WO2001055464A1 - Druckgiessverfahren und vorrichtung zu seiner durchführung - Google Patents

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WO2001055464A1
WO2001055464A1 PCT/EP2001/000029 EP0100029W WO0155464A1 WO 2001055464 A1 WO2001055464 A1 WO 2001055464A1 EP 0100029 W EP0100029 W EP 0100029W WO 0155464 A1 WO0155464 A1 WO 0155464A1
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WO
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casting
casting chamber
chamber
melt
suspension
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PCT/EP2001/000029
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhart Peleschka
Evgueni Sterling
Original Assignee
Ritter Aluminium Giesserei Gmbh
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Publication date
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Priority to AU31661/01A priority patent/AU3166101A/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase

Definitions

  • the invention relates to a die casting method for producing castings from a semi-solidified alloy melt, the alloy melt being brought into the semi-solidified state by stimulation of the crystallization process, introduced into a casting chamber and the castings being produced under pressure, and a device for carrying out the method.
  • thermodynamic state of the metal plays a crucial role in the different machining processes.
  • the associated effects can not only be used to facilitate the deformation process, but can also be used to significantly influence the morphology of the crystalline shapes and properties of the casting.
  • the alloy loses its strength, which is of fundamental importance for the shaping process, and at the same time gains the ability for plastic formability as a structure-dependent property.
  • the alloy melt is in the semi-solidified state. This condition is therefore referred to as a "metallic suspension", which is used as a raw material for new die casting processes.
  • the invention is now concerned with the phenomenological behavior of the crystallizing liquids and their rheological properties and uses them to produce castings from the semi-solid state.
  • a given melt volume is subjected to a special treatment before entering a casting chamber, the process being designed in such a way that the pre-metered metal can be fed into the die casting system without loss of quality.
  • the semi-solid state can be influenced in its properties by various chemical-physical methods and by controlled heating or cooling.
  • the starting material can be produced as a homogeneous metallic suspension and poured into the die casting system without loss of quality.
  • a method for producing castings from the semi-solidified melt state is known from EP 0 841 406 AI. There, a multi-stage process is described, the aim of which is to produce the parts from the semi-rigid alloys in a vertical die casting machine.
  • the transport of the raw material in the casting chamber is carried out after a Keimbil ⁇ up phase in the overheated melt followed by granulation.
  • a vibration device was used for this is used to stimulate the appearance of germs in the crystallizing melt.
  • the semi-rigid primary material was heated in a controlled manner. After the casting chamber was docked to the container for the primary material, this was pressed into the printing form.
  • EP 0 733 421 A1 discloses a further casting method in which the casting chamber is filled with a casting plunger after the predetermined melt volume has been metered. The predetermined melt volume is brought into a suspension state by additional cooling and mixing in the electromagnetic field and then pressed into the die.
  • the known method can improve the quality of the melt volume before pouring in, but it is not possible to keep the desired quality constant over a longer period of time. Rather, it was found that coarse structural deposits and associated low values of mechanical properties occur as a result of changes in the crystallization conditions in the melt.
  • the inventors have now set themselves the task of achieving an improved structural homogeneity - compared with the products manufactured according to the prior art - the quantity of columnar crystals or transcrystallites produced and the quantity of coaxial or globulitic crystals being used as the quality standard ,
  • the experimental results showed that the improved isotropy of the castings can be demonstrated by the type of crystalline shapes that occurred, and that in particular high strengths and very good toughness behavior can be demonstrated.
  • the aim of the present invention is a die casting method which reliably ensures a homogeneous suspension state of the starting material. This primary material is then filled into a pressure chamber under pressure in this state. Another aim is that the primary material is produced from an exogenous metallic suspension.
  • the die casting process developed by the present invention is intended to develop a continuous casting process, with all work stages being able to take place in a closed casting system. With the new die casting process, castings of excellent quality can be produced from the metallic suspension.
  • the aforementioned objects are achieved with a method of the type mentioned in the introduction in that the predetermined melting volume outside the casting chamber in one closed processing container brought into rotation and a homogeneous metallic suspension of exogenous type is produced, from which a casting is made after filling in the casting chamber.
  • the casting chamber always remains in the docked state and the entire process, which consists of individual work stages, is designed as a closed casting system.
  • a particular distinguishing feature of the method according to the invention is the way in which the metallic suspension is prepared.
  • the predetermined melting volume is brought into the suspension state by external cooling, which gives the suspension an endogenous character
  • a fundamentally different technological approach was chosen in the present invention, according to which an exogenous metallic suspension suddenly occurs .
  • the core of the approach is the rapid and even melt cooling, which is only possible by introducing additional micro-heat processes into the specified melt volume.
  • a powder made from the same alloy as the melting volume is used as the coolant in order to achieve the necessary cooling effect in the shortest possible time To be able to reach time.
  • the cooling effect consists of a decrease in the excess superheating temperature, with two parallel crystallization processes taking place:
  • the melt is cooled from the inside to the predetermined temperature or at least the liquidus temperature and crystallization nuclei are generated by the additional cooling. These determine the structural morphology. Their uniform distribution in the resulting metallic suspension is of primary importance in order to ensure the same crystallization conditions in the entire suspension volume.
