DE69313180T2

DE69313180T2 - Casting mold for the production of thin-walled castings by gravity casting

Info

Publication number: DE69313180T2
Application number: DE1993613180
Authority: DE
Inventors: Alan Peter Druschitz; Robert Mark Ramage; Edward Frank Ryntz; Iii Alexander John Toth
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1993-05-06
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2013-05-07
Also published as: DE69313180D1; EP0572058A1; EP0572058B1

Description

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Dünnwandmetallgußstücken und genauer eine Gußformkonstruktionspraktik, um solche Gußstücke durch Schwerkraftgießen herzustellen, wie in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 spezifiziert, wie beispielsweise in US-A-4,989,665 offenbart.This invention relates to the manufacture of thin wall metal castings and more particularly to a mold design practice for producing such castings by gravity casting as specified in the preamble of claim 1, as for example disclosed in US-A-4,989,665.

Es gibt einen Bedarf für ein Verfahren, um zuverlässig hochqualitative, schwerkraftgegossene Dünnwandmetallgußstücke herzustellen. Dieser Bedarf ist in der Autoindustrie besonders akut, wo Bemühungen die Kraftstoffersparnis zu erhöhen erfordern, daß Versuche unternommen werden, die Masse des Automobils zu verringern. Signifikante Verringerungen bei der Masse von Gußmetallkomponenten wie Automotorblöcken und Auspuffkrümmern könnten erhalten werden, wenn maßhaltige, fehlerfreie Gußstücke in hoher Menge zuverlässig und wirtschaftlich hergestellt werden könnten.There is a need for a process to reliably produce high quality, gravity cast, thin wall metal castings. This need is particularly acute in the automotive industry, where efforts to increase fuel economy require that attempts be made to reduce the mass of the automobile. Significant reductions in the mass of cast metal components such as automotive engine blocks and exhaust manifolds could be obtained if dimensionally stable, defect-free castings could be reliably and economically produced in high quantities.

Wenn auf Dünnwandgußstücke Bezug genommen wird, sind Gußstükke gemeint, die stabile Wandoberflächen so klein wie ein bis drei Millimeter Dicke aufweisen. Häufig weisen die Dünnwandabschnitte solcher Gußstücke einen gerundeten Querschnitt auf (d.h. kreisförmig, elliptisch oder achteckig) und betragen im Durchmesser nicht mehr als ungefähr 160 mm. Beispiele solcher Gußstücke sind Röhren, Motorauspuffkrümmer, Zylinderköpfe, Motorblöcke und Kolben.When reference is made to thin-wall castings, it is meant castings that have stable wall surfaces as small as one to three millimeters thick. Often the thin-wall sections of such castings have a rounded cross-section (i.e. circular, elliptical or octagonal) and are no more than about 160 mm in diameter. Examples of such castings are pipes, engine exhaust manifolds, cylinder heads, engine blocks and pistons.

Die Schwierigkeit bei dem Herstellen von Dünnwandgußstücken entsteht aus der Notwendigkeit, daß gegossenes, heißes, geschmolzenes Metall durch ausgedehnte, relativ kleine Hohlraumdurchgänge in einer unbeheizten Gußform fließt. Irgendein Erstarren des Metalls, bevor der Hohlraum vollständig gefüllt ist, wird Gußstücke mit ungleichmäßigen Wänden oder Gußstücke mit Löchern oder anderen Fehlern liefern. Es gibt bestehende, handelsübliche Verfahren für das Gießen von Dünnwandeisenund Aluminiumgußstücken, die etwas Anreiz für den Fluß des Gußmetalls schaffen, um ein vollständiges Gußformfüllen vor einer Verfestigung zu fördern. Bei diesen Praktiken wird eine geeignet konstruierte, harzgebundene Sandgußform vorbereitet, welche die Dünnwandabschnitte des Gußstücks geeignet festlegt. Die Gußform wird von dem Boden gefüllt, wobei eine Pumpe oder eine Druckdifferenz verwendet wird, um zu veranlassen, daß das geschmolzene Metall schnell in den Gußformhohlraum hinein fließt, um ihn zu füllen, bevor eine Verfestigung auftritt. Bei diesen Praktiken muß eine Verbindung für kontinuierlichen Metallfluß zwischen einem Reservoir mit geschmolzenem Metall und der Gußform hergestellt sein. Bei einer solchen Praktik wird das Reservoir unter Druck gesetzt, um den Fluß von geschmolzenem Metall zu der Gußform hin zu veranlassen. Bei einer anderen Praktik wird die Gußform einem Vakuum ausgesetzt, um den Fluß von geschmolzenem Metall in den Gußformhohlraum hinein zu unterstützen. Bei anderen Praktiken werden sowohl ein Vakuum in der Gußform als auch ein Druck auf das Reservoir verwendet.The difficulty in producing thin-walled castings arises from the need for poured hot molten metal to flow through extensive, relatively small cavity passages in an unheated mold. Any solidification of the metal before the cavity is completely filled will produce castings with uneven walls or castings with holes or other defects. There are existing, commercial methods for casting thin-wall iron and aluminum castings which provide some incentive for the flow of the casting metal to promote complete mold filling prior to solidification. In these practices, a suitably designed resin-bonded sand mold is prepared which properly defines the thin-wall portions of the casting. The mold is filled from the bottom using a pump or pressure differential to cause molten metal to flow rapidly into the mold cavity to fill it before solidification occurs. In these practices, a connection for continuous metal flow must be established between a reservoir of molten metal and the mold. In one such practice, the reservoir is pressurized to induce the flow of molten metal toward the mold. In another practice, the mold is subjected to a vacuum to assist the flow of molten metal into the mold cavity. Other practices use both a vacuum in the mold and pressure on the reservoir.

Bei jedem dieser Fälle ist es notwendig, daß das Metall an den Eingüssen zu dem Gußhohlraum in der Gußform wegerstarrt, bevor die Gußform von dem Reservoir entfernt werden kann, von dem das Metall eingeschlossen wird. Dies bedeutet, daß eine merkliche Verfestigung auftreten muß, bevor die nächste Gußform von dem Reservoir mit geschmolzenem Metall gefüllt werden kann. Dies verlangsamt eine Gußstücklinie, was die Herstellungsraten vermindert.In each of these cases, it is necessary for the metal at the gates to the mold cavity in the mold to solidify before the mold can be removed from the reservoir that is holding the metal. This means that significant solidification must occur before the next mold can be filled with molten metal from the reservoir. This slows down a casting line, reducing production rates.

Solche Praktiken nach dem Stand der Technik weisen einen zusätzlichen Nachteil auf. Sie erfordern spezielle Ausrüstung, um ein Unter-Druck-Setzen des Reservoirs mit geschmolzenem Metall oder eine Kapselung der Gußform in einer Vakuumkammer oder beides zu schaffen. Bei manchen Praktiken wird eine elektromagnetische Pumpe verwendet. Diese beiden metallflußanregenden Mechanismen stellen sowohl eine erhebliche Kapitalanlage als auch eine Verfahrenskomplexität dar, die zu den Kosten der hergestellten Gußstücke beitragen.Such prior art practices have an additional disadvantage. They require special equipment to provide pressurization of the reservoir with molten metal or encapsulation of the mold in a vacuum chamber, or both. In some practices, a electromagnetic pump is used. These two metal flow stimulating mechanisms represent both a significant capital investment and a process complexity that contribute to the cost of the castings produced.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Konstruktion einer harzgebundenen Sandgußform zu schaffen, die das Schwerkraftgießen von geschmolzenem Metall unterbringen wird, so daß dünnwandige, fehlerfreie Gußstücke zuverlässig, genau und wirtschaftlich hergestellt werden können.It is an object of the present invention to provide a resin bonded sand mold design that will accommodate the gravity pouring of molten metal so that thin-walled, defect-free castings can be reliably, accurately and economically produced.

