EP0345279B1 - Verfahren zur herstellung metallischer bauteile - Google Patents

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EP0345279B1
EP0345279B1 EP88901544A EP88901544A EP0345279B1 EP 0345279 B1 EP0345279 B1 EP 0345279B1 EP 88901544 A EP88901544 A EP 88901544A EP 88901544 A EP88901544 A EP 88901544A EP 0345279 B1 EP0345279 B1 EP 0345279B1
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EP
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mould
seal
upper die
liquid metal
metal
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EP88901544A
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Reiner Kopp
Klaus-Rainer Baldner
Klaus Welschof
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Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/02—Pressure casting making use of mechanical pressure devices, e.g. cast-forging

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of metallic components according to the principle of casting press, wherein the amount of liquid metal required for a component is introduced into a mold, the cavity of which it fills incompletely, and is displaced therein by means of an upper die to form the component to be produced is, the upper die is sunk with the requirement of reducing the cavity of the mold on the component volume.
  • a mold with two halves which are axially displaceable with respect to one another is used, the halves of which are kept at a distance from one another during casting with wedges in such a way that the total volume is of an extent the wedge thicknesses larger than is required for the wheel to be manufactured.
  • the wedges are removed and the mold halves are pressed together to the size of the wheel to be manufactured, a limited deformation of the metal occurring.
  • the object of the invention is to further develop this method in such a way that components with more pronounced forgings properties can be produced.
  • these components should not only be high Have dimensional accuracy with a dense structure, but also be characterized by the transformation of the cast structure into a forging structure which is characteristic of forging.
  • the structure should be denser and the process time should be considerably reduced.
  • the invention solves this problem by the method steps according to the characterizing part of patent claim 1, which are advantageously further developed in subclaims 2 to 5.
  • a conventional forging process in which a cast, solidified and then reheated workpiece is assumed, there is the advantage that the structure is completely sealed.
  • a generic principle of casting press there is the advantage of achieving a structure which has a forged texture and accordingly enables a high mechanical load on the component produced.
  • the dimensional accuracy is also improved, in particular with regard to the fact that the hot plastic metal is subjected to the forming.
  • the seal which is not intended for casting presses or the conventional forging process, must allow expansion in view of the strength of the mold and the upper die, and in view of the pressures and temperatures used, so that the compression of the structure occurs reliably. Accordingly, copper or a copper alloy has proven to be particularly advantageous for this. If, for example, workpieces are to be made from a wrought aluminum alloy, a known, heat-resistant steel is used as the material for the mold and the upper die.
  • the metal to be processed, the mold with the upper die and the seal are to be coordinated on the material side so that the transition from shape and temperature is not impaired by the behavior of the materials mentioned.
  • the metal provided for the seal must be on the one hand behave plastically under the influence of the pressure created when the upper die is pressed in, while on the other hand it must not be dissolved or dissolved by the previously liquid metal.
  • the liquid metal after the upper die has been lowered, fills the mold space that is exaggerated by the seal essentially without pressure. This prevents the metal from escaping between the seal and the edge flange of the mold. The pressure is therefore only exerted when the solidification of the liquid metal has occurred.
  • the mold designated by 2 in FIG. 1 is filled with liquid metal 1 up to a height of approximately 2/3 of its cavity.
  • the temperature loss and the solidification of the liquid metal can largely be controlled by either preheating or cooling the mold 2. Means known to the person skilled in the art are available for both.
  • the upper die 3 is lowered in the direction of the arrow 7. This process takes place with the proviso that the upper die 3 first assumes the position shown in FIG. 2 and remains in this position. This results in the displacement of the liquid metal 1 in such a way that it likewise enters the mold space which is inflated by means of the seal 4, but without being exposed to any significant pressure. In this state, the upper die 3, with its edge flange 8 parallel to the mold flange 5, comes to rest against the upper edge of the seal 4.
  • the first step is to wait until the solidification of the liquid metal has occurred. This state is illustrated in FIG. 2 by a schematically illustrated directional structure.
  • the upper die 3 After solidification, the upper die 3 is pressed in in the direction of the arrow 9, as shown in FIG. 3.
  • the previously solidified metal 1 is now deformed, so that it also shifts in the horizontal direction beyond the opening edge 6 of the mold, with the wall thickness decreasing at the same time.
  • the seal 4 In the course of this deformation, the seal 4 is expanded, which is pressed flat. Because the timing of the press fit of the upper die 3 can be adjusted very precisely to the time of solidification, cavities, mold cavities and the like can be prevented by appropriate application of the pressing pressure. The risk of the formation of cavities or other cavities is greatly reduced anyway, because by presetting the upper die according to FIG. 2, the wall thickness of the still liquid metal is reduced, so that the disturbances of the type mentioned which occur frequently with larger, coherent volumes are practically avoided will. It is therefore important that the upper die is still practically pressure-free recessed with the proviso that the wall thickness of the mold space remaining thereafter to be filled by the liquid metal is reduced.
