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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Metallgießen und insbesondere Zufuhrsysteme und Verfahren für halbfeste Metallgussteile (SSM-Gussteile).
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein halbfester Metallguss (SSM-Guss, von semi-solid metal casting), auch bekannt als halbfestes Formen, ist ein Hybrid-Herstellungsverfahren, das Elemente sowohl des Gießens als auch des Schmiedens beinhaltet. Ein halbfester Metallguss (SSM-Guss) ist eine endformgetreue Variante eines Formgusses. Der Formguss ist eine populäre Metallformungstechnik, um Metall- oder Metalllegierungsteile zu formen. Der Formguss findet bei diversen Technologien breite Anwendung, wie beispielsweise bei Kraftfahrzeugteilen, Flugzeugteilen, Spielzeugen, Gebrauchsgegenständen und dergleichen. In dem typischen Formgussprozess wird ein geschmolzenes Metall oder eine geschmolzene Metalllegierung unter hohem Druck in einen Formhohlraum gedrückt.
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Anders als ein typischer Formguss dient der SSM-Prozess dazu, Rohmaterialien mit nicht-dendritischer Mikrostruktur im halbfesten Zustand einzuleiten. SSM wird bei einer Temperatur ausgeführt, die das Metall zwischen dessen Liquidus- und Solidus-Temperatur bringt. Idealerweise sollte das Metall zu 30 bis 65% fest sein. Das Metall muss eine geringe Viskosität aufweisen, um verwendbar zu sein, und um diese geringe Viskosität zu erreichen, benötigt das Material ein kugelförmiges Primärprodukt, das mit einer flüssigen Phase umgeben ist. Der mögliche Temperaturbereich hängt von dem Material ab und beträgt für Aluminiumlegierungen 5–10°C, er kann jedoch für Kupferlegierungen mit engem Schmelzbereich nur mehrere Zehntel eines Grades betragen.
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Der halbfeste Metallguss (SSM-Guss) wird typischerweise für Hochleistungs-Gussteile mit nicht-eisenhaltigen Metallen verwendet, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer und Magnesium. Für Aluminiumlegierungen umfassen typische Teile Motor-Aufhängungsbefestigungen, eine Ausrüstung für einen Luftkrümmersensor, Motorblöcke und Ölpumpen-Filtergehäuse.
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Bei dem SSM-Prozess wird das Metall üblicherweise zur Einführung in eine Formgussmaschine vorbereitet, indem ein Metall- oder Metalllegierungsblock in vordefinierte Längen und Breiten geschnitten wird. Das Rohmaterial wird anschließend in den halbfesten Zustand aufgeheizt und in die Gussmaschine eingeführt. Da das Material typischerweise in der Umgebung aufgeheizt wird, bevor es in der Gussmaschine angeordnet wird, ist das Metall (bzw. die Metalloberfläche) einer Sauerstoffverunreinigung ausgesetzt, wobei sich oft eine Oxidschicht an den Metallabschnitten bildet. Eine solche Verunreinigung kann die Qualität der Teile herabsetzen, die geformt werden, was zu Leistungsproblemen führt.
