EP0413885B1 - Niederdruck-Kokillen-Giessverfahren zum Giessen von Metallgussteilen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Niederdruck-Kokillen-Gießverfahren zum Gießen von Metallgußteilen, wie Zylinderköpfe oder Motorblöcke von Brennkraftmaschinen od.dgl., welche Gußteile bereichsweise überwiegend dünnere Wandung als an in ihren übrigen Bereichen besitzen, bei welchem Verfahren mittels Gasdruck flüssiges Metall aus einem Schmelzbehälter durch ein Steigrohr in eine Form gedrückt wird.
• Während bei bekannten Schwerkraft-Kokillen-Gießverfahren ein über die gesamte Kokillenhöhe herabfallender Metalleinguß erfolgt, wodurch in der Form starke Turbulenzen mit den bekannten nachteiligen Folgen für das Metallgefüge auftreten, ist beim bekannten Niederdruck-Kokillen-Gießverfahren durch das in die Form von unten her eingebrachte und in der Form hochsteigende Metall ein ruhiger Metallfluß gegeben, wobei die Gießgeschwindigkeit in jeder Phase der gewünschten Formfüllung angepaßt werden kann. Nach bisher allgemein akzeptierter Lehre werden beim bekannten Niederdruckgießverfahren die Gießformen so angelegt, daß die dicksten Wandpartien des Gußteiles in Angußnähe, die dünnwandigeren Bereiche entfernt davon liegen. Dies geschieht in der Absicht, die Dichtspeisung des Gußteiles während seiner Erstarrung ausschließlich durch vom Steigrohr her nachgedrückte Schmelze zu ermöglichen, d.h. die Erstarrung soll von angußfernen Bereichen des Gußteiles her zum Anguß hin verlaufen (siehe DE-A-32 47 129 und Handbuch "Kokillen für Leichtmetallguß" von Prof. Dr. Philipp Schneider, Gießerei-Verlag 1986, S. 205, 206). Da bei einer solchen Lagevorgabe für die Form die angußnahen überwiegend dickwandigen Bereiche der Gußteile in der Form relativ langsam erstarren, ist die Bildung eines grobkristallinen Gefüges mit Ausscheidungen grober intermetallischer Verbindungen in diesem Bereich des Gußteils die Folge. Dies hat sich jedoch bei Gußteilen, die bei ihrer Verwendung im Bereich ihrer vorwiegend dickeren Wandung höheren Beanspruchungen ausgesetzt sind, wie dies beispielsweise bei Zylinderköpfen im Brennraumbereich der Fall ist, als sehr unbefriedigend erwiesen. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Verfahrensweise ist darin zu sehen, daß mit Rücksicht auf eine einwandfreie Formfüllung in den anfußfernen dünnwandigen Bereichen mit entsprechend überhöhter Gießtemperatur gearbeitet werden muß, was sich andererseits nachteilig auf die gesamte Erstarrungszeit, d.h. die Dauer eines Gießzyklusses und auch auf die Gußqualität auswirken muß.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des bekannten Niederdruck-Kokillen-Gießverfahrens zu vermeiden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei diesem Gießverfahren die Form so angeordnet wird, daß ihre die überwiegend dickere Wandung des Gußteiles bildenden Formhohlräume angußfern und ihre die überwiegend dünnere Wandung bildenden Formhohlräume angußnahe liegen, wobei das flüssige Metall an oder nahe dem angußnahe liegenden Bereich der Form in die die dünnere Wandung bildenden Formhohlräume eingeleitet wird. In der Regel werden dabei die angußfernen Formhohlräume oben und die angußnahen Formhohlräume unten liegen. Es hat sich herausgestellt, daß mit dieser im Gegensatz zur langjährigen bisher streng eingehaltenen Praxis stehenden Verfahrensweise besonders einwandfreie Gußteile unter vorteilhaften Produktionsbedingungen erhalten werden. Durch die beim Niederdruck-Gießverfahren gegebene turbulenzfreie Formfüllung werden dabei Schaumbildung und Oxideinschlüsse vermieden und insgesamt werden günstige Voraussetzungen für die Erzeugung hochwertiger Gußteile geschaffen.
