EP0255475A2 - Füllbüchse für Druckgiessmaschinen - Google Patents

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EP0255475A2
EP0255475A2 EP87810346A EP87810346A EP0255475A2 EP 0255475 A2 EP0255475 A2 EP 0255475A2 EP 87810346 A EP87810346 A EP 87810346A EP 87810346 A EP87810346 A EP 87810346A EP 0255475 A2 EP0255475 A2 EP 0255475A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rings
ceramic
filling sleeve
sleeve according
hollow cylinder
Prior art date
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Application number
EP87810346A
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English (en)
French (fr)
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EP0255475B1 (de
EP0255475A3 (en
Inventor
Gunther Wulff
Jakob Widrig
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.)
3A Composites International AG
Original Assignee
Alusuisse Holdings AG
Schweizerische Aluminium AG
Alusuisse Lonza Services Ltd
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Publication date
Application filed by Alusuisse Holdings AG, Schweizerische Aluminium AG, Alusuisse Lonza Services Ltd filed Critical Alusuisse Holdings AG
Publication of EP0255475A2 publication Critical patent/EP0255475A2/de
Publication of EP0255475A3 publication Critical patent/EP0255475A3/de
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20Accessories: Details
    • B22D17/2015Means for forcing the molten metal into the die
    • B22D17/2038Heating, cooling or lubricating the injection unit

Definitions

  • the present invention relates to a filling sleeve for a hot chamber die casting machine.
  • Die casting machines have been known for a long time. A distinction is made between hot chamber and cold chamber die casting machines.
  • the casting device or metal pump hangs on a carrying device and dips into the crucible in the metal melt, whereby the metal pump is kept at the casting temperature.
  • This filling sleeve essentially consists of a vertically standing pressure cylinder with a pressure piston driven from above by the same carrying device and a so-called gooseneck connected to the lower part of the pressure cylinder, which ensures the connection to the casting mold.
  • the pressure cylinder is attached to the bottom of the crucible and the outlet channel is placed in the wall of this container.
  • pressure cylinders, pressure pistons and goosenecks are made of ferrous metals, eg cast iron, and are therefore only suitable for casting molten metals which do not attack these materials.
  • ferrous metals eg cast iron
  • this condition is generally fulfilled for the die casting of lead, tin and magnesium alloys.
  • zinc alloys however, a solution attack on iron and steel parts is only prevented if they contain aluminum as an alloy component in sufficient amounts, which is why alloys are used for zinc die casting with about 4% aluminum.
  • aluminum and brass melts cannot be cast with hot chamber die casting machines of a known type.
  • the casting set is outside the liquid metal.
  • the pressure chamber is usually arranged horizontally and extends with a constant diameter to the mold dividing surface.
  • the solidified metal residue remaining in the cylinder after the casting process is expelled at or after opening of the mold by moving the pressure piston. This rest has a relatively large volume compared to the casting and therefore means a high waste rate with each casting.
  • the chamber In vertical cold chamber machines, the chamber is closed at the bottom by a counter piston.
  • the melt is ejected laterally through an opening in the cylinder wall to the casting mold; the counter-piston is lowered to remove the solidified metal residue.
  • An important advantage of cold chamber machines is that all die-cast metals and alloys can be cast on them, in particular aluminum alloys and brass, as well as magnesium, zinc, lead and tin alloys.
  • This iron absorption which also partly takes place in the casting mold, may be undesirable for the quality of the casting due to the formation of needle-shaped crystalline iron aluminum precipitates and also represents a problem for the recycling of the die casting waste (E. Brunhuber, loc.cit., P. 326 -327).
  • the attack of the melt on the steel cylinder means a reduction in its service life.
  • a certain remedy is provided by the lubrication of the cylinder wall before each shot.
  • the decomposition of the lubricant in contact with the liquid metal, in particular aluminum produces gases which lead to pore formation in the casting. Therefore, the castings cannot be properly heat treated, which also limits the number of alloys suitable for die casting.
  • the present invention is based on the object of developing a fundamentally new type of hot chamber die casting machine, with which it should be possible to use the hot chamber process also to use aggressive metal melts, such as those made of aluminum alloys, titanium alloys, Cr-Ni steel as well Casting alloys that can be hardened by thermal treatment, and with better quality than can be obtained on cold chamber machines.
  • a structure of the filling sleeve leads, according to which the wall has an outer, coolable metal jacket, in particular made of steel, and an inner ceramic hollow cylinder which is fitted therein and can be heated with integrated heating.
  • the heater is preferably in the vicinity of the inner one Shell surface of the ceramic hollow cylinder arranged.
  • the portion between the heater and the metal jacket acts as thermal insulation.
  • the innermost zones of the ceramic hollow cylinder are brought to operating temperature with the heater and kept at this temperature by means of a thermal probe and a thermostat.
  • This heating can be done by the circulation of a heat transfer medium or by means of electric radiators.
  • the steel jacket is cooled, e.g. kept at a certain temperature by natural or increased air circulation, if necessary by water or oil cooling. Under operating conditions, this results in a temperature gradient falling from the inside to the outside of the filling sleeve.
  • the innermost zones of the ceramic hollow cylinder experience greater thermal expansion than the metal jacket, which, viewed in the radial direction, leads to higher compressive stresses, i.e.
  • Such a self-adjusting pressure preload is desirable because it prevents the pressure exerted on the molten metal in the filling sleeve during the casting process and which also acts radially outwards from leading to tensile stresses in the ceramic hollow cylinder.
  • Suitable materials for the ceramic hollow cylinder are materials which are chemically resistant to aggressive metal melts, in particular aluminum melts, such as silicon nitride, Si-Al-ON, borides and others.
