DE10035202A1 - Gießverfahren und Gusskern für die Verwendung in diesem Verfahren - Google Patents
Gießverfahren und Gusskern für die Verwendung in diesem VerfahrenInfo
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Abstract
Es wird ein Gießverfahren unter Verwendung eines Gießkerns aus mineralischen Schaumkugeln beschrieben. Diese sind zu einer Matrix zusammengeklebt, wobei die Spalte zwischen den Kugeln Infiltrationskanäle für die Schmelze bilden. DOLLAR A Der Gießvorgang gliedert sich in eine Andockphase, eine Infiltrationsphase und eine abschließende Druckphase. In der Infiltrationsphase dringt die Schmelze zumindest in den peripheren Bereich des Gießkerns ein und erstarrt dort. Dadurch entsteht eine Makrotragstruktur, die aus der Statik als Gewölbewirkung bekannt ist und den Abbau von Materialspannung im Werkstoff bei Angriff eines von außen wirkenden Lastkollektives auf den Gusskörper begünstigt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Gießen einer aus Leichtmetall bestehenden Baueinheit
mit einem verlorenen Gießkern, der aus einer von Infilt
rationskanälen durchzogenen Matrix besteht.
Mit der Erfindung soll insbesondere ein Bauteil
für das Fahrwerk oder dem Antriebsstrang eines Kraftfahr
zeuges hergestellt werden. In dieser Anwendung müssen die
Bauteile möglichst leicht sein. Dadurch wird nämlich ei
nerseits das Gesamtgewicht des Fahrzeuges reduziert, was
sich positiv u. a. auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt,
und andererseits auch die sogenannte ungefederte Fahr
werksmasse minimiert, was einen positiven Einfluss auf
das Fahrverhalten und den Fahrkomfort bewirkt.
In der DE 195 01 508 C1 wird daher für das
Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, ein Bauteil
mit einem verlorenen Kern aus Aluminium im Aluminium
druckguss-Verfahren herzustellen, wobei der verlorene
Kern aus Aluminiumschaum bestehen soll.
Aus der DE 196 53 149 A1 ist ein Werkstück be
kannt, das aus einem Leichtbau-Werkstoff besteht. In die
ser Schrift wird vorgeschlagen, den Kern nicht aus einem
Aluminiumschaum zu bilden, sondern aus Schaumkörpern von
relativ großer Druckfestigkeit und feinporiger bis grob
poriger Struktur, die mittels einer formbestimmenden Ver
bindung zusammengehalten werden. Die Schaumkörper können
z. B. aus einem silikatischen Mineralschaum gebildet wer
den. Mit der Rezeptur, die in der Schrift angegeben ist,
erhält man Schaumkörper mit einer Dichte von ca. 0,3 g/cm3.
Die vorliegende Erfindung greift diese Überle
gung auf. Es soll allerdings eine noch höhere Festigkeit
des Werkstückes in Leichtbauweise erzielt werden.
Es wird daher ein Verfahren zum Gießen einer
aus Leichtmetall bestehenden Baueinheit, die einen aus
einer Matrix bestehenden, verlorenen Kern besitzt, mit den
folgenden Phasen vorgeschlagen:
eine Andockphase, in der in den Zwischenraum zwi schen dem Kern und einer den Kern umgebenden Schale eine flüssige Schmelze eingebracht wird,
eine Infiltrationsphase, in der bei niedrigem Druck die Schmelze in einem noch flüssigen Zustand in die Infiltrationskanäle der Randzone des Kernes ein dringt,
eine Abkühlphase, in der die Schmelze in einen thi xotropen Zustand übergeht, und
eine Druckphase, in der die thixotrope Schmelze un ter Druck gesetzt wird, um eine Erstarrungsporosität in dem Gusswerkstück zu vermeiden.
eine Andockphase, in der in den Zwischenraum zwi schen dem Kern und einer den Kern umgebenden Schale eine flüssige Schmelze eingebracht wird,
eine Infiltrationsphase, in der bei niedrigem Druck die Schmelze in einem noch flüssigen Zustand in die Infiltrationskanäle der Randzone des Kernes ein dringt,
eine Abkühlphase, in der die Schmelze in einen thi xotropen Zustand übergeht, und
eine Druckphase, in der die thixotrope Schmelze un ter Druck gesetzt wird, um eine Erstarrungsporosität in dem Gusswerkstück zu vermeiden.
