DE10332367A1

DE10332367A1 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Gußteilen mittels des Vollformgießens

Info

Publication number: DE10332367A1
Application number: DE2003132367
Authority: DE
Inventors: Peter Everwin; Jürgen Niehues; Herbert MÖDING
Original assignee: KS Aluminium Technologie GmbH
Current assignee: KS Huayu Alutech GmbH
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: DE10332367B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modell und ein Verfahren zur Herstellung eines Modells für das Vollformgießen von Gussteilen sowie ein Gussteil und ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gussteils mittels des Vollformgießens, wobei zur Herstellung des Modells ein Kunststoffgranulat verwendet wird, dem Fasern und/oder Festkörperpartikel zugesetzt werden, so dass ein Modell vorliegt, in dem die Fasern und/oder Festkörperpartikel homogen und feinst verteilt vorliegen, und ein Gussteil, das im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren unter Verwendung des beschriebenen Modells mit Fasern und/oder Feststoffen angereichert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modell für das Vollformgießen von Gußteilen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Modells und ein Gußteil, das im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren unter Verwendung eines verlorenen Modells hergestellt ist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gußteils mittels des Vollformgießens.

Gußteile können mittels verschiedener Gießverfahren hergestellt werden. Bekannte Gießverfahren sind das Gießen mittels Schwerkraft, unter Niederdruck und unter Druckbeaufschlagung sowie die hybriden Formen, wie beispielsweise das Squezzecasting, bei dem die Gießform mittels einer geringen Druckbeaufschlagung gefüllt und die gefüllte Gießform anschließend mit einem Druck beaufschlagt wird. Zu unterscheiden sind die Gießverfahren bei dem mit einem geringen Druck gearbeitet wird von denen, bei denen die Leichtmetallschmelze einem hohen Druck ausgesetzt wird. Zur Erzielung lokaler Werkstoffeigenschaften ist aus der DE 199 20 802 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Gußstücks aus einer Leichtmetall-Legierung in einem druckgußbeaufschlagten Gießverfahren unter Einsatz eines oder mehrerer infiltrierbarer Precursor-Körper, die auch Preformen genannt werden, bekannt. In jedem Fall handelt es sich um ein Gießverfahren, bei dem die Schmelze während der Erstarrung unter Druck von mehr als 10 bar steht. Auf diese Weise lassen sich Metallkeramik-Verbundwerkstoffe herstellen, bei denen eine Leichtmetall-Legierung, beispielsweise eine Aluminiumschmelze, in einen porösen Precursor-Körper während des Gießvorganges hineingedrückt wird. Die Schmelze reagiert mit den Stoffen des hohlen Precursor-Körpers, bei denen es sich zumeist um Metalloxide handelt. Die Metalloxide werden durch das Metall der Schmelze reduziert. Es bildet sich beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), und das Metall bildet mit dem Leichtmetall der restlichen infiltrierten Schmelze eine Legierung oder eine intermetallische Phase, al so beispielsweise ein Aluminid. Es findet folglich eine chemische Reaktion zwischen den Bestandteilen des porösen infiltrierbaren Precursor-Körpers und der Leichtmetallschmelze statt, und es wird ein metallkeramischer Verbund-Werkstoff hergestellt. Auf diese Weise ist es möglich, im Gußstück lokal unterschiedliche Werkstoffeigenschaften zu erzeugen. Nachteilig bei derartigen Verfahren ist die lange Einwirkdauer des Drucks, da die benötigte Zeit zum Infiltrieren des Precursor-Körpers eine unerwünschte Wärmesenke für die Dauergießform darstellt. Ein weiterer Nachteil ist, dass komplexe Gießformen mit Hinterschnitten mit druckbeaufschlagten Gießverfahren nicht herstellbar sind.

Aus der europäischen Patentschrift EP 0 449 356 B1 ist ein in einer metallischen Dauerform gegossener, buchsenloser Einzelzylinder- oder Mehrzylinderblock aus einer Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen mit in der Aluminiummatrix eingebetteten, gleichmäßig darin verteilten, über die Zylinderlaufbahn herausragenden, mechanisch geglätteten Siliciumkörnern bekannt, der sich dadurch auszeichnet, daß in den Zylinder ein die Zylinderlaufbahn bildender, mit untereutektischer Aluminiumlegierung penetrierter hohlzylinderförmiger Faserformkörper aus keramischen Fasern mit darin eingefügten Siliciumkörnern und/oder Hartstoffkörnern in Form von Siliciumcarbit, Chrom-, Wolfram-, Molybdän-, Titan-, Niob-, Vanadiumcarbiden, -nitriden, -siliciden einzeln oder zu mehreren eingegossen sind. Die Siliciumkörner und/oder Hartstoffkörner ragen als Traggerüst für die Kolbenringe und den Kolbenschaft aus der Zylinderlaufbahn heraus, wobei der Faseranteil und der Anteil an Siliciumkörnern und oder Hartstoffkörnern so groß ist, daß ein großflächiger Kontakt zwischen der Aluminiumlegierungsmatrix des Zylinders und dem Kolbenschaft entstehen kann. Zur Herstellung des Einzelzylinders beziehungsweise des Mehrzylinderblocks wird der erwärmte Faserformkörper auf die Pinole der Gießform aufgesetzt und die Aluminiumlegierungsschmelze in die Gießform eingefüllt und unter Druck zur Erstarrung gebracht. Das Infiltrieren solcher Faserformkörper ist nur mittels einer Druckbeaufschlagung möglich.

