den Teilen 22 und 24 sind nach F i g. 1 sich ebenfalls bei jeder Art von Gießverfahren für mehrere Zwischenformteile 23 vorgesehen. In F i g. 2 höchste Reinheit anwenden läßt. ist nur ein Zwischenformteil 23 dargestellt.

Bei der Herstellung eines einzigen Gußteils sind nur das Formteil 22 und das Formteil 24 erforderlich.

Jedes Formteil 23 und 24 muß mit einem Einguß versehen sein, der die Formhohlräume 25 mit dem Wärmeaufnahmebehälter 28 verbindet. Vorzugsweise wird dies bei jedem Formteil 23 und 24 mit einem einzigen senkrechten Kanal oder Schlitz 29 erreicht, der an der Außenseite vorgesehen ist. Die Schlitze 29 liegen in senkrechter Richtung in einer Flucht innerhalb des Aufnahmejochs 20 und bilden einen Einguß zwischen den Formteilen und dem Joch 20. Selbstverständlich braucht das unterste Formteil 22 nicht mit einem solchen Schlitz versehen zu sein. Falls erforderlich, sollte auch die Hülse 26 einen Schlitz oder Einschnitt 31 aufweisen, der den Zugang zu dem Einguß bildet, der durch die Schlitze 29 dargestellt wird.

Der obere Teil jedes Formhohlraums 25 ist etwa in der Mitte des Hohlraums mit einem blind endenden Steiger 30 versehen (Fig. 2). Da die Einrichtung während des Gusses einem hohen Vakuum ausgesetzt ist, wird das geschmolzene Metall den blinden Steiger 30 im wesentlichen ausfüllen. Das bedeutet, daß bei hohem Vakuum praktisch keine Lufttaschen im Formhohlraum 25 vorhanden sind, die es verhindern könnten, daß das geschmolzene Metall den Winden Steiger im wesentlichen ausfüllt. Es ist wesentlich, daß der blinde Steiger 30 einen beträchtlichen Anteil am Volumen des Gesamthohlraums einnimmt, wenigstens 3 % und vorzugsweise 5 bis 20 %. Es ist weiterhin wichtig, daß die Oberflächen der Formhohlräume 25 glatt in den blinden Steiger 30 übergehen, so daß am Gußteil keine hochliegenden Stellen außer dem Steiger selbst vorhanden sind.

Innerhalb der Vakuumkammer 10 liegt oberhalb des Aufnahmejochs 20 und der darin befindlichen Formen ein aus spektrographisch reinem Graphit bestehender Schmelztiegel 35. Nach F i g. 1 ist auf das Aufnahmejoch 20 ein Quarzrohr 37 aufgesetzt, auf dem der Schmelztiegel aufliegt. Der Schmelztiegel 35 sollte ein Aufnahmevolumen für die Schmelze besitzen, das größer ist als das Volumen der Formhohlräume 25 und das Volumen des Behälters 28. Der Auslaßstopfen 36 des Tiegels 35 muß selbstverständlich von außerhalb der Vakuumkammer 10 betätigbar sein.

Wie schon oben erwähnt, sind diejenigen Teile, die in direkte Berührung mit dem geschmolzenen Metall kommen, vorzugsweise aus spektrographisch reinem Graphit hergestellt. Jedoch gilt dies nur für Metalle, die Graphit nicht benetzen. Diejenigen Metalle, die Graphit benetzen, benötigen Vorrichtungsteile, die aus einem anderen feuerbeständigen Material bestehen, wie beispielsweise Zirkon. Wenn ein solches anderes Material benutzt wird, ist es wünschenswert, der Schmelze vor dem Guß einen Deoxidator zuzusetzen, wie beispielsweise Kohlenstoff, Schwefel od. dgl.