Mit einem solchen Verfahren wird erreicht, dass
die Schmelze zumindest in die Randzone des Gießkerns ein
dringt und der von der erstarrten Schmelze gebildete
Gusskörper eine durch den zellularen Aufbau (Matrix)
selbsttragende Struktur aufweist. Durch die Erstarrung
der Schmelze in der äußeren Peripherie der Matrix des
Gießkernes entsteht eine Makrotragstruktur, die aus der
Statik als Gewölbewirkung bekannt ist und den Abbau von
Materialspannung im Werkstoff bei Angriff eines von außen
wirkenden Lastkollektives auf den Gusskörper begünstigt.
Dies wird insbesondere auch dadurch erreicht,
dass die Materialbereiche der Matrix, die die Infiltra
tionskanäle begrenzen, aus einem leichten, aber dichten
Material bestehen, so dass diese Bereiche von der
Schmelze nicht durchdrungen werden. Bei dem Material kann
es sich z. B. um einen silikatischen Schaum handeln.
Es hat sich herausgestellt, dass eine solche
Matrix eine körperschalldämmende Wirkung mit einer Til
gungseffizienz von bis zu 20% im Bereich des Frequenz
spektrums zwischen 80 und 800 Hz besitzt, so dass durch
eine Kettenbildung von Fahrwerks- und Antriebstrangkompo
nenten und nachfolgenden Karosserie-Strukturkomponenten
mit inneren Schaumstrukturen eine hinreichende Dämmwir
kung ohne Verwendung von Tilgungsmassen erzielt werden
kann.
Damit die Infiltrationskanäle von der Schmelze
gut erreicht werden können, soll deren Raumgröße mindes
tens drei- bis fünffach größer sein, als die Kristallkör
per des für die Schmelze verwendeten Leichtmetalls.
Am einfachsten wird dies erreicht, wenn die
Matrix aus einer größeren Anzahl mineralischer Schaum
kugeln besteht, die an den Kontaktflächen miteinander
verklebt sind, also eine dichte Kugelmatrix bilden. Vor
zugsweise liegt der Durchmesser der Kugel zwischen 1 bis
8 mm. Die Verklebung erfolgt mit Hilfe eines geeigneten,
entgasungsarmen Bindemittels für verlorene Gießkerne.
Das Befüllen der Infiltrationskanäle des Kerns
erfolgt mit einer 100% flüssigen Schmelze, wobei der In
filtrationsfortschritt durch Überwachung des Druckes und
der Temperatur der Schmelze gesteuert wird. Durch die In
filtration und des hierfür notwendigen Zeitraumes wird
Wärme in die Matrix und die Umgebung abgegeben, so dass
die Schmelze in die thixotrope (halbfeste) Phase übergeht
(Abkühlphase). Auch dieser Vorgang wird mit Hilfe von
Temperaturfühlern überwacht und gesteuert. An diese Phase
schließt sich eine Druckphase an, in der die halberstarr
te Schmelze unter Druck gesetzt wird. Auf diese Weise
wird vermieden, dass das Gusswerkstück eine zu hohe Er
starrungsporosität erhält.
Im Folgenden soll an einem Beispiel die Erfin
dung näher erläutert werden.
Der Gießkern oder auch Preform genannt, besteht
aus Mineralschaumkugeln, die im Wesentlichen aus einem
Silikat bestehen, dessen Temperaturbeständigkeit mindes
tens 700°C beträgt. Diese Kugeln werden mechanisch ver
dichtet und an den Kontaktstellen mit einem Bindemittel
miteinander verklebt. Die Kugeln weisen aufgrund ihrer
Zusammensetzung eine Formbeständigkeit bei isostatischen
Drücken bis zu 1000 bar auf. Dadurch ist ihre Formbestän
digkeit während des gesamten Gießprozesses gewährleistet.
Die Zwischenräume der Kugeln bilden zusammenhängende,
durchgängige Infiltrationskanäle, deren Raumgröße mindes
tens drei- bis fünfmal größer ist, als der Durchmesser der
Kristallkörper in der Metallschmelze.
Diese Preform wird in eine Gießform eingelegt,
wobei durch Aufnahme- und Abstandshalter an der Gießform
bzw. an der Preform ein Spaltraum entsteht, der in der
Andockphase mit dem Werkstoff, nämlich Magnesium oder Alu
minium, ausgefüllt bzw. umgossen wird.
Die Gießphase gliedert sich in drei Hauptpha
sen, nämlich der eben erwähnten Andock-, der Infiltra
tions- und der Druckphase (Thixogießphase). In der An
dockphase wird der Spaltraum mit der flüssigen Schmelze
praktisch drucklos vorgefüllt, wobei die Schmelze eine
Temperatur von ca. 630°C aufweist.
