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" Fabrication améliorée de pièces coulées en acier ou alliages d'acier "
Cette invention a trait à un procédé amélioré pour la fabrication de pièces coulées en acier ou alliages d'acier.
C'est un objet de l'invention que de présenter un procédé pour produire des pièces coulées en acier ou en alliages d'acier qui demande peu ou pas d'opérations de meulage, qui soit bon marché et qui n'exige pas de vastes installations et l'entretien de fours électriques et un nombreux personnel qualifie* 'invention consiste en un procédé pour produire des coulés d'acier ou d'alliages d'acier, laquelle comprend la préparation de l'acier ou de l'alliage d'acier fondu par
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le procédé aluminothermique, en allumant un mélange de minerais de fer et d'aluminium en poudre ou sous forme granu- laire, la coulée du métal fondu dans un moule à centrifugation et la centrifugation du moule.
On voit ainsi que l'invention est basée sur la com- binaison du procédé aluminothermique, connu généralement sous le nom de " procédé à thermite " et employé largement dans le métier de la soudure, et du procédé de moulage par centri- fugation, qui est généralement employé dans la fabrication de tuyaux de fonte à eau ou à gaz et dans quelques fonderies d'acier. L'acier nécessaire pour le moulage par centrifugation a généralement été fabriqué dans des fours électriques.
En réalisant cette invention, des moules à fonte permanents ou des moules de sable peuvent être employés pour le moulage par centrfiguation. Des produits semi-finis, tels que les billettes, les brames, les barres et les ébauches peuvent être produits rapidement et à bon marché. La qualité des coulés est égale à celle produite par forgeage, sans inclusions, bulles de gaz, porosité ou autres défauts. Le - rendement à partir du métal fondu peut atteindre 95 à 100% du total.
Si l'on désire produire de grandes quantités de coulés, demandant un minimum d'usinage, le métal fondu est coulé dans plusieurs moules à centrifugation superposés à travers une ouverture centrale. Cette méthode est connue sous le nom de " procédé de moulage en tas ".Les poules sont préparés avec du sable, sèches et mis sur la machine centrifuge plusieurs moules étant superposés, à la suite de quoi, un grand nombre de coulés peut être produit rapidement et à bon marché lors d'une seule opération de coulée.
Comme ni les trous d'évent ni les masselottes ne sont nécessaires, le rendement est plus élevé que celui qui est
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obtenu par des méthodes statiques, et 65 à 80% du volume total est rendu sous forme de bonnes pièces, donnant ainsi lieu à une économie dans le coût de la refonte.
Si l'on désire obtenir des pièces d'acier petites ou moyennes de haute précision, le moule est préparé par serrage d'une composition réfractaire à moule autour d'un modèle de cire ou d'une autre substance à bas point de fusion, et le tout est soumis à la chaleur afin de conso- lider la composition réfractaire et afin de fondre le mo- dèle, après quoi,, on peut laisser couler hors du moule la cire ou l'autre substance. L'acier fondu produit par le mélange aluminothermique est coulé dans le moule et le moule est placé sur l'appareil centrifugeur, comme ci-dessus.
Cette méthode de préparer le moule est employée dans la fabrication des moules de précision, plus communément connue sous le nom de " procédé de la cire perdue " ou procédé de moulage à enveloppe de précision, qui a été employé dans la joaillerie et la technique dentaire pendant les quarante dernières années, en employant des moules faits de plâtre de moulage.Ce dernier matériau ne peut pourtant être employé pour mouler l'acier car la température de l'acier fondu est trop élevée*
Dans le procédé selon l'invention, le procédé alumine thermique est employé pour fabriquer avec des frais raison- nables tous les types de'l'acier, tels que l'acier doux, 1' acier au carbone, l'acier au chrome-nickel, l'acier au manga- nèser, l'acier inoxydable, l'acier rapide, etc...avec une maîtrise parfaite de l'analyse.
Le coût de l'installation nécessaire pour fabriquer l'acier par cette méthode est in- signifiant.
Les matières employées, le minerais de fer et 1' aluminium sous forme d'une matière stable granuleuse, sont non-explosives et leurs manipulations sont faites en parfaite
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sécurité . Ils sont aptes à produire une masse métallique en fusion à une température d'environ 2.480 C, s'il est nécessaire.
Ce mélange est si stable qu'une température d'environ 1.300 C doit être produite par la poudre d'allumage (généralement du bioxyde de barium et d'aluminium) pour amorcer la réaction.
