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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall-Bauteiles oder Leichtme- tall-Vormaterials, bestehend aus unterschiedlichen Komponenten durch Giessen und Formen.
Weiters umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Leichtmetall-Bauteiles oder Leichtmetall-Vormaterials, welches aus unterschiedlichen Komponenten ausgeformt ist, wobei die Vorrichtung aus einer an sich bekannten Kokille, einem Aufnahmezylinder für eine Giessmasse sowie einem Beschickungsmittel besteht.
Schliesslich bezieht sich die Erfindung auf ein Leichtmetall-Bauteil oder Leichtmetall- Vormaterial, bestehend aus zwei oder mehr als zwei Komponenten.
Bauteile aus Leichtmetall oder Leichtmetall-Legierungen sind in ihrer Funktion örtlich zumeist verschiedenartig beansprucht. Mit anderen Worten : eines geringen Gewichtes wegen, aus Leichtmetall gebildete Bauteil wird beispielsweise in einigen Bereichen mechanisch, insbesondere auf Zug, Druck oder Torsion, in anderen Bereichen auf Verschleiss, Flächenpressung, chemisch oder dergleichen beansprucht, wobei sich die Beanspruchungsbereiche überschneiden können.
Meist wird legierungstechnisch und/oder durch eine besondere Wärmebehandlung der Leichtme- tallwerkstoff auf die wichtigste Beanspruchungsart ausgerichtet und die Form des Teiles den übrigen Erfordernissen angepasst. Weil nun unter anderem durch eine erforderliche Formgebung das Teil nicht immer eine optimale Massenverteilung aufweist, besteht seit langem der Wunsch, Leichtmetall-Bauteile in Komponentenbauweise herzustellen.
Aus der US 5 579 822 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen mit einer Vielzahl von aufeinander folgenden Schichten bzw. Lagen und aus mindestens zwei unterschiedlichen Legierungen bekannt geworden, wobei das Herstellverfahren vier aufeinanderfolgende Schritte zur Erstellung einer metallischen Bindung zwischen den Lagen aufweist.
Für eine Herstellung eines Verbundkörpers aus Metall und Keramik offenbart das Dokument US 5 284 200. Also ein Verfahren, bei welchem eine Verbindungsschicht aus Fasern und Keramik- teilchen erstellt und durch Temperatureinwirkung das Fasermaterial ausgebracht und ein eine zusammenhängende Porosität aufweisenden Schichtkörper gebildet wird. Mittels Druckinfiltrieren wird sodann flüssiges Metall in die Poren eingebracht, mit dem Metallteil des Verbundkörpers metallisch verbunden und derart ein Verbundkörper erstellt.
Eine Komponentenbauweise von Leichtmetall-Teilen birgt jedoch das Problem in sich, Einzel- teile in gewünschter, einer den spezifischen Materialbelastungen Rechnung tragenden Ausformung zu fügen. Ein Fügen ist nach DIN 8593 ein dauerhaftes Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken.
Es ist bekannt, durch Eingiessen, Einschweissen, Einlöten, Einpressen oder durch Kleben von Komponenten ein Bauteil zu schaffen, welches in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Materialeigenschaften aufweist.
In der Bauteilfunktion bzw. im Gebrauch oder bei Belastung desselben können jedoch Proble- me mit einer Desintegration der Einzelteile auftreten. Weiters ist oftmals die Herstellung derartiger Komponenten-Teile durch obige Fügeverfahren aufwendig, wobei die Komponentenform meist nicht den Beanspruchungen gemäss ausgebildet werden kann.
Hier will die Erfindung die Schwächen der bekannten Herstellungsverfahren von aus mehreren Komponenten bestehenden Leichtmetall-Teilen beseitigen und stellt sich die Aufgabe, einen neuen Erstellungsweg zu schaffen, mit welchem wirtschaftlich ein Bauteil mit einer den örtlich verschiede- nen Beanspruchungen entsprechenden Komponentenausformung durch Giessen hergestellt wer- den kann.
Ferner bezweckt die Erfindung die Erstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Leichtme- tall-Bauteiles oder Leichtmetall-Vormaterials, welches aus unterschiedlichen Komponenten ausge- formt ist, wobei die Vorrichtung aus einer an sich bekannten Kokille, einem Aufnahmezylinder für eine Giessmasse sowie einem Beschickungsmittel besteht.