Falls es gewünscht wird, kann innerhalb der Vakuumkammer 10 noch ein Legierungsbehälter 40 mit einem Chargierstopfen 41 vorgesehen werden, der oberhalb des Tiegels 35 durch irgendeine Einrichtung, wie beispielsweise ein Quarzrohr 42, gehalten wird. Wie weiter unten noch erläutert wird, kann ein solcher Legierungsbehälter 40 bei den Anwendungen von Vorteil sein, bei denen die Legierungsbestandteile nicht gemeinsam im Tiegel 35 gereinigt werden können. Wenn ein derartiger Legierungsbehälter 40 vorgesehen ist, muß der Chargierstopfen 41 von außerhalb der Vakuumkammer 10 betätigbar sein. Das läßt sich in einfacher Weise durch eine Stange 43 vornehmen, die durch den oberen Deckel 13 hindurchfaßt. Zwischen der Stange 43 und dem Deckel 13 muß eine Vakuumdichtung 44 vorgesehen sein, so daß keine Luft in die Kammer 10 eindringen kann, wenn diese unter einem Vakuum steht. Falls es gewünscht wird, kann der Auslaßstopfen 36 des Tiegels

ίο 35 durch den Chargierstopfen 41 des Behälters 40 mitbetätigt werden. Dazu wird ein Molybdän- oder Tantaldraht benutzt, der zwischen dem Stopfen 41 und dem Stopfen 36 sitzt, und der so viel Spiel besitzt, daß der Chargierstopfen 41 ohne Anheben des Stopfens 36 angehoben werden kann.

Um die Metallcharge im Tiegel 35 schmelzen zu können, ist konzentrisch um den Tiegel 35 herum eine wassergekühlte Hochfrequenzinduktionsspule 45 gelegt. Da das Prinzip der Induktionsheizung bekannt

ao ist, braucht hier nicht im einzelnen darauf eingegangen zu werden. In gleicher Weise ist konzentrisch um das Aufnahmejoch 20 eine Hochfrequenzinduktionsspule 46 herumgelegt, die eine Vorheizung liefert, um die Formen zu entgasen und die Erstarrung der Gußteile zu steuern, und die weiterhin eine geringe Erstarrungsgeschwindigkeit gewährleistet, wie es weiter unten noch erläutert wird. Außerdem verlangt der enge Einguß eine Vorheizung derart, daß sich das Metall im Einguß nicht verfestigt, bevor es nicht die Formhohlräume ausgefüllt hat. Da sich der Tiegel 35 und das Aufnahmejoch 20 in einer evakuierten Kammer befinden, ist keine oder nur eine geringe thermische Isolierung erforderlich. Wie in der Zeichnung dargestellt, sind die beiden Induktionsspulen 45 und 46 konzentrisch um das rohrförmige Teil 11 wie auch um den Tiegel und das Joch 20 herumgelegt. Die Induktionsspulen können natürlich auch innerhalb des Teiles 11 liegen, wenn geeignete Durchführungen durch das Rohr 11 vorgesehen sind.

Wenn die Induktionsspulen innerhalb der Kammer

10 angeordnet sind, kann das Teil 11 aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen Material hergestellt sein.

Da das Joch 20 und die Formen in der Nähe des

Deckels 12 liegen, kann es erforderlich sein, den Deckel mit einer Wasserkühlung zu versehen, so daß die Dichtung zwischen dem Deckel 12 und dem Rohr

11 nicht überhitzt wird. Das kann mit einer Rohrschleife 48 erreicht werden, die in Berührung mit dem Deckel 12 steht und von Wasser durchflossen wird.

Im Betrieb muß die Vorrichtung, wie oben erläutert, zusammengebaut werden, wobei das zu vergießende Metall sich innerhalb des Tiegels 35 befindet. Es sollte so viel Metall vorhanden sein, daß es den Wärmebehälter 28 wie auch die Formhohlräume 25 ausfüllen kann. Dann wird die Vakuumpumpeinrichtung 16 in Tätigkeit gesetzt, die ein geeignetes Vakuum innerhalb der Kammer 10 erzeugt und dieses Vakuum während der gesamten Arbeitsgänge aufrechterhält. Gleichzeitig wird durch die Induktionsspulen 45 und 46 ein hochfrequenter Strom sowie Wasser geschickt, um den Tiegel 35 und die Formen sowie den Behälter 28 aufzuheizen. Wenn das Metall im Tiegel 35 geschmolzen und in der Kammer 10 ein hohes Vakum erzeugt worden ist, wird das geschmolzene Metall durch das hohe Vakuum entgast und teilweise gereinigt sowie durch den aus spektrographisch reinem Graphit bestehenden Tiegel desoxidiert. Dieses Reinigen durch Vakuum ist wenigstens für das teilweise

Reinigen von vielen Schmelzen, insbesondere Schmelzen von hochhitzebeständigen Metallen, bekannt. Insbesondere erfolgt eine teilweise Reinigung durch das