  • the cooling powder is introduced into the melt under pressure, for which air, argon or nitrogen is used as a carrier gas.
  • a special configuration of the processing container is required to produce metallic suspension after conditioning.
  • this is a closed space, the outlet opening of which can be closed with a stuffing rod.
  • the processing container is placed in an electromagnetic field and the filled melt is set in motion in this closed space and held there until the conditioning is complete.
  • the movement of the melt leads to the appearance of a sheared material in the area of the solidification front, the melting of which in the liquid area stimulates the crystallization process. This broadens the range from the state of suspension.
  • This suspension area is characteristic of the entire material volume in the proposed process. From the start, the forces acting on the molten metal due to the electromagnetic field are necessary to shear off the solidifying material in the narrow solidification area and to set the entire suspension volume in such a movement that the suspension maintains its ability to flow over a longer period of time and thereby achieving the homogeneity desired for the quality of the casting.
  • the inventors have also succeeded in obtaining an experimental equation, after which the homogeneity of metallic suspensions is determined by a uniformity coefficient (X), the lower limit for efficient ⁇ aluminum alloys at the value 3.8 x 10 8 2 A / sec lies.
  • X uniformity coefficient
  • N the number of revolutions on the free surface of the partially fluid rotating body
  • R the average wall thickness of the partially fluid rotating body.
  • the special design of the processing container allows the predetermined melting volume to be placed under constant technological conditions in a metallic suspension, which leaves the container as a homogeneous suspension raw material through the outflow opening and then flows into the casting chamber.
  • a particularly preferred embodiment of the invention is characterized by a transport chamber provided specifically for the suspension transport. This connects the processing container and the casting chamber, is equipped with a transport piston and can be attached to the vertically arranged casting chamber either at right or at an acute angle.
  • the transport piston fulfills two functions:
  • the piston is designed so that its frontal contour continues the inner contour of the casting chamber, so that there is no disturbance from the side of the transport piston in the filling opening area during the movement of the casting piston.
  • the process in which the casting chamber is filled with the metallic suspension is characterized by a so-called "rising filling". As the casting chamber fills with the suspension, the casting piston is moved down (synchronously).
  • Figure 1 is a schematic representation of a die casting device according to the invention, with which castings can be made from a homogeneous metallic suspension of an exogenous type.
  • a processing container 1 is provided, which is equipped with a stuffing rod 2 and a pipe 3 for the introduction of cooling powder.
  • the container is also connected to the holding furnace 5 by means of a melt line 4 and to the vertically arranged casting chamber 7 by a transport chamber 6.
  • the processing container 1 is also inserted into an electromagnetic stirring device 8, which as an integrating system consists of an induction and control unit in the form of a closed component of the die casting machine.
  • an electromagnetic stirring device 8 which as an integrating system consists of an induction and control unit in the form of a closed component of the die casting machine.
  • the transport chamber 6 is in the acute angle mounted on the casting chamber 7.
  • the casting chamber is aligned with a casting piston 11.
  • An electromagnetic field is generated in the induction device with a control device (not shown on the diagram), which enables a stirring movement of the melt.
  • the melt 12 reaches the processing container 1, which is located in the induction coil 8, by means of a melting line 4 from the holding furnace 5.
  • the predetermined melting volume is set in motion in a closed space because the outflow opening of the processing container is sealed off with the stuffing rod 2.
  • the melt flows onto the container walls and forms a liquid, hollow rotating body (according to the drawing, the rotating body has a conical shape). This creates a gravitational coefficient K on the free surface of the rotating body, the value of which is determined by the speed at which the different liquid layers move against each other.
  • the entire melting volume can already be set in motion on this stage of the work, and not only on the solidification front.
  • the entire melt volume is kept in this movement until the desired condition or suspension homogeneity is reached.
  • a quantity of powder is introduced into the rotating melt via a powder metering device 3 (shown as a pipe in the diagram) which is sufficient to bring about a cooling effect.
  • the cooling powder is introduced into the melt under pressure, specifically in a pulsating regime.
  • the exogenous metallic suspension that suddenly occurs in processing container 1 is the result of three converging processes:
  • the first process is part of the heat exchange process, in which the powder material extracts the excess heat from the overheated melt. Several cooled suspension areas arise, the temperature of which is below the liquidus level.
  • the second process is related to the way in which the powder is introduced into the melt. Since this process takes place under pressure, the powder particles do not remain on the inner surface of the liquid rotating body, but penetrate deeply into the melt and act as efficient internal heat consumers, whereby an exogenous metallic suspension occurs simultaneously in the entire melt volume. Since the powder is introduced into the melt in a pulsating manner, elastic oscillations develop in the liquid metal, which stimulate the occurrence of new crystallization nuclei in the specified melt volume even more thanks to a microcavitation effect.
  • the third process is the constant rotational movement of the given melting volume, which takes place during and parallel to the two operations already mentioned takes place.
