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Verfahren zum stetigen Gießen metallischer Werkstoffe Bei der bekannten
Herstellung von metallischen Voll- oder Hohlsträngen durch stetiges Gießen, dem
sogenannten Stranggießen, wird der schmelzflüssige Werkstoff vorwiegend in gekühlte
metallische Gießformen vergossen, in denen er mehr oder weniger vollständig zu einem
Strang erstarrt. Bei einigen dieser Verfahren werden besonders kurze Gießformen
angewandt. Man will damit erreichen, daß innerhalb der Gießform nur die äußere Schale
des Strangs erstarrt und -daß der beim Austritt aus der Gießform noch flüssige Strangkern
durch unmittelbare Einwirkung von Kühlmitteln auf den Strang mit möglichst hoher
Geschwindigkeit über den ganzen Querschnitt zur Erstarrung gelangt, was vor allem
bei zur Seigerung neigenden Legierungen von Vorteil ist. Auf solche Weise hergestellte
Stränge weisen aber oft lange klaffende, meistens durch die Mitte des Strangs gehende
Risse oder Spalten auf, die sie für ihre weitere Verarbeitung zu Halbzeug in der
Regel unbrauchbar machen. Diese Risse werden durch die großen Schrumpfspannungen
verursacht, welche durch die schroffe Abkühlung des schmelzflüssigen Metalls bedingt
sind.
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Nun ist schon vorgeschlagen worden, die Abkühlung beim Stranggießen
stufenweise vorzunehmen und sogar Wärmeausgleichszonen vorzusehen, in denen, ähnlich
wie in den Tieföfen für gegossene Stahlblöcke, ein Wärmeausgleich zwischen den Randschichten
und dem Kern des Strangs erfolgen sollte. Geschieht nun aber der hauptsächliche
Wärmeentzug durch unmittelbare
Berührung des Strangs mit einem Kühlmittel,
dann ist das Wärmegefälle zwischen Rand und Kern des Strangs bei den derzeit üblichen
Strangquerschnitten zu gering, als daß eine Ausgleichszone praktische Bedeutung
erhalten könnte. Die stufenweise Abkühlung andererseits kann wohl eine Verbesserung
hinsichtlich der Entstehung von Wärmerissen ermöglichen, verbürgt aber nicht die
Sicherheit ihrer Vermeidung. Hierfür war erst folgende Überlegung notwendig, auf
der die Erfindung beruht: Unterstellt man, daß die bei der Schrumpfung von Gußstücken
auftretenden Spannungen den bei der spanlosen Verformung verursachten gleichzusetzen
sind, dann ist die Größe der Spannung, die das Werkstück auszuhalten vermag, durch
- sein Formänderungsvermögen bestimmt. Dieses aber ist temperaturabhängig, und zwar
ist es oberhalb der sogenannten Erholungstemperatur so groß, daß alle Schichten
eines gegossenen und erstarrenden Metallkörpers der durch die Abkühlung bedingten
Volumenverminderung noch gut folgen können, ohne einen zur Auslösung von Rissen
führenden Spannungszustand zu erleiden.
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Versuche bestätigten die Richtigkeit dieser Überlegungen, und hieraus
ergab sich das Verfahren gemäß der Erfindung, das die unmittelbare und stufenweise
Kühlung des aus der Gießform austretenden Strangs vorsieht und darin besteht, daß
die Abkühlung des Strangs zunächst rasch höchstens bis auf die dem vergossenen Werkstoff
eigene Erholungstemperatur und dann weiter so erfolgt, daß der Strang eine Zeitlang
oberhalb der unteren Grenze der Erholungstemperatur verweilt.
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Das zum unmittelbaren. Kühlen des aus der Gießform austretenden Metallstrangs
benutzte Kühlmittel braucht nicht einem vom Kühlmittelbehälter für die Gießform
unabhängigen Behälter entnommen zu werden, sondern es kann auch das durch die gekühlte
Gießform laufende Kühlmittel hierzu benutzt werden. Zu diesem Zweck muß dann das
aus der Gießform austretende Kühlmittel ungefähr auf die Erholungstemperatur des
vergossenen Werkstoffs gebracht werden. Bei zu starker Erwärmung des Kühlmittels
während des Durchlaufs durch die Gießform muß man die Eintrittstemperatur des Kühlmittels
in die Form dementsprechend niedriger halten. Erfolgt keine oder wenigstens keine
wesentliche Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels während des Durchlaufs durch
die Form, so kann die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in die Form bereits ungefähr
gleich der Erholungstemperatur des vergossenen Werkstoffs sein.
