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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper als Einlage
in verlorene Formen für
Gussteile zur Herstellung endformnaher Bauteile mit den Merkmalen der
in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 beschriebenen Gattungen.
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Zur Herstellung von endformnahen
Bauteilen mittels Gießverfahren
in einer verlorenen Form, wie z.B. bei Sandguss, erfolgt in der
Regel durch das Verfahren des steigenden Gießens, da dabei die Metallschmelze
nicht verwirbelt wird, sondern die Sandform mit einer beruhigten
Schmelzfront gefüllt
wird, wodurch Gussteile mit seriennahen Eigenschaften entstehen.
In die Sandform werden dabei nach dem Stand der Technik Kühleisen
eingelegt, die an der Gussteilaußenwand anliegen und nach dem
Ausheben des Modells in der Sandform verbleiben. Durch die mit Kühleisen
belegten Flächen
der Sandform wird beim Gießen
eine Abschreckungswirkung und damit eine örtlich begrenzte erhöhte Erstarrungsgeschwindigkeit
der Schmelze erzielt und damit wird ein dichtes Gefüge der erstarrenden
Schmelze an der Fläche
des Kühleisens
erreicht.
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Kühleisen
haben daher die Aufgabe an schlecht zu schweißenden Gussstückbereichen
eine eventuelle Lunkerbildung zu vermeiden oder die Wirkung benachbarter
Speiser für
das Guss teil im Sinne einer gerichteten Erstarrung zu unterstützen. Größere Kontaktflächen der
Kühleisens
mit dem Gussteil werden zweckmäßigerweise
mit mehreren kleinen Kühleisen
belegt.
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Bereits während der Formfüllung und
nach dem Ende der Formfüllung
mit Schmelze wird die Wärme
der Schmelze durch die Kühlwirkung
der Sandform und der Kühleisen
entzogen, wodurch die Schmelze abkühlt und es zur Erstarrung der
Schmelze und daran anschließend
zu weiteren Abkühlung des
erstarrten Bauteils kommt. Die örtlich
oft stark variierenden Abmessungen der herzustellenden Gussteile
führen
zu unterschiedlich anfallenden und abzuführenden Wärmemengen und deshalb zu lokal
sehr unterschiedlichen Erstarrungsbedingungen für die einzelnen Bestandteile
des herzustellenden Bauteils. Es ist deshalb erforderlich bspw.
durch die Modifikation der Bauteilgeometrie und Maßnahmen
der Formgestaltung, wie die Lage der Speiser, Erstarrungsbedingungen
für die
Schmelze des Gussteils zu schaffen, die sowohl technisch einwandfreie
Gussstücke ohne
Makro- und Mikrolunkerung schaffen und ferner ist die Gefügeeinstellung
der erstarrenden Schmelze, wie Dendritenarmabstände, der Ausbildung von metastabilen
Phasen und dgl. von großer
Bedeutung für das
Einstellen der für
die Praxisanwendung geforderten lokalen Materialeigenschaften des
Gussteils.
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So ist bspw. eine gerichtete Erstarrung
von den Endzonen des Gussteils zum Speiser hin in Verbindung mit
der Erstarrungsmorphologie des Gießmetalls ein wichtiger Faktor
zur Erzeugung volumenfehlerfreier Gussteile. Durch die Anwendung
geeigneter Kühlmaßnahmen
kann die Sättigungsweite
von Speisern erheblich erhöht
werden und somit die Speiseranzahl entspre chend reduziert werden.
Nach dem Stand der Technik ist es bekannt durch geeignete Wandstärkenabstufung
ein Gefälle
der lokalen Erstarrungszeiten herbeizuführen. Man kann nun die Sättigungsweite
dadurch vergrößern, dass
ein verstärktes
Wärmegefälle hergestellt
wird z.B. durch aus dem Stand der Technik bekannte keilförmige Wandverstärkungen,
wie die bereits erwähnten
Kühleisen.
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Derartige keilförmige Verstärkungen werden zur Erzeugung
einer gerichteten Erstarrung von einer Endzone längs einer Strecke des Gussteils
verwendet. Als Endzone wird dabei die Stelle am Gussteil bezeichnet,
an der die Erstarrung der Schmelze beginnt, die sich dann von dort
aus zum Speiser hin gleichmäßig d.h.
gerichtet fortsetzt. In der Regel ist die Endzone die vom Speiser
am weitesten entfernte Stelle, weil dort die Wärmeableitung am stärksten nach
dem Guss der Schmelze einsetzt. Jedoch ist bei Gussteilen nicht
immer eine solche ausgeprägte
natürliche
Endzone vorhanden. Darüber
hinaus können auch
Querschnitte mit parallelen Wänden
nur bis zu einer begrenzten Entfernung von einem Speiser aus restlos
gesättigt
werden, so dass Mikrolunker in der thermischen Mitte der Wand vermieden
werden. Für hochbeanspruchte
Gussteile ist es aber unbedingt erforderlich, dass sie frei von
jeder Art von Lunkern sind.
