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Die Erfindung betrifft eine Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine mit einem Metallschmelze-Vorratsofen für einen Metallschmelze-Vorrat, mit einer Gießform, in welcher Gießform wenigstens ein Formnest vorgesehen ist, mit wenigstens einem Steigkanal, der zum Befüllen den Metallschmelze-Vorratsofen mit dem wenigstens einen Formnest der Gießform verbindet und der über eine Angussöffnung in dem wenigstens einen Formnest mündet, und mit einem Schließkolben, der relativ zur Gießform zwischen einer Offenstellung und einer die Angussöffnung verschließenden Schließstellung bewegbar ist, wobei der Metallschmelze-Vorratsofen über wenigstens eine Gasleitung mit einer Gasquelle verbunden ist.
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Metallgießmaschinen sind bereits in verschiedenen Ausführungen bekannt. Bei den vorbekannten Gießmaschinen wird ein Metallschmelze-Vorrat in einem beheizbaren Metallschmelze-Vorratsofen bevorratet. Dieser Metallschmelze-Vorratsofen ist über einen Steigkanal mit einer Gießform verbunden, die zumindest ein Formnest zum Formen des gewünschten Gussteiles hat. Der Steigkanal mündet über eine Angussöffnung im Formnest der Gießform. Die Gießform weist im Bereich ihres Formnestes wenigstens eine Entlüftungsöffnung auf, die zur Entlüftung des Formnestes beim Einfließen der Metallschmelze in das Formnest dient. Die Metallschmelze fließt durch eine Erhöhung des Gasdruckes im Metallschmelze-Vorratsofen in das Formnest. Nach Abschluss des Füll- beziehungsweise Gießvorganges wird der Gasdruck im Metallschmelze-Vorratsofen und damit der Formfülldruck weiter erhöht, um die beim Abkühlen und Erstarren der Metallschmelze auftretende Volumenreduzierung auszugleichen. Nachdem der Erstarrungsfortschritt die Angussöffnung erreicht hat, wird der Gasdruck im Metallschmelze-Vorratsofen und damit der Formfülldruck abgebaut, so dass eine Trennung des Gussstückes und der flüssigen Metallsäule im Steigrohr stattfindet. Das flüssige Metall fließt unter Mitnahme beziehungsweise mit Hilfe von Umgebungsluft in den Metallschmelze-Vorratsofen bis auf das Badniveau im Metallschmelze-Vorratsofen zurück. Die Metallschmelze wird dabei bei jedem Gießvorgang, bei der Vorlaufbewegung im Steigrohr, beim Befüllen des Formnestes sowie beim Rücklauf in den Metallschmelze-Vorratsofen einem intensiven Kontakt mit der Umgebungsluft ausgesetzt. Dabei kann die Metallschmelze durch Oxidbildung und Wasserstoff-Aufnahme erheblich verunreinigt werden.
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Aus der
DE 10 2006 036 369 B4 kennt man bereits ein Schmelz-, Gieß- und Prellverfahren, das zur Herstellung von hochbelastbaren Bauteilen bestimmt ist. Bei dem vorbekannten Verfahren wird eine, auf eine geeignete Gießtemperatur überhitzte Metallschmelze durch Druckerhöhung im Schmelzofen in eine Gießform eingebracht. Das dort zunächst noch in einer Druckkammer befindliche und für den nächsten Schuss vorgesehene Metallschmelze-Volumen wird mittels einem in die Druckkammer vorrückenden Druckkolben in das Formnest der Gießform gedrückt, wobei der Druckkolben zunächst noch den vom Metallschmelze-Vorrat zur Gießform führenden Füllspalt verschließt. Die in das Formnest der Gießform eingefüllte Schmelze erstarrt dort unter hohem Druck im Zusammenspiel des Druckkolbens mit weiteren Pressbolzen unter Ausbildung einer dichten, feinkörnigen Gussgefügestruktur. Nach im wesentlichen abgeschlossener Erstarrung wird unter weiterer Druckerhöhung mit Hilfe der Pressbolzen bei zurückweichendem Druckkolben das erstarrte, aber noch weiche Bauteilgefüge zum Fließen gebracht. Damit soll es in wichtigen Bauteilbereichen zur Ausbildung einer Knetgefügestruktur mit deutlich erhöhten Festigkeits- und Dehnungseigenschaften kommen. Da bei dem vorbekannten Verfahren der Druckkolben nur partiell auf Teilbereiche der erstarrenden Schmelze einwirken kann, sind nur in wichtigen Bauteilbereichen solche Knetgefügestrukturen mit erhöhten Festigkeits- und Dehnungseigenschaften erreichbar.
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Aus der
DE 10 2012 023 214 B3 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Druckgussbauteiles vorbekannt, bei dem die Kavität eines bereitgestellten Druckgießwerkzeugs unter Druck mit Metallschmelze befüllt wird und anschließend die Metallschmelze in der Kavität erstarrt und das Druckgussbauteil bildet, wobei das Druckgussbauteil wenigstens eine zur Erstarrungsporosität neigende Materialanhäufung in Form einer Gewindebuchse aufweisen soll. Bei dem vorbekannten Verfahren ist vorgesehen, dass während der Erstarrung lokal im Bereich der Gewindebuchse mithilfe einer Düse mit Richtcharakteristik gezielt Gas in die Kavität injiziert wird, welches zur Vermeidung von Erstarrungsporosität die zumindest noch teilweise flüssige Metallschmelze innerhalb der Gewindebuchse derart direkt verdichtet, dass das injizierte Gas in axialer Richtung zumindest teilweise eine Gasblase innerhalb der Gewindebuchse ausbildet, die dann in radialer Richtung eine Verdichtung zur Hülsenwandung bewirken soll.