  • the ceramic hollow cylinder is divided into at least two hollow cylinders in the radial direction, in that a pressure-resistant intermediate cylinder made of a ceramic material with a high insulating capacity, e.g. Zirconia or other.
  • the chamber should be as tight as possible.
  • the metal jacket is provided at one end, preferably at its end facing the casting mold, with an inwardly directed annular shoulder, which acts as an axial support for the ceramic hollow cylinder.
  • a displaceable pressure ring which bears against its end face is arranged net, which is under the action of clamping means supported on the metal jacket.
  • an axial pressure is exerted with this clamping device via the pressure ring on the hollow cylinder, or in the case of a multi-layer version at least on the hollow cylinder which determines the tightness of the chamber, which presses the ceramic components tightly against one another.
  • the ceramic lining in particular its inner layer, of course expands not only in the radial but also in the axial direction, which also contributes to the tightness.
  • the filler can described can be arranged horizontally or vertically. If it is arranged horizontally, it is expedient if the annular shoulder is designed immediately as an end plate with an outlet nozzle for the melt, the latter preferably being placed flush with the apex of the chamber. On the chamber side, there is an insulating ceramic lining on this support disk.
  • the warm chamber is formed in the filling sleeve between the support disk and its insulation on the one hand and the pressure piston, which is likewise to be made of ceramic, which can be supplied with the required amount of molten metal via a suitable inlet opening. After the inlet opening has been closed by partially displacing the pressure piston, the air can be evacuated in the casting mold and in the warm chamber by a vacuum pump and only then can the actual casting process be carried out at the most suitable casting speed.
  • the heatable filling can according to the invention offers the following advantages: - Because the metal jacket can be arranged outside the melt storage container, its outer surface does not come into contact with the metal melt and, if there is no protective cladding, needs it. - Because the metal jacket can be kept at a moderate temperature by cooling, for example below 100 ° C, in any case below 300 ° C, there is no risk of soft annealing of the metal used for this. It is therefore possible to use high-strength alloys, including steel, for the production of the metal jacket, and thus to largely limit the thickness of the jacket wall while making full use of the metal strength. - Because the ceramic warm chamber can be kept at operating temperature with the heater, there is no danger that the melt will cool down in it.
  • the melt can be kept at the most suitable temperature for casting.
  • the operations "filling into the chamber”, “evacuating the air”, “degassing the molten metal” and “actual casting process” can be carried out one after the other without mutual interference.
  • the speed of the actual casting process can also be adjusted without risk of cooling in the chamber by considering only the most suitable filling conditions of the casting mold.
  • Fig. 1 the filling sleeve 5 is shown with the mold for a horizontal die casting machine.
  • This device has, in a known manner, a fixed mold platen 1 with the mold plate half 2 fixed thereon and a movable mold platen 3 actuated by a pressure system (not shown) with the movable mold plate half 4 fixed thereon.
  • the filling sleeve 5 according to the invention is fastened to the fixed platen 2, which also has an outlet opening 6 is connected to the pouring system 7 of the actual mold cavity 8 and is further equipped with the displaceable pressure piston 9 for pressing the molten metal located in the chamber 10 of the filling sleeve 5 into the mold.
  • the wall of the filling sleeve 5 can be cooled by an outer, e.g. composed of a steel tube formed metal jacket 11 and an inner ceramic hollow cylinder 12 fitted therein, which has recesses 13 distributed around the circumference for integrated heating.
  • an outer e.g. composed of a steel tube formed metal jacket 11 and an inner ceramic hollow cylinder 12 fitted therein, which has recesses 13 distributed around the circumference for integrated heating.
  • the filling sleeve 5 is fastened to the metal jacket 11, e.g. metal disc 14 screwed therein, the outer surface of which rests on the fixed mold plate half 2.
  • the metal disk 14 bears a ceramic disk 15, against which the end face of the ceramic hollow cylinder 12 lies tightly.
  • the outlet opening 6, which is preferably arranged flush with the upper surface line of the chamber 10, is recessed, which can be lined with a ceramic mouthpiece 16.
  • a small outlet opening (not shown) can be provided in the rear part of the filling sleeve 5, below.
  • the metal jacket is cooled by the ambient air. If this effect is not sufficient, liquid cooling can be provided, e.g. a cooling coil 22 are used.
  • the ceramic hollow cylinder 12 and the ceramic disks 15, or at least the front one of them, are made of a material that is chemically resistant to the melt to be cast, e.g. made of silicon nitride.
  • a material that is chemically resistant to the melt to be cast e.g. made of silicon nitride.
  • the front ceramic disc 15 can be subdivided analogously.
  • the rear ceramic ring 17 then expediently also consists of the ceramic material with a higher thermal insulation capacity.
  • the ceramic hollow cylinder 12 is here divided into concentric cylinders 12a and 12b and these are also divided into individual rings.
  • the inner rings 25 which are made of ceramic material that is resistant to the melt, lie directly against one another on the end face by being under the action of the pressure ring 18 and the clamping nut 19. These rings 25 are decisive for the tightness of the chamber 10.
  • the outer rings 26 made of ceramic material with a higher thermal insulation capacity can have the same length as the rings 25 and also lie against one another on the end face.
  • the insulating material of the rings 26 has a greater expansion coefficient than the material of the inner rings 25. This could occur at the operating temperature and, although the rings 26 assume an average temperature between that of the rings 25 and that of the metal jacket 11 lead that the rings 26 effectively expand more in the axial direction than the inner rings 25 and thereby push them apart, which would be disadvantageous for the tightness of the chamber 10.
  • the rings 26 are made less long than the rings 25, so that, as illustrated in FIG. 2, each is smaller Gap 27 remains between the rings 26. Nevertheless, the rings 26 fulfill their full task be as thermal insulators and support for the inner rings 25. So that the rings 25 always lie correctly in the rings 26, the rings 25 and 26 can be paired for assembly by shrink-fitting and thus inserted into the metal jacket. It is also possible to insert spacers 27 made of a resilient material in the spaces.
