DE68907601T2

DE68907601T2 - Verfahren zum Druckgiessen von metallischen Gegenständen unter Verwendung eines verlorenen Schaumkunststoffmodells.

Info

Publication number: DE68907601T2
Application number: DE89420446T
Authority: DE
Inventors: Michel Garat
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2009-11-17
Also published as: MX170097B; PT92353A; DE68907601D1; FI92162C; YU47519B; CN1017784B; KR930002837B1; HU209641B; CN1049991A; BG92798A; NO895143D0; JPH0399769A; FR2651453A2; RU1819185C; HU905776D0; AU4538989A; YU168890A; IE893715A1; JPH0626749B2; FR2651453B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Werkstücken aus Aluminium und seinen Legierungen mit verlorenem Schaum und unter Druck gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist dem Fachmann, besonders durch die Lehre des USP No. 3157924, bekannt, zum Formguß Modelle aus Polystyrolschaum zu verwenden, die in eine Form eingebracht werden, die aus kein Bindemittel enthaltendem trockenem Sand besteht. Bei einem solchen Verfahren wird das zu gießende Metall, das vorab geschmolzen wurde, mit Hilfe von den Sand durchsetzenden Kanälen in Kontakt mit dem Modell gebracht und ersetzt nach und nach dieses letztere durch dessen Verbrennung und Umwandlung in Dämpfe, die zwischen den Sandkörnern entweichen.
Diese Technik erwies sich als verlockend im industriellen Maßstab, da sie die vorherige Herstellung von starren Formen, die in mehr oder weniger komplizierter Weise mit Kernen mit Hilfe von Kanälen verbunden sind, durch Kompaktieren und Agglomerieren von pulverförmigen, feuerfesten Materialien vermeidet und eine leichte Entnahme der gegossenen Werkstücke sowie einen einfachen Wiederumlauf der Formmaterialien ermöglicht.
Jedoch wird diese Technik durch zwei Faktoren beeinträchtigt:
- die relative Langsamkeit der Erstarrung, die die Bildung von Gasungsporen begünstigt
- die relative Niedrigkeit der Wärmegradienten, die eine Mikrolunkerbildung verursachen kann, wenn die Kontur des Werkstücks dadurch die Anschnittechnik schwierig macht.
Mit dem Ziel, solche Nachteile zu vermeiden, entwickelte die Anmelderin ein Verfahren zum Gießen mit verlorenem Schaum, das in der Veröffentlichung EP-A-0274964 beschrieben ist, worauf der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert.
Diese Anmeldung lehrt, daß man nach dem Füllen der Form mit dem geschmolzenen Metall, d.h. wenn das Modell durch das Metall vollkommen zerstört worden ist und die vom Schaum abgegebenen Dämpfe abgeführt worden sind, und vorzugsweise vor Beginn der Erstarrung des Metalls, auf die Gesamtheit der Form und des Metalls einen isostatischen Gasdruck ausübt. Dieser Druck wird gemäß mit der Zeit wachsenden Werten, um die Tränkungserscheinung zu vermeiden, und derart zur Einwirkung gebracht, daß der Maximalwert in weniger als 15 Sekunden erreicht wird.
Unter diesen Bedingungen weisen die erhaltenen Gußstücke eine gesteigerte Kompaktheit auf, die sich in einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Höhe der Festigkeit auswirkt.
Jedoch nahm die Anmelderin in dieser Anmeldung an, daß es zu bevorzugen war, einen Maximaldruck im Bereich von 0,5 bis 1,5 MPa zu verwenden, und daß es überflüssig wäre, über diese letztere Grenze hinauszugehen.
Tatsächlich hat sie nun nach sorgfältigeren Untersuchungen festgestellt, daß man, wenn man den Druck weiter erhöhte, nicht nur die mechanischen Eigenschaften, wie z.B. die Bruchfestigkeit Rm, die Elastizitätsgrenze LE und die Dehnung A, sondern auch die Festigkeit gegenüber der Ermüdung F verbessern würde.
Gewiß beschreibt die Veröffentlichung FR-A-2 254 387 ein Verfahren zum Gießen von Metallen, bei dem man Drücke im Bereich von 2 bis 25 MPa einwirken läßt, doch wird dieses Verfahren auf Metalle mit einer Schmelztemperatur über 1000 ºC angewandt und liegt nicht im Rahmen des Gießens mit verlorenem Schaum.
