EP0241426B1 - Verfahren und Anlage zum Druckgiessen - Google Patents

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EP0241426B1
EP0241426B1 EP19870810211 EP87810211A EP0241426B1 EP 0241426 B1 EP0241426 B1 EP 0241426B1 EP 19870810211 EP19870810211 EP 19870810211 EP 87810211 A EP87810211 A EP 87810211A EP 0241426 B1 EP0241426 B1 EP 0241426B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
impression
die
casting
mold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
EP19870810211
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0241426A1 (de
Inventor
Gunther Wulff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcan Holdings Switzerland AG
Original Assignee
Schweizerische Aluminium AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schweizerische Aluminium AG filed Critical Schweizerische Aluminium AG
Publication of EP0241426A1 publication Critical patent/EP0241426A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0241426B1 publication Critical patent/EP0241426B1/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/09—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure
    • B22D27/13—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of gas pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/14—Machines with evacuated die cavity
    • B22D17/145—Venting means therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for producing void-free castings from metals or their alloys by pressing the melt under high casting pressure into a mold cavity, the metal being kept under pressure during solidification.
  • a method for producing void-free castings from metals or their alloys is known from DE-C-432 698.
  • a die casting system for producing void-free castings from metals or their alloys which comprises the following parts: at least two molded parts with mold parting surfaces forming a mold cavity; a filling chamber opening via a gate into the mold cavity and at least one bore opening into the mold cavity, into each of which an ejector pin is inserted.
  • Die casting is a widespread, inexpensive method of producing finished parts from molten metal in one operation. At most, these require little post-processing.
  • the process is used in particular for the casting of aluminum, magnesium, copper and zinc and their alloys and is especially preferred for thin-walled parts with complex shapes.
  • Gases present in the mold cavity during the mold filling process lead, among other causes, to pores in the solidified workpiece. Such pores reduce the quality of the products and thus significantly restrict the area of application of die-cast parts.
  • the origin of the gases is diverse: 1) When the machine is opened to remove the die-cast parts, the mold cavity fills with air. 2) To prevent the casting from sticking to the mold, the mold cavity must be periodically coated with a release agent. The constituents of these release agents, or their application aids, which are volatile at the temperature of the melt, form gases. 3) Lubricants must be used especially in the area of the filling chamber. Vapors from this also get into the mold cavity.
  • DE-C-2 517 140 discloses a die-casting process in which the air is first displaced from the mold cavity by flushing with a gas that is highly reactive with the molten metal to be cast, and then the molten metal is pressed into the mold cavity filled with the gas and after a time of 1 to 3 seconds after the end of the injection of the molten metal, but before the expiration of a certain time, which depends on the die casting thickness, an injection rod is driven into the mold cavity at a pressure of 50 to 300 MPa.
  • the injection rod is located at a suitable location in the mold and is driven into the still molten part of the casting by passing it through the solidified part on the surface of the injected molten metal, or by a solidified part of the surface of the injected melt by the action of the driven insertion rod is pressed into the molten part. Shrinkage cavities in the vicinity of the press-in rod can thus be almost completely avoided. If the casting has several larger thickenings, usually several press-in rods must be arranged. In order to be sufficiently effective, the press-in bars have to produce depressions which make up several% of the casting volume. This usually leads to a design of the casting blank, which requires extensive post-processing.
  • DE-C-452 698 discloses a die-casting process in which high pressure is exerted on the still liquid metal immediately after the mold is filled and is maintained until the casting has completely solidified.
  • the solidification process is conducted in such a way that the pressure introduction point remains fluid for the longest time.
  • US-A-3 420 291 discloses a method in which the metal is poured into a mold made of gas permeable ceramic.
  • the casting mold is located in a container, which is sealed gas-tight after filling the mold and subjected to gas pressure until the metal has completely solidified.
  • the invention is therefore based on the object of developing a casting method and a die casting system of the type mentioned at the outset, by means of which voids occurring due to the solidification shrinkage are prevented even in the case of complicated casting molds and also in the case of alloys which are difficult to cast. Overflow channels and similar formations that are later to be separated from the cast part are to be avoided here.
  • the object is achieved according to the invention in that after the entire surface of the casting has solidified piece and of at least 10% of the casting volume, but before demolding, high-tension gas is introduced into the mold cavity and this is placed under a pneumatic pressure of at least 2 MPa, preferably 10 to 50 MPa.
  • This pressure which is exerted on the entire volume of the casting, suppresses the formation of voids at all points on the inside of the casting.
  • the gas pressure required depends essentially on the casting material used, the casting geometry and the temperature of the casting at the time the pressure is applied.
  • air or nitrogen can be used as the compressed gas.
  • the casting Before the casting solidifies completely, it is preferably started to introduce the high-tension gas into the mold cavity. The most favorable phase for this begins after solidification of 10 to 30% of the casting volume.
  • the high pneumatic pressure in the mold cavity should be maintained at least until the casting has completely solidified.