  • two ceramic disks 28 and 29 of different diameters made of thermally insulating material and a ceramic disk 30 made of material that is chemically resistant to the melt are formed at the end of the filling sleeve 5 on the casting mold, the two disks 29 and 30 being accommodated in the first ring 26.
  • two perforated disks 31 made of thermally insulating ceramic are arranged at the other end of the filling sleeve 5.
  • This exemplary embodiment also shows that the fresh melt can be filled into the chamber 10 through a thermally insulated riser pipe 32, it being possible for the desired amount of melt to be supplied by a suitable metering device (not shown). The residual melt remaining after the casting process can also be removed from the chamber 10 through this riser pipe 32.
  • Recesses distributed around the circumference serve to introduce the heating power. Different possibilities for the arrangement of electric radiators in a filling box according to FIG. 2 are illustrated in the further FIGS. 3 to 7 (respectively a and b).
  • axial longitudinal bores 36 arranged concentrically within the wall of the rings 25 or, as shown in FIGS. 4a and 4b, 25 axial longitudinal grooves 37 in the lateral surface of these rings 25 milled or left out in the manufacture of these rings.
  • longitudinal grooves 37 can also be arranged in the inner lateral surface of the insulating rings 26, as illustrated in FIGS. 7a and 7b.
  • the current is supplied through a recess through the rear ceramic disk 17 and the pressure ring 18, as shown in FIG. 1.
  • the individual heating elements can be separated by an annular recess, e.g. in the front end face of the disk 17, are electrically connected in parallel, in which case only a single access channel 20 is required for the current supply through the pressure ring 18 and the disks 31.
  • these rings 39 can be produced from a material that is chemically resistant to the melt or from a different material quality, which has even better tribological properties compared to the ceramic material of the pressure piston.

Landscapes

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Abstract

Bei einer neuartigen Warmkammer-Druckgiessmaschine weist die Wandung der Füllbüchse 5 einen äusseren kühlbaren Stahlmantel 1 und einen darin eingepassten Hohlzylinder 12 mit Ausnehmungen 13 für eine integrierte Heizung auf. Letzterer besteht vorzugsweise aus inneren Ringen 25 aus gegenüber der Schmelze chemisch widerstandfähigem keramischem Werkstoff und zwischen diesen und dem Stahlmantel 11 thermisch isolierenden Ringen 26. Giessformseitig ist die Büchse 5 durch eine Stahlscheibe 14 und keramische Scheiben 28,29,30 abgeschlossen, durch welche die Auslassöffnung 6 für die Heizung ausgespart ist. Die Ringe 26 sind über die keramischen Lochscheiben 31 und den Druckring 18 durch die Spannmutter 19 axial zusammengepresst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Füllbüchse für eine Warmkammer-Druckgiessmaschine. Druckgiessmaschinen sind an sich seit langem bekannt. Es wird dabei zwischen Warmkammer- und Kaltkammer-Druckgiessmaschinen unterschie­den.
  • Bei einer Art Warmkammer-Druckgiessmaschine hängt die Giessvorrichtung oder Metallpumpe an einer Tragvorrichtung und taucht im Tiegel in die Metallschmelze ein, wodurch die Metallpumpe auf Giesstemperatur gehalten wird. Diese Füll­büchse besteht im wesentlichen aus einem vertikal stehenden Druckzylinder mit von oben aus derselben Tragvorrichtung angetriebenem Druckkolben sowie aus einem am unteren Teil des Druckzylinders angeschlossenen sogenannten Schwanen­hals, welcher die Verbindung zur Giessform gewährleistet. In einer anderen Maschinenart ist der Druckzylinder am Bo­den des Tiegels befestigt und der Auslasskanal in die Wan­dung dieses Behälters gelegt.
  • Ueblicherweise sind Druckzylinder, Druckkolben und Schwa­nenhals aus Eisenmetallen, z.B. Gusseisen, hergestellt und sind deshalb nur für das Giessen von Metallschmelzen geeig­net, welche diese Materialien nicht angreifen. Laut Ernst Brunhuber, "Praxis der Druckgussfertigung", 3. Auflage, 1980, Seiten 42 und 48, ist diese Bedingung im allgemeinen erfüllt für das Druckgiessen von Blei-, Zinn- und Magnesi­umlegierungen. Bei Zinklegierungen bleibt jedoch ein Lö­sungsangriff auf Eisen- und Stahlteile nur unterbunden, wenn sie Aluminium als Legierungsbestandteil in ausreichen­der Höhe enthalten, weshalb für Zinkdruckguss Legierungen mit etwa 4% Aluminium verwendet werden. Dagegen können mit Warmkammer-Druckgiessmaschinen bekannter Art Aluminium- und Messingschmelzen nicht gegossen werden.
  • In der Absicht, die Anwendungsmöglichkeiten von Warmkam­mer-Druckgiessmaschinen auf solche weiteren angreifenden Metallschmelzen wie Aluminiumschmelzen zu erweitern, ist seit langem der Einsatz von keramischen Werkstoffen vorge­schlagen worden, die gegen solche Schmelzen chemisch wider­standsfähig sind.
  • So ist laut GB-PS 773 009 für eine Warmkammer-Druckgiessma­schine mit hängender Metallpumpe bereits 1954 vorgeschlagen worden, Pumpe und Tiegel aus Siliziumkarbid herzustellen und dabei die Lauffläche des Druckzylinders sowie den Kol­ben mit verschleissfestem Zirkonborid auszukleiden, bzw. den Druckkolben ganz aus Zirkonborid herzustellen. Dass dieser Vorschlag sich in der Praxis nicht durchgesetzt hat, ist offensichtlich darauf zurückzuführen, dass wegen der niedrigen Zugfestigkeit des keramischen Materials die kera­mische Pumpe den gewünschten Giessdruck nicht aushalten konnte. Ein besonders kritischer Punkt stellt dabei die Be­festigung der keramischen Pumpe an der metallenen Tragvor­richtung dar.