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Aus der
DE 10 2005 007 517 A1 kennt man bereits ein Gießverfahren zum Gießen metallischer Werkstücke, bei welchem an einer Gießstation Metallschmelze im Schwerkraft-Gussverfahren in eine Kokille eingegossen wird, wobei nach dem Eingießen der Metallschmelze die Eingussöffnung der Kokille verschlossen und die Metallschmelze im Inneren der Kokille mit Druck beaufschlagt wird, bevor die Kokille anschließend unter Beibehaltung der Druckbeaufschlagung von der Gießstation wegbewegt werden kann. Auf diese Weise wird ein Schwerkraft-Gussverfahren angestrebt, welches dem Niederdruckguss ähnlich ist.
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In der
DE 694 25 443 T2 ist bereits ein Gussverfahren vorbeschrieben, bei welchem Metallschmelze in einen kleineren Pumpofen überführt wird, der zum Drücken der Schmelze aus dem Pumpofen in die Gießkavität einer Gießform druckbeaufschlagbar ist, wobei die Metallschmelze beim Übertragungsschritt durch ein Rückschlagventil geleitet wird, welches ein Rückfließen der Metallschmelze aus dem Pumpofen heraus in Richtung zu dem in einem zuströmseitigen Halteofen befindlichen Metallschmelze-Vorrat verhindert. Mit diesem vorbekannten Gießverfahren sollen auch kleine Volumina flüssigen Metalls in Aufwärtsrichtung gegossen oder sonst wie abgegeben werden. Eine qualitative Verbesserung der gemäß dem vorbekannten Gießverfahren hergestellten Gussstücke ist demgegenüber nicht bezweckt.
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Es besteht daher insbesondere die Aufgabe, eine Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche die Herstellung hochwertiger Gussteile erleichtert, ohne dass eine Qualitätsbeeinträchtigung aufgrund unerwünschter Wasserstoffaufnahme und Oxidbildung während des Gießvorganges befürchtet werden muss.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht bei der Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine der eingangs erwähnten Art insbesondere darin, dass die Gießform zusätzlich zum mindestens einen Formnest wenigstens eine Metallschmelze-Vorratshöhlung hat, die zur Aufnahme eines, in Schließstellung des Schließkolbens druckbeaufschlagten Metallschmelze-Depots vorgesehen ist und die mit dem wenigstens einen Formnest der Gießform verbunden ist, dass in der wenigstens einen Metallschmelze-Vorratshöhlung zur Bildung einer auf dem Metallschmelze-Depot aufliegenden Gasblase eine Gasleitung mündet, welche die wenigstens eine Metallschmelze-Vorratshöhlung mit einer Gasquelle verbindet, und dass das Volumen des in der wenigstens einen Metallschmelze-Vorratshöhlung bevorrateten und von der Gasblase druckbeaufschlagten Metallschmelze-Depots größer ist als die Volumenreduzierung der in dem zumindest einen Formnest der Gießform befindlichen Metallschmelze während des Erstarrungsvorganges.
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Die erfindungsgemäße Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine weist einen Metallschmelze-Vorratsofen auf, in welchem der für mehrere Gussteile benötigte Metallschmelze-Vorrat bevorratet und in flüssigem Zustand gehalten wird. Der Metallschmelze-Vorratsofen ist über wenigstens einen Steigkanal mit wenigstens einem Formnest verbunden, welches in einer Gießform ausgebildet ist. Das Formnest gibt in etwa die Form wieder, die die in der Gießform herzustellenden Gussteile aufweisen sollen. Der Steigkanal weist einen Metallschmelze-Einlass auf, der unterhalb des Niveaus oder der Oberfläche des im Metallschmelze-Vorratsofen befindlichen Metallschmelze-Vorrats liegt, und mündet über eine Angussöffnung in dem wenigstens einen Formnest der Gießform. Um nach dem Befüllen des wenigstens einen Formnestes die im Formnest befindliche und nun zum Gussteil abkühlende Metallschmelze von dem im Metallschmelze-Vorratsofen flüssig gehaltenen Metallschmelze-Vorrat zu trennen, ist ein Schließkolben vorgesehen, der relativ zur Gießform zwischen einer Offenstellung und einer die Angussöffnung verschließenden Schließstellung bewegbar ist. In der Schließstellung verhindert der Schließkolben ein Ausfließen der im Formnest befindlichen Metallschmelze und trennt gleichzeitig diese Metallschmelze von dem im Steigrohr anstehenden flüssig-heißen Metallschmelze-Vorrat, so dass die in der Gießform befindliche Metallschmelze schneller abkühlen und zum Gussteil erstarren kann. Um die im Metallschmelze-Vorratsofen befindliche Metallschmelze auch durch eine Druckbeaufschlagung des Metallschmelze-Vorratsofens in den zumindest einen Steigkanal pressen zu können, ist der Metallschmelze-Vorratsofen über wenigstens eine Gasleitung mit einer Gasquelle verbunden. Der im Metallschmelze-Vorratsofen befindliche Metallschmelze-Vorrat wird dort unter einer Schutzatmosphäre gehalten. Dabei kann mit Hilfe der Gasquelle ein derartiger Gasdruck aufgebaut werden, dass die Metallschmelze aus dem Metallschmelze-Vorrat über den Steigkanal und durch die Angussöffnung hindurch in das Formnest der Gießform fließt. Erfindungsgemäß weist die Gießform wenigstens eine Metallschmelze-Vorratshöhlung auf, die zur Aufnahme eines, in Schließstellung des Schließkolbens von einer Gasblase druckbeaufschlagten Metallschmelze-Depots vorgesehen ist. Dieses Metallschmelze-Depot ist mit dem wenigstens einen Formnest der Gießform derart verbunden, dass daraus der während des Erstarrungsvorgangs der im Formnest befindlichen Metallschmelze einhergehende Volumenschwund zumindest teilweise ausgeglichen wird. Durch den, auf die im Formnest befindliche Metallschmelze ausgeübten Gasdruck mittels der in der Metallschmelze-Vorratshöhlung eingeschlossenen Gasblase erfolgt eine gasdruckunterstützte Erstarrung der Metallschmelze. Abgestimmt auf den jeweiligen Anwendungsfall beschleunigen die entsprechenden, während des Erstarrungsvorganges aufgebrachten hohen Gasdrücke den Übergang der Schmelze von der Liquidus-Temperatur zur Solidus-Temperatur erheblich und ermöglichen ein besonders feinkörniges und duktiles Gefüge mit bestmöglichen physikalischen Eigenschaften. Dadurch lässt sich auch in Bereichen innerhalb des Gussteiles mit großen Volumen-Unterschieden, trotz des dort zum Teil verzögerten oder früheren Erstarrungsverlaufes, durch die gleichzeitig auf alle Bereiche wirkenden hohen Drücke ein gleichwertig feinkörniges und duktiles Gefüge und hohe physikalische Kernwerte erreichen. Durch den in der mindestens einen Metallschmelze-Vorratshöhlung bereits anfänglich komprimierten Vordruck wird der Erstarrungsvorgang in der Metallschmelze beschleunigt eingeleitet.
