EP0114934B1

EP0114934B1 - Verfahren zum Druckgiessen und Druckgiessmaschine zur Ausführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: EP0114934B1
Application number: EP83109981A
Authority: EP
Inventors: Gilbert Moret
Original assignee: Buehler AG
Current assignee: Buehler AG
Priority date: 1982-12-28
Filing date: 1983-10-05
Publication date: 1987-07-29
Also published as: DE3372723D1; EP0114934A1; DE3248423A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Druckgießen gegenüber Eisenlegierungen aggressiver Metallschmelzen mit Hilfe einer Druckgießmaschine der Warmkammerbauart mit einer aufrechtstehenden, unten geschlossenen und mit einer Schutzauskleidung versehenen Gießkammer in einem aus einem Eisenmetall, insbesondere Gußeisen bestehenden, in die Metallschmelze getauchten Pumpenblock, in dessen unterem Bereich an der Gießkammer eine über einen Zufuhrkanal an ein Einlaßventil angeschlossene Eintrittsöffnung und eine über einen Gießkanal zu einer Druckgießkokille führende Austrittsöffnung für die Metallschmelze vorgesehen sind, mit einem Gießkolben, der in einem von oben an die Gießkammer anschließenden Führungszylinder verschiebbar angeordnet und durch einen Gießantrieb in die Gießkammer einführbar ist und an dessen Druckfläche ein Vorkolben mit einem deutlich geringeren Durchmesser als derjenige der Gießkammer angebracht ist, wobei in dem von den freien Oberflächen von Gieß- und Vorkolben, Führungszylinder und Gießkammer sowie der in den letzteren befindlichen Metallschmelze umgrenzten Raum während des Formfüllvorgangs eine konstante Gasmasse eingeschlossen ist und durch den gegen die Gießkammer vorgeschobenen Gieß- und Vorkolben komprimiert wird, um die Metallschmelze durch den Gießkanal in die Druckgießkokille zu pressen. Weiter betrifft die Erfindung eine Druckgießmaschine zur Ausführung dieses Verfahrens.
Bei einer bekannten Druckgießmaschine (GB-PS 545 268) tritt der mit einer gehärteten Oberfläche versehene Gießkolben aus einem Führungszylinder in die Gießkammer ein, wobei jedoch zwischen dem Gießkolben und der Wand der Gießkammer ein deutlicher Abstand verbleibt. Die Dimensionierung ist so getroffen, daß zwischen der Metallschmelze und dem Gießkolben stets ein mehr oder weniger zusammengedrücktes Luftpolster verbleibt, so daß der Gießkolben zu keiner Zeit mit dem geschmolzenen Metall oder der Wand der Gießkammer in Berührung kommt. Bei derartigen Druckgießmaschinen wird der Pumpenblock im allgemeinen in einer Metallschmelze angeordnet, so daß allein durch Öffnung eines Ventils geschmolzenes Metall bei zurückgezogenem Gießkolben in die Gießkammer einströmen kann. Nach Schliessen des Ventils und durch Niederdrücken des Gießkolbens kann dann das geschmolzene Metall vorzugsweise über einen Schwanenhals in die Druckgießkokille befördert und unter einen Druck von mehreren 100 bar gesetzt werden.
Es ist auch schon bekannt (DE-OS 29 02 639), an dem unteren Ende eines Gießkolbens einen Vorkolben vorzusehen, welcher beim Niedergehen des Gießkolbens ein über der Metallschmelzenoberfläche befindliches Gasvolumen komprimiert. Gegen diesen Stand der Technik sind die vorliegenden Ansprüche abgegrenzt.
Die Nachteile dieser vorbekannten Druckgießmaschinen lassen sich wie folgt zusammenfassen :

Unter Zugrundelegung einer vorbestimmten Gießkolbengeschwindigkeit (Einpreßgeschwindigkeit) bei der Formfüllung ist die am Ende des Einpreßhubes erreichbare Druckerhöhung begrenzt. Um einen bestimmten, nicht zu niedrigen Enddruck nach vollzogenem Formfüllvorgang zu erzielen, muß bei den bekannten Bauarten eine große Gasmasse und ein langer Kolbenhub verwendet werden. Aus diesem Grunde ist die Formfüllzeit verlängert, wodurch das Gießmetall im Kokillenhohlraum partiell erstarren und das vollständige Füllen des letzteren behindert werden kann. Der für die Verdichtung des Gußwerkstückes wichtige Nachdruck bleibt dann wirkungslos.

