DE102004026082A1

DE102004026082A1 - Verfahren und Anlage zum Druckgiessen

Info

Publication number: DE102004026082A1
Application number: DE200410026082
Authority: DE
Inventors: Boris Ouriev; Thomas Scheiwiller
Original assignee: Buehler AG
Current assignee: Buehler AG
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-12-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Druckgießen einer Schmelze aus Aluminium oder Aluminium aufweisenden Metalllegierungen, wobei die Schmelze im flüssigen oder pastösen Zustand unter Druck umgeformt wird und man die Schmelze nach der Umformung und erfolgter Formgebung erstarren lässt. Erfindungsgemäß wird die flüssige oder pastöse Schmelze in einem Begasungsbereich mit einem Gas oder einem Gasgemisch begast, das gasförmigen Stickstoff aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Druckgiessen einer Schmelze aus Aluminium oder Aluminium aufweisenden Metalllegierungen sowie auf eine Druckgiess-Einheit zur Durchführung des Verfahrens.
Bei derartigen Verfahren wird die zu verarbeitende Schmelze im flüssigen oder pastösen Zustand unter Druck umgeformt, woraufhin man die Schmelze nach der Formgebung erstarren lässt. Ein solches Verfahren ist z.B. aus der EP 1 165 274 bekannt.
Beim Druckgiessen ist es wichtig, die rheologischen Eigenschaften und die Kristallisationseigenschaften einer mehr oder weniger flüssigen oder mit Kristalliten versehenen mehr oder weniger pastösen Schmelze gezielt zu beeinflussen. Dies kann über die Temperaturführung und die Zusammensetzung der Schmelze sowie über den Druckverlauf während des Druckgiessen erfolgen. Die rheologischen Eigenschaften und das Kristallisationsverhalten der Schmelze lassen sich auch beeinflussen, indem man die Schmelze mechanischen Schwingungen aussetzt.
Beim Druckgiessen sind von besonderem Interesse:

– möglichst gutes Fliessverhalten der Schmelze beim Füllen der Druckgiessform
– möglichst spätes Erstarren der Schmelze in der Druckgiessform
– möglichst wenig Klebeneigung der erstarrten Gussstücke an den Innenwänden der Druckgiessform
– möglichst wenige Oxideinschlüsse in den fertigen Gussstücken.

