DE2842543C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Konstruktionswerkstoff für hochbeanspruchte Bauteile einer Warmkammer-Druckgießmaschine zum Druckgießen aggressiver Metallschmelzen.

Nach den Erfolgen beim Druckgießen nach dem Warmkammerverfahren für die Blei-, Zinn- und Zink-Legierungen mittels einer Kolben­ pumpe blieb die Nutzung dieser Technik für Aluminium und Aluminium-Legierungen sowie andere korrodierende Metalle und Legierungen blockiert, weil Eisenwerkstoffe durch derartige Metallschmelzen rasch angegriffen werden und dadurch die Lebens­ dauer der Pumpe sehr beschränkt ist.

Man hat zwar für Aluminium-Legierungen auch schon eine Gieß­ maschine verwendet, die mit Luftdruck arbeitet, um die Vorteile des Warmkammerverfahrens ausnutzen zu können. Indessen befriedi­ gen diese Abgüsse nicht wegen ihrer Porosität und der Zunahme des Eisengehalts, der die Sprödigkeit erhöht.

Die flüssigen Aluminium-Legierungen sind derart korrosiv, daß gegenwärtig keine Warmkammer-Druckgießmaschine nach dem Pumpenprinzip existiert, die in der Praxis Anwendung finden könnte.

Aus den US-PS 33 19 702 und 35 86 095 sind bereits Kolben­ pumpen bekannt geworden, deren am stärksten durch Erosion und Korrosion beanspruchten Bauteile (Kolben und Büchse bzw. Zylinder) aus gesintertem TiB₂ hergestellt sind und die ohne Ausfall eine Standzeit von etwa 50 000 Schuß ermöglichen sollen. Nach PW Marshall, Foundry Trade Journal, 26. Nov. 1970, 797, haben jedoch Dauerversuche auf Produktionsmaschinen ergeben, daß die Lebensdauer der hochbeanspruchten Bauteile nur sehr gering und recht unterschiedlich ist (effektive Nutzung nur etwa zwischen 600 bis 57 000 Schuß). Die Hauptursachen für den frühzeitigen Ausfall der Büchse und des Kolbens aus ge­ sintertem TiB₂ oder ZrB₂ waren die schlechte Widerstands­ fähigkeit derartiger Werkstoffe gegen thermische Wechselbean­ spruchung und der zu große Unterschied der Ausdehnungskoeffi­ zienten von Gußeisen und den genannten Materialien, die bei Dauerversuchen zu unzulässigen mechanischen Lockerungen und Dezentrierungen führten. Zwar war in diesem Fall die Erhöhung des Fe-Gehaltes in der Legierung mit 0,2% relativ klein, was jedoch noch zu hoch ist, wenn Legierungen gegossen werden sollen, die praktisch kein Eisen enthalten dürfen.

In der JP-PS-74-074 523 ist eine Pumpe für das Druckgießen von flüssigem Aluminium beschrieben, die mit einem Kolben und einer Büchse aus heißgepreßtem TiC ausgestattet ist und die 120 000 Schuß bei einem Druck von 150 kg/cm² zulassen soll. Etwa 150 000 Schuß bei einem Druck von 120 kg/cm² sollen er­ reichbar sein, wenn der Kolben und die Büchse aus heißgepreßtem TiC (75%) und reaktionsgesintertem Si₃N₄ (25%) bestehen. Schließlich sollen 160 000 Schuß bei einem Druck von 120 kg/cm² mit einem Kolben und einer Büchse aus einem Gemisch aus heißge­ preßtem TiC (52%), reaktionsgesintertem Si₃N₄ (25%), TiB₂ (20%) und CrB₂ (3%) erreichbar sein, wobei bei einem der­ artigen Werkstoff die Werkstoffeigenschaften wesentlich vom TiC geprägt sind, daß nur eine mittlere Widerstandsfähigkeit gegen­ über Oxidation und nur eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen­ über thermischen Schocks besitzt.

Die britische Patentschrift 13 65 292 offenbart eine Transfer- und Dosier-Ventilpumpe, bei der die in Kontakt mit der flüssigen Aluminiumschmelze stehenden Teile, wie das Kolbenelement und das Gehäuse, aus gesintertem Siliciumnitrid bestehen. Nach­ teilig ist dabei, daß bearbeitete Flächen aus gesintertem Siliciumnitrid die Tendenz aufweisen, von flüssigem Aluminium benetzt zu werden, weshalb eine Bearbeitung nach dem Sintern vermieden werden muß, was für den Pumpenkolben und die Pumpen­ büchse praktisch unüberwindliche Herstellungsschwierigkeiten mit sich bringt.

Beim Reaktionssintern von Siliciumnitrid läuft eine Reaktion zwischen pulverförmigem Silicium in gepreßter Form und zuge­ leitetem Stickstoff ab. Zwischen 1400 und 1700°C findet die Reaktion

3 Si + 2 N₂ → Si₃N ₄

statt. Es resultiert ein relativ poröses Si₃N₄, wie dem Auf­ satz von H. M. Jennings "On Reactions between Silicon and Nitrogen" in Part 1, Mechanismus, J. of Materials Science 18, Nr. 4, S. 951-967, (1983), zu entnehmen ist.