  • the advantageous embodiment of the method according to the invention makes it possible to keep the entire melting volume in motion in the closed space.
  • a material is formed from the melt and then from the metallic suspension, which is the hollow rotating body.
  • the gravitational coefficient that arises on its free surface is extremely important because it determines the homogeneity of the metallic suspension. The following parameters are affected:
  • the processing container 1 is emptied of the suspension by the pull-out stuffing rod 2, which is received by the transport chamber 6.
  • the suspension can either be set in rotation or flow directly out of the processing container 1, which has no influence on the suspension quality, but does influence the outflow time.
  • the metallic suspension produced in this way has a large potential of kinetic energy, it flows very quickly towards the transport chamber 6 in the direction of the casting chamber 7, which it fills through the filling opening 10 provided.
  • the injection piston 11 moves simultaneously with the influences such ⁇ sequent suspension synchronous downward to thereby enable the increasing filling operation.
  • the transport chamber is equipped with the transport piston 9. After the filling process ends, the transport piston 9 is pushed forward and closes the filling opening 10 and thereby the casting chamber 7.
  • the transport piston 9 is designed so that its front outline continues the inner outline of the casting chamber 7.
  • the metallic suspension in the casting chamber fills the pressure chamber by means of piston acceleration, so that a casting is made from the semi-rigid starting material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckgiessverfahren zur Herstellung von Gussstücken aus einer halberstarrten Legierungsschmelze, wobei die Legierungsschmelze durch eine Stimulierung des Kristallisationsprozesses in den halberstarrten Zustand versetzt wird, in eine Giesskammer eingebracht und die Gusstücke unter Druck hergestellt werden. Zunächst wird eine exogene metallische Suspension ausserhalb der Giesskammer im geschlossenen Raum erzeugt, der mit der Giesskammer funktionell in Verbindung steht und mit ihr eine Giesseinheit bildet. Die metallische Suspension wird vor dem Eintritt in die Giesskammer in Bewegung gebracht, wobei ein hohler Drehkörper ausgebildet wird, der solange im Drehzustand gehalten wird, bis die Suspensionshomogenität für das Eingiessen erreicht ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer vertikalen Giesskammer mit einem Giesskolben und einem ausserhalb der Giesskammer angeordneten Bearbeitungsbehälter, wobei der Bearbeitungsbehälter mit der Giesskammer funktionell fest verbunden ist und mit ihr eine Giesseinheit bildet.

Description

Druckgießverfahren und Vorrichtung zu seiner Durchführung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Druckgießverfahren zur Herstellung von Gußstücken aus einer halberstarrten Legierungsschmelze, wobei die Legierungsschmelze durch eine Stimulierung des Kristallisationsprozesses in den halberstarrten Zustand versetzt wird, in eine Gießkammer eingebracht und die Gußstücke unter Druck hergestellt werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, daß der thermodynamische Zustand des Metalls eine entscheidende Rolle bei den unterschiedlichen Bearbeitungsprozessen spielt. Die damit verbundenen Effekte können nicht nur zur Erleichterung des Verformungsvorganges genutzt werden, sondern man kann damit wesentlich die Morphologie der auftretenden kristallinen Formen und Eigenschaften des Gußstückes beeinflussen. Mit zunehmender Temperatur verliert die Legierung ihre Festigkeit,, was für das Formgebungsverfahren von prinzipieller Bedeutung ist, und gewinnt gleichzeitig die Fähigkeit zur plastischen Umformbarkeit als gefügeabhängige Eigenschaft. In der thermodynamisehen Übergangsphase im Temperaturbereich Liquidus-Solidus befindet sich die Legierungsschmelze im halberstarrten Zustand. Dieser Zustand wird daher als "metallische Suspension" bezeichnet, die als Vormaterial für neue Druckgießverfahren verwendet wird. Die Erfindung beschäftigt sich nun mit dem phänomenologischem Verhalten der kristallisierenden Flüssigkeiten und ihren rheologischen Eigenschaften und nutzt diese zur Herstellung von Gußstücken aus dem halberstarrten Zustand. Dabei wird ein vorgegebenes Schmelzevolumen vor dem Eintritt in einer Gießkammer einer besonderen Behandlung unterzogen, wobei das Verfahren so angelegt ist, daß das vordosierte Metall ohne Qualitätsverlust in die Druckgießanlage eingegeben werden kann.
Aus Vorversuchen war bekannt, daß das Vormaterial im halberstarrten Zustand mit verschiedenen chemisch-physikalischen Methoden und durch kontrollierte Erwärmung oder Abkühlung in seinen Eigenschaften beeinflußt werden kann. Es sollte jetzt jedoch herausgefunden werden, wie das Vormaterial als homogene metallische Suspension hergestellt und ohne Qualitätsverlust in die Druckgießanlage eingegossen werden kann.
Ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken aus dem halberstarrten Schmelzezustand ist aus der EP 0 841 406 AI bekannt. Dort wird ein mehrstufiges Verfahren beschrieben, dessen Ziel es ist, die Teile aus den halberstarrten Legierungen in einer Vertikaldruckgießmaschine zu produzieren. Der Transport des Vormaterials in die Gießkammer erfolgt nach einer Keimbil¬ dungsphase in der überhitzten Schmelze mit anschließendem Granulationsprozeß. Hierfür wurde eine Vibrationsvorrichtung ver- wendet, mit der das Auftreten von Keimen in der kristallisierenden Schmelze stimuliert wird. Um den dabei gewonnenen Suspensionszustand zu erhalten, wurde das halberstarrte Vormaterial kontrolliert erwärmt. Nachdem die Gießkammer an den Behälter für das Vormaterial angedockt war, wurde dieses in die Druckform eingepresst.
Das bekannte Verfahren ähnelt dem Thixoforming und weist daher folgende Nachteile auf:
1. Es ist kein Verfahren, das in einem geschlossenen Arbeitsraum durchgeführt werden kann. Dadurch eignet es sich nicht zur Reduzierung des Gasgehaltes im erstarrten Gußstück.
2. Mit steigendem Baugewicht und größerem Erstarrungsintervall besteht die Gefahr, daß im Vormaterial eine Segrega- tion stattfindet. Dadurch können unerwünschte morphologische Ausscheidungen auftreten, so daß die Isotropie der Gußteile und ihre mechanischen Eigenschaften verschlechtert werden.
3. Da das Vormaterial im Suspensionszustand durch Abkühlung oder Erwärmung seine Eigenschaften ständig verändert, ist der Füllungsvorgang entscheidend für die Gußqualität. Bei dem bekannten Verfahren bilden sich Wirbel in dem frei fallenden Metallstrom beim Eingießen in die Gießform, was die Gußqualität deutlich herabsetzt. Die EP 0 733 421 AI offenbart ein weiteres Gießverfahren, bei dem nach einer Dosierung des vorgegebenen Schmelzevolumens die Gießkammer mit einem Gießkolben befüllt wird. Das vorgegebene Schmelzevolumen wird durch zusätzliche Abkühlung und Vermischung im elektromagnetischen Feld in einen Suspensionszustand versetzt und danach in die Druckgießform eingepresst.
Mit dem bekannten Verfahren kann zwar die Qualität des Schmelzevolumens vor dem Eingießen verbessert werden, jedoch gelingt es nicht, die gewünschte Qualität über einen längeren Zeitraum konstant zu halten. Es wurde vielmehr festgestellt, daß grobe strukturelle Ausscheidungen und damit verbunden niedrige Werte von mechanischen Eigenschaften als Folge der Änderungen der Kristallisationsbedingungen in der Schmelze auftreten.
Die Erfinder haben sich nun die Aufgabe gestellt, eine verbesserte Gefügehomogenität - verglichen mit dem nach dem Stand der Technik hergestellten Produkten - zu erreichen, wobei als Qualitätsmaßstab die Menge an erzeugten säulenförmigen Kristallen bzw. Transkristalliten und die Menge an gleichachsigen bzw. globulitischen Kristallen herangezogen wurde. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, daß die verbesserte Isotropie der Gußteile durch die Art der aufgetretenen kristallinischen Formen belegt werden kann und daß dadurch insbesondere hohe Festigkeiten und ein sehr gutes Zähigkeitsverhalten nachweisbar sind.
Bei dem bisherigen Verfahren bestand eine wesentliche Fehlerquelle darin, daß zur Herstellung der Suspension die Schmelze getrennt von der Gießkammer durch elektromagnetisches Rühren einer Strukturveränderung unterzogen wurde, wobei das ge- wünschte Gefüge von dem unter dem Einfluß des elektromagnetischen Feldes stattfindenden Kristallisationsprozeß abhing. Sobald das flüssige Metall unter den Zentrifugalkräften von der Mitte der Kammer gegen die Wände gedrückt wird, treten starke Beschleunigungskräfte auf, die dazu führen, daß in der Gießkammer ein flüssiger zylinder- oder konusförmiger Schmelzemantel entsteht. Mit einem solchen Vormaterial kann die Druckform nicht gleichmäßig ausgefüllt werden, so daß die Herstellung von homogenen Gußkörpern mit isotropen Eigenschaften derzeit nicht möglich war. Es blieb nur die Möglichkeit, die Feldstärke zu reduzieren, was aber dann zu Qualitätsverlusten und dann zu einer strukturellen Anisotropie des Vormaterials führte, die für die niedrigen mechanischen Eigenschaften des Gußstücks verantwortlich waren.
Die vorliegende Erfindung hat ein Druckgießverfahren zum Ziel, durch das ein homogener Suspsensionszustand des Vormaterials zuverlässig gewährleistet wird. Dieses Vormaterial wird dann in diesem Zustand in eine Druckkammer unter Druck eingefüllt. Ein weiteres Ziel besteht darin, daß das Vormaterial aus einer exogenen metallischen Suspension erzeugt wird. Mit den durch die vorliegende Erfindung entwickelten Druckgießverfahren soll ein kontinuierlicher Gießprozess entwickelt werden, wobei alle Arbeitsetappen in einem geschlossenen Gießsystem ablaufen können. Mit dem neuen Druckgießverfahren können aus der metallischen Suspension Gußteile von hervorragender Qualität hergestellt werden.