  • Bei einer Warmkammer-Druckgiessmaschine mit am Tiegelboden befestigtem Druckzylinder und in der Tiegelwand aus Guss­eisen ausgespartem Austrittskanal ist laut DE-OS 28 42 543 im Jahre 1977 vorgeschlagen worden, den Druckzylinder aus Keramik herzustellen und den Kanal mit einem Einsatzrohr aus Keramik auszukleiden. Weil in einem solchen Gusseisen­tiegel ungleichmässige Dilatationen und daher leichte De­ formationen der Tiegelwand unvermeidbar sind, ist damit zu rechnen, dass die hochzerbrechlichen Keramikrohre unter solchen Beanspruchungen sehr bald zerfallen.
  • Bei Kaltkammer-Druckgiessmaschinen befindet sich die Giess­garnitur ausserhalb des flüssigen Metalls. Die Druckkammer ist üblicherweise horizontal angeordnet und reicht mit kon­stantem Durchmesser bis zur Formteilungsfläche. Der nach dem Giessvorgang im Zylinder verbleibende erstarrte Metall­rest wird bei oder nach Oeffnung der Form durch Weiterfah­ren des Druckkolbens ausgestossen. Dieser Rest weist gegen­über dem Gussstück ein relativ grosses Volumen auf und be­deutet daher bei jedem Guss eine hohe Abfallrate.
  • Bei senkrechten Kaltkammermaschinen ist die Kammer unten durch einen Gegenkolben geschlossen. Die Schmelze wird seitlich durch eine Oeffnung in der Zylinderwand zur Giess­form ausgestossen; zur Entfernung des erstarrten Metallre­stes wird der Gegenkolben abgesenkt.
  • Ein wichtiger Vorteil der Kaltkammermaschinen besteht nach E. Brunhuber, loc.cit., darin, dass darauf alle druckgiess­fähigen Metalle und Legierungen vergossen werden können, insbesondere Aluminiumlegierungen und Messing, wie auch Magnesium-, Zink-, Blei- und Zinnlegierungen.
  • Diese Maschinen sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Metallschmelze im Druckzylinder einer mehr oder minder schnellen Abkühlung exponiert ist. Deshalb muss nach Ein­füllen der Füllbüchse der Giessvorgang rasch, praktisch schussartig, erfolgen, was zu für die Qualität des Guss­stückes störenden Verwirbelungen von Luft und Giessdämpfen in die Metallschmelze sowie Mitreissen von bereits erstarr­ten Metallteilchen aus der Druckkammer in die Giessform führt. Wenn ein Entlüften des Systems Giesskammer-Giess­lauf-Anschnitt-Formhohlraum mittels einer Vakuumpumpe vor­genommen wird, hat es parallel zum Giessvorgang zu erfol­gen. Trotz der kurzen Verweilzeit im Druckzylinder greifen Aluminiumschmelzen dessen Wand an und nehmen Eisen auf. Diese Eisenaufnahme, die zum Teil auch in der Giessform stattfindet, kann wegen Bildung von nadelförmig kristalli­sierenden Eisenaluminiumausscheidungen für die Qualität des Gussstücks unerwünscht sein und stellt ferner ein Problem für die Wiederverwertung der Druckgussabfälle dar (E. Brun­huber, loc.cit., S. 326-327). Im weiteren bedeutet der An­griff der Schmelze auf den Stahlzylinder eine Reduzierung dessen Lebensdauer. Eine gewisse Abhilfe dazu bringt die vor jedem Schuss vorgenommene Schmierung der Zylinderwand. Doch entstehen durch die Zersetzung des Schmiermittels im Kontakt mit dem flüssigen Metall, insbesondere Aluminium, Gase, welche im Gussstück zu Porenbildung führen. Deshalb lassen sich die Gussstücke nicht richtig warmbehandeln, was auch die Anzahl der für das Druckgiessen geeigneten Legie­rungen beschränkt.
  • Es ist für waagrechte Kaltkammermaschinen ebenfalls bereits vorgeschlagen worden, die Druckkammer inwendig mit einer Auskleidung aus keramischem Material zu versehen, mit dem Zweck, den Stahlzylinder gegen den Angriff der Metall­schmelze zu schützen. So beschreibt die auf einem Vorschlag aus dem Jahre 1969 basierende US-Patentschrift 3 664 411 eine solche Einrichtung, welche für das Giessen von Eisen­metallen, insbesondere Gusseisen bei Temperaturen von etwa 1300°C oder Gussstahl bei Temperaturen von etwa 1600°C un­ ter Druck von etwa 350 bis 420 kg/cm² geeignet ist. Nach dieser Schrift wird für die Herstellung des Druckzylinders die einstückige oder aus mehreren, stirnseitig aneinander­stossenden Ringen bestehende Innenauskleidung, insbesondere aus Siliziumnitrid, in einen erhitzten Stahlmantel einge­bracht. Durch das anschliessende Einschrumpfen des Stahl­mantels wird die keramische Auskleidung unverrückbar so festgehalten, dass sie später bei Betriebstemperatur immer noch unter radialer Druckspannung steht. Aus der Schrift geht ferner hervor, dass, genauso wie bei nicht ausgeklei­deten, horizontalen Kaltkammermaschinen, am Ende des Giess­vorgangs ein Restteil der Metallschmelze im vorderen Teil der Druckkammer erstarrt, der anschliessend mit dem Druck­kolben ausgestossen wird.