•: Verdampfen von gewissen Verunreinigungsgasen, Elementen und Oxydulen, insbesondere den Elementen und Oxydulen, die im Vergleich zum Grundmetall einen relativ hohen Dampfdruck besitzen. Die Verbindung von hoher Temperatur und hohem Vakuum bewirkt, daß die Unreinheiten mit relativ hohem Dampfdruck als Gase herausgesiedet und durch die Pumpeinrichtung 16 abgezogen werden. Zusätzlich wird der Sauerstoff in der Schmelze mit dem Kohlenstoff des Graphittiegels 35 reagieren und Kohlenmonoxyd bilden, das die Schmelze desoxidiert. Außerdem wird, da das System eine beträchtliche Menge an Graphit aufweist, die geringe Menge an vorhandener Atmosphäre in erster Linie aus Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd bestehen, die durch die übliche Reduktion die Schmelze weiterhin reinigt. Sobald demnach das Metall im Tiegel 35 schmilzt, ist es erforderlich, die Schmelze eine längere Zeit im ■γ) Tiegel zu halten, um die oben erläuterte teilweise Reinigung ablaufen zu lassen.

Wenn das geschmolzene Metall im Tiegel 35 vakuumgereinigt ist, ist es zum Gießen fertig. Es ist erforderlich, daß der Behälter 28 und die Formen auf eine Temperatur aufgeheizt sind, die wenigstens der Temperatur des geschmolzenen Metalls vor dem Guß entspricht. Zum Gießen wird der Auslaßstopfen 37 angehoben, so daß das geschmolzene Metall aus dem Tiegel 35 in den vorgeheizten Behälter 28 fließt, wo ein Teil der Schmelze in die Formhohlräume 25 durch den Einguß gelangt, der durch die Schlitze 29 und das Joch 20 gebildet wird. Wenn sämtliches Metall ausgetreten ist, sollten die Hohlräume 25 und der Behälter 28 im wesentlichen mit geschmolzenem Metall gefüllt sein. Die Induktionsspulen 45 und 46 werden dann abgeschaltet und das System kann sich langsam abkühlen.

Es ist wichtig, daß ein wesentlicher Anteil des geschmolzenen Metalls innerhalb des Behälters 28 verbleibt, während das Metall in den Hohlräumen 25

\ erstarrt, um die Erstarrung der Gußteile in den Formhohlräumen zu steuern. Das Volumen des im Behälter 28 befindlichen Metalls sollte wenigstens 20 % des gesamten Formvolumens und vorzugsweise zwischen 30 und 50% betragen. Durch Beibehaltung der Wärmesenke oberhalb der Formen erstarren die Gußteile von unten und den Außenseiten aus nach oben und innen, wobei die Gußteile weiterhin durch Zonenreinigung gereinigt werden. Beim langsamen Fortschreiten der flüssigfesten Grenzschicht von unten und außen werden die Unreinheiten nach oben und innen gedrückt und erstarren schließlich innerhalb der Winden Steiger 30. Anschließend werden nach dem Herausnehmen der Gußteile aus den Formen die Steiger abgetrennt, wobei auch die Verunreinigungen mit entfernt werden. Daraus geht die Wichtigkeit der Hohlraumausbildung und der Anordnung der blinden Steiger hervor. Wie oben bereits erwähnt, sollten die Winden Steiger 30 derart zum Formhohlraum 25 angeordnet sein, daß die flüssigfeste Grenzschicht ohne Behinderung von den unteren und äußeren Teilen des Hohlraums 25 vorschreiten und vollkommen innerhalb des Steigers 30 enden kann. Diese fortschreitende Grenzschicht darf nicht innerhalb eines Teils des Formhohlraums enden, der als ein Teil des fertigen Gußteils erhalten bleibt.

Auf diese Weise wird jedes Gußteil während des Erstarrens innerhalb des Formhohlraums einzeln zonengereinigt.