Weiters will die Erfindung die Nachteile der bekannten Fügebauteile beseitigen und zielt darauf ab, den Komponentenaufbau dahingehend zu verbessern, dass dieser den örtlichen Materialbelas- tungen durch eine entsprechende Komponentenausformung weitestgehend angepasst ist und dass die Komponentenverbindung keinerlei Desintegration des Bauteiles im Gebrauch zulässt.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt eine Giessmasse aus zumindest zwei oder mehr als zwei Teilen unvermischt gebildet wird und in einem zweiten Schritt die Giessmasse im Wesentlichen formfüllend in eine
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Kokille eingebracht und in dieser erstarren gelassen wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass eine ge- wünschte bzw. vorgesehene Verteilung der unterschiedlichen Werkstoff-Komponenten in den Kokillenbereichen ermöglicht und erstellt wird, wobei die Komponenten zusatzwerkstoff-frei mitein- ander metallisch verbunden werden. Der bisherigen Fachmeinung entgegengerichtet wurde gefun- den, dass eine Giessmasse aus mehreren unterschiedlich zusammengesetzten Legierungen un- vermischt gebildet werden kann und bei einem Kokillenguss nach dem Stand der Technik durch eine streng heterogen bereitgestellte Giessmasse ein Guss-Stück, bestehend aus unterschiedli- chen, vollflächig miteinander metallisch verbundenen Teilen in einer vorgesehenen Verteilung der Komponenten-Werkstoffe herstellbar ist.
Dabei ist festzustellen, dass der Fachmann den Material- fluss bei einer Kokillenfüllung kennt und demgemäss die Giessmasse hinsichtlich der Dimensionie- rung und Positionierung der Komponenten-Legierungen ausbildet.
Besondere Vorteile sowohl für eine Giessmassenerstellung als auch für eine Positionierung der Komponenten bei der Koki!!enfü!!ung können erreicht werden, wenn die Giessmasse aus Leichtme- tallwerkstoffteilen mit unterschiedlichen Temperaturen und/oder mit voneinander verschiedenen Solidus- oder Liquidustemperaturen und/oder unterschiedlichem Erstarrungsintervall gebildet wird.
Dadurch ist es leicht möglich, bei der Bereitstellung einer streng heterogenen Giessmasse in den Aufnahmezylinder zumindest einen sogenannten Rheobolzen einzubringen.
Für einen exakten Formenguss mit genauer Verbringung der Teile in der Giessform kann es günstig sein, wenn die Giessmasse durch Schichtung der Teile gebildet wird. Dabei kann eine Schichtung mit planen oder auch mit gekrümmten Grenzflächen durchgeführt werden. Überra- schend wurde gefunden, dass die Grenzflächen im aus der Giessmasse erstellten Leichtmetall- Bauteil zwischen den einzelnen Komponenten eine vollflächige metallische Bindung frei von Schwachstellen ergeben.
Besondere Vorteile für eine hohe Güte des Bauteiles, aber auch für eine hohe Produktivität, wurden, wie ermittelt wurde, erreicht, wenn zumindest ein Teil oder eine Schicht der Giessmasse aus einem Leichtmetall im Semi-Solid-Zustand gebildet wird. Nach Anforderung an das Teil und/oder an die Giessmasse und/oder an den Giessprozess kann dadurch eine Verbringung der Schicht und Positionierung der Komponententeile im Bauteil in weiten Bereichen eingestellt werden.
Wenn, wie nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein kann, die Giessformfüllung im Wesentlichen steigend durch vertikales Einbringen der Giessmasse oder durch Druckbeauf- schlagung derselben erfolgt, ist bei der Giessmassenerstellung und dabei insbesondere bei einer Erstellung des obersten Teiles derselben ein Einsatz von Flüssigmetall leicht möglich.
Für eine Herstellung von kompliziert geformten Bauteilen, aber auch für eine gesteuerte Verbringung von Giessmassen-Teilen in der Kokille kann es günstig sein, wenn beim Einbringen der Giessmasse in die Kokille deren Innen- bzw. Giessvolumen verändert wird. Auf einfache Weise ist es mit einem bewegbaren Kolben in der Kokille möglich, in dieser den Giessmassenfluss zu steuern.
Der weitere Zweck der Erfindung wird bei einer gattungsgemässen Vorrichtung dadurch erfüllt, dass der Aufnahmezylinder für eine aus mehreren Teilen unvermischt gebildete Giessmasse aus- gebildet ist, als Beschickungsmittel einseitig einen Kolben oder dergleichen, der in Zylinderachs- richtung in diesem flüssigmetalldicht verschiebbar ist, aufweist und dass der Aufnahmezylinder der Kolben-Ausgangsposition gegenüberliegend ein flüssigmetalldichtes Anschlussmittel an eine Kokille oder Giessform besitzt. Der Querschnitt des Aufnahmezylinders kann dabei rund oder poly- gonal sein, muss jedoch eine dem Querschnitt entsprechende Eintragsöffnung für gegebenenfalls eine Einbringung von Semi-Solid-Giessmasse-Teilen mit Vollquerschnitt aufweisen.
