DE10357618A1

DE10357618A1 - Verfahren zum Herstellen eines Gussteils aus einer Metallschmelze

Info

Publication number: DE10357618A1
Application number: DE2003157618
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Müller; Wilfried Dr.rer.nat. Bender
Original assignee: Hydro Aluminium Deutschland GmbH
Current assignee: Bender Wilfried Dr 50674 Koeln De; MUELLER, WOLFGANG, DIPL.-ING., 96047 BAMBERG, DE
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: EP1691944A2; WO2005056218A2; DE10357618B4; WO2005056218A3; EP1691944B1

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Gussteils aus einer Metallschmelze, bei dem die Metallschmelze in eine poröse Gießform (1) vergossen und die mit Metallschmelze gefüllte poröse Gießform (1) mithilfe einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird, ermöglicht bei gleichzeitig hoher Flexibilität dadurch eine schnelle und gezielt steuerbare Abkühlung eines in einer Gießform befindlichen Gussteils, dass die Gießform (1) nach dem Vergießen der Metallschmelze im Bereich mindestens eines Abschnitts ihrer Außenflächen mit einer Kühlflüssigkeit benetzt wird und dass die poröse Gießform (1) mindestens in dem mit der Kühlflüssigkeit benetzten Bereich aus einem Material erzeugt ist, dessen Kapillarität so auf die Kühlflüssigkeit abgestimmt ist, dass die Gießform (1) in ihrem aus diesem Material erzeugten Bereich mindestens ein Teilvolumen der sie benetzenden Kühlflüssigkeit sebsttätig aufnimmt, indem das Material der Gießform (1) die sie benetzende Kühlflüssigkeit aufsaugt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gussteils aus einer Metallschmelze, bei dem die Metallschmelze in eine poröse Gießform vergossen und die mit Metallschmelze gefüllte poröse Gießform mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird.
Eine beim Gießen von Teilen für Verbrennungsmotore und anderen im praktischen Einsatz hoch belasteten Bauelementen stets zu beachtende Anforderung besteht darin, dass sich im Zuge der Erstarrung des Gussstücks eine bestimmte Gefügestruktur ausbilden soll, die die mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Gussstücks entscheidend bestimmt.
Es ist bekannt, dass eine schnelle Erstarrung der Metallschmelze zu einem feinen Gefüge des Gussteils führt und daher wünschenswert ist. Außerdem ist für ein dichtes Gefüge ein gelenkter Erstarrungsverlauf erstrebenswert.
In der Praxis lassen sich beide Anforderungen insbesondere dann nur mit großem Aufwand erfüllen, wenn Gussstücke mit stark schwankenden Dicken hergestellt werden sollen. Ein typisches Beispiel für derartige Gussstücke sind aus Leichtmetallschmelzen gegossene Zylinderköpfe oder Motorblöcke, in die neben den jeweils erforderlichen Verbrennungsräumen, Ventilsitzen etc. komplex geformte Kühl- und Ölversorgungskanäle sowie Lagerelemente eingeformt werden sollen.

Es ist versucht worden, den angestrebten Erstarrungsverlauf durch eine Flüssigkeitskühlung der in der Gießform befindlichen Metallschmelze zu verwirklichen. So ist aus der EP 0 571 703 B1 ein Feingussverfahren zum Herstellen von metallischen Gusskörpern bekannt, bei dem eine die Metallschmelze enthaltende poröse Keramikgießform nach dem Abgießen in einer stetigen Bewegung in eine Kühlflüssigkeit eingetaucht wird. Die Kühlflüssigkeit durchtritt dann die poröse Keramikform und penetriert die Gießformwand. Dabei eilt der Bereich, der von Kühlflüssigkeit benetzt wird, der tatsächlichen Eintauchtiefe aufgrund einer geeigneten Auswahl der Eintauchgeschwindigkeit der Gießform in die Kühlflüssigkeit, der Dicke und Porosität der Gießformwand sowie der Dichte und Viskosität der Kühlflüssigkeit der Penetrationsbereich der Kühlflüssigkeit, in Bewegungsrichtung der Erstarrungsfront gesehen, der Erstarrungsfront nach. Voraussetzung für das Eindringen von Kühlflüssigkeit in die Poren der bekannten keramischen Gießform ist dabei, dass die Kühlflüssigkeit mit einem gewissen Druck auf die Gießform wirkt.