Es ist gleichfalls von Wichtigkeit, daß die Gußteile langsam abkühlen, so daß sich großkörnige Gußteile ergeben. Das soll aus. dem Grunde geschehen, weil einige Bestandteile der Unreinheiten sich teilweise an den Korngrenzen konzentrieren, wenn benachbarte Körper erstarren und ineinander übergehen. Beim

ίο Fortschreiten der einzelnen·., Korngrenzen in die Flüssigkeit werden die Unreinheiten weiter vorgeschoben, wie es oben erläutert wurde. Wenn sich somit benachbarte Körner Can . einer gemeinsamen Grenzfläche treffen, werden'.einige Bestandteile der Unreinheiten sich an dieser Grenzfläche konzentrieren. Wenn also die Guß teile, sich, nur langsam abkühlen, bilden sich größere Körner, die zu einer geringeren Anzahl von Korngrenzen führen. Bei einer kleineren Anzahl von Korngrenzen wird ein größerer Anteil der Unreinheiten in den später zu entfernenden Steiger vorgetrieben. Außerdem bringt ein langsameres Abkühlen die Schrumpflunker in die oberen Flächen des im blinden Steiger befindlichen Metalls.
Nachdem sich die Gußteile, und der Behälter 28 verfestigt haben und vollständig abgekühlt sind, kann die Pumpeinrichtung 16 abgeschaltet werden, und es kann Luft in die Kammer 10 eingelassen werden. Dann kann die gesamte. Formeinrichtung aus der Kammer 10 dadurch entfernt werden, daß entweder der Deckel 12 oder der Deckel 13 abgenommen werden. Um die Gußteile aus den.Formen herauszubekommen, werden der Stift 27 und die Hülse 26 innerhalb des Joches 20 zuerst entfernt. Dann wird eine Stange oder ein enger, nicht dargestellter Zylinder benutzt, um die Formteile 22, 23 und 24, die Gußteile, den Behälter 28 und die Hülse 26 aus dem Joch 20 über das Auswerfloch 19 auszustoßen. Da nur ein einziger Einguß 29 am Umfang der Formteile 23 und 24 vorgesehen ist, wird jegliche thermische Kontraktion im Guß die Formen nicht beschädigen. Weiterhin läßt sich das Metall des Eingusses leicht derart verbiegen, daß sämtliche Formteile 23 und 24 zwischen den Gußteilen und der Wärmesenke zur anschließenden erneuten Verwendung herausgenommen werden können. Die Wärmesenke und das Metall des Eingusses können dann von den Gußteilen abgetrennt oder abgebrochen werden und beim nächsten Gießvorgang erneut benutzt werden. Von den Gußteilen selbst werden die blinden Steiger abgearbeitet, so daß sich fertige Gußteile mit höchster Reinheit ergeben. Bei einigen Anwendungen von Gußteilen mit höchster Reinheit ist es gelegentlich wünschenswert, ein unterschiedliches Metall dem zu vergießenden Grundmetall beizufügen. Wenn beide oder sämtliche Legierungsbestandteile hochhitzebeständig sind, können sie im Tiegel 35 gemeinsam geschmolzen und gereinigt werden. Wenn jedoch das eine oder mehrere Bestandteile der Legierung einen relativ hohen Dampfdruck besitzen, sollte es nicht direkt mit dem Grundmetall im Tiegel 35 geschmolzen werden, da durch das hohe Vakuum das zusätzliche Metall verdampfen würde, so daß das Grundmetall gereinigt und der Zweck nicht erreicht würde. In diesen Fällen sollte das verhältnismäßig leicht verdampfbare Legie^ rungsbestandteil der Schmelze erst unmittelbar vor dem Guß zugesetzt werden. Zu diesem Zweck kann das verhältnismäßig schwer verdampfbare Grundmetall, wie oben erläutert, im Tiegel 35 geschmolzen

werden. Der leicht verdampfbare Legierungsanteil wird in den Legierungsbehälter 40 eingebracht, wo er verhältnismäßig kühl und fest bleibt, während das Grundmetall geschmolzen und vakuumgereinigt wird. Kurz vor dem Guß wird der Chargierstopfen 41 angehoben, so daß das Legierungsmetall in die Schmelze des Grundmetalls im Tiegel 35 fallen kann. Sobald dann das Legierungsmetall geschmolzen ist und sich mit dem Grundmetall gemischt hat, kann der Guß wie oben erläutert erfolgen.

Beim Vakuumguß ist es wünschenswert, eine gewisse Flexibilität in der Ausbildung der Gußteile selbst zu ermöglichen. Das gilt besonders für den Guß von Vakuumschalterkontakten, bei denen für unterschiedliche Anwendungen unterschiedliche Zusammensetzungen und geometrische Ausbildungen für die Kontaktspitze erwünscht sind. Die Kontakte sind sämtlich mit einem ähnlich geformten Außenumfang versehen, der als »swirl« bezeichnet wird und aus der Gestalt der Formhohlräume 25 deutlich hervorgeht. Die gewünschte Kontaktfläche jedoch kann sich wesentlich ändern.