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Die Gewährleistung gerichteter Erstarrung wird
besonders schwierig an Knotenpunkten, an denen mehrere Wandungen
aufeinander stoßen,
ferner auch an Querschnittsübergängen, an
Hohlkehlen und an Werkstoffanhäufungen.
Bei größeren verwickelten
Gussteilen mit zahlreichen Speisern ist es häufig erforderlich, mehrere
künstliche
Endzonen mit Kühleisen
zu schaffen, von denen aus die gerichtete Erstarrung jeweils einsetzen
soll.
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Aus dem Stand der Technik ist auch
der Einsatz von Kühlrippen
aus Kühlelementen
in Sandformen an dickwandigen Gussstückknotenpunkten vorbekannt.
Diese Kühlrippen
können
entweder als feste Kühlkörper in
die Sandform eingeformt oder bei dem Guss des Gussteils mitgegossen
werden. Die Kühlwirksamkeit
der Kühlrippen
ist allerdings begrenzt und nur über
das Verhältnis
von Kühlrippenmasse
zur Kontaktfläche
zur Schmelze steuerbar. Aus der
DE 100 14 591 C1 ist ein Verfahren zum steigenden
Gießen
in Sandformen mit gerichteter Erstarrung von Gussteilen bekannt
geworden. Gegenstand der
DE
110 14 591 C1 ist ein Verfahren zum steigenden Gießen in Sandformen
mit harzreichen oder besonders bindemittelhaltigen Gießkernen
und mit gerichteter Erstarrung von metallischen Gussteilen, die zumindest
einen Hohlraum aufweisen. Insbesondere sind dies Prototypen von
Motorblöcken
oder Zylinderköpfen,
die mit einem durch Kühlwasser
durchströmten
Hohlraum versehen sind.
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Die Gießform des Gegenstandes der
DE 100 14 591 wird auf
Grund der Anordnung der Eingusstrichter wie bei einer Kokille mit
einem Steigrohr an der tiefsten Stelle gefüllt. Es entsteht eine ungünstige Temperaturverteilung,
da der Eingusstrichter mit der zuletzt gespeisten Metallschmelze
nicht den Speiser bildet. Durch den Einsatz des Kühlsystems
an der Unterseite des Zylinderkopfes wird die Temperaturverteilung
umgekehrt. Dadurch wird das Prinzip der gerichteten Erstarrung realisiert,
da die Temperatur zum Speiser hin zunimmt. Durch die gerichtete
Erstarrung wird ein besonders beanspruchbares Materialgefüge ausgebildet,
dass bei dem Zylin derkopf brennraumseitig mit dem darüberliegenden
Wassermantel angeordnet ist. Dieser Bereich ist durch das anstehende
Temperaturgefälle
im Betrieb am höchsten
beansprucht. In diesem Bereich befindet sich beim Gießen das
zuletzt gegossene Metall, das an dieser Stelle am heißesten ist.
Darüber
hinaus wird durch die gezielte Kühlung
die Ausbildung von Lunkern verhindert. Von dem Gegenstand der
DE 100 14 591 ist auch
die kombinierte Veränderung
von vorgegossenen und komplex gestalteten Kühleisen mit Kühlmittel
durchströmten
Rohren in direktem Kontakt mit der Metallschmelze vorbekannt.
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Die möglichen Maßnahmen für eine gießtechnische Optimierung von
Bauteilkonstruktion und Formgestaltung sind durch zahlreiche Rahmenbedingungen
begrenzt. In der Regel wird von den Kunden allenfalls teilweise
eine Modifizierung der Bauteilgeometrie für Gießzwecke akzeptiert werden.
Darüber hinaus
sind auch der örtlichen
Lage von Speisern und der Anzahl von Speisern und dgl. verfahrenstechnische
und ökonomische
Grenzen gesetzt, wie etwa die Formkostengröße, die Formteilung, der Materialeinsatz
und dgl. Ferner ist auch das Beeinflussen des Wärmeflusses aus der erstarrenden
Schmelze des Gussteils aus der Formkavität in die Form durch Variation
thermophysikalischer Parameter des Formmaterials wie Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit
bei Gießverfahren
mit verlorener Form enge Grenzen gesetzt. Diese engen Grenzen sind
dadurch begründet,
dass Maßnahmen,
die zu einer Änderung der
vorerwähnten
thermophysikalischen Parameter führen,
in der Regel auch eine Änderung
anderer wichtiger gießtechnischer
Parameter wie des Ausgasungsverhaltens des Formstoffs, der Grünfestigkeit und
dgl. zwangsweise zur Folge haben.
