DE102006008432B4 - Verfahren zur kontrollierten Formfüllung beim Gießen metallischer Werkstoffe - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeit einer in eine Form einströmenden, flüssigen Metallschmelze beim steigenden Gießen unter Schwerkrafteinfluss durch externe Magnetfelder so zu beeinflussen, dass eine beruhigte Formfüllung unter ausreichender Vermeidung von starken Verwirbelungen der Schmelze und des Auftretens von Instabilitäten der Oberflächenschicht und der einströmenden Schmelzefront erreicht wird. Die technische Lösung beinhaltet, dass die magnetische Induktion B<SUB>0</SUB> des angelegten Magnetfeldes anfangs mindestens die beiden Werte B<SUB>1</SUB> =10/d<SUB>h</SUB>(eta/sigma)1/2 und B<SUB>2</SUB>=(rhoU/10sigmad<SUB>h</SUB>)1/2 übersteigt, wobei rho die Dichte, sigma die elektrische Leitfähigkeit und eta die dynamische Viskosität der Metallschmelze, sowie d<SUB>h</SUB> den mittleren hydraulischen Durchmesser des Eingusskanals und U die mittlere Einströmgeschwindigkeit der Schmelze bezeichnen, dieser Anfangswert B<SUB>0</SUB> bis zu einem Zeitpunkt t<SUB>1</SUB> konstant bleibt, wobei t<SUB>1</SUB> vorzugsweise so zu wählen ist, dass die Schmelzefront bereits den Formhohlraum erreicht hat, und ab dem Zeitpunkt t<SUB>1</SUB> die Stärke des Magnetfeldes auf den Wert Null geregelt wird. Es wird ein Magnet am unteren Ende des vertikalen Eingusskanals vor der Umlenkung in den horizontalen Gießlauf angeordnet und mit einer Einrichtung zur Regelung der magnetischen Induktion verbunden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Einfüllens einer Metallschmelze in den Formhohlraum einer Gießform. Die Anwendung erfolgt beim steigenden Gießen von Metallen unter Schwerkrafteinfluss in eine Gießform, und betrifft im Besonderen das Feingießen.
• Es ist allgemein bekannt, dass es beim steigenden Gießen von Metallen unter Schwerkrafteinfluss vorteilhaft ist, wenn die flüssige Metallschmelze mit einer hinreichend geringen Geschwindigkeit in der Gießform strömt, und damit an Umlenkungen und Änderungen des Strömungsquerschnittes keine oder nur geringe, turbulente Verwirbelungen verursacht. Weiterhin ist bekannt, dass die Strömungsfront von Metallschmelzen mit Geschwindigkeiten oberhalb eines Zahlenwertes von 0.5 m/s (J. Campbell: Castings Practice, Elsevier 2004, 15-21) instabil wird und zu Tropfenbildung neigt.
• Es sind verschiedene Techniken bekannt, um die Formfüllung beim Gießen vorteilhaft zu beeinflussen.
• DE 10245439 A1 beschreibt die spezielle Ausführung eines Kopfguss-Gießtümpels für Leichtmetallkokillenguss unter Schwerkrafteinfluss. Der Gießtümpel besteht aus einem Schmelzereservoir und einem annähernd horizontal bzw. mit vorgegebenem Gefälle angeordneten Gießlauf. Ziel dieser Erfindung ist es, die Schmelzeströmung zu beruhigen, d.h. durch des Einfüllen der Schmelze in den Gießtümpel entstandene Verwirbelungen zu dämpfen und dafür zu sorgen, dass die Schmelze mit einer möglichst geringen Geschwindigkeit in den Formhohlraum der Gießform einströmt. Unter Nutzung dieser Erfindung ist es allerdings nicht möglich, die oben beschriebenen Probleme zufrieden stellend zu lösen und die Herstellung fehlerfreier Gussteile zu gewährleisten.
• DE 19720184 A1 schlägt die Verwendung einer den Querschnitt verkleinernden Blende im Gießeinlauf vor, die sich mit fortschreitender Gießzeit selbst verzehrt. Der Grundgedanke besteht darin, dass die Öffnung der Blende am Anfang so gewählt wird, dass nur eine geringe Menge an Flüssigmetall hindurchströmt. Mit fortschreitender Gießzeit vergrößert sich die Öffnung der Blende. Mit zunehmender Füllhöhe der Gießform nimmt die Bremsfunktion ab. Eine Verbesserung der Gussteilqualität wurde nicht nachgewiesen. Es ist festzuhalten, dass das Einbringen der Blende in die Gussformen mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist und, insbesondere im Feinguss, die Herstellung der Gusstrauben erheblich verkompliziert.