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Um bei entsprechenden Voraussetzungen in der mindestens einen, mit dem wenigstens einen Formnest verbundenen Metallschmelze-Vorratshöhlung auch einen Inertgas-Injektionshochdruck bis weit über 1.000 bar Gasdruck zu erzeugen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der wenigstens einen Metallschmelze-Vorratshöhlung zur Bildung einer auf dem Metallschmelze-Depot aufliegenden Gasblase eine Gasleitung mündet, welche die wenigstens eine Metallschmelze-Vorratshöhlung mit einer Gasquelle verbindet. Da das Volumen des in der wenigstens einen Metallschmelze-Vorratshöhlung bevorrateten und von einer Gasblase druckbeaufschlagten Metallschmelze-Depots größer ist als die Volumenreduzierung der in dem zumindest einen Formnest der Gießform befindlichen Metallschmelze während des Erstarrungsvorganges, kann der beim Abkühlen der im Formnest befindlichen Metallschmelze verbundene Schwund ausgeglichen werden.
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Dabei sieht eine konstruktiv besonders einfache Ausführungsform gemäß der Erfindung vor, dass die das Metallschmelze-Depot in der wenigstens einen Metallschmelze-Vorratshöhlung druckbeaufschlagende Gasblase mittels einem, die Metallschmelze vom Metallschmelze-Vorratsofen über den wenigstens einen Steigkanal in die Gießform drückenden Formfülldruckes gebildet ist. Bei dieser besonders einfachen Ausführungsform gemäß der Erfindung wird die in der Metallschmelze-Vorratshöhlung zur Druckbeaufschlagung eingeschlossene Gasblase mittels dem Formfülldruck erzeugt, der im Übrigen die Metallschmelze vom Metallschmelze-Vorratsofen über den wenigstens einen Steigkanal in die Gießform drückt.
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Um mit beginnender Erstarrung der im Formnest befindlichen Metallschmelze den durch die in der Metallschmelze-Vorratshöhlung befindliche Gasblase erzeugten Vordruck stufenlos noch weiter erhöhen zu können, sieht eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung vor, dass die das Metallschmelze-Depot in der wenigstens einen Metallschmelze-Vorratshöhlung druckbeaufschlagende Gasblase mittels einer über den, die Metallschmelze vom Metallschmelze-Vorratsofen über den wenigstens einen Steigkanal in die Gießform drückenden Formfülldruckes hinausgehenden Gaszufuhr in die Gießform gebildet ist.
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Damit ein Lufteintrag in den im Metallschmelze-Vorratsofen befindlichen Metallschmelze-Vorrat unterbunden und eine oberflächliche Oxidation der Metallschmelze verhindert werden kann, sieht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung gemäß der Erfindung vor, dass die mit dem Metallschmelze-Vorratsofen und/oder mit der wenigstens einen Metallschmelze-Vorratshöhlung verbundene Gasquelle eine Inertgasquelle ist. Die im Metallschmelze-Vorratsofen und/oder in dem wenigstens einen Formnest der Gießform befindliche Metallschmelze wird dort mit einer Schutzatmosphäre aus Inertgas gehalten, die einen oberflächlichen Luftzutritt an die Metallschmelze verhindert.