• Durch die Einspeisung des flüssigen Metalls in die angußnahe liegenden, die dünnere Wandung des Gußteils bildenden und damit kleineren Durchtrittsquerschnitt besitzenden Formhohlräume wird das eingespeiste Metall in diesen Formbereichen bei seinem Hochsteigen innerhalb der Form abgekühlt, so daß es mit relativ niedrigen Temperaturen in die darüber befindlichen, die dickere Wandung des Gußteils bildenden größeren Formhohlräume gelangt, ohne Gefahr zu laufen, daß irgendwelche Formhohlräume nicht ausreichend gefüllt werden können. Dabei verhindert die Aufheizung der vom gesamten Metallvolumen durchströmten dünneren angußnahen Formquerschnitte ein vorzeitiges Einfrieren der angußnahen Formhohlräume. Die im Vergleich zum Schwerkraftkokillenguß beim Niederdruckgießverfahren ohne Gefahr von Turbulenzen mögliche relativ große Formfüllgeschwindigkeit erlaubt es sogar, daß die Wandung des Gußteiles in diesem Bereich dünner als herkömmlich ausgebildet werden kann, wenn dies bei dem zu gießenden Gußteil aus Festigkeitsgründen tragbar ist, wodurch eine Materialkostenersparnis bei dem herzustellenden Gußteil erreicht werden kann. Die Herstellung eines Gußteiles mit zumindest bereichsweise dünnerer Wandung bietet wiederum den Vorteil, daß insgesamt geringere Metallvolumina gefördert und bei ihrer Erstarrung dichtgespeist werden müssen und daß der gesamte aus Formfüllzeit, Erstarrungsdauer und Rüstzeit bestehende Gießzyklus verkürzt wird.
• Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das im steigenden Niederdruck-Kokillenguß in die oberen größeren Formhohlräume gelangende Metall bereits weitgehend abgekühlt ist, wird eine rasche Erstarrung des Metalls in diesem Bereich erreicht, die zu einem feinkristallinen Gefüge im Gußteil führt, welches die Gewähr für dessen optimale Festigungseigenschaften bietet. Hierdurch wird es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Gußteile, wie Zylinderköpfe, Motorblöcke od. dgl., auch in ihren beanspruchten Bereichen, mit geringeren Wanddicken als heute üblich herzustellen, ohne daß die Gefahr gegeben ist, daß sie den Anforderungen an ausreichende Festigkeit bei ihrem Einsatz nicht mehr gewachsen sind. Geringere Wanddicken des Gußteils auch in diesen Bereichen bedeuten aber wiederum schnellere Formfüllung und raschere Erstarrung des Gußteils und damit bessere Materialeigenschaften.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zweckmäßig das flüssige Metall über einen Bodenlauf an mehreren Angußstellen dem angußnahe liegenden Bereich der Form in die die dünnere Wandung des Gußteiles bildenden Formhohlräume eingeleitet. Die anschnittnahen Formhohlräume werden vom durchströmenden Metall soweit aufgeheizt, daß sie trotz geringer Querschnitte relativ lange vor einem Einfrieren bewahrt werden und wenigstens bereichsweise eine Nachspeisung der Form während einer Nachdruckphase vom Anguß her vorgenommen werden kann.
• Erforderlichenfalls ist eine weitere Nachspeisung von flüssigem Metall an mehreren Stellen der angußfernen Seite der Form durch aufgesetzte Speiser in die die dickere Wandung des Gußteils bildenden größeren Formhohlräume möglich. Da diese Nachspeisung meist nur eine geringe Reichweite haben muß, genügen relativ kleine Speiseraufsätze, wodurch wiederum eine unerwünschte Aufheizung der gesamten Form, insbesondere des oberen Formbereichs, durch das in den Speisern befindliche flüssige Metall weitgehend vermieden wird.
• Im Gegensatz zum bekannten Niederdruckgießverfahren, das im Prinzip darauf angelegt ist, den an der Steigrohrmündung gelegenen Eintrittsquerschnitt der Gießform als letzten Abschnitt des Gußteiles erstarren zu lassen, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren dieser Eintrittsquerschnitt in der Regel vor den entfernter liegenden Bereichen des Gußteiles erstarrt sein. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Niederdruckgießofen nicht starr mit einer Gießform verkoppelt ist, sondern im zyklischen Wechsel mehrere Gießformen bedient. Je schneller der Eintrittsquerschnitt der Gießform erstarrt, um so eher kann das Steigrohr des Niederdruckofens von der Gießform abgekoppelt und für den nächsten Gießzyklus mit einer anderen Gießform verbunden werden.
• Im folgenden wird das erfindungsgemäße Gießverfahren anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1

