DE10224206A1 - Spritzgussform für eine halbverfestigte FE-Legierung - Google Patents

Spritzgussform für eine halbverfestigte FE-Legierung

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Abstract

Eine Spritzgussform für eine halbverfestigte Fe-Legierung schließt einen Grobsiebanschnitt zur Eliminierung eines Oberflächenoxidfilms einer halbverfestigten Fe-Legierung, die in den Formenhohlraum aus einer Druckkammer injiziert wird, ein. Der Grobsiebanschnitt ist zwischen der Druckkammer und einem Gießkanal, der in Verbindung mit dem Formenhohlraum steht, angeordnet. Die Formhälften und der Grobsiebanschnitt sind jeweils aus einer Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 120 W/(m È K) und einer Härte von nicht weniger als 180 HB ausgebildet. Die Formhälften und der Grobsiebanschnitt besitzen jeweils eine Mischkeramikschicht, die im Wesentlichen aus wenigstens einem Element besteht, das aus der aus Co, Cu, Cr und Ni bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Die Mischkeramikschicht wird mittels Elektrofunkenabscheidung über eine Zwischenschicht aus einer Ni-Legierung, die ebenso mittels Elektrofunkenabscheidung ausgebildet wird, ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spritzgussform zum Gießen einer halbverfestigten Fe- Legierung, die in einem Fest-Flüssig-Coexistenzzustand vorliegt.
Es ist bekannt, ein halbverfestigtes Metall mittels eines Spritzgussformungsverfahrens wie etwa einem Rheocastverfahren oder einem Thixocastverfahren zu gießen, wobei das halbverfestigte Metall unter Druck gesetzt wird und in den Formenhohlraum eingespritzt wird. Ein solches Spritzgussformungsverfahren erweist sich als höchst vorteilhaft darin, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Druckgussverfahren die Form nur einem relativ geringen Temperaturschock ausgesetzt ist, und dies aufgrund des Erfordernisses eines geringeren Vorheizens der Form, neben einer geringeren Gießtemperatur sowie einer geringeren Ableitung von latenter Aushärtungshitze. Aus diesen Gründen wird das Spritzgussformungsverfahren im Allgemeinen als eine vielversprechende Technologie für das Gießen von Metallen mit einem relativ hohen Schmelzpunkt, z. B. Cu- Legierung und Fe-Legierung, angesehen, welche im Allgemeinen als wenig geeignet für den Druckguss erachtet werden, in erster Linie aus ökonomischen Gesichtspunkten und in Verbindung mit einer relativ kurzen Lebensdauer der Form.
Man kann die Überlegung anstellen, dass die Spritzgussform für halbverfestigte Metalle aus Harteisen oder Stahlmaterial wie etwa Warmgesenkstahl SKD61 (JIS G4404, ASTM H13) ähnlich zu einer Druckgussform zum Gießen von Aluminium oder ähnlichem Leichtmetall ausgestaltet sein kann. Wie aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist, besitzen Eisen- oder Stahlmaterialien, einschließlich SKD61, eine geringe Wärmeleitfähigkeit von typischerweise 40 W/(m.K) oder weniger. Falls solche Materialien für eine Spritzgussform zum Gießen von Metalle angewendet werden, treten folglich neben einer ungenügenden Kühlungskapazität für die gegossenen Produkte oder einer erforderlichen relativ langen Vorheizzeit für die Form leicht folgende Probleme auf:
  • A) Während einer stufenweisen Abkühlung und Verfestigung des halbverfestigten Metalls im Formenhohlraum, kann die Gießmasse leicht in die Zwischenräume zwischen die Auswerferstifte und die umgebenden Löcher eindringen, die beide in der Form vorgesehen sind, wodurch sich unerwünschte Grate auf der äußeren Oberfläche des Gussprodukts bilden, welche zur Realisierung einer hervorragenden Produktqualität entfernt werden müssen.
  • B) Restdehnungen akkumulieren sich in der Form aufgrund des großen Temperaturgradienten in der Form und einer wiederholten Einwirkung von Dehnungs- und Druckbeanspruchungen auf der Formoberfläche und verursachen leicht eine frühzeitige Rissbildung in der Form. Außerdem tritt eine Beanspruchung in hohem Maße an den konvexen Oberflächenbereichen des Formenhohlraumes mit einem kleinen Krümmungsradius auf, so dass Haarrisse leicht in der Formoberfläche auftreten, so dass die Lebensdauer der Form verkürzt ist.
  • C) Im Falle einer halbverfestigten Eisenlegierung, welche hypoeutektisches Gusseisen umfasst, führt beispielsweise die geringe Kühlungskapazität der Form nach dem Aushärten zu einer groben Graphitstruktur. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die gewünschte feine Graphitstruktur und eine hinreichende mechanische Festigkeit des gegossenen Produkts nur schwer erhalten.
  • D) Beim Einspritzen einer halbverfestigten Fe-Legierung in den Formenhohlraum neigt die äußere Oberfläche der Legierung beim Eintritt in den Formenhohlraum dazu, leicht einen Oxidfilm auszubilden, wodurch die Produktqualität verschlechtert wird.
Es ist deshalb die Hauptaufgabe der vorliegenden. Erfindung, eine verbesserte Spritzgussform für das Gießen einer halbverfestigten Fe-Legierung bereitzustellen, welche effektiv die vorstehend erwähnten Probleme des Stands der Technik ausschließt.