• Im Vergleich dazu erscheint die Verwendung von Gießfiltern vorteilhafter, wie beispielsweise in DE 19859032 A1 beschrieben. Gießfilter dienen vorrangig dazu, Oxidhäute oder andere hochschmelzende Verunreinigungen vor dem Eintritt der Schmelze in den Gusskörper zurückzuhalten. Zu beachten ist, dass ein derartiger Gießfilter einen sehr hohen Strömungswiderstand besitzt, der während des gesamten Gießvorganges wirkt. Die Konsequenz ist eine sehr langsame Formfüllung mit deutlich verlängerten Gießzeiten.
• Eine kontaktlose Möglichkeit zur Beeinflussung der einströmenden Schmelze ist durch Magnetfelder gegeben. Es wurden so genannte Magnetbremsen mit dem Ziel der Reduzierung der Geschwindigkeit des in eine Kokille eintretenden Metallschmelzestrahls bereits für das kontinuierliche Gießen von Stahl oder auch Nichteisenmetallen vorgeschlagen ( DE 69809288 T2 , DE 60000858 T2 , DE 102004046729 A1 ). Diese Vorrichtungen basieren auf einem statischen Magnetfeld in horizontaler Ausrichtung, welches an der Stranggusskokille meist im Bereich der Ausflussöffnung des Tauchrohres angeordnet ist. Im Gegensatz zum Fall des kontinuierlichen Gießens muss die hier vorliegende Erfindung die Diskontinuität und Zeitabhängigkeit des Gießens unter Verwendung einer Gießform berücksichtigen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeit einer in eine Form einströmenden, flüssigen Metallschmelze beim steigenden Gießen unter Schwerkrafteinfluss durch externe Magnetfelder so zu beeinflussen, dass eine beruhigte Formfüllung unter ausreichender Vermeidung von starken Verwirbelungen der Schmelze und des Auftretens von Instabilitäten der Oberflächenschicht und der einströmenden Schmelzefront erreicht wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den nachgeordneten Patentansprüchen.
• Die Erfindung und die daraus für den Gießprozess resultierenden Vorteile werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
• In der zugehörigen Zeichnung zeigen
• 1 die Ansicht der Gießform mit bevorzugter Anordnung des Magnetsystems und Gerät zur Bestimmung des Massenstromes in schematischer Darstellung und
• 2 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Magnetfeldamplitude.
• Mit dem Verfahren wird die Geschwindigkeit einer in eine Form einströmenden, flüssigen Metallschmelze beim steigenden Gießen unter Schwerkrafteinfluss durch externe Magnetfelder so beeinflusst, dass eine beruhigte Formfüllung unter ausreichender Vermeidung von starken Verwirbelungen der Schmelze und des Auftretens von Instabilitäten der Oberflächenschicht und der einströmenden Schmelzefront erreicht wird.
• Das Magnetfeld wirkt direkt am Gießlauf, vorzugsweise dort, wo die einströmende Schmelze ihre maximale Geschwindigkeit erreicht. Im Magnetfeldbereich wird die Schmelze vorzugsweise in einem rechteckigen Flachkanal geführt. Eine optimale Wirkung wird erreicht, wenn die Magnetfeldlinien senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen.
• Die technische Lösung beinhaltet, dass die magnetische Induktion B₀ des angelegten Magnetfeldes anfangs mindestens die beiden Werte B₁ = 10/d_h·(η/σ)^½ und B₂ = (ρU/10σd_h)^½ übersteigt, wobei ρ die Dichte, σ die elektrische Leitfähigkeit und η die dynamische Viskosität der Metallschmelze, sowie d_h den mittleren hydraulischen Durchmesser des Eingusskanals und U die mittlere Einströmgeschwindigkeit der Schmelze bezeichnen. Der Anfangswert B₀ der magnetischen Induktion wird bis zu einem Zeitpunkt t₁ konstant gehalten, wobei t₁ vorzugsweise so zu wählen ist, dass die Schmelzefront bereits den Formhohlraum erreicht hat. Ab dem Zeitpunkt t₁ wird die Stärke des Magnetfeldes auf den Wert Null geregelt.
