DE102014222001A1 - casting process - Google Patents

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Abstract

Bei einem Gießverfahren und insbesondere einem Schwerkraft- oder Niederdruckgussverfahren für metallische Schmelzen, bei dem die Schmelzefüllung des Gießwerkzeugs (4) ein insbesondere partikelförmiges Zusatzmaterial enthält, lassen sich erfindungsgemäß qualitativ hochwertige Gussteile mit deutlich verkürzten Taktzeiten und geringem Fertigungsmittelaufwand dadurch herstellen, dass in die Formkavität (3) des Gießwerkzeugs (4) zusätzlich zur Schmelze Kühlkörper (6) eingegeben werden, deren Kühlkapazität insgesamt mindestens 5% der Schmelzwärme der Schmelzefüllung (7) in der Formkavität beträgt, wobei die Kühlkörper (6) in der Formkavität (3) durch die Wärmezufuhr seitens der Schmelze aufgeschmolzen werden und die Schmelztemperatur der Kühlkörper unter derjenigen der Schmelzefüllung (7) liegt.In a casting method and in particular a gravity or low pressure casting process for metallic melts, in which the melt filling of the casting tool (4) contains a particulate additive material in particular, high-quality castings can be produced according to the invention with significantly reduced cycle times and low production material expenditure, by introducing into the mold cavity ( 3) of the casting tool (4) in addition to the melt heat sink (6) are input, the cooling capacity is a total of at least 5% of the heat of fusion of the melt filling (7) in the mold cavity, wherein the heat sink (6) in the mold cavity (3) by the heat melted by the melt and the melting temperature of the heat sink is below that of the melt filling (7).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gießverfahren und insbesondere ein Schwerkraft- oder Niederdruckgussverfahren für metallische Schmelzen, bei dem die Schmelzefüllung des Gießwerkzeugs ein Insbesondere partikelförmiges, mit der Schmelze kompatibles Zusatzmaterial enthält, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a casting method and in particular a gravity or low pressure casting method for metallic melts, in which the melt filling of the casting tool contains a particular particulate, compatible with the melt additive material, according to the preamble of patent claim 1.

Bei den aus der DE 102 53 577 B4 oder der DE 198 13 176 C2 bekannten Gießverfahren dieser Art werden der metallischen Schmelze zur Verbesserung der Materialeigenschaften des Gussteils unmittelbar vor dem Befüllen der Formkavität des Gießwerkzeugs vorzugsweise im Bereich des Angusskanals Feststoffpartikel in homogener Verteilung zugegeben und das Gießwerkzeug nach Beendigung des Füllvorgangs rasch von außen zwangsgekühlt, um so eine Entmischung der Feststoffpartikel in der noch flüssigen Metallschmelze zu verhindern. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass infolge des von außen nach innen stark ansteigenden Temperaturgradienten in der Erstarrungsphase der Schmelzefüllung Wärmespannungen oder gar Lunkerbildungen im fertigen Gussteil verbleiben. Hinzukommt, dass eine leistungsstarke Außenkühlung des Gießwerkzeugs mit einem vergleichsweise hohen Bauaufwand verbunden ist.In the from the DE 102 53 577 B4 or the DE 198 13 176 C2 known casting method of this type are added to the metallic melt to improve the material properties of the casting immediately prior to filling the mold cavity of the casting preferably in the sprue channel solid particles in homogeneous distribution and the casting tool after completion of the filling quickly forced from the outside, so as to segregate the solid particles to prevent in the still liquid molten metal. However, there is a risk that, due to the temperature gradient rising sharply from the outside to the inside in the solidification phase of the melt filling, thermal stresses or even voids formations remain in the finished casting. In addition, a powerful external cooling of the casting tool is associated with a comparatively high construction cost.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gießverfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sich mit deutlich verkürzten Taktzeiten und geringem Fertigungsmittelaufwand qualitativ hochwertige Gussteile herstellen lassen.The object of the invention is to provide a casting method of the type mentioned in such a way that can produce high-quality castings with significantly reduced cycle times and low production cost.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.This object is achieved by the characterized in claim 1 method.

