DE102021111538A1

DE102021111538A1 - Gießvorrichtung und Verfahren zum Gießen

Info

Publication number: DE102021111538A1
Application number: DE102021111538.8A
Authority: DE
Inventors: Tammo Koch; Lothar Kallien; Florian Mäuser; Marcel Op de Laak; Marcel Becker
Original assignee: Nemak SAB de CV
Current assignee: Nemak SAB de CV
Priority date: 2021-05-04
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2022-11-10
Also published as: WO2022234378A1

Abstract

Eine erfindungsgemäße Gießvorrichtung zum Erzeugen eines Gussteils, in das mindestens ein Hohlraum eingeformt ist, umfasst eine Gießform, die mit Innenflächen (11) eine die Außenkontur des Gussteils abbildende Hauptkavität (4) umgrenzt, einen Anschluss zum Befüllen der Hauptkavität (4) mit Leichtmetallschmelze, einen Gasanschluss (5) zum Injizieren eines Druckgasstroms in die in die Hauptkavität (4) gefüllte Schmelze, eine in ein Gehäuse (6) eingeformte Nebenkavität (8) zum Aufnehmen der von dem Druckgasstrom aus der Hauptkavität (4) verdrängten Schmelze, einen in dem Gehäuse (6) ausgebildeten Verbindungskanal (7), der die Hauptkavität (4) und die Nebenkavität (8) verbindet, und einen Sperrschieber (9), der den Verbindungskanal (7) in Abhängigkeit von Steuersignalen öffnet oder schließt. Um das Abströmen der aus der Hauptkavität (4) auszutreibenden Leichtmetallschmelze durch den Verbindungskanal in die Nebenkavität (8) sicher zu gewährleisten, schlägt die Erfindung vor, dass eine den Verbindungskanal (7) mindestens abschnittsweise umgebende Zone (Z) und / oder der Sperrschieber (9) dazu eingerichtet sind, im Gebrauch eine gegenüber der Temperatur der die Hauptkavität (4) umgrenzenden Innenflächen (11) der Gießform erhöhte Temperatur aufzuweisen, so dass nach dem Befüllen der Hauptkavität (4) im Verbindungskanal (7) an dem Sperrschieber (9) anstehende Leichtmetallschmelze langsamer erstarrt als die Leichtmetallschmelze, die mit den die Hauptkavität (4) begrenzenden Innenflächen (11) der Gießform in Kontakt kommt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung zum Erzeugen eines Gussteils, in das mindestens ein Hohlraum eingeformt ist.
Eine solche beispielsweiße im Artikel „MAGiT*: Gasinjektionstechnologie auf dem Weg in die industrielle Anwendung im Druckguss“, erschienen in „GIESSEREI SPECIAL“ (2017), Heft 2, Seiten 58 - 65, Giesserei-Verlag GmbH, Düsseldorf, vorgestellte Druckgießvorrichtung umfasst eine Gießform, die mit Innenflächen eine die Außenkontur des Gussteils abbildenden Hauptkavität umgrenzt, einen Anschluss zum Befüllen der Hauptkavität mit einer Leichtmetallschmelze, einen Gasanschluss zum Injizieren eines Druckgasstroms in die in im Gebrauch in die Hauptkavität der Gießform gefüllte Schmelze, eine in ein Gehäuse eingeformte Nebenkavität zum Aufnehmen der im Gebrauch von dem Druckgasstrom aus der Hauptkavität verdrängten Schmelze, einen in einem Gehäuse ausgebildeten Verbindungskanal, der die Hauptkavität und die Nebenkavität verbindet, und einen Sperrschieber umfasst, der dazu eingerichtet ist, den Verbindungskanal in Abhängigkeit von Steuersignalen zu öffnen oder zu schließen.
Das einer solchen Gießvorrichtung zu Grunde liegende Funktionsprinzip ist in der WO 2005/097378 A2 beschrieben. Wie dort erläutert, kann ein Gussteil, das mit einem Hohlraum versehen ist, durch ein Gießverfahren erzeugt werden, bei dem eine Leichtmetallschmelze in eine Hauptkavität einer Gießform gefüllt wird, bei der die Hauptkavität mit einer Nebenkavität über einen Verbindungskanal verbunden ist, der während des Befüllens der Hauptkavität mittels eines in Schließstellung befindlichen Sperrschiebers geschlossen ist. Die in die Hauptkavität gefüllte Leichtmetallschmelze erstarrt bei Kontakt mit den die Hauptkavität umgrenzenden Innenflächen der Gießform, so dass sich eine feste Schale bildet, die noch schmelzflüssige Leichtmetallschmelze umgibt. Nach einer für diesen Erstarrungsvorgang ausreichenden Dauer wird ein Druckgasstrom in die in die Hauptkavität gefüllte Leichtmetallschmelze injiziert. Dabei verbleibt der Sperrschieber zunächst in seiner Schließstellung, in der er den Verbindungskanal versperrt. Diese Schließstellung wird beibehalten, bis der durch den Druckgasstrom auf die noch schmelzflüssige Leichtmetallschmelze in der Hauptkavität ausgeübte Druck einen Grenzdruck erreicht. Ist dies eingetreten, so wird der Verbindungskanal geöffnet, indem der Sperrschieber in eine Öffnungsstellung bewegt wird, so dass die noch schmelzflüssige Leichtmetallschmelze durch den Verbindungskanal aus der Hauptkavität in die Nebenkavität strömt. Die so mittels des Druckgases aus der Hauptkavität getriebene Leichtmetallschmelze hinterlässt ein hohles Gussteil, das durch den Teil der in die Hauptkavität gefüllte Leichtmetallschmelze gebildet ist, der an den die Hauptkavität begrenzenden Innenflächen der Gießform erstarrt ist.