• Weitere Details zur Ausführung sowie allgemeine Erläuterungen zu Problemen und deren Lösung werden nachstehend gegeben.
• Eine Gießform besteht im Allgemeinen aus einem Eingusstümpel (oder Eingusstrichter) (1), dem vertikal angeordneten Eingusskanal (2), dem horizontalen Gießlauf (3), den Anschnitten (4) und dem Formhohlraum (5) des herzustellenden Gussteils.
• Die Anordnung zur Beeinflussung der Schmelzeströmung besteht aus einem Magnetsystem (6) zur Erzeugung des Magnetfeldes mit zugehöriger Steuereinheit (7) und optional einem Messgerät (8) zur Bestimmung des Massenstromes der Metallschmelze. Dieses Gerät kann beispielsweise als induktiver Durchflussmesser (S. Eckert, G. Gerbeth, T. Gundrum, F. Stefani: Velocity measurements in metallic melts, 2005 AMSE Fluids Engineering Division Summer Meeting, Houston, TX, 2005, FEDSM2005-77089) ausgeführt sein. Die Polflächen des Magnetsystems (6) sind an der Gießform so zu positionieren, dass der Strömungsquerschnitt vollständig vom Magnetfeld durchdrungen wird und die Feldlinien vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind. Es ist vorteilhaft, das Magnetsystem an einer Stelle anzuordnen, wo die Metallschmelze beim Einströmen in die Gießform den Maximalwert der Geschwindigkeit erreichen wird. Beim Feingießen beispielsweise ist dies das Ende des vertikal angeordneten Eingusskanals (2) bevor die Strömung in den horizontalen Gießlauf (3) umgelenkt wird.
• Insbesondere beim Vergießen von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist eine unkontrollierte Formfüllung problembehaftet. Beim Schwerkraftgießen treten am Beginn der Formfüllung sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten auf, die zu starken Verwirbelungen der Schmelze und Instabilitäten der Oberflächenschicht führen. Ein ständiges Aufreißen der Oxidschicht an der Schmelzoberfläche vergrößert die Kontaktfläche zwischen Al-Schmelze und der Umgebung signifikant und führt damit zu einer verstärkten Oxidation des Flüssigmetalls. Die sich bildenden Oxidhäute werden durch die turbulente Strömung von der Oberfläche ins Innere der Schmelze transportiert. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass sich speziell in der Umgebung der Strömungsfront oder an den Kanalwänden Gasblasen bilden. Verbleiben Gasblasen oder Oxideinschlüsse während der Erstarrung im Gussteil, hat dies eine signifikante Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften zur Folge.
• Beim steigenden Giessen in Formen unter Schwerkraft resultiert die Einströmgeschwindigkeit aus dem Höhenunterschied der Schmelze im vertikalen Eingusskanal und dem Gussteil. Demzufolge erreicht die Strömungsgeschwindigkeit am Beginn des Gießens, bevor die Schmelze im Gussteil aufsteigt, den maximalen Zahlenwert, der sich im Laufe des Prozesses mit zunehmendem Füllstand reduziert. Da die Gießformen in der Regel höher sind als für das Erreichen der gewünschten, maximalen Geschwindigkeit erforderlich, sind zeitabhängige Maßnahmen zur Beruhigung der Strömung während der Formfüllung notwendig.
• Aus Experimenten zur Untersuchung der Strömung während der Formfüllung ist bekannt, dass in der Anfangsphase des Füllvorganges sehr hohe Spitzenwerte sowie ausgeprägte Schwankungen der Geschwindigkeit auftreten, verbunden mit starken Verwirbelungen der Schmelze sowie einer fontänenhaften Ausbildung der freien Oberfläche der Schmelze. Die Anwendung eines statischen Magnetfeldes ausreichender Stärke bremst die Strömung deutlich ab, reduziert turbulente Schwankungen der Geschwindigkeit und bewirkt ein beruhigtes Einströmen der Schmelze durch die Anschnitte (4) in den Formhohlraum (5). Die Ausschussstatistik entsprechender Gießversuche zeigt unter Einwirkung eines Magnetfeldes eine deutliche Verringerung der Anzahl von Gussfehlern, die auf das Vorhandensein von Gaseinschlüssen und Oxidhäuten in den Gussteilen zurückzuführen sind.