  • Gegenüber diesem vorbekannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine grund­sätzlich neuartige Warmkammer-Druckgiessmaschine zu ent­wickeln, mit welcher es möglich werden soll, im Warmkammer­verfahren auch aggressive Metallschmelzen, wie solche aus Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Cr-Ni-Stahl wie ebenfalls durch thermische Behandlung aushärtbare Legierun­gen zu vergiessen, und zwar mit besserer Qualität als auf Kaltkammermaschinen erreichbar.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe führt ein Aufbau der Füllbüchse, wonach deren Wandung einen äusseren, kühlbaren Metallman­tel, insbesondere aus Stahl, und einen inneren, darin ein­gepassten, mit integrierter Heizung heizbaren, keramischen Hohlzylinder aufweist.
  • Vorzugsweise ist dabei die Heizung in der Nähe der inneren Mantelfläche des keramischen Hohlzylinders angeordnet. Des­sen Anteil zwischen Heizung und Metallmantel wirkt als thermische Isolierung.
  • Für den Betrieb der neuen Füllbüchse werden mit der Heizung die innersten Zonen des keramischen Hohlzylinders auf Be­triebstemperatur gebracht und mittels einer Thermosonde und einem Thermostat auf dieser Temperatur gehalten. Diese Hei­zung kann durch Zirkulation eines Wärmeträgers oder aber mittels elektrischer Heizkörper erfolgen. Hingegen wird der Stahlmantel durch eine Kühlung, z.B. durch natürliche oder verstärkte Luftzirkulation, nötigenfalls durch Wasser- oder Oelkühlung, auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Da­raus ergibt sich unter Betriebsbedingungen in der Füllbüch­senwandung ein von innen nach aussen fallender Temperatur­gradient. Dabei erfahren die innersten Zonen des kerami­schen Hohlzylinders eine stärkere thermische Ausdehnung als der Metallmantel, was, in radialer Richtung gesehen, zu hö­heren Druckspannungen, d.h. zu einer Vorspannung, in den wärmsten Zonen des keramischen Hohlzylinders führt. Eine solche, sich von selber einstellende Druck-Vorspannung ist erwünscht, weil sie verhindert, dass der beim Giessvorgang auf die in der Füllbüchse befindliche Metallschmelze ausge­übte und auch radial nach aussen wirkende Druck zu Zugspan­nungen im keramischen Hohlzylinder führt.
  • Als Material für den keramischen Hohlzylinder kommen Werk­stoffe in Betracht, welche gegen aggressive Metallschmel­zen, insbesondere Aluminiumschmelzen, chemisch widerstands­fähig sind, wie z.B. Siliziumnitrid, Si-Al-O-N, Boride und weitere mehr.
  • Allerdings besitzen solche heute bekannten, keramischen Werkstoffe ein nur beschränktes thermisches Isoliervermö­gen, sodass sie einen gewissen Wärmefluss zum Metallmantel zulassen und daher eine entsprechend hohe Heizleistung not­wendig machen.
  • Um diese Wärmeverluste zu reduzieren, wird nach einer Wei­terentwicklung der Erfindung der keramische Hohlzylinder in radialer Richtung in mindestens zwei Hohlzylinder unter­teilt, indem im Bereich zwischen der Heizung und dem Me­tallmantel ein druckfester Zwischenzylinder aus einem kera­mischen Werkstoff mit hohem Isoliervermögen, wie z.B. Zir­konoxid oder anderen, angeordnet wird.
  • Es hat sich ferner als zweckmässig erwiesen, den bzw. die keramischen Hohlzylinder in axialer Richtung in Ringe zu unterteilen. Hierdurch wird zunächst die Fabrikation der einzelnen keramischen Bestandteile erleichtert. Im weiteren gestattet diese Unterteilung durch winziges Querverschieben der Ringe zueinander eine bessere Anpassung der keramischen Auskleidung an allfällige, im Betrieb z.B. wegen leichten Dehnungsunterschieden auftretende leichte Verbiegungen des Metallmantels.
  • Im weiteren soll die Kammer möglichst dicht sein. Hierzu ist nach einer Weiterentwicklung der Erfindung der Metall­mantel an einem Ende, vorzugsweise an seinem der Giessform zugewandten Ende, mit einer nach innen gerichteten Ring­schulter versehen, welche als axiale Stütze für den kerami­schen Hohlzylinder wirkt. Am anderen Ende des Metallmantels ist nach Einbau des keramischen Hohlzylinders ein an dessen Stirnfläche anliegender, verschiebbarer Druckring angeord­ net, welcher unter der Wirkung von sich am Metallmantel stützenden Spannmitteln steht. Nach Zusammenbau der Füll­büchse wird mit diesem Spannmittel über den Druckring auf den Hohlzylinder, bzw. bei einer mehrschichtigen Ausführung mindestens auf den für die Dichtheit der Kammer massgeben­den Hohlzylinder, ein axialer Druck ausgeübt, der die kera­mischen Bestandteile dicht aneinanderpresst.
  • Wenn die Füllbüchse mit der Heizung auf Betriebstemperatur gebracht wird, dehnt sich die keramische Auskleidung, ins­besondere deren innere Schicht, selbstverständlich nicht nur in radialer, sondern auch in axialer Richtung aus, was auch zur Dichtheit beiträgt.