Die Gießformen von Gießeinrichtungen der hier in Rede stehenden Art bestehen typischerweise aus handelsüblichen warmfesten und für Druckgussanwendungen konzipierten Stählen mit ausreichend hoher Verschleißfestigkeit. Ein Beispiel für einen solchen Stahl ist der unter der Werkstoffnummer 1.2343 genormte Warmarbeitsstahl, der bei 20 °C eine Wärmeleitfähigkeit von 25,3 W/(m * K), bei 350 °C eine Wärmeleitfähigkeit von 27,6 W/(m * K) und bei 700 °C eine Wärmeleitfähigkeit von 30,5 W/(m * K) besitzt.
Mit dem bekannten Verfahren können Hohlräume in Gussteilen insbesondere im Druckgießverfahren aus Leichtmetallschmelzen, wie Schmelzen, deren Hauptbestandteil Aluminium ist, hergestellt werden. Allerdings besteht eine große Herausforderung hierbei darin, dass die Zeit, die nach dem Befüllen der Hauptkavität für das Austreiben der noch schmelzflüssigen, nicht erstarrten Leichtmetallschmelze verbleibt, extrem kurz ist. So sind typischerweise beim Druckvergießen von Aluminiumschmelzen schon nach 1,5 s die flüssigen Bereiche, die ausgeblasen werden sollen, um den jeweiligen Hohlraum im Gussteil zu erzeugen, aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Schmelze soweit erstarrt, dass sie nicht mehr ausreichend fließfähig sind. Hier unterscheidet sich die mittels der voranstehend erläuterten Vorgehensweise durchgeführte Erzeugung von Gussteilen aus Leichtmetallschmelze grundsätzlich von der Erzeugung von hohlen Kunststoffteilen durch die Gasinjektionstechnobgie. Aufgrund der typischerweise mindestens fünfmal langsamer ablaufenden Erstarrung steht bei der Verarbeitung von Kunststoffen wesentlich mehr Zeit für den Druckaufbau und das Ausblasen des noch fließfähigen Kunststoffs zur Verfügung. Dagegen muss bei der Gussteilherstellung, bei der ein Hohlraum im Gussteil durch Druckgasinjektion erzeugt wird, das Austreiben der nicht erstarrten Leichtmetallschmelze innerhalb von 100 - 800 Millisekunden abgeschlossen sein, während beim konventionellen Kunststoffdruckguss hierzu 1 bis 10 Sekunden zur Verfügung stehen.
Praktische Versuche haben gezeigt, dass ein besonderes Problem bei der Erzeugung von Gussteilen im Druckguss, bei denen durch Druckgasinjektion in der voranstehend erläuterten Weise ein Hohlraum erzeugt werden soll, im Bereich des Verbindungskanals entsteht, der die Hauptkavität mit der Nebenkavität verbindet, die die aus der Hauptkavität mittels des Druckgases ausgetriebene Leichtmetallschmelze aufnehmen soll. Hier kommt es immer wieder dazu, dass der Verbindungskanal durch erstarrte oder nicht mehr ausreichend fließfähige Leichtmetallschmelze verstopft wird. Die Anhäufung von erstarrtem oder nicht mehr fließfähigem Leichtmetall im Verbindungskanal wird dabei schnell so stark, dass der durch das Druckgas ausgeübte Druck nicht mehr ausreicht, diese Anhäufung zu durchbrechen.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Aufgabe gestellt, mit einfachen Mitteln eine Gießform, insbesondere eine Druckgießform, der eingangs angegebenen Art so zu ertüchtigen, dass ein Abströmen der noch schmelzflüssigen, aus der Hauptkavität auszutreibenden Leichtmetallschmelze durch den Verbindungskanal in die Nebenkavität sicher gewährleistet ist.
Die Erfindung hat diese Aufgabe durch eine Gießvorrichtung gelöst, die mindestens die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt.
Ebenso hat die Erfindung die voranstehend angegebene Aufgabe durch das in Anspruch 11 angegebene Verfahren gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Eine erfindungsgemäße Gießvorrichtung zum Erzeugen eines Gussteils, in das mindestens ein Hohlraum eingeformt ist, umfasst somit in Übereinstimmung mit dem eingangs erläuterten Stand der Technik eine Gießform, die mit Innenflächen eine die Außenkontur des Gussteils abbildenden Hauptkavität umgrenzt, einen Anschluss zum Befüllen der Hauptkavität mit einer Leichtmetallschmelze, einen Gasanschluss zum Injizieren eines Druckgasstroms in die im Gebrauch in die Hauptkavität der Gießform gefüllte Schmelze, eine in ein Gehäuse eingeformte Nebenkavität zum Aufnehmen der im Gebrauch von dem Druckgasstrom aus der Hauptkavität verdrängten Schmelze, einen in einem Gehäuse ausgebildeten Verbindungskanal, der die Hauptkavität und die Nebenkavität verbindet, und einen Sperrschieber umfasst, der dazu eingerichtet ist, den Verbindungskanal in Abhängigkeit von Steuersignalen zu öffnen oder zu schließen.