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Damit beim Einfließen der Metallschmelze in das wenigstens eine Formnest der Gießform das im Formnest zunächst noch enthaltene Gas nach und nach ausströmen kann, sieht eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung vor, dass die Gießform im Bereich des zumindest einen Formnestes mindestens eine Entlüftungsöffnung hat, und dass die mindestens eine Entlüftungsöffnung über eine Entlüftungsleitung mit einer Vakuum- oder Saugpumpe verbunden ist. Bei dieser weiterbildenden Ausführungsform gemäß der Erfindung kann in der Gießform ein Unterdruck oder ein Vakuum erzeugt werden, welches zum einen das Einfließen der Metallschmelze in das Formnest begünstigt und zum anderen auch hier einen Luftzutritt an die im Formnest befindliche Metallschmelze verhindert. Die mindestens eine Entlüftungsöffnung der Gießform ist dazu mit einer Saug- oder Vakuumpumpe verbunden. Bei jedem Gießvorgang findet im Steigrohr eine Füll- und eine Rücklaufbewegung der Metallschmelze statt. Beim Gießvorgang fließt das Inertgas dem Metall voraus und ersetzt noch vorhandene Umgebungsluft im Formnest. Damit ist sichergestellt, dass das flüssige Metall während des gesamten Gießvorganges keinen Kontakt zur Umgebungsluft hat. Durch das der Metallschmelze vorausfließende Inertgas wird praktisch ein Spülen des zumindest einen Formnestes der Gießform von Umgebungsluft erreicht. Da die für jeden Gießvorgang benötigte Teilmenge an Metallschmelze zum einen durch den Druck des Metallschmelze-Vorratsofen befindlichen Inertgases und zum anderen durch das Vakuum im Formnest der Gießform in das Formnest bewegt wird, ist zum einen im Metallschmelze-Vorratsofen ein vergleichsweise geringer Überdruck und zum anderen im Formnest der Gießform ein dementsprechend geringer Unterdruck erforderlich, um die Metallschmelze in das Formnest der Gießform zu bewegen. Da die Metallschmelze auf diese Weise leicht auch das gesamte Formnest in der Gießform gut ausfüllen kann, und da die Metallschmelze vom Metallschmelze-Vorrat aus bis zu der im Formnest befindlichen Teilmenge der Metallschmelze praktisch nicht der Umgebungsluft ausgesetzt ist, wird einer qualitätsmindernden Oxidation der Metallschmelze wirkungsvoll entgegengewirkt. Die in der erfindungsgemäßen Vertikal-Gasdruck-Metallgießmaschine hergestellten Gussteile zeichnen sich daher durch ihre hohe Gussqualität aus. Da die Formfüllung sehr schnell und praktisch laminar unter Schutzgas erfolgt, wird eine qualitätsmindernde Wasserstoffaufnahme und eine unerwünschte Oxidbildung im Gussteil vermieden.
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Zur Lösung der oben stehenden Aufgabe sieht ein weiterer Vorschlag von eigener schutzwürdiger Bedeutung bei der Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine der eingangs erwähnten Art zusätzlich oder stattdessen vor, dass der Schließkolben in seinem die Angussöffnung verschließenden Teilbereich eine Kavität hat, die über wenigstens eine, in der Kavität mündende Gasleitung mit einer Inertgasquelle verbunden ist. Bei diesem Vorschlag gemäß der Erfindung weist der Schließkolben in einem die Angussöffnung verschließenden Teilbereich eine Kavität oder eine Einsenkung auf, die über wenigstens eine, in der Kavität mündende Gasleitung mit einer Inertgasquelle verbunden ist. In dieser Kavität kann sich beim Nachfließen der vom Metallschmelze-Vorrat kommenden Metallschmelze ein Polster aus Inertgas bilden, welches Gaspolster nicht nur den in der Kavität mündenden Inertgas-Auslass der mit der Inertgasquelle verbundenen Gasleitung vor der Metallschmelze schützt, sondern auch eine thermische und physikalische Entkopplung zwischen dem Schließkolben und der im Formnest befindlichen Metallschmelze begünstigt. Bei jedem Gießvorgang findet im Steigrohr eine Füll- und eine Rücklaufbewegung der Metallschmelze statt. Auch der Rücklaufvorgang erfolgt bei diesem Erfindungsvorschlag unter Ausschluss der Umgebungsluft, ausschließlich durch Zufuhr von Inertgas, vorzugsweise von Stickstoff. Der abgesenkte Metallspiegel im Steigrohr ist dabei bis zur Oberkante der Angussöffnung des Formnestes ausschließlich mit Inertgas angefüllt. Beim anschließenden Gießvorgang fließt das Inertgas der Metallschmelze voraus und ersetzt die noch vorhandene Umgebungsluft im Formnest. Auch dadurch wird sichergestellt, dass das flüssige Metall während des gesamten Gießvorganges keinen Kontakt zur Umgebungsluft hat.
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Um den beim Abkühlen der im Formnest befindlichen Metallschmelze verbundenen Volumenschwund noch zusätzlich ausgleichen zu können, kann es vorteilhaft sein, wenn zusätzlich zu der oben beschriebenen, zumindest einen Metallschmelze-Vorratshöhlung der Schließkolben zwei relativ zueinander verschiebliche Schließkolben-Teile hat, von denen ein erstes Schließkolben-Teil in Schließstellung dicht am Umfangsrandbereich der Angussöffnung anliegt, während ein zweites Schließkolben-Teil zur Druckbeaufschlagung eines Metallschmelze-Depots während des Erstarrungsvorganges im Formnest relativ zum ersten Schließkolben-Teil verschieblich geführt ist, und wenn das Metallschmelze-Depot einerseits über die Angussöffnung mit dem Steigrohr und andererseits über wenigstens einen Angusskanal mit dem zumindest einen Formnest der Gießform verbunden ist.
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Als Inertgas kann jedes geeignete Gas verwendet werden, das eine Oxidbildung der Metallschmelze entgegenwirkt.
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Damit das in der Kavität des Schließkolbens befindliche Inertgas nicht über den Inertgas-Auslass der mit der Gasquelle verbundenen Gasleitung zurückströmen –, sondern stattdessen in der Kavität des Schließkolbens ein Gaspolster bilden kann, ist in die Schließkolben-Gasleitung ein Rückflussverhinderer und insbesondere ein Rückschlagventil zwischengeschaltet.
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Als Inertgas kann jedes geeignete Gas verwendet werden, das eine Oxidbildung der Metallschmelze entgegenwirkt. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführung, bei der als Inertgas Stickstoff vorgesehen ist.
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Um die aus den Gießformen entweichenden Gase kontrolliert zusammenfassen und neutralisiert abführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die zumindest eine Entlüftungsöffnung und die Vakuum- oder Saugpumpe über eine Entlüftungsleitung verbunden sind, in welcher Entlüftungsleitung eine Gasreinigungs- oder Gasfiltereinrichtung zwischengeschaltet ist.
