DE19605839A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Körpern auf metallischer Basis in teilflüssigem Zustand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Thixo-Gießverfahren zur formge­ benden Herstellung von Körpern auf metallischer Basis, ge­ mäß welchem zunächst das Vormaterial hergestellt wird und die Formgebung nach anschließender Wiedererwärmung bis zum teilflüssigen Zustand erfolgt. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah­ rens.

Zukünftige Entwicklungen in der Leichtbautechnik hängen insbesondere von den Werkstoffeigenschaften der eingesetz­ ten Bauteile ab. In Konkurrenz zu hochwertigen Schmiedetei­ len bedingt die Forderung nach immer besseren Eigenschaften gegossener Werkstoffe die Entwicklung technologisch an­ spruchsvoller Gießverfahren. Ein relativ neues Sondergieß­ verfahren aus der Klasse des "Semi-Solid-Metalforming" stellt das Thixogießen dar. Dieses mit dem Druckgießen ver­ wandte Verfahren zeichnet sich durch die Besonderheit der Verarbeitung des Metalls im teilflüssigen Zustand aus. Auf­ grund der für einen Urformprozeß völlig untypischen "Gießtemperatur" innerhalb des Erstarrungsintervalls bietet das Thixogießen ein Verfahrenspotential, das zwischen dem Urformen von Gießverfahren und dem Umformen durch Schmiede­ prozesse eingeordnet werden kann.

Das Thixogießen erfüllt die Anforderungen, die an eine wirtschaftliche und innovative Fertigungstechnologie ge­ stellt werden. Dazu zählen eine hohe Produktivität wie beim Druckgießen bei gleichzeitig sehr guten Bauteileigenschaf­ ten. Die nach diesem Sondergießverfahren hergestellten Guß­ teile in "near-net-shape"-Qualität sind schweißbar, druck­ dicht und wärmebehandelbar. Ein typisches Anwendungsgebiet liegt in der Substitution hochwertiger Bauteile, die auf­ grund hoher Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften nicht druckgegossen werden können, sondern kostenintensiv geschmiedet oder kokillengegossen werden müssen. Zu den ty­ pischen Bauteilen zählen z. B. Bremszylinder, Teile der Kfz-Einspritzanlage oder Kfz-Fahrwerksteile.

Der Verfahrensablauf des Thixogießens läßt sich dabei in drei Prozeßschritte unterteilen. Hierzu zählen die Herstel­ lung eines speziellen Vormaterials, dessen Wiedererwärmung in den teilflüssigen Zustand und die unmittelbar ange­ schlossene Formgebung durch einen modifizierten Druckgieß­ prozeß. Jeder einzelne Prozeßschritt beinhaltet eine Viel­ zahl an Parametern, deren genaue Kontrolle und Steuerung für den Erfolg des Verfahrens von entscheidender Bedeutung sind.

Insbesondere ist der erste Verfahrensschritt, d. h. die Her­ stellung des Vormaterials, beim herkömmlichen Verfahrensab­ lauf äußerst aufwendig. Zur Herstellung jeweils einzelner Bolzen des Vormaterials ergaben sich kostenintensive Ar­ beitsschritte, wie Stranggießen des Materials und an­ schließendes Ablängen und Abdrehen der Bolzen auf das geforderte Bolzenmaß. Diese Arbeitsvorgänge werden bei Um­ gebungstemperatur durchgeführt, so daß für die Wiedererwär­ mung des Bolzens eine erhöhte Wärmezufuhr erforderlich ist, was sich in weiteren Kosten niederschlägt.

Angesichts dieser Problematik liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, ein Thixoformingverfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit wesent­ lich verbesserter Wirtschaftlichkeit bei entsprechend ver­ einfachtem Verfahrensablauf zur Verfügung zu stellen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches bzw. des unabhängigen Vor­ richtungsanspruches angegebenen Merkmale. Hinsichtlich be­ vorzugter Ausgestaltungen wird auf die Merkmale der Un­ teransprüche verwiesen.

