DE69516566T2

DE69516566T2 - Giessform und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69516566T2
Application number: DE1995616566
Authority: DE
Inventors: Philippe Azemar; Jose Kopniaeff; Eric Lenoir
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Priority date: 1994-03-01
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2015-03-01
Also published as: FR2716898A1; EP0670190A1; EP0670190B1; DE69516566D1; FR2716898B1; ES2146294T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gußform für Aluminiumlegierungen, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Der Kokillenguß (das heißt Guß mittels einer Form aus Metall) bildet ein erprobtes und in technologischer Hinsicht auf dem neuesten Stand befindliches Verfahren, besonders für den Guß von Aluminium-Siliziumlegierungen.
Um die Wände der Form vor Wechselwirkungen zwischen einerseits der flüssigen Legierung und andererseits dem Stahl oder dem Gußeisen, der bzw. das die Form bildet, zu schützen, überzieht man herkömmlicherweise die genannten Wände mit einer Schicht aus feuerfestem Material.
Dieser Überzug wird üblicherweise durch "Schlichteauftrag" hergestellt, daß heißt durch Aufbringen (mit dem Pinsel oder unter Verwendung einer Spritzpistole) einer in Lösung befindlichen Suspension, wobei die so überzogene Form dann in der Gegend von 300ºC getrocknet wird, um die Lösungsmittel auszutreiben.
Diese feuerfeste Schicht hat mehrere Funktionen.
Sie gestattet es, die Verzinnung zu vermeiden, das heißt das Ankleben der flüssigen Legierung auf den Wänden der Form.
Sie stellt die Schmierung der Form sicher und gestattet es, deren Oberflächenfehler zu verringern (übermäßige Aufrauhung, Kerben, Warmrisse, Montageverbindungen und so weiter).
Außerdem erleichtert sie durch ihre "Bröckeligkeit" das Ausformen: irgendwelche Körnchen an der Oberfläche der Form werden bei jeder Entnahme eines gegossenen Stücks ausgebrochen, ohne in irgendeiner Weise diese Oberfläche merklich zu ändern.
Dieser feuerfeste Überzug schützt auch die Kokille und vermeidet so ihre vorzeitige Zerstörung.
Insbesondere bildet dieser Überzug eine Übergangsfläche zwischen der Form und der flüssigen Legierung, die die Wechselwirkungen minimiert.
Sie bildet auch eine Wärmesperre, die die maximale Temperatur absenkt, die an der Oberfläche der Form erreicht wird, und verlängert so die Lebensdauer der Form.
Außerdem stellt ein solcher Überzug gewisse Wärmeaustauschvorgänge sicher und nimmt an der Beherrschung der gesteuerten Verfestigung teil.
Es sind jedoch der Zusammenhalt und die Rauhigkeit der Verkleidungen, die durch Schlichteauftrag hergestellt werden, derart, daß sich diese Überzüge fortlaufend während der Herstellungszyklen von Gußstücken abnutzen.
Wegen dieser Tatsache ist die Technik des Schlichteauftrags kostspielig. Sie erfordert insbesondere regelmäßig die Stilllegung und den Ausbau der Formen. Der Schlichteauftrag hat somit eine nicht vernachlässigbare Auswirkung auf den Gestehungspreis der Stücke.
Ein Ziel der Erfindung ist es demnach, eine Gußform für Aluminiumlegierungen vorzuschlagen, die einen ständigen feuerfesten Überzug aufweist, das heißt deren Lebensdauer in Bezug auf solche, die durch Schlichteauftrag erhalten wurden, erheblich gesteigert ist.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die Überzüge, die herkömmlich durch Schlichteauftrag hergestellt wurden, durch Schichten auf der Grundlage von Y&sub2;O&sub3; zu ersetzen. Man könnte sich mit Vorteil in dieser Hinsicht auf die Patentanmeldung EP 252 862 beziehen.
Diese Schutzschichten werden unmittelbar auf dem Stahl der Form aufgebracht, und es erweist sich, daß sie im Laufe der Zeit eine wenig befriedigende Haltbarkeit haben. Wegen der Tatsache des erheblichen Unterschieds zwischen ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem des Substrats, auf das sie aufgetragen sind, nutzen sie sich rasch ab.
Das Dokument EP A 0 212 157 beschreibt eine Gußform zur Herstellung von Bleigittern, die ein Metallsubstrat aufweist, das mit einer Schutzschicht verkleidet ist, wobei diese. Schicht einen feuerfesten, keramischen Überzug darbietet, sowie eine Verankerungs-Unterschicht auf der Grundlage einer Legierung aus Chrom, Kobalt und Nickel, die zwischen dem feuerfesten, keramischen Überzug und dem Substrat aus Metall angeordnet ist.
Während eines Gußzyklus wird eine Gußform für Aluminiumlegierungen hohen Wärmeunterschieden unterzogen. Vor dem Gußvorgang wird sie durch Brenner derart erhitzt, daß sie auf einer Temperatur in der Größenordnung von 350ºC gehalten wird. Dann wird im Fall von Aluminiumlegierungen die Legierung bei einer Temperatur eingegossen, die in der Größenordnung von 680ºC liegt. Die Temperaturen der Wände der Form ändern sich demnach zwischen 350ºC und 680ºC jedesmal, wenn ein Stück gegossen wird, wobei die Folge von Gußvorgängen einen Takt von einem Gußvorgang alle fünf Minuten erreichen kann. Diese Wärmeunterschiede zwischen dem Substrat und seinem Überzug induzieren Unterschiede in der Wärmeausdehnung, die durch ihre Wiederholung den genannten Überzug zerstören.
Um dieses technische Problem zu lösen, schlägt die Erfindung eine Gußform für Aluminiumlegierungen mit einem metallischen Substrat vor, das mit einer Schutzschicht verkleidet ist, wobei die genannte Schicht einen Überzug aus einem feuerfesten Material aufweist, das gegenüber dem Gußmetall inert ist, sowie eine Verankerungs-Unterschicht, die zwischen dem Überzug und dem Substrat angeordnet ist, wobei der Überzug aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Mullit, Yttriumoxid und MgO-Al&sub2;O&sub3;-Mischungen, wie den Spinell umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungsschicht eine Legierung aus Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium ist.
Die Erfindung schlägt auch ein Verfahren zu ihrer Herstellung vor.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden sich noch aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben. Diese Beschreibung ist rein darstellend und nicht einschränkend. Sie muß in Hinblick auf die einzige, beigefügte Figur (Fig. 1) gelesen werden, in der schematisch und im Schnitt eine herausgebrochene Einzelheit einer erfindungsgemäßen Form dargestellt ist.
Die in dieser Figur dargestellte Form 1 weist ein Substrat 2 sowie einen Überzug 3 auf. Zwischen dem Substrat 2 und dem Überzug 3 ist eine Zwischenschicht 4 angeordnet.
Das Substrat 2 ist beispielsweise aus einem Stahl Z38CDV05 hergestellt, wobei dieser Stahl herkömmlicherweise zur Herstellung von Gußformen verwendet wird und eine gute Beständigkeit gegenüber Wärmeschocks aufweist.
Das Material des feuerfesten Überzugs 3 ist wegen seiner isolierenden, feuerfesten und gegenüber den Gußlegierungen inerten Qualitäten gewählt. So widersteht es der chemischen Aggressivität der Gußlegierungen und gestattet es, eine Verzinnung zu vermeiden.
Der Überzug 3 ist aus einem Material hergestellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die die folgenden Stoffe umfaßt:
- Yttriumoxid Y&sub2;O&sub3;,
- Mullit mit der Zusammensetzung 3Al&sub2;O&sub3; - 2SiO&sub2;,
- Mischungen MgO - Al&sub2;O&sub3;, und unter diesen besonders der Spinell mit der Zusammensetzung Mg Al&sub2;O&sub4;.
Die Zwischenschicht 4 bildet für den feuerfesten Überzug 3 eine Verankerungs-Unterschicht. Sie besteht aus einem Material, das derart ausgewählt ist, daß der genannte, feuerfeste Überzug 3 während der Abformzyklen durch den Unterschied der Wärmeausdehnung mit dem Substrat 2 nicht Schaden nimmt.
Diese Verankerungs-Unterschicht 4 ist aus einer Legierung von Ni Cr Al Y (Nickel Chrom Aluminium Yttrium), zum Beispiel mit den folgenden Gewichts-Prozentsätzen: 67% Ni, 22% Cr, 10% Al, 1% Y; sie hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem des Substrates 2 und gestattet eine gute Verankerung des feuerfesten Überzugs 3.
Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Stahles des Substrats 2 und der verschiedenen, oben genannten Bestandteile für die Unterschicht 4 und die Verkleidung 3 sind die folgenden: (in m/mK)
Z38CDV5: zwischen 12, 6 und 13,2 10&supmin;&sup6;
Mullit: 5 · 10&supmin;&sup6;
Al&sub2;O&sub3; : 8 · 10&supmin;&sup6;
MgO: 12 bis 16 · 10&supmin;&sup6;
Spinell: 8,3 · 10&supmin;&sup6;
Y&sub2;O&sub3; : 8 · 10&supmin;&sup6;
Ni Cr Al Y: 15,2 · 10&supmin;&sup6; (in der obigen Zusammensetzung)
Als nichteinschränkendes Beispiel kann die Dicke der Unterschicht 4 aus einer Legierung aus Ni Cr Al Y zwischen 0,02 und 0,2 mm liegen, die des Überzugs 3 zwischen 0,01 und 0,11 mm, wenn sie aus Aluminium-Magnesium ist, und insbesondere zwischen 0,01 und 0,03 mm, wenn sie aus Spinell ist.
Der Zusammenhalt, die Rauhigkeit und die Dauerhaftigkeit der so hergestellten Schutzschicht, die so durch den Überzug 3 und die Verankerungs-Unterschicht 4 gebildet sind, sind derart, daß man keine Verschlechterung der Oberfläche der Form beobachtet, verglichen, mit der, die auf einer Form beobachtet wird, auf der in herkömmlicher Weise Schlichte aufgetragen wurde. Die besten Ergebnisse werden mit Überzügen 3 aus Spinell erhalten.
Man wird vermerken, daß es die gute Beständigkeit des Überzugs 3 gegenüber Aluminiumlegierungen gestattet, darauf abzuzielen, Stähle mit einer weniger guten Qualität als den Stahl Z38CDV05 zu benutzen, um das Substrat 2 der Form 1 herzustellen.
Das Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung einer Form 1 nach der Art wie diese, die gerade beschrieben wurde, weist die folgenden Schritte auf:
a) Vorbereitung der Oberfläche des metallischen Substrats 2;
b) Aufbringung der Verankerungs-Unterschicht 4; und
c) Aufbringung des feuerfesten Überzugs 3.
Eine überaus sorgfältige Vorbereitung des Substrats 2 ist notwendig, um von dessen Oberfläche eine gegebenenfalls vorhandene Oxiodschicht zu entfernen und Aufrauhungen zu erzeugen, die das Anhaften der Verankerungs-Unterschicht 4 begünstigen. Diese Vorbereitung der zu überziehenden Oberfäche besteht vorteilhafterweise im Korundschleifen, das heißt im Aufschleudern (Sandstrahlen) von Korund (kristallisiertes Aluminiumoxid) auf die Oberfläche des Substrats 2.
Der Vorgang des Korundschleifens wird mit einer Maschine mit numerischer Steuerung durchgeführt. Der Oberflächenzustand, der für die zu überziehenden Teile erhalten wurde, insbesondere ihre Rauhigkeit, wird dadurch in sehr genauer Weise herbeigeführt, daß man den Abstand zwischen der Sandstrahldüse und dem zu überziehenden Teil einreguliert, und daß man auf den Auftreffwinkel einwirkt, in dem die Korundpartikel auf das Teil aufgeschleudert werden.
Die Qualität dieser Vorbereitung ist vorrangig für das erfindungsgemäße Verfahren, da sie ja die mechanische Verankerung der Aufträge auf dem Substrat 2 bedingt.
Diese Vorbereitung wird bevorzugt unmittelbar vor den Vorgängen des Auftrags der Verankerungs-Unterschicht 4 und des feuerfesten Überzugs 3 durchgeführt, um dem überzogenen Teil nicht Zeit zu geben, zu oxidieren oder zu verschmutzen.
Nach einer möglichen, vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung werden die Vorgänge des Auftrags durch thermisches Aufschleudern mit einem Plasmabrenner vorgenommen.
Der Plasmabrenner wird durch einen Roboter bedient und durch einen programmierbaren Automaten gesteuert, was die Reproduzierbarkeit der Vorgänge gestattet.
In einer Variante kann der Auftrag gleichermaßen auch durch Benutzung eines Sauerstoff/Azetylenbrenners hergestellt werden. Das aufzutragende Material wird auf das Substrat 2 in Form eines Bandes oder Pulvers aufgelegt, und das genannte Substrat 2 wird auf eine hohe Temperatur (in der Größenordnung von 600ºC oder darüber) gebracht, um auf diese Weise die chemischen Bindungen zwischen der Verankerungs-Unterschicht 4 und dem Substrat 2 zu begünstigen.
Die selbe Sorgfalt muß auf die Vorbereitung des Substrats 2 durch Korundbehandlung verwandt werden, während die Vorgänge des Auftrags nach der Vorbereitung des genannten Substrats 2 ebenfalls rasch durchgeführt werden.
Die überzeugendsten Ergebnisse wurden mit dem Plasmabrenner erreicht.
In einer weiteren Variante kann der jeweilige Auftrag der Verankerungs-Unterschicht 4 und des Überzugs 3 mit einem Plasmabrennet auf einem Substrat 2 durchgeführt werden, das auf eine hohe Temperatur (in der Größenordnung von 600ºC oder darüber) gebracht wurde.

Die Erfindung gestattet:

- wesentliche Einsparungen bei den Kosten der Herstellung der aus Aluminium im Kokillenguß erzeugten Teile,
- eine weniger bedeutende Ausstattung in der Zahl der Formen, um die Herstellung eines gegebenen Teils sicherzustellen, und zwar wegen der Tatsache des Wegfalls des Schlichteauftrags (heute: 8 Formen in der Fertigung bei 2 Formen beim Schlichteauftrag), was sich in einer Verringerung der Investitionen auswirkt, um die Gußstücke herzustellen;
- eine Minderung der Masse der erzeugten Teile infolge der möglichen Verringerung der Freiwinkel, die zum Herausziehen des Teils aus der Form nötig sind, wobei die mit Schlichte behandelten Formen ihrerseits erhebliche Freiwinkel erfordern, um auf diese Weise die rasche Verschlechterung des Schlichteauftrags bei jedem Ausformen eines Teils zu vermeiden;
- die Verwendung weniger teuerer Materialien als die, die gegenwärtig verwendet werden, um Formteile herzustellen, und zwar infolge der Beständigkeit der Aufträge.
Die Erfindung wurde für das Vergießen von Aluminiumlegierungen in der Kokille durch Schwerkrafteinwirkung beschrieben. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, daß sie sich in allgemeiner Weise auf jeglichen Kokillenguß richtet, und besonders auf den Kokillenguß unter Hochdruck oder unter Niederdruck.
Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist die Herstellung von Teilen für Kraftfahrzeuge.

Claims

1. Gußform für Aluminiumlegierungen mit einem metallischen Substrat (2), das mit einer Schutzschicht (3, 4) überzogen ist, wobei die Schicht einen Überzug (3) aus einem feuerfesten Material aufweist, das gegenüber dem Gußmetallinert ist, sowie eine Verankerungs-Unterschicht (4), die zwischen dem Überzug (3) und dem Substrat (2) angeordnet ist, wobei der Überzug (3) aus einem Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Mullit, Yttriumoxid und MgO-Al&sub2;O&sub3;- Mischungen, wie den Spinell, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungsschicht eine Legierung aus Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium ist.

2. Gußform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung die folgende, auf das Gewicht bezogene Zusammensetzung aufweist: 67% Nickel, 22% Chrom, 10% Aluminium und 1% Yttrium.

3. Verfahren zur Herstellung einer Form (T) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

a) Vorbereitung der Oberfläche des metallischem Substrats (2);

b) Aufbringung der Verankerungs-Unterschicht (4); und

c) Aufbringung des Überzugs (3).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) darin besteht, von der Oberfläche des Substrats (2) eine möglicherweise vorhandene Oxidschicht zu beseitigen und Aufrauhungen zu erzeugen, die das Aufbringender Verankerungs-Unterschicht (4) erleichtern.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) einen Arbeitsgang des Sandstrahlens der Oberfläche des Substrats (2) mit Korundpartikeln umfaßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b) und c) nach dem Schritt a) ausreichend schnell durchgeführt werden, daß das Substrat (2) nicht die Zeit hat, zu oxidieren.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b) und/oder c) mit Hilfe einer Plasmabrennervorrichtung durchgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner auf einem Roboter angebracht ist und durch einen Automaten gesteuert wird, der programmierbar ist, um · wiederholte Aufbringungen zu erzielen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es einen ergänzenden Schritt d) aufweist, der nach dem Schritt a) und vor dem Schritt b) durchgeführt wird und der darin besteht, das Substrat (2) auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um eine chemische Verbindung zwischen dem Substrat (2) und der Verankerungs- Unterschicht (4) zu fördern.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Temperatur größer als oder gleich 600ºC ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt b) und/oder der Schritt c) mit Hilfe einer Vorrichtung wie eines Sauerstoffacetylenbrenners durchgeführt werden.