Es ist eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Spritzgussform für das Gießen einer halbverfestigten Fe-Legierung bereitzustellen, welche eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit aufweist, und welche effektiv das Eintreten eines Oberflächenoxidfilms der halbverfestigten Fe- Legierung in den Formenhohlraum verhindern kann.
Die Erfinder führten Nachforschungen und Untersuchungen durch, um eine praktische Lösung für die vorstehend erwähnten Probleme zu suchen, und gelangten zu der folgenden Erkenntnis.
Zuerst wurden Kupferlegierungen im Allgemeinen als ungeeignet als Gussformen für Hochtemperaturmaterialien ungeachtet der höheren Wärmeleitfähigkeit angesehen, da eine Kupferlegierung eine geringere Festigkeit gegenüber Eisen- oder Stahlmaterialien besitzt. Aber die Erfinder fanden heraus, dass Legierungen mit einer zur Schaffung einer hinreichenden Härte geeigneterweise eingestellten Zusammensetzung noch genügend beständig sind, falls sie als das Material für die Gussformen eingesetzt werden, da ein halbverfestigtes Metall eine geringere Temperatur der Gießmasse beim Spritzguss erlaubt.
Die Erfinder fanden es ebenso effektiv, einen Grobsiebanschnitt in der Nähe des mit dem Formenhohlraum in Verbindung stehenden Angießkanals bereitzustellen, und den Grobsiebanschnitt derart zu gestalten, dass er einen etwas kleineren Öffnungsdurchmesser als die Druckkammer aufweist, um sich so positiv auf die Eliminierung des Oberflächenoxidfilms der halbverfestigten Fe-Legierung auszuwirken, wenn sie in der Kammer unter Druck gesetzt und in den Formenhohlraum eingespritzt wird.
Basierend auf dieser Erkenntnis wurde eine Spritzgussform, einschließlich eines Grobsiebanschnitts, aus einer Kupferlegierung mit einer gesteuerten Zusammensetzung, welche zur Schaffung einer hinreichenden Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Festigkeit eingestellt wurde, hergestellt, um ein Spritzgießen einer halbverfestigten Fe-Legierung versuchsweise durchzuführen. Als ein Ergebnis wurde gefunden, dass ein merklicher Verschleiß an konvexen Oberflächenbereichen der Form mit einem kleinen Krümmungsradius nahe bei der Öffnung des Grobsiebanschnitts und innerhalb des Formenhohlraumes auftrat. Dies zeigte, dass die Form und der Grobsiebanschnitt eine weitere Verbesserung hinsichtlich ihrer Beständigkeit in der praktischen Anwendung erfordert.
Die Erfinder trugen dann eine Mischkeramikbeschichtung auf den leicht verschleissbaren Oberflächenbereichen der Form und des Grobsiebanschnitts auf und führten das Spritzgießen der halbverfestigten Fe-Legierung versuchsweise durch. In diesem Zusammenhang wurde die Mischkeramikbeschichtung im Wesentlichen gemäß der Lehre des US-Patents Nr. US-A- 5,799,717, deren Offenbarung unter Bezugnahme hierin mit eingeschlossen ist, aufgetragen.
Jedoch wurde selbst durch Auftragung einer Mischkeramikbeschichtung auf die Basismaterialien aus der Kupferlegierung gefunden, dass sich die Mischkeramikbeschichtung während des eigentlichen Spritzgießens leicht ablöst. Dies erschwerte die Erzielung der gewünschten Beständigkeit der Form und des Grobsiebanschnitts.
Die Erfinder analysierten die Gründe für das unerwünschte Ablösen der Mischkeramikbeschichtung und fanden heraus, dass relativ spitzwinklige konvexe Bereiche der Form und des Grobschnittanschnitts einem unerwartet hohen Temperaturschock aufgrund der relativ hohen Temperatur der halbverfestigten Fe-Legierungen ausgesetzt sind, verglichen zu den Al oder den Al-Legierungen, auf welche das US-Patent Nr. US-A-5,799,717 gerichtet ist, und überdies aufgrund des Einschlusses von festen Komponenten in den halbverfestigten Fe-Legierungen.
Die Erfinder führten dann gründlich Experimente und Untersuchungen zu Maßnahmen durch, die effektiv die Bildung einer stabilen Mischkeramikbeschichtung erlauben, die in einer festen Anhaftung zu dem Basismaterial gehalten werden kann und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber einem hohen Temperaturschock während des Spritzgussformverfahrens einer halbverfestigten Fe-Legierung aufweist, um dadurch eine verbesserte Spritzgussform bereitzustellen, die für ein praktisches Spritzgussformverfahren von der halbverfestigten Fe-Legierung geeignet ist. Die vorliegende Erfindung basiert auf einer neuen Erkenntnis, nämlich dass die Stabilität der Mischkeramikbeschichtung und dadurch die Beständigkeit der Spritzgussform durch Auftragen einer Vorbeschichtung aus einer Ni-Legierung als eine Zwischenschicht vor Auftragung einer Mischkeramikbeschichtung auf dem Basismaterial vorteilhafterweise verbessert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Spritzgussform für eine halbverfestigte Fe-Legierung bereitgestellt, umfassend ein Paar Formelemente, welche den Formenhohlraum definieren, und einen Grobsiebanschnitt für die Entfernung eines Oberflächenoxidfilms einer halbverfestigten Fe- Legierung, wenn sie in eine Druckkammer in einer der Formelemente gepresst wird und in den Formenhohlraum eingespritzt wird, wobei der Grobsiebanschnitt zwischen der Druckkammer und einem Ausgießkanal in dem anderen Formelement angeordnet ist, wobei der Ausgießkanal in Verbindung mit dem Formenhohlraum steht, und wobei die Formelemente und der Grobsiebanschnitt jeweils eine Oberfläche aufweisen, die mit der halbverfestigten Fe- Legierung während deren Gießen in Kontakt steht:
wobei die Formelemente und der Grobsiebanschnitt jeweils eine Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 120 W/(m.K) und eine Härte von nicht weniger als 180 HB umfassen,
wobei die Formelemente und der Grobsiebanschnitt jeweils eine Mischkeramikschicht umfassen, die im Wesentlichen aus einem aus der aus Co, Cu, Cr und Ni bestehenden Gruppe ausgewählten Element besteht, und
wobei die Mischkeramikschicht mittels Elektrofunkenabscheidung wenigstens teilweise auf der Oberfläche über eine Zwischenschicht aus einer ebenso mittels Elektrofunkenabscheidung ausgebildeten Ni-Legierung ausgebildet ist.