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Zusätzlich oder stattdessen kann eine solche Gasreinigungs- oder Gasfiltereinrichtung auch auf der Druckseite der Vakuum- oder Saugpumpe angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Vertikal-Gasdruck-Metallgießmaschine ist mit einer mehrfach verwendbaren Dauerform oder auch mit einer verlorenen Form vorteilhaft einsetzbar. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei der die Gießform eine, in festgelegte Gießform-Teile teilbare, wiederverwendbare Gießform ist.
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Weiterbildungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen in Verbindung mit den Zeichnungen sowie der Beschreibung. Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles noch näher beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine mit ihren wesentlichen Bestandteilen im Längsschnitt dargestellte Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine, die einen beheizbaren Metallschmelze-Vorratsofen sowie eine, mit dem Metallschmelze-Vorratsofen über einen Steigkanal verbundene Gießform aufweist, wobei der Steigkanal über eine Angussöffnung in einem Formnest der Gießform mündet, welche Angussöffnung mittels einem Schließkolben verschließbar ist, der an seinem der Angussöffnung zugewandten Teilbereich eine Kavität aufweist,
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2 die Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine aus 1 in einem vergrößerten Teil-Längsschnitt im Bereich ihrer Gießform, wobei sich der Schließkolben in der Offenstellung mit Abstand oberhalb der Angussöffnung befindet,
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3 die ebenfalls in einem vergrößerten Teil-Längsschnitt gezeigte Gasdruck-Metallgießmaschine aus 1 und 2 in einem vergrößerten Detail-Längsschnitt in dem mit „Y” gekennzeichneten Bereich aus 2, wobei sich der Schließkolben hier in seiner Offenstellung befindet,
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4 die Vertikal-Gasdruck-Metallgießmaschine aus den 1 bis 3 in einem vergrößerten Detail-Längsschnitt in dem mit „Y” gekennzeichneten Bereich aus 2, wobei sich der Schließkolben hier aber in seiner Schließstellung befindet,
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5 die Vertikal-Gasdruck-Metallgießmaschine aus den 1 bis 4 in einem vergrößerten Detail-Längsschnitt in dem mit „X” gekennzeichneten Bereich aus 2, wobei hier eine Metallschmelze-Vorratshöhlung mit einem Formnest der Gießform verbunden ist, in der sich ein von einer Gasblase druckbeaufschlagtes Metallschmelze-Depot befindet,
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6 die Vertikal-Gasdruck-Metallgießmaschine aus den 1 bis 5 in dem mit „X” gekennzeichneten Bereich aus 2, wobei die in der Metallschmelze-Vorratshöhlung eingeschlossene Gasblase den während des Erstarrungsvorgangs aufgetretenen Volumenschwund durch Eindrücken einer Teilmenge des Metallschmelze-Depots in das Formnest der Gießform ausgeglichen hat,
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7 die Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine aus den 1 bis 6 in einem vergrößerten Detail-Längsschnitt in dem mit „W” gekennzeichneten Bereich aus 2, wobei auch hier eine in einem Randbereich des Formnestes angeordnete Metallschmelze-Vorratshöhlung mit dem Formnest der Gießform verbunden ist und wobei auch hier sich in der Metallschmelze-Vorratshöhlung ein von einer Gasblase druckbeaufschlagtes Metallschmelze-Depot befindet,
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8 die Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine aus den 1 bis 7 in dem vergrößerten Detail-Längsschnitt in dem mit „W” gekennzeichneten Bereich aus 2, wobei die in der Metallschmelze-Vorratshöhlung eingeschlossene Gasblase eine Teilmenge des Metallschmelze-Depots zum Ausgleich des während der Erstarrungsphase eingetretenen Volumenschwunds in das Formnest der Gießform gedrückt hat,
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9 einen hier aus zwei relativ zueinander verschieblichen Schließkolben-Teilen bestehenden Schließkolben einer mit den 1 bis 8 vergleichbaren Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine in einem Detail-Längsschnitt, wobei ein erstes Schließkolben-Teil in der hier gezeigten Offenstellung des Schließkolbens mit Abstand oberhalb der Angussöffnung angeordnet ist, während ein zweites Schließkolben-Teil zur Druckbeaufschlagung eines Metallschmelze-Depots während des Erstarrungsvorganges im Formnest relativ zum ersten Schließkolben-Teil verschieblich geführt ist,
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10 den Schließkolben aus 9 in der seiner Schließstellung, in der das erste Schließkolben-Teil dicht am Umfangsrandbereich der Angussöffnung anliegt, und
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11 eine mit den 1 bis 8 vergleichbar ausgestaltete Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine mit einer Gießform, die zur Herstellung von, als Hohlkörper ausgebildeten Armaturengehäusen vorgesehen ist und die dazu in den Hohlräumen der Hohlkörper verlorene Gießform-Teile verwendet.
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In 1 ist eine Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine 1 dargestellt, die einen Metallschmelze-Vorratsofen 2 aufweist, in welchem der für mehrere Gussteile benötigte Metallschmelze-Vorrat 3 bevorratet und in flüssigem Zustand gehalten wird. Der Metallschmelze-Vorratsofen 2 ist über wenigstens einen Steigkanal 4 mit wenigstens einem Formnest 5 verbunden, welches in einer Gießform 6 ausgebildet ist. Das Formnest 5 gibt in etwa die Form wieder, die die in der Gießform 6 herzustellenden Gussteile aufweisen sollen. Nur beispielhaft ist hier gezeigt, dass die Vertikal-Gasdruck-Metallgießmaschine zur Herstellung eines KFZ-Leichtmetallrades dienen kann.