  • the pneumatic pressure also causes the gas to expand the space between the mold and the casting in such a way that the casting is largely prevented from sticking to the mold. This is achieved by the fact that the gas surrounds the casting from almost all sides, so that most of the casting surface no longer touches the mold after the gas pressure has been applied. As a result of the gas pressure, the mold halves are typically pushed apart a few hundredths of a millimeter. Decreasing the adhesive considerably increases the life of the mold.
  • the gas in the phase after the casting has completely solidified, when the pressurized space is open, the gas is expanded to a substantially lower pressure before entering the mold cavity. This cools the gas and is able to extract effective heat from the cast part.
  • the mold cavity in order to prevent gas pores, is advantageously evacuated to a gas pressure of less than 25 kPa, preferably less than 0.5 kPa, before the melt enters.
  • the object is achieved according to the invention in that at least one of the molded parts has at least one gas passage, which opens into the mold cavity and is connected at the other end to a high-pressure gas source via a valve, and in that a gas seal on the mold parting surfaces is provided it is appropriate that both when the molded parts are joined together and in a state in which the mold separating surfaces are spaced apart, the mold cavity is closed to the outside together with the mouth of the filling chamber through the gas seal.
  • the mold should no longer be closed off by the gas seal in such a region of the mold parting surface distance, which is required for the removal of the casting.
  • the mold cavity can thus be pressurized by means of a high-tension gas which is introduced into the mold cavity after the surface solidification of the casting.
  • At least one of the molded parts preferably has at least one gas drain hole which opens into the region enclosed by the gas seal and is provided with a drain valve at the other end. This drain valve is controlled according to the pressure and flow requirements.
  • the gas drain hole, as well as the gas passage serving the gas inlet, is expediently positioned in such a way that the greatest flow and thus the greatest heat extraction prevail, especially over the casting areas with the lowest surface / volume ratio. This counteracts the delay in cooling due to the early detachment of the casting from the mold according to the invention. This helps to minimize the time required for the die casting system per casting; the casting is usually removed from the mold when the temperature falls below about 150 ° C. below the solidus.
  • the mold parting surfaces are designed such that when the molded parts are joined together outside the mold cavity, but within the area enclosed by the gas seal, they leave at least one drain channel open, into which the gas drain hole opens.
  • the targeted placement of such drainage channels enables the gas flow to be optimized with regard to a rapid cooling of the casting before removal.
  • valve located between the high pressure gas source and the mold cavity is designed such that it can be brought to a throttle position in a controlled manner.
  • the mold cavity is advantageously evacuated before the melt enters in order to prevent gas pores.
  • the mold parting surfaces are designed in such a way that when the molded parts are joined together outside the mold cavity, within the area enclosed by the gas seal, they leave at least one suction channel open, which is separated from the mold cavity when the molded parts are joined together, and which each has an evacuation hole in one of the molded parts and connected to a vacuum connection via a suction valve. Thanks to the position of the gas seal according to the invention, the mold cavity can be evacuated even before the molded parts have been completely joined, if the mold separating surfaces are still a few mm apart. After the molded parts have joined together, when the melt enters the mold cavity, the evacuation hole and the suction channel are protected against melt entry without the use of an expensive shut-off valve.
  • the gas passage for the entry of the high-tension gas into the ejector pin and its bore is integrated.
  • This version relieves the form of additional, complex connections.
  • the ejector pin and the associated bore are cylindrical, with a truncated cone-like truncated cone on the cylinder, and that the cylindrical part of the ejector pin with a longitudinal groove for passage is part of the gas passage of the gas is provided.
  • the truncated cone ends on the mold cavity side with a surface that continuously continues the surrounding mold wall.
  • the cold chamber die-casting system shown in FIG. 1 comprises a movable molded part 1 and a fixed molded part 2, which form a mold cavity 3 when they are joined and meet the mold parting surfaces 4 and 5 outside of the latter.
  • the mold cavity 3 has a volume of 3 liters.
  • the width of the mold cavity 3 is for the most part 2.5 mm; widenings of up to 10 mm are provided in individual areas.
  • the fixed molded part 2 encloses the end of a filling chamber 14 which is connected to the mold cavity 3 via a gate 19 and via which aluminum melt of the AISi7Mg alloy is pressed into the mold cavity 3 by means of a pressure piston 24 with a pressure of approximately 70 MPa.
  • the mold cavity 3, together with the mouth of the filling chamber 14, is sealed gas-tight to the outside by a gas seal 9.
  • the gas seal 9 is designed as a sliding seal, and the molded parts 1 and 2 are formed in the area of the gas seal 9 in such a way that the gas seal 9 also closes to the outside when the molded parts 1 and 2 are not connected and the mold separating surfaces 4 and 5 are mutually exclusive Have a distance of 8 mm. In this state, the mold can already be evacuated to an air pressure of 0.4 kPa.
  • a suction channel 10 which is placed in a ring around the mold cavity 3 and runs within the gas seal 9, is used as a channel in the fixed molded part 2 and is covered by the molded parting surface 4 when the molded parts 1 and 2 are joined.
