DE102014222001B4

DE102014222001B4 - Gießverfahren

Info

Publication number: DE102014222001B4
Application number: DE102014222001.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Roemheld
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: DE102014222001A1

Abstract

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, wobei in die Formkavität (3) des Gießwerkzeugs (4) zusätzlich zur Schmelze Kühlkörper (6) als Zusatzmaterial eingegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkapazität der Kühlkörper (6) insgesamt mindestens 5% der Schmelzwärme der Schmelzefüllung (7) in der Formkavität beträgt, die Kühlkörper (6) in der Formkavität (3) durch die Wärmezufuhr seitens der Schmelze zumindest teilweise aufgeschmolzen werden und die Schmelztemperatur der Kühlkörper (6) unter der Schmelztemperatur der Schmelzefüllung (7) liegt.

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.
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.
Aus der FR 2 150 591 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Beschleunigen des Abkühlens eines in einem Behälter gegossenen Metalls, wobei feste Partikel mit dem flüssigen Metall gemischt werden, das deutlich kälter als das Metall ist und eine Zusammensetzung aufweist, die mit der des Metalls identisch oder nahe daran ist.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.
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.
Die zunächst festen Kühlkörper werden 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.
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.
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.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

1 ein Gießwerkzeug mit einer unter Zugabe von partikelförmigen Kühlkörpern durchsetzten Schmelzefüllung; und
2a, b Diagramme zur Veranschaulichung des zeitlichen Temperaturverlaufs einer Schmelzefüllung ohne (2a) und mit einer erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlkörperzugabe.

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.
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.
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 T_v zum Zeitpunkt t_a 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 t_e entformt werden und die noch verbliebene Restwärme an die Umgebungsluft abgeben kann.
Durch die Kühlpartikelzugabe hingegen wird ein homogener Kühleffekt im Inneren der Schmelzefüllung erzielt, derart, dass zum einen die Erstarrungsphase T_v zu einem früheren Zeitpunkt t_a (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 T_v kann das auf diese Weise verfestigte Gussteil zum Zeitpunkt t_e dem Gießwerkzeug 4 entnommen und die noch verbliebene Restwärme einschließlich der von den Kühlpartikeln 6 absorbierten Schmelzwärme an die Umgebungsluft abgegeben werden.
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.

Claims

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, wobei in die Formkavität (3) des Gießwerkzeugs (4) zusätzlich zur Schmelze Kühlkörper (6) als Zusatzmaterial eingegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkapazität der Kühlkörper (6) insgesamt mindestens 5% der Schmelzwärme der Schmelzefüllung (7) in der Formkavität beträgt, die Kühlkörper (6) in der Formkavität (3) durch die Wärmezufuhr seitens der Schmelze zumindest teilweise aufgeschmolzen werden und die Schmelztemperatur der Kühlkörper (6) unter der Schmelztemperatur der Schmelzefüllung (7) liegt.
Gießverfahren nach Anspruch 1, 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.
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.
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.
Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelze eine Aluminiumschmelze vergossen wird.
Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (6) die artgleiche Materialzusammensetzung wie die Schmelze aufweisen.
Gießverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (6) vor dem Guss in die Formkavität (3) des Gießwerkzeugs (4) eingebracht werden.