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Die
Erfindung betrifft Gießformen
für den
Metallguss von Bauteilen, insbesondere dünnwandige Bauteile für den Kraftfahrzeugbau,
mit einem Gussformkörper
der den Formhohlraum bildet und hierdurch erhältliche dünnwandige Gussbauteile.
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Zu
den üblichen
Gusstechnologien bei der Herstellung von Metallgussteilen gehören die
Verfahren des Sandgusses, Kokillengusses und des Feingusses. Je
nach Gussverfahren werden dabei unterschiedliche Gussformen verwendet.
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So
besteht die Form beim Sandguss in der Regel aus Formsand, der durch
organische Bindemittel zusammengehalten wird. Zu den typischerweise
nach diesem Verfahren verarbeiteten Metallen gehören die Eisen-Gusslegierungen,
z.B. Grauguss. Der Sandguss ist gut geeignet für geometrisch einfach geformte
Gussteile mit geringen Ansprüchen
an die Oberflächenqualität. Üblicherweise
werden Funktions- oder Verbindungsbereiche von Sand-Gussteile glättend oder
spanabhebend nachbearbeitet.
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Diese
mit Stoffabtrag verbundene Nachbehandlung ist bei dünnwandigen
Bauteilen, bzw. Bauteilen mit feinen Oberflächenstrukturen sehr problematisch,
da die Oberflächenrauheit
bereits sehr nahe an den Bereich der Bauteildicke kommt.
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Ein
weiteres Problem des Sandgusses ist die für dünnwandige und geometrisch anspruchsvolle Bauteile
unzureichende Maßtoleranz.
Dies ist unter anderem auf das Ausbrennen der Bindemittel und Schwindungsprozesse
beim Gießvorgang
zurückzuführen.
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Neuerdings
wächst
insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugindustrie der Bedarf nach
dünnwandigen
und geometrisch komplex aufgebauten Bauteilen aus Gussmetallen,
insbesondere aus Fe-Basislegierungen, Stählen und Leichtmetallen, um
den Anforderungen des Leichtbaus gerecht zu werden.
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Beim
Feinguss werden üblicherweise
gebrannte keramische Gussformen (Keramikformen) hergestellt. Die
Bildung des Formhohlraums erfolgt typischerweise nach dem Wachsausschmelzverfahren.
Dabei werden schmelzbare Urformen aus Wachs oder Kunststoffen mit
mehreren Schichten an Keramikschlickern überzogen und einer Trocknung und
Wärmebehandlung
unterzogen. Hierbei wird die Urform ausgeschmolzen und eine feste
keramische Gussform gebildet. Die Oberfläche der keramischen Gussformen
kann je nach Keramik-Rohstoff sehr glatt eingestellt werden. Die
Rauheit der Gusskörper ist
dementsprechend gering.
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Bei
den keramischen Formen handelt es sich dabei um verlorene Formen,
da sie nach dem Abguss unter Zerstörung vom Metall abgetrennt
werden müssen.
Das Feingussverfahren ist besonders für die Herstellung komplexer
und feingliedriger Bauteile in kleinen Stückzahlen geeignet. Für die Massenfertigung
ist es im Allgemeinen zu aufwändig
und zu kostspielig.
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Der
Kokillenguss wird häufig
für den
Aluminiumguss eingesetzt. Dabei werden typischerweise Kokillen aus
Stahl verwendet. Stahl- und Kupferkokillen wurden früher auch
für Eisen-Formenguss
verwendet. Die technische Bedeutung ist heute jedoch gering, da
die thermische Beständigkeit
des Formwerkstoffes Stahl und Kupfer zu gering ist.
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Die
Affinität
der metallischen Kokille zum metallischen Gusswerkstoff führt im Allgemeinen
zu Anhaftungen und hohem Verschleiß. Lokales Aufschmelzen der
Kokille ist insbesondere beim Stahlguss sehr problematisch.
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Aus
der
DE 203 05 664
U1 sind Gießformen bekannt,
deren Gießhohlraum
durch einen Gussformkörper
gebildet wird, der eine innere Schicht aus Formgrundstoff trägt. Die
Gießform
ist besonders geeignet für
dünnwandige
Gussteile, da beim Guss der Binder des Formgrundstoffs nur in eine
geringe Tiefe von wenigen Zentimetern verbrennt. Ein Vorteil dieser
Gussform ist, dass nur geringe Mengen an Formsand aufbereitet werden
müssen.
Der grundsätzliche Nachteil
zu geringer Oberflächenglätte und
Maßtoleranz
kann hierdurch nicht gelöst
werden.
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Aus
der
DE 42 04 442 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung von Dauerformen für den Spritz- und Druckguss
bekannt. Dabei wird der gesamte die Formkavität bildende ein- oder mehrteilige
Formeinsatz der Dauerform aus einem keramischen Werkstoff gefertigt.
