DE60128114T2

DE60128114T2 - Druckgiessen von aluminium

Info

Publication number: DE60128114T2
Application number: DE60128114T
Authority: DE
Inventors: Morris Taylor Briar Hill MURRAY; Matthew Alan Somerville COPE
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-08-25
Also published as: AUPQ967800A0; EP1320434A1; NZ524223A; EP1320434B1; CN1449315A; MY133899A; ES2286134T3; CA2420360A1; DE60128114D1; EP1320434A4; ATE360491T1; US7234505B2; US20030173052A1; CN1206058C; JP2004505785A; AR042388A1; WO2002016062A1

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Metallfließsystem oder eine verbesserte Gießrinnen-/Eingusskanal-Anordnung zur Verwendung bei der Herstellung von Druckgussstücken aus Aluminiumlegierungen die sich beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, in einem geschmolzenen oder thixotropen Zustand befinden, das bzw. die zur Verwendung bei verschiedenen Formen von Druckgießmaschinen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, bestehende Warmkammer- und Kaltkammer-Druckgießmaschinen geeignet ist.
In der gesamten internationalen Druckgießindustrie hat sich ein Verständnis dafür entwickelt, dass es notwendig ist, große Gießrinnen zu verwenden, um ein vorzeitiges Erstarren des geschmolzenen Aluminiumlegierungsmetalls während des Druckgießens zu verhindern. In der Industrie gibt es viele unterschiedliche Gestaltungsverfahren, von denen angenommen wird, dass sie zufriedenstellende Gussstücke aus Aluminiumlegierungen liefern. Jedoch ist diesen verschiedenen Verfahren gemeinsam, dass sie sich auf Gießrinnensysteme, die im Vergleich zu der Gussstückgröße ein großes Volumen und niedrige Metallfließgeschwindigkeiten durch die Gießrinnen aufweisen, verlassen.
Zur Veranschaulichung der großvolumigen Gießrinnensysteme, die von gegenwärtigen Systemen beim Druckgießen von Aluminiumlegierungen verwendet werden, ist es für eine Gießerei üblich, dass sie ein jährliches Gießproduktionsniveau an marktfähigen Gussstücken von 250.000 Tonnen hat, wobei sie etwa 450.000 Tonnen Legierung verarbeitet hat, wobei das Gewicht des Eingusskanal-/Gießrinnenlegierungsmetalls etwa 200.000 Tonnen beträgt. Bei dieser Produktion ist es üblich, überdimensionierte Gießrinnen zu verwenden, um ein Erstarren der Legierung zu verhindern, mit der Folge, dass Gießrinnengeschwindigkeiten von etwa 10 m/s erzielt werden. Entsprechende Eingusskanalgeschwindigkeiten betragen etwa 30 bis 40 m/s, wobei die Eingusskanalgeschwindigkeit üblicherweise im Bereich von 30 bis 35 m/s liegt. Von der Gesamtmenge der gegossenen Schmelze führen nur etwa 55% zu einem produktiven Ausstoß. Folglich besteht der Bedarf an einem übermäßigen Bestand an Aluminiumlegierung, die erforderlich ist, um es zu gestatten, dass das verbleibende Metall, das als Gießrinnenmetall verbraucht wird, recycelt wird. Es gibt deshalb ein hohes Maß an übermäßigem Energieverbrauch beim Erhitzen der Legierung, die nach dem Gießen wiedergewonnen und recycelt werden muss. Es ist auch typisch, dass es einen Legierungsverlust in einer Höhe von etwa 3% der gesamten gegossenen Tonnage gibt, was auf dem angegebenen Niveau des Gießereiausstoßes einen Verlust von etwa 13.500 Tonnen (zu Kosten von etwa AU$30 Millionen) darstellt.
Bei einer solchen Produktion gibt es zusätzlich zu dem hohen Niveau des Aluminiumlegierungsbestands, dem Verlust an Legierung und den Kosten des Erhitzens, der Wiedergewinnung und dem Recycling von Gießrinnen-/Eingusskanal-Legierung beträchtliche Kosten. Bei der Höhe des angegebenen Ausstoßes ist es möglich, dass fünf Öfen für die Herstellung der geschmolzenen Legierung zum Gießen erforderlich sind. Solche Öfen können etwa AU$15 Millionen pro Stück kosten und die Verringerung der Anzahl dieser Öfen um nur einen zusammen mit seinen Hilfseinrichtungen würde eine beträchtliche Einsparung des Investitionsaufwands erzielen. Die Kokillenkosten können sich auch auf etwa 15% der Gesamtproduktionskosten belaufen und eine Verbesserung der Standzeit der Kokille würde für einen beträchtlichen Spielraum für eine weitere Einsparung sorgen. Tatsächlich ist die gesamte Kostenlast derart, dass sie dazu dient, hervorzuheben, wie festgefahren die Meinung über die etablierte Gießereipraxis beim Druckgießen von Aluminiumlegierungen ist.
Wir haben gefunden, dass es durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung möglich und praktisch ist, hochqualitative Druckgussstücke aus Aluminiumlegierungen von einer mindestens vergleichbaren Qualität wie derjenigen zu erzeugen, die durch die etablierte Gießereipraxis geschaffen werden, jedoch mit beträchtlichen Kosteneinsparungen. Die Art der Kosteneinsparungen wird nachstehend detailliert angegeben.
Die vorliegende Erfindung schafft oder benutzt zum Druckgießen einer Aluminiumlegierung in einer Druckgießmaschine mit einer Gießform oder Druckgießform, die einen Formhohlraum bildet, ein Metallfließsystem, durch welches die Aluminiumlegierung entlang eines Metallfließwegs in den Formhohlraum fließen kann. Das Metallfließsystem gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine Anordnung, die mindestens Teil des Fließwegs bildet und die mindestens eine Gießrinne und das, was hier als Öffnung oder Punkt zur kontrollierten Expansion (CEP) bezeichnet wird, umfasst.
So wird erfindungsgemäß ein Metallfließsystem zur Verwendung beim Gießen von Aluminiumlegierung unter Verwendung einer Druckgießmachine zur Verfügung gestellt, wobei das Metallfließsystem durch eine Komponente einer Druckgießform- oder Gießformanordnung für die Maschine geschaffen wird, wobei die Druckgießform- oder Gießformanordnung einen Formhohlraum definiert und die Komponente wenigstens einen Teil eines Legierungsfließwegs für das Fließen der Aluminiumlegierung von einer unter Druck gesetzten Quelle im Wesentlichen geschmolzener Aluminiumlegierung der Maschine zu dem Formhohlraum definiert, wobei der Fließweg wenigstens eine Gießrinne und eine Öffnung zur kontrollierten Expansion (hier als "CEP" bezeichnet) aufweist, welche einen Einlass hat, durch welchen die CEP Aluminiumlegierung von der Gießrinne aufnehmen kann, und einen Auslass, durch welchen die Aluminiumlegierung von der CEP zum Füllen des Formhohlraums fließen kann, wobei die Querschnittsfläche der CEP von ihrem Einlass zu ihrem Auslass größer wird, um zu bewirken, das im Wesentlichen geschmolzene Legierung, die in der Gießrinne aufgenommen wird, eine beträchtliche Verringerung der Fließgeschwindigkeit bei ihrem Durchströmen durch die CEP erfährt, wodurch die Aluminiumlegierung, die durch die CEP fließt, einen viskosen oder halbviskosen Zustand annimmt, der beim Füllen des Formhohlraums beibehalten wird.
Die Erfindung stellt auch eine Druckgießmaschine zur Verwendung beim Gießen von Aluminiumlegierung unter Verwendung einer Druckgießmaschine zur Verfügung, wobei die Maschine ein Metallfließsystem aufweist, das mit einer Komponente einer Druckgießform- oder Gießform-Anordnung für die Maschine ausgestattet ist, wobei die Druckgießform- oder Gießform-Anordnung einen Formhohlraum definiert und wobei die Komponente wenigstens einen Teil eines Fließwegs der Legierung für das Fließen von Aluminiumlegierung von einer unter Druck gesetzten Quelle im Wesentlichen geschmolzener Aluminiumlegierung der Maschine zu dem Formhohlraum definiert, wobei der Fließweg wenigstens eine Gießrinne und eine Öffnung zur kontrollierten Expansion (hier als "CEP" bezeichnet) aufweist, welche einen Einlass hat, durch welchen die CEP Aluminiumlegierung aus der Rinne aufnehmen kann, und einen Auslass, durch welchen Aluminiumlegierung von der CEP zum Füllen des Formhohlraums fließen kann, wobei die Querschnittsfläche des Einlasses der CEP derart ist, dass die Legierung eine Fließgeschwindigkeit durch die Öffnung erreichen kann, die größer ist als 40 m/s und nicht größer ist als 120 m/s, und wobei sich die Querschnittsfläche der CEP von ihrem Einlass zu ihrem Auslass erhöht, um zu bewirken, dass im Wesentlichen geschmolzene Legierung, die in der Gießrinne aufgenommen wird, beim Fließen durch die CEP eine wesentliche Verringerung der Fließgeschwindigkeit erfährt, wodurch die durch die CEP fließende Aluminiumlegierung einen halbfesten oder thixotropen Zustand annimmt, der beim Füllen des Formhohlraums beibehalten wird, wobei der Auslass der CEP eine solche Querschnittsfläche hat, dass die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch die Öffnung 50 bis 80% der Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Einlass der CEP beträgt.
Des Weiteren stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken aus einer Aluminiumlegierung unter Verwendung einer Druckgießmaschine zur Verfügung, die eine unter Druck gesetzte Quelle im Wesentlichen geschmolzener Aluminiumlegierung und eine Druckgießform- oder Gießformanordnung, die einen Formhohlraum definiert, aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, des Bewirkens, dass die Legierung von der Quelle zu dem Formhohlraum entlang eines Legierungsfließwegs fließt, der durch eine Komponente der Druckgießform- oder Gießform-Anordnung definiert wird, des Bewirkens, dass die Legierung bei ihrem Fließen entlang des Fließsystems durch eine Gießrinne und durch ein Einlassende einer Öffnung zur kontrollierten Expansion (nachstehend als "CEP" bezeichnet) fließt; und des Bewirkens, dass die Legierung bei ihrem Fließen durch die CEP zu einem Auslassöffnungsende der CEP ihre Fließgeschwindigkeit verringert, wodurch die Legierung dazu veranlasst wird, eine ausreichende Fließgeschwindigkeit an dem Einlass der CEP anzunehmen und eine wesentliche Verringerung dieser Fließgeschwindigkeit bei ihrem Fließen durch die CEP zu erfahren, sodass die Legierung einen halbfesten oder thixotropen Zustand annimmt und diesen Zustand beim Füllen des Formhohlraums beibehält, wobei die Legierung eine Fließgeschwindigkeit durch den Einlass der CEP annimmt, die größer ist als 40 m/s und nicht größer als 120 m/s und wobei die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Auslass der CEP 50 bis 80% der Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Einlass der CEP beträgt.
Die Öffnung zur kontrollierten Expansion (CEP) weist ein Einlassende oder einen Einlass von der Gießrinne und ein Auslassende oder einen Auslass auf, aus dem Legierung zu dem oder in den Formhohlraum fließt. Der Einlass in die CEP von der Gießrinne kann die gleiche Querschnittsfläche wie die Gießrinne aufweisen, ist jedoch vorzugsweise kleiner als diese. Jedoch besitzt das Auslassende der CEP oder der Auslass in den Hohlraum eine größere Querschnittsfläche als der Einlass der CEP, um eine im Wesentlichen geringere Metallgeschwindigkeit als diejenige an dem Einlassende oder Einlass zur CEP zu erzielen. Über der Länge der CEP zwischen ihrem Einlass zu der CEP und ihrem Auslass nimmt die Querschnittsfläche der CEP zu, sodass die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch die Öffnung abnimmt, während die CEP vorzugsweise von ihrem Einlass zu ihrem Auslass verjüngt ist.
Das Auslassende oder der Auslass der CEP kann einen Einlass zu dem Formhohlraum definieren und tut dies vorzugsweise. Bei einer alternativen Anordnung kann die Gießrinne des Metallfließsystems jedoch an dem oder angrenzend an den Einlass zu dem Formhohlraum enden. Bei dieser alternativen Anordnung kann das Metallfließsystem einen Abschnitt des Formhohlraums an dem oder angrenzend an den Auslass der Gießrinne aufweisen, wobei dieser der Formhohlraumabschnitt wenigstens Teil des Ausmaßes einer CEP von dem Auslass in Richtung auf den Einlass der CEP definiert. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die CEP jedoch zwischen den Enden der jeweiligen Gießrinnen liegen. Die erste Gießrinne befindet sich stromaufwärts der CEP in der Fließrichtung der Legierung und eine zweite Gießrinne befindet sich stromabwärts der CEP in dieser Richtung. D.h., die erste Gießrinne sorgt für einen Legierungsfluss zu dem Einlass der CEP und die zweite Gießrinne sorgt für einen Legierungsfluss von dem Auslass der CEP zu dem Formhohlraum. Bei dieser weiteren Alternative besitzt die zweite Gießrinne vorzugsweise einen Querschnitt, der nicht kleiner ist als derjenige des Auslassendes der CEP.