Cette poudre d'allumage peut être amorcée elle-même par la chaleur d'une allumette ou d'une étincelle électrique.Lorsque le mélange est allumé, la réaction se propage dans la masse du mélange, libérant l'acier qui descend à l'état d'acier haute- ment surchauffé,en quelques secondes.
Si l'on veut, le mélange aluminothermique pe ut être employé sous forme de briquettes, de blocs ou de morceaux de toute forme ou dimension désirable, avant son emploi.
En préparant de tels mélanges, beaucoup de variables, déterminant la durée et la température de la réaction et 1' analyse chimique des métaux résultants, sont prises en considé- ration. Par exemple, l'addition d'oxydes ou d'éléments métalli@ e: tels que des pièces de métal, qui sont fondus pendant la réac- tion, peut obtenir une vaste variété des analyses des aciers ou alliages produits*
La température normale d'acier liquide demandée par la fonderie se situe entre 1.600 à 1.700 C.Cette température est un peu trop élevée pour la coulée, mais elle donne au préposé le temps de faire les additions spéciales ou d'exécuter d'autres manipulations nécessaires.
Pour abaisser la température produite par le processu aluminothermique, des additions de mitraille d'acier, d'allia- ges ou de ferro-alliages sont faites dans le mélange alumino- thermique. Cette addition est calculée selon la qualité requise et le pourcentage de l'addition varie selon le poids du mélange aluminothermique à employer.
En pratique, les pourcentages suivants peuvent être employés:
Jusqu'à 25 livres de mélange aluminothermique:5 à 15%
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De 25 à 50 livres de mélange aluminothermique: 15 à 30%
Plus de 50 livres de mélange aluminothermique: 30 à 50% et même plus, selon les besoins.
Ces pourcentages peuvent être augmentés considérable- ment si la mitraille d'acier ou les alliages ou les ferro-allia- ges sont préchauffés, par exemple, à 1.000 C.La quantité de mélange aluminothermique nécessaire pour fondre cette mitraille préchauffée à 1.000 C est très petite.Par exemple, 70 livres de mitraille d'acier ou d'alliages préchauffée à 1.000 C sont facilement fondus par 15 livres de mélange aluminothermique.
Le prix de revient de l'acier produit est très bas.
Dans certains cas, on peut désirer de réchauffer le mélange aluminothermique avant de l'allumer, et le moule ou les moules dans lesquels l'acier ou l'alliage d'acier est coulé peut ou peuvent aussi être préchauffés.
Le mélange aluminothermique normal est toujours pré- paré avec de l'aluminium pur, dont le prix est très bas mainte- nant, de l'ordre de 67 livres sterling par tonne.
Pourtant, si pour quelque raison le prix de l'acier doit être abaissé, la mitraille d'alliages d'aluminium peut être employée, mitraille contenant du cuivre, du nickel ou d'autres métaux outre l'aluminium pur, si le cuivre, le nickel ou les autres métaux ne nuisent pas à l'acier résultant.
La réaction aluminothermique est représentée par l'équation : F e O+ Al = 2 Fe + Al 0 .
2 3 2 2 3
La scorie résultant de cette réaction est l'alumine, dont le point de fusion est très élevé, à savoir, au delà de 2.000 C.
Dans le cas de soudure p r le procédé aluminothermique la température finale est supérieure à 2.500 C et la scorie est liquide.
En exécutant des coulées en moule par le procédé se-
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Ion l'invention, pourtant, si le mélange aluminothermique est mélangé avec un pourcentage élevé de mitraille ou d'alliages, la température de la réaction est considérablement abaissée et l'addition métallique est emprisonnée par un refroidissement trop rapide de l'alumine.
Pour éviter ce sérieux inconvénient et pour donner un distribution parfaite des calories nécessaires pour fondre ces pourcentages élevés d'additions de métal, le point de fusion de la scorie produite peut être réduit en ajoutant
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un fondant au mélange aluminothermique. Des exemples de font9!::1flt. convenables sont les oxydes, tels que la silice, la chaux, la magnésie, les carbonates de sodium ou de calcium, le silicate de calcium, le fluorure de calcium, le chlorure de sodium e t similaires.
Ces additions sont variables, selon la gangue du minerais employé dans le mélange aluminothermique.