Erfindungsgemäß werden die vorgenannten Aufgaben mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das vorgegebene Schmelzvolumen außerhalb der Gießkammer in einem geschlossenen Bearbeitungsbehälter in Rotation gebracht und dabei eine homogene metallische Suspension von exogener Art erzeugt wird, aus der nach der Einfüllung in die Gießkammer ein Gußstück hergestellt wird. Die Gießkammer bleibt beim Verlauf des Verfahrens immer im angedockten Zustand und das ganze Verfahren, das aus einzelnen Arbeitsetappen besteht, ist als geschlossenes Gießsystem ausgebildet.
Um das Herstellungsverfahren auf solche Weise zu verwirklichen, ist es beim Füllungsvorgang vorgesehen, den Bearbeitungsbehälter zuerst mit dem vorgegebenen Schmelzvolumen zu füllen, dort nach exogener Art eine homogene metallische Suspension zu erzeugen und sie mittels einer speziellen Transportkammer in die Gießkammer zu transportieren, wofür die senkrecht angeordnete Gießkammer mit einer Füllöffnung versehen ist.
Ein besonderes Unterscheidungsmerkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Art und Weise, nach welcher die metallische Suspension vorbereitet wird. Im Vergleich mit schon erwähnten Verfahren, bei denen das vorgegebene Schmelzvolumen durch eine äußere Abkühlung in den Suspensionszustand versetzt wird, wodurch die Suspension einen endogenen Charakter erhält, wurde in der vorliegenden Erfindung ein prinzipiell anderer technologischer Ansatz gewählt, nach dem schlagartig eine exogene metallische Suspension auftritt. Der Kern des Ansatzes ist die schnelle und gleichmäßige Schmelzabkühlung, die nur durch die Einführung von zusätzlichen Mikrowärmeabläufen in das vorgegebene Schmelzvolumen möglich ist. Als Kühlmittel wird ein aus der gleichen Legierung wie das Schmelzvolumen hergestelltes Pulver verwendet, um den nötigen Abkühlungseffekt in kürzester Zeit erreichen zu können. Der Abkühlungseffekt besteht aus einer Abnahme der überschüssigen Überhitzungstemperatur, wobei zwei parallel verlaufende Kristallisationsvorgänge stattfinden:
Die Schmelze wird vom Inneren bis zur vorgegebenen Temperatur bzw. mindestens Liquidustemperatur abgekühlt und durch die zusätzliche Abkühlung werden Kristallisationskeime erzeugt. Diese bestimmen die Gefügemorphologie. Ihre gleichmäßige Verteilung in der entstehenden metallischen Suspension ist von primärer Bedeutung, um gleiche Kristallisationsbedingungen im ganzen Suspensionsvolumen zu gewährleisten.
Das kühlende Pulver wird dabei in der Schmelze unter Druck eingeführt, wofür Luft, Argon oder Stickstoff als ein Trägergas verwendet wird.
Für das Erzeugen von metallischer Suspension nach erfolgter Konditionierung ist eine besondere Ausgestaltung des Bearbeitungsbehälters erforderlich. Dabei handelt es sich erfindungsgemäß um einen geschlossenen Raum, dessen Ausflussöffnung mit einer StopfStange verschließbar ist. Der Bearbeitungsbehälter wird in ein elektromagnetisches Feld eingesetzt und die eingefüllte Schmelze in diesem geschlossenen Raum in Bewegung gebracht und dort bis zum Abschluß der Konditionierung gehalten.
Die Bewegung der Schmelze führt zum Auftreten eines abgescherten Materials im Bereich der Erstarrungsfront, von dessen Aufschmelzen im flüssigen Bereich der Kristallisationsprozeß stimuliert wird. Hierdurch wird der Bereich vom Suspensionszustand verbreitert. Dieser Suspensionsbereich ist charakteristisch für das gesamte Materialvolumen im vorgeschlagenen Verfahren. Von Anfang an sind die durch das elektromagnetische Feld auf die Metallschmelze einwirkenden Kräfte dafür nötig, um im engen Erstarrungsbereich das erstarrende Material abzuscheren und das ganze Suspensionsvolumen in eine solche Bewegung zu versetzen, bei der die Suspension ihre Fähigkeit zum Fließen über einen längeren Zeitraum beibehält und dabei die für die Qualität des Gußstücks gewünschte Homogenität erwirkt.