Eine Gußform gemäß der vorliegenden Erfindung, für das Schwerkraftgießen von geschmolzenem Metall, um einen Gußkörper mit Dünnwandabschnitten ungefähr ein bis drei Millimeter Dicke zu bilden, ist durch die Merkmale gekennzeichnet, die in dem kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 1 spezifiziert sind.A mold according to the present invention, for the gravity pouring of molten metal to form a casting having thin wall portions approximately one to three millimeters thick, is characterized by the features specified in the characterizing portion of claim 1.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine schwerkraftgießbare Gußformkonstruktion zu schaffen, die erlaubt, daß alle Abschnitte des Dünnwandgußformhohlraums mit heißem Metall im wesentlichen bei der gleichen Temperatur und gleichzeitig gefüllt werden, wodurch der gesamte Hohlraum schnell gefüllt wird und die Wahrscheinlichkeiten für vorzeitiges Metallerstarren und fehlerhafte Gußstücke minimiert werden.It is a further object of the present invention to provide a gravity cast mold design that allows all portions of the thin wall mold cavity to be filled with hot metal at substantially the same temperature and simultaneously, thereby quickly filling the entire cavity and minimizing the chances of premature metal solidification and defective castings.

Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine harzgebundene Sandgußform zu schaffen, die speziell für das Gießen dünnwandiger Kanäle für Fluidfluß wie beispielsweise Röhren, Motorauspuffkrümmer, Zylinderköpfe und Motorzylinderblöcke angepaßt ist.It is yet another object of the present invention to provide a resin bonded sand mold specifically adapted for casting thin walled channels for fluid flow such as tubes, engine exhaust manifolds, cylinder heads and engine cylinder blocks.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden diese und andere Ziele und Vorteile wie folgt ausgeführt. Die Praktik der vorliegenden Erfindung verwendet hochfeste, maßhaltige, harzgebundene Sandgußformen, die aus einem geeigneten Gießereisand wie AFS Nr. 85 Silicasand oder Seesand hergestellt sind. Der Sand ist beispielsweise mit ungefähr 1,5 Gewichtsprozent eines Nicht-Back-Öl-Urethan- Harzbindersystems geeignet gebunden. Ein Beispiel eines geeigneten Bindersystems ist das Lino-Cure-System, das von Ashland Chemicals, U.S.A. hergestellt wird.According to a preferred embodiment of the present invention, these and other objects and advantages are achieved as follows The practice of the present invention utilizes high strength, dimensionally stable, resin bonded sand molds made from a suitable foundry sand such as AFS No. 85 silica sand or sea sand. The sand is suitably bonded with, for example, about 1.5 weight percent of a non-baking oil urethane resin binder system. An example of a suitable binder system is the Lino-Cure system manufactured by Ashland Chemicals, USA.

Die vorliegende Erfindung ist zur Verwendung bei dem Gießen von Dünnwandröhren, hohlen Kanälen oder ähnlichen, gerundeten oder umschriebenen hohlen Formen mit relativ kleinen Durchmessern, und von Komponenten geeignet, die solche Merkmale enthalten. Die Erfindung ist besonders geeignet, wo solche Merkmale in einer im wesentlichen gemeinsamen, horizontalen Ebene gegossen werden können. Bei einer herkömmlichen und bevorzugten Ausführungsform werden Oberkasten- und Unterkastenabschnitte verwendet, wo die Hohlkörperachsen im allgemeinen mit der Trennebene der Oberkasten- und Unterkastenabschnitte der Gußform ausgerichtet sind. Dementsprechend wird, bei dieser Ausführungsform, die Gußformanordnung genau bemessene Kanalwandhohlräume umfassen, die in den Oberkasten- und Unterkastenabschnitten der Gußform gebildet sind, wobei ein geeignetes Kembauteil bei der Trennebene angeordnet ist, um die Kanalwände festzulegen. Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Kanalwände so klein wie ein bis drei Millimeter Dicke und bis zu ungefähr 160 mm quer über die öffnung des Kanals sein.The present invention is suitable for use in the casting of thin wall tubes, hollow channels or similar rounded or circumscribed hollow shapes having relatively small diameters, and components incorporating such features. The invention is particularly suitable where such features can be cast in a substantially common horizontal plane. In a conventional and preferred embodiment, cope and demo sections are used where the hollow body axes are generally aligned with the parting plane of the cope and demo sections of the mold. Accordingly, in this embodiment, the mold assembly will comprise precisely dimensioned channel wall cavities formed in the cope and demo sections of the mold, with a suitable core member disposed at the parting plane to define the channel walls. According to the present invention, the channel walls can be as small as one to three millimeters thick and up to about 160 mm across the opening of the channel.

Die Oberkastengußform wird auf die Unterkastengußform gesetzt, und die Unterkastengußform wird auf eine harzgebundene Sandgußformplatte gesetzt, die ein großes Reservoir mit geschmolzenem Metall festlegt, das direkt die Röhren- oder Kanalhohlraumfestlegenden Abschnitte der Gußform unterlegt. Es wird ein vertikales Einlaufgußformbauteil verwendet, das über den Oberkastenabschnitt der Gußform ansteigt, um geschmolzenes Metall zu der Gußform zu liefern und einen metallostatischen Metallkopf zu schaffen. Das Einlaufbauteil, der Oberkasten, der Unterkasten und die Platte weisen jeweils einen verbundenen, zylindrischen Durchgang hinunter durch die Oberkasten- und Unterkastenabschnitte auf, seitlich versetzt von den röhrenförmigen Hohlräumen, um gegossenes, geschmolzenes Metall an den Gußstückhohlräumen vorbei zu dem Reservoir in der Platte zu leiten. Eine Vielzahl vertikaler, zylindrischer Gießrinnen ist in dem Unterkasten und den unteren Abschnitten der Oberkastenbauteile der Gußform geschaffen, die von dem Reservoir in dem Plattenbauteil hoch zu dem Gußhohlraum oder gerade versetzt von dem Hohlraum ansteigen, und damit durch horizontale Eingüsse verbunden sind. Die Anzahl und Lage dieser Gießrinnen und Eingüsse sind durch den wirksamen Füllabstand des geschmolzenen Metalls in dem dünnwandigen Abschnitt des Hohlraums (der Hohlräume) bestimmt.The cope mold is placed on the draught mold, and the draught mold is placed on a resin-bonded sand mold plate, which defines a large reservoir of molten metal that directly underlies the tube or channel cavity defining sections of the mold. A vertical gate mold component is used, which is the cope section of the mold to deliver molten metal to the mold and create a metallostatic metal head. The gate member, cope, draught and plate each have a connected cylindrical passage down through the cope and draught sections, laterally offset from the tubular cavities, to direct poured molten metal past the casting cavities to the reservoir in the plate. A plurality of vertical cylindrical runners are provided in the draught and lower sections of the cope members of the mold, rising from the reservoir in the plate member up to the casting cavity or just offset from the cavity, and connected thereto by horizontal sprues. The number and location of these runners and sprues are determined by the effective fill distance of the molten metal in the thin-walled section of the cavity(s).