Es ist zusätzlich oder alternativ dazu bevorzugt, dass die Ni-Legierung, welche die Zwischenschicht bildet, eine Zusammensetzung aufweist, die im wesentlichen aus 30 bis 50 Masse-% des Gesamten aus wenigstens einem Element besteht, das aus einer aus Cr, Fe, Mo und W bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und der Rest aus Ni und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Es ist zusätzlich oder alternativ dazu bevorzugt, dass die Ni-Legierung, welche die Zwischenschicht bildet, eine Filmstärke innerhalb eines Bereichs von 5 bis 100 µm und eine arithmetisch gemittelte Oberflächenrauheit Ra innerhalb eines Bereichs von 5 bis 50 µm aufweist.
Es ist zusätzlich oder alternativ dazu bevorzugt, dass die Kupferlegierung eine Zusammensetzung aufweist, die im Wesentlichen aus dem folgenden besteht:
  • - Ni: 1,0 bis 2,0 Masse-%
  • - Co: 0,1 bis 0,6 Masse-%
  • - Be: 0,1 bis 0,3 Masse-%
  • - Mg: 0,2 bis 0,7 Masse-% und
  • - Cu und unvermeidbare Verunreinigungen: Rest.
Es ist zusätzlich oder alternativ dazu bevorzugt, dass die Mischkeramikschicht eine Mischkeramik umfasst, die aus einer WC-Co-Mischkeramik, MoB2-Ni-Mischkeramik und Cr3C2-Ni- Mischkeramik ausgewählt ist.
Es ist zusätzlich oder alternativ dazu bevorzugt, dass die Mischkeramikschicht eine arithmetisch gemittelte Oberflächenrauheit Ra innerhalb eines Bereichs von 5 bis 100 µm aufweist.
Es ist zusätzlich oder alternativ dazu bevorzugt, dass der Grobsiebanschnitt eine Kühlmittelpassage darin umfasst.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform, die in den angehängten Zeichnungen gezeigt ist, beschrieben.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Gussform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 2(a), 2(b) und 2(c) zeigen ein Spritzgussverfahren einer halbverfestigten Fe-Legierung, die in die Form aus einer horizontalen Richtung eingespritzt wird.
Die Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) zeigen ein Spritzgussformverfahren einer halbverfestigten Fe- Legierung, die in die Form aus einer vertikalen Richtung eingespritzt wird.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Spritzgussform 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für das Spritzgussverfahren einer halbverfestigten Fe-Legierung, die in einem Fest-/Flüssig- Koexistenz-Zustand vorliegt, welche aus einer nachstehend detaillierter beschriebenen Kupferlegierung hergestellt ist. Die Spritzgussform 1 umfasst ein Paar Formelemente, welche aneinanderstoßend entlang einer Elemententrennfläche PS bei geschlossener Form 1 vorliegen. Die Spritzgussform 1 ist mit einem Grobsiebanschnitt 2 zur Verhinderung des Eintritts eines Oberflächenoxidfilms der halbverfestigten Fe-Legierung ausgestattet, wenn sie unter Druck gesetzt und in einen zwischen den Formelementen definierten Formenhohlraum 3 eingespritzt wird. Der Grobsiebanschnitt 2 umfasst ein paar von Anschnittelemente, welche aus der gleichen Kupferlegierung wie die Formelemente gemacht sind. Die Anschnittelemente können zueinander bewegt werden, falls die Form 1 geschlossen wird, und können voneinander weg bewegt werden, wenn die Form 1 geöffnet wird, wie durch die Doppelpfeile in Fig. 2(c) gekennzeichnet ist. Eines der Formelemente besitzt eine Druckkammer 4, in welcher die halbverfestigte Fe-Legierung eingefüllt wird. Die Druckkammer 4 ist mit einem Druckkolben bzw. Plunger verbunden, um die halbverfestigte Fe-Legierung derart unter Druck zu setzen, dass sie in den Formenhohlraum 3 über den Grobsiebanschnitt 2 und einen Ausgießkanal mit einem Eingang, der durch das Bezugszeichen 5 gekennzeichnet ist, eingespritzt wird. Der Formenhohlraum 3 ist mit Vorsprüngen 6, entsprechend den Rücksprüngen in dem gegossenen Produkt, und einem Ausstoßstift 7 zur Entfernung des gegossenen Produkts aus dem Formenhohlraum 3 versehen.