Aus der JP-Offenlegungsschrift (1994) 6-91341 ist zwar bekannt, die bei Druckguss-Anlagen sehr klein auszulegenden Entlüftungsöffnungen vor Verstopfungen zu bewahren, indem man ein inaktives Gas verwendet, das beim Giessvorgang durch die Entlüftungsöffnungen ausgestossen wird. Dadurch soll eine Oxidbildung im Bereich der Ent lüftungsöffnungen und somit deren Verstopfung verhindert werden. Es kommt dabei aber nicht darauf an, möglichst das gesamte Schmelzevolumen durch und durch mit dem inaktiven Gas zu behandeln, sondern es reicht aus, die Oberfläche der Schmelze mit dem inaktiven Gas zu kontaktieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgaben zugrunde, die rheologischen Eigenschaften der aluminiumhaltigen Schmelze derart zu beeinflussen, dass das Fliessverhalten, das Erstarrungsverhalten, die Klebeneigung und die Zahl der Oxideinschlüsse bei der verwendeten aluminiumhaltigen Schmelze möglichst vorteilhaft im weiter oben genannten Sinne beeinflusst werden.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, dass man die flüssige oder pastöse Schmelze in einem Begasungsbereich mit einem Gas oder einem Gasgemisch begast, das gasförmigen Stickstoff aufweist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dadurch nicht nur die Neigung zur Oxidbildung und die Zahl der Oxideinschlüsse in den Gussstücken verringert wird, sondern auch die Viskosität der Schmelze bei ansonsten unveränderten Parametern wie Temperatur und Druck merklich herabgesetzt wird. Dies ermöglicht ein gutes Fliessen der Schmelze auch in filigranen Bereichen der Druckgiessform, verspätet das Erstarren der Schmelze in der Form und verringert die Klebeneigung der erstarrten Gussstücke an den Innenwänden der Form. Somit lassen sich auch Gussstücke mit komplizierterer Geometrie giessen und entformen. Man läuft daher weniger Gefahr, dass sich nicht die gesamte Form zu füllt und unvollständige Gussstücke gebildet werden, oder dass beim Entformen grosse Kräfte aufgebracht werden müssen oder gar eine Beschädigung der Gussstücke erfolgt.
Zweckmässigerweise wird zumindest ein Teil der Oberfläche der Schmelze dem Gas bzw. dem Gasgemisch ausgesetzt, wobei das Gasgemisch in dem Begasungsbereich vorzugsweise mehr als 90 Gew.% Stickstoff aufweist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Gasgemisch in dem Begasungsbereich weniger als 10 Gew.% Sauerstoff, vorzugsweise weniger als 5 Gew.% Sauerstoff, aufweist.
Das Gasgemisch in dem Begasungsbereich kann durch Anreichern von Luft mit reinem Stickstoff erzeugt werden. Als Gas in dem Begasungsbereich kann auch reiner Stickstoff verwendet werden.
Das zur Begasung verwendete Gas bzw. Gasgemisch besitzt zweckmässigerweise einen Druck von 1 bar bis 500 bar, vorzugsweise von 10 bar bis 500 bar.
Eine weitere Verbesserung der Fliesseigenschaften des Materials lässt sich erzielen, wenn vor und/oder während des Umformens und/oder des Erstarrens das Material zumindest in Teilbereichen zu Schwingungen angeregt wird.
Die Schmelzetemperatur liegt zwischen 540°C und 600°C, vorzugsweise zwischen 580°C und 700°C.
Weiterhin besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem Begasungsbereich das Oberfläche/Volumen-Verhältnis der Schmelze den höchsten Wert während des gesamten Druckgiessvorgangs hat. Dadurch lässt sich besonders viel Stickstoff in die Schmelze einbringen und die erfindungsgemässe Beeinflussung der rheologischen Eigenschaften der Schmelze verstärkt werden. Hierfür kann z.B. in dem Begasungsbereich das Gesamtvolumen der Schmelze in Schmelze-Teilvolumina aufgeteilt werden. Dies können z.B. parallel geschaltete Zweigleitungen sein, die jeweils begast werden. Die Schmelze kann aber auch in einer Stickstoff enthaltenden Begasungskammer in ein Schmelzebad vertropft werden, so dass die Schmelzetropfen während ihres Fallens dem Stickstoff ausgesetzt sind und sich anschliessend als mit Stickstoff angereicherte Schmelze in dem Schmelzebad vereinen, um dem Druckgiessvorgang zugeführt zu werden.
Zweckmässigerweise wird das erfindungsgemässe Verfahren in einer Druckgiess-Einheit durchgeführt, welche eine Giesskammer mit einem Giesskolben sowie eine mit der Giesskammer über einen Angiesskanal verbundene Druckgiessform aufweist, wobei zunächst die Giesskammer mit der Schmelze gefüllt wird und anschliessend mittels des Giesskolbens die Schmelze über den Angiesskanal in die Druckgiessform gedrückt wird, wobei erfindungsgemäss zumindest ein Teil der Begasung in der Giesskammer und/oder in der Druckgiessform erfolgt.
Ein Teil der Begasung kann auch in einem der Druckgiess-Einheit vorgeschalteten Schmelzofen erfolgen.
Die Druckgiess-Einheit zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens weist eine Giesskammer mit einem Giesskolben sowie eine mit der Giesskammer über einen Angiesskanal verbundene Druckgiessform auf, wobei die Giesskammer mit einer Schmelze befüllbar ist und mittels des Giesskolbens die Schmelze über den Angiesskanal in die Druckgiessform gedrückt werden kann. Erfindungsgemäss bilden die Giesskammer und/oder die Druckgiessform einen Begasungsbereich zum Begasen der Schmelze, der mit einer Quelle für ein Gas oder ein Gasgemisch verbunden ist.
Die erfindungsgemässe Druckgiess-Einheit kann einen ihr vorgeschalteten Schmelzofen aufweisen, wobei die Druckgiess-Einheit und der Schmelzofen in einer Begasungskammer untergebracht sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Versuchsergebnissen, wobei
1 die Auswirkungen der Schmelze-Stickstoffbegasung auf die Scherviskosität einer Al-haltigen Schmelze in Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit zeigt;
2 die Auswirkungen der Schmelze-Stickstoffbegasung auf die Scherviskosität einer weiteren Al-haltigen Schmelze in Abhängigkeit von der Schmelzetemperatur zeigt;