Dementsprechend wird, in der Praktik der vorliegenden Erfindung, heißes, geschmolzenes Metall in ein geeignetes Gießbekken in dem Einlauf hinein und durch die Gußformbauteile gegossen, so daß es in das Reservoir in der Platte hinein fließt und dieses füllt, das den Unterkastenabschnitt unterlegt, bevor irgendein Metall hoch zu dem Gußhohlraum hin fließen kann. Das Reservoir unterlegt die kritischen Dünnwandabschnitte des Gußformhohlraums und ist geformt, um Wärmeverlust von dem Metall zu minimieren und um ein Mischen für eine gleichmäßige Metalltemperatur zu fördern. Sobald das Reservoir vollständig gefüllt ist, das den Gußformhohlraum unterlegt, steigt geschmolzenes Metall dann im wesentlichen gleichzeitig in der Vielzahl vertikaler Gießrinnen gerade hoch zu dem Gußformhohlraum, wobei es diesen im wesentlichen gleichmäßig mit heißem, geschmolzenen Metall von im wesentlichen gleichmäßiger Temperatur füllt. Auf diese Weise füllt geschmolzenes Metall schnell und gleichmäßig den Gußformhohlraum, so daß die Dünnwandabschnitte der Gußform vollständig gefüllt sind, bevor sich irgendwelches Metall verfestigt.Accordingly, in the practice of the present invention, hot molten metal is poured into a suitable pouring basin in the gate and through the mold components so that it flows into and fills the reservoir in the plate that underlies the runner section before any metal can flow up to the mold cavity. The reservoir underlies the critical thin wall sections of the mold cavity and is shaped to minimize heat loss from the metal and to promote mixing for a uniform metal temperature. Once the reservoir is completely filled that underlies the mold cavity, molten metal then rises substantially simultaneously in the plurality of vertical runners straight up to the mold cavity, filling it substantially evenly with hot molten metal of substantially uniform temperature. In this way, molten metal quickly and evenly fills the mold cavity, so that the thin-walled sections of the mold are completely filled before any metal solidifies.

Die Praktik der Erfindung basiert auf einer Gußformkonstruktion, die erfordert, daß das Gußmetall erst ein Reservoir füllt, das die Dünnwandabschnitte des Gußhohlraums unterlegt. Wenn das Reservoir voll ist, steigt das Metall gleichzeitig in einer Vielzahl vertikaler Gießrinnen an, um die dünnen Abschnitte des Hohlraums schnell von mehreren Eintrittspunkten zu füllen. Die Beabstandung dieser Eintrittspunkte, bekannt als Eingüsse, sollte nicht größer als ein bestimmbarer, wirksamer Füllabstand innerhalb des Hohlraums sein, der eine Funktion des metallostatischen Kopf s und der Gießtemperatur (Überhitzung) des Gußmetalls und der Wanddicke des Hohlraums ist. Dieser Abstand kann z.B. in dem Bereich von 25 bis 450 mm liegen. Diese Praktik ist erfolgreich verwendet worden, um dünnwandige Röhren aus Eisenmetallegierung und Dünnwandauspuffkrümmer zu gießen, deren Wanddickengrößen im Bereich von einem bis drei Millimeter liegen.The practice of the invention is based on a mold design that requires the cast metal to first fill a reservoir that underlies the thin wall portions of the casting cavity. When the reservoir is full, the metal rises simultaneously in a plurality of vertical runners to rapidly fill the thin portions of the cavity from multiple entry points. The spacing of these entry points, known as sprues, should not be greater than a determinable, effective filling distance within the cavity that is a function of the metallostatic head and the pouring temperature (superheat) of the cast metal and the wall thickness of the cavity. This distance may, for example, be in the range of 25 to 450 mm. This practice has been used successfully to cast thin walled ferrous metal alloy tubes and thin wall exhaust manifolds whose wall thickness sizes are in the range of one to three millimeters.

Abgesehen davon, daß sie zuverlässig maßhaltige Dünnwandgußstücke durch die Gußformkonstruktionspraktik der vorliegenden Erfindung gießen kann, bietet sie auch den Vorteil, daß sie nicht zusätzliche Ausrüstung erfordert, um das Metall in die Gußformhohlräume hinein zu zwingen. Außerdem bietet diese atmosphärische Schwerkraftgießpraktik den wichtigen Vorteil, daß sie erlaubt, daß die Gußform von der Gießquelle mit geschmolzenem Metall wegbewegt wird, bevor irgendeine Verfestigung aufgetreten ist.Aside from being able to reliably cast dimensionally stable thin-wall castings by the mold design practice of the present invention, it also offers the advantage of not requiring additional equipment to force the metal into the mold cavities. In addition, this atmospheric gravity casting practice offers the important advantage of allowing the mold to be moved away from the molten metal pouring source before any solidification has occurred.

Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus deren detaillierter Beschreibung ersichtlicher, die folgt. In dieser detaillierten Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description thereof which follows. In this detailed description, reference is made to the accompanying drawings in which:

Fig. 1 eine Vorderansicht von Gußformbauteilen ist, zum Teil weggebrochen und im Querschnitt, die für die Praktik der Erfindung geeignet sind, dünnwandige Röhrengußstücke herzustellen;Fig. 1 is a front view, partly broken away and in cross-section, of mold components suitable for the practice of the invention to produce thin-walled tubular castings;

Fig. 2 eine Draufsicht ist, zum Teil im Schnitt, entlang der Linien 2-2 von Figur 1; undFig. 2 is a plan view, partly in section, taken along lines 2-2 of Figure 1; and

Fig. 3 eine Veranschaulichung eines Auspuffkrümmergußstücks für einen Autoverbrennungsmotor ist, die alles von dem verfestigten Metall darstellt, wie das Gußstück gegossen wurde.Fig. 3 is an illustration of an exhaust manifold casting for an automobile internal combustion engine, showing all of the metal solidified as the casting was cast.

Die Praktik der vorliegenden Erfindung ist für die Fertigung von Gußstücken aus Graugußeisen-, Kugelgraphitgußeisen-, austenitischen und ferritischen rostfreien Stählen und unlegierten Kohlenstoffstählen und Legierungsstählen anwendbar. Die Praktik der vorliegenden Erfindung ist auch für die Praktik des Herstellens von Aluminiumgußstücken und Gußstücken aus einem anderen Nichteisenmetall anwendbar. Es wird jedoch erkannt, daß sie besonders anwendbar ist, Eisenmetallgußstükke mit dünnwandigen, röhrenförmigen Teilabschnitten herzustellen, da die Eisenlegierungen bei hohen Temperaturen gegossen werden und sich ohne weiteres vorzeitig in den relativ kalten Dünnwandgußformteilabschnitten verfestigen können.The practice of the present invention is applicable to the manufacture of castings from gray cast iron, ductile iron, austenitic and ferritic stainless steels and unalloyed carbon and alloy steels. The practice of the present invention is also applicable to the practice of making aluminum castings and other non-ferrous metal castings. However, it is recognized that it is particularly applicable to making ferrous metal castings having thin-walled tubular sections since the ferrous alloys are cast at high temperatures and can readily solidify prematurely in the relatively cold thin-walled cast sections.

Wie oben festgestellt, wird ein hochqualitativer Gießereisand wie ein Silicasand der AFS Nr.85-Bezeichnung oder ein geeigneter Seesand verwendet. Die Sandgußformbauteile erfordern, daß sie harzgebundener Sand sind, so daß sie haltbar sind und der Abtragung von schnell fließendem, heißem, geschmolzenen Metall widerstehen. Wie oben angezeigt, ist wieder die Verwendung eines Nicht-Back-Öl-Urethan-Harzbindersystems, wie das oben spezifizierte, bevorzugt.As stated above, a high quality foundry sand is used, such as an AFS No. 85 silica sand or a suitable sea sand. The sand mold components require that they be resin bonded sand so that they are durable and resist the erosion of fast flowing, hot, molten metal. As indicated above, again, the use of a non-caking oil urethane resin binder system such as that specified above is preferred.

In der folgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der Gußformen werden zur besseren Veranschaulichung spezifische Abmessungen vorgesehen. Die Zeichnungsfiguren sind nicht maßstabsgerecht.In the following description of specific embodiments of the molds, specific dimensions are provided for better illustration. The drawing figures are not to scale.