Das Metallfließsystem kann eine Form aufweisen, die für die Steuerung der Fließgeschwindigkeiten des Metalls durch die Gießrinne und die CEP sorgt, wodurch sich wenigstens ein wesentlicher Teil der Aluminiumlegierung, die durch den Formhohlraum fließt, in einem halbfesten oder thixotropen Zustand befindet. Für diesen Zweck ist die Anordnung vorzugsweise derart, dass die Fließgeschwindigkeit des Aluminiumlegierungsmetalls durch das Einlassende der CEP größer ist als 40 m/s, vorzugsweise größer ist als 50 m/s, beispielsweise 80 bis 110 m/s beträgt. Die Fließgeschwindigkeit am Auslassende der CEP beträgt im Allgemeinen etwa 50 bis etwa 80%, vorzugsweise 65 bis 75%, der Geschwindigkeit am Einlassende. Die Geschwindigkeit am Auslassende kann größer als 20 m/s, vorzugsweise größer als 30 m/s sein, beispielsweise 40 bis 95 m/s und am stärksten bevorzugt etwa 40 bis 90 m/s betragen. Diese Geschwindigkeiten sind viel größer als die Werte der gegenwärtigen Systeme.
Abgesehen von der erhöhten Fließgeschwindigkeit der Legierung durch die Gießrinne und die CEP, die in dem erfindungsgemäßen System zur Verfügung gestellt werden kann, ist ersichtlich, dass die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Einlass der CEP größer ist als diejenige an dem Auslassende der CEP oder die Fließgeschwindigkeit am Auslass. Dies ist das Gegenteil der Situation, die mit den Gießrinnen- und Eingusskanal-Anordnungen der gegenwärtigen Systeme erhalten wird und ergibt sich aus der Differenz des Verhältnisses der Querschnittsfläche zwischen den jeweiligen Anordnungen. So kann, obgleich bei den bekannten Systemen ein Eingusskanal mit einer geringeren Querschnittsfläche als derjenigen der entsprechenden Gießrinne verwendet wird, die vorliegende Erfindung einen CEP-Auslass haben, der eine größere Querschnittsfläche aufweist als der entsprechende Querschnitt der Gießrinne stromaufwärts der CEP. In dem ersteren Fall ist der Metallfluss eingeengt, und seine Geschwindigkeit durch den Eingusskanal nimmt mit Bezug auf die Gießrinne zu, während das Gegenteil in dem erfindungsgemäßen System erzielt wird.
Bei einer solchen erfindungsgemäßen Gießrinnen-/CEP-Anordnung kann die CEP durch einen Endbereich an dem Formhohlraumende der Gießrinne definiert werden. Dieser Endbereich kann in der Fließrichtung des Aluminiumlegierungsmetalls relativ kurz sein, beispielsweise bis zu einer Länge von etwa 5 mm. Jedoch kann eine CEP in den meisten Fällen in Abhängigkeit von der Größe des herzustellenden Gussstücks viel länger sein. So kann eine CEP eine Länge von wenigstens 40 mm haben, sie besitzt jedoch im Allgemeinen eine Länge von bis zu 20 mm, beispielsweise 10 bis 15 mm. Bei einer alternativen Anordnung kann die Querschnittsfläche der Gießrinne jedoch bis zu dem Formhohlraum beibehalten werden, wobei die erforderliche CEP durch die Gestalt eines Abschnitts des Formhohlraums gebildet ist. D.h. es kann nur eine Gießrinne ohne Eingusskanal im herkömmlichen Sinn geben, sondern eher eine fiktive CEP, die innerhalb des Formhohlraums durch die Gießform oder Druckgießform gebildet ist. Jedoch kann, wie vorstehend angegeben, der Fließweg eine erste Gießrinne, aus der Legierung in die CEP fließt, und eine zweite Gießrinne aufweisen, zu der die Legierung aus der CEP in die Druckgießform fließt. Bei einer solchen zweiteiligen Gießrinnenanordnung besitzt die zweite Gießrinne vorzugsweise eine Querschnittsfläche, die nicht kleiner und am stärksten bevorzugt größer als die Querschnittsfläche des Auslassendes der CEP ist und die folglich nicht für eine Einengung des Flusses der Legierung aus der CEP zu dem Formhohlraum sorgt.
In Fällen, in denen die CEP in einen Teil des Formhohlraums mündet oder durch diesen definiert ist, ermöglicht das erfindungsgemäße System die Herstellung von Gussstücken durch das direkte Einspritzen von Legierung in das Druckgussstück. Wenn sich jedoch die CEP zwischen jeweiligen Gießrinnen befindet, gestattet die Erfindung ein indirektes Einspritzen. In jedem Fall kann das System mehr als einen Fließweg aufweisen, der jeweils eine jeweilige Gießrinnen-/CEP-Anordnung aufweist, wobei jede Gießrinne und ihre CEP für die Zuführung von Legierung zu einem gemeinsamen Formhohlraum oder einem jeweiligen Formhohlraum sorgen. Insbesondere im letzteren Fall, bei dem sich jede CEP zwischen der jeweiligen ersten und zweiten Gießrinne, wie vorstehend erörtert, befindet, kann sich wenigstens jede zweite Gießrinne, die für einen Legierungsfluss über das Auslassende ihrer CEP hinaus sorgt seitlich von einer Richtung des Legierungsflusses in das System erstrecken. So kann wenigstens jede zweite Gießrinne entlang einer Teilungsebene zwischen den zwei Druckgießformwerkzeugteilen definiert sein, die jeden Formhohlraum bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann sie dann, wenn eine tatsächliche CEP durch einen Endbereich an dem Formhohlraumende der Gießrinne vorgesehen ist, eine einfache Vergrößerung sein, die sich verjüngt, um jenseits der Gießrinne einen vergrößerten Querschnitt zu haben. Die tatsächliche CEP weist vorzugsweise einen runden oder rechteckigen Querschnitt auf. Ein Kanal, der eine Gießrinne definiert, die für den Legierungsfluss zum Einlass einer CEP, d.h. einer ersten Gießrinne, sorgt, kann linear sein. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Kanal starke Richtungsänderungen aufweist, um eine Turbulenz in dem Fluss der Aluminiumlegierung zu der CEP zu fördern. So kann der Gießrinnenkanal die Form einer scharfen Kurve aufweisen, da er wenigstens zwei Abschnitte aufweist, die relativ zueinander geneigt sind. Tatsächlich wurde bei einigen der erhaltenen besseren Ergebnisse bei Verwendung des erfindungsgemäßen Systems eine Gießrinne verwendet, bei der sich ein stromaufwärtiger Gießrinnenabschnitt über eine kurze Strecke über seinen Verbindungspunkt mit einem stromabwärtigen Abschnitt hinaus erstreckt, um ein blindes Ende des stromaufwärtigen Abschnitts zu definieren.
Die Verwendung einer Gießrinne, die eine Turbulenz des Aluminiumslegierungsmetallflusses durch sie hindurch bewirkt, steht im Gegensatz zu der Praxis bei gegenwärtigen Systemen. D.h., die Gießrinnen und Eingusskanäle der gegenwärtigen Systeme sind so konstruiert, dass sie die Turbulenz ihn ihm, und folglich innerhalb des Formhohlraums, auf ein Minimum herabsetzen, wodurch ein Fluss erzielt wird, der dem laminaren Fluss nahe kommt oder der so glatt wie möglich ist.
Es ist wenigstens für größere Aluminiumlegierungsgussstücke gegenwärtige Praxis, eine meißel-, fächerförmige oder verjüngte tangentiale Gießrinne oder sich entgegengesetzt erstreckende, verjüngte tangentiale Doppel-Gießrinnen zu verwenden. Solche Gießrinnen müssen sorgfältig konstruiert werden, um einen glatten Fluss des Aluminiumlegierungsmetalls aus der Schusshülse zu dem Eingusskanal in jeder Gießrinne zu erreichen und um ein Fließen entlang der Länge jeder Gießrinne sicherzustellen. Wie angegeben, sind diese und andere Gießrinnen, die bei der gegenwärtigen Praxis verwendet werden, überdimensioniert, um zu vermeiden, dass das geschmolzene Metall erstarrt, und folglich führen sie zu den relativ geringen Gießrinnen- und Eingusskanalgeschwindigkeiten. Aufgrund der Tatsache, dass die Gießrinnen überdimensioniert sind und eine entsprechend große Kolben-/Schuss-Hülse erfordern, um ihnen die geschmolzene Legierung zuzuführen, ist das Volumen und folglich das Gewicht des verfestigten Gießrests (Metallstücks) und des Gießrinnenmetalls mit Bezug auf das Gussstückvolumen und -gewicht beträchtlich.
Das Aluminiumlegierungs-Metallfließsystem der vorliegenden Erfindung verhindert den Bedarf an solchen komplexen und relativ großen Gießrinnensystemen und ermöglicht es, dass das Gießrinnenmetall im Vergleich zu den gegenwärtigen Systemen gering ist. D.h., das Verhältnis des Gewichts des Gießrinnenmetalls zu dem Produktgewicht der Aluminiumlegierung bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung ist wesentlich besser als bei der Verwendung der gegenwärtigen Systeme. So können der Bestand an Aluminiumlegierung, der erforderlich ist, sowie das Energieniveau der Schmelzlegierung, die nach dem Gießen wiedergewonnen und recycelt werden muss, wesentlich verringert werden. Während der prozentuale Verlust der Legierung während des Umschmelzens/Haltens etwa der gleiche wie bei den gegenwärtigen Systemen ist (3%), kann die Erfindung dazu führen, dass die gegossene Tonnage beträchtlich verringert wird und die Tonnage der verlorengegangenen Legierung deshalb entsprechend verringert wird. Des Weiteren kann die Gießrinne des Metallfließsystems der Erfindung relativ kurz sein, was die Menge des Gießrinnenmetalls weiter verringert.
Frühere Praktiken haben im Allgemeinen zu einem Gewicht des Gießrinnen-/Eingusskanalmetalls, das sich mit einem Gussstück verfestigt und getrennt und recycelt werden muss, geführt, das mehr als 50% des Gewichts des Gussstücks und in einigen Fällen mehr als 100 beträgt. Im Gegensatz hierzu ermöglicht das Metallfließsystem der Erfindung ein Gewicht des Gießrinnen-/CEP-Metalls, das weniger als 30% des Gussstückgewichts, in einigen Fällen etwa 15% bis 20%, beträgt. Dies ist natürlich ein beträchtlicher praktischer Nutzen, da die Kosten der Wiedergewinnung und des erneuten Verarbeitens des recycelten Metalls entsprechend verringert werden. Die vorliegende Erfindung verhindert auch im Allgemeinen den Bedarf an Formhohlraumüberlauf, es sei denn er wäre erforderlich, um ein Ausstoßen eines Gussstücks aus der Druckgießform zu erleichtern.
Die höheren Geschwindigkeiten des Gießrinnen-/CEP-Metalls, die vorzugsweise bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind bei dem Erzielen dieser Einsparungen ein Hauptfaktor. Jedoch erfordern diese Geschwindigkeiten keine größeren und folglich teureren Druckgießmaschinen als diejenigen, die bei gegenwärtigen Systemen verwendet werden. Die Geschwindigkeiten sind vielmehr mit den gleichen Gießmaschinen erzielbar, wie sie bei dem Gießen von Aluminiumlegierungen mit gegenwärtigen Systemen verwendet werden, und sie werden durch die Verwendung von Metallfließsystemen mit wesentlich verringerten Querschnittsflächen im Vergleich zu gegenwärtigen Systemen ermöglicht. Diese Verringerung der Querschnittsfläche in Kombination mit der einfachen Form des erfindungsgemäßen Metallfließsystems ist ein Faktor, der die Verringerung des Eingusskanal-/Gießrinnen-Metalls ermöglicht. Es gibt jedoch damit zusammenhängende Faktoren, die es ermöglichen, dass die Verringerung des Gießrinnen-Metalls weiter optimiert wird.