Aus der DE 32 40 808 A1 ist zudem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gesteuerten Gussstückabkühlung in insbesondere vakuumverdichteten Sandformen bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Kühlmedium unter Druck durch die das Gussstück enthaltende Gießform geleitet. Das Kühlmedium wird dabei entweder durch ein Kühlrohrsystem durch die Form hindurch oder direkt in die Sandform hineingeleitet. Durch die infolge der Hitze der Metallschmelze eintretende Verdampfung des Wassers sollen die noch heiße Form und damit einhergehend das Gussstück gekühlt werden.

Ein wesentlicher Nachteil des voranstehend erläuterten, aus dem Stand der Technik bekannten ersten Kühlverfahrens ist, dass dazu aufwändig herzustellende, teure Keramikformen erforderlich sind und die Genauigkeit, mit der die der Benetzung nacheilende Abkühlung der in der Gießform enthaltenen Schmelze fortschreitet, nur ungenau eingestellt werden kann.

Das zweite voranstehend erläuterte bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass die Kühlflüssigkeit unter Druck über ein aufwändiges Kühlrohrsystem in die Gießform geleitet werden muss. Sowohl die Verwendung von keramischen Gießformen nach dem Feingussverfahren ( EP 0 571 703 B1 ) als auch die Notwendigkeit, eine Verrohrung in die Gießform einzubringen ( DE 32 40 808 A1 ), führen dazu, dass sich mit diesen bekannten Verfahren komplex geformte Gusssteile mit gesteuertem Erstarrungsverlauf nur unter erhöhtem Kosten- und Herstellaufwand erzeugen lassen. Darüber hinaus besitzen die bekannten Lösungen nur eine geringe Flexibilität. Eine Anpassung der Gießformen an wechselnde Gussteilgeometrien und sich dementsprechend ändernde Anforderungen an die Kühlung kann mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nur mit großem Zeit- und Materialaufwand bewerkstelligt werden.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, bei einem Verfahren zum Herstellen eines Gussteils aus einer Metallschmelze eine schnelle und gezielt steuerbare Abkühlung eines in einer Gießform befindlichen Gussteils in einfacher Weise bei gleichzeitig hoher Flexibilität zu ermöglichen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art die poröse Gießform nach dem Vergießen der Metallschmelze im Bereich mindestens eines Abschnitts ihrer Außenflächen mit einer Kühlflüssigkeit benetzt wird und die poröse Gießform mindestens in dem mit der Kühlflüssigkeit benetzten Bereich aus einem Material erzeugt ist, dessen Kapillarität so auf die Kühlflüssigkeit abgestimmt ist, dass die Gießform in ihrem aus diesem Material erzeugten Bereich mindestens ein Teilvolumen der sie benetzenden Kühlflüssigkeit selbsttätig aufnimmt, indem das Material der Gießform die sie benetzende Kühlflüssigkeit aufsaugt.

Anders als beim eingangs erläuterten Stand der Technik sieht die Erfindung vor, die erfindungsgemäß verwendete poröse Gießform so auszubilden, dass sie die Kühlflüssigkeit aktiv ansaugt. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäß verwendete Gießform so ausgebildet, dass sie im Bereich ihrer mit der Kühlflüssigkeit in Berührung kommenden Abschnitte eine Kapillarität aufweist, durch die eine für das Ansaugen der Kühlflüssigkeit ausreichende Oberflächenaktivität gewährleistet ist. Der Randwinkel zwischen dem jeweils benetzten Oberflächenabschnitt und der Flüssigkeitsoberfläche ist demzufolge bei erfindungsgemäß eingesetzten Gießformen mindestens im Bereich ihrer mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt kommenden Oberfläche kleiner als 90° (s. Abschnitt 11.1.3 in H. Kuchling "Taschenbuch der Physik", 5. Auflage, Verlag Harri Deutsch, Thun und Frankfurt/Main, 1984).