  • an evacuation hole 12 of the movable molded part 1 opens into this suction channel 10.
  • the evacuation hole 12 is connected to a vacuum connection via a suction valve 13.
  • the suction valve 13 remains open even after the combination of the two molded parts 1 and 2 until the aluminum melt has filled the mold cavity 3 and the resulting casting (not shown) has solidified over its entire surface.
  • the ejector pins 6 consist of a cylindrical and, on the mold cavity side, a frustoconical part. After cooling the aluminum casting to 400 ° C and opening the mold, they serve to eject the casting. A possible clearance between them and the ejector pins 6 is closed to the outside by a seal 23 at the outer mouth of the bores 11.
  • the cylindrical part of the ejector pins 6 - as shown schematically in cross section in FIG. 2 - is provided with a longitudinal groove 20.
  • the bores 11 are cut through a line 22 each, which lead to the outside and are each connected via an adjustable proportional valve 7 to a high-pressure gas source 8, which supplies nitrogen at 20 MPa.
  • a high-pressure gas source 8 which supplies nitrogen at 20 MPa.
  • the suction valve 13 is closed and the valves 7 opened.
  • nitrogen is pressed over the lines 22 and through the longitudinal grooves 20 and the frustoconical end of the ejector pins 6 is pressed slightly into the mold cavity 3, as a result of which a passage for the high-tension nitrogen opens in the frustoconical area between the ejector pins 6 and the bores 11.
  • the ejector pins 6 and the bores 11 each form a gas passage 15.
  • the nitrogen entering the mold cavity 3 puts the latter under a pneumatic pressure of approximately 20 MPa, has a compressing effect on the casting that has not yet solidified inside and presses the two molded parts 1 and 2 apart by about 0.1 mm, which further increases the space between the mold and the casting. This is enveloped by nitrogen on almost all sides, which largely prevents sticking to the mold.
  • the mold parting surface 5 of the fixed mold part 2 is formed in the area between the annular suction channel 10 and the mold cavity 3 in such a way that the mold part 2 has, in some areas, depressions which are covered by the mold parting surface 4 when the two mold parts 1 and 2 come together and form six drainage channels 21.
  • the movable molded part 1 has six gas drain holes 16 which open in the mold separating surface 4 in the region of the drain channels 21 and are each provided with a drain valve 17 at the outer end. These drain valves 17 are opened after the casting has solidified, approximately 3.5 s after the mold filling has been completed.
  • the proportional valves 7 are set to a throttle position, which reduces the pressure of the inflowing nitrogen to approximately 1 MPa.
  • the tensioned nitrogen in the mold cavity 3 then flows between the two mold parting surfaces 4 and 5 to the drainage channels 21 and reaches the outside via the drain valves 17.
  • the position of the drainage channels 21 relative to the mold cavity 3 and the setting of the drain valves 17 is chosen so that the nitrogen sweeps over the casting at the locations with strong flow, which require greater heat removal due to the unfavorable surface / volume ratio.
  • the casting can be cooled to the 400 ° C. at which the mold is opened and the casting is removed. After about 30 s, the casting is ejected. The casting is free of pores and voids even after the subsequent heat treatment.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung lunkerfreier Gußstücke aus Metallen oder deren Legierungen durch Pressen der Schmelze unter hohem Giessdruck in einen Formhohlraum, wobei das Metall während der Erstarrung unter Druck gehalten wird. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-C-432 698 bekannt. Zudem liegt im Rahmen der Erfindung eine Druckgiessanlage zur Herstellung lunkerfreier Gußstücke aus Metallen oder deren Legierungen, welche folgende Teile umfasst: mindestens zwei einen Formhohlraum bildende Formteile mit Formtrennflächen; eine über einen Anschnitt in den Formhohlraum mündende Füllkammer sowie mindestens eine in den Formhohlraum mündende Bohrung, in welche je ein Auswerferstift eingesetzt ist.
  • Der Druckguss stellt eine verbreitete, kostengünstige Methode dar, aus Metallschmelze in einem Arbeitsgang Fertigteile herzustellen. Diese bedürfen höchstens noch geringer Nachbearbeitung. Das Verfahren wird insbesondere beim Giessen von Aluminium, Magnesium, Kupfer und Zink sowie deren Legierungen angewandt und wird speziell für dünnwandige Teile komplizierter Formgebung bevorzugt.
  • Während des Formfüllungsablaufs im Formhohlraum anwesende Gase führen neben anderen Ursachen zu Poren im erstarrten Werkstück. Solche Poren mindern die Qualität der Produkte und schränken somit das Anwendungsgebiet von Druckgussteilen wesentlich ein. Der Ursprung der Gase ist vielfältig: 1) Beim Öffnen der Maschine zur Entnahme der Druckgussteile füllt sich der Formhohlraum mit Luft. 2) Zur Verhinderung des Klebens des Gußstücks an der Form muss der Formhohlraum periodisch mit einem Trennmittel beschichtet werden. Die bei der Temperatur der Schmelze flüchtigen Bestandteile dieser Trennmittel, beziehungsweise ihrer Applikationshilfsmittel, bilden Gase. 3) Insbesondere im Bereich der Füllkammer müssen Schmiermittel eingesetzt werden. Dämpfe hiervon gelangen ebenfalls in den Formhohlraum.