Ein Gießverfahren, bei dem das Niederdruck- oder Schwerkraftgießen eingesetzt wird, ist das Vollformgießverfahren, wie es aus der DE 195 40 231 A1 bekannt ist. Beim Vollformgießverfahren werden verlorene, in der Form verbleibende Modelle in einen für gewöhnlich binderfreien Formstoff eingebettet, der eine einteilige Form bil det. Die Modelle zur Durchführung des Vollformgießverfahrens bestehen dabei bisher aus aufgeschäumtem Kunststoff, in der Regel Polystyrol, sie werden durch das Eingießen flüssigen Metalls in die Form kontinuierlich zersetzt. Das flüssige Metall verdrängt dabei das Kunststoffmodell und bildet schließlich ein Vollform-Gußteil, das in seiner Gestalt dem nun zerstörten verlorenen Modell entspricht. Zur Vermeidung von Verunreinigungseinschlüssen im Gußstück ist es bekannt, den Modellen metallorganische Verbindungen zuzusetzen, um die Bildung von Kohlenstoff teilweise oder ganz zu unterbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modell für das Vollformgießen von Gußteilen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Modells und ein im Niederdruck oder Schwerkraftgießverfahren hergestelltes Gußteil unter Verwendung eines verlorenen Modells sowie ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gußteils zu entwickeln, mit dem ein gezielter Einfluß auf die Werkstoffeigenschaften des erzeugten Gußteils genommen und mit dem wirtschaftlicher und mit gesteigerter Produktivität gefertigt werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dahingehend, dass ein Modell und ein Verfahren zur Herstellung eines Modells entwickelt wurde, wobei in das Modell homogen und feinst verteilt Fasern und/oder Festkörperpartikel eingebunden sind und zur Herstellung des Modells ein Kunststoffgranulat verwendet wird, dem in einem ersten Schritt Fasern und/oder metallische Festkörperpartikelpartikel zugesetzt werden, so dass ein Gemenge vorliegt, in dem die Fasern und/oder Festkörperpartikelpartikel homogen und feinst verteilt vorliegen und dass das Gemenge in einem folgenden Schritt formgebend verdichtet wird und dass das Gemenge anschließend zur Bildung des Modells bei der für den Kunststoff verbindlichen Temperatur verbacken wird. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Modells ist nun die Möglichkeit geschaffen, ein Modell für das Vollformgießen von Gußteilen zur Verfügung zu stellen, in das lokal oder homogen und feinst verteilt Fasern und/oder Festkörperpartikelpartikel eingebunden sind. Durch eine lokale Anreicherung, z.B. im Bereich der Zylinder, können der Aluminiumschmelze beim Einfüllen in die Gießform entsprechende Legierungsbestandteile, wie beispielsweise Hartstoffe und/oder Fasern zur Verfügung gestellt werden. Als Fasern können dabei z.B. SiO, Al₂O₃ oder vergleichbare Verbindungen dienen und als Hart- beziehungsweise Feststoff, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind z. B. TiO, wobei der Anteil der Zusätze an Fasern zwischen 2 Vol.-% und 10 Vol.-% und der Anteil an Festkörperpartikelpartikeln zwischen 5 Vol.-% und 20 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 8 Vol.-% und 12 Vol.-%, liegt. Das mit Fasern und/oder Festkörperpartikeln versehene Kunststoffgranulat kann als Gemenge direkt verbacken werden oder es können zusätzliche organische oder anorganische Bindemittel zur Bildung des Modells verwendet werden. Als organisches Bindemittel kann dahin zum Beispiel Stärke dienen, das während des Gießvorgangs verdampft oder als anorganisches Bindemittel zum Beispiel Kieselsäure oder Wasserglas. Es ist erfindungsgemäß ebenso vorstellbar, dass Kunststoffgranulat und die Fasern und/oder Festkörperpartikel vor dem Mischen elektrostatisch aufzuladen, so dass nach dem Mischen und Verpressen zu einem Modell ein elektrostatisch gebundenes Modell vorliegt. Als Kunststoffgranulat wird dabei vornehmlich kugeliges Polystyrol verwendet, das in einer Fraktion von 80 μm bis 200 μm vorliegt.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, dass ein Gußteil im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren hergestellt wird, das mit Fasern und/oder Feststoffen angereichert ist. Üblicherweise ist man beim Infiltrieren von Körpern in Gußteile auf die druckbeaufschlagten Gießverfahren angewiesen. Es ist erfindungsgemäß nun aber die Möglichkeit geschaffen, Infiltrationskörper für drucklose Gießverfahren zur Verfügung zu stellen. Dies bietet den erfindungsgemäßen Vorteil, dass auch komplizierte Gußteile mit z.B. Hinterschnitten, die im Druckgußverfahren nicht herstellbar sind, lokal angereichert werden können. Es ist somit möglich, die Werkstoffeigenschaften des im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren erzeugten Gießteils lokal unterschiedlich auszubilden. Dabei ergeben sich die eingestellten lokalen Werkstoffeigenschaften des entstehenden Verbundmaterials aus den eingesetzten Werkstoffarten und -konzentrationen der Fasern und/oder Feststoffe, die nicht auf die genannten Fasern und/oder Festkörperpartikel beschränkt sind, es ist vielmehr möglich jeden beliebigen, legierungstechnisch sinnvollen Werkstoff in das Modell einzubinden. Vorzugsweise werden aber Leichtmetallschmelzen zur Infiltration der Fasern und/oder Feststoffe vorgesehen. Nach dem Einsetzen des Modells, das auch Preform genannt wird, in die Gießform, kann ein Teil des Polystyrols durch den niedrigen Flammpunkt und die in der Serienfertigung heißen Gießform abbrennen. Ansonsten wird aber beim Vollformgießen der Kunststoff von der ein dringenden Schmelze zerstört. Die in den Zwischenräumen eingelagerten Feststoffanteile behalten ihre Position und werden durch sie umspülende Schmelze eingebunden und es entsteht ein Verbundwerkstoff.

