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Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung
für das
Schwerkraftgießen
von Metall mit verlorenem Schaummodell und Befüllung von der Unterseite, und
insbesondere einfach wiederverwertbare Angüsse dafür.
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Das so genannte Gussverfahren mit
verlorenem Schaummodell ist ein allgemein bekanntes Verfahren zum
Herstellen von Metallgussteilen, bei dem ein flüchtiges, pyrolysierbares Polymerschaummodell
mit einer dünnen,
gasdurchlässigen
keramischen Beschichtung bedeckt und in einer Form aus ungebundenem
Sand eingebettet wird, um in dem Sand einen Formhohlraum zu bilden.
Geschmolzenes Metall (z.B. u.a. Eisen oder Aluminium) wird dann
in die Form eingeleitet, um das Modell zu Pyrolysieren und durch
geschmolzenes Metall zu verdrängen.
Gasförmige
und flüssige
Pyrolyseprodukte entweichen durch die gasdurchlässige keramische Beschichtung in
die Zwischenräume
zwischen den ungebundenen Sandpartikeln. Typische flüchtige Polymerschaummodelle
umfassen geschäumtes
Polystyrol (EPS), Polymethylmethacrylat (PMMA) und bestimmte Copolymere.
Das geschmolzene Metall kann entweder über Schwerkraft gegossen werden
(d.h. die Schmelze wird von einer oberhalb befindlichen Pfanne oder Ofen
gegossen), oder entgegen der Schwerkraft gegossen (d.h. die Schmelze
wird, z.B. durch Unterdruck oder Nieder druck, aus einem darunter
liegenden Gefäß nach oben
in die Form hinein gedrückt).
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Bei Schwerkraftgießverfahren
mit verlorenem Schaummodell ist der hydraulische Kopf der Schmelze
die treibende Kraft zum Füllen
des Formhohlraums mit Schmelze. Es sind Schwerkraftgießverfahren
mit verlorenem Schaummodell bekannt, die (1) den Formhohlraum von
oben füllen,
indem die Schmelze in eine Schale gegossen wird, die über dem
Modell liegt, so dass die Schmelze in den Formhohlraum durch ein
Eingusssystem eintritt, das eine oder mehrere Eingüsse umfasst,
die oberhalb des Modells angeordnet sind, oder die (2) den Formhohlraum
von unten füllen,
indem die Schmelze in einen vertikalen Anguss gegossen wird, der
neben dem Modell liegt und sich von oberhalb des Formhohlraums bis
zum Boden des Formhohlraums erstreckt, um den Formhohlraum von unterhalb
durch ein Eingusssystem zu füllen,
welches eine oder mehrere Eingüsse
aufweist, die unterhalb des Modells angeordnet sind. Vordem sind
die Angüsse
gebildet worden aus (1) porösen,
keramisch beschichteten, flüchtigen
Schäumen
wie die, die für
die Modelle verwendet werden, oder (2) aus porösen, keramischen Schalen wie
jene, die beschrieben sind in der anhängigen US-Patentanmeldung U.S.
Serial No. 10/ 132,878, die am 25. April 2002 eingereicht und an
die Inhaberin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Nach dem Abkühlen wird
das Metall, das in dem Anguss (nachstehend "Angussmetall") und in dem Eingusssystem verbleibt,
von dem Gussteil abgeschnitten und wiederverwertet. In jedem Fall
ist das Angussmetall mit einer Keramikschicht bedeckt, die von dem
Angussmetall entfernt werden muss, bevor das Angussmetall wieder
eingeschmolzen und wiederverwendet werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beseitigt
die Notwendigkeit, eine Keramikschicht von der Oberfläche von
dem über
Schwerkraft mit verlorenem Schaummodell gegossenen Angussmetall
zu entfernen, bevor das Angussmetall wiederverwendet wird. Die vorliegende
Erfindung umfasst eine Vorrichtung für das Schwerkraftgießen von
Metall mit verlorenem Schaummodell und Befüllung von der Unterseite in eine
gewünschte
Gestalt, umfassend: (1) ein Bett aus losem Sand, das eine Form mit
einem Formhohlraum darin bildet, welcher an die Gestalt des Gussteils
angepasst ist, (2) einen Formkasten, der das Bett aus Sand enthält, (3)
ein pyrolysierbares flüchtiges
Polymermodell, das in dem Sand eingebettet ist und dem Formhohlraum
die Form gibt, (4) einen flüchtigen Körper, der
an dem Modell angebracht ist und ein Eingusssystem in dem Sand bildet,
um dem Formhohlraum das geschmolzene Metall zuzuführen, (5) einen
Einlass in das Eingusssystem, um geschmolzenes Metall in das Eingusssystem
hineinzulassen, und (6) einen hohlen Anguss, der in dem Sand eingebettet
ist, um dem Einlass das geschmolzene Metall zuzuführen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht der Anguss im Wesentlichen aus dem Metall, das
gegossen wird, so dass das Angussmetall am Ende des Gießens wiederverwertet
werden kann, ohne zunächst
die keramische äußere Schicht
von diesem Entfernen zu müssen.