Es ist auch schon eine Spritzgießmaschine bekannt (DE-PS 678 949), bei der eine zum Füllen der Form dienende Niederdruckquelle und ein zur Erzeugung des erhöhten Druckes dienender Kolben vorgesehen sind, der auf das zum Füllen der Form benutzte Niederdruckmittel einwirkt. Hier wird also zum Füllen der Form eine besondere Niederdruckquelle eingesetzt, während der am Schluß des Füllvorganges erforderliche erhöhte Druck von dem dann niedergehenden Kolben aufgebracht wird. Auch bei dieser vorbekannten Spritzgießmaschine kommt der Kolben mit der Metallschmelze nicht in Berührung.
Bei dieser bekannten Spritzgießmaschine ist zwar der Bedarf an Druckgas geringer als bei den beiden eingangs beschriebenen Druckgießmaschinen, doch ist stattdessen im vorliegenden Fall eine besondere Niederdruckgasquelle erforderlich, was einen erhöhten Aufwand und Störanfälligkeit bedeutet.
Es ist weiter bekannt (DE-PS 27 21 928), daß das den Ausspritzkanal durchströmende geschmolzene Metall die Wandung des Ausspritzkanals angreifen und eine teilweise Auflösung des Wandungsmaterials bewirken kann, was wiederum die Zusammensetzung des geschmolzenen Metalls verändern wird. Um dies zu vermeiden, hat man bereits den Ausspritzkanal, der von der Pumpe in Form eines Anschlußhalses zur Druckgießkokille führt, mit einer keramischen, zirkonhaltigen Auskleidung versehen. Um einen derartig ausgekleideten Ausspritzkanal nicht durch den hohen Innendruck des geschmolzenen Metalls beim Betrieb der Druckgießmaschine zum Reißen zu bringen und den Ausspritzkanal ferner über seine gesamte Länge gegen einen Angriff durch das geschmolzene Metall zu schützen, weist die keramische Auskleidung eine Porosität auf, damit ein Teil des geschmolzenen Metalls die Auskleidung durchdringen und diese somit beidseitig vom Gießdruck beaufschlagt werden kann. Hierdurch wird die Gefahr verringert, daß die Auskleidung beim Betrieb der Pumpe reißt. Gießkolben und Gießzylinder können aus einem keramischen Werkstoff bestehen, der gegen Korrosion und Verschleiß sehr widerstandsfest ist.
Bei einer weiteren bekannten Druckgießmaschine (US-PS 34 69 621) ist ein Gießzylinder aus einem harten, dichten, keramischen Werkstoff im erweiterten pumpenseitigen Ende des Schwanenhalses angeordnet, wobei zwischen der Außenfläche des Gießzylinders und der Wandung des Schwanenhalses ein Abstand vorliegt, damit der Gießzylinder innen und außen vom gleichen Druck beaufschlagt ist, wodurch keine Biege-oder Zugkräfte auf den Gießzylinder wirken, die zum Bruch führen könnten.
Das Ziel der Erfindung besteht nun darin, bei einer vorbestimmten Gießkolbengeschwindigkeit einen erheblich steileren Druckanstieg am Ende des Einpreßhubes und zugleich bei einem vorgegebenen Gießkolbenhub einen größeren Enddruck ohne einen erheblichen Steuerungs- und baulichen Aufwand und ohne eine Gefahr der Beschädigung oder des Bruches von Bauteilen zu erzielen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß durch entsprechende Einstellung der Menge des eingeschlossenen Gases vor der Abwärtsbewegung des Kolbens der Vorkolben vor Beendigung der Gießkolbenabwärtsbewegung und vor vollständiger Füllung der Druckgießkokille in die Metallschmelze eingetaucht wird, so daß die Metallschmelze gleichzeitig sowohl durch den in sie eintauchenden Vorkolben als auch durch das infolge einer vom Beginn des Eintauchens des Vorkolbens an auftretenden raschen Schrumpfung des gasgefüllten Ringraumes um den Vorkolben herum hochkomprimierte Gas druckbeaufschlagt wird.
Die bevorzugte Druckgießmaschine zur Ausführung dieses Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß die Menge des eingeschlossenen Gases vor der Abwärtsbewegung des Kolbens auf einen solchen Wert eingestellt ist, daß der Vorkolben vor Beendigung der Gießkolbenabwärtsbewegung und vor vollständiger Füllung der Druckgießkokille in die Metallschmelze eintaucht, und daß der Vorkolben als ein gegen die aggressive Metallschmelze beständiger Verdrängungskörper ausgebildet ist.
