DE69923214T2

DE69923214T2 - Verfahren und vorrichtung zum kokillengiessen

Info

Publication number: DE69923214T2
Application number: DE69923214T
Authority: DE
Inventors: Bengt- Ke Larsson; Bertil Sander; Roland Carlsson; Sven-Erik Dahlberg
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: SE9803794L; WO2000027567A1; JP4718685B2; CZ295357B6; ES2235552T3; CA2349186C; EP1131175A1; BR9915062A; US6422295B1; JP2002529249A; SE9803794D0; CZ20011586A3; EP1131175B1; AU1435500A; SE513287C2; CA2349186A1; DE69923214D1; ATE286793T1; JP2009233751A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Gusseisen in einer Kokille.
STAND DER TECHNIK
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Teilen aus Gusseisen durch Gießen in einer stationären Metallform, die mit einer Schicht aus einem härtenden Formmaterial oder Grünsand ausgekleidet ist, ist in SE-C-506508 beschrieben. Dabei wird eine rohrförmige Metallform eingesetzt, wobei ein rohrförmiger und nach oben offener Raum in der Form unter Verwendung eines isolierenden Formmaterials ausgekleidet ist. Geschmolzenes Gusseisen wird von oben in der Weise eingefüllt, dass der Kühleffekt der Form und der Auskleidung eine ausgerichtete Erstarrung von dem unteren Ende der Auskleidung nach oben zu einem Einspeiseraum am oberen Ende ergibt, in dem der letzte Teil des Gusseisens erstarrt.
Das beschriebene Verfahren und die entsprechende Vorrichtung ergeben ausgezeichnete Ergebnisse bei Gussteilen, die eine gleichmäßig Dicke und relativ dünne Wände aufweisen, wie z.B. Zylinderbuchsen; sie sind aber weniger für das Gießen von Teilen geeignet, die einen sich ändernden Querschnitt und eine komplexere Geometrie aufweisen, bei denen sich die Kühlgeschwindigkeit zwischen verschiedenen Teilen des Gussstücks zu sehr ändert. Die Forderung nach verbesserten mechanischen Eigenschaften verbunden mit einer guten Dehnbarkeit bedeutet, dass Legierungen, die üblicherweise zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften eingesetzt werden, nicht verwendet werden können, da sich die Bearbeitbarkeit wegen des hohen Karbidgehaltes verschlechtert und das Gießen wegen der hohen Tendenz zum Schwinden schwierig wird.
Ein weiteres Verfahren, das zum Gießen von hohlraumfreien For men mit einer eingebauten Einlage eingesetzt wird, ist aus der US-A-4 085 790 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Membran wenigstens über eine Seite der Form angebracht, wobei die Form einem äußeren Druck oder Vakuum ausgesetzt wird. Das Ziel dieser Erfindung ist es die Form um die eingebrachte verdampfbare Einlage vor den Einbringen des Metalls in die Form zu verdichten. Dieses Verfahren ist indessen nicht zur Korrektur von Volumenveränderungern während der Kühlung der Form geeignet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein allgemeiner Zweck der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Teilen aus Gusseisen in einer Kokille vorzusehen, wobei die Teile sich ändernde Querschnittsbereiche und eine relativ komplexe Geometrie aufweisen und wobei die mechanischen Eigenschaften des gegossenen Materials nicht alleine durch zugefügte Legierungsstoffe gesteuert und begrenzt sein sollen.
Ein weiterer Zweck des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, verbesserte Möglichkeiten zur Beeinflussung der Kühlungsgeschwindigkeit des Gussstücks vorzusehen, hauptsächlich durch den Temperaturbereich der Perlittransformation, was eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften möglich macht. Eine höhere Kühlgeschwindigkeit erhöht auch die Produktivität, d.h. es erhöht sich die Zahl der Gussstücke pro Zeit- und Produktionseinheit.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, hohe Anforderungen des Umweltschutzes zu erfüllen, wie zum Beispiel den Ausstoß geringer Luftschadstoffe, einen verringerten Energieverbrauch, eine saubere Arbeitsumgebung, einen verringerten Verbrauch von Formereimaterial oder Sand bezogen auf die Gewichtseinheiten der Gussstücke, verbunden mit der verringerten Notwendigkeit Formereimaterial oder Sand abzulagern, und eine signifikant verbesserte Wiedergewinnung von aufgewandter Energie.