Wie in den Figuren 1 und 2 zu sehen ist, umfaßt eine Gußform 10 ein Oberkastenabschnitt 12, ein Unterkastenabschnitt 14, eine Platte 16, die den Unterkastenabschnitt 14 unterlegt, einen Gießeinlauf 18 und einen Gießtrichter 20. Jedes dieser Gußformstücke ist aus harzgebundenern Sand hergestellt.As can be seen in Figures 1 and 2, a mold 10 comprises an upper box section 12, a lower box section 14, a plate 16 which supports the lower box section 14, a pouring gate 18 and a pouring funnel 20. Each of these mold pieces is made of resin-bonded sand.

Die Oberkasten- und Unterkastengußformabschnitte wirken miteinander zusammen, um dazwischen einen Hohlraum 22 einer Dünnwandröhre (31,75 mm Innendurchmesser) festzulegen, die Flanschabschnitte 24 (69,85 mm Außendurchmesser x 12.7 mm) an jedem Ende aufweist. Gemäß der Praktik der Erfindung kann die Dünnwandröhre (304,8 mm lang zwischen den Flanschen), wie durch den Hohlraum 22 festgelegt, in dem Bereich von einem bis drei Millimetern Dicke liegen. Die innere Oberfläche der Röhre ist durch ein Kembauteil 26 festgelegt, das durch und zwischen dem Oberkastenabschnitt 12 und dem Unterkastenabschnitt 14 der Gußform unterstützt ist. Es ist zu sehen, daß die Mittellinie des zylindrischen Kerns 26 an einer horizontalen Trennoberf läche 28 zwischen den Abschnitten des Oberkastens 12 und des Unterkastens 14 der Gußform liegt.The cope and demo mold sections cooperate to define therebetween a cavity 22 of a thin wall tube (31.75 mm inside diameter) having flange sections 24 (69.85 mm outside diameter x 12.7 mm) at each end. According to the practice of the invention, the thin wall tube (304.8 mm long between flanges) as defined by the cavity 22 can be in the range of one to three millimeters thick. The inner surface of the tube is defined by a core member 26 supported by and between the cope section 12 and demo mold section 14. It can be seen that the centerline of the cylindrical core 26 lies at a horizontal parting surface 28 between the cope 12 and demo mold sections 14.

Gemäß der Praktik der Erfindung wird geschmolzenes Metall in eine Öffnung 30 in dem Gießtrichter 20 hinein gegossen und fließt nach unten durch eine zylindrische Öffnung 32 (38,1 mm Durchmesser) in dem Gießeinlauf 18, durch eine zylindrische Öffnung 34 in dem Oberkastenabschnitt 12 und eine zylindrische Öffnung 36 in dem Unterkastenabschnitt 14 in eine Bohrung 38 in der Platte 16 hinein. Die Höhe von Einlauf 18 ist derart, daß ein Minimum von 150 mm Kopf von geschmolzenem Metall über dem Scheitel der vertikalen Gießrinnen 48 und Eingüsse 50 aufrechterhalten werden kann. Von der Bohrung 38 fließt das geschmolzene Metall durch Gießrinnenabschnitte 40, 42 und 44 in eine große (406,4 mm lang x 152,4 mm breit x 12,7 mm hoch) horizontale Reservoirkammer 46 hinein. Nur zu der Zeit, wenn das Reservoir 46 vollständig mit dem gegossenen, geschmolzenen Metall gefüllt ist, kann das Niveau dann in die vertikalen Gießrinnen 48 hinein ansteigen. Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Anordnung ist zu sehen, daß es acht solche vertikalen Gießrinnen 48 (6,35 mm Durchmesser) gibt, die von gleicher Länge sind (101,6 mm), vier auf jeder Seite des Röhrenhohlraums 22. Die vertikalen Gießrinnen liegen 50,8 mm von ihrem nächsten Nachbarn auf der gleichen Seite des Röhrenhohlraums 22. Dementsprechend wird geschmolzenes Metall gleichzeitig mit im wesentlichen der gleichen Rate in jeder der vertikalen Gießrinnen 48, wobei es das Niveau der horizontalen Eingüsse 50 erreicht, von denen es acht gibt, und dementsprechend in den Röhrenhohlraum 22 und Flanschhohlräume 24 hinein ansteigen. Sobald der kritische Dünnwandhohlraum gefüllt worden ist, kann geschmolzenes Metall dann aus den Flanschhohlräumen 24 heraus durch Steiger/ Entlüftungen 52 (3,175 mm Durchmesser) ansteigen. Die kleine Metallmenge, die hinein in diese Entlüftungen 52 und durch diese fließt, erstarrt schnell und erlaubt, daß das höhere Metallniveau in dem Einlauf 18 einen Flüssigkeitsdruck auf das Metall in dem Hohlraum 22 hält, wenn es sich verfestigt. Dementsprechend ist zu sehen, daß der vertikale Einlauf für das hereinkommende, geschmolzene Metall mit dem Reservoir 46 zusammenwirkt, um einen geeigneten metallostatischen Kopf aus schwerkraftgegossenem, geschmolzenen Metall zu liefern, um gleichmäßig und schnell den kritischen Dünnwandgußhohlraum 22 zu füllen. Bevorzugt wird das geschmolzene Metall (hier eine Kugelgraphitgußeisenlegierung) bei einer Temperatur von mindestens 90ºC oberhalb der Temperatur für die Gußlegierung gegossen, bei der die erste Verfestigung auftritt. Das Reservoir 46 ist unmittelbar unterhalb des kritischen Gußhohlraums angeordnet und liefert geschmolzenes Metall im wesentlichen gleichzeitig und mit annähernd gleichen Raten zu mehreren verschiedenen Stellen in dem kritisch dünnen Hohlraum 22, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist. Diese Stellen, d.h. Eingüsse 50, werden festgesetzt, nachdem der wirksame Füllabstand basierend auf der überhitzung und bei einem mindestens 150 mm metallostatischen Eisenkopf oder einem äquivalenten Kopf für andere Legierungen bestimmt ist.According to the practice of the invention, molten metal is poured into an opening 30 in the sprue 20 and flows downwardly through a cylindrical opening 32 (38.1 mm diameter) in the pouring gate 18, through a cylindrical opening 34 in the cope section 12 and a cylindrical opening 36 in the draught section 14 into a bore 38 in the plate 16. The height of gate 18 is such that a minimum of 150 mm head of molten metal can be maintained above the top of the vertical runners 48 and sprues 50. From the bore 38, the molten metal flows through runner sections 40, 42 and 44 into a large (406.4 mm long x 152.4 mm wide x 12.7 mm high) horizontal reservoir chamber 46. Only at the time when the reservoir 46 is completely filled with the poured molten metal can the level then rise into the vertical runners 48. In the arrangement shown in Figures 1 and 2, it can be seen that there are eight such vertical runners 48 (6.35 mm diameter) of equal length (101.6 mm), four on each side of the tube cavity 22. The vertical runners are 50.8 mm from their nearest neighbor on the same side of the tube cavity 22. Accordingly, molten metal will rise simultaneously at substantially the same rate in each of the vertical runners 48, reaching the level of the horizontal sprues 50, of which there are eight, and accordingly into the tube cavity 22 and flange cavities 24. Once the critical thin-wall cavity has been filled, molten metal can then rise out of the flange cavities 24 through risers/vents 52 (3.175 mm diameter). The small amount of metal flowing into and through these vents 52 solidifies rapidly and allows the higher level of metal in the gate 18 to maintain a fluid pressure on the metal in the cavity 22 as it solidifies. Accordingly, the vertical gate for the incoming molten metal can be seen to cooperate with the reservoir 46 to provide an appropriate metallostatic head of gravity-poured molten metal to evenly and rapidly fill the critical thin-wall casting cavity 22. Preferably, the molten metal (here a ductile iron alloy) is poured at a temperature of at least 90°C above the temperature for the casting alloy at which initial solidification occurs. The reservoir 46 is located immediately below the critical casting cavity and delivers molten metal substantially simultaneously and at approximately equal rates to several different locations in the critically thin cavity 22 as shown in Figures 1 and 2. These locations, ie, gates 50, are set after the effective fill distance is determined based on superheat and at least a 150 mm metallostatic iron head or an equivalent head for other alloys.