Um die Gießkammerwandung vor Korrosion zu schützen und gleichzeitig die Bruchgefahr für Keramikteile herabzusetzen, sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform vor, daß in der Gießkammer eine gegen die Metallschmelze beständige Schutzhülse angeordnet ist, die mit einem geringfügig kleineren Außendurchmesser als der Gießkammerdurchmesser und mit einem deutlich größeren Innendurchmesser als der Durchmesser des Vorkolbens ausgebildet ist und, über ihre Länge und ihren Umfang verteilt, mehrere durchgehende Öffnungen sowie mit der Schmelzeintritts- bzw. austrittsöffnung der Gießkammer ausgerichtete Durchtrittsöffnungen aufweist.
Im Vergleich zu den vorbekannten Druckgießmaschinen liegt also erfindungsgemäß eine erhebliche Verringerung der eingeschlossenen Gasmenge und eine Verkürzung des Einpreßhubes vor, was nebst einer sich rasch vollziehenden Formfüllung einen schnelleren, exponentiell verlaufenden Druckanstieg gegen Ende des Formfüllvorganges und einen höheren Enddruck ohne eine Erhöhung der Gießkolbengeschwindigkeit zur Folge hat. Dadurch wird auch eine wirksame Verdichtung des entstehenden Gußwerkstückes sichergestellt. Der in die Metallschmelze eintauchende Vorkolben gestattet den Kolbenhub. der zum Erreichen für eine vollständige Formfüllung und für die Nachverdichtung ausreichender Gasdrücke erforderlich ist, kürzer zu halten. Wegen der kleinen ringförmigen Berührungsfläche zwischen Druckgas und Metallschmelze ist die Gefahr für das Eindringen von Gas in die Schmelze sowie im Falle eines nicht inerten Gases dessen korrosive Wirkung gering. Es ist daher zwischen Gas und Metallschmelze erfindungsgemäß kein besonderes Trennmittel erforderlich.
Für den Vorkolben und die Schutzhülse werden vorzugsweise Keramikmaterialien verwendet. Sie können aus demselben oder auch aus geeigneten unterschiedlichen Keramikwerkstoffen ausgebildet sein. Der keramische Werkstoff des Vorkolbens wird mechanisch lediglich auf Druck beansprucht und muß im übrigen lediglich der beim erstmaligen Eintauchen in die Schmelze auftretenden schockartigen thermischen Beanspruchung widerstehen können.
Die Schutzhülse arbeitet erfindungsgemäß mit dem Vorkolben in der Weise zusammen, daß ihre Innenfläche die strömende Metallschmelze führt und ihr daher die Wirkung eines Zylinders zukommt.
Aufgrund der in der Schutzhülse vogesehenen Öffnungen ist die Gefahr von Verstopfungen wesentlich kleiner als bei der Verwendung poröser Keramik. Bei schnellen Druckänderungen ist erfindungsgemäß der Druckverlust über die gelochte massive Keramikwand geringer als bei einer porösen Wand. Weiter besteht bei einem massiven Keramikwerkstoff die Möglichkeit, Lochgröße und Lochabstand so zu wählen, daß ein geringstmöglicher Druckverlust auftritt.
Erfindungsgemäß wird also der Gießkolben durch das Druckübertragungsgas und die Gießkammer durch die vorzugsweise aus Keramik bestehende Schutzhülse vor der aggressiven Metallschmelze geschützt. Das Druckübertragungsgas kann entweder Stickstoff oder ein gegenüber einer Aluminium- oder Aluminiumlegierungsschmelze inertes anderes Gas verwendet werden.
Der Durchmesser der durchgehenden Öffnung der Schutzhülse soll 1 bis 5 mm und die Breite des Ringspaltes zwischen der Außenfläche der letzteren und der Gießkammerwand soll 0.5 bis 2 mm betragen.
Um auch den Boden des Gießzylinders vor den aggressiven Einflüssen der Metallschmelze zu schützen, soll die Schutzhülse zweckmäßigerweise einen Boden aufweisen, der ebenfalls wenigstens eine durchgehende Öffnung kleinen Querschnitts aufweisen kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben ; in dieser zeigt :