Diese Ziele werden durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Die Wanddicke der Form wird so gewählt, dass die erwünschte Menge an Wärmetransport erreicht wird, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Gussstücks zu erhalten. Die Gussform wird vorzugsweise aus Formereimaterial oder Grünsand hergestellt.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn diese Druckeinrichtung eine hydraulische oder pneumatische Presse aufweist, die auf die Außenwände der metallenen Kokille einwirkt.
Die Kokille-Kühleinrichtung weist vorzugsweise zahlreiche Kühlkreise auf, die in der Kokille angeordnet sind, außerdem einen Kühlmittelbehälter, einen Wärmetauscher und eine Kühlmittelpumpe, wobei die Kühlmittelpumpe ein Kühlmittel durch eine Kühlmittelleitung zirkuliert, die die Kühlmittelkreise miteinander und mit dem Kühlmittelbehälter, dem Wärmetauscher und der Kühlmittelpumpe verbindet.
Die oben genannten Ziele werden auch durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 6 erreicht.
Die Gussform wird vorzugsweise aus einem härtenden Formmaterial oder Grünsand hergestellt. Die Dicke der Formwände wird derart ausgewählt, dass die erforderliche Kühlungsgeschwindigkeit erreicht wird.
Das Gießverfahren erlaubt ein Gießen von Material mit einem niedrigen C-Äquivalent, ebenso wie von Materialien mit einem hohen Gehalt an das Karbid stabilisierenden Legierungsbestandteilen, die eingesetzt werden, um Gussstücke zu erhalten, die eine wesentlich höhere Biegesteifigkeit, Ermüdungsfestigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul aufweisen und die insgesamt gute mechanische Eigenschaften ergeben.
Durch das Gießen von Material mit einem niedrigen C-Äquivalent und durch das Hinzufügen von nicht allzu großen Mengen von das Karbid stabilisierenden Legierungsbestandteilen kann man ein festes Material erhalten, das praktisch frei von Karbid ist und eine gute Bearbeitbarkeit aufweist.
Das Gießverfahren ergibt, verglichen mit dem üblichen Gießen mit grünem Sand, auch geringere Maßabweichungen beim Gießen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung detaillierter beschrieben.
Dabei zeigt
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung für das erfindungsgemäße Gießen von Gusseisen in einer Kokille.
AUSFÜHRUNGSART(EN) DER ERFINDUNG
1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Gießen von Gusseisen in einer erfindungsgemäßen Kokille. Diese Vorrichtung umfasst eine starre, dickwandige Kokille 100 aus Metall, mit Seitenteilen 200 , einem Oberteil 205 und einem Unterteil 207. Jedes der Seitenteile 200 weist eine Außenwand 210 auf, die von einem Gießhohlraum weg weist, in den geschmolzenes Gussmetall eingegossen wird; weiter ist eine Innenwand 220 vorhanden, die der Form 300 zugewandt ist. Das Oberteil 205 weist eine ent sprechende Außenseite 206 und eine Innenseite 212 auf. Ebenso hat das Unterteil 207 eine Außenseite 208 und eine Innenseite 213. Die Dicke der Formwände 330 wird so gewählt, dass man die erwünschte Wärmeübertragungsgeschwindigkeit erreicht. Die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit wird dabei durch das Material der Form, die Wanddicke, den Druck und die Temperatur bestimmt, wobei eine dünne Wand zu einer schnellen Abkühlung und eine dicke Wand zu einer langsamen Abkühlung führt. Die Form 300 wird durch übliche Verfahren hergestellt, wobei auch eine Druckluft-Pressformmaschine, eine Kernformmaschine oder eine Formung von Hand eingesetzt werden kann; dabei wird ein aushärtendes, isolierendes Formmaterial eingesetzt, das ein geeignetes bekanntes organisches oder anorganisches Bindemittel aufweist, oder auch Grünsand. Die Formung wird dabei unter Verwendung eines Modells durchgeführt, das den Gießhohlraum vorgibt. Die Dicke der Formwand 330 wird durch den Einsatz üblicher Mittel erzeugt; dies kann auch in der Kernform oder durch die Höhe des Gußssformblocks geschehen. Die Form 300 weist vorzugsweise einen ersten Formabschnitt 310 und einem zweiten Formabschnitt 320 auf. Die Formabschnitte 310 und 320 werden mittels eines Bindemittels oder eines Bolzens befestigt, nachdem der Kern montiert wurde, falls ein Kern erforderlich ist. Die Form 300 wird in die Kokille 100 eingebracht, wonach sich die Seitenteile 200, das Oberteil 205 und das Unterteil 207 der