Erfindungsgemäß sind bei einer solchen Vorrichtung eine Zone, die den Verbindungskanal mindestens abschnittsweise umgibt, und/oder der Sperrschieber dazu eingerichtet, im Gebrauch eine gegenüber der Temperatur der die Hauptkavität umgrenzenden Innenflächen der Gießform erhöhte Temperatur aufzuweisen, so dass nach dem Befüllen der Hauptkavität im Verbindungskanal an dem Sperrschieber anstehende Leichtmetallschmelze langsamer erstarrt als die Schmelze, die mit den die Hauptkavität begrenzenden Innenflächen der Gießform in Kontakt kommt.
In entsprechender Weise werden bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen eines Gussteils durch Gießen, insbesondere durch Druckgießen, folgende Phasen a) bis d) durchlaufen:

a) Einfüllen einer, insbesondere druckbeaufschlagten, Leichtmetallschmelze in eine Hauptkavität einer Gießform, wobei die Hauptkavität mit einer Nebenkavität über einen Verbindungskanal verbunden ist, der während des Befüllens der Hauptkavität mittels eines in Schließstellung befindlichen Sperrschiebers geschlossen ist;
b) Erstarren der mit den die Hauptkavität umgrenzenden Innenflächen der Gießform in Kontakt kommende Leichtmetallschmelze;
c) Injizieren eines Druckgasstroms in die in die Hauptkavität gefüllte Leichtmetallschmelze, wobei der Sperrschieber in Schließstellung verbleibt, bis der durch den Druckgasstrom auf die noch schmelzflüssige Leichtmetallschmelze ausgeübte Druck einen Grenzdruck erreicht;

d) Öffnen des Verbindungskanals, wenn der Grenzdruck erreicht ist, indem der Sperrschieber in eine Öffnungsstellung bewegt wird, so dass die noch schmelzflüssige Leichtmetallschmelze durch den Verbindungskanal aus der Hauptkavität in die Nebenkavität strömt.

Erfindungsgemäß wird bei einem solchen Verfahren mindestens während der Phasen a) bis c) eine den Verbindungskanal zumindest abschnittsweise umgebende Zone und/oder der Sperrschieber auf einer Temperatur gehalten, die höher ist als die Temperatur an den die Hauptkavität umgrenzenden Innenflächen der Gießform.
Indem die den Verbindungskanal mindestens abschnittsweise umgebende Zone und/oder der Sperrschieber auf einem Temperaturniveau gehalten werden, das höher ist als die Temperatur an den Innenflächen, die die Hauptkavität im Übrigen umgrenzen und an denen die Leichtmetallschmelze erstarrt, wird erreicht, dass die am Verbindungskanal und am Sperrschieber anstehende Leichtmetallschmelze allenfalls verzögert, vorzugsweise aber gar nicht erstarrt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch die Leichtmetallschmelze, die in den Eingang des Verbindungskanals eingedrungen und mit dem Sperrschieber in Kontakt gekommen ist in dem Moment, wenn der Sperrschieber in seine Öffnungsstellung bewegt und der Verbindungskanal durchgängig wird, noch fließfähig ist oder allenfalls in einem Umfang erstarrt ist, der leicht von der durch das Druckgas druckbeaufschlagten Schmelze durchbrochen werden kann.
Es kann ausreichen, wenn nur die den Verbindungskanal mindestens abschnittsweise umgebende Zone oder nur der Sperrschieber so ausgebildet sind, dass sie im Gebrauch eine Temperatur aufweisen, die höher ist als die Temperatur an den die Hauptkavität begrenzten Innenflächen.
Besonders effektiv lässt sich die Erfindung dann nutzen, wenn sowohl die den Verbindungskanal mindestens abschnittsweise umgebende Zone als auch der Sperrschieber in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet sind, dass sie im Gebrauch eine Temperatur aufweisen, die höher ist als die Temperatur an den die Hauptkavität begrenzten Innenflächen.
Die gegenüber der Temperatur der Innenflächen, die die Hauptkavität begrenzen, erhöhte Temperatur der den Verbindungskanal zumindest abschnittsweise umgebenden Zone und/oder des Sperrschiebers kann durch passive, bauliche Maßnahmen oder durch aktive Wärmezufuhr erreicht werden.
Baulich passiv kann dies beispielsweise dadurch verwirklicht werden, dass die den Verbindungskanal mindestens abschnittsweise umgebende Zone von im Gebrauch erhöhter Temperatur durch einen den Verbindungskanal umgrenzenden Einsatz gebildet ist, der in dem Gehäuse gehalten ist.
Dieser Einsatz und/oder genauso der Sperrschieber können durch Materialwahl oder eine besondere bauliche Gestaltung so ausgelegt werden, dass sie die durch die Leichtmetallschmelze in die Gießform eingetragene Hitze länger halten als der restliche Teil der Gießform insbesondere im Bereich der Innenflächen, die die Hauptkavität begrenzen und unmittelbar mit der Schmelze in Kontakt kommen.
Hierzu kann beispielsweise der Einsatz und/oder der Sperrschieber zumindest in dem Abschnitt, in dem sie jeweils mit der Leichtmetallschmelze in Berührung kommen, aus einem Werkstoff bestehen, der eine gegenüber dem Material der Gießform geringere Wärmeleitfähigkeit hat.
Alternativ oder ergänzend können der Einsatz und/oder der Sperrschieber auch nach Art von Wärmeisolatoren ausgebildet sein, bei denen mindestens ein Hohlraum vorgesehen ist. Dieser kann mit einem schlecht wärmeleitenden Material gefüllt sein, um den Wärmefluss von der Leichtmetallschmelze in die Umgebung des Verbindungskanals oder über den Sperrschieber in die mit dem Sperrschieber verbundenen Bauteile zu behindern.