Besonders wirtschaftlich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren dabei dadurch einsetzen, dass das saugfähige Material, aus dem die Gießform mindestens teilweise hergestellt ist, ein Formstoff für die Herstellung von verlorenen Gießformen ist, der aus einem Formgrundstoff und einem Binder gemischt ist, und der Formgrundstoff und der Binder des Formstoffes derart aufeinander abgestimmt sind, dass das Gießformteil bei Benetzung mit der Kühlflüssigkeit seine Gestalt über mindestens die Zeit beibehält, die für die Ausbildung einer formstabilen Außenschale des Gussstücks durch Erstarrung der in die Gießform eingegossenen Metallschmelze benötigt wird.

Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung wird aus mindestens einem Gießformteil eine Gießform zusammengestellt. Das Gießformteil ist dabei aus einem aus einem Formsand und einem Binder gemischten Formstoff hergestellt, der durch eine geeignete Behandlung in eine mindestens zeitweise feste Form gebracht wird. Zu diesem Zweck kann der Formstoff beispielsweise in an sich bekannter Weise in einer Kernformmaschine in die Form des jeweiligen Gießformteils gebracht und anschließend durch Wärmezufuhr, Begasung oder sonstige Maßnahmen ausgehärtet werden. In die aus derart erzeugten Formteilen gebildete "verlorene" Gießform wird dann die Metallschmelze gegossen. Anschließend erfolgt die erfindungsgemäße Benetzung der Gießform mit der Kühlflüssigkeit.

Wesentlich ist, dass die Oberflächenaktivität des fertigen Formteils so eingestellt ist, dass von dem Formteil mit ihm in Kontakt kommende Flüssigkeit aufgrund des Kapillareffektes aufgesogen wird und dass gleichzeitig im zur Herstellung des Formteils eingesetzten Formstoff der Binder und der Formgrundstoff so aufeinander abgestimmt sind, dass das Formteil auch bei mindestens abschnittsweise vollständiger Sättigung mit der Kühlflüssigkeit seine Form über einen für die Entstehung einer festen Außenschale des Gussteils ausreichende Zeitdauer formstabil bleibt.

Indem diese Anforderungen eingehalten werden und die Benetzung in geeigneter Weise durchgeführt wird, lässt sich ein Kühlen der Metallschmelze während der Erstarrungsphase gezielt und exakt gesteuert durchführen, ohne dass es dazu aufwändiger vorrichtungs- oder verfahrenstechnischer Maßnahmen bedarf. Die über eine ausreichende Behandlungszeit gesicherte Formstabilität und die Kapillarität der erfindungsgemäß verwendeten Gießform ermöglichen es dabei auf einfache Weise, die Kühlung des Gussstücks so vorzunehmen, dass ein bestimmter, für die angestrebten Eigenschaften des Bauteils optimaler Erstarrungsverlauf erreicht wird.

Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass durch die von der Gießform aufgenommene Kühlflüssigkeit die Wärmeleitfähigkeit der Gießform und damit die Kühlung der Schmelze erhöht wird. Die Kühlflüssigkeit wird von der Gießform aktiv aufgesogen und durchdringt die Gießform abhängig von der jeweiligen Oberflächenaktivität des Gießformmaterials, der Einwirkungsdauer, dem Ort der Benetzung und der zugeführten Kühlflüssigkeitsmenge ganz oder lediglich abschnittsweise. Auf diese Weise wird die angestrebte schnelle und über die Zuführung von Kühlflüssigkeit gezielt gesteuerte Abkühlung der Abschnitte der bis dahin noch nicht vollständig erstarrten Metallschmelze sichergestellt, die mit den von Kühlflüssigkeit erfassten Gebiete der Gießform in Kontakt kommen.

Eine erfindungsgemäß vorgenommene Kühlung lässt sich problemlos bei unterschiedlichsten Gussteilgeometrien durchführen. Dazu können beispielsweise nur die Teile der Gießform mit Kühlflüssigkeit in Kontakt gebracht werden, die an Bereiche großer Dicke des zu erzeugenden Gussteils angrenzen.