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Aus der
DE 199 26 653 A1 sind ein Zuführungssystem für eine halbfeste Metalllegierung und ein Verfahren bekannt, das ein solches verwendet. Die halbfeste Metalllegierung in der Form von Bolzen, Stangen oder Slugs wird außerhalb einer Zuführungskammer auf eine entsprechende Größe gebracht. Mittels der Zuführungskammer bzw. einer Zuführungsvorrichtung wird die halbfeste Metalllegierung einer Gießkammer zugeführt, wobei Sauerstoff aus der Zuführungskammer und der Gießkammer entfernt wird.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte halbfeste Metallgüsse mit hoher Qualität zu schaffen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Zuführungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Die vorliegende Erfindung löst eines oder mehrere Probleme des Standes der Technik, indem bei zumindest einer Ausführungsform ein Zuführungssystem für einen halbfesten Metallguss geschaffen wird. Das Zuführungssystem umfasst eine erste Kammer zum Aufnehmen eines Metalllegierungsblocks. Die erste Kammer weist Heizeinrichtungen und ein Schneidsystem auf. Der Metalllegierungsblock wird durch die Heizeinrichtungen aufgeheizt und durch das Schneidsystem in vorbestimmte Längen geschnitten, um halbfeste Metalllegierungsabschnitte zu bilden. Das Zuführungssystem umfasst auch eine zweite Kammer, die mit der ersten Kammer durch einen Durchgang verbunden ist, um die halbfesten Metalllegierungsabschnitte aufzunehmen. Die zweite Kammer weist eine Tür, die den Durchgang öffnet und schließt, und ein Kolbensystem auf, das die halbfesten Metallabschnitte in eine Formgussmaschine einführt. Ein Atmosphären-Steuersystem steht mit der ersten Kammer und der zweiten Kammer in Fluidverbindung. Das Atmosphären-Steuersystem entfernt Sauerstoff aus dem Zuführungssystem.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Zuführungssystem für einen halbfesten Metallguss geschaffen. Das Zuführungssystem umfasst eine erste Kammer zum Aufnehmen eines Metalllegierungsblocks. Die erste Kammer weist auch Heizeinrichtungen und ein Schneidsystem auf. Der Metalllegierungsblock wird durch die Heizeinrichtungen aufgeheizt und durch das Schneidsystem in vorbestimmte Längen geschnitten, um halbfeste Metallabschnitte zu bilden. Eine zweite Kammer ist durch einen Durchgang mit der ersten Kammer verbunden. Die zweite Kammer weist eine Tür, die den Durchgang öffnet und schließt, und ein Kolbensystem auf, das die halbfesten Metallabschnitte in eine Formgussmaschine einführt. Ein Gasspülsystem steht mit der ersten Kammer und der zweiten Kammer in Fluidverbindung und liefert einen Überdruck eines reaktionsträgen Gases an diese.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Zuführen eines Metalllegierungsblocks in eine Formgussmaschine unter Verwendung der Zuführungssysteme geschaffen, die vorstehend beschrieben sind. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Einführens des Legierungsblocks in eine erste Kammer, die Heizeinrichtungen und ein Schneidsystem aufweist. Der Legierungsblock wird in einer ersten Kammer unter einer im Wesentlichen sauerstofffreien Umgebung auf eine Temperatur aufgeheizt, bei welcher sich der Legierungsblock im halbfesten Zustand befindet. Der Legierungsblock wird anschließend in der ersten Kammer in halbfeste Metalllegierungsabschnitte mit einer vorbestimmten Länge geschnitten. Die halbfesten Metalllegierungsabschnitte werden in eine zweite Kammer durch einen Durchgang zwischen der ersten und der zweiten Kammer eingeführt. Die zweite Kammer weist eine Tür, die den Durchgang öffnet und schließt, und ein Kolbensystem auf. Die halbfesten Metalllegierungsabschnitte werden durch das Kolbensystem in die Formgussmaschine eingeführt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen vollständiger verständlich werden, wobei:
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1 eine schematische Darstellung eines Zuführungssystems zum Zuführen eines halbfesten Metalls oder einer halbfesten Metalllegierung in eine Formgussmaschine liefert; und
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2A, 2B und 2C schematische Flussdiagramme eines Verfahrens zum Zuführen einer halbfesten Metalllegierung in eine Formgussmaschine unter Verwendung des Systems von 1 liefern.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nun wird im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, welche die besten Weisen zum Ausüben der Erfindung darstellen, welche den Erfindern derzeit bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise skaliert. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele der Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Daher sollen spezielle Details, die hierin offenbart sind, nicht als Einschränkung, sondern lediglich als eine repräsentative Basis für einen beliebigen Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis für eine Lehre für den Fachmann interpretiert werden, um die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise zu verwenden.