Dieses Verfahren ist aufgrund der hohen Herstellungskosten und geringen
Langzeitstabilität
von vollkeramischen Formen eher auf kleine Bauteile und kleine Serien
beschränkt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung eine Gießform für den metallischen Guss bereitzustellen,
die für dünnwandige
Gussteile geeignet ist und eine zumindest in bevorzugten lokalen
Bereichen hohe Oberflächengüte und Maßhaltigkeit
gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Gießform für den Metallguss
von Bauteilen, insbesondere dünnwandigen
Bauteilen für
den Kraftfahrzeugbau, mit einem Gussformkörper der den Formhohlraum bildet,
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einem hierdurch
erhältlichen
Metallgussbauteil, insbesondere für Karosseriestruktur, Fahrwerk-,
Motor- oder Getriebekomponenten von Kraftfahrzeugen, mit dünnwandigen
Bereichen, deren Dicke unterhalb 3 mm liegt, mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 12.
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Erfindungsgemäß ist somit
eine Gießform vorgesehen,
die einen Gussformkörper
umfasst, dessen Oberfläche,
die beim Guss dem flüssigen
Metall zugewandt ist, zumindest teilweise durch eine Keramikbeschichtung
und/oder zumindest teilweise mindestens ein Einlegeteil aus einer
hochtemperaturbeständigen
gesinterten Keramik gebildet ist. Hierdurch wird an den mit Keramikbeschichtung
oder Einlegeteil abgedeckten Bereichen ein Kontakt zwischen dem
flüssigen
Gussmetall und dem Gussformkörper vermieden.
Die hohe Temperaturfestigkeit und Oberflächenglätte der Keramik-Beschichtung oder
der gesinterten Keramik bewirken dabei an den korrespondierenden
Stellen des Gusskörpers
eine gute Maßhaltigkeit
und eine geringe Oberflächenrauhigkeit.
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Ein
besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Gießform ist es, dass an den Gussformkörper nur
noch geringe Anforderungen hinsichtlich der Verschleißfestigkeit
und Temperaturbeständigkeit
gestellt werden müssen.
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Ein
weiterer Vorteil ist es, dass es sich bei dem Einlegeteil aus gesinterter
Keramik nicht um eine verlorene Form handelt. Vielmehr ist die gesinterte
Keramik ein Teil des Gussformkörpers
bzw. der Gussformkörper-Oberfläche und
wird wie der Gussformkörper
selbst als Dauerform wieder verwendet.
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Dabei
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
sich die Keramikbeschichtung oder das Einlegeteil nicht über die
gesamte Oberfläche
des Gussformkörpers
im Gussformkörperhohlraum
erstrecken muss. Vielmehr kann die Keramikabdeckung der Gussformkörper Oberfläche auch
auf die Bauteilbereiche beschränken
an die besondere Anforderungen hinsichtlich Oberflächengüte und Maßhaltigkeit gestellt
werden. Somit kann der Gussformkörper
aus den für
das entsprechende Gussverfahren üblichen Materialien
ausgewählt
werden.
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Werden
Keramikschichten verwendet, so erstreckt sich die Keramikbeschichtung,
gegebenenfalls ergänzt
durch Einlegeteile jedoch bevorzugt auf die gesamte Hohlkörper-Oberfläche des
Gussformkörpers.
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Bauteilbereiche
mit besonderen Anforderungen sind insbesondere diejenigen, die als
dünnwandiger
Guss ausgebildet sind. Unter dünnwandigen Bereichen
sind diejenigen zu verstehen, deren Dicke unterhalb 10 mm, insbesondere
im Bereich von 1 bis 3 mm liegt. Die Einstufung als dünnwandig
ist in gewissem Maß auch
davon abhängig
wie groß die Gussform
und wie lange die Fließwege
der Gussform sind. Für
große
Flächenbauteile
oder Bleche können bereits
Dicken von 4, 5 oder nahe 10 mm als dünnwandig eingestuft werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Gießform
sind die Bereiche des Gussformkörpers,
in denen die Kavität
des Formhohlraums eine Dicke unterhalb 3 mm aufweist zum überwiegenden
Teil mit einer Keramikbeschichtung versehen und/oder mit mindestens
einem Keramikeinlegeteil bedeckt. Beschichtung und Einlegeteil können sich
dabei gegebenenfalls ergänzen.