Alternativ oder ergänzend kann die Kontur der Gießform selbst an die Kühlungsanforderungen angepasst werden. Indem die Gießform beispielsweise in den Bereichen, in denen die erfindungsgemäße Kühlung besonders schnell wirksam werden soll, dünne Wandstärken aufweist, gelangt die die Form benetzende Flüssigkeit besonders schnell in diese Bereiche, so dass in den betreffenden Bereichen eine besonders intensive Kühlung erreicht wird. Gleichzeitig können andere Bereiche der Gießform dicker ausgebildet werden, damit dort die Kühlung später einsetzt.

Zum selben Zweck ist es möglich, einen Abschnitt der Gießform, der einem besonders intensiv zu kühlenden Abschnitt des Gussstücks zugeordnet ist, zuerst mit Kühlflüssigkeit zu benetzen, während andere Abschnitte der Gießform erst später oder gar nicht der Kühlflüssigkeit ausgesetzt werden.

Wenn die Kühlflüssigkeit in die Randschicht der an die Schmelze angrenzenden Innenfläche der Gießform gelangt, beginnt die Kühlflüssigkeit zu verdampfen. Der mit dieser Verdampfung einhergehende Energieentzug bewirkt eine deutliche Minderung der Temperatur in der Randzone mit der Folge, dass die angrenzende Schmelze schneller erstarrt. Der so gebildete Flüssigkeitsdampf entweicht mindestens teilweise aus der Gießform oder kondensiert mit der Folge, dass sich ein von der benetzten Außenfläche zur Innenfläche der Gießform gerichtetes Konzentrationsgefälle einstellt. Dieses fördert das Ansaugen von Kühlflüssigkeit zusätzlich, so dass in einem kontinuierlich und selbsttätig ablaufenden Vorgang laufend frische Kühlflüssigkeit in den von der Hitze des Gussstücks erwärmten Bereich der Gießform gelangt. Der Umstand, dass die Verdampfung der Kühlflüssigkeit insbesondere in der Anfangsphase der Kühlung infolge der dann noch besonders hohen Gussstücktemperatur bereits einsetzt, bevor die Kühlflüssigkeit das Gussstück selbst erreicht, stellt dabei sicher, dass die Oberflächenqualität des Gussstücks nicht durch Dampfblasenbildung beeinträchtigt wird.

Die Menge an durch die Gießform aufgenommener Kühlflüssigkeit kann dabei über die Dauer des Kontakts zwischen Gießform und Kühlflüssigkeit sowie über die Menge an in Kontakt gebrachter Kühlflüssigkeit gesteuert werden. Da die Gießform die Kühlflüssigkeit selbsttätig ansaugt, ist zum Erreichen einer Kühlung der gesamten Metallschmelze ein vollständiges Eintauchen der Gießform in Kühlflüssigkeit ebenso wenig erforderlich, wie ein Einleiten von Kühlflüssigkeit in die Gießform unter Druck. In Bezug auf das Einbringen von Kühlflüssigkeit stellt die Gießform bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise somit das aktive Teil dar, während die Kühlflüssigkeit lediglich angeboten wird, also nicht aktiv in die Gießform eingetrieben wird.

Die Ansaugwirkung wird maßgeblich durch Art und Form der in der Gießform vorhandenen Poren bestimmt. Auch durch die Einstellung einer bestimmten Oberflächenaktivität der Gießformteile lässt sich somit die Abkühlwirkung gezielt beeinflussen. Kleinere Poren führen aufgrund der vergrößerten Gesamtoberfläche zu einer größeren Kapillarwirkung und damit einem stärkeren Ansaugen von Wasser.

Erfindungsgemäß bleibt auch die mit Kühlflüssigkeit benetzte Gießform mindestens bis zur Erstarrung der Metallschmelze formstabil. Dies wird einerseits durch eine geeignete Kombination von Binder und Formgrundstoff des Formstoffs erreicht. Zum anderen unterstützt die infolge der Hitze des Gussmetalls schon in der Gießform einsetzende Verdampfung der Kühlflüssigkeit ein Trocknen der Gießform. Auf diese Weise wird einem vorzeitigen Zerfall der Gießform vor Erstarrung des Gussteils zusätzlich entgegengewirkt.