En général, les pourcentages suivants donnent satis- faction : fluorine 10 à 20% du poids du mélange carbonate de calcium 5 à 15% du poids du mélange carbonate de sodium 10 à 15% du poids du mélange
Ce qui suit est un exemple de mélange préparé pour obtenir de l'acier inoxydable contenant 18% de chrome et 8% de nickel :
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<tb> Magnétite, <SEP> 69 <SEP> à <SEP> 71% <SEP> de <SEP> Fe <SEP> 72 <SEP> livres
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> pur <SEP> 24 <SEP> livres <SEP> 3 <SEP> 1/2 <SEP> onces
<tb>
<tb> carbonate <SEP> de <SEP> calcium <SEP> 3 <SEP> livres <SEP> 8 <SEP> onces
<tb>
<tb> Fluorine <SEP> 4 <SEP> livres <SEP> 8 <SEP> onces
<tb>
<tb> Carbonate <SEP> de <SEP> sodium <SEP> 4 <SEP> livres <SEP> 4 <SEP> onces
<tb>
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Fe rro- chrome , 0 05;
crbone 31 livres 12 onces
EMI6.4
<tb> 69% <SEP> Cr
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 9 <SEP> livres <SEP> 5 <SEP> onces
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mitraille <SEP> d'acier <SEP> (doux.
<tb>
<tb>
<tb> faible <SEP> pourcentage <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb> carbone) <SEP> 17 <SEP> livres <SEP> 10 <SEP> onces
<tb>
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Manganèse pur sans carbone 1 livre 4 onces Résultat : 1 cwt de métal donnant l'analyse suivante ( en pourcentages en poids) :
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<tb> carbone <SEP> 0,05
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,88
<tb>
<tb> silicium <SEP> 0,93
<tb>
<tb> phosphore <SEP> 0,025
<tb>
<tb> Soufre <SEP> - <SEP> 0,01 <SEP>
<tb>
<tb> chrome <SEP> 18,10
<tb>
<tb> nickel <SEP> 7,90
<tb>
<tb> aluminium <SEP> 0,05
<tb>
le restant étant du fer.
Ce métal est très doux, il est pliable à froid et se prête très aisément à l'usinage et au polissage, lorsqu'il est coulé par le procédé selon l'invention.
Le procède du moulage de précision ne demande pas beaucoup de métal pour chaque coulée, mais demande du métal fondu souvent.Le procédé aluminothermique peut assurer la four- niture de métal fondu toutes les 5 minutes si nécessaire. cause de la simplicité de la méthode et de l'équi- pement nécessaire, le procédé peut être employé par tous, sans connaissances spéciales et sans le matériel électrique très coûteux des fours électriques.
La production de coulés en acier dépourvus de bulles de gaz et de pores est très difficile avec les méthodes sta- tiques des fonderies.
La méthode de coulée en matrice employée avec le laiton, les alliages d'aluminium et d'autres métaux à bas point de fusion, ne peut être employée avec l'acier et'les alliages d'acier, car le point de fusion de ceux-ci est trop élevé.
Le procédé du moulage de précision employé conjointe ment avec l'appareil du moulage par centrifugation permet la fabrication de pièces d'acier de grandeur moyenne et petite,
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de haute précision, à un prix de revient raisonnable, avec une économie effective de centaines d'hommes-heures, et la suppression de différentes opérations où participent des outils
La méthode combinée de moulage de précision et par centrifugation est simple et beaucoup moins difficilel que les méthodes de moulage ordinaires employées actuellement en fonderie.
D'autres avantages de la méthode combinée consistent en ce qu'elle permet que les pièces coulées soient faites dont la qualité soit largement équivalente ou supérieure à celle des pièces forgées, et, en comparaison avec les méthodes de fon- derie ordinaires, les pièces produites sont plus saines et plus propres, elles ont une plus grande résistance à la rupture elles peuvent être facilement inspectées et elles peuvent être aisément produites en série. En comparaison avec les pièces forgées, les pièces faites par ma méthode combinée, peuvent être directement faites aux dimensions requises défi- nitives, ce qui économise du temps et de la matière.
Les coulés sont dépourvus de propriétés direction- nelles que l'on trouve dans les pièces forgées. Une pièce coulé par centrifugation diffère considérablement danssa structure d'une pièce forgée de la même dimension et de même forme.Le grain est uniforme et seul le traitement thermique peut changer la dimension des cristaux.
Le moulage de précision et par centrifugation attei- gnent à l'économie maximum lorsque les moules peuvent être préparés pour la production en série.