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Die bisher bekannten und teilweise
vorstehend aufgeführten
Kühleisen
in Sandformen haben verschiedene Nachteile gemeinsam. So wird die Kühlwirksamkeit
der eingeformten Kühleisen
weitgehend allein über
das Verhältnis
von Kühleisenmasse und
Kontaktfläche
bestimmt und ist deshalb nur sehr eingeschränkt steuerbar. Betrachtet man
die kühlmitteldurchflossenen
Kühlelemente
z. B. nach der
DE 100 14 591 und
die weiteren derartigen Gegenstände nach
dem Stand der Technik sind dagegen in ihren geometrischen Freiheiten
bzgl. der Außenkontur
des Gussteils, des inneren Verlaufes der Kühlkanäle in dem Gussteil und bzgl.
des Wärmeübergangs
zur Kühlflüssigkeit
eingeschränkt,
da in der Regel nur vereinfacht geformte Rohre verwendet werden
können.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden
Erfindung eine preiswerte und verbesserte Steuerung des Kühlungsverhaltens
und der Kühlwirksamkeit von
Kühlkörpern zu
schaffen, darüber
hinaus eine gezielte und örtlich
genau definierte sowie abgegrenzte Variation der Kühleigenschaften
des Kühlkörpers bzgl.
von Teilen des Gussteils und/oder bzgl. des gesamten Gussteils und
ferner eine Kühlwirksamkeit
des Kühlkörpers ohne
die Beachtung räumlicher
Anforderungen bzw. geometrisch möglicher
Formen der Kühlmitteltransportwege
wie etwa bei von Kühlmittel
durchströmten
Rohren.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und
2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindungsgegenstände sind in den Merkmalen der
Unteransprüche
2 bis 24 gekennzeichnet.
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Der Vorteil der Erfindung besteht
insbesondere darin, dass bei der Herstellung des Kühlkörpers eine
Veränderung
der Dichte des, Materials des Kühlkörpers dadurch
erzeugt wird, dass das ganze Material innerhalb des Kühlkörpers gleichmäßig mit
zahlreichen Hohlräumen
durchsetzt ist. Diese Hohlräume können bspw.
als Poren einer Porosität
ausgebildet sein. Die Ausbildung der Veränderung der Dichte durch verschieden
starke Porosität
innerhalb des Materials des Kühlkörpers erlaubt
eine unveränderte Materialwahl
für den
Kühlkörper, so
dass bspw. Gusseisen oder aus Stahl angefertigte Kühlkörper wie
bisher auch schon in preiswerter Weise verwendet werden können. Es
besteht damit der erhebliche Vorteil, dass zur Kühlung des Gussteils bspw. in
einer Sandform nicht nur das Material und die Wärmeflusseigenschaften des Formsandes
und des aus massivem Material wie Gusseisen oder Stahl hergestellten Kühlkörpers zum
Kühlen
des gegossenen Gussteils zur Verfügung stehen, sondern entsprechend
der Veränderung
der Anzahl und der Größe der Hohlräume, die
bspw. als Porosität
ausgeführt
sein kann, verändern
sich auch die Wärmekapazität und die
Wärmeleitfähigkeit
des Kühlkörpers. Diese
Steuerbarkeit und die Einstellbarkeit der Kühlparameter durch den Kühlkörper ermöglicht es
auf die Besonderheiten bei der lokalen Ausbildung, wie großen und
kleineren Materialansammlungen bei dem zu gießenden Gussteil mit Hilfe von
veränderten
Kühlparametern
eine ganz spezielle Ausbildung der Art und Weise der Abkühlung des
Gussteils zu erzeugen.
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Es ist jedoch nicht nur möglich den
ganzen Kühlkörper also
das gesamte Material innerhalb des Kühlkörpers gleichmäßig mit
zahlreichen Hohlräumen
zu durchsetzen, sondern es ist auch möglich den Kühlkörper bei seiner Einlage in
der verlo renen Sandform derart zu gestalten, dass die Dichteverteilung
des Materials innerhalb des Kühlkörpers wenigstens
in einem Teilbereich inhomogen ausgeführt ist. Dieser inhomogene
Teilbereich des Kühlkörpers ist
zur Veränderung
der Dichte in diesem inhomogenen Teilbereich wieder mit Hohlräumen ausgestattet, die
bspw. als Porosität
ausgeführt
sein kann.