Erfindungsgemäß wird durch den inneren Kühleffekt der von der Schmelzefüllung umschlossenen Kühlkörper die Zeitspanne bis zur Entformbarkeit des Gussteils signifikant in einem proportional zum Kühlkörperanteil ansteigenden Ausmaß verkürzt, ohne dass es einer leistungsstarken und dementsprechend aufwändigen Außenkühlung des Gießwerkzeugs bedarf, und zugleich der Temperaturverlauf in der kritischen Abkühlphase bis zur Verfestigung des Gussteils soweit vergleichmäßigt, dass der Entstehung von Wärmespannungen oder Lunkerbildungen wirksam begegnet wird.According to the invention is shortened by the internal cooling effect of the melt-enclosed heat sink, the time to demolding of the casting significantly in proportion to the heat sink proportion increasing extent, without the need for a powerful and therefore complex external cooling of the casting mold, and at the same time the temperature profile in the critical cooling phase until the solidification of the casting is evened out so far that the formation of thermal stresses or voids is effectively counteracted.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden die zunächst festen Kühlkörper seitens der Schmelzefüllung in der Formkavität aufgeschmolzen und die Schmelztemperatur der Kühlkörper wird unter derjenigen der Schmelzefüllung gehalten, wodurch sich die spezifische Kühlkapazität der Kühlkörper wesentlich erhöht und sichergestellt wird, dass die Schmelzwärme der Kühlkörper erst nach außen abgegeben wird, wenn das Gussteil bereits erstarrt ist und entformt werden kann.In a particularly preferred embodiment of the invention, the first solid heat sink melted by the melt filling in the mold cavity and the melting temperature of the heat sink is kept below that of the melt filling, whereby the specific cooling capacity of the heat sink significantly increased and ensures that the heat of fusion of the heat sink only after is discharged outside when the casting is already solidified and can be removed from the mold.

Da der größte Teil des Wärmeinhalts der Schmelzefüllung in der Erstarrungsphase freigesetzt wird, wird die Kühlwirkung der Kühlkörper durch eine entsprechende Wahl der Schmelztemperatur, der Wärmeleitfähigkeit und der Partikelgröße vorzugsweise so abgestimmt, dass die Kühlkörper zunächst noch im festen Zustand verbleiben oder nur randseitig angeschmolzen werden und erst in der Erstarrungsphase der Schmelzefüllung vollständig in den schmelzflüssigen Zustand übergehen. In Verbindung mit einer bevorzugt homogenen Verteilung der Kühlkörper ergibt sich hieraus der gießtechnische Vorteil, dass sich die Erstarrungsfront der Schmelzefüllung im gesamten Füllvolumen sehr rasch ausbreitet und dadurch Gussfehler, die sonst bei einer nur langsam fortschreitenden Verfestigung der Formfüllung entstehen, wirksam unterbunden werden. In dieser Hinsicht ist es natürlich wünschenswert, die Schmelzwärme der Kühlkörperzumischung, bezogen auf diejenige der Schmelzefüllung, möglichst groß zu wählen, begrenzt allerdings durch die Verträglichkeit des Kühlkörpermaterials mit den angeforderten Materialeigenschaften des Gussteils. Unter dem Gesichtspunkt der Materialverträglichkeit werden als Kühlkörper zweckmäßigerweise solche mit einer artgleichen Materialzusammensetzung wie die Schmelzefüllung zugemischt und im bevorzugten Fall einer Aluminiumschmelze zweckmäßigerweise niedriger schmelzende Legierungszusätze, wie z. B. Magnesium, und auch Schrottpartikel aus einer niedriger schmelzenden Aluminiumlegierung.Since the majority of the heat content of the melt filling is released in the solidification phase, the cooling effect of the heat sink is preferably adjusted by an appropriate choice of melting temperature, thermal conductivity and particle size so that the heat sink initially remain in the solid state or are melted only at the edge and completely in the molten state only in the solidification phase of the melt filling. In conjunction with a preferably homogeneous distribution of the heat sink, this results in the casting technology advantage that the solidification front of the melt filling spreads very rapidly in the entire filling volume and thereby casting defects that would otherwise occur in a slowly progressive solidification of the mold filling, effectively prevented. In this regard, it is of course desirable to choose the heat of fusion of the heat sink admixture, based on that of the melt filling, as large as possible, but limited by the compatibility of the heat sink material with the required material properties of the casting. From the point of view of material compatibility are preferably added as a heat sink with a similar material composition as the melt filling and in the preferred case of an aluminum melt expediently lower melting alloying additives such. As magnesium, and also scrap particles from a lower melting aluminum alloy.