Kokille 100 um die Form 300 schließen, indem man eine oder mehrere Druckeinrichtungen 400 unter Druck setzt. Dann wird geschmolzenes Material in die Form durch eine Einlassöffnung 160 gegossen, die mit dem Formhohlraum verbunden ist. Die Einlassöffnung wird mittels üblicher Verfahren hergestellt. Auf diese Weise ist es möglich auf die Seitenteile 200, das Oberteil 205 und das Unterteil 207 der Kokille unterschiedliche Drücke auszuüben indem man die in Verbindung mit der Gussform angeordnete Druckeinrichtung 400 einsetzt. Die Druckeinrichtung 400 weist vorzugsweise hydraulische oder pneumatische Pressen auf, die so angeordnet sind, dass sie auf die Aussenwände 206, 208 bzw. 210 der Kokille einwirken können. Während der Verfestigung des geschmolzenen Materials in der Kokille 100 entstehen Volumenreduktionen (z.B. während der Ausbildung des Austenits) und -vergrößerungen (z.B. während der Ausbildung des Graphits) während der verschiedenen Phasen der Transformationen. Diese Volumenveränderungen können größer oder kleiner sein und hängen von Faktoren, wie der Größenbeziehung zwischen dem geschmolzenen Material, der Form und den gegebenenfalls vorhandenen Kernen ab ebenso wie von der chemischen Zusammensetzung des Grundmaterials, der Impfung, der Behandlung der Schmelze usw. Indem man es ermöglicht den auf die Außenwände 206, 208 bzw. 210 einwirkenden Druck der Kokille zu steuern, ist es auch möglich teilweise die Kraft zu steuern, durch die restliches geschmolzenes Material von Bereichen zunehmenden Volumens zu Bereichen abnehmenden Volumens übertragen wird, ohne dass diese Kräfte auf die Form oder den Kern einwirken oder Schwindungsporen verursachen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch mit einer variablen Kühlung versehen, die aus einer Kokille-Kühleinrichtung 500 besteht, die auf die Innenwände 212, 213 bzw. 220 der Kokille einwirken. Die Kokille-Kühleinrichtung 500 umfasst mehrere, vorzugsweise sechs Kühlkreise 520, die in oder an den Seitenteilen 200, dem Oberteil 205 und dem Unterteil 207 der Kokille angeordnet sind. Die Kokille-Kühleinrichtung 500 weist vorzugsweise einen Kühlmittelbehälter 530 auf, in dem ein Kühlmittel, wie z.B. Wasser enthalten ist, einen Wärmetauscher 540, um Wärme aus dem Kühlmittel zurückzugewinnen und eine Kühlmittelpumpe 550, die für eine Zirkulation des Kühlmittels durch die Leitungen zu und von dem Kühlmittelkreislauf 520 sorgt.
Der Innenraum der Gussform wird während des ganzen Gießvor gangs durch das Kühlmittel in der Kokille 100 gekühlt. Das Ausmaß der Kühlung wird durch die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit der Formwände 330, die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit der Innenwand 220 der Kokille, den Innenraum der Gussform und die Temperatur des Kühlmittels reguliert. Die Wärmeübertragung wird ebenso durch die Druckbeaufschlagung der Druckeinrichtung 400 beeinflusst. Die Kühlungsgeschwindigkeit wird während des ganzen Kühlvorgangs gesteuert, bis die Perlittransformation abgeschlossen ist, um die erwünschten mechanischen Eigenschaften des Gusses zu erhalten; eine hohe Kühlungsgeschwindigkeit führt zu einer hohen Festigkeit. Die Kühlungsgeschwindigkeit kann durch die Phase der Perlittransformation hindurch dadurch erhöht werden, dass man die Kokille öffnet, wenn die Temperatur des Gusses oberhalb der Temperatur der Perlittransformation ist. Die dann entstehende Luftkühlung erhöht die Kühlungsgeschwindigkeit weiter und führt sogar zu einer erhöhten Festigkeit. Auf der anderen Seite kann die Kühlungsgeschwindigkeit auch durch Öffnen der Kokille verringert werden, wenn sich die Temperatur des Gusses in dem Austenitbereich befindet. Unmittelbar nach dem Öffnen wird das Gussstück in einem isolierenden Medium eingebettet oder abgedeckt und wird in diesem Zustand gehalten, bis die Temperatur des Gussstücks unter die Perlit-Transformationstemperatur gefallen ist. Dieses Verfahren kann auch angewandt werden, um die Spannungen in dem Gussteil zu verringern; das Gussteil muss dann aber in dem Isoliermedium gehalten werden, bis die Temperatur im Falle von Gusseisen geringer als 200 ⎕C ist. Das Öffnen der Kokille kann vor oder nach der Phase der Perlittransformation stattfinden, was von den erwünschten Eigenschaften des Materials abhängt.