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Um eine gerichtete Erstarrung der
Flüssigschmelze
des Gussteils gegenüber
dem Einsatz bisher üblicher
keilförmiger
Kühleisen
nach dem Stand der Technik zu erreichen, wird bei dem erfindungsgemäßen Gegenstand,
also dem Kühlkörper, mindestens
ein Teilbereich geschaffen, der aus einem oder mehreren Zonen unterschiedlicher
Materialdichte besteht. Die unterschiedliche Materialdichte dieser
Zonen wird durch eine unterschiedliche Häufigkeit der Hohlräume pro
Zone und/oder auch durch eine unterschiedliche Größenordnung
des Durchmesser dieser Hohlräume
pro Zone erreicht. Daraus ergibt sich zwangsläufig, dass durch die unterschiedliche
Dichte des Materials mehrerer Zonen auch eine unterschiedliche Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit dieser
Zonen in den Kühlkörper resultiert.
Dies wiederum hat zur Folge, dass es auf Grund des unterschiedlichen
gut aufeinander abgestimmten Wärmeflussverhaltens
der Zonen des Kühlkörpers zu
einer gerichteten Abkühlung
der Schmelze des Kühlkörpers kommt
und zwar ohne dass größere Massen bzw.
Volumen des Materials des Kühlkörpers erforderlich
sind, wie dies bei dem keilförmigen
Kühleisen nach
dem Stand der Technik zur Steuerung einer gerichteten Abkühlung bisher
erforderlich war.
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Bei einer Verwendung von keilförmigen Kühleisen
nach dem Stand der Technik kann zwar eine gerichtete Erstarrung
längs eines
keilförmigen
Kühleisens
erzielt werden, jedoch ist es nach dem Stand der Technik nicht möglich gleichzeitig
eine Einstellung einer gleichmäßigen dichten
Randschale an der Außenseite
eines Gussteils mit dichtem und feinem Materialgefüge zu erreichen.
Bei dem erfindungsgemäßen Kühlkörper ist
es dagegen jederzeit möglich, einen
Teilbereich im Inneren des Kühlkörpers und zwar
eine außengelegene
Randschicht des Kühlkörpers, die
als Kontaktfläche
zum Gussteil dient, aus dem massiven Material des Gusskörpers als
dichte Randschale auszubilden. Direkt anschließend an diese massive Schicht
wird eine Zone angefügt,
die mit Porosität
versehen ist und bei Anwendung einer steigenden oder fallenden Porosität parallel
zur Länge
der Kontaktfläche
des abzukühlenden
Gussteils lässt
sich wiederum eine gerichtete Erstarrung der übrigen Schmelze des Gussteils
erreichen und gleichzeitig wird die äußerste Schicht des Gussteils, die
an der Kontaktfläche
zu dem Kühlkörper anliegt, mit
einem dichten und feinen Gefüge
des Materials des Gussteils versehen.
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Es lassen sich also Bauteile und/oder
Zonen mit kontinuierlicher Dichteverteilung und Bauteile und/oder
Zonen mit veränderter
oder sich verändernder
Dichteverteilung in Reihe aufeinanderfolgend anordnen oder auch
parallel nebeneinander liegend im Material innerhalb des Kühlkörpers vereinen.
Es können
dabei Zonen mit einer Dichteverteilung in dem Kühlkörper vorgesehen werden, in
denen bezogen auf eine Wegstrecke und/oder eine Richtung und/oder
eine räumliche
Ausdehnung die Dichteverteilung des Materials innerhalb des Kühlkörpers abnimmt
oder ansteigt. Der Kühlkörper lässt sich
also flexibel praktisch an jede äußere Form
des zu gießenden
Gussteils in der Sandform anpassen, indem bspw. das Abnehmen oder
Ansteigen der Dichteverteilung in den Zonen des Materi als innerhalb
des Kühlkörpers entweder
sprunghaft oder stufenweise verläuft
oder einer Kurvencharakteristik folgt.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil
des vorliegenden Erfindungsgegenstandes besteht darin, dass die
einzelnen Hohlräume
innerhalb des Kühlkörpers sowohl
isoliert voneinander angeordnet werden können, wie auch derart, dass
die jeweiligen benachbarten Hohlräume durch Öffnungen miteinander in Verbindung
stehen. Die einzelnen miteinander durch Öffnungen verbundenen Hohlräume des
Kühlkörpers lassen
sich deshalb mittels eines Mediums durchströmen, das bspw. gasförmig, flüssig und/oder
fest ausgebildet ist und zur Kühlung
dient. Auch in die einzelnen isoliert voneinander angeordneten Hohlräume und
auch in die durch Öffnungen
miteinander verbundenen und benachbarten Hohlräume des Kühlkörpers lässt sich ein Material einbringen,
dass nach dem Gießen
des Gussteils durch Aufnahme von Wärme schmilzt in Form einer
Phasenumwandlung und danach die Wärme wieder verzögert abgibt.