Reaktionsgesintertes Siliciumnitrid eignet sich wegen seiner schlechten mechanischen Eigenschaften nicht als Konstruktions­ werkstoff für besonders hoch beanspruchte, mit aggressiven Metallschmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen, in Kontakt kommenden Bauteilen. Hinzu kommt, daß reaktionsgesintertes Siliciumnitrid bei Abmessungen mit Dicken von mehr als 25 mm schwerlich als Si₃N₄ zu erhalten ist. Daher sind auch Form­ veränderungen des Werkstoffes verbunden mit Änderungen der Toleranzmaße zu beobachten, die ein reibungsloses Arbeiten der Pumpe bis zu hohen Schußzahlen von mehr als 150 000 verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Konstruktions­ werkstoff für die eingangs genannten Zwecke anzugeben, der außer der notwendigen Härte einen solchen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten aufweist, der möglichst nahe bei demjenigen von Eisenmetallen liegt. Auch muß der Werkstoff gegen hohe thermische und mechanische Wechselbeanspruchungen ausreichend widerstands­ fähig sein. Schließlich soll der Werkstoff durch die Metall­ schmelzen nicht benetzbar sein und eine möglichst hohe Dichte aufweisen. Im Betrieb sollen mehr als 150 000 Schuß möglich sein, ohne daß ein wesentlicher Verschleiß an den hochbean­ spruchten Bauteilen der Warmwasser-Druckgießmaschine auftreten. Dabei soll auch keine Erhöhung des Eisengehalts der Schmelze auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 oder 2 gelöst.

Die schlechten Erfahrungen mit reaktionsgesintertem Silicium­ nitrid haben den Fachmann davon abgehalten, mit diesem Material zu arbeiten. Um so überraschender war es daher, daß die Schwierig­ keiten erfindungsgemäß mit heißgepreßtem Si₃N₄ oder mit Si-Al-O-N gelöst werden konnten. Mit einem Kolben und einer Preßbüchse aus dichtem, heißgepreßtem Si₃N₄ (Dichte ca. 3,15 g/cm³) ließen sich Schußzahlen von 208 375 erreichen, ohne daß merkliche Abnutzungen am Kolben oder an der Kolbenbüchse erkennbar waren. Vergleichbar gute Ergebnisse werden erfindungsgemäß bei Ver­ wendung von Si-Al-O-N erreicht, wobei diese auch ohne Druck zu voller Dichte gesintert werden können.

Nachstehend sind anhand einer schematischen Zeichnung zwei Aus­ führungsbeispiele einer Warmkammer-Druckgießmaschine beschrieben, bei denen heißgepreßtes Si₃N₄ oder Si-Al-O-N als Konstruk­ tionswerkstoffe erfindungsgemäß verwendbar sind. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine in einem Schmelztiegel eingebaute Pumpeinrichtung zur Beschickung der Form einer Druckgießmaschine, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Pumpeinrichtung, deren Pumpentiegel mit einem Vorratstiegel verbunden ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Teil einer Druckgießmaschine besteht aus dem Pumpentiegel 11, in welchem sich die flüssige Metal­ legierung 12 befindet, und der Pumpeinrichtung 13 mit dem Pumpen­ gehäuse 14, der Pumpenbüchse 15 und dem Pumpenkolben 16, den Ver­ bindungsleitungen 17, einem Gießhals 18 sowie dem Gießmundstück 19. Die Pumpenbüchse 15 ist mittels des Pumpenghäuses 14 auf dem Boden des Tiegels 11 befestigt. An seinem unteren Ende ist der als Tauchkolben ausgebildete Pumpenkolben 16 in der Büchse 15 und an seinem oberen Ende mittels einer Kolbenstange 20 ge­ führt. An seinem unteren Ende ist der Kolben 16 mit einer Schräg­ fläche 21 versehen - oder gegebenenfalls auchs mit Kanälen -, deren obere Enden 22 in der oberen Totpunktlage des Kolbens oberhalb der oberen Stirnfläche 23 der Pumpenbüchse 15 liegen. Dadurch ist es möglich, daß das flüssige Metall 12 in den Hohl­ raum der Pumpenbüchse 15 nachläuft, wenn sich der Kolben 16 in seiner oberen Totpunktlage befindet, ohne daß dieser voll­ ständig aus der Büchse 15 herausgezogen werden muß.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 befindet sich die Pumpeinrichtung 13 für die schmelzflüssige Metallegierung 12 mit einem Tiegel 11, der zugleich als Vorratsbehälter aus­ gebildet ist. Es ist aber auch, wie aus Fig. 2 hervorgeht, möglich, die Pumpeinrichtung 31 in einem separaten Pumpen­ tiegel 32 anzuordnen, und zwar in der gleichen, in Fig. 1 dargestellten Weise, und den Pumpentiegel 32 mit einem Vor­ ratstiegel 33 über einen Verbindungskanal 34 bzw. ein Ver­ bindungsrohr 35 zu verbinden, welches unterhalb des Spiegels 36 der Metallschmelze 37 in den Tiegeln 32 und 33 liegt. Dadurch kann sichergestellt werden, daß auf der Oberfläche 36 der Metallschmelze 37 im Vorratsbehälter 33 schwimmende Oxide, Schlacken oder sonstige Verunreinigungen nicht in den Pumpentiegel 32 gelangen.