In der sich anschließenden Infiltrationsphase
hat die Schmelze eine Temperatur von 610-620°C. Sie
ist damit weiterhin flüssig, und ihr Zustand liegt noch
über der Liquiduslinie. Indem von außen Druck auf die
Schmelze ausgeübt wird, dringt sie in die äußeren Infilt
rationskanäle zwischen den Kugeln ein und füllt auf diese
Weise zumindest die äußeren Bereiche der Infiltrationska
näle der Preform. Mittels einer Überwachung des Schmelze
volumens ( = Gießkolbenposition) kann dabei die Tiefe der
Randzone des Gießkerns, die mit der Schmelze gefüllt wer
den soll, gesteuert werden. Außerdem sinkt die Temperatur
der Schmelze, so dass sie in die thixotrope Phase über
geht, also in einen halbfesten Zustand. Auch dies wird
mittels eines Thermometers überwacht, um den Beginn der
Druckphase als dynamisches Steuerungsmerkmal einleiten zu
können.
Mit dem Ende der Infiltrations- und Abkühlphase
wird der Druck auf den Gießkolben erhöht, so dass der
Druck in der thixotropen Schmelze steigt. Dadurch wird
die Schmelze verdichtet und die Erstarrungsporosität der
Schmelze vermieden. Diese abschließende Phase wird Druck
phase oder Verdichtungsphase genannt.
Sobald der Druck am Ende dieser Phase wieder
abgesenkt wird, ist der Gießprozess insgesamt abgeschlos
sen. Insbesondere durch den letzten Schritt erhält das
Gussteil eine sehr gute Konturenschärfe, die der ge
wünschten Endkontur entspricht, so dass das Werkstück
nicht mehr nachbearbeitet werden muss. Lediglich das An
gießsystem muss durch eine spanende oder schneidende Be
arbeitung entfernt werden.
Claims (10)
1. Verfahren zum Gießen einer aus Leichtmetall beste
henden Baueinheit mit einem verlorenen Gießkern, der
aus einer von Infiltrationskanälen durchzogenen Mat
rix besteht,
mit einer Andockphase, in der in den Zwischenraum zwischen dem Kern und einer den Kern umgebenden Schale die flüssige Schmelze eingebracht wird,
mit einer Infiltrationsphase, in der bei niedrigem Druck die Schmelze im noch flüssigen Zustand in die Infiltrationskanäle der Randzone des Kernes ein dringt,
mit einer Abkühlphase, in der die Schmelze in einen thixotropen Zustand übergeht, und
mit einer Druckphase, in der die thixotrope Schmelze unter Druck gesetzt wird, um eine Erstarrungsporosi tät in dem Gusswerkstück zu vermeiden.
mit einer Andockphase, in der in den Zwischenraum zwischen dem Kern und einer den Kern umgebenden Schale die flüssige Schmelze eingebracht wird,
mit einer Infiltrationsphase, in der bei niedrigem Druck die Schmelze im noch flüssigen Zustand in die Infiltrationskanäle der Randzone des Kernes ein dringt,
mit einer Abkühlphase, in der die Schmelze in einen thixotropen Zustand übergeht, und
mit einer Druckphase, in der die thixotrope Schmelze unter Druck gesetzt wird, um eine Erstarrungsporosi tät in dem Gusswerkstück zu vermeiden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Materialbereiche der Matrix, die die In
filtrationskanäle begrenzen, aus einem leichten,
aber dichten Material bestehen, so dass diese Berei
che von der Schmelze nicht durchdrungen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Raumgröße der Infiltrationskanäle
im Kern mindestens drei- bis fünffach größer ist,
als der Durchmesser der Kristallkörper des für die
Schmelze verwendeten Leichtmetalls.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Matrix aus mineralischen Schaum
kugeln besteht, die an den Kontaktflächen miteinan
der verklebt sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der Durchmesser der Kugeln zwischen 1 und 8 mm
beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Infiltrations
phase die Temperatur der Schmelze gerade so hoch
ist, dass diese zu 100% flüssig ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gießvorgang insbe
sondere in der Infiltrationsphase mit einem Druck-
und Temperatursensor überwacht wird.
8. Gießkern insbesondere für die Verwendung in einem
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, da
durch gekennzeichnet, dass der Gießkern eine von In
filtrationskanälen durchzogene Matrix bildet, wobei
die Materialbereiche der Matrix von einem leichten
aber dichten Material gebildet sind.
9. Gießkern nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass der Gießkern eine Matrix bildet, die aus mine
ralischen Schaumkugeln besteht, die an den Kontakt
flächen miteinander verklebt sind.
10. Gießkern nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Spalte zwischen den Schaumkugeln Infiltra
tionskanäle bilden, deren Raumgröße drei- bis fünf
fach größer ist, als die Kristallkörper des Materi
als, das für die Schmelze eingesetzt ist.
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