3 eine schematische teilweise geschnittene Seitenansicht der Versuchsanordnung zur Messung der Scherviskosität zeigt; und
4 die Auswirkungen der Schmelze-Stickstoffbegasung auf die zum Ausstossen des erstarrten Gussteils aus der Form notwendige Ausstosskraft über mehrere Giesszyklen zeigt.
1 zeigt die Auswirkungen der Schmelze-Stickstoffbegasung auf die Scherviskosität einer Al-haltigen Schmelze (226-Legierung) in Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit. Auf der horizontalen Achse ist die Schergeschwindigkeit (in 1/s) aufgetragen, während auf der vertikalen Achse die Scherviskosität (in Pa·s) aufgetragen ist. Beide Skalen sind logarithmisch. In dieser doppelt logarithmischen Darstellung erscheint der funktionelle Zusammenhang zwischen Scherviskosität und Schergeschwindigkeit über einen weiten Bereich der Schergeschwindigkeit als Gerade. Der Temperaturbereich liegt zwischen 540°C und 700°C. Die beiden oberen Geraden zeigen den Verlauf der Scherviskosität in Anhängigkeit von der Schergeschwindigkeit für den Fall, dass die Schmelze einer Sauerstoff-Atmosphäre ausgesetzt wird, während die beiden unteren Geraden den Verlauf der Scherviskosität in Anhängigkeit von der Schergeschwindigkeit zeigen für den Fall, dass die Schmelze einer Stickstoff-Atmosphäre ausgesetzt wird. Der Verlauf der Scherviskosität ist beim Hochfahren und Herunterfahren der Schergeschwindigkeit nicht ganz deckungsgleich, zeigt also einen gewissen "Hystere"-Effekt. Die wesentliche Aussage der 1 besteht jedoch darin, dass die Scherviskositäten der Al-haltigen Schmelze mit der Stickstoff-Atmosphäre über den gesamten Messbereich durchwegs wesentlich geringer sind als mit der Sauerstoff-Atmosphäre.
Dies zeigt, dass durch das erfindungsgemässe Begasen der flüssigen oder pastösen Schmelze in einem Begasungsbereich mit Stickstoff oder einem Stickstoff aufweisenden Gasgemisch eine höchst signifikante Verringerung der Scherviskosität erzielt wird, was beim Druckgiessen, insbesondere für das Druckgiessen filigraner Gussteile, erwünscht ist.
2 zeigt die Auswirkungen der Schmelze-Stickstoffbegasung auf die Scherviskosität einer weiteren AL-haltigen Schmelze (SF-Legierung) in Abhängigkeit von der Schmelzetemperatur. Auf der horizontalen Achse ist die Schmelzetemperatur (in °C) aufgetragen, während auf der vertikalen Achse links die Scherviskosität (in Pa·s) aufgetragen ist und rechts die an einem Rotations-Rheometer (siehe 3) gemessene Normalkraft auf die Scherflächen des Rheometers aufgetragen ist. Die linke Skala ist auf die Scherflächen des Rheometers aufgetragen ist. Die linke Skala ist logarithmisch, während die rechte Skala linear ist. Ähnlich wie in 1 zeigt sich auch hier über einen weiten Temperaturbereich der Schmelze eine deutlich ausgeprägte Absenkung der Scherviskosität.
Die Normalkraft zeigt die Veränderung des Aluminium-Volumens als Funktion von der Temperatur. Steigende Normalkraft zeigt Vergrösserung des Messvolumens durch Kristallwachstum. Sinkende Normalkraft zeigt Aluminium-Schwund.
3 zeigt in einer schematischen, teilweise geschnittenen Seitenansicht eine Versuchsanordnung zur Messung der Scherviskosität. Es handelt sich hierbei um ein Rotations-Rheometer mit parallelen Platten bzw. Scheiben. Die untere Platte 1 ist feststehend angeordnet, während die obere Platte 2 um ihre vertikale Achse rotierend angeordnet ist. Die auf ihre Scherviskosität zu untersuchende Probe 3 befindet sich in dem Spalt zwischen den parallelen Platten. Durch Messen des auf die obere Platte einwirkenden Drehmoments in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl lässt sich dann unter Berücksichtigung der Rheometer-Geometrie die Scherviskosität der Probe 3 ermitteln.
4 zeigt die Auswirkungen der Schmelze-Stickstoffbegasung auf die zum Ausstossen des erstarrten Gussteils aus der Form notwendige Ausstosskraft über mehrere Giesszyklen. Diese Ausstosskraft ist ein Mass für die Klebeneigung des Gussteils an den Form-Innenwänden. Auf der horizontalen Achse ist die Anzahl (n) der Giesszyklen aufgetragen, während auf der vertikalen Achse die jeweilige Ausstosskraft eines Giesszyklus aufgezeigt ist. Während der ersten 15 Giesszyklen wurde in einer Sauerstoff-Atmosphäre gearbeitet. Während der nächsten 30 Giesszyklen wurde mit einer Stickstoff-Atmosphäre gearbeitet, und während der letzten 13 Giesszyklen wurde wieder mit der Sauerstoffatmosphäre gearbeitet. Man erkennt, dass die Ausstosskraft während der ersten 15 Sauerstoff-Giesszyklen zunächst ansteigt. Sobald die Sauerstoffatmosphäre dann während der anschliessenden 30 Stickstoff-Giesszyklen durch die Stickstoffatmosphäre ersetzt wird, zeigt sich ein deutlicher Rückgang der Ausstosskraft. Wenn dann während der letzten 13 Sauerstoff-Giesszyklen wieder mit einer Sauerstoffatmosphäre gearbeitet wird, erfolgt zwar zunächst ein Anstieg der Ausstosskraft, dem jedoch sofort wieder ein weiterer Rückgang der Ausstosskraft im weiteren Verlauf der letzten 13 Giesszyklen folgt. Es zeigt sich somit, dass durch die Stickstoff-Begasung der Al-haltigen Schmelze eine markante Verringerung der Klebeneigung zwischen der Schmelze und der Form-Innenwand erzielt wird.
Die erfindungsgemässe Stickstoffbegasung der Al-haltigen Schmelze ermöglicht durch die äussert markante Viskositätsverringerung der Schmelze somit ein besonders gutes Fliessverhalten der Schmelze beim Füllen der Druckgiessform, was beim Giessen grosser und filigraner Gussteile wichtig ist.
Ausserdem wird durch die Erfindung die Klebeneigung der erstarrten Gussteile an den Innenwänden der Druckgiessform herabgesetzt, was sich beim Ausstossen der fertigen Gussteile positiv auswirkt.
Schliesslich treten auch je nach Reinheit der Stickstoffatmosphäre weniger bis gar keine Oxideinschlüsse in den fertigen Gussteilen mehr auf, so dass auch ein deutliche Qualitätssteigerung der Gussteile erreicht wird.