Damit zusammenhängende Faktoren, die es weiter ermöglichen, dass das Verhältnis des Eingusskanal-/Gießrinnen-Metalls zu dem Gewicht des Aluminiumlegierungsgussstücks verringert wird, sind, dass das Metallfließsystem der Erfindung ein hohes Ausmaß an Flexibilität bei der Wahl der örtlichen Anordnung eines Einlasses zu einem Formhohlraum im Gegensatz zu der beschränkten Wahl mit einem Eingusskanal bei der Praxis des Stands des Technik und die Fähigkeit bei der Erfindung, fehlerfreie Gussstücke herzustellen, ermöglicht, wobei das, was wirksam eine direkte Einspritzanordnung für die Zuführung von Legierung zu dem Formhohlraum ist, verwendet wird. Wie vorstehend angegeben, kann die Gießrinnen-/CEP-Anordnung eine Form haben, die nicht linear ist, beispielsweise die Form einer scharfen Kurve oder sogar eine gekröpfte Form. Statt beispielsweise eine Gießrinne, die einen langen schmalen Eingusskanal aufweist, der sich dort entlang erstreckt, wie bei den tangentialen Gießrinnen der gegenwärtigen Systeme, vorzusehen, kann das Metallfließsystem der Erfindung beispielsweise einen Endabschnitt aufweisen, der sich direkt in Richtung auf den Formhohlraum erstreckt und mit diesem, beispielsweise im Wesentlichen rechtwinklig durch eine Wand, die den Formhohlraum definiert, in Verbindung steht. Die Stelle, an der diese Verbindung vorgesehen ist, kann aus verschiedenen geeigneten Stellen gewählt werden, wobei ein entscheidender Hauptfaktor die Notwendigkeit ist, die Erosion an einer angrenzenden Oberfläche des Formhohlraums zu vermeiden. Wo jedoch eine fiktive CEP innerhalb des Formhohlraums zu bilden ist, müssen die Form und die Abmessungen des Formhohlraums an einer solchen Stelle derart sein, dass sie dies berücksichtigen, und die Vermeidung der Erosion kann deshalb ein entscheidender Faktor für die Wahl der Verbindungsstelle sein.
Mit der Verwendung des Metallfließsystems der vorliegenden Erfindung können die Temperaturbedingungen ähnlich denjenigen sein, die bei gegenwärtigen Systemen verwendet werden. So kann die Druckgießform bei einer Temperatur von etwa 160°C bis etwa 220°C betrieben werden, während die Aluminiumlegierung bei einer Temperatur von etwa 610°C bis etwa 670°C in Abhängigkeit von der betreffenden Legierung gegossen werden kann. Unter solchen Bedingungen können gute Aluminiumlegierungsgussstücke hergestellt werden, die wenigstens qualitativ vergleichbar mit denjenigen sind, die mit gegenwärtigen Systemen hergestellt werden. Unter solchen Bedingungen wird die Füllung des Formhohlraums erzielt, während sich die Aluminiumlegierung in einem im Wesentlichen halbfesten Zustand oder thixotropen Zustand befindet.
Im Gegensatz zu den Temperaturbedingungen, die in der Praxis mit gegenwärtigen Systemen verwendet werden, ermöglicht das Metallfließsystem der vorliegenden Erfindung auch die Herstellung von guten Aluminiumlegierungsgussstücken unter Temperaturbedingungen, bei denen die Füllung des Formhohlraums mit der Aluminiumlegierung in einem im Wesentlichen halbfesten oder thixotropen Zustand ist. Unter diesen Bedingungen können die Temperaturen der Druckgießform im Bereich von etwa 60°C bis etwa 100°C liegen, wobei die Legierungsmetalltemperatur etwa 610°C in Abhängigkeit von der betreffenden Legierung beträgt. Wie ersichtlich ist, ermöglichen diese Bedingungen, dass die Energiekosten verringert werden, während die niedrigere Temperatur des Aluminiumlegierungsgussstücks dabei helfen kann, die Zusammensetzungsstabilität der Legierung aufrechtzuerhalten und die Langlebigkeit der Druckgießform zu verbessern.
Während ein Gießen unter Temperaturbedingungen möglich ist, die zwischen den angegebenen beiden Sätzen von Bedingungen liegen, ist die Verwendung der Bedingungen von einem oder dem anderen dieser Sätze sehr bevorzugt. Im Allgemeinen kann es schwierig sein, eine gleichmäßig hohe Gussstückausstoßqualität bei Zwischenbedingungen aufrechtzuerhalten, obgleich diese Bedingungen wenigstens für einige Formen von Gussstücken verwendet werden können.
Das Metallfließsystem der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise mit dem vollständigen Bereich von herkömmlichen Aluminiumdruckgießlegierungen verwendet werden. Jedoch wird wenigstens unter Gießbedingungen bei der niedrigeren Temperatur, die vorstehend angegeben sind, gefunden, dass Gussstücke mit wenigstens einer angemessenen bis guten Qualität mit Aluminiumlegierungen einiger Serien hergestellt werden können, die nicht als geeignete Gießlegierungen unter Verwendung der gegenwärtigen Druckgießsysteme angesehen werden. Beispiele der letzteren Legierungen, die unter Verwendung des Metallfließsystems der vorliegenden Erfindung gegossen werden können, umfassen Legierungen der 7000 Serie.
Die Form einer CEP kann abgesehen von dem Erfordernis, dass sich ihr Querschnitt von ihrem Einlassende zu ihrem Auslassende vergrößert, beträchtlich variieren. Die Länge einer CEP ist in Abhängigkeit von der Größe des herzustellenden Gussstücks variabel. Die Länge kann etwa 5 bis etwa 40 mm, beispielsweise 5 bis 20 mm und vorzugsweise etwa 10 bis 15 mm betragen. Es kann praktisch sein, dass eine CEP einen kreisförmigen Querschnitt hat. Jedoch können andere Querschnitte, wie ein quadratischer oder rechteckiger Querschnitt großenteils in Abhängigkeit von der Gussstückgestaltung und davon, wo der Fluss aus der CEP in den Formhohlraum eintritt, verwendet werden. Eine CEP kann eine Achse oder Mittellinie aufweisen, die gerade ist. Eine CEP kann jedoch, falls erforderlich, eine bogenförmige oder gebogene Achse oder Mittellinie derart aufweisen, dass dies für einen Richtungswechsel des Legierungsflusses durch die Öffnung sorgt.
Die Abmessungen und die Form einer CEP können gemäß einer Reihe von Variablen variieren. Diese umfassen die Größe der Gussstücke, die hergestellt werden, den Typ, die Größe und die Leistungsfähigkeit der verwendeten Maschine, die bestimmte Aluminiumlegierung, die gegossen wird, die Stelle, an der die Legierung in dem Formhohlraum fließt und die Tatsache, ob wenigstens ein Abschnitt der CEP durch einen Bereich des Formhohlraums gebildet ist oder nicht und die angestrebte Mikrostruktur.
Diese Variablen können es schwierig machen, die geeignete Form für eine CEP für ein gegebenes herzustellendes Gussstück zu bestimmen, wenigstens falls es eine im Wesentlichen vollständige Kontrolle über die Mikrostruktur des herzustellenden Gussstücks geben soll. Es wird jedoch unter geeigneten Bedingungen gefunden, dass eine CEP ein Gussstück zur Verfügung stellen kann, das für viele Zwecke eine optimale Mikrostruktur im Wesentlichen in dem gesamten Gussstück hat. Obgleich einige größere Dendrite von bis zu etwa 100 μm aus der Schusshülse kommen können, ist im Fall einer Kaltkammer-Druckgießmaschine diese Mikrostruktur eine Mikrostruktur, die durch feine degenerierte Dendritprimärteilchen in einer Matrix der sekundären Phase gekennzeichnet ist, wobei die Primärteilchen eine Größe von weniger als 40 μm, beispielsweise etwa 10 μm oder weniger haben. Hierfür kann die CEP eine Legierung mit einem halbfesten Zustand während ihres Flusses durch die Öffnung erzielen, bei dem die Legierung thixotrope Eigenschaften besitzt, und sie kann auch diesen Zustand und diese Eigenschaften der Legierung im Wesentlichen während des gesamten Fließens der Legierung zum Füllen des Formhohlraums aufrechterhalten. Für mindestens einige Formen der CEP, die dies unter Verwendung einer Druckgießform erreichen können, die für eine ausreichend schnelle Verfestigung der Legierung darin sorgen, haben wir gefunden, dass die Verfestigung der Legierung zurück in die CEP derart fortschreitet, dass die in der CEP verfestigte Legierung eine spezifische Mikrostruktur aufweist. Obgleich sie nicht notwendigerweise für alle geeigneten Formen für eine CEP maßgeblich ist, ist das Erzielen dieser spezifischen Mikrostruktur eine Basis, auf der alle Gesamterfordernisse für eine CEP quantifiziert werden können, wenigstens dann, wenn die angegebene optimale Gussstückmikrostruktur für einige Anwendungen erforderlich oder akzeptabel ist. Diese Entdeckung ist jedoch nicht auf Anwendungen beschränkt, bei denen diese Mikrostruktur des Gussstücks erforderlich oder akzeptabel ist, da sie, wie hier angegeben, eine Mikrostruktur ist, die durch eine Wärmebehandlung modifiziert werden kann, falls dies für andere Anwendungen erforderlich ist.
Die spezifische Mikrostruktur für eine CEP ist eine, die in axialen Schnitten durch das in der CEP verfestigte Metall Rillen oder Bänder aufweist, die sich quer mit Bezug auf die Richtung des Legierungsflusses durch die CEP erstrecken und die sich aus der Trennung von Legierungselementen ergeben. Eine CEP, die eine solche Mikrostruktur erzielen kann, ist eine, die intensive Druckwellen in der Legierung während ihres Fließens durch die CEP erzeugen kann. Es wurde gefunden, dass die Bänder, die sich seitlich über im Wesentlichen die volle Breite der CEP und entlang im Wesentlichen ihrer vollen Länge erstrecken können, eine Wellenlänge in der Größenordnung von 200 μm aufweisen. Es wird auch gefunden, dass die Trennung der Elemente zu einer beträchtlichen Trennung der primären und sekundären Phasen führt, wobei die primäre Phase als feine, abgerundete oder sphäroidale degenerierte Dendritteilchen mit einer Größe von beträchtlich weniger als 40 μm, beispielsweise etwa 10 μm oder weniger, vorhanden ist. So wurde beispielsweise bei einer Aluminiumlegierung, die Magnesium als Hauptlegierungselement enthält, wie der Legierung CA313 (entsprechend der japanischen Legierung ADC-12, der US-Legierung A380 und der UK-Legierung LM-24) gefunden, dass alternierende Rillen oder Bänder aufgrund der Trennung des dichten Aluminiums und des weniger dichten Magnesiums jeweils reich an Aluminium und reich an Magnesium sind. Die Bänder, die reich an Aluminium sind, sind relativ reicher in der primären Phase, wobei sie als feine, abgerundete oder sphäroidale degenerierte Dendritteilchen mit einer Größe im Wesentlichen geringer als 40 μm, beispielsweise etwa 10 μm oder weniger, vorhanden sind. Im Gegensatz hierzu wurde gefunden, dass die Bänder, die reich an Magnesium sind, reicher an intermetallischen Teilchen der sekundären Phase reicher sind, beispielsweise der Form Al_xMg_ySi_z, sind.
So wird gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung ein Metallfließsystem zur Verwendung beim Druckgießen einer Legierung geschaffen, bei dem eine Druckgießmaschine verwendet wird, wobei das System eine Gießform- oder Druckgießformwerkzeugkomponente aufweist, bei der eine Gießrinne und eine CEP wenigstens einen Teil eines Fließwegs definieren, entlang dessen die Aluminiumlegierung für das Einspritzen in einen Formhohlraum fließen kann, der von einer Gießform oder einer Druckgießform gebildet ist, wobei die Querschnittsfläche der CEP von ihrem Einlassende zu ihrem Auslassende zunimmt, wodurch der Zustand der Legierung bei ihrem Fließen durch die CEP modifiziert werden kann, um einen halbfesten Zustand zu erzielen, der thixotrope Eigenschaften besitzt, und um es der Legierung zu ermöglichen in diesem Zustand in den Formhohlraum zu fließen, und wobei die CEP eine derartige Form aufweist, dass mit der Verfestigung der Legierung in dem Formhohlraum und zurück entlang des Fließwegs in die CEP ein sich ergebendes Gussstück mit einer Mikrostruktur geschaffen wird, die durch feine degenerierte Dendritprimärteilchen in einer Matrix der sekundären Phase gekennzeichnet ist, wobei die in der CEP verfestigte Legierung eine Mikrostruktur in Ebenen parallel zu der Fließrichtung besitzt, die durch Rillen oder Bänder gekennzeichnet ist, die sich mit Bezug auf den Legierungsfluss durch die Öffnung quer erstrecken, wobei sich die Bänder aus der Trennung der Legierungselemente ergeben, und wobei alternierende Bänder relativ reicher an jeweiligen Elementen und jeweils in der primären und der sekundären Phase sind.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mittels des Hochdruckgießens zur Verfügung, wobei eine im Wesentlichen vollständig geschmolzene Legierung unter Druck einem Metallfließsystem zum Fließen entlang eines Fließwegs, der durch das System gebildet ist, zu einem Formhohlraum zugeführt wird, der von einer Gießform oder einer Druckgießform gebildet ist, wobei der Fließweg wenigstens teilweise durch eine Gießform- oder Druckgießformwerkzeugkomponente gebildet ist und wobei die Komponente gebildet ist, um als Teil des Fließwegs eine CEP zu definieren, die sich von einem Einlassende zu einem Auslassende davon in der Querschnittsfläche vergrößert, wodurch der Zustand der Legierung bei ihrem Fließen durch die CEP modifiziert wird, um einen halbfesten Zustand zu erzielen, der thixotrope Eigenschaften besitzt, und um zu bewirken, dass die Legierung in diesem Zustand in den Formhohlraum fließt, wobei die Form der CEP derart vorgesehen wird, dass mit der Verfestigung der Legierung in dem Formhohlraum und zurück entlang des Fließwegs in die CEP zur Schaffung eines sich ergebenden Gussstücks mit einer Mikrostruktur, die durch feine degenerierte Dendritprimärteilchen in einer Matrix der sekundären Phase gekennzeichnet ist, die in der CEP verfestigte Legierung eine Mikrostruktur besitzt, die durch Rillen oder Bänder gekennzeichnet ist, die sich mit Bezug auf den Legierungsfluss dort hindurch quer strecken, wobei sich die Bänder aus der Trennung der Legierungselemente ergeben, und mit alternierenden Bändern, die an den jeweiligen Elementen relativ reicher und jeweils in der primären und der sekundären Phase sind.