On obtient un rendement bien supérieur de la même quantité de métal fondu, parce qu'on ne doit pas prévoir de surplus pour les amorces de coulée, les évents, les masselottes et similaires, si bien que 95% du volume total du métal fondu est rendu sous forme de pièces coulées. Il y a ainsi une éco- nomie de prix de revient de refonte et il y a moins de travail de finissage .
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La manufacture de pièces d'acier ou d'alliages d' acier par la méthode combinée est très simple et ne nécessite pas l'emploi de mouleurs qualifiés. La séquence suivante des opérations représente une réalisation préférée du processus selon l'invention, tels qu'il est appliqué à la production de pièces coulées de haute précision.
A. Un modèle de métal ou de bois est fait de la pièce désirée.
B. A partir de ce modèle, un moule principal est fait.
C. Un modèle de cire est fait à partir du moule prin- cipal et est employé pour remplir partiellement l'espace du moule pour usage dans l'installation de centrifugation, après qu'il a été enrobé de matière réfractaire à point de fusion éle- et le moule est rempli de matière réfractaire.
D. Les modèles de cire sont fondus dans une étuve pendant le séchage, laissant le moule libre de cire. Le moule est alors placé dans la machine de centrifugation.
E. La quantité nécessaire de mélange aluminothermique du type qui donne de l'acier ou de l'alliage d'acier de la qualité désirée, est allumée dans le creuset et après deux mi- nutes environ, l'acier liquide est coulé dans la machine à mouler centrifuge en mouvement. Après deux minutes encore, la machine est arrêtée et le moule rempli d'acier est enlevé et remplacé par un autre, un autre creuset rempli est allumé, etc..
Des matières réfractaires spéciales à haut point de fusion diverses peuvent être employées.Il est essentiel que ces réfractaires ou ces liants ne contiennent pas d'ingrédient qui réagisse chimiquement avec le métal de la coulée, car cela peut donner lieu à un dégagement de gaz ou à une oxydation qui com- promettrait le fini de la pièce. Pour assurer un fini extérieur convenable, la finesse des grains moyens des matières réfrac- taires ou liants doit être de 300 à 500 mailles par pouce, ce
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qui est plus fin que le sable de bonne qualité.
Le modèle de cire doit être enrobé de matière réfrac- taire aussitôt que possible, car la cire est sujette à des déformations plastiques sous son propre poids. Dans ce but, une solution d'oxyde de zirconium spécialement préparé ou une préparation de silicate d'éthyle est recommandée.
Pour remplir le moule contenant les modèles de cire protégés, ilst pas nécessaire d'employer l'oxyde de zirconi@ préparé ; la silice ou la magnésie, avec ou sans terre à foulon ou silicate d'éthyle, peuvent être employés.
La matière la plus employée est la cire. Certains plastics, tels que le polystyrène peuvent être employés.
La. cire, qui est à base de paraffine, est de préfé- rence modifiée par l'addition d'un ou de plusieurs corps sui- vants : cire d'abeille, carnauba, damar, cérésine, résine. Un exemple d'une cire composée convenable à la composition sui- vante en pourcentages en poids :
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<tb> Carnauba <SEP> 30
<tb>
<tb> Cire <SEP> de <SEP> paraffine <SEP> 55
<tb>
<tb> Cire <SEP> d'abeille <SEP> 5
<tb>
<tb> Cérésine <SEP> 5
<tb>
<tb> Résine <SEP> 5
<tb>
En préparant le modèle principal, il est nécessaire de permettre les divers rétrécissements et expansions. Ces prévisions ajoutent ou retranchent aux dimensions. Les expan- sions comprennent l'expansion de solidification de la matière réfractaire et l'expansion thermique pendant le séchage, et les rétrécissements sont dûs au rétrécissement ou modèle de cire et à celui de moulage du métal.
Le résultat net de ces expansions et rétrécissements est que le modèle doit être toujours fait plus grand.
On peut désirer de soumettre les pièces d'acier cou- lées par le procédé selon l'invention à un traitement thermique
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tel que le recuit ou la normalisation, d'après la composition du mélange aluminothermique employé dans la production initiale de l'acier ou de l'alliage d'acier et la qualité du métal produit.
Bien que dans la description ci-dessus l'application de l'invention à la production de coulés de haute précision ait été décrite avec l'emploi de moules préparés par le procédé de la cire perdue, on comprendra qu'elle n'a été donnée qu'à titre d'exemple d'une réalisation préférée de l'invention et que l'invention n'est pas limitée à l'emploi d'un type particulier de moule.