Die Erfindung ist nicht auf das in der Zeichnung gezeigte und oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern dieses kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten An sprüche abgewandelt werden. Es ist z.B. möglich die Form aus mehr als zwei Formteilen aufzubauen, z.B. aus drei oder vier Teilen, die dann zu einer Formeinheit zusammengebaut werden.

Claims

Vorrichtung zum Giessen von Gusseisen mit einer metallischen Kokille (100), die Außenwände (206, 208, 210) und Innenwände (212, 213, 220) aufweist, wobei die Innenwände in Kontakt mit einer Form (300) sind, Druckeinrichtungen (400) zum Aufbringen eines Anpressdrucks auf die Außenwände (206, 208, 210) der Kokille, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtungen (400) für das Aufbringen eines variablen Anpressdrucks auf die Außenwände vorgesehen sind und dass die Vorrichtung weiterhin Kokille-Kühleinrichtungen (500) für ein variables Kühlen der Innenwände (212, 213, 220) der Kokille aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtungen (400) hydraulische oder pneumatische Pressen aufweisen, die für das Einwirken auf die Außenwände (206, 208, 210) der Kokille vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille-Kühleinrichtung (500) zahlreiche Kühlkreise (520, die in der Kokille (100) angeordnet sind, einen Kühlmittelbehälter (530), einen Wärmetauscher (540) und eine Kühlmittelpumpe (550) aufweisen, wobei die Kühlmittelpumpe ein Kühlmittel durch eine Kühlmittelleitung (510) zirkuliert, die die Kühlmittelkreise (520) miteinander und mit dem Kühlmittelbehälter (530), dem Wärmetauscher (540) und der Kühlmittelpumpe (550) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (330) der Form eine Dicke aufweist, die derart ausgewählt ist, dass eine gewünschte Wärmeübertragungsrate für das Erreichen der gewünschten mechanischen Eigen schaften in dem Gussmaterial erreicht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (300) aus einem härtenden Formmaterial oder Grünsand besteht.
Verfahren zur Herstellung von Eisengüssen, bei dem eine metallische Kokille (100), die Außenwände (206, 208, 210) und Innenwände (212, 213, 220) aufweist und wobei die Innenwände in Kontakt mit einer Form (300) stehen, mit einem geschmolzenen Gusseisen gefüllt wird, und bei dem eine Druckeinrichtung (400) auf die Außenwände (206, 208, 210) der metallischen Kokille wirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtung (400) mit einem variablen Druck auf die Außenwände (206, 208, 210) der metallischen Kokille zur Kontrolle von Änderungen des Volumens des geschmolzenen Materials, das von der Kokille eingeschlossen ist, einwirkt, und dass eine Kokillekühleinrichtung (500) variabel die Innenwände (212, 213, 220) der Kokille während des Abkühlens des Gusses kühlt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (300) aus einem härtenden Formmaterial oder Grünsand hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Druck auf die Wände (206, 208, 210) mittels einer Druckeinrichtung (400) aufgebracht wird, die hydraulische oder pneumatische Pressen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille-Kühleinrichtung (500) einige Kühlkreise (520), die in der Kokille (100) angeordnet sind, einen Kühlmittelbehälter (530), einen Wärmetauscher (540) und ei ne Kühlmittelpumpe (550) aufweist, wobei durch die Kühlmittelpumpe ein Kühlmittel durch eine Kühlmittelleitung (500) zirkuliert wird, die die Kühlmittelkreise (520), miteinander und mit dem Kühlmittelbehälter (530), dem Wärmetauscher (540) und der Kühlmittelpumpe (550) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Formwanddicke ausgewählt wird, die eine gewünschte Kühlrate für den Guss ergibt.