Grundsätzlich eignet sich als Füllmaterial des betreffenden Hohlraums aufgrund ihrer vergleichbar schlechten Wärmeleitfähigkeit Luft oder ein anderes Gas. Aus Stabilitätsgründen kann es jedoch zweckmäßig sein, die Hohlräume mit einem festen Material, wie beispielsweise Sand, Beton oder einem anderen Werkstoff zu füllen, der eine gegenüber dem Werkstoff, aus dem die Gießform oder der Sperrschieber bestehen, verminderte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Dementsprechend sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der optional in dem Einsatz und/oder dem Sperrschieber vorgesehene mindestens eine Hohlraum mit einem Material gefüllt ist, der eine gegenüber dem Werkstoff, aus dem der Einsatz oder der Sperrschieber besteht, geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Wenn hier von Werkstoffen die Rede ist, die eine geringere Leitfähigkeit als der Werkstoff haben sollen, aus dem die Gießform und/oder der Sperrschieber besteht, so kommen hierfür insbesondere solche Werkstoffe in Frage, deren Wärmeleitfähigkeit 9,5 W/(m * K) bis 13 W/(m * K), insbesondere 10 W/(m * K) bis 12,8 W/(m * K) oder 10,2 W/(m * K) bis 12,4 W/(m * K), bei 20 °C beträgt. Dagegen weisen Werkstoffe, aus denen die Gießform oder auch der Sperrschieber bestehen können, bei 20 °C typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit von 24 W/(m * K) bis 26 Wl(m* K), insbesondere 25 W/(m * K) bis 25,5 W/(m * K), auf, wobei sich Werkstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit von 25,3 W/(m * K) besonders bewährt haben.
Eine gesteuerte Aufrechterhaltung der gegenüber der Temperatur an den Innenflächen höheren Temperatur in der den Verbindungskanal mindestens abschnittsweise umgebenden Zone und / oder des Sperrschiebers kann durch aktive Wärmezufuhr mittels einer Heizeinrichtung bewirkt werden.
Dementsprechend kann für eine aktive Erwärmung der Zone, in der eine erhöhte Temperatur im Gebrauch aufrechterhalten wird, bei einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung eine Heizeinrichtung vorgesehen sein. Eine solche Heizeinrichtung kann zum zumindest abschnittsweisen Beheizen der den Verbindungskanal umgrenzenden Wand des Gehäuses ausgelegt sein. Hierzu kann in das den Verbindungskanal aufnehmende Gehäuse der Gießform ein Kanal eingeformt sein, der zumindest abschnittsweise um den dem Formhohlraum der Gießform zugeordneten Eingangsbereich des Verbindungskanals umläuft und in dem ein Heizwendel der Heizeinrichtung liegt, wobei mit „Heizwendel“ jedes im Betrieb wärmeabstrahlendes Element gemeint ist, das sich in einen Kanal einlegen oder einschieben lässt.
In entsprechender Weise kann der Sperrschieber mindestens in dem Bereich, der bei durch den Sperrschieber geschlossenem Verbindungskanal im Gebrauch mit der Leichtmetallschmelze in Kontakt kommt, mittels einer in den Sperrschieber integrierten Heizeinrichtung beheizbar ausgebildet sein.
Die unerwünschte nicht wieder auflösbare, nicht durchbrechbare Erstarrung von Leichtmetallschmelze, insbesondere einer Al-basierten Schmelze, im Bereich des Verbindungskanals und/oder an dem Sperrschieber lässt sich dadurch besonders sicher verhindern, dass die Temperatur, bei der die den Verbindungskanal mindestens abschnittsweise umgebende Zone und/oder der Sperrschieber gehalten werden, um mindestens 30 °C höher ist als die Temperatur an den die Hauptkavität umgrenzenden Innenflächen der Gießform.
So hat es sich in Versuchen bewährt, wenn die Temperatur an den die Hauptkavität umgrenzenden Flächen 120 - 150 °C und die höhere Temperatur, bei der die den Verbindungskanal mindestens abschnittsweise umgebende Zone und / oder der Sperrschieber gehalten werden, 150 - 180 °C beträgt.
Die erfindungsgemäße Gießvorrichtung und das erfindungsgemäße Gießverfahren sind insbesondere dazu geeignet, Gussteile im Druckguss herzustellen. Dabei wird die Leichtmetallschmelze druckbeaufschlagt in die Hauptkavität der Gießform gefüllt.
Wie voranstehend schon erwähnt, eignen sich eine erfindungsgemäße Gießform und ein erfindungsgemäßes Verfahren im besonderen Maße zur Erzeugung von einen Hohlraum umfassenden Gussteilen aus einer herkömmlichen, für Gießzwecke geeigneten Aluminium- oder Aluminiumlegierungsschmelze.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 die feststehende Hälfte einer Druckgießvorrichtung in einer frontalen Ansicht;
2 die Druckgießvorrichtung gemäß 1 in einem Schnitt entlang der in 1 eingezeichneten Schnittlinie A-A.