• Die in die Gießform einströmende Metallschmelze weist am Beginn der Formfüllung die größten Geschwindigkeiten auf. Mit der stetigen Abnahme der Höhendifferenz der Flüssigkeitsniveaus zwischen vertikalem Eingusskanal (2) und Formhohlraum (5) verringert sich damit auch im Verlauf des Prozesses die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze und erreicht zu einer bestimmten Zeit, die von der Gestalt und den geometrischen Abmessungen der Gießform abhängt, hinreichend kleine Werte, bei denen eine zusätzliche Bremsung der Strömung nicht länger erforderlich ist. In dieser Phase liefert die Anwendung eines Magnetfeldes keine weitere Verbesserung der Gussteilqualität mehr. Außerdem besteht der Wunsch, die Dauer der Formfüllung zu begrenzen, damit die abgegossene Form weiteren technologischen Prozessschritten, beispielsweise Verfahren zur kontrollierten Erstarrung, zugeführt werden kann, rechtzeitig bevor die Erstarrung der Metallschmelze einsetzt.
• Um die Gießzeit nicht unnötig zu verlängern und einen überflüssigen Verbrauch an elektrischer Energie zur Erzeugung des Magnetfeldes zu vermeiden, ist es sinnvoll, die Wirkungsdauer des Magnetfeldes auf die Anfangsphase der Formfüllung zu begrenzen. Ein abruptes Abschalten des Magnetfeldes bei laufender Formfüllung ist problematisch, da es in diesem Fall je nach Zeitpunkt der Abschaltung zu einer unkontrollierten Beschleunigung der Schmelze kommt, als deren Folge Verunreinigungen und Gasbläschen, die sich an den inneren Wänden der Gießform abgesetzt haben, mitgerissen und in das Innere des Gussteils transportiert werden können. Durchgeführte Gießexperimente belegen eine Zunahme von Gussfehlern, die auf ein abruptes Abschalten des Magnetfeldes zurückzuführen sind.
• Ausgehend von dieser Sachlage wird folgende Vorgehensweise beim Bremsen der Schmelzeströmung mittels statischem Magnetfeld vorgeschlagen: In der Anfangsphase der Formfüllung wird die in die Gießform einströmende Schmelze vom Zeitpunkt t₀ (Zeitpunkt, zu welchem mit dem Einfüllen der Schmelze in den Gießtümpel begonnen wird) bis zu einem Zeitpunkt t₁ mit einem Magnetfeld konstanter Amplitude B₀ beaufschlagt. Es ist vorteilhaft, den Zeitpunkt t₁ so zu wählen, dass die Schmelzefront bereits den Formhohlraum (5) erreicht hat und an dieser Stelle auf einen vergrößerten Strömungsquerschnitt trifft. Nach Erreichen von t₁ ist die Amplitude des Magnetfeldes in kontrollierter Weise langsam zu reduzieren. Dies geschieht vorzugsweise in Form einer linearen Rampe bis zum Zeitpunkt t₂, an dem das Magnetfeld den Wert Null erreicht. Die Stärke des Magnetfeldes B₀ und die Dauer der Rampe (t₂ – t₁) sind der Beschaffenheit der jeweiligen Gießform anzupassen. Die Nutzung des Messgerätes (8) zur Bestimmung des Massenstroms der Metallschmelze während der Formfüllung kann die notwendigen Messdaten liefern, um die Stärke des Magnetfeldes B₀, den Zeitpunkt t₁ und die Dauer der Rampe (t₂ – t₁) für eine gegebene Gießform festzulegen. In einer Vielzahl von Fällen ist es aber auch ausreichend, die für die Steuerung der Magnetfeldstärke notwendigen Informationen aus überschlägigen Berechnungen zu gewinnen.