  • solidification of the liquid metal used above does not necessarily mean that this must be a thorough solidification of the liquid metal. It is sufficient if an edge zone of the metal has solidified with a considerable proportion of its thickness, while the core can still be liquid at the beginning of the deformation in order to also be solidified at the end of the deformation process.
  • the solidification can initially be limited to the edge cross-section, which leaves a core that can still be sensitive to the formation of cavities, which, however, can then no longer occur after the start of the deformation. In the manner already described, the time at which the upper die 3 is pressed in is adjusted to a time at which the solidification occurs, which means that the solidification does not always have to end.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Gasket Seals (AREA)

Description

    Technisches Gebiet:
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile nach dem Prinzip des Gießpressens, wobei etwa die für ein Bauteil erforderliche Menge flüssigen Metalls in eine Formkokille eingebracht wird, deren Hohlraum sie unvollständig ausfüllt, und darin mittels eines Obergesenkes unter Ausformung des herzustellenden Bauteils verdrängt wird, wobei das Obergesenk mit der Maßgabe der Verringerung des Hohlraumes der Kokille auf das Bauteilvolumen eingesenkt wird.
    • Stand der Technik:
  • Bei einem nach der GB-A 191 984 bekannten Verfahren dieser Art für die Herstellung von Rädern findet eine Kokille mit zwei in Bezug zueinander dichtend achsial verschieblichen Hälften Anwendung, deren Hälften beim Gießen mit Keilen derart auf Abstand voneinander gehalten sind, daß das Gesamtvolumen im Ausmaß der Keilstärken größer als für das herzustellende Rad erforderlich ist. Im halbflüssigen Zustand des eingelassenen Metalls werden die Keile entfernt und die Kokillenhälften auf das Maß des herzustellenden Rades zusammengepreßt, wobei eine begrenzte Umformung des Metalls eintritt.
  • Über das Gießpressen berichten weiterhin J.R. Franklin und A.A. Das in "Squeeze casting - a review of the status", British Foundryman", Nr. 3, Jahrgang 1977, 1984, Seiten 150 bis 152. Danach erfährt das flüssige Metall nach Einbringung in die zumeist vorgeheizte Kokille zunächst eine geringfügige Abkühlung, bevor das Obergesenk eingebracht wird. Während dieses Vorganges wird das flüssige Metall verdrängt, wobei die Erstarrung desselben in der Form solange vermieden wird, bis die endgültige Ausformung des Bauteils vollzogen ist. Unter Aufrechterhaltung des Einsenkdruckes kommt es alsdann zur Erstarrung des flüssigen Metalls, woraufhin das Obergesenk entfernt und das Bauteil voll entnommen wird. Die Aufrechterhaltung des Druckes während der Erstarrung gestattet bei Vermeidung des Schrumpfens bzw. von Lunkern und Gasporen eine gute Formausfüllung. Indes unterscheidet sich das Gefüge nicht wesentlich vom Gußgefüge.
    • Darstellung der Erfindung:
  • Vom einleitend beschriebenen Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß man Bauteile mit stärker ausgeprägten Schmiedeteileigenschaften erzeugen kann. Insbesondere sollen diese Bauteile nicht nur eine hohe Maßhaltigkeit bei dichtem Gefüge aufweisen, sondern gleichfalls durch die für das Schmieden charakteristische Umwandlung des Gußgefüges in ein Schmiedegefüge gekennzeichnet sein. Im Vergleich zu einem Schmiedeprozeß soll das Gefüge aber dichter sein und eine beträchtliche Prozeßzeitverkürzung erzielt werden.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung durch die Verfahrensschritte gemäß dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruch 1, die in den Unteransprüchen 2 bis 5 vorteilhaft weiterentwickelt sind. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Schmiedeprozeß, bei welchem von einem gegossenen, erstarrten und alsdann erneut erhitzten Werkstück ausgegangen wird, besteht der Vorteil, daß man zu einem völlig dichten Gefüge kommt. Gegenüber dem gattungsgemäß zugrunde gelegten Prinzip des Gießpressens besteht der Vorteil, zu einem Gefüge zu kommen, welches eine Schmiedetextur aufweist und demgemäß eine hohe mechanische Belastung des hergestellten Bauteils ermöglicht. Verbessert wird im übrigen auch die Maßhaltigkeit, und zwar insbesondere im Hinblick darauf, daß das heißplastische Metall der Umformung unterworfen wird.