Das Metall, das gegossen wird, und das Metall, das der Anguss umfasst, werden
vorzugsweise die gleichen Legierungsbestandteile in ungefähr den gleichen
Konzentrationen enthalten. Am stärksten
bevorzugt werden das Metall, das gegossen wird, und das Metall,
das der Anguss umfasst, die gleichen Legierungsbestandteile enthalten
aber in hinreichend unterschiedlichen Konzentrationen, so dass das
Metall, das der Anguss umfasst, einen höheren Schmelzpunkt aufweist
als die Gießtemperatur
des Metalls, das gegossen wird, um das Schmelzen des Angusses während des
Gießens
des geschmolzenen Metalls zu verzögern.
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Gemäß einer am stärksten bevorzugten
Ausführungsform
umfasst der Anguss eine Entlüftung benachbart
zu seinem Auslassende, um Luft, die sonst in dem Anguss während des
Gießens
des geschmolzenen Metalls gefangen werden würde, abzuleiten. Die Entlüftung wird
vorzugsweise ein poröses hitzebeständiges Material
(z.B. Keramik oder Metall) umfassen. Das Entlüftungsmaterial kann die Form von
einem oder mehreren porösen
Stopfen in einer Öffnung/Öffnungen
durch die Seitenwand des Angusses hindurch, einem oder mehreren
porösen
Stücken,
die eine derartige Öffnung/derartige Öffnungen bedecken,
einer porösen
Hülse,
die eine derartige Öffnung/derartige Öffnungen
umgibt/bedeckt oder einer porösen
Hülsenkupplung/einem
porösen
Ring, die/der das Auslass-/Austragsende des Metallangusses mit dem
Einlass des Eingusssystems verbindet, annehmen.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand
der Zeichnungen beschrieben, in diesen zeigt:
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1 eine
Seitenansicht in Teilschnitt eines sandgefüllten Formkastens zum Gießen mit
verlorenem Schaummodell mit einem Modell und einem Anguss aus dem
Stand der Technik dafür,
die darin eingebettet sind;
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2 eine
Ansicht in der Richtung 2-2 von 1;
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3 eine
Seitenansicht im Schnitt eines sandgefüllten Formkastens zum Gießen mit
verlorenem Schaummodell mit einer anderen Modell- und Angussanordnung
aus dem Stand der Technik, die darin eingebettet ist;
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4 eine
Seitenansicht im Teilschnitt eines sandgefüllten Formkastens, zum Gießen mit
verlorenem Schaummodell gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung; und
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5 eine
Seitenansicht im Teilschnitt eines sandgefüllten Formkastens zum Gießen mit
verlorenem Schaummodell gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
eine bekannte Form 2 zum Gießen mit verlorenem Schaummodell
mit einem Metallformkasten 4, der mit losem Sand 6 gefüllt ist,
der um ein flüchtiges
EPS-Schaummodell 8 gepackt ist, welches einen Formhohlraum 10 in
dem Sand 6 bildet. Das Modell 8 ist an die Gestalt
des Gegenstandes, der gegossen wird, angepasst und mit einer dünnen, gasdurchlässigen,
keramischen Schicht beschichtet, wie es in der Technik allgemein
bekannt ist. Der Formhohlraum 10 nimmt geschmolzenes Metall,
