DE1280505B - Verfahren zum Druckgiessen duennwandiger Metallteile - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B22d

Deutsche Kl.: 31 b2-27/10

Nummer: 1280505

Aktenzeichen: P 12 80 505.9-24 (A 49628)

Anmeldetag: 1. Juli 1965

Auslegetag: 17. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Druckgießen dünnwandiger Metallteile, bei dem die Metallschmelze in den konkaven, eine der Gußteilaußenwand entsprechende Innenwand besitzenden Formunterteil gefüllt und durch Einsetzen des konvex geformten, den Formoberteil bildenden Preßstempels, dessen Oberflächenform der Gußteilinnenwand entspricht, in den Formunterteil verdrängt wird.

Die bekannten Verfahren dieser Art sind vor allem deshalb nachteilig, weil die in der Schmelze befindliehe Luft und anderen Gase in der Schmelze eingeschlossen bleiben, und sich dieser Gasanteil beim Einfahren des den Formoberteil darstellenden Preßstempels in den Formunterteil unter Umständen noch vergrößert, wenn das über dem Schmelzenspiegel befindliche Gas vorher nicht vollständig entweichen kann. Dies führt aber zu porösem Guß, der insbesondere bei dünnwandigen Gußtailen eine erhebliche Querschnittsschwächung bedeuten kann, so daß der entsprechende Gußteil nicht mehr den Festigkeits- und/oder Dichtigkeitsanforderungen genügt. Außerdem ist die Oberfläche derartiger Gußteile auf Grund der Gaseinschlüsse gewöhnlich nicht so glatt, daß sie sich ohne Nachbehandlung für gewisse Weiterverarbeitungszwecke, beispielsweise zum Emaillieren, eignet.

Diese Nachteile vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, daß die Metallschmelze in einem unter den Formunterteil befindlichen und mit diesem durch ein Steigrohr verbundenen Ofen unter dem Überdruck P₁ eines inerten Gases gehalten und vor dem Einsetzen des konvexen Formoberteils in den konkaven Formunterteil durch Erhöhung des Inertgasdruckes bis zu einem Füllstandsniveau in den Formoberteil gedrückt wird, das so gewählt ist, daß durch die beim Eintauchen des Formoberteils in die Schmelze erfolgende Verdrängung der zwischen den beiden Formhälften befindliche, die Wandung des Gußstückes bildende Spalt vollständig mit Schmelze gefüllt wird und daß darauf durch Senkung des Inertgasdruckes P₁+P₂ der Schmelzenspiegel auf ein Füllstandsniveau unterhalb des Formoberteils abgesenkt wird.

Diese Merkmale des Niederdruckgießverfahrens aufweisende Verfahrensweise ist in Verbindung mit dem Preßgießverfahren besonders deshalb vorteilhaft, weil die in der Schmelze befindlichen Gase vor dem Einsetzen des Formoberteils fast vollständig ausgetrieben werden, ohne daß auf die Vorteile des Druckgusses verzichtet werden muß.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Formoberteil Verfahren zum Druckgießen dünnwandiger
Metallteile

Anmelder:

American Radiator & Standard Sanitary

Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Licht, Dr. R. Schmidt,
Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. Hansmann
und Dipl.-Phys. S. Herrmann, Patentanwälte,
8000 München 2, Theresienstr. 33

Als Erfinder benannt:

Daniel E. Groteke,

James A. Stavrolakis, Louisville, Ky. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 2. Juli 1964 (379 919) - -

und der Formunterteil vor dem Einsetzen des Formoberteils auf etwa 200 bis 650° C aufgeheizt und der Formoberteil nach der Senkung des Inertgasdruckes entfernt, während das Gußstück noch rotglühend ist.

An Hand der Zeichnungen werden das Verfahren und eine beispielhafte Ausführungsform der bei der Durchführung des Verfahrens verwendeten Vorrichtung näher beschrieben. In der Zeichnung ist

F i g. 1 ein Vertikalschnitt der erfindungsgemäßen Formvorrichtung,

Fig. 2A eine Schaltanordnung des Hydraulikkreislaufes, der zur Steuerung der Vorrichtung dient, und

Fig. 2B eine Schaltanordnung für die Formvorrichtung.

Als bevorzugte Ausführungsform wurde eine Vorrichtung gewählt, die sich zum Gießen von Badewannen und Waschbecken eignet. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf den Abguß solcher Formen beschränkt.