der Zeichnung zeigt eine an ein Steigrohr einer Niederdruckkokillengießmaschine angeschlossene Kokille zum Gießen eines Zylinderkopfes im Querschnitt in schematischer Darstellung.

Fig. 2

zeigt in zwei verschiedenen Teilschnitten eine an ein Steigrohr einer Niederdruckkokillengießmaschine angeschlossenen Kokille zum Gießen eines Zylinderblockes ebenfalls in schematischer Darstellung.

• In den beiden Figuren ist die in bekannter Weise mehrteilige Kokille mit Kernen nur einstückig dargestellt, um die Übersichtlichkeit der Zeichnung nicht zu beeinträchtigen.
• Die in Fig. 1 im Querschnitt gezeigte Kokille 1 dient zum Gießen eines Zylinderkopfes, der an seiner einen brennraumbegrenzenden Seite und in seinem daran anschließenden Bereich im allgemeinen dickere Wandung als an seiner gegenüberliegenden Seite und in dem daran anschließenden Bereich besitzt. Der Brennraum dieses Zylinderkopfes wird durch die dickeren Wände begrenzt, die in der Kokille von den in Fig. 1 oberen, sich schräg erstreckenden breiteren Formhohlräumen 5 gebildet bzw. umgeben werden. Diese Kokille ist mit mehreren Angußstellen 2 über einen Bodenlauf 3 an das Ende 4 eines Steigrohres einer nicht dargestellten Niederdruckkokillengießmaschine angeschlossen, und zwar so, daß ihre die dickere Wandung des Zylinderkopfes bildenden Formhohlräume 5 oben und ihre die dünnere Wandung des Zylinderkopfes bildenden Formhohlräume 6 unten liegen. Über den Bodenlauf 3 wird das geschmolzene Gießmetall zunächst in die unten liegenden, meist kleineren oder schlankeren Formhohlräume 6 eingeleitet. Durch diese Formhohlräume 6 steigt das eingeleitete Metall im wesentlichen turbulenzfrei und ruhig in der Kokille nach oben in die oberen meist größeren oder dickeren Formhohlräume 5 sowie in die auf die Form aufgesetzten Speiser 7 hinein, die zur Nachspeisung der oberen Formhohlräume 5 zweckmäßig sein können. Die Nachspeisung der unteren Formhohlräume 6 erfolgt über das Steigrohr und den Bodenlauf von der Angußseite her.
• Die in Fig. 2 im Querschnitt gezeigte Kokille 11 dient zum Gießen eines Zylinderblockes, der an seiner den Kurbelwellenraum 18 begrenzenden Seite und in seinen daran anschließenden Bereichen im allgemeinen dünnere Wandung als in seinen darüber befindlichen Bereichen hat. Auch diese Kokille ist mit mehreren Angußstellen 12 über einen Bodenlauf 13 an das Ende 14 eines Steigrohres einer nicht dargestellten Niederdruckkokillen-Gießmaschine angeschlossen, und zwar so, daß ihre die dickere Wandung des Zylinderblockes bildenden Formhohlräume 15 oben und ihre die dünnere Wandung des Zylinderblockes bildenden Formhohlräume 16 unten liegen. Auch hier wird über den Bodenlauf 13 das geschmolzene Gießmetall zunächst in die unten liegenden, meist kleineren oder schlankeren Formhohlräume 16 eingeleitet, durch welche Formhohlräume das Metall im wesentlichen turbulenzfrei und ruhig in der Kokille nach oben in die oberen, meist größeren Formhohlräume 5 sowie in die auf die Form aufgesetzten Speiser 17 hineinsteigt.

Claims (6)

1. Niederdruck-Kokillen-Gießverfahren zum Gießen von Metall-Gußteilen, wie Zylinderköpfte oder Motorblöcke von Brennkraftmaschinen od.dgl., welche Gußteile bereichsweise überwiegend dünnere Wandung als in ihren übrigen Bereichen besitzen, bei welchem Verfahren mittels Gasdruck flüssiges Metall aus einem Schmelzbehälter durch ein Steigrohr in eine Form (1) gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (1) so angeordnet wird, daß in ihr die überwiegend dickere Wandung des Gußteiles augußfern liegend und die überwiegend dünnere Wandung angußnahe liegend gegossen werden, wobei das flüssige Metall an oder nahe dem angußnahe liegenden Bereich der Form in die überwiegend dünnere Wandung bildenden Formholräume (6, 16) eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall über einen Bodenlauf (3, 2) an mehreren Angußstellen dem angußnahe liegenden Bereich der Form (1) in die die dünnere Wandung des Gußteiles bildenden Formhohlräume (6, 16) eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachspeisung von flüssigem Metall an mehreren Stellen der angußfernen Seite der Form (1) in die die dickere Wandung des Gußteiles bildenden Formhohlräume (5, 15) durch auf die Form aufgesetzte Speiser (7, 17) vorgenommen wird.
4. Verfahren zum Gießen von Zylinderköpfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderköpfe in der Form mit nach oben gerichteten Brennraumseiten gegossen werden.
5. Verfahren zum Gießen von Zylinderblöcken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderblöcke in der Form mit nach unten gerichtetem Kurbelwellenraum gegossen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckgießofen mit der Gießform jeweils nur für einen Gießzyklus verbunden und nach Erstarrung des oder der Formeintrittsquerschnitte von der Gießform abgekoppelt wird.

Images