das diesem zugeführt
wird, auf und formt es zu einem Gussteil, das hier als der Zylinderkopf
eines Verbrennungsmotors gezeigt ist. Obgleich ein einziger Zylinderkopf
mit einem einzigen Gießen
von Schmelze gegossen werden könnte,
werden tatsächlich
in der Praxis mehrere Zylinderköpfe
gleichzeitig mit einem einzigen Guss gebildet. In dieser Hinsicht,
und wie es in 2 gezeigt
ist, ist es übliche
Praxis, zwei oder mehr diskrete Modelle 8, 10 an
einem Teil eines flüchtigen
Schaums 12 anzubringen, welcher ein Eingusssystem 14 in
dem Sand 6 bildet, das für die Formhohlräume 16, 18,
die jeweils durch die Modelle 10, 8 gebildet sind,
gemeinsam ist. Das Eingusssystem 14 gibt gleichzeitig Schmelze
an die benachbarten Formhohlräume 16, 18 ab,
wenn die Schmelze fortschreitend in dem Eingusssystem 14 aufsteigt und
in jeden der Formhohlräume 16, 18 über eine Vielzahl
von Eingüssen
A – L überläuft. Eine
flüchtige Schaumkrone 20 oben
auf dem Eingusssystem 14 bildet einen Steiger in dem Sand 6,
der zusätzliche Schmelze
aufnimmt und sie dem Eingusssystem 14 zurückführt, um
Schwindung während
des Abkühlens/Erstarrens
der Schmelze auszugleichen. Wenn nur ein Gegenstand pro Stunde gegossen
wird, kann ein einfacheres Eingusssystem verwendet werden, z.B.
ein Einguss oder mehrere Eingüsse,
der/die Schmelze direkt in den Formhohlraum hineinlässt/hineinlassen.
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Wieder nach 1 wird geschmolzenes Metall dem Eingusssystem 14 aus
einem hohlen Anguss 22 zugeführt, der aus dem gleichen pyrolysierbaren Schaum
wie das Modell 8 hergestellt und auf gleiche Weise mit
einer dünnen
gasdurchlässigen
keramischen Schicht 25 wie die Beschichtung des Modells 8 beschichtet
ist. Der Anguss 22 besitzt: (1) ein Mundloch 24 an
einem Ende zur Aufnahme geschmolzenen Metalls, (2) einen hohlen
Abschnitt 26, der sich von dem Mundloch 24 auf
eine Höhe
unter dem Modell 8 erstreckt, und (3) ein Austrags-/Auslassende 30 zum
Austragen des geschmolzenen Metalls aus dem Anguss. Das Austragsende 30 steht
mit einem Teil aus festem Schaum 28 in Eingriff, das sich von
dem Austragsende 30 des Angusses 22 zu dem Einlass 32 zu
dem Eingusssystem erstreckt, und besitzt eine dünne poröse, keramische Beschichtung 29 darauf.
Der hohle Abschnitt 26 umfasst eine flüchtige Schaumwand 34,
die einen internen Strömungskanal 36 definiert.
Ein Metalleingusstrichter 38, der in dem Mundloch 24 des
Angusses 22 ange ordnet ist, nimmt geschmolzenes Metall
von einer oberhalb angeordneten Pfanne oder einem oberhalb angeordneten
Ofen (nicht gezeigt) auf und leitet es in den Strömungskanal 36 hinein.
Es ist auch bekannt, eine ähnliche
Angussanordnung zu verwenden, bei der aber der hohle Abschnitt 26 durch
festen Schaum ersetzt ist. Nach dem Gießen und Erstarren wird das
Metall, das in dem Anguss (d.h. das "Angussmetall") und in dem Eingusssystem verbleibt,
von dem Gussteil weggeschnitten, gesäubert, um die keramische Beschichtung,
die durch den Anguss verbleibt, zu entfernen, und wieder zu dem
Ofen zurückgeführt, wo
es wieder eingeschmolzen und wiederverwendet wird.