Das bevorzugte System und das bevorzugte Verfahren sind derart, dass dann, wenn die Verfestigung der Legierung in dem Formhohlraum ausreichend schnell ist, die jeweiligen Mikrostrukturen erhalten werden. Eine solche schnelle Verfestigung wird am meisten bevorzugt unter Verwendung der Erfindung erzielt. Jedoch kann es zusätzlich zu dem Bedarf an der Wärmeenergieextraktion aus der Gießform oder der Druckgießform, um dies zu erzielen, notwendig sein, die Temperatur der Komponente, die die CEP bildet derart zu kontrollieren, dass sich die Legierung in der CEP verfestigen kann. Am praktischsten ist die Wärmeenergieextraktion stromaufwärts des Einlassendes der CEP eingeschränkt, um es zu ermöglichen, dass eine Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit an dem oder in einem kurzen Abstand stromabwärts von dem Einlassende der CEP gebildet wird.
Die Druckgießmaschine, mit der das Metallfließsystem der Erfindung verwendet wird, kann eine einer Vielzahl von unterschiedlichen Formen haben. Sie kann beispielsweise eine Warmkammer- oder Kaltkammer-Hochdruck-Druckgießmaschine mit einer Düse sein, aus der Legierung in das Metallfließsystem eingespritzt werden kann, damit sie entlang des Fließwegs des Systems und durch die CEP des Fließwegs zu dem Formhohlraum fließt. Alternativ kann die Maschine vom Thixomatic-Typ sein, wie sie beispielsweise im US-Patent 5040589 (hier das Patent '589 von Bradley et al.) offenbart ist, bei der die Legierung entlang eines Zylinders zu einer Sammelkammer an einem Ende des Zylinders bewegt wird und dann durch eine Düse an dem einen Ende des Zylinders durch axiales Vorwärtsbewegen der Schnecke ausgestoßen wird. Von der Düse einer Maschine vom Thixomatic-Typ kann die Legierung in das Metallfließsystem gespritzt werden, damit sie wiederum entlang des Fließwegs des Systems durch die CEP des Fließwegs zu dem Formhohlraum fließen kann.
Bei einer weiteren Alternative kann die Maschine von dem Typ sein, der in unserer australischen provisorischen Anmeldung (Aktenzeichen des Anwalts IRN642429) mit dem Titel "Apparatus for Pressure Casting", eingereicht am 23. August 2001, offenbart ist. Die Offenbarung dieser provisorischen Anmeldung wird hier durch Bezugnahme aufgenommen und ist so zu lesen, dass sie Teil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung bildet. In dieser Offenbarung unserer provisorischen Anmeldung (IRN 642429) ist ein Übertragungsgefäß für geschmolzene Legierung mit einer Kapazität zum Halten eines abgemessenen Volumens der Legierung vorgesehen, das für die Übertragung zu einem Druckgießformwerkzeug erforderlich ist und ausreichend ist, um ein gegebenes Gussstück herzustellen, oder um gleichzeitig eine Vielzahl von gegebenen Gussstücken, die üblicherweise gleich sind, herzustellen. Mit einer Maschine mit einem solchen Übertragungsgefäß kann die Legierung in dem Übertragungsgefäß über eine Auslassöffnung durch das Unterdrucksetzen eines oberen Bereichs des Gefäßes abgegeben werden. Aus einer solchen Abgabeöffnung kann die Legierung in das Metallfließsystem, wie vorstehend für andere Maschinentypen beschrieben, eingespritzt werden.
Es ist vorstehend angegeben, dass die vorliegende Erfindung die Produktion von Gussstücken mit einer optimalen Mikrostruktur im Wesentlichen im ganzen Gussstück ermöglicht. Es ist angegeben, dass diese Mikrostruktur feine degenerierte Primärteilchen in einer Matrix der sekundären Phase aufweist, wobei die Primärteilchen kleiner als 40 μm, beispielsweise etwa 10 μm oder kleiner sind. Es ist jedoch auch angegeben, dass einige größere Dendrite im Bereich von bis zu etwa 60 bis etwa 100 μm vorhanden sein können. Es ist angegeben, dass diese größeren Teilchen aus der Schusshülse kommen, was die Verwendung einer Kaltkammer-Druckgießmaschine widerspiegelt. Mit der Verwendung einer Warmkammer-Maschine kann dieses Einströmen von größeren Dendriten vermieden werden, was ein Gussstück mit nur feinen Primärteilchen von weniger als etwa 40 μm liefert. Jedoch kann selbst mit der Verwendung einer Kaltkammer-Maschine die Volumenfraktion solcher größerer Teilchen auf einem relativ niedrigen Niveau gehalten werden.
Eine herkömmliche Warmkammer-Druckgießmaschine ist zur Verwendung beim Druckgießen von Aluminiumlegierungen nicht geeignet, da ihre Komponenten durch die Legierung angegriffen werden. So ermöglicht dieser Typ von Maschine das praktische Vermeiden von größeren Dendritteilchen nur insoweit neue Materialien, die nicht durch Aluminiumlegierungen angegriffen werden, verwendet werden oder verfügbar werden. Jedoch stellt eine Maschine des Typs, der in unserer vorstehend angegebenen provisorischen Anmeldung (IRN 642429) offenbart ist, eine alternative Form einer Warmkammer-Druckgießmaschine zur Verfügung und, da sie für die Herstellung von Materialien geeignet ist, die von Aluminiumlegierungen nicht angegriffen werden, ermöglicht die Verwendung dieser Maschine das Vermeiden von größeren Dendritteilchen. So ermöglicht die Verwendung der vorliegenden Erfindung bei einer Maschine, wie sie in der provisorischen Anmeldung (IRN 642429) offenbart ist, die Herstellung von Gussstücken mittels des Warmkammer-Hochdruck-Druckgießens, die im Wesentlichen frei von primären Dendriten von mehr als 40 μm sind.
Wie vorstehend angegeben, ist es sehr wünschenswert, dass die Legierung eine Fließgeschwindigkeit am Auslassende einer CEP besitzt, die nahe an einem oder innerhalb eines bevorzugten Bereichs liegt. Die angegebenen Fließgeschwindigkeiten sind hoch mit Bezug auf die Fließgeschwindigkeiten, die bei Hochdruck-Druckgießmaschinen und in einer Maschine vom Thixomatic-Typ verwendet werden. Da die Fließgeschwindigkeit der Legierung abnimmt, wenn die Legierung durch die CEP hindurchtritt, da der Querschnitt der CEP in der Fließrichtung größer wird, muss die Fließgeschwindigkeit am Einlassende der CEP deshalb noch höher sein. Die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch das Auslassende der CEP beträgt vorzugsweise 20 bis 50% weniger, beispielsweise 25 bis 35% weniger, als die Fließgeschwindigkeit an dem oder stromaufwärts des Einlassende(s) der CEP. In vielen Fällen kann die Auslassfließgeschwindigkeit etwa zwei Drittel der Fließgeschwindigkeit an dem oder stromaufwärts des Einlassende(s) betragen, sodass die Fließgeschwindigkeit an dem oder stromaufwärts des Einlass(es) zu der CEP bei einer Auslassströmungsgeschwindigkeit von etwa 60 m/s etwa 90 m/s betragen kann. Die Maschine, mit der das Metallfließsystem verwendet wird, muss eine Ausgangsfließgeschwindigkeit der Legierung haben, die diesen Erfordernissen entspricht, oder das Metallfließsystem muss bei einer gegebenen Maschine eine CEP mit einer Querschnittsfläche am Einlass- und am Auslassende haben, die dem Erzielen der erforderlichen Fließgeschwindigkeiten für die CEP bezogen auf die Ausgangsfließgeschwindigkeit für die Maschine entsprechen. So müssen die Einlass- und Auslassquerschnittsflächen der CEP für eine Maschine, die für eine relativ niedrige Ausgangsfließgeschwindigkeit wie aufgrund einer niedrigen Kolbengeschwindigkeit sorgt, klein sein, was zu einer verlängerten Fließzeit führt.
Mit der Verwendung eines erfindungsgemäßen Metallfließsystems, das eine CEP aufweist, in der verfestigte Legierung eine Mikrostruktur aufweisen kann, die durch Rillen oder Bänder gekennzeichnet ist, die sich durch eine Trennung der Legierungselemente ergeben, wird angenommen, dass die Mikrostruktur, die bei einem sich ergebenden Gussstück erhalten wird, einzigartig ist. Diese Mikrostruktur ist vorstehend detailliert als solche mit feinen, degenerierten Dendritprimärteilchen in einer Matrix der sekundären Phase angegeben, mit Primärteilchen von weniger als 40 μm, jedoch mit einigen größeren Dendriten von bis zu etwa 100 μm, die von der Schusshülse kommen, falls eine Kaltkammermaschine verwendet wird. Die Primärteilchen sind nicht nur klein, häufig etwa 10 μm oder weniger, sie sind jedoch auch gleichmäßig verteilt. Des Weiteren ist es möglich, dass die Mikrostruktur im Wesentlichen vollständig in dem gesamten Gussstück erhalten wird, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird. Ein weiterer wichtigerer Faktor ist einer, der sich aus der Trennung der Legierungselemente ergibt, die in der CEP unter den Bedingungen stattfindet, die bewirken, dass die Legierung einen halbfesten Zustand erzielt, der thixotrope Eigenschaften besitzt. Es wird gefunden, dass die Mikrostruktur des Gussstücks diese Trennung in wenigstens den degenerierten Dendritprimärteilchen des Gussstücks widerspiegelt, wie bei den Primärteilchen in der mit Rillen oder Bändern versehenen Mikrostruktur der Legierung, die in der CEP verfestigt wurde, wie nachstehend erklärt wird.
Bei einem normalen Wachstum von Dendriten ist der Kern oder der erste Teil, der sich verfestigt, relativ reich an Aluminium. Wenn die Dendriten wachsen, nimmt die Konzentration eines sekundären Elements in der umgebenden geschmolzenen Legierung aufgrund des Entfernens des Aluminiums dementsprechend zu, während die Konzentration des Aluminiums in der umgebenden Schmelze abnimmt. So weist der wachsende Dendrit ein abgestuftes Verhältnis von Aluminium zu dem sekundären Element von seinem Kern oder Zentrum auf, wobei die Konzentration des Aluminiums abnimmt und die des zweiten Elements zunimmt. So führt bei einer Aluminiumlegierung, die Magnesium enthält, wie der Legierung CA313 ein normales Dendritwachstum zu Dendriten, die einen Kern oder ein Zentrum, der bzw. das reich an Aluminium ist, aufweisen, die jedoch von dem Kern oder Zentrum einen abnehmenden Aluminiumgehalt und einen zunehmenden Magnesiumgehalt aufweisen. Die Trennung der Legierungselemente, die sich aus der CEP in einem Metallfließsystem der vorliegenden Erfindung ergibt, führt jedoch zu einer Trennung der Legierungselemente auf der Basis der Dichte und der Modifikation des normalen Wachstums. Diese Modifikation führt zu einer schwankenden Änderung der Legierungselemente von dem Kern oder Zentrum der degenerierten Dendritteilchen, die statt allmählich und im Wesentlichen gleichmäßig zu sein, eher eine abgeschwächte sinusförmige Form aufweist. So steigt das zweite Element zuerst an, nimmt dann ab und kann danach wieder in nach außen gerichteten Richtungen von dem Kern oder Zentrum aus ansteigen, während der Kern oder das Zentrum reicher an Aluminium ist und einen relativ geringen Gehalt an dem sekundären Element aufweist. So weisen die Teilchen bei einer Aluminiumlegierung wie CA313 einen niedrigen Magnesiumgehalt am Kern oder im Zentrum auf, jedoch nimmt der Magnesiumgehalt von dort anfänglich mit Bezug auf Aluminium auf mehr als etwa ein anfängliches Drittel des Radius der degenerierten Dendritteilchen zu, nimmt dann mit Bezug auf Aluminium auf mehr als etwa das zweite Drittel des Radius ab und nimmt danach in Richtung zum äußeren Umfang der Teilchen wieder zu. Diese Modifikation findet in der CEP statt und kann in den primären Teilchen mit dem Fluss der Legierung in den Formhohlraum beibehalten werden.