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Der Steigkanal 4 weist einen Metallschmelze-Einlass 7 auf, der unterhalb des Niveaus oder der Oberfläche des im Metallschmelze-Vorratsofen 2 befindlichen Metallschmelze-Vorrats 3 liegt, und mündet über eine Angussöffnung 8 in dem mindestens einen Formnest 5 der Gießform 6. In den 9 und 10 ist besonders gut erkennbar, dass in die Flüssigkeitsführung der Metallschmelze zwischen der Angussöffnung 8 und dem zumindest einen Formnest 5 der Gießform 6 ein hier umlaufendes Filtersieb 31 zwischengeschaltet werden kann, das die eventuell in der Metallschmelze befindlichen Schmutzpartikel an einem Eindringen in das zumindest eine Formnest 5 hindert. Das Filtersieb 31 ist als ,verlorenes' Teil bestimmt und wird nach dem Erkalten mit dem Anguss vom Gussstück getrennt.
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Um nach dem Befüllen des wenigstens einen Formnestes 5 die im Formnest 5 befindliche und nun zum Gussteil abkühlende Metallschmelze von dem im Metallschmelze-Vorratsofen 2 flüssig gehaltenen Metallschmelze-Vorrat 3 zu trennen, ist ein Schließkolben 9 vorgesehen, der relativ zur Gießform zwischen einer in den 2 und 3 gezeigten Offenstellung und einer in 4 dargestellten Schließstellung bewegbar ist, in welcher Schließstellung der Schließkolben 9 die Angussöffnung 8 verschließt. In dieser Schließstellung verhindert der Schließkolben 9 ein Ausfließen der im Formnest 5 befindlichen Metallschmelze und trennt gleichzeitig diese Metallschmelze von dem im Steigkanal 4 anstehenden, flüssig-heißen Metallschmelze-Vorrat 3, so dass die in der Gießform 6 befindliche Metallschmelze abkühlen und zum Gussteil erstarren kann.
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Damit beim Einfließen der Metallschmelze in das Formnest 5 der Gießform 6 das im Formnest 5 noch enthaltene Gas nach und nach ausströmen kann, weist die Gießform, die hier als mehrfach verwendbare Dauerform ausgebildet ist, im Bereich des Formnestes 5 zumindest eine Entlüftungsöffnung 10 auf. Um die im Metallschmelze-Vorratsofen 2 befindliche Metallschmelze auch durch eine Druckbeaufschlagung des Vorratsofen-Innenraums in den zumindest einen Steigkanal 4 pressen zu können, ist der Metallschmelze-Vorratsofen 2 über wenigstens eine Gasleitung 11 mit einer Gasquelle 12 verbunden.
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Damit ein Lufteintrag in dem im Metallschmelze-Vorratsofen 2 befindlichen Metallschmelze-Vorrat 3 unterbunden und eine oberflächliche Oxidation der Metallschmelze verhindert wird, ist die mit dem Metallschmelze-Vorratsofen 2 über die wenigstens eine Gasleitung 11 verbundene Gasquelle 12 als Inertgasquelle 12 ausgebildet. Als Inertgasquelle dient hier eine Stickstoffquelle.
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Der im Metallschmelze-Vorratsofen 2 befindliche Metallschmelze-Vorrat 3 wird dort unter einer Druckatmosphäre aus Inertgas gehalten, die einen oberflächlichen Luftzutritt an die Metallschmelze verhindert. Dabei kann mit Hilfe der Inertgasquelle ein derartiger Gasdruck aufgebaut werden, dass die Metallschmelze aus dem Metallschmelze-Vorrat 3 über den Steigkanal 4 und durch die Angussöffnung 8 hindurch in das mindestens eine Formnest 5 der Gießform 6 fließt. Um in der Gießform 6 einen Unterdruck oder ein Vakuum zu erzeugen, welches zum einen das Einfließen der Metallschmelze in das zumindest eine Formnest 5 begünstigt, und zum anderen auch hier einen Luftzutritt an die in den Formnestern 5 befindliche Metallschmelze verhindert, ist die mindestens eine Entlüftungsöffnung 10 über eine Entlüftungsleitung 20 mit einer Saug- oder Vakuumpumpe 13 verbunden.
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Wie auch aus den Detail-Längsschnitten gemäß den 3 und 4 deutlich wird, weist der Schließkolben 9 in seinem die Angussöffnung 8 verschließenden Teilbereich eine Kavität 14 oder Einsenkung auf, in der ein erster Inertgasauslass 15 mündet. Die Kavität 14 weist mit ihrer offenen Stirnfläche in Richtung zur Angussöffnung 8 des Steigrohres 4 beziehungsweise in Richtung nach unten. Damit der in der Kavität 14 mündende Inertgas-Auslass 15 nicht mit der Metallschmelze in Kontakt kommt, ist das Volumen der Kavität 14 im Schließkolben 9 größer als die Volumenreduzierung des eingeschlossenen Gasvolumens durch in Schließstellung aufgebrachte Metalldrücke im Steigrohr 4. In dieser Kavität 14 kann sich beim Nahfließen der vom Metallschmelze-Vorrat 3 kommenden Metallschmelze ein Polster aus Inertgas bilden, welches Gaspolster 16 nicht nur den Inertgas-Auslass 15 vor der Metallschmelze schützt, sondern auch eine thermische und physikalische Entkopplung zwischen dem Schließkolben 9 und der in den Formnestern 5 befindlichen Metallschmelze bewirkt.
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Bei jedem Gießvorgang findet im Steigrohr 4 eine Füll- und eine Rücklaufbewegung der Metallschmelze statt. Der Rücklaufvorgang erfolgt unter Ausschluss der Umgebungsluft, ausschließlich durch Zufuhr von Inertgas, vorzugsweise von Stickstoff. Der abgesenkte Metallspiegel im Steigrohr 4 ist dabei bis zur Oberkante der Angussöffnung 8 des Formnestes 5 ausschließlich mit Inertgas angefüllt. Beim anschließenden Gießvorgang fließt das Inertgas dem Metall voraus und ersetzt noch vorhandene Umgebungsluft im Formnest 5. Damit ist sichergestellt, dass das flüssige Metall während des gesamten Gießvorganges keinen Kontakt zur Umgebungsluft hat.