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"Improved manufacture of castings of steel or steel alloys"
This invention relates to an improved process for the manufacture of steel or steel alloy castings.
It is an object of the invention to provide a process for producing steel or steel alloy castings which requires little or no grinding operations, is inexpensive and does not require extensive installations and maintenance of electric furnaces and a large number of qualified personnel * The invention consists of a process for producing castings of steel or steel alloys which comprises the preparation of the steel or the alloy of steel melted by
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the aluminothermic process, by igniting a mixture of powdered or granular iron and aluminum ores, pouring the molten metal into a centrifuge mold and centrifuging the mold.
It can thus be seen that the invention is based on the combination of the aluminothermic process, generally known under the name of "thermite process" and widely used in the welding trade, and of the centrifugal molding process, which is generally used in the manufacture of water or gas cast iron pipes and in some steel foundries. The steel required for centrifugal casting has generally been made in electric furnaces.
In carrying out this invention, permanent cast molds or sand molds can be employed for the centering molding. Semi-finished products, such as billets, slabs, bars and blanks can be produced quickly and inexpensively. The quality of the castings is equal to that produced by forging, without inclusions, gas bubbles, porosity or other defects. The yield from the molten metal can reach 95 to 100% of the total.
If it is desired to produce large quantities of castings requiring a minimum of machining, the molten metal is poured into several centrifuge molds superimposed through a central opening. This method is known as the "heap molding process". The hens are prepared with sand, dried and put on the centrifugal machine with several molds being superimposed, as a result of which a large number of castings can be produced. quickly and inexpensively in a single casting operation.
Since neither vent holes nor weights are required, the efficiency is higher than that which is
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obtained by static methods, and 65-80% of the total volume is returned as good parts, thus resulting in a saving in the cost of the overhaul.
If it is desired to obtain small or medium high precision steel parts, the mold is prepared by clamping a refractory mold composition around a wax model or other low-melting substance, and the whole is subjected to heat in order to consolidate the refractory composition and in order to melt the model, after which, the wax or other substance can be allowed to flow out of the mold. The molten steel produced by the thermite mixture is poured into the mold and the mold is placed on the centrifuge apparatus, as above.
This method of mold preparation is employed in the making of precision molds, more commonly known as the "lost wax process" or precision casing process, which has been employed in jewelry and dental technology. for the past forty years, by using molds made of plaster cast, however the latter material cannot be used to cast steel because the temperature of the molten steel is too high *
In the process according to the invention, the thermal alumina process is employed to manufacture with reasonable cost all types of steel, such as mild steel, carbon steel, chromium steel. nickel, manganese steel, stainless steel, high speed steel, etc ... with a perfect mastery of analysis.
The cost of the installation required to make steel by this method is insignificant.
The materials used, iron ore and aluminum in the form of a stable granular material, are non-explosive and their handling is done in perfect.
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security . They are able to produce a molten metal mass at a temperature of about 2,480 C, if necessary.
This mixture is so stable that a temperature of about 1,300 C must be produced by the ignition powder (usually barium aluminum dioxide) to initiate the reaction.
This igniting powder can be initiated on its own by the heat of a match or an electric spark.When the mixture is ignited, the reaction propagates through the mass of the mixture, releasing the steel which descends to the state of highly superheated steel, within seconds.
If desired, the thermite mixture can be employed in the form of briquettes, blocks or pieces of any desirable shape or size before use.
In preparing such mixtures, many variables, determining the time and temperature of the reaction and the chemical analysis of the resulting metals, are taken into consideration. For example, the addition of oxides or metallic elements: such as pieces of metal, which are melted during the reaction, can obtain a wide variety of analyzes of the steels or alloys produced *
The normal temperature of molten steel requested by the foundry is between 1,600 and 1,700 C. This temperature is a bit too high for the casting, but it gives the attendant time to make special additions or perform other manipulations. required.
To lower the temperature produced by the aluminothermic process, additions of steel scrap, alloys or ferro-alloys are made in the alumino-thermal mixture. This addition is calculated according to the quality required and the percentage of the addition varies according to the weight of the thermite mixture to be used.
In practice, the following percentages can be used:
Up to 25 pounds of thermite mixture: 5 to 15%
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25 to 50 pounds of thermite mixture: 15 to 30%
More than 50 pounds of thermite mixture: 30 to 50% and even more, as needed.