Die erfindungsgemäße Benetzung der Gießform mit Kühlflüssigkeit kann zu jedem Zeitpunkt der Erstarrungsphase, also vom Beginn des Abgießens der Schmelze bis zur vollständigen Erstarrung und Abkühlung des Gussteils, durchgeführt werden. Je nach gewünschtem Kühlverlauf kann die Benetzung dabei kontinuierlich aufrechterhalten oder nur über bestimmte Zeitabschnitte durchgeführt werden.

Gemäß einer besonders praxisgerechten Ausgestaltung der Erfindung wird die Gießform zumindest teilweise in ein Kühlflüssigkeitsbad eingetaucht und so mit der Kühlflüssigkeit benetzt. In der Regel ist es dabei nicht erforderlich, die Gießform vollständig in die Kühlflüssigkeit einzutauchen. Stattdessen stellt die Kapillarwirkung sicher, dass eine vollständige Durchnässung der Gießform auch dann erreicht werden kann, wenn die Gießform nur in bestimmten Abschnitten der Kühlflüssigkeit ausgesetzt wird.

Die Kapillarwirkung lässt sich in erfindungsgemäßer Weise auch dazu nutzen, der Kühlflüssigkeit bei ihrem Eindringen in die Gießform gezielt eine bestimmte Richtung zu geben. So benetzt sich die Gießform abhängig von der Oberflächenaktivität der eingesetzten Komponenten entgegen der Schwerkraft, wenn die Gießform nur mit ihrem unteren, bodennahen Bereich mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt gebracht wird.

Die Menge der durch die Gießform aufgenommenen Kühlflüssigkeit kann somit sowohl über die Oberflächenaktivität des jeweils verarbeiteten Gießformmaterials und die Größe der mit Kühlflüssigkeit benetzten Fläche als auch über die Eintauchdauer gesteuert werden. Aufgrund der Formstabilität der Gießform zumindest während der Erstarrungsphase der Metallschmelze wird das Kühlflüssigkeitsbad nicht verunreinigt und lässt sich daher mehrfach wieder verwenden.

Die Genauigkeit, mit der die Kühlflüssigkeit in die Gießform eingebracht wird, lässt sich dadurch noch erhöhen, dass die Gießform mit einem Feuchtigkeitsträger in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise kann gezielt und flexibel Kühlflüssigkeit in Bereiche der Gießform gebracht werden, die an Gussteilbereiche angrenzen, die beispielsweise aufgrund ihrer Dicke einen besonderen Bedarf an Kühlung aufweisen. Gemäß einer besonders praxisgerechten Ausgestaltung ist der Feuchtigkeitsträger dabei ein Schwamm oder ein vergleichbar saugfähiges Element.

Eine weitere Möglichkeit, die von der Gießform aufzunehmende Kühlflüssigkeit zu applizieren, besteht darin, dass die Gießform mindestens abschnittsweise mit Kühlflüssigkeit besprüht wird. Der Sprühdruck und die aufgesprühte Flüssigkeitsmenge sind dabei so aufeinander abzustimmen, dass die Kühlflüssigkeit nicht in die Form eingetrieben wird, sondern dass die jeweils besprühten Flächenabschnitte der Gießform besonders gleichmäßig mit einer genau dosierten Flüssigkeitsmenge beaufschlagt werden. Besonders vorteilhaft lässt sich das Besprühen der Gießform in einem automatisierten Verarbeitungsprozess einsetzen.

Eine weitere, besonders einfach zu realisierende Möglichkeit einer gezielten, auf bestimmte Bereiche der Gießform beschränkte Benetzung der Gießform mit Kühlflüssigkeit gewährleistende Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an der Gießform Taschen ausgebildet werden. Die in diese Taschen gefüllte Flüssigkeitsmenge bildet einen Vorrat, der über ein bestimmtes Zeitintervall verteilt von der Gießform aufgesaugt wird. Auch kann die Tiefe und Form der Taschen so ausgelegt werden, dass innenliegende Bereiche der Gießform besonders schnell von der Kühlflüssigkeit erreicht werden.