Die Formelemente sind innerhalb entsprechender Rahmenelemente 8 untergebracht. Jedes Rahmenelement 8 ist, falls die Spritzgussform vor dem Spritzgießen vorgewärmt werden muss, mit Passagen 9 für das Hindurchpassieren eines Wärmemediums und, falls die Spritzgussform nach dem Spritzgießen gekühlt werden muss, mit Passagen 10 für das Hindurchpassieren eines Kühlmittels ausgebildet. Eines der Rahmenelemente 8 ist mit schrägstehenden Gleitstiften 11 versehen, die an den rückwärtigen Oberflächen der Anschnittelemente zur Öffnung oder Schließung des Grobsiebanschnitts 2 beim Öffnen oder Schließen der Formelemente angreifen. Die Spritzgussform 1 hat eine Struktur, die im Allgemeinen die gleiche wie die Struktur gemäß der UK-Patentanmeldung GB-A-2345699 oder der U.S.- Parallelanmeldung Nr. US-A-09-508,458 (co-pending US application), wobei die Offenbarungen von diesen hierin unter Bezugnahme mit eingeschlossen sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt die Kupferlegierung, welche die Form 1 und den Grobsiebanschnitt 2 bildet, eine Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 120 W/(m.K) und eine Brinellhärte von nicht weniger 180 HB, in Anbetracht der erforderlichen Kühlungsrate und mechanischen Festigkeit gegenüber Wärmebeanspruchungen. Die Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 120 W/(m.K) stellt keine hinreichende Kühlungsrate zur Verfügung, wodurch die Eliminierung der vorstehend erklärten Probleme des Stands der Technik erschwert ist. Außerdem neigt eine Kupferlegierung mit einer Brinellhärte von weniger als 180 HB zu einer Deformierung und/oder Sprüngen der Form aufgrund eines Temperaturschocks, selbst falls eine Mischkeramikbeschichtung auf der Oberfläche der Kupferlegierung angebracht ist. Es ist anzumerken, dass im allgemeinen Sinne eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Brinellhärte erwünscht sind. Jedoch führt eine übermäßige Wärmeleitfähigkeit zu einer verschlechterten Schweißbarkeit, wodurch die Reparatur der Form erschwert ist, wohingegen eine übermäßige Brinellhärte zu einer ansteigenden Zahl von Bearbeitungsschritten bei der Herstellung der Form führt. Somit ist es bevorzugt, dass der obere Grenzwert der Wärmeleitfähigkeit und der Brinellhärte bei annähernd 300 W/(m.K) bzw. 300 HB liegt.
Erfindungsgemäß besitzt der Grobsiebanschnitt 2, der zu dem Eingang des Ausgießkanals 5 benachbart angeordnet ist, einen Öffnungsdurchmesser etwas kleiner als der der Druckkammer 4. Ein solcher Grobsiebanschnitt 2 dient zur Eliminierung eines Oberflächenoxidfilms des halbverfestigten Fe, falls es in den Formenhohlraum 3 eingespritzt wird, um dadurch effektiv die Einführung des Oberflächenoxidfilms in den Raum 3 zu verhindern. Es ist bevorzugt, dass der Öffnungsdurchmesser des Grobsiebanschnitts 2 annähernd 15 bis 80 Prozent von dem der Druckkammer 4 ist.
Erfindungsgemäß wird eine Mischkeramikbeschichtung über eine Ni-Legierung umfassende Zwischenschicht wenigstens teilweise auf der inneren Oberfläche der Form 1, auf der Oberfläche des Grobsiebanschnitts 2 und auf der inneren Oberfläche der Druckkammer 4 aufgetragen. Wie vorstehend erwähnt ist, treten leicht ein Verschleiß und/oder Sprünge aufgrund von Temperaturschocks nahe der konvexen Oberfläche innerhalb des Formenhohlraums 3 mit einem kleinen Krümmungsradius R und in der Nähe der Öffnung des Grobsiebanschnitts 2 auf. Insoweit die vorstehend erwähnten Oberflächenregionen betroffen sind, ist es somit höchst effektiv, eine Mischkeramikbeschichtung über die Zwischenschicht aus einer Ni-basierten Legierung aufzutragen, da die Mischkeramikbeschichtung eine geringe Affinität zu der halbverfestigten Fe-Legierung besitzt und eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweist.