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Damit das in der Kavität 14 befindliche Inertgas nicht über den Inertgas-Auslass 15 zurückströmen, sondern stattdessen in der Kavität 14 das Gaspolster 16 bilden kann, ist in die zum Inertgas-Auslass 15 führende Schließkolben-Gasleitung 22 ein Rückschlagventil 17 zwischengeschaltet. Dieses Rückschlagventil 17 wird hier durch einen kugelförmigen Ventilkörper 18 gebildet, der mittels einer Druckfeder 19 gegen eine zuströmseitig vorgeschaltete Leitungsöffnung der Schließkolben-Gasleitung 22 gepresst wird. Beim Nachströmen des Inertgases durch die Schließkolben-Gasleitung 22 wird der kugelförmige Ventilkörper 18 gegen die Rückstellkraft der Druckfeder 19 in seiner Offenstellung bewegt, so dass das nachströmende Inertgas über das Rückschlagventil 17 und dem Inertgas-Auslass 15 in die Kavität 14 des Schließkolbens 9 strömen kann.
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In 1 ist erkennbar, dass die zumindest eine Entlüftungsöffnung 10 und die Vakuumpumpe 13 über eine Entlüftungsleitung 20 verbunden sind, in welche Entlüftungsleitung 20 eine Gasreinigungs- oder Gasfiltereinrichtung 21 zwischengeschaltet ist.
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Aus den 5 bis 8 wird deutlich, dass das wenigstens eine Formnest 5 der Gießform 6 mit mindestens einer und hier mit wenigstens zwei Metallschmelze-Vorratshöhlungen 27, 28 verbunden ist. Zum Druckbeaufschlagen des in der mindestens einen Metallschmelze-Vorratshöhlung 27, 28 befindlichen Metallschmelze-Depots mit Inertgas mündet in jeder Metallschmelze-Vorratshöhlung 27, 28 jeweils zumindest ein zweiter Inertgas-Auslass 29. Dabei ist das Volumen der Metallschmelze-Vorratshöhlungen 27, 28 größer als die Volumenreduzierung der in dem betreffenden Formnest 5 befindlichen Metallschmelze während des Erstarrungsvorgangs.
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Durch das in den Metallschmelze-Vorratshöhlungen 27, 28 jeweils befindliche Metallschmelze-Depot kann der während des Erstarrungsvorganges der Metallschmelze im Formnest einhergehende Volumenschwund zumindest teilweise ausgeglichen werden. Durch den auf die im Formnest befindliche Metallschmelze ausgeübten Gasdruck mittels der in den Metallschmelze-Vorratshöhlungen 27, 28 eingeschlossenen Gasblasen 40 erfolgt eine gasdruckunterstützte Erstarrung der Metallschmelze. Die durch die Gasblasen 40 aufgebrachten hohen Gasdrücke beschleunigen während des Erstarrungsvorganges den Übergang der im Formnest befindlichen Schmelze von der Liquidus-Temperatur zur Solidus-Temperatur erheblich und ermöglichen ein besonders feinkörniges und duktiles Gefüge mit bestmöglichen physikalischen Eigenschaften. Dadurch lässt sich auch in Bereichen innerhalb des Gussteiles mit großen Volumen-Unterschieden, trotz des dort zum Teil verzögerten oder früheren Erstarrungsverlaufes, durch die gleichzeitig auf alle Bereiche wirkenden hohen Drücke ein gleichwertig feinkörniges und duktiles Gefüge und hohe physikalische Kennwerte erreichen. Durch den in den Metallschmelze-Vorratshöhlungen 27, 28 komprimierten Vordruck der Gasblasen 40 wird der Erstarrungsvorgang in der Metallschmelze beschleunigt eingeleitet. Mit beginnender Erstarrung der im Formnest 5 befindlichen Metallschmelze kann dieser Vordruck durch Inertgas-Injektionshochdruck in die Metallschmelze-Vorratshöhlungen 27, 28 der Gießform 6 noch zusätzlich stufenlos weiter erhöht werden.
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Das Befüllen der Gießform 6 erfolgt durch Druckbeaufschlagung der im Metallschmelze-Vorratsofen 2 befindlichen Metallschmelze, wobei auf die Gießform 6 gleichzeitig auch ein Unterdruck aufgebracht wird. Nach Abschluss des Formfüll- beziehungsweise Gießvorganges wird der Gasdruck im Metallschmelze-Vorratsofen 2 derart weiter erhöht, dass zusätzliche, zur Nachspeisung vorgesehene und als Metallschmelze-Depot dienende Metallschmelze in die Metallschmelze-Vorratshöhlungen 27, 28 der jeweiligen Formnester 5 gedrückt wird. Dabei wird das in der jeweiligen Metallschmelze-Vorratshöhlung 27, 28 eingeschlossene Inertgas in Abhängigkeit des Flüssigmetalldruckes komprimiert. Unter Beibehaltung dieses Druckes kann anschließend die Angussöffnung 8 mit dem Schließkolben 9 verschlossen werden, wobei durch Einleiten von Inertgas in die Kavität 14 des Schließkolbens 9 die im Steigrohr 4 befindliche Metallsäule von den in den Formnestern 5 hergestellten Gussteilen thermisch und physikalisch abgekoppelt wird.
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Der Rückfluss der im Steigrohr 4 befindlichen Metallschmelze in den Metallschmelze-Vorratsofen 2 erfolgt ausschließlich durch kontrollierte Zufuhr von Inertgas über den dafür vorgesehenen ersten Inertgas-Auslass 15 in der Kavität 14 des zentralen Schließkolbens 9. Bei beginnender Metallerstarrung der in den Formnestern 5 befindlichen Metallschmelze kann der vorhandene Druck in den Metallschmelze-Vorratshöhlungen 27, 28 über den zur Nachspeisung üblicherweise eingesetzten Druck hinaus durch Gasinjektions-Hochdruck über die zweiten Inertgas-Auslässe 29 bis an die Festigkeitsgrenzen erhöht werden. Dabei sind Inertgas-Drücke von bis weit über 1000 bar möglich.