Figur 1 einen schematischen Querschnitt einer als Förderpumpe für flüssiges Aluminium oder Aluminiumlegierungen dienenden Gießeinheit einer Druckgießmaschine der Warmkammerbauart,
Figur 2 eine vergrößerte perspektivische schematische Ansicht der Schutzhülse 13, die
Figuren 3, 4 und 5 verkleinerte schematische Wiedergaben der Gießeinheit nach Fig. 1 in drei verschiedenen Betriebspositionen und
Figur 6 ein Diagramm, welches bei offenem Gießkanal den Verlauf der Metallschmelzenhöhe in der Gießkammer bzw. den Druck in der Gießkammer in Abhängigkeit von der Zeit veranschaulicht.

Nach Fig. 1 erstreckt sich oberhalb eines aus Gußeisen bestehenden Pumpenblocks 30 mit einer vertikal darin angeordneten Gießkammer 11 ein Führungszylinder 27, in dem ein Gießkolben 16 vertikal verschiebbar angeordnet ist. Der Gießkolben 16 kann durch einen nicht dargestellten Gießantriebszylinder mit einer den Gießdruck erzeugenden Kraft K beaufschlagt werden.
An seinem unteren Ende setzt sich der Gießkolben 16 in einen mit ihm koaxialen zylindrischen Vorkolben 14 fort, der einen deutlich geringeren Durchmesser als eine in der Gießkammer 11 angeordnete Schutzhülse 13 aufweist. Eine Kupplung 34 verbindet den Gießkolben 16 mit dem Vorkolben 14. Die Kupplung 34 hat im Hinblick auf die Wärmedehnung ein Spiel. Sie stellt daher eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Gieß- und Vorkolben dar.
Der Führungszylinder 27, der Gießkolben 16 und die Kupplung 34 bestehen vorzugsweise aus üblichen Metallwerkstoffen.
Der Gußeisen-Pumpenblock 30 ist in die zu vergießende Aluminiumschmelze 35 in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise eingetaucht, d. h., daß er oben aus der Schmelze 35 austaucht, daß jedoch ein im Pumpenblock 30 vorgesehener Metallzufuhrkanal 31 untergetaucht ist.
Die in die Gießkammer 11 eingesetzte, aus Keramik bestehende Schutzhülse 13 ist kreiszylindrisch ausgebildet und weist einen geringfügig kleineren Durchmesser als die zylindrische Gießkammer 11 auf, so daß zwischen der Schutzhülse 13 und der Wand der Gießkammer 11 ein enger Ringspalt 18 vorliegt, dessen Breite 0,5 bis 2 mm betragen kann. Die Schutzhülse 13 erstreckt sich axial bis zum Boden 26 der Gießkammer 11, wo sie sich abstützt. Oben reicht die Schutzhülse 13 annähernd bis zur oberen Fläche des Pumpenblocks 30. Die dortige obere Stirnfläche 28 der Schutzhülse 13 liegt etwas tiefer als eine sie unmittelbar umgebende Ringfläche 29 auf der Oberseite des Pumpenblocks 30. Die Ringfläche 29 geht über eine Ringstufe 37 in die obere Fläche 38 des Pumpenblocks 30 über, so daß zwischen dem Gießkolben 16 und der Ringstufe 37 ein Ringraum entsteht, in den ein Ringvorsprung 39 des Führungszylinders 27 passend eingreifen kann. Zwischen der Stirnfläche 28 der Schutzhülse 13 und den Ringvorsprung 39 des Führungszylinders 27 ist ein deutliches Spiel belassen, damit die Schutzhülse 13 durch die Wärmedehnungen nicht axial verspannt wird. Zwischen der von dem Ringvorsprung 39 radial nach außen sich erstreckenden Stirnfläche 40 des Führungszylinders 27 und der oberen Fläche 38 des Pumpenblocks 30 befindet sich eine scheibenförmige Ringdichtung 41, welche die Abdichtung der Gießkammer 11 nach außen besorgt.
Die Schutzhülse 13 ist also in kaltem Zustand wegen des zwischen der Stirnfläche 28 und der Ringfläche 29 vorhandenen Spiels und in betriebswarmen Zustand wegen der größeren Wärmedehnung der gußeisernen Gießkammer 11 nie axial verspannt und wird in dieser Richtung auch nicht belastet. Auch der Ringvorsprung 39 des Führungszylinders 27 wird nicht gegen die Ringfläche 29 des Pumpenblocks 30 verspannt. Lediglich die Stirnflächen 38 bzw. 40 des Pumpenblocks 30 bzw. des Führungszylinders 27 werden über die Ringdichtung 41 gegeneinander verspannt.
In der Wand der Schutzhülse 13 sind nach Fig. 1 und 2 gleichmäßig verteilt mehrere durchgehende Öffnungen in Form kreisförmiger Bohrungen 15 mit einem Durchmesser von 1 bis 5 mm vorgesehen. Im unteren Bereich weist die aus Keramik bestehende Schutzhülse 13 an in etwa diametral gegenüberliegenden Seiten Metallschmelzendurchtrittsöffnungen 23, 24 auf, die mit einem Metall-Zufuhrkanal 31 bzw. einem Gießkanal 32 in dem Pumpenblock 30 ausgerichtet sind.
Die Schutzhülse 13 weist außerdem einen mit ihr aus einem Stück bestehenden Boden 20 auf, der ebenfalls durchgehende Kreisbohrungen 15 gleichen Durchmessers aufweist und auf dem Gießkammerboden 26 aufliegt. Zwischen Gießkammerboden 26 und dem Boden 20 der Schutzhülse 13 könnte auch vermittels eines geringen axialen Vorsprunges des zylindrischen Teils der Schutzhülse 13 ein Bodenspalt etwa gleicher Breite wie der Ringspalt 18 vorgesehen werden.