Die Ausbildung einer Zwischenschicht aus einer Ni-Legierung vor dem Auftragen der Mischkeramikbeschichtung ist höchst wichtig. Es ist anzumerken, dass die Ni-Legierung leicht geschmolzen und mit der Kupferlegierung leicht verbunden werden kann, falls sie auf der Kupferlegierung aufgetragen wird, da sich Ni und Cu insgesamt gegenseitig ineinander lösen. Weiterhin besitzt Ni einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zwischen denen des Cu und der Mischkeramik liegt, so dass die Ni-Legierung dazu dient, die Differenzen in der Ausdehnung oder der Schrumpfung zwischen der Kupferlegierungsform und der Mischkeramikschicht aufgrund der Temperaturänderungen während eines kontinuierlichen Gießens zu mäßigen. Insbesondere die Beschichtung der Zwischenschicht, 50 Masse-% oder mehr an Ni einschließend, steigert in großem Maße die Beschichtungseffizienz bezüglich der Kupferlegierung als einem Basismaterial. Weiterhin wird die Ni-basierte Legierung ebenso leicht geschmolzen und an eine Metallbindemittelkomponente der Mischkeramikschicht gebunden (z. B. Co im Falle von einer WC-Co-Mischkeramik), und spielt somit eine wichtige Rolle als die Zwischenschicht zur Vermittlung zwischen der Mischkeramikschicht und der Kupferlegierung als das Basismaterial, wenn eine Mischkeramikschicht auf dem Basismaterial aufgetragen wird. Es ist bevorzugt, dass die Ni-Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die aus 30 bis 50 Masse-% des Gesamten aus wenigstens einem Element besteht, das aus der aus Cr, Fe, Mo und W bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und der Rest aus Ni und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Ni-Legierung umfassende Zwischenschicht eine Dicke in der Größenordnung von 5 bis 100 µm und eine Oberflächenrauheit in einer Größenordnung von 5 bis 50 µm bezüglich des arithmetischen Mittelwertes (Ra) besitzt. Eine Dicke der Zwischenschicht von weniger als 5 µm resultiert in einer ineffektiven Bindungsschicht zwischen der Mischkeramikschicht und dem Basismaterial (Kupferlegierung), wohingegen eine Dicke über 100 µm zu einer übermäßig dicken Zwischenschicht führt, so dass die Wärmeleitung von der Oberfläche zu dem Basismaterial verschlechtert ist. Weiterhin ergibt eine Oberflächenrauheit der Zwischenschicht von weniger als 5 µm keine hinreichende Oberfläche bei der Ausbildung einer Diffusionsschicht zwischen der Mischkeramikschicht und der Zwischenschicht und/oder den erwünschten Stapelungseffekt aufgrund einer Formschlußverbindung zwischen konkaven und konvexen Gussformen.
Andererseits ist eine Oberflächenrauheit von mehr als 50 µm erwünscht, um die Fläche der Oberfläche zu steigern und den Stapelungseffekt (piling effect) zu erzielen, obwohl die resultierende Unebenheit der Zwischenschicht übermäßig wird, wodurch seine Adhäsionsfläche mit der Mischkeramikschicht abnimmt.
Es ist bevorzugt, dass die Mischkeramikschicht aus einer Kombination von
  • A) wenigstens einer der Keramiken, ausgewählt aus:
    • a) Carbidkeramiken, wie etwa WC, TiC, Mo2C, ZrC, NbC, VC, TaC,
    • b) Nitridkeramiken wie etwa TiN, ZrN, Cr2N,
    • c) Silicidkeramiken wie etwa TiSi2, ZrSi2,
    • d) Boridkeramiken wie etwa TiB2, ZrB2, NbB2, MoB, WB, und
    • e) Oxidkeramiken wie etwa Al2O3, TiO2, ZrO2 und Cr2O3; und
  • B) wenigstens einem Element aus Co, Cu, Cr und Ni umfasst. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Mischkeramikschicht eine Keramik ausgewählt aus WC-Co, MoB2-Ni oder Cr3C2-Ni umfasst.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Mischkeramikschicht eine Dicke in der Größenordnung von 10 bis 50 µm und eine Oberflächenrauheit in der Größenordnung von 5 bis 100 µm, weiter bevorzugt von 10 bis 50 µm, hinsichtlich des arithmetischen Mittelwerts (Ra) besitzt. Die Bildung der Mischkeramikschicht in der vorstehend erwähnten Dicke und Oberflächenrauheit mäßigt effektiv die Beanspruchungskonzentration an konvexen Oberflächenregionen mit einem kleinen Krümmungsradius innerhalb des der Produktgestalt entsprechenden Formenhohlraums, und in der Nähe der Öffnung des Grobsiebanschnitts, um dadurch effektiv das Auftreten von beispielsweise Verschleiß oder Haarrissen zu unterdrücken.
Es ist bevorzugt, dass die Zwischenschicht und die Mischkeramikschicht mittels eines Elektrofunkenabscheidungsverfahrens ausgebildet werden, wie etwa dem, das in den JP-A-06269936 und/oder JP-A-06269939 offenbart sind, wobei die Offenbarung von diesen hierin unter Bezugnahme mit eingeschlossen ist. Ein Elektrofunkenabscheidungsverfahren ist insbesondere vorteilhaft aus verschiedenen Gründen, z. B.:
  • a) Es erlaubt die Bildung einer starken Diffusionsschicht durch Schmelzen, anders als beim Galvanisieren oder dergleichen,
  • b) es gibt keine Beschränkungen bezüglich der Größe der Form,
  • c) es kann genauso zur Teilbeschichtung angewendet werden,
  • d) es gibt keine Totpunkte oder Schattenpositionen, an denen eine Beschichtung unmöglich ist, wie in dem thermischen Sprayverfahren oder dergleichen, und
  • e) es erlaubt leicht die Anpassung sowohl der Dicke als auch der Oberflächenrauheit der Beschichtung.
Da die Elektrofunkenabscheidung außerdem unter normalen Temperaturbedingungen mit einer minimalen Wärmezuführung durchgeführt werden kann, ist es effektiv möglich, eine Erweichung der Kupferlegierung zu vermeiden, welche durch höhere Temperaturen über einen längeren Zeitraum verursacht werden würde.