  • Die Dichtung, welche weder beim Gießpressen noch beim herkömmlichen Schmiedeprozeß vorgesehen ist, muß im Hinblick auf die Festigkeiten der Kokille und des Obergesenkes sowie im Hinblick auf die angewandten Drucke und Temperaturen eine Aufweitung derart zulassen, daß die Verdichtung des Gefüges zuverlässig eintritt. Besonders vorteilhaft erweist sich demgemäß hierfür Kupfer- bzw. eine Kupferlegierung. Sofern beispielsweise Werkstücke aus einer Aluminium-Knetlegierung hergestellt werden sollen, findet als Werkstoff für die Kokille und das Obergesenk ein bekannter, hitzebeständiger Stahl Anwendung.
  • Gemäß diesem Beispiel sind jeweils das zu verarbeitende Metall, die Kokille mit dem Obergesenk und die Dichtung werkstoffseitig aufeinander abzustimmen, so daß der Übergang von Form und Temperatur durch das Verhalten der genannten Werkstoffe nicht beeinträchtigt wird. Das für die Dichtung vorgesehene Metall muß sich einerseits unter der Einwirkung des bei dem Einpressen des Obergesenkes entstehenden Druckes plastisch verhalten, während es andererseits vom zuvor flüssigen Metall nicht aufgelöst oder angelöst werden darf. Es ist jedoch durchaus sinnvoll, wenn das Metall der Dichtung mit dem flüssigen Metall in einen Wärmeaustausch eintritt, so daß es sich seinerseits erhitzt und dadurch leichter verformbar wird.
  • Von erheblicher Bedeutung ist es für die Ausführung der Erfindung weiterhin, daß das flüssige Metall nach dem Einsenken des Obergesenkes den durch die Dichtung überhöhten Kokillenraum im wesentlichen druckfrei ausfüllt. Hierdurch wird nämlich vermieden, daß zwischen Dichtung und dem Randflansch der Kokille Metall austritt. Zur Ausübung des Druckes kommt es somit also erst dann, wenn die Erstarrung des flüssigen Metalls eingetreten ist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • Die Zeichnungen veranschaulichen das Prinzip des neuen Verfahrens. Darin zeigen:
    • Figur 1
    die mit flüssigem Metall beschickte Kokille mit noch nicht in das flüssige Metall eingebrachtem Obergesenk,
    Figur 2
    die Kokille mit vom Obergesenk teilweise verdrängtem flüssigen Metall und
    Figur 3
    die Umformung des eingebrachten Metalls im Anschluß an seine Erstarrung.
  • Die in Figur 1 mit 2 bezeichnete Kokille ist bis zu einer Höhe von etwa 2/3 ihres Hohlraumes mit flüssigem Metall 1 ausgefüllt. Den Temperaturverlust und die Erstarrung des flüssigen Metalls kann man weitgehend dadurch steuern, daß man die Kokille 2 entweder vorerhitzt oder kühlt. Für beides stehen dem Fachmann bekannte Mittel zur Verfügung.
  • Man erkennt ferner den oberen, ebenen Randflansch 5 der Kokille, auf welchem die Dichtung 4 derart aufliegt, daß sie die Kokillenöffnung 6 umschließt.
  • Nach Einbringung des flüssigen Metalls 1 wird das Obergesenk 3 in Richtung des Pfeiles 7 abgesenkt. Dieser Vorgang erfolgt mit der Maßgabe, daß das Obergesenk 3 zunächst die in Figur 2 wiedergegebene Stellung einnimmt und in dieser Lage verharrt. Dabei kommt es zur Verdrängung des flüssigen Metalls 1 derart, daß dieses gleichfalls in den mittels der Dichtung 4 überhöhten Kokillenraum eintritt, ohne jedoch dabei einem nennenswerten Druck ausgesetzt zu sein. Das Obergesenk 3 gelangt in diesem Zustand mit seinem zum Kokillenflansch 5 parallelen Randflansch 8 zur Anlage an der Oberkante der Dichtung 4. Die Menge des eingebrachten flüssigen Metalls sowie das Verdrängungsvolumen des Obergesenkes 3 bedürfen demgemäß einer sorgfältigen Abstimmung aufeinander, und zwar derart, daß mit Sicherheit vermieden werden muß, daß durch das Obergesenk mehr flüssiges Metall verdrängt wird, als der verbleibende Kokillenraum einschließlich seiner Überhöhung aufnehmen kann. Dadurch wird vermieden, daß beim Absenken des Obergesenkes flüssiges Metall über den Rand der Dichtung 4 herausgedrückt wird, während es infolge des drucklosen bzw. nahezu drucklosen Zustandes an der Unterkante der Dichtung 4 gleichfalls nicht austreten kann.