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Abgestimmt auf den jeweiligen Anwendungsfall, beschleunigen die entsprechenden, während des Erstarrungsvorganges aufgebrachten hohen Gasdrücke die Erstarrung der in den Formnestern 5 befindlichen Metallschmelze. Mit Hilfe der hier dargestellten Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine 1 lassen sich Gussteile in einer hohen Qualität aus einer nahezu oxidfreien Metallschmelze herstellen. Dabei wird der Gießprozess in der hier dargestellten Vertikal-Gasdruck-Metallgießmaschine 1 durch eine Inertgas-Atmosphäre im Metallschmelze-Vorratsofen 2 und im Bereich der Angussöffnung 8 und durch ein Vakuum im Formnest 5 praktisch hermetisch abgeschlossen. In der hier dargestellten Vertikal-Gasdruck-Metallgießmaschine 1 sind praktisch alle Aluminium-Gusslegierungen, Knetlegierungen und Schmiedelegierungen verwendbar. Die für jedes Gussteil benötigte Metallschmelze kann bis zum Abschluss der Erstarrung im Formnest 5 praktisch wasserstoff- und oxidfrei gehalten werden. Da die im Formnest 5 befindliche Metallschmelze durch die im Schließkolben 9 vorgesehene Kavität und das darin befindliche Gaspolster von dem flüssig-heißen Metallschmelze-Vorrat 3 im Metallschmelze-Vorratsofen 2 thermisch abgekoppelt werden kann und da sich der in der hier dargestellten Vertikal-Gasdruck-Metallgießmaschine 1 bewerkstelligte Gießvorgang durch eine vergleichsweise schnelle Formfüllung und Erstarrung auszeichnet, sind extrem niedrige Gießtemperaturen möglich, was bessere Materialqualitäten bis im Stahlbereich bewirkt. Die Formfüllung des Formnestes 5 erfolgt durch ein laminares Einfließen der Metallschmelze in die Gießform 6 schnell und kontrolliert. Der Erstarrungsprozess der im Formnest 5 befindlichen Metallschmelze erfolgt unter Druck, wobei sich die Höhe der verwendeten Drück jedoch nur nach den Möglichkeiten der Werkzeug-Zuhaltekräfte sowie gegebenenfalls der Festigkeit bei Einsatz von Gießkernen richtet. Aufgrund der geringeren Metalltemperaturen der verwendeten Metallschmelze sind extrem kurze Erstarrungszeiten möglich. Die hohe Gießleistung wird durch die schnelle Formfüllung, die Abtrennung der im Formnest 5 befindlichen Metallschmelze von dem im Steigkanal anstehenden Metallschmelze-Vorrat 3 sowie durch geeignete Formkühlsysteme noch zusätzlich begünstigt. Da sämtliche aus der Schmelze sowie den Gießkernen entweichenden Gase kontrolliert zusammengefasst und neutralisiert abgeführt werden können, können beispielsweise auch mit organischen Bindemitteln hergestellte Gießkerne beziehungsweise verlorene Gießkerne verwendet werden. Dies sei anhand des in 11 dargestellten Ausführungsbeispieles verdeutlicht, das eine Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine 1 zeigt, die in ihrer Gießform Formnester hat, in denen die zur Herstellung einer Sanitärarmatur benötigten hohlen Armaturenkorpusse ausgeformt werden können. Dabei sind im Inneren der in den Korpussen gebildeten Hohlräume verlorene Gießkerne vorgesehen.
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In den 9 und 10 ist ein Schließkolben 9 gezeigt, der zwei relativ zueinander verschiebliche Schließkolben-Teile 23, 24 hat, von denen ein erstes Schließkolben-Teil 24 in Schließstellung dicht am Umfangsrandbereich der Angussöffnung 8 anliegt, während ein zweites Schließkolben-Teil 23 zur Druckbeaufschlagung eines Metallschmelze-Depots während des Erstarrungsvorganges in Formnest 5 relativ zum ersten Schließkolben-Teil 24 verschieblich geführt ist. Mit Hilfe des Schließkolbens 9 und seiner Schließkolben-Teile 23, 24 kann die in dem Formnest 5 der Gießform 6 der Vertikal-Gasdruck-Gießmaschine 1 eingefüllte Metallschmelze noch zusätzlich druckbeaufschlagt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Metallgießmaschine
- 2
- Metallschmelze-Vorratsofen
- 3
- Metallschmelze-Vorrat
- 4
- Steigrohr
- 5
- Formnest
- 6
- Gießform
- 7
- Metallschmelze-Einlass
- 8
- Angussöffnung
- 9
- Schließkolben
- 10
- Entlüftungsöffnung
- 11
- Gasleitung
- 12
- Gasquelle
- 13
- Vakuumpumpe
- 14
- Kavität
- 15
- erster Inertgas-Auslass
- 16
- Gaspolster
- 17
- Rückschlagventil
- 18
- Ventilkörper
- 19
- Druckfeder
- 20
- Entlüftungsleitung
- 21
- Gasfiltereinrichtung
- 22
- Schließkolben-Gasleitung
- 23
- erstes Schließkolben-Teil
- 24
- zweites Schließkolben-Teil
- 25
- Metallschmelze-Depot
- 26
- Angusskanal
- 27
- Metallschmelze-Vorratshöhlung
- 28
- Metallschmelze-Vorratshöhlung
- 29
- zweiter Inertgas-Auslass
- 30
- Saugleitung
- 31
- Filtersieb
- 40
- Gasblase