Die Kühleigenschaften
und das Abkühlungsverhalten
der Kühlkörper lässt sich
also in einem sehr weiten Umfang einstellen und steuern. Da durch
das Einbringen von Hohlräumen
in das Material des Kühlkörpers und/oder
die Verwendung der Hohlräume
innerhalb des Kühlkörpers für das Durchdringen
oder das Füllen
mit einem Medium oder einem wärmespeichernden
Material die Wärmekapazität und die
Wärmeleitfähigkeit
des Körpers
in Bezug auf das Gussteil steuerbar ist.
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Ein weiterer Vorteil des Kühlkörpers besteht darin,
dass sich auch das Wärmeflussverhalten
bzw. die Wärmeflussbedingungen
zwischen dem in eine Sandform eingelegte Kühlkörper und dem Material der Sandform
also dem Sand, noch verändern
lassen. Bei in die Gussformen eingelegten Kühlkörpern werden die an den Formsand
der Gussform anstoßenden
Grenzflächen
des Kühlkörpers durch
eine gradierte und an die Wärmeflussbedingungen
des Formmaterials angepasste Veränderung
beeinflusst, z.B. lässt
sich durch die Anzahl und die Größe der Hohlräume innerhalb
der Grenzfläche
des Kühlkörpers eine
stetige Variation der Wärmeflussparameter am Übergang
zwischen dem Formmaterial und der Gussform und dem Werkstoff des
Kühlkörpers erreichen.
Dadurch ist es möglich,
Sprünge
bei der Wärmeableitung
zwischen dem Material des Kühlkörpers und
dem Material der Sandform abzumildern.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Kühlkörper werden
häufig
in verlorenen Formen verwendet wie z.B. in Sandformen. Die Kühlkörper bestehen
z.B. aus Gusseisen oder Stahl und sind als Einlagen angefertigt,
die bei dem Sandguss mit dem Modell eingeformt werden und dort nach
dem Guss und dem Ausheben des Modells in der Sandform verbleiben.
Diese verlorenen Formen in Gestalt des Sandgusses werden zwar zur
formnahen Herstellung von Bauteilen verwendet, an den mit dem Kühlkörper belegten
Flächen
der Sandform wird mit Hilfe der Kühlkörper die Abkühlung und
die Art und Weise der Erstarrung des gegossenen Formteils beeinflusst.
Nach dem bisherigen Stand der Technik stehen beim Gießen von
Gussteilen in einer Sandform, die mit Kühlkörpern bestückt ist, zwei verschiedene
Wärmeabflussmuster
zur Verfügung
nämlich das
Abkühlungsverhalten
des Sandes und das Abkühlungsverhalten
des Materials der Kühlkörper. Komplex
geformte Gussteile haben lokal variierende Abmessungen, die wiederum
unterschiedlich anfallende Wärmemengen
beinhalten und die dann jeweils abzuführen sind, dadurch entstehen
lo kal unterschiedliche Erstarrungsbedingungen, die mit nur zwei
Wärmeabflussverhaltensmustern
nämlich
der des Sandes und der des Materials des Kühlkörpers in der Regel nicht derart
zu bewältigen
sind, dass eine ökonomische
Herstellung der Gussteile und die Erzielung der in der Praxis geforderten
Anforderungsprofile wie z.B. die Gefügeeinstellung für das Gussteil erreicht
werden kann.
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Der Kühlkörper gemäß der Erfindung ermöglicht es
nun die Dichte des Materials des Kühlkörpers bei der Herstellung zu
verändern.
Dabei ist es nicht erforderlich, eine andere Materialwahl für den Werkstoff
des Kühlkörpers vorzunehmen,
als man sie bisher gemäß dem Stand
der Technik verwendet hat. Sind für einen Kühlkörper gute Erfahrungen mit einem
bestimmten Material in der Praxis gemacht worden, so kann weiterhin
dieses Material verwendet werden und trotzdem die Dichte des Kühlkörpers verändert werden.
Eine Änderung
der Dichte des Kühlkörpers wiederum
begründet
eine Änderung
der Wärmekapazität des Kühlkörpers und
eine Änderung der
Wärmeleitfähigkeit
des Kühlkörpers, damit
steht mit dem Kühlkörper nach
der Erfindung ein Gegenstand zur Verfügung, der eine Einstellung
des Wärmeabflussverhaltens
und damit der Abkühlung
und der Art und Weise der Erstarrung des Gussteils an den Kontaktflächen mit
dem Kühlkörper zur
Verfügung.