Eingesetzt werden kann dieses lokale Werkstoffengineering bei Gußteilen wie beispielsweise Kurbelgehäusen, etc. im Schwerkraft oder Niederdruckgießverfahren, insbesondere dort, wo besonders hohe tribologische Eigenschaften gefordert werden.

Claims

Modell für das Vollformgießen von Gußstücken, dadurch gekennzeichnet, dass in das Modell homogen und feinstverteilt Fasern und/oder Festkörperpartikelpartikel eingebunden sind.
Modell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern und/oder Festkörperpartikel lokal in das Modell eingebunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Modells für das Vollformgießen von Gußstücken, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Modells ein Kunststoffgranulat verwendet wird, dem in einem ersten Schritt Fasern und/oder Festkörperpartikel zugesetzt werden, so dass ein Gemenge vorliegt, in dem die Fasern und/oder Festkörperpartikel homogen und feinst verteilt vorliegen und dass das Gemenge in einem folgenden Schritt formgebend verdichtet wird und dass das Gemenge anschließend zur Bildung des Modells bei der für den Kunststoff verbindlichen Temperatur verbacken wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoffgranulat zusätzlich organische oder anorganische Bindemittel zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffgranulat und die Fasern und/oder Festkörperpartikel vor dem Mischen elektrostatisch aufgeladen werden, so dass nach dem Mischen der Komponenten ein elektrostatisch gebundenes Gemenge vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffgranulat kugeliges Polystyrol verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Polystyrol in einer Fraktion von 80 μm bis 200 μm verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Feststoffe Hartstoffe verwendet werden.
Gußteil, hergestellt im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren unter Verwendung eines verlorenen Modells nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gußteil mit Fasern und/oder Feststoffen angereichert ist.
Gußteil, hergestellt im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren unter Verwendung eines verlorenen Modells nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gußteil lokal mit Fasern und/oder Feststoffen angereichert ist.
Gußteil nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fasern zwischen 2 Vol.-% und 10 Vol.-% und der Anteil an Festkörperpartikelartikeln zwischen 5 Vol.-% und 20 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 8 Vol.-% und 12 Vol.-% liegt.
Verfahren zur Herstellung eines metallischen Gußteils nach einem der Ansprüche 9 bis 11 mittels des Vollformgießens, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell in die Gießform eingelegt und die Gießform mit Schmelze gefüllt wird, so dass der Kunststoff und die Bindemittel verdampfen und die Fasern und/oder Festkörperpartikel homogen und feinst verteilt im Gußteil vorliegen.