Nach einer weiterhin besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Kühlkörper der Schmelze in einer zeitlich unterschiedlichen Dosierung mit einem höheren Kühlkörperanteil in dem die stärker zu kühlenden Bereiche der Formkavität ausfüllenden Schmelzevolumen zugegeben, um so die Abkühlung der Schmelzefüllung weiter zu vergleichmäßigen. Schließlich müssen die Kühlkörper der Schmelze nicht unbedingt beim Befüllen des Gießwerkzeugs zugemischt werden, sondern können auch vor dem Guss in die Formkavität eingebracht werden.According to a further particularly preferred embodiment of the invention, the heat sink of the melt are added in a time varying dosage with a higher heat sink portion in the more strongly cooled areas of the mold cavity filling melt volume, so as to further homogenize the cooling of the melt filling. Finally, the heat sinks of the melt do not necessarily have to be mixed during filling of the casting tool, but can also be introduced into the mold cavity before casting.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:The invention will now be explained in more detail with reference to an embodiment in conjunction with the drawings. It shows in a highly schematic representation:

1 ein Gießwerkzeug mit einer unter Zugabe von partikelförmigen Kühlkörpern durchsetzten Schmelzefüllung; und 1 a casting mold with an interspersed with the addition of particulate heat sinks melt filling; and

2a, b Diagramme zur Veranschaulichung des zeitlichen Temperaturverlaufs einer Schmelzefüllung ohne (2a) und mit einer erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlkörperzugabe. 2a , b Diagrams to illustrate the temporal temperature course of a Melt filling without ( 2a ) and with a heat sink addition provided according to the invention.

Nach dem in Verbindung mit den Fign. erläuterten Schwerkraft-Gießverfahren wird eine Metall- z. B. Aluminiumschmelze aus einer Gießpfanne 1 über einen Angusskanal 2 in die Formkavität 3 eines Gießwerkzeugs 4 eingefüllt. Dabei liegt die Temperatur der Metallschmelze in der Gießpfanne 1 soweit über der Schmelztemperatur, dass die Schmelze nicht vorzeitig erstarrt und dadurch der Angusskanal 2 verstopft oder die Formkavität 3 unvollständig gefüllt wird.After the in connection with the Fign. explained gravity casting method is a metal z. B. aluminum melt from a ladle 1 over a sprue 2 into the mold cavity 3 a casting tool 4 filled. The temperature of the molten metal is in the ladle 1 so far above the melting temperature, that the melt does not solidify prematurely and thus the sprue 2 clogged or the mold cavity 3 is filled incompletely.

Über eine Zufuhrlanze 5 unmittelbar vor dem Angusskanal 2 oder an einer anderen, in die Formkavität 3 mündenden Zufuhrstelle werden der Metallschmelze Kühlpartikel 6 und in homogener Verteilung zugemischt, deren Material und Mengenanteil auf die geforderten Gussteileigenschaften abgestimmt sind. Innerhalb dieser Grenzen sind die Kühlpartikel 6 mengen- und materialmäßig so gewählt, dass sie eine möglichst hohe Kühlkapazität zwischen der Einfülltemperatur an der Zufuhrstelle und der Erstarrungstemperatur der Metallschmelze, also insbesondere eine große Schmelzwärme und eine Schmelztemperatur unterhalb derjenigen der Metallschmelze besitzen. Zusätzlich sollte die Korngröße und/oder Wärmeleitfähigkeit der Kühlpartikel 6 so bemessen sein, dass sie beim Befüllen der Formkavität 3 zunächst noch im festen Zustand verbleiben oder allenfalls randseitig anschmelzen und erst in der Erstarrungsphase der Schmelzefüllung 7 in den vollständig schmelzflüssigen Zustand übergehen, So können der Metallschmelze beispielsweise artgleiche und etwas niedriger schmelzende Schrottkörner, aber auch Legierungszusätze, etwa Magnesiumpartikel in einem Mengenanteil bis zu 6 Gew.%, zugegeben werden.About a feed lance 5 just in front of the sprue 2 or at another, in the mold cavity 3 opening feed point, the molten metal cooling particles 6 and mixed in a homogeneous distribution, the material and proportion of which are matched to the required casting properties. Within these limits are the cooling particles 6 Quantity and material selected so that they have the highest possible cooling capacity between the filling temperature at the feed point and the solidification temperature of the molten metal, ie in particular a large heat of fusion and a melting temperature below that of the molten metal. In addition, the grain size and / or thermal conductivity of the cooling particles should 6 be sized so that they fill the mold cavity 3 initially still remain in the solid state or possibly melt on the edge side and only in the solidification phase of the melt filling 7 In the fully molten state, for example, the metal melt can be added to the same molten and slightly lower melting scrap particles, but also alloying additions, such as magnesium particles in an amount up to 6 wt.%.