In praktischen Versuchen hat sich Wasser als kostengünstig in großen Mengen zur Verfügung stehende Kühlflüssigkeit bewährt, die zudem leicht aufbereitet werden kann. Dem Wasser können Additive zugegeben werden, um seine Benetzungsfähigkeit zu beeinflussen. Dementsprechend lassen sich als Kühlflüssigkeiten auch Emulsionen einsetzen, deren Eigenschaften so abgestimmt sind, dass die jeweils erwünschte Kühlwirkung sicher eintritt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Gießformteil um einen Gießkern. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich gerade bei schlecht zugänglichen Gießkernen eine Kühlung in einfacher Weise realisieren. Insbesondere kann die Gießform aus einem Kernpaket gebildet werden, also aus mehreren Gießkernen und Gießformteilen zusammengesetzt sein. Bei einer solchen Gießform sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der Zugänglichkeit und Flexibilität für die Kühlung besonders relevant.

Praktische Versuche haben belegt, dass sich Formstoffe, die mit einem anorganischer Binder versetzt sind, zur Herstellung erfindungsgemäß eingesetzter Gießformteile besonders eignen. So weisen unter Verwendung von einem geeigneten anorganischen Bindern ausgehärtete Formteile eine besonders hohe, über eine lange Behandlungszeit bestehende Formstabilität bei Durchdringung mit Kühlflüssigkeit auf. Gleichzeitig sind sie besonders unkritisch im Hinblick auf die Belastung der Umwelt. Als besonders geeignet hat sich in diesem Zusammenhang die Verwendung von auf Wasserglas basierenden Bindersystemen herausgestellt.

Um eine hohe Formstabilität der aus Formsand und Binder hergestellten Gießform während der Erstarrungsphase bei Durchdringung mit Kühlflüssigkeit zu gewährleisten, hat es sich als günstig erwiesen, den Binder durch Wärmezufuhr, beispielsweise durch Bestrahlung mit Mikrowellen, auszuhärten.