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3 zeigt
eine andere bekannte Form- und Angussanordnung zum Gießen mit
verlorenem Schaummodell. Eine Form zum Gießen mit verlorenem Schaummodell 40 umfasst
einen Metallformkasten 42, der mit losem Sand 44 gefüllt ist,
der um ein flüchtiges
EPS-Schaummodell 46 herum gepackt ist, welches einen Formhohlraum 48 in
dem Sand 44 bildet. Das Modell 46 ist mit einer
dünnen,
gasdurchlässigen,
keramischen Schicht 50 beschichtet. Der Formhohlraum 48 wird
von der Unterseite mittels eines horizontalen Angießkanals 52 gefüllt, der
die Unterseite des Formhohlraums 48 mit dem Auslass 54 eines
hohlen Angusses 56 verbindet. Der Angießkanal 52 ist in dem
Sand 44 durch eine Platte 58 aus keramikbeschichtetem,
pyrolyiserbarem EPS-Schaum gebildet. Der hohle Anguss 56 sitzt
oben auf der Platte 58 und umfasst eine poröse, gasdurchlässige, nicht
pyrolysierbare, keramische Schale, die beispielsweise aus keramischen
Fasern hergestellt ist, die im Handel für die Gussindustrie, die ein
Gießen mit
verlorenem Schaummodell gebraucht, unter dem Handelsnamen PYROTEC
CF 300TM erhältlich sind. Nach dem Gießen und
Erstarren wird das Metall in dem Anguss 56 und dem Angießkanal 52 von
dem Gussteil weggeschnitten, gereinigt, um die keramische Schale
und die Beschichtung darauf zu entfernen, und zu einem Ofen zurückgeführt, wo
es wieder eingeschmolzen und wiederverwendet wird.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und ist ähnlich wie der in 1 gezeigte Aufbau mit der
Ausnahme der Zusammensetzung des Angusses 60. Bei dieser
Ausführungsform besteht
ein hohler Anguss 60 im Wesentlichen aus dem gleichen Metall,
wie es gegossen wird (z.B. Aluminium). Ein Mundloch 66 am
oberen Ende des Angusses 60 hält eine Gussschale 68 zur
Aufnahme geschmolzenen Metalls von einer darüber liegenden Pfanne oder Ofen
(nicht gezeigt). Ein interner Strömungskanal 70 lenkt
das geschmolzene Metall bis unterhalb des Modells 62 und
dann in das Eingusssystem, das das geschmolzene Metall in den Formhohlraum 64,
der durch das Schaummodell 62 gebildet ist, über einen
Kanal 61 zuführt,
der in dem Sand, der unter dem Modell liegt, durch den flüchtigen Schaum 76 gebildet
ist. Ein oder mehrere hitzebeständige,
poröse
Stopfen 74 füllen
eine Öffnung/Öffnungen
75 durch die Metallwand des Angusses 60 neben seinem Austragsende 72,
wo es auf den festen Schaum 76 trifft. Alternativ werden
die hitzebeständigen,
porösen
Stücke
(nicht gezeigt) über
den Öffnungen 75 befestigt
(z.B. geklebt) anstatt der Verwendung der Stopfen 74. Bei
einer noch anderen Variante kann eine poröse Hülse (nicht gezeigt) das Austragsende
des Angusses umgeben, so dass die Öffnung/Öffnungen bedeckt ist/sind.
Der eine oder die mehreren hitzebeständigen, porösen Stopfen/Stücke/Hülsen können irgendeines
einer Vielzahl von Materialien umfassen, welche dazu dienen, Luft aus
dem Anguss abzuleiten, die sonst während des Gießens des
geschmolzenen Metalls in dem Anguss 60 gefangen werden
würde.
Mit "hitzebeständigem" Material ist ein
Material gemeint, dass einem Schmel zen durch das geschmolzene Metall,
das gegossen wird, standhalten wird, bis die Luft aus dem Anguss ausgestoßen worden
ist. Somit kann der Stopfen/können
die Stopfen u.a. poröse
Metalle, Glas oder Keramiken in Formen wie etwa gesinterten Produkten,
Sieben, Faserbäuschen
umfassen.