Während dieses Arbeitsvorganges findet eine Bildung von hohlen teilflüssigen Drehkörpern statt. Dabei fließt die Suspension an die Wände des Bearbeitungsbehälters und befindet sich im bewegten Zustand bis die erforderliche Gießtemperatur und -homogenität erreicht wird. Auf experimenteller Basis wurde festgestellt, daß die Suspensionshomogenität in erster Linie vom Wert des sogenannten "Gravitationskoeffizienten (K) " abhängt, der auf der freien Fläche des hohlen teilflüssigen Drehkörpers entsteht. Es wurde seine minimale Grenze ermittelt und aufgrund der Qualitätsanalyse festgestellt, daß mit einer Koeffizientenverringerung, bei der K weniger als 10 ist, die gewünschte morphologische Isotropie im Gußgefüge nicht erreicht werden kann.
Den Erfindern ist es auch gelungen, eine experimentelle Gleichung zu erhalten, nach der das Homogenitätsmaß von metallischen Suspensionen durch einen Homogenitätskoeffizienten (X) bestimmt wird, dessen untere effiziente Grenze für Aluminium¬ legierungen bei dem Wert 3,8 x 108 A2/sec liegt.
Der Homogenitätskoeffizient kann aus dem folgenden Verhältnis ermittelt werden: X = N x H^ x R'
Dabei bedeuten
N = die Umdrehungszahl auf der freien Fläche des teilflüssigen Drehkörpers;
H = die magnetische Feldstärke;
R = die mittlere Wanddicke des teilflüssigen Drehkörpers.
Die besondere Ausgestaltung des Bearbeitungsbehälters erlaubt das vorgegebene Schmelzvolumen unter konstanten technologischen Bedingungen in eine metallische Suspension zu versetzen, die dem Behälter als ein homogenes Suspensionsvormaterial durch die Ausflußöffnung verläßt und dann in die Gießkammer einfließt .
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist durch eine speziell für den Suspensionstransport vorgesehene Transportkammer gekennzeichnet. Diese verbindet den Bearbeitungsbehälter und die Gießkammer, ist mit einem Transportkolben ausgerüstet und kann entweder im rechten oder im spitzen Winkel an die senkrecht angeordnete Gießkammer angebracht werden.
Erfindungsgemäß erfüllt der Transportkolben zwei Funktionen:
Die metallische Suspension bzw. ihren Rest schnell in die Gießkammer einzubringen und diese nach der Füllung dicht zu verschließen. Dafür ist der Kolben so ausgeführt, daß sein frontaler Umriß den inneren Umriß von der Gießkammer fortsetzt, damit bei der Gießkolbenbewegung keine Störung von der Seite der Transportkolben im Füllöffnungsbereich erfolgt. Der Vorgang, bei dem die Gießkammer mit der metallischen Suspension gefüllt wird, wird durch eine sogenannte "steigende Füllung" gekennzeichnet. Während sich die Gießkammer mit der Suspension füllt, wird der Gießkolben (und zwar synchron) nach unten verschoben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckgießvorrichtung, mit der Gußteile aus einer homogenen metallischen Suspension von exogener Art hergestellt werden können;
Fig. 2 Ausschnitt A von Figur 1 im Bereich der Einmündung der Transportkammer 6 in die Gießkammer 7.
Bei der in Figur 1 dargestellten Druckgießmaschine ist ein Bearbeitungsbehälter 1 vorgesehen, der mit einer Stopfstange 2 und einer Rohrleitung 3 für die Einführung von kühlendem Pulver ausgerüstet ist. Mittels einer Schmelzleitung 4 ist der Behälter außerdem mit dem Warmhalteofen 5 und durch eine Transportkammer 6 mit der senkrecht angeordneten Gießkammer 7 verbunden.
Der Bearbeitungsbehälter 1 ist darüberhinaus in eine elektromagnetische Rühreinrichtung 8 eingesetzt, die als ein integrierendes System aus Induktions- und Steuereinheit in Form eines geschlossenen Bestandteils der Druckgießmaschine besteht. Wie aus dem Schema ersichtlich, ist die Transportkammer 6 im spitzen Winkel an die Gießkammer 7 montiert. Es ist jedoch möglich, die Bauelemente im rechten Winkel zusammenzubinden und mit dem Transportkolben 9 zu versehen. Dieser macht nicht nur die Transportkammer 6 vom Metallrest frei, sondern schließt die Füllöffnung 10 in der Gießkammer 7 ab. Die Gießkammer ist wie üblich mit einem Gießkolben 11 ausgerichtet.