In 2 ist der zeitliche Temperaturverlauf der Schmelzefüllung 7 ohne (2a) und mit dem Kühleffekt (2b) der Kühlpartikel 6 veranschaulicht. Bei einer reinen Außenkühlung (2a) sinkt die Temperatur der Schmelzefüllung, bis die Erstarrungsphase Tv zum Zeitpunkt ta beginnt, woraufhin die Temperatur der Schmelzefüllung 7 an der Erstarrungsfront auf einem je nach Beschaffenheit der Schmelze mehr oder weniger konstanten Temperaturniveau verbleibt, bis die gesamte Schmelzwärme der Schmelze allein im Wege einer Wärmeleitung über die bereits erstarrten Füllungsbereiche und die Gießwerkzeugwände nach außen abgeführt ist und das nunmehr durchgehend verfestigte Gussteil zum Zeitpunkt te entformt werden und die noch verbliebene Restwärme an die Umgebungsluft abgeben kann.In 2 is the temporal temperature profile of the melt filling 7 without 2a ) and with the cooling effect ( 2 B ) of the cooling particles 6 illustrated. In a pure external cooling ( 2a ), the temperature of the melt filling decreases until the solidification phase T v begins at the time t a , whereupon the temperature of the melt filling 7 remains on the solidification front on a depending on the nature of the melt more or less constant temperature level until the entire heat of fusion of the melt is dissipated by heat conduction alone on the already solidified Füllungsbereiche and Gießwerkzeugwände to the outside and the now solidified casting at time t e be removed from the mold and release the remaining heat to the ambient air.

Durch die Kühlpartikelzugabe hingegen wird ein homogener Kühleffekt im Inneren der Schmelzefüllung erzielt, derart, dass zum einen die Erstarrungsphase Tv zu einem früheren Zeitpunkt ta (2b) beginnt und zum anderen der Erstarrungsprozess selbst dadurch signifikant verkürzt wird, dass der Schmelzefüllung 7 unmittelbar und gleichförmig verteilt Schmelzwärme in einem erheblichen Ausmaß, nämlich bis zum vollständigen Aufschmelzen der Kühlpartikel 6, entzogen wird. Nach Beendigung der Erstarrungsphase Tv kann das auf diese Weise verfestigte Gussteil zum Zeitpunkt te dem Gießwerkzeug 4 entnommen und die noch verbliebene Restwärme einschließlich der von den Kühlpartikeln 6 absorbierten Schmelzwärme an die Umgebungsluft abgegeben werden.By contrast, the cooling particle addition achieves a homogeneous cooling effect in the interior of the melt filling, such that on the one hand the solidification phase T v at an earlier time t a ( 2 B ) and on the other hand, the solidification process itself is significantly shortened by the fact that the melt filling 7 Immediately and uniformly, heat of fusion dissipates to a considerable extent, namely until complete melting of the cooling particles 6 , is withdrawn. After completion of the solidification phase T v , the solidified in this way casting at time t e the casting tool 4 removed and the remaining residual heat including that of the cooling particles 6 absorbed heat of fusion are released to the ambient air.