These percentages can be increased considerably if the steel scrap or alloys or ferro-alloys are preheated, for example, to 1,000 C. The quantity of thermite mixture required to melt this preheated scrap to 1,000 C is very For example, 70 pounds of steel or alloy scrap preheated to 1000 C is easily melted by 15 pounds of thermite mixture.
The cost of the steel produced is very low.
In some cases, it may be desired to warm the thermite mixture before lighting it, and the mold or molds into which the steel or steel alloy is cast may or may also be preheated.
The normal thermite blend is always made with pure aluminum, which is now very inexpensive, in the order of £ 67 per tonne.
However, if for some reason the price of steel must be lowered, scrap from aluminum alloys may be used, scrap containing copper, nickel or other metals besides pure aluminum, if copper, nickel or other metals do not harm the resulting steel.
The aluminothermic reaction is represented by the equation: F e O + Al = 2 Fe + Al 0.
2 3 2 2 3
The slag resulting from this reaction is alumina, the melting point of which is very high, namely, above 2,000 C.
In the case of welding by the aluminothermic process, the final temperature is above 2,500 C and the slag is liquid.
By performing in-mold casting by the se-
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According to the invention, however, if the thermite mixture is mixed with a high percentage of scrap or alloys, the reaction temperature is considerably lowered and the metallic addition is trapped by too rapid cooling of the alumina.
To avoid this serious drawback and to give a perfect distribution of the calories needed to melt these high percentages of metal additions, the melting point of the slag produced can be reduced by adding
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an aluminothermic mixture flux. Examples of font9! :: 1flt. Suitable are oxides, such as silica, lime, magnesia, sodium or calcium carbonates, calcium silicate, calcium fluoride, sodium chloride and the like.
These additions are variable, depending on the gangue of the ore used in the thermite mixture.
In general, the following percentages are satisfactory: fluorite 10 to 20% of the weight of the mixture calcium carbonate 5 to 15% of the weight of the mixture of sodium carbonate 10 to 15% of the weight of the mixture
The following is an example of a mixture prepared to obtain stainless steel containing 18% chromium and 8% nickel:
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<tb> Magnetite, <SEP> 69 <SEP> to <SEP> 71% <SEP> of <SEP> Fe <SEP> 72 <SEP> pounds
<tb>
<tb> Pure <SEP> Aluminum <SEP> 24 <SEP> lbs <SEP> 3 <SEP> 1/2 <SEP> ounces
<tb>
<tb> <SEP> calcium carbonate <SEP> 3 <SEP> pounds <SEP> 8 <SEP> ounces
<tb>
<tb> Fluorite <SEP> 4 <SEP> pounds <SEP> 8 <SEP> ounces
<tb>
<tb> Sodium <SEP> carbonate <SEP> 4 <SEP> pounds <SEP> 4 <SEP> ounces
<tb>
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Ferrochromium, 0.05;
crbone 31 pounds 12 ounces
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<tb> 69% <SEP> Cr
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 9 <SEP> pounds <SEP> 5 <SEP> ounces
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Steel <SEP> Shotgun <SEP> (mild.
<tb>
<tb>
<tb> low <SEP> percentage <SEP> of
<tb>
<tb>
<tb> carbon) <SEP> 17 <SEP> pounds <SEP> 10 <SEP> ounces
<tb>
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Pure carbonless manganese 1 pound 4 ounces Result: 1 cwt of metal giving the following analysis (in percentages by weight):
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<tb> carbon <SEP> 0.05
<tb>
<tb> Manganese <SEP> 0.88
<tb>
<tb> silicon <SEP> 0.93
<tb>
<tb> phosphorus <SEP> 0.025
<tb>
<tb> Sulfur <SEP> - <SEP> 0.01 <SEP>
<tb>
<tb> chrome <SEP> 18.10
<tb>
<tb> nickel <SEP> 7.90
<tb>
<tb> aluminum <SEP> 0.05
<tb>
the rest being iron.
This metal is very soft, it is cold pliable and lends itself very easily to machining and polishing, when it is cast by the process according to the invention.
The investment casting process does not require a lot of metal for each cast, but does require molten metal often. The thermite process can supply molten metal every 5 minutes if required. Because of the simplicity of the method and the necessary equipment, the process can be used by anyone, without special knowledge and without the very expensive electrical equipment of electric ovens.