In der Induktionseinrichtung wird mit einer Steuereinrichtung (auf dem Schema nicht dargestellt) ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das eine Rührbewegung der Schmelze ermöglicht. Danach gelangt die Schmelze 12 mittels einer Schmelzleitung 4 aus dem Warmhalteofen 5 in den Bearbeitungsbehälter 1, der sich in der Induktionsspule 8 befindet. Durch den Einsatz des rotierenden Magnetfeldes wird das vorgegebene Schmelzvolumen in Bewegung gebracht, und zwar in einem geschlossenen Raum, weil die Ausflußöffnung des Bearbeitungsbehälters dicht mit der StopfStange 2 abgeschlossen ist. Unter Zentrifugalkräften fließt die Schmelze an die Behälterwände und bildet einen flüssigen hohlen Drehkörper (der Zeichnung entsprechend hat der Drehkörper eine konische Form) . Dabei entsteht auf der freien Fläche vom Drehkörper ein Gravitationskoeffizient K, dessen Wert durch die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der sich die unterschiedlichen flüssigen Schichten gegeneinander verschieben. Durch eine vorteilhafte Ausgestaltung des Bearbeitungsbehälters gelingt es schon auf dieser Arbeitsetappe das ganze Schmelzvolumen in Bewegung zu bringen, und zwar nicht nur an der Erstarrungsfront. In dieser Bewegung wird das ganze Schmelzvolumen bis zum Erreichen der gewünschten Kondition bzw. Suspensionshomogenität aufbewahrt. Kurze Zeit nachdem sich aus der überhitzten Schmelze ein hohler flüssiger Drehkörper gebildet hat, wird in die rotierende Schmelze eine Pulvermenge über eine Pulverdosierungsvorrichtung 3 (im Schema als Rohrleitung dargestellt) eingebracht, die ausreicht, um eine Kühlwirkung herbeizuführen. Erfindungsgemäß wird das kühlende Pulver in die Schmelze unter Druck eingeführt, und zwar in pulsierenden Regim. Die exogene metallische Suspension, die schlagartig im Bearbeitungsbehälter 1 auftritt, ist ein Ergebnis von drei zusammenlaufenden Vorgängen:
Der erste Vorgang gehört zum Wärmeaustauschvorgang, bei dem das Pulvermaterial von der überhitzten Schmelze die überschüssige Wärme abzieht. Es entstehen mehrere abgekühlte Suspensionsbereiche, deren Temperatur unter dem Liquidusniveau liegen.
Der zweite Vorgang steht im Zusammenhang mit der Art und Weise, in welcher das Pulver in die Schmelze eingebracht wird. Da dieser Vorgang unter Druck stattfindet, bleiben die Pulverteilchen nicht auf der inneren Fläche vom flüssigen Drehkörper, sondern dringen in die Schmelze ganz tief ein und wirken als effiziente innere Wärmeabnehmer, wodurch eine exogene metallische Suspension gleichzeitig im ganzen Schmelzvolumen auftritt. Da das Pulver pulsierend in die Schmelze eingeführt wird, entwickeln sich im flüssigen Metall elastische Oszillationen, die durch einen Mikrokavitationseffekt das Auftreten von neuen Kristallisationskeimen im vorgegebenen Schmelzvolumen noch mehr stimulieren.
Der dritte Vorgang ist die stetige Rotationsbewegung des vorgegebenen Schmelzvolumens, die während und parallel zu den zwei schon angeführten Vorgängen stattfindet. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Möglichkeit, das ganze Schmelzvolumen im geschlossenen Raum in Bewegung zu halten. Dabei bildet sich zuerst aus der Schmelze und danach aus der metallischen Suspension ein Vormaterial, das den hohlen Drehkörper darstellt. Der auf seiner freien Fläche entstehende Gravitationskoeffizient ist von außerordentlicher Bedeutung, weil er die Homogenität der metallischen Suspesion bestimmt. Beeinflusst werden folgende Parameter:
1) Geometrie des Drehkörpers, die eine Stabilität von eingestellten technologischen Parametern sichert.
2) Temperatur- und chemische Gleichmäßigkeit.
3) Keine zusätzliche Wasserstoffaufnähme, Viskositätsgenauigkeit .
4) Beschleunigung, bei der die nötige Scherkraft nicht nur an der Erstarrungsfront, sondern im ganzen vorgegebenen bzw. rotierenden Schmelzvolumen vorhanden und gleichmäßig verteilt ist.
5) Vermischung, durch die die metallische Suspension die ge¬ wünschte Homogenität gewinnt.
6) Durch einen engen Kontakt zwischen Schmelze und Pulverteilchen findet eine sehr effiziente Wärmeabfuhr statt . In der Schmelze auftretende überkühlte Metallbereiche werden dank der stetigen Vermischung verbreitert und wachsen zusammen. Da dies unter gleichen technologischen Bedingungen erfolgt, entsteht die Suspension gleichzeitig im ganzen Schmelzvolumen, so daß ihre Homogenität optimal eingestellt ist.
Eine wichtige Folge von der gewonnenen Suspensionshomogenität ist die Bildung von rundförmigen kristallinischen Formen, die gleichmäßig im erstarrenden Gußteil verteilt sind, was zu höheren mechanischen Eigenschaften führt.
Nachdem die Suspensionshomogenität erreicht ist, wird der Bearbeitungsbehälter 1 durch die herausgezogene Stopfstange 2 von der Suspension entleert, die von der Transportkammer 6 aufgenommen wird. Die Suspension kann dabei entweder in Rotation versetzt werden oder direkt aus dem Bearbeitungsbehälter 1 herausfließen, was keinen Einfluß auf die Suspensionsqualität ausübt, aber die Ausflußzeit beeinflußt.