Figur 3 veranschaulicht eine andere Ausführungsform in der Praktik der vorliegenden Erfindung. In dieser Ansicht ist ein verfestigtes Gußstück veranschaulicht, worin alles von dem Gußmetall verbleibt, bevor der Nichtproduktabschnitt entfernt worden ist. Diese Ansicht des ganzen Gußstücks kann besser veranschaulichen, wie das Gußmetall in die Gußform hinein floß, die man sich an dem Platz um das Gußstück vorstellen kann.Figure 3 illustrates another embodiment in the practice of the present invention. In this view, a solidified casting is illustrated in which all of the cast metal remains before the non-product portion has been removed. This view of the entire casting can better illustrate how the cast metal flowed into the mold that can be imagined in the space around the casting.

Dementsprechend ist in Figur 3 das gesamte, verfestigte Metallgußstück 100 für ein Au spuffkrümmerstück 102 veranschaulicht, das Auspuffkanäle 104, 106, 108 und 110 für einen Vierzylinderverbrennungsmot r umfaßt. Diese Kanäle laufen in einen Krümmerauspuffkanal 1 2 hinein zusammen, der in einem Flansch 114 als Verbindung u einem Auspuffrohr endet. Die Flansche 116, 118 und 120 sind angepaßt, um die Auspuffkanäle mit einem Motorzylinderkopf zu verbinden. Wie bei dem gesamten fertiggestellten Gußstück 100 gezeigt ist, ist der vertikale Einlaufabschnitt 122 (38,1 mm Durchmesser im zylindrischen Abschnitt) das verfestigte Metall, das in dem Einlaufabschnitt der Gußform (nicht gezeigt) gelassen wurde, nachdem sich das Gußstück vollständig verfestigt hatte. Abschnitte 124, 126 und 128 sind horizontale Gießrinnenabschnitte von Metall, das zu einem horizontalen Reservoirabschnitt 130 der Gußform geliefert wird. Dieses im allgemeinen dreieckige Reservoir 130 ist ungefähr 25,4 mm breit x 22,225 mm tief x 1117,6 mm lang (Umfang). Das Reservoir 130 ist ein Kanaltypreservoir, das die Peripherie des Auspuffkrümmergußstücks 102 zur Versorgung von geschmolzenem Metall gleichzeitig zu allen Bereichen des Gußstücks unterlegt. Bei dem Endgußstück 100 ist auch das verfestigte Metall deutlich zu sehen, das in einer Vielzahl vertikaler Steiger, d.h. Gießrinnen 132 verblieb. Dreizehn vertikale Gießrinnen 132 werden verwendet. Sie weisen alle einen Durchmesser von 9,525 mm auf. Aufgrund der Abwärtskrümmung der Kanäle 104, 106 und 108 weisen die Gießrinnen 132 nicht alle die gleiche Länge auf. Die längsten Gießrinnen (104,775 mm) sind dem Flansch 114 benachbart und die kürzesten Gießrinnen (85,725 mm) sind dem Kanal 104 benachbart. Die Anzahl und Verteilung der Gießrinnen sind jedoch geeignet, um diesen Dünnwandkörper von komplexer Form erfolgreich zu gießen. Die Abschnitte 134 des Gußstücks sind das Metall, das sich in den horizontalen Eingüssen der Gußform verfestigte. Die Reste des Gußstücks, die bei 136 angezeigt sind, stellen das Metall dar, das sich in den geschlossenen Steigerabschnitten der Gußform verfestigte.Accordingly, Figure 3 illustrates the entire solidified metal casting 100 for an exhaust manifold 102 comprising exhaust ports 104, 106, 108 and 110 for a four cylinder internal combustion engine. These ports converge into a manifold exhaust port 12 which terminates in a flange 114 connecting to an exhaust pipe. Flanges 116, 118 and 120 are adapted to connect the exhaust ports to an engine cylinder head. As shown in the entire finished casting 100, the vertical gate portion 122 (38.1 mm diameter in the cylindrical portion) is the solidified metal left in the gate portion of the mold (not shown) after the casting had fully solidified. Sections 124, 126 and 128 are horizontal runner sections of metal supplied to a horizontal reservoir section 130 of the mold. This generally triangular Reservoir 130 is approximately 25.4 mm wide x 22.225 mm deep x 1117.6 mm long (circumference). Reservoir 130 is a channel type reservoir which underlies the periphery of exhaust manifold casting 102 for supplying molten metal simultaneously to all areas of the casting. Also clearly visible in final casting 100 is the solidified metal which remained in a plurality of vertical risers, i.e., runners 132. Thirteen vertical runners 132 are used. They all have a diameter of 9.525 mm. Due to the downward curvature of channels 104, 106 and 108, runners 132 are not all the same length. The longest runners (104.775 mm) are adjacent flange 114 and the shortest runners (85.725 mm) are adjacent channel 104. However, the number and distribution of runners are adequate to successfully cast this thin-walled, complex-shaped body. The portions 134 of the casting are the metal that solidified in the horizontal gates of the mold. The remains of the casting indicated at 136 represent the metal that solidified in the closed riser portions of the mold.

Es ist zu sehen, daß bei dem Schwerkraftgießgußstück des Auspuffkrümmers 102 geschmolzenes Metall zuerst durch zwei Pfade äquivalenter Gießrinnen 128 in ein Gußformreservoir (Gußstückabschnitt 130) hinein gegossen wurde, das den Krümmergußformhohlraum unterlegt. Der Einlaufabschnitt des Gußstücks 122 erstreckte sich 254 mm über das Niveau der Eingüsse 134. Geschmolzenes Metall mit gleichmäßiger Temperatur floß dann von dem Reservoir gleichzeitig in dreizehn vertikalen Gußformgießrinnen (Gußstückabschnitte 132) nach oben, um schnell und im wesentlichen gleichmäßig die dünnen Teilabschnitte des Hauptgußhohlraums zu füllen. Die Beabstandung zwischen den Gießrinnen variiert von 15,875 mm bis 152,4 mm. Auf diese Weise wurden die dünnen Abschnitte der unbeheizten Gußform schnell mit geschmolzenem Metall gefüllt, bevor irgendeine vorzeitige Verfestigung auftreten konnte, um ein fehlerhaftes Gußstück herzustellen. Es ist auch zu sehen, daß solche vertikalen Gießrinnen nach oben durch ihre jeweiligen geschlossenen Steiger 136 verlängert werden könnten, um zusätzliche Dünnwandgußstückhohlräume eines oder mehrerer identischer Gußstücke zu versorgen, die hintereinander direkt über einem ersten Hohlraum angeordnet sind. Dementsprechend kann jeder solche zusätzliche Hohlraum mit Metall von der gleichen Vielzahl von Eintrittspunkten gefüllt werden. Außerdem kann, sobald eine solche Gußform mit geschmolzenem Metall gefüllt worden ist, sie von der Gießquelle entfernt werden, so daß eine andere Gußform gegossen werden kann.It can be seen that in the gravity cast exhaust manifold 102 casting, molten metal was first poured through two paths of equivalent runners 128 into a mold reservoir (casting section 130) underlying the manifold mold cavity. The inlet section of the casting 122 extended 254 mm above the level of the gates 134. Uniform temperature molten metal then flowed upward from the reservoir simultaneously in thirteen vertical mold runners (casting sections 132) to quickly and substantially evenly fill the thin sections of the main mold cavity. The spacing between the runners varied from 15.875 mm to 152.4 mm. In this way, the thin sections of the unheated mold were quickly filled with molten metal before any premature solidification could occur to produce a defective casting. It will also be seen that such vertical runners could be extended upwardly through their respective closed risers 136 to serve additional thin wall casting cavities of one or more identical castings arranged in series directly above a first cavity. Accordingly, each such additional cavity can be filled with metal from the same plurality of entry points. Furthermore, once such a mold has been filled with molten metal, it can be removed from the pouring source so that another mold can be poured.