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Der Kühlkörper nach der Erfindung lässt sich grundsätzlich in
zwei verschiedenen Ausführungsformen
verwirklichen. In einer ersten Ausführungsform wird in dem Material
des Kühlkörpers bei
der Herstellung eine Änderung
der Dichte dieses Materials dadurch erzeugt, dass das gesamte Material
innerhalb des Kühlkörpers gleichmäßig mit
zahlreichen Hohlräumen
durchsetzt ist. Diese Hohlräume
können
z.B. als Poren einer den gesamten Kühlkörper durchsetzenden gleichmäßig verteilten
Porosität
ausgebildet sein. Variiert man nun die gleichmäßig verteilten Hohlräume bspw.
in Form von Poren bzgl. ihrer Anzahl innerhalb des gesamten Kühlkörpers oder
auch bzgl. der Größe der Hohlräume bzw.
Poren, so lässt sich
je nach Anzahl und Größe der Hohlräume bzw. Poren
eine jeweils unterschiedliche Dichte in den gesamten Kühlkörper erzeugen.
Auf Grund dieser Dichteänderungen
in dem Kühlkörper bei
der Herstellung lässt
sich damit die ganze Skala an Wärmeabflussbedingungen
für das
Gussteil erzeugen, die zwischen dem Wärmeabflussverhalten des Sandes
und dem Wärmeabflussverhalten
des Kühlkörpers besteht, wenn
der Kühlkörper aus
massivem Material hergestellt ist. Für einfache Gussteilformen eignet
sich die vorstehend geschilderte erste Ausführungsform des Kühlkörpers mit
gleichmäßig verteilter
Porosität
im gesamten Kühlkörper gut,
bei dem Gießen
von Gussteilen mit größeren Flächen lassen
sich auch mehrere derartige Kühlkörper gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
nebeneinander legen, wobei diese Kühlkörper gemäß der ersten Ausführungsform
auch jeder Kühlkörper für sich eine
unterschiedliche Dichte aufweisen kann, indem man bspw. die Anzahl
der Hohlräume
variiert. In dem Kühlkörper gemäß der ersten
Ausführungsform
lässt sich
eine Dichtespeisung und eine Gefügebeeinflussung
des Gussteils erzielen, wobei das Gussteil bspw. aus Eisen, Aluminium
und jedem anderen für
ein Gussteil geeigneten Werkstoff bestehen kann, wobei die beispielhaften Materialangaben
für das
Gussteil und den Kühlkörper auch
für den
Kühlkörper in
einer zweiten Ausführungsform
gelten, die nun nachstehend geschildert wird.
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Der Kühlkörper nach der Erfindung in
seiner zweiten Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, dass die Dichtevertei lung des Materials
innerhalb des Kühlkörpers mindestens
in einem Teilbereich inhomogen ausgeführt ist. Die Inhomogenität in wenigstens
einem Teilbereich des Material des Kühlkörpers erfolgt durch die Ausbildung
von zahlreichen Hohlräumen,
die wiederum bspw. durch die Poren einer Porosität ausgebildet sein können. Ein
Teilbereich des Kühlkörpers kann
sowohl mit Hohlräumen ausgestattet
sein, wie auch ohne, d.h. er kann auch massiv ausgebildet sein.
Dieser Teilbereich wiederum besteht aus ein oder mehreren Zonen,
die dann jeweils eine unterschiedliche Dichte und/oder Dichteverteilung
aufweisen können.
Die Zonen eines Teilbereichs sind definiert bezogen auf deren örtliche Entfernung
zur Kontaktfläche
mit dem Gussteil und bezogen auf deren Richtung und deren räumliche Ausdehnung
entlang der Kontaktfläche
des Gussteils. Eine Änderung
der Dichteverteilung des Materials innerhalb des Kühlkörpers durch
ein oder mehrere Zonen wird mittels an die Anwendungserfordernisse
des Gussteils angepasster und deshalb mit unterschiedlicher Dichte
ausgestatteten Zonen des Materials des Kühlkörpers erzielt. Die Dichteverteilung
der einzelnen Zonen wird also je nach der Form, nach der Größe und Lage
von Teilen des Gussteils ausgeführt,
die auf die einzelnen Zonen jeweils einwirken sollen.
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Die Dichte der einzelnen Teilbereiche
oder der einzelnen Zonen des Kühlkörpers lässt sich
auf verschiedene Weise erzielen. Die Hohlräume in dem Kühlkörper können bspw.
in unterschiedlicher Anzahl angeordnet sein und/oder die Hohlräume in dem Kühlkörper weisen
unterschiedliche Größen auf.
Es lassen sich dann die Hohlräume
bzw. die Poren einer Porosität
gruppenweise zusammengefasst an definierten Orten wie Teilbereichen
und/oder Zonen in dem Kühlkörper platzieren.