Die neuartige Formvorrichtung weist eine konvexe Form 3 (Oberform) auf, die beispielsweise von einem Kolben in einem Zylinder, wie dieses in den F i g. 2 A und 2 B gezeigt ist, so gesteuert wird, daß sie zu Beginn eines gegebenen Zyklus sich in geöffneter Stellung 2 befindet. Eine über einem druckbeaufschlagten

809 627/1197

Schmelzofen 14 angeordnete konkave Form, die die Unterform darstellt, ist mit dem Ofen durch eine aus einer hitzebeständigen Legierung oder Verbindung hergestellte Saugrohrleitung 6 verbunden. Der Ofen 14 besitzt einen gasdichten Verschlußdeckel 20. Den oberen Teil des Rohres 6 umgibt eine Wärmehilfsquelle. Das Rohr kann, falls erforderlich, mittels Wasser gekühlt werden, das in eine Kühlschlange bei 8 eintritt und bei 10 austritt. Der Durchmesser der Saugrohrleitung 6 ist so gewählt, daß er den auf der konvexen Form 3 befindlichen Kemvorsprung 11 aufnehmen kann.

Es ist Vorsorge dafür getroffen, daß sowohl die konvexe als auch die konkave Form mittels durch die Durchlässe 13 strömender Luft dampf- oder wassergekühlt werden kann. Im Ofen befindet sich über der Metallschmelze ein inertes Gas, das unter den herrschenden Bedingungen keine oxydierende Wirkung besitzt. Für diesen Zweck geeignete Inertgase sind Stickstoff, Argon, Helium, Chlorgas und Kohlendioxyd. Zum Transport des gewählten Gases in den Ofen können in der Technik bekannte Einrichtungen verwendet werden.

Das neuartige Verfahren laßt sich an Hand der Betriebsweise der oben beschriebenen Vorrichtung darstellen.

Zu Beginn eines gegebenen Formzyklus ist der Gasdruck (P) über dem Metall in dem Ofen höher als der Atmosphärendruck außerhalb. Dieser Wert reicht aus, um eine Säule aus geschmolzenem Metall in der Schnorchelleitung 6 über der Wärmequelle zu halten. Darauf wird der Druck bis auf einen Wert erhöht, der groß genug ist, um das Metall nach oben in die konkave Form zu drücken, und zwar in einer Menge, die ausreicht, um ein volles Gußstück mit einem minimalen Übermaß zu erzeugen. Diese Menge wird in der Zeichnung durch die Füllstandslinie 1 angezeigt, während der notwendige Druck mit P₂ bezeichnet werden kann. Der Spiegel des eingefüllten Metalls und das Volumen des Überlaufeinschlusses stehen im Gleichgewicht, wodurch sichergestellt ist, daß das ganze übergeströmte Metall nach der Formung noch mit dem Gußteil über eine fugenartige Teilungslinie in Verbindung steht, längs der es von dem fertigen Gußteil in einem nachfolgenden Entgratungsvorgang abgeschnitten wird. Der Metallspiegel in der Form wird durch Dauer und Höhe des Fülldruckes gesteuert. Die gewünschte Standhöhe des Metalls ist eine Funktion des Volumens des Überlaufeinschlusses, das von der Art und Größe des durch Preßformung herzustellenden Teils beeinflußt wird.

Während dieser Vorfüllvorgang unter ansteigendem Druck erfolgt, kann sich die konvexe Form entweder in der Stellung 2 befinden, die sie nach Ausführung des vorhergehenden Zyklus erreicht hat, oder an einem Punkt unmittelbar über der Metallfüllstandslinie oder auch in der Stellung 4. Wenn jedoch die Stellung 4 benutzt wird, dann muß die Isolationswirkung des auf der Form befindlichen Überzugs groß genug sein, um zu ermöglichen, daß der ganze Gießraum vollgefüllt wird, bevor eine Verfestigung des Metalls eintritt. Bei der Formung des Gußteils wird die konvexe Formhälfte, d. h. die Oberform, langsam in die konkave Formhälfte, d. h. die Unterform, so weit hineinbewegt, daß der mittlere Kemvorsprung in die Mittelöffnung 20 der Unterform eintritt und das geschmolzene Metall in die Form verdrängt, die von den beiden Formhälften gebildet wird, wenn die Form geschlossen ist. Sobald sich das Metall verfestigt hat, wird der Druck auf den Wert P gesenkt, wodurch der Spiegel des geschmolzenen Metalls bis zu der Höhe abfallen kann, die durch das Bezugszeichen 12 gekennzeichnet ist, bevor die Form geöffnet wird. Die Lebensdauer der Schnorchelrohrleitung wird somit durch sehr weitgehende Verringerung des thermischen Schocks verlängert.