Die erläuterte Einrichtung und das beschriebene Verfahren ermöglichen in einfachster Weise unterschiedliche Anordnungen zum Ändern der Form der Kontaktspitze. Beispielsweise sind die Formteile 22, 23 und 24 der F i g. 2 so ausgebildet, daß ein einziges Paar von Kontakten entsteht, die mit einer ebenen, vorstehenden Kontaktspitze versehen sind, welche über den Kontaktkörper vorsteht und durch das Metall im Hohlraum 50 gebildet wird.

Die Geometrie und Ausbildung dieser Kontaktspitze läßt sich jetzt leicht ändern, ohne daß dabei die ursprünglichen Formteile 22, 23 und 24 geändert werden müßten. Das geschieht dadurch, daß unterschiedliche Spitzeneinsätze vorgesehen werden, die vor dem Guß in die Hohlräume 50 eingebracht werden. Bei einigen Anwendungen von Vakuumschaltern ist es beispielsweise wünschenwert, Kontakte vorzusehen, die aus zwei unterschiedlichen Metallen bestehen, wobei beispielsweise der Hauptkörper des Kontakts aus Kupfer und die Kontaktspitze aus Wolfram oder Molybdän oder Legierungen dieser Stoffe besteht. Durch einen eine Ausnehmung herstellenden Graphiteinsatz 51 (F i g. 3), der in den Hohraum 50 eingesetzt wird, kann ein Gußteil mit einer Ausnehmung oder Vertiefung hergestellt werden, in die eine vorgeformte Kontaktspitze aus Wolfram, Molybdän od. dgl. eingelötet werden kann.

Falls es gewünscht wird, kann ein solches Gußteil auch direkt über einer vorgeformten Metallspitze dadurch hergestellt werden, daß eine solche Spitze 53 (F i g. 5) in den Hohlraum 50 vor dem Guß eingesetzt wird. Wenn sich dann das Metall im Formhohlraum verfestigt, wird es von selbst mit der aus anderem Metall bestehenden, vorgeformten Metallspitze verschweißt. In diesem Falle ist es nicht mehr erforderlich, anschließend die Kontaktspitze in das Gußteil einzulöten. Es ist klar, daß auch andere Formen von Kontaktspitzen leicht durch entsprechende Einsätze vorgesehen werden können. Beispielsweise führt der Einsatz der F i g. 4 zu einem einstückigen Gußteil, das mit einer ringförmigen Kontaktfläche versehen ist.

Es wurde oben schon erwähnt, daß das wesentliche der vorliegenden Erfindung darin liegt, daß der Form hohlraum 25 einen blinden Steiger 30 aufweist und daß die Wärmesenke vorgesehen ist, um eine kontrollierte Erstarrung der Gußteile derart zu erreichen, daß sie durch die Zonenreinigung sich selbst reinigen. Neben dieser besonderen Reinigung weist die Erfindung noch weitere Vorteile auf. Beispielsweise gestattet das Ubereinanderstapeln der Formen in Verbindung mit einem einzigen Einguß einer Seite der Formen das Gießen von mehreren Gußteilen, ohne daß die Formen zerstört oder beschädigt werden müßten. Der einzige Einguß an der Seite der Formen

ίο ergibt auch eine gewisse Flexibilität insofern, als ohne Änderung der Formen durch verschiedene Einsätze, wie oben erläutert, unterschiedliche Gußteile erhalten werden können, ohne daß die Metallzufuhr dadurch gestört würde. Es ist weiterhin von Bedeutung, daß das zu verarbeitende Metall vor dem Guß von keiner besoderen Reinheit zu sein braucht, da das Schmelzen, das Halten der Schmelze und der Guß selbst die gewünschte hohe Reinheit im Gußteil bewirken. Es ist klar, daß zahlreiche Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise lassen sich andere Verfahren zum Steuern der Erstarrung der Gußteile anwenden. Bei einem solchen Verfahren kann die Induktionsspule 46 in axialer Richtung relativ zu den Formen beweglich angebracht sein, um den Behälter mit dem geschmolzenen Metall zu vermeiden. Bei einer solchen Anordnung bleibt die Induktionsspule 46 nach dem Vergießen des Metalls eingeschaltet und wird dann relativ zu den Formen langsam nach oben bewegt, so daß die gewünschte Erstarrung sich einstellt. Man hat zufriedenstellende Ergebnisse erreicht, wenn die Induktionsspule 46 mit einer Geschwindigkeit von weniger als etwa 50 mm/h nach oben bewegt wird.