Da die auf solche Weise erzeugte metallische Suspension ein großes Potential an kinetischer Energie besitzt, fließt sie sehr schnell der Transportkammer 6 entgegen in die Richtung der Gießkammer 7, die sie durch die vorgesehene Füllöffnung 10 anfüllt. Dabei verschiebt sich gleichzeitig mit der einflie¬ ßenden Suspension der Gießkolben 11 synchron nach unten, um hierdurch den steigenden Füllungsvorgang zu ermöglichen. Um die Transportkammer 6 besonders bei hoher Kolbenbeschleunigung vor der durch die Füllöffnung einströmenden metallischen Suspension schützen zu können, ist die Transportkammer mit dem Transportkolben 9 ausgerüstet. Nachdem der Füllungsvorgang be- endet ist, wird der Transportkolben 9 nach vorn geschoben und schließt die Füllöffnung 10 und dadurch die Gießkammer 7 ab. Dabei ist der Transportkolben 9 so ausgeführt, daß sein frontaler Umriß den inneren Umriß von der Gießkammer 7 fortsetzt. Die in der Gießkammer befindliche metallische Suspension füllt mittels Kolbenbeschleunigung die Druckkammer, so daß ein Gußteil aus dem halberstarrten Vormaterial hergestellt wird.
Erste Versuche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren haben deutlich gezeigt, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aluminium-Legierungsgußteile eine verfeinerte und isotropische Gefügemorphologie haben, die durch gleichmäßige, rundförmige, kristallinische Formen von Primärphasen gekennzeichnet ist. Die Folge daraus ist eine Steigerung von mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahrensprodukten. Diese Werte sind in Tafel 1 für Legierung AlSi9Cu3-Gußzustand aufgeführt.
Tafel 1
Figure imgf000018_0001
Schon im Gußzustand wiesen die nach dem neuen Verfahren hergestellten Teile erhebliche Verbesserungen auf. Zwischen der allgemeinen Steigerung von mechanischen Eigenschaf en und den technologischen Bedingungen, nach denen die metallische Suspension erzeugt wurde, gibt es eine feste Verbindung. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Konzeptes ist es ermöglicht worden, die Gußteile mit hochwertigen mechanischen Charakteristiken und gleichbleibender Qualität zu produzieren.

Claims

Patentansprüche
1. Druckgießverfahren zur Herstellung von Gußstücken aus einer halberstarrten Legierungsschmelze, wobei die Legierungsschmelze durch eine Stimulierung des Kristallisationsprozesses in den halberstarrten Zustand versetzt wird, in eine Gießkammer eingebracht und die Gußstücke unter Druck hergestellt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine exogene metallische Suspension außerhalb der Gießkammer im geschlossenen Raum erzeugt wird, der mit der Gießkammer funktionell in Verbindung steht und mit ihr eine Gießeinheit bildet, wobei die metallische Suspension vor dem Eintritt in die Gießkammer in Bewegung gebracht wird, wobei ein hohler Drehkörper ausgebildet wird, der solange im Drehzustand gehalten wird, bis die Suspensionshomogenität für das Eingießen erreicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stimulierung des Kristallisationsprozesses in einem rotierenden elektromagnetischen Feld stattfindet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur thermodynamischen Stabilisierung der rotierenden Schmelze ein kühlendes Pulver zugeführt wird, das die Schmelze schlagartig in einen halberstarrten Zustand versetzt .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Suspensionsbildung unter Einwirkung von elastischen Oszillationen des flüssigen Metalls stattfindet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das kühlende Pulver in einen pulsierenden Zustand versetzt und in die Schmelze eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das kühlende Pulver unter Druck in die Schmelze eingeführt wird, wobei als Trägergas Luft, Argon oder Stickstoff verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ausfließende metallische Suspension unter Einwirkung eines elektromagnetischen Feldes gesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit der Befüllung der Gießkammer der Gießkolben synchron nach unten bewegt wird und damit der steigende Füllungsvorgang durchgesetzt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus einer vertikalen Gießkammer mit einem Gießkolben und einem außerhalb der Gießkammer angeordneten Bearbeitungsbehälter,
dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungsbehälter mit der Gießkammer funktionell fest verbunden ist und mit ihr eine Gießeinheit bildet.
10. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Bearbeitungsbehälter von einer Spule umgeben ist, die ein elektromagnetisches Feld innerhalb des Bearbeitungsbehälters erzeugt und
daß der Bearbeitungsbehälter mit der Gießkammer über eine Transportkammer verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Bearbeitungsbehälter eine Verschlußvorrichtung enthält, mit der während der Bearbeitung bzw. während der Schmelzrotation der Behälter vollständig geschlossen werden kann .
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Transportkammer im rechten Winkel zur Gießkammer angebracht ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Transportkammer im spitzen Winkel zur Gießkammer angebracht ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Transportkammer mit einem Transportkolben ausgerüstet ist, der die Füllöffnung der Gießkammer verschließt .
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Transportkolben an seiner der Füllöffnung der Gießkammer zugewandten Seite so ausgebildet ist, daß sein frontaler Umriß den inneren Umriß der Gießkammer fortsetzt .
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