Die Spritzgussform kann derart gestaltet sein, dass die halbverfestigte Fe-Legierung in die Form aus einer horizontalen Richtung, wie in Fig. 1 und den Fig. 2(a) bis 2(c) gezeigt ist, oder aus einer vertikalen Richtung, wie in den Fig. 3(a) bis 3(c) gezeigt ist, eingespritzt wird. In jedem Fall ist der Grobsiebanschnitt 2 mit einem Durchmesser etwas kleiner als der der Druckkammer 4 angrenzend an den Gießkanal 5 angeordnet, der mit der Formenhohlraum 3 in Verbindung steht, um so die Bildung eines robusten bzw. widerstandsfähigen Gussprodukts 12 zu erlauben, das nicht mit einem Oberflächenoxidfilm vermischt ist.
Für das positive Eliminieren des Oberflächenoxidfilms der halbverfestigten Fe-Legierung durch den Grobsiebanschnitt 2 ist es bevorzugt, dass der Grobsiebanschnitt 2 ein Kühlsystem darin aufweist. Da die Form 1 und der Grobsiebanschnitt 2 erfindungsgemäß aus dem gleichen Material ausgebildet sind, ist es weiterhin möglich, verschiedene Probleme zu vermeiden, wie etwa ein schlechtes Passen von der Form 1 mit dem Grobsiebanschnitt 2 bei erhöhter Temperatur, was auftreten kann, wenn sie aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungen ausgebildet sind, oder es bedarf einer komplizierten und strengen Zwischenraumüberwachung der Form 1 und des Grobsiebanschnitts 2, um ein solches schlechtes Passen zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung ist für das Gießen einer halbverfestigten Fe-Legierung anwendbar, welche sich hauptsächlich auf eine Fe-/C-basierte Legierung wie etwa hypoeutektisches Gusseisen bezieht, jedoch ohne jegliche Beschränkung darauf. Z. B. kann die halbverfestigte Fe- Legierung andere Legierungen, einschließlich sogenanntes Weicheisen ähnliches Feineisen, und selbst niedrig legierte Stähle und hochlegierte Stähle umfassen, unter der Voraussetzung, dass ein Fest-/Flüssig-Koexistenzzustand ohne merkenswerte Schwierigkeiten leicht gebildet werden kann.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Kupferlegierung als das Material für die Form und den Grobsiebanschnitt bevorzugt eine aus dem Folgenden bestehende Zusammensetzung aufweist:
Ni: 1,0 bis 2,0 Masse-%,
Co: 0,1 bis 0,6 Masse-%,
Be: 0,1 bis 0,3 Masse-%,
Mg: 0,2 bis 0,7 Masse-%, und
Cu und unvermeidbare Verunreinigungen: Rest.
Eine solche Zusammensetzung schafft vorteilhafte Eigenschaften bezüglich der Wärmeleitfähigkeit von 120 bis 230 W/(m.K) und der Härte von 180 bis 300 HB. Die Signifikanz der numerischen Grenzen bezüglich der Zusammensetzung einer solchen Kupferlegierung wird nachstehend erklärt.
Ni: 1,0 bis 2,0 Masse-%
Ni wird zur Verbesserung der Festigkeit aufgrund der Ausbildung einer NiBe-Verbindung hinzugegeben. Die Ni- Gehalte von weniger als 1,0 Masse-% resultieren in einer ungenügenden Verbesserung der Festigkeit, wohingegen Ni- Gehalte von über 2,0 Masse-% in einer Sättigung bezüglich des Effekts der Verbesserung der Festigkeit resultieren, zusätzlich zu einer relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit.
Co: 0,1 bis 0,6 Masse-%
Co wird zur Verbesserung der Festigkeit aufgrund der Ausbildung einer CoBe-Verbindung hinzugegeben. Co-Gehalte von weniger als 0,1 Masse-% resultieren in einer ungenügenden Verbesserung der Festigkeit, wohingegen Co- Gehalte von über 0,6 Masse-% in einer gesteigerten Sprödigkeit resultieren, wobei die Verarbeitbarkeit in der Wärme verschlechtert ist.
Be: 0,1 bis 0,3 Masse-%
Be bindet an Ni und Co, um dadurch eine NiBe-Verbindung und CoBe-Verbindung auszubilden, um dadurch zur Verbesserung der Festigkeit beizutragen. Jedoch resultieren Be-Gehalte von weniger als 0,1 Masse-% in einer ungenügenden Verbesserung der Festigkeit, wohingegen Be-Gehalte von über 0,3 Masse-% in einer relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit resultieren.
Mg: 0,2 bis 0,7 Masse-%
Mg wird zur Verbesserung der Duktilität bei höheren Temperaturen hinzugegeben. Mg-Gehalte von weniger als 0,2 Masse-% resultieren in einem ungenügenden Effekt zur Verbesserung der Duktilität, wohingegen Mg-Gehalte von über 0,7 Masse-% nicht nur in einem verschlechterten Effekt zur Verbesserung der Duktilität sondern ebenso in einer relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit resultieren.