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Außer in den Beispielen, oder wo es ansonsten ausdrücklich angegeben ist, sollen alle numerischen Größen in dieser Beschreibung, die Mengen eines Materials oder Zustände einer Reaktion und/oder einer Verwendung angeben, derart verstanden werden, dass sie durch das Wort ”ungefähr” bei der Beschreibung des breitesten Umfangs der Erfindung modifiziert sind. Eine Ausübung innerhalb der numerischen Grenzen wird im Allgemeinen als bevorzugt bezeichnet. Wenn das Gegenteil nicht ausdrücklich angegeben ist, sind ebenso ein Prozentanteil, ”Teile von” und Verhältniswerte bezüglich des Gewichts zu verstehen; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als geeignet oder bevorzugt für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung impliziert, das Gemische von beliebigen zwei oder mehr der Elemente der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die Beschreibung von Bestandteilen in chemischen Ausdrücken bezieht sich auf die Bestandteile zu der Zeit des Hinzufügens zu einer beliebigen Kombination, die in der Beschreibung spezifiziert ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Reaktionen unter den Bestandteilen eines Gemischs aus, sobald diese gemischt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt hierin für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt mutatis mutandis für alle grammatikalischen Varianten der anfänglich definierten Abkürzung; und ein Messwert einer Eigenschaft wird dann, wenn das Gegenteil nicht ausdrücklich angegeben ist, durch dieselbe Technik ermittelt, auf die zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft Bezug genommen wird.
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Es versteht sich auch, dass diese Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die nachstehend beschrieben sind, da spezielle Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Darüber hinaus dient die hierin verwendete Terminologie nur zu dem Zweck, spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, und soll diese nicht auf irgendeine Weise einschränken.
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Es muss auch angemerkt werden, dass die Einzahlformen ”ein”, ”eine” und ”der”, ”die” bzw. ”das”, wie sie in der Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, Bezugnahmen auf die Mehrzahl umfassen, wenn der Zusammenhang nicht klar etwas anderes angibt. Beispielsweise soll eine Bezugnahme auf eine Komponente in der Einzahl mehrere Komponenten umfassen.
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Überall in dieser Anmeldung, wo auf Veröffentlichungen Bezug genommen wird, sind die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen in ihren Gesamtheiten hierdurch durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingebunden, um den Stand der Technik vollständiger zu beschreiben, der diese Erfindung betrifft.
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Der Ausdruck ”Block”, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf einen Rohmetallbestand, wie beispielsweise ein Stangenmaterial. Daher ist ein Metalllegierungsblock ein Metalllegierungs-Stangenmaterial.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird eine schematische Darstellung eines Zuführungssystems zum Zuführen von halbfestem Metall oder einer halbfesten Metalllegierung in eine Formgussmaschine geliefert. Das Zuführungssystem 10 leitet einen Metalllegierungsblock in eine Formgussmaschine 12 ein. Das Zuführungssystem 10 umfasst eine erste Kammer 14, die einen Metalllegierungsblock 16 in einem Aufnahmeabschnitt 18 aufnimmt. Bei einer Verfeinerung wird die Metalllegierung 16 manuell in die erste Kammer 14 eingeführt. Bei einer anderen Verfeinerung wird der Metalllegierungsblock 16 durch ein motorisiertes Antriebssystem 20 an die erste