Daher ist die vorliegende Erfindung, die in einem Verfahren zum Gießen von Werkstücken aus Aluminium und seinen Legierungen mit verlorenem Schaum und unter Druck besteht, bei dem man ein Modell aus organischem Schaum des zu gießenden Werkstücks in eine Form eintaucht, deren Wände durch ein Trockensandbad, das kein Bindemittel enthält, begrenzt ist, die Form mit dem Metall im flüssigen Zustand füllt, das den Schaum ersetzt und nach und nach erstarrt, und einen wachsenden isostatischen Gasdruck gleichzeitig auf die Form und das Metall frühestens am Ende der Füllung einwirken läßt, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erhöhung der Festigkeit gegenüber der Ermüdung der Werkstücke der ausgeübte Druck bis auf einen Wert zwischen 1,5 und 10 MPa steigt, welcher Wert erreicht wird, bevor die Menge erstarrten Metalls 90 Gew.% übersteigt.
So besteht die Erfindung darin, Drücke zwischen 1,5 und 10 MPa und vorzugsweise zwischen 5 und 10 MPa einzusetzen.
Wie in der Veröffentlichung EP-A-0274964 kann das Setzen unter Druck mit Hilfe eines dichten Gehäuses erfolgen, in das man die Form einsetzt, wobei das Gehäuse mit einem oder mehreren Rohranschlüssen ausgerüstet ist, die geeignet über seine Wand verteilt und an eine Druckgasguelle angeschlossen sind.
Im gewählten Druckbereich stellte die Anmelderin fest, daß die Erscheinungen, die im Lauf des Setzens unter Druck auftraten, von denen des Standes der Technik völlig verschieden waren.
Tatsächlich dient der Druck zwischen 0,5 und 1,5 MPa hauptsächlich zur Beschleunigung des Stroms des flüssigen Metalls zwischen die Dendriten des Metalls im Erstarrungsverlauf, und die Wirkung endet, wenn das feste Netz eine bestimmte Entwicklung erreicht hat. Daher ermöglichen diese niedrigen Drücke insbesondere, daß die Anschnitttechnik vorteilhaft wirksam wird, um die Lunkererscheinungen aufgrund der Schrumpfung des Metalls im Erstarrungsverlauf zu vermeiden.
Dagegen wird bei Drücken über 1,5 MPa und besonders oberhalb von 5 MPa der Strömungseffekt des flüssigen Metalls, der zu Beginn der Erstarrung vorwiegend bleibt, progressiv durch eine Wirkung einer Warmverformung des schon erstarrten Metallnetzes ersetzt, eine Erscheinung, die überwiegend und dann ausschließlich wird, wenn der Erstarrungs grad Werte nahe 50 bis 70 % je nach der Art der gegossenen Legierung erreicht. Die Anwendung hoher Drücke bewirkt so eine Art isostatischer Schmiedung, die auf die Gesamtheit der Oberfläche des gegossenen Werkstücks einwirkt.
Außerdem strebt man an, daß der aufgebrachte Maximaldruck erreicht wird, bevor die Menge erstarrten Metalls 90 % erreicht, um den Verformungseffekt völlig auszunutzen.
Die beigefügte Figur 1 ist ein Mikroschliffbild einer Legierung A-S7G03, die erfindungsgemäß bei einem Druck von 7 MPa gegossen und dann wärmebehandelt wurde. Dieses Mikroschliffbild veranschaulicht die plastische Verformung, die auf das dendritische Netzwerk einwirkte und zur Wirkung hat, die Poren zu füllen, und zeigt die Schmiedewirkung, der das Metall bei diesem Verfahren ausgesetzt wurde.
Unter diesen Bedingungen stellt man fest, daß die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke merklich verbessert sind und insbesondere die Festigkeit gegenüber der Ermüdung. Drücke über 10 MPa bringen nur sehr wenig merkliche Verbesserungen.
Dieser neue Druckbereich wird vorzugsweise angewandt, bevor die Menge erstarrten Metalls 40 Gew.% erreicht, um so auf die Flüssigströmung wirken zu können.