Die in den Figuren dargestellten Bauteile sind Teil einer an sich konventionell ausgebildeten, hier weiter nicht dargestellten Druckgießmaschine, bei der eine erste Gießformhälfte 1 zentral auf einer feststehenden Montageplatte 2 angeordnet ist. Die Druckgießmaschine umfasst eine hier nicht gezeigte zweite Montageplatte, auf der eine zweite hier ebenfalls nicht gezeigte Gießformhälfte montiert ist und die mit der von ihr getragenen Gießformhälfte an Führungssäulen 3 linear verschiebbar gelagert ist, um die durch die unbewegliche Gießformhälfte 1 und die nicht gezeigte bewegliche Gießformhälfte gebildete Gießform für den Gießvorgang schließen und für die Entnahme des Gussteils öffnen zu können.
Die so gebildete Gießform dient zur Herstellung eines zickzackartig geformten Rohres aus einer konventionellen Druckgusslegierung auf Aluminiumbasis.
Hierzu ist in die feststehende Gießformhälfte 1 und die bewegliche, hier nicht sichtbare Gießformhälfte jeweils die Hälfte einer Hauptkavität 4 eingeformt, so dass bei geschlossener Gießform die von ihr umgrenzte Hauptkavität die Außenkontur des zu fertigenden Rohres abbildet. Die Befüllung der Hauptkavität 4 mit druckbeaufschlagter Leichtmetallschmelze erfolgt in konventioneller Weise durch hierzu vorgesehene Kanäle, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
Der generelle Aufbau und die generelle Funktion einer Druckgussmaschine sind beispielsweise im GIESSEREILEXiKON, Ausgabe 2008, 19. Auflage, Fachverlag Schiele & Schön, Berlin, ISBN 978-3-7949-0753-3, beschrieben.
Die spezielle, auf die hier in Rede stehende Gasinjektionstechnologie bezogene Ausgestaltung einer solchen Druckgießmaschine ist in dem eingangs schon zitierten Artikel „MAGIT*: Gasinjektionstechnologie auf dem Weg in die industrielle Anwendung im Druckguss“ erläutert.
An das eine Ende der Hauptkavität 4 ist ein Gasinjektor 5 angeordnet, der zum Injizieren eines Druckgasstroms in die Hauptkavität 4 vorgesehen ist. Die Düsenöffnung des Gasinjektors 5 ist dazu zentral an der ihm zugeordneten Stirnseite der Hauptkavität 4 positioniert. Als Druckgas wird hier ein Gas eingesetzt, das sich gegenüber der zu verarbeitenden, AluminiumLegierungsschmelze inert verhält, wie beispielsweise Stickstoffgas.
An ihrer zum Gasinjektor 5 gegenüberliegenden Seite ist auf der Montageplatte 2 neben der Gießformhälfte 1 die unbewegliche Hälfte eines blockartigen, massiven Gehäuses 6 montiert.
An dem zum Gasinjektor 5 gegenüberliegenden Ende der Hauptkavität 4 ist ebenso bezogen auf die dortige Stirnseite der Hauptkavität 4 zentral positioniert die Eingangsöffnung eines in dem Gehäuse 6 ausgebildeten Verbindungskanals 7 angeordnet.
Der Verbindungskanal 7 führt zu einer Nebenkavität 8, die, wie die Hauptkavität 4, zur einen Hälfte in die feststehende, in 1 gezeigte Hälfte des Gehäuses 6 und zur anderen Hälfte in einen auf der beweglichen Montageplatte montierten Teil des Gehäuses 6 eingeformt ist, so dass auch die Nebenkavität 8 zum Entnehmen der in ihr nach Beendigung des Gießvorgangs erstarrten, aus dem zu gießenden Bauteil ausgetriebenen Schmelze geöffnet werden kann.
Zum Öffnen und Schließen des Verbindungskanals 7 ist ein stiftförmiger Sperrschieber 9 vorgesehen, in seiner Schließstellung sitzt der Sperrschieber 9 mit seinem Spitzenabschnitt 10 in dem Verbindungskanal 7, so dass dieser vollständig versperrt und der Durchgang zwischen der Hauptkavität 4 und der Nebenkavität 8 unterbrochen ist. In seiner Öffnungsstellung ist der Sperrschieber 9 dagegen soweit zurückgezogen, dass sein Spitzenabschnitt 10 vollständig aus dem Verbindungskanal 7 bewegt und der Durchgang zwischen der Hauptkavität 4 und der Nebenkavität 8 frei ist.
Die nicht gezeigte bewegliche Gießformhälfte, die unbewegliche Gießformhälfte 1 und das massive Gehäuse 6 sind jeweils aus einem konventionellen, für diese Zwecke bewährten Warmarbeitsstahl der eingangs schon erläuterten Art gefertigt. Die Wärmeleitfähigkeit des betreffenden Warmarbeitsstahls beträgt bei 20 °C beispielsweise 25,3 W/(m * K).
Um das Anfrieren, d.h. ein vorzeitiges Erstarren, von Leichtmetallschmelze im Verbindungskanal 7 oder an dem in Schließstellung in den Verbindungskanal 7 ragenden Spitzenabschnitt 10 des Sperrschiebers 9 zu verhindern, ist der Verbindungskanal 7 von einer Zone Z umgeben, in der im Gießbetrieb eine höhere Temperatur herrscht als an den Innenflächen 11 der Gießform, die die Hauptkavität 4 begrenzen und somit die Außenkontur des zu gießenden Bauteils bestimmen.
Um dies zu erreichen, sind bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Maßnahmen vorgesehen. Diese werden hier der Einfachheit halber in Kombination miteinander erläutert. Jedoch führt jede dieser Maßnahmen auch einzeln zu dem gewünschten Erfolg. Durch die hier vorgesehene Kombination lässt sich das angestrebte Ergebnis mit maximaler Sicherheit erzielen.