Sobald sich der Metallspiegel auf die durch 12 gekennzeichnete Höhe gesenkt hat, wird die Oberform schnell in die Stellung 2 zurückgezogen. Das druckgeformte Gußteil wird dann entweder in der Unterform zurückbleiben oder an der Oberform haften bleiben. Die Lage des Gußteils läßt sich durch Regelung der Temperaturen, Oberflächenbeschaffenheit der Gußform und die zeitliche Abstimmung des Zyklus steuern. Die Temperatur wird durch Einstellung der Zykluszeit gesteuert. So wirkt sich beispielsweise eine Verlängerung der Zeit, die eine Form geschlossen bleibt, dahingehend aus, daß die Temperatur des preßgeformten Teils sinkt und sich seine Schrumpfung vergrößert. Der gegossene Teil hängt dann an der Oberform der beiden, Formhälften fest. Eine bevorzugte Verfahrensweise besteht darin, die Form zu öffnen, wenn die Temperatur des Gußteils zwischen 954 und 816° C liegt. Der Gußteil bleibt dann in der Unterform der beiden Hälften und läßt sich ohne Gefahr von Rißbildungen leicht aus der Form entfernen. Die Zykluszeit hängt von dem Volumen des vergossenen Metalls, der verwendeten Kühlung usw. ab.

Der fertige Gußteil läßt sich aus der Form dadurch entfernen, daß es mit Hilfe von Ausstoßstiften von der Unterform abgestoßen wird oder daß es von der Oberform mit einem gewöhnlichen Vakuumträger abgehoben wird. Vorzugsweise soll der Gußteil von der Form abgezogen werden, bevor es sich unter Dunkelhitze abgekühlt hat.

Alle Oberflächen der Form, die von der Metallschmelze benetzt werden, sollten entweder mit Ruß oder vorzugsweise mit einer Mehrschichtummantelung abgedeckt werden, die in einer neueren USA.-Patentanmeldung beschrieben ist. Die dort beschriebene Ummantelung besteht aus einer Grundschicht eines stark wärmeleitenden, duktilen Materials, einer inerten, hitzebeständigen Metalloxydschicht und einer im Plasmazustand aufgesprühten Deckschicht aus einem hitzebeständigen Oxyd.

Die neuartige Vorrichtung zum Preßformen läßt sich durch Verwendung eines Hydrauliksystems automatisieren. Dieses Hydrauliksystem wird von einem elektrischen Stromkreis, wie er beispielsweise in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist und wie im nachfolgenden erläutert wird, steuern.

Um in der neuartigen Vorrichtung einen Zyklus zu starten, wird der in Fig. 2B gezeigte Startschalter geschlossen, wodurch ein Halterelais CR-I betätigt wird. Auch die Spule 1 wird erregt, wodurch Wasser durch den Vierwegehahn in den Kopf 40 des Zylinders strömen kann, und die Kolbenstange 41 wird wirksam mit der konvexen Form 3 verbunden. Wenn der Zylinder beginnt, sich nach unten zu verschieben, schließt sich ein in Fig. 2A gezeigter Begrenzungsschalter LS-I) wodurch der Haltekreis geschlossen wird und der Startschalter geöffnet werden kann.

An einer Stelle über dem geschmolzenen Metall schließt die herabsinkende Oberform den Begrenzungsschalter LS-2, wodurch die Spule 3 erregt wird,

die den direkten Austritt des Wassers aus dem Zylinderboden zum Abflußrohr unterbricht. Statt dessen wird das austretende Wasser durch das verstellbare Strömungssteuerventil geleitet. Der Begrenzungsschalter LS-2 erregt auch einen Regelmotor und eine Kupplung, die, wie in Fig. 2B gezeigt ist, miteinander verbunden sind.