Ein am Eingang des Metallzufuhrkanals 31 angeordnetes Einlaßventil 42 weist einen vollkeramischen Ventilkörper 43 mit einem Ventilschaft von gleicher Beschaffenheit auf. Auch der Ventilsitz 44 besteht aus keramischem Werkstoff.
An das Ventil 42 schließt sich ein erweiterter Abschnitt 45 des Metallzufuhrkanals 31 an, der den Abschnitt 45 mit der Metallschmelzeneintrittsöffnung 21 an der Gießkammer 11 verbindet. Der Zufuhrkanal 31 weist zusammen mit dem erweiterten Abschnitt 45 je eine rohrförmige keramische Auskleidung 46 auf.
An die Metallschmelzenaustrittsöffnung 22 schließt ein Gießkanal 32 an, welcher ebenfalls eine rohrförmige Auskleidung 46 trägt und schräg nach oben verläuft, um einen Teil des nicht dargestellten üblichen Steigkanals, des sogenannten Schwanenhalses, zu bilden, der zur ebenfalls nicht dargestellten Druckgießkokille führt.
Die rohrförmigen Auskleidungen 46 sind ähnlich wie die Schutzhülse 13 mit einem grobmaschigen Lochraster, bestehend aus durchgehenden Kreisbohrungen 15 versehen, deren Durchmesser gleich demjenigen der Bohrungen 15 der Schutzhülse ist. Der axiale Abstand der Bohrungen 15 auf einer Mantellinie von Schutzhülse 13 und Auskleidungsrohr 46 beträgt jeweils 50 bis 70 mm, während in Umfangsrichtung die Schutzhülse 13 vier und die Auskleidungsrohre 46 zwei Bohrungen 15 jeweils längs eines auf der Mantelfläche normal zu den Mantellinien liegenden Kreises aufweisen. Im Boden 20 der Schutzhülse 13 können zweckmäßig auf einem Kreis mit einem Durchmesser von 40 mm vier Bohrungen 15 vorgesehen sein.
Zwischen der Schmelzenoberfläche und dem Gießkolben 16 befindet sich in der Gießkammer 11 ein Druckübertragungsgas 47, dessen Masse gegenüber derjenigen bei bekannten gattungsgemäßen Druckgießmaschinen kleiner ist.
Der Führungszylinder 27 und der Gießkolben 16, die aus Metallegierungen bestehen, kommen mit der Metallschmelze 35 nicht in Berührung.
Die Schutzhülse 13 und der Vorkolben 14, die Bestandteile des Einlaßventils 42 wie der Ventilkörper 43 mit Ventilschaft und der Ventilsitz 44 sowie die nicht gezeigte Gießdüse sieht man besonders vorteilhaft als vollkeramische Körper vor. Es wird dabei bevorzugt für den Vorkolben 14 Aluminiumtitanat, für die Schutzhülse 13 Aluminiumtitanat oder Aluminiumoxid und für die Bestandteile des Einlaßventils 42 sowie für die Gießdüse Siliziumnitrid verwendet. Für die Auskleidung 46 des Metallzufuhrkanals 31, dessen erweiterten Abschnittes 45 und des Gießkanals 32 eignet sich Aluminiumoxid.
In Fig. 1 ist der Gießkolben 16 mit dem Vorkolben 14 in der unteren Endstellung an Ende eines Formfüllvorganges dargestellt. Nur in diesem unteren Endbereich seines Hubes dringt der Gießkolben 16 etwas in die Schutzhülse 13 ein, wobei durch Vorsehen eines größeren Spiels Reibung zwischen Gießkolben 16 und der Schutzhülse 13 vermieden wird. Die Kanäle 31, 32, der erweiterte Abschnitt 45 des ersteren und die Gießkammer 11 sind bis auf den vom Druckübertragungsgas 47 eingenommenen kurzen Ringraum mit Metallschmelze 35 gefüllt.
Nach einem derartigen Formfüllvorgang, bei dem in der Druckgußkokille Drücke von einigen 100 bar erzielt werden können, wird der Gießkolben 16 mit dem Vorkolben 14 so weit zurückgezogen, daß der Vorkolben 14 sich vollständig oberhalb der Schutzhülse 13 befindet.
Während des Rückzugs der Kolben 14, 16 wird das Einlaßventil 42 durch seinen Betätigungsantrieb geöffnet. Die den Pumpenblock 30 umgebende Schmelze 35 strömt dann durch das Einlaßventil 42, den Metallzufuhrkanal 31 und die Eintrittsöffnung 21 in die Gießkammer 11. Im zurückgezogenen Zustand des Vorkolbens 14 befindet sich zwischen dem Vorkolben 14, dem Gießkolben 16 und der Schmelzenoberfläche das nunmehr entspannte Druckübertragungsgas 47.
Der Ringspalt 18 zwischen der Schutzhülse 13 und der Gießkammer 11 ist ständig mit Metallschmelze 35 gefüllt.
Nach erfolgter Zufuhr einer erforderlichen Schmelzenmenge wird das Einlaßventil 42 durch den Betätigungsantrieb geschlossen und während des Formfüllvorgangs zusätzlich durch den in der Gießkammer 11 vorherrschenden Einpreßdruck in Schließrichtung beaufschlagt. Der anschließende Formfüllvorgang wird nunmehr anhand der Fig. 3 bis 6 im einzelnen beschrieben.
In Fig. 3 ist der Gießkolben 16 im vollständig zurückgezogenen Zustand gezeigt. Die in der Gießkammer 11 aufgestiegene Metallschmelze 35 drückt das Druckübertragungsgas 47 schon etwas zusammen. Der Pegel der Metallschmelze 35 nach deren Einfüllen in die Gießkammer 11 ist mit A h = 0 (h = h_o) bezeichnet, wie dies in Fig. 6 zum Zeitpunkt 0 am Beginn der Kurve Ah wiedergegeben ist. Der Druck zu diesem Zeitpunkt liegt bei etwa 1 bar.