Gemäß der Erfindung stellt man einzelne Bolzen aus dem Vor­ material her, wobei man die Erstarrung des Materials unter erhöhtem Druck und Anlegen eines äußeren Magnetfeldes aus­ führt. Durch diese Single-Slug-Production (SSP) entfallen die zeit- und kostenaufwendigen Arbeitsschritte wie das Ab­ längen und Abdrehen der Bolzen. Darüber hinaus wird die Wirtschaftlichkeit verbessert, indem der Bolzen mit erhöh­ ter Anfangstemperatur direkt der Wiedererwärmungsanlage zu­ geführt werden kann. Weiterhin weist dieses Verfahren eine große Flexibilität bei einem Legierungswechsel auf und er­ möglicht insbesondere eine problemlose Verarbeitung schwer zu vergießender Legierungen, wie z. B. hochfester Al-Basis-Knet­ werkstoffe.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens zeichnet sich durch einen beheizbaren Schmelzcon­ tainer aus, dessen Schmelz-Charge mittels einer Vorspann­ vorrichtung unter Druck setzbar ist und an welchem über eine den Container umgebende Erregerwicklung ein Magnetfeld anlegbar ist. Innerhalb des Schmelzcontainers läßt sich der Bolzen in "near-net-shape"-Qualität herstellen, d. h. der Bolzen kann ohne weiteren Bearbeitungsaufwand dem Wiedererwärmungsprozeß zugeführt werden.

Eine wirtschaftliche Fertigung, besonders im Hinblick auf eine industrielle Serienproduktion der Preßbolzen, kann durch den Einsatz mehrerer parallel geschalteter SSP-Rührer und einer maximalen Energieausnutzung durch möglichst schnelle Beschickung der Wiedererwärmungsanlage erreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung ist die zylindrische Containerwandung be­ heizt. Des weiteren ist vorteilhaft der Container mit einem Kühlfuß versehen, bei welchem es sich nach einer Ausgestal­ tung der Erfindung um einen wassergekühlten Kupferfuß han­ delt.

Die Druckvorrichtung umfaßt eine auf dem Schmelzbad auf­ liegende Dichtungsplatte, die vorteilhaft als Graphit­ scheibe ausgebildet ist. Graphitwerkstoffe eignen sich auf­ grund der Resistenz gegenüber Aluminiumschmelzen und einer guten Temperaturwechselbeständigkeit besonders gut für die­ sen Prozeß. Durch eine vorzugsweise zyklische Druckbeauf­ schlagung der Stempelvorrichtung läßt sich ein kontinuier­ licher Kontakt zwischen Graphitscheibe und Schmelze errei­ chen.

Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Container doppelwandig ausgebildet. Dabei bestehen die Wandungen aus zwei konzentrischen zylin­ drischen Edelstahlrohren. Das innere Edelstahlrohr besitzt zur Vorwärmung der Kokillenwand auf der Außenseite Wickel­ heizer, die jeweils getrennt regelbar sind. Das äußere Edelstahlrohr dient einerseits zur Isolierung, damit ein nicht zu großer Heizverlust durch die Wickelheizer ein­ tritt, und andererseits zur Befestigung des Kupferfußes. Das Kühlmedium verläuft durchflußkontrolliert innerhalb ei­ nes im Kühlfuß vorhandenen mäanderförmigen Kühlkanals.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich­ nungen. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Schmelzcontai­ ners in perspektivischer Sicht und

Fig. 3 eine Ansicht des Kühlfußes ebenfalls perspekti­ visch dargestellt.

Der grundsätzliche Aufbau soll zunächst anhand der schema­ tischen Darstellung gemäß Fig. 1 näher erläutert werden.

Der mit der Bezugsziffer 10 identifizierte Schmelzcontainer enthält das Schmelzbad 11, wobei im unteren Bereich des Schmelzcontainers 10 das Rheogefüge 12 dargestellt ist. In die Wandung des Schmelzcontainers 10 ist ein Heizelement 13 eingebettet.

Eine Vorspannvorrichtung 14 vermag eine Kraft in Richtung des Pfeiles 15 auszuüben, wobei der Druck auf eine auf der Schmelze 11 aufliegende Graphitscheibe 16 übertragen wird. Der Umfang der Graphitscheibe 16 ist dem Innenquerschnitt des Schmelzcontainers 10 angepaßt und dichtet diesen ab, so daß damit die Schmelze 11 unter Druck setzbar ist, wodurch sich Makrolunker im Kopfbereich der Billets, die durch die Erstarrungsschwindung des Metalls entstehen, vermeiden las­ sen. Durch eine zyklische Druckbeaufschlagung der Stempel­ vorrichtung läßt sich ein kontinuierlicher Kontakt zwischen der Graphitscheibe und der Schmelze erreichen.

Unterhalb des Schmelzcontainers 10 befindet sich ein was­ sergekühlter Kupferfuß 17. Die Temperatur des Kühlfußes 17 läßt sich durch die Strömungssteuerung des Kühlmittels ein­ stellen.