  • Verschiedene Methoden und Anlagen wurden daher schon entwickelt, um während der Formfüllung und Erstarrung im Formhohlraum die Menge der porenbildenden Gase zu reduzieren. Dabei sind zwei Entwicklungsrichtungen zu unterscheiden: A) Herstellung eines möglichst hochgradigen Vakuums im Formhohlraum und in der Füllkammer unmittelbar vor der Giessphase. B) Spülen der Hohlräume mit einem Gas, welches mit dem zu vergiessenden Metall innert genügend kurzer Zeit eine Reaktion einzugehen vermag, wobei die Reaktionsprodukte feste Stoffe mit entsprechend kleinem Volumenanteil sein müssen.
  • Aber auch nach einer Eliminierung der auf Gaseinschlüsse zurückzuführenden Poren treten aufgrund der Erstarrungsschrumpfung Lunker auf. Durch Nachspeisung und Verdichtung der erstarrenden Schmelze wird versucht, das Lunkervolumen zu verringern. Bei einfachen Gussformen sowie bei verhältnismässig leicht giessbaren Legierungen gelingt es nahezu lunkerfrei zu giessen. Bei anspruchsvolleren Gussformen müssen jedoch bereits aufwendige Verfahren angewendet werden, um Lunker wirksam zu reduzieren. So ist beispielsweise aus der DE-C-2 517 140 ein Druckgiessverfahren bekannt, bei welchem zunächst die Luft aus dem Formhohlraum durch Spülen mit einem mit der zu giessenden Metallschmelze stark reaktionsfähigen Gas verdrängt und anschliessend die Metallschmelze in den mit dem Gas gefüllten Formhohlraum gepresst wird und nach Ablauf einer Zeit von 1 bis 3 Sekunden nach Beendigung des Einspritzens der Metallschmelze, jedoch vor Ablauf einer bestimmten, von der Druckgußstückdicke abhängigen Zeit, ein Einpreßstab mit einem Druck von 50 bis 300 MPa in den Formhohlraum getrieben wird. Der Einpreßstab ist an einer geeigneten Stelle in der Form angeordnet und wird in den noch geschmolzenen Teil des Gußstücks getrieben, indem er durch den erstarrten Teil an der Oberfläche der eingespritzten Metallschmelze geführt wird, oder indem ein erstarrter Teil der Oberfläche der eingespritzten Schmelze durch die Wirkung des vorgetriebenen Einpreßstabes in den geschmolzenen Teil gepresst wird. Damit können Schwindungshohlräume in der Umgebung des Einpreßstabes fast vollständig vermieden werden. Weist das Gußstück mehrere Verdickungen grösseren Ausmasses auf, müssen in der Regel mehrere Einpreßstäbe angeordnet werden. Um genügend wirksam zu sein, müssen die Einpreßstäbe Vertiefungen erzeugen, welche mehrere % des Gußstückvolumens ausmachen. Dies führt zumeist zu einer Ausgestaltung des Gußstückrohlings, welche eine aufwendige Nachbearbeitung erfordert.
  • Aus der DE-C-452 698 ist ein Druckgiessverfahren bekannt, bei welchem unmittelbar nach der Formfüllung hoher Druck auf das noch flüssige Metall ausgeübt und bis zur vollständigen Erstarrung des Gußstückes aufrechterhalten wird. Der Erstarrungsvorgang wird so geleitet, dass die Druckeinleitungsstelle am längsten flüssig bleibt.
  • Die US-A-3 420 291 offenbart ein Verfahren, bei welchem das Metall in eine Giessform aus gasdurchlässiger Keramik gegossen wird. Die Giessform befindet sich in einem Behälter, welcher nach der Formfüllung gasdicht verschlossen und bis zur vollständigen Erstarrung des Metalls mit Gasdruck beaufschlagt wird.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Giessverfahren und eine Druckgiessanlage eingangs genannter Gattung zu entwickeln, mittels welcher eine aufgrund der Erstarrungsschrumpfung auftretende Lunkerbildung auch bei komplizierten Gussformen und auch bei schwierig giessbaren Legierungen verhindert wird. Überlaufkanäle und ähnliche, später vom Gussteil abzutrennende Ausformungen sollen hierbei vermieden werden.
  • In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass nach der Erstarrung der gesamten Oberfläche des Gußstückes und von mindestens 10 % des Gussstückvolumens, jedoch vor der Entformung, hochgespanntes Gas in den Formhohlraum eingebracht und dieser unter einen pneumatischen Druck von mindestens 2 MPa, vorzugsweise 10 bis 50 MPa, gesetzt wird.