Alternativ führte auch eine Begasung mit CO₂-Gas zu einer zufriedenstellenden Formstabilität und Porosität der Gießform.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Formsand kostengünstig erhältlichen Quarzsand enthalten. Besonders leicht entfernen und aufbereiten lässt sich der Formstoff dann, wenn der Formsand Aluminiumoxid-Sand enthält. Insbesondere kann erfindungsgemäß ein Mullit enthaltender Formsand zum Einsatz kommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Gussstücken aus einer Leichtmetallschmelze, insbesondere aus einer Aluminium- oder einer Magnesiumlegierung.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in einer schematischen, seitlichen Ansicht:
1 eine Vorrichtung zum Kühlen von mit einer Aluminiumschmelze gefüllten Gießformen in einem ersten Betriebszustand,
2 die Vorrichtung zum Kühlen von mit einer Aluminiumschmelze gefüllten Gießformen in einem zweiten Betriebszustand,
3 die Vorrichtung zum Kühlen von mit einer Aluminiumschmelze gefüllten, alternativ gestalteten Gießformen.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung A dient zum Kühlen von Gießformen 1, nachdem diese in an sich bekannter Weise mit einer Aluminiumschmelze gefüllt worden sind.
Die Vorrichtung A umfasst eine Hebevorrichtung 4 sowie ein Becken 2, dass mit einer Kühlflüssigkeit K gefüllt ist. Bei der Kühlflüssigkeit K handelt es sich um Wasser, das zur Verbesserung seiner Benetzungsfähigkeit mit einem Additiv versetzt ist.
Die im Einzelnen nicht dargestellten Formteile der Gießformen 1 sind aus einem Formstoff hergestellt worden, der beispielsweise aus einem anorganischen, wasserglasbasierten Bindersystem und einem mullithaltigen Formgrundstoff gemischt worden ist. Die Formteile sind in einer ebenfalls nicht dargestellten Maschine erzeugt worden, in der der Formstoff nach dem Einschießen in einen formgebenden Raum der Maschine durch Wärmezufuhr ausgehärtet worden ist. Der Aufbau der Gießform und ihrer Einzelteile entspricht dem konventionellen, im Stand der Technik vielfach beschriebenen Aufbau derartiger Formen, so dass an dieser Stelle auf eine ins Einzelne gehende Erläuterung verzichtet wird.
Nachdem die Aluminiumschmelze in an sich ebenfalls bekannter Weise in die Gießform 1 abgegossen worden ist, wird die Gießform zur Vorrichtung A transportiert und von der Hebevorrichtung 4 übernommen. Die Hebevorrichtung 4 senkt die Gießform 1 dann in das Becken 2. Die Absenktiefe wird dabei so gesteuert, dass die Gießform 1 ausgehend von ihrem Boden 1a permanent mit der Kühlflüssigkeit K in Kontakt steht. Dazu wird die Gießform beispielsweise über etwa ein Achtel ihrer Höhe H in die Kühlflüssigkeit K gesenkt.
Sobald die Gießform 1 in die Kühlflüssigkeit K eintaucht, saugt die Gießform 1 aufgrund der ihr eigenen Oberflächenaktivität Kühlflüssigkeit K aktiv entgegen der Schwerkraftrichtung an. In 1 ist die Richtung der Kühlflüssigkeitsaufnahme der Gießform 1 durch Pfeile P angedeutet.
In Folge des Ansaugens bildet sich in der Gießform 1 ein von Kühlflüssigkeit K benetzter Volumenbereich 3, der sich ausgehend vom Boden 1a über die für das jeweilige Abkühlergebnis optimale Höhe H der Gießform 1 erstreckt. Die Kapillarwirkung und das damit einhergehende aktive Ansaugen von Kühlflüssigkeit K durch die Gießform 1 bewirken dabei, dass das von Kühlflüssigkeit K benetzte Volumen 3 der Gießform 1 deutlich über den in Kühlflüssigkeit K eingetauchten Gießformabschnitt hinausgeht.
Bei Annäherung an die in der Gießform 1 enthaltene, nicht gezeigte heiße Aluminiumschmelze beginnt die in die Gießform 1 eingedrungene Kühlflüssigkeit K zu verdampfen. Sie führt auf diese Weise zu einer starken Abkühlung mit der Folge, dass die an die Innenwände der Gießform 1 direkt angrenzende Aluminiumschmelze schnell und gleichmäßig zu einer festen Schale erstarrt. Die verdampfende Flüssigkeit tritt aus der Gießform 1 aus und wird durch Kühlflüssigkeit K ersetzt, die ausgehend vom in die Kühlflüssigkeit K eingetauchten Abschnitt in die Gießform 1 nachdrängt.
Ergänzend oder alternativ durchführbare Maßnahmen zur Kühlung der Gießform 1 und der in ihr enthaltenen Schmelze sind in den 2 und 3 dargestellt.
Gemäß 2 wird die Gießform 1, nachdem die zuvor erläuterte Kühlung im durch die Kühlflüssigkeit K gebildeten Kühlflüssigkeitsbad abgeschlossen ist, aus der Kühlflüssigkeit gehoben. Die dabei in der Gießform 1 verbleibende Kühlflüssigkeit K stellt sicher, dass eine Restkühlung des unteren Bereichs 3 der Gießform aufrechterhalten wird.
Um zusätzlich eine gezielte Kühlung von Abschnitten der Metallschmelze durchzuführen, die seitlichen Bereichen 1b, 1c der Gießform 1 zugeordnet sind, wird nun auf den ersten seitlichen Bereich 1b mittels Düsen 5 ein Kühlflüssigkeitsnebel Kn aufgegeben.
An den anderen zu kühlenden seitlichen Bereich 1c wird dagegen ein mit Kühlflüssigkeit getränkter Schwamm 6 angelegt.
Die auf diese Weise auf die betreffenden Oberflächenabschnitte 1b, 1c der Gießform 1 aufgebrachten Kühlflüssigkeitsmengen K werden aufgrund der Kapillarwirkung ebenfalls aktiv vom Formstoff der Gießform aufgesogen, so dass sich von Kühlflüssigkeit K getränkte Bereiche 7,8 in der Gießform 1 einstellen. Auch in diesen Bereichen findet eine gezielte intensive Kühlung der in der Gießform 1 enthaltenen Schmelze statt.