Nachdem das gewünschte Zeitintervall abgelaufen ist, schließt sich der Regelschalter TM-I, wodurch die Spule 2 erregt wird, die den Vierwegehahn verstellt. Damit kann das Wasser frei durch das Absperrventil in den Zylinderboden strömen. Das aus dem Kopf ausströmende Wasser läuft in den Abfluß. Sobald der Kolben beginnt, sich zurückzuziehen, öffnet sich der Schalter LS-2. Am oberen Totpunkt des Kolbenrücklaufs öffnet sich der normalerweise geschlossene Begrenzungsschalter LS-I, worauf das Halterelais, die Regelkupplung und der Motor aussetzen, die Erregung der Spule 1 unterbrochen wird und alle Bewegungen zum Stillstand kommen. In erfolgreich ver- so lauf enen, mit dem Erfindungsgegenstand ausgeführten Versuchen wurden die in. F i g. 1 gezeigten Formhälften der Vorrichtung auf einer Temperatur von 371 bis 427° C gehalten. Die Vergußtemperatur des Metalls lag zwischen 1316 und 1510° C. Jedoch lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die hier beschriebene dazugehörige Vorrichtung nicht nur bei diesen Temperaturen anwenden, der Temperaturbereich unterliegt vielmehr den Formtemperaturen, der Ummantelungsdicke, der Wandstärke des Gußteils usw. Das Gußmetall hatte folgende Zusammensetzung: 3,7 °/o Kohlenstoff, 2,4% Silizium, 0,9 % Mangan, 0,08% Schwefel, 0,5% Phosphor, Rest Eisen. Die Gußteile wurden mit verschiedenen Wandstärken von 0,508 bis 3,180 mm hergestellt. Alle Gußteilformen zeigten eine ausgezeichnete Oberfläche.

Claims (7)

Patentansprüche: 40

1. Verfahren zum Druckgießen dünnwandiger Metallteile, bei dem die Metallschmelze in den konkaven, eine der Gußteilaußenwand entsprechende Innenwand besitzenden Formunterteil gefüllt und durch Einsetzen des konvex geformten, den Formoberteil bildenden Preßstempels, dessen Oberflächenform der Gußteilinnenwand entspricht, in den Formunterteil verdrängt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze in einem unter dem Formunterteil befindlichen und mit diesem durch ein Steigrohr verbundenen Ofen unter dem Überdruck P₁ eines inerten Gases gehalten und vor dem Einsetzen des konvexen Formoberteils in den konkaven Formunterteil durch Erhöhung des Inertgasdruckes bis zu einem Füllstandsniveau in den Formoberteil gedrückt wird, das so gewählt ist, daß durch die beim Eintauchen des Formoberteils in die Schmelze erfolgende Verdrängung der zwischen den beiden Formhälften befindliche, die Wandung des Gußstückes bildende Spalt vollständig mit Schmelze gefüllt wird und daß darauf durch Senkung des Inertgasdruckes P₁+ P₂ der Schmelzenspiegel auf ein Füllstandsniveau unterhalb des Formoberteils abgesenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formoberteil und der Formunterteil vor dem Einsetzen des Formoberteils auf etwa 200 bis 650° C aufgeheizt werden und daß nach der Senkung des Inertgasdruckes der Formoberteil entfernt wird, während das Gußstück noch rotglühend ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einem unter Druck stehenden Ofen (14) ausgerüstet ist, der so geformt ist, daß er geschmolzenes Eisen aufnehmen kann und der einen gasdichten Verschlußdeckel (20) mit einer öffnung aufweist, daß die Vorrichtung ferner einen mit einer Kernöffnung (16) oberhalb des Ofens versehenen Formunterteil (5) besitzt, daß sich in die in dem Ofen befindliche Schmelze ein Steigrohr (6) erstreckt und mit der Kernöffnung (16) in Verbindung steht und daß die Vorrichtung einen Formoberteil (3) mit einem Kernvorsprung (11) aufweist, der so ausgebildet ist, daß er beim Druckgießen in die in dem Formunterteil (5) befindliche Kernöffnung (16) eintritt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (6) von einer Heizeinrichtung (7) umgeben ist, die das in dem Steigrohr befindliche Metall in geschmolzenem Zustand hält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühleinrichtung (8, 10) vorgesehen ist, die den Kernvorsprung (11) auf der erforderlichen Betriebstemperatur hält.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formoberteil (3) zur Verschiebung bezüglich des Formunterteils (5) an einen Hydraulikzylinder gekuppelt ist, der in einem Hydraulikkreis zur Betätigung des Zylinders liegt, und daß elektrische Vorrichtungen zur Steuerung des Hydraulikkreises eingebaut sind, mit denen dem Hydrauliksystem Energie zuführbar ist oder das System stationär haltbar oder außer Betrieb setzbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch elektrische Einrichtungen, mit denen abwechselnd dem oberen und dem unteren Teil des Hydraulikzylinders Hydraulikmedium zuführbar ist, so daß der Formoberteil (3) in Richtung auf den Formunterteil (5) bzw. von ihm weg bewegbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 3 120 038.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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