Das schwankende Verhältnis von Aluminium und sekundären Legierungselementen in den degenerierten Dendritprimärteilchen ergibt sich aus den Bedingungen, die von der CEP erzeugt werden. Computersimulationen der Fließbedingungen durch eine CEP, die eine rillenförmige oder bandförmige Mikrostruktur erzeugen, geben an, dass mit dem Fließen der Legierung durch eine geeignete Form der CEP, die die angegebenen Fließraten durch den Auslass der CEP erzielt, intensive Druckwellen in der Legierung erzeugt werden. Die Simulationen zeigen, dass sich die Druckwellen auf einem Niveau von etwa ± 400 MPa befinden. Es ist bekannt, dass Druckdifferenzen in der Größenordnung von einigen 100 kPa eine Trennung von weniger und mehr dichten Elementen einer Legierung, wie Magnesium und Aluminium, bewirken können. Die Computersimulationen weisen deshalb auf eine ausgeprägte Trennung mit einer Bewegung eines weniger dichten Elements zu Hochdruckimpulsen und eines Elements höherer Dichte zu Niederdruckimpulsen hin. Des Weiteren legen die Computersimulationen nahe, dass die intensiven Druckwellen eine Wellenlänge von etwa 40 μm haben. Es wird gefunden, dass dies sehr eng mit den in der Praxis erzielten Ergebnissen übereinstimmt. Da gefunden wurde, wie vorstehend angegeben, dass die sich ergebenden Rillen oder Bänder in der Mikrostruktur der in der CEP verfestigten Legierung eine Wellenlänge von etwa 200 μm haben, und zwar bei einer Legierung, die in einer CEP unter Bedingungen verfestigt wurde, die für eine relativ schnelle Verfestigung in einem Formhohlraum und zurück in die CEP sorgen. D.h. der Abstand zwischen Zentren für aufeinanderfolgende gleiche Bänder des primären Elements oder sekundären Elements beträgt etwa 40 μm.
Damit die vorliegende Erfindung besser verständlich ist, wird nun Bezug auf die in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Anordnungen genommen.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen druckgegossenen Kraftfahrzeuggetriebegehäuse vom Motorende aus gesehen;
2 eine perspektivische Ansicht des Getriebegehäuses von 1, vom Ende des Getriebegehäuse aus gesehen;
3 eine schematische Seitenansicht eines Produktionsgussstücks wie in 1 und 2;
4 bis 9 entsprechen 3, zeigen jedoch jeweilige experimentelle Gussstücke der Getriebegehäuse wie in 1 und 2, jeweils mit einem jeweiligen experimentellen Metallfließsystem gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt;
10 eine Ansicht im Längsschnitt, die ein Versuchsgussstück komplexer Form unter Verwendung eines Metallfließsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 eine Draufsicht auf ein Teil einer Druckgießform zum Druckgießen einer Aluminiumlegierung unter Darstellung eines Metallfließsystems gemäß der Erfindung;
12 einen Schnitt entlang der Linie A-A von 11;
13 einen Schnitt entlang der Linie B-B von 11;
14 eine teilweise Endansicht entlang der Linie C-C von 14;
15 einen Schnitt entlang der Linie D-D von 11;
16 eine schematische Darstellung eines experimentellen Gussstücks unter Darstellung der Bewegung der Legierung bei Verwendung eines Metallfließsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
17 eine Draufsicht auf ein Gussstück, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wenn es von dem Druckgießformwerkzeug entfernt wurde, in dem es hergestellt wurde; und
18 einen Schnitt durch das Gussstück von 17, bevor es aus dem Druckgießformwerkzeug entfernt wird, entlang der Linie E-E von 17.
Experimentelles Beispiel
Ein Versuch, der durchgeführt wurde, um die praktische Durchführbarkeit des Gießens eines Aluminiumlegierungsprodukts unter Verwendung von Metallfließsystemen gemäß der vorliegenden Erfindung zu untersuchen, wurde unter Verwendung einer Ube 1250 Tonnen Kaltkammer-Hochdruck-Druckgießmaschine in einer Kraftfahrzeug-Druckgießfabrik durchgeführt. Der Versuch umfasste das Gießen von Kraftfahrzeuggetriebegehäusen aus einer CA313 Aluminiumlegierung. Hierfür wurden sechs experimentelle Fließwege zu jeweiligen Gießrinnen maschinell hergestellt, die aus Produktionsgussstücken zur Bildung von sechs unterschiedlichen Metallfließsystemen gemäß der Erfindung abgegratet worden waren. Durch Anordnen jeder dieser Gießrinnen mit ihrem maschinell bearbeiteten Fließsystem zurück in das Druckgießwerkzeug der Ube-Gießmaschine und Gießen durch jedes Fließsystem wurden die jeweiligen Getriebegehäuse gegossen. Die Gießrinnen-/CEP-Formen wurden so gestaltet, dass sie die Bewertung und den Vergleich der verschiedenen Arten des Lenkens der geschmolzenen Aluminiumlegierung in den Formhohlrum durch Erzielen eines Hochgeschwindigkeitslegierungsflusses durch jede Gießrinne/CEP vor dem Einspritzen in den Formhohlraum ermöglichen.
Die Getriebegehäuse waren qualitativ vergleichbar mit Produktionsgussstücken, die mit einem herkömmlichen verjüngten tangentialen Gießrinnensystem, mit dem die entgrateten Gießrinnen hergestellt wurden, die einer maschinellen Bearbeitung unterzogen wurden, hergestellt wurden und diesen in einem Fall überlegen. Wie nachstehend angegeben, hatte jeder experimentelle, maschinell bearbeitete Fließweg, der einen der sechs Metallfließsysteme gemäß der Erfindung bildete, einen viel kleineren Querschnitt und eine viel kleinere Masse, was zeigt, dass es möglich und praktisch ist, große Druckgussstücke aus Aluminiumlegierung unter Verwendung von Fließsystemen herzustellen, die zu beträchtlich weniger Umschmelzen von jedem Gießvorgang ohne Qualitätsverlust führen.
Wie vorstehend angegeben wurden Gießrinnen aus der normalen Produktion von sechs Kraftfahrzeuggetriebegehäusen aus einer Aluminiumlegierung, die unter Hochdruck druckgegossen wurde, unter Verwendung eines herkömmlichen verjüngten tangentialen Gießrinnensystem hergestellt. 1 und 2 sind perspektivische Ansichten von dem Motorende E bzw. dem Getriebege häuseende G von einem der Getriebehäusen, die durch einen normalen Produktionszyklus unter Verwendung des herkömmlichen verjüngten tangentialen Gießrinnensystems hergestellt wurden. In 1 und 2 ist das Gehäuse bei 10 gezeigt, wobei sein immer noch an ihm befestigtes Gießrinnenmetall bei 12 gezeigt ist.
In der schematischen Seitenansicht von 3 ist das Eingusskanal-/Gießrinnenmetall 12, bevor es von dem Gehäuse 10 entgratet wird, gezeigt. Wie angegeben, wurde das Eingusskanal-/Gießrinnenmetall 12 sorgfältig von einer Anzahl der Gehäuse wie in 1 und 2, entfernt, die gemäß der normalen Produktionspraxis hergestellt wurden. Die Gießrinnen wurden getrennt und gesammelt und, wie in 3 gezeigt, wurde das Metall 12 etwa auf den Linien X-X geschnitten, wodurch die gesammelten Gießrinnenmetallabschnitte 14 geschaffen wurden.
Der jeweilige experimentelle Fließweg, der zu jeder gegossenen Gießrinne maschinell bearbeitet wurde, die von einem Produktionsgussstück abgeschnitten wurde, wurde, wenn er seinerseits zurück in das Druckgießformwerkzeug der Ube-Maschine verbracht wurde, dann "eine neue Gießrinne/CEP" für das Gießen eines Getriebegehäuses. D.h., der Fließweg sorgte für ein Metallfließsystem gemäß der Erfindung, durch welches die CA313 Aluminiumlegierung floss, um den Werkzeugformhohlraum zu erreichen. Jeder der sechs Fließwege wurde so gestaltet, dass er eine verringerte Querschnittsfläche mit Bezug auf den Formhohlraum hatte und ein Metallfluss hoher Geschwindigkeit in den Hohlraum erzielt wurde. Während des Versuchs wurden die Einstellungen für die Ube-Druckgießmaschine was ihre Produktionswerte betrifft nicht geändert. Beispielsweise blieb die Plungergeschwindigkeit so eingestellt, wie sie für das Produktionsgießen von Getriebegehäusen unter Verwendung der herkömmlichen verjüngten tangentialen Gießrinne verwendet wurden. Als Folge war eine höhere Geschwindigkeit (V_r) für den Eintritt der Legierung in den Formhohlraum das Produkt aus der Plungergeschwindigkeit (V_b) und dem Verhältnis der Querschnittsfläche des Plungers (A_p) zu der Querschnittsfläche des Fließwegs (d.h. neue Gießrinne) A_r, wie dargestellt durch:
Zwischen aufeinanderfolgenden Versuchsgießvorgängen unter Verwendung eines Metallfließsystems gemäß der Erfindung wurden fünf Produktionsgussstücke unter der Verwendung des herkömmlichen tangentialen Gießrinnensystems hergestellt. Das dritte und das fünfte der Produktionsgussstücke wurden für eine Untersuchung und einen Vergleich mit den Versuchsgussstücken gesammelt.
Die Gießbedingungen für die normale Produktion waren wie folgt:

Ube 1250 Tonnen Hochdruck-Druckgießmaschine
Schmelztemperatur: 635°C
Aluminiumlegierung: CA 313
Ungefähres Gewicht (gemessen): Gussstück: 8,7 kg Gießrinne: 0,75 kg Gießrest: 2,5 kg Insgesamt: 11,95 kg

Die Bedingungen waren die gleichen für die experimentellen Versuche mit dem Unterschied, dass das Gießrinnenmetall, das sich in den neuen Gießrinnen verfestigte, im Bereich von etwa 0,05 kg bis etwa 0,13 kg lag im Vergleich zu den 0,75 kg für die normalen Produktionsgussstücke.
Die für die Versuche verwendete Ube-Druckgießmaschine war in der Vollproduktionsbetriebsart, bevor der Versuch begann. Jede neue Gießrinne/CEP wurde in die Gleitkerne der Druckgießform bei den jeweiligen Gießvorgängen verbracht und dort durch eine großzügige Menge an Silicondichtungsmittel gehalten.
Jeweilige Versuchsgussstücke gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von jeweils einer neuen Gießrinne/CEP sind schematisch in 4 bis 9 gezeigt. In jedem Fall ist die Gestalt der jeweiligen neuen Gießrinne/CEP gezeigt und mit R bezeichnet. Jedoch sind für die Einfachheit der Veranschaulichung, die Produktionsgießrinnen, die gebohrt werden, um jede neue Gießrinne/CEP zur Verfügung zu stellen, in 4 bis 9 weggelassen.
Jedes Produktions- und experimentelle Gussstück wurde unter Verwendung von Röntgenuntersuchungstechniken sowohl in der Fabrik durch Produktionsqualitätskontrollpersonal als auch wiederum mittels einer gründlicheren Laboruntersuchung untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, dass die experimentellen Gussstücke, die mit jeder neuen Gießrinne/CEP hergestellt wurden, mit den Gussstücken vergleichbar waren, die in der normalen Produktion hergestellt wurden. Ein experimentelles Gussstück enthielt die geringste Menge an Porosität von allen untersuchten Gussstücken, einschließlich der Gussstücke der normalen Produktion, die während des Versuchslaufs gesammelt wurden.
Abschnitte wurden aus den Gussstücken der Produktion und der Versuchsläufe geschnitten. Gussvorsprünge an diagonal gegenüberliegenden Ecken der Gussstücke wurden entfernt, um die Mikrostruktur des Metalls und den Typ der vorhandenen Porosität zu untersuchen. Die Gussvorsprünge wurden etwa 10 mm unterhalb der Oberfläche und parallel zu den zwei zusammenpassenden Flanschen an jedem Ende des Gussstücks poliert. Die polierten Gussvorsprünge wurden dann geätzt und unter einem optischen Mikroskop mit einer bis zu 1000fachen Vergrößerung untersucht. Die Stellen der Gussvorsprünge, die von jedem der experimentellen Gussstücke zur Prüfung abge schnitten wurden, waren die gleichen wie für die normalen Produktionsgussstücke.