Bei stetigem Niederdrücken des Gießkolbens 16 verdichtet sich das Druckübertragungsgas 47 stetig, so daß der Druck P gemäß dem Diagramm in Fig. 6 langsam um einige bar ansteigt. Aufgrund des Druckanstiegs wird die Schmelze ebenfalls stetig durch den Gießkanal 32 aus der Gießkammer 11 verdrängt, so daß der Pegel der Metallschmelze 35 in der Gießkammer 11 gemäß der Kurve Δh um den entsprechenden Betrag absinkt.
Die Menge des Druckübertragungsgases 47 zwischen dem Gießkolben 16 und dem Vorkolben 15 und der Metallschmelze 35 ist nun erfindungsgemäß so bestimmt, daß der Vorkolben 14 vor dem Ende der Abwärtsbewegung des Gießkolbens 16 mit der Metallschmelze 35 in Berührung kommt. Bei dem in Fig. 6 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird diese Berührung erreicht, wenn der Pegel der Metallschmelze bis zum Knickpunkt der Kurve Δh abgesunken ist.
Anschließend dringt dann der Vorkolben 14 gemäß Fig. 4 in die Metallschmelze 35 ein und verdrängt diese teilweise in den ihn umgebenden Ringraum, so daß der Pegel der Metallschmelze gemäß dem Kurvenverlauf Δh in Fig. 6 sprungartig wieder ansteigt, und zwar sogar auf einen höheren Wert als der Anfangspegel gemäß den Fig. 3 und 6. Dieser Zustand ist in Fig. 5 schematisch wiedergegeben.
Von dem Moment des Eintauchens des Vorkolbens 14 in die Metallschmelze 35 an wird das Druckübertragungsgas 47 in dem den Vorkolben 14 umgebenden Ringraum sehr schnell außerordentlich stark komprimiert, so daß der Druck P im relativ kurzen weiteren Verlauf des Kolbenhubes steil ansteigt, was in Fig. 6 durch die Kurve P veranschaulicht ist.
Die Aufnahme des Diagramms nach Fig. 6 erfolgte aus meßtechnischen Gründen mit offenem Gießkanal 32, d. h. ohne Druckgießkokille. Unter praktischen Gießbedingungen ist der Anstieg des Drucks P nach dem Eintauchen des Vorkolbens 14 in die Metallschmelze 35 noch erheblich steiler und ausgeprägt exponentiell. Nach vollendetem Formfüllvorgang kann ein Enddruck von einigen 100 bar erreicht werden, der zum Verdichten des Gußgefüges im Kokillenhohlraum dient.
Während des Kolbenrückzuges jeweils nach einem Formfüllvorgang und je nach Art des Gußwerkstückes bzw. des Kokillenhohlraumes und der zu vergießenden Legierung auch unmittelbar vor Beginn des nächsten Einpreßhubes erfolgt die Zufuhr einer gewissen Gasmenge aus einer nicht gezeigten Druckgasquelle in den Druckraum unterhalb des Gießkolbens 16. Dies ist erforderlich, damit einerseits vor dem Öffnen des Einlaßventil 42 während des Kolbenrückzuges die Bildung von Vakuum in der Gießkammer 11 und ein Aufspritzen der dadurch hereingerissenen Schmelze auf den metallenen Gießkolben 16 oder die ebensolche Wandung des Führungszylinders 27 vermieden wird. Andererseits kann man zum Einstellen eines optimalen Druckverlaufes und einer entsprechenden Hublänge im Formfüllvorgang das Druckgas um einige bar über den Atmosphärendruck hinaus vorspannen.
Ein wesentliches Charakteristikum des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch das Eintauchen des Vorkolbens 14 in die Metallschmelze 35 die Schmelzenoberfläche um den Vorkolben 14 herum entgegen der zusammen mit diesem nach unten bewegten Ringfläche des Gießkolbens 16 stark angehoben wird, wodurch sich gegen Ende des Formfüllvorganges ein extrem schneller Druckanstieg erreichen läßt.
Die Schmelze im Ringspalt 18 zwischen der Schutzhülse 13 und der Innenwand der Gießkammer 11 erfährt während des beschriebenen Formfüllvorganges denselben Druck wie die Metallschmelze 35 im Innern der Schutzhülse 13, bleibt jedoch an deren Strömungsbewegung unbeteiligt. Sie führt einen Druckausgleich zwischen der inneren und der äußeren Wandfläche der Schutzhülse 13 herbei und überträgt gleichzeitig den Druck an die gußeiserne Wandung der Gießkammer 11.
Somit übernimmt die letztere die Druckbelastung, während die unbelastete Schutzhülse 13 lediglich die Strömung führt. Da die Schmelze im Ringspalt 18 und im Bodenspalt stillsteht, greift sie die Gießkammerwandung nicht an, sondern geht mit der Wandoberfläche aus Gußeisen eine ständig flüssig bleibende Verbindung ein, deren Eisengehalt gesättigt ist und daher stabil bleibt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung läßt sich die Schutzhülse 13 auch leicht auswechseln, indem der Führungszylinder 27 mit den zurückgezogenen Kolben 14, 16 abgenommen wird. Aufgrund des deutlichen Ringspaltes 18 und der zylindrischen Ausbildung kann nunmehr die Schutzhülse 13 zwanglos axial entnommen und gegebenenfalls nach Reinigung wieder eingesetzt oder durch eine neue ersetzt werden.
Der lediglich der Herstellung dienende äußere Endabschnitt des Metallzufuhrkanals 31 ist mit einer Metallschraube verschlossen, deren der Schmelze zugewandte Endfläche durch eine Keramikplatte geschützt ist. Diese Keramikplatte kann z. B. aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid gefertigt sein.
Der Verbrauch von Druckübertragungsgas ist sehr gering.
Liste der Bezugszeichen