Es lassen sich also Bauteile einmal ohne jegliche Hohlräume d.h.
massive Bauteile und/oder Zonen neben Bauteile und/oder Zonen setzen,
die eine kontinuierliche Dichte also eine gleichmäßig verteilte
Hohlraumhäufigkeit
bzw. Porenanzahl in der Zone aufweisen. Die Bauteile und oder Zonen
mit veränderter
Dichte oder mit sich verändernder
Dichteverteilung können
in Reihe aufeinanderfolgend und/oder parallel nebeneinander liegend
im Material des Kühlkörpers angeordnet
sein. Darüber
hinaus können
in dem Kühlkörper Zonen
mit einer derartigen Dichteverteilung in dem Material vorgesehen
sein, in denen bezogen auf eine Wegstrecke und/oder eine Richtung
und/oder eine räumliche Ausdehnung
die Dichteverteilung des Materials innerhalb der Zone abnimmt oder
ansteigt. Dieses Abnehmen oder Ansteigen der Dichteverteilung in
den Zonen des Materials kann dabei unterschiedlich erfolgen wie
etwa sprunghaft, stufenweise oder sie folgt einer Kurvencharakteristik.
Wenn eine gerichtete Erstarrung der Schmelze des Gussteils erzielt
werden soll so wird das Abnehmen oder Ansteigen der Dichteverteilung
in den Zonen des Materials des Kühlkörpers einer
gleichmäßigen also
einer linearen Änderung
folgen.
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Mit den vorstehend geschilderten
Variationen der Dichte einzelner Teilbereiche oder Zonen oder der
sich ändernden
Dichteverteilung einzelner Zonen in den Kühlkörpern gemäß der Erfindung lassen sich
praktisch beliebig komplexe Formen und Teile des Gussteils an den
Kontaktflächen
mit dem Kühlkörper durch
ein sich veränderndes
Wärmeflussverhalten
erzeugen und durch den Kühlkörper beeinflussen.
Es lassen sich deshalb nicht nur komplexe Formen, sondern auch vielfältige Strukturen
innerhalb des Gussteils mit dem Kühlkörper gemäß der Erfindung beeinflussen
und damit steuern. Die Hohlräume,
die den Kühlkörper durchsetzen
und eine unterschiedliche Dichte oder Dichteverteilung innerhalb der
Teilbereiche und/oder Zonen bewirken, können bspw. durch Umgießen von
Platzhaltern wie z.B. Plastikkugeln oder dergl. erfolgen. Eine weitere
Möglichkeit
zur Herstellung dieser Hohlräume
in dem Kühlkörper besteht
darin, ein pulvermetallurgisches Schaumverfahren zu Erzeugung der
Hohlkörper
und des Kühlkörpers zu
verwenden. Eine weitere Möglichkeit
zur Herstellung von Hohlräumen
bzw. von Poren in den Kühlkörper besteht
darin, den Kühlkörper mittels
Rapid Prototyping-/Rapid Tooling-Techniken zu erzeugen.
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Die Anordnung der Hohlräume im Inneren des
Kühlkörpers kann
auf zwei verschiedene Weisen erfolgen. Die einzelnen Hohlräume in dem
Kühlkörper können isoliert
voneinander angeordnet sein oder die einzelnen Hohlräume sind
mit den jeweils benachbarten Hohlräumen durch Öffnungen miteinander verbunden.
Die miteinander durch Öffnungen verbundenen
Hohlräume
des Kühlkörpers können von
einem Medium durchströmt
werden. Dieses Medium dient zur Kühlung und es kann gasförmig, flüssig und/oder
fest ausgebildet sein. Nicht nur das Einbringen von Hohlräumen in
das Material des Kühlkörpers sondern
auch durch die Verwendung der Hohlräume innerhalb des Kühlkörpers für das Durchdringen
oder Verfüllen
in einem Medium oder einem wärmespeichernden
Material, was nachher noch geschildert wird, kann die Wärmekapazität und/oder
die Wärmeleitfähigkeit
des Kühlkörpers in
Bezug auf das Gussteil verändert
und gesteuert werden. Das Durchströmen der Hohlräume mit
einem Kühlmedium
ermöglicht
eine zusätzliche
Feineinstellung und Veränderung
des Wärmeabflussverhaltens
des Kühlkörpers ohne
dass an dem Kühlkörper zusätzliche Maßnahmen
ergriffen werden müssen.
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Sowohl in die einzelnen isoliert
voneinander angeordneten Hohlräume
als auch bei den mit Öffnungen
miteinander verbundenen und benachbarten Hohlräumen kann in diese Hohlräume des
Kühlkörpers ein
derartiges Material eingebracht sein, das nach dem Gießen des
Gussteils durch Aufnahme von Wärme
aufschmilzt und danach die Wärme
verzögert abgibt.