  • Durch diesen auf das gesamte Volumen des Gußstückes ausgeübten Druck wird die Lunkerbildung an allen Stellen des Gußstückinneren unterdrückt. Der benötigte Gasdruck richtet sich im wesentlichen nach dem eingesetzten Gusswerkstoff, der Gußstückgeometrie sowie der Temperatur des Gußstückes im Zeitpunkt der Druckbeaufschlagung.
  • Als Druckgas kann beispielsweise Luft oder Stickstoff verwendet werden.
  • Bevorzugt wird vor der vollständigen Erstarrung des Gussstückes damit begonnen, das hochgespannte Gas in den Formhohlraum einzubringen. Die hierzu günstigste Phase beginnt nach der Erstarrung von 10 bis 30 % des Gußstückvolumens. Der hohe pneumatische Druck im Formhohlraum soll hierbei mindestens bis zur vollständigen Erstarrung des Gußstückes aufrechterhalten werden.
  • Der pneumatische Druck bewirkt zudem, dass das Gas den Raum zwischen der Form und dem Gußstück derart erweitert, dass ein Kleben des Gußstücks an der Form weitgehend verhindert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Gas das Gussstück nahezu von allen Seiten umgibt, sodass der grösste Teil der Gußstückoberfläche nach der Gasdruckbeaufschlagung die Form nicht mehr berührt. Infolge des Gasdruckes werden die Formhälften typischerweise einige Hundertstel mm auseinandergedrückt. Das vermindern des Klebens erhöht die Lebensdauer der Form beträchtlich.
  • Es hat sich als zweckmässig erwiesen, nach vollständiger Erstarrung des Gußstückes den unter Druck stehenden Raum an vorbestimmten Stellen zur Abströmung des Gases zu öffnen. Diese Stellen, wie auch die Gaseintrittsstellen, sind dabei so zu wählen, dass die auftretenden Gasströme im Formhohlraum über Bereiche der Gußstückoberfläche gelenkt werden, welche einen erhöhten Wärmeentzugssbedarf aufweisen. Die Gas-Ein- bzw. Austrittsstellen werden sinngemäss so gewählt, dass insbesondere über den Bereichen mit dem geringsten Oberflächen /Volumen-Verhältnis die grösste Strömung und damit der grösste Wärmeentzug herrscht. Der aufgrund der erfindungsgemässen frühzeitigen Ablösung des Gußstücks von der Form entstehenden Verzögerung der Abkühlung wird hierdurch entgegengetreten. Dies trägt zur Minimierung der zeitlichen Beanspruchung der Druckgiessanlage pro Gußstück bei; das Gußstück wird üblicherweise bei Unterschreiten einer Temperatur von etwa 150°C unter dem Solidus aus der Form entfernt.
  • In einem bevorzugten Verfahren wird in der Phase nach der vollständigen Erstarrung des Gußstücks, wenn der unter Druck stehende Raum geöffnet ist, das Gas vor dem Eintritt in den Formhohlraum auf einen wesentlich geringeren Druck entspannt. Das Gas wird dadurch abgekühlt und vermag dem damit beaufschlagten Gußstück noch wirkungsvoller Wärme zu entziehen.
  • Im Rahmen der Erfindung wird zur Verhinderung von Gasporen der Formhohlraum vor dem Eintritt der Schmelze mit Vorteil auf einen Gasdruck von weniger als 25 kPa, vorzugsweise weniger als 0.5 kPa evakuiert.
  • In bezug auf die Druckgiessanlage wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens eines der Formteile mindestens einen Gasdurchlass aufweist, welcher in den Formhohlraum mündet und am anderen Ende über ein Ventil mit einer Hochdruck-Gasquelle verbunden ist, und dass eine Gasdichtung an den Formtrennflächen derart angebracht ist, dass sowohl beim Zusammenschluss der Formteile als auch in einem Zustand, in welchem die Formtrennflächen einen Abstand aufweisen, der Formhohlraum zusammen mit der Mündung der Füllkammer durch die Gasdichtung nach aussen abgeschlossen ist. Die Form soll erst in einem solchen Bereich des Formtrennflächenabstands nicht mehr durch die Gasdichtung abgeschlossen sein, welcher zur Entnahme des Gußstückes erforderlich ist.
  • Damit kann der Formhohlraum mittels eines nach der oberflächlichen Erstarrung des Gußstückes in den Formhohlraum eingebrachten, hochgespannten Gases unter Druck gesetzt werden.
  • Bevorzugt weist bei einer erfindungsgemässen Druckgiessanlage mindestens eines der Formteile mindestens eine Gasabflussbohrung auf, welche in den durch die Gasdichtung eingeschlossenen Bereich mündet und am anderen Ende mit einem Ablassventil versehen ist. Dieses Ablassventil wird entsprechend den Druck- und Strömungsbedürfnissen gesteuert.