11 Gießkammer
13 Schutzhülse
14 Vorkolben
15 Bohrung
16 Gießkolben
18 Ringspalt
20 Boden von 13
21 Schmelzeintrittsöffnung
22 Schmelzaustrittsöffnung
23, 24 Durchtrittsöffnung
26 Gießkammerboden
27 Führungszylinder
28 Stirnfläche von 13
29 Ringfläche
30 Pumpenblock
31 Metallzufuhrkanal
32 Gießkanal
34 Kupplung
35 Schmelze
37 Ringstufe
38 obere Fläche von 30
39 Ringvorsprung von 27
40 Stirnfläche von 27
41 Ringdichtung
42 Einlaßventil
43 Ventilkörper
44 Ventilsitz
45 erweiterter Abschnitt
46 Schutzrohr
47 Gas

Claims

1. Verfahren zum Druckgießen gegenüber Eisenlegierungen aggressiver Metallschmelzen mit Hilfe einer Druckgießmaschine der Warmkammerbauart mit einer aufrechtstehenden, unten geschlossenen und mit einer Schutzauskleidung versehenen Gießkammer (11) in einem aus einem Eisenmetall, insbesondere Gußeisen, bestehenden, in die Metallschmelze (35) getauchten Pumpenblock (30), in dessen unterem Bereich an der Gießkammer (11) eine über einen Zufuhrkanal (31) an ein Einlaßventil (42) angeschlossene Eintrittsöffnung (21) und eine über einen Gießkanal (32) zu einer Druckgießkokille führende Austrittsöffnung (22) für die Metallschmelze (35) vorgesehen sind, mit einem Gießkolben (16), der in einem von oben an die Gießkammer (11) anschließenden Führungszylinder (27) verschiebbar angeordnet und durch einen Gießantrieb in die Gießkammer (11) einführbar ist und an dessen Druckfläche ein Vorkolben (14) mit einem deutlich geringeren Durchmesser als derjenige der Gießkammer (11) angebracht ist, wobei in dem von den freien Oberflächen von Gieß- (16) und Vorkolben (14), Führungszylinder (27) und Gießkammer (11) sowie der in den letzteren befindlichen Metallschmelze (35) umgrenzten Raum während des Formfüllvorganges eine konstante Gasmasse (47) eingeschlossen ist und durch den gegen die Gießkammer (11) vorgeschobenen Gieß- (16) und Vorkolben (14) komprimiert wird, um die Metallschmelze (35) durch den Gießkanal (32) in die Druckgießkokille zu pressen, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Einstellung der Menge des eingeschlossenen Gases (47) vor der Abwärtsbewegung des Kolbens (14, 16) der Vorkolben (14) vor Beendigung der Gießkolbenabwärtsbewegung und vor vollständiger Füllung der Druckgießkokille in die Metallschmelze (35) eingetaucht wird, so daß die Metallschmelze (35) gleichzeitig sowohl durch den in sie eintauchenden Vorkolben (14) als auch durch das infolge einer vom Beginn des Eintauchens des Vorkolbens (14) an auftretenden raschen Schrumpfung des gasgefüllten Ringraumes um den Vorkolben (14) herum hoch komprimiertes Gas (47) druckbeaufschlagt wird.