  • Die beschriebene Füllbüchse kann horizontal oder vertikal angeordnet sein. Wird sie horizontal angeordnet, so ist es zweckmässig, wenn die Ringschulter gleich als Abschluss­scheibe mit Austrittsdüse für die Schmelze gestaltet wird, wobei letztere vorzugsweise bündig mit dem Scheitel der Kammer plaziert wird. Kammerseitig liegt an dieser Stütz­scheibe eine isolierende keramische Auskleidung an. Hier­durch wird in der Füllbüchse zwischen der Stützscheibe und ihrer Isolierung einerseits und dem ebenfalls aus Keramik herzustellenden Druckkolben andererseits die Warmkammer ausgebildet, die über eine geeignete Einlassöffnung mit der benötigten Menge Metallschmelze gespiesen werden kann. Nach dem Verschliessen der Einlassöffnung durch Teilverschieben des Druckkolbens kann in der Giessform und in der Warmkam­mer die Luft durch eine Vakuumpumpe evakuiert werden und erst anschliessend der eigentliche Giessvorgang mit der bestgeeigneten Giessgeschwindigkeit vorgenommen werden.
  • Die erfindungsgemässe, heizbare Füllbüchse bietet folgende Vorteile:

    - Weil der Metallmantel ausserhalb des Schmelze-Vorratsbe­hälters angeordnet werden kann, kommt er mit seiner äus­seren Fläche nicht in Kontakt mit der Metallschmelze und braucht sofern keine Schutzverkleidung dagegen.

    - Weil der Metallmantel durch die Kühlung auf einer mässi­gen Temperatur gehalten werden kann, z.B. unterhalb 100°C, jedenfalls unterhalb 300°C, besteht kein Risiko eines Weichglühens des dafür verwendeten Metalls. Es wird also möglich, für die Herstellung des Metallmantels hoch­feste Legierungen, inkl. Stahl, einzusetzen und somit die Dicke der Mantelwand unter voller Ausnützung der Metall­festigkeit weitgehend zu beschränken.

    - Weil mit der Heizung die keramische Warmkammer auf Be­triebstemperatur gehalten werden kann, besteht keine Ge­fahr, dass die eingefüllte Schmelze sich darin abkühlt. Die Schmelze kann auf der für das Giessen bestgeeigneten Temperatur gehalten werden. Die Operationen "Einfüllen in die Kammer", "Evakuieren der Luft", "Entgasen der Metall­schmelze" und "eigentlicher Giessvorgang" können eine nach der anderen ohne gegenseitige Störung vorgenommen werden. Auch kann die Geschwindigkeit des eigentlichen Giessvorgangs ohne Gefahr einer Abkühlung in der Kammer unter alleiniger Betrachtung der bestgeeigneten Einfüll­bedingungen der Giessform angepasst werden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen nun nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und entsprechenden schema­tischen Figuren näher erläutert werden:
  • Es zeigen:
    • - Fig. 1 - die neue Füllbüchse mit ihren wesentlichen Be­standteilen sowie die Giessform, im Längs­schnitt;
    • - Fig. 2 - eine weitere Ausführungsform der Füllbüchse, bei der die keramische Auskleidung in Ringe un­terteilt ist, im Längsschnitt;
    • - Fig. 3a und b bis 7a und b - verschiedene Ausführungs­beispiele für die Anordnung der Heizung, im Längs- und im Querschnitt;
    • - Fig. 8a und b - eine Füllbüchse mit drei coaxialen Kera­mikzylindern, z.B. zur weiteren Erhöhung der Verschleissfestigkeit, im Längs- und im Quer­schnitt.
  • In Fig. 1 ist die beschriebene Füllbüchse 5 mit der Giess­form für eine waagrechte Druckgiessmaschine dargestellt.
  • Diese Einrichtung weist, in bekannter Art, eine feste Form­aufspannplatte 1 mit der daran fixierten Formplattenhälfte 2 sowie eine durch ein nicht eingezeichnetes Drucksystem betätigte, bewegliche Formaufspannplatte 3 mit der daran fixierten beweglichen Formplattenhälfte 4 auf. An der fe­sten Formaufspannplatte 2 ist die erfindungsgemässe Füll­büchse 5 befestigt, welche über eine Auslassöffnung 6 mit dem Eingiessystem 7 des eigentlichen Giessformhohlraums 8 verbunden ist und ferner mit dem verschiebbaren Druckkolben 9 zum Verpressen der in der Kammer 10 der Füllbüchse 5 be­findlichen Metallschmelze in die Giessform ausgerüstet ist.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wandung der Füllbüchse 5 durch einen äusseren kühlbaren, z.B. aus einem Stahlrohr gebildeten Metallmantel 11 und einem inneren, darin eingepassten keramischen Hohlzylinder 12 zusammenge­setzt, welcher am Umfang verteilte Ausnehmungen 13 für eine integrierte Heizung aufweist.
  • An ihrem der Giessform zugewandten Ende ist die Füllbüchse 5 durch eine am Metallmantel 11 befestigte, z.B. darin ein­geschraubte Metallscheibe 14 abgeschlossen, deren Aussen­fläche an der festen Formplattenhälfte 2 anliegt. Kammer­seitig liegt der Metallscheibe 14 eine keramische Scheibe 15 an, welcher der keramische Hohlzylinder 12 mit seiner Stirnfläche dicht anliegt. In der somit als fixe axiale Ab­stützung für den keramischen Hohlzylinder wirkenden Metall­scheibe 14 und der keramischen Scheibe 15 ist die vorzugs­weise bündig mit der oberen Mantellinie der Kammer 10 ange­ordnete Auslassöffnung 6 ausgespart, welche mit einem kera­mischen Mundstück 16 ausgekleidet sein kann.
  • Am anderen Ende der Füllbüchse 5 liegt der Stirnseite des keramischen Hohlzylinders 12 eine hintere keramische Loch­scheibe 17 und diesem ein verschiebbarer Druckring 18 an, welcher unter der Wirkung von sich am Metallmantel 11 stüt­zenden Spannmitteln, z.B. einer mit Aussengewinde versehe­nen Spannmutter 19, steht. Lochscheibe 17 und Druckring 18 weisen Kanäle 20 auf als Zutritt zu den Ausnehmungen 13. Anhand dieses Ausführungsbeispiels wird gezeigt, dass die Kammer 10 der Füllbüchse 5 von oben durch die Einfüllöff­nung 21 mit Flussmetall bespiesen werden kann.