Es ist auch möglich, den Aufnahmezylinder für die Giessmasse mit vergrösserter Längserstre- ckung in einer längsteilbaren Form auszuführen, was Vorteile bezüglich einer im Wesentlichen horizontalen Giessformfüllung und insbesondere bei einer Herstellung von stabförmigen Bauteilen mit über den Querschnitt verschiedenen Komponenten besitzt.
Wenn das Anschlussmittel des Zylinders direkt mit der Giessform kooperierend ausgeführt ist, kann der Kolbenboden beispielsweise konvex oder zylindrisch vorspringend ausgeführt sein und zumindest teilweise formbildend für den Leichtmetall-Bauteil wirken.
Wenn, wie vorgesehen sein kann, das Volumen des Aufnahmezylinders für eine Giessmasse an das Innen- bzw. Giessvolumen der Kokille durch Kolbenpositionierung anpassbar ist, ist eine Her-
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stellung von Leichtmetall-Bauteilen in Komponenten-Bauweise in Sequenz möglich.
Wird für den kolbenseitig positionierten Giessmasseteil Flüssigmetall eingesetzt, ist es von Vor- teil, wenn die Kokille ein nach der Füllung derselben betätigbares Verschlussmittel besitzt. Ein derartiges Verschlussmittel kann auch bei Rheomassen günstig wirken.
Für den Kokillenbau, aber auch für eine hohe Flexibilität und Wirtschaftlichkeit bei der Bauteil- herstellung, kann es von Vorteil sein, wenn das Anschlussmittel, gegebenenfalls mit einem Ver- schlussmittel als eigener Bauteil ausgebildet ist.
Wenn schliesslich das Innen- bzw. Giessvolumen der Kokille oder Giessform während der Her- stellung eines Giessstückes bzw. Bauteiles zum Beispiel durch einen Gegenkolben veränderbar ist, kann zumindest weitgehend die Formfüllung bei allseitigem Druck der Giessmasse erfolgen, was steuernd auf die Komponetenverteilung und günstig auf die Oberflächengüte wirken kann.
Das weitere Ziel wird bei einem Leichtmetall-Bauteil oder Leichtmetall-Vormaterial der ein- gangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Werkstoffe von benachbarten Komponenten ein voneinander verschiedenes Erstarrungsintervall aufweisen und die Komponen- ten vollflächig zusatzwerkstoff-frei miteinander metallisch verbunden sind.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass eine hoch- wertige und auch bei Extrembelastungen unlösbare metallische Verbindung über die gesamte Komponentengrenzfläche erreicht wird, wobei keinerlei Schwächung oder schädliche Inhomogeni- täten durch Verbindungs-Zusatzwerkstoffe gegeben sind. Die Art der Komponenten und deren Erstarrungsintervalle sind dabei auf die geforderten örtlichen Werkstoffeigenschaften des Bauteiles zu wählen. Dabei ist es möglich, in einer Komponente, unabhängig von deren Erstarrungsintervall auch Einlagerungen, zum Beispiel hochschmelzende Verbindungsteilchen, vorzusehen.
Von besonderem Vorteil für eine günstige Werkstoffverteilung im Bauteil kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Verbindungsfläche zwischen zwei Komponenten eine von einer Ebene abweichende Form aufweist. Eine metallische Verbindung der Komponenten, insbesondere mit einer unebenen oder gekrümmten Verbindungsflächenform fördert auch deren gegenseitige Ab- stützung.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von jeweils lediglich einen Ausführungsweg darstel- lenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 bis Fig. 4 einen Aufnahmezylinder für eine Giessmasse und ein Beschickungsmittel schematisch
Fig. 5A einen gefüllten Aufnahmezylinder
Fig. 5B eine Herstellung eines Guss-Stückes
Fig. 6A einen gefüllten Aufnahmezylinder
Fig. 6B ein Guss-Stück in der Kokille
Fig. 7A einen Aufnahmezylinder
Fig. 7B ein Guss-Stück
Fig. 8A einen Aufnahmezylinder
Fig. 8B eine Kokille
In den Fig. 1 bis 4 sind schematisch ähnliche Aufnahmezylinder 1 für eine Giessmasse G mit einem Beschickungsmittel 2 dargestellt. Einem als Kolben 2 ausgebildeten Beschickungsmittel 2 gegenüberliegend besitzt der Aufnahmezylinder 1 ein Anschlussmittel 11an eine Kokille 3 oder an einen dazwischen angeordneten Bauteil, der gegebenenfalls ein Verschlussmittel aufweist.