  • Die Gasabflussbohrung, wie auch der dem Gaseintritt dienende Gasdurchlass wird zweckmässig so positioniert, dass insbesondere über den Gußstück-Bereichen mit dem geringsten Oberflächen/Volumen-Verhältnis die grösste Strömung und damit der grösste Wärmeentzug herrscht. Der aufgrund der erfindungsgemässen frühzeitigen Ablösung des Gußstückes von der Form entstehenden Verzögerung der Abkühlung wird hierdurch entgegengetreten. Dies trägt zur Minimierung der zeitlichen Beanspruchung der Druckgiessanlage pro Gußstück bei; das Gußstück wird üblicherweise bei Unterschreiten einer Temperatur von etwa 150°C unter dem Solidus aus der Form entfernt.
  • In einer besonders geeigneten Ausführung sind die Formtrennflächen derart ausgebildet, dass sie beim Zusammenschluss der Formteile ausserhalb des Formhohlraums, jedoch innerhalb des durch die Gasdichtung eingeschlossenen Bereichs, mindestens einen Abflusskanal offen lassen, in welchen die Gasabflussbohrung mündet. Die gezielte Platzierung solcher Abflusskanäle ermöglicht die Optimierung der Gasströmung hinsichtlich einer möglichst raschen Abkühlung des Gußstücks vor dem Entfernen.
  • In einer besonders zweckmässigen Druckgiessanlage ist das zwischen der Hochdruck-Gasquelle und dem Formhohlraum liegende Ventil so gestaltet, dass es gesteuert auf eine Drosselstellung gebracht werden kann.
  • Im Rahmen der Erfindung wird zur Verhinderung von Gasporen der Formhohlraum vor dem Eintritt der Schmelze mit Vorteil evakuiert. In einer hierzu geeigneten Druckgiessanlage sind die Formtrennflächen derart ausgebildet, dass sie beim Zusammenschluss der Formteile ausserhalb des Formhohlraumes, innerhalb des durch die Gasdichtung eingeschlossenen Bereichs, mindestens einen Absaugkanal offen lassen, der beim Zusammenschluss der Formteile vom Formhohlraum getrennt ist und welcher je über eine Evakuierbohrung in einem der Formteile und über ein Absaugventil mit einem Vakuumanschluss verbunden ist. Dank der erfindungsgemässen Lage der Gasdichtung kann der Formhohlraum bereits vor dem vollständigen Zusammenschluss der Formteile, wenn die Formtrennflächen noch einen Abstand von einigen mm aufweisen, evakuiert werden. Nach dem Zusammenschluss der Formteile, beim Eintritt der Schmelze in den Formhohlraum, ist die Evakuierbohrung und der Absaugkanal vor einem Schmelzezutritt ohne Einsatz eines teuren Absperrventils geschützt.
  • In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemässen Druckgiessanlage ist der Gasdurchlass für den Eintritt des hochgespannten Gases in den Auswerferstift und seine Bohrung integriert. Diese Ausführung entlastet die Form von zusätzlichen, aufwendigen Anschlüssen. In Druckgiessanlagen mit mehr als einem Auswerferstift können mehrere mit einem Gasdurchlass versehen werden. Insbesondere zum Schutz des Gasdurchlasses vor Schmelzezutritt sieht eine bevorzugte Ausführung vor, dass der Auswerferstift und die zugeordnete Bohrung zylinderförmig sind, wobei sich formhohlraumseitig an den Zylinder trompetenartig ein Kegelstumpf anschliesst, und dass als Teil des Gasdurchlasses der zylindrische Teil des Auswerferstifts mit einer Längsnut zur Durchleitung des Gases versehen ist. Der Kegelstumpf schliesst formhohlraumseitig mit einer Fläche ab, welche die umgebende Formwand stetig fortsetzt.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
    • Figur 1 einen schematisierten Längsschnitt durch die Hauptteile einer erfindungsgemässen Druckgiessanlage;
    • Figur 2 einen schematisierten Querschnitt durch den Auswerferstift in der Bohrung.
  • Die in der Figur 1 dargestellte Kaltkammer-Druckgiessanlage umfasst ein bewegliches Formteil 1 und ein festes Formteil 2, welche beim Zusammenschluss einen Formhohlraum 3 bilden und ausserhalb diesem mit den Formtrennflächen 4 bzw. 5 aufeinandertreffen. Der Formhohlraum 3 umfasst ein Volumen von 3 Liter. Die Weite des Formhohlraumes 3 beträgt grösstenteils 2.5 mm; in einzelnen Bereichen sind Aufweitungen bis 10 mm angebracht. Das feste Formteil 2 umschliesst das Ende einer Füllkammer 14, welche über einen Anschnitt 19 mit dem Formhohlraum 3 in Verbindung steht und über welche Aluminiumschmelze der Legierung AISi7Mg mittels eines Druckkolbens 24 mit einem Druck von etwa 70 MPa in den Formhohlraum 3 gepresst wird. Der Formhohlraum 3 ist zusammen mit der Mündung der Füllkammer 14 durch eine Gasdichtung 9 nach aussen gasdicht abgeschlossen. Die Gasdichtung 9 ist als Schiebedichtung ausgeführt, und die Formteile 1 und 2 sind im Bereich der Gasdichtung 9 derart ausgebildet, dass die Gasdichtung 9 auch dann nach aussen abschliesst, wenn die Formteile 1 und 2 nicht zusammengeschlossen sind und die Formtrennflächen 4 und 5 einen gegenseitigen Abstand von 8 mm aufweisen. In diesem Zustand kann die Form bereits auf einen Luftdruck von 0.4 kPa evakuiert werden. Hierzu dient ein ringförmig um den Formhohlraum 3 gelegter, innerhalb der Gasdichtung 9 verlaufender Absaugkanal 10. Dieser ist als Rinne im festen Formteil 2 gearbeitet und wird beim Zusammenschluss der Formteile 1 und 2 durch die Formtrennfläche 4 zugedeckt. An einer Stelle mündet in diesen Absaugkanal 10 eine Evakuierbohrung 12 des beweglichen Formteils 1. Die Evakuierbohrung 12 ist über ein Absaugventil 13 mit einem Vakuumanschluss verbunden. Das Absaugventil 13 bleibt auch noch nach dem Zusammenschluss der beiden Formteile 1 und 2 geöffnet, bis die Aluminiumschmelze den Formhohlraum 3 gefüllt hat und das entstandene - nicht dargestellte - Gußstück über seine ganze Oberfläche erstarrt ist.