  • Für die Flüssigkeitsmetalleckage zwischen Kolben 9 und Wand der Kammer 10 kann im hinteren Teil der Füllbüchse 5, un­ten, eine nicht eingezeichnete kleine Auslassöffnung vorge­sehen werden.
  • Im Betrieb wird der Metallmantel durch die Umgebungsluft gekühlt. Falls diese Wirkung nicht ausreicht, kann eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden, und dazu z.B. eine Kühlschlange 22 zur Anwendung gelangen.
  • Der keramische Hohlzylinder 12 sowie die keramischen Schei­ben 15, bzw. mindestens die vordere davon, werden aus einem Material hergestellt, das gegenüber der zu vergiessenden Schmelze chemisch widerstandsfähig ist, z.B. aus Silizium­nitrid. Zur Erhöhung der thermischen Isolation ist es zweckmässig, wie in der Figur durch die strichpunktierte Linie angedeutet, den keramischen Hohlzylinder 12 in seiner Wanddicke in zwei Schichten zu unterteilen, nämlich in einen inneren Hohlzylinder 12a aus dem chemisch wider­standsfähigen Material und einen Zwischenzylinder 12b aus einem keramischen Material mit höherem thermischen Isolier­vermögen, z.B. Zirkonoxid. Zu einem ähnlichen Zweck kann die vordere Keramikscheibe 15 analog unterteilt werden. Zweckmässigerweise besteht dann der hintere keramische Ring 17 ebenfalls aus dem keramischen Material mit höherem ther­mischen Isoliervermögen.
  • In der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung mit einer wei­ teren Ausführungsform der Füllbüchse sind viele Bestandtei­le der Einrichtung nach Fig. 1 übernommen und mit den glei­chen Referenznummern versehen. In Weiterbildung der Ausfüh­rungsform nach Fig. 1 ist hier der keramische Hohlzylinder 12 in konzentrische Zylinder 12a und 12b und diese ausser­dem in einzelne Ringe unterteilt. Dabei liegen die aus ge­genüber der Schmelze widerstandsfähigem, keramischem Mate­rial bestehenden inneren Ringe 25 stirnseitig direkt anein­ander, indem sie unter der Wirkung des Druckringes 18 und der Spannmutter 19 stehen. Diese Ringe 25 sind für die Dichtheit der Kammer 10 massgebend. Die äusseren Ringe 26 aus keramischem Material mit höherem thermischen Isolier­vermögen können die gleiche Länge aufweisen wie die Ringe 25 und ebenfalls stirnseitig aneinander liegen. Vielmals kommt es aber vor, dass das Isoliermaterial der Ringe 26 einen grösseren Dehnungskoeffizienten aufweist als das Ma­terial der inneren Ringe 25. Dies könnte bei Betriebstempe­ratur und, obwohl die Ringe 26 eine mittlere Temperatur zwischen derjenigen der Ringe 25 und derjenigen des Metall­mantels 11 einnehmen, dazu führen, dass sich die Ringe 26 in axialer Richtung effektiv mehr ausdehnen als die inneren Ringe 25 und dadurch diese auseinander stossen, was für die Dichtheit der Kammer 10 nachteilig wäre.
  • In der Absicht, solche Erscheinungen zu vermeiden, werden nach einer Weiterbildung der Erfindung, sofern die entspre­chenden thermischen Koeffizienten es verlangen, oder als Vorsichtsmassnahme die Ringe 26 weniger lang ausgebildet als die Ringe 25, sodass, wie in Fig. 2 veranschaulicht, jeweils ein kleiner Zwischenraum 27 zwischen den Ringen 26 verbleibt. Trotzdem erfüllen die Ringe 26 ihre volle Aufga­ be als thermische Isolatoren und Stütze für die inneren Ringe 25. Damit die Ringe 25 immer richtig in den Ringen 26 liegen, können die Ringe 25 und 26 für die Montage durch Aufschrumpfen jeweils gepaart werden und so in den Metall­mantel eingeschoben werden. Es ist auch möglich, in den Zwischenräumen 27 Abstandhalter aus einem nachgiebigen Ma­terial einzubringen.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind am giessformseitigen En­de der Füllbüchse 5 zwei Keramikscheiben 28 und 29 unter­schiedlichen Durchmessers aus thermisch isolierendem Mate­rial sowie eine Keramikscheibe 30 aus gegenüber der Schmel­ze chemisch widerstandsfähigem Material ausgebildet, wobei die beiden Scheiben 29 und 30 im ersten Ring 26 Platz fin­den. Am anderen Ende der Füllbüchse 5 sind zwei Lochschei­ben 31 aus thermisch isolierender Keramik angeordnet.
  • Anhand dieses Ausführungsbeispiels ist ferner gezeigt, dass die frische Schmelze durch ein thermisch isoliertes Steig­rohr 32 in die Kammer 10 eingefüllt werden kann, wobei die jeweils erwünschte Schmelzemenge durch eine geeignete, nicht eingezeichnete Dosiervorrichtung geliefert werden kann. Durch dieses Steigrohr 32 kann auch die nach dem Giessvorgang verbleibende Restschmelze aus der Kammer 10 entfernt werden.
  • Für das Einbringen der Heizleistung dienen am Umfang ver­teilte Ausnehmungen. Verschiedene Möglichkeiten für die An­ordnung von elektrischen Heizkörpern in einer Füllbüchse nach Fig. 2 sind in den weiteren Figuren 3 bis 7 (jeweils a und b) veranschaulicht.