Kammer 14 geliefert. Die erste Kammer 14 weist auch Heizeinrichtungen 22 und ein Schneidsystem 24 auf. Der Metalllegierungsblock 16 wird durch die Heizeinrichtungen 22 auf eine ausreichende Temperatur aufgeheizt, so dass der Block halbfest wird. Der Metalllegierungsblock 16 wird durch das Schneidsystem 24 in vorbestimmte Längen geschnitten, um halbfeste Metalllegierungsabschnitte zu bilden. Die Längen, die geschnitten werden, werden derart ausgewählt, dass ausreichendes Material für ein Teil bereitgestellt wird, das in dem Formgusssystem 12 geformt werden soll. Die halbfesten Metalllegierungsabschnitte werden in den Übertragungsabschnitt der Kammer 14 aufgenommen. Das Zuführungssystem 10 umfasst auch eine zweite Kammer 28, die mit der ersten Kammer 14 durch einen Durchgang 30 verbunden ist. Die zweite Kammer 28 weist eine Tür 32 auf, die den Durchgang 30 öffnet und schließt. Die zweite Kammer 28 weist auch ein Kolbensystem 36 auf, das die halbfesten Metallabschnitte in die Formgussmaschine 12 einführt.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 1 steht ein Atmosphären-Steuersystem 40 in Fluidverbindung mit der ersten Kammer 14 und der zweiten Kammer 28. Das Atmosphären-Steuersystem 40 entfernt Sauerstoff aus dem Zuführungssystem. Bei einer Verfeinerung ist das Atmosphären-Steuersystem 40 ein Spülsystem mit reaktionsträgem Gas, das ein reaktionsträges Gas über eine Einlassöffnung 42 in die erste Kammer einleitet. Typischerweise wird das reaktionsträge Gas anschließend über den Durchgang 30 in die zweite Kammer eingeleitet. Beispiele geeigneter reaktionsträger Gase umfassen Stickstoff, Helium, Argon und dergleichen. Bei einer anderen Verfeinerung ist das Atmosphären-Steuersystem 40 ein Vakuumsystem, das Sauerstoff ausschließt, indem das Zuführungssystem 10 bei einem verringerten Druck gehalten wird. Ein optionaler Controller 41 kann verwendet werden, um sowohl die Heizeinrichtungen als auch das Atmosphären-Steuersystem 40 zu steuern.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 1 umfasst das Kolbensystem 36 einen Kolben 44, der die halbfesten Metallabschnitte in die Formgussmaschine 12 schiebt. Der Kolben 36 ist in einer ersten Position P1 derart positionierbar, dass die zweite Kammer den halbgeschmolzenen Metallabschnitt aufnimmt, sowie in einer zweiten Position P2, in welcher die Tür 32 geschlossen ist. Bei der speziellen Variante, die in 1 dargestellt ist, umfasst das Kolbensystem 36 ferner eine Ummantelung 46, die als die Tür 32 arbeitet, indem sie mit dem Kolben 44 bewegt wird. Bei dieser Variante blockiert ein Abschnitt 48 der Ummantelung 46 den Durchgang 30, wenn sich der Kolben 42 in der Position P2 befindet, während dann, wenn sich dieser in der Position P1 befindet, der Durchgang 30 offen ist. Bei einer Verfeinerung umfasst das Kolbensystem 36 ferner ein Vorspannelement, wie beispielsweise eine Feder 50, welches die Ummantelung berührt und derart wirkt, dass eine Vorspannungskraft geliefert wird, die auf die Ummantelung 46 wirkt und diese in Richtung der Formgussmaschine 12 bewegt. Bei einer Verfeinerung umfasst das Kolbensystem 30 ferner ein Hydrauliksystem 52, um den Kolben zwischen den Positionen P1 und P2 zu bewegen.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 2A–C wird ein Verfahren zum Zuführen einer Metalllegierung in eine Formgussmaschine geschaffen. Die 2A–C liefern ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens. Das Zuführungssystem 10 nimmt einen Legierungsblock 16 in die erste Kammer 14 auf, wie es in Schritt a) dargelegt ist. Insbesondere wird der Legierungsblock 16 in den Aufnahmeabschnitt 18 aufgenommen. Wie vorstehend dargelegt ist, weist die erste Kammer 12 Heizeinrichtungen 22 und ein Schneidsystem 24 auf. Bei Schritt b) wird der Legierungsblock 16 in der ersten Kammer 16 unter