Als Verschlussmittel kann eine einschiebbare Blechplatte oder dergleichen dienen, welche ein Auslau- fen von Flüssigmetall vor einer vollkommenen Durcherstarrung des Guss-Stückes L verhindert.
In Fig. 1 ist eine Giessmasse G mit drei unterschiedlich zusammengesetzten Schichten A, B, C gezeigt.
Die Schichtung bzw. die Grenzflächen der Schichten A, B, C sind ebenflächig achsnormal aus- gebildet.
Fig. 2 zeigt eine Giessmasse G in einem Aufnahmezylinder 1, die aus einem Rohraussenteil B und einem zentralen Bolzen A besteht. Dabei ist der Bolzen A im Vergleich mit dem Aussenteil B kürzer ausgebildet und ruht auf einem im Wesentlichen zylindrischen Kolbenzapfen 21. Erfolgt nun eine Giessformfüllung derart, dass die Platte des Kolbens 2 eine Kokillenöffnung abschliesst, so dient der Kolbenzapfen 21 der Innenformbildung beim Giessen eines Leichtmetallbauteiles.
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In Fig. 3 ist wiederum eine horizontal geschichtete Giessmasse G, bestehend aus Komponen- ten A, B, D dargestellt. Diese Giessmasse G kann beispielsweise aus einer fliessfähigen Semi-Solid- Masse B, aus einem Rheobolzen A und aus einem flüssigen Leichtmetall D bestehen, wobei ein konvex gebildeter Teil 22 vom Kolben 2 wiederum formgebend für ein Guss-Stück sein kann.
Fig. 4 zeigt eine Giessmasse G in einem Aufnahmezylinder 1, welche aus einem kegeligen Teil A und einem den Kegel verkehrt konisch, zentrisch achsial aufnehmenden Teil B besteht.
In Fig. 5A ist schematisch eine Giessmasse G mit drei Teilen und zwar : B, C in horizontal ge- schichteter Form gezeigt. Die Fig. 5B stellt schematisch eine Füllung der Giessform 3 mit der Giess- masse G und eine Ausformung eines aus Komponenten KA, KB, Kc gebildeten Bauteils L dar.
In Fig. 6A ist wiederum eine in einem Aufnahmezylinder 1 in drei Schichten A, B, C erstellte Giessmasse G gezeigt. Fig. 6B zeigt die zu einem Bauteil L in einer Kokille 3 ausgeformten Giess- masse G mit den Komponenten KA, Ks, Kc.
Fig. 7A vermittelt eine Giessmasse G mit achsnormaler Grenzfläche von Teilen A und B, wie auch in Fig 2 dargestellt Fin 7R zeigt einen aus dieser Giessmasse G - Fïlung eines Aufnahme-
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zylinders 1 hergestellten Leichtmetall-Komponenten-Bauteil L bestehend aus KA und KB.
In Fig. 8A ist ein Aufnahmezylinder 1 mit einer Giessmassen-Schichtung gemäss Fig. 1 darge- stellt. Fig. 8B zeigt eine Kokille 3 mit einem mittels dreier Kolben 31,31', 32 veränderbaren Innen- raum. Beim Guss können vorerst alle Kolben in einer niedergefahrenen Stellung positioniert sein, sodass am Füllbeginn der Kokille 3 ein Giessmassenteil A unter Druck eine Ausformung 321 des Kolbens 32 annimmt. Bei Weiterführung des Giessverfahrens kann ein Rückfahren des Kokillenkol- bens 32 in eine gewünschte Stellung erfolgen, wobei ein Beschickungsmittel 2 im Aufnahmezylin- der 1 die Giessmasse weiter in den Innenraum der Kokille 3 einbringt. Zur Füllung von seitlichen Ansätzen an der Kokille 2 werden die Kolben 31,31' zurückgefahren, um derart eine Ansatzfüllung vom Bauteil L unter Druck mit dem Giessmassenteil C zu bewerkstelligen.
Aus der Beschreibung und obigen Beispielen, die nur eine schematische Darlegung vermitteln können, kann die Vielfalt der Anwendung der Erfindung gesehen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall-Bauteiles (L) oder Leichtmetall-Vormaterials bestehend aus unterschiedlichen Komponenten durch Giessen und Formen, dadurch ge- kennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Giessmasse (G) aus zumindest zwei oder mehr als zwei Teilen (A, B, C) unvermischt gebildet wird und in einem zweiten Schritt die
Giessmasse (G) im Wesentlichen formfüllend in eine Kokille (3) eingebracht und in dieser erstarren gelassen wird.