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Die Erfindung kann auch bei der Herstellung von Strängen begrenzter
oder unbegrenzter Länge angewandt werden, wenn keine gekühlten Gießformen verwendet
werden, sofern dann aber nur der aus der ungekühlten, z. B. etwa aus Graphit bestehenden
Form austretende Strang unmittelbar mit Kühlmitteln gekühlt wird.
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Besonders zweckmäßig ist es, daß die Temperatur, auf ".die der vergossene,
als Strang vorliegende Werkstoff in möglichst kurzer Zeit gebracht wird, noch innerhalb
der Rekristallisationstemperatur des vergossenen Werkstoffs liegt. Von dieser Temperatur
erfolgt sodann die weitere Abkühlung des Strangs auf Raumtemperatur langsamer und
unter Vermeidung hoher Temperaturdifferenzen zwischen Rand- und Kernzone.
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Die rasche 1_Tberführung des gegossenen Strangs aus dem flüssigen
in den festen Zustand über den ganzen Querschnitt ist vor allem bei seigerungsempfindlichen
Legierungen von Bedeutung, um Konzentrationsverschiebungen in der Restschmelze,
die erfahrungsgemäß in Richtung des Wärmeflusses verlaufen, weitgehend zu unterbinden.
Bei aushärtbaren Legierungen mit Gehalten an Bestandteilen, deren Festlöslichkeit
im Grundmetall mit sinkender Temperatur abnimmt, ist aber nach völliger Erstarrung
ein längeres Verweilen bei höheren Temperaturen vorteilhaft, weil dadurch Kristallseigerungen
vermieden und eine völlig oder doch weitgehende Homogenisierung des Werkstoffs erreicht
wird. Damit ist der weitere Vorteil verbunden, daß die zum Zwecke -der weiteren
Verarbeitung oder der Aushärtung notwendige Wiedererwärmung solcher Werkstücke nur
kürzere , Zeit erfordert.
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Es ist zwar bekannt, daß sich die verschiedenen Metalle und Metallegierungen
beim Schmelzen und Erstarren verschieden verhalten. Aus dieser Erkenntnis heraus
folgerte man, daß die einen im Strahl, die anderen in vertikaler oder horizontaler,
wieder andere in schräger Lage vergossen werden müssen, wobei als Kühlmittel für
die Überführung des schmelzflüssigen Zustands in den iErstarrungszustand Luft, Wasser,
Wasserdampf oder sogar feste Stoffe, welche entweder vorher geschmolzen wurden oder
mindestens schmelzflüssig sind, angewandt werden können. Bei keinem dieser bekannten
Vorschläge ist aber empfohlen worden, die Abkühlung zunächst rasch höchstens bis
auf die Erholungstemperatur des vergossenen Werkstoffs, welche leicht festgestellt
werden kann, erfolgen zu lassen. Gerade die Innehaltung dieser Bedingung führt aber
erst beim stetigen Gießen von Voll-oder Hohlsträngen unter Verwendung der unmittelbaren
Kühlung zu gesunden Strängen, so daß nach dem Verfahren gemäß der Erfindung auch
solche Legierungen stetig vergossen werden können, die besonders zur Bildung von
Wärmerissen neigen, wie z. B. die kupferarmen Al-Cu-Mg-Legierungen.
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Das für das Verfahren gemäß der Erfindung zu verwendende Kühlmittel
kann in jedem möglichen Aggregatzustand benutzt werden. . Zweckentsprechend sind
es in der Regel bereits bekannte Kühlmittel, unter denen sich- besonders die flüssigen
zu dem erfindungsgemäßen Verfahren eignen.
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Ausführungsbeispiel Beim stetigen Gießen einer Kupfer - Zinn - Legierung
mit 8 °/o Zinn, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen, auf einen Strang von 9o
mm in einer Anlage, :die aus einer kurzgehaltenen Kokille
und einer
hinter dieser angeordneten Vorrichtung zur unmittelbaren Kühlung des gebildeten
Strangs besteht, tritt der Strang aus der Kühlkokille mit erstarrter Randkruste
und flüssigem Kern aus. Da .die Erholungstemperatur dieser Legierung zwischen
300 und q.oo° C, die Rekristallisationstemperatur zwischen 4.oo und 450°
C liegt, wird für die unmittelbare Kühlung zweckmäßig auf etwa 3oo° C erhitztes
Öl verwendet. Dieses Öl wird durch hintereinandergeordnete Spritzringe auf den Strang
über eine längere Strecke seines Wegs aufgespritzt, so daß das Metall sich einen
bestimmten Zeitraum in dem Gebiet der Rekristallisations- bzw. Erholungstemperatur
befindet. Die weitere Abkühlung auf Raumtemperatur kann sodann beliebig erfolgen,
da nunmehr keine Schädigungen auch d u ri?.
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rch energische Abkühlung bewi -t werden können.