So ist bei der in den Figuren dargestellten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Druckgießvorrichtung der Verbindungskanal 7 in einem hülsenartig ausgebildeten Einsatz 12 ausgebildet, der in einer entsprechend geformten Ausnehmung des Gehäuses 6 sitzt. Der Einsatz 12 besteht aus beispielsweise einem unter der Bezeichnung „Ferro-Titanit Cromoni“ von der Deutsche Edelstahlwerke Specialty Steel GmbH & Co. KG angebotenen Verbundwerkstoff, der aus 22 Gew.-% TiC, 20,0 Gew.-% Cr, 15,5 Gew.-% Mo und als Rest aus Ni besteht und neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit eine Wärmeleitfähigkeit von 12,4 W/(m * K) besitzt (siehe Datenblatt „Schematic family tree of Ferro-Titanit ® grades“, rev. 03/2008, www.dewstahl.com).
Um die wärmeisolierende Wirkung des Einsatzes 12 weiter zu erhöhen, kann in den Einsatz 12 ein Hohlraum 13 eingeformt sein, der beispielsweise ringförmig um den Verbindungskanal 7 umläuft. Dieser Hohlraum 13 kann entweder mit Luft oder einem anderen im Vergleich zum Werkstoff des Einsatzes 12 selbst und / oder im Vergleich zum Werkstoff der Gießform schlecht wärmeleitenden Werkstoff gefüllt sein. Eine feste Füllung des Hohlraums 13 hat den Vorteil, dass die Formstabilität des Einsatzes 12 trotz des Hohlraums 13 und der auf den Einsatz 12 im Gebrauch wirkenden hohen mechanischen Belastungen gewährleistet bleibt.
Als weitere Maßnahme zur Aufrechterhaltung einer erhöhten Temperatur in der Zone Z während des Gießbetriebs ist eine Heizeinrichtung 14 vorgesehen, die den den Verbindungskanal 7 umgebenden Bereich des Gehäuses 6, d.h. die Zone Z, erwärmt. Dazu ist in die der Gießformhälfte 1 zugeordneten Stirnseite 15 des Gehäuses 6 ein nutförmiger Kanal 16 eingeformt, der von der an der Montageplatte 2 anliegenden Seitenfläche des Gehäuses 6 zunächst geradlinig bis zur Eintrittsöffnung 17 des Verbindungskanals 7 geführt, dann in einem Halbkreis um die Eintrittsöffnung 17 herum und daraufhin wieder in einem geradlinigen Abschnitt bis zu Montageplatte 2 geführt ist. Der Kanal 16 weist dementsprechend in Draufsicht auf die Stirnseite 15 die Form eines U auf.
In dem Kanal 16 liegt ein elektrisch betriebener Heizwendel 18 der von der Heizeinrichtung 14 so mit elektrischer Energie versorgt wird, dass während des Gießbetriebs in der Zone Z eine Mindesttemperatur aufrechterhalten wird. Zu diesem Zweck erfasst die Heizeinrichtung 14 über einen im Bereich der Zone Z in das Gehäuse 6 eingelassenen Sensor 19 die jeweilige Ist-Temperatur der Zone Z und erhöht, sofern die gemessene Ist-Temperatur kleiner ist als die jeweilige Soll-Temperatur die Energiezufuhr zum Heizwendel 18 und damit einhergehend die vom Heizwendel 18 abgestrahlte Wärme, bis die Ist-Temperatur mindestens der Soll-Temperatur entspricht.
Auch der Sperrschieber 9 kann zumindest in seinem im Gebrauch mit der Al-Legierungsschmelze in Kontakt kommenden Spitzenabschnitt 10 aus dem voranstehend schon erwähnte Ferro-Titanit-Cromoni-Verbundwerkstoff gefertigt sein, um die über den Kontakt mit dem Spitzenabschnitt 10 erfolgende Wärmeableitung aus der im Verbindungskanal 7 im Gießbetrieb anstehenden Al-Legierungsschmelze zu mindern. Der restliche, den Spitzenabschnitt 10 tragende Abschnitt des Sperrschiebers 9 kann dagegen aus einem anderen für diesen Zweck geeigneten Stahlwerkstoff bestehen, wie beispielsweise dem oben schon erwähnten warmfesten Stahl, aus dem auch die Gießformhälfte 1 besteht.
Zum Betätigen des Sperrschiebers 9 ist eine konventionelle, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigte Stelleinrichtung 20 vorgesehen, die, wie die Heizeinrichtung 14, auf der von der Gießformhälfte 1 abgewandten Seite der Montageplatte 2 montiert ist. Die Stelleinrichtung 20 bewegt den Sperrschieber 9 in Abhängigkeit von Stellsignalen, die von einer hier nicht dargestellten zentralen Prozess-Steuereinrichtung der Druckgießmaschine abgegeben werden, zwischen seiner Öffnungs- und seiner Schließstellung.
Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Spitzenabschnitts 10 des Sperrschiebers 9 verhindert einen schnellen Wärmeabfluss und damit ein schnelles Erstarren der Al-Legierungsschmelze, die im Gießbetrieb an dem Sperrschieber 9 im Verbindungskanal 7 ansteht. Auch dies trägt dazu bei, dass die im Verbindungskanal 7 anstehende Al-Legierungsschmelze sich allenfalls in einem Maße verfestigt, dass im Zeitpunkt, an dem der Sperrschieber 9 in seine Öffnungsstellung bewegt wird, um den Verbindungskanal 7 freizugeben, die AI-Legierungsschmelze noch ausreichend fließfähig ist, um durch den Verbindungskanal in die Nebenkavität 8 abzuströmen.