The production of steel castings free of gas bubbles and pores is very difficult with static foundry methods.
The die-casting method used with brass, aluminum alloys and other low melting point metals cannot be used with steel and steel alloys because the melting point of those -this is too high.
The precision casting process used in conjunction with the centrifugal casting apparatus allows the fabrication of medium and small size steel parts,
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high precision, at a reasonable cost, with an effective saving of hundreds of man-hours, and the elimination of various operations involving tools
The combined precision and centrifugal casting method is simple and much less difficult than the ordinary casting methods currently employed in foundry.
Other advantages of the combined method are that it allows castings to be made of a quality that is broadly equal to or better than that of forgings, and, compared to ordinary foundry methods, the castings. produced are healthier and cleaner, they have greater tensile strength, they can be easily inspected and they can be easily mass produced. In comparison with forgings, the parts made by my combined method can be directly made to the final required dimensions, saving time and material.
The castings lack the directional properties found in forgings. A centrifugal casting differs considerably in its structure from a forging of the same size and shape. The grain is uniform and only heat treatment can change the size of the crystals.
Precision and centrifugal casting achieve maximum economy when molds can be prepared for series production.
A much higher yield is obtained from the same amount of molten metal, because no surplus must be provided for the primers, vents, weights and the like, so that 95% of the total volume of the molten metal is rendered as castings. There is thus a saving in redesign cost and there is less finishing work.
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The manufacture of steel or steel alloy parts by the combined method is very simple and does not require the employment of skilled molders. The following sequence of operations represents a preferred embodiment of the process according to the invention, as applied to the production of high precision castings.
A. A metal or wood pattern is made of the desired part.
B. From this model, a main mold is made.
C. A wax model is made from the main mold and is used to partially fill the mold space for use in the centrifuge plant, after it has been coated with high-melting refractory material. - and the mold is filled with refractory material.
D. The wax models are melted in an oven while drying, leaving the mold free of wax. The mold is then placed in the centrifugation machine.
E. The required quantity of thermite mixture of the type which gives steel or steel alloy of the desired quality is ignited in the crucible and after about two minutes the liquid steel is poured into the crucible. centrifugal molding machine in motion. After two more minutes the machine is stopped and the steel-filled mold is removed and replaced by another, another filled crucible is ignited, etc.
A variety of special high-melting refractories can be used.It is essential that these refractories or binders do not contain any ingredient which chemically reacts with the metal of the casting, as this can give rise to the evolution of gas or to an oxidation which would compromise the finish of the part. To ensure a proper exterior finish, the average grain fineness of the refractories or binders should be 300 to 500 meshes per inch.
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which is finer than good quality sand.
The wax model should be encased with refractory material as soon as possible, as the wax is subject to plastic deformation under its own weight. For this purpose, a specially prepared zirconium oxide solution or an ethyl silicate preparation is recommended.
To fill the mold containing the protected wax models, it is not necessary to use the prepared zirconi oxide; silica or magnesia, with or without fuller's earth or ethyl silicate, can be used.
The most widely used material is wax. Certain plastics, such as polystyrene can be used.
The wax, which is paraffin-based, is preferably modified by the addition of one or more of the following: beeswax, carnauba, damar, ceresin, resin. An example of a compound wax suitable for the following composition in percentages by weight:
EMI10.1
<tb> Carnauba <SEP> 30
<tb>
<tb> <SEP> wax <SEP> paraffin <SEP> 55
<tb>
<tb> Beeswax <SEP> <SEP> 5
<tb>
<tb> Ceresin <SEP> 5
<tb>
<tb> Resin <SEP> 5
<tb>
When preparing the main model, it is necessary to allow the various shrinkages and expansions. These forecasts add or subtract from the dimensions. The expansions include the solidifying expansion of the refractory and thermal expansion during drying, and the shrinkages are due to shrinkage or wax pattern and metal casting.
The net result of these expansions and shrinks is that the model always has to be made bigger.
It may be desired to subject the steel parts cast by the process according to the invention to a heat treatment.
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such as annealing or normalization, depending on the composition of the thermite mixture employed in the initial production of the steel or steel alloy and the quality of the metal produced.
Although in the above description the application of the invention to the production of high precision castings has been described with the use of molds prepared by the lost wax process, it will be understood that it has not been given only by way of example of a preferred embodiment of the invention and that the invention is not limited to the use of a particular type of mold.