Ausführungsform
Die Form, mit der in Fig. 1 gezeigten Struktur wurde zum Spritzgießen einer halbverfestigten Fe-Legierung eingesetzt. Die halbverfestigte Fe-Legierung als das Injektionsmaterial war ein hypoeutektisches Gusseisen, das Fe mit 2,5 Prozent, C mit 2,0 Prozent und Si als seine Hauptkomponenten beinhaltete, und eine Solidusrate von 55 Prozent bei 1200°C aufwies. Die Form und der Grobsiebanschnitt waren jeweils aus Kupferlegierungen, Chrom-Kupfer und SKD61 ausgebildet, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. Die gesamte innere Oberfläche der Form, die Oberfläche des Grobsiebanschnitts und die innere Oberfläche der Einspritzöffnung wurden mit einer Ni-Legierungsschicht als eine Zwischenschicht und ebenso mit der Mischkeramikschicht versehen, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. Der Öffnungsdurchmesser des Grobsiebanschnitts betrug 30 mm, welcher 55 Prozent des Durchmessers (55 mm) der Druckkammer entspricht.
Die Tabelle 2 zeigt die Testergebnisse nach dem Spritzgießen unter den vorstehenden Bedingungen, bezüglich des Schädigungsgrads nahe der Öffnung des Grobsiebanschnitts, des Auftretens von Sprüngen an konvexen R-Bereichen innerhalb des Formenhohlraums, des Vermischungsgrads der Oberflächenoxide in das gegossene Produkt, das Auftreten von Graten und die Vorheizzeit der Form. Die angestrebte Zahl an Ladungen bzw. Einspritzungen mit Druck 100 bis 120. Die Tabelle 2 zeigt ebenso das Testergebnis von Gusseisen, das durch das Spritzgussformverfahren unter den vorstehenden Bedingungen, gefolgt von einem Tempern erhalten wurde, bezüglich des Graphitfeinheitsgrads, der Zugfestigkeit und der Dehnung. Die Zugfestigkeit und die Dehnung sind durch die arithmetischen Mittelwerte der gemessenen Werte für die gegossenen Produkte dargestellt, die jeweils keine gemischten Oxide aufweisen.
Die Vorheizzeit entspricht einer erforderlichen Zeitdauer vom Starten des Vorheizens der Spritzgussform bis zu dem gussbereiten Zustand, und der konvexe R-Sprung zeigt an, dass Haarsprüngen in in den Formenhohlraum vorstehenden R- Eckbereichen auftraten. Die Auswertekriterien der entsprechenden Punkte sind wie folgt. Die Feinheit wird basierend auf einer Beobachtung der mikroskopischen Struktur ausgewertet, wobei Kreise "○" für eine hinreichend erzielte Graphitfeinheit und Kreuze "X" für eine ungenügende Graphitfeinheit, die eine grobe Graphitstruktur zeigt, stehen. Die Zugfestigkeit wird durch das Durchführen eines Zugspannungstests in Übereinstimmung mit der JIS durchgeführt. Die Gratausbildung wird nach dem Gießen ausgewertet, basierend auf dem Auftreten eines Eindringens der Aufschlämmung in Zwischenräume zwischen die Ausstoßstifte und die entsprechenden Stiftlöcher, sowie zwischen dem Grobsiebanschnitt und der Form ausgewertet. Die Oxidmischung wird visuell durch die Analyse der Erscheinung und der Bruchfläche ausgewertet, hinsichtlich einer schlechten Qualität aufgrund des Eintrags von Oberflächenoxidfilmen bei der Verfestigung in der Oberfläche oder im Inneren des gegossenen Produkts. Die Gesamtauswertung wird durch doppelte Kreise "" für eine ausgezeichnete Verbesserung, durch Kreise "○" für eine akzeptable Verbesserung und durch Kreuze "X" für eine nicht akzeptable Verbesserung gekennzeichnet.
Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, kann mit jeder Probe mit den Nummern 1 bis 3 unter Anwendung der erfindungsgemäßen Form ein Gusseisenprodukt mit einer ausgezeichneten Qualität mit einer hinreichend erzielten Graphitfeinheit, ohne Sprünge in konvexen R-Bereichen und im Wesentlichen frei von Oxidmischungen erhalten werden. Im Gegensatz dazu konnte mit der Probe Nr. 4 ohne den Grobsiebanschnitt die Eliminierung von Oxidmischungen nicht erreichen, und dadurch war es nicht möglich ausgezeichnete Ergebnisse zu erhalten. Im Falle der Probe Nr. 5 ohne eine Zwischenschicht aus einer Ni-Legierung war es notwendig, das Gießen bei nur 35 Versuchen aufgrund einer Abtrennung der Mischkeramikschicht von der Oberfläche der Form und/oder des Grobsiebanschnitts zu stoppen. Die Probe Nr. 6 besitzt eine geringe Härte der Kupferlegierung für die Form, was zu einer schlechten mechanischen Festigkeit führt, und es war somit notwendig, dass Gießen bei 80 Versuchen zu stoppen. Die Probe Nr. 7 besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit der Kupferlegierung für die Form, so dass die Graphitfeinheit sich nicht geeignet entwickelt, und es war somit notwendig, das Gießen bei 88 Versuchen aufgrund der Ausbildung von Graten zu stoppen. Im Fall der Probe Nr. 8, besitzt die Chrom-Kupfer-Legierung, die als das Formmaterial eingesetzt wird, eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit geringer Härte, was es schwer oder unmöglich macht, die Zwischenschicht und/oder Mischkeramikschicht aufzutragen, zusammen mit einer ungenügenden Härte, so dass es notwendig war das Gießen bei 63 Versuchen zu stoppen. In Probe Nr. 9, in der herkömmliches SKD61-Material als die Form eingesetzt wurde, schritt die Graphitfeinheit nicht voran, eine Gratbildung trat auf und die Vorheizzeit ist lang, und es war notwendig, das Gießen bei 55 Versuchen zu stoppen.