Gemäß 3 weist eine gegenüber der Gießform 1 lediglich hinsichtlich ihrer Formgebung variierte Gießform 100 eine an eine Außenfläche der Gießform 100 angeformte äußere Tasche 9 sowie zwei in die Gießform 100 eingeformte innere Taschen 10,11 auf. Die Taschen 9,10,11 sind jeweils mit Kühlflüssigkeit K gefüllt.
Ausgehend von den Taschen 9,10,11 bilden sich von Kühlflüssigkeit K durchdrungene Bereiche 12,13,14, deren Ausdehnung davon vom Füllstand der Taschen 9,10,11 abhängig ist.
Nachdem eine ausreichende Erstarrung der Metallschmelze erfolgt ist, kann die Gießform 1 von dem Gussteil entfernt werden.
Mit den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung stehenden Methoden zur Kühlung der Metallschmelze in der Gießform 1 lassen sich also Menge, Ort und aufgrund der aktiven Ansaugung von Kühlflüssigkeit auch die Richtung der Durchdringung der Gießformen 1,100 mit Kühlflüssigkeit K in einfacher Weise präzise und flexibel vorgeben. Somit wird eine schnelle und gerichtete Erstarrung der Schmelze erreicht, die zu besonders guten Produkteigenschaften des erhaltenen Gussstücks führt.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gussteils aus einer Metallschmelze, bei dem – die Metallschmelze in eine poröse Gießform (1) vergossen und – die mit Metallschmelze gefüllte poröse Gießform (1) mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gießform (1) nach dem Vergießen der Metallschmelze im Bereich mindestens eines Abschnitts ihrer Außenflächen mit einer Kühlflüssigkeit benetzt wird und – dass die poröse Gießform (1) mindestens in dem mit der Kühlflüssigkeit benetzten Bereich aus einem Material erzeugt ist, dessen Kapillarität so auf die Kühlflüssigkeit abgestimmt ist, dass die Gießform (1) in ihrem aus diesem Material erzeugten Bereich mindestens ein Teilvolumen der sie benetzenden Kühlflüssigkeit selbsttätig aufnimmt, indem das Material der Gießform (1) die sie benetzende Kühlflüssigkeit aufsaugt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das saugfähige Material, aus dem die Gießform (1) mindestens teilweise hergestellt ist, ein Formstoff für die Herstellung von verlorenen Gießformen ist, der aus einem Formgrundstoff und einem Binder gemischt ist, und dass der Formgrundstoff und der Binder des Formstoffes derart aufeinander abgestimmt sind, dass das Gießformteil bei Benetzung mit der Kühlflüssigkeit seine Gestalt über mindestens die Zeit beibehält, die für die Ausbildung einer formstabilen Außenschale des Gussstücks durch Erstarrung der in die Gießform (1) eingegossenen Metallschmelze benötigt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (1) zum Benetzen mit der Kühlflüssigkeit mindestens abschnittsweise in ein Kühlflüssigkeitsbad (2) eingetaucht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (1) mit einem Feuchtigkeitsträger (5) in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitsträger ein Schwamm (5) ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (1) abschnittsweise mit einer Kühlflüssigkeit besprüht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gießform (1) Taschen (8,9,10) eingeformt werden, in die Kühlflüssigkeit geleitet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (1) an voneinander getrennten Abschnitten ihrer Außenfläche gleichzeitig benetzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte der Außenfläche der Gießform (1) abschnittsweise aufeinander folgend mit Kühlflüssigkeit benetzt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (1) während der Erstarrungsphase der Metallschmelze um eine Achse gedreht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit auf Wasser basiert ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeit die Benetzungseigenschaften verbessernde Additive zugesetzt sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kühlflüssigkeit um eine Emulsion handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kühlflüssigkeit um ein Öl handelt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (1) aus einem Kernpaket gebildet wird. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder des Formstoffs ein anorganischer Binder ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder auf Basis von Wasserglas hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoff mittels Wärmezufuhr ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder mittels Begasung mit einem Reaktionsgas ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 19 , dadurch gekennzeichnet, dass der Formgrundstoff Quarzsand enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgrundstoff einen Aluminiumoxid-Sand enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgrundstoff Mullit enthält.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze eine Leichtmetallschmelze ist.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetallschmelze aus einer Aluminium- oder einer Magnesiumlegierung erzeugt ist.