• Der anfängliche Plateauwert B₀ des statischen Magnetfeldes ergibt sich wie folgt aus den Materialeigenschaften der Schmelze und der Geometrie des Eingusskanals. Als Materialeigenschaften gehen die Dichte ρ, die elektrische Leitfähigkeit σ und die dynamische Viskosität η ein. Die Geometrie des Eingusskanals geht mit seinem mittleren hydraulischen Durchmesser d_h ein, der sich z.B. bei einem rechteckigen Kanal der Seitenlängen a und b als d_h = 2ab/(a + b) ergibt. Die Bremswirkung des Magnetfeldes auf die mit einer typischen mittleren Geschwindigkeit U einströmende Metallschmelze erfordert eine anfängliche Amplitude B₀, die mindestens die beiden Werte B₁ = 10/d_h·(η/σ)^½ und B₂ = (ρU/10σd_h)^½ übersteigt. Für den Feinguss von Aluminium-Legierungen und typische Eingusskanäle der Abmessungen 5 × 30 mm² sollte der Wert von B₀ im Bereich von 0.5 bis 1.0 Tesla liegen. Es ist unerheblich, ob das Magnetfeld durch eine Anordnung von stromdurchflossenen Spulen oder Permanentmagneten erzielt wird. Die zeitliche Regelung kann bei ersteren durch Regelung des Stromes, bei den Permanentmagneten durch ein mechanisches Wegklappen oder Wegfahren erfolgen. Auch der Einsatz von supraleitenden Magneten kann erforderlich sein, wenn die Bedingungen B₀ > B₁ und B₀ > B₂ dies erfordern.
• Es wurden insgesamt 216 Teile eines Gehäusegussteils (für den Flugzeugbau) in der Legierung AlSi7Mg lt. Werkstoffleistungsblatt 3.2384.6 gegossen. Davon wurden 144 Teile unter Magnetfeldeinfluss hergestellt. Das Magnetfeld war stets im Bereich der Umlenkung von vertikalem zu horizontalem Gießlauf angebracht. An allen Gussteilen wurde eine Rissprüfung durchgeführt. Diese Bewertung ergab, dass sowohl mit einem permanent anliegenden Magnetfeld als auch mit einem zeitlich begrenztem Magnetfeldeinsatz mit anschließender Reduktion der Feldstärke in Form eines stetigen, linearen Absenkens die Anzahl der mit Gussfehlern behafteten Teile im Vergleich zum Gießen ohne Magnetfeld um mehr als den Faktor 10 reduziert werden kann. Wird das Magnetfeld während des Gießens nicht stetig verringert sondern abrupt abgeschaltet, tritt etwa die doppelte Anzahl fehlerhafter Teile auf, als beim Gießen mit permanent eingeschaltetem Magnetfeld.

Claims (6)

1. Verfahren zur kontrollierten Formfüllung beim Gießen metallischer Werkstoffe und zur Beeinflussung der Geschwindigkeit einer in eine Form einströmenden, flüssigen Metallschmelze beim steigenden Gießen unter Schwerkrafteinfluss, insbesondere beim Feingießen von Nichteisenmetallen, unter Verwendung eines statischen Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Induktion B₀ des angelegten Magnetfeldes anfangs mindestens die beiden Werte B₁ = 10/d_h·(η/σ)^½ und B₂ = (ρU/10σd_h)^½ übersteigt, wobei ρ die Dichte, σ die elektrische Leitfähigkeit und η die dynamische Viskosität der Metallschmelze, sowie d_h den mittleren hydraulischen Durchmesser des Eingusskanals und U die mittlere Einströmgeschwindigkeit der Schmelze bezeichnen, dieser Anfangswert B₀ bis zu einem Zeitpunkt t₁ konstant bleibt, wobei t₁ vorzugsweise so zu wählen ist, dass die Schmelzefront bereits den Formhohlraum erreicht hat, und ab dem Zeitpunkt t₁ die Stärke des Magnetfeldes auf den Wert Null geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld am unteren Ende des vertikalen Eingusskanals vor der Umlenkung in den horizontalen Gießlauf die einströmende Schmelze wirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld senkrecht zur einströmenden Metallschmelze ausgerichtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze im Bereich des Magnetfeldes in einem flachen Rechteckkanal geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Magnetfeldstärke vom Maximalwert auf Null in Form eines stetigen, linearen Absenkens ausgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter zur Steuerung der Magnetfeldstärke, im einzelnen die Feldstärke B₀, der Zeitpunkt t₁ des Beginns der Rückregelung der Feldstärke sowie die Dauer (t₂ – t₁) und die Art der Rampe, aus dem gemessenen Volumenstrom der Metallschmelze derart bestimmt werden, dass die mittlere Geschwindigkeit U der Schmelze zu jedem Zeitpunkt des Gussprozesses den Wert U_max = 10000η/ρd_h nicht übersteigt.