Der Schmelzcontainer 10 ist von einer Erregerwicklung 18 umgeben. Zum Betreiben der Erregerwicklung ist ein in der zeichnerischen Darstellung nicht wiedergegebener stufenlos regelbarer Transformator mit entsprechenden Anzeigegeräten vorgesehen, mit dem die elektrische Feldstärke und somit die Scherkraft eingestellt werden kann. Durch die Wirkung des elektromagnetischen Rührers wird das dendritische Ge­ füge, welches für den Thixogießprozeß aufgrund der schlech­ ten Fließfähigkeit im teilflüssigen Zustand ungeeignet ist, zerstört und ein globulistisches Gefüge aufgebaut, welches zu einer guten Fließfähigkeit der metallischen Suspension führt.

In Fig. 2 ist ein Schmelzcontainer 10 wiedergegeben, wie er gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zum Einsatz kommt. Der Schmelzcontainer 10 besteht aus zwei konzentrischen Edelstahlrohren 19 und 20. Das innere VA-Rohr 19 besitzt zur Vorwärmung der Kokillenwand auf der Außenseite vier in der Zeichnung nicht wiedergegebene Wickelheizer, die je­ weils getrennt regelbar sind. Diese können derart einge­ stellt werden, daß ein Temperaturgradient vorliegt, der zur gelenkten Erstarrung des Bolzens führt. Auf der Innenseite des inneren Rohres 19 ist eine Graphitkokille mit einer Spielpassung eingesetzt und am unteren Ende der Kokille ein Boden in Form einer Graphitscheibe eingefügt. Graphitwerk­ stoffe eignen sich aufgrund der Resistenz gegenüber Alumi­ niumschmelzen und einer guten Temperaturwechselbeständig­ keit besonders gut für dieses Verfahren.

Das äußere VA-Rohr 20 dient einerseits zur Isolierung, da­ mit ein nicht zu großer Heizverlust durch die Wickelheizer eintritt, und andererseits zur Befestigung des in Fig. 3 dargestellten Kupferfußes 17.

Der Kupferfuß gemäß Fig. 3 ist mit einem mäanderförmigen Kühlkanal 21 versehen, durch welchen das Kühlmittel durch­ flußkontrolliert hindurchströmt.

Der Kühlfuß 17 ist am äußeren Rohr 20 montiert. Es entsteht somit eine komplette montierte Einheit aus einer beheizba­ ren Graphitkokille und einem wassergekühlten Kupferfuß.

Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich zum Aus­ druck gebracht werden, daß es sich bei der vorangehenden Beschreibung lediglich um eine solche beispielhaften Cha­ rakters handelt und daß verschiedene Abänderungen und Modi­ fikationen möglich sind, ohne dabei den Rahmen der Erfin­ dung zu verlassen.

Claims (12)

1. Thixogießverfahren zur formgebenden Herstellung von Körpern auf metallischer Basis, gemäß welchem zunächst das Vormaterial hergestellt wird und die Formgebung nach an­ schließender Wiedererwärmung bis zum teilflüssigen Zustand erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß man einzelne Bolzen aus dem Vormaterial herstellt, wo­ bei man die Erstarrung des Materials unter erhöhtem Druck und Anlegen eines äußeren Magnetfeldes ausführt.

2. Thixogießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man den Bolzen mit erhöhter Anfangstemperatur direkt der Wiedererwärmung zuführt.

3. Thixogießverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des angeleg­ ten Magnetfeldes zwischen 30 und 50 mT liegt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Thixogießverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen beheizbaren Schmelzcontainer (10), dessen Charge (11) mittels einer Druckbeaufschlagungsvorrichtung (14) unter Druck setzbar ist und an welchen über eine den Container (10) umgebende Erregerwicklung (18) ein Magnetfeld anlegbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die zylindrische Wandung des Schmelzcontainers (10) ein Heizelement (13) eingebettet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß sich unterhalb des Schmelzcontai­ ners (10) ein Kühlfuß (17) befindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlfuß (17) ein wassergekühlter Kupferfuß ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorspannvorrichtung (14) eine auf dem Schmelzbad (11) aufliegende Dichtungsplatte (16) umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte (16) aus einer Graphitscheibe be­ steht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schmelzcontainer (10) doppel­ wandig ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schmelzcontainer (10) zwei konzentrische Rohre (19, 20) umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rohre (19, 20) aus Edelstahl bestehen.