2. Druckgießmaschine der Warmkammerbauart zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer aufrechtstehenden, unten geschlossenen und mit einer Schutzauskleidung versehenen Gießkammer (11) in einem aus einem Eisenmetall, insbesondere Gußeisen, bestehenden, in die Metallschmelze (35) getauchten Pumpenblock (30), in dessen unterem Bereich an der Gießkammer (11) eine über einen Zufuhrkanal (31) an ein Einlaßventil (42) angeschlossene Eintrittsöffnung (21) und eine über einen Gießkanal (32) zu einer Druckgießkokille führende Austrittsöffnung (22) für die Metallschmelze (35) vorgesehen sind, mit einem Gießkolben (16), der in einem von oben an die Gießkammer (11) anschließenden Führungszylinder (27) verschiebbar angeordnet und durch einen Gießantrieb in die Gießkammer (11) einführbar ist und an dessen Druckfläche ein Vorkolben (14) mit einem deutlich geringeren Durchmesser als derjenige der Gießkammer (11) angebracht ist, wobei in dem von den freien Oberflächen von Gieß- (16) und Vorkolben (14), Führungszylinder (27) und Gießkammer (11) sowie der in der letzteren befindlichen Metallschmelze (35) umgrenzten Raum während des Formfüllvorganges eine konstante Gasmasse (47) eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des eingeschlossenen Gases (47) vor der Abwärtsbewegung des Kolbens (14, 16) auf einen solchen Wert eingestellt ist, daß der Vorkolben (14) vor Beendigung der Gießkolbenabwärtsbewegung und vor vollständiger Füllung der Druckgießkokille in die Metallschmelze (35) eintaucht, und daß der Vorkolben (14) als ein gegen die aggressive Metallschmelze (35) beständiger Verdrängungskörper ausgebildet ist.

3. Druckgießmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gießkammer (11) eine gegen die Metallschmelze (35) beständige Schutzhülse (13) angeordnet ist, die mit einem geringfügig kleineren Außendurchmesser als der Gießkammerdurchmesser und mit einem deutlich größeren Innendurchmesser als der Durchmesser des Vorkolbens (14) ausgebildet ist und, über ihre Länge und ihren Umfang verteilt, mehrere durchgehende Öffnungen (15) sowie mit der Schmelzeintritts- bzw. -austrittsöffnung (21, 22) der Gießkammer (11) ausgerichtete Durchtrittsöffnungen (23, 24) aufweist.

4. Druckgießmaschine nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkolben (14) aus einem keramischen Werkstoff, und die Schutzhülse (13) aus demselben keramischen Werkstoff besteht.

5. Druckgießmaschine nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkolben (14) aus einem keramischen Werkstoff. und die Schutzhülse (13) aus einem davon verschiedenen keramischen Werkstoff besteht.

6. Druckgießmaschinen nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der durchgehenden Öffnung (15) der Schutzhülse (13) 1 bis 5 mm und die Breite des Ringspaltes (18) zwischen der Außenfläche der letzteren und der Gießkammerwand 0,5 bis 2 mm betragen.

7. Druckgießmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülse (13) einen Boden (20) aufweist, der ebenfalls wenigstens eine durchgehende Öffnung (15) kleinen Querschnittes besitzt.

8. Druckgießmaschinen nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Zufuhrkanal (31) und im Gießkanal (32) je ein an die entsprechende Durchtrittsöffnung (23, 24) der Schuthülse (13) anschließendes, keramisches Schutzrohr (46) mit mehreren über seine Länge und seinen Umfang verteilten Öffnungen geringen Querschnittes angeordnet ist, wobei der Außendurchmesser der Schutzrohre (46) geringfügig kleiner als der jeweilige Kanaldurchmesser ist.

9. Druckgießmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile (43, 44) des Einlaßventiles (42) für die Metallschmelze (35) ebenfalls aus einem Keramikwerkstoff bestehen.

10. Druckgießmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des Vorkolbens (14) und der Querschnittsfläche des Ringraumes um dieses herum mindestens 1.5: 1 beträgt.