Claims

Verfahren zum Druckgiessen einer Schmelze aus Aluminium oder Aluminium aufweisenden Metalllegierungen, wobei die Schmelze im flüssigen oder pastösen Zustand unter Druck umgeformt wird und man die Schmelze nach der Umformung und erfolgter Formgebung erstarren lässt, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige oder pastöse Schmelze in einem Begasungsbereich mit einem Gas oder einem Gasgemisch begast wird, das gasförmigen Stickstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche der Schmelze dem Gas bzw. dem Gasgemisch ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch in dem Begasungsbereich mehr als 90 Gew.% Stickstoff aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch in dem Begasungsbereich weniger als 10 Gew.% Sauerstoff, vorzugsweise weniger als 5 Gew.% Sauerstoff, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch in dem Begasungsbereich durch Anreichern von Luft mit reinem Stickstoff erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in dem Begasungsbereich reiner Stickstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas bzw. das Gasgemisch einen Druck von 1 bar bis 500 bar, vorzugsweise von 10 bar bis 500 bar aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material vor und/oder während des Umformens und/oder Erstarrens zumindest in Teilbereichen zu Schwingungen angeregt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzetemperatur zwischen 540°C und 600°C, vorzugsweise zwischen 580°C und 700°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Begasungsbereich das Oberfläche/Volumen-Verhältnis der Schmelze den höchsten Wert während des gesamten Druckgiessvorgangs hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Begasungsbereich das Gesamtvolumen der Schmelze in Schmelze-Teilvolumina aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das in einer Druckgiess-Einheit durchgeführt wird, welche eine Giesskammer mit einem Giesskolben sowie eine mit der Giesskammer über einen Angiesskanal verbundene Druckgiessform aufweist, wobei zunächst die Giesskammer mit der Schmelze gefüllt wird und anschliessend mittels des Giesskolbens die Schmelze über den Angiesskanal in die Druckgiessform gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Begasung in der Giesskammer und/oder in der Druckgiessform erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Begasung in einem der Druckgiess-Einheit vorgeschalteten Schmelzofen erfolgt.
Druckgiess-Einheit zur Durchführung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12, welche eine Giesskammer mit einem Giesskolben sowie eine mit der Giesskammer über einen Angiesskanal verbundene Druckgiessform aufweist, wobei die Giesskammer mit einer Schmelze befüllbar ist und mittels des Giesskolbens die Schmelze über den Angiesskanal in die Druckgiessform gedrückt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Giesskammer und/oder die Druckgiess form einen Begasungsbereich zum Begasen der Schmelze bilden, der mit einer Quelle für ein Gas oder ein Gasgemisch verbunden ist.
Druckgiess-Einheit nach Anspruch 14, die einen ihr vorgeschalteten Schmelzofen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgiess-Einheit und der Schmelzofen in einer Begasungskammer untergebracht sind.