Wie in der Veröffentlichung EP-A-0274964 wird bevorzugt, daß die Einwirkung des Drucks durch progressive Steigerung besonders zu Beginn der Erstarrung erfolgt, um das "Tränken" zu vermeiden, eine Erscheinung, die sich aus einem vorübergehenden Ungleichgewicht zwischen dem direkt auf das Metall ausgeübten Druck und dem auf das Metall mittels des Sandbades ausgeübten Druck ergibt. Tatsächlich ruft das Bad einen verhältnismäßig erheblichen Druckverlust bei der Übertragung des Drucks hervor, und daraus ergibt sich auf Höhe des Metalls im Kontakt mit dem Sand für diesen Druck eine Neigung, das Metall durch die Sandkörner zu treiben und eine Verformung des gegossenen Werkstücks hervorzurufen.
Die Erfindung kann mit Hilfe des folgenden Anwendungsbeispiels veranschaulicht werden:
Zylindrische Körper eines Außendurchmessers von 45 mm, einer Wanddicke von 4 mm mit benachbarten Rippen und Höckern von 20 x 20 x 80 mm wurden gemäß dem früheren Verfahren und dem der Erfindung gegossen, d.h. daß man im Inneren des die Form enthaltenden Gehäuses und direkt vor Beginn der Erstarrung einen isostatischen Gasdruck entsprechend dem Atmosphärendruck, 1 MPa, 5 MPa bzw. 10 MPa einwirken ließ.
Diese Körper wurden aus zwei Arten von Legierungen mit hohen mechanischen Eigenschaften hergestellt:
- A-S7G03 einer Zusammensetzung in Gew.%: Fe 0,20; Si 6,5-7,5; Cu 0,10; Zn 0,10; Mg 0,25-0,40; Mn 0,10; Ni 0,05; Pb 0,05; Sn 0,05; Ti 0,05-0,20; Rest Al;
- A-U5GT einer Zusammensetzung: Fe 0,35; Si 0,20; Cu 4,20-5,00; Zn 0,10; Mg 0,15-0,35; Mn 0,10; Ni 0,05; Pb 0,05; Sn 0,05; Ti 0,05-0,30; Rest Al.
Die mechanischen Prüfungen, die mit diesen Körpern nach für A-S7G03 und für A-U5GT mit Y23 bzw. Y24 normierten Wärmebehandlungen durchgeführt wurden, ermöglichten, die folgenden Eigenschaften als Funktion der angewandten Drücke zu messen.
- Bei A-S7G03 ist der Qualitätsindex Q in MPa, der der Formel Q = R + 150 log A entspricht, wo R die Festigkeit in MPa und A die Dehnung in % ist, gleichzeitig derjenige in den dicken und dünnen Zonen der Werkstücke.
- Bei A-U5GT sind die elastischen Grenzen LE in MPa, die Festigkeit R in MPa und die Dehnung A in % gleichzeitig diejenigen in den dicken und dünnen Zonen der Werkstücke.
Außerdem wurde für jede der Legierungen und jeden der angewandten Drücke die Festigkeit gegenüber der Ermüdung F in MPa ausgehend von Rotationsbiegeprüfungen an bearbeiteter Probe mit 10&sup7; Zyklen nach der "Treppen"-Methode gemessen. F ist gleichzeitig für die dicken und dünnen Zonen gültig, da sie nicht von der Erstarrungsgeschwindigkeit, sondern von der Porosität und folglich dem angewandten Druck abhängt.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. TABELLE Dicke Zone Dünne Zone Erstarrung bei atmosphärischem Druck Man stellt eine Verbesserung sämtlicher gemessener Eigenschaften und insbesondere eine erhöhte Festigkeit gegenüber der Ermüdung fest.

Claims

1. Verfahren zum Gießen von Werkstücken aus Aluminium und seinen Legierungen mit verlorenem Schaum und unter Druck, bei dem man ein Modell aus organischem Schaum des zu gießenden Werkstücks in eine Form eintaucht, deren Wände durch ein Trockensandbad, das kein Bindemittel enthält, begrenzt sind, die Form mit dem Metall im flüssigen Zustand füllt, das den Schaum ersetzt und nach und nach erstarrt, und einen wachsenden isostatischen Gasdruck gleichzeitig auf die Form und das Metall frühestens am Ende der Füllung einwirken läßt,

dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erhöhung der Festigkeit gegenüber der Ermüdung der Werkstücke der ausgeübte Druck bis auf einen Wert zwischen > 1,5 und ≤ 10 MPa steigt, welcher Wert erreicht wird, bevor die Menge erstarrten Metalls 90 Gew.% übersteigt.

2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgeübte Druck bis auf einen Wert zwischen 5 und 10 MPa steigt.

3. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Druck spätestens einwirken läßt, wenn die Menge erstarrten Metalls 40 Gew.% erreicht.