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Zu
den weiteren Bauteilbereichen mit besonderen Anforderungen zählen die
als Verbindungsstellen vorgesehenen Bereiche. So muss die Oberfläche beispielsweise
bei den Verbindungstechniken des Schweißens, insbesondere des Punktschweißens oder
der Verklebung eine hohe Qualität
aufweisen. Auch beim Fügen
passgenau aufeinander abgestimmter Bauteile werden besondere Anforderungen an
Oberflächengüte und Maßhaltigkeit
gestellt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht
somit einen Gussformkörper
vor dessen Oberflächen,
welche zu den im Bauteil als Verbindungsstellen vorgesehenen, korrespondierenden
Bereichen eine Keramikbeschichtung und/oder mindestens ein Keramikeinlegeteil
aufweisen.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gießform mit keramischen Einlegeteilen
oder keramischen Beschichtungen ist, dass der Gussformkörper gegen
die hohen Gießtemperaturen,
insbesondere von Eisen- und Stahlguss geschützt wird. Die schlechte Benetzung
zwischen dem Gusswerkstoff und spezieller Keramiken erleichtert
die Trennung zwischen Form und Gussteil und unterstützt die
Bildung von sehr glatten Gussoberflächen. Werden Keramiken mit
geringer Wärmeleitfähigkeit
eingesetzt, so kann die Abschreckwirkung auf das Gussteil reduziert
werden, wodurch sich die Gießbarkeit
bzw. das Formfüllungsvermögen und
die Erstarrung, mit Einfluss auf das Gefüge positiv beeinflussen lassen.
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Im
folgenden soll die Erfindung Mithilfe von schematischen Abbildungen
näher erläutert werden. Die
Abbildungen stellen lediglich eine Auswahl bevorzugter Ausführungsformen
dar und sind daher in keiner Weise als einschränkend zu betrachten.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Teil einer Gießform
mit Stahlkokille (1) und keramischer Beschichtung (2),
die aus Gründen
der Klarheit überdimensioniert
dargestellt ist.
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2 einen
Teil einer Gießform
mit Sandform (3) und keramischem Einlegeteil (4)
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3 einen
Teil einer kombinierten Gießform
mit Stahlkokille (1), keramischem Einlegeteil (4) und
Sandfutter (5)
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung gemäß 1 ist
der Gussformkörper durch
eine Metallkokille (1) aus Stahl gebildet. Die Kokille
stellt dabei eine wieder verwendbare Dauerform dar. Die Kokille
ist auf der Innenseite, das heißt der
der Formkavität
zugewandten Seite vollständig mit
einer keramischen Beschichtung (2) versehen. Durch die
keramische Beschichtung wird die Stahlkokille vor der hohen Temperatur
der Eisen- oder Stahlschmelzen geschützt. Gleichzeitig verringert
der keramische Schutz die Abkühlgeschwindigkeit
der Schmelze, wobei die Gießbarkeit
erhöht
und gewünschte
Gefüge
erreicht werden.
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In
dieser Ausführungsform
kann die keramische Beschichtung durch keramische Einlegeteile ergänzt beziehungsweise
stellenweise ersetzt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Formhohlraum aus einer Metallkokille gebildet, welche über die
gesamte Oberfläche
des Formhohlraums mit Keramikeinlegeteilen ausgekleidet ist. Die Keramikeinlegeteile
können
dabei stumpf aneinander grenzen. Bevorzugt überlappen sie sich oder sind durch
Fugen voneinander getrennt. Um ein Öffnen der Fugen beim Erwärmen der
Kokille, vor oder während
des Gusses zu verhindern sind die Fugen bevorzugt durch einen metallischen
Werkstoff gebildet. Dieser metallische Werkstoff weist einen wesentlich höheren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten als die Keramik auf.
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2 zeigt,
wie mit Hilfe von keramischen Einlegeteilen (4) (keramischen
Inserts) eine partielle Verbesserung der Oberflächengüte eines Sandgussteils mit
einem Sandguss-Formkörper (4)
verbessert werden kann. Werden die Inserts an Stellen hoher Sanderosion,
das heißt
hoher Fließgeschwindigkeiten
und Turbulenzen eingesetzt, kann dadurch als weiterer Vorteil auch
hier die Bauteilqualität
wesentlich verbessert werden. Als Inserts kommen auch keramisch
beschichtete Stahlformteile in Frage. Die Inserts können nach
einem Abguss wieder verwendet werden, wohingegen die Sandform verloren
ist.
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Eine
weitere Variante gemäß 3 sieht eine
Stahlkokille (1) als Dauerform vor. Die Stahlkokille selbst
wird großflächig durch
ein Sandfutter (4) bedeckt und vor der Schmelze geschützt. An
Stellen an denen eine gute Oberflächenqualität erzielt werden soll, wird
ein keramisches Einlegeteil (4) (Insert) verwendet. Das
Insert ist dabei in der Stahlkokille verankert. Das Sandfutter kann
aus den für
Sandformen üblichen
Materialien aufgebaut werden. Gegebenenfalls kann das Sandfutter
auch durch eine Schicht aus Keramikschlicker ersetzt oder ergänzt werden.