  • Für die Aufnahme von geraden Heizstäben 35 können, wie in den Figuren 3a und 3b gezeigt, innerhalb der Wandung der Ringe 25 konzentrisch angeordnete axiale Längsbohrungen 36 bzw., wie in den Figuren 4a und 4b gezeigt, in der Mantel­fläche dieser Ringe 25 axiale Längsrillen 37 eingefräst bzw. bei der Herstellung dieser Ringe ausgespart werden. Analog können solche Längsrillen 37 auch in der inneren Mantelfläche der Isolierringe 26 angeordnet sein, wie in den Figuren 7a und 7b veranschaulicht.
  • Wie ferner in den Figuren 5a und 5b bzw. 6a und 6b gezeigt, besteht ebenfalls die Möglichkeit, in der äusseren Mantel­fläche der Innenringe 25, bzw. in der inneren Mantelfläche der Isolierringe 26, spiralförmig verlaufende Aussparungen 38 zur Aufnahme einer Heizspirale vorzusehen.
  • In all diesen verschiedenen Fällen erfolgt die Stromzufuhr durch eine Ausnehmung durch die hintere Keramikscheibe 17 und den Druckring 18, wie in Fig. 1 gezeigt. Die einzelnen Heizstäbe können aber durch eine ringförmige Aussparung, z.B. in der vorderen Stirnseite der Scheibe 17, elektrisch parallel geschaltet werden, wobei dann nur noch ein einzi­ger Zutrittskanal 20 für die Stromzufuhr durch den Druck­ring 18 und die Scheiben 31 erforderlich wird.
  • Das Erzeugen von Bohrungen oder Rillen in den Einzelringen 25, wie in den Figuren 3 bis 5 gezeigt, bedeutet zusätzli­che Herstellungskosten. Weil solche Elemente im Betrieb doch einer gewissen, wenn auch geringen Abnützung exponiert sind, und zwar vor allem wegen der Reibung des Druckkol­bens, kann es sich als vorteilhaft erweisen, wie in den Fi­guren 8a und 8b gezeigt, in den Ringen 25 noch zusätzliche vollwandige Verschleissringe 39 anzubringen. Solche Ver­schleissringe können auch bündig mit den Ringen 25 oder, wie abgebildet, in Längsrichtung versetzt angeordnet sein.
  • Diese Ringe 39 können wie die Innenringe 25 aus einem ge­genüber der Schmelze chemisch widerstandfähigen Material oder aber aus einer anderen Materialqualität hergestellt werden, welche noch bessere tribologische Eigenschaften ge­genüber dem keramischen Material des Druckkolbens besitzt.

Claims (9)

1. Füllbüchse für eine Warmkammer-Druckgiessmaschine, da­durch gekennzeichnet, dass deren Wandung einen äusse­ren, kühlbaren Metallmantel (11), insbesondere aus Stahl, und einen inneren, darin eingepassten kerami­schen Hohlzylinder (12) mit am Umfang verteilten Aus­nehmungen (13) für eine integrierte Heizung aufweist.
2. Füllbüchse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung nahe an der inneren Mantelfläche des keramischen Hohlzylinders (12) angeordnet ist.
3. Füllbüchse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­net, dass der keramische Hohlzylinder (12) radial in mindestens zwei konzentrische Hohlzylinder (12a und 12b) unterteilt ist und dabei einen im Bereich zwischen dem Metallmantel (11) und der Heizung angeordneten Zwi­schenzylinder (12b) aus keramischem Material mit höhe­rer thermischer Isolierfähigkeit aufweist.
4. Füllbüchse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der/die keramische/n Hohlzylinder (12,12a,12b) in axialer Richtung in Ringe unterteilt ist/sind.
5. Füllbüchse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der äusseren Ringe (26) höchstens so gross ist wie diejenige der inneren Ringe (25).
6. Füllbüchse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass axiale Ausnehmungen (36,37) zur Aufnahme von Heiz­stäben (35) innerhalb der Wandung und/oder in der äus­seren Mantelfläche der chemisch widerstandsfähigen Rin­ge (25) und/oder in der inneren Mantelfläche des ther­misch isolierenden Zwischenzylinders (12b) bzw. dessen Ringen (26) angeordnet sind.
7. Füllbüchse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass spiralförmig verlaufende Ausnehmungen (38) zur Aufnahme einer Heizspirale in der äusseren Mantelfläche der inneren Ringe (25) und/oder in der inneren Mantel­fläche der thermisch isolierenden Ringe (26) angeordnet sind.
8. Füllbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass deren Metallmantel (11) auf seinem der Giessform benachbarten Ende eine nach innen gerichtete, minde­stens bis über die Innenverkleidung reichende Schulter, insbesondere in Form einer festgemachten, insbesondere eingeschraubten Lochscheibe (14) aus Stahl aufweist, an welcher mindestens eine keramische Lochscheibe (15,28, 29,30) anliegt, gegen welche sich der keramische Hohl­zylinder (12) bzw. dessen für die Dichtheit der Kammer (10) massgebender Innenzylinder (12a) stirnseitig ab­stützt, und ferner am anderen Ende eine der anderen Stirnseite dieser keramischen Bestandteile (12,12a) an­liegende keramische Lochscheibe (17) sowie einen ver­schiebbaren Druckring (18) aufweist, auf welchen sich am Metallmantel abstützende Spannmittel, z.B. in Form einer Spannmutter (19), wirken.
9. Füllbüchse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Innenzylinders (12a) bzw. dessen Ringen (25) noch eine zusätzliche vollwan­dige, z.B. aus Ringen (39) bestehende, Auskleidung an­geordnet ist.
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