Die Gussvorsprünge wurden vorzugsweise in Abschnitte unterteilt, da sie üblicherweise aufgrund ihrer Dicke eine Porosität enthalten. Die angegebenen Stellen für die bestimmten Gussvorsprünge wurden gewählt, da sie die zwei von der Gießrinne an beiden Enden am weitesten entfernten Punkte darstellen, eine Stelle nahe der Gießrinne und eine Stelle, von der die Röntgenuntersuchung im Allgemeinen zeigte, dass sie Porosität enthielt. Das dritte von den fünf normalen Produktionsgussstücken, die zwischen aufeinanderfolgenden experimentellen Gussstücken hergestellt wurden, wurde an den letzteren zwei Stellen in Abschnitte unterteilt, um die Mikrostrukturen mit den experimentellen Gussstücken zu vergleichen.
Die Art der Porosität, die in Gussstücken beobachtet wurde, die während des Versuchs hergestellt wurden, war eine Kombination von Gas und Schrumpfen, die in den dickeren Gussvorsprungsabschnitten lokalisiert war. Dies ist bei Gussstücken üblich, bei denen die Gussvorsprünge durch einen viel dünneren Hohlraumabschnitt zugeführt wurden, in diesem Fall wurden die 20 mm dicken Gussvorsprünge durch einen Hohlraumabschnitt mit einer Dicke von 5,5 mm versorgt. Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen der Art der Porosität, die in Versuchsgussstücken und Produktionsgussstücken gefunden wurde, nur Variationen in der Größe, der Anzahl und der Stelle.
Die Röntgenuntersuchung von 57 Stellen um jedes Gussstück herum zeigte, dass die Neigung bestand, dass die Porosität am Zentrum der Gussvorsprünge und in den dickeren Abschnitten zwischen den Gussvorsprüngen lokalisiert war, wo am wahrscheinlichsten ein Schrumpfen auftrat. Die Porosität erschien üblicherweise eher als Sammlung von kleinen Gas/Schrumpfporen als ein großer Schrumpfriss oder eine große isolierte Gaspore. Polierte Abschnitte der Gussvorsprünge zeigten, dass Porenzahlen im Bereich von einigen wenigen bis etwa 100 innerhalb eines Gussvorsprungs lagen und dass die Größe im Bereich von etwa 50 bis 500 μm lag. Größere Poren mit einem Durchmesser von 4 bis 5 mm wurden manchmal sowohl in Produktions- als auch Versuchsgussstücken gefunden, bei diesen bestand die Neigung, dass diese sich an Stellen befanden, an denen der Fluss während der Füllung des Hohlraums möglicherweise Gastaschen eingefangen hatte.
Von den untersuchten Gussstücken hatte ein Versuchsgussstück (dasjenige, das in 9 gezeigt ist) eine Porosität an etwa der Hälfte der Anzahl der Stellen im Vergleich zu den Produktionsgussstücken und die Porosität bestand meistens aus feinen dispergierten Gas/Schrumpfen. Die anderen Versuchsgussstücke von 4 bis 8 waren von ähnlicher Qualität wie die Produktionsgussstücke.
Die Erfahrung mit gegenwärtigen Systemen würde dazu führen, dass mehr Porosität in den experimentellen Gussstücken von 4 bis 9 unter Verwendung der neuen Gießrinnen erwartet würde als bei den Produktionsgussstücken, wie in 3, die während vieler Jahre optimiert worden waren, dies war jedoch nicht der Fall. Die gesamten experimentellen Gussstücke, die in 4 bis 9 gezeigt sind, haben gezeigt, dass das Getriebegehäuse mit einer sehr verringerten Gießrinnengröße mit einer gleichen, wenn nicht sogar besseren Gießqualität hergestellt werden konnte.
Das neue Gießrinnensystem R von 4 zur Herstellung eines experimentellen Gussstücks 20 besitzt einen ersten durchgehenden Kanal R(a), von dem sich ein zweiter Kanal R(b) im Wesentlichen unter einem rechten Winkel erstreckt. Die Kanäle R(a) und R(b) besitzen einen Durchmesser von 20 mm und jeder endet in einer jeweiligen CEP(a,b) mit sich vergrößerndem verjüngten Querschnitt, der in den Formhohlraum zum Gießen 20 mündet. Das Gießrinnensystem R von 5 ist gleich demjenigen von 4 mit dem Unterschied, dass sich die Kanäle R(a,b) unter einem spitzen Winkel von etwa 50° befinden und jeder einen Durchmesser von etwa 9 mm besitzt. Das System R von 6 besitzt einen einzigen Kanal R(a) und eine einzige CEP(a), obgleich der Kanal R Abschnitte aufweist, die gegenseitig um etwa 105° geneigt sind und er einen Durchmesser von 20 mm aufweist.
Die Anordnung des Gießrinnensystems R von 7 ist ähnlich demjenigen von 5. Die Kanalabschnitte R(a) und R(b) sind jedoch relativ kurz und besitzen einen Durchmesser von 9 mm und der Einlasskanal R(c) ist gekröpft und besitzt einen Durchmesser von 12 mm. Das System R von 8 ist gleich demjenigen von 4 mit dem Unterschied, dass es einen Durchmesser von 12 mm besitzt und die Kanalabzweigung R(a) kurz ist und in einem blinden Ende endet. 9 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen von 4 mit dem Unterschied, dass die Kanalabschnitte R(a) und R(b) einen Durchmesser von 9 mm besitzen und der Einlassabschnitt R(c) einen Durchmesser von 18 mm besitzt. In 9 ist der Abschnitt R(c) auch mit dem Abschnitt R(b) zwischen der CEP(b) und dem Verbindungspunkt zwischen den Abschnitten R(a) und R(b) verbunden, während die CEP(b) sich im Querschnitt von demjenigen des Gießrinnenabschnitts R(b) vergrößert, jedoch asymmetrisch ist, um axial von dem Formhohlraum für das Gussstück 40 eine relativ große Abmessung zu haben.
Das in 4 bis 9 gezeigte Experiment, das Versuchsgießrinnengestalten und Kanäle, die in zuvor gegossene Gießrinnen gebohrt wurden, umfasst, macht klar, dass eine Verkleinerung der Gießrinnengröße und folglich eine Verringerung des Abfalls ohne einen Verlust an Gießqualität unter Verwendung des erfindungsgemäßen Metallgießsystems erhalten werden kann. Die Geschwindigkeiten des Metalls durch die experimentellen Fließsysteme waren höher als durch herkömmliche Gießrinnensysteme. Eine mikroskopische Untersuchung der Abschnitte von sowohl Produktions- als auch experimentellen Gussstücken zeigte keinen beträchtlichen Unterschied der Mikrostruktur. Dieses industrielle Experiment hat gezeigt, dass ein Getriebegehäuse, das aus einer CA313 Aluminiumlegierung hergestellt wurde, mit einem sehr verringerten Metallfließsystem mit den sich daraus ergebenden Einsparungen an Umschmelzkosten und einer verbesserten Qualität hergestellt werden konnte.
Unter Bezugnahme auf 10 ist die Herstellung der Gussstücke 40 gezeigt, die unter Verwendung der CA313 Aluminiumlegierung auf einer 250 Tonnen Kaltkammermaschine von Toshiba hergestellt wurden. Das Gussstück 40 weist breite flache Bereiche 42, 43 und 44, einen komplizierten kastenförmigen Bereich 46 mit quer verlaufenden Rippen 47 und Gussvorsprüngen 48 und 49 auf. Das Gussstück besitzt eine Länge von 380 mm in der Ebene des Schnitts von 10 und eine Breite rechtwinklig zu dieser Ebene von 150 mm, was eine Projektionsfläche von 570 cm² ergibt.
Die Druckgießform 50, die für das Gussstück 40 verwendet wurde, wurde so gestaltet, dass sie die Option der Zuführung zu den drei Vertiefungen A, B und C einzeln oder als mehrere gestattet. Jede der Vertiefungen A, B und C besitzt ihre eigene Zuführungshülse F_a, F_b bzw. F_c und ihre eigene Temperatursteuerung, wobei sich die Hauptgießrinne R_m zu allen drei der Zuführungshülsen erstreckt. Die Vertiefungen können mit Bezug auf ihre Stellung variiert werden und, falls notwendig, können Abstandshalter 52 einer größeren Breite verwendet werden, um benachbarte Vertiefungen zu isolieren.
Wie aus 10 ersichtlich ist, wurde das Gussstück 40 unter Verwendung von allen drei Vertiefungen hergestellt. Die Zuführungshülsen F_b und F_c wurden jedoch blockiert und die gesamte Zuführung der Legierung erfolgte durch eine CEP, die an einer CEP gebildet war, die durch die Hülse F_a gebildet war, durch die Vertiefung A zu den Vertiefungen B und C. Das Gussstück wurde ohne Schwierigkeiten gefüllt und war insgesamt von guter Qualität und Konturentreue mit minimaler Porosität.
Aufeinanderfolgende Gussstücke 40 wurden unter Verwendung von jeweiligen F_a hergestellt, wobei jede eine jeweilige CEP definiert. In jedem Fall war die Gießrinne R_m die gleiche und wies einen Kanal mit einem zweiseitig symmetrischen trapezartigen Querschnitt auf. Der Kanal hatte eine Tiefe von 4,5 mm und eine Breite auf mittlerer Höhe von 4,5 mm, was eine Querschnittsfläche von 20,25 mm² ergab. Jede Hülse hatte eine verjüngte Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt, die ihre CEP definierte. Jede CEP war 20 mm lang mit einem jeweiligen Einlass- und Auslassdurchmesser und einer Querschnittsfläche wie folgt:
So war die Auslassquerschnittsfläche jeder CEP beträchtlich größer als die Querschnittsfläche der Gießrinne R_m. Selbst in dem Fall der Hülse I war die CEP-Fläche etwa 40% größer als die Gießrinnenfläche. Die Hülsen I und II hatten jeweils eine Einlassquerschnittsfläche, die kleiner war als diejenige der Gießrinne R_m, obgleich es die Auslassfläche ist, die von Bedeutung ist. Mit jeder der Hülsen I, II und III wurden Gussstücke 40 von ausgezeichneter Qualität trotz der komplexen Form hergestellt.
Bei einem weiteren Versuch wurde ein kurzer Schuss mit der Druckgießform von 10 durchgeführt, um den Füllmodus zu überprüfen. Dies führte zu einem Gießen von etwa zwei Dritteln durch den Bereich S in der Vertiefung C. Wiederum war das Gussstück von guter Qualität und Konturentreue mit minimaler Porosität.
Der Rand des Kurzschussgussstücks im Bereich S verlief in einer fast geraden senkrechten Linie quer durch den Formhohlraum. Der Rand war von halbgerundeter Form. Dieser unübliche Füllmodus ist typisch für eine "Füllung mit fester Front", die mit der Verwendung der vorliegenden Erfindung erzielt wird, d.h. mit einer Hochgeschwindigkeitseinspritzung, wobei sich die Aluminiumlegierung in einem halbfesten Zustand befand.
Unter Bezugnahme auf 11 bis 15 besitzt der Druckgießformteil 60, der hier gezeigt ist, eine planare Innenfläche 62, mittels der er mit einem ähnlichen komplementären Teil (nicht gezeigt) zusammenpasst. Die komplementären Druckgießformteile definieren ein Metallfließsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, von dem ein Hauptteil bei 64 in 11 gezeigt ist.
Das Metallfließsystem 64 sorgt für einen Metallfluss zwischen der Düse einer Gießmaschine (nicht gezeigt), wenn das Auslassende der Düse gegen den kugelstumpfförmigen Sitz 66 zur Einwirkung gebracht wird, der in der äußeren Fläche 60a des Teils 60 gebildet ist, und einem Formhohlraum 68 (teilweise gezeigt), der teilweise in der Innenfläche 60b des Druckgießformteils 60 definiert ist. Das System 64 umfasst einen Eingusskanal 72 der von dem Sitz 66 nach innen führt, ein Gießrinnensystem 74, das sich von der Eingusskanalbohrung 72 erstreckt und eine CEP 76 an dem inneren Ende des Systems 64, die mit dem Formhohlraum 68 in Verbindung steht. Der Druckgießformteil 60 weist auch Löcher 78 auf, die sich nach außen weg von der Oberfläche 62 von jeweiligen Stellen innerhalb des Gießrinnensystems 74 erstrecken, wobei jedes der Löcher 78 fähig ist, einen Ausstoßstift (nicht gezeigt) zur Verwendung beim Ausstoßen von Eingusskanal-/Gießrinnenmetall, das an einem Gussstück befestigt ist, das in dem Hohlraum 68 hergestellt wurde, aufzunehmen.
Eine Hälfte des Sitzes 66 ist in dem Druckgießformteil 60 gebildet, wobei die andere Hälfte in dem komplementären Druckgießformteil gebildet ist. Darüber hinaus kann das andere Druckgießformteil eine planare Oberfläche aufweisen, die frei von jeder maschinellen Bearbeitung ist und die das System 64 einfach einwärts von dem Sitz 66 zu dem Formhohlraum 68 schließt.