Claims (14)

P atentansprüche:

1. Vakuumgießverfahren für Präzisionsteile aus Metall mit höchster Reinheit, bei dem Form und zu vergießendes Metall einem gemeinsamen Hochvakuum ausgesetzt sind und bei dem das geschmolzene Metall in wenigstens einen aufgeheizten Formhohlraum gegossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstarrung des Metalls innerhalb des Formhohlraums (25) derart gesteuert wird, daß die vordringende fest-flüssige Grenzschicht langsam ohne Behinderung von den unteren und äußeren Teilen des Formhohlraums fortschreitet und vollständig innerhalb eines blind endenden Steigers (30) endet.

2. Vakuumgießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Formhohlräume (25) verwendet werden.

3. Vakuumgießverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstarrung dadurch gesteuert wird, daß durch einen unmittelbar oberhalb jedes Formhohlraumes (25) vorgesehenen Eingußtrichters (28) so viel geschmolzenes Metall eingegossen wird, daß jeder Formhohlraum (25) sowie der Eingußtrichter (28) gefüllt werden.

4. Vakuumgießverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstarrung dadurch gesteuert wird, daß eine konzentrisch um den Formhohlraum (25) herum vorgesehene Induktionsspule (46) mit einer Geschwin-

digkeit bis zu etwa maximal 50 mm/h nach oben bewegt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß eine Schmelzeinrichtung (35) mit einer Auslaßeinrichtung (36) für das geschmolzene Metall vorgesehen ist, daß wenigstens ein Formhohlraum (25) vorhanden ist, welcher einen nach oben ragenden blind endenden Steiger (30) aufweist, daß weiterhin eine Formteil-Heizeinrichtung (46) vorgesehen ist und daß innerhalb des Hochvakuums oberhalb des Formteils (23) ein Eingußtrichter (28) angeordnet ist, welcher einen wesentlichen Volumenanteil des Metalls aufnehmen kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von senkrecht übereinander angeordneten und miteinander verbundenen Formhohlräumen (25) vorgesehen sind, die jeweils mit einem blind endenden Steiger (30) ausgestattet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Formteilen (22, 23, 24) aus Graphit vorhanden sind, die senkrecht übereinander im Hochvakuum angeordnet sind, zwischen denen Formhohlräume (25) gebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formhohlräume (25) miteinander durch einen Eingußkanal (29) verbunden sind, der zwischen dem Umfang und der Formteile (23, 24) und einem Aufnahmejoch (20) ausgebildet ist, in welchem die Formteile (23, 24) angeordnet sind und daß der Eingußkanal (29) aus miteinander fluchtenden senkrechten Schlitzen besteht, die in allen Formteilen (23, 24) außer den untersten (22) ausgebildet sind und mit den Außenumfängen der Formhohlräume in Verbindung stehen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bsi 8, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Schmelzeinrichtung (35) ein Legierungsbehälter (40) vorgesehen ist, welcher innerhalb eines geschlossenen Behälters (11,12,13) liegt, in welchem das die Formen aufnehmende Joch (20) angeordnet ist und daß der Legierungsbehälter eine Charchiereinrichtung (41) aufweist, mit welcher der Inhalt des Behälters in die Schmelzeinrichtung überführt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein die geometrischen Abmessungen der Gußteile verändernder Formeinsatz (51, 52, 53) vorgesehen ist, welcher in einen oder mehrere Formhohlräume (25) einsetzbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Gußteil verschmelzender metallischer Einsatz vorgesehen ist, welcher in jeden Formhohlraum (25) einsetzbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteil-Heizeinrichtung (46) aus einer Induktionsspule besteht, die konzentrisch um die Formteile (22, 23, 24) herumgelegt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingußtrichter-Heizeinrichtung vorgesehen ist, die aus einer konzentrisch um den Eingußtrichter (28) herumgelegten Induktionsspule (45) besteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen (45,46) in vertikaler Richtung mit regelbarer Geschwindigkeit bewegbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen