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Die
Erfindung betrifft ein verbessertes Metallströmungssystem zur Verwendung
bei der Herstellung von Druckgussteilen, die aus Magnesiumlegierungen
in einem geschmolzenen oder thixotropen Zustand hergestellt sind,
und das zur Verwendung bei bestehenden Maschinen in verschiedenen
Formen, einschließlich
Warm- und Kaltkammer-Druckgießmaschinen
geeignet ist.
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Überall in
der internationalen Druckgießbranche
hat sich die Meinung herausgebildet, dass es wegen der geringeren
Wärmekapazität von Magnesiumlegierungen
im Vergleich zu Zink- und Aluminiumlegierungen notwendig ist, große Eingusskanäle und Einläufe zu verwenden,
um ein vorzeitiges Erstarren des geschmolzenen Magnesiumlegierungsmetalles
zu verhindern. In der Tat wird dies von der Branche als die beste
Verfahrensweise angesehen, obgleich sich die Umsetzungen erheblich
voneinander unterscheiden.
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Innerhalb
der Branche gibt es viele verschiedene Konstruktionsverfahren, von
denen man meint, dass sie zufriedenstellende Gussteile aus Magnesiumlegierungen
liefern. Die mit diesen Verfahren erzeugten Magnesiumlegierungsdruckgussteile
weisen jedoch im allgemeinen einen höheren Grad an Oberflächenschäden im Vergleich
zu Zink- oder Aluminiumdruckgussteilen auf, obgleich die Druckgussteile
eine brauchbare Qualität
haben können.
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Die
EP-A-799901 offenbart das Spritzgießen von einer teilerstarrten
Magnesiumlegierung. Die teilerstarrte Legierung wird durch Teilschmelzen
von Teilchen oder Pellets der Legierung in einer Warmkammer, während die
Legierung den von einer Schraube aufgebrachten Scherkräften unterworfen ist,
erhalten.
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Wir
haben herausgefunden, dass es möglich ist,
hochqualitative Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen unter Verwendung
der Erfindung herzustellen. Die auf diese Weise hergestellten Gussteile können eine
Qualität
haben, die mit derjenigen vergleichbar ist, die mit Gussteilen aus
Aluminium- oder Zinklegierungen erhältlich ist. Außerdem haben
wir herausgefunden, dass die Gussqualität durch die Verwendung von
Metallströmungssystemen,
die Eingusskanäle
und Einläufe
haben, die im Vergleich zu der gegenwärtigen besten Verfahrensweise
klein sind, erhöht
werden kann. Die erfindungsgemäßen Metallströmungssysteme
ermöglichen
eine erhebliche Verbesserung der Gussausbringung; d.h., des prozentualen
Verhältnisses
des Gussgewichtes zu den gesamten Schussgewichten. Somit kann das Gewicht
des rückzuführenden
und wiederaufzubereitenden Metalles erheblich verringert werden,
wodurch sich eine Verringerung der Produktionskosten ergibt.
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Die
Erfindung ermöglicht
ein Verfahren zum Berechnen von Metallströmungssystemen für die Herstellung
von Magnesiumlegierungsgussteilen, die eine verbesserte Qualität aufweisen,
und mit erheblich weniger Metall in den Zuführsystemen, woraus sich eine
Verringerung der Kosten im Vergleich zu bekannten Verfahrensweisen
ergibt.
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Die
Erfindung schafft ein Metallströmungssystem
zur Verwendung beim Druckgießen
von einer Magnesiumlegierung in einem teilerstarrten oder thixotropen
Zustand, wobei eine Druckgießmaschine verwendet
wird, die eine Zufuhr der Legierung in einem geschmolzenen Zustand
und eine Form oder Druckgießform
hat, die einen Druckgießformhohlraum
begrenzt, wobei das System eine Druckgießform- oder Formwerkzeugeinrichtung
enthält,
die mindestens einen Eingusskanal des Systems begrenzt, in dem die
geschmolzene Magnesiumlegierung zur Einspritzung der Legierung in
den Druckgießformhohlraum
aufgenommen werden kann, wobei das Strömungssystem von einer Form
ist, die die Steuerung von darin auftretenden Metallströmungsgeschwindigkeiten
vorsieht, wodurch im wesentlichen das gesamte Metall, das überall in
dem Druckgießformhohlraum
strömt,
in einem teilerstarrten Zustand ist, und die besagte Form aus dem
System resultiert, das mindestens einen Bereich mit kontrollierter
Ausdehnung enthält,
in dem sich der Metallstrom seitwärts bezüglich seiner Einspritzrichtung
ausbreiten kann, wobei sich eine Verringerung seiner Strömungsgeschwindigkeit
relativ zu seiner Geschwindigkeit in dem Eingusskanal ergibt, wodurch
der Zustand der Legierung von dem besagten geschmolzenen Zustand
in den besagten teilerstarrten Zustand geändert wird.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen eines Gussteiles
aus einer Magnesiumlegierung bereit, bei dem die Magnesiumlegierung
in einem teilerstarrten oder thixotropen Zustand gegossen wird,
wobei eine Druckgießmaschine
verwendet wird, die eine Zufuhr der Legierung in einem geschmolzenen
Zustand und eine Form oder Druckgießform hat, die einen Druckgießformhohlraum
begrenzt, und wobei ein Metallströmungssystem verwendet wird,
das eine Druckgießform-
oder Formwerkzeugeinrichtung enthält, die mindestens einen Eingusskanal
des Systems begrenzt, in dem die geschmolzene Magnesiumlegierung
von der Quelle aufgenommen wird und von dem aus die Legierung in
den Druckgießformhohlraum
eingespritzt wird, und wobei die Legierungsströmungsgeschwindigkeiten in dem
System gesteuert werden, wodurch im wesentlichen die gesamte Legierung,
die überall
durch den Druckgießformhohlraum
strömt,
in einem teilerstarrten Zustand ist, und wobei das Steuern die Maßnahme beinhaltet,
die Legierung von dem Eingusskanal durch einen Bereich mit kontrollierter
Ausdehnung strömen
zu lassen, wodurch sich der Metallstrom in diesem Bereich seitwärts bezüglich seiner
Einspritzrichtung ausbreitet, wobei sich eine Verringerung seiner
Strömungsgeschwindigkeit
relativ zu seiner Geschwindigkeit in dem Eingusskanal ergibt, wodurch der
Zustand der Legierung von dem besagten geschmolzenen Zustand in
den besagten teilerstarrten Zustand geändert wird.
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Unsere
Ergebnisse zeigen, dass mit dem Erreichen eines teilerstarrten Zustandes
das Befüllen des
Druckgießformhohlraumes
durch teilerstarrte Metallfronten, die sich von einem Einlauf oder
einer anderen Einspritzstelle weg bewegen, fortschreitend ablaufen
kann. Diese Form der Befüllung
mit einer Magnesiumlegierung ist eine bedeutende Abkehr von der
hochkomplizierten flüssigen
Randfüllung
mit einer darauf folgenden Hinterfüllung, der man beim Druckgießen von
Aluminium- oder Zinklegierungen begegnet und die zuerst von Frommer
1932 beschrieben wurde (siehe den Bezugstext "Die Casting" von H. H. Doehler, veröffentlicht
1991 durch McGraw-Hill Publishing, Inc.).
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Erfindungsgemäß geht der
Magnesiumlegierungsstrom vom Eingusskanal über mindestens einen Bereich
mit kontrollierter Ausdehnung des Metallströmungssystems, wobei sich in
dem Bereich der Metallstrom seitwärts bezüglich seiner Einspritzrichtung
ausbreiten kann, wobei sich eine Verringerung seiner Strömungsgeschwindigkeit
relativ zu seiner Geschwindigkeit in dem Eingusskanal ergibt. Bei
einer bevorzugten Anordnung umfasst der Bereich mit kontrollierter
Ausdehnung des Strömungssystems
einen Einlauf, durch den das Metall vom Eingusskanal zum Druckgießformhohlraum
strömt.
Bei dieser bevorzugten Anordnung sind der Einlauf und der Eingusskanal
derart gestaltet, dass eine wirksame Querschnittsfläche des
Stromes durch den Einlauf eine wirksame Querschnittsfläche des
Stromes durch den Eingusskanal übertrifft,
wodurch die Legierung eine Geschwindigkeit durch die wirksame Querschnittsfläche des
Stromes durch den Eingusskanal hat, die die Geschwindigkeit durch
den Einlauf übertrifft.
Dies steht der gegenwärtigen
empfohlenen Verfahrensweise entgegen.
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Wie
man zu schätzen
wissen wird, zeigt das Seitwärtsausbreiten
des Metallstromes in dem Bereich mit kontrollierter Ausdehnung,
das eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit
in diesem Bereich relativ zu der Strömungsgeschwindigkeit in dem Eingusskanal
ergibt, eine Zunahme der Querschnittsfläche des Legierungsstromes in
dem Bereich mit kontrollierter Ausdehnung relativ zu der Querschnittsfläche des
Legierungsstromes in dem Eingusskanal an. Somit muss man in diesem
Zusammenhang verstehen, dass ein "Einlauf" eine Öffnung ist, die sich von einem
Einlauf unterscheidet, wie er bei früher verwendeten Druckgießanordnungen
verwendet wird. Wie es verstanden wird, ist ein Einlauf bei den
früher
verwendeten Anordnungen eine Öffnung
von einem Eingusskanal zu einem Druckgießformhohlraum, deren Querschnittsfläche geringer
als die Querschnittsfläche
seines Eingusskanals ist, und die daher eine Einschnürung des
dort hindurch gehenden Legierungsstromes bewirkt, derart, dass die Legierungsströmungsgeschwindigkeit
durch den Einlauf relativ zu seiner Strömungsgeschwindigkeit in seinem
Eingusskanal höher
ist. Dagegen schafft ein Einlauf des erfindungsgemäßen Metallströmungssystems
keine Einschnürung
gegenüber
der Legierungsströmung
durch den Eingusskanal.
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Wie
hier später
genau angegeben ist, kann der Bereich mit kontrollierter Ausdehnung
bei einer Form der Erfindung ein Auslassende haben, das direkt in
den Druckgießformhohlraum
mündet,
wobei in diesem Fall das Auslassende hier als Einlauf bezeichnet
wird (wenn es auch einer ist, der den angegebenen Unterschied zu
einem Einlauf der früher verwendeten
Anordnungen hat). Wie auch hier später genauer beschrieben werden
wird, kann der Bereich mit kontrollierter Ausdehnung bei einer weiteren Form
der Erfindung jedoch mindestens zum Teil von dem und in dem Druckgießformhohlraum
gebildet sein. Bei dieser weiteren Form kann der Einlauf zwischen
den Enden des Bereichs mit kontrollierter Ausdehnung oder sogar
an dem Einlassende dieses Bereichs sein, derart, dass der Einlauf
wieder keine Einschnürung
gegenüber
der Legierungsströmung durch
den Eingusskanal darstellt. Bei einer Variante der ersten Form kann
das Auslassende des Bereichs mit kontrollierter Ausdehnung mit dem
Druckgießformhohlraum
durch einen Nebeneingusskanal in Verbindung stehen, und der Nebeneingusskanal kann
in den Druckgießformhohlraum
durch einen Einlauf hindurch münden,
der keine Einschnürung der
Legierungsströmung
bewirkt. In allen Fällen
hat der Bereich mit kontrollierter Ausdehnung die Aufgabe, eine Änderung
der Legierung von einem geschmolzenen Zustand in einen teilerstarrten
Zustand zu bewirken, und bei der Variante der ersten Form wird diese
Zustandsänderung
durch die Bereitstellung eines einschnürenden Einlaufs nicht umgekehrt.
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Bei
dieser bevorzugten Anordnung gemäß der ersten
Form der Erfindung übertrifft
die Querschnittsfläche
der Strömung
durch den Einlauf hindurch vorzugsweise die wirksame Querschnittsfläche der
Strömung
durch den Eingusskanal hindurch um ein Maß, das für ein Verhältnis von diesen Flächen im Bereich
von ungefähr
2:1 bis 4:1 sorgt.
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Die
wirksame Querschnittsfläche
der Strömung
durch den Eingusskanal hindurch kann über die gesamte Längsausdehnung
des Eingusskanals hinweg vorherrschen. Die wirksame Fläche kann aber
auch nur über
einen Teil dieser Längsausdehnung
vorherrschen. Somit kann in dem letzteren Fall eine größere Querschnittsfläche der
Strömung
durch den Eingusskanal hindurch stromauf des Teiles seiner Längsaudehnung
sein, in dem die wirksame Querschnittsfläche der Strömung vorherrscht.
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Bei
einer alternativen Anordnung gemäß der ersten
Form der Erfindung ist der Bereich mit kontrollierter Ausdehnung
zumindest zum Teil von dem Hohlraum und innerhalb des Hohlraumes
durch Flächen
begrenzt, die den Hohlraum angrenzend an die Stelle begrenzen, an
der das Metall in den Hohlraum eintritt. Bei dieser alternativen
Anordnung kann an dieser Stelle ein Einlauf sein, durch den Metall
von dem Eingusskanal zu dem Hohlraum strömt. In diesem Fall muß der Einlauf
keinen Bereich mit kontrollierter Ausdehnung begrenzen, weil er
einen größeren wirksamen
Querschnitt als der Eingusskanal hat, und der Einlauf kann einfach
das Auslassende des Eingusskanals an dem Hohlraum umfassen. Der
Einlauf kann jedoch einen Teil eines Bereichs mit kontrollierter
Ausdehnung begrenzen, von dem ein weiterer Teil von dem und in dem
Druckgießformhohlraum
begrenzt wird.
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Die
alternative Anordnung, bei der das Metallströmungssystem einen Bereich mit
kontrollierter Ausdehnung hat, der mindestens von dem und in dem
Druckgießformhohlraum
begrenzt wird, ist nicht für
alle Druckgießformhohlraumformen
geeignet. Auch ist der Erhalt eines solchen Bereichs von der Strömungsrichtung
abhängig,
wenn das Metall in den Hohlraum relativ zu den angrenzenden Flächen des Hohlraumes
eintritt. Im allgemeinen müssen
die Flächen
die Ausdehnung gestatten, während
sie sie kontrollieren, um in dem Hohlraum auf eine Art und Weise
zu funktionieren, die einem Einlauf ähnlich ist, der eine kontrollierte
Ausdehnung liefert. An sich kann ein eine kontrollierte Ausdehnung
aufweisender Bereich, der von dem Hohlraum begrenzt wird, als Pseudoeinlauf
betrachtet werden, und im großen
und ganzen ist ein im folgenden auftretender Verweis auf einen Einlauf
so zu verstehen, dass er sich sowohl auf einen wirklichen Einlauf
als auch einen solchen Pseudoeinlauf bezieht. Die Druckgießformhohlraumflächen, die
einen Pseudoeinlauf begrenzen, durch welchen Metall beim Eintritt
in den Hohlraum strömt, schließen aber
gewöhnlich
die Strömung
nicht auf allen Seiten ein, obgleich eine beträchtliche Einschließung wie
z.B. auf drei Seiten bevorzugt wird.
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Ein
Bereich mit kontrollierter Ausdehnung kann durch eine deutliche
stufenweise Vergrößerung des
Querschnittes von dem effektiven Querschnitt des Eingusskanals aus
erreicht werden. Es wird jedoch bevorzugt, dass der Bereich mit
kontrollierter Ausdehnung im Querschnitt fortschreitend in Richtung
der durch ihn gehenden Metallströmung
zunimmt. Wo somit der Ausdehnungsbereich durch einen wirklichen
Einlauf begrenzt ist, nimmt der Einlauf vorzugsweise im Querschnitt
auf einen maximalen Querschnitt zu, an dem der Einlauf mit dem Druckgießformhohlraum
in Verbindung steht.
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Die
Erfindung ist entweder auf das Warm- oder Kaltkammerdruckgießverfahren
anwendbar. In beiden Fällen
ermöglicht
die Erfindung sehr beträchtliche
Kosteneinsparungen bei der Herstellung von Magnesiumgussteilen,
wie hier später
erläutert
werden wird, da sie eine erhebliche Verbesserung im Gussaus bringen
ermöglicht.
Daher ist das Gewicht des Eingusskanal-/Eingussmetalles, das rückgeführt und
wiederaufbereitet werden muß,
erheblich reduziert, was von besonderer Bedeutung beim Gießen von
Magnesium auf Grund der beim Wiederaufbereiten erforderlichen Sorgfalt
ist.
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Das
Metallströmungssystem,
das durch die Erfindung bereitgestellt und bei einem erfindungsgemäßen Gießverfahren
verwendet wird, wird gewöhnlich
erheblich durch ein Druckgießform-
oder Formteil oder -werkzeug bereitgestellt, das einen Teil des Druckgießformhohlraumes
begrenzt. Es kann jedoch durch zusammenwirkende Teile oder Werkzeuge
wie bei herkömmlichen
Druckhohlraumformen und Druckgießformen gebildet werden.
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Das
erfindungsgemäße System
kann zur Verwendung beim Druckgießen mit einer gegebenen Maschine
angepaßt
werden. Mindestens wo dies der Fall bei dem System und dem Verfahren
nach der Erfindung ist, beträgt
die Geschwindigkeit des geschmolzenen Metalles durch den Eingusskanal
hindurch vorzugsweise ungefähr
150 m/s. Eine Abweichung von dieser Geschwindigkeit ist möglich, z.B. innerhalb
des Bereiches von ungefähr
140 bis 165 m/s. Die Geschwindigkeit muß jedoch nicht über die gesamte
Länge des
Eingusskanals vorherrschen, obgleich dies bei mindestens einigen
Formen der Erfindung bevorzugt ist. Vielmehr ist es ausreichend, wenn
die Geschwindigkeit über
einen Teil der Länge des
Eingusskanals erreicht wird, der einen geringeren effektiven Querschnitt
hat als er in anderen Teilen der Länge vorhanden ist.
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Die
Geschwindigkeit der Legierungsströmung durch den Bereich mit
kontrollierter Ausdehnung hindurch kann ungefähr 25 bis 50% geringer als die
Strömung
durch den Eingusskanal hindurch sein. In vielen Fällen wurde
festgestellt, dass die Metallgeschwindigkeit durch den Ausdehnungsbereich
hindurch sehr nahe an zwei Drittel derjenigen in dem Eingusskanal
ist. Somit ist bei einer Eingusskanalgeschwindigkeit von ungefähr 150 m/s
die Ausdehnungsbereichsgeschwindigkeit vorzugsweise ungefähr 100 m/s.
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Im
vorstehenden wird auf eine wirksame Querschnittsfläche der
Strömung
durch den Ausdehnungsbereich und durch den Eingusskanal im Unterschied
zu der physischen Querschnittsfläche
des Ausdehnungsbereichs und des Eingusskanals verwiesen. Dieser
Unterschied ist wichtig, wie durch die anfänglichen Experimente der ersten
Serie von Experimenten, die hier später beschrieben werden, widerspiegelt
wird. Diese anfänglichen
Experimente wurden mit großen
Eingusskanälen
und Einläufen
in Einklang mit der bekannten besten Verfahrensweise für das Gießen von
Magnesiumlegierungen und ähnlich
der Verfahrensweise für
das Gießen
von Aluminium- und Zinklegierungen durchgeführt. Der tatsächliche
Strömungsweg
in den Eingusskanälen
bei diesen anfänglichen
Experimenten ging durch einen zylindrischen Bereich, der in der
Querschnittsfläche
viel kleiner als die projektierte physische Querschnittsfläche des
Eingusskanals war. Die viel kleinere Fläche des Strömungsbereichs umfasste einen
etwas zusammengefassten Kern, in dem das geschmolzene Metall durch
die Eingusskanäle
hindurch strömte, und
der innerhalb einer Hülse
aus mindestens teilweise verfestigtem Metall mit einer erheblichen Wanddicke
war. Für
eine gegebene Eingusskanalquerschnittsfläche war die Querschnittsfläche des Strömungsbereichs
größer, wenn
die Druckgießform heiß war.
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Die
Bedeutung des Unterschieds, der zwischen einer wirksamen Strömungsquerschnittsfläche durch
einen Eingusskanal hindurch und der tatsächlichen oder projektierten
Querschnittsfläche
gemacht wird, ist bei einem Eingusskanal des erfindungsgemäßen Metallströmungssystems
weniger ausgeprägt als
bei der bekannten besten Verfahrensweise. In der Tat kann bei einer
begrenzten erfindungsgemäßen Situation
der Unterschied im wesentlichen eliminiert werden. Das heißt, dass
bei der begrenzten Situation der Eingusskanal eine relativ kleine
projektierte Querschnittsfläche
haben kann, die im wesentlichen die wirksame Querschnittsfläche der
Strömung
durch den Eingusskanal hindurch bildet. Um das Erreichen dieser
Situation zu erleichtern, kann ein stromaufwärtiger Teil der Länge des
Eingusskanals eines Warmkammersystems von einem aus einem geeigneten keramischen Material
gebildeten Teil begrenzt werden, das die Aufrechterhaltung eines
Temperaturzyklusses ermöglicht,
der die Erstarrung des Metalls an den Oberflächen des Teiles, die den Eingusskanal begrenzen,
unterbindet. Als Alternative dazu kann ein solcher stromaufwärtiger Teil
der Länge
des Eingusskanals eines Warmkammersystems oder für ein Kaltkammersystem von
einem Teil, das für
die Zirkulation eines Wärmetauschfluids
ausgebildet ist, oder durch Verwendung einer elektrischen Heizvorrichtung
gebildet werden, um die Aufrechterhaltung eines solchen Temperaturzyklusses
zu ermöglichen.
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Die
bekannten Verfahrensweisen haben große Eingusskanalsysteme notwendig
gemacht, die im allgemeinen Eingusskanäle mit einem größeren Querschnitt
als ihre Einläufe
haben, d.h. das umgekehrte von dem, das durch die Erfindung in Bezug
auf die Querschnitte des Eingusskanals und des Bereichs mit kontrollierter
Ausdehnung ermöglicht
wurde. Als eine Folge davon haben sie zu einer relativ großen Menge
an Eingusskanal-/Eingussmetall
für ein
gegebenes Gussteil und daher zu hohen Kosten bei der Rückführung und
Wiederaufbereitung des Eingusskanal-/Eingussmetalles geführt. Die
bekannten Verfahrensweisen haben im allgemeinen zu Eingusskanal-/Eingussmetall über 50%
des Gewichts des Gussteiles und über
100% in manchen Fällen
geführt.
Das heißt,
dass die Menge des Eingusskanal-/Eingussmetalles größer als
die des Gussteiles sein kann.
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Im
Gegensatz zu den bekannten Verfahrensweisen ermöglicht es die Erfindung, die
Menge des Eingusskanal-/Eingussmetalles erheblich zu reduzieren,
wie z.B. auf weniger als 30% des Gussteilgewichtes für Kaltkammermaschinen.
In vielen Fällen, insbesondere
bei Warmkammermaschinen ermöglicht
es die Erfindung, dass die Menge des Eingusskanal-/Eingussmetalles
weit unter diesem Niveau ist, z.B. nur auf ungefähr 5% oder sogar nur auf ungefähr 2%. Dies
ist natürlich
von einem bedeutsamen praktischen Nutzen, da die Kosten der Wiederaufbereitung
des rückgeführten Metalles
entsprechend verringert sind.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, die Menge des Eingusskanal-/Eingussmetalles
als direkte Folge der Verringerung des projektierten Querschnittes
des Eingusskanales erheblich zu reduzieren, wobei eine weitere Reduzierung
durch eine Verringerung der Eingusskanallänge möglich ist. Der projektierte Querschnitt
kann so verringert werden, dass er dem wirksamen Querschnitt der
Strömung
durch den Eingusskanal hindurch im wesentlichen entspricht. Der wirksame
Strömungsquerschnitt
muss aber nur über einen
Teil der Länge
des Eingusskanals wie z.B. entlang eines kleineren Teiles der Länge vorherrschen. Auch
der Teil der Länge
des Eingusskanals, der bei einem Gießvorgang verfestigt wird, kann
erheblich gekürzt
werden, um eine weitere Verringerung der Menge des Eingusskanal-/Eingussmetalles
zu erreichen.
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Die
Erfindung ermöglicht
das Erzielen von wichtigen Vorteilen über den Vorteil der Verringerung der
Wiederaufbereitungskosten hinaus. Dazu gehören eine erhebliche Verbesserung
der verwandten Parameter für
die Gussstückporosität und die
Oberflächengüte. Im Vergleich
zu Druckgussteilen aus Aluminium- oder
Zinklegierungen haben mit bekannten Verfahren hergestellte Magnesiumgussteile
gewöhnlich
eine minderwertige Oberflächengüte, was häufig der
Porosität
an oder nahe der Gussstückoberfläche zuschreibbar
ist. Die Erfindung ermöglicht es
jedoch, die Gussstückporosität erheblich
zu reduzieren, und ermöglicht
auch das Erzielen einer gleichmäßigen Oberflächengüte von guter
Qualität.
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Es
wird angenommen, dass ein gemeinsamer Faktor beim Verringern der
Menge des Eingusskanal-/Eingussmetalles, Verringern der Porosität und Verbessern
der Oberflächengüte das Erreichen
der von der Erfindung ermöglichten
Strömungsgeschwindigkeiten
des geschmolzenen Metalles ist. Mit diesen Geschwindigkeiten wird
angenommen, dass, abgesehen von einem Bereich des Druckgießformhohlraumes,
der an den Bereich mit kontrollierter Ausdehnung angrenzt, der Metallstrom
in dem Druckgießformhohlraum
eine Folge davon ist, dass das anfänglich geschmolzene Metall in
einem viskosen Zustand ist. Somit ist die Strömung in der Druckgießform wie von
einer teilerstarrten Frontenbefüllung,
wobei der prozentuale Anteil der Feststoffe in dem strömenden Metall
während
der Befüllung
des Formhohlraumes relativ konstant bleibt. Das heißt, dass
die Befüllung des
Formhohlraumes durch teilerstarrte Fronten, die sich von dem Bereich
mit kontrollierter Ausdehnung wegbewegen, voranzugehen scheint und
im Gegensatz zu der hochkomplizierten Randbefüllung und Hinterfüllung steht,
auf die man beim Gießen
von Aluminium- oder
Zinklegierungen trifft.
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Die
Erfindung, wie sie hier genau beschrieben ist, basiert auf einer
Reihe von Experimenten. Eine erste Folge der Experimente war darauf
gerichtet, ein besseres Verständnis
des Strömungs- und Erstarrungsmechanismus
von Magnesiumlegierungen zu erhalten. Genauer ausgedrückt sollte
mit den Experimenten festgestellt werden, ob Verbesserungen der
Oberflächengüte und der
Porositätsgrade
durch Ändern
und/oder Steuern der physikalischen Parameter für bestimmte Gussteile erhalten
werden können.
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Einige
der Anfangsexperimente dieser ersten Folge machten von der "Kurzschuss"-technik Gebrauch,
um ein Verständnis
der Strömungsmuster
zu gewinnen. Diese Experimente führten
zu der Erkennung von zwei Strömungssystemen
innerhalb des Hohlraumes, die immer einen Bereich schlechter Endqualität zwischen
sich ergaben. Das Strömungsmuster
war anders als irgendeines, das man beim Zink- oder Aluminiumdruckgießen gesehen
hat. Eine Prüfung
der Mikrostruktur zeigte dass:
- • die Strömung in
dem Eingusskanal durch einen zylindrischen Bereich hindurch war,
der viel kleiner im Querschnitt als der projektierte physische Eingusskanalquerschnitt
war. Dies wurde auch in solchen Teilen des Gussstückes festgestellt,
in denen die Strömung
in einer Richtung war.
- • der
prozentuale Anteil an Feststoffen in den Magnesiumslegierungsgussteilen,
(wie durch Dendrite mit einem großen Dendritenarmabstand demonstriert
wird) ungefähr
50% betrug.
- • die
Mikrostruktur der Magnesiumlegierungsgussteile in der Nähe des Einlaufes
verschieden war von der, die im Abstand von 50 mm bis 300 mm von
dem Einlauf beobachtet wurde.
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Die
Ergebnisse dieser Anfangsexperimente scheinen nahezulegen, dass
das Metall in dem Eingusskanal teilweise erstarrte und sich dann
wie ein teilerstarrtes Teil innerhalb des Hohlraumes mit dem zugehörigen viskosen
Verhalten verhielt. Das erste Metall, das sich in dem Eingusskanal
(die Front) entlang bewegte, schien in einem flüssigen Zustand in den Hohlraum
eingetreten zu sein, und daher könnte dies
die verschiedenen Mikrostrukturen, die erhalten wurden, und die
quer durch das Gussteil vorzufindende im wesentlichen gemeinsame
Stelle des Übergangs
zwischen diesen verschiedenen Strömungsbedingungen erklären.
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Bei
späteren
Experimenten der ersten Folge führten Änderungen
in der Form der Eingusskanäle und
der Einläufe
innerhalb der traditionellen Einlaufphilosophie zu marginal besseren
Gussteilen, während
große Änderungen
in Einklang mit dieser Philosophie erwartet wurden. Der Bereich
und die Stelle einer schlechten Oberflächengüte blieben jedoch im wesentlichen
unverändert.
Eine radikale Änderung bei
einem einzelnen konischen tangentialen Eingusskanal erzeugte ein äußerst gutes
Ergebnis, wenn man die Qualität
des Gussteiles betrachtet, aber das Verhältnis von Produkt zu Eingusskanal/Einguss
war nicht akzeptabel. Das allgemeine Niveau des Verständnisses
des Strömungsverhaltens
war an dieser Stelle äußerst begrenzt.
Was jedoch augenscheinlich war, ist dass Magnesiumlegierungen sich
erheblich anders verhalten als Zink- und Aluminiumlegierungen.
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Eine
zweite Folge von Experimenten wurde mit einer Anzahl von verschiedenen
Druckgießformen
und Gießmaschinen
durchgeführt,
um zu versuchen festzustellen, ob der Unterschied im Verhalten auf
die Thixotropie zurückzuführen ist.
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Die
Experimente erfassten verschiedene Gussteilgrößen, die im Bereich von 15
g bis 15 kg lagen, und wurden sowohl auf Warmals auch Kaltkammermaschinen
durchgeführt.
Bei einem der Experimente mit einem sehr langen Gussteil (ungefähr 2 m),
das eine Reihe von offenen Enden aufweisende Kästen umfaßte, wurde das Gussteil entlang
der langen Kante in einer Kaltkammermaschine bewegt. Zwei große Eingusskanäle vom Einlauf
her speisten lange halbverjüngte
Eingusskanäle.
Wir behaupteten, dass wenn das Metall in einem thixotropen Zustand
in dem Hohlraum war, es dann möglich
sein sollte, das Gussteil auf Grund der viskosen Erwärmung von
einem Ende her zu füllen.
Um dies zu beweisen, wurde ein Teil eines zuvor gegossenen Eingusskanals
in der Druckgießform
ersetzt und somit der Metalleintritt in diejenige Hälfte des
Formhohlraumes wirksam blockiert. Daher mußte jegliches Metall in dem
Hohlraum angrenzend an den blockierten Eingusskanal von der nicht
blockierten Seite her eingetreten sein, wobei Strömungsentfernungen über 1 m erzeugt
wurden. Der Strömungsweg
in dem Hohlraum war äußerst kompliziert
und wies viele Richtungsänderungen
auf. Ohne Änderung
in den Maschineneinstellungen erzeugte das einseitige Zuführsystem
jedoch ein Gussteil, dessen Qualität an seinen Rändern besser
als bei denjenigen war, die mit vollständigen Eingusskanälen erzeugt
wurden. Die bedeutende Änderung,
die festgestellt wurde, war eine Zunahme der Metallgeschwindigkeit.
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Weitere
Experimente einer dritten Folge wurden mit einem Gussteil von 280 × 25 × 1 mm durchgeführt, das
in einer kleinen Warmkammermaschine hergestellt wurde und mit einem
langen dünnen
Eingusskanal und äußerst dünnen Einläufen mit
einer Tiefe von 0,15 mm gespeist wurde. Diese Experimente zeigten,
dass der Einlauf über
einen Großteil seiner
Länge schlimm
blockiert war, was zu Gussteilen schlechter Qualität führt. Der
Eingusskanal, der 220 mm lang in eine Richtung war, wurde auf eine wirksame
Länge von
100 mm durch Einschweißen
eines Stopfens 10 mm lang in den Eingusskanal verringert. Das sich
ergebende Gussteil war vollständig
gefüllt
und Metall strömte von
dem Hohlraum in den nicht versperrten Teil des Eingusskanals durch
den Einlauf von 0,15. Dies zeigte, dass die Legierung während der
gesamten Hohlraumbefüllung
in einem äußerst niedrigen
Viskositätszustand
war. Ähnliche Gussteile
aus zink- oder Aluminiumlegierungen würden nicht dieses Merkmal aufweisen.
Es sollte beachtet werden, dass die Maschine nur einen Druck von
14 MPa auf das Metall ausübte.
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Eine Überprüfung von
Magnesiumgussteilen, die durch die Verwendung von langen dünnen Einläufen gemäß der besten
Verfahrensweise erzeugt wurden, zeigt ausnahmslos, dass große Abschnitte
des Einlaufes tatsächlich
nicht funktionieren.
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Weitere
Experimente einer vierten Folge wurden in einem Bereich von Gussteilgrößen durchgeführt, aber
alle zeigten, dass sich die Qualität verbessert, wenn die Einläufe und
Eingusskanäle
in der Größe verringert
werden und die Metallgeschwindigkeit zunimmt. Eine Überprüfung der
Eingusskanalquerschnitte, die im Bereich von 1 × 1 mm bis 50 × 50 mm
lagen, von einer Anzahl von Gussteilen, die sowohl auf Warm- als
auch Kaltkammermaschinen erzeugt wurden, brachte in jedem Fall einen
zentralen kreisförmigen
Bereich zum Vorschein. Dieses Merkmal schien nicht von dem ursprünglichen
Querschnittsprofil beeinflusst zu sein. Für diesen Zustand vermutet man,
dass er den Bereich begrenzt, in dem eine Metallströmung während der
Hohlraumbefüllung auftritt,
und es wird angenommen, dass er der wirksame Strömungsquerschnitt ist. Dadurch
dass dieser Bereich in der Querschnittsfläche kleiner ist als der Eingusskanal
wie er ursprünglich
in die Druckgießform
geschnitten wurde, erreicht der Metallstrom eine erheblich höhere Geschwindigkeit.
Berechnungen, bei denen gemessene Metallströmungsgeschwindigkeiten verwendet
wurden, ergeben Werte für
Eingusskanalgeschwindigkeiten, die sich um 150 m/s herum häufen, wobei
Einlaufgeschwindigkeiten ungefähr
2/3 der Eingusskanalgeschwindigkeit sind. Einige Bereiche können in
Gussteilen gefunden werden, in denen eine Strömung in einer Richtung ist.
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Eine
fünfte
Folge von Experimenten betraf die Herstellung eines langen dicken
Gussteiles durch fortschreitend kleinere Einlaufabschnitte. Die
ursprüngliche
Einlauflänge
wurde von 120 mm auf 8 mm verringert und die Gussteile behielten
eine akzeptable Qualität.
Eine Mikroprüfung
der Gussteile zeigte, dass die Befüllung mit einer teilerstarrten Frontenbefüllung übereinstimmte
und der Anteil an Feststoffen während
der Befüllung
konstant über
das gesamte Teil blieb. Die Porosität war minimal.
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Damit
die Erfindung leichter verstanden werden kann, wird nun auf die
beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 eine
Schnittansicht ist, die einen Teil eines Druckgießsystems
für die
Herstellung von Türgriffen
aus einer Magnesiumlegierung gemäß der Erfindung
zeigt;
-
2 eine
Ansicht des Systems ist, die von der rechten Seite der 1 gemacht
ist;
-
3 1 entspricht,
aber eine Anordnung nach dem Stand der Technik zeigt;
-
4 eine
schematische Darstellung eines gegossenen Türhandgriffs mit anhaftendem
Eingusskanal-/Eingussmetall (nicht erfindungsgemäß) ist;
-
5 eine
schematische Darstellung eines experimentellen Metallströmungssystems
(nicht erfindungsgemäß) ist;
-
6 und 7 weitere
Anordnungen darstellen, die zur Verwendung entweder gemäß der Erfindung
oder nicht gemäß der Erfindung
geeignet sind;
-
8A das
Befüllen
eines Druckgießformhohlraumes
während
des Gießens
von einer Zink- oder Aluminiumlegierung, wie es traditionell verstanden
wird, schematisch darstellt;
-
8B das
Befüllen
eines Druckgießformhohlraumes
während
des Gießens
von einer Magnesiumlegierung beim Gebrauch der Erfindung schematisch
darstellt;
-
9A bis 9C die
Querschnittsform von typischen Eingusskanälen darstellen, wobei sie für jeden
den Querschnitt seines wirksamen Strömungskanals schematisch zeigen;
-
10 eine
Draufsicht auf eine Schale ist, die aus einer Magnesiumlegierung
gemäß der Erfindung
gegossen wurde;
-
11 eine
Querschnittsansicht der Schale von 10 und
eines Druckgießformwerkzeuges
ist, die entlang der Linie XI-XI von 10 gemacht
wurde;
-
12 bis 14 jeweils
experimentelle Metallströmungssysteme
(außerhalb
der Erfindung) darstellen;
-
15 eine
Querschnittsansicht einer für eine
Warmkammermaschine geeignete Druckgießform zur Verwendung in der
Erfindung ist; und
-
16 15 ähnlich ist,
aber ein abgewandeltes größeres Gussteil
zeigt, das mit der Druckgießform
von 15 unter Verwendung einer Kaltkammermaschine hergestellt
werden kann.
-
In
dem System 10 der 1 und 2 ist eine
Druckgießform 12 gezeigt,
die eine Anzahl von radial angeordneten Hohlräumen 14 (von denen
nur einer gezeigt ist) begrenzt, wobei in jedem von ihnen ein jeweiliger
Türgriff
etwa in der in 4 gezeigten Form, gegossen werden
kann. Die Druckgießform 12 hat
einen festen Teil 16 und einen beweglichen Teil 17 und
ist in ihrem geschlossenen Zustand gezeigt, aber ihre Teile 16, 17 können an
der Trennlinie P voneinander getrennt werden. Ein Stopfen 20,
der in den Druckgießformteil 17 eingebaut
ist, hat einen Auswerferzapfen 18, der darin verschiebbar
angeordnet ist; der Zapfen 18 und mindestens ein weiterer
Zapfen (nicht gezeigt) sind zum Auswerfen eines Gussteiles am Ende
eines jeden Betriebszyklusses ausfahrbar.
-
Gegenüber dem
Stopfen 20 enthält
der Druckgießformteil 16 eine
Büchse 22,
deren Bohrung 22A mit einer Hülse 24 ausgekleidet
ist. Während
die Büchse 22 ebenso
wie der Stopfen 20 aus einem geeigneten Stahl wie er z.B.
für die
Teile 16, 17 der Druckgießform 12 verwendet
wird, hergestellt ist, ist die Hülse 24 vorzugsweise
aus einem Werkstoff mit einer relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit,
wie z.B. teilstabilisiertes Zirkonium oder eine andere geeignete
Keramik hergestellt.
-
Die
aneinandergrenzenden Enden des Stopfens 20 und der Büchse 22 haben
eine sich ergänzende
Kegelstumpfform. Ihre Enden sind derart, dass wenn die Druckgießform 12 geschlossen
ist, der Stopfen 20 und die Büchse 22 eine Dichtung
zwischen den sich berührenden
entgegengesetzten Endflächen
erzielen. Die Endfläche
des Stopfens 20 begrenzt jedoch eine jeweilige Rille 21 für jeden Druckgießformhohlraum 14,
wobei die Rille 21 mit dem Ende der Büchse 22 zusammenwirkt,
um einen Eingusskanal 26 für diesen Hohlraum 14 zu
begrenzen. Der Eingusskanal 26 steht mit dem Hohlraum 14 über einen
Einlauf 28 in Verbindung.
-
Konzentrisch
innerhalb der Bohrung 22a der Büchse 22 begrenzt die
Hülse 24 eine
Bohrung 24a mit einem erheblich kleineren Querschnitt.
Außerdem
begrenzt das äußere Ende
der Büchse 22 eine sich
nach außen
erweiternde Erweiterung der Bohrung 22a, um ihren Eingriff
mit einer Düse 30 zu
ermöglichen.
Wie man zu schätzen
wissen wird, bildet die Düse 30 eine
Verlängerung
einer Gießhals-/Druckkolbenanordnung
(nicht gezeigt) eines Warmkammerdruckgießsystems, durch die geschmolzenes
Magnesium durch die Bohrung 24a hindurch zu dem Hohlraum 14, über den
Eingusskanal 26 und den Einlauf 28 eingespritzt
werden kann.
-
Nach
der Beendigung eines Gießzyklusses mit
der Anordnung der 1 und 2 erstarrt
eingespritztes Magnesium zurück
bis zu dem inneren Ende der Bohrung 24a der Hülse 24.
Somit wird nach dem Reduzieren des Gießdruckes während des Zyklusses geschmolzenes
Metall aus der Bohrung 24a durch die Düse 30 hindurch abgezogen.
-
Bei
der Anordnung der 1 und 2 kann die
Länge eines
jeden Eingusskanals 26 minimal sein. Auch kann jeder Eingusskanal
einen projektierten Querschnitt haben, der so klein ist wie der Querschnitt
der wirksamen Metallströmung
durch jeden Eingusskanal 26 hindurch. Ein innerer Endabschnitt
eines jeden Eingusskanals 26 wird von den Teilen 16, 17 der
Druckgießform 12 begrenzt.
Auf der Länge
dieses Abschnittes verringert der Eingusskanal 26 fortschreitend
seine Tiefe, er nimmt aber in der Breite zu, derart, dass der Einlauf 28 eine
schmale längliche
Form hat, die einen größeren Querschnitt als
derjenige Teil der Länge
des Eingusskanals 20 hat, der zwischen dem Stopfen 20 und
der Büchse 22 gebildet
ist.
-
Im
Gebrauch der Anordnung der 1 und 2 erfolgt
der Wärmeenergieentzug
für die
Verfestigung des Eingusskanal-/Eingussmetalles
durch Leitung an die Teile 16, 17 der Druckgießform 12 über den
Stopfen 20 und die Büchse 22.
Die relativ kurze Länge
und der kleine Querschnitt der Eingusskanäle 26 sind derart,
dass eine Kühlmittelzirkulation zum
Erreichen der Verfestigung möglicherweise
nicht notwendig ist. Trotz der relativ kurzen Länge des Eingusskanals 26 und
damit der Nähe
der Hülse 24 zu dem
Hohlraum 14 kann aber die Verfestigung des Metalles in
der Bohrung 24a durch die isolierende Wirkung der Keramik,
aus der die Hülse 24 hergestellt
ist, verhindert werden. Die Gesamtanordnung der 1 und 2 ist
derart, dass beim Gießen von
Magnesiumlegierungsgriffen, die ein Gewicht von ungefähr 30 g
haben, die Länge
und der Querschnitt eines jeden Eingusskanals 26 derart
sind, dass die Menge des Eingusskanal-/Eingussmetalles (für zwei gleichzeitig
gegossene Griffe) auf ungefähr 3
g verringert werden kann.
-
3 entspricht
im großen
und ganzen 1, zeigt aber eine Einzelheit
einer Anordnung gemäß der Verfahrensweise
des Standes der Technik. In 3 haben
Bauteile, die denjenigen der 1 und 2 entsprechen,
die gleiche Bezugsziffer plus 100.
-
Bei
der Anordnung der 3 hat der Stopfen 120 einen
kegelstumpfförmigen
Verteilerzapfen 120a, der wenn die Teile 116, 117 der
Druckgießform geschlossen
sind, in die verjüngte
Bohrung 122a der Büchse 122 ragt.
In dem Stopfen 120 sind Rillen gebildet, die zusammen mit
der Büchse 122 Eingusskanäle 126 begrenzen.
In dem Stopfen 120 ist auch ein Kanal 40 für die Zirkulation
eines Kühlmittels
wie z.B. Wasser gebildet, während
um die Büchse
herum eine am Rand befindliche Rille 42 gebildet ist, wobei
die Rille 42 von einer Hülse 44 abgedeckt ist,
um einen weiteren Kanal 46 für die Zirkulation von Kühlmittel zu
begrenzen.
-
Wie
man zu schätzen
wissen wird, wird eine zu der Düse 30 der 1 ähnliche
Düse (nicht
gezeigt) verwendet, um eine geschmolzene Magnesiumlegierung durch
die Bohrung 122 hindurch entlang der Eingusskanäle 126 einspritzen
zu können
und um einen Legierungsstrom in den Druckgießformhohlraum 114 über den
Einlauf 128 zu ermöglichen. Nach
der Beendigung der Befüllung
wird Kühlmittel durch
die Kanäle 40, 46 hindurch
zirkuliert, um das Eingusskanal-/Eingussmetall bis zu dem minimalen Querschnitt
der Bohrung 124a, zwischen dem den Zapfen 120a aufnehmenden
verjüngten
Abschnitt und dem sich erweiternden äußeren Ende zur Aufnahme der
Düse eines
Druckgießsystems
zu verfestigen.
-
Bei
der bekannten Anordnung von 3 sind die
Eingusskanäle 126 nicht
nur länger
sondern auch im Querschnitt größer. Wie
angegeben soll damit ein bekanntes Risiko einer vorzeitigen Erstarrung einer
Magnesiumlegierung mit geringer Wärmekapazität vermieden werden. Im Falle
einer solchen Anordnung beträgt
beim Gießen
von Türgriffen,
die die gleiche Form und das gleiche Gewicht wie die mit Bezug auf
die 1 und 2 erwähnten Griffe haben, das Gewicht
des Eingusskanal-/Eingussmetalles ungefähr 30 g. Das heißt, dass
10 mal die Menge des Metalles, die mit der Anordnung der 1 und 2 wieder
aufbereitet werden muß,
bei der Anordnung der 3 angetroffen wird.
-
4 zeigt
schematisch ein Türgriffgussteil 60 aus
einer Magnesiumlegierung so wie es ist, wenn es aus einem Druckgießformhohlraum
gelöst
worden ist und sein Eingusskanal-/Eingussmetall 62 immer noch
daran befestigt ist. Das Eingusskanal-/Eingussmetall 62 teilen sich
zwei Gussteile 60, von den nur eines gezeigt ist, während das
volle Ausmaß des
Eingusskanalmetalls für
das andere Gussteil nicht gezeigt ist.
-
Der
Eingusskanal des Metallströmungssystems,
wie er ursprünglich
gebildet wurde, hatte einen projektierten Querschnitt, der eine
Fläche
von 50 mm2 hatte und seiner äußeren Kontur
der Form entsprach, die in 9C gezeigt
und später
hier beschrieben ist. Wie aus 9C ersichtlich,
ist der projektierte Querschnitt des Eingusskanals der eines regelmäßigen Trapezes,
wobei ein solcher Querschnitt über
die gesamte Länge
des Eingusskanals vorhanden ist.
-
Ein
sechstes Experiment zielte darauf ab, die Wirkung des viskosen Stromes
auf die Entfernung, die die Magnesiumlegierung während des Gießens zurücklegen
würde,
darzustellen. Dafür
wurde ein Metallströmungssystem
S wie in 5 gezeigt, geschaffen, das aus
einem Kanal C besteht, der einen Metallströmungsweg liefert, der in einer
Formfasson B eines Normzugstabes endet. Der Kanal C hatte einen
nominellen Querschnitt von 4 × 4
mm und eine Länge
von 1230 mm.
-
Mit
dem System S der 5 wurden Gießversuche auf einer 250-Tonnen-Kaltkammerdruckgießmaschine
durchgeführt.
Die Versuche wurden unter normalen Betriebsbedingungen für die Maschine
durchgeführt,
während
die Druckgießformtemperatur
nur ungefähr
120°C betrug.
Wie man von 5 zu schätzen wissen wird, ist der Weg
des Kanals C kurvenreich, wodurch ein hoher Strömungswiderstand erzeugt wird.
Trotzdem wurde eine Strömung entlang
der vollen Länge
von 1230 mm des Kanals C erzielt, wodurch es möglich wurde, mit dem Füllen der
Stabformfasson B zu beginnen. Die Strömungslänge von 1230 wird nicht als
eine Beschränkung
angesehen. Sie steht jedoch im Gegensatz zu einer beobachteten maximalen
Strömungslänge von
ungefähr
700 mm, die gemäß der konventionellen
Praxis projektiert ist und zu einem Eingusskanalquerschnitt führt, der
viel größer als
4 × 4
mm ist.
-
Eine
siebte Folge von Experimenten wurde mit den Türgriffgussteilen 60 der 4 durchgeführt, um
die minimale Größe der Eingusskanäle und Einläufe zu bestimmen,
die in der Lage sind, verkaufbare Gussteile zu erzeugen. Die experimentelle
Anordnung bestand aus folgendem:
- • Eine 80-Tonnen
Frech-Warmkammermaschine mit einem Schmelzofen, der mit dem Warmhalteofen über ein
Siphonrohr verbunden ist. Dies bedeutete eine gleichbleibende Metalltemperatur.
- • Ein
DieMac-Schussüberwachungssystem,
das Kolbenweg, -geschwindigkeit und -druck angab.
- • Zwei
Thermoelemente in der festen Hälfte
der Druckgießform,
beide 7 mm von der Formfassonoberfläche und 10 mm und 80 mm vom
Einlauf in den Gießhohlraum.
- • Eine
Registriervorrichtung zum Anzeigen der Temperaturen mit der Zeit.
- • Kontaktthermoelemente
zur Oberflächenmessung
der Temperatur.
- • Infrarot-Digitaltemperatursensoren.
- • Einen
vollständig
ausgerüsteten
Werkzeugraum für Änderungen
an der Druckgießform
in der Herstellung von Einsatzstücken.
-
Die
folgenden Experimente der siebten Folge wurden alle mit einer Einlaufgeschwindigkeit
von ungefähr
100 m/s durchgeführt:
- 1) Einspeisen in das Ende des Gußteiles 60 mit
einem 2 × 1
mm Einlauf ergab Gussteile, die eine ordentliche Qualität hatten,
aber nicht verkaufbar waren. Der Einguss- und Eingusskanalteil hatten ungefähr das gleiche
Gewicht wie das Gussteil (50% Ausbringen).
- 2) Zuführen
in das Ende des Gussteiles mit einem 7 × 2 mm Einlauf ergab Gussteile,
die eine hohe Qualität
hatten und verkaufbar waren. In einem Bereich wurde ein Ankleben
beobachtet, und dies wurde durch die Hinzufügung eines Kühlbrunnens in
dem Bereich, der eine Reduzierung der Druckgießformtemperatur bewirkte, überwunden.
Ein Zerteilen des Eingusskanales in Abschnitte offenbarte ein zylindrisches
Strömungsmuster
(das hier mit Bezug auf 9C beschrieben
wurde), das eine wahre Eingusskanalgeschwindigkeit in der Größenordnung
von 150 m/s darstellte. Wenn dann der wirksame Durchmesser des Eingusskanals
auf ungefähr
3 mm reduziert wird (dies war der beobachtete Durchmesser des zylindrischen Abschnittes),
sollte die Einführung
einer physischen Öffnung
von 3 mm Durchmesser keine Auswirkung auf die Qualität des Gussteiles
haben. Daher wurde ein Teil eines Eingusskanales hergenommen, um
ein Segment 64 zu liefern, und ein Loch 64a von
3 mm Durchmesser wurde durch es hindurchgebohrt, um einen Strömungskanal
mit 3 mm Durchmesser zu erzeugen. Das Segment 64 wurde
in den Eingusskanal angrenzend an den Einlauf eingeführt, so
daß sein
Loch 64a einen Teil der Länge des Eingusskanales bildete,
an dem entlang er einen verringerten Querschnitt hatte, in dem die
wirksame Metallströmung eine
Querschnittsfläche
von nicht mehr als ungefähr
7,1 mm2 hatte. Auch wurde innerhalb dieses Experiments
eine Anzahl von kurzen Schüssen durch
Verringern der in den Hohlraum eintretenden Metallmenge erzeugt.
Die kurzen Schüsse aus
unzureichendem Metall schienen einen Oberflächenabschnitt zu haben, der
eine Folge eines Metallaufpralls war. Dies könnte auf Grund der hohen Einlaufgeschwindigkeit
von 100 m/s entweder einem flüssigen
oder teilerstarrten Strom resultieren.
- 3) Ein normaler Eingusskanal wurde verwendet, jedoch mit einem
ein Loch 64a von 3 mm Durchmesser aufweisenden Segment 64,
das in den Eingusskanal eingesetzt wurde, der einen 7,2 mm-Einlauf
speiste. Das Gussteil hatte eine relativ hohe Qualität mit geringer
Porosität,
wie durch die Zerteilung in Abschnitte festgestellt wurde. Einige
der Oberflächenriefen
in dem Bereich, der von dem Einlauf am weitesten entfernt war, legte nahe,
dass der Strom in einem relativ kleinen Maß möglicherweise gestört war.
Dies wurde für
6 Schüsse
mit einer normalen Produktion zwischen jedem von ihnen, um die Druckgießformtemperatur
aufrecht zu erhalten, durchgeführt.
Man nahm an, dass der scharfe Eintritt und Austritt zu dem Loch
von 3 mm Durchmesser zu den Fehlern beitrug. Der Druck, der nötig war,
um das Metall durch den Eingusskanal und den Einlauf hindurchzudrücken, war
ungefähr
20% höher
als bei der normalen Produktion.
- 4) Bei einem weiteren Experiment wurde ein längeres Eingusskanal-Längsstück A und
mit einem 3 × 3
mm Kanal, der in eine Seite eingeschnitten war, zu einem 7,2 mm
Einlauf hin eingeführt.
Das Eingusskanalstück
hatte einen transversalen Querschnitt wie bei 66 gezeigt,
wobei der Kanal bei 66a dargestellt ist. Die Einlass- und
Ausgangsabschnitte des Eingusskanalstückes wurden ausgespart, um
weniger Strömungswiderstand
zu erzeugen. Die Gussteilqualität
war äußerst gut
und von verkaufbarer Qualität.
Der zum Drücken
des Metalles durch den Eingusskanal und in den Hohlraum erforderliche
Druck nahm um ungefähr
30% über
normal zu. Ein Eingusskanal eines Gussteiles, das unter Verwendung
des Eingusskanaleinstückes
erzeugt wurde, wurde in Abschnitte unterteilt, und es schien, dass
das Metall durch den Abschnitt mit minimaler Erstarrung entlang
den Wänden
seines Kanales geflossen war. Die Geschwindigkeit durch den Eingusskanal wurde
auf 150 m/s und in dem Einlauf auf 100 m/s berechnet.
- 5) Bei einem anderen Experiment wurde eine vollständige Länge B eines
Eingusskanals und Eingusses und mit einem 3 × 3 mm Kanal verwendet, um
einen 7,2 mm Einlauf zu speisen, mit einer Gesamtstromlänge von
120 mm durch den 3 × 3
mm Abschnitt. Auf Grund des verringerten Metallvolumens in dem Eingussbereich
wurde die Wasserkühlung
für die
Eingussspindel entfernt. Das Gussteil hatte eine außergewöhnlich gute
Qualität.
Die Qualität
dieses Gussteiles wurde als besser gegenüber der Qualität von jedem
anderen zuvor hergestellten Gussteil angesehen. Die Oberflächenfehler,
die bei dem Experiment 3 dieser Folge festgestellt wurden, waren
in diesem Fall nicht vorhanden. Der zum Füllen des Hohlraumes erforderliche
Druck war 30% höher
als normal. Das Zuführsystem
betrug 6% des Gussteilgewichtes (94% Ausbringen).
-
Es
scheint, dass das in den Eingusskanal eintretende geschmolzene Metall
rasch an den Eingusskanalflächen
erstarrt, so dass ein Kanal gebildet wird. Wenn das Metall in diesem
zentralen Bereich teilerstarrt ist, dann tritt eine rasche Zunahme
der Viskosität
für prozentuale
Feststoffanteile von mehr als ungefähr 50% auf. Wenn die Geschwindigkeit hoch
gehalten wird, tritt eine viskose Erwärmung auf, wodurch einem weiteren
Wärmeverlust
an die Druckgießformwände entgegengewirkt
wird. Somit konnte das Metall über
lange Entfernungen strömen.
Bei jedem der Eingusskanäle,
die bei diesem Projekt hindurch beobachtet wurden, wobei keine Änderungen der
Maschineneinstellung vorgenommen wurden, ergab der übriggebliebene äquivalente
Eingusskanal eine Metallgeschwindigkeit in der Größenordnung von
150 m/s. Durch Einsetzen eines Eingusskanalabschnittes in die Druckgießform wurde
die Geschwindigkeit in dem Eingusskanal auf 150 m/s vom Beginn weg
eingestellt. Das Gussteil hätte
mindestens die äquivalente
Qualität
wie von demjenigen haben sollen, das unter "normalen" Bedingungen hergestellt wurde. Die
beobachtete verbesserte Qualität mag eine
Folge des raschen Erreichens eines Gleichgewichtszustandes der Eingusskanalgeschwindigkeit
von 150 m/s und der Einlaufgeschwindigkeit von 100 m/s gewesen sein.
Diese Geschwindigkeitsverringerung vor dem Erreichen des Hohlraumes
kann verwendet werden, so dass sich die Geschwindigkeit von dem
Eingusskanal durch den Einlauf und in den Hohlraum verringert.
-
Die
beste Eingusskanalkonstruktion war früher eine solche, die die Geschwindigkeit
entlang des Strömungsweges
kontinuierlich erhöht
hat, so dass kein Lufteinschluss an der zerfallenden Metallfront auftreten
konnte. Die Eingusskanalgeschwindigkeit war nicht mehr als 50% der
Eingussgeschwindigkeit im größten Teil
des Eingusskanals. Die hier beschriebene Arbeit zeigt jedoch, dass
eine hohe Eingusskanalgeschwindigkeit mit einer entsprechenden Verbesserung
der Gussteilqualität
verwendet werden kann.
-
Die
weitere Anordnung von jeder der 6 und 7 versteht
man im allgemeinen von einer Betrachtung der 1 und 2,
und Bauteile, die denen der 1 und 2 entsprechen,
haben die gleichen Bezugsziffern plus 200 im Fall der 6 und
300 im Fall der 7.
-
Die
Anordnung der 6 unterscheidet sich von der
der 1 und 2 darin, dass die Bohrung 224a der
keramischen Hülse 224 im
Durchmesser variiert, um eine klare Trennung des abgezogenen geschmolzenen
Metalles von dem erstarrten Eingusskanal-/Eingussmetall zu erleichtern.
Somit hat die Bohrung 224a über den größten Teil ihrer Länge von
ihrem äußeren Ende
weg einen großen
Durchmesser, in dem das entsprechend große Volumen von geschmolzenem
Metall flüssig
gehalten werden kann. Die Bohrung 224a wird dann auf einen
minimalen Durchmesser für
eine kurze Länge
hinabgestuft, und sie nimmt dann bis zu ihrem inneren Ende auf einen
Zwischendurchmesser zu. Wo der Wärmeenergieentzug
für die
Erstarrung von Eingusskanal-/Eingussmetall derart ist, dass etwas
Erstarrung in die Bohrung 224a hinein bewirkt wird, beschränkt die
Anordnung der 6 das Ausmaß davon wirksam. Das heißt, dass
die Erstarrung nicht in der Lage ist, über den kurzen Abschnitt mit
minimalem Durchmesser hinaus fortzuschreiten, zumindest in der kurzen
Zeit, die in einem Gießzyklus
zur Verfügung
steht, auf Grund des Wärmeenergiegehaltes
des Metallvolumens in dem größeren äußeren Endabschnitt
der Bohrung 224a.
-
Die
Anordnung von 7 erzielt einen ähnlichen
Vorteil wie die von 6, wobei die Trennung von erstarrtem
und noch geschmolzenem Metall am minimalen Durchmesser der Bohrung 324a der
keramischen Hülse 324 auftritt.
Sie wird jedoch wegen der insgesamt vereinfachten Form bevorzugt.
Wie gezeigt haben der Stopfen 320, die Büchse 322 und die
Hülse 324 parallele
Stirnflächen,
die, wenn die Druckgießform 312 geschlossen
ist, an der Trennlinie P aneinanderstoßen. Im Vergleich zur 3 kann
es eine beträchtliche
Einsparung von Umschmelzmetall von bis zu ungefähr 95% geben.
-
Jede
der 8A und 8B zeigt
schematisch das Muster der Befüllung
des Hohlraumes der Druckgießform
mit einer Zink- oder Aluminiumlegierung im Falle der 8A und
mit einer Magnesiumlegierung und der Verwendung der Erfindung im
Falle der 8B. Die gezeigten System weisen
eine jeweilige Druckgießform 70a und 70b auf,
die Teile 72a, 74a und 72b, 74b haben,
die einen Formhohlraum begrenzen und an der Trennlinie P trennbar sind.
Die geschmolzene Legierung kann in den jeweiligen Hohlraum in jedem
Fall durch ein Metallströmungssystem
eingespritzt werden, das einen Eingusskanal 78a, 78b und
einen Einlauf 80a, 80b enthält.
-
Im
Falle der 8A hat der Eingusskanal 78a eine
große
Querschnittsfläche
im Vergleich zu dem Volumen des Hohlraumes 76a, und die
geschmolzene Legierung wird von dem Eingusskanal 78a aus
durch einen Einlauf 80a mit einem kleineren Querschnitt
eingespritzt. Die Strömung
der Legierung, die durch den schattierten Bereich dargestellt ist,
ist in Einklang mit dem traditionellen Befüllungsmuster, das für das Gießen von
Zink- und Aluminiumlegierungen
anerkannt ist. Das heißt,
dass ein Legierungsstrom 82 durch den Hohlraum 76a hindurch
in einen Bereich des Hohlraumes eingespritzt wird, der von dem Einlauf 80a entfernt
ist, wobei ein am Rand befindlicher Legierungsstrom 84 dann
den Hohlraum hinterfüllt.
Trotz dieser komplizierten Randbefüllung und Hinterfüllung können Qualitätsgussteile
mit Zink- und Aluminiumlegierungen hergestellt werden. Wie oben
angegeben erzeugt eine solche komplizierte Befüllung jedoch Magnesiumlegierungsgussteile
mit suboptimaler Qualität.
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Im
Falle der 8B hat der Eingusskanal 78b eine
kleinere Querschnittsfläche
gegenüber
dem Volumen des Hohlraumes. Die geschmolzene Magnesiumlegierung
wird von dem Eingusskanal 78b durch einen Einlauf 80b mit
einem größeren Querschnitt
eingespritzt. Der Querschnitt des Einlaufes 80b ist nicht
nur größer als
der des Eingusskanals 78b, sondern kann auch größer sein
als der des Einlaufs 80a der 8A für ein gegebenes
Volumen des Druckgießformhohlraumes.
Die Strömung
der Magnesiumlegierung, die wieder durch den schattierten Bereich
dargestellt ist, ist in einem hochviskosen oder teilerstarrten Zustand.
In diesem Zustand baut die Strömung
einen Legierungskörper 86 auf,
der im Volumen vom Einlauf 80b weg zunimmt, um eine teilerstarrte
Front 88 zu erzeugen, die sich von dem Einlauf 80b weg
zu entfernten Bereichen des Hohlraumes bewegt.
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Bei
den Experimenten gemäß der hier
beschriebenen Erfindung waren eine Reihe von Gießformen und Größen betroffen.
Wie angegeben waren die Experimente sowohl mit Warm- als auch Kaltkammermaschinen.
In allen Fällen
schien die Befüllung des
Druckgießformhohlraumes
im wesentlichen so abgelaufen zu sein, wie sie mit Bezug auf 8B beschrieben
wurde. Bei mindestens einigen der Gussteile schien jedoch eine kleine
Anfangsmenge der Magnesiumlegierung in den Hohlraum in einem mehr flüssigen Zustand
als einem teilerstarrten Zustand eingetreten zu sein. Diese Anfangsmenge
war, wo angegeben, offensichtlich von einem Oberflächenabschnitt
angrenzend an den Einlauf, der eine etwas andere Mikrostruktur (aber
sonst von guter Qualität) als
der Rest des Gussteiles hatte.
-
Die
mit Bezug auf 8B beschriebene Strömung wird
erreicht, wo eine Legierungsströmungsgeschwindigkeit
bei ungefähr
140 bis 165 m/s, vorzugsweise ungefähr 150 m/s in dem Eingusskanal und
25 bis 50% weniger, wie z.B. ungefähr 2/3 der Eingusskanalströmungsgeschwindigkeit,
durch den Einlauf hindurch ist. Wie angegeben wird dies in einem
zylindrischen Kernbereich durch den Eingusskanal hindurch erzielt,
wie er z.B. in den 9A bis 9C dargestellt
ist. Jede dieser Figuren zeigt den Querschnitt der jeweiligen Eingusskanäle 90a, 90b und 90c.
Die Erstarrung der Legierung in dem Eingusskanal nach der Beendigung
eines Gießvorganges
und das Schneiden des Eingusskanales, um einen solchen Querschnitt
zu schaffen, zeigt einen jeweiligen zylindrischen Kernbereich 92a, 92b und 92c.
Diese Bereiche stellen für
jeden Eingusskanal einen wirksamen Strömungskanal dar, auf den die Legierungsströmung im
wesentlichen während
der gesamten Befüllung
des Druckgießformhohlraumes bei
einem Gießvorgang
eingeschnürt
worden ist. Diese Einschnürung
kommt nach einer kurzen Anfangsströmungsperiode zustande, während welcher
die zumindest teilweise erstarrte Legierung 94a, 94b und 94c,
wie durch die Schattierung dargestellt, sich an den Oberflächen aufbaut,
die das Querschnittsprofil des Eingusskanals ergänzen.
-
Es
stellte sich heraus, dass die zylindrische Form der Strömungsbereiche 92a, 92b und 92c einen
deutlichen kreisförmigen
Querschnitt hat, ungeachtet des Profils des Eingusskanals, in dem
sie erzeugt wird. Die 9A bis 9C zeigen
typische Eingusskanalprofile, in denen Bereiche 92a, 92b und 92c mit
kreisförmigem
Querschnitt erzielt wurden. Von diesen Profilen ist es offensichtlich,
dass die Querschnittsfläche
des projektierten Profils des Eingusskanals ohne wesentliche Auswirkung
auf die Querschnittsfläche
der Bereiche 92a, 92b und 92c verringert
werden kann, aber mit einer Verringerung der Menge des sich ergebenden
Eingusskanal-/Eingussmetalles. Diese Menge kann vorteilhaft, wie
hier beschrieben, durch die Verringerung der projektierten Länge des
Eingusskanales weiter reduziert werden. Die folgenden Einzelheiten
erläutern
das Maß, bis
zu dem diese Verringerungen erzielt werden können.
-
Es
wurden Magnesiumlegierungsgussteile von einem Gewicht von 1,6 kg
in Form einer 450 mm hohen, 400 mm breiten offenen Rahmenstruktur
mit einer Wanddicke, die zwischen 2 und 20 mm variiert und sehr
tiefe Abschnitte hat, auf einer Kaltkammermaschine hergestellt.
Unter Verwendung einer traditionellen Form von Eingusskanal-/Gießrest betrug die
Menge des Eingusskanal-/Eingussmetalles
1,1 kg derart, dass das Gussteil ein Ausbringen von 60% in Bezug
auf den prozentualen Anteil des Metalles, das bei dem Gießvorgang
verbraucht wurde, darstellte. Das heißt, dass ungefähr 40% des
verbrauchten Metalles wiederaufbereitet werden mußte. Mit
einem Eingusskanal-/Gießrest
gemäß der Erfindung
betrug die Menge des Eingusskanal-/Eingussmetalles 0,36 kg, was
ein Ausbringen von 82% und eine Verringerung von ungefähr 67% in
der Legierungsmenge, die wiederaufbereitet werden musste, ergab.
-
Es
wurden Türgriffgussteile
in der in 4 gezeigten Form in einer Warmkammermaschine durch
zwei Druckabgüsse
erzeugt. Jeder Griff hatte ein Gewicht von 28 g, wodurch sich ein
Produktgewicht von 56 g pro Gießzyklus
ergab. Bei Verwendung eines traditionellen Metallströmungssystems erzeugte
jeder Zyklus 30 g Eingusskanal-/Eingussmetall, was ein Ausbringen
von 65% ergab. Mit einem Metallströmungssystem gemäß der Erfindung, wie
es z.B. in 7 dargestellt ist, wurde die
Menge an Eingusskanal-/Eingussmetall auf 1,5 g reduziert, was eine
Ausbringung von 97% ergab und bezogen auf die traditionelle Anordnung,
eine 95% Verringerung der wiederaufbereiteten Legierung.
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Eine
achte Folge von Experimenten wurde durchgeführt, um festzustellen, ob es
möglich
ist, einen Metallstrom in einen Druckgießformhohlraum wie bei der normalen
Verfahrensweise zu lenken, und um die Wirkung einer Anzahl von alternativen
Metallströmungssystemen
festzustellen. Bei dieser Folge wurde ein "seifenschalen-"förmiger
Druckgießformhohlraum
verwendet. Die Form des Hohlraumes ist aus der Draufsicht auf eine
gegossene Schale D, wie in 10 gezeigt,
und dem Querschnitt durch die Schale D und einem Positivdruckgießformwerkzeug T,
das wie in 11 gezeigt ist, entlang der
Linie XI-XI von 10,
ersichtlich. Die Schale D hat eine Länge von ungefähr 140 mm,
eine Breite von ungefähr
100 mm, eine Tiefe von ungefähr
26 mm und eine Wanddicke von ungefähr 2 mm. Sie hat einen horizontalen
Randflansch, wobei die Seitenwände um
ungefähr
45° zu dem
Flansch geneigt sind, und einen ebenen Boden.
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Ein
herkömmliches
Verfahren zum Herstellen der Schale D würde Gebrauch von einem Metallströmungssystem
machen, das einen Haupteingusskanal enthält, der verjüngte tangentiale
Eingusskanäle
speist, wobei die tangentialen Eingusskanäle in entgegengesetzte Richtungen
entlang einer gemeinsamen Seitenkante des Druckgießformhohlraumes verlaufen
und entlang ihrer Längsseiten
durch einen langen dünnen
Einlauf in den Hohlraum speisen. In einem ersten Versuch ist eine
abgewandelte Version der gegenwärtigen
besten Verfahrensweise durch das Strömungssystem 410, das
in 12 gezeigt ist, dargestellt. Wie gezeigt hat das
System 410 einen Haupteingusskanal 412, der in
zwei entgegengesetzt verlaufende tangentiale Eingusskanäle 414 speist, die
entlang einer bei 416 dargestellten Seitenkante eines Druckgießformhohlraumes
zum Erzeugen der Schale D von 10 angeordnet
sind. Dieser Eingusskanal 414 speist zwei keil- oder fächerförmige Einläufe 418,
die quer über
den Hohlraum gerichtet sind. Jeder Einlauf 418 ändert sich
im Querschnitt von ungefähr
6 × 1
mm an seinem Eingusskanal bis zu ungefähr 10 × 0,5 mm an der Kante 416 des
Hohlraumes. Es wäre
typisch für
die gegenwärtige
beste Verfahrensweise, wenn jeder Eingusskanal 414 einen
normalen Querschnitt hätte,
der sich in Richtung des Metallstromes in ihm von ungefähr 10 × 10 mm auf
ungefähr
8 × 10
mm verjüngen
würde.
Mit solchen Eingusskanälen 414 und
Einläufen 418 wäre die Herstellung
einer Schale D mit einer brauchbaren Qualität äußerst schwierig. Wie oben angegeben wurde
jedoch das System abgewandelt.
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Die
Abwandlung besteht in der Verringerung des nominellen Querschnittes
des Eingusskanals 414 auf 3 × 3 mm. Diese Abwandlung ist
teilweise im Einklang mit der Erfindung in Bezug auf den Eingusskanalquerschnitt.
Sie ist jedoch nicht in Einklang mit der Erfindung, da der Eingusskanalquerschnitt
denjenigen von jedem Einlauf 418 übertrifft. Trotz der Abwandlung
erzeugte das System 410 der 12 keine zufriedenstellende
Gussteile.
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Bei
einer zweiten Anordnung der achten Folge wurde ein System 420 wie
in 13 verwendet. Das System 420 der 13 unterscheidet
sich von dem System 410 der 12 darin,
dass nur ein einen einzelnen Eingang bildenden Einschnüreinlauf 428 bereitgestellt
wurde. Wie gezeigt war der Einlauf 428 bei ungefähr 45° zu seinem
Eingusskanal 424 angrenzend an das äußere Ende des Eingusskanals 424 und
zu der Hohlraumkante 426 angeordnet, aber auf die angrenzende
Endkante des Hohlraumes gerichtet. Der Einlauf 428 hat
einen nominellen Querschnitt von 1,5 × 4 mm, derart, dass er auch
kleiner als der nominelle Querschnitt von 3,3 mm seines Eingusskanales 428 (und
des anderen, geschlossenen Eingusskanals 424) war.
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Wenn
der Einlauf 424 des Systems 410 einen gerichteten
Magnesiumlegierungsstrom, wie bei der normalen Verfahrensweise liefern
sollte, würde sich
das System 410 als ziemlich unbefriedigend erweisen. Das
heißt,
dass der von dem Einlauf 428 ausgehende Metallstrom entlang
des benachbarten Endes bis zu der fernen Seite des Hohlraumes, entlang
der fernen Seite bis zu dem anderen Ende, entlang des anderen Endes
bis zu der nahen Seite, die die Kante 426 hat, und entlang
der nahen Seite in Richtung auf den Einlauf 428 fortschreiten
würde.
Es würde
jedoch eine schlechte Befüllung
des zentralen Bereichs des Druckgießformhohlraumes erreicht werden,
was zu einem unbefriedigenden Gussteil führen würde. Es wurde jedoch festgestellt,
dass das System 420 bessere Gussteile der Schale D als
das System 410 der 12 erzeugt,
obgleich das Gussteil keine brauchbare Qualität hatte.
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In
einer dritten Anordnung der achten Folge wurde ein System 420a wie
in 14 verwendet. Das System 420a unterscheidet
sich von dem System 420 der 13 nur
darin, dass der Einschnüreinlauf 428a im
90° Winkel
zu seinem Eingusskanal 424a ist und daher parallel zu der
angrenzenden Endkante des Hohlraumes ist. Wie bei dem System 420 hatte
der Einlauf 428a einen nominellen Querschnitt von 1,5 × 4 mm,
derart, dass er kleiner als der nominelle Querschnitt von 3 × 3 mm seines
Eingusskanales 428a (und des anderen, geschlossenen Eingusskanales 428a)
war. Das System 420a der 14 lieferte überragende
Gussteile, die eindeutig eine brauchbare Qualität hatten.
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Die
Aussage der bei allen der achten Folge von Experimenten erhaltenen
Strömungsmuster
besteht darin, dass der Magnesiumlegierungsstrom im Hohlraum nicht
lenkbar ist. Das heißt,
dass das Muster der Befüllung
des Druckgießformhohlraumes ziemlich
anders als das Muster ist, das mit Bezug auf 8A beschrieben
wurde, aber wo möglich,
ist der Strom wie mit Bezug auf 8B beschrieben.
Im Falle des in 12 dargestellten Versuches konnte keine
zufriedenstellende Strömung
erzielt werden, weil kein geeigneter Bereich mit kontrollierter
Ausdehnung vorhanden war. Im Falle des in 13 dargestellten
Versuches, und sogar noch deutlicher bei dem, der in 14 dargestellt
ist, war ein solcher Bereich vorhanden. In allen Fällen war
jedoch der Bereich in dem Druckgießformhohlraum und nicht von dem
Einlauf 428 der 13 oder
dem Einlauf 428a der 14 gebildet,
wobei der Bereich auf drei Seiten durch die oberen und unteren Flächen des
Druckgießformhohlraumes
und die Fläche
der benachbarten Endkante des Hohlraumes begrenzt war. Auch im Falle
der 13 scheint die Wirksamkeit des Ausdehnungsbereichs
als eine Folge der Turbulenz, die von dem auf das benachbarte Ende
des Hohlraumes gerichteten Strom erzeugt wird, herabgesetzt zu sein,
wodurch die Gussteilqualität
verringert wird.
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In
den System der 13 und 14 ist
weder der Einlauf 428 noch der Einlauf 428 in
der Tat ein Einlauf, wie er von der Erfindung gefordert wird, weil er
keinen Bereich mit kontrollierter Ausdehnung bereitstellt. Tatsächlich schnürt er in
Bezug auf den Eingusskanal 424 oder den Eingusskanal 424a die
Strömung
ein und ein solcher Bereich, wie er erhalten wird, ist jenseits
von jedem der Einläufe 428 und 428a.
In Bezug auf die Erfindung ist es daher eher angebracht, die Einläufe 428 und 428a als
Abschlussendstück
des Eingusskanals 424 bzw. 424a zu betrachten,
die unmittelbar einen Bereich mit kontrollierter Ausdehnung speisen,
und wobei effektiv kein Einlauf vorhanden ist.
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Wieder
zurück
zu 11 ist dort die Basis für ein neuntes Experiment dargestellt,
das wie das achte Experiment auf die Herstellung von Schalen D gerichtet
war, die aus einer Magnesiumlegierung gegossen sind. 11 zeigt
ein Metallströmungssystem 430 gemäß der Erfindung.
Im System 430 ist ein Schlussteil des Magnesiumlegierungsströmungsweges
gezeigt, wobei dieser einen Eingusskanal 434 mit kreisförmigem Querschnitt,
der einen Durchmesser von 3 mm hat enthält, der mit dem Druckgießformhohlraum
durch das Werkzeug T hindurch über einen
Einlaufteil 438 in Verbindung steht. Vom Eingusskanal 434 aus
nimmt der Einlauf 438 im Durchmesser in der Strömungsrichtung
zu, und er hat einen Durchmesser von 5 mm an seinem Auslassende an
dem Druckgießformhohlraum.
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Wie
bei dem achten Experiment wurde die mit der Anordnung der 11 hergestellte
Schale D in einer Kaltkammermaschine gegossen. Das System 430 ist
eine radikale Abkehr von den bekannten Druckgießverfahren für Metalle
und würde
unter der gegenwärtigen
besten Verfahrensweise nicht verwendet werden. Trotzdem erzeugte
das System 430 hochqualitative Schalen D aus einer Magnesiumlegierung
in aufeinander folgenden Gießversuchszyklen,
wodurch sein erhebliches Potential für ein sehr schnelles wiederholbares
Gießen
in einem kommerziellen Ausmaß gezeigt
wurde.
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Wie
das neunte Experiment war ein zehntes Experiment auf die Herstellung
eines Magnesiumlegierungsgussteiles durch direktes Einspeisen durch einen
Zapfeneinlauf gerichtet. In diesem Fall, wie in 15 gezeigt,
wurde ein großes
Gussteil 440 mit breiten ebenen Flächen 440a und einem
schwierigen kastenförmigen
Bereich 440b mit Querrippen 440c und einem Vorsprung 440d auf
einer Frech-80-Tonnen-Warmkammermaschine hergestellt. Die projizierte
Fläche
des Gussteiles 440 betrug 390 cm2,
die größer ist
als diejenige, die von Frech für
diese Maschine empfohlen wird.
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Das
Gussteil 440 der 15 wurde
projektiert, um die Wirkung der Strömungsentfernung und der Strömungscharakteristika
in einer komplexen Form zu testen. Das vom Begrenzen des Druckgießformhohlraumes
für das
Gussteil 440 verwendete Werkzeug 442 war eine
Dreiplattendruckgießform, die
ein direktes Gießen über einen
Einzelzapfeneinlauf 448 ermöglichte. Das Werkzeug 442 ermöglichte aber
auch ein Gussteil 440 oder ein Gussteil 450 mit einer
größeren Form
als diejenige, die in 16 gezeigt ist, wobei drei Zapfeneinläufe 448, 448a und 448b auf
einer Toshiba-250-Tonnen-Kaltkammermaschine verwendet wurden.
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Es
wurden zufriedenstellende Gussteile wie in 15 hergestellt.
Die Richtungsabhängigkeit
war jedoch nicht innerhalb der normalen Erwartungen des Druckgießens steuerbar.
Die tatsächliche
Strömung
zeigte eine Anzahl von einzelnen fortlaufenden Frontenbefüllungsmuster
gemäß früheren Experimenten
und ähnlich
denen, die beim Kunststoffformen vorgefunden werden. Es gab dort
erweiterte Strömungslängen, was
sehr gut den Beobachtungen beim Experiment sechs entsprach. Die
Strömung durch
die komplexe Form des Vorsprunges 440d zeigte auch eine Ähnlichkeit
zum Kunststoffformen in einem direkten Gegensatz zum Druckgießen.
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Beim
zehnten Experiment gab es kein Abgraten der Druckgießform, trotz
der großen
und komplexen Form des hergestellten Gussteiles. Diese und andere
Beobachtungen weisen auf die Tatsache hin, dass die gegossene Magnesiumlegierung
sich nicht wie eine klassische Flüssigkeit verhielt. Ein weiteres Ergebnis
des zehnten Experimentes besteht darin, dass es offensichtlich war,
dass der Druck in dem Druckgießformhohlraum
erheblich geringer war, als derjenige, der für die Magnesiumlegierung in
ihrem geschmolzenen Zustand, d.h. flüssig, vorausgesagt wurde. Selbst
bei einem vollen Maschineneinspritzdruck, gratete das Gussteil bei
einer projizierten Fläche
von 390 cm2 nicht ab, obwohl die nominelle
Aufspaltkraft (unter der Annahme einer Flüssigkeit) größer als
die angegebene Schließkraft
dieser Frech-Maschine war.
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Das
zehnte Experiment hebt insbesondere einen weiteren praktischen Vorteil,
der mit der Erfindung erhältlich
ist, hervor. Das Fehlen von Abgraten zeigt, dass die nominelle Aufspaltkraft,
d.h., diejenige, die für
eine Flüssigkeit
erwartet wird, viel höher ist,
als die tatsächliche
Kraft, die beim Gießen
von einer Magnesiumlegierung gemäß der Erfindung
vorherrscht. Als Folge ist es möglich
größere Gussteile als
erwartet auf einer gegebenen Maschine herstellen zu können.
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Die
Strömungsentfernung
und die Qualität des
Gussteiles, das mit der Erfindung erhältlich ist, scheinen relativ
unabhängig
von der Druckgießformtemperatur
zu sein. Es kann jedoch Bereiche der Druckgießform beim Warmkammergießen geben,
wo man sowohl beim Erwärmen
als auch beim Kühlen aufpassen
muss. Sowohl bei der direkten Einspeisung des neunten und zehnten
Experimentes als auch dem an der Kante einspeisenden Eingusskanal des
achten Experimentes muss das geschmolzene Metall an einer Stelle
erstarren, die es ermöglicht, diesen
Teil von der Druckgießform
zu entfernen, aber auch dem geschmolzenen Metall gestattet, in den Gießhals zurückzuströmen. Wie
beim normalen Hochdruckgießen
muss die Verwendung eines Kühlmittels
und eines Heizmittels auf den Eingang zu der Druckgießform angewendet
werden, um das Ergebnis zu erwirken. Das verwendete Verfahren hängt von dem
Typ und der Größe der Maschine
sowie von der Komplexität
und der Größe der Druckgießform ab.