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5 zeigt
eine andere Ausführungsform der
Erfindung, bei der der Anguss 78 im Allgemeinen J-förmig ist,
schaumfrei ist, einen ersten vertikalen Schenkel 80 zur
Aufnahme geschmolzenen Metalls von einer oberhalb befindlichen Pfanne
oder Ofen und einen zweiten vertikalen Schenkel 82, der
kürzer als
der erste Schenkel 80 ist, zum Lenken des Stromes von geschmolzenem
Metall nach oben in den Einlass 84 zu dem Eingusssystem,
welches durch den Vorsprung 86 aus flüchtigem Schaum gebildet ist,
aufweist. Der zweite, kürzere
vertikale Schenkel 82 stellt sicher, dass die Schmelze
sich dem EPS-Vorsprung 86 von unten nähert, um zu verhindern, dass
die Pyrolysegase in den ersten vertikalen Schenkel 80 hineinströmen (siehe
USSN 10/132,878 oben). Der erste und der zweite vertikale Schenkel sind
miteinander durch einen Übergangs-/Verbinderabschnitt 88 verbunden,
der vorzugsweise an beiden Enden 90 und 92 gekrümmt ist,
um eine glatte, nicht turbulente Strömung in dem Anguss bereitzustellen. Die
Querschnittsfläche
des Strömungskanals 94 in dem
zweiten vertikalen Schenkel 82 ist größer als die Querschnittsfläche des
Strömungskanals 96 in
dem Übergangs-/Verbinderabschnitt 88,
um die Geschwindigkeit zu verlangsamen, mit der die Schmelzenfront
nach oben in dem zweiten vertikalen Schenkel 82 vorrückt. Eine
Schaumkrone 98 bildet einen Steiger in dem Sand oberhalb
des Modells, um Schmelze in das Eingusssystem zurückzuleiten, wenn
das Gussteil abkühlt/erstarrt.
Das Auslassende 100 des Angusses 78 ist mit dem
Vorsprung 86 mittels einer porösen Hülsenkupplung oder eines Rings 102 gekoppelt,
welcher dazu dient, Luft aus dem Anguss 78 abzuleiten,
die sonst in den Anguss 78 gefangen werden würde, wenn
geschmolzenes Metall in dem Anguss gegossen wird. Wie der Stopfen/die Stopfen/Stücke der
in 4 gezeigten Ausführungsform
umfasst der poröse
Entlüftungsring 102 ein
hitzebeständiges,
poröses
Material.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellte Angüsse
werden im Wesentlichen aus dem gleichen Metall, wie es gegossen
wird, bestehen. Wenn Aluminium das Metall ist, das gegossen wird, wird
somit der Anguss ebenfalls aus Aluminium hergestellt sein. Der Anguss
wird vorzugsweise die gleiche Aluminiumlegierung umfassen, wie sie
gegossen wird, und wird eine Wanddicke von ungefähr 0,15 mm bis ungefähr 0,35
mm aufweisen, um sicherzustellen, dass der Anguss nicht schmilzt,
bevor das Gießen abgeschlossen
ist. Alternativ kann die Angusslegierung die gleichen Legierungsbestandteile
wie das Metall, das gegossen wird, umfassen, aber in unterschiedlichen
Konzentrationen, die eingestellt sind, um den Anguss mit einem höheren Schmelzpunkt
als die Gießtemperatur
des Metalls, das gegossen wird, zu versehen, was zulässt, dass
der Anguss dünnere Wände aufweisen
kann, als es bei einer bei einer niedrigen Temperatur schmelzenden
Legierung möglich
wäre. Es
können
andere Legierungsbestandteile in dem Metall, das der Anguss umfasst,
vorhanden sein, solange nach der Wiederverwertung die Anwesenheit
derartiger anderer Legierungsbestandteile nicht die Eigenschaften
des Metalls, das gegossen wird, verschlechtert. Wenn die Zusammensetzung der
Angusslegierung nicht exakt zu der Zusammensetzung der Gusslegierung
passt und die Angusslegierung zu dem Ofen, der die Gusslegierung
liefert, zurückgeführt wird,
wird die Zusammensetzung der Gusslegierung in dem Ofen periodisch
derart eingestellt werden, dass sie innerhalb der Spezifikationen bleibt,
die für
die Gusslegierung erforderlich sind.
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Die Erfindung betrifft zusammengefasst
eine Vorrichtung zum Schwerkraftgießen mit verlorenem Schaummodell
von Metallgussteilen, die ein flüchtiges,
pyrolysierbares Schaummodell, das einen Gusshohlraum in einem Bett
aus losem Sand bildet, und einen hohlen Anguss umfasst, um dem Gusshohlraum
Schmelze zuzuführen,
wobei der Anguss im Wesentlichen aus dem gleichen Metall, wie es
gegossen wird, besteht. Es ist eine hitzebeständige, poröse Entlüftung neben dem Austragsende
des Metallangusses vorgesehen, um Luft aus dem Anguss auszustoßen, die
sonst in diesem gefangen werden würde.