Das Gießrinnensystem 74 umfasst eine quer verlaufende Hauptgießrinne 80, die sich über das innere Ende des Eingusskanals 72 erstreckt und mit diesem eine T-Form bildet. An jedem Ende weist die Gießrinne 80 einen jeweiligen Endabschnitt 80a auf, wobei die Abschnitte 80a in Richtung auf die äußere Fläche 60a des Druckformgießteils 60 auseinander laufen. Ein jeweiliges der Ausstoßstiftlöcher 78 steht mit jedem Abschnitt 80a der Gießrinne 80 in Verbindung. Das System 74 umfasst auch eine sekundäre Gießrinne 82, die sich an einem Ende von einem der Abschnitte 80a der Hauptgießrinne 80 zu der CEP 76 von einer Stelle zwischen den Enden des Abschnitts 80a erstreckt.
Während die Form des Teils des Sitzes 66 in dem Druckgießformteil 60 einen halbkreisförmigen Querschnitt parallel zur Fläche 60a des Druckgießformteils 60 aufweist, besitzen der Eingusskanal 72, die CEP 7b und die Gießrinnen 80 und 82 einen Querschnitt, der von im Wesentlichen zweiseitig symmetrischer trapezartiger Form ist, obgleich andere Geometrien verwendet werden können. Der Eingusskanal 72 und die Hauptgießrinne 80 besitzen jeweils eine Querschnittsfläche von etwa 66 mm², während die Gießrinne 72 eine Querschnittsfläche von etwa 14,4 mm² besitzt. Die CEP 76 erstreckt sich in einem ersten Teil 76a weg von der Gießrinne 82, nimmt in der Breite zu, nimmt jedoch in der Tiefe ab, sodass ihre Querschnittsfläche 82 von derjenigen der Gießrinne 82 zu einem Maximum von etwa 16,3 mm² zunimmt. Von dem Teil 76a zu dem Formhohlraum 68 weist die CEP 76 einen Teil 76b von konstanter Tiefe auf, die effektive Breite des Teils 76b nimmt jedoch aufgrund dessen ab, dass sich der Teil 76b der Innenfläche 60b des Teils 60 unter einem spitzen Winkel nähert. Die Gesamtwirkung ist jedoch, dass die Querschnittsfläche der CEP 76 größer als die Fläche der Gießrinne 82 ist, sodass die Aluminiumlegierung, die durch das System 64 fließt, eine größere Fließgeschwindigkeit in der Gießrinne 82 als in der CEP 76 hat.
Mit der Verwendung einer Aluminiumlegierungsgießanlage, die die Anordnung von 11 bis 15 aufweist, können Gegenstände in aufeinanderfolgenden Gießzyklen im Formhohlraum 68 gegossen werden. Wenn die Druckgießmaschine mit ihren üblichen Gießdrücken zur Verwendung bei einem gegenwärtigen System arbeitet, fließt Aluminiumlegierung, die von der Maschinendüse zugeführt wird, die an dem Sitz 66 angebracht ist, durch den Eingusskanal 72 und das Gießrinnensystem 74 und wird in den Hohlraum 68 über die CEP 76 eingespritzt. Die relativ kleinen Querschnittsflächen der Gießrinnen 80 und 82 sind derart, dass unter den üblichen Gießbedingungen die Fließgeschwindigkeit für die Aluminiumlegierung durch die Gießrinnen in einem geeigneten Bereich von 80 bis 110 m/s liegen kann. In ähnlicher Weise ist die Querschnittsfläche des Teils 76a der CEP 76 derart, dass die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch die CEP 76 in einem geeigneten Bereich von etwa 65 bis 80 m/s liegen kann. Folglich ist der Legierungsfluss turbulent.
Die Turbulenz wird durch die scharfe Änderung der Fließrichtung für die Aluminiumlegierung, die sich von dem Eingusskanal 72 zu der Gießrinne 80 in den Teil 80a der Gießrinne 8 und von letzterer in die Gießrinne 82 bewegt, vergrößert. Sie wird auch durch das Vorhandensein der Legierung, die sich in das blinde Ende des Teils 80a über das Einlassende der Gießrinne 82 hinaus bewegt, vergrößert. Trotz der angegebenen Strömungsgeschwindigkeiten und des Winkels, unter dem die CEP 76 die Legierung in den Formhohlraum 68 lenkt, können Gussstücke guter Qualität hergestellt werden, gleich gültig ob bei den höheren oder niedrigeren Temperaturbedingungen, die hier vorstehend angegeben sind.
16 ist eine schematische Darstellung einer experimentellen Gießübung, die das Testen des Abstands umfasst, den eine Aluminiumlegierung während des Gießens gemäß der vorliegenden Erfindung zurücklegen kann ohne zu erstarren. Wie in 16 gezeigt, wurde ein Metallfließsystem S geschaffen, das aus einem Kanal C besteht, der für einen Metallfließweg sorgt, der in einer Standardzugstangenvertiefung B endet. Der Kanal C hat einen nominalen Querschnitt von 4 × 4 mm und eine Länge von 1230 mm.
Gießversuche wurden mit dem System S von 16 auf einer 250 Tonnen Kaltkammer-Druckgießmaschine durchgeführt. Die Versuche wurden unter normalen Maschinenbetriebsbedingungen für die Maschine, normalen Druckgießtemperaturen und unter Verwendung eines Metallfließsystems ähnlich demjenigen von 11 bis 15 durchgeführt. Wie aus 16 ersichtlich ist, ist der Weg des Kanals C gewunden, was einen hohen Fließwiderstand schafft. Trotzdem wurde ein Fließen entlang der vollen Länge von 1230 mm des Kanals C erzielt, was es ermöglicht, dass die Stangenvertiefung B gefüllt wird. Die Fließlänge von 1230 mm wird nicht als Grenze erachtet.
Unter Bezugnahme auf 17 ist ein Gussstück gezeigt, das ein Wechselstromgeneratorgehäuse 84 umfasst, das mit einem Metallfließsystem gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. In aufeinanderfolgenden Gießzyklen wurden jeweilige Gussstücke 84 unter Verwendung von entweder einer einzigen CEP oder zwei CEPs gegossen. Im letzteren Fall waren die beiden CEP eng benachbart und erhielten Legierung aus einer gemeinsamen Gießrinne. Die Gießrinnen-/CEP-Anordnungen sind nachstehend detaillierter angegeben.
18 zeigt das Gehäuse 84 vor seiner Freigabe aus einem Druckgießformwerkzeug 85 mit einer feststehenden Druckgieß formhälfte 86 und einer beweglichen Druckgießformhälfte 87. Wie bei Betrachtung von 17 und 18 ersichtlich ist, besitzt das Gehäuse 84 eine zylindrische Umfangswand 88 und an einem Ende der Wand 88 eine Querwand 89. Eine Reihe von Fenstern 90a bis 90g ist durch einen ringförmigen äußeren Teil 89a der Wand 89 definiert, wobei die Wand 89 auch einen nach außen ausgesparten, zentralen Teil 89b und eine Sicke 89c innerhalb der Wand 88 um den Verbindungspunkt der Teile 89a und 89b herum aufweist. In Richtung auf eine Seite des Verbindungspunkts zwischen den Wänden 88 und 89 weist das Gehäuse 84 eine dreieckige Ausbildung 91 auf, die Fenster 91a definiert. Das Gehäuse 84 besitzt eine Wanddicke von etwa 2,5 mm, während sein Innendurchmesser quer über die Wand 88 etwa 112 mm beträgt.
Aufeinanderfolgende Gussstücke 84 wurden auf einer 380 Tonnen Idra Kaltkammer-Druckgießmaschine aus einer CA313 Legierung gegossen. Wenn die Legierung in die Schusshülse beschickt wurde, betrug ihre Temperatur etwa 630°C. In dem Druckgießwerkzeug 85 floss die Legierung zu dem Formhohlraum 85a über eine Gießrinne 92 und eine der beiden oder beide CEPs 93. Die Form der Gießrinnen-/CEP-Anordnung ist aus dem Gießrinnen-/CEP-Metall, das in 17 gezeigt ist, in Kombination mit einer Schnitteinzelheit von 18 ersichtlich. Die Gießrinne wies eine Querschnittsfläche von etwa 18 mm² auf. Jede CEP 93 wies ein quadratisches Einlassende mit einer Querschnittsfläche von 17,6 mm² und ein längliches rechteckiges Auslassende mit einer Querschnittsfläche von 22,5 mm² auf. Die Länge jeder CEP betrug 27 mm.
Wie mittels des CEP-Metalls 93a in 17 gezeigt, waren die beiden CEPs 93 eng angrenzend und etwas parallel. Für Gussstücke, bei denen nur eine der CEPs 93 verwendet wurde, war die andere blockiert, wie mittels des CEP-Metalls 93a dargestellt ist, das in einem gestrichelten Umriss in 17 gezeigt ist.
Das Druckgießformwerkzeug 85 war mit Thermoelementen in der sich bewegenden Druckgießformhälfte 87 ausgestattet. Obgleich entweder mit zwei CEPs oder nur mit einer CEP mehrere Gussstücke hergestellt wurden, wurde gefunden, dass das Kühlsystem für das Werkzeug 85 für eine optimale Werkzeugtemperatursteuerung während wiederholter Gießzyklen unzureichend war. Um dies auszugleichen, wurde der Maschineneinspritzdruck von der normalen Einstellung von 90 MPa auf 50 MPa verringert und die Plungergeschwindigkeit wurde auf eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 0,575 m/s mit einer Spitze bei 0,96 m/s eingestellt.
Zu Beginn der Versuche, wobei die beiden CEPs 93 verwendet wurden, betrug die Druckgießformwerkzeugtemperatur 82°C. Der erste Schuss füllte den Formhohlraum vollständig. Der zweite Schuss erzeugte ein gegossenes Wechselstromgeneratorgehäuse 84 von ausgezeichneter Qualität. Nach einigen Schwierigkeiten mit dem Ausstoßen der Gussstücke wurden weitere Versuche durchgeführt, wobei nur eine CEP verwendet wurde, wobei wiederum die sich ergebenden Gehäuse 84 von ausgezeichneter Qualität waren. Die Versuche wurden nach etwa 30 Schüssen aufgrund eines Ausstoßproblems abgebrochen, obgleich die Versuche nachwiesen, dass Gehäuse 84 von ausgezeichneter Qualität hergestellt werden konnten.
Während der Versuche, die auf der Verwendung von zwei CEPs 93 beruhten, betrug die Einlassfließgeschwindigkeit der CEP 54,8 m/s und die Auslassgeschwindigkeit betrug 42,8 m/s. Bei Versuchen, die auf der Verwendung einer CEP beruhten, betrug die Einlassfließgeschwindigkeit des CEP 109,6 m/s und die Auslassfließgeschwindigkeit betrug 85,7 m/s. So erzeugte in jedem Fall der Fluss der CA313 Legierung durch die oder durch jede CEP den erforderlichen Legierungsfluss, und die Mikrostruktur der Gussstücke 84 war von einer optimalen Form wie hier angegeben ist. D.h., Die Mikrostruktur war durch feine, degenerierte Primärteilchen von weniger als 40 μm, beispielsweise etwa 10 μm oder weniger in einer Matrix der sekundären Phase gekennzeichnet. Aufgrund der Verwendung einer Kaltkammer-Maschine waren jedoch einige größere Dendrite von bis zu etwa 100 μm vorhanden, wobei diese von der Schusshülse der Druckgießmaschine durchgetragen wurden.
Schließlich ist ersichtlich, dass verschiedene Abänderungen, Modifikationen und/oder Hinzufügungen in die Gestaltungen und Anordnungen der Teile eingeführt werden können, die vorstehend beschrieben wurden, ohne den Geist oder Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ein Metallfließsystem zur Verwendung beim Gießen von Aluminiumlegierung mit Hilfe einer Druckgießmaschine, wobei das Metallfließsystem durch eine Komponente einer Druckgießform oder einer Gießformanordnung für die Maschine geschaffen wird, wobei die Druckgießform oder die Gießformanordnung einen Formhohlraum definiert und die Komponente wenigstens einen Teil eines Legierungsfließweges für das Fließen der Aluminiumlegierung von einer unter Druck gesetzten Quelle im Wesentlichen geschmolzener Aluminiumlegierung der Maschine zu dem Formhohlraum definiert, wobei der Fließweg wenigstens eine Gießrinne und eine Öffnung zur kontrollierten Expansion aufweist, welche einen Einlass hat, durch welchen die Öffnung zur kontrollierten Expansion Aluminiumlegierung von der Gießrinne aufnehmen kann, und einen Auslass, durch welchen die Aluminiumlegierung von der Öffnung zur kontrollierten Expansion zum Füllen des Formhohlraumes fließen kann, wobei die Querschnittsfläche des Einlasses der Öffnung zur kontrollierten Expansion so ist, dass die Legierung eine Fließgeschwindigkeit hierdurch erreichen kann, die größer ist als 40 m/s und nicht größer ist als 120 m/s, und wobei sich die Querschnittsfläche der Öffnung zur kontrollierten Expansion von ihrem Einlass zu ihrem Auslass vergrößert, um zu erreichen, dass im Wesentlichen geschmolzene Legierung, die in der Gießrinne aufgenommen wird, eine wesentliche Verringerung der Fließgeschwindigkeit bei ihrem Durchströmen der Öffnung zur kontrollierten Expansion erfährt, wodurch die Aluminiumlegierung, die durch die Öffnung zur kontrollierten Expansion fließt, einen halbfesten oder thixotropen Zustand annimmt, der beim Füllen des Formhohlraumes beibehalten wird, wobei der Auslass zur Öffnung zur kontrollierten Expansion eine solche Querschnittsfläche aufweist, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Legierung durch die Öffnung 50 bis 80% der Strömungsgeschwindigkeit der Legierung durch den Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion beträgt.