Unter Verwendung von Gußstückgußformen wie der oben in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 beschriebenen, sind Auspuffkrümmer aus einer Kugelgraphitgußeisenzusammensetzung gegossen worden, bei denen die Wanddicke der Auspuffkanäle in dem Bereich von 2,7 bis 3,2 Millimeter lag. Es sind Auspuffkrümmer aus rostfreiem Stahl gegossen worden, die Kanalwände mit 2,6 bis 3,2 Millimeter Dicke aufweisen. Die Querschnitte der Kanäle des Gußstücks von Figur 3 waren wie Rechtecke mit gerundeten Ecken geformt und deren Größen lagen im Bereich von 30 mm x 40 mm zu 55 mm x 60 mm. Die Länge der gegossenen Kanaldurchgänge betragen oft 300 bis 600 mm. Eine Turbineneinlaßabdeckung aus Kugelgraphitgußeisen ist auch gegossen worden. Die Abdeckung war schaufelförmig, wies eine Wanddicke von 3 Millimeter und andere Abmessungen von 620 mm lang x 600 mm breit x 200 mm hoch auf.Using casting molds such as those described above in connection with Figures 1 to 3, exhaust manifolds have been cast from a ductile iron composition having exhaust port wall thicknesses in the range of 2.7 to 3.2 millimeters. Stainless steel exhaust manifolds have been cast having port walls of 2.6 to 3.2 millimeters thick. The cross sections of the ports of the casting of Figure 3 were shaped like rectangles with rounded corners and their sizes ranged from 30 mm x 40 mm to 55 mm x 60 mm. The length of the cast port passages is often 300 to 600 mm. A ductile iron turbine inlet cover has also been cast. The cover was scoop-shaped, had a wall thickness of 3 millimeters and other dimensions of 620 mm long x 600 mm wide x 200 mm high.

Bis zu drei Dünnwandauspuffkrümmer sind dadurch gleichzeitig gegossen worden, daß Gußformabschnitte vertikal gestapelt wurden, so daß die Krümmerhohlräume in Lagen über dem Metallreservoir positioniert waren. Jeder Hohlraum wurde durch vertikale Einlaufsteiger von dem Reservoir versorgt. Die Anmelder können dies auf einer wiederholten und zuverlässigen Basis durchführen. Die gleiche Praktik kann verwendet werden, um noch dünnere Wanddicken zu gießen. Die Auspuffkrümmer sind komplex, da die Röhren gekrümmt sind und das Metall in mehreren Richtungen fließen muß, um die Gußformhohlräume zu füllen. In dem Fall gerader Röhren wie den in den Figuren 1 und 2 dargestellten, sind Röhren mit Wänden ein Millimeter, zwei Millimeter und drei Millimeter Dicke bei dem gleichen Gußstück gegossen worden. Der Innendurchmesser der runden Röhren betrug bei jedem Fall ungefähr 30 Millimeter und die Länge ungefähr 300 Millimeter.Up to three thin-wall exhaust manifolds have been cast simultaneously by stacking mold sections vertically so that the manifold cavities were positioned in layers above the metal reservoir. Each cavity was fed by vertical inlet risers from the reservoir. Applicants can demonstrate this on a repeated and reliable basis The same practice can be used to cast even thinner wall thicknesses. The exhaust manifolds are complex because the tubes are curved and the metal must flow in multiple directions to fill the mold cavities. In the case of straight tubes such as those shown in Figures 1 and 2, tubes with walls one millimeter, two millimeters, and three millimeters thick have been cast in the same casting. The inside diameter of the round tubes in each case was about 30 millimeters and the length about 300 millimeters.

Die Praktik der vorliegenden Erfindung ist beschrieben worden, wobei Oberkasten- und Unterkastengußformen mit horizontalen Trennebenen verwendet wurden. Es können andere Gußformanordnungen verwendet werden, die andere Trennebenen verwenden. Das wesentliche Merkmal der Praktik der vorliegenden Erfindung ist das Positionieren des Dünnwandabschnitts (der Dünnwandabschnitte) über einem horizontalen Niveau (horizontalen Niveaus) mit einem darunterliegenden horizontalen Reservoir und einer Vielzahl vertikaler Gießrinnen von dem Reservoir zu dem Hohlraum (den Hohlräumen)The practice of the present invention has been described using cope and drag molds with horizontal parting planes. Other mold arrangements using other parting planes may be used. The essential feature of the practice of the present invention is the positioning of the thin wall section(s) above a horizontal level(s) with an underlying horizontal reservoir and a plurality of vertical runners from the reservoir to the cavity(s).

Mold design principles

Das Ziel der Gußformkonstruktion der Erfindung ist, einen stetigen, im allgemeinen ruhigen Fluß geschmolzenen Metalls zu allen der Dünnwandabschnitte eines Gußformhohlraums im wesentlichen gleichzeitig und bei im wesentlichen der gleichen Temperatur zu liefern.The objective of the mold design of the invention is to provide a steady, generally smooth flow of molten metal to all of the thin wall portions of a mold cavity substantially simultaneously and at substantially the same temperature.

Wenn eine Legierung auf Eisenbasis gegossen wird&sub1; erstreckt sich der vertikale Gießeinlauf zu einer Höhe, die mindestens 150 Millimeter größer als die Höhe der höchsten vertikalen Gießrinne ist, die von dem Reservoir ansteigt. In dem Fall anderer Metalle ist diese Länge umgekehrt proportional zu dem Verhältnis der Dichte des Metalls zu derjenigen von Eisen. In jedem Fall ist die Höhe von dem Niveau des Reservoirs gemessen. Der Einlauf muß sich auch zu einer Höhe über dem höchsten Abschnitt des Gußhohlraums erstrecken. Der Gußhohlraum ist an seinen höchsten Abschnitten entlüftet, so daß Luft aus dem Hohlraum verdrängt werden kann, wenn das Gußmetall von dem Reservoir durch die vertikalen Gießrinnen nach oben in den Hohlraum hinein fließt. Da sich der Einlauf höher als irgendein anderer Abschnitt des Fließpfads des Gußmetalls erstreckt, schafft er einen metallostatischen Metallkopf, der Druck auf den Gußformhohlraum hält und sicherstellt, daß er voll von geschmolzenem Metall ist, während sich das Gußstück verfestigt. Tatsächlich ist beabsichtigt, daß das Metall in dem Einlauf das letzte Metall ist, das sich in dem Gußformsystem verfestigt. Sobald die Luft aus der Hohlraum-entlüftung verdrängt worden ist, wird das ansteigende Metall dort schnell erstarren, wenn die Entlüftungen geeignet bemessen sind, was anzeigt, daß der Hohlraum mit geschmolzenem Metall gefüllt worden ist, und die Entlüftung von weiterem Ausstoßen von Metall verstopft.When an iron-based alloy is cast, the vertical pouring gate extends to a height at least 150 millimetres greater than the height of the highest vertical pouring runner rising from the reservoir. In the case of other metals, this length is inversely proportional to the ratio of the density of the metal to that of iron. In each case, the height is measured from the level of the reservoir. The sprue must also extend to a height above the highest portion of the mold cavity. The mold cavity is vented at its highest portions so that air can be expelled from the cavity as the mold metal flows from the reservoir through the vertical runners upward into the cavity. Because the sprue extends higher than any other portion of the mold metal flow path, it creates a metallostatic metal head which maintains pressure on the mold cavity and ensures that it is full of molten metal while the casting solidifies. In fact, the metal in the sprue is intended to be the last metal to solidify in the mold system. Once the air has been expelled from the cavity vent, the rising metal there will rapidly solidify if the vents are properly sized, indicating that the cavity has been filled with molten metal and blocking the vent from further ejection of metal.

Es sollte nun offensichtlich sein, daß das horizontale Reservoir ein kritischer Teil der Gußformkonstruktion der Erfindung ist. Ein wichtiges Merkmal des Reservoirs ist, daß es horizontal ist und daß es sich vollständig mit Metall füllt, das sich in dem Reservoir mischt und dort eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur erreicht, bevor der Fluß von dem Reservoir durch die vertikalen Gießrinnen ansteigt. Das Reservoir muß in der Gußform so konstruiert sein, um entweder den gesamten Gußhohlraum, wie bei der Figur 1/Figur 2- Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, oder mindestens diejenigen Abschnitte des Gußformhohlraums zu unterlegen, zu denen Metall geliefert werden muß, um die Dünnwandabschnitte des Hohlraums zu bilden. Die Ausführungsform von Figur 3 der Erfindung veranschaulicht das Kanaltypreservoir, das den Gußhohlraum bei den Außenf lächenabschnitten des Hohlraums unterlegt, wo geschmolzenes Metall durch vertikale Gießrinnen in jeden von mehreren Dünnwandabschnitten des Hohlraums hinein eingeführt wird. Das Reservoir sollte bevorzugt mit einem Volumen/Oberf lächen-Verhältnis konstruiert sein, das für das Mischen des eingehenden Gußmetalls förderlich ist, aber den Wärmeverlust davon minimiert. Im allgemeinen ist die Erfahrung der Erfinder gewesen, daß dies erzielt wird, wenn das Volumen des Reservoirs geteilt durch seine geometrische Oberfläche größer als oder gleich ungefähr 5 Millimeter ist. Die Konfiguration des Reservoirs sollte ein Mischen des fließenden, geschmolzenen Metalls unterbringen, um geschmolzenes Metall von einer gleichmäßigen Temperatur zu dem Gußhohlraum zu liefern. Das Ziel ist, die Fließdurchgänge von dem Eingußtrichter zu dem Reservoir so zu konstruieren, daß das Reservoir mit einem geschmolzenen Metall von konstanter Temperatur gefüllt wird, bevor irgendwelches Metall nach oben zu dem Gußformhohlraum hin fließt.It should now be apparent that the horizontal reservoir is a critical part of the mold design of the invention. An important feature of the reservoir is that it is horizontal and that it fills completely with metal which mixes in the reservoir and reaches a substantially uniform temperature there before the flow from the reservoir increases through the vertical runners. The reservoir must be designed in the mold to support either the entire mold cavity, as illustrated in the Figure 1/Figure 2 embodiment of the invention, or at least those portions of the mold cavity to which metal must be supplied to form the thin wall portions of the cavity. The Figure 3 embodiment of the invention illustrates the channel type reservoir, that underlies the mold cavity at the outer surface portions of the cavity where molten metal is introduced through vertical runners into each of a plurality of thin wall portions of the cavity. The reservoir should preferably be constructed with a volume/surface area ratio that is conducive to mixing of the incoming mold metal but minimizes heat loss therefrom. In general, the inventors' experience has been that this is achieved when the volume of the reservoir divided by its geometric surface area is greater than or equal to about 5 millimeters. The configuration of the reservoir should accommodate mixing of the flowing molten metal to deliver molten metal of a uniform temperature to the mold cavity. The goal is to construct the flow passages from the sprue to the reservoir so that the reservoir is filled with molten metal of a constant temperature before any metal flows upwardly toward the mold cavity.

Die Querschnittsfläche des Reservoirs sollte größer als die Querschnittsfläche des Eingußtrichters sein.The cross-sectional area of the reservoir should be larger than the cross-sectional area of the pouring funnel.

Es ist bevorzugt, den Hohlraum des in der Gußform zu gießenden Dünnwandkörpers so zu positionieren, daß die vertikalen Gießrinnen Metall in den Hohlraum hinein so nah wie möglich zu der gleichen Höhe liefern. Dies ermöglicht, daß das geschmolzene Metall im wesentlichen gleichzeitig und bei im wesentlichen der gleichen Temperatur in den vertikalen Gießrinnen ansteigt und in alle Abschnitte des Gußformhohlraums eintritt. Die Gußform, die bei der Figur 1/ Figur 2-Ausführungsform veranschaulicht ist, weist natürlich vertikale Gießrinnen gleicher Höhe auf. Die Gußform, die durch das Gußmetall bei der Ausführungsform von Figur 3 dargestellt ist, weist einige Abweichung bei der Höhe der vertikalen Gießrinnen auf. Bevorzugt sollte die Abweichung bei der Höhe der vertikalen Gießrinnen über dem Reservoir zu dem Punkt, wo das Metall in den Gußhohlraurn eintritt, weniger als oder gleich ungefähr 63 Millimeter betragen. Wieder ist der Zweck dieses Merkmals, die Temperaturgradienten in dem geschmolzenen Metall zu minimieren, das in den Gußformhohlraum eintritt.It is preferred to position the cavity of the thin-walled body to be cast in the mold so that the vertical runners deliver metal into the cavity as close to the same height as possible. This allows the molten metal to rise substantially simultaneously and at substantially the same temperature in the vertical runners and enter all sections of the mold cavity. The mold illustrated in the Figure 1/Figure 2 embodiment naturally has vertical runners of equal height. The mold illustrated by the cast metal in the Figure 3 embodiment has some variation in the height of the vertical runners. Preferably, the variation in the height of the vertical Pouring channels above the reservoir to the point where the metal enters the mold cavity should be less than or equal to about 63 millimeters. Again, the purpose of this feature is to minimize temperature gradients in the molten metal entering the mold cavity.

Es ist wünschenswert, die vertikalen Gießrinnen so zu positionieren, daß sie geschmolzenes Metall in die Dünnwandabschnitte des Hohlraums hinein entweder an der Seite (wie es bei den Figur 1/ Figur 2- und Figur 3-Ausführungsformen durchgeführt wurde) oder an dem Boden der dünnen Teilabschnitte einzuführen. Wenn Metall für Gußstücke gegossen wird, die in vertikalen Ebenen gestapelt sind, ist es bevorzugt, daß die jeweiligen Hohlräume direkt übereinander positioniert werden sollten, daß sie den Gießrinnenplazierungsregeln folgen, die festgelegt worden sind, und daß die gleichen vertikalen Gießrinnen nacheinander jedes Gußstück von dem untersten zu dem obersten füllen. Natürlich muß die Höhe des Gußstückgießeinlaufs erhöht werden, so daß er einen ausreichenden metallostatischen Kopf schafft, um den obersten Hohlraum zu füllen.It is desirable to position the vertical runners so that they introduce molten metal into the thin wall sections of the cavity either at the side (as was done in the Figure 1/ Figure 2 and Figure 3 embodiments) or at the bottom of the thin sections. When pouring metal for castings stacked in vertical planes, it is preferred that the respective cavities should be positioned directly above one another, that they follow the runner placement rules that have been established, and that the same vertical runners fill each casting in sequence from the lowest to the top. Of course, the height of the casting runner must be increased so that it provides sufficient metallostatic head to fill the topmost cavity.