  • Mit dem gemäß Figur 2 eingeführten Obergesenk wird zunächst gewartet, bis die Erstarrung des flüssigen Metalls eingetreten ist. In Fig. 2 ist dieser Zustand durch ein schematisch dargestelltes Richtgefüge veranschaulicht.
  • Nach erfolgter Erstarrung kommt es zur Einpressung des Obergesenkes 3 in Richtung des Pfeiles 9, wie Fig. 3 zeigt. Das zuvor erstarrte Metall 1 erfährt jetzt eine Deformation, so daß es sich auch in horizontaler Richtung über den Öffnungsrand 6 der Kokille hinaus verschiebt, wobei zugleich die Wandstärke abnimmt. Im Zuge dieser Deformation kommt es zur Aufweitung der Dichtung 4, die dabei flach gedrückt wird. Da der Zeitpunkt der Einpressung des Obergesenkes 3 sehr genau auf den Zeitpunkt der Erstarrung abgestellt werden kann, lassen sich Lunker, Formhohlräume und dergl. durch entsprechende Ausübung des Preßdruckes verhindern. Die Gefahr der Ausbildung von Lunkern oder anderen Hohlräumen ist ohnehin stark reduziert, weil durch die Voreinstellung des Obergesenkes gemäß Figur 2 eine Herabsetzung der Wandstärke des noch flüssigen Metalls erzielt wird, so daß die bei größeren, zusammenhängenden Volumina häufig auftretenden Störungen der erwähnten Art praktisch vermieden werden. Es kommt also darauf an, daß die noch praktisch druckfreie Einsenkung des Obergesenkes mit der Maßgabe vorgenommen wird, daß sich die Wandstärke des danach verbleibenden, vom flüssigen Metall auszufüllenden Kokillenraums verringert.
  • Der vorstehend verwendete Begriff der Erstarrung des flüssigen Metalls besagt nicht notwendigerweise, daß es sich hierbei um eine durchgreifende Erstarrung des flüssigen Metalls handeln muß. Ausreichend ist, wenn eine Randzone des Metalls mit einem erheblichen Dickenanteil erstarrt ist, während der Kern bei Beginn der Verformung noch flüssig sein kann, um am Ende des Verformungsvorganges gleichfalls erstarrt zu sein. So läßt sich die Erstarrung zunächst auf den Randquerschnitt begrenzen, der einen Kern freiläßt, der noch empfindlich für die Ausbildung von Lunkern sein kann, wozu es dann jedoch nach Beginn der Verformung nicht mehr kommen kann. In der bereits beschriebenen Weise wird demgemäß der Zeitpunkt des Einpressens des Obergesenkes 3 auf einen Zeitpunkt der Erstarrung abgestellt, zu dem also nicht in jedem Falle auch die Beendigung der Erstarrung gegeben sein muß.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile nach dem Prinzip des Gießpressens, wobei etwa die für ein Bauteil erforderliche Menge flüssigen Metalls (1) in eine Formkokille (2) eingebracht wird, deren Hohlraum sie unvollständig ausfüllt, und darin mittels eines Obergesenkes (3) unter Ausformung des herzustellenden Bauteils verdrängt wird, wobei das Obergesenk (3) mit der Maßgabe der Verringerung des Hohlraumes der Kokille (2) auf das Bauteilvolumen eingesenkt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
       daß die unvollständige Hohlraumausfüllung durch das flüssige Metall (1) bei einer Kokille (2) mit einem oberen, ebenen Randflansch (5) erfolgt, der eine die Kokillenöffnung umschließende und den Kokillenraum überhöhende Dichtung (4) aufweist, wobei der Badspiegel unterhalb des Kokillenrandes verbleibt,
       und daß daraufhin das Obergesenk (3) derart weitgehend eingesenk wird, daß das flüssige Metall (1) über den Kokillenrand hinausgehend den durch die Dichtung (4) überhöhten Raum ausfüllt,
       und daß dann die Erstarrung des flüssigen Metalls (1) abgewartet wird,
       und daß abschließend das Obergesenk (3) unter Verformung des Metalls zu dem vorgesehenen Bauteil bei gleichzeitiger Aufweitung der Dichtung (4) eingepreßt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
       daß die abschließende Einpressung des Obergesenkes (3) bei dem im Zuge der Erstarrung noch heißplastischen Metall erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
       daß die Dichtung unter Einwirkung eines zum Kokillenflansch parallelen Randflansches des Obergesenkes bei der abschließenden Verformung flach gedrückt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
       daß für die Dichtung Kupfer oder eine Kupferlegierung eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
       daß das flüssige Metall nach Einsenkung des Obergesenkes den durch die Dichtung überhöhten Raum der Kokille im wesentlichen druckfrei ausfüllt.
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