einer im Wesentlichen sauerstofffreien Umgebung auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der sich der Legierungsblock 16 in einem halbfesten Zustand befindet, was durch das Bezugszeichen 16' in 2A angegeben ist. Sauerstoff wird durch das Atmosphären-Steuersystem entweder durch ein Spülen mit einem reaktionsträgen Gas oder dadurch ausgeschlossen, dass die erste Kammer 14 unter einem Vakuum gehalten wird. Bei Schritt c) wird der Legierungsblock 16 in der ersten Kammer 14 in halbfeste Metalllegierungsabschnitte 56 mit einer vorbestimmten Länge geschnitten. Bei Schritt d) werden die halbfesten Metalllegierungsabschnitte 56 durch den Durchgang 30 zwischen der ersten und der zweiten Kammer in die zweite Kammer 28 eingeführt (z. B. zu dieser transportiert). Es ist einzusehen, dass der Kolben 44 derart bei der Position P1 positioniert ist, dass der Durchgang 30 offen ist und einer der halbfesten Metalllegierungsabschnitte 56 in die zweite Kammer 28 eintreten kann. Bei Schritt e) wird der Kolben 44 in die Position P2 bewegt, was bewirkt, dass der Abschnitt 48 der Ummantelung 46 den Durchgang 30 blockiert. Bei Schritt f) wird der Kolben 44 weiter derart entlang einer Richtung d1 bewegt, dass einer der halbfesten Metalllegierungsabschnitte 56 in die Formgussmaschine 12 eingeführt wird. Bei Schritt g) kehrt der Kolben 30 zu der Position P1 zurück, so dass ein weiterer halbfester Metalllegierungsabschnitt zu der zweiten Kammer 28 transportiert werden kann.
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Wie vorstehend dargelegt ist, werden die Varianten und Ausführungsformen des Zuführungssystems und das dazugehörende Verfahren verwendet, um Legierungen in ein Formgusssystem einzuführen. Bei einer Verfeinerung umfassen die Metalllegierungsblöcke eine Legierung mit einem Erstarrungsbereich (zwischen Liquidus und Solidus). Das Vorhandensein eines Erstarrungsbereichs bedeutet typischerweise, dass die reine flüssige Phase und die reine feste Phase nicht gleichzeitig innerhalb dieses Bereiches existieren. Bei einer weiteren Verfeinerung reicht der Erstarrungsbereich von ungefähr 5 bis ungefähr 100 Grad C, was von den Legierungszusammensetzungen abhängt. Bei einer anderen Verfeinerung umfasst der Metalllegierungsblock eine Aluminiumlegierung. Solche Aluminiumlegierungen umfassen typischerweise Aluminium und eine Komponente, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium, Zink und Kombinationen von diesen besteht. Bei solchen Aluminiumlegierungen reicht die Menge an Aluminium von ungefähr 80 Gewichtsprozent bis ungefähr 99,95 Gewichtsprozent, und die Menge der anderen Legierungselemente reicht von ungefähr 0,05 bis ungefähr 20 Gewichtsprozent. Bei vielen Aluminiumlegierungen ist die Menge an Aluminium geringer als ungefähr 99 Gewichtsprozent. Viele gegossene Aluminiumlegierungen sind hypoeutektische Legierungen mit einer dendritischen Aluminiumphase, die sich während der Verfestigung zuerst bildet. Beispielsweise umfasst ein Typ einer verwendbaren Aluminiumlegierung Aluminium und Silizium. Bei solchen Legierungen reicht die Menge an Silizium üblicherweise von ungefähr 4 bis 14 Gewichtsprozent, wobei der Rest aus Aluminium (86 bis 96 Gewichtsprozent) oder aus Aluminium plus anderen Legierungselementen (0,05 bis 20 Gewichtsprozent) wie vorstehend besteht. Bei einer anderen Verfeinerung umfasst der Legierungsblock eine Komponente, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesiumlegierungen, Zinnlegierungen, Zinklegierungen und Kupferlegierungen besteht.
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Obgleich Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Stattdessen sind die Begriffe, die in der Beschreibung verwendet werden, Begriffe zur Erläuterung anstatt zur Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