Die Gußformkonstruktion der vorliegenden Erfindung ist für das Gießen von Legierungen auf Eisenbasis wie Kugelgraphitgußeisen, rostfreien Stählen und Legierungsstählen besonders angepaßt. Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß sich das geschmolzene Metall mindestens 90ºC über seinem ersten Verfestigungspunkt befindet. Diese Überhitzungsmenge ist für das Gießen solcher Metallegierungen nicht ungewöhnlich.The mold design of the present invention is particularly adapted for the casting of iron-based alloys such as ductile iron, stainless steels and alloy steels. In general, it is preferred that the molten metal be at least 90°C above its first solidification point. This amount of superheat is not unusual for the casting of such metal alloys.

Die maximale Beabstandung der vertikalen Gießrinnen zu den Dünnwandabschnitten des Gußformhohlraums wird durch die Überhitzungsmenge der geschmolzenen Legierung und ihren metallostatischen Kopf beeinflußt. Die folgenden verallgemeinerten, empirischen Beziehungen sind für die minimale Beabstandung der vertikalen Gießrinnen in Millimeter für die folgenden Eisenlegierungen entwickelt worden.The maximum spacing of the vertical runners to the thin-wall sections of the mold cavity is influenced by the amount of superheat of the molten alloy and its metallostatic head. The following generalized empirical relationships are for the minimum spacing of the vertical pouring channels in millimeters for the following iron alloys.

1. Beispielsweise sind hochsilizierte Molybdänkugelgraphitgußeisenlegierungen mit Überhitzungen, die von 235ºC bis 300ºC variieren, und mit einer Einlaufkopfhöhe von 230 bis 495 Millimetern über der Höhe der höchsten vertikalen Gießrinne gegossen worden. Im allgemeinen ist gefunden worden, daß die maximale zulässige Beabstandung vertikaler Gießrinnen für eine Wanddicke von einem Millimeter ungefähr 150 Millimeter Beabstandung und für eine Wanddicke von zwei Millimetern 300 mm Beabstandung betrug. Unter der Annahme einer weiteren linearen Beziehung, würde man eine maximale Vertikalgießrinnenbeabstandung von ungefähr 450 Millimeter für ein Gußstück mit drei Millimeter Wanddicke spezifizieren.1. For example, high silicon molybdenum ductile iron alloys have been cast with superheats varying from 235ºC to 300ºC and with a runner head height of 230 to 495 millimeters above the height of the highest vertical runner. In general, it has been found that the maximum allowable vertical runner spacing for a one millimeter wall thickness was approximately 150 millimeters spacing and for a two millimeter wall thickness, 300 mm spacing. Assuming a further linear relationship, one would specify a maximum vertical runner spacing of approximately 450 millimeters for a three millimeter wall thickness casting.

2. Gußstücke mit einer Zusammensetzung aus einem nichthärtbaren rostfreien Stahl sind bei Überhitzungen von 175ºC bis 250ºC und Kopfhöhen von 150 bis 460 mm vorbereitet worden. Im allgemeinen war die Erfahrung, daß ein Vertikalgießrinnenbeabstandung ungefähr 50 mm für eine Wanddicke von einem Millimeter, eine Beabstandung von ungefähr 175 mm für eine Gußstückwanddicke von zwei Millimeter und eine 300 mm Gießrinnenbeabstandung für eine Gußstückdicke von drei Millimeter nicht überschreiten sollte.2. Castings with a non-hardenable stainless steel composition have been prepared at superheats of 175ºC to 250ºC and head heights of 150 to 460 mm. In general, experience has been that a vertical runner spacing should not exceed about 50 mm for a wall thickness of one millimeter, a spacing of about 175 mm for a casting wall thickness of two millimeters and a 300 mm runner spacing for a casting thickness of three millimeters.

3* Für einen typischen härtbaren Legierungsstahl (SAE 4340) wurden Gußstücke mit Überhitzungswerten, die von 110ºC bis 22500 reichen, und Kopfhöhen von 215 bis 585 mm vorbereitet. Es wurde gefunden, daß im allgemeinen eine maximale geeignete Gießrinnenbeabstandung von ungefähr 50 mm für eine Einmillimeterwanddicke, eine maximale Gießrinnenbeabstandung von 150 mm für eine Zweirnillimetergußstückwanddicke und eine maximale Beabstandung von ungefähr 300 mm für eine Dreimillimeterwanddicke geeignet war.3* For a typical hardenable alloy steel (SAE 4340), castings were prepared with superheat values ranging from 110ºC to 22500 and head heights from 215 to 585 mm. It was found that in general a maximum suitable runner spacing of about 50 mm was suitable for a one millimeter wall thickness, a maximum runner spacing of 150 mm for a two millimeter casting wall thickness, and a maximum spacing of about 300 mm for a three millimeter wall thickness.

Zusammenfassend beruht die Gußformkonstruktion der vorliegenden Erfindung auf einem Ziel des Verursachens, das im wesentlichen Metall gleicher Temperatur gleichzeitig in mehrere verschiedene Dünnwandabschnitte des Gußhohlraums hinein fließt, um den Gußhohlraum mit einem ruhigen Metallfluß von mehreren Eintrittspunkten zu füllen und dadurch den Hohlraum vollständig zu füllen, bevor irgendeine Metallverfestigung in dem Hohlraum auftritt.In summary, the mold design of the present invention is based on a goal of causing substantially equal temperature metal to flow simultaneously into several different thin wall sections of the mold cavity to fill the mold cavity with a smooth flow of metal from multiple entry points and thereby completely fill the cavity before any metal solidification occurs in the cavity.

Während die vorliegende Erfindung hinsichtlich einer spezifischen Ausführungsform davon beschrieben worden ist, wird dementsprechend anerkannt, daß andere Formen ohne weiteres durch den Durchschnittsfachmann innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche angepaßt werden könnten .Accordingly, while the present invention has been described in terms of a specific embodiment thereof, it is recognized that other forms could be readily adapted by one of ordinary skill in the art within the scope of the following claims.

Claims

A mold (10) for gravity pouring molten metal to form a cast body comprising thin wall sections as small as one to three millimeters thick, the mold (10) comprising: a mold cavity (22) defining the cast body and having cavity sections defining the thin wall sections, a reservoir (46) beneath the mold cavity (22) and underlying at least the thin wall defining cavity sections, a plurality of pouring channels (48) rising from the reservoir (46) and connecting to the thin wall defining cavity sections, and a vertical gate (18) having a cast metal inlet (32) above the level of the cavity (22), the gate (18) having an outlet (36) in fluid flow communication (40, 42, 44) with the reservoir (46), characterized in that the mold (10) is formed of resin-bonded sand and has the mold cavity (22) positioned at a common horizontal level (28) in alignment with the cavity portions defining the thin-wall portions; the reservoir is a horizontally disposed reservoir (46) formed with a volume to geometric surface area ratio of at least five millimeters; the runners (48) rise vertically from the reservoir (46) to connect with the thin-wall defining cavity portions, the difference in length between the longest and shortest of the runners (48) being no more than about 63 mm; and the vertical gate (18) has the cast metal inlet (32) at a distance above the height of the largest of the runners (48) which at such height provides a minimum metallostatic head equivalent to 150 mm of molten iron wherein the cross-sectional area of the gate (18) is no greater than the cross-sectional area of the flow connection (40, 42, 44) into the reservoir (46); and the vertical gate (18), the reservoir (46) and the vertical runners (48) cooperate with each other and with the thin wall portions of the mold cavity (22) so that cast metal enters and fills the reservoir (46) with metal before simultaneously rising in each of the vertical runners (48) to supply molten metal to the thin wall portions of the mold cavity (22) from a plurality of sources spaced apart within predetermined effective cavity-filling distances to completely fill the mold cavity (22) with the molten metal before solidification thereof occurs.