Die erfindungsgemäße Form aus einer Kupferlegierung hatte eine hinreichende Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit als Form für das Spritzgießen einer halbverfestigte Fe-Legierung, besaß eine hinreichende Beständigkeit gegenüber heftigen Temperaturschocks beim Spritzgießen der halbverfestigten Fe-Legierung, und kann effektiv eine Mischung der Oberflächenoxidfilme der halbverfestigten Fe-Legierung in den Formenhohlraum vermeiden; um dadurch die stabilen Produkte mit hoher Qualität zu realisieren.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine in den anhängten Zeichnungen gezeigte spezielle Ausführungsform beschrieben wurde, so wurde sie nur zu illustrativen Zwecken präsentiert, und verschiedene Veränderungen oder Modifikationen können ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung wie näher durch die angehängten Ansprüche definiert ist abzuweichen durchgeführt werden.
Eine Spritzgussform für eine halbverfestigte Fe-Legierung schließt einen Grobsiebanschnitt zur Eliminierung eines Oberflächenoxidfilms einer halbverfestigten Fe-Legierung, die in den Formenhohlraum aus einer Druckkammer injiziert wird, ein. Der Grobsiebanschnitt ist zwischen der Druckkammer und einem Gießkanal, der in Verbindung mit dem Formenhohlraum steht, angeordnet. Die Formhälften und der Grobsiebanschnitt sind jeweils aus einer Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 120 W/(m.K) und einer Härte von nicht weniger als 180 HB ausgebildet. Die Formhälften und der Grobsiebanschnitt besitzen jeweils eine Mischkeramikschicht, die im Wesentlichen aus wenigstens einem Element besteht, das aus der aus Co, Cu, Cr und Ni bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Die Mischkeramikschicht wird mittels Elektrofunkenabscheidung über eine Zwischenschicht aus einer Ni-Legierung, die ebenso mittels Elektro-Funkenabscheidung ausgebildet wird, ausgebildet.

Claims (7)

1. Spritzgussform für eine halbverfestigte Fe-Legierung, umfassend ein Paar Formelemente, welche einen Formenhohlraum definieren, und einen Grobsiebanschnitt für die Entfernung eines Oberflächenoxidfilms einer halbverfestigten Fe-Legierung, wenn sie in eine Druckkammer in einer der Formelemente gepresst wird und in den Formenhohlraum eingespritzt wird, wobei der Grobsiebanschnitt zwischen der Druckkammer und einem Ausgießkanal in dem anderen Formelement angeordnet ist, wobei der Ausgießkanal in Verbindung mit dem Formenhohlraum steht, und wobei die Formelemente und der Grobsiebanschnitt jeweils eine Oberfläche aufweisen, die mit der halbverfestigten Fe-Legierung während deren Gießen in Kontakt steht:
wobei die Formelemente und der Grobsiebanschnitt jeweils eine Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 120 W/(m.K) und eine Härte von nicht weniger als 180 HB umfassen, und
wobei die Formelemente und der Grobsiebanschnitt jeweils eine Mischkeramikschicht umfassen, die im Wesentlichen aus einem aus der aus Co, Cu, Cr und Ni bestehenden Gruppe ausgewählten Element besteht, und wobei die Mischkeramikschicht mittels Elektrofunkenabscheidung wenigstens teilweise auf der Oberfläche über eine Zwischenschicht aus einer ebenso mittels Elektrofunkenabscheidung ausgebildeten Ni-Legierung ausgebildet ist.
2. Die Spritzgussform gemäß Anspruch 1, wobei die Ni- Legierung, welche die Zwischenschicht bildet, eine Zusammensetzung aufweist, die im Wesentlichen aus 30 bis 50 Masse-%, des Gesamten, aus wenigstens einem Element besteht, das aus einer aus Cr, Fe, Mo und W bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und der Rest aus Ni und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
3. Die Spritzgussform gemäß Anspruch 1, wobei die Ni- Legierung, welche die Zwischenschicht bildet, eine Filmstärke innerhalb eines Bereichs von 5 bis 100 µm und eine arithmetisch gemittelte Oberflächenrauheit Ra innerhalb eines Bereichs von 5 bis 50 µm aufweist.
4. Die Spritzgussform gemäß Anspruch 1, wobei die Kupferlegierung, welche die Formelemente und den Grobsiebanschnitt bildet, eine Zusammensetzung aufweist, die im Wesentlichen aus dem Folgenden besteht:
  • - Ni: 1,0 bis 2,0 Masse-%
  • - Co: 0,1 bis 0,6 Masse-%
  • - Be: 0,1 bis 0,3 Masse-%
  • - Mg: 0,2 bis 0,7 Masse-% und
  • - Cu und unvermeidbare Verunreinigungen: Rest.
5. Die Spritzgussform gemäß Anspruch 1, wobei die Mischkeramikschicht eine Mischkeramik umfasst, die aus einer WC-Co-Mischkeramik, MoB2-Ni-Mischkeramik und Cr3C2-Ni- Mischkeramik ausgewählt ist.
6. Die Spritzgussform gemäß Anspruch 1, wobei die Mischkeramikschicht eine arithmetisch gemittelte Oberflächenrauheit Ra innerhalb eines Bereichs von 5 bis 100 µm aufweist.
7. Die Spritzgussform gemäß Anspruch 1, wobei der Grobsiebanschnitt eine Kühlmittelpassage darin umfasst.
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