  • In den Formhohlraum 3 münden drei Bohrungen 11 des beweglichen Formteils 1, in welche je ein Auswerferstift 6 eingepasst ist. Die Auswerferstifte 6 bestehen aus einem zylindrischen und, formhohlraumseits, einem kegelstumpfförmigen Teil. Sie dienen, nach dem Abkühlen des Aluminiumgußstückes auf 400° C und Öffnen der Form, dem Ausstossen des Gußstücks. Durch eine Dichtung 23 bei der äusseren Mündung der Bohrungen 11 ist ein allfälliger Spielraum zwischen ihnen und den Auswerferstiften 6 nach aussen abgeschlossen. Zudem ist der zylindrische Teil der Auswerferstifte 6 - wie in der Figur 2 schematisch im Querschnitt dargestellt - mit einer Längsnut 20 versehen. Im Innern des Formteils 1 werden die Bohrungen 11 durch je eine Leitung 22 geschnitten, die nach aussen führen und über je ein einstellbares ProportionalVentil 7 mit einer Hochdruck-Gasquelle 8 verbunden sind, welche auf 20 MPa gespannten Stickstoff liefert. Nach der Erstarrung der gesamten Oberfläche des Gußstückes, 100 ms nach Abschluss der Formfüllung, wird das Absaugventil 13 geschlossen und die Ventile 7 geöffnet. Dadurch wird Stickstoff über die Leitungen 22 und durch die Längsnuten 20 gepresst und das kegelstumpfförmige Ende der Auswerferstifte 6 geringfügig in den Formhohlraum 3 gedrückt, wodurch sich zwischen den Auswerferstiften 6 und den Bohrungen 11 auch im kegelstumpfförmigen Bereich ein Durchlass für den hochgespannten Stickstoff öffnet. Die Auswerferstifte 6 und die Bohrungen 11 bilden dergestalt je einen Gasdurchlass 15. Der in den Formhohlraum 3 gelangende Stickstoff setzt diesen unter einen pneumatischen Druck von etwa 20 MPa, wirkt auf das im Innern noch nicht erstarrte Gußstück verdichtend und drückt die beiden Formteile 1 und 2 um etwa 0,1 mm auseinander, wodurch der Raum zwischen der Form und dem Gußstück zusätzlich erweitert wird. Dieses wird von nahezu allen Seiten vom Stickstoff umhüllt, was ein Kleben an der Form weitgehend verhindert.