Weiter unterstützt werden kann die Aufrechterhaltung einer für die Aufrechterhaltung des fließfähigen Zustands im Verbindungskanal 7 ausreichend hohen Temperatur in der Zone Z und am Sperrschieber 9 auch dadurch, dass der Sperrschieber 9 aktiv erwärmt wird, um ihn im Gießbetrieb auf einem Temperaturniveau zu halten, bei dem ein Anfrieren der AI-Legierungsschmelze sicher vermieden wird. Hierzu kann beispielsweise ein elektrisch betriebener, hier nicht gezeigter Heizdraht durch den Sperrschieber 9 bis zu dessen Spitzenabschnitt 10 geführt sein. Die Energiezufuhr zu dem Heizdraht und damit einhergehend die von ihm abgegebene Wärmeleistung kann beispielsweise in Abhängigkeit vom Ergebnis der mittels des Sensors 18 vorgenommenen Temperaturmessung in der Zone Z oder durch einen eigenen, im oder benachbart zu dem Spitzenabschnitt 10 des Sperrschiebers 9 angeordneten, hier ebenfalls nicht gezeigten Temperatursensor vorgenommen werden.
Praktische Untersuchungen haben ergeben, dass es mit den hier beschriebenen Maßnahmen gelingt, die Temperatur in der Zone Z während des Gießbetriebs annähernd konstant bei 110 °C zu halten, während an den mit der Al-Leichtmetallschmelze in Kontakt kommenden Innenflächen 11 eine Temperatur von annähernd konstant 87 °C vorherrschte.
Die Temperatur an den Innenflächen 11 war demnach so niedrig, dass die mit den Innenflächen 11 in Kontakt kommende AI-Legierungsschmelze wie beabsichtigt erstarrt ist.
Dagegen ist die Temperatur in der Zone Z auf einem Niveau gehalten worden, bei dem die vergossene AI-Legierungsschmelze zumindest soweit noch fließfähig oder nicht erstarrt war, dass, nachdem der Sperrschieber 9 in seine Öffnungsstellung bewegt und der Verbindungskanal 7 freigegeben worden ist, die von dem in die Gießform injizierten Druckgas druckbeaufschlagte Al-Leichtmetallschmelze sicher durch den Verbindungskanal 7 in die Nebenkavität 8 gepresst werden konnte.
Trotz der erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Wahrung einer erhöhten Temperatur in der Zone Z im Verbindungskanal 7 möglicherweise vorhandene Anhaftungen von vor der Erstarrung stehender Schmelze sind dabei durch die nachdrückende Schmelze aufgelöst worden. Indem im Bereich der Zone Z erfindungsgemäß eine erhöhte Temperatur aufrechterhalten worden ist, konnte somit trotz der extrem kurzen Prozesszeiten, die beim Druckgießen von Leichtmetallen zur Verfügung stehen, das rohrförmige Bauteil in der Gießform zuverlässig fehlerfrei erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

1: erste Gießformhälfte
2: feststehende Montageplatte
3: Führungssäulen
4: Hauptkavität der Gießform
5: Gasinjektor
6: Gehäuse der Druckgießvorrichtung
7: Verbindungskanal
8: Nebenkavität
9: Sperrschieber
10: Spitzenabschnitt des Sperrschiebers 9
11: Innenflächen der Gießform, die die Hauptkavität 4 begrenzen
12: Einsatz
13: Hohlraum des Einsatzes 12
14: Heizeinrichtung
15: der Gießformhälfte 1 zugeordnete Stirnseite des Gehäuses 6
16: Kanal
17: Eintrittsöffnung des Verbindungskanals 7
18: Heizwendel
19: (Temperatur-)Sensor
20: Stelleinrichtung
Z: Zone, in der während des Gießbetriebs eine erhöhte Temperatur aufrechterhalten wird

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/097378 A2 [0003]

Claims

Gießvorrichtung zum Erzeugen eines Gussteils, in das mindestens ein Hohlraum eingeformt ist, wobei die Gießvorrichtung eine Gießform, die mit Innenflächen (11) eine die Außenkontur des Gussteils abbildenden Hauptkavität (4) umgrenzt, einen Anschluss zum Befüllen der Hauptkavität (4) mit einer Leichtmetallschmelze, einen Gasanschluss (5) zum Injizieren eines Druckgasstroms in die im Gebrauch in die Hauptkavität (4) gefüllte Schmelze, eine in ein Gehäuse (6) eingeformte Nebenkavität (8) zum Aufnehmen der im Gebrauch von dem Druckgasstrom aus der Hauptkavität (4) verdrängten Schmelze, einen in dem Gehäuse (6) ausgebildeten Verbindungskanal (7), der die Hauptkavität (4) und die Nebenkavität (8) verbindet, und einen Sperrschieber (9) umfasst, der dazu eingerichtet ist, den Verbindungskanal (7) in Abhängigkeit von Steuersignalen zu öffnen oder zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Verbindungskanal (7) mindestens abschnittsweise umgebende Zone (Z) und / oder der Sperrschieber (9) dazu eingerichtet sind, im Gebrauch eine gegenüber der Temperatur der die Hauptkavität (4) umgrenzenden Innenflächen (11) der Gießform erhöhte Temperatur aufzuweisen, so dass nach dem Befüllen der Hauptkavität (4) im Verbindungskanal (7) an dem Sperrschieber (9) anstehende Leichtmetallschmelze langsamer erstarrt als die Leichtmetallschmelze, die mit den die Hauptkavität (4) begrenzenden Innenflächen (11) der Gießform in Kontakt kommt.
Gießvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbindungskanal (7) mindestens abschnittsweise umgebende Zone (Z) von im Gebrauch erhöhter Temperatur durch einen den Verbindungskanal (7) umgrenzenden Einsatz (12) gebildet ist, der in dem Gehäuse (6) gehalten ist.
Gießvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (12) aus einem Werkstoff besteht, der eine gegenüber dem Material der Gießform geringeren Wärmeleitfähigkeit hat.
Gießvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrschieber (9) zumindest in dem Abschnitt, in dem er mit der Leichtmetallschmelze in Berührung kommt, aus einem Werkstoff besteht, der eine gegenüber dem Material der Gießform geringeren Wärmeleitfähigkeit hat.
Gießvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (12) und/oder der Sperrschieber (9) zumindest in einem Bereich, in dem sie mit der Leichtmetallschmelze in Berührung kommen, mindestens einen Hohlraum aufweist.
Gießvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum mit einem Material gefüllt ist, der eine gegenüber dem Werkstoff, aus dem der Einsatz (12) oder der Sperrschieber (9) besteht, geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Gießvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Werkstoffs mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C 9,5 W/(m * K) bis 13 W/(m * K) beträgt, während die die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs, aus dem die Gießform besteht, bei 20 °C 24 W/(m * K) bis 26 W/(m * K) beträgt.
Gießvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Heizeinrichtung (14,18) zum zumindest abschnittsweisen Beheizen der den Verbindungskanal (7) umgrenzenden Wand des Gehäuses (6) aufweist.
Gießvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (6) ein Kanal (16) eingeformt ist, der zumindest abschnittsweise um den der Hauptkavität (4) der Gießform zugeordneten Eingangsbereich (17) des Verbindungskanals (7) umläuft und in dem ein Heizwendel (18) der Heizeinrichtung (14) liegt.
Gießvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrschieber (9) mindestens in dem Bereich, der bei durch den Sperrschieber (9) geschlossenem Verbindungskanal (7) im Gebrauch mit der Leichtmetallschmelze in Kontakt kommt, mittels einer in den Sperrschieber (9) integrierten Heizeinrichtung beheizbar ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Gussteils durch Gießen, bei dem folgende Phasen a) bis d) durchlaufen werden: a) Einfüllen einer Leichtmetallschmelze in eine Hauptkavität (4) einer Gießform, wobei die Hauptkavität (4) mit einer Nebenkavität (8) über einen Verbindungskanal (7) verbunden ist, der während des Befüllens der Hauptkavität (4) mittels eines in Schließstellung befindlichen Sperrschiebers (9) geschlossen ist; b) Erstarren der mit den die Hauptkavität (4) umgrenzenden Innenflächen (11) der Gießform in Kontakt kommende Leichtmetallschmelze; c) Injizieren eines Druckgasstroms in die in die Hauptkavität (4) gefüllte Leichtmetallschmelze, wobei der Sperrschieber (9) in Schließstellung verbleibt, bis der durch den Druckgasstrom auf die noch schmelzflüssige Leichtmetallschmelze ausgeübte Druck einen Grenzdruck erreicht; d) Öffnen des Verbindungskanals (7), wenn der Grenzdruck erreicht ist, indem der Sperrschieber (9) in eine Öffnungsstellung bewegt wird, so dass die noch schmelzflüssige Leichtmetallschmelze durch den Verbindungskanal (7) aus der Hauptkavität (4) in die Nebenkavität (8) strömt; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens während der Phasen a) bis c) eine den Verbindungskanal (7) zumindest abschnittsweise umgebende Zone (Z) und/oder der Sperrschieber (9) auf einer Temperatur gehalten wird, die höher ist als die Temperatur an den die Hauptkavität (4) umgrenzenden Innenflächen (11) der Gießform.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber der Temperatur an den Innenflächen (11) höhere Temperatur in der den Verbindungskanal (7) mindestens abschnittsweise umgebenden Zone (Z) und/oder des Sperrschiebers (9) durch aktive Wärmezufuhr mittels einer Heizeinrichtung (14) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber der Temperatur an den Innenflächen (11) höhere Temperatur in der den Verbindungskanal (7) mindestens abschnittsweise umgebenden Zone (Z) und/oder des Sperrschiebers (9) dadurch bewirkt wird, dass die den Verbindungskanal (7) mindestens abschnittsweise umgebende Zone (Z) und/oder der Sperrschieber (9) aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Gießform an ihren die Hauptkavität (4) begrenzenden Innenflächen (11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, bei der die den Verbindungskanal (7) mindestens abschnittsweise umgebende Zone (Z) und/oder der Sperrschieber (9) gehalten werden, um mindestens 30 °C höher ist als die Temperatur an den die Hauptkavität (4) umgrenzenden Innenflächen (11) der Gießform.
Verfahren nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, das s die Temperatur an den die Hauptkavität (4) umgrenzenden Flächen 120 - 150 °C und die Temperatur, bei der die den Verbindungskanal (7) mindestens abschnittsweise umgebende Zone (Z) und/oder der Sperrschieber (9) gehalten werden, 150 - 180 °C beträgt.