Dieses Material, das z.B. Blei sein kann oder jedes andere dafür geeignete
Material macht während
der Erwärmung
durch die Schmelze eine Phasenumwandlung mit der entsprechenden
latenten Wärme
durch und ändert
auf diese Weise die Wärmeabflussbedingungen
für die
Schmelze. Das Einbringen eines wärmespeichernden
Materials in die Hohlräume
stellt damit ein weiteres Steuerungsinstrument für die Wärmeabflussbedingungen des Gussteils
durch den Kühlkörper gemäß der Erfindung
dar.
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Nachfolgend sollen noch einige Beispiele
die Erfindung erläutern.
Der Gussteil mit rechteckstabförmiger
Geometrie soll so abgegossen werden, dass eine gerichtete Erstarrung
bei gleichzeitiger Ausbildung einer Randschale mit feiner Gefügestruktur
erreicht werden kann. Verwendet man die nach dem Stand der Technik üblichen
keilförmigen
Kühleisen,
so kann zwar eine gerichtete Erstarrung längs des Rechteckstabes erreicht
werden. Allerdings ist die gleichzeitige Einstellung und Erzeugung
einer gleichmäßigen Randschale
mit feinem Gefüge
mit Hilfe des Kühleisens
nach dem Stand der Technik nicht möglich. Bei Verwendung eines
Kühlkörpers gemäß der Erfindung
wird ein rechteckförmiger
Kühlkörper gewählt, wobei
der rechtförmige
Kühlkörper einen
Teilbereich mit durch den Anwendungsfall bestimmten Dicke ohne Porosität aufweist.
Auf und dahinter also parallel dazu liegt ein Teilbereich mit mehreren
Zonen, in dem die Porosität
bspw. linear mit der Länge
des rechteckförmigen
Gussteils zunimmt. Die Dicke des Teilbereichs des Kühlkörpers bleibt
dagegen über
die ganze Länge
des rechteckstabförmigen
Gussteils konstant. Der mit konstanter Dicke ausgestatte Teilbereich
des Kühlelements
bestimmt damit die Randschalenerstarrung des Gussteils und bildet
auf diese Weise ein feines Randgefüge des Gussmaterials aus. Die
parallel bzw. dahinterliegende Porosität des Kühlkörpers bestimmt dagegen die Erstarrung
des Gussteilinneren und gewährleistet
auf diese Weise die gerichtete Erstarrung des Gussteils. Im Gegensatz
zum Einsatz keilförmiger
Kühleisen nach
dem Stand der Technik wird durch den Kühlkörper eine Variation des Wärmeflusses
entlang des gegossenen rechteckförmigen
Gussteils bei gleichmäßiger d.h.
in diesem Fall rechteckiger Kontaktfläche zwischen Kühlkörper und
der Außenoberfläche des Gussteils
längs des
Stabes möglich.
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Ein weiteres Beispiel für die Anwendung
des Kühlkörpers nach
der Erfindung besteht darin, dass eine Sandform lokal mit einem
Kühlkörper versehen wird.
Im Übergangsbereich
von dem Material des Kühlkörpers zu
dem Sand der Sandform entsteht eine starke Veränderung bzw. ein abrupter Übergang der
Wärmeflussbedingungen
zwischen dem Formsand und dem Material des Kühlkörpers. Bei in eine Gussform
eingelegten Kühlkörper erfolgt
für die
an das Formmaterial der Gussform anstoßende Grenzfläche des
Kühlkörpers eine
stetige Variation der Wärmeflussparameter
am Übergang
zwischen dem Formmaterial der Gussform und dem Werkstoff des Kühlkörpers dadurch,
dass eine gradierte und an die Wärmeflussbedingungen
des Formmaterials also des Formsandes angepasste Änderung
der Anzahl und/oder der Größe der Hohlräume innerhalb
der Grenzflächen
des Kühlkörpers vorgenommen
wird.
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Ein weiteres Beispiel besteht darin,
dass ein Gussteil aus einer aushärtbaren
Legierung sehr schnell erstarren soll, um ein feinkörniges Gefüge zu erreichen.
Andererseits soll die Abkühlung
bei Temperaturen unter der Solidustermperatur deutlich verzögert werden,
um genügend
Zeit für
eine Ausscheidungsbildung zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck
wird ein Kühlkörper mit
Hohlräumen
verwendet, dessen Hohlräume
mit einem wärmespeichernden
Material gefüllt
sind. Dieses wärmespeichernde Material
lädt in
der ersten Phase der Abkühlung
Wärme durch
Aufschmelzen auf. Im weiteren Verlauf der Abkühlung wirkt das aufgeschmolzene
wärmespeichernde
Material dagegen wegen der freiwerdenden Wärme verzögernd bezüglich der Abkühlung.