In Bereichen reduzierter äußerer Kühlwirkung, also da, wo der Wärmestrom über die Gießwerkzeugwände im Verhältnis zu dem örtlichen Füllvolumen geringer als an anderen Stellen der Formkavität 3 ist (Bereich a gemäß 1) und/oder auch solchen, welche im Laufe des Gießvorgangs später als andere befüllt werden (Bereich b gemäß 1), wird der innere Kühleffekt der Kühlkörper 6 verstärkt, um so das Temperaturprofil in der Schmelzefüllung 7 weiter zu vergleichmäßigen. Zu diesem Zweck wird die Kühlkörperzugabe an der Zufuhrstelle 5 zeitlich unterschiedlich derart dosiert, dass der Kühlkörperanteil in demjenigen Teilvolumen der Schmelze, welches in die Bereiche a und b vergleichsweise geringerer Außenkühlwirkung gelangt, erhöht wird, und umgekehrt, so dass der aus Außen- und Innenkühlung kombinierte Kühleffekt in der gesamten Schmelzefüllung 7 eine im Idealfall gleiche Temperaturverteilung erzeugt.In areas of reduced external cooling effect, that is, where the heat flow through the Gießwerkzeugwände in relation to the local filling volume less than at other locations of the mold cavity 3 is (area a according to 1 ) and / or also those which are filled later than others during the casting process (region b according to FIG 1 ), the internal cooling effect becomes the heat sink 6 reinforced, so the temperature profile in the melt filling 7 continue to equalize. For this purpose, the heat sink addition is at the feed point 5 differently in time such that the proportion of heat sink in that partial volume of the melt which reaches the areas a and b comparatively less external cooling effect is increased, and vice versa, so that the cooling effect combined from external and internal cooling in the entire melt filling 7 an ideally equal temperature distribution generated.

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  • DE 19813176 C2 [0002] DE 19813176 C2 [0002]

Claims (8)

Gießverfahren, insbesondere Schwerkraft- oder Niederdruckgussverfahren für metallische Schmelzen, bei dem die Schmelzefüllung (7) des Gießwerkzeugs (4) ein insbesondere partikelförmiges, mit der Schmelze kompatibles Zusatzmaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in die Formkavität (3) des Gießwerkzeugs (4) zusätzlich zur Schmelze Kühlkörper (6) eingegeben werden, deren Kühlkapazität insgesamt mindestens 5% der Schmelzwärme der Schmelzefüllung (7) in der Formkavität beträgt.Casting method, in particular gravity or low-pressure casting method for metallic melts, in which the melt filling ( 7 ) of the casting tool ( 4 ) contains a particularly particulate, melt-compatible additive material, characterized in that in the mold cavity ( 3 ) of the casting tool ( 4 ) in addition to the melt heat sink ( 6 ) whose total cooling capacity is at least 5% of the heat of fusion of the melt charge ( 7 ) in the mold cavity. Gießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (6) in der Formkavität (3) durch die Wärmezufuhr seitens der Schmelze zumindest teilweise aufgeschmolzen werden und deren Schmelztemperatur unter derjenigen der Schmelzefüllung (7) liegt.Casting method according to claim 1, characterized in that the heat sinks ( 6 ) in the mold cavity ( 3 ) are at least partially melted by the heat input from the melt and their melting temperature below that of the melt filling ( 7 ) lies. Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur der Kühlkörper (6) unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit und der Korngröße so gewählt wird, dass die Kühlkörper in der Erstarrungsphase der Schmelze vollständig in den schmelzflüssigen Zustand übergehen.Casting method according to one of the preceding claims, characterized in that the melting temperature of the heat sinks ( 6 ) is selected taking into account the thermal conductivity and the grain size so that the heat sink in the solidification phase of the melt completely go into the molten state. Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (6) der Schmelze in einer zeitlich unterschiedlichen Dosierung mit einem höheren Kühlkörperanteil in dem die stärker zu kühlenden Bereichen der Formkavität (3) ausfüllenden Schmelzevolumen zugegeben werden.Casting method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sinks ( 6 ) of the melt in a temporally different dosage with a higher heat sink content in which the areas of the mold cavity to be cooled more strongly ( 3 ) filling melt volume are added. Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkapazität der Kühlkörper (6) insgesamt mehr als 10% der Schmelzwärme der Schmelzefüllung (7) in der Formkavität (3) beträgt.Casting method according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling capacity of the heat sink ( 6 ) total more than 10% of the heat of fusion of the melt charge ( 7 ) in the mold cavity ( 3 ) is. Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelze eine Aluminiumschmelze vergossen wird.Casting method according to one of the preceding claims, characterized in that an aluminum melt is cast as a melt. Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (6) die artgleiche Materialzusammensetzung wie die Schmelze aufweisen.Casting method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sinks ( 6 ) have the same material composition as the melt. Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (6) vor dem Guss in die Formkavität (3) des Gießwerkzeugs (4) eingebracht werden.Casting method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sinks ( 6 ) before casting into the mold cavity ( 3 ) of the casting tool ( 4 ) are introduced.
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