Um die Oxidbildung auf der Oberfläche 38 der Metallschmelze 37 im Pumpentiegel 32 zu vermeiden, ist dieser mit einer Abdeckung 39 versehen, die den Innenraum 40 gegen die um­ gebende Atmosphäre abschließt. In diesen mündet vorteil­ hafterweise eine Rohrleitung 41, mittels welcher ein inertes Gas eingeleitet wird, um die Metallschmelze 37 im Pumpen­ tiegel 32 gegen die Luft abzuschirmen. Als intertes Gas findet vorzugsweise Argon oder Stickstoff oder ein anderes geeignetes Gas oder Gasgemisch Anwendung.

Zur Leitung des schmelzflüssigen Metalls 12, welches mit Hilfe des Pumpenkolbens 16 aus der Pumpenbüchse 15 ausgepreßt wird, dienen die Verbindungsleitungen 17 im Formstück 42 unterhalb der Pumpenbüchse 15 sowie die Rohre 43, die in den Boden 44 des Tiegels 11 sowie in den Gießhals 18 eingesetzt sind. Der Pumpenkolben und die Pumpenbüchse bestehen erfindungs­ gemäß aus heißgepreßtem Si₃N₄ oder aus Si-Al-O-N, wodurch auch eine Berührung der Metallschmelze vermieden wird.

Die aneinander angrenzenden Rohre 43 des die Metallschmelze führenden Kanals 17 weisen zu ihrer Achse schrägliegende Flächen 45 auf, wodurch sich in einfacher Weise durch ihre Ausdehnung bedingte Längenänderungen kompensieren lassen.

Zwischen den einzelnen Rohren 42, 43 befinden sich Dichtun­ gen 46, die vorzugsweise aus Bornitrid, Graphit oder Chrom hergestellt sind.

Das Verbindungsformstück 42 und die Rohre 43 bestehen vor­ zugsweise aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder anderen Oxiden oder Oxidgemischen, wie z. B. Aluminiumtitanat, Stumatit, einem natürlichen Aluminiumsilikat, Sialonen, Aluminiumnitrid, gesintertem Siliciumnitrid, metallischem Chrom oder einer gesinterten Keramik-Chrom-Mischung, wie z. B. Titanborid-Chrom- Legierung od. dgl. Aus den gleichen Werkstoffen kann auch zweck­ mäßigerweise das Pumpengehäuse 14 für die Pumpenbüchse 15 her­ gestellt sein. Soweit gewünscht oder notwendig, können die in Betracht kommenden Oberflächen durch einen Überzug aus Alumi­ niumnitrid oder durch Inchromieren oder Sulfurieren geschützt werden.

Erfindungsgemäß kann auch das Gießmundstück 19 aus heißge­ preßtem Siliciumnitrid oder aus Si-Al-O-N bestehen. Bei der­ art ausgebildeten Gießmundstücken ist die Gefahr der Bildung eines Pfropfens aus erstarrter Metallegierung nach dem Schuß hauptsächlich wegen der Unbenutzbarkeit der genannten Mate­ rialien durch die Metallschmelze stark herabgesetzt.

Die Tiegel 11 bzw. 32, 33 bestehen üblicher- und in bekannter Weise aus aluminium- oder chromhaltigem Gußeisen, welches er­ fahrungsgemäß der Korrosion durch Aluminium gut widersteht. Es kann vorteilhaft sein, die in Betracht kommenden Oberflächen der Tiegel durch einen Übergang aus Chrom, Aluminiumoxid oder anderen Oxiden, wie z. B. Al₂O₃-TiO₂, einfachen oder ge­ mischten Boriden, wie z. B. ZrB₂, CrB₂, AlN, Si₃N₄, BN oder Nitride, wie z. B. AlN, Si₃N₄, BN, Sialone o. a. zu schützen.

Claims (2)

1. Verwendung von heißgepreßtem Si₃N₄ oder von Si-Al-O-N als Konstruktionswerkstoff für den Pumpenkolben und die Pumpenbüchse (Zylinder) einer zu einer Warmkammer- Druckgießmaschine gehörenden Kolbenpumpe zum Druckgießen von aggressiven Metallschmelzen, insbesondere Aluminium und Aluminiumlegierungen.

2. Verwendung von heißgepreßtem Si₃N₄ oder von Si-Al-O-N als Konstruktionswerkstoff für das Gießmundstück einer zu einer Warmkammer-Druckgießmaschine gehörenden Kolbenpumpe zum Druckgießen von aggressiven Metallschmelzen, insbeson­ dere Aluminium von Aluminiumlegierungen.