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In
dieser Variante ist der Formhohlraum somit aus einer Metallkokille
gebildet, welche über
die gesamte Oberfläche
des Formhohlraums mit einer Sandform und Keramikeinlegeteilen ausgekleidet
ist. Unter den Metallen der Kokille sind die üblichen Metallwerkstoffe für Gussformen,
insbesondere Stähle, sowie
Cr- und/oder Ni-Basislegierungen zu verstehen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die keramischen
Einlegeteile im wesentlichen durch das Sandfutter befestigt. Hierdurch werden
die thermischen Spannungen zwischen Keramik und Stahlkokille beim
Vorwärmen
oder beim Guss in vorteilhafter Weise reduziert. Die Keramischen
Einlegeteile können
nach dem Guss und der Zerstörung
bzw. Abtrennung des stützenden
Sandfutters in einfacher Weise von der Kokille getrennt werden.
Dies ermöglicht
eine einfache Wartung und Ausbesserung der Einlegeteile.
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Die
Dicke der keramischen Einlegeteile richtet sich insbesondere nach
deren mechanischer oder thermischer Beanspruchung im Gussformkörper. Sie kann
im Bereich von wenigen mm bis cm liegen. Bevorzugt weisen die Einlegeteile
eine Dicke von 1 bis 10 mm auf.
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Die
Dicke der keramischen Schichten ist dagegen in der Regel dünner als
die der keramischen Einlegeteile. Bevorzugt sind Bereiche von 0,1
bis 2 mm. Die Schichten können
durch bekannte thermische Spritzverfahren, wie beispielsweise Plasmaspritzen
oder Flammspritzen aufgebracht werden.
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Als
Material der Keramikbeschichtung oder der keramischen Einlegeteile
werden refraktäre
Keramiken verwendet. Bevorzugt werden die Keramikbeschichtung und/oder
die Keramikeinlegeteile durch Keramiken auf der Basis von Zro2, ZrSiO4, Al2O3, MgAl2O4, SiC, AlN, Kohlenstoff
oder Si3N4 gebildet. Dabei
sind diejenigen Keramiken mit hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten
bei den Ausführungsformen
mit Metallkokille bevorzugt. Hierzu gehören unter Mischkeramiken aus
ZrO2 und Al2O3 oder MgAl2O4 mit hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten.
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Bei
der keramischen Beschichtung der Metallkokillen ist besonders auf
die Reduzierung von thermischen Spannungen zwischen den Werkstoffen Metall
und Keramik zu achten. Daher ist es von Vorteil Gradientenschichten
abzuscheiden, die einen gleichmäßigeren Übergang
der thermischen Ausdehnungskoeffizienten ermöglichen. Die Keramikbeschichtung
weist bevorzugt einen Werkstoffgradienten senkrecht zur Schichtebene
auf, wobei eine metallische oder metallkeramische Haftschicht zum Gussformkörper ausgebildet
ist.
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Die
erfindungsgemäßen Gießformen
sind insbesondere für
das Gießen
von hochschmelzenden Legierungen und/oder korrosiven Schmelzen, beispielsweise
Eisenlegierungen, Stählen
oder Leichtmetallen geeignet.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Metallgussbauteile, welche
durch das erfindungsgemäße Verfahren
erhältlich
sind. Diese Metallgussbeuteile werden insbesondere für Karosseriestruktur,
Fahrwerk-, Motor- oder Getriebekomponenten von Kraftfahrzeugen mit
dünnwandigen
Bereichen eingesetzt. Unter dünnwandig
sind im Automobilbau insbesondere Wanddicken unterhalb 3 mm zu verstehen.
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Erfindungsgemäß weisen
die Bauteile in bevorzugten Oberflächenbereichen eine verringerte Rautiefe
auf. Sind die als Verbindungsstellen vorgesehenen Bereiche die bevorzugten
Bereiche, so beträgt
deren Rautiefe bevorzugt unmittelbar nach dem Guss weniger als 0,5
mm liegt. Je nach Verfahrensvariante können die übrigen Oberflächenbereiche, deutlich
höhere
Rautiefen besitzen. Dies trifft insbesondere auf die Variante der
Sandgussform mit Keramikeinlegeteilen zu.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Rautiefe der
Oberflächenbereiche
mit einer Gussbauteil-Dicke unterhalb 3 mm unmittelbar nach dem
Guss unterhalb 0,5 mm. Besonders bevorzugte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gefertigte Bauteile weisen in dünnwandigen
Bereichen unterhalb 2 mm eine Rautiefe unterhalb 0,5 mm auf.