  • Die Formtrennfläche 5 des festen Formteils 2 ist im Bereich zwischen dem ringförmigen Absaugkanal 10 und dem Formhohlraum 3 derart ausgebildet, dass das Formteil 2 gebietsweise Vertiefungen aufweist, welche beim Zusammenschluss beider Formteile 1 und 2 durch die Formtrennfläche 4 zugedeckt werden und sechs Abflusskanäle 21 bilden. Das bewegliche Formteil 1 weist sechs Gasabflussbohrungen 16 auf, welche in der Formtrennfläche 4 im Bereich der Abflusskanäle 21 münden und am äusseren Ende mit je einem Ablassventil 17 versehen sind. Diese Ablassventile 17 werden nach Abschluss der Erstarrung des Gußstückes, etwa 3.5 s nach Abschluss der Formfüllung, geöffnet. Gleichzeitig werden die Proportional-Ventile 7 auf eine Drosselstellung gesetzt, welche den Druck des einströmenden Stickstoffs auf etwa 1 MPa reduziert. Der sich im Formhohlraum 3 befindende gespannte Stickstoff strömt sodann zwischen den beiden Formtrennflächen 4 und 5 hindurch zu den Abflusskanälen 21 und gelangt über die Ablassventile 17 nach aussen. Die Lage der Abflusskanäle 21 relativ zum Formhohlraum 3 und die Einstellung der Ablassventile 17 wird so gewählt, dass der Stickstoff das Gußstück an den Stellen mit starker Strömung überstreicht, welche infolge ungünstigen Oberflächen/Volumen-Verhältnisses einen stärkeren Wärmeentzug benötigen. Dadurch kann das Gußstück bedeutend rascher auf die 400° C abgekühlt werden, bei denen die Form geöffnet und das Gussstück entfernt wird. Nach etwa 30 s wird das Gußstück ausgestossen. Das Gußstück ist auch nach der anschliessenden Wärmebehandlung poren- und lunkerfrei.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung lunkerfreier Gußstücke aus Metallen oder deren Legierungen durch Pressen der Schmelze unter hohem Giessdruck in einen Formhohlraum (3), wobei das Metall während der Erstarrung unter Druck gehalten wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach der Erstarrung der gesamten Oberfläche des Gußstückes und von mindestens 10 % des Gußstückvolumens, jedoch vor der Entformung, hochgespanntes Gas in den Formhohlraum (3) eingebracht und dieser unter einen pneumatischen Druck von mindestens 2 MPa, vorzugsweise 10 bis 50 MPa gesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hochgespanntes Gas vor der vollständigen Erstarrung des Gußstückes in den Formhohlraum (3) eingebracht wird und der hohe pneumatische Druck im Formhohlraum (3) mindestens bis zur vollständigen Erstarrung des Gußstückes aufrecht erhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der unter Druck stehende Raum nach vollständiger Erstarrung des Gußstückes an vorbestimmten Stellen zur Abströmung des Gases geöffnet wird, wobei diese Stellen so gewählt werden, dass die auftretenden Gasströme im Formhohlraum (3) über Bereiche der Gußstückoberfläche gelenkt werden, welche einen erhöhten Wärmeentzugsbedarf aufweisen, und dass vorzugsweise das Gas vor dem Eintritt in den Formhohlraum (3) teilentspannt wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum (3) vor dem Eintritt der Schmelze auf einen Gasdruck von weniger als 25 kPa, vorzugsweise weniger als 0.5 kPa evakuiert wird.
5. Druckgiessanlage zur Herstellung lunkerfreier Gußstücke aus Metallen oder deren Legierungen, umfassend mindestens zwei einen Formhohlraum (3) bildende Formteile (1, 2) mit Formtrennflächen (4, 5), eine über einen Anschnitt (19) in den Formhohlraum (3) mündende Füllkammer (14) sowie mindestens eine, in den Formhohlraum (3) mündende Bohrung (11), in welche je ein Auswerferstift (6) eingesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eines der Formteile (1, 2) mindestens einen Gasdurchlass (15) aufweist, welcher in den Formhohlraum (3) mündet und am anderen Ende über ein Ventil (7) mit einer Hochdruck-Gasquelle (8) verbunden ist, und dass eine Gasdichtung (9) an den Formtrennflächen (4, 5) derart angebracht ist, dass sowohl beim Zusammenschluss der Formteile (1, 2) als auch in einem Zustand, in welchem die Formtrennflächen (4) und (5) einen Abstand aufweisen, der Formhohlraum (3) zusammen mit der Mündung der Füllkammer (14) durch die Gasdichtung (9) nach aussen abgeschlossen ist.
6. Druckgiessanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Formteile (1, 2) mindestens eine Gasabflussbohrung (16) aufweist, welche in den durch die Gasdichtung (9) eingeschlossenen Bereich mündet und am anderen Ende mit einem Ablassventil (17) versehen ist.
7. Druckgiessanlage nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (7) auf eine Drosselstellung reduzierbar ist.
8. Druckgiessanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formtrennflächen (4, 5) derart ausgebildet sind, dass sie beim Zusammenschluss der Formteile (1, 2) ausserhalb des Formhohlraums (3), innerhalb des durch die Gasdichtung (9) eingeschlossenen Bereichs, mindestens einen Abflusskanal (21) offen lassen, in welchen die Gasabflussbohrung (16) mündet.
9. Druckgiessanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formtrennflächen (4, 5) derart ausgebildet sind, dass sie beim Zusammenschluss der Formteile (1, 2) ausserhalb des Formhohlraums (3), innerhalb des durch die Gasdichtung (9) eingeschlossenen Bereichs, mindestens einen Absaugkanal (10) offen lassen, der beim Zusammenschluss der Formteile (1, 2) vom Formhohlraum (3) getrennt ist und welcher je über eine Evakuierbohrung (12) in einem der Formteile (1, 2) und über ein Absaugventil (13) mit einem Vakuumanschluss (18) verbunden ist.
10. Druckgiessanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdurchlass (15) in die Bohrung (11) und den Auswerferstift (6) integriert ist, wobei bevorzugt der Auswerferstift (6) und die Bohrung (11) zylinderförmig sind und sich an den Zylinder formhohlraumseitig trompetenartig ein Kegelstumpf anschliesst, und dass als Teil des Gasdurchlasses (15) der zylindrische Teil des Auswerferstiftes (6) mit einer Längsnut (20) versehen ist.
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