Das Fließsystem nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsfläche des Einlasses der Öffnung zur kontrollierten Expansion derart ist, dass die Legierung eine Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnung von 50 bis 120 m/s erreichen kann.
Das Fließsystem nach Anspruch 2, wobei die Querschnittsfläche des Einlasses der Öffnung zur kontrollierten Expansion derart ist, dass die Legierung eine Fließgeschwindigkeit durch die Öffnung von 80 bis 120 m/s erreichen kann.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Querschnittsfläche des Auslasses der Öffnung zur kontrollierten Expansion derart ist, dass die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch die Öffnung 65 bis 75% der Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion beträgt.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Querschnittsfläche des Auslasses der Öffnung zur kontrollierten Expansion derart ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Legierung durch die Öffnung größer ist als 20 m/s.
Das Fließsystem nach Anspruch 5, wobei die Querschnittsfläche des Auslasses der Öffnung zur kontrollierten Expansion derart ist, dass die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch die Öffnung größer ist als 25 m/s.
Das Fließsystem nach Anspruch 6, wobei die Querschnittsfläche des Auslasses der Öffnung zur kontrollierten Expansion derart ist, dass die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch die Öffnung zwischen 40 und 95 m/s beträgt.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion einen Einlass zu dem Formhohlraum definiert, wodurch die Füllung des Formhohlraumes durch Direkteinspritzung erfolgt.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei wenigstens ein Teil der Länge der Öffnung zur kontrollierten Expansion durch einen Bereich des Formhohlraumes definiert wird, wodurch die Füllung des Formhohlraumes durch Direkteinspritzung erfolgt.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Gießrinne eine erste Gießrinne ist, und wobei das Fließsystem außerdem eine zweite Gießrinne aufweist, die einen Abschnitt des Fließweges der Legierung definiert, welcher das Fließen der Legierung von dem Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion zu dem Formhohlraum erlaubt.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Komponente der Druckgießform oder der Gießformanordnung wenigstens zwei Gießrinnen und wenigstens zwei Öffnungen zur kontrollierten Expansion definiert, und wobei jede Öffnung zur kontrollierten Expansion einen Einlass aufweist, durch welchen Aluminiumlegierung von einer entsprechenden Gießrinne aufgenommen werden kann.
Das Fließsystem nach Anspruch 11, wobei jede Gießrinne und die entsprechende Öffnung zur kontrollierten Expansion das Fließen von Legierung zu einer entsprechenden von wenigstens zwei Formhohlräumen, die durch die Druckgießform oder die Gießformanordnung definiert werden, erlaubt.
Das Fließsystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei jede Gießrinne eine erste Gießrinne für die entsprechende Öffnung zur kontrollierten Expansion ist, und wobei das Fließsystem außerdem wenigstens zwei zweite Gießrinnen aufweist, die jeweils einen entsprechenden Abschnitt des Fließweges der Legierung zwischen dem Auslass einer entsprechenden Öffnung zur kontrollierten Expansion und einem entsprechenden Formhohlraum definieren.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Gießrinne, von welcher Legierung durch den Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion aufgenommen wird, eine Form hat, die in dem Strom der Legierung zu der Öffnung zur kontrollierten Expansion Turbulenz erzeugt.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Öffnung zur kontrollierten Expansion eine Form aufweist, wodurch die Legierung, die durch die Öffnung zur kontrollierten Expansion fließt, einen halbfesten Zustand annimmt, in welchem sie thixotrope Eigenschaften besitzt, und dass der halbfeste Zustand beim Füllen des Formhohlraumes beibehalten wird.
Das Fließsystem nach Anspruch 15, wobei die Öffnung zur kontrollierten Expansion eine Form aufweist, durch welche bei ausreichend schneller Verfestigung der Legierung in dem Formhohlraum zum Erreichen einer Mikrostruktur in einem resultierenden Gussteil, die durch feine, degenerierte Dendritprimärpartikel kleiner als 40 μm in einer Matrix sekundärer Phase charakterisiert wird, und Verfestigung der Legierung zurück in die Öffnung zur kontrollierten Expansion, die Legierung in der Öffnung zur kontrollierten Expansion in axialen Schnitten durch Rillen oder Bänder charakterisiert wird, die sich in Querrichtung relativ zu dem Fluss der Legierung durch die Öffnung zur kontrollierten Expansion erstrecken.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das System wenigstens zwei Öffnungen zur kontrollierten Expansion aufweist, wobei der Fluss der Legierung durch jede Öffnung zur kontrollierten Expansion in einen gemeinsamen Formhohlraum durchtritt.
Das Fließsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das System wenigstens zwei Öffnungen zur kontrollierten Expansion aufweist, wobei der Fluss der Legierung durch jede Öffnung zur kontrollierten Expansion in einen entsprechenden Formhohlraum durchtritt.
Das Fließsystem nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei der Fluss der Legierung zu jeder Öffnung zur kontrollierten Expansion durch eine gemeinsame Gießrinne erfolgt.
Eine Druckgießmaschine zur Verwendung beim Druckgießen von Aluminiumlegierung mit Hilfe einer Druckgießmaschine, wobei die Maschine ein Metallfließsystem aufweist, welches eine Komponente einer Druckgießform oder einer Gießformanordnung für die Maschine aufweist, wobei die Druckgießform oder die Gießformanordnung einen Formhohlraum definiert und wobei die Komponente wenigstens einen Teil eines Fließweges der Legierung für das Fließen von Aluminiumlegierung von einer unter Druck gesetzten Quelle im Wesentlichen geschmolzener Aluminiumlegierung der Maschine zu dem Formhohlraum definiert, wobei der Fließweg wenigstens eine Gießrinne und eine Öffnung zur kontrollierten Expansion aufweist, welche einen Einlass hat, durch welchen die Öffnung zur kontrollierten Expansion Aluminiumlegierung aus der Rinne aufnehmen kann, und einen Auslass, durch welchen Aluminiumlegierung von der Öffnung zur kontrollierten Expansion zum Füllen des Formhohlraumes fließen kann, wobei die Querschnittsfläche des Einlasses der Öffnung zur kontrollierten Expansion derart ist, dass die Legierung eine Fließgeschwindigkeit durch die Öffnung erreichen kann, die größer ist als 40 m/s und nicht größer ist als 120 m/s, und wobei sich die Querschnittsfläche der Öffnung zur kontrollierten Expansion von ihrem Einlass zu ihrem Auslass erhöht, um zu bewirken, dass im Wesentlichen geschmolzenes Aluminium, das in der Gießrinne aufgenommen wird, beim Fließen durch die Öffnung zur kontrollierten Expansion eine wesentlichen Verringerung der Fließgeschwindigkeit erfährt, wodurch die durch die Öffnung zur kontrollierten Expansion fließende Aluminiumlegierung einen halbfesten oder thixotropen Zustand einnimmt, der beim Füllen des Formhohlraumes beibehalten wird, wobei der Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion eine solche Querschnittsfläche hat, dass die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch die Öffnung 50 bis 80% der Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion beträgt.
Die Druckgießmaschine nach Anspruch 20, wobei das Metallfließsystem ein Fließsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 19 ist.
Die Druckgießmaschine nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei die Maschine eine Kaltkammer-Druckgießmaschine ist und wobei die unter Druck gesetzte Quelle die Druckkammer der Maschine ist.
Die Druckgießmaschine nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei die Maschine eine Heißkammer-Druckgießmaschine ist und wobei die unter Druck gesetzte Quelle eine Auslassdüse und Mittel für die Zufuhr von Legierung unter Druck durch die Düse ist.
Ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken aus einer Aluminiumlegierung mit Hilfe einer Druckgießmaschine, die eine unter Druck gesetzte Quelle im Wesentlichen geschmolzener Aluminiumlegierung und eine Druckgießform oder eine Gießformanordnung, die einen Formhohlraum definiert, aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, des Bewirkens, dass die Legierung von der Quelle zu dem Formhohlraum entlang eines Legierungsfließweges fließt, der durch eine Komponente der Druckgießform oder der Gießformanordnung definiert wird; des Bewirkens, dass die Legierung bei ihrem Fluss entlang des Fließsystems durch eine Gießrinne und durch ein Einlassende einer Öffnung zur kontrollierten Expansion fließt; und des Bewirkens, dass die Legierung bei ihrem Fließen durch die Öffnung zur kontrollierten Expansion zu einem Auslassende der Öffnung zur kontrollierten Expansion ihre Fließgeschwindigkeit verringert, wodurch die Legierung dazu veranlasst wird, eine ausreichende Fließgeschwindigkeit an dem Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion anzunehmen und eine wesentliche Verringerung dieser Fließgeschwindigkeit bei ihrem Fluss durch die Öffnung zur kontrollierten Expansion zu erfahren, so dass die Legierung einen halbfesten oder thixotropen Zustand annimmt und diesen Zustand beim Füllen des Formhohlraumes beibehält, wobei die Legierung eine Fließgeschwindigkeit durch den Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion annimmt, der größer ist als 40 m/s und nicht größer als 120 m/s und wobei die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion 50 bis 80% der Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Legierung eine Fließgeschwindigkeit durch den Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion von 50 bis 120 m/s erreicht.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Legierung eine Fließgeschwindigkeit durch den Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion von 80 bis 120 m/s erreicht.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion 65 bis 75% der Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Einlass der Öffnung zur kontrollierten Expansion beträgt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion größer ist als 20 m/s.
Das Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion größer ist als 25 m/s.
Das Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Fließgeschwindigkeit der Legierung durch den Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion 40 bis 95 m/s beträgt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei die Legierung von dem Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion direkt in den Formhohlraum fließt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei wenigstens ein Teil der Länge der Öffnung zur kontrollierten Expansion durch einen Bereich des Formhohlraumes definiert wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 32, wobei die Gießrinne eine erste Gießrinne ist und wobei der Legierungsfluss von dem Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion zu dem Formhohlraum durch eine zweite Gießrinne verläuft, die einen Abschnitt des Legierungsfließweges zwischen dem Auslass der Öffnung zur kontrollierten Expansion und dem Formhohlraum definiert.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 33, wobei die Legierung dazu veranlasst wird, durch wenigstens zwei Öffnungen zur kontrollierten Expansion zu fließen und wobei jede Öffnung zur kontrollierten Expansion einen Einlass aufweist, durch welchen Aluminiumlegierung aus einer entsprechenden Gießrinne aufgenommen wird.
Das Verfahren nach Anspruch 34, wobei jede Gießrinne und die entsprechende Öffnung zur kontrollierten Expansion einen Legierungsfluss zu einem entsprechenden von wenigstens zwei Hohlräumen liefert, die durch die Druckgießform oder Gießformanordnung definiert werden.
Das Verfahren nach Anspruch 34 oder Anspruch 35, wobei jede Gießrinne eine erste Gießrinne für die entsprechende Öffnung zur kontrollierten Expansion ist, und wobei das Fließsystem außer wenigstens zwei zweite Gießrinnen aufweist, die jeweils einen entsprechenden Abschnitt des Legierungsfließweges zwischen dem Auslass einer entsprechenden Öffnung zur kontrollierten Expansion und einem entsprechenden Formhohlraum definieren.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 36, wobei in dem Fluss der Legierung zu der Öffnung zur kontrollierten Expansion Turbulenz erzeugt wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 37, wobei die Legierung, die durch die Öffnung zur kontrollierten Expansion fließt, einen halbfesten Zustand erreicht, in welchem sie thixotrope Eigenschaften aufweist, und wobei der halbfeste Zustand beim Füllen des Formhohlraumes beibehalten wird.
Das Verfahren nach Anspruch 38, wobei eine Verfestigung der Legierung in dem Formhohlraum ausreichend schnell ist, um eine Mikrostruktur in einem resultierenden Gussteil zu erreichen, die durch feine degenerierte Dendritprimärpartikel kleiner als 40 μm in einer Matrix sekundärer Phase charakterisiert ist, und eine Verfestigung der Legierung zurück in die Öffnung zur kontrollierten Expansion, so dass die Legierung in der Öffnung zur kontrollierten Expansion in axialen Abschnitten durch Rillen oder Bänder charakterisiert wird, die sich quer relativ zu dem Legierungsfluss durch die Öffnung zur kontrollierten Expansion erstrecken.